JP7840786B2 - Membrane module - Google Patents
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Description
本発明は、高温流体の処理にも好適に用いられる膜モジュールに関する。 This invention relates to a membrane module that is also suitably used for processing high-temperature fluids.
流体中から特定成分の分離または濾過を行う技術において、逆浸透膜、限外濾過膜、精密濾過膜、ガス分離膜等の対象成分に応じた種々の膜を用いた膜モジュールが実用化されている。 In technologies for separating or filtering specific components from fluids, membrane modules using various membranes tailored to the target components, such as reverse osmosis membranes, ultrafiltration membranes, microfiltration membranes, and gas separation membranes, have been put into practical use.
特に、中空糸膜モジュールは、単位体積当たりの膜の表面積を高く設計でき、モジュールを備える装置をコンパクトにすることができるため、広く用いられている。中空糸膜モジュールの基本的構造は、多数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するハウジングと、中空糸膜の端面を開口させた状態で、中空糸膜束とハウジングを樹脂系のポッティング材(または接着剤)により固定する固定部とから構成されている。中空糸膜モジュールによる分離操作では、モジュールの一方の側から圧力を印加して中空糸膜に流体を供給し、中空糸膜を通じて当該流体中の所定の成分を選択的にもう一方の側に透過させ、当該流体中の非透過成分を濃縮する。 In particular, hollow fiber membrane modules are widely used because they allow for a high surface area per unit volume and enable compact construction of the module-equipped device. The basic structure of a hollow fiber membrane module consists of a bundle of numerous hollow fiber membranes, a housing that contains the bundle, and a fixing section that secures the bundle and housing with a resin-based potting material (or adhesive) while leaving the end faces of the hollow fiber membranes open. In separation operations using a hollow fiber membrane module, pressure is applied from one side of the module to supply fluid to the hollow fiber membranes, selectively allowing a predetermined component of the fluid to permeate through the membrane to the other side, thereby concentrating the impermeable component of the fluid.
近年、省エネルギー化の観点から、高温流体を用いて膜分離を行う際、冷却等の操作を行わず、高温流体を直接膜モジュールに供給して分離する方法が注目されている。このような方法によると、流体の再加熱に必要なエネルギーを削減することができ、膜分離における優れた省エネルギー化を実現することができる。高温流体を用いた分離が必要とされる例としては、超純水の製造プロセス、医薬または食品分野の製造プロセス等が挙げられる。一般的に、このような膜分離に用いられる流体の上限温度は、80℃程度である場合が多い。加えて、膜モジュールの運転時の操作圧力は、通常100kPa~200kPa程度の範囲であるが、場合によっては300kPa近くに達してしまうことがある。そのため、最大差圧300kPaに耐えることができる膜モジュールが求められる。 In recent years, from an energy-saving perspective, a method of membrane separation using high-temperature fluids that directly supplies the fluid to the membrane module without cooling or other operations has attracted attention. This method reduces the energy required for reheating the fluid, achieving significant energy savings in membrane separation. Examples of applications requiring separation using high-temperature fluids include ultrapure water production processes and manufacturing processes in the pharmaceutical or food sectors. Generally, the upper temperature limit of the fluids used in such membrane separation is often around 80°C. In addition, the operating pressure of the membrane module is usually in the range of 100 kPa to 200 kPa, but can sometimes reach nearly 300 kPa. Therefore, a membrane module capable of withstanding a maximum differential pressure of 300 kPa is required.
膜モジュールにこのような高温流体を直接供給できるような耐熱性を持たせるためには、膜束(例えば中空糸膜束)、ハウジング等の部材だけでなく、固定部を形成するポッティング材自体も耐熱性を有することが求められる。特に、固定部を形成するポッティング材は、原液側と濾液側とを隔絶する箇所に使用される。従って、高温流体を用いる場合、ポッティング材は膜モジュールの運転時に高温下で常に圧力を受け続けるため、優れた耐熱性を有することが求められる。 To provide membrane modules with the heat resistance necessary to directly supply such high-temperature fluids, not only components such as membrane bundles (e.g., hollow fiber membrane bundles) and housings must possess heat resistance, but also the potting material forming the fixed section must itself. In particular, the potting material forming the fixed section is used to isolate the raw fluid side from the filtrate side. Therefore, when using high-temperature fluids, the potting material is constantly subjected to high temperatures and pressure during the operation of the membrane module, and thus requires excellent heat resistance.
従来、このような高温下で使用する膜モジュールでは、弾性率が高く、かつ耐熱性に優れているとの観点から、膜を固定するポッティング材としてエポキシ樹脂が用いられていることが多い。さらに、近年では、他の候補物質として、例えば、ウレタン樹脂、不飽和エステル等をポッティング材として用いた場合における耐熱性能の向上も進められている。 Conventionally, in membrane modules used at such high temperatures, epoxy resin has often been used as the potting material to fix the membrane, due to its high elastic modulus and excellent heat resistance. Furthermore, in recent years, efforts have been made to improve the heat resistance performance when other candidate materials, such as urethane resin and unsaturated esters, are used as potting materials.
ポッティング材自体に耐熱性を持たせた膜モジュールとしては、例えば、特許文献1には、ウレタン樹脂原料の具体的な配合比と10℃~80℃の温度範囲における樹脂の硬度(デュロメータ硬さ)とを規定した中空糸膜の両端または片端がウレタン樹脂(ポッティング材に相当)で固定された濾過膜モジュールが記載されている。また、例えば、特許文献2には、接着剤のガラス転移温度を特定範囲内に規定し、かつ中空糸膜のビカット軟化温度VSTが所定の式を満たすように選定することによって、接着剤の硬化発熱による膜、筐体(ハウジング)等の強度低下および熱変形を防ぐ中空糸膜モジュールが記載されている。さらに、例えば、特許文献3には、封止材(ポッティング材に相当)のガラス転移温度を、熱負荷に対するリーク耐久性試験における試験温度範囲の下限よりも低温とすることによる、複数回の熱負荷にも耐え得る中空糸膜モジュールが記載されている。 As examples of membrane modules with heat-resistant potting materials, Patent Document 1 describes a filtration membrane module in which one or both ends of a hollow fiber membrane are fixed with urethane resin (corresponding to the potting material), with a specified blending ratio of urethane resin raw materials and the hardness (durometer hardness) of the resin in a temperature range of 10°C to 80°C. Furthermore, Patent Document 2 describes a hollow fiber membrane module that prevents strength reduction and thermal deformation of the membrane, housing, etc., due to the heat generated during curing of the adhesive, by specifying the glass transition temperature of the adhesive within a specific range and selecting the Vicat softening temperature (VST) of the hollow fiber membrane to satisfy a predetermined formula. Additionally, Patent Document 3 describes a hollow fiber membrane module that can withstand multiple thermal loads by setting the glass transition temperature of the sealing material (corresponding to the potting material) to a temperature lower than the lower limit of the test temperature range in a leak durability test against thermal loads.
しかしながら、このような従来までのポッティング材の性能指標を用いた場合、高温を含む温度領域下において長期間運転した際の膜モジュールの耐久性を正確に評価できていないことが想定される。 However, it is assumed that using such conventional performance indicators for potting materials does not accurately evaluate the durability of membrane modules during long-term operation in temperature ranges including high temperatures.
具体的には、これまでに多く提案されてきたような、ポッティング材としてのエポキシ樹脂等の樹脂の弾性率、ポッティング材の硬度(デュロメータ硬さ)(特許文献1参照)等の指標は、硬化したポッティング材の静的な状態での耐久性を評価した貯蔵弾性率E’のみに着目した指標である。そのため、このような指標のみを用いた場合、膜モジュールを特に高温下で長期間運転した際に発生する応力を要因とする、ポッティング材からなる固定部の変形、およびそれに伴う膜モジュールの損傷(例えば膜と固定部との間の剥離等)までは予測できていない。 Specifically, indicators such as the elastic modulus of epoxy resins and other resins used as potting materials, and the hardness (durometer hardness) of the potting material (see Patent Document 1), which have been widely proposed to date, are indicators that focus solely on the storage modulus E', which evaluates the static durability of the cured potting material. Therefore, using only such indicators fails to predict the deformation of the fixed part made of potting material, and the resulting damage to the membrane module (e.g., delamination between the membrane and the fixed part), which are caused by stresses generated when the membrane module is operated for extended periods, especially at high temperatures.
また、樹脂のガラス転移温度を指標とする場合においても、当該ガラス転移温度以下の温度領域におけるポッティング材からなる固定部の耐久性を正確に評価することはできない(特許文献2~3参照)。換言すると、ガラス転移温度は、樹脂中の分子の運動状態が変化して結晶性が変化する温度領域を示す指標であるため、ガラス転移温度以下の温度領域における樹脂特性を正確に示すものではない。そのため、ガラス転移温度を指標とする場合、ガラス転移温度から一定温度(例えば10~20℃)低い温度を実用上の使用温度限界と見なす方法等が考えられる。しかし、このような方法は、使用温度領域における耐久性を正確に担保できているとは言い難い。 Furthermore, even when using the glass transition temperature of a resin as an indicator, it is not possible to accurately evaluate the durability of the fixing part made of potting material in the temperature range below the glass transition temperature (see Patent Documents 2-3). In other words, the glass transition temperature is an indicator that shows the temperature range in which the motion state of molecules in the resin changes and the crystallinity changes; therefore, it does not accurately represent the resin properties in the temperature range below the glass transition temperature. For this reason, when using the glass transition temperature as an indicator, one method is to consider a temperature a certain temperature (e.g., 10-20°C) lower than the glass transition temperature as the practical operating temperature limit. However, it is difficult to say that such a method can accurately guarantee durability in the operating temperature range.
従って、膜モジュールの長期間運転の際における応力による固定部の変形等も考慮され、かつ、高温も含む実用上の使用温度領域での耐久性がより確実に確保できる膜モジュールが求められる。 Therefore, a membrane module is required that takes into account deformation of fixed parts due to stress during long-term operation of the membrane module, and that can more reliably ensure durability in the practical operating temperature range, including high temperatures.
