JP5145685B2

JP5145685B2 - 流体分離膜エレメント

Info

Publication number: JP5145685B2
Application number: JP2006282384A
Authority: JP
Inventors: 秀人小寺; 一成丸井; 淳夫熊野
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: JP2008100127A

Description

本発明は選択透過性を有する選択透過性膜からなる流体分離膜エレメントに関する。流体の膜分離処理に用いられ、例えば、海水の淡水化、かん水の脱塩、廃水の浄化、無菌水の製造、超純水の製造のような逆浸透法や、高度浄水処理や農薬、臭気物質、消毒副生成物前駆物質などの低分子有害物質の除去、硬度成分除去による軟水化処理などのナノろ過法や、電着塗装廃水からの塗料の回収、食品関係の有用物の濃縮・回収、凝集沈殿・砂ろ過代替の浄水処理などのような限外ろ過法や、天然ガスからのヘリウムの回収、アンモニアプラントのパージガスからの水素の分離・回収、石油の３次回収での炭酸ガスの分離、酸素富化、窒素富化などの気体分離法などに用いることが可能な選択透過性膜からなる流体分離膜エレメントに関するものである。特に気体の分離用のガス分離膜エレメントや海水の淡水化などの水処理に有効な逆浸透膜エレメント等の高温・高圧等の過酷な条件で運転される流体分離膜エレメントに好適なものである。

流体分離膜エレメントを用いて流体分離を行う場合、流体分離膜エレメントを圧力容器内に組み込んだ流体分離膜モジュールの形態で使用する。供給流体と透過流体の流路の分離や、供給流体と濃縮流体の流路の分離のために、流体分離膜エレメントの端部を樹脂で封止固定しその外周部に外周リングを固定する構造が汎用されている。

外周リングを金属材料または合成重合体で構成する技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１においては外周リングはカラーと記されている。外周リングを金属材料で構成する場合、高温・高塩濃度等の過酷な使用環境下においては耐蝕性に劣るため流体分離膜エレメントの長期間に渡る使用に耐えないこと、外周リングと封止樹脂の接着性が悪く接着界面の剥離による分離性能の低下が生じやすいこと、という問題がある。また外周リングの素材として合成重合体を用いる場合は、引張弾性率が低いため外周リングを厚くしてもなお寸法安定性が悪く、高温・高圧等の過酷な使用環境下においては、外周リングの膨張・収縮あるいは変形により、流体分離膜エレメントの圧力容器への装脱着性の低下、流体分離膜エレメントと圧力容器とのシール性の低下といった問題が生じやすく、問題であった。
特開昭５０−９９９７２号公報

外周リングをガラスロービングエポキシ樹脂で構成する技術が特許文献２に開示されている。特許文献２においては、外周リングは筒体と記されている。強化繊維がガラスロービングであると引張弾性率が十分に高くないため、外周リングを厚くしなければならず、このため、圧力容器と流体分離膜エレメントの間に無駄な空間が形成され、流体分離膜モジュール体積あたりの有効膜面積および流体処理容量の向上に対する障害となっていた。
実開昭５２−１２１４４７号公報

特許文献３にも、中空糸束外周部に外周リングを配し円筒容器の内面と液シールしている外周リングの技術が開示されている。この文献では外周リングの材質や引張弾性率については記述されていない。
特開昭５７−１０２２０２号公報

