JP4620731B2 - 浸漬作業のための膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、浸漬作業のための膜モジュールであって、
多数の中空繊維膜から成る繊維束と、
頭部に接続している浸透液収集室と、
ガス供給部とを備え、
前記繊維束が開口した端部により頭部内に装着されており、かつ浸漬作業において濾過されるべき液体により取囲まれ、
前記浸透液収集室が中空繊維膜の内側から流出する浸透液のための、少なくとも一つの浸透液出口を備えており、
前記ガス供給部が頭部を通って案内される管体を備えており、
この場合、管体が繊維束の内側で終わり、かつガス状媒体のためのガス出口を備え、このガス状媒体が管体から濾過されるべき液体内に移行後、実質的に繊維束の中空繊維膜間で気泡として上昇する膜モジュールに関する。

中空繊維膜とは長さが少なくとも１ｍ以上で、直径が１００μｍ〜５ｍｍの間の範囲である、薄くかつ毛細管状の膜を指す。膜モジュールは浸漬作業の場合、濾過されるべき液体が入った容器内に沈められ、この場合膜モジュールは液体内で基本的に垂直に整向されている。浸漬作業の際に機能する膜モジュールの場合、浸透液は浸透液収集室から回収される。これにより浸透液収集室内では、中空繊維膜の外側の液圧よりも低い圧力が維持される。

冒頭で説明した特徴を備えた膜モジュールは特許文献１から知られている。中空繊維膜は一方の端部でもって頭部内に装着され、かつ他方の端部において個別に閉鎖されている。頭部とガス供給部を備えた浸透液収集室は足区画部を備え、この足区画部はフレームに取付け可能であり、かつ浸漬作業の場合、濾過されるべき液体が入った容器内に沈められる。中空繊維膜は海草に似て濾過されるべき液体内で起立しており、かつ互いに相対的に運動することができる。単に過度なだけの繊維束の運動は、側方の繊維保持装置により制限される。膜モジュールが作動すると、汚れは中空繊維膜の膜表面に堆積する。ガス供給管体を通って繊維束の内部に導入される空気を使用してガス処理することにより、濾過されるべき液体ならびに中空繊維膜は始動され、中空繊維膜に拘束された汚れは運び去ることができる。しかしながら、繊維束の足部領域内においていつまでも汚泥が堆積するのを回避するのに公知の方法は十分ではない。足部領域は頭部に隣接した繊維束の区画部であり、この区画部において中空繊維膜は端部側の固定のために限定された範囲でのみ可動である。足部領域内で始まる膜モジュールの汚泥堆積は上方に向って続き、結果として繊維束の多少とも広い区画部が完全に汚泥で埋もれ、集中的にガス処理を行ったとしてももはや洗浄することはできない。ガス処理空気は汚泥堆積が増している状態の繊維束の領域の傍らを通り過ぎ、結果として繊維束の汚泥堆積は急速に進む。繊維束の汚泥堆積が早く始まるほど、浸透液流は多くなり、それにより汚泥の排水も多くなる。

特許文献２から浸漬作業のための膜モジュールが知られており、その中空繊維膜から成る繊維束は二つの頭部の間に固定されている。中空繊維膜により占められた二つの頭部の端面は区画部に分割されており、この場合区画部間には自由空域が残っている。自由空域はガス分配器を配設するために使用され、このガス分配器は管体に隣接しているガス出口開口部を備えた流路を備えている。空気は基本的に繊維束の自由空域内で上昇し、そこで濾過されるべき液体は渦を巻くことが意図されている。類似の装置が膜モジュールに関する特許文献３に記載されており、この膜モジュールは浸漬作業ではなく液体が貫流するジャケット管体において使用される。さらに特許文献２および特許文献３から公知の装置の場合、繊維束の汚泥堆積はいつまでも回避できない。
独国特許出願公開第１００４５２２７号明細書 国際特許出願公開第９７／０６８８０号明細書 特開平７−第１８５２６８号明細書

本発明の根底をなす課題は、汚泥が堆積しづらく、浸漬作業に適した膜モジュールを提供することである。さらに泥負荷が大きく並びに中空繊維膜の浸透性が高い場合、繊維束の足部領域内で始まる汚泥の堆積を防がねばならない。

