JP2012030194A - 中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュール濾過装置および海水淡水化前処理濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充分な流束を確保して、効率的な濾過処理を行うことができる中空糸膜モジュールおよび中空糸膜モジュール濾過装置を提供する。
【解決手段】中空糸膜の外表面側から内表面側に向けて原水を濾過する中空糸膜モジュール濾過装置に用いられる中空糸膜モジュールであって、開口端を有する複数本の中空糸膜が所定の間隙を設けて配置された中空糸膜束と、中空糸膜束の一端に設けられ中空糸膜の開口端とは反対側の端部を封止および固定する封止端部材とを備えており、間隙に原水を供給する開口部が封止端部材に設けられている中空糸膜モジュール。前記中空糸膜モジュールが外筒に収納されている中空糸膜モジュール濾過装置であって、外筒の一端に原水供給口が設けられ、他端に濾過水取出口が設けられており、中空糸膜モジュールに設けられた封止端部材が原水供給口に対向するように、中空糸膜モジュールが配置されている中空糸膜モジュール濾過装置。
【選択図】図１

Description

本発明は中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュール濾過装置および海水淡水化前処理濾過装置に関し、詳しくは、排水処理や海水淡水化等に用いられ、高い流束を有する中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュール濾過装置および海水淡水化前処理濾過装置に関する。

近年、排水処理システムや海水淡水化システム等において、複数本の中空糸膜を集束して形成された中空糸膜モジュールを用いて、海水等の原水を濾過する中空糸膜モジュール濾過装置が提案されている。そして、その濾過方式としては、中空糸膜の内表面側から外表面側へ濾過する方式（内圧式）に比べて、単位容積当たりの濾過に寄与する膜面積を大きく確保することができ、コスト的に有利である中空糸膜の外表面側から内表面側へ濾過する方式（外圧式）が広く採用されている（例えば、特許文献１、２）。

特開平５−５７１５４号公報 特開平５−２１２２５４号公報

しかしながら、外圧式であっても、従来の中空糸膜モジュール濾過装置は、充分な流束（単位面積、単位時間あたりの濾過量）が確保されているとは言い難く、さらなる効率的な濾過処理が望まれていた。

そこで、本発明は、充分な流束を確保して、より効率的な濾過処理を行うことができる中空糸膜モジュール、中空糸膜モジュール濾過装置および海水淡水化前処理濾過装置を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意研究を行った結果、以下の各請求項に示す発明により、上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求毎に説明する。

請求項１に記載の発明は、
中空糸膜の外表面側から内表面側に向けて原水を濾過する中空糸膜モジュール濾過装置に用いられる中空糸膜モジュールであって、
開口端を有する複数本の中空糸膜が所定の間隙を設けて配置された中空糸膜束と、
前記中空糸膜束の一端に設けられ、前記中空糸膜の前記開口端とは反対側の端部を封止および固定する封止端部材とを備えており、
前記間隙に原水を供給する開口部が、前記封止端部材に設けられている
ことを特徴とする中空糸膜モジュールである。

本発明者は、上記の課題を解決するに当って、従来の中空糸膜モジュールについて、その構造や濾過機構等、種々の面より分析、検討を行った。その結果、従来の中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜束の中心部に近い中空糸膜ほど原水が十分に供給されていないため、中空糸膜モジュール内での原水の流れが一様でなく、中空糸膜モジュール全体として、充分な流束を得ることが困難となっていたことが分かった。

これを図８に基づいて詳しく説明する。図８は、従来の中空糸膜モジュール濾過装置の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は装置全体の断面図であり、（ｂ）は封止端部の平面図である。図８（ａ）に示すように、従来の中空糸膜モジュール濾過装置において、中空糸膜モジュール５１は、多数の中空糸膜５２を集束することにより中空糸膜束５３を形成し、中空糸膜束５３の一端に、各中空糸膜５２の一端を封止および固定する封止端部材５４が設けられて構成されており、封止端部材５４が外筒５５の原水供給口５８に対向するように外筒５５に収納されている。封止端部材５４としては、図８（ｂ）に示すように、開口部のない円盤状の平板が用いられている。なお、６０、６１は、例えば、外筒５５内の清掃時等の用いられる原水排水口である。

