JP2002066264A - 濾過モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造工程を煩雑にすることなく、かつ、濾過
膜モジュールの樹脂封止部の厚みを多く取ることなく実
用的な耐圧性を保持し、かつ、樹脂封止との接着界面に
おける中空糸膜の破断が起こらない大口径の濾過膜モジ
ュールを提供することを課題とする 。 【解決手段】 複数の中空糸膜の両端または片端が封止
樹脂にて固定された濾過膜モジュールにおいて、該封止
樹脂が１０℃〜４０℃の温度範囲において１×１０⁸Ｎ
／ｍ²以上１×１０⁹Ｎ／ｍ²未満の貯蔵弾性率を示す樹
脂であり、かつ開口した中空糸膜を有する側の端面にお
ける樹脂断面の円相当直径が１２０ｍｍ以上３５０ｍｍ
未満であり、該直径に対する封止樹脂の厚みの比が０．
２以上０．７未満であることを特徴とする濾過モジュー
ル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密濾過や限外濾
過等の分離プロセスに用いられる濾過モジュールに関
し、さらに詳しくは、各種工業製品の製造プロセスや上
水および下水等の水処理プロセス等に用いられる大口径
の濾過モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】中空糸膜濾過による分離プロセスは、各
種工業製品の製造プロセスや上水および下水等の水処理
プロセス等において広く採用されているが、近年、処理
コストの低減のため、より大型のモジュールを求められ
ている。従来、このような大型の濾過モジュールでは、
中空糸膜の固定のためにエポキシ樹脂が使用されてい
た。エポキシ樹脂は弾性率が高いために中空糸膜との接
着界面において中空糸膜が破断し易いという問題があ
り、これを防止するために、エポキシ樹脂と中空糸膜と
の接着界面にシリコーン樹脂等の柔軟な樹脂をポッテイ
ングすることが行われていた。しかしながら、この方法
では２回の接着工程が必要となり、経済性に劣る欠点を
有していた。

【０００３】これに対して、近年、ウレタン樹脂を封止
樹脂として採用することが、特開平７−４７２３９号公
報や特開平７−１４８４２１に提案されている。特開平
７−４７２３９号公報では、ジフェニルメタンジイソシ
アネートとポリオキシテトラメチレングリコール（以
下、ＰＴＭＧと記す）とから得られたイソシアネート基
末端プレポリマーと、ＰＴＭＧとひまし油またはひまし
油誘導体ポリオールとから構成される硬化剤成分とで硬
化させて成るウレタン樹脂が、ゴム状領域の高温側温度
が１００℃を超え、１０⁷Ｎ／ｍ²台の貯蔵弾性率を示す
こと、および、このウレタン樹脂を封止樹脂として用い
た濾過モジュールは、９０℃の熱水を差圧０．２ＭＰａ
の条件で６ヶ月間リークの発生なく連続濾過を実施でき
ることが開示されている。

【０００４】しかしながら、この構成によるウレタン樹
脂では、１０⁸Ｎ／ｍ²以上の貯蔵弾性率が得難いため、
大口径の濾過膜モジュールに採用した場合、差圧によっ
て樹脂封止部が大きく変形し、リークが発生し易いとい
う問題があった。また、特開平７−１４８４２１号公報
では、流体透過性を有する保護筒に収納された中空糸膜
束からなる単位濾過エレメントと、ケースハウジング両
端の樹脂封止部に亘る梁長を有する梁を用いることで、
樹脂封止部の変形を小さくする手法が開示されている。
しかしながら、このモジュール構造では、単位濾過エレ
メントを製作するための部材や梁部材が必要となり、か
つ、これらの組立工程が加わるため、製造工程が煩雑で
コスト高になるという問題があった。

