KR20190022645A

KR20190022645A - 역세 가능한 뎁스 필터

Info

Publication number: KR20190022645A
Application number: KR1020197001506A
Authority: KR
Inventors: 코우이치 오자모토; 켄토 나카무라; 이사무 후타세; 타쿠미 코지마
Original assignee: 제이엔씨 주식회사; 제이엔씨 필터 주식회사
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-03-06
Also published as: US11141686B2; EP3492158A4; TW201803637A; WO2018021426A1; US20190160406A1; EP3492158A1; JPWO2018021426A1; CN109562312A

Abstract

본 발명은, 역세 가능한 뎁스 필터를 제공하는 것을 과제로 한다. 열가소성 수지의 섬유로 이루어지는, 여재의 두께가 5~25 mm인 중공 원통형 뎁스 필터로서, 그 여재는 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하이고, 그 여재는 유체 유입측으로부터 유출측을 향해 적어도 3층의 섬유층을 가지고 있고, 유체 유입측의 제1 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고, 유체 유입측의 제2 층의 공극률이 0.60~0.80의 범위이고, 유체 유입측의 제3 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고, 제1 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이고, 제3 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이며, 그 여재를 구성하는 섬유의 교점이 결합되어 있고, 그 섬유 교점의 평균 간격은 섬유의 길이 방향에 대하여 평균 섬유 지름의 2~100배이고, 그 여재의 상류측 표면의 평균 섬유 지름과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름 간의 비율이 0.9~1.2배인, 뎁스 필터이다.

Description

역세 가능한 뎁스 필터

본 발명은, 생물이나 이물질 등을 포함하는 대량의 물을 여과하기 위한 수처리 장치에 있어서, 물에 포함되는 생물, 특히 최소 사이즈 50 μm 이상의 생물을 효율적으로 포착 제거하기 위한 여과재에 관한 것이다.

수처리 장치에는, 일반적으로 필터 하우징이 부착되고, 그 속에 장착된 카트리지 필터에 있어서, 수중의 미생물이나 이물질을 포집한다. 이 카트리지 필터를 역세(逆洗)함으로써, 복수 회의 이물질 포집이 가능해진다.

종래, 역세 가능한(backflushable) 카트리지 필터는 금속제로 한정되어 있었다. 수지제 등으로는 취약하다고 여겨지고 있었기 때문이며, 완건(頑健)한 금속제를 사용하는 것이 일반적이었다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 해수 처리 장치를 위한 여과재로서, 내층과 외층으로 이루어지는 통형상의 금속 메시 필터로서, 망크기가, 내층이 30~100 μm, 외층이 300~3000 μm인 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 여과재는, 내층 필터 및 외층 필터가 니켈기 합금이나 내해수성 스테인리스 등의 금속으로 이루어지고, 내층과 외층은 소결에 의해 일체화되어 있을 수도 있다는 것이 개시되어 있다.

그러나, 금속제 필터는 비용이 고액이 되고, 또한 폐기도 어려우며, 나아가서는 포집 성능과 역세의 용이함의 양립이 어렵기 때문에, 금속 이외의 저렴한 원료로 제조되고, 또한 역세하는 것이 가능한 필터가 요구되고 있었다.

한편, 수지제이고 통형상의 필터로서, 예를 들면 특허 문헌 2에는, 액체 여과에 바람직한 통형상 필터로서, 적어도 1층의 부직포가, 통형상 필터의 둘레 방향에 대하여 30도 이하의 평균 배향 각도를 갖는 멜트 블로(melt blow) 부직포인 것을 특징으로 하는 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 2의 발명은, 부직포로 이루어지는 필터에 있어서, 섬유로 구성된 개공부에 여과 대상 입자를 포집시키는 경우, 개공부의 형상에 따라 입자의 통과성이 서로 다른 것에 착안하고, 부직포를 구성하는 섬유의 배향 방향을 일정한 범위 내로 함으로써, 통수(通水) 저항이 낮고, 여과 라이프가 긴 필터를 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 필터는 일방향으로만 통수하는 것이 상정되어 있고, 역세를 행하면, 특히 필터의 최외층에 역압이 걸려 필터 형상을 유지할 수 없다는 문제가 있었다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 2014-4570호 공보 특허 문헌 2 : WO01/52969호 공보

상기의 실정을 감안하여, 본 발명의 과제는, 수처리 장치에 있어서 사용되는, 역세가 가능한 수지제 필터를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 열가소성 수지의 섬유로 이루어지는 뎁스 필터(depth filter)를 여재(濾材)로서 채용하기로 하여 예의 연구를 거듭하였다. 그리고, 뎁스 필터를 적어도 3층의 구성으로 하고, 또한 3층의 공극률를 각각 특정 범위로 조정하는 것, 또 특정 물성을 갖는 구성으로 함으로써 과제를 해결할 수 있음을 발견하고, 이 깨달음에 기초하여 본 발명을 완성시켰다.

본 발명의 구성은 이하와 같다.

