CN101098745A - 螺旋型分离膜元件 - Google Patents
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Abstract
提供螺旋型分离膜元件，其不改变集水管的外径和内径，就可以降低集水管内透过水流动所致的压力损失。其是分离膜、供给侧流路材料及透过水侧流路材料以层叠状态螺旋状地缠绕于有孔的集水管的周围而得的螺旋型分离膜元件，其特征在于，所述供给侧流路材料2含有相对于原液流动方向呈倾斜方向的网构成丝2a，该网构成丝2a具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝2a的交点部间的中央部P1与交点部P2相比，丝径Y小。
Description
技术领域
本发明涉及将在液体中存在的成分分离的螺旋型分离膜元件，详细而言，涉及内部装有供给侧流路材料的螺旋型分离膜元件，所述供给侧流路材料可以将供给侧流路的压力损失降低到小于以往、而且具有用于抑制在膜面上的浓差极化所必需的搅拌效果。
背景技术
作为以往的螺旋型分离膜元件的结构，已知将分离膜、供给侧流路材料和透过水侧流路材料的层叠体单个或多个缠绕在有孔的中空状集水管的周围而得的结构(例如，参照专利文献1)。
在该膜元件中，原液由一端面供给，沿着供给侧流路材料流动，同时被分离膜过滤，从另一端面取出浓缩液。被分离膜过滤的透过液沿着透过侧流路材料流动，从集水管的孔流入，在集水管内流动。因此，在提高分离操作的能量效率的基础上，原液沿着供给侧流路材料流动时的压力损失越小越好。
作为供给侧流路材料，通常使用网状的物质，在确保元件供给侧流路的同时，具有促进膜面的表面更新、抑制浓差极化的功能。为了抑制浓差极化，有将流路材料的厚度制薄、增大膜面的线速度的方法，但存在供给液中的浮游成分使流路堵塞的问题、以及输送供给液的泵的必要动力变大的问题。
因此，为了抑制供给侧流路材料所致的浓差极化和降低供给侧流路的压力损失，已知有如下的供给侧流路材料：相对于原液的流动方向，网的构成丝倾斜，并且，将原液流动方向的交点间的间隔制成比与此垂直的交点间的间隔大(例如，参照专利文献2)。
另外，已知有如下的供给侧流路材料：将相对于原液流动方向交叉的横丝的径制成小于与流动方向平行的纵丝的径(例如，参照专利文献3)。
但是，上述任何的供给侧流路材料的网构成丝的截面形状都为圆形，且粗细是一定的，因此，在同时获得抑制供给侧流路材料所致的浓差极化和降低供给侧流路的压力损失方面，存在不足。
专利文献1：特开平10-137558号公报
专利文献2：特开2000-437号公报
专利文献3：特开2004-283708号公报
发明内容
因此，本发明的目的是提供可以维持浓差极化的抑制效果，同时可以减小供给侧流路的压力损失，而且难以产生阻碍或堵塞供给侧流路流动的问题的螺旋型分离膜元件。
本发明人等为达到上述目的，对供给侧流路材料的形状及结构进行了精心的研究，结果发现将网构成丝的截面形状制成扁平，并且使粗细变化，如此就可以达到上述目的，从而完成了本发明。
即，本发明的螺旋型分离膜元件，其是分离膜、供给侧流路材料及透过水侧流路材料以层叠状态螺旋状地缠绕于有孔的集水管的周围而得的螺旋型分离膜元件，其特征在于，所述供给侧流路材料含有相对于原液流动方向呈倾斜方向的网构成丝，该网构成丝具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝的交点部间的中央部与交点部相比，丝径Y小。在此，原液流动方向是指与集水管的轴心平行的方向。
根据本发明，网构成丝具有丝径X比丝径Y大的截面部分，以及网构成丝的交点部间的中央部与交点部相比丝径Y小，从而供给侧流路的空隙率增高，因此可以降低供给侧流路的压力损失，而且能够难以产生阻碍或堵塞供给侧流路流动的问题。此时，在与流动方向倾斜的方向存在构成丝，通过该丝进行流动的搅拌，因此可以维持浓差极化的抑制效果。
