中空纤维膜组件的制作方法

文档序号:31053557发布日期:2022-08-06 09:30阅读:45来源:国知局
中空纤维膜组件的制作方法

1.本发明涉及一种中空纤维膜组件。


背景技术:

2.例如,在海水淡水化等反渗透处理用的大型设备中,作为使设备紧凑化的方法之一,考虑通过延长反渗透膜组件的压力容器的长度、并增多其中收容的中空纤维膜元件的数量,由此来提高每个反渗透膜组件的中空纤维膜的比率(降低压力容器的比率)。由此,每个反渗透膜组件的膜面积增加,因此减少针对规定的处理量所需的用于设备的组件根数。
3.例如,在专利文献1(日本特表平9-511447号公报)、专利文献2(日本特表平7-500281号公报)以及非专利文献1(dupont社permasep,”the hollow-fiber cartridge-development and commercialization of an entirely new reverse osmosis devise/technology

technical paper,1997)中,公开了在压力容器内收容多个中空纤维膜元件、并将各个中空纤维膜元件连接而得到的反渗透膜组件。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1:日本特表平9-511447号公报
7.专利文献2:日本特表平7-500281号公报
8.非专利文献
9.非专利文献1:dupont社permasep,”the hollow-fiber cartridge-development and commercialization of an entirely new reverse osmosis devise/technology

technical paper,1997


技术实现要素:

10.发明要解决的课题
11.在上述的在先技术文献所公开的具备多个中空纤维膜元件的反渗透膜组件中,压力容器的内壁与各中空纤维膜组件之间局部被密封。并且,进料液(海水等)被向中空纤维膜组件供给,通过最初的中空纤维膜组件而被浓缩的进料液(浓缩液)也被向下一级的中空纤维膜元件供给。
12.然而,由于向第二级及之后的中空纤维膜元件供给浓缩后的进料液,因此存在所得到的透过水的量逐渐减少、反渗透膜组件整体的处理效率(造水效率)降低这样的问题。因此,从提高反渗透膜组件整体的处理效率的观点出发,优选向多个中空纤维膜元件中的全部供给未被浓缩的(新的)进料液。
13.本发明鉴于上述课题,其目的在于,在具备多个中空纤维膜元件的中空纤维膜组件中,提高整体的处理效率。
14.用于解决课题的手段
15.(1)一种中空纤维膜组件,其具备:
16.压力容器;
17.多个中空纤维膜元件,其在所述压力容器内串联配置;以及
18.连接器,其连结所述多个中空纤维膜元件,
19.其中,
20.所述压力容器包括:
21.进料液的供给端口,其设置于长度方向的一端侧;
22.进料液的排出端口,其设置于长度方向的另一端侧;以及
23.透过水的回收端口,
24.所述多个中空纤维膜元件分别包括:
25.多个中空纤维膜;以及
26.双层芯管,其沿所述多个中空纤维膜元件的长度方向设置,
27.所述双层芯管具有多孔分配管、以及配置于所述多孔分配管的内部的内管,
28.由所述多孔分配管的内壁和所述内管的外壁形成的外流路与所述供给端口以及所述排出端口连通,
29.由所述内管的内壁形成的内流路与所述回收端口连通,
30.所述连接器包括相互不连通的第一流路以及第二流路,
31.在所述多个中空纤维膜元件之间,
32.所述多个中空纤维膜元件的所述外流路彼此经由所述第一流路连接,
33.所述多个中空纤维膜元件的所述内流路彼此经由所述第二流路连接,并且,所述多个中空纤维膜的中空部与所述内流路也经由所述第二流路连通。
34.(2)在(1)所记载的中空纤维膜组件的基础上,在所述多个中空纤维膜元件之间,在所述压力容器的内壁的内侧具有在长度方向上连通的空隙。
