(57)【要約】【課題】径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できるスパイラル型膜エレメントを提供する。【解決手段】分離膜(14)、供給側流路材(11)及び透過側流路材(13)の単数又は複数が、有孔の中空状中心管(12)の周りに巻きつけられているスパイラル型膜エレメントにおいて、透過側流路材(13)は、その外周側端部(13a)から内周側端部(13b)にかけて、厚みが漸増することを特徴とするスパイラル型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膜エレメントにおいて、
前記透過側流路材は、その外周側端部から内周側端部にかけて、厚みが漸増す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】
前記透過側流路材は、透過液流れ方向における単位長さ当たりの厚みの増加量が０．０２３ｍｍ／ｍ以上である請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項３】
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膜エレメントにおいて、
前記透過側流路材は、複数の流路材シートが積層された積層体であり、
前記積層体は、その外周側端部から内周側端部にかけて、前記流路材シートの積層数が漸増することを特徴とするスパイラル型膜エレメント。
【請求項４】
前記積層体は、透過液流れ方向における単位長さ当たりの前記積層数の増加量が０．３３枚／ｍ以上である請求項３に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項５】
前記供給側流路材は、その外周側端部から内周側端部にかけて、厚みが漸減する請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
【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膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスパイラル型膜エレメント（以下、単に「膜エレメント」ともいう）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または複数が、有孔の中空状中心管（以下、単に「中心管」ともいう）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１参照）。
【０００３】
図３は、従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。この図に示す膜エレメント１は、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含む分離膜ユニットが、中心管５の周りに巻きつけられた構造を有する。より具体的には、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）４を形成し、その封筒状膜４の開口部を中心管５に取り付け、ネット状（網状）の供給側流路材６とともに中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。
【０００４】
上記膜エレメント１を使用する際は、供給液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された供給液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、供給液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。
【０００５】
従来の膜エレメント１では、透過液８が中心管５の内部に流れ込む際、中心管５に近寄るほど透過液８の流量が増えるため、透過側流路材３の外周側から内周側にかけて流路抵抗が大きくなる現象が生じる。その結果、膜エレメント１の径方向における透過効率の勾配により、分離性能のばらつきが生じるおそれがあった。
【０００６】
他方、膜処理プラントの大型化に伴い、膜分離装置の設置面積の削減が望まれている。従来は、直径８インチ（約２００ｍｍ）の膜エレメントを用いるのが主流であったが、上記要望により、膜エレメントの本数の削減が求められており、そのために膜エレメントを大径化して１本当たりの膜面積を増やす対策が進められている。
【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】
【０００７】
しかしながら、膜エレメントを大径化すると、その径方向における透過効率の勾配により、分離性能のばらつきが顕在化するおそれがあった。
【０００８】
本発明の目的は、径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できるスパイラル型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、鋭意研究を重ねた結果、透過側流路材の外周側から内周側にかけて、透過液流路の厚みを漸増させることにより、透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の第１のスパイラル型膜エレメントは、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スパイラル型膜エレメントにおいて、前記透過側流路材は、その外周側端部から内周側端部にかけて、厚みが漸増することを特徴とする。なお、透過側流路材の端部の厚みとは、当該端部において最も嵩高い部分の厚みをさす。例えば、透過側流路材が縦糸と横糸からなるネット状シートの場合、透過側流路材の端部の厚みは、当該端部における縦糸と横糸の交点部分の厚みをさす。後述する「供給側流路材の端部の厚み」や「流路材シートの厚み」も同様である。
【００１１】
本発明の第１のスパイラル型膜エレメントでは、透過側流路材の外周側端部から透過側流路材の内周側端部にかけて、厚みが漸増しているため、外周側から内周側にかけて透過液流路の厚みを漸増させることができる。これにより、透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を抑制できるため、膜エレメントの径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できる。
【００１２】
