JPS6013722B2 - 膜分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、その膜壁が流体に対して選択透過性を有する
中空糸を用いた膜分離装置に関する。

腰分離法は流体に対じて．選択透過性を有する透過膜を
用いて多成分よりなる流体混合物より一部の成分を分離
する操作であり、その適用分野としては気体透過、液体
透過、透析、限外猿過、逆浸透などの方法があり、具体
的な応用例としては、海水の淡水化、かん水の脱塩、各
種排水の浄化、果物ジュースの濃縮、蛋白の精製、油水
分離、人工腎臓、人工肺などを挙げることができる。従
来中空糸を用いた膜分離装置として多くの提案がなされ
ているが、その代表的な例として‘１｝特公昭３９−２
８６２５、（２｝特開昭４７−８５９５、‘３｝特公昭
５０一５１５３をあげてその問題点を以下に説明する。
ｔｌ｝ 特公昭３９−５８６２５は筒型容器内に軸方向
に平行に「中空糸東を収容する構造であるが、中空糸が
互に平行に配置されているために中空糸相互の接触がお
こり有効な膜面積が小さい欠点がある。また流体の流れ
方向と中空糸の配置方向が平向であるために流体の流れ
が不均一になりやすく、局部的に流速の異常に小さい部
分が生じて濃度分極現象によって装置の透過能力が低下
する欠点がある。■ 特関昭４７−８５９５は薄い多孔
性物質に中空糸を固定したものを分散管のまわりにのり
巻状に巻きこむことによって形成した円柱状の中空糸組
立体を筒型容器に収容した構造を示している。この構造
は処理流体の流れの均一性が改良されているが、多孔性
物質を中空糸層の間に多数配置するために中空糸の充填
密度が小さくなる欠点がある。また中空糸がほとんど平
行に配置されているので中空糸相互の接触がおこり有効
な膜面積の減小は避けられない。また中空糸組立体の組
立装置が大規模になり、中空糸の紡糸工程と中空糸組立
体の組立工程の直結が困難である。（３’侍公昭５０一
５１５３は中空円筒体のまわりに中空糸を螺旋状に巻き
つけて中空糸層を形成し、中空糸層の端部に耐圧壁を設
けるものである。

この方法は中空糸組立体の組立工程の機械化、自動化が
容易であり好ましい方法であるが、中空糸組立体の軸方
向の長さをあまり大きくできないという欠点がある。一
般に中空糸の関口端間の長さは中空糸内を流れる流体の
圧力損失によって制限され、例えば逆浸透法の場合には
中空糸の長さをある限度を越えて大きくしても処理流体
の透過能力にはほとんど寄与しない結果になる。特公昭
５０−５１球は中空円筒状に中空糸を螺旋状に多数回巻
きつけた構造であり、中空糸の長さを制限すると中空糸
組立体の軸万向長さは必然的に小さくなる。従って大容
量の処理プラントに対しては多数の小規模装置を配管で
接続する結果になり経済的な方法とは言えない。本発明
者らは【３｝の方法の欠点を政良すべく中空糸の配置方
法、中空糸層の形成方法、樹脂壁の成型方法を種々検討
した結果、中空糸層の鞠方向長さに比べて中空糸の長さ
が比較的小さくかつ有効な膜面積の大きい中空糸組立体
の製造方法を見出し本発明に到達した。すなわち本発明
は流体に対して選択透過性を有する中空糸を芯管上に該
芯管の周方向に一周することないこ一方の端部から他方
の端部に達するように配置し、端部に達した中空糸は端
部で折返して順次配置し、上記芯管上に中空糸が互に交
叉童畳した中空糸層を形成せしめ、該中空糸層の片端部
または両端部において樹脂壁を設け、該中空糸が該樹脂
壁の少くともひとつを貫通して外側に閉口するように加
工した中空糸組立体を備える膜分離装置である。

本発明の膿分離装置は中空糸が芯管の円筒状外周に周方
向に一周することないこ配置されているので、中空糸層
端部間の中空糸長さが中空糸層の端部間長さにほとんど
等しい。

このように本発明においては中空糸層端部間の中空糸の
長さを比較的小さくとれるので中空糸内部の流路を流れ
る流体の圧力損失を小さくするために中空糸層の麹方向
長さを制限する必要がなく、軸方向に充分に長い中空糸
組立体をつくることができる。また膜分離装置は上記の
中空糸組立体を容器内に収納して構成するが、本発明に
おいては中空糸組立体が充分に長く処理能力が大きいの
で流体処理能力あたりの装置コストを小さくできる利点
がある。一般に流体分離プラントは膜分離装置を多数組
み合わせて配管で接続して構成するが、本発明の腰分離
装置は処理能力を大きくできるために分離プラントを構
成する膜分離装置の個数が少なくなり配管、継手「計装
品などに関しては装置費を低減させることができその利
点は大きい。前記した袴公昭５０−５１５３中空糸の組
立体では中空糸が一端から他端へ移動する間に一つの層
を形成し、次に端部で折返した中空糸はその層の上に新
たな層を形成するというように中空糸は順次独立した層
を形成しながら積層されている。

