JP5736609B2 - Ceramic porous membrane - Google Patents
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Description
本発明は、本発明はセラミック多孔質膜に関するものである。 The present invention relates to a ceramic porous membrane.
セラミック多孔質膜は、簡便な操作により液体中の懸濁物質や微生物等を効果的に除去し得るため、食品加工分野で使用されることも多い。 Ceramic porous membranes are often used in the food processing field because they can effectively remove suspended substances, microorganisms, and the like in a liquid by a simple operation.
一般に食品加工分野で使用される機器類は、機器に付着するタンパク成分の除去を目的として、苛性ソーダで洗浄される。例えば、洗浄対象が有機膜の場合には、0.01〜0.05重量%もしくはpH12以下の苛性ソーダで洗浄を行うことが通常であるが、有機膜に比べて耐食性の強いセラミック多孔質膜の場合には、0.5〜2重量%程度の苛性ソーダを用いて洗浄を行うことも可能である。 In general, equipment used in the field of food processing is washed with caustic soda for the purpose of removing protein components adhering to the equipment. For example, when the object to be cleaned is an organic film, it is normal to perform cleaning with caustic soda of 0.01 to 0.05% by weight or pH 12 or less. However, the ceramic porous film has a higher corrosion resistance than the organic film. In some cases, it is possible to perform cleaning using caustic soda of about 0.5 to 2% by weight.
図2には、通常、食品加工分野で使用されるセラミック多孔質膜の断面説明図を示している。図2に示すように、該セラミック多孔質膜1は、弾性材料からなるO−リング等のシール材2によって、基材の外周面3と流体流路方向端面4とが、気密的に隔離されるようにハウジング5内に収納されて使用される。該基材を構成するセラミック多孔体(比較的平均細孔径が大きい)の端面の構造に関し、端面をガラスシール6で被覆する技術が開示されている(特許文献1等)。
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a ceramic porous membrane that is usually used in the food processing field. As shown in FIG. 2, in the ceramic
流体流路方向端面4をガラスシール6で被覆することにより、被処理流体は、図2に実線(F)で示すように、必ず、貫通セル7と、該貫通セル7の表面に形成された濾過膜11を透過して基材の外周面3に流出することになる。当該構造によれば、図2に破線(F´)で示すように、基材の端面側4から基材の内部に浸入した被処理流体が、濾過膜11を透過することなく基材の外周面側に流出してしまう現象を回避し、目的とする濾過を確実に行うことができる。
By covering the
ただし、従来技術では、高濃度(≧2wt%)、高温(≧70℃)の苛性ソーダを用いた洗浄を長期間繰り返し行うと、ガラスシールと基材の境界面が浸食される傾向があり、その耐食性が十分ではない問題があった。 However, in the prior art, when cleaning with high concentration (≧ 2 wt%) and high temperature (≧ 70 ° C.) caustic soda is repeated for a long time, the interface between the glass seal and the substrate tends to be eroded. There was a problem that the corrosion resistance was not sufficient.
本発明の目的は前記の問題を解決し、高濃度のアルカリを用いた膜洗浄に対して高い耐食性を有するセラミック多孔質膜を提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a ceramic porous membrane having high corrosion resistance against membrane cleaning using a high concentration of alkali.
上記課題を解決するためになされた本発明のセラミック多孔質膜は、多孔質アルミナ基材に形成された複数の貫通セルと、流体の流路となる該貫通セルの内表面に形成されたMF膜層と、該基材の流体流路方向端面に形成されたガラスシール層を有するセラミック多孔質膜において、該ガラスシール層が、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラスからなり、該ガラスシール層と基材との間に、アルカリ成分含有率が1%以下のシリカ―バリウム系のガラスからなる表層剥離防止層を有することを特徴とするものである。 The ceramic porous membrane of the present invention, which has been made to solve the above problems, includes a plurality of penetrating cells formed on a porous alumina substrate and an MF formed on the inner surface of the penetrating cell that serves as a fluid flow path. A ceramic porous membrane having a membrane layer and a glass seal layer formed on an end surface in the fluid flow path of the substrate, wherein the glass seal layer is a silica-zirconia glass having an alkali component content of 10 to 15%. And a surface peeling prevention layer made of silica-barium glass having an alkali component content of 1% or less between the glass seal layer and the substrate.
