JP3381990B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は中空糸膜モジュールに関
し、特に汚濁性（有機性物質による汚濁性）の高い液体
を濾過するのに適した中空糸膜モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、中空糸膜モジュールは、無菌水、
飲料水、高純度水の製造や、空気の浄化といった所謂精
密濾過の分野に於て多く使用されてきたが、近年、下水
処理場に於ける二次処理、三次処理や、浄化槽に於ける
固液分離等の高汚濁性水処理用途に用いる検討が様々な
形で行われている。

【０００３】このような用途に用いる中空糸膜モジュー
ルは、濾過処理時に於ける中空糸膜の目詰まりが大きい
ために、一定時間濾過処理後、空気を送って中空糸膜を
振動させて膜表面を洗浄したり、濾過処理と逆方向に処
理水を通水するなどの膜面洗浄を繰り返し行っている。

【０００４】これらの分野で用いられている中空糸膜モ
ジュールは、従来の精密濾過の分野に於て用いられてき
た円形円状や同心状に中空糸膜を集束して配置した円筒
形タイプのものがほとんどであった。また、改良が施さ
れるとしても、中空糸膜の充填率や充填形態を変えるだ
けのものが多かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の中空
糸膜モジュールを用いて高汚濁性水（例えば、ｓｓ≧５
０ｍｇ／Ｌ、ＴＯＣ≧１００ｍｇ／Ｌ）の濾過処理を行
った場合には、使用に伴い中空糸膜表面に付着した有機
物等の堆積物を介して、中空糸膜同士が固着（接着）し
て一体化されることにより、モジュール内の中空糸膜の
有効膜面積が減少し、濾過流量の急激な低下がみられ
た。また、このようにして中空糸膜同士が固着して一体
化した中空糸膜モジュールを定期的の膜面洗浄や逆洗を
行う場合も、一旦固着一体化したモジュールの機能回復
は容易ではなく、洗浄効率の低下が見られた。

【０００６】この問題の解決策として、集束型で円筒形
の中空糸膜モジュールに換えて、中空糸膜をシート状に
配置し、中空糸膜の片端部或は両端部が、一つ或は異な
る二つのハウジング内の固定材でそれぞれ開口状態を保
ちつつ固定されてなる中空糸膜モジュールであって、固
定部材の中空糸膜に垂直な断面の形状がいずれも細長い
ほぼ矩形である中空糸膜モジュールが提案されている。

【０００７】このようなシート状の平型の中空糸膜モジ
ュールは、中空糸膜を層間隔を設けて内外層に均等に配
置させることが可能となり、膜面洗浄の際、中空糸膜表
面を均等に洗浄することが極めて容易となるので、これ
までのような濾過効率の低下を抑えることができるな
ど、高汚濁性水の濾過に適したモジュールである。

【０００８】このような平型の中空糸膜モジュールを用
いて、大容量（例えば１ｍ³ ／ｈ）の水を処理する場合
には膜面積を広げる必要がある。モジュールの膜面積を
大きくすることによって、取扱いが困難、処理槽が必要
以上に大きくなり、更に、スクラビング洗浄等を行う場
合には、膜面積を増やすことによって中空糸膜を集積す
ることになり、モジュール内の膜面全体をエアー等で効
率良く洗浄できないといった問題点がある。

【０００９】また、従来の平型の中空糸膜モジュールの
使用に於ては、膜面積を増やすためにモジュール数を増
やしてユニット化する方法があるが、この場合、ユニッ
ト内のモジュール配置（即ちシート状の中空糸膜を重ね
合わせるようにモジュールを並列させた時のモジュール
間の間隔）は、それぞれのモジュールの集水管の径に支
配され、モジュール間の距離を狭めるには限界がある。

【００１０】従って、必要以上のモジュール間隔（シー
ト状の平型中空糸膜モジュールでは中空糸膜編織物の間
隔）が開き、それに伴って必要以上に処理槽の容積が大
きくなったり、スクラビングのためのバブリング量を増
やさなければならないという問題点がある。

