JP2000117062A

JP2000117062A - 中空糸膜モジュ−ルおよび使用方法

Info

Publication number: JP2000117062A
Application number: JP10295217A
Authority: JP
Inventors: Masahide Taniguchi; 雅英谷口; Yoshinari Fujii; 能成藤井; Kenji Sakai; 憲司酒井
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2000-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高透過水量および高水質を長期にわたって安定
して得られる中空糸膜モジュールを得ること。【構成】複数の中空糸膜が容器の中に入れられた状態
で、両側の端部で接着固定された後、両方の端部を開口
させた中空糸膜モジュールであって、該中空糸膜の内側
に処理原水を流し透過水を中空糸膜の外側から得る方式
で使用される中空糸膜モジュールにおいて、接着固定さ
れていない中空糸膜部分における容器内側部分の横断面
積Ｓのうち、最も横断面積が小さな部分の面積をＳ１、
中空糸膜の外側と外部を連通させるための配管近傍にお
ける容器内側部分の横断面積をＳ２とするとき、Ｓ２が
Ｓ１よりも実質的に大きくなっていることを特徴とする
中空糸膜モジュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空糸膜モジュー
ルおよびその使用方法に関するものであり、詳しくは、
中空糸膜の内側に処理原水を流し、中空糸膜の内側から
透過水を得る方式の「内圧式」中空糸膜モジュールおよ
びその使用方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高分子膜を用いた分離操作が盛ん
に行われるようになってきている。なかでも、水処理へ
の展開は、めざましいものがあり、超純水の製造や海
水，灌水淡水化に用いられる逆浸透法の技術は、多くの
実績が得られており、今後も展開が期待される。さら
に、最近では、サブミクロンオーダーの分離を行う精密
濾過法や限外濾過法の展開が進められており、これらで
は、家庭用浄水器をはじめ、生活廃水処理，上水製造，
工業用水製造，食品産業等、多岐にわたって展開されつ
つある。特に、分離膜を用いることによって大腸菌など
を完全に阻止でき、安定した処理水質を維持することが
可能であることから、浄水場における飲料水製造にも積
極的な展開がはかられつつある。なお、分離膜の形態と
しては、平膜積層型，スパイラル型，チューブラー型，
中空糸膜型などが挙げられるが、とくに、飲料水製造に
おける精密濾過法／限外濾過法では、処理量が多いた
め、単位容積当たりの有効膜面積が大きくとれる中空糸
膜が用いられるのが一般的になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、分離膜は、処
理効率を上げるため膜厚をなるべく薄くして透過抵抗を
小さくする方策を採っている。これにより、従来より行
われている、砂濾過法や凝集沈殿法などと比べて非常に
高効率でコンパクトなシステムを提供することが可能と
なった。しかし、膜が損傷すると、その透過抵抗が小さ
いことが災いし、損傷した箇所を通して従来法では起こ
りにくかった処理原水の漏出が起こってしまい、透過水
質が大きく低下していた。これは、特に飲料水製造にお
いては、前述の大腸菌などが透過水に混入することにも
なり、非常に大きな問題となっていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、「容器の中に
おいて、複数の中空糸膜が、中空糸膜の両方の端部が開
口しつつ２カ所の接着固定部によって容器に液密に固定
され、容器が中空糸の接着固定されていない部分の外側
の空間に連通するように開口した配管６を有し、中空糸
膜の内側に処理原水を流し透過水を中空糸膜の外側から
得る方式で使用されるための中空糸膜モジュールであっ
て、容器が下記で定義される面積Ｓ２が面積Ｓ１よりも
大きい構造を有することを特徴とする中空糸膜モジュー
ル。Ｓ１：接着固定されていない中空糸膜部分における容器
内側部分の横断面積のうち、最も横断面積が小さな部分
の面積Ｓ２：配管６近傍における容器内側部分の横断面積」、
「前記中空糸膜モジュールの中空糸膜の内側に処理原水
を供給し、透過水を中空糸膜を通じて、配管６から得る
ことを特徴とする水の処理方法。」ならびに「中空糸膜
モジュールに対し、気体または液体を該中空糸膜の外側
から内側へ流すことにより、中空糸膜に蓄積した物質を
除去することを特徴とするの中空糸膜モジュールの洗浄
方法。」を提供するものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る中空糸膜モジ
ュールの一例を図１に示す。また、併せて、従来の中空
糸膜モジュールの一例を図２に示す。このモジュール形
状は、処理原水を中空糸膜の内側に流し、透過水を中空
糸膜の外側から得る方式、すなわち「内圧式」で使用さ
れるものである。このモジュールでは、原水供給配管５
から供給し、正常な状態では、処理原水中の汚れは、中
空糸膜の内表面で阻止され、中空糸膜外部には、膜を透
過してきた透過水（清浄水）が流れ、透過水側配管６か
ら取り出されることになる。ここで、万一、中空糸膜が
損傷した場合、処理原水が損傷した中空糸膜から透過水
側へ流れ込み、透過水の水質が低下してしまうことにな
る。

