JP2019076866A - Gas separation membrane - Google Patents

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Abstract

To provide an asymmetric gas separation membrane having high gas permeation speed and selective gas permeability sufficient for practical levels.SOLUTION: A gas separation membrane is made of polyimide and has an asymmetric structure formed of a skin layer (a separation layer) and a porous layer (a supporting layer), and has a water vapor permeation speed (P') of 400×10cm(STP)/cmsec cmHg or higher, and a permeation speed ratio (P'/P') for water vapor and nitrogen of 100 or greater.EFFECT: The asymmetric gas separation membrane can remove (dehumidify) water vapor from mixed gas containing water vapor with high efficiency since it has high gas permeation speed and high selective permeability of water vapor.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、スキン層と多孔質層とから構成される非対称構造を有するガス分離膜であって、膜透過成分の膜透過速度が大きく、中空糸ガス分離膜として実用レベル以上のガスの選択透過性を有するガス分離膜、およびその製造方法に関する。さらに、本発明は、該ガス分離膜を用いたガス分離方法、特に除湿方法に関する。   The present invention is a gas separation membrane having an asymmetric structure composed of a skin layer and a porous layer, wherein the membrane permeation rate of the membrane permeation component is high, and the selective permeation of gas above practical level as a hollow fiber gas separation membrane TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas separation membrane having conductivity, and a method for producing the same. Furthermore, the present invention relates to a gas separation method using the gas separation membrane, particularly to a dehumidification method.

種々のガス分離工程においてガス分離膜が使用されている。これらの多くは、ガス選択透過性が高いガラス状ポリマーで形成されたガス分離膜である。一般的に、ガラス状ポリマーで形成されたガス分離膜は、ガスの選択透過性(分離度)は高いが、ガス透過係数(透過速度)が小さいという短所がある。このため、ガラス状ポリマーで形成されたガス分離膜の多くは、多孔質層(支持層)と薄いスキン層(分離層)とから構成される非対称構造、すなわちガスの透過抵抗を生じる分離層を薄くして、ガス透過速度が小さくなり過ぎないようにする構造を有している。   Gas separation membranes are used in various gas separation processes. Many of these are gas separation membranes formed of glassy polymers with high gas selective permeability. In general, a gas separation membrane formed of a glassy polymer has high gas selective permeability (separation degree) but has a disadvantage that the gas permeation coefficient (permeation rate) is small. For this reason, most of the gas separation membranes formed of glassy polymer have an asymmetric structure composed of a porous layer (support layer) and a thin skin layer (separation layer), that is, a separation layer that generates gas permeation resistance. It has a structure to make it thin so that the gas permeation rate does not become too low.

ガス分離膜は、中空糸ガス分離膜モジュールとして好適に用いられる。中空糸ガス分離膜モジュールは、通常、多数の中空糸膜からなる中空糸膜束を、少なくとも混合ガスの導入口と、透過ガスの排出口と、未透過ガスの排出口とを有する容器内に収納して構成される。中空糸ガス分離膜モジュールにおいては、混合ガスは中空糸膜の内側あるいは外側に接する空間へ供給され、中空糸膜に接して流れる間に混合ガス中の特定成分(膜透過成分)が選択的に膜を透過し透過ガスの排出口から回収され、特定成分(膜透過成分)が除かれたガスが非透過ガスの排出口から回収されることによって、ガス分離がおこなわれる。   The gas separation membrane is suitably used as a hollow fiber gas separation membrane module. In a hollow fiber gas separation membrane module, a hollow fiber membrane bundle usually comprising a large number of hollow fiber membranes is provided in a container having at least a mixed gas inlet, a permeated gas outlet, and an unpermeated gas outlet. Housed and configured. In the hollow fiber gas separation membrane module, the mixed gas is supplied to a space in contact with the inside or the outside of the hollow fiber membrane, and a specific component (membrane permeable component) in the mixed gas is selectively selected while flowing in contact with the hollow fiber membrane. The gas is separated by recovering the gas which has been permeated through the membrane and recovered from the outlet of the permeate gas and from which the specific component (membrane permeated component) has been removed from the outlet of the non-permeate gas.

非対称構造の膜では、膜透過成分が膜を透過する透過速度の律速過程は、通常はスキン層を透過する過程である。多孔質層を透過する過程は透過抵抗が比較的小さいので、膜透過成分が膜を透過する透過速度への影響は、多くの場合、実際上は無視できる。   In a membrane with an asymmetric structure, the rate-limiting process of permeation rate at which the membrane permeation component permeates through the membrane is usually a process of permeation through the skin layer. Since the process of permeation through the porous layer has a relatively low permeation resistance, the effect on the permeation rate of the membrane permeation component through the membrane can often be practically ignored.

しかしながら、膜透過成分の膜を透過する透過速度が極めて大きい場合には、膜透過成分が膜を透過する透過速度は、膜透過成分がスキン層を透過する過程のみならず多孔質層を透過する過程によっても実際上無視できない影響を受ける。特に、膜透過成分が水蒸気の場合は、水蒸気が膜を透過する透過速度が他の無機ガスに比べて極めて大きい(数百倍から数千倍に達する)ので、膜を透過する水蒸気の透過速度は多孔質層の透過抵抗によって実際上無視できない影響を受ける。このため、水蒸気が膜を透過する透過速度を大きくした高性能除湿膜の開発が求められていた。   However, when the permeation rate of the membrane-permeable component through the membrane is extremely high, the permeation rate of the membrane-permeable component is not only the process of membrane-permeable component passing through the skin layer but also the porous layer. Depending on the process, it can not be ignored in practice. In particular, when the membrane-permeable component is water vapor, the transmission rate of water vapor through the membrane is extremely high (reaches several hundred times to several thousand times) as compared to other inorganic gases, so the transmission rate of water vapor permeating the membrane Is practically not negligible due to the permeation resistance of the porous layer. For this reason, development of a high performance dehumidifying membrane in which the permeation rate at which water vapor permeates through the membrane is increased has been required.

一方、非対称膜において単に多孔質層の多孔性を高めて、膜透過成分が膜を透過するときの透過抵抗をより小さくすることによって膜透過成分が膜を透過する透過速度を大きくしようとすると、透過速度は大きくできるが多孔質層が担うべき膜の支持機能、即ち機械的強度が低下するので、向上された透過速度と実用レベルの機械的強度の両方を併せ持つ実用的な高性能ガス分離膜を得ることは困難であった。また、高強度材料(例えばポリイミド)の選択によって機械的強度を向上させる試みもあるが、高強度材料は一般的にガス透過係数がより小さいという問題があった。   On the other hand, in an asymmetric membrane, the porosity of the porous layer is simply increased to reduce the permeation resistance when the membrane permeation component permeates the membrane, thereby increasing the permeation rate of the membrane permeation component through the membrane, A practical high performance gas separation membrane having both an improved permeation rate and a practical level of mechanical strength since the permeation rate can be increased but the support function of the membrane to be borne by the porous layer, that is, the mechanical strength decreases. It was difficult to get Although there have been attempts to improve mechanical strength by selecting a high strength material (for example, polyimide), high strength materials generally have a problem that the gas permeation coefficient is smaller.

特許文献1においては、少なくとも1種類のポリイミドを含む2種類以上のポリマーの混合物で非対称膜を形成することによって、多孔質層の膜透過成分が膜を透過するときのガス透過抵抗を小さくしながら、かつ、膜の機械的強度を実用レベル以上に保持し得るガス分離膜について記載されている。   In Patent Document 1, by forming an asymmetric membrane with a mixture of two or more types of polymers including at least one type of polyimide, the gas permeation resistance when the membrane permeation component of the porous layer permeates the membrane is reduced. And, a gas separation membrane which can maintain the mechanical strength of the membrane at a practical level or higher is described.

特開2002−172311号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-172311

しかしながら、特許文献1に記載の発明においても、水蒸気の透過速度は十分でなく、さらなる改善が求められていた。   However, even in the invention described in Patent Document 1, the water vapor transmission rate is not sufficient, and further improvement has been desired.

本発明の好ましい態様は以下のとおりである。   The preferred embodiments of the present invention are as follows.

1.ポリイミドで構成され、
スキン層(分離層)と多孔質層(支持層)とから構成される非対称構造を有し、水蒸気透過速度(P’H2O)が400×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以上であり、水蒸気と窒素の透過速度比(P’H2O/P’N2)が100以上である、ガス分離膜。
1. Composed of polyimide,
It has an asymmetric structure composed of a skin layer (separation layer) and a porous layer (support layer), and has a water vapor transmission rate (P ' H2O ) of 400 × 10 -5 cm 3 (STP) / cm 2 · sec · A gas separation membrane having a cmHg or more and a water vapor / nitrogen permeation rate ratio ( P'H2O / P'N2 ) of 100 or more.