そして、外筒５５の原水供給口５８から取り込まれた原水は、封止端部材５４により流水方向が変更させられ、中空糸膜束５３と外筒５５の間隙５６、即ち、中空糸膜束５３の外周部に送られ、さらに、中空糸膜束５３の外周部から、多くの中空糸膜５２間の間隙に供給される。

各中空糸膜５２の外表面に至った原水は、中空糸膜５２の外表面側から内表面側に向けて濾過される。濾過された濾過水は、中空糸膜５２の内部を集水室５７に向けて送られ、濾過水取出口５９から外部に別途設けられた貯水容器等に送られる。

しかし、前記した中空糸膜間の間隙への原水の供給は、中空糸膜束の外周部と内部とでは一様にならず、中空糸膜束の中心部に近い中空糸膜ほど原水が充分に供給され難い。このため、中空糸膜モジュール全体として、充分な流束を得ることができない。

これに対して、本請求項の発明においては、封止端部材に、原水を供給する開口部を設けているため、原水供給口から取り込まれた原水が、中空糸膜束の外周部に送られると共に、前記開口部を通して、中空糸膜束の内部に直接供給され、中空糸膜束の内部に配置された中空糸膜間の間隙にも充分に原水を供給することができる。このため、中空糸膜束の内部の各中空糸膜の流束が向上し、中空糸膜束全体に一様に原水を供給することができ、中空糸膜モジュール全体として、充分な流束を確保することができる。この結果、充分な濾過性能を発揮させることができ、効率的な濾過処理を行うことができる。

開口部の形状については、中空糸膜の間隙に原水を供給することができる限り限定されないが、封止端部材に対する加工の容易さ等の面から、円形形状が好ましく、その大きさや数量については、中空糸膜の径、本数、中空糸膜の大きさ等により適宜決定される。各中空糸膜は、開口部を避けるように配置される。

請求項２に記載の発明は、
前記封止端部材の中心部にのみ、前記開口部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュールである。

本発明者の実験によれば、封止端部材の中心部周辺に複数の開口部を設ける場合より、中心部にのみ開口部を設けた場合の方が、中空糸膜モジュール全体としての流束が大きい。

これは、封止端部材の中心部周辺に複数の開口部を設けた場合には、多くの開口部から供給された原水同士がぶつかり合うが、中空糸膜モジュールの封止端部材の中心部にのみ開口部を設けた場合、原水同士のぶつかり合いが少なく、中空糸膜束の内側から外側に向けて、効率的に一様に広がって行くため、各中空糸膜における流束が大きくなっているものと思われる。

請求項３に記載の発明は、
前記封止端部材が、前記中空糸膜束が接する面とは反対側の面の外周部に、原水の中空糸膜モジュールの外周部への流れを抑制する抑制部材を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中空糸膜モジュールである。

封止端部材の中空糸膜束が接する面とは反対側の面の外周部に、原水の中空糸膜モジュールの外周部への流れを抑制する抑制部材を設けることにより、より多くの原水が、封止端部材の開口部に導かれ、中空糸膜束の内部に多くの原水を直接供給することができる。

このような抑制部材としては、例えば、筒状部材（スカート）、封止端部材から外側に張り出した円盤状の板、封止端部材の外周部に設けられたＯリング等を挙げることができ、原水の中空糸膜モジュールの外周部への流れを抑制することができるものであれば、その形状は限定されない。これらの抑制部材の内でも、筒状部材（スカート）が抑制効果が優れているため、好ましい。

請求項４に記載の発明は、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールが、外筒に収納されている中空糸膜モジュール濾過装置であって、
前記外筒の一端に原水供給口が設けられ、他端に濾過水取出口が設けられており、
前記中空糸膜モジュールに設けられた封止端部材が、前記原水供給口に対向するように、前記中空糸膜モジュールが配置されている
ことを特徴とする中空糸膜モジュール濾過装置である。

中空糸膜間の間隙に原水を供給する開口部が設けられた封止端部材が、外筒の原水供給口に対向するように配置して、中空糸膜モジュールが外筒に収納されているため、前記の通り、原水供給口からの原水を、開口部から中空糸膜束の内部に直接供給でき、中空糸膜束の内部の中空糸膜の流束を向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、
前記中空糸膜モジュールと前記外筒とで形成される空隙に、原水が流入することを抑制する抑制部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の中空糸膜モジュール濾過装置である。

