JP5652901B2 - 濾過用分離膜モジュール及び該分離膜モジュールを用いた濾過装置 - Google Patents
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Description
この種の膜モジュールとしては、支持板でシート状の多孔質膜を支持した平膜型の膜エレメントを複数備えた平膜モジュールや、多数本の中空糸を円形状に集束して配置し、その端部を開口状態で固定部材にて固定して集水部とした中空糸膜モジュール等がある。
膜分離装置1は、有効膜面積を確保するため、平板状膜カートリッジ2を多数並列させた構成としており、該膜カートリッジ2は、濾板2Aの両表面に有機濾過膜2Bを配置し、濾板2Aと濾過膜2Bとの間、及び濾板2Aの内部に形成された透過液流路に連通する透過液取出口2Cを濾板2Aに形成している。各膜カートリッジ2の透過液取出口2Cはチューブ3を介して連通する集水管4に取り付けられ、該集水管4が膜カートリッジ2を収容する膜ケース5に取り付けられている。
また、濾過装置においては、透過流束を低下させないため、濾過方向とは逆向きに圧縮空気や透過液を導入して濾過膜の逆洗浄を行い、一定期間濾過を継続して膜面に堆積した懸濁物質を除去し、濾過膜を再生することが行われる。しかし、図8の平膜モジュールにこの逆洗浄を行うと、濾過膜2Bの外表面は何ら支持されないため、濾板と濾過膜が剥離して膜損傷しやすく、十分な逆洗浄ができない問題がある。さらに、平膜モジュールは、各膜カートリッジ毎に部品を要し、有効膜面積当たりの部品数が多く、組立も煩雑となるため、製造コストもかかりやすい。
懸濁成分を含む被処理液を濾過膜に透過させて固液分離処理を行う濾過用分離膜モジュールであって、
多孔質シートを繰り返し折り返した折り畳み状態とし、折り畳んだ状態で隣接する対向面間に空間をあけ、該空間の開口方向を、被処理液流入側と、透過液流出側兼逆洗浄水流入側との反対方向とした折り畳み構造の濾過膜と、
前記多孔質シートからなる前記濾過膜の各対向面間の空間保持材として介在させる多孔質材からなる中子材と、
前記被処理液流入側と透過液流出側との左右方向と直交する前後方向両端の前記多孔質シートの外面および折り畳み状態の前記多孔質シートの上下両端面に固着して、折り畳み状態を保持する前後封止材および上下封止材と、
前記透過液流出側に設けた透過液集水部材と、
を備え、
前記中子材は、樹脂材料からなる多孔質シート、不織布、メッシュあるいは穴空きシートで形成し、前記透過液流出側兼逆洗浄水流入側となる前記濾過膜の空間に介在させる前記中子材の空孔の平均孔径を、前記被処理液流入側の空間に介在させる前記中子材の空孔の平均孔径よりも小さくしていることを特徴とする濾過用分離膜モジュールを提供している。
さらに、1枚の多孔質シートで大きな有効膜面積を確保することができるので、有効膜面積当たりのモジュールの部品数も大幅に少なくすることができる利点がある。
かつ、このように被処理液側には被処理液流路用中子材を配置すると共に、透過液流出側兼逆洗浄水流入側には透過液流路用中子材を配置しているので、濾過時に被処理液側から圧力が付加された状態となる濾過膜は透過液流路用中子材により支持されることになる一方、逆洗浄時に透過液側から圧力が付加された状態となる濾過膜は被処理液流路用中子材により支持される。そのため濾過時と逆洗浄時の両方において濾過膜が損傷されることなく、極めて耐久性に優れる分離膜モジュールとでき、高い透過流束を長期に渡り維持することができる。
中子材は、濾過膜を損傷させず、被処理液に対する安定性を有するものであれば、樹脂材料、金属材料、あるいは樹脂被覆金属材料等、材質は特に問わないが、樹脂材料から成形することが好ましい。なかでも、安価な材料で加工も容易で、かつ耐久性を有することから、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂から成形することが好ましい。また、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン),PVDF(ポリビニリデンフロライド)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体)等のフッ素樹脂、PSF(ポリスルホン)、PES(ポリエーテルスルホン)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等の樹脂からなる中子材とすれば、機械的、化学的安定性に極めて優れる利点がある。
前記範囲とするのが好ましいのは、厚みが0.1mm未満であると流路確保用の空間として十分ではなく、10.0mmを超えると有効膜面積が大きくなるからである。中子材の厚みの下限は、より好ましくは100μm以上、特に好ましくは150μmで、上限はより好ましくは500μm以下、特に好ましくは200μm以下である。
本構成とすれば、多数回の折り返し構造としているので前述のような非常に大きな有効膜面積を確保することができる。
多孔質シートのターン数は、有効膜面積を確保する観点から、さらに100ターン以上、特に500ターン以上であることが好ましく、流路を確保する観点から、さらに2000ターン以下であることが好ましい。
前記濾過膜は1枚の多孔質シートからなることが好ましいが、複数枚の多孔質シートを継いで作製してもよい。