在上述中，所述供给侧流路材料优选进一步含有与所述网构成丝交叉且与原液流动方向逆向倾斜的网构成丝，该网构成丝具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝的交点部间的中央部与交点部相比丝径Y小。
这样，对于任何的交叉的网构成丝来说，网构成丝具有丝径X比丝径Y大的截面部分，中央部与交点部相比丝径Y小，从而供给侧流路的空隙率进一步得到提高，因此，可以更加降低供给侧流路的压力损失，而且能够更难以产生阻碍或堵塞供给侧流路流动的问题。
另外，优选所述网构成丝的丝径X和丝径Y的比(X/Y)为1.1～1.5，且所述网构成丝的交点部间的纵截面的空间的面积率为35～50％。通过该构成，可以更加确切地提高供给侧流路的空隙率，因此，可以进一步降低供给侧流路的压力损失，而且能够更难以产生阻碍或堵塞供给侧流路流动的问题。
附图说明
图1：显示本发明的螺旋型分离膜元件的制造方法之一例的工序图。
图2：显示本发明的螺旋型分离膜元件之一例的部分剖切的斜视图。
图3：显示本发明的螺旋型分离膜元件的主要部分之一例的主要部分图。
图4：显示本发明的螺旋型分离膜元件的主要部分的截面图。
图5：显示本发明的螺旋型分离膜元件的主要部分的其他例的截面图。
图6：实施例1中的流路材料的截面照片(左侧)及丝的截面照片(右侧)。
图7：实施例2中的流路材料的截面照片(左侧)及丝的截面照片(右侧)。
图8：比较例1中的流路材料的截面照片(左侧)及丝的截面照片(右侧)。
图9：比较例2中的流路材料的截面照片(左侧)及丝的截面照片(右侧)。
图10：显示实施例等中的流路材料的压力损失的评价结果的图。
图11：显示实施例等中的元件的压力损失的评价结果的图。
符号说明
1分离膜
2供给侧流路材料
2a网构成丝(倾斜丝)
2b网构成丝(倾斜丝)
2c网构成丝(平行丝)
3透过侧流路材料
5集水管
X与原液流动面平行方向的丝径
Y与原液流动面垂直方向的丝径
P1网构成丝的中央部
P2网构成丝的交点部
P3网构成丝的中央部
S0网构成丝的交点部间的面积
S1空间的面积
具体实施方式
以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式。图1是显示本发明的螺旋型分离膜元件的制造方法之一例的工序图；图2是显示本发明的螺旋型分离膜元件之一例的部分剖切的斜视图。图3是显示本发明的螺旋型分离膜元件的供给侧流路材料之一例的平面图；图4(a)为其的A-A向视截面图，(b)为其的B-B向视截面图。
本发明的螺旋型分离膜元件只是供给侧流路材料的形状与以往的不同，其他结构、材料等都可以适用以往的螺旋型分离膜元件的构成。
本发明的螺旋型分离膜元件如图1～2所示，分离膜1、供给侧流路材料2及透过侧流路材料3以层叠状态螺旋状地缠绕于有孔的集水管5的周围。对于该圆筒状缠绕体R，通常设置用于防止供给侧流体和透过侧流体混合的密封部。在密封部中，含有两端密封部11和外周侧密封部12。
如图2所示，隔着透过侧流路材料3相对的分离膜1的两端被两端密封部11密封，在以螺旋状配置的多个两端密封部11之间，存在供给侧流路材料2。另外，隔着透过侧流路材料3相对的分离膜1的外周侧端部被沿着轴方向的外周侧密封部12密封。
圆筒状缠绕体R可以通过如下工序来制造：将分离膜1、供给侧流路材料2和透过侧流路材料3以层叠状态螺旋状地缠绕于有孔的集水管5的周围，形成圆筒状缠绕体R的工序；和形成用于防止供给侧流体和透过侧流体混合的密封部11、12的工序。
具体而言，例如可以通过图1所示的实施方式来制造。图1(a)是分离膜单元的组装斜视图；(b)是显示将分离膜单元层叠缠绕前的状态的正面图。
