JP5145682B2 - 逆浸透膜モジュール用透過水ノズルおよび逆浸透膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、脱塩等に用いられる逆浸透膜モジュールに関する発明である。特に本発明は、海水を淡水化する場合や酸性水溶液を処理する場合等、逆浸透膜の透過水の腐食性が高い状態であっても、透過水ノズルが腐食しにくく耐久性に優れる逆浸透膜モジュールを提供することを目的とする。
逆浸透法は、海水及びかん水の淡水化、半導体工業及び医薬品工業用の純水、超純水の製造、都市排水処理等の幅広い分野で利用されている。蒸発法、電気透析法と比較して省エネルギーの点で有利であり、広く普及が進んでいる。特に、中空糸型逆浸透膜は、単位容積当たりの膜面積を大きくできるため、膜分離操作に適した形状であり、例えば、逆浸透膜による海水淡水化分野では広く用いられている。以下、主に海水淡水化分野で使用される状況を例にとり、説明を行う。
逆浸透法で処理される場合は逆浸透膜モジュールが用いられる。一般には、供給水ノズルから供給された供給水は逆浸透膜モジュールへ供給され、逆浸透膜を透過した水は透過水ノズルから取りだされ、透過せずに濃縮された水は濃縮水ノズルから取り出される。
従来、供給水ノズル、濃縮水ノズルは高塩濃度水と接触するために腐食により損傷しやすく、耐腐食性ステンレス等の材料が用いられている。一方、透過水ノズルが接触するのは逆浸透膜の透過水であり、これは、供給水や濃縮水に比べて塩濃度が低いため、腐食による損傷は発生しにくいと考えられていた。
しかしながら、海水淡水化に用いる場合などは、透過水の塩濃度は５００ｍｇ／Ｌ程度となることは一般的であり、多くの逆浸透膜モジュールが設置されている大型海水淡水化施設では、運転が長期に及ぶとともに膜モジュールの除去性能にばらつきが生じ、除去性能の低い膜モジュールの透過水では１０００ｍｇ／Ｌ以上の高塩濃度となる場合もある。特に、個々の膜エレメントの透過水を個別に取り出すことのできる逆浸透膜モジュール構造の場合には、他の膜エレメントの低塩濃度の透過水で希釈されることなくこの高塩濃度の透過水が透過水ノズルに直接接触する。透過水ノズルに金属製の部材を用いた場合、高塩濃度の透過水と長期間接触することにより、腐食による損傷が発生する場合があり、特に、透過水ノズルと配管との接続部に発生する隙間腐食が発生する場合が多い。耐腐食性のステンレス等を用いることでこれらを防止することは可能であるが、費用が高くなり問題である。
また、腐食発生防止のために硬質塩化ビニル等の樹脂製の透過水ノズルを用いることが開示されているが、金属配管との接続部で、強度が不十分なため変形・破損し、水もれの原因となる場合がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、塩水との接触による腐食の損傷が発生せず、かつ金属配管との接続に際し、損傷を受けることの無い透過水ノズルを有する逆浸透膜モジュールを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を克服すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本願発明は下記の構成を有するものである。
（１）シャルピー衝撃強さが４kJ／m2以上かつ弾性率４GPa以上かつ吸水率０．５％以下の樹脂系の材料からなり、前記樹脂系の材料がポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂の群から選ばれる少なくとも１種をガラス繊維強化したものであることを特徴とする逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
（２）該逆浸透膜モジュールが海水淡水化用の逆浸透膜モジュールであることを特徴とする（１）に記載の逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
（３）該逆浸透膜モジュールが２本以下の逆浸透膜エレメントを圧力容器に装填したものであり、各逆浸透膜エレメントの透過水が個別の透過水ノズルにより取り出されることを特徴とする（１）または（２）に記載の逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
