JP6168056B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、浄水処理、工業用水製造、排水処理、逆浸透膜前処理などの水処理に用いられる中空糸膜モジュールに関する。中空糸膜モジュールにおいて用いられる中空糸膜は、例えば、精密ろ過膜や限外ろ過膜からなる。

中空糸膜の外側から内側の中空部へと水をろ過する外圧式中空糸膜モジュールは、膜ろ過前の原水と膜ろ過後のろ過水とを隔てるシール構造が単純であること、運転管理が容易であることなど種々の利点を有している。その最大の特徴は、モジュールの単位容積当りのろ過膜面積を非常に大きく取れることにある。そのため、近年では、河川水、湖沼水、地下水、海水、生活排水、工業用排水から、工業用水や上水を製造する水処理プロセスへの外圧式中空糸膜モジュールの適用が進められている。

中空糸膜モジュールを用いて原水を膜ろ過すると、原水中に含まれる濁質物質や有機物等の除去対象物が膜の外側表面に堆積し、膜の閉塞現象が起こる。そのため、膜のろ過抵抗が上昇し、やがてろ過を行うことができなくなる。そこで、膜ろ過性能を維持するため、定期的に膜ろ過を停止し、ろ過膜の物理洗浄を行うのが一般的である。

通常、ろ過工程と物理洗浄工程とは、自動的に互いに繰り返して実施される。物理洗浄には、膜モジュール下部に空気を吹き込んで膜を水中で振動させることにより、膜の外側表面に付着した懸濁物質を震い落とす空気洗浄や、膜モジュールのろ過方向とは逆方向、つまり中空部側から膜の外側表面に向かい、ろ過水などの水（洗浄水）を加圧して押し込み、膜などに付着した懸濁物質を排除する逆圧水洗浄（逆洗）、あるいは、空気洗浄と逆圧水洗浄を同時に行う空気・逆圧水同時洗浄等がある。

中空糸膜モジュールは、一般的に、筒状ケースと筒状ケース内に収納された中空糸膜束からなる。中空糸膜束の一方の端部は、一方のポッティング材によって、筒状ケースの一方の端部に注型固定され、また、中空糸膜束の他方の端部は、他方のポッティング材によって、筒状ケースの他方の端部に注型固定された構造を有する。ここに用いられる中空糸膜束は、通常、数百本乃至数万本の中空糸膜の束からなる。

外圧式中空糸膜モジュールの場合には、一方のポッティング材により固定された各中空糸膜の一方の端部は、該一方のポッティング材の外側表面において、中空部が開口することにより形成された開口を有する。原水が中空糸膜を通過することによりろ過されて得られるろ過水は、中空部を流れて前記開口に至り、該開口を通過したろ過水は、筒状ケースに設けられたろ過水出口へと流れる。他方のポッティング材により固定された各中空糸膜の他方の端部は、通常、該他方のポッティング材の内部において中空部が封止されることにより形成された閉塞を有する。

ポッティング材を注型固定するための方法としては、静置法、遠心法がよく知られている。静置法とは、中空糸膜束の下方より、液状のポッティング材、例えば、流動性を有する樹脂を定量ポンプ等にて供給し、各中空糸膜の先端およびその近傍において、ポッティング材を固化（硬化）させる方法である。遠心法とは、液状のポッティング材を遠心力によってケース端部に移動させ、ポッティング材を固化（硬化）させる方法である。固化したポッティング材は、各中空糸膜をポッティング材の内部に固定するとともに、中空糸膜束を筒状ケースに固定する固定部材となる。

しかし、いずれの方法でも、中空糸膜とポッティング材との界面では、流動性を有する樹脂が、数ミリメートルから数センチメートル程度、中空糸膜の外側表面に沿って立ち上がり、不均一な樹脂表面を形成し、この状態で固化する。このような状態で固化した樹脂（固定部材）に固定された中空糸膜が、空気洗浄時に発生する振動を受けると、不均一な樹脂表面において、中空糸膜に局所的な応力が加わり、中空糸膜の破断が生じる場合がある。

中空糸膜束を収容する筒状ケースの上部側の側面には、循環水や排水の排出に用いられるノズルが設けられている。上部ポッティング材（上部固定部材）の筒状ケースの軸方向に関して内側の樹脂表面（上部固定部材の下面）は、効率よく循環水や排水の排出が可能となるように、上部排水ノズルの内部流路の上端とほぼ同じ高さの位置に形成されている。

各中空糸膜を固定する上部固定部材の筒状ケースの内側の樹脂表面（上部固定部材の下面）が、上部排水ノズルの内部流路の上端よりも上方に設置された場合、上部固定部材の下面と上部排水ノズルの内部流路の上端との間の空間に、空気や濁質物質が溜まることがあり、この場合、中空糸膜モジュールの排濁性の悪化や、中空糸膜のろ過のための有効膜面積の減少の問題が生じる。

中空糸膜束の上部の周りには、整流孔を有する整流筒が配され、上部排水ノズルに連通する排出流路が形成されている。

前記空気洗浄効果をより高めるため、特許文献１には、筒状ケースに収容された中空糸膜に弛みを持たせることが提案されている。中空糸膜の両端の接着固定部間において、中空糸膜に弛みを持たせて、中空糸膜の両端を接着固定部に固定することで、空気洗浄時に、中空糸膜が適度に振動し、効果的な洗浄が可能となるとされている。しかし、高流量での排水時には、中空糸膜が排水や空気の流れに押され、中空糸膜が整流孔を閉塞することで、圧力損失が発生し、また、中空糸膜が整流孔に押し付けられて、損傷する問題があった。

