JPH06327905A - 脱気膜モジュールおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明においては、脱気膜モジュールの処理水
量を増加させることを目的とする。 【構成】中空糸疎水性気体透過膜の間にスペーサーを配
し、該中空糸膜の外側に原水を流しつつ、内側を減圧す
ることによって、原水中の溶存気体を除去する脱気膜モ
ジュールにおいて、該中空糸膜の外側に原水を流し、内
側を減圧することを特徴とする脱気膜モジュールにより
圧力損失を低下でき、大量処理が可能となった。 【効果】本発明において、中空糸脱気膜モジュールの中
空糸膜の外側に原水を流し、内側を減圧しすることによ
り原水中の溶存気体を除去することで、圧力損失を低減
できるため、処理水量を大幅に改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、疎水性気体透過膜を使
用して、膜の一方に原水を流しつつ、他方を減圧するこ
とによって、原水中の溶存気体を除去する脱気膜モジュ
ールに関するものであり、詳しくは、中空糸型である脱
気膜モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、疎水性気体分離膜を使用して、水
中に溶存している酸素，窒素，二酸化炭素などの気体を
除去する、いわゆる脱気処理が最近実用化され始めてい
る。（実開昭57- 35795 ，特開昭62-273095 ）この方法
は、シリコーン等を素材とする、気体を透過機能を有
し、水を透過させない性質を持った膜の表面または裏面
に原水を流し、反対面を減圧状態にすることにより、原
水中の溶存気体のみを膜透過除去し、脱気するというも
のである。水中の溶存気体を除去することによって、例
えば、水の循環ラインにおける溶存酸素による配管接液
内面の腐食、二酸化炭素による超純水の水質低下を防ぐ
ことができる。本方式では、従来の薬品添加法にみられ
た薬品残存成分のような問題もなく、真空脱気法等と比
較しても装置が簡単となり、運転コストも軽減されると
いう長所が認められている。

【０００３】現在、一般的に用いられている脱気膜モジ
ュールにはスパイラル型と中空糸型がある。中空糸型
は、中空糸膜の内側に原水を流し、外側を減圧すること
で中空糸内部を流れる原水中の溶存気体を除去する方式
のものである。中空糸型の場合、モジュール体積あたり
の膜面積を大きくとることが可能であるため、小型モジ
ュールで溶存気体濃度を十分に下げることができ、高効
率の脱気処理が可能となるという特長を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題】しかしながら、これま
での中空糸内側に原水を流し外側を減圧する方式では、
原水流において生じる濃度境膜発達を抑制しやすく、高
効率の脱気が可能であった反面、中空糸が細いことによ
り、原水にゴミなどが含まれていた場合、中空糸入口に
おいて目詰まりを生じる場合がある。また、処理水量を
増加させようとすると原水の流動抵抗による圧力損失の
増大が、所要動力の著しい増大を招くため大量処理を困
難にしていた。また、モジュール外気温が低い場合、中
空糸膜外表面で水蒸気が凝縮しやすく、膜表面を塞いで
しまうため、脱気に有効な膜面積が減少し、処理効率が
低下しやすいという問題点も有していた。

【０００５】さらに、酸素や二酸化炭素など特定の気体
を除去することを目的とする場合、その脱気効率を向上
させることを目的とし、減圧側に脱気対象以外の搬送気
体を流すことは公知（特開平3-249907）であるが、この
方法は、平膜積層型やスパイラル型で確立された技術で
あり、減圧側において搬送気体が偏り無く流れることが
必要とされる。中空糸型の場合、中空糸膜の配置にわず
かな偏りがあったり、前記したように低温である場合に
生じる凝縮水蒸気が障害となり、搬送気体を流す効果が
十分に発揮できなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、中空糸
疎水性気体透過膜の間にスペーサーを配したことことを
特徴とする脱気膜モジュールによりに基本的に達成され
る。

【０００７】中空糸外部を原水流路にすることで流動抵
抗に因る圧力損失の増大を防ぐことができ、中空糸膜に
それほどの耐圧性を要求せずに大量処理を可能とするこ
とができる。また、減圧側が中空糸膜内部となり、原水
に囲まれているため、原水と同温度に保たれ、中空糸膜
表面で水蒸気が凝縮することを防止でき、処理効率を十
分に維持できる。しかし、この方式では、中空糸膜外側
を流れる原水に偏流が生じやすいという問題を有する。
そこで、中空糸膜の間にスペーサーを配することによ
り、原水の偏流を防止することができ、高効率な脱気処
理を行うことが可能となったものである。

