JP2004508170A

JP2004508170A - 濾過浸透膜およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004508170A
Application number: JP2002524615A
Authority: JP
Inventors: ブラッドフォード，ウェスリー，エル．; ヘリントン，ロドニー，イー．; クレメント，アレン，ディー．
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2004-03-18
Also published as: US7311831B2; EP1322407A4; AU2001219539A1; WO2002020142A1; EP1322407A1; US20040011723A1

Abstract

濾過膜は印刷された流体障害物２８を含むか、あるいはインクジェット、オフセット、立体リトグラフの印刷処理によって作成されたフロースペーサ（隔板）を提供する。
【選択図】図７Ａ

Description

関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、「逆浸透膜およびその製造プロセス」の名称にて２０００年９月５日に米国暫定特許出願連続番号Ｎｏ．６０／２３０，８９５をもって出願済み優先特権を請求するものであり、当該明細書は本出願明細書において参照用に記載される。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜を用いる濾過に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
下記の論考は著者各位による多数の出版物および出版の年に関して言及しているが、ある種の出版物は出版年月日が最近であるが故に本発明に関連した先行技術として考慮されるべきではない。斯様な出版物を対象とした討論は、背景技術をより完全に把握するためになされているのであって、斯様な出版物が特許権取得可能性を決定ずけるための先行技術として容認されうるものとして解釈されるべきではない。
【０００３】
【課題を解決する為の手段】
本発明は濾過膜およびその製法を包含する。一実施例において本発明は流体障害物を任意に構成するフィードスペーサーを包含する。本実施例において該フィードスペーサーは任意に約０．０２８ｃｍ未満の厚さからなる。一実施例においては、本発明は印刷された流体障害物を含む濾過膜を包含し、該印刷された流体障害物は、インクジェット、オフセット、および立体リトグラフ印刷によって印刷された流体障害物からなるグループから選択された少なくとも一つの要素をもって任意に構成され、また該印刷された流体障害物はサーモポリマーをもって任意に構成され、また該印刷された流体障害物は少なくともいくつかのフィードスペーサーを任意に含み、また該濾過膜はスパイラル状透過膜で任意に構成され、また該透過膜は逆浸透膜を任意に構成する。本実施例において、該任意構成になるサーモポリマーは、炭化水素、ウレタン、アミン類、およびエステル類からなるグループから選択された少なくとも一つの要素で任意に構成される。本実施例において該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する。
【０００４】
他の一つの実施例において、本発明は印刷されたサーモポリマー素材からなる濾過膜を包含し、当該印刷されたサーモポリマー素材は、インクジェット、オフセット、および立体リトグラフ印刷により印刷された素材からなるグループから選択された少なくとも一つの要素で任意に構成され、さらに該印刷されたサーモポリマー素材は流体障害物を任意に含み、さらに該印刷されたサーモポリマー素材はフィードスペーサーを任意に含み、さらに該濾過膜はスパイラル状透過膜で任意に構成され、さらに該濾過膜は逆浸透膜をもって任意に構成される。本実施例において、該サーモポリマーは炭化水素、ウレタン、アミン類、およびエステル、からなるグループから選択された少なくとも一つの要素で構成される。本実施例において、該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より望ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する。
【０００５】
他の一つの実施例において、本発明はディンプル状の流体障害物を含む濾過膜を包含し、該ディンプル状流体障害物は少なくともいくつかのフィードスペーサーを任意に構成し、さらに該濾過膜はスパイラル状透過膜をもって任意に構成され、さらに該透過膜は逆浸透膜をもって任意に構成され、該ディンプル状流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より好ましくは約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する。
【０００６】
本発明はまた新規製法をも包含する。一実施例によれば、本発明は流体障害物を透過膜上に形成する方法を包含し、該方法は：透過膜を供給するステップであって、ここで該透過膜は任意に逆浸透膜を構成し、また該透過膜は任意にスパイラル状透過膜を構成する、前記透過膜を供給するステップ；および該透過膜上に流体障害物を印刷するステップであって、ここで該印刷は、インクジェット、オフセット、立体リトグラフ印刷からなるグループから少なくとも一つ選択された方法を包含し、該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有し、前記流体障害物の少なくともいくつかはフィードスペーサを構成する、前記流体障害物を印刷するステップ、とからなる。
【０００７】
他の一つの実施例において、本発明はフロースペーサーを透過膜上に形成する方法を包含し、当該方法は：透過膜を供給するステップであって、該透過膜は逆浸透膜を任意に構成し、また該透過膜はスパイラル状透過膜を任意に構成する、前記透過膜を供給するステップ；およびフロースペーサを透過膜上に印刷するステップであって、ここで該印刷は、インクジェット、オフセット、立体リトグラフ印刷からなるグループから少なくとも一つ選択された方法を包含し、該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する、フロースペーサを透過膜上に印刷するステップ、とからなる。
【０００８】
さらに他の一つの実施例において、本発明は透過膜上にフロースペーサを形成する方法を包含し、当該方法は：膜を供給するステップであって、該透過膜は逆浸透膜を任意に構成し、また該透過膜はスパイラル透過状膜を任意に構成する、前記透過膜を供給するステップ；および膜上にディンプル形状フロースペーサを形成するステップであって，ディンプル形状加工は機械エネルギーおよび熱エネルギーで構成されるグループから選択された少なくとも一種類のエネルギーの利用を任意に包含し、前記流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さを任意に有し、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有するディンプル形状フロースペーサを膜上に形成するステップ、とからなる。本発明の主たる目的は透過膜の効率を向上させることである。
【０００９】
本発明の主たる利点は、透過膜の効率が向上されたことである。
【００１０】
本発明の他の目的、利点、新規性のある特徴、および本発明の更なる適用可能性領域は、付属図面と共に以下に続く詳細なる説明において一部が述べられ、また以下を検証することによって当該技術分野に精通した当事者各位にとっては一部が明白になり、または本発明を実施することにより知る所となるであろう。本発明の目的および利点は、特に本明細書に付随する特許請求各項において指摘された有効手段および組み合わせにより実現かつ達成できると考えられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、逆浸透（以下ＲＯ）技法として知られるプロセスによって水から溶融固形物を除去し、溶融固形成分（以下全溶融固形物、またはＴＤＳ）濃度の見地からこのように処理された水を飲用可能にして、人体衛生上安全に消費できるようにする方法に関する。更に詳しくは、本発明はＲＯ装置の単位サイズ当りの飲料水の生産を向上するための既存のものからの代替手段に関する。これらの代替手段には、濃度分極として知られているＲＯプロセスにおける現象を低減することを包含し、これにより単位ボリューム当りまたは稼動しているＲＯ装置集合体の飲料水生産効率を向上し、かつＲＯプロセスにより生産される飲料水内のＴＤＳ濃度を低減する。本発明はさらにＲＯ濾過以外の分野での使用に好適な実施例を含んでおり、それらには、限定的ではないが、非ＲＯ濾過法、反応・反応装置関連エンジニアリング、分離法、その他のプロセス、を含む。
逆浸透作用
