(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染物質を含む原液が中空ファイバの外表面に供給され、そして、ろ過液がファイバの管腔の端部から取り出されるろ過作用をさせられた多数の微小孔を有する壁部を備える複数の中空ファイバであって、シェルもしくはハウジング内に収容されているファイバを後洗滌する方法であって、該方法が、
（ａ）  前記ファイバの外表面への原液の供給を中止することによりろ過作用を終了し、
（ｂ）  シェルを密封し、残存するろ過液を前記管腔から除去し、
（ｃ）  シェルを大気に開放する前にもしくは同時にあるいは直後に前記管腔に圧力流体源を適用し、ファイバの壁部を通じて急激な減圧を生じさせ、それによって、前記圧力流体が壁部を透過し、
（ｄ）  ファイバ壁部内及び／又は表面に留まって汚染物質の大部分を除去させるように、前記減圧に続く充分な時間の間、前記管腔内の圧力レベルを所定値に維持し、
（ｅ）  前記ファイバ壁部の外表面上に液体の流れを加えることにより除去された汚染物質を洗い流し、及び、
（ｆ）  流体圧力が前記管腔に印加している間に、原液がフィルタのシェル側に再導入されて前記ファイバの外表面へ供給を始め、ろ過作用を再開するようにしたファイバを後洗滌する方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｃ）の期間中、負の膜横断圧力の増大開始とＴＭＰが最大値に到達する間の急激な減圧に対応する経過時間が約０．０５秒〜約５秒の範囲内である請求項１に記載の後洗滌方法。
【請求項３】
ろ過作用を再開するに先立って、ファイバが再濡らしされる請求項１又は２に記載の後洗滌方法。
【請求項４】
約１秒〜約３０秒の期間の間、原液が再導入される請求項１に記載の後洗滌方法。
【請求項５】
前記液体圧力が約１０キロパスカル〜約８００キロパスカルだけシェル側圧力を超えている請求項１に記載の後洗滌方法。
【請求項６】
前記急激な減圧の先立って前記管腔に印加される圧力が約１００キロパスカル〜約１２００キロパスカルである請求項１ないし５いずれかに記載の後洗滌方法。
【請求項７】
前記ステップ（ｂ）の期間中、ろ過液が前記管腔から自然排出される請求項１に記載の後洗滌方法。
【請求項８】
本方法のステップが、固体保持及び後洗滌の繰り返しサイクルを利用する連続プロセスとして実施される請求項１ないし７いずれかに記載の後洗滌方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、中空ファイバ膜を用いる懸濁液中の固体のろ過に関するものであり、殊に、中空ファイバ膜を後洗滌(backwash)することによって周期的にクリーニングする方法及び装置に関するものである。
背景技術
懸濁液中の固体をろ過する(concentrate)従来の方法はオーストラリア特許明細書５７６,４２４及び５８２,９６８に記載されている。これらの明細書の本文及び図面は相互参照によって本明細書に合体される。その従来技術においては、ろ過は閉じたカートリッジまたはシェル内の中空、多孔質のポリマーファイバの束(バンドル)からなるフィルタ要素によって行われていた。ファイバの管腔(lumer)を塞ぐことなくまたカートリッジの各端部を閉鎖することなく、ファイバの各端末をカートリッジ内の場所において保持するために、ポリウレタン  ポッティング  コンパウンドが用いられる。
従来技術において固体のろ過を行うのに必要な膜横断圧力差(transmembrane pressure defferential)は原液を加圧することによって得られ、これにはポンプ、その他の付属装置及び、勿論、閉鎖したフィルタカートリッジを用いることが必要である。
かかる従来技術のろ過装置の後洗滌においては、後洗滌作用を惹き起すファイバ壁部両側の圧力差を急激に生じさせるように、ファイバの壁部のシェル側に加わる圧力を急速に解放する前に、閉鎖されたシェル内の中空ファイバの両側に加わる圧力をかなり高い値にまで上昇させる。
発明の開示
本発明の目的は、フィルタ要素に保持された固体の除去を確実にするために保持された固体を除去する逆流モードを使用し、そして分離ろ過モードと除去モードとが長期期間中に繰返される改良された方法を提供することにある。