中空糸膜モジュールと外筒とで形成される空隙に、原水が流入することを抑制する抑制部材を設けることにより、より多くの原水を封止端部材の開口部に導いて、中空糸膜束の内部により多くの原水を供給することができるため、中空糸膜束の内部の中空糸膜の流束を一層向上させることができる。

抑制部材は、前記したように、中空糸膜モジュールの封止端部材側に設けてもよいが、外筒側に設けてもよい。

請求項６に記載の発明は、
２種類の濾過装置を備えた海水淡水化前処理装置であって、
前記２種類の濾過装置の少なくとも一方が、請求項４または請求項５に記載の中空糸膜モジュール濾過装置により構成されている
ことを特徴とする海水淡水化前処理濾過装置である。

本発明の中空糸膜モジュールは、直接濾過方式の濾過にも適用可能であるが、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた脱塩により淡水化を行う海水淡水化システムにおいてＲＯ膜の前段に設けられる前処理装置として適用することができる。このように用いることで、ＲＯ膜の目詰まり（ファウリング）を効果的に抑制し、高い流束を維持することが可能な海水淡水化処理システムを構成することができるためである。さらに、例えば孔径が異なる膜を用いた二段濾過方式の濾過に適用した場合、本発明の効果が顕著に発揮されることが分かった。

特に、孔径が０．１〜１μｍの濾過膜（ＭＦ膜）の前段に孔径が１μｍを超える濾過膜（ＬＦ膜）を用いた二段濾過装置に適用することにより、前記の二段濾過装置の特性と相俟って、極めて高い濾過性能を発揮する海水淡水化前処理濾過装置を提供することができる。前段にＬＦ膜またはＭＦ膜、後段に限外濾過膜（ＵＦ膜）を用いる場合も同様の効果が得られる。

本発明によれば、中空糸膜モジュールの流束を大きくすることができ、より効率的な濾過処理を行うことができる。

（ａ）は本発明の第１の実施の形態の中空糸膜モジュールの縦断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は封止端部の平面図である。 本発明の第１の実施の形態の中空糸膜モジュールの封止端部材の上面における横断面を模式的に示す断面図であり、（ａ）は放射状の流路空間が設けられていない例を示し、（ｂ）前記流路空間が設けられている例を示す。 本発明の第２の実施の形態の中空糸膜モジュールの封止端部材の上面における横断面を模式的に示す断面図であり、（ａ）は放射状の流路空間が設けられていない例を示し、（ｂ）前記流路空間が設けられている例を示す。 海水を淡水化する際の前処理の工程を示すフローチャートであり、同図（ａ）は二段濾過のフローチャートで、同図（ｂ）は直接濾過のフローチャートである。 比較例の中空糸膜モジュールの封止端部材の上面における横断面を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例の濾過テスト結果を示すグラフである。 比較例の濾過テスト結果を示すグラフである。 （ａ）は従来の中空糸膜モジュールの縦断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は封止端部の平面図である。

以下、本発明を実施の形態に基づき図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１の（ａ）は本発明の第１の実施の形態の中空糸膜モジュールの縦断面を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は封止端部の平面図である。図２は本発明の第１の実施の形態の中空糸膜モジュールの封止端部材の上面における横断面を模式的に示す断面図であり、（ａ）は放射状の流路空間が設けられていない例を示し、（ｂ）は前記流路空間が設けられている例を示す。なお、図１においては、図面が煩雑になることを避けるため、中空糸膜の本数を少なくしており、また、各部材の寸法関係は、実物から適宜変更して表示している。

本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１は、中空糸膜束３を構成する複数の中空糸膜２と、中空糸膜２の下端を閉じて封止して固定する封止端部材４を有している。また、中空糸膜モジュール１は、封止端部材４の中央に開口部４ａを１個有するとともに、中空糸膜束３の中央部に中空糸膜２を設けない略円柱状の流路空間１２ａを有している。また、原水供給口８から供給された原水が中空糸膜束３の外側に流れることを抑制するためのスカート４ｂが、封止端部材４の原水供給口８側の外周部に設けられている。中空糸膜２の上端は集水室７に開口し、中空糸膜２で濾過された濾過水が集水室７に集められて、濾過水取出口９から排出される。なお、１３は支柱である。

