(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスフロー濾過用途に適した、平面内での透過液の流れに優れるポリマー繊維支持体と一体に結合したシート形態の半透性ポリマー膜の製造方法において、当該方法が、
厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍで全体に一様な性質の繊維支持体を設けるステップと、
上記繊維支持体の上面へのポリマー粒子のメルトブローによって特性の異なる厚さ０．３ｍｍ以下で平均孔径３００ミクロン以下の上面支持領域が生成するように上記繊維支持体の上面を処理するステップと、
溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を上記繊維支持体の上面に流延するステップと、
上記溶媒を除去して上記層をゲル化し、半透膜を形成するステップと
を含んでおり、得られる繊維支持体と一体に結合した半透膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用の膜カートリッジに使用できる構成のものであることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記繊維支持体が、厚さ０．４ｍｍ〜１ｍｍで幅３０ｃｍ以上であり、しかもその平面内での水性流体の流れに対して、２０ａｔｍ・秒／ｍｌ以下のＨ値として測定される低い抵抗を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記繊維支持体の上面を、厚さ０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍで孔径２００ミクロン以下の上面支持領域が生成するように処理することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記繊維支持体が不織材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記上面支持領域の厚さが１〜５ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
平面内での透過液の流れに優れるポリマー繊維支持体と一体に結合したシート形態の半透膜を用いたスパイラル型クロスフロー濾過カートリッジの製造方法において、当該方法が、
（ａ）厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの繊維支持体で、該繊維支持体の中心主領域とは特性の異なる異なる各々厚さ０．３ｍｍ以下で平均孔径３００ミクロン以下の表面支持領域をポリマー粒子のメルトブローによって両面に設けた繊維支持体を設けるステップと、
（ｂ）溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を、上記繊維支持体の両面に流延するステップと、
（ｃ）上記溶媒を除去して上記層をゲル化し、ポリマー半透膜をその場で上記繊維支持体の両面に形成するステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）の生成物を、その他の透過液キャリアなしで、生成物の膜表面と並置した供給液通路用シート材料と共に多孔質管の周りに螺旋状に巻き付けて、クロスフロー濾過カートリッジを形成するステップと
を含んでおり、得られる繊維支持体と一体に結合したポリマー膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジに効率的に使用できる構成のものであることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記一体型支持層のＨ値が２０ａｔｍ・秒／ｍｌ以下であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記繊維支持体シートの主領域が、直径３０〜４０ミクロンのポリマー繊維からなることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記一体型支持層のＨ値が１０ａｔｍ・秒／ｍｌ以下であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
全体に一様な繊維特性を有する繊維支持体の両面を、ポリマー粒子のメルトブロー又はポリマー繊維層の湿式積層によって処理することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記層を水浴中で同時にゲル化して、その場で形成した半透膜を両面に有する生成物を生成させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
クロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジであって、当該カートリッジが、
中央管と、
平面内での透過液の流れに優れる一体型支持層の両面にポリマー半透膜を設けた両面シート構造の半透膜材料と
を備えており、
上記一体型支持層が厚さ０．１ｍｍ〜２ｍｍの繊維支持体シートからなり、
上記繊維支持体シートの両面が厚さ０．３ｍｍ以下で平均孔径３００ミクロン以下の表面支持領域を備えており、
上記繊維支持体シートが、その平面内での水性流体の流れに対して、２０ａｔｍ・秒／ｍｌ以下のＨ値として測定される透過液キャリア効率を有するものであり、
上記半透膜が、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を上記繊維支持体シートの表面上に流延した後溶媒を除去して流延層をゲル化させることにより上記表面にその場で形成することによって繊維支持体の表面支持領域に一体に結合したものであって、得られる繊維支持体と一体に結合したポリマー膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジに効率的に使用できる構成のものであり、
上記半透膜が、処理すべき液体を輸送するよう設計された１枚の多孔質供給液用材料と共に上記中央管の周りに螺旋状に巻き付けられて円筒形アセンブリを形成することを特徴とするカートリッジ。
【請求項１３】
前記繊維支持体シートが厚さ０．４ｍｍ〜２ｍｍで幅３０ｃｍ以上であり、前記表面支持領域が厚さ０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍで平均孔径２００ミクロン以下であることを特徴とする請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１４】
前記表面支持領域の厚さが０．１ｍｍ以上であり、前記繊維支持体シートの厚さが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１５】
前記繊維支持体シートが、直径３０〜４０ミクロンの不織ポリマー繊維からなる主領域を含むことを特徴とする請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１６】
前記一体型支持層のＨ値が１０ａｔｍ・秒／ｍｌ以下であることを特徴とする請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１７】
前記多孔質供給液用材料シートが前記中央管の内部と連通していてその縁部が封止され、螺旋状に巻かれた透過液用材料の一縁部がそこから透過液の流れを排出できるように開放されていることを特徴とする請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１８】
前記円筒形アセンブリの外面に略円筒形のカラーが接着剤で取り付けられているとともに、円筒形圧力容器の内面に対して上記カラーの外面を封止してそこを軸方向に通過する供給液の流れを防ぐ手段を備えることを特徴とする請求項１７に記載のカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一体型支持層を有するシート状形態の半透膜材料であって、分離のためのクロスフロー濾過に特に有用であるようにその平面内での透過液フローを優れたものにする半透膜材料を作製する方法と、そのような膜を組み込んだ構造を特に利用することができる新規なクロスフローカートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は主に、クロスフロー濾過用のシート状の膜の透過液側に使用される基材であって、その平面内での液体輸送が優れた材料、例えばスパイラル型半透膜カートリッジの回収領域へのフローが優れた材料が提供されるような基材を改善することに関する。そのようなクロスフロー材料は、逆浸透（ＲＯ）、ナノ濾過（ＮＦ）、または限外濾過（ＵＦ）プロセスに特に有用と考えられ、より詳細には、これらの材料は、クロスフロー濾過用カートリッジを作製するためのより効率的な方法を提供すべきであり、改良されたカートリッジが得られるべきである。
【０００３】
液体と第２の成分、例えば別の液体や溶解しまたは懸濁した固体などの第２の成分とを分離するためのＲＯ膜およびＵＦ膜は長年知られており、そのようなＲＯおよびＵＦプロセスで使用するための様々な半透膜が開発されている。ごく最近になって半透性ＮＦ膜が開発され、これら３種のプロセスに有用な膜を以下一般にクロスフロー（ＣＦ）膜と呼ぶが、これは例えばスパイラル型カートリッジなど、フローが半透膜表面を通過して濃度の高いフローが供給流路の反対側の端部から引き出されるクロスフロー濾過プロセスでの使用を目的とすることを示すものとする。これらの膜は、そのような分離を行うのに満足のいくものであるが、潜在的な膜性能が実現されるよう、何らかのカートリッジまたはフィルタモジュールに組み込まなくてはならない。従来のＣＦ濾過モジュールのいくつかの欠点に注目してきたが、そのいくつかは、必要とされる液体流パターンを提供するための、半透膜とこの半透膜に隣接ししばしば接触するその他の材料層との特定の組合せから生じている。
【０００４】
