特表 2025-501194 渦巻型膜エレメントのテーパ状スペーサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-17

(54)【発明の名称】渦巻型膜エレメントのテーパ状スペーサ

(51)【国際特許分類】

   B01D 63/10 20060101AFI20250109BHJP

   B01D 63/00 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

B01D63/10

B01D63/00 510

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024539341

(86)(22)【出願日】2022-12-27

(85)【翻訳文提出日】2024-08-22

(86)【国際出願番号】 US2022082393

(87)【国際公開番号】W WO2023129905

(87)【国際公開日】2023-07-06

(31)【優先権主張番号】63/294,378

(32)【優先日】2021-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/294,377

(32)【優先日】2021-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519350775

【氏名又は名称】アクア メンブレインズ，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】ヘリントン，ロドニー

(72)【発明者】

【氏名】ロデリック，ケヴィン

(72)【発明者】

【氏名】クルト，クリストファー

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA02

4D006HA62

4D006JA05A

4D006JA05B

4D006JA05C

4D006JA06A

4D006JA19A

4D006MA03

4D006PA01

(57)【要約】

印刷スペーサ膜エレメントには、膜表面に任意のパターンを施してフィードスペーサ材料として機能させるというユニークな利点がある。これは、メッシュ全体の厚みと密度が均一な従来のフィードスペーサメッシュ材料とは対照的である。フィード空間内の膜シート間のより緊密な間隔保持を可能にしながら、より多くの開かれたフィード空間を利用することができ、これにより、より多くの膜シートを膜エレメントに巻き付けることができ、その結果、より多くの透過液の流れが得られると同時に、エレメントのフィード端から拒絶端までの圧力損失を低減することができる。印刷スペーサのユニークな設計特徴は、従来技術のフィードスペーサメッシュエレメントとは対照的に、膜エレメントの性能を劇的に向上させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

渦巻型水処理エレメントであって、
（ａ）収集管と、
（ｂ）１つ又は複数の膜シートであって、それぞれが、処理される水と接触するのに適した第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、前記膜シートは前記収集管の周りに渦巻状に巻かれている、１つ又は複数の膜シートと、
（ｃ）各膜シートの第１の半部の前記第１の表面に配置された複数の間隔保持エレメントであって、各間隔保持エレメントは、第１の端部と第２の端部とを有し前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる前記収集管の軸に垂直な断面を有し、前記第１の端部は前記第２の端部よりも広い、複数の間隔保持エレメントと
を含む、渦巻型水処理エレメント。

【請求項2】

前記間隔保持エレメントの前記第１の端部が、対応する膜シートの前記第１の半部と接触し、前記膜シートの前記第１の半部の前記第１の表面が、前記収集管から離れる方向を向いている、請求項１に記載のエレメント。

【請求項3】

前記間隔保持エレメントの前記第１の端部が、対応する膜シートの前記第１の半部と接触し、前記膜シートの前記第１の半部の前記第１の表面が、前記収集管の方を向いている、請求項１に記載のエレメント。

【請求項4】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．９８未満である、請求項１に記載のエレメント。

【請求項5】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．９５未満である、請求項１に記載のエレメント。

【請求項6】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．８５未満である、請求項１に記載のエレメント。

【請求項7】

前記間隔保持エレメントが、熱可塑性プラスチック、反応性ポリマー、ワックス、又は樹脂のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載のエレメント。

【請求項8】

渦巻型水処理エレメントであって、
（ａ）収集管と、
（ｂ）複数の膜シートであって、それぞれが活性表面と、前記活性表面の反対側の不活性表面とを有し、各膜シートは、前記活性表面が互いに対向するように、前記膜シートの第１及び第２の半部を形成する折り目線に沿って折り畳まれ、各膜シートは、前記収集管の近位に前記折り目線がある状態で配置される、複数の膜シートとを含み、
（ｃ）各膜シートは、それの前記活性表面上に複数の間隔保持エレメントが配置されており、各間隔保持エレメントは、第１の端部と第２の端部とを有し前記第１の端部から前記第２の端部まで延びる前記収集管の軸に垂直な断面を有し、前記第１の端部は前記第２の端部よりも広い、
渦巻型水処理エレメント。

【請求項9】

前記間隔保持エレメントの前記第１の端部が、対応する膜シートの前記第１の半部の前記活性表面と接触し、前記対応する膜シートの前記第１の半部の前記活性表面が、前記収集管から離れる方向を向いている、請求項８に記載のエレメント。

【請求項10】

前記間隔保持エレメントの前記第１の端部が、対応する膜シートの前記第１の半部の前記活性表面と接触し、前記対応する膜シートの前記第１の半部の前記活性表面が、前記収集管からの方を向いている、請求項８に記載のエレメント。

【請求項11】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．９８未満である、請求項８に記載のエレメント。

【請求項12】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．９５未満である、請求項８に記載のエレメント。

【請求項13】

前記第１の端部の幅に対する前記第２の端部の幅の比が０．８５未満である、請求項８に記載のエレメント。

【請求項14】

前記間隔保持エレメントが、熱可塑性プラスチック、反応性ポリマー、ワックス、又は樹脂のうちの１つ又は複数を含む、請求項８に記載のエレメント。

【請求項15】

膜上に配置された印刷特徴部を含む渦巻型エレメントであって、前記膜の表面における特徴部の幅Ｒは、前記特徴部の頂部における前記特徴部の幅Ｓとは異なり、Ｓ＜Ｒであり、前記膜のシートは、所与の特徴部について、前記幅Ｒの位置が前記幅Ｓの位置よりも中央管から遠くなるように配向されている、渦巻型エレメント。

