JP6565898B2 - 中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュールに関する。

膜分離法による液状混合物の分離・濃縮は、蒸留などの従来の分離技術に比べて相変化を伴わないため省エネルギー法であり、かつ物質の状態変化を伴わないことから、果汁の濃縮、ビール酵母の分離などの食品分野、あるいは工業排水からの有機物の回収といった多分野において幅広く利用されており、膜による水処理は、最先端技術を支える不可欠のプロセスとして定着している。

このような膜を用いた水処理は、膜を集合させて一つの構成要素とした膜エレメントを圧力容器に装填した膜モジュールとして用いられており、特に、中空糸膜エレメントは、スパイラル型膜エレメントに比べ単位膜面積当たりの透水量は大きくないが、膜モジュール容積当たりの膜面積を大きくとることができるため、全体として透水量を大きくとることができ、容積効率が非常に高いという利点があり、コンパクト性に優れる。また、高濃度水溶液と淡水の両方をモジュール内に供給して半透膜を介して接触させる場合に、膜表面の濃度分極を小さく抑えられる。

例えば、正浸透用の中空糸膜として、両端開口型のものが用いられている。その場合の膜透過水の流れは、図４に示されるように、中空糸膜の内側（中空部内）から外側に流れる。例えば、高浸透圧のドローソリューション（ＤＳ）（海水）が中空糸膜の外側を流れ、低浸透圧のフィードソリューション（ＦＳ）（淡水）が中空糸膜の中空部を流れる場合は、膜透過水は中空糸膜の内側から外側に向かって流れる。

この場合、淡水である膜透過水が中空糸膜の外側に流出して、中空糸膜外表面の濃度を低下させる。中空糸膜外表面を流れるＤＳの流速が十分速くないと、中空糸膜外表面に低濃度の層（濃度分極層）が形成される場合がある。その場合、有効な濃度差、すなわち浸透圧差が小さくなり、本来得られる正浸透処理による膜透過水量が得られないことがある。ＦＳが淡水ではなく、ＤＳより低濃度の溶液である場合も同様である。

逆に、高浸透圧のＤＳ（海水）が中空糸膜の中空部を流れ、低浸透圧のＦＳ（淡水）が中空糸膜の外側を流れる場合は、膜透過水は中空糸膜の外側から内側に向かって流れる。この場合、中空糸膜の外表面の溶液から膜透過水として淡水が除かれるため、中空糸膜の外表面の濃度が増加する。中空糸膜外表面を流れるＦＳの流速が十分速くないと、中空糸膜外表面に高濃度の層（濃度分極層）が形成される場合がある。その場合、有効な濃度差、すなわち浸透圧差が小さくなり、本来得られる正浸透処理による膜透過水量が得られないことがある。

正浸透用の中空糸膜モジュールの場合、芯管に設けられた多数の孔から生じる中空糸膜の外側の流れが、中空糸膜内部の流れとほぼ直交する、所謂クロス流が用いられている場合が多い。

クロス流の場合、中空糸膜の外側を流れる溶液が、柱状の中空糸膜層の中心部の分配管より中空糸膜層全体に流れるものであるが、流体が、中空糸膜層の長さ方向および径方向に分散して流れるため、中空糸膜層（中空糸膜の外側）を通過する液の流速が小さく、中空糸膜層における中空糸膜密度のわずかな斑によって流体が偏流したり、中空糸膜の外表面に濃度分極が発生したりし易いという欠点があった。また、分離操作で効率的といわれる所謂向流型（中空糸膜の外側の流れと中空糸膜内部の流れとがお互い逆方向である）の分離操作が出来ないという欠点もあった。

特許文献１（特公平７−２９０２９号公報）には、かかる欠点を解消すべく、中空糸膜の外側の流れをモジュールの軸方向に誘導するためのモジュールの構成が開示されている。具体的に、特許文献１に記載の中空糸膜モジュールは、例えば、モジュールの中心に位置する芯管（供給管）の一端部のみに設けられた開口の近傍から、中空糸膜層の他端側に設けられた排出口へ向けて、モジュールの軸方向に液を流すことにより、中空糸膜の外側の流れの速度を高めて、中空糸膜の外表面に生じる濃度分極を抑制しようとするものである。

しかし、特許文献１のモジュールにおいても、供給管の開口から排出口への最短距離から外れる部分（液供給部である開口の外周端部付近など）では、淀みが生じて液の流速が低下する。このような淀み部分では、水の浸透によって生じる膜表面の濃度分極が解消されず、分離効率が著しく低下して、分離に寄与しないデッドスペースが生じ、有効に膜を利用出来なくなる。

