JP7344374B2 - スパイラル型分離膜モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパイラル型分離膜モジュールに関し、さらに詳細には、スパイラル型分離膜モジュール及びその製造方法に関する。

分離膜は、気孔のサイズによって精密ろ過膜（ＭＦ）、限外ろ過膜（ＵＦ）、ナノ分離膜（ＮＦ）及び逆浸透膜（ＲＯ）に分類される。

このような分離膜を用いて産業的規模の液体分離に適用させるためには、かなり広い膜面積が求められる。広い膜面積をコンパクトな規模で集積させた装置単位を分離膜モジュールといい、現在、平板型モジュール、管型モジュール、中空糸型モジュール、スパイラル型モジュールなど、様々な種類の膜モジュール形式が開発されており、特に近年、商業化されている浸透膜モジュールは、スパイラル型(ｓｐｉｒａｌ ｗｏｕｎｄ ｔｙｐｅ)モジュールが主に使用されている。

スパイラル型モジュールは、外面に所定の繊維でワインディングしてラッピング工程を行うが、従来は、繊維をワインディングしながらエポキシ樹脂と硬化剤の混合液を噴射してラッピング工程を行ったが、エポキシ樹脂と硬化剤が飛散し、硬化不良が頻繁に発生することにより不良率が増加し、硬化時間が非常に長いため、工程時間が過度に長くなり、さらにエポキシ樹脂と硬化剤の混合液を使用することにより、使用後の廃棄処理時にも非常に環境にやさしくないという問題があった。

これにより、不良率と工程時間を著しく減少させることができ、使用後の廃棄処理時にも環境にやさしい効果を同時に発現できるラッピング工程の条件と、そのための材料及びこれを通じて具現されたスパイラル型分離膜モジュールに対する研究が急を要しているのが実情である。

本発明は前記のような点を勘案して案出したもので、不良率と工程時間を著しく減少させることができ、使用後の廃棄処理時にも環境にやさしい効果を同時に発現できるスパイラル型分離膜モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、流出管、前記流出管上にスパイラル型に巻き取られたフィルター集合体、及び流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むようにワインディングされた熱融着糸の一部又は全部が溶融してフィルター集合体に融着して固定された融着部を含むスパイラル型分離膜モジュールを提供する。

本発明の一実施例によれば、前記フィルター集合体は、少なくとも一つのリーフを形成するように折り曲げられて備えられる分離膜、前記リーフ内に配置される内部スペーサー、及び前記リーフ外に配置される外部スペーサーを含んでもよい。

また、前記内部スペーサーは、メッシュシートを含んでもよく、前記外部スペーサーは、トリコット濾過水路を含んでもよい。

また、前記熱融着糸は、支持繊維及び、前記支持繊維の表面に形成され、前記支持繊維に比べて融点又は軟化点の低い熱融着性ポリマーを含んでもよい。

また、前記支持繊維は、ＰＥＴ繊維、ガラス繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれた１種以上を含んでもよく、前記熱融着性ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート及びポリオレフィン系ポリマーからなる群から選ばれた１種以上を含んでもよい。

また、前記熱融着糸は、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように１～４重にワインディングされてもよい。

また、前記フィルター集合体の外面のうち、流出管の長手方向の両末端上には、前記熱融着糸が１重以上さらにワインディングされてもよい。

また、前記熱融着糸は、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように１重あたり、単位長さ１ｍあたり２９０～３２０回ワインディングされてもよい。

また、前記熱融着糸は、支持繊維及び熱融着性ポリマーを２０:８０～８０:２０の重量比で含む芯鞘型熱融着糸であってもよい。

また、本発明は、流出管上にスパイラル型に巻き取られたフィルター集合体に、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように熱融着糸をワインディングする段階、熱融着糸の一部又は全部が溶融されるように熱処理させる段階、及び溶融された熱融着糸を固化させてフィルター集合体に融着して固定された融着部を形成させる段階を含むスパイラル型分離膜モジュール製造方法を提供する。