上記のように構成してなる中空糸膜モジュール１は、外筒５に収納されて、海水淡水化等の濾過に使用される。なお、中空糸膜束３は、図２（ａ）のような単純な構造でもよいが、中空糸膜の径、各中空糸膜間の間隙の大きさ、中空糸膜の本数等によって、必要に応じて例えば、図２（ｂ）のように中空糸膜束を６０度間隔で６個に分割するように放射状の流路空間１２を設けてもよい。また、中空糸膜束３の外形を図２（ａ）（ｂ）のような最密構造の六角形ではなく、外筒５の内壁に沿うよう円形にして外筒５との間の間隙を小さくしてもよい。

本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１によれば、封止端部材４に、原水を供給する開口部４ａを設けているため、原水供給口８から取り込まれた原水が、中空糸膜束３の外周部に送られると共に、前記開口部４ａを通して、中空糸膜束３の内部に直接供給され、中空糸膜束３の内部に配置された中空糸膜間の間隙にも充分に原水を供給することができる。このため、中空糸膜束３の内部の各中空糸膜２の流束が向上し、中空糸膜束３全体に一様に原水を供給することができ、中空糸膜モジュール１全体として、充分な流束を確保することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の中空糸膜モジュール１の封止端部材の上面における横断面を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１は、上記第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールとは、開口部４ａおよび中空糸膜束３内の略円柱状の流路空間をそれぞれ断面中央部の外周に等間隔で６個配置されている点で相違している。

なお、第１の実施の形態と同様に必要に応じて図３（ａ）のように流路空間１２を設けなくてもよく、図３（ｂ）のように中心から放射状に延びる流路空間１２を設けてもよい。

本実施の形態に係る中空糸膜モジュールにおいても、中空糸膜束３の内部に開口部４ａが設けられているため、中空糸膜モジュールの外周から原水を供給する従来の中空糸膜モジュールに比べて、流束を大きくすることができる。さらに、開口部４ａを複数個設けているため、複数の中空糸膜間の流束の差を小さくすることができる。

以下、海水の淡水化処理に本発明の中空糸膜モジュールを用いる場合を想定した実施例により、本発明をより具体的に説明する。

（海水の淡水化における濾過の工程）
はじめに、本実施例に関する濾過の工程について簡単に説明する。図４は、例えば逆浸透法を用いて海水を淡水化する際の前処理（逆浸透を行う前の濾過）の工程を示すフローチャートである。図４では前処理として２通りの方法を示す。第１の方法は、海水を孔径が１μｍを超える、例えば２μｍの疎水性あるいは親水性の濾過膜（ＬＦ膜）を用いて一段目の濾過を行った後、孔径が０．１〜１μｍの精密濾過膜（ＭＦ膜）を用いて濾過を行う方法であり、第２の方法は、海水を直接濾過（ＭＦ膜のみ）する方法である。以下に記載の実施例ではこの２通りの方法で海水の濾過を行い、流束を調べた。なお、本発明の中空糸膜モジュールは、ＬＦ膜およびＭＦ膜を用いたいずれの濾過にも適用可能であるが、本実施例の中空糸膜モジュールは、精密濾過（ＭＦ）において用いられている。なお、図４および実施例のようにＭＦ膜により本発明の中空糸膜モジュールを構成してもよいが、本発明の中空糸膜モジュールはこれに限定されるものではなく、ＬＦ膜により構成してもよいし、後段にＵＦ膜を用いる二段濾過の前段モジュールとして用いてもよい。

（実施例、比較例）
次に、実施例および比較例について説明する。以下に記載する中空糸濾過膜モジュールと濾過方式を組み合わせて実施例１〜５、比較例１、２を実施した。なお、各実施例および比較例の組み合わせの内容は、評価結果と共に、表２にまとめて記載する。

１．中空糸膜モジユールおよび濾過方式
まず、中空糸膜モジュールおよび濾過方式について説明する。
（１）中空糸膜モジユール
中空糸膜モジュールとして、材質がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であり、全長１２００ｍｍ、有効長１０００ｍｍの中空糸膜を用いて、以下のタイプ１、タイプ２、タイプ３の３つのタイプの中空糸膜モジュールを用意した。これらの中空糸膜モジュールの構成を表１に示す。なお中空糸膜の材質はＰＴＦＥが好ましいが、本願モジュール構造の効果を得られる限りにおいてこれに限定されるものではなく他の中空糸膜を適用可能である。