【０００８】以下、図面に基づいて、本願発明の詳細を
説明するが、本発明はこれらの図面によりなんら限定さ
れるものではない。

【０００９】図１，図２は、横断面形状が十字型のスペ
ーサーを用いた本発明の脱気膜モジュールの一例の構造
を示す側断面図であり、図３は、それらの横断面図であ
る。図１は、中空糸脱気膜２の片端を真空ライン３に連
接し、反対の端を封止したものであり、図２は中空糸膜
２をＵ型に配し、その両端を同じ側に接着，開放したも
のである。これによって、原水供給口１より供給された
原水は、中空糸脱気膜２の外部を通過し、その際、原水
中の溶存気体は中空糸膜内部へ移動し、原水の脱気が行
われる。

【００１０】本発明における原水供給口１，脱気水出口
４の数，位置および向き、また、スペーサーの形状，材
質，大きさ，個数等は特に限定されるものではないが、
偏流を起こしにくく十分に膜面を通過できるように配置
されている事が望ましい。例えば、図４に示すように原
水供給口１を複数箇所に設けたり、図５，図６に示すよ
うに原水供給口１や脱気水出口４を中心パイプ６や原水
パイプ７，脱気水パイプ８によってモジュール端板から
原水，脱気水の給排水を行うことも可能であり、設置場
所，条件，形状などフレキシブルに対応することができ
る。さらに、真空ライン３は中空糸脱気膜２のどちらの
端部からとっても問題はなく、中空糸膜内部に通じてい
さえすれば良いが、とくに、中空糸内部で圧力分布を生
じるような場合、図７に示すように、中空糸脱気膜２の
両端を真空ライン３に接続することも可能である。ま
た、真空ライン３の配管を単純化したい場合は、図８に
示すように、モジュール内部に真空ラインパイプ１０を
配し、真空ラインを一本化しても良い。

【００１１】また、減圧側に搬送気体を流して、酸素や
二酸化炭素などの特定気体を除去する場合、図９に示す
ように、真空ライン３に接続した中空糸膜端部の反対側
を開口して搬送気体供給口１２とすることにより搬送気
体の導入が可能となる。搬送気体は、除去対象となる特
定気体と異なる気体であれば特に限定されないが、原水
に影響を及ぼさない不活性のものが望ましく、空気中に
大量に含有される窒素が好ましい。以上のように中空糸
膜の内部に搬送気体を通すことにより、減圧側すなわち
透過側の特定気体分圧を十分低下させることができ、脱
気効率を大きく向上させることができる。

【００１２】さらに、本発明における脱気膜モジュール
は中空糸の外側に原水を流すわけであるが、原水供給口
やモジュールケースの形状の問題、さらには中空糸膜の
配置における偏りがある場合、中空糸膜の外表面におい
て滞留を生じやすくなり、原水中における溶存気体の濃
度分極を生じるため、脱気効率が低下する。原水入口付
近で生じやすいこのような偏流を防ぐためには、前記し
たように原水供給口を複数にしたり、多孔質パイプによ
って原水をモジュール内に拡散させるといった方法の他
に、図１０に示したように、モジュール内に原水分配板
１３を設け、中空糸膜の間を十分に原水が流れるように
する方法が挙げられる。

【００１３】また、スペーサーの一種として原水の偏流
を防止し、濃度分極を防止する非常に有効な手段として
は、透析用などの液体分離膜モジュールの処理効率を向
上させることを目的とし、特開昭53-35683，特開平3-27
8821にあるように、中空糸膜にスペーサーヤーンを巻き
付けることにより中空糸膜間に一定の隙間を得るという
方法が知られているが、鋭意検討を行った結果、脱気膜
モジュールにおいても、１本ないし複数本の中空糸膜に
スペーサーヤーンを巻き付けることによって、中空糸の
外側に流れる原水の濃度分極を防止することにより、脱
気効率を大きく向上させることができるという知見を得
た。このスペーサーヤーンを中空糸膜に巻き付ける方法
は、前述のスペーサーの代わりに単独で用いたり、他の
スペーサーと併用することが可能である。本発明におけ
る中空糸脱気膜に用いるスペーサーヤーンの種類や巻き
方は特に限定されるものでないが、中空糸外を流れる原
水の偏流や溶存気体の濃度境膜の発達を十分に防止でき
ることが望ましい。スペーサーヤーンの素材としては特
に限定されないが、ナイロン，ポリエステル，ポリプロ
ピレン，フッ素系樹脂等が好ましい。また、適したスペ
ーサーヤーンは、中空糸の径やモジュールの太さにより
若干異なるが、概して5 〜150 デニールの単糸を１本な
いし複数本撚った加工糸を用いるのが効果的であり、巻
き方としては２〜４本の中空糸を束ねてスペーサーヤー
ンを1 〜10cm／巻のピッチで巻き付けるのが最も効果的
である。

