JP4430852B2 - 管状濾材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水場での浄水処理、河川水・湖沼水の濾過、工業用水の濾過、廃水処理、海水淡水化の前処理など濁度性の高い液体の濾過に好適に用いられる管状濾材及びその製造方法に関し、特に、濾過及び逆洗の繰り返し使用に耐えることができるように、機械的強度を向上させるために有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密濾過プロセスは、無菌水、高純度水、飲料水の製造や空気の浄化といった産業分野で広く用いられている。近年、生活廃水や産業排水等の下水処理場における二次処理及び三次処理や、浄化槽における固液分離などの高濁性水処理の分野においてもその用途範囲が広がりつつある。
【０００３】
精密濾過プロセスに用いられる濾材としては、高分子からなる濾過膜を中空糸状に形成した中空糸膜を複数本束ねて構成される中空糸膜モジュールや、シート状に形成した平膜を複数枚積層して構成される平膜モジュールなどが用いられている。一般に、モジュールの単位容積あたりの処理面積が大きくとれる点で、中空糸膜モジュールが広く用いられている。
【０００４】
ところが、この中空糸膜モジュールを、例えば、浄化槽における固液分離などの高濁性水処理に用いる場合、一定時間の濾過を行うと、濁質である微粒子が膜面や膜内部に堆積し、物理的な閉塞を起こしてしまうという問題があった。この物理的な閉塞が起こると、濾材としての濾過能力が低下してしまうため、一定時間濾過を行った後、定期的に膜面及び膜内部の洗浄を行う必要がある。
【０００５】
この物理的な閉塞を抑える手段として、濾過あるいは逆洗運転時に、原水中に空気を連続的あるいは断続的に送って、膜を振動させるエアースクラビング処理が行われている。
しかしながら、従来の高分子を素材とする中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜自体が長時間の連続的な曲げや引っ張りといった負荷に耐えることが出来ずに切れてしまうという不具合があった。また、振動により、隣接する中空糸膜どうしが擦れあい、その膜表面が削れてしまうという不具合もあった。
【０００６】
また、中空糸膜の物理的強度が不十分であることから、従来の中空糸膜モジュールを用いて浄化処理の一洗浄工程である逆洗を行う場合、この逆洗工程を空気などの気体で行うことができず、一度その膜モジュールによって濾過された清浄水を用いて洗浄が行なわれている。このため、せっかく浄化した水を原水側に戻すことになるため、浄化効率が不良であるという不具合もあった。
【０００７】
この中空糸膜の物理的強度を向上させるために、中空糸膜の厚みを厚くするという手段が考えられる。ところが、膜厚が大きくなるほど、濾過抵抗が大きくなり、それと同時にモジュールの単位容積当たりの処理面積が減少するため、中空糸膜モジュール当たりの濾過能力が大幅に低下してしまう。また、この手段において、中空糸膜相互の擦れによる膜面の削れに対する問題は、未だ解決されていない。
【０００８】
そこで、中空糸膜モジュールの濾過性能を損なうことなく、物理的強度を向上させる手段として、長繊維を一本以上束ねた糸を交差させて形成した紐状の組物（組紐）を支持体として利用する中空糸複合膜が提案されている。
例えば、特公昭６０−５１６３号公報において、中空糸膜の膜厚内部に、管状の組紐を埋没させることにより、物理的な強度を改善させる手段が提案されている（第一従来例）。また、ＷＯ９５／１７２４２号公報及びＷＯ９９／０１２０７号公報においては、管状の組紐の外表面側に高分子薄膜層を形成させることにより、物理的強度を改善させる手段が提案されている（第二従来例）。この第一従来例及び第二従来例で開示された手段によれば、中空糸膜モジュールにおいて、曲げや引っ張りといった負荷に耐えうる物理的強度を改善することができるようになる。ところが、隣接する中空糸膜相互の擦れの問題は、未だ解決されていない。
【０００９】
また、中空糸膜モジュールの濾過性能を損なうことなく、物理的強度を向上させる他の手段として、特公平７−９５００７号公報において、中空糸膜の外表面に繊維を網状となるように交差させて巻き付けた複層多孔質中空糸膜が開示されている（第三従来例）。この第三従来例で開示された手段によれば、隣接する中空糸膜相互の擦れによる膜面の削れに対する問題は回避することができるようになると予測される。ところが、実際に、このような複層多孔質中空糸膜の製造を行う場合には非常に煩雑な作業が予想されるが、前記公報にはその具体的な製造方法は示されていない。
【００１０】
そこで、特開平７−７２７号公報及び特開平５−３０９２１９号公報においては、繊維を一本以上束ねた糸を、複数本交差させて管状に構成した丸打組物組織（螺旋状に各々左右両方向、且つ長手方向に沿って回転する組糸からなる組織）からなる濾材が提案されている（第四従来例）。この管状濾材の外周面には、糸の交差点を介して、内周面と連通されている孔が複数形成されており、この孔が濾過孔として機能している。この第四従来例で開示された丸打組物組織からなる管状濾材は、高分子を素材とした中空糸膜モジュールにおいて課題とされていた物理的強度が改善されたものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第四従来例の管状濾材は、濾過孔径が１０〜５０００μｍの範囲であるため、原水中から、通常１０μｍ以下の大きさである病原性大腸菌やクリプトスポリジウムなどの原虫を除去し、衛生的で安全な処理水を得る、という精密濾過プロセスでの使用には適さない。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、精密濾過膜としての濾過性能を持ちながら、従来の中空糸膜モジュールでは実現困難な高い物理的強度を有する管状濾材及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、濾材として、高い物理的強度が期待できる管状濾材に着目し、特定の太さの繊維をある特定の充填密度に組織することによって、精密濾過膜として好適に機能する管状濾材を実現可能であることを見出し、本発明をなすに至った。
【００１４】
すなわち、本発明の管状濾材は、繊維が一本以上束ねられて形成された複数本の糸を管状に組むことで形成され、内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材であって、濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であり、内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３であることを特徴とする。
また、本発明の管状濾材は、前記繊維の直径が、１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明の管状濾材は、前記繊維が、管の横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で存在するように、前記糸が組まれていることが好ましい。
本発明の内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材の製造方法は、直径が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維を一本以上束ねて糸を形成し、この糸を、横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で前記繊維が存在するように、且つ、内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３となるように管状に組むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の管状濾材によれば、この管状濾材の濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であることによって、精密濾過膜としての機能を十分に発揮することが可能となる。
