JP3349515B2

JP3349515B2 - 湾曲中空チューブ形状の膜の内面から付着物を除去するための方法及び装置

Info

Publication number: JP3349515B2
Application number: JP50864997A
Authority: JP
Inventors: ベルフォート，ジョージェズ
Original assignee: レンセラーポリテクニックインスティテュート
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2016-08-02
Also published as: CN1166792A; AU690037B2; JPH10501742A; KR100430871B1; AU6768196A; EP0784502B1; CA2201603A1; DE784502T1; USRE37759E1; ES2116251T1; EP0784502A1; CN1094067C; DE69636948T2; CA2201603C; DE69636948D1; ES2116251T3; US5626758A; WO1997005946A1; ATE355887T1

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕本発明は一般にろ過モジュール或はろ過要素に関し、
詳しくは溶液−膜界面位置でのディーン（Dean）渦の形
成を最大化することにより、ろ過効率を最善するため
の、湾曲或はコイル形状の膜チューブを使用する新規且
つ有益な方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

逆浸透、限外ろ過、マイクロろ過といった圧力駆動式
の膜プロセスのための大抵の膜モジュールは、単位体積
当りの膜面積最大化及び膜モジュール取扱い性とに基づ
いて設計される。CP及び汚損を減少させるための多くの
方法があり、そうした方法には、膜面の化学的改変や、
磨きのような物理的方法が含まれる。乱流による渦、即
ち、流れに不安定性を誘起させることに基く水力学的方
法も知られている。そうした流れの不安定性は、流路に
インサートを挿入することにより創出され得る。膜を横
断する不安定な流れは、溶液−膜界面位置での溶質体積
を減少させるためにも利用される。J.Membrane Sci.,4
0,123−147（1989）におけるBelfort,Gの、“Fluid mec
hanics in membrane filtration:recent developments"
を参照されたい。

粗い膜面、流れの脈動、膜面の揺動、を原因とする渦
及び不安定流れを含む、異なる形式の不安定流れが利用
されて来ている。不安定流れは、粗い膜面等の他に、
（ｉ）1970年代における、Stanford Research Industri
esを前身とするテキサス州のDresser社のFred Littmand
とJerry Kroopnickとが開発した回転円盤システムによ
って、また（ii）1990年代にはスウェーデン国MalmoのB
rown Boveri社の開発した回転円盤システムによっても
誘起された。最も成功したデポラライズ法の１つでは、
回転する環状フィルターモジュール内に確立されるテー
ラー渦が使用された。この設計形状の主なる制約事項
は、膜面積を大きくしにくいことと、そして、エネルギ
ー消費量が大きくなることである。渦は、らせん溝内の
乱流（8Hzでの）を頻繁に反転させることにより、膜を
ライニングした溝内にも創出された。Int.Heat Mass Tr
ansfer,27,1405（1985）に於けるStirmand,J.W.及びBel
lhouse、B.J.の、“Mass transfer in a pulsating tur
bulent flow with deposition into furrowed walls"を
参照されたい。渦は、平坦な膜上の半円筒状のらせん溝
に流体を押し流すことによっても創出された。Winzeler
の1990年８月23日のPCT出願番号第WO90/09299号を参照
されたい。これら２つのアプローチによれば、渦発生の
度合いは高まるが、膜面積の増大やシール性を含む幾つ
かの問題がある。らせん巻きユニットにスペーサーを使
用して混合を誘起させることが広く推奨されている。残
念なことに、大抵のらせん巻付けユニットのためのポア
ズイユ流れで代表的に使用する軸線方向の小さいレイノ
ルズ数では、このアプローチはあまりに非効果的であ
る。東レ社の、例えば、Romembra Toray Reverse Osmos
is Elementsと題するパンフレットに記載されるらせん
流れフィルターを参照されたい。

渦のような流体不安定流れを、圧力駆動式の膜用途の
合成膜から付着物を除去するために有効に使用すること
は、文献に幅広く認められている。Winzeler,H.B.及びB
elfort,G.の、J.membrane Sci.,80号35−47（1993）
の、Enhanced performancefor pressure−driven membr
ane processes:を参照されたい。

〔解決しようとする課題〕

本発明は、湾曲するマイクロろ過膜を有するダクトに
沿って渦が発生する状態下に、流束の優れた改善を示
す。米国特許第5,204,002号を参照されたい。

解決しようとする課題は、高圧下での逆浸透（RO）、
限外ろ過（UF）、マイクロろ過（MF）或いはナノろ過
（NF）の各膜プロセスでの塩及び懸濁液を除去するため
に使用するそうした渦を、制御下に提供することであ
る。

