(57)【要約】【課題】多孔質セラミックス中空糸膜を、束着管端部に嵌挿された貫通孔穿設目皿の貫通孔に挿入してなる中空糸膜モジュールにおいて、目皿と中空糸膜との間のシール性を向上せしめ、さらにモジュールの大きさに左右されることなく、中空糸膜と束着管の熱膨張率の差異によってもたらされる中空糸膜固定用ガラス材に生じる歪みを低減せしめた中空糸膜モジュールを提供する。【解決手段】上記中空糸膜モジュールにおいて、目皿に設けられた貫通孔が段差部を有し、該段差部と中空糸膜との間をガラス材で密封処理した中空糸膜モジュール。ここでは、一般に中空糸膜外径よりも、段差部の大径部の内径を0.5〜0.7mm大きく、段差部の小径部の内径を0.2〜0.5mm大きく設定し、大径部と小径部の内径差を0.1〜0.4mmに設定される。この中空糸膜モジュールは、束着管および目皿が一体成形されていることが好ましく、さらに束着管が二分割した嵌合構造を有することが好ましい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質セラミックス中空糸膜を、束着管端部に嵌挿された貫通孔穿設目皿の貫通孔に挿入してなる中空糸膜モジュールにおいて、目皿に設けられた貫通孔が段差部を有し、該段差部と中空糸膜との間をガラス材で密封処理してなる中空糸膜モジュール。
【請求項２】
中空糸膜外径よりも、段差部の大径部の内径を0.5〜0.7mm大きく、段差部の小径部の内径を0.2〜0.5mm大きく設定し、大径部と小径部の内径差を0.1〜0.4mmに設定した請求項１記載の中空糸膜モジュール。
【請求項３】
束着管および目皿が一体成形されている請求項１または２記載の中空糸膜モジュール。
【請求項４】
束着管が二分割した嵌合構造を有する請求項１、２または３記載の中空糸膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空糸膜モジュールに関する。更に詳しくは、モジュール封止部分での気密性にすぐれたセラミックス中空糸膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜形成性高分子物質の有機溶媒溶液中にAl2O3、SiO2、ZrO2等のセラミックス粉末を高充填した紡糸原液を用いて乾湿式紡糸し、得られた複合中空糸膜を焼成することにより、孔径が約0.1〜6μm、外径が約0.5〜4mmの多孔質セラミックス中空糸膜が得られることは周知である。
【特許文献１】特公平５−６６３４３号公報
【０００３】
この多孔質セラミックス中空糸膜は、それ単体でも水処理などのロ過膜として用いることができるが、これを支持体として用い、中空糸膜表面にシリカ層などの機能性分離層を複合、形成させることにより、ガス分離膜としての利用も図られる。この場合、これらの多孔質セラミックス中空糸膜は、1本乃至数百本程度をアルミナ、シリカ等からなる束着管に収容させた膜モジュールの状態で用いられる。
【０００４】
中空糸膜の束着管への収容に際しては、中空糸膜を固定させる以外に、分離媒体が膜機能部分以外からリークするのを防ぐための気密性の付与も要求される。本出願人は先に、このような要求を満足させる中空糸膜の束着による膜モジュールの製造方法として、束着材で封止したセラミックス中空糸膜群端部の束着材接触部分およびモジュール封止端面をガラス材で被覆する方法を提案している。
【特許文献２】特開平１１−２２６３７０号公報
【０００５】
この膜モジュールの製造方法では、ガラス材で被覆した多孔質セラミックス中空糸膜の先端部をエポキシ樹脂等の接着剤で予め封止し、中空糸膜群端部に束着材を封入、固定した後、接着剤封止部分の束着の一部を切断し、然る後にモジュール端面をガラス材で被覆するという方法がとられている。
【０００６】
かかる製造方法では、ガラス材の体積が大きく、かつ中空糸膜や束着管との線膨張率の微少な差異により、ガラス材加熱溶融後の冷却過程において微少な隙間が形成されリークが発生しやすくなるといった不具合がみられた。
【０００７】
かかる不具合を解決すべく、図５に示される如く複数の貫通孔をあけた目皿２を用いて、各貫通孔内に中空糸膜３を挿入し、束着管１と目皿２の間および目皿２と中空糸膜３の間をガラス材でシールする方法が提案されている。この方法によれば、ガラス材の体積を減らすことが可能であり、リークの発生を低減させることができるものの、本方法においてもモジュールの大径化により束着管と目皿の間の隙間容積が増加し、同じ原因によりリークが発生するのを完全に防ぐことができなかった。
【特許文献３】特開２００３−１８１２４９号公報
【特許文献４】特開２００３−２５１１６４号公報
【０００８】
