JP6050752B2 - デプスフィルターとサブミクロンフィルターとの組合せを含むカートリッジフィルター並びにｒｏ前処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、広義には濾過、特に、デプスフィルターと直径１μｍ未満の繊維を含む第２のフィルターとを組合せたカートリッジフィルター並びに逆浸透（ＲＯ）前に供給水を前処理する方法に関する。

以下の記載は、本欄に記載した事項が周知技術又は引用可能な先行技術であることを認めたものではない。

フィルターは、コロイド状粒子及び微生物を始めとする固形物を除去するように設計できる。液体の濾過に慣用される２種類のフィルターは、デプスフィルター及びプリーツフィルターであり、表面又はスクリーンフィルターとすることができる。

デプスフィルターは、粒子を濾過媒体の深さ全体で保持する。デプスフィルターは複数の層（又はゾーン）を有していることがあり、一般に孔径の最も大きい層がフィルター入口に隣接した上流層を形成し、孔径の最も小さい層がフィルター出口に隣接した下流層を形成する。デプスフィルターは、その集塵容量（ＤＨＣ：dirt holding capacity）によって評価することができるが、これはフィルターが目詰まりを起こすまでに捕集できる固体粒子のグラム数として測定される。デプスフィルターは、フィルターで捕集される供給流中の所定の最小粒度の粒子の百分率（効率と呼ばれる。）によって評価することもできる。典型的な効率は９０％である。ただし、デプスフィルターは、絶対粒度（１００％近い効率で除去される粒子の粒度）で評価することもできる。デプスフィルターの製造には様々な媒体を使用することができ、その１つは、メルトブロー又はスパンボンド法フィラメントの不織媒体である。デプスフィルターは、チューブ状スリーブの形態又は平坦なシートの形態で提供される。

プリーツフィルターは薄いシート材料から製造される。シート材料は筐体内での表面積を増加させるためプリーツ状に折り曲げられる。プリーツフィルターは表面フィルター又はスクリーンフィルターと呼ばれることも多く、粒子を、フィルターの深さ全体ではなく、主に上流表面又はその近傍で保持する。粒子は、主に、フィルターエレメントの上流表面又はその僅かに下の細孔の孔径に基づくサイズ排除によって保持される。表面フィルターは絶対粒度で評価されることが多い。絶対粒度未満では、細孔の孔径分布のため、さらには入り組んだ細孔に粒子が捕捉される可能性があるため、除去効率は粒度に伴って低下し、ある種のデプス（深度）濾過作用がみられることがある。プリーツフィルターに使用される媒体は、ガラス又はポリマー繊維の不織布或いはマイクロポーラスポリマー膜とすることができる。

カートリッジフィルターは、筐体内に配置されるように設計された着脱又は交換可能なフィルターエレメントである。カートリッジフィルターには、洗浄できるものもあるが、多くは耐用年数が尽きると廃棄される。フィルターエレメントの耐用年数は、フィルターでの最大圧力降下を避け、最小流束（又は処理量）以上で作動しながら、フィルターエレメントがその定格除去をもたらし続ける期間である。最大圧力降下は、フィルターに加わる差圧に耐えることのできるフィルターエレメントの機械的能力によって制限されかねない。フィルターエレメントが、所要の効率で評価される粒度の粒子を保持できなくなったとき、或いは所定の最低処理量を得るための圧力降下が所定の最大値を超えたときに、交換される。

高い効率及び低い圧力降下で微小粒子を除去することができ、高い捕集能力を有するフィルターエレメントを提供することができれば概して望ましい。また、所定の性能規格について長い耐用年数を有するカートリッジフィルターを提供することができれば概して望ましい。さらに、所定の性能基準を満足するのに必要とされるフィルターエレメントの容積又は質量を最小限にすることができれば概して望ましい。

米国特許第６９８６４２７号（Ａｕｎｅ他、２００６年１月１７日発行）には、デプスフィルターエレメントに特に有用なメルトブロー法不織媒体について記載されている（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）。媒体は、複数のメルトブロー法フィラメントを、チューブ状構造体の円錐端部の側面に送ることによって製造される。チューブ状構造体は回転マンドレル上で回転する。マンドレルの長さ方向に沿ってフィラメント噴射領域からチューブ状構造を引き取りながら、円錐端部に材料を追加するにしたがってチューブ構造体の長さが延びる。異なるフィラメントを円錐の異なる部分に送るが、円錐の長さ方向にフィラメントの１以上の特性を変化させてもよい。こうすると、チューブ状エレメントに、１以上の特性が変化する同心環状ゾーンが生じる。例えば、１以上のフィラメントを円錐の先端の近くだけに噴射して、チューブの内側ゾーンを形成される。１以上の別のメルトブローフィラメントを円錐の長さ全体に適用して、媒体を補強するためエレメントの深さ方向に延在して複数のゾーンを横断するフィラメントを追加してもよい。

