JP2018039003A - Composite semipermeable membrane and production method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液状混合物の選択的分離に有用な複合半透膜およびその製造方法に関する。本発明によって得られる複合半透膜は、例えば海水やかん水の淡水化に好適に用いることができる。 The present invention relates to a composite semipermeable membrane useful for selective separation of a liquid mixture and a method for producing the same. The composite semipermeable membrane obtained by the present invention can be suitably used for desalination of seawater and brine, for example.
混合物の分離に関して、溶媒(例えば水)に溶解した物質(例えば塩類)を除くための技術には様々なものがあるが、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膜分離法の利用が拡大している。膜分離法に使用される膜には、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などがあり、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、排水処理、有価物の回収などに用いられている。 Regarding the separation of mixtures, there are various techniques for removing substances (eg, salts) dissolved in a solvent (eg, water), but in recent years, the use of membrane separation methods has expanded as a process for saving energy and resources. doing. Membranes used in membrane separation methods include microfiltration membranes, ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes, and reverse osmosis membranes. These membranes can be used for beverages such as seawater, brine, and water containing harmful substances. It is used to obtain water, to manufacture industrial ultrapure water, to treat wastewater, to recover valuable materials.
特許文献1には、不織布と、微細孔層と、分離機能層とを備える半透膜が開示されている。特許文献1において、微細孔層は、200nm以下の径の細孔を有するA層と、200nm以上の径の細孔を有するB層の2層を有する。また、A層の厚さが2μm以上、B層の厚さが8μm以上で、かつA層とB層の厚さの合計に対するA層の厚さの割合Xが20%以上である。 Patent Document 1 discloses a semipermeable membrane including a nonwoven fabric, a microporous layer, and a separation functional layer. In Patent Document 1, the microporous layer has two layers, an A layer having pores with a diameter of 200 nm or less and a B layer having pores with a diameter of 200 nm or more. Further, the thickness of the A layer is 2 μm or more, the thickness of the B layer is 8 μm or more, and the ratio X of the thickness of the A layer to the total thickness of the A layer and the B layer is 20% or more.
特許文献2には、均質スキン層と、均質スキン層と同一素材からなり前記均質スキン層より厚い多孔質層が連続構造を形成しているポリイミド系樹脂系半透膜が開示されている。特許文献2において、均質スキン層部の平均厚さは5nm〜1000nm、多孔質層におけるボイド構造の平均孔径は3μm未満である。
これまで提案されてきた複合半透膜では、特に高圧付加運転時において、透水性が低下することがある。本発明の目的は、高圧付加運転時でも透水性を維持することのできる複合半透膜を提供することにある。 With the composite semipermeable membranes that have been proposed so far, the water permeability may decrease, particularly during high pressure application operation. An object of the present invention is to provide a composite semipermeable membrane capable of maintaining water permeability even during high pressure addition operation.
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成をとる。
(1)基材と、前記基材上に設けられた多孔質支持体と、前記多孔質支持体上に設けられた分離機能層とを備える複合半透膜であって、
前記多孔質支持体は、前記分離機能層に接する緻密層と、前記緻密層と前記基材との間に位置するマクロボイド層とを備え、
前記緻密層に含まれる孔の長径は0.5μm未満であり、
前記緻密層の厚みは0.5μm以上5μm以下であり、
前記マクロボイド層において、前記緻密層との界面から5μm入った位置で、前記複合半透膜の面方向において、幅が0.5μm以上5μm以下であるマクロボイドが、0.2個/μm以上1.8個/μm以下存在する、
複合半透膜。
(2)前記多孔質支持体の厚みが10μm以上100μm以下であることを特徴とする(1)に記載の複合半透膜。
(3)前記多孔質支持体は、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリ塩化ビニルあるいは塩素化塩化ビニルからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含有する(1)または(2)に記載の複合半透膜。
(4)
(a)樹脂を良溶媒に溶解させた樹脂溶液を、基材上に配置する工程、
(b)前記前記樹脂の非溶媒と良溶媒とを含有する凝固液中で前記樹脂を凝固させることで多孔質支持体を得る工程、
(c)前記多孔質支持体上に分離機能層を形成する工程
を備える複合半透膜の製造方法。
(5)前記凝固浴の温度が5〜50℃の範囲内であり、かつ、前記凝固浴が良溶媒を0.5〜50重量%含有することを特徴とする(4)に記載の複合半透膜の製造方法。
(6)前記凝固浴が、前記良溶媒として、アミド、低級アルキルケトン、エステルおよびラクトンからなる群より選択される2種以上の溶媒を含有する(4)または(5)に記載の複合半透膜の製造方法。
(7)前記凝固浴は、前記良溶媒として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、テトラメチル尿素(THU)・N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)・N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)・N,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)、N,N−ジイソプロピルイソブチルアミド、N,N−ビス(2−エチルヘキシル)イソブチルアミド;アセトン・メチルエチルケトン(MEK);リン酸トリメチル;およびγ−ブチロラクトンからなる群より選択される2種以上の溶媒を含有する(6)に記載の複合半透膜の製造方法
To achieve the above object, the present invention has the following configuration.
(1) A composite semipermeable membrane comprising a substrate, a porous support provided on the substrate, and a separation functional layer provided on the porous support,
The porous support comprises a dense layer in contact with the separation functional layer, and a macrovoid layer located between the dense layer and the base material,
The major axis of the holes contained in the dense layer is less than 0.5 μm;
The dense layer has a thickness of 0.5 μm or more and 5 μm or less,
In the macro void layer, the number of macro voids having a width of 0.5 μm or more and 5 μm or less in the plane direction of the composite semipermeable membrane at a position 5 μm from the interface with the dense layer is 0.2 / μm or more. 1.8 pieces / μm or less,
Composite semipermeable membrane.
(2) The composite semipermeable membrane according to (1), wherein the porous support has a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less.
(3) The porous support is made of polysulfone, polyacrylonitrile, polyamide, polyester, polyvinyl alcohol, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, polyvinyl chloride or chlorinated. The composite semipermeable membrane according to (1) or (2), which contains at least one resin selected from the group consisting of vinyl chloride.
(4)
(A) placing a resin solution in which a resin is dissolved in a good solvent on a substrate;
(B) a step of obtaining a porous support by coagulating the resin in a coagulating liquid containing a non-solvent of the resin and a good solvent;
(C) A method for producing a composite semipermeable membrane comprising a step of forming a separation functional layer on the porous support.
(5) The temperature of the coagulation bath is in the range of 5 to 50 ° C., and the coagulation bath contains 0.5 to 50% by weight of a good solvent. A method for producing a permeable membrane.
(6) The composite semipermeable material according to (4) or (5), wherein the coagulation bath contains two or more solvents selected from the group consisting of amides, lower alkyl ketones, esters and lactones as the good solvent. A method for producing a membrane.
(7) The coagulation bath contains N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetramethylurea (THU) .N, N-dimethylacetamide (DMAc) as the good solvent. ) · N, N-dimethylformamide (DMF) · N, N-dimethylisobutyramide (DMIB), N, N-diisopropylisobutyramide, N, N-bis (2-ethylhexyl) isobutyramide; Acetone methyl ethyl ketone (MEK) A method for producing a composite semipermeable membrane according to (6), which comprises two or more solvents selected from the group consisting of: trimethyl phosphate; and γ-butyrolactone
本発明の複合半透膜において、多孔質支持体におけるマクロボイドの大きさおよび数が特定の範囲に規定されることで、高圧付加運転での多孔質支持体の厚み変化が抑制され、その結果、透水性が維持される。 In the composite semipermeable membrane of the present invention, the size and number of macrovoids in the porous support are regulated within a specific range, so that the thickness change of the porous support in the high pressure addition operation is suppressed, and as a result , Water permeability is maintained.
1.複合半透膜
本実施形態の複合半透膜1は、支持膜2と分離機能層5とを備える。支持膜2は、基材3と、基材3上に設けられた多孔質支持体4とを備える。
1. Composite Semipermeable Membrane The composite semipermeable membrane 1 of the present embodiment includes a
(1−1)基材
基材は、分離膜に強度を与える役割を担う。基材は水を通すように多孔性であることが好ましい。具体的には、基材としては、ポリエステル系重合体、ポリアミド系重合体、ポリオレフィン系重合体、あるいはこれらの混合物や共重合体等のポリマーを材料とした布帛が挙げられる。より優れた機械的強度、耐熱性、耐水性等を有する多孔質支持体を得ることができることから、ポリエステル系重合体が好ましい。
(1-1) Base material The base material plays a role of giving strength to the separation membrane. The substrate is preferably porous so that water can pass through. Specifically, examples of the base material include a fabric made of a polymer such as a polyester polymer, a polyamide polymer, a polyolefin polymer, or a mixture or copolymer thereof. A polyester-based polymer is preferable because a porous support having better mechanical strength, heat resistance, water resistance, and the like can be obtained.
ポリエステル系重合体とは、酸成分とアルコール成分からなるポリエステルである。酸成分としては、テレフタル酸、イソフタル酸およびフタル酸などの芳香族カルボン酸、アジピン酸やセバシン酸などの脂肪族ジカルボン酸、およびシクロヘキサンカルボン酸等の脂環族ジカルボン酸などを用いることができる。また、アルコール成分としては、エチレングリコール、ジエチレングリコールおよびポリエチレングリコールなどを用いることができる。 The polyester polymer is a polyester composed of an acid component and an alcohol component. Examples of the acid component include aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, isophthalic acid and phthalic acid, aliphatic dicarboxylic acids such as adipic acid and sebacic acid, and alicyclic dicarboxylic acids such as cyclohexanecarboxylic acid. Further, as the alcohol component, ethylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, or the like can be used.
ポリエステル系重合体の例としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリ乳酸樹脂およびポリブチレンサクシネート樹脂等が挙げられ、またこれらの樹脂の共重合体も挙げられる。 Examples of the polyester polymer include polyethylene terephthalate resin, polybutylene terephthalate resin, polytrimethylene terephthalate resin, polyethylene naphthalate resin, polylactic acid resin, and polybutylene succinate resin. Examples include coalescence.
