JP2002361055A - 濾過膜及びそれを用いた浄水器並びに膜モジュール - Google Patents

濾過膜及びそれを用いた浄水器並びに膜モジュール

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JP2002361055A
JP2002361055A JP2001177040A JP2001177040A JP2002361055A JP 2002361055 A JP2002361055 A JP 2002361055A JP 2001177040 A JP2001177040 A JP 2001177040A JP 2001177040 A JP2001177040 A JP 2001177040A JP 2002361055 A JP2002361055 A JP 2002361055A
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membrane
filtration
filtration membrane
water
hollow fiber
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Satoru Takeda
哲 竹田
Kenji Watari
謙治 亘
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 濾過膜の分画あるいは除濁性能、濾過流束等
を低下させることなく、耐目詰まり性の向上を図った濾
過膜及びそれを用いた浄水器並びに膜モジュールを提供
する。 【解決手段】 空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]お
よび膜厚t[μm]の間に、 【数1】 の関係が成立する濾過膜。この濾過膜を備える浄水器並
びに膜モジュール。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水道水、井戸水等
の濾過、浄水場、工業用水、医療用無菌水製造等の浄水
の濾過、生活排水、工場排水などの下排水の濾過などに
おいて用いられる濾過膜及びそれを用いた浄水器並びに
膜モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】濾過膜を用いた水の濾過は、分離性能に
優れ、コンパクトな装置構成で大量かつ連続的な処理が
できることから、様々な用途で行われている。また、製
膜技術の進歩により濾過膜の細孔径や構造がミクロン、
サブミクロンのオーダーで制御できるようになり、その
用途はさらに広がりつつある。
【0003】近年、微細孔を有する濾過膜と活性炭とを
有する濾過部を備えた浄水器が注目を浴び、水道水や井
戸水の濾過に広く用いられている。
【0004】このような浄水器では、原水中に含まれる
残留塩素、その他の臭気成分及び有機物等が活性炭によ
り除去され、濾過膜により鉄錆、細菌等が除去されるこ
とにより、安全でおいしい飲用水に浄化される。
【0005】最近では、水事情の悪化に伴い、濁質や細
菌を濾別する分画性能を保持しつつ、大量に通水しても
目詰まりしにくい濾過膜が求められている。
【0006】浄水器の濾過膜としては様々な膜が開発さ
れている。代表的なものとして、特開昭57−6614
5号公報には、中空糸膜の長軸方向に配向したミクロフ
ィブリルと中空糸膜の膜の厚さ方向に配向したスタック
ドラメラとの結節部とから形成される複数のスリット状
の細孔が、中空糸膜の膜壁内に膜の一表面から他表面に
向かって貫通するように形成され、厚み方向に均一な多
孔質構造となっているポリエチレン製多孔質中空糸膜が
開示されている。
【0007】水の濾過は、浄水、下排水の濾過等の産業
分野においても広く行われている。産業分野において
は、濁質の量が多いうえ、膜モジュールの頻繁な交換が
不可能な場合が多く、目詰まりしにくい濾過膜が強く求
められている。
【0008】濾過膜の長寿命化のための処理として、例
