(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントと、
集水管と同軸の筒状をなして膜エレメントを収納し、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器とを備えたクロスフロー式膜モジュールにおいて、
前記供給口及び濃縮水出口は各々圧力容器の第一端部及び第二端部に同軸上に且つ膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられ、透過水出口はそれら供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられていることを特徴とする膜モジュール。
【請求項２】
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントと、
集水管と同軸の筒状をなして膜エレメントを収納し、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器とを備えたクロスフロー式膜モジュールにおいて、
前記圧力容器は、円筒状の本体と、本体の両端に連結され、本体から遠くなるにつれて内径が漸減する第一、第二のレデューサーとからなり、前記供給口及び濃縮水出口は各々第一レデューサー及び第二レデューサーの端面に膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられるとともに、透過水出口は第一レデューサーの側面及び第二レデューサーの側面の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とする膜モジュール。
【請求項３】
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントを収納するために、集水管と同軸の筒状をなし、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器において、
前記供給口及び濃縮水出口は各々圧力容器の第一端部及び第二端部に同軸上に且つ膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられ、透過水出口はそれら供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられていることを特徴とするクロスフロー式膜モジュールの圧力容器。
【請求項４】
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントを収納するために、集水管と同軸の筒状をなし、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器において、
円筒状の本体と、本体の両端に連結され、本体から遠くなるにつれて内径が漸減する第一、第二のレデューサーとからなり、前記供給口及び濃縮水出口は各々第一レデューサー及び第二レデューサーの端面に膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられるとともに、透過水出口は第一レデューサーの側面及び第二レデューサーの側面の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とするクロスフロー式膜モジュールの圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スパイラル型膜エレメントを圧力容器内に収納したクロスフロー式膜モジュールに属する。
【０００２】
【従来の技術】
スパイラル型膜エレメントは、単位体積当たりの膜面積の多い中空糸膜エレメントに比べて、分離性能を長期的に維持できるという利点を有する。このため、スパイラル型膜エレメントは、超純水の製造はもとより、工業液体の処理、食品プロセス液の処理、製薬プロセス液の処理、各種排水の処理において、懸濁物質、微生物及び分子量レベルの不純物の除去や、有価物の回収など広く用いられている。
【０００３】
スパイラル型膜エレメントは、一般に透過水流路材の両面に分離膜を重ね合わせて３辺を接着することにより分離膜を袋状とし、その袋状膜の開口部を集水管に取り付けて、メッシュ状の原水流路材とともに集水管に渦状に巻き付けることにより構成される。集水管は、外周に貫通孔が形成された一端閉塞の中空状をなしている。
【０００４】
図５に示すように、従来の膜モジュール３１においてスパイラル型膜エレメント３２は、集水管３４と同軸の筒状をなす圧力容器３３に収納されている。圧力容器３３の両端は板状の封止部材３６、３７により封止されており、第一端部側の封止部材３６には原水供給配管を接続する供給口３８が形成され、第二端部側の封止部材３７には濃縮水回収配管を接続する濃縮水出口３９と透過水回収配管を接続する透過水出口４１とが設けられている。集水管３４の開口端は透過水出口４１に通じている。
【０００５】
スパイラル型膜エレメント３２を運転中は、供給口３８より加圧供給された原水が原水流路材に沿って軸方向に流れる。その過程で膜を透過した透過水が透過水流路材に沿って集水管３４の貫通孔より集水管内に流入する。非透過水は原水よりも濃縮されており濃縮水として濃縮水出口３９より回収若しくは排出される。他方、透過水は透過水出口４１より回収される。このような膜モジュールは、原水が濃縮水と透過水とに分離することから、全量透過式に対してクロスフロー式と称されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の各利用分野において、原水が高粘性液や懸濁液であることもあり、そのような原水を効率よく処理するためには膜面線速を高めることが有効である。
【０００７】
