JP4930366B2

JP4930366B2 - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP4930366B2
Application number: JP2007336027A
Authority: JP
Inventors: 秀人小寺; 一成丸井; 淳夫熊野
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: JP2009154110A

Description

本発明は選択透過性を有する中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜開口面に隣接する集水板の改良された中空糸膜モジュールに関する。流体の膜分離処理に用いられ、例えば、海水の淡水化、かん水の脱塩、廃水の浄化、無菌水の製造、超純水の製造のような逆浸透法や、高度浄水処理や農薬、臭気物質、消毒副生成物前駆物質などの低分子有害物質の除去、硬度成分除去による軟水化処理などのナノろ過法や、電着塗装廃水からの塗料の回収、食品関係の有用物の濃縮・回収、凝集沈殿・砂ろ過代替の浄水処理などのような限外ろ過法や、天然ガスからのヘリウムの回収、アンモニアプラントのパージガスからの水素の分離・回収、石油の３次回収での炭酸ガスの分離、酸素富化、窒素富化などの気体分離法などに用いることが可能な選択透過性膜からなる中空糸膜モジュールに関するものである。特に気体の分離用のガス分離膜モジュールや海水の淡水化などの水処理に有効な逆浸透膜モジュール等の高温・高圧等の過酷な条件で運転される中空糸膜モジュールに好適なものである。

中空糸膜エレメントが筒状容器内に収容され、各中空糸膜は幾層にも重なって中空糸膜エレメントの軸方向に延び、その端部に位置する樹脂壁を貫通してその外側に開口するような構造になっている中空糸膜モジュールが従来から知られている。この構造の膜モジュールでは、中空糸膜の外面に接触する流体に圧力をかけて分離操作を促進しようとすると樹脂壁が圧力によって変形し、中空糸膜と樹脂壁との間の接着部に破損が起こって流体が漏れ、著しい場合には樹脂壁が破損する恐れがある。これを防ぐために樹脂壁に隣接して全面に多数の孔を穿った集水板を設け、樹脂壁の変形を防ぎかつ透過水を透過水出口に導く機能をもたせることが行われてきた。

このような構造をとれば中空糸膜の外面に接する流体を加圧する場合においても樹脂壁の変形・破損を防ぐことができるが、集水板の孔と中空糸膜の開口部とが一致しない部分では中空糸膜の開口部が塞がれてしまいそこでは被処理流体が流れなくなり、装置容積あたりの透過能力が小さくなる欠点がある。そこでこれを軽減するために集水板の少なくとも一方の面に全面にわたって線状突起を設け、該突起の先端において上記中空糸膜開口面に接するようにした例が特許文献１に記されている。また樹脂壁の中空糸膜開口面に隣接する集水板の他の例として焼結金属や砂を樹脂で固めた材料を用いた多孔質板が知られていたことが記載されている。
特公昭５９−５００４号公報

図１に中空糸膜エレメントが海水淡水化に用いられる外圧型中空糸膜モジュールに装填されたものである場合の一例を示す。選択透過性膜である中空糸膜層２の両端部は外周リング４ａ，４ｂの内側に挿入され、エポキシ樹脂で中空糸膜相互間および中空糸膜と外周リングの間を封止固定され、樹脂壁１７ａ，１７ｂを形成している。中空糸膜エレメントの一方側の外周リング４ａに設けた溝にＯリング１５を挿入したものによって流体分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内面をシールし、これによって濃縮水室と透過水室が液密に区画されている。外周リング４aのＯリング１５の両側には、典型的には５ＭＰａ程度、運転条件によっては８ＭＰａ以上の非常に大きな圧力差がかかり、濃縮水室の方が高圧となる。透過水に濃縮水が混入すると分離効率が如実に低下し分離機能が十分に果たせなくなるので、そのようなことが生じないように濃縮水室と透過水室の区画は厳密にシールされていなければならない。また中空糸膜エレメントの周囲は濃縮水で満たされることになるが、濃縮水圧力×中空糸膜エレメント断面積分の力が中空糸膜相互間及び中空糸膜と外周リングの間を固定している樹脂壁１７ａ，１７ｂに加わることとなり、この樹脂１７ａ，１７ｂの変形を防止するために集水板６ａ、６ｂが配置されている。この集水板には上述の通り大きな力が作用するので、集水板自体の変形、破損を防止するために厚みをもった中実の円形樹脂板が従来から用られいているが、大きくて重たく、取り扱いがしにくいといった問題があった。また近年、高透過性能を目指して中空糸膜エレメントの大型化が進んでおり、特に中空糸膜エレメントの外径が大きくなっているため集水板にはより大きな力が加わることとなり、強度を維持するために集水板の厚みを上げて剛性を保持する場合が多く、寸法、重量共に従来よりも大きくなることによって膜エレメントの装填作業において作業負荷が増えてきており、作業性向上も大きな課題であった。また中空糸膜モジュールの内部に装填して使用する中空糸膜エレメントは性能の低下に伴い定期的に交換する必要があるが、中空糸膜モジュールは通常ラックに数十本単位で組み込まれており、ラックの上部ではリフターや足場を組んで交換作業を行う。その際、中実で持ち手の少ない集水板では取り扱いにくく、手を滑らせて集水板を落下させるといったことが生じる危険があった。

