WO2014157486A1 - 膜カートリッジ - Google Patents

Abstract

ろ過膜のろ板への接合部の内側形状に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジを提供する。熱可塑性樹脂製のろ板９の表面にろ過膜１０がその周縁の接合部１１で接合された膜カートリッジ８であって、前記ろ板９表面の前記接合部１１の内縁端Ｐ１近傍の内側に、前記ろ板９の厚み方向において前記接合部１１よりも高い凸部１３を形成し、前記接合部１１の内縁端Ｐ１から前記凸部１３への接線が、ろ板表面と平行な方向に対して１０度以上傾斜するように構成する。

Description

膜カートリッジ

　本発明は、熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジに関する。

　汚水浄化処理等の水処理設備に用いられる固液分離装置として浸漬型膜分離装置が好適に用いられている。当該浸漬型膜分離装置には、樹脂製のろ板と、ろ板の両面に周縁が接合されたろ過膜とを備えて構成される複数枚の平板状の膜カートリッジが収容されている。

　特許文献１には、ろ過膜のろ板への接着ムラを防止し、接着効率を向上させて、膜モジュールの気密性を確保することを目的として、有機合材膜支持体の表面を有機ろ過膜で覆い、局部加熱により有機ろ過膜の周縁部で両者を融着させることを特徴とする膜モジュールの製造方法が開示されている。

　特許文献２には、曝気に対する耐久性を高めることができる浸漬型膜カートリッジの製造方法を提供することを目的とする浸漬型膜カートリッジの製造方法が提案されている。

　当該浸漬型膜カートリッジの製造方法は、樹脂製のろ板に、二重線状のシール部と帯状の補助部とを、ろ板の表面から突出し且つろ板の周縁部に沿った全周で一体に成形し、内側に位置するシール部を外側に位置するシール部より低く形成するとともに、外側に位置するシール部と周縁に位置する補助部とを同じ高さに形成している。さらに、ろ板の表面に双方のシール部および補助部を覆ってろ過膜を配置し、ろ過膜の上からアップダウンホーンを双方のシール部および補助部に押圧し、アップダウンホーンから超音波を出力してろ過膜を双方のシール部および補助部において溶着し、双方のシール部に直線状の止水部を形成してろ過膜を緊張状態に保持するとともに、補助部に補助溶着部を形成することを特徴とする。

　特許文献３には、膜の破断や劣化時に、熱可塑性樹脂製ろ板を再利用して膜の張り替えを行うことができる膜カートリッジを得ることを目的として、合成樹脂繊維からなる不織布を支持体とした、微孔を形成した微孔性ろ過膜を、熱可塑性樹脂製ろ板の周縁の平滑面に接合したことを特徴とする膜カートリッジが開示されている。

　特許文献１から３に開示された膜カートリッジは、何れもろ過膜のろ板への融着面が、ろ板表面に平行な平面となるように構成されている。

特開平０６－２１８２４０号公報 特開２００１－１２０９５８号公報 特開２００６－２３１１３９号公報

　一般的に平板状の膜カートリッジは、ろ過運転中には吸引圧または自然水頭圧によってろ過膜がろ板に張り付いた状態が維持され、ろ過を停止した状態で散気のみ行なうリラクゼーション中には多少膨れた状態で膜が揺れ動き、ろ過膜の二次側から薬液または清水を注入する逆圧洗浄時には膜が膨れた状態に維持されると考えられている。

　しかし、実際にはろ過運転中の吸引圧が１０ｋＰａ程度と比較的小さく、膜カートリッジは下方からの散気に伴う上向流により激しく振動しており、ろ過膜がろ板の振動に完全に追随せずに、ろ板から離隔したり接触したりを繰り返していると考えられる。

　そして、ろ過膜のろ板からの膨出や張付き動作が繰り返されると、ろ過膜がろ板との接合部で疲労して膜破断や膜剥離を招く虞があるという問題があった。

　そこで、上述した特許文献２には、このような疲労による膜破断や剥離を回避するために、二重線状のシール部と帯状の補助部とをろ板の表面から突出するように、ろ板の周縁部に沿った全周にわたって一体に成形し、内側に位置するシール部を外側に位置するシール部より低く形成するろ板の構造が開示されている。

