JP2014184362A - セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】原液中に硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側におけるろ過膜の損傷を防止することができる技術を提供すること。
【解決手段】原液流入孔の、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、その内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流す。
【選択図】図４

Description

本発明は、セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタに関するものである。

高分子膜に比較して耐圧性、耐久性に優れるセラミックフィルタを用いたろ過方法は、現在、各種の工業分野において採用されている。

セラミックフィルタは、一般に、ろ過性能、流体透過量（即ち処理能力）の双方を向上させるために、原液流入孔を形成したセラミック多孔体を基材（支持体）として、原液流入孔の内表面にセラミックからなるろ過膜を形成した構造を有している（例えば、特許文献１）。

しかし、ろ過処理前の原液に硬質な粒子（例えば、食品化学の合成工程で生じるシュウ酸カルシウム等の結晶や、シリコンウエハの研磨排水に含有される金属シリコン粒子や、セラミック粒子等）が含有される場合に、前記構造を有する従来のセラミックフィルタを用いてろ過処理を行うと、原液の流入側において、ろ過膜の損傷が発生し、使用開始から数か月後には、原液が、ろ過処理を経た濾液側に混入するトラブルが発生しやすいという問題がある。

特開２００８−１７３６０１号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側におけるろ過膜の損傷を防止することができる技術を提供することである。

本発明者は、ろ過膜の損傷部位が、原液流入孔の入口部から数センチの範囲に限定される点に着目し、その理由を追及した結果、原液流入孔内を流れる流体が、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件にあっても、原液流入孔の入口部では縮流に伴うカルマン渦が発生しており、原液中に含有される硬質な粒子（以下、摩耗粒子という）がカルマン渦に乗って旋回運動を行い、原液流入孔の内表面に形成されたろ過膜を損傷していることを見出した。また、セラミックフィルタは、一般に、ケーシング内に収容され、Ｏ−リングとシール材を用いて、基材外周面側と、基材端面側とを気密的に隔離したクロスフロー型の膜ろ過装置として使用されるが、本発明者は、前記のシール材部分は、摩耗粒子による摩耗を受けないことを見出した。

本発明は上記した知見に基づいてなされたものであって、アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法において、前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、その内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタにおいて、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の１〜５倍の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を備えた耐摩耗機能層を備えたことを特徴とするものである。

本発明のように、円柱状のアルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法において、前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことにより、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側における原液流入孔の内面損傷を防止することができる。

セラミックフィルタの入口部で発生する縮流とカルマン渦の説明図である。 ろ過膜損傷の説明図である。 本実施形態のセラミックフィルタおよび、このセラミックフィルタを用いたクロスフロー型の膜ろ過装置の説明図である。 本実施形態のセラミックフィルタの要部を示す断面図である。 摩耗再現試験に用いた試験装置の概略図である。 試験Ａの結果を示す図である。 試験Ｂの結果を示す図である。 試験Ｃの結果を示す図である。

以下に本発明の実施形態を説明するが、最初に縮流について説明する。縮流とは、流体がオリフィスなどを通過して噴流となるとき、オリフィスなどの開口部の面積より噴流の断面積が狭くなる現象を意味する。狭くなった噴流の断面積はその後回復するが、縮流の外側と管内壁との間隙に小さい渦（カルマン渦）が発生する。

図１に示すように、セラミックフィルタ１においても、原液の流れが原液流入孔２の入口部４で圧縮されて縮流となるため、原液流入孔２内を流れる流体が、前記の原液流入孔２の入口部４から近い部分でカルマン渦が発生する。このため、原液中に硬質な粒子（以下、摩耗粒子という）が含有される場合、この摩耗粒子がカルマン渦に乗って旋回運動を行い、原液流入孔２の内表面を損傷させてしまう現象が生じる。なお、レイノルズ数による層流範囲での循環線速を守れば、縮流の渦は次第に整流化されるが、原液流入孔２の内表面の摩耗が進行し、内径が広がるにつれて、整流化が遅くなり、図２に示すように、摩耗がセラミックフィルタの内部にまで進行してしまう。本発明は、このような摩耗を回避することを目的とするものである。

本実施形態のセラミックフィルタ１は、図３に示すように円柱状のアルミナ多孔質体に多数の原液流入孔２を形成したモノリス型のフィルタである。各原液流入孔２は円柱状のアルミナ多孔質体の下端面から上端面まで貫通し、原液流入孔２の内表面には、ろ過膜３が形成されている点や、セラミックフィルタ１が、ケーシング１０内に収容され、Ｏ−リング１１と緻密質のセラミック等からなるシール材９（ろ過膜と同等以下の細孔径を有するものであり、例えば、ホウケイ酸ガラスや長石質ガラス等のガラス状物質などからなる）を用いて、基材外周面１２側と、基材端面７側とを気密的に隔離したクロスフロー型の膜ろ過装置として使用される点は、従来と同様であるが、本発明では、セラミックフィルタ１の原液流入孔２の所定範囲に耐摩耗機能層６を備えている。以下、耐摩耗機能層６について詳述する。