モジュール設置スペースに対する処理効率を考えると、モジュールに付属する容器、接続部品等の容積は少ない方が良いため、モジュールサイズをある程度大きくすることが求められるが、膜モジュールサイズが大きくなるとそれに伴い膜モジュール径が大きくなるため、モジュールの軸方向に垂直な半径方向の流動抵抗が大きくなり、被処理水が径方向に分配されにくくなる。特にこのような場合において、上記のようなデッドスペースの問題は顕著になると考えられる。

一方で、特許文献２（特開２００１−３８１６２号公報）では、クロス流の場合において、モジュールサイズの大型化によるデッドスペースの問題を解消するためのモジュール構成が開示されている。すなわち、特許文献２には、多孔質の芯材の上に中空糸膜束が、中空糸膜束群の捲上軸線と角度をもって巻回され、中空糸膜束ごとに交互にクロスする交差配置を持ち、中空糸膜が交差する充填密度の低いクロスポイント群を濃縮水排出部と反対側の供給部付近に集中配置させ、中空糸膜束群の捲上軸線と垂直な断面の中心から外周部の方向に連続的に整列させた中空糸膜モジュールが開示されている。

しかしながら、特許文献２のモジュールでは、クロス流の場合においては、基本的に中空糸膜の外側を通過する液の流速が小さいといった問題を解消することはできていない。

特公平７−２９０２９号公報 特開２００１−３８１６２号公報

本発明は、上記の従来技術の現状に鑑み創案されたものであり、その目的は、中空糸膜の外側を通過する液の流速が速く、かつ、エレメント内で液の淀みが生じ難い、中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュールを提供することである。

本発明者は、上記目的を達成するために中空糸型逆浸透膜エレメントで採用されている交差配置についてさらに鋭意検討した結果、正浸透用の中空糸膜の外側を流れる流体の流れ方向を軸方向にするエレメント構造が、中空糸膜外表面の濃度分極を低減でき、正浸透による膜透過水量のロスを低減することで、効率よく透過水量を得ることできることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明は、以下の（１）〜（５）の構成を有するものである。
（１） 容器と、
供給口または排出口に接続された芯管と、
複数の中空糸膜からなり両端部が開口した中空糸膜群と、
前記複数の中空糸膜内に連通する供給口および排出口と、
前記芯管および前記中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁と、
前記複数の中空糸膜の外側に連通する供給口または排出口と、
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記芯管は、前記中空糸膜群の一端である第１端の近傍のみに孔を有し、
複数の前記中空糸膜は、互いに交差するように前記芯管の周りに螺旋状に巻回されており、前記中空糸膜同士の交差部であるクロスポイントを複数含むクロスポイント群を有し、
少なくとも前記中空糸膜群の前記第１端の近傍に前記クロスポイント群が存在し、
前記芯管の孔を通る芯管の軸線の垂直な面の近傍に前記クロスポイント群が存在し、
前記クロスポイントが前記芯管の軸線と垂直な面方向に連続的に整列されていることを特徴とする、中空糸膜モジュール。
（２） さらに、前記中空糸膜群の前記第１端と反対側の一端である第２端の近傍に前記クロスポイント群が存在している、（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（３） 前記中空糸膜群は、前記第２端の近傍の周囲を除き、円筒状の非透過性フィルムで被覆されている、（１）または（２）に記載の中空糸膜モジュール。
（４） 正浸透用または逆浸透用である、（１）〜（３）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（５） 供給口または排出口に接続された芯管と、
複数の中空糸膜からなり両端部が開口した中空糸膜群と、
前記芯管および前記中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁と、
を備える中空糸膜エレメントが少なくとも１本装填された、（１）〜（４）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。

本発明によれば、中空糸膜の外側を通過する液の流速が速く、かつ、エレメント内で液の淀みが生じ難い、中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュールを提供することができる。

これにより、エレメント内の全体において中空糸膜の外表面の濃度分極を低減でき、膜透過水量のロスが低減されるため、効率よく膜分離を行うことが可能となる。また、分離操作で効率的といわれる所謂向流型の分離操作が可能となる。

本発明の中空糸膜モジュールの一実施形態を示す断面模式図である。 本発明の中空糸膜エレメントの一実施形態を示す別の模式図である。 本発明の中空糸膜エレメントにおけるワインド数と交差部の関係を説明するための模式図である。 正浸透用の中空糸膜を用いた場合における膜透過水の流れを説明するための模式図である。

以下、本発明の中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュールの一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１を参照して、本実施形態の中空糸膜エレメントは、供給口１０と接続された芯管２０と、複数の中空糸膜２１を含む中空糸膜群と、芯管２０および中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁５１，５２とを備える。芯管２０は、中空糸膜群の一端である第１端４ａの近傍のみに孔２０ａを有している。