図５に流体分離膜エレメントが海水淡水化に用いられる外圧型中空糸膜モジュールに装填されたものである場合の一例を示す。選択透過性膜である中空糸膜層２の両端部は外周リング４ａ，４ｂの内側に挿入され、エポキシ樹脂で中空糸膜相互間および中空糸膜と外周リングの間を封止固定している。流体分離膜エレメントの一方側の外周リング４ａに設けた溝にＯリング１５を挿入したものによって流体分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内面をシールし、これによって濃縮水室と透過水室が液密に区画されている。左記のＯリング１５の両側には、典型的には５ＭＰａ程度、運転条件によっては８ＭＰａ以上の非常に大きな圧力差がかかり、濃縮水室の方が高圧となる。透過水に濃縮水が混入すると分離効率が如実に低下し分離機能が十分に果たせなくなるので、そのようなことが生じないように濃縮水質と透過水室の区画は厳密にシールされていなければならない。厳密なシール性を維持した上で、できる限り大きな有効膜面積をとれるようにするためには、膜エレメントの装脱着に支障をきたさない範囲で、外周リングはできる限り薄く、圧力容器の内面と外周リング４ａの外周面のクリアランスはできるだけ小さくすることが合理的である。例えば圧力容器内径２８０ｍｍの場合には、外周リングの外径２７９ｍｍ、圧力容器内面と外周リング外周面とクリアランスは片側０．５ｍｍであれば、外周リングの変形を考慮した上で充分なシール性を維持出来、且つ膜エレメントの装脱着に支障を来たさない。左記クリアランスは外周リング直径のわずか０．１８％に相当し、非常に高いレベルの寸法安定性が求められる。また、この例では、分離膜エレメントの他方側の外周リング４ｂの外径は２７４mmであり、外周リングの外周面と圧力容器の内面のクリアランスは比較的大きいが、外周リング４ｂの外周部にはスナップ１７が設置されており、スナップと圧力容器の内面のクリアランスの最小部はやはり０．５ｍｍしかない。したがって、他方側の外周リング４ｂにも外周リング４ａと同等の寸法安定性が求められる。しかも、外周リング４ａ，４ｂの内径は充填する中空糸膜層２の外径以上でなければないので、外周リング４ｂは外周リング４ａより薄肉とせざるをえず、寸法安定性の確保はさらに困難な課題となる。

本発明は、流体分離膜モジュールの大きさを維持したままで流体分離膜エレメントの膜面積を従来よりも大きくし、流体分離膜モジュール体積あたりの有効膜面積を向上させ、これにより流体分離膜エレメントの流体処理容量を向上させることを目的とする。

膜エレメントが供給流体と接触することや膜エレメントに加わる温度変化、圧力変化等により、外周リングには収縮応力または膨張応力が作用する。これらの応力にさらされても外周リングは高い寸法安定性を確保しなければならない。外周リングの寸法安定性を確保するには、外周リングの弾性強力を高くすればよい。外周リングの弾性強度を高くするには、外周リングの厚みを大きくするか、または、外周リングを構成する部材の弾性率を高くすればよいと考えられる。外周リングの厚みを大きくする場合、外周リングの外径は圧力容器の内径で制限されるため、外周リングの内径を小さくするほかなく、このため外周リングの内側に装填される中空糸膜層の量が減少し有効膜面積が低下し、結果として流体分離膜モジュール体積あたりの有効膜面積は減少し、流体分離膜モジュールの流体処理容量の低下を引き起こすので、この考え方を採用することは適切でない。一方、外周リングを構成する部材の弾性率を高くすれば、外周リングの弾性強力を維持したまま外周リングを薄くすることができ、外周リングの内径を大きくすることが可能となる。この考え方によれば、流体分離膜モジュールの大きさを維持したまま有効膜面積を増やすことができ、流体分離膜モジュール体積あたりの有効膜面積は増加し、流体処理容量を高くすることが可能となる。

本発明者らは、以上のような考え方に基づき、外周リングを薄くしても外周リングの寸法安定性が確保され、よって流体分離膜モジュールの大きさを維持したままでも流体分離膜エレメントの有効膜面積を大きくし流体処理容量を高めることのできる流体分離膜エレメントについて鋭意検討した結果、本発明に至った。すなわち、本発明は下記の構成を含む。
（１）複数の選択透過性膜の両端部が樹脂で固定された流体分離膜エレメントにおいて、少なくとも一方の樹脂部の外周に引張弾性率が１，８００〜５，０００ｋｇ／ｍｍ^２の繊維強化樹脂からなる外周リングが固定されており、前記繊維強化樹脂が主としてガラス繊維と高強度繊維と樹脂からなり、該樹脂の体積分率が前記繊維強化樹脂に対して２０〜５０％を占め、該高強度繊維が体積分率で該ガラス繊維と該高強度繊維の体積分率の和の５〜９５％を占めることを特徴とする流体分離膜エレメント。
（２）選択透過性膜が外圧型中空糸膜で構成されていることを特徴とする（１）に記載の流体分離膜エレメント。

