JP5458003B2

JP5458003B2 - スパイラル型膜エレメントおよび分離膜モジュール

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Publication number: JP5458003B2
Application number: JP2010289480A
Authority: JP
Inventors: 眞一地藏; 敏充浜田; 康弘宇田; 英之山根; 和仁吉田; 雅志別府; 政勝高田
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: WO2012090456A1; JP2012135719A

Description

本発明は、スパイラル型膜エレメントおよびこのスパイラル型膜エレメントを用いた分離膜モジュールに関する。

従来、例えば海水淡水化処理や超純水の製造などに用いられるスパイラル型膜エレメントが知られている。例えば、特許文献１には、図４および図５に示すような、スパイラル型膜エレメント１２を用いた分離膜モジュール１０が開示されている。この分離膜モジュール１０では、筒状の圧力容器１１内にスパイラル型膜エレメント１２が一列に複数本挿入されている。そして、図４中に矢印で示すように、分離膜モジュール１０の一方の端部から圧力容器１１内に原水が供給されると、その原水がスパイラル型膜エレメント１２の分離膜によって透過水と濃縮水とに分離され、それらが分離膜モジュール１０の他方の端部から別々に排出される。

各スパイラル型膜エレメント１２は、中心管の回りに巻き回された、分離膜を含む積層体と、この積層体を挟んで配置された一対の端部材１３とを有している。図４に示す分離膜モジュール１０では、上流側の端部材１３に、スパイラル型膜エレメント１２と圧力容器１１の内周面との隙間を原水の上流側の圧力を利用してシールする断面略Ｕ字状のパッキン１５が装着されている。

パッキン１５は、上流側の圧力が作用していない自然体でも圧力容器１１の内周面の直径と同程度の外径を有している。このため、従来、スパイラル型膜エレメント１２を圧力容器１１内に挿入する際には、スパイラル型膜エレメント１２の自重によって押し潰されるパッキン１５を圧力容器１１の内周面と摩擦させながらスパイラル型膜エレメント１２を圧力容器１１内に押し込んでいた。

従来は外径が８インチのスパイラル型膜エレメントが主流であったが、近年では外径が１６〜２４インチと大型のスパイラル型膜エレメントが開発されてきている。しかしながら、このような大型のスパイラル型膜エレメントでは、圧力容器の内周面とパッキンとの接触面積が増大するとともに、スパイラル型膜エレメントの重量が増大する。

そこで、特許文献１では、スパイラル型膜エレメント１２を圧力容器１１内に容易に挿入できるようにするために、図４および図５に示すように、圧力容器１１の内周面に当該内周面から突出する一対のレール１７などを設けて、スパイラル型膜エレメント１２の挿入時の摩擦抵抗を小さくすることが提案されている。

特開２００９−２２０１０４号公報

しかしながら、図４および図５に示すように圧力容器１１の内周面に当該内周面から突出するレール１７を設けた場合には、スパイラル型膜エレメント１２が圧力容器１１内に挿入される際に、レール１７の頂点がパッキン１５に食い込んだ状態でパッキン１５がレール１７と摩擦することになる。このため、パッキン１５が局所的に摩耗するなどしてパッキンが破損するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑み、凹凸のない内周面を有する圧力容器内に容易に挿入することができるスパイラル型膜エレメント、およびこのスパイラル型膜エレメントを用いた分離膜モジュールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、筒状の圧力容器内に挿入されるスパイラル型膜エレメントであって、中心管と、前記中心管の回りに巻き回された、分離膜および流路材を含む積層体と、前記積層体を挟むように前記中心管の両端部に固定された一対の端部材と、前記一対の端部材の一方に装着された環状のシール部材と、を備え、前記一対の端部材のそれぞれの外周面には、当該外周面から突出する、少なくとも前記中心管の軸方向に転動可能な回転体が取り付けられている、スパイラル型膜エレメントを提供する。

また、本発明は、筒状の圧力容器と、前記圧力容器内に挿入された複数本のスパイラル型膜エレメントとを備え、前記複数本のスパイラル型膜エレメントのそれぞれが、上記のスパイラル型膜エレメントである、分離膜モジュールを提供する。

上記の構成によれば、端部材に取り付けられた回転体によって、スパイラル型膜エレメントの自重を受けることができる。従って、圧力容器が凹凸のない内周面を有していても、その圧力容器の内周面に回転体を接触させてスパイラル型膜エレメントをスムーズに挿入することができる。

本発明の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメントを用いた分離膜モジュールの断面図図１に示すスパイラル型膜エレメントの構成図（ａ）は端部材の一部断面側面図、（ｂ）はその正面図従来のスパイラル型膜エレメントを用いた分離膜モジュールの断面図図４に示す分離膜モジュールの図４と直交する方向での断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメント２を用いた分離膜モジュール１を示す。この分離膜モジュール１は、ベッセルと呼ばれる筒状の圧力容器７と、圧力容器７内に挿入された複数本のスパイラル型膜エレメント２とを備えている。

