JPH03504820A - スパイラル状に巻かれた逆浸透膜セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スパイラル状に巻かれた逆浸透膜セル ラ　　　　　　　　　　　　　　発明の背景１、λ」！ソリ１ 本発明は、全体として、逆浸透及び限外ろ過技術に関し、特に、管状マンドレル の周囲にスパイラル状に巻き付は又は包み込まれた半透過性膜シートの外被体を 利用する逆浸透、限外ろ過又は微小ろ過装置に関する。巻き付けられた膜シート の渦巻き体が相互に分離され、供給液が該渦巻き体を通じて導入され、透過した 流体は圧力押し込み力によって膜を通って流動し、中空のマンドレル内に排出さ れる。

２、従来の技術　　　゛ 逆浸透、限外ろ過及び微小ろ過装置において、不純粋な溶液又は凝縮しようとす る液体は、半透過性膜に接触される。圧力が液体に付与され、液体（透過液）を 膜を通じて流動させ、これによって、最初の溶液のろ過又は濃縮を行う。膜の平 均多孔度、及び抽質又は開始溶液の粒子寸法又は分子量を比較することにより、 特定の用途に合った膜を選択することが出来る。更に、膜は、例えば、中空管又 は平坦なシートという２つの異なる形状とすることが出来る。平坦なシート膜は 、スパイラル状に巻かれ、又は板あるいはフレーム状の形状の装置内に取り付け ることが出来る。スパイラル状に巻かれたシステムにおいては、膜材料の１又は ２以上の平坦なシートが有孔の透過液集め管の周囲に巻かれる。モジュールを通 る流体流の方向は、単一方向である。即ち、透過液は、膜を通って集液管に流れ る一方、濃縮された残液は、膜の片側に沿って流れ、集められ又は排出される。

膜シートは、四端縁の内、三つの端縁上に密封され、第４の端縁は集液管に密封 され、有孔部分を通じて該集液管と連通ずる。

従来技術のスパイラル状に巻かれたモジュールの例は、米国特許第３，６９５， ４４６号、第３，８２７，５６４号、第３．Ｈ３，３３４号、第３，９２Ｌ２０ ４号、第３，３６７．５０４号、第３，１７３，０７号及び第２，５９９，６０ ４号に記載されている。供給流体の流れに対して蛇行路を提供する特許の例は、 ニューマン（Ｎｓｖ＋ａｓｎ）の特許第４，０５３，４０号及び１９７４年７月 １９日に公告されｔ；仏国公告第２　、２１１．２７４号に示されている。

上述の特許によって例示した従来技術の装置は、一般に、格子状又はメツシュ層 を利用して、半透過膜に隣接して空隙を維持する。メツシュ又は開放した格子セ パレータは、供給水の通路寸法を画成する。不具合なことに、かかる分離装置に よって膜表面を通る流体の流れが制限されかつ妨害されることが多かった。

膜表面は、該膜表面を通る供給流体の流れによって洗滌し、イオン塩又は懸濁し た固形分の濃度分極を防止しなければならない。逆浸透膜及び塩溶液の場合、供 給水が懸濁した固形分を含有していないとき、０．５乃至１フイ一ト／秒の速度 が濃度分極を最小にするのに十分である。懸濁した固形分が存在するとき、これ ら固形分は、水が膜を通って流れるとき、膜表面に濃縮する傾向となる。極めて 低濃度の場合でさえ、かかる固形分は、表面上にフィルムを形成し、このフィル ムが膜の生成速度を遅くする、膜の表面を通る水の横断速度を速くすると、懸濁 しｔ；固形分のフィルムの厚みは薄くなり、生成速度を最大にすることが出来る 。従来の市販のスパイラル状に巻かれた逆浸透要素を使用する場合、懸濁した固 形分の低速度における従来の限界値は、シルト濃度指数５以下でかつ比朧濁り度 単位（ＮＴｔｌ）の最大濁り度である。これは、通常、懸濁した固形分の濃度が ｌｐｐｍ以下であることを示す。

多くの場合、特に、懸濁された固形分が比較的少ない場合、市販の逆浸透要素に 見られる通常の格子又はメツシュセパレータシートは、十分な流体流を提供する のに十分である。しかし、ある適応例の場合、特に、流れている河川等から入手 した水を前処理することが望ましい場合、源は極めて濁っていることが多いこと が分かった。従来の装置は、セパレータのメツシュ又は格子が詰まるに伴って、 急速に汚れ、膜も汚染されて、これにより、洗滌時間の間の運転時間が短縮し、 所定の生産速度を維持するためには、作用圧力を増大させなければならず、さも なければ、生産速度は低下することになる。より高速度を実現するためには、開 放しＩ；供給通路セパレータが必要とされる。

これは、通常、板及びフレームの中空ファイバ装置を使用して行われる。しかし 、スパイラル状に巻かれた装置は、通常、管を容器として使用するため、低廉に 製造することが出来る。