本発明の一実施例によれば、前記熱処理させる段階は、１００～２５０℃で３０秒～２分間行ってもよい。

また、前記固化は、３～２０分間行ってもよい。

本発明によれば、スパイラル型分離膜モジュール及びその製造方法は、不良率と工程時間を著しく減少させることができ、使用後の廃棄処理時にも環境にやさしい効果を同時に発現できる。

図１は、本発明の一実施例によるスパイラル型分離膜モジュールに備えられる流出管とフィルター集合体の断面模式図である。 図２は、本発明の一実施例によるスパイラル型分離膜モジュールの斜視図である。 図３は、本発明の一実施例によるスパイラル型分離膜モジュールの熱処理前後を示す写真である。 図４は、本発明の一実施例によるスパイラル型分離膜モジュールに備えられる融着部のＳＥＭイメージである。

以下、添付の図面を参考し、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で具現されてもよく、ここで説明する実施例に限定されない。図面において本発明を明確に説明するため、説明と関係のない部分は省略しており、明細書全体を通じて同一又は類似の構成要素については、同一の参照符号を付す。

図１及び図２に示されたように、本発明によるスパイラル型分離膜モジュール１０００は、流出管１００、前記流出管１００上にスパイラル型に巻き取られたフィルター集合体２００、及び流出管１００の長手方向にフィルター集合体２００の外面を囲むようにワインディングされた熱融着糸の一部又は全部が溶融してフィルター集合体２００に融着して固定された融着部３００を含んで具現される。

まず、前記流出管１００は、両端のいずれかの端部又は両端が開口し、生産水が流入される少なくとも一つ以上の穴を含む中空型パイプ部材からなってもよい。

前記スパイラル型分離膜モジュールに適用される公知の流出管であれば、制限なく使用できるので、本発明では、これを特に限定していない。

次に、前記フィルター集合体２００について説明する。

前記フィルター集合体２００は、少なくとも一つのリーフを形成するように折り曲げられて備えられる分離膜２１０、前記リーフ内に配置される内部スペーサー２２０、及び前記リーフ外に配置される外部スペーサー２３０を含む。

スパイラル型分離膜モジュール１０００による原水処理過程を察し見ると、流入水が内部スペーサー２２０を経て分離膜２１０を通過することになるが、分離膜２１０を通過する過程で溶存塩及び有機物などが排除されて純粋な水が分離される。分離された水は、外部スペーサー２３０に沿って流れることになり、この分離された水は、中心に位置した流出管１００に集められ、スパイラル型分離膜モジュール１０００外に排出される。

前記分離膜２１０は、当業界でスパイラル型分離膜モジュールに通常適用可能な分離膜であれば、制限なく使用できるので、本発明ではこれを特に限定していない。

また、前記内部スペーサー２２０は、リーフ内部の流路を形成する役割を果たすものであり、具体的には、前記内部スペーサー２２０は、分離膜２１０が折り曲げられて形成されたリーフ内に配置されることにより、流入水流路(ｆｅｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ)としてリーフ内部に流路の形成を大きく向上させることができる。

前記内部スペーサー２２０は、当業界でスパイラル型分離膜モジュールに通常適用可能な内部スペーサーであれば、制限なく使用してもよく、好ましくは、メッシュシートを含んでもよい。

前記メッシュシートは、フィルター集合体の内部スペーサーとして使用可能なメッシュシート（ｍｅｓｈ ｓｈｅｅｔ）の場合、制限なく使用してもよく、好ましくは、ポリプロピレン、ポリエチレン又はポリプロピレンとポリエチレンが一定比率で混合されているポリオレフィン系共重合体がメッシュシートの素材として使用されてもよい。

