JP2016036755A

JP2016036755A - 多孔質セラミックス中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP2016036755A
Application number: JP2014160278A
Authority: JP
Inventors: 雄介井川; Yusuke Igawa; 波形　和彦; Kazuhiko Namigata; 和彦波形
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】温度等の外部環境の変化によって生ずる中空糸膜の膨脹や収縮に起因する中空糸膜、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜や束着管の破損を有効に防止せしめることを可能とする細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜モジュールを提供する。【解決手段】複数本の多孔質セラミックス中空糸膜の両端部が束着管両端部にそれぞれ嵌挿され、中空糸膜の内空部が中空糸膜片端部で外部に開放されるように束着剤を用いて束着管に固定してなる中空糸膜モジュールにおいて、束着管末端に位置するトップ部およびボトム部とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接せしめたガイドとをネジを用いて固定せしめてなり、トップ部側周面および／またはボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴が、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状である多孔質セラミックス中空糸膜モジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質セラミックス中空糸膜モジュールに関する。さらに詳しくは、温度等の外部環境の変化によって生ずる中空糸膜、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜の膨脹や収縮に起因する中空糸膜や束着管の破損を有効に防止することを可能とする多孔質セラミックス中空糸膜モジュールに関する。

多孔質セラミックス中空糸膜は、化学的安定性および熱安定性が高いため、有機分離膜が適用できない工程への分離膜としての利用が期待されている。また、これを支持体として用い、中空糸膜表面にシリカ層などの機能性分離層を複合、形成させることにより、ガス分離膜としての利用も図られる。この場合、これらの多孔質セラミックス中空糸膜は、1本乃至数百本程度をアルミナ、ジルコニア等からなる束着管に収容させた膜モジュールの状態で用いられる。

ここで、中空糸膜はその構造上膜中にポーラス構造を多く保持しているため、温度等の外部環境の変化によって生ずる膨脹や収縮が大きくなる。また、その機能上溶剤のろ過、濃縮、脱気等の処理をすることもあり、その場合には溶剤によって中空糸膜の膜材料自体が膨潤することもある。

中空糸膜モジュールは、一般的にこのような中空糸膜複数本を束着管に収容しているので、収容しているすべての中空糸膜が伸び縮みすることにより、一本当りの伸縮力は小さいものであっても、束着管に対しては収容本数分の力が働くこととなる。その結果、中空糸膜を収容した束着管および両端ポッティング部からなる中空糸膜モジュールにおいては、束着管が一体構造のため中空糸膜の長手方向の膨脹により中空糸膜が束着管からはみ出したり、はみ出し防止のために束着管に設けた柵の部分に押しつけられて中空糸膜が破損したり、あるいは中空糸膜の長手方向の収縮により中空糸膜や束着管が破損することがある。また、中空糸膜モジュール製造時においても、ポッティング作業時など中空糸膜に振動が加わった際に破損が生じる場合がある。このような中空糸膜の破損は、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜において顕著である。

これらの問題を解決すべく、特許文献１では多孔質セラミックス中空糸膜を支持するフランジおよびこれに中空糸膜を固着させる接着剤に無機材料を用いることによりこれらの熱膨張係数を中空糸膜と同等にして熱膨張に対する影響をなくしている。

また、本出願人は先に、特許文献２〜３において、モジュールの一部にOリングや弾性接着剤を用い、緩衝機構をもたせることを提案している。その他、キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜を特定の形状とすることで熱膨張などによる応力を吸収することも行われている。

しかしながら、モジュール部材あるいは接着剤として無機材料を用いる場合には、これらの選定が難しくなり、またコストもかかってしまうという課題が残る。一方、モジュールの一部にOリングあるいは弾性接着剤を用いる場合にも、Oリングあるいは弾性接着剤の選定が難しく、また弾性接着剤の場合にはポッティング工程が増えること、Oリングの場合にはハウジングへの嵌め込み時にキャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜に応力がかかり破損する危険があるなどの問題点が多い。さらに、キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜の形状を変更することは、製造の手間がかかり量産が難しいといった課題を有する。

特開平６−１９１８０２号公報特開２００７−３２９０６０号公報特開２００７−６１６６６号公報

本発明の目的は、温度等の外部環境の変化によって生ずる中空糸膜の膨脹や収縮に起因する中空糸膜、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜や束着管の破損を有効に防止せしめることを可能とする多孔質セラミックス中空糸膜モジュールを提供することにある。

かかる本発明の目的は、複数本の多孔質セラミックス中空糸膜の両端部が束着管両端部にそれぞれ嵌挿され、中空糸膜の内空部が中空糸膜片端部で外部に開放されるように束着剤を用いて束着管に固定してなる中空糸膜モジュールにおいて、束着管末端に位置するトップ部およびボトム部とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接せしめたガイドとをネジを用いて固定せしめてなり、トップ部側周面および／またはボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴が、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状である多孔質セラミックス中空糸膜モジュールによって達成される。

