JP6955301B2 - フィルタモジュールケース - Google Patents
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Description
フィルタモジュールは、例えば水中の細菌除去、食品加工、医療用水の製造、排水処理、混合ガスの分離、溶液の脱気、溶液の製造及び処理等、多岐にわたる用途で使用される。本実施形態に係るフィルタモジュール1(以下、単にモジュール1と称することがある)は、特に、有機溶剤を含む溶液の処理に好適に利用することができる。モジュール1は、その内部を流体が通過するように分離処理用ラインに接続されて、使用されることができる。
材料を温度20℃のPGMEAに30日間連続して浸漬したときの重量変化率を測定する。
材料を温度20℃のトルエンに30日間連続して浸漬したときの重量変化率を測定する。
本実施形態のモジュールケースには、多数の中空糸膜が束ねられて構成される中空糸膜束4が収容される。中空糸膜束4を構成する中空糸膜は、長手方向に貫通する貫通孔を有し、中空に形成されるとともに、内側に無数の細孔を有する。細孔の径は、流体から分離したい分子の径に応じて適宜形成されて良く、中空糸膜は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜のいずれであってもよい。本実施形態では、一次側ポート(片方の通路S2)を介してモジュール1内に流入した流体は、中空糸膜束4を構成する各中空糸膜の長手方向貫通孔(中空部分)に流入する。流入した流体の内、細孔を通り抜けることができる大きさの分子は、中空部分から細孔を介して中空糸膜を透過し、二次側ポートである通路S1からモジュール1の外部へと排出される。中空糸膜の細孔を通り抜けなかった分子は、二次側ポートとなる通路S2からモジュール1の外部へと排出される。
以下では、本実施形態のモジュール1の製造方法について説明する。図5は、モジュール1の製造方法の流れを示すフローチャートである。第1のステップST1では、分離処理する溶剤に耐性を有する樹脂材料から、ケーシング2及びキャップ3を成形する。ケーシング2及びキャップ3は、押出成形及び射出成形等、公知の方法で成形することができる。
(1)
上記実施形態のモジュール1によれば、第1接着剤により有機溶剤に耐性を有するシールを形成しつつ、第2接着剤により難接着性の材料で構成されるケーシング2とキャップ3をより確実に固定し、モジュールケースに加わる負荷が吸収される。これにより、ケーシング2、キャップ3及び中空糸膜束4を樹脂材料で構成することができ、有機溶剤に耐性を有するとともに比較的安価なフィルタモジュールを提供することができる。
上記実施形態のモジュール1によれば、ケーシング2とキャップ3との間のシール材として、別部材を用意する必要がないため、フィルタモジュールを部品点数が少ない簡易な構成とすることができる。
上記実施形態のモジュール1によれば、ケーシング2及びキャップ3の少なくとも一方を透明な材料で構成することができる。これにより、モジュール1の内部を視認することができ、フィルタの詰まり等が起こったとしても、容易にその発生を確認し、発生箇所を特定することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。また、以下の変形例の要旨は、適宜組み合わせることができる。
上記実施形態のモジュール1は、フィルタとして中空糸膜束4を使用していたが、フィルタはこれに限定されず、公知のフィルタであってもよい。例えば、シート状のメンブレンフィルタ、メッシュ状の金属フィルタ等を使用してもよい。
上記実施形態のモジュール1は、ケーシング2の外側周面20をキャップ3の内側周面33aが径方向外側から覆っていたが、図8に示すように、この位置関係は逆であってもよい。つまり、キャップ3の外側周面34をケーシング2の内側周面21が径方向外側から覆うように、キャップ3がケーシング2に固定されてもよい。なお、この構成においては、第1層L1と第2層L2との軸方向の位置関係も逆にしてもよい。つまり、第2層L2が軸方向外側に配置され、第1層L1が軸方向中央側に配置されてもよい。
上記実施形態のモジュール1は、径方向に延びる通路S1がキャップ3に形成されていたが、通路S1はキャップ3ではなく、ケーシング2の側周面に形成されてもよい。また、通路S1の数は2つに限られず、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
上記実施形態のモジュール1は、クロスフロー型であり、両端に通路S2を有し、かつ中空糸膜の両端が開口していたが、モジュールケースの一端を閉塞し、一方の通路S2の構成を省略したデッドエンド型に構成されてもよい。この場合、中空糸膜束4を構成する中空糸膜は、モジュールケースの閉塞された側でU字型に折り返され、両端部がともに通路S2の開口に位置するようにモジュールケースに収容されてもよい。また、中空糸膜束4を構成する中空糸膜は、貫通孔の一端を熱圧着シールにより封止され、封止側の端部がモジュールケースの閉塞された側の端部に位置するようにモジュールケースに収容されてもよい。
