JP5107020B2 - スパイラル型膜モジュール及びこれを用いた膜濾過装置 - Google Patents

Description

本発明は、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられたスパイラル型膜エレメントが、複数連結されて耐圧容器内に装填されているスパイラル型膜モジュールと、これを用いた膜濾過装置に関する。

スパイラル型膜エレメント（以下、単に「膜エレメント」ともいう）は、一般的に、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材を単数又は複数含む分離膜ユニットが、有孔の中空状中心管（以下、単に「中心管」ともいう）の周りに巻きつけられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。この図に示す膜エレメント１は、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせた封筒状膜（袋状膜）４と、ネット状（網状）の供給側流路材６とからなる分離膜ユニットを中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。通常、上記分離膜ユニットの巻回体の外周には、外装材（図示せず）が巻き付けられている。

上記膜エレメント１を使用する際は、供給液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された供給液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、供給液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。

また、スパイラル型膜モジュールは、一般的に、上述のような膜エレメントが複数連結されて、耐圧容器内に装填されている構造を有する。そして、このスパイラル型膜モジュールの単数又は複数が、例えばトレーンと呼ばれるラックで保持されることにより膜濾過装置が構成される。

特開平１０−１３７５５８号公報

この種の膜濾過装置では、通常、トレーンごとに処理特性（圧力、透過液の流量や液質など）の管理が行われている。例えば、複数の膜エレメントを含むスパイラル型膜モジュールがトレーン内に多数本配置された構成では、トレーンにおける各膜エレメントの位置に応じて、分離膜の汚染具合が異なるため、膜エレメントを交換する際には、新しい膜エレメントと、まだ使用可能な膜エレメントを適宜に組み合わせてトレーン内に収容している。即ち、最終的にトレーン全体で最適な処理性能を発揮できるように、各膜エレメントの配置及び組み合わせの最適化を行っている。しかしながら、現状では、使用期間のみに基づいて最適化を行っているため、十分に最適化が行われているとは言えない。

さらに、膜エレメントの洗浄や交換といったメンテナンスを行うか否かの判断は、トレーンごとの処理特性に基づいて行われるため、膜エレメントによっては、その位置や使用期間によりメンテナンスが必ずしも適切に行われているとは言えない場合がある。すなわち、場合によっては、いずれかの膜エレメントがメンテナンスを行うには手遅れの状態となっていたり、又は、必要以上に早い段階でメンテナンスが行われていたりする場合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、簡易な方法で膜エレメントごとに劣化の程度を判断できるスパイラル型膜モジュールと、これを用いた膜濾過装置を提供する。

本発明のスパイラル型膜モジュールは、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられたスパイラル型膜エレメントが、複数連結されて耐圧容器内に装填されているスパイラル型膜モジュールにおいて、前記各スパイラル型膜エレメントの外周部に加わる圧力値を検出する圧力センサと、前記圧力センサにより検出された圧力値を送信する無線タグとを備えたことを特徴とする。

本発明のスパイラル型膜モジュールによれば、各膜エレメントの外周部に加わる圧力値（即ち、供給側の圧力値）を圧力センサにより検出して、その圧力値を無線タグにより送信することで、分離膜の汚染の程度などにより変化する供給側の圧力値を外部から検出できるため、簡易な方法で膜エレメントごとに劣化の程度を判断できる。また、無線タグにデータを予め格納しておき、当該データを外部から読み出すことにより、各膜エレメントの処理特性の管理を行うこともできる。したがって、無線タグに格納されているデータと、上記圧力センサで得られるデータとに基づいて、より精度よく管理を行うことができる。

本発明のスパイラル型膜モジュールでは、前記圧力センサが、前記無線タグを介して外部から電力の供給を受ける構成であってもよい。圧力センサの駆動用に別途電源を設ける必要がなくなるため、モジュール構成の簡略化が容易となるからである。その一例としては、前記圧力センサが、前記無線タグを介して外部から電磁誘導により電力の供給を受ける構成が挙げられる。この場合、本発明のスパイラル型膜モジュールが、上記電磁誘導により発生した交流電流を直流電流に変換して前記圧力センサに供給するコンバータを更に含んでいてもよい。従来の直流電源により駆動する圧力センサを使用できるため、低コスト化が容易となるからである。