この問題を解決するために、特許文献２には、排水ノズルと中空糸膜束の間に設けた整流筒の内側の面に、整流孔間を連通する溝を設けた中空糸膜モジュールが提案されている。

ＪＰ１０−０００３３９Ａ ＷＯ２００８／０３５５９３Ａ１

従来の整流筒を用いた場合の中空糸膜モジュールを例にとって、図４を参照しながら、以下に従来技術の課題を説明する。なお、図４に示す従来の中空糸膜モジュールの構造と同様の構造を有する中空糸膜モジュールは、多くの文献に記載されている。その一例として、特許文献２の図１に示される中空糸膜モジュールがある。

図４において、従来の中空糸膜モジュールＭ４における筒状ケース１は、筒状のケース本体３、ケース本体３の上端部の外周面に装着された上側ソケット４ａとケース本体３の下端部の外周面に装着された下側ソケット４ｂからなる。上側ソケット４ａには、原水の排出口９が設けられ、下側ソケット４ｂには、原水の供給口１０が設けられている。筒状ケース１に、両端を切断して一定長にした中空糸膜束２が挿入されている。中空糸膜束２は、多数本の中空糸膜２ａの束からなる。

多数本の中空糸膜２ａの上端部は、樹脂により接着固定され、この樹脂により、中空糸膜束２の上部固定部材１３ａが形成されている。上部固定部材１３ａの側周面は、上側ソケット４ａの上端部の内周面に固定されている。上部固定部材１３ａに固定された多数本の中空糸膜２ａの上端は、上部固定部材１３ａの上側表面１３ａＵＳにおいて外部に対し開口され、各中空糸膜２ａは、開口２ａＯを有する。上部固定部材１３ａの下側表面１３ａＬＳは、筒状ケース１の内側に位置する。

多数本の中空糸膜２ａの下端部は、樹脂により接着固定され、この樹脂により、中空糸膜束２の下部固定部材１３ｂが形成されている。下部固定部材１３ｂの側周面は、下側ソケット４ｂの下端部の内周面に固定されている。下部固定部材１３ｂに固定された多数本の中空糸膜２ａの下端における中空部は、下部固定部材１３ｂの内方において、下部固定部材１３ｂの形成に用いられた樹脂により閉塞され、各中空糸膜２ａは、閉塞２ａＣを有する。下部固定部材１３ｂの上側表面１３ｂＵＳは、筒状ケース１の内側に位置し、下部固定部材１３ｂの下側表面１３ｂＬＳは、筒状ケース１の外側に位置する。

供給口１０に向かい合う位置における中空糸膜束２の周面には、多数の整流孔８ｂを有する下側整流筒６ｂが設けられている。また、下側ソケット４ｂの内周面と下側整流筒６ｂの外周面との間に、下側環状流路７ｂが形成されている。

原水は、下側ソケット４ｂに設けられた供給口１０から筒状ケース１の内部へと供給され、次いで、下側環状流路７ｂから、下側整流筒６ｂに設けられている整流孔８ｂを通過して、各中空糸膜２aの外側表面に沿って、流れる。

原水は、筒状ケース１の下端に設けられた下側キャップ５ｂに形成されている第２供給口１２から、筒状ケース１の内部へと供給されても良い。この場合には、第２供給口１２から供給された原水は、上下方向に貫通して下部固定部材１３ｂに設けられた貫通孔１４を通過して、各中空糸膜２ａの外側表面に沿って、流れる。

各中空糸膜２ａの外側表面に沿って流れる原水は、各中空糸膜２ａの膜壁を透過して中空糸膜の中空部に至り、ろ過水となる。ろ過水は、各中空糸膜２ａの開口２ａＯを通過して、筒状ケース１の上端部に設けられた上側キャップ５ａ内に集められ、次いで、上側キャップ５ａに設けられたろ過水出口１１から、中空糸膜モジュールＭ４外へと取り出される。

全量ろ過式の場合には、原水の排出口９は、閉じられ、ろ過水のみが、ろ過水出口１１から取り出される。一方、クロスフロー式の場合には、中空糸膜を透過しなかった残りの原水（濃縮水）が、原水の排出口９に向かい合う位置における中空糸膜束２の周面に設けられた多数の整流孔８ａを有する上側整流筒６ａの整流孔８ａを通過し、次いで、上側ソケット４ａの内周面と上側整流筒６ｂの外周面との間に設けられた上側環状流路７ａを通過し、原水の排出口９から、中空糸膜モジュールＭ４外へと排出される。

従来の上側整流筒６ａを用いた場合には、各中空糸膜２ａの外側表面に沿って流れる原水が、上側整流筒６ａの内側から整流孔８ａを通過し、上側環状流路７ａを経て排出口９から排出されるとき、単位時間当たりの排水量が多すぎると、上側整流筒６ａの内周面の近傍に位置する中空糸膜２ａが排水の流れに押され、整流孔８ａおよびその付近に押さえつけられて整流孔８ａが閉塞され易い問題がある。

また、一定時間のろ過工程の終了後に、空気を第２供給口１２から供給し、中空糸膜モジュールＭ４内に蓄積した懸濁物質を震い落とす空気洗浄と、ろ過水をろ過水出口１１側から原水側へ流す逆圧水洗浄を連続して実施したり、両者を同時に実施したりするが、これらの洗浄工程の場合にも、排水や空気を排出口９から流出させるときに、上記と同様に、中空糸膜２ａが整流孔８ａおよびその近傍に押さえつけられて整流孔８ａが閉塞され易い問題がある。

特許文献２に示される中空糸膜モジュールでは、そこに記載されている構造を用いることで、排出口９の近傍における中空糸膜が上側整流筒６ａに設けた整流孔８ａを閉塞することを防止できる。しかし、特に高流量の排水を行ったときに、中空糸膜束２の外周部に位置する中空糸膜と上側整流筒６ａの内側表面に設けられた溝が接触することにより、中空糸膜が削れ、損傷するという問題があった。

