JP6098098B2 - 膜モジュール、膜ユニット - Google Patents

Description

本発明は河川水、湖水、各種廃水等の被処理水を濾過処理する膜モジュールに関する。

膜モジュールは濾過部材の一端側または両端側に濾過水集合部材が接続されているのが一般的な構成である（特許文献１〜３等）。濾過部材と濾過水集合部材とは融着剤、接着剤により接続されている。

特開平１１−７６７６４号公報 特開２００５−１２５１９８号公報 特開平１０−５７７７５号公報

濾過部材及び濾過水集合部材が高分子材料からなる場合、融着剤や接着剤により当該両者の部材の接着強度を確保させた膜モジュールが得られる。

しかしながら、濾過部材が無機材料（例えばセラミックス）からなる一方で濾過水集合部材が高分子材料からなる場合、当該両者の部材の接合に高分子樹脂からなる接着剤を適用すると高分子材料同士の接合よりも耐久性のある接合強度を得ることが困難となる。

しかも、従来の膜モジュールにおける前記両者の接続部分は被処理水（例えば下水、廃水等）に直接接触する態様となっており被処理水に含まれる各種の物質、温度の影響を直接受けることとなる。

以上の事情から膜モジュールにおいては濾過部材と濾過水集合部材の接続部分の耐久性、耐薬品性に課題がある。

そこで、本発明の膜モジュールは、長板状の濾過部材の一端とこの一端から固液分離水を導入する濾過水集合部材とを被覆材によって被覆成型した膜モジュールであって、前記濾過水集合部材は筒体から成り、この筒体には前記濾過部材の一端が挿入される挿入溝が当該筒体の軸方向と平行に形成され、前記筒体は、前記挿入溝に挿入された前記濾過部材と当該筒体との接続部分を含んで硬質ウレタン樹脂によって直方体形状に被覆成型されたことを特徴とする。また、本発明の膜ユニットは前記膜モジュールを複数備える。

以上の発明によれば少なくとも前記濾過部材と前記集合部材との接続部分が被覆されるので当該接続部分が被処理水に曝されなくなる。前記濾過部材と前記集合部材は接着剤によって接続させると、当該部材間の液密性がより一層確保される。

尚、前記挿入溝は前記筒体の一端まで形成されると、前記濾過水集合部材への前記濾過部材の挿入作業が容易となる。

以上の発明によれば濾過部材と濾過水集合部材との接続部分の耐久性、耐薬品性が向上する。

（ａ）発明の実施形態における一端片引き方式の膜モジュールの縦断面図，（ｂ）発明の実施形態における両端片引き方式の膜モジュールの縦断面図，（ｃ）発明の実施形態における一端中央引き方式の膜モジュールの縦断面図，（ｄ）発明の実施形態における両端中央引き方式の膜モジュールの縦断面図。 （ａ）は発明の実施形態における一端両引き方式の膜モジュール，（ｂ）は発明の実施形態における濾過部材幅方向並設タイプの一端両引き方式の膜モジュールの縦断面図。 （ａ）は発明の第一の実施形態における膜ユニットの正面図，（ｂ）は同ユニットの片側側面図。 （ａ）は発明の第二の実施形態における膜ユニットの正面図，（ｂ）は同ユニットの片側側面図。 （ａ）は発明の第三の実施形態における膜ユニットの正面図，（ｂ）は同ユニットの片側側面図。 （ａ）は挿入溝が形成された濾過水集合部材の側面図，（ｂ）は濾過部材が挿入固定された濾過水集合部材の縦断面図。 （ａ）は濾過水集合部材を被覆した被覆材の成型部の一端側側面図，（ｂ）は同成型部を備えた膜モジュールの一端側の正面図，（ｃ）は同膜モジュールの他端側における被覆材の成型部の一端側側面図，（ｄ）は同成型部を備えた膜モジュールの他端側の片側正面図。 （ａ）は製造架台上の膜モジュールの縦断面図，（ｂ）は濾過部材が挿入固定された濾過水集合部材の端部側を示した側面図，（ｃ）は同集合部材の片側側面。 製造架台上にて被覆材成型部の型枠が装着された膜モジュールの縦断面図。 膜モジュールから被覆材成型部の型枠が撤去される過程を説明した縦断面図。 （ａ）は表面処理された濾過水集合部材の側面図，（ｂ）は濾過水集合部材の一端側近傍の外周面に形成されたストッパーを示す側面図，（ｃ）は挿入溝が一端まで形成された濾過水集合部材の側面図，（ｄ）は同集合部材の挿入溝に挿入された濾過部材をその両端から固定部材によって固定される態様を示した側面図，（ｅ）はキャップ状，溝が形成されたキャップ状の固定部材の側断面、解放スリットが形成された筒状の固定部材の縦断面、筒体状の固定部材の側面、溝が形成されたキャップ状筒体状の固定部材の側面を示した図。 （ａ）は製造架台上にて円管状の中空糸膜が板状に収束されて成る濾過部材が挿入された濾過水集合部材の端部を示した縦断面図，（ｂ）は同濾過部材を示した斜視図，（ｃ）は製造架台上にて極細の中空糸膜が板状に収束されて成る濾過部材が挿入された濾過水集合部材の端部を示した縦断面図，（ｄ）は同濾過部材を示した斜視図。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