布帛としては不織布が好ましく用いられる。不織布としては、長繊維不織布および短繊維不織布が挙げられる。長繊維不織布は基材には高分子重合体の溶液を流延した際の浸透性に優れ、多孔質支持体が剥離すること、さらには基材の毛羽立ち等により複合半透膜が不均一化すること、及びピンホール等の欠点が生じることを抑制できる。また、基材が熱可塑性連続フィラメントより構成される長繊維不織布からなることにより、短繊維不織布を用いたときに起こる、毛羽立ちによって生じる熱可塑性樹脂溶液流延時の不均一化や、膜欠点を抑制することができる。また、複合半透膜の連続製膜においては、製膜方向に対し張力がかけられることからも、基材にはより寸法安定性に優れる長繊維不織布を用いることが好ましい。 Nonwoven fabric is preferably used as the fabric. Nonwoven fabrics include long fiber nonwoven fabrics and short fiber nonwoven fabrics. The long fiber nonwoven fabric has excellent permeability when casting a polymer solution on the base material, the porous support peels off, and the composite semipermeable membrane becomes non-uniform due to fluffing of the base material. And the occurrence of defects such as pinholes can be suppressed. In addition, since the base material is made of a long-fiber nonwoven fabric composed of thermoplastic continuous filaments, it suppresses non-uniformity and film defects when casting thermoplastic resin solutions caused by fuzz, which occurs when short-fiber nonwoven fabrics are used. can do. Moreover, in continuous film formation of a composite semipermeable membrane, since the tension | tensile_strength is applied with respect to the film forming direction, it is preferable to use the long-fiber nonwoven fabric which is more excellent in dimensional stability for a base material.
長繊維不織布は、成形性、強度の点で、多孔質支持体側とは反対側の表層における繊維が、多孔質支持体側の表層の繊維よりも縦配向であることが好ましい。そのような構造によれば、強度を保つことで膜破れ等を防ぐ高い効果が実現されるだけでなく、分離機能層に凹凸を付与する際の、多孔質支持体と基材とを含む積層体としての成形性も向上し、分離機能層表面の凹凸形状が安定するので好ましい。より具体的には、長繊維不織布の、多孔質支持体側とは反対側の表層における繊維配向度は、0°〜25°であることが好ましく、また、多孔質支持体側表層における繊維配向度との配向度差が10°〜90°であることが好ましい。 In the long-fiber nonwoven fabric, the fibers in the surface layer on the side opposite to the porous support side are preferably longitudinally oriented as compared with the fibers on the surface layer on the porous support side in terms of moldability and strength. According to such a structure, not only a high effect of preventing film breakage by maintaining strength is realized, but also a lamination including a porous support and a base material when imparting irregularities to the separation functional layer Formability as a body is also improved, and the uneven shape on the surface of the separation functional layer is stabilized, which is preferable. More specifically, the fiber orientation degree in the surface layer on the side opposite to the porous support side of the long-fiber nonwoven fabric is preferably 0 ° to 25 °, and the fiber orientation degree in the porous support side surface layer is The orientation degree difference is preferably 10 ° to 90 °.
分離膜の製造工程やエレメントの製造工程においては加熱する工程が含まれるが、加熱により多孔質支持体または分離機能層が収縮する現象が起きる。特に連続製膜において張力が付与されていない幅方向において顕著である。収縮することにより、寸法安定性等に問題が生じるため、基材としては熱寸法変化率が小さいものが望まれる。基材である不織布において多孔質支持体とは反対側の表層における繊維配向度と多孔質支持体側表層における繊維配向度との差が10°〜90°であると、熱による幅方向の変化を抑制することもでき、好ましい。 The separation membrane manufacturing process and the element manufacturing process include a heating process, but a phenomenon occurs in which the porous support or the separation functional layer contracts due to the heating. This is particularly noticeable in the width direction where no tension is applied in continuous film formation. Since shrinkage causes problems in dimensional stability and the like, a substrate having a small rate of thermal dimensional change is desired. When the difference between the fiber orientation degree in the surface layer opposite to the porous support and the fiber orientation degree in the porous support side surface layer is 10 ° to 90 ° in the nonwoven fabric as the base material, the change in the width direction due to heat is caused. It can also be suppressed, which is preferable.
ここで、繊維配向度とは、基材である不織布の繊維の向きを示す指標であり、連続製膜を行う際の製膜方向を0°とし、製膜方向と直角方向、すなわち基材である不織布の幅方向を90°としたときの、基材である不織布を構成する繊維の平均の角度のことを言う。よって、繊維配向度が0°に近いほど縦配向であり、90°に近いほど横配向であることを示す。 Here, the fiber orientation degree is an index indicating the fiber orientation of the nonwoven fabric as a base material, and the film forming direction when performing continuous film formation is 0 °, and the direction perpendicular to the film forming direction, that is, the base material. It means the average angle of the fibers constituting the non-woven fabric that is the base material when the width direction of the non-woven fabric is 90 °. Accordingly, the closer to 0 ° the fiber orientation, the longer the orientation, and the closer to 90 °, the lateral orientation.
繊維配向度は、基材である不織布からランダムに小片サンプル10個を採取し、該サンプルの表面を走査型電子顕微鏡で100〜1000倍で撮影し、各サンプルから10本ずつ、計100本の繊維について、基材である不織布の長手方向(縦方向、製膜方向)を0°とし、基材である不織布の幅方向(横方向)を90°としたときの角度を測定し、それらの平均値を、小数点以下第一位を四捨五入して繊維配向度として求める。 The degree of fiber orientation was obtained by randomly collecting 10 small sample pieces from a nonwoven fabric as a base material, photographing the surface of the sample with a scanning electron microscope at a magnification of 100 to 1000 times, 10 pieces from each sample, a total of 100 pieces. For the fibers, the angles when the longitudinal direction (longitudinal direction, film forming direction) of the nonwoven fabric that is the base material is 0 ° and the width direction (lateral direction) of the nonwoven fabric that is the base material is 90 ° are measured. The average value is calculated as the fiber orientation by rounding off the first decimal place.
基材の厚みは10〜200μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは30〜150μmの範囲内である。 The thickness of the substrate is preferably in the range of 10 to 200 μm, more preferably in the range of 30 to 150 μm.
(1-2)多孔質支持体
多孔質支持体4は、イオン等の分離性能を実質的に有さず、分離性能を実質的に有する分離機能層に強度を与える。
(1-2) Porous Support The porous support 4 has substantially no separation performance for ions and the like, and gives strength to the separation functional layer having substantially the separation performance.
多孔質支持体4の組成は特に限定されないが、多孔質支持体4は樹脂によって形成され、特に熱可塑性であることが好ましい。ここで、熱可塑性の樹脂とは、鎖状高分子物質からできており、加熱すると外力によって変形または流動する性質が表れる樹脂のことをいう。 The composition of the porous support 4 is not particularly limited, but the porous support 4 is formed of a resin, and is particularly preferably thermoplastic. Here, the thermoplastic resin refers to a resin that is made of a chain polymer substance and exhibits a property of being deformed or fluidized by an external force when heated.
熱可塑性樹脂の例として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系ポリマー、ビニルポリマー、ポリフェニレンスルファイド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンオキシドなどのホモポリマーあるいはコポリマーを単独であるいはブレンドして使用することができる。ここでセルロース系ポリマーとしては酢酸セルロース、硝酸セルロースなど、ビニルポリマーとしてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、塩素化塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどが使用できる。中でもポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリ塩化ビニルあるいは塩素化塩化ビニルが好ましい。 Examples of thermoplastic resins include polysulfones, polyether sulfones, polyamides, polyesters, cellulosic polymers, vinyl polymers, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfones, polyphenylene sulfones, polyphenylene oxides, homopolymers or copolymers, alone or in combination. Can be used. Here, cellulose acetate and cellulose nitrate can be used as the cellulose polymer, and polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, chlorinated vinyl chloride, polyacrylonitrile and the like can be used as the vinyl polymer. Among these, polysulfone, polyacrylonitrile, polyamide, polyester, polyvinyl alcohol, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenyle sulfone, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, polyvinyl chloride or chlorinated vinyl chloride are preferable.
より好ましくは酢酸セルロース、ポリ塩化ビニルあるいは塩素化塩化ビニル、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、またはポリフェニレンスルホンが挙げられ、さらに、これらの素材の中では化学的、機械的、熱的に安定性が高く、成型が容易であることからポリスルホンが一般的に使用できる。多孔質支持体は、これら列挙された化合物を主成分として含有することが好ましい。 More preferably, cellulose acetate, polyvinyl chloride or chlorinated vinyl chloride, polysulfone, polyphenylene sulfide sulfone, or polyphenylene sulfone can be mentioned, and among these materials, chemical, mechanical, and thermal stability is high, Polysulfone can generally be used because it is easy to mold. The porous support preferably contains these listed compounds as a main component.
具体的には、多孔質支持体が次の化学式に示す繰り返し単位を含むポリスルホンを含有すると、孔径が制御しやすく、寸法安定性が高いため好ましい。 Specifically, it is preferable that the porous support contains polysulfone containing a repeating unit represented by the following chemical formula because the pore diameter is easy to control and the dimensional stability is high.
多孔質支持体の厚みは10μm以上100μm以下の範囲内であることが好ましい。 The thickness of the porous support is preferably in the range of 10 μm to 100 μm.
多孔質支持体4は、緻密層40とマクロボイド層41とを備えることが好ましい。
The porous support 4 preferably includes a
緻密層40は、分離機能層5の形成に必要な多官能アミン水溶液を、ポリアミドの重合場(アミン水溶液と多官能酸ハロゲン化物溶液との界面)へ移送する役割を果たす。多官能アミン水溶液を効率的に移送するためには、緻密層40は連続した細孔を有することが好ましい。多孔質支持体の表層(基材と逆側の面)は、重合の場となり、かつ多官能アミン水溶液を保持および放出することで、形成される分離機能層へ多官能アミン水溶液を供給する役割を果たすと共に、分離機能層のひだ成長の起点としての役割も果たす。
The
緻密層40とは、含まれる孔の長径が0.5μm未満である層を指す。また、緻密層に含まれる孔の長径は、0.05μm以上であることが好ましい。緻密層の厚みは0.5μm以上5μm以下であることが好ましい。
The
マクロボイド層41は、0.5μm以上の長径を有する孔42(以下、「マクロボイド」と称する)を含む層である。マクロボイド層41の厚みは、5μm以上95μm以下であることが好ましい
また、マクロボイド層41は、緻密層とマクロボイド層との界面Bから0.1μmの深さの位置で、横方向(膜面方向に平行な方向)において、幅が0.5μm以上5μm以下であるマクロボイドを有し、かつ、これらマクロボイドが、同方向において0.3個/μm以上1.8個/μm個以下存在することが好ましい。マクロボイド層がこれら特定の数値範囲を満たすことで、高圧付加運転時においても多孔質支持体の厚みが維持されるので、透過流速が安定化される。また、多孔質支持体の厚みが維持されることで、膜等の部材がエレメントの端部から飛び出すチャネリングの発生が抑制される。
The macro void layer 41 is a layer including a hole 42 (hereinafter referred to as “macro void”) having a long diameter of 0.5 μm or more. The thickness of the macrovoid layer 41 is preferably not less than 5 μm and not more than 95 μm. Further, the macrovoid layer 41 is positioned at a depth of 0.1 μm from the interface B between the dense layer and the macrovoid layer in the lateral direction (film In the direction parallel to the surface direction) having a macro void with a width of 0.5 μm or more and 5 μm or less, and the number of these macro voids is 0.3 / μm or more and 1.8 / μm or less in the same direction. Preferably it is present. When the macrovoid layer satisfies these specific numerical ranges, the thickness of the porous support is maintained even during high-pressure addition operation, so that the permeation flow rate is stabilized. Further, by maintaining the thickness of the porous support, the occurrence of channeling in which a member such as a membrane jumps out from the end of the element is suppressed.