浸透作用とは、半透膜で隔てられている異なったＴＤＳ濃度の水溶液側へ水が移動して、半透膜の両側で水の化学的ポテンシャルがバランスされるプロセスである。水の化学的ポテンシャルはヘッド圧力を含んでいるので浸透現象が起こり、溶液の浸透ポテンシャルまたは浸透圧が数量化され、半透膜を介して連結されている二つの水溶液の二本の水柱高さが平衡するに至り平衡した溶液柱の高さの差が測定される。この浸透平衡状態に至る過程で、水はＴＤＳ濃度の低い水溶液を有する柱から高い濃度を有する柱へ、各柱の水の化学的ポテンシャルが等しくなるまで移行する。
【００１２】
逆浸透（ＲＯ）においては、ＴＤＳ濃度が高い方の水溶液に圧力が印加され、これによって該溶液における水の化学的ポテンシャルが増大し，半透膜を通して水が反対方向へ移行する因をなす。このプロセスが低ＴＤＳ濃度の水を作り出す。該ＲＯプロセスは、高いＴＤＳ濃度を有する水溶液から低いＴＤＳ濃度の水を取り出す為に商業的に用いられている。通俗的な表現で実際のプロセスからみると正確ではないが、ＲＯは水からＴＤＳを除去する為、または水を「脱塩」するために用いられている。市販されているＲＯ装置の大きさは、一般家庭の台所流し下に取りつけられて家庭用に低ＴＤＳ水を供給する小型のものから、大都会用に低ＴＤＳ水を供給する大型のものに至る範囲に亘っている。市販されるＲＯ装置には多岐に亙る用途が開拓されて来ており、海水の脱塩淡水化から、塩気を帯びた水の脱塩化、「透過膜軟水化方式」として知られている硬水の原因になっている化学的成分の除去、までがある。
ＲＯ関連技術
ＲＯ装置はハウジングに収納されたＲＯ膜を内臓したモジュールから成っている。当該ハウジングは供給される溶液（脱塩される水）に印加される圧力に耐えうるものであり、かつ該モジュールを通して供給される溶液を導く配管が具備され、廃液即ち残留溶液（高濃度塩分含有水）及び透過水（脱塩水または脱塩製品）を各溶液が混合しないような方法でハウジング上の排出口へ導く。
スパイラル状逆浸透モジュール
本明細書で考察されるＲＯ装置のタイプのうち、スパイラル状モジュールとして知られるモジュールタイプ（他のタイプも存在しており、これらは濾過技術に精通している当事者間に知られている）は、浸透水キャリヤ、フィードスペーサー、および浸透膜を一体にして中央回収チューブ（例えばポリプロピレン製）の周囲に円筒形状に巻かれたものから成っている。
【００１３】
前記浸透水キャリヤは、例えば、限定的ではないが、高度に多孔質の薄いポリプロピレン製シートであって、浸透膜を通して供給溶液からＴＤＳ成分を除去した後の透過水を回収し、当該透過水を前記中央回収チューブに運搬する。
【００１４】
前記技術領域においては知られているように、フィードスペーサーは典型的にはダイアモンドメッシュを有する薄いポリプロピレン製シート、またはファイバーの太さおよびメッシュサイズが多岐に亙る細いファイバー製織布からなる；メッシュサイズは織目密度（インチ長さ当りの撚り糸数）として屡特定される。フィードスペーサの機能の一つは、製造プロセス中において浸透膜の活性表面を分離し保持することである。フィードスペーサのもう一つの機能は、供給される溶液に対し透過膜を確実に露出させ、かつ廃液（残留溶液）を運搬しハウジングから排出することである。
【００１５】
典型的な浸透膜は多孔質ポリサルホンで被覆されたポリプロピレン繊維製のサポートシートから成り、さらにはポリアミド製のキャストレイヤー（例えば、限定的ではないが、約０．１から約１．０μｍ）から成る。当然のことながら透過膜は、ポリプロピレン、ポリサルホン、および／またはポリアミドからなる素材に限定されないが、それは他の素材、例えば金属、セラミック等が濾過技術においてはすでに知られているからである。典型的な透過膜においては、ポリアミド繊維が活性透過膜表面または透過膜レイヤーを形成する。即ち、前記レイヤーが供給溶液からＴＤＳを除去しかつ透過水の流出を可能にするための主たる、かつ唯一の責を負うものである。一般的には、活性レイヤーを物理的に支持するために少なくとももう一つの透過膜レイヤーが存在する。勿論特殊な使用状態に応じて当該「サポート」レイヤーは任意に他の機能をも具備する。例えば、限定的ではないが、触媒支持レイヤーまたは他の有効な素材用支持レイヤーである。
【００１６】
本発明の数種の実施例が活性表面に当てはまる一方で、これら活性表面が濾過作用に対して特定的に使用されてもされなくても、本発明は他の表面に対しても適用可能であることを理解すべきである。
【００１７】
市場で入手可能なスパイラル状濾過モジュールは典型的には、浸透水キャリヤシートと活性面を内側にして二つ折りした浸透膜シートをフィードスペーサシートで隔離し、浸透膜シートの折り曲げ点を中央チューブ側にした状態で底部から頂点部まで一体にして重ね合わせてある。シート組付体の最上面の周辺（中央チューブへの隣接部を除く）接着ラインに膠（または他の接着剤）が施され、前記シート組付体は中央チューブ上に巻き付けられる。作業完了後、端部から円筒状モジュールを見ると、供給溶液が浸透膜活性面へ流入する開口部はフィードスペーサ（現状はスパイラル状）を通してのみであることが判る；浸透水キャリヤは供給溶液からは接着ラインによって遮蔽されており、浸透水の流れに対しては浸透水受け入れドリル穴を有する中央チューブにおいてのみ開口している。
【００１８】
スパイラル状モジュールに配設されるシート構成要素の代表的寸法は：
浸透膜−約０．００８（８ミル）、または　約０．０２ｃｍ；浸透水キャリヤ−１０ミル（０．０２５ｃｍ）；フィードスペーサ−１１ミル（０．０２８ｃｍ）、但し、特殊な応用例においては４０ミル（０．１ｃｍ）に達する厚さのフィードスペーサーが使用されている。典型的には中央チューブの外径は０．８７インチ（２．２１ｃｍ）であり、モジュールの巻き上げ外径は設計で決定される。
逆浸透システムの水理学的考察
伝統的スパイラル状モジュールにおいては、供給溶液はフィードスペーサーの開口部を通じ、圧力を受けながら浸透膜表面上を横断的に、即ち浸透膜に並行して圧送される。脱塩された（またはＴＤＳが減少した）透過水は、浸透膜表面に対して垂直に透過膜を通って透過水キャリヤに流入する。廃液（残留溶液）は、引き続き浸透膜表面を横断的に通過してハウジングからの排出口に到る。モジュール長を進むに従い浸透膜を通して排出された透過水が付加されて行く。
【００１９】
逆浸透作用を発生させるためには、供給溶液に印加される圧力（△Ｐ）は最低でも透過膜の活性化表面において、水溶液の浸透圧（π）と同等でなければならない。実用上の透過水流量（体積／単位時間／透過膜の単位表面積、通常は１日当りの平方フィート当りのガロン、ｇｆｄと略される）が前記透過膜を通過できるようにするためには、△Ｐはπを凌駕していなければならない；浸透水の流率（Ｊｖ）（浸透膜の透過性とも言われる）は、ほぼ作動圧力（△Ｐ・π）に比例する。この比例定数は、比透過性（Ｊｖｓｐ）と呼称され体積／単位時間・面積・圧力（通常は、１日当り平方フィート当り毎平方インチ当りのポンドゲージ圧力当りのガロン、ｇｆｄ／ｐｓｉｇと略される）で表わされる。
【００２０】
水溶液の浸透圧、π、はＴＤＳ濃度に比例する。従って、供給溶液が前記モジュールを通過して透過水が取り出されると、残留溶液（廃液）内のＴＤＳは増加しπも増大する。このプロセスによるＴＤＳの増加は、最初に得られた近似として１／（１‐Δ）で、ここでΔはＲＯ装置を通過する供給溶液流量に対する透過水流量の比で定義される透過水回収率である。典型的な△の値は、０．１〜０．３であり、従って、１／（１・△）の数値が１／０．７即ち１．４３を越えることは殆どない。
【００２１】
ＲＯ性能の見地から、より重要なプロセスとして濃度分極が知られている。透過水が透過膜を通過するにつれて、供給溶液の正味横方向流量（透過膜表面方向）は供給溶液から失われた透過水の分を入れ替えたものとなる。この正味横方向流が起こる結果として、透過膜表面に溶解塩分が堆積し、透過膜表面におけるＴＤＳは増大し大量の供給溶液のＴＤＳを凌駕した量となる。この透過膜表面でのＴＤＳ堆積、即ち濃度分極が発生した場合、以下の２つの事象が発生し、そのいずれもがＲＯ性能の見地から不利である：（ｉ）透過膜表面での流動液の浸透圧が増大し、これにより作用圧力が低下する；および（ｉｉ）透過膜を貫流する塩分（または他の固形物質）が増大する可能性がある。一般的に、透過膜を貫流する塩分または固形物質の流量は透過膜全面に亘っての塩分濃度の勾配に比例するがこれは作用圧力とは無関係である。然しながら、透過水の流量は作用圧力に実質的に比例する。不利をもたらす濃度分極の正味結果として、透過水の流量が減少し、透過水内部のＴＤＳ濃度が潜在的に高くなる。
【００２２】
移流に起因する溶解塩分（または固形物質）の堆積は、ある濃度勾配下で発生する溶解塩分（または固形物質）の拡散作用および流体によるせん断力によりバランスされ、大量供給溶液状態に戻る。然しながら、第１図に示すように、濃度分極の影響は本質的なものである。
【００２３】
