JP5140297B2 - 精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は原子力発電所における液体の精密ろ過に使用される精密ろ過膜フィルターカートリッジ及びそのアセンブリに関する。更に詳しくはフィルターカートリッジの交換が容易で、簡単に半切でき、焼却可能であるフィルターカートリッジ及びそのアセンブリに関する。

原子力発電所の使用済みフィルターアセンブリは放射能を帯びているので、放射性廃棄物として保管されている。フィルターカートリッジだけでなく、その容器であるバケットまで放射性廃棄物としているので、現在では膨大な保管量となっている。
この保管量を抑制する為、ライフの長い中空糸フィルターアセンブリが一部で使用されている（特開平１−１８０２０５）が、大変高価でしかもフィルター一本当たりのろ過量が少ない為、プリーツ型フィルターカートリッジに比べると異常に大きな設備になっている。
現在使われているプリーツ型フィルターカートリッジの多くはコアがステンレス製で焼却しても残ってしまう。またろ材としてガラス繊維を使用しているフィルターも多くの焼却残渣がのこる。
廃棄物を少なくする方法は特許文献１に金属部材と非金属部材を分別できる円筒状フィルターや、特許文献２に両端が開口した可燃性合成樹脂製液体ろ過エレメントが提案されている。しかしこれらは液密性に課題があり、原子力発電所のように高い密閉性を要求される用途には使用が困難である。

ろ過がろ過前の液を、ろ過膜を通して液内の異物を除去することが目的である場合の異物としては、液中の酸化鉄やほこり等のゴミが例として挙げられる。
周知の通り、ろ過前の液をろ過膜に通し、その膜の持つ最小孔径部分より大きな異物を膜の表面や膜の内部で捕捉するろ過操作により、ろ過後の液を得ることができる。
また、一般的にろ過膜において、ろ過前の液が接する面を１次側の面、ろ過後の液が接する面を２次側の面と呼ぶ。

精密ろ過膜フィルターカートリッジの使用形態は、バケットと呼ばれる交換し易い容器に装着し、そのバケットを既設の密閉可能なベッセルに装着して使用されるのが一般的である。バケット内でフィルターカートリッジは地面に対して垂直方向に設置されている。また、ろ過前の液が大容量である場合には、ハウジング内にフィルターカートリッジが並列に９本以上設置されることがある。ろ過前の液は、バケット内部に進入した後、精密ろ過膜の一次側から二次側にろ過され、コアを通過した後出口から回収される。

精密ろ過膜フィルターカートリッジは、そのろ過前の液中の成分や異物によって目詰まりすることにより使用不能となる。精密ろ過膜フィルターカートリッジの目詰まりの程度は精密ろ過膜にかかるろ過差圧を測定することにより推定することが出来る。言い換えれば、精密ろ過膜フィルターカートリッジの一次側にかる圧力と二次側にかかる圧力の差により知ることができる。目詰まりした精密ろ過膜フィルターカートリッジにかかるろ過差圧は、０．４ＭＰａ以上と非常に大きくなることがある。このような場合には、送液ポンプの性能にも依るが、ろ過前の液が送液出来なくなったり、精密ろ過膜が破れたり、精密ろ過膜フィルターカートリッジ自身が壊れたりすることがある。この様に、精密ろ過膜フィルターカートリッジをろ過に使用してから、ろ過差圧が上昇して使用に耐えなくなるまでの時間や、累積ろ過量をろ過寿命（ライフ）という。

特開２００４−５８００２号公報 特開平７−６００３１号公報

現在、増え続ける放射性廃棄物をできるだけ減らすため、交換が容易で、焼却炉に投入し易い様に半切しやすく、しかも焼却処理可能なフィルター及びフィルターアセンブリを提供するものである。

