JP2014188445A - 膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ろ過膜のろ板への融着姿勢に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法を提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂製のろ板９の表面にろ過膜１０がその周縁の接合部１１で接合された膜カートリッジであって、前記接合部１１は少なくとも内縁部Ｐ１が内側のろ板表面Ｐ２に対してろ過膜９の周縁端Ｐ３に向かって１０度以上４５度以下の下り勾配に形成され、そのような傾斜面部を備えた加熱板または超音波ホーンを用いて押圧融着されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法に関する。

汚水浄化処理等の水処理設備に用いられる固液分離装置として浸漬型膜分離装置が好適に用いられている。当該浸漬型膜分離装置には、樹脂製のろ板とろ板の両面に周縁が接合されたろ過膜を備えて構成される複数枚の平板状の膜カートリッジが収容されている。

特許文献１には、ろ過膜のろ板への接着ムラを防止し、接着効率を向上させて、膜モジュールの気密性を確保することを目的として、有機合材膜支持体の表面を有機ろ過膜で覆い、局部加熱により有機ろ過膜の周縁部で両者を融着させることを特徴とする膜モジュールの製造方法が開示されている。

特許文献２には、曝気に対する耐久性を高めることができる浸漬型膜カートリッジの製造方法を提供することを目的として、樹脂製のろ板に、二重線状のシール部と帯状の補助部とをろ板の表面から突出して、かつろ板の周縁部に沿った全周にわたって一体に成形し、内側に位置するシール部を外側に位置するシール部より低く形成し、外側に位置するシール部と周縁に位置する補助部とを同じ高さに形成し、ろ板の表面に双方のシール部および補助部を覆ってろ過膜を配置し、ろ過膜の上からアップダウンホーンを双方のシール部および補助部に押圧し、アップダウンホーンから超音波を出力してろ過膜を双方のシール部および補助部において溶着し、双方のシール部に直線状の止水部を形成してろ過膜を緊張状態に保持するとともに、補助部に補助溶着部を形成することを特徴とする浸漬型膜カートリッジの製造方法が提案されている。

特許文献３には、膜の破断や劣化時に、熱可塑性樹脂製ろ板を再利用して膜の張り替えを行うことができる膜エレメントを得ることを目的として、合成樹脂繊維からなる不織布を支持体とした、微孔を形成した微孔性ろ過膜を、熱可塑性樹脂製ろ板の周縁の平滑面に接合したことを特徴とする膜エレメントが開示されている。

特許文献１から３に開示された膜カートリッジは、何れもろ過膜のろ板への融着面が、ろ板表面に平行な平面となるように構成されている。

特開平０６−２１８２４０号公報 特開２００１−１２０９５８号公報 特開２００６−２３１１３９号公報

一般的に平板状の膜カートリッジは、ろ過運転中には吸引圧または自然水頭圧によってろ過膜がろ板に張り付いた状態が維持され、ろ過を停止した状態で散気のみ行なうリラクゼーション中には多少膨れた状態で膜が揺れ動き、ろ過膜の二次側から薬液または清水を注入する逆圧洗浄時には膜が膨れた状態に維持されると考えられている。

しかし、実際にはろ過運転中の吸引圧が１０ｋＰａ程度と比較的小さく、膜カートリッジは下方からの散気に伴う上向流により激しく振動しており、ろ過膜がろ板の振動に完全に追随せずに、ろ板から離隔したり接触したりを繰り返していると考えられる。

そして、ろ過膜のろ板からの膨出や張付き動作が繰り返されると、ろ過膜がろ板との接合部で疲労して膜破断や膜剥離を招く虞があるという問題があった。

そこで、上述した特許文献２には、このような疲労による膜破断や膜剥離を回避するために、二重線状のシール部と帯状の補助部とをろ板の表面から突出するように、ろ板の周縁部に沿った全周にわたって一体に成形し、内側に位置するシール部を外側に位置するシール部より低く形成するろ板の構造が開示されている。