第１図は、チャンネルの中心から透過膜の表面（Ｊｖｓｐ・０．３０ｇｆｄ／ｐｓｉｇ；△・０．４４５）までの距離に対する正規化された軸方向流体速度（Ｕｎ）、放射方向流体速度（Ｖｎ）、および、ＴＤＳ濃度（Ｃｎ）の変化をプロットした図表である。第１図に示す検証結果は、透過膜軸と直交流で流動する１０ｇ／Ｌ塩化ナトリウム供給溶液を収容する２０ミル（０．０５ｃｍ）幅のチャンネルの二次元流体力学モデルから得られたものである。図示のように、ＴＤＳ濃度は、前記チャンネルの中心（正規化半径０）から前記透過膜表面（正規化半径１）まで、２．９の係数で増大していることが判る、即ち大量供給溶液に有る時よりも透過膜表面においてはＴＤＳ濃度が２．９倍に成っている。
【００２４】
濃度分極の度合いは前記回収率（△）、比透過性（Ｊｖｓｐ），供給溶液のＴＤＳ、流体によるせん断力を左右するモジュール内部の供給溶液速度、および他の数種の要因、により変化する；上記の考察によるＴＤＳ増加の度合い（大量供給溶液の２．９倍）は、好ましくない濃度分極の一例に過ぎない。
スパイラル状ＲＯモジュールおよびフィードスペーサー
産業界において、スパイラル状モジュールは最も普及しているＲＯ装置である。スパイラル状モジュールは、家庭内シンク下に収納できる小型サイズから大都会の大規模水処理プラントに設置される飲料水用の巨大規模の脱塩装置にいたる多様なサイズで製造供給でき、現実にそうなっている。
【００２５】
技術文献、ＲＯ製造業者の研究や考察、他の技術専門家およびコンサルタントにより：（１）ＲＯモジュールにおける現行の標準的フィードスペーサーは、典型的に、２０ミル（０．０２０インチ、５０８ミクロン）の厚さを有し、ＲＯモジュールの取り入れ口端部断面積の約４０％を占める；（２）織目密度は、約１２／インチ（４．５／ｃｍ）から約３２／インチ（１３／ｃｍ）の範囲にある；（３）フィードスペーサー内部の構造体は、第一義的にはＲＯモジュールの巻き上げプロセスにおける機械的なサポートの為であって、濃度分極を低減させるために流体力学面で考慮されたものではない（水溶性のフィードスペーサを採用してモジュールに巻きあげて実働開始後に溶けて無くなるものが報告されている；このフィードスペーサを使用すると透過水流量が選択的に向上出来る）；（４）現時点で最も広く設計に使用されているフィードスペーサーはブッチャー・キャビネット・ライナーズというものであるが、設計は大きな意味で未検証のまま残されており、まだ最適化されていない；（５）フィードスペーサー製造業者は、種々の機能（生体付着堆積を制御するような）を達成できるよう設計された構造を有するより薄い製品（現行製品は１１ミル（０．０２８ｃｍ）の厚さ）の開発を継続中であるが、濃度分極を低減すべくフィードスペーサーを改良するための組織的研究はいまだになされてないのは明白である；そして（６）分離式フィードスペーサー製造において、約１１ミル（０．０２８ｃｍ）の厚さになる現行最薄型のフィードスペーサーは製造能力において一つの最低限界を示すものと考えられる。
【００２６】
事実上、全てではないにしても、大多数の技術文献において前記フィードスペーサーの設計に関する論文が欠如している。例えば、ＴｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ＬｙｏｎｎａｉｓｅｄｅｓＥａｕｘ，およびＴｈｅＷａｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎｏｆＳｏｕｔｈＡｆｒｉｃａが製作した透過膜処理プロセスに関する最近の出版物にはフィードスペーサーに関する記述は皆無である。次に、ＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔＭｅｍｂｒａｎｅＰｒｏｃｅｓｓ，Ｍａｌｌｅｖｉａｌｌｅ，Ｊ．，Ｐ．Ｅ．Ｏｄｅｎｄａａｌ，ａｎｄＭ．Ｒ．Ｗｉｅｓｎｅｒ（ｅｄｓ），１９９６，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｂｙＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ　ＢｏｏｋＣｏ．，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮＹ，を参照されたい。上記論文が本明細書に参照文献として組み入れられている。濃度分極およびこれを低減するためのフィードスペーサーの設計可能性に対する関心・注目の欠如は経済的理由によるものと考えられる；即ち、満足の行くＲＯ透過水生産を達成する比較的低コストの方法が既に大規模に開発されており、透過水量を向上して透過水生産コストを示差的に低減出来る点まで達成する為には莫大な量の研究とエンジニアリングが必要とされる。
逆浸透法における透過水生産向上の手段
ＲＯを応用して実用的なポータブルタイプの脱塩装置開発を計画する場合においても透過流率（体積／単位面積／単位時間）を増大させるための何らかの手段導入を考慮する必要がある。この増大を達成すれば上記と同一の透過水生産能力を、従来より小型かつ軽量のＲＯ装置内に実装できる。
より薄いフィードスペーサー使用による透過膜面積の増大
モジュールの全容量当りの透過水生産量の割合は、モジュール内部に収納される透過膜の使用可能な表面積に依存している。一般的に、透過膜の厚さおよび透過水キャリヤの厚さは現在の製造技術および透過水流量（透過水キャリヤ内における）を考慮した実用的限界点において決定される。本発明によれば、与えられたモジュール容積内での透過膜表面面積において（即ち、与えられたモジュール容積から得られる透過水量の率において）、フィードスペーサーの厚さを削減することにより前記透過膜表面面積は顕著に増大する。勿論、適正な流量特性を付与できるように厚さを削減したフィードスペーサー実施例の流量特性は適切に維持される。
【００２７】
第２図において、有効透過膜表面面積とフィードスペーサー厚さとの関係を示す。第２図において、モジュールの有効透過膜表面面積を１．５インチ（３．８ｃｍ）、１．７５インチ（４．４ｃｍ）、および２．０インチ（５．１ｃｍ）の外径に仕上げられ、フィードスペーサー厚さの機能として８インチ（２０ｃｍ）および１０インチ（２５ｃｍ）の長さにカットした場合を示す。第２図の計測結果において、ある与えられたモジュール容積内の有効透過膜面積は、２０ミル（５００ミクロン）のフィードスペーサーの代わりに３ミル（７６ミクロン）のフィードスペーサーを使用した結果、上記の有効透過膜面積が約６０％増大しており、１１ミル（２７９ミクロン）の代わりに３ミルを使用すると約３０％増大している。このような透過膜面積の増加によりポータブルＲＯ装置の全体の大きさおよび質量において比較に値する削減を可能にしている。前記フィードスペーサー厚さの実用最低限界は多分スパイラル状モジュールの長さ方向に沿って蒙る圧力損失と関係していると考えられる。計測結果により、このような圧力損失は厚さが約３ミル（０．００８ｃｍ）未満の場合に顕著になるが、１．５ミル（０．００４ｃｍ）の厚さの場合であっても印加された圧力に比較すれば示差的ではないことが示されている。
拡散および流体によるせん断力増大による濃度分極の低減
供給溶液チャンネル（即ち、フィードスペーサー）の厚さ削減のさらなる利点としては、寸法削減の効果でＴＤＳ濃度勾配は強制的に増大し、これにより透過膜壁から大量供給溶液へ戻る塩分（または固形物）流動は、拡散フラックス等式（Ｆｉｃｋの法則）に従って増大する：
塩分流動率＝−ＤｄＣ／ｄｙ
ここで、Ｄは塩の拡散係数（Ｌ^２／ｔ）
Ｃは塩分濃度（ｍ／Ｌ^３）
Ｙはチャンネル厚さ（Ｌ）の１／２
塩分（または固形物）の濃度変化率は下記等式で表わされる。
【００２８】
δＣ／δｔ＝−Ｄδ／δｙ（δＣ／δｙ）
透過膜表面からの拡散流体の増大による正味の効果で濃度分極は低減し、その結果、作用圧力および浸透水流率（Ｊｖ）が増加する。
【００２９】
加えて、供給チャンネルの厚さが減少するにつれて、与えられた一定の標準直径のモジュールへ与えられた一定の供給溶液流量率で流れる場合、同チャンネル内の供給溶液の流速が増大し、より小型化された寸法と相俟って次に考察されているように流体によるせん断力が増大する。流体によるせん断力τは次式のように定義される：
τ＝υｄＵ／ｄｙ
ここで、τは二つの平行面間のパラボリックフローにおける流体によるせん断力（Ｌ^２／ｔ^２）
υは流体の動粘性率（Ｌ^２／ｔ）
ｄＵ／ｄｙは平行平面から流体中心に至る流速勾配（１／ｔ）
平行２平面間のパラボリックフローにおいて
τ＝υ４Ｕｍａｘ／Ｄ
そして
Ｕｍａｘ＝１．５Ｕ
ここで　Ｕｍａｘはパラボリックフロー分布における最大流速（Ｌ／ｔ）
Ｕはパラボリックフロー分布内の平均流速（Ｌ／ｔ）
Ｄは平行表面（フィードスペーサーの厚さ）間の距離（Ｌ）
ストレーンレートφ（１／ｔ）は動粘性係数が一定の場合にも使われる用語。
【００３０】
φ＝ｄＵ／ｄｙ　　故に　φ＝τ／υ＝４Ｕｍａｘ／Ｄ