ポッティング処理の方法は、上記実施形態の方法に限定されない。例えば、ポッティング剤5としてポリエチレン等の熱可塑性樹脂を使用する場合、束ねた中空糸膜の端部とキャップ3の内側周面33bとの間に加熱融解させた熱可塑性樹脂を流し込み、熱可塑性樹脂を加熱硬化及び自然硬化させる方法でポッティング処理を行ってもよい。
キャップ3の第2端部31と分離処理ラインとの接続は、ヘルールでなくてもよい。第2端部31は、モジュール1が組み込まれる分離処理ラインの態様に応じて、様々な継手形状に変更することができる。また、キャップ3は両端で同じ継手形状でなくてもよく、それぞれが異なった継手形状に構成されてもよい。
上記実施形態のケーシング2は円筒状であったが、ケーシング2は角筒状であってもよい。
上記実施形態では、ポッティング剤5の接着性を向上させるための凹凸としてキャップ3の内側周面33bに環状の溝部330が形成された。しかしながら、凹凸は溝部330によってではなく、環状のリブによって形成されてもよく、あるいは溝部とリブとを組み合わせて形成されてもよい。また、凹凸の形状も環状に限られず、適宜変更されてよい。
上記実施形態のケーシング2及びキャップ3は樹脂材料で構成されたが、ケーシング2及びキャップ3のうち少なくとも一方は金属で構成されていてもよい。当該金属としては、ステンレス鋼(SUS)等が挙げられる。
第2のステップST2と第3のステップST3とは、順序が逆になってもよい。すなわち、第2接着剤をケーシング2及びキャップ3のうち少なくとも一方に塗布した後に、第1接着剤をケーシング2及びキャップ3のうち少なくとも一方に塗布してもよい。
実施例1では、第2接着剤として、難接着材質用の接着剤(セメダイン(株)製EP001K、硬化剤をシリコーン変成ポリマーとしたエポキシ接着剤)を使用した。当該第2接着剤の硬化後の硬度は、JIS K6253−3:2012で規定されるデュロメータ硬さが、A72であった。実施例1では、図6に示すようにキャップの第1端部の内側周面に部分的に第1接着剤を塗布し、ケーシングの外側周面に部分的に第2接着剤を塗布した。幅W1及び幅W2はそれぞれ6mmとした。第1接着剤及び第2接着剤をそれぞれ塗布した後、液だれが起こらない程度にこれらの接着剤が硬化した状態で、ケーシングにキャップを装着し、両者を接着した。
(2)
実施例2では、第2接着剤として、難接着材質用の変成シリコーン系接着剤(Three Bond(株)製Three Bond TB1533F)を使用した。当該第2接着剤の硬化後の硬度は、JIS K6253−3:2012で規定されるデュロメータ硬さが、A25であった。実施例2では、図6に示すようにキャップの第1端部の内側周面に部分的に第1接着剤を塗布し、ケーシングの外側周面に部分的に第2接着剤を塗布した。幅W1及び幅W2はそれぞれ6mmとした。第1接着剤及び第2接着剤をそれぞれ塗布した後、液だれが起こらない程度にこれらの接着剤が硬化した状態で、ケーシングにキャップを装着し、両者を接着した。
(3)
比較例1では、第2接着剤を用いず、第1接着剤を実施例1及び2と同様に塗布し、さらに実施例1及び2において第2接着剤を塗布した部分にも第1接着剤を塗布した。つまり、図9Aに示すように、キャップの内側周面のみならずケーシングの外側周面にも第1接着剤を塗布し、第1接着剤の層L4が形成されるようにした。幅W1及び層L4の幅W3はともに6mmとした。ただし、図9Aでは、説明の便宜上、第1接着剤の厚みが誇張して示されている。第1接着剤をキャップ及びケーシングに塗布した後、液だれが起こらない程度に第1接着剤が硬化した状態で、ケーシングにキャップを装着し、両者を接着した。
(4)
比較例2では、第1接着剤を用いず、実施例1と同じ第2接着剤を実施例1と同様に塗布し、実施例1及び2において第1接着剤を塗布した部分にも当該第2接着剤を塗布した。つまり、図9Bに示すように、ケーシングの外側周面のみならずキャップの内側周面にも当該第2接着剤を塗布し、当該第2接着剤の層L5が形成されるようにした。幅W2及び層L5の幅W4はともに6mmとした。ただし、図9Bでは、説明の便宜上、第2接着剤の厚みが誇張して示されている。第2接着剤をキャップ及びケーシングに塗布した後、液だれが起こらない程度に第2接着剤が硬化した状態で、ケーシングにキャップを装着し、両者を接着した。
