JP4183161B2 - 中空糸膜モジュール及び中空糸膜モジュールユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の濾過等に好適に利用し得る中空糸膜モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中空糸膜モジュールは、無菌水、飲料水、高純度水等の製造、或いは空気の浄化等の広範囲の分野で使用されており、近年ではこれらの精密濾過用途に加えて下水処理場における二次処理、三次処理や、浄化槽における固液分離、産業廃水中のＳＳ成分（懸濁物質）の固液分離等のように、高汚濁性水の処理用途への適用もなされつつある。
【０００３】
高汚濁性水濾過の用途に適した中空糸膜モジュールとしては、特開平４−３３４５２９号公報や特開平５−２３５５０号公報、特開平１１−１７９１６２号公報、特開２０００−２２９２２５号公報等には、ハウジング内部にシート状の中空糸膜束の端部を収容し、固定用樹脂を用いて固定してなる中空糸膜モジュールが開示されている。
これらの中空糸膜モジュールの膜面に対し、被処理液の流れや気泡を当てて洗浄を行いつつ濾過を行うと、膜面が閉塞することを防ぎつつ、長期間濾過を行うことができる。
【０００４】
これら中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜固定用の樹脂と中空糸膜との境となる中空糸膜縁部で破断が発生しやすい。これらの破断は、高汚濁性水濾過時に、中空糸膜の揺動や弛緩することによる中空糸膜の折れ曲がりから起こる事が多い。中空糸膜の破断や折損を防止する手段として、例えば特開平４−３３４５２９号公報、特開平５−２３５５０号公報には、保護弾性樹脂層へ中空糸膜を包埋させ、さらに中空糸膜の外周部に広がりを抑制する保護ネット材を配置させる方法が記載されている。
【０００５】
また、特開平１１−１７９１６２号公報には、中空糸膜束の端部を接着剤により固定し、中空糸膜束の端部の周囲を弾性体及び熱収縮チューブにより取り囲んだ後、加熱し収縮させて弾性体を中空糸膜束の外周部に接触させ、中空糸膜が潰れない程度に中空糸膜を押圧して、支持する方法が記載されている。
【０００６】
特開２０００−２２９２２５号公報には、中空糸膜束の、ポッティング剤により固定される表面の、ポッティング剤により固定される部分の縁部を少なくとも含む箇所に、弾性を有する応力緩和部材が設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−３３４５２９号公報、特開平５−２３５５０号公報に記載の方法は、保護ネット材が柔らかい場合は、中空糸膜の折損が保護弾性樹脂層の界面で発生することがあり、また、保護ネット材が堅い場合は、保護ネット材の先端部に、中空糸膜が接触することで摩擦による亀裂が生ずることがあった。
また、単に折れ曲がりの発生を防ぐために中空糸膜の広がりを抑制しようとすると、締め付けにより中空糸膜同士の間に適度な隙間を保てず、洗浄効果が低下し、非濾過水中の繊維状夾雑物や固形物が中空糸膜に絡み付き、洗浄が困難となる場合があった。
【０００８】
特開平１１−１７９１６２号公報、特開２０００−２２９２２５号公報に記載の方法は、弾性体により囲まれた中空糸膜が、曝気処理等により揺動される力が更に加わることで、中空糸膜の潰れが発生する場合や、また特に、例えば汚泥のような、中空糸膜が流動抵抗を大きく受けるような流体を濾過する場合には、弾性体の界面にて、中空糸膜の折損が発生する場合があった。
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、種々の使用条件下においても中空糸膜の折損が発生しにくい中空糸膜モジュールを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の要旨は、複数の中空糸膜の両端部が、２つの相対するハウジングに、固定部材同士の間隔が該中空糸膜の長さよりも短い間隔で固定され、該固定部材の近傍に、曲率半径５ｍｍ以上の曲面を有する部材が設けられてなる中空糸膜モジュールであって、前記曲面を有する部材と、前記曲面を有する部材に最も近い中空糸膜との間隔が３〜５０ｍｍであり、前記曲面を有する部材の前記中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、該最も遠い部位に最も近い中空糸膜の根元部分との距離が１００ｍｍ以下であるとともに、該最も遠い部位と該最も近い中空糸膜の根元部分とを結ぶ直線と、該最も近い中空糸膜の繊維軸に垂直な面とがなす角度が６０度以上である中空糸膜モジュールである。
【００１１】
