JP2014014736A - 膜モジュール及び膜モジュールの製造方法並びに膜ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性及び耐薬品性に優れた膜モジュール及び膜ユニットを得る。
【解決手段】セラミック膜２と集水部３を備える膜モジュール１である。セラミック膜２は板状の濾過部材であり、セラミック膜２の主面２ａが離間して向かい合うようにセラミック膜２が並設される。集水部３は、セラミック膜２の側面２ｃ側の端部に設けられ、セラミック膜２を保持する。集水部３にはセラミック膜２の側面２ｃの長手方向に沿うように集水部３を貫通して集水路３ｃが形成される。集水路３ｃは各セラミック膜２の流路と連通して形成され、セラミック膜２で濾過された処理水は流路を通り、集水路３ｃに集められる。集水部３は、モールドにより形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水や産業廃水などを処理する膜モジュール及び膜モジュールの製造方法並びに膜ユニットに関する。

膜分離技術は、従来から海水淡水化、浄水処理、ガス分離、血液浄化等で使用されてきたが、最近では環境保全の観点から、廃水処理にも膜分離技術を適用しようとする研究が進められている。

従来、浄水処理、下排水処理、あるいは産業廃水の処理等、濁度の高い被処理水の固液分離を行う方法として、砂濾過や重力沈殿等が行われている。しかしながら、これら方法による固液分離は、得られる処理水の水質が不充分となるおそれがあることや、固液分離のために広大な用地を必要とするといった課題を有している。

この課題を解決する方法として、近年精密濾過膜、限外濾過膜等の分離膜を配設した膜モジュールを用いて被処理水の固液分離を行う方法が種々検討されている。分離膜を用いて被処理水の濾過処理を行うと、水質の高い処理水を得ることができる。

膜モジュールは、セラミック膜などの濾過部材と、この濾過部材を保持する集水部を有する（例えば、特許文献１〜４）。集水部は、濾過部材に形成された流路と連通する集水路が形成され、濾過膜で濾過された処理水は、濾過部材の流路及び集水部の集水路を介して系外に排出される。

特開２００６−１５２３３号公報 国際公開第２０１０／０１５３７４号 特開２００５−１２５１９８号公報 特開平１０−５７７７５号公報

しかしながら、特許文献１の膜モジュールの集水部のように、濾過水の取出口をセラミック膜が設けられる面と対向する面に設けると、膜モジュールを多段に積重するときに各取出口に配管接続のコネクタが必要となるなど、膜モジュールのコストが高くなるおそれや組立工程が煩雑になるおそれが生じる。また、セラミック膜を固定するヘッダ部と、取出口が形成されたカバーとにより集水部を形成すると、ヘッダ部とカバーとが対面接合のため、接合強度が弱くなるおそれがある。

特許文献２の膜モジュールの集水部は、セラミック膜を保持したフレームの開口部をカバープレートで閉塞して集水部を形成しているので、フレーム及びカバープレートの強度によっては膜モジュールを積重したときに膜モジュールの長期信頼性が低下するおそれが生じる。また、個々のセラミック膜を切り欠を有する仕切板で仕切ると、逆圧を作用させてセラミック膜を洗浄する際に、各セラミック膜への圧力伝達が十分に作用せず、洗浄効果が期待できなくなるおそれがある。また、セラミック膜の保持部は平板状ではなく複雑な形状であり、保持部を樹脂で形成する際にセラミック膜の開口部への樹脂の侵入を防止するシール部材を配置することが煩雑となる。例えば、仕切板と個別集水室を形成するための型部材を用いる場合、この型部材の先端部分と開口部が形成されたセラミック膜の側面との間にシール部材を設ける必要があり、シール機能が低下するおそれがある。

つまり、集水部を複数の部材を接着剤で接合して形成する場合、接着部の接着不良はリーク発生の原因となるおそれがある。また、膜モジュールの長期信頼性を向上させるために、集水部の耐久性や耐薬品性の向上が求められている。