また、本発明の膜濾過装置は、スパイラル型膜モジュールを単数又は複数含む膜濾過装置において、前記スパイラル型膜モジュールが、上述した本発明のスパイラル型膜モジュールであることを特徴とする。

通常、膜濾過装置では、透過液量を一定に保つために、操作圧力を調節しているが、その際、耐圧容器内の膜エレメントが詰まってくると、その分、圧力損失が大きくなり、同じ操作圧力でも、透過液量が減少する傾向にある。それを補うために、操作圧力を上昇させ、必要な透過液量を確保する仕組みになっている。本発明の膜濾過装置によれば、上記本発明のスパイラル型膜モジュールを備えるため、各膜エレメントにかかる圧力が検出できる。よって、例えば、膜エレメントを直列に繋いだときに隣接する膜エレメント間の差圧が検出できる。従って、膜濾過装置内のどの部分で、差圧がより大きくなっているかが判断できるため、各膜エレメントの劣化具合（閉塞具合）を簡易な方法で正確に判断できる。

本発明の膜濾過装置は、前記スパイラル型膜モジュールの前記無線タグから送信された圧力値に基づいて前記各スパイラル型膜エレメントの劣化の程度を判断する判断部を備えていてもよい。各膜エレメントのメンテナンスの時期を適切に判断することができるからである。

本発明の膜濾過装置において、前記圧力センサが前記無線タグを介して外部から電力の供給を受ける構成である場合は、前記圧力センサに対し、前記無線タグを介して電力を供給する電力供給部を更に含んでいてもよい。スパイラル型膜モジュールの外部に圧力センサを駆動するための電力供給部を設けることにより、モジュール構成の簡略化が容易となるからである。その一例としては、前記電力供給部が、前記無線タグを介して電磁誘導により電力を供給する構成が挙げられる。

本発明のスパイラル型膜モジュールで使用される膜エレメントは、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられた構造を有する。かかる膜エレメントは、前記の特許文献１にも詳細に記載されており、従来公知の分離膜、供給側流路材、透過側流路材、中心管などが何れも採用できる。例えば、供給側流路材と透過側流路材が複数用いられる場合には、複数の膜リーフが中心管の周りに巻きつけられた構造となる。

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。図１は、本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す概略断面図であり、図２は、図１のスパイラル型膜モジュールのI-I線断面図である。

図１に示すように、スパイラル型膜モジュール５０は、耐圧容器４０内において直列に連結された状態で装填された複数の膜エレメント１０を含む。隣接する膜エレメント１０同士は、その中心管２０及び管状のインターコネクタ４２を介して連結されている。そして、スパイラル型膜モジュール５０は、各膜エレメント１０の外周部に設けられた無線タグ３０を含む。この無線タグ３０には、後述するように圧力センサ３３（図３参照）が組み込まれており、この圧力センサ３３は、各膜エレメント１０の外周部に加わる圧力値（即ち、供給側の圧力値）を検出することができる。そして、圧力センサ３３により検出された圧力値を無線タグ３０のアンテナ３１（図３参照）により送信することで、膜エレメント１０に含まれる分離膜（図示せず）の汚染の程度などにより変化する供給側の圧力値を外部から検出できるため、簡易な方法で膜エレメント１０ごとに劣化の程度を判断できる。

なお、図１に示す例では、無線タグ３０は、各膜エレメント１０の濃縮側端部の外周部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、供給側端部、中央部などいずれの位置に設けてもよい。ただし、隣接する膜エレメント１０間の差圧を正確に管理するには、全ての膜エレメント１０において同じ箇所に無線タグ３０を設けることが好ましい。

耐圧容器４０は、例えば、繊維強化プラスチック（FRP）やステンレス鋼等の金属等により形成されている。特に、無線伝送を容易に実現させるためには、繊維強化プラスチックの方が好ましい。耐圧容器４０の壁部の厚みは、後述する無線タグ３０による通信を妨げない程度であればよく、例えば、１０〜８０ｍｍ程度である。耐圧容器４０の一端部には、排水や海水などの供給液が流入する供給液入口４８が形成されており、当該供給液入口４８から流入する供給液が複数の膜エレメント１０を通過することにより、浄化された透過液と、濃縮液とが得られる。また、耐圧容器４０の他端部には、透過液が流出する透過液流出口４６と、濃縮液が流出する濃縮液流出口４４とが形成されている。

