(57)【要約】  【課題】  流路材を用いずとも、濾過膜と支持体との密着を防止できる濾過膜エレメントおよび膜濾過装置および濾過方法を提供する。  【解決手段】  濾過膜と、該濾過膜を支持する支持体とを有する濾過膜エレメントであって、前記支持体は、不透水性の材料からなり、かつ、濾過膜を支持する範囲に複数個の突起を有し、該複数個の突起の面積の総和と前記濾過膜面積との比が０．１５〜０．３５の範囲内にある濾過膜エレメントとする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
濾過膜と、該濾過膜を支持する支持体とを有する濾過膜エレメントであって、前記支持体は、不透水性の材料からなり、かつ、濾過膜を支持する範囲に複数個の突起を有し、該複数個の突起の面積の総和と前記濾過膜の面積との比が０．１５〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする濾過膜エレメント。
【請求項２】
前記支持体は、射出成形によって成形されたものである、請求項１に記載の濾過膜エレメント。
【請求項３】
前記突起の高さが少なくとも０．３５mmである、請求項１または２に記載の濾過膜エレメント。
【請求項４】
前記複数個の突起は、個々の突起が互いに１mm〜３mmの間隔をあけて隣接している、請求項１〜３のいずれかに記載の濾過膜エレメント。
【請求項５】
前記支持体の直上に前記濾過膜が積層されている、請求項１〜４のいずれかに記載の濾過膜エレメント。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の濾過膜エレメントを有することを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の濾過膜エレメントを用いることを特徴とする液体の濾過方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原液の膜分離に使用する濾過膜エレメントおよびそれを用いた膜分離装置ならびに濾過方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な濾過膜エレメントの構造を、図１を参照しながら説明する。図で、１は濾過膜エレメント、２は支持体、３は透過液を取り出すためのポート、４は支持体裏表両面を透過液が連通するための開口部、５は濾過膜、６は濾過膜５と支持体２との間に設けられた流路材である。濾過膜５は、一般的には不織布やタフタ等、基材となる布帛上に高分子機能膜を形成した、分画特性を有する分離膜であり、緊張状態で液密に支持体２に貼り付けられる。
【０００３】
濾過膜エレメント１は、原液中に浸漬され、ポート３を通して負圧を与えることにより濾過膜５を介して原液を濾過し、濾過膜５を通過した透過液を支持体２に付設されたポート３を通じて吸引する。このとき、濾過膜５は、基材が布帛であるので伸長しやすい特徴があり、ポート３側の負圧により支持体２側に伸張し、濾過膜５と支持体２とが密着するので、濾過膜の有効膜面積が低下するといった問題がある。
【０００４】
そこで、濾過膜５と支持体２との間には、濾過膜５と支持体２との密着による濾過膜の有効膜面積の低下を回避するために、上述したように、ネット、不織布、トリコット等の流路材６が介装されている（例えば特許文献１、２）。しかしながら、このように流路材６を設けるには、生産コストに流路材６のコストが加算され、安価な生産の妨げとなる。さらに支持体２と濾過膜５との間に流路材６を配置する工程が必要である。
【０００５】
また、別の濾過膜エレメントの構造としては、特許文献３に開示されているように、トリコット編み地からなるトリコットスペーサ、ネットスペーサ、多孔質スペーサ等の、透水性を有するスペーサに平行な突条を設けたものを流路スペーサとし、上記流路スペーサを２枚以上用いて支持体と成し、濾過膜を液密に貼り付けた濾過膜エレメントがある。しかしながら、透水性を有するスペーサに突条を設けて流路スペーサと成すと、流路スペーサと濾過膜との密着は回避できるものの、１流路スペーサを製作するために、１枚の透水性を有するスペーサと、前記スペーサに設けるための複数の突条が必要である。同時に、透水性を有するスペーサに対して複数の突条を、例えば接着により組み立てる工程が必要になる。そのため、部品点数、組立に要する工程数、安定して組み立てるためには不可欠な個々の部品の検査等を勘案すると、工業的に安価に生産するには適さない。さらに、特許文献３に図示されているように突条部分の高さが高いと、必然的に濾過膜エレメントも大きな体積を有することとなり、コンパクトな構造とならない。結果、膜分離装置として単位体積あたりの濾過膜の有効膜面積を上げられず、装置が大型化してしまう懸念がある。
【０００６】
また、特許文献４に開示されているように、流路材を介装せずに、支持体表面に幅１mm以下の凹部を複数形成して、濾過膜を透過した透過液を集めやすくしたとする濾過膜エレメントもある。しかしながら、凹部によって膜透過液の流路を確保することは出来るが、支持体の凹部以外の部分に濾過膜が密着して液体の濾過を阻害し、結果、膜面積そのものを有効に活用することが出来ない。特許文献４の開示によれば、支持体と密着し得る濾過膜の面積は、有効膜面積の８０％程度であるので、濾過に寄与する濾過膜の面積は、残る２０％程度としかならないことになる。
