KR101260742B1

KR101260742B1 - 여과용 분리막 엘리먼트 및 여과용 막 모듈

Info

Publication number: KR101260742B1
Application number: KR1020107007575A
Authority: KR
Inventors: 토루 모리타
Original assignee: 스미토모덴코파인폴리머 가부시키가이샤
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2013-05-06
Also published as: CA2703799A1; EP2239044A4; KR20100052555A; AU2008314902A1; WO2009054448A1; MX2010004412A; RU2010120692A; SG185314A1; EP2239044A1; CN101835528A; US20100258497A1; JP5407133B2; JP2009101311A

Abstract

(과제) 여과 성능이 우수함과 함께, 내약품성 및 기계적 강도가 우수하고, 장기에 걸쳐 안정된 투과 유량을 얻을 수 있는 여과용 분리막 엘리먼트를 제공한다.
(해결 수단) 현탁 성분을 포함하는 피처리액 중에 침지하여 고액 분리 처리르 행하는 여과용 분리막 엘리먼트로서, 적어도 연신 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 다공질막을 구비하는 다공질 시트를 통형으로 형성하고, 당해 다공질 시트로 둘러싸이는 중공부를 처리 완료액 유로로 하고 있는 통형 여과막과, 상기 처리 완료액 유로가 되는 중공부 지지용의 서포트재와, 상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단을, 적어도 1개의 처리 완료액 취출구를 만들어 밀봉하는 밀봉부를 구비하고 있다.

Description

여과용 분리막 엘리먼트 및 여과용 막 모듈{SEPARATION MEMBRANE ELEMENT FOR FILTRATION AND MEMBRANE MODULE FOR FILTRATION}

본 발명은, 여과용 분리막 엘리먼트 및 복수의 분리막 엘리먼트를 집속한 여과용 막 모듈에 관한 것으로, 환경 보전 분야, 의료·식품 분야 등의 고액(solid-liquid) 분리 처리를 행하는 여과 장치에 사용되는 것이다.

종래부터, 복수의 여과용 다공질막을 집속하여 구성한 막 모듈(membrane module)이, 침지(immersion)형 흡인 여과 장치 혹은 외압식 여과 장치에 장착되어, 하천수, 호수(lake water)수의 정화와 같은 소위 정수 처리의 분야에 있어서 널리 사용되고 있다. 최근, 이들 막 모듈은, 정수 분야에 한하지 않고, 하수의 2차 처리, 3차 처리나, 배수, 산업 폐수, 공업 용수 등의 여과와 같은 고오탁성(highly polluted) 수처리용으로서도 이용되어 오고 있다.

고오탁성 수처리의 이용의 하나로서, 막 모듈을 이용한 막 분리 활성 오니법에 의한 배수 처리 시스템이 확산되고 있다. 막 분리 활성 오니법은, 고농도 활성 오니하에서 운전할 수 있기 때문에, 폭기조(aeration tank)의 용량을 작게 할 수 있는데다, 침전조·오니 농축조가 불필요해지기 때문에 종래의 일반적인 활성 오니 처리 장치에 비하여 설치 면적을 작게할 수 있는 이점이 있다. 그에 더하여, 막 분리 활성 오니법은, 종래보다도 처리수의 수질의 향상을 도모할 수 있는 이점도 갖는다.

그러나, 막 모듈을 구비한 여과 장치를 이용하여 고탁도 배수의 처리를 계속하면, 막 표면 및 막 사이에, 피(被)처리액 중에 포함되는 현탁 성분이 퇴적하고, 나아가서는, 막 폐색을 발생시켜, 투과 유량의 저하가 발생한다.

특히, 막 분리 활성 오니법과 같은 고오탁성 수처리에 있어서는, 피처리액의 점도가 높은데다, 생물 처리 특유의 점착성이 있는 퇴적물에 의한 막의 오염(바이오파울링;bio-fouling)이 발생하기 때문에, 일반 배수계의 여과에 비하여, 여과막에 현탁 성분이 퇴적하기 쉬워, 퇴적물의 부착이나 막힘에 의한 투과 유량의 저하가 현저하다.그 때문에, 막 모듈을 이용한 여과 장치는, 통상, 운전시에는 가압 공기를 보내, 에어 버블링(air bubbling) 등으로 배수의 흐름을 만들어, 이에 의한 퇴적물의 박리나 여과막의 요동에 의한 기계적 부하에 의한 퇴적물을 제거하는 청정 조작(산기(散氣) 처리)이 행해진다. 또한, 산기 처리에서 제거할 수 없는 퇴적물이나 막내에 막힌 퇴적물은, 퇴적물의 종류에 따라서, 수산화 나트륨 등의 강알칼리나 염산, 구연산, 옥살산 등의 산, 차아염소산 나트륨 등의 강산화제의 수용액에 의해 분해 세정하는 메인터넌스 작업에 의해, 반복 여과 기능을 회복시킬 필요가 있다. 또한, 특히, 이상(異常)인 고탁도 배수의 유입 등 뜻밖의 사태가 발생한 경우에는, 보다 고농도의 화학 약품을 이용한 약액 세정의 필요성이 발생할 가능성도 있다.

그 때문에, 막 모듈 및 이를 구성하는 여과막 엘리먼트에는 높은 여과 성능을 갖는 것에 더하여, 장기간 운전시의 기계적 부하에 견딜 수 있는 강도와, 특히 산화제나 산·알칼리에 대하여 우수한 내약품성을 겸비하고 있는 것이 요망되고 있다.

특히, 배수 처리 용도, 특히 대규모 하수 처리장 등에 있어서, 막 엘리먼트나 막 모듈은 통상 5년에서 10년의 제품 수명이 요구되고 있기 때문에, 당해 제품 수명을 넘는 장기간의 여과 장치의 운전 및 반복 메인터넌스에 견딜 수 있는 기계적 강도와 내약품성을 겸비하는 것이 강하게 요망되고 있다.

종래, 막 모듈로서는, 다수개의 중공사를 원형 형상으로 집속하여 배치하고, 그 단부(端部)를 개구 형상에서 고정 부재로 고정하여 집수부(catchment portion)로 한 중공사막 모듈이나, 지지판으로 시트 형상의 다공질막을 지지한 평막형의 막 엘리먼트를 복수 구비한 평막 모듈 등이 있다.

중공사막 모듈로서, 본 출원인은, 일본국특허 제3851864호 공보(특허문헌 1)에 있어서, 다공질 연신(expanded) PTFE제의 튜브로 이루어지는 지지층과, 다공질 연신 PTFE 시트로 이루어지는 여과층을 구비하고, 내주측으로 하는 상기 지지층의 튜브의 외표면에 상기 여과층을 일체화시켜 복층화하고, 상기 지지층과 여과층의 공공(空孔;pore)을 서로 3차원적으로 연통한 다공질 복층 중공사를 집속한 여과 모듈을 제안하고 있다.

또한, 평막 모듈로서는, 종래, 염소화 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 수지로 이루어지는 다공질막을 이용한 것이나, 일본공개특허공보 2004―182919호(특허문헌 2)와 같이 폴리불화 비닐리덴(PVDF)계 수지로 이루어지는 다공질막을 이용한 것이 있다.

일본국특허 제3851864호 공보 일본공개특허공보 2004―182919호

상기 특허문헌 1과 같은 중공사막 모듈은 일반적으로 유효 막 면적당 설치 면적을 작게 할 수 있어, 콤팩트성이 우수하다는 이점을 갖는다. 그러나, 중공사막 모듈을 고오탁성 배수, 특히 막 분리 활성 오니법에 적용하는 경우, 이 이점을 충분히 활용되지 못하는 현상재의 상황이다. 상세하게는, 고탁도성 배수, 특히 피처리액의 점도가 높은 막 분리 활성 오니법에 의한 처리에 중공사막 모듈을 적용하면, 인접하는 중공사막 사이의 간극(gap)이 좁기 때문에, 산기에 의해 발생하는 피처리액의 흐름이 비교적 늦어져, 현탁 성분이 막면·막 사이에 퇴적하기 쉬워지고, 처리 속도의 저하가 발생할 가능성이 있다. 특히, 피처리액의 점도가 높은 막 분리 활성 오니법에 적용하는 경우는 보다 처리 속도의 저하의 가능성이 커지기 때문에, 인접하는 중공사막 사이의 거리를 크게 하게 되어, 결과적으로 설치 면적이 커져, 콤팩트한 여과 장치로 할 수 없을 우려가 있다.

또한, 특허문헌 1의 여과 모듈은 PTFE제의 중공사막을 사용하고 있어, 내약품성이나 강도가 매우 우수하지만, 얇은 중공사를 적절한 간격을 형성하면서 다수개 병설시키는 조립 작업은 수고를 요하기 때문에, 여과 모듈의 제작은 그 나름의 비용이 발생한다.

이에 대하여, 평막 모듈은 시트 형상의 평막 엘리먼트를 정렬시키는 구성이기 때문에, 막면 전체에 산기를 행하기 쉬워, 효과적으로 막면의 세정 조작을 행할 수 있다는 이점을 갖는다. 유효 막 면적당 설치 면적도, 고오탁성 수처리에서는 중공사막 모듈이 그 처리 속도를 확보하기 위해 중공사간의 거리를 크게 취할 필요성이 있기 때문에, 결과적으로 동일한 정도가 되는 경우도 있다. 또한, 평막 모듈은, 중공사막 모듈에 비하여 부품 1개당이 차지하는 막 면적도 크기 때문에 조립이 용이하다는 이점을 갖는다.

그러나, 기존의 평막 엘리먼트는 폴리올레핀계 수지나 특허문헌 2와 같은 PVDF로 이루어지는 다공질막을 이용하고 있으며, 기계적 강도, 내약품성 등의 내구성에 문제가 있다.

예를 들면, 기계적 강도에 대하여는, 기존의 평막은 여과막의 강도, 특히 여과 기능을 갖는 부분의 여과막의 강도가 충분하지 않기 때문에, 다종 다양한 이물을 포함하는 피처리액의 산기에 의한 부하하에서 장기에 걸쳐 사용되는 경우, 막 손상에 의한 리크 트러블(leakage trouble)의 가능성이 높다. 특히, PVDF 수지제의 여과막은, PVDF계 수지를 용매로 용해한 용액을 재차 응고시켜 제조하고 있으며, 매우 얇아, 여과 기능을 갖는 부분의 기계적 강도가 불충분하다.

한편, 세정 약품에 대한 내구성에 대해서도, 예를 들면 폴리올레핀 수지제의 여과막은, 알칼리에 대하여는 비교적 내구성이 있지만, 산화제에 대한 내구성이 부족하여, 강력한 산화제를 이용한 막 세정을 높은 빈도 혹은 장기에 걸쳐 실시할 수 없다. 또한, PVDF 수지제의 여과막은, 산화제에 대하여는 어느 정도 내구성을 갖지만, 특히 알칼리에 대한 내구성이 부족하여, 강알칼리성의 세정액에서는 액의 접촉과 함께 즉시 막이 다갈색으로 변색해 재료의 변질을 초래하여, 장기 사용은 불가능하다. 또한, 산화제에 대하여도 고농도에서는 내구성이 충분하지 않다.

