JP2005238053A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
中空糸膜束の接着集束部において分散部材を用いずに中空糸膜を分散させるとともに、中空糸膜の充填率を減少させずに中空糸膜表面からの懸濁物質の剥離性を向上できる中空糸膜モジュールを提供しようとするものである。
接着収束部での中空糸膜の分散性と、中空糸膜表面に付着した懸濁物質の剥離性を向上させた中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】
複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の少なくとも一方の端部を接着集束した接着集束部と接着集束していないろ過領域部とを有する中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜は、前記接着集束部においてウェーブが付与された部分を有し、前記ろ過領域において直線状の部分を有していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
【選択図】 図１

Description

本発明は中空糸膜モジュールに関し、さらに詳しくは、接着集束部での中空糸膜の分散性を向上させると同時に、中空糸膜表面の懸濁物質の剥離性も向上できる中空糸膜モジュールに関する。

一般に中空糸膜モジュールは、およそ数百本〜数万本の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束をケース内に収納し、該中空糸膜束の少なくとも一方の端部を樹脂で接着集束するとともに、前記ケース内に固定した構成になっている。

特許文献１には、接着集束部に、中空糸膜の分散性を向上させ接着不良を防止するための部材を設置することが開示されている。これは、一般的に接着集束部の断面積に対して、中空糸膜の総断面積が３０〜６０％程度であるため、接着集束部の断面内に中空糸膜を均一に分散した状態で接着固定するのが困難なためである。しかし、特許文献１に記載の仕切板のような中空糸膜を分散させる部材を設置すると、中空糸膜モジュールの製造工程が増えるばかりか、該部材の製作などによる中空糸膜モジュール全体のコストアップにつながる。

一方、特許文献２に開示されているように、中空糸膜にウェーブを付与して中空糸膜束の嵩を増加させ、接着集束部における中空糸膜の分散性を向上させることもできる。しかし、中空糸膜束の嵩が増えるため、エアスクラビング時に中空糸膜の揺れが抑制され、中空糸膜表面からの懸濁物質の剥離性が低下するという不具合が生じる。従って、ウェーブを付与した場合もウェーブを付与しない場合と同程度に中空糸膜を揺らすためには、中空糸膜束の嵩が増える分、中空糸膜本数を減少させるなどの策を講じなければならない。しかしながら、中空糸膜の本数を減少させるとなると、ウエーブを付与しているにもかかわらず中空糸膜が容器内に均等に広がらず分散性が低下してしまう。このように、中空糸膜に、ウエーブを付与しても、結局、接着集束部での中空糸膜の分散性はが大きく向上されず、さらには中空糸膜本数の減少によりろ過性能の低下につながるという問題を引き起こしやすい。
特開平６−２２６０５８号公報 特開昭６４−２２３０８号公報

本発明の目的は、上述した従来の問題を解消し、中空糸膜束の接着集束部において分散部材を用いずに中空糸膜を分散させるとともに、中空糸膜の充填率を減少させずに中空糸膜表面からの懸濁物質の剥離性を向上できる中空糸膜モジュールを提供しようとするものである。

上記目的を達成する本発明の中空糸膜モジュールは、下記の構成を特徴とするものである。
（１）複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の少なくとも一方の端部を接着集束した接着集束部と接着集束していないろ過領域部とを有する中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜は、前記接着集束部においてウェーブが付与された部分を有し、前記ろ過領域において直線状の部分を有していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
（２）前記中空糸膜束は、両端が接着集束されケース内に固定されるとともに、ろ過領域において弛緩状態にある、上記（１）に記載の中空糸膜モジュール。

本発明によれば、以下に説明するとおり、接着収束部において分散部材を用いることなく中空糸膜束を分散させることができ中空糸膜モジュールのコストダウンができる上に、中空糸膜表面からの懸濁物質の剥離性も向上させることができるので、中空糸膜の充填率を減少させる必要もない。

本発明の最良の実施形態を、上水のろ過装置として適用される中空糸膜モジュールを例にとって、図面を参照しながら以下に説明する。

図１は本発明に係る中空糸膜モジュールの概略断面図である。この中空糸膜モジュールは、数百本〜数万本の中空糸膜が束ねられて構成された中空糸膜が一定長に揃えられ、中空糸膜束９として筒状ケース１内に収容され、両端部が樹脂１２ａ、１２ｂで接着集束されるとともに筒状ケース１内に固定されている。接着集束部間の、樹脂１２ａ、１２ｂによって接着集束されていない部分がろ過領域部となる。