前記内部スペーサー２２０は、流路の形成を円滑にするため、平均空隙が６ｍｍ^２～２０ｍｍ^２、好ましくは、９ｍｍ^２～１７ｍｍ^２であってもよい。もし、空隙が６ｍｍ^２未満の場合、流路の形成が妨げられるという問題点があり、２０ｍｍ^２超の場合、高圧運転において分離膜の変形及びファウリングを低下させ得るという問題点がある。

また、内部スペーサー２２０の平均厚さは、０.２ｍｍ～３ｍｍ、好ましくは、０.２ｍｍ～２.０ｍｍであってもよい。もし、内部スペーサー２２０の平均厚さが０.２ｍｍ未満の場合、十分な流路を確保できず、３ｍｍ超の場合、単位体積あたりの有効膜面積を減少させてモジュール性能の低下に影響を与え得る。

前記外部スペーサー２３０は、リーフ外に配置されてリーフ外部の流路を形成する役割を果たすものであり、具体的には、前記外部スペーサー２３０は、リーフ外に配置され、リーフが２つ以上の場合には、リーフとリーフとの間に配置されることにより、透過水流路（ｐｅｒｍｅａｔｅ ｓｐａｃｅｒ）としての役割を果たすことができる。

前記外部スペーサー２３０は、当業界でスパイラル型分離膜モジュールに通常適用可能な外部スペーサーであれば、制限なく使用してもよく、好ましくは、トリコット濾過水路を含んでもよい。

前記トリコット濾過水路は、フィルター集合体の外部スペーサーとして使用可能なトリコット(ｔｒｉｃｏｔ)の場合には制限なく使用してもよく、好ましくは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ－４－メチルペンテン、プロピレン－αオレフィン結晶性共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド及びポリカーボネートからなる群から選ばれるいずれか一つ以上の樹脂またはポリエチレンテレフタレート樹脂にナイロン、ポリプロピレンまたはエポキシ樹脂が共重合体されて改質されたポリエステル（ｌｏｗ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｙｈａｌａｔｅ、ＬＭＰ）で形成されてもよい。

次に、前記融着部３００について説明する。

前記融着部３００は、上述したように、流出管１００の長手方向にフィルター集合体２００の外面を囲むようにワインディングされた熱融着糸の一部又は全部が溶融してフィルター集合体２００に融着して固定されて備えられる。

これにより、前記熱融着糸は、一部又は全部に熱融着性ポリマーを含んでもよく、好ましくは、支持繊維、及び前記支持繊維の表面に形成され、前記支持繊維に比べて融点又は軟化点の低い熱融着性ポリマーを含む芯鞘型熱融着糸であってもよい。

このとき、前記支持繊維は、当業界で通常使用できる繊維であれば、制限なく使用してもよく、好ましくは、ＰＥＴ繊維、ガラス繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれた１種以上を含んでもよい。

また、前記支持繊維は、モノフィラメント又は繊維束で形成されたマルチフィラメントであってもよく、前記支持繊維がマルチフィラメントの場合、前記マルチフィラメントは、前記ＰＥＴ繊維、ガラス繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれた１種を単独で含んでもよく、ＰＥＴ繊維、ガラス繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれた２種以上を複合的に含んでもよい。

また、前記熱融着性ポリマーは、前記支持繊維より低い融点又は軟化点を有する熱融着性ポリマーであれば制限なく使用でき、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート及びポリオレフィン系ポリマーからなる群から選ばれた１種以上を含んでもよい。

また、前記熱融着糸は、前記支持繊維に熱融着性ポリマーを含む繊維が撚糸されて形成されてもよく、前記支持繊維の表面に熱融着性ポリマーがコーティングされて形成されてもよく、これに制限されるものではない。

