JP6209474B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数本の中空糸膜と、その中空糸膜を収容するハウジングと、少なくとも前記中空糸膜の一端側に設けられて原液側流路と透過側流路との混合を防ぐ封止部とを有する中空糸膜モジュールに関する。

従来、中空糸膜モジュールは、例えば図６に示すように、ハウジング１０内において、複数本の中空糸膜１の一端を注型剤で封止した封止部４ａと、もう一端が開口状態で注型剤により束ねられた封止部４ｂとにより、原液側流路と透過側流路との混合を防ぐ構造となっている。このような中空糸モジュールにおいては、製造時の中空糸束のハンドリング際に発生する中空糸の損傷を防ぐ必要がある。

そこで一般的には、中空糸の損傷を防ぐために、硬いネットでできたネット筒に中空糸を入れて中空糸膜の束とし、それらの端部を注型剤で一緒に固着している。硬いネットでできたネット筒を使用することで、中空糸膜や注型樹脂の重量がかかってもネット筒が変形しないため、ハンドリング時に中空糸に損傷を与えない。

また、複数本の中空糸膜を束ねる際に、その中空糸膜を複数に分割して束ねる複数の内層ネット筒と、その内層ネット筒の複数を束ねる外層ネット筒とを用いて、ネット筒による保持構造を二重構造にした中空糸膜モジュールも知られている（例えば、特許文献１〜２参照）。

特開平６−３４１号公報 特開平８−２０６４６８号公報

しかしながら、上記の公報に記載された内層ネット筒と外層ネット筒とは、特に厚み等をそれぞれ相違させたものでないため、保持構造を二重構造にする利点が十分得られなかった。例えば、両者のネット筒の剛性を共に高めた場合には、内部の中空糸膜の動きに追従することができないため、ハウジングの側面に設けた原液排出口付近に高流量が生じると、流体の流れの勢いが中空糸膜を強い力で動かして内層ネット筒に衝突させ、中空糸膜が破損する場合があることが判明した。

また、両者のネット筒の剛性を共に低くした場合には、原液排出口付近に高流量が生じると、中空糸膜の全体の動きが大きくなるため、封止部分との境界付近で中空糸膜が破損する場合がある。このような中空糸膜の破損が生じると、原液が透過液にリークし、透過液側の微粒子等の除去対象物質が増加して、分離阻止率が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、封止部分との境界付近における中空糸膜の破損を防止できると共に、ネット筒への中空糸膜の衝突による破損を防止できる中空糸膜モジュールを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の中空糸膜モジュールは、原液入口及び透過液出口を有するハウジングと、そのハウジング内に収容された複数本の中空糸膜と、その中空糸膜を複数に分割して束ねる複数の内層ネット筒と、その内層ネット筒の複数を束ねる単数又は複数の外層ネット筒と、少なくとも前記中空糸膜の一端側に設けられて原液側流路と透過側流路との混合を防ぐ封止部とを有する中空糸膜モジュールおいて、前記外層ネット筒は、厚みが１．０ｍｍを超えており、ネット糸径が０．９ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、前記内層ネット筒は、厚みが１．０ｍｍ以下であり、ネット糸径が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明の中空糸膜モジュールによると、外層ネット筒の厚みが１．０ｍｍを超えており、ネット糸径が０．９ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であるため、比較的剛性の高い外層ネット筒で中空糸膜の全体の動きを少なくできるので、封止部分との境界付近で中空糸膜が破損するのを効果的に防止できる。また、内層ネット筒の厚みが１．０ｍｍ以下であり、ネット糸径が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であるため、比較的剛性の低い内層ネット筒で中空糸膜が束ねられた構造となる。このため、内層ネット筒が内部の中空糸膜の動きに追従することができるので、原液排出口付近に高流量が生じる場合でも、流体の流れの勢いが中空糸膜を強い力で動かして内層ネット筒に衝突する際の衝撃が小さくなり、中空糸膜が破損するのを効果的に防止することができる。

上記において、前記封止部は、前記中空糸膜の一端が注型剤によって開口せずに封止されており、他端が開口状態で注型剤により封止されていることが好ましい。この構造では、中空糸膜の外側から原液を透過させることで、膜分離後の透過液を一端側に流動させて排出することができる。

また、前記外層ネット筒は、軸芯方向に延びるネット糸を有し、前記内層ネット筒は、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸が交差する形状であることが好ましい。内層ネット筒が、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸が交差する形状であると、曲げ力に対してより変形し易く、効果的に内層ネット筒が内部の中空糸膜の動きに追従できるので、内層ネット筒に衝突する際の衝撃をより小さくすることができる。また、外層ネット筒が軸芯方向に延びるネット糸を有することで、曲げ力に対してより変形し難くなり、外層ネット筒で中空糸膜の全体の動きを少なくできるので、封止部分との境界付近で中空糸膜が破損するのをより効果的に防止できる。