一例として、スパイラル型のＲＯカートリッジは、個別に流延させた半透膜用の基材および透過液キャリアとして様々な材料を使用しており、その組合せは通常ブライン側スペーサと一緒に巻き付けられて、スパイラル型クロスフローアセンブリを形成する。カートリッジ開発の初期に使用するよう提唱された基材の１つのタイプが開示されており（例えば、特許文献１参照）、多孔質の支持体に取着されたガラスビーズなどの非圧縮性物質の粒子を含んでいた。透過液キャリアとして長年にわたり使用されてきた基材のより一般的なタイプはエポキシ含浸トリコットであり、これは２枚の個別に製造された半透膜の間に単層透過液キャリアとしてしばしば挟まれて使用されるが、これら２枚の半透膜は、適切な基材上に流延され次いでそれらの縁部が接合されてこの透過液キャリアを包むようになされたものである。
【０００５】
透過液キャリアは、半透膜の低圧側から透過液を引き出して出口まで運ぶ。一般に、そのようなクロスフロー濾過システムで改善が求められる２つの領域は、（ａ）透過液の処理量または回収率であり、（ｂ）濾過装置の保全間隔または耐用寿命であり、これらの２つの領域は、ある特定の態様で互いに関連し合っている。例えば透過液の処理量または回収率は半透膜に加えられる圧力に直接関係し、一般に、加えられる圧力が高いほど、透過液が膜の低圧側にフローする速度が速くなる。しかし、より高い圧力はより多くのエネルギーを必要とし、ほとんどの半透膜構造は非常に高い圧力に耐えることができないので、加えられる圧力を制限なく自由に高めることはできない。さらに、ある特定の半透膜に過剰な圧力を加えると、その膜が破れる場合がある。透過液を膜に通すため、すなわち溶液の浸透圧に打ち勝つようにするためだけではなく、透過液をその流路に沿ってスパイラル型カートリッジの回収点まで流すために高圧を使用するときに生じる圧力損失は、ときに側圧損失と呼ばれ、これはすなわち透過液キャリアに沿った、または透過液キャリアを通過する透過液のフローに対する抵抗力である。支持体材料の平面内で液体を流す効率は、以下に述べるようにＨ値と呼ばれるものを生成するために、より最近になって数字目盛上で測定されている。
【０００６】
個別に流延した半透膜に物理的な支持体を設けることにより、引延ばし、たるみ、または破れを防止する他、そのような基材は、典型的なＣＦ濾過モジュールにおいて、透過液に対して回収点まで適切な流路が与えられるように、すなわち透過液キャリアとして常に機能する。例えば、今日広く使用されている典型的なＣＦ濾過システムは、半透膜層と、この半透膜が表面に直接流延される機械式補強またはバギング防止支持層と、主に透過液用の流路を提供する透過液キャリア層とを含んだ３層構成を使用する。今日使用されている一般的な透過液キャリアは、一般にエポキシまたはメラミン被覆されたポリエステルなどの編地であるトリコット材料からなる。
【０００７】
そのようなクロスフロー濾過用のスパイラル型半透膜カートリッジを作製するための製造プロセスが示されている（例えば、特許文献２参照）。非常に大まかに言うと、従来は、１枚の透過液キャリア材料１２を多孔質回収管８の周りに巻き付けて、そこに追加の複数のリーフを接合していた。この配置構成では、透過液材料のそのような１枚のリーフによって、折り重ねた１枚の半透膜シートとそこに隣接する折り重ねた半透膜シートとが隔てられ、折り重ねた膜の互いに向き合う２分の１の膜表面間には、複数の供給材料シート１６が配置される。これらの膜シートは、半透膜４６の基層を多孔質フェルト裏層４８上に流延して自由上面を残した状態にし、その表面に、ＲＯまたはＮＦ用として薄くてより識別性の高い層を形成することによって形成される。そのようなスパイラル型カートリッジでは、従来から、分離プロセスで処理されるブラインまたはその他の不純な液体を、折り重ねた膜の対向面の間に配置された供給シートを通して軸方向にポンピングすることにより、膜の活性な表面に供給している。これは、予め薄いフェルト支持層上に流延させたポリスルホン系の膜（それ自体はＵＦ能力を有するものであってもよい）表面での界面反応を経てポリアミドから一般に作製されるＮＦおよびＲＯ膜として、米国全土で広く使用されている構造であることを示している。透過液を濾過要素の一端から軸方向に排出するほぼ類似する構造が示されているが（例えば、特許文献３参照）、封止に問題があることから、商用として広く受け入れられていない。
【０００８】
クロスフロー濾過用に設計されたスパイラル型半透膜カートリッジ、すなわち半透膜をシート形態に流延し、次いでスパイラル型カートリッジの一部として、Ｒｅｅｍａｙ０６０１として市販されているＤａｃｒｏｎポリエステルフェルトなどの第１のフェルト層に結合し、それを樹脂含浸型Ｄａｃｒｏｎポリエステルトリコットに隣接して配置したものが示されている（例えば、特許文献４参照）。トリコット生地は、その遠位表面で交互に並んだチャネルをもたらす平行な幅広のリブと細い溝のアレイを有するよう、特別に形成され、これが同様の表面に接している。このようにカートリッジは、３つの縁部に沿って１つが別のものに結合した複数の膜のエンベロープを含み、そのような２重の基材は互いに対向して、両側の溝またはチャネルと並んだリブと互い違いの状態になり、その結果、透過した液体が容易に中央回収管にフローすることができる開放流路が設けられている。
【０００９】
処理フィルタ用の濾材の作製について教示されており（例えば、特許文献５参照）、これは、多孔質不織布支持材を、比較的大きいサイズの細孔が生成されるような性質を有する第１の流延溶液で被覆し、さらにかなり小さいサイズの細孔を有する多孔質材料が生成されるよう設計された第２の流延溶液で被覆する。流延溶液はポリスルホンなどのポリマー材料で形成され、同時に、不織布基材を組み入れた一体化構造が生成されるようゲル化する。複合濾材の作製が教示されており（例えば、特許文献６参照）、中央チャネルに至る同心状の溝を両面に有するポリスルホンディスクの各面を、支持体および排水媒体としての役割を果たすウエットレイドポリエステル不織繊維フェルトで覆い、これをポリアミド繊維多孔質媒体で、次いでスパンボンドポリプロピレン層で覆う。この配置構成全体をアルミニウム板の間に締め付け、次いで溶媒結合させて、隣接する層を基材に接合して複合体構造を得る。
【００１０】
透過液キャリアとしてトリコット材料がしばしば広く選択されてきたが、さらに良好な材料、例えば液体のフローに対する抵抗がさらに低い材料などを見出すよう捜し求めるうえで、その他のキャリア材料についても調査が行われており、例えば不織ポリプロピレンキャリアがいくつかの場合に使用されている。ＵＦおよびＲＯ分離プロセスで使用されるスパイラル型膜構造が開示されており（例えば、特許文献７参照）、半透膜がポリプロピレンまたはポリエステルフェルト裏層上に流延され、次いでリブ付き透過液キャリアに結合している。いくつかのポリテトラフルオロエチレン膜をポリエステルトリコットキャリア上に積層して、本発明の配置構成と比較されるクロスフロー構造を設けたが、この構造では、各半透膜エンベロープ内の透過液通路は、ウェブ様マトリックスによって相互接続された平行な円筒形のリブであって、透過液がフローする方向に延びるリブを使用する１対のキャリア層を構成する。
【００１１】
このような特別な配置構成はいくつかの限られた領域で有用であることがわかったが、クロス濾過カートリッジの製造業者は一般に、透過液キャリア層を得るのに依然としてトリコットメリヤス生地に頼っている。ＵＦクロスフロー濾過カートリッジで頻繁に使用される材料の１つの組合せは、厚さ約３〜５ミル（約０．０８〜０．１３ｍｍ）のフェルト基材上に流延した一般に厚さ約４ミル（約０．１０ｍｍ）のポリスルホン膜を含み、これを、概略的に開示されるような（例えば、特許文献２参照）製作方法を使用して、ウェール定格が４８、すなわちインチ当たりの糸数が４８であるＫ−１０１５Ｈｏｒｎｗｏｏｄトリコットなどのトリコット透過液キャリアに結合し、巻いてそのような材料からカートリッジを作製する。
【００１２】
ＣＦ膜カートリッジにより有利な配置構成、特に経済的な製造が可能なもの、したがって商業上の利益をもたらす配置構成が求められている。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第３，３６７，５０５号
【特許文献２】米国特許第４，８４２，７３６号
【特許文献３】米国特許第４，８５５，０５８号
【特許文献４】米国特許第３，８１３，３３４号
【特許文献５】米国特許第５，５００，１６７号
【特許文献６】米国特許第５，８０４，２８０号
【特許文献７】米国特許第４，８０２，９８２号
【特許文献８】米国特許第５，７５０，１５１号
【特許文献９】米国特許第５，７７９，８４７号
【特許文献１０】米国特許第４，６９０，７６５号
【特許文献１１】米国特許第４，６１４，５８６号
【特許文献１２】米国特許第５，１３２，０５９号
【特許文献１３】米国特許第６，０７４，８６９号
【特許文献１４】米国特許第５，２５８，２０３号
【特許文献１５】米国特許第６，０９０，４１１号
【特許文献１６】米国特許第３，３９７，７９０号
【特許文献１７】米国特許第５，２６６，１９５号
【特許文献１８】米国特許第５，１０８，６０４号
【特許文献１９】米国特許第５，３９７，６３２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって本発明の目的は、異なる材料で作製された最小限の数の層から構成されたクロスフロー濾過カートリッジであって、非常に低い圧力での操作が可能なごく最近製造されたものも含む、様々なＵＦ、ＮＦ、およびＲＯ膜と共に使用可能な十分低い側圧損失を示すカートリッジを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
簡単に要約すると、本発明は、ポリスルホンまたはその他の半透膜が、表面に流延を行う従来からの膜支持基材と透過液キャリアとの両方の役割をする材料の繊維シート上に形成され、またそのシートに一体的に結合するようになる配置構成が提供され、したがって、分離の適用分野で使用されるマルチリーフスパイラル型カートリッジなどのクロスフロー膜カートリッジの製造における、１つの主要なステップが省かれる。このため、隣接する折り重ねたシートからの半透膜パネルの３つの縁部を互いに結合しまたは接着することが、従来は中央回収管に至る透過液通路提供シートを取り囲んだエンベロープが生成されるよう行われてきたが、この製造上の操作が単純化され、さらに、現在製造中に生じる透過液キャリア材料のしわという潜在的な問題も、本質的に回避される。本発明は、シングルリーフやプリーツ付きデザインなど、その他のクロスフローカートリッジの画期的な製作の機会を生む材料も提供する。
【００１６】