本発明によれば、湾曲通路内に不安定流れを発生させ
ることによる渦、特にはディーン（Dean）渦を確立する
ための装置及び方法が提供される。

本発明には、渦を使用しての、膜面からの付着物の除
去と、膜近辺の溶解懸濁物質及び溶質の除去とが含まれ
る。

本発明には以下の膜プロセス、即ち、（ｉ）逆浸透：主に塩及び低分子重量の有機物を保持す
るために用いる。

（ii）ナノろ過：塩及び低分子重量の有機物を分別する
ために用いる。

（iii）限外ろ過：分子重量の有機物の分別及び、塩及
び低分子重量有機物透過のために用いる。

（iv）マイクロろ過：主にコロイド、小粒状物保持及
び、塩及び低分子重量の有機物その他の溶解有機物及び
溶質移送のために用いる。

といった膜プロセスで使用するための、膜をらせん状或
はその他状態に巻付けたチューブが含まれる。

本発明における渦の流れは、テーラー渦流れや揺動流
れにおけるようなそれと類似の利益を生むのみならず、
膜面積増大にも対応可能である。

本発明の一実施例を実施するに際しては、渦の、ナノ
ろ過における、膜近辺の溶解懸濁物質及び溶質の除去の
ための有効且つ最適範囲の実験による決定、渦発生のた
めの単純且つ試験的なチューブ状のナノろ過要素の設
計、製作及び試験、NMR（核磁気共鳴法）を使用しての
渦の存在及び残存の確認、可変の壁流束及び可変のパラ
メーター特性を使用しての、早い渦流れに対する対流−
拡散式の解式、そして、予測目的のための当モデルの使
用、が必要とされた。軸線方向距離の関数としての渦内
の濃度プロフィールを用いて本発明の有効性を評価し
た。

従って、本発明が解決しようとする課題は、 1.内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の膜の内
面から付着物を除去するための方法であって、前記湾曲中空チューブ形状の膜内を、液体成分と、溶
質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成る群か
ら選択した汚損成分とを含有する流体を移動させるこ
と、前記液体成分の一部分を該湾曲中空チューブ形状の膜
を貫かせて該液体成分から前記汚損成分をろ過するこ
と、前記湾曲中空チューブ形状の膜内で前記流体を、前記
ろ過され膜の内面に付着した汚損成分の少なくとも一部
分を除去するディーン渦を創出させるに十分な速度で前
記湾曲中空チューブ形状の膜の内面を横断して流動させ
ること、を含む、内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の
膜の内面から付着物を除去するための方法。

を提供することであり、 2.内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の膜の内
面から付着物を除去するための装置であって、ａ）供給物入口、供給物出口、透過物出口、を有する外
側シェルと、ｂ）湾曲した内面と、前記透過物出口と連通する湾曲し
た外面とを有する、前記外側シェル内の１つ以上の湾曲
中空チューブ形状の膜にして、流体を、前記提供物入口
から前記湾曲中空チューブ形状の膜の前記内面を横断し
て供給物出口へと流通可能とするべく前記供給物入口及
び供給物出口に結合され、流体の一部が前記内面から外
面に貫通され得、臨界速度以上の流体速度において流体
内にディーン渦が形成され得る内径及び曲率半径を有す
る湾曲中空チューブ形状の膜と、ｃ）溶質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成
る群から選択した成分を含有する流体を移動させて該流
体中に前記湾曲中空チューブ形状の膜の内面を横断する
ディーン渦を創出させる手段と、から構成される、内面及び外面を有する湾曲中空チュー
ブ形状の膜の内面から付着物を除去するための装置を提
供することである。

本発明が解決しようとする課題の他の１つは、逆浸透
（RO）、マイクロろ過（MF）、ナノろ過（NF）、限外ろ
過（UF）、の各膜プロセスのための装置であって、巻付
けられた膜チューブと、この膜チューブを通して流体を
供給し、該流体の少なくとも１つの成分が、チューブを
貫いて逆浸透、ナノろ過、マイクロろ過、或は限外ろ過
を受けるようにするための手段と、から構成される装置を提供することである。

〔図面の簡単な説明〕

図１は、点線で示す狭幅間隔理論と実線で示す幅広間
隔理論のための、臨界レイノルズ数に対する半径比をプ
ロットしたグラフである。

図２は本発明に従い用いるらせんチューブ膜モジュー
ルの幾何学的概略例示図である。

図３は本発明の有効性確認の一助となる、直線形の多
重膜チューブ設計形状の概略断面図である。

図４は本発明の有効性確認のために用いる多重膜チュ
ーブ巻付け設計形状の概略断面図である。

図５は図４の詳細を示す部分拡大斜視図である。

図６は本発明の有効性確認のために用いる実験システ
ムの概略ダイヤグラムである。

図７は、Diを供給物としての水とする、ディーン数比
の関数としての、単位長さ当りの軸線方向の圧力降下を
例示するグラフである。

図８は、MgSO₄を含有する塩溶液の、透過膜圧を1700K
Pa、ディーン数比を3.84、温度を298Kとする状態での、
ナノろ過用の、直線及びらせんの各モジュール内での溶
質流れを表すグラフである。

図９は、MgSO₄の濃度が1,000ppmから2,000ppmに変化
し、圧力を1,800KPaに増大し、同じ298Kの温度でのディ
ーン数比を7.69とした条件での、図８と類似のグラフで
ある。

