JP4969079B2 - 浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造 - Google Patents

Description

本発明は、浸漬型膜カートリッジおよび製造方法に関し、生活排水処理や産業排水処理等において使用する固液分離装置に搭載する膜カートリッジの技術に係るものである。

従来の固液分離装置としては、例えば図１５に示すような浸漬型膜分離装置がある。図１５において、膜分離装置２１は、複数枚の平板状膜カートリッジ２２と、その下方より膜面洗浄気体を噴出する散気装置２３とをケース２４の内部に配置したものである。ケース２４は膜ケース２５と散気ケース２６とに分割形成し、散気装置２３より噴出する膜面洗浄気体の全量が膜ケース２５内に入り込むように形成している。

膜カートリッジ２２は、ＡＢＳ樹脂製のろ板２２Ａの両表面にろ過膜２２Ｂを配置し、ろ過膜２２Ｂをその周縁部の止水部Ｓにおいてろ板２２Ａに超音波溶着（溶接）によって融着したものである。ろ板２２Ａとろ過膜２２Ｂとの間、およびろ板２２Ａの内部には透過液流路を形成し、透過液流路に連通する透過液取出口２２Ｃをろ板２２Ａの上端縁に形成している。

各膜カートリッジ２２は、透過液取出口２２Ｃに接続したチューブ２７を介して集水管２８に連通しており、膜透過液を導出する透過液導出管２９を集水管２８に接続している。

膜分離装置２１を活性汚泥処理施設において使用する場合には、曝気槽内部の活性汚泥混合液中に膜分離装置２１を浸漬し、散気装置２３より曝気空気を噴出させる状態において、原水中の有機物や窒素を活性汚泥により処理している。

活性汚泥混合液は、槽内での水頭を駆動圧として膜カートリッジ２２により重力ろ過し（透過液導出管２９に吸引ポンプを介装することで吸引ろ過も可能である）、膜カートリッジ２２の膜面を透過した透過液を処理水として透過液導出管２９を通じて槽外へ導出する。

このとき、散気装置２３より噴出する曝気空気の気泡およびそれにより生起される上昇流が、相互に隣接する膜カートリッジ２２の間の狭い流路（５〜１０ｍｍの幅）を流れることによって、膜カートリッジ２２の膜面を洗浄し、分離機能の低下を抑制して膜分離装置２１が機能不全に至ることを防止している。

このように、膜分離装置２１の使用時において、膜カートリッジ２２は曝気空気による上昇流に曝されるので、止水部Ｓに囲まれた領域およびろ過膜２２Ｂの周縁部が振動し、疲労によって止水部Ｓでろ過膜２２Ｂが破断する恐れがある。
このために、図１６に示すように、ろ過膜２２Ｂの周縁部に沿って断続的に形成する周縁固定部Ｂにおいて、ろ過膜２２Ｂをろ板２２Ａに補助的に固定するものがある。
特開平７−２４２７０号公報

超音波溶着（溶接）法の一例としては、ロータリ溶着（溶接）法がある。これは図１７に示すように、ろ板２２Ａの表面を覆ってろ過膜２２Ｂを配置し、ロータリホーン３１によってろ過膜２２Ｂをろ板２２Ａに押圧しながらロータリホーン３１を回転させ、ロータリホーン３１から出力する超音波によってろ過膜２２Ｂおよびろ板２２Ａを融着して止水部Ｓおよび補助固定部Ｂを形成するものである。

しかし、ロータリ溶着（溶接）法では、図１８に示すように、止水部Ｓにおいてろ板２２Ａが溶けて溝状に窪み、ろ過膜２２Ｂがろ板２２Ａに食い込む状態に融着されるために、溶着（溶接）時にろ過膜２２Ｂが痛み、疲労破壊が起こり易くなる。

超音波溶着（溶接）法の他の例としてはアップダウン法がある。これは図１９〜図２１に示すように、予めろ板２２Ａの表面に、止水部Ｓを形成するための線状の溶融代３２および帯状の補助溶融代３３を表面から突出して形成しておき、溶融代３２および補助溶融代３３を覆ってろ過膜２２Ｂを配置し、アップダウンホーン３４をろ過膜２２Ｂの上から溶融代３２および補助溶融代３３に押圧するものである。

アップダウンホーン３４は、ろ過膜２２Ｂに相対する下面に模様部（ローレット）３４ａを有し、模様部３４ａは高さ０．３ｍｍの正四角錐を０．６ｍｍのピッチで配した形状を有している。

このアップダウンホーン３４から出力する超音波振動により、ろ過膜２２Ｂを溶融代３２および補助溶融代３３においてろ板２２Ａに融着して直線状の止水部Ｓおよび補助固定部Ｂを形成するものである。

