(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に軸方向に中空部が形成された円筒状の中空糸膜であって、
最外郭に位置して外部に露出し、気孔が形成されており、前記気孔から原水が流入する第１層と、
前記第１層より内側に形成され、前記中空部と前記第１層との間に位置し、原水が通過して原水中の汚染物質が濾過される第２層と、
前記第２層を介して流入した原水又は前記中空部から流入した原水が通過して原水中の汚染物質が濾過されたり選択的に分離される第３層とを含み、
前記第１層乃至前記第３層が一体に形成され、前記第１層の空隙率が前記第３層の空隙率より高く、前記第１層、前記第２層、前記第３層の順に空隙率が低くなり、
前記第１層の空隙率が３０〜８０％であり、前記第２層の空隙率が２５〜６５％であり、前記第３層の空隙率が２５％以下であり、
前記第１層、前記第２層及び前記第３層はそれぞれ異なる所定の空隙率を有し、前記第１層から前記第３層に透過する水が前記中空部に案内される、中空糸膜。
【請求項２】
前記第１層が、前記最外郭から内部に向かって２０μｍ以内の厚さを有するように形成される、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項３】
前記第３層が、前記中空糸膜の厚さの１０％以下である、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項４】
前記第３層が、前記中空部の最外郭から径方向に外部に向かって２０μｍ以内の厚さを有するように形成される、請求項３に記載の中空糸膜。
【請求項５】
前記中空糸膜が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン又はそれらを用いた重合体の１つ以上からなる、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項６】
前記中空糸膜の厚さが５０〜４００μｍである、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項７】
前記第１層乃至前記第３層が立体的な網目状のネットワーク構造を有する、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項８】
前記第３層の気孔の平均の大きさが５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の中空糸膜。
【請求項９】
前記第３層の気孔の平均の大きさが２０ｎｍ以下である、請求項８に記載の中空糸膜。
【請求項１０】
内部に軸方向に中空部が形成された円筒状の中空糸膜であって、
最外郭に位置して外部に露出し、気孔が形成されており、前記気孔から原水が流入する第１層と、
前記第１層より内側に形成され、前記中空部と前記第１層との間に位置し、原水が通過して原水中の汚染物質が濾過される第２層と、
前記第２層を介して流入した原水又は前記中空部から流入した原水が通過して原水中の汚染物質が濾過されたり選択的に分離される第３層とを含み、
前記第１層乃至前記第３層が一体に形成され、前記第１層、前記第２層、前記第３層の順に空隙率が低くなり、
前記第１層の空隙率が３０〜８０％であり、前記第２層の空隙率が２５〜６５％であり、前記第３層の空隙率が２５％以下であり、
前記第１層、前記第２層及び前記第３層はそれぞれ異なる所定の空隙率を有し、前記第１層から前記第３層に透過する水が前記中空部に案内され、
前記第１層が、前記最外郭から内部に向かって２０μｍ以内の厚さを有するように形成される、中空糸膜。
【請求項１１】
前記第３層が、前記中空糸膜の厚さの１０％以下である、請求項１０に記載の中空糸膜。
【請求項１２】
前記第３層が、前記中空部の最外郭から径方向に外部に向かって２０μｍ以内の厚さを有するように形成される、請求項１１に記載の中空糸膜。
【請求項１３】
前記中空糸膜が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン又はそれらを用いた重合体の１つ以上からなる、請求項１０に記載の中空糸膜。
【請求項１４】
前記中空糸膜の厚さが５０〜４００μｍである、請求項１０に記載の中空糸膜。
【請求項１５】
前記第１層乃至前記第３層が立体的な網目状のネットワーク構造を有する、請求項１０に記載の中空糸膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空糸膜に関し、特に断面の深さによって空隙率が異なる中空糸膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、中空糸膜は、非溶媒相分離法又は熱誘導相分離法を用いて製造する。これらの方法により製造された中空糸膜は、精密濾過膜（ＭＦ）、限外濾過膜（ＵＦ）、ナノ濾過膜（ＮＦ）、逆浸透膜（ＲＯ）に分けられる。
【０００３】
