JPH0377628A

JPH0377628A - 中空糸モジュール

Info

Publication number: JPH0377628A
Application number: JP20953289A
Authority: JP
Inventors: Joji Nakamura; 城治中村; Hiroshi Oaki; 博緒明
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1989-08-15
Publication date: 1991-04-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、気泡塔等、気体と液体の接触を利用する化学
反応装置、空気浮上法や泡沫分離法等による懸濁物や油
分の分離装置に用いられるものであって、中空糸の中空
部分に加圧気体を供給し、中空糸の外側表面から液体中
に気泡を発生させ、中空糸を気体の分散器として利用す
る中空糸モジュールに関するものである。

〔従来の技術〕

液体中で微細気泡を製造する方法として最も一般的に行
われているのは、加圧液体の減圧により、気体の溶解度
を物理的に変化させて気泡を発生させる方法であるが、
この方法は、例えば、水処理における溶解空気浮上法（
加圧浮上法）に利用されている。例えば、水道協会雑誌
第５３巻第１２号（第６０３号）丹保憲二他による「フ
ローテーションテスタによる溶解空気浮上法と沈降分離
の比較」において、加圧（４ｋｇ／ｃｊＧ）した水に空
気を溶解し、それを常圧（Ｏｋｇ　／　ｃＪ　Ｇ　）に
減圧して微細気泡を発生させ、その粒径分布を測定して
いる。この場合の平均気泡径は０．０５５日重であり、
大きいもので０．０８ｍ■程度、小さいもので０．０３
ｍｍ程度と報告されている。

一方、多孔質固体等を材料とした通常の気体分子ｔｔ器
を利用して、これに加圧気体を供給する方法では、上記
したような粒径の微細気泡を生成させることはできなか
った。

ところが、最近になって、高分子材料製の中空糸を利用
して微細気泡を発生させる方法が開発されて実用に供さ
れるようになった。

この場合、中空糸内部に加圧気体を供給し、中空糸外側
表面に接触する液体に流速を与えることにより、加圧水
の減圧に匹敵する程の微小気泡の製造を可能としている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように中空糸表面に接触する液体と中空糸との間
に相対運動を与えることにより、中空糸表面の微細孔よ
り発生する気泡が中空糸の表面で大きく成長する前に剥
離させて、中空糸と液体の相対運動がない場合よりも小
さい径の気泡を発生させることが知られ・ていたが、で
きるだけ小さい気泡を生成させるための最も効果的な中
空糸と液体の相対運動の与え方については必ずしも明ら
かになっていなかった。

本発明は、上記の；とにかんがみなされたもので、中空
糸を利用して微細気泡を発生させることができるように
した中空糸モジュールを提供することを目的とするもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る中空糸モジュ
ールは、中空糸の中空部分に加圧気体を供給し、中空糸
の外側表面から液体中に気泡を発生させ、中空糸を気体
の分散器として利用する中空糸モジュールにおいて、中
空糸表面に接触する液体が中空糸の軸方向に対してある
角度で流れるように中空糸を配置した構成となっている
。

上記中空糸の軸心に対する液体の流れる角度は５〜９０
度の範囲にする。

中空糸を円筒または多角形の筒の内部に螺旋状に配置し
、中空糸のどの部分にも略一様の流速をもった液体が、
略直交して接触するようにするさらに、中空糸の中空部分に酸素を含む気体を供給して
、中空糸モジュールを、細菌、微生物、動植物の培養・
飼育装置への溶存酸素供給に用いてもよい。

本発明で利用する中空糸は静止した水中で０．１〜０６
３關前後の気泡を発生する高分子材料製のものであり、
このような中空糸は、通常の湿式紡糸法により紡糸され
る。例えば、以下に説明するプロセスで中空糸を紡糸す
ることができるが、このプロセスはその一例であって、
本発明に係る中空糸モジュールに利用する中空糸の紡糸
法を規定するものではない。

