JP2012020282A - スパイラル型分離膜エレメント、有孔中空管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力損失を低減し、透過液量を増大させることができるスパイラル型分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、外周面から内周面につながる複数の貫通孔２を有する有孔中空管１と、有孔中空管１の周囲に巻回された、分離膜および流路材を含む積層体と、を備えている。有孔中空管１の外周面における前記積層体で覆われる領域には非貫通凹部３が設けられている。本発明によれば、透過液が非貫通凹部３に流れ込むために、その非貫通凹部３内では透過液がスムーズに流れることができ、透過液にかかる抵抗を小さくすることができる。これにより、圧力損失を低減し、透過液量を増大させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、外周面から内周面につながる複数の貫通孔２を有する有孔中空管１と、有孔中空管１の周囲に巻回された、分離膜および流路材を含む積層体と、を備えている。有孔中空管１の外周面における前記積層体で覆われる領域には非貫通凹部３が設けられている。本発明によれば、透過液が非貫通凹部３に流れ込むために、その非貫通凹部３内では透過液がスムーズに流れることができ、透過液にかかる抵抗を小さくすることができる。これにより、圧力損失を低減し、透過液量を増大させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、スパイラル型分離膜エレメントに関する。また、本発明は、そのスパイラル型分離膜エレメントに用いることができる有孔中空管およびこの有孔中空管の製造方法に関する。
外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管は、例えば、排水の浄化や海水淡水化に用いられるスパイラル型分離膜エレメントの中心管として用いることができる。このスパイラル型分離膜エレメントでは、分離膜として逆浸透膜や精密漏過膜、限外濾過膜が用いられ、実用化されている。このスパイラル型分離膜エレメントは、近年、需要が増加するとともに、要求される分離性能も著しい向上が求められており、分離膜の性能ばかりでなく、分離膜エレメント全体として、エレメント内の圧力損失低減などの性能向上が検討されている。従来では、この中心管に関しては、貫通孔の開孔率（例えば、特許文献１参照）や、中心管内周面の構造（例えば、特許文献２参照）などについて検討されてきたが、現在においても更なる性能向上が求められている。
本発明は、圧力損失を低減し、透過液量を増大させることができるスパイラル型分離膜エレメントを提供することを目的とする。また、本発明は、そのスパイラル型分離膜エレメントに用いることができる有孔中空管およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管と、前記有孔中空管の周囲に巻回された、分離膜および流路材を含む積層体と、を備え、前記有孔中空管の外周面における前記積層体で覆われる領域には非貫通凹部が設けられている、スパイラル型分離膜エレメントを提供する。
また、本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管であって、前記外周面には非貫通凹部が設けられており、この非貫通凹部の底に前記複数の貫通孔が開口している、有孔中空管を提供する。
さらに本発明は、上記の有孔中空管を射出成形法により製造する方法であって、前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記中子型を収容する、前記非貫通凹部を形成する凸部および前記複数の貫通孔を形成するボスを有する主型と、を含む型枠内に樹脂を注入して硬化させる、有孔中空管の製造方法を提供する。
本発明によれば、透過液が非貫通凹部に流れ込むために、その非貫通凹部内では透過液がスムーズに流れることができ、透過液にかかる抵抗を小さくすることができる。これにより、圧力損失を低減し、透過液量を増大させることができる。
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分離膜エレメントに用いられる有孔中空管１を示す。この有孔中空管１は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔２を有する。有孔中空管１の材質などは特に限定されるものではないが、有孔中空管１は可撓性を有しない剛体であることが好ましい。例えば、金属や樹脂、セラミックス製のものが好ましく用いられる。
金属としては、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス、銅、黄銅（真織）、青銅、ジュラルミンや、２種以上の金属元素を有する合金を用いることができるが、浄水用途に用いる場合、コスト、強度および耐蝕性の面から、ステンレスを用いることが好ましい。