［膜モジュールの態様］
図１（ａ）に例示された膜モジュール１ａは、一端片引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２の一端とこの一端から濾過水（固液分離水）を導入する濾過水集合部材３との接続部分を含んで当該濾過水集合部材３を被覆材４によって被覆成型して成る。濾過水を排出させる濾過水集合部材３の一端は被覆材４の成型部４１から露出している。尚、濾過水集合部材３が具備されていない濾過部材２の一端側にも被覆材４の成型部４１が形成される。

図１（ｂ）に例示された膜モジュール１ｂは、両端片引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２の両端に濾過水集合部材３が接続されている。濾過水集合部材３は少なくとも濾過部材２との接続部分を含んで被覆材４の成型部４１によって被覆されている。濾過水を排出させる濾過水集合部材３の一端は成型部４１から露出している。

図１（ｃ）に例示された膜モジュール１ｃは、一端中央引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２の一端とこの一端から濾過水を導入する濾過水集合部材３との接続部分を含んで当該濾過水集合部材３を被覆材４によって被覆成型して成る。濾過水集合部材３の中央部には濾過水の排出管５が接続され被覆材４の成型部４１から露出している。尚、濾過水集合部材３が具備されていない膜モジュール１ｃの一端側にも成型部４１が形成される。

図１（ｄ）に例示された膜モジュール１ｄは、両端中央引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２の両端に濾過水集合部材３が接続されている。濾過水集合部材３は少なくとも濾過部材２との接続部分を含んで被覆材４の成型部４１によって被覆されている。膜モジュール１ｃの濾過水集合部材３と同様に、濾過水集合部材３の中央部に濾過水の排出管５が接続され被覆材４の成型部４１から露出している。

図２（ａ）に例示された膜モジュール１ｅは、一端両引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２の一端とこの一端から濾過水を導入する濾過水集合部材３との接続部分を含んで当該濾過水集合部材３を被覆材４によって被覆成型して成る。濾過水を排出させる濾過水集合部材３の両端は被覆材４の成型部４１から露出している。尚、濾過水集合部材３が具備されていない濾過部材２の一端側にも成型部４１が形成される。

図２（ｂ）に例示された膜モジュール１ｆは、一端両引き方式の膜モジュールであって、濾過部材２を複数幅方向に並設させたものの一端とこの一端から濾過水を導入する濾過水集合部材３との接続部分を含んで当該濾過水集合部材３を被覆材４によって被覆成型して成る。膜モジュール１ｅの濾過水集合部材３と同様に、濾過水を排出させる濾過水集合部材３の両端は被覆材４の成型部４１から露出している。尚、濾過水集合部材３が具備されていない濾過部材２の一端側にも成型部４１が形成される。