ところで、ろ過膜２２Ｂは基材をなす不織布の表裏に有機材によって膜を形成したものであり、不織布によって機械的強度を確保している。このため、上記した手法においては、アップダウンホーン３４の模様部３４ａに対応する部位においてろ過膜２２Ｂが局所的に押圧され、その部位において過剰なエネルギーの集中によって不織布の繊維が破断されやすく、機械的強度が損なわれることになる。

本発明は、ろ過膜とろ板の寸法誤差を吸収して曝気に対する耐久性を高めた浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造は、樹脂製のろ板とろ板の表面を覆って配置したろ過膜とを、ろ板の周縁部に沿って所定幅で網目状に、かつろ板の面から突出して形成した溶融代において融着してなる固定部を形成し、固定部は止水機能を確保し、かつろ過膜の周縁をろ板に断続的に固定する形状をなすことを特徴とする。

請求項２に係る本発明の浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造は、ろ過膜が不織布からなる膜支持材の表裏に有機質の膜を形成してなり、前記固定部において膜支持材の溶着面側の表層に達する融着層を形成したことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、固定部は軌跡がろ過膜の全周にわたって連続し、かつろ過膜の周縁をろ板に断続的に固定する形状をなし、所定幅で網目状に成形した溶融代にろ過膜の周縁が対応してろ過膜とろ板との寸法誤差を吸収することで、通常の使用状態においてろ過膜に作用する外力に対して浸漬型膜カートリッジの曝気に対する耐久性を高めることができ、固定部においてろ過膜の全周にわたって止水機能を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態における浸漬型膜カートリッジは浸漬型膜分離装置に使用するものであり、浸漬型膜分離装置の基本的な構造は、先に図１５において説明したものと同様であるので、同様の部材には同一番号を付して説明を省略する。

以下に、本実施の形態における浸漬型膜カートリッジの製造方法を図１〜図４を参照して説明する。
図２に示すように、浸漬型膜カートリッジ４０のろ板４１はＡＢＳ樹脂からなり、例えば横４９０ｍｍ×縦１０００ｍｍ×厚さ６ｍｍの形状を有しており、内側に位置する線状溶融代４２ａと中央に位置する線状溶融代４２ｂと外側に位置する所定幅の網目状溶融代４３とをろ板４１の表裏面から突出して、かつろ板４１の周縁部に沿った全周にわたって一体に成形している。

線状溶融代４２ａ、４２ｂはその高さが０．４〜０．６ｍｍである。網目状溶融代４３はろ過膜４４の周縁に対応する位置にあり、線状溶融代４２ａ、４２ｂより０．１ｍｍ程度低い形状を有しており、３つの折線状の軌跡４３ａ、４３ｂ、４３ｃを重ねた形状である。

図３に示すように、ろ板４１の表裏両面に線状溶融代４２ａ、４２ｂおよび網目状溶融代４３を覆ってろ過膜４４を配置する。ろ過膜４４は不織布からなる膜支持材４４ａの表裏に有機質の膜４４ｂを形成したものである。

図４に示すように、ろ過膜４４を伴ったろ板４１を治具４５の上に配置し、ろ過膜４４を介してろ板４１の下面の網目状溶融代４３を治具４５で支持する。この状態で、ろ板４１の上面に配置したろ過膜４４の上からアップダウンホーン４６を線状溶融代４２ａ、４２ｂおよび網目状溶融代４３に押圧する。

アップダウンホーン４６は超音波振動するもので、ろ過膜４４に対向する下面が平坦面をなしている。
アップダウンホーン４６から超音波を出力してろ過膜４４を線状溶融代４２ａ、４２ｂおよび網目状溶融代４３において融着する。このとき、網目状溶融代４３が線状溶融代４２ａ、４２ｂよりも低いので、ろ板４１の上面側においては、ろ過膜４４がアップダウンホーン４６と線状溶融代４２ａ、４２ｂとに挟持されて、網目状溶融代４３と接触しない。このため、線状溶融代４２ａ、４２ｂにおいてはろ過膜４４とろ板４１の融着が起こり、十分強度の溶着（溶接）を施すとともに、網目状溶融代４３においては高さ寸法の誤差に起因する高い部位でのみ融着が起こる。一方、ろ板４１の下面側においては、ろ過膜４４が治具４５と網目状溶融代４３とに挟持されているので、網目状溶融代４３においてのみろ過膜４４とろ板４１の融着が起こり、十分な強度の溶着（溶接）を施すことができる。この融着の完了後に、ろ過膜４４を伴ったろ板４１を反転させて治具４５の上に再度配置し、同様の手順で再度融着を行う。

この融着操作においては、図１２に示すように、内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃに膜支持材４４ａの溶着面側の表層に達する融着層Ｆを形成する。このため、アップダウンホーン４６の押圧力（０．２〜０．６ＭＰａ）、振幅（３０〜６０μｍ）、発振時間（０．１〜０．５秒）を設定する。

