JPH06114247A

JPH06114247A - 金属製分離膜

Info

Publication number: JPH06114247A
Application number: JP26990592A
Authority: JP
Inventors: Daiji Sakamoto; 大司坂本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1994-04-26

Abstract

(57)【要約】【目的】機械的強度に優れたろ過分離膜、特に精密ろ
過または限外ろ過用等超微細開口の金属ろ過分離膜の提
供。【構成】非多孔性の金属基材、該基材の表面に冶金的
に結合した多孔質金属でなる第一層および第一層上に直
接または中間層を介して第１層より小さい平均空孔径を
有する多孔質金属の第二層からなる金属製分離膜。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は食品・薬品工業における
菌体処理、電気・機械工業における廃液処理あるいは一
般の雑用水における排水浄化処理などに使用される金属
製ろ過分離膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】醤油、ビールあるいは酒などの食品製造
における菌体の除去、医薬培養液のろ過あるいはビル排
水の再利用における雑菌の除去などいわゆる精密ろ過あ
るいは限外ろ過と呼ばれる分離・精製技術は近年ますま
す重要な技術となりつつある。一方、ろ過能率向上のた
めの高圧ろ過（または高圧逆洗）、遠心分離機への適用
等分離膜に加わる応力は増加傾向にある。このような分
野、特に限外ろ過のように０．１μｍ以下の大きさの微
粒子を抽出・分離するろ過膜としては、これまでは高分
子膜が使われることが多かったが、この高分子膜は強度
が弱いため低速・低圧力でしか原液が流せず、ろ過速度
が低いという欠点や、有機溶剤に侵され易い、熱に弱い
という欠点があった。

【０００３】これに対し、最近、高分子膜よりも強度の
高いセラミックス膜が開発され高速ろ過が可能となり、
また、高温殺菌あるいは薬液洗浄にも強いという特徴を
生かし、次第に広く使われるようになってきた。しかし
ながら、逆に、このセラミック膜には、脆いという大き
な欠点があり、曲げ応力や引張り応力の加わる使われ
方、あるいはろ過膜の形状として切り欠きのような鋭角
部が必要な使われ方をされる場合などには信頼性の面で
大きな不安があった。そして、上記両者の欠点を補うろ
材として金属製ろ過膜の必要性が叫ばれるようになって
きた。

【０００４】従来より金属粉末を多孔質状態に焼結する
ことにより製造されたろ材、たとえばステンレス鋼フィ
ルタあるいは黄銅フィルタなど各種のものが市場に供給
され、ごく一般的に使用されている。この金属粉末によ
る多孔質フィルタは、前記の高分子膜やセラミック膜に
比して、溶材や熱に対する抵抗性、機械的強度、信頼性
は優れているが、機械的強度については、まだ十分とは
言えない。また、これらはいずれも空孔径が１μｍ以上
の粗いろ材であり精密ろ過あるいは限外ろ過のような微
粒子のろ過には使用できなかった。これは、金属粉末の
場合、セラミックス粉末のような微粉末の製造がやや困
難なこと、またその適用方法が不適切であったためであ
る。このため、極微細金属繊維を圧密して焼結する方法
などが提案されている。しかしながら、このような方法
によっても空孔径はせいぜい０．１μｍが限度でありそ
れ以下の超微細ろ材を得ることは困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の金属
粉末による多孔質焼結ろ過膜の特長をそのまま保持しつ
つ、それより格段に高い機械的強度を有する金属粉末焼
結ろ過分離膜を提供すること、またはこの格段に高い機
械的強度を有しつつ、さらに精密ろ過や限外ろ過等の目
的を達成し得るろ過分離膜を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のろ過分離膜は、
少なくとも３層から形成されており、各層はろ過分離膜
全体に要求される機能を効果的に分担して達成するもの
である。すなわち、本発明は、表裏間に貫通する閉口を
有し、または有しない金属製の基材、該基材の前記表裏
の少なくとも一方の面に冶金的に結合して設けられた多
孔質金属層でなる第一層および該第一層の表面に、直接
または多孔質金属層でなる中間層（但し、該多孔質金属
層は後述の第二層より大きい平均空孔径を有する）を介
して、前記第一層より小さい平均空孔径を有する多孔質
金属層でなる第二層からなることを特徴とする金属製分
離膜である。

