JP2011031174A - 分離膜モジュールおよび該分離膜モジュールを備えた濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分離膜モジュールの集束材を改良する。
【解決手段】中空糸膜または平膜からなる複数の多孔質体を集束した分離膜モジュールであって、前記複数の多孔質体はビスフェノール系ビニルエステル樹脂からなる集束材で集束され、隣接する前記多孔質体の間に前記集束材が充填されていると共に、該集束材が各多孔質体の空孔の少なくとも一部に侵入して、充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、分離膜モジュールおよび該分離膜モジュールを備えた濾過装置に関し、汚水処理等の水処理に用いられるものである。

従来、濾過装置に多孔質の中空糸膜や平膜からなる分離膜が用いられている。多数の中空糸膜を用いる場合、これらを束ねて一端側で樹脂を用いて中空糸膜間をシールするための封止材が存在する。この封止材として通常はエポキシ樹脂あるいはウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。一方、ＰＦＡやポリオレフィン等の熱可塑性樹脂で成形している場合もある。例えば、特開平６−２９６８３６号公報ではシリコーン系樹脂で端末封止材を形成することが提案されている。また、本出願人は特開２００９−２８７２５号公報で、ＰＴＦＥまたは熱溶融性フッ素樹脂で封止材を形成することを提案している。

特開平６−２９６８３６号公報 特開２００９−２８７２５号公報

前記分離膜の集束材や端末封止材として、熱硬化性樹脂のポリウレタンを用いた場合、ウレタン結合の加水分解、エステル、エーテル等の分解が発生しやすく、そのため、端末部材に亀裂が発生しやすい問題がある。
最も汎用されているエポキシ樹脂を用いた場合もエポキシ結合の加水分解が生じる。該エポキシ樹脂では、配合する硬化剤の成分が芳香族アミンと脂肪族アミンで大きく相違し、脂肪族アミンの場合は特に加水分解が発生しやすい。これに対して、芳香族アミンの場合は亀裂が発生しにくいが、発癌性がある場合もあり環境上の問題を有すると共に、硬化温度が高く、加熱冷却のリードタイムが長くなり生産性が悪い問題がある。
さらに、エポキシ樹脂は熱硬化時に、液粘度が大きく低下し、中空糸膜の場合には、毛細管現象で中空部に吸い上がり、その後、硬化するため、中空糸膜が脆化して切れやすくなる問題がある。

一方、前記集束材や端末封止材を熱可塑性樹脂で成形した場合、流動性が低い。よって、多数本の中空糸膜を密に集束して形成した中空糸膜モジュールの場合、中空糸膜間に隙間なく充填することが困難となる。よって、中空糸膜の端末を挿入する凹部を予め設けており、これら凹部に中空糸膜の端末を圧入せざるを得ず、生産性が非常に悪くなる。
かつ、熱可塑性樹脂は一般に接着性が悪く、中空糸膜の封止についての信頼性が低い問題がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、亀裂が発生しにくく、中空糸膜等の分離膜との接着性がよいと共に中空糸膜の内部へ浸透しにくく、かつ、加工性のよい樹脂で端末封止材を含めた集束材を備えた分離膜モジュールを提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、中空糸膜または平膜からなる複数の多孔質体を集束した分離膜モジュールであって、
前記複数の多孔質体はビスフェノール系ビニルエステル樹脂からなる集束材で集束され、隣接する前記多孔質体の間に前記集束材が充填されていると共に、該集束材が各多孔質体の空孔の少なくとも一部に侵入していることを特徴とする分離膜モジュールを提供している。

前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は下記の化学式からなる。

前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂としては、昭和高分子（株）製のリポキシ（商品名）等が好適に用いられる。
該ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は、エポキシアクリレート樹脂と称される熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂であり、端末にのみエステル基とメタアクリル基を有し、主鎖はビスフェノール骨格であるため、エステル基濃度を低くできる。そのため、加水分解を受けにくく、亀裂の発生を防止できる。
かつ、硬化温度が常温であり、硬化剤や硬化促進剤で硬化温度を制御でき、分離膜の種類に応じて硬化速度を調節することができる。
さらに、適切な粘度を有するため多孔質体の端末を金型にインサートした状態で樹脂を注入する際に、中空糸膜モジュールとして中空糸膜を密に並設する場合、中空糸膜間に隙間なく充填することができる。また、中空糸膜外表面の空孔を形成する微細な隙間へ迅速に浸透させることができる。また、熱硬化型エポキシ樹脂と比較して、樹脂の熱硬化反応時に、液粘度が大きく低下しない。よって、中空糸膜の封止材として用いる場合、中空糸膜の少なくとも一部の空孔分には充填されるが毛細管現象で更に中空糸膜の肉厚内部や中空糸膜間で樹脂が吸い上がることは防止でき、前記した中空糸膜の端末で中空部に吸い上げられた樹脂が硬化して中空糸膜側で脆化が起こり、中空糸膜が切れることを防止できる。

