(57)【要約】      （修正有）【課題】スパイラル型分離膜エレメントの部材点数削減とエレメント構造の簡素化の方法の提供。【解決手段】有孔の集水管５の周りに、分離膜２、供給側流路材、及び透過側流路材をスパイラル状に巻回してなるスパイラル型分離膜エレメントにおいて、供給側流路材と透過側流路材が、両方の機能を有する、シートの両面に設けられた凹凸によって形成された統合流路材９、及び統合流路材９を用いたスパイラル型分離膜エレメント。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給流体から透過流体を得る分離膜エレメントであって、
集水管と、
供給流体側の面と透過流体側の面とを有し、前記集水管の周囲に巻回された複数の分離膜と、
を備えるスパイラル型分離膜エレメントであって、
前記分離膜は、その供給流体側の面と、隣合う分離膜の透過流体側の面とが対向するように重ねられ、
前記分離膜エレメントは、前記分離膜の間に配置され、前記供給流体および前記透過流体を通さないシートをさらに備え、
前記シートの前記分離膜の透過流体側の面と対向する面に沿って、透過側流路が設けられ、
前記シートの前記分離膜の供給流体側の面と対向する面に沿って、供給側流路が設けられる、
スパイラル型分離膜エレメント。
【請求項２】
前記透過側流路および供給側流路は、前記シートの両面に設けられた凹凸によって形成されることを特徴とする
請求項１に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項３】
前記凹凸が、インプリント加工により施されていることを特徴とする
請求項２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項４】
圧力容器と、
前記圧力容器に挿入される請求項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と、
を備えることを特徴とする分離装置。
【請求項５】
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に流体を供給することで、透過流体を得ることを特徴とする分離膜処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体、気体等の流体に含まれる成分を分離するために使用されるスパイラル型分離膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体、気体等の流体に含まれる成分を分離する方法としては、様々な方法がある。特に、海水、かん水などに含まれるイオン性物質を除くために、スパイラル型分離膜エレメントの利用が拡大している。
【０００３】
特許文献１に記載されたスパイラル型分離膜エレメント（以下、単に「分離膜エレメント」と称する。）は、集水管と、複数の分離膜とを備える。複数の分離膜は重ねられており、各分離膜は、その供給側の面が、隣合う分離膜のうちの一方の供給側の面と向かい合うように配置され、かつ、その透過側の面が、隣合う分離膜のうちの他方の透過側の面と向かい合うように配置される。特許文献１の分離膜エレメントは、供給側流路材および透過側流路材と、をさらに備えている。供給側流路材は、隣合う分離膜の供給側の面の間に挿入され、透過側流路材は、隣合う分離膜の透過側の面の間に挿入される。特許文献１では、透過側流路材として、ポリエステルフィルムにインプリント加工した部材が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４７４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、部材点数の削減とエレメント構造の簡素化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、下記の構成からなる。すなわち、
【発明の効果】
【０００７】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、供給側流路材と透過側流路材が、両方の機能を有する１つの部材によって実現されるため、部材点数の削減とエレメント構造の簡素化が実現でき、低コストでのエレメント製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施の一形態におけるスパイラル型分離膜エレメントの構造を示す概略図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の一形態におけるスパイラル型分離膜エレメントの内部構造を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明に適用可能な流路材の一例である丸波状の流路断面図である。
【図２Ｂ】本発明に適用可能な流路材の一例である矩形波状の流路断面図である。