이와 같이, 종래의 여과용 평막 모듈은, 특히, 산화제나 알칼리에 대한 내약품성을 충분히 구비하고 있지 않으며, 그 세정에 제약이 있기 때문에 충분한 여과막의 세정을 장기간에 걸쳐 행할 수 없는 것에 더하여, 기계적 강도도 불충분하여, 이물이나 피처리액의 흐름에 의해 손상될 우려가 있기 때문에, 저유량에서의 운전이나 사용 기간의 단축, 즉 단기간에서의 막 교환을 할 수밖에 없는 것이 현재의 상황이다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 여과 성능이 우수함과 함께, 내약품성 및 기계적 강도가 우수하여, 장기에 걸쳐 안정된 투과 유량을 얻을 수 있는 여과용 분리막 엘리먼트 및 당해 여과용 분리막 엘리먼트를 구비한 여과용 막 모듈을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 현탁 성분을 포함하는 피처리액 중에 침지하여 고액 분리 처리를 행하는 여과용 분리막 엘리먼트로서,

적어도 연신 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 다공질막을 구비하는 다공질 시트를 통형(cylindrical)으로 형성하고, 당해 다공질 시트로 둘러싸이는 중공부를 처리 완료액유로로 하고 있는 통형 여과막과,

상기 처리 완료액 유로가 되는 중공부 지지용의 서포트재(support member)와,

상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단을, 적어도 1개의 처리 완료액 취출(takeout)구를 만들어 밀봉하는 밀봉부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 여과용 분리막 엘리먼트를 제공하고 있다.

본 발명은, 높은 현탁 성분을 포함하는 피처리액 중, 특히 활성 오니를 포함하는 배수 중에 침지하여 고액 분리 처리를 행하는 여과용 분리막 엘리먼트에 있어서, 다공질 시트를 통형 형상으로 형성하고, 당해 통형 형상의 여과막이 적어도 연신 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 다공질막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이, 여과막이 되는 다공질 시트가 연신 PTFE 다공질막을 구비하고 있음으로써, 매우 내구성이 우수하고, 종래 사용할 수 없었던 고농도의 산화제나 알칼리를 이용하여 막면에 부착된 현탁 물질을 거의 완전히 분해하여 세정할 수 있고, 그리고, 산기 처리에 있어서 강한 기계적 부하를 가할 수 있기 때문에, 여과 기능을 초기 상태 가까이까지 회복시킬 수 있다. 결과적으로, 막 엘리먼트의 수명을 대폭으로 연장할 수 있어, 장기간에 걸쳐, 안정된 투과 수량을 얻을 수 있기 때문에, 고탁도 배수 처리에 있어서 매우 유용성을 발휘할 수 있다.

상세하게는, 상기 연신 PTFE 다공질막은 압출뿐만 아니라 압연 및 고배율의 연신 공정을 거쳐 제조되기 때문에, 막두께가 얇고, 고도의 분자 배향에 의해 높은 강도를 가지며, 그리고 고도의 다공성을 발현할 수 있어, 고기공률(high porosity)이면서 막히기 어려운 섬유 형상 골격을 형성할 수 있기 때문에, 유량 저항이 작아, 여과 성능이 우수한 막재(膜材)를 제공할 수 있다. 그 때문에, 수많은 미세공을 가져 투과 수량이 많은 고성능의 여과막으로 하면서, 산기 처리에 있어서 강한 기계적 부하를 가해도, 여과막에 균열이 생기거나, 파단하거나 하지 않고, 매우 우수한 내구성을 갖는다.

게다가, 연신 PTFE 다공질막은 대부분의 약품에 영향을 받지 않는 화학적 안정성을 갖고 있다. 일반적으로, 비(比)표면적이 큰 다공질막은, 벌크(bulk)체에 비하여 약품에 침식되기 쉽고 강도도 작지만, 연신 PTFE 다공질막은 유기·무기의 산, 알칼리, 산화제, 환원제 및 유기 용제 등의 거의 모든 유기·무기 약품에 대하여 불활성이며, 내약품성이 매우 우수하다. 그 때문에, 종래의 평막 엘리먼트와 같이 세정 약제가 제약되지 않고, 퇴적물의 종류에 따라서 여러 가지 화학 약품을 선택하여, 필요시에는 고농도로 여과막의 세정을 장기에 걸쳐 행할 수 있다. 예를 들면, 바이오파울링을 완전히 용해 제거·살균하기 위해, 차아염소산 나트륨 수용액이나 과산화 수소수 등의 강산화제의 고농도 용액을 사용할 수 있고, 배수 중의 유분 등을 제거하기 위해, 수산화 나트륨 등의 강알칼리 수용액을 사용할 수 있다.

분리막 엘리먼트의 구성 재료는 막 이외에 프레임, 서포트재 등이 있지만, 이들 지지 부재는 벌크 재료로서 사용 단계에 있어서의 피처리액이나 세정 약품의 접액 부분이 적기 때문에, 내부의 비접액부의 침식은 매우 늦어지므로 실용상 문제가 되지 않는 경우는 많다. 즉, 비표면적이 큰 막의 내약품성이 전체의 사용 가부에 영향을 준다.

또한, 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트에서는 상기 통형 여과막의 처리 완료액 유로를 지지하는 서포트재를 부직포 등의 섬유 집합체나 네트와 같은 거칠은 구조의 것으로 형성할 수 있기 때문에, 서포트재 내부에서의 유량 저항을 작게 할 수 있어, 처리 능력의 향상을 도모할 수 있다. 예를 들면, 특허문헌 1의 다공질 복합 공중사막과 대비한 경우, 지지층이 되는 다공질 연신 PTFE 튜브는, 당해 PTFE 튜브를 대공경인 것으로 해도, 다공질으로서의 유량 저항이 존재하여, 이를 저감하는 데도 한계가 있다. 특히 외주의 여과층의 시트막 유량이 많아지면 많아질수록, 지지층의 유량 저감이 과제가 된다.

또한, 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트는, 처리 완료액 유로(내경)가 중공사막보다도 크기 때문에, 처리 완료액의 취출구로의 이동에 관한 저항이 작아, 통형 여과막의 유효 길이를 크게 취해도 압력 손실이 작아 유량 저하를 억제할 수 있다. 즉 막 모듈의 대형화에 유리하다. 특히 막 분리 활성 오니법에 있어서는 침지조를 깊게 함으로써 대형화를 도모하는 것이 스페이스 절약의 면에서도 유망하다고 여겨지는데, 그 경우, 특히 매우 적합하다. 덧붙여서, 중공사막 모듈에 있어서 일어나기 쉬운 막 사이로의 협잡물의 부착도 일어나기 어렵고, 운전시의 막면 세정도 행하기 쉬워, 효율적으로 퇴적물을 제거할 수 있기 때문에, 연속 운전이 가능하다.

그리고, 비용을 억제한 다공질 시트로 제작할 수 있기 때문에, 용도 및 설치 장소에 따라서 구멍지름을 자유롭게 변경할 수 있어, 임의의 단면 형상 및 크기로 할 수 있는 점 및, 조립 부품 및 조립 공정을 줄일 수 있어 조립을 용이하게 할 수 있는 점에 있어서도 중공사막 엘리먼트보다도 우수하다.

상기 통형 여과막은 단면 형상을 원형, 타원형, 장원형으로 한 원통 형상으로 하고 있는 것이 바람직하다. 이 외에, 단면 형상을 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형으로 한 각주 형상으로 할 수도 있다.

그 중에서도, 통형 여과막은 원형 형상으로 하고, 그 직경이 3㎜ 이상 50㎜ 이하인 것이 바람직하다.

통형 여과막의 직경을 상기 범위로 하고 있는 것은, 직경이 3㎜ 미만이면 다공질 시트의 양단을 결합하여 원통 여과막을 제작하는 것이 곤란해지는 것에 더하여, 시일 부재가 차지하는 표면적이 커져 유효 여과막 면적이 감소하므로 바람직하지 않기 때문이다. 한편, 직경이 50㎜를 넘으면 설치 면적에 대한 통형 여과막의 여과막 면적이 작아져, 바람직하지 않다. 통형 여과막의 직경은, 15㎜ 이상 50㎜ 이하, 나아가서는 20㎜ 이상 40㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.

한편, 통형 여과막의 유효 길이(여과막으로서 기능하는 부분의 길이)에 대해서는 임의로 설정할 수 있지만, 0.5m∼4.0m가 바람직하다. 특히 2m 이상의 길이가 긴 것에 있어서 유효하다. 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트에 의하면 유례없는 유효 길이 3m 이상의 막 모듈도 제조 가능하다.

상기 다공질 시트를 구성하는 연신 PTFE 다공질막은, 1축 연신, 2축 연신으로 얻어진 것이라도 좋지만, PTFE 미소결 분말과 액상 윤활제의 페이스트 압출에 의해 얻어지는 성형체를 종 방향으로 1.5배∼10배, 횡 방향으로 2배∼40배의 연신 배율로 2축 연신하여 얻어진 다공질막을 소결하여 얻어진 것이 바람직하다. 2축 연신함으로써, 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 강도를 높일 수 있다.

본 제조 방법에 의해 얻어진 연신 PTFE 다공질막은, 미세공을 가지면서 공공률이 높아, 높은 입자 포착률과 투과 용량을 겸비한 것으로 할 수 있다.

또한, 여과용 분리막 엘리먼트의 피처리액이나 여과의 요구 성능에 따라서, 단수(段數), 온도, 배율 등의 연신 조건이나 소결 조건 등을 바꿈으로써, 연신 PTFE 다공질막의 공공 형상이나 크기 등의 조정도 용이하다. 또한, 구멍지름이 다른 다공질막의 적층체도 제작하기 쉽기 때문에, 입자 포착률 및 공공률이 높은, 고성능의 다공질 여과막을 효율적으로 제조할 수 있다.

상기 연신 PTFE 다공질막은, 평균 구멍지름이 0.01∼5.0㎛인 것이 바람직하다. 이 범위에 있어서 액질마다 더욱 좋은 최적 범위가 존재한다.

상기 평균 구멍지름은 PMI사 제조 펌 포로미터(Perm-Porometer;형번 CFP―1200A)에 의해 측정하고 있다.

또한, 연신 PTFE 다공질막의 최외층에 있어서의 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이가 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 특히, 활성 오니를 포함하는 배수나 미소한 입자를 포함하는 배수를 피처리액으로 하는 경우에는, 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이가 5㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

막 표면의 최외층에 있어서의 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이는, 수지부 및 그에 연결되는 섬유로 구성되는 공공의 외주상의 2점을 연결하는 거리의 최대치를 SEM 화상상에서 측정하여 구하고 있다.

또한 다른 지표에 의하면, 상기 연신 PTFE 다공질막은, 입자경 5㎛인 입자의 입자 포착률이 90％ 이상인 것이 바람직하다. 특히, 활성 오니를 포함하는 배수나 미소한 입자를 포함하는 배수를 피처리액으로 하는 경우에는, 입자경 0.45㎛인 입자의 입자 포착률이 90％ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 입자 포착률은, 다음의 방법에 의해 측정하고 있다.

연신 PTFE 다공질막을 직경 47㎜의 원형으로 펀칭하여, 홀더에 세트하고, 입자경 5.125㎛ 혹은 0.458㎛의 폴리스티렌라텍스 균질 입자(제품명 DYNO SPERES SS―052―P, STADEX SC―046―S)(JSR 가부시키가이샤 제조)를 함유하는 수용액을 제조하여, 이를 세트한 연신 PTFE 다공질막에 의해, 41.2kPa의 압력으로 여과를 행하고, 여과 전의 수용액과 여액의 흡광도를 측정하여, 그 비(比)에 의해 구하고 있다. 흡광도는, 자외 가시 분광 광도계(가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조 UV―160)를 이용하여, 파장 310㎚에서 측정하고 있다(측정 정밀도 1/100).