2.前記ポリイミドが、下記一般式(1)で表される反復単位を含む、上記1に記載のガス分離膜。 2. The gas separation membrane according to the above 1, wherein the polyimide contains a repeating unit represented by the following general formula (1).

Figure 2019076866
〔式(1)中、Bはテトラカルボン酸成分に起因する4価のユニットであり、下記式(B1)および下記式(B2)で示される構造を含み、Aはジアミン成分に起因する2価のユニットであり、下記式(A1)及び下記式(A2)で示される構造を含む。〕
Figure 2019076866
[In formula (1), B is a tetravalent unit derived from a tetracarboxylic acid component, includes a structure represented by the following formula (B1) and the following formula (B2), and A is a bivalent derived from a diamine component] And a structure represented by the following formula (A1) and the following formula (A2). ]

Figure 2019076866
Figure 2019076866

Figure 2019076866
(式(A1)中、RおよびR’は、互いに独立に、水素原子または有機基である。)
Figure 2019076866
(In formula (A1), R and R ′ are, independently of each other, a hydrogen atom or an organic group.)

Figure 2019076866
(式(A2)中、Xは塩素原子又は臭素原子でnは1〜3である。)
Figure 2019076866
(In the formula (A2), X is a chlorine atom or a bromine atom and n is 1 to 3.)

3.前記式(1)中のBがさらに下記式(B3): 3. In the above formula (1), B is further represented by the following formula (B3):

Figure 2019076866
で示される構造を含む、上記2に記載のガス分離膜。
Figure 2019076866
3. The gas separation membrane according to 2 above, which comprises a structure represented by

4.上記1〜3のいずれかに記載のガス分離膜の製造方法であって、
ポリイミドと、フェノール系溶媒と脂肪族アルコールとを含む溶媒とを含むポリイミド溶液を用いて、乾湿式相転換法を行う工程を含む、ガス分離膜の製造方法。
4. It is a manufacturing method of the gas separation membrane in any one of said 1-3, Comprising:
A method for producing a gas separation membrane, comprising the step of performing a dry / wet phase conversion method using a polyimide solution containing a polyimide and a solvent containing a phenolic solvent and an aliphatic alcohol.

5.上記1〜3のいずれかに記載のガス分離膜を用いて、水蒸気を含有する混合ガスから水蒸気を分離する方法。 5. A method for separating water vapor from a mixed gas containing water vapor using the gas separation membrane according to any one of the above 1 to 3.

本発明の非対称ガス分離膜は、ガス透過速度が大きく、かつ実用レベルに十分なガスの選択透過性を有する。このため、本発明のガス分離膜を用いると、ガス分離速度が大きく高効率でよりコンパクトな高性能中空糸ガス分離膜モジュールを提供でき、高効率のガス分離を実現できる。特に、水蒸気を含む混合ガスから水蒸気を除去する(除湿する)場合には、極めて高効率に除湿を実施することができる。   The asymmetric gas separation membrane of the present invention has a high gas permeation rate, and has a gas selective permeability sufficient for practical use. For this reason, when the gas separation membrane of the present invention is used, it is possible to provide a more efficient and more compact high performance hollow fiber separation membrane module with high gas separation speed, and highly efficient gas separation can be realized. In particular, when steam is removed (dehumidified) from a mixed gas containing steam, the dehumidification can be performed extremely efficiently.

本実施形態のガス分離膜の一態様は、ポリイミドで構成され、スキン層(分離層)と多孔質層(支持層)とから構成される非対称構造を有し、水蒸気透過速度(P’H2O)が400×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以上であり、水蒸気と窒素の透過速度比(P’H2O/P’N2)が100以上である。本実施形態のガス分離膜は、ガスの透過速度が非常に大きい。以下、詳細に説明する。 One aspect of the gas separation membrane of the present embodiment is composed of polyimide and has an asymmetric structure composed of a skin layer (separation layer) and a porous layer (support layer), and has a water vapor transmission rate (P ' H2O ) Is 400 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg or more, and the transmission rate ratio of water vapor to nitrogen (P ′ H 2 O / P ′ N 2 ) is 100 or more. The gas separation membrane of the present embodiment has a very high gas permeation rate. The details will be described below.

本発明のガス分離膜は、主としてガス分離性能を担う極めて薄い緻密層(好ましくは厚さが0.001〜5μm)とその緻密層を支える比較的厚い多孔質層(好ましくは厚さが10〜2000μm)とを有する非対称構造を有する。ガス分離膜は、有効表面積が広く、耐圧性が高いという利点を持つため、非対称中空糸膜を形成することが好ましく、内径が約10〜3000μmで外径が約30〜7000μmの非対称中空糸膜であることがより好ましい。   The gas separation membrane of the present invention is mainly composed of a very thin dense layer (preferably 0.001 to 5 μm in thickness) responsible for gas separation performance and a relatively thick porous layer (preferably 10 to 10 nm in thickness) supporting the dense layer. And an asymmetric structure having It is preferable to form an asymmetric hollow fiber membrane because the gas separation membrane has an advantage that the effective surface area is large and the pressure resistance is high, and the asymmetric hollow fiber membrane having an inner diameter of about 10 to 3000 μm and an outer diameter of about 30 to 7000 μm. It is more preferable that

本発明のガス分離膜は、高い水蒸気透過速度を有する。具体的には、ガス分離膜は、水蒸気透過速度(P’H2O)が、400×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以上であるのが好ましく、450×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以上であるのがより好ましい。上限は特に限定されないが、通常は1000×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以下である。なお、本明細書において、「STP」は、0℃、1atmを意味し、「Standard Temperature and Pressure」の略語である。 The gas separation membrane of the present invention has a high water vapor transmission rate. Specifically, the gas separation membrane preferably has a water vapor transmission rate (P ′ H 2 O ) of 400 × 10 −5 cm 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg or more, 450 × 10 −5 cm More preferably, it is 3 (STP) / cm 2 · sec · cmHg or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 * 10 < -5 > cm < 3 > (STP) / cm < 2 > * sec * cmHg or less. In the present specification, “STP” means 0 ° C. and 1 atm, which is an abbreviation of “Standard Temperature and Pressure”.

本発明のガス分離膜は、ガスの選択透過性(分離度)が高く、水蒸気と窒素の透過速度比(P’H2O/P’N2)が、100以上であるのが好ましく、250以上であるのがより好ましい。また、該透過速度比の上限は特に限定されないが、通常100000以下である。なお、本明細書において、膜の水蒸気透過速度(P’H20)と、水蒸気と窒素の透過速度比(P’H2O/P’N2)は、35℃におけるものである。 The gas separation membrane of the present invention has high selective gas permeability (separation degree) and preferably has a water vapor / nitrogen permeation rate ratio (P ' H2O / P' N2 ) of 100 or more, and 250 or more. Is more preferable. The upper limit of the transmission rate ratio is not particularly limited, but is usually 100,000 or less. In the present specification, the water vapor transmission rate ( P'H20 ) of the membrane and the water vapor / nitrogen transmission rate ratio ( P'H2O / P'N2 ) are those at 35 ° C.

本発明のガス分離膜はポリイミドで構成されるが、本発明の効果が得られる範囲で他のポリマーも材料として含んでもよい。他のポリマーとしては、特に限定はされないが、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート等が挙げられる。   The gas separation membrane of the present invention is composed of polyimide, but other polymers may be included as materials, as long as the effects of the present invention can be obtained. The other polymer is not particularly limited, and examples thereof include polyimide, polyamide, polyether sulfone, polyamide imide, polyether imide, polycarbonate and the like.

本発明のガス分離膜を構成するポリイミドの好ましい一態様として、下記一般式(1)で示される反復単位を含む芳香族ポリイミドについて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Although the aromatic polyimide containing the repeating unit shown by following General formula (1) as a preferable one aspect | mode of the polyimide which comprises the gas separation membrane of this invention is demonstrated, this invention is not limited to this.

Figure 2019076866
Figure 2019076866

上記一般式(1)中、Bはテトラカルボン酸成分に起因する4価のユニットであり、Aはジアミン成分に起因する2価のユニットである。一般式(1)で表される芳香族ポリイミドを構成するユニットについて以下に詳述する。   In the said General formula (1), B is a tetravalent unit originating in a tetracarboxylic-acid component, A is a bivalent unit originating in a diamine component. The unit which comprises the aromatic polyimide represented by General formula (1) is explained in full detail below.

ユニットBは、テトラカルボン酸成分に起因する4価のユニットであり、好ましくは下記式(B1)で示されるジフェニルヘキサフルオロプロパン構造に基づくユニットB1、下記式(B2)で示されるビフェニル構造に基づくユニットB2、および下記式(B3)で示されるフェニル構造に基づくユニットB3からなる群から選ばれる少なくとも1種のユニットを含み、より好ましくは、ユニットB1およびユニットB2を少なくとも含み、さらに好ましくは、ユニットB1、ユニットB2、およびユニットB3を含む。   The unit B is a tetravalent unit derived from a tetracarboxylic acid component, preferably a unit B1 based on a diphenylhexafluoropropane structure represented by the following formula (B1), a biphenyl structure represented by the following formula (B2) It contains at least one unit selected from the group consisting of unit B2 and unit B3 based on a phenyl structure represented by the following formula (B3), more preferably at least unit B1 and unit B2, further preferably, a unit B1, unit B2, and unit B3.

