JPS6082B2 - 薄膜ろ過装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜ろ過ｔたとえば逆浸透、限外ろ過または透
析により溶液、懸濁液、ェマルジョンまたは分散液のよ
うな物質混合物を分離する装置に関する。

機械的フィル夕たとえばフィルタプレスまたは回転する
堆積フィル夕により作業する装置と異なり、薄膜ろ過の
公知装直は低分子およびイオン部分の分離にも適する。

この装置は溶液、懸濁液、ェマルジョンまたは分散液の
個々の成分の選択的分離または濃縮、たとえば塩水もし
〈はかん水の処理、血液、乳糠、染料分散液、プラスチ
ック分散液、油−水ェマルジョン、もしくは酵素の処理
、ワイン中の酸除去またはビール中のアルコ−ル減少に
使用される。モジュールとも称される薄膜ろ過装置は多
数の実施方式が公知であり、その作業方法により動的お
よび静的装置に区別することができる。

薄膜ろ過をたとえば西ドイツ公開特許公報第２１４６８
６７号から公知の動的装置によって行う場合、普通は静
的装置によるより高い濃縮が達成される。

薄膜支持体および流れかく乱器の回転によってこの動的
モジュール内に禍流形成のもとに処理媒体の乱流が生じ
、これが薄膜表面における濃度上昇および固体沈積を防
ぐように作用する。静的装置に比して動的装置は構造が
複雑であり、比．鮫的高い作業費を要するので、この動
的モジュールは特殊な目的にしか使用されない。薄膜ろ
過を行う公知静的装置としてはその構造が管東熱交換器
に類似する管−および中空繊維モジュールが挙げられ、
この場合溶液は円筒形薄膜面の中または周囲を流れ、さ
らにフィルタプレスーおよびスパイラルモジュールの場
合、溶液は平行平面であるか、または間隔に比例してご
く僅かに賢曲する薄膜面の間を流れる。

たとえば西ドイツ公開特許公報第１８０５５９ぴ号に記
載されるような管モジュールは多孔性支持管に支持され
たホース状半透際を有する。

たとえば西ドイツ公開特許公報第１４４２４２ぴ号から
公知のスパイラルモジュールは通常導出可能の材料を間
に挿入した平らな薄膜よりなり、この薄膜は管をスパイ
ラル状に巻き、接着される。機械的フィルタプレスと同
様に構成されたフィルタプレスモジュールはたとえだ西
ドイツ公開特許公報第２３０４７０２号によれば交互に
配置された案内板および薄膜支持部材よりなり、各支持
部材は両側にそれぞれ１つの半透膜を支持する。スパイ
ラルーおよび中空繊維モジュールは限外ろ過には適さず
、逆浸透の場合もその使用可能性は溶液のための狭い流
路断面によって制限される。

とくに濃縮の際スラッジ状沈積物を形成する傾向のある
媒体は固体次積のため閉塞を起こすことがある。中空繊
維モジュールはさらに許容作業圧を比較的低くとどめな
ければならない欠点がある。これに比してフィルタプレ
スーおよび管モジュールは逆浸透にも限外ろ過にも適し
、その大きい流路断面のためスパイラル−および中空繊
維モジュールの前記欠点を示さない。

モジュール構造の重要な要求の１つはできるだけ大きい
モジール充てん密度を得ることであり、すなわち装置の
所要場所が小さく、かつ最大の装置利用率が達成される
ように、できるだけ大きい薄膜面ができるだけ小さいモ
ジュール容積内に配置されなければならない。

フィルタプレス−および管モジュールはこの要求を充足
せず、他のタイプのモジュールに比して比較的小さいモ
ジュール充てん密度を有する。さらに公知のフィルタプ
レスモジュールは薄膜交換を簡単に行うことができず、
新たに導入する薄膜を損傷する危険があるのが欠点であ
る。

米国特許第３５０８９９４号明細書には、多孔性支持部
材が薄膜を形成する溶液で直接被覆され、それゆえ薄膜
交換の際損傷しやすい薄膜自体を扱う必要のないフィル
タプレスモジュールが提案される。しかしこの公知モジ
ュールはモジュール充てん密度が比較的小さい欠点を有
する。本発明の目的はこの技術水準を考慮して、高いモ
ジュール充てん密度を有し、さらに簡単に組立てること
ができ、薄膜および（または）支持部材を簡単に交換し
うる薄膜ろ過装置を提案することである。