[1] 열가소성 수지의 섬유로 이루어지는, 여재의 두께가 5~25 mm의 중공 원통형 뎁스 필터로서,

그 여재는 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하이고,

그 여재는 유체 유입측으로부터 유출측을 향해 적어도 3층의 섬유층을 가지고 있고,

유체 유입측의 제1 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고,

유체 유입측의 제2 층의 공극률이 0.60~0.80의 범위이고,

유체 유입측의 제3 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고,

제1 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이고,

제3 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이며,

그 여재를 구성하는 섬유의 교점이 결합되어 있고,

그 교점의 평균 간격은 섬유의 길이 방향에 대하여 평균 섬유 지름의 2~100배이고,

그 여재의 상류측 표면의 평균 섬유 지름과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름 간의 비율이 0.9~1.2배인, 뎁스 필터.

[2] 역세 시의 변형 정도가 0.05 미만인, [1]의 뎁스 필터.

[3] 여과 정밀도가 5~60μm인, [1] 또는 [2]의 뎁스 필터.

[4] 상기 섬유가 열융착성 섬유인, [1] 내지 [3] 중 어느 하나의 뎁스 필터.

[5] 상기 열융착성 섬유가 10℃ 이상의 융점차를 갖는 2종류의 열가소성 수지로 이루어지는 복합 섬유(複合纖維)인, [4]의 뎁스 필터.

[6] 상기 열융착성 섬유가 10℃ 이상의 융점차를 갖는 2종류의 열가소성 섬유의 혼섬(混纖)인, [4]의 뎁스 필터.

[7] 원통의 외층부가, 그 내측과 비교하여 접착이 강고한, [1]의 뎁스 필터.

본 발명의 뎁스 필터는 역세에 견딜 수 있는 강도를 가지며, 수처리 장치에 있어서 사용될 때에는, 여과에 의해 포착한 이물질을 역세함으로써 배출할 수 있다. 즉 본 발명의 뎁스 필터는, 역세하고, 재생함으로써, 복수 회의 여과가 가능해진다. 또한, 본 발명의 뎁스 필터는 수지제로서 종래의 금속제의 필터보다 비용면에서 유리하다.

<뎁스 필터>

본 발명의 뎁스 필터는, 열가소성 수지의 섬유로 이루어지는, 여재의 두께가 5~25 mm인 중공 원통형 뎁스 필터로서, 그 여재는 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하이고, 그 여재는 유체 유입측으로부터 유출측을 향해 적어도 3층의 섬유층을 가지고 있고, 유체 유입측의 제1 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고, 유체 유입측의 제2 층의 공극률이 0.60~0.80의 범위이고, 유체 유입측의 제3 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고, 제1 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이고, 또한 제3 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이며, 그 여재를 구성하는 섬유의 교점이 결합되어 있고, 그 섬유 교점의 평균 간격은 섬유의 길이 방향에 대하여 평균 섬유 지름의 2~100배이고, 그 여재의 상류측 표면의 평균 섬유 지름과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름 간의 비율이 0.9~1.2배이다.

본 발명의 뎁스 필터는, 적어도 3층의 섬유층을 가지며, 그 3층의 섬유층의 표층 또는 내층에, 본원 발명의 효과를 이룰 수 있는 한은 다른 층을 마련할 수도 있다.

본 발명의 뎁스 필터는, 여재의 유체 유입측으로부터 유출측을 향해 제1 층, 제2 층, 제3 층의 적어도 3층의 섬유층을 가지고 있고, 유체 유입측의 제1 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고, 유체 유입측의 제2 층의 공극률이 0.60~0.80의 범위이고, 유체 유입측의 제3 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위라는 특징을 갖는다. 여기서, 공극률이란, 단위 부피 당 틈새의 비율을 백분율로 나타낸 것으로서, 측정 및 산출 방법의 상세한 내용은 후술하는 실시예에 나타내어진다. 이러한 구성으로 하기 위해서는, 제1 층보다 제2 층의 공극률을 낮게 하고, 제2 층보다 제3 층의 공극률을 높게 하고, 제3 층과 제1 층의 공극률을 대략 동일하게 하면 된다. 제1 층과 제3 층의 공극률은 동일할 수도 서로 다를 수 도 있고, 서로 다른 경우, 서로의 공극률의 차가 0.15 이내인 것이 바람직하다. 공극률을 제어하기 위해서는, 각 섬유층을 구성시킬 때의 가공 조건을 적당히 조정하면 된다. 제1 층에 대하여 제2 층의 공극률을 낮게 함으로써, 여재에 포착된 이물질 등은 주로 제1 층에 고이고, 여재 내부인 제2 층에는 고이기 어려워지기 때문에, 역세로 입자를 씻어 흘리기 쉬워진다. 또한, 제3 층의 공극률을 제1 층과 합침으로써, 해수를 사용하여 역세를 행하는 경우라 하더라도 제3 층 측으로부터 제2 층이 막히는 것을 방지할 수 있다. 제1 내지 제3 층에 더하여 추가로 다른 층을 마련하는 경우, 예를 들면, 제1 층의 더 외측(필터의 최표층)에 네트층을 마련할 수 있다. 혹은, 제1 층과 제2 층 사이, 및/또는, 제2 층과 제3 층 사이에, 공극률이 서로 다른 추가의 여과층을 마련할 수도 있다.