本発明においては、外周リングの引張弾性率を従来よりも高くしたことにより、外周リングを薄くすることができ、これによって流体分離膜モジュールの大きさを変えることなく有効膜面積を拡大させ、流体処理能力を向上させることができる。また、外周リングを薄くしたにもかかわらず弾性強度は低下していないため、外周リングの寸法安定性は確保されており、従って流体分離膜エレメントの装脱着性の低下や圧力容器とのシール性の低下といった問題も生じない。さらに、外周リングの構成部材として金属材料を使用していないため、耐蝕性の不足による破損の恐れも生じない。このため、水の精製装置、および海水またはかん水の淡水化や脱塩をするための装置、気体分離装置等に使用される流体分離膜エレメントとして、有効に使用することが可能である。

本発明における選択透過性膜としては、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜およびガス分離膜が挙げられ、また膜形状として、平膜（スパイラル膜）、中空糸膜、管状膜が挙げられるが、いずれの選択透過性膜であっても、本発明の流体分離膜エレメントが適用可能である。特に、逆浸透膜、外圧型中空糸膜は、本発明が好適である一例である。外圧型中空糸膜とは、中空糸膜の外側に被処理流体を供給し、中空糸膜の内側に向けて流体を透過させるものである。また、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。

本発明における流体分離膜エレメントとは、選択透過性を有する流体分離膜を集合して構成される素子であり、圧力容器に流体分離膜エレメントを装填した流体分離膜モジュールとして、流体分離処理び供される。

本発明における外周リングとは、流体分離膜エレメントの端部の外周部に構成される環状の部材であり、内部には選択透過性膜が封止固定されている。図１は外周リングの一例を示す模式図である。図１に示すように内周面はテーパーになっていることが好ましい。流体分離膜エレメントを圧力容器に装填した流体分離膜モジュールとして流体分離の処理に用いる場合、この外周リングは、流体分離膜エレメントの外周面側と圧力容器の内面側をシール部材でシールし、供給流体及び濃縮流体と透過流体が混合しないようにしたり、圧力容器の内面と流体分離膜エレメントの外表面との空間を確保し、供給流体及び濃縮流体の排出流路を確保する役割を有している。そのために、供給流体及び濃縮流体と接して処理した場合でも、高い寸法安定性を保持されることが求められる。

本発明における外周リングの引張弾性率とは、外周リングの形態で測定した、引張応力に対する弾性率である。その値は１，８００ｋｇ／ｍｍ^２以上５，０００ｋｇ／ｍｍ^２以下が好ましく、より好ましくは２，０００ｋｇ／ｍｍ^２以上３，３００ｋｇ／ｍｍ^２以下である。引張弾性率が低いと寸法安定性を確保するために外周リングを厚くする必要があり、その結果、挿入可能な選択透過性膜の有効膜面積が小さくなり、流体処理容量が小さくなるため好ましくない。引張弾性率が高すぎると、温度低下等によりポッティング部の収縮が生じた際に外周リングの収縮が追従できず、その結果、ポッティング部と外周リングの界面で剥離を生じる場合があり、好ましくない。

本発明における繊維強化樹脂とは、ガラス繊維に代表される強化繊維を包含した複合素材であり、その強化繊維には短繊維或いは粒子などからなるフィラータイプと長繊維からなるストランドタイプがあるが、ストランドタイプの方が引張強度に優れより好ましい。繊維強化樹脂に用いられる強化繊維は一般的に樹脂とのなじみや結合性を良くする為に、結合剤（バインダー）等によって繊維の外周を表面処理されているが、本発明においてもそのような処理がなされていることが好ましい。また、ストランドをさらに所定の番手になるように数１０本引き揃えて束にしたものをロービングと言う。本発明において、強化繊維はロービングの形態で用いられることにより外周リングの生産性を高める効果がありより好ましい。

本発明における高強度繊維とは、引張弾性率が１０，０００ｋｇ／ｍｍ^２以上のもののことである。これに対し、繊維強化樹脂に汎用されるＥガラス繊維の引張弾性率は７，０００ｋｇ／ｍｍ^２程度である。引張弾性率が１０，０００ｋｇ／ｍｍ^２未満の繊維では、ではガラス繊維の引張弾性率との差が小さいので外周リングの引張弾性率向上効果が小さく、好ましくない。高強度繊維の好ましい例としてはパラ系アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール）繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、金属繊維などが挙げられる。その中でも引張弾性率が１５，０００ｋｇ／ｍｍ^２から６０，０００ｋｇ／ｍｍ^２である炭素繊維はガラス繊維に対して引張弾性率が大きく耐蝕性にも優れ、また比較的入手しやすく、経済性にも優れることから特に好ましい。なお、本発明における高強度繊維の引張強度の測定方法はＪＩＳ L１０１３−１９９９「化学繊維フィラメント糸試験方法」に従うものとする。

