JP2012055817A - Separation membrane element - Google Patents

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雅和 小岩
Masahiro Kimura
将弘 木村
Kentaro Takagi
健太朗 高木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separation membrane element which is effective for improvement of separation/removal performance in the separation membrane element omitting a passage material, improvement of separation membrane element performance, such as an increase in the amount of permeated fluid per unit of time, and stability performance.SOLUTION: In the separation membrane element, a first separation membrane having a surface height difference of 50 μm or less and a second separation membrane having a surface height difference of 100 μm or more and 2,000 μm or less are disposed alternately.

Description

本発明は、液体、気体等の流体に含まれる成分を分離するために使用される分離膜エレメントに関する。   The present invention relates to a separation membrane element used for separating components contained in a fluid such as liquid and gas.

液体、気体等の流体に含まれる成分を分離する方法としては、様々なものがある。例えば海水、かん水などに含まれるイオン性物質を除くための技術を例にとると、近年、省エネルギーおよび省資源のためのプロセスとして分離膜エレメントによる分離法の利用が拡大している。分離膜エレメントによる分離法に使用される分離膜には、その孔径や分離機能の点から、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、正浸透膜などがあり、これらの膜は、例えば海水、かん水、有害物を含んだ水などから飲料水を得る場合や、工業用超純水の製造、廃水処理、有価物の回収などに用いられており、目的とする分離成分及び分離性能によって使い分けられている。   There are various methods for separating components contained in fluid such as liquid and gas. For example, taking a technique for removing ionic substances contained in seawater, brine, and the like as an example, in recent years, the use of a separation method using a separation membrane element is expanding as a process for saving energy and resources. Separation membranes used in separation methods using separation membrane elements include microfiltration membranes, ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes, reverse osmosis membranes, and forward osmosis membranes in terms of their pore size and separation function. Membranes are used, for example, when drinking water is obtained from seawater, brackish water, water containing harmful substances, etc., or for production of industrial ultrapure water, wastewater treatment, recovery of valuable materials, etc. Depending on the separation performance.

分離膜エレメントは、分離膜の一方の面に原流体を供給し、他方の面から透過流体を得る点では共通している。分離膜エレメントは、各種形状からなる分離膜素子を多数束ねて膜面積を大きくし、単位エレメントあたりで多くの透過流体を得ることができるように構成されており、用途や目的にあわせて、スパイラル型、中空糸型、プレート・アンド・フレーム型、回転平膜型、平膜集積型などの各種エレメントが製造されている。   The separation membrane element is common in that the raw fluid is supplied to one surface of the separation membrane and the permeated fluid is obtained from the other surface. The separation membrane element is configured to bundle many separation membrane elements of various shapes to increase the membrane area and to obtain a large amount of permeated fluid per unit element. Various elements such as molds, hollow fiber types, plate-and-frame types, rotating flat membrane types, and flat membrane integrated types are manufactured.

例えば、逆浸透ろ過に用いられる流体分離膜エレメントを例にとると、その分離膜エレメント部材は、原流体を分離膜表面へ供給する供給側流路材、原流体に含まれる成分を分離する分離膜、及び分離膜を透過し供給側流体から分離された透過側流体を中心管へと導くための透過側流路材からなる部材を中心管の周りに巻き付けたスパイラル型分離膜エレメントが、原流体に圧力を付与し、透過流体を多く取り出す点で広く用いられている。   For example, taking a fluid separation membrane element used for reverse osmosis filtration as an example, the separation membrane element member is a supply-side flow path material that supplies the raw fluid to the separation membrane surface, and a separation that separates components contained in the raw fluid A spiral separation membrane element in which a member made of a permeate-side flow path material for guiding a permeate-side fluid that has permeated the separation membrane and separated from the supply-side fluid to the central tube is wound around the central tube. It is widely used in that pressure is applied to the fluid and a large amount of permeated fluid is taken out.

スパイラル型逆浸透分離膜エレメントの部材としては、供給側流路材では供給側流体の流路を形成させるために主に高分子製のネットが使用され、分離膜としては、ポリアミドなどの架橋高分子からなる分離機能層、ポリスルホンなどの高分子からなる多孔性支持膜、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子からなる不織布がそれぞれ供給側から透過側にかけて積層された複合半透膜が使用され、透過側流路材では膜の落ち込みを防き、かつ透過側の流路を形成させる目的で、供給側流路材よりも間隔の細かいトリコットと呼ばれる織物部材が使用されている。   As a member of the spiral type reverse osmosis separation membrane element, the supply side flow path material mainly uses a polymer net to form a flow path of the supply side fluid, and the separation membrane has a high cross-linkage such as polyamide. A separation function layer consisting of molecules, a porous support membrane made of a polymer such as polysulfone, and a composite semipermeable membrane in which nonwoven fabrics made of a polymer such as polyethylene terephthalate are laminated from the supply side to the permeation side are used. In the road material, a fabric member called a tricot having a smaller interval than the supply side flow path material is used for the purpose of preventing the film from dropping and forming a flow path on the permeate side.

近年、分離膜エレメントに造水コストの低減への高まりから、膜エレメントの高性能化のニーズが求められている。分離膜エレメントの分離性能、単位時間あたりの透過流体量を増やす観点から、各流路部材、分離膜、エレメント部材の性能向上が提案されてきた。例えば、特許文献1では凹凸賦形されたシート状物を透過側流路材として使用する方法、特許文献2では、基材を使用せず、供給側表面に凹凸を形成させ、内部に中空通路を有する平膜を使用する方法、特許文献3および4では、凹凸を有する多孔性支持体と分離活性層とを備えるシート状複合半透膜を用い、ネットなどの供給側流路材やトリコットなどの透過側流路材を用いない方法が提案されている。   In recent years, the need for higher performance of membrane elements has been demanded due to the increase in water production cost of separation membrane elements. From the viewpoint of increasing the separation performance of the separation membrane element and the amount of permeated fluid per unit time, it has been proposed to improve the performance of each flow path member, separation membrane, and element member. For example, in Patent Document 1, a method of using a sheet-like material formed with unevenness as a permeate-side flow path material, and in Patent Document 2, without using a base material, unevenness is formed on the supply side surface, and a hollow passage is formed inside In Patent Documents 3 and 4, a sheet-shaped composite semipermeable membrane comprising a porous support having irregularities and a separation active layer is used, and a supply-side channel material such as a net or a tricot is used. A method that does not use the permeate-side channel material has been proposed.

特開2006−247453号公報JP 2006-247453 A 特開平11−114381号公報JP-A-11-114381 特開2010−99590号公報JP 2010-99590 A 特開2010−125418号公報JP 2010-125418 A

しかし、上記した分離膜エレメントは、性能向上、特に長期間にわたり運転を行った際の安定性能の点では、十分とは言えず、例えば特許文献1で記載される、凹凸賦形されたシート状物を透過側流路材として使用する方法では透過側の流動抵抗を軽減するのみであり、かつシート表面の抵抗があるため、流動抵抗低減効果が十分とは言えない。   However, the separation membrane element described above is not sufficient in terms of performance improvement, particularly stable performance when operated for a long period of time. The method of using an object as a permeate-side channel material only reduces the flow resistance on the permeate side and has a resistance on the sheet surface, so that it cannot be said that the effect of reducing the flow resistance is sufficient.

特許文献2で記載される、基材を使用せず、供給側表面に凹凸を形成させ、内部に中空通路を有する平膜を使用する方法では、膜表面と平行な方向に延びる中空通路を平膜内に有するため、表面の凹凸の高さを大きくすることが困難かつ凹凸形状が限定され(実施例では段差0.15mmの溝)、また透過側流路の形状も限定されるため、供給側、透過側の流動抵抗低減効果が十分とは言えない。   In the method described in Patent Document 2, in which a substrate is not used, irregularities are formed on the supply side surface, and a flat membrane having a hollow passage is used, a hollow passage extending in a direction parallel to the membrane surface is flattened. Since it is in the film, it is difficult to increase the height of the unevenness on the surface, and the uneven shape is limited (in the example, a groove with a step of 0.15 mm), and the shape of the permeation side flow path is also limited, so supply The flow resistance reduction effect on the side and permeate side is not sufficient.

特許文献3および4で記載される、凹凸を有する多孔性支持体と分離活性層とを備えるシート状複合半透膜を用い、ネットなどの供給側流路材やトリコットなどの透過側流路材を用いない方法では、実施例に平膜評価用のセルを用いた場合の膜性能のみの記述があるものの、実際に分離膜エレメントを構成した場合の性能は開示されておらず、その性能も不十分である。実際に圧力をかけて分離膜エレメントを運転した場合、供給側流路、透過側流路の断面積が変化しやすく初期だけでなく長期間にわたり運転を実施した際に性能が変化しすい傾向にある。さらに、対向して配置する膜の凹凸が嵌まり込んで流路の断面積が僅かになり流動抵抗増加や流路縮小の問題を回避するため、凹凸の形状、サイズ、配置等が限定され、供給側、透過側の流動抵抗低減効果や乱流向上効果(攪拌効果)が十分とは言えない。   Patent Documents 3 and 4 use a sheet-like composite semipermeable membrane comprising a porous support having irregularities and a separation active layer, and supply side channel materials such as nets and permeation side channel materials such as tricots In the method using no membrane, although only the membrane performance when the cell for flat membrane evaluation is used is described in the examples, the performance when the separation membrane element is actually configured is not disclosed, and the performance is also disclosed. It is insufficient. When the separation membrane element is actually operated with pressure applied, the cross-sectional area of the supply-side channel and permeation-side channel is likely to change, and the performance tends to change when the operation is performed for a long period of time as well as the initial stage. is there. Furthermore, in order to avoid the problems of increased flow resistance and flow path shrinkage due to the unevenness of the membranes placed facing each other and the cross-sectional area of the flow path becoming slight, the shape, size, arrangement, etc. of the unevenness are limited, It cannot be said that the flow resistance reduction effect and the turbulent flow improvement effect (stirring effect) on the supply side and the permeation side are sufficient.

そこで、本発明は、流路材を省略した分離膜エレメントにおける分離除去性能向上、単位時間あたりの透過流体量の増加などの分離膜エレメント性能向上、安定性能に有効な分離膜エレメントを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a separation membrane element that is effective for improving separation performance in a separation membrane element that omits a flow path material, improving separation membrane element performance such as an increase in the amount of permeated fluid per unit time, and stability performance. With the goal.

上記目的を達成するための本発明は、表面の高低差が50μm以下の第1分離膜と、表面の高低差が100μm以上2000μm以下の第2分離膜が交互に配置されていることを特徴とする分離膜エレメント、である。   In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the first separation membrane having a surface height difference of 50 μm or less and the second separation membrane having a surface height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less are alternately arranged. A separation membrane element.

本発明によれば、平滑な表面を有する分離膜と表面に高低差を有する分離膜を交互に配置することにより、膜面の凹凸同士の挟まり込みや凸同士の重なりが起こらず、流路材を省略しながら供給側、透過側流路を高効率かつ安定に形成できる。さらに、凹凸の形状、サイズ、配置を最適化することで十分な流動抵抗低減効果や乱流向上効果も得られる。その結果、分離膜エレメントの原料コストの軽減や製造工程の簡略化、環境負荷の低減を可能にした高性能、高効率分離膜エレメントを得ることができる。   According to the present invention, the separation membrane having a smooth surface and the separation membrane having a height difference on the surface are alternately arranged, so that the unevenness of the film surface is not pinched or the protrusions are not overlapped, and the flow path material The supply-side and permeate-side flow paths can be formed with high efficiency and stability while omitting. Furthermore, by optimizing the shape, size, and arrangement of the unevenness, a sufficient flow resistance reduction effect and turbulent flow improvement effect can be obtained. As a result, it is possible to obtain a high-performance, high-efficiency separation membrane element that can reduce the raw material cost of the separation membrane element, simplify the manufacturing process, and reduce the environmental load.