えば、浄水、下排水等の濾過用途においては、水中の膜
面閉塞物質による濾過膜の早期の膜面閉塞を防止するた
め、バブリング洗浄、バックウォッシュ等の逆洗が、常
時若しくは頻繁に行われている。また、必要に応じて薬
液による洗浄も行われている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】濾過膜の耐目詰まり性
を向上させるために、濾過膜の細孔径を大きくすると、
分画性能が低下し浄水器の用途では除濁性能が不足する
場合がある。また、濾過膜の膜厚を厚くすると、濾過流
束が低下する等の問題も生じる。
【0010】本発明は前記課題を解決するためになされ
たもので、濾過膜の分画あるいは除濁性能、濾過流束等
を低下させることなく、耐目詰まり性の向上を図った濾
過膜及びそれを用いた浄水器並びに膜モジュールを提供
することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明は、膜の特性を表す空孔率φ[%]、細孔半径r[μ
m]、膜厚t[μm]の間に、φ×r2/(100×
t)≧2.00×10-3の関係が成立することを特徴と
する濾過膜である。濾過膜の細孔径及び細孔形状が膜厚
方向に均一であることが好ましい。また水性液体の濾過
に用いられることが好ましい。さらに本発明は、上記濾
過膜を備える浄水器並びに膜モジュールである。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の濾過膜は、膜の特性を表
す空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]、膜厚t[μ
m]の間に、
【0013】
【数2】
【0014】の関係が成立する濾過膜である。
【0015】膜の特性値の関係を表すφ×r2/(10
0×t)は、ハーゲンポアズイユの式から誘導されるも
のであり、濾過膜の濾過流束に相当するものである。
【0016】ここで、膜の特性を表す空孔率φ、細孔半
径r、膜厚tは以下のようにして求める。空孔率φは、
水銀ポロシメーター(カルロエルバ社製221型)によ
り測定する。次に、細孔半径rは、ASTM F316
−80により膜のバブルポイントを測定し、以下の関係
式よりrを算出する。
【0017】
【数3】
【0018】P:圧力(バブルポイント値) σ:エタノールの表面張力 θ:エタノールと膜の接触角 r:細孔半径(平均細孔半径) また、膜厚tは顕微鏡で断面観察を行い測定する。
【0019】本発明の濾過膜は、上記の方法により求め
た膜の特性、空孔率φ、細孔半径r、膜厚tの間に、φ
×r2/(100×t)≧2.00×10-3の関係を有
する濾過膜である。
【0020】濾過膜は、その特長をいかして様々な用途
に用いられているが、従来の濾過膜は、上記方法により
求められる膜の特性値の間に、
【0021】
【数4】
【0022】の関係を有していた。
【0023】本発明の濾過膜は、膜の特性値の間に
【0024】
【数5】
【0025】の関係を有する濾過膜であり、膜の特性値
φ、r、tの個別の制御ではなく、膜の特性値の間に上
記関係をもたせることにより、濾過膜の除濁性能、濾過
流束等を保持したまま、従来の濾過膜よりも耐詰まり性
を向上させることができる。
【0026】本発明の濾過膜の寸法としては、例えば膜
厚0.01〜3mm、細孔半径0.0005〜1.5μ
m、空孔率20〜95%を好ましい範囲として挙げるこ
とができる。
【0027】膜厚が0.01mm未満であると濾過膜の
強度が低下するという点で不利であり、3mmを超える
と濾過流束が低下するという点で不利である。また、細
孔半径が0.0005μm未満の場合は濾過流束が低下
するという点で、1.5μmを超えると分離性能が低下
するという点で不利となる。さらに、空孔率が20%未
満の場合は濾過流束が低下するという点で、95%を超
えると耐圧性能が低下するという点で不利となる。
【0028】また、本発明の濾過膜の形状に特に制限は