本発明に係る多孔質セラミックス中空糸膜モジュールは、束着管末端に位置するトップ部およびボトム部とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接せしめたガイドとをネジを用いて固定せしめるにあたって、トップ部側周面および／またはボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴を、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状とすることにより、温度等の外部環境の変化によって生ずる中空糸膜の膨脹や収縮に起因する中空糸膜、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜や束着管の破損を、有効に防止せしめることを可能にするといったすぐれた効果を奏する。

かかる中空糸膜モジュールは、中空糸膜の破損防止といった観点から束着管材料や束着剤を特定のものとする必要性がないため、中空糸膜モジュールの用途に応じた束着管材料あるいは束着剤の選定を可能とする。

本発明に係る多孔質セラミックス中空糸膜モジュールの一態様を示す正面斜視図である。図１で示した多孔質接着剤中空糸膜モジュールの、ガイド７を除いた状態を、(a)モジュール平面図、(b)モジュール長軸方向の縦断面図、(c)モジュール底面図として示す図である。図１で示した多孔質接着剤中空糸膜モジュールに用いられているガイド７の(a)正面図および(b)ネジ穴部位における長軸方向横断面図を示す図である。

本発明に係る中空糸膜モジュールは、複数本の中空糸膜の両端部が束着管両端部にそれぞれ嵌挿され、中空糸膜の内空部が中空糸膜片端部で外部に開放されるように束着剤を用いて束着管に固定され、束着管末端に位置するトップ部およびボトム部とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接せしめたガイドとをネジを用いて固定せしめてなり、トップ部側周面および／またはボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴が、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状を有している。以下、図面を参照しながら本発明に係る中空糸膜モジュールの一態様を詳細に述べる。

図１は、本発明に係る多孔質セラミックス中空糸膜モジュールの一態様を示す正面斜視図である。１９本の多孔質セラミックス中空糸膜２を収容した束着管１の末端に位置するトップ部５およびボトム部６とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接するガイド７、７’とはネジ１０によって固定され、ボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴が、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状を成している。なお、本態様においては、トップ部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴は円形状であり、締め付け位置が移動可能な形状とはなっていないが、こちらを束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状とすることもでき、また、すべてのネジ穴を締め付け位置が移動可能な形状とすることもできる。

束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状としては、例えば本態様で用いられている長方形状に半円形状を組み合わせた形状の他、長方形の角を丸くしたものなどが用いられる。またネジとしては、本態様で用いられているような外表面にネジ山があるタイプのネジが用いられる。さらに、ネジ山が束着管外表面より突出している場合には、束着管をハウジングに固定する際に障害となる場合があることから、ガイドに設けられるネジ穴は、好ましくはネジ山が埋没するように形成される。

ここでは、ガイド７，７’はトップ部側周面およびボトム部側周面の1/3をカバーする大きさのものが２枚用いられており、それぞれ４箇所でネジ止めが行われることによりトップ部５およびボトム部６の固定が行われている。ガイドの枚数は特に限定されるものではなく、トップ部側周面およびボトム部側周面の円周の約1/4〜1/2、好ましくは約1/3〜1/2の大きさで切り欠いた構造であって、これら側周面と当接する１枚であってもよく、逆に大きさを調整して３枚以上用いこともできるが、取扱性が容易といった観点からは、この図で示されるように２枚のガイドが用いられる。

用いられる多孔質セラミックス中空糸膜としては、一般にAl₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂等の粉末を分散させた高分子物質の有機溶媒溶液を紡糸原液として用い、一般にはそれを乾湿式紡糸した後焼成して得られる孔径が約0.1〜6μm、好ましくは約0.2〜2.5μmの多孔質膜が用いられる。これらの中空糸膜は、外径が約0.5〜4mm程度、好ましくは約1〜3mm程度であって、その膜厚が約0.1〜1.0mm程度、好ましくは約0.15〜0.8mm程度のものが、2本乃至数百本程度、束着管に部分的にまたは全体的に収容された状態で用いられる。

図２は、図１で示した多孔質接着剤中空糸膜モジュールの、ガイド７を除いた状態を、(a)モジュール平面図、(b)モジュール長軸方向の縦断面図、(c)モジュール底面図で示している。この態様おいては、トップ部５およびボトム部６には目皿状の貫通孔穿設平板３が嵌装一体化されており、１９本の多孔質セラミックス中空糸膜２はこの貫通孔に各両端部がそれぞれ挿入されて位置決めされ、貫通孔と中空糸膜との間隙が束着剤４で埋められている。また中空糸膜同士および中空糸膜２とトップ部５ならびにボトム部６との間も束着剤４によりポッティングされている。