しかし、そのような複雑な形状のろ板を用いてろ過膜を融着処理すると様々な製造コストが嵩むという問題があり、コストを低減しながらも振動等による耐疲労強度を高めるという観点で更なる改良の余地があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、ろ過膜のろ板への融着姿勢に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による膜カートリッジの第一特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジであって、前記接合部は少なくとも内縁部が内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配である点にある。

上述の構成によれば、少なくとも接合部の内縁部がその内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配に形成されているため、同じろ過膜の膨出状態であっても、接合部の内側のろ板表面と平行或いは面一となる内縁部と比較して、内縁部に対するろ過膜の膨出角度が相対的に小さくなり、それだけろ過膜の接合部に作用する屈曲ストレスを低減することができ、その結果、耐疲労強度を高めることができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記下り勾配が１０度以上５０度以下である点にある。

下り勾配が１０度以上５０度以下に構成されていると、接合部でのろ過膜の折れ曲がりを効果的に抑制できるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記下り勾配が１５度以上３５度以下である点にある。

下り勾配が１５度以上３５度以下に構成されていると、接合部でのろ過膜の折れ曲がりをより一層効果的に抑制できるようになる。

本発明による膜カートリッジの製造方法の第一特徴構成は、同請求項４に記載した通り、熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジの製造方法であって、前記接合部は少なくとも内縁部が内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配となるように傾斜部を備えた押圧具を用いて、ろ過膜の周縁が挟持された状態で前記ろ板を押圧することにより接合する点にある。

押圧具の例として、例えば加熱板、超音波ホーンまたはその他の方法を採用する器具を用いて、その押圧具に形成された傾斜部の作用によって軟化または溶融したろ板にろ過膜の周縁が接合される際に、接合部の内縁部がその内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配となる。

同第二の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記接合部に対応するろ板表面が接合前の状態で下り勾配でない点にある。

接合部に対応するろ板表面が、接合前の状態で下り勾配でなく、接合された後に下り勾配となるので、仮に加熱板、超音波ホーンまたはその他の方法によるろ板に付与される温度が変動する等の接合条件に揺らぎが生じても、接合時に下り勾配となるように接合幅の間で熱変形量が異なる結果、当該接合幅の間でろ板とろ過膜とが十分な接合強度で接合される領域が確保できるようになる。例えば、接合前の状態で平坦なろ板が接合の後に下り勾配になると、接合幅の外縁で最大の加熱熱量が付与され、内縁で最小の加熱熱量が付与されるので、その間の何れかの領域で十分な接合強度で接合される可能性が高くなる。

同第三の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記下り勾配が１０度以上５０度以下となるように前記押圧具の傾斜部が設定される点にある。

同第四の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記下り勾配が１５度以上３５度以下となるように前記押圧具の傾斜部が設定される点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、ろ過膜のろ板への融着姿勢に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法を提供することができるようになった。

汚水処理装置の説明図 膜分離装置の説明図 膜カートリッジの説明図 （ａ）は本発明による膜カートリッジの要部断面の説明図、（ｂ）は従来の膜カートリッジの要部断面の説明図 （ａ）は本発明による膜カートリッジの製造方法の説明図、（ｂ），（ｃ）は本発明の別実施形態を示す膜カートリッジの製造方法の説明図 （ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の別実施形態を示す膜カートリッジの製造方法の説明図

以下、本発明による膜カートリッジ及び膜カートリッジの製造方法を説明する。
図１に示すように、膜分離活性汚泥法が採用された汚水処理設備１は、前処理設備２と、流量調整槽３と、膜分離装置６が浸漬配置された膜分離槽４と、処理水槽５が設けられている。

前処理設備２には被処理水となる原水に混入している夾雑物等の異物を除去するバースクリーン２ａ等が設けられ、バースクリーン２ａ等で異物が除去された原水が流量調整槽３に貯留される。原水の流入量が変動する場合であっても、流量調整槽３から一定流量の原水が膜分離槽４に安定供給されるようにポンプＰやバルブ等の流量調整機構が設けられている。

