JP2015526282A - 低エネルギーフィードスペーサを用いる膜ろ過 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの実施形態では、膜ろ過エレメントが提供される。エレメントは、第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドと前記第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドとを含む、第１組の平行ストランドを含む、少なくとも１つのフィードスペーサを含むことができる。第２組の平行ストランドが、第１方向に対して横切る第２方向に延在することができる。第２組の平行ストランドは、第３太さを有する複数の第３ストランドと第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドとを含むことができる。一実施形態では、第１組のストランドおよび第２組のストランドは、交互の太いストランドおよび細いストランドを含み、それにより膜ろ過システムの圧力降下が低減する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／６９０，４１９号明細書の利益を主張し、その開示内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、逆浸透システム等、膜ろ過に使用される押出成形網に関する。

膜ろ過は、供給液または流入液を生成物流および濃縮物流に分離するために使用されるプロセスである。通常、供給物流は、ろ過または脱塩する必要がある水であり、それにより、水を、飲用用途、農業用途および工業用途に使用することができる。膜ろ過では、膜は、いくつかの化合物を通過させる一方で他の化合物を排除する障壁として作用する。１つのタイプの膜ろ過は、圧力駆動プロセスである逆浸透（ＲＯ）ろ過である。浸透中、水は、浸透平衡に達するまで、浸透圧により高溶質濃度の領域から低溶質濃度の領域に拡散する。逆浸透は、浸透圧を克服し高溶質濃度の水を強制的に膜に通して低溶質体積に拡散させ、それにより溶質を残すために、高溶質濃度の体積に圧力が加えられるプロセスである。ＲＯろ過で使用される膜は、非常に選択的であり、ほぼまったく溶質を通過させない。

１つのタイプのＲＯろ過システムは、スパイラル型エレメントシステムとして知られている。このシステムでは、１つまたは複数の封筒状膜が細長い集水管の周囲に巻き付けられている。各封筒状膜は、２つの膜外面と、集水管の側壁の孔と連通する、膜外面の間の透過水シートとを備えている。各封筒状膜の一方の側にフィードスペーサが配置されており、それにより、封筒状膜が集水管の周囲に巻き付けられた時、封筒状膜およびフィードスペーサの交互の層によってスパイラル構成が形成される。集水管、封筒状膜およびフィードスペーサは、結合してスパイラル型エレメントを形成する。通常、複数のエレメントが直列にかつ並列に結合されてより体積の大きい供給液を処理する。

使用時、スパイラル型エレメントは圧力容器内に配置され、高濃度の溶質を含有する水（供給水として知られる）が、圧力下で圧力容器の一端に圧送される。供給水は、フィードスペーサによって生成される封筒状膜の間の流路を通ってスパイラル型膜に入り、集水管の軸に対して平行に進む。供給水の一部は、浸透圧を超える供給水の高圧のために、膜を通って透過水シート内に拡散する。透過水シートは、水を、集水管に達してその後スパイラル型エレメントの端部まで軸方向に進むまで、スパイラル方向に案内する。膜を通って拡散しない供給水は、軸方向に進み続け、通常、第１スパイラル型エレメントに直列に接続された別のスパイラル型エレメントに移送される。

少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの孔が画定されている中心集水管と、中心集水管に取り付けられ、かつスペーサによって分離された２枚の膜シートを有する少なくとも１枚の封筒状膜であって、中心集水管の周囲に巻き付けられてスパイラルを形成するように構成された少なくとも１枚の封筒状膜と、中心集水管に巻き付けられた時に少なくとも１枚の膜シートに隣接して配置されるように、かつろ過される液体を受け取る流路を形成するように構成された少なくとも１つのフィードスペーサとを備える、スパイラル型ろ過エレメントが提供される。フィードスペーサは、第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、第１方向に対して横切る第２方向に延在する第２組の平行ストランドとを含む網を備えることができる。第１組のストランドおよび第２組のストランドは、常に互いに同じ側に位置することができる。

少なくとも１つの実施形態では、第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、第１方向に対して横切る第２方向に延在し、かつ第３太さを有する複数の第３ストランドおよび第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドを含む、第２組の平行ストランドとを備える押出し成形網が提供される。第１組のストランドおよび前記第２組のストランドは、常に互いに同じ側に位置することができ、第１組の平行ストランドは交互の第１ストランドおよび第２ストランドを含むことができ、第２組の平行ストランドは交互の第３ストランドおよび第４ストランドを含むことができる。

