JP6098269B2

JP6098269B2 - 中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュールの製造方法、浄水器用カートリッジおよび浄水器

Info

Publication number: JP6098269B2
Application number: JP2013059842A
Authority: JP
Inventors: 充敏加藤; 公康加藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2014184377A

Description

本発明は、中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュールの製造方法、浄水器用カートリッジおよび浄水器に関する。

従来、浄水器のカ−トリッジは、活性炭やイオン交換体などの粒状、繊維状、球状の吸着剤と中空糸膜を充填したモジュールから成るものが多く知られている。中空糸膜の素材としては、ポリエチレン、ポリスルホンなどが知られるが、これらのポリマーはいずれも疎水性であり、このままの状態ではほとんど水を通さない。浄水器用途として膜を使用する場合には、親水化処理が必要となる。親水化処理には、製膜後にアルコールなどの溶媒により親水化する方法や、製膜原液とともに、親水性高分子を含む注入液を２重環状の口金から吐出し、親水性を付与する方法などがある。このような親水化処理を施すことにより、透水性を高めているのである。

しかしながら、一方で、親水性中空糸膜のみからなるモジュールを使用すると、逆に空気の透過性が低下することになる。すなわち、親水性中空糸膜のみからなるモジュールを有する浄水器の場合、何らかの理由で浄水器の水道水入口側からモジュールに空気が混入すると、特に低水圧（例えば０．１ＭＰａ以下）では、混入した空気が親水性中空糸膜を通過しにくい。モジュールの上流側に空気が滞留して抵抗となり、水の透過が阻止され、ろ過流量が低下する場合があった。

このような問題を解決するために、特許文献１には、膜のすべてを親水化させるのではなく、膜の一部を疎水性のまま保つことにより、モジュール上流側の空気を排出する方法が開示されている。しかしながら、本方法ではアルコールなどの溶媒を大量に消費するため、換気対策や廃液処理対策が必要となって、設備費用がかかる問題点があった。

また、特許文献２には、親水性中空糸膜からなるモジュールの一部に疎水性中空糸膜を混ぜることにより、モジュール内に溜まった空気を系外へ排出する方法が開示されている。しかしながら、親水性中空糸膜と疎水性中空糸膜をどのように混在させ、どのようにモジュール化するのかといった製造方法に関しては全く開示されていない。

疎水性中空糸膜を混在させる方法については特許文献３のような製造方法がある。しかしながら本発明者らの知見によれば、親水性中空糸膜をＵ字形状に加工する際に混在させることが不可欠であり、また混在させるための熟練した加工技術を要した。

特開平１０−２８８５２号公報特許第２７２０３６４号公報特許第５１１５５３２号公報

中空糸膜束が親水性中空糸膜と疎水性中空糸膜を混在させてなる場合、図１のように棒状で１本だけ差し込む方法が考えられるが、疎水性中空糸膜の片側端面を密封することが不可欠であり、また疎水性中空糸膜の剛性が弱い場合には親水性中空糸膜束の中に差し込むことも困難であった。

上記問題を解決するため、本発明は次の（１）〜（９）で構成される。
（１）中空糸膜束がＵ字状に筒状ケースに充填され、ポッティング材で前記中空糸膜束の開口端部が前記筒状ケースの開口部に固定された中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜束は親水性中空糸膜に折れ曲がった松葉状の疎水性中空糸膜を混在させたものであることを特徴とする中空糸膜モジュール。
（２）前記疎水性中空糸膜の折れ曲がった部分の曲率半径が０．１〜２．５ｍｍであることを特徴とする（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（３）前記親水性中空糸膜の膜面積に対する前記疎水性中空糸膜の膜面積の割合が０．０５〜５％であることを特徴とする（１）または（２）に記載の中空糸膜モジュール。
（４）前記疎水性中空糸膜の折れ曲がった方を前記中空糸膜束の開口端部から差し込んで混在させることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（５）前記疎水性中空糸膜の前記筒状ケースの長さ方向における有効長さが、前記親水性中空糸膜の有効長さの１５％〜１００％であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（６）（１）〜（５）のいずれかに記載の中空糸膜モジュールを搭載した浄水器用カートリッジ。
（７）（１）〜（５）のいずれかに記載の中空糸膜モジュールを搭載した浄水器。
（８）（６）に記載の浄水器用カートリッジを装着した浄水器。
（９）親水性中空糸膜をＵ字状にした中空糸膜束を筒状ケースに充填後、前記中空糸膜束の開口端部から松葉状に加工した疎水性中空糸膜を折れ曲がった方から差し込み、ポッティング材で中空糸膜束の開口端部を筒状ケースの開口部に固定することを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。

