JP2001321766A - ろ過膜エレメントおよび透過水の製造方法 - Google Patents

ろ過膜エレメントおよび透過水の製造方法

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JP2001321766A JP2000141793A JP2000141793A JP2001321766A JP 2001321766 A JP2001321766 A JP 2001321766A JP 2000141793 A JP2000141793 A JP 2000141793A JP 2000141793 A JP2000141793 A JP 2000141793A JP 2001321766 A JP2001321766 A JP 2001321766A
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filtration membrane
flow path
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Kenji Sakai
憲司 酒井
Masahide Taniguchi
雅英 谷口
Kazuhiko Nishimura
和彦 西村
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Toray Industries Inc
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Activated Sludge Processes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】中空糸膜タイプのろ過膜エレメントと比較し
て、単位容積当りの膜面積を大きく取れない平膜タイプ
のろ過膜エレメントの、単位膜面積当りの処理量を増加
させ、大量処理を可能とする平膜タイプのろ過膜エレメ
ントを提供する。 【解決手段】支持板の両面に流路材を配し、該流路材の
上に液体中の不純物を除去する液体分離膜を配したろ過
膜エレメントにおいて、前記流体分離膜の純水透過係数
が5×10-93 /m2 ・Pa・s以上であるととも
に、前記流路材が配された前記支持板と前記流体分離膜
との間隙を透過水取出口方向に透過水が流れるとき、次
式で定義される係数bがb0 ≦b≦1.2b0 となる流
路材を使用してなることを特徴とするろ過膜エレメン
ト。ΔP=10b u・L b0 =log10(48η/d2 )ただし、u:透過水流
路断面積あたりの流量(m/s)ΔP:圧力損失(P
a)L:透過水取水口方向長さ(m)η:粘度(m・P
a・s)d:透過水流路直径(m)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、廃水処理などに利
用する膜式処理装置のろ過膜エレメントおよび透過水の
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】膜分離法は、省エネルギー、省スペー
ス、省力化および製品の品質向上などの特徴を有するた
め、適用分野を拡大しながら普及している技術である。
膜分離法には、逆浸透、限外ろ過、精密ろ過、ガス分
離、血液浄化、およびパーベーパレーションなどの方法
がある。また、ろ過膜の形態には、中空糸膜、平膜、お
よび管状膜などがあり、上記の各分離対象物の性質や特
徴に応じて使い分けられている。
【0003】従来、精密ろ過の分野では、小型のディス
クフィルターや平膜プリーツ型カートリッジフィルター
として比較的少量の処理の、かつ比較的清澄な水溶液を
分離・ろ過する目的のものが使用されてきている。ま
た、限外ろ過の分野では、超純水の製造や食品製造およ
び清涼飲料の製造などに平膜ろ過装置や中空糸型膜モジ
ュールが使用されてきた。
【0004】しかし、最近では環境保全の観点から、廃
水処理にも膜分離技術を適用しようとする研究が進めら
れている。
【0005】廃水処理では、多くの場合、沈殿による固