さらに新規袋贋はできるだけ小さい局部的濃度上昇およ
び固体沈鏡をもって作業し、それゆえフラツクスすなわ
ち単位時間、薄膜単位面積当りの透過物通過量がほぼ一
定でなければならない。この目的は本発明により ａ 原液の入口、 ｂ 濃縮液の出口、 ｃ 透過液の出口、 ｄ 互いに離れて配置され、半透膜で蔽われた少なくと
も２つの耐圧性多孔支持部材を有する薄膜ろ過装置によ
って解決される。

本装置の特徴は支持装置が多数の貫通孔を備え、その内
面が同様半透膜で蔽われ、隣接支持部材の間の間隙がと
くに支持部材の周縁で液体不透過性にシールされている
ことである。貫通孔の内面とはその壁を表わし、支持部
材の残りの表面は外面と称される。

支持部材は液体透過性であり、透過液の導出に役立つ。
支持部材はとくに板形を有し、その幅および高さは厚さ
に比して大きく、とくに互いに平行に配置される。処理
される媒体は周縁を回って隣接する間隙へ達することは
できず、媒体は第１に支持部材の外面に対して垂直に、
すなわち貫通孔を通って隣接間隙へ流れる。これに反し
て公知のフィルタプレスモジュールでは処理媒体はもっ
ぱら多孔性支持部材と平行に流れ、場合により閥縁を回
って次の間隙に達し、この間隙を反対方向に同様多孔性
支持部材に対し平行に通過する。本装置は支持部材の内
面が半透膜で蔽われている場合のみ満足に作業できる。
貫通孔のない支持部材を半透膜で被覆することは技術水
準であり、たとえば米国特許第３５０８９９４号明細書
に記載される直綾浸債被覆の原理により、さらにスクレ
ーパ、リングノズル、圧縮ガス吹付けまたはスプレーを
補助として行われる。

これらの公知法は本発明の場合にも支持部村に固く付着
した薄膜を製造するために適する。しかしとくに本発明
による支持部材の被覆はたとえばＪ．Ａｐｐ．Ｐｏｌ．
Ｓｃｉ．１９（１９７５）、１９１１〜１９３０、２１
５７〜２１６６に記載されるようなプラズマ重合により
行われる。薄膜材料としてはたとえばポリアミドまたは
セルロースマセテートのような公３印物質が使用される
。貫通孔の断面は任意に選ぶことができ、製造が比較的
簡単なためとくに円形、３角形、４角形または６角形で
ある。

貫通孔の断面積の４倍をその周縁長さで割った商である
貫通孔の流体力学直径は分離する媒体に可能な限りでき
るだけ４・さく選ばれ、０．１〜１０帆、とくに０．５
〜５肋、さらに有利には２〜３肌の範囲である。

貫通孔の断面積は貫通孔の範囲内で少なくともほぼ一定
であるけれど、貫通孔が円錐形縦断面を有するように選
ぶこともできる。

貫通孔の長さ、したがって１つの支持部村を通る流路長
さは貫通孔の流体力学的直径の１〜１Ｍ音とくに４〜６
倍である。貫通孔の直径を上記のように小さく選択する
ことにより支持部材の周緑部分を除く全表面にわたって
非常に密に隣接する多数の貫通孔を配置することができ
、さらに貫通孔の長さの上記選択によって本発明の装置
の透過面の約８０％は貫通孔内にある。

それによって透過面が主として平行平面からなる公知装
置に比して透過面積が著しく拡大されるｃ隣接する支持
部材の貫通孔はとくに互いに千鳥に配置されるので、処
理する媒体の流れ方向は支持部材の間の間隙で変化する
。