前記樹脂としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、シリコーン樹脂、及びジアリルフタレート樹脂が挙げられる。なかでも、エポキシ樹脂やメラミン樹脂、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエステル系樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂やポリブチレンテレフタレート樹脂）、変性ポリフェニレンオキシド樹脂（例えば、変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂、アクリルニトリル−スチレン共重合体樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、あるいはこれらの混合物やポリマーアロイを挙げることができる。
また、樹脂の強度を高めるために、樹脂組成物中にガラス繊維や炭素繊維などの繊維材料や、ウィスカーや液晶ポリマーなどの結晶系材料を加えても良い。例えば、ガラス繊維としては、ガラスウール、チョップド・ガラスファイバー、ミルド・ガラスファイバーを挙げることができる。また、炭素繊維としては、ミルド炭素繊維を挙げることができる。ウィスカーとしては、ホウ酸アルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカー、塩基性硫酸マグネシウムウィスカー、珪酸カルシウムウィスカー及び硫酸カルシウムウィスカーを挙げることができる。
さらには、樹脂の特性向上を目的として各種添加剤を加えてもよい。例えば、難燃剤、安定剤、顔料、染料、離型材、滑材、耐候性改良剤などを樹脂組成物に添加してもよい。これらの添加物は単独で用いても良いが、２種以上の混合物として用いることができる。
有孔中空管１に設けられる貫通孔２の個数および大きさは適宜設定すれば良いが、例えば、直径８インチ程度のスパイラル型分離膜エレメントで、有孔中空管１の外径が３０〜４０ｍｍ程度の場合、貫通孔２の直径は２〜８ｍｍ程度であり、さらに、貫通孔２の個数は５０〜２００個程度設けることが好ましい。また、貫通孔２は、有孔中空管２の軸方向に延びる少なくとも１本の線上に並んでいることが好ましい。本実施形態では、図２および図３（ｂ）に示すように、貫通孔２が有孔中空管２の中心軸に対して１８０度反対に位置するように２列に配列されている。
さらに、有孔中空管１の外周面には、非貫通凹部３が当該非貫通凹部３の底に貫通孔２が開口するように設けられている。この非貫通凹部３は、貫通孔２に透過液をスムーズに導入する効果を有するため、エレメント内の圧力損失低減効果を及ぼすものと考えられる。ここで、非貫通凹部３とは、有孔中空管１の肉厚を減少させる部分をいう。
本実施形態では、非貫通凹部３が連結溝３１、平行溝３２および接続溝３３で構成されており、非貫通凹部３によって透過液の流路が確保されている。これらの溝３１〜３３の深さや幅は特に限定されるものではないが、例えば、直径８インチ程度のスパイラル型分離膜エレメントで、有孔中空管１の外径が３０〜４０ｍｍ程度の場合、溝３１〜３３の深さは例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、また溝３１〜３３の幅は例えば１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。
連結溝３１は、貫通孔２が並ぶ線ごとに貫通孔２を連結する。連結溝３１は、スパイラル型分離膜エレメントの流体の流れ方向と平行になるように、有孔中空管１の軸方向に延びていることが好ましい。この構造によって、連結溝３１で透過液を直線的にガイドすることができるため、エレメント内の圧力損失低減効果をさらに高めることができる。各連結溝３１は連続的に設けられてもよいが、意図的に断続的に設けてもよい。
平行溝３２は、連結溝３１と平行なものであり、連結溝３１と共に有孔中空管１の外周面を周方向に分割する。例えば、連結溝３１および平行溝３２は、等角度間隔で配置される。接続溝３３は、連結溝３１と平行溝３２とを接続する。本実施形態のように平行溝３２を連結溝３１に接続することで非貫通凹部３内での透過液の流れがスムーズになるとともに、透過液が流路材を経由することで生じる圧力損失リスクを低減できるため、接続溝３３が設けられていない場合に比べてエレメント内の圧力損失を低減することができる。なお、接続溝３３の数および延びる方向は特に限定されるものではなく、透過液の移動方向に応じて適宜決定すれば良い。例えば、図１に示すように、周方向に延びる接続溝３３が全ての隣り合う貫通孔２の中央を通るように配置されていてもよい。