上記事情に鑑み、本発明は、膜モジュールの集水部の耐久性及び耐薬品性の向上に寄与する技術の提供を目的としている。

上記目的を達成する本発明の膜モジュールは、外表面に濾過膜を有し、この濾過膜で処理された処理水が流通する流路が形成された濾過部材と、この濾過部材を保持するとともに濾過部材の流路と連通する集水路が形成された集水部とを有する膜モジュールであって、集水部を一体に形成すること、及び集水路を集水部の積重方向に貫通して形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の膜ユニットは、この膜モジュールを積重して構成されることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の膜モジュール製造方法は、この膜モジュールの集水部をモールドにより形成することを特徴としている。

以上の発明によれば、膜モジュールの集水部の耐久性及び耐薬品性の向上に貢献することができる。

本発明の実施形態に係る膜モジュールを示す図であり、（ａ）上面図、（ｂ）側面図、（ｃ）正面図である。 本発明の実施形態に係る膜モジュールの集水部を示す図であり、（ａ）Ａ−Ａ断面図、（ｂ）側面図である。 本発明の実施形態に係る膜モジュールの集水部を示す図であり、（ａ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｂ）上面図である。 本発明の実施形態に係る膜モジュールの集水部のＯリング装着部位を示す図である。 本発明の実施形態に係る膜ユニットを示す図であり、（ａ）正面図、（ｂ）側面図、（ｃ）膜モジュールを２列設けた場合の正面図である。 本発明の実施形態に係る膜ユニットを示す図であり、（ａ）上面図、（ｂ）側面図である。 本発明の実施形態に係る膜モジュールの製造方法を説明する説明図であり、（ａ）セラミック膜を固定した金型及び治具フレームを示す図、（ｂ）セラミック膜を固定した金型の詳細を示す拡大断面図、（ｃ）セラミック膜を固定した金型に樹脂を注型する工程を説明する説明図、（ｄ）注型後に中子を除去する工程を説明する説明図である。

本発明の実施形態に係る膜モジュール及び膜モジュールの製造方法並びに膜ユニットについて図を参照して詳細に説明する。

［膜モジュール］
図１は、本発明の実施形態に係る膜モジュールを示す図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る膜モジュール１は、セラミック膜２と集水部３を備える。

セラミック膜２は板状の濾過部材である。各セラミック膜２は、セラミック膜２の主面２ａが離間して向かい合うように並設される。セラミック膜２の1対の主面２ａには、濾過膜が設けられる。セラミック膜２の内部には、この濾過膜を透過した処理水が流通する流路（図示せず）が形成される。図２（ａ）に示すように、流路の開口部２ｂはセラミック膜２の側面２ｃに形成される。なお、膜モジュール１では、流路の開口部２ｂは、セラミック膜２の両側端面に形成されるが、流路の開口部は、セラミック膜２の少なくとも１側面に設ければよい。

集水部３は、セラミック膜２の側面２ｃ側の端部にそれぞれ設けられ、セラミック膜２を保持する。図２（ａ），（ｂ）に示すように、集水部３の上面には位置決め用の凸部３ａが形成され、集水部３の下面には位置決め用の凹部３ｂが形成される。膜モジュール１を積重する場合、上下に隣接する膜モジュール１の集水部３の凸部３ａと凹部３ｂとが嵌合することで、各膜モジュール１の位置決めが行われる。

図３（ａ）に示すように、集水部３にはセラミック膜２の側面２ｃの長手方向に沿うように集水路３ｃが形成される。この集水路３ｃは、集水部３を貫通して形成される。図３（ｂ）に示すように、集水路３ｃは各セラミック膜２の流路２ｄと連通して形成され、セラミック膜２で濾過された処理水は流路２ｄを通り、集水路３ｃに集められる。また、この集水路３ｃの開口部が形成される集水部３の両端面３ｄ，３ｄには、集水路３ｃを囲むように溝部３ｅが形成される。図４に示すように、膜モジュール１を積重する場合、この溝部３ｅにＯリング４を設けて膜モジュール１を積重することで、積重した膜モジュール１間の水密性が確保される。なお、図３（ａ）に示すように、集水部３のセラミック膜２を固定する面の対面には溝３ｆが形成され、この溝３ｆは、膜モジュール１の積重作業時など膜モジュール１を移動する際の取っ手として用いられる。

