JP5005180B2

JP5005180B2 - 遠心分離膜装置

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Publication number: JP5005180B2
Application number: JP2005100094A
Authority: JP
Inventors: 一樹大森; 保寿田中; 光治永根
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006272299A

Description

本発明は、分離膜を介して被処理液中の懸濁物質を分離する遠心分離膜装置に関するものであり、更に詳しくは、懸濁物質を含有する被処理液として、無機系の懸濁物質、例えばカーボンフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭化珪素、コロイダルシリカや砥粒等の微粒子を含むもの、あるいは有機系懸濁物質、例えば汚泥、油脂、微生物や酵素等を含むもの、殊に、半導体産業におけるファウリングを生じ易いＣＭＰ
(Chemical Mechanical Polishing)排水等の研磨排水中に含まれるコロイダルシリカや砥粒等の無機系粒子の分離に好適な遠心分離膜装置に関するものである。

この種の分離膜装置としては、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３それぞれに記載の技術が知られている。特許文献１には固定分離膜濾過機が記載され、特許文献２には回転型膜分離装置が記載され、特許文献３には研磨材の回収装置が記載されている。

特許文献１の固定平膜濾過機は、互いに間隔を隔てて積み重なって配設された環状の固定分離膜と、固定分離膜の環を貫通して延在する回転軸と、互いに間隔を隔てて積み重なって回転軸に固定された攪拌板と、固定分離膜と回転軸と攪拌板とを収容するケーシングとを備えている。この構成により、ケーシングのホールドアップ量が小さく、ケーシング内での原液の滞留時間が短く、更に固定平膜の透過流束が大きくなる。また、特許文献１には回転平膜濾過機についても記載されている。この回転平膜濾過機は、基本的には固定分離膜と攪拌板との位置関係が逆になったもので、攪拌板が固定され、回転平膜が回転軸に固定されているものである。これらいずれの濾過機も平膜と攪拌板が交互に配置され、平膜と攪拌板とが相対回転して平膜間の被処理液を攪拌板によって攪拌し、平膜への早期の堆積を緩やかにし、平膜の透過性を比較的長く維持するようにしている。

特許文献２の回転型膜分離装置は、被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体を回転軸に装着し、膜体の両側に膜体との間に隙間を設けてバッフルを配して構成され、基本的に特許文献１の回転平膜濾過機が改良されたものである。そして、この回転型分離膜装置の場合には、膜体の直径が３００〜１０００ｍｍであり、５０〜１０００ｒｐｍの範囲で膜体を回転させて運転することによって、膜分離性能を効果的に発揮し得る。

特許文献３の研磨材の回収装置は、膜分離装置を遠心分離機の後段に配置し、研磨工程排水を遠心分離機に導入して遠心分離し、界面活性剤の一部を除去し、得られた濃縮液を膜分離装置に導入する。これにより、粗大固形物を除去するための膜分離装置の通液量を格段に少なくすることができ、膜分離装置の目詰まりを防止して、膜の交換頻度を低減することにより、ランニングコストを低減し、長期に亘り安定して不純物の少ない研磨材粒子を効率的に回収することができる。

特開平０６−２７７４６５号公報特開２００３−２４５５２７号公報特開２００１−２２５０７０号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の従来の技術は、被処理液内で平膜と攪拌板とが相対回転して被処理液を分離する構造で、被処理液中の分離すべき粒子が常に攪拌されて被処理液全体に再拡散し、粒子の分離効率が悪く、粒子が微粒子化するほど顕著になるという課題があった。また、特許文献３に記載の技術の場合には粗大粒子を遠心分離機で分離し、分離した粗大粒子を純水に分散させて、再度膜分離装置で除去する技術であるが、この技術では遠心分離機と膜分離装置が個別に設置されるため、設備費や設置面積等が嵩む問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ファウリングを生じ易い微粒子等の懸濁物質であっても効率良く分離することができ、しかも懸濁物質の分離機能を長時間に渡って維持することができる遠心分離膜装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の遠心分離膜装置は、懸濁物質を含有する被処理液が供給される回転容器と、この回転容器に回転力を付与する回転軸と、この回転軸に上記回転容器内に位置させて装着された分離膜モジュールと、を備え、上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、上記回転容器を回転させる上記回転軸に上記被処理液の供給通路及び上記分離膜モジュールの透過液の排出通路をそれぞれ設けると共に、上記回転軸を、上記回転容器内に位置する大径管と小径管とからなる二重管構造の第１中空回転軸部と上記回転容器外に位置する第２中空回転軸部とに隔壁により区画し、且つ、上記第１中空回転軸部を二重管構造の中空回転軸として形成し、上記二重管構造の中空回転軸の外側中空部を上記被処理液の供給通路として形成すると共にその内側中空部を上記透過液の排出通路として形成し、また、上記回転容器は、その半径方向の最大径部に、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質を排出するバルブを有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の遠心分離膜装置は、懸濁物質を含有する被処理液が供給される容器と、この容器内に配置され且つ上記容器内の被処理液が循環する孔が形成された回転容器と、この回転容器に上記被処理液中で回転力を付与する回転軸と、この回転軸に上記回転容器内に位置させて装着された分離膜モジュールと、を備え、上記被処理液中で上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記回転容器の上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記回転容器内において上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、上記回転軸を二重管構造の中空回転軸として形成すると共に上記中空回転軸の外側または内側の中空部を上記分離膜モジュールの透過液側と連通する透過液の排出手段として形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の水平濾板式濾過機は、請求項３に記載の発明において、上記中空回転軸の上記排出手段とは別の中空部を、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質の排出手段として形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載の遠心分離膜装置は、請求項３に記載の発明において、上記回転容器は、その半径方向の最大径部に、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質の排出手段を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載の遠心分離膜装置は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記分離膜モジュールは、複数の円板状分離膜体または複数の傘状分離膜体が上記回転軸の軸芯に沿って複数段に渡って取り付けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載の遠心分離膜装置は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に発明において、上記被処理液の供給通路に加圧手段及び／または上記透過液の排出通路に吸引排出手段を設けたことを特徴とする記載のものである。

