JP6258454B2 - 加圧式中空糸膜モジュールを含むろ過システム - Google Patents

Description

本発明は、加圧式中空糸膜モジュール及びそれを含むろ過システムに関し、より具体的には、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える向上した耐圧性を有する加圧式中空糸膜モジュール及びそれを含むろ過システムに関する。

流体処理のための分離方法としては、加熱や相変化を用いる分離方法、及びろ過膜を用いる分離方法などがある。ろ過膜を用いる分離方法は、加熱や相変化を用いる分離方法より多くの利点を有する。その利点としては、ろ過膜の細孔サイズを調整することによって所望の水質を安定的に得ることができるので、液体処理工程の信頼度を高めることができるという長所を有する。また、ろ過膜を用いると、加熱などの操作が必要でないので、加熱などによって悪影響を受ける微生物を使用する分離工程に広く用いることができるという長所を有する。

ろ過膜を用いた分離方法の一つとしては、中空糸形態の膜を束に形成した中空糸膜モジュールを用いる方法がある。典型的に、中空糸膜モジュールは、無菌水、飲用水、超純水の製造などの精密ろ過分野に広く使用されてきたが、最近は、下水／廃水処理、浄化槽での固液分離、産業廃水での浮遊物質（ＳＳ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ）の除去、河川水のろ過、工業用水のろ過、及びプール水のろ過などにその応用範囲が拡大されている。

中空糸膜モジュールは、駆動方式に従って浸漬式モジュールと加圧式モジュールに分類することができる。

浸漬式モジュールは、処理しようとする流体内に浸漬した状態でろ過作業を行う。具体的に、中空糸膜の内部に陰圧（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が加えられることによって流体のみが選択的に中空糸膜の内部（中空）に透過され、その結果、流体に含有されている不純物またはスラッジなどの汚染物質がろ過水から分離される。浸漬式モジュールは、流体の循環のための設備を要求しないので、施設費や運転費の節減をもたらし得るという長所を有する一方、単位時間に得られる透過流量が制限的である（低い）という短所を有する。

その一方、加圧式モジュールによるろ過の場合、処理すべき流体を中空糸膜の外部から内部に加圧・ろ過させる、つまり陽圧が中空糸膜の外部の流体に印加されることによって、浄化された流体のみが中空糸膜を透過し、中空糸膜の内部（中空）を透過する。加圧式モジュールの場合は、流体循環のための別途の設備が必要ではあるが、単位時間に得られる透過流量が浸漬式モジュールに比べて相対的に多いという長所を有する。

加圧された流体が加圧式モジュールのボディーケース内に流入してろ過されるので、加圧式モジュールは、ある程度の耐圧性を有することが要求される。しかし、従来の加圧式モジュールは最大３ｋｇｆ／ｃｍ^２の耐圧性までのみ保証する程度であった。

したがって、図１に例示した従来のろ過システムのように、加圧式中空糸膜モジュール１０による１次ろ過工程及び逆浸透膜モジュール３０による２次ろ過工程を行うろ過システムの場合、加圧式中空糸膜モジュール１０によって生産された１次ろ過水が十分に加圧されていない状態であるので、これを一旦ろ過水槽２０に貯蔵しなければならなかった。また、ろ過水槽２０に貯蔵された１次ろ過水を再び逆浸透膜モジュール３０側に供給するためには供給ポンプ（ｆｅｅｄｉｎｇ ｐｕｍｐ：Ｐ１）を作動させる必要があった。供給ポンプＰ１によって逆浸透膜モジュール３０に供給される１次ろ過水は、高圧ポンプＰ２によって前記逆浸透膜モジュール３０の運転に必要なサイズの圧力で十分に加圧される。

以下では、従来の加圧式中空糸膜モジュール１０が最大３ｋｇｆ／ｃｍ^２の耐圧性までのみを保証するしかない構造的理由を、図２及び図３を参照して具体的に説明する。図２は、従来の加圧式中空糸膜モジュールの斜視図で、図３は、図２の加圧式中空糸膜モジュールのＩ―Ｉ'線に沿う断面図である。

