JP2018083193A - 分離膜及び積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2には、有機混合流体からアルコールを選択的に分離するためのシリカ膜及び分離膜フィルタが記載されている。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性が、前記成分(B)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高く、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第2面側の親和性が、前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高い分離膜に関する。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
下記式(1)及び式(2)
|SP1−SPA|<|SP1−SPB| (1)
|SP2−SPA|<|SP1−SPA| (2)
(ここで、SPAは前記成分(A)のSP値、SPBは前記成分(B)のSP値、SP1は前記分離膜の前記第1面側のSP値、SP2は前記分離膜の前記第2面側のSP値、をそれぞれ表す。)
の関係を満足する分離膜に関する。
|SP2−SPA|<|SP2−SPB| (3)
の関係を満足してもよい。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(B)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも高く、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第2面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも低い分離膜に関する。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記流体による前記分離膜の前記第1面側の膨潤量が、前記流体による前記分離膜の前記第2面側の膨潤量よりも小さく、
前記分離膜の前記第1面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比が、前記分離膜の前記第2面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比よりも大きい分離膜に関する。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性が、前記成分(B)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高く、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第2面側の親和性が、前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高い分離膜である。
また、分離膜を透過していない、成分(A)及び成分(B)を含む流体中の成分(A)と成分(B)との体積比(Ab/Bb)に対する、分離膜を透過した透過物中の成分(A)と成分(B)との体積比(Aa/Ba)の比率が高いほど、「成分(A)の選択性が高い」ことを意味する。
また、成分(B)は、流体から分離されることが所望されない成分である。ここで、成分(A)と同様に、成分(B)は、1種のみに限定されるものではなく、分離されることが所望されない成分が流体中に複数含まれている場合には、成分(B)は複数であり得る。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
下記式(1)及び式(2)
|SP1−SPA|<|SP1−SPB| (1)
|SP2−SPA|<|SP1−SPA| (2)
(ここで、SPAは前記成分(A)のSP値、SPBは前記成分(B)のSP値、SP1は前記分離膜の前記第1面側のSP値、SP2は前記分離膜の前記第2面側のSP値、をそれぞれ表す。)
の関係を満足する分離膜である。
|SP2−SPA|<|SP2−SPB| (3)
の関係を満足することが好ましい。
このようにすれば、第1面側から分離膜内に浸透した透過物中に成分(A)及び成分(B)が含有される場合、成分(B)と比較して分離膜の第2面側のSP値により近いSP値を有する成分(A)の方が優先的に第2面側に向かって透過するので、成分(A)の選択性をより高めることができる。また、成分(B)よりも成分(A)の方が相対的により迅速に第2面側に向かって透過するので、成分(A)の透過速度をより高めることができる。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(B)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも高く、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第2面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも低い分離膜である。
