JP2006082036A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
圧力損失や運転動力を低減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。
【解決手段】
複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束を、側面にノズルを有する筒状ケースに挿入し、該中空糸膜束の端部を前記筒状ケースの軸方向に関して前記ノズルよりも外側において樹脂で接着固定すると共に、複数の整流孔を有する整流筒を前記ノズルと前記中空糸膜束との間に設けた外圧式中空糸膜モジュールであって、前記整流孔の前記筒状ケースの軸方向における最大長さをＬ、中空糸膜の縦弾性係数をＥ、中空糸膜の断面二次モーメントをＩ、中空糸膜の外径をＤとすると、次の不等式を満たすことを特徴とする外圧式中空糸膜モジュール。
Ｌ＜（１０ＥＩ／Ｄ）^１／４
【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、ろ過水生成時や中空糸膜洗浄時の圧力上昇を防止し、長期間安定して運転できる中空糸膜モジュールに関する。

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、該中空糸膜束の両端部を樹脂で接着固定するようにした中空糸膜モジュールでは、原水供給口と排水口とを、例えば筒状ケースの両端部にかつ筒状ケースの軸方向に関して上記接着固定部よりも内側に設けている。この原水供給口と排水口とを設けた箇所には、筒状ケース内壁に整流筒を設け、その外周を環状流路が囲むようにした構成になっている。

この中空糸膜モジュールに対し、原水供給口から原水を供給すると、原水は環状流路から整流筒を経て中空糸膜束の外側域に入り、ここで中空糸膜を透過して内部に浸入し、その濾過水が中空糸膜の開口した端部から取り出されるようになっている。

また、クロスフロー式で原水を処理する場合には、中空糸膜を透過しなかった残りの原水が、反対側の整流筒を通過し、環状流路を経て排水口から排出される。このような中空糸膜モジュールでは、運転開始時に原水供給口から原水を供給し、クロスフロー式で原水を処理する時と同じように排水口から原水が流出するようにする。このように原水を供給することにより、両端の接着固定部間の濾過域に原水を充満させることができる。

しかしながら、中空糸膜モジュール内に原水が充満したからといって、直ぐ濾過を開始すると、配管等の途中に存在していた空気が時間の経過と共に中空糸膜モジュール内に浸入するので、その空気が有効膜面積を減少させることになる。したがって、原水が濾過域に充満した後も、しばらくの間原水の供給を継続して排水口から流出させるようにする必要がある。

さらに、一定時間のろ過工程の終了後、ろ過水または圧縮性気体をろ過水出口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供給口側から供給し、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についても、排水とエアを上記排水口から流出させる。
上記のように濾過域に流入した原水やエアは、整流筒の整流孔を経て整流筒周囲の環状流路へ流出し、最後に排水口から流れ出る。そのため整流筒の周囲に流れ出た原水やエアが排水口の近傍に集中し、その排水口近傍における圧力損失が増大する。その結果、運転動力を上昇させる必要が生ずる上に、濾過開始までの時間や運転エネルギーのほか、原水も無駄にせざるを得なくなる。
これらの課題については例えば、特許文献１に記載のように整流筒に設けた整流孔の開孔面積を円周上で変化させたり、特許文献２に記載のように上記排水口近傍で上記環状流路の幅が最大になるように整流筒を配置するなどの手段がとられている。
しかし、前述の排水口付近の流量増加による圧力損失の増大の他に、中空糸膜が整流筒に設けた整流孔から環状流路側に押し出されようとして整流孔を閉塞し、圧力損失や運転動力が増大する課題については解決されていない。
実開昭６２−１９０６０５号公報（特許請求の範囲） 特開２００４−５００２３号公報（［００１６］〜［００１７］段落）

本発明の目的は、上述した従来の問題を解消し、圧力損失や運転動力を低減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を、側面にノズルを有する筒状ケースに挿入し、該中空糸膜束の端部を前記筒状ケースの軸方向に関して前記ノズルよりも外側において樹脂で接着固定すると共に、複数の整流孔を有する整流筒を前記ノズルと前記中空糸膜束との間に設けた外圧式中空糸膜モジュールであって、前記整流孔の前記筒状ケースの軸方向における最大長さをＬ、中空糸膜の縦弾性係数をＥ、中空糸膜の断面二次モーメントをＩ、中空糸膜の外径をＤとすると、次の不等式を満たすことを特徴とする外圧式中空糸膜モジュール。

Ｌ＜（１０ＥＩ／Ｄ）^１／４

本発明によれば、以下に説明するとおり、中空糸膜が整流筒に設けた整流孔を閉塞することを防止できるため、圧力損失や運転動力の低減が可能となる。

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１を参照しながら以下に説明する。

筒状ケース１はケース本体３の両端部にソケット４ａ，４ｂを装着して構成されている。ソケット４ａには原水の排水口９が設けられ、またソケット４ｂには原水の供給口１０が設けられている。この筒状ケース１に、両端を切断して一定長にした中空糸膜束２が挿入され、その両端部が樹脂１３ａ、１３ｂにより接着固定されている。図では中空糸膜束２を単純な１本として図示したが、実際には多数本の中空糸膜が束ねられて構成されている。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。