　しかし、そのような複雑な形状のろ板を用いてろ過膜を融着処理すると様々な製造コストが嵩むという問題があり、コストを低減しながらも振動等による耐疲労強度を高めるという観点で更なる改良の余地があった。

　本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、ろ過膜のろ板への接合部の内側形状に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジを提供する点にある。

　上述の目的を達成するため、本発明による膜カートリッジの第一特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジであって、前記ろ板表面の前記接合部の内縁端近傍の内側に、前記ろ板の厚み方向において前記接合部よりも高い凸部を形成する点にある。

　上述の構成によれば、ろ過膜がろ板に接触している状態から膨出し、或いはろ板９から膨出している状態からろ板に接触する際に、接合部の内縁端近傍の内側に形成された凸部で、接合部の内端縁から内側に延出したろ過膜が受け止められるので、ろ過膜が揺動しても、その都度接合部の内側端縁が大きく揺れ動くようなことが回避され、それだけろ過膜の接合部に作用する屈曲ストレスが低減される。その結果、ろ過膜の接合部での耐疲労強度を高めることができるようになる。

　同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記接合部の内縁端から前記凸部への接線が、ろ板表面と平行な方向に対して１０度以上傾斜する点にある。

　接合部の内縁端から凸部への接線がろ板表面と平行な方向に対して１０度以上傾斜していると、比較的頻繁に発現するろ過膜のろ板からの膨出姿勢の大半が凸部で受け止められるようになり、接合部での耐疲労強度を効果的に高めることができるようになる。

　同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記凸部の前記接合部側の角部が、前記ろ過膜の厚さの２倍以上の曲率半径を備える形状である点にある。

　ろ過膜のろ板に対する膨出及び接触という揺動動作の際に、凸部のうち主に接合部に近い側の角部でろ過膜が受け止められる。そのような角部の形状がろ過膜の厚さの２倍以上の曲率半径を備えた曲面であれば、角部でろ過膜に大きなストレスを与えることなく受け止めることができるようになる。

　同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記接合部の内縁端からの前記凸部の高さが、前記ろ過膜の厚さの１倍以上である点にある。

　ろ板表面の接合部の内縁端からの凸部の高さが、ろ過膜の厚さの１倍以上であると、ろ過膜の厚さ方向での圧縮変形量を考慮しても、実質的にろ過膜をろ板表面に対して傾斜させることができるようになる。

　以上説明した通り、本発明によれば、ろ過膜の接合部の内側形状に着眼することで、簡単な構成で耐疲労強度を高めることが可能な低コストの膜カートリッジを提供することができるようになった。

図１は、汚水処理装置の説明図である。 図２は、膜分離装置の説明図である。 図３は、膜カートリッジの一部切り欠き説明図である。 図４（ａ）は本発明による膜カートリッジのろ過膜の融着接合の説明図、図４（ｂ）は凸部に対するろ過膜の挙動の説明図、図４（ｃ）は従来の膜カートリッジのろ過膜の挙動の説明図である。 図５（ａ）から図５（ｅ）は別実施形態を示す接合部と凸部の形状及び位置関係の説明図である。 図６は、本発明の別実施形態を示し、ろ過膜の融着接合時に、同時に凸部を形成するプロセスの説明図である。

　以下、本発明による膜カートリッジを説明する。
　図１に示すように、膜分離活性汚泥法が採用された汚水処理設備１は、前処理設備２と、流量調整槽３と、膜分離装置６が浸漬配置された膜分離槽４と、処理水槽５が設けられている。

　前処理設備２には被処理水となる原水に混入している夾雑物等の異物を除去するバースクリーン２ａ等が設けられ、バースクリーン２ａ等で異物が除去された原水が流量調整槽３に貯留される。原水の流入量が変動する場合であっても、流量調整槽３から一定流量の原水が膜分離槽４に安定供給されるようにポンプＰやバルブ等の流量調整機構が設けられている。

　活性汚泥が充填された膜分離槽４では、活性汚泥による生物処理によって原水中の有機物質が分解され、膜分離装置６を介してろ過された透過水が処理水槽５に導かれて一時貯留され、その後放流等される。膜分離槽４で増殖した余剰汚泥は槽外に引き抜かれ、槽内は一定の汚泥濃度に保たれる。