この課題は、冒頭で述べた特徴を備えた膜モジュールにあって、本発明によれば、繊維束が、各々中空繊維膜のグループを備えた区画部に分割されていることと、
それらの区画部の間に自由空域が残っており、この自由空域が管体から頭部の外側周囲部まで延びており、かつ濾過されるべき液体が、頭部に隣接している繊維束の足部領域内へ流入するのを促進することにより解決される。ガス状媒体、主として空気は繊維束の内側で供給され、そこで空気により、上昇するガス気泡を介して流れ運動が生じる。本発明による繊維束の足部領域内の自由空域を通って、繊維束の周囲部からの液体が後流する。この流れは中空繊維膜間の領域上の区画部で効果をもたらし、そこで汚泥の堆積が生じるのを防ぐ。堆積物は頃合良くかつ効果的に運び去ることができる。管体から頭部の外側周囲部まで放射状に延びている、繊維束の内側の自由空域と、繊維束の内側の中心にあるガス供給部を組み合わせて協働させることにより、驚くくらい効果的な方法で、繊維束の足部領域内に生じる汚泥の堆積は防止される。頭部は円筒中心軸線を備えた円筒形のスリーブとして形成されてもよく、この場合ガス供給部の管体は円筒中心軸線を中心に適切に配置されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、頭部は管体を取囲む、半径方向に延びたウェブを備えたインサートを有しており、頭部の上面に対して、ウェブは区画部の間に自由空域を形成している。インサートは中空繊維膜と共に頭部内に装着され、その後全体もしくは一部が鋳造材料により取囲まれている。インサートは半径方向に延びたウェブを備え、このウェブは管体からあるいは管体を取囲むハブから、頭部の周囲部まで延びている。ウェブは適切に頂上部で丸みを付されているかあるいは傾斜面を備えている。

膜モジュールを製造するために、繊維束は頭部に挿入され、頭部と中空繊維膜の間の自由空域は鋳造樹脂で鋳込まれる。中空繊維膜の繊維端部を頭部内に収納することは、インサートの適切な形態により容易になる。この点に関する本発明による思想の適切な形態により、インサートの高さは内側から外側へ向って減少し、その際管体に隣接しているインサートのコアは端面において頭部のジャケットの上方に突出しており、インサートのジャケット側の接続端部は頭部のジャケットにより取囲まれている空域内で埋没した状態で配置されており、したがって頭部のジャケットは頂上部で突出している囲い部分を形成している。束にまとめられた中空繊維膜を頭部内に案内する際、インサートに当接する繊維端部は外側に向かって方向転換し、その際隣接した繊維はジャケット側囲い部分の方向へ押し退けられ、したがって繊維束は密にされる。このようにして、密に混み合った状態で配置され、かつ区画部上に均等に配分された中空繊維膜を備えた区画部が得られる。囲い部分が上に向って円錐状に広がっている内面を備えているのは適切である。

他の実施形態において、本発明によりインサートが鋳造材料を供給するための開口部を備え、この鋳造材料がインサートの下方で分散し、かつ中空繊維膜を密に取囲むことがわかる。インサートが、鋳造材料が良好に接着する合成樹脂でできた合成樹脂成形部品であるのは都合がよい。さらにインサートと、中空繊維膜を鋳込むのに使用される鋳造材料は同じ材料でできていてもよい。

本発明の好ましい実施形態によれば、管体のガス出口は繊維束の足部領域内において頭部からわずかな間隔をおいて設けられており、かつガス状媒体が基本的に均一な配分でもって管体の周囲から流出するように形成されている。このことは異なる方法で構造上実現できる。管体が上面で閉鎖しており、かつ多数のジャケット側開口部を備えているのは本発明の範囲内である。好ましい実施形態により、上面で閉鎖されたキャップが管体上に設けられており、この場合管体とキャップがキャップの下側端部で開口しているガス状媒体のための流れ空域を形成している。流れ空域は環状間隙を形成し、この環状間隙からガス状媒体は均一な配分でもって流出する。流れ空域内の空気クッションは液体が管体内に入るのを防止し、従って管体の汚泥堆積も防止する。本発明による思想の範囲内において、さらに管体はノズルとして形成された軸方向の出口開口部を備え、この出口開口部はベンチュリノズルの形式で形成されている。高い速度でもって流出する空気流は取囲む液体に対して著しい吸引効果を有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、中空繊維膜は頭部と反対側のその端部において個別に閉鎖されており、中空繊維膜の閉鎖された端部は液体が自由に移動動可能である。しかしながら本発明の範囲内において、繊維束は二つの頭部の間にクランプされ、この場合浸透液収集室は両頭部において接続することができるようになっている。

以下に本発明をただ実施例だけを示す図に基づいて説明する。

図に示した膜モジュールは浸漬作業のために規定されている。その基本構造において、膜モジュールは、開口した端部を備え、頭部３内で鋳造されており、かつ浸漬作業においては濾過されるべき液体により取囲まれた、複数の中空繊維膜２から成る繊維束１と、中空繊維膜２の内部から流出する浸透液のための少なくとも一つの浸透液出口５を備えた、頭部３に接続している浸透液収集室４と、頭部３により案内される管体７を備えたガス供給部６とから成る。管体７は繊維束１の内部で終わり、かつガス状媒体のためのガス出口８を備え、このガス状媒体は管体７から濾過されるべき液体内に移行後、実質的に繊維束１の中空繊維膜２間で気泡として上昇する。通常ガス状媒体としては空気が使用される。