本発明は、少なくとも或る実施態様において、従来技術の特徴の幾つかを保有するが、改良された性能を与えるようにこれらの特徴をできるだけ効果的にする中空ファイバフィルタを後洗滌する方法を提供する。
従って、本発明の一つの広汎な形態においては、汚染物質を含む液体が中空ファイバの外表面に供給され、そしてろ過液がファイバの管腔の端部から取り出されるろ過作用をさせられた多数の微小孔を有する壁部を備える複数の中空ファイバであって、シェルもしくはハウジング内に収容されているファイバを後洗滌する方法が提供される。
該方法は次よりなる：
(a)前記ファイバの外表面への原液の供給を中止することによりろ過作用を終了し；
(b)シェルを密封しそして残存するろ過液を前記管腔から除去し；
(c)ファイバの壁部を通じて急激な減圧を生じさせ、それによって後記の圧力流体が壁部を透過するように、シェルを大気に開放する前に、もしくは同時に、或は直後に前記管腔に圧力流体源を適用し；
(d)ファイバ壁部内及び／又は表面に留まっている汚染物質の大部分を除去させるように、前記減圧に続く充分な時間の間、前記管腔内の圧力レベルを所定値に維持し；
(e)ファイバ壁部の外表面上に液体流を加えることにより除去された汚染物質を洗い流し；及び
(f)前記ファイバの外表面への原液の供給を始め、ろ過作用を再開する。
好ましくは、後洗滌期の期間中の負の膜横断圧力(transmembrane pressure ＴＭＰ)の増大開始とＴＭＰの最大値到達の間の、急激な減圧に対応する経過時間は約０.０５秒〜約５秒の範囲である。
好ましくは、ろ過作用の再開に先立って、ファイバは再濡らしされる。
好ましくは、流体圧力が管腔になお印加されている間に、原液がフィルタのシェル側にポンプで注入される。これは、保持された固体の除去を更に改善させる液体及び／又は流体の乱流又は膜の孔周りの泡立ちをもたらす。この段階の間、流体圧力は、好ましくは、シェル側圧力を約１０キロパスカル〜約８００キロパスカル上廻らねばならない。
好ましくは、本発明の方法の各ステップは固体の保持と後洗滌との繰返しサイクルを利用する連続プロセスとして行われる。
好ましい代替形態として、ステップ(b)は残存するろ過液が前記管腔から自然流出するようにしてもよい。更に広い態様によれば、本発明は、懸濁原液から固体微粒子を回収し、また懸濁原液中に存在する固体がろ過されるろ過期と、ろ過装置への懸濁原液供給が中断される後洗滌期とを含む運転サイクルを有するろ過装置を提供し、該ろ過装置は次よりなる：
(i)シェル；
(ii)弾性を有し、多数の微小孔を有する複数の中空ポリマーファイバ、該ファイバはその端部でシェル内に固定されている；
(iii)前記サイクルのろ過期の間、ファイバの外側に加圧された懸濁原液を供給するための手段；
(iv)該運転サイクルの期間中、ファイバ管腔からろ過液を取り出す手段；
(v)前記ファイバの外表面への液の供給を中止することによってサイクルのろ過期を終了するための手段；
(vi)シェルを密封しそして大気に開放するための手段；
(vii)残存するろ過液を前記管腔から除去する手段；
(viii)急激な減圧をファイバの壁部を通じて生じさせ、それによって後記の圧力下の流体が壁部を透過するように、シェルを大気に開放する前に、もしくは同時に或は直後に、前記管腔に圧力下の流体源をつなぐための手段；
(ix)前記ファイバ壁部内及び／又は表面に留る固体の大部分を除去させるために、前記減圧に続く充分な時間の間、前記管腔内の圧力レベルを所定値に維持する手段；
(x)前記ファイバの壁部の外表面上に液体の流れを加えることにより除去された汚染物質を洗い流す手段；及び
(xi)前記ファイバの外側表面への懸濁原液の供給を始め、運転サイクルのろ過期を再開させる手段。
好ましくは、該ろ過装置は、ろ過を再開する前にファイバを再濡らしするための手段を含む。
管腔からろ過液を除去するために流体圧力が印加される場合、この圧力は典型的には約１０キロパスカル〜約６０キロパスカルの範囲内である。減圧に先立って管腔に印加される流体圧力は典型的には約１００キロパスカル〜約１２００キロパスカルの範囲内にある。
膜の孔内へのガスの浸透は、よく知られた理論に従って、壁部を濡らしている液体の表面張力によって抵抗される。実際、表面張力は水中に沈めたオリフィスから気泡を押出すために必要な突破圧力によって便利に測定される。
