JP2007125452A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 エアバブリング法による洗浄によって中空糸膜の糸束間の汚れ物質を確実にモジュール外に排出することができ、特に大型モジュールにおいても、長期間安定にろ過運転を継続することができる中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】 中空糸膜の両端が接着剤でポッティング固定された片端集水型の中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜が、片端部分に外径縮小部分3のある中空糸膜であり、中空糸膜のポッティング上端固定部分12とポッティング下端固定部分13とで、１．１〜２倍の充填率の格差があり、かつ、前記中空糸膜の一端が開口している中空糸膜モジュールである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、中空糸膜モジュールに関するものである。詳しくは、精密ろ過および限外ろ過の中空糸膜モジュールを物理洗浄する際に、中空糸膜を効率的にエアレーションすることができる中空糸膜モジュールに関するものである。

浄水処理などの固液分離に用いられる中空糸膜モジュールには、中空糸膜の両端部を接着剤でポッティング(シール)した後、片方の端部だけを開口する「片端開口型」のモジュール、両端を開口する「両端開口型」のモジュール、中空糸膜をＵ字形状にして中空糸膜端部の片方だけを開口する「Ｕ字型」のモジュール、およびＵ字形状部分を切断した上で中空糸膜一本ずつに単独で封止した状態の「くし型」のモジュールなどが知られている。これらの中空糸膜モジュールのろ過方法としては、中空糸膜の内側から外側に処理原水を流してろ過する内圧式、中空糸膜の外側にある処理原水を内側に流してろ過する外圧式がある。

一般的に河川水、湖水などを長期間にわたり膜ろ過を行うと、膜面に懸濁物質などの堆積層が形成され、ファウリングが起こり、ろ過差圧の上昇や透過水量の低下が起こる。そのために膜の洗浄再生作業が必要となり、物理洗浄や薬品洗浄を施している。膜面に付着し堆積した汚れを剥離させる物理的な洗浄方法として、通常、透過水側から原水側に透過水（清澄水）あるいは気体（空気）を圧力下に逆流させる「逆流圧洗浄法」、原水側に気体を導入して膜を揺動させる「エアバブリング法」、ポンプを用いて微細気泡を発生させる「微細気泡洗浄法」、およびスポンジボールを用いる洗浄方法などが利用されている。かかる物理洗浄方法のなかでも、原水側に気体を導入して膜を揺動させる「エアバブリング法」が広く用いられている。

このエアバブリング法に関する改良手法としては、モジュール容器の下部ポッティング部分を２段にして、前段に貫通する散気チューブを設置して処理原水中の中空糸膜をエアバブリングする方法（特許文献１参照）、あるいは、モジュール容器の下部に設けた散気ノズルにより、処理原水中の中空糸膜をエアバブリングする方法（特許文献２参照）、さらに中空糸膜モジュール下部に設けたエア分散誘導板により、エアバブリング効率を上げる方法（特許文献３参照）などが知られている。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、ポッティング構造が複雑になる。また特許文献２に記載の方法では、散気エア量が増えると容器内の原水のエア呼吸（流）が発生して、原水に上下の脈動が起こり、過度の負荷が上部固定部分の中空糸膜の根元にかかって糸切れが起きやすく、また気泡が粗大化して洗浄効果の小さい部分が生じることがある。さらに特許文献３に記載の方法では、エア分散誘導板の取り付け位置によりエア散気に偏流が起こり易く、またモジュール構造が複雑化する難点がある。

また近年、膜ろ過プラントが大規模化し、コスト低減のために膜モジュールも大型化する傾向にある。このため中空糸膜の糸束間に堆積した汚れをモジュール外への排出も容易でなくなっており、従来のエアバブリング法では、これら大型膜モジュールの物理洗浄が充分に行えない場合が生じている。

このように、容器内あるいは開放形で使用する従来の中空糸膜モジュールでは、容器下端部分の中空糸膜の集束固定部分で汚れ詰まりが発生し易く、特に大型モジュールでは中空糸膜の集束本数が増加することにより汚れを容器外に排出することが困難になり、汚れの偏在化が起こって長期に安定してろ過運転することが困難であった。

特開平６−３４３８３７号公報（段落番号０００５〜０００７） 特開平１１−３３３６７号公報（段落番号０００６） 特開２００１−３４７２６７号公報（段落番号００２４〜００２５）

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解消し、エアバブリング法による洗浄によって中空糸膜の糸束間の汚れ物質を確実にモジュール外に排出することができ、特に大型モジュールにおいても、長期間安定にろ過運転を継続することができる中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するための本発明は、中空糸膜の両端が接着剤でポッティング固定された片端集水型の中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜が、片端部分に外径縮小部分のある中空糸膜であり、中空糸膜のポッティング上端固定部分とポッティング下端固定部分とで１．１〜２倍の充填率の格差があり、かつ、前記中空糸膜の一端が開口していることを特徴とする中空糸膜モジュールである。