一般的な中空糸膜には、中空糸膜の最外郭層及び最内郭層が存在し、その部分が活性層（active layer）であって汚染源除去性能を担う。また、中空糸膜の空隙率によって透過量に差が生じるが、中空糸膜が低空隙率の断面構造を有する場合は低い透過量、高い強度を示し、逆に高空隙率の断面構造を有する場合は高い透過量、低い強度を示す。
【０００４】
従来の中空糸膜は、透過量を増加させるために中空糸膜の断面の空隙率を高めて濾過圧力損失を最小限に抑えようとしていたが、中空糸膜の引張強度及び破断強度の低下を招いていた。また、汚染物質除去性能を向上させるために中空糸膜の断面の空隙率を下げて微細な汚染物質までも除去する努力をしていたが、濾過圧力損失が増加することから透過量が急激に減少し、それを活用するには莫大な経済的損失を伴っていた。それを克服するために様々な方法が試みられているが、濾過圧力損失を最小限に抑えて透水量を増加させると共に除去率や強度を高めることは困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一目的は、内部断面の深さによって異なる空隙率を有するようにして破断強度及び引張強度を高めると共に透過量を増加させる中空糸膜を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、濾過圧力損失を低減できる中空糸膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、内部に軸方向に中空部が形成された円筒状の中空糸膜において、最外郭に位置して外部に露出し、気孔が形成されていて前記気孔から原水が出入りする第１層と、前記第１層の内部に形成され、原水が通過して原水中の汚染物質が濾過される第２層と、前記第２層を介して流入した原水又は前記中空部から流入した原水が通過して原水中の汚染物質が濾過されたり選択的に分離される第３層とを含み、前記第１層乃至前記第３層が一体に形成され、前記第１層の空隙率が前記第３層の空隙率より高く、前記第１層、前記第２層、前記第３層の順に空隙率が低くなることを特徴とする中空糸膜が提供される。
【０００８】
前記第１層の空隙率は３０〜８０％であってもよく、前記第１層は前記最外郭から内部に向かって２０μｍ以内の位置に形成されてもよい。
【０００９】
前記第２層の空隙率は２５〜６５％であってもよい。
【００１０】
前記第３層の空隙率は２５％以下であってもよく、前記第３層は前記中空糸膜の厚さの１０％以下であってもよく、前記第３層は前記中空部の最外郭から径方向に外部に向かって２０μｍ以内に形成されてもよい。
【００１１】
前記中空糸膜は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン又はそれらを用いた重合体の１つ以上であってもよい。
【００１２】
前記中空糸膜の厚さは５０〜４００μｍであってもよい。
【００１３】
前記第１層乃至前記第３層はネットワーク構造を有するようにしてもよい。
【００１４】
前記第３層の気孔の平均の大きさは５０ｎｍ以下であってもよく、前記第３層の気孔の平均の大きさは２０ｎｍ以下であってもよい。
【００１５】
また、本発明の一実施形態によれば、内部に軸方向に中空部が形成された円筒状の中空糸膜において、最外郭に位置して外部に露出し、気孔が形成されていて前記気孔から原水が出入りする第１層と、前記第１層の内部に形成され、原水が通過して原水中の汚染物質が濾過される第２層と、前記第２層を介して流入した原水又は前記中空部から流入した原水が通過して原水中の汚染物質が濾過されたり選択的に分離される第３層とを含み、前記第１層乃至前記第３層が一体に形成され、前記第１層は、前記最外郭から内部に向かって２０μｍ以内の位置に形成され、その空隙率が３０〜８０％であることを特徴とする中空糸膜が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、中空糸膜の断面構造による濾過圧力損失を最小限に抑えて中空糸膜の寿命を延長し、高透過量を期待することができると共に汚染源除去性能を最大化したり選択的分離性能を向上させることができる。
【００１７】
また、中空糸膜の最外郭の断面に高空隙率層を形成することにより、膜洗浄が容易で長期間運転時にも安定性を確保して経済性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態による中空糸膜の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図２のＢ部の詳細断面図である。
【図４】図２のＢ部のＳＥＭ写真である。
【図５】図４の最外郭層を拡大したＳＥＭ写真である。
【図６】図４の最外郭層を図５とは異なる倍率で拡大したＳＥＭ写真である。
【図７】比較例による中空糸膜のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態による中空糸膜について図面を参照してより詳細に説明する。本明細書においては、異なる実施形態であっても同一又は類似の構成には同一又は類似の符号を付し、その説明は最初の説明を援用する。本明細書において用いられる単数の表現は、特に断らない限り、複数の表現を含む。