本発明における繊維強化樹脂とは、ガラス繊維に代表される強化繊維またはそのロービングを包含した複合素材であり、強化繊維またはそのロービングは図２に示すように完全に樹脂で包埋されていることが好ましい。また、ロービングを構成する繊維の間隙にも樹脂が浸透していることが好ましい。
繊維強化樹脂に占める樹脂の体積分率は２０〜５０％が好ましく、２５〜４５％がより好ましく、３２〜３８％がさらに好ましい。繊維強化樹脂に占める樹脂の体積分率が低すぎると成形加工が困難となり、また液密性、気密性にも問題を生じる。逆に繊維強化樹脂に占める樹脂の体積分率が高すぎると、繊維による強化効果が小さいので引張弾性率が低くなり、外周リングを薄くすることができず不適切である。
高強度繊維の体積分率は、該ガラス繊維と該高強度繊維の体積分率の和の５〜９５％であることが好ましく、５〜５０％であることがより好ましく、１０〜４０％であることがさらに好ましい。高強度繊維の割合が小さすぎると引張弾性率の向上効果が小さく好ましくない。また、高強度繊維の割合が大きすぎると、引張弾性率の向上効果は大きいものの、一般に高強度繊維は高価であるため、コストが過大となり実用上問題である。

本発明における繊維強化樹脂とは、強化繊維またはそのロービングに樹脂を含浸させながら捲き上げたものであり、その捲上角度は軸方向に対し１０°から８０°であり、４０°から８０°が好ましく、７０°から８０°がより好ましい。捲上角度が小さすぎると径方向への引張強度が小さくなる欠点があり、捲上角度が大きすぎると捲上作業性が著しく低下する。

本発明における繊維強化樹脂において、樹脂の種類としては、エポキシ系、不飽和ポリエステル系、ビニルエステル系などがあるが、熱硬化性であるエポキシ系が、流体分離膜エレメントの端部の外周部との接着力が大きく、収縮が少なく、強度及び耐熱性に優れ、より好ましい。

本発明における選択性透過膜の形状は特に限定されるものではないが、好適な例としては中空糸膜があげられる。この中空糸膜型の流体分離膜エレメントでの好適な一例としては両端開口型膜モジュールがあげられる。これは、両端部で中空糸膜が開口しており両端部に外周リングが存在するため本発明の効果が顕著に発揮される。

本発明における選択性透過膜の素材は特に限定されるものではないが、中空糸膜の逆浸透膜の場合の好ましい一例としては三酢酸セルロースがあげられる。この他、選択性透過膜としてはポリアミドやポリビニルアルコールなど親水性素材が好適である。選択性透過膜がこのような親水性素材で構成されている場合は、供給流体が水であれば膜が膨潤して流体分離膜エレメントの端部の外周リングに過大な引張応力がかかるため、本発明の効果が顕著に発揮される。

以下本発明の実施例を記載するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（中空糸膜の作製例）
酢化度６１．５％のセルローストリアセテート（ダイセル化学工業社製）４０重量％、溶媒、非溶媒からなる紡糸原液を用いて、公知の乾湿式法により外径１４０μm、膜厚４０μmの選択透過性中空糸膜を得た。

（引張強度、引張弾性率の測定例）
外周リングの引張試験方法を以下に示す。本引張試験は、下記に特記することのほか、ＪＩＳＫ７０５４−１９９５「ガラス繊維強化プラスチックの引張試験方法」に準拠している。本試験方法の概略を以下に示す。
図３のように外周リングの内側に均等に力が加わるように内側押さえプレート２０４を取り付け、固定ボルト２０３で固定した治具２０１を介して、試験片である外周リング２０２を汎用の引張試験装置にセットし、試験速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、試験室温度２４℃で試験片が破壊するまで荷重を加え、破壊に至るまでの荷重Ｗと変位ｄの関係の推移を測定した。変位dを以下の式で表されるひずみεに変換し、ひずみεと荷重Wの関係から引張弾性率を算出した。なお、試験片の断面積Ａと引張破壊強度Ｐは以下で表される。また、外周リングの内周側にはテーパーをつけてある場合には、ここで用いる外周リングの内径ＤＩには、外周リング両端の内径の平均値（（ＤＩａ＋ＤＩｂ）／２）を用いた。
ε＝ΔＤＯ／ＤＯ＝（ＤＯ＋ｄ）／ＤＯ
Ａ＝（（ＤＯ−ＤＩ）×Ｌ−（ＤＯ−ＤＬ）×Ｈ）（単位：ｍｍ^２）
Ｐ＝Ｗｐ／Ａ（単位：ｋｇ／ｍｍ^２）
ＤＯ：外周リング外径（単位：ｍｍ）、ＤＩ：外周リング内径（単位：ｍｍ）、ＤＬ：Ｏリング溝内径（単位：ｍｍ）、Ｈ：Ｏリング溝幅（単位：ｍｍ）、Ｌ：外周リング高さ（単位：ｍｍ）、Ｗｐ：破壊荷重（単位：ｋｇ）