そこで、本発明は、高温を含む温度領域下において長期間運転する際に、より確実に優れた耐久性を有する膜モジュールを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a membrane module that exhibits superior durability and reliability during long-term operation in a temperature range including high temperatures.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。すなわち、本発明は以下の好適な態様を包含する。 The inventors of this invention have conducted diligent studies to solve the above problems and have arrived at the present invention. That is, the present invention encompasses the following preferred embodiments.
本発明の局面に係る膜モジュールは、膜の少なくとも一方の端部がポッティング材で固定された膜モジュールであって、式:損失正接tanδ=損失弾性率E’’/貯蔵弾性率E’から算出される前記ポッティング材のtanδが、80℃以下の温度領域において、0.3以下である。 The membrane module according to this aspect of the present invention is a membrane module in which at least one end of the membrane is fixed with a potting material, and the tanδ of the potting material, calculated from the formula: loss tangent tanδ = loss modulus E'' / storage modulus E'', is 0.3 or less in a temperature range of 80°C or below.
前述の膜モジュールにおいて、前記ポッティング材のtanδが、80℃以下の温度領域において、0.2以下であることが好ましい。 In the aforementioned membrane module, it is preferable that the tanδ of the potting material is 0.2 or less in the temperature range of 80°C or below.
前述の膜モジュールにおいて、前記ポッティング材のtanδが、90℃以下の温度領域において、0.3以下であることがより好ましい。 In the aforementioned membrane module, it is more preferable that the tanδ of the potting material is 0.3 or less in the temperature range of 90°C or below.
前述の膜モジュールにおいて、中空糸膜モジュールであることがさらに好ましい。 In the aforementioned membrane module, a hollow fiber membrane module is even more preferable.
本発明によれば、高温を含む温度領域下において長期間運転する際に、より確実に優れた耐久性を有する膜モジュールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a membrane module with superior durability that can be reliably maintained during long-term operation in a temperature range including high temperatures.
本発明者らが鋭意検討した結果、高温を含む温度領域下において長期間運転する際の膜モジュールの耐久性、特に固定部の変形に対する耐久性には、固定部に用いられるポッティング材の貯蔵弾性率E’だけでなく、損失弾性率E’’とこれらの数値から算出される損失正接tanδ(以下、単に「tanδ」とも言う)が重要であることが分かった。具体的には、tanδが高温を含む温度領域下において所定の値以下となっているポッティング材を用いて固定部を形成することによって、膜モジュールは、当該温度領域下で長期間運転する際に、より確実に優れた耐久性を有する。 As a result of diligent research by the inventors, it was found that the durability of a membrane module during long-term operation in a temperature range including high temperatures, particularly its resistance to deformation of the fixed part, depends not only on the storage modulus E' of the potting material used in the fixed part, but also on the loss modulus E'' and the loss tangent tanδ (hereinafter simply referred to as "tanδ") calculated from these values. Specifically, by forming the fixed part using a potting material in which tanδ is below a predetermined value in a temperature range including high temperatures, the membrane module will have more reliably superior durability during long-term operation in that temperature range.
本明細書において、「高温」、「高温流体」または「高温下」における「高温」とは、一般的に膜モジュールで流体を膜分離、濾過等する場合における流体の上限温度である80℃程度を意味する。 In this specification, "high temperature," "high-temperature fluid," or "under high temperature conditions" generally refers to approximately 80°C, which is the upper limit temperature of a fluid when performing membrane separation, filtration, etc., in a membrane module.
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更をすることができる。 The embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described herein, and various modifications can be made without impairing the spirit of the invention.
(膜モジュールの構成)
まず、本発明の実施形態における膜モジュールについて説明する。
(Membrane module configuration)
First, the membrane module in the embodiment of the present invention will be described.
本実施形態における膜モジュールは、膜の少なくとも一方の端部、すなわち片側の端部または両側の端部がポッティング材(具体的には硬化したポッティング材)で固定された膜モジュールである。 The membrane module in this embodiment is a membrane module in which at least one end of the membrane, i.e., one end or both ends, is fixed with a potting material (specifically, a hardened potting material).
膜モジュールの種類、形状等は、上記のような構成からなる当業者に公知の任意の膜モジュールであれば特に限定されない。例えば、中空糸膜モジュール、平膜型モジュール、スパイラル型の膜モジュール、チューブラー型の膜モジュール等が挙げられる。これらのうち、単位体積あたりの膜表面積を高くできる、すなわちコンパクトな装置とすることができるとの観点から、中空糸膜モジュールが好適である。 The type and shape of the membrane module are not particularly limited, as long as they are any membrane module known to those skilled in the art and having the above-described configuration. Examples include hollow fiber membrane modules, flat membrane modules, spiral membrane modules, and tubular membrane modules. Of these, hollow fiber membrane modules are preferred from the viewpoint of achieving a high membrane surface area per unit volume, i.e., enabling a compact device.
以下、本発明の実施形態における中空糸膜モジュールの構成の一例について図面を参照しながら簡単に説明する。 Below, an example of the configuration of a hollow fiber membrane module in an embodiment of the present invention will be briefly described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態における中空糸膜モジュールの構成の一例を示す概略図である。図1に示すように、中空糸膜モジュール1は、複数の中空糸膜2が束状となっている中空糸膜束3と、中空糸膜束3を上端において固定しているポッティング材からなる固定部4と、中空糸膜束3が収容される内部空間S1が形成された円筒状のハウジング5と、ハウジング5内に原液を導入するための導水管6と、ハウジング5内に供給された気体を分散させるための散気部材7と、を備える。 Figure 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a hollow fiber membrane module in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the hollow fiber membrane module 1 comprises a hollow fiber membrane bundle 3 in which a plurality of hollow fiber membranes 2 are bundled together, a fixing part 4 made of potting material that fixes the hollow fiber membrane bundle 3 at its upper end, a cylindrical housing 5 in which an internal space S1 is formed to house the hollow fiber membrane bundle 3, a water conduit 6 for introducing the raw liquid into the housing 5, and an aeration member 7 for dispersing the gas supplied into the housing 5.
図1の中空糸膜モジュール1は、中空糸膜2の外表面側に原液を供給し、内表面側から濾液を取り出す、外圧濾過式の中空糸膜モジュールである。中空糸膜モジュール1によると、約80℃までの高温流体をそのまま原液として供給することができ、その後、原液は濾過される。 The hollow fiber membrane module 1 in Figure 1 is an external pressure filtration type hollow fiber membrane module that supplies the raw liquid to the outer surface side of the hollow fiber membrane 2 and extracts the filtrate from the inner surface side. With the hollow fiber membrane module 1, high-temperature fluids up to approximately 80°C can be supplied directly as the raw liquid, and then the raw liquid is filtered.
中空糸膜束3は、片端フリータイプである。すなわち、複数の中空糸膜2の上端が開口した状態で固定部4により固定されており、当該中空糸膜2の下端が1本ずつ固定されない状態で封止されている。 The hollow fiber membrane bundle 3 is of the free-end type. That is, the upper ends of multiple hollow fiber membranes 2 are fixed by the fixing part 4 with open ends, while the lower ends of each hollow fiber membrane 2 are sealed without being fixed.
固定部4は、硬化したポッティング材からなる。固定部4は、中空糸膜2を濾過膜として機能させるため、ハウジング5内の空間を、原液側の内部空間S1と濾液側の空間S2とに液密に仕切っている。固定部4は、ハウジング5内の空間に中空糸膜束3を配置した後、ポッティング材(例えば樹脂の主成分および硬化剤)を注入し、例えば、当業者に公知の任意の方法である遠心接着法、静置接着法等を適用することによって、ハウジング5内に中空糸膜束3を固定するように成型することができる。本実施形態におけるポッティング材の物性については、後に詳細に説明する。 The fixing part 4 is made of a hardened potting material. The fixing part 4 liquid-tightly partitions the space within the housing 5 into an internal space S1 for the raw liquid and a space S2 for the filtrate, in order to allow the hollow fiber membrane 2 to function as a filtration membrane. The fixing part 4 can be molded to fix the hollow fiber membrane bundle 3 within the housing 5 by placing the hollow fiber membrane bundle 3 in the space within the housing 5, injecting a potting material (e.g., the main component of the resin and a hardening agent), and applying any method known to those skilled in the art, such as centrifugal bonding or static bonding. The physical properties of the potting material in this embodiment will be described in detail later.
中空糸膜2の材料は、特に限定されず、当業者に公知の任意の材料を用いればよい。例えば、中空糸膜2の材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等を含んでいることが好ましい。これらのうち、耐熱性や耐薬品性に優れるとの観点から、ポリフッ化ビニリデンを含むことがより好ましい。 The material of the hollow fiber membrane 2 is not particularly limited, and any material known to those skilled in the art may be used. For example, the material of the hollow fiber membrane 2 preferably contains polyethylene, polypropylene, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, etc. Of these, polyvinylidene fluoride is more preferably included from the viewpoint of excellent heat resistance and chemical resistance.
中空糸膜束3が束ねる中空糸膜2の本数は、特に限定されず、用途に応じて適宜調整すればよい。 The number of hollow fiber membranes 2 bundled by the hollow fiber membrane bundle 3 is not particularly limited and can be adjusted as appropriate depending on the application.
ハウジング5の上側には、濾液を取り出すための濾液配管8が接続され、当該濾液配管8には濾液出口9および濾液側気体入口10が設けられている。ハウジング5の側面には、内部空間S1内の気体を系外に排出するための気体抜き口11が設けられている。ハウジング5の側面の下側付近には、内部空間S1内の液体を系外に排出するためのドレン抜き口12が設けられている。ハウジング5の下側の中央近傍には、内部空間S1内に気体を供給するための散気用気体入口13が設けられている。 A filtrate pipe 8 for extracting the filtrate is connected to the upper side of the housing 5, and this filtrate pipe 8 is provided with a filtrate outlet 9 and a filtrate-side gas inlet 10. A gas vent 11 for discharging gas from the internal space S1 to the outside of the system is provided on the side of the housing 5. A drain outlet 12 for discharging liquid from the internal space S1 to the outside of the system is provided near the lower side of the housing 5. A diffuser gas inlet 13 for supplying gas into the internal space S1 is provided near the center of the lower side of the housing 5.