これに対して本願発明の場合は糸がトラバースによって
配置される際には独立した層を形成せず順次交差する糸
条に対しては同じ平面位置をとることなく上下して立体
的に交差しているのである。このため本発明における中
空糸組立体では多数の中空糸が膜分離操作中にも移動す
ることなく互いにその位置を保持し、従って中空糸層の
型くずれや片寄り現象がおこらない。また中空糸が互い
に立体的に重畳しているため中空糸間に適当な間隙が保
持されており、処理流体の均一な流れを実現することが
できる。また中空糸が平行に配置されている場合には中
空糸間の接触によって有効な膜面積が減少するが、本発
明においては中空糸間の接触が少ないので有効な膜面積
が大きい。本発明における中空糸の交差角度は５〜６０
度が好ましく１０〜３０度がさらに好ましい。

交差角度が小さ過ぎると中空糸間の接触がおこり有効な
腰面積が小さくなる。一方中空糸の交差角度が大きすぎ
ると中空糸の充填密度が小さくなり膜分離装置の単位容
積あたりの膜面積が小さくなる。このように中空糸の交
差角度には適当な範囲があるが、特公昭５０一５１５３
のように中空糸が芯管のまわりに螺旋状に巻かれている
場合には中空糸の交差角度を小さくすると必然的に中空
糸長さが大きくなる欠点を生じる。一方本発明の構造は
中空糸の交差角度を４・さくしても中空糸長が大きくな
らない利点を有する。また各々の中空糸は互に他の中空
糸と交叉しつつ軍畳しており、中空糸の間に適当な間隙
が保持されている。この場合中空糸は少なくとも５層以
上、好ましくは１０層以上重畳させることが好ましい。
本発明の他の特徴として極めてコンパクトで簡単な組立
装置によって中空糸組立体を製造できる点が挙げられる
。

本発明の中空糸組立体は芯体の回転機構と中空糸のトラ
バース機構とを基本としたコンパクトな組立装置で製造
することができるが、特に鞄方向に長い中空糸組立体を
製造する場合にこの利点が大きい。また本発明の場合組
立工程の機械化と自動化が容易であり、また中空糸組立
体の組立工程を中空糸の織糸製腰工程に直結することも
可能である。本発明で用いる中空糸は外径が１０〜１０
００ミクロン、中空率が３〜８０％でありその膜壁が流
体に対して選択透過性を有するものであれば特に限定は
ない。

これらの中空糸の腰壁は均質、微小多孔質、異万性のい
ずれでも良く、またその紙糸方法は溶融級糸、緑式級糸
、乾式級糸およびこれらを組合せた方法のいずれを用い
ても良い。中空糸を構成する材料としては例えば酢酸セ
ルロース、ヒドロキシエチルセルロース、シアノエチル
セルロース、再生セルロースなどのセルロース系重合体
、ポリビニルアルコール、ポリピニルアセタール、ポリ
アクリルニトリル、ポリアクリル酸ェステル、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル
、ポリテトラフルオロェチレン、などのビニル系重合体
、ポリスチレンスルホン酸ーポリビニルベンジルトリメ
チルアンモニウムの高分子電解質コンプレックス、ポリ
−Ｌ−グルタメート、ナイロン４、ナイロン６、ナイロ
ン６６、ポリジメチルピベラジンフマラミド、ポリジメ
チルピベラジンイソフタラミド、ポリジメチルピベラジ
ンテレフタラミド、ポリパラキシリレンアジパミド、ポ
リパラキシリレンイソフタラミド、ポリパラキシリレン
テレフタラミド、ポリメタフエニレンイソフタラミドな
どのポリアミド、ポリパラフエニレンテレフタラミド、
ポリヒドラジド、ポリアミドヒドラジド、ポリベンツイ
ミダゾール、ポリイミダゾピロロン、ポリカーボネート
、ポリフエニレンホキシド、ポリスルホン、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、シリ
コーン樹脂、あるいはコラーゲンなどから得られる中空
糸を挙げることができる。本発明で用いる芯管は中空円
筒管が好ましいが中空でなくても良く、また角柱状であ
っても良い。芯管を処理流体の分散管あるいは集東管と
して用いる場合に好適な例としては多孔性暁給金属管、
多孔性プラスチック管、多数の孔をあげたプラスチック
管、鞄方向のスリットを有する金属管、繊維を編んで構
成した繊維管、線材で形成した絹状円筒などがある。芯
管を分散管あるいは集東管として使う必要のない場合に
は芯管として多孔質でない一般の中空管あるいは中空で
ない棒状体を用いればよい。また断面が例えば十字型の
ような分岐状柱体を用いて分岐部と中空糸層とから構成
される空間に処理流体を流す方法をとっても良い。本発
明において樹脂層を構成する樹脂は硬化前に流動性のあ
る液体であって硬化によって固化して硬い固体となるも
のが好ましく、その代表例としてヱポキシ樹脂、シリコ
ーン樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂
、ポリエステルアクリレート樹脂を挙げることができる
。

