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WO2020080469A1 - 中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法 - Google Patents

中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法 Download PDF

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Publication number
WO2020080469A1
WO2020080469A1 PCT/JP2019/040912 JP2019040912W WO2020080469A1 WO 2020080469 A1 WO2020080469 A1 WO 2020080469A1 JP 2019040912 W JP2019040912 W JP 2019040912W WO 2020080469 A1 WO2020080469 A1 WO 2020080469A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hollow fiber
fiber membrane
core tube
water
membranes
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/040912
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
崇人 中尾
櫻井　秀彦
Original Assignee
東洋紡株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 東洋紡株式会社 filed Critical 東洋紡株式会社
Priority to KR1020217014270A priority Critical patent/KR102567234B1/ko
Priority to US17/283,752 priority patent/US11944939B2/en
Priority to CN201980068524.5A priority patent/CN112867554B/zh
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    • Y02A20/124—Water desalination
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Definitions

  • the present invention relates to a hollow fiber membrane element, a hollow fiber membrane module, and a normal osmosis water treatment method.
  • ⁇ Normal osmosis water treatment is known for recovering fresh water from the liquid to be treated (feed solution) such as seawater, river water or wastewater by utilizing the forward osmosis phenomenon.
  • the forward osmosis phenomenon is a phenomenon in which water in a low-concentration feed solution (FS: Feed Solution) permeates through a membrane toward a higher-concentration (high osmotic pressure) draw solution (DS: Draw Solution). That is.
  • the water treatment using such a membrane is used as a membrane module in which a membrane element that is an assembly of membranes and is a constituent element is loaded in a pressure vessel, and in particular, a hollow fiber membrane element is used per membrane module volume. Since the membrane area of can be increased, the amount of water permeation can be increased as a whole, and there is an advantage that volume efficiency is very high, and compactness is excellent.
  • Patent Document 1 International Publication No. 2017/010270
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-209418
  • a core tube having a plurality of holes on a side surface, and a periphery of the core tube.
  • a double-ended open-type hollow fiber membrane module including a hollow fiber membrane group composed of a plurality of hollow fiber membranes that are cross-arranged with each other.
  • FIG. 3 when it is used for normal osmosis water treatment, as shown in FIG. 3, the flow of the liquid flowing from the large number of holes 20a provided in the core tube 20 to the outer side 3 of the hollow fiber membrane 21.
  • a so-called cross-flow type structure is adopted which is substantially orthogonal to the flow in the hollow portion of the hollow fiber membrane 21.
  • DS is preferably flown into the hollow part of the hollow fiber membrane 21 and FS is flowed to the outer side 3 of the hollow fiber membrane 21.
  • the DS flowing on the outer side 3 of the hollow fiber membrane 21 is diluted by the membrane permeated water.
  • the concentration of DS is higher than in other places (II and IV in FIG. 2). Therefore, the FS flowing inside the hollow fiber membrane 21 near the core tube 20 is particularly concentrated, and the FS is most concentrated in the downstream portion (III in FIG. 2) (see FIG. 5). Therefore, scale (precipitates such as calcium carbonate and magnesium carbonate contained in FS) is most likely to adhere to the hollow fiber membrane in the most downstream portion (III in FIG. 2) near the core tube 20.
  • the flow rate of FS is set to a predetermined flow rate such that scale does not occur in the most downstream portion near the core tube 20. It is necessary to set above.
  • Patent Document 1 discloses that the inner diameter of the hollow fiber membrane forming the inner layer of the hollow fiber membrane element is made larger than the inner diameter of the hollow fiber membrane forming the outer layer of the hollow fiber membrane element. Further, in Patent Document 2, the permeation rate of the hollow fiber membrane forming the inner layer of the hollow fiber membrane element can be made higher than the permeation rate of the hollow fiber membrane forming the outer layer of the hollow fiber membrane element. Disclosed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is when the draw solution (DS) flows outside the hollow fiber membrane and the feed solution (FS) flows inside the hollow portion of the hollow fiber membrane. It is an object of the present invention to provide a hollow fiber membrane element, a hollow fiber membrane module, and a normal osmosis water treatment method capable of increasing the recovery rate of water from FS while suppressing the adhesion of scale to the hollow fiber membrane.
  • a core tube having a plurality of holes on its side surface A hollow fiber membrane group consisting of a plurality of hollow fiber membranes arranged around the core tube, A resin wall for fixing the core tube and the hollow fiber membrane group at both ends thereof, Both ends of the core tube and the plurality of hollow fiber membranes are open, a double-end open type hollow fiber membrane element,
  • the hollow fiber membrane group surrounds the first hollow fiber membrane layer, which is composed of a plurality of first hollow fiber membranes arranged so as to surround the core tube, and surrounds the first hollow fiber membrane layer.
  • a second hollow fiber membrane layer composed of a plurality of second hollow fiber membranes arranged in The hollow fiber membrane element, wherein the plurality of first hollow fiber membranes have a permeability coefficient smaller than that of the plurality of second hollow fiber membranes.
  • the hollow fiber membrane element has a cylindrical shape, and the ratio of the thickness of the first hollow fiber membrane layer to the total thickness of the first hollow fiber membrane layer and the second hollow fiber membrane layer is more than 0%.
  • a hollow fiber membrane module comprising a container loaded with at least one hollow fiber membrane element.
  • a method for forward osmosis water treatment comprising a forward osmosis step of moving water contained in the water to be treated to the draw solution side through the hollow fiber membranes.
  • the draw solution (DS) flows outside the hollow fiber membrane and the feed solution (FS) flows inside the hollow portion of the hollow fiber membrane, it is difficult for scale to adhere to the hollow fiber membrane.
  • the minimum flow rate of FS required for This makes it possible to provide a hollow fiber membrane element, a hollow fiber membrane module, and a normal osmosis water treatment method capable of increasing the recovery rate of water from FS while suppressing the adhesion of scale to the hollow fiber membrane.
  • FIG. 4 is a schematic graph showing the FS concentration distribution in the forward osmosis module (hollow fiber membrane module) shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. It is a graph which shows the relationship between A value reduction rate and minimum FS flow rate in Example 1 (FO).
  • Example 5 is a graph showing the relationship between the A value reduction rate and the water recovery rate from FS at the lowest FS flow rate (FS recovery rate) in Example 1 (FO). It is a schematic diagram for demonstrating PRO. It is a graph which shows the relationship between A value reduction rate and minimum FS flow rate in Example 2 (PRO). In Example 2 (PRO), a graph showing the relationship between the reduction rate (A value reduction rate) of the permeability coefficient of the first hollow fiber membrane with respect to the permeability coefficient (A) of the second hollow fiber membrane, and the net power generation amount. is there.
  • Is. 7 is a graph showing the relationship between the ratio of the first hollow fiber membrane layer and the minimum FS flow rate in Example 3-1 (PRO).
  • 9 is a graph showing the relationship between the ratio of the first hollow fiber membrane layer and the net power generation amount at the minimum FS flow rate in Example 3-1 (PRO).
  • 6 is a graph showing the relationship between the ratio of the first hollow fiber membrane layer and the net power generation amount at the minimum FS flow rate in Example 3-2 (PRO) in which FS is pretreated with an NF membrane.
  • the hollow fiber membrane element of the present embodiment is a hollow fiber membrane including a core tube 20 having a plurality of holes 20a on its side surface and a plurality of hollow fiber membranes 21 arranged around the core tube 20. Group, and resin walls 41 and 42 for fixing the core tube 20 and the hollow fiber membrane group at both ends thereof.
  • This hollow fiber membrane element is a double-ended hollow fiber membrane element in which both ends of the core tube 20 and the plurality of hollow fiber membranes 21 are open.
  • the hollow fiber membrane group includes a first hollow fiber membrane layer 21 a composed of a plurality of first hollow fiber membranes 211 arranged so as to surround the core tube 20, and a first hollow fiber membrane layer 21 a.
  • the first hollow fiber membrane layer 21a includes a plurality of second hollow fiber membranes 212 arranged so as to surround the first hollow fiber membrane layer 21a.
  • the permeation coefficient of the plurality of first hollow fiber membranes 211 forming the first hollow fiber membrane layer 21a is the same as that of the plurality of second hollow fiber membranes forming the second hollow fiber membrane layer 21b. It is characterized by being smaller than the permeability coefficient of the thread film 212.
  • the hollow fiber membrane group includes a two-layer structure (first hollow fiber membrane layer 21a and second hollow fiber membrane layer 21b) as shown in FIG. 1 (a).
  • the hollow fiber membrane group further includes a third hollow fiber membrane 213 having a larger permeation coefficient than the second hollow fiber membrane 212. It may have a three-layer structure including the hollow fiber membrane layer 21c, and may similarly have a structure of four or more layers.
  • the hollow fiber membrane module of the present embodiment includes at least one hollow fiber membrane element and a container 1 in which at least one hollow fiber membrane element is loaded (e.g., pressure resistance to withstand operating pressure). Pressure vessel).
  • This hollow fiber membrane module has a supply port 10 connected to the core tube 20, a supply port 11 and a discharge port 12 which communicate with the inside of the hollow fiber membrane 21, and the wall members 14, 15, 51, 52 It is fixed.
  • a discharge port 13 communicating with the outside of the hollow fiber membrane 21 is provided on the side surface of the container 1. The fluid flowing out from the hole 20a of the core tube 20 flows on the outer side 3 of the hollow fiber membrane in the radial direction of the hollow fiber membrane element.
  • the hollow fiber membrane 21 is depicted as being parallel to the core tube 20 for simplification, but in reality, even if a plurality of hollow fiber membranes are arranged in parallel.