少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの孔が画定されている中心集水管と、中心集水管に取り付けられ、かつスペーサによって分離された２枚の膜シートを有する少なくとも１枚の封筒状膜であって、中心集水管の周囲に巻き付けられてスパイラルを形成するように構成された少なくとも１枚の封筒状膜と、中心集水管に巻き付けられた時に少なくとも１枚の膜シートに隣接して配置されるように、かつろ過される液体を受け取る流路を形成するように構成された少なくとも１つのフィードスペーサとを備えるスパイラル型ろ過エレメントが提供される。フィードスペーサは、第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、第１方向に対して横切る第２方向に延在し、かつ第３太さを有する複数の第３ストランドおよび第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドを含む、第２組の平行ストランドとを含む網を備えることができる。第１組のストランドおよび第２組のストランドは、常に互いに同じ側に位置することができる。

少なくとも１つの実施形態による逆浸透スパイラル型エレメントの切取図である。 少なくとも１つの実施形態による網の斜視図である。 少なくとも１つの実施形態による網の上面図である。 少なくとも１つの実施形態による隣接する膜シートの間の網の断面図である。 隣接する膜シートの間の従来技術による網の断面図である。 少なくとも１つの実施形態による隣接する膜シートの間の網の断面の写真である。

要求に応じて、本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示するが、開示する実施形態は、さまざまなかつ代替的な形態で具現化することができる本発明を単に例示するものであることが理解されるべきである。図は、必ずしも正確な縮尺ではなく、いくつかの特徴を、特定の構成要素の細部を示すために誇張しているかまたは最小化している場合がある。したがって、本明細書に開示する具体的な構造的詳細および機能的詳細は、限定するものとしてではなく、単に、当業者に対して本発明をさらざまに採用するように教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。

実施例を除き、または明示的に示す場合を除き、本明細書において反応および／または使用の材料または条件の量を示すすべての数量は、本発明の最も広い範囲を示すために「約」という語で修飾されているものとして解釈されるべきである。言及する数値的限界の範囲内での実施が概して好ましい。また、明示的に反対に述べられている場合を除き、パーセント値、「一部」の値および比率の値は、重量により、「ポリマー」という用語は、「オリゴマー」、「コポリマー」、「ターポリマー」等を含み、本発明に関連して所与の目的に対して好適であるかまたは好ましいものとしての材料の群または種類の記載は、その群または種類のうちのいずれかの２つ以上の要素の混合物が等しく好適であるかまたは好ましいことを意味し、化学用語での成分の記載は、その記載で指定されるあらゆる組合せに添加する時点での成分を指し、混合された混合物の成分間の化学的相互作用を必ずしも排除するものではなく、頭字語または他の略語の最初の定義は、本明細書において、同じ略語の後続するすべての使用に適用され、最初に定義された略語の通常の文法的変形に対して必要な変更を加えて適用される。

図１を参照すると、逆浸透（ＲＯ）システムスパイラル型エレメント１が示されている。ＲＯシステムが示されているが、同じ概略構成は、一般的な膜ろ過システムに適用可能である。スパイラル型エレメント（エレメント）１は、典型的には、圧力容器２（図示せず）内に配置されるように構成されている。エレメント１は、少なくとも１枚の封筒状膜４を備え、それは、スペーサ、一般に透過水シート８を封入する２枚の膜シート６を含む。透過水シート８は、軸方向に間隔を空けて配置された孔１２を有する集水管１０に一方の側に沿って取り付けられている。各封筒状膜４の間にフィードスペーサ１４が、各封筒状膜４の少なくとも１枚の膜シート６がフィードスペーサ１４と接触するように設けられている。封筒状膜４およびフィードスペーサ１４が集水管１０を軸方向中心にしてスパイラルに丸められると、スパイラル型エレメント１が形成される。フィードスペーサ１４は、隣接する膜シート６の間に流路１６を形成し、供給液が膜シート６の表面に沿って通過するのを可能にする。

エレメント１が圧力容器内に配置されると、供給液は圧力下で供給液入口端部１８に提供され、液体は、フィードスペーサ１４によって形成された流路１６に入る。供給液は、集水管１０に対して平行な軸方向に進む。供給液が膜シート６の表面を横切って進むに従い、液体の一部は、圧力下で膜シート６を通って透過水シート８内に拡散する。供給液に比較してわずかの溶質を含むかまったく含まないこの液体は、その後、スパイラル経路において透過水シート８を通り集水管１０の孔１２を通って進む。集水管１０を通って進む液体を、概して、浸透水または生成液と呼ぶ。膜シート６を通って拡散しない供給液は、エレメント１の出口端部２０に達するまで軸方向に進み続ける。エレメント１の出口端部２０において、生成液は取り除かれ、残りの供給液は、概して、別のスパイラル型エレメント１に移送され、プロセスを繰り返して生成物液の歩留りを上昇させる。