疎水性孔における油のような、又は親水性孔における水のような普通のシステムに対しては、突破圧力はフィルタの通常の運転圧力よりも著しく高い。
従来技術の中空ファイバタイプ超フィルタでは、多くのよく知られた理由により、通常、原液はファイバの内側から供給されている。然しながら、本発明によれば、原液はファイバの外側に供給され、ガスは、後洗滌媒体としてファイバの管腔内に導入される。
或る場合には、管腔圧力が適当に設計されたファイバを膨らませ、孔が拡大され、それによって後洗滌ガスの膨張中に粒子が除去され、押し流される。
或る場合、特に、非常に微細な孔を有する多孔性物質(interstitial material)が比較的粗い孔のベースファイバの中に置かれている場合には、膜の管腔内に既に浸透している少量の液で先づ後洗滌し、続いて高圧ガス後洗滌するのが有利である。この方法では、少量の浸透液が微細な付着物質を隙間内から適当に洗い出し、そして高圧ガスがベース孔を膨らませ、弾性的な開口の周りに噴出することによって全体クリーニングを完了する。孔を再シールするために孔は再び急速に閉じられねばならない。そして、ベース物質は加工硬化によって割れてはならなず、修正された弾性限界内に留っていなければならない。
好ましくは、ファイバは下記のような熱可塑性のポリマーから作られる。
ポリプロピレン、ホリ４−メチルペンテン−１、ポリプロピレンのコポリマー、ポリビニリデンジフロライド、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、フェノキシ樹脂、ポリエチル、ポリテトラフロロエチレン及びポリクロロトリフロロエチレン。
後洗滌媒体としてのガスの使用は、付着物質の少数部分に対しては膜構造を通じてのガスの急激な減圧によって、付着物質の大部分に対しては膜の外表面で、付着物質の除去を可能にする。かくの如く、ガス洗滌ステップは膜の孔内の液体の連続相の表面張力の効果に打ち勝つに充分な圧力で行われる。
これまで、ガス後洗滌段階は、ファイバの乾燥を避け、ファイバの孔内にガス気泡を保持することに基づくろ過再開の困難さを避けるために、５秒以下に限られると思われていた。改良された再濡らし技術の導入はこの問題を克服した。そしてガス後洗滌段階を５秒以上に延長することが著しい利益をもたらすことが発見された。６０秒までの時間が効果があることが見出された。長い後洗滌は閉じ込められた固体の除去を改善する。またガス後洗滌の完了に先立って液体がシェルに再導入されると、ガスと液体の双方が存在する重なり、オーバーラップが継続できる。重なりの時間は約１乃至３０秒が好ましい。これは、通常のポンプ圧力ではシェルを液体で再充填するのに相当な時間を要する大きい装置では望ましいことである。上記重なりを達成するために延長された時間が通常のポンプを用いることを可能とし、一方、フィルタシェルを比較的ゆっくりと再充填できることにより、大きいフィルタ装置内の不適当な圧力分布が避けられる。
本発明の他の形態においては、管腔への高圧流体の印加が脈動的になされ、後洗滌段階内で多数回の急激な減圧が与えられる。これらの個々の脈動の期間は好ましくは約０.１秒乃至約５秒である。これは後洗滌におけるガス消費量を低減する利益がある。この脈動は、管腔内の圧力を必要なレベルまで上昇させるに充分な、適当な時間間隔でシェルを密封しそして開放することにより達成される。代りに、同じ効果を達成するように、圧力供給が脈動的になされてもよい。更には完全に締め出さずに、圧力が高いレベルと低いレベルとの間で変化させられてもよい。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施態様を、下記の実施例及び添付の図面と関連して説明する。図面において、。
図１は本発明が適用できる中空ファイバ横断流(cross−flow)ろ過装置の図式的な表現であり、運転モードで示している。
図２は図１のろ過装置を後洗滌モードで示している。
図３は標準的な後洗滌についての膜横断圧力(ＴＭＰ)対時間のグラフを示している。
図４は本発明の一つの態様に従った後洗滌についての図３と同様なグラフを示している。