海水の脱塩その他様々な用途に、逆浸透（ＲＯ）膜を使用することができる。供給水のシルト密度指数（ＳＤＩ：Silt Density Index）は、供給水が逆浸透膜を汚損する傾向の尺度である。ＳＤＩは、２０６．８ｋＰａ（３０ｐｓｉ）の一定圧力で供給水を供給したときの公称細孔径０．４５μｍの所定の膜フィルターを汚損する速度（毎分低下率％）を求めることによって評価される。中空繊維ＲＯ膜はＳＤＩ３以下の供給水が必要とされるといわれることがあるが、スパイラル膜（spiral wound membrane）ではＳＤＩ５以下の供給水が必要であるといわれており、いずれも、大半の海水のＳＤＩよりも格段に小さい。ただし、ＳＤＩをさらに減少させると、ＲＯ膜の汚損速度が低下する。Kremen et al., Silt density indices (SDI), percent plugging factor (%PF): their relation to actual foulant deposition (Desalination 119 (1998) 259-262には、供給水のＳＤＩが１から５に増大すると、膜に堆積する汚損物質の量が幾何級数的に増すと記載されている。

米国特許第６９８６４２７号

Kremen et al., Silt density indices (SDI), percent plugging factor (%PF): their relation to actual foulant deposition (Desalination 119 (1998) 259-262

以下の記載は、特許請求の範囲に記載された発明について詳細な説明を紹介するためのものであり、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものでも定義するものでもない。特許請求の範囲に記載された発明は、以下の記載する構成要素又は段階のサブコンビネーションであってもよいし、或いは明細書の別の箇所に記載された構成要素又は段階を含んでいてもよい。

供給水のＳＤＩを低レベル（例えば５以下）に低下させるには、概して粒度１μｍ以下の粒子を除去する必要がある。直径の非常に小さいフィラメントを使用し、適宜デプスフィルターの製造時にフィラメントをマンドレルに対して圧縮することによって、この粒度範囲の粒子を除去することのできるデプスフィルターを製造することができる。しかし、かかるフィルターを通しての圧力降下が著しい。特に、デプスフィルターがチューブ状である場合、水が内側に移動すると濾過のための有効表面積が減少する。プリーツ状も含めて、シート形態のフィルターも、サブミクロン粒子を除去するように製造できる。しかし、かかるフィルターの典型的な製造方法は、シートのカレンダー加工を含んでいて、細孔構造を狭めるので、この場合も著しい圧力降下をもたらす。非常に目の詰まったシート形態のフィルターは、供給水を予め上流で濾過しておかなければ、すぐに目詰まりを起こす傾向があり、装置及び配管を増やす必要がある。

本明細書では、デプスフィルターエレメントを下流の第２のフィルターエレメントと組合せて、標準的カートリッジフィルター筐体で使用できる単一ユニットとしたカートリッジフィルターアセンブリについて記載する。

デプスフィルターエレメントは、メルトブローポリマーフィラメントの塊を有していて、０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍの粒度の夾雑物に対して９０％以上の除去効率を有する。デプスフィルターは、好ましくは、フィルターの異なる深さを占める複数のゾーンを含んでおり、１以上のメルトブローポリマーフィラメントがゾーンの２以上を横断する。この構造は、微小粒子を除去することのできる内側ゾーンを有しているにもかかわらず、適度な圧縮抵抗を保持しつつ、フィルター全体の密度を低下させることによって、フィルターでの圧力降下を最小限にする。

第２のフィルターエレメントは直径１μｍ以下の繊維（ナノ繊維と呼ぶ。）を含む。第２のフィルターは、粒度１μｍ未満、好ましくは、粒度０．５μｍ未満の夾雑物の大部分を除去する。ナノ繊維の使用によって、カレンダー加工なしで、非常に小さい細孔径を達成することができる。得られる細孔は入り組んでいる。第２のフィルターエレメントは、その有効濾過表面積を増加させるため、プリーツ加工してもよい。

デプスフィルターエレメントはチューブの形態とし得る。第２のフィルターエレメントも、デプスフィルターの内部に位置するチューブの形態（好ましくはプリーツ加工されたもの）とし得る。デプスフィルター及び第２のフィルターの端部にキャップを封止して、標準的筐体に収めることのできるカートリッジフィルターを形成する。

カートリッジフィルターは、ＲＯ膜の上流での供給水の前処理に使用し得る。供給水のＳＤＩは３以下又は２以下に下げることができる。有機又は無機夾雑物を除去することができ、化学的洗浄から次回の化学的洗浄までのＲＯ膜の作動時間を長くしたり、流束を増すことができる。極めてＳＤＩの低い濾液を生じさせるには、大量の夾雑物をフィルターに保持しておく必要があることが多い。第２のフィルターは、微小粒子に対する実質的な除去効率をもたらすが、そのためすぐに目詰まりを起こしかねない。上流のデプスフィルターは、比較的大きな粒子が第２のフィルターに達するのを防いで、別個のプレフィルター筐体を必要とせずに、複合カートリッジフィルターの集塵容量を増大させる。デプスフィルター及び第２のフィルターは、除去すべき夾雑物の粒度及びその他のフィルターの存在を考慮して、圧力降下が減少するように構築される。

