JPH09225270A

JPH09225270A - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JPH09225270A
Application number: JP3794696A
Authority: JP
Inventors: Cho Taniguchi; 超谷口; Nobuhiko Suga; 伸彦菅
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】流体の流入口或いは流出口近傍での流体の流
入或いは流出時に発生する、中空糸膜の押し込まれ、或
いは、引き込まれに伴う、接着固定部付近を含めた中空
糸膜の破損を防止する中空糸膜モジュールを提供する。【解決手段】多数本の中空糸膜がモジュールケースに
収納され、両側端部をポッティング材により、液密的に
接着固定した中空糸膜モジュールにおいて、モジュール
ケースの側面に位置する、流体の流入口或いは、流出口
に近接する場所に、絶対引っ張り破断強度に優れた中空
糸膜を配置し、それ以外の場所には、単位容積あたりの
透過性能に優れた中空糸膜を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体処理を目的と
した中空糸膜モジュールにおいて、流体の流入口及び／
又は流出口近傍での流体の流入時及び／又は流出時に発
生する、中空糸膜の押し込まれ、及び／又は引き込まれ
に伴う、接着固定部付近を含めた中空糸膜の破損を防止
しうる中空糸膜モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜モジュールは、単位体積当たり
の膜面積を大きく確保することが可能であることから、
多数の流体処理分野、例えば、逆浸透膜によるカン水や
海水の脱塩、超純水の１次純水処理、ナノフィルターに
よる農薬や多糖類などの低分子有機物の除去、限外濾過
膜による酵素の濃縮・脱塩、注射用水の製造、電着塗料
の回収、超純水のファイナルフィルトレーション、廃水
処理、河川水・湖沼水・伏流水の除濁、精密濾過膜によ
る薬品精製、除菌、除濁、ガス分離膜による酸素分離、
窒素分離、水素分離、炭酸ガス分離等に適用されてい
る。

【０００３】特に近年、限外濾過膜モジュール或いは、
精密濾過膜モジュールによる、浄水或いは下水の除濁に
ついての適用検討が盛んに実施されている。中空糸膜モ
ジュールは、通常、長さ２００〜３０００ｍｍ、膜外径
０．１〜５ｍｍの中空糸膜を数百〜数万本束ねて円筒状
のモジュールケースに収納し、両側端部をエポキシ樹脂
等のポッティング材により液密的に接着固定したのち接
着端部を切断し、中空糸膜の中空部を開口させる事によ
り製造されている。

【０００４】また、中空糸膜モジュールの使用時におい
て、モジュール側面からの、流体の流入及び又は流出に
よる中空糸膜の押し込まれ、引き込まれによる、中空糸
膜の破損が発生する場合があり、この様な中空糸膜の破
損を防止する為に、モジュールケース側面に位置する、
流体の流入口及び又は流出口付近に整流筒を設ける事
が、特開昭６２−２０４８０４号、特開平３−１６６２
２号及び特開平４−１５０９２７号公報に開示されてい
る。

【０００５】しかし、外圧式（中空糸膜の外表面側から
内表面側に向かって濾過する）中空糸膜モジュールを浄
水或いは下水の除濁に利用する分野では、上記整流筒内
に懸濁物質が蓄積する事により、有効濾過面積が減少す
る。更に、中空糸膜束が棒状に固化し、膜の破損につな
がる可能性がある。また、内圧式（中空糸膜の内表面側
から外表面側に向かって濾過する）中空糸膜モジュール
においても、高透水量の限外濾過膜、精密濾過膜の場
合、上記、開示による方法では、膜破損の防止が不充分
な場合がある。

【０００６】さらに、中空糸膜自体の強度を向上させる
ことによる、破損の防止方法も考えられるが、中空糸膜
径を変えずに絶対引っ張り破断強度を向上させると、膜
面積当たりの透過性能が低下し、好ましくない。また、
膜面積当たりの透過水量を変えずに絶対引っ張り破断強
度を向上させるために、中空糸膜径を太くすると、膜面
積当たりの透過水量は、影響しないが、モジュール当た
りの透過水量が減少し、好ましくない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、懸濁物質の
蓄積を無くし、かつ、中空糸膜の破損を防止しうる、高
性能の外圧式中空糸膜モジュール、及び中空糸膜の破損
を防止しうる高透水量の内圧式中空糸膜モジュールの提
供を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数本の中空
糸膜がモジュールケースに収納され、該中空糸膜からな
る束の両端部がポッティング材により、液密的に接着固
定された中空糸膜モジュールにおいて、モジュールケー
スの少なくとも一方の側面に位置する、流体の流入口及
び又は流出口に近接する場所に、絶対引っ張り破断強度
に優れた中空糸膜が配置され、それ以外の場所には、単
位容積あたりの透過性能に優れた中空糸膜が配置されて
いることを特徴とする、中空糸膜モジュールであり、ま
た、中空糸膜カートリッジが外郭ハウジング内に装着さ
れて使用される、カートリッジ型中空糸膜モジュールで
あって、該カートリッジ内部に配置される透過性能に優
れた中空糸膜束の外周部に、絶対引っ張り破断強度に優
れた中空糸膜が、均一な層を形成する様に配置されてい
ることを特徴とする、上記中空糸膜モジュールに関する
ものである。