濾過部材２は有機膜、セラミック膜、セラミック膜以外の無機膜に例示される分離膜を備えた板状のセルから成る。例えば、有機膜中空糸膜、有機平膜、無機平膜、無機単管膜等を備えたものが挙げられる。有機膜の材料としては、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）などが例示される。濾過部材２に設けられる濾過膜の孔径は固液分離の対象となる物質の粒径に応じて選択される。例えば、活性汚泥の固液分離に用いるのであれば、０．５μｍ以下の孔径を有する濾過膜が適用され、また、浄水の濾過のように除菌が必要な場合は０．１μｍ以下の孔径を有する濾過膜が用いられる。

濾過水集合部材３は、金属，セラミックに例示される無機材料または樹脂等の有機材料が円筒状若しくは角柱状の筒体から成る。図６（ａ）（ｂ）に示したように濾過水集合部材３には濾過部材２の一端が挿入される挿入溝３１が当該部材２の軸方向と平行に形成されている。前記樹脂としては、熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂，二液硬化型樹脂，紫外線硬化型樹脂等から選択される。濾過水集合部材３は濾過水と接触するが被処理水に直接曝されることがなく濾過水排出口以外の部位が被覆材４によって被覆されることで補強される。また、濾過水集合部材３の材質は濾過水や膜モジュールを洗浄する薬剤のｐＨ等の使用環境を考慮すると共に部材本体の製作の容易さ並びに濾過部材３，被覆材４との接着の作業性から選択される。さらに、図１１（ａ）に示したように濾過水集合部材３の表面は被覆される前に薬剤（プライマー）処理，粗面処理等の表面処理３２を施すとよい。そして、同図（ｂ）に示したように濾過水集合部材３の濾過水排出側端部付近の外周面には当該部材３に装着される配管の脱落を防止のためのストッパー３４が適宜に形成される。

また、図１１（ｃ）に示したように挿入溝３１は濾過水集合部材３の一端まで形成してもよい。この態様によれば濾過水集合部材３への濾過部材２の挿入作業が容易となる。尚、この場合、同図（ｄ）に示されたように、挿入溝３１に挿入された濾過部材２は挿入溝３１の両端から固定部材３３によって固定される。

固定部材３３は濾過水集合部材３と同様の構成材料によって形成される。固定部材３３の態様としては図１１（ｅ）に例示された固定部材３３ａ〜３３ｅが挙げられる。固定部材３３ａ，３３ｂは同図（ｄ）に示された挿入溝３１の解放端に装着される。固定部材３３ａは濾過水集合部材３の一端側開口部を閉塞させる筒状のキャップタイプのものである。固定部材３３ｂは前記キャップタイプのものにおいて濾過部材２が挿入される挿入溝３３１が部材３３ｂの軸方向と平行に形成されている。固定部材３３ｃ〜３３ｅは挿入溝３１の非開放端に装着される。固定部材３３ｃは解放スリット３３２が形成された筒体からなる。固定部材３３ｄは筒体からなる。固定部材３３ｅは筒体から成り、濾過部材２が挿入される挿入溝３３１が当該筒体の軸方向と平行に形成されている。

被覆材４の材料としては、金属，セラミック等に例示される無機材料や、熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂，二液硬化型樹脂，紫外線硬化型樹脂等に例示される有機材料が挙げられる。これらの材料から作業性や耐久性を含めた被処理液の性状に対して適するものが選定される。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂等が例示される。熱可塑性樹脂としては、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等が例示される。二液硬化型樹脂としてはウレタン系樹脂等がある。ウレタン系樹脂としては、硬質ウレタン樹脂を用いると常温での作業が可能であるので作業性が高く、耐久性及び耐薬品性を有する被覆材４を構成できる。硬質ウレタン樹脂としては、水和アルミナ含有ポリエステルポリオール型ウレタン樹脂等が例示される。