より詳細には本発明は、表面に流延される膜を支えるだけではなく、別の透過液キャリアをもはや必要とすることがないようにその平面内に優れた透過液流路も提供するポリマー繊維支持材上に、シート形態の半透膜をその場で作製する方法を提供する。平均孔径が約３００ミクロン以下の上面または外面が設けられるように適切なポリマー繊維支持材を作製しまたは適切に処理し、適切な溶媒中にポリスルホンなどのポリマー樹脂を含有する溶液をこの上面に流延し、その後溶媒を除去して流延層をゲル化しその場で半透膜を形成する製造方法を使用することが好ましい。そのようなポリスルホン層はＵＦ膜としての役割を果たすことができるが、ＲＯまたはＮＦの適用分野では、その後、ベース膜としての役割を果たすポリスルホン膜の界面に、より識別性の高い層、例えばポリアミドフィルムを形成する。繊維支持材は、スパイラル型カートリッジなどのクロス濾過カートリッジを、従来からの補助透過液キャリアをそこに結合することなく使用できるよう、そのような液体のフローに対する抵抗がその平面内で十分に低くなるように選択され、したがってクロスフローカートリッジ製作における時間のかかる結合ステップ全体が省かれる。この点で材料は一般に、平面流に対して現在使用されている単一の透過液キャリアのわずか２分の１に等しい透過性を示す必要があるが、その理由は、標準的なカートリッジ構成では、エンベロープが形成されるよう結合が行われる対向する半透膜に添着された同様の層と並べて配置されることになるからである。
【００１７】
本発明の別の実施形態で、ポリマー繊維支持体は、スパイラル型カートリッジの１枚のリーフ全体に対して適切な透過液流が供給されるような厚さを有するように選択され、その両面は、平均孔径が以前述べた範囲内になるよう形成される。この実施形態では、例えば支持体ウェブを垂直方向下向きに移動させながら、半透膜を反対側の２面に流延する。次いでこれらの流延層を、例えば水タンクなどの内部で同時にゲル化して一体型クロス濾過リーフを生成するが、これは、わずかに異なる製作方法を使用してクロスフロー濾過カートリッジを生成する１枚または複数枚のフィードスペーサ材料が直接螺旋状に巻き付けられたものである。そのような製作方法は、２つのタイプのシート材料しか取り扱う必要がなく、したがって、いかなる巻付け手順も大幅に単純化され、２枚の材料を使用するだけでシングルリーフスパイラル膜を巻き付けることができる。
【００１８】
第１の特定の態様では、本発明は、ポリマー繊維支持体に一体的に結合されたシート形態の半透性ポリマー膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにし、したがってクロスフロー濾過の用途が見出された半透性ポリマー膜を作製する方法を提供し、この方法は、厚さが少なくとも０．１ｍｍである繊維支持体および平均孔径が約３００ミクロン以下である上面支持領域を設けるステップと、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体の前記上面に流延するステップと、前記溶媒を除去して前記層をゲル化しかつ半透膜を形成するステップとを含み、その結果得られた、繊維支持体に一体的に結合された半透膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して十分に低い抵抗を示し、補助透過液キャリアに結合することなくクロスフロー濾過用の膜カートリッジで使用することが可能になる。
【００１９】
別の特定の態様では、本発明は、一体型ポリマー繊維支持層に結合されたシート形態の半透膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにする半透膜を使用した、スパイラル型クロスフロー濾過カートリッジを作製するための方法を提供し、この方法は、（ａ）厚さが少なくとも約０．４ｍｍの繊維支持体と、前記繊維支持体の中心とは物理的に異なる１つの表面領域であって、その厚さが少なくとも約０．１ｍｍであり平均孔径が約２００ミクロン以下である表面領域を設けるステップと、（ｂ）溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を、前記繊維支持体の前記１つの表面に流延するステップと、（ｃ）前記溶媒を除去して前記層をゲル化し、ポリマー半透膜をその場で前記繊維支持体上に形成するステップと、（ｄ）ステップ（ｃ）の前記生成物を、前記生成物の膜表面と並べて配置した供給通路提供シート材料に関連付けた状態で、かつ別個のいかなる透過液キャリアも存在させない状態で、多孔質回収管の周りに螺旋状に巻き付けて、クロスフロー濾過カートリッジを形成するステップとを含み、その結果得られた、前記繊維支持体に一体的に結合した前記ポリマー膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して十分に低い抵抗を示し、いかなる補助透過液キャリアにも結合することなくクロスフロー濾過用スパイラル型膜カートリッジで効率的に使用することが可能になる。
【００２０】
別の特定の態様では、本発明はクロスフロー濾過用の膜カートリッジを提供し、このカートリッジは、ポリマー半透膜と、その平面内での透過液フローを優れたものにする一体型支持層とを含んだシート形態の半透膜材料を含み、前記一体型支持層は、厚さが少なくとも約０．１ｍｍの繊維支持体シートからなり、前記繊維支持体シートの一主面は、平均孔径が約３００ミクロン以下の領域を構成し、前記繊維支持体シートは、約１００ａｔｍ・秒／ｍｌ以下のＨ値として測定される、その平面内の水性流体のフローに関する透過液キャリア効率を有し、前記半透膜は、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体シートの前記１つの表面上に流延し、その後前記溶媒を除去して前記流延層をゲル化することによってその表面にその場で形成された結果、前記繊維支持体の前記１つの表面領域に一体的に結合されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、クロスフロー濾過プロセスで使用するための、改善されたシート様半透膜材料を提供する。より詳細には、本発明は、そのような材料を作製するための、またそのような材料でクロスフロー濾過カートリッジを作製するための新規な方法を提供し、またそのような材料を組み込むことによって可能になったデザインを有する新規なクロスフロー濾過カートリッジ、特にスパイラル型カートリッジも提供する。
【００２２】
従来、クロスフロー濾過装置では、溶液、例えば生理食塩水またはかん水であってしばしばブラインと呼ばれるものが、そのようなカートリッジの螺旋巻きを通って軸方向に送出される。ブラインは半透膜表面を通過し、その出口まで移動する際に水中に徐々に消えていくが、これは水が半透膜を通って浸透する結果である。従来そのような膜は、所望の幅のシート様半透膜を生成し、次いでこれを巻き取って、クロスフローカートリッジの製作に使用されるまでロール形態で保管されるように、比較的薄い層として多孔質強度付与基材上に流延していた。スパイラル型カートリッジを製作する場合、そのようなロールからのシート形成は、何枚かのフィードスペーサ材料シートと何枚かの透過液キャリア材料シートに関連し、中央の管の周りに巻き付けられてスパイラル型カートリッジを形成するが、その代表的な製作方法が教示されている（例えば、特許文献２参照）。本発明は、スパイラル型カートリッジなどのクロスフロー濾過膜カートリッジを製造するためのこの製作プロセスを単純化するが、これは、適切な繊維支持材の表面に直接半透膜を流延することによって、すなわちその平面内での液体のフローに対する抵抗がそれ自体は低く、したがって許容可能な程度に小さい圧力低下が生じるだけで従来の多孔型中央管などの回収管に透過液を輸送する適切な能力を有するものを作製することによって実施される。
【００２３】
前述の事項に留意し、高バルクポリマー材料とも呼ばれてその内部全体にわたるオープンスペースのパーセンテージが高い材料から繊維支持体を選択し、したがって液体は、その平面内を自由にフローすることができる。一般に、ポリエステル、ポリアミド、芳香族ポリアミド、すなわちＮｏｍｅｘなどのポリアラミド、ポリエーテルスルホン、セルロールエステル、アクリルポリマー、フルオロポリマー、およびその他の適切なポリマー繊維であって本質的に親水性である任意のタイプのポリマー繊維を使用することができ、いくつかの例として、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンがある。これらの様々な繊維の中で、そのコストおよび全体的な性能から、Ｄａｃｒｏｎ繊維などのポリエステル繊維が一般に好ましい。多孔質支持体は不織材料であることが好ましく、エアレイまたはウォータレイで処理してよく、あるいはメルトブロー法およびスパンボンド法などのプロセスによって形成してもよい。例えば、スパンボンド熱可塑性繊維材料が記載されている（例えば、特許文献８参照）。この繊維は真っ直ぐでよく、または結果的に得られる生成物の嵩が増すように、またオープンスペースが最大になるようにけん縮することができる。２次元または３次元的にけん縮させた繊維は濾過繊維の技術分野で周知である（例えば、特許文献９参照）。繊維のサイズまたは直径は、じつに様々に変えることができる。デニールという用語は、繊維の太さを指すのにしばしば使用され、非常に一般的に言うと、ポリマー繊維支持材に使用される繊維のデニールは、約１０ミクロンから約４０ミクロンまで様々でよく、より大きい直径、例えば約３０から約４０ミクロンの繊維は本質的にオープンスペースのパーセンテージが高いので一般に好ましい。
【００２４】
当然ながら、圧力を比較的低く保つために適切な空隙率を付与する他、多孔質支持材構造の完全性は、クロスフロー濾過要素の耐用期間中動作し続けるよう十分なものでなければならず、したがって繊維構造は、圧密化に対して適切な抵抗力を示すべきである。例えばスパイラル型クロスフロー濾過要素では、多孔質支持体は、半透膜に供給される溶液の浸透圧を克服しかつその膜に透過液を通するのに必要とされる高圧下にそれぞれ存在する２枚の半透膜材料の間に事実上挟まれる、と理解することができる。したがって、動作中のカートリッジ内の膜の供給側と透過液側との差圧により、透過液キャリアとしての役割をする内部繊維支持体シートの構造の完全性によって持ちこたえる必要がある支持体シートの両主面を支える力が生じる。この機能は、当然ながら現行のクロスフロー濾過プロセスでは一般的であり、使用される繊維材料にエポキシまたはメラミン樹脂の希釈溶液をしばしば含浸する。このようにして、隣接する繊維をその交差する点で互いに接合し、したがって当技術分野で周知のように、材料の所望の開放性が著しく損なわれることなく圧密化に対する抵抗力が大幅に増大する。