また、前記曲面を有する部材が弾性体であると、中空糸膜と接触した際の応力をより緩和できるため好ましい。
また、前記複数の中空糸膜をシート状とすると、本発明による中空糸膜の破損防止効果が顕著に発揮される。
また、前記曲面を有する部材が、前記ハウジングと一体化されていると、設置が容易であるため好ましい。
【００１２】
また、前記曲面を有する部材が前記中空糸膜の根元部分を完全に囲うように配されると、中空糸膜の根元部分に夾雑物が絡み付き難くなるため好ましい。
また、前記中空糸膜がポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリルのいずれかの素材からなると、本発明による中空糸膜の破損防止効果が特に顕著に発揮される。
【００１３】
本発明の第二の要旨は、本発明の中空糸膜モジュールを、横方向及び／又は縦方向に複数個並べて配置してなる中空糸膜モジュールユニット、である。
ここで、前記中空糸膜の長手方向が鉛直方向に配置されてなると、本発明による中空糸膜の破損防止効果が顕著となる。また、前記曲面を有する部材が、前記相対するハウジングのうち、上方に位置するハウジングの前記固定部材近傍にのみ設けられていると、より少ない構成部材で確実に中空糸膜の破損を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。図１は、本発明の中空糸膜モジュールの一例を表す概略図である。
本発明の中空糸膜モジュール１は、複数の中空糸膜３の両端部が、２つの相対するハウジング２に、固定部材４同士の間隔が中空糸膜３の長さよりも短い間隔で固定されてなるものであり、中空糸膜３が若干の弛緩を持つように配置されるため、洗浄性が良好となる。弛緩間隔としては、固定部材４間距離の５％以下とすることが好ましく、３％以下とすることがより好ましい。
ハウジング２の少なくとも一端には、図示しないがハウジング２に内包される処理液通過のための内部路に連通し、外部に開口した配管が設けられている。
【００１５】
ここで、固定部材４の近傍に、曲率半径５ｍｍ以上の曲面を有する部材６を設けることにより、中空糸膜が揺動しても、曲面に沿って曲線を描く状態となるため、中空糸膜の過度の折れ曲がりを防止し、中空糸膜が破損することを防止することができる。
【００１６】
曲面を有する部材６は、外周面全部、あるいは中空糸膜と接触し得る部位に、中空糸膜に向かって凸となるような曲面を有する部材である。形状としてはパイプ状物、パイプ状物と板状体の接合体、板状体の一部を曲面としたもの等を例として挙げることができる。図２〜図５は、本発明に使用する曲面を有する部材６の例を示す断面図である。
【００１７】
なお、曲率半径とは、中空糸膜と接触し得る部位の曲面の断面外周が形成する円弧の半径をいう。なお、円弧が楕円形状の場合は短径をいう。この曲率半径が５ｍｍ以下の場合、中空糸膜が曲面を有する部材に接触した際に応力を緩和しきれず、折損を防止することが困難となる。
【００１８】
ここで、曲面を有する部材と、複数の中空糸膜のうち最外周部に位置し、曲面を有する部材に最も近い中空糸膜との間隔を、３〜５０ｍｍとすることが好ましい。
この間隔が３mm未満の場合、中空糸膜３と曲面を有する部材６との間に隙間がほとんど無くなるため、繊維状夾雑物等が絡みつきやすくなる。一方、５０ｍｍを超える場合、中空糸膜の折れ曲がりを十分に緩和することができなくなる。
この間隔は、５〜３０ｍｍとするとより好ましい。
【００１９】
なお、この間隔とは、曲面を有する部材の中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も近い部位と、最外周に位置する中空糸膜の根元の固定部分同士を結んだ線を含み、中空糸膜の長手方向に概略平行となる面との間の間隔をいうものであり、図６の矢印で示すＡの間隔に相当する。すなわち、弛緩して配置された中空糸膜の揺動によって可変する距離をいうものではない。
【００２０】
また、前記曲面を有する部材の前記中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、該最も遠い部位に最も近い中空糸膜の根元部分との距離は、図７の矢印で示すＢの距離に相当するが、あまり長すぎると中空糸膜根元部の保護効果が不十分となることから、１００ｍｍ以下とすることが好ましく、７５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
一方、短すぎても長すぎると中空糸膜根元部の保護効果が不十分となることから、１０ｍｍ以上とすることが好ましく、２０ｍｍ以上とすることがより好ましい。
【００２１】