【図２Ｃ】本発明に適用可能な流路材の一例である三角波状の流路断面図である。
【図３Ａ】本発明に適用可能な円柱状流路材の一例を示す斜視図である。
【図３Ｂ】本発明に適用可能な円柱状流路材の一例を示す断面図である。
【図３Ｃ】本発明に適用可能な円柱状流路材の一例を示す上面図である。
【図４Ａ】本発明に適用可能な凹凸状流路材の一例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】本発明に適用可能な凹凸状流路材の一例を示す断面図である。
【図５Ａ】一般的なスパイラル型分離膜エレメントを示す概略図である。
【図５Ｂ】従来の布帛で構成された流路構成の一例を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［実施形態］
I.スパイラル型分離膜エレメント
（１）構成の概要
図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本発明の実施の一形態のスパイラル型分離膜エレメント（以下、単に「分離膜エレメント」と称する）について説明する。
【００１０】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施形態の分離膜エレメント１１は、供給流体１０１から透過流体１０２と濃縮流体１０３とを得ることができる。分離膜エレメント１１は、集水管５と、複数の分離膜２と、統合流路材９とを備える。より詳細には、分離膜エレメント１１は、集水管５と、集水管５に巻囲された１つのまたは複数の分離膜ユニット２ｂとを備える。分離膜ユニット２ｂは、分離膜２と、統合流路材９と、封止材と、を備える。
【００１１】
分離膜ユニット２ｂは、集水管５の周囲に巻囲されることで、円柱状の巻囲体を形成する。この巻囲体において、分離膜２と統合流路材９とは、交互に重なる。
【００１２】
巻囲体の外側には、フィルム６が巻き付けられている。フィルム６以外にも、樹脂製のフィラメントが巻き付けられていてもよい。
【００１３】
巻囲体の両端には、端板７，８が取り付けられている。端板としては公知の物が適用可能である。図１Ａでは、スポーク状の端板が描かれている。
【００１４】
（２）集水管
集水管５は中空であり、その側面に複数の集水孔４が設けられている。集水管の２つの端部のうち、少なくとも一方の端部は開放されている。
【００１５】
（３）分離膜ユニット
（３−ａ）分離膜ユニットの概要
分離膜ユニット２ｂは、図１Ｂに示すように、分離膜２と、分離膜２の供給側の面２１に対向するように配置された統合流路材９と、分離膜２の集水管と統合流路材９との間を封止する封止材とを備える。
【００１６】
具体的には、図１Ｂに示すように、統合流路材９は、面９０１と面９０２とを有している。面９０１は分離膜２の供給側の面２１に対向し、面９０２は分離膜２の透過側の面２２に対向する。
【００１７】
分離膜２および統合流路材９は、略長方形であり、その４つの辺（端部と言い換えられる。）のうち２つが集水管５の長手方向（図１Ｂの紙面に垂直な方向）に平行になるように配置される。集水管の長手方向に平行な２つの端部のうち、集水管に近い方の端部では、分離膜２の供給側の面２１と統合流路材９の面９０１との間は、封止材１２で閉塞されている。一方で、この端部の逆側の端部（集水管５の長手方向に平行かつ集水管５から遠い端部）では、分離膜２の透過側の面２２と統合流路材の面９０２との間は、封止材１３で閉塞される。封止材１３は、図示しないが、残りの２つの端部においても、分離膜２の透過側の面２２と、統合流路材の面９０２との間を閉塞させている。すなわち、面９０１は供給流体１０１および濃縮流体１０３のみに接触し、面９０２は透過流体１０２のみに接触する。
【００１８】
このように、統合流路材９は、３つの端部（つまり３辺）において面９０２と分離膜の透過側の面２２との間が封止され、１つの端部（つまり１辺）において面９０１と分離膜の供給側の面２１との間が封止されることで、計４方の端部が封止材によって分離膜２と固定されている。そのため、使用中にエレメントが半径方向に広がった場合でも、統合流路材９が下流側に押し流されにくい。よって、チャネリング現象の発生が抑制される。
【００１９】
（３−ｂ）分離膜
分離膜としては、ＮＦ（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）膜またはＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜が好ましく用いられる。
【００２０】
分離膜は、供給流体および濃縮流体に接触する供給側の面（第１面）２１と、透過流体に接触する透過側の面（第２面）２２とを備える。
【００２１】
