JPH02227127A

JPH02227127A - 精密濾過素子

Info

Publication number: JPH02227127A
Application number: JP4908189A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Oe; 大江　宏明; Keinosuke Isono; 啓之介磯野
Original assignee: Material Engineering Technology Laboratory Inc
Current assignee: Material Engineering Technology Laboratory Inc
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-10

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】［産業上の利用分野コ本発明は、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問題点］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ろことが
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の近傍に、濾過によって
該膜表面に生じた液体中の微粒子、懸濁物質等の堆積物
を流体により強制的に排除させる除去機構を設置する。

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］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行われている。

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問題がある。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／ｃｍ”）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＝２σＣＯ８θ／Ｐｒ：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（°）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Ｋｇ／ｃｍ２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スラッジをブロー逆洗
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。

そこで本発明者等は、スラッジが精密濾過膜の濾過膜表
面に厚く堆積するが、膜の細孔中には殆ど入り込まない
ことに注目し鋭意検討を重ねた結果、濾過膜面近傍に、
該スラッジが堆積した膜面に対し液体もしくは気体等の
流体流による物理的な力を与えうる機構を設置すること
によって、スラッジの強制的な排除、除去が確実に実施
しうろことを見出し本発明に至った。

第１図ａは、本発明の精密濾過素子の基本的な概念の一
例を示したものである。精密濾過膜１の近傍に除去機構
である中空状の構造物２が設置されており、該構造物２
の壁面に連通部３が形成されている。精密濾過膜１は固
定隔壁ａ４で固定され、この三者によって原液側らと濾
液側６が分離されている。また中空状の構造物２は固定
隔壁ｂ７で固定され、同様に原液側らと流体流路８側に
分離されている。　原液側５を濾液側６よりも陽圧とす
ることによって精密濾過膜１の部分で濾過が行われ、生
じた濾液９は濾液側６に流出する。このとき中空状の構
造物２の流体流路８は外部に連通しないように閉塞して
おき、濾過原液１０の一部が流出しないようする。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
、懸濁物質等が精密濾過膜１の表面に堆積し、スラッジ
１１を形成する。スラッジ１１は徐々に厚く堆積し、各
濾過膜部分及び、中空状の構造物２を覆うようになる０
次いで中空状の構造物２の内側へ流体流路８より水や空
気等の流体１２を導入すると、第１図Ｃに示したように
、該流体１２は中空状の構造物２の壁面に形成されてい
る連通部３より、外側に向かって噴出し、これによって
堆積したスラッジ１１は物理的な力をうけて強制的に精
密濾過膜１表面より排除されるのである。

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、スラッジの除
去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。

、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用いうるが、中空糸状
の濾過膜が望ましい、これは単位体積当たりの濾過面積
を大きくすることができるという利点があるからで、さ
らに中空糸は前記中空状の構造物の形状にあわせてその
回りに分散させることかでき、スラッジは分散した中空
糸を一団となって覆う様に堆積するので、中空状の構造
物よりの噴出流体の力を均等に無駄なくうけることがで
きる利点がある。また、中空糸は柔軟で容易に曲がるの
で、流体流による振動によりスラッジが振るい落とされ
る効果も加わり、より効果的なスラッジの除去が行いう
るという利点がある。

濾過膜部分に濾過圧力等によって容易に変形しない管状
の多孔質濾過材を用いることも好ましい。

この場吾は、濾過材自体が自分自身の支持体としで作用
しうるので、支持体や、保護体といった部材が不用であ
る利点がある。

精密濾過膜の素材としては、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使用できる。また熱、薬品や微生物
に対する耐久性に優れているポリエチレン、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
ない疎水性の濾過膜も、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
とによって使用することが出来る。

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１２μｍ以下が必要である。１μｍ
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。

膜面に堆積したスラッジを除去する機構である中空状の
構造物２は、その壁面の少なくとも一部にその内部より
流体を噴出させうる、内壁と外壁を結ぶ連通部を有する
ものであれば、どのような構造、材質のものでも用いう
る０例えば、金属製の管に微小な穴を開けたもの、金属
、セラミックス等の管状多孔質体、筒状に成形したメツ
シュ、布、又はこれらの複合体等が上げられる。

さらにこの部分に精密濾過膜を用いることもてきる。こ
の部分の膜に親水性のものを用いる場合は、細孔径が１
μｍ以上であることが望ましい。孔径が小さくなると先
に示したように、空気等を通すには高い圧力が必要にな
るからである。　何れの場合も水や空気等の流体を原液
側に噴出させる時に壁面が破壊されない強度を有するこ
とが必要である。

