JP7740239B2 - Hollow fiber membrane module - Google Patents
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Description
本発明は、中空糸膜モジュールに関する。 The present invention relates to a hollow fiber membrane module.
従来の中空糸膜モジュールにおいては、正浸透処理等の膜処理に用いられる際に、構造的にドロー溶液(DS)がフィード溶液(FS)側に漏出する虞がある。このようなDSの漏出は、膜処理の効率を低下させる。特に、高価な高分子系のDSを使用する場合、DS漏出は膜処理の運転コストを増大させる。そのため、漏出の防止策が必要である。 When conventional hollow fiber membrane modules are used in membrane processes such as forward osmosis, their structure means that the draw solution (DS) may leak into the feed solution (FS). Such DS leakage reduces the efficiency of the membrane process. In particular, when expensive polymer-based DS is used, DS leakage increases the operating costs of the membrane process. Therefore, measures to prevent leakage are necessary.
特許文献1(国際公開第2005/011850号)および特許文献2(特開2008-100127号公報)に開示される中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜エレメントの長手方向端部の外周面に設けられた凹部と透過流体収集部材の外周面に設けられた凹部との両方に嵌め込まれたスナップ(結合部材)によって、透過流体収集部材が中空糸膜エレメントの端部(端面)に当接した状態で固定されている。 In the hollow fiber membrane modules disclosed in Patent Document 1 (International Publication No. 2005/011850) and Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-100127), the permeate fluid collection member is fixed in abutment against the end (end face) of the hollow fiber membrane element by snaps (connecting members) fitted into both a recess provided on the outer surface of the longitudinal end of the hollow fiber membrane element and a recess provided on the outer surface of the permeate fluid collection member.
しかし、FO処理のように中空糸膜の中空部内と外側の圧力が同程度である場合、FOの実施中において、中空糸膜の中空部を流れる流体(DSまたはFS)の圧力が、中空糸膜の外側を流れる流体(FSまたはDS)の圧力よりも高くなる可能性がある。However, when the pressure inside and outside the hollow fiber membrane is the same, as in FO processing, the pressure of the fluid (DS or FS) flowing through the hollow fiber membrane may become higher than the pressure of the fluid (FS or DS) flowing outside the hollow fiber membrane during FO processing.
特許文献1および特許文献2に開示されるように透過流体収集部材と中空糸膜エレメントとがスナップで固定される中空糸膜モジュールでは、中空部内と中空糸膜の外側との圧力差が所定値を超えると、透過流体収集部材と中空糸膜エレメントの端部との間が離れて、それらの間に隙間が発生する虞がある(図4、図7参照)。隙間が生じるとDSとFSが直接接触することになり、DSがFS側に拡散する(漏出する)。 In hollow fiber membrane modules in which the permeate fluid collection member and hollow fiber membrane element are secured with snaps, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, if the pressure difference between the inside of the hollow portion and the outside of the hollow fiber membrane exceeds a predetermined value, the permeate fluid collection member and the end of the hollow fiber membrane element may separate, creating a gap between them (see Figures 4 and 7). When a gap is created, the DS and FS come into direct contact, causing the DS to diffuse (leak) toward the FS.
このように、特許文献1および特許文献2に開示される中空糸膜モジュールにおいても、DSまたはFSの漏出(DSとFSの直接接触)が生じる可能性があった。 As such, even in the hollow fiber membrane modules disclosed in Patent Documents 1 and 2, there was a possibility of leakage of DS or FS (direct contact between DS and FS).
したがって、本発明は、正浸透処理等の膜処理においてドロー溶液またはフィード溶液の漏出を防止することのできる中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a hollow fiber membrane module that can prevent leakage of draw solution or feed solution during membrane processes such as forward osmosis.
(1) 圧力容器と、
前記圧力容器内に配置された少なくとも1つの中空糸膜エレメントと、
前記中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定される集水キャップと、
を備える、中空糸膜モジュール。
(2) 前記集水キャップの内周面にOリング用の溝を設け、前記溝にOリングを設置することにより、前記集水キャップが前記中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定されている、(1)に記載の中空糸膜モジュール。
(3) 前記集水キャップは、前記中空糸膜エレメントの端部に設けられた外周リングの外周面に液密に固定されている、(1)または(2)に記載の中空糸膜モジュール。
(4) 正浸透処理用である、(1)~(3)のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
(5) 前記集水キャップは、外周面に前記圧力容器の長手方向に延びる凹部を有する、(1)~(4)のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
(6) 前記少なくとも1つの中空糸膜エレメントは、複数の中空糸膜エレメントであり、
前記複数の中空糸膜エレメントは、前記圧力容器内で直列に接続されている、(5)に記載の中空糸膜モジュール。
(7) 前記集水キャップの前記凹部は、隣接する2つの中空糸膜モジュールの中空糸膜の外部に連通する流路を形成する、(5)または(6)に記載の中空糸膜モジュール。
(1) a pressure vessel;
at least one hollow fiber membrane element disposed in the pressure vessel;
a water collecting cap fixed liquid-tightly to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element;
A hollow fiber membrane module comprising:
(2) The hollow fiber membrane module according to (1), wherein a groove for an O-ring is provided on the inner peripheral surface of the water collecting cap, and an O-ring is placed in the groove, so that the water collecting cap is fixed liquid-tightly to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element.
(3) The hollow fiber membrane module according to (1) or (2), wherein the water collecting cap is fixed in a liquid-tight manner to the outer peripheral surface of an outer ring provided at the end of the hollow fiber membrane element.
(4) The hollow fiber membrane module according to any one of (1) to (3), which is used for forward osmosis treatment.
(5) The hollow fiber membrane module according to any one of (1) to (4), wherein the water collecting cap has a recess on its outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the pressure vessel.
