JP2018114430A - 浸漬型濾過カートリッジ用濾材およびその製造方法および浸漬型濾過カートリッジ - Google Patents
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通常、このような膜分離活性汚泥法に用いられる濾材として、有機繊維からなる多孔質膜が多く用いられてきた。
例えば、特許文献1には、ファウリングを抑制し、膜の長期透水性を得るために、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)に高分子成分を添加することで親水化を付与する方法が提案されている。しかしながら、使用時に親水化剤が脱落してしまい、透水性能の効果が長時間継続しないという問題があった。
その際、前記ナノファイバーにおいて、繊維径が200〜800nmの範囲内であることが好ましい。また、前記ナノファイバーにおいて、繊維長が0.4〜1.5mmの範囲内であることが好ましい。また、前記ナノファイバーが、ポリエステル繊維またはポリフェニレンサルファイド繊維またはポリプロピレン繊維からなることが好ましい。また、前記濾過層に、さらにバインダー繊維が含まれることが好ましい。また、前記バインダー繊維の単繊維繊度が1.0dtex以下であることが好ましい。また、前記濾過層において、前記ナノファイバーの重量比率が濾過層重量に対して50〜90重量%の範囲内であり、かつ前記バインダー重量の重量比率が濾過層重量に対して10〜50重量%の範囲内であることが好ましい。また、前記濾過層において、厚さが100μm以下であることが好ましい。また、前記濾過層が湿式不織布からなることが好ましい。また、前記濾過層において平均孔径が2μm以下であることが好ましい。
また、本発明によれば、濾過層を含む浸漬型濾過カートリッジ用濾材の製造方法であって、海/島溶融粘度比が1.1〜2.0、かつ島数が500以上、かつ海/島のアルカリ加水分解速度比が200以上の海島型複合繊維をカットし、アルカリ加水分解により海ポリマーを除去することにより得られた、繊維径が1000nm以下のナノファイバーを前記濾過層に含ませることを特徴とする浸漬型濾過カートリッジ用濾材の製造方法が提供される。
ここで、本発明でいうナノファイバーは1000nm以下(好ましくは200〜800nm、より好ましくは400〜750nm)の繊維径を有する。該繊維径はナノファイバーの単繊維径である。該繊維径が1000nmよりも大きいと濾過性能が低下するおそれがある。逆に、該繊維径が200nmよりも小さいとナノファイバーの分散性が低下し濾過性能が低下するおそれがある。
その際、単繊維の横断面形状が丸断面以外の異型断面である場合には、繊維径は、単繊維の横断面の外接円の直径を用いるものとする。
また、前記ポリエステル繊維は延伸糸、未延伸糸、半延伸糸いずれでもよい。また、伸度が60%未満でもよいし60%以上でもよい。なお、ポリエステル延伸糸は通常、伸度が60%未満であり、ポリエステル未延伸糸は通常、伸度が60%以上である。
ここで、海成分を形成するアルカリ水溶液易溶解性ポリマーの、島成分を形成する繊維形成性熱可塑性ポリマーに対する溶解速度比が200以上(好ましくは300〜3000)であると、島分離性が良好となり好ましい。
好ましい溶融粘度比(海/島)は、1.1〜2.0、特に1.3〜1.5の範囲である。この比が1.1倍未満の場合には溶融紡糸時に島成分が接合しやすくなり、一方2.0倍を越える場合には、粘度差が大きすぎるために紡糸調子が低下しやすい。
かかるカットは、未延伸糸または延伸糸をそのまま、または数十本〜数百万本単位に束ねたトウにしてギロチンカッターやロータリーカッターなどでカットすることが好ましい。
浴比(%)=(繊維質量(gr)/アルカリ水溶液質量(gr))×100
また、アルカリ減量加工において、アルカリ濃度は2%〜10%であることが好ましい。2%未満では、アルカリ不足となり、減量速度が極めて遅くなるおそれがある。一方、10%を越えるとアルカリ減量が進みすぎ、島部分まで減量されるおそれがある。
さらには、アルカリ減量加工の後、繊維の分散性を高めるために分散剤(例えば、高松油脂(株)製の型式YM−81)を繊維表面に、繊維重量に対して0.1〜5.0重量%付着させることが好ましい。
前記濾過層は、ナノファイバーだけでなくバインダー繊維も含むことが好ましい。その際、前記ナノファイバーの重量比率が濾過層重量に対して50〜90重量%の範囲内であり、かつ前記バインダー重量の重量比率が濾過層重量に対して10〜50重量%の範囲内であることが好ましい。
バインダー繊維のうち、未延伸糸としては、紡糸速度が600〜1500m/分で紡糸された未延伸ポリエステル繊維が好ましい。ポリエステルとは、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレタレート、ポリブチレンテレフタレートが挙げられ、好ましくは生産性、水への分散性などの理由から、ポリエチレンテレフタレートやそれを主成分とする共重合ポリエステルが好ましい。
ここで、上記の非結晶性共重合ポリエステルは、テレフタル酸、イソフタル酸、エチレングリコールおよびジエチレングリコールを主成分として用いることがコスト面からも好ましい。
