JP5128542B2

JP5128542B2 - 中空糸膜モジュールの製造方法

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Publication number: JP5128542B2
Application number: JP2009097009A
Authority: JP
Inventors: 真介古野
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2010247024A

Description

本発明は、中空糸膜モジュールの製造方法に関し、詳細には、中空糸膜の端部を樹脂材料を用いて固定する中空糸膜モジュールの製造方法に関する。

最近、簡易浄水場を中心とした上水道施設において、従来の砂濾過法の代替として中空糸膜モジュールを用いた濾過法が使用され始めている。これは、中空糸膜モジュールが、従来の砂濾過法では除去できなかった細菌やウイルス等を除去することができる優れた性能を有しているためである。

中空糸膜モジュールは、整束され端部が樹脂で接着固定された中空糸膜が筒状のケース内に収納された構造を有している。整束した中空糸膜の端部の端部を接着固定する方法としては、遠心力を利用して液状の未硬化樹脂を中空糸膜間に浸透させる遠心法と、液状の未硬化樹脂を自然に流動させて中空糸膜間に浸透させる静置ポッティング法とがある。

ここで、遠心法には、遠心成型装置が必要であるため、多額の設備投資が必要であるためコスト高になる、中空糸膜束を入れたケースを回転させるため、整束した中空糸膜にも大きな力が加わりポッティング剤の界面付近で中空糸膜が折れ曲がったり破損する等の問題があった。

一方、静置ポッティング法には、このような問題が無いが、樹脂を自然に流動させて浸透させるため、時間を要するという問題があった。

このような問題に対処するため、整束した中空糸膜の一端をポッティング樹脂に浸漬し、他端側を減圧吸引することにより、整束した中空糸膜の一端側にポッティング樹脂を含浸させる方法が提案されている（特許文献１）。

特開平４−２７４２１号公報

しかしながら、上記特許文献に記載された方法では、減圧吸引位置が、整束した中空糸膜の他端側であるため、一端側からのポッティング樹脂含浸が、整束した中空糸膜の長手方向に直交する平面内において均一に進まず、中空糸膜の固定面が不均一となり、中空糸膜毎に膜面積や膜有効長が異なってしまうという問題があった。
さらに、高粘度樹脂を用いた場合、膜間に樹脂が浸透しにくいという問題もあった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、中空糸膜の固定面を均一にでき、且つ高粘度樹脂を使用した場合であっても、樹脂を高い充填率で中空糸膜間に浸透させることができる中空糸膜モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
束ねられた複数の中空糸膜を、少なくとも一端側が開口した筒状のケースに、該開口から中空糸膜の束の先端が突出するように収容するステップと、
前記ケースの一端側から突出する中空糸膜の束の先端を流動性を有する樹脂材料にに上方から浸漬するステップと、
前記ケースの他端より一端側であり且つ前記樹脂材料の液面の上方位置から前記ケースの内部を減圧吸引し、前記樹脂材料を前記ケース内の中空糸膜間の空間に充填するステップと、
充填された前記樹脂材料を硬化させるステップと、
前記開口から突出している前記中空糸膜の束の先端を切断するステップと、を備えている、
ことを特徴とする中空糸膜モジュール製造方法が提供される。

このような構成によれば、吸引がケースの他端より樹脂材料に近い位置で行われるので、樹脂材料を均一にケース内に浸透(浸入）させることができ。この結果、中空糸膜の固定面を均一にでき、且つ高粘度樹脂を使用した場合であっても、樹脂を高い充填率で中空糸膜間に浸透させることができる。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記減圧吸引が、前記筒状のケースの周方向に等しい角度間隔で設けられた複数の開口を通して行われる。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記樹脂材料の粘度が、500mPa・s乃至5000mPa・sの範囲である。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記ケースの断面積に対する、中空糸膜の充填率が４０％以上である。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記減圧吸引が、ゲージ圧で−５Ｋｐａ以下の圧力まで減圧して行われる。

以上のように構成された本発明によれば、中空糸膜固定面を均一にでき、且つ高粘度樹脂を使用した場合であっても、樹脂を高い充填率で中空糸膜間に浸透させることができる中空糸膜モジュールの製造方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態の中空糸膜モジュール製造方法を説明する概略的な図面である。本発明の好ましい実施形態の中空糸膜モジュール製造方法を説明する概略的な図面である。本発明の好ましい実施形態の中空糸膜モジュール製造方法を説明する概略的な図面である。本発明の好ましい実施形態の中空糸膜モジュール製造方法で製造された中空糸膜モジュールを説明する概略的な図面である。