ハウジング5の材質は、特に限定されず、当業者に公知の任意の材質から構成されていればよい。例えば、SUS、変性PPE、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ABS樹脂等が挙げられる。 The material of the housing 5 is not particularly limited and may be any material known to those skilled in the art. Examples include SUS, modified PPE, polyvinyl chloride, polysulfone, polycarbonate, polyolefin, and ABS resin.
導水管6は、ハウジング5の下側中央を貫通し、上側に向かって延長して配置され、上端が固定部4に接続されている。導水管6の下端には、濾過前の原液をハウジング5内に供給する原液入口14が設けられている。 The water conduit 6 penetrates the lower center of the housing 5, extends upwards, and its upper end is connected to the fixing part 4. A raw liquid inlet 14 is provided at the lower end of the water conduit 6 for supplying the raw liquid before filtration into the housing 5.
散気部材7は、散気用気体入口13からハウジング5内に供給された気体を、中空糸膜束3の径方向に広がるように分散させる。散気部材7の中央部には、導水管6が貫通している。 The aeration member 7 disperses the gas supplied into the housing 5 from the aeration gas inlet 13 so that it spreads radially across the hollow fiber membrane bundle 3. A water conduit 6 passes through the center of the aeration member 7.
上述した図1の中空糸膜モジュールは、あくまで本実施形態における膜モジュールの一例である。例えば、本実施形態における膜モジュールは、両側の端部がポッティング材で固定されており、両端に固定部を備える中空糸膜モジュールであってもよい。 The hollow fiber membrane module shown in Figure 1 above is merely one example of a membrane module in this embodiment. For example, the membrane module in this embodiment may be a hollow fiber membrane module with both ends fixed with potting material and having fixing parts at both ends.
さらに、本実施形態における膜モジュールは、外圧濾過式の膜モジュールに限定されず、当業者に公知の任意の濾過形式の膜モジュールであればよい。例えば、膜分離処理の条件および/または所望する処理性能に応じて、外圧全量濾過式、外圧循環濾過式、内圧循環濾過式等の膜モジュールであってもよい。 Furthermore, the membrane module in this embodiment is not limited to an external pressure filtration type membrane module, but may be any type of filtration membrane module known to those skilled in the art. For example, depending on the conditions of the membrane separation process and/or the desired processing performance, it may be a membrane module of an external pressure total filtration type, an external pressure circulation filtration type, an internal pressure circulation filtration type, etc.
(ポッティング材の物性)
次いで、本発明の実施形態におけるポッティング材の物性について説明する。
(Physical properties of potting material)
Next, the physical properties of the potting material in the embodiment of the present invention will be described.
本実施形態における膜モジュールでは、ポッティング材の損失正接tanδが、80℃以下の温度領域において、0.3以下である。損失正接tanδは、式:損失正接tanδ=損失弾性率E’’/貯蔵弾性率E’から算出することができる。 In this embodiment, the loss tangent tanδ of the potting material is 0.3 or less in the temperature range of 80°C or below. The loss tangent tanδ can be calculated using the formula: Loss tangent tanδ = Loss modulus E'' / Storage modulus E''.
硬化して固定部を形成するというポッティング材の機能に基づくと、ポッティング材は、貯蔵弾性率E’>0、かつ、損失弾性率E’’>0である。そのため、ポッティング材は、損失正接tanδ>0と定められる。すなわち、本明細書において、所定の温度または所定の温度領域におけるポッティング材の損失正接tanδの下限値は0より大きい値であればよい。 Based on the function of the potting material, which hardens to form a fixed portion, the potting material has a storage modulus E' > 0 and a loss modulus E'' > 0. Therefore, the loss tangent tanδ of the potting material is defined as 0 > 0. That is, in this specification, the lower limit of the loss tangent tanδ of the potting material at a given temperature or a given temperature range only needs to be greater than 0.
本明細書において、ポッティング材のtanδの値が算出される当該温度領域の下限は、特に限定されない。これは多くの樹脂は、ガラス転移点以下の温度領域では温度が低くなるにつれ、損失正接tanδが0に近づいていく傾向を示すためである。一方、実用的には、ろ過の対象となる流体が凍結する温度を下限として考えることができる。膜モジュールでろ過される流体の多くは水を主成分としていることに基づくと、ポッティング材のtanδの値が算出される温度は、例えば、0℃以上であることが好ましい。 In this specification, the lower limit of the temperature range in which the tanδ value of the potting material is calculated is not particularly limited. This is because, in the temperature range below the glass transition point, the loss tangent tanδ tends to approach 0 as the temperature decreases. On the other hand, practically speaking, the temperature at which the fluid to be filtered freezes can be considered as the lower limit. Given that most fluids filtered by membrane modules are mainly composed of water, it is preferable that the temperature at which the tanδ value of the potting material is calculated is, for example, 0°C or higher.
80℃以下の温度領域におけるtanδが0.3以下であるポッティング材を用いることによって、高温(すなわち80℃程度)を含む温度領域下において長期間運転する際に、ポッティング材からなる固定部に変形等が生じることなく、膜モジュールはより確実に優れた耐久性を有する。 By using a potting material with a tanδ of 0.3 or less in the temperature range below 80°C, the membrane module will exhibit superior durability even during long-term operation in temperature ranges including high temperatures (i.e., around 80°C), without deformation or other damage to the fixed parts made of the potting material.
具体的には、特定の使用温度(または流体温度)で膜モジュールを長期間運転するとき、固定部に使用するポッティング材の当該特定の使用温度におけるtanδが0.3を超えていると、固定部が変形したり、固定部と膜との間に剥離が生じたりする等、膜モジュールに破損が生じるおそれがあることが分かった。従って、例えば、80℃程度の高温下で膜モジュールを長期間運転するとき、ポッティング材の80℃におけるtanδが0.3を超えていると、膜モジュールに破損が生じる可能性がある。 Specifically, it was found that when operating a membrane module for a long period at a specific operating temperature (or fluid temperature), if the tanδ of the potting material used for the fixing part exceeds 0.3 at that specific operating temperature, damage to the membrane module may occur, such as deformation of the fixing part or delamination between the fixing part and the membrane. Therefore, for example, when operating a membrane module for a long period at a high temperature of around 80°C, if the tanδ of the potting material at 80°C exceeds 0.3, damage to the membrane module may occur.
本明細書において、所定の温度または温度領域におけるポッティング材の損失正接tanδ、損失弾性率E’’および貯蔵弾性率E’とは、具体的には、後の実施例で詳細に述べる固体動的粘弾性測定装置を用いて測定される値とする。 In this specification, the loss tangent tanδ, loss modulus E'', and storage modulus E'' of the potting material at a predetermined temperature or temperature range are specifically the values measured using a solid dynamic viscoelasticity measuring device, which will be described in detail in later examples.
80℃以下の温度領域におけるポッティング材のtanδは、0.25以下であることが好ましく、0.2以下であることがより好ましい。高温を含む温度領域下におけるポッティング材のtanδの値がより小さいことによって、当該温度領域において固定部がより変形し難く、膜モジュールにも破損がより生じ難くなる。そのため、高温を含む温度領域下において、より確実にさらに優れた長期耐久性を有する膜モジュールを得ることができる。 The tanδ of the potting material in the temperature range below 80°C is preferably 0.25 or less, and more preferably 0.2 or less. A smaller tanδ value in the temperature range including high temperatures makes the fixed portion less prone to deformation and reduces the likelihood of damage to the membrane module. Therefore, it is possible to obtain a membrane module with more reliable and superior long-term durability in the temperature range including high temperatures.
また、本実施形態における膜モジュールは、ポッティング材のtanδが、90℃以下の温度領域において、0.3以下であることが好ましく、0.25以下であることがより好ましく、0.2以下であることがさらに好ましい。より高温を含む温度領域下におけるポッティング材のtanδが0.3以下またはそれより小さい値であることによって、より高温下においても、固定部が変形し難く、膜モジュールにも破損が生じ難くなる。そのため、高温を含む温度領域下において、さらに確実に優れた長期耐久性が確保された膜モジュールを得ることができる。 Furthermore, in this embodiment, the tanδ of the potting material in the membrane module is preferably 0.3 or less, more preferably 0.25 or less, and even more preferably 0.2 or less in the temperature range of 90°C or below. By having a tanδ of 0.3 or less or smaller in the temperature range including higher temperatures, the fixing portion is less likely to deform and the membrane module is less likely to be damaged, even at higher temperatures. Therefore, a membrane module with even more reliable and superior long-term durability can be obtained in the temperature range including higher temperatures.
さらに、ポッティング材の貯蔵弾性率E’が、80℃以下の温度領域において、1×108N/m2以上であることが好ましく、1×109N/m2以上であることがより好ましい。80℃以下の温度領域におけるポッティング材のtanδを0.3以下の範囲内に制御し、かつ、貯蔵弾性率E’をこのような範囲内にすることによって、高温を含む温度領域下において、ポッティング材からなる固定部の静的な状態での耐久性を確保しつつ、長期間運転した際にもより確実に優れた耐久性を有する膜モジュールを得ることができる。 Furthermore, the storage modulus E' of the potting material is preferably 1 × 10⁸ N/ m² or higher, and more preferably 1 × 10⁹ N/ m² or higher, in the temperature range of 80°C or below. By controlling the tanδ of the potting material in the temperature range of 80°C or below to within a range of 0.3 or less, and by setting the storage modulus E' within such a range, it is possible to obtain a membrane module that has superior durability even when operated for a long period of time, while ensuring the static durability of the fixed part made of potting material in a temperature range that includes high temperatures.
本明細書において、「ポッティング材」とは、当業者に一般的に知られている通り、膜または膜束とハウジング等の部材とを固定するための接着剤であり、硬化して固定部となる樹脂、または主剤および硬化剤を含む樹脂組成物を意味する。ポッティング材は、必要に応じてさらに添加剤等を含んでもよい。 In this specification, "potting material" means an adhesive used to fix a film or film bundle to a component such as a housing, as is generally known to those skilled in the art, and refers to a resin that hardens to form a fixed part, or a resin composition containing a main component and a hardener. The potting material may also contain additives as needed.
