JP4786122B2 - クロスフロー濾過材およびカートリッジ - Google Patents
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Description
この報告は、膜のリーフの長さ、膜の透水性、および透過液チャネルのフロー抵抗が、要素の透過液効率をどのように決定するか説明する理論について述べる。
透過液束
膜を通る透過液束は、方程式(1)から得られる。
Amは膜のA値(透過液の透水性)である。
Pbは膜の供給側にかかる圧力である。
Ppは膜の透過液側にかかる圧力である。
πbは膜の供給側にかかる浸透圧である。
πpは膜の透過液側にかかる浸透圧である。
Jw=Am・(Pl−Pp) (2)
Pt=Pb−πb+πp (3)
と書き直すことができる。
その要素でPtが一定である場合、透過液束は、透過液管から一定の膜距離で一定であり、透過液は、透過液管に向かって半径方向にのみフローする。
上式で、dPは圧力変化であり、
dxは圧力変化に対する距離であり、
dhは水力直径であって、この場合は透過液スペーサの厚さの2倍と定義されるものであり、
ρは流体密度であり、
vは流体速度であって、この場合は透過液チャネルが透過液スペーサと同じ厚さを有し、かつ透過液スペーサはいかなるスペースも占有しないと仮定して計算されるものであり、
fはファンニングの流体摩擦係数であり、
fは、完全に展開された速度プロフィルを有するニュートン流体のレイノルズ数(Re=dh・ρ/μ、ただしμは流体粘度である)のみに依存する。流体は、粘度が剪断速度に無関係である場合、ニュートン流体である。
方程式(4)および(5)とレイノルズ数を組み合わせることによって、
dPp/dx=−2μ/(dh 2)・fL・v (6)
が得られる。
方程式(6)および(7)から、
dPp/dx=−4μ/(dh 3)・fL・Q/W (8)
が得られる。
膜を通る透過液束が原因で、透過液フローQは、x=Lになるまでxが増加すると共に透過液チャネル内で増加する。距離dxおよび幅Wでは、方程式(11)により、透過液束が追加の透過液量フローdQに寄与する。膜は、チャネルを両面で覆う。
0≦x<Lの場合、方程式(2)および(11)から
dQ/dx=2・W・Am・(Pt−Pp) 0≦x<L (12)
が得られる。
d2Pp/dx2=−2・H・Am・(Pt−Pp) 0≦x<L (13)
が得られる。
と定義すると、方程式(13)および定義(14)から、
d2Pp/dx2−z2・Pp=−z2・P1 0≦x<L (15)
が得られる。
上式でC1およびC2は、境界条件から決定される定数である。
(Pp)p=Pt (17)
である。
Pp(x)=Pt+C1・ezx+C2・e-zx (18)
が得られる。
[dPp(x)/dx]x=0=0 (19)
である。
C2=C1 (20)
が得られる。
C1=(PL−Pt)/(ezL+e-zL) (21)
が得られる。
Pp(x)−PL=(Pt−PL)・[1−(ezx+e-zx)/(ezL+e-zL)]
(22)
が得られる。
Pi−PL=−(Li−L)・H・QL/W (23)
が得られる。
Pp(x)=Pt−(Pt−Pi−(Li−L)・H・QL/W)・[(ezx+e-zx)/(ezL+e-zL)] (24)
が得られる。
透過液効率ηpは、要素からの透過液フローであり、透過液チャネルでの圧力低下がゼロの場合の透過液フローで割った値である。後者の場合、透過液圧力は一定であり、透過液チャネルの全長にわたりPiに等しい。方程式(25)から、
Claims (18)
- クロスフロー濾過用途に適した、平面内での透過液の流れに優れるポリマー繊維支持体と一体に結合したシート形態の半透性ポリマー膜の製造方法において、当該方法が、
厚さ0.1mm〜2mmで全体に一様な性質の繊維支持体を設けるステップと、
上記繊維支持体の上面へのポリマー粒子のメルトブローによって特性の異なる厚さ0.3mm以下で平均孔径300ミクロン以下の上面支持領域が生成するように上記繊維支持体の上面を処理するステップと、
溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を上記繊維支持体の上面に流延するステップと、
上記溶媒を除去して上記層をゲル化し、半透膜を形成するステップと
を含んでおり、得られる繊維支持体と一体に結合した半透膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用の膜カートリッジに使用できる構成のものであることを特徴とする方法。 - 前記繊維支持体が、厚さ0.4mm〜1mmで幅30cm以上であり、しかもその平面内での水性流体の流れに対して、20atm・秒/ml以下のH値として測定される低い抵抗を示すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記繊維支持体の上面を、厚さ0.05mm〜0.3mmで孔径200ミクロン以下の上面支持領域が生成するように処理することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記繊維支持体が不織材料であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記上面支持領域の厚さが1〜5ミクロンであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 平面内での透過液の流れに優れるポリマー繊維支持体と一体に結合したシート形態の半透膜を用いたスパイラル型クロスフロー濾過カートリッジの製造方法において、当該方法が、
