JPH02227123A - 精密濾過素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、上水、下水等を始めとした、各種の微粒子、
懸濁物質を多く含む溶液中より、当該微粒子、懸濁物質
を精密に濾過除去することを目的とした精密濾過素子に
関する。

［従来の技術］ 従来、上水や下水等の浄化処理において、処理原液中に
含まれる各種微粒子、懸濁物質の除去には、数段の沈降
分離、砂濾過が用いられている。

沈降分離は、清澄な液を得ることと、濃厚な粒子、懸濁
物質（スラッジ）を得ることを主目的としている。沈降
によって得られた清澄な液（上澄み液）をさらに精製す
る目的で砂濾過等が行われる。

一方スラッジはさらに濾布等を用いた各種の濾過方法に
よって濃縮が行われ、さらに加熱焼却によって乾燥、処
理が行われている。

また、上水や下水等の場合に限らず、一般に各種の微粒
子や、懸濁物質を多く含む溶液の濾過には、濾布、濾紙
、けい藻土等の濾材が用いられている。

［発明が解決しようとする間瓶点］ 上水や下水等の処理においてより精製された処理液を得
ることは、環境保全の点から近年しだいに重要視されつ
つある。また沈降等により分離したスラッジ中に含まれ
る水分をさらに除去することにより、より濃厚なスラッ
ジを得て後段の処理の負担を軽減して効率化を図ること
が検討されているが、この場合も除去された水分がより
精製されたものであることが要望されている。

また、上水や下水等の場合に限らず、一般に各種の微粒
子や、懸濁物質を多く含む液の濾過、例えば微生物の培
養液等に於いてもより精密な濾過分離が要求されるよう
になった。

この点、砂濾過や、濾布、濾紙等による濾過は荒濾過と
いえるものであり、大量の比較的大きな粒子、懸濁物を
除去することが可能であるが濾過精度が悪く、粒子、懸
濁物の漏出が避けられないという問題があった。また濾
布、濾紙等の濾材では濾材中に粒子が入り込みやすく、
洗浄等で濾材を再生しても入り込んだ粒子を除去するこ
とが困難であり、次第に目詰まりが生じて濾過性能が低
下してしまうという問題がある。

コントロールされた孔径１μｍ以下の微細孔を有する濾
過膜を用いた精密濾過法では、上記問題を解決した精度
の良い濾過除去を行うことが出来る。しかしながら、精
密濾過法は、原液中の粒子、懸濁物が比較的低濃度場合
に主として用いられる方法である。これは、膜の微細孔
が先の濾布等のそれに比して極めて微細であり、粒子、
懸濁物を大量に含む原液を処理した場合に膜表面にただ
ちにそれらが堆積し、濾過速度が急速に低下、使用出来
なくなってしまうからである。濾過膜表面に生じたこれ
らの堆積物を除去すれば、再度濾過を行う事も可能と考
えられるが、精密濾過膜を用いた濾過素子でこの点が十
分に考慮されたものは殆ど見られない。

以上の点から現状では上記問題を解決するために、濾布
等による荒濾過の後精密濾過膜による精密濾過を行う多
段濾過を用いることが考えられているが、システムが繁
雑となり、維持管理が面倒であるといった問題点がある
。

又近年濾過膜の表面に対して平行な原液の流れを形成し
つつ濾過を行う精密濾過法の一種のクロスフロー濾過が
、比較的粒子濃度が高い原液の濾過に応用しうることか
分かり種々の検討がなされている。しかしながら、クロ
スフロー濾過では、原液の流れを形成させるための回路
や動力、各種のコントロールシステムが必要であり、全
体が複雑となってしまうという問題点、懸濁物質濃度や
粘度が高くなると流れの形成が行えなくなり濾過出来な
くなる、といった問題点があった。

そこで本発明は多量の微粒子、懸濁物質を含む溶液の精
密濾過が、簡単なシステムで容易に実施しうる精密濾過
素子を提供することを目的としている。

［問題を解決するための手段］ 濾過素子を構成する精密濾過膜部分が、親水性の部分と
疎水性の部分よりなる様に構成する。こうすることによ
って多量の微粒子、懸濁物質を含む溶液を簡単なシステ
ムで容易に直接濾過する事が可能である精密濾過素子を
提供する事ができる。

［作用コ 多量の微粒子、懸濁物質を含む溶液を濾過する場合砂、
濾布、濾過膜等種々の濾材表面にこれらがスラッジとし
て堆積し、濾過速度が急速に低下する。このため濾過の
逆方向から濾液、空気等を吹き込んで逆洗を行い、表面
に堆積したスラッジを除去することが必要となる。