支持部材はとくに平行に互いに離れて配置され、隣接支
持部材の間の間隙はとくに支持部材の周緑またはその付
近で液体不透過性にシールされる。

隣接支持部材の間の距離は貫通孔の流体力学的直径によ
り１〜１仇吻、とくに０．５〜５肋、多くは２〜３柳で
ある。

液体不透過性材料としてはたとえば公知のシール材料を
使用することができる。シールが０ーリングの形すなわ
ち円形断面の場合、それを収容するため適当な凹所が支
持部材の周線近くに設けられる。シール材料としては普
通はアスベスト、ゴム、シリコンゴムまたはポリテトラ
フルオルェチレンを使用することができる。支持部材の
多孔性耐圧材料としては逆浸透または限外ろ過の公知装
置に常用の液体透過性支持層たとえばセラミック、競給
ポリエチレン粉末または耐圧性紙層が使用される。さら
に本発明による材料として酸化アルミニュウム、チッ化
ケイ素、燐結したクロム鋼粉末または青銅粉末のような
金属粉末、黒鉛、炭化ケイ素および場合により金属シー
トで強化された、プラスチックを充てんした人造繊維よ
りなる耐圧フェルト層が提案される。原液の入口および
最終濃縮液の出口はモジュ−ルの反対側の場所すなわち
最初の支持部材の前および最後の支持部材のあとにより
、その際最初の支持部材の前または最後の支持部材のあ
とに整流板を配置することにより処理媒体のとくに均一
な分配が可能になる。原液の入口および最終濃縮液の出
口はとくに原液が最初の整流板に対し平行に装置へ流入
し、最終濃縮液が第２の整流仮に対し平行に装置を去る
ように設置される。整流板の全面にわたり溶液を最適に
分配するため流入する原液は貫通孔の前で、流出する最
終濃縮液は整流板を通る貫通孔のあとで、流入または流
出の際たとえば流れ阻止器のような流れに影響を与える
要素および（または）それぞれ少なくとも１つの流入ま
たは流出口の接線方向配置によってスパイラル状に導か
れる。最初の整流板の貫通孔を通過した後、原液は最初
の支持部材の外面へとくに垂直に当る。透過液の出口孔
は個々の支持部材の周縁にある。

流出する透過液は透過液流出口を有する槽または装置を
包囲するケーシング内に捕集される。次に本発明を図面
により説明する。第１図において処理する媒体に対し耐
食性の材料たとえば不銭鋼から製造した２つの円形圧板
１はその周縁に原液３を接線方向に供給するか、または
濃縮液４を接線方向に導出するための接続口２を備え、
２つの圧板１の間で多数の円板状支持部材５が透過液１
３に対し耐食性の材料たとえば不銭鋼よりなるタィロッ
ド６により圧縮され、その際間に挿入された弾性シール
リングが隣接支持部材の間隙１６をシールする。

支持部材５は多数の貫通孔８を備え、周緑９の範囲を除
いて全面的に半透膜１０で被覆される。

支持部材５とシールリング７の接触範囲には支持部材５
の通過孔８はない。この範囲および周緑９には俺集槽１
４に橘集される透過液１３のための出口１２を有する円
筒形金属フレーム１１である。圧板１と最初の支持部材
５ａまたは最後の支持部材５ｂの間にたとえば孔板また
は線網の形の整流器１５がある。第３図にはモジュール
を通過する流れ１９が示される。

多孔性支持部材の補強のためその筒緑は金属フレーム１
１（第４ａ図）によって包囲される。金属フレームはＬ
形またはＵ形断面で支持部材の周縁を包囲し、かつシー
ル面の範囲まで拡がることができ（第４ｂ〜ｄ図）、そ
の際フレームは○ーリングの形のシール７ａを収容する
凹所１７を備えるか（第４ｃ図）、またはシール突起１
８を有するので（第４ｄ図）、この場合は液体不透過性
材料としての前記シールを使用する必要がない。この場
合支持部材の距離はこのシール突起の高さによって決定
される。本発明の装置は高いモジュール収容密度を有す
る。

