JP6986440B2

JP6986440B2 - 膜エレメントおよび膜分離機器

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Publication number: JP6986440B2
Application number: JP2017252740A
Authority: JP
Inventors: 茂之森; 好男松崎; 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: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: US20200324251A1; CN111587144A; CN111587144B; US11413585B2; JP2019118840A; WO2019131493A1

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浸漬型の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といった虞があった。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、相分離法によってスペーサーファブリックのフェース上にろ過膜層を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とは別に、接着性ネット１１４，１１５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発明は、ろ過膜と流路材とが接合された膜エレメントであって、
流路材は、糸を三次元構造に編んだ編物から成り、その内部に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有すると共に、外表面に、ろ過膜との接合面を有し、且つ、接合面を連結するとともに空隙を形成する連結糸を有し、
接合面を形成する糸の少なくとも一部が、ろ過膜を構成する材料の軟化点よりも低い軟化点を有する低融点糸であり、
連結糸の軟化点は接合面の低融点糸の軟化点よりも高いものである。

これによると、流路材の接合面にろ過膜を配置し、流路材とろ過膜を、接合面を形成している低融点糸の軟化点の温度に加熱する。これにより、接合面の低融点糸が軟化して、低融点糸の樹脂がろ過膜に絡み付くため、ろ過膜が流路材の接合面に接合される。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。
また、上記のように流路材とろ過膜を加熱した際、流路材の連結糸が軟化するのを防止することができる。これにより、連結糸間に空隙が確実に形成され、ろ過膜を透過した透過液は流路材の内部の空隙を流れることができる。

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、且つ接合面を形成している低融点糸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発明は、ろ過膜と流路材とが接合された膜エレメントであって、
ろ過膜と流路材とが接合された膜エレメントであって、
流路材は、糸を三次元構造に編んだ編物から成り、その内部に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有すると共に、外表面に、ろ過膜との接合面を有し、且つ、接合面を連結するとともに空隙を形成する連結糸を有し、
接合面を形成する糸は複数の構成糸を撚ることにより形成され、
構成糸の１本以上が、ろ過膜を構成する材料の軟化点よりも低い軟化点を有する低融点糸であり、
連結糸の軟化点は接合面の低融点糸の軟化点よりも高いものである。

本第３発明における膜エレメントは、低融点糸は、芯材と、芯材を覆う鞘材とで形成され、
鞘材はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
芯材は鞘材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、流路材の接合面にろ過膜を配置し、流路材とろ過膜を、接合面を形成している低融点糸の鞘材の軟化点以上の温度に加熱する。これにより、低融点糸の鞘材が軟化して、鞘材の樹脂がろ過膜に絡み付くため、ろ過膜が流路材の接合面に接合される。この際、低融点糸の芯材は鞘材の軟化点よりも高い軟化点を有するため、芯材が軟化するのを防止することができる。

これにより、鞘材の糸よりも高強度の樹脂を用いて芯材を構成することにより、接合面の強度が向上し、流路材の剛性が高くなる。

本第４発明における膜エレメントは、低融点糸の材質がポリオレフィン系樹脂であるものである。

本第５発明における膜エレメントは、鞘材の材質がポリオレフィン系樹脂であるものである。

本第６発明における膜エレメントは、連結糸の材質がポリエステル系樹脂であるものである。

本第７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８発明は、第１発明から第７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、
透過液が流路材内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、流路材の接合面を通って流路材の内部の空隙に流れ込み、流路材内の空隙を通って、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断面を拡大した模式図である。図６におけるＸ−Ｘ矢視図であり、流路材の接合面を拡大した模式図である。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。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中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。

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４〜図７に示すように、流路材２１は、三次元構造の編物からなるスペーサーファブリックであり、ろ過膜２２と接合する一対の接合面２５（フェース）と、一対の接合面２５をつなぐ多数本のパイル糸２７（連結糸の一例）とを有している。尚、接合面２５は多数本の互いに交差する縦糸２９と横糸３０とを有する編物である。これらの縦糸２９と横糸３０には、ろ過膜２２の軟化点Ｔ１よりも低い軟化点Ｔ２を有する低融点糸が使用されている。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、縦糸２９と横糸３０には、約８０℃〜１２０℃の軟化点Ｔ２を有するポリエチレン（ＰＥ）製の糸が用いられている。