次に、図面に沿って、本発明の実施形態について詳細に説明する。先ず、本発明の実施形態の中空糸膜モジュール製造方法で使用される中空糸膜について説明する。

本実施形態の中空糸膜モジュール製造方法で使用される中空糸膜としては、例えば、均質中空糸膜、多孔質中空糸膜、複合中空糸膜などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

これらの中空糸膜の具体例として、ポリアクリロニトリル多孔質中空糸膜、ポリイミド多孔質中空糸膜、ポリエーテルスルホン多孔質中空糸膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質中空糸膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質中空糸膜、ポリプロピレン多孔質中空糸膜、ポリエチレン多孔質中空糸膜などの多孔質中空糸膜や、これら多孔質中空糸膜に機能層としては架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラバー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複合中空糸膜や架橋型シリコーンチューブなどの均質中空糸膜が挙げられる。

また、本実施形態では、中空糸膜は、円筒形状を有する、その内径、外径は特に制限されず、内径が１ｍｍ以下のものから数ｍｍ以上の内径を有するまで使用可能である。
外径が大きな中空糸膜は、高粘度のポッティング剤から低粘度のポッティング剤まで広範囲の粘度のポッティング剤が使用可能となる。また、外径が小さくなると、毛管吸引力の利用が可能になってくるため、効率よくポッティング剤を浸透させることができる。

本実施形態で用いられる中空糸膜は、側壁全体に多数の細孔を有する。細孔は、中空糸膜の側壁の表面から裏面に貫通する連続孔である。細孔の孔径は、目的によって任意に選択できるが、例えば０．０１〜５μｍであり、０．１〜１μｍであるのが好ましい。

次に、図面に沿って、本発明の実施の形態の中空糸膜モジュールの製造方法について説明する。
先ず、略同一の長さ(例えば、３０ないし１００ｍｍ程度)を有する複数本(例えば、３００ないし５００本)の円筒状中空糸膜を、例えば略円柱状に束ね整列させる。
このとき、例えば、特開昭62-57965号公報、特開平1-266258号各公報に記載されているような公知の方法で製造した中空糸膜の編物を複数枚積層して使用してもよい。

次いで、整列した状態で束ねられた複数の中空糸膜１を、一端側が開口した円筒状の筒状のケース２に収容する。本実施形態では、ケース２は、両端が開口した円筒状のケース本体４の一端がキャップ６によって閉鎖された構造を備えている。中空糸膜の束１は、基端側が、キャップ６に固定され、先端側がケース本体の一端側の開口から突出するように配置される。
ケースは、ケース本体の一方の端が閉鎖された構造でも良い。また、ケース本体は、断面形状が、矩形や円環などでもよい。ケース本体の断面積に対する中空糸膜の充填率（即ち、ケース本体（モジュール）の断面積に対する中空糸膜占有面積の占める割合）が４０％以上となるのが好ましい。

中空糸膜の束が挿入されるケース本体４およびキャップ６の材料は、機械的強度及び耐久性を有するものであれば特に限定されず、例えばポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、変性ＰＰＥ樹脂、ＰＰＳ樹脂、耐腐蝕性金属等が挙げられるが、後述する樹脂材料(ポッティング剤)との接着性が良いものがより好ましい。

次いで、ケース本体４の一端側に筒状のカバー８を取り付ける。カバー８の先端は、ケース本体４の開口から突出している中空糸膜の束１の先端とほぼ同じ長手方向位置に配置される。

さらに、ケース本体４の先端部およびケース本体４の開口から突出している中空糸膜の束１の先端を、流動性を有する樹脂材料(ポッティング剤）１０に浸漬する。この樹脂材料１０は、中空糸膜の束１の先端部で、各中空糸膜の間の空間および中空糸膜とケース本体４の内周面の間の空間に浸入し、各中空糸膜の先端部とケース本体４とを一体的に固定するものであり、各種接着剤、シール材、ポッティング樹脂、ポリマ等が使用される。

樹脂材料(ポッティング剤）として用いることができる接着剤としては、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤などがあげられるが、中空糸膜の端部で中空糸膜と一体となることから、硬化後のポッティング剤の硬度が中空糸膜に比べてあまり大きいとポッティング剤の中空糸の界面で亀裂を生じやすくなるため、硬化後の硬度があまり高くないウレタン系接着剤が好ましい。