【０００９】カートリッジ型の中空糸膜モジュールの場
合、ケーシングの外周部に多数箇所の流体流入口及び又
は流出口が開口している場合が多いので、その内部に配
置される透過性能に優れた中空糸膜束の外周部に、絶対
引っ張り破断強度に優れた中空糸膜が、均一な層を形成
する様に配置する事が、望ましい。本発明において、単
位容積当たりの透過性能とは、中空糸膜の充填密度を一
定としたときの、基準容積当たりの透過性能を指し、性
能を調べる方法としては、ミニモジュールを充填率一定
で組み立て実測する方法、単糸の透過性能を測定した
後、基準容積当たりの性能に換算する方法がある。

【００１０】また、絶対引っ張り破断強度とは、中空糸
膜１本当たりの中空糸膜の繊維方向への引っ張りによ
り、破断に至る力を指し、通常用いられる、中空糸膜の
断面積当たりでの引っ張り破断強度を、ここでは、相対
引っ張り破断強度と呼ぶ事により区別する。上記、絶対
引っ張り破断強度に優れる中空糸膜は、流体の流入口及
び又は流出口以外に配置される透過性能に優れる中空糸
膜に比べ、より高い絶対引っ張り強度を有していれば良
い訳であるが、実際には、透過性能に優れる膜が破断す
る流速で全く破断しない膜を配置する為には、上記、透
過性能に優れる膜の１．５倍以上、好ましくは２倍以上
の絶対引っ張り破断強度を有している事が望ましい。
１．５倍未満である場合、製膜時の条件幅によっては、
上記、透過性能に優れた膜の絶対引っ張り破断強度とあ
まり変わらない値となり、流体の流入口及び又は流出口
に設置しても、膜破損の可能性が大きくなる。

【００１１】また、絶対引っ張り破断強度に優れる中空
糸膜の、単位面積当たりの透過性能は、透過性能に優れ
る中空糸膜の０．３〜１．１倍の性能を有していれば、
膜モジュールの単位容積当たりの透過性能が、極端に低
下することが無く、また、流体の流入口及び／又は流出
口付近での膜の破壊が生じない膜モジュールとなり、好
ましい。

【００１２】本発明においては、絶対引っ張り破断強度
に優れた中空糸膜と単位容積あたりの透過性能に優れた
中空糸膜との孔径或いは、分画分子量は、同一である事
が好ましい。同一でないと、中空糸膜が阻止あるいは透
過する溶質の、粒径あるいは分子量分布に差異が生じ、
好ましくない場合があるからである。本発明で使用され
る中空糸膜は、流体処理に使用しうるものであれば、特
に限定されないが、素材としては、例えば、ポリアクリ
ロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルケトン類、ポ
リエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポ
リフッ化ビニリデン、セルロース類、ポリビニルアルコ
ール、ポリアミド、ポリイミド、スルホン化ポリフェニ
レンエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブ
テン、ポリ４−メチルペンテン、ポリオルガノシロキサ
ン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンーテトラフ
ルオロエチレン共重合体等の単独或いは混合、更には複
合化による素材の膜が挙げられる。

【００１３】前記２種類の中空糸膜の素材は必ずしも同
一である必要はないが、薬品洗浄時の耐薬品性や濾液特
性を考慮すると、同一の方が好ましい。また、使用でき
る膜としては、逆浸透膜、ナノフィルター、限外濾過
膜、精密濾過膜、ガス分離膜、脱気膜が挙げられる。さ
らに、中空糸膜の形状としては、内径が５０μｍ〜５０
００μｍ、内／外径比が０．２〜０．８である、中空糸
膜が使用できる。

【００１４】本発明による、中空糸膜束の配置方法とし
ては、例えば、（１）内部に中空糸膜束分配用の板が設
置されたモジュールケースに複数本の中空糸膜束をそれ
ぞれ挿入する方法、（２）中空糸膜束に分配板を配置
し、１つの中空糸膜束とした後に、分配板付の中空糸膜
束ごとモジュールケースに挿入する方法、（３）モジュ
ールケースに中空糸膜束を挿入する前に、あらかじめ２
種類の中空糸膜を１束に束ねておき、モジュールケース
に、所定の位置になるように収納する方法、などがあ
る。