本発明においては中空糸を芯管のまわりに柱体の形状を
維持しつつ順次配置し、しかもこの場合中空糸が柱体の
一方の端部で折返して周方向に一周することないこ他の
端部に達するように配置する。

中空糸は柱体の端部間において周方向に一周することな
く端部間を往復する形で配置されるので、端部において
中空糸を芯管に固定する手段が必要である。以下に図に
よって本発明を具体的に説明する。第１図は本発明の中
空糸配置方法の一具体例を示す。

芯管１は矢印の方向に回転しており、糸道５は芯管１の
ほぼ端部間を芯管１に近接して往復運動しており、中空
糸２は糸道５を通じて芯管１の外周上に供給される。一
方固定糸３，４が芯管１の端部の微小区間を往復運動す
る糸道６，７を通じて供給されており、固定糸３，４は
芯管１の端部近辺において中空糸２を押えて固定するよ
うに工夫されている。この場合固定糸３，４のかわりに
テープあるいは接着テープを用いることもできる。第２
図は本発明の中空糸配置方法の他の具体例を示す。

この方法は第１図の方法に近似するが、中空糸が固定糸
にひっかけられて配置される点が異なる。この場合中空
糸２の糸道５が芯管１の端部近辺に位置する時点で固定
糸３，４の糸道６，７を芯管１のまわりに回転させるこ
とによって固定糸３，４が中空糸２と交差するように工
夫されている。第３図および第４図は本発明の中空糸配
置方法の他の具体例を示す。

この場合芯管１は多数の突起８を備え、芯管１のほぼ端
部間をトラバースする糸道５を通して供給された中空糸
２は突起８にひっかけられて折返し芯管１の外面上に配
置される。中空糸２は一本の突起８にひっかけて折返し
てもよく、あるいは円周方向に離れた二本の突起８を経
由して折返してもよい。第５図は本発明の中空糸組立体
の−具体例を示す斜視図である。

この場合の中空糸組立体はまず第１図に示した方法で芯
管１のまわりに中空糸を積層して柱状の中空糸層１１を
形成し、その両端部に樹脂を注入して固化成型して中空
糸を内部にふくむ樹脂壁１２，１３をつくり、さらにそ
の一方の樹脂壁１２を芯管１にほぼ垂直に切断して中空
糸の閉口端を形成することによって構成したものである
。第６図は第５図に示した中空糸組立体を容器内に収容
した膜分離装置の断面図を示す。

第６図において中空糸層１１、中空糸層１１に接する部
分においてスリット状の開□を有する芯管１および樹脂
壁１２，１３で構成される中空糸組立体が円筒状の容器
１４に収容されており、樹脂壁１２の側には環状体１５
をはさんでサイドプレ−ト１６が配置され、また樹脂壁
１３の側にはサイドプレート１７が配置される。ここで
サイドプレート１６は中空糸の内部に通じる流体入出口
１８を備え、またサイドプレート１７は中空糸の外側に
通じる流体入出口１９，２０を備える。サイドプレート
１６，１７は容器１４の内側にはめこまれたスナップリ
ング２１，２２により支持され、また流体をシールする
機構として弾性リング２３，２４，２５，２６が設けら
れている。第６図に示した膜分離装置を逆浸透法に適用
する場合について説明すると、まず流体入出口２０に供
給された処理流体は芯管１内を流れてスリット口を通過
し中空糸層１１に流入する。