  • the core tube is arranged so that the plurality of hollow fiber membranes 21 constituting the hollow fiber membrane group (the first hollow fiber membrane layer 21a and the second hollow fiber membrane layer 21b) cross each other. It may be spirally wound around 20. In other words, being spirally wound means that the array of hollow fiber membranes is wound so as to form an angle with the axis of the core tube.
  • voids are regularly formed by the intersections 23 of the hollow fiber membranes. Due to the presence of these regular voids, the drift of the fluid flowing outside the hollow fiber membrane 21 is reduced. In addition, non-dissolved components, particle components, and the like in the fluid flowing outside the hollow fiber membrane are less likely to be trapped between the hollow fiber membranes, so that increase in pressure loss is less likely to occur.
  • the hollow fiber membrane element of this embodiment is formed, for example, by spirally winding a hollow fiber membrane around a core tube and radially stacking the hollow fiber membranes in a crossed state. It can be produced by sealing both ends of the hollow fiber membrane wound body with resin and then cutting a part of the resin (resin wall) to open both ends of the hollow fiber membrane.
  • the core tube is a tubular member having a function of distributing the fluid supplied from the supply port to the outer side 3 (outer surface) of the hollow fiber membrane in the hollow fiber membrane element when connected to the supply port.
  • the core tube is preferably located substantially at the center of the hollow fiber membrane element.
  • the diameter of the core tube is too large, the area occupied by the hollow fiber membrane in the membrane module is reduced, and as a result, the membrane area of the membrane element or membrane module is reduced, which may reduce the amount of water per unit volume. Further, if the diameter of the core tube is too small, pressure loss increases when the supply fluid flows in the core tube, and as a result, the effective differential pressure applied to the hollow fiber membrane may decrease and the treatment efficiency may decrease. In addition, the strength may decrease, and the core tube may be damaged by the tension of the hollow fiber membrane that is received when the supply fluid flows through the hollow fiber membrane layer. It is important to consider these effects comprehensively and set the optimum diameter.
  • the area ratio of the cross-sectional area of the core tube (including the hollow portion) to the cross-sectional area of the hollow fiber membrane element is preferably 4 to 20%.
  • the material of the hollow fiber membrane is not particularly limited as long as it can exhibit a desired separation performance (preferably a separation performance equivalent to that of a reverse osmosis membrane), and examples thereof include a cellulose acetate resin, a polyamide resin, and a sulfonated polysulfone resin.
  • a polyvinyl alcohol resin can be used.
  • cellulose acetate-based resin, sulfonated polysulfone-based resin such as sulfonated polysulfone and sulfonated polyethersulfone is resistant to chlorine which is a bactericide, and can easily suppress the growth of microorganisms. preferable.
  • cellulose acetates cellulose triacetate is preferable in terms of durability.
  • the permeation coefficient of the plurality of first hollow fiber membranes forming the first hollow fiber membrane layer 21a is the same as that of the plurality of second hollow fiber membranes forming the second hollow fiber membrane layer 21b. It is smaller than the transmission coefficient.
  • the reduction rate of the permeability coefficient of the plurality of first hollow fiber membranes with respect to the permeability coefficient of the plurality of second hollow fiber membranes is preferably more than 0% and 60% or less, more preferably 5% or more and 55% or less, and It is preferably 10% or more and 50% or less. In this range, the effect that the minimum FS flow rate can be reduced and the FS recovery rate can be improved is considered to be more reliably exhibited. Further, when the present invention is applied to PRO, an effect of improving the net power generation amount is expected. In addition, the said reduction rate is a ratio shown by the following formula.
  • “Reduction rate” [(“permeability coefficient of a plurality of second hollow fiber membranes ⁇ “ permeability coefficient of a plurality of first hollow fiber membranes ”) /“ permeability coefficient of a plurality of second hollow fiber membranes ”] ⁇ 100 [ %]
  • the permeation coefficient (A) of the plurality of first hollow fiber membranes is preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 to 1.5 ⁇ 10 ⁇ 5 cm 3 / [cm 2 ⁇ s ⁇ (kgf / cm 2 )]. , And more preferably 1.5 ⁇ 10 ⁇ 6 to 1.3 ⁇ 10 ⁇ 5 cm 3 / [cm 2 ⁇ s ⁇ (kgf / cm 2 )].
  • the permeability coefficient of the hollow fiber membrane can be measured, for example, by performing an evaluation by the reverse osmosis method.
  • the permeation coefficient (pure water permeation coefficient) A can be obtained by the following method.
  • the pure water permeation coefficient A25 and the solute permeation coefficient B25 at 25 ° C. can be obtained from the above equations (5) to (6), and further, the above equation (5) ) To (6) can be used to obtain the pure water permeability coefficient and the solute permeability coefficient at any temperature T.
  • the factors that affect the permeability coefficient of the hollow fiber membrane include the diameter of the micropores in the hollow fiber membrane.
  • the average pore size of the micropores of the hollow fiber membrane is preferably 0.1 nm to 0.1 ⁇ m, more preferably 0.5 nm to 50 nm, even more preferably 0.5 nm to 5 nm, even more preferably 0.5 nm to 2 nm.
  • the average pore diameter can be measured by a nitrogen gas adsorption method, a mercury intrusion method, a palm porometry, a DSC method, a positron annihilation method, or the like.
  • the thickness of the first hollow fiber membrane layer relative to the thickness of the entire hollow fiber membrane layer is preferably more than 0% and 30% or less, more preferably 5% or more and 25% or less. When the ratio is within this range, the effect of improving the recovery rate of FS is considered to be more reliably exhibited.
  • the inner diameter of the hollow fiber membrane is not particularly limited as long as it is within the range used as a forward osmosis membrane, but is preferably 50 ⁇ m or more and 700 ⁇ m or less, more preferably 80 ⁇ m or more and 400 ⁇ m or less.
  • the inner diameter is smaller than the above range, the flow pressure loss of the fluid flowing through the hollow portion of the hollow fiber membrane increases, which may cause a problem.
  • the inner diameter is larger than the above range, the membrane area per unit volume in the module cannot be increased, and the compactness, which is one of the merits of the hollow fiber membrane module, is impaired.
  • the hollow ratio of the hollow fiber membrane is not particularly limited as long as it is used for the forward osmosis membrane, and is, for example, 15 to 45%. If the hollow ratio is smaller than the above range, the flow pressure loss in the hollow portion becomes large, and the desired amount of permeated water may not be obtained. Further, if the hollow ratio is larger than the above range, there is a possibility that sufficient pressure resistance cannot be secured even when used in the forward osmosis treatment.
  • the outer diameter of the hollow fiber membrane element is preferably 50 to 450 mm. If the outer diameter is too large, the operability in maintenance such as membrane replacement work may deteriorate. If the outer diameter is too small, the membrane area per unit membrane element is reduced, the amount of treatment is reduced, and it is not preferable in terms of economy.
  • the inner diameter, outer diameter, and hollowness of the hollow fiber membrane can be measured, for example, as follows. First, pass an appropriate number of hollow fiber membranes through a hole with a diameter of 3 mm opened in the center of the slide glass so that the hollow fiber membranes do not fall out, and cut the hollow fiber membranes with a razor along the upper and lower surfaces of the slide glass. A membrane cross-section sample is obtained. Next, using the projector Nikon PROFILE PROJECTOR V-12, the minor axis and major axis in two directions were measured for each hollow fiber membrane cross section, and the arithmetic mean value of each was measured for the inner diameter and outer diameter of one hollow fiber membrane cross section. And The same measurement is performed on the five cross sections, and the average values are used as the inner diameter and the outer diameter of the hollow fiber membrane.
  • a membrane forming solution composed of cellulose triacetate, ethylene glycol (EG), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is introduced from a three-division nozzle.
  • a hollow fiber membrane is obtained by discharging, passing through the air running portion, and immersing in a coagulating liquid consisting of water / EG / NMP to obtain a hollow fiber membrane, then washing the hollow fiber membrane with water and then heat treating it to produce a cellulose acetate hollow fiber membrane. can do.
  • a polyamide-based hollow fiber membrane can be produced by discharging this solution into a coagulating liquid from a three-division nozzle through an in-air running portion, washing the resulting hollow fiber membrane with water, and then heat treating the hollow fiber membrane.
  • a sulfonated polyarylethersulfone polymer obtained by polymerizing 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile, and 4,4′-biphenol
  • a membrane-forming solution was prepared by dissolving it in NMP and EG, discharged as a core liquid together with EG from a tube-in-orifice nozzle, immersed in a coagulation bath of salt water, and the hollow fiber membrane thus obtained was heat-treated to give a sulfone. It is possible to produce a modified polysulfone-based hollow fiber membrane.
  • the hollow fiber membrane obtained as described above is incorporated into the hollow fiber membrane element by a conventionally known method.
  • the incorporation of the hollow fiber membranes is carried out by, for example, 45 to 90 hollow fiber membranes as described in Japanese Patent No. 4412486, Japanese Patent No. 4277147, Japanese Patent No. 3591618, Japanese Patent No. 3308886 or the like.
  • the hollow fiber membrane assembly is collected by collecting more than that, and a plurality of the hollow fiber membrane assemblies are arranged side by side to form a flat hollow fiber membrane bundle, which is wound around a core tube having many holes while traversing.
  • the length and rotation speed of the core tube and the traverse speed of the hollow fiber membrane bundle are adjusted to wind the winding body so that an intersecting portion is formed on the peripheral surface at a specific position.