【０００６】本発明者らは、この点に関し鋭意検討を重
ね、次の結果を得た。内圧式中空糸膜モジュールは、中
空糸膜内表面に汚れを蓄積させながら中空糸膜内側から
清浄な透過水を得るものであるため、中空糸膜内表面の
定常的もしくは定期的な洗浄が必要とされる。中空糸膜
内表面を洗浄する一般的な方法としては、透過水やエア
ーなどの流体を透過側から加圧して中空糸膜内側で剥離
除去するいわゆる「逆洗」が挙げられる。ここで、逆洗
を行うにあたり、モジュール容器内部（中空糸膜外側）
に逆洗流体を供給しなければならないが、この際、透過
水側配管６から供給された逆洗流体は、中空糸膜にせん
断力を与えるため、中空糸膜を損傷しやすいことが判っ
た。通常の濾過運転の際にも、透過水が透過水側配管６
から排出される際に、逆洗とは反対方向のせん断力が中
空糸膜にかかるため、同様に損傷しやすい。ただし、逆
洗は、通常の運転よりも大きな圧力で行うのが一般的で
あるため、逆洗の際に中空糸膜が損傷する確率が高い。
このせん断力は、逆洗流体の流速に比例して大きくなる
ため、配管からモジュール内導入された逆洗流体は、な
るべく流速を低く抑えるべきである。逆洗流体の流速を
下げる最も簡便な方法は、図３のように容器の横断面積
を大きくすればよいが、この方法では、必要とする逆洗
流体が多量に必要となったり、偏流を起こしやすいた
め、中空糸膜全体の均一な逆洗ができない場合が生じる
という問題点を有していることが判明した。このように
中空糸膜の洗浄回復性が高く、かつ損傷しない（すなわ
ち中空糸膜に逆洗圧力を均等にかけることができ、中空
糸膜にせん断力をなるべく与えない）という要求を両者
ともに満足させるものとして、本発明を考案するに至っ
た。

【０００７】すなわち、接着固定されていない中空糸膜
部分における容器内側部分の横断面積Ｓのうち、中空糸
膜が損傷しやすい透過水出口や逆洗流体の供給配管の近
傍では、容器内部の横断面積Ｓ２をその他の部分の横断
面積Ｓ１よりも大きくすることにより、濾過運転時や洗
浄時における中空糸膜の損傷を防ぐことができつつ、中
空糸膜外側での偏流を防止することが可能となる。

【０００８】また、前述したように、原水給排水用配
管，給排水に伴うモジュール内部の排気・吸気やモジュ
ール内原水のオーバーフローを目的とした配管５は、モ
ジュールの中空糸膜端部近傍に備えられるため、非常に
中空糸膜に損傷を与えやすく、本発明を適用することに
よって、とくに、中空糸膜モジュールを縦方向に配置し
て使用する場合、モジュール上部の中空糸膜の接着固定
部分における配管近傍の中空糸膜の損傷を著しく改善す
ることが可能となる。

【０００９】ここで、Ｓ１とＳ２に関しては、それぞれ
の位置における膜面流速が制御される必要があり、この
ために本発明者らが鋭意検討を行った結果、中空糸膜の
外径基準の総断面積をＳ３とするとき、１．２≦(Ｓ２
−Ｓ３)／（Ｓ１−Ｓ３）≦１０とすることにより本発
明の目的を効果的に発現することが可能であることが判
明した。さらに検討の結果、さらに望ましい範囲として
は、１．５≦(Ｓ２−Ｓ３)／（Ｓ１−Ｓ３）≦５．０に
することにより、本発明の効果を高く発揮できる。