図２及び図３に例示したように、従来の加圧式中空糸膜モジュール１０は、開放された末端を有するボディーケース１１と、前記ボディーケース１１内に挿入されて固定されることによって、開放された前記末端を閉鎖させる固定部１２と、前記固定部１２内に一端がポッティングされている各中空糸膜１３と、前記固定部１２と共に集水空間Ｓを形成するために前記ボディーケース１１の前記末端上に位置するキャップ１４と、前記ボディーケース１１とのねじ結合を通じて締結されながら前記キャップ１４を前記ボディーケース１１側に加圧することによって、前記ボディーケース１１とキャップ１４を強固に結合させる締結リング１５とを含む。

前記中空糸膜１３の中空は、前記集水空間Ｓと流体連通する。したがって、ボディーケース１１の流入口ＩＨを介してモジュール１０内に流入した原水のうち浄化された流体のみが前記中空糸膜１３を通過する。このろ過水は、前記中空糸膜１３の中空に沿って流れて前記集水空間Ｓに集まった後、前記キャップ１４の排出口ＯＨを介してモジュール１０
外に排出される。一方、ろ過作業が行われることによって、ボディーケース１１内の原水の不純物濃度は増加するようになる。このように生成される濃縮水は、ボディーケース１１の排出口ＯＨを介してモジュール１０外に排出される。

一方、図３に例示しているように、前記固定部１２の側面全体は前記ボディーケース１１の内面に接触しており、前記ボディーケース１１とキャップ１４との間の隙間Ｇが集水空間Ｓに露出している。前記隙間Ｇを介して集水空間Ｓ内のろ過水が流出することを防止するために、前記ボディーケース１１の上面と前記キャップ１４の下面との間にはシーリング部材１６が介在している。

しかし、前記ボディーケース１１とキャップ１４との間の隙間Ｇが集水空間Ｓに露出している限り、前記シーリング部材１６がろ過水の流出を防止するのに限界が存在するのは避けられない。すなわち、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の圧力で前記加圧式中空糸膜モジュール１０が運転される場合、集水空間Ｓ内のろ過水の圧力も大きくなり、その結果、前記ボディーケース１１とキャップ１４との間の隙間Ｇを介した漏水現象がもたらされた。

したがって、本発明は、前記のような関連技術の制限及び短所に起因した問題を防止できる加圧式中空糸膜モジュール及びそれを含むろ過システムに関する。

本発明の一側面は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える向上した耐圧性を有する加圧式中空糸膜モジュールを提供する。

本発明の他の側面は、加圧式中空糸膜モジュールによる１次ろ過工程と逆浸透膜モジュールによる２次ろ過工程を、１次ろ過工程と２次ろ過工程との間に如何なる中間工程も無しで行うろ過システムを提供する。前記中間工程は、前記加圧式中空糸膜モジュールによって生産された１次ろ過水を別途の空間に貯蔵した後、これを再び逆浸透膜モジュールに供給（ｆｅｅｄｉｎｇ）しなければならない各中間工程である。本発明では、この中間工程を省略できるろ過システムを提供する。

本発明の更に他の特徴及び利点は、以下で記述されており、部分的にはそのような記述から自明になるだろう。または、本発明の実施を通じて本発明の更に他の特徴及び利点が学習され得るだろう。本発明の各目的及び他の利点は、添付の図面はもちろん、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲で特定された構造によって実現されて達成されるだろう。

本発明の一側面として、開放された末端を有するボディーケース；前記ボディーケースの開放された前記末端内に位置することによって、開放された前記末端を閉鎖させる固定部；前記固定部内にポッティングされている中空糸膜；及び前記固定部と共に集水空間を形成するために前記ボディーケースの開放された前記末端上に位置するキャップ；を含み、前記中空糸膜の中空は前記集水空間と流体連通し、前記固定部の上部側面が前記ボディーケースの内面と接触しないように前記固定部は段差を有し、前記キャップの一部が前記固定部の段差と前記ボディーケースの内面によって定義される溝に挿入されることを特徴とする加圧式中空糸膜モジュールが提供される。