尚、これら縦糸２９と横糸３０はそれぞれ、さらに細い複数本の構成糸を撚って一本の縦糸２９又は横糸３０にしてもよい。

また、パイル糸２７には、縦糸２９と横糸３０（接合面２５を形成する低融点糸の一例）の軟化点Ｔ２よりも高い軟化点Ｔ３を有する高融点糸が使用されている。例えば、パイル糸２７には、２６０℃以上の軟化点Ｔ３を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製の糸が用いられている。また、パイル糸２７間には、ろ過膜２２を透過した透過液３３が流れる微小な空隙３２が形成されている。

上記のようなスペーサーファブリックからなる流路材２１の糸使いは、例えば、接合面２５（フェース）がＳＤ８４Ｔ２４、パイル糸２７がＳＤ５５Ｔ１、パイル糸２７の密度が約３８０本／ｃｍ^２である。また、膜エレメント１２を製作する前の流路材２１の単体での厚さＡは例えば約２ｍｍ〜５ｍｍである。尚、上記ＳＤ８４Ｔ２４とは、撚り合わせた糸の太さが８４ｄｔｅｘ、撚り糸数が２４本であることを表しており、ＳＤ５５Ｔ１とは、撚り合わせた糸の太さが５５ｄｔｅｘ、撚り糸数が１本であることを表している。

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の材質には、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（ろ過膜２２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の接合面２５を形成している縦糸２９と横糸３０の温度が軟化点Ｔ２（すなわち８０℃〜１２０℃）に到達するように加熱することによって、縦糸２９および横糸３０が軟化し、縦糸２９および横糸３０の樹脂がろ過膜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の接合面２５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を介して縦糸２９および横糸３０に伝わるため、加熱温度はＴ２よりも高い１２０℃〜１７０℃が用いられる。

この時、ろ過膜２２は、縦糸２９と横糸３０との交点であ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と縦糸２９および横糸３０の軟化点Ｔ２（すなわち８０℃〜１２０℃）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が不要になり、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。このようにして製作された膜エレメント１２の厚さは、例えば１〜３ｍｍである。

また、パイル糸２７の軟化点Ｔ３は縦糸２９および横糸３０の軟化点Ｔ２よりも高い温度であるため、上記のように加熱ロールで加熱した際、パイル糸２７が軟化するのを防止することができ、これにより、パイル糸２７間に微小な空隙３２が確実に形成される。

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（スペーサーファブリック）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（スペーサーファブリック）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の接合面２５の縦糸２９と横糸３０との各目開き３１（図７参照）を通って流路材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内から処理槽３の外部へ取り出される。

上記実施の形態では、縦糸２９および横糸３０として、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Ｔ２を有する低融点糸を使用しているが、縦糸２９および横糸３０の全てをこのような低融点糸にする代わりに、何本かおきに低融点糸が現れるように接合面２５を編み上げてもよく、縦糸２９および横糸３０の一部に低融点糸を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、複数本の構成糸を撚ることによって縦糸２９および横糸３０を形成し、これら縦糸２９および横糸３０の構成糸の１本以上に低融点糸を用いてもよい。

さらに、縦糸２９および横糸３０として、低融点糸と、複数本の構成糸を撚ることによって形成するとともに構成糸の１本以上に低融点糸を用いたものとを、いずれも含むように用いてもよい。

上記実施の形態では、縦糸２９と横糸３０の材質にポリエチレンを用いているが、これに限定されるものではなく、ポリエチレン以外のポリオレフィン系樹脂を用いてもよい。また、パイル糸２７の材質にポリエチレンテレフタラートを用いているが、これに限定されるものではなく、ポリエチレンテレフタラート以外のポリエステル系樹脂を用いてもよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図８に示すように、流路材２１の接合面２５は多数本の互いに交差する縦糸２９と横糸３０とを有する編物であり、これらの縦糸２９と横糸３０には、芯材４５と芯材４５の外周を覆う鞘材４６とを有する複合糸を複数本撚り合わせた糸が使用されている。

鞘材４６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Ｔ４を有している。鞘材４６は、例えば、約８０℃〜１２０℃の軟化点Ｔ４を有するポリエチレン（ＰＥ）製である。

