JP2005270944A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 中空糸膜モジュール内部に集水体を有する中空糸膜モジュールを安価に作成し、液の分散性のよい集水体となる中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】 円筒状のケース、ケース内部に収容された多数本の中空糸膜および１個以上の集水体からなり、中空糸膜の両端端部相互間および中空糸膜とケース相互間が樹脂によって封止され、中空糸膜の内側から外側へろ過する内圧型ろ過を行う中空糸膜モジュールであって、前記集水体の少なくとも一部がネット状部分を有する中空糸膜モジュール。
【選択図】 なし

Description

本発明は、中空糸膜モジュールに関する。さらに詳しくは、経済的な中空糸膜モジュールに関する。

液体中の成分を分離したり、ＳＳを除去する膜は、省エネルギーであることから色々な用途に使用されてきた。例えば、工場排水処理、河川水や地下水除濁、海水淡水化、バイオリアクターなどは、その一例である。使用される膜も、その用途に応じて、さまざまなものが使用されてきた。例えば河川水は、精密濾過膜、限外濾過膜や逆浸透膜によって濾過され飲用水などに利用される。また、排水においては、活性汚泥水を精密濾過膜やダイナミック濾過によって活性汚泥固形物と濾過水に分離されている。

このようなろ過に使用されるモジュールには、中空糸モジュール、スパイラルモジュール、チューブラーモジュール、プレートアンドフレーム、また浸漬型の中空糸、平膜などのモジュールが使用されてきた。これらのうち、中空糸膜モジュールは、体積あたりの収納膜面積が大きく、広く利用されている。

使用用途はあらゆる用途に適応できる。特に、河川水、地下水、排水などの除濁に使用される中空糸膜モジュールは、自動物理洗浄や自動化学洗浄を併用しながら、長期に信頼性があり安定した処理量のろ過液を供給することが要求されている。

中空糸膜モジュールには、中空糸の内側から外側へろ過を行う内圧型ろ過方法をする形式と、中空糸の外側から内側へのろ過を行う外圧型ろ過を行う形式がある。前者ではクロスフロー方式でのろ過が容易に行えて膜が詰まり難く、逆洗浄で濁質を除去するのに効果的である。一方、後者では、ろ過時に中空糸間に濁質分がたまりやすいが、エアバブリングと逆洗浄を併用することでろ過が行えるようにしている。

前者の場合において、中空糸膜モジュールの場合は、自動物理洗浄に逆洗浄が使用されることが多い。この逆洗浄液に、例えば次亜塩素酸ナトリウムのような薄い濃度の化学薬剤を混入させて、逆洗浄効果を上げている。このような運転方法には、多数の提案が行われている。例えば、特開平０６−２２７６６４に効果的な逆洗浄方法の提案がある。また、特開平０６−２３８１３６には逆洗浄に塩素を混入させることが提案されている。また、逆洗浄のみでなく停止させることで効果的逆洗浄を行うことが、特開２００１−１７０４５６に提案されている。

これらの逆洗浄などは、膜面に蓄積した濁質成分を膜面から剥がす効果を求めている。これを有効にするためには、中空糸膜モジュール内部の構造で、はがれた濁質成分を有効に中空糸膜モジュールの外に排出できる構造が必要である。

特開２０００−２４６０６６では、濃縮液を有効に中空糸膜モジュールの外へ排出できる構造を提案している。また、特開平１０−３３７４４９では、逆洗浄液を中空糸膜束の内部へ均一に分散させる構造を提案している。
特開２０００−２４６０６６号公報 特開平１０−３３７４４９号公報 ＷＯ０３／５９４９５号公報 特開平６−２２６０６０号公報

しかし、このような濁質分の排出構造の工夫や逆洗浄液の均一分散を行うと、構造が複雑になり、部材の加工費用が高くつき、経済性が落ちる。また、構造が複雑なことで、ケース内の中空糸収納面積が減って、コンパクト性が落ちる欠点があった。