【００１０】さらに、膜面に蓄積した汚れの洗浄性に着
目した場合、洗浄力を十分に得るためには、Ｓ３／Ｓ１
≧０．４であることが望ましいが、Ｓ１に対してＳ３が
小さすぎると、膜面の原水流速が高くなりすぎて原水中
の一部の汚れ物質により膜面が傷つくため好ましくな
い。したがって、これらを考え合わせると０．４≦Ｓ３
／Ｓ１≦０．６とすることにより本発明により適した中
空糸膜モジュールとすることが可能となる。一方、中空
糸膜の接着固定部の損傷に着目した場合、損傷を防ぐた
めには、Ｓ３／Ｓ２≦０．４であることが望ましいが、
モジュール内に充填する中空糸膜の数があまり少ないと
体積効率が低下するため、この点を考慮すると、０．２
≦Ｓ３／Ｓ２≦０．４が望ましい。

【００１１】また、横断面積がＳ２となっている部分
は、配管の近傍に設ける必要があるが、配管自体の取り
付け位置としては、容器内部における滞留を防止すると
いう点からして、中空糸膜の接着固定部の近傍であるこ
とが望ましい。具体的には、配管の接着固定部からの長
さの最短距離をＬ１とするとき、中空糸膜の有効長Ｌに
対して、０≦Ｌ１／Ｌ≦０．２とすることが望ましい。

【００１２】また、横断面積がＳ１になっている部分と
Ｓ２になっている部分の境目については特に限定される
ものではないが、同様に滞留を防止するという観点や乱
流による中空糸膜の乱れを防止するという観点からする
と、図１に例示するほかに、図４に示すように、Ｓ１部
分とＳ２部分の境目がテーパー状になっているような形
状の方がより好ましい。

【００１３】さらに、透過水側配管６の数は、特に限定
されるものではないが、図５に例示するように、２つ以
上備えることによって透過水の排出や逆洗流体の給排出
を別のラインから行えたり、給排水の際にスムーズに行
いやすいなどの利点がある。ただし、あまり配管を多く
接続すると、中空糸膜を損傷する可能性の高い部位が増
えることになり、あまり好ましくない。具体的には、１
〜３カ所が適当である。

【００１４】なお、本発明を適用するには、Ｓ１となっ
ている長さがある程度長く存在する方が効果を発現しや
すいことから、Ｓ２となっている部分の長さは１００ｍ
ｍ以下にすることが望ましく、中空糸膜の有効長Ｌとし
ては、５００ｍｍ以上であることが望ましい。

【００１５】ところで、本発明を適用する中空糸膜モジ
ュールは、一般的には、中空糸膜と中空糸膜の間、およ
び中空糸膜とモジュール容器の間を気密にシール（ポッ
ティング）して開口させた形状をとる。これによって、
中空糸膜の外部と内部を中空糸膜自体によって隔離し、
膜を通して分離処理を行うことができる。また、これら
のモジュールの使用法としては、先にも述べたように中
空糸膜の内側に原水を流し、外側から透過水を得られる
「内圧式」にすることで、本発明の効果を発揮させるこ
とができる。この場合、中空糸膜外部を流れる透過水や
逆洗流体を排出したり導入したりするための配管を少な
くとも一つ接続させる必要があることは、これまで述べ
てきたとおりである。このジュールでは、供給した原水
をすべて膜から透過させる「全濾過」運転ができるとと
もに、原水の一部を膜から透過させて残りを膜を通さず
に排出する「クロスフロー」運転が可能である。「全濾
過」運転では、中空糸膜内部で蓄積した汚れが、中空糸
膜の内側に蓄積して中空糸膜内側流路を閉塞してしまう
場合があるため、比較的清浄な原水では使用可能である
が、それ以外の場合は、「クロスフロー」運転で行うの
が一般的である。