Vf=(V−V0)/V (ただし、V0=1.3Vw)
Vf:自由体積分率
V:測定温度におけるモル体積=MW/ρ(cm3/mol)
(ここで、MWは高分子の繰り返し単位構造の分子量、ρは高分子の測定温度における密度である。)
V0:0Kにおけるモル体積(cm3/mol)
Vw:ファンデアワールス体積(分子固有の値であり、COMPASS力場を使用した分子力学法により計算される。)
膨潤量=(浸漬後の膜重量−浸漬前の膜重量)/浸漬前の膜重量
ここで、分離膜の第1面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比は、第1面側における成分(A)の蒸気透過速度(単位:GPU)を、第1面側における成分(B)の蒸気透過速度(単位:GPU)で除した値である。また、分離膜の第2面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比は、第2面側における成分(A)の蒸気透過速度(単位:GPU)を、第2面側における成分(B)の蒸気透過速度(単位:GPU)で除した値である。
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記流体による前記分離膜の前記第1面側の膨潤量が、前記流体による前記分離膜の前記第2面側の膨潤量よりも小さく、
前記分離膜の前記第1面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比が、前記分離膜の前記第2面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比よりも大きい分離膜である。
微多孔膜である場合の細孔の平均孔径は特に限定されないが、透過させたい成分の分子サイズによっては、例えば0.1nm以上であり、好ましくは0.3nm以上である。また、透過させたくない成分の分子サイズによっては、例えば5nm以下であり、好ましくは1nm以下である。なお、細孔の平均孔径は、ガスの吸着等温線を物理吸着モデル(BET)から解析して求めるか、分子サイズの違うガスで透過試験を行って透過性が極端に低下する境目を孔径とすることもできる。
なお、第1層と第2層を少なくとも備える多層構造を有する分離膜の場合には、第1層と第2層は、それぞれ、無孔膜であってもよく、微多孔膜であってもよい。
また、第2層の厚みは、支持体との密着性の観点からは、好ましくは50nm以上であり、より好ましくは200nm以上である。また、第2層の厚みは、透過速度の観点からは、好ましくは2μm以下であり、より好ましくは1μm以下である。
また、透過速度の観点から、第1層の厚みは、第2層の厚み以下であることが好ましい。
また、脂肪族化合物としては、例えば、イソオクタン、ヘプタン、ペンタン、デカン等の脂肪族炭化水素などが例示される。
また、アルコールとしては、例えば、エタノール、メタノール、エチレングリコール、プロパノール等が例示される。
また、流体は、例えば、成分(A)としての芳香族炭化水素と、成分(B)としての脂肪族炭化水素と、成分(C)としての、成分(A)及び成分(B)とは別の芳香族炭化水素又は脂肪族炭化水素を含有する流体であってもよい。また、流体は、例えば、成分(A)としてのアルコールと、成分(B)としての脂肪族炭化水素と、成分(C)としての芳香族炭化水素を含有する流体であってもよい。流体は、例えば、ガソリンやナフサであってもよい。
また、ある態様において、成分(A)は、供給側の流体中よりも透過側の流体中において濃度が高くなる成分のうち、最も濃度が高くなる成分であり、成分(B)は、供給側の流体中よりも透過側の流体中において濃度が低くなる成分である。
ただし、成分(A)、成分(B)及び成分(C)の組み合わせはこれらの例示に何ら限定されるものではなく、本発明の効果が奏される範囲において、任意の組み合わせであってよい。
第2面側の雰囲気を減圧する際の真空度としては、例えば、20kPaG以下であり、好ましくは1kPaG以下である。
また、透過流速を高めるためには、流体を加熱状態で供給することが好ましい。供給される流体の適切な加熱温度は、流体の組成にもよるため、特に限定されるものではないが、例えば、30〜100℃である。
なお、上記の積層体も、分離膜と同様にして、浸透気化法に適用可能である。
厚み50μmで、両面の面積がそれぞれ2cm3である、三酢酸セルロース(CTA、株式会社ダイセル製、LT105)、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)、セルロースアセテートブチレート(CAB)、リカコート(新日本理化株式会社製、SN−20)(以下、PIともいう)、PEBAX(Arkema社の登録商標、MH1657、ポリエーテルブロックアミド共重合体)またはサイリルEST280(株式会社カネカ製)からなる膜をそれぞれ作製した。