活性汚泥が充填された膜分離槽４では、活性汚泥による生物処理によって原水中の有機物質が分解され、膜分離装置６を介してろ過された透過水が処理水槽５に導かれて一時貯留され、その後放流等される。膜分離槽４で増殖した余剰汚泥は槽外に引き抜かれ、槽内は一定の汚泥濃度に保たれる。

図２に示すように、膜分離装置６は、上下が開口した膜ケース７の内部に１００枚の板状の膜カートリッジ８が、各膜面が縦姿勢となるように、かつ６ｍｍから１０ｍｍ程度（本実施形態では８ｍｍ）の一定間隔を隔てて配列されており、膜ケース７の下方に散気装置１２を備えている。

散気装置１２は複数の散気孔が形成された散気管１３を備え、散気管１３に接続された散気ヘッダー管１４を介して槽外に設置されたブロワ１５に接続されている。

膜カートリッジ８には集水管１７を介して槽外に設置された差圧発生機構としてのポンプ１８が接続され、槽内の被処理水が膜カートリッジ８の膜面を透過するように吸引濾過される。

図３に示すように、膜カートリッジ８は、縦１０００ｍｍ×横４９０ｍｍのＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂製のろ板９の表裏両面にろ過膜１０が配置され、ろ過膜１０の周縁の接合部１１がろ板９に超音波や熱で融着接合され、または接着剤等を用いて接着接合されて構成されている。

ろ過膜１０は、例えばＰＥＴ製の不織布でなる支持体１０ａに多孔性を有する樹脂が塗布及び含浸され、平均孔径が約０．２μｍの微多孔性膜１０ｂが形成された有機濾過膜である。

ろ板９の表面には長手方向に沿って深さ２ｍｍ、幅２ｍｍ程度の溝部９ｂが複数本形成され、その上端部には各溝部９ｂを連通する水平溝部９ｃが形成されている。表裏両面に形成された水平溝部９ｃが連通孔９ｄを介して連通され、膜支持体９の上縁部に形成されたノズル９ａに連通されている。

図２に示すように、各ノズル９ａは、チューブ１６を介して集水管１７に接続され、集水管１７にはポンプ１８が接続され、ポンプ１８で吸引された透過水が処理水槽５に移送されるように構成されている。

このような膜分離装置６の散気装置１２及びポンプ１８を作動させることにより、被処理水をろ過膜１０でろ過して設定流量の透過水を得るろ過運転が実行され、そして、例えば定期的にまたはろ過運転中の吸引圧が高くなると、槽内の活性汚泥の性状を保ちつつろ過膜１０のファウリングを防止するために、ポンプ１８を停止させた状態で散気装置１２のみ作動させるリラクゼーション運転が実行される。また、定期的にまたはリラクゼーション運転後の吸引圧が高くなると、集水管１７を経由して各膜カートリッジ８に薬液を注入してろ過膜１０を洗浄する薬液洗浄工程が実行される。

ろ過運転中には、膜カートリッジ８は下方からの散気に伴う上向流により激しく振動し、ろ過膜１０がろ板９の振動に追随せずにろ板９から離隔したり接触したりする動作が繰り返され、ポンプ１８が停止したリラクゼーション運転中に膜カートリッジ８のろ過膜１０はろ板９から多少膨れた状態で下方からの散気に伴う上向流により大きく揺れ動き、薬液洗浄時には継続的に膜が膨れた状態が維持される。例えば、このような薬液洗浄時等ではろ過膜１０はろ板から５０度程度の仰角で接合部から膨出する。

ろ板９への密着状態から離隔状態への姿勢変動やその逆の姿勢変動により、ろ過膜１０の接合部には大きなストレスが掛かり、接合部にこのようなストレスが経時的に繰り返して掛かると、接合部でろ過膜が疲労して破断したり剥離したりする虞がある。