孔２０ａから流出した流体は、樹脂壁近傍で中空糸膜エレメントの径方向に分散した後に、中空糸膜の外側３をエレメント（芯管）の軸方向へ流れる。かかる中空糸膜エレメントにおいては、中空糸膜の外側（外表面）３での流体の流速を大きくできるため、中空糸膜の外表面の濃度分極を低減でき、正浸透による膜透過水量のロスを低減することで、効率よく透過水量を得ることが可能となる。また、分離操作で効率的といわれるＤＳとＦＳがその流れ方向がお互い逆方向である、所謂向流型の分離操作が可能となる。また、特に逆浸透の場合において、被処理流体中に含有される微細な懸濁物質も中空糸層内に滞留することなく、押し流してしまう、自浄効果がある。

これにより、低濃度供給液から淡水を取出したり、淡水を取出すことにより、低濃度供給液を濃縮したり、浸透流からエネルギーを回収することができる。具体的には、加圧状態の高浸透圧水溶液（海水）と低圧の低浸透圧の淡水を正浸透膜を介して接触させることで、低圧の淡水が、膜を介して高い圧力の高浸透圧水溶液へ流入し、その加圧状態の水溶液でタービン等を回転させてエネルギーを回収することができる。

また、中空糸膜群は、第１端４ａと反対側の一端である第２端４ｂの近傍の周囲を除き、円筒状の非透過性フィルム６で被覆されている。これにより、中空糸膜群と容器との間隙に短絡流が生じることを抑制し、供給液を中空糸膜間での軸流として効率的に利用することができる。

上述の中空糸膜エレメントは、１本以上を容器、特に運転圧力に耐える耐圧性を有する圧力容器に装填することにより、中空糸膜モジュールとすることができる。

図１に示される中空糸膜モジュールは、上記の中空糸膜エレメントと、該中空糸膜エレメントが少なくとも１本装填された容器１とを少なくとも備える。なお、中空糸膜エレメントの樹脂壁５１，５２はＯ−リング５１ａ，５２ａによって容器１の内壁に液密に固着されている。

この中空糸膜モジュールは、芯管２０に接続された供給口１０や、中空糸膜２１内に連通した供給口１１および排出口１２を有しており、壁部材１４，１５によって固定されている。また、第２端４ｂの近傍の周囲の非透過性フィルム６で被覆されていない部分を介して中空糸膜２１の外側に連通した排出口１３が、容器１の側面に設けられている。

ただし、図１では、簡略化のために中空糸膜２１が芯管２０と平行であるように描いているが、実際には、複数の中空糸膜が互いに交差するように、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束が芯管２０の周りに螺旋状に巻回されている。この点については、図２を用いて説明する。

図２を参照して、本実施形態の中空糸膜エレメントにおいて、複数の中空糸膜束２２ａ，２２ｂは、複数の中空糸膜束２２ａ，２２ｂが互いに交差するように芯管２０の周りに螺旋状に巻回されている。螺旋状に巻回されているとは、言い換えれば、中空糸膜の配列が芯管の軸線と角度をもつように巻回されていることである。ここで、中空糸膜束２２ａ，２２ｂを構成する中空糸膜２１同士の交差部であるクロスポイント２３を複数含むクロスポイント群２４を有している。

複数の中空糸膜が互いに交差するように配置されることにより、中空糸膜の交差部（クロスポイント）を複数含むクロスポイント群においては、空隙が規則的に形成される。この規則的な空隙が存在するため、このクロスポイント群においては、中空糸膜の外側３を流れる流体の圧力損失が小さい。また、中空糸膜の外側３を流れる流体中の非溶解成分や粒子成分等が、中空糸膜間に捕捉されることが少ないため、圧力損失の増大も生じにくい。

一方、中空糸膜が芯管に平行に配置されている場合（特に、最密充填でない場合）は、中空糸膜の間隙にばらつきが生じやすく、中空糸膜の外側３を流れる流体の圧力損失が大きいため、流体が圧力損失の小さい部分のみに流れることにより、偏流を生じ易い。また、流体中の非溶解成分や粒子成分等が中空糸膜間に捕捉されて、圧力損失が増大し易いため、さらに偏流を生じ易くなる。

従って、中空糸膜を交差状に配置することで、中空糸膜の外側３を流れる流体の圧力損失が小さいため、偏流を生じ難い。また、特に逆浸透の場合において、中空糸膜の外側３を流れる流体の非溶解成分からなる汚染物質の許容量が平行配置の場合に比べて大きくなり、中空糸膜エレメントの耐汚染性が向上する。