Figure 2019076866
Figure 2019076866

ユニットBに含まれる各ユニットの含有量は特に限定されない。ユニットB1の含有量は、ユニットBの全ユニット量に対し、好ましくは10〜70モル%、より好ましくは20〜60モル%である。ユニットB2の含有量は、ユニットBの全ユニット量に対し、好ましくは10〜80モル%、より好ましくは20〜70モル%である。ユニットB3の含有量は、ユニットBの全ユニット量に対し、0モル%であってもよいが、好ましくは5〜20モル%、より好ましくは10〜20モル%である。ユニットBは、実質的に、ユニットB1およびユニットB2、またはユニットB1、ユニットB2およびユニットB3からなることが好ましく、ユニットBを構成する全ユニットのうち、ユニットB1、ユニットB2、およびユニットB3の合計含有量が80モル%以上であるのが好ましく、90モル%以上であるのが好ましく、100モル%であってもよい。   The content of each unit contained in unit B is not particularly limited. The content of the unit B1 is preferably 10 to 70 mol%, more preferably 20 to 60 mol%, based on the total amount of units B. The content of the unit B2 is preferably 10 to 80 mol%, more preferably 20 to 70 mol%, based on the total amount of units B. The content of the unit B3 may be 0 mol%, preferably 5 to 20 mol%, more preferably 10 to 20 mol% with respect to the total unit amount of the unit B. Preferably, unit B substantially consists of unit B1 and unit B2, or unit B1, unit B2 and unit B3, and of all units constituting unit B, the sum of unit B1, unit B2 and unit B3 The content is preferably 80 mol% or more, preferably 90 mol% or more, and may be 100 mol%.

ジフェニルヘキサフルオロプロパン構造を有するユニットB1が少なすぎて、かつビフェニル構造を有するユニットB2が多すぎると、得られるポリイミドのガス透過性能が低下して、高性能ガス分離膜を得ることが難しくなる場合がある。一方、ユニットB1が多すぎて、かつユニットB2が少なすぎると、得られるポリイミドの機械的強度が低下する場合がある。   When there are too few units B1 having a diphenylhexafluoropropane structure and too many units B2 having a biphenyl structure, the gas permeation performance of the resulting polyimide is lowered, making it difficult to obtain a high performance gas separation membrane There is. On the other hand, when there are too many units B1 and there are too few units B2, the mechanical strength of the polyimide obtained may fall.

さらに、ユニットBは、ユニットB1、B2、B3以外のその他のテトラカルボン酸に起因する4価のユニットB4を含んでもよい。   Furthermore, the unit B may include a tetravalent unit B4 derived from another tetracarboxylic acid other than the units B1, B2 and B3.

一般式(1)中のユニットAは、ジアミン成分に起因する2価のユニットであり、好ましくは下記式(A1)で表されるユニットA1および下記式(A2)で表されるユニットA2からなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、より好ましくはユニットA1およびユニットA2を含む。   The unit A in the general formula (1) is a divalent unit derived from a diamine component, and preferably comprises a unit A1 represented by the following formula (A1) and a unit A2 represented by the following formula (A2) It contains at least one selected from the group, and more preferably includes unit A1 and unit A2.

Figure 2019076866
(式(A1)中、RおよびR’は、互いに独立に、水素原子または有機基である。)
Figure 2019076866
(In formula (A1), R and R ′ are, independently of each other, a hydrogen atom or an organic group.)

Figure 2019076866
(式(A2)中、Xは塩素原子又は臭素原子でnは1〜3である。)
Figure 2019076866
(In the formula (A2), X is a chlorine atom or a bromine atom and n is 1 to 3.)

式(A1)中、RおよびR’は、互いに独立に、水素原子または有機基であり、有機基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基が好ましい。   In formula (A1), R and R ′ are, independently of one another, a hydrogen atom or an organic group, and as the organic group, for example, an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group or a propyl group is preferable.

式(A2)中、複数のXは、互いに独立に塩素原子または臭素原子であり、好ましくは塩素原子である。式(A2)中、複数のnは、互いに独立に1〜3であり、好ましくは2である。ユニットA2として、下記式(A2−1)で表されるユニットであるのが好ましい。   In formula (A2), a plurality of X's are each independently a chlorine atom or a bromine atom, preferably a chlorine atom. In formula (A2), plural n's are each independently 1 to 3 and preferably 2. The unit A2 is preferably a unit represented by the following formula (A2-1).

Figure 2019076866
Figure 2019076866

ユニットAに含まれる各ユニットの含有量は特に限定されない。例えば、ユニットA1の含有量は、ユニットAの全量に対し、好ましくは30〜70モル%、より好ましくは30〜60モル%である。ユニットA1を含むことにより、ガス透過性が向上するが、含有量が多過ぎると分離度が低下してしまう場合がある。ユニットA2の含有量は、ユニットAの全量に対し、好ましくは30〜70モル%、より好ましくは30〜60モル%である。ユニットA2を含むことにより、ガスの分離度が向上するが、その量が多過ぎるとポリマ−が不溶になって製膜が困難になってしまう場合がある。ユニットAは、実質的にユニットA1およびユニットA2からなることが好ましく、ユニットAを構成する全ユニットのうち、ユニットA1およびユニットA2の合計含有量が80モル%以上であるのが好ましく、90モル%以上であるのが好ましく、100モル%であってもよい。   The content of each unit contained in unit A is not particularly limited. For example, the content of the unit A1 is preferably 30 to 70 mol%, more preferably 30 to 60 mol%, with respect to the total amount of the unit A. Although the gas permeability is improved by including the unit A1, if the content is too large, the degree of separation may decrease. The content of the unit A2 is preferably 30 to 70 mol%, more preferably 30 to 60 mol%, based on the total amount of the unit A. By including the unit A2, the degree of gas separation is improved, but if the amount is too large, the polymer may become insoluble and film formation may become difficult. The unit A preferably consists essentially of the unit A1 and the unit A2, and the total content of the unit A1 and the unit A2 is preferably 80 mol% or more of all the units constituting the unit A, and it is 90 mol % Or more is preferable, and 100 mol% may be sufficient.

本実施形態の好ましい一態様として、一般式(1)で示される反復単位からなるポリイミドにおいて、ユニットBがユニットB1およびユニットB2を含み、かつ、ユニットAがユニットA1およびユニットA2を含む。本実施形態のより好ましい一態様として、ユニットBがユニットB1、ユニットB2およびユニットB3を含み、かつ、ユニットAがユニットA1およびユニットA2を含む。   As a preferred aspect of this embodiment, in the polyimide composed of the repeating unit represented by the general formula (1), the unit B includes the unit B1 and the unit B2, and the unit A includes the unit A1 and the unit A2. As a more preferable aspect of this embodiment, the unit B includes the unit B1, the unit B2, and the unit B3, and the unit A includes the unit A1 and the unit A2.

次に、芳香族ポリイミドの前記各ユニットを導入できるモノマー成分について説明する。   Next, the monomer component which can introduce said each unit of aromatic polyimide is demonstrated.

テトラカルボン酸成分とは、一般式(1)で示される反復単位から構成されるポリイミドに、4価の残基Bを導入することができる成分のことである。   The tetracarboxylic acid component is a component capable of introducing a tetravalent residue B into the polyimide composed of the repeating unit represented by the general formula (1).

前記一般式(B1)で示されるジフェニルヘキサフルオロプロパン構造からなるユニットを導入することができるテトラカルボン酸成分として、(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、その二無水物、又はそのエステル化物を用いることによって得られる。前記(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸類としては、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、3,3’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、3,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、それらの二無水物、又はそれらのエステル化物を好適に用いることができるが、特に4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸、その二無水物、又はそのエステル化物が好ましく、4,4’−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物がより好ましい。   (Hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid, a dianhydride thereof, or an ester thereof is used as a tetracarboxylic acid component capable of introducing a unit having a diphenylhexafluoropropane structure represented by the general formula (B1) Obtained by Examples of the (hexafluoroisopropylidene) diphthalic acids include 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid, 3,3 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid, and 3,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) ) Diphthalic acid, their dianhydrides, or their esterified products can be suitably used, but in particular, 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic acid, its dianhydride, or its esterified product is preferable. More preferred is 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic dianhydride.