多孔質支持体が上述の条件を満たすかどうかは、以下のように確認することができる。複合半透膜1を任意の箇所で膜面方向に垂直に切断し、断面を得る。断面の幅は10μm以上とする。この断面を観察し、長径0.5μm以上のボイド(つまりマクロボイド)があれば、そのマクロボイドの外縁のうちで分離機能層に一番近い部分(頂点)と分離機能層5との距離を測定する。複数のボイドが存在する場合は、分離機能層5に最も近いマクロボイド42の頂点と、分離機能層5との距離を測定すればよい。この距離(図1中のA−B間の距離)が緻密層40の厚みである。また、分離機能層5に最も近いマクロボイド42の頂点から基材3までの距離(図1中のB−C間の距離)がマクロボイド層41の厚みである。
Whether the porous support satisfies the above-described conditions can be confirmed as follows. The composite semipermeable membrane 1 is cut perpendicularly to the film surface direction at an arbitrary position to obtain a cross section. The width of the cross section is 10 μm or more. By observing this cross section, if there is a void having a major axis of 0.5 μm or more (that is, macro void), the distance between the portion (vertex) closest to the separation functional layer and the separation functional layer 5 on the outer edge of the macro void is determined. taking measurement. When there are a plurality of voids, the distance between the apex of the
マクロボイド層41と緻密層40との界面Bから、マクロボイド層41の内部に0.1μm入った位置Dにおいて、マクロボイド42の幅を測定する。0.5μm以上5μm以下であるマクロボイドを選択し、これらのマクロボイドの数が、膜の幅に対して、0.2個/μm以上1.8個/μm以下であればよい。
From the interface B between the macrovoid layer 41 and the
さらに、緻密層とマクロボイド層とは連続構造であることが好ましい。「連続構造」とは、緻密層とマクロボイド層との界面にスキン層を形成しない構造を指す。ここでいうスキン層とは高い密度を有する部分を意味する。具体的にはスキン層の表面細孔は1nm以上50nm以下に範囲内にある。 Furthermore, it is preferable that the dense layer and the macrovoid layer have a continuous structure. The “continuous structure” refers to a structure in which no skin layer is formed at the interface between the dense layer and the macrovoid layer. The skin layer here means a portion having a high density. Specifically, the surface pores of the skin layer are in the range of 1 nm to 50 nm.
また、多孔質支持体4の密度は0.3g/cm3以上0.7g/cm3以下であることが好ましく、空隙率は30%以上70%以下であることが好ましい。基材上の多孔質支持層の密度が0.3g/cm3以上であるか、空隙率が30%以上であることで、好適な強度が得られると共に、ポリアミド分離機能層のひだ成長に好適な表面構造を得ることができる。また、基材上の多孔質支持体の密度が0.7g/cm3以下であるか、空隙率が70%以下であることで良好な透水性を得ることができる。 The density of the porous support 4 is preferably 0.3 g / cm 3 or more and 0.7 g / cm 3 or less, and the porosity is preferably 30% or more and 70% or less. When the density of the porous support layer on the substrate is 0.3 g / cm 3 or more or the porosity is 30% or more, suitable strength can be obtained and suitable for the fold growth of the polyamide separation functional layer Surface structure can be obtained. Moreover, favorable water permeability can be obtained because the density of the porous support on the substrate is 0.7 g / cm 3 or less or the porosity is 70% or less.
上記の支持膜2の厚みは、50〜300μmの範囲内にあることが好ましく、60〜250μmの範囲内にあることがより好ましい。
The thickness of the
(1−2)分離機能層
分離機能層5は、複合半透膜において溶質の分離機能を担う層である。分離機能層の組成および厚み等の構成は、複合半透膜の使用目的に合わせて設定される。
(1-2) Separation Functional Layer The separation functional layer 5 is a layer that bears a solute separation function in the composite semipermeable membrane. The composition such as the composition and thickness of the separation functional layer is set in accordance with the intended use of the composite semipermeable membrane.
(ポリアミド製分離機能層)
例えば、分離機能層は、ポリアミドを主成分として含有してもよい。分離機能層を構成するポリアミドは、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。
(Separation functional layer made of polyamide)
For example, the separation functional layer may contain polyamide as a main component. The polyamide constituting the separation functional layer 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.
ポリアミド分離機能層の厚みは、十分な分離性能および透過水量を得るために、通常0.01〜1μmの範囲内が好ましく、0.1〜0.5μmの範囲内がより好ましい。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る。例えば、分離膜を樹脂により包埋し、それを切断することで超薄切片を作製し、得られた切片に染色などの処理を行う。その後、透過型電子顕微鏡により観察することで、厚みの測定が可能である。また、分離機能層がひだ構造を有する場合、多孔質支持体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 polyamide separation functional layer is usually preferably in the range of 0.01 to 1 μm and more preferably in the range of 0.1 to 0.5 μm in order to obtain sufficient separation performance and permeated water amount. The thickness of the separation functional layer can be based on the conventional method for measuring the thickness of the separation membrane. For example, the separation membrane is embedded with resin, and an ultrathin section is prepared by cutting the separation membrane, and the obtained section is subjected to processing such as staining. Thereafter, the thickness can be measured by observing with a transmission electron microscope. Further, when the separation functional layer has a pleat structure, it can be measured at intervals of 50 nm in the cross-sectional length direction of the pleat structure located above the porous support, and the number of pleats can be measured to obtain 20 from the average. it can.
ここで、多官能アミンとは、一分子中に第一級アミノ基及び第二級アミノ基のうち少なくとも一方を2個以上有し、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言う。例えば、2個のアミノ基がオルト位やメタ位、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、一分子中に第一級アミノ基および第二級アミノ基のうち少なくとも一方を2〜4個有する芳香族多官能アミンであることが好ましい。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)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種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合、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 of primary amino groups and secondary amino groups in one molecule, and at least one of the amino groups is a primary amino group. Say an amine. For example, phenylenediamine, xylylenediamine, 1,3,5-triaminobenzene, 1,2,4 in which two amino groups are bonded to the benzene ring in any of the ortho, meta, and para positions. Aromatic polyfunctional amines such as triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine and 4-aminobenzylamine, aliphatic amines such as ethylenediamine and propylenediamine, 1,2-diaminocyclohexane, 1 , 4-diaminocyclohexane, 4-aminopiperidine, 4-aminoethylpiperazine, and other alicyclic polyfunctional amines. Among them, in view of selective separation, permeability, and heat resistance of the membrane, it should be an aromatic polyfunctional amine having 2 to 4 of primary amino groups and secondary amino groups in one molecule. Is preferred. 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 together, 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としては、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としては、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い。また、膜の選択分離性、耐熱性を考慮すると、多官能酸塩化物は一分子中に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より好ましい。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さらに好ましい。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. For example, examples of the trifunctional acid halide include trimesic acid chloride, 1,3,5-cyclohexane tricarboxylic acid trichloride, 1,2,4-cyclobutane tricarboxylic acid trichloride, and the like. Aromatic difunctional acid halides such as biphenyl dicarboxylic acid dichloride, azobenzene dicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, naphthalenedicarboxylic acid chloride, aliphatic bifunctional acid halides such as adipoyl chloride, sebacoyl chloride, Mention may be made of alicyclic bifunctional acid halides such as cyclopentanedicarboxylic acid dichloride, cyclohexanedicarboxylic acid dichloride, and tetrahydrofurandicarboxylic acid dichloride. In consideration of the reactivity with the polyfunctional amine, the polyfunctional acid halide is preferably a polyfunctional acid chloride. In view of selective separation of the membrane and heat resistance, the polyfunctional acid chloride is more preferably a polyfunctional aromatic acid chloride having 2 to 4 carbonyl chloride groups in one molecule. Among these, 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.
(有機−無機ハイブリッド分離機能層)
また、分離機能層は、Si元素などを有する有機−無機ハイブリッド構造を有してもよい。有機無機ハイブリッド構造を有する分離機能層は、例えば、以下の化合物(A)、(B):
(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)前記化合物(A)以外の化合物であってエチレン性不飽和基を有する化合物
を含有することができる。具体的には、分離機能層は、化合物(A)の加水分解性基の縮合物ならびに化合物(A)および/または(B)のエチレン性不飽和基の重合物を含有してもよい。すなわち、分離機能層は、
・化合物(A)のみが縮合および/または重合することで形成された重合物、
・化合物(B)のみが重合して形成された重合物、並びに
・化合物(A)と化合物(B)との共重合物
のうちの少なくとも1種の重合物を含有することができる。なお、重合物には縮合物が含まれる。また、化合物(A)と化合物(B)との共重合体中で、化合物(A)は加水分解性基を介して縮合していてもよい。
(Organic-inorganic hybrid separation functional layer)
Further, the separation functional layer may have an organic-inorganic hybrid structure containing Si element or the like. Examples of the separation functional layer having an organic-inorganic hybrid structure include the following compounds (A) and (B):
(A) a silicon compound in which a reactive group and a hydrolyzable group having an ethylenically unsaturated group are directly bonded to a silicon atom, and (B) a compound other than the compound (A) and having an ethylenically unsaturated group Compounds can be included. Specifically, the separation functional layer may contain a condensate of the hydrolyzable group of the compound (A) and a polymer of the ethylenically unsaturated group of the compounds (A) and / or (B). That is, the separation functional layer is
A polymer formed by condensation and / or polymerization of only the compound (A),
-The polymer formed by superposing | polymerizing only a compound (B), and-At least 1 sort (s) of polymer of the copolymer of a compound (A) and a compound (B) can be contained. The polymer includes a condensate. In the copolymer of the compound (A) and the compound (B), the compound (A) may be condensed through a hydrolyzable group.