さらに、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は耐アルカリ性および耐酸性のいずれにも優れた耐食性を有するため、汚水処理用の腐食環境下で用いられる濾過装置用として好適である。特に、中空糸膜に、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂やポリオレフィン系樹脂製の中空糸膜の場合は、耐薬品性に優れているものを用いる場合は、その膜モジュールとして耐薬品性が向上し望ましい。また、適度の粘度であるがために、多孔質膜の空孔に一部侵入してアンカー効果をもたらすため接着性も優れているため、中空糸膜や平膜と強固に固着でき、特に、中空糸膜の封止材として用いた場合に液漏れがなく、接着信頼性を高めることができる。さらにまた、引張強度、引張り弾性率、圧縮強度等の機械的物性も優れると共に靭性も優れ、分離膜の端末部材の成形材として最適である。

本発明で用いるビスフェノール系ビニルエステル樹脂は、平均単位面積接着力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）が１０〜３５のものが用いられ、特に、３０〜３５のものが好適に用いられる。なお、単位面積接着力は、ＡＢＳダンベルに樹脂を塗布して重ねて接着した状態で引張試験を行って測定した。

また、前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は、粘度が１〜３０ｄＰａ・ｓ／２５℃であるものが好ましい。
該粘度範囲であれば、中空糸膜の封止材として用いる場合、中空糸膜の少なくとも一部の空孔部には充填されるが、毛細管現象で更に中空糸膜の肉厚内部や中空糸膜間で樹脂が吸い上がることは防止できる。即ち、毛細管現象で吸い上げられない粘度範囲であり、かつ、中空糸膜モジュールとした場合に密に配置される中空糸膜間の隙間に充填できる粘度範囲であることに因る。

さらに、前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂に硬化剤としてメチルエチルケトンパーオキサイド（ＭＥＫＰＯ）と硬化促進剤としてナフテン酸コバルトが配合されていることが好ましい。
前記硬化剤および硬化促進剤が配合されていることにより常温で１５分〜３０分で硬化させることができ、生産性を高めることができる。
ビスフェノール系ビニルエステル樹脂１００質量部に前記ＭＥＫＰＯは０．５〜２質量部、ナフテン酸コバルトは０．１〜１．０質量部を配合することが好ましい。

また、前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は強化繊維が配合されているＦＲＰでもよい。該繊維強化ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は、比重が１．３〜２．０で軽量であり、かつ、引張強度８０〜１８０ＭＰａ、引張り弾性率が４０〜１１．０ＧＰａ、重量に対する強度比が６．１〜１２．９ＭＰａで機械的物性も優れている。

前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂からなる端末部材は、多孔質体が中空糸膜からなる場合は、集束材は端末封止材として用いられ、中空糸膜の少なくとも一端側の端末でシールされ、中空糸膜内部の少なくとも一部に前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂が充填されている。

分離膜モジュールを前記中空糸膜で構成する場合に前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂からなる封止材が好適に用いられるが、分離膜が中空糸膜以外の場合にも、集束材または封止材として、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂が好適に用いられる。
例えば、多孔質体は多孔質シートであり、該多孔質シートが巻回して筒形状とされ、該巻回された多孔質シートの端末を前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂製の集束材に埋設している。
あるいは、前記多孔質シートからなる平膜が隙間をあけて整列されている平膜型分離膜モジュールの場合は、該複数の平膜を所定ピッチで支持する集束部材として前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂製のフレームを固着している。

また、本発明は前記分離膜モジュールを備えた濾過装置を提供している。

前記のように、本発明では、分離膜モジュールの集束材をビスフェノール系ビニルエステル樹脂で成形しているため、加工性がよく、生産性を高めることができる。
また、分離膜を中空糸膜モジュールとし、その一端末を集束すると共に各中空糸膜の中空部の開口端を封止する封止材として前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂を用いて成形すると、密に並設する中空糸膜間に隙間なく充填できると共に、該各中空糸膜の中空部内には封止する端末部分にのみ樹脂を充填して封止でき、中空部内への樹脂上がりを防いで、中空糸膜の端末の脆化を防止することができる。