35.(3)在(1)或(2)所记载的中空纤维膜组件的基础上,所述第二流路具有用于连接所述内流路的主流路、以及使所述中空纤维膜元件的所述中空部与所述主流路连通的分支流路。
36.(4)在(1)至(3)中任一项所记载的中空纤维膜组件的基础上,所述中空纤维膜元件具有圆柱状的形状,具有10cm~28cm的外径,具有1000mm~2000mm的全长。
37.(5)在(1)至(4)中任一项所记载的中空纤维膜组件的基础上,所述多个中空纤维膜元件包括多个中空纤维膜在所述双层芯管的周围呈螺旋状地卷绕而成的中空纤维膜卷绕体。
38.发明效果
39.根据本发明,在具备多个中空纤维膜元件的中空纤维膜组件中,能够提高整体的处理效率。
附图说明
40.图1是示出实施方式的中空纤维膜组件的一例的剖视示意图。
41.图2是针对实施方式的中空纤维膜组件的一例将中空纤维膜元件的连结部分放大示出的剖视示意图。
42.图3是示出在实施方式中使用的连接器的立体图。
43.图4是示出在实施方式中使用的连接器的主视图。
44.图5是示出图4的v-v截面的剖视图。
45.图6是示出在实施方式中使用的其他连接器的立体图。
46.图7是示出从相反侧观察时的图6的连接器的立体图。
具体实施方式
47.以下,参照附图对本发明的中空纤维膜组件的一例进行说明。需要说明的是,在附图中,相同的参照附图标记表示相同部分或者相当部分。另外,长度、宽度、厚度、深度等尺寸关系为了附图的明确化和简化而被适当变更,并非表示实际的尺寸关系。
48.《中空纤维膜组件》
49.参照图1以及图2,本实施方式的中空纤维膜组件具备:
50.压力容器1;
51.多个中空纤维膜元件4,其在压力容器1内串联配置;以及
52.连接器7,其连结多个中空纤维膜元件4。
53.(压力容器)
54.压力容器1包括:
55.进料液的供给端口10a,其设置于长度方向的一端侧;
56.进料液(浓缩后的进料液:浓缩液)的排出端口10b,其设置于长度方向的另一端侧;以及
57.透过水的回收端口11。
58.需要说明的是,在图1中,供给端口10a设置于构成压力容器1的壁构件13,排出端口10b以及回收端口11设置于构成压力容器的其他壁构件14。多个中空纤维膜元件4在两个壁构件13、14之间串联配置。
59.(中空纤维膜元件)
60.多个中空纤维膜元件4分别包括:
61.多个中空纤维膜41;以及
62.双层芯管2,其沿多个中空纤维膜元件4的长度方向设置。
63.双层芯管2具有多孔分配管21、以及配置于多孔分配管21的内部的内管22。
64.由多孔分配管21的内壁和内管22的外壁形成的外流路21a与供给端口10a以及排出端口10b连通。
65.由内管22的内壁形成的内流路22a与回收端口11连通。
66.收纳于一个压力容器1内的中空纤维膜元件4的数量为2个以上,没有特别限定,但优选为3个以上。
67.多个中空纤维膜41在配置于中空纤维膜元件4内的双层芯管2的周围配置。多孔分配管21以及多个中空纤维膜41在它们的两端被树脂壁6液密地固定。
68.需要说明的是,多个中空纤维膜41分别在至少一方的端部(优选为两端)具有开口。
69.多孔分配管21是具有多个孔21b的管状体。通过多孔分配管21,例如,从供给端口10a供给至中空纤维膜组件内的进料液经由外流路21a以及孔21b向中空纤维膜的外侧42分
配。
70.需要说明的是,进料液是指反渗透处理、正渗透处理等膜处理的处理对象液,只要是包含水的液体,则没有特别限定,可以是溶液以及悬浮液中的任一种。作为进料液,例如可举出海水、河川水、汽水、排水等。
71.在多孔分配管21中,孔21b优选呈放射状地向各方向设置。需要说明的是,多孔分配管21优选位于中空纤维膜元件4的大致中心。