(6) The at least one hollow fiber membrane element is a plurality of hollow fiber membrane elements,
The hollow fiber membrane module according to (5), wherein the plurality of hollow fiber membrane elements are connected in series within the pressure vessel.
(7) The hollow fiber membrane module according to (5) or (6), wherein the recesses of the water collecting cap form flow paths that communicate with the outside of the hollow fiber membranes of two adjacent hollow fiber membrane modules.
本発明によれば、正浸透処理等の膜処理においてドロー溶液またはフィード溶液の漏出を防止することのできる中空糸膜モジュールを提供することができる。 The present invention provides a hollow fiber membrane module that can prevent leakage of draw solution or feed solution during membrane processes such as forward osmosis.
以下、本発明の中空糸膜モジュールの一例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ものである。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。 An example of a hollow fiber membrane module of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the drawings, the same reference symbols represent the same or corresponding parts. Furthermore, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth have been changed as appropriate to clarify and simplify the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
<中空糸膜モジュール>
中空糸膜モジュールは、
圧力容器と、
前記圧力容器内に配置された少なくとも1つの中空糸膜エレメントと、
前記中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定される集水キャップと、
を備える。
<Hollow fiber membrane module>
The hollow fiber membrane module is
A pressure vessel;
at least one hollow fiber membrane element disposed in the pressure vessel;
a water collecting cap fixed liquid-tightly to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element;
Equipped with.
以下、本実施形態の中空糸膜モジュールの一例として、複数の中空糸膜エレメントを含む中空糸膜モジュールについて説明する。 Below, we will describe a hollow fiber membrane module including multiple hollow fiber membrane elements as an example of a hollow fiber membrane module of this embodiment.
図1に示される中空糸膜モジュールは、
圧力容器1と、
圧力容器1内に配置された2つの中空糸膜エレメント4と、
2つの中空糸膜エレメント4の端部の外周面に液密に固定される集水キャップ31,32と、を備える。
2つの中空糸膜エレメント4は、圧力容器1内で直列に接続されている。
The hollow fiber membrane module shown in FIG.
a pressure vessel 1;
Two hollow fiber membrane elements 4 disposed in a pressure vessel 1;
and water collecting caps 31 and 32 fixed liquid-tightly to the outer peripheral surfaces of the ends of the two hollow fiber membrane elements 4.
The two hollow fiber membrane elements 4 are connected in series within the pressure vessel 1 .
(圧力容器)
圧力容器1は、長手方向の両端に設けられたフィード溶液(FS)の供給ポート10aと、FS(濃縮されたFS:濃縮液)の排出ポート10bと、を含み、また、長手方向の両端の側面に設けられたドロー溶液(DS)の供給ポート11aと、DS(希釈されたDS:希釈液)の排出ポート11bと、を含む。
(Pressure vessel)
The pressure vessel 1 includes a feed solution (FS) supply port 10a and a FS (concentrated FS: concentrate) discharge port 10b provided at both longitudinal ends, and also includes a draw solution (DS) supply port 11a and a DS (diluted DS: diluent) discharge port 11b provided at both longitudinal end sides.
なお、図1において、供給ポート10aおよび排出ポート10bは、圧力容器1を構成する壁部材13に設けられている。また、供給ポート11aおよび排出ポート11bは、圧力容器1の側面に設けられている。
また、図1では、2つの中空糸膜エレメント4が、2つの壁部材13,14の間に直列に配置されている。
1, the supply port 10a and the discharge port 10b are provided in a wall member 13 that constitutes the pressure vessel 1. The supply port 11a and the discharge port 11b are provided in the side surface of the pressure vessel 1.
In FIG. 1, two hollow fiber membrane elements 4 are arranged in series between two wall members 13 and 14 .
(中空糸膜エレメント)
中空糸膜エレメント4の各々は、
複数の中空糸膜と、
中空糸膜エレメント4の長手方向に設けられた二重芯管2と、を含む。
(Hollow fiber membrane element)
Each hollow fiber membrane element 4 has:
A plurality of hollow fiber membranes;
and a double core tube 2 provided in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane element 4.
二重芯管2は、多孔分配管21と、多孔分配管21の内部に配置された内管22と、を有する。
多孔分配管21の内壁と内管22の外壁とによって形成される外流路21aは、供給ポート11aおよび排出ポート11bに連通している。
The double core pipe 2 has a porous distribution pipe 21 and an inner pipe 22 disposed inside the porous distribution pipe 21 .
An outer flow passage 21a formed by the inner wall of the perforated distribution pipe 21 and the outer wall of the inner pipe 22 communicates with the supply port 11a and the discharge port 11b.
多孔分配管21は、複数の孔(図示せず)を有する管状体である。多孔分配管21により、例えば、供給ポート11aから中空糸膜モジュール内に供給されたドロー溶液は、外流路21aおよび複数の孔を介して、中空糸膜の外側へ分配される。なお、多孔分配管21において、複数の孔は、放射状に各方向に設けられていることが好ましい。The perforated distribution pipe 21 is a tubular body with multiple holes (not shown). For example, the perforated distribution pipe 21 distributes the draw solution supplied from the supply port 11a into the hollow fiber membrane module to the outside of the hollow fiber membranes via the outer flow path 21a and the multiple holes. It is preferable that the multiple holes in the perforated distribution pipe 21 be arranged radially in each direction.
内管22は、多孔分配管21の内部において、中空糸膜エレメント4の長手方向に設けられた配管である。内管22の内壁によって形成される内流路22aは、排出ポート10bに連通している。The inner pipe 22 is a pipe installed inside the perforated distribution pipe 21 in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane element 4. The inner flow path 22a formed by the inner wall of the inner pipe 22 is connected to the discharge port 10b.