一般的な膜ろ過には、特にＲＯろ過の場合、いくつかの難題がある。１つの難題は、スパイラル型エレメントの長手方向長さに沿った、直列に接続されている場合は１つのろ過エレメントから次のろ過エレメントにおける、圧力降下である。フィードスペーサは、スパイラル型エレメントを通る供給液の流れに抵抗するため、主な圧力降下源である。その結果、ＲＯろ過システムにおいてフィード圧を上昇させなければならず、それにより運用コストおよび保守コストが増大する。第２の難題は、ファウリング、特にバイオファウリングである。ファウリングは、膜の上で堆積物が蓄積するかまたは成長する時に発生し、それによってフィード圧を上昇させる必要がある可能性があり、かつファウリングは、膜に損傷を与えるかまたは膜の耐用年数を短縮する可能性がある。バイオファウリングは、堆積物が、細菌、真菌、原生動物等、本質的に生物学的である場合に発生する。これらの微生物は、膜の上に堆積する可能性がありかつ／または膜の上で成長する可能性があり、効率を低減し洗浄を必要とする。第３の難題は、膜表面またはその近くで塩濃度が上昇する濃度分極である。これにより、膜の表面で浸透圧が上昇し、液体透過が低減し溶質透過が増大することになる可能性がある。フィードスペーサは、これらの問題に対処しかつ／またはそれらを軽減する役割を果たす。

図２〜図４を参照すると、本開示は、圧力降下、バイオファウリングおよび濃度分極等の問題に対処しながら、相対的に高いＲＯろ過処理能力を提供する、フィードスペーサ１４を提供する。少なくとも１つの実施形態では、本開示のフィードスペーサ１４は、第１組のストランド３２および第２組のストランド３４を備えた押出成形網３０として形成される。少なくとも１つの実施形態では、第１組のストランド３２のストランドは、互いに平行に配置されかつ第１方向に延在し、第２組のストランド３４のストランドは、互いに平行に配置され、かつ第１方向に対して略横切る第２方向に延在している。少なくとも１つの実施形態では、第１方向および第２方向は実質的に垂直であり、それにより、第１ストランド３２および第２ストランド３４は直角（９０°）に交差している。

しかしながら、第１ストランド３２および第２ストランド３４は９０°以外の角度で交差することができることが理解されるべきである。一実施形態では、第１ストランド３２および第２ストランド３４は、エレメントの長手方向軸に対して平行な方向に６０度から１２０度の角度で交差する。別の実施形態では、第１ストランド３２および第２ストランド３４は、エレメントの長手方向軸に対して平行な方向に６５度から１１０度の角度で交差する。別の実施形態では、第１ストランド３２および第２ストランド３４は、エレメントの長手方向軸に対して平行な方向に７０度から１００度の角度で交差する。別の実施形態では、第１ストランド３２および第２ストランド３４は、エレメントの長手方向軸に対して平行な方向に７５度から９０度の角度で交差する。

少なくとも１つの実施形態では、ストランド３２および３４は、押出成形ダイから出る時または出た直後に交差して網状構造を形成する、押出成形ポリマー細長部材である。この実施形態では、ストランド３２および３４は、網３０を通して互いに同じ側のままである。しかしながら、ストランド３２および３４を、押出成形中に交差させるのではなく合わせて編むかまたは織る押出成形ストランドから形成することも可能である。ストランド３２および３４を、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、アセタール、フルオロポリマー、ポリウレタンおよびエラストマー等のあらゆる好適な材料から作製することができる。少なくとも１つの実施形態では、ストランド３２および／または３４はポリプロピレンから作製される。別の実施形態では、ストランド３２および／または３４は、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）または超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）等のポリエチレンから作製される。少なくとも１つの実施形態では、ストランド３２および３４は同じ材料から作製される。しかしながら、他の実施形態では、ストランド３２をストランド３４とは異なる材料から作製することができることが企図される。

図２〜図４に示す例として、少なくともいくつかの実施形態では、ストランド３２および３４の両方の組が、少なくとも２つの異なるサイズのストランドを含む。ストランド３２および３４の各組は、Ａとして識別される大きいストランドとＢとして識別されるそれより小さいストランドとを含む。したがって、第１組のストランド３２は、第１太さの複数の第１ストランド（Ａストランド）と第２太さの複数の第２ストランド（Ｂストランド）とを有し、第２組のストランド３４は、第３太さの複数の第３ストランド（Ａストランド）と第４太さの複数の第４ストランド（Ｂストランド）とを有する。ストランドＡおよびＢは、ＡがＢより相当大きい限り、別々にいかなる好適なサイズでもあり得る。