2.複合半透膜の製造方法
次に、上記複合半透膜の製造方法について説明する。製造方法は、多孔質支持体の形成工程および分離機能層の形成工程を含む。
2. Next, a method for manufacturing the composite semipermeable membrane will be described. The manufacturing method includes a porous support forming step and a separation functional layer forming step.
(2−1)多孔質支持体の形成工程
多孔質支持体の形成工程は、
(a)樹脂を良溶媒に溶解させた樹脂溶液を、基材上に配置する工程、
(b)前記前記樹脂の非溶媒と良溶媒とを含有する凝固液中で前記樹脂を凝固させることで多孔質支持体を得る工程、
を備える。「樹脂」は多孔質支持体の主成分となる材料であり、具体的には上述したとおりである。
(2-1) Porous Support Forming Step The porous support forming step is:
(A) placing a resin solution in which a resin is dissolved in a good solvent on a substrate;
(B) a step of obtaining a porous support by coagulating the resin in a coagulating liquid containing a non-solvent of the resin and a good solvent;
Is provided. The “resin” is a material that is a main component of the porous support, and is specifically as described above.
また、多孔質支持体の形成工程は、多孔質支持体の成分である樹脂を、その樹脂の良溶媒に溶解して樹脂溶液を調製する工程を、さらに含んでいてもよい。
The forming step of the porous support may further include a step of preparing a resin solution by dissolving a resin that is a component of the porous support in a good solvent for the resin.
本発明の良溶媒とは、樹脂を溶解するものである。良溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、テトラメチル尿素(THU)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)・N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)、N,N−ジイソプロピルイソブチルアミド、N,N−ビス(2−エチルヘキシル)イソブチルアミド等のアミド;アセトン、メチルエチルケトン(MEK)等の低級アルキルケトン;リン酸トリメチル等のエステル;γ−ブチロラクトン等のラクトンからなる群より選択される少なくとも1種の溶媒が好ましく用いられる
より好ましくは、良溶媒として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)・N,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)が揚げられ、多孔質支持体を形成する際に流出する溶媒の速度を適切に調整して多孔質支持体の緻密層とボイド層を所望する範囲に調整することができる。
The good solvent of the present invention dissolves the resin. Examples of the good solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetramethylurea (THU), N, N-dimethylacetamide (DMAc) · N, N— Amides such as dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylisobutyramide (DMIB), N, N-diisopropylisobutyramide, N, N-bis (2-ethylhexyl) isobutyramide; lower grades such as acetone and methyl ethyl ketone (MEK) At least one solvent selected from the group consisting of alkyl ketones; esters such as trimethyl phosphate; and lactones such as γ-butyrolactone is preferably used. More preferably, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used as a good solvent. , Methyl sulfoxide (DMSO , N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF) · N, N-dimethylisobutyramide (DMIB) is fried and the rate of the solvent flowing out when forming the porous support is increased. By appropriately adjusting, the dense layer and the void layer of the porous support can be adjusted to a desired range.
例えば、上記ポリスルホンの溶液を、基材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、表面の大部分が直径数1〜30nmの微細な孔を有する多孔質支持体を得ることができる。 For example, a porous support in which most of the surface has fine pores having a diameter of 1 to 30 nm is formed by casting the polysulfone solution on a substrate to a certain thickness and wet coagulating it in water. You can get a body.
工程(a)は、基材に樹脂の溶液を塗布すること、または基材を樹脂の溶液に浸漬することによって実行可能である。 Step (a) can be performed by applying a resin solution to the substrate or immersing the substrate in the resin solution.
基材上への樹脂の溶液の塗布は、種々のコーティング法によって実施できるが、正確な量のコーティング溶液を供給できるダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング等の前計量コーティング法が好ましく適用される。さらに、本発明の多孔質支持体の形成においては、樹脂の溶液を塗布するスリットダイ法がさらに好ましく用いられる。 Application of the resin solution onto the substrate can be carried out by various coating methods, but pre-metering coating methods such as die coating, slide coating, curtain coating and the like that can supply an accurate amount of the coating solution are preferably applied. Furthermore, in the formation of the porous support of the present invention, the slit die method of applying a resin solution is more preferably used.
多孔質支持体を形成する樹脂の溶液が多孔質支持体の材料としてポリスルホンを含有する場合、樹脂の溶液のポリスルホン濃度(すなわち固形分濃度)は、好ましくは15重量%以上であり、より好ましくは17重量%以上である。また、樹脂の溶液のポリスルホン濃度は、好ましくは30重量%以下であり、より好ましくは25重量%以下である。ポリスルホン濃度が16重量%以上であることで、ポリアミド分離機能層を形成する際、相分離によって形成した細孔からアミン水溶液を供給することができる。また、ポリスルホン濃度が30重量%以下であることで、透水性を有する構造を得ることができ、この範囲であれば、複合半透膜の性能および耐久性の観点から好ましい。
樹脂溶液塗布時の樹脂溶液の温度は、ポリスルホンを用いる場合、通常10〜60℃の範囲内で塗布するとよい。この範囲内であれば、樹脂溶液が析出することなく、樹脂を含む有機溶媒溶液が基材の繊維間にまで充分含浸したのち固化される。その結果、含浸により多孔質支持体が基材に強固に接合し、本発明の多孔質支持体を得ることができる。なお、樹脂溶液の好ましい温度範囲は、用いる樹脂溶液の粘度などによって適宜調整すればよい。
When the resin solution forming the porous support contains polysulfone as the material of the porous support, the polysulfone concentration (that is, the solid content concentration) of the resin solution is preferably 15% by weight or more, more preferably It is 17% by weight or more. The polysulfone concentration of the resin solution is preferably 30% by weight or less, and more preferably 25% by weight or less. When the polysulfone concentration is 16% by weight or more, the aqueous amine solution can be supplied from the pores formed by phase separation when the polyamide separation functional layer is formed. Moreover, when the polysulfone concentration is 30% by weight or less, a structure having water permeability can be obtained, and if it is within this range, it is preferable from the viewpoint of the performance and durability of the composite semipermeable membrane.
When using polysulfone, the temperature of the resin solution at the time of application of the resin solution is usually preferably within a range of 10 to 60 ° C. Within this range, the resin solution does not precipitate and is solidified after sufficiently impregnating the organic solvent solution containing the resin between the fibers of the base material. As a result, the porous support is firmly bonded to the substrate by impregnation, and the porous support of the present invention can be obtained. In addition, what is necessary is just to adjust the preferable temperature range of a resin solution suitably with the viscosity etc. of the resin solution to be used.
なお、樹脂溶液が含有する高分子は、適宜、製造する多孔質支持体の強度特性、透過特性、表面特性などの諸特性を勘案して調整することができる。 The polymer contained in the resin solution can be appropriately adjusted in consideration of various characteristics such as strength characteristics, permeability characteristics, and surface characteristics of the porous support to be produced.
なお、樹脂溶液が含有する溶媒は、樹脂の良溶媒であれば同一の溶媒でも、異なる溶媒でもよい。適宜、製造する多孔質支持体の強度特性、樹脂溶液の基材への含浸を勘案して、調整することができる。 The solvent contained in the resin solution may be the same solvent or a different solvent as long as it is a good solvent for the resin. It can be adjusted as appropriate in consideration of the strength characteristics of the porous support to be produced and the impregnation of the resin solution into the substrate.
樹脂の溶媒として、2種類以上の良溶媒の混合溶媒が好ましい。 As the resin solvent, a mixed solvent of two or more good solvents is preferable.
樹脂の良溶媒の混合比はN、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を95:5〜50:50または85:15〜70:30の比率で混合するか、N、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)を90:10〜50:50または80:20〜60:40の比率で混合することが好ましい。N、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の混合比率またはN、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)の混合比率が上記数値範囲を満たすと、多孔質支持層を形成する相分離の際に多孔質支持体から溶媒が流出する速度の差を利用して多孔質支持体に形成される緻密層とボイド層の厚みを調節することができる。 The mixing ratio of the good solvent of the resin is that N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are mixed at a ratio of 95: 5 to 50:50 or 85:15 to 70:30. N, N-dimethylformamide (DMF) and N, N-dimethylisobutyramide (DMIB) are preferably mixed at a ratio of 90:10 to 50:50 or 80:20 to 60:40. The mixing ratio of N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the mixing ratio of N, N-dimethylformamide (DMF) and N, N-dimethylisobutyramide (DMIB) is the above numerical value. When the range is satisfied, the thickness of the dense layer and the void layer formed on the porous support is adjusted by using the difference in the rate of the solvent flowing out from the porous support during the phase separation that forms the porous support layer. can do.
また、樹脂の非溶媒としては、例えば水、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、トリクロルエチレン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、低分子量のポリエチレングリコール等の脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪族アルコール、またはこれらの混合溶媒などが挙げられる。 Examples of the non-solvent for the resin include water, hexane, pentane, benzene, toluene, methanol, ethanol, trichloroethylene, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, pentanediol, hexanediol, and low molecular weight. And an aliphatic hydrocarbon such as polyethylene glycol, an aromatic hydrocarbon, an aliphatic alcohol, or a mixed solvent thereof.
また、上記樹脂溶液は、多孔質支持体の緻密層、ボイド層、孔径、空孔率、親水性、弾性率などを調節するための添加剤を含有してもよい。孔径および空孔率を調節するための添加剤としては、水、アルコール類、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸等の水溶性高分子またはその塩、さらに塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、硝酸リチウム等の無機塩、ホルムアルデヒド、ホルムアミド等が例示されるが、これらに限定されるものではない。親水性や弾性率を調節するための添加剤としては、種々の界面活性剤が挙げられる。 The resin solution may contain an additive for adjusting the dense layer, void layer, pore diameter, porosity, hydrophilicity, elastic modulus and the like of the porous support. Additives for adjusting the pore size and porosity include water, alcohols, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, water-soluble polymers such as polyacrylic acid or salts thereof, lithium chloride, sodium chloride, chloride Examples include inorganic salts such as calcium and lithium nitrate, formaldehyde, formamide and the like, but are not limited thereto. Examples of additives for adjusting hydrophilicity and elastic modulus include various surfactants.