本発明の中空糸膜モジュールを容器内の原水で使用すると、ポッティング下端部分の開口部にエアを導入し中空糸膜下端部分から直接中空糸膜にエアレーションすることができる。さらに中空糸膜下端部の縮小によって中空糸膜の充填密度が下がり懸濁物質などの排出が向上する。また開放形の原水で使用すると膜間にエアが進入し易くなり、膜ろ過で起きる固形分の付着、堆積によるファウリングが抑制され、長期に安定したろ過運転が行える。

以下に図面を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明が以下の実施態様に限定されるものではない。

図１は本発明で用いる中空糸膜の模式図であり、図２はその部分拡大斜視図である。この中空糸膜は、その片端部分（図では軸方向の下端部分）３が縮小した細径となっていて、中空糸膜１のろ過機能を発揮する部分２（「中空糸膜のろ過部分」と称する。）と、外径が縮小した細径部分３（「中空糸膜の縮小径部分」と称する。）に機能的に分割されている。

図３は本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す概略側面断面図である。図３に示す容器一体型の中空糸膜モジュール１４は、原水供給口６、エアベント７、エア供給口５、及び透過水の集水口８を備えた容器４に、多数本の中空糸膜１の両端が接着剤でポッティング固定されている。ポッティング上端固定部分１２には、ポッティング固定後に一部を切断して中空糸膜内部を開口させた開口面１０が形成されている。ポッティング下端固定部分１３に設けられた散気孔１１には、エア供給源（図示せず）が接続されたエア供給口５が連通している。この中空糸膜モジュールを、処理原水を原水供給口６から中空糸膜１の外側に流してろ過する外圧式で使用した場合、処理原水中の汚れは中空糸膜のろ過部分２の外表面でろ過され、中空糸膜を透過した透過水は中空糸膜の内部を流れ、中空糸膜の開口面１０を経て集水口８から外部へ取り出される。

この中空糸膜を物理洗浄する際には、原水供給口６と洗浄排水口９を共に閉止し、エアベント７を開いて、エア供給源に接続されたエア供給口５よりポッティング下端固定部分１３の散気孔１１に圧縮エアを送気して、容器４内の中空糸膜１のろ過部２をエアレーションした後、洗浄排水口９を開放して洗浄廃水を排出する。また懸濁物質などの堆積を抑制するには、ポッティング下端固定部分１３の横断面に占める散気孔１１の開口率を５〜２０％の範囲にすることが好ましい。開口率が２０％以下であるとポッティング時の中空糸間の接着不良などが軽減される。開口率が５％以上であるとポッティング下端部１３の糸間に堆積した懸濁物質の排出が容易になる。ここで開口率は次式で表す。

開口率＝Ｓ１／Ｓ２×１００（％）
Ｓ１：散気孔１１の横断面積の総和
Ｓ２：下端ポッティング部分の横断面積（散気孔部分１１を含む）

ポッティング下端固定部分１３に設けた散気孔の孔形状は、円形、楕円形や四角形など任意でかわないが、円形である場合にはその口径が１〜２０ｍｍφの範囲であると、発生する上昇気泡により効率的にエアレーションすることができる。

なお、ここで用いる容器４としては、ＡＢＳ樹脂、ポリプロプレン樹脂、ポリカーボネート樹脂などの樹脂製の容器、エポキシ樹脂、ウレンタン樹脂などにガラス繊維、炭素繊維などの強化繊維で補強された繊維強化樹脂製の容器、ステンレスなどの金属製の容器が例示される。加圧型の中空糸膜モジュールとして使用する場合、運転ろ過圧力（耐圧性）や設置スペースなどを考慮して、タンク型や容器一体型などから選定されることが好ましい。また、吸引型中空糸膜モジュールとして使用する場合には、中空糸膜を集束して両端が接着剤で固定される部分を支持するものであれば好ましく使用できる。例えばステンレス、アルミ、銅など金属製の金網、あるいはパンチング処理した製品、またポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、エチレン・酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、塩素化ポリエチレンなどの樹脂製のネットあるいはパンチング処理されたフィルムなどが好ましく用いられる。金網（ネット）の織り組織としては、平織り、綾織りなどで線径が０．０３〜２ｍｍ程度で、空間（隙）率が３０〜９０％の範囲が好ましく、より好ましくは３５〜８０％の範囲である。またパンチング処理としては、一般的には円形、四角形であるが異形の処理であって良く、空間（隙）率が３０〜９０％の範囲が好ましく、より好ましくは３５〜８０％の範囲である。