交互のＡストランドおよびＢストランドを有するストランド３２、３４の両方の組を備えたフィードスペーサ１４が、ＲＯスパイラル型エレメントに対して最も有効な構成であると目下考えられ、それは、こうした構成が、膜シート６とともに流路１６の完全性を維持するのに十分な支持点密度を依然として維持しながら圧力降下の低減を可能にするためである。さらに、ストランド３２および３４の両方の組が交互のＡストランドおよびＢストランドを有する場合、フィードスペーサ１４を横切る流れは、流路１６において実質的に対称であり、各膜シート６を同様の条件にさらす。しかしながら、いくつかの実施形態では、ストランド３２またはストランド３４の一方の組が、太さが均一なストランド、たとえばＡストランドのみまたはＢストランドのみを有する場合があり、ストランド３２またはストランド３４の他方の組が、上述したようにＡストランドおよびＢストランドの両方を有する。さらに他の実施形態では、ストランド３２および３４の一方または両方が、第３太さのストランド、すなわちＡストランドおよびＢストランドとは異なるＣストランドを含む場合がある。

一実施形態では、ストランドＡは、太さが、５０００分の１インチから４００００分の１インチ、すなわち５ミルから４０ミル（０．１２７ｍｍから１．０１６ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＡは、太さが８ミルから３５ミル（０．２０３ｍｍから０．８８９ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＡは、太さが１０ミルから３０ミル（０．２５４ｍｍから０．７６２ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＡは、太さが１５ミルから２５ミル（０．３８１ｍｍから０．６３５ｍｍ）である。さらに別の実施形態では、ストランドＡは、太さが２０ミル（０．５０８ｍｍ）である。一実施形態では、ストランドＢは、太さが３ミルから３５ミル（０．０７６ｍｍから０．８８９ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＢは、太さが３ミルから２５ミル（０．０７６ｍｍから０．６３５ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＢは、太さが３ミルから２０ミル（０．０７６ｍｍから０．５０８ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＢは、太さが５ミルから１５ミル（０．１２７ｍｍから０．３８１ｍｍ）である。別の実施形態では、ストランドＢは、太さが７ミルから１２ミル（０．１７８ｍｍから０．３０５ｍｍ）である。さらに別の実施形態では、ストランドＢは、太さが１０ミル（０．２５４ｍｍ）である。少なくとも１つの実施形態では、ストランド３２のＡストランドおよびＢストランドは、ストランド３４のＡストランドおよびＢストランドと太さが同じである。別の実施形態では、ストランド３２および３４のＡストランドは太さが同じであり、Ｂストランドは太さが異なる。別の実施形態では、ストランド３２および３４のＢストランドは太さが同じであり、Ａストランドは太さが異なる。さらに別の実施形態では、ストランド３２および３４両方のＡストランドおよびＢストランドは太さが異なる。

少なくとも１つの実施形態では、ストランド３２および３４（ＡおよびＢ）は円形断面を有している。しかしながら、あらゆる好適な形状を利用することができることが企図される。ストランドが円形断面を有する場合、太さは、ストランド３２および３４の直径を測定することによって測定される。ストランド３２および３４が円形断面を有するいくつかの実施形態では、ストランド３２および３４の太さは、それらの長さを通して実質的に一定のままである。しかしながら、他の実施形態では、ストランド３２および３４は、交差箇所３８の間に太さの低減した部分を有することができる。

図４において最もよく示すように、ストランド３２および３４の３つの異なるタイプの交差部、すなわちＡ／Ａ、Ａ／ＢおよびＢ／Ｂがあるため、網３０の厚さは均一ではない。比較のために、図５に、ストランド太さが均一であり総厚さが均一である、典型的な従来技術によるフィードスペーサを示す。図６に、太さが２２ミルであるＡストランドおよび太さが１２ミルであるＢストランドを含む網３０の一例を、２枚の膜シートの間の断面で示す。２つのＡストランドが交差する時、網３０の厚さはその最大であり、２つのＢストランドが交差する時、網３０の厚さはその最小である。本明細書で用いる網３０の総厚さは、２つのＡストランドの交差部３８、すなわち網３０の最大厚さを指す。さらに、網３０の厚さは、Ａストランドの太さの２倍に常に対応するとは限らない。図４に示すように、２つのストランドは、交差箇所３８において部分的に融合する、すなわち互いに「沈み込む」場合がある。ストランド３２および３４の融合の量は、処理パラメータに基づいて変化する可能性がある。一実施形態では、それは０．１％から３０％であり得る。別の実施形態では、融合の量は５％から２０％であり得る。別の実施形態では、融合の量は１０％から１５％であり得る。たとえば、各々、直径が２０ミル（０．５０８ｍｍ）である２つのＡストランドの交差部３８において、網３０の厚さは、４０ミル（１．０１６ｍｍ、各ストランドの太さの２倍）ではなく３４ミル（０．８６４ｍｍ）であり得る。この例では、１５％の融合がある。

