JPH047252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

＜利用分野＞ 本発明は膜分離技術に関するものである。さら
に詳細には、本発明は流体混合物から特定成分の
濃度が高められた流体を分離するために利用でき
る流体分離エレメントを収納した流体分離装置を
提供するものである。特に大気から酸素濃度の高
められた酸素富化空気を得るために適した酸素富
化エレメントを収納した酸素富化装置を提供する
ものである。 ＜従来技術＞ 近年、逆浸透、限外濾過、透析等の分野で膜分
離技術の発展が著しく、その膜モジユールとして
中空糸型、平板型、スパイラル型等が用途に応じ
て用いられている。本発明は、平板型膜モジユー
ルを構成する流体分離エレメント及びそれを用い
た流体分離装置の改良を行なつたものである。 一般に平板型モジユールとしては、支持板上に
透過流体通過用のスペーサーを配し、その上に流
体分離膜を重ねたものからなる所謂流体分離エレ
メントを原料流体通過用スペーサーを介して多層
に積層したものが用いられる。ここで支持板と流
体分離膜を完全にシールして分離効率を低下させ
ないようにすることが非常に重要であり、これま
ではシール用パツキングを挿入して圧縮固定して
シールする方法や接着剤を用いて接着シールする
方法が用いられていた。しかしながら、シール用
パツキングを用いる方法ではシールの不完全が発
生しやすい欠点があり、また接着剤を用いて接着
シールする方法では挿入した透過流体通過用スペ
ーサーと共に接着するために膜裏面との接着が困
難であり且つ接着剤が広がる巾が不均一になりや
すく狭すぎるとシール不良を発生し広すぎると有
効膜面積が少なくなるという問題点があり、その
改良が強く望まれていた。 ＜発明の目的＞ 本発明は、かかる従来の平板型モジユールを用
いた流体分離装置の欠点を改良することを目的と
したものである。更に詳細にはその流体分離エレ
メントにおける支持板と分離膜の接着シールを確
実なものとすること、使用する接着剤の量を減少
せしめること、接着剤層の巾を比較的均一に且つ
狭くすること等の改良を目的としたものである。 ＜発明の構成＞ 本発明者等は、かかる目的を達成すべく鋭意研
究した結果、従来方式のように接着剤層の全面に
透過流体通過用スペーサーを配するのではなく
て、接着帯域の内側に該スペーサーの端部を挿入
した状態で接着シールすることが有効であること
を見い出し、本発明に到達した。 即ち本発明は、流体混合物から特定成分を選択
的に透過し得る選択透過膜、支持板、該選択透過
膜と支持板の間に位置した透過流体通過用スペー
サー及び透過流体取出口を具備した多数の流体分
離エレメントを圧縮性部材からなる源流流体通過
用スペーサーを介して積層状に配列せしめたモジ
ユールと、該選択透過膜面上に流体混合物を供給
する手段と、該エレメントの内側空間圧力をその
外側空間圧力よりも低くせしめる手段と、該選択
透過膜を透過した流体を該エレメント内側空間よ
り取り出す手段を有した流体分離装置において、
該流体分離エレメントの選択透過膜の周囲を接着
剤によつて該支持板に接着シールせしめた接着帯
域の内端から実質上1/4の領域内に該透過流体通
過用スペーサー端部の大部分が配されて共に接着
されており、且つ原料流体通過用スペーサーが軟
質ゴム、軟質フオーム及び軟質スポンジの群から
選ばれる軟質の圧縮性部材からなるものであるこ
とを特徴とした流体分離装置を、提供するもので
ある。 以下本発明について図面を用いて更に詳細に説
明する。まず本発明における流体分離エレメント
は、その具体例の１つとして示す第１図（エレメ
ントの平面図）及び第２図（接着部の断面図）の
ように、支持板２の上に透過流体通過用スペーサ
ー（エレメントの内側に位置することから、以下
において内側スペーサーとも記載する。）５を重
ね、さらにその上に選択透過膜１を重ねた状態で
その周囲を接着剤により接着シールせしめたもの
であつて、該接着剤の分布状態と内側スペーサー