中空糸膜束９を構成する中空糸膜の素材は特に限定されず、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレンなどや、これらの複合素材を例示することができる。

中空糸膜は、外径が０．３〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、中空糸膜の外径が小さすぎると、中空糸膜モジュールを製作する際の中空膜取り扱い時や、中空糸膜モジュールを使用する際のろ過、洗浄時などに中空糸膜が折れて損傷するなどの問題があり、逆に外径が大きすぎると同じサイズの筒状ケース内に挿入できる中空糸膜の本数が減ってろ過面積が減少するなどの問題があるからである。また、中空糸膜は、膜厚が０．１〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、膜厚が小さすぎると、外圧式中空糸膜モジュールの場合、圧力で膜が折れるなどの問題があり、逆に膜厚が大きいと圧損や原料代の増加につながるなどの問題がある。

そして、中空糸膜は、ソケット３ｂ側では、樹脂１２ｂによって中空糸膜相互間のみが接着集束されており、中空糸膜の端面は開口された状態となっている。一方、ソケット３ａ側では、樹脂１２ａが中空糸膜の内部にまで浸入し、中空糸膜の相互間が接着集束されるとともに中空糸膜の端面も封止されている。また、ソケット３ａ側では、接着固化した樹脂１２ａに複数個の貫通孔１１が設けられている。中空糸膜束を接着集束する樹脂１２ａ、１２ｂには、汎用品で安価であり、水質にも影響を与えないエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂などの高分子材料を用いることが好ましい。

筒状ケース１は、ケース本体２の両端部にソケット３ａ、３ｂを装着して構成されている。さらに、ソケット３ａ、３ｂの端部にはそれぞれキャップ４ａ、４ｂが取り付けられている。ソケット３ａおよびキャップ４ａには、供給口６、５が設けられており、一方、ソケット３ｂおよびキャップ４ｂには排出口７、ろ過水出口８が設けられている。

ケース本体２、ソケット３ａ、３ｂおよびキャップ４ａ、４ｂの材質としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィンや、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン（ＥＴＦＥ）、三フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・三フッ化塩化エチレン（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂、そしてポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素樹脂、さらにポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリルスルホン樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリル-スチレン共重合体樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などが単独または混合して用いられる。また、樹脂以外ではアルミニウム、ステンレス鋼などが好ましく、さらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料を使用してもかまわない。また、ケース本体２、ソケット３ａ、３ｂおよびキャップ４ａ、４ｂは同一の材質でもそれぞれ異なる材質でもかまわない。

本発明においては、以上のような中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜束９の端部、すなわち接着集束部にウェーブ１０ａ、１０ｂを付与しておく。一方、ろ過領域において、中空糸膜は直線状となっており、本実施態様では弛緩状態にある。中空糸膜束９の端部を接着集束するにあたって接着不良を防止するためには、上述したように、接着集束部に仕切板などを設置し、中空糸膜束が接着集束部の断面内で均一に分散するようにする方法もあるが、中空糸膜に接着集束部でウェーブ１０ａ、１０ｂを付与し、ろ過領域では直線状としておくことで、接着集束部における中空糸膜束の嵩が増加し仕切板などの中空糸膜を分散させる部材を用いることなく中空糸膜を均一に分散させることが可能となり、中空糸膜モジュールのコストダウンができるうえに中空糸膜の充填率を減少させなくてもよい。

中空糸膜にウェーブを付与する方法としては、中空糸膜の製造時に走行中の中空糸膜に対して一定間隔でウェーブを付与し、一定長に揃えたときに端部にウェーブがくるようにしてもよいし、筒状ケースに挿入する前の一定長に揃えたときに端部にだけウェーブを付与してもよい。