液分離を伴うため、その代替として膜分離技術が実施で
きれば、高品位な処理水が得られるだけでなく、広大な
沈殿池の省略あるいは縮小ができ、スペースメリットが
非常に大きい。廃水処理では、活性汚泥と呼ばれる微生
物により、廃水中の有機物を分解した後に、フロック化
した汚泥と処理水を分離する活性汚泥処理プロセスが広
く用いられている。
【0006】活性汚泥処理プロセスでは、処理効率を上
げるために、活性汚泥を高濃度化すると分解処理が進む
一方で、後段の沈殿池において汚泥の沈降性不良を生じ
る場合があり、水質の悪化を防止するための管理作業が
煩雑であった。
【0007】この汚泥と処理水との固液分離に膜分離技
術を利用することで、高濃度活性汚泥処理を行った場合
にも水質の悪化を伴わず、さらに沈殿池を省略でき非常
に省スペースとなる。
【0008】以上のような点から、近年、水槽内にろ過
膜モジュールを浸漬してモジュールの透過側をポンプで
吸引、あるいはサイホンなどのように水位差を利用して
処理水を得る、浸漬タイプのろ過膜モジュールの研究が
行われている。活性汚泥処理では通常、好気性の微生物
を飼育するための曝気が行われており、この浸漬タイプ
は膜面を曝気により水槽内に形成される旋回流を利用し
て、汚れをかきとりながら固液分離を行うことができ非
常に低コストで運転が可能である。
【0009】現在、浸漬タイプのろ過膜モジュールとし
て、特開平7−136470号公報で提案されているよ
うな中空糸膜エレメントや、特開平11−33369号
公報で提案されているような平膜エレメントを複数設置
したものが開発されている。中空糸膜エレメントは、単
位容積当りの膜面積を大きく取れるため大量処理が可能
である反面、汚泥がエレメントに付着、堆積しやすく、
耐久性の面で問題がある。それに対して平膜エレメント
は、汚泥の付着、堆積が少ない反面、膜面積を大きく取
れないといった問題がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、単位
容積当りの膜面積を大きく取れない平膜タイプのろ過膜
エレメントのデメリットを解消するために、単位膜面積
当りの処理量を増加させ、大量処理を可能とする平膜タ
イプのろ過膜エレメントおよび透過水の製造方法を提供
することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、以下に述べる構成からなる。すなわ
ち、 (1)支持板の両面に流路材を配し、該流路材の上に液
体中の不純物を除去する液体分離膜を配したろ過膜エレ
メントにおいて、前記流体分離膜の純水透過係数が5×
10-93 /m2 ・Pa・s以上であるとともに、前記
流路材が配された前記支持板と前記流体分離膜との間隙
を透過水取出口方向に透過水が流れるとき、次式で定義
される係数bがb0 ≦b≦1.2b0 となる流路材を使
用してなることを特徴とするろ過膜エレメント。
【0012】ΔP=10b u・L b0 =log10(48η/d2 ) ただし、u:透過水流路断面積あたりの流量(m/s) ΔP:圧力損失(Pa) L:透過水取水口方向長さ(m) η:粘度(m・Pa・s) d:透過水流路直径(m) (2)前記流体分離膜が多孔質からなり、該多孔質材の
実質的な細孔径が0.05μm以上であることを特徴と
する前記(1)記載のろ過膜エレメント。
【0013】(3)前記流路材の透過水取出口方向の長
さが0.5m以上であることを特徴とする前記(1)ま
たは(2)に記載のろ過膜エレメント。
【0014】(4)前記(1)〜(3)のいずれかに記
載のろ過膜エレメントを被処理液中に浸漬し、膜エレメ
ントの内側から流路材を通じて透過水を得ることを特徴
とする透過水の製造方法。
【0015】(5)被処理液濃度が1000mg/リッ
トル以上であることを特徴とする前記(4)に記載の透
過水の製造方法。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施例に基づい
て本発明をさらに詳しく説明する。
【0017】図1は本発明のろ過膜エレメントの一例を
示した斜視図であり、図2は、図1のA-A‘断面を示
