JPS609841B2 - 流体分離装置 - 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ものである。

近年多成分より成る流体混合物より一部の成分を分離す
る方法として選択透過性を有する膜を用いる膜分離法が
注目され、既に一部では実用化されている。

膜分離法の適用分野としては気体透過、液体透過、透析
、限外濠過、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、各種廃水の浄化
、蛋白の精製、油水分雛、人工腎臓、人工肺、天然ガス
よりのヘリウムの分離などをあげることができる。従来
種々のタイプの膜分離装置が提案されてきたが平模型、
管状膜型および中空糸膜型がその代表的なタイプである
。これらの中で中空糸膜型は膜壁が流体に対して選択透
過性を有する中空糸を装置内に多数配置して流体に接触
させるものであり、装置の単位容積あたりの膜面積がき
わめて大きいこと、中空糸目体が耐圧性を有するため膜
支持体を必要としないこと、未処理流体と透過流体とを
隔てるシール機構が簡単であることなどの利点を有する
。しかしながら従来提案されている中空糸膜型の膜分離
装置はいずれも満足すべきものではなく幾つかの欠点を
有する。

持公昭３９一２８６２５号公報には管状の耐圧容器に軸
方向に平行に中空糸東を収容する構造の装置が開示され
ているが、この構造では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行であるた
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が発生し装置の透過
能力が抵下する欠点がある。特開昭４７−８５９５号公
報は薄い多孔性物質に中空糸を固定したものを処理流体
の分散管のまわりにスパイラル状に巻きこむことにより
製造した円筒状の中空糸組立体を管状耐圧容器に収容し
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著しく改良されて
いるが、多孔性物質の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
糸組立体の組立工程が複雑であり組立装置が大規模にな
るとともに中空糸の級糸・製造工程と中空糸組立体の組
立工程の直結が困難である。特公昭５０−５１５３号公
報は中空円筒体のまわりに中空糸をらせん状に巻きつけ
た後中空糸層の端部に耐圧壁を形成させるものを示して
いる。

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はあるが、中空円筒体に中空
糸を巻く工程において、選択透過性を有する中空糸は一
般の糸に比べて強度に劣るため強い張力で与えることが
できず従って筒状部に形成される中空糸層がくずれ易く
安定した形状の層を形成し難いという欠点がある。本発
明者らは従来法の欠点を改良すべく種々検討の結果、管
状体の表面に中空糸を巻きつけるなどの方法により配置
する工程において、中空糸の配置と並行して糸状または
紐状のスベーサーを配置して行き、しかも中空糸とスベ
ーサーが交叉するように配置する操作をくり返し行うこ
とにより管状体の表面に円筒状の層を形成する方法をと
ると、簡単な方法で膜分離性能の優れた中空糸組立体を
製造できること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
糸が糸状または紐状のスベーサーとともに管状体の表面
に互に交叉して配置され「上記管状体の表面に上記中空
糸と上記スべ−サーよりなる円筒状の層が形成されてお
り、かつ管状体の片端部または両端部において樹脂壁が
設けられ、上記中空糸が該樹脂壁を流解状態で貫通して
外部に閉口している中空糸組立体を備えることを特徴と
する流体分離装置である。本発明の膜分離装置は選択透
過性の中空糸が糸状または紐状のスベーサーと交叉して
管状体の表面に配置されているので相隣れる中空糸の間
に適当な間隙が形成されており、また各々の中空糸は簡
単に移動することなくしつかりと保持されており中空糸
層の糸くずれが起らない、従って膜分離操作において膿
面積が有効に働くと共に処理流体の流れが均一であり流
速の極度に小さい個所がないので濃度分極現象がほとん
ど起らず透過能力が大きい。