また、芯材４５は鞘材４６の軟化点Ｔ４よりも高い軟化点Ｔ５を有している。芯材４５は、例えば、２６０℃以上の軟化点Ｔ５を有するポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製である。

これによると、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の接合面２５を形成している縦糸２９と横糸３０とを、鞘材４６の軟化点Ｔ４の温度（すなわち８０℃〜１２０℃）に達するように加熱することによって、縦糸２９および横糸３０の鞘材４６が軟化し、縦糸２９および横糸３０の鞘材４６の樹脂がろ過膜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の接合面２５に接合される。

この時、ろ過膜２２は、縦糸２９と横糸３０との交点であ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℃）と鞘材４６の軟化点Ｔ４（すなわち８０℃〜１２０℃）との間の温度にしているため、ろ過膜２２が軟化するのを防止することができる。

さらに、縦糸２９および横糸３０の芯材４５の軟化点Ｔ５は鞘材４６の軟化点Ｔ４よりも高い温度であるため、芯材４５が軟化するのを防止することができる。これにより、鞘材４６よりも高強度の樹脂を用いて芯材４５を構成することにより、接合面２５の強度を向上させて、流路材２１の剛性を高くすることができる。

上記実施の形態では、鞘材４６の材質にポリエチレンを用いているが、これに限定されるものではなく、ポリエチレン以外のポリオレフィン系樹脂を用いてもよい。

上記各実施の形態では、ろ過膜２２は樹脂層２２ａと樹脂層支持体２２ｂとを有するが、多孔膜を作成する際に樹脂層支持体２２ｂが不要な場合は、ろ過膜２２を樹脂層２２ａのみで構成してもよい。

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。

上記各実施の形態では、流路材２１の接合面２５は多数本の互いに交差する縦糸２９と横糸３０とを有する編物であるが、このような多数本の糸２９，３０が縦横に交差した微細な格子形状の編物のみに限定されるものではなく、他の形状の編物であってもよい。

上記各実施の形態では、各軟化点Ｔ１〜Ｔ５を指標にしているが、軟化点Ｔ１〜Ｔ５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〜Ｔ５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
２５接合面
２７パイル糸（連結糸）
３２微小な空隙
３３透過液
４５芯材
４６鞘材
Ｔ１ろ過膜の樹脂層支持体の軟化点
Ｔ２縦糸および横糸の軟化点（接合面の軟化点）
Ｔ３パイル糸の軟化点（連結糸の軟化点）
Ｔ４鞘材の軟化点
Ｔ５芯材の軟化点

Claims

ろ過膜と流路材とが接合された膜エレメントであって、
流路材は、糸を三次元構造に編んだ編物から成り、その内部に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有すると共に、外表面に、ろ過膜との接合面を有し、且つ、接合面を連結するとともに空隙を形成する連結糸を有し、
接合面を形成する糸の少なくとも一部が、ろ過膜を構成する材料の軟化点よりも低い軟化点を有する低融点糸であり、
連結糸の軟化点は接合面の低融点糸の軟化点よりも高いことを特徴とする膜エレメント。
ろ過膜と流路材とが接合された膜エレメントであって、
流路材は、糸を三次元構造に編んだ編物から成り、その内部に、ろ過膜を透過した透過液が流れる空隙を有すると共に、外表面に、ろ過膜との接合面を有し、且つ、接合面を連結するとともに空隙を形成する連結糸を有し、
接合面を形成する糸は複数の構成糸を撚ることにより形成され、
構成糸の１本以上が、ろ過膜を構成する材料の軟化点よりも低い軟化点を有する低融点糸であり、
連結糸の軟化点は接合面の低融点糸の軟化点よりも高いことを特徴とする膜エレメント。
低融点糸は、芯材と、芯材を覆う鞘材とで形成され、
鞘材はろ過膜の軟化点よりも低い軟化点を有し、
芯材は鞘材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又は請求項２に記載の膜エレメント。
低融点糸の材質がポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の膜エレメント。
鞘材の材質がポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする請求項３記載の膜エレメント。
連結糸の材質がポリエステル系樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の膜エレメント。
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６のいずれか１項に記載の膜エレメント。
請求項１から請求項７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、
透過液が流路材内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。