상기 연신 PTFE 다공질막의 평균 막두께는 5∼200㎛인 것이 바람직하며, 기공률은 40∼90％인 것이 바람직하다.

평균 막두께는 다이얼 게이지에 의해 측정하고 있으며, 기공률은 ASTM D792에 기재된 방법으로 측정하고 있다.

상기 연신 PTFE 다공질막은, JIS K 7113에 규정된 인장 강도가 10N/㎟ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 3질량％의 황산, 4질량％의 수산화 나트륨 수용액, 유효 염소 농도 10％의 차아염소산 나트륨 수용액의 각각에 온도 50℃에서 10일간 침지해도 투과 수량이 저하하지 않고, 손상되지 않은, 우수한 내약품성을 갖는 것으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 통형 여과막은, 미세공을 형성하는 다공질 시트의 적어도 일부를 연신 PTFE 다공질막으로 형성하면 좋고, 연신 PTFE 다공질막의 단체(單體)막으로 구성되어 있어도 좋으며, 구멍지름 등의 사양이 다른 PTFE 다공질막끼리의 적층체로 하여도 좋고, PTFE 다공질막과 타소재의 다공질막이나 다공 재료 시트와의 적층체로 구성되어 있어도 좋다.

또한, 연신 PTFE 다공질막의 단체막상 혹은 적층체의 외표면에 치밀층을 형성한 다공질 시트로 해도 좋다. 치밀층을 형성하는 경우, 연신 PTFE 다공질막에 의해 구성되는 연신 PTFE 다공질층과 치밀층의 적어도 2층 구성의 통형 여과막으로 하여, 당해 연신 PTFE 다공질층을 다공질 시트의 지지층으로서 형상 유지를 담당하는 층으로 할 수 있다.

상기 치밀층은, 연신 PTFE 다공질막의 단체막의 외표면 혹은 적층체의 외표면에, PTFE, PTFE와 동등한 내약품성 및 내열성을 갖는 PFA(4불화 에틸렌퍼플루오로알콕시비닐에테르 공중합체), FEP(4불화 에틸렌·6불화 프로필렌 공중합체) 등의 미립자나 당해 미립자를 분산한 것을 포함하는 액을 도포 후, 소결하여 형성할 수도 있다.

그 외의 방법으로서는, (1) PTFE 주체의 불소 수지를 원통 형상으로 성형·소결한 후, 그 원통 형상으로 한 블록으로부터 절삭(껍질 돌려깍기 형상)하여 제작한 불소 수지 필름을 형성한다. 혹은 (2) 불소 수지 분말을 액체로 분산된 디스퍼전을 내열 기판상에 코팅한 후, 융점 이상으로 가열하여 분체를 결착한 후, 내열 기판을 제거하여 제작한 불소 수지제 필름을 형성한다.

이어서, 상기 (1) 또는 (2)의 필름을, 추가로 연신함으로써 치밀층(dense layer)을 제작하고, 이를 연신 PTFE 다공질막의 기재(substrate)와 적층함으로써 2층 구조의 막을 제작해도 좋다.

상기 PTFE 주체란, PTFE가 질량비 80％ 이상인 것을 가리키고, 더욱 바람직하게는 90％ 이상이다.

병용하는 열가소성의 불소 수지는 PFA, FEP, ETFE, PCTFE, PVDF, PVF 등을 들 수 있고, 그 중에서도 PTFE의 융점 피크 이상(327℃ 이상)에서도 비교적 분해 속도가 낮은 FEP가 바람직하며, 나아가서는 PFA가 보다 바람직하다.

또한, 상기 PTFE의 분자량은 약 100만에서 약 350만, 분자량의 지표인 후술한 방법에 있어서의 제3 스텝의 융해 열량은 32J/g 이상 47.8J/g 미만이 바람직하며, 나아가서는, 32J/g 이상 44J/g 이하가 보다 바람직하다. 상기 분자량 및 융해 열량을 갖는 PTFE를 이용하면, 기공률이 30％ 이상 80％ 이하로 높고, 그리고 평균 유량 구멍지름이 0.01㎛ 이상에서 0.05㎛ 이하인 미세 구멍지름의 다공질체를 제조할 수 있다.

상기 제3 스텝의 융해 열량은 열유속 시차 주사 열량계(가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조 열유속 시차 주사 열량계, DCS―50)를 이용하여, 이하와 같이 측정하고 있다.

샘플을 10㎎ 내지 20㎎ 채취하고, 필요에 따라서 알루미늄 셀 내에 PTFE를 밀봉한다(PTFE는 가능한 한 수축 변형할 수 있도록 프리한 상태를 유지하는 것이 중요하고, 셀을 담그지 않도록 함). 실온에서 245℃까지 50℃/분로 가열 후, 10℃/분의 속도로 365℃까지 가열한다(제1 스텝).

다음으로 ―10℃/분의 속도로 350℃까지 냉각하고, 350℃에서 5분간 유지한다. 다음으로 ―10℃/분의 속도로 350℃에서 330℃까지, ―1℃/분의 속도로 330℃에서 305℃까지 냉각한다(제2 스텝). 분자량이 적을수록 발열량이 커진다.

다음으로 ―50℃/분의 속도로 305℃에서 245℃까지 냉각한다. 다음으로 10℃/분의 속도로 245℃에서 365℃까지 가열한다(제3 스텝).

샘플링 타임은 0.5sec/회로 한다.

상기 제1 스텝의 흡열량은 303℃에서 353℃의 사이, 제2 스텝의 발열량은 318℃에서 309℃의 사이, 제3 스텝의 흡열량(융해 열량)은 296℃에서 343℃의 구간을 적분하여 구하고 있다.

치밀층으로서 고유량화(고성능화)를 위해서는 막두께는 얇을수록 좋고, 상기 (1)의 방법으로는 20∼50㎛ 정도의 박막을 제조할 수 있기 때문에 바람직하며, 상기 (2)의 방법으로는 2∼20㎛의 보다 얇은 치밀층을 제조할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.

이들 불소 수지 필름은 박막이 되면 취급이 곤란해져, 연신이 불가능해지기 때문에, 기재(substrate)에 접합한 후, 기재째 박막을 동시에 연신함으로써, 불소 수지제에서 박막의 연신 다공질 필름을 얻을 수 있다. 미리 연신한 PTFE 다공질체의 기재를 사용하면 기재와 다공질 필름의 복합체인 채 사용할 수 있다. 이 경우, 다공질의 기재는 기공률이 40％ 이상으로 걸리(Gurley) 초가 30초 이상인 것이 바람직하며, 기공률이 60％ 이상으로 걸리 초가 15초 이하인 것이 고유량화(고성능화)를 위해 바람직하다. 걸리 초란 통기성의 지표가 되는 것으로, JIS 8117에 준한 오켄식(oken type) 걸리 초 측정 장치로 측정한다.

상기 치밀층은 연신 PTFE 다공질막보다도 미소한 구멍지름을 갖는 것으로 하고, 연신 PTFE 다공질막 단체보다도 더욱 미소한 입자를 제거함과 함께 막힘을 일으키기 어렵게 할 수 있어, 우수한 여과 성능을 발현할 수 있다. 치밀층을 형성하는 경우는, 그 두께도 작게 제조 가능하기 때문에, 그 구멍지름은 0.4㎛ 이하, 특히 0.1㎛ 이하로 그 경우의 두께는 10㎛ 이하, 특히 5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기 치밀층을 형성하는 경우, 상기와 같이, 피처리액측(외표면측)에 치밀층을 배치함으로써, 고액 분리 처리의 초기 단계 후의 정상(定常) 상태에 있어서, 분리하는 고체 입자가 치밀층의 구멍지름 내에 불가역적으로 포착되는 일이 없도록 할 수 있다. 또한, 피처리액조(槽) 내에 있어서, 산기 처리의 기포에 의해 발생하는 밀도차에 의해 선회류를 발생시키면, 그 흐름에 의해 용이하게 퇴적물을 제거할 수 있다.

구멍지름이 다른 PTFE 다공질막끼리의 적층체로 하는 경우, 구멍지름이 작아 치밀한 연신 PTFE 다공질막과, 당해 연신 PTFE 다공질막보다 큰 구멍지름을 갖는 PTFE 다공질막과의 적어도 2층의 적층체로 이루어지는 다공질 시트로 하고 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막의 내면측에 구멍지름이 큰 연신 PTFE 다공질막을 적층하여, 상기 구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막의 지지체로서 이용하는 것이 바람직하다.

구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막이 상기 서포트재와 접촉 혹은 접착한 경우, 서포트재의 비개구 부분의 연신 PTFE 다공질막을 통과한 처리액이 실질적으로 관통하지 않기 때문에, 유량 저하를 초래한다. 이에 대하여 구멍지름이 큰 PTFE 다공질막을 내면측에 적층하면, 투과 저항이 높은 상기 구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막의 전면을 투과막으로서 이용할 수 있어, 유량을 저하시키지 않고 처리할 수 있다.

구멍지름이 다른 2종류의 연신 PTFE 다공질막을 적층하는 경우는, 2종류의 연신 PTFE 다공질막을, 바람직하게는 비완전 소결 상태의 연신 PTFE막을 적층하여 소결 일체화함으로써, 용이하게 적층체를 형성할 수 있다.

또한, 피처리체가 수계(水系)인 경우에는, 상기 연신 PTFE 다공질막의 외표면에는 필요에 따라서 내약품성이 우수한 친수성 고분자를 고정화하여, 표면의 친수성을 높이고 있는 것이 바람직하다.

상기 연신 PTFE 다공질막의 표면의 친수성을 높이는 방법으로서는, 예를 들면, 내약품성이 비교적 우수한 폴리비닐알코올을 수용액 중에서 산촉매를 이용하여 디알데히드와 가교시키는 것이나, 적당한 가교제와 함께 UV 처리 등에 의해 가교시킴으로써 수불용화시키는 방법을 이용할 수 있다. 이들 방법은 화학적으로 비교적 안정적인 친수성 부여를 행할 수 있다.

그 외, 에틸렌비닐알코올 공중합체 등을 IPA(이소프로필알코올) 등에 용해시킨 후 PTFE 다공질막상에서 불용화시키는 방법 등이 있다.

상기 통형 여과막을 형성하는 상기 다공질 시트는, 1매의 시트를 감아 양단을 결합하여 통형으로 하고, 혹은 복수매의 시트의 단 가장자리끼리를 결합하여 통형으로 하고 있는 것이 바람직하다. 상기 통형 여과막은, 1매의 다공질 시트로 형성되는 경우, 권취 시작측과 권취 종료측의 1변을 결합하는 것만으로 제작할 수 있기 때문에, 조립이 용이하고, 비용적으로도 유리하다.

연신 PTFE 다공질막은 충분한 구부림 강도 및 유연성을 갖기 때문에, 만곡(bent)시켜도 여과 성능이나 강도가 훼손되지 않는다.