図10は、本発明の有効性を実証する、溶質或は懸濁液
濃度に対する透過係数をプロットしたグラフである。

図11は、本発明の有効性を実証する、溶質或は懸濁液
濃度に対する透過係数をプロットしたグラフである。

図12は、本発明の有効性を実証する、溶質或は懸濁液
濃度に対する透過係数をプロットしたグラフである。

図13は、本発明の有効性を実証する、溶質或は懸濁液
濃度に対する透過係数をプロットしたグラフである。

図14は膜チューブのコイルが軸線方向及び半径方向に
共に進行する状態で巻付けられる、本発明の別態様を示
す概略断面図である。

図15は膜チューブのコイルが半径方向に進行する状態
で巻付けられる、本発明の更に別態様を示す図14と類似
の概略断面図である。

〔発明の実施の形態〕

湾曲通路内の流れに渦が出現する条件は、Pro.Roy.Sc
o A 121（1928）402−420の、Dean,W.R.の“Fluid moti
on in a curved channel"により決定されている。渦
（以下、ディーン渦とも称する）の出現は、レイノルズ
数により特徴付けられる流体速度と、湾曲通路の内側半
径及び外側半径の比、とに依存する。前記内側半径及び
外側半径の比に対する臨界レイノルズ数（Rec）に関す
る等式は、Reidにより狭幅間隔理論のために与えられ、
以下の式（１）、即ち、で表される。

ここで、ηは湾曲通路の内径r_iと外径r₀との比であ
り、ｋは35.94である。Reid,W.H.Pの、Proc.Roy.Sco.A,
244（1958）186−198の“On the stabilityof viscous
flow in a curved channel"を参照されたい。

米国特許第5,204,002号には、幅広間隔理論のためのR
e_cに対する、直線及び若干非直線的な安定性の分析が記
載される。２つの理論の結果を図１に示す。これらの結
果は何れも、湾曲通路に対して導かれたものである。し
かしながらこれらの結果は、溝の幾何学的寸法を特定し
ないDeanの等式に基づいている。本発明では湾曲チュー
ブに対しては狭幅間隔理論が適合すると仮定する。図１
によれば、狭幅間隔理論（点線）は、η＞0.90の時、幅
広間隔理論（実線）とよく近似することが示される。

臨界ディーン数と臨界レイノルズ数との関係は以下の
式（２）で表される。

ここでｋ＝（r₀＋r_i）/2であり、ｄ＝r₀−r_i、即ちチ
ューブの内径である。円とらせんとの半径差を考慮する
ために、J.Fluid Mech.203（1989）289−305の、German
o,M.の“The Dean equations extended to a helical p
ipe flow"により与えられる曲率半径r_cを使用した。

ここで、ｒ＝d_rod/2＋ｔ＋d/2 ……（４）であり、ｔはチューブ（膜）の肉厚、そしてｍは相互に
隣り合って配置されるチューブ（図２参照）の数であ
る。

曲率半径の定義を使用して式（６）を得た。

式（４）及び（５）を式（３）に代入し、次いで式
（３）を式（６）に代入することにより式（７）を得
る。

式（７）を以下に検討する。

２つの中空糸膜モジュールを、ディーン渦の有無の各
状態下でのナノろ過性能差を比較するべく設計し製作し
た。図３に番号10で示す直線チューブ膜モジュールであ
るところの第１の膜モジュールは、26本の直線的な中空
糸12を収納し、各中空糸はCPVC製の外側シェル14の内部
のシーラント16、18の位置でシールされた。入口20は、
各チューブに供給流体を供給し且つ出口としても作用す
る。透過物出口22も設けられた。図４及び５に番号30で
示すらせんチューブ膜モジュールであるところの第２の
膜モジュールは26本のロッド32を収納し、各ロッドには
中空糸膜34をらせん状に巻付けた。中空糸膜及びロッド
はプラスチック製の外側シェル40の両端部36、38の位置
でシールした。供給流体入口兼出口42と透過物出口44と
は外側シェル40に接続した。しかしながら、チューブを
ロッドに巻付ける必要は無く、その場合も尚、本発明の
範囲に含まれる。

直線チューブ膜モジュール10は全体長さが815mmであ
り、直径は約90mmである。作用中空糸長さは790mmであ
り、膜面積は147cm²であった。透過物収集のための透過
物出口22は１つであった。らせんチューブ膜モジュール
30の各ロッド32は直径が3.175mmであり、各中空糸34は
ロッドの周囲にきつく巻付けられた。らせんチューブ膜
モジュール30の断面積が大きいことから、外側シェル40
の外側フィッティングは280KPaの最大運転圧力には耐え
得ない。この外側フィッティングをバーストから保護す
るために、10cm×10cmの２枚の金属プレートと４本のネ
ジ付きロッドとから作製したクランプをらせんチューブ
膜モジュール30に埋設した。簡易化及び再使用化のため
に、全てのネジ付きロッドの直径を一定化した。しかし
ながら、らせんチューブ膜モジュール30を通る供給流体
の流量は減少し、流体の速度も減少しそれにより、渦は
弱く且つモジュール出口に向けて消滅さえした。本発明
に従う膜モジュールは、常にレイノルズ数（或は流量）
を臨界レイノルズ数（或は臨界流量）よりも大きくする
ように作動する。