本発明は、内圧型中空糸膜モジュールで集水体を有するものにおいて、低コストで逆洗浄が行えかつ中空糸の損傷を防ぐことのできる中空糸膜モジュールを提案する。
請求項１の発明は、円筒状のケース、ケース内部に収容された多数本の中空糸膜および１個以上の集水体からなり、中空糸膜の両端端部相互間および中空糸膜とケース相互間が樹脂によって封止され、中空糸膜の内側から外側へろ過する内圧型ろ過を行う中空糸膜モジュールであって、前記集水体の少なくとも一部がネット状部分を有する中空糸膜モジュールである。請求項２は、集水体がネット状筒体である請求項１記載の中空糸膜モジュールである。また請求項３は、ネット状筒体がケースの中央に配置され、中空糸膜に接する側のネット状筒体と、中空糸膜に接しない側のネット状筒体の２つからなり、かつ、中空糸膜に接する側のネット状筒体の孔径は、接しない側のネット状筒体の孔径より小さい、請求項２記載の中空糸膜モジュールである。さらに、請求項４は、中空糸膜に接する側のネット状筒体の孔径は、５〜２００μｍで、中空糸膜に接しない側のネット状筒体の孔径は、２００μｍ〜１ｃｍである、請求項３記載の中空糸膜モジュールである。

本発明は、中空糸の内側から外側へろ過する内圧型ろ過を行う中空糸膜モジュールに関するもので、さらにケース内部に多数本の中空糸膜および１個以上の集水体を有し、中空糸膜の両端端部相互間および中空糸膜とケース相互間が樹脂によって封止された中空糸膜モジュールで、該集水体を、効果的で安価にできることに特徴がある。

本発明では、透過水を系外へ導く、あるいは洗浄液が導入される集水体の一部または全部として、ネット状筒体を用いる。ネットは液の出入りが自由にできてかつ安価に製造することができるものであることが好ましい。材質は、例えばＰＥ，ＰＰなどのポリオレフィン樹脂、ナイロン樹脂、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ポリサルホン、ＡＳ、ＡＢＳ，フッ素系樹脂などがあげられる。またステンレスや銅などでできた金属製のネットでもよい。ネットの孔の孔径は制限されない。たとえば、１μｍ〜２ｃｍであってもよい。液の流れや中空糸の損傷防止の点などから、好ましくは、１μｍ〜１ｃｍである。

本発明では、ネット状筒体は２つ以上を組み合わせて使用することが好ましい。中空糸膜と接触する側（外側）のネット状筒体は、中空糸を損傷しないよう、孔径を細かくし、一方中空糸膜と接触しない側（内側）のネット状筒体は、孔径を大きくして液の流れをさえぎらないようにする。また、ネットを構成する線材の線径を太くしてネットの強度を保つことが好ましい。外側のネットの孔径は、好ましくは、５〜２００μｍであり、内側のネットの孔径は、２００μｍ〜１ｃｍが好ましい。さらに効果を良好にするためには、外側のネットの孔径は、５〜１００μｍがより好ましく、内側のネットの孔径は、５００μｍ〜１ｃｍがより好ましい。ネットの孔の形状は制限されるものではなく、例えば円形、方形、台形、ひし形などが挙げられる。線径は、通常、孔径の１０％〜５００％程度が好ましい。さらには、３０％〜３００％が、中空糸の損傷防止と液の通過性のバランスがとれていて好ましい。

本発明の集水体には、ネット状部分が１箇所以上あればよいが、液の流れの分散性を考慮すると、少なくとも３箇所以上がネット状になっていることが好ましい。さらには、全体がネット状に構成されていてもよい。

本発明の中空糸型膜モジュールは、集水体の周りに中空糸膜束を配置する。中空糸膜束は、分割されていてもよいし、されてなくてもよい。本発明の集水体を使用すれば、効果的な液の出入りが可能なので、分割しなくても十分な性能が得られる。分割する場合は、いくつかの束に分割する。分割の方法はどのようなものでもよい。波板状の仕切りでもよいし、中空糸束をネットで巻いて分割してもよい。分割用のネットは一般的な中空糸モジュールで使用されるネットが使用できる。分割の数はいくらでもよい。数が多いほど液の分散性は良好になるが、流路が多くなって、コンパクト性が損なわれてしまう。好ましくは２〜１６分割で、さらに好ましくは４〜８分割である。

本発明に使用する中空糸膜の材質は特に限定されるものではない。例えば、ポリサルホン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、フッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ＰＶＡ、ポリオレフィン系樹脂、セルロース誘導体樹脂、などのプラスチック類でも良いし、セラミックでも良い。また金属類でも良いし、複合樹脂でもよい。好ましくは、セルロース誘導体樹脂がよい。この樹脂は親水性が高い。接触角は、５０〜６０度と小さく他の樹脂と比較してろ過によって膜に汚れが付着しにくい。さらに、一度ついた汚れも逆洗浄などの物理洗浄で除去しやすい。そのため、本発明に最適である。また、膜の孔径も限定されない。