ニューマンの特許第４，０５３，４１８号は、人工腎臓システムに使用されるフ ィル状の透析装置を開示しており、ここで、膜が支持部材ウェブに接触するのを 防止し、膜とウェブとの間に均一な透析液の流動を保証するため、エンボス加工 された支持部材が設けられる。この場合、セパレータは、無孔の不透過性ウェブ であり１、角度を成す通路路を画成すると共に、支持体又はウェブを半透過性膜 から分離させる作用をする一体に形成されたエンボス加工リブを備えている。ヘ デン（Ｈ！ｄｃ＋＋）の米国特許第３゜３５２．４２１号は、「板及びフレーム 」型式の透析装置内に「鋸歯」構造を提供するものである。このようにして、円 筒状円板は、１つの流体流を通過させる中心穴と、スパイラル状に形成された溝 とを備え、該溝の内端が中心穴に近接して配置される。鋸歯形成は、溝の端縁又 はリッジに対して行われる。

スパイラル状に巻かれｌ；膜構造体は又、仏間公告第２，２１１，２７４号に開 示されており、ここで、膜構造体は、各部分の一端内に挿入された円筒状の水密 プラグにより相互に分離されｔ；２つの管状部分から成る管状部材を備えている 。各部分は、膜複合体の凹状通路に連通する横方向穴又は側部穴を有している。

連続的な凹状通路は、略Ｕ字形であり、膜複合体の一端を管状マンドレルに固着 したとき、分離した舌状部分が、プラグの領域から横方向に伸長する。このｔ； め、分離又はろ過しようとする流体がマンドレルの一部分に入り、その横方向大 を通って該部分から出て、Ｕ字形通路の一側部内に入り、伸長する「舌」の周囲 を通り反対側部から出て、反対側の管状部分の横方向穴に入る。

上述のニューマン及び仏間の特許は、案内リプ又は通路を使用する開放しｔ；供 給通路の例である。かかる構成方法は、その製造が比較的コスト高となる。これ らそれぞれの設計にはその他の欠点もある。ニューマンの設計は、差圧が小さく 、膜が均質である透析装置に使用することを目的とする。膜に対する差圧又は押 し込み力が４００　ｐｓｉ程度である逆浸透の場合、セパレータ表面に突起物が ある場合、膜に掻き傷を付は及び亀裂を生じさせる虞れがある。膜は又、透過液 セパレータの表面に緊密に位置、透過液の流れを妨害する虞れもある。仏間特許 の設計の場合、１つの活性膜表面のみが供給溶液の流れに晒される。

このことは、スパイラル状エレメント内に配置することも出来る膜の合計面積を 著しく制限する。このことは又、据え付は獲るシート組立体又はリブの数を制限 する。大きい表面積を保持し得るエレメントは又、比較的高い圧力低下を生じさ せ、膜表面における供給水の表面速度を制限する極めて長い流路を備えることに なる。

ウェストモーランド（Ｌｓｔｍｏｒ＊Ｉ＊ｎｄ）の特許第３，３６７．５０４号 に開示されているような従来の市販のスパイラル状に巻かれた逆浸透エレメント の設計、及びその他のスパイラル状の設計のものは、供給液流路内に供給水の自 由な流れを妨害し又は干渉するメツシュを利用するものである。メツシュ又は格 子は、流路の断面積を小さくする。ストランド間には乱流が形成される。

これら作用が組み合わさり、高速時、供給流路内に大きい圧力低下を生じさせる 。長さ４０インチの逆浸透エレメント内の供給液流路の典型的な圧力低下は、１ ７４−ト／秒にて１０　ｐｓｉ及び４０フイ一ト／秒にて２２０　ｐｓｉである 。この例から、従来のスパイラル状に巻かれたエレメントの表面速度は１フイ一 ト／秒当たりの最高速度に制限されることが明らかである。水が懸濁した固形分 を含有するとき、流路の圧力低下は増す、これにより、供給液流路内の水の速度 が更に低下する。メツシュのストランドの直後の水は相対的に滞流する。懸濁し た固形分はメツシュのストランドの下方に沈着する傾向となる。これにより、沈 着した固形分の厚い層が蓄積するに伴い、微小ろ過、限外ろ過及び逆浸透膜が汚 染される。

え１へ１１ 本発明により、瞑シート間にメツシュ又は格子状の支持材料を配置することを不 要にするスパイラル状に巻かれた瞑モジュール組立体用の比較的低廉なセパレー タ手段が提供される。コイル状の膜シートを保持するケーシング、従来の膜シー ト自体、マンドレルもしくはｌ又は２以上の半透過性膜層に使用される裏当て材 料の構造を変えることなく、従来の半透過性膜装置に改良を加えることが可能と なる。