（実施例１）
（中空糸膜の作製例）に示した方法により得た中空糸膜を多孔管からなる供給流体分配管３の周りに交差状に配置させ、長さが１，６００ｍｍ、外径が２５４ｍｍの中空糸膜の集合体を形成させた。供給流体分配管３をその軸を中心に回転させながら、中空糸膜の束をトラバースさせ、供給流体分配管３の周りに捲きつけることにより中空糸膜が交差状に配置される。最外層における中空糸膜は軸方向に対して４７度であった。この中空糸膜の集合体の両端部を外周リング４ａ、４bの内部に挿入した状態でエポキシ樹脂でポッティングし固定させた後、温湯に浸漬（キュアリング）を行った。キュアリング工程後、両端を切断して中空糸膜の中空孔を開口させた。その後、供給流体分配管３の内部に内部管７を通し、両端の中空糸膜開口部5ａ、５ｂを透過流体収集部材６ａ、６ｂで固定した。一方側（１側）の端部は供給流体入口を構成するコネクター９を中心にして透過流体収集部材６ａを保持した。他方側（２側）の端部の透過流体収集部材６ｂは８個のスナップ１７を嵌め合い状態で固定することにより、中空糸膜エレメント端部と固定し、図４に示す中空糸膜エレメント１を作製した。他方側端部付近について、モジュール軸に対して垂直な断面の模式図を図６に、モジュール軸を含む断面の模式図を図７に示した。スナップ１７は中空糸膜エレメント１および透過流体収集部材６ｂの円周形状に沿った円弧状の形状をなしている。透過流体収集部材の外径は２７４ｍｍであり、圧力容器８の内径２８０ｍｍに対して、半径で３ｍｍの隙間を形成している。スナップ１７の円周方向の幅は５０ｍｍ、スナップ１７の厚みは２．５ｍｍであり、スナップ１７装着時の外径は２７９mm、圧力容器８の内面とのクリアランスはわずかに０．５ｍｍしかなく、高度な寸法安定性が求められる。スナップの個数は８ケで、円周状で対称配置に設置しており、スナップ１７装着時の外周長８７６ｍｍに対して４６％を占めている。主に残りの５４％を占める空隙の部分で濃縮流体の流路を形成している。左記濃縮流体の流路を確保するため、他方側の外周リング４ｂの外径は、一方側の外周リング４ａの外径よりも小さくする必要がある。一方側の外周リング４ａは、繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％であり、外径２７９ｍｍ、内径２５４ｍｍであり、捲き角度は８０°、引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２であった。外周リング４ａと圧力容器８の内面のクリアランスはわずか０．５ｍｍしかなく、高度な寸法安定性が求められる。ガラス繊維は引張弾性率が約７，１００ｋｇ／ｍｍ^２のＥガラスを用いた。他方側の外周リング４ｂは、繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５８％／７％／３５％であり、外径２７４ｍｍ、内径２５４ｍｍであり、捲き角度は８０°、引張弾性率は２，１００ｋｇ／ｍｍ^２であった。ガラス繊維は上述のEガラスを、炭素繊維は引張弾性率が約２４，４００ｋｇ／ｍｍ^２の繊維を用いた。この中空糸膜エレメントの有効膜面積は９００ｍ^２であった。この中空糸膜エレメント１を内径が２８０ｍｍの圧力容器８に１本装着して図５に示すシングルタイプのモジュールとし、このモジュールに温度２５℃、食塩３．５重量％の食塩水溶液を供給流体入口に操作圧力５．４ＭＰａで供給して、回収率、すなわち、膜モジュールへの供給水流量に対する透過水流量の割合は３０％で逆浸透処理を行った。運転後の圧力容器からの膜エレメントの装脱着に問題なく、また外周リングの破損も認められなかった。

