特許第6024022号(P6024022)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 日本碍子株式会社の特許一覧
特許6024022セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ
<>
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000002
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000003
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000004
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000005
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000006
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000007
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000008
  • 特許6024022-セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ 図000009
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6024022
(24)【登録日】2016年10月21日
(45)【発行日】2016年11月9日
(54)【発明の名称】セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタ
(51)【国際特許分類】
   C02F 1/44 20060101AFI20161027BHJP
   B01D 63/06 20060101ALI20161027BHJP
   B01D 39/20 20060101ALI20161027BHJP
   B01D 29/11 20060101ALI20161027BHJP
   B01D 71/02 20060101ALI20161027BHJP
   B01D 69/12 20060101ALI20161027BHJP
   C04B 38/00 20060101ALI20161027BHJP
【FI】
   C02F1/44 D
   B01D63/06
   B01D39/20 D
   B01D29/10 510E
   B01D29/10 530A
   B01D71/02
   B01D69/12
   C04B38/00 303Z
【請求項の数】4
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2013-59365(P2013-59365)
(22)【出願日】2013年3月22日
(65)【公開番号】特開2014-184362(P2014-184362A)
(43)【公開日】2014年10月2日
【審査請求日】2015年11月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100085523
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 文夫
(74)【代理人】
【識別番号】100078101
【弁理士】
【氏名又は名称】綿貫 達雄
(74)【代理人】
【識別番号】100154461
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 由布
(72)【発明者】
【氏名】小谷 和司
【審査官】 富永 正史
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−173601(JP,A)
【文献】 実開昭62−008588(JP,U)
【文献】 米国特許出願公開第2012/0118813(US,A1)
【文献】 特開平05−105420(JP,A)
【文献】 特開平04−145930(JP,A)
【文献】 国際公開第2009/113715(WO,A1)
【文献】 特開2002−210314(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C02F 1/44
B01D61/00−71/82
B01D 29/11
B01D 39/20
C04B 38/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法であって、
前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲である前記原液流入孔の口径の2〜5倍の長さに渡って、その内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、
該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことを特徴とするセラミックフィルタを用いたろ過方法。
【請求項2】
前記耐摩耗機能層が、樹脂又はガラス系材料からなることを特徴とする請求項1記載のセラミックフィルタを用いたろ過方法。
【請求項3】
アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタであって、
原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の2〜5倍の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備えたことを特徴とするセラミックフィルタ。
【請求項4】
前記耐摩耗機能層が、樹脂又はガラス系材料からなることを特徴とする請求項3記載のセラミックフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミックフィルタを用いたろ過方法およびセラミックフィルタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