本明細書では、液体から粒子を濾過するためのカートリッジフィルターアセンブリについて記載する。カートリッジフィルターアセンブリは、内側スクリーン又は表面フィルターと、内側フィルターを囲繞するデプスフィルターエレメントとを備える。デプスフィルターエレメントは、メルトブローポリマーフィラメントの塊を有しており、塊は深さ方向、縦（又は長さ）方向及び横（又は幅）方向の寸法を有する。塊は、深さ方向に異なる特性を有する複数のゾーンで概して縦及び横方向に配向したフィラメントを含む。塊は、塊の縦、横及び深さ方向の寸法全体に延在するように配向した横断フィラメントを有し、横断フィラメントは深さ方向に２以上のゾーンに延在する。内側表面又はスクリーンフィルターは、ナノ繊維又はナノ粒子を捕集する繊維を含んでいてもよい。

カートリッジフィルターアセンブリ１０の部分切り取り斜視図。 別のカートリッジフィルターアセンブリ１０の部分切り取り斜視図。 図１のカートリッジフィルターアセンブリ１０の断面図。 図２のカートリッジフィルターアセンブリ１０の断面図。

図面を通して、対応する部材には同様の符号を付した。

以下の発明の詳細な説明で、図面を参照して本発明について説明するが、本発明を実施することができるように１以上の実施形態について詳細に説明する。特定の実施形態を参照して本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、数多くの代替、修正及び均等を包含する。

本明細書及び請求項で用いる近似表現は、数量を修飾し、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動しうる数量を表現する際に適用される。したがって、「約」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。本明細書に記載された範囲の上下限は、互いに結合及び／又は入れ替えることができ、そうした範囲が特定されていても、文言上又は文脈から別途明らかでない限り、その範囲内に属するあらゆる中間範囲が包含される。実施例又は別途明示しない限り、成分、反応条件などの量に関する数又は表記はすべて、すべて「約」という語で修飾されていると解すべきである。

「任意には」、「適宜」又は「好ましくは」という用語は、その用語に続いて記載された事象又は状況が起きても起こらなくてもよいこと、或いはその用語に続いて記載された材料が存在しても存在しなくてもよいことを意味しており、かかる記載はその事象又は状況が起きる場合と起こらない場合並びにその材料が存在する場合と存在しない場合とを包含する。

本明細書で用いる「含む」、「備える」及び「有する」などの用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。例えば、一群の構成要素を含むプロセス、方法、製品又は装置は、必ずしもそれらの構成要素に限定されるものではなく、そうしたプロセス、方法、製品又は装置の明示されていない又はそれらに固有の他の構成要素を含んでいてもよい。単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。

図１を参照すると、カートリッジフィルターアセンブリ１０は、外側デプスフィルターエレメント１４で囲繞された不織材料又は膜材料からなる円筒形の内側フィルター１２を含む。デプスフィルターエレメント１４は、カートリッジフィルターアセンブリ１０の露出外表面を形成する。内側フィルター１２は表面又はスクリーンフィルターであり、適当なコア１６で支持してもよい。デプスフィルターエレメント１４と内側スクリーン又は表面フィルター１２とを有するカートリッジフィルターアセンブリ１０は、流体入口及び流体出口が設けられた筐体（図示せず）内に収納できる。濾過すべき流体は、まずデプスフィルターエレメント１４、次いでスクリーン又は表面フィルター１２を順次、好ましくは流体バイパスなしで、通過する。ここでは、内側フィルター１２を表面又はスクリーンフィルターとして記載するが、内側フィルター１２は、任意には、ある程度の深度濾過が可能な材料、又はシート状材料全般（例えば、厚さ５ｍｍ以下又は２ｍｍ以下の材料）から製造できる。

好ましくは、デプスフィルターエレメント１４は、各々以下で説明する通りミクロン保持サイズの異なる複数の媒体層又はゾーンを含んでいて、媒体層の透過性又は保持率（所定の効率で除去される粒度に関するもの）がカートリッジフィルターアセンブリ１０の流体入口近傍で最大となり、内側フィルター１２近傍で最小となる。したがって、大きな粒子は供給液入口近傍で保持され、供給液がカートリッジフィルターアセンブリ１０を通過するに伴って、徐々に小さな粒子が保持される。明瞭化のため、ゾーンの間にはっきりとした線を引いて示したが、実施に際してゾーン間にもっと段階な移行又は遷移領域が存在していてもよい。

カートリッジフィルターアセンブリ１０は、当技術分野で公知の通り、内側フィルター１２及びデプスフィルターエレメント１４に端部キャップを取り付けることによって完成する。例えば、端部キャップは熱可塑性材料からなるものでよく、フィルターアセンブリ１０の各端部に熱接合すればよい。内側フィルター１２とデプスフィルターエレメント１４の端部が端部キャップと融合してシール及び接合部を形成する。端部キャップの一方又は両方は、フィルターアセンブリの中心から濾液を除去できるように開放されている。開放端部には、平面環状ガスケットをその面に設けてもよい。ガスケットは、液体状態のエラストマー材料を端部キャップ上にポッティングして、この材料を固化させて一体端部ガスケットを形成してもよい。端部ガスケットは、筐体の出口のエッジに押し付けるとナイフエッジシールを形成する。別法として、端部キャップは、内側チューブセクションにＯリングガスケットを装着して筐体の出口の外表面に対して封止してもよい。いずれのガスケットも、筐体入口を筐体出口から隔てるメカニカルシールをもたらし、供給水はカートリッジフィルターアセンブリ１０を通らなければならなくなる。