本発明の第一実施形態の中空糸膜モジュールを示し、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は封止材で固定している一端側の拡大断面図、（Ｃ）は他端側の拡大断面図である。 前記封止材の形成工程を示す図面である。 第二実施形態の分離膜を示す図面である。 第三実施形態の分離膜を示す図面である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１、図２に第一実施形態の中空糸膜モジュールを示す。
中空糸膜モジュール１は、多孔質延伸ＰＴＦＥチューブからなる多数本の中空糸膜２を密に並設し、その長さ方向の一端を封止兼用の集束材３で連結固定し、他端の集水側も多数本の中空糸膜２を１つの集束材４で連結固定している。
前記中空糸膜モジュール１の長さ方向の両端に取り付ける封止材３、４はビスフェノール系ビニルエステル樹脂を主成分とする組成物で成形している。

前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は、前記の化学式を有するものであり、硬化剤としてメチルエチルケトンパーオキサイド（ＭＥＫＰＯ）が配合されていると共に、硬化促進剤としてナフテン酸コバルトが配合されている。ビスフェノール系ビニルエステル樹脂１００質量部にＭＥＫＰＯは０．５〜２質量部、ナフテン酸コバルトは０．１〜１．０質量部を配合することが好ましい。本実施形態ではＭＥＫＰＯは１．５質量部、ナフテン酸コバルトは０．５質量部としている。
前記硬化剤と硬化促進剤とを配合することにより、常温での硬化時間を約２０分としている。
また、前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂の粘度は１〜３０ｄＰａ・ｓ／２５℃としている。

前記中空糸膜モジュール１の封止材３は、図１（Ｂ）に示すように、平板部の上部に前記多数本の中空糸膜２が並設して立設している。
多孔質延伸ＰＴＦＥ製の中空糸膜２は内径１〜１０ｍｍ、外径１．５〜２０ｍｍであり、本実施形態の中空糸膜２は内径１ｍｍ、外径２ｍｍとして、空孔率は８０％としている。中空糸膜モジュール１では、前記中空糸膜２を隣接する中空糸膜２との間に１ｍｍの隙間Ｃを空けている。

前記各中空糸膜２は長さ方向の一端側の下端部を下端２ｂから１０〜２０ｍｍを、封止材３として成形する樹脂組成物Ｒ内にポッテイングして固着し、該封止材３の上部に中空糸膜２の下端部を埋設している。この埋設領域Ｓの中空糸膜２の中空部２ａ内には該封止材３の樹脂部３ａを充填して下端開口２ｃを封止しているが、埋設領域Ｓから外方に突出した部分の中空部２ａ内には樹脂は充填されていない。また、埋設領域Ｓでは隣接する中空糸膜２の間に樹脂部３ｂが隙間なく充填されている。

前記封止材３は図２に示すように、成形型１０内に前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂を主成分とする樹脂組成物Ｒを注入し、注入後に、複数本の中空糸膜２を所定の隙間をあけて並列保持した状態で、中空糸膜２の下端２ｂから埋設領域Ｓとする所定寸法だけ成形型１０内の前記樹脂組成物Ｒに挿入する。該樹脂組成物Ｒは、注入時に主成分のビスフェノール系ビニルエステル樹脂の粘度を前記のように１〜３０ｄＰａ・ｓ／２５℃としているため、比較的低粘度であるため流動性を有する。よって、隣接する中空糸膜２の間の前記隙間Ｃに流入すると共に、各中空糸膜２の中空部２ａ内にも流入する。其の際、前記埋設領域Ｓの長さよりも若干少ない量で前記組成物が充填されるように、組成物の注入量を定量化している。

成形型１０内に注入した前記組成物には前記硬化剤および硬化促進剤を配合しているため、常温下で２０〜３０分で硬化する。
かつ、該硬化時に、粘度低下が少ないため、中空糸膜２の中空部２ａ内で毛細管現象で樹脂が吸い上げられることを抑制でき、前記埋設領域Ｓより外方に突出した中空糸膜２の中空部２ａ内まで樹脂が流入するのを防止できる。

これにより、前記図１（Ｂ）に示すように、隣接する中空糸膜２の間に樹脂部３ｂが隙間無く充填され、各中空糸膜２の中空部２ａ内に樹脂部３ａが充填され、下端開口２ｃが閉鎖される。
かつ、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂はＰＴＦＥとの接着力が強いため、各中空糸膜２は封止材３に強固に固着される。これにより、中空糸膜の他端からの液漏れを確実に防止することができる。

