JP2015036129A - 樹脂組成物、炭酸ガス分離膜、炭酸ガス分離膜モジュール及び炭酸ガス分離装置 - Google Patents
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Abstract
Description
〔1〕吸水性ポリマー、アルカリ金属系炭酸ガスキャリア及びアミン系炭酸ガスキャリアを含む樹脂組成物であって、下記要件(1)〜(3)の全てを満たす樹脂組成物。
(1)前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマーの含有量に対して120質量%以上であること。
(2)前記アミン系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマー及び前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの合計含有量に対して0.5〜100質量%であること。
(3)前記アミン系炭酸ガスキャリアとして、アミン系炭酸ガスキャリア5×10−3molを水20mlに溶解させて得られる水溶液のpHが11.0以上となるアミン系炭酸ガスキャリアを用いること。
〔2〕前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩又はアルカリ金属水酸化物である請求項1記載の樹脂組成物。
〔3〕前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、アルカリ金属炭酸塩又はアルカリ金属炭酸水素塩である請求項1記載の樹脂組成物。
〔4〕前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、炭酸セシウム、炭酸水素セシウム、炭酸ルビジウム又は炭酸水素ルビジウムである請求項1記載の樹脂組成物。
〔5〕前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、炭酸セシウムである請求項1記載の樹脂組成物。
〔6〕前記アミン系炭酸ガスキャリアが、2−アミノイソ酪酸ナトリウムケン化物、ヒスタミン又はピペラジンである請求項1から5のいずれか一項記載の樹脂組成物。
〔7〕前記アミン系炭酸ガスキャリアが、ピペラジンである請求項1から5のいずれか一項記載の樹脂組成物。
〔8〕請求項1から7のいずれか一項記載の樹脂組成物と、多孔膜とを用いてなる炭酸ガス分離膜。
〔9〕pHが9.80以上である請求項8記載の炭酸ガス分離膜。
〔10〕吸水性ポリマー、アルカリ金属系炭酸ガスキャリア及びアミン系炭酸ガスキャリアを含む樹脂組成物層であって、下記要件(1)及び(2)を満たす樹脂組成物層と、多孔質膜とを有し、pHが9.80以上である炭酸ガス分離膜。
(1)前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマーの含有量に対して120質量%以上であること。
(2)前記アミン系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマー及び前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの合計含有量に対して0.5〜100質量%であること。
〔11〕pHが9.80以上である請求項8〜10のいずれか一項記載の炭酸ガス分離膜。
〔12〕請求項9〜11のいずれか一項記載の炭酸ガス分離膜を有する炭酸ガス分離膜モジュール。
〔13〕請求項12記載の炭酸ガス分離膜モジュールを少なくとも一種含む炭酸ガス分離装置。
本発明で用いられる吸水性ポリマーは、親水基を有し、且つ、三次元網目構造を有するものであり、水を内包して膨潤体となるものを表す。吸水性ポリマーは、架橋構造を有する高分子、すなわち、架橋高分子であることが好ましい。該架橋は架橋剤を用いて化学反応により形成されたものでもよいし、物理的な相互作用によって形成されたものでもよい。
本発明で用いられるアルカリ金属系炭酸ガスキャリアとは、炭酸ガスと可逆的に反応するアルカリ金属化合物である。炭酸ガスと、アルカリ金属系炭酸ガスキャリアとの可逆的な反応としては、例えば、水の存在下において、下記反応式(1)で表されるような反応があげられる。
アミン系炭酸ガスキャリアとは、炭酸ガスと可逆的に反応するアミン化合物である。炭酸ガスと、アミン系炭酸ガスキャリアとの可逆的な反応としては、アミン系炭酸ガスキャリアが1級又は2級アミンである場合、例えば、下記反応式(2)、(3)及び(4)で表される反応からなる群より選ばれる1種以上の反応があげられ、アミン系炭酸ガスキャリアが3級アミンである場合、例えば下記反応式(5)で表される反応があげられる。なお、式中のR、R’、R’’はそれぞれ同一又は異なる一価の基を表し、それぞれ連結して環を形成していてもよい。
A:アルカリ金属系炭酸ガスキャリアと、アミン系炭酸ガスキャリアと、吸水性ポリマーとを混合する工程
本発明の炭酸ガス分離膜は、上記本発明の樹脂組成物が多孔膜に担持されている。
A:アルカリ金属系炭酸ガスキャリアと、アミン系炭酸ガスキャリアと、吸水性ポリマーとを混合して樹脂組成物を得る工程
B:樹脂組成物を多孔膜に塗布する工程
C:塗布後の組成物を乾燥させて組成物層を形成する工程
D:組成物層を熱処理する工程
本発明の炭酸ガス分離膜は炭酸ガス分離膜モジュールとすることができる。また、本発明の炭酸ガス分離装置は、炭酸ガス分離膜又は炭酸ガス分離膜モジュールを含み、炭酸ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有する。
ガス透過測定装置(GTRテック(株)製、型式:GTR−30XAF3SC)を用いて、等圧法にて二酸化炭素透過係数[mol/m2/sec/kPa]を測定した。炭酸ガス分離膜を挟むセルの温度は80℃に設定した。供給側には炭酸ガスを流し、透過側にはアルゴンガスを流した。供給・透過側のそれぞれのガスは、70℃に加熱したバブラーを通して加湿した。炭酸ガス、アルゴンガスの流量はそれぞれ20cc/minに設定した。背圧は供給側、透過側共に0kPaGとした。
ガス透過測定装置(GTRテック(株)製、型式:GTR−30XAF3SC)を用いて、等圧法にてヘリウム透過係数[mol/m2/sec/kPa]を測定した。炭酸ガス分離膜を挟むセルの温度は80℃に設定した。供給側にはヘリウムガスを流し、透過側にはアルゴンガスを流した。供給・透過側のそれぞれのガスは、70℃に過熱したバブラーを通して加湿した。ヘリウムガス、アルゴンガスの流量はそれぞれ20cc/minに設定した。背圧は供給側、透過側共に0kPaGとした。得られたヘリウム透過係数と二酸化炭素透過係数を用いて、下記式より選択率を得た。