【００１６】本発明において対象となる中空糸膜として
は特に限定されるものではないが、本発明に係る原水の
漏れ込みによる透過水質低下の問題は、十分な強度を付
与することが困難で、揺動による材料の疲労による損傷
も生じやすいことから、高分子膜を用いた中空糸膜への
適用が効果的である。高分子膜としては、均質中空糸
膜、多孔質中空糸膜、複合中空糸膜などが挙げられる
が、特に限定はない。これらの中空糸膜の具体例とし
て、ポリアクリロニトリル多孔質中空糸膜、ポリイミド
多孔質中空糸膜、ポリエーテルスルホン多孔質中空糸
膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質中空糸
膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質中空糸膜、ポリ
プロピレン多孔質中空糸膜、ポリエチレン多孔質中空糸
膜等の多孔質中空糸膜や、これら多孔質中空糸膜に機能
層としては架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポリア
クリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラバ
ー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複合
中空糸膜や架橋型シリコーンチューブなどの均質中空糸
膜を挙げることができる。中空糸膜の内径，外径として
も特に制限されるものではなく、１ｍｍ以下の内径を有
するものから数ｍｍ以上の内径を有するものでも適用可
能である。

【００１７】また、本発明に適用する中空糸膜の内径に
関しても特に限定すべきものではないが、内径が大きい
ものは、概して中空糸膜が損傷しにくく、また、内径が
小さなものは、損傷時の原水の漏れ込みの程度が比較的
小さいことから考え合わせると。該中空糸膜の内径が３
５０μｍ以上で１０００μｍ以下が望ましく、とくに５
５０μｍ以下である場合には、本発明の効果が発現され
やすく非常に適している。

【００１８】中空糸膜を接着固定する方法としては、一
般に、ポッティングと呼ばれる方法で行われる。ポッテ
ィングは、接着剤を中空糸膜の間および内部へ浸透させ
るにあたり静置状態で行う方法「静置法」と遠心力を用
いて浸透させる方法「遠心法」があるが、特に限定され
るものではない。また、ポッティングに用いる接着剤
は、特に限定されないが、ウレタン系の接着剤やエポキ
シ系の接着剤などが一般的に用いられる。さらに、中空
糸膜同士を融着させる方法を採ることも可能である。

【００１９】

【実施例】以下実施例をもってもって本発明をさらに具
体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定され
るものではない。

【００２０】＜実施例１＞ポリアクリロニトリルを素材
とする平均細孔径０．０１μｍ，外径６８０μｍ，内径
４００μｍ，長さ７００ｍｍの多孔質中空糸膜７４００
本の束を図５に示す肉厚７ｍｍのアクリル製の容器に挿
入して、中空糸端部のポッティング部分にポッティング
材が入り目詰まりを起こさないように、ウレタン接着剤
（日本ポリウレタン社製）により目止め接着した。次
に、同じ接着剤を用いて両端部のポッティングを行った
後、ポッティングによる中空糸膜の接着固定部の長さが
５０ｍｍとなるように両端部を切断し、中空糸膜内部を
開口させた。さらに、開口させたポッティング部分に集
水具を取り付け、図５に示すような中空糸膜有効長さ５
００ｍｍ，中空糸膜全長６００ｍｍの内圧式中空糸膜モ
ジュールを作製した。このモジュールは、Ｓ１＝５０．
３ｃｍ２，Ｓ２＝７８．５ｃｍ２，Ｓ３＝２６．９ｃｍ
２、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝５０ｍｍ、Ｌ＝５００ｍｍで
ある。

【００２１】このようにして得られたモジュールを濁度
が約２０ｐｐｍ，水温約２５℃の原水を用いて、濾過流
量を１．０ｍ／日として内圧式クロスフロー濾過法で定
量濾過運転試験を行った。このとき、原水は、原水入口
配管５から供給し、原水出口配管４から排出した。ま
た、濾過運転を１ｈ行う毎に濾過運転を中断して透過水
側配管６から透過水を逆流させ、圧力２ｋｇｆ／ｃｍ２
で１分間の加圧逆洗を行った。その後、原水側を加圧し
て濾過運転を行うという方法で、反復濾過運転試験を行
った。

【００２２】運転の結果を、図９に示す。濾過運転差圧
（原水側の圧力−透過側の圧力）の上昇は低く抑えら
れ、また、１０００時間運転経過後に損傷した中空糸膜
はなかった。

【００２３】比較例１図７に示すような、中空糸膜束を内径１００ｍｍの容器
に挿入する他は、実施例１と同様の中空糸膜モジュール
を作製した。

【００２４】このようにして得られたモジュールを実施
例１と同様の方法で運転試験を行ったところ、図９に示
すように濾過運転差圧の増加速度は実施例１に比べて大
きかった。また、１０００時間運転経過後に損傷した中
空糸膜はなかった。

