JP4351753B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体からの溶存気体の脱気、液体への気体の溶解等に用いる中空糸膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液体からの溶存気体の脱気、液体への気体の溶解等に用いられる中空糸膜モジュールは、複数本の中空糸膜が収束され、その両方の端部が中空糸膜が開口した状態で、ポッティング材によりハウジングの内部に固定されている。そして、液体と気体は、中空糸膜を隔壁として接し、気体を加圧または減圧することにより中空糸膜を通して気体の移動が行われる。
これらの中空糸膜モジュールは、そのコンパクトさ、清浄性等の特徴を活かし、例えば、超純水、ビル給水、食品用水等の脱気や、炭酸ガスの溶解等に用いられている。
【０００３】
こうした中空糸膜モジュールは、液体の濾過や、混合気体からの気体の分離等に用いられる一般の中空糸膜モジュールとは異なり、中空糸膜の両側に物性が大きく異なる液体と気体が接した状態で使用される。そのため、液体の流入や気体の圧力を変化させた際には中空糸膜の揺動が特に大きい。そのため、中空糸膜モジュールを長期間使用すると、中空糸束の最外周に位置する中空糸膜が、ポッティング材による固定部と非固定部の境界において損傷しリークを引き起こす場合があった。
【０００４】
また、上述した中空糸膜モジュールは、複数本の中空糸膜を収束した中空糸束をハウジングの内部に装填し、その端部にポッティング材を注入し硬化させた後、硬化したポッティング材の端部を固定した中空糸膜と共に切断して、中空糸膜の開口部が形成することにより製造される。
この製造過程において、ポッティング材は、個々の中空糸膜間及び中空糸束とハウジングの間に浸透し、硬化することにより、中空糸膜とハウジングを一体化する。その結果、中空糸束とハウジングの間にはポッティング材のみからなる樹脂層が形成される。
【０００５】
一般に、ポッティング材は硬化の際に収縮を伴うが、中空糸束の内部では多くの中空糸膜があることからその硬化収縮の応力が分散されるものの、中空糸束の最外周に位置する中空糸膜はポッティング材のみからなる樹脂層と接しているので、硬化収縮の応力が集中することになる。
その結果、こうした理由からも、このような中空糸膜モジュールを、前述した液体からの溶存気体の脱気、または液体への気体の溶解等に供して長期間使用すると、上述したように、中空糸束の最外周に位置する中空糸膜は、ポッティング材による固定部と非固定部の境界において損傷し、リーク発生の原因となることがあった。
【０００６】
そこで、中空糸膜モジュールを作製する際に、中空糸束外周部の中空糸膜を短く刈り込み、その開口端をポッティング材中に埋没させた中空糸膜モジュールが特開平１−１４３６０４号公報に提案されている。この技術は、その刈り込んだ中空糸膜に、その本来の機能を発揮させるためではなく、保護層として機能させることで、上述した損傷等を防ぐものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術では、上記のように中空糸束外周部の中空糸膜の開口端がポッティング材中に埋没することにより、ポッティング材が、その開口端から中空糸膜の内部に侵入し、中空糸束のポッティング材による固定部と非固定部の境界まで達する。その結果、その中空糸膜がポッティング材と同様に固くなって弾性が無くなり、収縮応力を分散、吸収することができなくなり、実際上、上述した損傷等の問題を解決することができず、このような中空糸膜モジュールを液体からの溶存気体の脱気、液体への気体の溶解等に供し長期間使用すると、保護層の内部にある中空糸束の最外周に位置する中空糸膜は、ポッティング材による固定部と非固定部の境界において損傷しリークを生じてしまうおそれがあった。