無く、例えば平膜、中空糸膜、管状膜等に用いることが
できる。濾過膜が中空糸膜や管状膜の場合、内径として
は例えば0.01〜10mmを好ましい範囲として挙げ
ることができる。
【0029】内径が、0.01mm未満であると、濾過
膜内部を流れる水の通水抵抗が大きくなるという点で不
利であり、10mmを超えると耐圧性能が低下し、また
モジュール化においてコンパクトな設計が困難となるた
め不利である。
【0030】本発明の濾過膜に用いるポリマー素材とし
ては、特に制限はないが、例えばポリオレフィン、ポリ
スルフォン、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリ
アクリロニトリル、テトラフルオロエチレン、ポリフッ
化ビニリデン等を挙げることができる。
【0031】ポリマー素材として疎水性の素材を使用す
る場合は、濾過膜の賦形後に表面を親水化処理して用い
ることもできる。
【0032】以下、本発明の濾過膜の製造方法を、ポリ
オレフィン多孔質中空糸膜を例にして説明する。なお、
以下、多孔質中空糸膜を中空糸膜と記す。
【0033】ポリマー素材として用いるポリオレフィン
としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
(3−メチルブテン−1)、ポリ(4−メチルペンテン
−1)等を用いることができる。
【0034】ポリオレフィンのASTM D−1238
によって測定したMFR値は、0.1〜50の範囲が好
ましい。MFR値が0.1未満や50を超えるポリオレ
フィンは、溶融粘度が低いあるいは高いため賦形が難し
く所望する中空糸膜を作ることが困難であり不利であ
る。
【0035】ポリオレフィンの好ましい密度は、用いる
素材によって異なるが、例えばポリエチレンの場合に
は、0.950g/cm3以上であることが好ましく、
ポリプロピレンの場合には0.910g/cm3以上で
あることが好ましい。
【0036】本発明の中空糸膜を作るには、例えば、ま
ず中間体である中空糸膜プレカーサーを作り、次いで親
水性共重合体で被覆処理を行えばよい。該プレカーサー
を作るには、例えば、上記条件を満足したポリオレフィ
ンを選定し、円環状の吐出口を有するノズルを用いて溶
融紡糸し、得られた環状体を必要に応じて熱処理を行
い、延伸すればよい。
【0037】紡糸温度としては、ポリオレフィンの融点
以上の温度で、吐出物は10〜40℃の雰囲気中で引き
取り、得られた環状体を、そのままか、又はポリオレフ
ィンの融点以下の温度で熱処理を行って、スタックドラ
メラを形成させた後、延伸し環状体に開孔処理を行うこ
とが好ましい。延伸は冷延伸に引き続き、熱延伸を行う
のが好ましい。冷延伸は、比較的低い温度で環状体の構
造破壊を起こさせてスタックドラメラ間にミクロクラッ
クを発生させる過程であり、この冷延伸は0℃〜ポリマ
ーの融点より50℃低い温度の範囲で行うのが好まし
い。ポリオレフィンとしてポリエチレンを用いた場合、
好ましい冷延伸温度は0〜80℃の範囲である。また、
冷延伸倍率としては5〜300%が好ましい。5%以下
ではミクロクラックの発生が不十分となりがちで、目的
とする孔径が得られにくくなる。また、300%を超え
るとスタックドラメラの変形が起こり、開孔率が低下す
るので不利となる。
【0038】次いで行う熱延伸は、環状体中に発生させ
たミクロクラックを拡大させ、スタックドラメラ間にミ
クロフィブリルを形成して、スリット状の細孔を有する
中空糸膜とする過程である。熱延伸温度としては、ポリ
オレフィンの融点を超えない範囲で、できるだけ高い温
度で行うのが良い。また、熱延伸倍率としては、目的と
する孔径により適宜選定すればよいが、好ましくは50
〜2000%、より好ましくは100〜1000%の範
囲とするのが工程安定性の点で良い。
【0039】さらに、得られた中空糸膜プレカーサーの
寸法安定性を得るために、この膜を定長下、または少し
弛緩された状態で熱セットを行うと良い。熱セットを効