本発明は、高流量排水時の圧力損失を低減させつつ、中空糸膜の損傷を防止することを可能にした中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明の中空糸膜モジュールは、次の通りである。

側面に少なくとも１つのノズルを有する筒状ケース、該筒状ケース内に備えられた中空糸膜束、および、前記ノズルの少なくとも１つのノズルと前記中空糸膜束の外周との間に設けられた複数の整流孔を有する整流筒を有し、前記中空糸膜束が、一端が開口され、他端が封止された複数本の中空糸膜、あるいは、両端が開口されたＵ字状の少なくとも１本の中空糸膜からなり、前記各中空糸膜の前記開口されている端部を固定する中空糸膜開口端部固定部材を有し、前記中空糸膜開口端部固定部材の側周面が、前記筒状ケースの内周面に接合され、前記各中空糸膜が前記中空糸膜開口端部固定部材を貫通し、前記各開口が、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記筒状ケースの外方に位置する外側表面に位置し、前記整流筒が、前記中空糸膜開口端部固定部材に固定されている中空糸膜モジュールにおいて、前記整流筒が、大内径部と、その軸方向の少なくとも一部に、前記大内径部の内径よりも小さい内径を有する小内径部を有し、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記外側表面とは反対側の前記筒状ケースの内方に位置する内側表面が、前記整流筒の前記小内径部に位置しており、前記小内径部と前記大内径部との間に段差を有し、前記整流筒の前記整流孔と前記中空糸膜束との間に、間隙が形成されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。

本発明において、前記中空糸膜束が、前記一端が開口され、他端が封止された複数本の中空糸膜からなり、かつ、前記各中空糸膜の前記封止されている端部が、中空糸膜封止端部固定部材に固定され、該中空糸膜封止端部固定部材の側周面が、前記筒状ケースの内周面に接合されて、前記中空糸膜封止端部固定部材の前記筒状ケースの内方に位置する内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の前記筒状ケースの外方に位置する外側表面を有することが好ましい。

本発明において、前記小内径部の前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面から前記大内径部側に向かう前記筒状ケースの軸方向における長さが、３ｍｍ乃至４０ｍｍの範囲にあることが好ましい。

本発明において、前記整流筒が、前記小内径部における横断面積をＳＡとし、前記大内径部における横断面積をＬＡとしたとき、これらの比が、０．６≦ＳＡ／ＬＡ≦０．９の関係を満足していることが好ましい。

本発明において、前記整流筒における前記複数の整流孔の全てが、前記大内径部に設けられていることが好ましい。

本発明において、前記整流筒が、前記小内径部と前記大内径部との間に、前記小内径部の前記横断面積ＳＡを満足する内径から前記大内径部の横断面積ＬＡを満足する内径へと前記筒状ケースの軸方向に変化する内径長遷移区間を有することが好ましい。

本発明において、前記整流筒が、前記大内径部の内径をＬＤとし、前記小内径部の内径をＳＤとし、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の内側表面との間における中空糸膜長さをＦＬとし、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の内側表面との間の前記筒状ケースの軸方向における距離をＣＬとしたとき、（ＬＤ−ＳＤ）＞（ＦＬ−ＣＬ）／２の関係を満足していることが好ましい。

本発明において、前記小内径部に位置する前記中空糸膜束における中空糸膜の充填率が、３０％乃至８０％の範囲にあることが好ましい。

本発明において、前記小内径部が形成されている部分における前記整流筒の外径が、前記大内径部が形成されている前記整流筒の外径よりも小さいことが好ましい。

本発明の中空糸膜モジュールによれば、高流量排水時の圧力損失を低減させつつ、中空糸膜の整流孔への接触によって生じる中空糸膜の損傷を防止することができる。

図１は、本発明の中空糸膜モジュールの一例の概略縦断面図である。 図２は、図１に示す本発明の中空糸膜モジュールの中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）およびその近傍の縦断面拡大図である。 図３は、本発明の中空糸膜モジュールに使用される上側整流筒の一例の左右の内径部のそれぞれの横断面を付記した概略縦断面図である。 図４は、従来の中空糸膜モジュールの一例の概略縦断面図である。

本発明の中空糸膜モジュールの一実施形態を、図１および図２を参照しながら以下に説明する。ここに説明する中空糸膜モジュールは、上水（飲料水）を製造するための原水のろ過装置として用いられる。

図１および図２に示す本発明の中空糸膜モジュールを構成する各要素で、図４に示す中空糸膜モジュールを構成する各要素と共通する要素には、図４に用いられている要素に付されている記号と同じ記号が、図１および図２においても付けられている。

図１に示す中空糸膜モジュールＭ１は、筒状ケース１と筒状ケース１内に備えられた中空糸膜束２からなる。筒状ケース１は、筒状のケース本体３、ケース本体３の上端部の外周面に装着された上側ソケット４ａとケース本体３の下端部の外周面に装着された下側ソケット４ｂからなる。

上側ソケット４ａは、その周面の一部に、原水の排出口（ノズル）９を有する。上側ソケット４ａと中空糸膜束２の外周面との間に、複数の整流孔８ａを有する上側整流筒６Ａが設けられている。上側整流筒６Ａの外周面と上側ソケット４ａの内周面との間に、上側環状流路７ａが形成されている。

中空糸膜束２は、多数本の中空糸膜２ａの束からなる。各中空糸膜２ａの中空部は、その一端が開口され、その他端が封止されている。各中空糸膜２ａの開口されている端部は、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａに固定されている。中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａは、その側周面が上側ソケット４ａの内周面に接合されることにより、筒状ケース１に固定されている。