内側フィルター１２は、任意のスクリーン又は表面フィルター媒体でよく、当業者に公知のプロセスで製造できる。内側フィルター１２は、ナノ繊維の層又はナノ粒子を含有する繊維状媒体で製造し得る。本明細書で用いるナノ繊維とは、直径１０００ｎｍ以下の繊維をいう。ナノ粒子は、１０００ｎｍ以下である少なくとも１つの寸法を有する。内側フィルターで用いられるナノ繊維は直径２００〜６００ｎｍの範囲としてもよいし、或いは２００ｎｍ（０．２μｍ）未満の直径のものでもよく、おそらくは直径５０ｎｍ程度にしてもよい。ナノ繊維層は繊維のランダムな分布を形成し、それらを接合して絡み合った網目を形成してもよい。濾過性能は、微小繊維が微粒子の通過を妨げる結果として得られる。剛性、強度及びプリーツ加工性（pleatability）のような構造特性は、ナノ繊維を付着させる基材によってもたらすことができる。ナノ繊維は、ポリマー材料又はポリマーと当業者に公知の添加剤から製造できる。さらに、内側フィルター１２は、スパンボンド、エレクトロスピニング、海島（islands-in-sea）プロセス、フィブリル化フィルム、メルトブローその他当業者に公知のプロセスを始めとするウエットレイ又はドライレイ法を用いて製造した媒体のものとすることができる。

内側フィルター１２の媒体は、微生物又は有機成分、或いはＲＯ膜エレメントの寿命に悪影響をもつことが知られている鉄、水銀及び鉛のような非有機物質に対して親和性を有する吸収性の材料から製造できる。静電荷は、例えばアクリル繊維とナイロン繊維の混合物のような複数種の繊維のナノ繊維混合物での摩擦帯電作用によって生じさせることもできる。静電荷は、動電学的捕捉によって微粒子の捕集を向上させることができる。入り組んだ流路による機械的捕捉によっても捕集性を高めることができる。

内側フィルター１２の媒体は、シートの形態で使用してもよいし、或いは成形、折り畳みその他の賦形方法で３次元構成を有する賦形媒体としてもよい。例えば、図２に示すように、内側フィルター１２は、プリーツ加工のための公知の方法及び部品を用いてプリーツ加工してもよい。図２に示す実施形態では、内側フィルター１２は、コア１６で適宜支持された１枚以上のプリーツフィルターシートを含む。プリーツは波形でもよいし、らせん状に配置してもよく、ループ状断面又は折り畳み断面（Ｍ字形断面など）を有していてもよい。本明細書で用いる「プリーツ」という用語は、かかる断面形状又は配置をすべて包含する。プリーツ構造は、平坦又は湾曲した非プリーツシート構造に比べて、デプスフィルターエレメント１４から流出する流体に最初に接触する表面積を増大させる。

内側フィルター１２の媒体の具体例は、Ａｈｌｓｔｒｏｍ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ社からＤｉｓｒｕｐｔｏｒという商品名で市販されているロールストックからのシート（プリーツ加工し得る）、或いはＡｒｇｏｎｉｄｅ社からＮａｎｏＣｅｒａｍという商品名で市販されているプリーツ材料である。これらは同じ材料であって直径２００ｎｍ未満のガラス繊維の不織塊を含む。直径２ｎｍで長さが２５０ｎｍ未満の追加のアルミナ繊維がガラス繊維に加えられる。ガラス繊維が形成する細孔は粒度２又は３μｍの粒子を機械的に除去するが、アルミナ繊維で生じる静電力によって媒体は粒度１μｍ未満の粒子を保持できるようになる。内側フィルター１２の媒体のもう一つの例は、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ ａｎｄ Ｖｏｓｓ社製の２００〜４００ｎｍメルトブロー繊維で製造されたポリプロピレン不織マトリックスである。好ましくは、内側フィルター１２は粒度１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の夾雑物の大部分（例えば５０％以上）を除去する。

外側スリーブ１４はデプスフィルターを含んでおり、内側フィルター１２を囲繞するように構成される。一実施形態では、内側フィルター１２は０．９３インチの内径及び０．９９インチの外径を有し、外側デプスフィルターエレメント１４は１．００インチの内径及び２．５インチの外径を有する。内側フィルター１２及び外側デプスエレメント１４について、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、その他の寸法を用いてもよい。例えば、内側フィルター１２を、外径約１．１インチの支持チューブ上に置いて、内側フィルターの外径を２インチ以上に拡げてもよい。デプスフィルターエレメント１４は、かかる内側フィルター１２を収容する内径を有し、外径は約２．６インチ以上又は４．５インチ以上、任意には最大６又は７インチまで拡げてもよい。