【００１１】本発明は、コンパクトなモジュールユニッ
トに大きい膜面積を有するが、集水部の占めるスペース
は小さく、且つモジュール内の中空糸膜全体にスクラビ
ング洗浄が効率よく実施できる中空糸膜モジュールを提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の通り
である。 （１）シート状中空糸膜編織物の片端部或は両端部が、
開口状態を保ちつつ、ハウジング及び集水管に固定部材
にて固定され、該固定部材の中空糸膜に垂直な断面の形
状が細長いほぼ矩形である中空糸膜モジュールであっ
て、該ハウジング及び集水管の管中心軸に垂直な断面に
おける該固定部材の形状において、該中空糸膜が該固定
部材より露出する側の該固定部材端面と、該中空糸膜が
開口している側の該固定部材端面との間に、該中空糸膜
が開口している側の該固定部材端面よりも幅が短いくび
れを有すると共に、該中空糸膜が該固定部材より露出す
る側の該固定部材端面の面積Ａと、該中空糸膜が開口し
ている側の該固定部材端面の面積Ｂとが、次式を満足す
る中空糸膜モジュール。 １００≧Ａ／Ｂ≧１．２

【００１３】（２）前記ハウジング及び集水管に、前記
シート状中空糸膜が複数枚固定されると共に、隣接する
中空糸膜シート同士の間隔がほぼ均等となるように固定
されてなる上記１記載の中空糸膜モジュール。

【００１４】以下に本発明を図面に従い詳細に説明す
る。図１は、中空糸膜編織物を８枚用いて、各々の中空
糸膜の片端部を開口状態を保ちつつ固定部材で固定した
本発明の中空糸膜モジュールの斜視図である。このモジ
ュールのＡ／Ｂは１．７である。

【００１５】図２は、図１と同様に中空糸膜編織物を８
枚用いて、各々の中空糸膜の両端部を開口状態を保ちつ
つ固定部材で固定した本発明の中空糸膜モジュールの斜
視図である。図３は、図１及び図２で示したモジュール
の集水管の長手方向に垂直な方向に於ける中空糸固定部
の断面図である。

【００１６】１は中空糸膜、３は中空糸膜開口端面、５
は中空糸膜編織物、６はハウジング及び集水管、７は固
定部材、８は導水管、９は濾液取り出し口をそれぞれ示
している。

【００１７】中空糸膜１及び中空糸膜編織物５は、例え
ばセルロース系、ポリオレフィン系、ポリビニルアルコ
ール系、ポリスルフォン系等の各種材料からなるものが
使用でき、特にはポリエチレン、ポリプロピレンなどの
強伸度の高い材質のものが好ましい。

【００１８】尚、濾過膜として使用可能なものであれ
ば、孔径、空孔率、膜厚、外径等には特に制限はない
が、除去対象物や容積当たりの膜面積の確保及び中空糸
膜の強度等を考えると、好ましい例としては、孔径０．
０１〜１μｍ、空孔率２０〜９０％、膜厚５〜３００μ
ｍ、外径２０〜２０００μｍの範囲を挙げることができ
る。また、バクテリアの除去を目的とする場合の孔径は
０．２μｍ以下であることが必須となり、有機物やウイ
ルスの除去を目的とする場合には分画分子量数万から数
十万の限外濾過膜を用いる場合もある。

【００１９】中空糸膜の表面特性としては表面に親水性
基等を持つ所謂恒久親水化膜であることが望ましい。恒
久親水化膜の製法としては、ポリビニルアルコール系の
ような親水性高分子で中空糸膜を製造する方法、又は疎
水性高分子膜の表面を親水化する方法など公知の方法が
使用できる。例えば親水性高分子を膜面に付与し疎水性
中空糸膜を親水化する際の親水性高分子の例としては、
エチレン−酢酸ビニル系共重合体鹸化物、ポリビニルピ
ロリドン等を挙げることができる。

【００２０】別の手法による膜面親水化の例としては、
親水性モノマーの膜面重合方式があり、このモノマーの
例としてはジアセトンアクリルアミド等を挙げることが
できる。また、他の手法としては疎水性高分子（例えば
ポリオレフィン）に親水性高分子をブレンドして紡糸製
膜する方法を挙げることができ、使用する親水性高分子
の例としては上述したものが挙げられる。

【００２１】表面が疎水性の中空糸膜であると、被処理
水中の有機物と中空糸膜表面との間に疎水性相互作用が
働き膜面への有機物吸着が発生し、それが膜面閉塞につ
ながり濾過寿命が短くなる。また、吸着由来の目詰まり
は膜面洗浄による濾過性能回復も一般には難しい。