また、外層ネット筒と内層ネット筒の少なくとも一端は、前記封止部に埋設されていることが好ましい。外層ネット筒の端部が前記封止部に埋設されていると、封止部との境界付近において、外層ネット筒が変位することなく、内層ネット筒と中空糸膜を内部に保持できるため、封止部分との境界付近で中空糸膜が破損するのをより効果的に防止できる。また、内層ネット筒の端部が前記封止部に埋設されていると、封止部との境界付近において、内層ネット筒が変位することなく、中空糸膜を内部に保持できるため、こすれ等による中空糸膜の損傷を防止することができる。

また、前記外層ネット筒の開口率が６０％以上９０％以下であり，前記内層ネット筒の開口率が６５％以上９５％以下であることが好ましい。これらの開口率により、原液の流動性とネット剛性のバランスを良好にすることができる。

本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す縦断面図。 本発明の中空糸膜モジュールの要部の一例を示す図であり、（ａ）はネット筒の右側面図、（ｂ）は外層ネット筒の斜視図、（ｃ）は内層ネット筒の斜視図。 本発明の中空糸膜モジュールのネット筒の他の例を示す右側面図。 本発明の中空糸膜モジュールのネット筒のネット形状の他の例を示す平面図。 実施例及び比較例の結果を示すグラフ。 従来の中空糸膜モジュールの一例を示す縦断面図。

本発明の中空糸膜モジュールは、図１に示すように、原液入口１２及び透過液出口１４を有するハウジング１０と、そのハウジング１０内に収容された複数本の中空糸膜１と、その中空糸膜１を複数に分割して束ねる複数の内層ネット筒２と、その内層ネット筒２の複数を束ねる単数又は複数の外層ネット筒３と、少なくとも前記中空糸膜の一端側に設けられて原液側流路と透過側流路との混合を防ぐ封止部４とを有する。本実施形態では、封止部４が、中空糸膜１の一端が注型剤によって開口せずに封止された封止部４ａと、他端が開口状態で注型剤により封止された封止部４ｂとを含む例を示す。

ハウジング１０は、複数本の中空糸膜１を収容するものであり、例えば図１に示すように、筒状の胴部１１と、その両端に設けたキャップ部１５，１６を備えている。また、キャップ部１５には、原液入口１２が設けられ、キャップ部１６には、透過液出口１４が設けられ、胴部１１は濃縮された原液の出口１３が設けられている。ハウジング１０の材質としては、不純物や粒子等の溶出などの問題が生じなければ、何れの材料も使用可能であるが、例えば塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂などが挙げられる。

中空糸膜１としては、精密ろ過膜、限外ろ過膜、逆浸透膜、透析膜などが挙げられ、その用途や製法に応じた、孔径、外径、長さのものが使用できる。また、中空糸膜１の材質としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、フッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル−ポリアクリロニトリル共重合体、芳香族ポリアミド、酢酸セルロースなどが挙げられる。

内層ネット筒２は、中空糸膜１を複数に分割して束ねており、１つの内層ネット筒２によって束ねられる中空糸膜１の本数は４００〜６０００本が好ましく、４００〜４０００本がより好ましい。内層ネット筒２は、単数又は複数の外層ネット筒３により、その複数が束ねられているが、１つの外層ネット筒３により束ねられる内層ネット筒２の本数は１〜１２本が好ましく、１〜６本がより好ましい。内層ネット筒２全体による分割数としては、２〜１２分割が好ましく、２〜６分割がより好ましい。

本実施形態では、図２に示すように、１つの外層ネット筒３により、２つの内層ネット筒２が束ねられている例を示す。この例では、内層ネット筒２が半円形の断面となっているが、予めこのような形状に内層ネット筒２を形成いてもよく、円形断面の内層ネット筒２を外層ネット筒３に挿入する際に変形させてもよい。

また、図示した例では、外層ネット筒３と内層ネット筒２の両端が、封止部４に埋設されている。また、外層ネット筒３は、軸芯方向に延びるネット糸３ａを有し、内層ネット筒２は、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸２ａが交差する形状である例を示す。

この例では、外層ネット筒３は、軸芯方向に延びるネット糸３ａと、周方向に延びるネット糸３ｂとが、交差部で融着した構造を有する。

本発明では、外層ネット筒３の厚みが１．０ｍｍを超えており、好ましくは厚みが１．１〜５．０ｍｍであり、より好ましくは厚みが１．５〜３．５ｍｍである。また、外層ネット筒３のネット糸径が０．９ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、好ましくは１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