本発明において、「中空糸膜束の開口端部」とは、中空糸膜束がＵ字状になっていない方の端部をいう。

本発明において、「松葉状」とは図２のようにマツ科の植物の葉のような形状であることを意味する。１本の棒状では剛性不足によって曲がりやすいものを松葉状に加工することによって曲がりにくくすると共に、中空糸膜束の開口端部内に挿入しやすい形状としている。疎水性中空糸膜を松葉状へ加工する手段としては、疎水性中空糸膜をカセ枠に巻き取って、カセ間の中央で切断する。この際、断面が潰されるため松葉状に加工された疎水性中空糸膜は改めて端部を塞ぐ工程が不要である。

中空糸膜モジュールの構造上、製造工程中において中空糸膜束の開口部端を塞ぐことは必要不可欠であるが、疎水性中空糸膜を松葉状に加工することによって疎水性中空糸膜の開口部端を塞ぐことができるとともに、中空糸膜束の開口部端から差し込みやすい形状にすることができる。そのためポッティング材で中空糸膜束を筒状ケースに固定させる前の工程においては、あらゆる工程において疎水性中空糸膜を混在させることができ、モジュール上流側に滞留する空気を系外に排出することが可能な中空糸膜モジュールおよび中空糸膜モジュールを搭載した浄水器用カートリッジを提供することができる。

疎水性中空糸膜が棒状に１本だけ存在する場合の概略図である。親水性中空糸膜に混ぜる前の状態の、折れ曲がった松葉状の疎水性中空糸膜の概略図である。親水性中空糸膜に折れ曲がった松葉状で疎水性中空糸膜を混在させた中空糸膜モジュールの概略図である。中空糸膜モジュールを組み込んだ浄水器カートリッジ概略図である。親水性中空糸膜に折れ曲がった松葉状で疎水性中空糸膜を混在させた中空糸膜モジュールの概略図である。親水性中空糸膜に折れ曲がった松葉状で疎水性中空糸膜を混在させた中空糸膜モジュールの概略図である。折れ曲がった松葉状の疎水性中空糸膜の曲率半径の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本実施形態の中空糸膜モジュールは図３に示すような、親水性中空糸膜束１と松葉状に加工した疎水性中空糸膜２を筒状ケース３にポッティング材４で固定したものである。

本発明の中空糸膜モジュールを製造する方法を説明する。親水性中空糸膜をＵ字状にした中空糸膜束１をシートにて覆い、筒状ケース３に充填後、シートのみを取り除き、親水性中空糸膜束１の開口部端を潰して塞ぐ。親水性中空糸膜束１は筒状ケースから少しはみ出した状態であり、親水性中空糸膜束１の開口端部から松葉状に加工した疎水性中空糸膜２を折れ曲がった方から差し込むことができ挿入しやすい。そしてポッティング材４で中空糸膜束１の開口端部を筒状ケース３の開口部に固定し、ポッティング材４、親水性中空糸膜束１および疎水性中空糸膜２を含む端部を切断する。

親水性中空糸膜１としては、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンを原料ポリマーとすることが好ましく、更に好ましくは生物学的特性、耐熱性、耐薬品性等に優れており、浄水器用として好適であるポリスルホンが良い。

親水性中空糸膜１の孔径は、１０μｍ以下であると好ましく、さらに好ましくは２μｍ以下である。さらに微小な固体を除去する場合には、孔径０．１μｍ以下のものを用いると、より微小な濁り成分を除去できるという点で好ましい。

疎水性中空糸膜２としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホンなどを原料ポリマーとすることが好ましく、更に好ましくは極性が最も低く最も疎水性であるポリエチレンが好ましい。

ポッティング材４は、筒状ケース３と中空糸膜束１との間並びに中空糸膜間を封止することが出来ればよく、流動性を有する主剤と硬化剤とを混合して反応、硬化させる二液混合型のエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などが中空糸膜モジュールを製造する上で取り扱いやすく好ましい。