首先，准备一种单元，如图1(a)所示，其在将分离膜1对折而成的间隙配置供给侧流路材料2，将所得物质与透过侧流路材料3重叠，在透过侧流路材料3的轴方向两端和缠绕终端部涂布粘合剂4、6，所述粘合剂4、6用于形成防止供给侧流体和透过侧流体混合的密封部。此时，分离膜1的折线部分可以粘贴保护胶带。
分离膜1可以使用反渗透膜、超滤膜、微滤膜、气体分离膜、脱气膜等。透过侧流路材料3可以使用网状材料、筛眼状材料、带槽片、波形片等。供给侧流路材料2在后叙述。
有孔的集水管5是在管的周围有开孔的物质。集水管5的材质可以是树脂、金属等任意物质，但通常使用Noryl树脂、ABS树脂等的塑料。
作为粘合剂4、6，可以使用聚氨酯类粘合剂、环氧类粘合剂、热熔性粘合剂等以往公知的任意粘合剂。
接着，如图1(b)所示，层叠多个该分离膜单元U，螺旋状地缠绕于有孔的集水管5的周围，然后通过加热使粘合剂等固化等，从而得到圆筒状缠绕体R。此时，可以同时进行集水管5周围的密封。对于圆筒状缠绕体R来说，为了调整轴方向的长度，可以根据需要对两端部进行修整等。
层叠分离膜单元U时的数量，可以根据所必需的透过流量来决定，只要是1层以上即可，但考虑到操作性，将上限设为100层左右。分离膜单元U的层叠数量越大，各分离膜单元U的缠绕圈数就越少。
如图3～图4所示，本发明的特征为，在上述那样的螺旋型分离膜元件中，所述供给侧流路材料2含有相对于原液流动方向呈倾斜方向的网构成丝2a，该网构成丝2a具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝2a的交点部间的中央部P1与交点部P2相比，丝径Y小。
在本实施方式中例示如下，供给侧流路材料2进一步含有与所述网构成丝2a交叉且与原液流动方向逆向倾斜的网构成丝2b，该网构成丝2b具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝2b的交点部间的中央部P3与交点部P2相比，丝径Y小。
在本发明中，上述网构成丝2a、2b的至少一方的丝径X与丝径Y的比(X/Y)优选为1.1～1.5，更优选1.1～1.3。在本实施方式中，网构成丝2a、2b这两者优选满足上述数值范围。如果比值(X/Y)比该范围小，则在相对于原水流动产生的丝后方的尾流中产生激烈的旋涡，有流路阻力变大的倾向。相反，如果比值(X/Y)大于该范围，则使用的树脂量变多，流路材料有成本增加的倾向。
在此，X/Y是测定任意部分的值，但优选测定最少10个点以上的平均值。作为测定方法，优选用光学显微镜、CCD相机等放大装置来测定的方法。
另外，在将网构成丝2a的交点部间的中央部P1制成与交点部P2相比丝径Y小时，中央部P1的丝径Y与交点部P2的丝径Y的比率(P1/P2)优选0.2～0.8，更优选0.3～0.7。该比率(P1/P2)如果比0.2小，则制造或操作有变难的倾向，相反，如果比0.8大，则使网构成丝2a、2b的丝径变化而带来的效果有变小的倾向。上述的关系对于网构成丝2b亦然。
另外，就网构成丝2a、2b的至少一方来说，网构成丝的交点部P2间的纵截面的空间的面积率优选为35～50％，更优选37～45％。在此，空间的面积率是指用纵截面的交点部P2间的面积S0除空间的面积S1再乘以100而得的值。空间的面积率如果低于该范围，则流路阻力变大，压力损失有增大的倾向。空间的面积率如果高于50％，则丝径厚度过细，丝间的间距过大，作为网没有弹性而有操作困难的倾向。空间的面积率优选求出最少10个以上的间隔空间的面积率，取其平均值。
具有这样的网构成丝2a、2b的截面形状及丝径变化的供给侧流路材料2，可以如下通过熔合法或剪切法来制造。
例如，在通过熔合法将网成型的情况下，一般而言，一边使在挤出机的口模的内外2个圆周上配置的多个喷孔逆向旋转，一边挤出横丝和纵丝后使其在交叉部相互熔合，在冷却槽中浸渍后，取出。在进行上述挤出时，以在横丝和纵丝的交叉部两者的喷孔不重叠的方式预先配置喷孔(该点与剪切法不同)，在发生适度熔合的时机下使被挤出的横丝和纵丝熔合。