（比較例１）
他方側の外周リング４ｂが繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％である以外は実施例１と同様に中空糸膜エレメントを作製した。外周リング４ｂの引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２であった。有効膜面積は９００ｍ^２と比較例と同様であったものの、実施例１と同様に圧力容器に装填し逆浸透処理を行ったところ、外周リング４ｂの外径が大きくなって圧力容器８の内面に接触して膜エレメントの装脱着が困難となり、実用に耐えないことが判明した。

（比較例２）
比較例１と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、中空糸膜集合体の外径は２４９ｍｍ、一方側の外周リング４ａの厚みを１５ｍｍ、内径を２４９ｍｍ、他方側の外周リング４ｂの厚みを１２．５ｍｍ、内径を２４９ｍｍと、外周リングの厚みを厚くして外周リングの引張強力を比較例１の場合よりも向上させた。有効膜面積は８６５ｍ^２となり、実施例１および比較例１の場合よりも減少した。実施例１と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、運転後の圧力容器８からの膜エレメント１の装脱着に問題なく、また外周リング４ａ，４ｂの破損も認められなかったが、有効膜面積が減少したため、流体処理容量は実施例１の場合よりも減少した。

（実施例２）
実施例１と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、中空糸膜集合体の外径は２５８ｍｍであり、一方側の外周リング４ａの繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５８％／７％／３５％、引張弾性率が２，１００ｋｇ／ｍｍ^２と、実施例１の場合よりも引張弾性率を高くし、外周リングの外径は２７９ｍｍのまま厚みは１０．５ｍｍと薄くし、内径は２５８ｍｍとした。他方側の外周リング４ｂの繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５２％／１３％／３５％、引張弾性率が２，４００ｋｇ／ｍｍ^２とこちらも実施例１の場合よりも引弾性率を高くし、外周リングの外径は実施例１と同様、２７４ｍｍ、厚みは８ｍｍと薄くし、内径を２５８ｍｍとした。外周リングを薄くしたことにより中空糸集合体の外径を大きくすることができ、有効膜面積は９３０ｍ^２と大きくすることができた。実施例１と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、実施例１の場合よりも流体処理容量が大きくできたうえ、運転後の圧力容器８からの膜エレメント１の装脱着も問題なく、また外周リング４ａ，４ｂの破損も認められなかった。

（比較例３）
実施例２と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、一方側、他方側共に外周リング４ａ、４ｂの繊維と樹脂の混合量を体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％としたところ、外周リングの引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２であった。有効膜面積は実施例同様９３０ｍ^２と大きくすることができた。実施例１と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、外周リング４ａ，４ｂの外径が大きくなって圧力容器８の内面に接触して膜エレメントの装脱着が困難となり、実用に耐えないことが判明した。

（実施例３）
実施例１と同様に中空糸膜エレメント１、１’を作製した。図８に示すように、１ケの圧力容器８に２本の中空糸膜エレメント１、１’を中間コネクター１６で連結させて装填し、中空糸膜モジュールとした。実施例１と同様の逆浸透処理を実施したところ、運転後の圧力容器からの膜エレメントの装脱着に問題なく、また外周リング４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’の破損も認められなかった。