また、前記熱融着糸は、前記支持繊維及び熱融着性ポリマーを２０:８０～８０:２０の重量比で、好ましくは、支持繊維及び熱融着性ポリマーを２５:７５～７５:２５の重量比で含んでもよい。もし、前記支持繊維及び熱融着性ポリマーの重量比が２０:８０未満であると、高圧条件で不良が発生するなど、スパイラル型分離膜モジュールの耐久性が低下することがあり、重量比が８０:２０を超えると、熱融着糸がフィルター集合体の外面に固定されないことがあり、不良が発生するなど、スパイラル型分離膜モジュールの耐久性が低下することがある。

一方、前記熱融着糸は、流出管１００の長手方向にフィルター集合体２００の外面を囲むように１～４重にワインディングされてもよく、好ましくは、流出管１００の長手方向にフィルター集合体２００の外面を囲むように１～３重にワインディングされてもよい。もし、前記ワインディングされた熱融着糸が４重を超えると、外径が大きくなることにより、ハウジングに装着時に問題が発生するか、または基準重量を超えることにより、装着時に問題が発生するなど作業性が低下することがあり、熱融着糸を含まないと固化されないことにより、外面に固定されないことがあり、不良が発生するなど、スパイラル型分離膜モジュールの耐久性が低下することがある。

また、前記フィルター集合体の外面のうち、流出管の長手方向の両末端上には、前記熱融着糸が１重以上さらにワインディングされてもよい。もし、前記フィルター集合体の外面のうち、流出管の長手方向の両末端上に前記熱融着糸が１重以上さらにワインディングされていないと、高圧工程時に内部原部材を保護できないという問題が発生することがある。

また、前記熱融着糸は、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように一重あたり、単位長さ１ｍあたり２９０～３２０回、好ましくは、１重あたり、単位長さ１ｍあたり３００～３１０回ワインディングされてもよい。もし、前記熱融着糸が１重あたり、単位長さ１ｍあたり２９０回未満でワインディングされると、高圧条件で不良が発生するなど、スパイラル型分離膜モジュールの耐久性が低下することがあり、１重あたり、単位長さ１ｍあたり３２０回を超えてワインディングされると、外径が大きくなることによりハウジングに装着時に問題が発生するか、または基準重量を超過することにより装着時に問題が発生するなど作業性が低下することがある。

本発明によるスパイラル型分離膜モジュールは、流出管上にスパイラル型に巻き取られたフィルター集合体に、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように熱融着糸をワインディングする段階、熱融着糸の一部または全部が溶融されるように熱処理させる段階、及び溶融された熱融着糸を固化させてフィルター集合体に融着して固定された融着部を形成させる段階を含んで製造される。

スパイラル型分離膜モジュールの製造方法に対する説明において、上述のスパイラル型分離膜モジュールで説明した各構成に対する同一の説明については、省略して説明する。

前記熱融着糸の一部又は全部が溶融するように熱処理させる段階は、１００～２５０℃で、好ましくは、１２０～２２０℃で３０秒～２分、好ましくは、３０秒～１.５分間行ってもよい。もし、前記熱処理させる段階の温度が１００℃未満であるか、または熱処理時間が３０秒未満であると、目的とするレベルで融着部がフィルター集合体に固定されない問題が発生することがあり、温度が２５０℃を超えるか、または熱処理時間が２分を超えると、不良率が増加するか、または工程時間が増加するという問題が発生することがある。

また、前記固化は、３～２０分間、好ましくは、５～１５分間行ってもよい。もし、前記固化時間が３分未満であると、目的とするレベルで融着部がフィルター集合体に固定されない問題が発生することがあり、固化時間が２０分を超えると、工程時間が増加するという問題が発生することがある。

前記熱処理させる段階及び融着部を形成させる段階を行うことにより、図３及び図４に示されたように、融着部を形成させることができる。

本発明によるスパイラル型分離膜モジュール及びその製造方法は、不良率と工程時間を著しく減少させることができ、使用後の廃棄処理時にも環境にやさしい効果を同時に発現できる。
[発明を実施するための形態]