【００１４】中空糸膜にスペーサーヤーンを巻き付けた
状態例の模式図を図１１に、また、スペーサーヤーンを
巻き付けた中空糸膜モジュールの例を図１２，１３に示
す。

【００１５】本発明における脱気膜モジュールに用いら
れる中空糸膜は、特に、中空糸の形状を限定するもので
はなく、一般にいうチューブラー型（中空糸径数mm以
上），キャピラリー型（中空糸径約１mm前後），ホロフ
ァイバー型（中空糸径１mm未満）といった径のサイズや
中空糸横断面の形には限定されないが、膜面積を大きく
とることが可能なのはホロファイバー型である。また、
細孔の状態も特に限定されるものではないが、脱気性能
を発揮するためには、原水を細孔内に侵入させないよう
に、とくに原水の流れる側の膜表面に十分な緻密さを有
するものがよい。また、十分な気体透過性を有するため
には中空糸膜内部および減圧側膜表面は、疎であるもの
が望ましい。これにより、気体の透過抵抗を減少させ、
また、減圧側の空孔面積が大きくなるため、膜表面で十
分な減圧を行うことも容易になる。ところで、膜素材
は、疎水性で中空糸の形状にすることができればよく、
ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリテトラフルオロエ
チレン，ポリフッ化ビニリデン，ポリ４メチルペンテン
等が好ましいが、細孔構造を考えるとポリエチレン，ポ
リプロピレン等に代表されるフィブリル孔よりも、ポリ
フッ化ビニリデンもしくはポリ４メチルペンテンからな
る重合体の超微細均一孔であることが特に好ましい。ま
た、膜の疎水性を向上させるために中空糸の内外表面の
一方もしくは両方に架橋型シリコーン系，フッ素樹脂系
等といった疎水性薄膜を形成させ、複合膜化することも
可能である。とくに、架橋型シリコーン系複合膜は、基
材膜の表面に架橋型シリコーン系の薄膜を形成させたこ
とを特徴とする膜で、表面の状態が一般に非多孔膜と呼
ばれるほど緻密な状態を形成しているものが多い。この
ため、シリコーン自体が持つ疎水性に加えて、汚れ成分
の吸着を抑えることができるというすばらしい特性を有
している。

【００１６】

【実施例】以下実施例をもってもって本発明をさらに具
体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定され
るものではない。

【００１７】実施例１ 本発明の例である図１に示した形式の脱気膜モジュール
を作製した。このモジュールは、ポリフッ化ビニリデン
（米国アウジモント社製HYLAR460）を湿式紡糸して作製
した内径180 μm ，外径225 μm の中空糸膜24000 本
（全長450mm ，有効長420mm ）を径50mm，長さ500mm の
ケースに装填し、中空糸膜の片方を封止し、もう片方を
開口し、真空ラインに接続したものである。このモジュ
ールを用いて、真空ラインを50torrとし、原水として、
水温25℃，溶存酸素濃度8.0ppmの純水を、処理流量2 リ
ットル／分で脱気試験を行ったところ、モジュール出口
における溶存酸素濃度は0.8ppm，圧力損失は0.03kgf/cm
² であった。

【００１８】実施例２ 搬送気体供給口を有する以外は、実施例１と同条件の図
９に示した脱気膜モジュールを作製し、このモジュール
を用いて、搬送気体として窒素をを20ミリリットル／分
で流し、その他を同条件で脱気試験を行ったところ、モ
ジュール出口における溶存酸素濃度は、0.6ppm，圧力損
失は、0.04kgf/cm² であった。

【００１９】比較例１ 図１４に示したような、スペーサーを有さない従来の脱
気膜モジュールを作製した。このモジュールは、実施例
１と同じ中空糸膜24000 本を同じケースに装填されてい
るが、中空糸膜の両端を開口して中空糸膜の内側に原水
を流すとともに外側を減圧する従来方式のモジュールで
ある。このモジュールを用いて、実施例１と同条件で脱
気試験を行ったところ、モジュール出口における溶存酸
素濃度は、0.4ppm，圧力損失は 0.3kgf/cm² であった。