中空糸膜を、損傷させることなくロッドに巻付け得る
最小直径d_rodは3mmであることが分かった。

湾曲通路の内径r_iと外径r₀の比であるところのηを最
適化することによってらせんチューブ膜モジュールの性
能を最良化するために、可能な最大ディーン数と臨界デ
ィーン数との比率を最大化すべきである。即ち、 maxD＝De/De_c＝Re/Re_c ……（８）最大流量（或は最大ディーン数）は、らせんチューブ
膜モジュールでの最大圧力降下が280KPaであることによ
り制限されることから、臨界レイノルズ数を減少させそ
れにより、図１に従うηを減少させることが決定され
た。これによりディーン数を最大化することが可能とな
る。

らせんチューブ膜モジュールの最適設計形状を決定す
るために、式（７）により求めたηを、中空糸膜の内径
ｄとロッドの直径d_rodとに対してプロットした。d
_rodと、ロッドへの中空糸膜の巻付け回数とが少い程、
ηをより小さくすることができる。中空糸膜の直径を大
きくするとηは小さくなるが、直径の大きい中空糸膜は
弱く、耐圧性も小さくなり、従って最大圧力降下及び最
大流量もまた減少する。

中空糸膜を損傷させることなくロッドに巻付け得る最
小直径d_rodは以上の如くして決定され、その値は3mmで
あった。

かくして、式（２）から、De_c＝17.28を得た。

以下に、臨界レイノルズ数と臨界ディーン数との算出
を説明する。ディーン数とレイノルズ数とは、各膜モジ
ュールを通る容積流量から間接的に求めた。一定流量
は、供給流量と比較して無視し得る量であると考えられ
た。１本の中空糸膜を通る臨界容積流量は以下の式
（９）で与えられる。

ここでv_cは臨界速度であり、以下の式（10）で与えら
れる。

ここで、水に対しては、粘度μ＝9.855 10cm^-3kg/m−
ｓであり、25℃での密度ρ＝1000kg/m³である。かくし
て、 v_c＝0.0145m/sであり、 Q_c-fiber＝8.32 10cm^-6dm³/sとなる。

或は、26本の中空糸膜の場合、各膜モジュールを通る臨界容積流量に対しては、Q_c＝
26Q_c-fiber＝2.16 10^-4dm³/s＝12.98ml/分である。

最大ディーン数比は式（８）から求められる。即ち、 D_max=De_max/De_c=Re_max/Re=V_max/V_c=Q_max/Q_cである。

らせんチューブ膜モジュールの場合、塩溶液及びシリ
カ懸濁液に対する最大容積流量は実験的に、D_max-salt
_solution＝13.1及び、D_max _silica _suspensions＝1
1.6として決定された。

各々の中空糸膜間の差を平均化するべく、各膜モジュ
ールには多数の中空糸膜を組み込んだ。中空糸膜は内径
が0.270mm外径は0.620mmであった。支持材料はポリエー
テルスルホンから作製し、コーティングは界面重合ポリ
アミドであった。“Tetrakis−amido high flux membra
nes"と題するS.McCrayの米国特許第4,876,009号を参照
されたい。各膜モジュールは特に、０−60℃の温度範囲
及び３−９のpH範囲でのナノろ過のために作製された。

２つの膜モジュールを使用しての試験中の温度、供給
溶液等の条件が類似することを保証するために、らせん
チューブ膜モジュールと、参照用としての直線チューブ
膜モジュール10とを共に作動させるための実験システム
が設計された。この実験システムは図６に番号50で示さ
れ、Nalgene型のタンク52と、可変速電気モーター（ニ
ューヨーク州Baldor社製のMod＃CDP3330）により駆動さ
れ且つ制御体（ニューヨーク州SECO社製のMod＃160SR
C）により調節されるダイヤフラム式のポンプ54（ニュ
ーヨーク州Wanner Hydracell社製のMod＃CDP330）と、
２つの膜モジュールとから構成された。

タンク52の形態の大容量の容器を用いることにより実
験システム内の流体の振動を減少させると共に、ポンプ
及びミキサーを原因とする温度上昇を回避した。残留し
た振動は、ポンプ54の排出ラインの、膜モジュールに可
能な限り近い位置に組み込んだ振動減衰体56（Cat Pump
Mod＃6029）により減衰させた。振動減衰体56には、各
膜モジュールの最大入口圧力の0.5倍である133KPa（195
psi）の圧力を前負荷した。これにより、振動減衰体56
は136KPa（200psi）の圧力で有効作用下に始動した。ポ
ンプ及び振動減衰体は、可撓性の金属ホース58（直径0.
5″長さ900mm、ニューヨーク州Swagelok社製のMod＃316
SS）を介し連結した。ポンプ54は680KPa（1000psi）ま
での圧力を発生することが可能であった。実験中に発生
した圧力はこれよりもずっと少なく、270KPaまでであっ
た。ポンプの最小流量であるところの104ml/分が、実験
上必要な流量を上回り、然も低流量でのポンプ作動は極
めて粗いことから、ニードル弁62（ニューヨーク州Swag
elok社製のMod＃SS−3NRS4）付きのバイパスライン60を
組込み、ポンプをほぼ800ml/分（即ち制御体目盛り位置
での40％）とする状態で作動した。供給流体の温度はラ
イン66の振動減衰体の直後の位置に配設した温度ゲージ
64（熱電対）を使用して計測した。