支持部材の通過孔および間隔の寸法を本発明により選択
する場合、局部的濃度上昇または固体沈積は非常に小さ
く、したがってフラックスは１定に保持される。それゆ
え本装置は沈殿を形成する混合物の分離にも適する。さ
らに比較的簡単に形成された装置は半透膜で蔽われた支
持部材の迅速な交換を可能にし、その際破損しやすい薄
膜を損傷する心配がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の縦断面図、第２図は第１図の失
Ｄの方向から見た側面図、第３図は第１図の円ｍの範囲
の拡大図、第４ａ〜ｄ図は第３図の円Ｗｄ内の拡大図、
第５図は第４ａ図の矢Ｖの方向の側面図である。 １・・・圧板、２・・・出入口、３・・・原液、４・・
・濃縮液、５…支持部材、６・・・タィロッド、７・・
・シールリング、８・・・貫通孔、１０…半透膜、１１
・・・フレーム、１３・・・透過液、１４・・・補集槽
。 Ｆｉ９．１Ｆｉ９．２ Ｆｉ９．３ Ｆｉｇ．ムｑ Ｆｉｇ．ムｂ Ｆｉ９ムＣ Ｆｉ９．ムｄ Ｆｉｇ．５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ａ 原液の入口、 ｂ 濃縮液の出口、 ｃ 透過液の出口、 ｄ 半透膜に蔽われた互いに離れて配置された少なくと
   も２つの多孔性耐圧支持部材を有する逆浸透、限外ろ過
   または透析のような薄膜ろ過のための装置において、支
   持部材５が周縁部分を除く全表面にわたつて分布する多
   数の貫通孔８を備え、その内面が同様半透膜１０で蔽わ
   れ、その流体力学的直径が０．１〜１０ｍｍであり、貫
   通孔８を通る流路長さが貫通孔８の流体力学的直径の１
   〜１０倍に相当し、隣接支持部材５の間の間隙１６が支
   持部材５の周縁おいて液体不透過性にシールされている
   ことを特徴とする薄膜ろ過装置。 ２ 支持部材５が円板の形で互いに平行に配置されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 透過液１３が支持部材５の周縁に流出する特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の装置。 ４ 透過液１３を収容する捕集槽１４が備えられている
   特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５ 支持部材５を包囲するケーシングに透過流出口が存
   在する特許請求の範囲第３項記載の装置。 ６ 支持部材５の周縁９が金属フレーム１１によつて補
   強されている特許請求の範囲第１項から第５項までのい
   ずれか１項記載の装置。 ７ 金属フレーム１１に透過液１３のための少なくとも
   １つの出口１２が備えられている特許請求の範囲第６項
   記載の装置。 ８ 金属フレーム１１が周縁９をＬ形またはＵ形に包囲
   し、かつシール突起１８を有する特許請求の範囲第６項
   または第７項記載の装置。 ９ 隣接支持部材５の間にシール７が配置されている特
   許請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項記載
   の装置。 １０ シール７ａが円形断面を有し、これを収容するた
   め支持部材５の周縁付近に凹所１７が備えられている特
   許請求の範囲第９項記載の装置。 １１ シール７の範囲に付加的に金属フレーム１１が存
   在し、支持部材５の周縁９がＬ形またはＵ形に包囲され
   ている特許請求の範囲第９項記載の装置。 １２ 金属フレーム１１に円形断面のシール７ａを収容
   する凹所１７が設けられている特許請求の範囲第１１項
   記載の装置。 １３ 貫通孔８が円形である特許請求の範囲第１項から
   第１２項までのいずれか１項記載の装置。 １４ 貫通孔８が３角形、４角形または６角形である特
   許請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１項記
   載の装置。 １５ 通過孔８の流体力学的直径が０．５〜５ｍｍであ
   る特許請求の範囲第１項から第１４項までのいずれか１
   項記載の装置。 １６ 通過孔８を通る流路の長さが通過孔８の流体力学
   的直径の４〜６倍である特許請求の範囲第１項から第１
   ５項までのいずれか１項記載の装置。 １７ 隣接支持部材５の間隔が通過孔８の流体力学的直
   径の大きさに相当する特許請求の範囲第１項から第１６
   項までのいずれか１項記載の装置。 １８ 隣接支持部材５の通過孔８が互いに千鳥に配置さ
   れている特許請求の範囲第１項から第１７項までのいず
   れか１項記載の装置。 １９ 整流器１５が処理媒体の流れの方向で最初の支持
   部材５ａの前および最後の支持部材５ｂのあとに配置さ
   れている特許請求の範囲第１項から第１８項までのいず
   れか１項記載の装置。 ２０ 多数の支持部材５が圧板１およびタイロツド６に
   よつて締められている特許請求の範囲第１項から第１９
   項までのいずれか１項記載の装置。 ２１ 原液３または最終濃縮液４を接線方向に供給およ
   び（または）導出するためそれぞれ少なくとも１つの入
   口または出口２が処理媒体の流れの方向で最初の支持部
   材５ａの前または最後の支持部材５ｂのあとで、圧板１
   の周縁に設けられている特許請求の範囲第２０項記載の
   装置。 ２２ 流れの阻止器のような流れに影響する要素が圧板
   １の内側に設置されている特許請求の範囲第２０項また
   は第２１項記載の装置。 ２３ 支持部材５が酸化アルミニウムからなる特許請求
   の範囲第１項から第２２項までのいずれか１項記載の装
   置。 ２４ 支持部材５がチツ化ケイ素からなる特許請求の範
   囲第１項から第２２項までのいずれか１項記載の装置。 ２５ 支持部材５がクロム鋼からなる特許請求の範囲第
   １項から第２２項までのいずれか１項記載の装置。２６
   支持部材５が青銅からなる特許請求の範囲第１項から
   第２２項までのいずれか１項記載の装置。 ２７ 支持部材５が黒鉛からなる特許請求の範囲第１項
   から第２２項までのいずれか１項記載の装置。 ２８ 支持部材５が人造繊維の耐圧性フエルト層からな
   り、この層がプラスチツクで充てんされ、金属シートで
   強化されている特許請求の範囲第１項から第２２項まで
   のいずれか１項記載の装置。 ２９ 支持部材５が炭化ケイ素からなる特許請求の範囲
   第１項から第２２項までのいずれか１項記載の装置。