前記透過側流路材は、透過液流れ方向における単位長さ当たりの厚みの増加量が０．０２３ｍｍ／ｍ以上であることが好ましい。透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制できるからである。
【００１３】
同じく上記目的を達成するため、本発明の第２のスパイラル型膜エレメントは、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スパイラル型膜エレメントにおいて、前記透過側流路材は、複数の流路材シートが積層された積層体であり、前記積層体は、その外周側端部から内周側端部にかけて、前記流路材シートの積層数が漸増することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２のスパイラル型膜エレメントでは、透過側流路材を構成する流路材シートの積層数が、積層体の外周側端部から積層体の内周側端部にかけて漸増しているため、外周側から内周側にかけて透過液流路の厚みを漸増させることができる。これにより、透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を抑制できるため、膜エレメントの径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できる。
【００１５】
前記積層体は、透過液流れ方向における単位長さ当たりの前記積層数の増加量が０．３３枚／ｍ以上であることが好ましい。透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制できるからである。
【００１６】
また、上記第１及び第２のスパイラル型膜エレメントにおいて、上記供給側流路材は、その外周側端部から内周側端部にかけて、厚みが漸減することが好ましい。この構成によれば、分離膜ユニットの巻回が容易となる上、供給側流路材の外周側端部から内周側端部にかけて、供給側流路材から分離膜へ流れる供給液の量が減るため、透過側流路材の内周側において、透過液量の増加を抑制できる。これにより、透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のスパイラル型膜エレメントは、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にも詳細に記載されており、透過側流路材以外の構成に関しては、従来公知の分離膜、供給側流路材、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心管の周りに巻きつけられた構造となる。
【００１８】
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及び図２は、それぞれ本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を説明するための模式的な概略側面図である。なお、図１及び図２では、説明を容易にするために、中心管から分離膜ユニットの巻回を解いた状態を示しており、拡大または縮小等して図示した部分がある。また、同じく説明を容易にするために、図１及び図２では分離膜ユニットを一組のみ示しているが、本発明のスパイラル型膜エレメントは、複数の分離膜ユニットが積層された状態で中心管に巻回されていてもよい。
【００１９】
図１に示す実施形態では、分離膜ユニットＵとして、封筒状膜１０と供給側流路材１１とを含むものが使用されており、封筒状膜１０の開口部１０ａを中心管１２に取り付け、供給側流路材１１とともに中心管１２の外周面に巻回することにより、膜エレメントが形成される。また、封筒状膜１０は、透過側流路材１３の両面に分離膜１４を重ね合わせて、開口部１０ａを除く３辺を接着することにより形成されている。本実施形態では、分離膜１４を透過した透過液は、透過液流れ方向１５に沿って透過側流路材１３を通過して、中心管１２の内部に流れ込む。
【００２０】
そして、透過側流路材１３は、その外周側端部１３ａから内周側端部１３ｂにかけて、厚みが漸増している。これにより、外周側から内周側にかけて透過液流路の厚みを漸増させることができるため、透過側流路材１３の内周側における流路抵抗の増加を抑制できる。よって、膜エレメントの径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できる。特に、大径化した膜エレメント（例えば、直径１６インチ以上）に本発明を適用すると、従来の透過側流路材を用いた場合に比べ、分離性能のばらつきを効果的に防止できる。
【００２１】
供給側流路材１１には、ひし形、ラダー形、斜めラダー形などのネット状シートや、溝付き構造や波形構造のシート等が使用できる。中心管１２は、管の周囲に開孔１２ａを有するものであれば良く、従来のものが何れも使用できる。透過側流路材１３には、トリコット編みなどのネット状シートや、平織りなどのメッシュ状シート、あるいは溝付き構造や波形構造のシート等が使用できる。分離膜１４には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜等が使用できる。
【００２２】
内周側端部１３ｂの厚みＴ２と外周側端部１３ａの厚みＴ１との差は、透過側流路材１３の内周側における流路抵抗の増加を抑制できる限り、特に限定されない。これらは、膜エレメントの径や分離膜ユニットＵの積層数などに応じて適宜設定すればよい。上記厚みを変化させる方法は特に限定されないが、例えば透過側流路材１３としてネット状シートを用いる場合は、外周側端部１３ａから内周側端部１３ｂにかけて、ネット構成糸の径を漸増させればよい。この場合、全てのネット構成糸の径を漸増させる必要はなく、例えば、透過液流れ方向１５に沿って配されるネット構成糸のみを漸増させればよい。
【００２３】
透過側流路材１３の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制するには、透過液流れ方向１５における単位長さ当たりの厚みの増加量が、０．０２３ｍｍ／ｍ以上であることが好ましく、０．０７ｍｍ／ｍ以上であることがより好ましい。ここで、上記「厚みの増加量」の値は、内周側端部１３ｂの厚みＴ２（ｍｍ）と外周側端部１３ａの厚みＴ１（ｍｍ）との差を、透過側流路材１３の透過液流れ方向１５における長さＬ１（ｍ）で割った値である。また、分離膜ユニットＵの巻回を容易にするためには、上記厚みの増加量が、２．５ｍｍ／ｍ以下であることが好ましく、１．７ｍｍ／ｍ以下であることがより好ましい。なお、透過側流路材１３の外周側端部１３ａの厚みＴ１は、例えば０．２〜０．３ｍｍ程度であり、透過側流路材１３の内周側端部１３ｂの厚みＴ２は、例えば０．５〜１．０ｍｍ程度である。これらの厚みの値については、いずれも最低１０点以上を測定した平均値とするのが好ましい。その測定方法としては、ダイヤルシックネスゲージなどの厚み測定計測器、あるいは光学顕微鏡やＣＣＤカメラ等の拡大装置で測定する方法が好ましい。後述する「供給側流路材の端部の厚み」や「流路材シートの厚み」も同様である。また、上記長さＬ１は、例えば０．５〜３ｍ程度である。