しかし、図５に示した従来構造では、板状の封止部材３７の限られた面積の範囲内に濃縮水出口３９と透過水出口４１を設けているので、口径の選択範囲が狭い。即ち、透過水出口４１を集水管３４の延長上に設けているので、濃縮水出口３９を封止部材３７の半径より大きくとることができない。従って、大流量を流す場合や、高粘性液、懸濁液を供給循環する場合に、液体に加わる抵抗が大きく、十分な膜面線速を得ることができない。
このため本発明の課題は、改良された構造を有する圧力容器により膜面線速の高いクロスフロー式膜モジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本件第一発明のクロスフロー式膜モジュールは、
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントと、
集水管と同軸の筒状をなして膜エレメントを収納し、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器とを備えたクロスフロー式膜モジュールにおいて、
前記供給口及び濃縮水出口は各々圧力容器の第一端部及び第二端部に同軸上に且つ膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられ、透過水出口はそれら供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本件第一発明の膜モジュールによれば、透過水出口が供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられているので、供給口及び濃縮水出口の口径が透過水出口の存在によって制約されることがない。このため、膜エレメントと同等もしくはそれ以上の流路断面積を供給口及び濃縮水出口においても確保することが可能となり、その結果、流体抵抗を軽減して膜面線速を高めることができる。
【００１０】
同じく上記課題を達成する本件第二発明のクロスフロー式膜モジュールは、
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントと、
集水管と同軸の筒状をなして膜エレメントを収納し、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器とを備えたクロスフロー式膜モジュールにおいて、
前記圧力容器は、円筒状の本体と、本体の両端に連結され、本体から遠くなるにつれて内径が漸減する第一、第二のレデューサーとからなり、前記供給口及び濃縮水出口は各々第一レデューサー及び第二レデューサーの端面に膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられるとともに、透過水出口は第一レデューサーの側面及び第二レデューサーの側面の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本件第二発明の膜モジュールによれば、円筒状の圧力容器本体の両端に内径が漸減するレデューサーが連結されて、その端面に供給口及び濃縮水出口が設けられているので、流体が抵抗を受けることなく供給され、又排出される。しかも透過水出口がレデューサーの側面に設けられているので、レデューサーの端面の全面積を供給口及び／又は濃縮水出口に利用することができ、その結果、流体抵抗が著しく軽減されて膜面線速が向上する。
【００１２】
同じく上記課題を達成する本件第三発明のクロスフロー式膜モジュールの圧力容器は、
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントを収納するために、集水管と同軸の筒状をなし、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器において、
前記供給口及び濃縮水出口は各々圧力容器の第一端部及び第二端部に同軸上に且つ膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられ、透過水出口はそれら供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本件第三発明の圧力容器によれば、透過水出口が供給口及び濃縮水出口とほぼ直交する方向に設けられているので、供給口及び濃縮水出口の口径が透過水出口の存在によって制約されることがない。このため、膜エレメントと同等もしくはそれ以上の流路断面積を供給口及び濃縮水出口においても確保することが可能となり、その結果、膜エレメントを収納して運転したとき、流体抵抗を軽減して膜面線速を高めることができる。
【００１４】
同じく上記課題を達成する本件第四発明のクロスフロー式膜モジュールの圧力容器は、
中空の集水管の周りに膜を巻き付けたスパイラル型の膜エレメントを収納するために、集水管と同軸の筒状をなし、膜に対して液体を供給する供給口、濃縮水を取り出す濃縮水出口、及び透過水を取り出す透過水出口を有する圧力容器において、
円筒状の本体と、本体の両端に連結され、本体から遠くなるにつれて内径が漸減する第一、第二のレデューサーとからなり、前記供給口及び濃縮水出口は各々第一レデューサー及び第二レデューサーの端面に膜エレメントの外径とほぼ等しい内径を有するように設けられるとともに、透過水出口は第一レデューサーの側面及び第二レデューサーの側面の少なくともいずれかに設けられていることを特徴とする。
【００１５】
本件第四発明の膜モジュールによれば、円筒状の圧力容器本体の両端に内径が漸減するレデューサーが連結されて、その端面に供給口及び濃縮水出口が設けられているので、流体が抵抗を受けることなく供給され、又排出される。しかも透過水出口がレデューサーの側面に設けられているので、レデューサーの端面の全面積を供給口及び／又は濃縮水出口に利用することができ、その結果、膜エレメントを収納して運転したとき、流体抵抗が著しく軽減されて膜面線速が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は第一実施形態のクロスフロー式膜モジュールを示す軸方向断面図、図２はそのモジュールに用いられる圧力容器の分解正面図である。