【請求項16】

前記間隔保持特徴部が、対応する膜から０．００３インチ～０．０５０インチの距離だけ延びる、請求項１に記載のエレメント。

【請求項17】

前記間隔保持特徴部が、対応する膜から０．００３インチ～０．０５０インチの距離だけ延びる、請求項８に記載のエレメント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

技術分野
本発明は、流体成分の分離に利用される膜システムに関し、特に渦巻型膜エレメントに関する。

【背景技術】

【0002】

背景技術
クロスフロー濾過では、フィード流体は渦巻型フィルタを通って流れ、他端で放出されるが、流体の一部は、流体の流れ方向と平行な膜表面を介した濾過によって除去される。クロスフロー濾過には、プレートアンドフレームシステム、カセットシステム、中空糸システム、又は渦巻システムなど、様々な形態がある。プレートアンドフレームシステム、カセットシステム、及び渦巻システムの濾過モジュールは、隣接する濾過膜層間に間隔保持を提供するスタックされた膜層に依存することが多く、本発明はこのようなシステムに適用できる。

【0003】

膜を通過して中央管へ至る流体の除去のための経路を、中央管の軸に対して長手方向に形成する多孔性透過液担体に又はその周囲にシールされた膜シートから構成されたラミネート構造からなる渦巻型膜濾過エレメントが当該技術分野でよく知られているが、このラミネート構造は、中央管の周囲に渦巻状に巻き付けられ、多孔性フィードスペーサ（feed spacer）でそれ自体から間隔をあけられ、エレメントのフィード端から拒絶端へ至るエレメントを通る流体の軸方向の流れを可能にする。従来、フィードスペーサメッシュは、フィード水（その一部は膜を通過する）の流れが渦巻型エレメントに入るのを可能にし、拒絶水が中央管に平行な方向であってエレメント構造の軸方向の方向にエレメントから出るのを可能にするために使用される。

【0004】

渦巻型エレメントの設計に対する改良は、Bargerらに付与された米国特許第６，６３２，３５７号、Bradfordらに付与された米国特許第７，３１１，８３１号、及びHerringtonらに付与された“Improved Spiral Wound Element Construction”と題するオーストラリア（第２０１４２２３４９０号）、日本（第６４９９０８９号）、中国（ＣＮ第１０５１６３８３４Ｂ号）、イスラエル（第２４０８８３号）及び韓国（第１０－２１９６７７６号）の特許に開示されており、この特許は、フィードスペーサを、膜の内側若しくは外側の表面に、又は透過液担体に直接印刷、堆積、又はエンボス加工された島又は突起で置き換えている。Roderickらに付与された“Graded spacers for filtration wound elements”と題する米国特許第１１，０９０，６１２号は、渦巻型エレメントにおけるフィードフロー特性を変更するために使用される高さ傾斜型スペーサ特徴部の使用を記載している。Roderickらに付与された“Interference Patterns for Spiral Wound Elements”と題する米国特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１７／６２４２４号は、膜フィード空間を開かれた状態に保つが、巻き付ける間に膜エンベロープ接着領域の支持を提供する渦巻型エレメントのパターンを記載している。Roderickらに付与された“Bridge Support and Reduced Feed Spacers for Spiral-Wound Elements”と題する米国特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１８／５５６７１号は、渦巻型エレメントの接着及び巻き付け中に支持を提供するために膜エンベロープの遠位端（中央管から最も遠い端）に適用される支持特徴部を記載している。Herringtonらに付与された“Variable Velocity Patterns in Cross Flow Filtration”と題する米国仮特許出願第６３，０５１，７３８号は、フィード溶液の濃度が渦巻型エレメントのフィード端から拒絶端まで増加するにつれてフィード溶液の速度を制御するために、中央管に平行なフィード流路内で膜フィード空間のフィード端から拒絶端までサイズが変化する支持パターンを記載している。“Non-Nesting, Non-Deforming Patterns in Spiral Wound Elements”と題するRoderickら他に付与された米国特許第１１，０８３，９９７号は、エレメント製造中に接着線において印刷パターンが入れ子状になるのを避けるために、膜フィード空間のフィード端と拒絶端により高密度のパターンを設け、中間部により開放的なパターンを設けることを記載している。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

発明の概要
本発明は、従来のメッシュフィードスペーサを使用する既存の最先端技術で利用可能なものに対して、低減されたエネルギー消費と同時に増大された透過液の流れを提供する渦巻型膜エレメントを製造する新規な方法を記載する。

【0006】

本発明の実施形態は、１つ又は複数の膜シートを含む渦巻型エレメントを提供し、各膜シートは、互いに対向する第１及び第２の膜半部を提供する折り目線でそれ自体に折り畳まれ、各折り畳まれた膜シートは、折り目線が中央管の近位にある状態で中央管の周りに渦巻状に巻かれ、第１の膜半部は第２の膜半部に対して内側の巻き付きを形成し、各膜シートは、第１及び第２の膜半部の少なくとも一方の表面に配置された複数の間隔保持特徴部を有し、折り目線から第１の間隔保持特徴部までの距離は、中央管の近位に折り目線を有する膜シートの数で割った中央管の直径以上である。

【0007】

いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は第１の膜半部上に配置され、第２の膜半部上には配置されない。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は第２の膜半部上に配置され、第１の膜半部上には配置されない。いくつかの実施形態はさらに、隣接する折り畳まれた膜シートの各対の間に透過性透過液担体を含み、透過液担体は折り畳まれた膜シートの不活性側に隣接して取り付けられる。渦巻型エレメントには、１つ又は複数の折り畳まれた膜シートが存在し得る。