【００２０】
本発明は、中空糸膜の欠点である低い強度及び濾過圧力損失を補完するためのものである。本発明は、中空糸膜１００内部の中空部分に空隙率の低い層を備えることにより、破断強度を高めると共に汚染物質除去性能を最大化する。また、それを除く中空糸膜１００の断面に空隙率の高いネットワーク構造を形成することにより、濾過圧力損失を低減し、高い透過量を維持する中空糸膜１００に関する。
【００２１】
まず、図１は本発明の一実施形態による中空糸膜１００の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図であり、図３は図２のＢ部の拡大図である。
【００２２】
以下、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態による中空糸膜１００について説明する。本発明の一実施形態による中空糸膜１００は、内部に中空部１４０が形成された円筒状のものであるが、内部中央に形成された中空部１４０に向かって深さによって異なる空隙率を有するようにした。
【００２３】
中空糸膜１００の最も外側に位置して外部に露出する第１層１１０には、巨大気孔１１５及び巨大気孔１１５より小さい気孔１１５’が形成されている。図３においては、気孔１１５、１１５’の深さを全て同一に示すが、これは概略的に示すものであり、実際には気孔１１５、１１５’の深さが全て異なる。よって、第１層１１０を区分できる大まかな厚さＤ１の定義が必要であるが、これについては後述する。これは、第３層１３０の場合も同様である。すなわち、図３において気孔１３５の深さは全て異なるので、第３層１３０の平均の厚さＤ３の定義が必要である。
【００２４】
気孔１１５、１１５’、１３５を介して外部から汚染物質が含まれる原水が流入するときに汚染物質が除去される。本発明の一実施形態においては、第１層１１０の空隙率を３０〜８０％とする。第１層１１０の空隙率が３０％より低いと緻密層（dense layer）となって原水の流入が円滑でなくなり、８０％を超えると外部又は内部から加圧される際に剥離しやすくなるので、本発明の一実施形態においては、第１層１１０の空隙率を３０〜８０％に限定する。
【００２５】
すなわち、第１層１１０に高空隙率層を形成することにより、濾過圧力損失を低減すると共に高い透過量を維持するようにする。
【００２６】
第１層１１０を介して中空糸膜１００の内部に流入する原水は、第２層１２０を通過して汚染物質がさらに濾過される。第２層１２０は、第１層１１０の内部に形成され、空隙率が２５〜６５％である。第２層１２０の空隙率が２５％より低いと緻密層となって原水が円滑に通過せず閉塞する現象が発生することがあり、６５％より高いと破断強度が低下して中空糸膜１００が切れやすくなることがある。これは、高分子同士が連結されていない状態であるからである。すなわち、第２層１２０にはネットワーク構造が形成されており、濾過圧力損失を最小限に抑えて透過性能を向上及び維持するのに寄与する。ここで、第２層１２０は、中空糸膜１００の大部分を占め、厚さはＤ２である。
【００２７】
また、中空糸膜１００の最も内側には活性層と呼ばれる第３層１３０が形成される。第３層１３０は、第２層１２０を介して流入した原水又は中空部１４０から流入した原水が通過して原水中の汚染物質が濾過されたり選択的に分離される層である。第３層１３０は、空隙率が２５％以下であり、中空糸膜１００の断面厚さＤの１０％以下となるようにする。すなわち、第３層１３０に２５％以下の低空隙率層を形成することにより、中空糸膜１００の引張強度及び破断強度を高め、汚染源除去性能を最大化したり選択的透過性能を最大化する。ここで、第３層１３０に形成される気孔１３５の大きさは第１層１１０に形成される巨大気孔１１５よりは小さい。なお、第３層１３０に形成される気孔１３５の平均の大きさは約５０ｎｍ以下であり、約２０ｎｍ以下にすることが好ましい。これにより、約２０ｎｍ以上のウイルスを含む汚染物質を濾過することができる。
【００２８】
このように、第３層１３０は中空糸膜１００の固有特性を示す層といえる。
【００２９】
第１層１１０乃至第３層１３０を通過して中空部１４０に流入した浄水は、汚染物質がほとんど濾過されているので飲料水などとして用いることができる。
【００３０】
ここで、中空糸膜１００の断面厚さＤとは、中空糸膜１００の内部に形成される中空部１４０の最外郭から外部に露出する中空糸膜１００の第１層１１０の表面までの距離を意味する。本発明の一実施形態においては、中空糸膜１００の断面厚さＤを５０〜４００μｍとする。断面厚さＤは、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要に応じて調整することができる。それだけでなく、第３層１３０の厚さＤ３も中空糸膜１００の断面厚さＤの変化に応じて異なることは言うまでもない。
【００３１】