  • the length and the position of the intersecting portion of the wound body are adjusted, and the wound body is cut at a predetermined position.
  • the non-permeable film is arranged, leaving the side opposite to the part having the hole of the core tube, and after adhering both ends of this wound body, cutting both sides.
  • a hollow fiber membrane element is manufactured by forming a hollow fiber membrane opening.
  • the hollow fiber membrane element of the present invention can take a larger membrane area per element than a spiral flat membrane, and depending on the size of the hollow fiber membrane, in the case of elements of approximately the same size, It is possible to obtain a film area approximately 10 times that of the spiral type. In addition, since uneven flow in the element is unlikely to occur, it is suitable when water treatment is performed using the concentration difference as a driving force.
  • the water to be treated (FS) containing water and a component other than water is caused to flow into the hollow portions of the hollow fiber membranes, and the hollow fiber membranes of the hollow fiber membranes are fed through the core tube.
  • a draw solution (DS) containing a draw solute By flowing a draw solution (DS) containing a draw solute to the outside, a normal osmosis water including a normal osmosis step of moving water contained in the water to be treated to the draw solution side through the plurality of hollow fiber membranes is provided. It can be suitably used as a treatment method.
  • the feed solution (FS) is not particularly limited as long as it is a liquid containing water and a component other than water, but when FS contains a scale component, the effect of this embodiment is particularly effective.
  • scale components include calcium carbonate and magnesium carbonate.
  • FS containing scale components include seawater, brackish water, river water, lake water, industrial wastewater, domestic wastewater, and the like.
  • concentration of evaporation residue (TDS) of the water to be treated is preferably 0.7 to 14% by mass, more preferably 1 It is 0.5 to 10% by mass, and more preferably 3 to 8% by mass.
  • the draw solution (DS) is a liquid containing a draw solute and is not particularly limited as long as it is a liquid having a higher osmotic pressure than the feed solution.
  • the osmotic pressure of the draw solution depends on the molecular weight of the solute and the like, but is preferably 0.5 to 20 MPa.
  • the concentration of the draw solution is preferably 7% by mass or more.
  • the effect of reducing the minimum flow rate of FS (minimum FS flow rate) required to prevent the scale from adhering to the hollow fiber membrane is more effectively exhibited.
  • draw solute various known ones used for forward osmosis treatment can be used, and the draw solute does not necessarily have to be dissolved in the draw solution.
  • a suitable draw solute is, for example, a stimuli-responsive polymer.
  • the stimuli-responsive polymer include a temperature-responsive polymer, a pH-responsive polymer, a photo-responsive polymer, and a magnetic-responsive polymer.
  • a temperature-responsive polymer is a polymer that has a property (temperature responsiveness) that the hydrophilicity changes with a predetermined temperature as a critical point.
  • the temperature responsiveness is a property of becoming hydrophilic or hydrophobic depending on the temperature.
  • the change in hydrophilicity is preferably reversible.
  • the temperature-responsive polymer can be dissolved in water or phase-separated from water by adjusting the temperature.
  • the temperature-responsive polymer is a polymer composed of a plurality of structural units derived from a monomer, and preferably has a hydrophilic group in its side chain.
  • LCST critical eutectic temperature
  • UCST upper critical eutectic temperature
  • the temperature responsive polymer dissolved in low temperature water is in contact with the semipermeable membrane.
  • the polymer is preferably LCST type.
  • the UCST type as well as the LCST type can be used.
  • hydrophilic group examples include a hydroxyl group, a carboxyl group, an acetyl group, an aldehyde group, an ether bond and an ester bond.
  • the hydrophilic group is preferably at least one kind selected from these.
  • the temperature-responsive polymer preferably has at least one hydrophilic group in at least a part or all of the structural units. Further, the temperature responsive polymer may have a hydrophobic group in some structural units while having a hydrophilic group. It is considered that the balance between the hydrophilic group and the hydrophobic group contained in the molecule is important for the temperature responsive polymer to have temperature responsiveness.
  • temperature-responsive polymers include polyvinyl ether-based polymers, polyvinyl acetate-based polymers, and (meth) acrylic acid-based polymers.
  • a fluid flowing into the hollow portion of the hollow fiber membrane is preferably 0.2 MPa or less.
  • the pressure of DS flowing to the outside of the hollow membrane is preferably 0.01 MPa or more.
  • the method for treating normal osmosis water of the present invention preferably further includes a separation step of separating the draw solute contained in the draw solution from water after the infiltration step.
  • a suitable one is selected depending on the type of draw solute. For example, crystallization treatment for inorganic salts and low melting point substances, gas emission for gases with high solubility in water, magnetic separation for magnetic fine particles, ion exchange for sugar solutions, stimuli-responsive polymer In that case, the stimulus (temperature, pH, electricity, magnetic field, light, etc.) can be selected.
  • the stimulus temperature, pH, electricity, magnetic field, light, etc.
  • common separation methods include distillation and reverse osmosis membrane treatment.
  • the draw solute when the draw solute is a temperature-responsive polymer, it is contained in the draw solution by flowing the draw solution into a chamber different from the hollow fiber membrane module and changing the temperature of the draw solution in the chamber.
  • the draw solute can be separated from the water.
  • the draw solute temperature-responsive polymer
  • the draw solute after recovery can be easily reused (redissolved in a draw solution or the like).
  • the method for treating forward osmosis water of the present invention preferably further includes a recovery step of recovering the draw solute separated from water.
  • the draw solute can be recovered using, for example, a membrane separator, a centrifugal separator, a sedimentation separator, or the like.
  • the draw solute recovery process may be repeated in multiple stages so that pure water is obtained, and after the draw solute recovery process, a treatment for further improving the quality of the obtained water may be performed.
  • the method for treating normal osmosis water of the present invention may further include a reuse step of re-dissolving the draw solute recovered in the recovery step in the draw solution.
  • the water to be treated (FS) is caused to flow in the hollow portions of the plurality of hollow fiber membranes and the DS is caused to flow outside the plurality of hollow fiber membranes via the core tube
  • the FS concentration distribution in the hollow fiber membrane module is a three-dimensional distribution as shown in FIG.
  • the FS concentration is higher toward the inside of the hollow fiber membrane module in the radial direction.
  • the DS discharged from the plurality of holes 20a of the core tube 20 is gradually diluted by the water recovery from the FS in the hollow fiber membrane 21 in the process of moving to the outside in the radial direction.
  • the concentration of DS is higher toward the inner side in the radial direction and the concentration rate of FS is also higher.
  • the concentration of FS is higher on the outlet side in the axial direction of the hollow fiber membrane module. This is because FS is concentrated in the process of moving inside the hollow portion of the hollow fiber membrane toward the outlet side in the axial direction of the hollow fiber membrane module.
  • the concentration ratio of FS is maximum (maximum concentration ratio) at the axially outlet side and the radially inner side portion (III in FIG. 2) of the hollow fiber membrane module. Therefore, the scale is most likely to be deposited. Therefore, if the FS flow rate is adjusted so that scale deposition does not occur at this portion (so that the FS concentration rate at this portion is below a predetermined threshold value), scale deposition can be suppressed in the entire FO module. it can.
  • the hollow fiber membrane element, hollow fiber membrane module, and forward osmosis treatment method of the present invention have a high recovery rate of water from FS, and are extremely useful in the field of water treatment and energy generation using concentration difference as a driving force.
  • the present invention can be used for concentration and recovery of organic substances, volume reduction by concentration of waste water, desalination of seawater, and the like.
  • the present invention uses a difference in concentration (osmotic pressure difference) as a driving force to allow fresh water to permeate through a semipermeable membrane from an aqueous solution having a low concentration to an aqueous solution having a high concentration of a pressurized state, and the pressurized state increased by the permeated fresh water.
  • osmotic pressure difference osmotic pressure difference
  • It can be preferably used for osmotic pressure power generation (PRO) in which energy such as electric power is generated by rotating a turbine at the flow rate and pressure of the high-concentration aqueous solution.
  • PRO osmotic pressure power generation
  • it can be suitably used for PRO or the like that generates electric power by utilizing the osmotic pressure due to the concentration difference between seawater or concentrated seawater and fresh water.
  • the present invention By applying the present invention to PRO, the minimum FS flow rate that can suppress the deposition of scale in the hollow fiber membrane module is reduced, and thus it is possible to reduce the FS flow rate. Therefore, it is necessary to supply FS. It is possible to improve the net amount of power generation considering various types of energy.
  • Example 1 In this example, a simulation calculation of the minimum FS flow rate and the FS recovery rate was performed under the following conditions when the present invention was applied to FO (forward osmosis water treatment).
  • a plurality of hollow fiber membranes were prepared for a hollow fiber membrane module (diameter: 10 inches, effective length: 1310 mm) obtained by loading one hollow fiber membrane element as shown in FIG. 3 in a pressure vessel. It was premised that water as the water to be treated (FS) was caused to flow in the hollow part of (1) and DS (concentration: 70,000 ppm (about 7 mass%)) was caused to flow to the outside of the plurality of hollow fiber membranes through the core tube.
  • FS water as the water to be treated
  • DS concentration: 70,000 ppm (about 7 mass%)
  • a hollow fiber membrane element having a two-layer structure as shown in FIG. 1 (a) was used. That is, in this example, a first hollow fiber membrane layer composed of a plurality of first hollow fiber membranes is arranged around a core tube, and a second hollow fiber membrane layer composed of a plurality of second hollow fiber membranes is arranged around the first hollow fiber membrane layer.
