(57)【要約】【課題】スパイラル型膜エレメントの構造を改善することにより、逆流洗浄時の耐久性を高めることができるスパイラル型膜エレメント、及びその逆流洗浄方法を提供する。【解決手段】分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材３が、積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体Ｒを備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、前記透過側流路材３を介して対向する分離膜１は、前記封止部１１，１２以外の分離領域にて局所的に相互に固着された固着部７を備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、
前記透過側流路材を介して対向する分離膜は、前記封止部以外の分離領域にて局所的に相互に固着された固着部を備えることを特徴とするスパイラル型膜エレメント。
【請求項２】
前記固着部の個々の寸法は、軸方向の長さが１０〜１５００ｍｍであり、軸方向に垂直な長さが１０〜１００ｍｍである請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメントを用いて、０．０１ＭＰａよりも高く０．５ＭＰａ以下の圧力が中心管の入口端に生じるようして、逆流により分離膜を洗浄するスパイラル型膜エレメントの逆流洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体中に浮遊及び溶存している成分を分離するスパイラル型膜エレメントに関し、より詳しくは、逆流洗浄工程における耐久性が高いスパイラル型膜エレメント及びその逆流洗浄方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、逆浸透ろ過、限外ろ過、精密ろ過等に用いられる流体分離エレメントとして、例えば、供給側流体を分離膜表面へ導く供給側流路材、供給側流体を分離する分離膜、分離膜を透過し供給側流体から分離された透過側流体を中心管へと導く透過側流路材からなるユニットを有孔の中心管の周りに巻き付けたスパイラル型膜エレメントが知られている。
【０００３】
このようなスパイラル型膜エレメントは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、一般的に分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと、透過側流路材３とを積み重ね、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐ封止部を形成するため接着剤４，６を分離膜周辺部（３辺）に塗布して分離膜ユニットＵを作製し、このユニットＵの単数または複数を中心管５の周囲にスパイラル状に巻きつけて、更に分離膜周辺部を封止することによって製造される。
【０００４】
その結果、図６に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在することになる。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。この例は、膜リーフ（封止された封筒状膜）が複数の場合であるが、膜リーフが単数の場合も存在する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このようなスパイラル型膜エレメントは、使用していくにしたがって分離膜の表面及び内部にろ過した分離物が付着し、徐々に性能が低下する。そのため、定期的な膜の洗浄が必要になるが、その方法としては、大きく分けて薬品洗浄と物理洗浄に分けられる。前者はクエン酸溶液、シュウ酸溶液、水酸化ナトリウム溶液、次亜塩素酸ナトリウム溶液などの薬品に浸漬する方法、後者は膜のろ過側の反対方向（支持体側）からエアバブルや水などで圧力をかける事により、付着物を物理的に洗い流す逆流洗浄（逆洗）する方法や、分離膜の表面及び供給側流路材に付着した分離物を供給側流路材の一方から反対方向へ洗い流すフラッシング洗浄が一般的である。これらの洗浄では、多孔質分離膜に対し、大きな負荷がかかる。薬品洗浄では薬品に対する耐性が必要となり、物理洗浄では高い背圧耐性や保持力が必要となる。
【０００６】
具体的には、スパイラル型膜エレメントの運転方法は、スパイラル型膜エレメントの片側もしくは両側端面から原液を供給し、有孔の中空管の少なくとも一方の開口部から透過液を取り出すものである。ところが、逆流洗浄時には、中空管の少なくとも一方の開口端から透過液を導入し、前記中空管の外周面に導出される透過液を前記スパイラル型膜エレメントの外周部側及び他端部側から排出させる。このとき、スパイラル型膜エレメントの封筒状膜に高い背圧耐性が必要となる。上記のような物理洗浄と薬品洗浄の両方が可能な分離膜としては、特許文献２〜３に記載の分離膜が知られている。
【０００７】
