JP6941559B2

JP6941559B2 - 膜エレメントおよび膜分離機器

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Publication number: JP6941559B2
Application number: JP2017252741A
Authority: JP
Inventors: 茂之森; 好男松崎; 前田　潤; 潤前田; 泰弘大川
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: JP2019118841A

Description

本発明は、例えば膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）と称される分野で汚泥と処理水との分離のために用いられる膜エレメントおよび膜エレメントを備えた膜分離機器に関するものである。

従来、この種の膜エレメントとしては、例えば図９に示すように、樹脂製のろ板１０１の両面にろ過膜１０２を接合したものがあり、ろ過膜１０２の周縁部１０２ａが熱溶着又は超音波溶着によってろ板１０１に固着されている。ろ板１０１とろ過膜１０２との間およびろ板１０１の内部には透過液流路（図示省略）が形成され、透過液流路に連通する透過液取出口１０３がろ板１０１の上端縁に設けられている。

図１０の実線で示すように、上記のような膜エレメント１０４は、膜ケース（図示省略）内に、所定間隔おきに複数配列されている。

これによると、ろ過運転を行っている際、被処理液は、ろ過膜１０２を一次側から二次側へ通過してろ過され、その後、透過液１０５として透過液流路を流れ、透過液取出口１０３から外部へ取り出される。また、ろ過運転を停止し、膜エレメント１０４を逆洗する際、逆洗用水を透過液取出口１０３から透過液流路に注入する。これにより、逆洗用水がろ過膜１０２を二次側から一次側へ通過し、ろ過膜１０２が逆洗される。

このような膜エレメント１０４では、ろ過膜１０２の全体がろ板１０１に固着しているのではなく、ろ過膜１０２の周縁部１０２ａのみがろ板１０１に溶着されているため、ろ過膜１０２を逆洗している際、図１０の仮想線で示すように、ろ過膜１０２が外向き（一次側）に膨出し、隣の膜エレメント１０４のろ過膜１０２と接触することがあった。このように、隣り同士の膜エレメント１０４のろ過膜１０２が膨出して接触してしまうと、逆洗の効果が低下する虞があった。また、長期にわたり二次側へ逆洗用水を導入することで、ろ過膜１０２が外向きに膨出し、ろ過膜１０２の周縁部１０２ａの溶着部分が開口する虞があった。

このような問題を解決するために、図１１に示すように、第一ろ過膜１１１と、第二ろ過膜１１２と、これら両ろ過膜１１１，１１２の間に設けられた排液織布１１３と、第一ろ過膜１１１と排液織布１１３とを接着する第一接着性ネット１１４と、第二ろ過膜１１２と排液織布１１３とを接着する第二接着性ネット１１５とを有する膜エレメント１１６がある。尚、排液織布１１３は、ループを形成するように編んだ三次元構造のスペーサ布地（スペーサーファブリック）である。

第一ろ過膜１１１と第二ろ過膜１１２との間に排液織布１１３と接着性ネット１１４，１１５とを積層して、加熱ロールで圧延することにより、接着性ネット１１４，１１５が一時的に融解し、第一接着性ネット１１４を介して第一ろ過膜１１１と排液織布１１３とが接着されるとともに、第二接着性ネット１１５を介して第二ろ過膜１１２と排液織布１１３とが接着され、膜エレメント１１６が完成する。

尚、上記のような膜エレメント１１６は例えば下記特許文献１に記載されている。

また、下記特許文献２には、溶剤に溶かした液状の膜材料樹脂（以下「ドープ」と言う）を、スペーサーファブリックの片側又は両側の面（フェース）に直接塗布し、相分離法によってろ過膜層をスペーサーファブリックのフェース上に形成することが記載されている。

特表２０１１−５１９７１６ＷＯ２００６／０１５４６１Ａ１

しかしながら上記特許文献１に挙げた従来形式では、図１１に示したように、膜エレメント１１６を製作するには、排液織布１１３とろ過膜１１１，１１２と接着性ネット１１４，１１５とが必要になるため、膜エレメント１１６を構成する部品の種類が増えるといった問題がある。

また、上記特許文献２については、スペーサーファブリックの内部空間はろ過膜層を透過した透過液の通り道となるのであるが、ドープをスペーサーファブリックのフェースに直接塗布した際、ドープの粘性が低いと、ドープがスペーサーファブリックの内部空間に侵入して固化し、スペーサーファブリックの内部における透過液の流れが妨げられる虞がある。