ポッティング材に使用される樹脂の種類は、80℃以下の温度領域におけるポッティング材のtanδが0.3以下であれば、特に限定されない。このような樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。これらのうち、耐熱性、耐水性等に優れ、かつ、膜モジュールの洗浄に使用される酸、アルカリ、酸化剤等の各種薬剤に対しても耐久性を有することから、ポッティング材に含まれる樹脂は、ウレタン樹脂およびエポキシ樹脂から選択される1種以上の樹脂を含むことが好ましい。 The type of resin used in the potting material is not particularly limited, as long as the tanδ of the potting material in the temperature range of 80°C or below is 0.3 or less. Examples of such resins include thermosetting resins such as urethane resins, epoxy resins, and unsaturated polyester resins. Of these, it is preferable that the potting material contains one or more resins selected from urethane resins and epoxy resins, as these resins exhibit excellent heat resistance, water resistance, and durability against various chemicals such as acids, alkalis, and oxidizing agents used in cleaning the membrane module.
このようなポッティング材としては、一例として、以下に述べる耐熱性に優れたウレタン樹脂が挙げられる。 One example of such a potting material is the heat-resistant urethane resin described below.
ポッティング材として使用されるウレタン樹脂は、例えば、イソシアネート成分(I)を含有する主剤と活性水素成分(H)を含有する硬化剤とからなる。さらに、当該ウレタン樹脂は、多官能ポリエーテルポリオールおよび/または多官能アミンポリオール(以下、「ポリオール(A)」と言う)をその構成成分として含有する。 The urethane resin used as a potting material consists, for example, of a main component containing an isocyanate component (I) and a curing agent containing an active hydrogen component (H). Furthermore, the urethane resin contains a polyfunctional polyether polyol and/or polyfunctional amine polyol (hereinafter referred to as "polyol (A)") as a constituent component.
ポリオール(A)を構成成分として含有させる際、活性水素成分(H)としてポリオール(A)そのものを含有させてもよい。あるいは、ポリオール(A)を用いて製造される化合物を活性水素成分(H)および/またはイソシアネート成分(I)の一部成分として含有させてもよい。系の粘度の観点から、活性水素成分(H)としてポリオール(A)そのものを含有させることが好ましい。 When incorporating polyol (A) as a constituent component, polyol (A) itself may be included as the active hydrogen component (H). Alternatively, a compound produced using polyol (A) may be included as a component of the active hydrogen component (H) and/or the isocyanate component (I). From the viewpoint of system viscosity, it is preferable to include polyol (A) itself as the active hydrogen component (H).
ウレタン樹脂の全質量に対するポリオール(A)の質量は、20質量%~100質量%であることが好ましく、30質量%~90質量%であることがより好ましい。 The mass of polyol (A) relative to the total mass of the urethane resin is preferably 20% to 100% by mass, and more preferably 30% to 90% by mass.
ポリオール(A)の水酸基価は、耐熱性および粘度の観点から、200mgKOH/g~900mgKOH/gであることが好ましく、300mgKOH/g~800mgKOH/gであることがより好ましい。 From the viewpoint of heat resistance and viscosity, the hydroxyl value of polyol (A) is preferably 200 mg KOH/g to 900 mg KOH/g, and more preferably 300 mg KOH/g to 800 mg KOH/g.
イソシアネート成分(I)としては、1分子中にイソシアネート基を2個以上有するポリイソシアネート、当該ポリイソシアネートと1分子中に活性水素を2個以上有する活性水素化合物(ポリオール等)との反応によるイソシアネート基末端ウレタンプレポリマー、これらの混合物等が挙げられる。 Examples of isocyanate component (I) include polyisocyanates having two or more isocyanate groups in one molecule, isocyanate-terminated urethane prepolymers obtained by the reaction of such polyisocyanates with active hydrogen compounds (such as polyols) having two or more active hydrogens in one molecule, and mixtures thereof.
1分子中にイソシアネート基を2個以上有するポリイソシアネートとしては、例えば、炭素数(イソシアネート基中の炭素原子を除く、以下同じ)2~18の脂肪族ポリイソシアネート、炭素数4~15の脂環式ポリイソシアネート、炭素数6~20の芳香族ポリイソシアネート、炭素数8~15の芳香脂肪族ポリイソシアネート、これらのポリイソシアネートのイソシアネート基の一部または全部をイソシアヌレート、ビュレット、アロファネート、ウレトジオン、ウレトンイミン、カルボジイミド、オキサゾリドン、アミドまたはイミド変性してなる化合物、これらの混合物等が挙げられる。 Examples of polyisocyanates having two or more isocyanate groups in one molecule include aliphatic polyisocyanates with 2 to 18 carbon atoms (excluding carbon atoms in the isocyanate groups; the same applies hereinafter), alicyclic polyisocyanates with 4 to 15 carbon atoms, aromatic polyisocyanates with 6 to 20 carbon atoms, aromatic aliphatic polyisocyanates with 8 to 15 carbon atoms, compounds obtained by modifying some or all of the isocyanate groups of these polyisocyanates with isocyanurates, burettes, allophanates, uretdiones, uretonimines, carbodiimides, oxazolidones, amides, or imides, and mixtures thereof.
ポリイソシアネートは、良好な反応性を有するとの観点から、芳香族ポリイソシアネート、その変性体、またはこれらの混合物であることが好ましい。具体的には、4,4’-、2,4’-もしくは2,2’-ジフェニルメタンジイソシアネート、その変性体およびこれらの混合物であることがより好ましい。 From the viewpoint of having good reactivity, the polyisocyanate is preferably an aromatic polyisocyanate, a modified version thereof, or a mixture thereof. Specifically, 4,4'-, 2,4'-, or 2,2'-diphenylmethane diisocyanate, a modified version thereof, and mixtures thereof are more preferable.
イソシアネート基末端ウレタンプレポリマーを構成する活性水素を2個以上有する活性水素化合物としては、前述のポリオール(A)および/またはポリオール(A)を除くその他のポリオール(以下、「ポリオール(B)」と言う)が挙げられる。ポリオール(B)としては、低分子量ポリオール、ポリエーテルポリオール、天然油脂系ポリオール、天然油脂系ポリオール誘導体、ポリエステルポリオール、ポリオレフィンポリオール、アミンポリオール等が挙げられる。ポリオール(B)の水酸基価は、20mgKOH/g~1850mgKOH/gであることが好ましい。 Examples of active hydrogen compounds having two or more active hydrogens constituting the isocyanate-terminated urethane prepolymer include the aforementioned polyol (A) and/or other polyols excluding polyol (A) (hereinafter referred to as "polyol (B)"). Examples of polyol (B) include low molecular weight polyols, polyether polyols, natural oil-based polyols, natural oil-based polyol derivatives, polyester polyols, polyolefin polyols, amine polyols, etc. The hydroxyl value of polyol (B) is preferably 20 mg KOH/g to 1850 mg KOH/g.
イソシアネート基末端ウレタンプレポリマーは、ポリイソシアネートとポリオールとを、イソシアネート基とOH基の当量比(NCO/OH)を、通常1.01/1~100/1で反応させることにより得られる。 Isocyanate-terminated urethane prepolymers are obtained by reacting polyisocyanate and polyol with an equivalent ratio of isocyanate groups to OH groups (NCO/OH) typically between 1.01/1 and 100/1.
活性水素成分(H)としては、前述のポリオール(A)、ポリオール(B)、ポリアミンおよびポリメルカプタン等の活性水素含有化合物、これらと前述のポリイソシアネートとの反応による活性水素基末端ウレタンプレポリマー、これらの2種以上の混合物等が挙げられる。 Examples of the active hydrogen component (H) include the aforementioned polyol (A), polyol (B), polyamines, and polymer captans containing active hydrogen, active hydrogen-terminated urethane prepolymers obtained by the reaction of these with the aforementioned polyisocyanates, and mixtures of two or more of these.
ウレタン樹脂におけるイソシアネート成分(I)を含有する主剤と活性水素成分(H)を含有する硬化剤との反応におけるNCO/OH当量比は、未反応物低減の観点から、0.5/1~2/1であることが好ましく、0.7/1~1.5/1であることがより好ましく、0.8/1~1.2/1であることがさらに好ましい。 In the reaction between the main component containing isocyanate component (I) and the curing agent containing active hydrogen component (H) in a urethane resin, the NCO/OH equivalent ratio is preferably 0.5/1 to 2/1, more preferably 0.7/1 to 1.5/1, and even more preferably 0.8/1 to 1.2/1, from the viewpoint of reducing unreacted materials.
ウレタン樹脂におけるイソシアネート成分(I)を含有する主剤および/または活性水素成分(H)を含有する硬化剤の25℃における粘度は、通常、100mPa・s~100000mPa・sであればよい。さらに、硬化性および成型性の観点から、粘度は、200mPa・s~50000mPa・sであることが好ましく、500mPa・s~30000mPa・sであることがより好ましい。 The viscosity at 25°C of the main component containing the isocyanate component (I) and/or the curing agent containing the active hydrogen component (H) in the urethane resin is usually between 100 mPa·s and 100,000 mPa·s. Furthermore, from the viewpoint of curability and moldability, the viscosity is preferably between 200 mPa·s and 50,000 mPa·s, and more preferably between 500 mPa·s and 30,000 mPa·s.
ウレタン樹脂は、通常のポリウレタン樹脂に使用される、ウレタン化触媒、発泡剤、難燃剤、充填剤、加水分解防止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、防黴剤、離型剤、脱水剤、発泡抑制剤等の添加剤を含有することができる。 Urethane resin may contain additives commonly used in polyurethane resins, such as urethane catalysts, foaming agents, flame retardants, fillers, hydrolysis inhibitors, antioxidants, UV absorbers, mold inhibitors, mold release agents, dehydrating agents, and foaming inhibitors.
