JPH09141060A - 液体分離素子、装置、及び処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高圧下においても十分な透過液の流路を確保
して透過液の流動抵抗の増加を抑制し、透過液流量や阻
止率、排除率や濃縮率等の性能や耐久性に優れた液体分
離素子を提供することができる。 【構成】 半透膜の間に介在する透過液流路材が両面に
互いに平行な溝を有する構造体であることを特徴とする
液体分離素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、種々の液体の分離や濃
縮に用いられる半透膜を用いた液体分離素子の改良に関
し、特に、高い圧力においても性能の低下をきたすこと
のない、耐圧性および耐久性を向上せしめた液体分離素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から半透膜を用いた液体分離素子と
しては、逆浸透膜を用いたスパイラル型や、プレートア
ンドフレーム型、あるいは中空糸型の液体分離素子が利
用されている。特に逆浸透膜を用いたスパイラル型液体
分離素子は、一定容積の中に大きな膜面積の逆浸透膜を
充填することが可能であり、最も良く利用されている。
一般的な逆浸透膜を用いたスパイラル型液体分離素子
は、図１に示すごとく、２枚の逆浸透膜１の間に透過液
流路材２をはさみ込み、さらに逆浸透膜の外側に供給液
流路材３を配して一組のユニットとなし、集水孔４を配
列した中空の中心管５の周囲に、該ユニットの一組、あ
るいは複数組を巻回してなる。

【０００３】通常、逆浸透膜を用いた液体分離素子で
は、液体の分離や濃縮を効率よく行うために、供給液側
と透過液側に０．５から７ＭＰａ程度の差圧が負荷され
る。このような運転圧力に対し透過液流路材は、逆浸透
膜の性能を損なうことなく逆浸透膜を保持し、かつ透過
液の流路を確保する必要がある。そのため透過液流路材
としては、例えば特開昭６２−３５８０２号公報で提案
されているように、片面に溝を有するシングルトリコッ
ト編物に樹脂を含浸、あるいは熱融着加工を施して剛性
を与えた物が代表的である。図２は、代表的な透過液流
路材として、シングルトリコット編物の断面形状を示し
ている。透過液の流路である溝６と凸部７が一定の間隔
で片側の表面に形成されている。

【０００４】上記のような透過液流路材を用いた液体分
離素子透過液流量や、阻止率、排除率やあるいは濃縮率
といった液体分離素子の性能を高めるためには、流路材
による透過液の流動抵抗をできるだけ小さくすることが
望まれる。

【０００５】一般に、圧力負荷による逆浸透膜の変形が
ない場合、透過液流路材の流動抵抗は、溝幅、溝の深
さ、および溝密度により決定し、流動抵抗を小さくする
には、少なくとも溝幅、深さ、あるいは溝密度のいずれ
かを大きくすれば良いことが知られている。

【０００６】上述した理由から、通常、操作圧力が比較
的低い領域で使用する液体分離素子では、圧力による逆
浸透膜の変形が起こりにくい範囲で透過液流路材のシン
グルトリコットの溝幅を約３００〜６００μｍとし、溝
の深さを１５０〜３００μｍ、溝密度を１インチあたり
３０〜４０本程度にして透過液の流動抵抗を小さくする
ようにしている。

【０００７】一方、操作圧力が高い領域で使用する液体
分離素子においては、例えば図３のように、逆浸透膜と
シングルトリコットの溝を有する面との間に、直径が５
０〜１０００μｍの小孔８を０．１〜２００ｍｍ程度の
間隔で有するポリエステル等の多孔性シート９を介在さ
せて、高圧下での逆浸透膜の変形を防止し、透過液の流
動抵抗を小さくすることが特開昭５４−３１０８７号公
報で提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする問題】上述したように、現状
のほとんどのスパイラル型液体分離素子は、透過液の流
路となる溝が片面にしかないシングルトリコットを使用
しており、該シングルトリコットの流動抵抗を小さくす
る目的でに溝幅を大きくすると、高圧下では、図４に示
すごとく圧力により逆浸透膜が変形して溝への落ち込み
が大きくなり、溝が閉塞されるためにかえって流動抵抗
が大きくなる問題がある。反対に、溝幅を小さくすると
逆浸透膜の溝への落ち込みは抑制できるが、流路が狭く
なって流動抵抗が増大する。