【００２５】
繊維支持体シート様材料を選択したら、その片面または両面を処理することにより、その特性に修正を加え、その表面に直接半透膜を流延するのに適するものにする。従来のスパイラル型膜カートリッジを作製しようとする場合、繊維支持体の片面のみを処理し、その後この表面、すなわち連続ウェブの上面として向きが定められた表面は、そこに製造ライン流延装置で流延された半透膜を有することになる。半透膜は、一般に、透過液を非常に容易に通過させるのに十分なサイズの細孔を含むポリマー材料であり、一般にこの膜の孔径は、約１から約５，０００ナノメートルの範囲になる。一般に半透膜は、ＵＦ膜として適切な特徴を有し、すなわち一般にその自由表面に非対称性を有するものであるが、これは絶対的な基準ではない。その理由は、微孔質ベースの膜をまず繊維支持体の表面に流延した後、その上面に薄くて識別性の高いフィルムを形成することにより、取引上一般に薄膜複合膜（ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれてＮＦまたはＲＯ特性を有するものを形成できるからである。そのような微孔質またはＵＦ層をＲＯまたはＮＦ膜用のベース膜として使用する場合、従来はその上に、周知の界面縮合技法を使用して薄くて識別性の高いフィルムを形成する。例えばポリアミドＲＯまたはＮＦフィルムを形成しようとする場合、まずベース膜をアミン水溶液で被覆し、その後、塩化トリアシルを含有する有機溶液を用いて界面反応を行えばよい。ＲＯ膜を両面に形成しようとする場合はそれらを順次形成することが好ましいが、これは主に、容易に入手可能な流延装置如何によると考えられる。
【００２６】
そのようなベース膜を設けるために使用することができるポリマーの例には、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンエーテル、およびポリフッ化ビニリデンが含まれる。ポリスルホンが好ましく、その自由上面に若干の非対称性を有するＵＦ膜を設けるために今日世界中で広く使用されており、さらにＲＯまたはＮＦ膜用のベース膜として機能させるのにも適している。一般にポリスルホンの平均分子量は、約２０，０００から約２００，０００の間であり、約５０，０００から約１５０，０００の間が好ましい。当然ながら、処理済みの繊維支持材の表面にＵＦ膜を流延し、次いで薄膜を付加してＲＯ膜を設ける代わりに、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、または１９５０年代および６０年代に逆浸透が提案され始めた初期の頃から日常的に使用されているその他の材料のいずれかを使用して、従来の非対称性ＲＯ膜を支持材表面に直接流延することができる。
【００２７】
そのような半透性ＵＦ膜の流延は当技術分野で周知であり、教示されている（例えば、特許文献１０、１１、および１２参照）。繊維支持材は、実質上任意の所望の幅を有することができ、製造ラインで被覆する場合、経済的な製造を行うために約１２インチ（約３０ｃｍ）から約６０インチ（約１５０ｃｍ）の幅をしばしば使用する。被覆される材料ウェブの幅は、一般に少なくとも約１２インチ（３０ｃｍ）になるが、特定の目的で望みに応じてより狭いウェブを使用することができないという理由はない。
【００２８】
両面半透膜構造を作製することが望ましい場合、まず繊維支持体シートの両面を、所望の表面特性が得られるように処理する。その後、以下に述べるように、半透膜を繊維支持体の対向する両面に流延する。これは順次行うことができるが、同時に、または少なくともほぼ同時に行って、経済的な製造を実現することが好ましい。特に好ましい実施形態では、流延は、以下に述べる目的で、繊維支持体の幅よりも長いトラフを使用して垂直方向に行う。
【００２９】
所望の開放空隙率を有しその平面内での液体のフローに対する抵抗が低い繊維支持材の表面は、その表面領域を物理的に変化させることによって、またはその表面領域を適切に補うことによって処理する。表面領域は、熱可塑性ポリマー繊維に熱を加えることによって変化させることができ、その後繊維表面を稠密化することになる。熱は様々な方法で加えることができ、例えば加熱したローラでカレンダ掛けし、あるいは炎、放射、または対流を使用して直接加える。熱可塑性繊維不織材料の上面領域も、例示されるように（例えば、特許文献１３参照）、酸素またはヘリウムプラズマに曝すことによって稠密化することができる。あるいはこの表面は、メルトブロー法などにより追加の材料を補うことによって、すなわち既存の表面に適合しかつ既存の表面に接合するよう溶融する粒子状ポリマーまたはポリマーフィルム材料の薄層を使用することによってその特性に修正が加えられるよう処理することができ、所望の特性を有する表面領域を形成することができる。あるいは表面処理は、後に繊維支持体の表面領域になる、直径が小さい繊維の不織繊維材料でできた薄いスクリムの適切な永久接合を利用することができる。適切な接合は、熱可塑性表面の永久接合が互いに行われるように、例えばカレンダ掛けによって、溶媒または接着結合によって、あるいは熱を加えることによって、機械的、化学的、または物理的に行うことができる。
【００３０】
このような処理は、強力で均一な表面であって泡立ち点が十分に低く細孔径分布が狭い表面が繊維支持体に得られるよう実施され、その結果、流延溶液のブリードを最小限に抑え、かつ透過液キャリア機能を果たす繊維支持体内部への表面を介した染み出しを最小限に抑えながら、半透膜を流延するポリマー材料の良好な接着が促進されるようになる。非常に一般的に言うと、得られる表面の平均孔径は約１から約３００ミクロンの間にあるべきで、この細孔は、約０．１ミクロンから約５００ミクロンに及ぶ。平均孔径は、約２００ミクロン以下が好ましい。表面領域の実際の厚さはかなりの量で変えることができ、メルトブローした表面を使用する場合は、例えば約１から５ミクロンと比較的薄い。しかし、一般にその厚さは約０．１ｍｍから約１ｍｍの間になり、スパイラル型膜カートリッジの設計で周知の一般的な空間要件を考慮しながら妥当な範囲内で、わずかに厚い表面領域を使用することができる。一般に表面領域の厚さは、繊維支持体の厚さが少なくとも約１ｍｍであるとき、約０．１から約０．３ｍｍの間になる。
【００３１】
透過液キャリアを通る液体のフローに対する抵抗は、Ｈ値と呼ばれる基準によりたびたび示される。Ｈ値は、本明細書に添付される補遺Ａで定義され、気圧・秒／ｍｌという単位でしばしば表される。これは、所与の厚さの特定の繊維材料に関する特性の値として一般に表され、したがって固定値は、繊維材料の厚さが変わると変化することになる。例えば特定の繊維材料に関するＨ値は、その材料の厚さが２倍になると約２分の１減少する。したがってＨ値が低いほど、透過液キャリアとしての繊維材料の価値がより高くなることがわかる。この点で、片面のみで半透膜を支持するのに使用される繊維材料のＨ値は、約１００を超えるべきではないと考えられ、好ましくはＨ値は約２０以下であり、より好ましくは約１０以下であり、最も好ましくは約１以下であり、当然ながら、さらに低い値は材料を通る液体のフローに対する抵抗力がより低くなることを表すことが理解される。したがって、スパイラル型カートリッジの標準的なリーフ配置構成では、２つの並置された透過液キャリア層を含む複合リーフのＨ値が５０以下になると考えられ、好ましくは約１０以下である。
【００３２】
一般にスパイラル型カートリッジは、長さが広く変化する個々のリーフと共に作製することができると理解すべきであり、例えばリーフは、約１０インチ（約２５．４ｃｍ）程度またはそれ以下に短くてよく、あるいは７０インチ（約１７８ｃｍ）程度またはそれ以上に長くてよい。その結果、非常に長いリーフを利用して（したがって従来の中央回収管に対して非常に長い平均経路になると考えられる）、一体的に結合された半透膜繊維支持材をスパイラル型クロスフローカートリッジに使用したい場合、前述の範囲の下限付近のＨ値を有する繊維支持材を選択してもよいことを理解すべきである。一方、短いリーフを使用したい場合、または透過液流経路が横方向になる配置構成（供給溶液は、中央多孔管にまたは中央多孔管から螺旋状に送出される）を使用したい場合は、Ｈ値の範囲の上限に近い繊維支持体を代わりに使用することができる。当然ながら、シート様繊維支持体の両面に半透膜が得られるように、その繊維支持体の両面を処理しようとする場合、前述のＨ値は約５０ａｔｍ・秒／ｍｌを超えるべきではない（本発明の複合リーフに関して既に述べたように）。
【００３３】
不織繊維支持材が好ましいが、片面または両面を補うことで改質することによって、適切な編地または織布を使用することができ、例えば厚さが数ミルの不織繊維フェルトは、織布構造または編地構造が元来持っている凹凸を十分に埋めて、その表面に直接半透膜を流延するのに十分な厚さの基材と所望の空隙率を提供すると考えられる。例えば、ＢＢＡ  Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ、ＡＷＡ、Ｃｒａｎｅ、Ｐｏｗｅｌｌ、およびＡｈｌｓｔｒｏｍから販売されているような薄いポリエステル繊維フェルトまたはスクリム材料であって、厚さが２から５ミル（約０．０５１から０．１３ｍｍ）であり密度が平方メートル当たり約３０から約９０グラムの範囲内にある材料を使用することができる。これを、熱または溶媒または接着などにより、下に在る透過液キャリア材料に適切に結合して、その表面で流延が行われる一体化部分になるようにすることができる。
【００３４】
前述のように、適切な生地の支持体表面に半透膜を流延することは数十年にわって実施されており、当技術分野では周知であって、多数の米国特許の対象となっている。例えば、ＲＯ膜の基材の役割をする微孔質ポリスルホン膜の生成が教示されており（例えば、特許文献１４参照）、これは、約０．３％の水を含有する、ポリエーテルスルホンの１６％ＤＭＦ溶液を、ポリエステル帆布材料上にナイフ流延することによって行われるものである。流延は、ナイフの隙間を約５．５ミル（約０．１４ミル）にして行い、流延後、流延溶液またはドープを支持する帆布を水浴に２秒間浸漬して、微孔質ポリスルホン基材を生成する。そのようなナイフ流延溶液手順は、平均孔径が約２０ｎｍ未満の限外濾過膜および／または微孔質基材を製造するために世界中でよく使用されており、この膜を繊維支持体の上面のみに形成するときに便宜上使用することができる。