なお、封止端部材の直径は８０ｍｍであり、各タイプの横断面の構造は以下の通りである。
タイプ１
横断面の構造 ：図５に示した構造
タイプ２
横断面の構造 ：実施の形態２の図３（ｂ）に示した構造
開口数（穴数）：６穴
開口径（穴径）：８ｍｍ
タイプ３
横断面の構造 ：実施の形態１の図２（ａ）に示した構造
開口数（穴数）：１穴
開口径（穴径）：１０ｍｍ

なお、外筒としては外径が１１４ｍｍの外筒を用いた。

（２）濾過方式
以下に記載する３通りの方法（濾過方式）で濾過を行った。
疎水二段：疎水性のＬＦ膜を用いた一段目の濾過と、本実施の形態の中空糸膜モジ
ュールを用いた精密濾過を組み合わせた二段濾過方式
親水二段：親水性のＬＦ膜を用いた一段目の濾過と、疎水二段と同じ精密濾過を組
み合わせた二段濾過方式
直接濾過：海水を直接精密濾過

２．濾過テスト
次に濾過テストについて説明する。
（１）濾過テスト方法
海水を略一定の圧力０．０５ＭＰａで供給して全濾過（膜供給水の全量を濾過する方式）を行い、濾過経過時間毎の濾過水量を測定して流束（ｍ／ｄ）を求めた。

（２）濾過テスト結果

濾過テスト結果をまとめて表２に示す。また、実施例１〜５の全濾過の濾過テスト結果を図６に、比較例１、２の全濾過の濾過テスト結果を図７に示す。

表２、図６、図７より、比較例に比べて実施例の方が、流束が大きいことが確認できた。実施例の流束がこのように大きいのは、中空糸膜モジュールの封止端部材と中空糸膜束のそれぞれに開口および略円柱状の流路空間を設けたこと、さらにはスカートを設けたことによって、原水が中空糸膜束の内部を流れやすくなり、中空糸膜束の全体により均等に行き渡るようになったためである。また、表２および図６より、封止端部材に６個の開口を分散させて設けるよりも、中央部に一個の開口を設ける方が大きい流束が得られることが分かった。

直接方式よりも二段濾過方式の方が６０分後の流束が大きく、流束の低下が抑制されている。これは、二段濾過することにより、ＭＦ膜の目詰まりが抑制されるためである。

以上より、本発明によれば水を濾過する際の流束を大きくできるため、海水の淡水化や排水処理などの水処理をより効率良く行うことができる。

以上実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１、５１ 中空糸膜モジュール
２、５２ 中空糸膜
３、５３ 中空糸膜束
４、５４ 封止端部材
４ａ 開口
４ｂ 抑制部材（スカート）
５、５５ 外筒
６、５６ 間隙
７、５７ 集水室
８、５８ 原水供給口
９、５９ 濾過水取出口
１０、１１、６０、６１ 原水排水口
１２、１２ａ 流路空間
１３ 支柱

Claims (6)

1. 中空糸膜の外表面側から内表面側に向けて原水を濾過する中空糸膜モジュール濾過装置に用いられる中空糸膜モジュールであって、
   開口端を有する複数本の中空糸膜が所定の間隙を設けて配置された中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束の一端に設けられ、前記中空糸膜の前記開口端とは反対側の端部を封止および固定する封止端部材とを備えており、
   前記間隙に原水を供給する開口部が、前記封止端部材に設けられている
   ことを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記封止端部材の中心部にのみ、前記開口部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記封止端部材が、前記中空糸膜束が接する面とは反対側の面の外周部に、原水の中空糸膜モジュールの外周部への流れを抑制する抑制部材を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールが、外筒に収納されている中空糸膜モジュール濾過装置であって、
   前記外筒の一端に原水供給口が設けられ、他端に濾過水取出口が設けられており、
   前記中空糸膜モジュールに設けられた封止端部材が、前記原水供給口に対向するように、前記中空糸膜モジュールが配置されている
   ことを特徴とする中空糸膜モジュール濾過装置。
5. 前記中空糸膜モジュールと前記外筒とで形成される空隙に、原水が流入することを抑制する抑制部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の中空糸膜モジュール濾過装置。
6. ２種類の濾過装置を備えた海水淡水化前処理装置であって、
   前記２種類の濾過装置の少なくとも一方が、請求項４または請求項５に記載の中空糸膜モジュール濾過装置により構成されている
   ことを特徴とする海水淡水化前処理濾過装置。

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