バイパスライン以降、供給流体は、同一断面積を有し
各１つの膜モジュールに向う平行な２つのライン67、68
に分岐した。これら各ラインの始端位置に組み込んだボ
ール弁69、70（ニューヨーク州Swagelok社製のMod＃SS
−42S4）を閉じれば各膜モジュールを別個に作動させる
ことができる。各膜モジュールの入口圧力、膜透過圧
力、各膜モジュールに関する圧力降下は、圧力ゲージ72
（McMasterCarr,Mod＃4088k999、モネルボディ、グリセ
リン充填物）を使用して計測した。各圧力ゲージ72は各
膜モジュールの入口及び出口に配設した。各膜モジュー
ルを通しての供給流量及び出口圧力は、各膜モジュール
の下流側に位置付けた調節（背圧）弁73、74（ニューヨ
ーク州Swagelok社製のMod＃SS−MS4−VH）を調節するこ
とにより制御した。流量計75、76（Gilmont社製のMod＃
GF1200）を通過する透過流れにより、この透過流れと濃
縮液とがタンク52に流入する以前に良好に混合されたか
否かを判定した。更に、透過流れに濃縮液を追加する必
要無く供給流れを得るのが、より容易であった。供給流
量は、システムの流れ以前に２つの流量計77、78（Gilm
ont社製のMod＃GF2360）を使用して計測し、かくしてこ
れらの流量計のためのコストが著しく減少された。各膜
モジュールの透過流れ及び濃縮液流れのサンプル採取の
ために、各流れにサンプルライン80、82を追加し、これ
らの各サンプルラインを弁84、85で閉鎖した。弁84、85
の上流側の全ての連結部及びフィッティングは、1/2イ
ンチ及び1/4インチの316ステンレス鋼製の管及びステン
レス鋼製のフィッティング（Swagelok社製）から作製し
た。調節弁73、74の下流側には、3/16インチプラスチッ
ク製管及びプラスチック製フィッティングを使用した。
容器内の供給溶液を均質化するためにミキサー90を組込
み、実験中は、ほぼ５分間隔で３分間作動させた。

ディーン渦の、濃縮物集中及び膜汚損防止に対する可
能性を調べるために、らせんチューブ膜モジュールと直
線チューブ膜モジュールとを、異なる塩溶液と、塩を含
有するシリカ懸濁液とを使用して同時に試験した。

全実験のための液体条件は超清浄水であることであっ
た。超清浄水は、水道水を炭素繊維、ROユニット（ミシ
ガン州ミネアポリスのFilmtech社製のModel＃FT30）、
イオン交換器、UV殺菌器に通すことにより製造した。超
清浄水の固有抵抗値は、導電率メーターにより継続的に
検査し、常に18乃至19メグオーム/cmの間の値を取っ
た。固有抵抗値は無機性不純物のみに対する指標である
が、有機性不純物に対する値は、炭素フィルター、ROユ
ニット、UV殺菌器により極めて小さくなると考えられ
る。塩溶液としては硫化マグネシウム（MgSO₄）を使用
した。シリカ懸濁液は、20μｍシリカ粒子（ドイツ国De
gussa社製のSipernat 22）を使用して調製した。

４つの異なる懸濁液、即ち、シリカ濃度が０、20、4
0、80ppmである各懸濁液（順に１〜４番とする）を試験
した。各懸濁液を、異なる塩溶液と組み合わせて試験し
た。即ち、供給液形式で言うと：（１）MgSO₄濃度が100
0ppm、1500ppm、2000ppmの塩溶液、（２）及び（３）Mg
SO₄濃度が1000ppm及び2000ppmの塩溶液、（４）MgSO₄濃
度が1000ppmの塩溶液、である。MgSO₄のモル数の異なる
溶液に対する逆浸透圧を以下に説明する。

各形式の供給液を、少なくとも４つの異なる流量で、
各４つの異なる入口圧力下に試験を実施した。毎分当り
の流量は、50、80、110、130、150、170の各mlであっ
た。入口圧力は、167KPa（245psi）、190KPa（280ps
i）、211KPa（311psi）、231KPa（340psi）、252KPa（3
70psi）から選択した。高流量（130ml/分及びそれ以
上）時には、らせんチューブ膜モジュールであることに
より生じる圧力降下が前記入口圧力よりも大きくなるこ
とから、小さい入口圧力を選択することはできなかっ
た。信頼性有る結果を得るために、出口圧力の読み取り
値は少なくとも10KPa（15psi）であることが要求され
た。

実験開始に先立ち、容器に超清浄水を0 15リッター充
填した。MgSO₄及びシリカの重量はSatorius（ドイツ製M
odel＃Ｋ＃4030）微量秤を使用して計量した。供給溶液
を混合する間、先ず塩を加え、次いでシリカ粒子を加え
た。供給溶液は10分間完全に混合した。ポンプ始動後、
入口圧力と供給流量の最初の組み合わせをセットした。
膜モジュールには元々超清浄水で充填されていたことか
ら、この最初の入口圧力／流量組み合わせ状態の供給溶
液が安定化するまでには約80分を要した。入口圧力及び
流量引き続く入口圧力／流量組み合わせに対する読み取
りを、安定状態との相違が５％未満である状態下に、30
分後に行い得る。