作製した各膜を、20体積%のトルエン(T)、10体積%のキシレン(X)及び70体積%のイソオクタン(I)を含有する液体混合物1中に、25℃で24時間浸漬させて、浸漬前後の重量変化から、液体混合物1による膨潤量(g/g)を算出した。
同様に、作製した各膜を、10体積%のエタノール(E)、10体積%のトルエン(T)及び70体積%のイソオクタン(I)を含有する液体混合物2中に、25℃で24時間浸漬させて、浸漬前後の重量変化から、液体混合物2による膨潤量(単位:g/g)を算出した。
これらの結果を表1に示す。
上記のように作製した各膜について、液体混合物1または液体混合物2で膨潤させた際の、膨潤成分中の各成分濃度(単位:体積%)を、上記と同様に浸漬した膜をヘッドスペースサンプラーで加熱し、加熱後の気相をガスクロマトグラフィーで測定することにより測定した。これらの結果を表1に示す。
多孔性支持体として、日東電工株式会社製UF膜(もしくは限外ろ過膜)のRS−50を用いた。この多孔性支持体上に、PEBAX(Arkema社の登録商標、MH1657、ポリエーテルブロックアミド共重合体)、サイリルEST280(株式会社カネカ製)からなる厚みが2 μmの膜を塗工法によりそれぞれ積層させた。さらにPEBAXを積層させた膜の上に三酢酸セルロース(CTA、株式会社ダイセル製、LT105)、プロピオン酸セルロース(CAP、Ardrich製、分子量75000)、酪酸セルロース(CAB、Aldrich製、分子量70000)、リカコート(新日本理化株式会社製、SN−20)(PI)からなる厚みが1μmの膜を塗工法によりそれぞれ積層させ、積層体を作製した。ここで、積層体(分離膜)の両面の面積は、それぞれ33.16cm2であった。
まず、上述のように作製した積層体を金属セル中にセットして、リークが発生しないようOリングにてシールした。なお、この金属セルには、あらかじめ調製したエタノール(E)、トルエン(T)、キシレン(X)またはイソオクタン(I)が100mL収容されており、セットされた積層体のRS−50ではない側が上記流体から発生する蒸気に接する状態となる。このセル全体を湯浴中に入れて80℃の温度をかけ、設定温度に到達した段階でRS−50側より真空ポンプにて−100kPaの減圧をかけた。気体状態のまま積層体を透過してきた成分を−196℃の液体窒素にて冷却トラップし、液化状態の重量より蒸気透過速度を以下の式に従って算出した。
蒸気透過速度[GPU]=(透過量[cm3(STP)])/((透過時間[s]×膜面積[cm2]×(供給側の分圧[cmHg]−透過側の分圧[cmHg]))
CTA、CAP、CAB、PIの蒸気透過速度は上記で算出した蒸気透過速度をP(ALL)、PEBAXの蒸気透過速度をP(PEBAX)とし、以下の式に従って算出した。
蒸気透過速度[GPU]=1/(3/P(ALL)−2/P(PEBAX))
これらの結果を表1に示す。
上述のようにして測定した蒸気透過速度から、各膜における蒸気透過速度比(E/I、T/I、またはX/I)を算出した。これらの結果を表1に示す。
CTA、CAP、CAB、PEBAX、エタノール、イソオクタン、ヘプタン、トルエン、キシレン及びトリメチルベンゼンのSP値を、表2に示す。ここで、これら物質のSP値は、Fedors法により計算されたものである。
半経験的分子軌道法pm6法で構造最適化し、密度汎関数法B3LYP/3‐21G*で算出されるCTAとトルエンの間の相互作用エネルギーは、114cal/Å3‐polymであった。また、同様にして算出される、CTAとヘプタンの間の相互作用エネルギーは、52.6cal/Å3‐polymであった。また、同様にして算出される、PEBAXとトルエンの間の相互作用エネルギーは、124cal/Å3‐polymであった。
Bondi法を用いて算出される、温度298KでのCTAの自由体積分率は、0.116であった。また、同様にして算出される、温度298KでのPEBAXの自由体積分率は、0.159であった。
多孔性支持体として、日東電工株式会社製UF膜(もしくは限外ろ過膜)のRS−50を用いた。この多孔性支持体上に、PEBAX(Arkema社の登録商標、MH1657、ポリエーテルブロックアミド共重合体)からなる厚みが0.95μmの膜(第2層)を塗工法により積層させた後、さらにその上に三酢酸セルロース(CTA、株式会社ダイセル製、LT105)からなる厚みが0.75μmの膜(第1層)を塗工法により積層させ、第1層及び第2層からなる分離膜を備える積層体を作製した。ここで、積層体(分離膜)の両面の面積は、それぞれ33.16cm2であった。
第1層としてリカコート(新日本理化株式会社製、SN−20)(PI)からなる厚みが0.56μmの膜を形成させ、第2層としてPEBAXからなる厚みが2.4μmの膜を形成させた以外は実施例1と同様にして、実施例2の積層体を作製した。
第1層としてPEBAXからなる厚みが1.4μmの膜を形成させ、第2層としてCTAからなる厚みが0.55μmの膜を形成させた以外は実施例1と同様にして、比較例1の積層体を作製した。