本実施形態のセラミックフィルタ１では、図４に示すように、原液流入孔２の入口部４から、入口部４で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、原液流入孔２の内表面５に、基材であるアルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、かつ、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層６を備えている。耐摩耗機能層６の材質は、摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有するものであれば、特に限定されない。

本実施形態では、原液がセラミックフィルタの基材端面７から基材内部８に侵入することを防ぐために基材端面７に使用されるシール材９と、耐摩耗機能層６とを同一部材として、製造工程の複雑化を回避しているが、原液の性状や、摩耗粒子の性状に応じて、各々、最適な部材から構成することもできる。具体的には、ｐＨが高い場合はナイロンやポリテトラフルオロエチレン系の樹脂を使用し、ｐＨが低く磨耗物の硬度が高い場合はガラス系の材料を使う等の選定をすることでより寿命を延ばすことが可能となる。

前記の「入口部４から、入口部４で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲」は、原液流入孔２の口径や、原液の性状や流入速度で変動するが、このうち、原液の流入速度は、原液流入孔２内を流れる原液が「層流」となる条件を満足するものとして規定される。このように、「入口部４から、入口部４で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲」に、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備えた上で、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことにより、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側におけるセラミックフィルタの内面損傷を防止することができる。

本発明者は、各種検討の結果、この層流条件を前提とした場合「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の１倍以上」の距離を過ぎると、「入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が、ほぼ整流化されて層流域となる」ことを見出した。当該知見によれば、耐摩耗機能層６の形成長さは、「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の１倍以上」であればよく、「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の２倍以上」とすれば、より確実にカルマン渦の整流化を、耐摩耗機能層６内で完了することができる。一方、耐摩耗機能層６が過剰に長くなると、ろ過膜面積が小さくなりろ過効率が低下するため、耐摩耗機能層６の形成長さは、「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の４倍以内」とすることが好ましく、最長で「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の５倍以内」とする。

本実施形態では、セラミックフィルタ１をモノリス型のフィルタとして説明したが、フィルタ形状はこれに限定されるものではなく、チューブ型としてもよい。また、ろ過膜３の孔径は、特に限定されず、例えば、０.１μｍ、０.２μｍ、０.５μｍ、１μｍ、２μｍ等、適宜必要な孔径を選択することができる。

図５に示す試験装置を用いて、摩耗粒子としてアルミナ粉末を添加したスラリーを、循環線速２ｍ／ｓで、１０００時間循環させて、セラミックフィルタの摩耗再現試験を行った。なお、層流範囲は、レイノルズ数を２３１０とすると、流速（ｍ／ｓ）＝２３１０×動粘性係数（ｍ²／ｓ）÷内径（ｍ）で計算され、１０％アルミナスラリーでは、内径３ｍｍの場合には流速１４ｍ／ｓ、内径４ｍｍの場合には１１ｍ／ｓとなり、前記の循環線速２ｍ／ｓは、レイノルズ数による層流範囲内にある。すなわち、この循環線速を守れば、セラミックフィルタの原液流入孔の入口部で発生する縮流の渦は、後段で整流化されていく。

スラリーは、粒度２０μｍのアルミナ粒子を、水に対して１０ｗｔ％添加して調整したものを使用し、１０００時間の循環後、セラミックフィルタの断面観察により磨耗状況を確認した。内部の磨耗評価は、下記の手法によって行った。
（１）端面から、２ｍｍ単位でセラミックフィルタを研磨し、各位置における断面写真を撮影。
（２）拡大した写真から、穴の長辺と短辺を測定して平均値を算出し、３０個の穴の平均値をその深さ断面の磨耗深さとする。
（３）磨耗量（ｍｍ^２）＝循環前の断面積 − １０００時間の循環後の断面積

図５に示す試験装置において、セラミックフィルタは、円筒状のケーシング１０に収容されている。原液として使用するスラリーは原液タンク１３からポンプ１４で圧送され、ケーシングの下部からセラミックフィルタの原液流入孔内に流入し、ケーシングの上部のから排出される。この間に原液流入孔の内表面に形成されたろ過膜によってろ過が行われ、ろ過液は多孔質のセラミックフィルタの内部を通じて外周側へ流れ、ケーシングの側面に接続されたろ過液排出口から取り出される。なおケーシング１０の上部のから排出された原液は再び原液タンク１３へ返送され、クロスフローろ過が行われる。