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、中空糸束の最外周に位置する中空糸膜にポッティング材の硬化収縮の応力が集中することがなく、リークを防止できる耐久性能の高い中空糸膜モジュールの提供を目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の中空糸膜モジュールは、複数本の中空糸膜が収束した中空糸束が、その端部が開口した状態でポッティング材によりハウジングの内部に固定した中空糸膜モジュールにおいて、中空糸束の表面の、前記ポッティング材により固定される部分の縁部を少なくとも含む箇所に、弾性を有する応力緩和部材が設けられていることを特徴とするものである。
ここで、応力緩和部材としては、端部が塞がれた中空糸膜を用いたシートが望ましい。
また、中空糸束が、複数箇所でポッティング材により固定されている場合には、各箇所のポッティング材に応じて独立して応力緩和部材を設けることが望ましい。
その場合、応力緩和部材は、その幅が１０〜８０ｍｍのものが望ましい。
本発明の中空糸膜モジュールは、特に、液体からの溶存気体の脱気用、または、液体への気体の溶解用に適している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の中空糸膜モジュールを詳細に説明する。
図１に示す本発明の中空糸膜モジュールの一例である中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜が収束してなる中空糸束１２が、円筒状のハウジング１４の内部に収容されている。この際、中空糸束１２は、その両方の端部が開口した状態で、ポッティング材１６、１６により、円筒状のハウジング１４の内部に固定されている。
【００１０】
本発明に用いられる中空糸膜としては、その中空糸膜モジュールの用途に応じて適当なものを用いることができ、例えば、液体からの溶存気体の脱気または液体への気体の溶解等用の中空糸膜モジュールであれば、その中空糸膜としては、気体を透過するものであればその材質に制限はない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（４―メチルペンテン−１）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン、ポリスルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン等の疎水性高分子からなる多孔質中空糸膜等が用いられる。
しかし、このような疎水性の多孔質中空糸膜を用いて長時間の処理を行うと、水蒸気が多孔部内に凝縮し、その結果水分の透過を生じる。従って、中空糸膜としては薄い非多孔質膜を、気体透過の抵抗がなく十分な機械的強度を有する多孔質膜で両側から挟み込んだ三層複合中空糸膜が特に好ましく用いられる。
三層複合中空糸膜は、例えば非多孔質膜を形成するポリマーと多孔質膜を形成するポリマーを、非多孔質膜形成用ポリマーを多孔質膜形成用ポリマーで両側から挟み込むポリマー配置の多重円筒状の紡糸ノズルを用いて溶融紡糸し、多孔質膜形成用ポリマーのみを多孔質化する条件で延伸することにより得ることができる。
【００１１】
非多孔質膜形成に用いるポリマーとしては、ポリジメチルシロキサン、シリコンとポリカーボネートのコポリマー等のシリコン系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（４―メチルペンテン−１）等のポリオレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリフェニレンオキサイド、ポリ４−ビニルピリジン、ウレタン系ポリマー、またはこれらのコポリマーあるいはブレンドポリマー等が挙げられる。また、多孔質膜形成に用いるポリマーとしては、前記のポリオレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー等が挙げられる。非多孔質膜形成に用いるポリマーと多孔質膜形成に用いるポリマーとの組み合わせには、特に制限はなく、同種または異種のポリマーの任意の組み合わせであってもよい。
【００１２】
ポッティング材としては、十分な接着強度を有し、各用途で求められる要求性能を満たすものを適宜選定することができる。例えば、ウレタン系、エポキシ系、シリコン系、不飽和ポリエステル系等のポッティング材を挙げることができる。なかでも、エポキシ系樹脂は耐熱性、耐薬品性に優れることから特に好ましく用いられる。