本発明の分離膜エレメントの例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the example of the separation membrane element of this invention.

以下、本発明について、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明は、表面の高低差が50μm以下の第1分離膜1と、表面の高低差が100μm以上2000μm以下の第2分離膜2が交互に配置されていることを特徴とする分離膜エレメントである。   The present invention is a separation membrane element characterized in that the first separation membrane 1 having a surface height difference of 50 μm or less and the second separation membrane 2 having a surface height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less are alternately arranged. is there.

ここで、分離膜とは、分離膜表面に供給される流体中の成分を分離し、分離膜を透過した透過流体を得るものであれば限定されないが、分離機能層、多孔性支持膜、基材からなるものが好ましく使用される。分離機能層としては、孔径制御、耐久性の点で架橋高分子が好ましく使用され、成分の分離性能の点で、多孔性支持膜上に、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させてなるポリアミド分離機能層、有機無機ハイブリッド機能層などを好適に用いることができる。また、セルロース膜、PVDF膜、PES膜、ポリスルホン膜のような分離機能と支持体機能を有する膜を用いることもできる。   Here, the separation membrane is not limited as long as it separates components in the fluid supplied to the surface of the separation membrane and obtains a permeated fluid that has permeated through the separation membrane. However, the separation functional layer, porous support membrane, Those made of materials are preferably used. As the separation functional layer, a crosslinked polymer is preferably used in terms of pore size control and durability, and polyfunctional amine and polyfunctional acid halide are polycondensed on the porous support membrane in terms of component separation performance. A polyamide separation functional layer, an organic / inorganic hybrid functional layer, and the like can be suitably used. A membrane having a separation function and a support function such as a cellulose membrane, a PVDF membrane, a PES membrane, or a polysulfone membrane can also be used.

本発明において、分離機能層を構成するポリアミドを用いる場合を詳述する。ポリアミド膜は、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との界面重縮合により形成することができる。ここで、多官能アミンまたは多官能酸ハロゲン化物の少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。   In this invention, the case where the polyamide which comprises a separation function layer is used is explained in full detail. The polyamide film can be formed by interfacial polycondensation of a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide. Here, it is preferable that at least one of the polyfunctional amine or the polyfunctional acid halide contains a trifunctional or higher functional compound.

ここで、多官能アミンとは、一分子中に少なくとも2個の第一級アミノ基および/または第二級アミノ基を有し、そのアミノ基のうち少なくとも1つは第一級アミノ基であるアミンをいい、例えば、2個のアミノ基がオルト位、メタ位、パラ位のいずれかの位置関係でベンゼン環に結合したフェニレンジアミン、キシリレンジアミン、1,3,5−トリアミノベンゼン、1,2,4−トリアミノベンゼン、3,5−ジアミノ安息香酸、3−アミノベンジルアミン、4−アミノベンジルアミンなどの芳香族多官能アミン、エチレンジアミン、プロピレンジアミンなどの脂肪族アミン、1,2−ジアミノシクロヘキサン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、4−アミノピペリジン、4−アミノエチルピペラジンなどの脂環式多官能アミン等を挙げることができる。中でも、膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、一分子中に2〜4個の第一級アミノ基および/または第二級アミノ基を有する芳香族多官能アミンであることが好ましく、このような多官能芳香族アミンとしては、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、1,3,5−トリアミノベンゼンが好適に用いられる。中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさから、m−フェニレンジアミン(以下、m−PDAと記す)を用いることがより好ましい。これらの多官能アミンは、単独で用いても、2種以上を同時に用いてもよい。2種以上を同時に用いる場合、上記アミン同士を組み合わせてもよく、上記アミンと一分子中に少なくとも2個の第二級アミノ基を有するアミンを組み合わせてもよい。一分子中に少なくとも2個の第二級アミノ基を有するアミンとして、例えば、ピペラジン、1,3−ビスピペリジルプロパン等を挙げることができる。   Here, the polyfunctional amine has at least two primary amino groups and / or secondary amino groups in one molecule, and at least one of the amino groups is a primary amino group. An amine, for example, phenylenediamine, xylylenediamine, 1,3,5-triaminobenzene, in which two amino groups are bonded to the benzene ring in any of the ortho, meta, and para positions. , 2,4-triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, aromatic polyfunctional amines such as 4-aminobenzylamine, aliphatic amines such as ethylenediamine and propylenediamine, 1,2- Examples include alicyclic polyfunctional amines such as diaminocyclohexane, 1,4-diaminocyclohexane, 4-aminopiperidine, and 4-aminoethylpiperazine. It is possible. Among them, considering the selective separation property, permeability, and heat resistance of the membrane, it may be an aromatic polyfunctional amine having 2 to 4 primary amino groups and / or secondary amino groups in one molecule. Preferably, as such a polyfunctional aromatic amine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, and 1,3,5-triaminobenzene are preferably used. Among these, it is more preferable to use m-phenylenediamine (hereinafter referred to as m-PDA) from the standpoint of availability and ease of handling. These polyfunctional amines may be used alone or in combination of two or more. When using 2 or more types simultaneously, the said amines may be combined and the said amine and the amine which has at least 2 secondary amino group in 1 molecule may be combined. Examples of the amine having at least two secondary amino groups in one molecule include piperazine and 1,3-bispiperidylpropane.

多官能酸ハロゲン化物とは、一分子中に少なくとも2個のハロゲン化カルボニル基を有する酸ハロゲン化物をいう。例えば、3官能酸ハロゲン化物では、トリメシン酸クロリド、1,3,5−シクロヘキサントリカルボン酸トリクロリド、1,2,4−シクロブタントリカルボン酸トリクロリドなどを挙げることができ、2官能酸ハロゲン化物では、ビフェニルジカルボン酸ジクロリド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロリド、テレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ナフタレンジカルボン酸クロリドなどの芳香族2官能酸ハロゲン化物、アジポイルクロリド、セバコイルクロリドなどの脂肪族2官能酸ハロゲン化物、シクロペンタンジカルボン酸ジクロリド、シクロヘキサンジカルボン酸ジクロリド、テトラヒドロフランジカルボン酸ジクロリドなどの脂環式2官能酸ハロゲン化物を挙げることができる。多官能アミンとの反応性を考慮すると、多官能酸ハロゲン化物は多官能酸塩化物であることが好ましく、また、膜の選択分離性、耐熱性を考慮すると、一分子中に2〜4個の塩化カルボニル基を有する多官能芳香族酸塩化物であることが好ましい。中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさの観点から、トリメシン酸クロリドを用いるとより好ましい。これらの多官能酸ハロゲン化物は、単独で用いても、2種以上を同時に用いてもよい。   The polyfunctional acid halide refers to an acid halide having at least two carbonyl halide groups in one molecule. Examples of trifunctional acid halides include trimesic acid chloride, 1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acid trichloride, 1,2,4-cyclobutanetricarboxylic acid trichloride, and bifunctional acid halides include biphenyl dicarboxylic acid. Aromatic difunctional acid halides such as acid dichloride, azobenzene dicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, naphthalene dicarboxylic acid chloride, aliphatic difunctional acid halides such as adipoyl chloride, sebacoyl chloride, cyclopentane Examples thereof include alicyclic difunctional acid halides such as dicarboxylic acid dichloride, cyclohexane dicarboxylic acid dichloride, and tetrahydrofuran dicarboxylic acid dichloride. Considering the reactivity with the polyfunctional amine, the polyfunctional acid halide is preferably a polyfunctional acid chloride, and considering the selective separation property and heat resistance of the membrane, 2 to 4 per molecule. The polyfunctional aromatic acid chloride having a carbonyl chloride group is preferred. Among them, it is more preferable to use trimesic acid chloride from the viewpoint of easy availability and easy handling. These polyfunctional acid halides may be used alone or in combination of two or more.

表面の高低差を成形より形成させ、その後の分離性能を保持する点では、2官能酸ハロゲン化合物と3官能ハロゲン化合物の比率をモル比(2官能酸ハロゲン化合物のモル/3官能酸ハロゲン化合物のモル)で0.05〜1.5であることが好ましく、さらに好ましくは0.1〜1.0であることが好ましい。   In terms of maintaining the surface separation by molding and maintaining the subsequent separation performance, the ratio of the bifunctional halogen compound to the trifunctional halogen compound is the molar ratio (mole of the bifunctional halogen compound / mol of the trifunctional halogen compound). Mol) is preferably 0.05 to 1.5, more preferably 0.1 to 1.0.

さらに、分離機能層を成形性、耐薬品性の点でSi元素などを有する有機・無機ハイブリッド構造とした分離膜も使用することができる。有機無機ハイブリッド膜としては、特に限定されないが、例えば、(A)エチレン性不飽和基を有する反応性基および加水分解性基がケイ素原子に直接結合したケイ素化合物、ならびに(B)前記ケイ素化合物以外のエチレン性不飽和基を有する化合物を用いた、(A)のケイ素化合物の加水分解性基の縮合ならびに(A)のケイ素化合物および(B)のエチレン性不飽和基を有する化合物のエチレン性不飽和基の重合物が使用できる。   Furthermore, a separation membrane having an organic / inorganic hybrid structure containing Si element in terms of moldability and chemical resistance can also be used. The organic-inorganic hybrid film is not particularly limited. For example, (A) a silicon compound in which a reactive group having an ethylenically unsaturated group and a hydrolyzable group are directly bonded to a silicon atom, and (B) other than the silicon compound Condensation of the hydrolyzable group of the silicon compound (A) with the compound having an ethylenically unsaturated group of (A) and the ethylenic unsaturated of the compound (A) and the compound (B) having an ethylenically unsaturated group. Saturated polymer can be used.

まず(A)のエチレン性不飽和基を有する反応性基および加水分解性基がケイ素原子に直接結合したケイ素化合物について説明する。   First, the silicon compound (A) in which a reactive group having an ethylenically unsaturated group and a hydrolyzable group are directly bonded to a silicon atom will be described.

エチレン性不飽和基を有する反応性基はケイ素原子に直接結合している。このような反応性基としては、ビニル基、アリル基、メタクリルオキシエチル基、メタクリルオキシプロピル基、アクリルオキシエチル基、アクリルオキシプロピル基、スチリル基が例示される。重合性の観点から、メタクリルオキシプロピル基、アクリルオキシプロピル基、スチリル基が好ましい。   The reactive group having an ethylenically unsaturated group is directly bonded to the silicon atom. Examples of such reactive groups include vinyl groups, allyl groups, methacryloxyethyl groups, methacryloxypropyl groups, acryloxyethyl groups, acryloxypropyl groups, and styryl groups. From the viewpoint of polymerizability, a methacryloxypropyl group, an acryloxypropyl group, and a styryl group are preferable.