複数の中空糸膜は、中空糸膜エレメント4内に配置された二重芯管2の周囲に配置される。多孔分配管21および複数の中空糸膜は、それらの両端で樹脂7によって互いに固定されている。
複数の中空糸膜の各々の内部(中空部)は、上流側で供給ポート10aに連通し、下流側で内流路22aに連通している。
The plurality of hollow fiber membranes are arranged around a double-core tube 2 disposed within a hollow fiber membrane element 4. The perforated distribution tube 21 and the plurality of hollow fiber membranes are fixed to each other at both ends by resin 7.
The interior (hollow portion) of each of the plurality of hollow fiber membranes communicates with the supply port 10a on the upstream side and with the inner flow path 22a on the downstream side.
なお、フィード溶液とは、正浸透処理等の膜処理の処理対象液であり、水と水以外の成分とを含む液体であれば特に限定されず、溶液および懸濁液のいずれであってもよい。フィード溶液としては、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。 The term "feed solution" refers to the liquid to be treated in membrane processes such as forward osmosis. It is not particularly limited as long as it contains water and components other than water, and may be either a solution or a suspension. Examples of feed solutions include seawater, brackish water, river water, lake water, industrial wastewater, and domestic wastewater.
ドロー溶液(DS)は、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。例えば、無機塩溶液、糖溶液、または、水に対する溶解度が高い気体(アンモニアや二酸化炭素など)、有機物、磁性体微粒子もしくは有機高分子などを含む液体が挙げられる。また、ドロー溶液中には、溶解していない成分が含まれていてもよい。The draw solution (DS) is a liquid containing a solute and is not particularly limited as long as it has a higher osmotic pressure than the feed solution. Examples include inorganic salt solutions, sugar solutions, and liquids containing gases with high solubility in water (such as ammonia or carbon dioxide), organic substances, magnetic fine particles, or organic polymers. The draw solution may also contain undissolved components.
(集水キャップ)
集水キャップ31,32は、中空糸膜エレメント4の端部の外周面に液密に固定される。
(Water collection cap)
The water collecting caps 31 and 32 are fixed to the outer peripheral surfaces of the ends of the hollow fiber membrane element 4 in a liquid-tight manner.
集水キャップ31,32の内周面にOリング用の溝31b,32bを設け、溝31b,32bにOリングを設置することにより、集水キャップが中空糸膜エレメントの端部の外周面(中空糸膜エレメント4の端部に設けられた外周リング41の外周面)に液密に固定されることが好ましい。
なお、外周リングとは、中空糸膜エレメントの端部の外周部に構成される環状の部材であり、その内部に複数の中空糸膜が封止固定される(特許文献2参照)。Oリングとしては、種々公知のゴム材料等からなるOリングを用いることができる。
It is preferable that grooves 31b, 32b for O-rings are provided on the inner surfaces of the water collection caps 31, 32, and O-rings are placed in the grooves 31b, 32b, so that the water collection caps are fixed liquid-tightly to the outer surface of the end of the hollow fiber membrane element (the outer surface of the outer ring 41 provided at the end of the hollow fiber membrane element 4).
The outer ring is an annular member formed on the outer periphery of the end of the hollow fiber membrane element, and multiple hollow fiber membranes are sealed and fixed inside it (see Patent Document 2). As the O-ring, O-rings made of various known rubber materials can be used.
通常、中空糸膜エレメントは円柱状の形状を有し、外周リングは環状の形状を有する。このため、集水キャップの内周面にOリング用の溝を設け、溝にOリングを設置することにより、集水キャップを中空糸膜エレメントの端部の外周面(外周リング41の外周面)に液密に固定することが、容易に実施可能である。 Typically, hollow fiber membrane elements have a cylindrical shape and the outer ring has an annular shape. Therefore, by providing a groove for an O-ring on the inner surface of the water collection cap and placing the O-ring in the groove, it is easy to liquid-tightly secure the water collection cap to the outer surface of the end of the hollow fiber membrane element (the outer surface of the outer ring 41).
集水キャップは、従来の集水板(例えば、特許文献1および2の透過流体収集部材)と同様に、複数の中空糸膜の中空部に連通する共通の流路を有している。このため、例えば、供給ポート10aから供給されるFSを集水キャップ31の孔311を介して複数の中空糸膜の中空部内に同時に供給したり、複数の中空糸膜の中空部内のFSを集めて集水キャップ32およびコネクター6の流路6b,6aを介して内流路22aに流したりすることができる。Similar to conventional water collection plates (e.g., the permeate fluid collection members of Patent Documents 1 and 2), the water collection cap has a common flow path that communicates with the hollow portions of multiple hollow fiber membranes. Therefore, for example, FS supplied from supply port 10a can be simultaneously supplied into the hollow portions of multiple hollow fiber membranes via holes 311 in water collection cap 31, or FS within the hollow portions of multiple hollow fiber membranes can be collected and passed through water collection cap 32 and flow paths 6b and 6a in connector 6 to inner flow path 22a.
なお、集水キャップ31の孔312は、中空糸膜エレメント4の内流路22aに連通する。集水キャップ31の孔313は、中空糸膜エレメント4の外流路21aに連通する。
コネクター6は、その中央部が集水キャップ32の孔321に嵌め込まれ、コネクター6の流路6cは、2つの中空糸膜エレメント4の外流路21aに連通する。
The hole 312 of the water collecting cap 31 communicates with the inner flow path 22a of the hollow fiber membrane element 4. The hole 313 of the water collecting cap 31 communicates with the outer flow path 21a of the hollow fiber membrane element 4.
The central portion of the connector 6 is fitted into the hole 321 of the water collecting cap 32 , and the flow path 6 c of the connector 6 communicates with the outer flow paths 21 a of the two hollow fiber membrane elements 4 .