第１層１１０乃至第３層１３０は一体に形成され、第１層１１０の空隙率は第３層１３０の空隙率より高く、第２層１２０の空隙率はほぼ第１層１１０の空隙率と第３層１３０の空隙率との間の値を有するが、本発明が必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、第２層１２０の空隙率を第１層１１０の空隙率より高くしてもよい。
【００３２】
また、第１層１１０乃至第３層１３０には高分子からなるネットワーク構造が形成されており、前述したように空隙率を調整することにより濾過圧力損失を最小限に抑える。ここで、濾過圧力損失とは、中空糸膜１００の外部から作用する圧力（Ｐｅ）と中空糸膜１００の中空部１４０での圧力（Ｐｉ）との差を意味し、濾過圧力損失が小さいほど、より低い圧力で汚染物質を十分に除去できるので濾過効率（透過率）に優れる。
【００３３】
ここで、第１層１１０は、外部に露出する中空糸膜１００の最外郭から内部断面に向かって２０μｍ以内に形成され、第３層１３０は、中空部１４０の最外郭から径方向に外部に向かって２０μｍ以内に形成される。
【００３４】
図４は図２のＢ部のＳＥＭ写真であるが、中間に形成された第２層１２０の厚さＤ２が最も厚く、第１層１１０の厚さＤ１及び第３層１３０の厚さＤ３は同程度であることが分かる。
【００３５】
図５及び図６は図４の最外郭層を拡大したＳＥＭ写真であって、最外郭層である第１層１１０に形成されたネットワーク構造を示すものであるが、図５及び図６は異なる倍率の写真であって、図６のほうがより高倍率のＳＥＭ写真である。前記ネットワーク構造により、空隙率が高くなり、濾過圧力損失が低減される。
【００３６】
また、中空糸膜１００は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン又はそれらを用いた重合体の１つ以上で形成されてもよい。
【実施例】
【００３７】
以下、中空糸膜１００の水透過量を測定した実施例について説明する。
【００３８】
水透過量の測定は、加圧式モジュールを製作し、１ｂａｒにてクロスフロー方式で所定時間の間同じ膜面積を透過する水量を測定した。
【００３９】
第１実施例は、最外郭層である第１層１１０に形成されたネットワーク構造の厚さが１５〜２０μｍの場合に関するものであり、第２実施例は、第１層１１０に形成されたネットワーク構造の厚さが１０μｍの場合に関するものであり、第３実施例は、第１層１１０に形成されたネットワーク構造の厚さが３μｍの場合に関するものである。
【００４０】
第１〜第３実施例における水透過量は、それぞれ８６０Ｌ／ｍ2・ｈｒ、５５０Ｌ／ｍ2・ｈｒ、３５０Ｌ／ｍ2・ｈｒであった。
【００４１】
一方、第１層１１０にネットワーク構造を有するのではなく緻密に形成された中空糸膜の水透過量を第１〜第３実施例と同じ実験条件で測定した比較例の場合は、水透過量が１３０Ｌ／ｍ2・ｈｒであった。
【００４２】
上記実施例及び比較例から、第１層１１０に形成されたネットワーク構造が厚いほど水透過量が増加し、ネットワーク構造を有するのではなく緻密層を有する場合は水透過量がそれより少ないことが分かる。
【００４３】
このように、本発明の中空糸膜１００は、第１層から第３層へ行くにつれて空隙率が低くなる。本発明の中空糸膜構造は、その水透過量を最大１６００Ｌ／ｍ2・ｈｒまで増加させることができる。
【００４４】
上記比較例のＳＥＭ写真は図７に示すが、図７に示すように、第１層１１０がネットワーク構造を有するのではなく緻密に形成された場合は、空隙率が低くなり、水透過量が上記第１〜第３実施例の場合より急激に減少することが分かる。
【００４５】
前述した中空糸膜は、上記実施形態の構成や方法が限定的に適用されるわけではなく、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することで様々に変形することができる。
【００４６】
また、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明をその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態に実施できることが理解されるであろう。
【００４７】
よって、上記実施形態は全ての面で例示的なものであり、限定的なものでないことを理解すべきである。本発明の範囲は、発明の詳細な説明により定められるものではなく、請求の範囲により定められるものであり、請求の範囲の意味及び範囲、並びにその均等概念から導き出される全ての変更又は変更された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の実施形態は、空隙率を制御して透過量を制御する中空糸膜に適用することができる。
【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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