ここで、図１に示す実施態様では、中空糸膜にウェーブ１０ａ、１０ｂを付与する部分と付与しない部分（直線状の部分）との境界が樹脂１２ａ、１２ｂの端面と一致している。しかしながら、図２に示すように、樹脂１２ａ、１２ｂの端面間の距離（ろ過領域のモジュール軸方向の長さ）をＬとしたとき、樹脂１２ａ、１２ｂの端面からそれぞれ０．１Ｌ程度内側の部分まで中空糸膜にウェーブ１０ａ、１０ｂが付与されていてもよい。この程度であれば、中空糸膜全体の揺れの程度は大きく低下しない。

そして、中空糸膜束９は、両端が接着集束され筒状ケース１内に固定されるとともに、ろ過領域において弛緩状態にあることが好ましいが、弛緩の程度は、両端の樹脂１２ａ、１２ｂの端面間の距離Ｌに対して、同区間の中空糸膜の実際の長さがＬより大きく、１．０５Ｌ以下となるようにすることが好ましい。すなわち、中空糸膜が弛緩状態にあると揺れの程度が大きくなるため、表面に付着した懸濁物質を剥離し易くなるが、弛緩の程度が大きすぎると、筒状ケース１内に占める中空糸膜の容積が大きくなり中空糸膜が自由に動けなくなるので、逆に揺れの程度が小さくなり、表面に付着した懸濁物質が剥離しにくくなるため、上記の程度、弛緩状態にあることが好ましい。

上記中空糸膜モジュールによる原水の処理は次のようにして行われる。

まず、ソケット３ａに設けた供給口６またはキャップ４ａに設けた供給口５から原水を中空糸膜モジュール内に供給する。原水がキャップ４ａに設けられた供給口５から供給される場合は、原水は、複数の貫通孔１１を通ってろ過領域に到達する。筒状ケース１内のろ過領域に到達した原水は、排出口７から排出されるまでの間に、一部が中空糸膜束９の各中空糸膜を透過して中空糸の内部に浸入する。中空糸膜の内部に浸入したろ過水は中空糸膜束９の端部からキャップ４ｂに集められてろ過水出口８から取り出される。中空糸膜を透過しなかった濃縮水は、排出口７から排出される。

このような一定時間のろ過工程が終了すると、ろ過水または圧縮性気体をろ過水側から原水側へ流す逆洗や、圧縮性気体を混入させた原水または圧縮性気体のみを原水側から供給し、モジュール内に蓄積した懸濁物質を排出するエアスクラビングを行う。このとき、本発明においては、中空糸膜が前記ろ過領域において弛緩状態にあるので、中空糸膜どうしが揺れて接触し、表面に付着した懸濁物質が剥離し易くなる。また、前記ろ過領域において中空糸膜が直線状の部分を有しているので中空糸膜の充填率を５０％以上にすることもできる。ここで中空糸膜の充填率は次式で表す。

充填率（％）＝ Ａ／Ｂ×１００
Ａ：ケース本体２の一横断面における中空糸膜の横断面積（中空部分を含む）の総和
Ｂ：ケース本体２の横断面積
そして、これらの工程を繰り返しながら長時間にわたり原水の処理を継続していく。

なお、上記実施態様では、筒状ケース１内に直接中空糸膜束を接着固定した中空糸膜モジュールについて説明したが、図３に示すように筒状ケースを構成するハウジング１３ａ、１３ｂ内に中空糸膜束を構成部材とする中空糸膜カートリッジ１４を装着する、いわゆるカートリッジ型の中空糸膜モジュールでもあってもかまわない。また、図４に示すように、接着収束部の一端のみが筒状ケース１に固定された構造であってもかまわない。

＜実施例１＞
図１に示す中空糸膜モジュールの製作を行った。ただし、ろ過領域の中空糸膜を弛緩状態としなかった。その結果、ウェーブを付与することで中空糸膜束９の両端はウェーブを付与していない部分に比べて嵩が増し、筒状ケース１に収容するだけで中空糸膜束９がソケット３ａ、３ｂの横断面内全体に分散した。よって、従来は使用していた中空糸膜を分散する部材を用いる必要がなくなり、部材のコストと該部材を設置する工程を削減できた。また、ろ過領域の中空糸膜にはウェーブを付与しなかったため、中空糸膜の充填率を約５５％にすることができ、ろ過面積を減少させことがなかった。