【００２５】比較例２図８に示すような、中空糸膜束を内径８０ｍｍの容器に
挿入する他は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを
作製した。

【００２６】このようにして得られたモジュールを実施
例１と同様の方法で運転試験を行ったところ、図９に示
すように濾過運転差圧の増加速度は実施例１と同程度で
あったが、１０００時間運転経過後に６本の中空糸膜が
透過水側配管６付近で切断していた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の中空糸膜
モジュールにより、中空糸膜の洗浄回復性が高く、かつ
中空糸膜が損傷しにくい高性能な中空糸膜モジュールを
提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る、中空糸膜モジュールの一例の側
断面図である。

【図２】従来の、中空糸膜モジュールの一例の側断面図
である。

【図３】従来の、中空糸膜モジュールの一例の側断面図
である。

【図４】本発明に係る、中空糸膜モジュールの他の一例
を示す側断面図である。

【図５】本発明に係る、中空糸膜モジュールの他の一例
を示す側断面図である。

【図６】本発明に係る、実施例に用いた中空糸膜モジュ
ールの容器の側断面寸法図である。

【図７】比較例１に用いた中空糸膜モジュールの容器の
側断面寸法図である。

【図８】比較例２に用いた中空糸膜モジュールの容器の
側断面寸法図である。

【図９】実施例と比較例の中空糸膜モジュールの運転試
験結果である。

【符号の説明】

１：中空糸膜２：接着固定部分３：シール材４：配管（原水出口用）５：配管（原水入口用）６：配管（透過水側）７：容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA06 GA07 HA02 JA02B JA25B JA25C KC03 KC13 KE02P KE06P KE12P KE28Q MA01 MA06 MA33 MC22 MC23 MC30 MC39X MC58 MC61 MC63 MC65 MC68

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器の中において、複数の中空糸膜が、中
空糸膜の両方の端部が開口しつつ２カ所の接着固定部に
よって容器に液密に固定され、容器が中空糸の接着固定
されていない部分の外側の空間に連通するように開口し
た配管６を有し、中空糸膜の内側に処理原水を流し透過
水を中空糸膜の外側から得る方式で使用されるための中
空糸膜モジュールであって、容器が下記で定義される面
積Ｓ２が面積Ｓ１よりも大きい構造を有することを特徴
とする中空糸膜モジュール。Ｓ１：接着固定されていない中空糸膜部分における容器
内側部分の横断面積のうち、最も横断面積が小さな部分
の面積Ｓ２：配管６近傍における容器内側部分の横断面積
【請求項２】中空糸膜の外径基準の総断面積をＳ３とす
るとき１．２≦（Ｓ２−Ｓ３）／（Ｓ１−Ｓ３）≦１
０．０を満たすことを特徴とする請求項１記載の中空糸
膜モジュール。
【請求項３】０．４≦Ｓ３／Ｓ１≦０．６を満たすこと
を特徴とする請求項１または２記載の中空糸膜モジュー
ル。
【請求項４】０．２≦Ｓ３／Ｓ２≦０．４を満たすこと
を特徴とする請求項１〜３いずれか２記載の中空糸膜モ
ジュール。
【請求項５】配管６と中空糸膜接着固定部の最短距離を
Ｌ１，中空糸膜の有効長さをＬとするとき、０≦Ｌ１／
Ｌ≦０．２を満たすことを特徴とする請求項１〜４いず
れか記載の中空糸膜モジュール。
【請求項６】該中空糸膜の有効長が５００ｍｍ以上であ
ることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の中
空糸膜モジュール。
【請求項７】請求項１〜６いずれかの中空糸膜モジュー
ルの中空糸膜の内側に処理原水を供給し、透過水を中空
糸膜を通じて、配管６から得ることを特徴とする水の処
理方法。
【請求項８】処理原水の一部を中空糸膜の内側から外側
へ透過させ、残りを中空糸膜モジュールの外部へ排出す
ることを特徴とする請求項７記載の水の処理方法。
【請求項９】請求項１〜６いずれかの中空糸膜モジュー
ルに対し、気体または液体を該中空糸膜の外側から内側
へ流すことにより、中空糸膜に蓄積した物質を除去する
ことを特徴とするの中空糸膜モジュールの洗浄方法。