【０００７】

【作用】本発明のろ過分離膜は、ろ過目的に合致した
０．１μｍ以下程度の開口を有して、ろ過分離を行なう
第二層を、第一層を介して(要すればこれらの間に中間
層を介して)、効果的に基材層で支持したものである。
この第一層の支持状態は、第一層に加わる曲げ、引張り
および圧縮応力を基材に安全に伝達可能な冶金的結合で
ある。そして、この第一層は、第二層に比し、十分大き
い開口と十分高い空隙率を有して、ろ液の通路、特に板
材の広がりに平行な方向のろ液の流通を可能とする通路
としての機能を有する。また、基材層には、ろ液の貫通
を許容するパンチ孔等の孔を設けてもよいが、その孔で
ない部分は、多孔質とする必要はないから、非多孔質材
として十分な機械的強度のものとすることができる。

【０００８】本発明者は、先に、扁平な比較的狙い金属
粉を比較的高温度で焼結することにより、比較的機械強
度が強く、かつ高い空隙率を有する多孔質金属支持層を
得、この支持層の表面に超微粒金属粉を塗布した後低温
焼結することにより、この塗布による層を精密ろ過ある
いは限外ろ過に適する超微細開口を有する多孔質とし
て、前述の支持層を複合したろ過分離膜を得ることに成
功した(特願平４−９３２５６号）。本願の本発明に対
して、上記の先の発明を適用することにより、金属粉末
による多孔質焼結ろ過膜の特長に加え、さらに優れた機
械的強度を精密ろ過機能を有するろ過分離膜の提供が可
能になった。

【０００９】分離・精製の対象となる原液は必ずしも中
性の液体ばかりではなく、弱酸性あるいは弱アルカリ性
である場合が多い。したがって本発明でろ材に使用する
原料の材質は耐食性および強度の点から全層ともステン
レス合金とすることが望ましい。特に食品や薬品の分離
・精製に関してはろ材からの金属イオンの溶出は許され
ず、できるだけ耐食性の良い合金の使用が望ましい。本
発明の多孔質材層は金属微粉末の焼結体からなることを
特徴とするが、金属粉末の多孔質焼結体は焼結条件によ
ってはかならずしも十分な機械的強度が得られるとは限
らず、否、むしろ分離性能から高空隙率を達成しようと
すると、機械的性質は必ず低下するから、この多孔質焼
結体層で機械強度を負担させることは不合理である。本
発明は多孔質材層の支持層としてステンレス合金製等の
非多孔質の基材を配したものである。このステンレス板
状材等の片面(あるいは両面)に金属粉末の多孔質焼結材
層を冶金的に結合させて形成させることにより、分離膜
全体の機械的強度を保証することができる。

【００１０】多孔質材層の焼結に使用する原料粉末の粒
径は、焼結後の空孔径を決定するもっとも大きな因子で
あり、精密ろ過あるいは限外ろ過の目的を果たす第二層
に関しては、従来の金属粉末焼結多孔質体より微細な１
μｍ未満の微細平均空孔径を得るためには原料粉末とし
て平均粒径０．１μｍ以下の超微粉を使用するとよい。
本発明者は、前述のように精密ろ過あるいは限外ろ過の
目的を果たす第二層について、多孔質基材の表面に超微
細粉末を薄く塗布した後、焼結する方法により、目的の
超微細開口を有する膜とすることに成功した。球状粉末
の場合、一般的には目標とする空孔径の約３倍の粒径の
原料粉末を使用すれば良いとされているが、できるだけ
低温で焼結が行えるよう、また、焼結条件の変更により
平均空孔径を、およそ０．０３〜１μｍ未満のできるだ
け広い範囲で自由に設定できるよう、原料粉末の平均粒
径を０．１μｍ以下に限定するのがよい。

【００１１】次に、該精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜を
支える比較的目の粗い第一層について述べる。この第一
層は、第二層の精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜を通過し
たろ過後の分散媒（以下液体等と記す）を回収槽側へ導
く通路になる部分であり、分離膜としてのろ過効率を上
げるためにも、また、ろ材が目詰まりした際の逆流洗浄
をしやすくするためにも、できるだけ大きな空孔径と空
隙率とを有する、つまり液体等の透過抵抗の小さい構造
でなければならない。単に空孔径の小さなろ過膜のみを
厚くした場合、液体等の透過抵抗は大きくなるばかりで
ろ過効率は大幅に低下することになる。