果的に行うためには、熱セット温度は延伸温度以上、融
点以下であることが好ましい。
【0040】次いで、得られた中空糸膜プレカーサーに
親水性共重合体を被覆し、恒久親水性を付与する。ここ
で用いる親水性共重合体は、エチレンを20モル%以
上、親水性モノマーを10モル%以上含む共重合体が好
ましく、これらの共重合体はランダムコポリマー、ブロ
ックコポリマー、グラフトコポリマー等いずれのタイプ
であってもよい。共重合体に占めるエチレン含量が20
モル%未満では、共重合体はプレカーサーに対して親和
性が低くなるという点で不利である。
【0041】中空糸膜プレカーサーへの親水性共重合体
の被覆量は、該プレカーサーの質量1に対し3〜30質
量%の範囲が好ましい。被覆量が3質量%未満の中空糸
膜は水との親和性が乏しく濾過流束が低くなるという点
で不利であり、一方、被覆量が30質量%を超えると共
重合体による中空糸膜の細孔の閉塞が起こりやすく、濾
過流束が低くなるという点で不利である。
【0042】親水性共重合体の溶剤は、水混和性有機溶
剤であることが好ましく、その具体例としては、メタノ
ール、エタノール、n−プロパノール、イソプロピルア
ルコール等のアルコール類、ジメチルスルホキシド、ジ
メチルホルムアミド等を挙げることができる。これらの
溶剤は単独でも使用できるが、水との混合物は親水性共
重合体に対する溶解性が高いのでより好ましい。
【0043】中空糸膜プレカーサーを親水性共重合体の
溶液に浸漬後、乾燥することにより、微多孔質中空糸膜
に親水性を付与することができる。
【0044】上記の紡糸条件、延伸条件、親水化条件等
を適宜選定することにより、空孔率、孔径、膜厚を制御
することができ、所望する中空糸膜を得ることができ
る。
【0045】本発明の濾過膜の構造に特に制限は無い
が、濾過膜の細孔径及び細孔形状が、原液側から透過側
まで膜厚方向に均一であることが好ましい。ここで、膜
厚方向に均一とは、断面の電子顕微鏡写真を撮影し観察
した際に、細孔径及び形状に容易に確認できるような差
が膜圧方向で無いことを言う。濾過膜の製膜において、
例えば上述の溶融紡糸延伸法により製膜することによ
り、細孔径及び細孔形状を均一にすることができる。上
記の均質膜は膜断面方向の細孔径が等しいため、傷に強
くピンホールが生じにくい特徴を持つ。また、均質膜
は、分画性能を担う層が薄い非対称膜と異なり、汚濁保
持能力が高く細孔半径が多少変化しても分画性能に与え
る影響が小さいという特徴をもつ。
【0046】本発明の濾過膜は、水性液体の濾過に用い
られることが好ましい。水性液体としては、水道水、井
戸水、工業用水、生活排水、工場排水の他、例えばアル
コール等の水溶性の有機溶媒を含む水を例示することが
できる。水性液体中の分散粒子の粒径分布や水性液体の
粘度等特に制限なく用いることができるが、粒径分布と
しては0.0001〜数μm、粘度としては10mPa
・s以下を好適な範囲として例示することができる。
【0047】次に、本発明の一形態である浄水器につい
て説明する。
【0048】本発明の浄水器は、膜の特性を表す空孔率
φ[%]、細孔半径r[μm]および膜厚t[μm]の
間に、
【0049】
【数6】
【0050】の関係が成立する濾過膜を備える浄水器で
ある。以下、本発明の浄水器について、中空糸濾過膜を
用いた例で説明する。
【0051】図1は、本発明の浄水器の一例を示す断面
図である。浄水器は、原水入口3と濾過水出口4を備え
た浄水器本体1及び濾過部2から概略構成される。ま
た、濾過部2は、活性炭5と中空糸濾過膜6から構成さ
れる。中空糸濾過膜6は片方の端部においてポッティン
グ材7により固定され、ポッティング部7において開口
している。
【0052】原水は原水入口3から浄水器本体1の内部
に入り、濾過部2に流入する。そして、はじめに濾過部
2内の活性炭5を通過し原水中の有機物、残留塩素等が
除去される。次いで、中空糸濾過膜6を通過することに
より原水中の鉄錆等が除去され、濾過水出口4からは濾
過水が得られる。