デプスフィルターエレメント１４は、本質的に連続したポリマーフィラメントの塊を有するメルトブロー媒体から製造し得る。媒体は、長さ又は縦方向、幅又は横方向及び深さ方向の寸法を有する。メルトブロー媒体の一次フィラメントは、概して、長さ（ｘ又は縦）方向及び幅（ｙ又は横、円筒形の塊の場合は周）方向に配向する。好ましくは、媒体は深さ（ｚ）方向に延在する本質的に連続したポリマーフィラメントを含む。デプスフィルターエレメント１４では、媒体は、臨界的濾過ゾーンを同時にもたらす自己支持型内部コアゾーンを形成してもよい。コアゾーン及びコアに隣接したゾーンにおける接合フィラメント（深さ方向に延在するフィラメント）の割合を高めることによって、同量の接合フィラメントを媒体全体に均一に分布させた場合よりも、高い圧潰強さ及び低い密度をもつようにデプスフィルターエレメント１４を設計することができる。３次元不織媒体並びに媒体の製造方法が、本願出願人による米国特許第６９８６４２７号に開示されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。デプスフィルターの形成に有用な代表的なポリマーとしては、ポリエチレン又はポリプロピレンのようなポリオレフィン、セルロース、綿、ポリアミド、ポリエステル、繊維ガラスなどの繊維が挙げられる。

デプスフィルターエレメント１４の媒体は、繊維と繊維の間の接合を減少させて低密度の構造を形成するため、一次繊維の微細マトリックスを使用するのが望ましい。第２のフィラメント原料は、繊維同士の接着性を向上させるとともに機械的構造の絡み合いをもたらすので、一次媒体上のｚ方向に同時かつ意図的に配置される。これらのｚフィラメントは、機械的強度が大幅に向上した剛性の多孔質構造を形成する。一次媒体は典型的には繊維がｘ及びｙ軸に配向し、層間には偶発的な接合しか存在しない本質的に２次元の層で形成される。一次媒体繊維の層形成時に、接合ｚフィラメントを形成中の一次媒体層の２以上を横断して配置すると有益であり、これらの接合ｚフィラメントは一次媒体に対して本質的にｚ軸方向に配向する。

繊維は、概して、材料の２次元マトリックスマット又は層を連続的に形成して多数の繊維層からなるフィラメント塊２０を構築する。これらの繊維は、ＸＹ平面上に或いは縦方向及び周又は横方向に堆積されると述べることができる。繊維を層状に積層すると、半径又は深さ方向の寸法が形成される。ここで図３を参照すると、塊２０に組み込まれるのが「ｚ」方向繊維又はフィラメント２２であり、塊２０を半径方向に延在する。フィラメント塊２０は、望ましくは、複数の同心濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８を含む。図に示す実施形態では、３つの濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８が示してある。ただし、フィラメント塊２０に含まれるゾーンの数は、本発明の技術的範囲内で増減してもよい。半径方向の追加のフィラメント塊強度は、ｚフィラメント２２によってもたらされる。ｚフィラメント２２は、エレメントの補強繊維構造として機能する。ｚフィラメント２２は、フィラメント塊２０全体に延在し、半径方向、縦方向及び周方向に延在する。

濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８は好ましくは異なる物理的特性を有する。例えば、濾過ゾーン１０４を比較的小さな直径のフィラメントを含むものとし、濾過ゾーン１０６を中間直径のフィラメントを含むものとし、濾過ゾーン１０８を大きな直径のフィラメントを含むものとしてもよい。濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８は、好ましくは、約１μｍ未満乃至約１００μｍの直径のフィラメントを有する。ｚフィラメント２２の直径は、濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８のフィラメントの平均直径と同じでも、大きくても、小さくてもよい。ゾーン１０４、１０６及び１０８の繊維は異なる材料からなるものでもよいし、異なる大きさのものでもよいし、異なる性質を有していてもよい。例えば、各ゾーンの繊維の直径は、コアゾーン１０８からシェルゾーン１０４まで漸次大きくしてもよい。各ゾーンは、各隣接ゾーンとは異なる密度を有していてもよい。例えば、ゾーンの密度は、コアゾーン１０８からシェルゾーン１０４まで漸次低くしてもよい。濾過ゾーン１０４が比較的高いフィラメント密度を有し、濾過ゾーン１０６が中間的なフィラメント密度を有し、濾過ゾーン１０８が比較的低いフィラメント密度を有するようにしてもよい。別の実施形態では、濾過ゾーン１０４、１０６及び１０８がその他の密度変化をもつようにしてもよい。

一次媒体の形成中に、一次媒体を横断する接合ｚフィラメント２２を挿入すると有益であり、接合ｚフィラメントは一次媒体の１以上のゾーン１０４、１０６及び１０８を横断して延在する。接合ｚフィラメント２２が一次媒体のすべての層を横断して延在し、最終一次媒体の一方の主表面１１２から他方の主表面１１４まで横断していすると有益である。図３及び図４では、向上した圧縮耐性を有する低密度一次媒体を生成するための接合フィラメントとして、ｚフィラメントを用いている。一次媒体の形成中に、一次媒体の１以上の層を横断する接合ｚフィラメントを挿入することは、その他の顕著な利点を有する媒体の形成に使用できると考えられる。例えばｚポリマーが大きく異なる物理的又は化学的特性を有していれば、得られる複合媒体を大幅に改良できる可能性がある。