前記一般式(B2)で示されるビフェニル構造からなるユニットを導入することができるテトラカルボン酸成分として、ビフェニルテトラカルボン酸、その二無水物、又はそのエステル化物などのビフェニルテトラカルボン酸類を用いることによって得られる。前記ビフェニルテトラカルボン酸類としては、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸、それらの二無水物、又はそれらのエステル化物を好適に用いることができるが、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸、その二無水物、又はそのエステル化物が好ましく、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物がより好ましい。   By using a biphenyltetracarboxylic acid such as biphenyltetracarboxylic acid, its dianhydride, or its esterified product as a tetracarboxylic acid component capable of introducing a unit having a biphenyl structure represented by the above general formula (B2) can get. Examples of the biphenyl tetracarboxylic acids include 3,3 ′, 4,4′-biphenyl tetracarboxylic acid, 2,3,3 ′, 4′-biphenyl tetracarboxylic acid, and 2,2 ′, 3,3′-biphenyl tetra Although carboxylic acids, their dianhydrides, or their esterified products can be suitably used, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, their dianhydrides, or their esterified products are preferable, More preferred is 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride.

前記一般式(B3)で示されるフェニル構造に基づく4価のユニットを導入することができるテトラカルボン酸成分として、ピロメリット酸およびその酸無水物等のピロメリット酸類を用いることができる。このピロメリット酸類は、機械的性質を高めるうえで好適であるが、その量が多すぎると製膜時のポリマー溶液が凝固する等、不安定になって中空糸を形成することが困難になる場合がある。   As a tetracarboxylic acid component capable of introducing a tetravalent unit based on a phenyl structure represented by the above general formula (B3), pyromellitic acids such as pyromellitic acid and its acid anhydride can be used. The pyromellitic acids are suitable for enhancing the mechanical properties, but when the amount is too large, the polymer solution during film formation coagulates and becomes unstable and it becomes difficult to form a hollow fiber There is a case.

ユニットB4を与えるその他のテトラカルボン酸成分は、上記で示される化合物以外のテトラカルボン酸類であり、本発明の効果を損なわず、場合によっては性能をさらに改良し得る化合物が選ばれる。例えば、ジフェニルエ−テルテトラカルボン酸類、ベンゾフェノンテトラカルボン酸類、ジフェニルスルホンテトラカルボン酸類、ナフタレンテトラカルボン酸類、ジフェニルメタンテトラカルボン酸類、ジフェニルプロパンテトラカルボン類等を挙げることができる。   The other tetracarboxylic acid component giving the unit B4 is a tetracarboxylic acid other than the compounds shown above, and a compound is selected which does not impair the effect of the present invention and in some cases can further improve the performance. For example, diphenyl ether tetracarboxylic acids, benzophenone tetracarboxylic acids, diphenyl sulfone tetracarboxylic acids, naphthalene tetracarboxylic acids, diphenylmethane tetracarboxylic acids, diphenyl propane tetracarboxylic acids and the like can be mentioned.

ジアミン成分とは、一般式(1)で示される反復単位から構成されるポリイミドに、2価の残基Aを導入することができる成分のことである。   A diamine component is a component which can introduce | transduce bivalent residue A into the polyimide comprised from the repeating unit shown by General formula (1).

式(A1)で示されるジフェニレンスルホン構造に基づく2価のユニットは、ジアミン成分に由来する。   The bivalent unit based on the diphenylene sulfone structure shown by Formula (A1) originates in a diamine component.

式(A1)の2価のユニットを導入することができるジアミン成分として、3,7−ジアミノ−2,8−ジメチル−ジフェニレンスルフォン(ジメチル−3,7−ジアミノ−ジベンゾチオフェン−5,5−ジオキシドとも表記することがある)、3,7−ジアミノ−2,8−ジエチル−ジフェニレンスルフォン、3,7−ジアミノ−2,6−ジメチル−ジフェニレンスルフォン等のジアミノジフェニレンスルフォン類が挙げられる。   As a diamine component capable of introducing a divalent unit of the formula (A1), 3,7-diamino-2,8-dimethyl-diphenylene sulfone (dimethyl-3,7-diamino-dibenzothiophene-5,5-, 5 Diaminodiphenylene sulfones such as 3,7-diamino-2,8-diethyl-diphenylene sulfone, 3,7-diamino-2,6-dimethyl-diphenylene sulfone, etc. may also be mentioned. .

式(A2)のビフェニル構造に基づく2価のユニットを導入することができるジアミン成分として、2,2’,5,5’−テトラクロロベンジジン、3,3’,5,5’−テトラクロロベンジジン、3,3’−ジクロロベンジジン、2,2’−ジクロロベンジジン、2,2’,3,3’,5,5’−ヘキサクロロベンジジン、2,2’,5,5’−テトラブロモベンジジン、3,3’,5,5’−テトラブロモベンジジン、3,3’−ジブロモベンジジン、2,2’−ジブロモベンジジン、2,2’,3,3’,5,5’−ヘキサクロロベンジジン等のベンジジン類が挙げられ、2,2’,5,5’−テトラクロロベンジジンが好ましい。   2,2 ′, 5,5′-tetrachlorobenzidine, 3,3 ′, 5,5′-tetrachlorobenzidine as a diamine component capable of introducing a divalent unit based on the biphenyl structure of the formula (A2) 3,3'-dichlorobenzidine, 2,2'-dichlorobenzidine, 2,2 ', 3,3', 5,5'-hexachlorobenzidine, 2,2 ', 5,5'-tetrabromobenzidine, 3 Benzidines such as 3,3 ′, 5,5′-tetrabromobenzidine, 3,3′-dibromobenzidine, 2,2′-dibromobenzidine, 2,2 ′, 3,3 ′, 5,5′-hexachlorobenzidine Are preferred, and 2,2 ', 5,5'-tetrachlorobenzidine is preferred.

本実施形態において、ポリイミドは反復単位の総数に対し、式(1)で示される反復単位の数の比率が好ましくは80モル%以上であり、100モル%であってもよい。   In the present embodiment, the ratio of the number of repeating units represented by the formula (1) is preferably 80 mol% or more, and may be 100 mol% with respect to the total number of repeating units.

ポリイミドは、1種のみであってもよいし、2種以上を併用してもよい。   The polyimide may be used alone or in combination of two or more.

<ポリイミド溶液の調製>
本発明のガス分離膜の製造に用いる、ポリイミド溶液の調製方法について説明する。ポリイミド溶液の調製は、有機極性溶媒中にテトラカルボン酸成分とジアミン成分とを所定の組成比で加え、室温程度の低温で重合反応させてポリアミド酸を生成し次いで加熱して加熱イミド化するか又はピリジンなどを加えて化学イミド化する2段法、または、有機極性溶媒中にテトラカルボン酸成分とジアミン成分とを所定の組成比で加え、好ましくは100〜250℃、より好ましくは130〜200℃程度の高温で重合イミド化反応させる1段法によって好適に行われる。加熱によってイミド化反応を行うときは脱離する水またはアルコールを除去しながら行うことが好適である。有機極性溶媒に対するテトラカルボン酸成分とジアミン成分の使用量は、溶媒中のポリイミドの固形分濃度が5〜50重量%程度好ましくは5〜40重量%になるようにするのが好適である。テトラカルボン酸成分とジアミン成分との混合比は、例えば、略等モル、好ましくはテトラカルボン酸成分に対するジアミン成分のモル比[ジアミン成分のモル数/テトラカルボン酸成分のモル数]が好ましくは0.90〜1.10、より好ましくは0.95〜1.05である。
Preparation of Polyimide Solution
The preparation method of the polyimide solution used for manufacture of the gas separation membrane of this invention is demonstrated. The polyimide solution is prepared by adding a tetracarboxylic acid component and a diamine component at a predetermined composition ratio in an organic polar solvent, causing a polymerization reaction at a low temperature around room temperature to form a polyamic acid, and then heating to make it heat imidize Or a two-step method of chemical imidization by adding pyridine or the like, or by adding a tetracarboxylic acid component and a diamine component in a predetermined composition ratio to an organic polar solvent, preferably 100 to 250 ° C., more preferably 130 to 200 It is suitably carried out by a one-stage method in which the polymerization and imidization reaction is carried out at a high temperature of about. When the imidization reaction is carried out by heating, it is preferable to carry out while removing water or alcohol to be eliminated. The amount of the tetracarboxylic acid component and the diamine component used relative to the organic polar solvent is suitably such that the solid content concentration of the polyimide in the solvent is about 5 to 50% by weight, preferably 5 to 40% by weight. The mixing ratio of the tetracarboxylic acid component to the diamine component is, for example, about equimolar, preferably the molar ratio of the diamine component to the tetracarboxylic acid component [the number of moles of the diamine component / the number of moles of the tetracarboxylic acid component] is preferably 0. It is preferably from 0.90 to 1.10, more preferably from 0.95 to 1.05.