上記のように基材に樹脂溶液を塗布することにより、基材中に樹脂溶液が含浸するが、所定の構造をもつ多孔質支持体を得るためには、樹脂溶液の基材への含浸を制御する必要がある。樹脂溶液の基材への含浸を制御するためには、例えば、基材上に樹脂溶液を塗布した後、凝固浴に浸漬させるまでの時間を制御する方法、或いは樹脂溶液の温度または濃度を制御することにより粘度を調節する方法が挙げられ、これらの方法を組み合わせることも可能である。 By applying the resin solution to the base material as described above, the resin solution is impregnated into the base material. In order to obtain a porous support having a predetermined structure, the base material is impregnated with the resin solution. Need to control. In order to control the impregnation of the resin solution into the base material, for example, a method of controlling the time until the resin solution is applied on the base material and then immersed in the coagulation bath, or the temperature or concentration of the resin solution is controlled. The method of adjusting a viscosity by doing is mentioned, It is also possible to combine these methods.
基材上に樹脂溶液を塗布した後、凝固浴に浸漬させるまでの時間は、通常0.1〜5秒間の範囲であることが好ましい。凝固浴に浸漬するまでの時間がこの範囲であれば、樹脂溶液が基材の繊維間にまで充分含浸したのち固化される。なお、凝固浴に浸漬するまでの時間の好ましい範囲は、用いる樹脂溶液の粘度などによって適宜調節すればよい。 After applying the resin solution on the substrate, the time until the substrate is immersed in the coagulation bath is preferably in the range of usually 0.1 to 5 seconds. If the time until dipping in the coagulation bath is within this range, the resin solution is sufficiently impregnated between the fibers of the base material and then solidified. In addition, what is necessary is just to adjust the preferable range of time until it immerses in a coagulation bath suitably with the viscosity etc. of the resin solution to be used.
凝固浴の液体温度は、好ましくは5〜50℃、より好ましくは10〜30℃の範囲内である。上記上限以下であれば、熱運動による凝固浴面の振動が激化せず、形成後の膜表面の平滑性が良好である。また上記下限以上であれば十分な凝固速度が得られ、製膜性が良好である。 The liquid temperature of the coagulation bath is preferably in the range of 5-50 ° C, more preferably 10-30 ° C. If it is below the above upper limit, the vibration of the coagulation bath surface due to thermal motion does not intensify, and the smoothness of the film surface after formation is good. Moreover, if it is more than the said minimum, sufficient coagulation | solidification rate will be obtained and film forming property will be favorable.
工程(b)では、基材上に配置された樹脂溶液を、溶液中の良溶媒と比較して樹脂の溶解度が小さい凝固浴に浸漬させて樹脂を凝固させることで、三次元網目構造を形成させることができる。 In step (b), the resin solution placed on the substrate is immersed in a coagulation bath having a lower resin solubility than the good solvent in the solution to solidify the resin, thereby forming a three-dimensional network structure. Can be made.
また、凝固浴の中の液体に水等の非溶媒と良溶媒を含有させることで、非溶媒誘起相分離により膜表面に緻密層を形成することが可能となる。 Further, by incorporating a non-solvent such as water and a good solvent into the liquid in the coagulation bath, a dense layer can be formed on the membrane surface by non-solvent induced phase separation.
凝固浴における良溶媒の濃度は、好ましくは0.5重量%以上、5重量%以上、または10重量%以上であり、50重量%以下、または30重量%以下である。 The concentration of the good solvent in the coagulation bath is preferably 0.5% by weight or more, 5% by weight or more, or 10% by weight or more, and 50% by weight or less, or 30% by weight or less.
また、凝固浴における非溶媒の濃度は、好ましくは50重量%以上または70重量%以上であり、好ましくは95重量%以下または90重量%以下である。 The concentration of the non-solvent in the coagulation bath is preferably 50% by weight or more or 70% by weight or more, and preferably 95% by weight or less or 90% by weight or less.
また、凝固浴の中の液体の良溶媒の混合比はN、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を95:5〜50:50または85:15〜70:30の比率で混合するか、N、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)を90:10〜50:50または80:20〜60:40の比率で混合することが好ましい。N、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の混合比率またはN、N−ジメチルホルムアミド(DMF)及びN,N−ジメチルイソブチルアミド(DMIB)の混合比率が上記数値範囲を満たすと、相分離の際に多孔質支持体から溶媒が流出する速度の差を利用して多孔質支持体に形成される緻密層とボイド層の厚みを調節することができる。 The mixing ratio of the liquid good solvent in the coagulation bath is 95: 5 to 50:50 or 85:15 to 70: N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Mix in a ratio of 30 or mix N, N-dimethylformamide (DMF) and N, N-dimethylisobutyramide (DMIB) in a ratio of 90:10 to 50:50 or 80:20 to 60:40. Is preferred. The mixing ratio of N, N-dimethylformamide (DMF) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the mixing ratio of N, N-dimethylformamide (DMF) and N, N-dimethylisobutyramide (DMIB) is the above numerical value. When the range is satisfied, the thicknesses of the dense layer and the void layer formed on the porous support can be adjusted using the difference in the rate at which the solvent flows out of the porous support during the phase separation.
次に、得られた多孔質支持体を、膜中に残存する製膜溶媒を除去するために熱水洗浄することが好ましい。このときの熱水の温度は50〜100℃が好ましく、さらに好ましくは60〜95℃である。この範囲より高いと、多孔質支持体の収縮度が大きくなり、透水性が低下する。逆に、低いと洗浄効果が小さい。 Next, the obtained porous support is preferably washed with hot water in order to remove the film-forming solvent remaining in the membrane. The temperature of the hot water at this time is preferably 50 to 100 ° C, more preferably 60 to 95 ° C. When it is higher than this range, the degree of shrinkage of the porous support increases, and the water permeability decreases. Conversely, if it is low, the cleaning effect is small.
(2−2)分離機能層の形成工程
次に、複合半透膜を構成する分離機能層の形成工程の一例として、ポリアミドを主成分とする層(つまりポリアミド分離機能層)の形成を挙げて説明する。ポリアミド分離機能層の形成工程は、前述の多官能アミンを含有する水溶液と、多官能酸ハロゲン化物を含有する水と非混和性の有機溶媒溶液とを用い、多孔質支持体の表面で界面重縮合を行うことにより、ポリアミド骨格を形成することを含む。
(2-2) Formation process of separation functional layer Next, as an example of the formation process of the separation functional layer constituting the composite semipermeable membrane, formation of a layer mainly composed of polyamide (that is, a polyamide separation functional layer) is given. explain. The step of forming the polyamide separation functional layer uses an aqueous solution containing the above-mentioned polyfunctional amine and an organic solvent solution immiscible with water containing the polyfunctional acid halide, and the interface weight on the surface of the porous support. It includes forming a polyamide skeleton by performing condensation.
多官能アミン水溶液における多官能アミンの濃度は、0.1重量%以上20重量%以下の範囲内であることが好ましく、0.5重量%以上15重量%以下の範囲内であることがより好ましい。この範囲であると、十分な透水性と塩およびホウ素の十分な除去性能を得ることができる。 The concentration of the polyfunctional amine in the polyfunctional amine aqueous solution is preferably in the range of 0.1 wt% to 20 wt%, and more preferably in the range of 0.5 wt% to 15 wt%. . Within this range, sufficient water permeability and sufficient removal performance of salt and boron can be obtained.
多官能アミン水溶液は、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との反応を妨害しないものであれば、界面活性剤や有機溶媒、アルカリ性化合物、酸化防止剤などを含んでいてもよい。界面活性剤には、多孔質支持体表面の濡れ性を向上させ、アミン水溶液と非極性溶媒との間の界面張力を減少させる効果がある。有機溶媒は、界面重縮合反応の触媒として働くことがあるので、有機溶媒の添加により界面重縮合反応を効率よく行える場合がある。 The polyfunctional amine aqueous solution may contain a surfactant, an organic solvent, an alkaline compound, an antioxidant, or the like as long as it does not interfere with the reaction between the polyfunctional amine and the polyfunctional acid halide. The surfactant has the effect of improving the wettability of the porous support surface and reducing the interfacial tension between the aqueous amine solution and the nonpolar solvent. Since the organic solvent may act as a catalyst for the interfacial polycondensation reaction, the interfacial polycondensation reaction may be efficiently performed by adding the organic solvent.
界面重縮合を多孔質支持体上で行うために、まず、上述の多官能アミン水溶液を多孔質支持体に接触させる。接触は、多孔質支持体上に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、多官能アミン水溶液を微多孔性多孔質支持体にコーティングする方法や微多孔性多孔質支持体を多官能アミン水溶液に浸漬する方法を挙げることができる。微多孔性多孔質支持体と多官能アミン水溶液との接触時間は、5秒以上10分以下の範囲内であることが好ましく、10秒以上3分以下の範囲内であるとさらに好ましい。 In order to perform interfacial polycondensation on the porous support, first, the above-mentioned polyfunctional amine aqueous solution is brought into contact with the porous support. The contact is preferably performed uniformly and continuously on the porous support. Specifically, for example, a method of coating a polyfunctional amine aqueous solution on a microporous porous support and a method of immersing the microporous porous support in a polyfunctional amine aqueous solution can be mentioned. The contact time between the microporous porous support and the polyfunctional amine aqueous solution is preferably in the range of 5 seconds to 10 minutes, and more preferably in the range of 10 seconds to 3 minutes.
多官能アミン水溶液を微多孔性多孔質支持体に接触させた後は、膜上に液滴が残らないように十分に液切りする。十分に液切りすることで、複合半透膜形成後に液滴残存部分が欠点となって複合半透膜の除去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、例えば、特開平2−78428号公報に記載されているように、多官能アミン水溶液接触後の微多孔性多孔質支持体を垂直方向に把持して過剰の水溶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気流を吹き付け、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、膜面を乾燥させて水溶液の水分を一部除去することもできる。 After bringing the polyfunctional amine aqueous solution into contact with the microporous porous support, the liquid is sufficiently drained so that no droplets remain on the membrane. By sufficiently draining the liquid, it is possible to prevent the removal performance of the composite semipermeable membrane from being deteriorated due to the remaining portion of the droplet after the formation of the composite semipermeable membrane. As a method for draining, for example, as described in JP-A-2-78428, the microporous porous support after contact with the polyfunctional amine aqueous solution is vertically gripped to remove excess aqueous solution. The method of making it flow down, the method of blowing off air currents, such as nitrogen from an air nozzle, and forcibly draining can be used. In addition, after draining, the membrane surface can be dried to partially remove water from the aqueous solution.
