JP2006082035A - 中空糸膜モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜束の接着集束部において充填物を用いずに中空糸膜を分散させるとともに、中空糸膜の接着性や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の製造方法を提供しようとするものである。
【解決手段】複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の両端部を接着集束する中空糸膜モジュールの製造方法であって、接着集束する前の前記中空糸膜束の一方の端部が折り曲げ部を有し、他方の端部が接着集束部にウェーブを付与された部分と開口部を有していることを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は中空糸膜モジュールの製造方法に関し、さらに詳しくは、中空糸膜モジュールの製造工程や構成部材を削減できると同時に、接着集束部での中空糸膜の分散性や接着性を向上させ、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の製造方法に関する。

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、該中空糸膜束の端部を樹脂で接着集束する構成になっている。

特許文献１には、中空糸膜束を分散配置した状態で接着集束する方法が開示されている。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集束するのが困難なためである。

しかし、特許文献１に記載の充填物のような中空糸膜を分散配置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、中空糸膜束の端部を折り曲げると中空糸膜束の嵩が増加し、充填物を設置しなくても接着集束部で中空糸膜を分散配置させることが可能になるばかりか、目止めが不要になり中空糸膜モジュールの製造工程の削減にもつながる。

しかし、一端をループ状にすると中空糸膜束の嵩が増加しすぎて中空糸膜の挿入本数が減少し、ろ過効率が低下する。また、中空糸膜が連続糸の状態で折り曲げられたりループ状にされたりしているので、製膜時に中空糸膜内に注入された注入液が中空糸膜外に抜けにくく、中空糸膜束の乾燥不足による接着不良を生じるなどの問題がある。
特許第２９２０５４３号公報（第４欄第１５〜３２行目） 特開平１１−１６５０４７号公報（［００１２］〜［００１５］段落）

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充填物を用いずに中空糸膜を分散させるとともに、中空糸膜の接着性や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の製造方法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の製造方法は、下記の特徴を有するものである。

（１） 複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の両端部を接着集束する工程を有する中空糸膜モジュールの製造方法であって、前記中空糸膜束の一方の端部に折り曲げ部を形成し、前記中空糸膜束の他方の端部に開口部を設けつつウェーブを形成した後に、前記中空糸膜の両端部を接着収束することを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。

（２） 前記両端部の接着集束部を形成する接着用樹脂の端面間の中空糸膜を弛緩状態にして接着収束することを特徴とする（１）記載の中空糸膜モジュールの製造方法。

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充填物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、接着集束部の接着性や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。また、中空糸膜の挿入本数も減少させる必要がない。

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製造方法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２として筒状ケース１内に収容されている。そして、中空糸膜束２の一方の端部が折り曲げ部３を有し、他方の端部がウェーブ４を付与された部分と開口部５を有している。筒状ケース１に挿入するときの中空糸膜束２は、一方の端部（折り曲げ側）はソケット６ａの端面から１５〜２５ｍｍ程度外側に突出させ、他方の端部（ウェーブ側）は、ソケット６ｂの端面から外側に突出しないようにセットする。ここで、ウェーブとは中空糸膜が波形状になっていることを指し、波長（波形の山から山もしくは谷から谷の長さ）は１〜５０ｍｍ程度で、波高（谷から山までの高さ）は０．１〜５ｍｍ程度である。
次いで、筒状ケース１のソケット６ａ、６ｂに注型キャップ７ａ、７ｂをそれぞれ装着する。さらに注型キャップ７ｂ側にはピン８を複数本差し込み、かつその後端部をピン抜け防止板９で抑えるようにする。これらピン８は、接着集束部に貫通孔１０を形成すると同時に、中空糸膜を分散させ偏在させないようにするためのものである。またこのとき、遠心ポッティング後に両端の接着集束部間で中空糸膜束２が弛緩状態になるように、筒状ケース１内で中空糸膜束２を弛ませておく。

ここで、中空糸膜束２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。なかでも、ポリフッ化ビニリデンは耐薬品性に優れているため、中空糸膜を定期的に薬品洗浄することで中空糸膜のろ過機能が回復し、中空糸膜モジュールの長寿命化につながって好ましい。

また、中空糸膜の外径は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。さらに、中空糸膜の膜厚は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。

上記のように組み立てられた容器は遠心ポッティング成形機にセットし、鉛直方向の回転軸Ｏ−Ｏ’を中心に回転させながら、注入管１１ａ、１１ｂからそれぞれ接着用樹脂１２ａ、１２ｂを注入し、中空糸膜束２の両端を同時に遠心ポッティングする。接着用樹脂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。

従来の製造方法では、筒状ケースに挿入した中空糸膜束の両端が開口部を有していたため、まず注入管１１ａから図示しない目止め用樹脂を注型キャップ７ａ側にポッティングしていた。これは、後からポッティングする接着用樹脂１２ａが中空糸膜束２の中空糸膜内に浸入するのを確実に防止する目的があったためである。しかし、本発明においては、注入キャップ７ａ側の中空糸膜束２の端部は折り曲げ部３を有しているため、接着用樹脂１２ａが中空糸膜内に浸入することがなく、目止め用樹脂をポッティングする必要がなくなって、目止め工程と目止め用樹脂を削減することができた。