【０００９】また、溝の深さを大きくすることによって
透過液の流動抵抗を小さくしようとすると、透過液流路
材を厚くする必要があり、液体分離素子における逆浸透
膜の充填膜面積が小さくなって充分な透過液流量が得ら
れないという問題がある。

【００１０】さらに、隣り合う溝同士の間隔を狭めて１
インチ当たりの溝密度を増加させると、逆浸透膜を支え
る凸部分も狭くなり、高圧力を支えきれなくなって、ト
リコット自体が圧縮変形し、溝がつぶれて透過液の流動
抵抗が高くなってしまうという問題が生ずる。

【００１１】上記のような理由により、高圧下で使用す
るためのには、透過液流路材として多孔性シートをトリ
コットと逆浸透膜の間に介在させて、透過液の流路を確
保するしか有効な方法はなかった。しかし、該方法につ
いても、多孔性シートの分だけ流路材が厚くなる欠点が
あり、また、多孔性シートの小孔の直径が大きいと、圧
力により小孔に逆浸透膜が落ち込み、逆浸透膜が局部的
に変形してダメージを受け、液体分離素子の阻止率や濃
縮率などの性能が低下する問題がある。

【００１２】本発明は、かかる問題点を解決し、高圧下
においても十分な透過液の流路を確保することができ、
かつ透過液流量や阻止率、排除率や濃縮率などの性能や
耐久性に優れた液体分離素子を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、基本的
に下記の構成により達成することができる。即ち、「半
透膜の間に介在する透過液流路材が両面に互いに平行な
溝を有する構造体であることを特徴とする液体分離素
子」である。

【００１４】本発明において、主たる構成部材である透
過液流路材は、図５に示すように両面に互いに平行な溝
を有する構造体からなる。このとき構造体の両面の溝の
方向については、互いに平行にする必要がある。もし、
両面の溝の方向を互いに直交するように設けると、表裏
どちらかの溝方向が中心管の長手方向と平行になるた
め、透過液がスムーズに中心管の集水孔に導かれなくな
り、流動抵抗が極端に大きくなって性能が低下してしま
う。

【００１５】また、透過液流路材の両面の溝の位置につ
いては、両面ともに同じ位置にあるのが、高圧力下での
流路材自体の変形がより少なくなり流動抵抗の増加が抑
制される点で好ましい。特に限定するものではないが、
両面の溝の中心位置のずれが好ましくは４０μｍ以下、
より好ましくは２０μｍ以下である。

【００１６】透過液流路材の溝幅については、高圧力下
で逆浸透膜が溝に落ち込むのを抑制するために、１００
〜２００μｍの範囲とするのが好ましい。より好ましく
は１００〜１５０μｍの範囲である。これは、通常、液
体分離素子に使用する逆浸透膜は、約２００〜３００μ
ｍの厚さを有するが、溝幅を逆浸透膜の厚さと同程度
か、あるいはそれよりも小さくすることによって、実質
的に逆浸透膜が透過液流路材の溝に落ち込むのを抑制す
ることができるからである。溝幅の下限については、逆
浸透膜の溝への落ち込みを抑制する目的から考えると１
００μｍ以上であれば十分であり、逆に１００μｍ以下
にすることは、透過液の流動抵抗を大きくするだけであ
るので好ましくない。

【００１７】また、透過液流路材の溝の深さについて
は、溝の深さが５０μｍ以下では透過液の流路が小さく
なり、高圧下におけるわずかな逆浸透膜の変形によって
も大きく流動抵抗が変化してしまう危険性がある。ま
た、２００μｍ以上になると透過液流路材の厚さが大き
くなり、液体分離素子に組み込んだときの逆浸透膜の充
填膜面積が小さくなってしまうため、十分な透過液の流
路を確保し、かつ透過液の流動抵抗が小さくなるように
５０〜２００μｍの範囲とするのが好ましい。さらに好
ましくは８０〜１５０ｍｍの範囲である。