ハウジングについても同様に、各用途の要求性能にあわせ適宜選定し使用することができる。例えば、ポリオレフィン、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンオキサイド、塩化ビニル等が挙げられ、ポッティング材との接着性が低い場合にはプライマー処理を施して使用することも可能である。
【００１３】
本発明の中空糸膜モジュールにおいては、中空糸束１２を固定するポッティング材が形成される部分である固定部２６とポッティング材のない部分である非固定部２８の境界、即ち固定部２６の縁部３０を少なくとも含むように、中空糸束１２に、応力緩和部材１８が設けられている。この応力緩和部材１８は、図１に示すように、中空糸束１２を固定する２箇所のポッティング材１６、１６に応じて、それぞれの縁部３０を含むように、複数設けても良いし、また、図２に示すように、複数箇所のポッティング材１６，１６に渡って応力緩和部材２０を設けても良い。但し、図１に示すように、それぞれの箇所に、独立した応力緩和部材１６を設けるようにすることにより、中空糸膜の大部分が露出するようになり、中空糸膜における脱気や溶解または濾過等の機能をより効率的に発揮させることができるので望ましい。
このようにして応力緩和部材を設けることで、中空糸束の最外周においても中空糸膜がポッティング材のみからなる樹脂層と接することがなく。ポッティング材の硬化収縮による応力が分散、吸収され、リークが起き易い中空糸束１２の外周部であって、ポッティング材１６による固定部２６と非固定部２８の境界部分が保護され、損傷を防止できるようになる。
【００１４】
応力緩和部材は、少なくとも固定部２６の縁部３０を含む箇所に設けられるが、ポッティング材で５ｍｍ以上の幅で被覆されるようにして、応力緩和部材がポッティング材中に埋没するようにすることが好ましい。５ｍｍよりも短い場合は、ポッティング材の硬化収縮の応力を十分に分散できないからである。
また、応力緩和部材１８は、ポッティング材よりも５ｍｍ以上はみ出して露出していることが好ましい。５ｍｍよりも短い場合にはポッティング材のはい上がり等により、その露出部全体がポッティング材に覆われ、応力を十分に分散できない場合があるからである。
したがって、これらの要件を簡易に満たすために、図１に示すように、幅が１０〜８０ｍｍの矩形状の応力緩和部材１８を用い、これを中空糸束１２のポッティング材１６による固定部２６の縁部３０を含む部分に巻回して設けることが好ましい。この場合、応力緩和部材１８の幅が１０ｍｍ未満では、中空糸束のポッティング材による固定部と非固定部の境界を確実に内包することが困難であり、８０ｍｍを超えると有効膜面積が減少するからである。この幅は１５〜８０ｍｍであればより好ましく、２０〜６０ｍｍであればさらに好ましい。
【００１５】
この応力緩和部材１８は、ポッティング材の硬化収縮による応力を分散、吸収できるような弾性をもったものであればよく、ゴムや、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン等の各種樹脂の発泡材などからなるシートの他、両端の開口部を塞いだ中空糸膜（以下、塞口中空糸膜と略記する）を用いたシートを適用できる。特に図２に示すように中空糸束１２全体を覆うように応力緩和部材２０を配備するときには、中空糸束１２の機能を十分に確保するために、中空糸膜を用いることが望ましい。
塞口中空糸膜としては、中空糸束を損傷せず、ポッティング材の硬化収縮の応力を分散することができるものであれば、特に制限無く使用することができ、前述ポリマー等を用いた多孔質中空糸膜、非多孔質中空糸膜、三層複合中空糸膜等を使用することができる。さらには、中空糸束と同一の中空糸膜を用いると、別途部材を用意する必要もなく、コスト増を殆ど伴わず、好ましい。
応力緩和部材としてそのような塞口中空糸膜を用いる場合には、例えば、図４に示すように、塞口中空糸膜２４をかがり糸２２で織り込んだものが適用できる。この場合、図示例のように、１本の塞口中空糸膜２４を折り返しながら、かがり糸２２によりかがりながら形成することもできるし、また、任意の本数の塞口中空糸膜を一束として、これらをまとめて折り返し形成することもできる。
