JP7139611B2

JP7139611B2 - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP7139611B2
Application number: JP2018016115A
Authority: JP
Inventors: 博成岡崎; 玲子馬場
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: JP2019130493A

Description

本発明は、主に水道水をろ過する浄水器等に使用される中空糸膜モジュールに関する。

近年、水道水や排水をろ過する精密ろ過、限外ろ過等において中空糸膜モジュールが多用されている。中空糸膜モジュールは、中空糸膜を集束してケースの両端または一端でポッティング材によって固定し、そのポッティング部は外側を覆うケースに固定されている。ろ過する原水が中空糸膜を通り、ろ過水として吐水されるようにポッティング部で原水側とろ過水側を遮断している。

しかし、水道水を浄化する浄水器にこの中空糸膜モジュールを使用した場合、水栓の開閉による水圧の変動によってポッティング部には瞬間的に高い圧力がかかり、この水圧変動が繰り返されるためにポッティング部とケースとの剥離が発生することがある。特にポッティング材とケースの接着性が弱い場合は、ポッティング部とケースの間に亀裂が発生しやすく、剥離して原水が漏れるという問題が生じる。

また、この剥離を抑えるため、ケースの内面ポッティング部にプライマーを塗布したり、プラズマ加工してケースの樹脂表面の接着性を向上させる方法もあるが、それらの設備導入や作業の手間にコストがかかる。

これに対し、特許文献１では、ポッティング部とケースのシール面を平滑化することにより、原水のろ過液側へのリーク等の問題がおきにくい中空糸膜モジュールおよびその製造方法が提示されている。

特開２０１５－１４２８８６号公報

しかしながら、特許文献１のようなポッティング部とケースのシール面の平滑化のためには、バフ研磨のような追加加工が必要となり、また加工が不十分であればポッティング部を固定する効果は低くなるため、加工可能な樹脂材料を選択したり、最適なケース形状とする必要があった。そのため、さらにケース材料の選択が限定されるという課題があった。

本発明は、上述のような問題点に鑑み、ポッティング部の剥離強度の強く、ケース材料の選択が限定されない中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の中空糸膜モジュールは、樹脂ケースと、樹脂ケース内に充填される複数の中空糸膜束とを備えた中空糸膜モジュールであって、
前記樹脂ケースは、外周面に複数の開口が形成された第１部材と、前記中空糸膜束の一端を固定したポッティング材を内側に有する第２部材とが連結されて構成されており、
前記第１部材の樹脂材料と前記第２部材の樹脂材料とが異なる種類の樹脂になっている。

また、本発明の好ましい形態の中空糸膜モジュールは、前記第１部材が、前記複数の開口を塞ぐ布状部材を有している。

また、本発明の好ましい形態の中空糸膜モジュールは、前記布状部材が、前記第１部材の樹脂材料に固定されている。

また、本発明の好ましい形態の中空糸膜モジュールは、前記第１部材の開口の目開きが６０～２５０μｍである。

本発明の中空糸膜モジュールは、第２部材に第１部材の樹脂材料と異なる接着性の良い樹脂材料を使用することで、単一の樹脂材料からなる樹脂ケースよりもポッティング部の耐圧性を向上させ、水漏れを防止できる。樹脂ケースの外周面に複数の開口を形成することで、ろ過する原水の流路を大きく確保することができるが、第２部材の樹脂材料とは異なる第１部材に流動性の高い樹脂を選定することで、第１部材を複数の開口に成形しやすくなる。

第１部材と第２部材を一体化した構造の場合、複雑な金型構造になるため、２部材に分けることで、成形しやすい金型構造にでき、また第１部材と第２部材を連結するためのそれぞれの部材の寸法精度も高くできる。