圧力容器７の両端には、円盤状のキャップ８，９が取り付けられている。一方（図１では左側）のキャップ８には、原水を圧力容器７内に供給するための供給管８１が中心からずれた位置に設けられている。他方（図１では右側）のキャップ９には、透過水を取り出すための第１排出管９１が中心に設けられており、濃縮水を取り出すための第２排出管９２が中心からずれた位置に設けられている。すなわち、圧力容器７内には、一方のキャップ８から他方のキャップ９に向かう原水の流れが形成される。なお、供給管８１および第２排出管９２は、圧力容器７に設けられていてもよい。

本実施形態では、スパイラル型膜エレメント２として、逆浸透膜エレメントが用いられている。ただし、スパイラル型膜エレメント２は、例えば限外濾過膜エレメントであってもよい。

各スパイラル型膜エレメント２は、集水管として機能する中心管２１と、中心管２１の回りに巻き回された積層体２２と、積層体２２を挟むように中心管２１の両端部に固定された一対の端部材３と、積層体２２を取り巻く外装材２８とを有している。一対の端部材３は、積層体２２がテレスコピック状に伸張することを防止する役割も果たす。

本実施形態では、一対の端部材３のうちの上流側の端部材３に、環状のシール部材として、スパイラル型膜エレメント２と圧力容器７の内周面７ａとの隙間を原水の上流側の圧力を利用してシールする断面略Ｕ字状のパッキン５が装着されている。ただし、本発明のシール部材は、パッキン５に限定されるものではなく、スパイラル型膜エレメント２と圧力容器７の内周面７ａとの隙間をシール可能なものであればどのような形状を有していてもよい。

また、本実施形態では、各端部材３が中心管２１にそれらの端面が略一致するように固定されていて、隣り合うスパイラル型膜エレメント２同士が連結器６１によって連結されたときに端部材３同士が密着するようになっている。なお、最上流側に位置する膜エレメント２の中心管２１にはプラグ６２が取り付けられ、最下流側に位置する膜エレメント２の中心管２１は第２の連結器６３によって第１排出管９１と連結される。

図２に示すように、中心管２１には、内部に濾過水を流入させる複数の導入孔が形成されている。

積層体２２は、巻き回される方向が一方の対辺方向となる矩形状をなしており、透過水流路材２４の両面に分離膜２３が重ね合わされた膜部材と、原水流路材２５とを含む。膜部材は、一方向に開口する袋状となるように分離膜２３同士が３辺で接合されており、その開口が中心管２１の導入孔と連通している。透過水流路材２４は、例えば樹脂からなる網であり、互いに接合される分離膜同士の間に透過水を流すための流路を形成する。原水流路材２５は、例えば樹脂からなる網（透過水流路材２４よりも網目の大きな網）であり、巻き回される膜部材の周回部分同士の間に原水を流すための流路を形成する。

分離膜２３を構成する材料としては、低圧化に優れた芳香族ポリアミド系、透過性に優れたポリビニルアルコール系、ナノフィルトレーション膜に好適なスルホン化ポリエーテルスルホン系などが挙げられる。

一対の端部材３は、相互に同一の形状を有している。具体的には、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、各端部材３は、中心管２１の端部に外側から嵌合する内側筒部３１と、内側筒部３１を離間しながら取り囲む、内側筒部３１と同心の外側筒部３２とを有している。外側筒部３２の外周面３２ａは、端部材３の外周面を構成する。なお、以下では説明の便宜のために、図３（ａ）の右側（端部材３が積層体２２と反対側を向く方向）を前方、左側（端部材３が積層体２２側を向く方向）を後方という。

外側筒部３２の外周面３２ａには、パッキン５が挿入される、周方向に延びる保持溝３３が形成されている。さらに、外周面３２ａには、保持溝３３よりも後方に、外装材２８の軸方向の動きを規制する鍔部３８が、保持溝３３を形成する一対の側面のうちの後方の側面と連続するように設けられている。鍔部３３は、外周面３２ａにおける保持溝３３よりも前方の部分よりも径方向外側に張り出しており、外周面３２ａの最大径を規定している。また、外側筒部３２には、外装材２８を内側から保持するガイド部３７が設けられている。なお、ガイド部３７は、外装材２８を外側から保持するスカートであってもよい。