した模式図である。
【0018】本発明のろ過膜エレメントは、支持板3の
両面に流路材2を配し、その上に平膜状の流体分離膜1
を配しているもの、から基本的に構成される。
【0019】従来から使用されているろ過膜エレメント
での流体の流れの一例を図1を用いて示すと、流体分離
膜1の外表面に被処理液を接触させ、この流体分離膜1
の外表面から内表面へろ過が行われ、ろ過された透過水
は、流体分離膜1と支持板3との間に配された流路材2
の中に導かれ、その後、流路材2中の空隙を通りながら
透過水取水口5方向へ流れて行き、透過水取水口5から
エレメント外へ排出されるもの、が挙げられる。
【0020】しかし、このような構造でのろ過膜モジュ
ールでは、透過水が流路材2中の空隙を通る際、流路材
2が流動抵抗となるため、結果的にろ過膜エレメントか
ら得られる透過水量が非常に少なくなるという問題があ
った。その反面、流路材2がない場合には、流体分離膜
1の外表面から内表面へろ過を実施すると流体分離膜1
が支持板3に貼りつくという現象が起き、流体分離膜1
でろ過されたろ過水の透過水取水口5までの流路がなく
なるという問題がある。そこで、透過水流動時の流動抵
抗が低く、結果として単位膜面積当りでより多くの透過
水が得られるろ過膜エレメントを開発すべく鋭意検討を
行った結果、本発明を見出したものである。
【0021】以下に本発明の平膜タイプのろ過膜エレメ
ントの詳細について示す。
【0022】本発明においては、基本的に流体分離膜1
と流路材2を図1の順に支持材3の両面に配した構造で
あれば、その形状は特に限定されるものではない。例え
ば、流路材2の一部を支持板3に固定した構造や流路材
2の一部を流体分離膜1の一部に接着するなどの構造、
また流体分離膜1でろ過膜エレメント内へろ過された透
過水がろ過膜エレメント外へ排出されるような透過水取
水口5が設置されているような構造であってもよい。
【0023】本発明においては、流路材2が配された、
支持板3と流体分離膜1との間隙を透過水取水口5の方
向に透過水が流れるとき、次式で定義される係数bがb
0 ≦b≦1.2b0 となる該流路材を使用してなるのが
好ましい。
【0024】ΔP=10b u・L b0 =log10(48η/d2 ) ここで、uは透過水流路断面積あたりの流量(m/s)
を、ΔPは圧力損失(Pa)を、Lは透過水取水口方向
長さ(m)を、ηは粘度(m・Pa・s)を、dは透過
水流路直径(m)を表している。
【0025】透過水流路断面積あたりの流量u(m/
s)の透過水流路断面積とは、流体分離膜1と支持板3
との間隙の断面積で、透過水取水口5方向と垂直方向の
断面積を示し、uはこの単位断面積を単位時間で通過す
る流量を示す。ΔPは透過水流路断面積あたりの流量u
が通過した際の圧力損失を、Lは透過水流路の透過水取
水口5方向の長さを、ηは透過水の粘度を、dは透過水
流路の透過水取水口5方向の直径を示す。
【0026】図3は、ろ過膜エレメントの透過水取水口
5方向に対し、垂直方向の断面を示した図2の片面の流
路材2周辺を拡大した模式図である。図3に示すように
透過水流路は一般に矩形であり、また透過水流路中に流
路材2があるため本発明においては、dを次式のような
相当直径で定義している。
【0027】 d=4×(透過水流路断面積)/(透過水流路濡れ幅) 図2、図3を例にとると、透過水流路断面積は、流体分
離膜1と支持板3で囲まれた部分、つまり流路材2が占
有する空間の断面積から流路材2を構成する繊維状物4
の総断面積を引いたものであり、また透過水流路濡れ幅
は、その断面における流体分離膜1と支持板3で囲まれ
た部分、つまり流路材2が占有する空間の4辺の長さと
各繊維状物4の辺の長さを加算したものである。図3に
おいては、流体分離膜1と支持板3で囲まれた空間の白
抜き部分の断面積および総辺長が、それぞれ透過水流路
断面積および透過水流路濡れ幅に相当する。上記におい
て係数bがb0 ≦b≦1.2b0 となるような流路材を
使用することにより、透過水が流動する際の流動抵抗を
少なくし、ろ過膜エレメントからの透過水取水量を増加