次いで、多官能アミン水溶液接触後の微多孔性多孔質支持体に、多官能酸ハロゲン化物を含む水と非混和性の有機溶媒溶液を接触させ、界面重縮合により架橋ポリアミド分離機能層を形成させる。 Next, a water-immiscible organic solvent solution containing a polyfunctional acid halide is brought into contact with the microporous porous support after contact with the polyfunctional amine aqueous solution, and a crosslinked polyamide separation functional layer is formed by interfacial polycondensation. .
水と非混和性の有機溶媒溶液中の多官能酸ハロゲン化物濃度は、0.01重量%以上10重量%以下の範囲内であると好ましく、0.02重量%以上2.0重量%以下の範囲内であるとさらに好ましい。多官能酸ハロゲン化物濃度が0.01重量%以上であることで十分な反応速度が得られ、また、10重量%以下であることで副反応の発生を抑制することができる。さらに、この有機溶媒溶液にDMFのようなアシル化触媒を含有させると、界面重縮合が促進され、さらに好ましい。 The concentration of the polyfunctional acid halide in the organic solvent solution immiscible with water is preferably in the range of 0.01 wt% to 10 wt%, and preferably 0.02 wt% to 2.0 wt%. More preferably within the range. When the polyfunctional acid halide concentration is 0.01% by weight or more, a sufficient reaction rate can be obtained, and when it is 10% by weight or less, the occurrence of side reactions can be suppressed. Further, it is more preferable to include an acylation catalyst such as DMF in the organic solvent solution, since interfacial polycondensation is promoted.
水と非混和性の有機溶媒は、多官能酸ハロゲン化物を溶解し、微多孔性多孔質支持体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、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどの炭化水素化合物が挙げられる。 The water-immiscible organic solvent preferably dissolves the polyfunctional acid halide and does not destroy the microporous porous support, and is inert to the polyfunctional amine compound and polyfunctional acid halide. Anything is acceptable. Preferable examples include hydrocarbon compounds such as hexane, heptane, octane, nonane and decane.
多官能酸ハロゲン化物を含む有機溶媒溶液を微多孔性多孔質支持体へ接触させる方法は、多官能アミン水溶液を微多孔性多孔質支持体へ被覆する方法と同様に行えばよい。 The method of bringing the organic solvent solution containing the polyfunctional acid halide into contact with the microporous porous support may be performed in the same manner as the method of coating the polyfunctional amine aqueous solution on the microporous porous support.
界面重縮合工程においては、微多孔性多孔質支持体上を架橋ポリアミド薄膜で十分に覆い、かつ、接触させた多官能酸ハロゲン化物を含む水と非混和性の有機溶媒溶液を微多孔性多孔質支持体上に残存させておくことが肝要である。このため、界面重縮合を実施する時間は、0.1秒以上3分以下が好ましく、0.1秒以上1分以下であるとより好ましい。界面重縮合を実施する時間が0.1秒以上3分以下であることで、微多孔性多孔質支持体上を架橋ポリアミド薄膜で十分に覆うことができ、かつ多官能酸ハロゲン化物を含む有機溶媒溶液を微多孔性多孔質支持体上に保持することができる。 In the interfacial polycondensation step, the microporous porous support is sufficiently covered with a crosslinked polyamide thin film, and the water-immiscible organic solvent solution containing the polyfunctional acid halide is brought into contact with the microporous porous substrate. It is important to leave it on the quality support. For this reason, the time for performing the interfacial polycondensation is preferably from 0.1 second to 3 minutes, and more preferably from 0.1 second to 1 minute. When the interfacial polycondensation time is 0.1 seconds or more and 3 minutes or less, the microporous porous support can be sufficiently covered with a crosslinked polyamide thin film, and an organic containing a polyfunctional acid halide The solvent solution can be held on a microporous porous support.
界面重縮合によって微多孔性多孔質支持体上にポリアミド分離機能層を形成した後は、余剰の溶媒を液切りする。液切りの方法は、例えば、膜を垂直方向に把持して過剰の有機溶媒を自然流下して除去する方法を用いることができる。この場合、垂直方向に把持する時間としては、1分以上5分以下であることが好ましく、1分以上3分以下であるとより好ましい。かかる範囲であれば分離機能層が十分に形成され、有機溶媒が過乾燥とならないためポリアミド分離機能層に欠損部が発生せず、十分に高い膜性能が得られる。 After the polyamide separation functional layer is formed on the microporous porous support by interfacial polycondensation, excess solvent is drained. As a method for draining, for example, a method in which a film is held in a vertical direction and excess organic solvent is allowed to flow down and removed can be used. In this case, the time for gripping in the vertical direction is preferably 1 minute or more and 5 minutes or less, and more preferably 1 minute or more and 3 minutes or less. Within such a range, the separation functional layer is sufficiently formed and the organic solvent is not overdried, so that no defective portion is generated in the polyamide separation functional layer, and sufficiently high membrane performance is obtained.
このようにして得られた複合半透膜は、膜中に残存する多官能アミン水溶液を除去するために熱水洗浄する。このときの熱水の温度は30〜100℃が好ましく、さらに好ましくは45〜95℃である。この範囲より高いと、多孔質支持体の収縮度が大きくなり、透水性が低下する。逆に、低いと洗浄効果が小さい。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てもよい。 The composite semipermeable membrane thus obtained is washed with hot water in order to remove the polyfunctional amine aqueous solution remaining in the membrane. The temperature of the hot water at this time is preferably 30 to 100 ° C, more preferably 45 to 95 ° C. When it is higher than this range, the degree of shrinkage of the porous support increases, and the water permeability decreases. Conversely, if it is low, the cleaning effect is small. Furthermore, chemical treatment with chlorine, acid, alkali, nitrous acid, or the like may be performed as necessary to improve separation performance and permeation performance.
上述のハイブリッド構造は、公知の方法で形成可能である。ハイブリッド構造の形成方法の一例は次のとおりである。化合物(A)および化合物(B)を含有する反応液を多孔性支持体に塗布する。余分な反応液を除去した後、加水分解性基を縮合させるためには、加熱処理すればよい。化合物(A)および化合物(B)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、プラズマ照射を行えばよい。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できる。 The hybrid structure described above can be formed by a known method. An example of a method for forming a hybrid structure is as follows. A reaction solution containing the compound (A) and the compound (B) is applied to the porous support. In order to condense the hydrolyzable group after removing the excess reaction solution, heat treatment may be performed. As a polymerization method of the ethylenically unsaturated groups of the compound (A) and the compound (B), heat treatment, electromagnetic wave irradiation, electron beam irradiation, and plasma irradiation may be performed. For the purpose of increasing the polymerization rate, a polymerization initiator, a polymerization accelerator and the like can be added during the formation of the separation functional layer.
なお、ポリアミドおよびハイブリッドのいずれの分離機能層についても、使用前に、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てもよい。 For any separation functional layer of polyamide and hybrid, the surface of the membrane may be hydrophilized with, for example, an alcohol-containing aqueous solution or an alkaline aqueous solution before use.
3.複合半透膜の利用
このようにして製造される複合半透膜は、プラスチックネットなどの原水流路材と、トリコットなどの透過水流路材と、必要に応じて耐圧性を高めるためのフィルムと共に、多数の孔を穿設した筒状の集水管の周りに巻回され、スパイラル型の複合半透膜エレメントを形成することができる。さらに、このエレメントは、直列または並列に接続されて圧力容器に収納されることで、複合半透膜モジュールを構成することもできる。
3. Utilization of composite semipermeable membrane The composite semipermeable membrane manufactured in this way is combined with raw water flow path materials such as plastic nets, permeate flow path materials such as tricot, and a film for enhancing pressure resistance as required. The spiral semi-permeable membrane element can be formed by being wound around a cylindrical water collecting pipe having a large number of holes. Further, this element can be connected in series or in parallel and housed in a pressure vessel to constitute a composite semipermeable membrane module.
また、上記の複合半透膜や複合半透膜エレメント、複合半透膜モジュールは、それらに原水を供給するポンプや、その原水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、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 composite semipermeable membrane, the composite semipermeable membrane element, and the composite semipermeable membrane module described above are combined with a pump that supplies raw water to them, a device that pretreats the raw water, and the like to constitute a fluid separation device. Can do. By using this separation device, 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塩除去性は向上するが、運転に必要なエネルギーも増加すること、また、複合半透膜の耐久性を考慮すると、複合半透膜に被処理水を透過する際の操作圧力は、1.0MPa以上、10MPa以下が好ましい。なお、操作圧力とはいわゆる膜間圧力差(trans membrane pressure)である。供給水温度は、高くなると塩除去性が低下するが、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 better the salt removal, but the energy required for operation also increases, and considering the durability of the composite semipermeable membrane, water to be treated is added to the composite semipermeable membrane. The operating pressure at the time of permeation is preferably 1.0 MPa or more and 10 MPa or less. The operation pressure is a so-called transmembrane pressure. As the feed water temperature increases, the salt removability decreases, but the membrane permeation flux decreases as the supply water temperature decreases, so that the feed water temperature is preferably 5 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. 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.
複合半透膜によって処理される原水としては、海水、かん水、排水等の500mg/リットル〜100g/リットルのTDS(TotalDissolvedSolids: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」で表されるか、1リットルを1kgと見なして「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から換算する。 Examples of raw water to be treated by the composite semipermeable membrane include liquid mixtures containing TDS (Total Dissolved Solids) of 500 mg / liter to 100 g / liter, such as seawater, brine, and drainage. Generally, TDS refers to the total amount of dissolved solids and is expressed as “mass ÷ volume” or expressed as “weight ratio” by regarding 1 liter as 1 kg. According to the definition, the solution filtered with 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 content.
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。
<緻密層の厚みおよびボイドの大きさ測定>
緻密層の厚みおよびボイドの大きさ測定は、多孔質支持体をランダムに小片サンプル10個の試料切片を切り出した。
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.