本発明は、通路が開放し、方向状めされた供給液流路が形成され、管状部材と連 通する横方向穴又は一連の穴内に伸長し、その長さ全体に妨害されない穴を画成 するスパイラル状に巻かれた微小ろ過、限外ろ過及び逆浸透エレメントを有する 組立体から成る。膜の表面を通る流体の流れは、供給液セパレータにより制限さ れる。供給液セパレータは、膜シート間に所望の分離距離を提供するのに十分な 厚みの不透過性材料から成る複数の略平行なセパレータストリップを備え、該ス トリップは、上述の中空の有孔マンドレルに一端があるようにしかつ入口及び出 口と連通し得るよう伸長する対向した周縁ストリップの形態ｌ；形成することが 出来、該セパレータは又、長さの短いメツシュ又は格子ストリップを備え、ｌ又 は２以上の巻かれた膜シートの終端に位置決めすることが出来る。周縁ストリッ プの中間には、周縁ストリップと同一材料とし又は周縁ストリップと同一の巻き 付は表面上に配置しかつ周縁ストリップと略平行に位置決めされた中間ストリッ プを交互に配置することが出来る。即ち、中間ストリップの一端は、中空マンド レルに近接して配置する一方、その末梢端は巻かれた膜シートの終端縁から離間 しＩ；箇所に終端があるように配置する。交互の中間ストリップは、そのそれぞ れの端部が膜の末梢端縁に近接して位置決めされ、その内端が中空マンドレルか ら離間した状唐にて内方に伸長するようにする。かかる配置により、入口を通っ てスパイラル状に巻かれた組立体に入り、その反対側の周囲側部に配置された穴 から出る流体に対して蛇行路が提供される。このようにして、比較的妨害されな い流体流が生じ、流体流により運ばれた沈着物が集まることにより制限される格 子又はメツシュ状の支持材料を通る流体流とは対照的に、蛇行状の配置によりそ の流路内でより長い接触時間を実現することが出来る。

故に、本発明の主Ｉ；る目的は、多量の懸濁された固形分を保持する水又はその 他の流体に作用する半透過性膜を使用することに伴う問題点を解決することであ る。所望の機械的形状は、特に、典型的に輻３６乃至６０インチ、長さ３Ｓ乃至 ５５インチの短い供給流路を有する比較的輻の広いスパイラル状に巻かれた設計 の場合、膜の上を通る流体速度を制限する。

本発明の別の目的は、開放した供給液流路の利点を利用し秒車たり３乃至＋０７ ４−トの最小の横断速度を維持することにより、１又は２以上の膜の流動速度を 維持するスパイラル状に巻かれた膜モジュールを提供することである。例えば、 典型的な従来の市販の４インチのスパイラル状に巻かれた逆浸透エレメントは、 供給液の最大流量が１！　１９厘である。該エレメントは約７０フイート２の断 面積及び３乃至４つののリーフを備えている。

各リーフは、２つの膜を有し、合計面積が１７．５乃至２３．３フイート２であ る。リーフの寸法は、典型的に、オーバーラツプ領域を含んで３ＳＸ　４３イン チ長さである。供給液セパレータを形成するメツシュは典型的に０．０３０イン チの厚みである。流路の断面積は４．０３０インチｘ４３インチ、即ち１．２９ インチ２である。リーフ当たり５．３１ｐｍの最大流量時、供給水の速度は秒車 たり約１．３１フイートである。秒車Ｉ；す９フイートの速度まで増すためには 、リーフ当たり３６　ｇｐ−又はエレメント当たりＨｔ　ｇｐｍの供給液の流量 が必要である。供給液ボートの接続は、典型的に３７８インチ管を利用して行う 。該管内の速度は秒車たり２００フイ一ト程度である。供給管内の圧力低下は、 入口及び出口の損失並びにエレメント内の圧力と共に、極めて大きく全く実用的 でない。

エレメント内にて高速度を得るためには、秒当たり８乃至１６ガロン（ｇｐ＋ａ ）の範囲の通常の流量を必要とする。本発明のセパレータに８いて、流路は流路 ストリップにより分割される。流路の典型的な幅は約９インチである。流路の断 面積は０．２フインチ２である。リーフ当Ｉ；す５．３　ｇｐＨにおける１６　 ｊｐ麿の最大管流量において、速度は秒当たり６゜３フイートである。リーフの 数を少なくして３から２つにし、リーフの長さを増して合計面積を維持すること により、＋６　ｕ＋ｃのとき９．５フイ一ト／秒の速度が得られｔ；。ここに開 示しｔ；形態により、最小の圧力効果によって相当な高速度を実現するのに必要 とされる流量は最小で済む。

本発明の別の目的は、保持容器として比較的低廉な管又は導管を使用するため、 比較的経済的に製造し得るスパイラル状に巻かれた膜エレメント又は装置を提供 することである。従来の板及びフレームの設計は、セパレータがシート状材料を 射出形成し又は金型切断しかつ機械加工して形成されるため、製造がコスト高と なる。端板及びストングバックは溶接及び機械加工を必要とし、締め付は装置は 製造が比較的コスト高である。