また、接着用樹脂１２ａ、１２ｂと中空糸膜との接着不良を防止するために、中空糸膜束２を筒状ケース１に挿入する前に、中空糸膜の製膜時に中空糸膜内に注入された注入液を除去し、中空糸膜束２を乾燥した状態にしておく必要がある。本発明においては、中空糸膜束２の一方の端部（ウェーブ側）が開口部５を有しているため、中空糸膜が連続糸の状態にあり開口部を有さない場合に比べて、注入液を除去し中空糸膜束２を乾燥させる工程が短時間で容易に行え、接着性も向上する
さらに、本発明においては、中空糸膜束２の一方の端部は折り曲げ部３を有し、他方の端部はウェーブ４を付与された部分を有しているため、接着集束部において中空糸膜束２の嵩が増加した。その結果、上述したように従来は、接着集束部に充填物などを設置し中空糸膜束２が接着集束部の断面内で均一に分散するようにしていたが、本発明においては、それらの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可能となるのである。

ここで、中空糸膜に折り曲げ部３と開口部５を設ける方法としては、例えば、製膜時に中空糸膜を平行カセで巻取った後、一方の端部を押しつぶして折り曲げ部３を形成し、他方の端部をカットして開口部５を形成すればよい。

また、中空糸膜にウェーブ４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一方の端部にウェーブ４がくるようにしてもよいし、筒状ケース１に挿入する前の一定長に揃えたときに一方の端部にだけウェーブ４を付与してもよい。

次に、接着用樹脂１２ａ、１２ｂが固化した後、ピン抜け防止板９を取り外してピン８を抜き取り、更に注型キャップ７ａ，７ｂを取り外すと、ソケット６ａ側の端部では、接着用樹脂１２ａがソケット４ａの端面から突出状態になっており、図２に示すように突出部分をカッター等によりカット位置Ｃで切断除去すると、中空糸膜束の開口面１３が得られる。カット前に中空糸膜が折り曲げ部を有していた関係で、開口面１３の中空糸膜の配置は折り曲げ部がなかった場合に比べて不規則になっている。また、ソケット６ｂ側の端部は突出部分がないため、そのような切断除去作業は必要ない。

以後は、製品用キャップ１４ａ，１４ｂを装着することにより、図３に示すような中空糸膜モジュールを得ることができる。

中空糸膜は、ソケット６ａ側では、接着用樹脂１２ａによって中空糸膜相互間のみが接着集束されており、端面は開口面１３になっている。一方、ソケット６ｂ側では、接着用樹脂１２ｂ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６ｂ側では、固化した接着樹脂１２ｂに複数個の貫通孔１０が設けられている。

筒状ケース１は、ケース本体１７の両端部にソケット６ａ、６ｂを装着して構成されている。さらに、ソケット６ａ、６ｂの端部にはそれぞれ製品用キャップ１４ａ、１４ｂが取り付けられている。ソケット６ａおよび製品用キャップ１４ａには、排水口１６、ろ過水出口１８が設けられており、一方、ソケット６ｂおよびキャップ１４ｂには供給口１５、１９が設けられている。

ケース本体１７、ソケット６ａ、６ｂおよび製品用キャップ１４ａ、１４ｂ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６ａ、６ｂおよび製品用キャップ１４ａ、１４ｂは同一の材質でもそれぞれ異なる材質でもかまわない。

上記構成からなる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６ｂに設けた供給口１５またはキャップ１４ｂに設けた供給口１９から原水を中空糸膜モジュール内に供給する。供給口１９から供給される場合、原水は複数の貫通孔１０を通ってろ過領域（図３のＬの区間）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１６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膜の内部に浸入する。中空糸膜の内部に浸入したろ過水は中空糸膜束２端部の開口面１３から製品用キャップ１４ａに集められてろ過水出口１８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１６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出口１８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供給口１９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。

ここで、図３に示す実施態様では、弛緩の程度は、両端の接着用樹脂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。

また、図３においては中空糸膜にウェーブ４を付与する部分と付与しない部分（直線状の部分）との境界が接着用樹脂１２ｂの端面と一致している。しかしながら、図４に示すように両端の接着用樹脂１２ａ、１２ｂの端面間の距離Ｌに対して、接着用樹脂１２ｂの端面から０．１Ｌ程度内側の部分まで中空糸膜にウェーブ４が付与されていてもよい。０．１Ｌより大きくなると、ろ過部分の中空糸膜束の嵩が増すことにより、エアスクラビング時に中空糸膜の揺れの程度が低下し、中空糸膜表面に付着した懸濁物質が剥離し難くなる。