【0053】本発明の浄水器で使用される濾過膜は、膜
の特性を表す空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]およ
び膜厚t[μm]の間に、
【0054】
【数7】
【0055】の関係が成立する濾過膜である。
【0056】上記濾過膜を使用することにより浄水器の
耐目詰まり性が向上し、加圧により定圧濾過を行う場
合、流量低下が抑制される。
【0057】また濾過膜が、濾過膜の細孔径及び細孔形
状が原液側から透過側まで膜厚方向に均一である均質膜
であると、ピンホールが発生しにくく好ましい。
【0058】活性炭としては、残留塩素を還元する能
力、トリハロメタンや農薬等の有機物を吸着する能力を
有していれば限定されるものではなく、形態的には粉末
状、粒状、繊維状、成形炭等の活性炭が使用できる。原
料的にも特に限定されるものではなくヤシ殻活性炭、骨
炭、木炭系のもの等の天然物系活性炭、ピッチ系、石油
コークス系の活性炭等が使用できる。賦活方法について
も特に限定されず、水蒸気賦活、化学的賦活等の賦活法
が用いられる。
【0059】また、浄水器においては、通水する原水の
活性炭内での通過速度が、通常の活性炭の使用法に比べ
て非常に大きい場合が多いので、嵩密度の大きい活性炭
が好ましく、水道水圧との関係から圧力損失が小さいも
のが好ましい。吸着物質は比較的分子量の小さいものが
多く、コスト面を含めると水蒸気賦活した粒状ヤシ殻活
性炭が好ましい。また、抗菌性を付与するため銀等を添
着したものも用いることができる。
【0060】本発明の浄水器は、上記例に限定されるも
のではなく、活性炭を含まないもの、活性炭のみではな
くイオン交換樹脂を用いたもの、活性炭と濾過膜の配置
が逆のものでもよい。また、疎水糸挿入等による浄水器
の水抜き機構を付与したり、濾過部をカートリッジにし
て交換可能とすることもできる。
【0061】次に、本発明の一形態である膜モジュール
について説明する。
【0062】本発明の膜モジュールは、膜の特性を表す
空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]および膜厚t[μ
m]の間に、
【0063】
【数8】
【0064】の関係が成立する濾過膜を備える膜モジュ
ールである。以下、本発明の膜モジュールについて、中
空糸濾過膜を用いた例で説明する。
【0065】図2は、本発明の膜モジュールの一例を示
す断面図である。
【0066】この膜モジュール8は、中空糸膜濾過膜
6、ポッティング部7、集水部9とから概略構成されて
いる。
【0067】即ち、膜モジュール8は、複数本の中空糸
濾過膜6を並行にシート状に配列され、その両端部にお
いて中空糸濾過膜6が開口状態を保ったままポッティン
グ部7により集水部9に接着固定されている。
【0068】この膜モジュール8を排水等の水中に浸漬
し、集水部9の両端部から吸引ポンプ等により吸引する
と、濾過水出口4から濾過水が得られる。
【0069】本発明で使用される濾過膜は、膜の特性を
表す空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]および膜厚t
[μm]の間に、
【0070】
【数9】
【0071】の関係が成立する濾過膜である。
【0072】上記濾過膜を使用することにより膜の耐目
詰まり性が向上し、吸引により定流量濾過を行う場合、
差圧上昇が抑制される。
【0073】また濾過膜が、濾過膜の細孔径及び細孔形
状が原液側から透過側まで膜厚方向に均一である均質膜
であると、ピンホールが発生しにくく好ましい。
【0074】本発明の膜モジュールは、上記例に限定さ
れるものではなく、中空糸膜が片方の端部においてのみ
ポッティングされているものでもよい。
【0075】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。
【0076】「中空糸濾過膜及び浄水器の作製」 (実施例1)密度0.961g/cm3、MFR値5.