本発明の更に別の目的は、従来のスパイラル状に巻かれた設計のものに使用され ると同一のエレメント当たりの流量を採用するが、従来の設計の約７倍の速度を 有する改造されたスパイラル状に巻かれたモジュールを提供することである。こ の設計は、方向決めされた開放する流路の高性能と製造の経済性との釣り合いを 図り、流量を変化させることなく、既存の装置内にてエレメントを簡単に交換す ることを可能にするものである。

図面の簡単な説明 第１図は本発明によるスパイラル状に巻かれた逆浸透膜セルの一実施例の部品を 切り欠いた一部断面図とした立面図、第２図は第１図の線２−２に沿った断面図 、第３図は第１図のユニットの膜モジュールを製造する間における膜レイアップ の斜視図、 第４図及び第５図は膜シートを有孔の中空マンドレル部材の周囲にスパイラル状 に巻き付は又は包み込む前に半透過性膜に適用した本発明を示す本発明の変形例 の平面図、第６図は第５ｒ！！Ｊ及び第６図の実施例に示した形態の通路ｊこ対 して略直角に配置されｔ；流路を画成する次に望ましい供給液セパレータを示す 別の形態のセパレータの平面図、第７図は直径２．５インチＸ１４インチ長さの 長い逆浸透エレメントの圧力低下特性対供給液の横断流動速度を示すグラフ図で ある。

好適な実施例の説明 上述のように、本発明は、スパイラル状に巻かれた微小ろ過、限外ろ過及び逆浸 透エレメントが開放した通路の方向決めされｔ；供給液の流路を提供し得るよう に形成された装置から成る。

膜表面を通る流体量は、供給液セパレータにより制御される。

該供給液セパレータは、供給液の流れを方向決めし得るよう切り欠いた流路を備 える平坦なシートである。膜の間に形成される流路は薄く、輻が狭く開放してお り、膜表面を通る蛇行路内にて方向決めされている。セパレータに対する水の出 入りは、流れストリップにより提供される。これは、膜の分離状態を維持する支 持手段を提供する一方、水がセパレータに対して出入りするのを許容する溝付き 材料ストリップ又はメツシュストリップである。流れストリップは、第７図に図 示し以下に説明するように、供給液セパレータよりも厚くシ、その圧力低下を最 小ように、供給液セパレータよりも厚くし、その圧力低下を最小にし得るように することが出来る。セパレータは膜と共にスパイラル状に巻き付けてエレメント を形成する。該エレメントは、圧力容器又はケーシング内に挿入し、処理された 流体を封じ込めかつ分離させ得るようにする。

このようにして、第１図及び第２図を特に参照すると、全体として符号１０で示 した膜モジュール、モジニールを保持するケーシング１１．供給液入口組立体１ ２及び排出又は濃縮液組立体１３が設けられている。

入口組立体１２は、ろう付け、溶接、ねじ止めなどによりキャップ１６に固着さ れｔ；供給液入口管１５を備えており、該キャップ１６は、ケーシング１１に固 着されている。第１図を参照すると、装置の下端には、溶接、ろう付け、ねじ止 め等により固着された出口管１９を備えるケーシング１１に固着されたキャップ １８が設けられている。

複数の横穴又は開口部２５を有する中央管２４がケーシングｉｉの長さと略同− 程度伸長するように配置されており、下部キャップ１８の密封穴を通って伸長し 、外方に伸長する透過液の出口管部分２６を提供する。出口管１９は、以下に説 明するように、透過液に対する出口を提供する。第１図を参照すると、中央管２ ４の上端は、密封プラグ２７により閉塞され又はケーシングを通って伸長させる ことが出来る。

中央管２４は、その両端が伸縮防止装置又は円筒状スパイダ３０の中央穴内に更 に支持されている。第２図に断面図で図示するように、上方及び下方スパイダ３ ０の双方は、略同−であり、複数の、この場合４つの穴３１を有している。各ス パイダ３０は、段付き外形を有し、ケーシング１１、キャップ１６．１８及び膜 モジュールｌＯと密封係合するプラスチック材料にて形成することが出来る。上 方チャンバ３４及び下方チャンバ３５が設けられているのが分かる。上方チャン バは入口管１５から入る供給液を集め、導液は更に上方スパイダ３ｏの開口部３ １を通って膜モジュール１０まで案内される一方、下方チャンバ３５は下方スパ イダ３０の開口部３１から入る濃縮液を集め、該濃縮液は出口管１９を通って出 るのを許容する。以下に説明するように、透過液は、膜モジュール１１から開口 部２５を通って管内に入った後、中央管２４の透過液管部分２６を通って出る。

プラグ２７は流体が中央管に入るのを防止する。

第３図には、膜モジュール１０の特徴及びその製造方法が特に開示されている。

該モジュール１０は、中央マンドレル又は管２４を備え、導管２４の上に外被体 ４１及びオーバーラツプ部分４２を備える膜レイアップがスパイラル状に巻かれ る。外被体４１は、半透過性膜、裏当て材料層４４及び中間の透過性支持体４５ を備えている。膜及び裏当て層４４．４５の材料は、全〈従来通りのものであり 、ｗｉ３図から、膜及び裏当て層は、従来の接着剤４３を使用して３つの端縁に 沿って流体密のシールを提供し、これにより外被体４１を提供するが、第４の端 縁は開放したままに置かれ、管２４を密封する（第４図参照）。