【0008】

いくつかの実施形態において、エレメント内の膜の面充填密度は３３ｉｎ２／ｉｎ３より高い。いくつかの実施形態において、エレメント内の膜の面充填密度は３５ｉｎ２／ｉｎ３より高い。いくつかの実施形態において、エレメント内の膜の面充填密度は３９ｉｎ２／ｉｎ３より高い。いくつかの実施形態において、エレメント内の膜の面充填密度は４１ｉｎ２／ｉｎ３より高い。いくつかの実施形態において、エレメント内の膜の面充填密度は４３ｉｎ２／ｉｎ３より高い。

【0009】

いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、対応する膜の上方に延びる高さを有し、ここで、折れ目線に近い間隔保持特徴部の高さは、折れ線から離れた間隔保持特徴部の高さよりも小さい。いくつかの実施形態において、折り目線から中央管の半径超離れた間隔保持特徴部は、一定の高さを有し、中央管の直径より折り目線に近い間隔保持特徴部は、折り目線からの距離とともに増加する高さを有する。いくつかの実施形態において、折り目線から中央管の直径超離れた間隔保持特徴部は、一定の高さを有し、中央管の直径より折り目線に近い間隔保持特徴部は、折り目線からの距離とともに増加する高さを有する。いくつかの実施形態において、折り目線から中央管の円周超離れた間隔保持特徴部は、一定の高さを有し、中央管の直径より折り目線に近い間隔保持特徴部は、折り目線からの距離とともに増加する高さを有する。

【0010】

いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、膜半部間の体積の７％未満を占める。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は膜半部間の体積の５％未満を占める。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、膜半部間の体積の２％未満を占める。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、それらが堆積される膜の面積の７％未満を占める。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、それらが堆積される膜の面積の５％未満を占める。いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、それらが堆積される膜の面積の２％未満を占める。

【0011】

本発明の実施形態は、（ａ）複数の折り畳まれた膜であって、各折り畳まれた膜は、活性表面と、活性表面の反対側の非活性表面とを有する膜シートを含み、膜シートは、活性表面が互いに対向するように折り目線に沿って半分に折り畳まれ、膜シートには複数の間隔保持特徴部が配置されているが、折り目線から０．１インチ未満の領域には間隔保持特徴部はない、複数の折り畳まれた膜と、（ｂ）複数の透過性透過液担体シートと、（ｃ）中央管とを含み、（ｄ）透過液担体シートは中央管の周りに渦巻状に巻かれ、透過液担体シートの各対の間に折り畳まれた膜を挟んだ状態で一緒に溶接される、アセンブリを提供する。

【0012】

いくつかの実施形態において、透過液担体シートは、各連続する透過液担体シートの前縁が、先行する透過液担体シートの前縁から、透過液担体シートの数で割った中央管の円周よりも大きく離間しないように、一緒に溶接される。いくつかの実施形態において、第２の透過液担体シートは、少なくとも中央管の円周の距離だけ離れて第１の透過液担体シートに溶接され、第３の透過液担体シートは、透過液担体シートの数で割った中央管の円周以下の距離だけ離れて第２の透過液担体シートに溶接される。

【0013】

本発明の実施形態は、渦巻型流体処理エレメントを提供するものであり、このエレメントは以下を含む：（ａ）収集管；（ｂ）１つ又は複数の膜シートであって、それぞれが、処理される流体と接触するのに適した第１の表面と、第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、膜シートは収集管の周りに渦巻状に巻かれている、１つ又は複数の膜シート；（ｃ）各膜シートの第１の表面の第１の半分に配置された複数の間隔保持特徴部であって、各間隔保持特徴部は、第１の端部と第２の端部とを有し第１の端部から第２の端部まで延びる収集管の軸に垂直な断面を有し、第１の端部は第２の端部よりも広い、複数の間隔保持特徴部。

【0014】

いくつかの実施形態において、間隔保持エレメントの第１の端部は、対応する膜シートの第１の半部と接触し、膜シートの第１の半部の第１の表面は、収集管から離れる方向を向いている。いくつかの実施形態において、間隔保持エレメントの第１の端部は、対応する膜シートの第１の半部と接触し、膜シートの第１の半部の第１の表面は、収集管の方を向いている。

【0015】

いくつかの実施形態において、第１の端部の幅に対する第２の端部の幅の比は０．９８未満である。いくつかの実施形態において、第１の端部の幅に対する第２の端部の幅の比は０．９５未満である。いくつかの実施形態において、第１の端部の幅に対する第２の端部の幅の比は０．８５未満である。いくつかの実施形態において、間隔保持エレメントは、熱可塑性プラスチック、反応性ポリマー、ワックス、又は樹脂のうちの１つ又は複数を含む。

【0016】

本発明の実施形態は、渦巻型流体処理エレメントを提供し、この流体処理エレメントは以下を含む：（ａ）収集管；（ｂ）複数の膜シートであって、それぞれが活性表面と、活性表面の反対側の不活性表面とを有し、各膜シートは、活性表面が互いに対向するように折り目線に沿って折り畳まれ、各膜シートは、収集管の近位に折り目線がある状態で配置される、複数の膜シート；（ｃ）ここで、各膜シートは、それの活性表面上に複数の間隔保持特徴部が配置されており、各間隔保持特徴部は、第１の端部と第２の端部とを有し第１の端部から第２の端部まで延びる収集管の軸に垂直な断面を有し、第１の端部は第２の端部よりも広い。