有機極性溶媒としては、例えば、フェノール、クレゾール、キシレノールのようなフェノール類、2個の水酸基をベンゼン環に直接有するカテコール、レゾルシンのようなカテコール類、3−クロロフェノール、4−クロロフェノール(後述のパラクロロフェノールに同じ)、3−ブロムフェノール、4−ブロムフェノール、2−クロロ−5−ヒドロキシトルエンなどのハロゲン化フェノール類などからなるフェノール系溶媒;又はN−メチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミドなどのアミド類からなるアミド系溶媒;あるいはそれらの混合溶媒などを好適に挙げることができる。これらのうち、アミド系溶媒およびフェノール系溶媒が好ましく、フェノール系溶媒がより好ましく、ハロゲン化フェノール類がさらに好ましく、4−クロロフェノールが特に好ましい。   Examples of organic polar solvents include phenols such as phenol, cresol and xylenol, catechols having two hydroxyl groups directly on the benzene ring, catechols such as resorcin, 3-chlorophenol, 4-chlorophenol (described later) Phenolic solvents such as parachlorophenol), 3-bromophenol, 4-bromophenol, halogenated phenols such as 2-chloro-5-hydroxytoluene, etc .; or N-methyl-2-pyrrolidone, 1, 3 -Amide-based solvents comprising amides such as dimethyl-2-imidazolidinone, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, or mixtures thereof A solvent etc. can be mentioned suitably. Among these, amide solvents and phenol solvents are preferable, phenol solvents are more preferable, halogenated phenols are more preferable, and 4-chlorophenol is particularly preferable.

重合イミド化して得られたポリイミド溶液は、後述するように、そのまま直接紡糸に用いることもできる。また、例えば得られたポリイミド溶液をポリイミドに対し非溶解性の溶媒中に投入してポリイミドを析出させて単離後、改めて有機極性溶媒に所定濃度になるように溶解させて芳香族ポリイミド溶液を調製し、それを紡糸に用いることもできる。   The polyimide solution obtained by the polymerization and imidization can also be used directly for spinning as described later. Also, for example, the obtained polyimide solution is put into a solvent insoluble in polyimide to precipitate the polyimide, and after isolation, the polyimide solution is again dissolved in an organic polar solvent so as to have a predetermined concentration to obtain an aromatic polyimide solution. It can also be prepared and used for spinning.

<ガス分離膜の製造方法>
本発明の非対称ガス分離膜は、ポリイミド溶液を用いて、乾湿式相転換法によって好適に得ることができる。乾湿式相転換法は、ポリイミド溶液を凝固液と接触させて相転換させながら膜を形成する公知の方法である。乾湿式相転換法は、膜形状にしたポリイミド溶液の表面の溶媒を蒸発させて薄い緻密層(分離層)を形成し、次いで凝固液(ポリイミド溶液の溶媒とは相溶し、ポリイミドは不溶な溶剤)に浸漬し、その際生じる相分離現象を利用して微細孔を形成して多孔質層(支持層)を形成させる相転換法であり、Loebらが提案(例えば、米国特許3133132号)したものである。
<Method of producing gas separation membrane>
The asymmetric gas separation membrane of the present invention can be suitably obtained by a dry-wet phase conversion method using a polyimide solution. The dry-wet phase conversion method is a known method in which a polyimide solution is brought into contact with a coagulating solution to form a film while converting the phase. In the dry-wet phase conversion method, the solvent on the surface of the polyimide solution in the form of a film is evaporated to form a thin dense layer (separating layer), and then the coagulation liquid (compatible with the solvent of the polyimide solution) and the polyimide is insoluble And a method of forming a porous layer (supporting layer) by forming fine pores by immersion in a solvent) and the phase separation phenomenon occurring at that time, and proposed by Loeb et al. (Eg, US Pat. No. 3,133,132) It is

ポリイミド溶液は他のポリマーを含んでもよいが、ポリイミドをポリマー全量に対し50重量%以上含むのが好ましく、70重量%以上含むのがより好ましく、90重量%以上含むのがさらに好ましく、100重量%であってもよい。   The polyimide solution may contain other polymers, but preferably contains at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight, still more preferably at least 90% by weight, 100% by weight, based on the total amount of the polymer. It may be

本発明においては、乾湿式相転換法に用いるポリイミド溶液の溶媒が、ポリイミドを溶解できる溶媒と脂肪族アルコールとを含むことが好ましい。ポリイミド溶液が脂肪族アルコールを含むことにより、膜透過成分(例えば水蒸気)の透過速度が大きく、かつ、ガスの選択透過性に優れたガス分離膜を得ることができる。また、ポリイミド溶液が脂肪族アルコールを含むことにより、中空糸膜にしたときの機械的強度が十分に高く、耐熱水性が高いガス分離膜を得ることができる。   In the present invention, the solvent of the polyimide solution used in the dry-wet phase conversion method preferably contains a solvent capable of dissolving the polyimide and an aliphatic alcohol. When the polyimide solution contains an aliphatic alcohol, it is possible to obtain a gas separation membrane having a high permeation rate of a membrane-permeable component (for example, water vapor) and an excellent gas selective permeability. In addition, since the polyimide solution contains an aliphatic alcohol, it is possible to obtain a gas separation membrane having a sufficiently high mechanical strength when made into a hollow fiber membrane and a high thermal water resistance.

ポリイミドを溶解できる溶媒は、有機極性溶媒が好ましく、モノマーを重合してポリマーを合成するときに用いた有機極性溶媒であってもよい。本発明の一態様として、上述のポリイミド溶液の調製に用いられる有機極性溶媒を例示できる。   The solvent capable of dissolving the polyimide is preferably an organic polar solvent, and may be the organic polar solvent used when polymerizing monomers to synthesize a polymer. As one aspect of the present invention, an organic polar solvent used for preparation of the above-mentioned polyimide solution can be exemplified.

ポリイミド溶液の溶媒として含まれる脂肪族アルコールは、沸点が、60℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、120℃以上であることがより好ましく、150℃以上であることがさらに好ましく、200℃以上であることが特に好ましい。脂肪族アルコールは、1価の脂肪族アルコールであっても2価以上の脂肪族多価アルコールであってもよく、脂肪族多価アルコールであるのが好ましい。   The aliphatic alcohol contained as a solvent for the polyimide solution preferably has a boiling point of 60 ° C. or more, more preferably 70 ° C. or more, more preferably 120 ° C. or more, and 150 ° C. or more. Is more preferable, and 200 ° C. or more is particularly preferable. The aliphatic alcohol may be a monohydric aliphatic alcohol or a dihydric or higher aliphatic polyhydric alcohol, and is preferably an aliphatic polyhydric alcohol.

ポリイミド溶液の溶媒としての1価の脂肪族アルコールは、非環式のものが好ましく、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよく、例えば炭素数1〜7個である。1価の脂肪族アルコールとしては、特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノール等のプロパノール類、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブタノール等のブタノール類、アミルアルコール、イソアミルアルコール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、イソペンチルアルコール、ネオペンチルアルコール等のペンタノール類、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール等のヘキサノール類、1−ヘプタノール、2−ヘプタノール、3−ヘプタノール、4−ヘプタノール等のヘプタノール類等が挙げられる。これらのうち、エタノールが好ましい。   The monovalent aliphatic alcohol as a solvent for the polyimide solution is preferably acyclic and may be linear or branched, and has, for example, 1 to 7 carbon atoms. The monovalent aliphatic alcohol is not particularly limited, and examples thereof include propanols such as methanol, ethanol, 1-propanol and isopropanol, butanols such as 1-butanol, 2-butanol and isobutanol, amyl alcohol and isoamyl alcohol. 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, isopentyl alcohol, pentanols such as neopentyl alcohol, 1-hexanol, 2-hexanol, hexanols such as 3-hexanol, 1- Heptanols, such as heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol, 4-heptanol, etc. are mentioned. Of these, ethanol is preferred.

ポリイミド溶液の溶媒としての脂肪族多価アルコールは、非環式のものが好ましく、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよく、炭素数は、例えば、好ましくは2〜10個、より好ましくは3〜8個である。脂肪族多価アルコールは、2価以上のアルコールを意味し、3価以上のアルコールであることが好ましい。脂肪族多価アルコールとしては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,2−、1,3−又は2,3−ブタンジオール、2−メチル−1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2−メチル−1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−メチル−1,6−ヘキサンジオール、3−メチル−1,6−ヘキサンジオール、2−メチル−1,7−ヘプタンジオール、3−メチル−1,7−ヘプタンジオール及び4−メチル−1,7−ヘプタンジオール等の2価の脂肪族アルコール溶媒、グリセリン、ジグリセリン等の3価以上のアルコール溶媒が挙げられる。これらのうち、グリセリンを用いると、均一な多孔質層を形成しやすく、ガス透過速度が速く、かつ、実用レベルに十分なガス選択性を有する中空糸膜を得ることができる。   The aliphatic polyhydric alcohol as a solvent for the polyimide solution is preferably acyclic, and may be linear or branched, and the number of carbon atoms is, for example, preferably 2 to 10, More preferably, it is 3-8. The aliphatic polyhydric alcohol means a dihydric or higher alcohol and is preferably a trihydric or higher alcohol. The aliphatic polyhydric alcohol is not particularly limited. For example, ethylene glycol, diethylene glycol, 1,3-propylene glycol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 7-heptanediol, 1,8-octanediol, 1,2-, 1,3- or 2,3-butanediol, 2-methyl-1,4-butanediol, neopentyl glycol, 2,2-dimethyl- 1,3-propanediol, 2-methyl-1,5-pentanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-methyl-1,6-hexanediol, 3-methyl-1,6-hexanediol , 2-methyl-1,7-heptanediol, 3-methyl-1,7-heptanediol and 4-methyl-1,7-heptane Divalent aliphatic alcoholic solvent such as all, glycerin, trivalent or higher alcohol solvents such as diglycerin. Among these, using glycerin makes it easy to form a uniform porous layer, has a high gas permeation rate, and can obtain a hollow fiber membrane having gas selectivity sufficient for practical use.