（４）（１）から（３）いずれかに記載の透過水ノズルが装着されていることを特徴とする逆浸透膜モジュール。
（５）該逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなる中空糸型逆浸透膜からなることを特徴とする（４）に記載の逆浸透膜モジュール。
（１）シャルピー衝撃強さが４kJ／m2以上かつ弾性率４GPa以上かつ吸水率０．５％以下の樹脂系の材料からなり、前記樹脂系の材料がポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂の群から選ばれる少なくとも１種をガラス繊維強化したものであることを特徴とする逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
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（４）（１）から（３）いずれかに記載の透過水ノズルが装着されていることを特徴とする逆浸透膜モジュール。
（５）該逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなる中空糸型逆浸透膜からなることを特徴とする（４）に記載の逆浸透膜モジュール。
逆浸透膜モジュールにシャルピー衝撃強さ（ノッチ付き）が４kＪ／m2以上かつ曲げ弾性率４GPa以上かつ吸水率０．５％以下の樹脂系の材料からなる透過水ノズルを用いることにより、塩水による腐食による損傷を防止でき、かつ、金属配管との接続に際しての機械的損傷も抑制可能で、水漏れが防止可能である。特に、海水淡水化に用いる逆浸透膜モジュールに適するほか、酸性水溶液等の腐食性の強い透過水が得られる逆浸透プロセスで用いられる逆浸透膜モジュールへの適用が好適である。
本発明における逆浸透膜とは、数十ダルトンの分子量の分離特性を有する領域の分離膜であり、具体的には、０．５ＭＰａ以上の操作圧力で、食塩を９０％以上、除去可能であるものである。海水淡水化に使用される逆浸透膜は、操作圧力が大きく、また、食塩の除去率は９９％以上が一般的である。
本発明におけるシャルピー衝撃強さは、透過水ノズルの成型に用いる樹脂系の材料を、ＩＳＯ１７９：１９３３に記載されているＩＳＯ１７９／１ｅＡにより２３℃で測定した値とする。シャルピー衝撃強さは耐衝撃性の指標であり、この値が大きいほど耐衝撃性が大きく、衝撃による損傷を受けにくい。透過水ノズルは、金属配管と接続して用いられ、逆浸透膜装置の運転の起動・停止時に生じる振動や、透過水ノズルの装着・脱着の際の接触の繰り返し等により、機械的な衝撃にさらされるので、耐衝撃性が高いことが必要となる。また、透過水ノズルはその機能上、Oリング溝やビクトリックジョイント用溝等の溝加工を施されることが多く、このため、ノッチ付き試料で測定された衝撃強さが高いことが要求される。本発明で用いられる樹脂系の材料のシャルピー衝撃強さは、好ましくは４ｋＪ／ｍ2以上であり、より好ましくは７ｋＪ／ｍ2以上である。この値が小さいと、透過水ノズルが亀裂や断裂等の損傷を受け易くなるので好ましくない。本発明における樹脂系材料のシャルピー衝撃強さは高いほど好ましい。このため、シャルピー衝撃強さには特に上限を定めないが、一般的にシャルピー衝撃強さの高い材料は、後述する弾性率が低くなる場合が多いので、いたずらにシャルピー衝撃強さの高さを求めるよりも、両者の要求性能を満たすことが重要である。
本発明における弾性率は、透過水ノズルの成型に用いる樹脂系の材料の試験片の曲げ弾性率をＩＳＯ１７８：１９９３に記載の方法により２３℃で測定した値とする。透過水ノズルは、その使用中に、透過水の圧力による内圧を受けるほか、配管との接続に起因する外力を受ける。弾性率はこれらの応力に対抗して変形せず形態を維持する能力の指標であり、この値が高いほど変形しにくい。弾性率は、その測定方法により、引張弾性率、曲げ弾性率、圧縮弾性率等があるが、本発明ではこれらを代表して曲げ弾性率を指標として用いることとする。本発明における樹脂系の材料の曲げ弾性率は４GPa以上が好ましく、7GPａ以上であればさらに好ましい。弾性率が低いと、透過水ノズルの装脱着の際に受ける外力や使用中に受ける内圧等によって、変形しあるいは亀裂を生じ、これにより水漏れを生じる恐れがある。本発明における樹脂系の材料の曲げ弾性率は高いほど好ましい。このため曲げ弾性率には特に上限を定めないが、一般的に高弾性率の材料は耐衝撃性が低い場合が多いので、既述のとおり、いたずらに高弾性率であるよりも、両者の要求性能を満たすことが重要である。