72.若多孔分配管21的直径过大,中空纤维膜组件内的中空纤维膜所占的区域减少,结果是存在中空纤维膜元件4或者中空纤维膜组件的膜面积减少从而每单位容积的透水量降低的情况。另外,若多孔分配管的直径过小,则当供给流体在多孔分配管内流动时压力损失变大,结果是存在施加于中空纤维膜的有效差压变小而处理效率降低的情况。另外,存在由于强度降低,从而因供给流体在中空纤维膜层中流动时受到的中空纤维膜的张力而使多孔分配管破损的情况。从这些观点出发,多孔分配管的截面积(除去内管的截面积)相对于中空纤维膜元件4的截面积所占的面积的比例优选为4~20%。
73.内管22是在多孔分配管21的内部沿中空纤维膜元件4的长度方向设置的配管。需要说明的是,内管22不一定必须与中空纤维膜元件4的长度方向平行,只要是沿长度方向通过中空纤维膜元件4那样的配管即可。
74.在图1中,回收端口11的相反侧的内管22的一端(供给端口10a侧)被插塞61封固。但是,也可以在供给端口10a侧也设置有回收端口11。
75.作为构成本实施方式中使用的中空纤维膜的半透膜,例如可举出被称作反渗透膜(ro膜)、正渗透膜(fo膜)、纳米滤膜(nf膜)、超滤膜(uf膜)的半透膜。半透膜优选为反渗透膜或者正渗透膜、纳米滤膜。需要说明的是,在作为半透膜而使用反渗透膜或者正渗透膜、纳米滤膜的情况下,进料液的压力优选为0.1~10.0mpa,更优选为0.5~9.0mpa。
76.通常,ro膜以及fo膜的孔径为约2nm以下,uf膜的孔径为约2nm~100nm。nf膜是ro膜中的离子、盐类的阻止率比较低的膜,通常,nf膜的孔径为约1nm~2nm。在作为半透膜而使用ro膜、fo膜或者nf膜的情况下,ro膜或者fo膜、nf膜的盐除去率优选为90%以上。
77.作为构成半透膜的材料,没有特别限定,例如可举出纤维素系树脂、聚砜系树脂、聚酰胺系树脂、聚乙烯醇系树脂等。半透膜优选由包含纤维素系树脂以及聚乙烯醇系树脂中的至少任一方的材料构成。
78.纤维素系树脂优选为乙酸纤维素系树脂。乙酸纤维素系树脂具有针对作为杀菌剂的氯的耐性,具有能够抑制微生物的增殖的特征。乙酸纤维素系树脂优选为乙酸纤维素,从耐老化性的方面出发,更优选为三乙酸纤维素。
79.聚乙烯醇系树脂优选为交联聚乙烯醇树脂。
80.作为中空纤维膜,可举出单层结构以及由相同或者不同材料构成的复合结构的膜。单层结构的膜优选中空纤维膜的膜厚方向的结构均质性高。作为中空纤维膜的膜厚方向的结构均质性的指标,例如可举出上述的中空纤维膜的拉曼值处于规定值以上的范围、使用倍率5000倍的扫描型电子显微镜(sem)朝向膜厚方向连续地观察中空纤维膜的横截面时结构的变化少。
81.中空纤维膜的外径只要是用于反渗透处理、正渗透处理等膜处理,则没有特别限定,例如为100μm~300μm。但是,在本实施方式中,中空纤维膜也包括内径为1mm以上的具有
较大的内径的中空纤维状(有时也称为管状)的半透膜。
82.中空纤维膜的中空率只要是用于反渗透处理、正渗透处理等膜处理,则没有特别限定,例如为15%~45%。若中空率比上述范围小,则中空部的流动压损变大,有可能得不到所希望的透过水量。另外,若中空率比上述范围大,则有可能在渗透处理时无法确保充分的耐压性。需要说明的是,中空率(%)能够通过式子:[中空率(%)=(内径/外径)2×
100]来求出。
[0083]
需要说明的是,中空纤维膜元件与使用了螺旋型的平膜的螺旋元件相比,每个元件的膜面积大。因此,中空纤维膜在得到相同的透水量时每单位膜面积的处理量极少即可,与螺旋型相比能够减少由进料液产生的膜面的污染,能够延长至膜的清洗为止的运转时间。而且,不容易产生组件内的偏流,因此在能够提高渗透效率这一点上有利。
[0084]
多个中空纤维膜优选为中空纤维膜卷绕体,该中空纤维膜卷绕体是通过在多孔分配管的周围呈螺旋状地卷绕中空纤维膜或者中空纤维膜的束而使中空纤维膜在半径方向上层叠而形成的。在中空纤维膜卷绕体中,也存在中空纤维膜呈交叉状地配置的情况。通常,通过采取交叉配置,在中空纤维膜的交叉部规则地形成空隙。由于存在该规则的空隙,因此在中空纤维膜的外侧流动的流体中的非溶解成分、颗粒成分等在中空纤维膜间被捕捉的情况变少,不容易产生压力损失的增大。