本発明は、構成部品の種類を減らすことが可能な膜エレメントおよび膜分離機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明における膜エレメントは、流路材の少なくとも片面にろ過膜が接合され、
流路材は、多数の繊維を有する不織布からなり、繊維間に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有し、
流路材を構成する繊維のうちの一部の繊維はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
流路材の表面において、ろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有する繊維に、この繊維の軟化点よりも高い軟化点を有する繊維が混ざっているものである。

これによると、流路材上にろ過膜を配置し、流路材を形成している不織布の一部の繊維の軟化点以上の温度に加熱することによって、流路材を構成する繊維のうちの一部の繊維が軟化してろ過膜に絡み付くため、ろ過膜が流路材に接合される。このように、流路材とろ過膜とで膜エレメントを製作することができるため、接着性ネット等の接着専用の部材を流路材とろ過膜との間に介在させる必要が無く、膜エレメントを構成する部品の種類を減らすことができる。

また、上記のように加熱温度を、ろ過膜の軟化点の温度よりも低く、流路材の不織布の一部の繊維の軟化点以上の温度にしているため、ろ過膜が軟化してろ過膜の孔径分布が変化してしまうのを防止することができる。

本第２発明における膜エレメントは、流路材は、表面に、ろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有する第１の繊維を有するとともに、内部に、第１の繊維の軟化点よりも高い軟化点を有する第２の繊維を有するものである。

これによると、流路材の表面にろ過膜を配置し、流路材の表面の第１の繊維の軟化点以上の温度に加熱することによって、流路材の表面の第１の繊維が軟化してろ過膜に絡み付くため、ろ過膜が流路材の表面に接合される。

この際、流路材の内部にある第２の繊維の軟化点は流路材の表面の第１の繊維の軟化点よりも高いため、第２の繊維が軟化するのを防止することができる。これにより、第２の繊維が軟化して流路材の厚さが大幅に減少してしまうのを抑制することができる。

本第３発明における膜エレメントは、流路材を構成する不織布の繊維の表面はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
流路材を構成する不織布の繊維の内部は表面の軟化点よりも高い軟化点を有するものである。
これによると、流路材の表面にろ過膜を配置し、流路材の繊維の表面の軟化点以上の温度に加熱することによって、流路材の繊維の表面が軟化してろ過膜に絡み付くため、ろ過膜が流路材の表面に接合される。

この際、流路材の繊維の内部の軟化点は繊維の表面の軟化点よりも高いため、繊維全体が軟化するのを防止することができる。これにより、繊維全体が軟化して流路材の厚さが大幅に減少してしまうのを抑制することができる。

本第４発明における膜エレメントは、ろ過膜が流路材の表裏両面に接合されたものである。

本第５発明における膜エレメントは、ろ過膜はＰＴＦＥを材質とする多孔膜を有するものである。

本第６発明は、上記第１発明から第５発明のいずれか１項に記載の膜エレメントを備えた膜分離機器であって、
複数の膜エレメントを支持する支持部材を備え、
支持部材は内部に集水空間を有し、
各膜エレメントの端部が集水空間に挿入され、
透過液が流路材の空隙を通って支持部材の集水空間に流れ込むものである。

これによると、膜分離機器を被処理液中に浸漬させた状態で、ろ過運転を行うことにより、被処理液は、膜エレメントのろ過膜を一次側から二次側へ通過してろ過され、その後、透過液として、流路材の内部の微小な空隙に流れ込み、流路材内の微小な空隙を通って、支持部材の集水空間に流出する。

以上のように本発明によると、流路材とろ過膜とで膜エレメントを製作することができるため、接着性ネット等の接着専用の部材が不要になり、膜エレメントを構成する部品の種類を減らすことができる。

本発明の第１の実施の形態における複数台の膜分離機器を用いた膜分離装置の正面図である。同、膜分離機器の斜視図である。同、膜分離機器の断面図である。同、膜分離機器の膜エレメントの構成を示す一部切欠き斜視図である。同、膜エレメントの断面を拡大した模式図である。同、膜エレメントの流路材の一部拡大斜視図である。本発明の第２の実施の形態における膜エレメントの断面を拡大した模式図である。本発明の第３の実施の形態における膜エレメントの流路材の繊維の断面を拡大した模式図である。従来の膜エレメントの正面図である。同、膜エレメントの側面図であり、複数の膜エレメントを所定間隔おきに配置した状態を示す。別の従来の膜エレメントの構成を示す一部切欠き斜視図である。

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、図１に示すように、１は膜ろ過を行う浸漬型の膜分離装置であり、有機性排水等の被処理液２に浸漬されて処理槽３内に設置されている。膜分離装置１は、上下方向に積み重ねられた複数台の膜分離機器５（膜ろ過モジュールとも言う）と、最下段に設けられた散気装置６とを有している。