そして、本実施形態の中空糸膜エレメントは、少なくとも中空糸膜群の第１端４ａの近傍にクロスポイント群２４が存在していることを特徴とする。なお、芯管２０の孔２０ａを通る芯管２０の軸線と垂直な面の近傍にクロスポイント群２４が存在していることが好ましい。

クロスポイント群では中空糸膜間の距離が大きく確保されており、中空糸膜外側を流れる被処理流体が芯管近傍から中空糸膜群（中空糸膜エレメント）の径方向に分散されやすくなる。このため、クロスポイント群が中空糸膜群の第１端４ａの近傍に位置するように調整することで、例えば、芯管２０の孔２０ａから流出した流体は、中空糸膜エレメントの径方向に分散されやすくなり、中空糸膜エレメントの外周側におけるデッドスペースの発生が抑制される。

なお、本実施形態では、芯管が供給口に接続されている場合（芯管の孔から中空糸膜の外表面に液が供給される場合）について説明したが、芯管が排出口に接続されている場合（中空糸膜の外表面の液が芯管の孔を通って排出される場合）においては、中空糸膜エレメントの外周側の流体が芯管の孔に流入し易くなり、中空糸膜エレメントの外周側におけるデッドスペースの発生が抑制される。

本実施形態の中空糸膜エレメントでは、さらに、中空糸膜群の第１端４ａと反対側の一端である第２端４ｂの近傍にもクロスポイント群２４が存在している。第１端４ａの近傍のみに孔２０ａを有する芯管２０を用いた場合、デッドスペースは、第１端４ａ側の外周部だけでなく、第２端４ｂの芯管２０の近傍にも生じやすい。第２端４ｂの近傍にもクロスポイント群２４が存在していることにより、このような第２端４ｂの芯管２０の近傍におけるデッドスペースの発生を抑制することが可能となる。

なお、図２に示されるように、クロスポイント２３は、芯管２０の軸線と垂直な面方向に連続的に整列されていることが好ましい。これにより、クロスポイント群２４における径方向の流体抵抗をさらに減少させることができ、より確実にデッドスペースの発生を抑制することができる。

なお、本実施形態の中空糸膜エレメントは、例えば、芯管の周りに中空糸膜を螺旋状に巻上げ、中空糸膜が交差状に配置された状態で半径方向に積層されることによって形成される中空糸膜巻上げ体の両端部を樹脂で封止した後、樹脂（樹脂壁）の一部を切断し中空糸膜の両端部を開口させることにより作製することができる。

なお、中空糸膜が細く十分な強度を有していない場合は、上述のように、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を交差状に巻回することによって、中空糸膜を交差状に配置してもよい。

以下、本実施形態の中空糸膜エレメントおよび中空糸膜モジュールの各構成部材等の具体例について説明する。

芯管は、供給口に接続されている場合、該供給口から供給された流体を中空糸膜エレメント内の中空糸膜の外側３（外表面）に分配させる機能を有する管状部材である。芯管は、中空糸膜エレメントの略中心部に位置させることが好ましい。

芯管の径は大きすぎると、膜モジュール内の中空糸膜が占める領域が減少し、結果として膜エレメントまたは膜モジュールの膜面積が減少するため容積あたりの透水量が低下することがある。また、芯管の径が小さすぎると、供給流体が芯管内を流動する際に圧力損失が大きくなり、結果として中空糸膜にかかる有効差圧が小さくなり処理効率が低下することがある。また、強度が低下して、供給流体が中空糸膜層を流れる際に受ける中空糸膜の張力により芯管が破損する場合がある。これらの影響を総合的に考慮し、最適な径を設定することが重要である。中空糸膜エレメントの断面積に対して芯管の断面積の占める面積割合は、４〜２０％が好ましい。

中空糸膜の素材は、所望の分離性能（好ましくは逆浸透膜相当レベルの高い分離性能）を発現できる限り、特に限定されず、例えば、酢酸セルロース系樹脂、ポリアミド系樹脂、スルホン化ポリスルホン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂が使用可能である。この中では、酢酸セルロース系樹脂、スルホン化ポリスルホンやスルホン化ポリエーテルスルホンなどのスルホン化ポリスルホン系樹脂が、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を容易に抑制することができる点で好ましい。特に、膜面での微生物汚染を効果的に抑制できる特徴がある。酢酸セルロースの中では、耐久性の点で三酢酸セルロースが好ましい。

中空糸膜の外径は、正浸透膜に用いられるものであれば特に限定されない。例えば、外径は１６０〜３２０μｍである。外径が前記範囲より小さいと、必然的に内径も小さくなるため、中空糸膜の中空部を流れる流体の流動圧損が大きくなり問題が生じうる。一方、外径が前記範囲より大きいと、モジュールにおける単位容積あたりの膜面積を大きくすることができなくなり、中空糸膜モジュールのメリットの一つであるコンパクト性が損なわれる。