前記の湿式不織布は、前記の繊維を用いて通常の長網抄紙機、短網抄紙機、丸網抄紙機などを用いて抄紙した後、バインダー繊維を熱接着することにより得られる。
かかる支持層は、低密度の不織布であることが好ましい。密度は0.1〜0.7g/cm3の範囲内であることが好ましい。該密度が0.1g/cm3より小さいと、取扱い性が悪くなるおそれがある。逆に、該密度が0.7g/cm3より大きいと、高い水処理量が得られなくなるおそれがある。
支持層は湿式不織布に限らず、スパンボンド法やメルトブロー法、エレクトロスピニング法等により作製された不織布であってもよい。
本発明の浸漬型膜カートリッジ用濾材において、かかる支持層に前記濾過層が積層してなることが好ましい。
その際、濾過層の厚さが100μm以下(好ましくは5〜90μm)であることが好ましい。濾過層の厚さが100μmを超えると、水処理量が低くなるおそれがある。
ここで、前記濾過層において平均孔径が2μm以下(より好ましくは0.1〜1.8μm)であることが好ましい。
また、初期の圧力損失(圧損)としては、10kPa以下(より好ましくは0.1〜8kPa)であることが好ましい。ただし、140cm2の面積の濾材に透過水量25.8m3/m2/dayで水を全量濾過した際の圧力損失を初期の圧力損失(kPa)とする。
かかる浸漬型濾過カートリッジの一例を図1に示す。図1は、円筒状の浸漬型濾過カートリッジの縦断面図である。活性汚泥水は濾過層で濾過された後、支持層を通過する。
かかる浸漬型濾過カートリッジは前記の浸漬型濾過カートリッジ用濾材を用いているので、濾過性能に優れるだけでなく低圧力損失で処理量が大きく、長期にわたってその性能が維持される。
透過型電子顕微鏡TEM(測長機能付)を使用し、倍率30000倍で繊維断面写真を撮影し測定した。ただし、繊維径は、単繊維横断面におけるその外接円の直径を用いた(n数5の平均値)。
走査型電子顕微鏡(SEM)により、海成分溶解除去前の極細短繊維(短繊維A)を基盤上に寝かせた状態とし、20〜500倍で繊維長Lを測定した(n数5の平均値)。その際、SEMの測長機能を活用して繊維長Lを測定した。
JIS P8124(紙のメートル坪量測定方法)に基づいて目付を測定した。
JIS P8118(紙及び板紙の厚さと密度の測定方法)に基づいて厚みを測定した。測定荷重は75g/cm2にて、n=5で測定し、平均値を求めた。
乾燥処理後のポリマーを紡糸時のルーダー温度に設定したオリフィスにセットして5分間溶融保持したのち、数水準の荷重をかけて押し出し、そのときのせん断速度と溶融粘度をプロットする。そのデータをもとに、せん断速度−溶融粘度曲線を作成し、せん断速度が1000sec−1の時の溶融粘度を読み取った。
PMI社製パームポロメーターにより測定した。
JIS P8117 (紙および板紙の透気度試験方法)に基づいて実施した。
140cm2の面積の濾材に透過水量25.8m3/m2/dayで水を全量濾過した際の圧力損失を初期の圧力損失(kPa)とした。
汚泥の模擬液としてスキムミルク水溶液1wt%を用いて、圧力が250kPaに達するまで全量濾過を行った。その後、濾材を次亜塩素酸ナトリウム溶液(6g/L)に浸し、周波数45Hzにて超音波洗浄を10分間行った。この模擬液の濾過・洗浄を7回繰り返した後、透過水量25.8m3/m2/dayで水を全量濾過した際の圧力損失の値を模擬液透過後の圧力損失(kPa)とした。
海成分および島成分のポリマーを、それぞれ、径0.3mm、長さ0.6mmの円孔を24孔持つ口金から吐出し、1000〜2000m/分の紡糸速度で引き取って得た未延伸糸を残留伸度が30〜60%の範囲となるように延伸して83dtex/24フィラメントのマルチフィラメントを作製した。これを1.5wt%NAOH水溶液80℃を用い、浴比100として、溶解時間と溶解量から減量速度を算出した。
島成分に285℃での溶融粘度が120Pa・secのポリエチレンテレフタレート、海成分に285℃での溶融粘度が135Pa・secである平均分子量4000のポリエチレングリコールを4重量%、5−ナトリウムスルホイソフタル酸を9mol%共重合した改質ポリエチレンテレフタレートを使用し、海:島=10:90の重量比率で島数400の口金を用いて紡糸し、紡糸速度1500m/分で引き取った。アルカリ減量速度差は1000倍であった。これを3.9倍に延伸した後、ギロチンカッターで0.5mmにカットして、海島型複合繊維を得た。これを4%NaOH水溶液で75℃にて10%減量し、繊維径400nm、カット長0.4mmのポリエチレンテレフタレート(PET)繊維からなるナノファイバーを得て主体繊維とした。
一方、バインダー繊維として、ポリエチレンテレフタレートを常法により紡糸して得られた未延伸ポリエステル繊維を用意した。
その後、1.7dtex、カット長5mmの延伸ポリエステル繊維と1.2dtex(60wt%)と、カット長5mmの未延伸ポリエステル繊維(40wt%)からなる湿式不織布を支持層とし、カレンダー熱処理185℃で、前記濾過層と貼り合せを実施した。
かかる方法により得られた濾材において濾過層の厚みが19μmであった。次いで、模擬液による濾過試験を行ったところ、模擬液透過後の圧力損失は初期の圧力損失同等であり、水処理量が維持されていることがわかった。