뎁스 필터의 여재에 사용하는 섬유는, 열가소성 수지로 구성된다. 열가소성 수지로는, 본 발명의 구성을 갖는 필터를 구성할 수 있는 한에 있어서 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 폴리아마이드(아미드), 폴리에스터(에스테르), 저융점 공중합 폴리에스터, 폴리바이닐리덴클로라이드(비닐리덴클로리드), 폴리바이닐아세테이트, 폴리스타이렌(스티렌), 폴리우레탄 엘라스토머, 폴리에스터 엘라스토머, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 공중합 폴리프로필렌 등을 예시할 수 있다. 열가소성 수지는, 단독으로 사용할 수도, 2종류 이상의 열가소성 수지의 혼합물을 사용할 수도 있다. 나아가, 열가소성 수지에는, 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위에서 각종 기능제를 포함할 수도 있고, 구체적으로는, 항균제, 소취제, 친수화제, 발수화제, 계면 활성제 등을 예시할 수 있다.

섬유는, 단일의 수지 성분으로 구성된 단일 성분 섬유일 수도 있고, 2성분 이상의 수지 성분으로 구성된 복합 섬유일 수도 있다. 또한, 단일 성분 섬유 및 복합 섬유로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 2개의 섬유가 혼합된 혼합 섬유일 수도 있다. 복합 섬유 및 혼합 섬유를 구성하는 2성분 이상의 수지 성분에 있어서, 각 성분 사이의 융점차는, 적어도 10℃ 이상인 것이 바람직하다. 융점차가 10℃ 이상이면, 필터 여재의 제조에 있어서 열 접합부를 성형하고, 즉 섬유의 교점을 결합(융착)시킬 때, 고융점 성분이 연화 내지 용융되어 필름화되어 버릴 우려가 낮고, 필터가 필름화되어 구멍 지름(구경, 孔徑)이 찌그러져서 망가져 버리는 일이 없으며, 통수성의 저하 등 여과 정밀도에 큰 영향이 나타나지 않아 바람직하다. 섬유의 단면 형상은 한정되지 않으며, 원형, 비원형 등일 수도 있다.

여기서 말하는 섬유 성분의 융점은, 일반적으로는 시차 주사 열량계(DSC)로의 측정이 가능하고, DSC 측정 차트에 있어서 흡열 피크로서 나타나는 온도를 말한다. 비정성(非晶性)의 저융점 공중합 폴리에스터 등의 경우, 융점이 반드시 명확하게 나타나지 않기 때문에, 일반적으로 일컬어지고 있는 연화점으로 대용되고, 측정에는 시차 열분석(DTA) 등을 이용한다.

여재를 구성하는 섬유로서 혼합 섬유나 복합 섬유를 채용하는 경우, 혼합 섬유 및 복합 섬유를 구성하는 각각의 수지 성분의 조합으로는, 예를 들면, 융점이 서로 다른 2종의 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌, 저융점 공중합 폴리에스터와 폴리에스터, 폴리에틸렌과 폴리에스터 등을 예시할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.

섬유끼리의 접착성 및 필터의 성형성이라는 점에서, 혼합 섬유의 경우, 저융점 성분의 비율은 30 wt% 이상, 70 wt% 미만인 것이 바람직하고, 복합 섬유의 경우, 저융점 성분의 비율은 30 wt% 이상, 70 wt% 미만인 것이 바람직하다. 복합 섬유의 형태는 한정되지 않으며, 동심(同心) 초심(sheath-core), 편심(偏心) 초심, 병렬 구조 등의 어느 것일 수도 있다.

본 발명의 뎁스 필터는, 여재의 두께가 5~25 mm인 것을 특징으로 하고 있다. 여재의 두께가 5 mm 이상이면 제1 층부터 제3 층까지를 마련하는 효과를 내기 쉬운 점에서 양호하고, 25 mm 이내이면 역세에 사용하는 압력을 과도하게 올릴 필요가 없은 점에서 바람직하다. 보다 바람직하게는, 여재의 두께는 7~20 mm이고, 이 범위이면 입자를 충분히 포집 가능하고 또한 사람의 손으로 교환을 하기 쉬운 크기가 되는 점에서 더 바람직한 것이 된다.