【００３５】
単一の繊維支持体の両面に半透膜を形成することが望ましい場合、開示されているような流延手順を使用することができ（例えば、特許文献１５参照）、この場合、垂直方向に移動するウェブの両側に配置されている貯蔵器から、またはウェブがその内部中心を下向きに通過する複合体貯蔵器から、ドープ層を両面に同時に流延する。あるいはその両面に所望の厚さのドープ層を残すよう制御された出口開口を有する単一の貯蔵器に、ウェブを通すことができる。次いで被覆済みのウェブを、好ましくは十分な深さを有する水浴に向けて、溶媒が水で抽出されるように、それによって膜を十分にゲル化して一体性を持たせた後、ローラにいくらか接触させるが、これらは全て当技術分野で一般に知られている。
【００３６】
そのような材料を生成したら、この工業で通常行われているように、材料をスパイラル型クロスフロー濾過膜の製作に直接使用することができ、またはその使用前にロール形態で貯蔵することができる。前述のように、基本的に第’７３６号特許で詳細に述べたものと同様の、支持材を片面のみに被覆する製作手順を使用することができ、この場合、所望のリーフの約２倍の長さの材料を半分に折って半透膜表面を内側にし、これらを１枚のフィードスペーサ材料で互いに分離して、結果的に得られるカートリッジの軸方向にブライン通路が設けられるようにする。当然ながら本発明は、半透膜が折り重なって隣接しているリーフ間に透過液キャリアシート材料を慎重に位置決めする必要がなく、それによって製作が大幅に単純化され、可能性ある縮みの問題が回避される。次いでフィードスペーサを含むサブアセンブリを、そのようなマルチリーフスパイラル構成において折り重ねた別のサブアセンブリに結合し、対向する膜構造の側縁および端縁を通常は接着によって封止して、１対の対向する半透膜シートの間に挟まれた透過液キャリア材料のポケットが生成されるようにする。アセンブリが完成したら、当技術分野で周知のように、この積層材を多孔中央管の周りに巻き付けてカートリッジを形成する。あるいは、シングルスパイラルリーフを使用するカートリッジが望ましい場合は、中央透過液キャリア領域の両面に半透膜が形成された構造を使用できることが有利であり、当然ながら、代わりにそのような片面半透膜ユニットを２個、透過液キャリア面に互いに接触させた状態で並置することができる。次いで１枚のスペーサ材料シートと共に螺旋状に巻き取ることによってブライン通路が設けられるが、処理される溶液は、この通路を通して従来の配置構成の場合には軸方向に送出することができ、または以下に述べるように一方の側縁から透過液を除去しながら螺旋状に送出することができる。
【００３７】
本発明の用法の、ある例示について述べる以下の実施例は、この理解を助けるべきである。しかし、これらの実施例は単なる例示であり、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【実施例１】
【００３８】
ＢＢＡ  Ｎｏｎｗｏｖｅｎ製のＲｅｅｍａｙ２４４０ポリエステル繊維スパンボンドフェルトであって、厚さが約２１ミル（０．５３ｍｍ）、および表面の密度が平方メートル当たり約９８グラムであるものを選択する。繊維の塊の表面に微孔質層が構築されるように、ポリエステルの微粒子または細い繊維をその融解温度以上に加熱するための既知の技法を使用して、薄いメルトブローポリエステル面を付加する。平均孔径が約１８０から２００ミクロンの間にありかつ約０．５から２ミル（０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ）の間の薄い表面領域が生成されるように、条件を制御する。
【００３９】
そのような非対称繊維支持体が生成されるよう２１ミル（約０．５３ｍｍ）Ｒｅｅｍａｙ材料の片面を改質した後、流延ドープとしてＵｄｅｌ  ３５，０００ポリスルホンの１８重量％ＤＭＦ溶液を含有する溶液を使用して、標準的な流延操作を実施する。分子量が約３５，０００であるこのポリスルホンを、ナイフの隙間を約８ミル（約０．２ｍｍ）として流延し、流延後、水浴に約１８０秒間浸漬して、薄膜ＲＯまたはＮＦ膜を生成するためのベースとして使用することもできる限外濾過タイプの半透膜を生成する。ＤＭＦ溶液の実質上全てが除去されるまで、この材料を水浴に通し、材料の連続ウェブを、最上部の厚さが２．５ミル（約０．０６４ｍｍ）でありフェルト部の厚さが２１ミル（約０．５３ｍｍ）のポリスルホン膜の形態で残す。予備乾燥した後、複合材料は、限外濾過分離操作に使用できる状態になる。
【００４０】
所望の厚さの複合透過液キャリアが得られるように、長さ約７フィート（約２．１ｍ）の材料を折り畳みまたは２つの等しい長さの材料を互いに結合して、２１ミル（約０．５３ｍｍ）の厚さのＲｅｅｍａｙスパンボンド材料を表面同士接触させた状態にすることにより、実証用のクロスフロー濾過カートリッジを準備する。これら長方形のシートの端を接着剤で適切に封止して、一端のみ開放している細長いエンベロープを生成する。次いで開放端を、当技術分野で周知のように回収管の多孔質領域に結合し、その管の周りには、エンベロープと、長さが等しく厚さが２８ミル（約０．７１ｍｍ）の１枚のＶｅｘａｒフィードスペーサ材料とを一緒に螺旋状に巻き付けて、スパイラル型カートリッジを製造する。このように組み立てられた直径約１．８インチ（約４．６ｃｍ）の実証用カートリッジは、内径約０．５インチ（約１．３ｃｍ）の回収管を取り囲んでおり、これを試験装置に取り付けて、そのクロスフローＵＦ分離能力を決定する。優れた性能が示され、複合透過液キャリアのＨ値は５ａｔｍ・秒／ｍｌ未満であることがわかる。
【実施例２】
【００４１】
Ｒｅｅｍａｙ  Ｎｏ．２４１５（ＢＢＡ  Ｎｏｎｗｏｖｅｎ製品）として市販されているスパンボンドポリエステル繊維オープンフェルト材料は、厚さが１６ミル（約０．４１ｍｍ）で密度が表面１平方メートル当たり５３グラムであり、これを２．０オンス（約５７ｇ）の材料としてＳｎｏｗ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ（ＢＢＡ  Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓの一部門）から販売されているより稠密なカレンダ掛けポリエステル不織繊維フェルトに接合する。これを使用することによって、厚さが約４．７ミル（０．１２ｍｍ）になり実質上より稠密で密度が表面１平方メートル当たり約６７グラムの表面流延領域が得られ、その平均孔径は１０ミクロンである。これら２つのシート材料のウェブは、それらの間に非常に薄いシートまたはウェブを送り出すことによって、すなわち低融点ポリエステル繊維材料の蜘蛛の巣状構造を送り出すことによって１つに結合するが、これは、ＲｅｅｍａｙおよびＳｎｏｗ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎウェブを形成する繊維のポリエステルの融点より約１０°から２０℃低い温度で融解すべきである。これら３種のウェブを、低いカレンダ圧でかつ薄い中間層を融解させるのに十分なわずかに高い温度で、１組のカレンダロール間を移動させる。中間層を融解させることによって、それを挟む２つの繊維層の間に永久接合が生じ、Ｒｅｅｍａｙフェルトおよびカレンダ掛けフェルトの繊維間の接合部で融解ポリエステルから結合が形成され、非対称繊維支持体が生成される。
【００４２】
実施例１で述べた流延操作を繰り返して、カレンダ掛けフェルト上にその場で厚さ約２〜３ミル（約０．０５１〜０．０７６ｍｍ）の同様のポリスルホンＵＦ膜を生成する。次いでカートリッジ製作プロセスを繰り返して、実証用クロスフローＵＦ分離カートリッジを製造し、次いでその試験を行う。性能は非常に良好で、計算によれば、エンベロープ全体のＨ値が５ａｔｍ・秒／ｍｌ未満であることが示されるが、これは、表面を改質した厚さ１６ミル（約０．４１ｍｍ）のＲｅｅｍａｙ２４１５層のＨ値が１０ａｔｍ・秒／ｍｌであることを意味する。この配置構成全体は、ＵＦ、ＮＦ、およびＲＯクロスフロー膜カートリッジに完全に受け入れられると考えられる。
【実施例３】
【００４３】
Ｈｏｒｎｗｏｏｄ  Ｎｏ．１９９４として販売されている厚さ約１２ミル（約０．３０ｍｍ）の不織ポリエステル編地材料を、実施例２と同様に、低融点の蜘蛛の巣状構造であるポリエステル材料の非常に薄いウェブに結合する。厚さ３ミル（約０．０７６ｍｍ）の、より稠密なＡＷＡ−５１カレンダ掛けポリエステル湿式処理繊維材料であって、密度が表面１平方メートル当たり約７０グラムで平均孔径が約１７ミクロンの材料を、薄いウェブの最上部に付加する。蜘蛛の巣状構造材料でできた同様のウェブを、Ｈｏｒｎｗｏｏｄ材料の反対側の面に結合し、より稠密なフェルトである第２のＡＷＡ−５１層を、この最上部に並べて配置して、外側に２層のＡＷＡ層が配置された５層サンドイッチ構造を生成する。１対の加熱したカレンダロール間に繊維積層材を送り出して、両面に熱を加えて低融点の薄いポリエステルウェブ層を融解するのに十分な温度まで上昇させ、それによって、ＡＷＡカレンダ掛けフェルトの対向面を、Ｈｏｒｎｗｏｏｄ材料の両外面に永久に結合するようにし、対称的に結合した低空隙率の表面層を有する高空隙率繊維材料を生成する。
【００４４】
次いで実施例１で述べたタイプのポリスルホンのＤＭＦ溶液を使用して、この対称的な複合材料を、溶液が満たされたトラフの中心を垂直方向下向きに通すことによって被覆する。トラフは、十分に離して配置した複数のナイフの集合体を有し、したがって厚さ約１８〜２０ミル（約０．４６〜０．５１ｍｍ）の複合繊維ウェブをそのトラフに通すときに、約７から９ミル（約０．１８から０．２３ｍｍ）のウェットフィルムがその各面に流延される。流延ポリマーフィルムを即座に水中に数秒間入れることによって以前のように急冷し、ローラに接触する前に、被覆済みのウェブを水浴中で十分な距離だけ移動させるが、その結果、その移動速度に合わせてＵＦ膜が十分にゲル化して、水浴中に浸漬した方向交代ローラ上を通すことによる影響が実質上生じないようになる。このように、水中で急冷した後に各面を溶液で被覆することにより、厚さ２〜３ミル（約０．０５１〜０．０７６ｍｍ）のポリスルホン流延フィルムが各面に得られる。