少なくとも１つの実施形態では、網３０は、交差箇所３８で測定すると、総厚さが２０ミルから８０ミル（０．５０８ｍｍから２．０３２ｍｍ）である。別の実施形態では、網３０は、総厚さが２２ミルから６５ミル（０．５５９ｍｍから１．６５１ｍｍ）である。別の実施形態では、網３０は、総厚さが２５ミルから５０ミル（０．６３５ｍｍから１．２７０ｍｍ）である。別の実施形態では、網３０は、総厚さが２８ミルから４５ミル（０．７１１ｍｍから１．１４３ｍｍ）である。別の実施形態では、網３０は、総厚さが３０ミルから４０ミル（０．７６２ｍｍから１．０１６ｍｍ）である。

図２〜図４に示す実施形態では、ストランド３２および３４は、各々、交互のＡストランドおよびＢストランドを有しており、すなわち、ストランド順序はＡＢＡＢ…である。交互のストランド順序は、ＲＯスパイラル型レメント１に対して最も有効な順序であると目下考えられており、それは、より一貫したかつ／または一定の流量を提供し、乱流生成と流路１６の支持との間の最も有効なバランスを提供するためである。しかしながら、複数のＡストランドがＢストランドの間で繰り返されるかまたはその逆である（たとえば、ＡＢＢＡＢＢまたはＡＡＢＡＡＢ）他のストランド順序も企図される。さらに、ＡストランドおよびＢストランドを、ブロックで、たとえばＡＡＢＢまたはＡＡＡＢＢで配置することができる。図２〜図４に示す実施形態では、ストランド３２および３４は同じストランド順序を有しているが、ストランド３２および３４は、上記のあらゆる組合せであり得る異なるストランド順序を有することができる。

ストランド３２および３４の組のストランドは、それらの間に、ストランド間隔である均一の間隔を有することができる。ストランド３２および３４は、図２〜図４に示す実施形態ではストランド間隔が同じであるが、ストランド間隔は、ストランドの各組に対して異なり得る。ストランド間隔を、１インチ辺りのストランドの数として測定することができる。少なくとも１つの実施形態では、ストランド間隔は、１インチ辺り２ストランドから３０ストランドである。別の実施形態では、ストランド間隔は、１インチ辺り３ストランドから２５ストランドである。別の実施形態では、ストランド間隔は、１インチ辺り５ストランドから２０ストランドである。別の実施形態では、ストランド間隔は、１インチ辺り７ストランドから１５ストランドである。さらに別の実施形態では、ストランド間隔は、１インチ辺り９ストランドである。さらに、ストランド３２および３４の交差部によって形成されるさまざまなサイズの開口部４０を利用することができることが理解されるべきである。さらに、図面では孔または開口部４０は正方形であるように示すが、あらゆる好適な形状およびサイズを利用することができることが理解されるべきである。たとえば、ストランド３２および３４が垂直であり、１組のストランドが他の組のストランドよりストランド間隔が小さい場合、矩形開口部４０を形成することができる。ストランド３２および３４が垂直でない場合、開口部４０は菱形の形状であり得る。

交互ストランド設計とも呼ぶストランド３２および３４の交互の太さが、特に圧力降下、バイオファウリング、膜損傷および濃度分極等の範囲において、現時点で入手可能なフィードスペーサに対して改善をもたらす。後述する利点は、純水または飲用水を得るための塩水のろ過について述べるが、同じ原理は他の供給液のろ過にも適用される。

交互ストランド設計（ＡＳＤ）により、全体を通してストランド太さが均一である従来のフィードスペーサに比較して圧力降下が低減する。一実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサ（すなわち、図５に示すような太さが均一なストランドを有するフィードスペーサ）を有する同じエレメントより少なくとも１０％小さい。別の実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサを有する同じエレメントより少なくとも１５％小さい。別の実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサを有する同じエレメントより少なくとも２０％小さい。別の実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサを有する同じエレメントより少なくとも２５％小さい。別の実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサを有する同じエレメントより少なくとも３０％小さい。別の実施形態では、ＡＳＤフィードスペーサを有する膜ろ過エレメントにおける圧力降下は、従来のフィードスペーサを有する同じエレメントより少なくとも３５％小さい。