【０００５】一方、封止部分の強度を向上させるため
に、封止樹脂層を厚くすることも一方法ではあるが、こ
の場合、中空糸膜束が多量に樹脂層中に埋もれてしまい
有効膜面積が削減されるため、濾過コストあるいは製造
コストの点で不利益を生ずることや、樹脂量が増加する
ことにより樹脂硬化時の収縮や歪みの影響が大きくな
り、封止部分の信頼性を損なうことが問題であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な状況に鑑み、製造工程を煩雑にすることなく、かつ、
濾過膜モジュールの樹脂封止部の厚みを多く取ることな
く実用的な耐圧性を保持し、かつ、樹脂封止との接着界
面における中空糸膜の破断が起こらない大口径の濾過膜
モジュールを提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題を
解決するため、特定の貯蔵弾性率を有する樹脂を濾過モ
ジュールの封止剤として用いた場合、中空糸膜の破断を
招来せず、かつ、封止樹脂からリークの発生なく濾過・
逆洗を実施し得ることを見出し、本発明に到達した。す
なわち、本発明は、複数の中空糸膜の両端または片端が
封止樹脂にて固定された濾過膜モジュールにおいて、該
封止樹脂が１０℃〜４０℃の温度範囲において１×１０
⁸Ｎ／ｍ²以上１×１０⁹Ｎ／ｍ²未満の貯蔵弾性率を示す
樹脂であり、かつ開口した中空糸膜を有する側の端面に
おける樹脂断面のの円相当直径が１２０ｍｍ以上３５０
ｍｍ未満であり、該直径に対する封止樹脂の厚みの比が
０．２以上０．７未満であることを特徴とする濾過モジ
ュール、である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。本発明における濾過膜モジュールは、複数
の中空糸膜の両端または片端が封止樹脂にて固定された
濾過膜モジュールにおいて、該封止樹脂が１０℃〜４０
℃の温度範囲内において１×１０⁸Ｎ／ｍ²以上１×１０
⁹Ｎ／ｍ²未満の貯蔵弾性率を示す樹脂である必要があ
る。貯蔵弾性率が１×１０⁸Ｎ／ｍ²未満では、柔軟すぎ
て濾過・逆洗時の圧力がかかった時に封止樹脂が変形
し、接着部が破断・剥離してリークを起こす。一方、１
×１０⁹Ｎ／ｍ²以上の場合には、濾過・逆洗時やエア散
気による糸揺れの際に封止樹脂との接着界面において中
空糸膜が破断する傾向が強くなる。

【０００９】該貯蔵弾性率は、２×１０⁸Ｎ／ｍ²〜８×
１０⁸Ｎ／ｍ²であることが好ましく、３×１０⁸Ｎ／ｍ²
〜６×１０⁸Ｎ／ｍ²であることがより好ましい。なお、
本発明に使用する封止樹脂としては、１０℃〜４０℃の
温度範囲における貯蔵弾性率が１×１０⁸Ｎ／ｍ²以上１
×１０⁹Ｎ／ｍ²未満であれば特に制限はないが、ウレタ
ン樹脂、エポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂、フッ素含
有樹脂、ナイロン樹脂、シリコーン樹脂等が例示でき、
これらの樹脂の内、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、が好
ましく、特にウレタン樹脂が好ましい。

【００１０】本発明における、開口した中空糸膜を有す
る側の端面における樹脂断面の形状には制限がなく、円
形、矩形、三角形、多角形、楕円等が選択できるが、中
でも加工が容易であり、かつ、濾過圧力による応力が均
一分散するため耐圧性が高いことが期待できる円形が好
ましい。また、端面の円相当直径とは、中空糸膜、エア
導入口、通水口等を含み樹脂が取り囲む全領域の面積か
ら算出することができ、該面積をＳとすると該円相当直
径Ｄは下記式（１）であらわすことができる。 Ｄ＝２×（Ｓ／π）^0.5 （１）

【００１１】本発明では、円相当直径（Ｄ）が１２０ｍ
ｍ以上３５０ｍｍ未満であり、該直径と封止樹脂の厚み
（Ｔ）の比（Ｔ／Ｄ）が０．２以上０．７未満である必
要がある。円相当直径が１２０ｍｍ未満では、充分な中
空糸膜面積を確保できずモジュール本数が多く必要とな
るため、濾過設備が大型化してしまい、濾過コストの点
で不利益を生ずる。一方、３５０ｍｍ以上では、樹脂量
が増加することにより樹脂硬化時の収縮や歪みの影響が
大きくなるため、封止部分の信頼性を損なうことが問題
となるほか、モジュールの生産または濾過設備への脱着
の際に大がかりな装置が必要となるなどの点で不利益を
生ずる。該円の直径は、１２０ｍｍ以上２００ｍｍ未満
であることがより好ましい。