本発明の他の側面として、ろ過水（ｆｉｌｔｒａｔｅ）を生産及び排出し、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える耐圧性を有する加圧式中空糸膜モジュール；逆浸透膜モジュール；及び前記加圧式中空糸膜モジュールから排出される前記ろ過水を直接受け取り、前記逆浸透膜モジュールの運転に必要なサイズの圧力で前記ろ過水を加圧して前記逆浸透膜モジュールに提供するポンプ；を含むろ過システムが提供される。

前記のような一般的敍述及び以下の詳細な説明は、いずれも本発明を例示または説明するためのものに過ぎなく、特許請求の範囲の発明に対するさらに詳細な説明を提供するためのものと理解しなければならない。

本発明によると、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える向上した耐圧性及びこれによる高い耐久性を有する加圧式中空糸膜モジュールを提供することができる。

また、このような高耐圧性の加圧式中空糸膜モジュールをろ過システムに採択することによって、加圧式中空糸膜モジュールによる１次ろ過工程と逆浸透膜モジュールによる２次ろ過工程を、１次ろ過工程と２次ろ過工程との間に如何なる中間工程も行うこと無く、実行することができる。前記中間工程は、前記加圧式中空糸膜モジュールによって生産された１次ろ過水を別途の空間に貯蔵した後、これを再び逆浸透膜モジュールに供給しなければならない各中間工程である。本発明では、この中間工程を省略することができ、その結果、簡単な方式及び低費用で設置及び稼動可能なろ過システムを具現することができる。

従来のろ過システムを例示するブロック図である。 従来の加圧式中空糸膜モジュールの斜視図である。 図２の加圧式中空糸膜モジュールのＩ―Ｉ'線に沿う断面図である。 本発明の一実施例に係るろ過システムを例示するブロック図である。 本発明の第１の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。 本発明の第２の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。 本発明の第３の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。

本発明の技術的思想及び範囲を逸脱しない範囲内で、本発明の多様な変更及び変形が可能であることは当業者にとって自明であろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲に記載した発明及びその均等物の範囲内の変更及び変形を全て含む。

以下、図４を参照して本発明のろ過システムを具体的に説明する。

図４に例示したように、本発明の一実施例によるろ過システムは、ろ過水を生産及び排出し、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える耐圧性を有する加圧式中空糸膜モジュール１００と、逆浸透膜モジュール３０と、前記加圧式中空糸膜モジュール１００から排出される前記ろ過水を直接受け取り、前記逆浸透膜モジュール３０の運転に必要なサイズの圧力で前記ろ過水を加圧して前記逆浸透膜モジュール３０に提供するポンプＰ２とを含む。

本発明の加圧式中空糸膜モジュール１００が３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える高い耐圧性を有するので、前記加圧式中空糸膜モジュール１００は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える高い圧力下で中空糸膜モジュール１００の破損またはろ過水漏水が発生することなく安定的に運転され得る。

また、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える高い圧力下で運転される加圧式中空糸膜モジュール１００によって生産及び排出されるろ過水は、十分に加圧された状態であるので、従来のろ過システムが要求するようなろ過水槽内での一時貯蔵や追加のポンプによるさらなる加圧がなくても、ポンプＰ２までろ過水を直接供給することができる。

前記ポンプＰ２は、前記加圧式中空糸膜モジュール１００から排出される前記ろ過水を直接受け取り、前記逆浸透膜モジュール３０の運転に必要なサイズの圧力で前記ろ過水をさらに加圧する。

結果的に、本発明によると、加圧式中空糸膜モジュール１００による１次ろ過工程と逆浸透膜モジュール３０による２次ろ過工程を、１次ろ過工程と２次ろ過工程との間に如何なる中間工程も無しで、行うことができる。中間工程は、前記加圧式中空糸膜モジュール１００によって生産された１次ろ過水を別途の空間に貯蔵した後、これを再び逆浸透膜モジュール３０に供給しなければならない各中間工程である。本発明では、この中間工程を省略することができ、その結果、簡単な方式及び低費用で設置及び稼動可能なろ過システムを具現することができる。