また、ここではポッティング部位が、トップ部５側では貫通孔穿設平板３よりもボトム部寄りに、またボトム部６側では貫通孔穿設平板３よりも中空糸膜末端方向に設けられているが、この部位についてはトップ部５およびボトム部６と中空糸膜束とが固定される部位であれば特に限定されるものではない。ただし、中空糸膜端部のいずれか一方は、その内空部が外部に開放されるように固定が行われ、他方の端部については内空部が外部から閉ざされるように封止が行われる。この図においてはトップ部５側の中空糸膜内空部が外部に開放されるように、ボトム部６側の内空部が外部から閉ざされるように封止されている。

束着剤としては、特に限定なく用いることができるが、取扱性、選択の容易性からエポキシ樹脂、ウレタン樹脂製等のものを用いることができる。また貫通孔穿設平板３としては、ポリサルホン製で、その厚さが約3〜10mm、好ましくは約4〜6mmで、またその貫通孔が、中空糸膜の直径より0.1〜0.8mm、好ましくは0.3〜0.5mm程大きい構造のものが用いられる。

図３は、図１で示した多孔質接着剤中空糸膜モジュールに用いられているガイド７の(a)正面図および(b)ネジ穴部位における長軸方向横断面図を示す図である。(a)から明らかな通り、ネジ穴８，８’は円形状であるのに対して、ネジ穴９，９’は長方形状に半円形状を組み合わせた形状となっている。このように少なくとも一方のネジ穴を束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状とすることにより、温度等の外部環境の変化によって生ずる中空糸膜の膨脹や収縮に起因する中空糸膜、特に細径キャピラリー型多孔質セラミックス中空糸膜や束着管の破損を、有効に防止せしめることが可能となる。

また、ガイドに設けられるネジ穴を(b)に示されるようにネジの形状に合わせて凸状形状とすることにより、ネジ山部分を収容するスペースを確保することが可能となり、ネジ山が束着管外表面より突出することなく、束着管をハウジングに固定する際に障害になることがなくなる。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例
図１に示される態様の中空糸膜モジュールを下記工程により製造した。

ポリスルホン樹脂製の内径24mm、外径31mm、長さ15mmのボトム部６および内径24mm、筒上部分の外径31mm、鍔部外径48mm、長さ17mmのトップ部５を、ガイド７，７’を各々４箇所でネジ止めすることにより全長が80mmとなるように固定した。ここでガイド７，７’としては、各ガイドに設けられた４箇所のネジ穴８，８’，９，９’が、トップ部側の２箇所については円形状であり、ボトム部６側の２箇所については束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状である、長方形状に半円形状を組み合わせた形状であるものが用いられた。

次いで、内径2.2mm、外径3mmの多孔質アルミナ製中空糸膜19本を、束着管内両端部に設置された目皿状の貫通孔穿設平板３の貫通孔に挿入し、接着剤で仮固定した後、エポキシ樹脂を、その層厚みが10mm程度となるように80℃、2時間の遠心ポッティング法によって流し込んだところ、多孔質アルミナ製中空糸膜には破損はみられなかった。

比較例１
実施例において、ガイドとして４箇所のネジ穴すべてが円形状のものが用いられたところ、80℃からの降温過程で19本すべての多孔質アルミナ製中空糸膜が破損した。

比較例２
実施例において、ポリスルホン樹脂製の内径24mm、外径31mm、長さ80mmの円筒状ケースに多孔質アルミナ製中空糸膜19本を挿入し、同様にポッティングを行ったところ、80℃からの降温過程で19本の多孔質アルミナ製中空糸膜が破損した。

比較例３
実施例において、ガイドを用いることなく全長が80mmとなるように配置したトップ部５およびボトム部６に多孔質アルミナ製中空糸膜19本を挿入し、同様にポッティングを行ったところ、遠心力により19本の多孔質アルミナ製中空糸膜が破損した。

１束着管
２中空糸膜
３貫通孔穿設平板
４束着剤
５トップ部
６ボトム部
７ガイド
８，８’，９，９’ ネジ穴
１０ネジ

Claims

複数本の多孔質セラミックス中空糸膜をその両端部が束着管両端部にそれぞれ嵌挿され、中空糸膜の内空部が中空糸膜片端部で外部に開放されるように束着剤を用いて束着管に固定してなる中空糸膜モジュールにおいて、束着管末端に位置するトップ部およびボトム部とトップ部側周面およびボトム部側周面にそれぞれ当接せしめたガイドとをネジを用いて固定せしめてなり、トップ部側周面および／またはボトム部側周面に設けられたネジ穴と相対するガイド部位に設けられたネジ穴が、束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状であることを特徴とする多孔質セラミックス中空糸膜モジュール。
束着管長軸方向に締め付け位置が移動可能な形状が、長方形状に半円形状を組み合わせた形状、長方形の角を丸くした形状である請求項１記載の多孔質セラミックス中空糸膜モジュール。
ガイドに設けられているネジ穴が、ネジ山が埋没するように形成されている請求項１記載の多孔質セラミックス中空糸膜モジュール。
中空糸膜がトップ部およびボトム部に嵌装一体化された貫通孔穿設平板の貫通孔によって位置決めされている請求項１記載の多孔質セラミックス中空糸膜モジュール。