【００１８】さらに、透過液流路材の流動抵抗は、前述
したように溝密度、即ち単位長さあたりの溝の本数によ
っても変化するが、本発明の液体分離素子では、透過液
流路材の片面の溝密度が１インチあたり４５〜７０本の
範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは１インチあ
たり５０〜６０本である。溝密度が１インチあたり４５
本以下では、流路本数が少ないため全体の流路面積が小
さくなり流動抵抗が大きくなってしまう。また、溝密度
の上限は、多い方が流動抵抗を小さくする上では望まし
いが、実質的に溝密度が１インチあたり７０本以上にな
ると、高圧下で逆浸透膜を支えるための流路材の凸部分
の幅が小さくなり、圧力を受ける部分の面積が小さくな
るために流路材自体が変形するようになる。そのため、
溝の深さが小さくなって流動抵抗が増加する危険性があ
る。

【００１９】本発明における透過液流路材の構造体につ
いては、上述したような構造的特徴を有するものであれ
ばどのようなものでも良く、構造体の種類については特
に規定しないが、本発明の構造的特徴を高品質、かつ安
価で具現化できる点で、ダブルトリコットを用いるのが
好ましい。また、ダブルトリコットについては、例え
ば、ダブルハーフ、ダブルデンビ、クインズコード、三
枚オサ等、編成組織の違いにより、いく通りもの種類が
挙げられるが、透過液の流路を確保し、かつ高圧下でも
変形しにくいものであれば、どのようなものを使用して
も良く、特に限定はしない。

【００２０】織編物の繊維の材質については、流路材と
しての形状を保持し、かつ透過液中への成分の溶出が少
ないものならばどのようなものでも良く、例えば、ナイ
ロン等のポリアミド系繊維、ポリエステル系繊維、ポリ
アクリロニトリル系繊維、ポリエチレンやポリプロピレ
ン等のポリオレフィン系繊維、ポリ塩化ビニル系繊維、
ポリ塩化ビニリデン系繊維、ポリフルオロエチレン系繊
維、カーボン繊維等が挙げられるが、特に高圧下に耐え
うる強度や、後述する織編物の加工のしやすさ等を考慮
すると、ポリエステル系繊維を用いるのが好ましい。

【００２１】また、本発明においても、高圧下で流路材
自体が変形するのを抑制するために、織編物の剛性を高
める硬化処理を行うのが好ましい。硬化処理の方法とし
ては、例えば織編物にメラミンやエポキシなどの樹脂を
含浸加工したり、あるいは織編物を加熱して繊維を相互
に融着固化させる熱融着加工を施す等の方法があるが、
本発明では、高圧下において流路材自体が変形しないよ
うな硬度が得られる処理方法であればいかなる方法でも
用いることができる。

【００２２】さらに、本発明では、透過液流路材の織編
物の凸部が平坦でない場合には、高圧下において逆浸透
膜に局部的、あるいは不均一な変形が起こらないように
するため、透過液流路材の織編物をカレンダー加工する
のが好ましい。特に限定されるものではないが、カレン
ダー処理の条件としては、例えば、ポリエステル繊維の
場合では、好ましくは加熱温度は５０〜１５０℃、幅１
ｍ当たりのの加重は２０〜８０ｔであり、より好ましく
は加熱温度は６０〜１００℃、幅１ｍ当たりのの加重は
４０〜６０ｔである。もちろん、ポリエステル繊維以外
の材質の繊維に関しては、その融点や弾性等の物性の相
違に応じて、係るカレンダー処理の条件を適宜変更すれ
ばよい。カレンダー加工を施すことにより織編物の表面
は、繊維の形状に起因する微細な起伏がつぶされ、凸部
が非常に平滑かつ平坦になる。このため、カレンダー加
工を施していない場合に対してカレンダー加工を施した
場合は、逆浸透膜と流路材の凸部の接触面積が広くな
り、かつ全体に均一に接触するようになるため、高圧下
で逆浸透膜が受けるダメージが少なくなり、その結果、
阻止率や濃縮率などの性能低下が少なくなり耐久性が向
上する。