半透過性膜４４は、全体として所定の透過特性を有する薄いシート材料の形態を している。半透過性膜４４の適当な材料は、直線状のポリスルホン微小ろ過又は 限外ろ過層がその上に成形されｔ；不織ポリプロピレン布地であり、通常、必要 なとき、逆浸透特性を提供する２つの溶液間の境界により形成されたポリアミド 重縮合体の成形層を包含している。ここでは１つのバッグリーフ又は外被体４１ のみが図示されているが、全表面積を増大させるために必要であるならば、２又 はそれ以上のバッグを管に取り付けることが出来る。

この構造体は、分離しようとする流体の状態が特に汚染され、又は脱塩又は透析 のため必要とされる通常の従来の装置に存在しないシルト或いはその他の濁りが ある場合、特に有利である。

ウェストモーランドの特許第３，３６７．５０４号に示すようなセパレータは、 通常の目的には極めて満足し得るが、かかる装置に使用されるメツシュ又は格子 状のセパレータのため、沈着物又はその他の乱流の原因となる物質が膜及びメツ シュを汚染させることにより、流体の流れに干渉する傾向にある。

従って、本発明の膜モジュール１０の主たる目的は、メツシュを不要にすること と、供給液の流れの幾何学的形状を更に制御し得るようにすることである。この 構造体は、比較的小さい断面積を有する長い経路を提供し、多量の流体が高速度 にて流れるのを許容する。このことは、出入りするメツシュストリップ４８．４ ９及び横方向の支持ストリップ５０のような各々約１インチ（２，５４ｃｍ）の 幅である分離メツシュを最小量利用することにより実現される。本発明の目的は 、可能な限りメツシュ又は格子状セパレータの使用を最小とし、これにより膜セ ルを通る供給液の流れの妨害を最小にすることである。

第４図及び第５図に図示された実施例、及び第６図に開示された変形例は、蛇行 路を開示するものであり、ここで、裏当て層４５及び膜層４４を保持する外被体 ４１は管又はマンドレル２４に取り付けた状態に図示されている。管２４の開口 部２５は、露出されて、半透過性膜４４を通って流動する流体を集める。流体の 流れは第４図及び第５図に矢印で図示されている。

流体は上方スパイダ（第１図及び第２図も参照）の開口部３１と連通ずる比較的 短いメツシュ入口又は入口ストリップ４８を通じて入り、該開口部はチェンバ１ ２と連通し、入口管１５から流入する流体を集める。複数の通路スペーサ又はセ パレータ部材或はストリップ５３が相互に及び肩線の通路ストリップ５４．５５ ．５６に対して平行な離間した関係に配置され、供給液流路又は通路を画成する 。ストリップ又はスペーサ５３−５６は、膜モジュール１０が管２４にスパイラ ル状に巻き付けられるときに、各渦巻き体毎に通路又は流路を提供するのに十分 な厚みを備えている。スペーサの材料は、流体に対して不透過性であり、流体の ながれに対するバリアー及び案内手段として機能し得る限り、格別重要ではない 。例えば、ポリエチレン又は軟質ポリ塩化ビニルをこの目的のため、許容可能に 使用することが出来る。このため、短いメツシュ入口ストリップ４８に入る流体 は、第４図に関して矢印で示すように右方向から左方向に流動し、そこから、次 の矢印で示す通路に沿って進み、オーバラップ部分４２の端部に達し、出口又は 出口メツシュストリップ４９の外方を経て、下方スパイダ３０に流れ、出口管１ ９から排出される。透過液自体は、中央管２４の開口部２５に入り、管状部分２ ６から出る。

中間通路ストリップ５３は、接着剤により、又はその他の方法にて外被体４１に 接合されていないため、これらストリップは、外被体４１を横方向に縦断するメ ツシュ支持ストリップ５０により支持されている。これらは、分離を許容すると 同時に、所望の流体の流れがストリップ５３により画成された通路に沿って流動 することを許容するのに十分な厚み及び最小幅を有するメツシュである。これら ストリップは又、セパレータの厚みの１７２以下である狭小な幅の中実なストリ ップとすることが出来る。ストリップの機能は、ストリップの両側における差圧 に起因するストリップ５３．５４．５６の横方向への変位を防止することである 。

第５図は、対向状態に方向法めされ！二流体路を示しており、第４図及び第５図 の実施例と同一の構成要素には、同様の参照符号を使用した。第５図の実施例に おいて、流れは矢印で示すように逆にされて、同一の効果及び略同−の結果が提 供される。