以下では、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える高い耐圧性を有する本発明の加圧式中空糸膜モジュール１００の各実施例を、図５〜図７を参照して具体的に説明する。

図５は、本発明の第１の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。

図５に例示したように、本発明の第１の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュール１００は、開放された末端を有するボディーケース１１０と、ボディーケース１１０の開放された前記末端内に位置することによって、開放された前記末端を閉鎖させる固定部１２０と、前記固定部１２０内にポッティングされている中空糸膜１３０と、前記固定部１２０と共に集水空間Ｓを形成するために前記ボディーケース１１０の開放された前記末端上に位置するキャップ１４０とを含む。

前記中空糸膜１３０の中空が前記集水空間Ｓと流体連通し得るように、前記固定部１２０にポッティングされている中空糸膜１３０の一端部は開放されている。

図面には示していないが、前記加圧式中空糸膜モジュール１００の下部も、上部と類似する構造を有する。ただし、加圧式中空糸膜モジュール１００の下部に位置した下部固定部には流体通過のための多数のホールが形成されており、前記中空糸膜１３０の他端が閉鎖された状態で前記下部固定部に埋め込まれている。

ボディーケース１１０の下部に位置した流入口を介して加圧式中空糸膜モジュール１００内に流入した原水のうち、浄化された流体のみが前記中空糸膜１３０を通過し、このろ過水は、前記中空糸膜１３０の中空に沿って流れて前記集水空間Ｓに集まった後、前記キャップ１４０の排出口ＯＨを介して加圧式中空糸膜モジュール１００外に排出される。

一方、ろ過作業が行われることによって、ボディーケース１１０内の原水の不純物濃度は増加するようになる。このように生成される濃縮水は、ボディーケース１１０の排出口ＯＨを介して加圧式中空糸膜モジュール１００外に排出される。

ろ過作業が終了すると、ボディーケース１１０内の原水が前記下部固定部の各ホールを通過し、ボディーケース１１０の開放された他端（下部）に結合する下部キャップ（図示せず）の排出口を介して加圧式中空糸膜モジュール１００外に排出される。

一方、図５に例示しているように、本発明の固定部１２０は、前記ボディーケース１１０の開放末端内に挿入・固定されているが、前記固定部１２０の側面全体が前記ボディーケース１１０の内面に接触することはない。具体的に、固定部１２０の上部側面を除いた残りの側面部分のみが前記ボディーケース１１０の内面と接触するように、すなわち、固定部１２０の上部側面が前記ボディーケース１１０の内面と接触しないように、本発明の固定部１２０は段差を有する。したがって、本発明の固定部１２０が前記ボディーケース１１０の開放末端内に挿入・固定されるとき、前記固定部１２０の段差と前記ボディーケース１１０の内面によって定義される溝が形成される。

前記固定部１２０と共に集水空間Ｓを形成するために前記ボディーケース１１０の前記開放末端部分にキャップ１４０が結合されるとき、前記キャップ１４０の一部１４１が前記固定部１２０の段差と前記ボディーケース１１０の内面によって定義される溝に挿入される。前記固定部１２０は、ポリウレタンなどの弾性物質で形成される。したがって、前記溝のサイズを前記キャップ１４０の一部１４１のサイズよりやや小さく設定することによって、前記キャップ１４０の一部１４１が前記溝に堅固に挿入されるようにすると漏水防止の面で好ましい。

前記のような本発明によると、堅固に密着した前記キャップ１４０の一部１４１と固定部１２０との間の隙間のみが集水空間Ｓに露出し、前記ボディーケース１１０とキャップ１４０との間の隙間は集水空間Ｓに直接露出しない。したがって、３ｋｇｆ／ｃｍ^２より高い高圧で前記加圧式中空糸膜モジュール１００が運転され、集水空間Ｓ内のろ過水の圧力が大きくなるとしても、ろ過水の漏水現象またはモジュールの損傷が発生することなく高い透過流量でろ過作業を行うことができる。