さらに、本実施形態において、集水キャップ31,32は、キャップ状の形状を有し、中空糸膜エレメント4の外径より同程度またはやや大きい内径を有しているため、中空糸膜エレメント4の外周リングを含めた端部に被せて嵌めることができる。そして、集水キャップ31,32の内周面に設けられたOリングによって、集水キャップ31,32は、中空糸膜エレメント4の端部の外周面に液密に固定することができる。
このため、主に図2を参照して、中空部内の圧力が中空糸膜の外側よりも高くなり、集水キャップ31,32と中空糸膜エレメント4の端部との間が離れて、それらの間にある程度の隙間が発生した場合でも、集水キャップ31,32の内周面の溝31b,32bに設けられたOリングによるシールは維持され、中空糸膜の中空部と外側との間は液密に分離された状態が維持される。
Furthermore, in this embodiment, the water collecting caps 31, 32 have a cap-like shape and an inner diameter that is approximately the same as or slightly larger than the outer diameter of the hollow fiber membrane element 4, so that they can be fitted over the end portions, including the outer rings, of the hollow fiber membrane element 4. Then, O-rings provided on the inner peripheral surfaces of the water collecting caps 31, 32 allow the water collecting caps 31, 32 to be fixed liquid-tightly to the outer peripheral surfaces of the end portions of the hollow fiber membrane element 4.
Therefore, referring mainly to Figure 2, even if the pressure inside the hollow portion becomes higher than that outside the hollow fiber membrane, causing the water collection caps 31, 32 to separate from the ends of the hollow fiber membrane element 4 and creating a certain amount of gap between them, the seal provided by the O-rings provided in the grooves 31b, 32b on the inner surfaces of the water collection caps 31, 32 is maintained, and the hollow portion of the hollow fiber membrane and the outside are maintained in a liquid-tight separation state.
したがって、本実施形態の集水キャップは、従来の集水板とスナップの機能に加えて、さらにDSまたはFSの漏出を防止することが可能となる。 Therefore, in addition to the functions of a conventional water collection plate and snap, the water collection cap of this embodiment can also prevent leakage of DS or FS.
2つの中空糸膜エレメント4の間(連結部)に用いられる集水キャップ32、および、DSの排出ポート11b側(出口側)に用いられる集水キャップ31は、外周面に圧力容器の長手方向に延びる凹部31c,32cを有することが好ましい(図4~図6参照)。集水キャップ31,32の凹部31c,32cにより、圧力容器1の内壁の内側に、隣接する2つの中空糸膜エレメント4の中空糸膜の外部に連通する流路1aを形成することができ、また、中空糸膜エレメント4の中空膜の外側と排出ポート11bとに連通する流路1bを形成することができる。これにより、中空糸膜モジュール内で中空糸膜エレメント4の中空膜の外側に連通する流路を容易に確保することができる。 The water collection cap 32 used between two hollow fiber membrane elements 4 (connection portion) and the water collection cap 31 used on the discharge port 11b side (outlet side) of the DS preferably have recesses 31c, 32c on their outer surfaces extending in the longitudinal direction of the pressure vessel (see Figures 4 to 6). The recesses 31c, 32c of the water collection caps 31, 32 allow flow path 1a to be formed inside the inner wall of the pressure vessel 1, which communicates with the outside of the hollow fiber membranes of two adjacent hollow fiber membrane elements 4, and also allow flow path 1b to be formed, which communicates with the outside of the hollow membranes of the hollow fiber membrane elements 4 and the discharge port 11b. This makes it easy to ensure a flow path communicating with the outside of the hollow membranes of the hollow fiber membrane elements 4 within the hollow fiber membrane module.
本実施形態においては、集水キャップ31,32を中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定することにより、必ずしも中空糸膜エレメント4と圧力容器1との間をOリング等でシールして中空糸膜エレメント4を固定する必要がないため、このような流路1a,1bを設けることが可能である。すなわち、図10に示されるように、中空糸膜エレメント4が圧力容器1の内周面にOリング8によってシールされた状態で固定されている場合、圧力容器1と中空糸膜エレメント4との間に流路を設けることはできない。In this embodiment, by fixing the water collection caps 31, 32 liquid-tightly to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element, it is not necessary to fix the hollow fiber membrane element 4 by sealing the gap between the hollow fiber membrane element 4 and the pressure vessel 1 with an O-ring or the like, and therefore it is possible to provide such flow paths 1a, 1b. In other words, as shown in Figure 10, if the hollow fiber membrane element 4 is fixed to the inner peripheral surface of the pressure vessel 1 in a sealed state with an O-ring 8, it is not possible to provide a flow path between the pressure vessel 1 and the hollow fiber membrane element 4.
なお、図1等に示される中空糸膜モジュールにおいて、供給ポート11a側(入口側)に用いられる集水キャップ31においては、凹部31cは設けられていない。そして、供給ポート11a側(入口側)に用いられる集水キャップ31の外周面に設けられた溝31aにはOリングが設置され、集水キャップ31の外壁と圧力容器1の内壁とがシールされている。ただし、中空糸膜モジュールの入口側の構造によっては、凹部31cを設けてもかまわない。 In the hollow fiber membrane module shown in Figure 1, etc., the water collection cap 31 used on the supply port 11a side (inlet side) does not have a recess 31c. An O-ring is installed in the groove 31a on the outer surface of the water collection cap 31 used on the supply port 11a side (inlet side), sealing the outer wall of the water collection cap 31 and the inner wall of the pressure vessel 1. However, depending on the structure of the inlet side of the hollow fiber membrane module, a recess 31c may be provided.