ドープ（中空糸材とその溶媒）には、ポリスルホンＰ　
−１７００（ユニオンカーバイト社製）をＮ−メチル−
２−ピロリドン中に２５ｖｔ％溶解し、増孔剤としてエ
チレングリコール（以下ＥＧという）を１呻１０ｖｔ％
望ましくは３〜５ｖｔ％添加した。次にＥＧを添加した
ドープを真空状態に保ち、脱泡を行なった。内部凝固液
は水を用い、凝固浴槽にも同様に十分な本をたくわえた
。

凝固浴槽水面と紡糸合口との間の長さはＯ〜１０３程度
、望ましくは５ｃｍ程度が操作上好ま′しい。

紡糸は室温で行なわれ、凝固浴槽の温度は１５〜３５℃
の間で行なわれた。

またＥＧを添加したドープと内部凝固液は室温と同じ程
度にさらされているため、室温であり、あえて制御する
必要はない。

次の操作として、上述した紡糸が完了して時間を経ると
、Ｎ−メチル−２−ピロリドンが中杢糸より水に溶出し
て中空糸が凝固する。凝固したその中空糸を延伸率１．
１倍、１．２倍、１．３倍と延伸した。この延伸率はあ
くまでも実験上の数値であって、これにとられれること
はない。

このようにして製造された中空糸は、その外表面及び内
表面が緻密な膜でできており、その中間はスポンジ状の
支持体からなっている。そして上記両表面にできた緻密
な膜には孔径が数ミクロン以下の多数の微細孔ができて
いる。

上記のようにして製造された中空糸内に、これを静止し
た水等の液中に浸漬状態で加圧気体を供給することによ
り、これの外側表面に０．１〜０．３ｍｍ前後の気泡が
発生する。

〔作　　用〕

上記方法で製造された中空糸の表面の微細孔から排出さ
れる気体は孔の径よりかなり大きく成長するまでは、中
空糸表面から剥離しない。

中空糸表面に接触する液体に流速を与えることにより、
気泡が表面で成長する前に剥離させて小さい気泡を得る
ことができるが、液体の流速が大きい程気泡径が小さく
なるといった単純な関係があるわけではない。

この中空糸と流体の相対的な運動と発生する気泡の径の
関係について研究した結果、中空糸表面の境界層の存在
が発生する気泡の径に関係することがわかった。

流体力学で知られているように、液体が固体表面を流れ
る場合、表面付近には境界層と呼ばれる液体の速度勾配
が存在する層が発生し、固体表面近傍の液体の流速は液
体本体の流速よりかなり小さくなる。このため、液体の
流速をかなり大きくして中空糸と接触させても境界層が
存在する限り、この境界層内部で気泡がある程度成長す
ることになる。

ところが、円柱状の形態を持つ物体を、その軸方向が流
れ方向と直交するように流体中に置いた場合、円柱の後
側には「カルマン渦」と呼ばれる渦が発生し、円柱の前
側に発生するような境界層がなくなることが流体力学の
基本的現象として知られている。

本発明は、中、杢糸の形状が円柱であることから、上記
現象を応用して中空糸表面で部分的に境界層の発生を防
ぐような中空糸と流体の配置を持った中空糸モジュール
の構造を明らかにすることによって、従来よりさらに小
さい気泡の発生を可能としたものである。

上記のことは第３図と第４図に示す２つの形態の中空糸
モジュールでの実験で明らかである。

すなわち、第３図に示すものは、一端に空気流入口１を
有する筒体２内に複数本の中空糸３、これの先端部をシ
ール４にて閉じ、基端部を上記流入口１に連通ずる空気
室５に開放すると共に、この先端部近傍と上記空気室５
を仕切るシール６にて密閉して両シール４．６間に液室
７を構成し、この液室７に液体の流入口８と流出口９を
中空糸３の軸方向に離間して設けた構成となっている。

