(57)【要約】【課題】  透過液側流路の圧力損失を低減することで、濾過効率と逆流洗浄効果を高めるスパイラル型分離膜エレメントを提供すること。【解決手段】  スパイラル型分離膜１０と原液側流路材１１および透過液側流路材１２が、有孔の中空状中心管１３の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液１が該エレメントの一端面あるいは／および外周の全部または一部から供給され、濃縮液２は前記中心管１３から、透過液３は該エレメントの他方の端面から取り出されることを特徴とする。また、前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管１３に設けられた濃縮液取出し孔１４が、該中心管１３の中央部から軸方向に対し透過液取出し端面側に開孔されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜と原液側流路材および透過液側流路材が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液が該エレメントの一端面あるいは／および外周の全部または一部から供給され、濃縮液は前記中心管から、透過液は該エレメントの他方の端面から取り出されることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項２】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管に設けられた濃縮液取出し孔が、該中心管の中央部から軸方向に対し透過液取出し端面側に開孔されていることを特徴とする請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項３】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液側流路材、分離膜、中心管、および封止剤から形成される原液側流路において、該原液側流路の一端面に開口部を設け、他の端面に封止剤あるいは前記中心管を配するとともに、封止剤の一部を開口することを特徴とする請求項１または２記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項４】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、透過液側流路材、分離膜、中心管、および封止剤から形成される透過液側流路において、前記分離膜を介して原液側流路に設けられた下流側の封止剤に対応する透過液側流路の一端面に開口部を設け、他の端面に封止剤あるいは前記中心管を配することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項５】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液の回収率が５０〜１００％で運転されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項６】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、透過液取出し端面側から逆流洗浄をすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の濁質および溶存している成分を分離するスパイラル型分離膜エレメント（以下「膜エレメント」という。）に関し、さらに詳しくは、原液の高回収率を目的とした場合の濾過効率を向上させ、長期安定して運転できる膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工場やビルなどにおける排水処理あるいは精製水供給には、多くの濾過装置が使用されている。特に、近年半導体製造工程における処理水などにおいては、高度な精密濾過装置が要求され、精密濾過膜（ＭＦ膜）や限外濾過膜（ＵＦ膜）あるいは逆浸透膜（ＲＯ膜）などを利用した膜エレメントが多用されている。
【０００３】
こうした膜エレメントの構造としては、図３に示す分離膜３５、原液側流路材３４および透過液側流路材３６の複数が、有孔の中空状中心管３７の周りに渦巻き状に巻き付けられたものが知られている。このような膜エレメントにおいて、原液３１は一端面より供給され他端面より濃縮液３２が取り出される。原液３１は原液側流路材３４に導かれる間に、分離膜３５で濾過された透過液３３は透過液側流路材３６を通り、中空状中心管３７の孔３８を通って取り出される。また、透過液や洗浄液を用いた逆流洗浄の場合は、逆に中心管３７に逆流洗浄液が供給され孔３８から分散供給され分離膜３５の裏側から洗浄して洗浄排水として排出される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１３７５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の膜エレメントを用いた濾過工程では、「原液の回収率」すなわち原液供給量に対する透過液量の比率が低い場合は問題にならなかったが、回収率が増えるに従って透過液側の流れ抵抗による圧力損失が濾過効率を下げる要因となっている。特に、低圧で運転する超低圧逆浸透膜や限外濾過膜、精密濾過膜ではその圧力損失の影響が大きな問題となる。
【０００５】
例えば、図３において、透過液３３側の圧力損失は、透過液側流路材３６を中心方向へ流れる時、小さな多数の孔３８を通過する時、集水されて中心管３７を流れる時に生じる。これらの圧力損失を低減するためには、透過液側流路材３６を厚くしたり、幅方向の長さを短くして中心管３７までの距離を短くする方法が考えられ、また、中心管３７の径を大きくしたり、孔３８の数を増やしたりして低減することも可能である。
【０００６】