여재 속에서, 가장 가는(얇은) 평균 섬유 지름이 되는 부분은, 제2 층에 마련하는 것이 바람직하다. 그 가장 가는 평균 섬유 지름의 범위는 0.1~100 μm이다. 이 값이 0.1 μm 이상이면, 수중에 포함되는 생물 이외의 입자에 의한 여과 수명의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이 값이 100 μm 이하이면, 필요한 여과 정밀도를 달성하기 위한 공극률을 적당한 정도로 높게 설정할 수 있기 때문에, 여과 수명의 저하를 방지할 수 있다. 이 값이 30~70 μm이면, 물에 포함되는 최소 사이즈 50 μm 이상의 생물을 제거하는 경우에, 포집 효율과 통액성을 양립시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 가장 가는 평균 섬유 지름의 부분의 두께는 2 mm 이상 존재하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 "가장 가는 평균 섬유 지름의 부분"이란, 평균 섬유 지름이, 가장 가는 평균 섬유 지름의 1~1.2배의 범위인 부분을 의미한다. 이 두께가 2 mm 이상 존재함으로써, 포집하고자 하고 있는 생물을 확실하게 포집할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한 본 발명의 뎁스 필터는, 여재의 상류측 표면의 평균 섬유 지름과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름 간의 비율이 0.9~1.2배인 것을 특징으로 한다. 상류측 표면의 평균 섬유 지름이란, 여재의 액체 유입측의 표면을 현미경으로 관찰하여 구해지는 평균 섬유 지름을 말하고, 하류측 표면의 평균 섬유 지름이란, 여재의 액체 유출측의 표면을 현미경으로 관찰하여 구해지는 평균 섬유 지름을 말한다. 본 발명의 뎁스 필터는, 전형적으로는, 원통의 외측으로부터 액체가 유입되고, 원통의 내측 표면으로부터 유출되는 태양으로 여과가 행해지기 때문에, 상류측 표면이란 중공 원통 형상의 외측 표면이고, 하류측 표면은 중공 원통 형상의 내벽측 표면이 된다. 평균 섬유 지름의 비율은, 상류측 표면의 평균 섬유 지름의 값을 하류측 표면의 평균 섬유 지름의 값으로 나눔으로써 산출되고, 이 값이 0.9~1.2인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 상류측 표면의 평균 섬유 지름의 값과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름의 값은 가까운 것이 바람직하다. 여과 대상이 해수(바닷물)인 경우, 해수를 사용하여 역세를 행하는 경우가 많으나, 평균 섬유 지름의 비율을 이 범위로 함으로써, 역세 시에 해수 속(中)의 입자로 하류측의 표면이 막혀 버리는 것이나, 반대로 여재 내부에 해수 속의 큰 입자가 들어가 버리는 것을 방지할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 발명의 뎁스 필터는 또한, 여재 속에서, 여재를 구성하는 섬유의 교점이 결합되어 있고, 그 교점의 평균 간격은 섬유의 길이 방향에 대하여 평균 섬유 지름의 2~100배라는 특징을 갖는다. 섬유의 교점의 결합은, 예를 들면, 열 융착에 의해 형성될 수 있다. 섬유 교점의 평균 간격은, 필터 여재에 구성되는 구멍의 강고함의 정도를 나타내는 지표이다. 이 값이 100배 이하이면, 여과 압력 혹은 역세 시의 압력에 의한 구멍의 변형이 작다. 또한, 이 값이 2배보다 큼으로써, 충분한 통액성과 입자 유지 능력을 갖는 필터가 된다. 섬유 교점의 평균 간격은, 후술하는 실시예에 상세하게 설명하는 방법으로 산출된다.

나아가, 본 발명의 뎁스 필터는, 여재에 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하라는 특징을 갖는다. 여재의 압축비는, 계속적인 바깥으로부터의 하중에 대한 여재의 변형 용이함을 나타내는 지표로서, 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하이면, 여과압(濾過壓) 및 역세 시의 압력에서의 변형이 거의 없기 때문에 바람직하다.

또한 본 발명의 뎁스 필터는, 역세 시의 변형 정도가 0.05 미만인 것이 바람직하다. 역세 시의 변형 정도란, 통상 사용 시와 반대 방향(전형적으로는, 필터 내측으로부터 외측 방향)으로 필터에 통수할 때 필터가 변형되는 정도이고, 구체적인 측정 방법은 후술하는 실시예와 같다. 변형 정도가 0.05 미만이면, 역세 시에 여재가 파손되는 일이 없고, 안정적인 여과 성능이 유지되는 점에서 바람직하다. 0.05 이상이 되면, 여재가 파손되는 것 이외에도, 필터가 부착 위치로부터 일시적 혹은 항구적으로 벗어나 버려, 효율적인 역세를 할 수 없게 되거나 혹은 통상 사용으로 되돌린 경우에도 여과 성능에 영향이 나타나는 경우가 있다.

또한 본 발명의 뎁스 필터는, 여과 정밀도가 5~60 μm인 것이 바람직하다. 본 출원에서 말하는 여과 정밀도란, 특정의 입자 지름 분포를 갖는 분체를 여과했을 때 포집 효율이 90%가 되는 입자 지름을 말하며, 구체적인 측정 방법은 후술하는 실시예에 나타내어진다. 본 발명의 필터는, 수처리 장치에 있어서 바람직하게 사용되는 바, 수처리 장치에 요구되는 여과 성능을 고려하면, 여과 정밀도는 5~60 μm가 적절하다. 여과 정밀도는, 여재의 두께, 공극률, 섬유 교점의 간격 등을 제어함으로써 조정할 수 있다.

<뎁스 필터의 제조 방법>

본 발명의 뎁스 필터는 예를 들면 다음과 같이 제조할 수 있다.

여재를 구성하는 섬유로서, 멜트 블로 섬유를 사용하는 경우, 그 종류나 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 공지의 멜트 블로 부직포의 제조 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 멜트 블로 부직포는, 열가소성 수지를 용융 압출하고, 멜트 블로 방사 구금(紡絲口金)으로부터 뽑아내고(紡出), 나아가 고온 고속의 기체에 의해 섬유류(纖維流)로서 블로 방사(紡絲; 실을 뽑음)하고, 포집 장치로 섬유를 웹(web)으로서 포집하고, 얻어진 웹을 열처리하여 섬유끼리를 열융착시킨다. 멜트 블로 방사에서 사용하는 고온 고속의 기체는, 통상, 공기, 질소 가스 등의 기체가 사용된다. 기체의 온도는 200~500℃, 압력은 0.01~0.65 MPa의 범위가 일반적으로 사용된다.