各溝３１〜３３の断面形状は特に限定されるものではなく、四角型、Ｕ字型、Ｖ字型、半円型や側面が階段状になったものなど適宜設計することが出来るが、四角型やＶ字型においては、底隅部に半径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下程度の角丸め加工（Ｒ加工）がなされていることが好ましい。これによりさらに流動抵抗が低減できるとともに、加圧条件下においては隅部への応力集中が緩和できるため、劣化や破損を防止することができる。
有孔中空管１の軸方向において、非貫通凹部３が設けられた範囲は、有孔中空管１の外周面における後述する積層体８（図３（ａ）参照）で覆われる領域に非貫通凹部３が設けられるように、有孔中空管１の両端部に達していないことが好ましい。スパイラル型分離膜エレメントにおける分離膜は、一般に二つ折りにして三辺を封止される構造のものが用いられるが、有孔中空管１の端部ではこの封止部分付近が中空管と接着されている。非貫通凹部３がこの接着部分と重なると、透過液が漏れ出てしまい、分離効率が悪くなる場合がある。したがって、分離膜の封止部分が有孔中空管１と接する部分には非貫通凹部３を形成しない構造を特に好ましく用いることができる。
有孔中空管１は、図２に示すように、当該有孔中空管１の周囲に積層体８がスパイラル状に巻回されることによりスパイラル型分離膜エレメントを構成する。積層体８は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、合成樹脂のネットからなる透過側流路材５の両面に分離膜６を重ね合わせて三辺を接着することにより封筒状（袋状）に形成された膜リーフ７と、合成樹脂のネットからなる供給側流路材４とが交互に積層された構成を有する。透過側流路材５は、分離膜６同士の間に透過液を流すための透過側流路８Ｂを形成し、供給側流路材４は、膜リーフ７同士の間に供給液を流すための供給側流路８Ａを形成する。膜リーフ７の開口部は、有孔中空管１に取付けられる。
例えば、１枚の連続したシート６０が供給側流路材４を挟んで二つ折りにされることにより、２枚の分離膜６が形成される。膜リーフ７は、そのようにして形成された分離膜７同士が透過側流路材５を挟んで三辺で接合されることにより得られる。この接合には接着剤が用いられる。また、例えば、透過側流路材５の１枚を延長させた延長部が有孔中空管１に直接巻き付けられ、その両端部が接着剤で封止されることにより、有孔中空管１の外周面に面する筒状流路８Ｃが形成される。膜リーフ７の開口部は、この筒状流路８Ｃを介して貫通孔２と連通する。ただし、積層体８の構成は、図３（ａ）および（ｂ）に示した構成に限られず、例えば、連続したシートが蛇腹状に折り畳まれることにより、全ての分離膜６がつながっていてもよい。
分離膜６は、例えば不織布層上に多孔性支持体及びスキン層（分離機能層）が順次積層された構造を有する。不織布層の構成材料としては特に限定されるものではなく、従来公知のものを採用することができる。
前記多孔性支持体の構成材料としては、従来公知のものを採用することができる。例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のポリアリールエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、エポキシ等が例示できる。
前記スキン層は、供給液に含まれる分離対象物質に対し透過性を示さず、分離機能を有するものである。スキン層を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを採用することができ、具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン、ポリアミド、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ＰＭＭＡ、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、エチレン−ビニルアルコール共重合体などが例示できる。
供給側流路材４は、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等の従来公知のものが使用できる。また、透過側流路材５には、ネット状材料、編み物状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等の従来公知のものが使用できる。
有孔中空管１の製造方法については特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いることができる。例えば、押し出し成形法により得られた樹脂製中空管や金属製中空管に、穿孔および切削溝堀加工を施す方法や、射出成形法等のように金型などを用いた型抜き加工により得られた樹脂やセラミックスの有孔中空管に対して切削溝堀加工を施す方法が挙げられる。なかでも本発明者らは、有孔中空管１を効率的且つ高い生産性において製造する方法を見出している。その方法は、型枠内に樹脂を注入して硬化させる、射出成形法により有孔中空管１を製造する方法である。この型枠の例を図４（ａ）に示す。