また本発明では糸状または紐状のスべ−サーの大きさと
配置密度を中空糸の配置密度とは独立に変えることがで
きるので相隣れる中空糸間の間隙を自由に調節でき、シ
ート状の多孔体を配置する場合のように不必要に中空糸
充填密度が減ぜられることはない。しかも本発明の中空
糸組立体は供孫台される中空糸のトラバース機構と管状
体の回転との組みあわせだけで製造することが可能であ
り、組立工程の機械化と自動化が容易である。本発明で
用いる中空糸は外径が１０〜１０００ミクロン、中空率
が３〜８０％でありその膜肇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が、例えば酢酸セ
ルロース、ヒドロキシェチルセルロース、シアノェチル
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、ポリビニルアセタール、ポリ
アクリルニトリル、ポリアクリル酸ヱステル、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ピニル
、ポリテトラフルオロエチレン、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
ーＬーグルタメート、ナイロン４、ナイロン６、ナイロ
ン６０ 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−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。

本発明で用いる管状体は軸方向長さが中心軸に直角な方
向の最大長さの５倍以上の柱状体であり中空であっても
中空でなくとも良く、また円柱であっても角柱状であっ
ても良い。

管状体を処理流体の分散管あるいは濃縮流体の集東管と
して使う場合に好適な管状体の例としては多孔性磁器管
、多孔性金属管、多孔性プラスチック管、多数の孔のあ
いた金属管、軸万向のスリットをもつプラスチック管、
ガラス繊維を編むことによって製造した多孔繊維管など
ある。管状体を分散管あるいは集東管として使う必要の
ない場合は管状体として多孔質でない一般の中空糸ある
いは中空でない棒状体を用いれば良い。本発明において
選択透過性を有する中空糸と糸状または紐状のスベーサ
−との管状体の表面に配置する方法は管状体の筒状部の
外周に螺線状に巻‐きつけて行く方法をとっても良く、
あるいは管状体の両端面を通って外周を一回転すること
なく筒状部を通過させる方法をとって良い。

後者の方法を用いる場合中空糸またはスベーサーを管状
体の端面に通過させる方法は端面を直線状に横断させる
方法をとっても良いし、あるいは管状体の端部に中心軸
を設けて端面外周を横断した中空糸あるいはスベーサー
がこの中心軸を経由し１８０度以下の角度をもって折返
し再び外周を横断する方法をとっても良い。また管状体
の筒状部に螺線状に巻きつけかつ片方または両方の端面
を通過させる方法をとっても良い。中空糸の配置とスベ
ーサーの配置方法は異なる方法をとることが必須である
。つまり中空糸とスベーサーが管状体の表面上に異なる
角度で互に交叉して配置させることが重要である。即ち
、中空糸が糸状または紐状のスベーサーと異なる角度で
交叉して管状体の表面に配置されているので相隣れる中
空糸の間に適当な間隙が形成されており「 また各々の
中空糸は簡単に移動することなくしつかりと保持されて
おり中空糸層の糸くずが起らない。従って膜分離操作に
おいて膜面積が有効に働くと共に処理流体の流れが均一
であり流速の極度に小さい個所がないので濃度分極現象
がほとんど起らず透過能力が大きくなる。本発明で用い
る糸状または紐状のスベーサーは選択透過性を有する中
空糸と同材料であっても良くあるいは異なる材質であっ
ても良い。糸状のスベーサーの形態としては、モノフィ
ラメント、マルチフィラメント、紡績糸のいずれでも良
く、ナイロン糸、ポリエステル糸、綿糸などを用いるこ
とができる。また紐状のスベーサーの例としては繊維よ
り構成される紐状体、軟質のプラスチック管（中空のも
のおよび中空でないものを含む）、あまり幅広でないテ
ープ状物質が挙げられ、その断面の形状は円形であって
も良くあるいは三角形や歯車形であっても良い。本発明
において樹脂壁を構成する樹脂は、硬化前の流動性のあ
る液体であって硬化によって固化して硬い樹脂となるも
のが好ましく、例えばェポキシ樹脂、シリコーン樹脂、
ポリウレタン樹脂、フェノールホルマリン樹脂、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など
が用いられる。