図２，図３に示すように、膜分離機器５は、左右一対の集水ケース１１（支持部材の一例）と、これら両集水ケース１１間に支持されている複数の膜エレメント１２と、前後一対の連結板１３とを有している。集水ケース１１は内部に集水空間１５を有する中空状の部材である。また、連結板１３は両集水ケース１１の前端部間および後端部間にそれぞれ設けられている。

尚、下位の膜分離機器５の集水ケース１１内の集水空間１５と上位の膜分離機器５の集水ケース１１内の集水空間１５とは、各集水ケース１１に形成された連通口１６によって連通している。

集水ケース１１の内側壁１７には、上下方向に細長い複数の貫通孔が形成され、各膜エレメント１２の左右両端部が各貫通孔に挿入されて集水空間１５内に突入している。

図４，図５に示すように、膜エレメント１２は、例えば四角形のシート状の部材であり、流路材２１と、流路材２１の表裏両面に接合されたろ過膜２２とを有している。

図６に示すように、流路材２１は、多数の繊維２４を有する不織布からなり、蜘蛛の巣のように複雑に絡み合った繊維２４間に、ろ過膜２２を透過した透過液３３が流れる微小な空隙３２を有している。流路材２１の繊維２４はろ過膜２２の軟化点Ｔ１よりも低い軟化点Ｔ２を有している。

尚、軟化点とは、樹脂等が軟化して変形するときの温度であり、例えば、流路材２１の繊維２４の材質には、約５５℃〜９０℃の軟化点Ｔ２を有するエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が用いられている。

また、流路材２１の坪量は例えば３００〜６００ｇ／ｍ^２であり、その厚さは例えば１〜３ｍｍである。

ろ過膜２２は、多数の微細孔を有する多孔質の樹脂層２２ａ（多孔膜）を外面側に有するとともに、この樹脂層２２ａを支持する不織布等の樹脂層支持体２２ｂを内面側に有している。上記多孔質の樹脂層２２ａには、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が用いられている。また、樹脂層支持体２２ｂの材質には、例えば、２６０℃〜２８０℃の軟化点Ｔ１（樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１）を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）が用いられている。

以下、上記構成における作用を説明する。

膜エレメント１２を製作する際、一対のろ過膜２２間に流路材２１を挟んで配置し、これら流路材２１と両ろ過膜２２との３つの部材を、上下一対の加熱ロール間に挿通して、圧縮しながら加熱する。

この際、流路材２１を形成している繊維２４の温度が軟化点Ｔ２（すなわち５５℃〜９０℃）に到達するように加熱することにより、流路材２１の繊維２４が軟化してろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂに絡み付くため、ろ過膜２２が流路材２１の表裏両面に接合される。尚、実際には、圧延時に、熱は上下の加熱ロールからろ過膜２２を介して繊維２４に伝わるため、加熱温度はＴ２よりも高い１００℃〜１４０℃が用いられる。

この時、ろ過膜２２は、流路材２１の繊維２４と接触している多数の接触点において、接合される。また、上記のように加熱温度を、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１の温度（すなわち２６０℃〜２８０℃）と流路材２１の繊維２４の軟化点Ｔ２の温度（すなわち５５℃〜９０℃）との間にしているため、ろ過膜２２が軟化するのを防止することができる。これにより、ろ過膜２２の孔径分布が変化したり、ろ過膜２２に皺が生じるのを防ぐことができる。
このように、流路材２１とろ過膜２２とで膜エレメント１２を製作することができるため、接着性ネット等の接着専用の部材を流路材２１とろ過膜２２との間に介在させる必要が無くなり、膜エレメント１２を構成する部品の種類を減らすことができる。尚、上記のように流路材２１とろ過膜２２とを加熱ロールで加熱する際の温度は１００℃〜１４０℃、好ましくは１１５℃〜１２５℃である。

また、本発明の膜エレメント１２は加熱することによってろ過膜２２を流路材２１に融着しており、従来のように溶剤に溶かしたドープをスペーサーファブリックのフェースに直接塗布してろ過膜層を形成するものではないため、透過液３３の通り道となる流路材２１内の微小な空隙３２（内部空間）に、ドープが侵入して固化することはない。