一実施形態では、フィルタースリーブ１４は、形成される媒体の片面又は両面１１２、１１４に接合繊維の薄層を有していて、多孔質表面の仕上げを向上させる。接合繊維は、表面１１２、１１４で一次媒体の繊維に付着し、媒体表面の繊維のほつれを解消する。判明したもう一つの重要な利点は、接合繊維が一次表面繊維に付着して、表面のテクスチャーに順応することである。冷却すると接合繊維は収縮して、表面粗さが増す。得られる仕上げ面は、未処理一次媒体表面の表面積の約２倍の表面積を有するという予想外の知見が得られた。こうした表面積の増加は数多くの利点をもたらし、特に粒子濾過用途に有用である。シェルの表面積が２倍になると、過度の圧力降下を起こさずに、シェルのポロシティを下げることができる。また、デプスフィルターエレメント１４を用いる際に、粒子のケークをシェル表面で回収することがあり、圧力降下の増大を起こすこともある。表面積が大きいと、かかる圧力降下の増大が起こるまでの作動期間を延ばすことができる。また、カートリッジフィルターの実施形態では、比較的硬質のシェルが形成されることで、カートリッジフィルター形成後に、フィルターを支持ケージ内に封入する必要がなくなる。

一実施形態では、ゾーン１０４、１０６及び１０８の各々には繊維同士の接合は存在しない。フィラメント塊２０における一次接合は、「ｚ」方向繊維２２とゾーン１０４、１０６及び１０８のフィラメントとの接合によって達成される。媒体の所定のゾーンを非常に剛性の高いものとして作って濾過層とすれば、得られる機械的負荷を担うので、所与のフィルターデバイスで別個の構造エレメントの必要がなくなる。

図３に、一実施形態として、ｚ繊維２２の配向の概略を示す。ｚ繊維２２は、塊２０の形成中に、約１２０度以下回転する際に、塊２０のコア又は底部ゾーン１０４からシェル又は上部ゾーン１０８に、次いでコアゾーン１０４に戻るように連続的に配置される。こうして、ｚ繊維２２は、半径方向、縦方向及び周方向にフィルター塊２０全体に広がる。塊２０が円筒形ではなく平面的である実施形態では、ｚ繊維２２は、塊２０の長さ、幅及び厚さ方向に延在するものとして述べることができる。フィルター塊２０は堆積物であり、ｚ繊維２２のウェブを含んでいてもよく、これはゾーン１０４、１０６及び１０８から繊維を３次元全方向に保持するように作用して、フィラメント塊２０に強度を与え、引張り支持をもたらす。塊２０の繊維は、３方向すべてにおいて所定の位置に保持されるので、微細繊維の曲げモーメントが最小限となり、塵の放出と圧力降下増大時のチャネリングが最小限となる。さもないと、かかる微細繊維を低密度媒体に使用するとかかる不都合な塵の放出及びチャネリングが起こると予想される。

一実施形態では、ゾーン１０４、１０６及び１０８の繊維はフィルター塊２０の繊維の約７５〜９５％をなし、ｚ繊維２２はフィルター塊２０の繊維の約５〜２５％なす。さらに好ましくは、ゾーン１０４、１０６及び１０８の繊維はフィルター塊２０の繊維の約８０〜９０％をなし、ｚ繊維２２はフィルター塊２０の繊維の約１０〜２０％をなす。最も好ましくは、ゾーン１０４、１０６及び１０８の繊維はフィルター塊２０の繊維の約８５％をなしｚ繊維２２はフィルター塊２０の繊維の約１５％をなす。一実施形態では、ゾーン１０６及び１０８よりもコアゾーン１０４に堆積されるｚ繊維２２の割合を高くする。例えば、ｚ繊維２２は、コアゾーン１０４の全繊維の約２５％をなし、シェルゾーン１０８の全繊維の約３％をなす。この構成によって、フィルター使用時の圧潰耐性を維持するのに必要とされる追加の強度をフィルター塊２０のコア領域に付与することができる。

フィラメント塊２０の独特の構成は、強度を犠牲にせずに、繊維を開放されているが、支持された構造に固定することによって、大きなボイドボリュームをもたらす。本発明のフィラメント塊２０は、従来技術の媒体よりも格段に大きな機械的強度／重量比を呈する。フィラメント塊２０は所望の厚さに形成し得る。一実施形態では、フィラメント塊２０は、約１．１５インチの内径及び約２．５インチの外形を有する。一実施形態では、フィラメント塊２０は、１０インチセクション当たり約９５ｇ以下の質量を有し、約４０ｐｓｉ以上の圧潰強さを有する。高いボイドボリュームによって、集塵容量が向上し、エレメント寿命が長く、圧力降下の低減したフィラメント塊２０が得られる。さらに、従来のフィルターよりも、少量の材料を用いて迅速にフィラメント塊２０を生成することができる。好ましい実施形態では、フィラメント塊２０の１０インチセクションは約１５秒で製造され、２０μｍで９０％の保持定格を有する。