【００２３】また、本発明の特徴は改良された透過液流
路材にあり、該透過液流路材以外の液体分離素子の部
材、即ち、表面に孔を有する中空状の中心管や、半透
膜、および供給液流路材については何ら規定するもので
はない。そのため、これらの部材については、例えば従
来のものをそのまま使用することが可能である。

【００２４】なお、使用条件に関して、特に限定される
ものではないが、前述のように、特に高圧条件におい
て、優れて本発明の効果が発揮されるものであり、具体
例を挙げるならば、付加される圧力は、好ましくは５〜
１５ＭＰａ、より好ましくは７〜１２ＭＰａであり、好
適な応用分野としては、０．５％以上の塩水、特に海水
の逆浸透による淡水化が挙げられ、特に２段法により、
高圧の濃縮水を更に逆浸透膜処理する場合に好適であ
る。

【００２５】また、用いられる逆浸透膜も耐圧性を有し
ていることが好ましく、たとえば、複合膜の支持膜ある
いは非対称膜として、細孔径が主に２００ｎｍ以下のＡ
層と、主に２００ｎｍ以上のＢ層の２層を有し、Ａ層の
厚さが２μｍ以上、Ｂ層の厚さが８μｍ以上で、かつＡ
層とＢ層の厚さの合計に対するＡ層の厚さの割合Ｘが２
０％以上であることを特徴とする微細孔層を有する膜が
挙げられる。

【００２６】

【実施例】

実施例１、比較例１ 本発明の実施例１として、ポリエステル繊維のマルチフ
ィラメントをダブルハーフ組織に編成（糸径５０デニー
ル、編条件ウェル３５本／インチ、コース５０本／イン
チ）し、これを熱融着加工（温度２５０℃、処理時間１
分）して硬化させた後、カレンダー加工（温度６０℃、
加重４０ｔ／ｍ）を施して、溝幅が１５０μｍ、溝の深
さが１２０μｍ、および片面の溝密度が１インチあたり
５０本で、厚さが３２０μｍの図５に示す形状のダブル
トリコットを作製して透過液流路材とし、これを２枚の
逆浸透膜の間に組み込んで流動抵抗測定用のサンプルと
した。

【００２７】一方、比較例１として、ポリエステル繊維
のマルチフィラメントをダブルデンビ組織に編成（糸径
６０デニール、編条件ウェル２５本／インチ、コース４
０本／インチ）し、これを熱融着加工（温度２４５℃、
処理時間１分）して硬化させた後、カレンダー加工（温
度６０℃、加重４０ｔ／ｍ）して、溝幅が３００μｍ、
溝の深さが１５０μｍ、および片面の溝密度が１インチ
あたり３５本で凸部が平滑な、厚さ２３０μｍのシング
ルトリコットを作製して透過液流路材とし、実施例１と
同様に２枚の逆浸透膜の間に組み込んで流動抵抗測定用
サンプルを作製した。

【００２８】これらのサンプルを用いて、液温２５℃の
条件で逆浸透膜に０．５〜１０ＭＰａの静水圧を負荷
し、１時間後の透過液流路材を通過する純水の流動抵抗
を測定した結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】 比較例１の従来の透過液流路材が、圧力の負荷により急
激に流動抵抗が増加するのに対し、本発明の流路材は、
高圧下においても十分な透過液の流路が確保され、１０
ＭＰａの圧力においても低圧下の２倍程度までに流動抵
抗の増加を抑制することができた。