【００１７】
モジュール１は、スパイラル型膜エレメント２及びこの膜エレメントを収納する圧力容器３からなる。膜エレメント２は、透過水流路材を包んだ袋状の分離膜が原水流路材と重ねられて一端閉塞の集水管４の周りに渦状に巻かれたものであり、基本的に従来と同様の構造を有する。但し、集水管４の開口端には直角に曲がった管１２が連結されている。
【００１８】
圧力容器３は、集水管４と同軸状をなし、膜エレメント２と同等以上の長さを有する円筒状の本体５と、本体５の第一端部にＯリング１３を介して液密に連結される供給側レデューサー６と、本体５の第二端部にＯリング１４を介して液密に連結される排出側レデューサー７とからなる。両レデューサーともに、本体５から離れるにつれて内径が漸減するテーパー状をなし、端面において開口して供給ライン及び濃縮ラインの各配管と連結可能な形状になっている。従って、供給側レデューサー６の開口端面は供給口８、排出側レデューサー７の開口端面は濃縮水出口９となる。供給口８及び濃縮水出口９の開口面積は、各レデューサー６、７の端面の全面積にほぼ等しい。このように端面の全面積を供給口８又は濃縮水出口９に利用することができるのは、前記管１２が濃縮水出口９に至るまでに直角に曲げられてレデューサー７の側面より貫通していることによる。
【００１９】
管１２は、排出側レデューサー７内に径方向に固定された支持棒１０によって支持され、集水管４との連結部より排出側レデューサー７内に延びて濃縮水出口９に至るまでに曲がって排出側レデューサー７の側面を液密に貫通している。従って、管１２の突き出た部分の開口端面は透過水出口１１となり、外部の透過ラインと連結可能にされている。
【００２０】
かかる構成の膜モジュールにおいては、各レデューサー６、７の内径及長さは通過する原水の抵抗にならない範囲で、本例では供給口８及び濃縮水出口９の内径が膜エレメントの外径とほぼ等しくなるように定められている。従って、供給口８より圧力容器３内に供給された原水は、抵抗を受けることなく膜エレメントに向かう。また、膜エレメントを通過した濃縮水も抵抗を受けることなく濃縮水出口９より排出される。その結果、膜モジュール内全体での流体抵抗が著しく低く、膜面線速が高い。
かくして従来のポンプの能力で大流量の短時間処理、並びに高粘性液や懸濁液の循環処理を行うことができる。
【００２１】
次に本件発明の第二実施形態を説明する。図３は第二実施形態の膜モジュールを示す軸方向断面図である。第一実施形態と基本的に同じ形状及び配置にある構成要素については第一実施形態と同じ符号で示したので、説明を省略する。第二実施形態の膜モジュール２１では、集水管４の濃縮水出口９側端部だけでなく供給口８側端部も開口しており、そこに管１２と同形のもう一つの管１５が管１２と対称的に連結されて、供給側レデューサー６の側面を液密に貫通している。従って、管１５の突き出た部分の開口端面も透過水出口１６となり、透過水は集水管４の両端から両透過水出口１１、１６より回収される。そのため、透過水が受ける抵抗は第一実施形態よりも小さい。
【００２２】
【実施例】
これは、上記第一実施形態の膜モジュールを用いて液体を供給循環し、本件発明の効果を調べた実験例である。図４に示すように、貯水タンク５０の下流にポンプ４２及び膜モジュール１を順に接続し、膜モジュール１の濃縮水出口から排出される濃縮水が貯水タンク５０に還流されるように配管した。膜モジュール１の供給口８の直前及び濃縮水出口９の直後には圧力計４３、４４を各々接続し、膜モジュールを製造した。試験条件は、次の通りである。但し、試験は圧力容器単体で行った。
【００２３】
膜モジュール：日東電工株式会社製CF30-F2-PCE
膜面積０．９ｍ2
圧力容器→内径２インチ、全長１３０５ｍｍ
供給水：上水
【００２４】
比較のために、圧力容器が全長１０９０ｍｍで、図５に示す従来形状のものである以外は上記試験と同一条件で試験した。
その結果、圧力容器の圧力損失、即ち入口側圧力計４３の指示値と出口側圧力計４４の指示値の差は、図６に示す通りとなった。すなわち、従来タイプでは循環流量とともに急激に圧力損失が上昇し、循環流量７０Ｌ／ｍｉｎで２．２ｋｇｆ／ｃｍ2（図示省略）にも達したのに対し、本発明タイプでは循環流量７０Ｌ／ｍｉｎでさえ０．０４ｋｇｆ／ｃｍ2であった。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば膜モジュール内を通過する液体の膜面線速が高く、圧力損失も低いので、液体の大量処理や、高粘性液、懸濁液の処理を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態の膜モジュールを示す軸方向断面図である。
【図２】第一実施形態の膜モジュールに用いられる圧力容器を示す軸方向断面図である。
【図３】第二実施形態の膜モジュールを示す軸方向断面図である。
【図４】第一実施形態の膜モジュールを用いた実施例のフロー図である。
【図５】従来の膜モジュールを示す軸方向断面図である。
【図６】膜モジュールを用いて測定した循環流量と圧力損失との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１、２１、３１  膜モジュール
２、３２  スパイラル型膜エレメント
３、３３  圧力容器
４、３４  集水管
５  圧力容器本体
６、７  レデューサー
８、３８  供給口
９、３９  濃縮水出口
１１、１６、４１  透過水出口
【図１】
0004112744.tif 000002
【図２】
0004112744.tif 000003
【図３】
0004112744.tif 000004
【図４】
0004112744.tif 000005
【図５】
0004112744.tif 000006
【図６】
0004112744.tif 000007