所望の入口圧力と所望の流量とを確立するために、入
口圧力が所望の値になるまでバイパス弁を閉じておい
た。次いで、調整弁を調節して供給流量を調製した。調
整弁を調整することで入口圧力が変化することから、バ
イパス弁と調整弁とを交互に何度か調節して安定圧力及
び安定流量を確立する必要がある。

入口圧力と供給流量の新しい組み合わせをセットした
後、３乃至５分毎に圧力ゲージ及び流量計の値を読み取
った。透過物流れのサンプル流れを５乃至10分毎に採取
し、それらサンプル流れの導電率を測定した（Cole Par
mer社製の導電率メーター）。濃縮液流れからのサンプ
ル流れを10乃至15分ごとに採取し、これらサンプル流れ
の導電率も計測した。その後、サンプル流れをタンクに
戻した。供給溶液の導電率も定期的に検査した。

圧力計は、製造業者により±0.15％の精度で較正され
た。流量計の較正はストップウォッチ及び検量済の試験
チューブを使用して検査した。透過物流れ用の流量計の
精度は±１％であり、供給流れ用の流量計の精度は±２
％であった。導電率計は718μＳ及び2070μＳの２つの
標準試験溶液を使用して較正した。

実験後、システム及び膜モジュールを超清浄枠で30分
間洗浄し（第１のステップ）、塩分子、シリカその他粒
状物を膜から排除した（第１のステップ）。次いで、0.
05％のクエン酸溶液を30分間システムに通し、膜から金
属イオンを溶出させた（第２のステップ）。次いで、pH
10.5の水酸化ナトリウム（NaOH）溶液を使用しての30分
間の洗浄ステップ（第３のステップ）を実施した。大き
いpH値がシリカ粒状物の溶解性を増大させた。最後に、
超清浄水を使用してシステムを４乃至６時間すすぎ洗い
した（第４のステップ）。シリカ懸濁液を使用しての実
験後、凝集したシリカ粒状物を膜から除去するために、
第３及び第４のステップを４乃至10回反復させる必要が
あった。各ステップの後、巻の透水性を検査した。膜モ
ジュール、チューブ、フィッティングは一週間に一度分
解し、加圧超清浄水を使用してすすぎ洗いした。

シリカ懸濁液を使用しての実験中、調整弁の下流側の
プラスチック製のチューブ内にシリカ粒子が沈殿した。
この問題は、3/8インチのチューブを3/16インチのチュ
ーブに交換しそれによりチューブ内の平均速度を係数で
約４倍増大させることにより解決した。

マグネシウム溶液の逆浸透圧は、稀釈溶液のための以
下の近似計算式（11）により算出された。

ここでＲはガス定数であり、Ｔは絶対温度であり、M_a
は溶剤のモル重量であり、V_aは溶剤のモル容積であり、
Ｖは１モルの電解質から形成されるイオンのモル数であ
り、φは逆浸透モル係数であり、ｍは溶質の重量モル濃
度である。

直線チューブ膜モジュール及びらせんチューブ膜モジ
ュールの何れも、透水性に対する試験を行った。各膜モ
ジュールの透水性はディーン数比とは無関係に、約0.09
・1/（m²−hr−KPa）であることが分かった。

各膜モジュールでの軸線方向での圧力降下はディーン
数比の関数として計測された。この測定結果は図７にプ
ロットした。ハーゲン−ポアズイユ式は直線膜モジュー
ルに対して有効であり、かくして、直線を得た。らせん
流れのために拡大されたナビエ−ストークの式によれ
ば、軸線方向での圧力降下は流れの速度の複合関数であ
るとみなし得る。軸線方向での圧力降下のための式の少
なくとも１つの項には、２つの速度成分の積が含まれ
る。また、ディーン渦は遠心作用の結果生じ、遠心力は
速度の２条に比例する。これらを考慮すると、らせんチ
ューブ膜モジュールのための軸線方向での圧力降下のデ
ータは二次方程式に適合する。この適合性は、こうした
観察に幾分かの事実が存在することを示唆する。この結
果は、先に湾曲スリット溝に対して得られた結果と類似
している。

MgSO₄溶液をナノをろ過するための両膜モジュールの
性能上の特徴を測定した。低濃度（1000ppm MgSO₄）で
は幾つかの効果が観察された。即ち、（ｉ）ディーン渦
に関する性能が著しく改善され、（ii）与えられたディ
ーン数に対する駆動力が増大するに従い流束改善の度合
が増大し、（iii）上記濃度では明瞭ではないが、流束
改善の度合いはディーン数の増大と共に増大した。

1500ppm MgSO₄溶液を使用してナノろ過を実施した場
合にも同一の効果が得られた。ディーン数の増大に伴う
流束の改善はより明瞭に示された。この効果は、濃度を
2000ppmへと増大させるに従い一段と顕著にさえなっ
た。濃度増大に伴う流束の正味の改善は、絶対流束を減
少させた場合でさえも観察された。