멜트 블로 부직포는, 단일 구성 섬유로 이루어지는 멜트 블로 부직포, 복합 섬유로 이루어지는 멜트 블로 부직포, 혼섬 섬유로 이루어지는 멜트 블로 부직포 등을 이용할 수 있고, 열융착성 복합 섬유 또는 혼섬 섬유로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 멜트 블로 부직포는, 그 효과를 방해하지 않는 범위에서 기능 부여를 위하여 2차 가공이 실시되어 있을 수 있고, 친수화나 소수화(疎水化)의 코팅 처리, 멜트 블로 부직포를 구성하는 섬유의 표면에 특정의 작용기를 도입하는 화학 처리, 멸균 처리 등을 예시할 수 있다.

열융착성 복합 섬유 또는 혼섬 섬유를 사용하는 경우, 멜트 블로법으로 제조한 섬유의 웹을, 저융점 성분의 섬유의 융점보다 높은 온도에서 가열하고, 저융점 성분을 열융착시킴으로써, 중공 원통형의 뎁스 필터를 성형할 수 있다. 웹의 성형은, 컨베어, 가열기 및 권취기가 있는 성형 장치를 이용하여, 방사 후 웹을 연속적으로 가열하면서 심(芯)에 친친 둘러감아 열접합 성형을 하는 방법, 웹을 심에 감아붙이고 그 후 웹을 풀어내고, 다른 심에 친친 둘러감아 열접합 성형하는 방법, 웹을 가열 용융하고, 일단, 부직포로서 감아붙이고, 그 후 이 부직포를 다시 가열 융용 상태에서 심에 친친 둘러감아 열접합 성형하는 방법이 있다. 덧붙여, 금속제의 속심(中芯) 등은 성형 후 뽑아 제거하고 있다.

이와 같이, 일단, 부직포로 만드는 방법은, 웹의 멜트 블로법의 섬유를 열접합함으로써 면 형태의 부직포로 만들고, 그 후 이 부직포를 다시 가열하고, 용융 상태에서 심에 친친 둘러 감고, 감긴 부직포와 감긴 부직포를 열접합 성형하고, 중공 원통형으로 만드는 방법이다. 웹의 가열 방법으로는, 열 엠보싱법, 열 칼렌더법(thermal calendering method), 열풍법, 초음파 접합법, 원적외 가열법 등이 있다.

3층의 섬유층을 갖는 뎁스 필터로 만들기 위해서는, 멜트 블로법에 의해 얻어진 섬유를 웹으로 만들어, 이를 열압착시키면서 원기둥형의 금속봉에 감아올려, 코어가 될 제3 층을 형성한다. 계속해서, 권취 조건을 변경하고, 제3 층보다 고밀도로 감아올려 제2 층(여과층)을 형성한다. 마지막으로, 권취 조건을 제3 층과 동일하게 되돌리고, 감아올려 제1 층(표피층)을 형성할 수 있다.

본원 발명의 필터는, 부직포를 열압착하면서 원기둥형의 금속봉에 감아올려 제작한다. 이 때, 원통형상의 필터의 외측 표면, 내측 표면의 접착을 강고하게, 그 이외의 곳(箇所)은 비교적 접착 강도를 낮게 친친 둘러감는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 "비교적 접착 강도를 낮게 친친 둘러감는"이란, 열압착된 여재를 다시 강제적으로 박리시키고자 했을 때, 부직포 자체의 접착 강도에 비해 층간의 접착 강도가 낮고, 부직포가 찢어지지 않고 박리될 수 있을 정도의 강도를 의미한다. 반대로 "접착을 강고하게"란, 열압착된 여재를 다시 강제적으로 박리시키고자 하여도, 부직포 자체의 접착 강도에 비해, 층간의 접착 강도가 동일한 정도로 강하게, 부직포가 찢어지지 않을 정도로 박리하는 것이 어려울 정도의 강도를 의미한다. 전술한 바와 같이, 여재의 변형 방지라는 의미에서는 접착 강도는 높을수록 좋으나, 접착 강도가 과잉하면 통액성이 저해되거나, 혹은 여과 수명이 짧아지는 경우가 있다. 그 때문에, 변형한 경우의 영향이 큰 여재 표면의 접착 강도를 강고하게 하고, 통액성을 확보하기 위하여 여재 내부의 접착 강도는 비교적 약하게 하는 것이 바람직하다. 이 접착이 강고한 곳은, 외측 표면으로부터 0.5~3 mm 정도의 두께까지 마련하는 것이 바람직하다. 이 두께가 0.5 mm 이상임으로써, 여재 표면의 변형을 억제한다는 목적을 달성할 수 있다. 또한, 이 두께를 3 mm 이하로 함으로써, 과잉의 접착에 의해 여재의 통액성의 저해를 억제할 수 있다. 접착의 강약은, 압착 시의 하중, 가열 온도, 가열 시간 등에 의해 제어할 수 있고, 예를 들면 압착 시의 하중으로 조정하는 경우에는, 하중이 클수록 접착은 강하고, 하중이 작을수록 접착을 약하게 할 수 있다.