集水キャップ31,32、コネクター6および外周リング41を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料が好適に用いられる。
樹脂材料としては、例えば、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリアセタール(POM)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)樹脂、繊維強化樹脂(FRP)などが挙げられる。
The materials for forming the water collecting caps 31, 32, the connector 6 and the outer ring 41 are not particularly limited, but for example, a resin material is preferably used.
Examples of resin materials include polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene ether (PPE), polyacetal (POM), polyvinyl chloride (PVC), polyether ether ketone (PEEK), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) resin, and fiber reinforced plastic (FRP).
図8を参照して、従来の中空糸膜モジュールに用いられる外周リング42(図8(a))のように、スナップやOリング用の切り欠きが設けられていた。このような外周リング42の強度は、この切り欠き部において弱くなるため、外周リング42の厚みを厚くする必要があった。これに対して、本実施形態で用いられる外周リング41(図8(b))は、切り欠き部が必要ないフラット型であるため、従来の切り欠き型の外周リング42に比べて、厚みを薄くすることができる。外周リング41の厚みを薄くすることにより、同じ外径でも、外周リング41の内径D2は、従来の外周リング42の内径D1より大きくすることができる。これにより、中空糸膜モジュール当りの中空糸膜の充填量(本数)を増加させ、中空糸膜の総膜面積を増加させることができるため、膜処理の効率を向上させることができる。 Referring to Figure 8, the outer ring 42 (Figure 8(a)) used in conventional hollow fiber membrane modules has notches for snaps or O-rings. Because the strength of such outer rings 42 is weakened at the notches, the outer ring 42 had to be thickened. In contrast, the outer ring 41 (Figure 8(b)) used in this embodiment is flat, eliminating the need for notches, and therefore can be thinner than the conventional notched outer ring 42. By reducing the thickness of the outer ring 41, the inner diameter D2 of the outer ring 41 can be larger than the inner diameter D1 of the conventional outer ring 42, even with the same outer diameter. This increases the packing amount (number) of hollow fiber membranes per hollow fiber membrane module and the total membrane area of the hollow fiber membranes, thereby improving the efficiency of membrane processing.
(中空糸膜モジュールの全体構成等)
本実施形態において、中空糸膜モジュールは、正浸透(FO)処理用であることが好ましい。上述のとおり、FO処理のように中空糸膜の中空部内と外側の圧力が同程度である場合に、特にドロー溶液(DS)またはフィード溶液(FS)の漏出が生じる可能性があるため、DSまたはFSの漏出を防止することのできる本実施形態の中空糸膜モジュールは有用である。
(Overall configuration of hollow fiber membrane module, etc.)
In this embodiment, the hollow fiber membrane module is preferably used for forward osmosis (FO) treatment. As described above, when the pressure inside and outside the hollow fiber membrane is approximately the same, as in FO treatment, leakage of the draw solution (DS) or feed solution (FS) may occur. Therefore, the hollow fiber membrane module of this embodiment, which can prevent leakage of the DS or FS, is useful.
主に図1を参照して、ドロー溶液(DS)は、供給ポート11aから供給され、多孔分配管21の外流路21aを通過して、多孔分配管の複数の孔から中空糸膜の外側に供給される。中空糸膜の外側を中空糸膜エレメント4の径方向外側に流れて通過したDSは、流路1a,1bを経由して排出ポート11bから排出される。
また、一部のDSは、供給ポート11a側(入口側)の外流路21aからコネクター6の流路6c(図7参照)を通過して排出ポート11b側(出口側)の外流路21aへ供給され、出口側の中空糸膜エレメント4の中空糸膜の外側に供給される。出口側の中空糸膜エレメント4の中空糸膜の外側を中空糸膜エレメント4の径方向外側に流れて通過したDSは、流路1bを経由して排出ポート11bから排出される。
なお、図7においては、2つの流路6cを有するコネクター6が示されているが、流路6cの数は3つ以上(例えば、4つ)であってもよく、特に限定されない。
1, the draw solution (DS) is supplied from the supply port 11a, passes through the outer flow path 21a of the perforated distribution pipe 21, and is supplied to the outside of the hollow fiber membranes through the multiple holes in the perforated distribution pipe 21. The DS flows outside the hollow fiber membranes toward the outside in the radial direction of the hollow fiber membrane element 4 and passes through the flow paths 1a and 1b, and is discharged from the discharge port 11b.
Furthermore, some of the DS passes through the flow path 6c (see FIG. 7) of the connector 6 from the outer flow path 21a on the supply port 11a side (inlet side) and is supplied to the outer flow path 21a on the discharge port 11b side (outlet side), and is supplied to the outside of the hollow fiber membranes of the outlet-side hollow fiber membrane element 4. The DS that passes by flowing outside the hollow fiber membranes of the outlet-side hollow fiber membrane element 4 to the outside in the radial direction of the hollow fiber membrane element 4 is discharged from the discharge port 11b via flow path 1b.
Although FIG. 7 shows a connector 6 having two flow paths 6c, the number of flow paths 6c may be three or more (for example, four) and is not particularly limited.
一方、フィード溶液(FS)は、供給ポート10aから供給され、中空糸膜の開口端から中空糸膜の内部(中空部)に流出する。さらに、FSは、コネクター6の流路6a,6b(分岐流路)を介して(図7参照)、内管22の内流路22aに流入する。その後、内流路22a内のFSは、排出ポート10bから排出される。
なお、図1のコネクター6の部分は、コネクター6の機能を模式的に示す図であり、図7に示されるコネクター6の正確な断面図ではない。
On the other hand, a feed solution (FS) is supplied from the supply port 10a and flows out from the open end of the hollow fiber membrane into the interior (hollow portion) of the hollow fiber membrane. The FS then flows into the inner flow path 22a of the inner tube 22 via the flow paths 6a and 6b (branch flow paths) of the connector 6 (see Figure 7). The FS in the inner flow path 22a is then discharged from the discharge port 10b.