スペーサーの厚さの減少に伴い流体速度が増大することにも呼応してスペーサーの厚さ（Ｄ）の関数としてのストレーンレートφが計算され、約５ミル未満のフィードスペーサー厚さにおいて流速が劇的に増大したことが判明している。フィードスペーサーの厚さが約３ミルまたはそれ未満の場合には、圧力損失、供給溶液流速、およびストレーンレートは―これら三者は相関しているが―幾何級数的に増大する。フィードスペーサー厚さの減少に伴い塩成分（または固形物）の拡散およびストレーンレートが増大するため、次項で説明する通り、濃度分極度を劇的に低下させる効用がある反面、モジュールの長さにより圧力低下が増大するという犠牲が伴う。フィードスペーサの最適厚さは実験を介して選択されるべきであることは明らかであるが、本発明の一実施例に従えば、最適厚さは流体力学の見地から約３ミル（約０．００８ｃｍ）である。
【００３１】
濃度分極に伴う前述の力の影響は、図３に示されている３ミル（０．００８センチメーチル）のフィードスペーサに対する結果と図１に示されている２０ミル（０．０５ｃｍ）のフィードスペーサに対する結果を比較することによって立証される。第３図は、透過膜表面でかつチャネル中央においてチャネル（フィードスペーサ）厚さが３ミル（０．００８ｃｍ）のものに対しての溶質（ＴＤＳ）濃度を、チャネル（モジュール）下方への距離の関数として示している。供給溶液は約１０ｇ／ＬのＮａＣｌであり、ΔＰは約４５０ｐｓｉである。
【００３２】
２０ミル（０．０５ｃｍ）のチャンネル内において、透過膜における溶質（ＴＤＳ）濃度に対する大量溶液内の濃度の比は約２．９である；３ミル（０．００８ｃｍ）のチャンネル内での前記比率は約１．１３である。結果は、厚さのより薄いチャンネル内において、濃度分極度が劇的に低下して本質的に意味の無い程度に到っていることを示している。
供給溶液の圧力／流体パルシングによる濃度分極の低減
現在までのところ、最も良く研究されかつ最も可能性があるとされる濃度分極低減手段は、ＲＯ装置への圧力および供給水量にパルシングを与えることである。当該関連技術の数種の実例が特許協力条約出願ＵＳ００／１４５１３において、“Ｐｏｒｔａｂｌｅｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ”の発明の名称で開示されており、ＭＩＯＸ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが特許権者になっている。当該出願発明は、本発明の特許出願明細書において、これに限定はしないがパルシングおよびＲＯを含んで応用する目的で参照文献として本発明特許出願明細書に引用されている。パルシング技術は透過水量を７０％から２７０％正味で増加させることに寄与していると報ぜられている。パルシング処理による濃度分極の低減は、パルシングによりもたらされる供給溶液の規則的な反転作用（または他の攪乱）によって濃度分極が除去されることに起因しているものと考えられている。
【００３３】
本発明になる方法および装置、特に濃度分極を低減する手段を利用するＲＯ装置および手足操作方式ポンプの有効性を証明するため、流体力学に基づくモデルを使用して圧力／流体パルシング状態下のＲＯプロセスの挙動が明らかにされた。一実施例において、本発明は一定の印加圧力に加えて圧力／流体パルシングが任意に追加される装置を含んでいる。
【００３４】
小型ＲＯ装置の運転中における圧力／流体パルシング作用の結果を第４図に示す。第４図において、約２５０ｐｓｉの非浸透性圧力に対して、約１０ｇ／リットルの供給溶液固形成分濃度と約２５℃の液温において種々の周波数にパルスを変えた場合のパルシングによるＲＯ性能の向上が示されている。実験結果において、圧力／流体パルシング作用が透過膜の明白かつ特定の透過性能向上に寄与することを示す：図４において、０．２リットル／分（５分間で１．０リットル）の浸透水を発生させるために必要な透過膜面積；および、その時の浸透水比伝導性（ＴＤＳに対する代表特性計測）が表示されている。
【００３５】
現実の状態と矛盾の無い入力パラメータモデルを使用した数値モデルから引き続き得られた結果において、既報告結果と当該数値モデルから得られた結果は極めて良く一致していることが示され、再度パルシング作用の有効性が確認された。技術文献にはパルシングによる透過水量の改善が７０％から２７０％と報告されているが、実験に使われたチャネルの寸法及び使用された供給溶液に色々な意味で限定的なものであって、溶解固形物を含有する水のＲＯにも一般的に期待されるものではない。他のテスト結果は、透過水量の改善度合いは、例えばフィードスペーサの織目密度―即ち開放度―に関係すると言う結果を示している。本発明の一実施例によれば、透過水量を増加するためにはフィードスペーサは、産業界で現在使用されているものよりもより薄いと同時により開放的で有るべきである。
【００３６】
コンピューターを基盤とする数値モデルを使用して透過水量に対するパルシング作用の効果をみた結果は、すでに出版されている結果（１ヘルツのパルス信号により７０％増加）と重複しており、さらに液体力学応用プロセスを理解する上で相当量の新規レベルの詳細事項が付加された。特定的に、前記結果によれば、２％の蔗糖を添加した供給溶液を含有する１．３ｃｍ寸法のチャンネル内で、透過膜表面において流体を逆流させ、同時に透過膜横方向流動プロフィルを放物線状（透過膜表面で減少する）から非放物線状に変更することによって濃度分極が低減された。蔗糖と天然水に存在する塩化カルシウムまたは他の溶解固形物との間には拡散性に大きな違いが有ることを知っておく必要がある；即ち、蔗糖の分子は大きいので他の溶解固形物と比較して比較的拡散性が低いのである。透過膜表面からＮａＣｌが拡散することが濃度分極を低減させる主たる作用力であるので、拡散性は重要である。
【００３７】
横方向流プロフィールの変化により局地的に発生する渦動流体によって、各パルス毎に濃度分極は大規模に除去される。第５図において、１ヘルツ周波数でのパルスサイクル中における１．３ｃｍチャネル内での４箇所のポイントに発生する流速プロフィルの代表的セットを定常流（ほぼ垂直に近いライン）での流速プロファイルと比較して示す。
【００３８】
市販されるＲＯ装置で使用されるものと同様なチャンネル寸法および供給溶液を使用して前記数値モデルを修正後に行ったテスト結果も得ている。これらの修正によれば、元来０．５１２インチ（１．３ｃｍ）であったチャンネル寸法が２０ミル（０．０２０インチ即ち０．０５ｃｍ）に削減され、また供給溶液は約１０，０００ｍｇ／ＬＮａＣｌとして設定された。目標に設定された高度の浸透水回収をシミュレートした修正も実行された。
【００３９】
最初のモデルを使用して定常流とパルシング流とを比較した結果ではスペーサ厚さが１．３ｃｍ（０．５１２インチ）で、初めのモデルに使用したものと同じ周波数（１ヘルツ）パルシングでは透過水量の増加は見られなかった。しかしながら引き続き行われたモデル設定において、「バッフル」が当該モデルのチャンネル内に導入され、ＲＯモジュール内のフィードスペーサー構造をシミュレートした。当該バッフル導入モデルのテスト結果では、定常流モードにおける透過水量は顕著な増加を示し、当該定常流モードと比較してパルシングの場合には浸透流量はさらに増大した。２０ミル（０．０５ｃｍ）フィードスペーサーでの前記バッフルとパルシングの組み合わせ効果を第６図に示す。第６図は２０ミルのバッフル付きチャンネルにおいて５ヘルツおよび１０ヘルツのパルスを印加した場合の透過膜溶質濃度の変化を示す。
【００４０】
結果として得られた流体プロフィールは局部的に発生する渦流状の形態を示している。バッフルの設定数（またはバッフル密度）の増加、パルシング周波数の増加、およびパルシングのストローク量即ち振幅（フィードスペーサーの全体ボリュームの一部として表現される）の増加に伴い透過水量の増加がもたらされる。これらの結果は、チャネル内でのバッフルの設定数（密度）、形状、および位置（ＲＯモジュールにおけるフィードスペーサの構造に選択的に等しく出来る）、そしてパルシングのストローク量が重要なパラメータであり、例えば特定の応用目的に応じて最適化する事が出来る。
局部的渦流の誘導による濃度分極の低減
前述の局部的渦流状態は、結果の示すところでは部分的にパルシング作用によって創生され、障害物（例えば「バッフル」）に関連して液体が移動するときに発生するフォン・カルマンの渦列に少なくとも似通っていると見られている。（このフォン・カルマン渦列は最初にｖｏｎＫａｒｍａｎにより詳述され、続いてＳｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇにより徹底的に理論的に考究された。Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇ，Ｈ．，１９６０，ＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒＴｈｅｏｒｙ，ＦｏｕｒｔｈＥｄｉｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｌａｔｅｄｂｙＪ．Ｋｅｓｔｉｎ，ＭｃＧｒａｗ−ＨｉｌｌＢｏｏｋＣｏ．，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮＹ．を参照されたい。本書は本明細書に参照文献として引用されている。）前記のフォン・カルマン渦列、または圧力／流体パルシングの結果において観測された渦流は定常流体においても現れる。関連するジオメトリに対応してレイノルズ数（Ｒｅ）は次式で定義される：