상기 시트의 권취 시작측과 권취 종료측과의 결합 및, 복수매의 시트의 연결은 가압 가열, 레이저 등에 의해 시일하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 통형 여과막을 축선 방향의 일단측을 결합한 자루체(bag)로 형성하고, 당해 자루체의 내부가 상기 처리액 유로용의 중공부로 되어 있어도 좋다.

본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트는, 상기와 같이, 서포트재에 의해, 처리 완료액 유로용의 공간(중공부)을 확보하는 구성으로 하고 있다.

상기 서포트재는, 처리 완료액 유로용의 중공부를 확보할 수 있는 것이면 형상, 구조 등은 특별히 묻지 않지만, 적어도 1매 이상의 메시 형상, 섬유 집합체, 구멍 뚫린 시트 혹은 V자 굴곡부를 연속시킨 플리츠(pleated) 형상인 것이 바람직하다.

섬유 집합체란, 섬유 형상의 재료가 방향성을 가지고, 혹은, 랜덤으로 배향한 것을 나타내고, 부직포, 직물 등이 포함된다.

상기 서포트재를 통형 여과막의 내측에 배치시키면, 통형 여과막을 안정되게 지지하면서, 투과한 처리 완료액이 처리 완료액 취출구까지 연통되는 구성으로 할 수 있다.

확실히 유로를 형성하기 위해, 상기 통형 여과막의 공간에 면하는 내면사이에 복수매의 서포트재를 일정한 거리를 두고 개재시켜도 좋다.

또한, 상기 서포트재는, 상기 통형 여과막의 적어도 일부에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 역세 처리 (backwashing treatment)등 처리 완료액측으로부터의 부하 압력이 없는, 또는 작은 경우는, 고정되어 있지 않아도 좋다.

상기 서포트재는, 내약품성이 우수하면서 열용착이 가능한, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 불소 수지, 또는 폴리올레핀계 수지나 불소 수지가 피복된 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 폴리올레핀계 수지로서는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 불소 수지계로는 PFA, FEP로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 또한, 사용 조건이 마일드한 경우는, 폴리에스테르 수지, ABS 수지, PBT 수지, PPS 수지, PEEK 등 각종 엔지니어링 플라스틱을 이용해도 좋다.

특히, 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트를 배수 처리 용도에 이용하는 경우로, 서포트재를 부직포 등의 섬유 집합체나 메시 형상(네트)으로 하는 경우에 대해서는, 융점이 낮아 가공성이 좋고, 그리고 가수 분해하기 어려운 폴리올레핀계 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 세정시, 고농도 오존 등 매우 산화성이 강한 것을 이용하는 경우는 불소 수지계 재료가 바람직하다.

폴리올레핀계 수지 혹은 열용융성 불소 수지제의 섬유 집합체, 네트(메시), 혹은 다른 다공질 시트로 이루어지는 서포트재를 연신 PTFE 다공질막과 적층 일체화시키는 경우, 예를 들면, 서포트재의 사이즈에 맞춘 열용착 장치에 의한 가열 가압 등으로 용이하게 래미네이트하여 제작할 수 있다. 그때의 가압 가열은 보다 융점이 높은 연신 PTFE 다공질막측으로부터로 하고, 연신 PTFE 다공질막을 통하여 전해진 열에 의해 네트, 섬유 집합체 등의 표면이 일부 용융하고, PTFE 다공질막의 세공(細孔)에 일부 들어간 후 냉각됨으로써 확실한 시일을 실현할 수 있다. 이들 간단한 작업에 의해 비용을 억제한 막 엘리먼트를 제작할 수 있다.

또한, 섬유 집합체, 네트 또는 다른 다공질 시트는 통형 여과막에 완전히 고착하지 않고, 점접착(spot-glued)이나 별개로 형성해도 좋다.

다른 다공질 시트를 이용하는 경우는, 지지체로서의 기능이 필요한 점에서 유량 저항이 적은, 보다 큰 구멍을 갖는 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

상기 섬유 집합체, 네트 등의 다른 다공질 시트로 이루어지는 서포트재는, 연신 PTFE 다공질막의 공간에 면하는 내면측에 위치하고 있으면 좋고, 상기와 같이 연신 PTFE 다공질막에 직접 적층해도 좋으며, 연신 PTFE 다공질막의 내면측에 위치시킨 다른 다공질막을 통하여 적층체로 되어 있어도 좋다.

이러한 적층체로 하면, 섬유 집합체, 네트 또는 다른 다공질 시트는 처리 완료액의 유로를 방해하는 일 없이, 연신 PTFE 다공질막을 구비한 통형 여과막을 안정되게 평면 형상으로 형상 유지할 수 있다.

상기 통형 여과막과 서포트재에 의해 형성되는 중공부는, 처리 완료액이 통과할 수 있으면 형상은 한정되지 않는다.

섬유 집합체나 네트 등과 같이 처리 완료액이 연통(communication)할 수 있는 구멍을 구비한 통형의 서포트재를 이용하여, 당해 통형의 서포트재의 내부에 중공부를 형성해도 좋고, 상기 서포트재를 상기 처리 완료액 취출구로 연통한 복수의 유출구를 형성한 가공재로 형성하여, 당해 유출구를 상기 통형 여과막의 처리 완료액 취출구측의 적어도 선단에 배치하고, 그 가공재의 외주면을 통형 여과막의 내주면과 고정하는 구성으로 해도 좋다. 예를 들면, V자 굴곡부를 연속시킨 플리츠 형상의 가공재로 이루어지는 서포트재를 이용하여, 당해 서포트재와 통형 여과막과의 사이의 공간에 중공부를 구비하는 구성으로 해도 좋다.

상기 서포트재는, 후술하는 프레임과 함께 통형 여과막을 형상 유지해도 좋고, 가공이 용이한 점에서, 상기 서포트재를 통 형상 또는 기둥 형상의 형상 유지력을 구비한 것으로 하여, 당해 서포트재에 상기 통형 여과막을 씌우고 있는 구성으로 해도 좋다.

본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트는, 상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단을 적어도 1개의 처리 완료액 취출구를 만들어 밀봉하는 밀봉부를 구비하고 있다.즉, 처리 완료액 취출구 이외의 통형 여과막의 외주연은 밀봉하고 있다. 통형 여과막의 축선 방향의 일단측을 밀봉함과 함께 타단측은 처리 완료액 취출구를 만들어 밀봉하는 것 외에, 통형 여과막의 축선 방향의 양단에 각각 처리 완료액 취출구를 만들어, 밀봉해도 좋다.

상기 밀봉부의 형성 방법으로서는, 예를 들면, 하기 (1)∼(3)의 구성이 있다.

(1) 상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단에 배치하는 한쌍의 프레임으로 형성하고, 각 프레임을 상기 통형 여과막의 양단에 고정한다.

(2) 상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단을 가열 가압 또는 레이저로 시일하여 폐쇄해 형성하고, 상기 처리 완료액 취출구는 상기 시일로 폐쇄하지 않고 형성한다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 상기 통형 여과막의 상기 처리 완료액 취출구측의 폐쇄되지 않는 부분은, 처리 완료액 취출구를 구비한 프레임에 고정한다.

상기 (1)의 구성은, 통형 여과막을 서포트재와 프레임의 양방에서 지지할 수 있기 때문에, 안정적인 구성으로 할 수 있다.

상기 통형 여과막의 양단을 고정하는 상기 프레임은 원판 형상으로 하고 있는 것이 바람직하며, 추가로, 당해 한쌍의 원판 형상의 프레임을 통형 여과막의 축선 방향의 길이에 상당하는 연결 프레임으로 연결하는 구성으로 해도 좋다.

연결 프레임을 형성함으로써, 한쌍의 프레임을 안정되게 지지할 수 있어, 통형 여과막을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.

상기 (2), (3)의 구성은, 처리 완료액 유로를 서포트재로 지지하면서, 밀봉부는 통형 여과막의 일단 혹은 양단을 시일하는 것만으로 형성할 수 있기 때문에, 여과용 분리막 엘리먼트의 제작을 용이하게 할 수 있고, 부품도 삭감할 수 있다. 특히, 통형 여과막의 시일 부분을 보호하고자 하는 경우는 이것을 덮도록 프레임을 형성해도 좋다.

상기 프레임은, 원판 형상인 것이 바람직하며, 당해 프레임의 원주면에 상기 통형 여과막의 축선 방향의 단부를 열시일(heat sealing) 또는 접착하여 고착하는 것이 바람직하다. 또는, 원판 형상의 프레임에 홈을 형성하여, 당해 홈에 통형 여과막의 개구를 매설하는 구성으로 해도 좋다.

이와 같이 프레임을 형성함으로써, 서포트재와 프레임의 쌍방에서 처리 완료액 유로가 지지됨과 함께, 통형 여과막의 축선 방향의 일단 혹은 양단 개구를 프레임으로 보호할 수 있기 때문에, 보다 안정적인 여과용 분리막 엘리먼트로 할 수 있다.

상기 프레임은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 혹은 불소 수지로 이루어지는 수지재로 형성하는 것이 바람직하다.

혹은, 상기 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 혹은 불소 수지의 미립자의 분산액을, 미리 프라이머 등으로 처리한 스테인리스 등의 금속 재료에 피복하여 도금한 것이라도 좋다. 이들은, 상기 서포터재와 동일하게, PTFE막재 등과의 열시일이 가능하며 다공질 시트와의 밀착성이나 접착성을 높일 수 있다.

상기 프레임은, 상기 서포트재와 동일하게, 상기 폴리올레핀계 수지로 형성해도 통형 여과막과 같이 액에 접촉하는 비표면적이 크지 않기 때문에, 약품 세정시에 이용하는 각종 약품에 의한 열화는 작아, 여과용 분리막 엘리먼트의 강도를 저하시키지 않는다. 그러나, 내약품성의 관점에서는, 서포트재나 프레임 등의 밀봉부는 PTFE, PFA, FEP, PVDF 등의 불소 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 열용착하기 쉽고 그리고 내약품성이 우수한 FEP, PFA로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 사용 조건이 마일드한 경우는, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, ABS 수지, PBT 수지, PPS 수지, PEEK 등의 각종 엔지니어링 플라스틱을 이용해도 좋다.

또한, 상기와 같이, 프레임은 가공성이 우수한 점에서, 상기한 수지재로 피복한 금속 재료로 구성해도 좋다.

상기 통형 여과막의 단부 개구와 프레임의 고정 및 통형 여과막의 단부의 시일의 방법으로서는, 열 또는 접착제 중 어느 하나를 이용해도 좋지만, 여과 장치의 운전이나 세정 중, 특히 약품 세정 처리가 이루어지는 경우의 접착제 성분의 용출을 방지할 수 있기 때문에, 열시일로 하는 것이 바람직하다.

열시일은 가열 가압 혹은 레이저로 행해지고 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 내약품성이 매우 우수한 PTFE를 베이스로 한 다공질 시트를 구비한 여과용 분리막 엘리먼트는, 서포트재, 프레임 등의 다른 부품도 동일하게 내약품성이 우수한 불소 수지를 이용한 구성으로서 모두 불소 수지로 형성하고, 열시일 등에 의해 어셈블리하면, O 링 등을 필요로 하지 않는 구성이 되기 때문에 피처리액, 세정 약품의 부하에 따라서 대부분의 약품에 대응 가능하다.