  • the radius of the hollow fiber membrane element is 5 inches, and the ratio of the thickness of the first hollow fiber membrane layer to the thickness of the entire hollow fiber membrane layer (thickness of the first hollow fiber membrane layer + thickness of the second hollow fiber membrane layer) is It was set to 20%. Further, the number of hollow fiber membranes to be filled in each layer was set so that the filling rate of each of the first hollow fiber membranes and the second hollow fiber membranes (see the following equation) was 50%.
  • a plurality of hollow fiber membranes were formed by spirally winding the hollow fiber membranes around a core tube to arrange the hollow fiber membranes in a cross shape to produce a hollow fiber membrane wound body.
  • the filling rate of each hollow fiber membrane was calculated by the following formula.
  • each hollow fiber wound body of the first hollow fiber membrane layer and the second hollow fiber membrane layer is equal to the volume of the entire hollow fiber membrane wound body of each of the first hollow fiber membrane layer and the second hollow fiber membrane layer. According to the thickness ratio.
  • the inner diameter of the hollow fiber membranes was 105 ⁇ m, and the outer diameter was 200 ⁇ m. In this case, the hollowness of the hollow fiber membrane is about 27.6%.
  • the number of hollow fiber membranes to be filled was set so that the filling rate of the hollow fiber membranes was 50%.
  • the permeation coefficient of the second hollow fiber membrane is 7.68 ⁇ 10 ⁇ 6 [cm 3 / [cm 2 ⁇ s ⁇ (kgf / cm 2 )]], and the first hollow fiber membrane with respect to the permeation coefficient of the second hollow fiber membrane.
  • the reduction rate of the transmission coefficient of was changed in the range of 0 to 80%.
  • a specified amount of FS (water) is supplied from a supply port 11 that communicates with the upstream opening of the hollow fiber membrane 21 and a discharge that communicates with the downstream opening of the hollow fiber membrane 21.
  • the FS is discharged from the outlet 12.
  • the FS recovery rate of the layer closest to the core tube is 80 in each of the 10 divided layers. It was set to be%. Therefore, the FS supply flow rate varies depending on the rate of decrease of the permeation coefficient of the first hollow fiber membrane.
  • DS NaCl concentration: 70,000 ppm
  • FS flow rate + 0.1 MPa
  • the FS flow rate when the maximum recovery rate (water recovery rate from FS to DS at the position III in FIG. 2) in the hollow fiber membrane element (hollow fiber membrane module) was 80% by mass was calculated as the minimum FS flow rate. . Further, the FS recovery rate at the lowest FS flow rate (total recovery rate of water from FS to DS in the entire hollow fiber membrane module) was calculated.
  • the reduction rate (A value reduction rate) of the permeation coefficient of the plurality of first hollow fiber membranes with respect to the permeation coefficient of the plurality of second hollow fiber membranes is preferably more than 0% and 60%. It is considered to be below, more preferably 5% to 55%, still more preferably 10% to 50%. In this range, as compared with the case where the first hollow fiber membrane and the second hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane element have the same permeation coefficient (when the A value decrease rate is 0% in FIGS. 6 and 7). It is considered that the minimum FS flow rate can be reduced and the FS recovery rate can be improved.
  • Example 2 In this example, the simulation calculation of the minimum FS flow rate and the net power generation amount was performed when the present invention was applied to PRO (normal osmosis power generation) as shown in FIG.
  • the hollow fiber membranes (first hollow fiber membrane and second hollow fiber membrane) had an inner diameter of 135 ⁇ m and an outer diameter of 300 ⁇ m. In this case, the hollowness of the hollow fiber membrane is 20.25%.
  • the permeation coefficient of the second hollow fiber membrane is 2.18 ⁇ 10 ⁇ 6 [cm 3 / [cm 2 ⁇ s ⁇ (kgf / cm 2 )]], and the first hollow fiber membrane with respect to the permeation coefficient of the second hollow fiber membrane.
  • the reduction rate of the transmission coefficient of was changed in the range of 0 to 70%.
  • the effective length of the hollow fiber membrane module was set to 1995 mm.
  • Example 1 the simulation calculation of the minimum FS flow rate and the net power generation amount was performed in the case of performing PRO under the following conditions.
  • FS water to be treated
  • the DS was caused to flow to the outside of the plurality of hollow fiber membranes through the core tube ( See FIG. 8B).
  • a specified amount of water is supplied as FS from the supply port 11 communicating with the upstream opening of the hollow fiber membrane 21 and communicates with the downstream opening of the hollow fiber membrane 21.
  • the FS is discharged from the discharge port 12.
  • the FS recovery rate of the layer closest to the core tube is 80 in each of the 10 divided layers. It was set to be%. Therefore, the FS supply flow rate varies depending on the rate of decrease of the permeation coefficient of the first hollow fiber membrane.
  • DS concentration: 200,000 ppm
  • a flow rate applied pressure: 8 MPa
  • the hollow fiber membrane 21 is discharged from a discharge port 13 arranged on the side surface of the container 1 communicating with the outside 3 of the hollow fiber membrane 21.
  • the reduction rate (A value reduction rate) of the permeation coefficient of the plurality of first hollow fiber membranes with respect to the permeation coefficient of the plurality of second hollow fiber membranes is preferably more than 0% and 60%. It is considered to be below, more preferably 5% to 55%, still more preferably 10% to 50%. In this range, the effect that the minimum FS flow rate can be reduced and the FS recovery rate can be improved is considered to be more reliably exhibited. Further, when the present invention is applied to PRO, an effect of improving the net power generation amount is expected.
  • Example 3-1 In this example, a simulation calculation of a membrane permeation flow rate, a minimum FS flow rate, and a net power generation amount was performed for PRO (normal osmosis power generation) using three kinds of DS having different concentrations (concentration: 150,000 ppm, 200,000 ppm, 250,000 ppm).
  • the permeability coefficient of the second hollow fiber membrane is 2.18 ⁇ 10 ⁇ 6 [cm 3 / [cm 2 ⁇ s ⁇ (kgf / cm 2 )]], and the permeability coefficient of the second hollow fiber membrane is The reduction rate of the permeability coefficient of the first hollow fiber membrane was changed in the range of 0 to 80%. The other points were calculated in the same manner as in Example 2.
  • FIGS. 11 to 13 Calculation results of the membrane permeation flow rate, the minimum FS flow rate, and the net power generation amount are shown in FIGS. 11 to 13. That is, FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thickness ratio of the first hollow fiber membrane layer and the maximum value of the membrane permeation flow rate that can suppress scale generation.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the thickness ratio of the first hollow fiber membrane layer and the minimum FS flow rate at which scale generation can be suppressed.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the thickness ratio of the first hollow fiber membrane layer and the net power generation amount at the minimum FS flow rate that can suppress scale generation.
  • the ratio of the first hollow fiber membrane layer (the ratio of the thickness of the first hollow fiber membrane layer to the radius of the hollow fiber membrane element) is preferably more than 0%. It is 30% or less, and more preferably 5% or more and 25% or less.
  • the net power generation amount is a power generation amount obtained by subtracting the energy required for power generation (power required for supplying DS and FS, etc.) from the total power generation amount, and the minimum FS flow rate can be reduced by the present invention. It is believed that the amount can be improved.
  • Example 3-2 In the present embodiment, in the case of performing the pretreatment of FS with the optional NF film in FIG. 8, the net power generation amount was calculated in consideration of the power consumption required for this pretreatment (subtracted from the total power generation amount). Other than that, the simulation calculation of the net power generation amount (net power generation amount considering the pretreatment) was performed under the same conditions as in Example 3. The calculation result is shown in FIG.