硬化させる手段としても、二液混合反応、紫外線硬化、加熱硬化など特に限定されない。ただし、中空糸膜自体に悪影響を及ぼさないようにすることは必要不可欠である。

二液混合反応を利用して、ポッティングを行う場合には、先ず、二液硬化反応を起こす主剤と硬化剤を撹拌混合させ、脱泡する。この混合物を樹脂材料１０とし、中空糸膜の束１の先端部を、この混合物（樹脂材料１０）に浸漬することになる。

次いで、樹脂材料１０の液面の上方位置からケース２の内部を減圧吸引し、樹脂材料１０をケース内の中空糸膜間の空間に充填していく(図１)。この減圧吸引は、ケース本体４の側壁に形成された複数の吸引口１２を通して行われる。吸引口１２は、筒状のケース本体４の周方向に等しい角度間隔で複数、設けられているのが好ましく、本実施形態では、吸引口１２は、ケース本体４の直径方向に対向した位置、すなわち周方向に１８０度の角度間隔で２つ形成されている。しかしながら、条件によっては、吸引口１２が１つでも良い。

本実施形態では、吸引口１２と連通する内方に向かってのみ開口した環状内部空間を備えた覆い１４が、吸引口１２を覆ってケース本体４に取付けられている。
覆い１４は、ゴム等の弾性材料で形成された断面「コ」字状の環状部材であり、上下の環状部の内方端がケース本体４の外周面に密着することによって、覆い１４の内部空間が密閉されるように構成されている。

この覆い１４の環状内部空間を、外部の真空ポンプ１６で減圧吸引することによって、ケース２の内部が減圧吸引され、ケース本体４の開口から樹脂材料１０がケース本体４内に吸引される。

真空ポンプ１６から吸引力が強すぎ樹脂材料１０が急激に上昇したり、中空糸膜内への浸透により中空糸膜の機能が低下してしまうことを防止するため、減圧量を調節できる真空用レギュレーター１８を覆い１４と真空ポンプ１６の間を接続するパイプ２０に介在させることが好ましい。減圧量は−１０ＫＰａ乃至−５ＫＰａの範囲が好ましい。

各吸引口１２は、ケース本体４の先端部を十分に、(例えば、１５ｍｍ程度)、樹脂材料１０に浸漬したとき、樹脂材料１０の表面から５ないし２５ｍｍの距離だけ上方に位置するように配置されている。

真空ポンプ１６を作動させることにより、覆い１４の内部空間を介して、ケース本体４の内部が減圧され、図２に矢印で示すように、樹脂材料１０に浸漬されているケース本体４の先端の開口から樹脂材料１０がケース本体４内に浸入してくる。そして、束ねられている中空糸膜同士の間の空間、および中空糸膜とケース本体４の内周面との間の空間に浸透する。

所定時間、吸引を行い、樹脂材料１０を中空糸膜の束１の端を固定するのに十分な位置（たとえば吸引口１２の直下）まで浸入させた後、真空ポンプを吸引を停止させ、ケース２を樹脂材料１０から取り出す(図３)。
次いで、キャップ６、カバー８を取り外し、ケース本体４の開口から突出してる中空糸膜の束１の先端部分をケース本体４の開口端位置で切断し、中空糸膜モジュールとする(図４)。

本発明の前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内で種々の変更、変形が可能である。

(実施例１)
ケース本体として、両端が開口したポリカーボネート製筒状集水管(内径11mm、長さ40mm、周壁厚1mm)使用する。集水管には、一端から15mm離れた側面部に直径方向に対向した一対の吸引口を設けられている。

次いで、ポリエチレン中空糸膜(外径380μm、膜厚55μｍ、平均孔径0.1μｍ)432本を束ね集水管に収納する。このとき、束ねられた中空糸膜の先端は、集水管から突出させられた状態とされる。また、充填率は、46%となる。
さらに、集水管の他端側の開口部に気密構造を有するキャップ(シリコンゴム栓)を装着する。さらに、集水管の一端にポッティング樹脂の付着を防ぐ為のチューブ状のカバーを装着する。

ポッティング剤(日本ポリウレタン（株）製コロネート:C-4403,ニッポランN-4424、樹脂混合時粘度1800mPa・s)を樹脂液溜に深さ10mm注入し、中空糸膜を収納した集水管の開口した一端側をポッティング剤に浸漬する。