特に図２及び３からは、頭部３が管体７を取囲む、半径方向に延びたウェブ１３を備えたインサート９を有しており、頭部３の上面１０に対して、ウェブ１３が区画部１１の間に自由空域１２を形成していることが明らかである。区画部の間の自由空域１２は管体７から頭部３の周囲部まで延びており、かつ濾過されるべき液体が頭部３に隣接している繊維束１の足部領域Ｆ内に流入するのを促進する。足部領域Ｆとは頭部３に隣接している繊維束１の部分であり、この部分において繊維はその端部側固定部のために互いにわずかな相対運動しか行うことができず、通常汚染あるいは汚泥堆積が始まる。足部領域Ｆと呼ばれる繊維部分は約２００ｍｍにわたって延在している。

頭部３は円筒中心軸線を備えた円筒形のスリーブとして形成されており、かつ実施例においては浸透液収集室４に取付けられている個別部品を形成している。しかしながら頭部４は浸透液収集室４で成形されていてもよい。ガス供給部６の管体７は円筒形のスリーブの円筒中心軸線を中心に設けられており、かつ繊維束１の中空繊維膜２により取囲まれている。頭部３のインサート９は半径方向のウェブ１３を備え、このウェブは管体７を取囲むハブ１４から頭部３の周囲部まで延びている。頂上部においてウェブ１３は丸みを付されているかあるいは傾斜面を備えている。さらに図２の描写から、インサート９が内側から外側へ減少する高さを有し、この場合管体に隣接するインサート９の中心部がその上面において頭部３のジャケットの上に突出し、インサートのジャケット側接続端部が頭部３のジャケットにより取囲まれた空域内に埋没した状態で配置されており、従って頭部３のジャケットが上側に突出した囲い部分１５を形成しているのは明らかである。囲い部分１５は上方に向って円錐状に広がっている内側面を備えている。頭部３並びにインサート９の記載された形態により、モジュール製造の途中で繊維束１を頭部３内に挿入するのが容易になる。

インサート９は中空繊維膜２と一緒に頭部３内に装着され、その後鋳造材料によりその全体もしくは一部が取囲まれている。図４に示した実施形態において、インサート９は鋳造材料を供給するための開口部１８を備えており、この鋳造材料はインサート９の下方で分散し、かつ中空繊維膜２を密に取囲む。鋳造工程は図５に示してある。インサート９は合成樹脂の成形部品として形成されており、かつ鋳造材料に対して良好な接着の相性を有する合成樹脂材料でできている。さらにインサート９と中空繊維膜２を鋳込むために使用される鋳造材料は、同じ材料でできている。

管体７のガス出口８は繊維束１の足部領域の頭部３からわずかな間隔を置いて配置されており、かつガス状媒体がほぼ一様な配分でもって管体７の周囲部から流出するように形成されている。構造的に好ましい実施形態は図１に示してある。頂上部で閉鎖したキャップ１６は管体７の上に設けられており、この場合管体７とキャップ１６はキャップ１６の下側端部で開口しているガス状媒体のためのフローチャンバを形成している。図６の実施例において、管体７はノズル、例えばベンチュリノズル１９として形成された軸方向の出口開口部を備えている。速い流速で流出するガス状媒体は取囲む液体に対してジェットポンプ効果を有する。

試験結果：
試験的に、本発明により形成された膜モジュールと従来技術による膜モジュールを同じ条件の下で作動させた。図３は本発明による膜モジュールの繊維分布を示しており、図７は比較物として引き合いに出した従来技術による膜モジュールの繊維分布を示している。ガス供給部に関して膜モジュールは相違が無い。

濾過されるべき液体は３．５ｇ／ｌの固形分（乾燥物質）を有し、この固形分は２４時間以内に約１２ｇ／ｌまで増大した。膜モジュールは様々な浸透液流にあって９日の期間にわたり、それも同じ換気でもって作動した。

膜貫通圧力差のばらつきとして下記の浸透液流が設定された。

透過流がわずかな場合の４日後でも、比較モジュールの繊維束内において汚泥の堆積し易い傾向が観られた。透過液流が多い場合、比較のモジュールの汚泥の堆積は急に進むが、本発明による膜モジュール繊維束は汚泥の堆積を全く示さなかった。図８ａ及び８ｂは９日の試験運転の終了後の繊維束を示している。さらに本発明による膜モジュールの繊維束Ａは、どちらも足部領域において著しい汚泥の堆積を全く示さなかったが、比較モジュールの繊維束Ｂは下方から上方まで完全に汚泥にまみれていた。