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Abstract

側面に複数の孔を有する芯管と、芯管の周りに配置された複数の中空糸膜からなる中空糸膜群と、芯管および中空糸膜群をそれらの両端で固定する樹脂壁と、を備え、芯管および複数の中空糸膜の両端が開口している、両端開口型の中空糸膜エレメント。中空糸膜群は、芯管の周りを囲むように配置された複数の第１中空糸膜から構成される第１中空糸膜層と、第１中空糸膜層の周りを囲むように配置された複数の第２中空糸膜から構成される第２中空糸膜層と、を含み、複数の第１中空糸膜の透過係数は、複数の第２中空糸膜の透過係数よりも小さい。

Description

中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法
　本発明は、中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法に関する。
　海水、河川水または排水などの処理対象液（フィード溶液）から、正浸透現象を利用して真水を回収するための正浸透水処理が知られている。正浸透現象とは、低濃度のフィード溶液（ＦＳ：Ｆｅｅｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）中の水がより高濃度（高浸透圧）のドロー溶液（ＤＳ：Ｄｒａｗ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）に向かって膜を浸透して移動する現象のことである。
　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、膜モジュール容積当たりの膜面積を大きくすることができるため、全体として透水量を大きくすることができ、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。
　例えば、特許文献１（国際公開第２０１７／０１０２７０号）、特許文献２（特開２００４－２０９４１８号公報）に開示されるように、側面に複数の孔を有する芯管と、前記芯管の周りに交差配置された複数の中空糸膜からなる中空糸膜群とを備えた両端開口型の中空糸膜モジュールが知られている。このような中空糸膜モジュールでは、正浸透水処理に用いられる場合、図３に示されるように、芯管２０に設けられた多数の孔２０ａから中空糸膜２１の外側３に流れる液の流れが、中空糸膜２１の中空部内の流れとほぼ直交する、所謂クロス流方式の構造が採用されている。
　ここで、ＤＳとしてスケール成分等の少ないＤＳを用いる場合は、通常スケール成分等を含むＦＳよりもＤＳを中空糸膜２１の中空部内に流す方が中空糸膜２１へのスケール付着が生じにくいため、ＤＳを中空糸膜２１の中空部内に流し、ＦＳを中空糸膜２１の外側３に流すことが望ましい。
　一方で、例えば、ＤＳが高粘度である場合、ＤＳを中空糸膜２１の中空部内に流すとＤＳの送液に必要なエネルギーが増加したり、中空糸膜２１の中空部内が詰まり易くなったりするため、ＤＳを中空糸膜２１の外側３に流すことが望ましい。また、ＰＲＯ（正浸透発電）のようにＤＳに圧力が加えられる場合、中空糸膜は外圧に対する耐性が内圧に対する耐性より高いため、ＤＳを中空糸膜２１の外側３に流すことが望ましい。
　後者のように、ＤＳが（芯管２０を介して）中空糸膜２１の外側３を流れ、ＦＳが中空糸膜２１の中空部内を流れる場合は、ＦＳに含まれる水は中空糸膜２１の内側から外側に向かって透過する（図８（ｂ）参照）。
　この場合、図２を参照して、芯管２０から離れるにつれて（図２（ｂ）のＡからＢに向かって）、中空糸膜２１の外側３を流れるＤＳは膜透過水によって希釈されるので、芯管２０の近傍（図２のIおよびIII）では、ＤＳの濃度が他の場所（図２のIIおよびIV）よりも高くなる。このため、芯管２０の近傍の中空糸膜２１の内部を流れるＦＳは特に濃縮され、その下流側の部分（図２のIII）においてＦＳが最も濃縮された状態となる（図５参照）。したがって、芯管２０の近傍の最も下流側の部分（図２のIII）において、中空糸膜にスケール（ＦＳ中に含まれる炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の析出物）が最も付着し易くなる。
　このため、芯管２０近傍の最も下流側の部分（図２のIII）において、スケールが生じないようにＦＳの流量を調整する必要がある。すなわち、ＦＳの流量が減少するほどＦＳの濃縮率は高くなり、スケールが生成し易くなるところ、ＦＳの流量を、芯管２０近傍の最も下流側の部分においてスケールが生じないような所定の流量以上に設定する必要がある。
　しかし、ＦＳの流量が増加するとＦＳからの水の回収率が低下するという問題がある。回収率が低下すると、同じ水を得るために多くのＦＳが必要になるため、ＦＳの前処理のコスト上昇やＦＳの送液に必要なエネルギーの上昇といった問題が生じる。
　なお、特許文献１には、中空糸膜エレメントの内側の層を構成する中空糸膜の内径を中空糸膜エレメントの外側の層を構成する中空糸膜の内径よりも大きくすることが開示される。また、特許文献２には、中空糸膜エレメントの内側の層を構成する中空糸膜の透過速度が、中空糸膜エレメントの外側の層を構成する中空糸膜の透過速度よりも速くすることが開示される。
国際公開第２０１７／０１０２７０号 特開２００４－２０９４１８号公報
　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドロー溶液（ＤＳ）が中空糸膜の外側を流れ、フィード溶液（ＦＳ）が中空糸膜の中空部内を流れる場合において、中空糸膜へのスケールの付着を抑制しつつ、ＦＳからの水の回収率を高めることのできる、中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法を提供することである。
　［１］　側面に複数の孔を有する芯管と、
　前記芯管の周りに配置された複数の中空糸膜からなる中空糸膜群と、
　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、
　前記芯管および前記複数の中空糸膜の両端が開口している、両端開口型の中空糸膜エレメントであって、
　前記中空糸膜群は、前記芯管の周りを囲むように配置された複数の第１中空糸膜から構成される第１中空糸膜層と、前記第１中空糸膜層の周りを囲むように配置された複数の第２中空糸膜から構成される第２中空糸膜層と、を含み、
　前記複数の第１中空糸膜の透過係数は、前記複数の第２中空糸膜の透過係数よりも小さいことを特徴とする、中空糸膜エレメント。
　［２］　前記複数の第２中空糸膜の透過係数に対する前記複数の第１中空糸膜の透過係数の減少率は、０％超６０％以下である、［１］に記載の中空糸膜エレメント。
　［３］　前記中空糸膜エレメントは円柱形状を有し、前記第１中空糸膜層と前記第２中空糸膜層の厚みの総和に対する前記第１中空糸膜層の厚みの比率が０％超３０％以下である、［１］または［２］に記載の中空糸膜エレメント。
　［４］　前記複数の中空糸膜は、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いる、［１］～［３］のいずれかに記載の中空糸膜エレメント。
　［５］　［１］～［４］のいずれかに記載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本装填された容器とを備える、中空糸膜モジュール。
　［６］　［５］に記載の中空糸膜モジュールを用いる正浸透水処理方法であって、
　前記複数の中空糸膜の中空部内に水と水以外の成分とを含む処理対象水を流すと共に、前記芯管を介して前記複数の中空糸膜の外側にドロー溶質を含むドロー溶液を流すことで、前記処理対象水中に含まれる水を前記複数の中空糸膜を介して前記ドロー溶液側に移動させる正浸透工程を含む、正浸透水処理方法。
　［７］　前記ドロー溶液の濃度が７質量％以上である、［６］に記載の正浸透処理方法。
　本発明によれば、ドロー溶液（ＤＳ）が中空糸膜の外側を流れ、フィード溶液（ＦＳ）が中空糸膜の中空部内を流れる場合において、中空糸膜へのスケールの付着を生じ難くするために必要なＦＳの最低流量が減少する。これにより、中空糸膜へのスケールの付着を抑制しつつ、ＦＳからの水の回収率を高めることのできる、中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透水処理方法を提供することができる。
　なお、最低ＦＳ流量の減少により、ＦＳの前処理の設備投資（Ｃａｐｅｘ）、運用維持費（Ｏｐｅｘ）等の低減が可能であると考えられる。
本発明の中空糸膜エレメントの一実施形態を示す断面模式図である。 従来の中空糸膜エレメントの課題を説明するための断面模式図である。 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模式図である。 図２および図３に示される正浸透モジュール（中空糸膜モジュール）におけるＦＳの濃度分布を示す模式的なグラフである。 実施例１（ＦＯ）における、Ａ値減少率と最低ＦＳ流量との関係を示すグラフである。 実施例１（ＦＯ）における、Ａ値減少率と、最低ＦＳ流量でのＦＳからの水の回収率（ＦＳ回収率）と、の関係を示すグラフである。 ＰＲＯを説明するための模式図である。 実施例２（ＰＲＯ）における、Ａ値減少率と最低ＦＳ流量との関係を示すグラフである。 実施例２（ＰＲＯ）における、第２中空糸膜の透過係数（Ａ）に対する第１中空糸膜の透過係数の減少率（Ａ値減少率）と、正味発電量と、の関係を示すグラフである。 実施例３－１（ＰＲＯ）における、第１中空糸膜層の割合（第１中空糸膜層の厚みの比率）と、スケール生成を抑止できる膜透過流量の最大値と、の関係を示すグラフである。 実施例３－１（ＰＲＯ）における、第１中空糸膜層の割合と最低ＦＳ流量との関係を示すグラフである。 実施例３－１（ＰＲＯ）における、第１中空糸膜層の割合と、最低ＦＳ流量での正味発電量と、の関係を示すグラフである。 ＦＳのＮＦ膜による前処理を行う実施例３－２（ＰＲＯ）における、第１中空糸膜層の割合と、最低ＦＳ流量での正味発電量と、の関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
　（中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュール）
　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説明する。
　図３を参照して、本実施形態の中空糸膜エレメントは、側面に複数の孔２０ａを有する芯管２０と、芯管２０の周りに配置された複数の中空糸膜２１からなる中空糸膜群と、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４１，４２とを備える。この中空糸膜エレメントは、芯管２０および複数の中空糸膜２１の両端が開口している、両端開口型の中空糸膜エレメントである。