溶液濃度が低い場合、ディーン渦に基く流束の改善は
小さくなることが予測された。これは、水の流束での結
果に基づいている。ディーン渦の効果は、高濃度時には
粘性が高まることにより減少した。流束の改善は中間濃
度の時に最大となる。

図８及び９にはサンプル溶質流束をプロットした。ら
せんチューブ膜モジュールにおける溶質流束が大きいこ
とは溶質分離率（rejection）が小さいことを意味す
る。これには、少なくとも２つの競合する効果、即ち、
（ｉ）渦による、膜近辺の溶解懸濁物質及び溶質が除去
されることにより濃度境界層での溶質流束が小さくなる
こと、（ii）透過流量が増大することにより溶質流束が
大きくなること、が貢献している。図８及び９を比較す
るに、ディーン数及び溶質濃度を大きくすると、渦が膜
近辺の溶解懸濁物質及び溶質を除去することで、溶質流
束の減少効果が大きくなることが示される。言い換える
と、高濃度且つ高交差流れ流量下では、溶質分離率は渦
の出現と共に改善される。

２つの膜モジュールの性能を正確に比較しようとする
際に考慮すべき重要事項は、エネルギー消費量或は軸線
方向での圧力損失に関する流束の改善である。両膜モジ
ュールの流束の結果を比較するためのレイノルズ数（或
は比較目的のための等ディーン数比）は図７から入手し
得る。例えば、等価のディーン数比が10である場合の渦
無し状態での流束は、ディーン数比5.7での、渦を伴う
流束と比較すべきである。ディーン数比10、駆動力1900
KPaでの流束と、ディーン数比3.84（5.7に代えて）、同
一の駆動力での流束とを比較すると、控えめに見ても流
束の改善（約35％）が達成された。このことは、エネル
ギー入力値が同じである場合には、ディーン渦を伴うら
せんチューブ膜モジュールの性能が直線チューブ膜モジ
ュールのそれよりも優れていることを明示するものであ
る。この効果は溶質濃度が増大するに従い一段と高ま
り、約55％もの改善を得ることが可能である。

図10、11、12、13には本発明の有益な結果が示され
る。本発明のそうした有益性を更に実証するべく、それ
らの結果を以下の表に要約する。

図14には、中空糸膜のチューブを、糸をボビンに巻付
けるように軸線方向及び半径方向に進行する状態にコイ
ル巻きした本発明の実施例が示される。

図15には、中空糸膜のチューブを半径方向にのみ進行
するようにコイル巻きした本発明の別の実施例が示され
る。この場合、各コイル巻付けは先立つコイル巻付け分
を覆う状態で巻付けられる。

これらの実施例を使用しての結果に基き、以下の結論
を得た。

（ｉ）ナノろ過用のらせんチューブ膜モジュールの設計
形状及び構造は、膜近辺の溶解懸濁物質及び溶質及び膜
面の付着物を除去するディーン渦を創出させるために有
効である。

（ii）ディーン渦の存在が膜の性能を、ディーン渦の無
い交差流れと比較して著しく改善させる。

（iii）膜性能の改善は、駆動力の増大と共に、また溶
質（MgSO₄）の濃度増大と共に高まる（低濃度の場
合）。

（iv）らせんチューブ膜モジュールでの溶質分離率はデ
ィーン数及び溶質濃度の増大と共に増大する。

（ｖ）エネルギー消費量が同じであれば、らせんチュー
ブ膜モジュールの性能は、塩濃度が比較的小さい場合、
直線チューブ膜モジュールのそれに対し35乃至55％優れ
ている。これは、らせんチューブ膜モジュールをディー
ン渦と共に成功裡に作動させるための重要条件である。

以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の
内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。