【００１２】発明者らは、前述のように、このような比
較的目の粗い第一層の製造方法として、扁平状粉末を焼
結する方法を採用した。球状粉末あるいは若干の不規則
形状粉末ではタップ密度が高く十分な空隙率が得られな
いが、扁平状の粉末を使用することにより空隙率の大き
な焼結体を得ることができる。一例として図１に、平均
粒形１０μｍの球状粉末と平均粒形１８μｍで厚さ１μ
ｍの扁平状粉末とを種々の比率で混合した場合のタップ
密度の変化を、また、図２に該混合粉末を１１００℃の
温度で焼結した場合の空隙率の変化を示す。

【００１３】該第一層の製造に使用する原料粉末の粒径
に関しては、液体の透過抵抗を小さくするためには粒径
の大きい粉末を使用し空孔径を大きくした方が良いが、
逆に空孔径が大きくなりすぎると、その表面への第二層
ろ過膜用微粉末を直接塗布する場合その塗布が難しくな
る。ある程度の空孔径を確保するために扁平状粉末の平
均粒径は１０μｍ以上、ろ過膜用微粉末の塗布のし易さ
の点から平均粒径１００μｍ以下とした。また、該扁平
状粉末は偏平度が高いことが必要であり、その厚さが３
μｍを越えるとタップ密度が高くなりすぎ空隙率増大の
効果が小さくなるため３μｍ以下に限定した。第一層の
空隙率４０％以上の規定は、図２からもわかるように、
前記提案の扁平金属粉を原料として用いることにより容
易に得られる値であって、本発明製品の特色を高めるも
のであるため規定した。上述からも理解できるように、
第一層と第二層の物性が極端に違う場合、両者の中間に
これらの中間の特性を有する中間層を配置することが望
ましい。なお、本発明による分離膜の断面形状およびろ
過液の流れの例を図３に示す。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）基材として、厚さ２ｍｍ、直径２００ｍｍ
のＳＵＳ３１６製板材を底に敷いた金型中に平均粒形２
５μｍで厚さ１．５μｍのＳＵＳ３１６製扁平状粉末を
深さ２０ｍｍまで充填し、３０ｇｆ／ｃｍ²の荷重をか
けた状態で水素中にて１１００℃で４時間焼結して第一
層を形成した。その後、該扁平状粉末焼結体の表面に、
平均粒径０．０８μｍのＳＵＳ３０４製超微粒子をラッ
カー塗料に分散させスラリー状としたものを厚さ２００
μｍに塗布し水素中にて８００℃で２時間焼結した。得
られた試料につき空孔径、空隙率および曲げ強度の評価
を行った結果を表１に示す。なお、比較用としてＳＵＳ
３１６製板材を使用しない焼結体についても同時に評価
した。なお、表中の第一および第二層の空孔径、空隙率
の測定はＳＥＭ写真によった。

【００１５】

【表１】

【００１６】焼結多孔質体層のみで成る分離膜（試料番
号２）に比しステンレス鋼製板材を基材に用いたもの
（試料番号１）は曲げ強度が大きく、また、破壊の形態
も脆性的な折れではなく、塑性変形による曲がりの形態
となり、分離膜全体としての強度面での信頼性は大きく
向上する。また、貫通孔を有する板材を基材として用い
た場合にも、その基材の有効断面積率に比例した機械的
強度が得られるのは言うまでもない。また、上記実施例
の第一層形成まで、および第二層形成のための処理以降
は同条件として、その中間に、中間層用としてＳＵＳ３
１６製平均粒径１０μｍの球状粉末をラッカー塗料に分
散したスラリー状を薄く塗布して１０００℃で２時間焼
結する工程を加えた製造方法で分離膜を形成した。その
結果、各製造工程中で特にトラブルは発生しないことが
確認された。

【００１７】（実施例２）次に第一層多孔質体に関する
実施例を説明する。ＳＵＳ３１６製の球状粉末および種
々の扁平状粉末を金型中に充填し３０ｇｆ／ｃｍ²の荷
重をかけた状態で水素中にて１１００℃で４時間焼結し
た。その場合の焼結体の空孔径、空隙率および曲げ強度
の評価結果を表２に示す。球状粉末（試料番号１）ある
いは扁平度の低い粉末（試料番号２および３）において
は３５％以下とやや低い空隙率のものが得られ、これ
は、ろ過後の液体等の通路としては透過抵抗が大きくな
るが、曲げ強度が比較的高いのでこの点で実用性があ
る。また、曲げ強度については球状粉末（試料番号１）
よりも扁平状粉末（試料番号２、３、４および５）の方
が小さく、この焼結多孔体単体では機械的強度が十分で
ないため、実施例１に示したようにステンレス鋼製板状
材等を基材として使用する本発明の特色が生かされる。