부직포를 구성하는 섬유로서 열융착성 섬유를 사용하는 경우에는, 여재의 내측 표면을 강고하게 접착하기 위하여, 상기의 원기둥형의 금속봉은 가열해 두는 것이 바람직하다. 이 가열 온도는, 섬유 형상이 과도하게 파괴되는 일이 없고, 또한, 충분한 접착 강도를 부여하는 조건으로 하는 것이 바람직하다. 10℃ 이상의 융점차를 갖는 2종류의 열가소성 수지를 사용하는 경우, 설정할 온도는 2개의 융점의 중간으로 설정하는 것이 바람직하다. 접착을 더 강고하게 하기 위하여, 금속봉을 뽑아서 제거한 후에, 열풍을 통하여 추가로 가열할 수도 있다.

또한, 열융착성 섬유를 사용하는 경우에는, 여재의 외측 표면을 강고하게 접착하기 위하여, 표면을 가열하는 것이 바람직하다. 표면을 가열하는 방법으로는, 표면으로부터 열풍을 쏘이거나, 혹은 뜨겁게 한 틀에 단시간 넣거나, 혹은 뜨겁게 한 판 위에서 원통을 회전시키거나 할 수 있다.

상기와 같이 제조되는 필터 여재는, 적절한 크기로 절단하여 중공 원통형의 뎁스 필터로서 바람직하게 사용된다. 뎁스 필터는, 통상, 내경 25 mm~160 mm, 외경 55 mm~200 mm이고, 두께 5 mm~25 mm 정도의 중공 원통형으로 성형된다. 또한, 상기의 제조 방법은 개요일 뿐이며, 상기의 공정 이외에 필요에 따라, 열처리, 냉각, 약제 처리, 성형, 세정 등의 공지의 공정을 실시할 수 있다.

또한, 상기에 있어서, 멜트 블로법으로 섬유 지름이 굵은 섬유를 만들면, 섬유끼리가 과도하게 서로 엉키는 현상(일반적으로 "로핑(roping)"이라 불림)이 발생하고, 얻어진 부직포는 과도하게 공극률의 높은 것이 될 수 있다. 멜트 블로법에서 로핑이 발생하는 것은, 사용하는 수지나 제조 조건에 따라서도 달라지겠지만, 대략 평균 섬유 지름이 20 μm 이상이 되는 경우이다. 또한, 일반적으로 멜트 블로 부직포는, 컨베어 네트나 석션 드럼이라는, 통기성을 갖는 다공체 위에 포집하기 때문에, 부직포 표면도 다공체의 요철 무늬가 전사되어, 더 두꺼워지는 경우가 많다. 이러한 부직포를 감아 필터를 만들면, 최종적인 공극률도 높아져, 필터의 내압(耐壓)이 낮아지거나, 혹은 역세 시의 변형이 커지거나 하는 경우가 있다.

따라서, 방사 구금과 열가소성 섬유를 포집하는 석션 컨베어 혹은 석션 드럼 사이에, 평활면을 갖는 회전 원통체를 설치하고, 방사된 열가소성 섬유의 전체 섬유 중 일부가 반고화 상태일 때, 회전 원통체의 사면(斜面) 부분에 직접 대어 접촉시킨 후, 하방의 석션 컨베어 위에 열가소성 섬유를 이동 포집시킴으로써, 부직포의 표면이 평활해지고, 동시에 부직포의 공극률이 저하한다. 이는, 섬유가 반고화 상태에서 포집되기 때문에, 부직포가 자중으로 찌부러져서 공극률이 억제됨과 아울러, 부직포 표면은 회전 원통체의 평활한 무늬가 전사됨으로써, 공극률이 더 낮아진다. 이러한 방법으로, 부직포의 평활화 내지 공극률의 제어를 행하는 것이 가능하다.

실시예

하기의 실시예는, 예시를 목적으로 한 것에 불과하다. 본 발명의 범위는, 본 실시예에 한정되지 않는다.

단, 본 발명에 있어서의 물성 평가는 이하에 나타낸 방법으로 행하였다.

<공극률>

필터로부터 각 층을 원통형으로 잘라내고, 그 외경(cm), 내경(cm), 길이(cm), 중량(g)을 측정하였다. 그들 값으로부터, 그 층의 겉보기 부피를 다음 식으로 산출하였다.

(외경×외경-내경×내경)÷4×3.14×길이…(X)

다음, 중량과 수지의 비중(g/cm³)으로부터, 여재를 구성하는 수지의 부피를 산출하였다.

중량÷비중…(Y)

이들 값을 사용하여, 다음 식으로 공극률을 산출하였다.

(1-Y/X)×100%

<단일 섬유의 평균 섬유 지름>

전자 현미경으로 섬유의 직경을 100개 계측하고, 산술 평균값을 평균 섬유 지름으로 삼았다. 이 계산은, Scion Corporation사의 화상 처리 소프트 "Scion Image"를 사용하여 행하였다.