また、本発明の請求項７に記載の遠心分離膜装置は、懸濁物質を含有する被処理液が供給される回転容器と、この回転容器に回転力を付与する回転軸と、上記回転容器内を被処理液室と透過液室の二室に区画して装着される分離膜モジュールと、を備え、上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、上記回転軸を上記被処理液室側と連通して上記被処理液の供給通路となる中空回転軸及び上記透過液室側と連通して透過液の排出通路となる中空回転軸として形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載の遠心分離膜装置は、請求項７に記載の発明において、上記被処理液室内の半径方向の最大径部に連通する非透過液の排出手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、ファウリングを生じ易い微粒子等の懸濁物質であっても攪拌されることなく効率良く分離することができ、しかも懸濁物質の分離機能を長時間に渡って維持することができ、また、被処理液の供給手段並びに懸濁物質液の除去された透過液及び懸濁物質の排出手段を簡素化することができる遠心分離膜装置を提供することができる。

以下、図１〜図４に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。尚、図１は本発明の遠心分離膜装置の一実施形態の全体を模式的に示す断面図、図２は図１に示す遠心分離膜装置の回転軸及び円板状分離膜体の水平方向の断面を示す要部断面図、図３は本発明の遠心分離膜装置の他の実施形態の全体を模式的に示す断面図、図３は本発明の遠心分離膜装置の更に他の実施形態を示す概念図である。

第１の実施形態
本実施形態の遠心分離膜装置１０は、例えば図１に示すように、被処理液（以下、「原料液」と称す。）に遠心力を付与し、分離膜を介して原料液と透過液との間に差圧を生じさせて原料液中の不純物を分離するように構成されている。原料液としては、例えば半導体製造工程で発生したＣＭＰ（化学的機械的研磨処理）の研磨屑や研磨砥粒等の無機系の微粒子等の懸濁物質を含む排水、油水混合排水や有機性排水の処理工程から排出される各種の汚泥等の有機系の懸濁物質を含む排水等がある。本実施形態の遠心分離膜装置１０は、例えば、半導体製造工程で発生したＣＭＰ排水等のミクロンレベルからナノレベルの微粒子を含有するファウリングを生じ易い排水から微粒子を分離する場合に好ましく用いることができる。

即ち、本実施形態の遠心分離膜装置１０は、図１に示すように、断面が略六角形の樽状に形成された回転容器１１と、この回転容器１１の下面中心を貫通し上面近傍に達するように下面に連結された回転軸１２と、この回転軸１２に装着され且つ回転容器１１内で原料液中の微粒子を分離する分離膜モジュール１３と、回転軸１２を回転駆動させるモータ１４と、回転容器１１を回転自在に収納するケーシング１５と、を備え、ケーシング１５内で回転容器１１及び分離膜モジュール１３が回転軸１２を介して一体的に回転し、回転容器１１内に供給された原料液中の微粒子（以下、単に「微粒子」と称す。）を分離して、微粒子が集積されて固形分を主成分とするスラッジ、微粒子濃度の高い濃縮液及び分離膜モジュール１３を透過した透過液の三種類の処理水に分けて排出するように構成されている。回転容器１１は、モータ１４を駆動源として、例えば１００〜１０００ｒｐｍ、好ましくは２００〜３００ｒｐｍの回転速度で回転するようになっている。