の端部７が特定の位置関係にあることを特徴とす
るものである。即ち該エレメントにおける内側ス
ペーサーの端部と大部分は、接着剤の存在する帯
状領域６の内側に位置するものであり、更に好ま
しくは該接着剤の帯状領域の内側半分の領域に実
質上位置し、特に好ましくは該接着剤の帯状領域
の内端から1/4の領域に実質上位置するようにし
たものである。尚ここで実質上とは上記の如く特
定した領域内に内側スペーサーの外周端部７の大
部分が位置することを意味する。尚内側スペーサ
ーの外周端部７が接着部の内側端部よりも内側に
位置することのない方が、膜のめり込み等がない
ので実用上好ましい。 更に本発明の流体分離エレメントには、第１図
の透過流体取出口３に例示される如く、選択透過
膜を透過して特定成分の濃度の高められた流体を
内側スペーサーを通過せしめ、その内部空間から
取出すための外部空間へ導通せしめた透過流体取
出口が具備されている。 また本発明の流体分離エレメントの好ましい態
様は、第１，２図にも例示する如く、それを多層
に積層せしめて流体分離モジユールとする場合に
膜表面に原料流体を通過せしめるために必要とさ
れる原料流体通過用スペーサー（エレメントの外
側に位置することから、以下において外側スペー
サーとも記す。）４として、圧縮性部材を上記接
着部における選択透過膜面上の一部に付着せしめ
ることである。接着部における接着剤層の厚みが
均一であれば外部スペーサーとして非圧縮性部材
からなるものを用いることもできるが、圧縮部材
からなる外部スペーサーを用いると該接着剤層の
厚みが均一な場合は無論のこと不均一な厚みの場
合でも、そのエレメントを多層に積層したモジユ
ールにおいて安定なものが得やすい利点がある。
かかる圧縮性部材としては、例えば軟質天然ゴ
ム、シリコーンゴム、軟質のスチレン・ブタジエ
ンゴム、クロロプレンゴム等の軟質ゴム、フオー
ムラバー、ウレタンフオーム、ビニルフオーム、
ポリスチレンフオーム、ポリエチレンフオーム等
の軟質フオーム、フエノール樹脂スポンジ、尿素
樹脂スポンジ等の軟質スポーンジ、及びコルク、
フエルトなどがあげられる。なかでも本発明の圧
縮性部材として好ましく用いられるものは、クロ
ロプレンゴム、クロロプレンゴムフオーム、ポリ
スチレンフオーム、ポリエチレンフオームなどで
ある。尚、外側スペーサを膜面に付着せしめる場
合の付着形態はいかなるものであつてもよく、例
えば両面テープやシリコーン系等の接着剤（第１
図の４−ａ）を用いる方法があげられる。 また本発明の流体分離エレメントの好ましい態
様として、接着部６の内側スペーサ２が存在しな
い部分における接着材のみからなる層の厚みが、
該内側スペーサーの厚みの0.5〜1.5倍の範囲にあ
ること、特に好ましくは該内側スペーサーの厚み
に実質上等しいことがあげられる。かかる条件が
満たされていることによつて、接着部の内側端部
や該スペーサーの外周端部における厚みの変化が
小さく、内側スペーサーの上に重ねられた選択透
過性膜が使用時において該スペーサー面に押しつ
けられた場合に膜面に凹凸が発生しにくく、該膜
性能を維持したままで長期間にわたつて安定に運
転することが可能である。 尚本発明における流体分離エレメントに用いら
れる選択透過膜１としては、液体や気体の混合物
から特定成分を選択的に透過し得るものであれば
いかなるものでもよい。その具体的な形状として
は、選択透過性能を有した平膜のみからなるも、
該選択透過性能を有した平膜を他のシート状多孔
質基材上に成型せしめたもの等があげられる。例
えば空気中から酸素を選択的に透過せしめる酸素
選択透過膜の場合の具体例として、ポリ４−メチ
ルペンテン−１又はそれと他のポリオレフインや
ビニルシラン、アリルシラン等の共重合体などの
ポリオレフイン系の極簿膜１−ａを、不織布や織
布上１−ｃに成型せしめたポリスルホン多孔質１
−ｃ上あるいはポリプロピレン多孔質の平膜上に
積層せしめた積層膜があげられる。 本発明の支持板とはエレメントの形態を保ち、