<섬유 교점의 간격>

필터로부터 제2 층을 잘라내고(비교예의 1층 구조인 것은 그 층을 잘라내고), 여재 표면을 전자 현미경으로 촬영하고, 섬유 교점과 섬유 교점 사이의 섬유 길이를 측정하였다. 그 섬유 길이를 그 섬유 교점과 섬유 교점 사이의 섬유의 섬유 지름으로 나눈 값을 섬유 교점의 간격으로 삼았다. 그 값을 100점에 대해 계측하고, 그 산출 평균값을 섬유 교점의 평균 간격으로 삼았다.

<여과 정밀도>

순환식 여과 성능 시험기의 하우징에 필터 1개를 부착하고, 50 리터용 수조로부터 펌프로 원통의 외측에서 내측으로 물이 흐르도록 통수 순환시킨다. 유량을 매분 30리터로 조절 후, 수조의 시험 분체(粉體)로서 기초 물성용 표준 분체인 JIS 분체 7종을 매분 0.2g으로 연속 첨가하고, 첨가 시작으로부터 5분 후에 원액과 여액(濾液)을 채취하고, 원액에 포함되는 입자의 개수(A)를, 광차단식 입자 검출기를 사용하여 계측하고, 각 입자 지름의 입자마다 필터가 포집한 입자의 개수(B)와 비교하여, 식=(B/A×100%)에 의해 산출한 값을 포집 효율로 삼았다. 그 값을 분석하여, 포집 효율이 90%가 되는 입자 지름을 여과 정밀도로 삼았다.

<역세 시의 변형 정도>

여과 정밀도 측정 후의 필터를, 순환식 여과 성능 시험기의 하우징에 부착한 채로, 원통의 내측에서 외측으로 물이 흐르도록 유량 매분 30리터로 조절한 상태에서, 필터의 외경을 측정하고, 그 값을 역세 시의 외경으로 삼았다. 그 값과 하기 식을 이용하여, 역세 시의 변형 정도를 측정하였다.

역세 시의 변형 정도=(역세 시의 외경-원래의 외경)÷원래의 외경

<압축비>

여재를 20 mm×20 mm로 절단하고, 원래의 두께를 측정하고, 계속해서, 이 작은 조각에 0.5 MPa의 하중을 가했을 때의, 작은 조각의 두께를 측정하였다.

측정한 두께와 하기 식을 이용하여, 압축비를 산출하였다.

압축비=(초기 두께-하중을 가했을 때의 두께)÷(초기 두께)

(실시예 1)

구멍 지름 0.3 mm의 고융점 성분 방사 구멍과 구멍 지름 0.3 mm의 저융점 성분 방사 구멍이 구멍 수 비 1:1로 교대로 배치된 혼섬 멜트 블로용 방사 구금을 사용하여, 고융점 성분으로서 폴리프로필렌(MFR68g/10분(230℃), mp.165℃), 저융점 성분으로서 프로필렌/에틸렌/뷰텐-1 3원계 공중합체(MFR73g/10분(190℃), mp.135℃)를, 각각 방사 온도 290℃, 270℃, 혼섬비 50:50로 압출하였다. 380℃의 가열 공기를 압력 0.08 MPa로 블로하고, 직접 석션 컨베어 네트에 포집시키고, 평량 40 g/m²의 혼섬 멜트 블로 부직포 A를 제조하였다. 얻어진 부직포 A는, 평균 섬유 지름 50 μm였다. 다음, 부직포 A와 동일한 조건으로 블로하고, 세섬화(細纖化)한 섬유를 노즐 아래에 노즐과 평행하게 설치된 외경 120 mm의 스테인리스제 회전 롤의 표면에 퇴적시킨 후, 석션 컨베어 네트에 포집시키고, 평량 40 g/m²의 혼섬 멜트 블로 부직포 B를 제조하였다. 얻어진 부직포 B는, 평균 섬유 지름 50 μm였다. 다음, 부직포 A를 에어 쓰루형 드라이어로 가열하고, 저융점 성분을 녹인 상태에서, 외경 30 mm의 스테인리스 파이프에 외경 40 mm가 될 때까지 친친 둘러감았다. 다음, 부직포 B를 에어 쓰루형 드라이어로 가열하고, 저융점 성분을 녹인 상태에서, 방금 전에 친친 둘러감은 부직포 A의 더 외측의 위치에, 외경 52 mm가 될 때까지 친친 둘러감았다. 다음, 부직포 A를 에어 쓰루형 드라이어로 가열하고, 저융점 성분을 녹인 상태에서, 방금 전에 친친 둘러감은 부직포 B의 더 외측의 위치에, 외경 62 mm가 될 때까지 친친 둘러감았다. 그 후, 스테인리스 파이프에 권취한 것을 온도 150℃로 가열한 롤 위에 올려놓고, 스테인리스 파이프와 가열한 롤 쌍방을 회전시킴으로써, 권취한 것에 가열을 가하였다. 그 후, 스테인리스 파이프를 뽑아 제거한 후에 길이 250 mm로 절단함으로써, 외경 62 mm, 내경 30 mm, 길이 250 mm의 중공 원통형의 필터로 만들었다.