いかなる特定の理論にもとらわれることなく、圧力降下の低減は、少なくとも部分的に、（すべてＡストランドである従来のフィードスペーサに比較して）Ｂストランドの低減したストランド表面積によると考えられる。ストランド表面積が低減することにより、形状抗力が低減することになり、したがってそうした表面積の低減は、網３０の上を通り膜シート６の表面を横切って流れる水に対する網３０の抵抗を低減するのに役立つ。従来のフィードスペーサ網（すなわち、ストランド太さが均一である網）と比較した全体的な網ストランド表面積の低減は、ＡストランドおよびＢストランドの太さに基づいて変化する。少なくとも１つの実施形態では、全体的な網ストランド表面積は少なくとも１０％低減する。別の実施形態では、全体的な網ストランド表面積は少なくとも２５％低減する。

ＡＳＤの別の結果は、同じ供給量での従来のフィードスペーサに比較して、塩水または他の液体の流速が低下することである。流速の低下により、膜表面におけるせん断応力が低下し、塩水における乱流が低減することになる。せん断応力および乱流は、バイオファウリングおよび濃度分極等の問題を対処するのに有益であるため（後述する）、流量を増大させて流速、せん断応力および乱流を典型的なレベル（すなわち、典型的な、ストランド太さが均一なフィードスペーサによって達成されるレベル）に戻すことが有利である。しかしながら、ＡＳＤフィードスペーサ１４が用いられる場合の流量の増大により、典型的なスパイラル型エレメントの場合より高いレベルまで圧力降下が増大しない。対照的に、圧力降下は、典型的なエレメントにおけるより低いままであり得る。その結果、ＲＯろ過システムを、典型的なシステムより高い供給量で、ただし同じかまたはより小さい圧力降下ならびに同じかまたはより優れたせん断応力および乱流で動作させることができる。別法として、ろ過システムを、典型的なシステムと同じ供給量でただし圧力降下を低減させて動作させることができる。したがって、いずれの動作方法でも、エネルギー消費を低下させることができる。

バイオファウリングは、膜表面における微生物の堆積および／または成長であり、圧力降下の増大、膜を通る水の拡散の低減、および膜を通過する塩の量の増大をもたらす可能性がある。バイオファウリングは、フィードスペーサが膜と接触する領域において増大する。ＡＳＤにより、フィードスペーサ１４と膜シート６との間の接触面積が低減し、したがってバイオファウリングが低減し、それは、ストランド３２および３４のＢストランドが膜シート６と接触しないためである。典型的な網３０は、全体を通して厚さが均一であり、したがって、すべての交差箇所３８が隣接する膜シート６両方と接触する。ＡＳＤである網３０を有するエレメント１では、大部分の交差箇所３８が、隣接する膜シート６の一方のみとしか接触しないかまたはいずれとも接触しない。図４に示すように、ＢＢストランドの交差部３８は、隣接する膜シート６のいずれとも接触せず、ＡＢストランドの交差部３８は、一方の隣接する膜シート６のみと接触する。膜６との接触面積が低減することに加えて、ＡＳＤのフィードスペーサ１４により、ストランドが相対的に細い領域における水の流速が低くなる。水の流速が高いことは、よりバイオファウリングの成長に関連し、それは、より多くの栄養が水の流速の高い領域に向かうためである。したがって、ＡＳＤフィードスペーサ１４の水の流量が低いということは、Ｂストランドの領域に有機栄養がより少なく、それによりそれらの領域のバイオファウリングが低減することを意味する。

バイオファウリングの蓄積をさらに低減するために、ストランド３２および３４に低ＣＯＦコーティングを被覆することができ、またはそれらの組成に低ＣＯＦ添加剤を含めることができる。一実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、（概して、分子量が１００万Ｄａから６００万Ｄａである）ＵＨＭＷＰＥである。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）としても知られる）である。低ＣＯＦ添加剤は、存在する場合、フィードスペーサ１４の０．１重量％から１０重量％であり得る。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、フィードスペーサ１４の１重量％から７．５重量％であり得る。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、フィードスペーサ１４の約５重量％であり得る。低ＣＯＦ添加剤は、活性成分および不活性成分を含むことができる。一実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、０．１重量％から７５重量％の活性成分を含む。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、１重量％から５０重量％の活性成分を含む。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、１０重量％から４０重量％の活性成分を含む。別の実施形態では、低ＣＯＦ添加剤は、活性成分の約２５重量％を含む。低ＣＯＦ添加剤の残りは、担体樹脂等、不活性担体であり得る。担体樹脂は、ポリオレフィン、たとえばＬＤＰＥ、ＨＤＰＥまたはポリプロピレン（ＰＰ）であり得る。

バイオファウリングを低減することにより、膜ろ過エレメントに対して１年で必要な膜洗浄サイクルの回数を低減させることができる。膜を洗浄するために使用される化学物質が膜損傷をもたらす可能性があり、したがって、バイオファウリングの低減により膜損傷もまた低減させることができる。バイオファウリングを低減させることに加えて、ＡＳＤであるフィードスペーサ１４と膜シート６との間の接触面積が低減することによってもまた膜損傷が低減する。膜シート６と接触する交差部３８が少なくなることにより、フィードスペーサ１４と膜シート６との間で発生する引っ掻きおよびこすれが低減する結果となる。