上記のような耐熱性に優れたウレタン樹脂において、出発原料であるイソシアネート成分(I)、活性水素成分(H)およびポリオール(A)の種類、これらの配合比、NCO/OH当量比、樹脂の粘度等を適切に選択および調整することによって、80℃以下の温度領域における当該ウレタン樹脂の貯蔵弾性率E’および損失弾性率E’’が適切な比率となるよう制御する。それによって、80℃以下の温度領域におけるtanδが0.3以下であるウレタン樹脂のポッティング材を得ることができる。 In a urethane resin with excellent heat resistance as described above, the storage modulus E' and loss modulus E'' of the urethane resin in the temperature range of 80°C or below can be controlled to an appropriate ratio by appropriately selecting and adjusting the types of isocyanate component (I), active hydrogen component (H), and polyol (A) used as starting materials, their blending ratios, the NCO/OH equivalent ratio, and the viscosity of the resin. This allows for obtaining a urethane resin potting material with a tanδ of 0.3 or less in the temperature range of 80°C or below.
さらに、他のポッティング材の樹脂の一例として、以下に述べる耐熱性に優れたエポキシ樹脂が挙げられる。 Furthermore, another example of a potting resin is the heat-resistant epoxy resin described below.
ポッティング材として使用されるエポキシ樹脂は、主剤となるエポキシ樹脂に、硬化剤としてアミン系硬化剤やイミダゾールを組み合わせて使用される。 Epoxy resins used as potting materials are typically a combination of an epoxy resin as the main component and an amine-based curing agent or imidazole as the hardening agent.
主剤となるエポキシ樹脂の種類は、特に限定されないが、ビスフェノール型エポキシ樹脂であることが好ましく、ビスフェノールF型エポキシ樹脂であることがより好ましい。エポキシ樹脂のエポキシ当量は、特に限定されないが、例えば150~250であることが好ましい。さらに、主剤となるエポキシ樹脂は、例えば、当業者に公知の任意の材料である、ブチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル等の単官能反応性希釈剤、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル等の多官能反応性希釈剤と合わせて使用してもよい。 The type of epoxy resin used as the main component is not particularly limited, but it is preferably a bisphenol-type epoxy resin, and more preferably a bisphenol F-type epoxy resin. The epoxy equivalent of the epoxy resin is not particularly limited, but is preferably, for example, 150 to 250. Furthermore, the epoxy resin used as the main component may be used in combination with any material known to those skilled in the art, such as monofunctional reactive diluents like butyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, or phenyl glycidyl ether, or polyfunctional reactive diluents like ethylene glycol diglycidyl ether, diethylene glycol diglycidyl ether, propylene glycol diglycidyl ether, or dipropylene glycol diglycidyl ether.
アミン系硬化剤は、芳香族アミン系硬化剤、脂肪族アミン系硬化剤およびこれらを組み合わせて用いることができる。 Amine-based curing agents can be aromatic amine-based curing agents, aliphatic amine-based curing agents, or combinations thereof.
芳香族系アミン硬化剤としては、例えば、2,4-ジアミノトルエン、p-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、p-キシリレンジアミン、m-キシリレンジアミン、テトラクロロ-p-キシリレンジアミン等の単環式芳香族ジアミン、3,5-ジアミノ-4-クロロ安息香酸アルキルエステル、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、3,3’-ジクロロ-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、3,3’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン等のジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、3,3’-ジメチル-4,4’-ジアミノジフェニルスルホン等のジアミノジフェニルスルホン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル等が挙げられる。さらに、これらを変性した変性芳香族アミンを使用してもよい。これらの芳香族アミンは、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of aromatic amine curing agents include monocyclic aromatic diamines such as 2,4-diaminotoluene, p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, p-xylylenediamine, m-xylylenediamine, and tetrachloro-p-xylylenediamine; diaminodiphenylmethanes such as 3,5-diamino-4-chlorobenzoate alkyl esters, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-dichloro-4,4'-diaminodiphenylmethane, and 3,3'-diethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane; diaminodiphenyl sulfones such as 4,4'-diaminodiphenyl sulfone and 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodiphenyl sulfone; and 4,4'-diaminodiphenyl ether. Furthermore, modified aromatic amines obtained by modifying these may also be used. These aromatic amines may be used individually or in combination of two or more.
脂肪族アミン系硬化剤としては、例えば、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロプレンジアミン等の鎖状脂肪族ジアミン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ジアミン等が挙げられる。これらの脂肪族アミンは、1種または2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of aliphatic amine-based curing agents include linear aliphatic diamines such as hexamethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, and diproprendiamine, and cyclic aliphatic diamines such as mensendiamine and isophoronediamine. These aliphatic amines may be used individually or in combination of two or more.
主剤としてのエポキシ樹脂とアミン系硬化剤との配合比は、例えば、エポキシ基に対するアミノ基の当量比が、0.3~1.1であることが好ましく、0.5~1.1程度であることがより好ましい。 The mixing ratio of the epoxy resin as the main component to the amine-based curing agent is preferably such that the equivalent ratio of amino groups to epoxy groups is 0.3 to 1.1, and more preferably 0.5 to 1.1.
ポッティング材として使用されるエポキシ樹脂は、必要に応じて有機溶媒、例えば、脂肪族炭化水素、脂環族炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素、エステル類、ケトン類、エーテル類またはこれらの混合溶媒を含んでいてもよい。 The epoxy resin used as a potting material may optionally contain organic solvents, such as aliphatic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, esters, ketones, ethers, or mixtures thereof.
エポキシ樹脂の25℃における粘度は、例えば、1000mPa・s~10000mPa・sであることが好ましく、2000mPa・s~8000mPa・sであることがより好ましい。 The viscosity of the epoxy resin at 25°C is preferably, for example, 1000 mPa·s to 10000 mPa·s, and more preferably 2000 mPa·s to 8000 mPa·s.
上記のような耐熱性に優れたエポキシ樹脂において、出発原料であるエポキシ樹脂およびアミン系硬化剤の種類、これらの配合比、エポキシ基に対するアミノ基の当量比、樹脂の粘度等を適切に選択および調整することによって、80℃以下の温度領域における当該エポキシ樹脂の貯蔵弾性率E’および損失弾性率E’’を適切な比率となるよう制御する。それによって、80℃以下の温度領域におけるtanδが0.3以下であるエポキシ樹脂のポッティング材を得ることができる。 In epoxy resins exhibiting excellent heat resistance as described above, the storage modulus E' and loss modulus E'' of the epoxy resin in the temperature range of 80°C or below can be controlled to an appropriate ratio by appropriately selecting and adjusting the type of epoxy resin and amine-based curing agent used as starting materials, their mixing ratio, the equivalent ratio of amino groups to epoxy groups, and the viscosity of the resin. This allows for the production of an epoxy resin potting material with a tanδ of 0.3 or less in the temperature range of 80°C or below.
本実施形態における膜モジュールは、上述した物性のポッティング材で膜の少なくとも一方の端部が固定されている。そのため、高温を含む温度領域下において膜モジュールを長期間運転する際、例えば80℃の高温流体の濾過を長期間行う際でも、硬化したポッティング材が変形し、かつそれに伴う膜モジュールの損傷が生じることなく、膜モジュールはより確実に優れた耐久性を有する。 In this embodiment, the membrane module is fixed at at least one end with a potting material possessing the physical properties described above. Therefore, even when operating the membrane module for extended periods in a temperature range including high temperatures, for example, when filtering a high-temperature fluid at 80°C for a long period, the hardened potting material does not deform, and consequently, the membrane module does not suffer damage. This ensures that the membrane module exhibits superior durability.
このような膜モジュールは、流体中、特に高温流体中から特定成分の分離、濃縮または濾過を行う用途に好適に用いられる。具体的には、本実施形態における膜モジュールは、特に中空糸膜モジュールの構成にて、超純水の製造プロセス、医薬または食品分野の製造プロセス等の幅広い製造プロセスにおいて、ボイラー水等の高温流体中から特定成分の分離、濃縮または濾過を行うために好適に用いられる。 Such membrane modules are suitably used for applications involving the separation, concentration, or filtration of specific components from fluids, particularly high-temperature fluids. Specifically, the membrane module in this embodiment, particularly in the form of a hollow fiber membrane module, is suitably used in a wide range of manufacturing processes, such as ultrapure water production processes and pharmaceutical or food manufacturing processes, for the separation, concentration, or filtration of specific components from high-temperature fluids like boiler water.
以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited in any way by these examples.
本実施例では、様々な種類のポッティング材を用いて試験用の中空糸膜モジュール(以下、単に「試験用膜モジュール」とも言う)を作製し、耐久性試験を行った。 In this embodiment, hollow fiber membrane modules for testing (hereinafter also simply referred to as "test membrane modules") were fabricated using various types of potting materials, and durability tests were conducted.
まず、試験用膜モジュールの耐久性試験の具体的方法、ならびに、各実施例および比較例で使用するポッティング材の損失正接tanδおよびデュロメータ硬さ(以下、「D硬度」とも言う)の物性の測定方法について、詳細に述べる。 First, the specific method for durability testing of the test membrane modules, as well as the measurement methods for the loss tangent tanδ and durometer hardness (hereinafter also referred to as "D hardness") of the potting materials used in each example and comparative example, will be described in detail.