このように、平坦面のアップダウンホーン４６を使用し、ろ板４１の表面から突出した線状溶融代４２ａ、４２ｂと網目状溶融代４３でろ過膜４４を融着して内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃを形成することにより、過剰なエネルギーの集中によってろ過膜４４が劣化することを防止できるとともに、従来のようなローレット傷の発生を防止できる。

ところで、幅の広い網目状溶融代４３は高さが不揃いとなり易く、線状溶融代４２ａ、４２ｂと網目状溶融代４３を同時にアップダウンホーン４６の平坦面で押圧すると、網目状溶融代４３における外側固定部Ｃの融着層Ｆが不足して不連続となるか、線状溶融代４２ａ、４２ｂにおける内側固定部Ａおよび止水部Ｓの融着層Ｆが過剰となり、内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃに同時に適切な融着層Ｆを形成することが困難である。

しかし、線状溶融代４２ａ、４２ｂと網目状溶融代４３の高さを違え、ろ板４１の表裏において別途に融着操作することによって、各溶融代の特性に応じた溶融操作を行って内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃに適切な融着層Ｆを形成することができる。

上述の融着操作により、図１に示すように、内側の線状溶融代４２ａにおいて直線状の内側固定部Ａが形成され、中央の線状溶融代４２ｂにおいて止水部Ｓが形成されるとともに、融着後の内側固定部Ａおよび止水部Ｓに囲まれたろ過膜４４の有効ろ過領域が緊張状態に保持される。

網目状溶融代４３に形成する外側固定部Ｃは、ろ過膜４４の周縁をろ板４１に断続的に固定する。内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃは、その軌跡がろ過膜４４の全周にわたって連続する形状となり、ろ過膜４４を全周にわたってろ板４１に融着し、止水機能を発揮する。特に外側固定部Ｃは３つの軌跡４３ａ、４３ｂ、４３ｃによって、多重にシールされる。尚、外側固定部Ｃは必ずしも止水機能を有する必要はなく、その軌跡を不連続なものに形成することも可能である。

以下、上記した構成における作用を説明する。平膜状膜カートリッジ４０は、膜分離装置２１のケース２４に装着して曝気槽内に浸漬し、下方より曝気する状態で使用する。この使用状態で、曝気に由来する気液固混相の上向流が膜面に沿って流れるので、浸漬型膜カートリッジ４０には気液固混相流に由来する振動が作用する。特にろ過停止時の曝気によって高い負荷が浸漬型膜カートリッジ４０に作用し、この負荷による繰返し応力は内側固定部Ａにおけるろ過膜４４とろ板４１との融着部の境界付近に集中する。

また、曝気槽における浸漬型膜カートリッジ４０の使用環境は、曝気槽の形状、曝気槽に貯留する被処理液の性状、季節的な変動要因等によって変化し、使用環境の変化によって浸漬型膜カートリッジ４０には不測の外力が作用することがある。

通常の使用状態においてろ過膜４４に作用する外力に対して、ろ過膜４４を緊張状態に保持する内側固定部Ａ、およびろ過膜４４の周縁をろ板４１に固定する外側固定部Ｃは十分な強度を有しており、外力を内側固定部Ａと外側固定部Ｃとで受け止めることによって外力は止水部Ｓに及ばず、止水部Ｓの損傷を防止できる。

このように、内側固定部Ａおよび外側固定部Ｃが外力に対する防護体をなすことにより、振動疲労および不測の外力によってろ過膜４４が内側固定部Ａまたは外側固定部Ｃで剥離する場合であっても、止水部Ｓが同時に剥離することがなく、浸漬型膜カートリッジ４０のろ過能が不測の事態において損なわれることを防止でき、浸漬型膜カートリッジ４０の曝気に対する耐久性が高まる。

内側固定部Ａまたは外側固定部Ｃに剥離が発生した時点で、内側固定部Ａまたは外側固定部Ｃを補修してその防護体としての機能を回復して止水部Ｓの剥離を未然に防止し、浸漬型膜カートリッジ４０の延命を図ることができる。

外側固定部Ｃが網目状をなすことにより、ろ過膜４４の周縁が所定幅を有する外側固定部Ｃにおいて溶着（溶接）されるので、ろ過膜４４とろ板４１の寸法誤差を外側固定部Ｃにおいて吸収することができる。

浸漬型膜カートリッジ４０は、内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃが止水機能を発揮するので、止水機能を多重に確保することができる。
融着によって内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃにおいてろ過膜４４の膜支持材４４ａの表層に達する融着層Ｆを形成することにより、振動疲労および不測の外力によってろ過膜４４が内側固定部Ａおよび外側固定部Ｃで剥離する場合にあっても、ろ過膜４４は止水部Ｓにおいて破断する前に、膜支持材４４ａの破断を伴うことなく、内側固定部Ａまたは外側固定部Ｃから剥離して膜としての機能を維持する。このため、点検時等に剥離した内側固定部Ａまたは外側固定部Ｃを補修することで、膜カートリッジ４０の延命化が図れる。