Ｕ字状とした中空糸膜束１を覆い、その後の工程で引き抜くシートとしては、中空糸膜を損傷させないよう、摩擦抵抗の少ない不織布が好ましい。

疎水性中空糸膜２の加工方法としてはカセ枠に疎水性中空糸膜を巻き取り、カセ間の中央部を刃物で切断する。使用する刃物は切断面を潰すことができるため一般工作用のハサミが好ましい。このとき疎水性中空糸膜の剛性を高くするためには、図７に示す曲率半径５が０．１〜２．５ｍｍであることが好ましい。

疎水性中空糸膜２の差し込み位置は、図５、図６のようにモジュール内のどの位置でも効果は発現するが、モジュールの外観上および作業性から中空糸膜束１の開口部端の中央が好ましい。

疎水性中空糸膜２の膜面積の割合は、親水性中空糸膜１に対して０．０５％〜５％であることが好ましい。疎水性中空糸膜２の割合を０．０５％以上とすることで、滞留空気を排出する能力を発揮することができる。また５％以下とすることで、親水性中空糸膜の膜面積を十分に有することができ、ろ過能力を維持することができる。疎水性中空糸膜２の割合が０．０５〜０．５％であるとさらに好ましい。

ここで膜面積とは、中空糸膜の接水部分の外表面の面積を算出したものであり、ポッティング材４で接着固定された部分は含まない。

疎水性中空糸膜２の筒状ケース３の長さ方向における有効長さは親水性中空糸膜１の有効長さに対して短すぎると滞留空気を排出する能力を十分発揮することができず、長すぎると親水性中空糸膜１のＵ字部からはみ出すことになり外観を損ねることになる。そのため疎水性中空糸膜２の筒状ケース３の長さ方向における有効長さは親水性中空糸膜１の有効長さの１５〜１００％が好ましい。

本発明の中空糸膜モジュールは蛇口直結型、据置型、ポット型、アンダーシンク型など種々形態の浄水器用カートリッジに適用することが可能である。活性炭やゼオライト、無機イオン交換体、イオン交換樹脂、キレート樹脂等の吸着剤と併用して用いることが好ましく、トリハロメタンや鉛などの有害物を除去するもの、細菌の増殖抑制のために銀や銅などの抗菌剤を添着したもの、水道水中の塩素を除去するものなどが好ましく用いられる。

上記形態の浄水器用カートリッジを装着した浄水器として用いることも可能であり、上記のような吸着剤と併用せずに、本発明の中空糸膜モジュールのみを搭載した浄水器として用いることも可能である。