　図１（ａ）を参照して、中空糸膜群は、芯管２０の周りを囲むように配置された複数の第１中空糸膜２１１から構成される第１中空糸膜層２１ａと、第１中空糸膜層２１ａの周りを囲むように配置された複数の第２中空糸膜２１２から構成される第２中空糸膜層２１ｂとから構成されている。
　そして、本実施形態の中空糸膜エレメントは、第１中空糸膜層２１ａを構成する複数の第１中空糸膜２１１の透過係数は、第２中空糸膜層２１ｂを構成する複数の第２中空糸膜２１２の透過係数よりも小さいことを特徴とする。
　なお、本実施形態の中空糸膜エレメントにおいて、中空糸膜群は、図１（ａ）に示されるような２層構造（第１中空糸膜層２１ａおよび第２中空糸膜層２１ｂ）を含むが、これに限られず、図１（ｂ）に示すように、中空糸膜群は、さらに第２中空糸膜２１２よりも透過係数の大きい複数の第３中空糸膜２１３から構成される第３中空糸膜層２１ｃを含む３層構造を有するものであってもよく、同様に４層以上の構造を有するものであってもよい。
　図３を参照して、本実施形態の中空糸膜モジュールは、少なくとも１本の上記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（例えば、運転圧力に耐える耐圧性を有する圧力容器）と、を備える。
　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１４，１５，５１，５２によって固定されている。また、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。芯管２０の孔２０ａから流出した流体は、中空糸膜の外側３を中空糸膜エレメントの径方向に流れる。
　なお、図２および図３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、複数の中空糸膜が平行に配列されていてもよく、また、図４に示されるように、中空糸膜群（第１中空糸膜層２１ａおよび第２中空糸膜層２１ｂ）を構成する複数の中空糸膜２１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てもよい。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。
　複数の中空糸膜２１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２３によって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、中空糸膜２１の外側を流れる流体の偏流が小さくなる。また、中空糸膜の外側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。
　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。
　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（中空部を含む）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。
　本実施形態の中空糸膜エレメントにおいて、第１中空糸膜層２１ａを構成する複数の第１中空糸膜の透過係数は、第２中空糸膜層２１ｂを構成する複数の第２中空糸膜の透過係数よりも小さい。
　複数の第２中空糸膜の透過係数に対する複数の第１中空糸膜の透過係数の減少率は、好ましくは０％超６０％以下であり、より好ましくは５％以上５５％以下であり、さらに好ましくは１０％以上５０％以下である。この範囲において、最低ＦＳ流量を低減でき、ＦＳ回収率を向上させることができるという効果が、より確実に奏されると考えられる。また、本発明をＰＲＯに適用した場合に、正味発電量を向上させる効果が期待される。なお、当該減少率は、以下の式で示される比率である。
　「減少率」＝〔（「複数の第２中空糸膜の透過係数」－「複数の第１中空糸膜の透過係数」）／「複数の第２中空糸膜の透過係数」〕×１００　［％］
　複数の第１中空糸膜の透過係数（Ａ）は、好ましくは１．０×１０－６～１．５×１０－５ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕であり、より好ましくは１．５×１０－６～１．３×１０－５ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕である。
　中空糸膜の透過係数は、例えば、逆浸透法による評価を行うことによって測定することができる。
　具体的には、透過係数（純水透過係数）Ａは、下記の方法によって求めることができる。
　Ｊｖ＝Ａ（ΔＰ－π（Ｃｍ））・・・（１）
　Ｊｓ＝Ｂ（Ｃｍ－Ｃｐ）・・・（２）
　（Ｃｍ－Ｃｐ）／（Ｃｆ－Ｃｐ）＝ｅｘｐ（Ｊｖ／ｋ）・・・（３）
　Ｃｐ＝Ｊｓ／Ｊｖ・・・（４）
　Ａ＝α×Ａ２５×μ２５／μ・・・（５）
　Ｂ＝β×Ｂ２５×μ２５／μ×（２７３．１５＋Ｔ）／（２９８．１５）・・・（６）
　　Ｃｆ　：供給水濃度　　　　　　　［ｍｇ／Ｌ］
　　Ｃｍ　：膜面濃度　　　　　　　　［ｍｇ／Ｌ］
　　Ｃｐ　：透過水濃度　　　　　　　［ｍｇ／Ｌ］
　　Ｊｓ　：溶質透過流束　　　　　　［ｍｇ／（ｃｍ２・ｓ）］
　　Ｊｖ　：純水透過流束　　　　　　［ｃｍ３／（ｃｍ２・ｓ）］
　　ｋ　　：物質移動係数　　　　　　［ｃｍ／ｓ］
　　Ａ　　：純水透過係数　　　　　　［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］
　　Ａ２５：２５℃での純水透過係数　［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］
　　Ｂ　　：溶質透過係数　　　　　　［ｃｍ／ｓ］
　　Ｂ２５：２５℃での溶質透過係数　［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］
　　Ｔ　　：温度　　　　　　　　　　［℃］
　　α　　：運転条件による変動係数　［－］
　　β　　：運転条件による変動係数　［－］
　　ΔＰ　：運転圧力　　　　　　　　［ｋｇｆ／ｃｍ２］
　　μ　　：粘度　　　　　　　　　　［Ｐａ・ｓ］
　　μ２５：２５℃での粘度　　　　　［Ｐａ・ｓ］
　　π　　：浸透圧　　　　　　　　　［ｋｇｆ／ｃｍ２］
　すなわち、Ｊｖ、Ｃｆ、Ｃｐ、Ｔを実測し、ｋ、その他の物性値を上記式（１）～（４）に代入することによって実測条件での純水透過係数Ａと溶質透過係数Ｂを求めることができる。また、予め得られているα、βに基づけば、２５℃における純水透過係数Ａ２５と溶質透過係数Ｂ２５を、上記式（５）～（６）から求めることができ、さらに、上記式（５）～（６）を用いて任意の温度Ｔの純水透過係数と溶質透過係数も得ることができる。
　なお、中空糸膜の透過係数に影響を与える要素として中空糸膜の微細孔の孔径などが挙げられる。中空糸膜の微細孔の平均孔径は、好ましくは０．１ｎｍ～０．１μｍ、より好ましくは０．５ｎｍ～５０ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ～５ｎｍ、さらにより好ましくは０．５ｎｍ～２ｎｍである。当該平均孔径は、窒素ガス吸着法や水銀圧入法、パームポロメトリー、ＤＳＣ法、陽電子消滅法などによって測定することができる。
　前記中空糸膜エレメントは円柱形状を有する場合において、全中空糸膜層の厚み（第１中空糸膜層の厚み＋第２中空糸膜層の厚み）に対する前記第１中空糸膜層の厚みの比率は、好ましくは０％超３０％以下であり、より好ましくは５％以上２５％以下である。上記比率がこの範囲内である場合、ＦＳの回収率を向上させる効果が、より確実に奏されると考えられる。
　中空糸膜の内径は、正浸透膜として用いられる範囲内であれば特に限定されないが、好ましくは５０μｍ以上７００μｍ以下であり、より好ましくは８０μｍ以上４００μｍ以下である。内径が前記範囲より小さいと、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、内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ず、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、中空率（％）＝（内径／外径）２×１００により求めることができる。
　中空糸膜エレメント（中空糸膜群）の外径は、好ましくは５０～４５０ｍｍ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。
　なお、中空糸膜の内径、外径、中空率の測定は、例えば、以下のようにして測定することができる。まず、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る。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する。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、外径とする。
　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、ＣａＣｌ２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。また、３，３’－ジスルホ－４，４’－ジクロロジフェニルスルホン２ナトリウム塩、２，６－ジクロロベンゾニトリル、４，４’－ビフェノールを重合して得たスルホン化ポリアリールエーテルスルホンポリマーを、ＮＭＰ、ＥＧに溶解して製膜溶液を調製し、芯液としてＥＧと共にチューブインオリフィス型ノズルから吐出した後、塩水からなる凝固浴に浸漬し、得られた中空糸膜を熱処理することによりスルホン化ポリスルホン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。また、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。
　（正浸透水処理方法）
　上記の中空糸膜モジュールは、前記複数の中空糸膜の中空部内に水と水以外の成分とを含む処理対象水（ＦＳ）を流すと共に、前記芯管を介して前記複数の中空糸膜の外側にドロー溶質を含むドロー溶液（ＤＳ）を流すことで、前記処理対象水中に含まれる水を前記複数の中空糸膜を介して前記ドロー溶液側に移動させる正浸透工程を含む、正浸透水処理方法に、好適に用いることができる。