<Measurement of dense layer thickness and void size>
To measure the thickness of the dense layer and the size of the voids, 10 pieces of small piece samples were cut out at random from the porous support.
試料切片を走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡で多孔質支持体の断面の表層から基材との境界までを観察することによって、多孔質支持体の緻密層とボイド層およびボイドの大きさを求めることができる。例えば走査型電子顕微鏡の断面写真の場合は、膜サンプルを液体窒素に浸漬して凍結させたものを、製膜原液を流延させた方向に対して垂直に割断して乾燥させた後、膜断面に白金/パラジウムまたは四酸化ルテニウム、好ましくは四酸化ルテニウムを薄くコーティングして1〜6kV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)にて観察する。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。最適な観察倍率は、多孔質支持体の表面から基材表面までの膜断面全体が観察できる倍率であればよいが、例えば多孔質支持体の膜厚が50μmであれば、1,000〜10,000が好ましい。得られた電子顕微鏡写真から観察倍率を考慮して多孔質支持体の厚みをスケールなどで直接測ることが出来る。 By observing the sample section from the surface layer of the cross section of the porous support to the boundary with the substrate with a scanning electron microscope or transmission electron microscope, the size of the dense layer, void layer and void of the porous support can be determined. Can be sought. For example, in the case of a cross-sectional photograph of a scanning electron microscope, a membrane sample immersed in liquid nitrogen and frozen is cleaved perpendicularly to the direction in which the film-forming stock solution is cast and dried, and then the membrane The cross section is thinly coated with platinum / palladium or ruthenium tetroxide, preferably ruthenium tetroxide, and observed with a high resolution field emission scanning electron microscope (UHR-FE-SEM) at an acceleration voltage of 1 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 optimum observation magnification may be any magnification that allows observation of the entire membrane cross section from the surface of the porous support to the surface of the substrate. For example, when the thickness of the porous support is 50 μm, 1,000 to 10 is used. 1,000 is preferred. The thickness of the porous support can be directly measured with a scale or the like in consideration of the observation magnification from the obtained electron micrograph.
<操作圧力5.5MPa評価前後の多孔質支持体厚みおよび変化率>
多孔質支持体厚み測定は、操作圧力5.5MPaで評価前と評価後の複合半透膜からそれぞれ5個の試料切片を切り出した。
<Porous support thickness and change rate before and after operation pressure 5.5 MPa evaluation>
For the measurement of the thickness of the porous support, five sample sections were cut out from the composite semipermeable membrane before and after the evaluation at an operating pressure of 5.5 MPa.
試料切片を走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡で多孔質支持体の断面の分離機能層との境界から基材との境界までを観察することによって、厚みを求めることができる。例えば走査型電子顕微鏡の断面写真の場合は、膜サンプルを液体窒素に浸漬して凍結させたものを、製膜原液を流延させた方向に対して垂直に割断して乾燥させた後、膜断面に白金/パラジウムまたは四酸化ルテニウム、好ましくは四酸化ルテニウムを薄くコーティングして1〜6kV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)にて観察する。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。最適な観察倍率は、多孔質支持体の表面から基材表面までの膜断面全体が観察できる倍率であればよいが、例えば多孔質支持体の膜厚が50μmであれば、1,000〜10,000が好ましい。得られた電子顕微鏡写真から観察倍率を考慮して多孔質支持体の厚みをスケールなどで直接測ることが出来る。
評価前後の多孔質支持体の厚みの変化率は、評価前の多孔質支持体の厚みAと、評価後の多孔質支持体の厚みBから(1―(B/A))×100を算出した。結果を表3に示す。
The thickness can be obtained by observing the sample section from the boundary with the separation functional layer in the cross section of the porous support to the boundary with the substrate with a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. For example, in the case of a cross-sectional photograph of a scanning electron microscope, a membrane sample immersed in liquid nitrogen and frozen is cleaved perpendicularly to the direction in which the film-forming stock solution is cast and dried, and then the membrane The cross section is thinly coated with platinum / palladium or ruthenium tetroxide, preferably ruthenium tetroxide, and observed with a high resolution field emission scanning electron microscope (UHR-FE-SEM) at an acceleration voltage of 1 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 optimum observation magnification may be any magnification that allows observation of the entire membrane cross section from the surface of the porous support to the surface of the substrate. For example, when the thickness of the porous support is 50 μm, 1,000 to 10 is used. 1,000 is preferred. The thickness of the porous support can be directly measured with a scale or the like in consideration of the observation magnification from the obtained electron micrograph.
The rate of change of the thickness of the porous support before and after the evaluation is calculated as (1- (B / A)) × 100 from the thickness A of the porous support before the evaluation and the thickness B of the porous support after the evaluation. did. The results are shown in Table 3.
<脱塩率(TDS除去率)>
温度25℃、pH6.5の海水(供給水に該当)を、操作圧力5.5MPaで複合半透膜に供給することで、24時間に渡ってろ過処理を行った。得られた透過水を、TDS除去率の測定に用いた。
<Desalination rate (TDS removal rate)>
Filtration was performed for 24 hours by supplying seawater (corresponding to feed water) at a temperature of 25 ° C. and a pH of 6.5 to the composite semipermeable membrane at an operating pressure of 5.5 MPa. The obtained permeated water was used for measuring the TDS removal rate.
東亜電波工業株式会社製電気伝導度計で供給水および透過水の電気伝導度を測定することにより、実用塩分を得た。この実用塩分を換算して得られるTDS濃度から、次の式により脱塩率すなわちTDS除去率を求めた。 Practical salinity was obtained by measuring the electrical conductivity of the supplied water and the permeated water with an electric conductivity meter manufactured by Toa Radio Industry Co., Ltd. From the TDS concentration obtained by converting this practical salinity, the desalting rate, that is, the TDS removal rate was determined by the following equation.
TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}
<膜透過流束>
24時間の上記ろ過処理により得られた透過水量を、膜面1平方メートルあたり、1日あたりの透水量(立方メートル)に換算し、膜透過流束(m3/m2/日)として表した。
TDS removal rate (%) = 100 × {1− (TDS concentration in permeated water / TDS concentration in feed water)}
<Membrane permeation flux>
The amount of permeated water obtained by the above filtration treatment for 24 hours was converted to the amount of water per day (cubic meter) per square meter of the membrane surface and expressed as the membrane permeation flux (m 3 / m 2 / day).
(実施例1)
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。
Example 1
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.
<複合半透膜の作製>
(実施例1)
a.多孔質支持体
DMFとNMPを75:25比率で混ぜた混合溶媒に、17重量%ポリスルホンを入れて90℃で2時間以上攪拌し均一な溶液を調整した。
<Production of composite semipermeable membrane>
Example 1
a. Porous support 17 wt% polysulfone was added to a mixed solvent in which DMF and NMP were mixed at a ratio of 75:25, and the mixture was stirred at 90 ° C. for 2 hours or more to prepare a uniform solution.
なお、本書の実施例では、ポリスルホンとしてソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製ポリスルホンUDEL p―3500を用いた。 In the examples of this document, Polysulfone UDEL p-3500 manufactured by Solvay Advanced Polymers Co., Ltd. was used as the polysulfone.
調製した原液を室温まで冷却し、押出機に供給して高精度濾過した。その後、濾過した下値記を、スリットダイを介し、ポリエチレンテレフタレート繊維からなる不織布(糸径:1デシテックス、厚み:約90μm、通気度:1cc/cm2/sec)上に総厚さが140μmになるようにキャストし、直ちに、DMFとNMPを75:25比率で混ぜた10重量%の混合溶媒を25℃に調整した凝固浴に浸漬して5分間洗浄することによって多孔質支持体を得た。 The prepared stock solution was cooled to room temperature, supplied to an extruder and filtered with high precision. Thereafter, the filtered lower value is passed through a slit die on a non-woven fabric made of polyethylene terephthalate fiber (yarn diameter: 1 dtex, thickness: about 90 μm, air permeability: 1 cc / cm 2 / sec), and the total thickness becomes 140 μm. Immediately after casting, a porous support was obtained by immersing a mixed solvent of 10% by weight of DMF and NMP mixed at a ratio of 75:25 in a coagulation bath adjusted to 25 ° C. and washing for 5 minutes.
b.分離機能層形成
得られた多孔質支持体を、m−PDAの4.0重量%水溶液中に2分間浸漬した後、膜面が鉛直になるようにゆっくりと引き上げた。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0.12重量%を含む25℃のn−デカン溶液を膜表面が完全に濡れるように塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後、70℃の水で2分間洗浄することで、基材、多孔質支持体、およびポリアミド分離機能層を備える複合半透膜を得た。
b. Formation of Separation Function Layer The obtained porous support was immersed in a 4.0 wt% aqueous solution of m-PDA for 2 minutes, and then slowly pulled up so that the membrane surface was vertical. Nitrogen was blown from the air nozzle to remove excess aqueous solution from the surface of the support membrane, and then an n-decane solution at 25 ° C. containing 0.12% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the membrane surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Then, the composite semipermeable membrane provided with a base material, a porous support body, and the polyamide separation function layer was obtained by wash | cleaning for 2 minutes with 70 degreeC water.
(実施例2)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の混合溶媒(DMFとNMPの比率は75:25)濃度が20重量%以外は実施例1と同様で実施例2における複合半透膜を作製した。
(Example 2)
A composite semipermeable membrane in Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mixed solvent in the coagulation bath (the ratio of DMF and NMP was 75:25) in the porous support membrane was 20% by weight.
(実施例3)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の混合溶媒(DMFとNMPの比率は75:25)濃度が45重量%以外は実施例1と同様で実施例3における複合半透膜を作製した。
(Example 3)
A composite semipermeable membrane in Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mixed solvent in the coagulation bath (the ratio of DMF and NMP was 75:25) in the porous support membrane was 45% by weight.
(実施例4)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の温度が10℃以外は実施例1と同様で実施例4における複合半透膜を作製した。
Example 4
A composite semipermeable membrane in Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the coagulation bath was 10 ° C. in the formation of the porous support.
(実施例5)
多孔質支持体の製膜においてポリスルホン濃度が、20重量%以外は実施例1と同様で実施例5における複合半透膜を作製した。
(Example 5)
A composite semipermeable membrane in Example 5 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polysulfone concentration was 20% by weight in the production of the porous support.