また、曲面を有する部材の中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、最も近い中空糸膜の根元部分とを結ぶ直線と、中空糸膜の繊維軸方向に対して垂直な面とがなす角度、すなわち図７の角度θが６０度以上であると、中空糸膜が曲面を有する部材に接触した際、大きく変形することがなく保護効果が高くなるため好ましく、７０度以上であるとより好ましい。
【００２２】
なお、前述の中空糸膜の繊維軸方向に対して垂直な面とは、複数の中空糸膜が実質的に同一方向を向くように配置されて固定された固定部分において、平均的な繊維軸方向に垂直な面をいうものである。すなわち、たまさかに異なる方向を向いた特定の中空糸膜の繊維軸方向や、弛緩して配置された中空糸膜の中途部分の、可変する繊維軸方向に垂直な面を対象とするものではない。
【００２３】
曲面を有する部材の材質としては、中空糸膜と接触した際の応力を少しでも緩和するため、弾性体を用いることが好ましい。この際、部材全体を弾性体で構成しても構わないし、少なくとも中空糸膜と接触する可能性のある部分の表面を弾性体で覆うようにしても構わない。その例としては、ゴムやシリコン樹脂、ウレタン樹脂等の可撓性樹脂を単独で用いるか、塩化ビニルやアクリロニトリルブタジエンスチレン等の樹脂製支持体の表面に、軟質ウレタンや、ゴム成分を含有した改質樹脂組成物を被覆する等が挙げられる。
【００２４】
本発明の中空糸膜モジュールの形状としては、円筒形状であってもよいが、図１の例のように、複数の中空糸膜によるシート状とするのが、曲面を有する部材と中空糸膜との距離が、中空糸膜束の内と外でさほど差が無くなり、より多くの中空糸膜に応力緩和の効果を及ぼすことができるため好ましい。
曲面を有する部材は、シート状中空糸膜の片面に配置するだけでも本発明の効果は得られるものの、シート状中空糸膜を挟んで両面に配置することが好ましい。
【００２５】
曲面を有する部材は、中空糸膜モジュールのハウジングと別体に設けても構わないが、ハウジングと一体となるように配置すると、曲面を有する部材と中空糸膜モジュールの位置関係を特別に調整することなく配置できるため好ましい。
曲面を有する部材は、固定部材で固定するときに、固定部材に包埋して固定させても良いし、また、モジュール製造の一連の操作が終了した後に、固定部材やハウジングに接着したり、紐やインシュロック等で縛って固定したり、ネジ固定しても良い。また、ハウジングと一体的に成型することも可能である。
【００２６】
また、図８に示すように、曲面を有する部材が中空糸膜の根元部分の周囲を完全に囲うように配すると、中空糸膜の根元部分に向かって非処理液が直接流れ込まなくなり、非処理液中の繊維くず等の夾雑物が絡み難くなるため、より好ましい。
この際、曲面を有する部材により囲まれた部分に空気が溜まることを防止するため、曲面を有する部材に小さな穴やメッシュを設けてもよい。
【００２７】
本発明に用いられる中空糸膜としては、中空糸膜を単にひき揃えたものでもよいが、中空糸膜モジュールの加工性の面から好適な形態としては、中空糸膜束が枷枠体に多条に巻き取られた巻き状物や、中空糸膜を緯糸として用いて編み地としたもの、またはこの編み地を数枚積層するか、編み地を切断せずに適当な長さに折り畳み重ねて積層体としたようなものが挙げられる。積層体とする場合の編み地の積層（折り畳み）枚数は、編み地の厚さ、すなわち中空糸膜の太さや編み地を編成する際の中空糸膜の合糸本数によっても変化するが、通常は１０枚程度までが好ましい。
中空糸膜の長さは２００ｍｍから２０００ｍｍの範囲が、取り扱い性の上で好ましく、３５０mmから１２００mmの範囲がより好ましい。
【００２８】
本発明で用いられる中空糸膜の材質は必ずしも限定はされず、ポリスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース誘導体、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリメタクリレート、ポリアクリレートなどを用いることができる。また、これらの樹脂の共重合体や一部に置換基を導入したものであっても良い。さらに、２種以上の樹脂を混合したものであっても良い。
【００２９】
これらの素材のなかで、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリルは、比較的強度が弱いため、本発明の曲面を有する部材の効果がより顕著に発揮される。
【００３０】
なお、濾過膜として使用可能な中空糸膜であれば、その孔径、空孔率、膜厚、外径等は特に限定されるものではないが、外径は２０〜２０００μｍ、孔径は０．００１〜５μｍ、空孔率は２０〜９０％、膜厚は５〜３００μｍの範囲が好適に用いられる。
【００３１】