1 is a diagram showing the connector 6 in a schematic manner, and is not an accurate cross-sectional view of the connector 6 shown in FIG.
図1においては、供給ポート10aおよび排出ポート10bは、中空糸膜エレメント4の長手方向の両端に設けられているが、このような形態に限定されない。また、図1において、供給ポート10aおよび排出ポート10b、圧力容器1の端面に設けられているが、このような形態に限定されず、例えば、圧力容器1の外周面に設けられていてもよい。 In Figure 1, the supply port 10a and the discharge port 10b are provided at both longitudinal ends of the hollow fiber membrane element 4, but this is not limited to this configuration. Also, in Figure 1, the supply port 10a and the discharge port 10b are provided on the end face of the pressure vessel 1, but this is not limited to this configuration and they may be provided on the outer peripheral surface of the pressure vessel 1, for example.
また、図1において、供給ポート11aおよび排出ポート11b、圧力容器1の外周面に設けられているが、このような形態に限定されず、例えば、圧力容器1の端面に設けられていてもよい。 In addition, in Figure 1, the supply port 11a and the discharge port 11b are provided on the outer peripheral surface of the pressure vessel 1, but this is not limited to this configuration and may be provided, for example, on the end surface of the pressure vessel 1.
本実施形態で用いられる中空糸膜を構成する半透膜としては、例えば、逆浸透膜(RO膜)、正浸透膜(FO膜)、ナノろ過膜(NF膜)、限外ろ過膜(UF膜)と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、フィード溶液の圧力は、好ましくは0.1~10.0MPaであり、より好ましくは0.5~9.0MPaである。 Examples of the semipermeable membrane constituting the hollow fiber membrane used in this embodiment include semipermeable membranes known as reverse osmosis membranes (RO membranes), forward osmosis membranes (FO membranes), nanofiltration membranes (NF membranes), and ultrafiltration membranes (UF membranes). Semipermeable membranes are preferably reverse osmosis membranes, forward osmosis membranes, or nanofiltration membranes. When using reverse osmosis membranes, forward osmosis membranes, or nanofiltration membranes as semipermeable membranes, the pressure of the feed solution is preferably 0.1 to 10.0 MPa, and more preferably 0.5 to 9.0 MPa.
通常、RO膜およびFO膜の孔径は約2nm以下であり、UF膜の孔径は約2~100nmである。NF膜は、RO膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、NF膜の孔径は約1~2nmである。半透膜としてRO膜、FO膜またはNF膜を用いる場合、RO膜またはFO膜、NF膜の塩除去率は好ましくは90%以上である。Typically, RO and FO membranes have pore sizes of approximately 2 nm or less, while UF membranes have pore sizes of approximately 2 to 100 nm. NF membranes have a relatively low rejection rate for ions and salts compared to RO membranes, and typically have pore sizes of approximately 1 to 2 nm. When using RO, FO, or NF membranes as semipermeable membranes, the salt rejection rate of the RO, FO, or NF membrane is preferably 90% or higher.
半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリビニルアルコール系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。 The material that constitutes the semipermeable membrane is not particularly limited, but examples include cellulose-based resin, polysulfone-based resin, polyamide-based resin, and polyvinyl alcohol-based resin. It is preferable that the semipermeable membrane be made of a material that contains at least one of a cellulose-based resin and a polyvinyl alcohol-based resin.
セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。The cellulose-based resin is preferably a cellulose acetate-based resin. Cellulose acetate-based resins are resistant to chlorine, a disinfectant, and have the ability to inhibit the growth of microorganisms. The cellulose acetate-based resin is preferably cellulose acetate, and from the standpoint of durability, cellulose triacetate is more preferred.
ポリビニルアルコール系樹脂は、好ましくは架橋ポリビニルアルコール樹脂である。 The polyvinyl alcohol resin is preferably a cross-linked polyvinyl alcohol resin.
中空糸膜としては、単層構造および同一または異なる素材からなる複合構造の膜が挙げられる。膜構造は、膜表面近傍に緻密層を有する不均質(非対称)構造でもよいし、膜厚方向の構造均質性が高い均質構造でもよい。例えば、正浸透処理に用いる場合は、前者のような構造が好ましい。具体的には、緻密層(分離活性層)を薄く緻密なものとすることにより塩の分離性を高めるとともに、支持層部の濃度分極を低減できるように非対称性を高めた膜を用いるのが好ましい。Hollow fiber membranes include single-layer and composite membranes made of the same or different materials. The membrane structure may be heterogeneous (asymmetric) with a dense layer near the membrane surface, or homogeneous with high structural uniformity across the membrane thickness. For example, the former structure is preferred when used for forward osmosis. Specifically, it is preferable to use a membrane with a thin and dense dense layer (separation active layer) to enhance salt separation and to increase asymmetry so as to reduce concentration polarization in the support layer.
中空糸膜の径は、逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、内径が50~1000μm、外径が100~1500μmである。ただし、本実施形態において、中空糸膜には、内径が1mm以上の比較的大きい内径を有する中空糸状(チューブラー形状と呼ばれることもある)の半透膜も含まれる。 The diameter of the hollow fiber membrane is not particularly limited as long as it is suitable for use in membrane processes such as reverse osmosis and forward osmosis. For example, the inner diameter is 50 to 1,000 μm, and the outer diameter is 100 to 1,500 μm. However, in this embodiment, hollow fiber membranes also include semipermeable membranes in the shape of hollow fibers (sometimes called tubular shapes) with a relatively large inner diameter of 1 mm or more.