また、膜モジュールの大型化の際に、集水板の厚みを変えずに集水板強度を保持するには、材質を剛性の高い金属にすることが考えられる。しかしながら鉄やステンレス鋼では重量が大きいため作業性が悪くなり、またアルミニウムなど比較的比重が小さい金属でも樹脂よりは重く、また使用上海水など塩分を含んだ液と接触する機会が多いため、金属の場合は腐食を生じる問題がある。逆に中実の樹脂円板で軽くするには厚みを薄くする必要があるが、それでは剛性が不足し、圧力を受けた際に変形し中空糸膜部を固定している樹脂部が破損し、性能が低下する恐れが有る。また集水板には透過側流体が圧力容器の外側に漏れないように、外周部にＯリングシールを設けており、圧力を受けた際に集水板の変形に伴ってシール部が変形し、シール性を損なう恐れがあった。

本発明の課題は、集水板を軽量化し従来よりも軽量の集水板を備える中空糸膜モジュールを提供することによって、膜エレメント装填時および脱着時の作業性を向上させることにある。

本発明者らは、以上のような課題の解決のため鋭意検討した結果、本発明に至った。すなわち、本発明は下記の構成を含む。
（１）筒状容器と該筒状容器に収容された柱状の中空糸膜エレメントとから構成され、該中空糸膜エレメントは流体に対して選択透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸膜層と該中空糸膜層の少なくとも一端に位置する樹脂壁とからなり、該中空糸膜層を構成する中空糸膜は前記樹脂壁の少なくともひとつを貫通してその外側に開口しており、かつ前記樹脂壁の中空糸膜開口面に隣接して樹脂製の集水板を配置した中空糸膜モジュールにおいて、該集水板の集水面と反対の面の少なくとも一部に空洞部を設けて下記（１）乃至（３）に示すリブ構造を有することを特徴とする中空糸膜モジュール。
（１）リブが前記集水板の中心より放射状かつ同心円状に設けられている
（２）リブの幅が１〜５０ｍｍである
（３）集水板の集水面と反対の面におけるリブ部の面積の比率が３０〜７０％である

本発明においては、集水板の集水面と反対の面の全面或いは部分的に空洞を設けてリブ構造とすることで集水板の軽量化を図り、流体分離膜エレメントの組立作業性を向上させることができた。集水面と反対の面にリブを適切に配置することにより強度を低下させることなく軽量化が可能であり、樹脂壁の変形やシール性の低下といった問題も生じない。また集水板に樹脂材料を用いているため、耐食性の不足による破損の恐れも生じない。このため、水の精製装置、および海水またはかん水の淡水化や脱塩をするための装置、気体分離装置等に使用される流体分離膜エレメントとして、有効に使用することが可能である。また、従来の中実構造の集水板と比較して使用材料の量を削減できるので、省資源かつ低コストで集水板を作製することができる。さらに、集水板から肉厚部分を減少させることができるため、射出成型法の適用性が高くなり、生産性が向上した。

本発明における選択透過性を有する中空糸膜としては、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜およびガス分離膜が挙げられ、いずれの中空糸膜であっても、本発明の中空糸膜モジュールに適用可能である。特に、逆浸透膜、外圧型中空糸膜は、本発明が好適である一例である。外圧型中空糸膜とは、中空糸膜の外側に被処理流体を供給し、中空糸膜の内側に向けて流体を透過させるものである。また、本発明における逆浸透膜とは、数十ダルトンの分子量の分離特性を有する領域の分離膜であり、具体的には、０．５ＭＰａ以上の操作圧力で、食塩を９０％以上、除去可能であるものである。