(実施例6)
多孔質支持体の製膜において製膜原液の溶媒がDMFとNMPを85:15比率で混ぜた混合溶媒であることと、凝固浴の溶媒がDMFとNMPを85:15比率で混ぜた混合溶媒であること以外は実施例1と同様で、実施例6における複合半透膜を作製した。
(Example 6)
In the film formation of the porous support, the solvent of the film forming stock solution is a mixed solvent in which DMF and NMP are mixed in an 85:15 ratio, and the solvent in the coagulation bath is a mixed solvent in which DMF and NMP are mixed in an 85:15 ratio. The composite semipermeable membrane in Example 6 was produced in the same manner as in Example 1 except that.
(実施例7)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の混合溶媒(DMFとNMPの比率は75:25)濃度が5重量%以外は実施例1と同様で実施例7における複合半透膜を作製した。
(Example 7)
A composite semipermeable membrane in Example 7 was produced in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mixed solvent in the coagulation bath (the ratio of DMF and NMP was 75:25) in the porous support membrane was 5% by weight.
(実施例8)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の混合溶媒(DMFとNMPの比率は75:25)濃度が0.6重量%以外は実施例1と同様で実施例8における複合半透膜を作製した。
(Example 8)
A composite semipermeable membrane in Example 8 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mixed solvent in the coagulation bath (the ratio of DMF and NMP was 75:25) in the porous support film formation was 0.6% by weight. .
(実施例9)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の温度が40℃以外は実施例1と同様で実施例7における複合半透膜を作製した。
Example 9
A composite semipermeable membrane in Example 7 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the coagulation bath was 40 ° C. in the formation of the porous support.
(実施例10)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がDMFとNMPを60:40比率で混ぜた混合溶媒であることと以外は実施例1と同様で、実施例8における複合半透膜を作製した。
(Example 10)
The composite semipermeable membrane of Example 8 is the same as Example 1 except that the solvent for the membrane forming solution and the coagulation bath is a mixed solvent in which DMF and NMP are mixed at a ratio of 60:40 in the formation of the porous support. A membrane was prepared.
(実施例11)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がDMFとDMIBを75:25比率で混ぜた混合溶媒であることと以外は実施例1と同様で、実施例9における複合半透膜を作製した。
(Example 11)
The composite semipermeable material in Example 9 is the same as Example 1 except that the solvent for the film forming stock solution and the coagulation bath is a mixed solvent in which DMF and DMIB are mixed at a ratio of 75:25 in forming the porous support. A membrane was prepared.
(比較例1)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がDMFとNMPを25:75比率で混ぜた混合溶媒であることと以外は実施例1と同様で、比較例1における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 1)
The composite semipermeable material in Comparative Example 1 was the same as Example 1 except that the solvent for the film forming solution and the coagulation bath was a mixed solvent in which DMF and NMP were mixed at a ratio of 25:75. A membrane was prepared.
(比較例2)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がNMPのみの単独溶媒であることと以外は実施例1と同様で、比較例2における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 2)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the membrane forming stock solution and the coagulation bath solvent were a single solvent of NMP alone in the formation of the porous support.
(比較例3)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がDMAcのみの単独溶媒であることと以外は実施例1と同様で、比較例3における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 3)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the membrane forming stock solution and the coagulation bath solvent were only DMAc alone in forming the porous support.
(比較例4)
多孔質支持体の製膜において製膜原液および凝固浴の溶媒がDMIBのみの単独溶媒であることと以外は実施例1と同様で、比較例3における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 4)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the membrane forming stock solution and the solvent of the coagulation bath were a single solvent containing only DMIB in the formation of the porous support.
(比較例5)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の温度が3℃以外は実施例1と同様で比較例5における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 5)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the coagulation bath was 3 ° C. in the formation of the porous support.
(比較例6)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の温度が55℃以外は実施例1と同様で比較例6における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 6)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 6 was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the coagulation bath was 55 ° C. in the production of the porous support.
(比較例7)
多孔質支持体の製膜において凝固浴の混合溶媒(DMFとNMPの比率は75:25)濃度が55重量%以外は実施例1と同様で比較例7における複合半透膜を作製した。
(Comparative Example 7)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 7 was produced in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the mixed solvent in the coagulation bath (the ratio of DMF and NMP was 75:25) in the porous support membrane was 55% by weight.
<結果>
以上の結果を表3に示す。実施例1〜9では、多孔質支持体の厚みの変化が30%以下と小さい高耐久性と、高い透水性を両立した複合半透膜が得られた。
<Result>
The above results are shown in Table 3. In Examples 1 to 9, composite semipermeable membranes having both high durability with a small change in the thickness of the porous support of 30% or less and high water permeability were obtained.
一方、比較例1の複合半透膜は、緻密層が厚く多孔質支持体の表面から5μmの位置では0.5μm以上のボイドは見られなかったものの基材近傍に大きなボイドが見られ、そのボイドが操作圧力5.5MPa評価によって潰れたことにより透過流速が低くなったものであると考えられる。また、比較例2〜4の複合半透膜では、多孔質支持層の緻密層が薄く0.4μm以下と薄く、多孔質支持体の表面から5μmの位置でのボイドも多い反面基材近傍に大きなボイドが見られ、そのボイドが操作圧力5.5MPa評価によって潰れたことにより透過流速が低くなったものであると考えられる。 On the other hand, in the composite semipermeable membrane of Comparative Example 1, the dense layer was thick and a void of 0.5 μm or more was not seen at a position of 5 μm from the surface of the porous support, but a large void was seen in the vicinity of the substrate. It is considered that the permeation flow rate was lowered due to the void being crushed by the operation pressure of 5.5 MPa. Further, in the composite semipermeable membranes of Comparative Examples 2 to 4, the dense layer of the porous support layer is thin, 0.4 μm or less, and there are many voids at a position of 5 μm from the surface of the porous support. A large void is observed, and it is considered that the permeation flow rate is lowered due to the void being crushed by the operation pressure of 5.5 MPa.
さらに、比較例6の複合半透は、緻密層が厚く、表層から内部に5μm入った位置でのボイドが小さく、また、比較例7の複合半透膜では、緻密層が厚く、共に透過流速は大きかったもののTDS除去率も低かった。これは、凝固浴の溶媒の濃度が高いと重合の場となる多孔質支持体の表面の孔径が大きくなったことで、分離機能層の形成における多官能アミン水溶液の重合場への移送と重合速度とのバランスが崩れ、十分なひだ形成がされなかったためであると考えられる。 Furthermore, the composite semipermeable membrane of Comparative Example 6 has a thick dense layer and a small void at a position of 5 μm inside from the surface layer. In the composite semipermeable membrane of Comparative Example 7, the dense layer is thick and both have a permeation flow rate. Although it was large, the TDS removal rate was also low. This is because when the concentration of the solvent in the coagulation bath is high, the pore diameter of the surface of the porous support that becomes the polymerization field becomes large, so that the polyfunctional amine aqueous solution is transferred to the polymerization field and polymerized in the formation of the separation functional layer. This is thought to be because the balance with the speed was lost and sufficient pleats were not formed.
表3に示すように、実施例1〜9の本発明の複合半透膜は、高い透水性と塩除去性能を備えており、多孔質支持体の厚みの変化率が小さいので、操作圧力などによる物理的外力が加わる運転条件下においても、優れた膜性能と脱塩率を維持できることが分かる。 As shown in Table 3, the composite semipermeable membranes of the present invention of Examples 1 to 9 have high water permeability and salt removal performance, and the rate of change in the thickness of the porous support is small. It can be seen that excellent membrane performance and desalination rate can be maintained even under operating conditions where physical external force is applied.
本発明の分離膜エレメントは、特に、海水やかん水の脱塩に好適に用いることができる。 In particular, the separation membrane element of the present invention can be suitably used for desalting seawater and brine.
1:複合半透膜
2:支持膜
3:基材
4:基材外に存在する多孔質支持体
40:多孔質支持体の緻密層
41:多孔質支持体のボイド層
42:ボイド層内に存在するボイド
5:分離機能層
1: Composite semipermeable membrane 2: Support membrane 3: Substrate 4:
Claims (7)
前記多孔質支持体は、前記分離機能層に接する緻密層と、前記緻密層と前記基材との間に位置するマクロボイド層とを備え、
前記緻密層に含まれる孔の長径は0.5μm未満であり、
前記緻密層の厚みは0.5μm以上5μm以下であり、
前記マクロボイド層において、前記緻密層との界面から5μm入った位置で、前記複合半透膜の面方向において、幅が0.5μm以上5μm以下であるマクロボイドが、0.2個/μm以上1.8個/μm以下存在する、
複合半透膜。 A composite semipermeable membrane comprising a substrate, a porous support provided on the substrate, and a separation functional layer provided on the porous support,
The porous support comprises a dense layer in contact with the separation functional layer, and a macrovoid layer located between the dense layer and the base material,
The major axis of the holes contained in the dense layer is less than 0.5 μm;
The dense layer has a thickness of 0.5 μm or more and 5 μm or less,
In the macro void layer, the number of macro voids having a width of 0.5 μm or more and 5 μm or less in the plane direction of the composite semipermeable membrane at a position 5 μm from the interface with the dense layer is 0.2 / μm or more. 1.8 pieces / μm or less,
Composite semipermeable membrane.
請求項1または2に記載の複合半透膜。 The porous support is made of polysulfone, polyacrylonitrile, polyamide, polyester, polyvinyl alcohol, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyvinylidene fluoride, cellulose acetate, polyvinyl chloride, or chlorinated vinyl chloride. The composite semipermeable membrane according to claim 1 or 2, comprising at least one resin selected from the group consisting of:
(b)前記前記樹脂の非溶媒と良溶媒とを含有する凝固液中で前記樹脂を凝固させることで多孔質支持体を得る工程、
(c)前記多孔質支持体上に分離機能層を形成する工程
を備える複合半透膜の製造方法。 (A) placing a resin solution in which a resin is dissolved in a good solvent on a substrate;
(B) a step of obtaining a porous support by coagulating the resin in a coagulating liquid containing a non-solvent of the resin and a good solvent;
(C) A method for producing a composite semipermeable membrane comprising a step of forming a separation functional layer on the porous support.
請求項4または5に記載の複合半透膜の製造方法。 The method for producing a composite semipermeable membrane according to claim 4 or 5, wherein the coagulation bath contains two or more solvents selected from the group consisting of amides, lower alkyl ketones, esters and lactones as the good solvent.
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