(57)【要約】【課題】供給側の圧力損失を増加させずに濃度分極を抑制できる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において、前記供給側流路材は、複数の糸(1,2)が格子状に交差して形成されたネットと、複数の糸(1,2)の少なくとも一部に設けられた突起物(3)とを含み、突起物(3)は、糸(1,2)で囲まれた単位格子(4)内に突き出していることを特徴とす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において、
前記供給側流路材は、複数の糸が格子状に交差して形成されたネットと、前記複数の糸の少なくとも一部に設けられた突起物とを含み、
前記突起物は、前記糸で囲まれた単位格子内に突き出してい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】
前記ネットは、第１糸で構成される第１層と第２糸で構成される第２層とからなる２層構造を有し、
前記突起物は、前記ネットの前記第２層側に露出した前記第１糸、及び前記ネットの前記第１層側に露出した前記第２糸の少なくとも一方に設けられている請求項１に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項３】
前記突起物は、供給液流れ面と直交する方向の厚みが、当該突起物が設けられた糸に交差する糸の糸径と略同等又はそれ以下である請求項２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項４】
前記突起物は、供給液流れ方向に沿って略等間隔で設けられている請求項１〜３のいずれか１項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１〜３等）。
【０００３】
上記供給側流路材には、通常ネット状のものが使用されている。この供給側流路材は、供給液の流路を確保すると同時に、分離膜面の表面更新を促進して濃度分極を抑制す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、透過液量が低下する等の弊害が生じるおそれがある。
【０００４】
濃度分極を抑制するためには、供給側流路材の厚さを薄くして膜面上における供給液の線速度を大きくする方法があるが、この場合、供給液中の浮遊成分が流路を閉塞させることによって、供給側の圧力損失が大きくなるおそれがある。供給側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。
【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】特開平１０−００５５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、供給側の圧力損失を増加させずに濃度分極を抑制できる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】
【０００６】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すスパイラル型分離膜エレメントにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、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スパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記供給側流路材は、複数の糸が格子状に交差して形成されたネットと、前記複数の糸の少なくとも一部に設けられた突起物とを含み、前記突起物は、前記糸で囲まれた単位格子内に突き出していることを特徴とする。
【０００８】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、糸に設けられた突起物が、糸で囲まれた単位格子内に突き出しているため、膜面上において乱流が促進され、膜面の表面更新が促進される。また、上記突起物は、糸のように連続的に設けられるものではないため、供給液流れの阻害や、供給液中の浮遊成分による流路の閉塞が生じにくい。これにより、供給側の圧力損失を増加させずに濃度分極を抑制できる。
【０００９】
本発明において、前記ネットが、第１糸で構成される第１層と第２糸で構成される第２層とからなる２層構造を有している場合は、前記突起物は、前記ネットの前記第２層側に露出した前記第１糸、及び前記ネットの前記第１層側に露出した前記第２糸の少なくとも一方に設けられていることが好ましい。供給側流路材全体の厚みの増大を防ぐことができるため、膜面上における供給液の線速度の低下を防ぐことができる。これにより、濃度分極を容易に抑制することができる。この場合、前記突起物は、供給液流れ面と直交する方向の厚みが、当該突起物が設けられた糸に交差する糸の糸径と略同等又はそれ以下であることが好ましい。供給側流路材の厚みを、前記糸で構成されたネットの厚みと略同等にすることができるため、濃度分極をより容易に抑制することができるからである。
【００１０】
また、前記突起物は、供給液流れ方向に沿って略等間隔で設けられていることが好ましい。供給液流れの抵抗が増大する箇所を分散できるため、圧力損失の増加を抑制する効果がより有効に発揮されるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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（Ａ）は、本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の一例を示す部分平面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のI-I線断面図である。
【００１２】
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１〜３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。
【００１３】