図１に示すように回転容器１１の下面には回転容器１１と軸芯を共有する軸部１１Ａが垂直下方に延設されている。回転容器１１は軸部１１Ａにおいて回転軸１２に連結されている。また、この軸部１１Ａは基台１６に取り付けられた軸受け（図示せず）によって軸支され、回転容器１１は軸部１１Ａ及び軸受けを介して基台１６上で回転するようになっている。また、断面が略六角形状を呈する回転容器１１は、その側面の上下方向中ほどが最大径部として形成されている。この最大径部には固形分をスラッジとして排出する排出口１１Ｂが形成され、この排出口１１Ｂにはその開閉手段として間欠的に作動するパイロットバルブ１７が装着されている。パイロットバルブ１７は、排出口１１Ｂを間欠的に開閉して回転容器１１の最大径部に集積されたスラッジ（固形分）を外部へ排出するようにしてある。

上記回転軸１２は、図１に示すように、回転容器１１内で分離膜モジュール１３を支持する第１中空回転軸部１２１と、この第１中空回転軸部１２１の下端に連設され且つ回転容器１１の軸部１１Ａ内を貫通する第２中空回転軸部１２２とから構成され、原料液の供給手段と処理液の排出手段を有している。即ち、第１、第２中空回転軸部１２１、１２２は一体化しており、これら両者の中空部は互いに隔壁１２３を介して区画されている。

上記分離膜モジュール１３は、図１に示すように、複数の円板状分離膜体１３Ａを有し、これらの円板状分離膜体１３Ａは第１中空回転軸部１２１に対して上下方向に所定間隔を空けて取り付けられている。円板状分離膜体１３Ａは、例えば、従来公知の多孔質セラミック、多孔質の焼結金属等の多孔質物質によって内部に中空部（図示せず）が形成された円板形状の多孔質担体と、この多孔質担体の外表面に被覆された従来公知の織布、不織布や有機高分子膜等からなる膜体とを有し、有機高分子膜及び多孔質担体を介して原料液中の微粒子を分離し、微粒子が分離された透過液が中空部内に流入するようにしてある。

而して、第１中空回転軸部１２１は、図１、図２に示すように、小径管１２１Ａとこれより大径に形成された大径管１２１Ｂからなる二重管構造の中空回転軸として形成されている。小径管１２１Ａと大径管１２１Ｂの隙間が原料液の供給手段として形成され、小径管１２１Ａの内側が分離膜モジュール１３の透過液の排出手段として形成されている。即ち、小径管１２１Ａの上端は大径管１２１Ｂの上端より下方へ引っ込んで位置しており、小径管１２１Ａの上端は大径管１２１Ｂの内壁に連結され、小径管１２１Ａと大径管１２１Ｂの隙間を小径管１２１Ａの上端で閉じて原料液供給通路１２４として形成されている。第１中空回転軸部１２１と第２中空回転軸部１２２の隔壁１２３には第１中空回転軸部１２１の原料液供給通路１２４と第２中空回転軸部１２２の中空部とを連絡する連絡通路１２３Ａが放射状に形成され、第２中空回転軸部１２２の中空部に供給された原料液が複数の連絡通路１２３Ａを介して原料液供給通路１２４に流入し、大径管１２１Ｂに軸方向に沿って形成された複数の孔から回転容器１１内に供給するようになっている。複数の孔は、大径管１２１Ｂの周方向の複数個所に形成され、分離膜モジュール１３の複数の円板状分離膜体１３Ａの間に配置されている。つまり、第２中空回転軸部１２２の中空部、連絡通路１２３Ａ及び原料液供給通路１２４が原料液の供給手段として構成されている。そして、原料液の供給手段には加圧ポンプ等の加圧手段が設けられ、原料液を回転容器１１内に供給するようにしてある。

また、上記分離膜モジュール１３を構成する円板状分離膜体１３Ａは、図１、図２に示すように、第１中空回転軸部１２１が密着状態で貫通する貫通孔を中心部に有している。図２で部分的に示すように大径管１２１Ｂの周壁には円板状分離膜体１３Ａの貫通孔に配置した孔が周方向に所定間隔を隔てて複数形成され、また、小径管１２１Ａには大径管１２１Ｂの孔に対応する孔が形成されている。そして、小径管１２１Ａの孔と大径管１２１Ｂの孔とは連絡管１２１Ｃによって連結され、円板状分離膜体１３Ａの中空部と小径管１２１Ａの中空部からなる透過液排出通路１２５とが連絡管１２１Ｃを介して連通している。尚、図２において、破線部分は大径管１２１Ｂに軸方向に沿って上下の円板状分離膜体１３Ａの間に形成された複数の孔から回転容器１１内に原料液が供給する状態を示している。また、大径管１２１Ｂ上端の封止プレートの内面間近には図１に示すように透過液排出管１８の拡径部１８Ａが配置され、この拡径部１８Ａには分離膜モジュール１３の透過液を透過液排出管１８内に導く導入口（図示せず）が複数個所に形成されている。従って、円板状分離膜体１３Ａの透過液は、第１中空回転軸部１２１の連絡管１２１Ｃ及び透過液排出通路１２５を経由して透過液排出管１８から回転容器１１の外部へ排出されるようになっている。そして、透過液排出側には真空ポンプ等の吸引手段が必要に応じて設けられ、吸引手段によって透過液を排出するようにしてある。