通常、分離膜は、分離膜の２つの面のうち、径の小さな孔を有する面が供給流体に接するように配置されることが好ましい。つまり、分離膜が、基材と、基材上に設けられた多孔性支持層と、多孔性支持層上に設けられた分離機能層とを備える場合は、分離機能層が供給流体に接して、基材が透過流体に接するように、分離膜が配置されることが好ましい。
【００２２】
（３−ｃ）統合流路材
統合流路材９は、供給流体と透過流体とを透過しない（すなわち濃縮流体も透過しない）部材である。
【００２３】
統合流路材９は、シート状の部材であり、その２つの面のうち、分離膜２の透過側の面２２と対向する面に沿って、透過側流路が設けられ、統合流路材９の分離膜２の供給側の面２１と対向する面に沿って、供給側流路が設けられる。
【００２４】
具体的には、統合流路材９がその両面に凹凸を有していることで、統合流路材９の２つの面にそれぞれ、透過側流路および供給側流路が設けられる。つまり、統合流路材９の表面における凸部の間（つまり凹部）が、透過流体または供給流体（あるいは濃縮流体）の流路として機能する。
【００２５】
「凹凸を有する」とは、統合流路材が、分離膜のような平らな物が統合流路材に重ねられたときに、その平らな物と統合流路材との間に空間を生じるような形状であることをいう。
【００２６】
統合流路材９によって、供給側流路材と透過側流路材の両方の機能が、１枚の統合流路材によって実現される。
【００２７】
統合流路材９における凹凸は、シートを変形させ、その状態で固定することで形成されていてもよい。また、統合流路材９における凹凸は、シートにエッチングを施すことよって形成されていてもよい。また、統合流路材９は、シート状の基材と、基材の表面に固着された突起物とを備えてもよい。このときの突起物は基材と同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。また、突起物は基材に対して固定されていればよく、接着されていてもよいし、接合されていてもよい。
【００２８】
具体的には、統合流路材９の例として、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに、それ自体が丸波状、矩形波状、三角波状を有するように加工されたシート９１，９２，９３を挙げる。
【００２９】
シート表面に凹凸形状を形作る方法の一つにインプリント加工がある。インプリント加工とは、樹脂のガラス転移温度以上に加熱した樹脂を、同じく樹脂のガラス転移温度以上に加熱した凹凸形状を持つ型でプレスする方法である。なお、型は金属製のものが一般的であり、型には切削加工により凹凸形状が施されていればよい。具体的には、熱した樹脂製のシートに熱した型を押しつけ、圧力を加えた状態でシートを冷却してから、シートから型を取り外すことによって、シート表面に型とは逆の凹凸を転写することができる。
【００３０】
統合流路材９の厚みは４０μｍ以上であることが好ましく、１０００μｍ以下であることが好ましい。統合流路材９の厚みが４０μｍ以上であることで、適切な強度が得られるので、破れにくく、流路が確保されるという効果が実現される。また、厚みが１０００μｍ以下であることで、容易に巻囲することができ、１つの分離膜エレメント内に挿入できる分離膜ユニットの数を維持することができる。
【００３１】
統合流路材９の厚みは、非接触の測定器、例えば電磁式、超音波式、磁力式、光透過式等の市販のフィルム膜厚測定器で測定可能である。
【００３２】
なお、統合流路材９の厚みとは、図２Ａに示すような、統合流路材の供給側の面の凸部から透過側の面の凸部までの距離を指す。
【００３３】
統合流路材９の材料については、流路形状を保持し、透過流体中への成分の溶出が少ないものであるならばどのようなものでも良く、例えば、ナイロン等のポリアミド系、ポリエステル系、ポリアクリロニトリル系、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリ塩化ビニリデン系、ポリフルオロエチレン系等の合成樹脂が挙げられるが、特に高圧化に耐えうる強度や親水性を考慮するとポリエステル系が好ましい。
【００３４】
（３−ｄ）封止材
封止材としては、酸やアルカリなどの薬液洗浄に耐えるものであれば、特に限定されず、市販されているものを用いることができる。また、封止材の形態としては、例えば、接着剤、接着テープ、熱接着フィルムなどが挙げられる。
【００３５】
封止材として用いられる接着剤としては、瞬間接着剤、並びに、２液混合タイプ、ホットメルト系、熱可塑性樹脂系、熱硬化性樹脂系、エマルジョン系およびエラストマー系の接着剤を含む公知の接着剤が挙げられる。
【００３６】
符号１２，１３で示す封止材は、同じ組成を有してもよいし、互いに異なる組成を有してもよい。
【００３７】
ＩＩ．分離装置
上述の分離膜エレメントは、分離装置に適用される。分離装置は、円筒状の圧力容器と、圧力装置内に挿入される分離膜エレメントとを備える。分離装置はその他にもガスケット等の部材を備えることができる。
【００３８】
ＩＩＩ．分離
