JP2004322016A - スパイラル型膜エレメント及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻回体内部で分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性を高め、かつ、テレスコープ現象の防止と内部でのシワを防止できるスパイラル膜エレメント、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回され、その巻回体１の表面に外装材を備えるスパイラル型膜エレメントにおいて、前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回された単数又は複数のシート２であることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回され、その巻回体の表面に外装材を備えるスパイラル型膜エレメント、及びその製造方法に関する。
【従来の技術】
逆浸透ろ過や限外ろ過、精密ろ過、気体分離、脱ガス等に用いられるスパイラル膜エレメントとして、例えば、供給流体を分離膜表面へ導く供給側流路材、供給流体を分離する分離膜、分離膜を透過し供給流体から分離された透過流体を中心管へと導く透過側流路材からなるユニットを中心管の周りに巻き付けたスパイラル型膜エレメントが知られている。
このようなスパイラル型膜エレメントは、分離膜を二つ折りにした間に供給側流路材を配置したものと透過側流路材とを交互に積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐため接着剤を分離膜周辺部に塗布したユニットの単数または複数を中心管の周囲に円筒状に巻回した後、巻回体の外周に巻回体の形状を保持するシートを巻き付けて形成される（例えば、特許文献１参照）。
従来、上記膜エレメントの製造において、巻回体の周りにシートを巻き付ける方法としては、
１） 図６に示すように、スパイラル膜エレメント軸方向長さとほぼ同じ幅のシート１１を巻き付ける方法、又は
２） 図７に示すように、短冊状の幅の狭いシート１２を軸方向の一端から螺旋状に巻き付ける方法が、一般的であった。
【特許文献１】
特許第３０３５３７３号公報（第２頁、図２）
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者１）の方法では、分離膜周辺部に塗布した接着剤の厚みのため巻回体の軸方向両端のみが太くなっており、軸方向長さと同じ幅のシートを外周に巻き付けると、太くなっている軸方向両端のみに力が集中し、軸方向中央部分には力が掛からない。このため軸方向中央部分では、分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性が低く、分離膜及び／又は供給側流路材に接着剤が含浸せず、封止機能を発現できない状態、あるいは封止できても供給側流路材が分離膜から浮いた状態であるため、供給側流路材の機能である分離膜近傍の攪拌効果が低下し、分離膜近傍での濃度分極が大きくなるため、スパイラル膜エレメントの性能を低下させる要因となる。また、軸方向中央部分にも力を掛けようとして全体の巻き付け力を高めると、膜シート等にシワが発生するため、この場合もスパイラル膜エレメントの性能を低下させる要因となる。
また、後者２）の方法では、巻回体の一端から巻き始めるため、巻き始め側で表面を締めつける力が大きくなり、ねじれ力によってテレスコープ現象を起こしやすくなる。このため、このねじれ力が一定以下になるようにシートの巻き付ける必要があるが、そうすると軸方向中央部分でも締めつけ力が不十分となり、上記１）と同様に、スパイラル膜エレメントの性能を低下させる要因となる。
そこで、本発明の目的は、巻回体内部で分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性を高め、かつ、テレスコープ現象の防止と内部でのシワを防止できるスパイラル膜エレメント、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明のスパイラル型膜エレメントは、分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回され、その巻回体の表面に外装材を備えるスパイラル型膜エレメントにおいて、前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回された単数又は複数のシートであることを特徴とする。
本発明のスパイラル型膜エレメントによれば、外装材であるシートが巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回されているため、透過側流路の軸方向両端部の封止部の厚みにより巻回体の軸方向両端のみが太くなっていても、まず軸方向中央部分に力が掛かるので、分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性を高めることができる。更に、順次外側へ向かってシートが巻回されているため、全ての部位で密着性が高くなり、また、過剰な力をシートに加えることが無いためシワの発生を抑えられる。さらに、中央から対称型にシートを巻いているため、軸方向に対称に力が掛かりテレスコープ現象が起こらない。その結果、スパイラル膜エレメントの性能低下を防ぐことができる。
上記において、前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に向けて、略対称かつらせん状に巻回された偶数枚のシートであるか、あるいは、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がる対称な形状のシートであることが好ましい。これらのシートを使用することにより、シートの巻回を行うだけで、中央部分から外側にかけて、両側対称な力を徐々にかけていくことができる。特に前者のシートを用いることにより、テレスコープ現象を抑制しながら、軸方向に均一に適度な締めつけ力を付与することができ、全体の密着性を高める効果をより確実に得られるようになる。また、後者のシートを用いることにより、巻回体の中央側でシートの巻き付け厚みが大きくなるため、巻回体の中央側でより大きな締めつけ力を付与することができる。