[0085]
中空纤维膜卷绕体能够通过以往公知的方法来制造。例如,如日本专利4412486号公报、日本专利4277147号公报、日本专利3591618号公报、日本专利3008886号公报等所记载的那样,将45根~90根或更多的中空纤维膜集中而制成一个中空纤维膜集合体,进而将该中空纤维膜集合体横向排列多个而制成偏平的中空纤维膜束,一边使其横动一边卷绕于具有大量孔的多孔分配管。通过调节此时的多孔分配管的长度以及旋转速度、中空纤维膜束的横动速度,以在卷绕体的特定位置的周面上形成交叉部的方式进行卷绕。
[0086]
另外,中空纤维膜元件4例如能够如下那样来制造:在利用树脂将中空纤维膜以及多孔分配管的两端封固之后,将树脂的一部分切断,使中空纤维膜的两端部开口。例如,可以对上述的中空纤维膜卷绕体调整长度和交叉部的位置并将其在规定的位置切断,在将该卷绕体的两端部粘结之后,对两侧进行切削,从而制作在中空纤维膜的两端具有开口的中空纤维膜元件。
[0087]
(连接器)
[0088]
主要参照图2~图5,连接器7包括相互不连通的第一流路71以及第二流路72。
[0089]
在多个中空纤维膜元件4之间,
[0090]
多个中空纤维膜元件4的外流路21a彼此经由第一流路71连接,多个中空纤维膜元件4的内流路22a彼此经由第二流路72连接,并且,多个中空纤维膜41的中空部41a与内流路22a也经由第二流路72连通。
[0091]
在图2~图5中,第二流路72具有用于连接内流路22a的主流路(图2中的横向的流路)、以及使中空纤维膜元件4的中空部41a与主流路连通的分支流路(图2中的经由孔73的纵向的流路)。
[0092]
需要说明的是,浓缩后的进料液(浓缩液)流动的间隙1a的横截面的截面积、以及供给水流动的双层芯管的外流路的横截面的截面积优选分别为压力容器的内径基准截面积的5%~18%以及4%~15%,更优选分别为7%~15%以及6%~12%(例如12%以及
10%),是不产生缩流压损的结构。由此,能够将导致透过水量降低的压力损失抑制得较低。
[0093]
参照图1以及图2,环状构件5嵌合于连接器7、8的外周面。环状构件5与中空纤维膜元件4通过卡扣51结合。
[0094]
卡扣51是能够将中空纤维膜元件4与环状构件5可逆地装卸、并且为了能够固定而将中空纤维膜元件4的端部与环状构件5在外周面上以嵌合状态固定的构件。嵌合状态是指卡扣51的一方的端部的凸部嵌入设置于中空纤维膜元件4的端部(树脂壁6的侧面)的凹部、卡扣51的另一方的端部的凸部嵌入设置于环状构件5的侧面的凹部的状态,如果从外部强制地施加使得脱落的力则脱落,但不是自然脱落的结构(参照国际公开第2005/011850号)。
[0095]
另外,中空纤维膜41的中空部41a与连接器7的第二流路72(孔73)经由环状构件5的凹部52连通。
[0096]
主要参照图1、图6以及图7,在连结后的多个中空纤维膜元件4的端部,使用连接器8。连接器8是与将多个中空纤维膜元件4的双层芯管2彼此连接的连接器7不同的连接器,是相当于连接器7的长度方向的一半的构件。在排出端口10b侧,连接器8的第二流路82(突出部84)连接于回收端口11,第一流路81被圆环状的插塞62封固。在供给端口10a侧,连接器8的第二流路82(突出部84)被插塞61封固,第一流路81与供给端口10a连通。需要说明的是,供给端口10a侧的连接器8由支承壁63支承。
[0097]
需要说明的是,参照图3、图6以及图7,在槽71a、72a、81a、82a、84a中设置有o型环,连接器7、8与其他构件的连接部被密封。
[0098]
另外,在图3~图7中,示出了具有4个第一流路71、81的连接器7、8,但第一流路71、81的数量也可以是3个,没有特别限定。
[0099]
构成连接器7、8的材料没有特别限定,例如可举出聚苯硫醚(pps)、聚苯醚(ppe)、聚缩醛(pom)、聚氯乙烯(pvc)、聚醚醚酮(peek)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)树脂等。
