JP2007209956A - スパイラル型分離膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】 供給側流路の圧力損失を低減でき、しかも濃度分極の抑制効果が十分なため、運転効率と透過水水質とが良好なスパイラル型分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】 分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、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、供給液の流れ方向に平行な縦糸１と供給液流れ方向に交差する横糸２とが、交差角度θ２０〜８０°で繋がっており、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３〜２．０の範囲にあり、かつ前記縦糸間隔Ｌ１が５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

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し、詳しくは、供給側の圧力損失を従来より小さくでき、かつ、膜面上での濃度分極を抑制するために必要となる撹拌効果を有した構造を持つ供給側流路材を内蔵したスパイラル型分離膜エレメントに関する。

従来、スパイラル型分離膜エレメント（以下「膜エレメント」という場合がある）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付けられたものが知られている。この供給側流路材としては、通常、構成糸が菱形に形成されたダイヤモンド型ネットが使用されており、エレメント供給側の流路を確保すると同時に、膜面の表面更新を促進して濃度分極を抑制する機能がある。

超純水生産に使用されるスパイラル型逆浸透膜エレメントは、近年、運転圧力の低圧化が進んでおり、運転効率を高めるために低圧力損失で高性能のものが望まれている。

また、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、膜面の線速度を大きくする方法があるが、この方法では圧力損失が大きくなり、供給液を送水するポンプの必要動力が大きくなるという問題がある。

ダイヤモンド型ネットとしては、下記の特許文献１に、原水流れに対して網脚の角度が±１５〜４０°の範囲にある原水スペーサーが提案されている。しかし、ダイヤモンド型ネットは、圧力損失が一般に大きくなるため、膜エレメントの運転圧力の低圧化に十分対応できないものであった。

このため、ダイヤモンド型ネットより低い圧力損失のスペーサーとして、下記の特許文献２〜３には、供給液の流れ方向に平行な縦糸と供給液流れ方向に交差する横糸とが、鋭角の交差角度で繋がったラダー型ネットが提案されている。具体的には、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．０〜０．７７の範囲で繋がったラダー型ネットが提案されている。

しかしながら、これらのラダー型ネットは、圧力損失の低減を重視しすぎたために、濃度分極抑制の効果が少ない流路材となり、スパイラル型逆浸透膜エレメント用に用いた場合、十分な塩阻止性能を得ることが困難であった。

特開２０００−０４２３７８号公報 特許第３０９８６００号公報 特開２００５−３１９４５４号公報

そこで、本発明の目的は、供給側流路の圧力損失を低減でき、しかも濃度分極の抑制効果が十分なため、運転効率と透過水水質とが良好なスパイラル型分離膜エレメントを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、ラダー形ネット状流路材の縦糸間隔や横糸間隔などについて鋭意研究したところ、縦糸間隔と横糸間隔の比率や長さを一定範囲内に設定することで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。

すなわち、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、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、供給液の流れ方向に平行な縦糸と供給液流れ方向に交差する横糸とが、交差角度２０〜８０°で繋がっており、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３〜２．０の範囲にあり、かつ前記縦糸間隔Ｌ１が５ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントによると、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３〜２．０の範囲にあり、かつ前記縦糸間隔Ｌ１が５ｍｍ以上であるため、供給側流路材の圧力損失の低減効果と濃度分極の抑制効果とを両立させることができ、運転効率と透過水水質とを良好にすることができる。また、縦糸と横糸との交差角度が２０〜８０°であるため、圧力損失の低減効果と濃度分極の抑制効果とが共に良好になる。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、超純水生産用に使用されるのが好ましく、その場合、操作圧力が０．５ＭＰａで回収率１５％の条件で、２５℃、５００ｐｐｍＮａＣｌ溶液の阻止率性能が９９．０％以上であることが好ましい。

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。本発明の膜エレメントは、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（図示せず）。かかる膜エレメントは、供給側流路材以外に関しては、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。

図１は、本発明に係る膜エレメントの供給側流路材の一例を示す図である。供給側流路材は、供給液の流れ方向に平行な縦糸１と供給液流れ方向に交差する横糸２とが繋がった構造を有する。