また、前記外装材を構成するシートは、粘着剤層を有するものであることが好ましい。その場合、粘着剤層を有するため、シートの巻回を行うだけで、締めつけ力が働いた巻回状態を維持することができる。
一方、本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法は、分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回された巻回体の表面に、シート状の外装材を巻回する工程を含むスパイラル型膜エレメントの製造方法において、前記外装材の巻回工程は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に単数又は複数のシートを巻回することを特徴とする。
本発明の製造方法によると、外装材であるシートを巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回するため、透過側流路の軸方向両端部の封止部の厚みにより巻回体の軸方向両端のみが太くなっていても、まず軸方向中央部分に力が掛かるので、分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性を高めることができる。更に、順次外側へ向かってシートが巻回されているため、全ての部位で密着性が高くなり、また、過剰な力をシートに加えることが無いためシワの発生を抑えられる。さらに、中央から対称型にシートを巻いているため、軸方向に対称に掛かりテレスコープ現象が起こらない。その結果、スパイラル膜エレメントの性能低下を防ぐことができる。
上記において、前記シートを巻回する際のシートにかかる張力が幅１ｍｍ当たり２Ｎ以下であることが好ましい。このような張力で巻回を行うと、過剰な力が巻回体に加わりにくく、より確実にシワの発生を抑えることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図である。まず、本発明における巻回体１について説明する。
本発明における巻回体１は、図１〜図３に示すように、分離膜１０１、供給側流路材１０２、及び透過側流路材１０３が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管１０５にスパイラル状に巻回されたものである。本発明における巻回体１は、従来のエレメントに使用されるものと特に変わりがなく、従来公知のものを何れも使用することができる。例えば、透過側流路の軸方向両端部の封止には、接着剤、ホットメルト接着剤、熱融着型粘着テープ、熱融着性シートなどを用いることができる。
上記の巻回体１は、例えば図１〜図２に示す工程により製造することができる。まず、図１に示すように、分離膜１０１を二つ折りにした間に供給側流路材１０２を配置したものと透過側流路材１０３とを積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐ封止部を形成するための接着剤１０４，１０６を、透過側流路材１０３の軸方向両端部及び巻回終端部に塗布した分離膜ユニットＵを準備する。
本実施形態では、供給側流路材１０２を挟みこむように二つ折りにした分離膜１０１の上に、透過側流路材１０３を重ねて、接着剤１０４，１０６を塗布する例で説明したが、透過側流路材１０３の上に二つ折りにした分離膜１０１を重ねその上に接着剤１０４，１０６を塗布することも可能である。また、二つ折りにした分離膜１０１の代わりに、交互に折り返した連続膜を使用したり、分離膜１０１の折り部分が巻回終端側になるように配置してもよい。
分離膜１０１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜、脱ガス膜などが使用できる。供給側流路材１０２にはネット状材料等が使用できる。透過側流路材１０３にはネット状、編み物状材料等が使用できる。接着剤１０４，１０６にはウレタン、エポキシ等が使用できる。
次に、図２に示すように、この分離膜ユニットＵの単数または複数を、有孔の中心管１０５の周囲にスパイラル状に巻回した後、接着剤１０４，１０６を熱等により硬化させることで、透過側流路の軸方向両端部が少なくとも封止された巻回体１を得る。本実施形態では、その際に透過側流路の巻回終端部や中心管１０５の周囲部も封止される。
分離膜ユニットＵを積層する際の数量は、必要とされる透過流量に応じて決まるものであり、１層以上であればよいが、操作性を考慮すると１００層程度が上限である。
本発明のスパイラル型膜エレメントは、上記のような巻回体１の表面に設けられた外装材が、巻回体１の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回された単数又は複数のシートであることを特徴とする。このような外装材の巻回工程は、巻回体１の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に単数又は複数のシートを巻回することで行うことができる。その際、シートの巻回方向は、巻回体１における分離膜ユニットＵの巻回方向と同じになる。
本発明において、略対称にシートを巻回するとは、一枚の左右略対称型のシートを用いるか、あるいは複数枚のシートを左右略対称に配置して螺旋状に巻き付ける意味である。本実施形態では、図３に示すように、外装材が巻回体１の軸方向中央付近から両端側に向けて、略対称かつらせん状に巻回された偶数枚のシート２である例を示す。
本発明において、巻回体１の軸方向中央付近の位置としては、軸方向中央を中心にして、巻回体１の軸方向長さの２０％の範囲内が好ましい。この範囲内にシートの巻回の開始位置が配置される。なお、巻回の開始位置において、偶数枚のシート２は連結されていてもよく、１枚のシートを開始位置で２つ折りにした２枚のシートを巻回してもよい。
本発明において、シートを巻回する際のシートにかかる張力は、巻回体１とシートとの接触部分の幅１ｍｍ当たり２Ｎ以下であることが好ましく、幅１ｍｍ当たり０．０５〜１Ｎがより好ましい。例えば、シート全体にかかる張力を、シートの巻回幅に応じて変化させることにより、シート幅が変化するシートを巻回する場合でも上記張力を所望の値にすることができる。