【0017】

本発明の実施形態は、膜上に配置された印刷特徴部を含む渦巻型エレメントを提供し、ここで、膜表面における特徴部の幅Ｒは、特徴部の頂部における特徴部の幅Ｓとは異なり、Ｓ＜Ｒであり、膜シートは、所与の特徴部について、幅Ｒの位置が幅Ｓの位置よりも中央管から遠くなるように配向されている。

【0018】

いくつかの実施形態において、間隔保持特徴部は、対応する膜から０．００３インチ～０．０５０インチの距離だけ延びる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

図面の簡単な説明

【図1】渦巻型膜エレメントの分解図である。

【図2】部分的に組み立てられた渦巻型膜エレメントの分解図である。

【図3】中央管の周りに複数の膜シートを巻き付ける前の渦巻型エレメントの端面図である。

【図4】両方とも同じ高さのフィードチャネルの現行技術のメッシュエレメント及び印刷されたスペーサエレメントのユニット断面領域を示す２つの図である。

【図5】現行技術のメッシュエレメント及び、より短い高さのフィードチャネルを有する薄い印刷されたスペーサエレメントの有効流れ断面を示す２つの図である。

【図6】膜シートの入口領域及び出口領域に高密度の糊付け支持線を有し、中央部に低密度の領域を有する印刷された膜シートの図である。

【図7A】中央管の穴の密度が低いパターンの図である。

【図7B】中央管の穴の密度が高いパターンの図である。

【図8】台形のフィードスペーサエレメントを有する中央管の周りに巻かれる２枚の膜リーフの端面図である。

【図9】台形のフィードスペーサエレメントを有する中央管の周りに巻かれる２枚の膜リーフの端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

発明を実施するための形態及び産業上の利用可能性
渦巻型濾過エレメントのフィードスペーサは、流体がフィードチャネルのフィード端から拒絶端まで流れるチャネルを維持するために必要であるが、スペーサの設計はまた、エレメントのフィード端から拒絶端までの差圧損失、局所的な流速、乱流、淀みゾーン、及び他の流体流れ状態に影響する。押出しメッシュフィードスペーサは、膜製造において伝統的に使用されてきたが、その設計の性質上、流体力学的特性の多くはスペーサの厚さに依存する。従来のメッシュスペーサはまた、中央管から遠位端から中央管近傍の膜シートの近位端に至るまで、フィード空間において均一な支持特性を提供する。印刷されたフィードスペーサは、従来の押出し又は織布メッシュスペーサでは得られなかったユニークな設計特性を可能にする。印刷されたスペーサの厚みや形状は独立して変更することができ、特定の用途又は渦巻型膜エレメントの用途に見られる特定の課題に合わせることができる幅広い構成を得ることができる。印刷スペーサ技術の重要な特徴の１つは、フィードチャネルの開放構造である。従来のメッシュスペーサは、２層のストリンガを十字に交差させ、２つのストリンガの交点で溶接又は接着してメッシュに構造を提供することからなる。その性質上、流体はすべて、一方のストリンガを通過し、ストリンガを回り、反対側のストリンガを越えて戻らなければならない。メッシュのストリンガがフィードスペースを横切っている場合、たとえそれが流路に対して垂直でなくても、流れチャネルの高さに固有の制限が生じる。印刷されたフィードスペーサには固有の制限がない。印刷されたスペーサのチャネルの高さは、従来のメッシュスペーサの半分にすることができ、メッシュスペーサと同じ質量流量特性と、拒絶までの同じ圧力降下フィードとを提供する。４０インチ長さのエレメントにおける従来のメッシュスペーサは、通常２６～３２ミル（０．０２６～０．０３２インチ）の範囲であるが、ユニークな用途ではこれより高くすることも低くすることもできる。印刷スペーサ技術により、スペーサの高さをはるかに低く、通常１５～２０ミル（０．０１５～０．０２０インチ）することができ、４０インチ長さのエレメントのメッシュスペーサと同じ質量流量特性を、拒絶までの同等の圧力降下フィードで提供する。長さ１２インチ又はそれ以下のエレメントでは、スペーサの高さは０．００３インチまで低くすることができるが、通常は０．００６インチ～０．００８インチの高さである。一般的に利点として表現されるメッシュスペーサの主な特徴のひとつは、メッシュが、濃度分極の低減に役立つ実質的な混合を流れストリームの中で作り出すことである。濃度分極とは、流体分子が膜を通過する際に、流体ストリーム中のイオンが膜表面で積み重なり、膜表面での全溶解固形分（ＴＤＳ）の濃度を増加させる傾向のことであり、それによって膜表面を流体分子が通過するのに必要な浸透圧を増加させる。濃度分極の他の欠点は、膜表面を通って移動するＴＤＳの増加により、生成水の品質が低下することであり、これは拒絶の損失としても知られている。濃度分極は、海水などの高ＴＤＳの水において、より明白な影響を及ぼす可能性があり、海水では、エレメントの拒絶端でＴＤＳが高くなるため、浸透圧の上昇がより劇的になる。淡水の場合、高い拒絶は通常それほど重要ではない。しかしながら、半導体加工などのいくつかの工業用途では、低ＴＤＳ用途でも高い拒絶が望まれる。まれに溶解する種を含む水の場合、システム回収と分極の複合効果により、エレメントの拒絶端、又はマルチエレメント圧力容器の最後のエレメントで沈殿が生じることもある。これらの特性は、逆浸透システムの回収を制限する可能性がある。いずれにせよ、印刷スペーサ技術は、濃度分極を最小化するために必要な混合を作り出すために、多種多様な印刷特徴を有することができる。