その内部空間を外部空間と気密あるいは液密状に
分離する機能を有するものである。尚本発明のエ
レメントは、支持板の両面に各々内部スペーサー
と選択透過膜を積層し接着成型せしめた形態のも
のであつてもよく、その場合には支持板の機能を
主にエレメントの形態保持となる。支持板の片面
に内部スペーサーと膜を積層・接着成型したもの
の場合の支持体の具体例としては、アルミ板、ジ
ユラルミン板、鉄板等の金属板、あるいはポリプ
ロピレン板、硬質塩ビ板、FR−PET板、不飽和
ポリエステル板等のプラスチツク板等があげら
れ、それ表面は平坦であつても凹凸が存在するも
のであつてもよい。支持板の両面側に積層・接着
成型したものの場合の支持体の具体例には、エレ
メントの形態を保持し得る範囲で上記支持板の内
部の少なくとも一部をくり抜いたものやステンレ
ス金網、ポリプロピレン多孔板等があげられる。 さらに本発明の内側スペーサーとしては、透過
流体が流通し得る空間が形成されるシート状部材
であれば特に限定されるものではなく、その好ま
しい形態の１例としてネツト状部材があげられ
る。かかるネツト材としては、目のあらい凹凸形
状を有するものが好ましく、材質としてはプラス
チツク製あるいは金属製のいずれでもよいが軽量
化の点からプラスチツク製が好ましい。 プラスチツク製の場合、腰のあるものが好まし
く、材料としては例えばポリプロピレン、ポリエ
チレンテレフタレート、ナイロン等をあげること
ができる。市販のネツト材を例示すればDuPont
社製のベクサー（商品名）あるいは東京ポリマー
社製のネトロン（商標名）等をあげることができ
る。尚かかる内側スペーサーの厚みとしては0.3
〜３mmが好ましく、さらに0.5〜２mmが実用上望
ましい。 また本発明の流体分離エレメントにおいて、内
側スペーサー表面の凹凸が大きくて流体分離の際
選択透過膜面に外側から加圧された場合に膜が該
凹凸に応じた形に変形し破損することを防止する
ために、必要に応じてさらに該スペーサーと膜の
間にシート状多孔質材を挿入せしめることが好ま
しい。かかるシート状多孔質材の具体例として
は、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレ
ン、ナイロン等からなる不織布や、ポリプロピレ
ン、セルロースエステル、ポリテトラフルオロエ
チレン、ポリカーボネート、再生セルロール等か
らなる多孔質膜などがあげられる。 本発明におけるエレメントは、片面あるいは両
面の透過膜を透過して得られる濃縮流体をとりだ
すため取出口が設けられている。取出し口は、そ
の部分の圧損失のほとんどない断面積及び長さの
ものを選ぶことが必要であり、特に支持板の両面
を利用した場合の両サイドで共有した取出し口で
は、膜一面に対してそれぞれの取出口を設ける場
合と比較して、取出し口の数が半減できること、
さらに取出し口からの濃縮流体をまとめる集合管
も数を減らすことができ、エレメント及びモジユ
ールの構造が簡便になるという特徴がでてくる。
取出し口を除いてはエレメントの外周は、流体の
もれがないように封じられる。即ち、供給流体混
合部と膜を透過した濃縮流体の混合が起こらない
ような構造になつている。 かかる本発明のエレメントの接着部において用
いられる接着剤としては、支持板と選択透過膜の
裏面を接着シールし得るものであればいかなるも
のを使用してもよい。尚かかる接着剤の選定にあ
たつては、接着剤を調製する際の操作性、調製し
た接着剤を塗布し各部材を接着固化しシールする
際の操作性と接着性、及び得られたエレメントを
収納した流体分離装置を使用する際の接着剤の耐
久性等が重要である。特に選択透過膜が前記した
如き多孔質膜上に積層されたものである場合に、
その多孔質膜中に接着剤が浸透して接着シールを
確実に行なうことが容易な接着剤を選定する必要
がある。また支持板面での接着保持性を高めるた
めに、その支持板面上に微小な凹凸を形成せしめ
たものを用いることも有効である。 本発明の流体分離装置は、外側スペーサーを介
して前記した流体分離エレメントを多数積層せし