本発明で巻き付けるシートは、シート巻付時張力での伸びが１０％以下が好ましく、巻回体１の外周面に沿って巻き付け可能な柔軟性があれば良く、材質・形状で規定されるものではない。このため数種のシートがラミネートされていたり、繊維補強されていたり、あるいはシート内側に粘着層が形成されているような多層構造のシートであっても、上記条件を満たすものであれば使用できる。但し、好ましいシート基材として、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ガラス繊維布等が使用できる。
図３に示す実施形態のように、複数枚のシート２を左右対称に配置して螺旋状に巻き付ける場合、螺旋状のシート同士が重なって隙間が無い状態とするのが好ましい。具体的にはシート２の重なりをシート幅の５〜５０％とするのが好ましい。この範囲を下回ると隙間が出来やすく、隙間が出来るとその部分は分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性が低下し易い。また、この範囲を超えるとシート２の巻き付け時間とシート２の使用量が増加し安価なスパイラル膜エレメントを供給しにくくなる。なお、シート２の幅は、２０〜２００ｍｍが好ましいが、シート２の幅は長手方向で変化していてもよい。
本実施形態では、短冊状のシート２の先端を２枚とも巻回体１の軸方向長さ中心に固定する。固定の方法は貼付、融着、接着などの方法で行うことができる。各々のシート２を巻回体１の中心を鏡面とした対称型で巻回体１に螺旋状に巻き付ていく。その際、シート２間に隙間が空かないように巻回体１の両端まで巻き付け、スパイラル膜エレメントを得る。図示した例では、シート２が２枚の例で説明したが、対称型でシートを巻き付けできる４枚、８枚等の偶数枚で実施しても良い。
本発明のスパイラル膜エレメントには、更に変形（テレスコープ等）を防止するための有孔の端部材や、シール材、補強材などを必要に応じて設けることができる。
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、巻回体の軸方向中央付近から両端側に向けて、偶数枚のシートが略対称かつらせん状に巻回された例を示したが、本発明では、図４に示すように、外装材が、巻回体１の軸方向中央付近から両端側に広がる対称な形状のシート３であってもよい。
この実施形態では、例えば底辺の長さが巻回体１の軸方向長さに略等しい２等辺三角形状のシート３が使用できる。シート３の２等辺三角形の頂点を巻回体１の軸方向長さ中心に固定する。固定の方法は貼付、融着、接着などの方法で行うことができ、シート３を巻回体に巻き付け、スパイラル膜エレメントを得る。
（２）本発明では、図３〜図４に示すものに限らず、例えば図５に示すシートを使用することができる。図５（ａ）に示すように、対称型のシート３は、台形状でもよく、図５（ｂ）に示すように、対称型のシート３は、五角形状でもよい。これらの斜辺部分は直線でなくてもよい。また、図５（ｃ）に示すように、短冊状のシート２は、２枚が重ならないように周方向に切断したものでもよく、巻回の終端側も同様に周方向に切断していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図
【図２】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図
【図３】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図
【図４】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の他の例を示す工程図
【図５】本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法に使用するシートの他の例を示す平面図
【図６】従来のスパイラル型膜エレメントの製造方法を示す工程図
【図７】従来のスパイラル型膜エレメントの製造方法を示す工程図
【符号の説明】
１ 巻回体
２ シート
３ シート
１０１ 分離膜
１０２ 供給側流路材
１０３ 透過側流路材
１０５ 中心管
Ｕ 分離膜ユニット

Claims (6)

1. 分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回され、その巻回体の表面に外装材を備えるスパイラル型膜エレメントにおいて、
   前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に巻回された単数又は複数のシートであることを特徴とするスパイラル型膜エレメント。
2. 前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に向けて、略対称かつらせん状に巻回された偶数枚のシートである請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
3. 前記外装材は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がる対称な形状のシートである請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
4. 前記外装材を構成するシートは、粘着剤層を有するものである請求項１〜３いずれかに記載のスパイラル型膜エレメント。
5. 分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過側流路の軸方向両端部を少なくとも封止した状態で、有孔の中心管にスパイラル状に巻回された巻回体の表面に、シート状の外装材を巻回する工程を含むスパイラル型膜エレメントの製造方法において、
   前記外装材の巻回工程は、前記巻回体の軸方向中央付近から両端側に広がるように略対称に単数又は複数のシートを巻回することを特徴とするスパイラル型膜エレメントの製造方法。
6. 前記シートを巻回する際のシートにかかる張力が幅１ｍｍ当たり２Ｎ以下である請求項５記載のスパイラル型膜エレメントの製造方法。

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