濾液等の液を用いて逆洗を行う場合、濾材表面より原液
方向に液が流出して、スラッジを剥離する効果が生じる
。しかしながら少量では効果が十分でない場合が多く、
これのみでは多量の液が必要となりせっかく濾過分離し
た濾液が無駄となってしまう間離がある。空気等の気体
によるブロー逆洗は除去効果が大きく、濾液の無駄もな
いので好ましいが、精密濾過膜の場合濾布等で行われて
いる通常の操作圧範囲（１〜数Ｋｇ／ｃＷ？）ではこの
ブロー逆洗を行うことが出来ない、これは精密濾過膜の
微細孔が先の濾布等のそれに比して極めて微細であるた
めである。

一般に連通ずる微細孔を有する多孔質体が液体で濡れた
状態にある場合、多孔質体の一方から他方へ気体を通過
させうる圧力と、微細孔の孔径との間には毛細管現象の
理論より以下の関係がある。

ｒ＝２ａｃｏｓθ／Ｐ　　＝−（１） ｒ：微細孔の半径（ｃｍ） σ：濡らしている液体の表面張力（ｄｙｎｅ）θ：濡ら
している液体との接触角〈０）Ｐ：圧力　（ｄｙｎｅ） たとえば水生細菌程度の粒子を除去する場合に用いられ
る微細孔の孔径０．２μｍの親水性の精密濾過膜で水を
濾過し、濾過を止めて膜の一方から気体を通過させるた
めには十数Ｋ　ｇ／　ｃ　ｍ”以上の圧力が必要となっ
てしまう。

即ち濾過を行っていた膜の表面の堆積物をブロー逆洗す
るには上記以上の圧力が必要となり、これは現状の装置
では困難である。

一方水に濡れない疎水性の精密濾過膜の場合には、上記
式（１）は層線孔中に水を侵入させるために必要な圧力
を表す０例えば、上記と同様な細孔半径を有し、水との
接触角９５°の疎水性濾過膜の場合、圧力は約１．３　
Ｋｇ／ｃＴｒ？となる。即ちこれ以下の圧力では、膜中
に水は侵入せず、膜は濡れずに空気等の気体が容易に通
過しうる状態のままで液中に存在することになる。

第１図ａは、親水性の濾過膜部分と疎水性の濾過膜部分
より構成した本発明の精密濾過素子の基本的な概念の１
例を示したものである。原液側１を加圧するか、もしく
は濾液側２を減圧して濾過を行うと、親水性の濾過膜部
分３が濡れて濾過が行われる。このとき上記のように疎
水性の濾過膜部分４では濡れない為に濾過は行われない
。濾過が進むにつれて、第１図すに示したように液中の
微粒子、懸濁物質等は親水性の濾過膜部分表面に堆積し
、スラッジ５を形成する。スラッジは徐々に厚く堆積し
、各濾過膜部分が近接している場合は、疎水性の部分も
スラッジで覆われる。このスラッジを除くために濾液側
２を加圧もしくは、原液側１を減圧して逆洗を行う、濾
液により逆洗する場合は前述したように、液が親水性の
濾過膜部分３より原液側に流出してスラッジを剥離する
効果を生じる。さらに濾液側より空気を導入すると第１
図Ｃに示したように疎水性の濾過膜部分４より空気６が
原液側１に流出して、堆積していたスラッジ５がはがさ
れるブロー逆洗が行なわれる。親水性膜部分と疎水性膜
部分が多少前れており、第１図すのようにスラッジの一
団のなかに疎水性の膜部分が含該れない場合でも気泡に
よる攪拌効果により、濾液のみの場合よりも高い洗浄効
果が得られる。

第２図ａは同様に本発明の基本概念の他の例を示したも
ので、先の例では親水性の膜部分と、疎水性の膜部分が
別の部材より構成されていたが、一つの膜部材中に親水
性の部分７と疎水性の部分８が存在するように構成した
ものである。濾過によって、懸濁物質等は濾過膜の親水
性の部分７表面に堆積していく、濾過を行うにつれて第
２図すのようにスラッジ５が徐々に厚く堆積し層全体を
覆うようになる。空気によるブロー逆洗時は、第２図Ｃ
に示したように、膜の疎水性の部分８より空気９が流出
しスラッジが膜表面より剥離、除去が行われる。