[0100]
连接器在5~40℃的海水中使用,因此若部件膨胀则与其他部件的嵌合变差,另外若部件收缩则o型环密封变得无效,因此优选使用尺寸变化率小的材料。因此,优选与尺寸变化率有关联的吸水率、线膨胀系数等小。需要说明的是,更优选在现有的通用树脂材料之中,使用尺寸变化率(吸水率、线膨胀系数)比尺寸变化率较大的聚缩醛(pom)小的材料。具体地说,材料的吸水率优选为0.22质量%以下。材料的线膨胀系数优选为11
×
10-5
/℃以下。
[0101]
另外,连接器有时最大使用8年以上,优选长期具有强度的材料。需要说明的是,与通过发明人等的研讨而知晓的即使长期使用也不容易破损的聚苯醚(ppe)相比,更优选强度特性(拉伸强度、弯曲强度)高的材料。具体地说,材料的拉伸强度优选为50mpa以上。材料的弯曲强度优选为76mpa以上。
[0102]
作为上述那样的材料,特别是能够优选使用聚苯硫醚(pps)。
[0103]
需要说明的是,环状构件5的构成材料也优选为与连接器7、8同样的材料。
[0104]
(中空纤维膜组件的整体结构等)
[0105]
在多个中空纤维膜元件4之间,优选在压力容器1的内壁的内侧具有在长度方向上连通的空隙1a(进料液能够在相邻的中空纤维膜元件4之间流通)。例如,通过使用上述的卡扣51将中空纤维膜元件4彼此连接,从而无需利用o型环等将中空纤维膜元件4与压力容器1之间密封并将中空纤维膜元件4固定,因此能够设置上述那样的空隙1a。
[0106]
中空纤维膜元件由选举由圆柱状的形状。另外,优选具有10cm~28cm的外径。另
外,优选具有1000mm~2000mm的全长。
[0107]
主要参照图1,具有规定的压力的进料液从供给端口10a供给,经由连接器7的外流路21a从孔21b向多孔分配管21的外侧流出,向中空纤维膜41的外侧42供给。向中空纤维膜元件4的径向外侧流动而通过了中空纤维膜41的外侧42的进料液经由空隙1a从排出端口10b向外部排出。
[0108]
由此,从中空纤维膜41的外侧42通过中空纤维膜41而移动至中空部41a的水(透过水)从中空纤维膜41的两端的开口流出。而且,透过水通过凹部52经由连接器7的孔73(分支流路)向第二流路72(主流路)流动,流入内管22的内流路22a。之后,内流路22a内的透过水从连接有内管22的回收端口11被取出至外部。
[0109]
需要说明的是,在图1中,回收端口11设置于中空纤维膜元件4的长度方向的一端侧,但也可以设置于两端。
[0110]
另外,在图1中,供给端口10a、排出端口10b以及回收端口11设置于压力容器1的两端部,但并不限定于上述那样的方式,而能够适当变更,例如也可以设置于外周部等。
[0111]
根据本实施方式的中空纤维膜组件,经由外流路21a向多个中空纤维膜元件4分别供给相同浓度的进料液,因此在多个中空纤维膜元件4的全部中能够有效地发挥反渗透处理、正渗透处理等膜处理的性能。由此,在具备多个中空纤维膜元件的中空纤维膜组件中,能够提高整体的处理效率(例如,造水效率)。
[0112]
实施例
[0113]
以下,列举实施例对本发明进行更详细的说明,但本发明并不限定于这些实施例。
[0114]
(压力损失的测定)
[0115]
对设置有供给水罐、高压泵、供给水压力计、组件间压差计、透过水流量计以及浓缩水流量计的试验设备连接中空纤维膜组件,在以以下的测定条件进行了造水运转的状态下,利用组件间压差计进行了测定。以测定条件为供给水压力5.39mpa、供给水浓度3.5重量%(氯化钠)、供给水温度25℃、回收率30%进行了实施。需要说明的是,回收率通过将透过水流量计的测定值除以透过水与浓缩水的流量值的和而得的商换算成百分率从而计算出。
[0116]
(透水性能的测定)
[0117]
对上述试验设备连接中空纤维膜组件,在以上述的测定条件进行了造水运转的状态下,利用透过水流量计进行了测定。
[0118]