（試験Ａ）
アルミナを原料としたφ３０ｍｍ、φ３ｍｍの原液流入孔を３７個形成した長さ１ｍの基材（ＦＳ−１５（日本ガイシ））の内周壁面には、０．５μｍ相当の孔径を有するろ過膜（膜厚２００μｍ）を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、１００ｍｍ長さに切断し、流動浸漬用ナイロン１１（デュポン社）を用いて、耐摩耗機能層６を形成した。

耐摩耗機能層６の形成は、前記のセラミックフィルタを乾燥炉にて２５０℃で３０分間予熱した後、このセラミックフィルタの端面を、ナイロン１１を充填した流動槽に１０秒浸漬し、流動槽から取り出したセラミックフィルタを２００℃の乾燥炉で１５分保持することにより行った。流動槽への浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層６の形成距離を制御することができる。

本試験では、耐摩耗機能層６を形成しないもの（比較例１）の他、原液流入孔３の入口部から、１．５ｍｍ（比較例２）、３ｍｍ（実施例１）、６ｍｍ（実施例２）、９ｍｍ（実施例３）、１５ｍｍ（実施例４）の範囲に、各々、耐摩耗機能層６を形成した、計６種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。

図６には、摩耗再現試験の結果を図示している。図６に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ３ｍｍ）の１倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例１〜４では、何れも、比較例１、２と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ３ｍｍ）の３倍以上の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例３、４では、摩耗が完全に抑制された。

（試験Ｂ）
アルミナを原料としたφ３０ｍｍ、φ４ｍｍの原液流入孔を１９個形成した長さ１ｍの基材（ＦＳ−１５C（日本ガイシ））の内周壁面には、１．０μｍ相当の孔径を有するろ過膜（膜厚１５０μｍ）を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、１００ｍｍ長さに切断し、ＰＴＡポリテトラフルオロエチレンを用いて、耐摩耗機能層６を形成した。

耐摩耗機能層６の形成は、ＰＴＡポリテトラフルオロエチレン粉末をイソプロピルアルコールに対して５％添加して混合液を作成した後、この混合液に前記のセラミックフィルタの端面を浸漬し、浸漬後のセラミックフィルタを３５０℃の乾燥炉で３０分保持することにより行った。混合液への浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層６の形成距離を制御することができる。

本試験では、耐摩耗機能層６を形成しないもの（比較例３）の他、原液流入孔３の入口部から、２ｍｍ（比較例４）、４ｍｍ（実施例５）、８ｍｍ（実施例６）の範囲に、各々、耐摩耗機能層６を形成した、計４種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。

図７には、摩耗再現試験の結果を図示している。図７に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ４ｍｍ）の１倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例５、６では、何れも、比較例３、４と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ４ｍｍ）の２倍の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例６では、摩耗が完全に抑制された。

（試験Ｃ）
アルミナを原料としたφ３０ｍｍ、φ３ｍｍの原液流入孔を３７個形成した長さ１ｍの基材（ＦＳ−１５（日本ガイシ））の内周壁面には、０．５μｍ相当の孔径を有するろ過膜（膜厚２００μｍ）を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、１００ｍｍ長さに切断し、ガラスフリットＳＧ−３（日本フリット製）を用いて、耐摩耗機能層６を形成した。

耐摩耗機能層６の形成は、ガラスフリット３０に対し水１００を加えボールミルにて粉砕し平均粒度１μｍのガラススラリーを作成し、このガラススラリーに、前記のセラミックフィルタの端面を浸漬し、浸漬後のセラミックフィルタを８０℃で５時間乾燥後 ９００℃で２時間焼成することにより行った。ガラススラリーへの浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層６の形成距離を制御することができる。

本試験では、耐摩耗機能層６を形成しないもの（比較例５）の他、原液流入孔３の入口部から、１．５ｍｍ（比較例６）、３ｍｍ（実施例７）、６ｍｍ（実施例８）、９ｍｍ（実施例９）、１５ｍｍ（実施例１０）の範囲に、各々、耐摩耗機能層６を形成した、計６種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。

図８には、摩耗再現試験の結果を図示している。図８に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ３ｍｍ）の１倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例７〜１０では、何れも、比較例５、６と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径（φ３ｍｍ）の３倍以上の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例９、１０では、摩耗が完全に抑制された。

１ セラミックフィルタ
２ 原液流入孔
３ ろ過膜
４ 入口部
５ 内表面
６ 耐摩耗機能層
７ 基材端面
８ 基材内部
９ シール材
１０ ケーシング
１１ Ｏ−リング
１２ 基材外周面
１３ 原液タンク
１４ ポンプ

Claims (2)

1. アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法であって、
   前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、その内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、
   該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことを特徴とするセラミックフィルタを用いたろ過方法。
2. アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタであって、
   原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の１〜５倍の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備えたことを特徴とするセラミックフィルタ。