さらに、ＡＳＤフィードスペーサ１４を使用することで圧力降下が低減するため、フィードスペーサ１４を、他の点では同様のエレメント１に対して従来のフィードスペーサより薄くすることができる。従来のフィードスペーサが、ＡＳＤフィードスペーサ１４と同じ厚さであるように薄くなった場合、エレメント１において許容できない圧力降下がある可能性がある。フィードスペーサ１４を薄くすることにより、より多くの封筒状膜４を集水管１０の周囲に巻き付けることができ、それによりエレメント１内の膜シート６表面積の量が増大し、それは典型的には最大径が約１６インチである。

実施例１
ＡＳＤフィードスペーサを用いる２つの半塩水逆浸透（ＢＷＲＯ）ろ過システムを巻回し、厚さが均一な従来のフィードスペーサを用いる２つのＢＷＲＯろ過システムと比較した。ろ過エレメントは、直径が８インチであり長さが４０インチであって、それらを、下記表１に示す条件下で１時間同時に試験した。ＡＳＤフィードスペーサおよび従来のフィードスペーサはともに、厚さが３４ミル（約０．８６ｍｍ）であり、２５枚の膜シートおよび１２枚のフィードスペーサを有していた。試験の結果を以下の表２に示す。ＡＳＤフィードスペーサおよび従来のフィードスペーサに対する除去率（たとえば、膜シートを通過させなかった溶質のパーセント）は同様であった。ＡＳＤフィードスペーサを有するエレメントは、１日辺りのｍ^３に関してわずかに流量が高かった。ＡＳＤスペーサを有するエレメントの圧力降下（ΔＰ）は、従来のスペーサを有するエレメントと比較して約２３．３％の平均低減を示した。

実施例２
総厚さが７５ミルである従来のダイヤモンドフィードスペーサと総厚さが７５ミルであるＡＳＤフィードスペーサとを、３Ｄ印刷を用いて製作した。従来のフィードスペーサは、３７．５ミルの均一なストランド太さであった。ＡＳＤフィードスペーサは、太さが３７．５ミルの大きい（Ａ）ストランドと１８．７５ミルである小さい（Ｂ）ストランドを有していた（たとえば、Ｂストランドは、太さがＡストランドの太さの１／２に等しかった）。それらのフィードスペーサを、Ｓｔｅｒｌｉｔｅｃｈ ＳＥＰＡ ＣＦ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｃｅｌｌ（「フローセル」）を用いて試験した。従来のスペーサおよびＡＳＤスペーサを、２．０ガロン／分および１．０ガロン／分の流量で試験した。結果により、２．０ガロン／分の流量の場合、ＡＳＤスペーサは、従来のスペーサに比較して圧力降下が１６．７９％低減したことが分かった。１．０ガロン／分の流量では、ＡＳＤスペーサは、従来のスペーサに比較して圧力降下が３０．０５％低減した。結果を以下の表３に示す。

実施例３
数値流体力学（ＣＦＤ）を用いるシミュレーション試験を、非圧縮ニュートン流体の層流に対するＮａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ方程式を用いて行った。２つの条件、すなわち一定の入口流速および一定の供給流量を試験した（条件は表４に示し、結果は表５に示す）。シミュレーションの結果により、０．１６ｍ／ｓの一定の入口流速では、従来のスペーサに比較してＡＳＤフィードスペーサでは、圧力降下が２７％低減したことが分かった。１６Ｌ／ｈの一定の供給流量では、シミュレーション結果により、従来のスペーサに比較してＡＳＤフィードスペーサでは、圧力降下が３２％低減したことが分かった。入口流速が０．１６ｍ／ｓで一定に保持される場合、ＡＳＤフィードスペーサは、従来のスペーサに比較して供給流量が５．９％増大した。供給流量が１６Ｌ／ｈで一定に保持された場合、ＡＳＤフィードスペーサは、従来のスペーサに比較して入口流速が５．６％低下した。