この溶着（溶接）強度についての剥離試験を以下に説明する。図５に示すように、この剥離試験は、ろ板４１に融着したろ過膜４４（所定幅に切断した試験片）をろ板４１に対して垂直に引っ張って行うものである。

図６に示すように、融着によって内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃにおいてろ過膜４４の膜支持材４４ａに深く達する融着層Ｆを形成した場合には、図７に示すように、ろ過膜４４が内側固定部Ａにおいて破断する。この場合には、図８に示す引張り強さと引張り時間の関係図において明らかなように、強度のピークは高いが急激に破断に至る。

このように、ろ過膜４４がろ板４１から剥離しないように強く融着すると、融着部位に必要以上の熱エネルギーが発生し、ろ過膜４４の膜支持材４４ａを劣化させることになり、膜カートリッジ２２としての寿命を低下させる結果を招く。

図９に示すように、融着によって内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃにおいてろ過膜４４の膜支持材４４ａに浅く達する融着層Ｆを形成した場合には、図１０に示すように、ろ過膜４４が膜支持材４４ａにおいて剥離する。この場合には、図１１に示す引張り強さと引張り時間の関係図において明らかなように、強度のピークは強く融着したものに比べて低く、内側固定部Ａが破損した後において止水部Ｓおよび外側固定部Ｃが連続して破損し、膜支持材４４ａにおいて剥離するので、修復することができない。

図１２に示すように、融着によって内側固定部Ａ、止水部Ｓ、外側固定部Ｃにおいてろ過膜４４の膜支持材４４ａの溶着面側の表層に達する融着層Ｆを形成した場合には、図１３に示すように、ろ過膜４４が膜支持材４４ａの溶着面側の表層において剥離する。この場合には、図１４に示す引張り強さと引張り時間の関係図において明らかなように、強度のピークは強く融着したものに比べて低いが、内側固定部Ａが剥離した後においても止水部Ｓで所定の融着強度が維持されるので、浸漬型膜カートリッジ４０としての寿命が長くなる。

本発明の実施の形態における膜カートリッジを示す模式図である。 同実施の形態におけるろ板を示す模式図である。 同実施の形態における膜カートリッジの製造手順を示す模式図である。 同実施の形態における膜カートリッジの製造方法を示す模式図である。 溶着強度の試験方法を示す模式図である。 ろ過膜の強い溶着状態を示す模式図である。 強い溶着状態におけるろ過膜の破断形態を示す模式図である。 強い溶着状態における引張り強さと引張り時間の相関図である。 ろ過膜の少し強い溶着状態を示す模式図である。 少し強い溶着状態におけるろ過膜の剥離形態を示す模式図である。 少し強い溶着状態における引張り強さと引張り時間の相関図である。 ろ過膜の理想的な溶着状態を示す模式図である。 理想的な溶着状態におけるろ過膜の剥離形態を示す模式図である。 理想的な溶着状態における引張り強さと引張り時間の相関図である。 従来の膜分離装置を示す斜視図である。 従来の膜カートリッジを示す模式図である。 従来の膜カートリッジの製造方法を示す模式図である。 従来の膜カートリッジの断面図である。 従来の膜カートリッジの製造方法を示す模式図である。 従来のアップダウンホーンを示す模式図である。 従来の膜カートリッジを示す模式図である。

符号の説明

２１ 膜分離装置
２３ 散気装置
２４ ケース
２５ 膜ケース
２６ 散気ケース
２７ チューブ
２８ 集水管
２９ 透過液導出管
４０ 浸漬型膜カートリッジ
４１ ろ板
４２ａ 線状溶融代
４２ｂ 線状溶融代
４３ 網目状溶融代
４４ ろ過膜
４４ａ 膜支持材
４４ｂ 膜
４５ 治具
４６ アップダウンホーン
Ａ 内側固定部
Ｓ 止水部
Ｂ 外側固定部
Ｆ 融着層

Claims (2)

1. 樹脂製のろ板とろ板の表面を覆って配置したろ過膜とを、ろ板の周縁部に沿って所定幅で網目状に、かつろ板の面から突出して形成した溶融代において融着してなる固定部を形成し、固定部は止水機能を確保し、かつろ過膜の周縁をろ板に断続的に固定する形状をなすことを特徴とする浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造。
2. ろ過膜が不織布からなる膜支持材の表裏に有機質の膜を形成してなり、前記固定部において膜支持材の溶着面側の表層に達する融着層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の浸漬型膜カートリッジの膜周縁固定構造。

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