JP6452049B2 - 円形断面を有する流路で構成される流動分別型孔拡散膜分離用モジュール。 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
されていた。該透析法では物質の膜への溶解とそれに引き続く膜の実体部での拡散(溶解・拡散機構と略称)が利用される。溶解・拡散機構では大量処理を連続的なプロセスで実用化された例はほとんどない。実用化されない最大の理由は分離速度がろ過の場合の1000分の1以下であることによる。溶解・拡散機構のこの欠点を解消した膜分離技術として新たに孔拡散法が提案された(特許文献1および非特許文献1)。
膜間差圧を膜全域にわたって均等に0.2気圧以下、望ましくは0.1気圧以下に維持しつつ所定のひずみ速度を与えることが可能なモジュールであることが必要である。膜への負荷圧力が局所的にも0.2気圧を超える可能性が否定できるモジュール形状が必要である。
すなわち
(1)モジュールの使用目的が物質の濃縮目的か除去目的かによって最適な平均孔径を選定すべきである。
モジュールとしての処理速度は平膜の孔特性のみで決まるのではなく主として膜間差圧が支配する。除去目的の場合には該平均孔径への要求は除去すべき物質で定められる。たとえばウイルス除去では平均孔径は80 nm、細菌除去では600 nm、プリオン除去では35 nmなどである。除去目的では膜厚はやや厚めに設定する(例、75 μm)。ひずみ速度は50 /秒以上
(2)空孔率は60 %以上の大きで設計する。
孔拡散による物質輸送速度は空孔率に比例するので空孔率は大きければ大きいほど望ましい。膜ろ過と異なり膜に負荷する力学的な応力(膜間差圧)は小さいため空孔率への上限の設定の必要性は少ない。
(3)平膜の物理的な見掛けの膜厚は200 μm以下である。
平膜が2種以上の構造体で形成されている(すなわち複合体膜を形成している)場合には該見掛けの膜厚は物質輸送に支配的でない部分も厚さに寄与している。この部分を含めて平膜の物理的な見掛けの膜厚と定義する。孔拡散では濃度勾配が物質輸送で重要な駆動力となるため見掛けの膜厚は薄ければ薄いほど望ましい。また平膜の表面とは面内で定義される平均孔径(電子顕微鏡観察より評価される)の小さい側の表面を平膜の表面と定義する。複合体膜の場合には膜厚は表面の膜厚を意味する。
(2)流路内に液体が充填去れた際に発生する重力と力学的に釣り合う張力を分担する支持体と膜との接着方法が従来のモジュールでは付加できない。モジュール作製でのこの問題を以下のように解決した。まず平膜の幅を[(一次側の流路の直径)x (円周率) + 短冊状の支持体の幅x2]とし長さを流路長さに切りだす。切り出された平膜の両端面の裏面に2本の短冊状の支持体を密着させて接着する。該流路の棒に該平膜を巻き付け円形断面の形状を記憶させつつ2本の支持体を接着剤を用いて密着させることにより一本の短冊状の支持体が作製される。
切り出された該平膜を直径5mm ポリ四弗化エチレン棒(長さ65 cm)に仮に巻き付ける。巻き付けた履歴を経た平膜の裏面の端部に沿ってウレタン系の接着剤(二液性)を用い2枚の支持体を幅16mm隔てて平行に接着させる。2枚の支持体を接着固定された平膜を、膜表面を内壁面になるように前述のポリ四弗化エチレン棒に巻き付け2枚の支持体を密着させその間をウレタン系の接着剤で
接着固定後、ポリ四弗化エチレン棒を抜き取ることにより図1の円形断面を持つ流路を構成する平膜が作製できる。図1の4には支持体であるポリカーボネート製の短冊状板で挟まれた2枚の平膜1、層流の流路となるbの内壁部は3の平膜aの表面、2は壁部の外壁となる平膜aの裏面でbの直径は5mmである。層流の流路bの長さは50cm流路の両端5は層流準備域となる。5の長さは5cmであり、この部分の円筒の素材としては、aの平膜を接着剤で固めるか、外径5mmの薄いガラス管あるいはプラスチック製のパイプを利用する。平膜を孔拡散で通過した処理水は円筒状の容器7内に集められる。該容器の内径は18 mmでポリカーボネート製である。処理水の取り出し口8を2箇所有する。容器7の両端6はシリコン系の充填剤で流路bを固定している。
流れる液体の流動の駆動力となる水位差、h1;モジュールM1の膜間差圧の平均値を与える水位、h2;モジュールM2の膜間差圧の平均値を与える水位、M1;1段目の分画工程で使用されるモジュール、水平面に対して約30度の角度で設置され1次側液体は下部より上部に向かって流動する、M2;2段目の分画工程で使用されるモジュール、P;濃縮用タンク内の被処理溶液をヘッダー1に輸送するためのポンプ。
Claims (4)
- 孔拡散膜分離モジュールにおいて、被処理対象液の流路に沿って層流準備域と孔内拡散域(孔拡散領域と略称)とを有し、該孔拡散領域は下記特徴を有しかつ該孔拡散領域の壁面が平膜の二端部の接着部以外はすべて平膜表面で構成され、かつ該壁の流路方向に垂直な該流路の断面の形状が円形であり、かつ該壁が円周状に組み立てられた平膜と該壁の外表面に密着して流路方向に延びる少なくとも1個の支持体とで構成されることを特徴とする流動分別型孔拡散膜分離用モジュール。
孔拡散領域の特徴
流路の形状;流れが層状になるための1次側の液体を膜表面に平行となる流路形状でかつ層流準備域と孔拡散領域との長さ(L)は100 mm以上で1500 mm以下で該流路の内径(D)は2 mm以上で20 mm以下である。
流動条件;膜間差圧が0.1気圧以下、膜表面での被処理液体のひずみ速度が10/秒以上、被処理液体の膜表面上の流れが層流である条件。
平膜の表面特性;高分子多孔膜の平膜、膜の平均孔径は除去すべき物質で定まる、膜厚は250μm以下、空孔率は50 %以上、膜表面の平滑度が10μm以下、水膨潤度は2%以下、水中でのバブルポイントは0.1気圧以上。 - 請求項1において平膜は高分子多孔膜あるいは高分子繊維の不織布であり、該平膜の表面の平滑度が10μm以下であり、かつ支持体は長さが孔拡散領域の該流路の長さに相当し、支持体の形状が短冊状でその厚さが0.5 mm以上で4mm以下、幅1 mm以上8 mm以下の疎水性高分子で作製され、かつ該高分子のガラス転移温度が40 ℃以上の無定形高分子であるか
あるいは融点が120℃以上の結晶性高分子であることを特徴とするモジュール。 - 請求項1あるいは2において、平膜はその平均孔径が10nm以上で5μm以下でかつ膜厚が250μm以下で10μm以上であり空孔率が50 %以上で水中でのバブルポイントが0.1気圧以上でありセルロース系の高分子で作製されたことを特徴とするモジュール。
- 請求項1あるいは2あるいは3において、被処理対象液の孔拡散領域の流路は、内径(D)が2 mm以上で10 mm以下で、流路長さ(L)が100 mm以上で1000 mm以下でかつL/Dが20以上で500以下であることを特徴とするモジュール。
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