【0021】

クロスフロー濾過は、その性質上、フィード流体の一部がフィルタを通過して濾液の一部となることに依存するため、フィード流体がフィルタを通過する際にフィード流体の量が常に減少する状況を作り出す。生成される濾液の部分が多ければ多いほど、フィルタを通って流れ続けるフィード／濃縮流体の部分は少なくなる。流体がエレメントを通過する際、流体の一部は膜を通過する。単純にモデル化すると、膜を通過する流束が一定であれば、エレメント内をフィード空間のフィード端から拒絶端まで流れるにつれて、フィード溶液の流れは徐々に減少する。実際には、フィード流路に沿った任意の地点を通過する流体の量は、局所的な流れの状態、溶質又は懸濁物質の局所的な濃度、及び局所的な圧力に依存し、これはまたフィード空間内の背圧並びに局所的にエレメントの透過側からの背圧に依存する。

【0022】

印刷スペーサ技術の重要な利点は、より開放的なフィードスペーサチャネルを形成できることである。本発明は、透過液の流れを最大にする手段、回収率を増加させる手段、又はエレメントのフィード端から拒絶端までの差圧損失を減少させる手段、スケール形成の可能性を減少させる手段、洗浄プロトコルを簡素化する手段、或いはこれらすべての利点の組合せを提供する。

【0023】

採用されるフィード成形特徴部は、丸い点、楕円、端が丸い棒、レンズ形状、引き伸ばされた多角形、円弧、線又は他の幾何学的形状を含む多数の形状のいずれかであり得る。特徴部の形状と、流体が特徴部の外側の周囲を移動しなければならないという事実により、流体の流速は、膜エレメントのフィード端から拒絶端までフィード間隔保持特徴部間の領域で局所的に変化する。

【0024】

図１は巻き付け前の従来の渦巻型膜エレメントの概略図であり、従来の渦巻型膜エレメント１００の重要な要素を示している。透過液収集管１２は、透過液担体２２から透過液が収集される収集管１２内の穴１４を有する。製造において、膜シート３６は、中心線３０で折り曲げられる単一の連続シートであり、一方の面２８上の非活性多孔性支持層、例えばポリエステル、ポリスルホン又はそれらの組合せと、支持層に接着又は流延された活性ポリマー膜表面２４とから構成される。組み立てられたエレメントにおいて、透過液収集管１２に巻き付けられているとき、活性ポリマー膜表面２４はフィードスペーサメッシュ２６に隣接し、非活性支持層２８は透過液担体２２に隣接している。好ましい実施形態において、フィードスペーサメッシュ２６は、活性ポリマー膜表面２４上の、又は代替的に非活性支持層２８上の印刷された特徴部で置き換えられ、活性ポリマー膜表面２８上にエンボス加工された特徴部を形成する。フィード溶液１６は活性ポリマー膜表面２４の間に入り、フィードスペーサメッシュ２６の開いたスペースを通って流れる。フィード溶液１６がフィードスペーサメッシュ２６を通って流れるとき、膜によって排除される粒子、イオン、又は化学種は活性ポリマー膜表面２４で拒絶され、透過液の分子、例えば水分子は活性ポリマー膜表面２４を通過して多孔性透過液担体２２に入る。フィード溶液１６が活性ポリマー膜表面２４に沿って移動するにつれて、バルクフィード溶液１６中の透過液の損失により膜により排除される物質の濃度が上昇し、この濃縮された液は拒絶液１８として活性ポリマー膜シート２４の拒絶端部から出る。透過液担体２２内の透過液は、透過液担体２２の遠位端３４から中央管１２の方向に流れ、透過液は中央管入口穴１４から中央管１２に入り、透過液２０として中央管１２から出る。透過液がフィード溶液１６で汚染されるのを避けるため、非活性ポリマー膜層２８は、透過液担体２２を貫いて接着線３２に沿って接着剤でシールされ、これにより透過液２０の唯一の出口経路が中央管１２を通るシールされた膜エンベロープが形成される。通常、接着線３２の幅は、巻き付けプロセスの間に接着剤が圧縮された後、１～３インチである。

【0025】

既存の技術において、部分的に組み立てられた渦巻型膜エレメント２００が図２に示されている。膜エンベロープ４０は、図１に関連して記載したように、一端で折り曲げられた膜シート３６を備え、透過液担体２２が膜シートの間に配置され、適切な接着線３２（図１）で縁に沿ってシールされる。一旦巻かれた膜エレメントの従来設計では、フィードスペーサメッシュ２６がエンベロープ４０に隣接して配置され、フィード溶液１６の流れが層膜エンベロープ４０の間を流れ、膜シートの活性ポリマー表面２４のすべてがフィード溶液に曝されるようにする。透過液、又は生成流体は、膜エンベロープ４０内の透過液担体２２に収集され、渦巻状に中央管１２まで進み、そこで生成流体、又は透過液流体２０が収集される一方、拒絶流１８はエレメントから出る。単一の渦巻型エレメントは、単一の膜エンベロープ及びフィードスペーサ層を備えてもよく、又はエレメントを形成するために一緒にスタックされて巻かれた複数の膜エンベロープ及びフィードスペーサ層を備えてもよい。複数の膜シートエレメントの場合、透過液担体アセンブリ（トリコパック）は、典型的にはエレメント内のリーフ数で割った中央管外周の距離であるオフセット距離で超音波式に（又は他の方法で）溶接された複数の透過液担体シートからなる。第１の透過液担体シートは、個々の透過液リーフに過度の背圧を発生させることなく、すべてのリーフからの透過液が中央管の穴に入るための容積を確保するために、中央管の周囲に１回又は２回巻き付くことができるように、一般的により長くなっている。