　フィード溶液（ＦＳ）は、水と水以外の成分とを含む液体であれば特に限定されないが、ＦＳがスケール成分を含んでいる場合に、本実施形態の効果が特に有効である。スケール成分としては、例えば、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムが挙げられる。スケール成分を含むＦＳとしては、例えば、海水、汽水、河川水、湖沼水、工業廃水、生活排水などが挙げられる。なお、ＦＳ（処理対象水）が海水等の塩分濃度が高い溶液である場合、処理対象水の蒸発残留物濃度（ＴＤＳ）は、好ましくは０．７～１４質量％であり、より好ましくは１．５～１０質量％であり、さらに好ましくは３～８質量％である。
　なお、ドロー溶液（ＤＳ）とは、ドロー溶質を含む液であり、フィード溶液より高い浸透圧を有する液体であれば特に限定されない。ドロー溶液の浸透圧は、溶質の分子量等にもよるが、好ましくは０．５～２０ＭＰａである。
　ドロー溶液の濃度は、好ましくは７質量％以上である。この場合、本発明により、中空糸膜へのスケールの付着を抑止するために必要なＦＳの最低流量（最低ＦＳ流量）を低減させる効果が、より効果的に発揮される。
　ドロー溶質としては、正浸透処理に用いられる種々公知のものを用いることができ、ドロー溶質は、ドロー溶液中において必ずしも溶解している必要はない。
　好適なドロー溶質としては、例えば、刺激応答性高分子が挙げられる。刺激応答性高分子としては、温度応答性高分子、ｐＨ応答性高分子、光応答性高分子、磁気応答性高分子などが挙げられる。
　温度応答性高分子とは、所定の温度を臨界点として親水性が変化する特性（温度応答性）を有する高分子である。温度応答性とは、言い換えれば、温度に応じて親水性になったり疎水性になったりする特性である。ここで、親水性の変化は可逆的であることが好ましい。この場合、温度応答性高分子は、温度を調整することで、水に溶解させたり、水と相分離させたりすることができる。
　温度応答性高分子は、モノマーに由来する複数の構造単位からなるポリマーであり、側鎖に親水性基を有していることが好ましい。
　温度応答性高分子には、下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）タイプと上限臨界共溶温度（ＵＣＳＴ）タイプがある。ＬＣＳＴタイプでは、低温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＬＣＳＴ）以上の温度になると、水と相分離する。逆に、ＵＣＳＴタイプでは、高温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＵＣＳＴ）以下になると、水と相分離する(杉原ら、「環境応答性高分子の組織体への展開」、ＳＥＮ’Ｉ　ＧＡＫＫＡＩＳＨＩ（繊維と工業）、Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．８，２００６参照)。半透膜は、高温で劣化し易い素材を用いる場合においては、低温の水に溶解している温度応答性高分子が半透膜に接触している方が望ましいため、本発明に用いる温度応答性高分子はＬＣＳＴタイプであることが好ましい。また、高温で劣化しにくい素材で構成された半透膜を用いる場合は、ＬＣＳＴタイプの他，ＵＣＳＴタイプも用いることができる。
　親水性基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、アセチル基、アルデヒド基、エーテル結合、エステル結合が挙げられる。親水性基は、これらから選択される少なくとも１種類であることが好ましい。
　温度応答性高分子は、少なくとも一部または全部の構造単位において少なくとも１つの親水性基を有することが好ましい。また、温度応答性高分子は、親水性基を有しつつ、一部の構造単位において疎水性基を有していてもよい。なお、温度応答性高分子が、温度応答性を有するためには、分子中に含まれる親水性基と疎水性基のバランスが重要であると考えられている。
　具体的な温度応答性高分子としては、例えば、ポリビニルエーテル系ポリマー、ポリ酢酸ビニル系ポリマー、（メタ）アクリル酸系ポリマーなどが挙げられる。
　本発明の正浸透水処理方法のように、中空糸膜を正浸透膜として用いる場合、中空糸膜の耐圧性や、高圧ポンプを必要としないといった観点から、中空糸膜の中空部内に流す流体（ＦＳ）の圧力は０．２ＭＰａ以下であることが好ましい。一方、中空膜の外側に流すＤＳの圧力は、０．０１ＭＰａ以上であることが好ましい。
　本発明の正浸透水処理方法は、浸透工程の後に、ドロー溶液に含まれるドロー溶質を水と分離させる分離工程をさらに含むことが好ましい。
　分離方法としては、ドロー溶質の種類によって適合するものが選択される。例えば、無機塩や低融点物質等の場合は晶析処理、水に対する溶解度が高い気体の場合はガス放散、磁性体微粒子の場合は磁気分離、糖溶液の場合はイオン交換、刺激応答性高分子の場合はその刺激（温度、ｐＨ、電気、磁場、光など）を選択することができる。また、共通の分離方法として、例えば、蒸留、逆浸透膜処理が挙げられる。
　例えば、ドロー溶質が温度応答性高分子である場合、ドロー溶液を中空糸膜モジュールとは別のチャンバー内に流入させ、該チャンバー内のドロー溶液の温度を変化させることで、ドロー溶液に含まれるドロー溶質を水と分離させることができる。この場合、ドロー溶液の温度を変化させるだけで、ドロー溶質（温度応答性高分子）を容易に水から分離させ、回収することができる。また、回収後のドロー溶質は、容易に再利用（ドロー溶液等に再溶解）することができる。
　本発明の正浸透水処理方法は、水と分離したドロー溶質を回収する回収工程をさらに含むことが好ましい。ドロー溶質の回収は、例えば、膜分離装置、遠心分離装置、沈降分離装置などを用いて実施することができる。このドロー溶質の回収工程後に残存する水を回収することで、水処理方法の目的物である水を得ることができる。純粋な水が得られるようにドロー溶質の回収工程は多段階に分けて繰り返されてもよく、ドロー溶質の回収工程の後に、さらに得られる水の品質を高めるための処理を行ってもよい。
　なお、本発明の正浸透水処理方法は、回収工程で回収されたドロー溶質をドロー溶液中に再溶解させる再利用工程をさらに含んでいてもよい。
　本実施形態の正浸透水処理方法のように、複数の中空糸膜の中空部内に処理対象水（ＦＳ）を流すと共に、芯管を介して複数の中空糸膜の外側にＤＳを流す場合、中空糸膜モジュール内でのＦＳの濃度分布は、図５に示されるような三次元的な分布となる。
　すなわち、中空糸膜モジュールの径方向の内側ほどＦＳの濃度が高い。これは、芯管２０の複数の孔２０ａから排出されたＤＳが径方向の外側に移動する過程で中空糸膜２１内のＦＳからの水回収によって徐々に希釈されるため、中空糸膜モジュールの径方向の内側ほどＤＳの濃度が高く、ＦＳの濃縮率も高いからである。また、中空糸膜モジュールの軸方向の出口側ほどＦＳの濃度が高い。これは、ＦＳが中空糸膜の中空部内を中空糸膜モジュールの軸方向の出口側に移動する過程で濃縮されるためである。
　したがって、本実施形態の正浸透水処理方法では、中空糸膜モジュールの軸方向の出口側かつ径方向の内側の部位（図２のIII）において、ＦＳの濃縮率が最大値（最大濃縮率）となり、スケールが最も析出し易くなる。このため、この部位においてスケール析出が生じないように（この部位におけるＦＳの濃縮率が所定の閾値以下となるように）ＦＳ流量を調整すれば、ＦＯモジュール全体においてスケールの析出を抑止することができる。
　本発明の中空糸膜エレメント、中空糸膜モジュールおよび正浸透処理方法は、ＦＳからの水の回収率が高く、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、本発明は、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、本発明は、濃度差（浸透圧差）を駆動力として低濃度の水溶液から高濃度の加圧状態の水溶液へ半透膜を介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の水溶液の流量と圧力でタービンを回すなどして電力等のエネルギーを生成させる浸透圧発電（ＰＲＯ）に、好適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を生成するＰＲＯなどに、好適に利用することができる。
　本発明をＰＲＯに適用することにより、中空糸膜モジュール内でのスケールの析出を抑止可能な最低ＦＳ流量が減少することで、ＦＳ流量を低減することが可能となるため、ＦＳの供給に必要なエネルギーを考慮した正味の発電量を向上させることができる。
　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。
　（実施例１）
　本実施例では、本発明をＦＯ（正浸透水処理）に適用した場合について、以下の条件で最低ＦＳ流量およびＦＳ回収率のシミュレーション計算を行った。
　まず、本実施例では、図３に示されるような中空糸膜エレメント１本を圧力容器に装填してなる中空糸膜モジュール（直径：１０インチ、有効長：１３１０ｍｍ）について、複数の中空糸膜の中空部内に処理対象水（ＦＳ）として水を流すと共に、芯管を介して複数の中空糸膜の外側にＤＳ（濃度：７００００ｐｐｍ（約７質量％））を流すことを前提とした。
　また、中空糸膜エレメントとしては、図１（ａ）に示されるような２層構造のものを用いることを前提とした。すなわち、本実施例では、複数の第１中空糸膜からなる第１中空糸膜層を芯管の周りに配置し、その周りに、複数の第２中空糸膜からなる第２中空糸膜層を配置した。中空糸膜エレメントの半径は５インチであり、全中空糸膜層の厚み（第１中空糸膜層の厚み＋第２中空糸膜層の厚み）に対する第１中空糸膜層の厚みの比率は２０％とした。また、第１中空糸膜と第２中空糸膜の充填率（下記式参照）がそれぞれ５０％となるように、各層に充填する中空糸膜の本数を設定した。
　なお、複数の中空糸膜は芯管の周りに中空糸膜を螺旋状に巻回することにより中空糸膜を交差状に配置し、中空糸膜巻き上げ体を作製した。各中空糸膜の充填率は、下記式により算出した。
　　充填率（％）＝π×（中空糸膜の外径）２／４（ｍ２）×中空糸膜の総全長（ｍ）／中空糸膜巻上げ体容積（ｍ３）×１００％
　なお第１中空糸膜層と第２中空糸膜層のそれぞれの中空糸巻き上げ体の容積は、全体の中空糸膜巻き上げ体の容積を第１中空糸膜層と第２中空糸膜層のそれぞれの厚み比率に従って分配した。
　中空糸膜（第１中空糸膜および第２中空糸膜）の内径は１０５μｍ、外径は２００μｍとした。この場合、中空糸膜の中空率は約２７．６％である。中空糸膜の充填率が５０％となるように、充填する中空糸膜の本数を設定した。第２中空糸膜の透過係数は７．６８×１０－６［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］とし、第２中空糸膜の透過係数に対する第１中空糸膜の透過係数の減少率を０～８０％の範囲で変化させた。