しかしながら、膜エレメントは一定の容積（通常ベッセルと言われる圧力容器）の中に充填されるため巻き付け外径の制約が生じ、透過液側流路材を厚くしたり、中心管の径を大きくすることは必然的に限界がある。さらに幅方向の長さを短くすると、同じ膜面積にするためには積層される分離膜の枚数を増加させることになり、それが製造上の作業工数を増加させることになっている。一方、逆流洗浄工程においては中心管の孔から均一に洗浄液を逆流させることは難しく、片寄った逆流洗浄になっている。さらに、分離膜の最外周部まで洗浄液を均一に到達させることは難しい。このような状態においては逆流洗浄の効果は少なくなり、結局薬品洗浄や交換の頻度が多くなってランニングコストが大きくなる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、透過液側の圧力損失を低減でき、しかも濾過効率と逆流洗浄効果を高めることで長期安定運転ができる膜エレメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、膜エレメントについて鋭意研究したところ、下記のような特徴を有する膜エレメントを形成することで上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、スパイラル型分離膜と原液側流路材および透過液側流路材が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液が該エレメントの一端面あるいは／および外周の全部または一部から供給され、濃縮液は前記中心管から、透過液は該エレメントの他方の端面から取り出されることを特徴とする。つまり、以上のような構造を有する膜エレメントを形成することによって、透過液側の流路長を短く、かつ流路断面積を十分確保できることを見出したもので、透過液側の圧力損失を低減でき、しかも逆流洗浄の効果を高めることで長期安定運転ができる膜エレメントを提供することが可能となった。
【００１０】
また、前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管に設けられた濃縮液取出し孔が、該中心管の中央部から軸方向に対し透過液取出し端面側に開孔されていることを特徴とする。こうした構造の中心管を用いることによって、流路断面積を十分確保しながら原液側および透過液側の流路の実効長を長くすることができことから、濾過効率を高めるとともに、逆流洗浄時にも洗浄液が分離膜全面に均等に行き渡り、汚染物も詰まることなく排出されることで洗浄効率も高く、安定した長期濾過運転が可能となる。
【００１１】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液側流路材、分離膜、中心管、および封止剤から形成される原液側流路において、該原液側流路の一端面に開口部を設け、他の端面に封止剤あるいは前記中心管を配するとともに、封止剤の一部を開口することを特徴とする。こうした構成によって、広い流路断面積および分離に十分な流路面積を確保しつつ、流路の角部における流れの滞留の発生が生じない構造とすることができる。従って、均一な流れを形成し、分離膜全体で均等な濾過機能を有し、濾過効率を高めるとともに、逆流洗浄時にも洗浄液が分離膜全面に均等に行き渡り、汚染物も詰まることなく排出することができる。
【００１２】
前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、透過液側流路材、分離膜、中心管、および封止剤から形成される透過液側流路において、前記分離膜を介して原液側流路に設けられた下流側の封止剤に対応する透過液側流路の一端面に開口部を設け、他の端面に封止剤あるいは前記中心管を配することを特徴とする。こうした構成によって、分離膜を介して原液の流れに対応した透過液の流れを形成するとともに、分離膜の面積を最大限に利用し流路断面積を十分確保することができる。従って、透過液側流路における圧力損失を大幅に低減することができ、濾過効率および逆流洗浄の向上を図ることができる。
【００１３】
さらに、前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、原液の回収率が５０〜１００％で運転されることを特徴とする。上記のような膜エレメントの構成によって、流路における圧力損失の低減および高い濾過効率を確保することが可能となり、従来困難であった高い原液の回収率を確保することができることとなった。つまり、本発明の膜エレメントは高い原液の回収率を必要とする分野や用途の濾過装置に最適であるとともに、濃縮液の発生量を低減することで、廃水処理施設の負荷を軽減するという二次的効果を得ることができる。
【００１４】
また、前記スパイラル型分離膜エレメントにおいて、透過液取出し端面側から逆流洗浄をすることを特徴とする。つまり、上記のような構造の膜エレメントによって、逆流洗浄時にも、従来のような局部的な洗浄液の流れを形成することなく、透過液取出し端面側からの洗浄液が分離膜全面に均等に行き渡り、汚染物も詰まることなく排出されることで洗浄効率も高くなり、安定した長期濾過運転が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような構造を有することで透過液側の流路長を短く且つ流路断面積を十分確保でき、小さな孔を通過することもないため圧力損失を大幅に低減できる。そのため高回収濾過運転においても膜間差圧（＝原液側圧力−透過液側圧力）が有効に分離膜に働くことで濾過効率が高くなる。また、逆流洗浄時にも洗浄液が分離膜全面に均等に行き渡り、汚染物も詰まることなく排出されることで洗浄効率も高くなり、安定した長期濾過運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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に、本発明に係る膜エレメントの構成を例示し、図２に、その構造および動作を例示する。
【００１７】
膜エレメントは、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、分離膜１０、原液側流路材１１、透過液側流路材１２、および中空状中心管１３から構成されている。具体的には、中心管１３に原液側流路材１１、分離膜１０および透過液側流路材１２が積層された膜リーフが巻回された巻回体で構成されている。以下、主に液体試料を本発明に係る膜エレメントによって処理する場合について説明する。
【００１８】
図１（Ａ）は、濾過運転時の試料の流れを例示している。膜エレメント内に流入した原液１は、原液側流路材１１に沿って下流側に流動しながら中心管１３方向へ導かれる間に分離膜１０によって濾過され、透過液３は、透過液側流路材１２に沿って流動し他端面より直線的に取り出される。中心管１３は、適当な間隔で複数の孔１４を有しており、樹脂等で形成されている。中心管１３方向へ導かれた試料は、濃縮液２として、孔１４によって中心管１３へ集められて取り出される。中心管１３の上流側端は、原液１の流入を防止するために塞がれ、下流側端に取出し口を接続して使用される。このように、分離膜１０の膜全体での濾過機能を有効に働かせることによって濾過効果の向上を図るとともに、多層の分離膜１０を形成することによってさらにその効率向上を図ることができる。