図１（Ｃ）に示すように、中空糸膜モジュール１の他端側を集束材４で連結固定している。該集束材４は多数本の中空糸膜２の他端外周に固着した中空糸膜保持部４ａと中空糸膜２の上端開口２ｃに面する部分は集水口４ｂを囲む枠部４ｃとし、該枠部４ｃから連結管部４ｄを突出して集水管６の分岐管６ａと連結している。
該集束材４も前記封止材３と同様に、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂を主成分とする組成物にポッテイングして成形している。

前記のように下端に封止兼用の集束材３、上端に集束材４を取り付けて多数本の中空糸膜２を一体的に固定した中空糸膜モジュール１は、図１（Ａ）に示すように、濾過槽１１内に集束材３を下端とし、上端を集水管６で支持して、垂直方向に吊り下げている。
前記濾過槽１１内には、上水あるいは下水からなる処理液Ｑ１を貯留し、中空糸膜モジュール１を浸漬型として用いている。
なお、処理水を加圧して供給する加圧型としてもよい。
濾過層１１内で処理液Ｑ１に含まれる異物は中空糸膜２の外周面で捕捉され、中空糸膜２を透過した処理済み浄液Ｑ２が中空糸膜２の中空部２ａを通り、集束材４の集水口４ｂをへて集水管６へと吸引される。

前記集束材３、４は処理液Ｑ１に接触するが、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂はアルカリおよび酸の両方に対して耐食性に優れ、かつ、耐薬品性も優れている。かつ、中空糸膜２とするＰＴＦＥも耐食性、耐薬品性に優れているため、中空糸膜モジュール１は耐久性に優れ、長寿命化することができる。

かつ、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は比較的低粘度でハンドリング性がよいため、成形型への注入作業が容易にでき、かつ、常温で比較的短時間で硬化するため、加熱冷却工程が不要であると共に製造時間を短時間とでき、生産効率を上げることができる。

図３に第二実施形態の分離膜モジュール２０を示す。
該分離膜モジュール２０は、多孔質延伸ＰＴＦＥからなるシート２１を筒形状としている。前記シート２１の円筒状とした長さ方向の両端を固定する集束材２２、円筒の下端開口を封止する封止材兼用の集束材２３、円筒の上端開口に取り付ける固定材（図示せず）を前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂で形成している。

図４に第三実施形態の平膜型分離膜モジュール３０を示す。
該分離膜モジュール３０は、多孔質シートからなる平膜３１を、多数枚隙間をあけて垂直方向に並列配置したユニットとしている。これらの平膜３１を所定間隔をあけてユニットとして保持するフレーム３２を前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂で形成し、前記平膜３１の端末に固着している。

前記図３および図４に示す実施形態の分離膜モジュール２０、３０においても、ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は耐食性、耐薬品性に優れ、かつ、ハンドリング性がよいため加工が簡単にできる利点がある。

本発明は前記実施形態に限定されず、中空糸膜および多孔質シートは多孔質延伸ＰＴＦＥに限定されず、多孔質材一般に適用することができる。
また、本発明の要旨を越えない種々の実施形態が含まれる。

１ 中空糸膜モジュール
２ 中空糸膜
３ 封止兼用の集束材
３ａ、３ｂ 樹脂部
４ 集束材
Ｓ 封止材への中空糸膜の埋設領域

Claims (6)

1. 中空糸膜または平膜からなる複数の多孔質体を集束した分離膜モジュールであって、
   前記複数の多孔質体はビスフェノール系ビニルエステル樹脂からなる集束材で集束され、隣接する前記多孔質体の間に前記集束材が充填されていると共に、該集束材が各多孔質体の空孔の少なくとも一部に侵入していることを特徴とする分離膜モジュール。
2. 前記集束材は前記多孔質体の端末の少なくとも一端側で封止部材として設けられている請求項１に記載の分離膜モジュール。
3. 多孔質体は多孔質シートであり、該多孔質シートが巻回して筒形状とされ、該巻回された多孔質シートの端末が前記集束材で固着され、
   あるいは、前記多孔質シートからなる平膜が隙間をあけて整列され、該複数の平膜の端末に前記集束材からなるフレームが固着されている請求項１に記載の分離膜モジュール。
4. 前記ビスフェノール系ビニルエステル樹脂は粘度が１〜３０ｄＰａ・ｓ／２５℃とされ、さらに、硬化剤のメチルエチルケトンパーオキサイド（ＭＥＫＰＯ）と硬化促進剤のナフテン酸コバルトが配合され、常温硬化時間が２０分以下である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
5. 前記中空糸膜あるいは平膜からなる多孔質体は、延伸ＰＴＦＥで形成されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の分離膜モジュールを備えた濾過装置。

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