本発明の中空糸膜モジュールにおいては、膜ろ過する中空糸膜のろ過部分２でポッティングされているポッティング上端固定部分１２と、中空糸膜縮小径部分３でポッティングされているポッティング下端固定部分１３とでは、中空糸膜の上下で外径格差があることにより、ポッティング上端および下端部分に占める中空糸の充填率に格差が生じている。ここで中空糸膜の上端部分および下端部分の充填率は以下のように定義する。

上端部分の充填率＝（Ｓ３／Ｓ４）×１００（％）
Ｓ３：ポッティング上端固定部分１２の横断面における中空糸膜（中空部を含む）の横断面積の総和
Ｓ４：ポッティング上端固定部分１２の横断面積
下端部分の充填率＝（Ｓ５／Ｓ６）×１００（％）
Ｓ５：ポッティング下端固定部分１３の横断面における中空糸膜の横断面積の総和
Ｓ６：ポッティング下端固定部分１３の横断面積

ポッティング下端固定部分１３には中空糸膜の縮小径部分が固定されているので、ポッティング下端固定部分１３における中空糸の充填率は小さくなり、充填率が下がった分で散気孔１１を開口することが可能になる。ポッティング下端固定部分１３に設けた散気孔１１から流入したエアにより発生する気泡が中空糸膜縮小径部分３から膜間を上昇（流）して、中空糸膜ろ過部分２の細部に渡ってエアレーションすることができ、散気効率が高くなる。さらに膜面から剥離した濁質分の容器から排出が容易になる。

図４は、容器部分４を取り外した構造の開放型の中空糸膜モジュールの一例を示す概略側面断面図である。この開放型の中空糸膜モジュール１５では、多数本の中空糸膜１の両端を接着剤でポッティング固定し、ポッティング固定した上端固定部分の一部を切断して、中空糸膜内部を開口させた中空糸膜の開口面１０を形成して、ポッティング上端固定部分１２としている。ポッティング下端固定部分１３に設けられた散気孔１１には、エア供給源が接続されたエア供給口５が連通している。ポッティング上端固定部分１２には中空糸膜の開口面１０に連通させた集水口８が設けられている。固定キャップ上端部１６と固定キャップ下端部１７の両端を側柱１８で支える構造になっている。

この中空糸膜モジュール１５を用いて、処理原水を開放形で外圧全ろ過を行う場合、エア供給口５よりエア（気体）を供給して、ポッティング下端固定部分１３の散気孔１１より原水中に散気して中空糸膜１の中空糸膜ろ過部分２をエアレーションするとともに、原水をろ過して中空糸膜の内側より透過水が集水口８にて外部へ取り出される。常時あるいは間欠的に行われるエア供給によって膜ファウリングが抑制される。また膜全体にエアレーションが行き届くことで膜の再付着が軽減されるために逆洗（エア、洗浄水）が容易になる。

本発明で用いる中空糸膜における縮小径部分３の長さ割合は、ろ過性能とエアレーション効果などを考慮して決めればよいが、一般的には、縮小径部分３の実質的な有効長は中空糸膜全長の２〜３０％の範囲であることが好ましく、より好ましくは１０〜２０％であり、中空糸膜１のろ過とエアレーション効果がバランスするので好ましい。

本発明の中空糸膜モジュールを製造する際には、通常、ポッティングと呼ばれる公知な方法で中空糸膜の両端を接着剤で固定する。ポッティングでは、接着剤を中空糸膜の間および内部に浸透させるにあたり、静置した状態で行う「静置法」、および遠心力を用いて浸透させる「遠心法」が用いられる。接着剤としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などの熱硬化性接着剤を使用するが、接着剤の溶液粘度や発熱反応温度を調整するために無機微粒子などを添加することも良い。

本発明で用いる中空糸膜は、たとえば特開２００１−３８１６８号公報の段落番号００１４〜００１９に記載されている方法により製造することができる。

即ち、本発明で用いる、片端部分に外径縮小部分のある中空糸膜は、通常の方法により得られた中空糸膜に外力を加え、その一部を閉塞させて得ることもできるが、紡糸原液と凝固流体とを、芯鞘構造を有するノズルを用い、エアーギャップを２〜４０ｃｍの範囲内として乾湿式紡糸するとともに、凝固流体の吐出量を任意に変動させ、かつ、紡糸ドラフト比１〜３０の範囲内に引き取ることにより製造することができる。