図２に示すように、膜エレメント１０は、中心管２０の周りに分離膜ユニット１６が巻きつけられており、この分離膜ユニット１６の巻回体の外周には外部ラップ２６が巻きつけられている。外部ラップ２６は、例えばポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、繊維強化プラスチック（FRP)等の耐水性材料で形成されている。そして、無線タグ３０は、外部ラップ２６に接着剤等によって固定されており、外部ラップ２６と共に繊維強化プラスチック（FRP)等からなる外装材２８で覆われている。外装材２８の厚みは、後述する無線タグ３０による通信を妨げない程度であればよく、例えば、０．０１〜３ｍｍ程度である。図２の構成によれば、無線タグ３０が供給液に曝されることを防止できる。なお、無線タグ３０の設置場所は、膜エレメント１０の外周部に加わる圧力値を検出できる限り、特に限定されず、例えば外装材２８の外周側であってもよい。

次に、本発明の膜濾過装置の一例について説明する。参照する図３は、本発明の膜濾過装置の一例を説明するための、電気的構成を示した概略ブロック図である。尚、以下の説明においては、上記で説明したスパイラル型膜モジュール５０の構成要素を用いて説明するが、本発明の膜濾過装置に使用できるスパイラル型膜モジュールは、上記スパイラル型膜モジュール５０には限定されない。また、図３では、１つのスパイラル型膜モジュールを含む構成としたが、本発明はこれに限定されず、複数のスパイラル型膜モジュールを含む構成としてもよい。

図３に示すように、膜濾過装置１００は、上記スパイラル型膜モジュール５０の他に、リーダライタ６０及び制御装置７０等を備えている。

制御装置７０は、タッチパネルやボタン等の入力手段（図示せず）を介してユーザーが入力した、あるいは予めメモリ上に記憶された設定値に基づいて、リーダライタ６０などの動作を制御する。また、制御装置７０は、後述するように、無線タグ３０から送信された圧力値に基づいて各膜エレメント１０の劣化の程度を判断する判断部７１を備えている。なお、制御装置７０は、通常、ＣＰＵやメモリ等で実現され得る。

無線タグ３０には、アンテナ３１、コンバータ３２及び圧力センサ３３が組み込まれている。リーダライタ６０には、電力供給部６１及びアンテナ６２が組み込まれている。また、リーダライタ６０は、スパイラル型膜モジュール５０の外部において、各無線タグ３０に対しそれぞれ近接する位置に設けられている。各リーダライタ６０と各無線タグ３０との距離は、データ等の送受信が行える程度の距離（例えば１〜５００ｃｍ程度）であればよい。そして、無線タグ３０とリーダライタ６０との通信は、無線タグ３０のアンテナ３１及びリーダライタ６０のアンテナ６２を介して行われる。なお、本実施形態では、各リーダライタ６０を各無線タグ３０に対し近接する位置に設ける構成としたが、本発明はこれに限定されず、例えば可動式のリーダライタを用いて、複数の無線タグに対し１つのリーダライタで送受信を行う構成としてもよい。

無線タグ３０に組み込まれた圧力センサ３３は、無線タグ３０のアンテナ３１及びリーダライタ６０のアンテナ６２を介して、リーダライタ６０に組み込まれた電力供給部６１から電磁誘導により電力の供給を受ける。この際、無線タグ３０に組み込まれたコンバータ３２は、上記電磁誘導により発生した交流電流を直流電流に変換して圧力センサ３３に供給する。

無線タグ３０としては、例えば、従来公知のＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ等に、コンバータ３２や圧力センサ３３等を組み込んだものが使用できる。コンバータ３２としては、例えば、従来公知のＡＣ／ＤＣコンバータ等が使用できる。また、圧力センサ３３としては、電磁誘導により供給される電力で駆動できる程度の低消費電力のものが好ましく、例えばニッタ株式会社製圧力センサ（商品名：Flexi Force、型式：A201-25）等が使用できる。

リーダライタ６０としては、例えば、従来公知のＲＦＩＤタグのリーダライタに電力供給部６１等を組み込んだものが使用できる。電力供給部６１としては、例えば、電磁波発生装置等が使用できる。