【００１５】具体的に例を挙げると、モジュールケース
側面にある、流体の流入口及び／又は流出口が１方向の
みのモジュールの場合、モジュールの断面方向からみ
て、流体の流入口及び／又は流出口の近傍に絶対引っ張
り強度に優れた中空糸膜束を配置すれば良い。また、カ
ートリッジ型モジュールの場合、流体の流入口及び／又
は流出口が多方向に開口している場合が多く、その様な
場合には、それぞれの部位に、絶対引っ張り破断強度に
優れた中空糸膜の小束を配置し、その他の部位に透過性
能に優れた中空糸膜の束を配置すれば良い。

【００１６】本発明に用いられるモジュールケースは、
直径が３０ｍｍ〜１０００ｍｍで、長さが３００ｍｍ〜
３０００ｍｍの範囲から選ばれ、材質としては、ポリス
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、ポリブテン、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、
ポリカーボネート、ポリエーテルケトン類、ポリフェニ
レンエーテル、ポリフェニレンサルファイド等のプラス
チック類、ガラスファイバー、カーボンファイバーによ
り補強したプラスチック類或いは、ステンレス鋼、アル
ミニウム合金、チタン等の金属類を使用したものであ
り、分配用板を使用する場合、モジュールケースと分配
用板は、必ずしも同一素材である必要はない。

【００１７】モジュールケースと中空糸膜との液密的な
接着固定をするには、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エ
ポキシアクリレート樹脂、シリコーンゴム等の熱硬化性
の接着性を有する、高分子が使用可能である。更に、接
着剤の硬化収縮や強度を改善するために、上記接着剤中
にガラスファイバー、カーボンファイバー等の繊維状
物、カーボンブラック、アルミナ、シリカ等の微粉体を
含有させても良い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、実施例により、本発明を更
に詳細に説明する。

【００１９】

【実施例１】特公昭５６−３５４８９号公報に記載の乾
湿式紡糸法による中空糸限外濾過膜の製造方法に従い、
公称分画分子量１００００、内／外径：１．４／２．１
ｍｍ、及び、公称分画分子量１００００、内／外径：
０．６／１．１ｍｍのポリスルホン製中空糸限外濾過膜
を製膜した。

【００２０】上記それぞれの中空糸膜の絶対引っ張り強
度、及び、相対引っ張り強度を測定したところ、内／外
径：１．４／２．１ｍｍの膜は、絶対引っ張り破断強度
が１１．７Ｎ、相対引っ張り破断強度が６．１ＭＰａ、
であり、内／外径：０．６／１．１ｍｍの膜は、絶対引
っ張り破断強度が３．７Ｎ、相対引っ張り破断強度が
５．５ＭＰａ、であった。

【００２１】また、内／外径：１．４／２．１ｍｍの中
空糸膜１９本を近似内径１３ｍｍの硬質塩化ビニル管に
挿入し、有効長１００ｍｍとなるように、エポキシ樹脂
で接着固定し、ミニモジュールとした。同様にして、内
／外径０．６／１．１ｍｍの中空糸膜７０本のミニモジ
ュールを作成した。上記２つのミニモジュールの中空糸
膜の充填率はそれぞれ約５０パーセントである。それぞ
れのミニモジュールの純水透過水量を測定したところ、
濾過圧１００ＫＰａで、内／外径１．４／２．１ｍｍの
中空糸膜を充填したミニモジュールは３．２リットル／
Ｈｒ、内／外径０．６／１．１ｍｍの中空糸膜を充填し
たミニモジュールは７．９リットル／Ｈｒであった。

【００２２】次に、内／外径：１．４／２．１ｍｍの中
空糸膜を７０本の束とし、この束を４束用意した。ま
た、内／外径：０．６／１．１ｍｍの膜中空糸膜を７０
００本の束とし、この束の外周部に内／外径：１．４／
２．１ｍｍの中空糸膜束、４束を配置し、製束する事に
より、外周部に内／外径：１．４／２．１ｍｍの中空糸
膜の約５ｍｍの層がある、１つの中空糸膜束とした。こ
の中空糸膜束を、両側端部側面に、内径２０ｍｍの流体
流出口が８箇所開口した、外径１４０ｍｍ、長さ１１０
０ｍｍのポリスルホン製カートリッジケースに収納し
た。