本発明に係るセラミック多孔質膜は、流体の流路となる複数の貫通セルと、該貫通セルを形成した多孔質アルミナ基材と、貫通セルの内表面に形成されたMF膜層と、該基材の流体流路方向端面に形成されたガラスシール層を有するセラミック多孔質膜において、該ガラスシール層を、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラスから構成とすることにより、高濃度のアルカリを用いた膜洗浄の長期間の繰り返しによっても、アルカリによる該ガラスシール層の溶出を効果的に抑制している。本発明で、アルカリ成分含有率とは、ガラス組成中のNa2O+K2O+Li2Oの比率を意味している。なお、従来より、セラミック多孔質膜の洗浄を0.5〜2重量%程度の苛性ソーダを用いて繰り返し行うと、ガラスシールと基材の境界面が徐々に浸食される現象が観察されていた。これは、基材成分のアルミナとガラス成分との反応により生じたネフェリン中に含有されるNa2OおよびK2Oが、苛性ソーダと反応性を有し、該反応部位に僅かに空隙が生じることに起因する。これに対し、本発明では、前記構成のガラスシール層と基材との間に、表層剥離防止層を有する構成とすることにより、基材とガラスシール層の直接接触を回避し、ガラスシール層と基材の境界面におけるネフェリンの生成を抑制し、ネフェリン中に含有されるNa2OおよびK2Oが苛性ソーダと反応して基材に空隙が生じる現象およびこれに伴うガラスシール層の剥離を効果的に抑制可能としている。即ち、上記効果を有する本発明の構成によれば、高濃度のアルカリを用いた膜洗浄の長期間の繰り返しによっても、アルカリによるガラスシール層の溶出および剥離の問題を効果的に抑制することができる。 A ceramic porous membrane according to the present invention includes a plurality of through cells serving as fluid flow paths, a porous alumina base material forming the through cells, an MF membrane layer formed on the inner surface of the through cells, In the ceramic porous membrane having a glass seal layer formed on the end surface in the fluid flow path of the substrate, the glass seal layer is made of silica-zirconia glass having an alkali component content of 10 to 15%. Thus, even when the membrane cleaning using a high concentration alkali is repeated for a long period of time, the elution of the glass seal layer by the alkali is effectively suppressed. In the present invention, the alkali component content means the ratio of Na 2 O + K 2 O + Li 2 O in the glass composition. Heretofore, when the ceramic porous membrane was repeatedly washed with caustic soda of about 0.5 to 2% by weight, a phenomenon that the interface between the glass seal and the base material was gradually eroded was observed. This is because Na 2 O and K 2 O contained in nepheline produced by the reaction between the substrate component alumina and the glass component are reactive with caustic soda, and a slight void is generated at the reaction site. caused by. On the other hand, in the present invention, a direct contact between the base material and the glass seal layer is avoided by adopting a structure having a surface peeling prevention layer between the glass seal layer and the base material having the above structure, and the glass seal layer. The formation of nepheline at the interface between the substrate and the base material is suppressed, and the phenomenon that Na 2 O and K 2 O contained in the neferin react with the caustic soda to form voids in the base material and the associated peeling of the glass seal layer is prevented. It can be effectively suppressed. That is, according to the configuration of the present invention having the above-described effect, it is possible to effectively suppress the problems of elution and peeling of the glass seal layer due to alkali even by long-term repetition of film cleaning using a high concentration of alkali. it can.
また、本発明のように、ガラスシール層と基材との間に、アルカリ成分含有率が1%以下のシリカ―バリウム系のガラスからなる表層剥離防止層を有する構成することにより、ガラスシール層と表層剥離防止層の軟化点を最適に調整することができる。すなわち、当該構成によれば、基材表面に2層のガラス釉薬を重ねた後、該2層のガラス層を同時に焼成処理することができ、作業工程を簡略にすることができる。また、この構成によれば、ガラスシール層と基材との接着性を向上させることができるので、ガラスシール層の剥離を効果的に防止することができる。 Further, as in the present invention, a glass seal layer is formed by having a surface layer peeling prevention layer made of silica-barium glass having an alkali component content of 1% or less between the glass seal layer and the substrate. And the softening point of the surface peeling prevention layer can be optimally adjusted. That is, according to the said structure, after laminating | stacking two layers of glass glazes on the base-material surface, these two glass layers can be baked simultaneously, and a work process can be simplified. Moreover, according to this structure, since the adhesiveness of a glass seal layer and a base material can be improved, peeling of a glass seal layer can be prevented effectively.
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。 Preferred embodiments of the present invention are shown below.