各中空糸膜２ａは、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａを貫通し、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの上側表面（外側表面）１３ａＵＳにおいて、各中空糸膜２ａの中空部が開口され、開口２ａＯが形成されている。上側整流筒６Ａの上側端部は、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａに固定されている。

上側整流筒６Ａは、その下側部に、大内径部ＬＤＰを有し、その軸方向の上側部に、大内径部ＬＤＰの内径ＬＤよりも小さい内径ＳＤを有する小内径部ＳＤＰを有する。中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの上側表面（外側表面）１３ａＵＳとは反対側の筒状ケース１の内方に位置する中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面（内側表面）１３ａＬＳが、上側整流筒６Ａの小内径部ＳＤＰに位置している。

上において、各中空糸膜２ａの中空部が、その一端で開口され、その他端で封止されている中空糸膜束２の場合が説明されているが、各中空糸膜２ａは、Ｕ字形状、あるいは、ループ形状を有し、その両端部が、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａに固定され、その両端が、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの上側表面（外側表面）１３ａＵＳにおいて、開口されている中空糸膜束２を用いることもできる。このループ形状の中空糸膜からなる中空糸膜束の一例は、特許文献１の図４に示されている。

上に説明した大内径部ＬＤＰと小内径部ＳＤＰを有する上側整流筒６Ａが、筒状ケース１に組み込まれることにより、本発明の目的である高流量排水時の圧力損失を低減させつつ、中空糸膜の損傷を防止することを可能にした中空糸膜モジュールＭ１が提供される。

一方、上において、各中空糸膜２ａが、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａから下方に垂下され、それらの下端部が封止されている中空糸膜束２を説明したが、この場合、筒状ケース１の下端の開口から供給される原水の動きにより、筒状ケース１内における各中空糸膜２ａの下端部の位置が不安定となる場合がある。そこで、通常は、各中空糸膜２ａの下端部を筒状ケース１に固定する手段が施されている。この手段は、多くの従来の中空糸膜モジュールにおいて採用されているので、ここでは、その手段を、図１を参照しながら、簡単に説明する。

すなわち、筒状ケース１は、その下端部に設けられた下側ソケット４ｂを有する。下側ソケット４ｂの外周面の一部に、原水の供給口１０が設けられている。また、各中空糸膜２ａの下端部は、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂにより固定され、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの内部において、各中空糸膜２ａの下端の中空部が、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂを形成する樹脂により封止され、閉塞２ａＣが形成されている。

中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの外周面は、下側ソケット４ｂの下端部の内周面に接合されている。下側ソケット４ｂの供給口１０と供給口１０と向かい合う中空糸膜束２の外周面との間に、多数の整流孔８ｂを有する下側整流筒６ｂが設けられ、下側整流筒６ｂの下端部は、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂに固定されている。

下側ソケット４ｂの内周面と下側整流筒６ｂの外周面の間には、下側環状流路７ｂが形成されている。中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの筒状ケース１の内方に位置する表面に、上側表面（内側表面）１３ｂＵＳが形成され、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの筒状ケース１の外方に位置する表面に、下側表面（外側表面）１３ｂＬＳが形成されている。

原水は、原水の供給口１０から筒状ケース１内へと供給され、下側環状流路７ｂを流れ、下側整流筒６ｂの整流孔８ｂを通り、各中空糸膜２ａの外側表面に沿って流れる。一方、筒状ケース１の下端に下側キャップ５ｂを設けた場合は、下側キャップ５ｂの設けられた第２供給口１２から、原水を筒状ケース１内に供給することが可能となる。この場合には、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂに、原水を通過可能とする貫通孔１４が設けられる。第２供給口１２から供給された原水は、貫通孔１４を通過して、各中空糸膜２ａの外側表面に沿って流れる。

各中空糸膜２ａの外側表面に沿って流れる原水は、各中空糸膜２ａの膜壁を透過して中空糸膜の中空部に至り、ろ過水となる。ろ過水は、各中空糸膜２ａの開口２ａＯを通過して、筒状ケース１の上端部に設けられた上側キャップ５ａ内に集められ、次いで、上側キャップ５ａに設けられたろ過水出口１１から、中空糸膜モジュールＭ１外へと取り出される。

全量ろ過式の場合には、原水の排出口９は、閉じられ、ろ過水のみが、ろ過水出口１１から取り出される。一方、クロスフロー式の場合には、中空糸膜を透過しなかった残りの原水（濃縮水）が、原水の排出口９に向かい合う位置における中空糸膜束２の周面に設けられた多数の整流孔８ａを有する上側整流筒６Ａの整流孔８ａを通過し、次いで、上側ソケット４ａの内周面と上側整流筒６Ａの外周面との間に設けられた上側環状流路７ａを通過し、原水の排出口９から、中空糸膜モジュールＭ１外へと排出される。

この実施態様において、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａ、および、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂは、先に説明した従来用いられている流動性のある樹脂を用いたポッティング手法により、形成される。

各中空糸膜２ａを、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの上側表面１３ａＵＳにおいて、開口状態とするには、ポッティング前に、中空糸膜束２の端面に接着剤を塗布し、ポッティング材が各中空糸膜２ａの中空部内に入らないようにし、遠心法にてポッティング材を供給する。次いで、ポッティング材が硬化した後、成形された部材の開口側端部を切断すればよい。中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂに貫通孔１４を形成するには、金属製のピン等をポッティングする位置に配列し、遠心法にてポッティング材を供給する。次いで、ポッティング材が硬化した後、ピンを引き抜けばよい。

図１に示す中空糸膜モジュールＭ１は、上側整流筒６Ａの整流孔８ａが設けられている内面と中空糸膜束２の外面との間に間隙が設けられているため、高流量排水時の圧力損失を低減させつつ、中空糸膜２ａの損傷を防止することができる。本発明の中空糸膜モジュールＭ１に使用される上側整流筒６Ａの形状について、以下に詳述する。