外側筒部３２の前端面には、外側筒部３２の内周面３２ｂと外周面３２ａとをつなぐように溝が形成されていてもよい。このような溝が形成されていれば、端部材３同士が密着したとしても、端部材３同士の間に、端部材３を貫通する後述する流通口３０を膜エレメント２と圧力容器７の内周面７ａとの間の空間と連通する流路が確保される。これにより、スパイラル型膜エレメント２を通過した原水がスパイラル型膜エレメント２の周囲に導かれるため、原水の圧力が急激に上昇する運転開始時などに、スパイラル型膜エレメント２の内外で大きな圧力差が生じることを防いで、スパイラル型膜エレメント２が破損するのを防ぐことができる。

外側筒部３２の外周面３２ａには、当該外周面３２ａから突出する複数の回転体４が取り付けられている。回転体４は、外周面３２ａの周方向に等角度間隔で並ぶように３個以上（図例では８個）配置されている。本実施形態では、回転体４として、任意の方向に転動可能なボールが採用されている。

回転体４が設けられていない場合、スパイラル型膜エレメント２が圧力容器７内に挿入されると、スパイラル型膜エレメント２の自重によって、スパイラル型膜エレメント２の真下ではパッキン５が端部材３に装着されただけの状態から径方向内側に一定距離押し潰される。回転体４の頂点は、中心管２１の軸心を中心とする、端部材３に装着されただけの状態のパッキン５の外径から前記の一定距離だけ半径が小さな仮想円よりも径方向外側に位置している。すなわち、回転体４は、圧力容器７内でのスパイラル型膜エレメント２の自重によるパッキン５の変形を規制し得るように、外周面３２ａから突出している。このため、中心管２１の軸心を通る鉛直線上に１つの回転体４が位置する姿勢でスパイラル型膜エレメント２を圧力容器７内に挿入すれば、その回転体４によってスパイラル型膜エレメント２の自重を受けることができる。

さらに、回転体４は、中心管２１の軸心を通る鉛直線上に隣り合う回転体４の間の中間点が位置する姿勢でスパイラル型膜エレメント２が水平面上に載置され、パッキン５が変形したときに、下方に位置する２つの回転体４がその水平面に当接するように突出していることが好ましい。このようになっていれば、スパイラル型膜エレメント２がどのような姿勢であっても回転体４をフラットな面に接触させることができ、スパイラル型膜エレメント２をハンドリングする際にも回転体４を利用することができる。

さらには、回転体４の頂点は、中心管２１の軸心を中心とする、圧力容器７の内周面７ａと同一の直径の円上に位置していることが好ましい。このようになっていれば、スパイラル型膜エレメント２を圧力容器７内に挿入するだけでそれらの中心軸を合わせることができる。

回転体４の材質は、原水に侵食されないものであれば特に限定されるものではなく、金属であってもよいし、樹脂であってもよい。中でも、スパイラル型膜エレメント２の自重を受けるとともに、原水にかけられる操作圧力に耐えるという観点から、例えばステンレスが好ましい。

回転体４の個数は、より少ない個数で端部材３と圧力容器７の内周面７ａとの接触を回避するという観点から、３〜１６個が好ましく、６〜１２個がより好ましい。

内側筒部３１と外側筒部３２とは、回転体４と対応する位置で複数のリブ３５によって連結されている。すなわち、リブ３５は、内側筒部３１から放射状に延びている。本実施形態では、外側筒部３１に、回転体４と対応する位置で径方向内側に突出する複数の突出部３４が設けられており、リブ３５の先端は突出部３４に接続されている。さらに、本実施形態では、隣り合うリブ３５同士の間でも、内側筒部３１と外側筒部３２とが第２のリブ３６によって連結されている。リブ３５および第２のリブ３６は、径方向にフラットな板状をなしており、リブ３５と第２のリブ３６との間には、外側筒部３２の内周面３２ｂに面する略三角柱状の空間が形成されている。そして、この空間によって、端部材３を貫通して原水を流通させる流通口３０が構成されている。

外側筒部３２に設けられた突出部３４には、スリーブ４１が外周面３２ａに露出するように埋め込まれている。スリーブ４１には回転体３と反対側に突出するねじ軸４１が形成されており、このねじ軸４１が突出部３４内に形成されたねじ穴３２ｃに螺合することにより、スリーブ４１が突出部３４に固定されている。スリーブ４１は、回転体４を保持するものであり、スリーブ４１内には回転体４を支持する複数のボール（図示せず）が配置されている。

本実施形態のスパイラル型膜モジュール２では、端部材３に取り付けられた回転体４によって、スパイラル型膜エレメント２の自重を受けることができる。従って、圧力容器７が凹凸のない内周面７ａを有していても、その圧力容器７の内周面７ａに回転体４を接触させてスパイラル型膜エレメント２をスムーズに挿入することができる。