被覆材４の成型部４１は図７（ａ）（ｂ）に例示したように直方体形状に成型されている。尚、膜モジュール１ａ，１ｃ，１ｅ，１ｆが図３に示したように一端側から垂下配置される場合、下端側の成型部４１は同図（ｃ）（ｄ）に示したように縦断面が下に凸の台形状に形成されると複数の膜モジュールを備えるユニット内における据付の位置決めが容易となる。

濾過部材２と濾過水集合部材３とは図６（ｂ）に示したように接着剤６によって接続される。接着剤６は接着機能と液密機能とを兼ねる。接着機能は一時的な仮止めとしても機能する。また、同図に示したように濾過水集合部材３を取り付けない濾過部材２の一端はシール部材２０によって封止されることで液密機能が確保される。前記液密機能は膜モジュール１ａ〜１ｆの製造過程での被覆材４成分の濾過水集合部材３内や濾過部材２内への浸入を防止させる。液密機能は被覆材４による濾過水集合部材３の被覆が形成されるまで機能すればよく過度の耐圧は必要としない。これらの機能は最低限、被覆材４による一体成型の作業終了までその機能を果たしていればよく、その作業終了後（モールド成型、固化後）には当該機能は被覆材４で代替できる。

接着剤６としては無機系接着剤、有機系接着剤が挙げられる。無機系接着剤はシリカ系接着剤、セラミック系接着剤が例示される。有機系接着剤はアクリル樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、塩化ビニル樹脂溶剤系接着剤、シリコーン系接着剤、ニトロセルロース系接着剤、フェノール樹脂系接着剤、ポリビニルアルコール系接着剤、メラミン樹脂系接着剤、ユリア樹脂系接着剤が例示される。また、接着剤６の特徴、機能面から瞬間系接着剤、弾性系接着剤、二液常温硬化樹脂系接着剤、熱硬化性樹脂系接着剤、ホットメルト接着剤等に分類でき、適宜、選択できる。

［膜ユニットの態様］
膜モジュール１ａ〜１ｆを備えた膜ユニットの態様について説明する。

図３（ａ）（ｂ）に例示された膜ユニット７は膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆのいずれかを複数備えたユニットである。膜ユニット７は膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆの長手方向が垂直に当該モジュールを複数並列に配置させるフレーム７０を備える。同図（ａ）に記載の実線矢印は「被処理水の流れ」を示し、点線矢印は「濾過水の流れ」を示す。膜ユニット７においては膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆの上端側の成型部４１から露出した濾過水集合部材３の一端側が負圧状態となることにより被処理水が当該膜モジュールの濾過部材２によって固液分離されて得られた濾過水が当該一端から排出される。

フレーム７０は、当該フレーム７０の上端枠部７１にて膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆ上端側の成型部４１を支持する一対の上端支持部７２と、当該フレーム７０の下端枠部７３にて当該膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆの下端側の成型部４１を支持する下端支持部７４とを備える。また、フレーム７０の上端には前記上端側の成型部４１を押え付ける上端押さえ部７５を備える。下端支持部７４には前記下端側の成型部４１と嵌合する凹部が形成されており、当該フレーム７０における膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆの位置決めが容易となっている。尚、膜モジュール１ａ，１ｅ，１ｆの上端側の成型部４１から露出した濾過水集合部材３の一端にはフレキシブル管等の配管５０が接続され、この配管５０にはさらに各モジュールから導入された濾過水を系外に移送させる濾過水導出管５１が接続されている。

図４（ａ）（ｂ）に例示された膜ユニット８は膜モジュール１ｃの長手方向が水平に当該モジュールを複数並列に配置させたフレーム８１をユニットフレーム８０内に積層させている。ユニットフレーム８０は架台８２上に固定されている。膜モジュール１ｃは両端の成型部４１の上端，下端がフレーム８１の上端枠部８１１，下端枠部８１２とそれぞれ嵌合することでフレーム８１内に支持されている。個々の膜モジュール１ｃの排出管５にはフレキシブル管等の配管５０が接続され、この配管５０にはさらに各モジュールから導入された濾過水を集める濾過水導出枝管５２が接続されている。この枝管５２には前記集めた濾過水を系外に移送させる濾過水導出管５１が接続されている。尚、両端中央引き方式の膜モジュール１ｄを具備する場合には、濾過部材２両端の成型部４１から露出した排出管５に対して膜モジュール１ｃと同様の濾過水取り出し用の配管系（前記配管５０，枝管５２，導出管５１）が接続される。