上記目的を達成する本発明の中空糸膜モジュールに用いられる上側整流筒６Ａは、図３にその一例を示す通り、大内径部ＬＤＰと、大内径部ＬＤＰの内径ＬＤよりも小さい内径ＳＤを有する小内径部ＳＤＰを有し、小内径部ＳＤＰの内径ＳＤと大内径部ＬＤＰの内径ＬＤとの間に段差を有する。小内径部ＳＤＰにより、中空糸膜束２の外径が大きくならないようにされていることで、上側整流筒６Ａの整流孔８ａと中空糸膜束２との間に、間隙が形成されている。これにより、中空糸膜２ａが整流孔８ａを塞ぐことが防止され、圧力損失が低く維持される。また、中空糸膜２ａが整流孔８ａに接触し難いため、中空糸膜２ａの損傷が防止される。

さらに、小内径部ＳＤＰにおける内側の横断面積をＳＡ、大内径部ＬＤＰにおける内側の横断面積をＬＡとし、その比、ＳＡ／ＬＡが、０．６≦ＳＡ／ＬＡ≦０．９の関係を満足していることが好ましい。その比が０．６未満では、単位面積当たりの中空糸膜２ａの面積が低下する。また、その比が０．９を超えると、上側整流筒６Ａの整流孔８ａと中空糸膜束２との間の間隙が小さくなるため、排水時に、中空糸膜２ａが整流孔８ａと接触し、圧力損失の増加、および、中空糸膜２ａの損傷が生じる場合がある。

さらに、小内径部ＳＤＰの内経と大内径部ＬＤＰの内径との間に段差を有し、この段差により、横断面積の比ＳＡ／ＬＡが形成されることが好ましい。

ここで、段差とは、上側整流筒６Ａの内側表面部分において、小内径部ＳＤＰの大内径部ＬＤＰ側の端（下端）と大内径部ＬＤＰの小内径部ＳＤＰ側の端（上端）とを結ぶ、縦断面における線分ＳＬ（図３において、一点鎖線で示される）が、上側整流筒６Ａの軸方向に対してなす勾配θが、４５°以上である場合の小内径部ＳＤＰの内経と大内径部ＬＤＰの内径との間の差を云う。線分ＳＬの小内径部ＳＤＰ側の始端と大内径部ＬＤＰ側の終端との間の上側整流筒６Ａの軸方向における区間が、内径遷移区間である。内径遷移区間において、上側整流筒６Ａの内径の値が、小内径部ＳＤＰの内径の値から大内径部ＬＤＰの内径の値へと、連続的に、あるいは、段階的に変化する。

勾配θは、６０°以上であることがより好ましい。勾配θが４５°未満のなだらかな勾配の場合は、中空糸膜２ａと上側整流筒６Ａが接触し、中空糸膜２ａが損傷する場合がある。６０°以上の勾配θを有する段差により、横断面積の比ＳＡ／ＬＡが形成されることで、中空糸膜２ａと整流筒６Ａとの接触が、より好ましく防止される。

小内径部ＳＤＰでの中空糸膜束２における中空糸膜２ａの充填率を３０％以上８０％以下とすることが好ましい。充填率が３０％未満では、小内径部ＳＤＰでのおける中空糸膜２ａの充填率が低いため、高流量排水時に、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面１３ａＬＳにおいて、中空糸膜２ａが過度に揺れ、下側表面１３ａＬＳにおける中空糸膜２ａの切断が発生する場合がある。

充填率が８０％を超えると、中空糸膜モジュールＭ１の製造工程において、筒状ケース１内に中空糸膜束２を挿入する作業が困難となる場合がある。ここで、中空糸膜束２における中空糸膜２ａの充填率とは、小内径部ＳＤＰでの中空糸膜束２の最外周に位置する中空糸膜２ａにより囲まれた横断面積に対する、中空糸膜束２を形成している各中空糸膜２ａの横断面積の合計横断面積が占める割合を云う。

小内径部ＳＤＰには整流孔８ａを設けず、大内径部ＬＤＰに整流孔８ａを設ける、すなわち、整流孔８ａの全てが大内径部ＬＤＰに設けられていることが好ましい。かかる構造とすることで、高流量排水時に、中空糸膜束２の外周部に位置する中空糸膜２ａが水もしくは空気によって押され、整流孔８ａに引き込まれることが防止される。

本発明の中空糸膜モジュールにおいて、筒状ケース１の上側端部に中空糸膜束２および上側整流筒６Ａを固定する中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面１３ａＬＳが、上側整流筒６Ａの小内径部ＳＤＰの内側空間内に位置していることが好ましい。この構造により、中空糸膜２ａの過度な揺れが防止される。その結果、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面１３ａＬＳにおける中空糸膜２ａの切断が防止される。

小内径部ＳＤＰの内側表面は、下側表面１３ａＬＳからの長さＳＤＰＬが３ｍｍ乃至４０ｍｍの範囲で、筒状ケース１の軸方向に関して内側（下方）に延設されていることが好ましい。すなわち、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）の下側表面（内側表面）から小内径部の下端面までの、上側整流筒６Ａの軸方向における長さＳＤＰＬが、３ｍｍ乃至４０ｍｍの範囲にあることが好ましい。

中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａが遠心法ポッティングにより形成される場合には、ポッティング材（流動性を有する樹脂）の中空糸膜２ａの外表面に沿う浸み上がりを３ｍｍ未満とすることができる。しかし、静置法ポッティングの場合、ポッティング材（流動性を有する樹脂）の粘度が低い場合には、この浸み上がりが２０ｍｍ以上になる。小内径部ＳＤＰを、下側表面１３ａＬＳの浸み上がり高さ以上に内側（下方）に延設することで、不均一な樹脂表面での中空糸膜２ａの切断が防止される。浸み上がり高さから３ｍｍ以上、小内径部ＳＤＰが、内側（下方）に延設されていることがさらに好ましい。