中空糸膜の中空率は、正浸透膜に用いられるものであれば特に限定されない。例えば、１５〜４５％である。中空率が前記範囲より小さいと、中空部の流動圧損が大きくなり、所望の透過水量が得られない可能性がある。また、中空率が前記範囲より大きいと、正浸透処理での使用であっても十分な耐圧性を確保できない可能性がある。なお、中空率（％）は下記式：
中空率（％）＝（内径／外径）^２×１００
により求めることができる。

非透過性フィルムとは、中空糸膜の外側を流れる流体（被処理液体）を実質的に透過しないか、あるいは、流体が透過する際の圧力損失が大きいフィルム材料であれば特に限定されないが、市販の樹脂性のフィルム、ゴムシート、目の小さな布などを用いることが好ましい。

非透過性フィルムが、中空糸膜の外側を流れる流体の圧力損失に耐え得るようにするために、非透過性フィルムの上に支持部材を巻き付けてもよい。支持部材としては、天然繊維、合成高分子繊維、無機繊維などの線状物または織物自体が用いられるか、これらに接着剤を付着させた形のものが用いられる。この支持部材によって中空糸膜組立内部とその外部との圧力差が維持される。

本発明の中空糸膜エレメントにおいては、中空糸膜外側を流れる流体の軸方向流れの一様性を向上させるために、中空糸膜層内に、整流板などの整流部材を付与してもよい。

中空糸膜巻上げ体の外径は、好ましくは１３０〜４２０ｍｍである。外径が大きすぎると、膜交換作業等の維持管理での操作性が悪くなりうる。外径が小さすぎると、単位膜エレメント当りの膜面積が減少し、処理量が小さくなり、経済性の点で好ましくない。

中空糸膜巻上げ体の長さは、好ましくは０．２〜１．６ｍである。この長さが長すぎると、中空糸膜の中空内部の流動圧損が大きくなり正浸透性能が低下しうる。このため、特にモジュールが大型化する場合は、長さを短くすることが好ましい。ただし、短すぎると、単位膜エレメント当りの膜面積が減少し処理量が少なくなり、経済性の点で好ましくない。また、中空糸膜巻上げ体の外径との比が小さいと、被処理流体が軸方向に流れにくくなる。

中空糸膜巻上げ体において、中空糸膜の巻回数（ワインド数）は、特に限定されないが、例えば、図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、２．０、１．５、１．０である。図３の（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、クロスポイント群の数（両端を含む）は５、４、３である。なお、ワインド数が０．５以上の場合であれば、クロスポイント群が両端を含めて２箇所以上形成することができるため、上述の第１端の近傍および第２端の近傍の両方にクロスポイント群を配置することができ、本発明において好適に用いることができる。

中空糸膜としては、例えば、特許３５９１６１８号公報に記載されているように、三酢酸セルロース、エチレングリコール（ＥＧ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）よりなる製膜溶液を３分割ノズルより吐出し、空中走行部を経て、水／ＥＧ／ＮＭＰよりなる凝固液中に浸漬させて中空糸膜を得、次いで中空糸膜を水洗した後、熱処理することにより酢酸セルロース系中空糸膜を製造することができる。また、テレフタル酸ジクロリド及び４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、ピペラジンより低温溶液重合法で得た共重合ポリアミドを精製した後、ＣａＣｌ_２及びジグリセリンを含むジメチルアセトアミド溶液に溶解して製膜溶液とし、この溶液を３分割ノズルより空中走行部を経て凝固液中に吐出させ、得られた中空糸膜を水洗した後、熱処理することによりポリアミド系中空糸膜を製造することができる。

上記のようにして得られた中空糸膜は、従来公知の方法により中空糸膜エレメントに組み込まれる。中空糸膜の組み込みは、例えば、特許第４４１２４８６号公報、特許第４２７７１４７号公報、特許第３５９１６１８号公報、特許第３００８８８６号公報などに記載されているように、中空糸膜を４５〜９０本またはそれ以上を集めて１つの中空糸膜集合体とし、さらにこの中空糸膜集合体を複数横に並べて偏平な中空糸膜束として、多数の孔を有する芯管にトラバースさせながら巻き付ける。この時の芯管の長さ及び回転速度、中空糸膜束のトラバース速度を調節することによって、巻き上げ体の特定位置の周面上に交差部が形成するように巻き上げる。次に、この巻上げ体を、長さと交差部の位置を調整し、所定の位置で切断する。その後、中空糸の巻上げ体の外周部に、芯管の孔のある部分と反対側を残して、非透過性フィルムを配置し、この巻き上げ体の両端部を接着した後、両側を切削して、中空糸膜開口部を形成させ中空糸膜エレメントを作製する。