図４は、デプスフィルターエレメントの第２の実施形態の正面図を示す。図３に示す実施形態と同様に、フィラメント塊２０は、第１の主表面１１２と、第２の主表面１１４と、同心濾過ゾーン１６４、１６６及び１６８とを含んでおり、ｚ繊維又はフィラメント２２及び１７２によって半径方向の追加フィラメント塊強度を与える。ｚフィラメント２２及び１７２は、繊維塊２０の補強要素として機能する。ｚフィラメント２２及び１７２はフィラメント塊２０全体に延在し、半径方向、縦方向及び周方向に延在する。

ｚ繊維２２は、図３を参照して上述した通り製造される。ｚ繊維１７２は、フィルター塊２０の半径方向、縦方向及び周方向全体に広がるように、ゾーン１６４、１６６及び１６８を横断して配置される。塊２０が円筒形ではなく平面状である場合には、接合用繊維１７２は、塊２０の長さ、幅及び厚さ方向に延在するものとして述べることができる。好ましい実施形態では、ｚ繊維１７２は、１以上のゾーン１６４、１６６及び１６８を横断するように配置されるが、ゾーン１６４、１６６及び１６８のすべてを横断する必要はない。

媒体の密度をさほど増加させずに、強固な一体濾過コアを作ることができる。これは、メルトブロープロセスの際に、ゾーン１６４、１６６及び１６８の一次濾過繊維上に接合（又はｚ）繊維２２及び１７２を堆積することによって達成される。接合繊維２２及び１７２の追加の熱エネルギーによって、高度に非晶質のポリプロピレン一次濾過繊維の結晶度を大幅に増大させることができ、ひいては媒体を補強する。さらに、一実施形態では、ｚ繊維２２及び１７２の一方又は両方は、ゾーン１６４、１６６及び１６８の一次繊維とは異なる材料特性を有する。例えば、繊維２２及び／又は１７２は、反応の触媒、或いは毒素、ウイルス、タンパク質、有機物又は重金属に対して吸収性又は吸着性材料としてもよい。好ましい実施形態では、構造補強繊維又はフィラメント２２及び１７２の直径は、繊維２２及び１７２が、フィラメント塊２０の強度だけでなく、その濾過能力にも寄与するように、ゾーン１６４、１６６及び１６８の一次濾過繊維の直径と同等である。

逆浸透膜の上流での水の前処理のためのカートリッジフィルターアセンブリ１０で使用する場合、デプスフィルターエレメント１４の少なくとも内側ゾーン１０８及び１６８は、０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍの粒度に対して９０％の除去効率を有する。この除去効率は、内側ゾーンに直径約１μｍ〜約２０μｍのフィラメントを使用することによって達成される。デプスフィルターエレメント１４の圧力降下を低減させるため、４００μｍまでの大径フィラメントを外側ゾーンに使用することができる。任意には、内側ゾーン１０８及び１６８用のフィラメントの温度及び流速を調節し、内側ゾーン１０８及び１６８の形成中に適宜圧縮力を加えることによって、内側ゾーン１０８及び１６８を３μｍ以下又は１μｍ以下の細孔径で製造することができ、かかるデプスフィルターエレメント１４は３μｍ粒子又は１μｍ粒子を完全に除去する。

任意には、フィルターアセンブリ１０は、デプスフィルター１４を内側フィルター１２の内側に配置して構築し得る。その場合、供給水は、一方又は両方の端部キャップを通してフィルターアセンブリ１０の内部に供給され、濾液はフィルターアセンブリ１０の外部の筐体から回収される。

任意には、支持層を、内側フィルター１２とデプスフィルターエレメント１４の間に設けてもよい。この支持層は、例えばスクリーンをチューブ状に丸めたもの、押出メッシュを延伸してチューブ状スクリーンとしたもの、又は押出多孔チューブから製造し得る。高温又は粘度を伴う用途又は高固形分のものに付される用途では、追加の支持層は、デプスフィルターエレメント１４から内側フィルター１２に加わる圧力を低下させるのに役立ち、ひいては内側フィルター１２の裂け又はプリーツ圧潰を防ぐことができる。