そこで、図４（ａ）の左図に示すように、当該膜カートリッジ８は、ろ板９の表面にろ過膜１０がその周縁の接合部１１で接合され、接合部１１は少なくとも内縁部Ｐ１がその内側のろ板９の表面Ｐ２に対してろ過膜１０の周縁端Ｐ３に向かって下り勾配に形成されている。

図４（ａ）の右図に示すように、接合部１１のうち、少なくとも内縁部Ｐ１がその内側のろ板表面Ｐ２に対してろ過膜１０の周縁端Ｐ３に向かって下り勾配に形成されていれば、内縁部Ｐ１に対するろ過膜１０の膨出角度、つまり、図中の二点差線で示されているろ過膜１０（Ａ）の内縁部Ｐ１に対する立上がり角度θが、内縁部が接合部１１の内側のろ板表面Ｐ２と平行或いは面一となる場合と比較して、相対的に小さくなり、それだけろ過膜１０の接合部１１に作用する屈曲ストレスを低減することができる。尚、接合部１１の幅方向全体が内側のろ板表面Ｐ２に対してろ過膜１０の周縁端Ｐ３に向かって下り勾配に形成されていてもよい。

図４（ｂ）の右図には、接合部１１の内縁部Ｐ１がその内側のろ板表面Ｐ２に対して面一または平行姿勢となるように形成された従来の構成が示されている。図中、二点差線で示されているろ過膜１０（Ｂ）の接合部１１の内側のろ板９の表面から立上がり角度が２θで膨出するような場合であっても、図４（ａ）の構成を採用すれば、立上がり角度がθで膨出するのと同等の屈曲ストレスに低減できるようになり、耐疲労強度を高めることができるようになる。

このような下り勾配は、１０度以上５０度以下であることが好ましく、１５度以上３０度以下であることがさらに好ましい。下り勾配が１０度以上５０度以下に構成されていると、接合部１１でのろ過膜１０の折れ曲がりを効果的に抑制でき、１５度以上３０度以下に構成されていると、接合部１１でのろ過膜１０の折れ曲がりをより一層効果的に抑制できるようになる。そして、このような接合部１１の下り勾配領域の幅は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲に設定されていることが好ましい。

所定温度に加熱された加熱板または超音波ホーンを、ろ過膜１０の周縁が挟持された状態でろ板９に押圧することにより、ろ過膜１０をろ板９に融着接合することができる。加熱板または超音波ホーン以外に、例えば加熱部材の先端から過熱蒸気等の高温ガスを噴射する方法等を採用することも可能である。また、接着剤を用いてろ板９に接着接合することも可能である。

後者の場合、予めろ板９のうち、接合部１１となる領域の内縁部を、内側のろ板９表面に対してろ過膜１０の周縁端に向かって下り勾配となる傾斜部に形成しておけばよい。

前者の場合、加熱板、超音波ホーンまたは加熱部材は、少なくとも内縁部が内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配となるように傾斜部を備えていればよい。

例えば、図５（ａ）に示すように、先端の断面が所定の傾斜角度に形成された加熱板または超音波ホーン２０を上方からろ板９表面に押圧することにより、ろ過膜１０をろ板９に融着接合することができる。

また、図６（ａ）に示すように、先端の断面が所定の傾斜角度でＶ字状に形成された加熱板または超音波ホーン２０を用いてもよく、図６（ｂ）に示すように、接合部１１の内縁部のみが所定の傾斜角度に形成され、他が平坦に形成された加熱板または超音波ホーン２０を用いてもよく、図６（ｃ）に示すように、先端の断面が所定の傾斜角度範囲となるように凸曲面を備えた加熱板または超音波ホーン２０を用いてもよい。

図５（ａ）では、表面が平坦に形成されたろ板９に加熱板または超音波ホーン２０が押圧されることにより、接合部１１の内縁部がその内側のろ板表面に対してろ過膜１０の周縁端に向かって下り勾配に形成される例が示されている。