図５（ａ）（ｂ）に例示された膜ユニット９は膜モジュール１ｂの長手方向が水平に当該モジュールを複数並列に配置させたフレーム９１をユニットフレーム９０内に積層させている。ユニットフレーム９０は基礎架台９２上に固定されている。

膜モジュール１ｂは成型部４１上端がフレーム９１の上端枠部９１１と嵌合する一方で成型部４１下端から露出した濾過水集合部材３の一端がフレーム９１の下端枠部９１２上に支持された濾過水導出枝管９３にコネクタ管９４を介して接続されることでフレーム９１内に支持されている。この枝管９３には各膜モジュール１ｂから集められた濾過水を系外に移送させる濾過水導出管９５が接続されている。

ユニットフレーム９０には膜モジュール１ａも具備できる。膜モジュール１ａの場合は濾過水集合部材３を露出させていない成型部４１の下端部はフレーム９１の下端枠部９１２上に配置された図示省略の支持部にて嵌合支持される。

［膜モジュールの製造方法の一例］
本実施形態の膜モジュールの製造方法の一例について説明する。ここでは、膜モジュール１ａの製造工程の一例について説明する。

先ず、図８（ａ）に示したように濾過部材２の一端が濾過水集合部材３の挿入溝３１に挿入される一方で当該部材２の他端が当該濾過水集合部材３と同形態の筒状支持体１２の支持溝１２１に挿入された状態で当該濾過水集合部材３，当該支持体１２が製造架台１０上の窪み部１１ａ，１１ｂにそれぞれ鉛直に載置される。

次いで、濾過部材２の全長と同等の間隔で配置される支持棒１３ａ，１３ｂが、濾過水集合部材３，筒状支持体１２のそれぞれに挿通された状態で、窪み部１１ａ，１１ｂにて着脱自在に鉛直支持される。この支持棒１３ａ，１３ｂは製造架台１０上での濾過水集合部材３の支持と膜モジュール１ａの全長規制の機能を果たす。

図１２（ａ）に例示された態様は同図（ｂ）に例示した円管状の中空糸膜が板状に収束されて成る濾過部材２が挿入された濾過水集合部材３を製造架台１０の窪み部１１ａにて支持棒１３ａによって支持した形態となっている。同図（ｃ）に例示された態様は同図（ｄ）に例示された極細の中空糸膜を板状に収束させて成る濾過部材２の端部側樹脂層２１が挿入された濾過水集合部材３を製造架台１０の窪み部１１ａにて支持棒１３ａによって支持した形態となっている。

そして、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように濾過水集合部材３の挿入溝３１と濾過部材２とが接着剤６によって接着される。

次いで、図９に示したように濾過部材２の両端にそれぞれ組まれた型枠１４ａ，１４ｂが被覆材注入工程の製造架台１０上に着脱自在に設置される。型枠１４ａ，１４ｂと濾過部材２，濾過水集合部材３との間にはＯリング，角リング等に例示される封止部材１５を適宜に介在させている。また、濾過水の排出口として機能させない濾過水集合部材３の端部側の開口部には封止栓１６が装着される。その後、型枠１４ａ，１４ｂ内の空間部に被覆材４が注入される。

型枠１４ａ，１４ｂ内の空間部に注入された被覆材４が硬化した後、図１０に示したように濾過部材２は型枠１４ａ，１４ｂが装着されたままで製造架台１から取り外される。次いで、濾過部材２から型枠１４ａ，１４ｂが撤去される。そして、濾過部材２，濾過水集合部材３から封止部材１５が取り外される。