次に、製作した図１に示す中空糸膜モジュールを用いて原水のろ過を行った。まず、原水として琵琶湖湖水をポンプで８０Ｌ／ｍ²・ｈｒ供給して３０分間ろ過した後、ろ過水出口８からろ過水１００Ｌを供給して逆洗浄を行い、さらに供給口５からエアを２００Ｌ／ｍｉｎで１分間供給してエアスクラビングを行って、その後排水した。これらろ過、逆洗浄、エアスクラビングおよび排水の工程を繰り返しながらろ過水を生成した。

その結果、約１週間で供給口５とろ過水出口８の差圧が１５０ｋＰａに達した。
＜比較例１＞
接着集束部においてウェーブを付与せず実施例１と同様の中空糸膜モジュールを製作しようと試みた。しかしながら、接着集束部においてウェーブを付与しなかったために中空糸膜束９がソケット３ａ、３ｂの横断面内全体に分散しなかった。そのため、ソケット３ａ、３ｂの内壁にリングを固定し、このリングに複数のプレートを掛け渡すことにより、中空糸膜束を線状に横断して複数の群に分割し、ソケット３ａ、３ｂの横断面内における中空糸膜の分散性を向上させた。その結果、前記リングやプレートのコストとこれらを設置する工程が必要となった。

このように、接着集束部においてウェーブを付与せず、中空糸膜分散部材を用いた以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールを製作し、同様の運転を行った。その結果、約１週間で供給口５とろ過水出口８の差圧が１５０ｋＰａに達した。
＜比較例２＞
中空糸膜の全長にわたりウェーブを付与した以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールを製作し、同様の運転を行った。その結果、中空糸膜がほとんど揺れないため、中空糸膜表面からの懸濁物質の剥離性が低下し、約５日間で供給口５とろ過水出口８の差圧が１５０ｋＰａに達した。
＜実施例２＞
両端の樹脂１２ａ、１２ｂの端面間の距離が１８００ｍｍであったのに対し、ろ過領域である同区間の中空糸膜の長さを約１８５５ｍｍとして弛緩状態とした以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを製作し、同様の運転を行った。

その結果、ウェーブを付与することで中空糸膜束９の両端はウェーブを付与していない部分に比べて嵩が増し、筒状ケース１に収容するだけで中空糸膜束９がソケット３ａ、３ｂの横断面内全体に分散した。よって、従来は使用していた中空糸膜を分散する部材を用いる必要がなくなり、部材のコストと該部材を設置する工程を削減できた。また、ろ過領域の中空糸膜にはウェーブを付与しなかったため、中空糸膜の充填率を約５５％にすることができ、ろ過面積を減少させことがなかった。

また、ろ過水の生成においては、中空糸膜が弛緩状態にあったため、中空糸膜どうしが揺れて接触し、表面に付着した懸濁物質が剥離し易く、約３週間経っても供給口５とろ過水出口８との差圧は１５０ｋＰａにならなかった。
＜比較例３＞
中空糸膜の全長にわたりウェーブを付与した以外は実施例２と同様の中空糸膜モジュールを製作しようと試みた。しかしながら、中空糸膜の充填率を実施例２と同じ５５％にすると、ろ過領域にもウェーブを付与しているために中空糸膜束９の嵩が増し中空糸膜が揺れにくくなったので、実施例２と同程度に中空糸膜が揺れるモジュールとするためには中空糸膜の充填率を５５％から４０％に減少させる必要があった。その結果、原水の処理量が約３０％減少した。

本発明の中空糸膜モジュールは、上水用途に限らず、下水用途や産業用水用途などにも応用することができ、また、これらに限られるものではない。

本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ 筒状ケース
２ ケース本体
３ａ、３ｂ ソケット
４ａ、４ｂ キャップ
５ 供給口
６ 供給口
７ 排出口
８ ろ過水出口
９ 中空糸膜束
１０ａ、１０ｂ ウェーブ
１１ 貫通孔
１２ａ、１２ｂ 樹脂
１３ａ、１３ｂ ハウジング
１４ カートリッジ

Claims (2)

1. 複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の少なくとも一方の端部を接着集束した接着集束部と接着集束していないろ過領域部とを有する中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜は、前記接着集束部においてウェーブが付与された部分を有し、前記ろ過領域において直線状の部分を有していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記中空糸膜束は、両端が接着集束されケース内に固定されるとともに、ろ過領域において弛緩状態にある、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。

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