[試験用膜モジュールの耐久性試験]
耐久性試験では、20℃~90℃の各試験温度下において加圧状態と減圧状態とを繰り返すことによって、試験用膜モジュールの長期耐久性を評価した。なお、一般的に膜モジュールは高温の場合であっても80℃を上限温度として使用されるため、90℃の試験はあくまで膜モジュールの高温運転時におけるより優れた安全性確保のための参照用試験として行った。図2に、耐久性試験で用いた装置を模式的に示す。図2に示すように、耐久性試験装置15は、水槽16と、水槽16から水を送り出すポンプ17と、ポンプ17と試験用膜モジュール19との間に設置された加圧バルブ18と、試験用膜モジュール19と、試験用膜モジュール19からの空気を出すための空気抜きバルブ20と、試験用膜モジュール19と水槽16との間に設置された圧抜きバルブ21と、試験体に負荷される圧力を調整するための圧力調整バルブ22とから構成した。
[Durability testing of test membrane modules]
In the durability test, the long-term durability of the test membrane module was evaluated by repeatedly switching between pressurized and depressurized states at various test temperatures from 20°C to 90°C. Generally, even at high temperatures, membrane modules use 80°C as their upper temperature limit; therefore, the 90°C test was conducted solely as a reference test to ensure superior safety during high-temperature operation of the membrane module. Figure 2 schematically shows the apparatus used in the durability test. As shown in Figure 2, the durability test apparatus 15 consisted of a water tank 16, a pump 17 for supplying water from the water tank 16, a pressurized valve 18 installed between the pump 17 and the test membrane module 19, the test membrane module 19, an air vent valve 20 for releasing air from the test membrane module 19, a pressure relief valve 21 installed between the test membrane module 19 and the water tank 16, and a pressure adjustment valve 22 for adjusting the pressure applied to the test specimen.
水槽16の流体温度を制御することによって、各試験温度を調整した。加圧工程では、加圧バルブ18を開放し、圧抜きバルブ21を閉止することで、ポンプで昇圧された水により試験用膜モジュール19が加圧される。その後の減圧工程では、加圧バルブ18を閉止し、圧抜きバルブ21を開放することで、試験用膜モジュール19の圧力を開放する。加圧工程と減圧工程を1回ずつ行うことを1サイクルとし、加圧工程と減圧工程を交互に繰り返すことで、耐久性を評価した。また、加圧工程および減圧工程の両方においてポンプ17は稼働しており、圧力調整バルブ21は開放状態とした。試験中の水圧については、加圧バルブ18、圧抜きバルブ21、および圧力調整バルブ22をそれぞれ適宜調整することによって、加圧状態時には0.3MPa、減圧状態時は0MPaとなるように設定した。1000サイクル繰り返した後、試験用膜モジュール19を確認し、固定部および膜周辺に変形、剥離等の何らかの破損があるかを確認した。評価として、破損が見られない場合を「〇」とし、固定部に変形が見られた場合は「△」とし、固定部と膜との間に剥離が生じてしまっている場合は「×」とした。 The test temperatures were adjusted by controlling the fluid temperature in the water tank 16. In the pressurization process, the pressurizing valve 18 was opened and the pressure relief valve 21 was closed, pressurizing the test membrane module 19 with water pressurized by the pump. In the subsequent depressurization process, the pressurizing valve 18 was closed and the pressure relief valve 21 was opened, releasing the pressure on the test membrane module 19. One cycle consisted of one pressurization and one depressurization process, and durability was evaluated by repeating the pressurization and depressurization processes alternately. The pump 17 was also operating during both the pressurization and depressurization processes, and the pressure adjustment valve 21 was kept open. The water pressure during the test was set to 0.3 MPa in the pressurized state and 0 MPa in the depressurized state by appropriately adjusting the pressurizing valve 18, pressure relief valve 21, and pressure adjustment valve 22. After repeating 1000 cycles, the test membrane module 19 was inspected to check for any damage such as deformation or peeling around the fixed part and membrane. For evaluation purposes, "○" was used if no damage was observed, "△" if deformation was observed in the fixing part, and "×" if delamination occurred between the fixing part and the membrane.
[ポッティング材の損失正接tanδの測定]
各試験温度におけるポッティング材の損失正接tanδは、次のように測定した。まず、測定対象のポッティング材を、厚さ約1mm程度の薄板となるように成形し、成形物を長さ30mm×幅5mmに切り出すことによって、試験片を作製した。作製したポッティング材の試験片を、固体動的粘弾性測定装置(レオロジー社製「DVEーV4FT」)に載置し、20℃~90℃におけるポッティング材の損失正接tanδ(損失正接tanδ=損失弾性率E’’/貯蔵弾性率E’)を分析し、各温度における数値を求めた。
[Measurement of loss tangent tanδ of potting material]
The loss tangent tanδ of the potting material at each test temperature was measured as follows. First, the potting material to be measured was formed into a thin plate with a thickness of approximately 1 mm, and test specimens were prepared by cutting the formed material into pieces measuring 30 mm in length and 5 mm in width. The prepared test specimens of the potting material were placed on a solid dynamic viscoelasticity analyzer (DVE-V4FT, manufactured by Rheology Co., Ltd.), and the loss tangent tanδ of the potting material at temperatures from 20°C to 90°C (loss tangent tanδ = loss modulus E'' / storage modulus E') was analyzed to determine the values at each temperature.
[ポッティング材のD硬度の測定]
各試験温度におけるポッティング材の硬度(D硬度)は、次の方法で測定した。まず、ポッティング材として使用する樹脂の主剤と硬化剤とを、20℃でそれぞれ減圧脱泡した(1000Pa×2時間)。次いで、後述する配合比における各ポッティング材の主剤と硬化剤とを、回転式攪拌機を用いて300rpmで30秒間攪拌混合した。その後、この混合物を、遠心機を用いて1500rpmで60秒間遠心脱泡後、正方形の容器(50mm×50mm×10mm(高さ))に注入した。この容器中の混合物を、20℃の恒温槽で72時間養生し、試験片とした。試験片を各試験温度に調節した恒温槽中で1時間静置した後、D硬度(10秒値)をショアーD硬度計(高分子計器株式会社製「ゴム硬度計 Type D」)で測定した。
[Measurement of D hardness of potting material]
The hardness (D hardness) of the potting material at each test temperature was measured by the following method. First, the main component and hardener of the resin used as the potting material were degassed under reduced pressure at 20°C (1000 Pa x 2 hours). Next, the main component and hardener of each potting material, according to the mixing ratio described later, were mixed using a rotary stirrer at 300 rpm for 30 seconds. After that, this mixture was centrifuged and degassed at 1500 rpm for 60 seconds using a centrifuge, and then poured into a square container (50 mm x 50 mm x 10 mm (height)). The mixture in this container was cured in a constant temperature bath at 20°C for 72 hours to prepare the test specimen. After the test specimen was left to stand for 1 hour in a constant temperature bath adjusted to each test temperature, the D hardness (10-second value) was measured using a Shore D hardness tester ("Rubber Hardness Tester Type D" manufactured by Polymer Instruments Co., Ltd.).
次いで、各実施例および比較例において用いたポッティング材の調製方法ならびに試験用膜モジュールの作製方法について詳細に説明する。 Next, the preparation methods for the potting materials used in each example and comparative example, as well as the methods for fabricating the test membrane modules, will be described in detail.
(ウレタン樹脂ポッティング材Aの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Aは、次のように調製した。まず、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートと2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートの1:1の混合物(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMI」)28質量部と、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(東ソー(株)製、「ミリオネートMT」)40質量部に、ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスGP-250」)12重量部を加えて、70℃で3時間反応させた。続いて、反応物に、カルボジイミド変性4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMM103」)20質量部を加え、30分間攪拌し、イソシアネート成分Aを調製した(NCO含量:22.5%、粘度(25℃):5500mPa・s)。また、多官能ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスSP-750」)64質量部に、天然油脂系ポリオール(豊国製油(株)製、「ELA-DR」)36質量部を加え、攪拌混合し、活性水素成分Aを調製した(水酸基価:371mgKOH/g、粘度(25℃):5200mPa・s)。このように調製したイソシアネート成分Aおよび活性水素成分Aを56:44の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Aとした。
(Method for preparing urethane resin potting material A)
Urethane resin potting material A was prepared as follows: First, 28 parts by mass of a 1:1 mixture of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MI") and 40 parts by mass of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (Tosoh Corporation, "Millionate MT") were added to 12 parts by weight of polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix GP-250"), and the mixture was reacted at 70°C for 3 hours. Next, 20 parts by mass of carbodiimide-modified 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MM103") was added to the reaction product and stirred for 30 minutes to prepare isocyanate component A (NCO content: 22.5%, viscosity (25°C): 5500 mPa·s). In addition, 64 parts by mass of polyfunctional polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix SP-750") and 36 parts by mass of natural oil-based polyol (Toyokuni Oil Co., Ltd., "ELA-DR") were added and stirred to prepare active hydrogen component A (hydroxyl value: 371 mg KOH/g, viscosity (25°C): 5200 mPa·s). The isocyanate component A and active hydrogen component A prepared in this way were combined in a mixing ratio of 56:44 to obtain urethane resin potting material A.
(ウレタン樹脂ポッティング材Bの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Bは、次のように調製した。まず、ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスPP-1000」)30.2重量部に、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(東ソー(株)製、「ミリオネートMT」)48.5質量部を加え、70℃で3時間反応させた。次いで、反応物に、カルボジイミド変性4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMM103」)21.3質量部を加え、30分間攪拌し、イソシアネート成分Bを調製した(NCO含量:18.1%、粘度(25℃):2700mPa・s)。また、活性水素成分Bとして、多官能ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスSP-750」)100質量部を用意した(水酸基価:477mgKOH/g、粘度(25℃):34000mPa・s)。このように調製したイソシアネート成分Bおよび活性水素成分Bを、67:33の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Bとした。
(Method for preparing urethane resin potting material B)
Urethane resin potting material B was prepared as follows. First, 30.2 parts by weight of polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix PP-1000") was added to 48.5 parts by mass of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (Tosoh Corporation, "Millionate MT"), and the mixture was reacted at 70°C for 3 hours. Next, 21.3 parts by mass of carbodiimide-modified 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MM103") was added to the reactant, and the mixture was stirred for 30 minutes to prepare isocyanate component B (NCO content: 18.1%, viscosity (25°C): 2700 mPa·s). In addition, 100 parts by mass of a polyfunctional polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix SP-750") was prepared as the active hydrogen component B (hydroxyl value: 477 mg KOH/g, viscosity (25°C): 34,000 mPa·s). The isocyanate component B and the active hydrogen component B prepared in this way were combined in a mixing ratio of 67:33 to obtain urethane resin potting material B.