図１（Ａ）に示すように、本発明で用いられる供給側流路材は、図１（Ａ）において左下から右上に向かって延びる複数の糸１と、これらの糸１と格子状に交差する複数の糸２と、糸１に設けられた複数の突起物３とを含む。即ち、本発明で用いられる供給側流路材は、糸１，２により形成されるネットと、複数の突起物３とを含む。また、図１（Ｂ）に示すように、糸１，２により形成されるネットは、糸１で構成される第１層１１と糸２で構成される第２層１２とからなる２層構造を有している。そして、突起物３は、上記ネットの第２層１２側に露出した糸１に設けられており、かつ糸１，２で囲まれた単位格子４（図１（Ａ）参照）内に突き出している。本発明によれば、突起物３が単位格子４内に突き出しているため、図示しない分離膜面上において乱流が促進され、膜面の表面更新が促進される。また、突起物３は、糸１，２のように連続的に設けられるものではないため、供給液流れの阻害や、供給液中の浮遊成分による流路の閉塞が生じにくい。これにより、供給側の圧力損失を増加させずに濃度分極を抑制できる。また、突起物３は、上記ネットの第２層１２側に露出した糸１に設けられているため、供給側流路材の厚みの増大を防ぐことができる。これにより、膜面上における供給液の線速度の低下を防ぐことができるため、濃度分極を容易に抑制することができる。
【００１４】
糸１，２の素材としては、特に限定されず、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のプラスチック材料が例示できる。また、糸１，２により形成されるネットの厚みは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が好ましい。上記ネットの厚みを薄くすると、膜面上における供給液の線速度が大きくなるため、濃度分極を抑制できる。一方、ネットの厚みを厚くすると、供給液中の浮遊成分による流路の閉塞を防ぐことができるため、供給液を供給するポンプの必要動力を低減することができる。上記ネットの厚みは、図１（Ａ）に示す例では、糸１，２が交差する交点部５における厚みであり、最低１０点以上を測定した平均厚みとするのが好ましい。厚みの測定方法としては、厚みゲ−ジによる測定や、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ等の拡大装置で測定する方法がある。なお、以下に示す数値（糸のピッチ、糸の交差角度、突起物の突き出し長さ）についても、最低１０点以上を測定した平均値とするのが好ましい。
【００１５】
糸１のピッチＰ１及び糸２のピッチＰ２は、いずれも１〜１５ｍｍが好ましい。ピッチを小さくすると、膜面上において乱流が促進され、膜面の表面更新が促進される。これにより、濃度分極を抑制することができる。一方、ピッチを大きくすると、圧力損失を低減することができる。なお、糸１のピッチＰ１及び糸２のピッチＰ２は同じでも異なっていてもよい。
【００１６】
糸１と糸２との交差角度θは、５０〜１２０度が好ましい。一般的に、交差角度θが小さいと、流路の圧力損失を小さくできる（特許第３２３０４９０号参照）。一方、交差角度θが大きいと、膜面上において乱流が促進され、膜面の表面更新が促進される。これにより、濃度分極を抑制することができる。
【００１７】
突起物３の突き出し長さＬと、突起物３が設けられた糸のピッチとの比（図１（Ａ）の場合は、Ｌ／Ｐ１）は、例えば０．１〜０．８の範囲であり、好ましくは０．２〜０．６の範囲である。上記比の値を小さくすると、圧力損失を低減することができる。一方、上記比の値を大きくすると、濃度分極を抑制することができる。
【００１８】
糸１，２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１，２は、供給液流れを安定に維持するためには、融着や接着などにより相互に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１，２が押出されて一体成形されているものが好ましい。
【００１９】
突起物３は、図１（Ａ），（Ｂ）に示す例では糸１のみに設けられているが、糸２のみに設けられていてもよく、糸１，２の両方に設けられていてもよい。また、突起物３の個数も限定されず、１つであってもよいし、図１（Ａ），（Ｂ）に示す例のように複数であってもよい。また、突起物３は、図１（Ｂ）に示すように、供給液流れ面と直交する方向の厚みＴが、当該突起物３が設けられた糸１に交差する糸２の糸径と略同等（又はそれ以下）であることが好ましい。供給側流路材の厚みを、糸１，２で構成されたネットの厚みと略同等にすることができるため、濃度分極をより容易に抑制することができるからである。なお、上記「突起物３の厚みＴが糸径と略同等」とは、突起物３の厚みＴ、及び当該突起物３が設けられた糸１に交差する糸２の糸径を、それぞれランダムに１０箇所測定して平均値を算出し、突起物３の厚みＴの平均値が、糸２の糸径の平均値の±１５％以内となる場合を指す。この際の測定方法としては、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。
【００２０】
突起物３の間隔は、図１（Ａ）に示す例のように、供給液流れ方向に沿って略等間隔で設けられていてもよいし、不規則に設けられていてもよい。ただし、突起物３の間隔が供給液流れ方向に沿って略等間隔で設けられている場合は、供給液流れの抵抗が増大する箇所を分散できるため、圧力損失の増加を抑制する効果がより有効に発揮される。ここで、「突起物３の間隔」とは、供給液流れ方向に沿って隣接する突起物３の中央部間の間隔をいう。なお、上記「略等間隔」とは、突起物３の間隔をランダムに１０箇所測定し、測定箇所の全ての値がその平均値の±１５％以内となる場合を指す。この際の測定方法としては、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。
【００２１】
図１（Ａ）に示す突起物３を設ける方法については、まず、突起物３を形成するための糸（以下、「突起物形成用糸」という）及び糸２と、糸１とが格子状に交差するネットを形成する。この際、突起物形成用糸が糸２間に配置されるようにする。次いで、突起物形成用糸の一部６（図１（Ａ）の突起物３間において破線で示す部分）を切断して除去することにより、突起物３を設けることができる。なお、本発明において、突起物を設ける方法は、上記方法に限定されず、例えばネットを形成した後に、ネットを構成する糸の所望の位置に突起物を接着剤等で固着させる方法を用いてもよい。この場合の、突起物の材料や形状は特に限定されない。また、各々の突起物は、同じものであっても異なっていてもよい。
【００２２】