本発明の膜エレメントは、逆浸透濾過、限外濾過、精密濾過など、何れの濾過方法にも適用できるが、上記のような供給側流路材は、主に逆浸透膜を用いた逆浸透濾過の場合にその効果が発揮され、特に超純水生産用に用いるのが好ましい。

供給側流路材を構成する縦糸１又は横糸２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）、ポリアミドなどの樹脂の他、天然高分子、ゴムなどが挙げられるが、樹脂を使用するのが好ましい。

縦糸１及び横糸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、流路の妨げとなりにくいモノフィラメントが好ましい。また、縦糸１と横糸２とは、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。ただし、流路を安定に維持する上で、縦糸１と横糸２とが固着されているものが好ましい。

さらに、縦糸１に対する横糸２の交差角度θは、２０〜８０°であればよいが、横糸２による流動抵抗を小さくする観点から３０°〜７０°が好ましく、４０°〜５０°がより好ましい。交差角度θが２０°より小さくなると、濃度分極の抑制効果が小さくなると共に、ネットが変形し易くなり取扱いが困難になる。交差角度θが８０°より大きくなると、生産が難しくなり生産コストが大幅に増加すると共に、圧力損失も大きくなる。

また、縦糸１と横糸２との配置は、図１に示すように、複数配列した縦糸１の片側に全ての横糸２が配置される構造が好ましい。かかる構造によると、供給側流路材の抵抗を低減できるという効果が得られる。

供給側流路材を構成する縦糸１の間隔Ｌ１は、５ｍｍ以上が好ましい。これよりも、間隔が狭いと濃度分極を抑制する効果が少なくなる。すなわち、ラダー型スペーサーにおいては、縦糸１近傍は流れの乱れが少なくなる傾向にあり、縦糸間隔Ｌ１が狭く縦糸１が多くなると結果的に原水流れによる濃度分極の抑制効果が少ない流路材になってしまう。また、縦糸間隔Ｌ１が広くなることで圧力損失低減の効果もある。しかし、縦糸間隔Ｌ１が広くなりすぎると、流路材のコシがなくなり扱いにくくなるので、１０ｍｍ以下が好ましい。

縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）は、１．３〜２．０の範囲であり、１．３〜１．８が好ましく、１．３〜１．５がより好ましい。この範囲よりもＬ１／Ｌ２が小さくなると、横糸２の間隔Ｌ２が広くなり、圧力損失が低下するものの、濃度分極を抑制する効果が小さい流路材になる。逆に上記範囲より大きくなると、ネットの圧力損失が高くなってしまう。

また、ネットの厚みは、薄くすれば、膜面の線速度が大きくなり濃度分極を抑制できるが、あまり薄くすると供給液を送水するポンプの必要動力が大きくなるという問題が生じる。このため、ネットの厚みは、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。ここで言うネットの厚みは、最低１０点以上を測定した平均厚みとするのが好ましい。測定方法としては厚みゲ−ジによる測定や、あるいは光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ等の拡大装置で測定する方法がある。

また、供給液の流れによる圧力損失低減の課題に対しては、図２（ａ）に示すように、供給液流れ方向に交差している横糸２を細くすることで、供給液の流路断面積を大きくすることができ、供給側流路の流れの阻害や閉塞に有効であり、流路の圧力損失を低減できる。

つまり、従来の供給側流路材は、横糸と縦糸がほぼ同じ径で形成されており、供給側流路の原水側の断面積のうち、実際の流路断面積としては１／２に満たない。本発明の供給側流路材では、縦糸１に対する横糸２の径比率を小さくすることで、流路断面積が増加し、圧力損失は従来のものに比べ小さくすることが可能となる。具体的には、縦糸１の糸径は、ネットの厚みの５０％以上が好ましく、さらに７０％以上７５％以下がより好ましい。これより縦糸１の糸径が小さくなれば、結果的に横糸２の糸径が大きくなり圧力損失が高くなる傾向がある。また、逆に縦糸１の糸径が大きくなりすぎると横糸２の糸径が小さくなり、濃度分極を抑制する効果が少なくなる傾向がある。

縦糸１及び横糸２の断面形状については、図２（ｂ）に示すように、縦糸１は円形状又は略円形状であり、横糸２はその長径が供給側流路材の面内に対し平行な楕円形状であってもよい。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、０．５ＭＰａで５００ｐｐｍＮａＣｌ溶液の阻止率性能が９９．０％以上の性能を示すものが望ましい。低圧で運転される高性能なエレメントほど、本発明の効果が大きい。具体的には、運転圧力を０．２〜０．５ＭＰａで実施する逆浸透濾過に用いるのが好ましい。