図５は標準的な後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図６は、図５と同じタイプの装置であるが本発明の一つの態様に従った後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図７はガス後洗滌がなお適用されている間に供給液体がフィルタ内にポンプ注入される後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図８は標準的な後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図９は、図８と同じタイプの装置であるが後洗滌サイクル中に供給液体を導入する後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図１０は他の装置での標準的な後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のグラフを示している。
図１１は、図１０と同じタイプの装置であるが後洗滌サイクル中に供給液体を導入する後洗滌についての標準化流量／ＴＭＰ対時間のブラフである。
発明の実施態様
図１及び図２に示されている中空ファイバ横断流ろ過装置１０は、中空、多孔質のポリマーファイバ１２のバンドル(束)が内部に位置しているカートリッジ  シェル１１を含んでいる。この例においては、各ファイバはポリプロピレンからなり、０.２mmの平均穴サイズを有し、２５０μm〜３１０μmの範囲の管腔内径と、５００μm〜６５０μmの範囲のファイバ外径を有している。バンドル中に２,８００〜３０,０００本の中空ファイバが存在してもよいが、この数値は個々のファイバ寸法と同じく操作要件に応じて変えることができる。
ポリウレタン、ポッティング、コンパウンド１３,１４が、ファイバの管腔を塞ぐことなく、また、シェル１１の各端部を閉塞することなく、ファイバ１２の端部を支持している。純化(concentrate)さるべき懸濁原液は入口１５を通ってシェル１１内にポンプで注入され、そして中空ファイバ１２の外壁上を流れる。懸濁原液の一部はファイバ１２の壁部を通ってファイバの管腔内に侵入し、浄化液体として管腔出口１６を通って引き出される。残りの懸濁原液と不透過物(rejected species)の一部はファイバ１２の間を流れ、出口１７を通ってシェル１１から出る。不透過物の残りはファイバの表面もしくは内部に保持され、或はシェル内に他の形で保持される。図１に示すとおり、ろ過装置の運転モードの期間中は管腔入口１８は閉じられている。
ファイバに保持されている不透過物を取り除くために、管腔出口１６が閉鎖され、浄化された液体の流れが停止される。次いで、自然排出により又は管腔入口１８を介して圧力ガスを導入する強制排出によって浄化された液体が管腔から除去される。ろ過された液体の除去の完了を俟って、高圧圧縮ガスが入口１８及びファイバ１２の管腔を通って導入される。液体で満たされたシェルが密封されると、ガス圧がファイバ壁部の正常な気泡突破圧縮(bubble point)以上に高められても、シェル内の液体は非圧縮性であるから、ガスは多孔質の壁部を貫通することができない。ファイバ管孔内に高圧ガスが蓄積される。
それから、シェルの出口１７が開放され、各ファイバの全長にわたってガスが孔を透過することが可能になる。これはファイバの壁部を通じて圧力ガスの急激な減圧をもたらし、ファイバ壁部に保持されていた固体をファイバからフィルタの供給側の中に追い払う。ファイバ壁部を透過するガスの最初の突破が管腔内の圧力が低下する傾向をもたらす。もし、この圧力が減圧に続く短い時間の間維持され得るならば、それは望ましく、ファイバ壁部を透過する流れを増大させ、そして保持された固体がより多く除去される。これは、管腔への大きい直径の圧力供給管及び／又は圧力ドロップを補償するより高い圧力を与えることによって好ましく達成される。或る場合には、上記した加圧された、閉じ込められたガス操作を行ったのち両方の管腔内入口１６及び１８を介してガスを入れることが望ましい。
代替実施態様においては、加圧ガスが管腔に印加されると同時にもしくは直前にシェルが開放される。
添付のグラフを参照にしながら、本発明の実施態様によって与えられた改良された性能を示すために、若干の実施例を以下に述べる。
実施例１