Ｒｅ＝ｖＤ／ν
ここで、
ｖは流体速度（Ｌ／ｔ）
Ｄは面と面との間の距離または障害物の直径（Ｌ）
νは流体の動粘性係数（Ｌ^２／ｔ）
前記レイノルズ数のより詳細な説明に関しては例えば下記技術文献を参照されたい。Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｓ．，ｅｄ．，ＭｏｄｅｒｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ：　ＡｎＡｃｃｏｕｎｔｏｆＴｈｅｏｒｙａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＲｅｌａｔｉｎｇｔｏＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒｓ，ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＭｏｔｉｏｎａｎｄＷａｋｅｓ，ＶｏｌｕｍｅＩＩ（１９５７）：当該技術文献は本明細書において参照文として引用されている。開放されていて無拘束状態のチャンネル内部でフォン・カルマン渦列が発生するものと知られているがその時のレイノズル数はおよそ６５の低い数値を示し、閉塞状態のチャンネル内部においてはおよそ１００であり、例えば、下記を参照されたい。Ｆｅｒｚｉｎｇｅｒ，Ｊ．Ｈ．ａｎｄＭ．Ｐｅｒｉｃ，１９９７，ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮＹ（１９９７）。［特に３６４ページを参照されたい。２５０ページの図形は、閉塞状態のチャンネル内でＲｅが約１００の時に形成されるフォン・カルマン渦列を示している］。このテキスト全文を本明細書に参照文献として引用している。充分な流体速度（ｖ）が与えられている場合、たとえ定常流であってもフォン・カルマン渦列および付随する局所的渦流形状の発展は、液供給チャンネル内部における障害物にもっと大きな抵抗係数を有する形状（フィードスペーサーに形成されたように）を使用することにより促進することが出来る（例えば、Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，Ｓ．，ｓｕｐｒａを参照されたい）。
薄いフィードスペーサー
本発明の一実施例は浸透膜上に間隔形成材を直接印刷する方法を含む。本発明の他の実施例において、特定の直径を有するモジュールに組み込むのに必要な透過膜長さの二分の一の長さに巻き取りプロセス前に間隔形成材を直接印刷する方法を含む。印刷はＲＯ装置の性能を最適化することを示す厚さを有し、現行の産業界で最も薄いフィードスペーサ（現行の厚さは約１１ミル、即ち約０．０３ｃｍ）よりも薄く、また約１．５ミル、即ち約０．００４ｃｍまで薄く出来る。本発明によれば、上記技法は、逆浸透、ナノ単位の濾過技術、ウルトラ濾過技術、ミクロ単位の濾過技術、および分子単位の濾過技術、を含むいかなる浸透膜テクノロジーにも適用可能である。浸透膜関連技術に一般的に精通する当事者は本発明が浸透膜応用技術および関連装置に広く有効であることを理解するであろう。さらに、本発明は、濾過プロセスを伴う場合および伴わない場合に限らず、加熱、反応、および／または他のプロセスにおいても有効である。従って、例えば触媒を含むスペーサーは再び濾過作用の有無を問わず、触媒床として有効である。換言すれば、本発明の領域は、接触している物質、特に、しかし限定的ではないが、流動体と固形物質に対しての新規の装置および方法を含み、特に特定の流動体領域が好ましくまたは望まれる。
【００４１】
逆浸透式のスパイラル状浸透膜エレメントを巻き上げる通常プロセスには、中央浸透水用チューブ、浸透水フィードキャリヤシート、逆浸透膜シート、フィードスペーサシート、が含まれ，フィードスペーサシートは、それ自身が折り重ねられた前記浸透膜の間に層状に配される。当該シート群は当該中央浸透水用チューブの周囲に巻きつけられ、これらの巻きつけられた要素の外面は、例えば、当該アッセンブリー部材を一体で保持するためにテープで巻かれる。本発明のスパイラル状透過膜の一実施例は第７図Ａに示される。
【００４２】
当該中央浸透水用チューブ２０は、当該浸透用チューブ２０の長さ方向軸に沿って当該浸透水キャリヤシート２２に接着される（または付加される）。当該逆浸透膜シート２３（または代替的に他の濾過用膜）は、障害物部材またはバッフル部材、側壁部材２４（即ち、流体障害物部材またはバッフル部材を含んだ側壁）、およびシーム部２５において折り曲げられた対向側面２６、を含む。上述のように、当該障害物用側壁部材２４は、流体の流動に影響を付与するように障害物用部材２８、またはバッフル部材をもって構成される。第７Ａ図に示すように、当該障害物用側壁部材２４は、同側壁部材２４の表面の約半分の面に前記バッフル部材を形成し、この場合、当該半分の表面は当該浸透水キャリヤシート２２と隣接する。当該障害物用側壁部材の他の半分の面（障害物部材を配設していない側）は当該障害物用部材を被覆する。代替的に、全体側面が妨害用部材を構成し、代替的に、この障害物部材は他の半分の面上の障害物用部材と一直線に並び、および／またはこれら部材との間に空間を置く。
【００４３】
この実施例において、当該逆浸透膜シートの活性浸透膜表面は相互に対面する。さらに、この実施例において、障害物用部材２８がフィードスペーサーを構成する。然しながら、本発明において、これらフィードスペーサーになる障害物用部材とフィードスペーサーで構成されない障害物部材の組み合わせも実現可能なので、本発明においては全ての障害物用部材はフィードスペーサーで構成されるものとして限定されない。一般的に、自己の特殊なデザインとは無関係に、個々のフィードスペーサーはある程度において流体の流動を阻害する。然しながら、本発明によれば、障害物用部材は望ましい様相で流体の流動を妨害し、流動に影響を与え、または流れそのものを変化させる形状を任意的に具備する。また前述したように、障害物用部材および／またはスペーサーは、例えば当該透過膜の半分相当の表面上にプリント（または生成または配設）される。次に詳述する代替的な一実施例において、例えば障害物用部材はディンプル状部材をもって浸透膜内に構成される。ディンプル状部材の特性に依存して、フィードスペーサーをも任意に構成する。かくして、ディンプル状部材、フィードスペーサー、および／または非ディンプル形状になる障害物用部材、の組み合わせを含む実施例は本発明の領域内である。
【００４４】
スパイラル状透過膜の説明図を第７図Ｂに示す。第７図Ａに中央透過水チューブ２０を示す。このチューブ２０には本発明の一実施例による透過膜アッセンブリー２１が附着され、当該透過膜アッセンブリー２１は浸透水キャリヤシート２２（クローズアップした断面図において陰影図示される）、および透過膜２３で構成され、透過膜２３は、フィードスペーサーとしても機能する障害物用部材２８で構成される。本図において、供給溶液は主として右方向から左方向に向けて流動しており、透過水は透過水チューブ２０内を左から右へ透過水キャリヤシート２２に内をスパイラル状に、また、前記透過膜２３を貫通して放射状に流動する。供給溶液は前記障害物用部材２８と遭遇し、これにより逆に濾過作用に有益な態様で流動特性が変化する。
【００４５】
上述の実施例においてフィードスペーサー、障害物用部材、および／またはディンプル状部材、が述べられたが、これらの部材は機能およびデザイン次第で折々交換できる。本発明によれば、ディンプル製作は様々なプロセスで達成でき、限定的ではないが、透過膜を機械的エネルギーおよび／または熱エネルギーに露出させることによりディンプルを形成することを含む。ディンプルはまた
モールド成形法により、および／または透過膜製造プロセスの他のステップにより形成しても良い。図７Ｃには印刷による障害物２８と対比してディンプルによる障害物２７が示されている。
【００４６】
本明細書における全体の記述を通して、「印刷する」、「印刷された」、および「印刷」と言う用語は、限定的ではないが、インクジェット印刷、オフセット印刷、および立体リトグラフ印刷、に当てはまるものである。これらの印刷方法は、限定的ではないが、印刷材料を使用し、それには限定的ではないが「インク」が含まれ、インクは多様な材料に関連し、限定的ではないが、ポリマー、サーモポリマー、および／または放射エネルギー固着ポリマー類、が含まれる。一般的に、これらのインクは少なくとも上述の印刷技法の一つ、または同等の印刷技法、と相容性を有する。透過膜上にインクが印刷される場合には、透過膜の完全性が主要関心事項ある。多様の印刷材料即ちインクが本明細書に記述される透過膜と相容性があることが判明している。このような印刷材料またはインクは限定的ではないが任意に下記の考察を含む。
【００４７】