(实施例1)
[0119]
实施例1的中空纤维膜组件是在压力容器内收纳有使用连接器(具有4个第二流路的4孔型的连接器:参照图3~图7)连结的两根中空纤维膜元件而成的中空纤维膜组件(参照图1)。需要说明的是,中空纤维膜元件为直径20cm、全长1016mm,具有图1所示那样的双层芯管,双层芯管的外径为72mm。
[0120]
在使用实施例1的中空纤维膜组件、以进料液的压力为5.39mpa、nacl浓度为3.5质量%、温度为25℃的条件实施了来自进料液的透过水的回收率为30质量%的反渗透处理的情况下,中空纤维膜组件的透水性能为35m3/day,压力损失为16kpa。
[0121]
(实施例2)
[0122]
实施例2的中空纤维膜组件是作为连接器而使用具有3个第二流路的3孔型的连接
器、除这点以外与实施例1同样的中空纤维膜组件。
[0123]
在使用实施例2的中空纤维膜组件、以与实施例1同样的条件实施了反渗透处理的情况下,中空纤维膜组件的透水性能为35m3/day,压力损失为17kpa。
[0124]
需要说明的是,根据该结果可知,即使连接器的第二流路的数量改变,性能也维持为相同程度。
[0125]
(实施例3)
[0126]
实施例3的中空纤维膜组件是在与实施例1同样的压力容器内收纳4根中空纤维膜元件(直径:20cm,全长:1016mm)、除这点以外与实施例1同样的中空纤维膜组件。
[0127]
在使用实施例3的中空纤维膜组件以与实施例1同样的条件实施了反渗透处理的情况下,中空纤维膜组件的透水性能为69m3/day,压力损失为17kpa。
[0128]
需要说明的是,该透水性能是实施例1的透水性能的大致2倍,可知在使3根以上的中空纤维膜元件连通的中空纤维膜组件中也能够发挥充分的性能。
[0129]
(实施例4)
[0130]
实施例4的中空纤维膜组件是收纳两根中空纤维膜元件(直径:28cm、全长:1400mm)、除这点以外与实施例1同样的中空纤维膜组件。
[0131]
在使用实施例4的中空纤维膜组件、以与实施例1同样的条件实施了反渗透处理的情况下,中空纤维膜组件的透水性能为106m3/day,压力损失为21kpa。
[0132]
(比较例1)
[0133]
比较例1的中空纤维膜组件是在与实施例4同样的压力容器内收纳与实施例4同样的两根中空纤维膜元件、且使用以往的连结构件连结而成的中空纤维膜组件。在此使用的以往的连结构件无法使连结的两个中空纤维膜元件的双层芯管彼此连通。因此,为了由各中空纤维膜元件独立地实施进料液的供给以及排出和透过水的回收,压力容器的端口也变更。
[0134]
在使用比较例1的中空纤维膜组件、以与实施例1同样的条件实施了反渗透处理的情况下,中空纤维膜组件的透水性能为106m3/day,压力损失为37kpa。
[0135]
根据该结果可知,在实施例4与比较例1的透水性能相同的情况下,与比较例1相比,在实施例4中压力损失大幅降低。由此可知,实施例4的中空纤维膜组件与比较例1相比,能够更有效地发挥透水性能。即,在实施例4中,如果提高进料液的压力,则当然能够发挥更高的透水性能。
[0136]
附图标记说明:
[0137]
1...压力容器;1a...空隙;10a...供给端口;10b...排出端口;11...回收端口;13、14...壁构件;2...双层芯管;21...多孔分配管;21a...外流路;21b...孔;22...内管;22a...内流路;4...中空纤维膜元件;41...中空纤维膜;41a...中空部;42...中空纤维膜的外侧;5...环状构件;51...卡扣;52...凹部;6...树脂壁;61、62...插塞;63...支承壁;7、8...连接器;71、81...第一流路;72、82...第二流路;73、83...孔;84...突出部;71a、72a、81a、82a、84a...槽。
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