図４（ａ）に示す型枠は、中子型１２と、中子型１２を収容する主型１１と、中子型１２を主型１１に固定する補助部材１８とを含む。中子型１２と主型１１との間には成形室１３が形成されている。中子型１２は、有孔中空管１の内部空間を形成するものである。主型１１は、非貫通凹部３を形成する凸部１６および貫通孔２を形成するボス１７を有する。
主型１１は、有孔中空管１の軸方向と直交する方向に分割可能であり、互いに接した状態で締め付けられる一対の主パーツ１１Ａ，１１Ｂで構成されている。各主パーツ１１Ａ，１１Ｂには、樹脂注入口１４が設けられている。中子型１２は、有孔中空管１の軸方向に分割可能であり、互いに接した状態で主型１１に固定される一対の中子パーツ１２Ａ，１２Ｂで構成されている。
なお、有孔中空管１は、必ずしも全体として一体的に射出成形される必要はない。例えば、図４（ｂ）に示すように有孔中空管１を軸方向に複数（図例では２つであるが、３つ以上であってもよい）のピース１Ａ，１Ｂに分け、各ピース１Ａ，１Ｂを図４（ａ）に示すような型枠を用いて射出成形し、それらのピース１Ａ，１Ｂを接合することによって、有孔中空管１を製造することも可能である。この場合の接合方法としては、特に限定されるものではなく、樹脂接着や加熱融着、超音波融着、回転摩擦融着など適宜公知の技術を用いることができる。
（変形例）
非貫通凹部３は、上述した構成のものに限られず、種々の変形が可能である。例えば、図５に示すように、非貫通凹部３は、連結溝３１および平行溝３２だけで構成されていてもよい。また、非貫通凹部３は、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、連結溝３１を含まず、等角度間隔で配置された平行溝３２のみで構成されていてもよい。すなわち、複数の貫通孔２は、非貫通凹部３の底に開口していなくてもよい。この構成では、いずれかの平行溝３２内に流入した透過液が有孔中空管１の外周面に沿って透過側流路材５を貫通孔２まで最短ルートで通過するようになるため、この構成でも透過液の流動抵抗をある程度下げることができる。ただし、非貫通凹部３の底に貫通孔２が開口していれば、非貫通凹部３が貫通孔２に透過液を導く流路として機能するため、透過液の流動抵抗を大きく下げることができる。
非貫通凹部３は、上述した構成のものに限られず、種々の変形が可能である。例えば、図５に示すように、非貫通凹部３は、連結溝３１および平行溝３２だけで構成されていてもよい。また、非貫通凹部３は、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、連結溝３１を含まず、等角度間隔で配置された平行溝３２のみで構成されていてもよい。すなわち、複数の貫通孔２は、非貫通凹部３の底に開口していなくてもよい。この構成では、いずれかの平行溝３２内に流入した透過液が有孔中空管１の外周面に沿って透過側流路材５を貫通孔２まで最短ルートで通過するようになるため、この構成でも透過液の流動抵抗をある程度下げることができる。ただし、非貫通凹部３の底に貫通孔２が開口していれば、非貫通凹部３が貫通孔２に透過液を導く流路として機能するため、透過液の流動抵抗を大きく下げることができる。
さらに、連結溝３１は、必ずしも有孔中空管１の軸方向に延びている必要はなく、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、貫通孔２のピッチの２倍の波長で波打つように蛇行していてもよい。あるいは、図示は省略するが、連結溝３１は、一周するごとに隣の貫通孔２を通るような螺旋状であってもよい。
さらに、非貫通凹部３は、図８（ａ）に示すように、図７（ａ）に示す連結溝３１が貫通孔２のピッチの半分だけ有孔中空管１の軸方向にずれたような蛇行溝３４のみで構成されていてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、貫通孔２のピッチの２倍の波長で波打つ連結溝３１を、貫通孔２が並ぶ線に対して対称に設け、貫通孔２上でそれらを交差させてもよい。さらには、連結溝３１が波打つ際には、その波形は滑らかなカーブを描く必要はなく、図８（ｃ）に示すような角波であってもよい。
あるいは、非貫通凹部３は、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、各貫通孔２に対応して設けられた個別窪み３５で構成されていてもよい。図例では、各個別窪み３５は、十字条の溝と、同心円状の溝とで構成されている。なお、個別窪み３５の底面は、有孔中空管１の外周面と平行な曲面であってもよいし、貫通孔２の軸方向と直交する平面であってもよい。