(ウレタン樹脂ポッティング材Cの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Cは、次のように調製した。天然油脂系ポリオール(豊国製油(株)製、「ELA-DR」)20.5重量部と、ポリエーテルポリオールポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスGP-250」)5重量部に、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートと2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートの1:1の混合物(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMI」)74.4質量部を加えて、70℃で3時間反応させ、イソシアネート成分Cを調製した(NCO含量:18.0%、粘度(25℃):1900mPa・s)。また、活性水素成分Cとして、多官能ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスHS-209」)100質量部を用意した(水酸基価:450mgKOH/g、粘度(25℃):6000mPa・s)。このように調製したイソシアネート成分Cおよび活性水素成分Cを、63:37の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Cとした。
(Method for preparing urethane resin potting material C)
The urethane resin potting material C was prepared as follows: 20.5 parts by weight of a natural oil-based polyol (manufactured by Toyokuni Oil Co., Ltd., "ELA-DR") and 5 parts by weight of a polyether polyol (manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix GP-250") were added to 74.4 parts by weight of a 1:1 mixture of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (manufactured by BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MI"), and the mixture was reacted at 70°C for 3 hours to prepare isocyanate component C (NCO content: 18.0%, viscosity (25°C): 1900 mPa·s). In addition, 100 parts by mass of a polyfunctional polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix HS-209") was prepared as the active hydrogen component C (hydroxyl value: 450 mg KOH/g, viscosity (25°C): 6000 mPa·s). The isocyanate component C and the active hydrogen component C prepared in this way were combined in a mixing ratio of 63:37 to form the urethane resin potting material C.
(ウレタン樹脂ポッティング材Dの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Dは、次のように調製した。まず、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートと2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートの1:1の混合物(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMI」)28質量部と、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(東ソー(株)製、「ミリオネートMT」)40質量部に、ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスGP-250」)12重量部を加え、70℃で3時間反応させた。次いで、反応物に、カルボジイミド変性4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMM103」)20質量部を加え、30分間攪拌し、イソシアネート成分Dを調製した(NCO含量:22.5%、粘度(25℃):5500mPa・s)。また、多官能ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスHS-209」)54質量部に、天然油脂系ポリオール(豊国製油(株)製、「ELA-DR」)46質量部を加え、攪拌混合し、活性水素成分Dを調製した(水酸基価:307mgKOH/g、粘度(25℃):4200mPa・s)。このように調製したイソシアネート成分Dおよび活性水素成分Dを、51:49の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Dとした。
(Method for preparing urethane resin potting material D)
The urethane resin potting material D was prepared as follows: First, 28 parts by mass of a 1:1 mixture of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MI") and 40 parts by mass of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (Tosoh Corporation, "Millionate MT") were added to 12 parts by weight of polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix GP-250"), and the mixture was reacted at 70°C for 3 hours. Next, 20 parts by mass of carbodiimide-modified 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MM103") was added to the reaction product and stirred for 30 minutes to prepare isocyanate component D (NCO content: 22.5%, viscosity (25°C): 5500 mPa·s). In addition, 54 parts by mass of polyfunctional polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix HS-209") and 46 parts by mass of natural oil-based polyol (Toyokuni Oil Co., Ltd., "ELA-DR") were added and stirred to prepare active hydrogen component D (hydroxyl value: 307 mgKOH/g, viscosity (25°C): 4200 mPa·s). The isocyanate component D and active hydrogen component D thus prepared were combined in a mixing ratio of 51:49 to obtain urethane resin potting material D.
(ウレタン樹脂ポッティング材Eの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Eは、次のように調製した。まず、天然油脂系ポリオール誘導体(豊国製油(株)製、「HS2P-080」)36.4重量部に、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(東ソー(株)製、「ミリオネートMT」)30.6質量部を加え、70℃で3時間反応させた。次いで、反応物に、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートと2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートの1:1の混合物(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMI」)10.3質量部と、カルボジイミド変性4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMM103」)22.7質量部を加え、30分間攪拌し、イソシアネート成分Eを調製した(NCO含量:18.1%、粘度(25℃):520mPa・s)。また、多官能ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスSP-750」)55質量部に、ポリエーテルポリオール(三洋化成工業(株)製、「サンニックスGP-1000」)23質量部と、天然油脂系ポリオール(豊国製油(株)製、「ELA-DR」)22質量部とを加え、攪拌混合し、活性水素成分Eを調製した(水酸基価:336mgKOH/g、粘度(25℃):3800mPa・s)。このように調製したイソシアネート成分Eおよび活性水素成分Eを、59:41の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Eとした。
(Method for preparing urethane resin potting material E)
The urethane resin potting material E was prepared as follows: First, 36.4 parts by weight of a natural oil-based polyol derivative ("HS2P-080" manufactured by Toyokuni Oil Co., Ltd.) was added to 30.6 parts by mass of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate ("Millionate MT" manufactured by Tosoh Corporation), and the mixture was reacted at 70°C for 3 hours. Next, 10.3 parts by mass of a 1:1 mixture of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MI") and 22.7 parts by mass of carbodiimide-modified 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MM103") were added to the reaction product, and the mixture was stirred for 30 minutes to prepare isocyanate component E (NCO content: 18.1%, viscosity (25°C): 520 mPa·s). Furthermore, 55 parts by mass of polyfunctional polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix SP-750"), 23 parts by mass of polyether polyol (Sanyo Chemical Industries, Ltd., "Sannix GP-1000"), and 22 parts by mass of natural oil-based polyol (Toyokuni Oil Co., Ltd., "ELA-DR") were added and stirred to prepare active hydrogen component E (hydroxyl value: 336 mg KOH/g, viscosity (25°C): 3800 mPa·s). The isocyanate component E and active hydrogen component E prepared in this way were combined in a blending ratio of 59:41 to obtain urethane resin potting material E.
(ウレタン樹脂ポッティング材Fの調製方法)
ウレタン樹脂ポッティング材Fは、次のように調製した。イソホロンジイソシアネート(エボニック ジャパン(株)製、「VESTANAT IPDI」)17質量部に、ポリエーテルポリオール(AGC(株)製、「エクセノール230」)53質量部を加えて、90℃で3時間反応させた。次いで、反応物に、カルボジイミド変性4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(BASF INOACポリウレタン(株)製、「ルプラネートMM103」)4質量部を加えて、イソシアネート成分Fを調製した(NCO含量:8.7%、粘度(25℃):7000mPa・s)。また、ポリテトラメチレンオキシドージーP-アミノベンゾエート(クミアイ化学工業(株)製、「エラスマー250P」)を、活性水素成分Fとして用いた(アミン価:230mgKOH/g、ワックス状固体)。このように調製したイソシアネート成分Fおよび活性水素成分Fを、64:30の配合比で組み合わせて、ウレタン樹脂ポッティング材Fとした。
(Method for preparing urethane resin potting material F)
The urethane resin potting material F was prepared as follows: 17 parts by mass of isophorone diisocyanate (Evonik Japan Co., Ltd., "VESTANAT IPDI") was added to 53 parts by mass of polyether polyol (AGC Inc., "Exsenol 230") and reacted at 90°C for 3 hours. Then, 4 parts by mass of carbodiimide-modified 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (BASF INOAC Polyurethane Co., Ltd., "Luplanate MM103") was added to the reactant to prepare isocyanate component F (NCO content: 8.7%, viscosity (25°C): 7000 mPa·s). Polytetramethylene oxydose-P-aminobenzoate (Kumiai Chemical Industry Co., Ltd., "Elasmer 250P") was used as the active hydrogen component F (amine value: 230 mg KOH/g, waxy solid). The isocyanate component F and the active hydrogen component F prepared in this manner were combined in a ratio of 64:30 to obtain a urethane resin potting material F.
(エポキシ樹脂ポッティング材Aの調製方法)
エポキシ樹脂ポッティング材Aは、次のように調製した。主剤のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(DIC(株)製、「EPICLON 830」)を用いた。アミン系硬化剤としてはイミダゾール系エポキシ樹脂硬化剤(DIC(株)製、「2E4MZ」)を用いた。これらの主剤のエポキシ樹脂とアミン系硬化剤とを、100:2の配合比で組み合わせて、エポキシ樹脂ポッティング材Aとした。
(Method for preparing epoxy resin potting material A)
Epoxy resin potting material A was prepared as follows: As the main epoxy resin component, bisphenol F type epoxy resin (DIC Corporation, "EPICLON 830") was used. As the amine-based curing agent, an imidazole-based epoxy resin curing agent (DIC Corporation, "2E4MZ") was used. These main epoxy resin components and amine-based curing agents were combined in a mixing ratio of 100:2 to obtain epoxy resin potting material A.
(エポキシ樹脂ポッティング材Bの調製方法)
エポキシ樹脂ポッティング材Bは、次のように調製した。主剤のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(日鉄ケミカル&マテリアル(株)製、「ST-3000」)を用いた。アミン系硬化剤としては、変性脂肪族ポリアミン(大都産業(株)製、「ダイトクラールI-5682」)を用いた。これらの主剤のエポキシ樹脂とアミン系硬化剤とを、100:23の配合比で組み合わせて、エポキシ樹脂ポッティング材Bとした。
(Method for preparing epoxy resin potting material B)
Epoxy resin potting material B was prepared as follows: As the main epoxy resin component, bisphenol A type epoxy resin (manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd., "ST-3000") was used. As the amine-based curing agent, a modified aliphatic polyamine (manufactured by Daito Sangyo Co., Ltd., "Daitoclar I-5682") was used. These main epoxy resin components and amine-based curing agents were combined in a mixing ratio of 100:23 to obtain epoxy resin potting material B.