一方、下側表面１３ａＬＳが、小内径部ＳＤＰの下端面から４０ｍｍを超える位置にあると、下側表面１３ａＬＳと小内径部ＳＤＰの下端面との間隙に空気がたまりやすくなる。その結果、中空糸膜２ａの有効膜面積が減少する。

小内径部ＳＤＰが位置する部分の整流筒６Ａの外径を、大内径部ＬＤＰが位置する部分の整流筒６Ａの外径よりも小さくすることで、中空糸膜モジュールＭ１内から水を排出するための上側環状流路７ａを広く取ることができる。その結果、原水の流れにおける圧力損失が低減される。

中空糸膜束２を形成する中空糸膜２ａの素材は、特に限定されない。素材としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレンなどや、これらの複合素材がある。なかでも、ポリフッ化ビニリデンは耐薬品性に優れているため、中空糸膜モジュールＭ１を定期的に薬品洗浄することで中空糸膜２ａのろ過機能を回復させる場合、中空糸膜モジュールＭ１の長寿命化につながる。従って、ポリフッ化ビニリデンは、中空糸膜の素材として好ましく用いられる。

中空糸膜２ａの外径は、０．３乃至３ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、中空糸膜２ａの外径が小さすぎると、中空糸膜モジュールＭ１を製作する際の中空糸膜２ａの取り扱い時や、中空糸膜モジュールＭ１を使用する際のろ過、洗浄時などにおいて、中空糸膜２ａが折れて損傷するなどの問題がある。逆に、中空糸膜２ａの外径が大きすぎると、同じサイズの筒状ケース１内に挿入できる中空糸膜２ａの本数が減って、ろ過面積が減少するなどの問題が生じる場合がある。

さらに、中空糸膜２ａの膜厚は、０．１乃至１ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、中空糸膜２ａの膜厚が小さすぎると、中空糸膜モジュールＭ１の使用中に、中空糸膜２ａが圧力で折れるなどの問題が生じる場合があるからである。逆に、中空糸膜２ａの膜厚が大きいと、中空糸膜モジュールＭ１の使用中の圧力損失や原料代の増加につながる場合がある。

中空糸膜２ａの物性値として、縦弾性係数、断面２次モーメントを考慮することが好ましい。例えば、外径１．５ｍｍ、内径１ｍｍ、断面２次モーメント０．２ｍｍ^４、縦弾性係数２００ＭＰａ、膜長さ２０００ｍｍ、排水時の膜間差圧１００ｋＰａの中空糸膜２ａが用いられる場合、中空糸膜束２と整流孔８ａの間に、１０ｍｍ程度の間隙を設ければ良い。

中空糸膜２ａが、縦弾性係数および断面２次モーメントが小さい弱い中空糸膜である場合においても、次の関係が満足されている場合は、高流量排水時に圧力損失を低減させつつ、中空糸膜の損傷を防止することができる。

すなわち、小内径部ＳＤＰの内径をＳＤ、大内径部ＬＤＰの内径をＬＤ、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面（内側表面）１３ａＬＳと中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの上側表面（内側表面）１３ｂＵＳとの間における中空糸膜２ａの長さをＦＬ、および、中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面（内側表面）１３ａＬＳと中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの上側表面（内側表面）１３ｂＵＳとの間の筒状ケース１の軸方向における距離をＣＬとするとき、ＬＤ−ＳＤ＞（ＦＬ−ＣＬ）／２の関係が満足されていることが好ましい。

ケース本体３、上側ソケット４ａ、下側ソケット４ｂ、上側キャップ５ａ、下側キャップ５ｂ、上側整流筒６Ａ、および、下側整流筒６ｂを形成する材料としては、例えば、次のものが用いられる。

ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィンや、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン（ＥＴＦＥ）、三フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・三フッ化塩化エチレン（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂、そしてポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素樹脂、さらにポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリルスルホン樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリル-スチレン共重合体樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂。これらの樹脂は、単独または混合して用いることができる。

樹脂以外では、アルミニウム、ステンレス鋼などが好ましく、さらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料を用いることができる。

ケース本体３、上側ソケット４ａ、下側ソケット４ｂ、上側キャップ５ａ、下側キャップ５ｂ、上側整流筒６Ａ、および、下側整流筒６ｂは、同一の材料でも、それぞれ異なる材料で形成されていてもよい。

中空糸膜モジュールＭ１のサイズは、特に限定されない。すなわち、例えば、外径や軸方向の長さは、特に限定されない。しかし、一般的に大口径、かつ、長尺のモジュールの方が、単位面積当たりのろ過面積を大きくすることができるため、好ましく使用される。大口径、かつ、長尺のモジュールの場合、単位時間当たりの水処理量が増えるため、本発明の効果が十分に発揮される。

中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａ、および、中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂを形成するためのポッティング材（樹脂）は、初期状態が液状の熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。

ポッティング材（樹脂）は、中空糸膜束２の内外を仕切る管板としての強度が必要であるため、Ｄ硬度が５０乃至８５であることが好ましい。Ｄ硬度は、ＪＩＳ−Ｋ−６２５３に準じて、タイプＤデュロメーターを用いて１０秒加圧した後の測定値である。具体的な樹脂としては、例えば、エポキシおよびポリウレタンがある。また、これらの固定部材は、１種の樹脂からなる単層である必要は無く、複数層で構成されていてもよい。