なお、この手段は、中空糸束１２を形成する際にも適用することができ、同様に中空糸膜をシート状編んだ後に、すし巻き状に巻いて巻層体と成すことにより、中空糸束１２を形成することもできる。
かがり糸の種類としては、ポリエステル繊維等の合成繊維製のマルチフィラメント糸など、柔軟性があり、中空糸膜を損傷しなければ特に制限無く使用することができる。
【００１６】
このように、応力緩和部材として中空糸膜を用いる場合であっても、その端部が開口していないので、中空糸の内部にポッティング材が侵入しない。その為、ポッティング材で固定後も、中空糸膜自身のもつ弾性を失うことがなく、ポッティング材の硬化収縮の応力を十分に分散することができる。
また、シート状の中空糸膜を用いることで、中空糸束の最外周に位置する中空糸膜を確実且つ容易に内包することが可能となる。
【００１７】
上述したような中空糸膜モジュールは例えば次のようにして製造される。まず、図３に示すように、所定の中空糸膜を収束して中空糸束１２とする。そして、後工程でポッティング材を注入して固定部と非固定部を形成した際に、その固定部と非固定部の境界となる部分を少なくとも含むように、所定の応力緩和部材１８，１８を巻回する。これを、円筒状のハウジング内に装填した後、ポッティング材を注入して、硬化させる。ポッティング材が硬化した後に、各固定部の末端部を切断することにより、中空糸膜の端部が開口した中空糸膜モジュールを得ることができる。
【００１８】
尚、上記説明は、円筒状の中空糸膜モジュールを例示しているが、本発明の中空糸膜モジュールは、他の形状であってもよく、中空糸束の外周部にポッティング材のみからなる樹脂層が形成される形態であれば同様の効果が得られる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
［実施例１］
中空糸膜として、三層複合中空糸膜（「ＭＨＦ２００ＴＬ」三菱レイヨン（株）製、内径：２００μｍ、外径：２８０μｍ、材質：セグメント化ポリウレタン(非多孔質中間層)・ポリエチレン(多孔質内外層)）を用い、シート状の編み地を作製した（編み幅：２６５ｍｍ、フィラメント数：３２ｆｉｌ、コース数：５１２）。
同様に、三層複合中空糸膜「ＭＨＦ２００ＴＬ」を用いて、図４に示すような形態の端部が開口していない中空糸膜からなるシート状の応力緩和部材１８を作製した（編み幅３０ｍｍ、フィラメント数：３２ｆｉｌ、コース数：１８０、枚数：２枚）。
【００２０】
このシート状の編み地及びシート状の応力緩和部材をそれぞれ熱セットした後に、シート状の中空糸膜をすし巻き状に巻いて巻層体とした中空糸束１２を作成した。このようにして作製した中空糸束の、ポッティングした際にポッティング材による固定部と非固定部の境界となる部分を覆うように、応力緩和部材を２カ所に巻き、図３に示すような中空糸束を作製した。
【００２１】
これを、壁面に多数の孔を有する内径６４ｍｍ、外径７２ｍｍ、長さ２１５ｍｍのハウジング（材質：変性ポリフェニレンオキサイド）内に収容した。ポッティング材として、「エピコート８２８」（油化シェルエポキシ(株)製）、「ＴＳＲ−２４３」（大日本インキ化学工業(株)製）、「チオコールＬＰ−２」（東レチオコール(株)製）、「AmicurePACM」（ＢＴＲジャパン(株)製）を重量比２７.２：４５.３：９.１：１８.４で混合、脱泡したものを用い、これを樹脂ポットに注入した後、遠心ポッティング装置にてハウジング両端からポッティングを行った。
ポッティング材の硬化後、ポッティング部の端部を、固定した中空糸膜と共に切断し、中空糸膜の両端が開口した図１に示すような構造の中空糸膜モジュール１０を得た。２カ所に巻いた応力緩和部材１８は、いずれも片方の端部が１０ｍｍずつポッティング材１６中に埋没していた。
【００２２】
得られた中空糸膜モジュールを使用して耐圧試験を行った。
耐圧試験は、中空糸膜モジュールを繰り返し耐圧試験装置にセットし、圧力：０.５ＭＰａ、温度：６０℃、サイクル：１０秒オン／１０秒オフ、加圧方向：インアウト、上限１５００回の条件で、中空糸膜モジュールにリークが生じるまでのサイクル数を測定した。その結果を表１に示した。