さらに、吸引口に接続チューブを接続し、接続チューブを、真空用レギュレーター(SMC（株）製)を介して真空ポンプに接続した。この状態で真空ポンプを作動させ、真空用レギュレーター調節により、−５ＫＰａの力で集水管内を減圧吸引する。

この減圧吸引によりポッティング剤が集水管の先端部内側に浸透してくる。ポッティング剤が吸引口部付近まで達した時点で減圧を停止し、集水管をポッティング剤から取り出す。ポッティング剤が硬化後、不要部分を切断して、チューブ状のカバーの残部を除去し、中空糸膜モジュールが完成する。

中空糸膜端面から全体的にかつ吸引口部までポッティング剤が行き渡るので、ポッティング界面が均一となるように充填された中空糸膜モジュールを得た。

(実施例２)
ケース本体として、両端が開口したポリカーボネート製筒状集水管(内径11mm、長さ40mm、周壁厚1mm)使用する。集水管には、一端から15mm離れた側面部に直径方向に対向した一対の吸引口を設けられている。
次いで、ポリエチレン中空糸膜(外径380μm、膜厚55μｍ、平均孔径0.1μｍ)432本を束ね集水管に収納する。このとき、束ねられた中空糸膜の先端は、集水管から突出させられた状態とされる。また、充填率は、46%となる。
さらに、集水管の他端側の開口部に気密構造を有するキャップ(シリコンゴム栓)を装着する。さらに、集水管の一端にポッティング樹脂の付着を防ぐ為のチューブ状のカバーを装着する。

ポッティング剤(日本ポリウレタン（株）製コロネート:C-4403,ニッポランN-4424、樹脂混合時粘度1800mPa・s)を樹脂液溜に深さ10mm注入し、10分放置して樹脂粘度を約4000〜5000mPa・s以下にする。次いで、中空糸膜を収納した集水管の開口した一端側をポッティング剤に浸漬する。

中空糸膜端面から全体的にかつ吸引口部までポッティング剤が行き渡るので、樹脂粘度5000mPa・s付近においてもポッティング界面が均一となるように充填された中空糸膜モジュールを得た。

(比較例)
ケース本体として、両端が開口したポリカーボネート製筒状集水管(内径11mm、長さ40mm、周壁厚1mm)使用する。ポリエチレン中空糸膜(外径380μm、膜厚55μｍ、平均孔径0.1μｍ)432本を集水管に収納した。充填率は、46%となる。
集水管の上端開口部に、吸引口を備えた気密構造のキャップ(Oリング)を装着した。

ポッティング剤(日本ポリウレタン（株）製コロネート:C-4403,ニッポランN-4424、樹脂混合時粘度1800mPa・s)を樹脂液溜に深さ10mm注入する。中空糸膜を収納したケースの下端をポッティング剤に投入する。

吸引口に接続チューブを設置する、真空ポンプに真空用レギュレーター(SMC（株）製)を設置する。チューブとレギュレータを繋ぎ、真空ポンプを作動させる。真空用レギュレーター調節により、-5KPaの力で減圧吸引する。減圧吸引によりポッティング剤がケース内に充填し、充填させたい位置付近になった時点で減圧をストップする。

樹脂を充填させることができるが、樹脂の這い上がり時のバラつきが大きくなり、ポッティング界面を均一にさせることができなかった。

Claims

束ねられた複数の中空糸膜を、少なくとも一端側が開口した筒状のケースに、該開口から中空糸膜の束の先端が突出するように収容するステップと、
前記ケースの一端側から突出する中空糸膜の束の先端を流動性を有する樹脂材料に上方から浸漬するステップと、
前記ケースの他端より一端側であり且つ樹脂材料の液面の上方位置から前記ケースの内部を減圧吸引し、前記樹脂材料を前記ケース内の中空糸膜間の空間に充填するステップと、
充填された前記樹脂材料を硬化させるステップと、
前記開口から突出している前記中空糸膜の束の先端を切断するステップと、を備えている、
ことを特徴とする中空糸膜モジュール製造方法。
前記減圧吸引が、前記筒状のケースの周方向に等しい角度間隔で設けられた複数の開口を通して行われる、
請求項１に記載の中空糸膜モジュール製造方法。
前記樹脂材料の粘度が、500mPa・s乃至5000mPa・sの範囲である、
請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール製造方法。
前記ケースの断面積に対する、中空糸膜の充填率が４０％以上である、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール製造方法。
前記減圧吸引が、ゲージ圧で−５Ｋｐａ以下の圧力まで減圧して行われる、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール製造方法。