さらに、非貫通凹部３は、図１０（ａ）および（ｂ）に示すような構成を有していてもよい。この構成では、有孔中空管１の外周面に、有孔中空管１の軸方向に延びる連結溝３１が設けられているとともに、各貫通孔２１から両側に延びる周溝３６が設けられている。さらに、連結溝３１および周溝３２で区画される各領域には、マトリクス状に並ぶドット３７を形成するように細い格子溝が設けられている。ドット３７の形状は、必ずしも四角形である必要はなく、円形などの他の形状であってもよい。なお、連結溝３１および周溝３２が設けられておらず、格子溝のみで非貫通凹部３が構成されていてもよい。
１ 有孔中空管
２ 貫通孔
３ 非貫通凹部
３１ 連結溝
３２ 平行溝
３３ 接続溝
３６ 個別窪み
４ 供給側流路材
５ 透過側流路材
６ 分離膜
７ 膜リーフ
８ 積層体
１１ 主型
１２ 中子型
１３ 成形室
１４ 樹脂注入口
１６ 凸部
１７ ボス
１８ 中子型固定補助部材
Ａ 流体の流れ方向
Ｂ 主型取り外し方向
２ 貫通孔
３ 非貫通凹部
３１ 連結溝
３２ 平行溝
３３ 接続溝
３６ 個別窪み
４ 供給側流路材
５ 透過側流路材
６ 分離膜
７ 膜リーフ
８ 積層体
１１ 主型
１２ 中子型
１３ 成形室
１４ 樹脂注入口
１６ 凸部
１７ ボス
１８ 中子型固定補助部材
Ａ 流体の流れ方向
Ｂ 主型取り外し方向
Claims (15)
- 外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管と、
前記有孔中空管の周囲に巻回された、分離膜および流路材を含む積層体と、を備え、
前記有孔中空管の外周面における前記積層体で覆われる領域には非貫通凹部が設けられている、スパイラル型分離膜エレメント。 - 前記複数の貫通孔が前記非貫通凹部の底に開口している、請求項１に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
- 前記複数の貫通孔が前記有孔中空管の軸方向に延びる少なくとも１本の線上に並んでおり、
前記非貫通凹部は、前記線ごとに前記貫通孔を連結する連結溝を含む、請求項２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。 - 前記連結溝が前記有孔中空管の軸方向に延びている、請求項３に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
- 前記非貫通凹部は、前記連結溝と共に前記外周面を周方向に分割する複数の平行溝を含む、請求項４に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
- 前記非貫通凹部は、前記連結溝と前記複数の平行溝とを接続する接続溝を含む、請求項５に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
- 前記非貫通凹部は、前記複数の貫通孔のそれぞれに対応して設けられた個別窪みで構成されている、請求項２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
- 外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管であって、
前記外周面には非貫通凹部が設けられており、この非貫通凹部の底に前記複数の貫通孔が開口している、有孔中空管。 - 前記複数の貫通孔が前記有孔中空管の軸方向に延びる少なくとも１本の線上に並んでおり、
前記非貫通凹部は、前記線ごとに前記貫通孔を連結する連結溝を含む、請求項８に記載の有孔中空管。 - 前記連結溝が前記有孔中空管の軸方向に延びている、請求項９に記載の有孔中空管。
- 前記非貫通凹部は、前記連結溝と共に前記外周面を周方向に分割する複数の平行溝を含む、請求項１０に記載の有孔中空管。
- 前記非貫通凹部は、前記連結溝と前記複数の平行溝とを接続する接続溝を含む、請求項１１に記載の有孔中空管。
- 前記連結溝の底隅部に半径０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の角丸め加工がなされている、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の有孔中空管。
- 前記有孔中空管の軸方向において、前記非貫通凹部が設けられた範囲が前記有孔中空管の両端部まで達していない、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の有孔中空管。
- 請求項８〜１４のいずれか一項に記載の有孔中空管を射出成形法により製造する方法であって、
前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記中子型を収容する、前記非貫通凹部を形成する凸部および前記複数の貫通孔を形成するボスを有する主型と、を含む型枠内に樹脂を注入して硬化させる、有孔中空管の製造方法。
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