図面は、１つのり−７を有するエレメントを図示している。この構造体には、多 数のリーブを使用することが出来る。

濁り度の高いことで知られるアポママドックス川の河口にて、７几及び８月の夏 季に改良された膜モジュール１０の試験を行った。水温は、Ｈ”　Ｆ　（約４６ ’Ｃ）乃至９Ｇ’Ｆ（約５０’Ｃ）？あった。その結果、水は、濁り度が高く、 微生物的に活性であり、濁り度は２０乃至６０　ＮＴＵの範囲であつｔ；。全濁 り度のピーク値はポートの通行によってｌＯＯ乃至１，０００　ＮＴ［ｌの範囲 にあつｔ；。

強給水は、主として塩化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、及び重炭酸カルシウム から成っていた。ＰＨは、７以下であり、比較的高い二酸化炭素濃度を示し、二 酸化炭素を発生させる細菌量が多いことを更に示している。

全懸濁固形分は、２６乃至３０■ｔｅｌと比較的高かった。懸濁固形分の１／２ だけが揮発性であり、濁り度対懸濁固形分の比は、略１に近かった。このことは 、懸濁固形分の約１７２のみが有機及び活性の生物的有機物の組み合わせであろ う。時々、藻類が観察されることもあっＩ；。

試験の結果、逆浸透膜の表面上における水の速度は、重要な７アクタであること が分かった。これは、膜が懸濁固形分によって汚染される速度に影響する。流量 又は速度が低ければ低い程、逆浸透膜の汚染される速度が速くなる。

この非常に濁った媒質における試験結果から、膜のエレメント間の面積を完全に 覆うメツシュセパレータを有する装置は許容し得ない汚染速度を呈することが明 らかになった。試験した標準的なエレメントは、輻５５インチ（約Ｈ９，７ｃ＋ ＊）Ｘ厚さ０．０３０インチ（約０．０７６ｃｍ）であり、経路の長さが１１イ ンチ（約４５．７ｃｍ）の流路を備えていた。速度ファクタは、　０．１９４フ イ一ト／秒／ガロン／分であった。供給量が５ＩｐＨ（ダラム／分）であるとき 、セパレータ内の水の速度は、秒当たり０．９７フイ一ト／分（約２９．１ｃｍ １分）であった。標準型又は従来型式の試験エレメントは最初に、秒当たり０． ７２フイート（約Ｈ，６ｃｍ）の速度にて３．ｔｇｐ■にて作用させたとき、ｌ ０ｐｓｉ　（約０．７ｋｌ／ｃｍ”）の圧力低下があった。

これは、Ｈｐｓｉ／ｆｐｓ　（約ＬＯ３に！／ｃｍ”／ｃｍ八）の圧力低下比で あった。圧力低下の変化は、３つの典型的な曲線を示す第７図に図示されている ０曲線Ａは、ウェストモーランドの米国特許第３゜３１ｉ７，５０４号に開示さ れたものと同様の従来の逆浸透エレメントの圧力低下を示す。曲線Ｂは、本発明 による開放流路の逆浸透エレメントの圧力低下を示し、出入りするメツシュスト リップの厚みは、セパレータストリップ３の厚みと略等しくしである。

曲線Ｃは、本発明による開放流路の逆浸透エレメントの圧力低下を示すが、出入 りするストリップ４８．４９の厚みは、セパレータストリップ５３の厚みより約 ３３％だけ厚くしである。

曲線Ａ、Ｂ及びＣは全体的な比較のためにのみ掲げたものであり、従来のスパイ ラル膜構造体と比較したとき、曲線ＥＳＣに見られる圧力低下の著しい改警を示 すためだけのものである。

即ち、各曲線を支持するデータは、正確であるが、曲線Ａの圧力低下データは、 標準又は従来のエレメントに入る、前ろ過された水に基づくものである。

改良された試験エレメントは、秒車ｔ；す１．９Ｈｐｍの最初の流量及び秒車た り１７３フイート（約８１．９ｃｍ／ｓ）の速度を有しており、試験開始時にお ける圧力低下は１．５ｐｓｉ（約０．ｌ０５ｋ（／ｃｍ”）であった。これは、 ６６７％の圧力低下に対して速度が３７９％増大したことを示す。圧力低下比は ｏ、ｓｓ　ｐｓｉ／ｆｐｓ（約０．ＧＯ１ｋｌ／ｃｍ”／ｃｍ八）である。

流量は３．１　ｇｐ■に増大させた。これにより、秒車たり５．４フイート（約 ＩＨｃｍへ）の速度及び３．５　ｐｓｉ（約０．２５ｋＺ／ｃｍりの圧力低下と なった。°これは、２３６％の圧力低下の減少に対して標準エレメントに比ベア ５０％の速度の増大である。圧力低下比は０．６５ｐｓｉ、＃ｐｓ（約０．ＱＯ １５Ｊ／ｃｍ”／ｃｍ／ｓ）である。