【００１９】
また、図１（Ｂ）に示すように、逆流洗浄を行う場合は、逆に透過液取出し端面側から逆流洗浄液４が供給され、分離膜１０の全面に渡って裏側から洗浄が行われ、洗浄排液５として排出される。上記のように、分離膜１０の膜全体で濾過機能を有することから、逆流洗浄においては、その反対の機能によって膜全体の洗浄を図ることができ、多層の分離膜１０を形成することによってさらにその効率向上を図ることができる。ここで、洗浄液４としては、透過液３や別途準備された洗浄液を用いる。
【００２０】
上記において、膜エレメントは、原液側流路１１から透過液側流路１２に直接原液１が流れないような封止構造を有している。上記のような原液１、濃縮液２および透過液３の流れを達成するためには、原液１側および透過液３側において、封止材１５〜１７を図２に例示するように位置することが好適である。
【００２１】
図２（Ａ）は原液１側の試料の流れを模式的に示してあり、封止剤１５および封止剤１６により原液１は中心管１３の方へ導かれる。こうした、封止剤１５および１６の配設によって、分離膜１０全体に均等に原液１が流れるように誘導することができる。特に、封止剤１６は原液１の滞留をなくするために、一部開口部１９を設けることが好ましい。つまり、原液側流路１１の一端面に開口部１８を設け、他の端面に封止剤あるいは中心管１３を設けるとともに、封止剤の一部を開口することで（開口部１９に相当）、流れを非常に均等かつ円滑に導くことができる。特に、図２（Ａ）のように、開口部１８と孔１４の中間の対向する位置に設けることによって、原液１の滞留は殆ど生じない最適な構成であることを見出したものである。このように、透過液側流路との遮断を目的とする封止剤を適切に配設することによって、原液１を中心管へ有効に誘導する流路を形成することが可能となる。
【００２２】
このとき、中心管１３も原液１が短絡して流れないように、中心管１３の中央部から軸方向に対し透過液取出し端面側に孔１４を設けることが好ましい。さらに、孔１４は、端面側に沿って暫次開口面積、あるいは孔１４の数量が増加するように設けることが好ましい。下流に従い、圧力損失を低減することで、原液１の流れを均等化することができるとともに、原液１の滞留部分をなくすることができる。
【００２３】
一方、透過液３側は、図２（Ｂ）に示すように、封止剤１７で三方を封止する。こうした流路を形成することで、分離膜１０の面積を最大限に利用することができる。また、分離膜１０を介して原液１の均等な流れに対応した透過液３の流れを形成するとともに、流路断面積を十分確保できることから、透過液３側の圧力損失を大幅に低減することができる。同時に、逆流洗浄に際しても、洗浄液４が分離膜１０全面に均等に行き渡り、汚染物も詰まることなく排出されることで洗浄効率を高くすることができる。
【００２４】
また、図２（Ｃ）に、上記原液側流路の異なる構成を例示する。透過液側流路との遮断を目的とする封止剤１５または１６には、開口部１９を設けることなく、別途流路形成部材２０を配設したもので、図２（Ａ）と同様に、流路の角部における流れの滞留の発生が生じない構造とすることができる。なお、流路形成部材２０は、分離膜１０あるいは原液側流路材１１と完全に接合する必要はなく、流路が確保できる程度の簡便な部材の配設で十分である。
【００２５】
膜エレメントの形状等は、試料液の種類、処理量および分離物質によって様々であるが、外径４０〜４００ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度の膜エレメントが一般的に多く用いられる。
【００２６】
具体的に、上記のような膜エレメントを用いた場合においては、５０％を超える原液の回収率での運転が可能となった。従って、従来困難であった高い原液の回収率を確保することができ、高い原液の回収率を必要とする分野や用途の濾過装置に適用が可能となった。
【００２７】
つまり、原液側および透過液側の両方での滞留のない均一な流路の形成によって、汚染物の滞積もなく、分離膜が有する濾過面積を有効に活用することによって実現したものである。濃縮液の再循環は、汚染物の凝縮や変質により原液の回収率の低下を招来する可能性があり、また、逆流洗浄の効率低下をも招来する。こうしたおそれのない原液の使用によって、相乗的に原液の回収率および逆流洗浄の効率の改善に寄与している。さらに、濃縮液の発生量を低減することで、廃液処理施設の負荷を軽減するという二次的効果を得ることができる。
【００２８】
また、本発明に係る膜モジュールを液体分離装置に適用することで、上記のような機能を有効に活かすことができる。特に、高い原液の回収率が求められる、例えば半導体製造工程などにおける高機能・高精度液体分離装置にとっては、こうした液体分離装置を用いることによる長期的に安定的な濾過精製を確保できることは非常に大きな利点となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上は、主として水溶液などの液体試料を中心に述べたが、同様の技術は、上記に限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、炭化水素などを含むガス状混合試料の分離などにおいても適用可能であり、特に試料停止時にシール性が低下した場合には、液体よりも格段に内部流体の排出が容易であることから、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のスパイラル型分離膜エレメントの構成例を示す説明図
【図２】本発明の構造および動作を例示する説明図
【図３】従来のスパイラル型分離膜エレメントを例示する説明図
【符号の説明】
【００３１】
１      原液
２      濃縮液
３      透過液
１０    分離膜
１１    原液側流路材
１２    透過液側流路材
１３    中心管
１４    孔
１５〜１７  封止剤
１８、１９  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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