（実施例４）
実施例１と同様の中空糸膜を多孔管からなる供給流体分配管３の周りに交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。中空糸膜の集合体の長さは１，９００ｍｍ、外径は２１８ｍｍであった。供給流体分配管３をその軸を中心に回転させながら、中空糸膜の束をトラバースさせ、供給流体分配管３の周りに捲きつけることにより中空糸膜が交差状に配置される。最外層における中空糸膜は軸方向に対して４２度であった。この中空糸膜の集合体の一方側（１側）、他方側（２側）の両方の端部を外周リング４ａ，４ｂの内部に入れた状態でエポキシ樹脂をポッティングし固定させた後、両側の端を切断して中空糸膜の中空孔を開口させ、その後、供給流体分配管３の内部に内部管７を通し、両端の中空糸膜開口部５ａ、５ｂを透過流体収集部材６ａ、６ｂで固定した。一方側（１側）の端部は供給流体入口を構成するコネクター９を中心にして透過流体収集部材６ａを保持した。他方側（２側）の端部の透過流体収集部材６ｂは８個のスナップ１７を嵌め合い状態で固定することにより、中空糸膜エレメメント端部と固定し、中空糸膜エレメント１を作製した。一方側の外周リング４ａは繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５８％／７％／３５％である。ガラス繊維は上述のEガラスを、炭素繊維は引張弾性率が約２４，４００ｋｇ／ｍｍ^２の繊維を用いた。この外周リングの円周方向の引張弾性率は２，１００ｋｇ／ｍｍ^２であった。外径は２３９ｍｍ、内径は２１８ｍｍ、厚みは１０．５ｍｍであった。他方側の外周リング４ｂは繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５２％／１３％／３５％である。使用したガラス繊維、炭素繊維は上述のものと同等である。この外周リングの円周方向の引張弾性率は２，４００ｋｇ／ｍｍ^２であった。外径は２３４ｍｍ、内径は２１８ｍｍ、厚みは８ｍｍであった。この中空糸膜エレメント１の有効膜面積は８７０ｍ^２であった。
この中空糸膜エレメント１を内径が２４０ｍｍの圧力容器８に１本装着して図９に示すシングルタイプのモジュールとし、このモジュールに温度２５℃、食塩３．５重量％の食塩水溶液を供給流体入口に操作圧力５．４ＭＰａで供給して、回収率、すなわち、膜モジュールへの供給水流量に対する透過水流量の割合は３０％で逆浸透処理を行った。運転後の圧力容器８からの膜エレメント１の装脱着に問題なく、また外周リング４ａ，４ｂの破損も認められなかった。

（比較例４）
一方側、他方側共に、外周リング４ａ，４ｂの繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％である以外は実施例４と同様に中空糸膜エレメントを作製した。外周リングの引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２と実施例４に比べて低下した。有効膜面積は実施例４同様、８７０ｍ^２であったものの、実施例１と同様に圧力容器８に装填し逆浸透処理を行ったところ、外周リング４ａ，４ｂの外径が大きくなって圧力容器８の内面に接触して膜エレメントの装脱着が困難となり、実用に耐えないことが判明した。

（実施例５）
実施例４と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、高強度繊維の混入比率を実施例４の場合よりも高くして外周リングの引張弾性率高め、外周リング４ａ，４ｂを薄くした。すなわち、中空糸膜集合体の外径は２２３ｍｍであり、一方側の外周リング４ａの繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝５２％／１３％／３５％、引張弾性率が２，４００ｋｇ／ｍｍ^２であり、外周リングの厚みは８ｍｍで、内径は２２３ｍｍであり、他方側の外周リング４ｂの繊維と樹脂の混合量が体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝４１％／２４％／３５％で、引張弾性率が３，１００ｋｇ／ｍｍ^２であり、外周リングの厚みは５．５ｍｍ、内径が２２３ｍｍである。有効膜面積は９１０ｍ^２と実施例４よりも大きいものであった。実施例４と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、運転後の圧力容器８からの膜エレメントの装脱着１は問題なく、また外周リング４ａ、４ｂの破損も認められなかった。

（比較例５）
実施例５と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、一方側、他方側共に外周リング４ａ、４ｂの繊維と樹脂の混合量を体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％とした。外周リングの引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２と実施例５に比べて低下した。実施例５と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、外周リング４ａ，４ｂの外径が大きくなって圧力容器８の内面に接触して膜エレメントの装脱着が困難となり、実用に耐えないことが判明した。

（比較例６）
実施例４と同様に中空糸膜エレメント１を作製した。但し、一方側、他方側共に、外周リング４ａ、４ｂの繊維と樹脂の混合量を体積％でガラス繊維／高強度繊維／樹脂＝６５％／０％／３５％とし、引張弾性率は１，５００ｋｇ／ｍｍ^２であった。一方側の外周リング４ａの外径は２３９ｍｍ、厚み１２．５ｍｍ、内径２１４ｍｍとし、また他方側の外周リング４ｂの外径は２３４ｍｍ、厚み１０ｍｍ、内径２１４ｍｍとして、実施例４および実施例５と比べて外周リングの外径を変えずに厚みを増して、外周リングの引張強力を実施例４および実施例５の場合よりも向上させた。また、中空糸膜集合体が外周リングに挿入できるように、中空糸膜の本数を減らして中空糸膜集合体の外径を２１４ｍｍとしたところ、有効膜面積は８００ｍ^２と実施例４および実施例５の場合よりも減少した。実施例４と同様に圧力容器８に中空糸膜エレメント１を装填し逆浸透処理を行ったところ、運転後の圧力容器８からの膜エレメント１の装脱着に問題なく、また外周リング４ａ、４ｂの破損も認められなかったが、流体処理容量は実施例４および実施例５の場合よりも減少した。