本発明のセラミック多孔質膜は、流体の流路となる複数の貫通セル7の内表面にMF膜層8を有するアルミナ質基材を用い、該MF膜層8を有する多孔質基材の流体流路方向端面4に、表層剥離防止層9を形成する工程(以下、第一工程という)と、表層剥離防止層9に重ねてガラスシール層10を形成する工程(以下、第二工程という)を経て製造される。
The ceramic porous membrane of the present invention uses an alumina base material having an
(第一工程)
本発明に用いるアルミナ質基材には、流体の流路となる貫通セル7が形成されている。該貫通セル7の表面にはMF膜層8を有している。第一工程では、該アルミナ質基材の上下端部に表層剥離防止層9を形成する。表層剥離防止層としては、アルカリ成分含有率が1%以下のシリカ―バリウム系のガラスを使用することが好ましい。このガラスはアルカリ成分含有率が低いにもかかわらず、アルミナ質基材との接着性に優れ、かつ、低融点である。アルカリ成分含有率が1%を超えると、アルカリ成分がネフェリン生成の要因となるので好ましくない。
(First step)
The alumina base material used in the present invention is formed with a through cell 7 serving as a fluid flow path. An
このように、ガラスシール層と基材との間に、表層剥離防止層9を有する構成とすることにより、基材とガラスシール層の直接接触を回避し、ガラスシール層と基材の境界面におけるネフェリンの生成を抑制し、ネフェリン中に含有されるNa2OおよびK2Oが苛性ソーダと反応して基材に空隙が生じる現象およびこれに伴うガラスシール層の剥離を効果的に抑制することができる。 Thus, by setting it as the structure which has the surface layer peeling prevention layer 9 between a glass seal layer and a base material, the direct contact of a base material and a glass seal layer is avoided, and the interface surface of a glass seal layer and a base material Suppresses the generation of nepheline in the glass, and effectively suppresses the phenomenon in which Na 2 O and K 2 O contained in the neferin react with caustic soda to form voids in the base material and the associated peeling of the glass seal layer. Can do.
(第二工程)
第二工程では、前記工程で形成した表層剥離防止層9を被覆するガラスシール層10を形成する。本発明のガラスシール層とは、少なくとも前記基材の流体流路方向端面4を被覆するように配置された液不透過性のシール材であって、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラス釉薬で構成されたものを意味する。このガラスシール層は、被処理流体が基材端面から基材内部に浸入することを防止する。このガラスは耐食性に優れ、しかも低融点である。アルカリ成分含有率が15%を超えると耐食性が低下するので好ましくない。またアルカリ成分含有率が10%未満であると融点が上昇するため、アルカリ成分含有率は10〜15%とすることが好ましい。
(Second step)
In the second step, the
ガラスシール層は、従来手法に従って形成すればよく、例えば、以下のような方法により形成することができる。まず、ガラス原料を、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系の組成となるように混合し、溶融して均一化し、これを冷却した後に平均粒径10〜20μm程度となるように粉砕したフリットを用意する。次いで、そのフリットに対し、水、及び有機バインダを加えて混合することによりガラスシール形成用スラリーを調製する。そのガラスシール形成用スラリーをセラミックフィルタの両端面に塗布し、乾燥した後、焼成することにより、ガラスシール層を形成することができる。 The glass seal layer may be formed according to a conventional method, and for example, can be formed by the following method. First, glass raw materials are mixed so as to have a silica-zirconia-based composition with an alkali component content of 10 to 15%, melted and homogenized, and cooled to have an average particle size of about 10 to 20 μm. Prepare a crushed frit. Next, water and an organic binder are added to the frit and mixed to prepare a slurry for forming a glass seal. The glass seal layer can be formed by applying the slurry for glass seal formation to both end faces of the ceramic filter, drying, and firing.
該ガラスシール層を、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラス釉薬から構成とすることにより、高濃度のアルカリを用いた膜洗浄の繰り返しによっても、アルカリによる該ガラスシール層の溶出を効果的に抑制することができる。 The glass seal layer is composed of a silica-zirconia glass glaze having an alkali component content of 10 to 15%, so that the glass seal layer with alkali can be obtained even by repeated film cleaning using a high concentration of alkali. Can be effectively suppressed.
なお、ガラスシール層をアルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラスから構成し、表層剥離防止層をアルカリ成分含有率が1%以下のシリカ―バリウム系のガラスから構成することにより、ガラスシール層と表層剥離防止層の軟化点を最適に調整することができるため、基材表面に2層のガラス釉薬を重ねた後、該2層のガラス層を同時に焼成処理するとができ、作業工程を簡略にすることができる。しかも基材―表層剥離防止層―ガラスシール層間の物理的な接着性を向上させることができる。 The glass seal layer is composed of silica-zirconia glass having an alkali component content of 10 to 15%, and the surface layer peeling prevention layer is composed of silica-barium glass having an alkali component content of 1% or less. Can optimally adjust the softening points of the glass seal layer and the surface peeling preventive layer, so that after the two glass glazes are stacked on the surface of the substrate, the two glass layers can be simultaneously fired. The work process can be simplified. In addition, the physical adhesion between the substrate, the surface peeling prevention layer, and the glass seal layer can be improved.