脂肪族アルコールは1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。   The aliphatic alcohol may be used alone or in combination of two or more.

ポリイミド溶液中の脂肪族アルコールの含有量は、ポリイミド溶液の全重量に対して好ましくは2〜30重量%、好ましくは3〜30重量%、より好ましくは5〜20重量%である。脂肪族アルコールの含有量が該範囲内にあると、得られる中空糸の透過性能及び機械特性に優れる。また、ポリマー溶液を後述の紡糸工程に用いる場合、ポリマー溶液の固形分濃度は10〜20重量%が製膜上好ましい。また、ポリマー溶液の溶液粘度(回転粘度)は、紡糸工程における吐出温度で50〜15000ポイズが好ましく、特に100〜10000ポイズであると、中空糸状などの吐出後の形状を安定に得ることが出来るので好ましい。   The content of the aliphatic alcohol in the polyimide solution is preferably 2 to 30% by weight, preferably 3 to 30% by weight, more preferably 5 to 20% by weight, based on the total weight of the polyimide solution. When the content of the aliphatic alcohol is in the above range, the permeation performance and mechanical properties of the obtained hollow fiber are excellent. Moreover, when using a polymer solution for the below-mentioned spinning process, 10 to 20 weight% of solid content concentration of a polymer solution is preferable on film forming. The solution viscosity (rotational viscosity) of the polymer solution is preferably 50 to 15,000 poise at the ejection temperature in the spinning step, and in particular 100 to 10,000 poise, it is possible to stably obtain the shape after ejection such as hollow fiber. So preferred.

脂肪族アルコールは、ポリイミドが溶解した溶液に混合してもよいし、単離されたポリイミドと有機極性溶媒と脂肪族アルコールとを同時に混合してもよい。混合の際は、ポリイミドが有機極性溶媒に溶解するように加熱してもよい。   The aliphatic alcohol may be mixed in the solution in which the polyimide is dissolved, or the isolated polyimide, the organic polar solvent and the aliphatic alcohol may be mixed simultaneously. At the time of mixing, the polyimide may be heated so as to dissolve in the organic polar solvent.

本発明のガス分離膜の製造方法の好ましい一態様として、ポリイミド、およびハロゲン化フェノールと脂肪族アルコールとの混合溶媒を含むポリイミド溶液を用いて、乾湿式相転換法によるのが好ましい。より好ましい一態様としては、ポリイミドと、パラクロロフェノールと、グリセリンとを含むポリマー溶液を用いて、乾湿式相転換法によりガス分離膜を形成するのが好ましい。   As a preferred embodiment of the method for producing a gas separation membrane according to the present invention, a dry / wet phase conversion method is preferred using a polyimide and a polyimide solution containing a mixed solvent of a halogenated phenol and an aliphatic alcohol. As a more preferable embodiment, it is preferable to form a gas separation membrane by a dry-wet phase conversion method using a polymer solution containing polyimide, parachlorophenol and glycerin.

本発明の一態様として、ポリイミド溶液を用いて乾湿式相転換法により中空糸膜を製造する方法を以下説明する。   As one aspect of the present invention, a method for producing a hollow fiber membrane by dry / wet phase conversion method using a polyimide solution will be described below.

中空糸膜の製造方法は、通常、紡糸工程(紡糸ドープ吐出工程)、凝固工程、洗浄工程、乾燥工程および熱処理工程を含む。これらの各工程は、中空糸を連続的に送り出し/引き取りをしながら中空糸を連続的に処理することが必須の工程と、ボビン等に巻いた状態でバッチ処理しても、または連続的に処理してもよい工程とがある。   The method for producing a hollow fiber membrane usually includes a spinning process (spinning dope discharge process), a coagulation process, a washing process, a drying process and a heat treatment process. In each of these steps, it is necessary to continuously process the hollow fiber while continuously feeding out and taking up the hollow fiber, and batch processing in a state of being wound around a bobbin or the like, or continuously. There are steps that may be processed.

まず、紡糸工程(紡糸ドープ吐出工程)において、紡糸ドープ液の吐出のために使用される紡糸ノズルは、紡糸ドープ液を中空糸状体に押し出すものであればよく、チューブ・イン・オリフィス型ノズルなどが好適である。通常、押し出す際のポリイミド溶液)の温度範囲は、ドープ液に含まれるポリイミド、溶媒の種類、粘度等によるが、例えば、好ましくは約20℃〜150℃、より好ましくは30℃〜120℃である。また、ノズルから押し出される中空糸状体の内部へ気体または液体を供給しながら紡糸がおこなわれる。   First, in the spinning process (spinning dope discharging process), the spinning nozzle used for discharging the spinning dope may be any one as long as it can extrude the spinning dope into a hollow fiber, such as a tube-in-orifice nozzle Is preferred. Usually, the temperature range of the polyimide solution at the time of extrusion depends on the type of polyimide contained in the dope solution, the type of solvent, viscosity, etc., but is preferably about 20 ° C to 150 ° C, more preferably 30 ° C to 120 ° C. . In addition, spinning is performed while supplying a gas or a liquid to the inside of the hollow filament extruded from the nozzle.

紡糸工程から連続する凝固工程では、ノズルから吐出された中空糸状体が、一旦、大気中または窒素等の不活性ガス雰囲気中等に押し出され、引き続き、凝固浴に導かれ、凝固液に浸漬される。凝固液は、ポリイミド成分を実質的には溶解せず且つポリイミド成分の溶媒と相溶性があるものが好適である。特に限定するものではないが、水や、メタノール、エタノール、プロピルアルコールなどの低級アルコール類や、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどの低級アルキル基を有するケトン類など、あるいは、それらの混合物が好適に用いられる。また、ポリイミド溶液の溶媒がアミド系溶媒であるときは、アミド系溶媒の水溶液も好ましい。   In the coagulation process continuous from the spinning process, the hollow fiber discharged from the nozzle is temporarily pushed out into the atmosphere or in an inert gas atmosphere such as nitrogen, and then, it is led to the coagulation bath and immersed in the coagulation liquid. . The coagulation liquid is preferably one which does not substantially dissolve the polyimide component and is compatible with the solvent of the polyimide component. Although not particularly limited, water, lower alcohols such as methanol, ethanol and propyl alcohol, ketones having a lower alkyl group such as acetone, diethyl ketone, methyl ethyl ketone and the like, or mixtures thereof are preferably used. Be When the solvent of the polyimide solution is an amide solvent, an aqueous solution of an amide solvent is also preferable.

凝固工程では、ノズルから中空糸形状に吐出されたポリイミド溶液がその形状を保持できる程度に凝固させる一次凝固液に浸漬し、案内ロール等に巻き取られ、次いで完全に凝固させるための二次凝固液に浸漬するのが好ましい。一次凝固液と二次凝固液は同一の凝固液でも構わないし、別々の凝固液でもかまわない。また、凝固液槽を多数化することでポリイミド溶液中の溶媒を効率的に抽出する事も可能である。   In the coagulation step, the polyimide solution discharged in the form of a hollow fiber from the nozzle is immersed in a primary coagulation solution that solidifies to the extent that the shape can be maintained, taken up on a guide roll or the like, and then secondary coagulation for complete solidification. It is preferable to immerse in liquid. The primary coagulating liquid and the secondary coagulating liquid may be the same coagulating liquid, or may be separate coagulating liquids. In addition, it is also possible to efficiently extract the solvent in the polyimide solution by increasing the number of coagulation liquid baths.

紡糸工程及び凝固工程は、中空糸を連続的に送り出し/引き取りをしながら中空糸を連続的に処理する連続処理工程であるのが好ましい。   The spinning step and the coagulation step are preferably continuous processing steps in which the hollow fiber is continuously processed while the hollow fiber is continuously sent out / taken off.