本発明において、「ネット糸」とは、ネットを構成する線状部材を指し、その断面は円形に限らず、三角形、四角形などの多角形、楕円形など何れでもよい。また、交差するネット糸同士は、一体に形成されているのが好ましいが、交差部分は固着されていても、固着されていなくてもよい。また、「ネット糸径」とは、ネットを構成する線状部材の断面における最大長さを指し、例えば、楕円形断面の場合、長径がネット糸径に相当する。

外層ネット筒３の開口率は６０〜９０％であることが好ましく、８０〜９０％であることがより好ましい。ここで、「開口率」とは、平面視において投影されたネット糸の存在しない部分の面積から求められる比率をいう。

外層ネット筒３の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイドポロフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ナイロンを主原料とするものが挙げられる。

本発明では、内層ネット筒２の厚みが１．０ｍｍ以下であり、好ましくは厚みが０．２〜０．９ｍｍであり、より好ましくは厚みが０．３〜０．８ｍｍである。また、内層ネット筒２のネット糸径が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。内層ネット筒２の開口率が６５〜９５％であることが好ましく、８５〜９５％であることがより好ましい。

内層ネット筒２の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイドポロフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ナイロンを主原料とするものが挙げられる。

封止部４ａと封止部４ｂとは、注型樹脂等の注型剤により封止されている。注型樹脂としては、中空糸膜束１が封止可能な材料であれば何れでもよいが、中空糸膜束１の一端を確実に封止する観点から、特に、ウレタン樹脂及びエポキシ樹脂の少なくとも一方を主成分とすることが好ましい。

（他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、１つの外層ネット筒３により、２つの内層ネット筒２が束ねられている例の例を示したが、本発明では、図３に示すように、種々の形態をとることができる。内層ネット筒２の縦断面形状としては、半円、扇形、更に丸みを帯びた形状など何れでもよい。

例えば、図３（ａ）に示すように、２つの外層ネット筒３により、それぞれ２つの内層ネット筒２が束ねられているもの、図３（ｂ）に示すように、２つの外層ネット筒３により、それぞれ３つの内層ネット筒２が束ねられているもの、図３（ｃ）に示すように、４つの外層ネット筒３により、それぞれ２つの内層ネット筒２が束ねられているもの、などでもよい。

（２）前述の実施形態では、封止部４が、中空糸膜１の一端が注型剤によって開口せずに封止された封止部４ａと、他端が開口状態で注型剤により封止された封止部４ｂとを含む例を示したが、本発明では、Ｕ字型の中空糸膜１を用いることで、開口せずに封止された封止部４ａを不要とした構造であってもよい。

また、開口せずに封止された封止部４ａの代わりに、両側端部を、開口状態で注型剤により封止された封止部４ｂとすることで、中空糸膜１の両端が開口状態で注型剤により封止された封止部４を設けてもよい。

その場合、ハウジング１０内の両側において、両側の封止部４が水密に保持されて、キャップ部１５が閉じた空間に形成され、胴部１１に原液入口１２を設けた構造とすることにより、図１に示す中空糸膜モジュールと同等に機能させることができる。

また、キャップ部１５の原液入口１２から、中空糸膜１の内部に原液を流入させて膜分離を行なうことにより、内圧型の中空糸膜モジュールを構成することも可能である。その場合、濃縮液の出口が透過液の出口となる。

（３）前述の実施形態では、外層ネット筒３と内層ネット筒２の両端が、封止部４に埋設されている構造の例を示したが、本発明では外層ネット筒３と内層ネット筒２のいずれか一方のみが封止部４に埋設されている構造でもよい。また、外層ネット筒３と内層ネット筒２の一端のみが、封止部４に埋設されている構造であってもよい。

（４）前述の実施形態では、外層ネット筒３は、軸芯方向に延びるネット糸３ａを有し、内層ネット筒２は、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸２ａが交差する形状である例を示したが、図４に示すように、本発明ではネット筒が種々の形態をとることができる。ネット筒の開口形状としては、三角形、四角形（菱形、正方形、長方形、平行四辺形等）、六角形などが挙げられる。

例えば、図４（ａ）に示すものは、外層ネット筒３が軸芯方向に延びるネット糸３ａと、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸３ｃとが、交差部で融着した構造を有する。内層ネット筒２は、周方向に対して傾斜した方向に交差して延びるネット糸２ａと、周方向に対して延びるネット糸２ｂｃとが、交差部で融着した構造を有する。

図４（ｂ）に示すものは、外層ネット筒３が軸芯方向に延びるネット糸３ａと、周方向に対して傾斜した方向にジグザグに延びるネット糸３ｃとが、交差部で融着した構造を有する。内層ネット筒２は、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸２ａが、交差部で融着した構造を有する。