中空糸膜束２として、各中空糸膜２ａが上下方向にストレートに位置して、両端部のそれぞれが、固定部材１３ａ、１３ｂにより、筒状ケース１の上部と下部に固定された態様について説明したが、中空糸膜束をＵ字状に曲げた上で、開口端部を固定部材１３ａに固定した中空糸膜モジュールであってもよい。さらに、中空糸膜束からなる中空糸膜カートリッジをハウジング内に装着する、いわゆるカートリッジ型の中空糸膜モジュールでもあってもよい。

長さ約２０００ｍｍのポリフッ化ビニリデン製の中空糸膜（内径１．０ｍｍ、外径１．５ｍｍ）を約９０００本束ねて、内径約２００ｍｍのポリ塩化ビニル製のケーシングに挿入し、変性ポリイソシアネートおよび変性ポリオールを原料として形成したＤ硬度７５のウレタン樹脂を遠心法にて開口側、封止側ともに樹脂厚み約１００ｍｍとなるよう、両端を注型固定させた図１に示される外圧式中空糸膜モジュールＭ１を製作した。

中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの下側表面１３ａＬＳと中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）１３ｂの上側表面１３ｂＵＳ間における中空糸膜２ａの長さＦＬは、１８１０ｍｍ、下側表面１３ａＬＳと上側表面１３ｂＵＳ間の筒状ケース１の軸方向における距離ＣＬは、１８００ｍｍであった。上側整流筒６Ａにおける小内径部ＳＤＰの内径ＳＤは、１７５ｍｍ、大内径部ＬＤＰの内径ＬＤは、１９５ｍｍであった。これらの値は、ＬＤ−ＳＤ＞（ＦＬ−ＣＬ）／２の関係を満足する関係にあった。

大内径部ＬＤＰに、直径５ｍｍの整流孔８ａを３５０個設けた。整流孔８ａのピッチは、中空糸膜の挿入方向（上側整流筒６Ａの上下方向）と平行方向において、１０ｍｍ、垂直方向（上側整流筒６Ａの円周方向）において、１５ｍｍとした。上側整流筒６Ａの小内径部ＳＤＰは、下側表面１３ａＬＳから５ｍｍ、筒状ケース１の軸方向に関して、内側（下方）に延設した。

この中空糸膜モジュールＭ１を用いて、ろ過水の製造運転テストを行った。原水として、琵琶湖水を、膜ろ過流束３．０ｍ ^３／（ｍ^２・ｄ）で、定流量ろ過した。ろ過開始から３０分後、ろ過水出口１１から、膜ろ過流束４．５ｍ ^３／（ｍ^２・ｄ）にて、逆圧洗浄用の洗浄水を供給し、さらに供給口１２から空気を１００Ｌ／ｍｉｎにて供給し、排出口９から、逆圧洗浄水および空気を流出させる空逆同時洗浄を１分間行った。前記ろ過工程、空逆同時洗浄工程を繰り返し行った。

その結果、中空糸膜モジュールＭ１の空逆同時洗浄時の膜ろ過差圧は、運転開始直後は７０ｋＰａであったのに対し、１年後も９０ｋＰａと安定運転を行うことができた。

また、モジュールＭ１の内部にて中空糸膜２ａの切断が発生しているかを確認するため、エアリーク検査を実施した。エアリーク検査は、原水側、ろ過水側ともに水を満水にした後、中空糸膜の外側から０．１ＭＰａの圧縮空気を送り込み、中空糸膜の開口２ａＯからの気泡発生の有無を、目視で観察した。エアリーク検査の結果、中空糸膜の開口２ａＯからの気泡発生は観察されず、モジュールＭ１内の中空糸膜２ａが損傷してないことを確認した。

また、運転後のモジュールＭ１を解体したところ、整流孔８ａ付近の中空糸膜２ａは、整流孔８ａに接触した跡は見られなかった。

上側整流筒６Ａの小内径部ＳＤＰの内径ＳＤを、１８９ｍｍ、大内径部ＬＤＰの内径ＬＤを、１９５ｍｍとした。これらの値は、これらの値は、ＬＤ−ＳＤ＞（ＦＬ−ＣＬ）／２の関係を満足する関係にあった。これらの変更以外は、実施例１と同様として、中空糸膜モジュールＭ１を作製し、実施例１と同様の運転テストを行った。

その結果、中空糸膜モジュールＭ１の空逆同時洗浄時の膜ろ過差圧は、運転開始直後１２０ｋＰａであったのに対し、６ヶ月後は、１５０ｋＰａとなり、安定運転を行うことができた。

エアリーク検査の結果、中空糸膜２ａの開口２ａＯからの気泡発生は観察されず、モジュールＭ１内の中空糸膜２ａが損傷してないことを確認した。

また、運転後のモジュールＭ１を解体したところ、整流孔８ａ付近の中空糸膜２ａは、整流孔８ａに接触した跡は見られなかった。

比較例１

中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）１３ａの厚みを約１１０ｍｍとし、下側表面１３ａＬＳを大内径部ＬＤＰに設置した以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを作製し、実施例１と同様の運転テストを行った。

その結果、中空糸膜モジュールの空逆同時洗浄時の膜ろ過差圧は、運転開始直後７０ｋＰａであったのに対し、１年後も９５ｋＰａと安定運転を行うことができた。

しかし、エアリーク検査の結果、中空糸膜２ａの開口２ａＯから８カ所のリークを確認した。

運転後のモジュールを解体したところ、整流孔８ａ付近の中空糸膜２ａには整流孔８ａに接触した跡は見られなかったが、下側表面１３ａＬＳにおいて、中空糸膜２ａの切断が発生したことを確認した。

比較例２

内径１９５ｍｍのストレートな整流筒を用いた以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを作製し、実施例１と同様の運転テストを行った。