【0026】

図３は、膜シート３６の活性ポリマー表面２４に適用される印刷スペーサ５０の重要な利点を描いている。印刷スペーサ５０は、従来のメッシュ２６（図２）の高さの５０パーセント以下の高さで印刷することができる。印刷スペーサ５０を使用した膜エンベロープ４０（図２）の厚さは、従来のメッシュ２６よりもかなり薄いため、従来のメッシュ２６で構成された膜エレメント２００の同等の外径に対して、より多くの層の膜エンベロープ４０（図２）を中央管１２に巻き付けることができる。実際には、膜エンベロープ４０のそれぞれは、透過液担体２２が取り付け点２３で中央管１２に取り付けられている折り目線３０（図１）から始まるべきである。フィードスペーサの厚さを含む膜エンベロープ４０の厚さは、中央管１２の周りの層ごとの合計厚さを決定する。この合計厚さは、すべての膜リーフが中央管から始まり、第１の層で中央管を包み込むように他のリーフの上に重ねられないと仮定して、透過液担体２２が中央管１２に取り付けられ得る最小間隔Ｘを決定する。長さ４０インチ（１０１６ｍｍ）及び直径８インチ（２０３．２ｍｍ）のエレメントでは、中央管１２は通常１．５インチ（３９．１ｍｍ）の外径を有するが、これより小さくても大きくてもよい。そして当然のことながら、中央管１２の直径が大きくなればなるほど、外径が８インチ（２０３．２ｍｍ）を超える前に中央管１２に巻き付けられ得る膜の量は少なくなる。中央管１２の外周はπＤで与えられ、ここでＤは中央管１２の外径である。１．５インチ（３９．２ｍｍ）の中央管の場合、円周は４．７１インチ（１１９．６ｍｍ）である。薄いメッシュのフィードスペーサを用いた場合、約２５枚の膜エンベロープ４０を中央管１２に巻き付けることができる。従来の製造技術を使用したフィードスペーサメッシュ２６は、通常、０．０２８インチ（０．７１ｍｍ）と低い厚さを有し、膜エレメント内のフィードから拒絶までのフィード圧力の損失により、この最小厚さに制限される。これは、間隔Ｘが４．７１インチを２５枚のリーフで割った距離、すなわち０．１８８インチ（４．７９ｍｍ）を有することを意味する。高さ０．０１７インチ（０．４３ｍｍ）の印刷スペーサ５０では、８インチ（２０３．２ｍｍ）の外径が達成されるまでに、従来のメッシュスペーサエレメントと同等のリーフ長で３５枚もの膜シートを使用することができる。この結果、膜の表面積は４０％増える（透過水の流れは４０％増える）が、フィードから拒絶までの圧力損失はメッシュエレメントと同等である。１．５インチ（３９．２ｍｍ）の中央管に３５枚のリーフを使用する場合、間隔Ｘは０．１３５インチ（３．４３ｍｍ）と小さくすることができる。本明細書の図示及び記載は、透過液担体が中央管に直接取り付けられていることを前提としている。いくつかの実施形態では、透過液担体材料の層は、別個の要素として、又は透過液担体の１つの延長として、中央管の周りに巻かれる。このような巻き付けは、この議論の目的上、中央管の一部とみなされる。

【0027】

４インチ（１０１．６ｍｍ）のエレメントの場合、中央管の外径は通常０．８４インチ（２１．３４ｍｍ）である。メッシュスペーサを有する直径４インチのエレメントは、典型的には５枚の膜リーフを有する。典型的な直径４インチのエレメントの中央管の外径は０．８４インチで、円周は２．６４インチ（６７ｍｍ）である。中央管周囲の透過水担体リーフ間の間隔は、０．５２８インチ（１３．４１ｍｍ）である。印刷されたスペーサエレメントでは、同等の長さの膜シートに関して７枚のリーフを中央管に巻き付けることができる。この結果、透過液担体の間隔は、中央管のシート間で０．３７７インチ（９．５８ｍｍ）となる。

【0028】

経済性と製造の容易さのために、メッシュスペーサを使用する直径１．８インチ（４５．７ｍｍ）×長さ１２インチ（３０４．８ｍｍ）の家庭用エレメントは、通常、１枚のリーフを有するだけである。エレメントの長さが１２インチしかないため、メッシュの厚さは、４０インチ長さのエレメントよりもはるかに薄くすることができる。拒絶までの差圧損失フィードがはるかにより短い距離であるからである。しかしながら、いずれにせよ、印刷スペーサのフィードスペースの高さはメッシュスペーサの半分にすることができ、メッシュエレメントの１枚のリーフに対して２枚以上のリーフを使用することができる。１２インチエレメントの中央管の典型的な直径は０．６７インチ（１７ｍｍ）である、又は２．１インチ（５３．４６ｍｍ）の円周である。メッシュエレメントにより短いリーフを使用し、中央管に２枚のリーフを巻き付けることもある。まれに３枚のリーフが使われることもある。２枚のリーフと直径０．６７インチの中央管の場合、透過液担体の間隔は１．０５インチである。印刷スペーサエレメントは、拒絶までの同じ圧力降下フィードに対してより多くのリーフを有することができるので、中央管に対する透過液担体の間隔は１．０５インチ未満とすることができる。直径３インチ×長さ１２インチのエレメントも、浸透液流れがはるかにより多くなり、家庭用システムで圧力タンクが不要になる可能性があるため、普及しつつある。いずれにせよ、中央管上の透過液間隔Ｘは、同等の印刷スペーサエレメントについてメッシュスペーサエレメントの半分の距離になる。