本発明の中空糸膜モジュールに用いられるハウジング材質としては、機械的強度および耐久性を有するものであればよく、例えばポリカーボネート、ポリスルホン、ポリオレフィン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、変成ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）等を用いることができる。使用後に焼却処理が必要な場合には、燃焼により有毒ガスを出さずに、完全燃焼させることのできるポリオレフィン等の炭化水素系の樹脂を材質とするのが好ましい。
【００３２】
前述した本発明の中空糸膜モジュールを横方向及び／又は縦方向に複数個並べて配置した中空糸膜モジュールユニットは、濾過量を大きくできると共に、取り扱い性に優れている。
また、中空糸膜の配置方向を、繊維軸が鉛直方向を向くように配置すると、被処理液の流れや気泡を中空糸膜に当てて洗浄を行う際に、流れの方向が下から上に向かい、それによって中空糸膜は、水平方向に主として揺動する。従って、シート状中空糸膜を挟むように曲面を有する部材を配置することにより、より多くの中空糸膜に応力緩和の効果を及ぼすことができることから、本発明の効果がより顕著に発揮される。
【００３３】
以下、本発明について実施例をあげて説明する。
＜実施例１＞
ポリフッ化ビニリデン中空糸膜（外径１２００μｍ）２８８０本を、固定部材として２液硬化型ウレタン樹脂Ｃ４４０３／Ｎ４２２４（日本ポリウレタン社製）を使用し、ハウジングに固定して図１に示す平型の中空糸膜モジュールを製造した。なお、膜モジュールの固定部材間の距離は３５０ｍｍ、中空糸膜の平均有効長は３６０ｍｍとした。
【００３４】
そして曲面を有する部材として、直径約２０ｍｍの塩ビ製パイプを、中空糸膜の繊維軸方向に直交し、中空糸膜モジュール外周部全周を取り囲むように、ブラケット部材を介してハウジング部に取り付けた。
【００３５】
このとき、曲面を有する部材と、最も近い中空糸膜との間隔（以降、これを間隔Ａと称する）は１３ｍｍ、曲面を有する部材が中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、最も近い中空糸膜の根元部分との距離（以降、これを距離Ｂと称する）は５０ｍｍ、曲面を有する部材が中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、中空糸膜のうち最外周部に位置する中空糸膜の根元部分とを結ぶ直線と、中空糸膜の繊維軸方向に対して垂直な面とがなす角度（以降、これを角度θと称する）は７５度であった。
【００３６】
この中空糸膜モジュールを、固形分濃度ＳＳが１００００ｍｇ／Ｌの活性汚泥中に配設すると共に、中空糸膜モジュールの下方に配置した散気装置から１００ｍ^３／ｍ^２・ｈｒの強度で散気を行いながら、１週間濾過を行った。
【００３７】
その後、中空糸膜モジュールを汚泥中から引き上げ、中空糸膜を目視にて確認したところ、中空糸膜の端部に少量の夾雑物が付着していたが、水洗により容易に除去することができた。また、折れ曲がり箇所は３カ所存在したが、亀裂や破断は認められなかった。
この中空糸膜モジュールの中空糸膜内部に空気を通気可能なようにハウジングにホースを取り付けた後、水中に浸漬し、空気圧が０．０５ＭＰａとなるように調整したところ、中空糸膜からの気泡のリークは認められなかった。
【００３８】
＜実施例２＞
中空糸膜の材質をポリスルホンとし、距離Ａを２１ｍｍ、角度θを６５度とした以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを作成し、同様の濾過試験を行った。
その後、中空糸膜モジュールを引き上げ、折れ曲がり状態を目視で観察したところ、中空糸膜の端部に少量の夾雑物が付着していたが、水洗により容易に除去することができた。また、折れ曲がり箇所は３カ所存在したが、亀裂や破断は認められなかった。さらに、実施例１と同様の空気加圧によるリークテストを行った結果、空気のリークも認められなかった。
【００４０】
＜実施例３＞
膜モジュールの固定部材間距離を１１５０ｍｍ、中空糸膜の平均有効長を１１７０ｍｍとし、曲面を有する部材として、図８に示す構造で、幅５ｍｍ、高さ２０ｍｍで、中空糸膜に面する側の先端部が曲率半径５ｍｍである部材をハウジングと一体となるように、中空糸膜外周部全周を取り囲むように配置した以外は、実施例１と同様に中空糸膜モジュールを作成し、同様の濾過試験を行った。
なお、このときの間隔Ａは４ｍｍ、距離Ｂは２２ｍｍ、角度θは６６度であった。
【００４１】
その後、中空糸膜モジュールを引き上げ、折れ曲がり状態を目視で観察したところ、中空糸膜の端部に少量の夾雑物が付着していたが、水洗により容易に除去することができた。また、折れ曲がり箇所は存在せず、亀裂や破断は認められなかった。さらに、実施例１と同様の空気加圧によるリークテストを行った結果、空気のリークも認められなかった。