複数の中空糸膜モジュールを開発する場合、第１および第２部材のいずれかを共通部材とすることで、金型製作のコストが削減でき、他の品種へ展開しやすくなる。

本発明の一実施形態例に係る中空糸膜モジュールの概略断面図である。本発明の一実施形態例２に係る中空糸膜モジュールの他の概略断面図である。本発明の一実施形態例３に係る中空糸膜モジュールの概略断面図である。本発明の他の実施形態例に係る第１部材の概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態例を、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。本願において、上下等の位置や方向に関する用語は図１に示される向きで配置されている中空糸膜モジュール１０（すなわち、中空糸膜束の端部４ａが鉛直方向の下方向に向けて開口されるように配置されている中空糸膜モジュール）の上下等の位置や方向を指し示すものとするが、本発明の中空糸膜モジュールは必ずしも図１の向きのみで配置され、使用されるわけではない。

図１は、本発明の一実施形態における中空糸膜モジュールの概略断面図を示すものである。図１において、中空糸膜モジュール１０は、外周面に複数の開口が形成された樹脂ケースである第１部材２、中空糸膜束４の一端を固定したポッティング材５を内側に有する樹脂ケースである第２部材３、中空糸膜束４およびポッティング材５で構成されている。中空糸膜束４はＵ字状に折り曲げた状態で第１部材２と第２部材３の内部に収納され、中空糸膜束４の端部４aは、ポッティング材５により第２部材３に封止固定されている。中空糸膜束の端部４aと封止固着しているポッティング材５を同時に切断することにより中空糸膜束４の開口状態が形成されている。モジュール外周面に開口が形成されていることで樹脂ケース１内に収容された中空糸膜に水が流入しやすくなり、膜面積をより有効に使用できる。

中空糸膜の材質としては親水化したポリスルホン等が好適に使用される。ポリスルホンは、生物学的特性、耐熱性、耐薬品性等に優れていて、浄水器用途として好ましい。その他にも各種素材のものが使用でき、ポリアクリロニトリル、ポリフィニレンスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプロピレン、セルロースアセテートがよく用いられる。中空糸膜の外径は３００～５００μｍ、内径２００～３４０μｍ、膜厚は５０～１００μｍが通水圧力に対する強度を維持するために好ましい。材料が異なる中空糸膜を組み合わせて束としてもよい。親水性の中空糸膜束の中に疎水性のポリエチレンやポリプロピレン製の中空糸膜を入れれば、水に混入する空気を排出できる。

ポッティング材５はポリウレタン樹脂を使用することにより安全性が高まる。ポッティング材は、ケースと中空糸膜束４の間ならびに中空糸膜間を封止できればよく、流動性を有する主剤と硬化剤とを混合して反応硬化させる二液混合型のエポキシ樹脂も取り扱いやすく、好ましい。

第１部材２と第２部材３は円筒形状であり、上下に連結されている。第１部材２と第２部材３それぞれの嵌合部９の突起で嵌合させて一つのケースとしている。第２部材３が第１部材２を覆うように嵌合している。

ここで、第１部材２の樹脂材料と第２部材３の樹脂材料とは異なる種類の樹脂である。中空糸膜を充填する樹脂ケース１の外周面に複数の開口７を形成することで、ろ過する原水の流路を大きく確保することができ、原水を流入しやすくすることで膜面積をより有効に使用することができるが、第１部材２に第２部材３の樹脂材料とは異なる流動性の高い樹脂を選定することで、第１部材２に複数の開口を成形しやすくなる。

また、第２部材３に第１部材２の樹脂材料とは異なる、ポッティング材との接着強度が高い樹脂材料を使用することで、単一の樹脂材料からなる樹脂ケースよりもポッティング部の耐圧性を向上させ、水漏れを防止することができる。

第１部材と第２部材の樹脂材料が異なるとは、第１部材がポリプロピレンとＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）樹脂の組み合わせのように、その原料となるモノマーそのものが異なっていてもよいが、同一のモノマーの組み合わせであっても、重合度が異なるもの、共重合割合が異なるもの、モノマーの配列が異なるもの（ランダム共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体など）、添加剤が異なるものであってもよい。本願では射出成形により第１部材および第２部材を製造するにあたっては、融点、軟化点、あるいはメルトフローレートの異なるものを樹脂材料が異なるものとする。ここでメルトフローレートの測定方法はＪＩＳＫ７２１０－１：２０１４（ＩＳＯ１１３３－１：２０１１）に従う。樹脂材料が異なるとは、融点、軟化点の差が５℃以上またはメルトフローレートが少なくとも５ｇ／１０分以上の差を有することをいう。第１部材の材質は、一般的にＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＳ（アクリロニトリル・スチレン共重合体）、ＰＳ（ポリスチレン）などの樹脂が用いられる。第１部材に布状部材と接着性の良い材料や固定しやすい材料を選定することで、剥離強度を向上させることができる。