また、より清浄な濾過液が必要な場合や、濾過膜の目詰まりを抑制するためには、好ましくは孔径が０．３μｍ以上５μｍ未満であるのがよく、さらに好ましくは、０．３μｍ以上２μｍ未満であるのがよい。
【００１７】
また、本発明の管状濾材によれば、繊維を一本以上束ねて形成された複数の糸を管状に組むことで構成されているため、十分な物理的強度が確保されており、物理的閉塞を抑えるためのエアースクラビング処理などによる性能劣化を抑制することが可能となる。
さらに、本発明の管状濾材によれば、繊維を一本以上束ねて形成された複数の糸を管状に組むことで構成されているため、高耐圧性を有し、浄化処理の一洗浄工程である逆洗において、空気等の気体を用いることが可能となる。このため、従来のように一度浄化された清浄水を用いる必要がなくなり、水の浄化効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明の管状濾材の製造方法によれば、本発明の管状濾材を容易に実現することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の濾材の一構成例を模式的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は図１（ａ）における１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。なお、図１（ｂの断面図において、糸の内部の断面はいずれも同様であるため、一本の糸の断面のみ詳細に示した。
【００２０】
本実施形態における管状濾材１００は、図１に示すように、繊維１が一本以上束ねられて形成された糸１０を、複数本組むことで管状に構成されている。その管の外周面には、図１（ｂ）に示す矢印Ａのように、複数の糸１０が組まれた隙間をぬって管の内周面と連通された孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が複数形成されている。
【００２１】
この管状濾材１００の内径Ｘ１及び外径Ｘ２は、特に限定されないが、単位容積当たりの有効な濾過面積は大きいことが好ましく、その管の軸方向（図１（ａ）における上下方向）における横断面積が小さくなる程有効な濾過面積が増加するため、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）は小さい程好ましい。しかし、一般に、内径Ｘ１が小さくなる程、管の軸方向における圧力損失が無視できず濾過効率が悪くなるため、内径Ｘ１は、０．５〜９ｍｍの範囲とするのが好ましい。また、外径Ｘ２は、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘによって決定され、通常１．２≦Ｘ≦３とするのが好ましく、さらに好ましくは１．５≦Ｘ≦２．２とするのがよい。ここで、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘを１．２未満とすると、機械的強度が著しく低下し、濾過される液体の流れが外部から内部に向かう外圧濾過方式に用いる場合、その形状が保てなくなってしまう。一方、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが３を超えると、単位容積当たりの有効濾過面積が十分に取れないと同時に、管の厚みによる濾過抵抗が大きくなってしまう。
【００２２】
また、この管状濾材１００の軸方向における長さは、特に限定されないが、用途に応じて自由に作り分けが可能である。特に、５〜２００ｃｍであると取り扱いが容易である。
管状濾材１００を構成している糸１０の状態は、経糸と緯糸とを交差させて形成される織物や、糸をループ状につなげて形成される編物、或いは中心から放射状に配置された糸の供給部が移動することにより、糸をその中心部において管状濾材の軸方向に螺旋状に巻きながら相互に交差することで形成される組物などいずれの状態であってもよい。特に、管状濾材１００を、連続的に生産したり、様々な内径Ｘ１及び外径Ｘ２で作製したりすることを考慮した場合、組物状態であることが好ましい。
【００２３】
ここで、糸１０から組物を形成することで管状濾材１００を作製する場合に用いる糸の本数、つまり組物の打数は、特に限定されず、目標とする管の内径Ｘ１及び外径Ｘ２にあわせて自由に選択できる。通常、組物の組目を細かくしたい場合や、管の径を大きくしたい場合は、打ち数を増やしていくが、上述した管状濾材１００の内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘを上述の範囲内にするためには、１６〜６４打の範囲であるのが好ましく、さらに好ましくは２４〜４８打とするのがよい。ここで、組物の打数を１６打未満とすると、上述した内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが前記範囲よりも大きくなり、一方、組物の打数が６４打を超えると、上述した内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが前記範囲よりも小さくなってしまうため、好ましくない。
【００２４】
管状濾材１００を構成する糸１０は、直径１〜１５μｍの繊維１から形成されることが好ましく、単一の紡糸口金から紡糸された一本の繊維（フィラメント）が糸となったモノフィラメント糸であっても、複数の紡糸口金から紡糸された複数のフィラメントが糸となったマルチフィラメント糸であってもよい。また、糸は、モノフィラメント糸或いはマルチフィラメント糸を切断して適当な長さの短繊維や、さらに撚り合わせることで得られる紡績糸などいずれの加工形態であってもかまわない。特に、管状濾材１００の濾過孔２０として、孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０を形成するために、マルチフィラメント糸を用いることが好ましい。
【００２５】
このとき、マルチフィラメント糸を構成する個々の繊維１は、直径が１〜１５μｍで、１００〜４０００本の繊維１が束ねられて構成されていることが好ましく、さらに好ましくは直径が１〜１０μｍで、２００〜２０００本とするのがよい。なお、繊維１の直径（Ｌ）とは、繊維１の１００００ｍあたりの重さをｗ（ｇ）、繊維１の素材密度をｄ（ｇ／ｃｍ2 ）とした場合、次式（１）で求められる繊維１の断面を円と仮定した場合の直径を指す。
【００２６】
Ｌ＝２０（ｗ／πｄ）1/2 ・・・・・（１）
ここで、繊維１の直径が１μｍ未満では、管状濾材１００の毛羽立ちが激しくなったり、柔軟であるため濾過時に濾過孔の変形が生じたりしてしまう。一方、繊維１の直径が１５μｍを超えると、濾過孔２０の孔径が大きくなり、阻止性能が低下してしまう。
【００２７】
また、糸１０を形成する繊維１の本数が１００本未満では十分な強度が得られず、一方、４０００本を超えると、マルチフィラメント糸が太くなってしまうため、管状に組織した場合マルチフィラメント糸が交差する部分の隙間が大きくなり、阻止性能が低下する原因となってしまう。
管状濾材１００を構成する糸１０を形成する繊維１は、ポリアミド系、ポリビニルアルコール系、ポリ塩化ビニリデン系、ポリ塩化ビニル系、ポリエステル系、ポリアクリロニトリル系、ポリオレフィン系、ポリ尿酸系、ポリアルキレンパラオキシベンゾエート系、ポリウレタン系、ポリフルオロエチレン系などの合成高分子系繊維や、セルロース系、タンパク質系、種子毛繊維、じん皮繊維、葉脈繊維、果実繊維、獣毛繊維、繭繊維、石綿などの天然高分子系繊維、或いは金属繊維、炭素繊維、ケイ酸塩繊維などの無機繊維からその用途に応じて適切なものを選ぶことが可能である。ここで、合成高分子系繊維や、天然高分子系繊維、或いは無機繊維から選ばれる繊維を、単独で用いる他に、これらを組合せて用いてもよい。単独で用いる場合においては、繊維の太さや形状を目的に応じて作り分けることが容易な点で、合成高分子系繊維を用いることが好ましい。
【００２８】
この繊維１は、管状濾材１００の内径Ｘ１及び外径Ｘ２から計算される、軸方向における横断面積Ａ（ｍｍ2 ）に対する繊維１の本数ｆの比、即ちＮ＝ｆ／Ａが５０００＜Ｎ＜５００００の範囲とすることが好ましい。このとき、このＮの値を上述の範囲とすることで、管状濾材１００の外周面には、孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が複数形成されるようになるとともに、２５℃において１０００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] 以上の純水の透過流束を有し、さらに水中に長時間浸漬した後も孔径に変化が見られなかった。