또한, 다공질 시트끼리 혹은 통형 여과막과 프레임, 통형 여과막과 서포트재 등의 열시일을 행하는데 있어서는, 보다 작업성과 신뢰성을 올리기 위해 양자간에, 이들 막, 부재의 융점 동등(同等) 이하의 융점을 갖는 필름 또는 입자를 포함하는 분산액을 도포하는 등의 바인더를 사용할 수 있다.

한편, 다공막의 구멍 구조의 변화를 억제하기 위해, 열시일 작업은 적당한 가압, 가열에 의해 가능하지만, 일정 시간 가열 후, 냉각 공정을 거쳐 압력을 개방하는 것이 바람직하다. 냉각하지 않는 경우, 막이 히터 등의 부재에 일부 부착하여 연신될 가능성이 있기 때문이다. 이들 기술에 의해 용융 점도가 낮고, 부착하기 어려운 PTFE막을 신뢰성이 있는 용출물이 적은 여과기 부품으로 완성할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 여과용 분리막 엘리먼트를 복수개 구비하고, 이들 여과용 분리막 엘리먼트를 공간을 두고 연결하고 있는 외압 여과용 혹은 침지형 외압 흡인 여과용의 여과용 막 모듈을 제공하고 있다.

상기 여과용 막 모듈은, 예를 들면, 상기 여과용 분리막 엘리먼트를 병설함과 함께, 그 상방에 공통 처리 완료액 집수관을 배치하고, 상기 병설한 각 여과용 분리막 엘리먼트의 상면에 형성한 상기 처리 완료액 취출구에 상기 공통 처리 완료액 집수관으로부터 분기하는 분기관의 선단을 연결하여, 상기 여과용 분리막 엘리먼트를 늘어뜨려 지지하고 있는 구성으로 할 수 있다.

본 구성으로 하면, 다수의 여과용 분리막 엘리먼트를 설치할 수 있어, 큰 유효 막 면적을 확보할 수 있기 때문에, 큰 처리 용량을 얻을 수 있다.

또한, 각 분리막 엘리먼트의 사이에 산기 장치를 설치한 여과 장치를 구성하기 쉬워, 막 표면을 균일하게 세정할 수 있다.

또한, 상기 여과용 분리막 엘리먼트는, 반드시 병렬 배치할 필요는 없으며, 공간을 두고 복수 배치시키는 구성이면 좋고, 용도에 따라서, 방사 형상, 나선 형상, 다각형의 각변을 구성하는 형상, 동심원 형상 등의 배치로 할 수 있다.

또한, 내부에 서포트재를 구비한 통형 여과막의 단부 개구의 편측 혹은 양측을 개구 상태에서 고정 부재로 고정하여 처리 완료액 취출구로 한 여과용 막 모듈로 해도 좋다. 이 경우, 당해 고정 부재가 복수의 여과용 분리막 엘리먼트의 밀봉부가 되어, 상기 단부 개구를 집수 헤더의 내부로 연통시키고, 처리 완료액 취출구가 되는 집수관으로 연통시키고 있는 것이 바람직하다. 이 경우의 고정 부재도 폴리올레핀계 수지, 불소 수지가 바람직하지만, 사용 조건(특히 세정 조건)에 따라서는 다른 수지, 예를 들면 에폭시 수지나 우레탄 수지, ABS 수지라도 좋다.

본 구성으로 하면, 복수의 여과용 분리막 엘리먼트에 대하여, 1개의 처리 완료액 취출구를 형성하면 좋고, 각 여과용 분리막 엘리먼트마다 처리 완료액 취출구를 형성할 필요가 없기 때문에, 여과용 막 모듈의 제조를 심플하게 그리고 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 여과용 막 모듈은, 내약품성 및 기계적 강도가 매우 우수하기 때문에, 활성 오니를 포함하는 배수로 이루어지는 피처리액에 대하여, 매우 적합하게 이용할 수 있다.

그 중에서도, MLSS(혼합액 현탁 부유 물질)가 5,000∼30,000㎎/L인 활성 오니(피처리액)에 대하여, 안정되게 사용할 수 있는 점에서 매우 우수하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트는, 고도의 분자 배향에 의해 높은 강도를 갖고, 또한 막히기 어려운 섬유 형상 골격을 형성할 수 있는 연신 PTFE 다공질막을 구비한 다공질 시트로 형성한 통형 여과막으로서 이용하고 있기 때문에, 유량 저항이 작아, 여과 성능이 우수함과 함께, 내약품성 및 기계적 강도가 매우 우수하다. 그 때문에, 고탁도 고오염 배수, 특히 활성 오니를 포함하는, 특히, MLSS가 5,000∼30,000㎎/L인 활성 오니를 포함하는 배수의 여과에 있어서 장기간 사용할 필요가 있는 경우나 예를 들면 폐쇄성 해역이나 도시 하수 등의 배수에 유분을 포함하는 경우, 종래 사용할 수 없었던 고농도의 산화제나 고알칼리성의 화학 약품으로 바이오파울링, 철분 등의 무기물이나 유분 등을 세정할 수 있고, 산기 조작에 있어서도 기계적 부하를 가할 수 있다. 그 결과, 여과 기능을 회복시켜 반복 사용할 수 있기 때문에, 장기에 걸쳐 안정된 투과 유량을 얻을 수 있다.

또한, 중공부 지지용의 서포트재를 부직포 등의 섬유 집합체나 네트와 같은 거칠은 구조의 것으로 형성할 수 있기 때문에, 서포트재 내부에서의 유량 저항을 작게 할 수 있어, 처리 능력의 향상을 도모할 수 있다. 그리고, 처리 완료액 유로가 중공사막보다도 크기 때문에, 처리 완료액의 취출구로의 이동에 관한 저항이 작아, 통형 여과막의 유효 길이를 크게 취해도 압력 손실이 작아 유량 저하를 억제할 수 있다.

또한 상기 통형 여과막은, 다공질 시트로 제작할 수 있기 때문에, 용도 및 설치 장소에 따라서 구멍지름을 자유롭게 변경할 수 있는 것 외에, 임의의 단면 형상 및 크기로 할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트를 나타내고, 도 1(A)는 여과용 분리막 엘리먼트의 개략 사시도, 도 1(B)는 도 1(A)의 A―A선의 단면도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태의 통형 여과막을 형성하는 다공질 시트의 구성을 설명하는 확대 모식도(schematic view)이다.
도 4는 제1 실시 형태의 제1 변형예의 다공질 시트의 구성을 나타내는 확대 모식도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 제2 변형예의 통형 여과막과 원통 서포트재의 고착 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 제1 실시 형태의 제4 변형예를 나타내고, 도 6(A)는 여과용 분리막 엘리먼트 단면의 요부 확대도, 도 6(B)는 도 6(A)의 추가 확대도이다.
도 7은 제1 실시 형태의 제5 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태의 제6 변형예의 여과용 분리막 엘리먼트를 나타내고, 도 8(A)는 여과용 분리막 엘리먼트의 구조를 설명하는 개략 사시도, 도 8(B)는 여과용 분리막 엘리먼트의 단면도이다.
도 9는 제2 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도 10은 제3 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트를 나타내는 도면이다.
도 11은 제4 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도 12는 제5 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트를 나타내고, 도 12(A)는 여과용 분리막 엘리먼트의 개략 사시도, 도 12(B)는 도 12(A)의 평면도이다.
도 13은 제5 실시 형태의 변형예의 여과용 분리막 엘리먼트를 나타낸다.
도 14(A)∼(D)는, 도 13의 여과용 분리막 엘리먼트의 통형 여과막의 상단 개구의 위치 결정 고정 방법을 설명하는 도면이다.
도 15는 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트를 구비한 여과용 막 모듈을 나타내는 도면이다.
도 16은 도 15의 여과용 막 모듈을 이용한 여과 장치를 나타내는 도면이다.
도 17은 실시예 및 비교예의 내산성·내알칼리성 시험 후의 순수 유량을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 내지 도 3에 본 발명의 제1 실시 형태를 나타낸다.

제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)는, 고탁도의 현탁 성분을 포함하는 피처리액 중에 침지하여 고액 분리 처리를 행하는 것으로, 하수 및 활성 오니로 이루어지는 폭기조 내에 침지하여 막 분리 활성 오니법에 이용되는 것으로 하고 있다.

여과용 분리막 엘리먼트(10)는, 다공질 시트로 형성되는 통형 여과막(11)과, 당해 통형 여과막(11)의 사이를 상기 처리 완료액 유로용의 공간을 확보하여 지지하는 PFA 수지제의 원통 서포트재(12)와, 상면에 처리 완료액 취출구(14)를 형성한 PFA 수지제의 원판 형상의 상측 프레임(13)과, 처리 완료액 취출구를 형성하고 있지 않은 하측 프레임(17)을 구비하고 있다.

여과용 분리막 엘리먼트(10)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 원통 서포트재(12)의 중공부를 상측 프레임(13), 하측 프레임(17)의 볼록부에 각각 끼워맞춰 열융착하여 일체화한 후, 원통 서포트재(12)에 여과막이 되는 다공질 시트(11A)를 권취하여 시일부(11a)로 권취 시작측과 권취 종료측을 열시일하여 통형 여과막(11)을 형성한 후, 당해 통형 여과막(11)의 축선 방향의 상단 개구는 상측 프레임(13)의 외주면(13a)에, 하단 개구는 하측 프레임(17)의 외주면(17a)에 각각 열융착하고 있다. 이와 같이 하여, 통형 여과막(11)의 축선 방향의 일단은 1개의 처리 완료액 취출구(14)를 만들어 밀봉하고, 타단은 프레임으로 봉쇄하고 있다. 혹은, 미리 제작한 통형 여과막(11)을 원통 서포트재(12)에 씌운 후에, 상측 프레임(13), 하측 프레임(17)의 볼록부에 당해 원통 서포트재를 끼워맞추고, 상하측 프레임의 외주면(13a, 17a)에 통형 여과막(11)을 열융착하여 일체화해도 좋다.

또한, 통형 여과막(11)은 직경을 3㎜∼50㎜, 길이를 500㎜∼4000㎜로 하고 있다.

상하측 프레임의 외주면(13a, 17a)과 통형 여과막(11)의 열융착은, 연신 PTFE 다공질막으로 이루어지는 통형 여과막(11)측으로부터 상하측 프레임을 형성하는 PFA 수지의 융점 이상의 온도로 가열하고, 통형 여과막(11)과 상하측 프레임의 외주면(13a, 17a)을 일부 용융시켜, 냉각 고화시킴으로써 행하고 있다. 본 구성으로 하면, 유동성이 높은 용융 PFA 수지가 통형 여과막(11)을 구성하는 다공질 시트(11A)의 공공의 사이에 들어가기 때문에, 프레임과 다공질 시트와의 고착 부분을 강고하게 할 수 있어, 간단한 작업으로 비용을 억제하면서 여과용 분리막 엘리먼트를 제작할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 원통 서포트재(12)의 외주면은, 통형 여과막(11)에 고정시키지 않고, 유리시키고 있다.

상기 원통 서포트재(12)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 처리 완료액 취출구(14)의 측으로 연통하고 있는 중공부(12a)를 구비하고 있음과 함께, 외주면에는 다수의 관통구멍(12b)을 구비하고, 통형 여과막(11)을 투과한 처리 완료액이 원할하게 원통 서포트재(12)의 내부인 중공부(12a)로 흘러, 처리 완료액 취출구(14)에 도달하는 구성으로 하고 있다.