このように本発明の濾過素子を用いることによって特別
な装置や高圧での操作を用いることなく、これまでと同
様な濾過逆洗操作を行うことが可能となり、多量の粒子
、懸濁物質を含む液の精密濾過を直接効率よ〈実施する
ことができる。

疎水性の部分の面積は、素子全体の膜面積の５％以上で
あることが望ましい、これ以下であるとブロー効果が弱
く、除去が十分にできない場合がある。上記以上、さら
に疎水性部分の面積が増加すると空気の透過量が増える
ので、ブロー効果が高くなるが、逆に単位体積当たりの
親水性部分の面積、即ち単位体積当たりの実質的な濾過
面積が減少するので、必要以上に疎水性部分の面積を増
加させることは好ましくない、必要な液体の濾過性能、
設置可能な濾過素子の大きさ等と、スラッジの除去効果
を鑑みて適宜疎水性の部分の面積を設定すれば良い、濾
過膜素材としては、再生セルロース、酢酸セルロース、
ニトロセルロース等のセルロース誘導体、ポリビニルア
ルコール系、ポリアクリロニトリル系、ポリメチルメタ
クリレート系、ポリアミド系等の各種ポリマー及びセラ
ミックスや金属等の無機材料等濾過する液体によって濡
れるものが親水性の濾過膜として使用できる。

一方線水性の濾過膜素材としてはポリエチレン、ポリプ
ロピレン等のポリオレフィン系、ポリテトラフルオロエ
チレン等のフッソ樹脂系ポリマー等、濾過液体によって
濡れないものを疎水性の濾過膜として使用しうる。又疎
水性の素材でも、陽イオン系、陰イオン系、非イオン系
の界面活性剤により処理し、濡れ性を改善することによ
って、親水性膜とすることが可能である。一方親水性の
膜素材の場合もシリコン溌水剤等により処理することに
より、疎水性の膜９として使用することもできる。

いずれの場合でも使用時に濾過が行われる親水性部分と
、濡れない疎水性部分が混在するように濾過素子が構成
されていればよい。

濾過膜の形状は上記目的を達成しうる様に構成できるも
のであればどのようなものでも良い、単位体積当たりの
濾過面積を大きくすることが出来るので中空糸状の濾過
膜が有利である。疎水性部分の濾過膜に中空糸状のもの
を用いた場合、スラッジの堆積部分に櫛状に分散させる
ことが出来るのでブロー逆洗時に堆積したスラッジに均
一に逆洗効果を与えることができ、効果的な除去を行う
ことが可能である。又、例えば円柱状の親水性の濾過膜
部分の回りに近接して分散させるといったように、親水
性の濾過膜部分の形状に合わせて疎水性の部分を構成す
ることが出来るので、親水性の濾過膜表面に形成された
スラッジを同様に容易に除去することが出来る。

一方親水性の濾過膜に中空糸膜を用いた場合、単位体積
当たりの濾過面積を大きく出来るという基本的な利点に
加え、各種形状の疎水性の濾過膜のまわりにこれを分散
させることが出来るという利点がある０例えば、中空円
柱状の疎水性の多孔質濾過材を疎水性の濾過膜として用
い、その回りに親水性中空糸膜を分散させることが出来
る。この場合、スラッジは中空糸膜の部分に堆積して中
央の円柱状の多孔質濾過材を収りかこむ形となる。

即ちこの濾過材を芯としてその回りに親水性中空糸膜が
櫛状に分散したスラッジが付着している状態が生じる。

ブロー逆洗を行うと、中央部の濾過材から外周方向に向
かって空気の噴出が生じ、回りに堆積したスラッジを効
果的にふるい落とすことが出来るのである。

精密濾過膜の細孔径は１μｍ以下が望ましく、特にバク
テリア等の除去には０．２μｍ以下が必要である。１μ
ｍ以上になると濾布、けい藻土等による荒濾過に近くな
り、精密濾過膜を用いる利点が少なくなってしまう、以
下実施例により本発明をより詳細に説明するが、実施例
は本発明を限定するものではない。

［実施例］ 第３図は中空糸状の精密濾過膜を用いた第一実施例を示
したもので、疎水性の中空糸膜１０と親水性の中空糸膜
１１の両端部を固定樹脂１２で固定し、その間をサポー
ト１３で支持するように構成したものである。中空糸束
の樹脂固定部分の一方には中空糸の開口部１４が形成さ
れており、さらに濾液出口１５を有するキャップ１６が
液密に固定されている。サポート１３の外側より中空糸
膜に達した濾過原液１７は、親水性の中空糸膜１１を通
過する間に濾過され、生じな濾液は親水性の中空糸膜１
１の内部を通って、さらに開口部１４よりキャップ１６
側に形成されている濾液室１８を通り、濾液出口１５よ
り流出する。