なかでも、延伸PTFE多孔質シートを用いることが好ましく、その平均孔径が0.01〜5.0μm、平均膜厚が10〜100μmのものを用いることが好ましい。
前記延伸PTFE多孔質膜の表面の親水性を高める方法としては、例えば、耐薬品性に比較的優れたポリビニルアルコール(PVA)を水溶液中で酸触媒を用いてジアルデヒドと架橋させることや、適当な架橋剤とともにUV処理などにより架橋させることにより水不溶化させる方法を用いることができる。これらの方法は化学的に比較的安定な親水性付与を行うことができる。
そのほか、エチレン−ビニルアルコール共重合体などをIPA(イソプロピルアルコール)等に溶解させたあとPTFE多孔質膜上で不溶化させる方法などがある。
また、平均膜厚は、20〜80μmがより好ましく、25〜50μmが特に好ましい。
前記平均孔径は、細孔直径分布測定装置(米国Porus Materials社製 多孔質材料自動細孔径分布測定システム)により測定している。
また、PTFE多孔質膜は、空孔の大きさの異なるPTFE多孔質シートやフィルムを積層したものとしてもよい。この場合、未焼結状態のPTFE多孔質膜を焼結一体化することにより、容易に積層体を形成することができる。
前記積層体は、空孔の小さい方のPTFE多孔質膜を被処理液側に配置していることが好ましい。
吸引濾過方式とする場合は、透過液流出側に配置される透過液集水部材を上部側に配置すると共に被処理液流入側を下部側に配置するようにしていることが好ましい。また、この場合は前記被処理液側の液流通空間はハウジングで覆わず、被処理液の貯留槽に浸漬するようにしてもよい。
また、前記濾過膜の各対向面間には空間保持材として多孔質材からなる中子材を介在させ、被処理液流路用および透過液流路用の空間を確実に確保しているので、隣接する対向面の濾過膜同士が接触して有効膜面積を低下させることがない。また、濾過膜は、濾過時には透過液流路用中子材により支持される一方、逆洗浄時には被処理液流路用中子材により支持されるので、濾過時と逆洗浄時のいずれにおいても濾過膜が局部的に機械的負荷を受けて損傷することなく、極めて耐久性に優れ、高い透過流束を長期に渡り維持することができる。
図1乃至図3は、本発明の第1実施形態の濾過用分離膜モジュール10を示す。
濾過用分離膜モジュール10は、懸濁物質を含む被処理液を濾過膜に透過させて固液分離処理を行い、清浄な透過液を得るものである。
一方、折り畳み状態の濾過膜11の上下両端面は、図2(B)に示すように、シート下側縁11dにより形成される下端開口S4はハウジング本体22−1の底壁22eに、シート上側縁11cにより形成される上端開口S3は蓋体22−2の内面に形成した凹部22fに各々前記前後封止材と同一のエポキシ系接着剤からなる上下封止材24を介して接着・封止している。このようにして、濾過膜11によりハウジング22内の空間を被処理液側の空間SQと透過液側の空間STを隔てる構成としている。
これにより、濾過膜11は、1mあたり50〜5000ターンの折り畳み構造とされ、1m3当たりの濾過膜の有効膜面積を100〜10000m2としている。
特に、住友電工ファインポリマー(株)製「ポアフロン(登録商標)メンブレン」シリーズを好適に用いている。
本変形例の分離膜モジュール10−2は、濾過膜11の連続する折り目11a、11bの外側に直線状の規制板25(25A,25B)を架け渡す構成としている。なお、折り目11a側は図示していないが、同様である。
規制板25(25A、25B)は、ポリエチレン製とし、両端25a、25bには係止金具26を取り付けており、ハウジングの内壁22a、22bに夫々取り付けた係止環27と係止する構成としている。
本構成とすれば、被処理液Qが加圧供給されて生じる濾過膜11、被処理液流路用中子材12及び透過液流路用中子材13の撓みを規制することができ、これらを安定支持することができる。
濾過装置100は、前記第1実施形態の分離膜モジュール10を用いて被処理液Qの全濾過を行い、透過液Tを得るものであり、分離膜モジュール10中の濾過膜11の表面に付着した懸濁物質Mを透過液Tを濾過方向とは逆方向に送液して定期的に逆洗浄する逆洗浄手段を備えている。
次いで、前記透過液導出管104(104A、104B)間に介設された加圧ポンプP2により圧力をかけて透過液Tを送液し、濾過膜11の被処理液側に付着・堆積した懸濁物質Mを濾過膜11から剥離・除去している。
この際、濾過膜11は透過液流路用中子材13に押し付けられて支持されている。
透過した透過液Tは、透過液流路用中子材13内の空孔13Aを通過して透過液Tとして取り出され、透過液取出口21に導かれる。
この際、濾過膜11は被処理液流路用中子材12に押し付けられて支持されている。
また、濾過膜11の折り目11a、11bの内部に形成される空間には被処理液流路用中子材12及び透過液流路用中子材13を配置し、被処理液Q及び透過液Tの流路を確実に確保しているので、隣接する濾過膜同士が接触して有効膜面積を低下させることがない。
さらに、濾過膜11は、濾過時及び逆洗浄時には図5(A)(B)に示すように、膜面に負荷を受けるが、透過液流路用中子材13及び被処理液用中子材12により各々支持されているので、局部的に機械的負荷を受けて損傷することがない。そのため、繰り返しの逆洗浄に対して優れた耐久性を有し、高い透過流束を長期に渡り維持することができる。