【００２３】この中空糸膜束の両側端部を封止し、両側
に接着治具を取り付け、エポキシ樹脂により遠心接着を
行った後、不要な両側端部を切断、両側端部の中空糸膜
が開口した、中空糸限外濾過膜カートリッジモジュール
とした。次に、上記カートリッジモジュールをステンレ
ス鋼製タンクに収納し、内圧側（中空糸膜の内表面側）
から、純水を供給し、全濾過での透過水量を測定したと
ころ、水温２５℃、濾過圧力１００ＫＰａで７．３ｔ／
Ｈｒであった。引き続き、供給圧力３００ＫＰａ、背圧
２００ＫＰａで循環濾過を行った。運転開始直後には、
７．３ｔ／Ｈｒの透過水量であったが、２ヶ月後には
７．０ｔ／Ｈｒに、若干低下した。

【００２４】タンクから、モジュールを取り外して、リ
ーク検査を行ったところ、リークの発生は確認されなか
った。

【００２５】

【実施例２】特開平３−２１５５３５号公報に記載の溶
融紡糸法による中空糸精密濾過膜の製造方法に従い、公
称孔径０．２５μｍ、内／外径：１．１／２．０ｍｍ、
及び、公称孔径０．２５μｍ、内／外径：０．７／１．
１ｍｍのポリフッ化ビニリデン中空糸精密濾過膜を製膜
した。

【００２６】上記それぞれの中空糸膜の絶対引っ張り破
断強度、及び、相対引っ張り破断強度を測定したとこ
ろ、内／外径：１．１／２．０ｍｍの膜は、絶対引っ張
り破断強度が２６．５Ｎ、相対引っ張り破断強度が１
２．１ＭＰａであり、内／外径：０．７／１．１ｍｍの
膜は、絶対引っ張り破断強度が７．２Ｎ、相対引っ張り
破断強度が１２．７ＭＰａであった。

【００２７】また、内／外径：１．１／２．０ｍｍの中
空糸膜２０本、内／外径０．７／１．１ｍｍの中空糸膜
７０本を用い、実施例１と同様に中空糸膜の充填率約５
０パーセントのミニモジュールを作成し、それぞれのミ
ニモジュールの純水透過水量を測定したところ、濾過圧
３０ＫＰａで、内／外径：１．１／２．０ｍｍの中空糸
膜を充填したミニモジュールは１７．２リットル／Ｈ
ｒ、内／外径：０．７／１．１ｍｍの中空糸膜を充填し
たミニモジュールは３７．１リットル／Ｈｒであった。

【００２８】次に、内／外径：１．１／２．０ｍｍの中
空糸膜を３００本に束ねた。また、内／外径：０．７／
１．１ｍｍの中空糸膜を１１００本に束ね、この１１０
０本束を６束用意した。これらの中空糸膜束を、図１に
示すようなモジュール内断面が分配板により７箇所に分
割され、側面に内径３３ｍｍのノズルを有する、外径１
３９．８ｍｍ、長さ１２００ｍｍのステンレス鋼製モジ
ュールケースに、ノズル部近傍の部位には、内／外径：
１．１／２．０ｍｍの中空糸膜束を、他の６カ所には、
内／外径：０．７／１．１ｍｍの中空糸膜束をそれぞれ
収納した。

【００２９】中空糸膜束の片側端部は、中空部が開口す
るように、端部を封止し、他方の端部には、長さ７０ｍ
ｍ、外径１０ｍｍのポリエチレン製のチューブ状物を３
７本配置した後、両側に接着治具を取り付け、付加型シ
リコーンゴム（東芝シリコーン社製、ＴＳＥ−３２２）
により遠心接着を行った。接着固定部が充分硬化後、不
要な両側端部を切断、チューブ状物を取り除き、外圧ク
ロスフロー濾過方式の中空糸精密濾過膜モジュールとし
た。

【００３０】次に、上記モジュールを評価装置に取り付
け、純水の全濾過での透水量を測定したところ、水温２
５℃、濾過圧力３０ＫＰａで１２．４ｔ／Ｈｒであっ
た。次に、原水を濁度４〜２５ＮＴＵの河川水に変更
し、供給水量１８ｔ／Ｈｒ、透過水量９ｔ／Ｈｒ（３３
０リットル／ｍ²Ｈｒ）、循環出側流量９ｔ／Ｈｒ（流
速約３ｍ／秒）の循環濾過を１０分、排出水量１４ｔ／
Ｈｒの逆先を２０秒、の繰り返し定流量循環濾過運転を
開始した。なお、循環水中には、濾水中のオゾン含有量
０．３ｍｇＯ₃／リットルとなるように、オゾンを添加
して、運転した。