このようにして製作された可撓性を有する膜エレメント１２が備えられた膜分離機器５を、図１〜図３に示すように、被処理液２中に浸漬した状態で、ろ過運転を行う。これにより、被処理液２は、膜エレメント１２のろ過膜２２を一次側から二次側へ通過してろ過され、その後、透過液３３として、流路材２１の内部の微小な空隙３２に流れ込み、流路材２１内の微小な空隙３２を通って集水ケース１１内の集水空間１５に流出し、連通孔１６を通って最上位の膜分離機器５の集水ケース１１内から槽外へ取り出される。

上記第１の実施の形態では、流路材２１の繊維２４の材質に、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）等を用いてもよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図７に示すように、流路材２１は、表裏両面に、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１よりも低い軟化点Ｔ３を有する多数の第１の繊維４１を備えているとともに、内部に、第１の繊維４１の軟化点Ｔ３よりも高い軟化点Ｔ４を有する多数の第２の繊維４２を備えている。

第１の繊維４１の材質には、例えば、約５５℃〜９０℃の軟化点Ｔ３を有するエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が用いられている。また、第２の繊維４２には、例えば、２６０℃以上の軟化点Ｔ４を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）が用いられている。

尚、流路材２１は、第２の繊維４２からなる不織布４２Ａの表裏両面に第１の繊維４１を吹き付けて第１の繊維４１の層４１Ａを形成することにより、一枚のシート状の部材に製作される。

以下、上記構成における作用を説明する。

この際、流路材２１の表裏両面の第１の繊維４１が軟化点Ｔ３（すなわち５５℃〜９０℃）に到達するように加熱することにより、流路材２１の第１の繊維４１が軟化してろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂに絡み付くため、ろ過膜２２が流路材２１の表裏両面に接合される。

この時、ろ過膜２２は、流路材２１の第１の繊維４１と接触している多数の接触点において、接合される。また、上記のように加熱温度を、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１（すなわち２６０℃〜２８０℃）と流路材２１の第１の繊維４１の軟化点Ｔ３（すなわち５５℃〜９０℃）との間にしているため、ろ過膜２２が軟化するのを防止することができる。

さらに、流路材２１の内部にある第２の繊維４２の軟化点Ｔ４は流路材２１の表裏両面の第１の繊維４１の軟化点Ｔ３よりも高い温度であるため、第２の繊維４２が軟化するのを防止することができる。これにより、第２の繊維４２が軟化して流路材２１の厚さが大幅に減少してしまうのを抑制することができる。

上記第２の実施の形態では、流路材２１の表裏両面に、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１よりも低い軟化点Ｔ３を有する第１の繊維４１の層を備えているが、第１の繊維４１の層に、軟化点Ｔ３よりも高い軟化点を有する繊維（例えば材質がポリエチレンテレフタラートの繊維）を所定の割合で混在させてもよい。

これよると、膜エレメント１２を製作する際、一対のろ過膜２２間に流路材２１を挟んで配置し、第１の繊維４１の軟化点Ｔ３の温度に加熱した場合、流路材２１の表裏両面が溶けてろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの繊維間の空隙および樹脂層２２ａの微細孔を塞いでしまうのを抑制することができる。

上記第２の実施の形態では、流路材２１の第１の繊維４１の材質に、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）等を用いてもよい。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、図８に示すように、流路材２１を構成する繊維２４は、芯鞘構造となっており、内部にある芯２４ａと、芯２４ａの外周を覆う表面の鞘２４ｂとを有している。鞘２４ｂは第１の樹脂で構成され、芯２４ａは第２の樹脂で構成されている。第２の樹脂で構成された芯２４ａの軟化点Ｔ６は第１の樹脂で構成された鞘２４ｂの軟化点Ｔ５よりも高い。

第１の樹脂の材質には、例えば、約５５℃〜９０℃の軟化点Ｔ５を有するエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が用いられている。また、第２の樹脂には、例えば、８０℃〜１２０℃以上の軟化点Ｔ６を有するポリエチレン（ＰＥ）が用いられている。

尚、流路材２１は、例えば金属製の二重管の内側から溶融したＰＥ樹脂を、外側から溶融したＥＶＡ樹脂を、同時に吹き出すことによって、芯２４ａがＰＥ、鞘２４ｂがＥＶＡで構成される繊維２４からなる一枚のシート状の接着性ネットに製作される。

以下、上記構成における作用を説明する。

この際、流路材２１の繊維２４の鞘２４ｂが軟化点Ｔ５（すなわち５５℃〜９０℃）に到達するように加熱することにより、流路材２１の繊維２４の鞘２４ｂが軟化してろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂに絡み付くため、ろ過膜２２が流路材２１の表裏両面に接合される。