【０００７】
このように、従来、流路材を用いずに支持体と濾過膜との密着を防止することは困難であった。
【特許文献１】特開平７−３１８５５号公報
【特許文献２】特許第３２１９５７９号公報
【特許文献３】特許第３４０１８８９号公報
【特許文献４】特許第２８９７７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、流路材を用いず、従来よりも少ない部品点数で、濾過膜と支持体との密着を防止できる濾過膜エレメントおよび膜濾過装置および濾過方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、次の（１）〜（７）の構成を特徴とするものである。
（１）濾過膜と、該濾過膜を支持する支持体とを有する濾過膜エレメントであって、前記支持体は、不透水性の材料からなり、かつ、濾過膜を支持する範囲に複数個の突起を有し、該複数個の突起の面積の総和と前記濾過膜面積との比が０．１５〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする濾過膜エレメント。
（２）前記支持体は、射出成形によって成形されたものである、上記（１）に記載の濾過膜エレメント。
（３）前記突起の高さが少なくとも０．３５mmである、上記（１）または（２）に記載の濾過膜エレメント。
（４）前記複数個の突起は、個々の突起が互いに１mm〜３mmの間隔をあけて隣接している、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の濾過膜エレメント。
（５）前記支持体の直上に前記濾過膜が積層されている、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の濾過膜エレメント。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の濾過膜エレメントを有することを特徴とする膜分離装置。
（７）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の濾過膜エレメントを用いることを特徴とする液体の濾過方法。
【００１０】
なお、本発明において「突起の高さ」を、支持体の一部断面図を示した図２を用いて説明すると、突起７ではない平面部８から、その平面部８に対して最も高い点までの距離をいう。なお、断面において、突起７と平面部８との間に存在する実質的に不連続な変曲点９を、突起７と平面部８との境界とする。
【００１１】
さらに、本発明における「突起の面積」を、図３を用いて説明する。図３は、支持体の一部をベース面方向に見た上面図（ａ）とその側面断面図（ｂ）であり、「突起の面積」とは、図３（ａ）にハッチングで示したように、突起のベース面方向への投影面積のことをいう。したがって、図３における濾過膜の縦横寸法がａ×ｂとすると、複数個の突起の面積の総和はハッチングで示した面積と同値であり、濾過膜面積との比Rは次式で定義される。
【００１２】
R＝複数個の突起の面積の総和÷（ａ×ｂ）
【発明の効果】
【００１３】
本発明の濾過膜エレメントによれば、流路材を用いずとも濾過膜と支持体との密着を防止でき、濾過膜面積を有効活用することができ、さらに、少ない部品点数で安価に製造することができる。
【００１４】
すなわち、濾過膜と、該濾過膜を支持する支持体とを有する濾過膜エレメントであって、前記支持体は、不透水性の材料からなり、かつ、濾過膜を支持する範囲に複数個の突起を有し、該複数個の突起の面積の総和と前記濾過膜面積との比が０．１５〜０．３５の範囲内にあるので、濾過膜の面積を有効に活用しつつ、流路材を用いずとも、上記濾過膜と上記支持体との密着を防止できる。
【００１５】
ここで、射出成形によって成形された支持体を用いる場合には、濾過膜の面積を有効に活用しつつ、流路材を用いずとも、上記濾過膜と上記支持体との密着を防止できる浸漬膜エレメントを安価に製造することができる。また、突起の高さが少なくとも０．３５mmであるものを用いる場合には、支持体と濾過膜との間に、従来技術以上に十分な空間を形成することができる。
【００１６】
また、複個々の突起が互いに１mm〜３mmの間隔をあけて隣接している場合には、濾過膜の弛みによって支持体と濾過膜との間の空間が狭められるのを防止することができる。
【００１７】
そして、本発明においては、上述の効果を奏することができるので、流路材を用いずに、支持体の直上に濾過膜を積層することができる。その結果、濾過膜と支持体との密着を防止でき、濾過膜面積を有効活用することができる濾過膜エレメントを少ない部品点数で安価に製造することができる。
【００１８】
したがって、このような濾過膜エレメントを用いれば安価な膜分離装置となり、液体濾過のトータルコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態の例を図４を参照しながら説明する。この図において、１は濾過膜エレメント、２は支持体、３は支持体に設けた透過液吸引のためのポート、４は支持体裏表両面を透過液が連通するための開口部、５は濾過膜、７は突起である。
【００２０】
濾過膜エレメント１は、濾過膜５が支持体２の直上に積層されて構成されており、流路材は介装されていない。