実験では、比較実験として、供給水を、従来のデプスフィルター並びにデプスフィルターと表面フィルターとの複合カートリッジフィルターエレメントで濾過した。供給水は、有機、生物及び剛性粒状夾雑物の水中での合成混合物であり、ＳＤＩ測定値は４〜６であった。従来のデプスフィルターは２．６インチの外径を有しており、内径１．１インチの多孔質コアチューブで支持した。従来のデプスフィルターは、９０％の効率で１０〜１２μｍの粒子を除去することができた。複合フィルターは、同じコアチューブを用いて、同様に約２．６インチの外径を有していた。複合フィルターは、メルトブローポリプロピレンの傾斜密度デプスフィルターを含んでおり、内側ゾーンは３μｍ夾雑物の９０％除去効率を有しており、外側ゾーンは１５〜２０μｍで９０％除去であった。このデプスフィルターは０．１２５インチの深さ（壁厚）を有していた。表面フィルターは、直径２００〜６００ｎｍのポリプロピレン（ＰＰ）ナノ繊維の不織シートであり、チューブ内に深さ０．４５インチでプリーツ加工した。従来のデプスフィルターと複合フィルターはいずれも合計フィルター深さが同様であり、同様のカートリッジ筐体内に装着した。

各フィルターで濾過した水のＳＤＩを様々な時点で測定し、その結果を以下の表１に示す。表１において、従来のデプスフィルターは「ＣＤＦ」として表し、複合フィルターは「ＣＦ」と表す。表１に示すように、従来のデプスフィルターは、ＳＤＩに対してほとんど効果がなかったのに対して、複合フィルターではＳＤＩが下流のＲＯ膜の運転に適した範囲まで低下した。

供給液及び濾液に暴露される試験パネル上で細菌を培養した。従来のデプスフィルターではごくわずかな細菌除去しか認められなかったのに対して、複合フィルターの濾液では細菌濃度がはっきりと減少した。したがって、複合フィルターは、メンブランでの細菌汚損を低下させると期待できる。

目視検査に基づくと、複合フィルターのデプスフィルター部分は供給流中の夾雑物の約３０％を保持し、表面フィルターは約７０％を保持していた。デプスフィルターはこのようにＳＤＩの除去に寄与し、表面フィルターの耐用年数の延長に寄与する。試験した供給流は、汚損の非常に少ない天然供給流又は前処理供給流に代表的な低いＳＤＩを有していた。デプスフィルターは、ＳＤＩが高く、若干大きな夾雑物を含む天然供給流に暴露されると、夾雑物の除去割合が増えると予想される。ただし、その場合、デプスフィルターの集塵容量に達する時間が短くなる。そこで、ある種の供給流については、デプスフィルターと表面フィルターの予想耐用年数を調和させるため、デプスフィルターの厚さを例えば０．５インチ又は１インチ以上に増すのが好ましいこともあろう。

例示した実施形態は、外側デプスフィルターエレメント１４を有する円筒形のカートリッジフィルターのアセンブリ１０に関するものであるが、他の実施形態も想定される。例えば、本発明の教示内容を、平坦、シート状又は平面状製品に適応させてもよい。かかる平坦製品は、例えば円筒形カートリッジフィルターをその長さ方向に沿ってカットしてシートの材料を得ることによって製造し得る。

実施例又は実施形態を用いて本発明を開示してきたが、本発明は、特許請求の範囲によって規定され、これら特定の実施例又は実施形態に限定されるものではない。

Claims (9)

1. ａ）デプスフィルターエレメントと、
   ｂ）下流の第２のフィルターエレメントと
   を備えるカートリッジフィルターであって、
   ｃ）デプスフィルターエレメントがメルトブローポリマーフィラメントの塊を含んでいて、０．５μｍ〜１０μｍの夾雑物粒度に対して９０％以上の除去効率を有しており、
   ｄ）第２のフィルターエレメントが、直径１μｍ以下の繊維を含んでいて、１μｍ以下の夾雑物粒度に対して５０％以上の除去効率を有しており、
   ｅ）デプスフィルターエレメントがチューブ状であり、第２のフィルターエレメントがデプスフィルターエレメントの内径内に位置する、
   液体用カートリッジフィルター。
2. 第２のフィルターエレメントが、プリーツシートをチューブ状に巻き付けた形態のものである、請求項１記載のカートリッジフィルター。
3. デプスフィルターエレメント及び第２のフィルターエレメントがそれらの端部で端部キャップに封止され、端部キャップの少なくとも１つがフィルター筐体の出口に接続される、請求項２記載のカートリッジフィルター。
4. デプスフィルターエレメントが、その深さに沿って異なる領域を占める複数のゾーンを含んでおり、前記ゾーンが、デプスフィルターエレメントの下流に向かって増大する密度又は減少するフィラメント径を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のカートリッジフィルター。
5. 前記ゾーンの２以上を横断する１以上のメルトブローポリマーフィラメントを含む、請求項４記載のカートリッジフィルター。
6. デプスフィルターエレメントが、１μｍ〜５μｍの夾雑物粒度に対して９０％以上の除去効率を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のカートリッジフィルター。
7. 第２のフィルターエレメントが直径０．５μｍ以下の繊維を含んでおり、０．５μｍ以下の夾雑物粒度に対して５０％以上の除去効率を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のカートリッジフィルター。
8. 供給水の処理方法であって、
   ａ）請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のカートリッジフィルターで供給水を濾過して、濾液を生じさせる段階と、
   ｂ）逆浸透膜を用いて濾液を濾過する段階と
   を含む方法。
9. 前記濾液が３以下のシルト密度指数（ＳＤＩ）を有する、請求項８記載の方法。