透過液流路用中子材13の平均孔径は被処理液流路用中子材12の平均孔径よりも小さくしているので、長期間継続的に行われる濾過時には濾過膜11を小さな空孔を有する透過液流路用中子材13で局所的な機械的負荷をかけずに支持することができ、逆洗浄時には大きな被処理液流路用中子材12の空孔が懸濁物質Mの流れを妨げないので、スムーズに逆洗浄を行うことができる。
なかでも、懸濁物質として植物性プランクトンや動物性プランクトンを含む、オイルタンカーの空荷時にオイルの代わりに積載される海水であるバラスト水は、大量処理することが近年要求されているため、本発明の被処理液として好適に用いられる。
この場合、濾過膜11の平均孔径を0.20μm以下とすれば、本発明の分離膜モジュールでの処理の後、海洋に排出することができる程度の生個体数に減じることができるので、濾過装置100をバラスト水処理装置とすることができる。また、濾過膜11の平均孔径が0.20μmを超える場合であっても、0.50μm以下程度の平均孔径であれば、得られた透過水を紫外線処理することにより、生個体数を減じることができる。そのため、濾過装置100の透過液貯留槽105等に紫外線ランプを備えることにより、バラスト水処理装置とすることができる。
分離膜モジュール30は、第1実施形態と同様の濾過膜11、被処理液流路用中子材12及び透過液流路用中子材13を備えるが、被処理液流入側は被処理液Qを満たした被処理液貯留槽に浸漬して、透過液T側から吸引ポンプ(図示せず)で吸引して濾過を行うものとしている。
他の構成及び効果は第1実施形態と同様のため、同一の作用を有する部材には同一符号を付して説明を省略する。
10a、10b 折り目
11 濾過膜
11−1 前面側
11−2 後面側
12 被処理液流路用中子材
13 透過液流路用中子材
20 ハウジング
22−1 ハウジング本体
22−2 蓋体
20a、20b、20c、20d 内壁
100 濾過装置
P1、P2 加圧ポンプ
Claims (9)
- 懸濁成分を含む被処理液を濾過膜に透過させて固液分離処理を行う濾過用分離膜モジュールであって、
多孔質シートを繰り返し折り返した折り畳み状態とし、折り畳んだ状態で隣接する対向面間に空間をあけ、該空間の開口方向を、被処理液流入側と、透過液流出側兼逆洗浄水流入側との反対方向とした折り畳み構造の濾過膜と、
前記多孔質シートからなる前記濾過膜の各対向面間の空間保持材として介在させる多孔質材からなる中子材と、
前記被処理液流入側と透過液流出側との左右方向と直交する前後方向両端の前記多孔質シートの外面および折り畳み状態の前記多孔質シートの上下両端面に固着して、折り畳み状態を保持する前後封止材および上下封止材と、
前記透過液流出側に設けた透過液集水部材と、
を備え、
前記中子材は、樹脂材料からなる多孔質シート、不織布、メッシュあるいは穴空きシートで形成し、前記透過液流出側兼逆洗浄水流入側となる前記濾過膜の空間に介在させる前記中子材の空孔の平均孔径を、前記被処理液流入側の空間に介在させる前記中子材の空孔の平均孔径よりも小さくしていることを特徴とする濾過用分離膜モジュール。 - 前記前後封止材および上下封止材の外面に固着し、かつ、前記被処理液流入側と透過液流出側に液流通空間をあけて囲むハウジングを備え、該ハウジングの透過液流出側に前記透過液集水部材となる集水管を取り付けると共に被処理液流入側に被処理液導入管を取り付けている請求項1に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 前記濾過膜の空間に介在させる中子材の厚みは0.1〜10.0mmである請求項1または請求項2に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 該中子材は、100μm〜20mmの空孔を有するものとしている請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 前記多孔質シートは1mあたり50〜5000ターンで折り返し、1m3当たりの濾過膜の有効膜面積を100〜10000m2としている請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 前記多孔質シートは、平均孔径が0.01〜5.0μm、平均膜厚が10〜100μmである延伸PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)多孔質シートである請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 前記濾過膜の連続する被処理液側の折り目の外側と透過液側の折り目の外側に、前記中子材と濾過膜の撓みを規制するための直線状の規制部材を備えている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の濾過用分離膜モジュール。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の濾過用分離膜モジュールを備えた濾過装置であって、前記濾過膜の表面に付着した懸濁物質の除去用として、前記透過液あるいは空気を透過液側から加圧供給する逆洗浄手段を備えている濾過装置。
- バラスト水処理用として用いられる請求項8に記載の濾過装置。
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