【００２９】
ここで、Ｎを５０００未満とすると、糸１０を形成する繊維１間の隙間が大きくなるため高い透過流束が得られるが、精密濾過膜としての性能を発現できなくなってしまう。また、精密濾過を行う場合、通常０．０１ＭＰａ以上の水圧が必要とされるが、濾過される液体の流れが内部から外部に向かう内圧濾過方式を用いた場合、水圧によって繊維１間の隙間、つまり孔径の変化が生じ阻止性能が低下してしまう。同様に、外圧濾過方式を用いた場合、管状を保つことが出来ず、潰れてしまう。一方、Ｎが５００００を超えると、繊維１間の隙間が狭すぎ、阻止性能は向上するが、精密濾過膜としての透過流束が得られなくなってしまう。
【００３０】
次に、上述した管状濾材の製造方法について説明する。
まず、管状濾材を構成する糸を、直径が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維から製造する。このとき適用する繊維は、その素材によって様々な製造方法から得られたものであり、例えば、合成高分子系繊維および天然高分子系繊維の大部分は、紡糸と呼ばれる製造工程によって製造される。
【００３１】
この紡糸方法としては、湿式紡糸法、乾式紡糸法、或いは溶融紡糸法などが挙げられる。湿式紡糸法は、高分子を適当な溶剤に溶かし、紡糸口金の細孔から凝固浴に引き出して繊維とする方法である。また、乾式紡糸法は、高分子を揮発性溶剤に溶かし、紡糸口金の細孔から空気中に押し出して溶剤を蒸発させて繊維とする方法である。さらに、溶融紡糸法は、高分子を加熱溶融して、紡糸口金の細孔から押し出し、冷却固化して繊維とする方法である。なお、紡糸後の繊維から、紡糸時に用いた未反応の薬品、重合副産物、触媒などの付着物を洗浄する工程や繊維軸方向に平行な分子配列とするとともに、一定の強度と伸度の繊維とする延伸工程を施した後に、延伸によるひずみを除くとともに、繊維の結晶化を促進する熱処理工程を行うなど、一連の後処理工程を施すようにしてもよい。
【００３２】
そして、管の軸方向における横断面積１ｍｍ2 当たりに、繊維が５０００本以上５００００本以下の割合で存在するように、糸を組んで管状に構成することで、本実施形態における管状濾材を完成させる。
続いて、本実施形態における管状濾材の使用方法について説明する。
本実施形態における管状濾材は、外圧濾過方式でも内圧濾過方式であっても使用することができる。また、管状濾材の端部の一方が閉じられ、且つ、一方が開かれた状態であっても、両端が開かれた状態であっても使用することができる。
【００３３】
この管状濾材の軸方向における一方の端部から、例えば、高濁水（処理液）を通過させると、管の外周面に形成された濾過孔よりも小さな外径Ｘ２を有する水（濾液）はその濾過孔より管外に流出し、その濾過孔よりも大きな外径Ｘ２を有する微粒子（濁質）は管内部に堆積することによって、高濁水を、水と微粒子とに分離することができる。
【００３４】
このように、本実施形態における管状濾材１００によれば、濾過孔２０の孔径が、孔径０．３μｍ以上１０μｍ未満としたことによって、精密濾過膜として十分な濾過性能を発揮することが可能となる。
また、本実施形態における管状濾材１００によれば、繊維１が一本以上束ねられて形成された糸１０を組むことで構成されていることによって、従来の高分子素材からなる中空糸膜モジュールよりも優れた物理的強度を有するようになる。このため、管状濾材１００に物理的閉塞を抑えるための処理を行っても、管状濾材１００の性能劣化を抑制することが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態における管状濾材１００によれば、内外両方からの圧力に対する高い耐圧性を有するようになるため、空気等の気体を用いて逆洗処理を行うことが可能となる。よって、一度浄化された清浄水を用いて逆洗処理を行う必要がなくなるため、水の浄化効率を向上させることが可能となる。
すなわち、本発明によれば、孔径が０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が形成されていることで精密濾過プロセスに好適に用いられるとともに、優れた物理的強度を有することで高い処理効率及び装置の長寿命化を実現可能な管状濾材１００を提供することが可能となる。
【００３６】
【実施例】
次に、本発明の効果を、以下の実施例及びその比較例に基づいて検証する。
なお、内径・外径測定、純水の透過流束測定、孔径決定、引張強度測定は以下の方法で行った。
（１）内径・外径測定
組織した繊維が緩まないように接着剤などで固定した管状濾材の軸方向における垂直断面を示す電子顕微鏡写真から、管の外周円の最大径を長径、その中点を通る最小径を短径としてそれぞれ求め、その平均を外径とした。内径は、内周円について同様の方法で決定した。
【００３７】
長さ１０ｃｍの管状濾材の一端に純水流入口を取り付けて接着剤で固定し、他端を接着剤で閉じたサンプルを作製した。このサンプルと２５℃の純水を用いて、水圧０．１ＭＰａで内圧濾過方式の全濾過を１分間行い、得られた純水の透過量と、先に求めた内径とを用い、次式（２）、（３）から純水の透過流束Ｊ[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] を計算した。
Ｊ＝Ｖ／（Ｓ・ｔ） ・・・・・（２）
Ｓ＝（π・ｄi ）Ｌ ・・・・・（３）
ここで、Ｖ（Ｌ）は純水の透過量、Ｓ（ｍ2 ）はサンプルの内表面積、ｔ（ｈｒ）は濾過時間、ｄi （ｍ）はサンプルの内径、Ｌ（ｍ）はサンプルの有効長である。
（３）孔径決定法
長さ１０ｃｍの管状濾材の一端に液体流入口を、他端に流出口を取り付けて接着剤で固定したサンプルを作製した。次に、０．５ｗｔ％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液に、０．０１ｗｔ％の濃度になるようにラテックス粒子を分散させ、阻止率測定用の溶液を作製した。この溶液を上記サンプルを用いて、流入・流出の平均水圧を５０ｋＰａとし、管状濾材の液体流入部における溶液線速を０．５ｍ／ｓｅｃとした状態で、内圧型のクロスフロー方式で濾過を行った。この原液中のラテックス粒子濃度と、原液を濾過後の排出量（濾液量）が安定した濾過開始３０分後の濾液中のラテックス粒子濃度との比から、管状濾材の粒子阻止率を算出した。ここで、阻止率Ｒは、原液中粒子濃度をＣ0 、濾液中粒子濃度をＣ1 としたときに、次式（４）から求められる。
Ｒ[ ％] ＝（（Ｃ0 −Ｃ1 ）／Ｃ0 ）×１００ ・・・・・（４）
このとき、粒子濃度は、粒子径毎に、特定波長における濃度と吸光度の検量線を作成しておき、その波長での原液及び濾液の吸光度を測定し、この吸光度に基づいて、実際の原液及び濾液中粒子濃度を決定した。この様にして測定したラテックス粒子径と阻止率との関係をプロットし、これを曲線近似した阻止曲線が阻止率９０％のラインと交わる時の粒子径を、その管状濾材の孔径とした。この実験で用いたラテックス粒子の粒径は、０．２０４μｍ、０．３９４μｍ、０．６００μｍ、１．０９４μｍ、３．０４μｍ、１０．０８μｍの６種類である。
（４）引張強度測定
乾燥状態の管状濾材を用い、つかみ間隔２０ｃｍ、引張速度２０ｃｍ／ｍｉｎで測定を行った。
（実施例１）
図２は、実施例１に相当する管状濾材の横断面を示す電子顕微鏡写真（４０倍）である。図３は、実施例１に相当する管状濾材の外周面を示す電子顕微鏡写真（３００倍）である。図４は、実施例１に相当する管状濾材の内周面を示す電子顕微鏡写真（２７０倍）である。
【００３８】
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が５．７μｍである、２６０デシテックス（繊維１００００ｍ当たりのｇ数）／８１６フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
得られた管状濾材の外径／内径は、１．９ｍｍ／１．１ｍｍ（Ｘ＝１．７３）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、１３８６０であった。