濾過によってスラッジは親水性の濾過膜の表面に堆積す
るが、本実施例ではほぼ中央部分が疎水性の中空糸膜、
その回りが親水性の中空糸膜となるように中空糸束を円
柱状に構成しているので、スラッジは疎水性の中空糸膜
１０の周囲の親水性の中空糸膜１１部分に中空円柱状に
、断面でみるとドーナツ状に堆積する。ブロー逆洗時中
央部分の疎水性中空糸膜より外周方向に空気が噴出する
ので、回りに堆積したスラッジをより効果的に除去する
ことが出来る。

疎水性の中空糸膜と、親水性の中空糸膜をランダムに混
合して、中空糸束としてもよい。この場合は上記のよう
に膜の偏在に関して注意を払う必要があまりないので中
空糸束の作成、素子の製作が容易となる。

第４図に第二の実施例を示した。親水性の精密濾過膜部
分として管状の親水性の多孔質濾過材２０を用い、その
回りに疎水性の中空糸膜２１を近接するように配置し、
両端を固定樹脂２２で一体としたものである。固定樹脂
２２の一方には多孔質濾過材２０と中空糸膜２１の開口
部２３が形成され、またキャップ２４が液密に固定され
て濾液室２５が形成されている。濾過原液２６は濾過素
子の外側より中空糸膜２１の間を通過して多孔質濾過材
２０の表面に達し、濾過材の微細孔中を透過する間に濾
過が行われる。生じた濾液２７は、多液室２５に達し、
さらに濾液出口２８より流出する。スラッジは多孔質濾
過材２０の表面を覆うように堆積していくが、このとき
多孔質濾過材２０の近傍に配置されている中空糸膜２１
も同時に覆われ、−団となる。空気による逆洗時、この
中空糸膜２１より空気が流出するのでそれによるブロー
効果、攪拌効果により多孔質濾過材２０表面に付着した
スラッジの剥離、除去が効果的に行われる。尚第−及び
第二実施例では中空糸、及び管状の濾過材の片端部に開
口部が形成され、反対の端部は樹脂により密閉されてい
るが、両方の端部に開口端を形成してキャップを固定し
、両方より濾液を得るようにすることも可能である。

第５図は他の実施例を示したもので、一端が閉塞した中
空円柱状の疎水性の多孔質濾過材３０を用い、その回り
に親水性の中空糸膜３１を配置し、両端を固定樹脂３２
で固定したものである。樹脂固定部分の一方には、中空
糸の開口部３３が形成され、さらに濾液出口３４を有す
るキャップａ３５が液密に設置されている。もう一方の
樹脂固定部分には、多孔質濾過材の開口部３６が形成さ
れており、キャップｂ３７が液密に固定されている。

濾過素子の外側より導入された濾過原液３８は中空糸膜
３１を透過する間に濾過が行われ、得られた濾液３９は
、中空糸の開口部３３よりキャップａ３５と固定樹脂３
２とで形成されている濾液室４０を通り、濾液出口３４
より流出する。濾過によって、スラッジは中空糸膜３１
に堆積するが、濾過が進行するにつれて一団となり、多
孔質濾過材３０の回りを覆うようになる。ブロー逆洗時
、キャップｂ３７に形成されている空気導入口４１より
空気４２を導入するが、これによって多孔質濾過材３０
より空気が外周方向に噴出するので、回りに堆積したス
ラッジを効果的に除去することが出来る０本実施例では
、濾液流出部分と、逆洗時の空気導入部分を別系統にす
ることが出来るので、各々の系統のコントールが行い易
く、また濾過を実施中にブロー逆洗を実施することも可
能であるという利点がある。

尚、親水性の多孔質濾過材と疎水性の中空糸膜を用いた
第二実施例に於いても、中空糸膜と多孔質濾過材の開口
部を上記のように別になるように構成すれば、同様の効
果が得られることは明らかであろう。

以下に本発明の効果を確認するために行った実験例を示
す。

実験例 細孔径０．１μｍ、外径４４０μｍのポリプロピレン製
の中空糸状の精密濾過膜を用い、長さ２５ｃｌ１１、親
水性部分の面積４５０ｃｍ”、疎水性部分の面積５０　
ｃｍｌの第３図に示した構造の濾過素子を作成した。