また、本発明の中空糸膜モジュールは、中空糸の内側から外側へろ過する内圧型ろ過を行う中空糸膜モジュールで、ケース内部に多数本の中空糸膜および１個以上の集水体を有し、中空糸膜の両端端部相互間および中空糸膜とケース相互間が樹脂によって封止されたものである。

ケースの形状ついては、液の出入り口の設置場所や数は制限されない。例えば、原液の出入り口とろ過液の出入り口がそれぞれ２個づつあってもよい。それらが、ケースの横にあってもよいし、片端のみもしくは両端にあってもよい。本発明でいうケースは、分割されていてもよいし、一体型であってもよい。例えば、中空糸膜束が直接内部に収納されている部分と、両端を覆うようなキャップ部分に分れていてもよい。

またケースの材質についてもどのようなものでもよい。例えば、ポリサルホン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、フッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート、セルロース誘導体樹脂、などのプラスチック類でも良いし、セラミックでも良い。また金属類でも良いし、樹脂ファイバー、カーボンファイバー、グラスファイバー等を含む複合樹脂でもよい。

本発明では、膜に付着した微粒子などを除去する物理洗浄運転として、どのような方法を採用してもよい。逆洗浄、フラッシュ洗浄、エアバブリング方法などがある。またこれらの組み合わせでもよい。さらに、次亜塩素酸ナトリウムなどの薬液を含む液を組み合わせてもよい。エアバブリングを行わないで、逆洗浄で物理洗浄を行うことが好ましい。逆洗浄液には、次亜塩素酸ナトリウムのような薬液を混入させて効果を上げることが好ましい。

本発明の中空糸膜モジュールでは、集水管に工夫をいれることで、安価で効果的な中空糸膜モジュールを製造できる。

本発明の方法は以下のように実施することができる。図１では、筒状ケース１−２）に中空糸束１−３）と筒状の集水ネット１−１）を収容しそれぞれの両端を接着剤１−４）で封止する。集水ネット１−１）と中空糸は、両端が接着剤を貫通して内部で液の出入りができるようになっている。筒状ケースの両端にキャップ１−５）をＯ−リングなどのシール材（図示なし）を介して液密に接続する。キャップには中空糸内側に供給される液の出入り口（原水ノズル１−７））と集水ネット１−１）を介して中空糸外側の液の出入り口（透過ノズル１−６））が配置してある。接続具１−８）は、透過ノズル１−６）と集水ネット１−１）をＯ−リングなどのシール材（図示なし）を介して液密に接続している。図２は、図１のモジュールの中央部断面を示すものである。中空糸束は分割されずほぼ均一にケース内に収納してある。図３は、中空糸束を６つに分割したものである。それぞれがネットに巻かれ、ケース１−２）に収納してある。

図４は運転方法を示すフロー図である。本発明の図１の中空糸膜モジュール４−１）に配管を接続する。原水タンク４−２）から原水ポンプ４−５）で原水を中空糸膜モジュールの下原水ノズルから供給する。濃縮液は原水上ノズルから排出し、原水ラインに接続されている。ろ過液は上部の透過ノズルより排出され、透過水タンク４−３）に入れられる。ろ過途中で、ろ過を停止し、逆洗浄ポンプ４−６）で透過水を逆流させて膜洗浄を実施する。逆洗浄液には、薬液タンク４−４）から薬液ポンプ４−７）を介して薬液を供給してもよい。これを繰り返すことで有効なろ過運転が継続される。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