【００３９】
また、この管状濾材の純水の透過流束は、１４５００ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１μｍであった。
さらに、この管状濾材の引張強度は、１６０ＭＰａであった。
（実施例２）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が２．９μｍである、５５デシテックス／６４８フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４０】
得られた管状濾材の外径／内径は、１．５ｍｍ／０．８ｍｍ（Ｘ＝１．８８）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、４９２１５であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、４１５０ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は０．３μｍであった。
【００４１】
さらに、この管状濾材の引張強度は、１４５ＭＰａであった。
（実施例３）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が１２．６μｍである、６６０デシテックス／４３２フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４２】
得られた管状濾材の外径／内径は、２．２ｍｍ／１．２ｍｍ（Ｘ＝１．８３）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、５１７９であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、３５２００ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は９μｍであった。
【００４３】
さらに、この管状濾材の引張強度は、２９０ＭＰａであった。
（比較例１）
２４打の製紐機を用いて、繊維の直径が２２μｍである、３３０デシテックス／７２フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４４】
得られた管状濾材の外径／内径は、１．７ｍｍ／１．１ｍｍ（Ｘ＝１．５５）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、１３１０であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、５５２００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４５】
さらに、この管状濾材の引張強度は、２８０ＭＰａであった。
（比較例２）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が１６．９μｍである、１７６０デシテックス／５７６フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４６】
得られた管状濾材の外径／内径は、２．５ｍｍ／１．４ｍｍ（Ｘ＝１．７９）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、５４７２であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、４６３００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４７】
さらに、この管状濾材の引張強度は、５３０ＭＰａであった。
（比較例３）
２４打の製紐機を用いて、繊維の直径が８．９μｍである、１１０デシテックス／１４４フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４８】
得られた管状濾材の外径／内径は、０．９ｍｍ／０．４ｍｍ（Ｘ＝２．２５）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、４５１５であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、１７２００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４９】
さらに、この管状濾材の引張強度は、１２２ＭＰａであった。
（比較例４）
物理的強度の比較として、高分子中空糸膜の中でも高強度であるＰＶＤＦ中空糸膜（特開平３−２１５５３５の実施例１に準じて作成）で、糸の外径／内径が２．０ｍｍ／１．１ｍｍのものについて引張強さ測定を行ったところ、その引張強さは１０．７ＭＰａであった。
【００５０】
実施例１〜３においては、管状濾材の濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であるため、精密濾過膜として十分な機能を発揮するとともに、比較例４で示した従来の高分子中空糸膜よりも優れた物理的強度を有していることが確認できた。
また、比較例１においては、直径が１５μｍを超える繊維が一本以上束ねられた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを５０００未満とした中管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
【００５１】
さらに、比較例２においては、直径が１５μｍを超える繊維が一本以上束ねられた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを本発明の範囲とした管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
さらに、比較例３においては、本発明の範囲内における直径の繊維が一本以上束ねれた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを５０００未満とした管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
【００５２】
この結果より、直径が１〜１５μｍの繊維を一本以上束ねて形成された糸を組んで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎが５０００以上、５００００未満である管状濾材を構成することで、管状濾材の濾過性能を示す孔径を、０．３μｍ以上１０μｍ未満に形成可能であることが確認できた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の管状濾材によれば、濾過性能を示す孔径を、０．３μｍ以上１０μｍ未満としたことによって、物理的強度を確保しつつ、精密濾過膜として十分な機能を発揮することが可能となる。
本発明の管状濾材の製造方法によれば、本発明の管状濾材を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の管状濾材の一構成例を模式的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は図１（ａ）における１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。
【図２】実施例１に相当する管状濾材の軸方向における横断面を示す電子顕微鏡写真（４０倍）である。
【図３】実施例１に相当する管状濾材の外周面を示す電子顕微鏡写真（３００倍）である。
【図４】実施例１に相当する管状濾材の内周面を示す電子顕微鏡写真（２７０倍）である。
【符号の説明】
１ 繊維
１０ 糸
２０ 濾過孔
１００ 管状濾材
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水場での浄水処理、河川水・湖沼水の濾過、工業用水の濾過、廃水処理、海水淡水化の前処理など濁度性の高い液体の濾過に好適に用いられる管状濾材及びその製造方法に関し、特に、濾過及び逆洗の繰り返し使用に耐えることができるように、機械的強度を向上させるために有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密濾過プロセスは、無菌水、高純度水、飲料水の製造や空気の浄化といった産業分野で広く用いられている。近年、生活廃水や産業排水等の下水処理場における二次処理及び三次処理や、浄化槽における固液分離などの高濁性水処理の分野においてもその用途範囲が広がりつつある。