【００２０】比較例２ 搬送気体供給口を有する他は比較例１と同条件で図１５
に示したような従来の脱気膜モジュールを作製し、この
モジュールを用いて実施例２と同条件で脱気試験を行っ
たところ、モジュール出口における溶存酸素濃度は、0.
1ppm，圧力損失は 0.3kgf/cm² であった。

【００２１】

【発明の効果】本発明において、中空糸疎水性気体透過
膜の間にスペーサーを配し、該中空糸膜の外側に原水を
流しつつ、内側を減圧することによって、原水中の溶存
気体を除去する脱気膜モジュールにおいて、該中空糸膜
の外側に原水を流し、内側を減圧することを特徴とする
脱気膜モジュールにより圧力損失を低下でき、大量処理
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る、片端を封止した脱気膜モジュー
ルの一例の側断面図である。

【図２】本発明に係る、Ｕ字型の脱気膜モジュールの一
例の側断面図である。

【図３】本発明に係る、脱気膜モジュールの一例の横断
面図である。

【図４】本発明に係る、複数の原水供給口を有する脱気
膜モジュールの一例の断面図である。

【図５】本発明に係る、中心パイプを有する脱気膜モジ
ュールの一例の断面図である。

【図６】本発明に係る、原水，脱気水パイプを有する脱
気膜モジュールの一例の断面図である。

【図７】本発明に係る、真空ラインを中空糸膜の両端に
有する脱気膜モジュールの一例の断面図である。

【図８】本発明に係る、中心パイプにより真空ラインを
まとめた脱気膜モジュールの一例の断面図である。

【図９】本発明に係る、搬送気体供給口を有する脱気膜
モジュールの他の一例の断面図である。

【図１０】本発明に係る、原水分配板を有する脱気膜モ
ジュールの一例の断面図である。

【図１１】本発明に係る、スペーサーヤーンを巻き付け
た中空糸膜素子の例の概略図である。

【図１２】本発明に係る、中空糸膜にスペーサーヤーン
を巻き付けた脱気膜モジュールの一例の概略図である。

【図１３】本発明に係る、スペーサーを有しかつ中空糸
膜にスペーサーヤーンを巻き付けた脱気膜モジュールの
一例の概略図である。

【図１４】従来の脱気膜モジュールの一例の断面図であ
る。

【図１５】従来の搬送気体導入口を有する脱気膜モジュ
ールの一例の断面図である。

【符号の説明】

１：原水供給口 ２：中空糸脱気膜 ３：真空ライン ４：脱気水出口 ５：封止部 ６：中心パイプ ７：原水パイプ ８：脱気水パイプ ９：孔 １０：真空ラインパイプ １１：スペーサーヤーン １２：搬送気体供給口 １３：原水分配板 １４：スペーサー １５：１本の単糸にスペーサーヤーン２本を交差に巻き
付けた中空糸膜素子 １６：１本の単糸にスペーサーヤーン１本を巻き付けた
中空糸膜素子 １７：２本の単糸にスペーサーヤーン１本を巻き付けた
中空糸膜素子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空糸疎水性気体透過膜の間にスペーサ
   ーを配したことことを特徴とする脱気膜モジュール。
2. 【請求項２】 スペーサーが中空糸膜の１本または複数
   本のまわりに螺旋上に巻き付けられたフィラメントヤー
   ンであることを特徴とする請求項１記載の脱気膜モジュ
   ール。
3. 【請求項３】 中空糸膜の外表面が緻密で、内表面が疎
   である構造を有する請求項１記載の脱気膜モジュール。
4. 【請求項４】 中空糸膜素材がポリフッ化ビニリデン，
   もしくは４−メチルペンテンからなる重合体であること
   を特徴とする請求項１記載の脱気膜モジュール。
5. 【請求項５】 中空糸疎水性気体透過膜の間にスペーサ
   ーを配した脱気膜モジュールを用いて、該中空糸膜の外
   側に原水を流しつつ、内側を減圧することによって、原
   水中の溶存気体を除去することを特徴とする脱気膜モジ
   ュールの運転方法。
6. 【請求項６】 中空糸膜の内側に連通する部分に気体供
   給口を設け、除去対象以外の搬送気体を流すことを特徴
   とする請求項５記載の脱気膜モジュールの運転方法。
7. 【請求項７】 搬送気体が窒素，または空気であること
   を特徴とする請求項６記載の脱気膜モジュールの運転方
   法。