第1層としてサイリルEST280(株式会社カネカ製)からなる厚みが0.25μmの膜を形成させ、第2層としてCTAからなる厚みが0.65μmの膜を形成させた以外は実施例1と同様にして、比較例2の積層体を作製した。
20体積%のトルエン(T)、10体積%のキシレン(X)及び70体積%のイソオクタン(I)を混合して、液体混合物1を調製した。
実施例1〜2及び比較例1〜2で作製した各積層体(分離膜)について、浸透気化膜分離法を用いた分離試験を以下のように実施した。まず、上述のように作製した積層体を金属セル中にセットして、リークが発生しないようOリングにてシールした。なお、この金属セルには、上記のようにしてあらかじめ調製した液体混合物1が250mL収容されており、セットされた積層体は、分離膜の供給側(第1層側)が液面に浸された状態となる。このセル全体を湯浴中に入れて70℃の温度をかけ、設定温度に到達した段階で分離膜の透過側(積層体の分離膜側とは反対側)より真空ポンプにて−100kPaの減圧をかけた。気体状態のまま分離膜(積層体)を透過してきた成分を−196℃の液体窒素にて冷却トラップし、液化状態で採取した成分をガスクロマトフィーにて成分分析を行った。
なお、本分離試験において、成分(A)はトルエンであり、成分(B)はイソオクタンであり、成分(C)はキシレンである。
|SP1−SPA|=2.86
|SP1−SPB|=4.76
|SP2−SPA|=0.23
|SP2−SPB|=2.13
すなわち、実施例1の分離膜は、
|SP1−SPA|<|SP1−SPB| (1)
|SP2−SPA|<|SP1−SPA| (2)
|SP2−SPA|<|SP2−SPB| (3)
の各関係を満足する。
|SP1−SPA|=0.23
|SP1−SPB|=2.13
|SP2−SPA|=2.86
|SP2−SPB|=4.76
すなわち、比較例1の分離膜は、
|SP1−SPA|<|SP1−SPB| (1)
|SP2−SPA|<|SP2−SPB| (3)
の関係を満足するが、
|SP2−SPA|<|SP1−SPA| (2)
の関係は満足しない。
(積層体の作製)
多孔性支持体として、日東電工株式会社製UF膜(もしくは限外ろ過膜)のRS−50を用いた。この多孔性支持体上に、PEBAX(Arkema社の登録商標、MH1657、ポリエーテルブロックアミド共重合体)からなる厚みが1μmの膜(第2層)を塗工法により積層させた後、さらにその上に三酢酸セルロース(CTA、株式会社ダイセル製、LT105)からなる厚みが1μmの膜(第1層)を塗工法により積層させ、第1層及び第2層からなる分離膜を備える積層体を作製した。ここで、積層体(分離膜)の両面の面積は、それぞれ33.16cm2であった。
PEBAXからなる膜(第2層)の厚みを1.5μmとして分離膜を作製した以外は実施例3と同様にして、実施例4の積層体を作製した。
PEBAXからなる膜(第2層)の厚みを2.5μmとして分離膜を作製した以外は実施例3と同様にして、実施例5の積層体を作製した。
PEBAXからなる厚みが1μmの膜を単層で分離膜として用いた以外は実施例3と同様にして、比較例3の積層体を作製した。
CTAからなる厚みが1.5μmの膜を単層で分離膜として用いた以外は実施例3と同様にして、比較例4の積層体を作製した。
CTAからなる厚みが0.8μmの膜を単層で分離膜として用いた以外は実施例3と同様にして、比較例5の積層体を作製した。
10体積%のエタノール(E)、20体積%のトルエン(T)及び70体積%のイソオクタン(I)を混合して、液体混合物2を調製した。
実施例3〜5及び比較例3〜5で作製した各積層体(分離膜)について、浸透気化膜分離法を用いた分離試験を以下のように実施した。まず、上述のように作製した積層体を金属セル中にセットして、リークが発生しないようOリングにてシールした。なお、この金属セルには、上記のようにしてあらかじめ調製した液体混合物2が250mL収容されており、セットされた積層体は、分離膜の供給側(第1層側)が液面に浸された状態となる。このセル全体を湯浴中に入れて70℃の温度をかけ、設定温度に到達した段階で分離膜の透過側(積層体の分離膜側とは反対側)より真空ポンプにて−100kPaの減圧をかけた。気体状態のまま分離膜(積層体)を透過してきた成分を−196℃の液体窒素にて冷却トラップし、液化状態で採取した成分をガスクロマトフィーにて成分分析を行った。
なお、本分離試験において、成分(A)はエタノールであり、成分(B)はイソオクタンであり、成分(C)はトルエンである。
一方、PEBAX単層からなる比較例3の積層体(分離膜)については、液体混合物2による第1面側と第2面側の膨潤量(単位:g/g)は、いずれも0.26g/gである。また、第1面側と第2面側における膨潤成分中のエタノール(E)の濃度(単位:体積%)は、いずれも12体積%である。さらに、第1面側と第2面側におけるイソオクタン(I)に対するエタノール(E)の蒸気透過速度比(E/I)は、いずれも3である。