前記除去機構の内部もしくは、内部から外部へ連通する
流体流路８には濾過時に原液側からの原液の一部等が流
出するのを防止するため、もしくは濾過時に該流体流路
よりの流体の流入を防止するための流体の制御機構が構
成されていることが望ましい、これには種々の弁状の構
造物を用いることが出来る。

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２図は第１実施例を示したもので、中空糸膜１６およ
び円柱状の多孔質体２２によって精密濾過素子を構成し
、それを容器に組込んで精密濾過器１５としたものであ
る。

中空糸膜１６の両端部は固定樹脂１７により保持固定さ
れており、またサポート１８がその間を支持するように
固定されている。サポート１８は中空糸の保護の役割も
兼ねている。固定樹脂１７にはキャップａ１９、キャッ
プｂ２０が液密に固定されており、キャップａｌＱ側の
固定樹脂には、中空糸の開口部２１が形成されている。

一方キャップｂ２０側の固定樹脂には、片端が哨じな円
柱状の多孔質体２２が中空糸１６の束の中心部分に来る
ように同様に固定されており、またその開口部２３が形
成されている。このようにして構成した濾過素子はさら
にキャップａ１９、キャップｂ２０に設置したＯリング
２４により液密に蓋体２５及び筐体２６に設置されてい
る。蓋体２５には濾液出口２７、空気ぬき用のドレイン
ａ２８があり、筐体２６には濾過原液入り口２９、流体
流路３０、スラッジ取り出し用のドレインｂ３１が設置
されている。筐体２６はガスケット３２を介して止めね
じ３３により液密に固定され、容器を構成している。

濾過原液入り口２９より導入され中空糸膜１６に達した
濾過原液３４は、中空糸膜１６を通過する間に濾過され
、生じた濾液は中空糸の開口部２１よりキャップａｌＱ
側に出て、濾液出口２７より流出する。濾過によってス
ラッジは中空糸膜表面に堆積するが、次第に中空糸間を
一団となって覆い、多孔質体２２を中心として円柱状に
、断面でみるとドーナツ状に堆積する。流体流路３０よ
り水、空気等の流体を送り込み、中央部の多孔質体２２
に形成されている細孔より噴出させることによって、中
空糸間に一団となって堆積しているスラッジを外側に吹
飛ばすように除去することができる。中空糸膜１６より
分離されたスラッジはドレインｂ３１より排出される０
本実施例では、濾過素子−個が容器中に設置されている
が、複数の濾過素子を組み合わせ、より大きな容器中に
設置することにより濾過面積を拡大することができる。

第３図に第二の実施例を示した。精密濾過腹部分として
管状の親水性の多孔質濾過材４０を、スラッジ除去機構
として円管袋状のメツシュ４１を用い、その内部に流体
の流れを制御する機構を設置したものである。多孔質濾
過材４０は固定樹脂４２により各々保持固定され、さら
に蓋体４３に液密に固定されている０円管袋状のメツシ
ュ４１は、筐体４４に液密に固定されており、蓋体４３
と筐体４４をねじ部４６で接合することによって、円管
袋状のメツシュ４１の回りに多孔質濾過材４０が位置す
るように濾過素子が形成される。蓋体４３と筐体４４は
Ｏリング４７により液密にシールされる。濾過原液入り
口４８より導入された濾過原液４９は、多孔質濾過材４
０を透過する間に濾過され、生じた濾液５０は開口部５
１より出て濾液出口５２より流出する。スラッジは多孔
質濾過材４０の回りに堆積していくが、堆積量が多くな
ると、各多孔質濾過材間を覆う用になり、円管袋状のメ
ツシュ４１の回りをドーナツ状に取り囲むようになる。

円管袋状のメツシュ４１の内部、筐体４４との接合部分
にはボール状弁４５が設置されている。この弁は濾過原
液よりも重く、濾過時弁座部分５３に密着し、濾過原液
やその一部が流体流路５４へ流出するのが防止される。

スラッジ除去時、流体流路５４より水や空気等の流体を
導入すると、その圧力に−よってボール状弁４５が持ち
上げられて流路が形成され、流体は円管袋状メツシュ４
１の内部よりメツシュの隙間を通って外側に噴出し、回
りを取り囲むスラッジがそれによって多孔質濾過材表面
から剥離される。剥離されたスラッジは、ドレイン５５
より排出することができる０本実施例では、精密濾過膜
と、除去機構がおのおの、蓋体、筐体に予め設置されて
おり、濾過容器がいらないので、濾過素子をそのまま濾
過器として用いることができる。また、流体の流れを制
御する機構であるボール状弁が設置されているので、流
体流路の先に別に制御機構を設置しなくても良いという
利点がある。