【００４２】
＜比較例１＞
曲面を有する部材を設けない以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールを作成し、同様の濾過試験を行った。
その後、中空糸膜モジュールを引き上げ、折れ曲がり状態を目視で観察したところ、中空糸膜の端部に少量の夾雑物が付着していたが、水洗により容易に除去することができた。一方、折れ曲がり箇所が８０カ所存在し、さらに亀裂が入った個所が７箇所、破断した個所が８箇所存在した。
【００４３】
＜比較例２＞
曲面を有する部材を中空糸膜に接触させて配置した以外は実施例１と同様にして中空糸膜モジュールを作成し、同様の濾過試験を行った。
その後、中空糸膜モジュールを引き上げ、折れ曲がり状態を目視で観察したところ、中空糸膜の端部に多量の夾雑物が付着しており、水洗により除去することがでなかった。なお、折れ曲がり箇所は存在せず、亀裂や破断は認められなかった。さらに、実施例１と同様の空気加圧によるリークテストを行った結果、空気のリークも認められなかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の中空糸膜モジュールによれば、複数の中空糸膜の両端部が、２つの相対するハウジングに、固定部材同士の間隔が中空糸膜の長さよりも短い間隔で固定され、固定部材の近傍に、曲率半径５ｍｍ以上の曲面を有する部材が設けられているので、中空糸膜が適度に揺動して良好に洗浄できると共に、中空糸膜が折れ曲がることにより損傷を受けることがない。
また、曲面を有する部材と中空糸膜との間隔、中空糸膜根元部分までの距離や角度が適切な範囲に設定されているので、中空糸膜の折れ曲がりを効果的に防止し、かつ中空糸膜に繊維くず等の夾雑物が絡み付いて成長することを防止することができる。
また、曲面を有する部材とハウジングを一体とすることにより、部材の設置を容易に行うことができる。
また、曲面を有する部材が中空糸膜の根元部分を完全に囲むようにすると、夾雑物が絡み付くことを防止する効果をより顕著にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の曲面を有する部材の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の曲面を有する部材の別の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の曲面を有する部材の別の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の曲面を有する部材の別の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の曲面を有する部材の設置位置の例を示す断面図である。
【図７】本発明の曲面を有する部材の設置位置の例を示す断面図である。
【図８】本発明の曲面を有する部材の形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 中空糸膜モジュール
２ ハウジング
３ 中空糸膜
４ 固定部材
６ 曲面を有する部材
７ 最外周に位置する中空糸膜

Claims (3)

1. 複数の中空糸膜の両端部が、２つの相対するハウジングに、固定部材同士の間隔が該中空糸膜の長さよりも短い間隔で固定され、該固定部材の近傍に、曲率半径５ｍｍ以上の曲面を有する部材が設けられてなる中空糸膜モジュールであって、前記曲面を有する部材と、前記曲面を有する部材に最も近い中空糸膜との間隔が３〜５０ｍｍであり、前記曲面を有する部材の前記中空糸膜に接触し得る部位の中で中空糸膜に最も遠い部位と、該最も遠い部位に最も近い中空糸膜の根元部分との距離が１００ｍｍ以下であるとともに、該最も遠い部位と該最も近い中空糸膜の根元部分とを結ぶ直線と、該最も近い中空糸膜の繊維軸に垂直な面とがなす角度が６０度以上である中空糸膜モジュール。
2. 前記複数の中空糸膜がシート状である請求項１記載の中空糸膜モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュールが、横方向及び／又は縦方向に複数個並べて配置され、前記中空糸膜の長手方向が鉛直方向に配置されてなるとともに、前記曲面を有する部材が、前記相対するハウジングのうち、上方に位置するハウジングの前記固定部材近傍にのみ設けられてなる中空糸膜モジュールユニット。

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