させることができる。
【0028】流路材2を構成する繊維状物4としては本
発明における条件を満たすものであれば特に限定される
ものではなく、ネット形状物、合成繊維の織布、不織
布、などを便宜選択することができる。また流路材2の
材質についても特に限定されるものではなく、種々の材
質を便宜選択できる。
【0029】また流路材2の透過水取水口5方向の長さ
は特に限定されないが、本発明の効果は、流路材2が透
過水取水口5方向に長くなるに従い大きくなるため、好
ましくは透過水取水口5方向の長さLが0.5m以上で
あるのがよい。
【0030】流体分離膜1の材質としては特に限定され
るものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポ
リスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコ
ール、セルロースアセテート、ポリアクリロニトリル、
塩素化ポリエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリビニル
フルオライド、その他の材質を便宜選択することができ
る。また流体分離膜1の構造についても多孔質であれば
特に限定するものではない。流体分離膜1表面の細孔径
についても特に限定されないが、JIS K3832で
定められるバブルポイント試験方法で表される細孔径が
0.01μm以上のものが好ましく使用できる。さらに
好ましくは、0.05μm以上であるのがよい。
【0031】流体分離膜1の純水透過係数についても特
に限定されず、便宜選択して使用することができる。好
ましくは、純水透過係数が5×10-93 /m2 ・Pa
・s以上であるとき本発明の効果が大きくなるため、好
ましく使用できる。
【0032】支持板3の構造に関しては、流体分離膜
1、流路材2、を固定できる形状であれば特に限定され
るものではない。例えば、支持板3の外周の一部に透過
水をろ過膜エレメント外へ排出するための流体分離膜1
および支持板3との間隙に連通した透過水取水口5を設
置したような構造でもよい。
【0033】支持板3の材質については、ろ過膜エレメ
ントの形状を保持することができる程度の剛性を持つも
のであれば特に限定されず、ABS樹脂、塩化ビニル、
ポリカーボネート、金属類、その他の材質を便宜選択す
ることができる。
【0034】本発明におけるろ過膜エレメントは、被処
理液中に浸漬し、ろ過膜エレメントの内側から流路材2
を通じて透過水を得る透過水の製造方法により、大きな
効果を得ることができる。この透過水製造方法の場合、
ろ過膜エレメントの内側は外側よりも低圧になるため
に、流体分離膜1および流路材2が支持材3の表面に押
し付けられる状態になるため、通常、透過水の流路とな
る流体分離膜1と支持材3との間隙が小さくなるが、本
発明のようにb0 ≦b≦1.2b0 を満たすような流路
材2を使用することにより透過水流動時の流動抵抗の少
ない流路を確保することができ、単位容積当りの処理量
を増加させることができる。
【0035】また、本発明のろ過膜エレメントは、濃度
が1000mg/リットル以上の被処理液中に浸漬して
使用するのが好ましい。本発明のように平板状のろ過膜
エレメントであることによって、被処理水の濃度が高い
被処理水中に浸漬した場合でも、被処理液をエアーなど
で乱流状態にすることによりろ過膜エレメントへの濁質
の付着を少なくすることができる。
【0036】
【実施例】実施例 長さ500mm×幅160mmの2枚の板の間に長さ5
00mm×幅160mm×厚み0.6mmで格子径30
0μmのネットを挟みこみ、幅方向への流体の漏れがな
いように目止めし、長さ500mm×幅160mm×厚
み0.6mmの薄層流路にネットが装填された状態の実
験装置を製作した。この薄層流路にu=0.1(m/
s)となるように純水を流し、そのときのΔPを測定し
てbの値を計算した結果、1.07b0 となった。
【0037】次に、高さ550mm×幅550mm×厚
み6mmの板状部材の両面外周に幅25mm、厚み0.