なお、本発明の中空糸膜エレメントは、スパイラル型の平膜と比べてエレメントあたりの膜面積を多くとることができ、中空糸膜の大きさにもよるが、ほぼ同サイズのエレメントの場合、スパイラル型のおよそ１０倍の膜面積を得ることができる。従って、中空糸膜は、同じ透水量を得る際に単位膜面積あたりの処理量が極めて少なくて良く、スパイラル型に比べて供給水が膜を透水する際に生じる膜面の汚れを減少でき、膜の洗浄までの運転時間を長くとることができる。さらに、エレメント内の偏流が生じにくいため、濃度差を駆動力として水処理を行う場合に好適である。

本発明の中空糸膜モジュールは、モジュールサイズが大型化される場合（特にモジュールの径が大型化され、かつ、長さが短縮化される場合）においても、径方向の流れを確保し、モジュール内のデッドスペースを無くし供給側から排水側に渡って均一な分配流れを実現し、偏流を起こさずに膜を有効利用し分離効率を高めることができ、連続的に安定な運転を実施でき、洗浄性も向上することが可能である。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例で測定された特性値の測定は、以下の方法に従った。

（１）中空糸膜の内径、外径、中空率の測定
中空糸膜をスライドグラスの中央に開けられた直径３ｍｍの穴に中空糸膜が抜け落ちない程度に適当本数通し、スライドグラスの上下面に沿ってカミソリにより中空糸膜をカットし、中空糸膜断面サンプルを得た。次に、投影機Ｎｉｋｏｎ ＰＲＯＦＩＬＥ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ Ｖ−１２を用いて、中空糸膜断面１個につき２方向の短径、長径を測定し、それぞれの算術平均値を中空糸膜断面１個の内径および外径とした。５つの断面について同様に測定を行い、平均値を中空糸膜の内径、外径とした。また、中空率は（内径／外径）^２×１００で算出した。

（２）エレメント長の測定
中空糸膜巻上げ体の両端部を樹脂で封止した後、樹脂（樹脂壁）の一部を切断し中空糸膜の両端部を開口させた中空糸膜エレメントの一端から他端までの中心軸と平行な直線距離を測定して求めた。

（３）エレメント径の測定
中空糸膜エレメントの樹脂壁の直径を測定した。

（４）エレメントあたりの膜面積の測定
膜面積は、中空糸膜の外径、中空糸膜エレメントに存在する中空糸膜の本数、中空糸膜の平均有効長から、下記式：
膜面積（ｍ^２）＝π×中空糸膜外径（ｍ）×中空糸膜本数×中空糸膜の平均有効長（ｍ）
により求めた。

なお、中空糸膜の平均有効長は、以下のように算出した。
エレメントの端部の樹脂の内側同士の距離、すなわち見かけの中空糸膜の有効長（ＬＥ）、エレメント胴部の外径（ＤＯ）、芯管の外径（ＤＩ）を測定し、これらの測定値をワインド数（ＷＤ）とともに下記の式：
ＬＯ２＝ＬＥ^２＋（π×ＤＯ×ＷＤ）^２
ＬＩ２＝ＬＥ^２＋（π×ＤＩ×ＷＤ）^２
平均有効長＝（（ＬＯ２）^０．５＋（ＬＩ２）^０．５）／２
に代入することにより、平均有効長を算出することができる。

（５）ワインド数の測定
ワインド数は、中空糸膜捲き上げ体の一端から他端に渡るまでの中心軸（芯管）に対する中空糸膜の捲き付け回数（回転回数）から求めた。

（６）充填率の測定
中空糸膜巻き上げ体に存在する中空糸膜総容積（中空糸膜外径基準）を中空糸膜捲き上げ体の容積で除すことにより（下記式により）、充填率を求めた。

充填率（％）＝π×（中空糸膜の外径）^２／４（ｍ^２）×中空糸膜の総全長（ｍ）／中空糸膜巻上げ体容積（ｍ^３）×１００％
なお、中空糸膜捲き上げ体容積＝π×ＤＯ^２×ＬＥ
中空糸膜の総延長＝平均有効長×中空糸膜本数
である。

（７）透水量の測定
中空糸膜エレメント１本を圧力容器に装填して中空糸膜モジュールを作製し、中空糸膜のそれぞれの開口部に連通するノズルのうち、一方のノズルより塩化ナトリウム濃度０．２ｇ／Ｌの淡水を供給ポンプで供給し、他方のノズルから淡水を流出させた。一方、塩化ナトリウム濃度７０ｇ／Ｌの高濃度水溶液を中空糸膜の外側に連通する芯管に供給ポンプで供給し、中空糸膜の外側を通過させた後、中空糸膜集合体の外側に連通する圧力容器の側面に配置するノズルから流出させ、流量調整バルブで、圧力と流量を調整する。