【００４５】
実証用クロス濾過膜カートリッジは一般に、３カ所の縁部を封止して内部透過液通路提供領域を取り囲む膜エンベロープを生成し、複合ウェブ材料を並置したフィードスペーサ材料シートと共に螺旋状に巻くことによって、実施例１と同様に製作される。エンベロープの開放縁部を慎重に回収管の表面に封止するので、処理される液体がその内部に漏れる可能性はない。実証用カートリッジは、塩の水溶液と共に作動させる場合にクロスフロー限外濾過膜として十分に機能し、そのＨ値は約５ａｔｍ・秒／ｍｌ未満である。
【実施例４】
【００４６】
厚さ約４〜５ミル（約０．１０〜０．１３ｍｍ）の不織ポリアミド繊維フェルト、例えばＣｒａｎｅ＆Ｃｏ．製のＣｒａｎｅｍａｔ  ＣＸ２１であってＮｏｍｅｘ繊維とのブレンドを選択するが、これは膜支持体として適切な特性を有するが流延特性に乏しいものである。これを、厚さ約３ミル（０．０８ｍｍ）で密度が表面１平方メートル当たり約５２．５グラムの、Ｃｒａｎｅｍａｔ  ＳＭ１３．５などの薄いカレンダ掛けポリエステルフェルトに積層することによって、適切な流延表面が得られる。積層プロセスの一部として、実施例２と同様に、２つのフェルトの間に薄い蜘蛛の巣状ウェブを挟む。４〜５ミル（約０．１０〜０．１３ｍｍ）のＣｒａｎｅｍａｔポリアラミド材料は、その平均孔径が約２０から１００ミクロンの間であり、空隙率は２００ＰＡ当たり約３５ｌ／ｍ2／秒である。密度は０．７０ｇ／ｃｃであり、基本重量は表面１平方メートル当たり約８０グラムである。
【００４７】
次いで２層のＣｒａｎｅｍａｔ  ＣＸ２１層は、それぞれの表面にポリエステルＳＭ１３．５ウェブ表面層が積層されたものであり、これらの対向する面の間に低融点ポリエステル繊維材料でできた蜘蛛の巣状構造の非常に薄いシートまたはウェブを挿入することによって、１つに接合する。低融点ポリエステルは、ＳＭ１３．５ポリエステル繊維の融点より約１０°から２０℃低い温度で融解すべきである。４枚のウェブ、すなわちポリアラミド繊維シートの外側に２枚のポリエステルシートを配置したものを、低カレンダ圧で、かつ３層の蜘蛛の巣状中間層を融解するのに十分なわずかに高い温度で、１組のカレンダロール間に通す。これら中間層の融解により、その中間層を挟む対向する繊維層同士が永久に結合し、Ｎｏｍｅｘフェルトおよびカレンダ掛けフェルトの繊維と２枚のＮｏｍｅｘフェルトの繊維との接合部で融解したポリエステルから結合が形成される。最終的に、厚さ約１０〜１２ミル（約０．２５〜０．３０ｍｍ）のポリアラミド透過液キャリアの両面に流延を行うのに適した薄いポリエステル表面を有する厚さ１６ミル（約０．４１ｍｍ）の材料が得られる。
【００４８】
実施例３で述べた流延操作を繰り返して、カレンダ掛けポリエステルフェルト上にその場で形成された厚さ約２〜３ミル（約０．０５１〜０．０７６ｍｍ）の同様のポリスルホンＵＦ膜を生成する。カートリッジ製作プロセスを繰り返して、実証用クロスフローＵＦ分離カートリッジを製造し、次いでその試験を行う。周囲温度で試験をした場合、性能が非常に良好であることがわかる。Ｈ値、すなわちフローに対する基材／透過液キャリアの抵抗は５ａｔｍ・秒／ｍｌ未満であり、これは、４層の厚さ１６ミル（約０．４１ｍｍ）の積層材料が、スパイラル型カートリッジ製作プロセスで使用する際に透過液キャリアとして適切であることを意味する。基材は主に、高温で安定でありかつ良好な耐薬品性を示すポリメタフェニレンジアミン長鎖を有するＮｏｍｅｘポリアラミド繊維で作製されるので、そのようなＵＦ膜は、高温およびｐＨの高い動作条件に曝されるＵＦクロスフロー膜カートリッジ用として十分受け入れられると考えられる。
【００４９】
複合膜透過液キャリア構造の新規なデザインによって、膜要素、特にスパイラル型クロスフロー濾過要素の分野でその製作を実質上経済的に行うことが可能になる。以下の実施例は、これらの新規な材料を利用する、ある好ましい製作プロセスを示すものである。
【実施例５】
【００５０】
実施例３で形成した一般的なタイプであって両面にポリスルホンＵＦ膜を有し、かつ全厚が約２５ミル（約０．６４ｍｍ）である対称的な複合材料を、長さ３６インチ（９１．４ｃｍ）に切り取って、厚さは約２８ミル（約０．７１ｍｍ）で同じ幅の３６インチ（９１．４ｃｍ）のフィードスペーサシートと共に巻き取ることにより、実証用カートリッジを形成する。実証のため、両シートの幅は１４インチ（３５．６ｃｍ）であり、流延は、複合膜構造の両面およびその側縁が膜流延溶液で被覆されるように、長さ約１５インチ（３８．１ｃｍ）のトラフを使用して行い、その結果、側縁は膜流延ステップの一部として封止される。次いで長いロールから切り取ったシートの後縁および前縁のみを、透過液キャリア層全体が包封されるよう封止する必要がある。封止は、透過液キャリア層に供給材料が漏れるのを防止する任意の適切な手法で行う。一般にこれは、グルーまたはその他の接着剤を用いて、あるいはグルーによる接着とテープを組み合わせて行う。ホットメルト接着剤は、極めて素早く硬化し、したがって本質的に即座に取り扱うことができるので、しばしば好ましい。あるいは、使用される特定の膜および透過液キャリア材料に応じてヒートシールを使用することができ、例えば、ナイロンＵＦ膜を使用しまたはポリエステル透過液キャリアを使用する場合は、いずれもロールから切り取ったシートの前縁および後縁に沿ってヒートシールを使用することができる。本発明の場合、これら２つの縁部の封止は、標準的なポリウレタン接着剤を使用して行う。
【００５１】
外径０．６インチ（１．５ｃｍ）の中央管の周りに、両面に流延した長さ３６インチ（９１．４ｃｍ）の１枚のシート材料を巻き付けることによって、外径１．８インチ（４．５７ｃｍ）の実証用要素を設ける。中央管には、その管を切り取って形成した細長いスロットを設けることができ、このスロットには、概略的に教示されるように（例えば、特許文献１６参照）１枚のリーフおよびフィードスペーサの端部を挿入することができる。より古くからは、中央管に穴を開けて形成した１列の穴のみ設けており、フィードスペーサをその管の周りに巻いて、中央管の内部とフィードスペーサ材料とを連通させ、そこを通すことによって、処理する液体を送出する。回収は、膜のフラックスおよびリーフの長さに依存する。当然ながら、示されるように（特許文献１６参照）、管の周縁部に均等に間隔を空けて配置した２つ以上のスロットを切り取ることによって、または管に複数列の穴を有することによって、マルチリーフ要素を巻き付け、それによって、複数のフィードスペーサシートと複数の複合膜材料シートとを交互に配置したものとの連通を図ることができることが理解されよう。フィードスペーサ材料の特性は、当技術分野で周知のように、特定の適用例に応じて選択される。
【００５２】
フィードスペーサ材料の側縁の接着剤封止は、従来のスパイラル型要素を巻き付けるのとほぼ同じ手法で巻き付けるときに行うことができる。膜表面の側縁を供給材料の対向面にグルー接着して、その縁部を封止し、供給側と透過液出口側とが切り離されるようにする。しかし、効率をもたらし製造コストを削減する好ましい製作方法では、複合膜材料およびフィードスペーサリーフを中央管に巻き付けるだけでよく、巻付けが終了したら、その巻き付けられた要素の端部をウレタン、エポキシ、またはホットメルト接着材料に浸けて、接着剤シーラントが多孔質供給材料の端部にかなりの距離浸入する条件下で端部全体を封止することもできる。このタイプの注封構成は開示されている（特許文献１７および特許文献３も参照）。注封接着剤が硬化した後、フィードスペーサを封止したままの状態で、複合材料の透過液キャリア領域の螺旋状縁部（当初は流延膜により封止されていた）が露出する位置で端部をトリム処理するが、このトリム処理する距離は通常約１／４から１／２インチ（約０．６４ｃｍから１．３ｃｍ）である。このような動作要素において、膜を通過する透過液は、従来要素の場合のように中央回収管に到達するために螺旋巻きの非常に長い距離を移動しなければならないのではなく、その要素内の経路の端部に到達するまで短い距離だけ移動すればよい。当然ながら、この短い透過液経路による圧力低下は非常に低くなるので、この透過液キャリアには、相当な距離を透過液がフローするのを容易にするのにときどき利用されるものに比べて費用のかからない材料を利用することが可能になると考えられる。
【００５３】
要素の外部と圧力容器の内面との間の領域内に存在することになる供給液体に透過液が接触しないようにするため、内部を通って透過液が除去されるトリム処理済みの縁部付近の要素の注封端部に、１個または好ましくは２個のＯリングを備えたカラーをグルー接着する。Ｏリングをカラー外面の溝に嵌め込み、１対のＯリングを使用することによって、供給液体側の高圧と透過液側の低圧との間で生じる可能性のあるいかなる漏れも止めることができる。多孔質フィードスペーサの外部領域から注封樹脂が浸入する領域に至るまで飽和するように、大量の接着剤を使用してこのカラーを巻付け要素に接着固定することによって、確実に、供給圧力でカラーが要素から動くことがなく、かつカラーから漏れが生じないようになる。別の態様では、スパイラル型要素のトリム処理済み端部に配置されたカラーは、カラーの自由端またはそこに挿入された短いスペーサが圧力容器のエンドキャップに接触するよう設計されることが好ましく、その結果、容器内部の圧力によって要素がエンドキャップへと押圧され、それによって封止が補強されることになる。別の代替例は、要素の端部にカラーを嵌め、接着剤で取着するなどして中央管に密着し固定されるリングに接続されたスポークを設けることである。次いでそのようなカラーをスパイラル型要素のグルー接着した場合、その状態は、伸縮防止型装置（ＡＴＤ）として働くエンドキャップの従来の用法に似たものになる。当然ながらこのように、供給材料のフローが要素の一端から反対側の端部にフローするのではなく（そのような望ましくない伸縮動作が本質的に生じる可能性がある）、フィードスペーサを螺旋状に内向きにまたは螺旋状に外向きにフローする状態では、ＡＴＤに対する必要性は、あったとしても非常に少ない。しかし、中央管にこのように取着することによって、可能性ある動きおよび漏れをさらに防止することができる。
【００５４】