例示的な実施形態を上述したが、これらの実施形態は本発明のすべてのあり得る形態を記述するようには意図されていない。そうではなく、本明細書で用いられる語は、限定ではなく説明の語であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行うことができることが理解される。さらに、さまざまな実施する実施形態の特徴を組み合わせて、本発明のさらなる実施形態を形成することができる。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの孔が画定されている中心集水管と、
   前記中心集水管に取り付けられ、かつスペーサによって分離された２枚の膜シートを有する少なくとも１枚の封筒状膜であって、前記中心集水管の周囲に巻き付けられてスパイラルを形成するように構成された少なくとも１枚の封筒状膜と、
   前記中心集水管に巻き付けられた時に少なくとも１枚の膜シートに隣接して配置されるように、かつろ過される液体を受け取る流路を形成するように構成された少なくとも１つのフィードスペーサであって、
   第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび前記第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、
   前記第１方向に対して横切る第２方向に延在する第２組の平行ストランドと、
   を含む網を備え、
   前記第１組のストランドおよび前記第２組のストランドが常に互いに同じ側に位置している、フィードスペーサと、
   を具備するスパイラル型ろ過エレメント。
2. 前記第２組の平行ストランドが、第３太さを有する複数の第３ストランドと前記第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドとを含む、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
3. 前記第１組の平行ストランドが、交互の第１ストランドおよび第２ストランドを含む、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
4. 前記第１組の平行ストランドが、交互の第１ストランドおよび第２ストランドを含み、前記第２組の平行ストランドが、交互の第３ストランドおよび第４ストランドを含む、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
5. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが、太さが５ミルから４０ミルであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが、太さが３ミルから３５ミルである、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
6. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが、太さが８ミルから３５ミルであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが、太さが５ミルから１５ミルである、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
7. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが、太さが１０ミルから３０ミルであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが、太さが７ミルから１２ミルである、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
8. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが同じ太さであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが同じ太さである、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
9. 前記網が、前記第１ストランドと前記第３ストランドとの交差部における総厚さが２５ミルから５０ミルである、請求項２に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
10. 前記第１組の平行ストランドが、前記第２組の平行ストランドに対して垂直である、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
11. 前記第１組の平行ストランドが、前記エレメントの長手方向軸に対して平行な方向において６５度から１１０度の角度で前記第２組の平行ストランドと交差している、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
12. 前記スパイラル型ろ過エレメントの圧力降下が、実質的に太さが同一であるストランドを備えるフィードスペーサを有する同じスパイラル型ろ過エレメントに比較して少なくとも１０％低減する、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
13. 前記フィードスペーサが、０．１重量％から１０重量％の超高分子量ポリエチレンを含む、請求項１に記載のスパイラル型ろ過エレメント。
14. 第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび前記第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、
    前記第１方向に対して横切る第２方向に延在し、かつ第３太さを有する複数の第３ストランドおよび前記第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドを含む、第２組の平行ストランドと、
    を具備し、
    前記第１組のストランドおよび前記第２組のストランドが常に互いに同じ側に位置し、前記第１組の平行ストランドが交互の第１ストランドおよび第２ストランドを含み、前記第２組の平行ストランドが交互の第３ストランドおよび第４ストランドを含む、押出成形網。
15. ０．１重量％から１０重量％の超高分子量ポリエチレンをさらに含む、請求項１４に記載の押出成形網。
16. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが、太さが５ミルから４０ミルであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが、太さが３ミルから３５ミルである、請求項１４に記載の押出成形網。
17. 前記第１ストランドおよび前記第３ストランドが、太さが８ミルから３５ミルであり、前記第２ストランドおよび前記第４ストランドが、太さが５ミルから１５ミルである、請求項１４に記載の押出成形網。
18. 前記第１組の平行ストランドと前記２組の平行ストランドとの交差部における総厚さが２５ミルから５０ミルである、請求項１４に記載の押出成形網。
19. 前記第１組の平行ストランドが、前記エレメントの長手方向軸に対して平行な方向において６５度から１１０度の角度で前記第２組の平行ストランドと交差している、請求項１４に記載の押出成形網。
20. 少なくとも１つの孔が画定されている中心集水管と、
    前記中心集水管に取り付けられ、かつスペーサによって分離された２枚の膜シートを有する少なくとも１枚の封筒状膜であって、前記中心集水管の周囲に巻き付けられてスパイラルを形成するように構成された少なくとも１枚の封筒状膜と、
    前記中心集水管に巻き付けられた時に少なくとも１枚の膜シートに隣接して配置されるように、かつろ過される液体を受け取る流路を形成するように構成された少なくとも１つのフィードスペーサであって、
    第１方向に延在し、かつ第１太さを有する複数の第１ストランドおよび前記第１太さより小さい第２太さを有する複数の第２ストランドを含む、第１組の平行ストランドと、
    前記第１方向に対して横切る第２方向に延在し、かつ第３太さを有する複数の第３ストランドおよび前記第３太さより小さい第４太さを有する複数の第４ストランドを含む、第２組の平行ストランドと、
    を含む網を備え、
    前記第１組のストランドおよび前記第２組のストランドが常に互いに同じ側に位置している、フィードスペーサと、
    を具備するスパイラル型ろ過エレメント。

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