また、CTA単層からなる比較例4〜5の各積層体(分離膜)については、液体混合物2による第1面側と第2面側の膨潤量(単位:g/g)は、いずれも0.11g/gである。また、第1面側と第2面側における膨潤成分中のエタノール(E)の濃度(単位:体積%)は、いずれも20体積%である。さらに、第1面側と第2面側におけるイソオクタン(I)に対するエタノール(E)の蒸気透過速度比(E/I)は、いずれも345である。
Claims (14)
- 成分(A)及び成分(B)を含む流体から前記成分(A)を選択的に分離するための分離膜であって、
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性が、前記成分(B)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高く、
前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第2面側の親和性が、前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第1面側の親和性よりも高い分離膜。 - 前記成分(A)に対する前記分離膜の前記第2面側の親和性が、前記成分(B)に対する前記分離膜の前記第2面側の親和性よりも高い、請求項1に記載の分離膜。
- 成分(A)及び成分(B)を含む流体から前記成分(A)を選択的に分離するための分離膜であって、
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
下記式(1)及び式(2)
|SP1−SPA|<|SP1−SPB| (1)
|SP2−SPA|<|SP1−SPA| (2)
(ここで、SPAは前記成分(A)のSP値、SPBは前記成分(B)のSP値、SP1は前記分離膜の前記第1面側のSP値、SP2は前記分離膜の前記第2面側のSP値、をそれぞれ表す。)
の関係を満足する分離膜。 - さらに、下記式(3)
|SP2−SPA|<|SP2−SPB| (3)
の関係を満足する請求項3に記載の分離膜。 - 成分(A)及び成分(B)を含む流体から前記成分(A)を選択的に分離するための分離膜であって、
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(B)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも高く、
前記成分(A)と前記分離膜の前記第2面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(A)と前記分離膜の前記第1面側との間の相互作用エネルギーよりも低い分離膜。 - 前記成分(A)と前記分離膜の前記第2面側との間の相互作用エネルギーが、前記成分(B)と前記分離膜の前記第2面側との間の相互作用エネルギーよりも高い、請求項5に記載の分離膜。
- 前記分離膜の前記第1面側の自由体積分率が、前記分離膜の前記第2面側の自由体積分率よりも小さい、請求項1〜6のいずれか1項に記載の分離膜。
- 前記流体による前記分離膜の前記第1面側の膨潤量が、前記流体による前記分離膜の前記第2面側の膨潤量よりも小さい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の分離膜。
- 前記分離膜の前記第1面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比が、前記分離膜の前記第2面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比よりも大きい、請求項1〜8のいずれか1項に記載の分離膜。
- 前記分離膜の前記第1面側を前記流体により膨潤させたときの膨潤成分中に占める前記成分(A)の濃度が、前記分離膜の前記第2面側を前記流体により膨潤させたときの膨潤成分中に占める前記成分(A)の濃度よりも大きい、請求項1〜9のいずれか1項に記載の分離膜。
- 成分(A)及び成分(B)を含む流体から前記成分(A)を選択的に分離するための分離膜であって、
前記分離膜は第1面及び前記第1面と反対側の第2面を有し、
前記流体による前記分離膜の前記第1面側の膨潤量が、前記流体による前記分離膜の前記第2面側の膨潤量よりも小さく、
前記分離膜の前記第1面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比が、前記分離膜の前記第2面側における成分(B)に対する成分(A)の蒸気透過速度比よりも大きい分離膜。 - 前記分離膜の前記第1面側を前記流体により膨潤させたときの膨潤成分中に占める前記成分(A)の濃度が、前記分離膜の前記第2面側を前記流体により膨潤させたときの膨潤成分中に占める前記成分(A)の濃度よりも大きい、請求項11に記載の分離膜。
- 前記分離膜が、前記第1面を与える第1層と、前記第2面を与える第2層とを少なくとも備える多層構造を有する、請求項1〜12のいずれか1項に記載の分離膜。
- 多孔性支持体と、前記多孔性支持体上に設けられた請求項1〜13のいずれか1項に記載の分離膜とを備える積層体。
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