ポリプロピレンは疎水性であるので、界面活性剤（Ｔｒ
ｉｔｏｎ　Ｘ１００）を用いて親水化処理したも′のを
親水性部分に用いた０本濾過素子を第６図に示した実験
回路にセットし、濾過圧２Ｋｇ／ｃｍ”での加圧濾過、
同圧力での空気逆洗操作を一回として、繰り返しめ濾過
実験を行った。原液には上水処理において沈殿池で生じ
た凝集処理液（ＳＳ濃度２．５％）を用いた。原液タン
ク４５中の濾過原液４６は加圧空気４７により濾過素子
４８を設置した濾過タンク４９に圧送され、所定の濾過
圧で濾過が行われる。生じた濾液５０は濾液タンク５１
に集められる。逆洗時は濾液回路５２に設置した停止弁
ａ５３を閉じ、停止弁ｂ５４を開けて加圧空気４７を濾
過素子４８に送った。

比較例として、疎水性部分の面積が２０　ｃ♂、及びＯ
ｃｍ’で他は同様の構造の素子を作成して同様に濾過実
験を行った。

実験結果 第７図に実験結果を示す、濾過を開始すると膜表面にス
ラッジが堆積して、急速に濾過速度が低下する。そこで
逆洗を行うと、実施例で蔦よ４回の逆洗後もほぼ濾過開
始時の状況まで濾過速度が復帰し、同様な濾過速度の変
化パターンを示した。

一方比較例においては十分復帰せず濾過を繰り返して行
くうちに、しだいに濾過速度が低下してしまい、堆積し
たスラッジが除去できずに濾過膜面に残存していること
がわかる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明による精密濾過素子は以下に
示す利点を有している。

■親水性の精密濾過膜部分と、疎水性の精密濾過膜部分
を混在させているので、微細な孔径の精密濾膜を用いた
場合には出来なかった１〜数Ｋｇ／ｃｍ”程度の比較的
低い操作圧で空気によるブロー処理が可能となる。

■このため濾過膜表面に堆積したスラッジ等の剥離、除
去が効果的に行いうる。

■濾過素子が上記特徴を有するので、特殊な装置、操作
等を用いずに多量の微粒子、懸濁物質を含む液の精密濾
過が簡単な構成で直接容易に実施しうるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の基本概念の例を示したもので
ある。第３図は中空糸状の濾過膜を用いた第一実施例を
示した部分断面図、第４図は管状の多孔質濾過材と中空
糸状の濾過膜を用いた第二実施例を示した部分断面図で
あり、第５図は他の実施例の部分断面図を示したもので
ある。第６図は実験回路を示したもので、第７図はその
結果を示したものである。 １・・・原液側　　　　　　　２・・・濾液側３・・・
親水性の濾過膜部分 ４・・・疎水性の濾過膜部分　５・・・スラッジ６．９
・・・空気 ２０　、３０・・・多孔質濾過材 ２７　、３９　、５０・・・濾液 ３５・・・キャップａ ３６・・・多孔質濾過材の開口部 ４１・・・空気導入口　　　　　４２・・・空気２１．
３１・・・中空糸膜 ３３・・・中空糸の開口部 ３７・・・キャップｂ ４５・・・原液タンク ４８・・・濾過素子 ５１・・・濾液タンク ５３・・・停止弁ａ ５５・・・圧力調整弁 ４７・・・加圧空気 ４９・・・濾過タンク ５２・・・濾液回路 ５４・・・停止弁ｂ ５６・・・圧力計 ７・・・親水性の部分 ８・・・疎水性の部分 １０・・・疎水性の中空糸膜 １２．２２・・・固定樹脂 １４．２３・・・開口部 １６．２４・・・キャップ １ｇ、２５．４０・・・濾液室 １１・・・親水性の中空糸膜 １３・・・サポート １５．２８．３４・・・濾液出口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）精密濾過膜を用いた液体濾過用の濾過素子であっ
   て、濾過によって膜表面に生じた液体中の微粒子、懸濁
   物質等の堆積物を空気により容易に逆洗除去しうるよう
   に、該素子に使用している精密濾過膜を親水性の部分と
   、疎水性の部分より構成したことを特徴とする精密濾過
   素子。
2. （２）精密濾過膜の疎水性部分の面積が濾過膜全体の面
   積の５％以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の精密濾過素子。
3. （３）精密濾過膜の微細孔が平均孔径１μｍ以下である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の精密濾過素子。
4. （４）精密濾過膜の少なくとも一部が中空糸状の濾過膜
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項いずれかに記載の精密濾過素子。