【0029】

膜シートが取り付け点２３から引き離されるのを防止するために、全幅が狭いことが好ましい。特に、折り目から第１の印刷特徴部までの距離Ｖは、透過液担体の間隔Ｘよりも大きいことが好ましい。これは、巻き付け中にリーフを所定の位置に保持する効果を有し、挿入点でリークが形成されるのを防止する。折り目から第１の印刷特徴部までの距離は、チャネルの高さが低いのに起因して混合特性が変化するので、この距離は４インチ未満、より好ましくは３インチ未満、より好ましくは２インチ未満、さらに好ましくは１インチ未満であることが望ましい。

【0030】

要約すると、４０インチ長さのエレメントでは、メッシュタイプのエレメントよりも４０パーセント多くのメンブレンリーフを使用することができ、つまり、間隔を約３０％少なくすることができ（５リーフ対７リーフ＝０．７１）、１２インチ長さのエレメントでは２倍のリーフを使用することができ、すなわち間隔を５０％少なくすることができる（１リーフ対２リーフ＝０．５）。当然のことながら、スペーサの幅、リーフの枚数、エレメントの長さ、及び拒絶までの許容可能な圧力損失フィードの多くの組合せが存在する。しかしながら、すべての場合において、印刷スペーサの間隔高さは、より短くすることができ、リーフの数は、拒絶までの同等の圧力損失フィードについて、メッシュタイプのエレメントに対してより多くすることができる。

【0031】

図４Ａ及び４Ｂは、印刷スペーサ技術の重要な利点の１つを明確にしている。図４Ａは、フィード空間にメッシュスペーサ２６を有する幅Ｙのフィードチャネルの見た目を表す。メッシュスペーサ２６は、互いに垂直に整列されたストリンガ２６ａ及び２６ｂを含む。実際には、ストリンガ２６ａ及び２６ｂは、互いに９０度未満の非法線角で存在し得る。また、メッシュスペーサ２６は、ストリンガが流路に対して４５度に向いている。しかしながら、図４Ａは、ストリング２６ａの効果的な閉塞を示し、流れ５２ａが流路幅－フィードチャネル幅Ｙ－の半分について遮断されることを可能にする。印刷スペーサ５０は、流体５２ｂがフィードチャネル高さＹの全高さで流れることを可能にする。明らかに、これは、エレメント１００（図１）のフィード端から拒絶端までの流れに対するより少ない抵抗及びより低い圧力降下を提供する、はるかにより大きな断面積の流路である。図５Ａ及び５Ｂは、メッシュスペーサにおける真の有効流れ５２ａと、高さを低くした印刷フィードスペーサエレメントにおける流れ５２ｃとを表している。両エレメントの流れ断面積は実質的に同じである。試験は、業界標準の４０インチ長さ×４インチ直径の膜エレメント、すなわち従来の２８ミルフィードスペーサメッシュを有する４０４０エレメントを用いて実施された。比較として、１３ミルの印刷スペーサエレメントでも流れ試験を実施し、エレメントのフィード端から拒絶端までの圧力降下を測定した。これらの試験では、流束と拒絶に関する性能データは収集しなかった。この試験の目的は、差圧を下げるための印刷スペーサの大きな利点を実証することであった。流量は４ガロン／分（ＧＰＭ）から２ＧＰＭ刻みで１８ＧＰＭまで試験され、エレメントのフィード端から拒絶端までの差圧を測定した。印刷スペーサのフィードチャネルの高さ（１３ミル）はメッシュスペーサエレメントの高さ（２８ミル）の半分未満であるにもかかわらず、エレメントのフィード端から拒絶端までの差圧は印刷スペーサエレメントの方が低かった。

【0032】

【表1】

【0033】

さらに、フィード流れの関数としての差圧は、以下のべき乗則として最もよく記述される。
差圧＝ａ＊フィード流れ＾ｂ
ここで、ｂはメッシュエレメントでは約１．４であり、印刷エレメントでは１である。これにより、フィード流量が増加するにつれて節約量が増加し、エネルギー損失が大幅に低減される。本発明の渦巻型エレメントは、好ましくは指数ｂが１．３５未満、より好ましくは１．２未満、さらにより好ましくは１．１未満、さらにより好ましくは約１である。

【0034】

１３ミルの印刷スペーサの高さを使用すると、４０インチ長さのエレメントに４０パーセント多い膜面積を組み込むことができる。直径４インチの２８ミルのメッシュスペーサエレメントは、中央管に巻かれた５枚のリーフを含み、最終的な外径は４インチ弱となる。高さ１３ミルの印刷スペーサエレメントでは、同じ長さのリーフ７枚を中央管に巻き付けても、４インチ弱の直径を維持することができる。印刷スペーサエレメントの追加された膜材料の表面積により、メッシュエレメントと印刷スペーサエレメントの両方に同じ膜シート材料を使用した場合、同じ運転条件下で透過液量が最大４０パーセント増加する。実際には、印刷スペーサ５０が膜シート３６に直接印刷され、活性表面積の３パーセントほどを閉塞しているという事実のため、４０パーセント増の表面積が上限となる。それでも、４０インチ長さの印刷スペーサエレメントにおいて、拒絶までの同じ圧力降下フィードで、メッシュスペーサエレメントと比較して、３７パーセント多い平方フィートの活性膜面積を利用することができる。これは、膜エレメントの面充填密度［エレメントの体積（ｉｎ３）あたりの活性面積（ｉｎ２）］として記載することができる。メッシュスペーサを使用した従来のエレメントの面充填密度は最大３１ｉｎ２／ｉｎ３であった。本発明の例示的な渦巻型エレメントは、３３ｉｎ２／ｉｎ３より高く、３５ｉｎ２／ｉｎ３より高く、さらに好ましくは３９ｉｎ２／ｉｎ３より高く、４１ｉｎ２／ｉｎ３より高く、４３ｉｎ２／ｉｎ３より高い面充填密度を達成することができる。