本発明において樹脂壁を形成させるために樹脂を注入す
る方法としては、中空糸を管状体に配置する工程におい
て中空糸の配置と並行して樹脂液を連続的に中空糸の上
に帯状に塗布しても良いし、あるいは中空糸の配置が完
了した後中空糸層の端部に樹脂を浸透させる方法をとっ
ても良い。樹脂壁を形成する位置は該管状体の片端部と
しても良いし、あるいは該管状体の両端部に樹脂壁を形
成させても良い。この場合中空糸層の端部を内部に含む
形で樹脂壁を形成した後樹脂壁を中心軸にほぼ垂直な方
向に切断して樹脂壁の外側に中空糸を関口ごせる方法が
好ましいが、中空糸層の端部のわずかに内側に樹脂壁を
形成し樹脂壁の外側にわずかに突出している中空糸層を
中心軸にほぼ垂直な方向で切断して樹脂壁の外側に中空
糸の開□端を形成することも可能である。本発明におけ
る樹脂壁は必らずしも中心軸に垂直な方向に形成する必
要はなく、例えば円筒体状の中空糸組立体の片端部また
は両端部の中心軸附近に中心軸を含む中空円筒状の樹脂
壁を形成させてもよく、あるいは円筒体状の中空糸組立
体の側面に中心軸に平行な長板状の樹脂壁を設けてもよ
い。

このようにして製造した中空糸組立体は常法によって円
筒状の圧力容器に収納し、中空糸開□端側の流体と中空
糸層側の流体とが混合しないようにシール機構を設けて
各種の流体分離操作に用いられる。

本発明の膿分離装置の具体的な応用例としては、ヘリウ
ムの回収、水素の精製、人工肺などの気体透過、混合キ
シレンからパラキシレンを分離するような液体透過、人
工腎臓のような透析、酵素の精製、油水分離、雷着塗装
排水よりの塗料の回収などの限外猿過、海水や地下かん
水の淡水化、廃水の浄化、廃水よりの有用物の回収、ジ
ュースの濃縮などの逆浸透法などを挙げることができる
。

以下に本発明を図に示した具体例に従ってさらに詳しく
説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

第１図、第２図および第３図は本発明において選択透過
性を有する中空糸４と糸状または紐状のスベーサ−６を
管状体の表面に配置する場合の配置状況の具体例を漠式
的に理解しやすい形で図示したものである。第１図は選
択透過性を有する中空糸４（織線で示す）を管状体１の
筒状部に螺線状に巻きつける方法で配置し、一方糸状ま
たは紐状のスべ−サー６（太線で示す）は管状体１の両
端面を直線上に通過させかつ管状体１の筒状部をその外
周に一回転することなく通過させる方法で配置した例を
示す。第２図はその両端に中心軸を有する管状体１を用
い、選択透過性を有する中空糸４は中心軸を経由して折
り返す形で両端面を通過させかつ管状体１の中心軸にほ
ぼ平行な方向で筒状部に配置し、一方糸状または紐状の
スべ−サー６は管状体の筒状部に螺線状に巻きつける方
法で配置した例を示す。第３図は選択透過性を有する中
空糸４を管状体の筒状部に螺線状に巻きつけかつ片端面
を直線状に横断させる方法で配置し、一方糸状または紐
状のスベーサ−６は管状体の筒状部に螺線状に巻きつけ
る方法で配置した例を示す。第４図は本発明において選
択透過性を有する中空糸と糸状または紐状のスベーサー
を管状体の表面に配置する方法の−具体例を示したもの
である。