在本发明中，此时，通过将口模的喷孔制成椭圆形，可以将网构成丝2a、2b的比(X/Y)控制在1.1以上。另外，将横丝和纵丝挤出时，通过施加适度的拉伸，可以将交点部间的中央部P1的丝径Y制成小于交点部P2的丝径Y，由此，可以使空间的面积率达到35～50％。
作为在供给侧流路材料2中使用的网的原材料，可以使用与以往的网相同的任意物质，但优选聚乙烯树脂、聚丙烯树脂等。构成供给侧流路材料2的网构成丝2a、2b，优选在交点部P2通过熔合或粘合等来相互固定。
另外，如果使网的厚度变薄，则虽然膜面的线速度变大而可以抑制浓差极化，但如果太薄则有供给液中的浮游成分使流路堵塞的问题及输送供给液的泵的必要动力变大的问题。因此，交点部P2的厚度t优选0.5mm～2.0mm。在此所述的网的交点部P2的厚度t优选测定最少10点以上的平均厚度。作为测定方法，有利用测厚仪来测定，或用光学显微镜、CCD相机等放大装置来测定的方法。
网构成丝2a、2b的丝间隔优选设定在最适的间距，例如优选丝间隔为3～8mm。丝间隔如果比此小，则虽有抑制浓差极化的效果，但有增大流路的压力损失的倾向。相反，丝间隔如果比此大，则虽然压力损失变小，但产生浓差极化，有元件性能发生降低的倾向。
网构成丝2a、2b交叉而形成的交点角度θ优选为50～120度。即，各个网构成丝2a、2b优选相对于原液流动方向倾斜25～60度。一般而言，如果相对于原水流动的角度小，则可以使供给侧流路的压力损失减小。对于这一点，在特许第3230490号公报中详细地说明。
本发明的螺旋型分离膜元件通常可以用外装材料拘束成为径不扩大的结构，外装材料可以将单个或多个片缠绕在圆筒状缠绕体的表面。作为外装材料，可以使用聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、玻璃纤维布等。
本发明的螺旋型分离膜元件中，根据需要，可以进一步设置用于防止变形(压缩等)的有孔的端部材料、密封材料、增强材料等。
[其他的实施方式]
(1)在上述的实施方式中，两种直线状的网构成丝都是在相对于原液流动方向呈倾斜的方向上配置的示例，但本发明中的供给侧流路材料可以含有相对于原液流动方向呈倾斜方向的网构成丝，例如可以是图5(a)～(b)中所示的形状。
在图5(a)中所示的例子为，网构成丝2a、2c都是直线状，但一方的网构成丝2a被配置在相对于原液流动方向呈倾斜的方向，另一方的网构成丝2c与原液流动方向平行地配置。即使在这种情况下，一方的网构成丝2a具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝2a的交点部间的中央部P1与交点部P2相比，丝径Y小。因此可以发挥本发明的作用效果。
在图5(b)中所示的例子为，网构成丝2a、2b都是弯曲的形状，都具有相对于原液流动方向呈倾斜方向的部分。即使在这种情况下，至少一方的网构成丝2a或网构成丝2b具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝的交点部间的中央部P1与交点部P2相比，丝径Y小。因此可以发挥本发明的作用效果。
(2)在上述的实施方式中，网构成丝的截面形状都显示为椭圆形状的例子，网构成丝的截面形状只要是丝径X比丝径Y大的形状，可以是任意的，例如可以是长方形、梯形、菱形等。
(3)在上述的实施方式中，是用如下例子进行说明的：如图1所示，在以夹入供给侧流路材料2的方式对折的分离膜1上，重叠透过侧流路材料3，涂布粘合剂4、6。但在本发明中，也可以在透过侧流路材料3上重叠对折的分离膜1，在其上涂布粘合剂4、6。
(4)在上述的实施方式中，是用如下例子进行说明的：如图1所示，使用多个分离膜单元U，制造备有多个膜叶的螺旋膜元件。但在本发明中，也可以使用1组分离膜单元U，制造备有1片膜叶的螺旋膜元件。