【0035】

図６は、印刷された活性膜表面２４の入口及び出口上の高密度エッジパターン４６を示す図である。この高密度エッジパターン４６は、巻き付け中に接着剤が透過液担体２２（図１）を通って流れるように押し付けられて膜シート２８（図１）の反対側の非活性表面と接着接触させられるように、糊付けライン３２（図１）が膜シート２８（図１）の裏面に押し付けられる間及びその後、膜エレメントのエッジを支持するために好ましい。入口及び出口エッジパターン４６の幅Ｗは、接着剤製造技術、接着剤の粘度、及び他の要因によって決定される幅Ｗを有する。手動の糊付け及び巻き付け技術を使用する４０インチ長さのエレメントでは、エッジパターン４６の幅Ｗは、典型的には、３～３．５インチ（７６～８９ｍｍ）である。Ｗの長さは、糊付けラインに圧力を供給し、パターンエリアを通してエレメントのトリミングが行われるのに十分な幅である必要があるが、この領域は、より大きな活性エリアの損失につながり、エレメントのフィード端から拒絶端までの圧力降下の増加につながるため、Ｗは最小化されるべきである。自動化された巻き付け及び糊付け技術を使用すると、印刷時（切断前）のエッジパターン４６の幅Ｗは、２．０インチ（５０．４ｍｍ）の幅に最小化することができるが、より好ましくは１．５インチ（３８．１ｍｍ）である。

【0036】

図７Ａ及び７Ｂは、透過液担体２２（図１）からの流体の流れを提供する穴１４を有する中央管１２の図である。より短い高さの印刷スペーサ特徴部５０（図３）により、より多くの膜エンベロープ４０（図２）が、従来のメッシュスペーサ２６（図１）で構成された任意の同等の外径エレメントで利用され得る。より多くの透過液が中央管１２に流れるにつれて、穴１４は、透過液担体２２の背圧を増加させることなく追加の透過液の流れを収容するために、直径がより大きいか、間隔がより近いかのいずれかでなければならない。１２インチ長さのエレメントでは、最大２倍の膜エンベロープ４０を中央管に巻き付けることができる。したがって、１２インチ長さのエレメントの場合の間隔密度は、透過水担体２２内の背圧の問題を避けるために、２対１に増やさなければならない。４０インチ長さのエレメントの場合、４０パーセント多いリーフを中央管１２に巻き付けることができる。その場合、従来のメッシュで製造されたエレメントの中央管の穴の数及び／又はサイズ（直径）に対して、穴１４の数を４０パーセント増やすか、穴１４の断面積を４０パーセント増やす必要がある。これは、大流量のウルトラフィルタ（ＵＦ）及びマイクロフィルタ（ＭＦ）渦巻型エレメントにとって特に重要である。

【0037】

図８は、渦巻型エレメント１００（図１）のフィード端１６（図１）から拒絶端１８（図１）までの流路が、スペーサ特徴部５０の形状により流路を最大化する本発明の実施形態を示す。一例として、印刷された膜３６が、膜３６に適用されたスペーサ特徴部５０とともに中央管１２の周りに巻かれるように、スペーサ特徴部５０は、例えば、台形の形状に、又はＳが頂部で、次に膜と接触している底部Ｒでより狭い特徴部５０の異なる幅を有する他の形状に形成され得る。これは、流体が通過するにつれて流路がより狭く長くなり、それによってより大きな差圧に寄与するエッジ特徴部４６（図６）にとって特に重要である。膜３６が中央管１２に巻き付けられると、スペーサ特徴部５０の側面が平行な壁Ｐを作り、流体が渦巻型エレメント１００（図１）に出入りするための、より開かれたフィード流路を提供するように、台形の頂部が接近する。巻き付け後の平行な壁の代替として、スペーサ特徴部５０の側壁及びエッジ特徴部４６（図６）は平行でなくてもよいが、フィードスペーサ経路が平行な壁を有する経路だけよりもより開かれるように、０度よりも大きい円弧を形成してもよい。より開かれた流路の正味の結果は、エレメントのフィード端から拒絶端までのより少ない圧力損失であり、それにより膜濾過プロセスのエネルギーが節約される。流れチャネル差圧特性を改善するために、折られた膜シート２８は、所与の特徴部５０に対して、幅Ｓによって記述されるその位置が、組み立てられた渦巻型エレメントにおいてそのＲによって記述される特徴部の側よりも中央管に近いような方法で配向され得ることが見出されている。

【0038】

本発明を様々な例示的実施形態に関連して記載してきた。上記の記載は、本発明の原理の適用を単に例示するものであり、その範囲は、本明細書に照らして見た特許請求の範囲によって決定されることが理解されよう。本発明の他の変形及び修正は、当業者には明らかであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】