管状体１の回転は駆動軸３を有する回転円筒体の回転を
表面伝達することによって行われる。中空糸４は管状体
１の中心軸に平行に往復運動を行うトラバーサー５の糸
道ガイドを通じて供給され、管状体１の筒状部に螺線状
に巻かれて行く。一方糸状または紐状のスベーサー６は
管状体１の中心軸に平行な方向で往復運動を行うトラバ
ーサー７の糸道ガイドを通じて中空糸４とは逆方向から
管状体１に供給され、管状体１の筒状部に螺線状に巻か
れる。より具体的に説明すれば第４図においてまず中空
糸４をトラバーサー５の糸道ガイドを通じて供給し管状
体１の筒状部に螺線状に巻きつける。次いで中空糸４の
供給をやめ糸状または紐状のスベーサー６をトラバーサ
ー７の糸道ガイドを通じて中空糸４とは逆方向から中空
糸と異なる角度で管状体１に供給し前記中空糸層の上に
螺線状に巻きつける。この後スベーサー６の供給をやめ
再度中空糸４のスベーサ−と異なる角度の供Ｖ給、配置
をくり返し行なうことによって中空糸とスベーサーを交
互に異なる角度で配置して行き、管状体１の表面に中空
糸とスベーサーより成る円筒状の層を形成する。第４図
に示した方法により中空糸またはスベーサーが管状体の
端面を通過するように配置することもできる。

本発明における中空糸およびスベーサーの配置方法は第
４図の方法に限定されない。例えば中空糸およびスベー
サーを供給する糸道ガイドの円形運転と往復運動、管状
体の中心軸まわりの回転運動と中心軸方向の往復運動を
適当に選択し組合わせることにより、第１図、第２図お
よび第３図に示した中空糸およびスベーサーの配置を実
現し得ることは当業者であれば容易に理解できるところ
である。第５図は本発明の中空糸組立体を円筒状の容器
に収容した膜分離装置の断面図を示す。

多数の孔のあいた管状体８、処理流体入口管１１、中空
糸とスべ−サーより成る層９および樹脂壁１０で構成さ
れる中空糸組立体が円筒状ケーシング１２に収容されて
いる。第５図に示した中空糸組立体は第２図に示して中
空糸およびスベーサ−の配置方法によるものであり、中
空糸は管状体の両端面を通過する形で配置しスベーサー
は管状体の筒状部に螺線状に巻きつける方法で配置しさ
らに片端部に管状体の中心軸にほぼ垂直な樹脂壁を形成
したものである。第５図において樹脂壁１０‘こ接して
多孔質物質より成る円板１３をはさんでサイドプレート
１４が設けられ、樹脂壁１０と反対側にはサイドプレー
ト１５が設けられている。またサイドプレート１４，１
５を支持するためにＣ型リング１６，１７がケーシング
１２にはめこまれており、流体をシールするために弾性
リング１８，１９，２０，２１が配置されている。入口
管１１に供給された処理流体は入口管１１を通って多数
の孔のあいた管状体８‘こ入り管状体の管壁を適して中
空糸とスべ−サーより成る層９に流入する。中空糸の壁
を透過した透過流体は中空糸内を通って樹脂壁１０の外
側の開□端に達し、多孔性物質より成る円板１３を通過
して透過流体出口２３に集められ排出される。一方中空
糸の壁を透過しなかった濃縮流体は出口管２２より取出
される。なお、上記の操作とは逆に処理流体を出口管２
２に供給し濃縮流体を入口管１ １より取出すことも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明において選択透過性を
有する中空糸と糸状または紐状のスベーサーを管状体の
表面に配置する場合の配置状況の具体例を模式的に示し
た図である。 第４図は本発明において選択透過性を有する中空糸と糸
状または紐状のスベーサーを管状体の表面に配置する方
法の一例を示す。第５図は本発明の中空糸組立体を備え
た膜分離装置の断面図である。１・・・管状体、４・・
・中空糸、６・・・スベーサー、１０・・・樹脂壁、１
２・・・円筒状ケーシング。 多１図尊２図 多３図 多４図 多５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管状体の
   表面に所定の角度で配置し、更に上記中空糸と異なる配
   置角度の糸状または紐状のスペーサーを配置し、これを
   繰り返して上記管状体の表面に上記中空糸と上記スペー
   サーとが交叉して配置された円筒状の層が形成されてお
   り、かつ管状体の片端部または両端部において樹脂壁が
   設けられ、上記中空糸が該樹脂壁を流密状態で貫通して
   外部に開口している中空糸組立体を備えることを特徴と
   する流体分離装置。