【００１８】

【表２】

【００１９】（実施例３）次に第二層多孔質体に関する
実施例を説明する。蒸発法により製造した平均粒径０．
０８μｍのＳＵＳ３０４製超微粒子をラッカー系塗料に
分散させスラリー状にしたのち、アルミナセラミック板
に塗布し自然乾燥させた。この乾燥体を水素中にて７０
０〜９００℃の温度で焼結し、得られた焼結体の空孔径
および空隙率を測定した。その結果を表３に示す。適切
な焼結条件を選定することにより、１μｍ以下の微細空
孔径を有する多孔質体が得られることがわかる。この多
孔質体層を実施例２に示した目の粗い多孔質体層の表面
に形成させることにより、精密ろ過あるいは限外ろ過に
適用可能な分離膜を得ることができる。

【００２０】

【表３】

【００２１】

【発明の効果】本発明の分離膜は、従来の金属粉末焼結
によるろ過分離膜の特徴をそのまま保持しつつ、近時、
益々要求される高い機械的強度の要求を満足するもので
あり、また、前記提案による製造方法を併用することに
より、精密ろ過あるいは限外ろ過に使用されていた高分
子材料製分離膜またはセラミックス製分離膜を置換し
て、大幅な信頼性の向上が達成できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】球状粉末と扁平状粉末を種々の比率で混合した
時のタップ密度の変化を示す図である。

【図２】球状粉末と扁平状粉末を種々の比率で混合した
ものを１１００℃にて焼結した時の空隙率の変化を示す
図である。

【図３】本発明による分離膜の断面形状の例およびろ過
液の流れの一例を示す図である。（ａ）：貫通孔を有しない基材の場合（ｂ),(ｃ)：貫通孔を有する基材の場合

【符号の説明】

１ステンレス合金製板材、２第一層多孔質材、３
第二層多孔質材、４ろ過液等の流れ方向を示す矢印

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】従来より金属粉末を多孔質状態に焼結する
ことにより製造されたろ材、たとえばステンレス鋼フィ
ルタあるいは黄銅フィルタなど各種のものが市場に供給
され、ごく一般的に使用されている。この金属粉末によ
る多孔質フィルタは、前記の高分子膜やセラミック膜に
比して、溶材や熱に対する抵抗性、機械的強度、信頼性
は優れているが、機械的強度については、まだ十分とは
言えない。また、これらはいずれも空孔径が１μｍ以上
の粗いろ材であり精密ろ過あるいは限外ろ過のような微
粒子のろ過には使用できなかった。これは、金属粉末の
場合、セラミックス粉末のような微粉末の製造がやや困
難なこと、またその適用方法が不適切であったためであ
る。このため、極微細金属繊維を圧密して焼結する方法
などが提案されている。しかしながら、このような方法
によっても空孔径はせいぜい１μｍが限度でありそれ以
下の超微細ろ材を得ることは困難であった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表裏間に貫通する開口を有し、または有
しない金属製の基材、該基材の前記表裏の少なくとも一
方の面に冶金的に結合して設けられた多孔質金属層でな
る第一層および該第一層の表面に、直接または多孔質金
属層でなる中間層（但し、該多孔質金属層は後述の第二
層より大きい平均空孔径を有する）を介して、前記第一
層より小さい平均空孔径を有する多孔質金属層でなる第
二層からなることを特徴とする金属製分離膜。
【請求項２】金属は、すべてステンレス鋼である請求
項１の金属製分離膜。
【請求項３】第一層は、１０μｍ以上の平均空孔径お
よび４０％以上の空隙率を有する多孔質金属層、第二層
は１μｍ以下の平均空孔径を有する多孔質金属層である
請求項１または２の金属製分離膜。
【請求項４】第一層は、平均粒径１０〜１００μｍで
厚さ３μｍ以下の扁平状金属粉末粒子が焼結されたもの
である請求項１，２または３の金属製分離膜。
【請求項５】第二層が、平均粒径０．１μｍ以下の超
微粒子の焼結体よりなる請求項１，２，３または４の金
属製分離膜。