도 3에 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 통형 여과막(11)을 형성하는 다공질 시트(11A)의 구성을 설명하는 확대 모식도를 나타낸다.

다공질 시트(11A)는, 연신 PTFE 다공질막(15)과, 당해 연신 PTFE 다공질막(15)보다도 구멍지름이 크고 그리고 두께가 큰 연신 PTFE 다공질 시트(16)를 적층한 적층체로 이루어진다.

다공질 시트(11A)는, PTFE 미소결 분말과 액상 윤활제의 페이스트 압출에 의해 얻어지는 성형체를 2축 연신하여 얻어진 연신 PTFE 다공질막(15)과, 동일한 제조 방법에 의해 얻어지고, 당해 연신 PTFE 다공질막(15)보다도 구멍지름이 큰 연신 PTFE 다공질 시트(16)를 적층한 후, 소결 일체화하여 제조하고 있다.

상기 연신 PTFE 다공질막(15)은, 연신 PTFE 다공질 시트(16)와 적층하지 않은 단체막의 상태에서, 평균 구멍지름이 0.01∼0.45㎛, 평균 막두께가 5∼200㎛, 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이를 5㎛ 이하로 한, 입자경 0.45㎛의 입자 포착률이 90％ 이상인 것을 이용하고 있다.

한편, 연신 PTFE 다공질 시트(16)는, 연신 PTFE 다공질막(15)과 적층하지 않은 단체 시트의 상태에서, 평균 구멍지름이 1∼15㎛, 평균 막두께가 5∼195㎛, 공공을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이가 15∼100㎛인 것을 이용하고 있다.

또한, 연신 PTFE 다공질막(15)과 연신 PTFE 다공질 시트(16)의 적층체로 한 다공질 시트(11A)는, 인장 강도가 10N/㎟ 이상의 강도를 갖고, 3질량％의 황산, 4질량％의 수산화 나트륨 수용액, 유효 염소 농도 10％의 차아염소산 나트륨 수용액의 각각에 온도 50℃에서 10일간 침지해도 투과 수량이 저하하지 않고, 손상되지 않은 우수한 내약품성을 구비하고 있다.

통형 여과막(11)으로 한 상태에 있어서, 피처리액측이 되는 외주면측에 공공이 작은 연신 PTFE 다공질막(15)측을 배치하고 있다.

이와 같이 평균 구멍지름이 작은 치밀한 연신 PTFE 다공질막(15)을 피처리액측에 배치함으로써, 고액 분리 처리의 초기 단계 후의 정상 상태에 있어서, 분리되는 고체 입자가 연신 PTFE 다공질막(15)의 공공 내에 불가역적으로 포착되는 일이 없도록 하고 있다.

또한, 연신 PTFE 다공질막(15)과 연신 PTFE 다공질 시트(16)를 적층한 다공질 시트(11A)를 구성하는 각 섬유 및 수지부의 표면은, 가교 PVA에 의해 친수화 처리를 행하고 있다. 당해 친수화 처리에 의해 피처리수의 접촉이 용이해진다.

본 구성의 여과용 분리막 엘리먼트로 하면, 공공의 크기가 다른 연신 PTFE 다공질막을 적층하여 통형 여과막이 되는 다공질 시트를 형성하고 있기 때문에, 여과 성능이 우수할 뿐만 아니라, 내약품성 및 강도가 매우 우수하여, 고농도의 산화제나 알칼리제로 세정할 수 있기 때문에, 장기에 걸쳐 높은 투과 수량을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 서포트재의 단면 형상 및 프레임이 원형인 예에 대해서 설명했지만, 타원이나 장원으로 할 수도 있다.

다음으로, 제1 실시 형태의 제1 변형예를 나타낸다.

제1 변형예는, 통형 여과막(11)을 구성하는 다공질 시트(11A)의 구성이 제1 실시 형태와 다르다.

본 변형예에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 실시 형태의 다공질 시트(11A)의 연신 PTFE 다공질막(15)측에 치밀한 여과층이 되는 치밀층(90)을 형성하고, 당해 치밀층(90)측을 피처리액측이 되는 외주면측에 배치시키는 구성으로 하고 있다.

치밀층(90)은, PTFE를 90％, PTFE와 동일한 내약품성, 내열성을 갖는 PFA 10％의 미립자를 분산한 용액을 상기 연신 PTFE 다공질막(15)에 도포 후 소결하고, 연신하여 미세공을 형성하고 있다. 치밀층(90)의 평균 구멍지름은 0.01∼0.05㎛, 평균 막두께를 0.5∼10㎛로 하고 있으며, 상기 연신 PTFE 다공질막(15)보다도 미소한 구멍지름을 갖는다. 그 때문에, 입자경 0.05㎛ 이상의 미소한 입자를 90％ 이상 제거할 수 있어, 우수한 여과 성능을 발현할 수 있다. 또한, 치밀층(90)측을 피처리액측에 배치시키고 있기 때문에, 고액 분리 처리의 초기 단계 후의 정상 상태에 있어서, 분리되는 고체 입자가 다공질 시트(11A)의 공공 내에 불가역적으로 포착되는 일 없이, 제1 실시 형태의 다공질 시트보다 더욱 막힘을 방지할 수 있다.

다음으로, 제1 실시 형태의 제2 변형예를 나타낸다.

제2 변형예는, 원통 서포트재(12)의 외주면을 통형 여과막(11)의 내주면에 고착시키고 있는 점에서만 제1 실시 형태와 상위하다.

통형 여과막(11)의 내주면과 원통 서포트재(12)의 외주면과의 고착은, 도 5에 나타내는 열용착 장치(110)를 이용하여, 이하의 방법으로 행하고 있다.

열용착 장치(110)는, 원통 서포트재(12)의 사이즈에 맞춘 단면 반원 형상의 오목부를 구비한 한쌍의 히터 금형(112, 113)을 구비하고 있다. 히터 금형(112, 113)에는, 히터(111)가 매설되어 있다.

미리 원통 서포트재(12)에 통형 여과막(11)을 씌운 후, 이를 도 5(A), (B)에 나타내는 바와 같이, 히터 금형(112, 113)의 오목부간에 끼워 가열 가압한 후, 탈형하고, 도 5(C)에 나타내는 바와 같이, 통형 여과막(11)의 내주면과 원통 서포트재(12)의 외주면을 열용착에 의해 일체화하고 있다.

본 고착 방법으로 하면, 원통 서포트재(12)를 형성하는 PFA 수지는, 통형 여과막(11)의 다공질 시트(11A)를 형성하는 PTFE 수지에 비하여 용융시의 유동성이 높기 때문에, 다공질 시트(11A) 중, 구멍지름이 큰 연신 PTFE 다공질 시트(16)의 세공의 일부에 침입한다. 그러나, 구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막(15)까지는 도달하지 않기 때문에, 여과 성능을 저하시키는 일 없이, 통형 여과막(11)과 원통 서포트재(12)를 일체화시킬 수 있다.

또한, 히터 금형(112, 113)에서의 가열 가압시에는, 원통 서포트재(12)의 변형 방지를 위해, 원통 서포트재(12)의 내부에 심재(도시하지 않음)를 삽입하여 지지해도 좋다.

다음으로, 제1 실시 형태의 제3 변형예를 나타낸다.

제3 변형예는, 원통 서포트재(12) 및 상하측 프레임(13, 17)의 재질을 폴리에틸렌 수지로 하고 있는 점에서 제1 실시 형태와 상위하다.

미리 제작한 통형 여과막(11)을 원통 서포트재(12)에 씌운 후에, 상측 프레임(13), 하측 프레임(17)의 볼록부에 당해 원통 서포트재를 끼워맞추고, 상하측 프레임의 외주면(13a, 17a)에 통형 여과막(11)을 열융착하여 일체화하고 있다. 상하측 프레임의 외주면(13a, 17a)과 통형 여과막(11)의 열융착은, 융점이 높은 연신 PTFE 다공질막으로 이루어지는 통형 여과막(11)측으로부터 상하측 프레임을 형성하는 폴리에틸렌 수지의 융점 이상의 온도에서 가열하고, 당해 연신 PTFE 다공질막측을 통하여 전해진 열에 의해, 상하측 프레임(13, 17)의 표면을 일부 용융시켜, 냉각 고화시킴으로써 행하고 있다. 본 구성으로 하면, 간단한 작업으로 비용을 억제하면서, 프레임과 다공질 시트와의 고착 부분을 강고하게 한 여과용 분리막 엘리먼트를 제작할 수 있다.

도 6에 제1 실시 형태의 제4 변형예의 여과용 분리막 엘리먼트의 단면 요부 확대도를 나타낸다.

제4 변형예는, 제1 실시 형태의 원통 서포트재(12)를 PFA제의 원통 형상으로 한 네트(22)로 구성하고 있는 점 및, 상하측 프레임(13, 17)을 PFA 수지 피복된 스테인레스강으로 형성하고 있는 점에서, 제1 실시 형태와 다르다.

또한, 통형 여과막(11; 11A)과 네트(22)는, 연신 PTFE 다공질막으로 이루어지는 융점이 높은 통형 여과막(11)측으로부터 300℃∼500℃의 온도에서 가열하고, 당해 통형 여과막(11)을 통하여 전해진 열에 의해 네트(22)의 표면을 일부 용융시킨 후, 냉각 고화시켜, 서로 열고착하고 있다. 네트(22)를 구성하는 PFA 화이버(22a)는, 용융하여 연신 PTFE 다공질막(16)의 세공에 일부 들어가, 냉각되기 때문에, 통형 여과막(11)과 네트(22)를 확실하게 고착시킬 수 있다. 그러나, 네트(22)가 용융한 화이버(22a)는, 다공질 시트 중, 구멍지름이 큰 PTFE 다공질 시트(16)의 공공의 일부에 침입하지만, 구멍지름이 작은 연신 PTFE 다공질막(15)까지는 도달하지 않기 때문에, 여과 성능을 저하시키는 일 없이, 네트(22)와 통형 여과막(11)을 일체화시킬 수 있다. 본 구성으로 해도, 네트(22)가 상하측 프레임(13, 17)과 함께 처리 완료액의 유로를 확보하면서, 통형 여과막(11)을 안정되게 지지할 수 있다.

또한, 본 변형예에 있어서도 통형 여과막(11)과 상하측 프레임(13, 17)의 외주면(13a, 17a)은 열융착하고 있지만, 각각의 재료의 융점이 높기 때문에, 열시일 온도도 당해 재료의 융점 이상의 고온으로 하고 있다.

도 7에 제1 실시 형태의 제5 변형예를 나타낸다.

제5 변형예에서는, 제1 실시 형태의 PFA제의 원통 서포트재(12) 대신에 강성이 있는 원통 형상의 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)를 사용하고 있다. 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)는, 미리 표면 처리를 시행한 스테인레스강 메시를 용융한 폴리에틸렌 수지에 함침하여 형성하고 있다.

폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)의 축선 방향의 양측 개구는, 도 2의 원통 서포트재(12)와 동일하게, 상하측 프레임(13, 17)의 볼록부에 끼워맞추고, 열융착하여 상하측 프레임과 일체화시키고 있다.

또한, 본 변형예에 있어서는 통형 여과막(11)과 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)의 사이에는 부직포(18)를 개재시키고 있다. 부직포(18)의 권취 시작측과 권취 종료측은 열시일 등으로 결합하고 있지만, 결합하지 않은 구성으로 해도 좋다.

