(57)【要約】【課題】濃度分極を従来品と同程度に抑制できる上、供給側の圧力損失を低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇が少ないスパイラル型分離膜エレメントを提供する。【解決手段】分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、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であって、前記供給側流路材は、複数の糸状体１が略直角に交差するように形成されたネットであり、供給液の流れ方向に沿った糸状体１の交点の間隔Ｌが、６〜１３ｍｍであるスパイラル型分離膜エレメントとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、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であって、
前記供給側流路材は、複数の糸状体が略直角に交差するように形成されたネットであり、
供給液の流れ方向に沿った前記糸状体の交点の間隔が、６〜１３ｍｍであるスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項２】
前記供給側流路材は、供給液の流れ方向に対して４０〜５０°の角度と−４０〜−５０°の角度とで配される糸状体を各々有し、供給液の流れ方向に垂直な方向の前記糸状体の交点の間隔が、６〜１３ｍｍである請求項１に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項３】
前記供給側流路材は、メルトフローレートの値が２以上の樹脂材料から構成されている請求項１又は２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項４】
前記供給側流路材は、坪量が３０〜５０ｇ／ｍ２である請求項１〜３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、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分離膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スパイラル型分離膜エレメントの構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられたものが知られている（例えば、特許文献１、２等）。このようなスパイラル型分離膜エレメントにおいて、供給側流路の圧力損失が大きくなると、供給液を供給するポンプの必要動力が大きくなることによって電力費が高くなる上、エレメントが破損する場合がある。このため、供給側流路材には、供給側流路の圧力損失をできるだけ小さくする機能が要求される。
【０００３】
上述の要求に対し、例えば特許文献３、４では、集水管の軸線に垂直な方向の線状物の交点間隔Ｘが２ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、かつ上記軸線に平行な方向の線状物の交点間隔ＹがＸの１．０倍以上１．８倍以下である供給側流路材を用いることによって、供給側流路の圧力損失を低減できるスパイラル型分離膜エレメントが提案されている。
【０００４】
しかし、このような供給側流路材によると、線状物の交点間隔Ｘが５ｍｍ以下であるため、線状物の密度が高くなるので、初期の圧力損失は低減できても、運転中に汚染物質が付着すること等により、圧力損失が経時的に増加し易いという問題があった。
【０００５】
他方、供給側流路材には、供給側の圧力損失をできるだけ小さくする機能に加えて、分離膜面の表面更新を促進して濃度分極を抑える機能が要求される。濃度分極が生じると、膜面の浸透圧が増加することにより、フラックスが低下する等の弊害が生じる。
【０００６】
【特許文献１】特開平０２−２７３５２０号公報
【特許文献２】特開平０８−３３２４８９号公報
【特許文献３】特開２０００−０００４３７号公報
【特許文献４】特開２０００−２８８５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的には、供給側流路材を構成する線状物（糸状体）の交点間隔を広げると、供給側流路材による供給液の攪拌機能が低下するため、濃度分極の抑制が困難となることが知られている。
【０００８】
本発明の目的は、濃度分極を従来品と同程度に抑制できる上、供給側の圧力損失を低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇が少ないスパイラル型分離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】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、供給側流路材を構成する糸状体の交差角度と、供給液の流れ方向に沿った糸状体の交点間隔とを規制することにより、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。