6mmのフレームを取りつけ、透過水をろ過膜エレメン
ト外へ排出する透過水取水口を設置してなる支持板の両
面に、このネットを流路材として高さ500mm×幅5
00mm×厚み0.6mmで貼りつけ、さらにその上に
純水透過係数25×10-93 /m2 ・Pa・s・25
℃の流体分離膜を設置することで、流体分離膜のろ過有
効部分が高さ500mm×幅500mm、のろ過膜エレ
メントを製作した。
【0038】このろ過膜エレメントを超純水を貯留した
水槽内に浸漬し、透過水取水口から1mのサイホンを取
ることでろ過を行った。このときの透過水の水量を測定
したところ、純水透過係数は9.5×10-93 /m2
・Pa・s・25℃であった。 比較例1 長さ500mm×幅160mmの2枚の板の間に長さ5
00mm×幅160mm×厚み0.6mmで格子径10
0μmのトリコットを挟みこみ、幅方向への流体の漏れ
がないように目止めし、長さ500mm×幅160mm
×厚み0.6mmの薄層流路にトリコットが装填された
状態の実験装置を製作した。この薄層流路にu=0.1
(m/s)となるように純水を流し、そのときのΔPを
測定してbの値を計算した結果、1.27b0 となっ
た。
【0039】次に、高さ550mm×幅550mm×厚
み6mmの板状部材の両面外周に幅25mm、厚み0.
6mmのフレームを取りつけ、透過水をろ過膜エレメン
ト外へ排出する透過水取水口を設置してなる支持板の両
面に、このトリコットを流路材として高さ500mm×
幅500mm×厚み0.6mmで貼りつけ、さらにその
上に純水透過係数25×10-93 /m2 ・Pa・s・
25℃の流体分離膜を設置することで、流体分離膜のろ
過有効部分が高さ500mm×幅500mm、のろ過膜
エレメントを製作した。
【0040】このろ過膜エレメントを超純水を貯留した
水槽内に浸漬し、透過水取水口から1mのサイホンを取
ることでろ過を行った。このときの透過水の水量を測定
したところ、純水透過係数は8.5×10-93 /m2
・Pa・s・25℃であった。 比較例2 長さ500mm×幅160mmの2枚の板の間に長さ5
00mm×幅160mm×厚み0.6mmで格子径50
μmのトリコットを挟みこみ、幅方向への流体の漏れが
ないように目止めし、長さ500mm×幅160mm×
厚み0.6mmの薄層流路にトリコットが装填された状
態の実験装置を製作した。この薄層流路にu=0.1
(m/s)となるように純水を流し、そのときのΔPを
測定してbの値を計算した結果、1.35b0 となっ
た。
【0041】次に、高さ550mm×幅550mm×厚
み6mmの板状部材の両面外周に幅25mm、厚み0.
6mmのフレームを取りつけ、透過水をろ過膜エレメン
ト外へ排出する透過水取水口を設置してなる支持板の両
面に、このトリコットを流路材として高さ500mm×
幅500mm×厚み0.6mmで貼りつけ、さらにその
上に純水透過係数25×10-93 /m2 ・Pa・s・
25℃の流体分離膜を設置することで、流体分離膜のろ
過有効部分が高さ500mm×幅500mm、のろ過膜
エレメントを製作した。
【0042】このろ過膜エレメントを超純水を貯留した
水槽内に浸漬し、透過水取水口から1mのサイホンを取
ることでろ過を行った。このときの透過水の水量を測定
したところ、純水透過係数は8.2×10-93 /m2
・Pa・s・25℃であった。 比較例3 長さ500mm×幅160mmの2枚の板の間に長さ5
00mm×幅160mm×厚み0.6mmで孔径12μ
mの不織布を挟みこみ、幅方向への流体の漏れがないよ
うに目止めし、長さ500mm×幅160mm×厚み
0.6mmの薄層流路に不織布が装填された状態の実験
装置を製作した。この薄層流路にu=0.1(m/s)
となるように純水を流し、そのときのΔPを測定してb
の値を計算した結果、1.58b0 となった。
【0043】次に、高さ550mm×幅550mm×厚
み6mmの板状部材の両面外周に幅25mm、厚み0.