本発明における中空糸膜エレメントとは、流体に対して選択透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸膜層と該中空糸膜層の少なくとも一端に位置する樹脂壁とを有し、、該中空糸膜層を構成する中空糸膜は前記樹脂壁の少なくともひとつを貫通してその外側に開口しているものである。また、中空糸膜エレメントは、中空糸膜モジュールの筒状容器に着脱自在に設置され、前記樹脂壁の中空糸膜開口面に隣接して配置された集水板を有する。

本発明における集水板とは、中空糸膜エレメントの端部の樹脂壁の中空糸膜開口面に対面して配置される部材である。集水面は中空糸膜開口部の閉塞による有効膜面積の減少を最小限に留めるよう、線状突起状になっているのが好ましく、また、粒子状物を焼結や接着により結合し連通孔を有する多孔質体としたものや、半球状や角錐状の多数の突起を有する形状であってもよい。線状突起状であると、膜開口部の閉塞が小さく、かつ、開口部の中空糸膜を損傷しにくく、特に好ましい。線状突起の配列は、同心円状、渦巻状、放射状、千鳥状等、いかなる形態でも差し支えない。

本発明における集水板の集水面と反対の面は、少なくともその一部に空洞部を設けてリブ構造とし、これによって強度を保持したまま従来の中実構造の集水板と比較して軽量化されている。また、空洞部が形成されていることによって膜エレメントの装填や脱着の際に持ちやすくなっている。さらには、中実構造のものに比べて使用材料の量が削減され、省資源かつ低コストで作成することができる。

本発明における集水板は、その集水面と反対の面の少なくともその一部に空洞部を設けてリブ構造とされているが、従来公知の加工方法により形成することができる。中実の板状体に切削加工等を加えて形成することも可能であるが、リブ構造を形成するには多くの工数を要しあまり適当ではない。射出成型法やプレス成型法によると簡便に一体成形が可能でありかつ使用材料の無駄が少なく、好適である。また、射出成型法やプレス成型法で作成した部材にさらに切削加工を組み合わせたり、他の部材と組み合わせたりすることも可能である。リブ構造を導入することによって集水板から肉厚部分が減少し射出成型法が適用しやすくなったことも、本発明の効果のひとつである。

本発明における集水板のリブの高さは集水板厚み以内であれば特に限定するものではないが、集水板の厚み方向に渡って途切れていないことが好ましい。またリブの幅は１〜５０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは２〜１０ｍｍである。リブの幅が狭すぎると力を支えきれずに変形を生じ、リブの幅が大きすぎると重量アップとなり軽量化の効果が小さくなる。

本発明における集水板の集水面と反対面の面積に占めるリブ部の面積の比率は３０％から７０％が好ましく、３５％から４５％が特に好ましい。リブ部の面積が多いと受圧面積が増えるため変形しにくくなるが、軽量化の効果が小さくなる。リブ部の面積が小さすぎると、空洞部分が多くなり変形、破損の可能性が高くなる。

本発明における集水板の大きさは中空糸膜モジュールの大きさに左右され、特に限定されるものではないが、通常、直径が５０〜５００ｍｍ、厚みが５〜２００ｍｍの板状である。厚みについては軽量化の観点から、必要な強度が確保される範囲内であれば薄いほど好ましいが、たとえ厚い集水板であっても、集水面の反対の面には空洞部が形成されているので、従来の集水板よりも軽量化される。

集水板の材料には金属、プラスチック、繊維強化プラスチック、セラミックなどが用いられるが、比重が低いので軽量化しやすく耐食性にも優れるプラスチックが好ましい。膜モジュールの使用流体や使用温度に適合するよう、材質が選択されるが、中空糸膜モジュールが水処理用膜である場合には、吸水率が低く、溶出物が少なく、引張り弾性率、引張り強度が高い各種エンジニアリングプラスチックが好適であり、ポリアセタール樹脂、塩化ビニル樹脂、ノリル樹脂が特に好ましい。また、樹脂材料は、繊維状や粒子状等各種形状の充填剤を含んでいても良く、充填剤の材質は使用する流体によって侵されないものであれば特に限定されない。

本発明における中空糸膜エレメントの形状は特に限定されるものではないが、好適な例としては両端開口型膜モジュールがあげられる。両端部で中空糸膜が開口しており両端部に樹脂壁および集水板が存在するため本発明の効果が顕著に発揮される。