図４（ｃ）に示すように、外層ネット筒３が軸芯方向に延びるネット糸３ａと、周方向に対して傾斜した方向に交差して延びるネット糸３ｃとが、交差部で融着した構造を有する。内層ネット筒２は、周方向に沿って延びる２種のネット糸２ｃが、交差部で融着して六角形の開口を形成した構造を有する。

以下、本発明を具体的に示す実施例等について説明する。

実施例１
図３（ａ）に示すように、半円柱の外層ネット筒を２本と、これを各２分割し全体で４分割されるように内層ネット筒を準備した。外層ネット筒は、ポリプロピレン製で、形状は図２（ｂ）、厚み２．５ｍｍ、軸芯方向のネット糸径１．５ｍｍ、周方向のネット糸径１．１〜１．６ｍｍ、開口率８４％であり、内層ネット筒は、ポリプロピレン製で、形状は図２（ｃ）、厚み０．７ｍｍ、軸芯方向に傾斜したネット糸径０．２８〜０．４０ｍｍ、開口率９１％であった。

外径１．２ｍｍのポリスルホン系中空糸膜の総数１０８００本を４分割して、内層ネット筒で束ねた後に、これを外層ネット筒に挿入して、両者のネット筒と共に注型剤（エポキシ樹脂）を用いて、片端を開口させずに封止し、もう片端を開口した状態で封止した後、長さ１２８４ｍｍ、内径１６０ｍｍφの筒状ハウジング内に収容した。

得られた中空糸膜モジュールに対して、ハウジング側面に設置されている原液出口ポートのみに６ｍ^３／ｈｒの流量で通水を行い、通水／停止の繰り返し運転を行い、中空糸膜の破断の発生を評価した。その結果を、図５に示す。

比較例１
実施例１において、内層ネット筒を設けずに、同数の中空糸膜を２分割して外層ネット筒により束ねた構造とした以外は、実施例１と全く同様にして中空糸膜モジュールを作製した後、評価した。その結果を、図５に示す。

図５に示した結果から明らかなように、比較例１のモジュールでは１２，０００回で中空糸膜の破断が確認できたのに対して、実施例１のモジュールでは２８，０００回でも中空糸膜の破断は確認できなかった。このことより中空糸膜の破断に対する耐久性は本発明によって２倍以上になることがわかった。
比較例２
実施例１において、外層ネット筒と同じネットを用いて、内層ネット筒と外層ネット筒とを作製した以外は、実施例１と全く同様にして中空糸膜モジュールを作製した後、評価した。その結果、１０００回で中空糸膜の破断が確認できた。破断部を確認すると、内層ネット筒と中空糸膜との衝突による中空糸膜の傷、破断が主な原因であることが分かった。

比較例３
実施例１において、内層ネット筒と同じネットを用いて、内層ネット筒と外層ネット筒とを作製した以外は、実施例１と全く同様にして中空糸膜モジュールを作製した後、評価した。その結果、３０００回で中空糸膜の破断が確認できた。破断部を確認すると、中空糸膜と封止部との境界付近において中空糸膜の自重による引張りの力と通水時の中空糸膜束の振動によるファイバーの破断が主な原因であることが分かった。

１ 中空糸膜
２ 内層ネット筒
３ 外層ネット筒
４ 封止部
１０ ハウジング
１１ 原液入口
１２ 透過液出口

Claims (5)

1. 原液入口及び透過液出口を有するハウジングと、そのハウジング内に収容された複数本の中空糸膜と、その中空糸膜を複数に分割して束ねる複数の内層ネット筒と、その内層ネット筒の複数を束ねる単数又は複数の外層ネット筒と、少なくとも前記中空糸膜の一端側に設けられて原液側流路と透過側流路との混合を防ぐ封止部とを有する中空糸膜モジュールおいて、
   前記外層ネット筒は、厚みが１．０ｍｍを超えており、ネット糸径が０．９ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、
   前記内層ネット筒は、厚みが１．０ｍｍ以下であり、ネット糸径が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記封止部は、前記中空糸膜の一端が注型剤によって開口せずに封止されており、他端が開口状態で注型剤により封止されている請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記外層ネット筒は、軸芯方向に延びるネット糸を有し、前記内層ネット筒は、周方向に対して傾斜した方向に延びるネット糸が交差する形状である請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 前記外層ネット筒と前記内層ネット筒の少なくとも一端は、前記封止部に埋設されている請求項１〜３いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記外層ネット筒の開口率が６０％以上９０％以下であり、前記内層ネット筒の開口率が６５％以上９５％以下である請求項１〜３いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
   

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