【００２２】恒久親水化膜を用いると有機物と中空糸膜
表面との疎水性相互作用を減少させることができ、有機
物の吸着を抑えることができる。更に、疎水性膜では使
用中のスクラビング洗浄に於て、そのバブリングエアー
によって乾燥、疎水化が生じ、フラックスの低下を招く
ことがあるが、恒久親水化膜では乾燥してもフラックス
の低下を招くことがない。

【００２３】中空糸膜の固定に関して、図１及び図２に
示すように、中空糸膜の片端或は両端のどちらでも構わ
ない。目的や用途に応じてどちらかの固定を選択でき
る。

【００２４】中空糸膜編織物５は、中空糸膜をシート状
に編んだ物であり、シート状中空糸膜の製法としては任
意の手法が用いられ、例えば、特公平４−２６８８６号
公報や特開昭６３−９１６７３号公報に記載されている
装置や方法を用いると容易に製造できる。

【００２５】ハウジング及び集水管６は、図１並びに図
２の中空糸膜モジュール全体を支持する部材として機能
し、細長い、ほぼ矩形の開口部を有する。このハウジン
グ及び集水管６の開口部は、そこに中空糸膜を伴って充
填固定される固定部材の中空糸膜に垂直な断面の形状が
細長いほぼ矩形をしたものである。

【００２６】固定部材７は、ハウジング及び集水管６の
開口部に充填固定されると共に、図３のような管中心軸
に垂直な断面形状を有するように形成される。固定部材
７は、その断面形状において、該中空糸膜が該固定部材
より露出する側の該固定部材端面の幅をＬ１とし、該中
空糸膜が開口している側の該固定部材端面の幅をＬ２と
したとき、両端面の間に、Ｌ１及びＬ２より短く、かつ
最も短い幅Ｌ０を持った部分、即ちくびれ１０を有す
る。固定部材７は、多数の中空糸膜の各端部を開口状態
を保ったまま集束して固定されるとともに、この中空糸
膜を濾過膜として機能させるために、被処理水と処理水
を液密に仕切る部材として機能する。

【００２７】固定部材７は、通常エポキシ樹脂、不飽和
ポリエステル樹脂、ポリウレタン等の液状樹脂を硬化さ
せて形成させる。導水管８は、濾液が流れるパイプであ
り、濾液取り出し口９に通ずる。

【００２８】ハウジング及び集水管６及び導水管８の材
質としては、機械的強度及び耐久性を有するものであれ
ば良く、例えば硬質ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネ
ート、ポリスルフォン、ポリプロピレン、アクリル樹
脂、ＡＢＳ樹脂、変成ＰＰＥ樹脂等が例示される。使用
後に焼却処理が必要な場合には、燃焼により有毒ガスを
出さずに完全燃焼させることのできる炭化水素系の樹脂
を材質とするのが好ましい。

【００２９】中空糸膜が固定部材より露出する側の固定
部材面の面積Ａと、中空糸膜が開口している固定部材端
面の面積Ｂの比、Ａ／Ｂは任意の値が選択できるが、処
理容量、膜面積、缶体或は処理槽の大きさ、取扱い性等
を考慮すると１．２〜１００の範囲が好ましい。特に、
平型の中空糸膜モジュール（中空糸膜編織物を使用）の
場合では、中空糸膜編織物の枚数、集水管の内径及び外
径を考慮してＡ／Ｂの値を決定する。

【００３０】本発明の中空糸膜モジュールは以下に述べ
るような特徴がある。中空糸膜を円形状若しくは同心円
状に集束、配置した円筒形タイプのモジュールでは、取
扱い性、特にモジュール装着時の作業性に優れる。中空
糸膜は面積Ａで表される固定部材面全体に対して均等に
配置されているため、面積Ｂが同じでＡ／Ｂが１のモジ
ュールよりも中空糸膜間への濁質の堆積や中空糸膜同士
の接着が生じ難くなり、膜面の有効利用並びにスクラビ
ング洗浄が効率よく行われる。

【００３１】また、同じ中空糸膜本数のモジュールでも
Ａ／Ｂ＝１よりもＡ／Ｂ＞１のモジュールの方が固定部
材として使用する樹脂が少量で作製できる。従って、硬
化時に発熱するような樹脂の場合、できるだけ樹脂の量
が少ない方が発熱も少なく、硬化収縮も小さくなり成形
しやすくなる。