しかしながら、これらの分離膜は、多孔質補強シートに分離膜素材を投錨状態で接合することで、アンカー効果によって分離膜素材の密着力を高めたものであり、逆流洗浄時に分離膜層が多孔質補強シートから剥離するのを防止する発明である。従って、スパイラル型膜エレメントの構造を改善することにより、逆流洗浄時の耐久性を高める技術ではない。
【特許文献１】特開平１０−３４１号公報
【特許文献２】特開平９−３１３９０５号公報
【特許文献３】特開２００２−３０１３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、スパイラル型膜エレメントの構造を改善することにより、逆流洗浄時の耐久性を高めることができるスパイラル型膜エレメント、及びその逆流洗浄方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。      
【００１０】
即ち、本発明のスパイラル型膜エレメントは、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、前記透過側流路材を介して対向する分離膜は、前記封止部以外の分離領域にて局所的に相互に固着された固着部を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明のスパイラル型膜エレメントによると、透過側流路材を介して対向する分離膜は、前記封止部以外の分離領域の固着部にて局所的に相互に固着されているため、圧力（背圧）が均一にかかるようになるので、逆流洗浄時の耐久性を高めることができる。
【００１２】
上記において、前記固着部の個々の寸法は、軸方向の長さが１０〜１５００ｍｍであり、軸方向に垂直な長さが１０〜１００ｍｍであることが好ましい。ここで、固着部の個々の寸法は、分離膜を平面に展開したときの寸法である。この構成によると、固着部の軸方向の長さが適度であるため、逆流洗浄時の補強効果を維持しながら、通常運転時に透過側流体の流動の妨げになりにくい構造とすることができる。また、軸方向に垂直な長さが適度であるため、逆流洗浄時の補強効果を維持しながら、通常運転時に有効膜面積の低下を最小に抑えることができる。
【００１３】
一方、本発明のスパイラル型膜エレメントの逆流洗浄方法は、上記のスパイラル型膜エレメントを用いて、０．０１ＭＰａよりも高く０．５ＭＰａ以下の圧力が中心管の入口端に生じるようして、逆流により分離膜を洗浄することを特徴とする。
【００１４】
本発明の逆流洗浄方法によると、透過側流路材を介して対向する分離膜が、封止部以外の分離領域にて局所的に相互に固着されているスパイラル型膜エレメントを使用するため、圧力（背圧）が均一にかかるようになるので、逆流洗浄時の耐久性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図である。図２は、本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図である。
【００１６】
本発明のスパイラル型膜エレメントは、図１〜図２に示すように、分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材３が、積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体Ｒを備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられている。封止部には、両端封止部１１と外周側封止部１２が含まれる。
【００１７】
図２に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在する。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。
【００１８】
本発明では、前記透過側流路材３を介して対向する分離膜１が、前記封止部１１，１２以外の分離領域にて局所的に相互に固着された固着部７を備えることを特徴とする。本実施形態では、分離膜１の軸方向の中央において、固着部７が軸方向に垂直な方向に細長く形成されている例を示す。
【００１９】
本発明では、後述するように散点状の固着部７を形成するのが好ましい。また、固着部７の個々の寸法は、前述の理由から、軸方向の長さが１０〜１００ｍｍであり、軸方向に垂直な長さが１０〜１００ｍｍであることが好ましく、軸方向の長さが２０〜５０ｍｍであり、軸方向に垂直な長さが２０〜５０ｍｍであることがより好ましい。
【００２０】
上記の円筒状巻回体Ｒは、分離膜１と供給側流路材２と透過側流路材３とを積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体Ｒを形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部を形成する工程とによって製造することができる。具体的には、例えば図１に示す実施形態により製造することができる。図１の（ａ）は分離膜ユニットＵの平面図であり、（ｂ）は分離膜ユニットＵの正面図であり、（ｃ）は分離膜ユニットＵを積層して巻回する前の状態を示す正面図である。
【００２１】