以上の結果より、外周リングの補強繊維材としてガラス繊維に加え、炭素繊維に代表される高強度繊維を混合使用することにより、外周リングの引張弾性率を大きくすることができ、これにより従来よりも薄い外周リングを採用することが可能となり、よって、流体分離膜モジュールの大きさを変えることなく流体分離膜エレメントの有効膜面積を大きくして流体処理容量を大きくすることができることが明らかになった。

本発明の流体分離膜エレメントは、従来の流体分離膜エレメントと比べて膜エレメントあたりの有効膜面積を大きくでき、そのため流体処理容量を大きくできるため、従来よりも高効率の流体分離膜エレメントとすることができ、よって産業界に寄与することができる。逆浸透膜を用いた海水淡水化、純水製造、排水処理や、ナノろ過膜を用いた高度浄水処理、その他、限外ろ過膜または精密ろ過膜による浄水処理やガス分離等の幅広い用途分野に適用することができる。

外周リングの一例を示す模式図である。ガラス繊維と高強度繊維と樹脂の混合状態の一例を示す模式図である。外周リングの引張試験の際に外周リングを引張試験機に取り付けるための治具の一例を示す模式図である。本発明の中空糸膜エレメントの一例を示す模式図である。中空糸膜エレメントの両端に透過流体収集部材を設置している場合である。本発明の中空糸膜エレメントの使用状態の一例を示す模式図である。中空糸膜エレメントの両端に透過流体収集部材を設置し、これを圧力容器に１本装着して中空糸膜モジュールを構成した場合である。本発明の中空糸膜エレメントの一例について、中空糸膜開口部とスナップと圧力容器との関係を示すための、モジュール軸方向に垂直方向の端面部を示す模式図である。本発明の中空糸膜エレメントの一例について、中空糸膜エレメント端部と透過流体収集部材をスナップが嵌め合うことで装着されている状態等を示す模式図である。本発明の中空糸膜エレメントの使用状態の他の一例を示す模式図である。中空糸膜エレメントの両端に透過流体収集部材を設置し、これを圧力容器に２本を並列接続で装着して中空糸膜モジュールを構成した場合である。本発明の中空糸膜エレメント使用状態のさらに他の一例を示す模式図である。中空糸膜エレメントの両端に透過流体収集部材を設置し、これを圧力容器に１本装着して中空糸膜モジュールを構成した場合である。

符号の説明

１、１’：中空糸膜エレメント
２、２’：中空糸膜層
３、３’：供給流体分配管
４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’：外周リング
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’：中空糸膜開口部
６ａ、６ｂ、６ａ’、６ｂ’：透過流体収集部材
７、７’：内部管
８：圧力容器
９：供給流体入口
１０：濃縮流体出口
１１、１１’：透過流体出口
１２：供給流体
１３：濃縮流体
１４、１４’：透過流体
１５：Ｏリング
１６：中間コネクター
１７：スナップ
１０１：樹脂
１０２：高強度繊維ロービング
１０３：ガラス繊維ロービング
２０１：治具
２０２：外周リング
２０３：固定ボルト
２０４：内側押さえプレート

Claims

複数の選択透過性膜の両端部が樹脂で固定された流体分離膜エレメントにおいて、少なくとも一方の樹脂部の外周に引張弾性率が１，８００〜５，０００ｋｇ／ｍｍ^２の繊維強化樹脂からなる外周リングが固定されており、前記繊維強化樹脂が主としてガラス繊維と高強度繊維と樹脂からなり、該樹脂の体積分率が前記繊維強化樹脂に対して２０〜５０％を占め、該高強度繊維が体積分率で該ガラス繊維と該高強度繊維の体積分率の和の５〜９５％を占めることを特徴とする流体分離膜エレメント。
選択透過性膜が外圧型中空糸膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体分離膜エレメント。