高分子膜に比較して耐圧性、耐久性に優れるセラミックフィルタを用いたろ過方法は、現在、各種の工業分野において採用されている。
【0003】
セラミックフィルタは、一般に、ろ過性能、流体透過量(即ち処理能力)の双方を向上させるために、原液流入孔を形成したセラミック多孔体を基材(支持体)として、原液流入孔の内表面にセラミックからなるろ過膜を形成した構造を有している(例えば、特許文献1)。
【0004】
しかし、ろ過処理前の原液に硬質な粒子(例えば、食品化学の合成工程で生じるシュウ酸カルシウム等の結晶や、シリコンウエハの研磨排水に含有される金属シリコン粒子や、セラミック粒子等)が含有される場合に、前記構造を有する従来のセラミックフィルタを用いてろ過処理を行うと、原液の流入側において、ろ過膜の損傷が発生し、使用開始から数か月後には、原液が、ろ過処理を経た濾液側に混入するトラブルが発生しやすいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008−173601号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は前記の問題を解決し、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側におけるろ過膜の損傷を防止することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者は、ろ過膜の損傷部位が、原液流入孔の入口部から数センチの範囲に限定される点に着目し、その理由を追及した結果、原液流入孔内を流れる流体が、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件にあっても、原液流入孔の入口部では縮流に伴うカルマン渦が発生しており、原液中に含有される硬質な粒子(以下、摩耗粒子という)がカルマン渦に乗って旋回運動を行い、原液流入孔の内表面に形成されたろ過膜を損傷していることを見出した。また、セラミックフィルタは、一般に、ケーシング内に収容され、O−リングとシール材を用いて、基材外周面側と、基材端面側とを気密的に隔離したクロスフロー型の膜ろ過装置として使用されるが、本発明者は、前記のシール材部分は、摩耗粒子による摩耗を受けないことを見出した。
【0008】
本発明は上記した知見に基づいてなされたものであって、本発明のセラミックフィルタを用いたろ過方法は、アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法であって、前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲である前記原液流入孔の口径の2〜5倍の長さに渡って、その内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことを特徴とするものである。
【0009】
また、本発明のセラミックフィルタは、アルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタにおいて、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の2〜5倍の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を備えた耐摩耗機能層を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明のように、円柱状のアルミナ多孔質体に原液流入孔を形成したセラミックフィルタを用いたろ過方法において、前記原液流入孔は、入口部から、該入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲である前記原液流入孔の口径の2〜5倍の長さに渡って、内表面に、前記アルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備え、該原液流入孔に、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことにより、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側における原液流入孔の内面損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】セラミックフィルタの入口部で発生する縮流とカルマン渦の説明図である。
図2】ろ過膜損傷の説明図である。
図3】本実施形態のセラミックフィルタおよび、このセラミックフィルタを用いたクロスフロー型の膜ろ過装置の説明図である。
図4】本実施形態のセラミックフィルタの要部を示す断面図である。
図5】摩耗再現試験に用いた試験装置の概略図である。
図6】試験Aの結果を示す図である。
図7】試験Bの結果を示す図である。
図8】試験Cの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に本発明の実施形態を説明するが、最初に縮流について説明する。縮流とは、流体がオリフィスなどを通過して噴流となるとき、オリフィスなどの開口部の面積より噴流の断面積が狭くなる現象を意味する。狭くなった噴流の断面積はその後回復するが、縮流の外側と管内壁との間隙に小さい渦(カルマン渦)が発生する。
【0013】
図1に示すように、セラミックフィルタ1においても、原液の流れが原液流入孔2の入口部4で圧縮されて縮流となるため、原液流入孔2内を流れる流体が、前記の原液流入孔2の入口部4から近い部分でカルマン渦が発生する。このため、原液中に硬質な粒子(以下、摩耗粒子という)が含有される場合、この摩耗粒子がカルマン渦に乗って旋回運動を行い、原液流入孔2の内表面を損傷させてしまう現象が生じる。なお、レイノルズ数による層流範囲での循環線速を守れば、縮流の渦は次第に整流化されるが、原液流入孔2の内表面の摩耗が進行し、内径が広がるにつれて、整流化が遅くなり、図2に示すように、摩耗がセラミックフィルタの内部にまで進行してしまう。本発明は、このような摩耗を回避することを目的とするものである。
【0014】