まず、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと透過側流路材３とを積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐ封止部１１，１２を形成するための接着剤４，６を、透過側流路材３の軸方向両端部及び巻回終端部に塗布した分離膜ユニットＵを準備する。このとき、固着部７を形成するための接着剤７ａを同様に塗布しておく。なお、分離膜１の折り目部分に保護テープを貼り付けてもよい。
【００２２】
分離膜１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜などが使用できるが、本発明は、背圧による分離膜層の剥離が問題となり易い、分離膜層が多孔質補強シートに形成されている限外ろ過膜や精密ろ過膜、逆浸透膜の場合に特に有効となる。
【００２３】
供給側流路材２には、ネット状材料、凹凸を有するシート状材料等が使用できる。透過側流路材３にはネット状、編み物状材料等が使用できる。有孔の中心管５は、管の周囲に開孔を有するものであればよく、従来のものが何れも使用できる。
【００２４】
接着剤４，６，７ａとしては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤等、従来公知のいずれの接着剤も使用することができる。また、封止部１１，１２のうちの何れかのみを、ホットメルト接着剤、熱融着型粘着テープ、熱融着性シートなどを用いて形成することも可能である。なお、接着剤７ａにて固着部７を形成する場合、分離膜１同士の間には透過側流路材３が介在する状態となる。
【００２５】
次に、図１（ｃ）に示すように、この分離膜ユニットＵの複数を積層し、有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回した後、接着剤４，６，７ａなどを熱により硬化等させることで、円筒状巻回体Ｒを得る。その際、中心管５の周囲部の封止を同時に行ってもよい。円筒状巻回体Ｒは、軸方向長さを調整するために、必要に応じて両端部がトリミング等される。
【００２６】
分離膜ユニットＵを積層する際の数量は、必要とされる透過流量に応じて決まるものであり、１層以上であればよいが、操作性を考慮すると５０層程度が上限である。なお、分離膜ユニットＵの積層数量が大きいほど、各分離膜ユニットＵの巻回回数が少なくなる。
【００２７】
本発明のスパイラル型膜エレメントは、通常、外装材により拘束されて拡径しない構造になっているが、外装材は、円筒状巻回体Ｒの表面に単数又は複数のシートを巻回することができる。外装材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ガラス繊維布等が使用できる。
【００２８】
本発明のスパイラル膜エレメントには、更に変形（テレスコープ等）を防止するための有孔の端部材や、シール材、補強材などを必要に応じて設けることができる。
【００２９】
一方、本発明のスパイラル型膜エレメントの逆流洗浄方法は、上記のスパイラル型膜エレメントを用いて、０．０１ＭＰａよりも高く０．５ＭＰａ以下の圧力が中心管の入口端に生じるようして、逆流により分離膜を洗浄するものである。
【００３０】
この洗浄により、流体が分離膜の透過側から供給側へと逆流透過し、膜面上に堆積した汚染物質を浮き上がらせることができる。その後、膜面上をフラッシングにより膜面に堆積した汚染物質をべツセルの複数ノズルより効果的に系外に排出することにより、長期間にわたって高い透過流束を維持しつつ安定した運転を行うことができる。
【００３１】
逆流洗浄に使用する流体は、浮遊及び溶存する成分を含有しない液体が好ましく、例えば純水、超純水、当該エレメントの透過水など何れでもよい。かかる流体は、中心管の一端又は両端から供給することができ、その際に中心管の入口端に上記の圧力が付与される。好ましい圧力としては、中心管の入口端にて０．０２〜０．２ＭＰａである。
【００３２】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、分離膜の軸方向の中央において、１本の固着部が軸方向に垂直な方向に細長く形成されている例を示したが、本発明では、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような形状の固着部７を形成してもよい。本発明では、分離膜１の分離領域にできるだけ均等に圧力（背圧）がかかるように、均等に固着部７を配置するのが好ましい。
【００３３】
図３（ａ）に示すものは、１本の固着部７を軸方向に垂直な方向に細長く形成する際に、固着部７を外周側封止部１２から中心管５まで延設したものである。図３（ｂ）に示すものは、２本の固着部７を軸方向に垂直な方向に細長く形成したものである。図３（ｃ）に示すものは、外周側封止部１２と中心管５とから離間するように、３本の固着部７を軸方向に垂直な方向に細長く形成したものである。このように細長く連続する固着部７を形成する場合、その間隔（距離）は５０〜５００ｍｍが好ましい。
【００３４】