集水部３は、例えば、モールドにより形成される。モールドに用いられる材料は、金属、セラミックなどの無機材料及び樹脂などの有機材料から耐久性及び耐薬品性などの条件に基づいて選択される。モールドに用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、二液硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂などがある。これらの樹脂から、耐久性を含め被処理液の性状に対して適する材料が選定される。より具体的には、熱硬化樹脂として、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂などがあり、熱可塑性樹脂として、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどがある。さらには、二液硬化型樹脂として、ウレタン系樹脂などがある。そして、ウレタン系樹脂として硬質ウレタン樹脂を用いると、常温での作業が可能であるので作業性が高く、耐久性及び耐薬品性に優れた集水部３を形成することができる。この硬質ウレタン樹脂としては、水和アルミナ含有ポリエステルポリオール型ウレタン樹脂などが例示される。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、膜ユニット６は、架台５上に複数の膜モジュール１を積重して構成される。複数の膜モジュール１は、上下に隣り合う集水部３の凸部３ａと凹部３ｂを嵌合させて膜モジュール１の位置決めを行うとともに、各膜モジュール１の集水部３同士がＯリング（図示せず）を介して積重される。積重された膜モジュール１の上下には、膜モジュール固定部材７，７が設けられ、モジュール固定部材７，７をボルト８で締結することで、積重された膜モジュール１が固定される。このように膜モジュール１を積重すると、各膜モジュール１の集水路３ｃ（図示せず）が連通し一つの流路が形成される。膜ユニット６の上端面には、この流路を流通する処理水を排出する濾過水排出口９が設けられる。また、膜ユニット６の上端面にはアイボルト１０が設けられ、被処理液中に膜ユニット６を出し入れする際に膜ユニット６を吊下げる。

なお、架台５内部には、図示省略の散気装置などが配置され、散気装置からの気泡により生じる上向流で被処理水が膜モジュール１に導入される。また、図６に示すように、各膜モジュール１の最も外側に位置するセラミック膜２の主面２ａに対向して側板１１が設けられる。側板１１の両側端部にはクップ部１１ａが設けられ、このクップ部１１ａをボルト８に係合して膜ユニット６に側板１１が設けられる。側板１１は断面（Ｄ−Ｄ断面）コ字状であり、上下に隣り合う側板１１同士が係合して側板１１が所定の位置に固定される。

［膜モジュールの製造方法］
図７を参照して、本発明の実施形態に係る膜モジュール１の製造方法について説明する。

図７（ａ）に示すように、セラミック膜２は、注型用の金型１２Ａと金型１２Ｂの間に設けられ、このセラミック膜２を固定した金型１２Ａと金型１２Ｂが治具フレーム１３，１３で固定される。このとき、治具フレーム１３，１３間には膜間隔保持治具１４が設けられ、各セラミック膜２が所定の間隔をあけて並設される。

図７（ｂ）に示すように、金型１２Ａ（及び金型１２Ｂ）は、中子１５ａ，１５ｂとこの中子１５ａ，１５ｂを保持する外枠１６，１７から構成される。中子１５ａ，１５ｂには、予め離型剤が塗布される。中子１５ａには、セラミック膜２の開口部が形成された側面２ｃが、樹脂侵入防止のためのシール材１８を介して貼着される。そして、中子１５ａのシール材１８が貼着された面の反対側の面に中子１５ｂが設けられ、この中子１５ａ，１５ｂが外枠１６に固定される。外枠１６は一対の開口部を有し、一方の開口部はセラミック膜２が延出し、他方の開口部は外枠１７で閉塞される。

図７（ｃ）に示すように、シール材１８の貼着面を上にして治具フレーム１３を立設し、中子１５ａ，１５ｂを固定した外枠１６と外枠１７で形成される空間部１９（図７（ｂ）の図に斜線で示す）に樹脂を注入する。注入された樹脂が固化してセラミック膜２を一体に固定した集水部３が形成される。最後に、図７（ｄ）に示すように、樹脂から中子１５ｂ、中子１５ａの順に除去して集水部３に集水路３ｃを形成し、その後、外枠１６，１７を外す。

以上のように、本発明の膜モジュール及び膜ユニットによれば、濾過部材を保持しこの濾過部材に形成された流路と連通する集水路を有する集水部を一体に形成することで、集水部の耐久性及び耐薬品性が向上する。また、集水部を一体形成することで、集水部の水密性が向上し、集水部を積重したときの耐久性が向上する。