本実施形態のセラミックフィルタ1は、図3に示すように円柱状のアルミナ多孔質体に多数の原液流入孔2を形成したモノリス型のフィルタである。各原液流入孔2は円柱状のアルミナ多孔質体の下端面から上端面まで貫通し、原液流入孔2の内表面には、ろ過膜3が形成されている点や、セラミックフィルタ1が、ケーシング10内に収容され、O−リング11と緻密質のセラミック等からなるシール材9(ろ過膜と同等以下の細孔径を有するものであり、例えば、ホウケイ酸ガラスや長石質ガラス等のガラス状物質などからなる)を用いて、基材外周面12側と、基材端面7側とを気密的に隔離したクロスフロー型の膜ろ過装置として使用される点は、従来と同様であるが、本発明では、セラミックフィルタ1の原液流入孔2の所定範囲に耐摩耗機能層6を備えている。以下、耐摩耗機能層6について詳述する。
【0015】
本実施形態のセラミックフィルタ1では、図4に示すように、原液流入孔2の入口部4から、入口部4で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲に渡って、原液流入孔2の内表面5に、基材であるアルミナ多孔質体よりも緻密質からなり、かつ、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層6を備えている。耐摩耗機能層6の材質は、摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有するものであれば、特に限定されない。
【0016】
本実施形態では、原液がセラミックフィルタの基材端面7から基材内部8に侵入することを防ぐために基材端面7に使用されるシール材9と、耐摩耗機能層6とを同一部材として、製造工程の複雑化を回避しているが、原液の性状や、摩耗粒子の性状に応じて、各々、最適な部材から構成することもできる。具体的には、pHが高い場合はナイロンやポリテトラフルオロエチレン系の樹脂を使用し、pHが低く磨耗物の硬度が高い場合はガラス系の材料を使う等の選定をすることでより寿命を延ばすことが可能となる。
【0017】
前記の「入口部4から、入口部4で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲」は、原液流入孔2の口径や、原液の性状や流入速度で変動するが、このうち、原液の流入速度は、原液流入孔2内を流れる原液が「層流」となる条件を満足するものとして規定される。このように、「入口部4から、入口部4で発生する縮流に伴うカルマン渦が整流化されて層流域となるまでの範囲」に、原液中に含有される摩耗粒子に対する耐摩耗機能を有する耐摩耗機能層を備えた上で、原液を、限界レイノルズ数よりも低いレイノルズ数をとる層流条件で流すことにより、ろ過処理前の原液中に上記したような硬質な粒子が含有されている場合にも、原液の流入側におけるセラミックフィルタの内面損傷を防止することができる。
【0018】
本発明者は、各種検討の結果、この層流条件を前提とした場合「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の1倍以上」の距離を過ぎると、「入口部で発生する縮流に伴うカルマン渦が、ほぼ整流化されて層流域となる」ことを見出した。当該知見によれば、耐摩耗機能層6の形成長さは、「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の2倍以上」とすれば、より確実にカルマン渦の整流化を、耐摩耗機能層6内で完了することができる。一方、耐摩耗機能層6が過剰に長くなると、ろ過膜面積が小さくなりろ過効率が低下するため、耐摩耗機能層6の形成長さは、「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の4倍以内」とすることが好ましく、最長で「原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径の5倍以内」とする。
【0019】
本実施形態では、セラミックフィルタ1をモノリス型のフィルタとして説明したが、フィルタ形状はこれに限定されるものではなく、チューブ型としてもよい。また、ろ過膜3の孔径は、特に限定されず、例えば、0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm等、適宜必要な孔径を選択することができる。
【実施例】
【0020】
図5に示す試験装置を用いて、摩耗粒子としてアルミナ粉末を添加したスラリーを、循環線速2m/sで、1000時間循環させて、セラミックフィルタの摩耗再現試験を行った。なお、層流範囲は、レイノルズ数を2310とすると、流速(m/s)=2310×動粘性係数(m2/s)÷内径(m)で計算され、10%アルミナスラリーでは、内径3mmの場合には流速14m/s、内径4mmの場合には11m/sとなり、前記の循環線速2m/sは、レイノルズ数による層流範囲内にある。すなわち、この循環線速を守れば、セラミックフィルタの原液流入孔の入口部で発生する縮流の渦は、後段で整流化されていく。
【0021】
スラリーは、粒度20μmのアルミナ粒子を、水に対して10wt%添加して調整したものを使用し、1000時間の循環後、セラミックフィルタの断面観察により磨耗状況を確認した。内部の磨耗評価は、下記の手法によって行った。
(1)端面から、2mm単位でセラミックフィルタを研磨し、各位置における断面写真を撮影。
(2)拡大した写真から、穴の長辺と短辺を測定して平均値を算出し、30個の穴の平均値をその深さ断面の磨耗深さとする。
(3)磨耗量(mm)=循環前の断面積 − 1000時間の循環後の断面積
【0022】
図5に示す試験装置において、セラミックフィルタは、円筒状のケーシング10に収容されている。原液として使用するスラリーは原液タンク13からポンプ14で圧送され、ケーシングの下部からセラミックフィルタの原液流入孔内に流入し、ケーシングの上部のから排出される。この間に原液流入孔の内表面に形成されたろ過膜によってろ過が行われ、ろ過液は多孔質のセラミックフィルタの内部を通じて外周側へ流れ、ケーシングの側面に接続されたろ過液排出口から取り出される。なおケーシング10の上部のから排出された原液は再び原液タンク13へ返送され、クロスフローろ過が行われる。