本明細書でいう、ろ過フィルターとは、ろ過膜とその両面に配置された保護膜から構成される。尚、ろ過膜は複数枚でもよい。本明細書でいう、ろ過フィルターカートリッジとは、ろ過膜フイルターとそのハウジングにより構成されるものである。
また、本明細書でいう、フィルターアセンブリとは、ろ過フィルターカートリッジと、当該ろ過フィルターカートリッジをバケットに取り付けるためのスプリング治具等より構成されるものである。本明細書でいう、フィルターバケット、およびフィルターベッセルとは、（フィルターアセンブリを取り付ける外部のハウジング）である。
上記課題を解決する為のひとつの態様として、焼却できないバケットと一体型プレッサーは再使用とし、フィルターカートリッジは交換時の被爆を少なくするように、フィルターカートリッジ全体を焼却可能な材質で作り、更に焼却炉に投入し易い様に複数の部材を接合して折りたたみが可能な構造にした。なお、フィルターカートリッジの部材は焼却可能であれば何でも良いが、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エチレンプロピレンゴム、アラミドのうち少なくとも一つを含むことが好ましい。また、折りたたむために接合する部材の数は、いくつでも良いが、２〜４が好ましく、２がさらに好ましい。さらにフィルターカートリッジが容易に半切し易い様に同じ大きさのものを接合することが特に好ましい。例えば、２０インチフィルターの場合には、１０インチ品を接合した構造が特に好ましい。
もうひとつの態様としては、カートリッジばかりでなく、バケットやベッセルも可燃性素材を用いるという方法がある。
即ち、本発明の目的は以下の〔１〕〜〔１３〕によって達成された。
〔１〕
少なくとも二つの部材が接合された折りたたみ可能な構造であり、全ての部材が可燃性であることを特徴とする原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔２〕
前記部材が、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エチレンプロピレンゴム、アラミドのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする〔１〕に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔３〕
いずれか一方の開口部が機密性のある開口部であり、その開口部がバケットまたはベッセルの底板の穴に挿入し装着されることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔４〕
前記機密性のある開口部が弾力性のある部材またはゴム材を有することを特徴とする〔３〕に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔５〕
前記機密性のある開口部がＯリングの付いた開口部を有することを特徴とする〔３〕または〔４〕に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔６〕
ガードとコアの間に精密ろ過膜及び保護材がプリーツ状に具備されている〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔７〕
フィルターを複数本装着した原子力発電所用３５ＧＰＭ、８０ＧＰＭ、１５０ＧＰＭ、２５０ＧＰＭ用である〔１〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔８〕
前記精密ろ過膜が内部に緻密層を有する非対称型ポリスルホン膜、または非対称ポリエーテルスルホン膜で、平均孔径が０．０１〜１０μｍである〔６〕または〔７〕に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔９〕
前記精密ろ過膜の膜の厚みが８０〜３００μｍである〔６〕〜〔８〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔１０〕
中空糸を有することを特徴とする〔１〕〜〔９〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
〔１１〕
〔１〕〜〔１０〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジを含むアセンブリ。
〔１２〕
〔１〕〜〔１０〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジまたは〔１１〕に記載のアセンブリを具備した、すべての部材が可燃性部であることを特徴とするフィルターバケット。
〔１３〕
〔１〕〜〔１０〕のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジまたは〔１１〕に記載のアセンブリを具備した、すべての部材が可燃性部であることを特徴とするベッセル。
本発明は上記〔１〕〜〔１３〕にかかるものであるが、参考のためその他の事項についても記載している。
（１）全ての部材が可燃性であることを特徴とする原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（２）前記部材が、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エチレンプロピレンゴム、アラミドのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする（１）に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（３）フィルターカートリッジのいずれか一方の開口部が機密性のある開口部であり、その開口部がバケットまたはベッセルの底板の穴に挿入し装着されることを特徴とする（１）または（２）に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（４）機密性のある開口部が弾力性のある部材またはゴム材を有することを特徴とする（１）〜（３）に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（５）機密性のある開口部がＯリングの付いた開口部を有することを特徴とする（１）〜（４）に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（６）上記フィルターカートリッジはガードとコアの間に精密ろ過膜及び保護材がプリーツ状に具備されている（１）〜（５）のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（７）フィルターカートリッジが少なくとも二つの部材を接合したことを特徴とする（１）〜（６）に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（８）上記フィルターを複数本装着した原子力発電所用３５ＰＭ、８０ＰＭ、１５０ＧＰＭ、２５０ＧＰＭ用である（１）〜（７）のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（９）上記精密ろ過膜が内部に緻密層を有する非対称型ポリスルホン膜、または非対称ポリエーテルスルホン膜で、平均孔径が０．０１〜１０μｍである（１）〜（８）のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（１０）上記精密ろ過膜の膜の厚みが８０〜３００μｍである（１）〜（９）のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（１１）フィルターカートリッジが中空糸を有することを特徴とする（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ及びそのアセンブリ。
（１２）すべての部材が可燃性部であることを特徴とするフィルターバケット