実施例1,2及び比較例1,2のそれぞれのモジュールケースに、ポリアミド6製の中空糸膜を200本ずつ収容した。中空糸膜の内径は500μm、外径は800μm、長さは300mmであり、分画分子量(Mw)は10000程度、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)に対する重量変化率及びトルエンに対する重量変化率が10質量%以下であった。中空糸膜を収容したモジュールケースを、上記実施形態の遠心ポッティング法でポッティングした。ポッティング剤として使用したのは、実施例1,2及び比較例1の第1接着剤と同様、有機溶剤に耐性を有するエポキシ樹脂系接着剤(三菱ケミカル(株)製、主剤:JER604、硬化剤:芳香族ポリアミン系硬化剤 エボニック(株)製、アンカミンLV)であった。実施例1,2及び比較例1,2に係るモジュールをそれぞれ図7に示すような装置6にセットし、予め70℃の熱風を循環させて加温されたハウジング60内で、モジュールを30分回転させた。その後、モジュールをハウジング60内から取り出し、モジュール両端から延出する中空糸膜束のポッティング部分を切り落とし、中空糸膜の貫通孔を外部と連通させた。その後、モジュールを8時間加温乾燥させた。
透過液量(kg/(m2・bar・h))=W/(A×p×T)
ただし、式中、A(m2)は中空糸膜束の有効ろ過面積、p(bar)は一次側圧力計71の値(bar)と二次側圧力計72の値(bar)との算術平均値、T(h)は分離処理開始からの経過時間を表す。
結果は表1のようになった。ただし、表1中の「I」「II」「−」は、それぞれ以下のことを示す。
I:透過液量は前回から変化していないか、概ね変化しなかった
II:透過液量に前回から大きな変化があった
−:測定不能となった
実施例1及び実施例2に係るモジュールは、一週間経過後も透過液量が安定しており、3barの圧力下、長期的な使用に耐えることが示された。
(2)
比較例1に係るモジュールは、1週間が経過した時点で透過液量が大きく変化した。1か月が経過した時点では、ケーシングとキャップとの接着が外れ、リークにより透過液量が測定不能となった。
(3)
比較例2に係るモジュールでは、3日が経過した時点で透過液量が大きく変化した。1週間が経過した時点では、接着剤が流動液の影響を受け、リークにより透過液量が測定不能となった。
実施例1,2及び比較例1,2のそれぞれのモジュールケースを図10に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ70によって連続してモジュールケースに純水を透過させた。モジュールケース内に純水が充満したところで2つの通路S1を封止し、表2に示す各々の所定圧力(bar)におけるモジュールケースの耐性を観察した。それぞれのモジュールケースにおいて、一次側圧力計71と二次側圧力計72の圧力を圧力調整弁74によりコントロールし、所定の圧力で1時間保持した際に、ケーシングとキャップとの接着部分からの水漏れの有無を確認した。1時間の間に水漏れが発生しなかった圧力のうち、最大の圧力をモジュールケースが耐えられる圧力として評価した。なお、所定の圧力(bar)は、一次側圧力計71の値と二次側圧力計72の値との算術平均値とした。
I:接着部分の水漏れは発生していなかった
II:接着部分に水漏れが発生した
−:所定の圧力を保持することが不能となった
実施例1に係るモジュールケースは、20barの圧力下で使用に耐えることが示された。しかし、22barではケーシングとキャップとの接着部分から水漏れが発生した。
(2)
実施例2に係るモジュールケースは、22barの圧力下で使用に耐えることが示された。
(3)
比較例1に係るモジュールケースは、15barの圧力下でケーシングとキャップとの接着部分から水漏れが発生した。20barでは、ケーシングとキャップとの接着が外れ、所定の圧力を保持することが不能となった。
(4)
比較例2に係るモジュールケースは、22barの圧力下で使用に耐えることが示された。このことは、溶剤の影響を受けない条件下では第2接着剤の難接着性材質に対する接着力が強く、圧力に耐える事を示していた。
2 ケーシング
3 キャップ
4 フィルタ(中空糸膜束)
5 ポッティング剤
20 外側周面
21 内側周面
30 第1端部
31 第2端部
L1 第1層
L2 第2層
L3 第3層
S1 通路
S2 通路
Claims (13)
- 軸方向に延びる略筒状のケーシングと、
前記ケーシングの内外を連通させ、前記軸方向に延びる通路を画定する内壁面と、前記通路内に前記ケーシングの端部を受け入れ、前記ケーシングの端部に接着固定される第1端部とを有する略筒状のキャップと、
前記軸方向端側に配置されているとともに、前記ケーシングの端部の外側周面及び前記第1端部の前記内壁面に対面する第1層と、
前記第1層の前記軸方向中央側に配置されているとともに、前記ケーシングの端部の外側周面及び前記第1端部の前記内壁面に対面する第2層と、
を備え、
前記ケーシング及び前記キャップは、有機溶剤に耐性を有する材料から構成され、
前記第1層は、有機溶剤に耐性を有する第1接着剤から形成され、