急激な減圧に続いて管腔に増大された圧力を延長された時間与えるために、Ｍ１０Ｃ(２５０μm管腔)フィルタが大きい空気管を用いて運転された。標準の１０mmの空気管の代りに２.５cm空気管が用いられた。この改良された後洗滌の期間中には加圧段階は利用されなかった。そしてフィルタユニットで得られた負の膜横断圧力(ＴＭＰ)は、標準的な後洗滌に対する３８０キロパスカルに較べて大きく、６２０キロパスカルであった。空気消費量は標準的な後洗滌における空気消費よりも大きかった。二つの異なった後洗滌の圧力プロファイルが図３及び図４に示されている。
図３に示されている標準的な後洗滌の期間中に、急激な減圧の開始と最大のＴＭＰが得られている点との間で、０.６５秒の時間が経過していることがわかる。改良された後洗滌の同様な部分の解析が、最大ＴＭＰに到達する迄の時間は０.１５秒に過ぎなかったことを示している。最大ＴＭＰへの到達は空気のファイバ壁部突破と壁部の孔内の流体の排出とに対応する。シェルの開放と空気の壁部突破との間の時間は、孔内の液体がシェル側に向って管腔から外方へ移動させられる液体後洗滌段階である。空気がファイバ壁部を付き抜けるとき、流体洗滌段階は完了する。好ましくは、この期間は０.０５秒〜５秒の範囲内である。
標準的な後洗滌と改良後洗滌(メガ後洗滌と称す)とを比較するテストフィルタユニットの連続運転の結果が添付の表１に示されている。表１とパフォーマンスグラフ(図５及び図６)からわかるとおり、メガ後洗滌が用いられるとき、ＴＭＰの上昇が著しく低減される。メガ後洗滌における１日当りのＴＭＰ上昇は、標準的な後洗滌で見られるＴＭＰ上昇の約四分の一である。この結果は、装置がクリーニングサイクルの間でより長い期間運転され得る。又は同じクリーニング間隔に対してより高い処理量を与えることができることを意味している。
実施例２
この実施例はガス後洗滌がなお進行している間に、供給液体がシェルに再導入される手順に関するものである。標準的後洗滌を加圧ガスに加えて供給液体を用いる後洗滌段階と比較するために、試験が表面水について行われた。この段階は典型的に“エアオン  ポンプオン”段階(ＡＯＰＯ段階)と称する。
二つの同じ１Ｍ１０Ｃフィルタユニットが河川水に対して並んで運転するために設置された。一方の装置は標準的な加圧後洗滌サイクルに用いられ、他方は特別段階に結合された。特別段階は中空ファイバ壁部を通して高圧空気をなお印加している間に供給ポンプをスイッチオンする構成である。ファイババンドルを横切る合成された二つの相流(phase flow)が膜モジュールから付着物を除去するのに非常に有効であると思われた。
二つのフィルタユニットは設定された流量を維持するように、可変速度駆動のポンプを用いて２００リットル／時／emの一定流量で運転された。面積単位emはメムテック(Memtec)フィルタモジュールの表面積に関係している。図８及び図１０は一つのフィルタユニットの二つの連続運転の結果を示す。標準的な後洗滌が用いられたとき、ＴＭＰが運転４日以内で４００キロパスカルに上昇したことを示している。この点において、ユニットはも早や２００リットル／時／emの設定流量を維持できなかった。図９及び図１１はＡＯＰＯ段階が用いられたとき、ＴＭＰは７日の間１５０キロパスカル以下に止っていることを示している。この結果は後洗滌においてＡＯＰＯ段階が用いられたとき、フィルタユニットはより長い期間の間、より高い流量を維持できるということである。ＴＭＰが所定の値に達したときユニットは化学的クリーニングを必要とするから、このことはフィルタユニットの効率にとって重要である。
典型的には後洗滌の期間中の減圧段階は、管腔が６００キロパスカルに加圧されることと、次いで、管腔に空気がなお供給されている間に(典型的には１〜３秒の間)、シェル側バルブが解放されることとからなる。ＡＯＰＯ段階は、空気がファイバ管腔に再供給される時間の量を典型的にはＭ１０ユニットについて１〜３０秒だけ余分に延長するであろう。
本発明の更なる実施態様と適例とが上記した本発明の精神又は範囲から逸脱することなく可能であることが認識されよう。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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