上述のように、一つの印刷技法としてオフセット印刷が含まれる。印刷技術においては既に知られているオフセット印刷技法は、インクを基板に転写する回転式ドラムを屡含む。このような通常知られている技法も本発明の領域内にある。本発明の一実施例に従って、スペーサーおよび／または障害物を有する浸透膜を形成する方法は、例えば、サーモポリマーインクおよび／または放射エネルギー固着タイプのインク、などの適切なインクを使用するオフセット印刷技法を含む。このような材料は、伝統的なオフセット印刷技法を用いての繰り返しプロセスによって任意に成層される。
【００４８】
実際に非常に有効であることが証明された本発明の一実施例において、本発明は創意に富んだ３次元スペーサー、構造体、および／または障害物、を３次元形状製作方法により作製する技法およびこの適用をも包含する。これには、限定的ではないが、立体リトグラフ印刷技法および／または直接印刷技法が含まれる。この種の技法は、例えば、下記のアメリカ合衆国特許において記述され、ここに参照用に引用する。
【００４９】
Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏｓ．６，１０３，１７６；６，０８４，９８０，；６，０４８，４８７；６，０４８，１８８，；６，０３６，９１１；６，０２９，０９６；６，０２７，６８２；６，０２７，３２４；６，００１，２９７；５，９９９，１８４；５，９９７，２９１；５，９８９，４７６；５，９６５，０７９；５，９４５，０５８；５，９４３，２３５；５，９０４，８８９；５，９０２，５３８；５，９０２，５３７；５，８９７，８２５；５，８８５，５１１：５，８７０，３０７；５，８５５，８３６；５，８５５，７１８；５，８５４，７４８；５，８４０，２３９；５，８１４，２６５；５，７７９，９６７；５，７７６，４０９；５，７１１，９１１；５，６９５，７０７；５，６７６，９０４；５，６７２，３１２；５，６３７，１６９；５，５６９，３４９；５，５０１，８２４；５，２３４，６３６；５，１９２，５５９；５，１４１，６８０。
【００５０】
インクジェット印刷機とかなり類似しているが、直接印刷技法においては、プリントヘッドを使用してサーモプラステイックまたは他の適当な素材になる微細な点状インクを対象物表面または他の表面にスプレー状に噴霧塗布する方法が任意に含まれる。３次元形成で一層づつ所期工程が完了するまで成層される（一層のみを形成する場合の成層技法も本発明の領域に包含される）。勿論のことながら、上記プロセスは割り込み可能であって、回路、触媒、防汚剤、サセプタ、および／または他の素材を前記３次元形状物に任意に挿入および／または配設する。代替的に、またはこのプロセスと同時に、当該３次元形状物の生成に使用される当該サーモプラステイックおよび／または他の素材に対し、触媒、防汚剤、サセプタ、および／または他の素材が任意に添加される。しかして、当該直接印刷プロセスまたはこれに代わるプロセスが当該３次元形状物の製作の継続のため任意に行われる。この３次元形状物から金型または型板が製造でき、従って、当該金型または型板からさらに追加の３次元形状物を生産することが可能であることもまた理解される。
【００５１】
立体リトグラフ印刷技法は放射状エネルギーに液状または半固形の感光性物質を露光させることを任意に含む。これを任意に繰り返して感光性物質を一層毎に成層して３次元形状物を製作する。市場で入手可能な多くの立体リトグラフ印刷システムにおいて、レーザー、光学機器、フォトポリマー樹脂、およびコンピューターハードウェア及びソフトウェアが使用されて３次元形状物体が製造される。勿論前記プロセスは直接印刷技法の場合のように割り込み可能であって、回路、触媒、防汚剤、サセプタ（例えば、加熱用電磁サセプタ材料）、および／または他の素材を任意に前記３次元形状物に挿入および／または配設出来る。代替的にまたはこのプロセスと同時に、触媒、防汚剤、サセプタ、および／または他の素材を、サーモプラステイックおよび／または他の素材に任意に添加して前記３次元形状物の製作に使用される。さらにその後、前記立体リトグラフ印刷プロセスまたはこれに代わるプロセスが製作継続の為任意に使用される。この３次元形状物から金型または型板が製造でき、従って、当該金型または型板からさらに追加の３次元形状物を生産することが可能であることもまた理解される。
【００５２】
直接印刷技法の一実施例において、高融点（１２０℃までの融点）を有するワックスと界面活性剤（液体流動特性向上のため添加される）の混合物質になる印刷用材料が使用された。サプライヤー（３ＤＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｖａｌｅｎｃｉａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から提出されたＭａｔｅｒｉａｌＳａｆｅｔｙＤａｔａＳｈｅｅｔ（ＭＳＤＳ）には、当該印刷材料は、炭化水素、アミン類、およびエステル類、を含有するサーモポリマーになるものと記述されている。例えば、ワックス、重合剤、および界面活性剤、からなるサーモポリマーは本発明の領域内にある。サーモポリマーのさらなる実例は、”Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄ”の名称で，２０００年１０月１７日にＬｅｙｄｅｎ，ｅｔａｌ．，に認可され、３ＤＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．（Ｖａｌｅｎｃｉａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）が特許権者であるＵ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．６，１３３，３５５，に包含され、当該米国特許の明細書全文は本発明明細書において参照用に引用されている。
【００５３】
本発明の一実施例において、３ＤＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｖａｌｅｎｃｉａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，によって製造され、登録商標ＴｈｅｒｍｏＪｅｔ（商標）の名称で販売されている印刷機械および関連コンピューターソフトウェアを使用して前記印刷原料が（活性化されたまたは非活性の）浸透膜表面に適用されている。これに代わって、関連業界では知られている他の装置を使用して同等の結果が達成される。前記のＴｈｅｒｍｏＪｅｔ（商標）ステムおよび関連資材を使用したトライアルにおいて、前記印刷材料が強力に前記透過膜に接着し、かつ当該印刷材料およびＴｈｅｒｍｏＪｅｔ（商標）印刷機械に発生した熱は当該透過膜の活性表面を損傷しなかったことが示された。ここで再び本発明は活性表面上の印刷に限定されていない。
【００５４】
ＴｈｅｒｍｏＪｅｔ（商標）印刷プロセスにおいて、例えば、複数の印刷層が基板上に積成される。本発明の一実施例によれば、典型的な層厚さは約１．５ミルまたは０．００３８ｃｍ（３８ミクロン）である。従って、障害物としては、３８ミクロン（１層）、７６ミクロン（２層）、１１４ミクロン（３層）、１５２ミクロン（４層）、１９０ミクロン（５層）、２２８ミクロン（６層）、３０４ミクロン（７層）、等が可能である。さらに、約２８０μｍ未満の高さからなるスペーサーを有するスパイラル状逆浸透膜モジュールからの結果では、性能が向上したことが示されており、さらに約１５０ミクロン未満の高さからなるスペーサーからの結果からも性能が同様に向上したことが示されている。全体的に見て、前記のＴｈｅｒｍｏＪｅｔ方式の印刷は、通常市販のＲＯモジュールよりも低い高さで形成されるスペーサーの製造を可能にしている。
【００５５】
さらに他の一実施例において、バッフル、ディンプル形状、スペーサー、構造体、および／または障害物、を製作するプロセスは立体リトグラフ印刷技法を含み、該立体リトグラフ印刷技法は例えば、レーザー、および限定的でなないが、例えば、エポキシ、ビニールエーテル、またはアクリレート、として分類される露光固着樹脂を含有する。
【００５６】
第８図に示す本発明の一実施例において、印刷のデザインは下記を含む。（１）印刷された透過膜３０の一方のエッジ（長手方向）には、巻き上げ式モジュールの入口端が確実に開放状態に維持されるように印刷された畝部３６のパターンをつける、（２）該透過膜の本体に０．２５インチ（０．６４ｃｍ）の間隔で供給溶液流動方向に平行のダイヤモンドパターン状に印刷された真円ポスト３２をつける、さらに（３）巻上げ式モジュールの出口端として知られている該浸透膜の反対側端部に印刷された畝部３８のパターンをつけるが、この畝部はモジュールの巻き上げに際しては補助となることが意図されており、またハウジングに収めるのに先だって、モジュールの最終トリミングでは取り除かれるものである。該浸透膜は巻き上げの前に任意に折り曲げられ重ね合わされるので、該浸透膜の半分のみが印刷され継目線３４で分割される。本発明の一実施例において、畝部は端部に沿ってほぼ均等に間隔を保ち、かつ供給溶液の流動方向と平行に印刷され、第１の場合には約１．２５インチ（３．２ｃｍ）、第２の場合には約０．７５インチ（１．９ｃｍ）相当分当該浸透膜上で延伸される。最終トリミングにおいては、該モジュールの約０．７５インチ（１．９ｃｍ）相当分が両端部から除去され、当該最終モジュールの入口端では約０．５０インチ（３．２ｃｍ）の畝部パターンが残るが、当該最終モジュールの出口端には畝部は残らない。