【００３０】実施例２、比較例２ 実施例１と同じダブルトリコットの透過液流路材、およ
び比較例１のシングルトリコットの溝を有する面に、直
径４００μｍの小孔が１０ｍｍ間隔で穿孔された厚さ１
００μｍのポリエステルシートを敷設した図３に示す形
状の透過液流路材を、それぞれ２枚の逆浸透膜の間に組
み込み、さらに逆浸透膜の外側に供給液流路材としてポ
リプロピレン製ネットを組み込み、これらをＦＲＰ製の
中心パイプの周囲に巻回して外径４インチの２種類の液
体分離素子を得た。これらを図６に示す液体分離装置の
圧力容器内にそれぞれ別個に装填し、供給液に食塩水を
用いて分離実験を行った。実験条件として供給液の食塩
濃度を５．０％、運転圧力を８〜１３ＭＰａとし、供給
液流量を２０リットル／ｍｉｎ、および液温を２５℃と
して、各圧力における１２０ｈ後の食塩の排除率を測定
した結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】 従来の液体分離素子では、運転圧力が１０ＭＰａ以上で
急激に食塩の排除率が低下し、また、低圧においても長
時間評価した場合は食塩の排除率が低下するが、本発明
の液体分離素子は１３ＭＰａまで食塩の排除率は低下し
なかった。また長時間の評価においても食塩の排除率の
低下は見られず、従来の液体分離素子よりも耐久性に優
れていた。

【００３２】

【発明の効果】本発明により、高圧下においても十分な
透過液の流路を確保して透過液の流動抵抗の増加を抑制
し、透過液流量や阻止率、排除率や濃縮率等の性能や耐
久性に優れた液体分離素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の逆浸透膜を用いたスパイラル型液体分
離素子の断面図

【図２】 従来の代表的な透過液流路材であるシングル
トリコットの説明図

【図３】 従来の、高圧下で使用する液体分離素子に用
いられている透過液流路材の説明図

【図４】 従来の液体分離素子において発生する、高圧
下での逆浸透膜の変形を示す説明図

【図５】 本発明に基づく、液体分離素子の透過液流路
材の説明図

【図６】 本発明の実施例に使用した液体分離装置の概
略図である。

【符号の説明】

１：逆浸透膜 ２：透過液流路材 ３：供給液流路材 ４：集水孔 ５：中心管 ６：溝 ７：凸部 ８：小孔 ９：多孔性シート １０：本発明の透過液流路材 １１：原水（食塩水） １２：供給ポンプ １３：フィルター １４：高圧ポンプ １５：供給水ライン １６：液体分離素子（圧力容器） １７：濃縮水ライン １８：透過水ライン

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数枚の半透膜の間に介在する透過液流
   路材が両面に互いに平行な溝を有する構造体であること
   を特徴とする液体分離素子。
2. 【請求項２】 該透過液流路材の溝の位置が、両面とも
   に同じ位置にあることを特徴とする請求項１に記載の液
   体分離素子。
3. 【請求項３】 該透過液流路材の溝の幅が１００〜２０
   ０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の液
   体分離素子。
4. 【請求項４】 該透過液流路材の溝の深さが５０〜２０
   ０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の液
   体分離素子。
5. 【請求項５】 該透過液流路材の片面の溝密度が１イン
   チあたり４５〜７０本の範囲にあることを特徴とする請
   求項１記載の液体分離素子。
6. 【請求項６】 該透過液流路材の片面の溝密度が１イン
   チあたり５０〜６０本の範囲にあることを特徴とする請
   求項１記載の液体分離素子。
7. 【請求項７】 該透過液流路材の構造体がダブルトリコ
   ットであることを特徴とする請求項１記載の液体分離素
   子。
8. 【請求項８】 該透過液流路材の構造体がカレンダー加
   工されていることを特徴とする請求項１記載の液体分離
   素子。
9. 【請求項９】 請求項１記載の液体分離素子を用いたこ
   とを特徴とする逆浸透装置。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の液体分離素子を用いた
    ことを特徴とする逆浸透膜処理方法。
11. 【請求項１１】 表面に孔を有する中空状の中心管の周
    囲に、２枚の半透膜とその間に介在する透過液流路材、
    および供給液流路材を一組とするユニットの一組または
    複数組を巻回してなる液体分離素子において、該透過液
    流路材が両面に互いに平行な溝を有する構造体であるこ
    とを特徴とする液体分離素子。