選択的に、前記加圧式中空糸膜モジュール１００は、堅固に密着した前記キャップ１４０の一部１４１と固定部１２０との間の隙間及び前記ボディーケース１１０とキャップ１４０との間の隙間を介したろ過水の漏水（ほとんど発生しないが）を防止するために、前記ボディーケース１１０の前記開放末端と前記キャップ１４０との間に介在するシーリング部材１６０、例えば、Ｏ―リングをさらに含むことができる。

これに対して具体的に説明すると、前記ボディーケース１１０の前記開放末端と接触する前記キャップ１４０の下面には溝が形成されており、前記ボディーケース１１０は、前記開放末端に位置する突出部１１１を含むことができる。前記ボディーケース１１０と前記キャップ１４０が結合するとき、前記ボディーケース１１０の突出部１１１が前記キャップ１４０の溝に挿入される。そして、前記シーリング部材１６０は、前記キャップ１４０の溝内で前記キャップ１４０と前記突出部１１１との間に位置する。

前記ボディーケース１１０とキャップ１４０を堅固に結合させるために、本発明の加圧式中空糸膜モジュール１００は、前記ボディーケース１１０の前記開放末端の外側面上に結合される支持部１５０と、前記キャップ１４０と前記ボディーケース１１０を互いに密着した状態に維持させるために前記支持部１５０と前記キャップ１４０の一部１４２を貫通する締結部材１７０とをさらに含むことができる。

前記締結部材１７０は、ボルト１７１及びナット１７２を含むことができる。

以下では、図６を参照して本発明の第２の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールを具体的に説明する。図６は、本発明の第２の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。

本発明の第２の実施例による加圧式中空糸膜モジュールは、上述した第１の実施例による加圧式中空糸膜モジュールとほぼ同一であるので、以下では、第１の実施例と異なる第２の実施例の特徴を主に説明する。

図６に例示したように、本発明の第２の実施例による加圧式中空糸膜モジュール１００は、堅固に密着した前記キャップ１４０の一部１４１と固定部１２０との間の隙間及び前記ボディーケース１１０とキャップ１４０との間の隙間を介したろ過水の漏水（ほとんど発生しないが）を防止するために、前記ボディーケース１１０の前記開放末端と前記キャップ１４０との間に介在する第１のシーリング部材１６０及び第２のシーリング部材１８０を含む。

前記第１のシーリング部材１６０に対して具体的に説明すると、ボディーケース１１０の開放末端と接触するキャップ１４０の下面に溝が形成されており、前記ボディーケース１１０は前記開放末端に位置する突出部１１１を含む。前記ボディーケース１１０と前記キャップ１４０が結合するとき、前記ボディーケース１１０の突出部１１１が前記キャップ１４０の溝に挿入される。そして、前記第１のシーリング部材１６０は、前記キャップ１４０の溝内で前記キャップ１４０と前記突出部１１１との間に位置する。前記第１のシーリング部材１６０は、閉曲線の形態を有することができる。

前記第２のシーリング部材１８０は、前記第１のシーリング部材１６０より半径方向外側で前記ボディーケース１１０の開放末端とキャップ１４０との間に介在する。このような第２のシーリング部材１８０の存在により、ろ過水の漏水防止をさらに確実に保障することができる。

以下では、図７を参照して本発明の第３の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールを具体的に説明する。図７は、本発明の第３の実施例に係る加圧式中空糸膜モジュールの上部断面図である。

本発明の第３の実施例による加圧式中空糸膜モジュールも、上述した第１の実施例による加圧式中空糸膜モジュールとほぼ同一であるので、以下では、第１の実施例と異なる第３の実施例の特徴を主に説明する。