实施例
以下，对具体显示本发明的构成及效果的实施例等进行说明。实施例等中的评价项目按如下进行测定。
实施例1～2
将通过熔合法制造的下述表1及图6～图7所示的网安装于平行平板单元(C10-T；流路宽35mm、流路长135mm)，测定流过纯水时的流量和压力损失。其结果示于图1中。
比较例1～2
将通过熔合法制造的下述表1及图8～图9所示的网安装于平行平板单元(C10-T；流路宽35mm、流路长135mm)，测定流过纯水时的流量和压力损失。此时，如表1所示，作为比较例1，使用比值(X/Y)比1小的物质；作为比较例2，因网构成丝的粗细大体一定而使用了空间的面积率小的物质。其结果示于图1中。
[表1]
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 比较例1 | 比较例2 |
| 原材料 | PP树脂 | PP树脂 | PP树脂 | PP树脂 |
| 平均厚度(mm) | 0.79 | 0.79 | 0.79 | 0.79 |
| 丝间隔(mm) | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
| 交点角度(度) | 90 | 90 | 90 | 90 |
| X/Y(-) | 1.14 | 1.21 | 0.9 | 1.12 |
| 空间的面积(％) | 42.0 | 38.0 | 39.5 | 23.8 |
在图6～图9中，显示实施例1、实施例2、比较例1、比较例2的流路材料的截面照片(左侧)和丝的截面照片(右侧)。
如图1的结果所示，实施例1～2的网中，厚度、丝间隔、交点角度相同，但X/Y为1.1以上，交点部分的空隙率为35％以上，因此，流路材料的压力损失降低20％以上。
试验例1
使用实施例1、比较例2中所示的网，制作膜面积为33.9m2的螺旋元件，以装填于压力容器的状态测定流动纯水时的流量和压力损失。其结果示于图2中。C10-T中确认的压力损失的降低在实际的元件中也可以得到确认。
试验例2
另外，对于使用实施例1和比较例2的网制作的上述螺旋元件而言，在1500ppm的NaCl水溶液中，在1.55MPa、回收率为15％的条件下，评价性能。其结果如表2所示，可以确认，与比较例2相比，实施例1的阻止率没有变差，尽管维持了浓差极化，但得到了充分的湍流效果。
[表2]
元件性能
| 实施例1 | 比较例2 | |
| NaCl阻止率(％) | 99.80 | 99.81 |
| 透过水量(m3/d) | 50.2 | 49.9 |
| 评价条件 |
(1)操作压力：1.55MPa
(2)原水：1500ppm NaCl溶液
(3)回收率：15％
Claims (3)
1.一种螺旋型分离膜元件，其是分离膜、供给侧流路材料及透过水侧流路材料以层叠状态螺旋状地缠绕于有孔的集水管的周围而得的螺旋型分离膜元件，其特征在于，所述供给侧流路材料含有相对于原液流动方向呈倾斜方向的网构成丝，该网构成丝具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝的交点部间的中央部与交点部相比，丝径Y小。
2.根据权利要求1所述的螺旋型分离膜元件，其中，所述供给侧流路材料进一步含有与所述网构成丝交叉且与原液流动方向逆向倾斜的网构成丝，该网构成丝具有与原液流动面平行方向的丝径X比与原液流动面垂直方向的丝径Y大的截面部分，并且，网构成丝的交点部间的中央部与交点部相比，丝径Y小。
3.根据权利要求1或2所述的螺旋型分离膜元件，其中，所述网构成丝的至少一方的丝径X与丝径Y的比、即X/Y为1.1～1.5，且所述网构成丝的交点部间的纵截面的空间的面积率为35～50％。
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