また、図１に示すように、上記回転容器１１の上部には透過液排出管１８を囲む濃縮液排出管１９が装着され、この濃縮液排出管１９の下端は回転軸１２の大径管１２１Ｂの上端近傍に達している。この濃縮液排出管１９には吸引手段を設け、吸引手段によって濃縮液を吸引して排出するようにしても良い。濃縮液排出管１９と透過液排出管１８とは軸芯を共有する二重管として形成され、これら両者１８、１９の隙間が濃縮液の排出通路となっている。濃縮液排出管１９の下端は第１中空回転軸部１２１の上端との間に隙間を隔てて中空円板状に拡径し、この拡径部１９Ａの外周面全周に渡って濃縮液の流入口が形成されている。従って、透過液排出管１８と濃縮液排出管１９からなる二重管構造の回転軸１２は、回転容器１１の上部を貫通し、回転容器１１は、二重管構造の回転軸１２に軸支された状態で回転するようになっている。

また、第２中空回転軸部１２１の上端には外周縁部が下方に屈曲して形成されたバッフルプレート１２６が取り付けられ、このバッフルプレート１２６と回転容器１１の上面との間に濃縮液の通路を形成すると共に回転容器１１内の原料液が濃縮液に混入しないようにしている。

次に、動作について説明する。本実施形態ではコロイダルシリカや砥粒等の微粒子を含むＣＭＰ排水を原料液として処理する場合について説明する。原料液供給源からＣＭＰ排水を原料液（例えば、研磨排水）として遠心分離膜装置１０へ供給すると、原料液は、原料液供給通路１２４、即ち第２中空回転軸部１２２の中空部、隔壁１２３の連絡通路１２３Ａ及び第１中空回転軸部１２１の原料液供給通路１２４を経由して回転容器１１内に流入する。この時、モータ１４が既に駆動しているため、回転容器１１は、回転軸１２を介して所定の回転速度（例えば、２００〜３００ｒｐｍ）で回転すると共に第１中空回転軸部１２１に装着された分離膜モジュール１３も回転容器１１と一緒に回転し、回転容器１１内の原料液に遠心力を付与する。原料液は回転容器１１内で遠心力を受けて内壁面に押し付けられると共に、原料液中の微粒子は水との比重差によって徐々に回転容器１１の最大径部に集まり、回転容器１１の中心部では微粒子濃度が低く、内壁面に向かうほど微粒子濃度の高い濃縮液になる。

円板状分離膜体１３Ａは第２中空回転軸部１２１内の透過液排出通路１２５の径方向外側に配置されているため、回転容器１１内の原料液に遠心力を付与すると、円板状分離膜体１３Ａの外表面側と内部の排出通路側との間に遠心力による圧力差が生じ、この圧力差で原料液の微粒子が分離されて、図１、図２それぞれに矢印で示すように透過液が円板状分離膜体１３Ａの中空部から第１中空回転軸部１２１の連絡管１２１Ｃを経由して透過液排出通路１２５に達する。そして、第１中空回転軸部１２１内に挿入された透過液排出管１８の拡径部１８Ａから透過液排出管１８を経由して外部へ排出される。

一方、分離膜モジュール１３による微粒子の分離が進むと、各円板状分離膜体１３Ａの表面に微粒子が堆積し、微粒子同士が円板状分離膜体１３Ａ内外の差圧によって凝集してより大きな粒子として成長して粗大化する。微粒子が粗大化して大きくなると、この成長粒子は円板状分離膜体１３Ａの表面で遠心力を受けて表面から剥離する、いわゆる自浄作用（セルフクリーニング）によって回転容器１１の内壁面の最大径部、つまり排出口１１Ｂ近傍へ集積する。この成長粒子は円板状分離膜体１３Ａ内外の差圧によって緻密な粒子構造になっており、しかも分離膜モジュール１３は回転容器１１と一緒に回転していて上下の円板状分離膜体１３Ａ、１３Ａ間の原料液は攪拌されることがないため、円板状分離膜体１３Ａから剥離しても元の微粒子に戻って拡散することもなく、遠心力の作用で成長粒子のまま排出口１１Ｂにスラッジ（固形分）として集まる。