図７に例示したように、第３の実施例による加圧式中空糸膜モジュール１００は、ボディーケース１１０とキャップ１４０の強固な結合のための構成であって、第１の実施例の支持部１５０の代わりに締結リング１９０を含む。前記締結リング１９０は、前記ボディーケース１１０とのねじ結合を通じて締結されながら前記キャップ１４０を前記ボディーケース１１０側に加圧することによって、前記ボディーケース１１０とキャップ１４０を堅固に結合させる。

１００ 加圧式中空糸膜モジュール
１１０ ボディーケース
１２０ 固定部
１３０ 中空糸膜
１４０ キャップ
１５０ 支持部
１６０ シーリング部材
１７０ 締結部材

Claims (7)

1. ろ過水を生産及び排出し、３ｋｇｆ／ｃｍ ^２ を超える耐圧性を有する加圧式中空糸膜モジュール；
   逆浸透膜モジュール；及び
   前記加圧式中空糸膜モジュールから排出される前記ろ過水を直接受け取り、前記逆浸透膜モジュールの運転に必要なサイズの圧力で前記ろ過水を加圧して前記逆浸透膜モジュールに提供するポンプ；を含み、
   前記加圧式中空糸膜モジュールは、
   開放された末端を有するボディーケース；
   弾性材料で形成され、開放された前記末端内に位置することによって、開放された前記末端を閉鎖させる固定部；
   前記固定部内にポッティングされている中空糸膜；及び
   前記固定部と共に集水空間を形成するために前記ボディーケースの開放された前記末端上に位置するキャップ；を含み、
   前記中空糸膜の中空は、前記集水空間と流体連通し、
   前記固定部の上部側面が前記ボディーケースの内面と接触しないように、前記固定部は段差を有し、
   前記キャップの一部は、前記固定部の段差と前記ボディーケースの内面とによって画される溝に挿入され、
   前記中空糸膜を透過したろ過水は、前記集水空間を経て前記キャップの流出口を介して排出され、
   前記溝は、前記のキャップの一部よりも幅が小さく、これにより、前記のキャップの一部は、前記固定部に密着されるように、前記溝に挿入されていることを特徴とするろ過システム。
2. 前記加圧式中空糸膜モジュールは、前記ボディーケースの開放された前記末端と前記キャップとの間に介在するシーリング部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のろ過システム。
3. 前記ボディーケースの前記末端と接触する前記キャップの下面には溝が形成されており、
   前記ボディーケースは、開放された前記末端に位置する突出部を含み、前記突出部は、前記キャップの溝に挿入され、
   前記シーリング部材は、前記キャップの溝内で前記キャップと前記突出部との間に位置することを特徴とする、請求項２に記載のろ過システム。
4. 前記加圧式中空糸膜モジュールは、
   前記ボディーケースの開放された前記末端の外側面上に結合される支持部；及び
   前記キャップと前記ボディーケースを互いに密着した状態に維持させるために前記支持部と前記キャップを貫通する締結部材；をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のろ過システム。
5. 前記締結部材は、ボルト及びナットを含むことを特徴とする、請求項４に記載のろ過システム。
6. 前記加圧式中空糸膜モジュールは、前記ボディーケースの開放された前記末端と前記キャップとの間に介在する第１及び第２のシーリング部材をさらに含み、
   前記ボディーケースの開放された前記末端と接触する前記キャップの下面には溝が形成されており、
   前記ボディーケースは、開放された前記末端に位置する突出部を含み、前記突出部は、前記キャップの溝に挿入され、
   前記第１のシーリング部材は、前記キャップの溝内で前記キャップと前記突出部との間に位置し、
   前記第１のシーリング部材は、閉曲線の形態を有し、
   前記第２のシーリング部材は、前記第１のシーリング部材の半径方向外側に位置することを特徴とする、請求項１に記載のろ過システム。
7. 前記加圧式中空糸膜モジュールは、前記ボディーケースと前記キャップの堅固な結合のための締結リングをさらに含み、
   前記締結リングは、前記ボディーケースとのねじ結合を通じて締結されながら前記キャップを前記ボディーケース側に押すことを特徴とする、請求項１に記載のろ過システム。

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