JP2010042374A

JP2010042374A - スパイラル型流体分離素子

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Publication number: JP2010042374A
Application number: JP2008209538A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Takenaka; 正彬竹中; Hiroshi Matsumoto; 宏松本; Yoshifumi Otaka; 善文尾高
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: JP5181917B2

Abstract

【課題】原液の膜ユニットへの流入を周方向に均一になすことにより膜ユニット全体を均一に使用することが可能なテレスコープ防止板、およびこれを用いた流体分離素子を提供する。
【解決手段】スパイラル型流体分離素子のテレスコープ防止板であって、内周環状部と外周環状部とこれら環状部同士を連結するスポーク部からなり、前記スポーク部の横断面における中心線の終点が、前記中心線の始点を通るテレスコープ防止板の垂線上とは異なる位置にあることを特徴とするテレスコープ防止板。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力容器内に複数枚の膜ユニットを有するスパイラル型流体分離素子を、複数本圧力容器内に直列に装填して使用されるスパイラル型流体分離素子に関するものである。即ち、逆浸透膜、限外濾過膜、精密濾過膜などの平膜がスパイラル状に巻回して配設されてなるスパイラル型流体分離素子に関するものである。

海水淡水化や、半導体分野における超純水製造の用途において、さらには、一般かん水淡水化用途や、有機物分離、廃水再利用などをはじめとする種々の水処理用途において、水処理手段として分離膜を用いた流体分離処理が利用されている。この膜による分離処理では、分離膜を用いたスパイラル型流体分離素子が使用され、その使用が急速に増加してきている。

スパイラル型流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集液管の周りにスパイラル状に巻きつけられた構造をとる。図１に示すように、スパイラル型流体分離素子１は、第１の分離膜４および第２の分離膜５の３辺を互いに接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材６を挟み込み、これと原液流路材７とを１つのユニットとして、単数もしくは複数ユニット用意し、集液管２の周囲にスパイラル状に巻きつけてなる。封筒状膜は集液管２側で開口している。原液３はスパイラル型流体分離素子１の一方の端面から供給され、第１および第２の分離膜４、５で処理される。分離膜４、５を透過した透過液９は集液管２から取り出され、分離膜４、５を透過しなかった原液３は、スパイラル型流体分離素子１の他方の端面から濃縮液８として排出される。

通常、スパイラル型流体分離素子は外側をガラス繊維とエポキシ樹脂のＦＲＰシェルにより固められており、長手方向の両端にテレスコープ防止板が取付けられた形態をとる。

スパイラル型流体分離素子を用いて実際に流体分離を行う際には、複数本のスパイラル型流体分離素子を、圧力容器内に長手方向に直列に配列して装填することにより分離膜モジュールとして使用される。分離膜による分離性能を効果的に発揮し、かつ分離膜面の汚れを防止するために必要な液量を分離膜面上に流すために、４〜８本のスパイラル型流体分離素子を圧力容器内に直列に収容して使用されることが多い。直列に配列して装填されたスパイラル型流体分離素子は、流体分離素子の端部のテレスコープ防止板と隣接する流体分離素子のテレスコープ防止板とを密接させ、かつ、集液管をコネクタによって繋ぐことによって接続されている。

テレスコープ防止板は、スパイラル型流体分離素子に高圧で流入する原液によって素子内部の膜ユニットが型崩れする現象を防止するために流体分離素子の両端部にそれぞれ設けるものである。一般的に、図２（ａ）に示すように、集液管と係合する内周環状部１１と、スパイラル型流体分離素子の直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部１２と、これら環状部同士を略放射状方向すなわち環の半径と概ね同じ方向に連結するスポーク部１３を有するスポーク型のテレスコープ防止板や（特許文献１、非特許文献１）、または、丸孔をパンチングした板、あるいはスポークと丸孔パンチング板とを組み合わせて構成される丸孔パンチング型のテレスコープ防止板（特許文献２）が用いられている。上記スポーク部の形状については、図２（ｂ）に示すように、横断面１４がテレスコープ防止板の端面２０に垂直な長方形であるのが一般的である。また、上記孔は、テレスコープ防止板の端面に垂直にパンチングされてあるのが一般的である。

しかしながら、膜ユニットは前記のように集液管側で開口した封筒状であるため、膜ユニット内でも、集液管から遠ざかるに従って流路抵抗が増大していくという特徴がある。上記のスポーク部もしくは孔の形状の場合、膜ユニット端面への原液の流入が端面の周方向全体のなかで比較的圧力損失の低い集液管付近に集中し、該部分の汚損、損耗が膜ユニットの他の部分に比較して早く進行してしまう一方、集液管から遠い外周側への流入が少なくなってしまうため、結果として膜ユニット全体が周方向に均一に使用されない問題点がある。
特表２００７−５１７６６１号報特開２００５−１１１４７３号報ジョンソンジェイ（Johnson Ｊ）、"アイレックインターロッキングエンドキャプスメイクシーウォーターデズリネイションプロセッシングイージアーレスエクスペンシブ（iLEK interlocking Endcaps Make Seawater Desalination Processing Easier Less Expensive）"、［online］、２００４年８月３１日、ダウケミカルカンパニー（Dow Chemical Company）、［平成２０年６月１３日検索］、インターネット<URL : http://www.dow.com/webapps/lit/litorder.asp?filepath=liquidseps/pdfs/noreg/609-00466.pdf>