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２５ｃｍ、膜面積
５００ｃｍ”の第２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（
Ｔｒｉｔｏｎ　Ｘ１００）を用いて親水化処理したもの
用いた。中央の多孔質体には、ポリエチレン製の円柱状
の多孔質体（外径１０ｍｍ、最大孔径２μｍ）を用いた
０本濾過素子を第４図に示した実験回路にセットし、濾
過圧２にｇ／　ｃ　ｍ”での加圧濾過を行った。スラッ
ジ除去は、２にｇ／　ｃ　ｍ”の加圧空気を用いて行っ
た。濾過原液には上水処理における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６０
中の濾過原液６１は加圧空気６２により濾過素子６３を
設置した濾過容器６４に圧送され、所定の濾過圧で濾過
が行われる。生じた濾液６５は濾液タンク６６に集めら
れる。スラッジ除去時は流体流路６７に設置した制御弁
６８を開けて加圧空気６２を濾過素子６３に送った０以
上の操作を一回として、繰り返しの濾過操作を行った。

比較例として、中央の多孔質体を取り除いて他は同様の
ものを作成して濾過実験を行った。

比較例では除去操作として、濾液回路６９に設置した停
止弁ａ７０を閉じ、停止弁ｂ７１を開けて上記と同様な
加圧空気６２を濾過素子に送り、逆洗を行った。

実験結果第５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
除去繰作を行うと、実施例では４回実施後もほぼ濾過開
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。

■精密濾過膜の近傍に除去機構が設置されており、該機
構より水や空気等の流体を噴出させることができ、これ
によって膜表面に堆積したスラッジの強制的な除去、洗
浄が容易に実施出来る。

■濾過素子が上記特徴を有するので、特殊な装置や高圧
での操作等を用いずに精密濾過膜よりスラッジの除去を
行うことが可能となり、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、は本発明の基本概念の例を示したものである。第２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３図は管状の多孔質濾過材を用いた第二
実施例を示した部分断面図である。第４図は実験回路を
示したもので、第５図は実験結果を示したものである。１・・・精密濾過膜３・・・連通部５・・・原液側７・・・固定隔壁ｂ９．５０．６５・・・濾液１１・・・スラッジ１５・・・精密濾過器１７．４２・・・固定樹脂１９・・・キャップａ２１・・・中空糸の開口部２３．５１・・・開口部２５．４３・・・蓋体２７．５２・・・濾液出口２９　、４８・・・濾過原液入り３１・・・ドレインｂ３３・・・止ねじ口２・・・中空状の構造物４・・・固定隔壁ａ６・・・濾液側８．３０．５４．６７・・・流体流路１０．３４，４９．６１・・・濾過原液１２・・・流体１６・・・中空糸膜１８・・・サポート２０・・・キャップｂ２２・・・多孔質体２４．４７・・・０リング２６．４４・・・筐体２８・・・ドレインａ３２・・・ガスケット５３・・・弁座部分６０・・・原液タンク６３・・・濾過素子６６・・・濾液タンク６９・・・濾液回路７１・・・停止弁す

Claims

【特許請求の範囲】

（１）精密濾過膜を用いた液体濾過用の濾過素子であっ
て、該濾過膜近傍に、濾過によって該膜表面に生じた液
体中の微粒子、懸濁物質等の堆積物を流体により強制的
に排除させる除去機構を有するように構成されているこ
とを特徴とする精密濾過素子。
（２）該除去機構の一部もしくはそれと連通する流体流
路の一部に、流体の流れを制御する機構が形成されてい
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）該除去機構が中空状の構造物であり、該構造物の
壁面の少なくとも一部には、内壁と外壁の連通部が形成
されてい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）上記精密濾過膜が複数の、連通する細孔を有する
管状の多孔質体であり、該多孔質体が上記除去機構の回
りに配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項ないし第３項記載の精密濾過素子。
（５）上記精密濾過膜が複数の中空糸状の濾過膜であり
、その中空糸束の内部に上記除去機構を有することを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項記載の精密
濾過素子。
（６）上記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項ないし第５
項記載の精密濾過素子。