次に、図１におけるＹ−Ｙ断面を図２に示す。中空糸膜束２の両端部の接着固定は、ソケット４ａ側では図２に示すように中空糸膜１５の相互間を封止し、中空糸膜１５の端部は内部に樹脂１３ａを浸入させずに開口状態にしてある。他方、ソケット４ｂ側の中空糸膜束２の端部は、中空糸膜の端部の内側に樹脂１３ｂを浸入させて封止されている。中空糸膜の相互間にも樹脂１３ｂを浸入させているが、この相互間部分には図示しない分散ピン等を挿入し、その抜き取り後に貫通孔１４が形成されるようにしている。

筒状ケース１の両端部に設けたソケット４ａ，４ｂの端部には、それぞれキャップ５ａ，５ｂが取り付けられている。さらに筒状ケース１の両端部の内壁には、筒状ケース１の軸方向に関して上記樹脂１３ａ、１３ｂの接着固定部よりも内側の位置に、それぞれ整流筒６ａ，６ｂが設けられ、その外周を囲むように環状流路７ａ，７ｂが設けられている。これらの環状流路７ａ，７ｂは、それぞれソケット４ａ，４ｂの内側に形成されている。また、整流筒６ａ，６ｂには、それぞれ原水の流れを分散させる多数の整流孔８ａ、８ｂが設けられている。

次に、図１におけるＸ−Ｘ断面を図３に、整流筒６ａの斜視図を図４に示すが、排水口９に対面する部分には整流孔８ａを設けない部分を形成し、閉塞された状態になっている。ここで、ケース本体３、ソケット４ａ、４ｂ、キャップ５ａ、５ｂおよび整流筒６ａ，６ｂ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３、ソケット４ａ、４ｂ、キャップ５ａ、５ｂおよび整流筒６ａ，６ｂは同一の材質でもそれぞれ異なる材質でもかまわない。

次に、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。

供給口１０から原水を供給すると、原水は環状流路７ｂから整流筒６ｂを経て中空糸膜束２の外側域に入り、ここで中空糸膜を透過して内部に浸入し、その濾過水が中空糸膜の開口面からキャップ５ａに集められ、ろ過水出口１１から取り出される。また、供給口１２から原水を供給した場合は、樹脂１３ｂに設けた貫通孔１４から中空糸膜束２の外側域に入り、同様にろ過水出口１１から取り出される。そして、クロスフロー式で原水を処理する場合には、中空糸膜を透過しなかった残りの原水が、反対側の整流筒６ａを通過し、環状流路７ａを経て排水口９から排出される。また、このような中空糸膜モジュールでは、運転開始時に供給口１０または供給口１２から原水を供給し、クロスフロー式で原水を処理する時と同じように排水口９から原水が流出するようにする。このように原水を供給することにより、両端の接着固定部間の濾過域に原水を充満させることができる。

ここで、原水が整流筒６ａの内側から整流孔８ａを通過し、環状流路７ａを経て排水口９から排出されるとき、図３に示す筒状ケース１の軸方向における整流孔８ａの最大長さＬが大きすぎると、整流筒６ａの内側に挿入されている中空糸膜が整流孔８ａから環状流路７ａ側に曲がって押し出されようとし、整流孔８ａを閉塞してしまうばかりか、中空糸膜を損傷する恐れもある。
また、一定時間のろ過工程の終了後、ろ過水または圧縮性気体をろ過水出口１１側から原水側へ流す逆洗と、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１２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とを連続して実施したり、両者を同時に実施したりするが、これらの場合も、排水やエアを排水口９から流出させる場合は、上記と同様に中空糸膜が整流孔８ａから環状流路７ａ側に曲がって押し出されようとし、整流孔８ａを閉塞してしまうばかりか、中空糸膜を損傷する恐れもある。

本発明において発明者らが鋭意検討した結果、中空糸膜の特性も考慮し、中空糸膜が整流孔８ａを閉塞しないための筒状ケース１の軸方向における整流孔８ａの最大長さＬは次の関係を満たせばよいことを導き出した。すなわち、中空糸膜の縦弾性係数をＥ、中空糸膜の断面二次モーメントをＩ、中空糸膜の外径をＤとすると、Ｌ＜（１０ＥＩ／Ｄ）^１／４となるようにＬを決定し、整流筒６ａを製作すればよい。ここで、縦弾性係数Ｅについては、例えば島津製作所製などの一般的な引っ張り試験機であって中空糸膜の強度にあった仕様のもの用いて、荷重と変位の関係を求めれば計算できる。