膜モジュールの縦断面図である。 図１に示した膜モジュールの頭部の縦断面図である。 図２の断面Ｉ−Ｉを示す図である。 頭部の別の実施形態の平面図である。 図４に示した頭部の縦断面図であり、しかも頭部を製造する途中で鋳造材料を供給する際の頭部の縦断面図である。 別の実施例の縦断面図である。 図３に対応する図における従来技術による膜モジュールを示す図である。 本発明による膜モジュールの汚染部を示す図である。 従来技術による膜モジュールの汚染部を示す図である。

１ 繊維束
２ 中空繊維膜
３ 頭部
４ 浸透液収集室
５ 浸透液出口
６ ガス供給部
７ 管体
８ ガス出口
９ インサート
１１ 区画部
１２ 自由空域
１３ ウェブ
１４ ハブ
１５ 囲い部分
１６ キャップ
１７ フローチャンバ
１８ 開口部
１９ ベンチュリノズル

Claims (13)

1. 浸漬作業のための膜モジュールであって、
   複数の中空繊維膜（２）から成る繊維束（１）と
   各中空繊維膜（２）の一方の開口した端部が鋳造されている膜モジュールの頭部（３）と、
   中空繊維膜（２）の内側から流出する浸透液のための、少なくとも一つの浸透液出口（５）を備えた、前記頭部（３）に接続している浸透液収集室（４）と、
   前記頭部（３）を通って案内される管体（７）を有するガス供給部（６）とを備え、
   前記管体が繊維束の内側で終わっており、かつガス状媒体のためのガス出口（８）を備えており、このガス状媒体の大部分が管体から濾過されるべき液体内に移行後、気泡として繊維束（１）の中空繊維膜（２）間で上昇する膜モジュールにおいて、
   前記繊維束が前記中空繊維膜（２）のグループを各々備えた区画部（１１）に分割されていること、および
   それらの区画部（１１）の間に自由空域（１２）があり、この自由空域が管体（７）から頭部（３）の外側周囲部まで延びており、上昇する気泡を介した流れ運動のために、繊維束の周囲部から頭部に隣接した繊維束（１）の足部領域内へ液体が流入するのを、自由空域（１２）が促進していることを特徴とする膜モジュール。
2. 頭部（３）が円筒中心軸線を備えた円筒形のスリーブとして形成されており、ガス供給部（６）の管体（７）が前記円筒中心軸線を中心に設けられていることを特徴とする請求項１記載の膜モジュール。
3. 頭部（３）が管体（７）を取囲む、半径方向に延びたウェブ（１３）を備えたインサート（９）を有しており、頭部（３）の上面（１０）に対して、ウェブ（１３）が区画部（１１）の間に自由空域（１２）を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の膜モジュール。
4. 半径方向に延びたウェブ（１３）を備えており、これらのウェブが管体（７）もしくは管体（７）を取囲んでいるハブ（１４）から頭部（３）の周囲部まで延びている
   ことを特徴とする請求項３記載の膜モジュール。
5. ウェブ（１３）が頂部において丸みを付されているかあるいは傾斜面を備えていることを特徴とする請求項４記載の膜モジュール。
6. インサート（９）の高さが内側から外側へ向かって減少しており、管体（７）に近接したインサート（９）の中心部が、頭部（３）のケーシングの上面（１０）から突出しており、このケーシングが頭部（３）の周囲部分全体を形成しており、
   インサート（９）の前記ケーシング側接続端部が、頭部（３）のケーシングにより閉鎖された空域内で埋没した状態で配置されており、従って頭部（３）のケーシングが、ケーシングの上面において前記ケーシング側接続部から突出している囲い部分（１５）を形成していることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の膜モジュール。
7. 囲い部分（１５）が上方に向って円錐状に広がっている内面を備えていることを特徴とする請求項６記載の膜モジュール。
8. インサート（９）が鋳造材料を供給するための開口部（１８）を備え、この鋳造材料がインサート（９）の下方で分散し、かつ中空繊維膜（２）を密に取囲んでいることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一つに記載の膜モジュール。
9. インサート（９）と中空繊維膜（２）を鋳込むのに使用される鋳造材料が同じ材料でできていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一つに記載の膜モジュール。
10. ガス出口（８）が繊維束（１）の足部領域内で頭部（３）からわずかな間隔をおいて設けられており、かつガス状媒体がほぼ均一な配分でもって管体（７）周囲部から流出するように形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の膜モジュール。
11. 管体（７）上に頂部が閉鎖したキャップ（１６）が設けられており、管体（７）とキャップ（１６）がキャップの下側端部で開放したガス状媒体のためのフローチャンバ（１７）を形成していることを特徴とする請求項１０記載の膜モジュール。
12. 管体（７）がノズル（１９）として形成された軸方向の出口開口部を備えていることを特徴とする請求項１０記載の膜モジュール。
13. 管体（７）の出口開口部がベンチュリノズル（１９）として形成されていることを特徴とする請求項１２記載の膜モジュール。