以下に実施例を記載して本発明をより具体的に説明する。

［実施例１］
親水性中空糸膜としてポリスルホン中空糸膜（平均外径＝０．４６ｍｍ）を用い、親水性中空糸膜４５６本をＵ字状に折り曲げ、形状を保持するために不織布で中空糸膜束を包み、円筒状の筒状ケース（内径＝１９．８ｍｍ、長さ＝７１．５ｍｍ）内に挿入した。挿入後、中空糸膜束の開口端部を把持し、中空糸膜束を包む不織布を取り除き、長さ６０ｍｍの松葉状に加工した疎水性中空糸膜（ポリエチレン、平均外径＝０．６５ｍｍ）を中空糸膜束の開口端部から中央部に差し込み、ポリウレタン樹脂にて開口端部を固定し、中空糸膜モジュールとした。開口部内径が４６．５ｍｍ、高さが８３．０ｍｍの円筒形の本体容器に、本中空糸膜モジュールを挿入し、粒径が４８メッシュ〜１００メッシュの範囲である活性炭３２．０ｇを充填し、図４に示す形状の浄水器用カートリッジとした。図４中、符号１１は中空糸膜モジュールを、１２は活性炭充填部を、１３はカートリッジ本体容器を示している。本カートリッジでＪＩＳＳ３２０１「家庭用浄水器試験方法」に基づき、表示ろ過流量を２．０Ｌ／ｍｉｎとして１０分間通水したのち、カートリッジ内の水を抜いた状態から０．１ＭＰａで通水し、表示ろ過流量が２．０Ｌ／ｍｉｎに回復するまでの時間は４．７秒であった。
［比較例１］
親水性中空糸膜としてポリスルホン中空糸膜（平均外径＝０．４６ｍｍ）を用い、親水性中空糸膜４５６本をＵ字状に折り曲げ、形状を保持するために不織布で中空糸膜束を包み、円筒状の筒状ケース（内径＝１９．８ｍｍ、長さ＝７１．５ｍｍ）内に挿入した。挿入後、中空糸膜束の開口端部を把持し、中空糸膜束を包む不織布を取り除き、ポリウレタン樹脂にて開口端部を固定し、中空糸膜モジュールとした。開口部内径が４６．５ｍｍ、高さが８３．０ｍｍの円筒形の本体容器に、本中空糸膜モジュールを挿入し、粒径が４８メッシュ〜１００メッシュの範囲である活性炭３２．０ｇを充填し、浄水器用カートリッジとした。本カートリッジでＪＩＳＳ３２０１「家庭用浄水器試験方法」に基づき、表示ろ過流量を２．０Ｌ／ｍｉｎとして１０分間通水したのち、カートリッジ内の水を抜いた状態から０．１ＭＰａで通水し、表示ろ過流量が２．０Ｌ／ｍｉｎに回復するまでの時間は１８０秒であった。
［実施例２］
親水性中空糸膜としてポリスルホン中空糸膜（平均外径＝０．４６ｍｍ）を用い、親水性中空糸膜４５６本をＵ字状に折り曲げ、形状を保持するために不織布で中空糸膜束を包み、円筒状の筒状ケース（内径＝１９．８ｍｍ、長さ＝７１．５ｍｍ）内に挿入した。挿入後、中空糸膜束の開口端部を把持し、中空糸膜束を包む不織布を取り除き、長さ４０ｍｍの松葉状に加工した疎水性中空糸膜（ポリエチレン製、平均外径＝０．６５ｍｍ）を中空糸膜束の開口端部から中央部に差し込み、ポリウレタン樹脂にて開口端部を固定し、中空糸膜モジュールとした。開口部内径が４６．５ｍｍ、高さが８３．０ｍｍの円筒形の本体容器に、本中空糸膜モジュールを挿入し、粒径が４８メッシュ〜１００メッシュの範囲である活性炭３２．０ｇを充填し、浄水器用カートリッジとした。本カートリッジでＪＩＳＳ３２０１「家庭用浄水器試験方法」に基づき、表示ろ過流量を２．０Ｌ／ｍｉｎとして１０分間通水したのち、カートリッジ内の水を抜いた状態から０．１ＭＰａで通水し、表示ろ過流量が２．０Ｌ／ｍｉｎに回復するまでの時間は７．８秒であった。

本発明は、蛇口直結型、据置型、ポット型、アンダーシンク型など浄水器全般に応用することができるが、これらに限定されるものではない。

１親水性中空糸膜束
２疎水性中空糸膜
３筒状ケース
４ポッティング材
５曲率半径
１１中空糸膜モジュール
１２活性炭充填部
１３カートリッジ本体容器

Claims

中空糸膜束がＵ字状に筒状ケースに充填され、ポッティング材で前記中空糸膜束の開口端部が前記筒状ケースの開口部に固定された中空糸膜モジュールであって、
前記中空糸膜束は、Ｕ字状に曲げられた親水性中空糸膜束に折れ曲がった松葉状の疎水性中空糸膜を混在させたものであり、
前記疎水性中空糸膜は、それぞれが前記親水性中空糸膜束のＵ字状に曲げられた部分よりもいずれか片方の側に混在していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
前記疎水性中空糸膜の折れ曲がった部分の曲率半径が０．１〜２．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
前記親水性中空糸膜の膜面積に対する前記疎水性中空糸膜の膜面積の割合が０．０５〜５％であることを特徴とする請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。
前記疎水性中空糸膜の前記筒状ケースの長さ方向における有効長さが、前記親水性中空糸膜の有効長さの１５％〜１００％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
請求項１〜４のいずれかに記載の中空糸膜モジュールを搭載した浄水器用カートリッジ。
請求項１〜４のいずれかに記載の中空糸膜モジュールを搭載した浄水器。
請求項５に記載の浄水器用カートリッジを装着した浄水器。
親水性中空糸膜をＵ字状にした中空糸膜束を筒状ケースに充填後、前記中空糸膜束の開口端部から松葉状に加工した疎水性中空糸膜を折れ曲がった方から差し込み、ポッティング材で中空糸膜束の開口端部を筒状ケースの開口部に固定することを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。