また第４図に示すものは、上記第３図に示す構造に対し
て、液体の流入口８′と流出口９′が中空糸３の軸方向
と直角方向に対向して設けである。

上記第３図に示す中空糸モジュールの空気室５より中空
糸３の内部に加圧空気を供給し、液体の流入口８から液
体を流入して流出口９から排出して中空糸３の軸方向と
平行に液体を流した場合と、第４図に示す中空糸モジュ
ールのように流体の流入口８′から流出口９′へ流して
中空糸３の軸方向と直角方向に液体を流した場合とで、
それぞれの中空糸３の表面から発生する微細気泡の径を
比較すると、後者、すなわち、第４図に示す場合の方が
より小さい径の気泡を発生する。

これは、中空糸３と液体を平行に流した場合、中空糸の
外周部に略一様に境界層が発生するのに対して、液体の
流れを中空糸３と直交させた場合は、第５図に示すよう
に、円柱状である中空糸３に流体があたる前面部には境
界層Ａが発生するが、うしろ側にはカルマン渦Ｂが発生
して境界層がなくなるためである。この境界層がなくな
った部分では極めて小さい径の気泡が発生する。

また、第５図において、円柱状の中空糸３の前側の方が
後側より大きな圧力がかかるため、前側の境界層Ａの部
分には中空糸表面から気泡が発生しにくくなり、殆どの
気泡は後側の表面から極めて小さい径で発生することに
なる。

さらに、このカルマン渦Ｂの発生は中空糸３の周囲の流
れが遅い層流の場合でも起こるため、気泡径を小さくす
るために特に流速を大きくする必要がなく、このような
ψ空電３の配置を持った微細気泡発生用の中空糸モジュ
ールは運転経費の節減、運転撮作性の向上の面からも極
めて優れたものである。

そしてさらに、中空糸３の軸方向と流体の流れ方向との
なす角度は、上記効果が発生する範囲として５〜９０度
の程度で実用上問題が無く、でき得れば略直交すること
が望ましい。

〔実　施　例〕

本発明の実施例をｍ１図、第２図に基づいて説明する。

なおこの実施例は本発明の効果を実証するために行なっ
たものであり、本発明による中空糸モジュールの具体的
構成を規定するものではない。

実施例１第１図に示すように、１本の中空糸３の両端部を、コ字
に形成し、かつ中間部に流入口１１を有するアクリルバ
イブ１２の両端にシール材を介して接続して簡易モジュ
ールを作成した。

この簡易モジュールをこれの流入口１１から加圧空気を
供給しながら水中に配置して、ポンプに接続したノズル
から水を中空糸表面にあてて、この水の流れの方向と中
空糸から発生する気泡の径分布の関係を調べた。このと
き、加圧空気の圧力は３　ｋｇ　／　ａｊ　Ｇとし、気
泡径分布は実体顕微鏡による写真撮影から５００個のサ
ンプルにより求めた。

水の流速を与えなかった場合の気泡分布を第６図に示す
。この場合の平均気泡は０．２９關だった。

ノズルから約ＯＪｍ／ｓｅｅの速度の水流を中空糸３の
軸方向と略平行に与えると気泡径分布は第７図に示すよ
うになり、このときの平均気泡径は０．０７７　ｍ■と
なった。

次に、ノズルを中空糸３の軸方向と直角に配置し、約０
．３　ｍ／ｓｅｅの速度の水流を与えると気泡分布は第
８図に示すようになり、この゛ときの平均気泡径は０．
０４８　ｍｍとなった。

実施例２第２図は、中空糸３と水の流れが直交し、かつ水流が中
空糸３の各部分に均一に接触するように工夫された螺旋
状の中空糸モジュールの構造を示す。

第２図において、１３は外径が３５關、長さが２５ｃｍ
の円筒状の内筒であり、これの外側に角材１４が、円周
方向の等分４個所に４本、長手方向に沿わせて接着しで
ある。この各角材１４の外面には、幅１關、深さ１關の
溝が５　ｍｍのピッチで旋盤により切削加工してあり、
この溝に沿って中空糸３を螺旋状に巻きつけ、各溝部で
接着剤にて接着した。これにより、中空糸３が内筒１３
の外周面から角材１４の厚さの間隔をあけた部分で螺旋
状に配置される。このときの中空糸３の長さは約７ｍで
あった。