이어서, 통형 여과막(11)의 축선 방향의 양단 개구를 상하측 프레임(13, 17)의 외주면(13a, 17a)과 열시일하고 있다.

본 구성으로 해도, 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)와 부직포(18)가, 통형 여과막(11)을 안정되게 지지하면서, 처리 완료액의 통로를 확보할 수 있다. 부직포(18)는, 통형 여과막(11)과 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)와의 사이의 쿠션재가 되기 때문에, 통형 여과막(11)을 소프트하게 지지할 수 있다.

또한, 본 변형예에서는 부직포는, 통형 여과막(11) 및 폴리에틸렌 피복 금속 메시(32)와 고착하지 않은 구성으로 하고 있지만, 그 중 어느 한쪽이나, 혹은, 양쪽과 고착하는 구성으로 해도 좋다.

도 8에 제1 실시 형태의 제6 변형예를 나타낸다.

본 변형예에서는, 서포트재로서 폴리프로필렌제의 플리츠형 서포트재(42)를 이용하고 있다.

플리츠형 서포트재(42)는, 강성을 갖는 V자 굴곡부가 연속된 플리츠판을 굴곡시켜, 당해 플리츠판의 권취 시작측과 권취 종료측을 열융착하여 형성하고, 당해 플리츠형 서포트재(42)의 축선 방향의 양단은 플리츠의 곡부(谷部; 42a)를 상하측 프레임(13, 17)의 볼록부에 끼워맞춰, 열융착하고 있다.

또한, 통형 여과막을 구성하는 다공질 시트로서는, 상기 다공질 시트(11A)의 구멍지름이 큰 연신 PTFE 다공질 시트(16)측에, 추가로 두께 0.05∼5㎜의 얇은 폴리프로필렌제 부직포(도시하지 않음)를 래미네이트한 다공질 시트를 이용하고 있으며, 당해 다공질 시트에 의해 형성된 통형 여과막(21)의 부직포층과 플리츠형 서포트재(42)의 플리츠의 산부(山部; 42b)를 열융착하고 있다. 통형 여과막(21)의 양단 개구는, 각각 상하측 프레임(13, 17)의 외주면(13a, 17a)에 열융착하여, 외주를 밀봉하고 있다.

본 구성으로 하면, 통형 여과막(21)과 플리츠형 서포트재(42)의 사이의 공간이 처리 완료액 취출구로 연통된 복수의 유출구가 되어, 처리 완료액 취출구(14)까지의 유로를 확보할 수 있다.

도 9에 제2 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(20)를 나타낸다.

여과용 분리막 엘리먼트(20)는, 상측 프레임(13)과 하측 프레임(17)을, 통형 여과막(11)의 축선 방향의 길이에 상당하는 연결 프레임(23)으로 연결하고 있는 점 및, 원통 서포트재를 얇은 스테인레스 메시(42)로 형성하고 있는 점에서, 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)와 상위하다.

연결 프레임(23)은, 스테인레스강으로 형성되어 있으며, 상하측 프레임(13, 17)의 외주면(13a, 17a)에 연결 프레임(23)의 축선 방향의 양단 개구를 각각 끼워맞춤으로써 프레임(13, 17)과 연결 프레임(23)을 연결·고정하고 있다.

본 구성으로 하면, 상측 프레임과 하측 프레임을 강성이 높은 연결 프레임으로 지지할 수 있기 때문에, 보다 강도가 우수한 여과용 분리막 엘리먼트로 할 수 있다.

또한, 연결 프레임에 의해 원통 서포트재를 지지할 수 있기 때문에, 강성이 작은 원통 서포트재를 이용할 수 있다.

다른 구성 및 작용 효과는, 제1 실시 형태와 동일하기 때문에, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 10에 제3 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(30)를 나타낸다.

제3 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(30)는, 상하측 프레임(13, 17)의 구성이 제1 실시 형태와 다르다.

즉, 제3 실시 형태는 상하측 프레임으로서 처리 완료액 취출구(14)를 구비한 동일한 프레임(23)을 이용하여, 당해 프레임(23) 내에 통형 여과막(11)의 축선 방향의 양단 개구를 매설하고, 처리 완료액 취출구를 만들어 밀봉하는 구성으로 하고 있다. 상기 프레임(23)은, 열시일 혹은 접착제로 부착하고 있으며, 프레임(23)의 재질이 폴리올레핀 수지, 열용융성 불소 수지인 경우는, 열시일, 프레임(23)의 재질이 ABS 수지 등인 경우는, 우레탄 수지, 에폭시 수지 등으로 접착 시일하고 있다.

다른 구성 및 작용 효과는 제1 실시 형태와 동일하기 때문에, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 11에 제4 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(40)를 나타낸다.

제4 실시 형태에서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 직사각형 형상의 2매의 다공질 시트(11A, 11B)를 대향 배치하고, 당해 다공질 시트의 좌우 양측연(11a, 11b) 및 저측(底側)연(11c)을 열시일하여 밀봉해, 자루 형상 여과막(50)을 형성하고 있다. 다음으로, 상기 자루 형상 여과막(50)을 제1 실시 형태와 동일한 원통 서포트재(12)에 씌워, 자루 형상 여과막(50)을 원통 형상으로 형상 유지하고 있다. 외주의 시일부(51)는 원통 서포트재(12)의 외주에 고정하고 있지 않다.

열시일하고 있지 않은 상단 개구(11d)는, 시일부(51)와 함께 처리 완료액 취출구(14)를 형성한 프레임(23) 내에 매설하여 밀봉하고 있다. 밀봉 방법으로서는 프레임(23)의 재질이 폴리올레핀 수지나 열용융성 불소 수지인 경우는 열시일, ABS 수지 등인 경우는 우레탄 수지, 에폭시 수지 등에 의한 접착이 바람직하다.

본 실시 형태와 같이, 평면 형상의 자루 형상 여과막(50)을 원통 형상의 서포트재로 지지하는 구성으로 해도, 중공부에 처리 완료액의 유로를 확보할 수 있다.

다른 구성 및 작용 효과는 제1 실시 형태와 동일하기 때문에, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 12에 제5 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(50)를 나타낸다.

제5 실시 형태는, 제1 실시 형태의 상측 프레임(13) 대신에, 5개의 통형 여과막(11)의 축선 방향의 상단 개구를 수지로 몰드하고, 위치 결정 고정하여 성형한 고정 부재(43)를 형성해, 여과용 분리막 엘리먼트(50)로 하고 있다.

당해 고정 부재(43)는 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등의 열용융성 플라스틱 소재에 도 12(B)에 나타내는 바와 같은 통형 여과막(11)의 상단 개구의 형상에 맞춘 홈(43a)을 형성하고, 당해 홈(43a)에 내부에 원통 서포트재(12)를 구비한 통형 여과막(11)의 상단 개구를 넣어, 그대로 열용융시켜 제작하고 있다. 고정 부재(43)로 지지한 상태에서, 상기 통형 여과막(11)의 상단 개구는 집수 헤더(44)의 내부로 연통시키고, 당해 집수 헤더(44)를 집수관(45)으로 연통하고 있다.

본 구성으로 하면, 1개의 고정 부재로, 복수의 여과용 분리막 엘리먼트의 개구를 밀봉할 수 있기 때문에, 용이하게 여과용 막 모듈을 제작할 수 있다. 이 여과용 막 모듈은 침지형이라도 좋고, 가압 용기 내에 배설하여, 외압 여과용 모듈로서도 사용할 수 있다.

또한, 침지형으로 하는 경우는, 하방으로부터 상승해 오는 기포의 발산을 방지하기 위해, 고정 부재(43)의 외주를 둘러싸고, 그리고, 통형 여과막(11)의 축선 방향에 하측 프레임(17)까지 연재(extend)시킨 커버를 형성해도 좋다. 당해 커버는, 하측 프레임(17)으로부터 하방으로 추가로 최대 500㎜까지의 적절한 범위까지 연재시켜도 좋다. 단, 이러한 커버를 형성하는 경우는, 분리막 엘리먼트 내부에서 상승해 온 기포 혹은 피처리액이 분리막 엘리먼트의 집수 헤더 저부 부근으로부터 수평 방향으로 이동하여, 엘리먼트 외부로 신속하게 흘러나오는 것이 가능해지도록 당해 커버에 적절한 공간(창)을 형성해 두는 것이 바람직하다.

도 13 및 도 14에 제5 실시 형태의 변형예를 나타낸다.

본 변형예의 여과용 막 엘리먼트(50―2)는, 내부에 원통 서포트재(12)를 구비한 통형 여과막(11)을 8개 배치하고 있는 점 및, 상단 개구의 위치 결정 고정 방법이 제5 실시 형태와 다르다.

본 변형예의 통형 여과막(11)의 상단 개구의 위치 결정 고정 방법을 도 14를 이용하여 설명한다.

처음으로, 저부에 돌기(60a)를 복수 형성한 금형(60)을 준비하고, 도 14(A)에 나타내는 바와 같이, 원통 서포트재(12)를 구비한 통형 여과막(11)의 상단 개구가 되는 개구 부분을 당해 돌기(60a)에 끼워맞춘다. 이어서, 도 14(B)에 나타내는 바와 같이, 금형(60)에 에폭시 수지나 폴리우레탄 수지 등의 수지(61)를 주형하고, 경화시킨 후, 도 14(C)에 나타내는 바와 같이 경화한 수지(61)와 일체화한 통형 여과막(11)을 금형(60)으로부터 탈형한다. 금형(60)의 돌기(60a)의 부분은 수지(61)가 유입되지 않아, 통형 여과막(11)의 내부에는 처리 완료액 유로가 확보되고 있다.

하단부를 도면 중의 파선 부분에서 절단하여 고정 부재(43)를 제작한 후, 당해 고정 부재(43)와 집수 헤더(44)를 접합시켜, 막 엘리먼트(50―2)를 제작하고 있다.

이러한 고정 방법으로 하면, 복수의 여과용 분리막 엘리먼트의 개구를 밀봉하는 고정 부재를 매우 용이하게 제작할 수 있다.

도 15에 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)를 복수 구비한 여과용 막 모듈(70)을 나타낸다.

여과용 막 모듈(70)은, 침지형 외압 흡인 여과용으로서 이용되는 것으로, 제1 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)를 병설함과 함께, 그 상방에 공통 처리 완료액 집수관(81)을 배치하고, 상기 병설한 각 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 상면에 형성한 상기 처리 완료액 취출구(14)에 상기 공통 처리 완료액 집수관(81)으로부터 분기하는 분기관(80)의 선단을 연결하여, 상기 병설하는 여과용 분리막 엘리먼트(10)를 늘어뜨려 지지하고 있다.

이와 같이, 여과용 막 모듈(70)은, 각 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 처리 완료액 취출구(14)를 분기관(80)에 개별로 부착하는 구성으로 하고 있기 때문에, 막 엘리먼트 단위로의 교환이 용이하다.

다음으로, 도 16을 참조하여, 여과용 막 모듈(70)을 구비한 여과 장치(100)의 작용에 대해서 설명한다.

침지조(3) 내에 도입되어 채워진 하수 처리수로 이루어지는 활성 오니를 포함하는 배수인 MLSS(혼합액 현탁 부유 물질)가 5,000∼30,000㎎/L인 피처리액(2)은, 흡인 펌프(4)의 구동에 의해 각 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 통형 여과막(11)을 투과시켜 고액 분리를 행하고, 처리 완료액 취출구(14)에 연결된 분기관(80)으로부터 공통 처리 완료액 집수관(81)으로 유도되어, 처리 완료액으로서 회수되고 있다.