【００１０】
すなわち、本発明は、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、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であって、前記供給側流路材は、複数の糸状体が略直角に交差するように形成されたネットであり、供給液の流れ方向に沿った前記糸状体の交点の間隔が、６〜１３ｍｍであるスパイラル型分離膜エレメントに関する。
【００１１】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントでは、複数の糸状体が略直角に交差するように形成されたネットを供給側流路材として用いるため、供給側の圧力損失の低減と、供給液の攪拌による濃度分極の抑制とを両立できる。また、供給液の流れ方向に沿った前記糸状体の交点の間隔が適度であるため、供給液の攪拌機能を維持した上で供給液の流れの抵抗を低減できる。更に、複数の糸状体が略直角に交差すると共に交点の間隔が適度であるため、運転中に汚染物質が付着しにくく、経時的な圧力損失の上昇を少なくすることができる。これにより、濃度分極を従来品と同程度に抑制できる上、供給側の圧力損失を低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇を少なくすることができる。
【００１２】
上記において、前記供給側流路材は、供給液の流れ方向に対して４０〜５０°の角度と−４０〜−５０°の角度とで配される糸状体を各々有し、供給液の流れ方向に垂直な方向の前記糸状体の交点の間隔が、６〜１３ｍｍであることが好ましい。略直角に交差する糸状体がこのような角度で配され、供給液の流れ方向に垂直な方向の前記糸状体の交点の間隔が十分大きくなることにより、濃度分極を抑制しながら、供給側の圧力損失をより低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇をより少なくすることができる。
【００１３】
前記供給側流路材は、メルトフローレート（ＭＦＲ）の値が２以上の樹脂材料から構成されていることが好ましい。ＭＦＲの値が２以上の樹脂材料を用いると、成形されたネットの剛性が高くなるため、糸状体の交点間隔が大きくなっても、供給側流路材の構造強度を保つことができるからである。なお、上記ＭＦＲは、ＪＩＳＫ７２１０（１９９９年）に基づいて測定される。
【００１４】
前記供給側流路材は、坪量が３０〜５０ｇ／ｍ２であることが好ましい。坪量を３０ｇ／ｍ２以上とすることにより、供給液の攪拌機能をより向上させることができるため、濃度分極の抑制がより容易となる。また、坪量を５０ｇ／ｍ２以下とすることにより、供給液の流れの抵抗をより低減できるため、供給側の圧力損失の低減がより容易となり、運転中の経時的な圧力損失の上昇をより少なくすることができる。
【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分離膜エレメントの供給側流路材の一例を示す平面図である。
【００１６】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられている構造を有する。かかる膜エレメントは、前記の特許文献１〜４にも詳細に記載されており、供給側流路材以外の構成に関しては、従来公知の分離膜、透過側流路材、中空状中心管などが何れも採用できる。例えば、供給側流路材と透過側流路材が複数用いられる場合には、複数の膜リーフが中空状中心管の周りに巻きつけられた構造となる。
【００１７】
図１に示すように、本発明で用いられる供給側流路材は、複数の糸状体１が略直角に交差するように形成されたネットである。糸状体１の交差角度θが大きくなると、糸状体１によって供給液の流れが妨げられる傾向があり、逆に糸状体１の交差角度θが小さくなると、供給側流路材による供給液の攪拌機能が低下する傾向がある。本発明では、交差角度θが略直角なので、供給側の圧力損失の低減と、供給液の攪拌による濃度分極の抑制とを両立できる。なお、上記「略直角」とは、糸状体１の交差角度θが厳密に９０°の場合に限定されるものではなく、上記効果を損なわない程度（例えば、交差角度θが９０±５°）の角度であればよい。
【００１８】
また、本発明で用いられる供給側流路材は、供給液の流れ方向に沿った糸状体１の交点の間隔Ｌが６〜１３ｍｍである。間隔Ｌが小さくなると、上記交点によって供給液の流れが妨げられる傾向があり、逆に間隔Ｌが大きくなると、供給側流路材による供給液の攪拌機能が低下する傾向がある。本発明では、間隔Ｌが適度であるため、供給液の攪拌機能を維持した上で供給液の流れの抵抗を低減できる。これにより、濃度分極を従来品と同程度に抑制できる上、供給側の圧力損失を低減できる。