次の洗浄工程では、必要によりエタノール等の洗浄溶媒で洗浄し、次いで置換溶媒、例えばイソペンタン、n−ヘキサン、イソオクタン、n−ヘプタン等の脂肪族炭化水素を使用して、中空糸の外側および内側の凝固液および/または洗浄溶媒を置換する。   In the next washing step, if necessary, washing with a washing solvent such as ethanol, and then using a substitution solvent such as aliphatic hydrocarbons such as isopentane, n-hexane, isooctane, n-heptane, etc. Replace the coagulation solution and / or the washing solvent of

次の乾燥工程では、置換溶媒を含む中空糸を適当な温度で乾燥する。そして、熱処理工程において、好ましくは、用いられたポリイミドの軟化点又は二次転移点よりも低い温度で、熱処理を行うことで、非対称ガス分離中空糸膜が得られる。   In the next drying step, the hollow fiber containing the displacement solvent is dried at an appropriate temperature. Then, in the heat treatment step, the asymmetric gas separated hollow fiber membrane is obtained by heat treatment preferably at a temperature lower than the softening point or secondary transition point of the used polyimide.

洗浄・乾燥・熱処理工程は、中空糸を連続的に送り出し/引き取りをしながら中空糸を連続的に処理する連続処理工程でも良いし、ボビン等に巻いた状態でバッチ処理してもよい。   The washing, drying, and heat treatment steps may be a continuous treatment step in which hollow fibers are continuously treated while feeding and taking off the hollow fibers continuously, or batch treatment may be performed in a state of being wound around a bobbin or the like.

本発明の中空糸膜である非対称ガス分離膜はモジュール化して好適に用いることができる。中空糸膜の内径は約30〜500μmのものが好適である。通常のガス分離膜モジュールは、例えば、適当な長さの中空糸膜100〜1000000本程度(好ましくは100〜200000本)を束ね、その中空糸束の両端部を、中空糸の少なくとも一方の端が開口状態を保持した状態になるようにして、熱硬化性樹脂などからなる管板で固着し、得られた中空糸束と管板などからなる中空糸膜エレメントを、少なくとも混合ガス導入口と透過ガス排出口と非透過ガス排出口とを備える容器内に、中空糸膜の内側に通じる空間と中空糸膜の外側へ通じる空間とが隔絶するように収納し取り付けることによって得られる。管板は、O−リングや接着剤などによって容器に密閉して取り付けられる。このようなガス分離膜モジュールでは、混合ガスが混合ガス導入口から中空糸膜の内側あるいは外側に接する空間へ供給され、中空糸膜に接して流れる間に混合ガス中の特定成分が選択的に膜を透過し、透過ガスが透過ガス排出口から、膜を透過しなかった非透過ガスが非透過ガス排出口からそれぞれ排出されることによって、ガス分離が行われる。   The asymmetric gas separation membrane which is the hollow fiber membrane of the present invention can be suitably used as a module. The inner diameter of the hollow fiber membrane is preferably about 30 to 500 μm. A typical gas separation membrane module bundles, for example, about 100 to 100,000,000 hollow fiber membranes (preferably 100 to 200000) of an appropriate length, and both ends of the hollow fiber bundle are at least one end of the hollow fiber. The hollow fiber membrane element comprising the hollow fiber bundle and the tube sheet obtained by fixing the tube with a tube sheet made of a thermosetting resin or the like is held in a state of holding the open state. It is obtained by storing and attaching the space communicating with the inside of the hollow fiber membrane and the space communicating with the outside of the hollow fiber membrane in a container provided with the permeate gas outlet and the non-permeate gas outlet. The tube sheet is sealingly attached to the container by an O-ring or an adhesive. In such a gas separation membrane module, the mixed gas is supplied from the mixed gas inlet to the space in contact with the inside or the outside of the hollow fiber membrane, and the specific component in the mixed gas is selectively selected while flowing in contact with the hollow fiber membrane. The gas separation is performed by discharging the non-permeated gas that has permeated through the membrane and the permeated gas has not permeated through the membrane from the permeate gas outlet.

本発明の非対称ガス分離膜は、種々のガス種を高分離度(透過速度比)で分離回収することができるが、耐水性、耐熱水性に優れることから、特に水蒸気を分離するのに用いるのが好適である。本発明のガス分離膜を用いて水蒸気を分離する場合、即ち、除湿をおこなう場合、前記のガス分離膜モジュールに、水蒸気を含有する混合ガスを中空糸膜の内側あるいは外側に接する空間へ供給し、水蒸気を選択的に膜の透過側へ透過し、未透過ガスとして除湿されたガスを極めて効率よく得ることが出来る。また、透過ガス側の空間に例えば供給された混合ガスと向流になる方向にキャリアガスを流して透過ガスの回収を促進してもよく、その際、キャリアガスとして非透過ガスを用いてもよい。   The asymmetric gas separation membrane of the present invention can separate and recover various gas species with a high degree of separation (permeation rate ratio), but is particularly used for separating water vapor because it is excellent in water resistance and hot water resistance. Is preferred. When water vapor is separated using the gas separation membrane of the present invention, that is, when dehumidification is performed, mixed gas containing water vapor is supplied to the above-mentioned gas separation membrane module to a space in contact with the inside or the outside of the hollow fiber membrane. Water vapor can be selectively transmitted to the permeation side of the membrane, and a dehumidified gas can be obtained extremely efficiently as a non-permeated gas. Alternatively, the carrier gas may be flowed in the direction opposite to the mixed gas supplied, for example, in the space on the permeating gas side to promote the recovery of the permeating gas. Good.

本発明のガス分離膜は、水蒸気透過速度が極めて大きいので、除湿及び/又は加湿を極めて効率よく好適におこなうことができる。除湿を行う場合、本発明のガス分離膜を備えるガス分離膜モジュールに、水蒸気を含有する混合ガスを中空糸膜の内側あるいは外側に接する空間へ供給することによって、水蒸気を選択的に膜の透過側へ透過して非透過ガスとして除湿されたガスを極めて効率よく得ることができる。特に、水蒸気を含有する混合ガスは中空糸膜の内側へ供給し、中空糸膜の外側の空間へ乾燥したキャリアガスを混合ガスと向流になるように導入することがより高効率で除湿ができるので好ましく、更に、キャリアガスとしてガス分離膜の非透過側で得られる除湿されたガスの一部をリサイクルして用いることが簡便なキャリアガスの導入方法として好ましい。加湿する場合には、水蒸気をより多量に含有する(水蒸気分圧が高い)混合ガスを中空糸膜の内側あるいは外側に接する空間へ供給し、中空糸膜の反対側の空間へ水蒸気をより少量含有する(水蒸気分圧が低い)ガスを供給することによって、水蒸気が膜を選択的に透過して、水蒸気をより少量含有するガスを容易に加湿することができる。特に、水蒸気をより多量に含有する混合ガスと水蒸気をより少量含有するガスは中空糸膜を挟んで向流となるように供給することが高効率になるので望ましい。   Since the gas separation membrane of the present invention has a very high water vapor transmission rate, dehumidification and / or humidification can be performed extremely efficiently and suitably. When dehumidifying, water vapor is selectively permeated through the gas separation membrane module provided with the gas separation membrane of the present invention by supplying mixed gas containing water vapor to a space in contact with the inside or outside of the hollow fiber membrane. It is possible to very efficiently obtain the dehumidified gas as the non-permeate gas which permeates to the side. In particular, it is more efficient to dehumidify by supplying the mixed gas containing water vapor to the inside of the hollow fiber membrane and introducing the dried carrier gas into the space outside the hollow fiber membrane in countercurrent with the mixed gas. It is preferable because it can be used. Furthermore, it is preferable to recycle and use a part of the dehumidified gas obtained on the non-permeate side of the gas separation membrane as a carrier gas as a simple method for introducing a carrier gas. When humidifying, mixed gas containing a larger amount of water vapor (high water vapor partial pressure) is supplied to the space in contact with the inside or outside of the hollow fiber membrane, and a smaller amount of water vapor is supplied to the space on the opposite side of the hollow fiber membrane. By supplying the contained gas (low water vapor partial pressure), the water vapor can selectively permeate the membrane to easily humidify the gas containing a smaller amount of water vapor. In particular, it is desirable that the mixed gas containing a larger amount of water vapor and the gas containing a smaller amount of water vapor be supplied countercurrently across the hollow fiber membrane, as it is highly efficient.