【００５７】
本発明の一実施例において、アスペクト比、即ち個々のポストの直径に対する高さの比は約１．０を超えない様にして取り扱い中の破損リスクを低減する。
【００５８】
本発明の代替的な一実施例において、任意的に前記畝部パターンは前記浸透膜のいずれのエッジにも印刷されない。
【００５９】
本発明の代替的な一実施例において、前記畝部パターンは任意的に前記透過膜の両端に約０．７５インチ（１．９ｃｍ）未満の長さ相当分だけ印刷され、前記モジュールの巻き上げを容易にすることのみが意図され、かつ最終トリミングにおいて除去可能である。
【００６０】
本発明の代替的な一実施例において、当該フィードスペーサーは、さらに以下に論考された他の素材を使用して特殊技巧を使った独立したシートで任意に構成され、下記の特性を有する：（１）約３．０ミル（０．００８ｃｍ）の厚さ；（２）高度の多孔性（９５％以上）、および；（３）「生体模倣」として知られる構造体を有し、これにより、定常流およびパルシング流の双方において供給溶液の局部的渦流を増大し、またこの渦流を最適化する。望ましい特性を有するフィードスペーサーの製造に好適であろう数種の製法が確認されている。これらには、化学的切削加工および自己堆積をベースにした電鋳技法、および両技法を混ぜ合わせた技法、が含まれる。化学エッチング技法は材料を除去するプロセスを介してこれらの構造体の生産が可能な製造方法である。対照的に、当該自己堆積技術は、例えば、限定的ではないが、アルカン・チオールの自己堆積された単層群を使用してパターンを定義し、これらパターンを介し前記の電鋳技法により構造体を形成する。当然ながら、電鋳技法および界面活性技術において知られている他の類似のプロセスも本発明の領域内にある。
供給溶液に対する圧力／流体パルシング
本発明の一実施例は、定常的な印加圧力への追加として、圧力および流体パルスを付加する為のプロセスおよび機構を包含し、付加されるパルスは次の特性を有する：（１）１０サイクル／秒（１０ヘルツ）までの範囲の周波数；（２）各パルスストローク毎の振幅（または流体体積）は、前記モジュール内の全フィードスペーサ体積の１２％までの範囲である；および（３）ほぼ正弦曲線状の波形である。本明細書で権利を請求している諸発明の他の実施例である所のフィードスペーサの特別な構造を一緒に使用した場合には、本発明のこの好ましい実施例は、本明細書で局部的渦流として言及されているフィードスペーサ内の流体運動を惹起する。この局部的渦流は濃度分極を低減させる作用をする。
【００６１】
代替的な実施例にあっては、パルシング周波数は１０サイクル／秒を越えてでもまたは未満でも任意であり、振幅は該フィードスペーサの全体積の１２％を越えるのも任意であり、波形は正弦曲線状でないいかなる形状でも任意である。
フィードスペーサー内部の障害物の形状
本発明の好ましい実施例の一つは、当該フィードスペーサーとして直接当該浸透膜上面にポストまたは障害物を印刷成型することを含み、当該ポスト（または他の構造物）は、真円状円筒のものとは異なる抵抗係数を有する形状を任意に包含する。これらの構造物は一定の高さおよび／または他の特性を具備する必要はない。例えば、単一の透過膜に対して多様な形状を付けることも可能である。また第９図には各種断面が示されているが、これら構造体の高さは効果を最大にするために任意に傾斜および／またはその他の調整がされる（ここで再び障害物体は必ずしもフィードスペーサーとして機能する必要はない）。従って、本発明は例えば、限定的ではないが、切りこみ状、スパイク状および／または傾斜状の構造体をも包含する。第９図は、限定的ではないが、当該浸透膜表面上に印刷可能な印刷されたポストの形状を示す。本発明のこの実施例において、前記形状は、限定的ではないが、下記を包含する：多様な寸法の四角柱；最適な抵抗係数を得るために選択された多様な角度および寸法を有する三角柱；多様な寸法になる半チューブ状または半円状構造体；最適の抵抗係数を得るために選択された多様な寸法および多様なポイント数を有する星型構造体；および各ポストを繋ぐ多様な寸法を有する構造体。当該印刷の厚さ、それ故当該フィードスペーサの厚さ、および供給溶液の流速によって決定されるような特別の流体力学の支配体系においては、全てがレイノルズ数を通して関連づけされているが、本発明のこの実施例は例えばフォン・カルマン渦列、若しくは他の渦類型の形態で局部的渦流を発生させ、濃度分極を低減する。
【００６２】
本発明の代替的実施例は、例えば、限定はされないが、本発明の前記した実施例で記述したような特殊技巧を使った形状を、該発明の代替的実施例で説明した製法を使用して独立した薄いフィードスペーサーに造り込むことを含む。
フィードスペース内の障害物に適用するパターン
本発明の一実施例は、前述のようにポスト即ち液体流動に対する障害物を包含し、それらは第１０図に示すように、液体流動の方向に関連付けられたパターンおよび方向性をなしている。これらのパターンおよび方向性が流動進路の曲がりくねりを増大させ、それにより局部的渦流を増大させて濃度分極を低減する。本発明のこの実施例において、当該パターンは、限定的ではないが、下記を含む：液体流動の進路に平行する障害物の当該形状の種々の間隔；液体流動の進路に直交するまたは直交と平行の間の種々の角度をなす障害物の当該形状の種々の間隔；供給溶液の流動進路と関連した種々の位置、間隔、角度、における種々の形状。本発明の一実施例において、当該形状の当該方向性は、前述のように、限定的ではないが、下記を含む：供給溶液の流動方向に関連する当該形状の主要軸の種々の角度；供給溶液の流動方向に関連して当該ポストを連結する種々の寸法を有する当該構造体が当該流動体をより大きな曲がりくねりの進路へ導く為の種々の角度；上記で提示された実施例で考察されたように、当該ポストを連結する種々の寸法を有する構造体で生成されたチャンネル内で印刷されたポストの種々の形状。「ポスト」という用語が使用されている一方で、一般に「ポスト」の定義内に入らない構造体もまた本発明の領域に含まれることを理解されたい。
【００６３】
本発明の代替的実施例は、例えば、限定はされないが、本発明の前記した実施例で記述したような特殊技巧を使った形状を、該発明の代替的実施例で説明した製法を使用して独立した薄いフィードスペーサーに造り込むことを含む。
バイオフィルム管理のための銀の含浸および他の手段
水処理工業界において、逆透過構成要素のバイオフィルム汚染は逆透過構成要素の故障の主たる原因の一つであることが広く知られている。さらに、コロイダル状銀がバイオフィルムの形成を緩和することも広く知られている。本発明の一実施例において、透過膜シートの製造工程に於いてコロイダル状銀を透過膜材料に添加する。本発明の代替的実施例において、ダイレクト印刷機械内部にワックス（または他の媒体）を添加する。これにより、印刷されたポスト類（障害物、スペーサー、バッフル、等）は従って、コロイダル状銀成分を含むダイレクト印刷ワックスを含有する。原料水が前記シートの活性透過膜に露出されるので、フィードスペーサーポストはコロイダル状銀の成分を含有するようになり、これにより前記透過膜シート上面のバイオフィルム形成を緩和するのに役立つ。当然のことながら、生物付着および／または汚染を防止する他の作用体も本発明の領域に含まれる。例えば、海洋関連産業で使用される専門技術は本発明で使用されるのに好適である。限定的ではないが、この種の技術は下記物質の使用を含む：銅（Ｉ）；酸化銅（Ｉ）／４，５−重クロム−２−ｎ−オクチル−３（２Ｈ）
−イソチアゾロン；酸化銅（Ｉ）／ジウロン；酸化銅（Ｉ）／ジネブ；酸化銅（Ｉ）／イルガロール１０５１；酸化銅（Ｉ）／ジウロン；チオシアネート銅（Ｉ）／イルガロール１０５１；チオシアネート銅（Ｉ）／ジンクピリチオン；酸化トリブチル錫（「ＴＢＴ」）；および類似品。銅、錫、亜鉛、および他の金属類を含有しない生体付着防止剤も本発明の領域に含まれる。
【００６４】
本発明はさらに任意に透過膜および／またはスペーサーの上面に配設され、および／またはこれらの内部に集積される電気回路構成を含む。この電気回路構成は、任意に加熱および／または電位または電荷分布を適用および生成するために配設される。このような回路は、立体リトグラフ印刷技法の業界では既に知られている立体リトグラフ印刷技法の使用を通じて任意に実現可能である。このような任意に設けられる回路構成は透過膜をあるがままの場所で清掃すること、ある種の流入流水構成成分の有益な生産物に対する反応、非付着性素材に対するある種の付着剤の反応、電荷および／または電位に基ずく分離の増進、及び類似の事柄を任意に提供する。
【００６５】
本発明はさらに任意に少なくとも一種の触媒を前記透過膜および／またはスペーサー上面におよび／またはこれらの内部に包含する。このような触媒は触媒反応を任意に提供し、この反応は透過膜をあるがままの場所で清掃すること、ある種の流入流水構成成分の有益な生産物に対する反応、非付着性素材に対するある種の付着剤の反応、電荷および／または電位に基ずく分離の増進、及び類似の事柄を任意に提供する。