上記の工程により、濾過部材２の両端に被覆材４からなる成型部４１が形成され、一方の成型部４１が濾過部材２と濾過水集合部材３との接続部分を含んで被覆すると共に当該部材３の濾過水排出口を露出させた膜モジュール１ａが出来上がる。尚、膜モジュール１ｂ〜１ｆも上述の工程と同様の要領で製造される。

［本実施形態の効果］
以上の膜モジュール１ａ〜１ｆによれば、少なくとも濾過部材２と濾過水集合部材４との接続部分が被覆材４によって被覆されるので当該部分が被処理水に曝されなくなる。これにより、濾過部材２が有機材料（若しくは無機材料）からなる一方で濾過水集合部材３が無機材料（若しくは有機材料）からなる場合であっても、両者の接続部分は、被処理水に含まれる各種の物質、温度の影響を直接受なくなり、耐久性、耐薬品性が向上する。

また、濾過水集合部材３が被覆される前に濾過部材２と当該濾過水集合部材３とが接着剤によって接着されることで当該部材２，３間の液密性がより一層確保される。したがって、膜モジュール１ａ〜１ｆの製造過程での被覆材４成分の濾過水集合部材３内への浸入を防止できる。尚、濾過水集合部材３の挿入溝３１に濾過部材２を挿入させて接着させる態様は、当該部材２が平板状の濾過膜に限定することなく、パイプ状の濾過膜、軟質のシート状若しくはパイプ状の濾過膜、または極細の中空糸膜でも適用できる。

また、挿入溝３１は濾過水集合部材３の一端まで形成させることで、膜モジュール１ａ〜１ｆの製造過程において当該濾過水集合部材３への濾過部材２の挿入作業が容易となる。

例えば図８（ａ）の態様では、筒状支持体１２においても挿入溝３１と同様の挿入溝が形成される。濾過水集合部材３の挿入準備過程においては、製造架台１０の溝部１１ａには支持棒１３ａが装着され、当該濾過水集合部材３は挿入溝３１の解放端が上端となるように溝部１１ａに載置される。一方、溝部１１ｂには支持棒１３ｂが装着され、筒状支持体１２は挿入溝の解放端が上端となるように溝部１１ｂに載置される。濾過部材２を濾過水集合部材３の挿入溝３１に挿入させる際には、濾過部材２の幅方向側両端をそれぞれ濾過水集合部材３の挿入溝３１，支持体１２の挿入溝に合わせて当該部材２を下方に移動させればよい。

さらに、濾過水集合部材３において濾過水の排出口を任意に確保することで膜モジュール１ａ〜１ｆ，膜ユニット７〜９に例示される多様な膜モジュール及び膜ユニットの態様が実現する。

１ａ〜１ｆ…膜モジュール
２…濾過部材
３…濾過水集合部材、３１…挿入溝
４…被覆材
６…接着剤
７〜９…膜ユニット

Claims (6)

1. 長板状の濾過部材の一端とこの一端から固液分離水を導入する濾過水集合部材とを被覆材によって被覆成型した膜モジュールであって、
   前記濾過水集合部材は筒体から成り、この筒体には前記濾過部材の一端が挿入される挿入溝が当該筒体の軸方向と平行に形成され、
   前記筒体は、前記挿入溝に挿入された前記濾過部材と当該筒体との接続部分を含んで硬質ウレタン樹脂によって直方体形状に被覆成型されたことを特徴とする膜モジュール。
2. 前記濾過部材と前記集合部材とは接着剤によって接続されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記挿入溝は前記筒体の一端まで形成されたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の膜モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の膜モジュールを複数備えたこと
   を特徴とする膜ユニット。
5. 前記膜モジュールをその長手方向が垂直に複数並列に配置した
   を特徴とする請求項４に記載の膜ユニット。
6. 前記膜モジュールをその長手方向が水平に複数並列に配置した
   を特徴とする請求項４に記載の膜ユニット。

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