この糸条製造工程において、芯鞘構造を有するノズルの中心パイプ（芯部分）から吐出する凝固流体の量を減少させると、紡糸原液の表面張力により、糸の中空部の内径が小さくなり、凝固流体の量をある程度以下に抑えると閉塞が発生する。凝固流体としては、気体を用いても液体を用いてもよいが、気体を用いる場合には、圧力を調整することよりも流量を制御することが好ましく、液体を用いる場合には、たとえば電磁弁などの制御弁を用いて流量を調整することが好ましい。また気体としては、乾燥した空気を用いることもできるし、気体状の溶媒や凝固剤を含んでいてもよい。さらに、液体としては、凝固剤と溶剤の混合液を用いることが好ましい。紡糸は曳糸性を損なわずに閉塞部分を形成するために、紡糸ノズルの先端から凝固浴までのエアーギャップを２〜４０ｃｍの範囲内とし、紡糸ドラフト比を１〜３０の範囲内として行うことが好ましい。閉塞部分の形成は、上記のように、凝固流体の流量（吐出量）を任意に変動させることにより行うことができるが、溶液や半凝固状態にある紡糸途上の糸条を、たとえば、ロールで賦形することにより行うこともできる。

中空糸膜の製造は、上記の乾湿式紡糸法を用いるほかに、乾式または湿式の溶液紡糸方法で行うこともできるし、溶融紡糸法により行うこともできる。

このようにして、前記中空糸膜のろ過部分の中空糸膜外径に対して、中空糸の一部に閉塞部分を形成させるために、中空糸の一部分を外径縮小部分とすることが可能になる。

本発明で用いる中空糸膜の素材は、精密ろ過膜、限外ろ過膜に使用されているものであれば良く、例えば、ポリアクリルニトリル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリメチルアクリルレート、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、銅アンモニアセルロース、セルロースアセテート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを挙げることができる。上記膜素材の溶剤としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ-メチルピロリドン、デカン、γ−ブチロラクトンなどを例示することができるが、この限りではない。

（実施例）
図３に示す容器一体型の中空糸膜モジュールを用いて原水（琵琶湖水）のろ過を行った。この中空糸膜モジュールにおいて、ポッティング上端固定部分１２の中空糸膜の充填率が５０％であった。またポッティング下端固定部分１３の散気孔１１はφ５ｍｍの円筒形で開口率が１０％であり、中空糸の充填率が３２％で散気孔１１を除く領域にほぼ均一に中空糸が分散していた。

まずポンプで７０Ｌ／ｍ^２・ｈｒで原水供給し、３０分間ろ過した後、透過水の集水口８から透過水１００Ｌを中空糸内部に供給して逆洗浄を行い、さらにエア供給口５から１５０Ｌ／ｍｉｎで送気して一分間のエアスクラビングを行った後に排水した。これらろ過、逆洗浄、エアスクラビングおよび排水操作を繰り返しながら透過水を得た。その結果、中空糸膜３とポッティング下端固定部分付近おける懸濁物質の堆積や散気孔の詰まりが抑制され、ろ過差圧が１５０ｋＰａに上昇するまでに約１５日間を要した。

（比較例）
縮小径部分のない従来の中空糸膜を用いて、ポッティング下端固定部分１３の充填率を５０％にした以外は図３と同様の容器一体型の中空糸膜モジュールを用いた。なお、この中空糸膜モジュールのポッティング下端固定部分１３における散気孔（φ５ｍｍ）の開口率は１０％であった。これ以外は実施例１と同様にして原水をろ過した結果、ろ過差圧が１５０ｋＰａに上昇するまでに約９日間を要した。

本発明に係る中空糸膜モジュールに用いる中空糸膜を示す模式図である。 図１の中空糸膜の下部部分を拡大して示す斜視図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの一実施形態を示す概略側面断面図である。 本発明に係る中空糸膜モジュールの他の一実施形態を示す概略側面断面図である。

符号の説明

１：中空糸膜
２：中空糸膜のろ過部分
３：中空糸膜の縮小径部分
４：容器
５：エア（気体）供給口
６：原水供給口
７：エアベント
８：集水口
９：洗浄排水口
１０：中空糸膜の開口面
１１：散気孔
１２：ポッティング上端固定部分
１３：ポッティング下端固定部分
１４：容器一体型の中空糸膜モジュール
１５：開放型の中空糸膜モジュール
１６：上部集水キャップ
１７：下部散気キャップ
１８：側柱

Claims (1)

1. 中空糸膜の両端が接着剤でポッティング固定された片端集水型の中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜が、片端部分に外径縮小部分のある中空糸膜であり、中空糸膜のポッティング上端固定部分とポッティング下端固定部分とで、１．１〜２倍の充填率の格差があり、かつ、前記中空糸膜の一端が開口していることを特徴とする中空糸膜モジュール。

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