【００１９】
本発明において、供給側の圧力損失をより低減するためには、間隔Ｌが７ｍｍ以上であることが好ましく、８ｍｍ以上であることがより好ましい。また、濃度分極をより抑制するためには、間隔Ｌが１２ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２０】
また、供給液の流れ方向に垂直な方向の交点の間隔Ｗは、濃度分極を抑制しながら、供給側の圧力損失をより低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇をより少なくする観点から、６〜１３ｍｍが好ましく、７〜１２ｍｍがより好ましく、７〜１０ｍｍが更に好ましい。
【００２１】
供給側流路材の糸状体１が配される方向は、供給側の圧力損失を低減する上で、供給液の流れ方向に対して傾斜していることが好ましい。但し、濃度分極を抑制しながら、供給側の圧力損失をより低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇をより少なくする観点から、供給液の流れ方向に対して４０〜５０°の角度θ１と−４０〜−５０°の角度θ２であることがより好ましく、供給液の流れ方向に対して４２〜４８°の角度θ１と−４２〜−４８°の角度θ２であることが更に好ましい。
【００２２】
供給側流路材（糸状体１）の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド等の樹脂の他、天然高分子、ゴムなどが挙げられるが、特に、ＭＦＲの値が２以上の樹脂材料が好ましく、ＭＦＲの値が３以上の樹脂材料がより好ましい。従来の供給側流路材の樹脂材料は、ＭＦＲの値が０．５程度であったため、供給側流路材の構造強度を保つことが困難となる場合があったが、ＭＦＲの値が２以上の樹脂材料は、剛性が高くなるため、糸状体１の交点の間隔Ｌが大きくなっても、供給側流路材の構造強度を保つことができる。つまり、融着法や剪断法等によってネットを一体成形する際に、ノズルから押出された糸状体１を構成する高分子が、その流動性によって配向しし易くなり、その結果、得られるネットを構成する糸状体１の剛性が高くなる傾向がある。
【００２３】
ＭＦＲの値が２以上の樹脂材料としては、例えば、株式会社プライムポリマー製ポリプロピレンＦ−３００ＳＰ、同Ｅ２２３Ｕ、同Ｅ−２００ＧＰ等が挙げられる。なお、供給側流路材の成形性の観点から、ＭＦＲの値が７以下の樹脂材料を用いるのが好ましく、ＭＦＲの値が５以下の樹脂材料を用いるのがより好ましい。
【００２４】
供給側流路材は、坪量が３０〜５０ｇ／ｍ２であることが好ましく、３５〜４５ｇ／ｍ２であることがより好ましい。坪量を３０ｇ／ｍ２以上とすることにより、供給液の攪拌機能をより向上させることができるため、濃度分極の抑制がより容易となる。また、坪量を５０ｇ／ｍ２以下とすることにより、供給液の流れの抵抗をより低減できるため、供給側の圧力損失の低減がより容易となり、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇をより少なくすることができる。
【００２５】
糸状体１は、マルチフィラメントでもモノフィラメントでもよいが、供給液の流れの妨げとなりにくいモノフィラメントが好ましい。また、糸状体１同士は、融着や接着などにより相互に固着されていてもよく、織物であってもよい。但し、供給液の流れを安定に維持するためには、糸状体１同士が固着されているものが好ましい。特に、濃度分極の抑制と、供給側の圧力損失の低減を両立させるためには、融着法や剪断法等によって糸状体１が押出されて一体成形されているものが好ましい。
【００２６】
糸状体１の交点における供給側流路材の厚みは、供給側流路材のネットとしての安定性及び圧力損失低減の観点から０．５ｍｍ以上が好ましく、０．７ｍｍ以上がより好ましい。なお、糸状体１の交点における供給側流路材の厚みを上記範囲内とするには、糸状体１の糸径が０．２〜０．４ｍｍ程度であればよい。
【００２７】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、逆浸透ろ過、限外ろ過、精密ろ過など、何れのろ過方法にも利用でき、その用途も限定されないが、上記のような供給側流路材は、主に逆浸透膜によって濁質の多い水をろ過する際に、特にその効果が発揮される。
【実施例】
【００２８】
以下に実施例をあげて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（供給側流路材）
実施例１〜３の供給側流路材（図１参照）として、ＭＦＲの値が３の樹脂（株式会社プライムポリマー製ポリプロピレンＦ−３００ＳＰ）を用いて剪断法によりネットを作製した。糸状体の交点間隔Ｌなどについては、表１に示すとおりとした。また、比較例の供給側流路材として、実施例１〜３と同じ樹脂を用いて剪断法によりネットを作製した（交点間隔Ｌなどは表１参照）。この際、糸状体の交点における供給側流路材の厚みは、実施例１〜３及び比較例のいずれについても０．８６ｍｍとした。なお、交点間隔Ｌが１４ｍｍのネットは、上記作製条件では構造強度の確保が困難なため作製できなかった。