【００２１】
支持体としては  不透水性の材料からなれば限定されるものではないが、取扱性を考慮すると、金属と比べて軽量である樹脂を用いることができる。中でも、液体の膜分離に用いることから、幅広い耐薬品性を有するＡＢＳ樹脂や塩化ビニル樹脂が好ましい。さらに、廃棄における環境負荷低減またはリサイクル性の観点からは、ＡＢＳ樹脂が好ましい。支持体は、支持体を構成する部品点数が少なければ安価に製造しうることを踏まえて、射出成形によって一体成形されたものが好ましい。
【００２２】
支持体２には複数個の突起が設けられている。本実施形態において、突起は中央部１２に設けられており、周縁部１１に突起が存在しない領域を有している。そして、濾過膜５がこの周縁部１１と接着剤等により液密に固定されている。
【００２３】
突起は、突起の面積の総和と濾過膜の面積との比が０．１５〜０．３５の範囲内となるように設けられている。この比が０．１５を下回ると、濾過膜に対する突起の密着面積が小さくなり、その結果、突起１個当たりの、濾過膜と突起との摩擦力が高まり、濾過膜が摩耗によって破損する恐れがある。また、０．３５を上回ると、濾過膜と突起とが密着している部分では濾過膜からの液体の透過性が阻害される影響が大きくなる。さらに好ましくは０．２〜０．３の範囲である。
【００２４】
また、突起の高さが低すぎると、使用時の原液側と透過側との圧力差によって支持体と濾過膜との間に十分な空間を形成することができなくなる。したがって、突起の高さが少なくとも０．３５mmであることが好ましい。一方、濾過膜エレメントの厚さをコンパクトにし、膜分離装置としての充填濾過膜面積を増大させることに鑑みれば、突起の高さは低い方が好ましい。突起を射出成形にて支持体に一体成形する場合は、具体的な突起高さは、成形しやすさの観点から突起のパターンに規制される。たとえば射出成形においては、細長い柱形状は成形しにくい傾向があるが、図３に示す突起が縦長のパターンを有している場合、突起高さは、突起幅と同程度以下が好ましい。
【００２５】
さらに、個々の突起は、互いに１mm〜３mmの間隔をあけて隣接していることが好ましい。隣接する突起の間隔が狭すぎると、濾過膜を透過した透過液が流通できる空間が小さくなるので、透過液流動の抵抗が高まり、濾過効率が低下する。一方、隣接する突起の間隔が広すぎると、突起と突起との間に濾過膜が弛み、落ち込む現象が発生し、濾過膜が落ち込んだ分だけ透過液が流通できる空間が小さくなる。結果、透過液流動の抵抗が高まり、濾過効率が低下する。
【００２６】
なお、図９に示すように、突起を有する支持体２に別途凹部２３を設けて、透過液をポート３に導くようにしても良い。
【００２７】
また、濾過膜５としては、多孔性基材上に、製膜原液を塗布して分離機能膜を形成することにより得られるものを用いることができる。ここで、分離機能膜を指示する多孔性基材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド等を素材とする織布、不織布、ネットなどが挙げられるが、製膜性およびコスト面から不織布が好適に用いられる。分離機能膜としては、たとえば、溶液による製膜が容易で、物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアクリルニトリル系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、またはこれらを主成分とするものからなる膜が用いられる。
【実施例】
【００２８】
＜実施例１＞
図５に示す実験システム１３を構成し、濾過膜の透過水量を測定した。
【００２９】
図５に示す実験システム１３においては、水槽１４に逆浸透膜を介して生成したＲＯ水を満たし、セル１５を水没させた。セル１５は、図６に示す通り、表面に突起を有するとともに、中央部に直径３mmの通水口を設けた直径７５mmの支持板１８と、その支持板１８よりも大きい直径の濾過膜１９と、それら支持板１８および濾過膜１９を圧迫して液密にするガスケット２０と、これらを固定するセル本体２１とセル蓋２２とからなるものであった。また、セル１５には、チューブ１６を連通させ、そのチューブ１６のもう一方の端面が、水槽１４の液面に対して１ｍの水頭差がつく高さで開口するように配置した。したがって、セル１５内に配した濾過膜１９を透過した透過水が、水頭差によってチューブ１６内を通過し、容器１７に導出され、一定時間内に容器１７に導出されたろ水量を透過水量として測定した。
【００３０】
支持板１８としては、図７（ａ）に示すパターンの突起（ハッチング部）を有し、突起の面積の総和と濾過膜面積との比が０．１５、互いに隣接する突起同士の間隔が２mm、突起高さが０．５mmのものを用いた。突起高さは、射出成形しやすさを鑑みて突起の幅１mmの１／２とした。
【００３１】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、７８．８ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００３２】
なお、２５℃における１分あたりの透過水量への換算は次式によって行った。
【００３３】
透過水量[g/min.at25℃]＝総透過水量[g]×25℃換算係数÷測定時間[min.]