前記第2層は、前記ケーシング及び前記キャップを構成する材料に親和性を有するとともに、前記第1接着剤と比較して弾性が高い第2接着剤から形成されている、
フィルタモジュールケース。 - 軸方向に延びる略筒状のケーシングと、
前記ケーシングの内外を連通させ、前記軸方向に延びる通路を画定する内壁面と、前記ケーシングの端部に受け入れられ、前記ケーシングの端部に接着固定される第1端部とを有する略筒状のキャップと、
前記軸方向中央側に配置されているとともに、前記ケーシングの端部の内側周面及び前記第1端部の外側周面に対面する第1層と、
前記第1層の前記軸方向端側に配置されているとともに、前記ケーシングの端部の内側周面及び前記第1端部の外側周面に対面する第2層と
を備え、
前記ケーシング及び前記キャップは、有機溶剤に耐性を有する材料から構成され、
前記第1層は、有機溶剤に耐性を有する第1接着剤から形成され、
前記第2層は、前記ケーシング及び前記キャップを構成する材料に親和性を有するとともに、前記第1接着剤と比較して弾性が高い第2接着剤から形成されている、
フィルタモジュールケース。 - 前記ケーシング及び前記キャップを構成する材料は、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンクロロトリフルオロエチレン及び金属からなる群より選択される材料を含む、
請求項1又は2に記載のフィルタモジュールケース。 - 前記ケーシングは、外部から内部を視認できる程度の透明度を有する、
請求項1から3のいずれかに記載のフィルタモジュールケース。 - 前記第1接着剤は、ポリアミド系接着剤、ポリエチレン系接着剤、ポリプロピレン系接着剤、フェノール樹脂系接着剤、ポリイミド系接着剤、ポリウレア樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤及びシリコーン樹脂系接着剤からなる群より選択される材料を含む、
請求項1から4のいずれかに記載のフィルタモジュールケース。 - 前記第2接着剤は、シリコーン系接着剤、変成シリコーン系接着剤、アクリル・変成シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤 、酢酸ビニル系接着剤、エポキシ・変成シリコーン接着剤及びスチレンブタンジエンゴム系接着剤からなる群のいずれかより選択される、
請求項1から5のいずれかに記載のフィルタモジュールケース。 - 請求項1から6のいずれかに記載のフィルタモジュールケースと、
前記ケーシングの内部空間及び前記キャップの前記内壁面に画定される空間内に収容されているフィルタと
を備え、
前記フィルタは、有機溶剤に耐性を有する材料から構成されている、
フィルタモジュール。 - 前記フィルタは、その長手方向と前記ケーシングの軸方向とが一致するように前記空間に収容されている中空糸膜束であり、
前記キャップは、前記軸方向に延びる通路を挟んで前記第1端部の反対側にある第2端部をさらに有し、
前記第2端部は、前記通路の端部開口を規定し、
前記中空糸膜束を構成する個々の中空糸膜の長手方向の貫通孔は、前記端部開口を介して外部空間と連通している、
請求項7に記載のフィルタモジュール。 - 前記個々の中空糸膜の端部と、前記第2端部の前記内壁面との隙間を満たすとともに、前記中空糸膜束の端面と前記第2端部の端面とが概ね一致するように前記中空糸膜束を前記キャップに対して固定するポッティング剤と、
前記ポッティング剤及び前記第2端部の前記内壁面の間に配置されている第3層と
をさらに備え、
前記ポッティング剤は、有機溶剤に耐性を有し、
前記第3層は、前記キャップを構成する材料に親和性を有するとともに、前記ポッティング剤と比較して弾性が高い第3接着剤により形成される、
請求項8に記載のフィルタモジュール。 - 前記第2端部の前記内壁面のうち、前記ポッティング剤と当接する箇所には凹凸が形成されている、
請求項9に記載のフィルタモジュール。 - 前記ポッティング剤は、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリウレア樹脂、エポキシ樹脂及びシリコーン樹脂からなる群より選択される材料を含む、
請求項9又は10に記載のフィルタモジュール。 - 前記第3接着剤は、シリコーン系接着剤、変成シリコーン系接着剤、アクリル・変成シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤 、酢酸ビニル系接着剤、エポキシ・変成シリコーン接着剤及びスチレンブタンジエンゴム系接着剤からなる群のいずれかより選択される、
請求項9から11のいずれかに記載のフィルタモジュール。 - 前記中空糸膜は、ポリアミド製である、
請求項8から12のいずれかに記載のフィルタモジュール。
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