また、高温度下で使用する場合の問題点である、ハウジングとセラミックス中空糸膜モジュールの熱膨張係数の差異によるいずれか一方の破損については、束着管の少なくとも一端側に伸縮可能な膨張吸収管を用いることにより解決することが提案されているが、この場合においても、セラミックス中空糸膜と束着管の線膨張率の差異により、加熱・冷却時の伸縮量の違いによって、ガラス材に歪みが集中するようになり、ガラス材が破損し易いという問題がみられた。
【特許文献５】特開２００３−０１９４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、多孔質セラミックス中空糸膜を、束着管端部に嵌挿された貫通孔穿設目皿の貫通孔に挿入してなる中空糸膜モジュールにおいて、目皿と中空糸膜との間のシール性を向上せしめ、さらにモジュールの大きさに左右されることなく、中空糸膜と束着管の熱膨張率の差異によってもたらされる中空糸膜固定用ガラス材に生じる歪みを低減せしめた中空糸膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる本発明の目的は、上記中空糸膜モジュールにおいて、目皿に設けられた貫通孔が段差部を有し、該段差部と中空糸膜との間をガラス材で密封処理した中空糸膜モジュールによって達成される。ここでは、一般に中空糸膜外径よりも、段差部の大径部の内径を0.5〜0.7mm大きく、段差部の小径部の内径を0.2〜0.5mm大きく設定し、大径部と小径部の内径差を0.1〜0.4mmに設定される。この中空糸膜モジュールは、束着管および目皿が一体成形されていることが好ましく、さらに束着管が二分割した嵌合構造を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
多孔質セラミックス中空糸膜を、束着管端部に嵌挿された貫通孔穿設目皿の貫通孔に挿入してなる中空糸膜モジュールにおいて、目皿に設ける貫通孔を二段階もしくは二段階以上の段差部とし、この段差部を利用してガラス材と密封処理することで密封性を向上させることが可能となる。また、束着管および目皿を一体成形することにより、ガラス材加熱溶融後の冷却過程などにおいて発生する微少な隙間によるリークの発生を抑えることが可能となる。さらに、束着管を二分割した嵌合構造とすることにより、加熱・冷却時の中空糸膜と束着管の伸縮量の違いを吸収し、これにより目皿貫通孔と中空糸膜との間のガラス材に生じる歪みを低減し、リークを低減せしめることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
多孔質セラミックス中空糸膜としては、一般にAl2O3、Y2O3、MgO、SiO2、Si3N4、ZrO2等の粉末を分散させた高分子物質の有機溶媒溶液を用い、それを乾湿式紡糸して得られる、孔径が約0.1〜6μm、好ましくは約0.2〜2μmの多孔質中空糸膜が用いられる。これらの多孔質中空糸膜は、外径が約0.5〜4mm程度、好ましくは約1〜3mm程度であって、その膜厚が約0.1〜0.5mm程度、好ましくは約0.15〜0.3mm程度のものが1本乃至数百本程度、アルミナ、ジルコニア、チタニア等からなるセラミックス束着管に部分的にまたは全体的に収容された状態で用いられる。
【００１３】
これらの中空糸膜群は、束着管収容前に目皿の貫通孔でガラスシールされる部分を含む両端部表面が予めガラス材で被覆されている。ガラス材としては、Na2O-B2O3-SiO2系、Na2O-B2O3-ZnO系またはLi2O-ZnO系など一般的なガラス粉末を、粘度調節剤を添加したα-テルピネオールなどの溶媒中に分散させてペースト状としたものが用いられ、それの被覆は刷毛塗り、こて塗りあるいはディッピングなどによって行われる。約1mm以下、好ましくは約0.1〜0.5mmの厚さで被覆されたガラス材は、約400〜1300℃、好ましくは約500〜1200℃で約5〜30分間程度加熱処理される。
【００１４】
図１に例示される如く、ガラス材で被覆された多孔質セラミックス中空糸膜３は、束着管両端部に配された目皿２に挿入され、目皿に設けられた貫通孔と中空糸膜の接合箇所には、図２に示される如くペースト状ガラスシール材４を塗布し、600〜1100℃で焼成することにより部材間の封止を行い、中空糸膜モジュールが作製される。
【００１５】
図２に示される如く目皿に設けられた貫通孔には段差部が設けられており、この段差部と中空糸膜との間はガラス材４で密封処理され、シールされる。段差部は、内径D2を有する大径部と内径D1を有する小径部によって構成されており、一般には中空糸膜外径よりも、大径部はその内径を0.5〜0.7mm、好ましくは約0.6mm程度大きく、小径部はその内径を0.2〜0.5mm、好ましくは約0.4mm程度大きく設定し、大径部と小径部の内径差は0.1〜0.4mmに設定される。なお、大径部と小径部とよりなる段差部は、円錐形状であってもよい。