本発明における吸水率は、透過水ノズルの成型に用いる樹脂系の材料の試験片を、ＩＳＯ６２：１９９９に記載のA法により２３℃で２４時間浸漬して測定された値とする。透過水ノズルは使用中、常時水と接触して使用されるため、水との接触によって寸法や物性が大きく変化するものは使用に耐えない。本発明においては、水との接触に対する安定性の指標として、吸水率を使用する。吸水率の高い材料は、吸水による寸法変化や物性変化が大きく、本発明の樹脂系の材料としては適さないからである。本発明における樹脂系の材料の吸水率は０．５％以下が好ましく、０．３％以下がさらに好ましい。０．０３％以下であればさらに好ましい。
本発明における樹脂系の材料とは、樹脂を含む材料であれば特に限定されない。２種類以上の異種の樹脂の混合物やポリマーアロイであってもよく、充填材を包含した複合材料であってもよい。充填材の材質は、無機物、有機物あるいはそれらの混合物等、種々のものがあるが、いずれのものであっても良い。また、充填材には繊維状、粒状、板状等の種々の形状があるが、いずれの形状であってもよい。充填材の配合量には特に制限はないが、１０〜５０％とすることが好適である。シャルピー衝撃強さ、曲げ弾性率、吸水率のいずれについても本発明の要求特性を満たす樹脂系の材料の好適な例として、充填材としてガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を含むエンジニアリングプラスチックが挙げられる。ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアセタール樹脂やそれらの変性樹脂等をガラス繊維強化した樹脂は、本発明において好適な樹脂系の材料である。特に、ガラス繊維強化ポリフェニレンサルファイド樹脂は、シャルピー衝撃強さおよび曲げ弾性率が高くかつ吸水率が低いのみならず、引っ張りクリープ寿命が長く、繰り返し振動疲労が小さい特性があり、透過水ノズルの材料として特に好ましい。
本発明において、透過水ノズルの金属配管は、ビクトリックジョイント接続、フランジ接続、クランプ接続等の接続方法により接続することができる。ネジ方式での接続も可能であるが、装着時、脱着時の作業性がよくなく、金属のネジ部との強い摩擦力で金属の場合に比べて損傷しやすいため、あまり好ましくない。
本発明における逆浸透膜エレメントとは、圧力容器に装着し、供給水ノズル、濃縮水ノズル、透過水ノズルを設置することで、逆浸透膜モジュールとなるものである。圧力容器に装填される逆浸透膜エレメントの本数は逆浸透膜の種類により異なる。各逆浸透膜エレメントの透過水が個別の透過水ノズルから取り出される構造の場合は、逆浸透膜エレメントの劣化状況が反映された水質の透過水が透過水ノズルと接触されるため、逆浸透膜エレメントの劣化が進んだ場合は透過水ノズルへ腐食が顕著となり本発明の効果が現れやすい一例となる。この場合の逆浸透膜モジュール内に装填される逆浸透膜エレメントの本数は２本以内が実用上好ましい。
本発明における酢酸セルロース系高分子としては、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、両者の混合物が例としてあげられる。塩除去性能および透水性能、また、性能の安定性等から三酢酸セルロースが好ましい。酢酸セルロース系高分子は耐塩素性に優れるため、供給水に殺菌剤として塩素を添加することが可能である。塩素を含む原水を逆浸透膜に供給すると、透過水にも塩素が混入する。塩素の混入は透過水の腐食性を増す傾向にあるので、本発明の効果がよく発揮される事例である。
本発明における中空糸膜とは中空糸状の膜であり、その寸法は限定されない。海水淡水化用の中空糸型逆浸透膜モジュールの例としては、例えば、外径は１００μｍから３００μｍ、内径は中空糸膜の内径と外径とから算出される中空率も考慮して設定することが好ましく、例えば３０μｍから１５０μｍがあげられる。
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。なお、実施例は、海水淡水化用の逆浸透膜の場合を示す。