【００３２】図１や図２の様な中空糸膜編織物を用いた
中空糸膜モジュールでも同様の膜面積を有するモジュー
ルよりも取扱い性に優れ、中空糸膜編織物が層間隔を設
けられて内外層に均等に配置されているので、膜面洗浄
の際、中空糸膜表面を均等に洗浄することが極めて容易
となる。それぞれの中空糸膜編織物の間隔を等間隔にす
ることでその効果が更に向上する。

【００３３】複数のモジュールを処理槽等に配置する場
合、特に中空糸膜編織物を重ね合わせるように並列又は
積層するような配置の場合、従来のモジュールでは、集
水管の外径又は集水管の濾液出口の接続部の大きさによ
ってモジュール間隔が支配されている。

【００３４】本発明のモジュールでは、固定部材の幅の
方が集水管の外径や接続部よりも大きく、固定部材の側
面同士が接するようにモジュールを並列させることによ
って、全てのモジュールに於ける全ての中空糸膜編織物
が等間隔で固定されるので、中空糸膜全体に均等なスク
ラビング洗浄が行え、部分的な濾過効率の低下を招くこ
とがない。

【００３５】モジュール中の中空糸膜編織物間の間隔
は、スクラビング洗浄時のエアーバブリングを膜面全体
に均等に当てることを考慮すると、等間隔にすることが
望ましいが、その間隔に於ては任意の距離が選択され
る。

【００３６】エアーバブリング等に於けるスクラビング
洗浄の効率や隣接する中空糸膜編織物の接着防止、及び
モジュール当たりの膜面積等を考慮してシート間の距離
を選択することができるが、好ましくは、５〜１００ｍ
ｍの範囲が適当である。更に、中空糸膜編織物を１枚毎
所定の間隔を保って固定することにより、中空糸膜同士
の固着一体化をより防止することが可能となる。

【００３７】中空糸膜編織物を用いたモジュールでは図
３のように中空糸膜は開口端面の方へ向かって集束され
ているが、ここで中空糸膜が固定部材内で完全に埋設さ
れていることが望ましい。

【００３８】特に中空糸膜編織物を用いた平型の中空糸
膜モジュールの使用に於ては、モジュールを密閉容器に
配設して、被処理水を加圧して中空糸膜を透過させる所
謂加圧濾過法も採用できるが、活性汚泥槽や沈澱槽等に
中空糸膜モジュールを配設し、中空糸膜を透過した処理
水を回収するサイドを吸引する吸引濾過法で使用するこ
とが好ましい。

【００３９】特に、周期的に一時吸引を停止する、所謂
間欠吸引運転方法を採用することにより、膜面堆積物が
膜面内部へ入り込むのを効率的に防止することができ
る。中空糸膜モジュールの機能回復処理頻度を低下させ
ることができる。

【００４０】間欠吸引の間欠間隔は、被処理水の汚濁度
によって最適範囲は異なってくる為、明確な範囲は規定
できないが、ＭＬＳＳ５０００ｍｇ／Ｌ程度の活性汚泥
を対象にする場合の例としては、吸引時間１〜３０分、
停止時間２秒〜１５分の範囲を望ましい例として挙げる
ことができる。

【００４１】また、吸引濾過法を採用することにより、
濾過時に処理水を槽内で循環させたり、エアーバブリン
グを行って膜面を洗浄したりすることが行いやすくな
る。特にエアーバブリングによる洗浄方法は、上記に示
したように、膜面堆積物が膜面内部へ入り込むのを効率
的に防止することができる間欠吸引運転方法と組み合わ
せることによって、より一層の洗浄効果を発揮する。吸
引濾過法に於ける被処理水の流れは、中空糸膜の配設方
向に対してほぼ垂直に流れるようにして、中空糸膜の膜
面の洗浄効果をアップさせることが好ましい。