処理流体が中空糸層１１を通過する間に処理流体の一部
は中空糸の膜壁を透過し、透過流体は中空糸内の流路を
通って樹脂壁１２の外側の閉口端に達し、環状体１５で
形成される室を通って流体入出口１８より流出する。一
方中空糸の膜壁を透過せずに中空糸層１１を通過した処
理流体は流体入出口１９より取出される。実施例 １ セルローズアセテートからなる中空糸（外径２０蚊、内
径９坪）３０本を束ねた中空糸東を用いて側面に多数の
孔を有す芯管（長さｌｍ、外軽３７帆）の外周上に配置
するに際し、上記中空糸東を第１回に示した方法で芯管
を３回転させるに対して上記中空糸東を供給するトラバ
ースを２往復させ、端部においてのみ２叫のナイロン糸
で押えながら、中空糸が互に密接するよう芯管上に配置
して外径２０仇吻の中空糸層を形成せしめ、柱状の中空
糸柱状体をつくった。

続いて中空糸柱状体の両端部にヱポキシ樹脂を注入し固
化して壁厚１０伽程度の樹脂壁を形成せしめ、一方の樹
脂壁を芯管の軸に対して垂直方向に切断して中空糸が該
樹脂壁を貫通して外側に開□するようにした中空糸組立
体を得た。これを第６図に示す膜分離装置に設置し、１
５０奴肌塩化ナトリウム水溶液を供給水として２５『○
、３０ｋ９／地の圧力で供給流量３０〆ノＤ供給して逆
浸透テストを行なった結果を第１表に示す。（注）水回
収率（％）＝霧翼塵Ｘ，。

。比較例 １ 特公昭５０−５１５３に記載の中空糸組立体を製造した
。

即ち、芯管上に中空糸を配置する際芯管を５０回転させ
るに対して中空糸東を供給するトラバースを１往復させ
て芯管上に中空糸を螺旋状に巻きつけた以外は、全て実
施例１と同様の条件で中空糸組立体を作成した。以下実
施例１と同様の方法で得られた中空糸組立体を用いて逆
浸透テストを行ないその結果を第１表に示す。実施例
２ 比較例１と本発明の中空糸組立体の逆浸透性能を比較す
るために、比較例１の中空糸組立体のように中空糸充填
密度の低い組立体を得るようにして、本発明の中空糸組
立体を作成した。

中空糸組立体の製造は実施例１と同一の条件、方法で行
なった。以下、比較例１と同量の供給流量で被処理液を
供給して逆浸透テストを行なった結果を第１表に示す。
実施例 ３ 実施例２と同様の中空糸組立体を作成した。

得られた中空糸組立体を用いて逆浸透テストを行なう際
、比較例１の中空糸組立体と同様水回収率を低くして逆
浸透性能を測定した。結果を第１表に示す。第 １ 表 以上の実験例から本願発明に係る中空糸組立体は比較例
に示した公知の組立体に比較して水透過量が大きく塩除
去率も大きいことは明らかである。

又回収率が大、即ち一定量の原水から多くの精製水の得
られるのも本発明の特徴である。比較例の場合、モジュ
ール両端間の中空糸の長さはどうしても長いものとなる
が、本発明ではその長さをかなり短縮され、透過水の内
部圧力による有効圧力の減少を防止し、透過量の低下を
防ぐことが出来る。又本発明の組立体においては中空糸
が層を作ることなしに配置されているので芯管から水が
放射状に供孫舎され、偏流をおこすことがないので濃度
分極を防止し結果として高い塩除去率が得られるのであ
る。比較例の場合は糸が順次層をなして配置されるので
芯管から供給された水がそのまま外側に向って放射状に
流れるのを防げ、層になった偏流を生じこのために濃度
分極を生じ、９０％以上の高い塩除去率を得ることは出
来ない。この様な低い塩除去率では実用的な逆浸透装置
として使用することは出来ない。比較例に示した公知の
組立体では中空糸の高い充填密度を得ることが困難であ
るが、本願の場合は実施例１の様に５０％をこす高い充
填密度を得ることが出来、装置の単位容積当りの処理能
力を増大させることが出釆る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図および第４図は本発明において
芯管に中空糸を配置する場合の配置方法の具体例を示す
斜視図、第５図は本発明の中空糸組立体の一例を示す斜
視図、第６図は本発明の膜分離装置の一具体例の断面図
である。 孫１図 彰２図 菱３図 多４図 努５図 多ら図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体に対して選択透過性を有する中空糸を芯管上に
   該芯管の周方向に一周することなしに一方の端部から他
   方の端部に達するように配置し、端部に達した中空糸は
   端部で折返して順次配置し、上記芯管上に中空糸が互に
   交叉積層した中空糸層を形成せしめ、該中空糸層の片端
   部または両端部において樹脂壁を設け、該中空糸が該樹
   脂壁の少くともひとつを貫通して外側に開口するように
   加工した中空糸組立体を備える膜分離装置。