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５に示すように筒状ケースを構成するハウジング２０ａ、２０ｂ内に中空糸膜束２を構成部材とする中空糸膜カートリッジ２１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６に示すように、浸漬槽２２に浸漬して吸引ろ過する浸漬型モジュール２３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造方法を用いて中空糸膜モジュールの製造を行った。ただし、ろ過領域（図３のＬの区間）の中空糸膜を弛緩状態としなかった。まず、筒状ケース１に中空糸膜束２を挿入する前に中空糸膜の乾燥を行った。折り曲げ部３を上に、開口部５を下にして乾燥機の中に吊しておいた結果、製膜時に中空糸膜内に注入された注入液が開口部５から流れ落ち、約５時間で中空糸膜を乾燥できた。乾燥後、中空糸膜束２を筒状ケース１に挿入すると、中空糸膜束２の一方の端部に折り曲げ部３を設け、他方の端部に波長３０ｍｍ、波高１．５ｍｍのウェーブ４を付与したことで、中空糸膜束２の両端部のみ嵩が増加し、筒状ケース１に収容するだけで中空糸膜束２がソケット６ａ、６ｂ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。さらに、中空糸膜束２の一方の端部に折り曲げ部３を設けたことで、接着用樹脂１２ａをポッティングする前に目止め用樹脂をポッティングする必要がなくなり、目止め用樹脂と目止め工程の削減ができた。

また、上記中空糸膜モジュールの製造方法を用いて製造した中空糸膜モジュールを用いて、ろ過水の生成を行った。その結果、１週間で供給口１９とろ過水出口１８の差圧が１５０ｋＰａに達した。

＜実施例２＞
両端の接着用樹脂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の製造方法を用いて中空糸膜モジュールを製造し、ろ過水の生成を行った。その結果、モジュール製造時において実施例１と同じ効果があった他に、ろ過水生成時において中空糸膜が弛緩状態にあったため、エアスクラビング時に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１９とろ過水出口１８との差圧は１５０ｋＰａにならなかった。

＜比較例１＞
中空糸膜を製膜時に平行カセで巻き取って中空糸膜束とし、一方の端部をカットして開口部を設けることをせずループ状にした以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールの製造方法を用いて中空糸膜モジュールを製造した。中空糸膜束２を筒状ケースに挿入する前の乾燥工程において、実施例１と同様に折り曲げ部を上に、ループ状になっている端部を下にして乾燥機内に吊した。しかし、中空糸膜が連続糸の状態になっており中空糸膜内の注入液の抜き取りが容易でなかったため、乾燥工程に実施例１の２倍の１０時間以上を要し、生産性が大幅に低減した。また、一方の端部がループ状になっているため中空糸膜束２の嵩が大幅に増加し、筒状容器に挿入できる中空糸膜の本数が実施例１に比べて約２割減少し、ろ過効率が低下した。

＜比較例２＞
実施例１において、中空糸膜束の折り曲げ部３を開口部に変更した以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールの製造方法を用いて中空糸膜モジュールを製造した。折り曲げ部から開口部に変更した側は中空糸膜束を筒状ケース１に収納しても、中空糸膜束がソケット６ａの横断面内全体に分散しなかったため、中空糸膜束を分散配置するための充填物を挿入した。また、端部が開口しているため接着用樹脂をポッティングする前に目止め用樹脂をポッティングした。その結果、実施例１と比較すると、製造工程および中空糸膜モジュール部材の増加につながった。

＜比較例３＞
実施例１において、開口部５を有する側の中空糸膜束の端部にウェーブ４を付与しなかった以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールの製造方法を用いて中空糸膜モジュールを製造した。開口部５側はウェーブ４を付与しなかったため、中空糸膜束を筒状ケース１に収納しても、中空糸膜束がソケット６ｂの横断面内全体に分散せず、中空糸膜束を分散配置するための充填物を挿入した。その結果、実施例１と比較すると、製造工程および中空糸膜モジュール部材の増加につながった。

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製造方法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製造方法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製造方法を用いて製造した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製造方法を用いて製造した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製造方法を用いて製造した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製造方法を用いて製造した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 中空糸膜束
３ 折り曲げ部
４ ウェーブ
５ 開口部
６ａ、６ｂ ソケット
７ａ、７ｂ 注型キャップ
８ ピン
９ ピン抜け防止板
１０ 貫通孔
１１ａ、１１ｂ 注入管
１２ａ、１２ｂ 接着用樹脂
１３ 開口面
１４ａ、１４ｂ 製品用キャップ
１５ 供給口
１６ 排水口
１７ ケース本体
１８ ろ過水出口
１９ 供給口
２０ａ、２０ｂ ハウジング
２１ 中空糸膜カートリッジ
２２ 浸漬槽
２３ 浸漬型モジュール

Claims (2)

1. 複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束の両端部を接着集束する工程を有する中空糸膜モジュールの製造方法であって、前記中空糸膜束の一方の端部に折り曲げ部を形成し、前記中空糸膜束の他方の端部に中空糸膜の開口部を設けつつウェーブを形成した後に、前記中空糸膜の両端部を接着収束することを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。
2. 前記両端部の接着集束部を形成する接着用樹脂の端面間の中空糸膜を弛緩状態にして接着収束することを特徴とする請求項１記載の中空糸膜モジュールの製造方法。

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