上述の分離膜エレメントを用いた流体の分離について、図１Ａ等を参照して説明する。
【００３９】
供給流体１０１は、上流側端板７を通じて、統合流路材９の面９０１内に供給され、分離膜３を透過した透過流体１０２と、前記分離膜３を透過しなかった濃縮流体１０３とに分離される。前記濃縮流体１０３は、下流側端板８を通じて、エレメント１１の外に排出される。前記透過流体１０２は、統合流路材９の面９０２内に浸入し、面９０２に賦形された透過側流路に沿って流れた後、透過流体集水管５を通じて、エレメント１１外に導出される。
【００４０】
ＩＶ．製造方法
分離膜エレメント１１の製造方法は、以下の工程を含む。
（ａ）分離膜２と統合流路材９とを分離膜ユニット２ｂに加工する工程
（ｂ）分離膜ユニット２ｂを集水管５の周囲に巻囲する工程、
分離膜エレメントの製造方法は、その他に、分離膜２を製造する工程、統合流路材９を製造する工程、工程（ｂ）の後に端板等の他の部材を装着する工程など、さらなる工程を含んでもよい。
【００４１】
上記工程（ａ）では、分離膜２の供給側の面２１の一端に、接着剤を塗布し（あるいは封止材１２となる他の材料を配置し）、分離膜２の供給側の面２１と向かい合わせになるように、統合流路材９を配置する。もちろん、統合流路材９に接着剤を塗布してもよい。接着剤が固化すると、１枚の分離膜２と１枚の統合流路材９とを有する分離膜ユニット２ｂが得られる。分離膜ユニット２ｂでは、上述したように、分離膜２の一端において分離膜２の供給側の面２１と統合流路材９との間が封止されている。
【００４２】
工程（ｂ）では、封止された方が同じ方向を向くように、かつ分離膜２と統合流路材９とが交互に重なるように、複数の分離膜ユニット２ｂを重ねる。分離膜ユニット２ｂの間には、つまり分離膜２の透過側の面２２と統合流路材９との間には、接着剤を塗布するか、あるいは封止材１３となる他の材料を配置する。このとき、封止材１３は、工程（ａ）で封止された端部以外の３辺に配置される。
【００４３】
こうして重ねられた分離膜ユニット２ｂを、工程（ａ）で封止された端部が内側になるようにして、集水管５の周囲に巻回する。
【００４４】
その後、巻回された分離膜ユニット２ｂの外側にフィラメントを巻き付けたり、集水管５の長手方向両端に端板を取り付けたりして、分離膜エレメントが製造される。
【００４５】
［比較形態］
図５Ａおよび図５Ｂに、供給側流路材と透過側流路材とを個別の部材として備える分離膜エレメント２１１を示す。
【００４６】
分離膜エレメント２１１は,供給側流路材としてネット１を備え、透過側流路材としてトリコット３を備える。
【００４７】
分離膜２は、供給側の面２１を内側にして折り畳まれており、その中にネット１が挿入されている。この分離膜２とネット１との組合せを、分離膜リーフと呼び、符号２ａを付す。
【００４８】
分離膜リーフ２ａは重ねられて、その間にトリコット３が挟み込まれている。分離膜リーフ２ａ間は、封止材１３で封止される。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
【００５０】
＜実施例１＞
統合流路材として、インプリント加工を施したポリエステルフィルムを使用した。このフィルムの供給側の面には、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示すような円柱状の突起が形成され、透過側の面には、図４Ａ、図４Ｂに示すような互いに平行な直線状の突起および溝が形成されていた。
【００５１】
供給側の面の形状は、円柱の直径Ｄ＝１２００μｍ、流体の流れる方向に平行な方向における円柱のピッチＰ１＝４０００μｍ、ピッチＰ１の方向に垂直な方向の円柱のピッチＰ２＝４０００μｍ、溝深さＨ＝３００μｍであった。突起は等間隔に並んでいた。
【００５２】
透過側の面の形状は、溝幅Ｗｍ＝２５０μｍ、突起幅Ｗａ＝１５０μｍ、溝深さＨ＝２８０μｍであった。
【００５３】
統合流路材の厚みは、７４０μｍであった。上述した統合流路材、分離膜および封止材を用いて図１に示したような分離膜ユニットを作製した。これを集水管に巻回することで、直径８インチの分離膜エレメントを作製した。次いで、下記評価方法（１）（２）によりエレメントの造水性能とチャネリング現象の発生難易性を評価した。結果は表１に示す。
【００５４】
（１）造水性能評価テスト
エレメントを、ＴＤＳ３．５％重量の海水を液温２５℃で５．５ＭＰａの差圧を与えて１０日間濾過しつづけ、１日当たりの透過水量および１０日後の塩除去率を算出した。
【００５５】
塩除去率（ＴＤＳ除去率）は以下の式
式：ＴＤＳ除去率（％）＝１００×｛１−（透過流体中のＴＤＳ濃度／供給流体中のＴＤＳ濃度）｝
に基づき求めた。
【００５６】
（２）チャネリング現象の強制発生テスト
水に、小麦粉：５００ｐｐｍ、高分子凝集剤：１０ｐｐｍ、ＦｅＣｌ３：１００ｐｐｍを混合した。こうして得られた液体を操作圧力０．５ＭＰa、供給流量４０Ｌ/ｍｉｎでエレメントに供給し、その後、高流量による運転と低流量による運転とを交互に繰り返すことで、チャネリングの発生を促した。