また、本実施形態では３個以上の回転体４が外周面３２ａの周方向に等角度間隔で並んでいる。このため、中心管２１の軸心を通る鉛直線上に１つの回転体４を位置させたときには、その回転体４の両側でパッキン５が圧力容器７の内周面７ａに過度に押し付けられることを防止できる。また、中心管２１の軸心を通る鉛直線上に隣り合う回転体４の間の中間点を位置させたときには、その２つの回転体４でスパイラル膜エレメント２の挿入をガイドすることができる。従って、いずれの場合も、スパイラル型膜エレメント２の圧力容器７内への挿入をさらに容易に行うことができる。

さらに、端部材３の外側筒部３２と内側筒部３３とは、回転体４と対応する位置でリブ３５によって連結されているので、どの回転体４が下方に位置してもスパイラル型膜エレメント２の自重に耐え得る十分な強度を端部材３に付与することができる。

また、外側筒部３２には径方向内側に突出する突出部３４が設けられ、この突出部３４に回転体４を保持するスリーブ４１が埋め込まれているので、流通口３０の面積を極力大きく確保しながら回転体４を回転可能に支持する機構を端部材３に設けることができる。

＜変形例＞
前記実施形態では、端部材３が中心管２１にそれらの端面が一致するように固定されていたが、端部材３は、中心管２１の端面よりも内側に位置するように中心管２１に固定されていてもよい。この場合には、隣り合うスパイラル型膜エレメント２同士が連結されたときに端部材３同士の間に隙間が形成され、この隙間によってスパイラル型膜エレメント２を通過した原水をスパイラル型膜エレメント２の周囲に導く流路が構成されるため、端部材３の端面に溝を形成する必要はない。

また、回転体４は、少なくとも中心管２１の軸方向に転動可能であればよく、例えば中心管２１の軸方向のみに転動可能なローラーであってもよい。

さらに、回転体４は、２個あれば圧力容器７の内周面７ａ上でスパイラル型膜エレメント２を自立させることができるため、必ずしも３個以上が等角度間隔で配置されている必要はない。すなわち、回転体４は、外周面３２ａの周方向に例えば９０度の角度範囲内で互いに離間するように、少なくとも２個配置されていてもよい。

あるいは、回転体４としてローラーを採用する場合は、回転体４を支点とするスパイラル型膜エレメント２の横方向の揺動がある程度抑えられるため、回転体４の数は１つであってもよい。

さらに、回転体４（ボールまたはローラー）は、複数のボールで支持されている必要はなく、例えばスリーブ４１内にスプリングを配設し、スプリングによって回転体４を径方向内側に後退可能なように付勢してもよい。

１分離膜モジュール
２スパイラル型膜エレメント
２１中心管
２２積層体
２３分離膜
２４透過水流路材
２５原水流路材
３端部材
３１内側筒部
３２外側筒部
３２ａ外周面
３４突出部
３５リブ
４回転体
４１スリーブ
５パッキン（シール部材）
７圧力容器
７ａ内周面

Claims

筒状の圧力容器内に挿入されるスパイラル型膜エレメントであって、
中心管と、
前記中心管の回りに巻き回された、分離膜および流路材を含む積層体と、
前記積層体を挟むように前記中心管の両端部に固定された一対の端部材と、
前記一対の端部材の一方に装着された環状のシール部材と、を備え、
前記一対の端部材のそれぞれの外周面には、当該外周面から突出する、少なくとも前記中心管の軸方向に転動可能な回転体が取り付けられていて、
前記回転体は、前記外周面の周方向に互いに離間するように少なくとも２個配置されていて、
前記一対の端部材のそれぞれは、前記中心管と嵌合する内側筒部と、前記内側筒部を離間しながら取り囲む外側筒部と、前記回転体と対応する位置で前記内側筒部と前記外側筒部とを連結する複数のリブとを有している、
スパイラル型膜エレメント。
前記回転体は、前記外周面の周方向に等角度間隔で並ぶように３個以上配置されている、請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
前記外側筒部には、前記回転体と対応する位置で径方向内側に突出する複数の突出部が設けられており、
前記突出部には、前記回転体を保持するスリーブが前記外側筒部の外周面に露出するように埋め込まれている、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
前記スリーブ内には、前記回転体を支持する複数のボールが配設されている、請求項３に記載のスパイラル型膜エレメント。
前記回転体の頂点は、前記中心管の軸心を中心とする、前記圧力容器の内周面と同一の直径の円上に位置している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパイラル型膜エレメント。
筒状の圧力容器と、前記圧力容器内に挿入された複数本のスパイラル型膜エレメントとを備え、
前記複数本のスパイラル型膜エレメントのそれぞれが、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパイラル型膜エレメントである、分離膜モジュール。