本発明は、スパイラル型流体分離素子において、原液の膜ユニットへの流入を周方向に均一になすことにより膜ユニット全体を均一に使用することが可能なテレスコープ防止板、およびこれを用いた流体分離素子を提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、以下に述べる構成からなる。すなわち、
（１）スパイラル型流体分離素子用のテレスコープ防止板であって、内周環状部と外周環状部とこれら環状部同士を略放射状方向に連結する数本のスポーク部とからなり、前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その少なくとも一部の横断面における中心線の終点が、前記中心線の始点を通るテレスコープ防止板の端面の垂線上とは異なる位置にあることを特徴とするテレスコープ防止板。
（２）前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その全ての横断面が同じ形状である（１）に記載のテレスコープ防止板。
（３）前記数本のスポーク部が、その全本数において同じ形状である（１）または（２）のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
（４）前記中心線上の任意の点と前記垂線との距離が、前記任意の点が前記中心線の始点から遠ざかるに従って広義単調増加することを特徴とする請求項（１）〜（３）のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
（５）集液孔を有する集液管の周りに、分離膜、透過液流路材および原液流路材を含む膜ユニットが巻回され、その巻回された膜ユニットの外周が外装体で覆われ、膜ユニット及び外装体の両端面に、それぞれ、（１）〜（４）のいずれかに記載のテレスコープ防止板が設けられてなることを特徴とするスパイラル型流体分離素子。
により構成される。

本発明のテレスコープ防止板をスパイラル型流体分離素子に用いることにより、流体分離素子に流入する原液がテレスコープ防止板を通過する際に、巻回された膜ユニットの外周側に向かう方向、即ち膜ユニットの巻回方向と逆の方向に旋回流を発生させることで、膜ユニットの全体を周方向に均一に使用することができる。

このことにより、膜ユニット全体の汚損、損耗の程度も均一となり、集液管付近が集中的に使用されていた従来の流体分離素子と比較して寿命を長くすることができる。また、従来の膜ユニットと比較して、外周側への流入が増大し圧力が上昇する一方で集液管付近への流入が減少し圧力が低下するため、膜ユニット内において透過液が流れやすくなる。

さらに、本発明のテレスコープ防止板を設けた複数の流体分離素子を直列に配列し分離膜モジュールとして使用した場合、前の流体分離素子の膜ユニット内周側の端面から流出する濃縮水が次の流体分離素子に流入する際に、テレスコープ防止板の効果により濃度が拡散するため、分離膜モジュール全体の回収率が向上する。

本発明のテレスコープ防止板は、図３に示すように、集液管（図示しない）と係合する内周環状部１１と、スパイラル型流体分離素子（図示しない）の直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部１２と、これら環状部同士を略放射状方向に連結するスポーク部１３とからなる、スポーク型のものである。

本発明は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、膜ユニットの使用の均一化を目的として、スポーク部の横断面１４における中心線１７の終点１９が、中心線１７の始点１８を通るテレスコープ防止板の端面の垂線２１上とは異なる位置にあることを特徴とする。特に、中心線１７上の任意の点と前記垂線２１との距離が、前記任意の点が中心線１７の始点１８から遠ざかるに従って広義単調増加することが好ましい。広義単調増加とは、区間の全てにおいて減少しないこと、すなわち常に増加、もしくは増減しないことをさす。広義単調増加する形状をとることにより、垂線２１に対する原液の速度の傾きの符号が常に一定となり、速度の傾きの正負が途中で転ずることがないため、原液の旋回が効率よく実現される。この場合に相当する横断面の例を図５（ａ）〜（ｋ）に示す。

ここで、中心線１７とは、横断面１４において上面に相当する線１５と下面に相当する線１６との中点を原液の上流側から下流側に向けて順につないだ線であり、翼型における中心線（平均反り線、キャンバーライン）に相当するものである。なお、中点は、テレスコープ防止板の端面２０の平行方向の直線が上面に相当する線１５と下面に相当する線１６の両方を通る場合のみ定義される。また、中心線１７の両端のうち、上流側を始点１８、下流側を終点１９とよぶ。なお、始点から終点までの全区間で中心線が定義されない場合は、定義された部分のみで判断して構わないものとする。

横断面は図５に示す形状に限定されるものではなく、上述した本発明の条件を満たすものであれば、あらゆる形状のものを採用することができるが、実験や数値解析からの知見をもとに、膜ユニットの使用の均一化に最適なスポーク部の形状を設計するなど、流体的特性、耐圧性、加工性（射出成形）等も考慮して総合的に形状を決定すれば良い。