(選択率[-])=(二酸化炭素透過係数[mol/m2/sec/kPa])/(ヘリウム透過係数[mol/m2/sec/kPa])
アミン系炭酸ガスキャリアのpHは、25℃の環境下で、該アミン系炭酸ガスキャリア5×10−3molを水20mlに溶解させて得られた水溶液にpHメータ(本体:HORIBA製pHメータ、D−51 電極:HORIBA製フラット型pH複合電極、6261−10C)の電極を浸して測定した。1回測定するごとに電極を超純水で洗浄し、計3回測定を行い、これらの平均値を樹脂組成物のpHとした。なお、測定前にはpH7の校正用緩衝液(YOKOGAWA製)とpH9の校正用緩衝液(YOKOGAWA製)を使った2点校正を行った。
炭酸ガス分離膜のpHは、25℃の環境下で、炭酸ガス分離膜の、樹脂組成物が担持されている面に0.1ml水を滴下し、滴下した超純水に膜面pHメータ(本体:HORIBA製pHメータ、D−51 電極:HORIBA製フラット型pH複合電極、6261−10C)の電極を押し付けて測定した。1回測定するごとに電極を超純水で洗浄し、計3回測定を行い、これらの平均値を樹脂組成物のpHとした。なお、測定前にはpH7の校正用緩衝液(YOKOGAWA製)とpH9の校正用緩衝液(YOKOGAWA製)を使った2点校正を行った。
撹拌機、温度計、N2ガス導入管、還流冷却機及び滴下ロートを備えた容量2Lの反応槽に、水768g及び無水硫酸ナトリウム12gを仕込み、N2ガスで系内を置換した。続いて部分鹸化ポリビニルアルコール(鹸化度88%)1g及びラウリルパーオキシド1gを仕込み内温60℃まで昇温した後、アクリル酸メチル104g(1.209mol)及び酢酸ビニル155g(1.802mol)の単量体を滴下ロートにより、それぞれ同時に4時間かけて適下した。適下中は、撹拌回転数600rpmにて内温を60℃に保持した。滴下終了後、さらに内温65℃で2時間攪拌した後、得られた混合物を遠心分離により脱水し、酢酸ビニル−アクリル酸メチル共重合体288g(10.4重量%含水)を得た。
撹拌機、温度計、N2ガス導入管、還流冷却機及び滴下ロートを備えた容量2Lの反応槽に、メタノール500g、水410g、水酸化セシウム一水和物554.2g(3.3mol)及び合成例1で得られた酢酸ビニル−アクリル酸メチル共重合体288g(10.4重量%含水)を仕込み、400rpmの撹拌下で30℃、3時間鹸化反応を行った。鹸化反応終了後、得られた反応混合物を600gのメタノールで3回洗浄、濾過し、70℃で6時間乾燥させることにより、ビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体308gを得た。
該ビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体308gを、ジェットミル(日本ニューマチック工業社製LJ)により粉砕し、微粉末状のビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体280gを得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)9.34gに水166.7gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム19.7g、ピペラジン2.64g、イソプロピルアルコール4.27gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物1を得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)5.11gに水91.12gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム10.77g、ピペラジン5.77g、イソプロピルアルコール2.33gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物2を得た。
150gの水をナスフラスコ300mlに入れ、水酸化ナトリウム3.52gを室温で溶解させ、発熱状態を確認しながら、2−アミノイソ酪酸(東京化成工業製 製品コード:A0323)9.05gを少量ずつ加えた。完全に溶解している事を確認し、攪拌子で室温で1h攪拌した後、エバポレータで水を留去し、2−アミノイソ酪酸ナトリウムケン化物を得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)1.81gに水32.23gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム3.82g、実施例4で得られた2−アミノイソ酪酸ナトリウムケン化物0.74g、イソプロピルアルコール0.83gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物3を得た。
実施例1で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物1を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−60、膜厚60μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜1を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは32μmであった。
実施例2で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物2を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜2を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは39μmであった