6mmのフレームを取りつけ、透過水をろ過膜エレメン
ト外へ排出する透過水取水口を設置してなる支持板の両
面に、このネットを流路材として高さ500mm×幅5
00mm×厚み0.6mmで貼りつけ、さらにその上に
純水透過係数25×10-93 /m2 ・Pa・s・25
℃の流体分離膜を設置することで、流体分離膜のろ過有
効部分が高さ500mm×幅500mm、のろ過膜エレ
メントを製作した。
【0044】このろ過膜エレメントを超純水を貯留した
水槽内に浸漬し、透過水取水口から1mのサイホンを取
ることでろ過を行った。このときの透過水の水量を測定
したところ、純水透過係数は8×10-93 /m2 ・P
a・s・25℃であった。
【0045】
【発明の効果】本発明により、単位容積当りの膜面積を
大きく取れない平膜タイプのろ過膜エレメントに対し
て、単位膜面積当りの処理量を増加させ、大量処理を可
能とする平膜タイプのろ過膜エレメントを提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のろ過膜エレメントの一例を示す斜図で
あり、流体分離膜と流路材を設置順に引き剥がした図で
ある。
【図2】図1のA-A‘断面を示した模式図である。
【図3】図2の流路材周辺を拡大した模式図である。
【符号の説明】
1 …… 流体分離膜 2 …… 流路材 3 …… 支持板 4 …… 繊維状物 5 …… 透過水取水口 6 …… フレーム
フロントページの続き Fターム(参考) 4D006 GA07 HA41 HA93 JA06A JA06B JA06C JA07A JA07C KA13 KA43 KE03P KE12R MA03 MA22 MB02 MC18 MC22 MC23 MC26 MC28 MC29 MC33 MC39 MC62 MC63 PA01 PB02 PB08 PC02 4D028 BC17 BD17 CC05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】支持板の両面に流路材を配し、該流路材の
    上に液体中の不純物を除去する液体分離膜を配したろ過
    膜エレメントにおいて、前記流体分離膜の純水透過係数
    が5×10-93 /m2 ・Pa・s以上であるととも
    に、前記流路材が配された前記支持板と前記流体分離膜
    との間隙を透過水取出口方向に透過水が流れるとき、次
    式で定義される係数bがb0 ≦b≦1.2b0 となる流
    路材を使用してなることを特徴とするろ過膜エレメン
    ト。 ΔP=10b u・L b0 =log10(48η/d2 ) ただし、u:透過水流路断面積あたりの流量(m/s) ΔP:圧力損失(Pa) L:透過水取水口方向長さ(m) η:粘度(m・Pa・s) d:透過水流路直径(m)
  2. 【請求項2】前記流体分離膜が多孔質からなり、該多孔
    質材の実質的な細孔径が0.05μm以上であることを
    特徴とする請求項1記載のろ過膜エレメント。
  3. 【請求項3】前記流路材の透過水取出口方向の長さが
    0.5m以上であることを特徴とする請求項1または2
    に記載のろ過膜エレメント。
  4. 【請求項4】前記請求項1〜3のいずれかに記載のろ過
    膜エレメントを被処理液中に浸漬し、膜エレメントの内
    側から流路材を通じて透過水を得ることを特徴とする透
    過水の製造方法。
  5. 【請求項5】被処理液濃度が1000mg/リットル以
    上であることを特徴とする請求項4に記載の透過水の製
    造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015064495A1 (ja) * 2013-10-30 2015-05-07 東洋紡株式会社 廃水処理用平膜カートリッジ
KR20150096109A (ko) * 2014-02-14 2015-08-24 한국과학기술연구원 막증류 결합형 혐기하폐수처리 장치 및 방법
CN114307657A (zh) * 2021-10-29 2022-04-12 浙江沁园水处理科技有限公司 一种具有抗污染能力的卷膜结构及滤芯组件

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