【０００３】
精密濾過プロセスに用いられる濾材としては、高分子からなる濾過膜を中空糸状に形成した中空糸膜を複数本束ねて構成される中空糸膜モジュールや、シート状に形成した平膜を複数枚積層して構成される平膜モジュールなどが用いられている。一般に、モジュールの単位容積あたりの処理面積が大きくとれる点で、中空糸膜モジュールが広く用いられている。
【０００４】
ところが、この中空糸膜モジュールを、例えば、浄化槽における固液分離などの高濁性水処理に用いる場合、一定時間の濾過を行うと、濁質である微粒子が膜面や膜内部に堆積し、物理的な閉塞を起こしてしまうという問題があった。この物理的な閉塞が起こると、濾材としての濾過能力が低下してしまうため、一定時間濾過を行った後、定期的に膜面及び膜内部の洗浄を行う必要がある。
【０００５】
この物理的な閉塞を抑える手段として、濾過あるいは逆洗運転時に、原水中に空気を連続的あるいは断続的に送って、膜を振動させるエアースクラビング処理が行われている。
しかしながら、従来の高分子を素材とする中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜自体が長時間の連続的な曲げや引っ張りといった負荷に耐えることが出来ずに切れてしまうという不具合があった。また、振動により、隣接する中空糸膜どうしが擦れあい、その膜表面が削れてしまうという不具合もあった。
【０００６】
また、中空糸膜の物理的強度が不十分であることから、従来の中空糸膜モジュールを用いて浄化処理の一洗浄工程である逆洗を行う場合、この逆洗工程を空気などの気体で行うことができず、一度その膜モジュールによって濾過された清浄水を用いて洗浄が行なわれている。このため、せっかく浄化した水を原水側に戻すことになるため、浄化効率が不良であるという不具合もあった。
【０００７】
この中空糸膜の物理的強度を向上させるために、中空糸膜の厚みを厚くするという手段が考えられる。ところが、膜厚が大きくなるほど、濾過抵抗が大きくなり、それと同時にモジュールの単位容積当たりの処理面積が減少するため、中空糸膜モジュール当たりの濾過能力が大幅に低下してしまう。また、この手段において、中空糸膜相互の擦れによる膜面の削れに対する問題は、未だ解決されていない。
【０００８】
そこで、中空糸膜モジュールの濾過性能を損なうことなく、物理的強度を向上させる手段として、長繊維を一本以上束ねた糸を交差させて形成した紐状の組物（組紐）を支持体として利用する中空糸複合膜が提案されている。
例えば、特公昭６０−５１６３号公報において、中空糸膜の膜厚内部に、管状の組紐を埋没させることにより、物理的な強度を改善させる手段が提案されている（第一従来例）。また、ＷＯ９５／１７２４２号公報及びＷＯ９９／０１２０７号公報においては、管状の組紐の外表面側に高分子薄膜層を形成させることにより、物理的強度を改善させる手段が提案されている（第二従来例）。この第一従来例及び第二従来例で開示された手段によれば、中空糸膜モジュールにおいて、曲げや引っ張りといった負荷に耐えうる物理的強度を改善することができるようになる。ところが、隣接する中空糸膜相互の擦れの問題は、未だ解決されていない。
【０００９】
また、中空糸膜モジュールの濾過性能を損なうことなく、物理的強度を向上させる他の手段として、特公平７−９５００７号公報において、中空糸膜の外表面に繊維を網状となるように交差させて巻き付けた複層多孔質中空糸膜が開示されている（第三従来例）。この第三従来例で開示された手段によれば、隣接する中空糸膜相互の擦れによる膜面の削れに対する問題は回避することができるようになると予測される。ところが、実際に、このような複層多孔質中空糸膜の製造を行う場合には非常に煩雑な作業が予想されるが、前記公報にはその具体的な製造方法は示されていない。
【００１０】
そこで、特開平７−７２７号公報及び特開平５−３０９２１９号公報においては、繊維を一本以上束ねた糸を、複数本交差させて管状に構成した丸打組物組織（螺旋状に各々左右両方向、且つ長手方向に沿って回転する組糸からなる組織）からなる濾材が提案されている（第四従来例）。この管状濾材の外周面には、糸の交差点を介して、内周面と連通されている孔が複数形成されており、この孔が濾過孔として機能している。この第四従来例で開示された丸打組物組織からなる管状濾材は、高分子を素材とした中空糸膜モジュールにおいて課題とされていた物理的強度が改善されたものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第四従来例の管状濾材は、濾過孔径が１０〜５０００μｍの範囲であるため、原水中から、通常１０μｍ以下の大きさである病原性大腸菌やクリプトスポリジウムなどの原虫を除去し、衛生的で安全な処理水を得る、という精密濾過プロセスでの使用には適さない。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、精密濾過膜としての濾過性能を持ちながら、従来の中空糸膜モジュールでは実現困難な高い物理的強度を有する管状濾材及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、濾材として、高い物理的強度が期待できる管状濾材に着目し、特定の太さの繊維をある特定の充填密度に組織することによって、精密濾過膜として好適に機能する管状濾材を実現可能であることを見出し、本発明をなすに至った。
【００１４】
すなわち、本発明の管状濾材は、繊維が一本以上束ねられて形成された複数本の糸を管状に組むことで形成され、内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材であって、濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であり、内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３であることを特徴とする。
また、本発明の管状濾材は、前記繊維の直径が、１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明の管状濾材は、前記繊維が、管の横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で存在するように、前記糸が組まれていることが好ましい。
本発明の内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材の製造方法は、直径が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維を一本以上束ねて糸を形成し、この糸を、横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で前記繊維が存在するように、且つ、内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３となるように管状に組むことを特徴としている。
【００１６】
本発明の管状濾材によれば、この管状濾材の濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であることによって、精密濾過膜としての機能を十分に発揮することが可能となる。
また、より清浄な濾過液が必要な場合や、濾過膜の目詰まりを抑制するためには、好ましくは孔径が０．３μｍ以上５μｍ未満であるのがよく、さらに好ましくは、０．３μｍ以上２μｍ未満であるのがよい。
【００１７】
また、本発明の管状濾材によれば、繊維を一本以上束ねて形成された複数の糸を管状に組むことで構成されているため、十分な物理的強度が確保されており、物理的閉塞を抑えるためのエアースクラビング処理などによる性能劣化を抑制することが可能となる。