またケイ素原子に直接結合している加水分解性基が水酸基に変化するなどのプロセスを経て、ケイ素化合物同士がシロキサン結合で結ばれるという縮合反応が生じ、高分子となる。加水分解性基としてはアルコキシ基、アルケニルオキシ基、カルボキシ基、ケトオキシム基、アミノヒドロキシ基、ハロゲン原子およびイソシアネート基などの官能基が例示される。アルコキシ基としては、炭素数1〜10のものが好ましく、さらに好ましくは炭素数1〜2のものである。アルケニルオキシ基としては炭素数2〜10のものが好ましく、さらには炭素数2〜4、さらには3のものである。カルボキシ基としては、炭素数2〜10のものが好ましく、さらには炭素数2のもの、すなわちアセトキシ基である。ケトオキシム基としては、メチルエチルケトオキシム基、ジメチルケトオキシム基、ジエチルケトオキシム基が例示される。アミノヒドロキシ基は、酸素を介してアミノ基が酸素原子を介してケイ素原子に結合しているものである。このようなものとしては、ジメチルアミノヒドロキシ基、ジエチルアミノヒドロキシ基、メチルエチルアミノヒドロキシ基が例示される。ハロゲン原子としては、塩素原子が好ましく使用される。   Further, through a process in which a hydrolyzable group directly bonded to a silicon atom is changed to a hydroxyl group, a condensation reaction occurs in which silicon compounds are bonded together by a siloxane bond, resulting in a polymer. Examples of hydrolyzable groups include functional groups such as alkoxy groups, alkenyloxy groups, carboxy groups, ketoxime groups, aminohydroxy groups, halogen atoms and isocyanate groups. As an alkoxy group, a C1-C10 thing is preferable, More preferably, it is a C1-C2 thing. The alkenyloxy group preferably has 2 to 10 carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms, and further 3 carbon atoms. As the carboxy group, those having 2 to 10 carbon atoms are preferable, and further, those having 2 carbon atoms, that is, an acetoxy group. Examples of the ketoxime group include a methyl ethyl ketoxime group, a dimethyl ketoxime group, and a diethyl ketoxime group. The aminohydroxy group is one in which an amino group is bonded to a silicon atom via an oxygen atom via oxygen. Examples of such include dimethylaminohydroxy group, diethylaminohydroxy group, and methylethylaminohydroxy group. As the halogen atom, a chlorine atom is preferably used.

分離機能層の形成にあたっては、上記加水分解性基の一部が加水分解し、シラノール構造をとっているケイ素化合物も使用できる。また2以上のケイ素化合物が、加水分解性基の一部が加水分解、縮合し架橋しない程度に高分子量化したものも使用できる。   In forming the separation functional layer, a silicon compound in which a part of the hydrolyzable group is hydrolyzed and has a silanol structure can be used. In addition, two or more silicon compounds having a high molecular weight such that a part of the hydrolyzable group is not hydrolyzed, condensed, or crosslinked can be used.

ケイ素化合物(A)としては下記一般式(a)で表されるものであることが好ましい。
Si(R(R(R4−m−n ・・・(a)
(Rはエチレン性不飽和基を含む反応性基を示す。Rはアルコキシ基、アルケニルオキシ基、カルボキシ基、ケトオキシム基、ハロゲン原子またはイソシアネート基のいずれかを表す。RはHまたはアルキル基を表す。m、nはm+n≦4を満たす整数であり、m≧1、n≧1を満たすものとする。R、R、Rそれぞれにおいて2以上の官能基がケイ素原子に結合している場合、同一であっても異なっていてもよい。)
はエチレン性不飽和基を含む反応性基であるが、上で説明したとおりである。
The silicon compound (A) is preferably represented by the following general formula (a).
Si (R 1 ) m (R 2 ) n (R 3 ) 4-mn (a)
(R 1 represents a reactive group containing an ethylenically unsaturated group. R 2 represents an alkoxy group, an alkenyloxy group, a carboxy group, a ketoxime group, a halogen atom or an isocyanate group. R 3 represents H or alkyl. M and n are integers satisfying m + n ≦ 4 and satisfy m ≧ 1 and n ≧ 1 In each of R 1 , R 2 and R 3 , two or more functional groups are bonded to a silicon atom. They may be the same or different.)
R 1 is a reactive group containing an ethylenically unsaturated group, and is as described above.

は加水分解性基であるが、これらは上で説明したとおりである。Rとなるアルキル基の炭素数としては1〜10のものが好ましく、さらに1〜2のものが好ましい。 R 2 is a hydrolyzable group, and these are as described above. The number of carbon atoms of the alkyl group to be R 3 is preferably 1-10, and more preferably 1-2.

加水分解性基としては、分離機能層の形成にあたって、反応液が粘性を持つことからアルコキシ基が好ましく用いられる。   As the hydrolyzable group, an alkoxy group is preferably used in forming the separation functional layer because the reaction solution has viscosity.

このようなケイ素化合物としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、スチリルトリメトキシシラン、メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、アクリロキシプロピルトリメトキシシランが例示される。   Such silicon compounds include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, styryltrimethoxysilane, methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, methacryloxypropyltrimethoxysilane, methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, methacryloxypropyltriethoxy. Examples include silane and acryloxypropyltrimethoxysilane.

(A)のケイ素化合物の他、エチレン性不飽和基を有する反応性基を有しないが、加水分解性基を有するケイ素化合物を併せて使用することもできる。このようなケイ素化合物は、一般式(a)では「m≧1」と定義されているが、一般式(a)においてmがゼロである化合物が例示される。このようなものとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシランが例示される。   In addition to the silicon compound of (A), a silicon compound having no hydrolyzable group can also be used in combination with no reactive group having an ethylenically unsaturated group. Such a silicon compound is defined as “m ≧ 1” in the general formula (a), and examples thereof include compounds in which m is zero in the general formula (a). Examples of such include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltrimethoxysilane, and methyltriethoxysilane.

次に(A)のケイ素化合物以外のものであって、エチレン性不飽和基を有する化合物(B)について説明する。   Next, the compound (B) having an ethylenically unsaturated group other than the silicon compound (A) will be described.

エチレン性不飽和基は付加重合性を有する。このような化合物としてはエチレン、プロピレン、メタアクリル酸、アクリル酸、スチレンおよびこれらの誘導体が例示される。   The ethylenically unsaturated group has addition polymerizability. Examples of such compounds include ethylene, propylene, methacrylic acid, acrylic acid, styrene, and derivatives thereof.

また、この化合物は、複合半透膜を水溶液の分離などに用いたときに水の選択的透過性を高め、塩の阻止率を上げるために、酸基を有するアルカリ可溶性の化合物であることが好ましい。   In addition, this compound may be an alkali-soluble compound having an acid group in order to increase the selective permeability of water and increase the salt rejection when a composite semipermeable membrane is used for separation of an aqueous solution. preferable.

好ましい酸の構造としては、カルボン酸、ホスホン酸、リン酸およびスルホン酸であり、これらの酸の構造としては、酸の形態、エステル化合物、および金属塩のいずれの状態で存在してもよい。これらのエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物は、2つ以上の酸を含有し得るが、中でも1個〜2個の酸基を含有する化合物が、好ましい。   Preferred acid structures are carboxylic acid, phosphonic acid, phosphoric acid, and sulfonic acid, and these acid structures may exist in any form of acid form, ester compound, and metal salt. These compounds having one or more ethylenically unsaturated groups may contain two or more acids, but among them, compounds containing 1 to 2 acid groups are preferred.

上記のエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物の中でカルボン酸基を有する化合物としては、以下のものが例示される。マレイン酸、無水マレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、2−(ヒドロキシメチル)アクリル酸、4−(メタ)アクリロイルオキシエチルトリメリト酸および対応する無水物、10−メタクリロイルオキシデシルマロン酸、N−(2−ヒドロキシ−3−メタクリロイルオキシプロピル)−N−フェニルグリシンおよび4−ビニル安息香酸が挙げられる。   Examples of the compound having a carboxylic acid group among the compounds having one or more ethylenically unsaturated groups include the following. Maleic acid, maleic anhydride, acrylic acid, methacrylic acid, 2- (hydroxymethyl) acrylic acid, 4- (meth) acryloyloxyethyl trimellitic acid and the corresponding anhydride, 10-methacryloyloxydecylmalonic acid, N- ( 2-hydroxy-3-methacryloyloxypropyl) -N-phenylglycine and 4-vinylbenzoic acid.

上記のエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物の中でホスホン酸基を有する化合物としては、ビニルホスホン酸、4−ビニルフェニルホスホン酸、4−ビニルベンジルホスホン酸、2−メタクリロイルオキシエチルホスホン酸、2−メタクリルアミドエチルホスホン酸、4−メタクリルアミド−4−メチル−フェニル−ホスホン酸、2−[4−(ジヒドロキシホスホリル)−2−オキサ−ブチル]−アクリル酸および2−[2−ジヒドロキシホスホリル)−エトキシメチル]−アクリル酸−2,4,6−トリメチル−フェニルエステルが例示される。   Among the compounds having at least one ethylenically unsaturated group, compounds having a phosphonic acid group include vinylphosphonic acid, 4-vinylphenylphosphonic acid, 4-vinylbenzylphosphonic acid, 2-methacryloyloxyethylphosphonic acid. 2-methacrylamidoethylphosphonic acid, 4-methacrylamido-4-methyl-phenyl-phosphonic acid, 2- [4- (dihydroxyphosphoryl) -2-oxa-butyl] -acrylic acid and 2- [2-dihydroxyphosphoryl] ) -Ethoxymethyl] -acrylic acid-2,4,6-trimethyl-phenyl ester.

上記のエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物の中でリン酸エステルの化合物としては、2−メタクリロイルオキシプロピル一水素リン酸および2−メタクリロイルオキシプロピル二水素リン酸、2−メタクリロイルオキシエチル一水素リン酸および2−メタクリロイルオキシエチル二水素リン酸、2−メタクリロイルオキシエチル−フェニル−水素リン酸、ジペンタエリトリトール−ペンタメタクリロイルオキシホスフェート、10−メタクリロイルオキシデシル−二水素リン酸、ジペンタエリトリトールペンタメタクリロイルオキシホスフェート、リン酸モノ−(1−アクリロイル−ピペリジン−4−イル)−エステル、6−(メタクリルアミド)ヘキシル二水素ホスフェートならびに1,3−ビス−(N−アクリロイル−N−プロピル−アミノ)−プロパン−2−イル−二水素ホスフェートが例示される。   Among the compounds having one or more ethylenically unsaturated groups, the phosphate ester compounds include 2-methacryloyloxypropyl monohydrogen phosphate, 2-methacryloyloxypropyl dihydrogen phosphate, and 2-methacryloyloxyethyl monoester. Hydrogen phosphate and 2-methacryloyloxyethyl dihydrogen phosphate, 2-methacryloyloxyethyl-phenyl-hydrogen phosphate, dipentaerythritol-pentamethacryloyloxyphosphate, 10-methacryloyloxydecyl-dihydrogen phosphate, dipentaerythritol penta Methacryloyloxyphosphate, phosphoric acid mono- (1-acryloyl-piperidin-4-yl) -ester, 6- (methacrylamide) hexyl dihydrogen phosphate and 1,3-bis- (N-acryloyl-N-pro Le - amino) - propan-2-yl - dihydrogen phosphate are exemplified.

上記のエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物の中でスルホン酸基を有する化合物としては、ビニルスルホン酸、4−ビニルフェニルスルホン酸または3−(メタクリルアミド)プロピルスルホン酸が挙げられる。   Among the compounds having one or more ethylenically unsaturated groups, examples of the compound having a sulfonic acid group include vinylsulfonic acid, 4-vinylphenylsulfonic acid, and 3- (methacrylamide) propylsulfonic acid.