濾過層の構成繊維を繊維径700nmのポリエチレンテレフタレート(PET)繊維からなるナノファイバー(60wt%)と繊維径1.2μmの未延伸ポリエステル繊維かららなるバインダー繊維(40wt%)とした以外は、実施例1と同様とした。
濾過層の構成繊維を繊維径700nmのポリエチレンテレフタレート(PET)繊維からなるナノファイバー(40wt%)と、繊維径3.0μm、カット長3mmの延伸ポリエステル繊維(20wt%)と、4.3μmの未延伸ポリエステル繊維かららなるバインダー繊維(40wt%)とした以外は、実施例2と同様とした。
実施例2において、濾過層の厚さを54μmとした以外は実施例2と同様とした。
実施例2において、濾過層の厚さを4μmとした以外は実施例2と同様とした。
濾過層の素材を厚さ14μmのPTFEの延伸膜とし、芯がポリプロピレン、鞘がポリエチレンで形成される芯鞘バインダー繊維(1.7dtex)からなる湿式不織布を支持層とし、カレンダー温度135℃で前記濾過層と貼り合せを実施した。
かかる方法により得られた濾材について、模擬液による濾過試験を行ったところ、模擬液透過後の圧力損失は初期の圧力損失対比1.25倍となり、水処理量が維持できていないことがわかった。濾材表面を電子顕微鏡(SEM)で観察すると、捕集物が洗浄しきれず、表面に付着している様子が観察された。
実施例2において、ナノファイバーの繊維径を100nmに変更した以外は実施例2と同様とした。かかる方法により得られた濾材は、圧損が高いものであった。
実施例2において、ナノファイバーの繊維径を1000nmに変更した以外は実施例2と同様とした。かかる方法により得られた濾材は、平均孔径が1.0μm以上であり、1μmの捕集率が低く、浸漬型膜カートリッジ用濾材として適さないものであった。
実施例2において、ナノファイバーのカット長を0.2mmに変更した以外は実施例2と同様とした。かかる方法により得られた濾材は、強度が低く、取扱い性が悪いものであった。
実施例2において、ナノファイバーのカット長を2.0mmに変更した以外は実施例2と同様とした。かかる方法により得られた濾材は、地合の斑が大きく、また平均孔径が1.0μm以上であり、1μmの捕集率が低く、浸漬型膜カートリッジ用濾材として適さないものであった。
Claims (12)
- 濾過層を含む浸漬型濾過カートリッジ用濾材であって、前記濾過層に、繊維径が1000nm以下のナノファイバーが含まれることを特徴とする浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記ナノファイバーにおいて、繊維径が200〜800nmの範囲内である、請求項1に記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記ナノファイバーにおいて、繊維長が0.4〜1.5mmの範囲内である、請求項1または請求項2に記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記ナノファイバーが、ポリエステル繊維またはポリフェニレンサルファイド繊維またはポリプロピレン繊維からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記濾過層に、さらにバインダー繊維が含まれる、請求項1〜4のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記バインダー繊維の単繊維繊度が1.0dtex以下である、請求項5に記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記濾過層において、前記ナノファイバーの重量比率が濾過層重量に対して50〜90重量%の範囲内であり、かつ前記バインダー重量の重量比率が濾過層重量に対して10〜50重量%の範囲内である、請求項5または請求項6に記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記濾過層において、厚さが100μm以下である、請求項1〜7のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記濾過層が湿式不織布からなる、請求項1〜8のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 前記濾過層において平均孔径が2μm以下である、請求項1〜9のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の浸漬型濾過カートリッジ用濾材を用いてなる浸漬型濾過カートリッジ。
- 濾過層を含む浸漬型濾過カートリッジ用濾材の製造方法であって、海/島溶融粘度比が1.1〜2.0、かつ島数が500以上、かつ海/島のアルカリ加水分解速度比が200以上の海島型複合繊維をカットし、アルカリ加水分解により海ポリマーを除去することにより得られた、繊維径が1000nm以下のナノファイバーを前記濾過層に含ませることを特徴とする浸漬型濾過カートリッジ用濾材の製造方法。
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