回転容器１１内の濃縮液は、回転容器１１の上面とバッフルプレート１２６との隙間を通路として回転容器１１上部の濃縮液排出管１９の拡径部１９Ａに達し、拡径部１９Ａからその内部に流入し、濃縮液排出管１９から外部へ排出される。また、成長粒子等の回転容器１１内の最大径部に集積されたスラッジは、パイロットバルブ１７が間欠的に作動して、回転容器１１の外側へ排出される。

以上説明したように本実施形態によれば、原料液が供給される回転容器１１と、この回転容器１１に回転力を付与する回転軸１２と、この回転軸１２に回転容器１１内に位置させて装着された分離膜モジュール１３とを備え、回転軸１２を介して回転容器１１を回転させて原料液に遠心力を付与し、この遠心力及び分離膜モジュール１３の作用で原料液中の微粒子を分離するため、原料液中では微粒子が水との比重差によって回転容器１１の最大径部に移動し、分離膜モジュール１３で分離された微粒子は各円板状分離膜体１３Ａの表面で成長して粗大化し、粗大化した粒子が遠心力を受けて各円板状分離膜体１３Ａから剥離するため、各円板状分離膜体１３Ａはそれぞれ常にセルフクリーニング作用を受けて長時間に渡って分離機能を維持することができる。

また、本実施形態によれば、回転軸１２は、回転容器１１の下部を貫通する第２中空回転軸部１２２と、第２中空回転軸部１２２に連設され且つ第２中空回転軸部１２２と軸芯を共有する第１中空回転軸部１２１とからなり、第１中空回転軸部１２１の軸芯に位置する中空部と分離膜モジュール１３の透過液側とが連絡管１２１Ｃを介して連通し、この軸芯中空部が透過液排出通路１２５として形成されているため、第１中空回転軸部１２１を介して透過液を回転容器１１の外側へ排出することができる。

また、本実施形態によれば、回転軸１２の第１中空回転軸部１２１を二重管構造にしてその内部に原料液側に開口する原料液供給通路１２４と透過液排出通路１２５とを区画し、また、第１中空回転軸部１２１の原料液供給通路１２４と第２中空回転軸部１２２の中空部とを連絡通路１２３Ａを介して連通し、更に、分離膜モジュール１３の透過液側と第１中空回転軸部１２１の透過液排出通路１２５とが連絡管１２１Ｃを介して連通しているため、回転軸１２内に原料液供給通路１２４と透過液の透過液排出通路１２５を形成することができ、分離膜モジュール１３を回転軸１２を介して回転容器１１と一緒に回転させることができ、原料液中の微粒子の分離効率を高めることができる。

第２の実施形態
本実施形態の遠心分離膜装置２０は、図３に示すように、原料液を処理し、濃縮液と透過液の二種類に分けて回転容器外へ排出するようにしている。第１の実施形態では原料液を処理し、濃縮液、透過液及びスラッジの三種類に分けて回転容器の外部へ排出しているが、本実施形態では微粒子を固形分として集積することなく濃縮液として排出する点で上記実施形態と相違している。

即ち、本実施形態の遠心分離膜装置２０は、図３に示すように、回転容器２１、回転軸２２、分離膜モジュール２３、モータ２４及び容器２５を備え、回転容器２１が容器２５内に供給された原料液中で回転軸２２を介して回転し、原料液に遠心力を付与して原料液中の微粒子を分離するように構成されている。そして、第１の実施形態と同様に、原料液の供給手段には加圧手段が設けられ、透過液の排出手段には吸引手段が設けられている。尚、原料液は容器２５内に充満していても良い。

而して、上記回転容器２１は、図３に示すように断面が釣鐘形状に形成され、下部の濾過液排出口に最大径部が形成され、容器２５内の原料液中に浸漬されている。回転容器２１は、その軸芯を貫通する回転軸２２に装着され、その上端において回転軸２２に固定されている。回転容器２１の下面中央には原料液が進入する孔２１Ａが形成され、その上面には回転軸を囲むように複数の孔２１Ｂが形成されている。そして、原料液は、回転容器２１の下面の孔２１Ａからその内部に流入し、その上面の複数の孔２１Ｂから流出し、容器２５内を循環するようになっている。

上記回転軸２２は、図３に示すように、小径管２２Ａと大径管２２Ｂからなる二重管構造の中空回転軸として一体化し、小径管２２Ａを介してモータ２４に連結されている。小径管２２Ａは、分離膜モジュール２３による濃縮液の排出通路２２Ｃを形成し、その下端部には濃縮液の中空排出口（インペラー）２６が連結されていると共にその上端部には濃縮液排出管２７が装着されている。小径管２２Ａは、濃縮液排出管２７の一端部の中空円板部２７Ａに対して回転自在に構成され、その周壁に形成された複数の孔から濃縮液を濃縮液排出管２７に排出する。小径管２２Ａと中空円板部２７Ａとの間には摺動部材（図示せず）が介在して液漏れを防止している。また、大径管２２Ｂは、その上端が原料液の液面やや上方に突出し、上端において小径管２２Ａに連結されている。そして、大径管２２Ｂと小径管２２Ａ間の隙間が分離膜モジュール２３の透過液排出通路２２Ｄとして形成されている。大径管２２Ｂは、濃縮液排出管２８の一端部に連結された中空円板部２８Ａに対して回転自在に構成され、その周方向に形成された複数の孔から透過液排出管２８に導く。大径管２２Ｂと中空円板部２８Ａとの間には摺動部材（図示せず）が介在して液漏れを防止している。