【００１６】
この大径部と小径部の内径差(D2-D1)が0.1mmよりも小さいとガラス材が進入し難く、一方0.4mmよりも大きい場合には、ガラス材が割れてしまうが、このように二段階もしくは二段階以上の段差部とすることで密封性を向上させることが可能となる。なお、大径部と小径部との配置は任意であるが、中空糸膜末端側を大径部とすることが好ましい。
【００１７】
さらに、束着管と目皿は、図１〜３に示される如く、一体成形されていることが好ましい。リークの原因となる束着管と目皿の隙間を一体成形することによりなくし、ガラス材加熱溶融後の冷却過程などにおいて発生する微少な隙間によるリークの発生を抑えることが可能となる。
【００１８】
中空糸膜が収容される束着管としては、好ましくは図３に示されるような二分割した嵌合構造５，６を有する束着管が用いられる。二分割した束着管は、そのスライド構造、ねじ込み構造などの嵌合構造によって加熱・冷却時の中空糸と束着管の伸縮量の違いを吸収し、これにより目皿貫通孔と中空糸膜との間のガラス材に生じる歪みを低減し、リークを低減せしめることができる。
【実施例】
【００１９】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００２０】
実施例１
多孔質アルミナ中空糸膜(外径2.9mm)の表面全体に、密封性試験のためにペースト状ガラス材(日本電気硝子製品GA-13)を塗布し、これを1150℃で熱処理して密封性試験用のガラス材被覆中空糸膜を得た。このようにして得られたガラス材被覆中空糸膜4本を図２に示される如く、内径D2=3.5mm、D1=3.3mmの段差部を有する貫通孔を設けた目皿付束着管に挿入し、その間にペースト状ガラス材(旭テクノグラス製品SK360)を塗布し、800℃で熱処理して密封処理を行い、多孔質セラミックス中空糸膜モジュールを作製した。
【００２１】
得られた膜モジュールについて漏洩試験を行った。試験は、図４に示した如く、中空糸膜モジュール７をOリング８を用いてSUS製ハウジングに取り付けた後、出口９を封止し、入口１０から圧力2kg／cm2の空気を供給することにより出口１２からの漏れの有無を測定した。その結果、漏れはみられず、密封状態が良好であることが確認された。
【００２２】
比較例１
実施例１において、目皿付束着管として図５に示した目皿２と束着管１の間にペースト状のガラス材(SK360)を塗布したものを用い、実施例１と同様の条件下で熱処理を行い、漏れの有無を判定した。その結果、熱処理回数を増加させた場合においても漏れが確認された。
【００２３】
実施例２
実施例１において、ガラス材被覆中空糸膜本数が91本に変更されて用いられた。
【００２４】
比較例２
実施例２において、目皿付束着管の段差部内径をD1、D2共に3.3mmに変更して密封処理が行われた。
【００２５】
実施例２および比較例２における熱処理回数と漏れの有無の関係を次の表に示す。
表
熱処理回数     実施例２     比較例２  
１          検出限界以下   1355 ml／分
２               〃       272.4 ml／分
10               〃       197.1 ml／分
20               〃       285.6 ml／分
（検出限界以下：2 ml／分以下）
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態を示す、目皿一体型束着管内にセラミックス中空糸膜を収容して構成される中空糸膜モジュールを示す断面図である。
【図２】セラミックス中空糸膜を固定する目皿に設けられた段差部を有する貫通孔の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す、二分割されスライド構造を有する束着管の断面図である。
【図４】本実施の形態の中空糸膜モジュールをリーク評価試験装置にセットしてガス漏れ試験を行う態様を示す断面図である。
【図５】従来の中空糸膜モジュールの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  束着管
２  目皿
３  多孔質セラミックス中空糸膜
４  ガラス材
５，６  束着管スライド部
７  中空糸膜モジュール
【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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