また、本発明では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すような散点状の固着部７を形成してもよい。図４（ａ）に示すものは、１個の固着部７を分離膜１の分離領域の略中央に形成したものである。図４（ｂ）に示すものは、４個の固着部７を分離膜１の分離領域の対角線上に形成したものである。図４（ｃ）に示すものは、９個の固着部７を分離膜１の分離領域の対角線上に形成したものである。このように散点状に固着部７を形成する場合、その間隔（距離）は１５０〜７００ｍｍが好ましい。
【００３５】
（２）前述の実施形態では、分離膜同士の固着部を形成する際に接着剤を使用する例を示したが、本発明では、ホットメルト接着剤、熱融着型粘着テープ、両面粘着テープ、熱融着性シートなどを用いて形成することも可能である。つまり、本発明における固着部は、接着、融着、圧着などで形成することができる。
【００３６】
また、分離膜同士の固着部を形成する際に、接着剤等を使用せずに、透過側流路材として熱融着性の樹脂材料を使用し、分離膜同士を透過側流路材により融着させることで固着部を形成することも可能である。その場合、分離膜を構成する材料より、低融点の樹脂材料で透過側流路材を構成することが好ましい。これによって、多くの固着部を形成することができ、逆流洗浄時の圧力をより均一化することができる。
【００３７】
（３）前述の実施形態では、図１に示すように、供給側流路材２を挟みこむように二つ折りにした分離膜１の上に、透過側流路材３を重ねて、接着剤４，６を塗布する例で説明したが、本発明では、透過側流路材３の上に二つ折りにした分離膜１を重ねその上に接着剤４，６を塗布することも可能である。また、二つ折りにした分離膜１の代わりに、２枚の分離膜１を用いて供給側流路材２を挟み、巻回開始側にも封止部を設けるようにしてもよい。更に、連続した分離膜１を用いて、外周側封止部１２を不要にしてもよい。
【００３８】
（４）前述の実施形態では、図１に示すように、複数の分離膜ユニットＵを使用して、複数の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造する例を示したが、本発明では、１組の分離膜ユニットＵを使用して、１枚の膜リーフを備えるスパイラル型膜エレメントを製造してもよい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
【００４０】
［実施例１］
図１に示すような製造工程によって、ポリフッ化ビニリデン多孔質限外ろ過分離膜の中央部に直線状の固着部（幅３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、ウレタン接着剤）を形成したスパイラル型膜エレメント（直径２０１ｍｍ，軸方向長さ１０１６ｍｍ、リーフ長さ７５０ｍｍ、リーフ数２８）を作製した。このスパイラル型膜エレメントを容器に収容し、０ＭＰａと０．２ＭＰａの圧力が中心管の一端にくり返し生じるようして、純水の逆流により分離膜を１カ月間洗浄した。その後、気密保持試験を行い、気密保持性能にて逆流洗浄の耐久性を評価した。その結果、分離膜の破損等による気密性低下は生じていなかった。
【００４１】
［実施例２］
実施例１において図４（ｂ）に示す固着部（直径３０ｍｍ、ウレタン接着剤、４個）を形成すること以外は全く同様にしてスパイラル型限外ろ過膜エレメントを作製し、逆流洗浄の耐久性を評価した。その結果、分離膜の破損等による気密性低下は生じていなかった。
【００４２】
これを用いて、逆流洗浄の圧力を段階的に高めて、分離膜の破損等が生じる圧力を調べたところ、実施例１のスパイラル型膜エレメントの２倍の圧力まで耐久性があることが分かった。
【００４３】
［比較例１］
実施例１において固着部を形成しないこと以外は全く同様にしてスパイラル型膜エレメントを作製し、逆流洗浄の耐久性を評価した。その結果、分離膜の破損等による気密性低下が生じていた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図
【図２】本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図
【図３】本発明のスパイラル型膜エレメントの他の例を示す要部展開図
【図４】本発明のスパイラル型膜エレメントの他の例を示す要部展開図
【図５】従来のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図
【図６】従来のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図
【符号の説明】
【００４５】
１          分離膜
２          供給側流路材
３          透過側流路材
４          接着剤
５          中心管
６          接着剤
７          固着部
７ａ        接着剤
１１          両端封止部
１２          外周側封止部
Ｒ          円筒状巻回体
Ｕ          分離膜ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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