上記分離膜モジュール２３は、複数の傘状分離膜体２３Ａを有し、回転軸２２を介して回転容器２１と一体的に回転するように構成されている。傘状分離膜体２３Ａは、上記実施形態の円板状分離膜体と同様に、多孔質担体と、この多孔質担体を被覆する有機高分子膜によって中空状に形成され、その中空部が回転軸２２の大径管２２Ｂに周方向に形成された複数の孔を介して透過液排出通路２２Ｄと連通している。回転容器２１は、分離膜モジュール２３を囲み、その内周壁面に沿って分離膜モジュール２３の下方に配置されたインペラー２６内へ濃縮液を導くように形成されている。

上記容器２５の上面には原料液供給ノズル２５Ａがその中心から外側に偏倚させて設けられ、この原料液供給管２５Ａから原料液を容器２５内に供給するようにしてある。容器２５の上面の中心にはモータ２４を支持する支持ノズル２５Ｂが形成され、モータ２４はフランジを介して支持ノズル２５Ｂ上に固定されている。そして、支持ノズル２５Ｂを濃縮液排出管２７が水平方向に貫通し、外部の濃縮液排出配管（図示せず）に接続されている。また、容器２５の上面を透過液排出管２８が垂直方向に貫通し、外部の透過液排出配管（図示せず）に接続されている。

次に、動作について説明する。原料液ノズル２５Ａから原料液を容器２５内に供給し、所定の液面に達した時点でモータ２４が回転し、回転容器２１及び分離膜モジュール２３が共に回転軸２２を介して原料液内で回転させて原料液に遠心力を付与すると、微粒子はその比重差により中心部から周辺部に向かって粒度が大きくなる粒度分布を生じると共に、分離膜モジュール２３の内外に差圧を生じ、その差圧により原料液中の液分が傘状分離膜体２３Ａを透過し、原料液中の微粒子等の固形分または濃縮された懸濁物質が分離される。分離された微粒子は傘状分離膜体２３の表面に堆積されると共に成長し、成長した微粒子が遠心力で剥離され、回転容器２１の最大径部に集まり、回転容器２１の中心部では微粒子濃度が低く、内壁面に向かうほど微粒子濃度の高い濃縮液になる。濃縮液は、回転容器２１の内壁面に沿って下方へ導かれて最大径部に配置されたインペラー２６内へ流入する。この濃縮液は、回転軸２２の小径管２２Ａ内側の濃縮液排出通路２２Ｃを経由して濃縮液排出管２７から随時に外部へ排出される。

また、分離膜モジュール２３では、傘状分離膜体２３Ａにおいて微粒子が分離されて透過液が傘状分離膜体２３Ａ内部の中空部から回転軸２２の大径管２２Ｂと小径管２２Ａに形成された透過液排出通路２２Ｄを経由して透過液排出管２８から外部へ排出される。従って、本実施形態では、原料液を濃縮液と透過液として回転容器２１の外部へ排出する以外は、上記実施形態と同様に作用効果を期することができる。

第３の実施形態
本実施形態の遠心分離膜装置３０は、図４に示すように、回転容器３１、回転軸３２および分離膜モジュール３３を備えて構成されている。回転容器３１は、同図に示すように、断面が略六角形状に形成されている。回転容器３１の最大径部には分離膜モジュール３３が取り付けられ、分離膜モジュール３３によって回転容器３１内を上下二室に区画している。回転容器３１の上下中央部にはそれぞれ第１、第２回転軸３２Ａ、３２Ｂが接続され、これらの回転軸３２Ａ、３２Ｂはいずれも中空回転軸として形成されている。第１回転軸３２Ａは原料液供給管を兼ね、第２回転軸３２Ｂは透過液排出管を兼ねている。

上記分離膜モジュール３３は、多孔質担体と有機高分子膜とを有する円形状の平膜として形成されている。回転容器３１内の分離膜モジュール３３の上方には原料液室３１Ａが形成され、分離膜モジュール３３の下方には透過液室３１Ｂが形成されている。そして、本実施形態では、原料液室３１Ａ側と透過液室３１Ｂ側との間に圧力差を付け、この圧力差で原料液Ｂ中の微粒子を分離するようにしている。尚、同図では分離膜モジュール３３の孔を模式的に大きく表示してあるが、実際には極めて細かい微細孔であることは云うまでもない。