高濃度水溶液の供給圧力をＰＤＳ１（ＭＰａ）、供給流量をＱＤＳ１（Ｌ／ｍｉｎ）、高濃度水溶液の排出水量をＱＤＳ２（Ｌ／ｍｉｎ）、淡水の供給流量をＱＦＳ１（Ｌ／ｍｉｎ）、淡水の流出流量をＱＦＳ２（Ｌ／ｍｉｎ）、淡水の流出圧力をＰＦＳ２（ｋＰａ）とした場合、その条件での高濃度水溶液の流量増分（ＱＤＳ２−ＱＤＳ１）をモジュールの透水量として測定した。温度は２５℃に調整した。

ＰＤＳ１＝２．２ＭＰａ
ＰＦＳ２＝１０ｋＰａ以下
ＱＤＳ１／（ＱＤＳ２−ＱＤＳ１）＝２
ＱＦＳ２／（ＱＤＳ２−ＱＤＳ１）＝０．１
ただし、淡水の入口圧力は０．１ＭＰａとし、０．１ＭＰａを越える場合は、０．１ＭＰａとなるようにＱＦＳ１を設定した。

（比較例１）
三酢酸セルロース（ＣＴＡ、ダイセル化学工業社、ＬＴ３５）４１重量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ、三菱化学社）５０重量％、エチレングリコール（ＥＧ、三菱化学社）８．７重量％、安息香酸（ナカライテスク社）０．３重量％を１８０℃で均一に溶解して製膜原液を得た。得られた製膜原液を減圧下で脱泡した後、アーク型（三分割）ノズルより１６３℃で外気と遮断された空間中に吐出し、空間時間０．０３秒を経て、ＮＭＰ／ＥＧ／水＝４．２５／０．７５／９５からなる１２℃の凝固浴に浸漬した。引続き、多段傾斜桶水洗方式で中空糸膜の洗浄を行い、湿潤状態のまま振り落した。得られた中空糸膜を９０℃の水に浸漬し、２０分間熱水処理を行った。得られた中空糸膜は、内径が８５μｍ、外径が１７５μｍであった。

得られた中空糸膜を一方の端部より約２０ｃｍ中心側部分に放射状に孔を有する芯管の周りに交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。芯管をその軸を中心に回転させながら中空糸膜の束をトラバースさせ、芯管の周りに捲きつけることにより中空糸膜を交差状に配置させた。この中空糸膜の集合体の両端部をエポキシ樹脂でポッティングさせて固定させた後、樹脂部の両端部を切断して中空糸膜の中空部を開口させて中空糸膜エレメントを作製した。その場合、他方の端部から約３０ｃｍ中心側の部分を除く外周部を、非透過性フィルムで覆った。

得られた中空糸膜エレメントのワインド数は２であり、長さ約１１０ｃｍ、外径１３０ｍｍ、中空糸膜の充填率５１％、膜面積は１０５ｍ^２であった。なお、この中空糸膜の交差部（クロスポイント群）は両端部からそれぞれエレメント長の約１／４の長さの部分に存在した。すなわち、比較例１では、中空糸膜群の第１端の近傍（芯管の孔の近傍）および第２端の近傍（非透過性フィルムの被覆されていない位置の近傍）のいずれにもクロスポイント群は存在していなかった。

この中空糸膜エレメントを圧力容器に装填して中空糸膜モジュールを作製した。得られた中空糸膜モジュールについて、上記（７）の透水量の測定を行なった。この場合、淡水の流れ方向と、塩水の流れ方向が向かい合う方向、すなわち、向流状態で試験を行った。その結果を表１に示す。

（比較例２）
比較例１と同様のモジュールを用いて、淡水の流れ方向と、塩水の流れ方向が同じ方向、すなわち、並流状態とした以外は、比較例１と同様の試験を行った。その結果を表１に示す。

（実施例１）
比較例１と同様の中空糸膜を用いて、中空糸膜の交差部を第１端の近傍（芯管の孔の近傍）のみに存在させた以外は、比較例１と同様にして中空糸膜エレメントを作製した。この中空糸膜エレメントを圧力容器に装填してモジュールとして比較例１と同様に試験を行なった。その結果を表１に示す。

（実施例２）
比較例１と同様の中空糸膜を用いて、中空糸膜の交差部を第２端の近傍（非透過性フィルムの被覆されていない位置の近傍）のみに存在させた以外は、比較例１と同様にして中空糸膜エレメントを作製した。この中空糸膜エレメントを圧力容器に装填してモジュールとして比較例１と同様に試験を行なった。その結果を表１に示す。