【００３０】
（テストセルによる試験例）
上記実施例１〜３及び比較例の供給側流路材を用いてテストセルを作製した。テストセルの分離膜としては、実施例１〜３及び比較例のいずれも逆浸透膜（日東電工株式会社製ポリアミド系複合半透膜ＥＳ２０）を使用した。また、テストセルの透過側流路材としては、実施例１〜３及び比較例のいずれもＫＢセーレン製ネット（材料：ポリエステル、厚み：０．２５ｍｍ）を使用した。テストセルを組み立てる際は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製のセル容器中に、透過側流路材、逆浸透膜、供給側流路材の順に重ねてセットした。なお、使用したセル容器の内部寸法は、幅が４６ｍｍで、長さが１８０ｍｍであった。
【００３１】
上記テストセルを用いて、原水（供給液）の加圧通水テストを行った。原水としては、日東電工株式会社滋賀事業所の排水処理場の排水をフィルター（平均孔径：５μｍ）でろ過したものを用いた。なお、ろ過後の上記排水（原水）は、SDI(Silt Density Index、ASTM D 4189-95)の値が約６．０であった。この原水をテストセルに０．５Ｌ／ｍｉｎの通水量で２日間加圧通水した。その際、テスト開始時とテスト終了時において、フラックス（単位：Ｌ／ｍｉｎ）を測定し、その比（テスト終了時／テスト開始時）に１００を乗じた値をフラックス保持率として評価した。また、通水初期（テスト開始時）と２日間通水後（テスト終了時）における供給側流路の入口と出口との差圧を測定した。なお、通水する際は、供給側流路材において図１に示す流れ方向となるように行った。
【００３２】
また、上記排水を純水に変えて、同じテストセルを用いて０．５Ｌ／ｍｉｎの通水量で圧力損失を測定した。結果を表１及び図２に示す。なお、表１及び図２に示す各データは、実施例１〜３及び比較例のテストセルをそれぞれ３個組み立てて、上記条件で測定を行った結果の平均値である。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
実施例１〜３によれば、比較例に比べて圧力損失を２０〜３２％低減でき、しかも運転中の経時的な圧力損失の上昇が少なかった。また、フラックス保持率については、実施例１〜３では７９〜８１％となり、比較例（８３％）とほぼ同等であった。よって、実施例１〜３は、比較例と同程度に濃度分極を抑制できたと考えられる。このような対比から、本発明によれば、濃度分極を従来品と同程度に抑制できる上、供給側の圧力損失を低減でき、運転中の経時的な圧力損失の上昇が少ないことがわかった。
【００３５】
（スパイラル型エレメントによる試験例）
実施例１のネットと、比較例のネットを用いて、２インチのスパイラル型エレメントを作製した。逆浸透膜は日東電工（株）製のＥＳ２０を用い、原水側流路材以外の部材・膜面積等は同一の条件で作製した。原水は排水処理場のＭＦ処理水（テストセルによる試験例と同じもの）を用い、初期フラックス０．５Ｌ／ｍｉｎ、濃縮流量４Ｌ／ｍｉｎの条件で約１９日間の運転を行った。その際、原水の供給圧力は、初期フラックスを設定した圧力で固定して運転を行った。約１９日間の運転の前後におけるフラックス保持率、および供給側流路の差圧を測定した。その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２より、比較例のネットを使用したエレメントに比べ実施例１を使用したエレメントは、初期差圧（２９％低）、差圧上昇量がともに小さく、優位性を有することが分かる。また、実施例１のネットを使用したエレメントは比較例のネットを使用したエレメントと同等のフラックス低下度を示し、濃度分極の抑制においても同等の性能を示すことが分かる。両図の結果はテストセルの結果とその傾向において良好な一致を示し、本発明の有効性を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のスパイラル型分離膜エレメントの供給側流路材の一例を示す平面図である。
【図２】実施例及び比較例における圧力損失とフラックス保持率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１        糸状体
θ        糸状体の交差角度
θ１，θ２    供給液の流れ方向に対する糸状体の傾斜角度
Ｌ        糸状体の交点の間隔（供給液の流れ沿った方向）
Ｗ        糸状体の交点の間隔（供給液の流れに垂直方向）
【図１】
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【図２】
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