【００１２】また、該直径と封止樹脂の厚みの比が０．
２未満の場合、濾過・逆洗時の圧力がかかったときにゴ
ム状弾性を有する樹脂が大きく変形し、破断・剥離して
リークを起こす。一方、０．７以上では、中空糸膜束が
多量に樹脂層中に埋もれてしまい有効膜面積が削減され
るため、濾過コストあるいは製造コストの点で不利益を
生ずることや、樹脂量が増加することにより樹脂硬化時
の収縮や歪みの影響が大きくなり、封止部分の信頼性を
損なう傾向が強くなる。

【００１３】本発明に用いる中空糸膜は、公知の高分子
製多孔質膜が用いられる。例えば、エチルセルロース、
ニ酢酸セルロース、酢酸セルロース、セルロース等のセ
ルロース類、６，６ナイロン等のポリアミド類、ビニル
アルコール系樹脂、ポリアクリロニトリル等のアクリル
系樹脂、ポリフッ化ビニリデン等のフッ化ビニリデン系
樹脂、ポリエーテルスルフォンやポリスルフォン等のス
ルフォン系樹脂、ポリエチレン等のオレフィン系樹脂等
の高分子を素材とした、精密濾過膜や限外濾過膜を挙げ
ることができる。

【００１４】本発明において、中空糸束と外筒との固定
方法には制限がない。すなわち、外筒と中空糸束を接着
剤により直接的に固定しても良く、また、外筒と密着可
能な部分構造を有する被接着部材と中空糸束を接着固定
した濾過素子を製作した後に、該濾過素子と外筒とをね
じ込みまたは固定治具を利用して間接的に固定しても良
い。また、引圧濾過用の場合には、中空糸束と被接着部
材が封止固定されていれば良く、中空糸膜が外筒に固定
される必要はない。

【００１５】本発明に使用する外筒素材および被接着部
材としては、特に限定はされないが、耐熱性が良好なス
ルフォン系樹脂やポリカーボネート、ポリフッ化ビニリ
デン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹
脂、ＳＵＳ等の金属材料等が好適に用いられる。本発明
においては、接着剤に支持部材等を埋設することで補強
を計る必要はないが、より接着部の信頼性を高める目的
で支持部材の埋設を行っても良い。この場合、埋設する
部材は接着剤よりも高い弾性率を有する部材からなるこ
とが好ましく、ＦＲＰ、スルフォン系樹脂、ポリカーボ
ネート、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポ
リフェニレンエーテル系樹脂、ＳＵＳ等の金属材料等が
例示できる。

【００１６】本発明における外筒、被接着部材、支持部
材等の接着表面には、より接着性を高める目的で、接着
表面に対し機械的研磨や複数本の溝切削の何れかまたは
両方を施しても良い。モジュールを製作するに当たっ
て、本発明における外筒、被接着部材、支持部材等の接
着表面は、あらかじめアルコールまたは界面活性剤での
脱脂後、乾燥しておくことが望ましい。

【００１７】以下、本発明を実施例に基づいて説明す
る。 《貯蔵弾性率の測定》表１に示すウレタン樹脂の主剤と
硬化剤を混合した後脱泡し、型に流し込んで表１に示す
温度で４時間加温して硬化させた。次いで、５０℃で１
６時間キュアーした。該ウレタン樹脂試料について、岩
本製作所製ＶＩＳＣＯＥＬＡＳＴＩＣＳＰＥＣＴＲＯＭ
ＥＴＥＲ （ＶＥＳ−ＨＦ３型）を用いて、０℃〜６０
℃間を１℃／ｍｉｎの速度で昇温しつつ、１１Ｈｚの周
波数で引張力を印加して貯蔵弾性率を測定した。

【００１８】

【実施例１】ウレタン樹脂Ａを用い、円相当直径が１６
９ｍｍ、Ｔ／Ｄ比が０．３８とした例を示す。なお、使
用したウレタン樹脂Ａの１０℃と４０℃における貯蔵弾
性率を表１に示す。 《接着部の耐圧試験》内径１６９ｍｍ、外径１８３ｍｍ
のＡＢＳ製の外筒に数回に分けてウレタン樹脂Ａの主剤
と硬化剤を混合して注ぎ込み、３０℃で４時間加温して
硬化させた。その後さらに、１６時間５０℃に加温して
キュアーした。次いで、外筒の片端を外筒に対し垂直面
で切断することにより外筒とウレタン樹脂の接着部を露
出させ、耐圧試験サンプルを製作した。切断は樹脂の厚
みが６５ｍｍになるように調整し、Ｔ／Ｄ比を０．３８
とした。図１に示す様に、４０℃の雰囲気温度下で、差
圧が０．３ＭＰａとなるように、耐圧試験サンプルのウ
レタン樹脂の切断面側に対し水圧を保持したところ、切
断面の反対側から計測したウレタン樹脂中央部の変形量
は小さく、２００時間後でも破壊に至らなかった。