第２部材３の材質は、一般的にＡＢＳ、ＰＣ、ＡＳ、ＰＳなどの樹脂が用いられるが、ポッティング材との接着強度が高い材料を選定する。

第１部材２、第２部材３ともに透明材料を選定する場合、組立工程後でも中空糸膜の検査ができるので好ましい。

なお布状部材６を一体成形する場合や微小な開口を成形する場合は流動性の高い材質を選ぶことが好ましい。流動性の高い材質とは、メルトフローレートが５ｇ／１０分以上が好ましく、さらに７．５ｇ／１０分以上がさらに好ましい。

第１部材２と第２部材３を一つの部材とした場合、樹脂ケース１を一体の部材とし、ポッティング材５との接着面と他の部分を異なる樹脂材料で成形することは可能であるが、複雑な金型構造になるため、２部材に分けることで成形しやすい金型構造にでき、また第１部材２と第２部材３を連結するためのそれぞれの部材の寸法精度も高くできる。

第１部材２と第２部材３の嵌合部分にＯリングなどのシール部材を使用して水漏れを防ぐ方法よりも、第１部材２と第２部材３に環状の突起や切欠き、爪をつけて嵌合させる方法であれば部材点数を削減できる。超音波溶着、接着剤での接着、ネジ形状するなどの方法でケースとして構成させる方法よりも、嵌め合い構造にすることで、超音波溶着装置やシール部材を必要としないことや、組み立て易く作業性が向上するのでコストが削減できる。いずれの場合でも第１部材２と第２部材３は外れないように構成される。ひけなどの成形不良を低減させるため、第１部材２と第２部材３は、一定の厚みになるようにすることが好ましい。

第１部材２は、複数の開口７を有しているが、この開口７を覆うように布状部材６が固定されていてもよい。開口７を覆う布状部材を有することで、多くの粒子状物質を含む原水をろ過する場合、布状部材６で一部を除去した後に中空糸膜へと流入させ、中空糸膜モジュールの寿命を延長させることができる。さらに中空糸膜モジュール１０の外側、つまり樹脂ケース１の外周側に布状部材６を有するので、粒状や粉末状のろ材を充填することができ、浄水器やその他のろ過装置の部品として好適に用いることができる。また通水での圧力損失を低減させるため、布状部材６の目開きは強度の許す限り大きいものが好ましい。ここで目開きとは光学顕微鏡や拡大鏡等で繊維のない空間の縦方向と横方向長さを測定してもよいし、直径が既知の標準粒子等を用い、その阻止率（除去率）によって求めてもよい。

長寿命な中空糸膜モジュールとするためには、布状部材６の目開きよりも中空糸膜の孔径が小さいことが好ましい。中空糸膜の孔径は、水中の濁質を捕捉するためには１０μｍ以下であることが好ましく、クリプトスポリジウムなどのシストを捕捉するためには５μｍ以下、細菌を捕捉するためには０．３μｍ以下であることが好ましい、ここで孔径とは、走査顕微鏡写真を画像処理し孔径を測定してもよいが、直径が既知の標準粒子の阻止率によって求める方法が、測定精度もよいため好ましく用いられる。

布状部材６を第１部材２に固定する固定方法として、第１部材２とインサート成形で一体成形してもよいし、接着剤で貼り付けたり、熱融着、超音波溶着または圧着などで固定する方法がある。インサート成形する場合、布状部材６と第１部材２を固定する工程が不要になり、コストが低減できる。また、第１部材２に凸部を設けたり、リブを立てることで、外周面と内周面の間に布状部材を樹脂で挟みこんだ構造とすることができ、布状部材６の剥がれ強度を向上することができる。