その結果、中空糸膜モジュールの空逆同時洗浄時の膜ろ過差圧は、運転開始直後２００ｋＰａであったのに対し、３ヶ月後は３００ｋＰａとなり、安定運転を行うことができなかった。

エアリーク検査の結果、中空糸膜２ａの開口２ａＯから１０カ所のリークを確認した。リーク発生箇所はいずれも中空糸膜束の外周部であった。

運転後のモジュールを解体したところ、整流孔８ａ付近の中空糸膜２ａが整流孔８ａと接触し、削れた跡が見られ、当該箇所からリークしていることを確認した。

本発明の中空糸膜モジュールは、高流量排水時の圧力損失が低く、膜の損傷が少ない中空糸膜モジュールであり、浄水の処理、工業用水の製造、排水の処理、逆浸透膜を用いた水処理の際の原水の前処理に好ましく使用される。

１：筒状ケース
２：中空糸膜束
２ａ：中空糸膜
２ａＯ：開口
２ａＣ：閉塞
３：ケース本体
４ａ：上側ソケット
４ｂ：下側ソケット
５ａ：上側キャップ
５ｂ：下側キャップ
６Ａ：上側整流筒
６ａ：上側整流筒
６ｂ：下側整流筒
７ａ：上側環状流路
７ｂ：下側環状流路
８ａ、８ｂ：整流孔
９：排出口（ノズル）
１０：供給口
１１：ろ過水出口
１２：第２供給口
１３ａ：中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）
１３ａＬＳ：下側表面（内側表面）
１３ａＵＳ：上側表面（外側表面）
１３ｂ：中空糸膜封止端部固定部材（下部固定部材）
１３ｂＬＳ：下側表面（外側表面）
１３ｂＵＳ：上側表面（内側表面）
１４：貫通孔
ＣＬ：距離
ＦＬ：中空糸膜の長さ
ＬＡ：大内径部の横断面積
ＬＤ：大内径部の内径
ＬＤＰ：大内径部
Ｍ１：中空糸膜モジュール
Ｍ４：中空糸膜モジュール
ＳＡ：小内径部の横断面積
ＳＤ：小内径部の内径
ＳＤＰ：小内径部
ＳＤＰＬ：中空糸膜開口端部固定部材（上部固定部材）の下側表面（内側表面）から小内径部の下端面までの長さ
ＳＬ：内径遷移区間を示す線分
θ：勾配

Claims (9)

1. 側面に少なくとも１つのノズルを有する筒状ケース、該筒状ケース内に備えられた中空糸膜束、および、前記ノズルの少なくとも１つのノズルと前記中空糸膜束の外周との間に設けられた複数の整流孔を有する整流筒を有し、前記中空糸膜束が、一端が開口され、他端が封止された複数本の中空糸膜、あるいは、両端が開口されたＵ字状の少なくとも１本の中空糸膜からなり、前記各中空糸膜の前記開口されている端部を固定する中空糸膜開口端部固定部材を有し、前記中空糸膜開口端部固定部材の側周面が、前記筒状ケースの内周面に接合され、前記各中空糸膜が前記中空糸膜開口端部固定部材を貫通し、前記各開口が、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記筒状ケースの外方に位置する外側表面に位置し、前記整流筒が、前記中空糸膜開口端部固定部材に固定されている中空糸膜モジュールにおいて、前記整流筒が、大内径部と、その軸方向の少なくとも一部に、前記大内径部の内径よりも小さい内径を有する小内径部を有し、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記外側表面とは反対側の前記筒状ケースの内方に位置する内側表面が、前記整流筒の前記小内径部に位置しており、前記小内径部と前記大内径部との間に段差を有し、前記整流筒の前記整流孔と前記中空糸膜束との間に、間隙が形成されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記中空糸膜束が、前記一端が開口され、他端が封止された複数本の中空糸膜からなり、かつ、前記各中空糸膜の前記封止されている端部が、中空糸膜封止端部固定部材に固定され、該中空糸膜封止端部固定部材の側周面が、前記筒状ケースの内周面に接合されて、前記中空糸膜封止端部固定部材の前記筒状ケースの内方に位置する内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の前記筒状ケースの外方に位置する外側表面を有する請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記小内径部の前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面から前記大内径部側に向かう前記筒状ケースの軸方向における長さが、３ｍｍ乃至４０ｍｍの範囲にある請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
4. 前記整流筒が、前記小内径部における横断面積をＳＡとし、前記大内径部における横断面積をＬＡとしたとき、これらの比が、０．６≦ＳＡ／ＬＡ≦０．９の関係を満足している請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記整流筒における前記複数の整流孔の全てが、前記大内径部に設けられている請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
6. 前記整流筒が、前記小内径部と前記大内径部との間に、前記小内径部の前記横断面積ＳＡを満足する内径から前記大内径部の横断面積ＬＡを満足する内径へと前記筒状ケースの軸方向に変化する内径長遷移区間を有する請求項４に記載の中空糸膜モジュール。
7. 前記整流筒が、前記大内径部の内径をＬＤとし、前記小内径部の内径をＳＤとし、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の内側表面との間における中空糸膜長さをＦＬとし、前記中空糸膜開口端部固定部材の前記内側表面と前記中空糸膜封止端部固定部材の内側表面との間の前記筒状ケースの軸方向における距離をＣＬとしたとき、（ＬＤ−ＳＤ）＞（ＦＬ−ＣＬ）／２の関係を満足している請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
8. 前記小内径部に位置する前記中空糸膜束における中空糸膜の充填率が、３０％乃至８０％の範囲にある請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
9. 前記小内径部が形成されている部分における前記整流筒の外径が、前記大内径部が形成されている前記整流筒の外径よりも小さい請求項１に記載の中空糸膜モジュール。

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