【００１９】《中空糸の耐折試験》内径１６９ｍｍのヘ
ッダー部を有する円筒状のＡＢＳ製モジュールケース
に、内径０．７０ｍｍ外径１．２５ｍｍのＰＶＤＦ製中
空糸膜６４００本を挿入し、３０℃に加温した遠心成型
機にセットした後、５０Ｎ・ｍ² ／ｋｇ²の条件でウレ
タン樹脂Ａの主剤と硬化剤の混合液を注入して４時間遠
心成型した。次いで、５０℃で１６時間加温してキュア
ーした後、接着部の端部を切断して中空糸を開口させ、
樹脂厚み６５ｍｍのエア導入口付きの濾過膜モジュール
を製作した。該濾過膜モジュール内を１０℃の純水で満
水にし、水温を保持しつつ、導入口から７Ｎｍ³／ｈｒ
のエアを連続散気し中空糸膜を振動させたところ、６０
日後でも糸切れが発生しなかった。

【００２０】

【実施例２】実施例１と同一のウレタン樹脂を用いて、
円相当直径とＴ／Ｄ比を変えて接着部の耐圧試験と中空
糸の耐折試験を行った例を示す。 《接着部の耐圧試験》内径３０９．５ｍｍ、外径３１
８．５ｍｍのＳＵＳ製の外筒に、実施例１と同一のウレ
タン樹脂液を少量ずつ複数回に分け注ぎ込んで硬化させ
た後、５０℃で１６時間キュアーした。次いで、外筒の
片端を外筒に対する垂直面で端面処理し、耐圧試験サン
プルを製作した。端面処理は樹脂の厚みが１５０ｍｍに
なるように調整し、Ｔ／Ｄ比を０．４８とした。実施例
１と同一条件で水圧を保持したところ、変形量は小さ
く、２００時間後でも破壊に至らなかった。

【００２１】《中空糸の耐折試験》内径３０９．５ｍｍ
のヘッダー部を有する円筒状のＳＵＳ製モジュールケー
スに、内径０．７０ｍｍ外径１．２５ｍｍのＰＶＤＦ製
中空糸膜２７００本の両端を該ウレタン樹脂により直径
１０３ｍｍ厚さ１２０ｍｍの円柱状にあらかじめ固化さ
せた単位糸束を７組挿入し、３０℃に加温した遠心成型
機にセットした後、５０Ｎ・ｍ²／ｋｇ²の条件で該ウレ
タン樹脂液を注入して４時間遠心成型した。次いで５０
℃で１６時間キュアーして、封止樹脂厚み１５０ｍｍの
エア導入口付きの濾過膜モジュールを製作した。エア散
気量を２９Ｎｍ³／ｈｒにする以外は実施例１と同様の
条件で中空糸膜の耐折試験を行ったところ、６０日後で
も糸切れが発生しなかった。

【００２２】

【実施例３】ウレタン樹脂を変えて接着部の耐圧試験と
中空糸の耐折試験を行った例を示す。使用したウレタン
樹脂Ｂの１０℃と４０℃における貯蔵弾性率を表１に示
す。 《接着部の耐圧試験》ウレタン樹脂Ｂを使用する以外は
実施例１と全く同様に耐圧試験サンプルを製作し、Ｔ／
Ｄ比を０．３８とした。実施例１と同様の条件で水圧を
保持したところ変形量は小さく、２００時間後でも破壊
にいたらなかった。 《中空糸の耐折試験》ウレタン樹脂Ｂを使用する以外
は、実施例１と全く同様に、エア導入口付きの濾過膜モ
ジュールを製作し、実施例１と同様の条件で中空糸膜の
耐切試験を行ったところ、６０日後でも糸切れが発生し
なかった。