【００５７】
それらの運転条件は、下記の通りとした。交互運転７回を１セットとし、１０セット終了時にエレメントを取り出し、端面の状態からチャネリング発生の有無を調べた。
【００５８】
高流量時：流量４００Ｌ/ｍｉｎ、操作圧力０．５ＭＰａ、運転時間３０分
低流量時：流量４０Ｌ/ｍｉｎ、操作圧力０．５ＭＰａ、運転時間１０分
チャネリング強制発生テスト終了後のエレメント端面における状態を、テスト開始前と比較し、目視で明らかな隙間（目開き）の発生が認められた場合をチャネリング発生ありと判定した。
【００５９】
＜実施例２＞
統合流路材の透過側の面が、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示す円柱状の突起を備え、凹凸形状が、直径Ｄ＝１８０μｍ、ピッチＰ１＝４００μｍ、ピッチＰ２＝４００μｍ、溝深さＨ＝２８０μｍである以外は、全て実施例１と同様に８インチの分離膜エレメントを作製し、実施例１と同じ方法で評価した。
【００６０】
＜比較例１＞
供給側流路材としてネット（ポリエステル製、厚み：５００μｍ、ピッチ３００μｍ×３００μｍ）を、透過側流路材としてトリコット（ポリエステル製、厚み：３００μｍ、溝幅：２００μｍ、畔幅：３００μｍ、溝深さ：１０５μｍ）を使用し、図５Ａ、図５Ｂに示す形態で８インチの分離膜エレメントを作製し、実施例１と同じ方法で評価した。
【００６１】
＜比較例２＞
透過側流路材として、一方の面に図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示すような円柱状の凹凸がインプリント加工により施され、他方の面は平滑であるポリエステルフィルムを使用し、円柱状の凹凸が、直径Ｄ＝１８０μｍ、ピッチＰ１＝４００μｍ、ピッチＰ２＝４００μｍ、溝深さＨ＝２８０μｍであり、透過側流路材の総厚みが４００μｍである以外は、全て比較例１と同様に８インチの分離膜エレメントを作製し、実施例１と同じ方法で評価した。
【００６２】
表１に示すとおり、実施例１、２の場合は、透過水量、塩除去率ともに高く、チャネリングも発生しなかった。これに対し、トリコットを透過側流路材として使用した比較例１では、透過水量、塩除去率ともに低く、チャネリングの発生が見られた。インプリント加工したフィルムを透過側流路材としてのみ使用した比較例２では、透過水量が本発明を少し下回る程度、塩除去率が本発明と同程度だったが、チャネリングの発生が見られた。
【００６３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、特に、かん水や海水の塩除去に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１        供給側流路材
２        分離膜
２１      分離膜の供給流体側の面
２２      分離膜の透過流体側の面
３        透過側流路材
４        集水孔
５        透過流体集水管
６        フィルム
７        上流側端板
８        下流側端板
９        統合流路材
９０１    統合流路材の供給流体側の面
９０２    統合流路材の透過流体側の面
１２      封止材
１３      封止材
１１      本発明のスパイラル型分離膜エレメント
２１１    従来のスパイラル型分離膜エレメント
９１      統合流路材の例(丸波状)
９２      統合流路材の例(矩形波状)
９３      統合流路材の例(三角波状)
１０１    供給流体
１０２    透過流体
１０３    濃縮流体
２ａ      分離膜リーフ
２ｂ      分離膜ユニット
Ｄ        円柱状突起の直径
Ｐ１      流体に平行な方向における突起のピッチ
Ｐ２      流体に垂直な方向における突起のピッチ
Ｈ        流路材の溝深さ
Ｗｍ      溝幅
Ｗａ      畔幅
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
2016137473.tif 000006
【図２Ｂ】
2016137473.tif 000007
【図２Ｃ】
2016137473.tif 000008
【図３Ａ】
2016137473.tif 000009
【図３Ｂ】
2016137473.tif 000010
【図３Ｃ】
2016137473.tif 000011
【図４Ａ】
2016137473.tif 000012
【図４Ｂ】
2016137473.tif 000013
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2016137473.tif 000015