実施例3で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物3を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜3を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは37μmであった。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)9.34gに水166.7gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム19.7g、イソプロピルアルコール4.27gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物4を得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)9.34gに水166.6gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム19.7g、ピペラジン0.132g、イソプロピルアルコール4.27gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物5を得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)2.80gに水50.03gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム5.91g、2−アミノイソ酪酸3.79g、イソプロピルアルコール1.28gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物6を得た。
合成例2で得られたビニルアルコール−アクリル酸セシウム共重合体(ビニルアルコールに由来する構造単位:アクリル酸セシウムに由来する構造単位=60mol%:40mol%)3.27gに水58.34gを加えて室温で攪拌した後、炭酸セシウム3.45g、ピペラジン0.92g、イソプロピルアルコール1.49gを加えて室温で一昼夜攪拌して炭酸ガス分離膜用樹脂組成物7を得た。
比較例1で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物4を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜4を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは29μmであった。
比較例2で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物5を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜5を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは32μmであった。
比較例3で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物5を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜6を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは59μmであった。
比較例4で得られた炭酸ガス分離膜用樹脂組成物7を、疎水性PTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー製、HP−010−50、膜厚50μm、細孔径0.1μm)の面上に、塗布した。次に、前記樹脂組成物塗布後の親水性PTFE多孔膜を90℃で1時間乾燥させた後、さらに120℃で2時間程度熱架橋させて炭酸ガス分離膜7を得た。乾燥後樹脂組成物層厚みは54μmであった。
Claims (13)
- 吸水性ポリマー、アルカリ金属系炭酸ガスキャリア及びアミン系炭酸ガスキャリアを含む樹脂組成物であって、下記要件(1)〜(3)の全てを満たす樹脂組成物。
(1)前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマーの含有量に対して120質量%以上であること。
(2)前記アミン系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマー及び前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの合計含有量に対して0.5〜100質量%であること。
(3)前記アミン系炭酸ガスキャリアとして、アミン系炭酸ガスキャリア5×10−3molを水20mlに溶解させて得られる水溶液のpHが11.0以上となるアミン系炭酸ガスキャリアを用いること。 - 前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩又はアルカリ金属水酸化物である請求項1記載の樹脂組成物。
- 前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、アルカリ金属炭酸塩又はアルカリ金属炭酸水素塩である請求項1記載の樹脂組成物。
- 前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、炭酸セシウム、炭酸水素セシウム、炭酸ルビジウム又は炭酸水素ルビジウムである請求項1記載の樹脂組成物。
- 前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアが、炭酸セシウムである請求項1記載の樹脂組成物。
- 前記アミン系炭酸ガスキャリアが、2−アミノイソ酪酸ナトリウムケン化物、ヒスタミン又はピペラジンである請求項1から5のいずれか一項記載の樹脂組成物。
- 前記アミン系炭酸ガスキャリアが、ピペラジンである請求項1から5のいずれか一項記載の樹脂組成物。
- 請求項1から7のいずれか一項記載の樹脂組成物と、多孔膜とを用いてなる炭酸ガス分離膜。
- pHが9.80以上である請求項8記載の炭酸ガス分離膜。
- 吸水性ポリマー、アルカリ金属系炭酸ガスキャリア及びアミン系炭酸ガスキャリアを含む樹脂組成物層であって、下記要件(1)及び(2)を満たす樹脂組成物層と、多孔質膜とを有し、pHが9.80以上である炭酸ガス分離膜。
(1)前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマーの含有量に対して120質量%以上であること。
(2)前記アミン系炭酸ガスキャリアの含有量が、前記吸水性ポリマー及び前記アルカリ金属系炭酸ガスキャリアの合計含有量に対して0.5〜100質量%であること。 - pHが9.80以上である請求項8〜10のいずれか一項記載の炭酸ガス分離膜。
- 請求項9〜11のいずれか一項記載の炭酸ガス分離膜を有する炭酸ガス分離膜モジュール。
- 請求項12記載の炭酸ガス分離膜モジュールを少なくとも一種含む炭酸ガス分離装置。
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