一般に、中央管の一端には栓を詰め、反対側の端部に供給材料を送り込んでスロットまたは一連の穴を通過するようにし、次いで要素内を螺旋状に外向きに移動する。供給材料が供給される端部の封止は、中央管の内部に位置付けられまたは延長管の外部を取り囲むＯリングで行うことができる。同様に、周囲圧力容器の内径は、カラーにより支持されるこれらのＯリングを使用して、一端または両端に位置付けられた透過液に対して供給領域を封止できるべきである。この目的で封止材として接着剤を使用することにより１回で使い捨てにされる配置構成の場合、要素カラーを圧力容器内壁にグルー接着することが可能であると考えられるのに対して、より古くからは、要素を交換することが可能であり、圧力容器は、この圧力容器の本体に適切に相互接続されまたは締め付けて固定される１対のエンドキャップを有する。
【００５５】
この技術分野で知られるように、圧力容器のエンドキャップは様々な構成を有することができる。一方のエンドキャップは、中心から外れて単一のポートを有することができ、供給材料はそのポートを通って、要素の外部領域に連通するプレナムチャンバに送り込まれ、その供給材料のフローは外面から、中央管に結合された内縁部へと螺旋状にフローする。このエンドキャップの内部は、中央管の閉じた栓として働くことができる。反対側のエンドキャップは２個の穴またはポートを有するものでよく、その１つは濃縮溶液を除去するために中心に位置付けられ、２つめの穴は中心から外れて透過液を除去するものでよい。圧力および要素内を通る液体のフローの制御を可能にするため、濃縮液が内部を通って出ていく管材に弁または何らかの制流子を結合することが一般的である。代替の動作形態では接続を変えることも考えられ、供給材料を中央管に送り込んで、濃縮液をリーフの外側端部から出し、次いで中央管のブロック端部を取り付けるのに役立つエンドキャップから出すことができるようにする。
【００５６】
この一般的な構造を使用して、単一のＵＦ膜を、分子量が約１５，０００のポリエーテルスルホンから流延した。外径約１．８インチ（約４．６ｃｍ）および膜の幅約１２インチ（約３０ｃｍ）の要素を、シングルリーフスパイラルとして長さが約３６インチ（約９１ｃｍ）のシートから巻き取った。１００ｐｓｉｇ（ゲージ圧約７．０３ｋｇ／ｃｍ2）で１日当たり約２２８ガロン（約８６３リットル）の割合で送出することにより、要素は膜面積１平方フィート（約０．０９ｍ2）につき、１日当たり約３８ガロン（約１４０リットル）の透過液を製造した。供給圧力を約８０ｐｓｉｇ（ゲージ圧約５．６ｋｇ／ｃｍ2）に下げ、要素を通して１日当たり約１９０ガロン（約７２０リットル）の割合で送出することにより、得られる透過液の量は、膜面積１平方フィート（約０．０９ｍ2）当たり約３１．７ガロン（約１２０リットル）に等しくなった。圧力をわずか約６２ｐｓｉｇ（ゲージ圧約４．４ｋｇ／ｃｍ2）に下げ、装置を通して１日当たり約１５１ガロン（約５７２リットル）の割合で送出することにより、膜面積１平方フィート（約０．０９ｍ2）につき１日当たり約２５．１ガロン（約９５リットル）に等しい透過液が得られた。シングルリーフスパイラルとしてのこの要素の性能は優れたものであると考えられた。
【実施例６】
【００５７】
スパイラル型要素の両端を注封し、次いでこの要素の両端をトリム処理して両側縁の透過液チャネルを露出させるようにし、その両端にＯリング支持カラーを固定する他は、実施例５で述べた製作プロセスを繰り返す。その結果、透過液は、要素の２つの対向する端部の一方に出るまで、膜の幅の半分以下の距離だけ透過液キャリア層内をフローればよい。したがって、要素の両端から透過液を取り出すことによって、透過液経路の平均の長さはさらに短くなり、そのため要素の透過液側の圧力低下は、実施例５で製作したものよりもさらに低くなる。この配置構成を使用することにより、要素はそれ自体の圧力容器内に配置することが可能になり、透過液は圧力容器の両端から除去することが可能になる。これは実施例５で製作した要素とは異なり、所望ならそのような２つの要素を単一の圧力容器内に配置し、一要素が各端部に排出するようにすることができる。したがって、例えば直径が約４インチ（約１０ｃｍ）で長さ４０インチ（約１００ｃｍ）のスパイラル型要素では、透過液は、長さ４０インチ（約１００ｃｍ）の要素の製作に使用されるリーフの数に関係なく、透過液キャリア材料内を最長約１９インチ（約４８ｃｍ）移動するだけでよい。しかしそのような配置構成では、カラーおよびＯリング封止構成が要素の両端に固定され、例えば供給液体の入力および出力は中央管を通り、圧力容器の側壁にある出口を経由する可能性がある。
【００５８】
前述のスパイラル型要素構造は、その目的に適する複合層材料の両面に同時に膜を流延するものに限定されず、実施例１および２で概略的に述べた技法を使用して生成される複合膜透過液キャリア材料も利用することができる。例えば、片面に流延された半透膜をそれぞれが有する２片の平膜を所定の長さに切断し、これら複合体の表面と表面を合わせた状態で配置することによって封止エンベロープまたはポケットを作製し、次いで縁部を封止する。望むなら全製作プロセスに応じ、２枚の間に薄い蜘蛛の巣状ウェブを配置した状態で熱カレンダ掛けすることにより、これら２枚を事前に一体化できることが好ましい。このように、これらの膜は、シートフィードスペーサ材料と共に巻いた場合、その後の製作プロセスにおいて容易に単一物品として取り扱うことができる。あるいはこれらの膜を並置するだけでよく、グルー接着またはヒートシールにより側縁と前縁および後縁を封止してエンベロープを形成することができ、実現可能であるが巻上げ手順中にエンベロープを形成するのではない。そのような後者の場合、透過液キャリアの隣接する縁部の封止よりも深い封止を内部に生成するため、巻上げ動作中に、より幅の広い接着剤の帯をフィードスペーサに塗布しながら、側縁が封止されるよう膜透過液キャリア複合材料の両面に接着剤を塗布することができる。グルーが硬化したら、上記実施例６および７で述べたように、巻き上げたユニットの一端または両端をトリム処理して透過液出口を生成することができる。
【００５９】
あるいは、フィードスペーサシートと複合材料の対向する膜表面へのグルーの塗布を制限しながら透過液側を全くグルー接着せずに、フィードスペーサシートと合わせて２枚の複合膜キャリア層シートを中央管の周りに一緒に巻き付けることができる。この構造では、透過液チャネルの側縁が常に開放されているので、最終的なスパイラル型要素はいかなる注封またはトリム処理も必要としない。
【００６０】
さらに別の代替構造として、実施例３で製作されたものと同様のアセンブリを、初めに３ミル（約０．０７６ｍｍ）のＡＷＡカレンダ掛けポリエステル湿式処理フェルト材料上に直接ＵＦ膜を流延することによって作ることができる。次いでそのような２片を所望の長さに切断し、それらの間に１枚の１２ミル（約０．３０ｍｍ）、３４ホエール、１６％エポキシ被覆トリコットを挿入してサンドイッチ型の配置構成にする。これは単に関連付けられているにすぎず、または実施例３で述べたようにそれらの間に蜘蛛の巣状材料を並置したものでよく、次いで相互接続複合体の二重膜透過液キャリア材料を生成するために高温カンレンダ掛けを行う。次いでこれらをフィードスペーサシートと一緒に巻き付け、その縁部を通るいかなるフローも接着により閉じながら、その縁部を膜の対向面にグルー接着しまたは封止する。透過液キャリア材料が接着剤に触れないように保つ場合、やはり要素の側縁をトリム処理する必要はなく、したがってスパイラル型要素の対向する両端から透過液を引き出すことができる要素を設けることができる。
【００６１】
前述の配置構成のいずれかでは、実証用要素を生成するために中央管の周りに一般に巻き付けられたものとして記述された単一のリーフと同様に複数のリーフを使用できることが理解されよう。しかし、この全配置構成は特に、非常に大きい直径の螺旋、例えば直径１６インチ（約４１ｃｍ）のスパイラル要素に巻き上げられた単一のリーフ要素であって、膜材料の幅が約４０インチ（約１０２ｃｍ）のものを作製するのに適していることも重要と考えられる。実際の長さに応じて、処理される溶液をこの長い経路の一端から他端まで螺旋状に送出することができるよう十分な空隙率を有するＶｅｘａｒなどのフィードスペーサ材料を選択する。しかし、平均透過液経路はわずかに約１０から１２インチ（約２５から３０ｃｍ）であるので、そのような非常に長い単一リーフの螺旋巻きが実現可能であり、当然ながら、マルチプルリーフスパイラル型構成よりも容易にかつ簡単に製作される。大型の圧力容器内で作動させるための、そのような非常に大きい直径のスパイラル型要素には、当然ながらいくらかの圧力制限があるが、一般にこの要素は約１５０ｐｓｉ（約１０．５ｋｇ／ｃｍ2）以下の圧力で非常にうまく作動する。
【００６２】
もう１つの態様では、このタイプの構造は特に、従来単一の螺旋を使用して作製された酢酸セルロースなどの非対称性の膜から作製した、小型のいわゆる家庭用逆浸透（ＨＲＯ）ユニットに好ましく、そのような複合膜を用いたユニットは、ホットメルト接着剤を使用することにより５分という短い時間で作製することができる。そのようなスパイラル型要素の側縁の一方から透過液を除去することによって、そのような要素を単一の圧力容器内で３個以上使用するのを阻止できることがわかるが、教示されるような（特許文献１８参照）カプセル封入カートリッジを全配置構成に使用することができ、そのようなカートリッジを多岐管で共通の透過液ラインに配して、容器外部の様々な透過液のフローを回収することができる。
【００６３】
本発明を実施するために、発明者に知られる最良の態様を構成するある好ましい実施形態に関して本発明を記述してきたが、添付される特許請求の範囲で述べる本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に明らかな様々な変更および修正を加えることができることが理解されよう。例えば、供給材料のフローがカートリッジ内を軸方向に通って透過液のフローが多孔質回収管を螺旋状に内向きに通り、またはその逆であるスパイラル型クロスフロー濾過装置を用いて本発明を例示するが、同等のクロスフロー濾過構成も同様に、概略的に示される（特許文献１９参照）総合的なタイプのプリーツ付き配置構成を使用することができるものも含めた本発明の製品を有利に組み込むことができることが理解されよう。
【００６４】
本発明の特定の特徴は、上述の特許請求の範囲で主張される。
【００６５】
補遺
この報告は、膜のリーフの長さ、膜の透水性、および透過液チャネルのフロー抵抗が、要素の透過液効率をどのように決定するか説明する理論について述べる。
【００６６】
理論
透過液束