(実施例1)
実施例1では、親水化処理されたポリフッ化ビニリデン樹脂からなり、平均孔径が0.02μmであり、有効長が1035mmの中空糸膜を用いた。ポッティング材としては、上記のウレタン樹脂ポッティング材Aを用いた。中空糸膜15000本を、内径154mmのモジュールケースに挿入し、25℃に加温したウレタン樹脂ポッティング材Aにおけるイソシアネート成分Aおよび活性水素成分Aを前述した配合比で注入および混合して遠心成型し、その後25℃で24時間硬化させた。硬化後、膜面積が42m2である片端フリータイプの試験用膜モジュールを得た。得られた試験用膜モジュールの固定部の厚さは、40mmであった。
(Example 1)
In Example 1, a hollow fiber membrane made of hydrophilically treated polyvinylidene fluoride resin was used, with an average pore size of 0.02 μm and an effective length of 1035 mm. The above-mentioned urethane resin potting material A was used as the potting material. 15,000 hollow fiber membranes were inserted into a module case with an inner diameter of 154 mm, and isocyanate component A and active hydrogen component A from the urethane resin potting material A, heated to 25°C, were injected and mixed in the aforementioned mixing ratio, centrifugal molding was performed, and then curing was carried out at 25°C for 24 hours. After curing, a one-end free type test membrane module with a membrane area of 42 m² was obtained. The thickness of the fixed part of the obtained test membrane module was 40 mm.
(実施例2~実施例7および比較例1)
実施例2~実施例7および比較例1では、後の表1に示すように、ポッティング材として各々前述したウレタン樹脂ポッティング材B~E、エポキシ樹脂ポッティング材A~Bおよびウレタン樹脂ポッティング材Fのいずれかを用いたこと以外は、前述の実施例1と同じ方法で、試験用膜モジュールを得た。
(Examples 2 to 7 and Comparative Example 1)
In Examples 2 to 7 and Comparative Example 1, test membrane modules were obtained in the same manner as in Example 1, except that, as shown in Table 1 below, one of the aforementioned urethane resin potting materials B to E, epoxy resin potting materials A to B, and urethane resin potting material F was used as the potting material.
各実施例および比較例で用いたポッティング材の種類および物性、ならびに各実施例および比較例における試験用膜モジュールの耐久性試験の結果を、以下の表1にまとめて示す。なお、「‐」は未実施であることを示す。 The types and properties of the potting materials used in each example and comparative example, as well as the results of the durability tests of the test membrane modules in each example and comparative example, are summarized in Table 1 below. A "-" indicates that the test was not performed.
上記表1に示すように、ウレタン樹脂ポッティング材A~Eまたはエポキシ樹脂ポッティング材Aを用いた実施例1~6の試験用膜モジュールは、20℃~90℃の全ての温度領域において、破損は見られなかった。なお、ウレタン樹脂ポッティング材A~Cおよびエポキシ樹脂ポッティング材Aは、20℃~90℃の全ての温度領域において、tanδが0.2以下となっていた。また、ウレタン樹脂ポッティング材DおよびEは、20℃~80℃の全ての温度領域においてtanδが0.2以下、90℃においてtanδが0.3となっていた。 As shown in Table 1 above, the test membrane modules of Examples 1 to 6, using urethane resin potting materials A to E or epoxy resin potting material A, showed no damage in the entire temperature range of 20°C to 90°C. Furthermore, urethane resin potting materials A to C and epoxy resin potting material A exhibited a tanδ of 0.2 or less in the entire temperature range of 20°C to 90°C. Urethane resin potting materials D and E exhibited a tanδ of 0.2 or less in the entire temperature range of 20°C to 80°C, and a tanδ of 0.3 at 90°C.
また、上記表1に示すように、エポキシ樹脂ポッティング材Bを用いた実施例7の試験用膜モジュールは、20℃~80℃の温度領域では、破損は見られなかった。しかし、90℃の参照用試験では、固定部と膜との間に剥離が発生していた。なお、エポキシ樹脂ポッティング材Bは、固定部の変形や膜モジュールの破損が見られなかった20℃~80℃の温度領域では、tanδが0.2以下であった。一方、固定部の変形や膜モジュールの破損が見られた90℃の試験温度では、エポキシ樹脂ポッティング材Bのtanδが0.3を超えていた。 Furthermore, as shown in Table 1 above, the test membrane module in Example 7 using epoxy resin potting material B showed no damage in the temperature range of 20°C to 80°C. However, in the reference test at 90°C, delamination occurred between the fixed part and the membrane. In the temperature range of 20°C to 80°C, where no deformation of the fixed part or damage to the membrane module was observed, the tanδ of epoxy resin potting material B was 0.2 or less. On the other hand, at the test temperature of 90°C, where deformation of the fixed part and damage to the membrane module were observed, the tanδ of epoxy resin potting material B exceeded 0.3.
上記表1に示すように、ウレタン樹脂ポッティング材Fを用いた比較例1の試験用膜モジュールは、20℃~60℃の温度領域では、破損は見られなかった。しかし、70℃の試験において、固定部の変形の様子が確認された。80℃の試験では、固定部と膜との間に剥離が発生していた。比較例1では、80℃の耐久性試験で既に試験用膜モジュールに破損が見られたため、90℃の耐久性試験は行わなかった。なお、ウレタン樹脂ポッティング材Fは、固定部の変形や膜モジュールの破損が見られなかった20℃~60℃の温度領域では、tanδが0.2以下となっていた。一方、固定部の変形や膜モジュールの破損が見られた70℃および80℃の試験温度では、ウレタン樹脂ポッティング材Fのtanδが0.3を超えていた。 As shown in Table 1 above, the test membrane module of Comparative Example 1, using urethane resin potting material F, showed no damage in the temperature range of 20°C to 60°C. However, deformation of the fixing part was observed in the 70°C test. In the 80°C test, delamination occurred between the fixing part and the membrane. In Comparative Example 1, since damage was already observed in the test membrane module in the 80°C durability test, the 90°C durability test was not performed. Furthermore, in the temperature range of 20°C to 60°C, where no deformation of the fixing part or damage to the membrane module was observed, the tanδ of urethane resin potting material F was 0.2 or less. On the other hand, at the test temperatures of 70°C and 80°C, where deformation of the fixing part and damage to the membrane module were observed, the tanδ of urethane resin potting material F exceeded 0.3.
[考察]
実施例1~7および比較例1の結果から、試験温度におけるポッティング材のtanδが0.3以下(好ましくは0.2以下)の条件を満たすことによって、膜モジュールを当該試験温度で長期間運転させた場合であっても、優れた耐久性を示すことが分かった。従って、高温(すなわち、約80℃)を含む温度領域下において膜モジュールを長期間運転する場合、80℃以下の温度領域におけるtanδが0.3以下(好ましくは0.2以下)の条件を満たすポッティング材を選択して固定部を形成することによって、膜モジュールは優れた耐久性を示し、その結果、固定部の変形、それに伴う膜モジュールの損傷等を防止できることが想定される。
[Consideration]
From the results of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1, it was found that satisfying the condition that the tanδ of the potting material at the test temperature is 0.3 or less (preferably 0.2 or less) allows the membrane module to exhibit excellent durability even when operated at the test temperature for a long period of time. Therefore, when operating a membrane module for a long period of time in a temperature range including high temperatures (i.e., about 80°C), it is expected that by selecting a potting material that satisfies the condition that the tanδ in the temperature range below 80°C is 0.3 or less (preferably 0.2 or less) and forming the fixing part, the membrane module will exhibit excellent durability, and as a result, deformation of the fixing part and the resulting damage to the membrane module can be prevented.
さらに、従来提案されてきたような、ポッティング材の硬化物のD硬度のみを膜モジュールの耐久性の性能指標とすると(例えば特許文献1参照)、正確な耐久性評価は必ずしも行えないことも分かった。具体的には、上記表1に示すように、実施例1の90℃の試験におけるウレタン樹脂ポッティング材AのD硬度は、比較例1の70℃の試験におけるウレタン樹脂ポッティング材FのD硬度よりも低い値になっている。しかしながら、実施例1の90℃の試験では、膜モジュールは十分な耐久性を示している。 Furthermore, it was found that using only the D hardness of the cured potting material as a performance indicator for the durability of the membrane module, as has been conventionally proposed (see, for example, Patent Document 1), does not necessarily allow for accurate durability evaluation. Specifically, as shown in Table 1 above, the D hardness of urethane resin potting material A in the 90°C test of Example 1 is lower than that of urethane resin potting material F in the 70°C test of Comparative Example 1. However, in the 90°C test of Example 1, the membrane module demonstrated sufficient durability.
今回開示された実施形態および実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、前述した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments and examples disclosed herein should be understood in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the claims rather than by the foregoing description, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims are intended.
1 中空糸膜モジュール
2 中空糸膜
3 中空糸膜束
4 固定部
5 ハウジング
6 導水管
7 散気部材
8 濾液配管
9 濾液出口
10 濾液側気体入口
11 気体抜き口
12 ドレン抜き口
13 散気用気体入口
14 原液入口
S1 内部空間
S2 濾液側の空間
15 耐久性試験装置
16 水槽
17 ポンプ
18 加圧バルブ
19 試験用膜モジュール
20 空気抜きバルブ
21 圧抜きバルブ
22 圧力調整バルブ
1 Hollow fiber membrane module 2 Hollow fiber membrane 3 Hollow fiber membrane bundle 4 Fixing part 5 Housing 6 Water conduit 7 Aeration member 8 Filtrate piping 9 Filtrate outlet 10 Filtrate side gas inlet 11 Gas vent 12 Drain outlet 13 Aeration gas inlet 14 Raw liquid inlet S1 Internal space S2 Filtrate side space 15 Durability test apparatus 16 Water tank 17 Pump 18 Pressure valve 19 Test membrane module 20 Air vent valve 21 Pressure relief valve 22 Pressure regulating valve
Claims (4)
前記ポッティング材の貯蔵弾性率E’が、0℃~80℃の温度領域において、1×10 9 N/m 2 以上であり、
前記ポッティング材は、ウレタン樹脂を含む、膜モジュール。 A membrane module in which at least one end of the membrane is fixed with a potting material, wherein the tanδ of the potting material, calculated from the formula: loss tangent tanδ = loss modulus E'' / storage modulus E', is 0.3 or less in a temperature range of 80°C or less.
The storage modulus E' of the potting material is 1 × 10⁹ N /m² or more in the temperature range of 0°C to 80°C.
The potting material is a membrane module containing urethane resin.
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