以下に本発明の精密ろ過フィルターアセンブリの構成について詳細に説明する。
図１は現在使用されている１５０ＧＰＭ用フィルターアセンブリの全体構造を示す展開図である。ＧＰＭとはガロン／分のことで、流量を表している。ベッセル中央部付近の「ＩＮ」の部分から液が入り、フィルター上部に流れて行き精密ろ過膜でろ過されベッセル下部の「ＯＵＴ」の部分から回収される。
現用品はフィルター下部にパッキン３とエレメントサポート５が付いていて、フィルター交換の際これらの部材は取り出せないため、バケットごと廃棄保管している。
図２は本発明の１５０ＧＰＭ用フィルターアセンブリの全体構造を示す展開図である。
フィルターの下部に開口部があり、２本のＯリング９でシールされている。下部の開口部は、バケット１またはベッセルの底板の穴に挿入し装着されるため、機密性のある開口部であれば良いが、弾力性のある部材またはゴム材を有することが好ましく、機密性の点からＯ−リングを用いることがさらに好ましい。フィルター上部は密閉された樹脂製キャップが溶着されていて、このフィルターを引き抜いて交換可能である。フィルター上部より押さえているプレッサー４とスプリング８は一体型になっていてワンタッチで取り外せ再使用する。
原子力発電所の冷却水に含まれる主な異物はサブミクロンの酸化鉄で、これを確実に捕捉するには内部に緻密層を有する非対称型ポリスルホン膜あるいはポリエーテルスルホン膜が適している。

ポリスルホンペレットを用いて精密ろ過膜を製膜する方法を以下に示す。
即ち、ポリスルホンペレットをホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、スルホラン等の極性有機溶媒に溶解する。溶媒は単独あるいは複数の種類の溶媒の混合であってもよい。溶媒の溶解力を調製するために非溶媒あるいは貧溶媒と呼ばれる、メタノール、エタノール、プロパノールあるいはブタノール等のアルコール類や、水の如き溶媒を少量添加することが多い。添加量は溶媒の種類にもよるが、よく使用される水の場合は、製膜原液に対して０．０５重量％から６％までである。

上記ポリスルホン溶液に、通常多孔構造を制御するものとして膨潤剤あるいは発泡剤と称される無機電解質、有機電解質、高分子等を、少なくとも１種類加える。
本発明で使用できる膨潤剤としては、ポリエチレングリコールやポリビニルピロリドンの如き親水性高分子、食塩、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硫酸ナトリウム、塩化亜鉛、臭化マグネシウム等の無機酸の金属塩、酢酸ナトリウム、ギ酸ナトリウム、酪酸カリウム等の有機酸塩類、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド等の高分子電解質、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、アルキルメチルタウリン酸ナトリウム等のイオン系界面活性剤等が用いられる。これらの膨潤剤は単独でポリマー溶液に加えてもある程度の効果を示すものもあるが、これら膨潤剤を水溶液として添加すると、特に顕著な効果を示すことがある。膨潤剤の添加量は添加によって溶液の均一性が失われることがない限り特に制限はないが、通常製膜原液量の０．５重量％から３５重量％である。製膜原液としてのポリスルホン濃度は５から３５重量％、好ましくは１０から３０重量％である。３５重量％を越えるときは得られる微孔性膜の透水性が実用的な意味を持たない程小さくなり、５重量％よりも小さいときは充分な分離能力を持った精密ろ過膜は得られない。

上記のようにして調製した製膜原液を支持体の上に流延し、流延直後あるいは一定時間をおいて凝固液中に支持体ごとポリマー溶液膜を浸漬する。凝固液としては水が最も一般的に用いられるが、ポリマーを溶解しない有機溶媒を用いても良く、またこれら非溶媒を２種以上混合して用いてもよい。
支持体としては、通常銅板やステンレス板の如き金属板、ポリエステルやポリエチレンの如きプラスチックシート及び硝子板が使用できる。
凝固液中でポリマーが析出して孔を形成した流延膜は必要に応じて支持体から膜を剥離し、この後水洗、温水洗浄、溶剤洗浄等を行い、乾燥する。支持体として不織布・織布あるいは紙を用いたときは、膜は支持体から剥離せずに一体のまま洗浄・乾燥する。

目詰まりしにくく長時間のろ過性能を有ししかもろ過層が膜内部に隠れていて傷がつきにくいという特徴を有する内部最小孔径層のポリスルホン膜の製膜方法について簡単に記す。製膜原液を支持体上に流延した液膜の表面に温度１５〜６０℃、相対湿度１０〜８０％、風速０．２〜４ｍ／秒の範囲で調節した空気を２〜４０秒間あてることによって、溶媒蒸気の蒸発量と雰囲気からの非溶媒蒸気吸収量（湿分の吸収）を適宜調節することに重要な技術がある。このような調製は、例えば製膜原液を流延支持体上に流延し、２５℃、絶対湿度が２ｇＨ２Ｏ／ｋｇＡｉｒ以上の空気を０．２ｍ／秒以上の風速で流延面に当てることによって、液膜の最表面層から１μｍ以上、好ましくは１〜３０μｍの深さにコアセルベーション相を形成させることができる。その後直ちに凝固液中に浸漬し多孔性膜を形成させる。このようにして得られた膜は、コアセルベーションを起こさせた部分の最深部が最小孔径層となる。このような内部最小孔径層膜の表面の孔径に対して裏面の孔径は１０〜１０００倍程度、またＢＥＴ法で測定したその比表面積は８〜８０ｍ^２／ｇのものが得られる。膜の機械的強度と、ろ過能力の両方を兼ね備える好ましい比表面積の範囲は２０〜６０ｍ^２／ｇである。