図５（ｂ）では、接合部１１となるろ板９に、上面が平坦な凸部が形成され、当該凸部に加熱板または超音波ホーン２０が押圧されることにより、接合部１１の内縁部がその内側のろ板表面に対してろ過膜１０の周縁端に向かって下り勾配に形成される例が示されている。

図５（ｃ）では、接合部１１となるろ板９に、上面がろ過膜１０の周縁端に向かって上り勾配の凸部が形成され、当該凸部に加熱板または超音波ホーン２０が押圧されることにより、接合部１１の内縁部がその内側のろ板表面に対してろ過膜１０の周縁端に向かって下り勾配に形成される例が示されている。

接合部１１に対応するろ板９の表面が接合前の状態で下り勾配でないことが好ましい。接合部１１に対応するろ板９表面が、接合前の状態で下り勾配でなく、接合された後に下り勾配となるので、仮に加熱板または超音波ホーン２０によるろ板９に付与される温度が変動する等の接合条件に揺らぎが生じても、接合時に下り勾配となるように接合幅の間で熱変形量及び加熱板または超音波ホーンとの接触時間が異なる結果、当該接合幅の間でろ板９とろ過膜１０とが十分な接合強度で接合される領域が確保できるようになる。

例えば、図５（ａ）に示すように、接合前の状態で平坦なろ板９が接合の後に下り勾配になると、接合幅の外縁で最大の加熱時間及び加熱熱量が付与され、内縁で最小の加熱時間及び加熱熱量が付与されるので、その間の何れかの領域で十分な接合強度で接合される可能性が高くなる。

尚、加熱板または超音波ホーンを用いてろ過膜をろ板に接合する場合、接合部での温度がろ板を構成する樹脂の軟化点以上で、且つ、ろ過膜を構成する不織布の融点未満であると、ろ過膜自体の強度を保持しながら、ろ板に下り勾配の傾斜を形成できる点で好ましい。

例えば、ろ板がＡＢＳ樹脂であって、ろ過膜を構成する不織布がＰＥＴ樹脂である場合には、１５０℃以上、且つ、２５０℃以下が好ましい温度となるため、、接合部での温度が、１５０℃〜２５０℃の範囲となるように加熱板または超音波ホーンの出力を制御すればよい。

上述した実施形態は本発明の一態様であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、ろ板やろ過膜の材料、大きさ、厚み、さらには加熱板または超音波ホーンの先端形状、融着温度等は特に限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

９：ろ板
１０：ろ過膜
１１：接合部
Ｐ１：接合部の内縁部
Ｐ２：内側のろ板表面
Ｐ３：ろ過膜の周縁端

Claims (7)

1. 熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジであって、
   前記接合部は少なくとも内縁部が内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配であることを特徴とする膜カートリッジ。
2. 前記下り勾配が１０度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１記載の膜カートリッジ。
3. 前記下り勾配が１５度以上３５度以下であることを特徴とする請求項１記載の膜カートリッジ。
4. 熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジの製造方法であって、
   前記接合部は少なくとも内縁部が内側のろ板表面に対してろ過膜の周縁端に向かって下り勾配となるように傾斜部を備えた押圧具を用いて、ろ過膜の周縁が挟持された状態で前記ろ板を押圧することにより接合することを特徴とする膜カートリッジの製造方法。
5. 前記接合部に対応するろ板表面が接合前の状態で下り勾配でないことを特徴とする請求項４記載の膜カートリッジの製造方法。
6. 前記下り勾配が１０度以上５０度以下となるように前記押圧具の傾斜部が設定されることを特徴とする請求項４または５記載の膜カートリッジの製造方法。
7. 前記下り勾配が１５度以上３５度以下となるように前記押圧具の傾斜部が設定されることを特徴とする請求項４または５記載の膜カートリッジの製造方法。

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