　図２に示すように、膜分離装置６は、上下が開口した膜ケース７の内部に１００枚の板状の膜カートリッジ８が、各膜面が縦姿勢となるように、かつ６ｍｍから１０ｍｍ程度（本実施形態では８ｍｍ）の一定間隔を隔てて配列されており、膜ケース７の下方に散気装置１２を備えている。

　散気装置１２は複数の散気孔が形成された散気管１３を備え、散気管１３に接続された散気ヘッダ管１４を介して槽外に設置されたブロワ１５に接続されている。

　膜カートリッジ８には集水管１７を介して槽外に設置された差圧発生機構としてのポンプ１８が接続され、槽内の被処理水が膜カートリッジ８の膜面を透過するように吸引ろ過される。

　図３に示すように、膜カートリッジ８は、縦１０００ｍｍ×横４９０ｍｍのＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂製のろ板９の表裏両面にろ過膜１０が配置され、ろ過膜１０の周縁の接合部１１がろ板９に超音波や熱で融着接合され、または接着剤等を用いて接着接合されて構成されている。

　ろ過膜１０は、例えばＰＥＴ製の不織布でなる支持体１０ａに多孔性を有する樹脂が塗布及び含浸され、平均孔径が約０．２μｍの微多孔性膜１０ｂが形成された有機ろ過膜である。

　ろ板９の表面には長手方向に沿って深さ２ｍｍ、幅２ｍｍ程度の溝部９ｂが複数本形成され、その上端部には各溝部９ｂを連通する水平溝部９ｃが形成されている。表裏両面に形成された水平溝部９ｃが連通孔９ｄを介して連通され、ろ板９の上縁部に形成されたノズル９ａに連通されている。

　図２に示すように、各ノズル９ａは、チューブ１６を介して集水管１７に接続され、集水管１７にはポンプ１８が接続され、ポンプ１８で吸引された透過水が処理水槽５に移送されるように構成されている。

　このような膜分離装置６の散気装置１２及びポンプ１８を作動させることにより、被処理水をろ過膜１０でろ過して設定流量の透過水を得るろ過運転が実行される。

　そして、例えば定期的に、またはろ過運転中の吸引圧が高くなると、槽内の活性汚泥の性状を保ちつつろ過膜１０のファウリングを防止するために、ポンプ１８を停止させた状態で散気装置１２のみ作動させるリラクゼーション運転が実行される。

　また、定期的にまたはリラクゼーション運転後の吸引圧が高くなると集水管１７を経由して各膜カートリッジ８に薬液を注入してろ過膜１０を洗浄する薬液洗浄工程が実行される。

　ろ過運転中には、膜カートリッジ８は下方からの散気に伴う上向流により激しく振動し、ろ過膜１０がろ板９の振動に追随せずにろ板９から離隔したり接触したりする動作が繰り返され、ポンプ１８が停止したリラクゼーション運転中に膜カートリッジ８のろ過膜１０はろ板９から多少膨れた状態で下方からの散気に伴う上向流により大きく揺れ動き、薬液洗浄時には継続的に膜が膨れた状態が維持される。例えば、このような薬液洗浄時等ではろ過膜１０はろ板から５０度程度の仰角で接合部から膨出する。

　ろ板９への密着状態から離隔状態への姿勢変動やその逆の姿勢変動により、ろ過膜１０の接合部には大きなストレスが掛かり、接合部にこのようなストレスが経時的に繰り返して掛かると、接合部でろ過膜が疲労して破断したり剥離したりする虞がある。

　そこで、図４（ａ）に示すように、本発明による膜カートリッジ８は、ろ板９表面の接合部１１の内縁端Ｐ１近傍の内側Ｐ２に、ろ板９の厚み方向において接合部１１よりも高い凸部１３が形成されている。図中、符号２０は、加熱板または超音波ホーンを示し、加熱板または超音波ホーン２０を上方からろ板９表面に押圧することにより、ろ過膜１０がろ板９に融着接合される。