めたモジユールを用いたことを特徴としたもので
あり、さらに該モジユールに原料流体混合物を供
給し、さらに使用済流体混合物を排出する手段、
該エレメントの内側圧力を外側圧力より低く維持
する手段、膜を透過した流体を透過後流体取出口
を通してエレメント内部より取り出し収集し使用
に供する導管手段を有している。 例えば気体分離装置で、空気中から酸素富化空
気を分離するための膜型酸素富化装置の場合に
は、第３図に例示される如く膜表面に大気が流通
し得る流路を設けるためにエレメント２０間に外
部スペーサー４をはさんだ状態で多数のエレメン
トを積層して配列せしめたモジユールと、外部か
ら大気Ｃを取込み該モジユールにおけるエレメン
トの外部空間に大気を供給して膜面に大気を通過
せしめさらに酸素濃度の低下した使用済みの大気
Ｄを装置外に排出する送風手段１８と、該エレメ
ントの内側空間を減圧状態に維持し膜に酸素富化
空気を透過せしめさらにその酸素富化空気をエレ
メント内から取り出すための真空ポンプ手段１
０、及び各エレメント内からの酸素富化空気を収
集し該装置における酸素富化空気Ａの流出口に流
通せしめる導管手段を有する。 また該酸素富化装置には、膜透過の際に水分も
濃縮される場合に酸素富化空気を冷却せしめる冷
却手段１２、その冷却により酸素富化空気中に生
じた水滴を分離する手段１３、該冷却手段をより
有効に機能せしめるためのオリフイス等の減圧手
段１４、水分離手段１３からの水分を導管１７を
経て冷却手段表面上で保水し気化せしめる保水手
段１１、使用に供する酸素富化空気Ａの流量を調
節する手段１５及び流量測定手段１６を具備せし
めることが好ましい。尚、Ｂは余剰の酸素富化空
気を示している。 かかる酸素富化装置において、モジユールを構
成した各エレメントの膜面において濃度分極をで
きるだけ小さくして分離効率を本来の膜性能に近
く維持するために、各膜面に送る大気の流量が酸
素富化空気量の５倍以上、好ましくは10倍以上、
さらに好ましくは30倍以上である。すなわち該モ
ジユールにおけるエレメント間の各通路にかなり
の空気をできるだけ均一に流通させることが必要
である。それ故エレメント間に具備させる外側ス
ペーサー４によつて形成される各エレメント間の
間隔をできるだけ均一にすることが望ましい。本
発明では、前記した如き改良された接着シール形
態に加えて圧縮性を有した外側スペーサーを用い
ることによつて、各エレメント間の間隔の均一性
を適度に維持した状態で該モジユールを組みたて
ることが極めて容易になつた。尚第３図では、便
宜上外側スペーサー４がエレメント２０の内側に
おける酸素富化空気の流れに対して直角の方向に
位置する場合を記載しているが、第１図の如く酸
素富化空気の流れと平行に外部スペーサー４を配
したものの方が、大気を酸素富化空気の流れと向
流的に流して分離効率を高めることができるので
望ましい。 本発明の流体分離エレメント及び流体分離装置
は、上記した如く酸素富化において有利に用いら
れるものであるが、それ以外にも選択透過膜の性
能を適宜選ぶことによつてヘリウムガス、水素ガ
ス等の気体の濃縮分離や逆浸透、限外濾過、パー
ベーパーレーシヨン等の液体混合物の分離に用い
ることもできる。 以下に実施例をあげてさらに詳細に説明する。
但し本発明はこの実施例によつて何ら限定される
ものではない。 実施例１、２比較例１、２ 第２図に示す如くアルミ板２（厚さ１mm、250mm
×500mm）、上に第１表に記載する寸法に裁断した
ポリプロピレンネツト５（厚さ0.5mm、14メツシ
ユ）をセツトし、第１表に示す位置関係となるよ
うにエポキシ系接着剤６を塗布巾約10mm、厚さ約
0.5mmで帯状に塗布した後、別途にポリエチレン
テレフタレート不織布１−ｃ（厚さ230μ、目付量
180ｇ／m²）上に製膜したポリスルホン多孔膜１
−ｂを基材としてその表面にポリ４−メチルペン
テン−１の極簿膜１−ａ（酸素選択透過性あり）
具備せしめた酸素選択透過膜１を接着塗布部に張