本発明に係る分離膜では、分離機能層を形成するために、(A)のケイ素化合物以外に、エチレン性不飽和基を1個以上有する化合物、および重合開始剤を含んだ反応液が使用される。この反応液を多孔質膜上に塗布し、さらに加水分解性基を縮合することに加えて、エチレン性不飽和基の重合によって、これら化合物を高分子量化することが必要である。(A)のケイ素化合物を単独で縮合させた場合、ケイ素原子に架橋鎖の結合が集中し、ケイ素原子周辺とケイ素原子から離れた部分との密度差が大きくなるため、分離機能層中の孔径が不均一となる傾向がある。一方、(A)のケイ素化合物自体の高分子量化および架橋に加え、(B)のエチレン性不飽和基を有する化合物を共重合させることで、加水分解性基の縮合による架橋点とエチレン性不飽和基の重合による架橋点が適度に分散される。このように適度に架橋点を分散させることで、均一な孔径を有する分離機能層が構成され、透水性能と除去性能のバランスが取れた複合半透膜を得ることができる。この際、エチレン性不飽和基を1個以上有する化合物は、低分子量だと分離膜使用時に溶出し膜性能低下を引き起こす可能性があるため、高分子量化していることが必要である。   In the separation membrane according to the present invention, in order to form the separation functional layer, in addition to the silicon compound of (A), a reaction liquid containing a compound having one or more ethylenically unsaturated groups and a polymerization initiator is used. The In addition to coating the reaction solution on the porous membrane and condensing the hydrolyzable groups, it is necessary to increase the molecular weight of these compounds by polymerization of ethylenically unsaturated groups. When the silicon compound of (A) is condensed alone, the bond of the crosslinking chain concentrates on the silicon atom, and the density difference between the silicon atom periphery and the part away from the silicon atom increases, so the pore size in the separation functional layer Tends to be non-uniform. On the other hand, in addition to the high molecular weight and cross-linking of the silicon compound itself of (A), the cross-linking point due to condensation of hydrolyzable groups and the ethylenically unsaturated group are copolymerized with the compound (B) having an ethylenically unsaturated group. Crosslink points due to polymerization of saturated groups are moderately dispersed. By appropriately dispersing the crosslinking points in this manner, a separation functional layer having a uniform pore diameter is formed, and a composite semipermeable membrane having a balance between water permeability and removal performance can be obtained. At this time, a compound having one or more ethylenically unsaturated groups is required to have a high molecular weight since it may be eluted when using a separation membrane if it has a low molecular weight, causing a decrease in membrane performance.

本発明に係る分離膜の製造方法において、(A)エチレン性不飽和基を有する反応性基および加水分解性基がケイ素原子に直接結合したケイ素化合物の含有量は、反応液に含有される固形分量100重量部に対し10重量部以上であることが好ましく、さらに好ましくは20重量部〜50重量部である。ここで、反応液に含有される固形分とは、反応液に含有される全成分のうち、溶媒および縮合反応で生成する水やアルコールなどの留去成分を除いた、上記製造方法によって得られた分離膜に最終的に分離機能層として含まれる成分のことを指す。(A)のケイ素化合物量が少ないと、架橋度が不足する傾向があるので、膜ろ過時に分離機能層が溶出し分離性能が低下するなどの不具合が発生するおそれがある。   In the method for producing a separation membrane according to the present invention, (A) the content of a silicon compound in which a reactive group having an ethylenically unsaturated group and a hydrolyzable group are directly bonded to a silicon atom is the solid content contained in the reaction solution. The amount is preferably 10 parts by weight or more, more preferably 20 parts by weight to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight. Here, the solid content contained in the reaction solution is obtained by the above production method except for all components contained in the reaction solution, excluding the solvent and distilled components such as water and alcohol produced by the condensation reaction. It refers to the component finally contained in the separation membrane as a separation functional layer. When the amount of the silicon compound (A) is small, the degree of crosslinking tends to be insufficient, so that there is a possibility that problems such as elution of the separation functional layer during membrane filtration and deterioration of separation performance may occur.

(B)のエチレン性不飽和基を有する化合物の含有量は、反応液に含有される固形分量100重量部に対し90重量部以下であることが好ましく、さらに好ましくは50重量部〜80重量部である。(B)の化合物の含有量がこれらの範囲にあるとき、得られる分離機能層は架橋度が高くなるため、分離機能層が溶出することなく安定に膜ろ過ができる。   The content of the compound (B) having an ethylenically unsaturated group is preferably 90 parts by weight or less, more preferably 50 parts by weight to 80 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the solid content contained in the reaction solution. It is. When the content of the compound (B) is in these ranges, the resulting separation functional layer has a high degree of crosslinking, and thus membrane filtration can be performed stably without the separation functional layer eluting.

次に、本発明に係る分離膜の製造方法における、分離機能層を多孔質支持膜上に形成する方法について説明する。   Next, a method for forming a separation functional layer on a porous support membrane in the method for producing a separation membrane according to the present invention will be described.

分離機能層形成のために例示される方法としては、(A)のケイ素化合物および(B)のエチレン性不飽和基を有する化合物を含有する反応液を塗布する工程、溶媒を除去する工程、エチレン性不飽和基を重合させる工程、加水分解性基を縮合させる工程の順に行うものである。エチレン不飽和基を重合させる工程において、加水分解性基が同時に縮合することがあってもいい。   Examples of methods for forming the separation functional layer include a step of applying a reaction solution containing the silicon compound (A) and a compound (B) having an ethylenically unsaturated group, a step of removing the solvent, ethylene The step of polymerizing the polymerizable unsaturated group and the step of condensing the hydrolyzable group are performed in this order. In the step of polymerizing the ethylenically unsaturated group, the hydrolyzable group may be condensed at the same time.

まず、(A)および(B)を含有する反応液を多孔性支持膜に接触させる。かかる反応液は、通常溶媒を含有する溶液であるが、かかる溶媒は多孔性支持膜を破壊せず、(A)および(B)、および必要に応じて添加される重合開始剤を溶解するものであれば特に限定されない。この反応液には、(A)のケイ素化合物のモル数に対して1〜10倍モル量、好ましくは1〜5倍モル量の水を無機酸または有機酸と共に添加して、(A)のケイ素化合物の加水分解を促すことが好ましい。   First, the reaction liquid containing (A) and (B) is brought into contact with the porous support membrane. Such a reaction solution is usually a solution containing a solvent, but such a solvent does not destroy the porous support membrane and dissolves (A) and (B) and a polymerization initiator added as necessary. If it is, it will not specifically limit. To this reaction solution, 1 to 10 times mol amount, preferably 1 to 5 times mol amount of water with respect to the number of moles of the silicon compound of (A) is added together with inorganic acid or organic acid, and (A) It is preferable to promote hydrolysis of the silicon compound.

反応液の溶媒としては、水、アルコール系有機溶媒、エーテル系有機溶媒、ケトン系有機溶媒および、これらを混ぜ合わせたものが好ましい。例えば、アルコール系有機溶媒として、メタノール、エトキシメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、アミルアルコール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、エチレングリコールモノメチルエーテル(2-メトキシエタノール)、エチレングリコールモノアセトエステル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノアセテート、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、メトキシブタノール等が挙げられる。また、エーテル系有機溶媒として、メチラール、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジアミルエーテル、ジエチルアセタール、ジヘキシルエーテル、トリオキサン、ジオキサン等が挙げられる。また、ケトン系有機溶媒として、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、メチルシクロヘキシルケトン、ジエチルケトン、エチルブチルケトン、トリメチルノナノン、アセトニトリルアセトン、ジメチルオキシド、ホロン、シクロヘキサノン、ダイアセトンアルコール等が挙げられる。また、溶媒の添加量としては、50〜99重量部%が好ましく、さらには80〜99重量部%が好ましい。溶剤の添加量が多すぎると膜中に欠点が生じやすい傾向があり、少なすぎると得られる分離膜の透水性が低くなる傾向がある。   As the solvent for the reaction solution, water, an alcohol-based organic solvent, an ether-based organic solvent, a ketone-based organic solvent, and a mixture thereof are preferable. For example, as an alcohol organic solvent, methanol, ethoxymethanol, ethanol, propanol, butanol, amyl alcohol, cyclohexanol, methylcyclohexanol, ethylene glycol monomethyl ether (2-methoxyethanol), ethylene glycol monoacetate, diethylene glycol monomethyl ether, Examples include diethylene glycol monoacetate, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monoacetate, dipropylene glycol monoethyl ether, and methoxybutanol. Examples of ether organic solvents include methylal, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, diamyl ether, diethyl acetal, dihexyl ether, trioxane, dioxane and the like. Also, ketone organic solvents include acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, methyl cyclohexyl ketone, diethyl ketone, ethyl butyl ketone, trimethylnonanone, acetonitrile acetone, dimethyl oxide, phorone, cyclohexanone, dye Acetone alcohol etc. are mentioned. The amount of the solvent added is preferably 50 to 99 parts by weight, more preferably 80 to 99 parts by weight. If the amount of the solvent added is too large, defects tend to occur in the membrane, and if it is too small, the water permeability of the resulting separation membrane tends to be low.

多孔性支持膜と反応液との接触は、多孔性支持膜面上で均一にかつ連続的に行うことが好ましい。具体的には、例えば、反応液をスピンコーター、ワイヤーバー、フローコーター、ダイコーター、ロールコーター、スプレーなどの塗布装置を用いて多孔性支持膜にコーティングする方法があげられる。また多孔性支持膜を、反応液に浸漬する方法を挙げることができる。   The contact between the porous support membrane and the reaction solution is preferably performed uniformly and continuously on the surface of the porous support membrane. Specifically, for example, there is a method in which the reaction solution is coated on the porous support film using a coating device such as a spin coater, a wire bar, a flow coater, a die coater, a roll coater, or a spray. Moreover, the method of immersing a porous support membrane in a reaction liquid can be mentioned.

浸漬させる場合、多孔性支持膜と反応液との接触時間は、0.5〜10分間の範囲内であることが好ましく、1〜3分間の範囲内であるとさらに好ましい。反応液を多孔性支持膜に接触させたあとは、膜上に液滴が残らないように十分に液切りすることが好ましい。十分に液切りすることで、膜形成後に液滴残存部分が膜欠点となって膜性能が低下することを防ぐことができる。液切りの方法としては、反応液接触後の多孔性支持膜を垂直方向に把持して過剰の反応液を自然流下させる方法や、エアーノズルから窒素などの風を吹き付け、強制的に液切りする方法などを用いることができる。また、液切り後、膜面を乾燥させ、反応液の溶媒分の一部を除去することもできる。   When immersed, the contact time between the porous support membrane and the reaction solution is preferably in the range of 0.5 to 10 minutes, and more preferably in the range of 1 to 3 minutes. After the reaction solution is brought into contact with the porous support membrane, it is preferable to sufficiently drain the liquid so that no droplets remain on the membrane. By sufficiently draining the liquid, it is possible to prevent the remaining portion of the liquid droplet from becoming a film defect after the film is formed and deteriorating the film performance. As a method for draining liquid, the porous support membrane after contact with the reaction liquid is vertically gripped to allow the excess reaction liquid to flow down naturally, or air such as nitrogen is blown from an air nozzle to forcibly drain the liquid. A method or the like can be used. In addition, after draining, the membrane surface can be dried to remove a part of the solvent in the reaction solution.

ケイ素の加水分解性基を縮合させる工程は、多孔性支持膜上に反応液を接触させた後に加熱処理することによって行われる。このときの加熱温度は、多孔性支持膜が溶融し分離膜としての性能が低下する温度より低いことが要求される。縮合反応を速やかに進行させるために通常0℃以上で加熱を行うことが好ましく、20℃以上がより好ましい。また、前記反応温度は、150℃以下が好ましく、100℃以下がより好ましい。反応温度が0℃以上であれば、加水分解および縮合反応が速やかに進行し、150℃以下であれば、加水分解および縮合反応の制御が容易になる。また、加水分解または縮合を促進する触媒を添加することで、より低温でも反応を進行させることが可能である。さらに本発明では分離機能層が細孔を有するよう加熱条件および湿度条件を選定し、縮合反応を適切に行うようにする。   The step of condensing the hydrolyzable group of silicon is performed by performing a heat treatment after bringing the reaction solution into contact with the porous support membrane. The heating temperature at this time is required to be lower than the temperature at which the porous support membrane melts and the performance as a separation membrane decreases. In order to allow the condensation reaction to proceed rapidly, it is usually preferred to heat at 0 ° C. or higher, more preferably 20 ° C. or higher. Further, the reaction temperature is preferably 150 ° C. or lower, and more preferably 100 ° C. or lower. If the reaction temperature is 0 ° C. or higher, the hydrolysis and condensation reaction proceed rapidly, and if it is 150 ° C. or lower, the hydrolysis and condensation reaction are easily controlled. Further, by adding a catalyst that promotes hydrolysis or condensation, the reaction can proceed even at a lower temperature. Furthermore, in the present invention, the heating condition and the humidity condition are selected so that the separation functional layer has pores, and the condensation reaction is appropriately performed.