さらに、本発明の管状濾材によれば、繊維を一本以上束ねて形成された複数の糸を管状に組むことで構成されているため、高耐圧性を有し、浄化処理の一洗浄工程である逆洗において、空気等の気体を用いることが可能となる。このため、従来のように一度浄化された清浄水を用いる必要がなくなり、水の浄化効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明の管状濾材の製造方法によれば、本発明の管状濾材を容易に実現することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の濾材の一構成例を模式的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は図１（ａ）における１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。なお、図１（ｂの断面図において、糸の内部の断面はいずれも同様であるため、一本の糸の断面のみ詳細に示した。
【００２０】
本実施形態における管状濾材１００は、図１に示すように、繊維１が一本以上束ねられて形成された糸１０を、複数本組むことで管状に構成されている。その管の外周面には、図１（ｂ）に示す矢印Ａのように、複数の糸１０が組まれた隙間をぬって管の内周面と連通された孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が複数形成されている。
【００２１】
この管状濾材１００の内径Ｘ１及び外径Ｘ２は、特に限定されないが、単位容積当たりの有効な濾過面積は大きいことが好ましく、その管の軸方向（図１（ａ）における上下方向）における横断面積が小さくなる程有効な濾過面積が増加するため、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）は小さい程好ましい。しかし、一般に、内径Ｘ１が小さくなる程、管の軸方向における圧力損失が無視できず濾過効率が悪くなるため、内径Ｘ１は、０．５〜９ｍｍの範囲とするのが好ましい。また、外径Ｘ２は、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘによって決定され、通常１．２≦Ｘ≦３とするのが好ましく、さらに好ましくは１．５≦Ｘ≦２．２とするのがよい。ここで、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘを１．２未満とすると、機械的強度が著しく低下し、濾過される液体の流れが外部から内部に向かう外圧濾過方式に用いる場合、その形状が保てなくなってしまう。一方、内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが３を超えると、単位容積当たりの有効濾過面積が十分に取れないと同時に、管の厚みによる濾過抵抗が大きくなってしまう。
【００２２】
また、この管状濾材１００の軸方向における長さは、特に限定されないが、用途に応じて自由に作り分けが可能である。特に、５〜２００ｃｍであると取り扱いが容易である。
管状濾材１００を構成している糸１０の状態は、経糸と緯糸とを交差させて形成される織物や、糸をループ状につなげて形成される編物、或いは中心から放射状に配置された糸の供給部が移動することにより、糸をその中心部において管状濾材の軸方向に螺旋状に巻きながら相互に交差することで形成される組物などいずれの状態であってもよい。特に、管状濾材１００を、連続的に生産したり、様々な内径Ｘ１及び外径Ｘ２で作製したりすることを考慮した場合、組物状態であることが好ましい。
【００２３】
ここで、糸１０から組物を形成することで管状濾材１００を作製する場合に用いる糸の本数、つまり組物の打数は、特に限定されず、目標とする管の内径Ｘ１及び外径Ｘ２にあわせて自由に選択できる。通常、組物の組目を細かくしたい場合や、管の径を大きくしたい場合は、打ち数を増やしていくが、上述した管状濾材１００の内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘを上述の範囲内にするためには、１６〜６４打の範囲であるのが好ましく、さらに好ましくは２４〜４８打とするのがよい。ここで、組物の打数を１６打未満とすると、上述した内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが前記範囲よりも大きくなり、一方、組物の打数が６４打を超えると、上述した内径Ｘ１と外径Ｘ２との比Ｘが前記範囲よりも小さくなってしまうため、好ましくない。
【００２４】
管状濾材１００を構成する糸１０は、直径１〜１５μｍの繊維１から形成されることが好ましく、単一の紡糸口金から紡糸された一本の繊維（フィラメント）が糸となったモノフィラメント糸であっても、複数の紡糸口金から紡糸された複数のフィラメントが糸となったマルチフィラメント糸であってもよい。また、糸は、モノフィラメント糸或いはマルチフィラメント糸を切断して適当な長さの短繊維や、さらに撚り合わせることで得られる紡績糸などいずれの加工形態であってもかまわない。特に、管状濾材１００の濾過孔２０として、孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０を形成するために、マルチフィラメント糸を用いることが好ましい。
【００２５】
このとき、マルチフィラメント糸を構成する個々の繊維１は、直径が１〜１５μｍで、１００〜４０００本の繊維１が束ねられて構成されていることが好ましく、さらに好ましくは直径が１〜１０μｍで、２００〜２０００本とするのがよい。なお、繊維１の直径（Ｌ）とは、繊維１の１００００ｍあたりの重さをｗ（ｇ）、繊維１の素材密度をｄ（ｇ／ｃｍ2 ）とした場合、次式（１）で求められる繊維１の断面を円と仮定した場合の直径を指す。
【００２６】
Ｌ＝２０（ｗ／πｄ）1/2 ・・・・・（１）
ここで、繊維１の直径が１μｍ未満では、管状濾材１００の毛羽立ちが激しくなったり、柔軟であるため濾過時に濾過孔の変形が生じたりしてしまう。一方、繊維１の直径が１５μｍを超えると、濾過孔２０の孔径が大きくなり、阻止性能が低下してしまう。
【００２７】
また、糸１０を形成する繊維１の本数が１００本未満では十分な強度が得られず、一方、４０００本を超えると、マルチフィラメント糸が太くなってしまうため、管状に組織した場合マルチフィラメント糸が交差する部分の隙間が大きくなり、阻止性能が低下する原因となってしまう。
管状濾材１００を構成する糸１０を形成する繊維１は、ポリアミド系、ポリビニルアルコール系、ポリ塩化ビニリデン系、ポリ塩化ビニル系、ポリエステル系、ポリアクリロニトリル系、ポリオレフィン系、ポリ尿酸系、ポリアルキレンパラオキシベンゾエート系、ポリウレタン系、ポリフルオロエチレン系などの合成高分子系繊維や、セルロース系、タンパク質系、種子毛繊維、じん皮繊維、葉脈繊維、果実繊維、獣毛繊維、繭繊維、石綿などの天然高分子系繊維、或いは金属繊維、炭素繊維、ケイ酸塩繊維などの無機繊維からその用途に応じて適切なものを選ぶことが可能である。ここで、合成高分子系繊維や、天然高分子系繊維、或いは無機繊維から選ばれる繊維を、単独で用いる他に、これらを組合せて用いてもよい。単独で用いる場合においては、繊維の太さや形状を目的に応じて作り分けることが容易な点で、合成高分子系繊維を用いることが好ましい。
【００２８】
この繊維１は、管状濾材１００の内径Ｘ１及び外径Ｘ２から計算される、軸方向における横断面積Ａ（ｍｍ2 ）に対する繊維１の本数ｆの比、即ちＮ＝ｆ／Ａが５０００＜Ｎ＜５００００の範囲とすることが好ましい。このとき、このＮの値を上述の範囲とすることで、管状濾材１００の外周面には、孔径０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が複数形成されるようになるとともに、２５℃において１０００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] 以上の純水の透過流束を有し、さらに水中に長時間浸漬した後も孔径に変化が見られなかった。
【００２９】
ここで、Ｎを５０００未満とすると、糸１０を形成する繊維１間の隙間が大きくなるため高い透過流束が得られるが、精密濾過膜としての性能を発現できなくなってしまう。また、精密濾過を行う場合、通常０．０１ＭＰａ以上の水圧が必要とされるが、濾過される液体の流れが内部から外部に向かう内圧濾過方式を用いた場合、水圧によって繊維１間の隙間、つまり孔径の変化が生じ阻止性能が低下してしまう。同様に、外圧濾過方式を用いた場合、管状を保つことが出来ず、潰れてしまう。一方、Ｎが５００００を超えると、繊維１間の隙間が狭すぎ、阻止性能は向上するが、精密濾過膜としての透過流束が得られなくなってしまう。