以上、本発明で用いられる供給側流路材の一例について説明したが、本発明は上記例に限定されない。例えば、図１（Ａ）では、糸２に沿った突起物３の設置ピッチが糸１のピッチＰ１と同じ場合について例示しているが、図２に示す例のように、突起物３の設置ピッチを、糸１のピッチＰ１の倍にし、かつ、隣接する突起物３の列７に対して突起物３が交互に配置されるようにしてもよい。また、図２の変形例として、図３（Ａ），（Ｂ）に示す例のように、隣接する糸２間に突起物３の列を２列配置してもよいし、図４（Ａ），（Ｂ）に示す例のように、隣接する糸２間に突起物３の列を３列配置してもよい。ここで、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ図３（Ａ）のII-II線断面図及び図４（Ａ）のIII-III線断面図であり、いずれも突起物形成用糸の一部６が残存している。なお、突起物を接着剤で固着させる方法等を用いれば、突起物形成用糸の一部が残存しない供給側流路材を形成することができる。
【００２３】
また、図示はしないが、隣接する糸２間に突起物３の列を４列以上配置してもよいし、隣接する糸１間に突起物３の列を１列又は複数列配置してもよい。さらに、図５に示す例のように、糸１，２の交点部５間の全てに突起物３を配置してもよい。図５では、突起物３は、第２層１２（図１（Ｂ）参照）側に露出した糸１、及び第１層１１（図１（Ｂ）参照）側に露出した糸２の双方に設けられている。この例でも、膜面上における供給液の線速度の低下を防ぐことができるため、濃度分極を容易に抑制することができる。
【００２４】
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場合や、海水やかん水などの淡水化を処理目的とする場合に、特にその効果が発揮される。
【実施例】
【００２５】
以下に実施例を挙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。
【００２６】
（供給側流路材）
実施例１，２及び比較例１〜３として、表１に示すポリプロピレン樹脂製供給側流路材を用意し、それぞれ平行平板セル（Ｃ１０−Ｔ；流路幅３５ｍｍ、流路長１３５ｍｍ）にセットし、純水を流したときの流量と圧力損失の関係を図６に示した。ここで、実施例１及び実施例２は、それぞれ上述した図３（Ａ），（Ｂ）及び図４（Ａ），（Ｂ）に示す供給側流路材であり、比較例１〜３は、突起物が設けられていない（即ち、従来のネットからなる）供給側流路材である。実施例１，２において突起物３を形成する際は、上述したように突起物形成用糸を用いて所望の箇所を切断して形成する方法を用いた。なお、実施例１，２では、供給液流れ面と直交する方向における突起物３の厚みＴは、糸１，２の糸径（０．３２ｍｍ）と略同等とした。また、表１では、いずれの項目についても、ランダムに１０箇所測定した値の平均値を示している。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図６に示すように、実施例１，２の供給側流路材は、比較例１，３と比較して、圧力損失値が２０％以上低かった。
【００２９】
（スパイラル型逆浸透膜エレメント）
実施例１及び比較例１，２の供給側流路材を用いて、長さ１０１６ｍｍ、有効膜面積３７．０ｍ2のスパイラル型逆浸透膜エレメントを作製し、圧力容器に装填した状態で純水を流したときの供給水（純水）の流量と圧力損失の関係を図７に示した。Ｃ１０−Ｔで確認された圧力損失の低下は、実際のエレメントでも確認できた。また、上述した各スパイラル型逆浸透膜エレメントについて、ＮａＣｌ水溶液（濃度：１５００ｐｐｍ）を用いてエレメント性能を確認した結果を表２に示した。この際の評価条件は、操作圧力が１．５５ＭＰａで、回収率が１５％であった。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
比較例２の供給側流路材を使用したエレメントは、図７に示すように圧力損失については低いが、表２に示すエレメント性能（ＮａＣｌ阻止率及び透過水量）も低く、濃度分極が発生していると考えられる。一方、実施例１の供給側流路材を使用したエレメントは、圧力損失が低く、しかもエレメント性能は比較例１と同等の値を有していた。即ち、実施例１によれば、圧力損失を比較例１，３よりも低減でき、かつエレメント性能を比較例１と同等に維持できることがわかった。さらに、比較例２よりもエレメント性能が高いことから、濃度分極を抑制するのに充分な乱流効果が得られることがわかった。この結果から、本発明によれば、供給側の圧力損失を増加させずに濃度分極を抑制できるスパイラル型分離膜エレメントを提供できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の一例を示す部分平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のI-I線断面図である。
【図２】本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の別の一例を示す部分平面図である。
【図３】（Ａ）は本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の別の一例を示す部分平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のII-II線断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の別の一例を示す部分平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIII-III線断面図である。
【図５】本発明のスパイラル型分離膜エレメントに使用される供給側流路材の別の一例を示す部分平面図である。
【図６】実施例１，２及び比較例１〜３の供給側流路材に純水を流したときの流量と圧力損失の関係を示すグラフである。
【図７】実施例１及び比較例１，２の供給側流路材を用いたスパイラル型逆浸透膜エレメントに純水を流したときの供給水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１，２  糸
３  突起物
４  単位格子
５  交点部
１１  第１層
１２  第２層
Ｌ  突起物の突き出し長さ
Ｐ１，Ｐ２  ピッチ
Ｔ  突起物の厚み
θ  交差角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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