(a)厚さ0.1mm〜2mmの繊維支持体で、該繊維支持体の中心主領域とは特性の異なる異なる各々厚さ0.3mm以下で平均孔径300ミクロン以下の表面支持領域をポリマー粒子のメルトブローによって両面に設けた繊維支持体を設けるステップと、
(b)溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を、上記繊維支持体の両面に流延するステップと、
(c)上記溶媒を除去して上記層をゲル化し、ポリマー半透膜をその場で上記繊維支持体の両面に形成するステップと、
(d)ステップ(c)の生成物を、その他の透過液キャリアなしで、生成物の膜表面と並置した供給液通路用シート材料と共に多孔質管の周りに螺旋状に巻き付けて、クロスフロー濾過カートリッジを形成するステップと
を含んでおり、得られる繊維支持体と一体に結合したポリマー膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジに効率的に使用できる構成のものであることを特徴とする方法。 - 前記一体型支持層のH値が20atm・秒/ml以下であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記繊維支持体シートの主領域が、直径30〜40ミクロンのポリマー繊維からなることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記一体型支持層のH値が10atm・秒/ml以下であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 全体に一様な繊維特性を有する繊維支持体の両面を、ポリマー粒子のメルトブロー又はポリマー繊維層の湿式積層によって処理することを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記層を水浴中で同時にゲル化して、その場で形成した半透膜を両面に有する生成物を生成させることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- クロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジであって、当該カートリッジが、
中央管と、
平面内での透過液の流れに優れる一体型支持層の両面にポリマー半透膜を設けた両面シート構造の半透膜材料と
を備えており、
上記一体型支持層が厚さ0.1mm〜2mmの繊維支持体シートからなり、
上記繊維支持体シートの両面が厚さ0.3mm以下で平均孔径300ミクロン以下の表面支持領域を備えており、
上記繊維支持体シートが、その平面内での水性流体の流れに対して、20atm・秒/ml以下のH値として測定される透過液キャリア効率を有するものであり、
上記半透膜が、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を上記繊維支持体シートの表面上に流延した後溶媒を除去して流延層をゲル化させることにより上記表面にその場で形成することによって繊維支持体の表面支持領域に一体に結合したものであって、得られる繊維支持体と一体に結合したポリマー膜が、繊維支持体の平面内での液体の流れ抵抗が低く、補助的な透過液キャリアを用いることなくクロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジに効率的に使用できる構成のものであり、
上記半透膜が、処理すべき液体を輸送するよう設計された1枚の多孔質供給液用材料と共に上記中央管の周りに螺旋状に巻き付けられて円筒形アセンブリを形成することを特徴とするカートリッジ。 - 前記繊維支持体シートが厚さ0.4mm〜2mmで幅30cm以上であり、前記表面支持領域が厚さ0.05mm〜0.3mmで平均孔径200ミクロン以下であることを特徴とする請求項12に記載のカートリッジ。
- 前記表面支持領域の厚さが0.1mm以上であり、前記繊維支持体シートの厚さが1mm以上であることを特徴とする請求項12に記載のカートリッジ。
- 前記繊維支持体シートが、直径30〜40ミクロンの不織ポリマー繊維からなる主領域を含むことを特徴とする請求項12に記載のカートリッジ。
- 前記一体型支持層のH値が10atm・秒/ml以下であることを特徴とする請求項12に記載のカートリッジ。
- 前記多孔質供給液用材料シートが前記中央管の内部と連通していてその縁部が封止され、螺旋状に巻かれた透過液用材料の一縁部がそこから透過液の流れを排出できるように開放されていることを特徴とする請求項12に記載のカートリッジ。
- 前記円筒形アセンブリの外面に略円筒形のカラーが接着剤で取り付けられているとともに、円筒形圧力容器の内面に対して上記カラーの外面を封止してそこを軸方向に通過する供給液の流れを防ぐ手段を備えることを特徴とする請求項17に記載のカートリッジ。
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