〔発明の効果〕

1.内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の膜の内
面から付着物を除去するための方法であって、前記湾曲中空チューブ形状の膜内を、液体成分と、溶
質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成る群か
ら選択した汚損成分とを含有する流体を移動させるこ
と、前記液体成分の一部分を該湾曲中空チューブ形状の膜
を貫かせ、該液体成分から前記汚損成分をろ過するこ
と、前記湾曲中空チューブ形状の膜内で前記流体を、前記湾
曲中空チューブ形状の膜の内面を横断して、前記ろ過さ
れ膜の内面に付着した汚損成分の少なくとも一部分を除
去するディーン渦を創出させるに十分な速度で流動させ
ること、を含む、内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の
膜の内面から付着物を除去するための方法が提供され、 2.内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の膜の内
面から付着物を除去するための装置であって、ａ）供給物入口、供給物出口、透過物出口、を有する外
側シェルと、ｂ）湾曲した内面と、前記透過物出口と連通する湾曲し
た外面とを有する、前記外側シェル内の１つ以上の湾曲
中空チューブ形状の膜にして、流体を、前記供給物入口
から前記湾曲中空チューブ形状の膜の前記内面を横断し
て供給物出口へと流通可能とするべく前記供給物入口及
び供給物出口に結合され、流体の一部が前記内面から外
面に貫通され得、臨界速度以上の流体速度において流体
内にディーン渦が形成され得る内径及び曲率半径を有す
る湾曲中空チューブ形状の膜と、ｃ）溶質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成
る群から選択した成分を含有する流体を移動させて該流
体中に前記湾曲中空チューブ形状の膜の内面を横断する
ディーン渦を創出させる手段と、から構成される、内面及び外面を有する湾曲中空チュー
ブ形状の膜の内面から付着物を除去するための装置が提
供される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＡｒｔｉｆｉｃａｌＩｎｔｅｒｎａｌＯｒｇａｎｓ，米国，1975年４月，ｖｏｌ．ＸＸＩ，ｐ．216−223 ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＴｈｉｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＦｒｅｓｈＷａｔｅｒｆｒｏｍｔｈｅＳｅａ，ギリシャ，1970年，ｖｏｌ．２，ｐ．587−600 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 63/06 B01D 63/02 B01D 63/10 B01D 63/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形
状の膜の内面から付着物を除去するための方法であっ
て、前記湾曲中空チューブ形状の膜内を、液体成分と、溶
質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成る群か
ら選択した汚損成分とを含有する流体を移動させるこ
と、前記液体成分の一部分を該湾曲中空チューブ形状の膜を
貫かせてろ過すること、前記湾曲中空チューブ形状の膜内で前記流体を、前記ろ
過され膜の内面に付着した汚損成分の少なくとも一部分
を除去するディーン渦を創出させるに十分な速度で前記
湾曲中空チューブ形状の膜の内面を横断して流動させる
こと、を含む、内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形状の
膜の内面から付着物を除去するための方法。
【請求項２】膜表面を巻付け状態の膜チューブとするこ
とを含む請求項１の方法。
【請求項３】湾曲中空チューブ形状の膜が、軸線方向に
進行するコイルを含むようにした請求項１の方法。
【請求項４】軸線方向に進行する隣り合うコイル間の間
隔が僅かであるか或は全く無いようにした請求項３の方
法。
【請求項５】湾曲中空チューブ形状の膜が軸線方向及び
半径方向に共に進行する状態で巻付けたコイルを含むよ
うにした請求項１の方法。
【請求項６】湾曲中空チューブ形状の膜が半径方向に進
行する状態で巻付けたコイルを含むようにした請求項１
の方法。
【請求項７】湾曲中空チューブ形状の膜内に過剰な圧力
降下を生じさせることなく、該膜の内面から付着物を除
去し且つ膜面に集中した濃縮物を該膜面から除去するた
めに十分に大きいディーン数を使用してディーン渦を創
出すること、該十分に大きいディーン数と臨界ディーン
数との間の比を最大化すること、を含み、臨界ディーン
数が、流体流束、チューブの内径、膜厚、湾曲中空チュ
ーブ形状の膜の巻付け半径の関数であるようにした請求
項１の方法。
【請求項８】流体溶液を、式V_C＝Re_c μ/dρに従う臨界
速度よりも高い速度で、湾曲中空チューブ形状の膜の内
面を移動させることを含み、前記Re_cが流体の臨界レイ
ノルズ数であり、μが流体の粘度であり、ｄが湾曲中空
チューブ形状の膜の内径であり、ρが流体の密度である
ようにした請求項７の方法。
【請求項９】内面及び外面を有する湾曲中空チューブ形
状の膜の内面から付着物を除去するための装置であっ
て、ａ）供給物入口、供給物出口、透過物出口、を有する外
側シェルと、ｂ）湾曲した内面と、前記透過物出口と連通する湾曲し
た外面とを有する、前記外側シェル内の１つ以上の湾曲
中空チューブ形状の膜にして、流体を、前記供給物入口
から前記湾曲中空チューブ形状の膜の前記内面を横断し
て供給物出口へと流通可能とするべく前記供給物入口及
び供給物出口に結合され、流体の一部が前記内面から外
面に貫通され得、臨界速度以上の流体速度において流体
内にディーン渦が形成され得る内径及び曲率半径を有す
る湾曲中空チューブ形状の膜と、ｃ）溶質、固形粒子、溶質及び固形粒子の混合物から成
る群から選択した成分を含有する流体を移動させて該流
体中に前記湾曲中空チューブ形状の膜の内面を横断する
ディーン渦を創出させる手段と、から構成される、内面及び外面を有する湾曲中空チュー
ブ形状の膜の内面から付着物を除去するための装置。
【請求項１０】湾曲中空チューブ形状の膜がらせん状の
コイルである請求項９の装置。
【請求項１１】らせん状のコイルが軸線方向に巻付けら
れる請求項10の装置。
【請求項１２】流体溶液を、式V_C＝Re_c μ/dρに従う臨
界速度よりも高い速度で、湾曲中空チューブ形状の膜の
内面を移動させるための手段を含み、前記Re_cが流体の
臨界レイノルズ数であり、μが流体の粘度であり、ｄが
湾曲中空チューブ形状の膜の内径であり、ρが流体の密
度である請求項９の装置。
【請求項１３】湾曲中空チューブ形状の膜が、軸線方向
及び半径方向に共に進行するように巻付けたコイルを含
む請求項９の装置。
【請求項１４】湾曲中空チューブ形状の膜が、半径方向
に進行するように巻付けたコイルを含む請求項９の装
置。