膜を通る透過液束は、方程式（１）から得られる。
【００６７】
Ｊw＝Ａm・（Ｐb−Ｐp−πb＋πp）                                （１）
【００６８】
Ｊwは透過液束である。
Ａmは膜のＡ値（透過液の透水性）である。
Ｐbは膜の供給側にかかる圧力である。
Ｐpは膜の透過液側にかかる圧力である。
πbは膜の供給側にかかる浸透圧である。
πpは膜の透過液側にかかる浸透圧である。
【００６９】
方程式（１）は、
Ｊw＝Ａm・（Ｐl−Ｐp）                                            （２）
Ｐt＝Ｐb−πb＋πp                                                （３）
と書き直すことができる。
【００７０】
通常動作中の膜要素内では、供給側圧力と、供給側および透過液側の浸透圧に大きい変動はない。Ｐtは、著しい誤差なく単一要素に関して一定であるとして処理することができる。
【００７１】
透過液チャネルでの圧力低下
その要素でＰtが一定である場合、透過液束は、透過液管から一定の膜距離で一定であり、透過液は、透過液管に向かって半径方向にのみフローする。
【００７２】
チャネル内での流体のフローによる圧力変化は、一般に方程式（４）で表すことができる。
【００７３】
ｄＰ＝−４・ｄｘ／ｄh・ｆ・０．５ρ−ｖ2                            （４）
上式で、ｄＰは圧力変化であり、
ｄｘは圧力変化に対する距離であり、
ｄhは水力直径であって、この場合は透過液スペーサの厚さの２倍と定義されるものであり、
ρは流体密度であり、
ｖは流体速度であって、この場合は透過液チャネルが透過液スペーサと同じ厚さを有し、かつ透過液スペーサはいかなるスペースも占有しないと仮定して計算されるものであり、
ｆはファンニングの流体摩擦係数であり、
ｆは、完全に展開された速度プロフィルを有するニュートン流体のレイノルズ数（Ｒｅ＝ｄh・ρ／μ、ただしμは流体粘度である）のみに依存する。流体は、粘度が剪断速度に無関係である場合、ニュートン流体である。
【００７４】
水力直径および流体速度は任意のいかなる方法でも定義できることに留意されたい。ファンニングの流体摩擦係数の相関は、これらの定義が変化した場合に変化する。
【００７５】
透過液チャネルの圧力勾配は、全てではなくともほとんどの透過液チャネルスペーサに関し、局所透過液フローに比例する。これは、方程式（４）の摩擦係数が速度に反比例し、したがってレイノルズ数にも反比例することを意味する。次に方程式（５）のｆLは、レイノルズ数または透過液チャネルでのフローに無関係である。
【００７６】
ｆL＝ｆ・Ｒｅ                                                        （５）
方程式（４）および（５）とレイノルズ数を組み合わせることによって、
ｄＰp／ｄｘ＝−２μ／（ｄh2）・ｆL・ｖ                            （６）
が得られる。
【００７７】
速度ｖは、幅Ｗのチャネルにおける体積フローＱから計算することができる。
【００７８】
ｖ＝Ｑ／（Ｗ・ｄh／２）                                              （７）
方程式（６）および（７）から、
ｄＰp／ｄｘ＝−４μ／（ｄh3）・ｆL・Ｑ／Ｗ                        （８）
が得られる。
【００７９】
Ｈは方程式（９）により定義される。
【００８０】
Ｈ＝４μ／（ｄh3）・ｆL                                            （９）
【００８１】
したがってＨは、透過液チャネル構造（ｆLおよびｄhにより）および流体粘度により様々である。
【００８２】
ｘに関する透過液圧力の第２の導関数は、方程式（８）および（９）から得られる。
【００８３】
ｄ2Ｐp／ｄｘ2＝−Ｈ／Ｗ・ｄＱ／ｄｘ                                （１０）
【００８４】
図１は、透過液チャネル内のフローを示す。膜リーフの端部からｘの距離では、ユニット幅当たりの透過液フローがＱ（ｘ）であり、透過液束はＪw（ｘ）である。ｘ＝Ｌと透過液管（ｘ＝Ｌi）の間では、膜は不透過性である。透過液圧力は、位置ｘでＰp（ｘ）であり、ｘ＝ＬでＰLであり、透過液管内ではＰiである。
【００８５】
【表１】
0004786122.tif 000002
【００８６】
図１．透過液管に取着されかつ膜により取り囲まれた透過液チャネルスペーサ
膜を通る透過液束が原因で、透過液フローＱは、ｘ＝Ｌになるまでｘが増加すると共に透過液チャネル内で増加する。距離ｄｘおよび幅Ｗでは、方程式（１１）により、透過液束が追加の透過液量フローｄＱに寄与する。膜は、チャネルを両面で覆う。
【００８７】
ｄＱ＝Ｊw（ｘ）・２・Ｗ・ｄｘ                                        （１１）
０≦ｘ＜Ｌの場合、方程式（２）および（１１）から
ｄＱ／ｄｘ＝２・Ｗ・Ａm・（Ｐt−Ｐp）    ０≦ｘ＜Ｌ                （１２）
が得られる。
【００８８】
方程式（１０）および（１２）から
ｄ2Ｐp／ｄｘ2＝−２・Ｈ・Ａm・（Ｐt−Ｐp）  ０≦ｘ＜Ｌ          （１３）
が得られる。
【００８９】
ｚ2＝２・Ｈ・Ａm                                                    （１４）
と定義すると、方程式（１３）および定義（１４）から、
ｄ2Ｐp／ｄｘ2−ｚ2・Ｐp＝−ｚ2・Ｐ1    ０≦ｘ＜Ｌ              （１５）
が得られる。
【００９０】
方程式（１５）は、定係数の線形非同次二階微分方程式である。そのような方程式を解くことは難しくない。完全な解は、２つの部分の合計である。第１の部分は、方程式（１５）の右側をゼロに置き換えた同次方程式の解である。特性多項式ｒ2−ｚ2＝０を使用して、この解（（Ｐp）h）を得た。
【００９１】
（Ｐp）h＝Ｃ1・ｅzx＋Ｃ2・ｅ-zx                              （１６）
上式でＣ1およびＣ2は、境界条件から決定される定数である。
【００９２】
解の第２の部分は、任意の特定の解である。そのような１つの解は、
（Ｐp）p＝Ｐt                                                      （１７）
である。
【００９３】
方程式（１６）と（１７）を合わせることによって
Ｐp（ｘ）＝Ｐt＋Ｃ1・ｅzx＋Ｃ2・ｅ-zx                        （１８）
が得られる。
【００９４】
２つの境界、ｘ＝０およびｘ＝Ｌがある。ｘ＝０での圧力は不明である。しかし、透過液チャネル内のフローｖはｘ＝０でゼロであり、したがって方程式（６）によれば、
［ｄＰp（ｘ）／ｄｘ］x=0＝０                                      （１９）
である。
【００９５】
方程式（１８）および（１９）から、
Ｃ2＝Ｃ1                                                            （２０）
が得られる。
【００９６】
ｘ＝Ｌでは透過液圧力がＰLであり、これと方程式（１８）および（２０）とから、
Ｃ1＝（ＰL−Ｐt）／（ｅzL＋ｅ-zL）                            （２１）
が得られる。
【００９７】
方程式（１８）、（２０）、および（２１）から、
Ｐp（ｘ）−ＰL＝（Ｐt−ＰL）・［１−（ｅzx＋ｅ-zx）／（ｅzL＋ｅ-zL）］
（２２）
が得られる。
【００９８】
ｘ＝Ｌとｘ＝Ｌiの間では透過液フローが一定であり、ＱLで示される。次いで方程式（８）および（９）から
Ｐi−ＰL＝−（Ｌi−Ｌ）・Ｈ・ＱL／Ｗ                              （２３）
が得られる。
【００９９】
方程式（２２）および（２３）から
Ｐp（ｘ）＝Ｐt−（Ｐt−Ｐi−（Ｌi−Ｌ）・Ｈ・ＱL／Ｗ）・［（ｅzx＋ｅ-zx）／（ｅzL＋ｅ-zL）］                                          （２４）
が得られる。
【０１００】
方程式（１２）を積分してＱLを求める。
【０１０１】
【数１】
0004786122.tif 000003
【０１０２】
方程式（２４）および（２５）から
【０１０３】
【数２】
0004786122.tif 000004
【０１０４】
が得られる。
【０１０５】
方程式（１４）および（２６）から
【０１０６】
【数３】
0004786122.tif 000005
【０１０７】
が得られる。
【０１０８】
方程式（２７）の積分と、双曲線正接（ｔａｎｈ）の定義（２８）を使用することにより、方程式（２９）が得られる。
【０１０９】
【数４】
0004786122.tif 000006
【０１１０】
方程式（２４）および（２９）から、
【０１１１】
【数５】
0004786122.tif 000007
【０１１２】
が得られる。
【０１１３】
透過液効率
透過液効率ηpは、要素からの透過液フローであり、透過液チャネルでの圧力低下がゼロの場合の透過液フローで割った値である。後者の場合、透過液圧力は一定であり、透過液チャネルの全長にわたりＰiに等しい。方程式（２５）から、
【０１１４】
【数６】
0004786122.tif 000008
【０１１５】
が得られる。
【０１１６】
方程式（３０）および（３１）から、
【０１１７】
【数７】
0004786122.tif 000009
【０１１８】
が得られる。
【０１１９】
定義（１４）および方程式（３３）から、
【０１２０】
【数８】
0004786122.tif 000010
【０１２１】
が得られる。
【０１２２】
したがって膜の透過液効率は、１）透過液チャネルの長さと、２）圧力および温度に応じて変化する膜のＡ値と、３）スペーサそのもの、膜の基材、動作圧力（圧密）、および透過液の粘度に応じて変化する透過液チャネルのＨ値との関数である。
【０１２３】
Ｈ値は透過液の粘度に正比例し、膜のＡ値は透過液粘度にほぼ反比例する。したがって温度が低下すると、透過液粘度が上昇するが、透過液効率にそれほど影響を与えるわけではない。高圧では、温度上昇により透過液効率が低下するが、それはチャネルの圧密が高温で悪化するからである。