여과용 분리막 엘리먼트(10)의 표면에 퇴적한 현탁 성분을 박리 제거하기 위해, 당해 막 엘리먼트(10)의 통형 여과막(11)의 표면에, 에어 버블링을 행하고 있다.

상세하게는, 블로어(5)를 작동시켜 청정용 파이프(6)에 가압 공기를 도입하고, 청정용 파이프(6)의 기체 분사공(도시하지 않음)으로부터 가압 공기를 분사하여 발생한 기포(7)를 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 통형 여과막(11)의 외표면에 접촉시키면서 축선 방향으로 상승시켜, 여과용 분리막 엘리먼트(10)의 표면에 부착 퇴적되는 현탁 성분을 강력하게 박리 제거하고 있다. 이에 의해 막 여과를 안정되게 계속시킬 수 있다.

에어 버블링은, 상시 행해도 좋고, 정기적으로 행해도 좋다.

본 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(10)는, 각 분리막 엘리먼트(10)에 1개의 처리 완료액 취출구(14)를 형성하고 있기 때문에, 처리 완료액은 모두 상부로 흡인되지만, 제3 실시 형태의 여과용 분리막 엘리먼트(30)와 같이 처리 완료액 취출구(14)를 2개 이상 형성해도 좋다.

이와 같이, 본 발명은, 통상 사용되는 중공사막보다도 직경이 큰 통형 여과막을 구비한 여과용 분리막 엘리먼트로 하고 있기 때문에, 처리 완료액의 통형 여과막 내부에서의 이동에 수반하는 압력 손실을 억제할 수 있고, 또한 막 표면에 확실하게 기포를 부여할 수 있으며, 게다가 연신 PTFE 다공질막을 포함하기 때문에 기계적 강도에도 우수하여, 현탁 성분을 강력하게 박리 제거할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상술한다.

(실시예)

다공질 시트로서, 평균 막두께 7㎛, 평균 구멍지름 0.1㎛의 단층인 연신 PTFE 다공질막을 이용한 것 이외는, 제1 실시 형태와 동일하게 하여, 통형 여과막을 구비한 여과용 분리막 엘리먼트를 제작했다.

(비교예)

다공질 시트로서, 폴리에스테르 부직포에 적층된 PVDF막에서 PVDF막 부분의 평균 막두께 5㎛, 구멍지름 0.1㎛의 PVDF 다공질막을 이용한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 했다.

실시예 및 비교예의 평균 막두께 및 평균 구멍지름은, 전술한 방법과 동일한 방법으로 측정했다.

실시예 및 비교예의 분리막 엘리먼트를, 표 1에 나타내는 조건으로, 산성, 알칼리성, 산화제의 각 수용액에 침지하여, 내산성, 내알칼리성, 내산화제성의 평가를 행했다.

내산성, 내알칼리성, 내산화제성의 평가는, 하기에 나타내는 외관 관찰을 행하여, 내산성, 내알칼리성에 대해서는 하기의 순수 유량의 측정을 행했다.

(외관 관찰)

각 수용액에 침지 후의 분리막 엘리먼트를 각각 물 세정한 후, 당해 분리막 엘리먼트의 통형 여과막으로부터 다공질 시트를 절취하여, 내산성, 내알칼리성은 눈으로 보고, 내산화제성은 주사형 전자 현미경(SEM: 1000배)으로 관찰을 행하여, 다공질 시트의 내약품성 평가를 행했다. 다공질 시트에 변화가 보이지 않은 것을 「○」, 파단, 균열 등의 발생이 인정되어, 다공질 시트에 손상이 보인 것을 「×」로 했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(순수 유량)

산성, 알칼리성의 각 수용액에 침지 후의 분리막 엘리먼트를 각각 물 세정한 후, 다공질 시트를 절취하여, 각 다공질 시트에 대해서 순수 유량을 측정했다. 또한, 순수 유량의 측정은, 샘플 사이즈 φ47㎜의 원형 펀칭품(punched-out product)으로 하고, 측정압(흡인 압력) 95kPa로 행했다. 결과를 도 17에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, PVDF 수지제의 다공질 시트를 구비한 비교예의 분리막 엘리먼트는, pH14에서는 적색으로 변색하고 다공질 시트에 파단이 발생하며, 내알칼리성이 부족했다. 또한, 유효 염소 농도 5％ 이상의 차아염소산 나트륨 수용액의 침지에서는 다공질 시트에 균열이 발생하고, 내산화제성도 부족했다. 또한, 도 17에 나타내는 바와 같이, pH14에서의 알칼리 처리 후의 다공질 시트는 핀홀이 발생하고, 순수 유량이 급격하게 증가하여, 측정 불능이었다.

이에 대하여, 연신 PTFE 다공질막을 다공질 시트로서 구비한 실시예의 분리막 엘리먼트는, 내산성, 내알칼리성, 내산화제성의 어느 평가에 있어서도, 외관상 손상이 보이지 않고, 산성·알칼리성의 수용액의 침지 후에 있어서도 순수 유량이 크게 저하 혹은 상승하지 않아, 여과 성능을 유지할 수 있었다.

이와 같이, 연신 PTFE 다공질막을 구비한 본 발명의 여과용 분리막 엘리먼트는, 종래의 막 엘리먼트에 비하여, 매우 내약품성이 우수하고, 약품 처리 후도 여과 성능을 유지할 수 있었다.

본 발명은, 상기 실시 형태 및 실시예에 한정되지 않고, 특허 청구의 범위와 균등한 범위 내의 변경이 포함된다. 상기 통형 여과막은, 원통 형상에 한정되지 않고, 삼각 기둥, 사각 기둥과 같은 각주 형상으로 해도 좋다.

10, 20, 30, 40, 50 : 여과용 분리막 엘리먼트
11, 21 : 통형(cylindrical) 여과막
12 : 원통(circular cylindrical) 서포트재
13 : 상측 프레임
14 : 처리 완료액 취출구
15 : 연신 PTFE 다공질막
16 : 연신 PTFE 다공질 시트
17 : 하측 프레임
18 : 부직포
70 : 여과용 막 모듈
80 : 분기관(branch tube)
81 : 공통(common) 처리 완료액 집수관
100 : 여과 장치

Claims

활성 오니를 포함하는 배수로 이루어지는 MLSS(혼합액 현탁 부유 물질)가 5,000∼30,000㎎/L인 피처리액 중에 침지하여 고액(solid-liquid) 분리 처리를 행하는 여과용 분리막 엘리먼트로서,
연신(expanded) PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 다공질막과, 상기 연신 PTFE 다공질막보다 구멍지름이 크고 그리고 두께가 큰 연신 PTFE 다공질 시트를 적층한 적층체로 된 다공질 시트를 통형으로 형성하고, 상기 다공질 시트로 둘러싸이는 중공부를 처리 완료액 유로로 하고 있는 통형 여과막과,
상기 처리 완료액 유로가 되는 중공부 지지용의 서포트재와,
상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단을, 적어도 1개의 처리 완료액 취출구를 만들어 밀봉하는 밀봉부를 구비하고 있고,
상기 다공질 시트의 인장 강도가 10N/㎟ 이상이고,
상기 다공질 시트를 구성하는 상기 연신 PTFE 다공질막은 공공(空孔)을 둘러싸는 섬유 형상 골격의 평균 최대 길이가 5㎛ 이하이고, 입자경 0.45㎛의 입자 포착률이 90％ 이상이고,
상기 통형 여과막은 원통 형상으로 하고, 그 직경은 3㎜ 이상 50㎜ 이하이고,
상기 다공질 시트에서, 상기 연신 PTFE 다공질 시트보다 구멍지름이 작은 상기 연신 PTFE 다공질막이 피처리액측에 배치되고,
상기 서포트재는, 폴리올레핀계 수지 또는 불소 수지가 피복된 금속재, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 또는 불소 수지로 이루어지는 소재로 형성하는 것을 특징으로 하는 여과용 분리막 엘리먼트.
삭제
제1항에 있어서,
상기 통형 여과막을 형성하는 상기 다공질 시트는, 1매의 시트를 감아 양단을 결합해 통형으로 하고, 혹은 복수매의 시트의 단 가장자리끼리를 결합하여 통형으로 하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
삭제
제1항에 있어서,
상기 다공질 시트는, 상기 연신 PTFE 다공질막의 외표면에 PTFE, PFA, FEP로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불소 수지로 형성됨과 함께 상기 연신 PTFE 다공질막의 층의 구멍보다 미세한 구멍을 갖는 치밀층을 더 형성하고, 상기 치밀층은 상기 연신 PTFE 다공질막의 층보다 더 피처리액측에 배치되는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 서포트재의 형상은, 메시 형상, 섬유 집합체, 구멍 뚫린 시트 혹은 V자 굴곡부를 연속시킨 플리츠(pleated) 형상으로 하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 서포트재를 상기 통형 여과막의 내면의 일부 또는 전면에 고착하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 서포트재는 통 형상 또는 기둥 형상의 형상 유지력을 구비한 것으로 하고, 상기 서포트재에 상기 통형 여과막을 씌우고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 서포트재는 상기 처리 완료액 취출구로 연통(communication)된 복수의 유출구를 형성한 가공판으로 이루어지고, 상기 서포트재를 상기 통형 여과막의 처리 완료액 취출구측의 선단에 적어도 배치하고, 그 외주면을 통형 여과막의 내주면과 고정하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는, 통형 여과막의 축선 방향의 양단을 가열 가압 또는 레이저로 시일하여 폐쇄해 형성하고, 상기 처리 완료액 취출구는 상기 시일로 패쇄하지 않고 형성하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는, 상기 통형 여과막의 축선 방향의 양단에 배치하는 한쌍의 프레임으로 형성하고, 각 프레임을 상기 통형 여과막의 양단에 고정하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제11항에 있어서,
상기 프레임은 원판 형상으로 하고, 상기 한쌍의 원판 형상의 프레임을 통형 여과막의 축선 방향의 길이에 상당하는 연결 프레임으로 연결하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제11항에 있어서,
상기 프레임은, 폴리올레핀계 수지 혹은 불소 수지로 이루어지는 수지재로 형성하고, 혹은, 상기 폴리올레핀계 수지 혹은 불소 수지로 피복된 금속재로 형성하고 있는 여과용 분리막 엘리먼트.
제1항, 제3항, 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 여과용 분리막 엘리먼트를 복수개 구비하고, 이들 여과용 분리막 엘리먼트를 공간을 두고 연결하고 있는 외압 여과용 혹은 침지형 외압 흡인 여과용의 여과용 막 모듈.
제14항에 있어서,
상기 여과용 분리막 엘리먼트를 병설함과 함께, 그 상방에 공통 처리 완료액 집수관을 배치하고, 상기 병설한 각 여과용 분리막 엘리먼트의 상면에 형성한 상기 처리 완료액 취출구에 상기 공통 처리 완료액 집수관으로부터 분기하는 분기관의 선단을 연결하고 상기 여과용 분리막 엘리먼트를 늘어뜨려 지지하고 있는 여과용 막 모듈.
제14항에 있어서,
상기 피처리액의 저류조에 침지되는 것인 여과용 막 모듈.
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