(비교예 1)

실시예 1과 동일한 방법으로 부직포 A를 만들고, 에어쓰루형 드라이어로 가열하고, 저융점 성분을 녹인 상태에서, 외경 30 mm의 스테인리스 파이프에 외경 62 mm가 될 때까지 친친 둘러감았다. 그 후, 스테인리스 파이프에 권취한 것을 온도 150℃로 가열한 롤 위에 올려놓고, 스테인리스 파이프와 가열한 롤 쌍방을 회전시킴으로써, 권취한 것에 열을 가하였다. 그 후, 스테인리스 파이프를 뽑아 제거한 후에 길이 250 mm로 절단함으로써, 외경 62 mm, 내경 30 mm, 길이 250 mm의 중공 원통형의 카트리지 필터로 만들었다. 이 필터는, 비교적 부드럽고, 역세 시의 변형이 큰 것이었다.

(비교예 2)

구멍 지름 0.3 mm의 단성분용 멜트 블로용 방사 구금을 사용하여, 폴리프로필렌(MFR68g/10분(230℃), mp.165℃)을, 방사 온도 290℃에서 압출하였다. 383℃의 가열 공기를 압력 0.08 MPa로 블로하고, 직접 석션 컨베어 네트에 포집시키고, 평량 40g/m²의 혼섬 멜트 블로 부직포를 제조하였다. 얻어진 부직포는, 평균 섬유 지름 50 μm였다. 또한, 섬유 교점이 거의 보이지 않고, 교점의 간격은 명백하게 100배를 초과하는 것이었다. 다음, 이 부직포를 에어쓰루형 드라이어로 가열하고, 내경 30 mm, 외경 35 mm의 폴리프로필렌제 다공통에 외경 62 mm가 될 때까지 친친 둘러감았다. 다 감은 부분을 히트 씰로 접착하고, 이것을 길이 250 mm로 절단함으로써, 외경 62 mm, 내경 30 mm, 길이 250 mm의 중공 원통형의 카트리지 필터로 만들었다. 이 필터는, 매우 부드럽고, 역세 시의 변형이 매우 큰 것이었다.

(실시예 2)

방사 온도를 300℃, 280℃, 가열 공기의 온도를 390℃로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 필터를 제작하였다. 부직포 A, 부직포 B 모두, 평균 섬유 지름은 30 μm였다.

(실시예 3)

온도 150℃로 가열한 롤 위에서 가열하는 공정을 생략한 것 이외에는, 모두 실시예 1과 동일한 방법으로 외경 62 mm, 내경 30 mm, 길이 250 mm의 중공 원통형의 카트리지 필터를 제작하였다. 이 필터는, 역세 시에 필터의 최외층에 감긴 부직포의 일부가 박리되었지만, 역세는 가능하였다.

실시예 1~3, 비교예 1, 2의 필터의 물성 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

본 발명의 뎁스 필터는, 금속을 사용하지 않고 열가소성 수지로 이루어지는 섬유로만 구성되므로, 저렴한 비용으로 역세 가능한 수지성의 필터로 만들 수 있다. 또한, 금속성 필터에 비해, 수지성의 필터는 무게가 가벼우므로, 여과 장치나 설비 전반에 가해지는 중량 부하를 경감하는 것이 가능해진다. 본 발명의 뎁스 필터는, 담수 처리 장치 및 해수 처리 장치의 여과 필터로서 바람직하게 사용된다.

Claims

열가소성 수지의 섬유로 이루어지는, 여재의 두께가 5~25 mm인 중공 원통형 뎁스 필터로서,
그 여재는 0.5 MPa의 하중을 가한 경우의 압축비가 0.2 이하이고,
그 여재는 유체 유입측으로부터 유출측을 향해 적어도 3층의 섬유층을 가지고 있고,
유체 유입측의 제1 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고,
유체 유입측의 제2 층의 공극률이 0.60~0.80의 범위이고,
유체 유입측의 제3 층의 공극률이 0.70~0.85의 범위이고,
제1 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이고,
제3 층의 공극률>제2 층의 공극률의 관계이며,
그 여재를 구성하는 섬유의 교점이 결합되어 있고,
그 교점의 평균 간격은 섬유의 길이 방향에 대하여 평균 섬유 지름의 2~100배이고,
그 여재의 상류측 표면의 평균 섬유 지름과, 하류측 표면의 평균 섬유 지름 간의 비율이 0.9~1.2배인, 뎁스 필터.
청구항 1에 있어서,
역세 시의 변형 정도가 0.05 미만인, 뎁스 필터.
청구항 1 또는 2에 있어서,
여과 정밀도가 5~60μm인, 뎁스 필터.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유가 열융착성 섬유인, 뎁스 필터.
청구항 4에 있어서,
상기 열융착성 섬유가 10℃ 이상의 융점차를 갖는 2종류의 열가소성 수지로 이루어지는 복합 섬유인 뎁스 필터.
청구항 4에 있어서,
상기 열융착성 섬유가 10℃ 이상의 융점차를 갖는 2종류의 열가소성 섬유의 혼섬(混纖)인 뎁스 필터.
청구항 1에 있어서,
원통의 외층부가, 그 내측과 비교하여 접착이 강고한, 뎁스 필터.