（実施例１）
ポリフェニレンサルファイド樹脂にガラス繊維３０％を充填した複合材料からなる透過水ノズルを作製した。この複合材料の、シャルピー衝撃強さは１２ｋJ／m2、曲げ弾性率は８．８ＧＰa、吸水率は０．０１％であった。
この透過水ノズルについて、以下の脱着耐久性試験を実施した。すなわち、金属配管とビクトリックジョイントで装着・脱着を１００回実施し、その後、透過水ノズル内に水を充填し内圧１ＭＰａをかけ水漏れ発生の有無を観察した。脱着耐久試験後も水漏れは発生せず、また、透過水ノズルには変形および亀裂は発生していなかった。
さらに、金属配管とビクトリックジョイントで接合した状態で食塩１０００ｍｇ／Ｌの食塩水に６ケ月間接触させる腐食試験を実施した。透過水ノズルには腐食は観察されなかった。
結果を表１にまとめて示す。
ポリフェニレンサルファイド樹脂にガラス繊維３０％を充填した複合材料からなる透過水ノズルを作製した。この複合材料の、シャルピー衝撃強さは１２ｋJ／m2、曲げ弾性率は８．８ＧＰa、吸水率は０．０１％であった。
この透過水ノズルについて、以下の脱着耐久性試験を実施した。すなわち、金属配管とビクトリックジョイントで装着・脱着を１００回実施し、その後、透過水ノズル内に水を充填し内圧１ＭＰａをかけ水漏れ発生の有無を観察した。脱着耐久試験後も水漏れは発生せず、また、透過水ノズルには変形および亀裂は発生していなかった。
さらに、金属配管とビクトリックジョイントで接合した状態で食塩１０００ｍｇ／Ｌの食塩水に６ケ月間接触させる腐食試験を実施した。透過水ノズルには腐食は観察されなかった。
結果を表１にまとめて示す。
（実施例２〜６および比較例１〜７）
種々の樹脂系の材料により透過水ノズルを作製し、実施例１と同様の試験を実施した。結果を表１にまとめて示した。いずれの場合も腐食は観察されなかったが、曲げ弾性率の低いものは変形を生じて水漏れが発生した。また、シャルピー衝撃強さの低いものはビクトリックジョイント用の溝部分に亀裂が発生した。
種々の樹脂系の材料により透過水ノズルを作製し、実施例１と同様の試験を実施した。結果を表１にまとめて示した。いずれの場合も腐食は観察されなかったが、曲げ弾性率の低いものは変形を生じて水漏れが発生した。また、シャルピー衝撃強さの低いものはビクトリックジョイント用の溝部分に亀裂が発生した。
（実施例７）
三酢酸セルロース膜からなる中空糸型逆浸透膜を乾湿式紡糸法により作製し、外径１２０μｍ、内径４７μｍの中空糸膜を得た。この中空糸膜の脱塩性能を、３．５重量％の食塩水、中空糸膜有効長さ1m、供給水圧力５．４MPa、供給水温度２５℃、回収率２％で測定したところ、透過水量５６Ｌ／ｍ２／日、食塩除去率９９．８％であった。多孔管からなる供給流体分配管をその軸を中心に回転させ、これに中空糸膜の束をトラバースさせながら巻きつけることにより、中空糸膜を交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。この中空糸膜の集合体の両端部をエポキシ樹脂で封止固定した後、両端を切断して中空糸膜を開口させた。その後、供給流体分配管の内部に内部管を通し、両端部に設置される透過流体収集部材で固定して、中空糸膜エレメントを得た。この中空糸膜エレメントの中空糸膜集合体の外径は２６０ｍｍ、開口部間の軸方向の長さは１９９５ｍｍであった。左記中空糸膜エレメント２本を圧力容器に装填し、図１に示す膜モジュールを得た。図１では透過水ノズル１１および１１’のＯリング溝およびビクトリックジョイント接続用溝は省略して記載した。また、透過水ノズル１１および１１’には実施例１と同様の方法で製作したものを装着した。この膜モジュールを用い、実海水を供給水として１年間にわたり海水淡水化テストを実施した。左記運転期間中、透過水ノズル近傍からの水漏れは発生しなかった。また左記運転期間終了後、透過水ノズルを取り外して点検したところ、透過水ノズルに変形および亀裂は認められず、この透過水ノズルが高度な耐久性を持つことが実証された。