膜濾過装置１００において、各膜エレメント１０の劣化の程度を判断する際は、まず、制御装置７０の指令に基づいて、各リーダライタ６０が、対応する膜エレメント１０の無線タグ３０に対し、各膜エレメント１０の外周部に加わる圧力値を問う信号を送信する。更に、各圧力センサ３３に対し、対応する電力供給部６１から電力が供給される。そして、各圧力センサ３３が、対応する膜エレメント１０の外周部に加わる圧力値を検出し、その圧力値を無線タグ３０のアンテナ３１を介して対応するリーダライタ６０に送信する。続いて、各リーダライタ６０が、対応する圧力センサ３３からの圧力値を制御装置７０に送信する。そして、制御装置７０の判断部７１が、上記各圧力値に基づいて各膜エレメント１０の劣化の程度を判断する。この際、各無線タグ３０に位置情報や使用期間等のデータを予め格納しておき、制御装置７０の指令に基づいて、各リーダライタ６０が当該データを読み出す構成としてもよい。これにより、例えば判断部７１が、隣接する膜エレメント１０間の差圧を算出し、その値が所定の閾値以上の場合に、図示しないディスプレイ等の表示手段に、メンテナンスが必要な膜エレメント１０の位置を表示することができる。また、制御装置７０の指令に基づいて、各リーダライタ６０が、得られた圧力値を各無線タグ３０に書き込むことにより、各膜エレメント１０の経時変化を追跡することもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、圧力センサが、リーダライタに組み込まれた電力供給部から電磁誘導により電力の供給を受ける構成としたが、本発明はこれに限定されず、バッテリを別途設けて、当該バッテリで圧力センサを駆動する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、圧力センサ及びコンバータが無線タグに組み込まれた構成としたが、本発明はこれに限定されず、圧力センサ、コンバータ及び無線タグが分離して配置されていても良い。この場合、無線タグやコンバータは、膜エレメントの外周部に取り付けられている必要はなく、例えば、これらが膜エレメントの端部に設けられた端面保持部材（シールキャリア又はテレスコープ防止部材）などに取り付けられた構成であってもよい。

本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す概略断面図である。 図１のスパイラル型膜モジュールのI-I線断面図である。 本発明の膜濾過装置の一例を説明するための、電気的構成を示した概略ブロック図である。 従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。

符号の説明

１０ 膜エレメント
１６ 分離膜ユニット
２０ 中心管
２６ 外部ラップ
２８ 外装材
３０ 無線タグ
３１ アンテナ
３２ コンバータ
３３ 圧力センサ
４０ 耐圧容器
４２ インターコネクタ
４４ 濃縮液流出口
４６ 透過液流出口
４８ 供給液入口
５０ スパイラル型膜モジュール
６０ リーダライタ
６１ 電力供給部
６２ アンテナ
７０ 制御装置
７１ 判断部
１００ 膜濾過装置

Claims (8)

1. 分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられたスパイラル型膜エレメントが、複数連結されて耐圧容器内に装填されているスパイラル型膜モジュールにおいて、
   前記各スパイラル型膜エレメントの外周部に加わる圧力値を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサにより検出された圧力値を送信する無線タグとを備えたことを特徴とするスパイラル型膜モジュール。
2. 前記圧力センサは、前記無線タグを介して外部から電力の供給を受ける請求項１に記載のスパイラル型膜モジュール。
3. 前記圧力センサは、前記無線タグを介して外部から電磁誘導により電力の供給を受ける請求項２に記載のスパイラル型膜モジュール。
4. 前記電磁誘導により発生した交流電流を直流電流に変換して前記圧力センサに供給するコンバータを更に含む請求項３に記載のスパイラル型膜モジュール。
5. スパイラル型膜モジュールを単数又は複数含む膜濾過装置において、
   前記スパイラル型膜モジュールが、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパイラル型膜モジュールであることを特徴とする膜濾過装置。
6. 前記スパイラル型膜モジュールの前記無線タグから送信された圧力値に基づいて前記各スパイラル型膜エレメントの劣化の程度を判断する判断部を更に備えた請求項５に記載の膜濾過装置。
7. 前記スパイラル型膜モジュールが、請求項２〜４のいずれか１項に記載のスパイラル型膜モジュールであり、
   前記圧力センサに対し、前記無線タグを介して電力を供給する電力供給部を更に含む請求項５又は６に記載の膜濾過装置。
8. 前記電力供給部は、前記無線タグを介して電磁誘導により電力を供給する請求項７に記載の膜濾過装置。