上記のように中空糸３を巻きつけた内筒１３の両端を円
板で塞ぎ、この内筒１３の外径より１５ｍｍ大きい内径
を持つ透明の円筒からなる外筒１５内に挿入し、両筒１
３，１５が同心状になるようにステー１６を取り付けた
。外筒１５の一端には水の流入口１７が、他端には出口
１８がそれぞれ設けである。また上記中空糸３の一端は
加圧空気供給バイブ１９に挿入してシールしである。ま
たこれの他端部はシール部材にて閉じである。

上記構成の中空糸モジュールを垂直に保持し、下側の流
入口１７より水を供給し、また加圧空気供給バイブ１９
より３　）ｃｇ　／　ｃｉ　Ｇの加圧空気を供給すると
、水の供給速度が低い間は中空糸３の表面で気泡が大き
く成長してしまうが、水の供給速度が約１０１／ｉｌｎ
以上になると、中空糸３から発生する気泡は極めて小さ
くなる。そしてモジュールの上方に行くに従って気泡が
濃縮されるため水が白濁していく様子が観察された。第
９図には、この中空糸モジュールへの水の供給速度が１
５ｊ！　／ｓｌｎ　、空気の供給量が３００　ｃｃ／■
ｉｎのときに発生する気泡の粒径分布を示した。このと
きの平均気泡径は０　、０２８　ｍｍだった。

また上記操作条件で中空糸モジュールと約４０１の水を
入れた水槽との間で水を循環させると、約４分で水槽中
の水は微細な気泡にて白濁し、水槽の透明の壁面から１
０ＣＩＩ＋以上離れた場所に黒色の板を置いても、水槽
の外側から視認することができなかった。

このように、中空糸モジュールを液体槽の外部または内
部に配置し、中空糸モジュールと液体槽の間で液体を循
環することにより、液体槽内の気泡濃度を上記循環がな
い場合より高くすることができた。

上記各実施例における中空糸モジュールから発生する微
細気泡によって気体を液体中に溶解させることにより、
この中空糸モジュールを気体溶解装置として用いること
ができる。

また中空糸に酸素を含む気体を供給することにより、上
記中空糸モジュールを、細菌、微生物、動植物の培養・
飼育装置への溶存酸素供給装置として用いることができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、加圧空気を中空糸３に供給した状態で
中空糸モジュール内部に水を通過させるだけで、０．０
３ｍｍ程度の微細気泡を含んだ水を得ることができる。

そしてこの中空糸モジュールを曝気装置、空気浮上法や
泡沫分離法等に応力した場合、気泡の利用効果の向上、
コストの低減に大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明のそれぞれ異なる実施例を示す
構成説明図、第３図、第４図は中空糸に対する水の流れ
方向を変えた中空糸モジュールを示すもので、第３図は
中空糸と平行に水を流す場合、第４図は中空糸と直交方
向に水を流す場合の中空糸モジュールの斜視図、第５図
は円柱の後流におけるカルマン渦の発生状況を示す説明
図、第６図から第９図は第１図、第２図で示した各中空
糸モジュールにおける気泡分布を示す線図である。３は中空糸、１２はアクリルパイプ、１３は内筒、１５
は外筒、１７は流入口、１８は出口。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中空糸の中空部分に加圧気体を供給し、中空糸の
外側表面から液体中に気泡を発生させ、中空糸を気体の
分散器として利用する中空糸モジュールにおいて、中空
糸表面に接触する液体が中空糸の軸方向に対してある角
度で流れるように中空糸を配置したことを特徴とする中
空糸モジュール。
（２）上記中空糸の軸心に対する液体の流れる角度は５
〜９０度の範囲にしたことを特徴とする請求項１記載の
中空糸モジュール。
（３）中空糸を円筒または多角形の筒の内部に螺旋状に
配置し、中空糸のどの部分にも略一様の流速をもった液
体が、略直交して接触するようにしたことを特徴とする
請求項１記載の中空糸モジュール。
（４）中空糸の中空部分に酸素を含む気体を供給し細菌
、微生物、動植物の培養・飼育装置への溶存酸素供給に
用いることを特徴とする中空糸モジュール。