中空糸膜の中空率は、逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、15~65%である。中空率が上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、中空率が上記範囲より大きいと、浸透処理の際に十分な耐圧性を確保できない可能性がある。なお、中空率(%)は式:[中空率(%)=(内径/外径)2×100]により求めることができる。 The hollow fiber membrane's hollowness is not particularly limited as long as it is suitable for use in membrane processes such as reverse osmosis and forward osmosis, but is, for example, 15 to 65%. If the hollowness is less than this range, the flow pressure loss in the hollow portion increases, and the desired amount of permeated water may not be obtained. If the hollowness is greater than this range, sufficient pressure resistance may not be ensured during the osmosis process. The hollowness (%) can be calculated using the formula: [hollowness (%) = (inner diameter/outer diameter) 2 × 100].
なお、中空糸膜エレメントは、スパイラル型の平膜を用いたスパイラルエレメントと比べて、エレメント当たりの膜面積が大きい。このため、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フィード溶液によって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することができる。さらに、モジュール内の偏流が生じにくいため、浸透効率を高めることができる点で有利である。 Hollow fiber membrane elements have a larger membrane area per element than spiral elements using spiral-wound flat membranes. For this reason, hollow fiber membranes require a significantly smaller throughput per unit membrane area to achieve the same water permeation rate, and compared to spiral elements, they can reduce membrane surface fouling caused by feed solution and extend the operating time before membrane cleaning. Furthermore, they are less likely to experience drift within the module, which is advantageous in that they can increase permeation efficiency.
複数の中空糸膜は、芯管の周りに中空糸膜または中空糸膜の束を螺旋状に巻上げることによって、中空糸膜が半径方向に積層されることにより形成された中空糸膜巻上げ体であることが好ましい。中空糸膜巻上げ体では、中空糸膜は交差状に配置される場合もある。一般的に、交差配置を取ることにより、中空糸膜の交差部に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く、圧力損失の増大が生じにくくなる。 The multiple hollow fiber membranes are preferably a hollow fiber membrane roll formed by spirally winding a hollow fiber membrane or a bundle of hollow fiber membranes around a core tube, thereby stacking the hollow fiber membranes radially. In a hollow fiber membrane roll, the hollow fiber membranes may be arranged in a crossing pattern. Generally, a crossing pattern results in regular voids being formed at the intersections of the hollow fiber membranes. The presence of these regular voids reduces the likelihood of undissolved components or particulate components in the fluid flowing outside the hollow fiber membranes being trapped between the hollow fiber membranes, reducing the likelihood of increased pressure loss.
中空糸膜巻上げ体は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、特許4412486号公報、特許4277147号公報、特許3591618号公報、特許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、多孔分配管にトラバースさせながら巻き付ける。このときの多孔分配管の長さおよび回転速度、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。 Wound hollow fiber membrane bodies can be manufactured using conventional methods. For example, as described in Japanese Patent Publication Nos. 4412486, 4277147, 3591618, and 3008886, 45 to 90 or more hollow fiber membranes are assembled into a single hollow fiber membrane assembly, and then multiple hollow fiber membrane assemblies are arranged horizontally to form a flat hollow fiber membrane bundle, which is then wound around a perforated distribution pipe while traversing it. By adjusting the length and rotation speed of the perforated distribution pipe and the traverse speed of the hollow fiber membrane bundle, the wound body is wound up so that an intersection is formed on the circumferential surface at a specific position.
また、中空糸膜エレメント4は、例えば、中空糸膜および芯管の両端を外周リングで拘束し、樹脂で封止した後、樹脂の一部を切断し中空糸膜の両端部を開口させることで製造できる。例えば、上記の中空糸膜巻上げ体を、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、中空糸膜の両端に開口を有する中空糸膜エレメントを作製することができる。 The hollow fiber membrane element 4 can also be manufactured by, for example, restraining both ends of the hollow fiber membrane and core tube with an outer ring, sealing them with resin, and then cutting part of the resin to open both ends of the hollow fiber membrane. For example, the length and position of the intersection of the above-mentioned hollow fiber membrane roll can be adjusted, cut at a predetermined position, and the ends of the roll can be glued together, followed by cutting both sides to produce a hollow fiber membrane element with openings on both ends of the hollow fiber membrane.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
実施例1の中空糸膜モジュールとして、図1等に示される実施形態と同様の2本の中空糸膜エレメント(東洋紡社製、三酢酸セルロース製試作FOエレメント)を収納してなる中空糸膜モジュールが用意された。中空糸膜エレメントの詳細は以下のとおりである。
エレメント外径:10インチ
中空糸外径:230μm
中空糸内径:140μm
エレメント全長:1310mm
エレメント有効長:1150mm
有効膜面積(中空糸外径基準):550m2
中空糸膜の充填率:55%
なお、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%
Example 1
As the hollow fiber membrane module of Example 1, a hollow fiber membrane module containing two hollow fiber membrane elements (prototype FO elements made of cellulose triacetate, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) similar to the embodiment shown in Fig. 1 etc. was prepared. Details of the hollow fiber membrane elements are as follows.
Element outer diameter: 10 inches Hollow fiber outer diameter: 230 μm
Hollow fiber inner diameter: 140 μm
Element total length: 1310 mm
Element effective length: 1150 mm
Effective membrane area (based on hollow fiber outer diameter): 550 m2
Filling rate of hollow fiber membrane: 55%
The filling rate of the hollow fiber membrane was calculated using the following formula.