ここで２５℃換算係数とは、測定時の水温における水の粘度と、水温２５℃における水の粘度との比である。
【００３４】
＜実施例２＞
支持板１８として、図７（ｂ）に示すパターンの突起（ハッチング部）を有し、突起の面積の総和と濾過膜面積との比が０．３５、互いに隣接する突起同士の間隔が１mm、突起の高さが０．５mmのものを用いた以外は実施例１と同様に濾過膜の透過水量を測定した。
【００３５】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、７５．０ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００３６】
＜比較例１＞
支持板１８として、突起を有さず、かつ、中央部に通水口を設けたものを用い、さらにその支持板１８と濾過膜１９との間に、線径０．３５mm、交点厚さ０．７mm、ピッチ４．３mm、網足角度３７．５度のネットを直径７０mmの円形に裁断して組み込んだ以外は、実施例１と同様に濾過膜の透過水流量を測定した。
【００３７】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、６７．１ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００３８】
＜比較例２＞
支持板１８として、図８（ａ）に示すパターンの突起（ハッチング部）を有し、突起の面積の総和と濾過膜面積との比が０．１０、互いに隣接する突起同士の間隔が３mm、突起の高さが０．５mmのものを用いた以外は実施例１と同様に濾過膜の透過水量を測定した。
【００３９】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、６４．５ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００４０】
＜比較例３＞
支持板１８として、図８（ｂ）に示すパターンの突起（ハッチング部）を有し、突起の面積の総和と濾過膜面積との比が０．３８、互いに隣接する突起同士の間隔が０．５mm、突起の高さが０．５mmのものを用いた以外は実施例１と同様に濾過膜の透過水量を測定した。
【００４１】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、６３．２ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００４２】
＜比較例４＞
支持板１８として、図８（ｃ）に示すパターンの突起（ハッチング部）を有し、突起の面積の総和と濾過膜面積との比が０．１２、互いに隣接する突起同士の間隔が３．１mm、突起の高さが０．５mmのものを用いた以外は実施例１と同様に濾過膜の透過水量を測定した。
【００４３】
結果を表１に示す。３分間の濾過膜の総透過水量を測定した結果、５９．２ｇ／分（水温２５℃換算値）の透過水を得た。
【００４４】
以上の結果を表１にまとめる。
【００４５】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の浸漬膜エレメントは、上水用水処理や排水用水処理等に応用できるが、その応用範囲はこれらに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の濾過膜エレメントの一部を分解した概略斜視図である。
【図２】支持体の概略一部断面図である。
【図３】支持体の概略一部上面図および概略一部側面断面図である（ハッチング部は突起を示している）。
【図４】本発明の一実施形態を示す、濾過膜エレメントの一部を分解した概略斜視図である
【図５】実施例、比較例で用いた実験システムの概略フロー図である。
【図６】実施例、比較例で用いたセルの断面図である。
【図７】実施例で用いた支持体の突起形状のパターンを、平面部８方向に投影して示した図である。
【図８】比較例で用いた支持体の突起形状のパターンを、平面部８方向に投影して示した図である。
【図９】本発明の他の実施形態を示す、濾過膜エレメントの一部を分解した概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１      濾過膜エレメント
２      支持体
３      ポート
４      開口部
５      濾過膜
６      流路材
７      突起
８      平面部
９      変曲点
１０    有効膜面
１１    周縁部
１２    中央部
１３    実験システム
１４    水槽
１５    セル
１６    チューブ
１７    容器
１８    支持板
１９    濾過膜
２０    ガスケット
２１    セル本体
２２    セル蓋
２３    凹部
【図１】
2005270905.tif 000004
【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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