【００３１】運転開始直後、濾過圧が約３５ＫＰａであ
ったものが、２ヶ月後には約４６ＫＰａと、濾過圧の若
干の上昇が観察された。装置から、モジュールを取り外
し、リーク検査を行ったが、リークの発生は認められな
かった。

【００３２】

【比較例１】内／外径：１．４／２．１ｍｍの中空糸膜
を使用せずに、内／外径：０．６／１．１ｍｍの中空糸
膜８０００本のみで中空糸膜束とし、それ以外は、実施
例１と同様にしてカートリッジモジュールを作成した。
次に、上記カートリッジモジュールをステンレス鋼製タ
ンクに収納し、内圧側（中空糸膜の内表面側）から、純
水を供給し、全濾過での透過水量を測定したところ、水
温２５℃、濾過圧力１００ＫＰａで８．７ｔ／Ｈｒであ
った。引き続き、供給圧力３００ＫＰａ、背圧２００Ｋ
Ｐａで循環濾過を行った。運転開始直後には約８．７ｔ
／Ｈｒの透過水量であったが、２ヶ月後には８．６ｔ／
Ｈｒに低下した。

【００３３】タンクから、モジュールを取り外して、リ
ーク検査を行ったところ、リークの発生が１３ヶ所に確
認され、その位置は、８箇所の流体流出口の周辺であっ
た。

【００３４】

【比較例２】内／外径：１．１／２．０ｍｍの中空糸膜
を使用せずに、内／外径：０．７／１．１ｍｍの中空糸
膜７７００本のみで中空糸膜束とし、それ以外は、実施
例２と同様にしてモジュールを作成した。次に、上記モ
ジュールを評価装置に取り付け、純水の全濾過での透水
量を測定したところ、水温２５℃、濾過圧力３０ＫＰａ
で１３．５ｔ／Ｈｒであった。次に、原水を濁度３〜２
８ＮＴＵの河川水に変更し、供給水量１８ｔ／Ｈｒ、透
過水量９ｔ／Ｈｒ（３１０リットル／ｍ²Ｈｒ）、循環
出側流量９ｔ／Ｈｒ（流速約３ｍ／秒）の循環濾過を１
０分、排出水量１４ｔ／Ｈｒの逆先を２０秒、の繰り返
し定流量循環濾過運転を開始した。なお、循環水中に
は、濾水中のオゾン含有量０．３ｍｇＯ₃／リットルと
なるように、オゾンを添加して、運転した。

【００３５】運転開始直後、濾過圧が約３２ＫＰａであ
ったものが２ヶ月後には、約４２ＫＰａと、濾過圧の若
干の上昇が観察された。装置から、モジュールを取り外
し、リーク検査を行ったところ、８カ所にリークの発生
が確認された。このモジュールを解体し、リーク箇所の
確認を行ったところ、８カ所何れも、濃縮水排出ノズル
に接する中空糸膜の破断によるリークである事が確認で
きた。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、懸濁物質の蓄積を無く
し、かつ、中空糸膜の破損を防止できる、高性能の外圧
式中空糸膜モジュール、及び中空糸膜の破損を防止でき
る高透水量の内圧式中空糸膜モジュールの提供が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例２及び比較例２に使用した、モジュール
断面が７分割された中空糸膜束分配板を有し、１カ所に
流体流出口（ノズル）のあるモジュールケースの断面を
表した模式図である。

【符号の説明】

１モジュールケース（筒部）２流体流出口（ノズル）３中空糸膜束分配板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数本の中空糸膜がモジュールケースに
収納され、該中空糸膜からなる束の両端部がポッティン
グ材により、液密的に接着固定された中空糸膜モジュー
ルにおいて、モジュールケースの少なくとも一方の側面
に位置する、流体の流入口及び又は流出口に近接する場
所に、絶対引っ張り破断強度に優れた中空糸膜が配置さ
れ、それ以外の場所には、単位容積あたりの透過性能に
優れた中空糸膜が配置されていることを特徴とする、中
空糸膜モジュール。
【請求項２】中空糸膜カートリッジが外郭ハウジング
内に装着されて使用される、カートリッジ型中空糸膜モ
ジュールであって、該カートリッジ内部に配置される透
過性能に優れた中空糸膜束の外周部に、絶対引っ張り破
断強度に優れた中空糸膜が、均一な層を形成する様に配
置されていることを特徴とする、請求項１に記載の中空
糸膜モジュール。
【請求項３】絶対引っ張り破断強度に優れた中空糸膜
と単位容積あたりの透過性能に優れた中空糸膜との孔
径、または、分画分子量が同一であることを特徴とす
る、請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。