(A)のケイ素化合物および(B)のエチレン性不飽和基を有する化合物のエチレン性不飽和基の重合方法としては、熱処理、電磁波照射、電子線照射、プラズマ照射により行うことができる。ここで電磁波とは赤外線、紫外線、X線、γ線などを含む。重合方法は適宜最適な選択をすればよいが、ランニングコスト、生産性などの点から電磁波照射による重合が好ましい。電磁波の中でも赤外線照射や紫外線照射が簡便性の点からより好ましい。実際に赤外線または紫外線を用いて重合を行う際、これらの光源は選択的にこの波長域の光のみを発生する必要はなく、これらの波長域の電磁波を含むものであればよい。しかし、重合時間の短縮、重合条件の制御などのしやすさの点から、これらの電磁波の強度がその他の波長域の電磁波に比べ高いことが好ましい。   As a polymerization method of the ethylenically unsaturated group of the compound (A) having a silicon compound and the compound (B) having an ethylenically unsaturated group, heat treatment, electromagnetic wave irradiation, electron beam irradiation, and plasma irradiation can be performed. Here, the electromagnetic wave includes infrared rays, ultraviolet rays, X-rays, γ rays and the like. The polymerization method may be appropriately selected as appropriate, but polymerization by electromagnetic wave irradiation is preferred from the viewpoint of running cost, productivity and the like. Among electromagnetic waves, infrared irradiation and ultraviolet irradiation are more preferable from the viewpoint of simplicity. When the polymerization is actually performed using infrared rays or ultraviolet rays, these light sources do not need to selectively generate only light in this wavelength range, and any light source containing electromagnetic waves in these wavelength ranges may be used. However, from the viewpoint of ease of shortening the polymerization time and controlling the polymerization conditions, it is preferable that the intensity of these electromagnetic waves is higher than electromagnetic waves in other wavelength regions.

電磁波は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、UVランプ、エキシマランプ、メタルハライドランプ、希ガス蛍光ランプ、水銀灯などから発生させることができる。電磁波のエネルギーは重合できれば特に制限しないが、中でも高効率で低波長の紫外線が薄膜形成性が高い。このような紫外線は低圧水銀灯、エキシマレーザーランプにより発生させることができる。本発明に係る分離機能層の厚み、形態はそれぞれの重合条件によっても大きく変化することがあり、電磁波による重合であれば電磁波の波長、強度、被照射物との距離、処理時間により大きく変化することがある。そのためこれらの条件は適宜最適化を行う必要がある。   Electromagnetic waves can be generated from halogen lamps, xenon lamps, UV lamps, excimer lamps, metal halide lamps, rare gas fluorescent lamps, mercury lamps, and the like. The energy of the electromagnetic wave is not particularly limited as long as it can be polymerized, but in particular, high-efficiency, low-wavelength ultraviolet rays have high film-forming properties. Such ultraviolet rays can be generated by a low-pressure mercury lamp or an excimer laser lamp. The thickness and form of the separation functional layer according to the present invention may vary greatly depending on the respective polymerization conditions. If polymerization is performed using electromagnetic waves, the thickness and shape of the separation functional layers vary greatly depending on the wavelength of electromagnetic waves, the intensity, the distance to the irradiated object, and the processing time. Sometimes. Therefore, these conditions need to be optimized as appropriate.

重合速度を速める目的で分離機能層形成の際に重合開始剤、重合促進剤等を添加することが好ましい。ここで、重合開始剤、重合促進剤とは特に限定されるものではなく、用いる化合物の構造、重合手法などに合わせて適宜選択されるものである。   For the purpose of increasing the polymerization rate, it is preferable to add a polymerization initiator, a polymerization accelerator or the like during the formation of the separation functional layer. Here, the polymerization initiator and the polymerization accelerator are not particularly limited, and are appropriately selected according to the structure of the compound to be used, the polymerization technique, and the like.

重合開始剤を以下例示する。電磁波による重合の開始剤としては、ベンゾインエーテル、ジアルキルベンジルケタール、ジアルコキシアセトフェノン、アシルホスフィンオキシドもしくはビスアシルホスフィンオキシド、α−ジケトン(例えば、9,10−フェナントレンキノン)、ジアセチルキノン、フリルキノン、アニシルキノン、4,4’−ジクロロベンジルキノンおよび4,4’−ジアルコキシベンジルキノン、およびショウノウキノンが、例示される。熱による重合の開始剤としては、アゾ化合物(例えば、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)(AIBN)もしくはアゾビス−(4−シアノバレリアン酸))、または過酸化物(例えば、過酸化ジベンゾイル、過酸化ジラウロイル、過オクタン酸tert−ブチル、過安息香酸tert−ブチルもしくはジ−(tert−ブチル)ペルオキシド)、さらに芳香族ジアゾニウム塩、ビススルホニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、アルキルリチウム、クミルカリウム、ナトリウムナフタレン、ジスチリルジアニオンが例示される。なかでもベンゾピナコールおよび2,2’−ジアルキルベンゾピナコールは、ラジカル重合のための開始剤として特に好ましい。   The polymerization initiator is exemplified below. As an initiator for polymerization by electromagnetic waves, benzoin ether, dialkylbenzyl ketal, dialkoxyacetophenone, acylphosphine oxide or bisacylphosphine oxide, α-diketone (for example, 9,10-phenanthrenequinone), diacetylquinone, furylquinone, anisylquinone, 4,4′-dichlorobenzylquinone and 4,4′-dialkoxybenzylquinone, and camphorquinone are exemplified. Initiators for thermal polymerization include azo compounds (eg, 2,2′-azobis (isobutyronitrile) (AIBN) or azobis- (4-cyanovaleric acid)), or peroxides (eg, peroxidation). Dibenzoyl, dilauroyl peroxide, tert-butyl peroctanoate, tert-butyl perbenzoate or di- (tert-butyl) peroxide), aromatic diazonium salts, bissulfonium salts, aromatic iodonium salts, aromatic sulfonium salts, Examples include potassium persulfate, ammonium persulfate, alkyl lithium, cumyl potassium, sodium naphthalene, and distyryl dianion. Of these, benzopinacol and 2,2'-dialkylbenzopinacol are particularly preferred as initiators for radical polymerization.

過酸化物およびα−ジケトンは、開始を加速するために、好ましくは、芳香族アミンと組み合わせて使用される。この組み合わせはレドックス系とも呼ばれる。このような系の例としては、過酸化ベンゾイルまたはショウノウキノンと、アミン(例えば、N,N−ジメチル−p−トルイジン、N,N−ジヒドロキシエチル−p−トルイジン、p−ジメチル−アミノ安息香酸エチルエステルまたはその誘導体)との組み合わせである。さらに、過酸化物を、還元剤としてのアスコルビン酸、バルビツレートまたはスルフィン酸と組み合わせて含有する系もまた好ましい。   Peroxides and α-diketones are preferably used in combination with aromatic amines to accelerate initiation. This combination is also called a redox system. Examples of such systems include benzoyl peroxide or camphorquinone and amines (eg, N, N-dimethyl-p-toluidine, N, N-dihydroxyethyl-p-toluidine, ethyl p-dimethyl-aminobenzoate). Ester or a derivative thereof). Furthermore, a system containing a peroxide in combination with ascorbic acid, barbiturate or sulfinic acid as a reducing agent is also preferred.

次いで、これを約100〜200℃で加熱処理すると重縮合反応が起こり、多孔性支持膜表面にシランカップリング剤由来の分離機能層が形成された本発明に係る分離膜を得ることができる。加熱温度は多孔性支持膜の素材にもよるが、高すぎると溶解が起こり多孔性支持膜の細孔が閉塞するため、複合半透膜の造水量が低下する。一方低すぎた場合には、重縮合反応が不十分となり機能層の溶出により除去率が低下するようになる。   Subsequently, when this is heat-processed at about 100-200 degreeC, a polycondensation reaction will occur and the separation membrane which concerns on this invention in which the separation functional layer derived from a silane coupling agent was formed in the porous support membrane surface can be obtained. Although the heating temperature depends on the material of the porous support membrane, if it is too high, dissolution occurs and the pores of the porous support membrane are blocked, resulting in a decrease in the amount of water produced in the composite semipermeable membrane. On the other hand, if it is too low, the polycondensation reaction becomes insufficient, and the removal rate decreases due to elution of the functional layer.

なお上記の製造方法において、シランカップリング剤とエチレン性不飽和基を1個以上有する化合物とを高分子量化する工程は、シランカップリング剤の重縮合工程の前に行っても良いし、後に行っても良い。また、同時に行っても良い。   In the above production method, the step of increasing the molecular weight of the silane coupling agent and the compound having one or more ethylenically unsaturated groups may be performed before the polycondensation step of the silane coupling agent, or after You can go. Moreover, you may carry out simultaneously.

このようにして得られた複合半透膜はこのままでも使用できるが、使用する前に例えばアルコール含有水溶液、アルカリ水溶液によって膜の表面を親水化させることが好ましい。   The composite semipermeable membrane thus obtained can be used as it is, but before use, it is preferable to hydrophilize the surface of the membrane with, for example, an alcohol-containing aqueous solution or an alkaline aqueous solution.

上記分離膜の高低差を付ける際には、加熱処理する前、加熱処理中、加熱処理後いずれかの工程でエンボス、水圧、カレンダ加工などを行うことができる。また。UV処理前、中、後のいずれにおいて加工してもよい。   When the difference in height of the separation membrane is given, embossing, water pressure, calendering, or the like can be performed at any step before, during, or after the heat treatment. Also. Processing may be performed before, during or after UV treatment.

分離機能層の厚みとしては限定されないが、分離性能と透過性能の点で5〜3000nmであることが好ましい。特に逆浸透、正浸透、ナノろ過膜では5〜300nmであることが好ましい。   The thickness of the separation functional layer is not limited, but is preferably 5 to 3000 nm in terms of separation performance and transmission performance. In particular, it is preferably 5 to 300 nm for reverse osmosis, forward osmosis, and nanofiltration membranes.

分離機能層の厚みは、これまでの分離膜の膜厚測定法に準ずることができ、例えば分離膜を樹脂による包埋後に、超薄切片を作製し、染色などの処理を行った後に、透過型電子顕微鏡により観察することで測定することができる。主な測定法としては、分離機能層がひだ構造を有する場合、多孔性支持膜より上に位置するひだ構造の断面長さ方向に50nm間隔で測定し、ひだの数を20個測定し、その平均から求めることができる。   The thickness of the separation functional layer can be based on the conventional method for measuring the thickness of the separation membrane. For example, after embedding the separation membrane with a resin, an ultrathin section is prepared, and after treatment such as staining, It can be measured by observing with a scanning electron microscope. As the main measurement method, when the separation functional layer has a pleat structure, measurement is performed at intervals of 50 nm in the cross-sectional length direction of the pleat structure located above the porous support membrane, and the number of pleats is measured at 20 pieces. It can be obtained from the average.

本発明において多孔性支持膜を用いる場合、分離膜としての性能を保持しつつ分離機能層を支持する膜として用いることができる。   When a porous support membrane is used in the present invention, it can be used as a membrane that supports the separation functional layer while maintaining the performance as a separation membrane.