具体的には、荷重と変位が線形的な関係にある領域において、中空糸膜１本に作用させた荷重をＰ、荷重をかける前の中空糸膜の長さ（両端の把持部分間の長さ）をＢ、中空糸膜が伸びた長さをＣ、そして中空糸の断面積をＡとすると、Ｅ＝ＰＢ／ＣＡで求まる。Ａについては中空糸膜の長手方向と垂直な断面を顕微鏡などで拡大して求めればよい。ばらつきがある場合は、例えば５箇所程度の測定結果の平均値を用いる。また、断面二次モーメントＩについては、中空糸膜の長手方向と垂直な断面の形状を顕微鏡などで測定すれば求まる。通常、中空糸膜は断面形状がドーナツ状であるが、外径をＤ、内径をｄとすると、Ｉ＝π（Ｄ^４―d^４）／６４である。この場合も、中空糸膜の外径、内径にばらつきがある場合は、それぞれ５箇所ずつ程度測定し、その平均値をとればよい。

上記関係式によれば、中空糸膜の縦弾性係数Ｅや断面二次モーメントＩが大きければ、中空糸膜の剛性が高く曲がりにくいので、筒状ケース１の軸方向における整流孔の最大長さＬを大きくすることができ、同じく中空糸膜の外径Ｄを小さくしても、中空糸膜１本当たりが受ける外力が小さくなるのでＬを大きくできる。なお、筒状ケース１の軸方向と垂直方向における整流孔の最大長さについては、中空糸膜の挿入方向とも垂直方向になるので、中空糸膜が曲がって整流孔から押し出されることはないので考慮する必要はない。

また、上記供給口１０を排水口として使用する場合は、同様に整流孔８ｂの筒状ケース１の軸方向における最大長さＬを、上記関係式に基づいて決定すればよい。

上記実施形態では、整流孔８ａ、８ｂを円形としたため、図４に示すように筒状ケース１の軸方向における整流孔の最大長さＬは円の直径となる。しかし、整流孔の形状は任意であり、三角形、四角形、六角形などの多角形、楕円形、扇型、星形などでもかまわない。ここで他の実施形態の一例として、整流孔が四角形の場合を図５に示す。また、特殊な例として星形の場合のＬを求める方法を図６に示す。筒状ケース１の軸方向と平行な線（図６に波線で示す）を複数引き、星形を横切る長さが最も長いものをＬとすればよい。他の形状も星形の場合と同様に筒状ケース１の軸方向と平行な線を複数引き、該形状を横切る長さが最も長いものをＬとすればよい。
また、上記実施形態では、中空糸膜束をストレート状にして両端部を樹脂１３ａ、１３ｂで接着固定した態様について説明したが、中空糸膜束をＵ字状に曲げた上で、端部を樹脂で接着固定するようにした中空糸膜モジュールであってもよい。さらに、中空糸膜束を構成部材とする中空糸膜カートリッジをハウジング内に装着する、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。

＜実施例１＞
図１に示す中空糸膜モジュールを用いて運転テストを行った。本発明による関係式Ｌ＜（１０ＥＩ／Ｄ）^１／４に、中空糸膜の縦弾性係数Ｅ、断面二次モーメントＩ、外径Ｄを代入して計算すると、Ｌ＜１０ｍｍとなったため、整流筒に直径９ｍｍの円形の整流孔を設けた。

まず、原水として琵琶湖湖水をポンプで供給し３０分間ろ過した後、ろ過水出口１１からろ過水１００Ｌ／ｍ^２・ｈｒを供給して逆洗浄を行うと同時に供給口１２からエアを２００Ｌ／ｍｉｎ供給してエアスクラビングを行い、排水口９から逆洗水とエアを流出させた。このとき、ろ過水を供給したろ過水出口１１における圧力は７０ｋＰａであった。
＜比較例１＞
円形の整流孔の直径を１２ｍｍにした以外は実施例１と同様の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同じ条件の運転テストを実施した。その結果、逆洗浄とエアスクラビングを同時に実施したときのろ過水出口１１における圧力は２００ｋＰａまで上昇し、ポンプにも高負荷がかかった。

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斜視図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す斜視図である。 本発明に係るパラメータを求める概略図である。

符号の説明

１ 筒状ケース
２ 中空糸膜束
３ ケース本体
４ａ、４ｂ ソケット
５ａ、５ｂ キャップ
６ａ、６ｂ 整流筒
７ａ、７ｂ 環状流路
８ａ、８ｂ 整流孔
９ 排水口
１０ 供給口
１１ ろ過水出口
１２ 供給口
１３ａ、１３ｂ 樹脂
１４ 貫通孔
１５ 中空糸膜

Claims (1)

1. 複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束を、側面にノズルを有する筒状ケースに挿入し、該中空糸膜束の端部を前記筒状ケースの軸方向に関して前記ノズルよりも外側において樹脂で接着固定すると共に、複数の整流孔を有する整流筒を前記ノズルと前記中空糸膜束との間に設けた外圧式中空糸膜モジュールであって、前記整流孔の前記筒状ケースの軸方向における最大長さをＬ、中空糸膜の縦弾性係数をＥ、中空糸膜の断面二次モーメントをＩ、中空糸膜の外径をＤとすると、次の不等式を満たすことを特徴とする外圧式中空糸膜モジュール。
   Ｌ＜（１０ＥＩ／Ｄ）^１／４

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