下記実施例を通じて本発明をさらに具体的に説明するが、下記実施例が本発明の範囲を制限するものではなく、これは本発明の理解を助けるためのものと解釈されるべきである。

<実施例１>
まず、直径８ｉｎｃｈの流出管上に、膜(Ｐｏｌｙ Ａｍｉｄｅ膜)が順次階段式構造で段差間隔５ｍｍレベルで積層された分離膜を折り曲げて分離膜内に内部スペーサーであるポリエチレン及びポリプロピレン複合素材のメッシュシートが配置されるように２３個のリーフを形成し、形成されたリーフ間の領域に外部スペーサーであるトリコットが配置されるように形成されたフィルター集合体を図１のような構造でローリングさせたスパイラル型モジュールを製造した。

そして、スパイラル型モジュールに流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように熱融着糸を１重にワインディングし、フィルター集合体の外面のうち、流出管の長手方向の両末端上には熱融着糸を２重にワインディングした後、２０００Ｗの熱風機を用いて温度１２０℃で１分間熱処理した後、溶融した熱融着性ポリマーの固化のため、常温で１０分間待機してフィルター集合体に融着して固定された融着部を形成させてスパイラル型分離膜モジュールを製造した。

このとき、前記熱融着糸は、ＰＥＴ素材の支持繊維及び融点が１００℃のポリオレフィン系熱融着性ポリマーを５０:５０の重量比で含む心芯鞘型熱融着糸を使用し、前記熱融着糸は、１重あたりの単位長さ１ｍあたり３０５回ワインディングされた。

<実施例２～１７及び比較例１～２>
実施例１と同様に行って製造するが、ワインディングされた熱融着糸の重なり数、両末端上にワインディングされた熱融着糸の重なり数、熱融着糸のねじれ数、支持繊維と熱融着性ポリマー重量比、熱処理温度と時間及び固化時間などを変更し、表１～表４のようなスパイラル型分離膜モジュールを製造した。

<比較例３>
前記実施例１と同様に行って製造するが、融着部の代わりにエポキシ樹脂と硬化剤の混合液に接触したガラス繊維をスパイラル型モジュールに流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むようにワインディングし、６０℃のキュアリングルームで６時間硬化させてスパイラル型分離膜モジュールを製造した。

<比較例４>
前記比較例３と同様に行って製造するが、６０℃のキュアリングルームで１分間硬化させてスパイラル型分離膜モジュールを製造した。

<実験例>
実施例及び比較例で製造されたスパイラル型分離膜モジュールについて下記の項目を評価し、表１～表４に示した。

１．不良率評価
実施例及び比較例によるスパイラル型分離膜モジュールについて不良率を評価した。具体的には、実施例及び比較例によって製造したスパイラル型分離膜モジュールについて、該当分野１０年以上の経歴者１５人によってそれぞれ肉眼及び触覚で不良率を評価した。このとき、１０点満点で平均値を算定した後、８点以上－○、４点以上～８点未満－△、４点未満－×として不良率を評価した。

２．高圧耐久性評価
６００ｐｓｉ条件で稼働したとき、何の問題もない場合－○、内部原部材が飛び出すチャネリング現象などのいかなる問題でも発生する場合－×として高圧耐久性を評価した。

３．流量及び除去率評価
濃縮水（２０００ｍｇ／Ｌ ＮａＣｌ）に対して圧力２２５ｐｓｉ、温度２５℃及び１５％リカバリー(ｒｅｃｏｖｅｒｙ＝(生産水流量／引込流量)×１００(％))の条件でＬＴＴ－１(Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｔｅｓｔｅｒ)を通じて流量及び除去率を評価した。

４．差圧評価
濃縮水(２０００ｍｇ／Ｌ ＮａＣｌ）に対して圧力２２５ｐｓｉの条件でＬＴＴ－１(Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｔｅｓｔｅｒ)を通じて濃縮水の流量を増加させながら通水量別差圧を測定した。