また、この中空糸膜モジュールは、ビル給水の脱気モジュールとして、また、炭酸ガスの溶解モジュールとして好適であった。
【００２３】
［実施例２］
応力緩和部材として、端部が開口していない中空糸膜を用い、編み幅２１５ｍｍのものを１枚使用し、図２に示すようなものとしたこと以外は、実施例１と同様にして中空糸膜モジュール１１を得た。この中空糸膜モジュールにおいては、応力緩和部材２０は、その両方の端部がポッティング材１６中に９ｍｍずつ埋没していた。
得られた中空糸膜モジュールの繰り返し耐圧試験の結果を表１に示す。
また、この中空糸膜モジュールは、ビル給水の脱気モジュールとして、また、炭酸ガスの溶解モジュールとして好適であった。
【００２４】
［比較例］
中空糸膜モジュールを作製する際に、シート状の応力緩和部材を巻かなかったこと以外は、実施例１と同様にして中空糸膜モジュールを得た。得られた中空糸膜モジュールの繰り返し耐圧試験の結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】

表１からも明らかなように、本実施例の中空糸膜モジュールであれば、リークが生じにくく、耐久性能の高いものであることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の中空糸膜モジュールによれば、中空糸束の最外周においても中空糸膜がポッティング材のみからなる樹脂層と接することがなく硬化収縮の応力が分散されるので、脱気やガス溶解等の用途に使用しても、固定部と非固定部の境界における中空糸膜リークを防止することができる。
特に、応力緩和部材として、端部が塞がれた中空糸膜を用いたシートを用いることにより、応力の分散効果を十分に発揮させつつ、コスト増加をきわめて最小限に抑えることができる。
中空糸束が、複数箇所でポッティング材により固定されている場合には、各箇所のポッティング材に応じて独立して応力緩和部材を設けて、中空糸束のポッティング材による固定部と非固定部の境界を含む部分のみに設けることにより、中空糸膜モジュールの有効膜面積を減少させることなく硬化収縮の応力を分散させることができ、特に、応力緩和部材の幅が１０〜８０ｍｍであることにより、中空糸膜モジュールの有効膜面積を十分に確保しつつ硬化収縮の応力を分散させることが容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】 本発明の中空糸膜モジュールの一例を示す断面図である。
【図３】 応力緩和部材を巻いた中空糸束を示す斜視図である。
【図４】 塞口中空糸膜を用いた応力緩和部材の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 中空糸膜モジュール
１１ 中空糸膜モジュール
１２ 中空糸束
１４ ハウジング
１６ ポッティング材
１８ 応力緩和部材
２０ 応力緩和部材
２２ かがり糸
２４ 塞口中空糸膜
２６ 固定部
２８ 非固定部
３０ 縁部

Claims (4)

1. 複数本の中空糸膜が収束した中空糸束が、その端部が開口した状態でポッティング材によりハウジングの内部に固定した中空糸膜モジュールにおいて、
   前記中空糸束の表面の、前記ポッティング材により固定される部分の縁部を少なくとも含む箇所に、端部が塞がれた中空糸膜を用いたシートからなる弾性を有する応力緩和部材が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. 前記中空糸束は、複数箇所でポッティング材により固定され、各箇所のポッティング材に応じて独立して応力緩和部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記応力緩和部材は、その幅が１０〜８０ｍｍであることを特徴とする請求項２記載の中空糸膜モジュール。
4. 液体からの溶存気体の脱気用、または、液体への気体の溶解用であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。

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