図１、図２で示す中空糸膜モジュールを作成した。酢酸セルロース製中空糸膜ＦＵＣ１５８２（内径０．８ｍｍ、外径１．３ｍｍ、ダイセン・メンブレン・システムズ社製）６０００本を、外径１６５ｍｍ、内径１５４ｍｍ、全長１０６６ｍｍのＰＶＣ製円筒状ケースに収納した。そこに、両端部が外径６０ｍｍ、内径５４ｍｍの円筒状パイプに接続された円筒形ネット（タキロン社製トリカルヒシメネットＮＹ５３；ネット厚み３ｍｍ、孔径約４．５ｍｍ角を円筒状に溶接して作成した筒）とその外側に細かいネット（ＮＢＣ工業社製ＮＢ９０；９０メッシュ）を巻きつけたものを集水ネットとして、中空糸膜束中央部に入れて、円筒状ケースとともに両端をウレタン接着剤（コロネート４４２８とニッポラン４２２１を混合した；日本ポリウレタン社製）で厚み５ｃｍになるように遠心接着封止した。硬化後両端の余分の接着剤を切断して両端の中空糸束と集水ネット両端を開口した。ケースの両端にビクトリックジョイントを介して透過ノズルと原水ノズルを液密に接続した。この時、透過ノズルと集水ネットの間に両端に０−リングを有する接続具を用いて液密にシールした。完成した中空糸膜モジュールの有効膜面積は、１５ｍ２となった。この膜モジュールを図４と同様な装置に接続し、ろ過、逆洗浄を繰り返する過運転を行った。原水には河川水を用い、透過流速３ｍ／Ｄで３０分間ろ過を行い、逆洗浄流速６ｍ／Ｄで２分逆洗浄する操作を繰り返した。逆洗浄液には遊離塩素濃度が３ｐｐｍになるように次亜塩素酸ナトリウムを混入させた。これを１ヶ月連続運転した。

図１および図３に示す中空糸膜モジュールを作成した。中空糸膜束を６分割して細かいネット（ＮＢＣ工業社製ＮＢ９０；９０メッシュ）を巻きつけたものを使用し、集水ネットが細かいネットを含まないものであること以外は、実施例１と全く同様にして中空糸膜モジュールを作成した。また作成した中空糸膜モジュールのろ過運転も全く同様に実施した。
［比較例１］

集水ネットの代わりに、外径６０ｍｍ、内径５２ｍｍ、長さ１０６６ｍｍのＰＶＣ製円筒管に６ｍｍ径の穴を１００個開けたものを用いた以外は、実施例２と全く同様にして中空糸膜モジュールを作成し、ろ過評価を行った。
［比較例２］

集水ネットの外側の細かいネットを取り除いた以外は、実施例１と全く同様にして中空糸膜モジュールを作成し、ろ過評価を行った。
［ろ過運転評価結果］

下表に、実施例１、２、比較例１、２における、濾過前と後の純水透過流束を示した（純水透過流束は、膜間圧力９８ｋＰａ、水温２５℃換算したもの）。その結果、実施例１、２とも濾過前と濾過後の低下割合が低かった。また、比較例１では、低下割合が大きかった。逆洗浄の効果が低かったことが原因と推定できる。比較例２では、集水ネットによって中空糸が傷ついていることが確認された。損傷による漏れには至っていなかった。

本発明の中空糸膜モジュールの断面図。 図１のモジュールの中央部断面図（中空糸膜束が分割されていない中空糸膜モジュール）。 図１のモジュールの中央部断面図（中空糸膜束が分割されている中空糸膜モジュール）。 ろ過運転方法を示すフロー図。

符号の説明

１−１） 集水ネット
１−２） 筒状ケース
１−３） 中空糸束
１−４） 接着剤
１−５） キャップ
１−６） 透過ノズル
１−７） 原水ノズル
１−８） 接続具
２−１） 集水ネット
２−２） 筒状ケース
２−３） 中空糸束
３−１） 集水ネット
３−２） 筒状ケース
３−３） 中空糸束
４−１） 中空糸膜モジュール
４−２） 原水タンク
４−３） 透過水タンク
４−４） 薬液タンク
４−５） 原水ポンプ
４−６） 逆洗浄ポンプ
４−７） 薬液ポンプ

Claims (4)

1. 円筒状のケース、ケース内部に収容された多数本の中空糸膜および１個以上の集水体からなり、中空糸膜の両端端部相互問および中空糸膜とケース相互間が樹脂によって封止され、中空糸膜の内側から外側へろ過する内圧型ろ過を行う中空糸膜モジュールであって、前記集水体の少なくとも一部がネット状部分を有する中空糸膜モジュール。
2. 集水体がネット状筒体である請求項１記載の中空糸膜モジュール。
3. ネット状筒体がケースの中央に配置され、中空糸膜に接する側のネット状筒体と、中空糸膜に接しない側のネット状筒体の２つからなり、かつ中空糸膜に接する側のネット状筒体の孔径は、中空糸膜に接しない側のネット状筒体の孔径より小さい請求項２記載の中空糸膜モジュール。
4. 中空糸膜に接する側のネット状筒体の孔径は、５〜２００μｍで、中空糸膜に接しない側のネット状筒体の孔径は、２００μｍ〜１ｃｍであることを特徴とする請求項３記載の中空糸膜モジュール。

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