【0023】
(試験A)
アルミナを原料としたφ30mm、φ3mmの原液流入孔を37個形成した長さ1mの基材(FS−15(日本ガイシ))の内周壁面には、0.5μm相当の孔径を有するろ過膜(膜厚200μm)を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、100mm長さに切断し、流動浸漬用ナイロン11(デュポン社)を用いて、耐摩耗機能層6を形成した。
【0024】
耐摩耗機能層6の形成は、前記のセラミックフィルタを乾燥炉にて250℃で30分間予熱した後、このセラミックフィルタの端面を、ナイロン11を充填した流動槽に10秒浸漬し、流動槽から取り出したセラミックフィルタを200℃の乾燥炉で15分保持することにより行った。流動槽への浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層6の形成距離を制御することができる。
【0025】
本試験では、耐摩耗機能層6を形成しないもの(比較例1)の他、原液流入孔3の入口部から、1.5mm(比較例2)、3mm(比較例11)、6mm(実施例2)、9mm(実施例3)、15mm(実施例4)の範囲に、各々、耐摩耗機能層6を形成した、計6種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。
【0026】
図6には、摩耗再現試験の結果を図示している。図6に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ3mm)の2倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例2〜4では、何れも、比較例1、2と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ3mm)の3倍以上の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例3、4では、摩耗が完全に抑制された。
【0027】
(試験B)
アルミナを原料としたφ30mm、φ4mmの原液流入孔を19個形成した長さ1mの基材(FS−15C(日本ガイシ))の内周壁面には、1.0μm相当の孔径を有するろ過膜(膜厚150μm)を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、100mm長さに切断し、PTAポリテトラフルオロエチレンを用いて、耐摩耗機能層6を形成した。
【0028】
耐摩耗機能層6の形成は、PTAポリテトラフルオロエチレン粉末をイソプロピルアルコールに対して5%添加して混合液を作成した後、この混合液に前記のセラミックフィルタの端面を浸漬し、浸漬後のセラミックフィルタを350℃の乾燥炉で30分保持することにより行った。混合液への浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層6の形成距離を制御することができる。
【0029】
本試験では、耐摩耗機能層6を形成しないもの(比較例3)の他、原液流入孔3の入口部から、2mm(比較例4)、4mm(比較例12)、8mm(実施例6)の範囲に、各々、耐摩耗機能層6を形成した、計4種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。
【0030】
図7には、摩耗再現試験の結果を図示している。図7に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ4mm)の2倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例6では、何れも、比較例3、4、12と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ4mm)の2倍の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例6では、摩耗が完全に抑制された。
【0031】
(試験C)
アルミナを原料としたφ30mm、φ3mmの原液流入孔を37個形成した長さ1mの基材(FS−15(日本ガイシ))の内周壁面には、0.5μm相当の孔径を有するろ過膜(膜厚200μm)を形成した。ろ過膜形成後のセラミックフィルタを、100mm長さに切断し、ガラスフリットSG−3(日本フリット製)を用いて、耐摩耗機能層6を形成した。
【0032】
耐摩耗機能層6の形成は、ガラスフリット30に対し水100を加えボールミルにて粉砕し平均粒度1μmのガラススラリーを作成し、このガラススラリーに、前記のセラミックフィルタの端面を浸漬し、浸漬後のセラミックフィルタを80℃で5時間乾燥後 900℃で2時間焼成することにより行った。ガラススラリーへの浸漬深さを制御することで耐摩耗機能層6の形成距離を制御することができる。
【0033】
本試験では、耐摩耗機能層6を形成しないもの(比較例5)の他、原液流入孔3の入口部から、1.5mm(比較例6)、3mm(比較例13)、6mm(実施例8)、9mm(実施例9)、15mm(実施例10)の範囲に、各々、耐摩耗機能層6を形成した、計6種のセラミックフィルタを用意して、上記の摩耗再現試験を行った。
【0034】
図8には、摩耗再現試験の結果を図示している。図8に示すように、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ3mm)の2倍以上の長さの範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例8〜10では、何れも、比較例5、6、13と比べて、磨耗量が顕著に抑制された。特に、原液流入孔の入口部から、原液流入孔の口径(φ3mm)の3倍以上の範囲に渡って、原液流入孔の内表面に耐摩耗機能層を備えた実施例9、10では、摩耗が完全に抑制された。
【符号の説明】
【0035】
1 セラミックフィルタ
2 原液流入孔
3 ろ過膜
4 入口部
5 内表面
6 耐摩耗機能層
7 基材端面
8 基材内部
9 シール材
10 ケーシング
11 O−リング
12 基材外周面
13 原液タンク
14 ポンプ
図3
図1
図2
図4
図5
図6
図7
図8