なお、全本数のスポーク部が同一の形状であり、かつそれらが円対称に配置されてあることが、スパイラル型流体分離素子内の各膜ユニットへの原液の流入が均一になるため好ましい。また、各スポーク部の横断面の形状は、該スポーク部の全体において同じであってもよいし、長手方向に変化してもよいが、該スポーク部の全体において同じであることが原液の流入を均一にするという観点から好ましい。

テレスコープ防止板を構成する素材は特に限定されるものではないが、大量生産、コスト、軽量化の観点から通常は射出成形に好適な樹脂を選択すればよい。さらに、原液に含まれる様々な物質に侵され難いために耐薬品性に優れたものであることが好ましい。例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などや、これらの複合素材（ポリマアロイ等）を利用することができる。

本発明のスパイラル型流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集液管の周りにスパイラル状に巻きつけられた構造をとる。図１に示すように、スパイラル型流体分離素子１は、第１の分離膜４および第２の分離膜５の３辺を互いに接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材６を挟み込み、これと原液流路材７とを１つのユニットとして、単数もしくは複数ユニット用意し、集液管の周囲にスパイラル状に巻きつけ、長手方向の両端に本発明のテレスコープ防止板１０を設け、外周をガラス繊維とエポキシ樹脂のＦＲＰシェルにより固めてなる。

分離膜については、膜支持層の上に多孔性支持層と分離機能層を有する逆浸透膜（ＲＯ膜）やナノろ過膜（ＮＦ膜）の平膜を用いる。分離機能層の素材は架橋芳香族ポリアミド系が広く用いられているが、本発明ではそれに制限されるものではない。

透過液流路材については、十分な透水性と高圧下での変形に耐えうる強度を満足する点で、不織布を用いるのが好ましい。素材は特に限定されるものではないが、不織布にするときの加工性が良く、強度が高く、かつ透過液中への成分の溶出が少ない材質として、ポリエステルを用いるのが好ましい。

原液流路材については、原液の流れを広げることができ、かつ流動抵抗が小さい形状として、網目線状物を用いるのが好ましい。素材は特に限定されるものではないが、膜を傷つけない点やコストの面から、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）を用いるのが好ましい。

集液管については、集液のための複数の孔が軸に平行な方向に一列または複数列空いた円管であり、素材は特に限定されるものではないが、強度が高く、かつ軽量であるポリフェニレンオキサイド樹脂（ＰＰＯ）を用いるのが好ましい。

膜ユニットを集液管の周囲に巻きつける方法については、例えば回転する駆動ロール上にて一対のニップロールで適当な圧力をもって押圧しながらロール状に巻囲する方法があるが、エレメントの断面の真円度が圧力容器への装填に支障のない範囲内で確保できる方法であれば特に限定されるものではない。

このようにして形成したロール状物の両端に、テレスコープ防止板を、その内周環状部を集液管に沿わせ平行移動させて取り付け、さらに外周にエポキシ樹脂を含浸したガラス繊維を巻きつけ、加熱により硬化させシェルを形成しテレスコープ防止板を固定する。

本発明により従来のスパイラル型流体分離素子の構成および製法を変更する必要はなく、かつ制限するものでもないため、膜ユニット全体を均一に使用することが可能なスパイラル型流体分離素子を容易に実現することができる。

本発明の一実施態様により製造されるスパイラル型流体分離素子の概略一部展開図である。従来のテレスコープ防止板の例を示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａにおける横断面である。本発明のテレスコープ防止板の例を示した正面図である。本発明のテレスコープ防止板の例を示した図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａにおける横断面の一例、（ｂ）は図３のＡ−Ａにおける横断面の他の例を示した図である。本発明のテレスコープ防止板のスポーク部の種々の横断面を示した図である。

符号の説明

１スパイラル型流体分離素子
２集液管
３原液
４第１の分離膜
５第２の分離膜
６透過液流路材
７原液流路材
８濃縮液
９透過液
１０テレスコープ防止板
１１内周環状部
１２外周環状部
１３スポーク部
１４横断面
１５上面に相当する線
１６下面に相当する線
１７中心線
１８始点
１９終点
２０テレスコープ防止板の端面
２１中心線の始点を通るテレスコープ防止板の端面の垂線

Claims

スパイラル型流体分離素子用のテレスコープ防止板であって、内周環状部と外周環状部とこれら環状部同士を略放射状方向に連結する数本のスポーク部とからなり、前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その少なくとも一部の横断面における中心線の終点が、前記中心線の始点を通るテレスコープ防止板の端面の垂線上とは異なる位置にあることを特徴とするテレスコープ防止板。
前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その全ての横断面が同じ形状である請求項１に記載のテレスコープ防止板。
前記数本のスポーク部が、その全本数において同じ形状である請求項１または２のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
前記中心線上の任意の点と前記垂線との距離が、前記任意の点が前記中心点の始点から遠ざかるに従って広義単調増加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
集液孔を有する集液管の周りに、分離膜、透過水流路材および原液流路材を含む膜ユニットが巻回され、その巻回された膜ユニットの外周が外装体で覆われ、膜ユニット及び外装体の両端面に、それぞれ、請求項１〜４のいずれかに記載のテレスコープ防止板が設けられてなることを特徴とするスパイラル型流体分離素子。