（実施例３）
比較例１と同様の中空糸膜を用いて、中空糸膜の交差部を第１端の近傍、および、第２端の近傍に存在させた以外は、比較例１と同様にして中空糸膜エレメントを作製した。この中空糸膜エレメントを圧力容器に装填してモジュールとして比較例１と同様に試験を行なった。その結果を表１に示す。

（比較例３）
比較例１と同様の中空糸膜を用いて、多孔芯管の周りに交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。多孔芯管をその軸を中心に回転させながら中空糸膜の束をトラバースさせ、多孔芯管の周りに捲きつけることにより中空糸膜を交差状に配置させた。この中空糸膜の集合体の両端部をエポキシ樹脂でポッティングさせて固定させた後、樹脂部の両端部を切断して中空糸膜の中空部を開口させて中空糸膜エレメントを作製した。

得られた中空糸膜エレメントのワインド数は１であり、長さ約１１０ｃｍ、外径１３０ｍｍ、中空糸膜の充填率５１％、膜面積は１０５ｍ^２であった。この中空糸膜エレメントを圧力容器に装填してモジュールとして各種試験を行なった。その結果を中空糸膜とエレメントの詳細とともに表１に示す。

表１に示す結果から、クロスポイント群を第１端近傍または第２端近傍に配置した実施例１〜３では、クロスポイント群が第１端近傍または第２端近傍に配置されていない比較例１および２よりも、透過水量が増加することが分かる。特に、クロスポイント群を第１端近傍および第２端近傍の両方に配置した実施例３では、実施例１および２よりも透過水量が増加している。なお、上記の実施例では、比較的小型の中空糸膜モジュールを使用した測定を行っているが、さらに大型のモジュールを用いて同様の測定を行った場合、実施例と比較例との差、および、実施例３と実施例１，２との差はより顕著なものとなることが予測される。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の中空糸膜エレメントは、膜の透水性能が高く、水処理や濃度差を駆動力としてエネルギーを生成する分野において極めて有用である。

具体的には、有機物の濃縮および回収、排水の濃縮による減容化、海水の淡水化などに利用することができる。また、低濃度の水溶液と高濃度の加圧状態の水溶液との濃度差を駆動力として淡水を透過させ、透過した淡水により増加した加圧状態の高濃度側の水溶液の流量と圧力でタービンを回すなどしてエネルギーを生成させるために利用することができる。特に、海水または濃縮海水と淡水との濃度差による浸透圧を利用して電力などのエネルギーを生成するための造水処理などに好適に利用することができる。

１ 容器、１０，１１ 供給口、１２，１３ 排出口、１４，１５ 壁部材、２０ 芯管、２１ 中空糸膜、２２ａ，２２ｂ 中空糸膜束、２３ クロスポイント、２４ クロスポイント群、３ 中空糸膜の外側、４ａ 第１端、４ｂ 第２端、５１，５２ 樹脂壁、６ 非透過性フィルム。

Claims (5)

1. 容器と、
   供給口または排出口に接続された芯管と、
   複数の中空糸膜からなり両端部が開口した中空糸膜群と、
   前記複数の中空糸膜内に連通する供給口および排出口と、
   前記芯管および前記中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁と、
   前記複数の中空糸膜の外側に連通する供給口または排出口と、
   を備える中空糸膜モジュールであって、
   前記芯管は、前記中空糸膜群の一端である第１端の近傍のみに孔を有し、
   複数の前記中空糸膜は、互いに交差するように前記芯管の周りに螺旋状に巻回されており、前記中空糸膜同士の交差部であるクロスポイントを複数含むクロスポイント群を有し、
   少なくとも前記中空糸膜群の前記第１端の近傍に前記クロスポイント群が存在し、
   前記芯管の孔を通る芯管の軸線の垂直な面の近傍に前記クロスポイント群が存在し、
   前記クロスポイントが前記芯管の軸線と垂直な面方向に連続的に整列されていることを特徴とする、中空糸膜モジュール。
2. さらに、前記中空糸膜群の前記第１端と反対側の一端である第２端の近傍に前記クロスポイント群が存在している、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記中空糸膜群は、前記第２端の近傍の周囲を除き、円筒状の非透過性フィルムで被覆されている、請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 正浸透用または逆浸透用である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
5. 供給口または排出口に接続された芯管と、
   複数の中空糸膜からなり両端部が開口した中空糸膜群と、
   前記芯管および前記中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁と、
   を備える中空糸膜エレメントが少なくとも１本装填された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。