付け圧着しながら接着剤をポリ４−メチルペンテ
ン−１極簿膜の裏面まで浸透させるようにして接
着固化せしめて酸素富化エレメントを得た。尚各
エレメントの接着帯域の１ケ所に細管状の富化空
気の取出し口を挿入した状態で前記接着固化を行
なつた。かくして得られた各エレメントの接着後
の状態を調べた結果を第１表に合せて示す。 即ち、実施例１、２の方法を実施した場合透過
膜と接着剤との接着性が良好で、境界層間の気体
の洩れがなく、内側スペーサー端部と接着剤帯域
との重なり部分の透過膜表面での凹凸もなく滑ら
かで良好であつた。比較例１では内側スペーサー
（ネツト）に接着剤が引き取られた接着剤の巾が
拡がり接着剤が透過膜に充分接着されない部分が
所々発生し安定した接着状態が得られなかつた。
比較例２では接着状態は良好であつたが、内側ス
ペーサー端部と接着剤帯域との間に必然的に溝部
が出来るため透過膜表面が凹み気体の吸引作用
（気体透過）時透過膜を傷つけ気体の洩れの原因
となつた。また内側スペーサーを接着剤で固定す
る作用がないため内側スペーサーがずれて膜面の
凹みが大きくなることがあつた。上述の如く実施
例１、２が最適な方法であつた。

【表】 実施例 ３ 実施例１で得られたエレメントの長手方向に沿
つた相対する２辺における接着帯域の膜表面上
に、外側スペーサーとしてクロロプレンフオーム
の圧縮性がスケツト（巾10mm、厚さ５mm）をシリ
コーン系接着剤により付着せしめたものを30枚重
ね合わせることによつて酸素富化モジユール作成
し、第３図に示す如き酸素富化装置を組み立て
た。この装置におけるモジユール内での空気の流
れは良好であり、また各エレメントにおける接着
シール長期管保持され、膜面も破損されることが
なかつた。 ＜発明の効果＞ 本発明における流体分離エレメントを用いた流
体分離装置は、特定の接着シール形態をとること
によつて、より確実なシールが確保され、特に接
着剤帯部の巾を比較的均一に且つ狭くすることが
容易であり、さらには使用する接着剤の量を減少
せしめ、有効な膜面積を出来るだけ大きくできる
利点がある。また圧縮性の外側スペーサーと組み
合せた場合には、多数のエレメントを積層してモ
ジユールを形成する際に各エレメント間の間隔を
比較的均一に保持した状態で容易に組み立てるこ
とが出来る長所もある。さらに本発明では接着シ
ール部近傍での膜面の損傷が少なく長期間の耐久
性を保持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る流体分離エレメントの
平面図を概略的に示したものであり、第２図は第
１図におけるα−α′面における該エレメント端部
（接着部）近傍を断面図で示したものである。ま
た第３図は本発明の流体分離エレメントを用いた
流体分離装置の実施態様例として、酸素富化装置
を示したものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体混合物から特定成分を選択的に透過し得
   る選択透過膜、支持板、該選択透過膜と支持板の
   間に位置した透過流体通過用スペーサー及び透過
   流体取出口を具備した多数の流体分離エレメント
   を圧縮性部材からなる原料流体通過用スペーサー
   を介して積層状に配列せしめたモジユールと、該
   選択透過膜面上に流体混合物供給する手段と、該
   エレメントの内側空間圧力をその外側空間圧力よ
   りも低くせしめる手段と、該選択透過膜を透過し
   た流体を該エレメント内側空間より取り出す手段
   を有した流体分離装置において、該流体分離エレ
   メントの選択透過膜の周囲を接着剤によつて該支
   持板に接着シールせしめた接着帯域の内端から実
   質上1/4の領域内に該透過流体通過用スペーサー
   端部の大部分が配されて共に接着されており、且
   つ原料流体通過用スペーサーが軟質ゴム、軟質フ
   オーム及び軟質スポンジの群から選ばれる軟質の
   圧縮性部材からなるものであることを特徴とした
   流体分離装置。