　図４（ｂ）に示すように、ろ過膜１０がろ板９に接触している状態から膨出し、或いはろ板９から膨出している状態からろ板９に接触する際に、接合部１１の内縁端Ｐ１近傍の内側に形成された凸部１３で、接合部１１の内端縁Ｐ１から内側に延出したろ過膜１０が受け止められるので、ろ過膜１０が揺動しても、その都度接合部の内側端縁が大きく揺れ動くようなことが回避され、それだけろ過膜の接合部に作用する屈曲ストレスが低減される。

　図４（ｂ）では、接合部１１の内縁端Ｐ１から凸部１３に到る仮想接線が一点鎖線で示され、その傾斜角度がθで示されている。接合部１１の内縁端Ｐ１でのろ過膜１０の立上がり角度が角度θよりも大きくなれば、接合部１１の内縁端Ｐ１に大きなストレスが掛かることになるが、ろ過膜１０の立上がり角度が角度θよりも小さい範囲では、凸部１３でろ過膜１０が受け止められるので、接合部１１の内縁端Ｐ１に大きなストレスが掛かることがない。その結果、ろ過膜の接合部での耐疲労強度を高めることができるようになる。

　このような凸部１３を備えた膜カートリッジ８に対して、凸部１３を備えていない図４（ｃ）に示すような膜カートリッジ８では、ろ過膜１０の立上がり角度が角度θよりも小さい範囲でも、ろ過膜１０の揺れ動きによって接合部１１の内縁端Ｐ１に常時ストレスが掛かるため、ろ過膜１０は疲労により接合部１１で剥離し、或いは破断する虞が高くなる。

　接合部１１の内縁端Ｐ１から凸部１３への接線と、ろ板９表面と平行な方向との間の角度θは、通常のろ過運転時のろ過膜の動作を想定して、１０度以上であることが好ましく、リラクゼーション時及び薬液洗浄時のろ過膜の動作を想定して、さらに大きな角度である２０度以上であることがさらに好ましい。また、角度θは接合部１１の内縁端Ｐ１でのろ過膜の初期状態での屈曲を抑えるため、薬液洗浄時の最大膨出角度を越えない５０度以下であることが好ましい。

　接合部１１の内縁端Ｐ１から凸部１３への接線が、ろ板９表面と平行な方向に対して１０度以上、好ましくは２０度以上傾斜していると、比較的頻繁に発現するろ過膜１０のろ板９からの膨出姿勢の大半が凸部で受け止められるようになり、接合部での耐疲労強度を効果的に高めることができるようになる。

　凸部１３の形状は、図５（ａ）に示すような円弧状である必要はなく、図５（ｂ）に示すような四角形状、図５（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すような傾斜面を有する凸部形状であってもよい。接合部１１の内縁端Ｐ１でのろ板位置を基準にして凸部１３の最大高さは、０．５ｍｍ～３ｍｍの範囲であることが好ましい。

　凸部１３に角部が形成される場合には、凸部１３の接合部１１側の角部が、ろ過膜１０の厚さの２倍以上の曲率半径を備える形状であることが好ましく、３倍以上の曲率半径を備える形状であればさらに好ましい。

　ろ過膜１０のろ板９に対する膨出及び接触という揺動動作の際に、凸部１３のうち主に接合部１１側の角部でろ過膜１０が受け止められる。そのような角部の形状がろ過膜１０の厚さの２倍以上の曲率半径を備えた曲面であれば、角部でろ過膜１０に大きなストレスを与えることなく受け止めることができるようになる。ろ過膜１０の厚みは通常０．１～０．３ｍｍの範囲であるので、２倍の曲率半径であれば、角部は０．２～０．６ｍｍの範囲の曲率半径となる。

　また、接合部１１の内縁端Ｐ１からの凸部１３の高さが、ろ過膜１０の厚さの１倍以上になるように構成することが好ましく、ろ過膜１０の厚さの２倍以上になるように構成することがさらに好ましい。このような構成を採用すれば、ろ過膜１０の厚さ方向での圧縮変形量を考慮しても、実質的にろ過膜１０をろ板９表面に対して傾斜させることができるようになる。