膜の空隙率を大きくすると水（液体）の透過性がよくなるが、あまり空隙率が大きくなりすぎると、膜は脆くなって使用に耐えなくなる。従って好ましい空隙率は５５〜８７％であり、特に好ましくは７０〜８４％である。膜の空隙率は製膜原液中のポリスルホン濃度と膨潤剤濃度との影響を大きく受ける。ポリスルホン濃度が少なく膨潤剤濃度が多いと空隙率は大きくなる。製膜直後の空気中から吸収する水分量や凝固液温度にも若干は影響を受ける。

この様にして製膜された精密ろ過膜は、通常公知の方法でひだ折り加工される。通液性シート２、４としては不織布、織布、紙およびまたはネット等が用いられる。ひだ折り加工されたろ材は両端部を揃えるためにカッターナイフ等で両端部の不揃い部分を切り落とし、円筒状に丸めてその合わせ目のひだ部を、超音波融着やヒートシール等で熱可塑的に液密にシールしたり、あるいは接着剤を用いて液密にシールする。
通液性シートの一般的な役割は、第一にろ過する液体を膜ひだの内部に導いてカートリッジに折り込まれた膜全体を有効にろ過に使用できるようにすることである。通液性シートの第二の役割は精密ろ過膜の保護である。従って通液性シートは空隙を多く有して通液抵抗の少ない性質と、適度の強度を要求される。更に本発明においては第三の役割として、ろ過に際して気泡を容易に放出して精密ろ過膜と液体との接触面積を多くする役割がある。

プリーツひだの幅は、通常５ｍｍから２５ｍｍになるようにプリーツする。本発明では気泡を放出しやすくするために、５ｍｍから１２ｍｍにするのが好ましい。特に７ｍｍから１０．５ｍｍにすることが好ましい。
エンドシール工程は、熱溶融した樹脂を型に流し込んだ直後に円筒状ろ材の片端面を樹脂の中に挿入する方法が行われる。一方、既に成型されたエンドプレートのシール面のみを熱板に接触させたり赤外線ヒーターを照射したりしてプレート表面だけを溶融し、円筒状ろ材の片端面をプレートの溶融面に押しつけて溶着する方法も行われる。
本発明に用いられる精密ろ過膜の孔径は、０．０１-１０μｍが好ましく、０．０５-５μｍがさらに好ましく、０．１−２μｍが特に好ましい。本発明に用いられる精密ろ過膜の膜厚は、80-300μｍが好ましく、１００-１８０μｍがさらに好ましい。

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、物質量とその割合、操作等は本発明の趣旨から逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。

現行のフィルターアセンブリの全体構造を示す展開図である。 本発明のフィルターアセンブリの全体構造を示す展開図である。

符号の説明

１ バケット
２ フィルターエレメント
３ パッキン
４ プレッサー
５ エレメントサポート
６、８ スプリング
７ パッキン
９ Ｏリング

Claims (13)

1. 少なくとも二つの部材が接合された折りたたみ可能な構造であり、全ての部材が可燃性であることを特徴とする原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
2. 前記部材が、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エチレンプロピレンゴム、アラミドのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
3. いずれか一方の開口部が機密性のある開口部であり、その開口部がバケットまたはベッセルの底板の穴に挿入し装着されることを特徴とする請求項１または２に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
4. 前記機密性のある開口部が弾力性のある部材またはゴム材を有することを特徴とする請求項３に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
5. 前記機密性のある開口部がＯリングの付いた開口部を有することを特徴とする請求項３または４に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
6. ガードとコアの間に精密ろ過膜及び保護材がプリーツ状に具備されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
7. 上記フィルターを複数本装着した原子力発電所用３５ＧＰＭ、８０ＧＰＭ、１５０ＧＰＭ、２５０ＧＰＭ用である請求項１〜６のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
8. 前記精密ろ過膜が内部に緻密層を有する非対称型ポリスルホン膜、または非対称ポリエーテルスルホン膜で、平均孔径が０．０１〜１０μｍである請求項６または７に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
9. 前記精密ろ過膜の膜の厚みが８０〜３００μｍである請求項６〜８のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
10. 中空糸を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジを含むアセンブリ。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジまたは請求項１１に記載のアセンブリを具備した、すべての部材が可燃性部であることを特徴とするフィルターバケット。
13. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の原子力発電用精密ろ過フィルターカートリッジまたは請求項１１に記載のアセンブリを具備した、すべての部材が可燃性部であることを特徴とするベッセル。

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