Filling rate (%) = π × (outer diameter of hollow fiber membrane) 2 /4 (m 2 ) × total length of hollow fiber membrane (m) / volume of hollow fiber membrane roll (m 3 ) × 100%
(比較例1)
比較例1の中空糸膜モジュールとして、2本の中空糸膜エレメント(東洋紡社製、三酢酸セルロース製試作FOエレメント)を収納してなる中空糸膜モジュールが用意された。比較例1の中空糸膜モジュールは、図9等に示されるように、集水板33,34と中空糸膜エレメント4とがスナップ5で固定される点で、実施例1の中空糸膜モジュールとは異なる。それ以外の点は実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
A hollow fiber membrane module containing two hollow fiber membrane elements (prototype FO elements made of cellulose triacetate, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was prepared as the hollow fiber membrane module of Comparative Example 1. As shown in Figure 9 etc., the hollow fiber membrane module of Comparative Example 1 differs from the hollow fiber membrane module of Example 1 in that the water collecting plates 33, 34 and the hollow fiber membrane element 4 are fixed with snaps 5. In other respects, it is the same as Example 1.
<評価試験>
実施例1および比較例1の中空糸膜モジュールについて、以下の条件で正浸透処理を実施した。
中空糸膜の中空部に供給するFS:3.5%-NaCl溶液
FSの入口流量:15L/分
FSの入口温度:30℃
中空糸膜の外側に供給するDS:75wt%(アデカプルロニック(登録商標) 17R-4、ADEKA株式会社)
DSの入口流量:10L/分
DSの入口温度:30℃
<Evaluation test>
The hollow fiber membrane modules of Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to forward osmosis treatment under the following conditions.
FS supplied to the hollow part of the hollow fiber membrane: 3.5% NaCl solution FS inlet flow rate: 15 L/min FS inlet temperature: 30°C
DS supplied to the outside of the hollow fiber membrane: 75 wt% (ADEKA Pluronic (registered trademark) 17R-4, ADEKA Corporation)
DS inlet flow rate: 10 L/min DS inlet temperature: 30°C
正浸透処理を開始してから10分後に、FO性能を測定すると共に濃縮FSサンプルを採取し、濃縮FSサンプルを希釈せず、JIS K 0102の22.2(燃焼酸化-赤外線自動計測法)に従いTOC(全有機体炭素)を測定した。これにより、FS中に漏出したDS中の溶質量が分かるため、得られたTOCの測定値から、膜面積当たりのDS-BF比(DSの流量に対するDSの漏出量の比)を算出した。結果を表1に示す。 10 minutes after the start of forward osmosis treatment, FO performance was measured and a concentrated FS sample was taken. Without diluting the concentrated FS sample, TOC (total organic carbon) was measured according to JIS K 0102, Section 22.2 (Combustion Oxidation - Infrared Automatic Measurement Method). This determined the amount of solute in DS that leaked into the FS, and the DS-BF ratio (ratio of DS leakage to DS flow rate) per membrane area was calculated from the obtained TOC measurement value. The results are shown in Table 1.
表1に示される結果から、実施例1では比較例1よりも膜面積当たりのDS-BF比が大きく低下することが分かる。このことから、実施例1の中空糸膜モジュールは、比較例1に比べてDSの漏出が抑制されていることが分かる。 The results shown in Table 1 show that the DS-BF ratio per membrane area is significantly lower in Example 1 than in Comparative Example 1. This shows that the hollow fiber membrane module of Example 1 suppresses DS leakage compared to Comparative Example 1.
今回開示された実施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。The embodiments and examples disclosed herein should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 圧力容器、1a 流路、10a 供給ポート、10b 排出ポート、11a 供給ポート、11b 排出ポート、13,14 壁部材、2 二重芯管、21 多孔分配管、21a 外流路、22 内管、22a 内流路、31,32 集水キャップ、31a,31b,32a,32b 溝、31c,32c 凹部、311,312,313,321 孔、4 中空糸膜エレメント、41,42 外周リング、5 スナップ、6 コネクター、6a,6b,6c 流路、7 樹脂、8 Oリング。1 Pressure vessel, 1a Flow path, 10a Supply port, 10b Discharge port, 11a Supply port, 11b Discharge port, 13, 14 Wall member, 2 Double core pipe, 21 Perforated distribution pipe, 21a Outer flow path, 22 Inner pipe, 22a Inner flow path, 31, 32 Water collection cap, 31a, 31b, 32a, 32b Groove, 31c, 32c Recess, 311, 312, 313, 321 Hole, 4 Hollow fiber membrane element, 41, 42 Outer ring, 5 Snap, 6 Connector, 6a, 6b, 6c Flow path, 7 Resin, 8 O-ring.
Claims (6)
前記圧力容器内に配置された少なくとも1つの中空糸膜エレメントと、
前記中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定される集水キャップと、
を備え、
前記圧力容器は、フィード溶液の供給ポート、前記フィード溶液の排出ポート、ドロー溶液の供給ポート、および前記ドロー溶液の排出ポートを含み、
前記集水キャップの内周面にOリング用の溝を設け、前記溝にOリングを設置することにより、前記集水キャップが前記中空糸膜エレメントの端部の外周面に液密に固定されている、中空糸膜モジュール。 A pressure vessel;
at least one hollow fiber membrane element disposed in the pressure vessel;
a water collecting cap fixed liquid-tightly to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element;
Equipped with
the pressure vessel includes a feed solution inlet port, a feed solution outlet port, a draw solution inlet port, and a draw solution outlet port;
a groove for an O-ring is provided on the inner peripheral surface of the water collecting cap, and an O-ring is placed in the groove, thereby liquid-tightly fixing the water collecting cap to the outer peripheral surface of the end of the hollow fiber membrane element .
前記複数の中空糸膜エレメントは、前記圧力容器内で直列に接続されている、請求項4に記載の中空糸膜モジュール。 the at least one hollow fiber membrane element is a plurality of hollow fiber membrane elements,
The hollow fiber membrane module according to claim 4 , wherein the plurality of hollow fiber membrane elements are connected in series within the pressure vessel.
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