多孔性支持膜に使用する材料やその形状は特に限定されないが、例えば基材に多孔性支持体を形成した膜を例示することができる。多孔性支持体の素材としては、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂あるいはそれらを混合、積層したものが使用され、化学的、機械的、熱的に安定性が高く、孔径が制御しやすいポリスルホンを使用することが好ましい。   Although the material used for a porous support membrane and its shape are not specifically limited, For example, the film | membrane which formed the porous support body in the base material can be illustrated. As the material for the porous support, polysulfone, cellulose acetate, polyvinyl chloride, epoxy resin or a mixture and lamination of these materials is used, and the chemical, mechanical and thermal stability is high, and the pore size is controlled. It is preferable to use easy polysulfone.

例えば、上記ポリスルホンのN,N−ジメチルホルムアミド(以降、DMFと記載)溶液を、後述する基材、例えば密に織ったポリエステル布あるいは不織布の上に一定の厚さに注型し、それを水中で湿式凝固させることによって、製造することができる。   For example, a solution of the above polysulfone in N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF) is cast on a substrate described later, for example, a densely woven polyester cloth or non-woven fabric, to a certain thickness, It can be manufactured by wet coagulation with.

本発明に使用する多孔性支持膜は、”オフィス・オブ・セイリーン・ウォーター・リサーチ・アンド・ディベロップメント・プログレス・レポート”No.359(1968)に記載された方法に従って、上述した形態を得るためにポリマー濃度、溶媒の温度、貧溶媒を調整し、製造することができる。例えば、所定量のポリスルホンをDMFに溶解し、所定濃度のポリスルホン樹脂溶液を調製する。次いで、このポリスルホン樹脂溶液をポリエステル布あるいは不織布からなる基材上に略一定の厚さに塗布した後、一定時間空気中で表面の溶媒を除去した後、凝固液中でポリスルホンを凝固させることによって得ることが出来る。この時、凝固液と接触する表面部分などは溶媒のDMFが迅速に揮散するとともにポリスルホンの凝固が急速に進行し、DMFの存在した部分を核とする微細な連通孔が生成される。   The porous support membrane used in the present invention is “Office of Saleen Water Research and Development Progress Report” No. 359 (1968), the polymer concentration, the solvent temperature, and the poor solvent can be adjusted to produce the above-described form. For example, a predetermined amount of polysulfone is dissolved in DMF to prepare a polysulfone resin solution having a predetermined concentration. Next, this polysulfone resin solution is applied to a substrate made of polyester cloth or nonwoven fabric to a substantially constant thickness, and after removing the surface solvent in the air for a certain period of time, the polysulfone is coagulated in the coagulation liquid. Can be obtained. At this time, DMF as a solvent is rapidly volatilized on the surface portion that comes into contact with the coagulation liquid, and polysulfone coagulates rapidly, and fine communication holes having the portion where DMF is present as a core are generated.

また、上記の表面部分から基材側へ向かう内部においては、DMFの揮散とポリスルホンの凝固は表面に比べて緩慢に進行するので、DMFが凝集して大きな核を形成しやすく、したがって、生成する連通孔が大径化する。勿論、上記の核生成の条件は、膜表面からの距離によって徐々に変化するので、明確な境界のない、滑らかな孔径分布を有する支持膜が形成されることになる。本発明は、この形成工程において用いるポリスルホン樹脂溶液ポリスルホン樹脂溶液の温度やポリスルホンの濃度、塗布を行う雰囲気の相対湿度、塗布してから凝固液に浸漬するまでの時間、凝固液の温度や組成等を調節することにより平均空隙率と平均孔径を制御したポリスルホン膜を得ることができる。   Further, in the interior from the surface portion toward the base material, the volatilization of DMF and the solidification of polysulfone proceed more slowly than the surface, so that the DMF tends to aggregate and form large nuclei, and thus generate. The communication hole becomes larger in diameter. Of course, the above nucleation conditions gradually change depending on the distance from the film surface, so that a support film having a smooth pore size distribution without a clear boundary is formed. The present invention relates to the polysulfone resin solution used in this forming step, the temperature of the polysulfone resin solution, the concentration of polysulfone, the relative humidity of the atmosphere in which it is applied, the time from application to immersion in the coagulation liquid, the temperature and composition of the coagulation liquid, etc. By adjusting the ratio, it is possible to obtain a polysulfone membrane in which the average porosity and the average pore diameter are controlled.

さらに分離膜の強度、寸法安定性、凹凸形成能の点で、基材を用いてもよい。基材としては、強度、凹凸形成能、流体透過性の点で繊維状基材を用いることが好ましい。   Furthermore, you may use a base material at the point of the intensity | strength of a separation membrane, dimensional stability, and uneven | corrugated formation ability. As the base material, it is preferable to use a fibrous base material in terms of strength, unevenness-forming ability, and fluid permeability.

多孔性支持膜としては、分離膜に機械的強度を与え、イオン等の分子サイズの小さな成分に対して分離膜のような分離性能を有さないものであれば、孔のサイズや分布は特に限定されないが、例えば、均一で微細な孔、あるいは分離機能層が形成される側の表面からもう一方の面まで徐々に大きな微細孔をもち、かつ、分離機能層が形成される側の表面で原子間力顕微鏡、電子顕微鏡などを用いて表面から測定された細孔の投影面積円相当径が1nm以上100nm以下であるような多孔性支持膜が好ましく使用される。特に界面重合反応性、分離機能膜の保持性の点で3〜50nmの投影面積円相当径を有することが好ましい。   As long as the porous support membrane is one that gives mechanical strength to the separation membrane and does not have separation performance like a separation membrane for components having a small molecular size such as ions, the pore size and distribution are particularly Although it is not limited, for example, on the surface on the side where the separation functional layer is formed, which has uniform and fine holes, or gradually has a large fine hole from the surface on the side where the separation functional layer is formed to the other surface. A porous support membrane in which the projected area equivalent circle diameter of the pores measured from the surface using an atomic force microscope, an electron microscope or the like is 1 nm or more and 100 nm or less is preferably used. In particular, it preferably has a projected area equivalent circle diameter of 3 to 50 nm in terms of interfacial polymerization reactivity and retention of the separation functional membrane.

多孔性支持膜の厚みは特に限定されないが、分離膜の強度、分離膜の高低差を形成させる点、供給側および透過側流路の形態安定性の点で、20〜500μmの範囲にあることが好ましく、より好ましくは30〜300μmである。   The thickness of the porous support membrane is not particularly limited, but it should be in the range of 20 to 500 μm in terms of the strength of the separation membrane, the difference in height of the separation membrane, and the morphological stability of the supply side and permeate side channels. Is more preferable, and it is 30-300 micrometers.

多孔性支持膜の形態は、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡、原子間顕微鏡により観察できる。例えば走査型電子顕微鏡で観察するのであれば、基材から多孔質支持体を剥がした後、これを凍結割断法で切断して断面観察のサンプルとする。このサンプルに白金または白金−パラジウムまたは四塩化ルテニウム、好ましくは四塩化ルテニウムを薄くコーティングして3〜6kVの加速電圧で、高分解能電界放射型走査電子顕微鏡(UHR−FE−SEM)で観察する。高分解能電界放射型走査電子顕微鏡は、日立製S−900型電子顕微鏡などが使用できる。得られた電子顕微鏡写真から多孔性支持膜の膜厚や表面の投影面積円相当径を決定する。支持膜の厚み、孔径は、平均値であり、支持膜の厚みは、断面観察で厚み方向に直交する方向に20μm間隔で測定し、20点測定の平均値である。また、孔径は、孔を200個カウントし、各投影面積円相当径の平均値である。   The form of the porous support membrane can be observed with a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, or an atomic microscope. For example, when observing with a scanning electron microscope, the porous support is peeled off from the substrate, and then cut by a freeze cleaving method to obtain a sample for cross-sectional observation. The sample is thinly coated with platinum, platinum-palladium, or ruthenium tetrachloride, preferably ruthenium tetrachloride, and observed with a high-resolution field emission scanning electron microscope (UHR-FE-SEM) at an acceleration voltage of 3 to 6 kV. A Hitachi S-900 electron microscope or the like can be used as the high-resolution field emission scanning electron microscope. The film thickness of the porous support membrane and the projected area equivalent circle diameter are determined from the obtained electron micrograph. The thickness of the support membrane and the pore diameter are average values, and the thickness of the support membrane is an average value of 20 points measured by cross-sectional observation in a direction perpendicular to the thickness direction at intervals of 20 μm. The hole diameter is an average value of the diameters corresponding to the projected area circles by counting 200 holes.

基材としては、特に限定されないが、分離膜の分離、透過性能を保持しつつ、適度な機械強度を与え、分離膜表面の高低差を制御する点で、繊維状基材が好ましく用いられる。   Although it does not specifically limit as a base material, A fibrous base material is used preferably at the point which gives moderate mechanical strength, maintaining the separation and permeation | permeation performance of a separation membrane, and controlling the height difference of the surface of a separation membrane.

繊維状基材としては、ポリオレフィン、ポリエステル、セルロースなどが用いられるが、分離膜の高低差を形成させる点、形態保持性の点でポリオレフィン、ポリエステルが好ましい。また、基材としては、複数の素材を混合させたものも使用することができる。   As the fibrous base material, polyolefin, polyester, cellulose and the like are used, and polyolefin and polyester are preferable from the viewpoint of forming a difference in height of the separation membrane and from the viewpoint of shape retention. Moreover, what mixed several raw materials can also be used as a base material.

本発明の分離膜エレメントは、供給側および透過側流路を安定に形成し、高い分離・透過性能を得るために、表面の高低差が50μm以下の第1分離膜1と、表面の高低差が100μm以上2000μm以下の第2分離膜2が交互に配置されていることを必須とする。ここで、第1分離膜1は高低差を付与する加工が施されていても、いなくてもよく、第1分離膜1の表面の高低差H0は、好ましくは35μm以下、より好ましくは20μm以下である。   The separation membrane element of the present invention has a difference in surface height between the first separation membrane 1 having a surface height difference of 50 μm or less in order to stably form the supply side and permeation side flow paths and to obtain high separation / permeation performance. However, it is essential that the second separation membranes 2 of 100 μm or more and 2000 μm or less are alternately arranged. Here, the first separation membrane 1 may or may not be processed to give a height difference. The height difference H0 of the surface of the first separation membrane 1 is preferably 35 μm or less, more preferably 20 μm. It is as follows.

一方、第2分離膜2については、エレメントの供給側および透過側流路を安定させ、分離、透過性能を高める上で、200μm以上1500μm以下の高低差を設けることが好ましく、特に好ましくは300μm〜1000μmである。図1に示す例では、第2分離膜2の表面の高低差H0は、供給流体側の凸部の高さH1と、透過流体側の凸部の高さH2との和になる。供給流体側の凸部の高さH1は、150μm〜500μmであることが好ましい。また、透過流体側の凸部の高さH2は、150μm〜500μmであることが好ましい。   On the other hand, the second separation membrane 2 is preferably provided with a height difference of 200 μm or more and 1500 μm or less, particularly preferably 300 μm to 500 μm in order to stabilize the element supply side and permeation side flow paths and improve separation and permeation performance. 1000 μm. In the example shown in FIG. 1, the height difference H0 of the surface of the second separation membrane 2 is the sum of the height H1 of the convex portion on the supply fluid side and the height H2 of the convex portion on the permeate fluid side. The height H1 of the convex portion on the supply fluid side is preferably 150 μm to 500 μm. Moreover, it is preferable that the height H2 of the convex part on the permeating fluid side is 150 μm to 500 μm.