また、上記第１回転軸３２Ａはロータリジョイント３４Ａを介して原料供給配管３５に接続され、第２回転軸３２Ｂはロータリジョイント３４Ｂを介して透過液排出配管３６に接続されている。従って、回転容器３１は上下のロータリジョイント３４Ａ、３４Ｂ間で回転するように構成されている。図示してないが、原料液供給配管３５には加圧ポンプ等の加圧手段が設けられ、透過液排出配管３６には真空ポンプ等の吸引手段が設けられている。加圧手段及び吸引手段は、原料液室３１Ａと透過液室３１Ｂとの間に差圧を設け、原料液供給配管３５から原料液を供給し、透過液排出配管３６から透過液を排出できるように、原料液供給配管３５または透過液排出配管３６の少なくともいずれか一方に取り付けてあれば良い。

第１回転軸３２Ａ及び原料供給配管３５内にはそれぞれの軸芯を通る濃縮液排出管３７が設けられ、この濃縮液排出管３７は第１回転軸３２Ａから回転容器３１内に延設され、その延設端が回転容器３１の最大径部に達している。従って、原料液Ｂは、第１回転軸３２Ａから回転容器３１内に供給され、濃縮液が濃縮液排出管３７から外部へ排出される。また、透過液Ｃは、第２回転軸３２Ｂから外部へ排出される。

次に、動作について説明する。回転容器２１が回転する状態で、原料液供給配管３５から原料液Ｂを加圧供給すると、原料液Ｂは第１回転軸３２Ａから回転容器３１の原料液室３１Ａ内に流入する。この時、回転容器３１が所定速度で図４の矢印Ａで示すように回転しているため、原料液Ｂ中の微粒子は遠心力を受け、微粒子が液体との比重差で原料液室３１Ａ内の中心から外周に向けて粒度分布が生じ、粒径の大きな微粒子が原料液室３１Ａの内周面に集積されて濃縮液を形成する。また、原料液室３１Ａと透過液室３１Ｂとの圧力差によって原料液Ｂ中の微粒子が分離膜モジュール３３によって分離され、微粒子が分離膜モジュール３３の上面に徐々に堆積し、透過液Ｃが分離膜モジュール３３を透過して透過液室３１Ｂに流入する。透過液室３１Ｂ内の透過液Ｃは第２回転軸３２Ｂの中空部からなる透過液排出配管３６から外部へ排出される。

分離膜モジュール３３の上面において微粒子が成長して大きくなると、成長微粒子は微粒子の時より更に大きな遠心力を受けて分離膜モジュール３３から剥離して原料液Ｂ中に戻る。しかし、成長微粒子は液分との大きな比重差によって原料液室３１Ａの内周面寄りの濃縮液側へ移動し、原料液室３１Ａの最大径部へ集積されて濃縮液となる。従って、分離膜モジュール３３の上面は遠心力によりセルフクリーニングされて常に清浄な状態を維持し、長時間に渡って原料液Ｂ中の微粒子を分離することができる。また、原料液室３１Ａの内周面寄りに集まった濃縮液は濃縮液排出配管３７を経由して外部へ排出される。

従って本実施形態によれば、分離膜モジュール３３の上流側の回転容器３１内の最大径部に濃縮液排出管３７を設けたため、濃縮液を連続的に排出することができる。また、本実施形態おいても原料液Ｂを長時間に渡って微粒子を分離処理することができ、上記各実施形態に準じた作用効果を期することができる。

上記各実施形態において、原料液を長時間に渡って処理すると、分離膜モジュール１３、２３、３３に目詰まりが発生するが、この場合にはそれぞれの分離膜モジュール１３、２３、３３を透過液側から原料液側に向けて透過液または洗浄液を通液し、逆洗することによって目詰まりを解消することができる。

その他の実施形態
第１の実施形態では複数の円板状分離膜体を有する分離膜モジュールについて説明し、第２の実施形態では複数の傘状分離膜体を有する分離膜モジュールについて説明したが、第１、第２の実施形態では分離膜体がいずれも多孔質担体と有機高分子膜からなる複合平面膜または複合曲面膜であったが、分離膜体としては、板状分離膜体または管状分離膜体を回転軸に放射状に取り付け、放射状の板状分離膜体または放射状の棒状分離膜体を回転軸に複数段に渡って取り付けたものであっても良い。これらの板状分離膜体または管状分離膜体としては、例えば中空糸膜を束ねてその端部を集合させた分離膜モジュールを用いることもできる。その他の構成は上記各実施形態に準じて構成されている。