【００３０】
次に、上述した管状濾材の製造方法について説明する。
まず、管状濾材を構成する糸を、直径が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維から製造する。このとき適用する繊維は、その素材によって様々な製造方法から得られたものであり、例えば、合成高分子系繊維および天然高分子系繊維の大部分は、紡糸と呼ばれる製造工程によって製造される。
【００３１】
この紡糸方法としては、湿式紡糸法、乾式紡糸法、或いは溶融紡糸法などが挙げられる。湿式紡糸法は、高分子を適当な溶剤に溶かし、紡糸口金の細孔から凝固浴に引き出して繊維とする方法である。また、乾式紡糸法は、高分子を揮発性溶剤に溶かし、紡糸口金の細孔から空気中に押し出して溶剤を蒸発させて繊維とする方法である。さらに、溶融紡糸法は、高分子を加熱溶融して、紡糸口金の細孔から押し出し、冷却固化して繊維とする方法である。なお、紡糸後の繊維から、紡糸時に用いた未反応の薬品、重合副産物、触媒などの付着物を洗浄する工程や繊維軸方向に平行な分子配列とするとともに、一定の強度と伸度の繊維とする延伸工程を施した後に、延伸によるひずみを除くとともに、繊維の結晶化を促進する熱処理工程を行うなど、一連の後処理工程を施すようにしてもよい。
【００３２】
そして、管の軸方向における横断面積１ｍｍ2 当たりに、繊維が５０００本以上５００００本以下の割合で存在するように、糸を組んで管状に構成することで、本実施形態における管状濾材を完成させる。
続いて、本実施形態における管状濾材の使用方法について説明する。
本実施形態における管状濾材は、外圧濾過方式でも内圧濾過方式であっても使用することができる。また、管状濾材の端部の一方が閉じられ、且つ、一方が開かれた状態であっても、両端が開かれた状態であっても使用することができる。
【００３３】
この管状濾材の軸方向における一方の端部から、例えば、高濁水（処理液）を通過させると、管の外周面に形成された濾過孔よりも小さな外径Ｘ２を有する水（濾液）はその濾過孔より管外に流出し、その濾過孔よりも大きな外径Ｘ２を有する微粒子（濁質）は管内部に堆積することによって、高濁水を、水と微粒子とに分離することができる。
【００３４】
このように、本実施形態における管状濾材１００によれば、濾過孔２０の孔径が、孔径０．３μｍ以上１０μｍ未満としたことによって、精密濾過膜として十分な濾過性能を発揮することが可能となる。
また、本実施形態における管状濾材１００によれば、繊維１が一本以上束ねられて形成された糸１０を組むことで構成されていることによって、従来の高分子素材からなる中空糸膜モジュールよりも優れた物理的強度を有するようになる。このため、管状濾材１００に物理的閉塞を抑えるための処理を行っても、管状濾材１００の性能劣化を抑制することが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態における管状濾材１００によれば、内外両方からの圧力に対する高い耐圧性を有するようになるため、空気等の気体を用いて逆洗処理を行うことが可能となる。よって、一度浄化された清浄水を用いて逆洗処理を行う必要がなくなるため、水の浄化効率を向上させることが可能となる。
すなわち、本発明によれば、孔径が０．３μｍ以上、１０μｍ未満の濾過孔２０が形成されていることで精密濾過プロセスに好適に用いられるとともに、優れた物理的強度を有することで高い処理効率及び装置の長寿命化を実現可能な管状濾材１００を提供することが可能となる。
【００３６】
【実施例】
次に、本発明の効果を、以下の実施例及びその比較例に基づいて検証する。
なお、内径・外径測定、純水の透過流束測定、孔径決定、引張強度測定は以下の方法で行った。
（１）内径・外径測定
組織した繊維が緩まないように接着剤などで固定した管状濾材の軸方向における垂直断面を示す電子顕微鏡写真から、管の外周円の最大径を長径、その中点を通る最小径を短径としてそれぞれ求め、その平均を外径とした。内径は、内周円について同様の方法で決定した。
【００３７】
長さ１０ｃｍの管状濾材の一端に純水流入口を取り付けて接着剤で固定し、他端を接着剤で閉じたサンプルを作製した。このサンプルと２５℃の純水を用いて、水圧０．１ＭＰａで内圧濾過方式の全濾過を１分間行い、得られた純水の透過量と、先に求めた内径とを用い、次式（２）、（３）から純水の透過流束Ｊ[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] を計算した。
Ｊ＝Ｖ／（Ｓ・ｔ） ・・・・・（２）
Ｓ＝（π・ｄi ）Ｌ ・・・・・（３）
ここで、Ｖ（Ｌ）は純水の透過量、Ｓ（ｍ2 ）はサンプルの内表面積、ｔ（ｈｒ）は濾過時間、ｄi （ｍ）はサンプルの内径、Ｌ（ｍ）はサンプルの有効長である。
（３）孔径決定法
長さ１０ｃｍの管状濾材の一端に液体流入口を、他端に流出口を取り付けて接着剤で固定したサンプルを作製した。次に、０．５ｗｔ％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液に、０．０１ｗｔ％の濃度になるようにラテックス粒子を分散させ、阻止率測定用の溶液を作製した。この溶液を上記サンプルを用いて、流入・流出の平均水圧を５０ｋＰａとし、管状濾材の液体流入部における溶液線速を０．５ｍ／ｓｅｃとした状態で、内圧型のクロスフロー方式で濾過を行った。この原液中のラテックス粒子濃度と、原液を濾過後の排出量（濾液量）が安定した濾過開始３０分後の濾液中のラテックス粒子濃度との比から、管状濾材の粒子阻止率を算出した。ここで、阻止率Ｒは、原液中粒子濃度をＣ0 、濾液中粒子濃度をＣ1 としたときに、次式（４）から求められる。
Ｒ[ ％] ＝（（Ｃ0 −Ｃ1 ）／Ｃ0 ）×１００ ・・・・・（４）
このとき、粒子濃度は、粒子径毎に、特定波長における濃度と吸光度の検量線を作成しておき、その波長での原液及び濾液の吸光度を測定し、この吸光度に基づいて、実際の原液及び濾液中粒子濃度を決定した。この様にして測定したラテックス粒子径と阻止率との関係をプロットし、これを曲線近似した阻止曲線が阻止率９０％のラインと交わる時の粒子径を、その管状濾材の孔径とした。この実験で用いたラテックス粒子の粒径は、０．２０４μｍ、０．３９４μｍ、０．６００μｍ、１．０９４μｍ、３．０４μｍ、１０．０８μｍの６種類である。
（４）引張強度測定
乾燥状態の管状濾材を用い、つかみ間隔２０ｃｍ、引張速度２０ｃｍ／ｍｉｎで測定を行った。
（実施例１）
図２は、実施例１に相当する管状濾材の横断面を示す電子顕微鏡写真（４０倍）である。図３は、実施例１に相当する管状濾材の外周面を示す電子顕微鏡写真（３００倍）である。図４は、実施例１に相当する管状濾材の内周面を示す電子顕微鏡写真（２７０倍）である。
【００３８】
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が５．７μｍである、２６０デシテックス（繊維１００００ｍ当たりのｇ数）／８１６フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
得られた管状濾材の外径／内径は、１．９ｍｍ／１．１ｍｍ（Ｘ＝１．７３）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、１３８６０であった。
【００３９】
また、この管状濾材の純水の透過流束は、１４５００ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１μｍであった。
さらに、この管状濾材の引張強度は、１６０ＭＰａであった。
（実施例２）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が２．９μｍである、５５デシテックス／６４８フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４０】