分離機能層表面の高低差は、市販の形状測定システムなどを用いて計測できる。例えば、レーザー顕微鏡による断面からの高低差測定、キーエンス製高精度形状測定システムKS−1000などで測定することができる。   The height difference on the surface of the separation functional layer can be measured using a commercially available shape measurement system or the like. For example, the height difference can be measured from a cross section by a laser microscope, or measured by a high-precision shape measurement system KS-1000 manufactured by Keyence.

高低差を付与する方法としては特に限定されないが、分離膜にエンボス成形、水圧成形、カレンダ加工などの方法を用いることができる。さらに、好ましくは分離膜の成形時、もしくは成形後に40〜150℃の熱処理を施すことで分離機能層や多孔性支持層および基材の成形性が高まり、成形による分離膜の構造破壊を抑制できるだけでなく、凹凸形状保持性を向上させることができる。熱処理温度は、分離膜から基材のみをはがし取り、基材についてDSC測定を行うことでポリエステル繊維の熱処理温度を公知の方法を用いて同定することができる。   The method for providing the height difference is not particularly limited, and methods such as embossing, hydraulic forming, and calendering can be used for the separation membrane. Furthermore, the moldability of the separation functional layer, the porous support layer, and the substrate is preferably improved by performing a heat treatment at 40 to 150 ° C. at the time of molding of the separation membrane or after the molding, and the structural breakdown of the separation membrane due to molding can be suppressed. In addition, it is possible to improve the uneven shape retainability. The heat treatment temperature can be identified by using a known method by peeling only the base material from the separation membrane and performing DSC measurement on the base material.

エンボス成形の条件としては、多孔性支持膜の融点や熱変形温度に応じて適宜決定することができ、例えばポリスルホン等の耐熱性樹脂を用いる場合、熱処理温度は100〜150℃が好ましく、また、エポキシ樹脂を用いる場合は、80〜130℃が好ましい。成形速度は0.5〜20m/分が好ましい。   The embossing conditions can be appropriately determined according to the melting point and heat distortion temperature of the porous support membrane. For example, when using a heat-resistant resin such as polysulfone, the heat treatment temperature is preferably 100 to 150 ° C, When using an epoxy resin, 80-130 degreeC is preferable. The molding speed is preferably 0.5 to 20 m / min.

水圧成形の場合は、分離膜裏面(透過流体側)に成形部材を配置し、分離膜表面(供給流体側)から液体を加圧して分離膜に高低差を形成後、熱処理を施す。成形時の圧力は、分離膜に100μm以上2000μm以下の高低差を形成できればよく特に限定されないが、膜性能の低下を引き起こすことなく安定した流路を形成するために0.5〜5MPaであることが好ましい。熱処理温度としては、50℃から100℃が好ましい。   In the case of hydroforming, a molding member is arranged on the rear surface of the separation membrane (permeate fluid side), and a liquid is pressurized from the separation membrane surface (supply fluid side) to form a height difference in the separation membrane, followed by heat treatment. The pressure at the time of molding is not particularly limited as long as a height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less can be formed on the separation membrane, but it is 0.5 to 5 MPa in order to form a stable flow path without causing a decrease in membrane performance. Is preferred. The heat treatment temperature is preferably 50 ° C to 100 ° C.

成形工程としては特に限定されないが、分離膜を作製する前の段階で支持膜を加工する工程、基材を加工する工程、支持膜、基材を積層した積層体を加工する工程、分離膜を加工する工程が好ましく用いることができる。   The forming step is not particularly limited, but the step of processing the support membrane, the step of processing the base material, the step of processing the support film, the laminate laminated with the base material, the separation membrane A processing step can be preferably used.

高低差の形状としては特に限定されないが、流路の流動抵抗を少なくし、かつ分離膜エレメントに流体を供給、透過させた際の流路を安定化させることが重要である。これらの点で、表面上部から観察した形では、楕円、円、長円、台形、三角形、長方形、正方形、平行四辺形、菱形、不定形があり、立体的には表面上部からの形をそのまま表面方向に賦形したもの、広がる形で賦形したもの、狭める形で賦形したものが用いられる。   The shape of the height difference is not particularly limited, but it is important to reduce the flow resistance of the flow path and stabilize the flow path when the fluid is supplied to and passed through the separation membrane element. In these respects, there are ellipses, circles, ellipses, trapezoids, triangles, rectangles, squares, parallelograms, rhombuses, and irregular shapes in the shape observed from the upper surface. Those formed in the surface direction, those formed in a widened form, and those formed in a narrowed form are used.

高低差の中心線よりも表面上部方向に高い位置を有する凸部の面積は、膜表面上部からの観察面積(2次元面積)に対して、5%〜80%であることが好ましく、流動抵抗と流路安定性の点で10%〜60%であることが特に好ましい。   The area of the convex portion having a position higher in the upper surface direction than the center line of the height difference is preferably 5% to 80% with respect to the observation area (two-dimensional area) from the upper surface of the film. In view of flow path stability, it is particularly preferably 10% to 60%.

本発明の分離膜エレメントの構造としては、以上のようなシート状分離膜を用いることができるものであれば特に限定されないが、例えばスパイラル型、ディスク型、平膜型、などが挙げられる。   The structure of the separation membrane element of the present invention is not particularly limited as long as the above sheet-like separation membrane can be used, and examples thereof include a spiral type, a disk type, and a flat membrane type.

次に、本発明の分離膜エレメントの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the separation membrane element of this invention is demonstrated.

本発明の分離膜エレメントの製造方法は限定されないが、ポリアミド分離機能層を多孔性支持膜、基材に積層し得られた、表面の高低差が50μm以下の第1分離膜1と、第1分離膜1に凹凸加工成形することで得られる100μm以上2000μm以下の高低差H0を付与した第2分離膜2を交互に配置してエレメントを製造する代表的な方法について述べる。なお、凹凸加工成形などは、前述したように分離膜製膜工程の前、途中、後のいずれにおいても取り入れることが可能である。   The method for producing the separation membrane element of the present invention is not limited, but the first separation membrane 1 obtained by laminating the polyamide separation functional layer on the porous support membrane and the substrate and having a surface height difference of 50 μm or less; A typical method for manufacturing an element by alternately arranging the second separation membranes 2 provided with a height difference H0 of 100 μm or more and 2000 μm or less obtained by forming unevenness on the separation membrane 1 will be described. In addition, as described above, the concave-convex forming can be taken before, during or after the separation membrane forming step.

多孔性支持膜と基材を複合した後、多孔性支持膜に多官能アミン水溶液を塗布し、余分なアミン水溶液をエアーナイフなどで除去した後、多官能酸ハロゲン化物含有溶液を塗布し、ポリアミド分離機能層を形成させる。有機溶媒は、水と非混和性であり、かつ多官能酸ハロゲン化物を溶解し、多孔性支持膜を破壊しないものが望ましく、多官能アミン化合物および多官能酸ハロゲン化物に対して不活性であるものであればよい。好ましい例として、n−ヘキサン、n−オクタン、n−デカンなどの炭化水素化合物が挙げられる。さらに、必要に応じて分離性能、透過性能を高めるべく、塩素、酸、アルカリ、亜硝酸などの化学処理を施し、さらにモノマー等を洗浄し平滑な分離膜の連続シートを得る。   After combining the porous support membrane and the substrate, the polyfunctional amine aqueous solution is applied to the porous support membrane, the excess amine aqueous solution is removed with an air knife, etc., and then the polyfunctional acid halide-containing solution is applied, and the polyamide is applied. A separation functional layer is formed. Desirably, the organic solvent is immiscible with water, dissolves the polyfunctional acid halide, does not break the porous support membrane, and is inert to the polyfunctional amine compound and polyfunctional acid halide. Anything is acceptable. Preferred examples include hydrocarbon compounds such as n-hexane, n-octane, and n-decane. Furthermore, chemical treatment with chlorine, acid, alkali, nitrous acid or the like is performed to improve separation performance and permeation performance as necessary, and the monomer is washed to obtain a continuous sheet of a smooth separation membrane.

その後、連続シートを適切な大きさに切断し、得られたシート状分離膜の片側半分にエンボス加工することで凹凸形状(円錐状:直径1mm、高さ0.7mm、先端R=0.2mm、間隔5mm)を付与する。続いて、95℃に加熱したカレンダーロールの間に80℃に予熱した分離膜を100kg/cmの圧力で通過させることにより、片側半分が平滑部分、残り半分が凹凸形状を有する部分からなる1枚のシート状分離膜を作製する。該シートを従来のエレメント製作装置を用いて、平滑な部分と凹凸を付与した部分が交互に配置されるよう2つ折りにし、リーフ数26枚、リーフ有効面積37mの8インチエレメントを作製する。エレメント作製方法としては、参考文献(特公昭44−14216、特公平4−11928、特開平11−226366)に記載される方法を用いることができる。 Thereafter, the continuous sheet is cut into an appropriate size and embossed on one half of the obtained sheet-like separation membrane (conical shape: diameter 1 mm, height 0.7 mm, tip R = 0.2 mm) , Spacing 5 mm). Subsequently, a separation membrane preheated to 80 ° C. is passed between calender rolls heated to 95 ° C. at a pressure of 100 kg / cm 2 so that one half is a smooth portion and the other half is a portion having an uneven shape. A sheet-like separation membrane is produced. Using a conventional element manufacturing apparatus, the sheet is folded in half so that smooth portions and uneven portions are alternately arranged to produce an 8-inch element having 26 leaves and an effective leaf area of 37 m 2 . As an element manufacturing method, a method described in a reference document (Japanese Patent Publication No. 44-14216, Japanese Patent Publication No. 4-11928, Japanese Patent Laid-Open No. 11-226366) can be used.

表面の高低差が50μm以下の第1分離膜1と、表面の高低差が100μm以上2000μm以下の第2分離膜2を交互に配置する手段は特に限定されないが、上記以外に表面に50μm以下の高低差を有する分離膜シートと、表面に100μm以上2000μm以下の高低差を有する分離膜シートを交互に重ねることによっても作製できる。   The means for alternately arranging the first separation membrane 1 having a surface height difference of 50 μm or less and the second separation membrane 2 having a surface height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less is not particularly limited. It can also be produced by alternately stacking separation membrane sheets having a height difference and separation membrane sheets having a height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less on the surface.

このように製造される本発明の分離膜エレメントは、さらに、直列または並列に接続して圧力容器に収納した分離膜モジュールとすることもできる。   The separation membrane element of the present invention manufactured as described above can further be a separation membrane module connected in series or in parallel and housed in a pressure vessel.

また、上記の分離膜エレメント、モジュールは、それらに流体を供給するポンプや、その流体を前処理する装置などと組み合わせて、流体分離装置を構成することができる。この分離装置を用いることにより、例えば原水を飲料水などの透過水と膜を透過しなかった濃縮水とに分離して、目的にあった水を得ることができる。   In addition, the separation membrane element and module described above can be combined with a pump that supplies fluid to them, a device that pretreats the fluid, and the like to form a fluid separation device. By using this separation device, for example, raw water can be separated into permeated water such as drinking water and concentrated water that has not permeated through the membrane, and water suitable for the purpose can be obtained.

流体分離装置の操作圧力は高い方が除去率は向上するが、運転に必要なエネルギーも増加すること、また、膜エレメントの供給流路、透過流路の保持性を考慮すると、膜モジュールに被処理水を透過する際の操作圧力は、0.2MPa以上、5MPa以下が好ましい。供給水温度は、高くなると塩除去率が低下するが、低くなるにしたがい膜透過流束も減少するので、5℃以上、45℃以下が好ましい。また、供給水pHは、高くなると海水などの高塩濃度の供給水の場合、マグネシウムなどのスケールが発生する恐れがあり、また、高pH運転による膜の劣化が懸念されるため、中性領域での運転が好ましい。   The higher the operating pressure of the fluid separator, the higher the removal rate, but the energy required for operation also increases, and considering the retention of the supply flow path and permeation flow path of the membrane element, the membrane module is covered. The operating pressure when passing through the treated water is preferably 0.2 MPa or more and 5 MPa or less. As the feed water temperature rises, the salt removal rate decreases, but as the feed water temperature decreases, the membrane permeation flux also decreases. In addition, when the pH of the feed water becomes high, scales such as magnesium may be generated in the case of feed water with a high salt concentration such as seawater, and there is a concern about deterioration of the membrane due to high pH operation. Is preferred.