　図３を参照して、中空糸膜２１の上流側の開口部に連通する供給口１１から、規定量のＦＳ（水）を供給し、中空糸膜２１の下流側の開口部に連通する排出口１２からＦＳを排出させる。ＦＳの上記規定量は、中空糸膜層を厚み方向に１０分割してそれぞれの回収率をシミュレーションした場合に、１０分割された各層のうち、芯管に最も近い層でのＦＳ回収率が８０％になるように設定された。そのため、ＦＳ供給流量は、第１中空糸膜の透過係数の減少率によって変動する。一方、芯管２０に連通する供給口１０から、ＤＳ（ＮａＣｌ濃度：７００００ｐｐｍ）を３０Ｌ／分の流量（印加圧力：ＦＳ供給圧力＋０．１ＭＰａ）で供給し、芯管２０の複数の孔２０ａを通して中空糸膜２１の外側３を通過させた後、中空糸膜２１の外側３に連通する容器１の側面に配置された排出口１３から排出させる。
　中空糸膜エレメント（中空糸膜モジュール）内における最大回収率（図２のIIIの位置におけるＦＳからＤＳへの水の回収率）が８０質量％となるときのＦＳ流量を最低ＦＳ流量として算出した。また、最低ＦＳ流量でのＦＳ回収率（中空糸膜モジュール全体におけるＦＳからＤＳへの水の総回収率）を算出した。
　最低ＦＳ流量およびＦＳ回収率の各々の計算結果を図６および図７に示す。
　図６および図７に示される結果から、複数の第２中空糸膜の透過係数に対する複数の第１中空糸膜の透過係数の減少率（Ａ値減少率）は、好ましくは０％超６０％以下であり、より好ましくは５％以上５５％以下であり、さらに好ましくは１０％以上５０％以下であると考えられる。この範囲において、中空糸膜エレメントを構成する第１中空糸膜と第２中空糸膜の透過係数が同じである場合（図６および図７でＡ値減少率が０％の場合）に比べて、最低ＦＳ流量を低減でき、ＦＳ回収率を向上させることができると考えられる。
　（実施例２）
　本実施例では、本発明を図８（ａ）に示されるようなＰＲＯ（正浸透発電）に適用した場合について、最低ＦＳ流量および正味発電量のシミュレーション計算を行った。
　中空糸膜モジュールについて、中空糸膜（第１中空糸膜および第２中空糸膜）の内径は１３５μｍ、外径は３００μｍとした。この場合、中空糸膜の中空率は２０．２５％である。第２中空糸膜の透過係数は２．１８×１０－６［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］とし、第２中空糸膜の透過係数に対する第１中空糸膜の透過係数の減少率を０～７０％の範囲で変化させた。また、中空糸膜モジュールの有効長を１９９５ｍｍとした。それ以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールを用いることを前提に、以下の条件でのＰＲＯを実施する場合について、最低ＦＳ流量および正味発電量のシミュレーション計算を行った。なお、実施例１と同様に、複数の中空糸膜の中空部内に処理対象水（ＦＳ）を流すと共に、芯管を介して複数の中空糸膜の外側にＤＳを流すことを前提とした（図８（ｂ）参照）。
　図３および図８を参照して、中空糸膜２１の上流側の開口部に連通する供給口１１から、ＦＳとして水を規定量供給し、中空糸膜２１の下流側の開口部に連通する排出口１２からＦＳを排出させる。ＦＳの上記規定量は、中空糸膜層を厚み方向に１０分割してそれぞれの回収率をシミュレーションした場合に、１０分割された各層のうち、芯管に最も近い層でのＦＳ回収率が８０％になるように設定した。そのため、ＦＳ供給流量は、第１中空糸膜の透過係数の減少率によって変動する。一方、芯管２０に連通する供給口１０から、ＤＳ（濃度：２０００００ｐｐｍ）を３０Ｌ／分の流量（印加圧力：８ＭＰａ）で供給し、芯管２０の複数の孔２０ａを通して中空糸膜２１の外側３を通過させた後、中空糸膜２１の外側３に連通する容器１の側面に配置された排出口１３から排出させる。なお、図８に示されるＮＦ膜（オプション）によるＦＳのろ過（前処理）は、本実施例では行わないものとした。
　最低ＦＳ流量および正味発電量の各々の計算結果を図９および図１０に示す。
　図９および図１０に示される結果から、複数の第２中空糸膜の透過係数に対する複数の第１中空糸膜の透過係数の減少率（Ａ値減少率）は、好ましくは０％超６０％以下であり、より好ましくは５％以上５５％以下であり、さらに好ましくは１０％以上５０％以下であると考えられる。この範囲において、最低ＦＳ流量を低減でき、ＦＳ回収率を向上させることができるという効果が、より確実に奏されると考えられる。また、本発明をＰＲＯに適用した場合に、正味発電量を向上させる効果が期待される。
　（実施例３－１）
　本実施例では、濃度の異なる３種のＤＳ（濃度：１５００００ｐｐｍ、２０００００ｐｐｍ、２５００００ｐｐｍ）を用いたＰＲＯ（正浸透発電）について、膜透過流量、最低ＦＳ流量および正味発電量のシミュレーション計算を行った。
　本実施例では、第２中空糸膜の透過係数は２．１８×１０－６［ｃｍ３／〔ｃｍ２・ｓ・（ｋｇｆ／ｃｍ２）〕］とし、第２中空糸膜の透過係数に対する第１中空糸膜の透過係数の減少率を０～８０％の範囲で変化させた。それ以外の点は実施例２と同様にして、計算を実施した。
　膜透過流量、最低ＦＳ流量および正味発電量の各々の計算結果を図１１～図１３に示す。すなわち、図１１は、第１中空糸膜層の厚みの比率と、スケール生成を抑止できる膜透過流量の最大値と、の関係を示すグラフである。図１２は、第１中空糸膜層の厚みの比率と、スケール生成を抑止できる最低ＦＳ流量と、の関係を示すグラフである。図１３は、第１中空糸膜層の厚みの比率と、スケール生成を抑止できる最低ＦＳ流量での正味発電量と、の関係を示すグラフである。
　図１２に示される結果から、第１中空糸膜層の割合（中空糸膜モジュールの半径に対する第１中空糸膜層の厚みの比率）が３０％以下の場合に、第１中空糸膜層（中空糸膜が低いＡ値を有する内側の層）の割合が増える程、最低ＦＳ流量が低減すると考えられる。なお、第１中空糸膜層の割合をそれ以上増やしても、最低ＦＳ流量を減少させる効果はあまり増大しないと考えられる。一方、図１１に示されるように、第１中空糸膜層の割合が増える程、中空糸膜モジュール全体での透過流量は減少してしまう。これらの観点から、ＦＳの回収率を向上させるためには、第１中空糸膜層の割合（中空糸膜エレメントの半径に対する第１中空糸膜層の厚みの比率）は、好ましくは０％超３０％以下であり、より好ましくは５％以上２５％以下である。
　図１３に示される正味発電量のシミュレーション結果から、本発明をＰＲＯに適用する場合において、第１中空糸膜層（内側の層）において透過係数の低い中空糸膜を用いることにより、正味発電量が向上すると考えられる。正味発電量は、総発電量から発電に必要なエネルギー（ＤＳおよびＦＳの供給に必要な電力など）を差し引いた発電量であり、本発明によって最低ＦＳ流量を低減することができるため、正味発電量を向上することができると考えられる。
　（実施例３－２）
　本実施例では、図８におけるオプションのＮＦ膜によるＦＳの前処理を行う場合について、この前処理に必要な消費電力を考慮して（総発電量から差し引いて）、正味発電量を計算した。それ以外の点は、実施例３と同様の条件で、正味発電量（前処理勘案正味発電量）のシミュレーション計算を行った。計算結果を図１４に示す。
　図１４に示される結果から、第１中空糸膜層（内側の層）において透過係数の低い中空糸膜を用いることにより、第１中空糸膜層の厚みの比率が３０％以下の場合に、正味発電量が増加することが分かる。この増加は、実施例３－１（図１３）より顕著であり、ＦＳの前処理に必要なエネルギーを考慮すれば、本発明による最低ＦＳ流量の減少による正味発電量の向上効果はより有益な効果であることが分かる。
　また、図１２～図１４に示される結果から、ＤＳ印加圧力が８ＭＰａの場合には、ＤＳの濃度が２０００００ｐｐｍ（約２０質量％）以上であれば、本発明による最低ＦＳ流量の低減効果、正味発電量の向上効果などが、より顕著に奏されることが読み取れる。なお、ＤＳ濃度が変化すれば、最適なＤＳ印加圧力も変化する。
　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請求の範囲によって示され、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。
　１　容器、１０，１１　供給口、１２，１３　排出口、１４，１５，５１，５２　壁部材、２０　芯管、２１　中空糸膜、２１ａ　第１中空糸膜層、２１ｂ　第２中空糸膜層、２１ｃ　第３中空糸膜層、２１１　第１中空糸膜、２１２　第２中空糸膜、２１３　第３中空糸膜、２３　交差部、３　中空糸膜の外側、４１，４２　樹脂壁。

Claims (7)

  1. 　側面に複数の孔を有する芯管と、
    　前記芯管の周りに配置された複数の中空糸膜からなる中空糸膜群と、
    　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、
    　前記芯管および前記複数の中空糸膜の両端が開口している、両端開口型の中空糸膜エレメントであって、
    　前記中空糸膜群は、前記芯管の周りを囲むように配置された複数の第１中空糸膜から構成される第１中空糸膜層と、前記第１中空糸膜層の周りを囲むように配置された複数の第２中空糸膜から構成される第２中空糸膜層と、を含み、
    　前記複数の第１中空糸膜の透過係数は、前記複数の第２中空糸膜の透過係数よりも小さいことを特徴とする、中空糸膜エレメント。
  2. 　前記複数の第２中空糸膜の透過係数に対する前記複数の第１中空糸膜の透過係数の減少率は、０％超６０％以下である、請求項１に記載の中空糸膜エレメント。
  3. 　前記中空糸膜エレメントは円柱形状を有し、前記第１中空糸膜層と前記第２中空糸膜層の厚みの総和に対する前記第１中空糸膜層の厚みの比率が０％超３０％以下である、請求項１または２に記載の中空糸膜エレメント。
  4. 　前記複数の中空糸膜は、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いる、請求項１～３のいずれか１項に記載の中空糸膜エレメント。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載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本装填された容器とを備える、中空糸膜モジュール。
  6. 　請求項５に記載の中空糸膜モジュールを用いる正浸透水処理方法であって、
    　前記複数の中空糸膜の中空部内に水と水以外の成分とを含む処理対象水を流すと共に、前記芯管を介して前記複数の中空糸膜の外側にドロー溶質を含むドロー溶液を流すことで、前記処理対象水中に含まれる水を前記複数の中空糸膜を介して前記ドロー溶液側に移動させる正浸透工程を含む、正浸透水処理方法。
  7. 　前記ドロー溶液の濃度が７質量％以上である、請求項６に記載の正浸透処理方法。
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