【００４２】高汚濁水の濾過に於ては膜面に多くのｓｓ
や有機物が堆積する。そのために、膜面を水流やエア
ー、振動、超音波等を用いて堆積物を剥離させ洗浄する
必要がある。洗浄を行わない場合には膜面に堆積した有
機物が膜の閉塞の原因となり濾過寿命の低下を招く。具
体的な洗浄方法としては、膜面に平行に水流を流す所謂
クロスフロー濾過、膜モジュール浸漬槽にポンプ又はモ
ーター等で水流を起こす方法、エアーの上昇流を利用し
たバブリング法、モジュール自身を振動させる方法、被
処理液を超音波により振動させる方法等が挙げられる。
これらの洗浄は、膜面閉塞の進行具合に応じて、連続的
に行っても良いし、断続的に行っても良い。

【００４３】エアーバブリングによるスクラビング洗浄
を併用しながら運転する場合には、バブリングを行うた
めの散気管が必要となる。適切なエアーバブリングを行
うためには散気管とモジュールの位置関係が重要である
が、モジュールと散気管を別々に固定するのは煩雑な作
業であり、また、運転中にモジュールが移動してしまっ
た場合、運転途中に於て適切なスクラビング洗浄が行う
ことができなくなる問題点がある。この対策として、本
発明のモジュールに散気管を固定一体化することによ
り、缶体或は処理層への装着が容易になり、運転中に適
切なスクラビング洗浄が継続できるようになる。

【００４４】本発明の中空糸膜モジュールは、特に高汚
濁水の濾過に適しており、具体的な利用分野としては、
河川水の濾過、工業用水道水濾過、下排水の固液分離、
排水処理（例えば合併浄化槽での処理）等が挙げられ
る。

【００４５】

【発明の効果】本発明の中空糸膜モジュールは、大きい
膜面積でありながらコンパクトな構造になっており、且
つより多くの中空糸膜が直接被処理水と接触するので、
中空糸膜間の固着一体化が防止され、特に高汚濁性水の
濾過に於て、長期にわたって高い濾過効率を保つことが
可能である。

【００４６】特に中空糸膜編織物を用いた中空糸膜モジ
ュールを処理槽内に浸漬して濾過を行う場合、全ての中
空糸膜編織物を等間隔で配設することができ、複数のモ
ジュール全体に均等な効率の良いスクラビング洗浄を実
施できる。また、缶体あるいは処理槽への装着及び脱着
が容易であり、取扱い性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す斜視
図である。

【図２】本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す斜視
図である。

【図３】本発明の中空糸膜モジュールの一例（図１及び
図２）に於ける中空糸膜固定部の断面図である。

【符号の説明】

１ 中空糸膜 ３ 中空糸膜開口端面 ５ 中空糸膜編織物 ６ ハウジング及び集水管 ７ 固定部材 ８ 導水管 ９ 濾液取り出し口 １０ くびれ Ｌ１ 中空糸膜が固定部材より露出する側の固定部材
端面の幅 Ｌ２ 中空糸膜が開口している側の固定部材端面の幅 Ｌ０ 最も短い幅 DO>

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中丸 直也 東京都中央区京橋二丁目３番19号 三菱 レイヨン株式会社内 (72)発明者 小林 真澄 愛知県名古屋市東区砂田橋四丁目１番60 号 三菱レイヨン株式会社商品開発研究 所内 (72)発明者 岡田 達治 東京都江東区木場二丁目８番３号 三菱 レイヨン・エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−135893（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−261253（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 63/00 - 63/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シート状中空糸膜編織物の片端部或は両
   端部が、開口状態を保ちつつ、ハウジング及び集水管に
   固定部材にて固定され、該固定部材の中空糸膜に垂直な
   断面の形状が細長いほぼ矩形である中空糸膜モジュール
   であって、該ハウジング及び集水管の管中心軸に垂直な
   断面における該固定部材の形状において、該中空糸膜が
   該固定部材より露出する側の該固定部材端面と、該中空
   糸膜が開口している側の該固定部材端面との間に、該中
   空糸膜が開口している側の該固定部材端面よりも幅が短
   いくびれを有すると共に、 該中空糸膜が該固定部材より露出する側の該固定部材端
   面の面積Ａと、該中空糸膜が開口している側の該固定部
   材端面の面積Ｂとが、 次式を満足する中空糸膜モジュー
   ル。 １００≧Ａ／Ｂ≧１．２
2. 【請求項２】 前記ハウジング及び集水管に、前記シー
   ト状中空糸膜が複数枚固定されると共に、隣接する中空
   糸膜シート同士の間隔がほぼ均等となるように固定され
   てなる請求項１記載の中空糸膜モジュール。