【００２４】
供給側流路材１１は、その外周側端部１１ａから内周側端部１１ｂにかけて、厚みが漸減している。これにより、分離膜ユニットＵの巻回が容易となる上、供給側流路材１１の外周側端部１１ａから内周側端部１１ｂにかけて、供給側流路材１１から分離膜１４へ流れる供給液の量が減るため、透過側流路材１３の内周側において、透過液量の増加を抑制できる。よって、透過側流路材１３の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制できる。供給側流路材１１の上記厚みの減少量は、透過側流路材１３の上記厚みの増加量に応じて設定すればよいが、分離膜ユニットＵを巻回し易くする観点から、分離膜ユニットＵの厚みが略一定となるように設定するのが好ましい。供給側流路材１１の厚みを変化させる方法は、特に限定されないが、例えば供給側流路材１１としてネット状シートを用いる場合は、外周側端部１１ａから内周側端部１１ｂにかけて、ネット構成糸の径を漸減させればよい。この場合、全てのネット構成糸の径を漸減させる必要はなく、例えば、供給液流れ方向に沿って配されるネット構成糸のみを漸減させればよい。なお、供給側流路材１１の外周側端部１１ａの厚みは、例えば１．０〜５．０ｍｍ程度であり、供給側流路材１１の内周側端部１１ｂの厚みは、例えば０．６〜０．９ｍｍ程度である。
【００２５】
次に、図２に示す実施形態について説明する。この実施形態では、透過側流路材１３の構成のみが上述した図１に示す実施形態と異なる。本実施形態の透過側流路材１３は、図中下方から流路材シート２０ａ，２０ｂ，２０ｃが順次積層された積層体２０である。流路材シート２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、それらの内周側端部が中心管１２に取り付けられている。そして、流路材シート２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、透過液流れ方向１５における長さが相違している。具体的には、流路材シート２０ｂの長さは、流路材シート２０ａの長さの半分であり、流路材シート２０ｃの長さは、流路材シート２０ｂの長さの半分である。よって、積層体２０は、その外周側端部２０ｄから内周側端部２０ｅにかけて、流路材シートの積層数が漸増している。これにより、外周側から内周側にかけて透過液流路の厚みを漸増させることができるため、積層体２０（透過側流路材１３）の内周側における流路抵抗の増加を抑制できる。よって、膜エレメントの径方向における透過効率の勾配を緩和し、分離性能のばらつきを低減できる。
【００２６】
流路材シート２０ａ，２０ｂ，２０ｃには、ネット状シート、メッシュ状シート、溝付シート、波形シート等が使用できる。なお、流路材シート２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚みは、例えば０．２〜０．６ｍｍ程度である。
【００２７】
本実施形態では、内周側端部２０ｅにおける流路材シートの積層数と、外周側端部２０ｄにおける流路材シートの積層数との差は２枚であるが、透過側流路材１３の内周側における流路抵抗の増加を抑制できる限り、上記差については特に限定されない。これらは、膜エレメントの径や分離膜ユニットＵの積層数などに応じて適宜設定すればよい。
【００２８】
積層体２０(透過側流路材１３)の内周側における流路抵抗の増加を容易に抑制するには、透過液流れ方向１５における単位長さ当たりの流路材シートの積層数の増加量が、０．３３枚／ｍ以上であることが好ましく、１枚／ｍ以上であることがより好ましい。ここで、上記「積層数の増加量」の値は、内周側端部２０ｅにおける積層数と外周側端部２０ｄにおける積層数との差（図２では２枚）を、積層体２０(透過側流路材１３)の透過液流れ方向１５における長さＬ２（ｍ）で割った値である。また、分離膜ユニットＵの巻回を容易にするためには、上記積層数の増加量が、８枚／ｍ以下であることが好ましく、３枚／ｍ以下であることがより好ましい。なお、上記長さＬ２は、例えば０．５〜３ｍ程度である。
【００２９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、供給側流路材として、その外周側端部から内周側端部にかけて厚みが漸減するものを用いたが、本発明では、厚みが均一な供給側流路材を用いても、透過側流路材の内周側における流路抵抗の増加を抑制できる。
【００３０】
また、図１に示す実施形態では、透過側流路材として、外周側端部から内周側端部にかけて厚みが連続的に厚くなる例について説明したが、本発明では、外周側端部から内周側端部にかけて厚みが断続的に厚くなる透過側流路材を用いてもよい。
【００３１】
また、図２に示す実施形態では、積層体の外周側端部から内周側端部にかけて、流路材シートの積層数が所定の間隔で増えていく例について説明したが、本発明では、外周側端部から内周側端部にかけて不規則な間隔で積層数が増える透過側流路材を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を説明するための模式的な概略側面図である。
【図２】本発明のスパイラル型膜エレメントの別の一例を説明するための模式的な概略側面図である。
【図３】従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  封筒状膜
１０ａ  開口部
１１  供給側流路材
１１ａ  外周側端部
１１ｂ  内周側端部
１２  中心管
１２ａ  開孔
１３  透過側流路材
１３ａ  外周側端部
１３ｂ  内周側端部
１４  分離膜
１５  透過液流れ方向
２０  積層体
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  流路材シート
２０ｄ  外周側端部
２０ｅ  内周側端部
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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