本発明は、基材とガラスシール層の直接接触を回避する構成を採用することにより、基材とガラスシール層の直接接触を回避し、ガラスシールと基材の境界面におけるネフェリンの生成を抑制し、ネフェリン中に含有されるNa2OおよびK2Oが苛性ソーダと反応して基材に空隙が生じる現象を効果的に抑制可能とするものであるから、他の実施形態としてもよい。 By adopting a configuration that avoids direct contact between the substrate and the glass seal layer, the present invention avoids direct contact between the substrate and the glass seal layer and suppresses the formation of nepheline at the interface between the glass seal and the substrate. and, because it is an effective can suppress the phenomenon that Na 2 O and K 2 O is a gap substrate reacts with caustic soda occurs contained in nepheline it may be with other embodiments.
以下に、本発明の実施例を示す。 Examples of the present invention are shown below.
モノリス形状を有し、各貫通セルの表面にMF膜を有するアルミナ質基材の流体流路方向端面側に、表1左欄のガラス組成を有する釉薬Aを、ガラスシール層として形成したもの(比較例1)、表1右欄のガラス組成を有する釉薬Bをガラスシール層として形成したもの(比較例2)、表1のガラス組成を有する釉薬Bを塗布・乾燥して表面の平坦化を行い、続いて表1のガラス組成を有する釉薬Aを塗布・乾燥後、焼成し、釉薬Aをガラスシール層とし、基材とガラスシール層との間に釉薬Bの表層剥離防止層を形成したもの(実施例)、をそれぞれ作成し、下記の条件下で、NaOH水溶液の循環を行う耐蝕試験を行った。
(耐蝕試験条件)
使用エレメント φ30(φ3×37穴)-150mm
薬液 2wt%-NaOH 75℃
線速 1m/sec
濾過圧力 0.1MPa
A glaze A having a glass composition shown in the left column of Table 1 is formed as a glass seal layer on the end surface side of the alumina base material having a monolith shape and having an MF film on the surface of each through-cell. Comparative Example 1), glaze B having the glass composition shown in the right column of Table 1 was formed as a glass seal layer (Comparative Example 2), and glaze B having the glass composition of Table 1 was applied and dried to flatten the surface. Subsequently, the glaze A having the glass composition shown in Table 1 was applied, dried, and then fired to form the glaze A as a glass seal layer, and a surface peeling prevention layer of the glaze B was formed between the base material and the glass seal layer. Each (Example) was prepared, and a corrosion resistance test for circulating an aqueous NaOH solution was performed under the following conditions.
(Corrosion resistance test conditions)
Use element φ30 (φ3 × 37 hole) -150mm
Chemical solution 2wt% -NaOH 75 ℃
Line speed 1m / sec
Filtration pressure 0.1MPa
250時間、500時間、1000時間、1500時間経過毎に表面の状態、及び剥離の有無を検証したところ、比較例1では、500時間で基材とガラスシール層の界面に隙間が一様に発生し、1000時間では、ガラスシール層が完全に剥離した。比較例2では、ガラスシール層の剥離は1000時間まで観察されないものの、ガラスシール層の表面が侵食され(アルカリ溶出量:0.004wt%/h)、ザラつきが観察された。実施例では、1500時間経過後も、基材と釉薬層との間の剥離は起こらず、また、ガラスシール層の表面(アルカリ溶出量:0.002wt%/h)も、ほぼ無傷であった。 When the surface condition and the presence / absence of peeling were verified every 250 hours, 500 hours, 1000 hours and 1500 hours, in Comparative Example 1, gaps were uniformly generated at the interface between the base material and the glass seal layer in 500 hours. In 1000 hours, the glass seal layer was completely peeled off. In Comparative Example 2, peeling of the glass seal layer was not observed until 1000 hours, but the surface of the glass seal layer was eroded (alkali elution amount: 0.004 wt% / h), and roughness was observed. In the examples, even after 1500 hours, no peeling between the base material and the glaze layer occurred, and the surface of the glass seal layer (alkaline elution amount: 0.002 wt% / h) was almost intact. .
上記実施例により、アルカリ成分含有率が10〜15%のシリカ―ジルコニア系のガラス釉薬を表層とするガラスシール層を形成することにより、ガラスシール層の表面のアルカリ溶出が効果的に抑制でき、かつ、該表層と基材との間に、基材とガラスシール層の直接接触を回避する釉薬層を形成することにより、基材表面からの釉薬層の剥離が効果的に抑制出来ることが確認された。 By forming a glass seal layer having a silica-zirconia-based glass glaze having an alkali component content of 10 to 15% as a surface layer according to the above example, alkali elution on the surface of the glass seal layer can be effectively suppressed, In addition, it is confirmed that peeling of the glaze layer from the substrate surface can be effectively suppressed by forming a glaze layer that avoids direct contact between the substrate and the glass seal layer between the surface layer and the substrate. It was done.
1 セラミック多孔質膜
2 シール材
3 外周面
4 流体流路方向端面
5 ハウジング
6 ガラスシール
7 貫通セル
8 MF膜層
9 表層剥離防止層
10 ガラスシール層
11 濾過膜
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