最大流量６．０１ｐｍのとき、速度は秒車たり１．６フイート（約２６２ｃｍ／ ｓ）であり、圧力低下は１５．５　ｐｓｉ　（約１．０９ｋｔ／ｃｍ”）であっ た。

これは、１５５％の圧力低下の増大に対して標準監又は従来のエレメントに比べ １１９４％の速度の増大である。圧力低下比は１．１０ｐｓｉ／ｆｐｓ　（約９ ．Ｈ１ｋｆ／ｃ＋ｅ”／ｃｍ／ｓ）である。これは、０．Ｈ［ｐｓ　（約２２ｃ ｍ／ｓ）のときＨｐｓｉ／ｆＰＳ　（約０．０３ｋ（／ｃｍ″／ｃｍ／ｓ）の圧 力低下比を示す従来の設計に比べて著しい改良である。速度及び圧力低下の差は 、ここに記載−二改良された逆浸透エレメントの凹成通路によるものであること が明らかである。従来技術のエレメントのメツンユは、著しい圧力低下を生じさ せる。膜表面ｌ；て水の乱流を増大させると考えられる。一方、妥当な圧力低下 ｌこて作用し得るようにするためには、流量及び速度１ま極めて低１．％値まで 低下させることが必要であると考えられる。又、これｆ！、ストランドの後側及 び下方に低速度領域を形成し、これｌこより懸濁されＩ；固形分が沈着する。

本発明の設計による開放した通路のスパイラル状に巻かれた逆浸透エレメントの 利点は、低速の供給水が供給液セパレータにおける比較的大きい圧力低下を解消 し得ることであることは明らかであろう。メツシュは、懸濁された固形分をメツ シュのストランドの下方でかつその後方に捕捉し、これら領域にて膜を著しく汚 染させる。従来の逆浸透エレメントのセパレータからの供給水の速度は、通常、 秒車たり０．７５フイート（約２２．９ｃｍ／ｓ）程度であり、最高速度は秒車 たり１．３フイート（約３９．６ｃｍ）である。本発明の装置のセパレータにお ける供給水の速度は、通常、秒車たり３乃至４フイート（約９１ないし＋２２ｅ ＋ａ／ｓ）程度であり、最高速度は秒車たり９フイート（約２７４　ｅ＋ａ）で ある。この範囲は、懸濁した固形分による汚染を最小にするのに十分である。

メツシュをエレメントから取り外し、狭小な開放した蛇行流路セパレータと交換 した場合、同様の圧力低下を伴って水の速度が増大し、通常の濁り度よりも遥か に高い濁り度にての作用を可能にする。更に、この設計は、従来の逆浸透システ ムが必要とする問題が多く、コスト高でスペースを必要とする前処理装置の必要 性を軽減する。又、サイクロン、媒質フィルタ、ケイソウ土フィルタ、限外ろ過 システム、カートリッジフィルタノ＼ウジング及び高分子電解質供給システムの ような高価なシステムが不要とされるため、資本コストを低減し得ることも考慮 しなければならない。ろ過に必要とされる唯一のものは粗大な材料を除去するた めのバッグフィルタである。この構造は又、配管、計器、弁、制御装置、フレー ム、及びろ過及び逆洗いシステムに関係する技術コスト、購入、在庫及び組み立 てコストを不要にするものである。これと共に、媒質フィルタが必要とする頻繁 な逆洗いが不要となる。これにより、逆洗い及び高分子電解質の添加中Ｊこおけ る操作者の誤操作を軽減し、システムの運転を簡本にする。

望ましいものではないが、供給液セパレータの別の形態が第６図に關示されてい る。第１図乃至第５図に示しＩ；ものと同様の構成要素は、同様の参照符号にて 表示した。このを武の七ノ（レータは、通常の板及びフレーム装置に適するが、 ス／くイラル状に巻かれた開放した通路塑成のものには不適当である。これは、 又、好適な設計において方向流めする重要性を示す点にて良い比較となり得る。

これが不適当であることの主たる理由は、エレメントを透過性管マンドレルの周 囲に巻き付けたとき、水平方向の流路ダイバータストリップ５３ａが相互に直線 状にならないことである。これにより、水平方向ストリップ５３ａは上方又は下 方の渦巻き体内部に押し込められ、流路を締め付け、過剰な圧力低下を生じさせ る。整合誤差があると、供給水がストリップから漏洩するのを防止するのに十分 な密封を提供することが出来ず、その結果、供給液の流量が短絡されることとな る。水平方向ストリップは、重なり合うように位置決めすることが出来るが、そ の結果、幅の異なる流路となり、最狭Ｊ一部分により圧力低下及び速度特性が制 御されることとなる。

又、多数のり−７を備える設計の場合、七）くレータＩま相互ｌ；オフセットさ れ、これによって、同様に、水平方向流路ストリップの整合誤差が生ずることと なる。別の問題点Ｉよ、流れの入口及び出口が、オフセットされることである。

これＩ；より、入口又は出口に肉厚がより厚いメツシュを使用し、その圧力低下 を最小にするという利点が失われる。より厚し＼入口及び出口ストリップを使用 することは、ガスケット又１よ流れストリップ力；十分に圧縮されるのを阻止し 、漏洩を生じさせる虞れがある。