本発明の分離膜エレメントによって処理される流体は特に限定されないが、水処理に使用する場合、原水としては、海水、かん水、廃水等の500mg/L〜100g/LのTDS(Total Dissolved Solids:総溶解固形分)を含有する液状混合物が挙げられる。一般に、TDSは総溶解固形分量を指し、「質量÷体積」あるいは「重量比」で表される。定義によれば、0.45ミクロンのフィルターで濾過した溶液を39.5〜40.5℃の温度で蒸発させ残留物の重さから算出できるが、より簡便には実用塩分(S)から換算する。   The fluid to be treated by the separation membrane element of the present invention is not particularly limited, but when used for water treatment, as raw water, 500 mg / L to 100 g / L TDS (Total Dissolved Solids: total seawater, brine, wastewater, etc.) Liquid mixture containing dissolved solids). In general, TDS refers to the total dissolved solid content, and is expressed as “mass ÷ volume” or “weight ratio”. According to the definition, the solution filtered through a 0.45 micron filter can be calculated from the weight of the residue by evaporating at a temperature of 39.5 to 40.5 ° C., but more simply converted from practical salt (S) To do.

以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(分離膜表面の高低差)
キーエンス製高精度形状測定システムKS−1000を用い、5cm×5cmの表面測定結果から平均の高低差を解析した。10μm以上の高低差のある箇所を測定し、各高さの値を総和した値を測定総箇所の数で割って求めた。
(Separation membrane surface height difference)
Using a high precision shape measurement system KS-1000 manufactured by Keyence, the average height difference was analyzed from the surface measurement results of 5 cm × 5 cm. A portion having a height difference of 10 μm or more was measured, and a value obtained by summing up the values of the respective heights was divided by the number of the total measurement portions.

(脱塩率(TDS除去率))
TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}。
(Desalination rate (TDS removal rate))
TDS removal rate (%) = 100 × {1− (TDS concentration in permeated water / TDS concentration in feed water)}.

なお、1時間後の測定値と8時間後の測定値で0.1%以上の変化をした場合に、その結果を付記した。   In addition, when the measured value after 1 hour and the measured value after 8 hours changed 0.1% or more, the result was added.

(造水量)
供給水(かん水)の膜エレメント透過水量を、膜エレメントあたり、1日あたりの透水量(立方メートル)を造水量(m/日)として表した。なお、1時間後の測定値と8時間後の測定値が1m/日以上あった場合に付記した。
(Water production)
The amount of water permeated through the membrane element of the feed water (brine water) was expressed as the amount of water produced per cubic element (cubic meter) per day (m 3 / day). In addition, it added when the measured value after 1 hour and the measured value after 8 hours were 1 m < 3 > / day or more.

(実施例1、比較例1−2)
ポリエステル繊維からなる不織布(糸径:1デシテックス、厚み:約100μm、通気度:1cc/cm/sec)上にポリスルホンの15.0重量%、DMF溶液を180μmの厚みで室温(25℃)でキャストし、ただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって繊維補強ポリスルホン支持膜からなる多孔性支持膜(厚さ140μm)ロールを作製した。
(Example 1, Comparative Example 1-2)
A non-woven fabric made of polyester fiber (yarn diameter: 1 dtex, thickness: about 100 μm, air permeability: 1 cc / cm 2 / sec), 15.0% by weight of polysulfone and DMF solution with a thickness of 180 μm at room temperature (25 ° C.) A porous support membrane (thickness: 140 μm) roll made of a fiber-reinforced polysulfone support membrane was prepared by casting, immediately immersing in pure water, and allowing to stand for 5 minutes.

その後に、多孔性支持膜ロールを巻きだし、ポリスルホン表面に、m−PDAの1.8重量%、ε−カプロラクタム4.5重量%水溶液中を塗布し、エアーノズルから窒素を吹き付け支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた後、トリメシン酸クロリド0.06重量%を含む25℃のn−デカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布した。その後、膜から余分な溶液をエアーブローで除去し、80℃の熱水で洗浄して表面の高低差が50μm以下(12μm)の分離膜ロールを得た。   Thereafter, the porous support membrane roll is unwound, and the polysulfone surface is coated with 1.8% by weight of m-PDA and 4.5% by weight of ε-caprolactam in an aqueous solution, and nitrogen is blown from an air nozzle from the support membrane surface. After removing the excess aqueous solution, an n-decane solution at 25 ° C. containing 0.06% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the surface was completely wetted. Thereafter, the excess solution was removed from the membrane by air blow and washed with hot water at 80 ° C. to obtain a separation membrane roll having a surface height difference of 50 μm or less (12 μm).

ロール状の連続シートを所定の大きさに切断した後、得られたシート状分離膜の片側半分の面積に表1に記載の形状でエンボス加工し高低差を付与することで、半分が表面高低差50μm以下(12μm)、残り半分が表面高低差100μm以上2000μm以下(600μm)であるシート状分離膜を作製した。続いて、該シートを90℃で1分熱処理した後、平滑部分と凹凸部分が交互に配置されるよう2つ折りにしながら連続的に積層し、分離膜エレメントでの有効面積が37mになるように幅930mmのリーフ状物を26枚作製した。基材のDSCを測定すると90℃近傍に吸熱ピークが観測された。 After the roll-shaped continuous sheet is cut into a predetermined size, the surface of the obtained sheet-shaped separation membrane is embossed in the shape shown in Table 1 and given a height difference, so that the half has a surface height difference. A sheet-like separation membrane having a difference of 50 μm or less (12 μm) and the other half having a surface height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less (600 μm) was produced. Subsequently, the sheet is heat-treated at 90 ° C. for 1 minute, and then continuously laminated while being folded so that smooth portions and uneven portions are alternately arranged, so that the effective area at the separation membrane element is 37 m 2. 26 leaf-like materials having a width of 930 mm were prepared. When DSC of the substrate was measured, an endothermic peak was observed in the vicinity of 90 ° C.

ここで、表中のピッチとは、高低差のある表面における高い箇所の最も高いところから近接する高い箇所の最も高い箇所までの水平距離を示しており、200個についてカウントし、その平均値とした。   Here, the pitch in the table indicates the horizontal distance from the highest point of the high part on the surface with a difference in height to the highest part of the adjacent high part, and counts for 200, and the average value did.

その後、集水管に26枚のリーフ状物をスパイラル状に巻き付けた分離膜エレメントを作製し、外周にフィルムを巻き付け、テープで固定した後に、エッジカット、端板取りつけ、フィラメントワインディングを行い、8インチエレメントを作製した。該エレメントを圧力容器に入れて、原水500mg/L食塩、運転圧力0.75MPa、運転温度25℃、pH7で運転(回収率15%)した際の性能を表2にまとめた。   After that, a separation membrane element was produced by spirally winding 26 leaf-like objects around a water collection pipe, and a film was wound around the outer periphery, fixed with tape, edge cut, end plate attachment, filament winding, and 8 inches. An element was produced. Table 2 shows the performance when the element was placed in a pressure vessel and operated at a raw water of 500 mg / L sodium chloride, an operating pressure of 0.75 MPa, an operating temperature of 25 ° C., and a pH of 7 (recovery rate of 15%).

成形をせずに、ネット(厚み:900μm、ピッチ:3mm×3mm)を供給側流路材、トリコット(厚み:300μm、溝幅:200μm、畦幅:300μm、溝深さ:105μm)を透過側流路材として用いた比較例1(従来型分離膜エレメント)と比べて除去率、造水量共に低下したが、凹凸膜のみから構成される比較例2と比べて除去率、造水量共に増加した。比較例2では、菱形のエンボス成形を分離膜表面全体に行ったところ、エレメント内での分離膜のずれにより、流路断面が一部狭くなった影響で膜が傷つき、大きく除去率、造水量が悪化したと考えられる。   Without molding, net (thickness: 900 μm, pitch: 3 mm × 3 mm) is supplied side flow path material, tricot (thickness: 300 μm, groove width: 200 μm, ridge width: 300 μm, groove depth: 105 μm) permeate side Although both the removal rate and the amount of fresh water were reduced as compared with Comparative Example 1 (conventional separation membrane element) used as the channel material, both the removal rate and the amount of fresh water were increased as compared with Comparative Example 2 composed only of the uneven membrane. . In Comparative Example 2, when rhombus embossing was performed on the entire surface of the separation membrane, the membrane was damaged due to the effect of a partial narrowing of the cross-section of the flow path due to the separation membrane separation within the element, resulting in a large removal rate and water production amount. Seems to have deteriorated.

Figure 2012055817
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Figure 2012055817
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(実施例2〜5)
実施例2では、第2分離膜の凹凸部分の形状をネット状にしたところ、表2に示すように除去率、造水量共に優れる結果となった。
(Examples 2 to 5)
In Example 2, when the shape of the concavo-convex portion of the second separation membrane was made into a net shape, as shown in Table 2, both the removal rate and the amount of fresh water were excellent.

実施例3では、実施例2と同じ形状で第2分離膜の高低差を大きくしたところ、実施例2に対し造水量が向上する一方で、やや除去率が低下する結果となった。   In Example 3, when the height difference of the 2nd separation membrane was enlarged with the same shape as Example 2, while the amount of fresh water was improved with respect to Example 2, it resulted in a somewhat reduced removal rate.

実施例4では、実施例1の第2分離膜の高低差、形状等を変更したところ、造水量がやや増加した。   In Example 4, when the height difference, shape, and the like of the second separation membrane of Example 1 were changed, the amount of water produced was slightly increased.

実施例5では、実施例1の第2分離膜の形状等を変更したところ、除去率、造水量共に増加した。   In Example 5, when the shape and the like of the second separation membrane of Example 1 were changed, both the removal rate and the amount of fresh water increased.

(比較例3、4)
第2分離膜の高低差を本願発明の範囲外にした結果、流路形成能に劣り、大きく性能が低下した。
(Comparative Examples 3 and 4)
As a result of making the height difference of the second separation membrane out of the scope of the present invention, the flow path forming ability was inferior and the performance was greatly reduced.

以上のように、本願発明の分離膜エレメントは、流路材を省略できることに加え、高造水性能、安定運転、優れた除去性能を有している。   As described above, the separation membrane element of the present invention has high freshness performance, stable operation, and excellent removal performance in addition to the omission of the flow path material.

本発明の分離膜エレメントは、特に、かん水や海水の脱塩に好適に用いることができる。   The separation membrane element of the present invention can be particularly suitably used for brine or seawater desalination.

1:第1分離膜
2:第2分離膜
3:供給流体側
4:透過流体側
H0:表面の高低差(=H1+H2)
H1:供給流体側の凸部の高さ
H2:透過流体側の凸部の高さ
1: First separation membrane 2: Second separation membrane 3: Supply fluid side 4: Permeate fluid side H0: Difference in surface height (= H1 + H2)
H1: Height of convex part on supply fluid side H2: Height of convex part on permeate fluid side

Claims (1)

表面の高低差が50μm以下の第1分離膜と、表面の高低差が100μm以上2000μm以下の第2分離膜が交互に配置されていることを特徴とする分離膜エレメント。   A separation membrane element, wherein a first separation membrane having a surface height difference of 50 μm or less and a second separation membrane having a surface height difference of 100 μm or more and 2000 μm or less are alternately arranged.
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