【００２３】

【実施例４】ウレタン樹脂および円相当直径とＴ／Ｄ比
を変えて接着部の耐圧試験と中空糸の耐折試験を行った
例を示す。使用したウレタン樹脂Ｃの１０℃と４０℃に
おける貯蔵弾性率を表１に示す。 《接着部の耐圧試験》内径１４３ｍｍ、外径１５５ｍｍ
のＡＢＳ外筒に数回に分けてウレタン樹脂Ｃの主剤と硬
化剤を混合して注ぎ込み、７０℃で４時間加温して硬化
させた後、５０℃で１６時間キュアーした。次いで、Ｔ
／Ｄ比を０．３１とした以外は実施例１と全く同様にし
て耐圧試験サンプルを製作した。実施例１と同様の条件
で水圧を保持したところ変形量は小さく、２００時間後
でも破壊にいたらなかった。 《中空糸の耐折試験》ウレタン樹脂Ｃを使用して遠心成
型時の温度を７０℃とし、内径１４３ｍｍ、外径１５５
ｍｍのＡＢＳ外筒を用いてＴ／Ｄ比を０．３１とした以
外は、実施例１と同様にして、エア導入口付きの濾過膜
モジュールを製作した。実施例１と同様の条件で中空糸
膜の耐折試験を行ったところ、６０日後でも糸切れが発
生しなかった。

【００２４】

【比較例１】ウレタン樹脂Ａを用い、Ｔ／Ｄ比を本発明
の範囲外とした例を示す。接着厚みを３０ｍｍにしＴ／
Ｄ比を０．１８とする以外は、実施例１と同一のウレタ
ン樹脂液を用いて、実施例１と同様に耐圧試験サンプル
を製作した。実施例１と同様の条件で水圧を保持したと
ころ変形量が大きく、５時間後、接着界面近傍におい
て、亀裂が接着厚みを貫通し、破壊に至った。

【００２５】

【比較例２】本発明の範囲外の貯蔵弾性率を有するウレ
タン樹脂Ｄを用いた例を示す。ウレタン樹脂Ｄの１０℃
と４０℃における貯蔵弾性率を表１に示す。ウレタン樹
脂Ｄを使用する以外は、実施例１と全く同様に耐圧試験
サンプルを製作し、Ｔ／Ｄ比を０．３８とした。実施例
１と同様の条件で水圧を保持したところ、変形量が大き
く、１時間後、接着界面近傍において亀裂および剥離が
接着厚みを貫通し、破壊に至った。

【００２６】

【比較例３】本発明の範囲外の貯蔵弾性率を有するウレ
タン樹脂Ｅを用いた例を示す。使用したウレタン樹脂Ｅ
の１０℃と４０℃における貯蔵弾性率を表１に示す。ウ
レタン樹脂Ｅを使用する以外は、実施例１と全く同様
に、エア導入口付きの濾過膜モジュールを製作し、実施
例１と同様の条件で中空糸の耐切試験を行ったところ、
８日目に糸切れが発生した。上記の実施例１〜４および
比較例１〜３において、耐圧試験あるいは耐折試験を実
施した後の濾過膜モジュールを解体してウレタン樹脂を
サンプリングし、貯蔵弾性率を測定したところ、表１記
載の測定値と有意差がなく同等の値であった。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】以上に述べたように、本濾過膜モジュー
ルは、１０℃から４０℃の温度範囲において弾性率の変
化が小さく、かつ、適度な弾性率を有している樹脂を封
止樹脂として使用しているため、封止樹脂の断面面積を
大きい場合にも特殊な補強冶具を用いることなく封止部
の接着破壊を起こさず、かつ、接着界面における濾過膜
の破断が起こらない。従って、本発明のモジュールは、
実用上十分な耐久性を有しており、製造が容易であっ
て、かつ、大きな膜面積を有することができるので、濾
過処理コストを低減する上で極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐圧試験サンプルおよび耐圧試験の概要を示す
断面概要図である。

【符号の説明】

１ 耐圧試験サンプル ２ 外筒 ３ 封止樹脂 ４ 固定ナット ５ Ｏリング ６ 蓋部材 ７ 流入口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の中空糸膜の両端または片端が封止
   樹脂にて固定された濾過膜モジュールにおいて、該封止
   樹脂が１０℃〜４０℃の温度範囲において１×１０⁸Ｎ
   ／ｍ²以上１×１０⁹Ｎ／ｍ²未満の貯蔵弾性率を示す樹
   脂であり、かつ開口した中空糸膜を有する側の端面にお
   ける樹脂断面の円相当直径が１２０ｍｍ以上３５０ｍｍ
   未満であり、該直径に対する封止樹脂の厚みの比が０．
   ２以上０．７未満であることを特徴とする濾過モジュー
   ル。