この時、ろ過膜２２は、流路材２１の繊維２４と接触している多数の接触点において、接合される。また、上記のように加熱温度を、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１（すなわち２６０℃〜２８０℃）と流路材２１の繊維２４の鞘２４ｂの軟化点Ｔ５（すなわち５５℃〜９０℃）との間にしているため、ろ過膜２２が軟化するのを防止することができる。

さらに、流路材２１の繊維２４の芯２４ａを構成する第２の樹脂の軟化点Ｔ６は、上記繊維２４の鞘２４ｂを構成する第１の樹脂の軟化点Ｔ５よりも高い温度であるため、流路材２１の繊維２４が軟化するのを防止することができる。これにより、流路材２１の繊維２４が軟化して流路材２１の厚さが大幅に減少してしまうのを抑制することができる。

上記第３の実施の形態では、流路材２１は、ろ過膜２２の樹脂層支持体２２ｂの軟化点Ｔ１よりも低い軟化点Ｔ５を有する樹脂で覆われている繊維２４からなるが、この繊維２４に、軟化点Ｔ５よりも高い軟化点を有する繊維（例えば材質がポリエチレンの繊維）を所定の割合で混紡させてもよい。

これよると、膜エレメント１２を製作する際、一対のろ過膜２２間に流路材２１を挟んで配置し、流路材２１の繊維２４の鞘２４ｂの軟化点Ｔ５以上の温度に加熱した場合、鞘２４ｂが溶けて樹脂層支持体２２ｂの繊維間の空隙およびろ過膜２２の樹脂層２２ａの微細孔を塞いでしまうのを抑制することができる。

上記第３の実施の形態では、流路材２１の繊維２４の鞘２４ｂの材質にエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を、芯２４ａの材質にＰＥを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、鞘２４ｂの材質にポリエチレン（ＰＥ）やポリアクリル酸系樹脂等、芯２４ａの材質に共重合ポリエステル等を用いてもよい。

上記各実施の形態では、流路材２１の表裏両面にそれぞれろ過膜２２を接合しているが、ろ過膜２２を流路材２１の表裏いずれか一面に接合し、他面側を水密にしてもよい。

上記各実施の形態において、ろ過膜２２を接合する前の流路材２１に、成形時若しくは後加工で、左右方向（図２の両集水ケース１１間の方向）の溝又は切れ目を設け、透過液３３が集水ケース１１に向かって流れ易くしてもよい。

上記各実施の形態では、各軟化点Ｔ１〜Ｔ６を指標にしているが、軟化点Ｔ１〜Ｔ６の代わりに融点を指標にしてもよい。尚、融点を指標にする場合であっても、軟化点Ｔ１〜Ｔ６と同様の温度の高低関係が成立する。

また、上記各実施の形態において示したエチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリテトラフルオロエチレン等の材質および数値は、一例であって、これらに限定されるものではない。

５膜分離機器
１１集水ケース（支持部材）
１２膜エレメント
１５集水空間
２１流路材
２２ろ過膜
２４繊維
３２微小な空隙
３３透過液
４１第１の繊維
４２第２の繊維
Ｔ１ろ過膜の樹脂層支持体の軟化点
Ｔ２流路材の繊維の軟化点
Ｔ３第１の繊維の軟化点
Ｔ４第２の繊維の軟化点
Ｔ５繊維の鞘の軟化点
Ｔ６繊維の芯の軟化点

Claims

流路材の少なくとも片面にろ過膜が接合され、
流路材は、多数の繊維を有する不織布からなり、繊維間に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有し、
流路材を構成する繊維のうちの一部の繊維はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
流路材の表面において、ろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有する繊維に、この繊維の軟化点よりも高い軟化点を有する繊維が混ざっていることを特徴とする膜エレメント。
流路材は、表面に、ろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有する第１の繊維を有するとともに、内部に、第１の繊維の軟化点よりも高い軟化点を有する第２の繊維を有することを特徴とする請求項１記載の膜エレメント。
流路材を構成する不織布の繊維の表面はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
流路材を構成する不織布の繊維の内部は表面の軟化点よりも高い軟化点を有することを特徴とする請求項１記載の膜エレメント。
ろ過膜が流路材の表裏両面に接合されたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の膜エレメント。
ろ過膜はＰＴＦＥを材質とする多孔膜を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の膜エレメント。
上記請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の膜エレメントを備えた膜分離機器であって、
複数の膜エレメントを支持する支持部材を備え、
支持部材は内部に集水空間を有し、
各膜エレメントの端部が集水空間に挿入され、
透過液が流路材の空隙を通って支持部材の集水空間に流れ込むことを特徴とする膜分離機器。