本実施例では図３に示す傘状分離膜を有する遠心分離膜装置を用いて、回転容器の回転速度を表１に示すように変えてＣＭＰ排水の遠心分離処理を行った。また、比較例１は、回転容器及び分離膜モジュールとも回転させない場合、比較例２は回転容器のみを回転させた場合、比較例３は分離膜モジュールのみを回転させた場合を示している。

表１に示す結果によれば、実施例１〜３の場合にはいずれの場合にも連続運転時間が１０時間以上と長く、分離膜モジュールの性能が長時間に渡って維持できることが判った。これに対して、回転容器及び分離膜モジュールの双方とも回転させない比較例１の場合には運転時間が３０分と極めて短いことが判った。

尚、本発明は上記各実施形態に何等制限されるものではなく、必要に応じて各構成要素を適宜設計変更することができる。

本発明は、石油、化学工業、食品工業、医薬品工業、バイオテクノロジーの分野などで使用される遠心分離膜装置に好適に利用することができる。

本発明の遠心分離膜装置の一実施形態の全体を模式的に示す断面図である。図１に示す遠心分離膜装置の回転軸の第１中空回転軸部の水平方向の断面を示す断面図である。本発明の遠心分離膜装置の他の実施形態の全体を模式的に示す断面図である。本発明の遠心分離膜装置の更に他の実施形態に示す概念図である。

符号の説明

１０、２０、３０遠心分離膜装置
１１、２１、３１回転容器
１２、２２、３２Ａ、３２Ｂ回転軸
１３、２３、３３分離膜モジュール
１３Ａ円板状分離膜体
１８濃縮液排出管
１９透過液排出管
２３Ａ傘状分離膜体
２６原料液供給管
２８透過液排出管
１２１第１中空回転軸部
１２２第２中空回転軸部
１２４原料液供給通路（被処理液の供給手段）

Claims

懸濁物質を含有する被処理液が供給される回転容器と、この回転容器に回転力を付与する回転軸と、この回転軸に上記回転容器内に位置させて装着された分離膜モジュールと、を備え、上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、
上記回転容器を回転させる上記回転軸に上記被処理液の供給通路及び上記分離膜モジュールの透過液の排出通路をそれぞれ設けると共に、上記回転軸を、上記回転容器内に位置する大径管と小径管とからなる二重管構造の第１中空回転軸部と上記回転容器外に位置する第２中空回転軸部とに隔壁により区画し、且つ、
上記第１中空回転軸部を二重管構造の中空回転軸として形成し、上記二重管構造の中空回転軸の外側中空部を上記被処理液の供給通路として形成すると共にその内側中空部を上記透過液の排出通路として形成し、
また、上記回転容器は、その半径方向の最大径部に、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質を排出するバルブを有する
ことを特徴とする遠心分離膜装置。
懸濁物質を含有する被処理液が供給される容器と、この容器内に配置され且つ上記容器内の被処理液が循環する孔が形成された回転容器と、この回転容器に上記被処理液中で回転力を付与する回転軸と、この回転軸に上記回転容器内に位置させて装着された分離膜モジュールと、を備え、上記被処理液中で上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記回転容器の上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記回転容器内において上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、上記回転軸を二重管構造の中空回転軸として形成すると共に上記中空回転軸の外側または内側の中空部を上記分離膜モジュールの透過液側と連通する透過液の排出手段として形成したことを特徴とする遠心分離膜装置。
上記中空回転軸の上記排出手段とは別の中空部を、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質の排出手段として形成したことを特徴とする請求項２に記載の遠心分離膜装置。
上記回転容器は、その半径方向の最大径部に、上記分離膜モジュールによって分離された懸濁物質の排出手段を有することを特徴とする請求項３に記載の遠心分離膜装置。
上記分離膜モジュールは、複数の円板状分離膜体または複数の傘状分離膜体が上記回転軸の軸芯に沿って複数段に渡って取り付けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の遠心分離膜装置。
上記被処理液の供給通路に加圧手段及び／または上記透過液の排出通路に吸引排出手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の遠心分離膜装置。
懸濁物質を含有する被処理液が供給される回転容器と、この回転容器に回転力を付与する回転軸と、上記回転容器内を被処理液室と透過液室の二室に区画して装着される分離膜モジュールと、を備え、上記回転軸を介して上記回転容器及び上記分離膜モジュールを回転させて上記被処理液に遠心力を付与し、この遠心力及び上記分離膜モジュールの透過分離作用で上記被処理液中の懸濁物質を分離する装置であって、上記回転軸を上記被処理液室側と連通して上記被処理液の供給通路となる中空回転軸及び上記透過液室側と連通して透過液の排出通路となる中空回転軸として形成したことを特徴とする遠心分離膜装置。
上記被処理液室内の半径方向の最大径部に連通する非透過液の排出手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の遠心分離膜装置。