本発明における中空糸膜の素材は特に限定されるものではないが、中空糸膜の逆浸透膜の場合の好ましい一例としては三酢酸セルロースがあげられ、この他、ポリアミドやポリビニルアルコールなど親水性素材が好適である。

本発明において樹脂壁を形成する樹脂は硬化前に流動性のある流体であって硬化によって硬い固体となるものが好ましく、その代表例としてはエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。エポキシ樹脂およびポリウレタン樹脂が特に好ましい。また、樹脂壁には補強板や補強枠が備えられていても良い。

本発明における筒状容器は直径が５０〜５００ｍｍ、長さが１００〜５０００ｍｍの円筒状が好ましいが、必ずしも円筒に限らず断面が多角形の筒状であってもよい。また筒状容器を構成する筒及び端板の材質には鋼、ステンレス鋼、プラスチック、繊維強化樹脂などを挙げることができる。

集水板の具体例として、図１の集水板６ａに適用した場合の集水面の平面図を図２に、断面図を図３に、集水面の反対の面の平面図を図４に示す。この例においては、透過側流体が圧力容器外部に流出するのを防ぐためのシール部分が外周面に配置されている。図２ないし図３において集水板４０は同心円状に配列された多数の突起４１を備え、集水板４０が膜分離装置に組み込まれた状態では、突起４１の先端４２が樹脂壁の中空糸開口面に線状に接触し、集水面と反対の面はリブ部５０と空洞部５１に分かれている。集水板４０にはその中央に流体出入口４３を、中央から偏芯した位置に流体出入口４４を備える。流体出入口４３は供給流体入口９と連通し、供給流体分配管３を経由して膜エレメントの中空糸膜外側に供給流体が供給される。流体出入口４４は突起４１の谷部４５に連通し、中空糸膜の中空部から流出してきた透過水は集水板６ａに形成された谷部４５から流体出入口４４および透過流体出口１１を経て膜モジュールの外部に流出する。

本発明の中空糸膜エレメントは、逆浸透膜を用いた海水淡水化、純水製造、排水処理や、ナノろ過膜を用いた高度浄水処理、その他、限外ろ過膜または精密ろ過膜による浄水処理やガス分離等の幅広い用途分野に適用することができる。従来よりも軽量の集水板を備える中空糸膜モジュールが提供され、膜エレメント装填時および脱着時の作業性が向上する。

本発明の中空糸膜エレメントの使用状態の一例を示す模式図である。中空糸膜エレメントの両端に透過流体収集部材である集水板を設置し、これを圧力容器に１本装着して中空糸膜モジュールを構成した場合である。本発明の集水板の一例の集水面側の平面図である。本発明の集水板の一例の断面図である。本発明の集水板の一例の集水面と反対面の平面図である。

符号の説明

１：中空糸膜エレメント
２：中空糸膜層
３：供給流体分配管
４ａ、４ｂ：外周リング
５ａ、５ｂ：中空糸膜開口部
６ａ、６ｂ：集水板
７：内部管
８：圧力容器
９：供給流体入口
１０：濃縮流体出口
１１：透過流体出口
１２：供給流体
１３：濃縮流体
１４：透過流体
１５：Ｏリング
１６：スナップ
１７ａ、１７ｂ：樹脂壁
４０：集水板
４１：突起
４２：突起の先端
４３、４４：流体出入口
４５：突起の谷部
４６：Ｏリング溝
５０：リブ部
５１：空洞部

Claims

筒状容器と該筒状容器に収容された柱状の中空糸膜エレメントとから構成され、該中空糸膜エレメントは流体に対して選択透過性を有する多数の中空糸膜からなる中空糸膜層と該中空糸膜層の少なくとも一端に位置する樹脂壁とからなり、該中空糸膜層を構成する中空糸膜は前記樹脂壁の少なくともひとつを貫通してその外側に開口しており、かつ前記樹脂壁の中空糸膜開口面に隣接して樹脂製の集水板を配置した中空糸膜モジュールにおいて、該集水板の集水面と反対の面の少なくとも一部に空洞部を設けて下記（１）乃至（３）に示すリブ構造を有することを特徴とする中空糸膜モジュール。
（１）リブが前記集水板の中心より放射状かつ同心円状に設けられている
（２）リブの幅が１〜５０ｍｍである
（３）集水板の集水面と反対の面におけるリブ部の面積の比率が３０〜７０％である