また、集水部をモールドで形成すると、接着剤を用いることなく集水部を形成することができ、集水部の水密性及び耐薬品性が向上する。特に、モールド樹脂として耐薬品性に優れる樹脂を用いると、集水部の耐薬品性がさらに向上し、膜モジュール及び膜ユニットの長期信頼性が向上する。また、集水部をモールドで形成することで、濾過部材と集水部の一体化と同時に集水部に集水路を形成することができるので、膜モジュールの生産性が向上する。

また、集水部が上下に開口していることから、注型時に中子を容易に除去することができ、膜モジュール及び膜ユニットの生産性が向上する。このように集水部を形成することで、Ｏリングなどの封止材を介して集水部を積重するだけで、積重された集水部間の水密特性を良好に保つことができ、膜ユニットの生産性が向上する。

また、本発明の膜モジュール製造方法によれば、集水路が一体に形成された集水部を得ることができるので、膜モジュールの耐久性や耐薬品性が向上する。さらに、集水部への濾過部材の固定と集水部の集水路の形成を同時に行うので、膜モジュールの生産性が向上する。

なお、本発明の膜モジュール及び膜モジュールの製造方法並びに膜ユニットは、記載された実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように設計変更された形態も本発明の技術範囲に属する。

例えば、膜モジュールを構成する濾過部材は、セラミック膜に限定されるものではなく、有機中空糸膜、有機平膜、無機平膜、無機単管膜などを用いることができる。この濾過部材の材質としては、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）などが例示される。

また、濾過部材に設けられる分離膜の孔径は、固液分離の対象となる物質の粒径に応じて選択される。例えば、活性汚泥の固液分離に用いるならば、０．５μｍ以下の孔径を有する濾過膜が用いられ、また、浄水の濾過のように、除菌が必要な場合は０．１μｍ以下の孔径を有する濾過膜が用いられる。

また、膜ユニットを構成する膜モジュールの数は、被処理水の処理量や被処理水の水深により適宜必要な数の膜モジュールが用いられる。また、図５（ｃ）に示すように、架台５上に積重した膜モジュール１を並設して膜ユニット６ａを構成することもできる。

１…膜モジュール
２…セラミック膜（濾過部材）
２ａ…主面、２ｂ…開口部、２ｃ…側面、２ｄ…流路
３…集水部
３ａ…凸部、３ｂ…凹部、３ｃ…集水路、３ｄ…端面、３ｅ…溝部、３ｆ…溝部
４…Ｏリング
５…架台
６，６ａ…膜ユニット
７…膜モジュール固定部材
８…ボルト
９…濾過水排出口
１０…アイボルト
１１…側板
１１ａ…クップ部
１２Ａ，１２Ｂ…金型
１３…治具フレーム
１４…膜間隔保持治具
１５ａ，１５ｂ…中子
１６，１７…外枠
１８…シール材
１９…空間部

Claims (8)

1. 外表面に設けられる濾過膜と当該濾過膜で濾過された処理液が流通する流路を有する濾過部材と、
   一対の端面に開口部を有する集水路が形成され、当該端面間の一側面に前記集水路と前記流路を連通させて前記濾過部材が一体に設けられる集水部と、
   を有する
   ことを特徴とする膜モジュール。
2. 前記集水部を、モールドで形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記集水部を、樹脂で形成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の膜モジュール。
4. 前記樹脂は、耐薬品性を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の膜モジュール。
5. 前記樹脂は、硬質ウレタン樹脂である
   ことを特徴とする請求項４に記載の膜モジュール。
6. 前記樹脂は、水和アルミナ含有ポリエステルポリオール型ウレタン樹脂である
   ことを特徴とする請求項５に記載の膜モジュール。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の膜モジュールを、当該膜モジュールの集水路の開口部が形成される端面を対向させて積重する
   ことを特徴とする膜ユニット。
8. 外表面に設けられる濾過膜と当該濾過膜で濾過された処理液が流通する流路を有する濾過部材を備える膜モジュールの製造方法であって、
   前記濾過部材の流路の開口部が形成された面に、シール材を介して中子を設け、
   当該中子の外周をモールドし、
   前記中子及び前記シール材を除去する
   ことを特徴とする膜モジュール製造方法。

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