５．作業性評価
ハウジングの装着時、何の問題もない場合－○、外径及び基準重量超過などのいかなる問題でも発生する場合－×として作業性を評価した。

前記表１～表４から分かるように、本発明によるワインディングされた熱融着糸の重なり数、両末端上にワインディングされた熱融着糸の重なり数、熱融着糸のねじれ数、支持繊維と熱融着性ポリマー重量比、熱処理温度と時間、固化時間及び繊維がフィルター集合体の外面を囲むように固定させる成分などを全て満たす実施例１、５、６、９、１０及び１３が、この中から1つでも欠落した実施例２～４、７、８、１１、１２、１４～１７及び比較例１～４に比べて同レベルの流量、除去率及び差圧を示すとともに、不良率が著しく低く、高圧耐久性及び作業性が著しく優れているとともに、工程時間が著しく短いことが確認できる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施例に制限されず、本発明の思想を理解する当業者は、同一思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施例を容易に提案することができるが、これも本発明の思想範囲内にあると言える。

Claims (10)

1. 流出管と、
   前記流出管上にスパイラル型に巻き取られたフィルター集合体と、
   流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むようにワインディングされた熱融着糸の一部または全部が溶融してフィルター集合体に融着して固定された融着部であって、不良発生および耐久性低下を防止する融着部と、を含み、
   前記熱融着糸は、流出管の長さ方向にフィルター集合体の外面を囲むように１～４重にワインディングされ、
   前記熱融着糸は、流出管の長さ方向にフィルター集合体の外面を囲むように１重あたり、フィルター集合体の単位長さ１ｍあたり２９０～３２０回熱融着糸をワインディングする、
   スパイラル型分離膜モジュール。
2. 前記フィルター集合体は、
   少なくとも一つのリーフを形成するように折り曲げられて備えられる分離膜と、
   前記リーフ内に配置される内部スペーサーと、
   前記リーフ外に配置される外部スペーサーと、を含む、請求項１に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
3. 前記内部スペーサーは、メッシュシートを含み、
   前記外部スペーサーは、トリコット濾過水路を含む、請求項２に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
4. 前記熱融着糸は、
   支持繊維及び、前記支持繊維の表面に形成され、前記支持繊維に比べて融点又は軟化点が低い熱融着性ポリマーを含む、請求項１に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
5. 前記支持繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、ガラス繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれた１種以上を含み、
   前記熱融着性ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート及びポリオレフィン系ポリマーからなる群から選ばれた１種以上を含む、請求項４に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
6. 前記フィルター集合体の外面のうち流出管の長手方向の両末端上には、前記熱融着糸が１重以上さらにワインディングされた、請求項１に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
7. 前記熱融着糸は、支持繊維及び熱融着性ポリマーを２０:８０～８０:２０の重量比で含む心芯鞘型熱融着糸である、請求項１に記載のスパイラル型分離膜モジュール。
8. 流出管上にスパイラル型にワインディングされたフィルター集合体に、流出管の長手方向にフィルター集合体の外面を囲むように熱融着糸をワインディングする段階と、
   熱融着糸の一部又は全部が溶融するように熱処理させる段階と、
   溶融した熱融着糸を固化させてフィルター集合体に融着して固定された融着部であって、不良発生および耐久性低下を防止する融着部を形成させる段階と、を含み、
   前記熱融着糸は、流出管の長さ方向にフィルター集合体の外面を囲むように１～４重にワインディングされ、
   前記熱融着糸は、流出管の長さ方向にフィルター集合体の外面を囲むように１重あたり、フィルター集合体の単位長さ１ｍあたり２９０～３２０回熱融着糸をワインディングする、
   スパイラル型分離膜モジュール製造方法。
9. 前記熱処理させる段階は、１００～２５０℃で３０秒～２分間行う、請求項８に記載のスパイラル型モジュール製造方法。
10. 前記固化は、３～２０分間行う、請求項８に記載のスパイラル型モジュール製造方法。

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