また、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、用途を何ら限定するものではないが、主に超純水製造用に使用される際に特にその効果が発揮される。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、本発明が、かかる実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。

＜実施例１＞
本発明で用いる供給側流路材として、表１に示すように、供給側流路材厚み０．６６ｍｍ，縦糸径０．４８ｍｍ，横糸径０．１８ｍｍ，縦糸間隔５．４ｍｍ，横糸間隔４．０ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度４３°で、縦糸間隔と横糸間隔の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３５のラダー型（図１参照）のポリプロピレン製ネットを使い、膜面積６．５ｍ^２の直径４インチの膜エレメントを作製した。

この膜エレメントを用いて、操作圧力を変えながら純水の透過試験を行い、各流量における膜エレメントの圧力損失を測定し、その結果を図３に示した。また、操作圧力：０．５０ＭＰａ、原水：５００ｐｐｍＮａＣｌ溶液（２５℃、ｐＨ６．７）、回収率：１５％の条件で逆浸透濾過を行い、ＮａＣｌ阻止率と透過水量とを測定した。その結果を表２に示す。

＜実施例２＞
実施例１において、表１に示すように、横糸間隔Ｌ２を３．０ｍｍに変えたポリプロピレン製ネットを用いた以外は、実施例１と全く同様にして、膜エレメントを作製し、評価を行った。その結果を表２と図３に示す。

＜比較例１＞
供給側流路材として、表１に示すように、供給側流路材厚み０．６８ｍｍ，縦糸径０．２９ｍｍ，横糸径０．２９ｍｍ，縦糸間隔３．０ｍｍ，横糸間隔３．０ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度９０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．００のダイヤモンド型（図４参照）のポリプロピレン製ネットを使い、膜面積６．５ｍ^２の直径４インチの膜エレメントを作製した。この膜エレメントを用いて、実施例１と同様にして、膜エレメントの評価を行った。その結果を表２と図３に示す。

＜比較例２＞
実施例１において、表１に示すように、横糸間隔Ｌ２を２．０ｍｍに変えたポリプロピレン製ネットを用いた以外は、実施例１と全く同様にして、膜エレメントを作製し、評価を行った。その結果を表２と図３に示す。

＜比較例３＞
実施例１において、表１に示すように、横糸間隔Ｌ２を６．０ｍｍに変えたポリプロピレン製ネットを用いた以外は、実施例１と全く同様にして、膜エレメントを作製し、評価を行った。その結果を表２と図３に示す。

＜結果＞
本発明のラダー型流路材は、通常のスパイラル型逆浸透膜エレメントに使用されるダイヤ型流路材（比較例１）より、４０％以上も圧力損失が低いのにもかかわらず、ＮａＣｌの阻止性能は９９．３％以上であり、濃度分極を維持するのに十分な乱流効果が得られることが確認できた。これに対して、比（Ｌ１／Ｌ２）が大きすぎる比較例２では、圧力損失が大きくなり、透過水量が低下し、比（Ｌ１／Ｌ２）が小さすぎる比較例３では、ＮａＣｌの阻止性能が低下しており、濃度分極を維持するのに十分な乱流効果が得られず、また透過水量も低下した。

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説明図 上記供給側流路材の横糸と縦糸との関係を例示する説明図 実施例と比較例における流量と圧力損失の関係を示すグラフ 従来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説明図

符号の説明

１ 縦糸
２ 横糸
Ｌ１ 縦糸間隔
Ｌ２ 横糸間隔
θ 縦糸に対する横糸の交差角度

Claims (2)

1. 分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、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、供給液の流れ方向に平行な縦糸と供給液流れ方向に交差する横糸とが、交差角度２０〜８０°で繋がっており、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３〜２．０の範囲にあり、かつ前記縦糸間隔Ｌ１が５ｍｍ以上であることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
2. 超純水生産用に使用されるものであり、操作圧力が０．５ＭＰａで回収率１５％の条件で、２５℃、５００ｐｐｍＮａＣｌ溶液の阻止率性能が９９．０％以上である請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。

Images