　図５（ａ），（ｃ）に示すように、接合部１１の内縁端Ｐ１と凸部１３がろ板９の面上で連続していてもよいし、図５（ｂ）に示すように、接合部１１の内縁端Ｐ１と凸部１３がろ板９の面上で離隔していてもよい。

　また、図５（ｄ），（ｅ）に示すように、接合部１１の内縁端Ｐ１と凸部１３が滑らかな面で接続されていてもよい。

　図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、接合部１１はろ板９の平坦面と平行な面に形成されていてもよいし、図５（ｄ），（ｅ）に示すように、ろ板９の平坦面に対して傾斜面で形成されていてもよい。

　この場合、ろ板９の表面にろ過膜１０がその周縁の接合部１１で接合され、接合部１１は少なくとも内縁部Ｐ１がその内側のろ板９の表面Ｐ２に対してろ過膜１０の周縁端Ｐ３に向かって下り勾配に形成されていることが好ましい。

　接合部１１のうち、少なくとも内縁部Ｐ１がその内側のろ板表面に対してろ過膜１０の周縁端に向かって下り勾配に形成されていれば、内縁部Ｐ１に対するろ過膜１０の立上がり角度θが相対的に小さくなり、それだけろ過膜１０の接合部１１に作用する屈曲ストレスを低減することができる。

　このような下り勾配は、１０度以上５０度以下であることが好ましく、１５度以上３０度以下であることがさらに好ましい。下り勾配が１０度以上５０度以下に構成されていると、接合部１１でのろ過膜１０の折れ曲がりを効果的に抑制でき、１５度以上３０度以下に構成されていると、接合部１１でのろ過膜１０の折れ曲がりをより一層効果的に抑制できるようになる。尚、何れの場合でも、接合部１１の下り勾配領域の幅は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲に設定されていることが好ましい。

　また、図６に示すように、加熱板または超音波ホーン２０をろ過膜１０の周縁が挟持された状態でろ板９に押圧することにより、ろ過膜１０をろ板９に融着接合する際に、ろ板９を構成する樹脂が軟化または溶融して加熱板または超音波ホーン２０の側方に流動する特性を利用して、その流動樹脂で接合部１１の側部に凸部１３が形成されるように構成してもよい。

　上述した実施形態では加熱板または超音波ホーン２０を用いてろ過膜１０がろ板９に融着接合される例を説明したが、接着剤を用いてろ過膜１０をろ板９に接着接合するように構成してもよい。

　尚、加熱板または超音波ホーンを用いてろ過膜をろ板に接合する場合、接合部での温度がろ板を構成する樹脂の軟化点以上で、且つ、ろ過膜を構成する不織布の融点未満であると、ろ過膜自体の強度を保持しながら、ろ板に下り勾配の傾斜を形成できる点で好ましい。

　例えば、ろ板がＡＢＳ樹脂であって、ろ過膜を構成する不織布がＰＥＴ樹脂である場合には、１５０℃以上、且つ、２５０℃以下が好ましい温度となるため、、接合部での温度が、１５０℃～２５０℃の範囲となるように加熱板または超音波ホーンの出力を制御すればよい。

　上述した実施形態は本発明の一態様であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、ろ板やろ過膜の材料、大きさ、厚み、さらには加熱板または超音波ホーンの先端形状、融着温度等は特に限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

９：ろ板
１０：ろ過膜
１１：接合部
１３：凸部
Ｐ１：接合部の内縁部

Claims (4)

1. 　熱可塑性樹脂製のろ板の表面にろ過膜がその周縁の接合部で接合された膜カートリッジであって、
   　前記ろ板表面の前記接合部の内縁端近傍の内側に、前記ろ板の厚み方向において前記接合部よりも高い凸部を形成することを特徴とする膜カートリッジ。
2. 　前記接合部の内縁端から前記凸部への接線が、ろ板表面と平行な方向に対して１０度以上傾斜することを特徴とする請求項１記載の膜カートリッジ。
3. 　前記凸部の前記接合部側の角部が、前記ろ過膜の厚さの２倍以上の曲率半径を備える形状であることを特徴とする請求項１または２記載の膜カートリッジ。
4. 　前記接合部の内縁端からの前記凸部の高さが、前記ろ過膜の厚さの１倍以上であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の膜カートリッジ。

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