得られた管状濾材の外径／内径は、１．５ｍｍ／０．８ｍｍ（Ｘ＝１．８８）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、４９２１５であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、４１５０ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は０．３μｍであった。
【００４１】
さらに、この管状濾材の引張強度は、１４５ＭＰａであった。
（実施例３）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が１２．６μｍである、６６０デシテックス／４３２フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４２】
得られた管状濾材の外径／内径は、２．２ｍｍ／１．２ｍｍ（Ｘ＝１．８３）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、５１７９であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、３５２００ [Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は９μｍであった。
【００４３】
さらに、この管状濾材の引張強度は、２９０ＭＰａであった。
（比較例１）
２４打の製紐機を用いて、繊維の直径が２２μｍである、３３０デシテックス／７２フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４４】
得られた管状濾材の外径／内径は、１．７ｍｍ／１．１ｍｍ（Ｘ＝１．５５）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、１３１０であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、５５２００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４５】
さらに、この管状濾材の引張強度は、２８０ＭＰａであった。
（比較例２）
３２打の製紐機を用いて、繊維の直径が１６．９μｍである、１７６０デシテックス／５７６フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４６】
得られた管状濾材の外径／内径は、２．５ｍｍ／１．４ｍｍ（Ｘ＝１．７９）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、５４７２であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、４６３００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４７】
さらに、この管状濾材の引張強度は、５３０ＭＰａであった。
（比較例３）
２４打の製紐機を用いて、繊維の直径が８．９μｍである、１１０デシテックス／１４４フィラメントのポリエステルマルチフィラメント糸を組物に構成することで管状濾材を作製した。
【００４８】
得られた管状濾材の外径／内径は、０．９ｍｍ／０．４ｍｍ（Ｘ＝２．２５）であり、この管状濾材の軸方向における単位横断面積当たりの繊維本数Ｎは、４５１５であった。
また、この管状濾材の純水の透過流束は、１７２００[ Ｌ／（ｍ2 ・ｈｒ・０．１ＭＰａ）] であり、その孔径は１０μｍ以上であった。
【００４９】
さらに、この管状濾材の引張強度は、１２２ＭＰａであった。
（比較例４）
物理的強度の比較として、高分子中空糸膜の中でも高強度であるＰＶＤＦ中空糸膜（特開平３−２１５５３５の実施例１に準じて作成）で、糸の外径／内径が２．０ｍｍ／１．１ｍｍのものについて引張強さ測定を行ったところ、その引張強さは１０．７ＭＰａであった。
【００５０】
実施例１〜３においては、管状濾材の濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であるため、精密濾過膜として十分な機能を発揮するとともに、比較例４で示した従来の高分子中空糸膜よりも優れた物理的強度を有していることが確認できた。
また、比較例１においては、直径が１５μｍを超える繊維が一本以上束ねられた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを５０００未満とした中管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
【００５１】
さらに、比較例２においては、直径が１５μｍを超える繊維が一本以上束ねられた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを本発明の範囲とした管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
さらに、比較例３においては、本発明の範囲内における直径の繊維が一本以上束ねれた糸を組むことで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎを５０００未満とした管状濾材を構成したため、孔径が大きくなり、精密濾過プロセスへの適用が困難となることが確認できた。
【００５２】
この結果より、直径が１〜１５μｍの繊維を一本以上束ねて形成された糸を組んで、上述した単位横断面積当たりの繊維本数Ｎが５０００以上、５００００未満である管状濾材を構成することで、管状濾材の濾過性能を示す孔径を、０．３μｍ以上１０μｍ未満に形成可能であることが確認できた。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の管状濾材によれば、濾過性能を示す孔径を、０．３μｍ以上１０μｍ未満としたことによって、物理的強度を確保しつつ、精密濾過膜として十分な機能を発揮することが可能となる。
本発明の管状濾材の製造方法によれば、本発明の管状濾材を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の管状濾材の一構成例を模式的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は図１（ａ）における１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。
【図２】実施例１に相当する管状濾材の軸方向における横断面を示す電子顕微鏡写真（４０倍）である。
【図３】実施例１に相当する管状濾材の外周面を示す電子顕微鏡写真（３００倍）である。
【図４】実施例１に相当する管状濾材の内周面を示す電子顕微鏡写真（２７０倍）である。
【符号の説明】
１ 繊維
１０ 糸
２０ 濾過孔
１００ 管状濾材
Claims (4)
- 繊維が一本以上束ねられて形成された複数本の糸を管状に組むことで形成され、内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材であって、
濾過性能を示す孔径が、０．３μｍ以上１０μｍ未満であり、
内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３であることを特徴とする管状濾材。 - 前記繊維の直径が、１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の管状濾材。
- 前記繊維が、管の横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で存在するように、前記糸が組まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の管状濾材。
- 直径が１μｍ以上１５μｍ以下の繊維を一本以上束ねて糸を形成し、この糸を、横断面積１ｍｍ２ 当たり５０００本以上５００００本以下の割合で前記繊維が存在するように、且つ、内径（Ｘ１）と外径（Ｘ２）との比Ｘ＝（Ｘ２／Ｘ１）が１．２≦Ｘ≦３となるように管状に組むことを特徴とする、内周面および外周面が前記糸で構成された、芯材を用いないで使用する管状濾材の製造方法。
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