浄書（内容に変更なし） 補正書の翻訳文提出書 （特許法１８４条の７第１項） 平成　２年　１０月４を打

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．円筒状チャンバを画成するケーシングと、前記チャンバ内に該チャンバと同 軸状に配置された中空の有孔マンドレルであって、一端が閉塞し、その残りの長 さ部分を通る非妨害穴を有する前記マンドレルと、前記中空マンドレルの周囲に スパイラル状に卷かれた半透過性膜シートを包含する細長い外被体と、前記スパ イラル状に卷かれた膜シートの渦卷き状層の間に空間的関係を維持するセパレー タ手段と、を備えるスパイラル状に巷かれた膜モジュールにして、 セパレータ手段が、前記空間的関係を維持すると共に、渦卷き状膜シートの幅及 び長さを横断するように方向決めされた開放する通路の供給液流路を画成すると いう２つの機能を提供し得るような形状とされ、 前記流路が、前記セパレータ手段によって画成され、前記膜シートの１つの露出 した端縁部分の入口穴から前記シートの幅を渡って、前記シートの反対側の端縁 部分により画成された出口まで伸長する連続的な蛇行路を提供するようにされる ことを特徴とする膜モジュール。
2. ２．請求の範囲第１項に記載のモジュールにして、前記供給液流路が、前記膜シ ートの片面上に位置決めされかつ横方向に離間して配置された流体不透過性セパ レータストリップにより画成され、かつ相互に長手方向に交互に配置されたモジ ュール。
3. ３．請求の範囲第１項に記載のモジュールにして、前記セパレータ手段が、前記 渦巻き状外被体の片面の主たる長さ部分に沿って伸長する一対の細長い対向状態 に配置された不透過性材料から成る周縁ストリップを備え、前記周縁ストリップ のそれぞれの先端が、膜シートの長手方向長さを越える箇所に端末があり、それ ぞれ入口及び出口流体開口部を提供し、 及び、相互に、かつ前記対向状態に配置された周縁ストリップに対して横方向に 離間して配設されかつ交互に配置された流れを方向決めしかつ不透過性である複 数のストリップを備え、これにより、渦卷き状の膜外被体に入りかつ該外被体か ら出る流体が、前記巻かれた膜シートの分離した渦巻き体間の蛇行して伸長する 経路に沿って流れるようにしたモジュール。
4. ４．請求の範囲第３項に記載のモジュールにして、前記周縁ストリップの各々が 、多孔質セパレータストリップに係合し、前記多孔質ストリップが、前記入口及 び出口開口部を横断して伸長し、前記膜の渦卷き体を分離させかつ圧縮すると共 に、流体が前記通路を通って流動し得るようにするモジュール。
5. ５．請求の範囲第４項に記載のモジュールにして、多孔質入口及び出ロストリッ プの厚みが、セパレータストリップの厚みより厚いようにしたモジュール。
6. ６．請求の範囲第５項に記載のモジュールにして、多孔質入口及び出ロストリッ プの厚みが、セパレータストリップの厚みより少なくとも１／３以上厚いように したモジュール。
7. ７．請求の範囲第４項に記載のモジュールにして、多孔質セパレータストリップ が、開放したメッシュ材料から成るモジュール。
8. ８．請求の範囲第４項に記載のモジュールにして、多孔質セパレータストリップ が、溝付き材料であるモジュール。
9. ９．請求の範囲第２項に記載のモジュールにして、前記横方向に離間されたセパ レータストリップが、前記マンドレルの外面から伸長する交互に配置された第１ 組みのストリップと、前記膜シートの先端付近から前記マンドレルの方向に向け て伸長する並置常態に交互に配置された第２組みのセパレータストリップとを備 えるモジュール。
10. １０．請求の範囲第４項に記載のモジュールにして、入口及び出ロストリップが 、セパレータの厚みよりも厚いようにしたモジュール。
11. １１．請求の範囲第２項に記載のモジュールにして、前記セパレータ手段が、膜 シートの横方向に伸長すると共に、前記不透過性セパレータストリップに係合し 、前記セパレータストリップを横方向に支持しかつ該セパレータストリップの間 隔を前記膜シートの幅方向に維持する、多孔質材料から成る少なくとも１つの狭 小な支持ストリップを備えるモジュール。
12. １２．請求の範囲第１１項に記載のモジュールにして、多孔質支持ストリップが 、開放したメッシュ材料から成るモジュール。
13. １３．請求の範囲第１１項に記載のモジュールにして、多孔質支持ストリップが 、分離厚みの１／２以下である薄い中実なストリップであるモジュール。
14. １４．請求の範囲第１１項に記載のモジュールにして、多孔質支持ストリップが 、分離厚みの１／２以下である薄い円筒状ストランドであると共に、隣接する流 路のストリップの双方に結合されるモジュール。