【００６６】
本発明はさらに任意に少なくとも一種のサセプタ材料を前記透過膜および／またはスペーサー上面および／またはこれらの内部に包含する。このサセプタ材料は限定的ではないが、マイクロウェーブおよび高周波（ｒｆ）放射などの電磁波放射とともに用いることによって加熱作用を任意に提供する。サセプタを介した加熱は、透過膜をあるがままの場所で清掃すること、ある種の流入流水構成成分の有益な生産物に対する反応、非付着性素材に対するある種の付着剤の反応、電荷および／または電位に基ずく分離の増進、及び類似の事柄を任意に提供する。
【００６７】
食品工業界で知られているように、マイクロウェーブサセプタによる包装は、マイクロウェーブオーブン内で調理される食品にキツネ色に焼く、または“カリカリにすることを提供する有効な包装の形態である。これは熱的に安定した基板（限定はしないが、例えばＰＥＴ）上面にマイクロウェーブ用活性金属をわずかに堆積することを基礎にしており、裏打ち材にこのシートを張り合わせることにより剛性および硬さを有した積層形成が提供される。マイクロウェーブ（即ちマイクロウエーブ場）内部に位置されると、これらの包装品は殆ど瞬間的に１５０℃をこえる温度に達する。この高熱により食品を急速に調理でき、マイヤール反応を増進しキツネ色に焼く特徴を高める。通常食品工業界で使用されている２種類のサセプタは：（ｉｉ）アルミニューム製のサセプタで、例えば、少なくとも約１９０℃の最終温度を提供する。（ｉｉ）インコネル製のサセプタで、例えば、２１８℃を越える熱環境を提供する；しかしながら本発明はこれら２種類のものに限定されない。
【００６８】
前述の本発明の実施例における一般的または特定的に記述された反応物質および／または作用条件を入れ替えても、前述の例は成功裏に反復することが可能である。
【００６９】
これらの前記した好ましい実施例を特に典拠して本発明を詳述したが、他の実施例においても同一の結果を得ることができる。本発明の変形および改良は当該分野技術に精通した当事者にとり明白であろうし、そのような全ての改良点およびこれに準じる技術内容は付随する特許請求各項において明記されるよう意図されている。上記明細書において引用された全ての参照事項、出願事項、特許、および出版物、は参考文献としてここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組み入れられ、かつ当該明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の幾多の実施例を図示しており、該記述を伴って当該発明の原理説明に役立つ。図面は当該発明の好ましい実施例を図示することを目的としているのみであり当該発明を制限するものと解釈すべきではない。当該図面においては：
【図１】正規化された半径に対する正規化された軸方向及び放射方向の速度と濃度を表示したものである。
【図２】有効透過膜面積に対するフィードスペーサ厚さを表示したものである。
【図３】溶質質量留分に対する軸方向距離を表示したものである。
【図４】透過水比導入性と種々のパルスを掛けた流体と定常流体に対する透過膜面積を表示したものである。
【図５】正規化された半径に対する数種の時間における正規化された軸方向速度を表示したものである。
【図６】５ヘルツおよび１０ヘルツのパルシングを掛けた時のバッフルつきチャネルの透過膜壁溶質濃度を表示したものである。
【図７】図７Ａは本発明の一実施例によるスパイラル状透過膜アッセンブリを図示したものである。図７Ｂは本発明の一実施例によるスパイラル状透過膜アッセンブリを、拡大した断面図とともに図示したものである。図７Ｃは本発明の二つの実施例で、その内の一つは印刷された材料を、他の一つはディンプルを含んだものを図示したものである。
【図８】本発明の一実施例による透過膜を図示したものである。
【図９】本発明の一実施例による障害物および／またはスペーサーの種々の断面形状を図示したものである。
【図１０】本発明の一実施例による種々の障害物および／またはスペーサーの配列を図示したものである。
【符号の説明】
２０：透過水チューブ、２１：透過膜アッセンブリ、２２：透過水キャリヤシート、２３：逆浸透膜シート、２４：障害物またはバッフル側、２５：継目、２６：２７：ディンプル、２８：印刷された障害物、３０：印刷された透過膜、３２：真円ポスト、３４：継目線、３６：印刷された畝、３８：印刷された畝

Claims

印刷された流体障害物を包含する濾過浸透膜であって、前記印刷された流体障害物はインクジェット、オフセット、および立体リトグラフにより印刷された流体障害物からなるグループから選択された少なくとも一つの要素で任意に構成され、前記印刷された流体障害物は任意にサーモポリマーで構成され、前記印刷された流体障害物は任意に少なくともいくつかのフィードスペーサを構成し、前記濾過浸透膜は任意にスパイラル状浸透膜を構成し、前記浸透膜は任意に逆浸透膜を構成する印刷された流体障害物を包含する濾過浸透膜。
前記サーモポリマーは、炭化水素、ウレタン類、アミン類、およびエステル類、からなるグループから選択された少なくとも一つの要素で構成された請求項１に記載の当該濾過浸透膜。
前記流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する請求項１に記載の当該濾過浸透膜。
印刷されたサーモポリマー素材で構成された濾過浸透膜であって、前記印刷されたサーモポリマー素材は、インクジェット、オフセット、および立体リトグラフにより印刷された素材からなるグループから選択された少なくとも一種の要素で任意に構成され、前記印刷されたサーモポリマー素材は流体障害物を任意に含み、前記印刷されたサーモポリマー素材はフィードスペーサーを任意に含み、前記濾過透過膜はスパイラル状浸透膜を任意に構成し、前記濾過浸透膜は逆浸透膜を任意に構成する、印刷されたサーモポリマー素材で構成された濾過浸透膜。
請求項４に記載の当該濾過浸透膜であって、前記サーモポリマーが、炭化水素、ウレタン類、アミン類、およびエステル類、からなるグループから選択された少なくとも一種の要素で構成されている当該濾過浸透膜。
前記流体障害物が約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有する請求項４に記載の当該濾過浸透膜。
ディンプル状流体障害物を包含する濾過浸透膜であって、前記ディンプル状流体障害物は任意にいくつかのフィードスペーサーで構成され、前記濾過浸透膜はスパイラル状浸透膜を任意に構成し、前記濾過浸透膜は逆浸透膜を任意に構成し、当該ディンプル状流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを任意に有する当該濾過浸透膜。
浸透膜上に流体障害物を形成する方法であって、当該形成法は：
浸透膜を準備するステップであって、当該浸透膜は任意に逆浸透膜を構成し、また当該浸透膜は任意にスパイラル状浸透膜を構成する浸透膜を準備するステップ；および
当該浸透膜上に流体障害物を印刷するステップであって、印刷は、インクジェット、オフセット、および立体リトグラフ印刷技法からなるグループから選択された少なくとも一つの技法で任意に構成され、当該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有し、さらに当該流体障害物のいくつかはフィードスペーサーを構成する当該浸透膜上に流体障害物を印刷するステップ、
とを含む浸透膜上に流体障害物を形成する方法。
浸透膜上にフロースペーサーを形成する方法であって、当該形成法は：
浸透膜を準備するステップであって、当該浸透膜は逆浸透膜を任意に構成し、当該浸透膜はスパイラル状浸透膜を構成する浸透膜を準備するステップ；および、
当該浸透膜上にフロースペーサーを印刷するステップであって、インクジェット、オフセット、および立体リトグラフ印刷技法からなるグループから選択された少なくとも一つの技法で任意に構成され、さらに、当該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを任意に有するフロースペーサーを印刷するステップ、
とを含む浸透膜上にフロースペーサーを形成する方法。
浸透膜上にフロースペーサーを形成する方法であって、当該形成法は：
浸透膜を準備するステップであって、当該浸透膜は逆浸透膜を任意に構成し、また当該浸透膜はスパイラル状浸透膜を任意に構成する浸透膜を準備するステップ；および
当該浸透膜上にディンプル形状のフロースペーサーを形成するステップであって、機械的エネルギーおよび熱エネルギーからなるグループから選択した少なくとも一種のエネルギーを応用することを任意に含み、当該流体障害物は約０．０２８ｃｍ未満の最大高さ、より好ましくは、約０．０１５ｃｍ未満の最大高さを有するディンプル状フロースペーサーを形成するステップ、
とを含む浸透膜上にフロースペーサーを形成する方法。