三酢酸セルロース膜からなる中空糸型逆浸透膜を乾湿式紡糸法により作製し、外径１２０μｍ、内径４７μｍの中空糸膜を得た。この中空糸膜の脱塩性能を、３．５重量％の食塩水、中空糸膜有効長さ1m、供給水圧力５．４MPa、供給水温度２５℃、回収率２％で測定したところ、透過水量５６Ｌ／ｍ２／日、食塩除去率９９．８％であった。多孔管からなる供給流体分配管をその軸を中心に回転させ、これに中空糸膜の束をトラバースさせながら巻きつけることにより、中空糸膜を交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。この中空糸膜の集合体の両端部をエポキシ樹脂で封止固定した後、両端を切断して中空糸膜を開口させた。その後、供給流体分配管の内部に内部管を通し、両端部に設置される透過流体収集部材で固定して、中空糸膜エレメントを得た。この中空糸膜エレメントの中空糸膜集合体の外径は２６０ｍｍ、開口部間の軸方向の長さは１９９５ｍｍであった。左記中空糸膜エレメント２本を圧力容器に装填し、図１に示す膜モジュールを得た。図１では透過水ノズル１１および１１’のＯリング溝およびビクトリックジョイント接続用溝は省略して記載した。また、透過水ノズル１１および１１’には実施例１と同様の方法で製作したものを装着した。この膜モジュールを用い、実海水を供給水として１年間にわたり海水淡水化テストを実施した。左記運転期間中、透過水ノズル近傍からの水漏れは発生しなかった。また左記運転期間終了後、透過水ノズルを取り外して点検したところ、透過水ノズルに変形および亀裂は認められず、この透過水ノズルが高度な耐久性を持つことが実証された。
本発明の逆浸透膜モジュールは、透過水の腐食性が高い場合でも腐食による損傷が発生せず、なおかつ振動や接触にも耐える機械的強度を有するため、海水淡水化や酸性水溶液の逆浸透処理等への利用が可能である。
１、１’：中空糸膜エレメント
２、２’：中空糸膜
３、３’：供給流体分配管
４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’：樹脂
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’：中空糸膜開口部
６ａ、６ｂ、６ａ’、６ｂ’：透過流体収集部
７、７’：内部管
８：圧力容器
９：供給水ノズル
１０：濃縮水ノズル
１１、１１’：透過水ノズル
１２：供給水
１３：濃縮水
１４、１４’：透過水
１５：Ｏ−リング
１６：中間コネクタ
２、２’：中空糸膜
３、３’：供給流体分配管
４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’：樹脂
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’：中空糸膜開口部
６ａ、６ｂ、６ａ’、６ｂ’：透過流体収集部
７、７’：内部管
８：圧力容器
９：供給水ノズル
１０：濃縮水ノズル
１１、１１’：透過水ノズル
１２：供給水
１３：濃縮水
１４、１４’：透過水
１５：Ｏ−リング
１６：中間コネクタ
Claims (5)
- シャルピー衝撃強さが４kJ／m2以上かつ弾性率４GPa以上かつ吸水率０．５％以下の樹脂系の材料からなり、前記樹脂系の材料がポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂の群から選ばれる少なくとも１種をガラス繊維強化したものであることを特徴とする逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
- 該逆浸透膜モジュールが海水淡水化用の逆浸透膜モジュールであることを特徴とする請求項１に記載の逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
- 該逆浸透膜モジュールが２本以下の逆浸透膜エレメントを圧力容器に装填したものであり、各逆浸透膜エレメントの透過水が個別の透過水ノズルにより取り出されることを特徴とする請求項１または２に記載の逆浸透膜モジュール用透過水ノズル。
- 請求項１から３いずれかに記載の透過水ノズルが装着されていることを特徴とする逆浸透膜モジュール。
- 該逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなる中空糸型逆浸透膜からなることを特徴とする請求項４に記載の逆浸透膜モジュール。
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