布状部材６は、水のみを通過させるために、織物、編物、または不織布などがよく用いられる。織物や編物では、ステンレスなどの金属や、ナイロン、ポリエステル、カーボン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの材質があるが処理されるべき水を通過させる機能を有する材質であるならこの限りではない。不織布は、ポリエステルや、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロンなどの合成樹脂が材質として用いられる。また同様にろ過する原水の通水抵抗を低減させるため、第１部材２の強度が許す限り開口７は大きいものが好ましい。

複数の中空糸膜モジュールを開発する場合、第１部材２および第２部材３のいずれかを共通部材とすることで、金型製作のコストを削減でき、他の品種へ展開しやすくなる。

以上のように構成された中空糸膜モジュールについて以下に動作作用を説明する。水道水などのろ過処理する水の流れは、第１部材２の外周にある複数の開口７を通って、１本１本の中空糸膜の外周にある孔を通り、内部に浸透し中空糸膜の内管を通り、中空糸膜束４の端部から浄水として取り出すことができる。

図２は、本発明の別の実施形態として、第１部材２が第２部材３を覆うように嵌合している構成を示している。同様に第１部材２の樹脂材料と第２部材３の樹脂材料とは異なるため、図１と同等の効果が期待できる。各部材の強度および成形性、もしくは第１部材と第２部材の連結部の強度を考慮し、カートリッジの形状に合わせていずれの態様としてもよい。

図３は本発明の別の実施形態として、第１部材２が第２部材３をすべて覆うように嵌合している構成を示している。第２部材３の形状が簡単な形であるため、第２部材３を品種によって変更したいときにより金型費の削減が期待できる。

図４は本発明における第１部材２の一形態例を上方側から見た概略斜視図を示すものである。流動性の高い樹脂を選定することで、外周に複数の開口７を成形することができる。開口７の目開きは任意に設定することができるが、阻止する、もしくは除去する対象物質よりも小さな目開きとすれば、布状部材６は使用しなくてもよい。この場合、布状部材を使用しないためコスト削減になり、布状部材の剥離、破れを防止できる。開口を成形する場合、目開きは６０～２５０μｍが成形性、通水時の圧力損失の面から好ましい。開口の目開きは拡大鏡等で開口部の縦方向と横方向の長さを測定し、その平均値を指標とすればよい。また開口の形は、円形や、他の多角形でもよいが、成形のしやすさから、四角形が好ましい。

本発明は蛇口直結型、据置型、ポット型、アンダーシンク型など浄水器全般以外に、水処理ろ過用、中空糸膜モジュールとして好適に使用できるが、その他のフィルター用途を含め、これらに限定されるものではない。

１樹脂ケース
２第１部材
３第２部材
４中空糸膜束
４ａ中空糸膜束の端部
５ポッティング材
６布状部材
７開口
８ポッティング部
９嵌合部
１０中空糸膜モジュール

Claims

樹脂ケースと、樹脂ケース内に充填される複数の中空糸膜束とを備えた中空糸膜モジュールであって、
前記樹脂ケースは、外周面に複数の開口が形成された第１部材と、前記中空糸膜束の一端を固定したポッティング材を内側に有する第２部材とが、一方の部材が他方の部材を覆い、それぞれの部材につけた環状の突起、切欠きまたは爪によって嵌め合わされて構成されており、
前記第１部材の樹脂材料と前記第２部材の樹脂材料とが異なる種類の樹脂であり、前記第２部材の樹脂材料が前記第１部材の樹脂材料よりも前記ポッティング材との接着強度が高い樹脂である中空糸膜モジュール。
前記第１部材が、前記複数の開口を塞ぐ布状部材を有する請求項１の中空糸膜モジュール。
前記布状部材が、前記第１部材の樹脂材料に固定されている請求項２の中空糸膜モジュール。
前記第１部材の目開きが６０～２５０μｍである請求項１の中空糸膜モジュール。