0、融点140℃の高密度ポリエチレン(HY540、
日本ポリケム(株)製)を、中空糸膜製造用ノズルを用
いて、紡糸温度170℃、雰囲気温度30℃、巻取速度
9m/minで溶融紡糸し、未延伸中空糸を得た。
【0077】得られた未延伸中空糸を107℃に加熱し
た空気中で定長のまま16時間加熱処理を行った。この
熱処理糸を30℃に保たれたローラー間で150%冷延
伸し、引き続いて114℃に加熱された加熱炉中で総延
伸量が700%になるようにローラー間で熱延伸を行
い、さらに120℃の加熱炉中で定長のまま熱セットを
行い、中空糸膜プレカーサーを得た。
【0078】次に、エチレン含有量32モル%、ビニル
アルコール含有量68モル%のエチレン−ビニルアルコ
ール共重合体(ソアノールDC3203、日本合成化学
(株)製)を70℃のエタノール/水=60/40vo
l%混合溶液に、1質量%溶解した親水性共重合体溶液
を調製した。この親水性共重合体溶液中に中空糸膜プレ
カーサーを浸漬し、その後乾燥した。得られた中空糸膜
へのエチレン−ビニルアルコール共重合体付着率は7質
量%であった。
【0079】得られた中空糸膜の膜特性値を評価したと
ころ、空孔率φ=74.4%、細孔半径r=0.432
μm、分画0.1μm(ラテックス粒子除去性能評価に
おいて90%以上除去される粒子径)、膜厚t=64.
5μmであった。なお、各特性値から求めたφ×r2
(100×t)は、2.15×10-3であった。
【0080】次いで、このようにして作製した中空糸濾
過膜を使用し、図1に示した構造の浄水器を作製した
(膜面積0.14m2)。
【0081】(比較例1)密度0.968g/cm3
MFR値5.5、融点134℃の高密度ポリエチレン
(Hizex2200J、三井化学(株)製)を使用
し、実施例1と同様にして空孔率φ=69.0%、細孔
半径r=0.371μm、分画0.1μm(ラテックス
粒子除去性能評価において90%以上除去される粒子
径)、膜厚53.5μmである中空糸膜(φ×r2
(100×t)=1.78×10-3)を得た。この中空
糸膜を使用し、実施例1と同様にして浄水器を作製した
(膜面積0.14m2)。
【0082】「浄水器の濾過性能評価」実施例1及び比
較例1で作製した浄水器を使用し、圧力100kPa、
水温20℃で水道水を供給し、初期濾過流量及び濾過流
量が2分の1になるまでの総濾過流量を測定し、結果を
表1に示した。
【0083】
【表1】
【0084】表1に示した結果より、本発明に係わる実
施例においては、濾過流量が2分の1になるまでの総濾
過流量が増加しており、濾過膜の耐目詰まり性が向上し
ていることが明らかとなった。
【0085】
【発明の効果】このように本発明の濾過膜によれば、膜
の特性を表す空孔率φ、細孔半径r、膜厚tの間の関係
をφ×r2/(100×t)≧2.00×10-3とする
ことにより、濾過膜の分画あるいは除濁性能、濾過流束
等を低下させることなく、膜面閉塞物質による濾過膜の
目詰まりが抑制され、長寿命な浄水器及び膜モジュール
を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の浄水器の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の膜モジュールの一例を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1 浄水器本体 2 濾過部 3 原水入口 4 濾過水出口 5 活性炭 6 中空糸濾過膜 7 ポッティング部 8 膜モジュール 9 集水部
フロントページの続き Fターム(参考) 4D006 GA06 GA07 HA19 HA91 HA95 JA02A JA02B JA02C JA13A JB01 MA01 MA22 MA23 MA26 MA27 MA31 MB02 MB09 MC22 MC23 NA28 NA35 NA36 NA60 NA63 NA64 NA67 NA69 NA70 PA01 PB02 PB05 PB06 PB08 PB13 PB22 PC51 4D024 AA01 AA02 AB04 AB11 BA02 BA03 BB01 BB02 BC01 CA04 DB05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空孔率φ[%]、細孔半径r[μm]お
    よび膜厚t[μm]の間に、 【数1】 の関係が成立することを特徴とする濾過膜。
  2. 【請求項2】 濾過膜の細孔径及び細孔形状が膜厚方向
    に均一である請求項1記載の濾過膜。
  3. 【請求項3】 水性液体の濾過に用いられる請求項1ま
    たは2記載の濾過膜。
  4. 【請求項4】 請求項1または2記載の濾過膜を備える
    浄水器。
  5. 【請求項5】 請求項1〜3のいずれか一項記載の濾過
    膜を備える膜モジュール。
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