更に、本発明のガス分離膜を用いることによって、燃料電池用の供給ガスの除湿及び/又は加湿を好適に行うことができる。固体高分子型燃料電池は、一般に水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜の両側を、白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで積層した発電素子と、それらの各電極に水素等の燃料ガスあるいは酸素等の酸化性ガスを供給したり電極からの排出ガスを排出するための配流機能を備えたセパレータや更にその外側に配置した集電体などを積層して構成されている。この電池では、固体高分子電解質膜が乾燥すると、イオン伝導度が低下するとともに、固体高分子電解質膜と電極との接触不良をおこして出力の急激な低下をきたすため、固体高分子電解質膜が一定の湿度を保つように制御することが重要である。このため、供給ガス(燃料ガス及び/又は酸化性ガス)の加湿(水分が多すぎる場合は加湿の代わりに除湿)をおこなうことが必要である。前記供給ガスの加湿方法として分離膜を用いることは既に提案されている。特開平3−269958号公報にはテトラフルオロエチレン樹脂からなる多孔質膜を用いることが開示されている。中空糸状多孔質膜を用いることによって単位面積当たりの透過膜面積を大きくし、加湿性能を高めることが特開平8−273687号公報や特開平8−315838号公報に開示されている。しかしながら、これらの加湿膜では加湿性能が十分でないという問題、および、長時間水と膜が接触していると膜の燃料電池の供給ガス側に水がしみ出て液滴が生成するという問題があった。更に、自動車用などの燃料電池では、燃料電池の排出ガス中の水分を分離膜によって選択的に透過させて燃料電池の供給ガスへリサイクルして使用する方法が検討されているが、前記の多孔質膜では燃料電池の排出ガス中の水分以外の成分を燃料電池の供給ガスへ混入させるなどの問題もあった。   Furthermore, by using the gas separation membrane of the present invention, dehumidification and / or humidification of the supplied gas for the fuel cell can be suitably performed. In general, a polymer electrolyte fuel cell comprises a power generation element in which a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte membrane is laminated on both sides by a carbon electrode carrying a platinum catalyst, and fuel gas such as hydrogen or the like at each electrode. It is configured by laminating a separator having a distribution function for supplying an oxidizing gas such as oxygen or discharging an exhaust gas from an electrode, and a current collector disposed outside the separator. In this battery, when the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ion conductivity decreases, and a contact failure between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode occurs to cause a sharp drop in the output, so the solid polymer electrolyte membrane is It is important to control to maintain a constant humidity. For this reason, it is necessary to humidify the supplied gas (fuel gas and / or oxidizing gas) (if the water content is too much, dehumidify instead of humidification). It has already been proposed to use a separation membrane as a method of humidifying the supplied gas. The use of a porous membrane made of tetrafluoroethylene resin is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-269958. JP-A-8-273687 and JP-A-8-315838 disclose that the permeation membrane area per unit area can be increased by using a hollow fiber-like porous membrane to enhance the humidification performance. However, these humidifying membranes have the problem that the humidifying performance is not sufficient, and the problem is that when the membrane is in contact with water for a long time, water leaks to the supply gas side of the membrane fuel cell to generate droplets. there were. Furthermore, in fuel cells for automobiles and the like, a method has been studied in which water in the exhaust gas of the fuel cell is selectively permeated through the separation membrane and recycled to the gas supplied to the fuel cell. In the case of the porous membrane, there is also a problem that components other than the moisture in the exhaust gas of the fuel cell are mixed into the supply gas of the fuel cell.

本発明のガス分離膜は、スキン層(分離層)と多孔質層(支持層)とから構成される非対称構造を有しているので、燃料電池で長時間使用したとき、燃料電池の供給ガス側の膜面に水がしみ出て液滴が生成するという不都合や、燃料電池の排出ガス中の水分以外の成分を燃料電池の供給ガスへ混入させるといった問題が生じにくい。また、ガス分離膜がポリイミドから構成される場合は、燃料電池用に用いる時に要求される耐熱性、耐薬品性などにも優れる。   Since the gas separation membrane of the present invention has an asymmetric structure composed of a skin layer (separation layer) and a porous layer (support layer), the gas supplied from the fuel cell when used for a long time in the fuel cell It is hard to produce the problem that water leaks to the film surface of the side and a droplet is generated, and the problem that components other than the moisture in the exhaust gas of the fuel cell are mixed in the gas supplied to the fuel cell. When the gas separation membrane is made of polyimide, it is also excellent in heat resistance, chemical resistance and the like required when used for fuel cells.

次に、本発明における中空糸ガス分離膜の製造とその特性について、実施例により具体的に説明する。尚、本発明は実施例に限定されるものではない。   Next, the production of the hollow fiber gas separation membrane in the present invention and the characteristics thereof will be specifically described by way of examples. The present invention is not limited to the examples.

実施例における各測定方法は下記のとおりである。   Each measuring method in an Example is as follows.

(中空糸膜の水蒸気透過性能の測定方法)
約10本の中空糸膜と、ステンレスパイプと、エポキシ樹脂系接着剤とを使用して有効長が80mmの透過性能評価用のエレメントを作成し、これをステンレス容器に装着してペンシルモジュールとした。このペンシルモジュールの中空糸の内側へ、15℃の飽和水蒸気を含む窒素ガスを5kgfG/cmの圧力で一定量供給し、膜の出口側から得られる乾燥ガスを、製品ガスとした。膜の透過側を大気圧とし、更に膜の供給側と非透過側に十分な水蒸気の分圧差を稼ぐため、水蒸気濃度の低い製品ガスの20%を更に透過側へ供給した。供給ガス、製品ガスの露点は、鏡面式の露点計で検出し、水蒸気分圧を求めた。測定した水蒸気量(水蒸気分圧)と供給ガス量及び有効膜面積から膜の水蒸気透過速度(P’H2O)を算出した。尚、これらの測定は35℃でおこなった。
(Method of measuring water vapor transmission performance of hollow fiber membrane)
Using approximately 10 hollow fiber membranes, a stainless steel pipe, and an epoxy resin adhesive, an element for permeation performance evaluation with an effective length of 80 mm was prepared, and this was mounted on a stainless steel container to form a pencil module . A fixed amount of nitrogen gas containing saturated steam at 15 ° C. was supplied at a pressure of 5 kgfG / cm 2 to the inside of the hollow fiber of this pencil module, and the dry gas obtained from the outlet side of the membrane was used as the product gas. The permeation side of the membrane was atmospheric pressure, and in order to obtain a sufficient partial pressure difference of water vapor on the supply side and the non-permeation side of the membrane, 20% of the product gas with a low water vapor concentration was further supplied to the permeation side. The dew point of the supplied gas and the product gas was detected by a mirror dew point meter to determine the water vapor partial pressure. The water vapor transmission rate (P ' H2O ) of the membrane was calculated from the measured amount of water vapor (water vapor partial pressure), the amount of supplied gas and the effective membrane area. In addition, these measurements were performed at 35 degreeC.

(中空糸膜の窒素ガス透過性能の測定方法)
約10本の中空糸膜と、ステンレスパイプと、エポキシ樹脂系接着剤とを使用して有効長が80mmの透過性能評価用のエレメントを作成し、これをステンレス容器に装着してペンシルモジュールとした。それに5kgfG/cmの窒素純ガスを供給して透過流量を測定した。測定した透過窒素ガス量と供給圧力及び有効膜面積から窒素ガスの透過速度を算出した。尚、これらの測定は35℃でおこなった。
(Method of measuring nitrogen gas permeation performance of hollow fiber membrane)
Using approximately 10 hollow fiber membranes, a stainless steel pipe, and an epoxy resin adhesive, an element for permeation performance evaluation with an effective length of 80 mm was prepared, and this was mounted on a stainless steel container to form a pencil module . It was supplied with 5 kg fG / cm 2 of pure nitrogen gas to measure the permeation flow rate. The permeation rate of nitrogen gas was calculated from the measured amount of permeation nitrogen gas, supply pressure and effective membrane area. In addition, these measurements were performed at 35 degreeC.

<実施例1>
(ポリイミド溶液の調製)
3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、s−BPDA)45mol%と、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物(以下、6FDA)40mol%と、ベンゼン−1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物(以下、PMDA)15mol%と、3,7-ジアミノ-2,8-ジメチルジベンゾチオフェン5,5−ジオキシド(以下、TSN)50mol%と2,2’5,5’−テトラクロロベンジジン(以下、TCB)50mol%を、溶媒のパラクロロフェノール(以下、PCP)と共にセパラブルフラスコ中にて重合温度190℃で12時間重合し、ポリマー濃度が18重量%のポリイミド溶液を得た。得られたポリイミド溶液にグリセリンをポリマー溶液全量に対して5wt%になるように添加した。190℃で1時間攪拌することにより、最終的に100℃における溶液粘度が2000ポイズ、ポリマー濃度が17重量%のポリイミド溶液を得た。ポリイミド溶液の溶液粘度は、回転粘度計(ローターのずり速度1.75sec−1)を用い温度100℃で測定した。
Example 1
(Preparation of polyimide solution)
45 mol% of 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid dianhydride (hereinafter s-BPDA) and 2,2′-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride The following 6FDA) 40 mol%, benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic acid dianhydride (hereinafter PMDA) 15 mol%, 3,7-diamino-2,8-dimethyldibenzothiophene 5,5 A polymerization temperature of 190 in a separable flask together with 50 mol% of dioxide (hereinafter TSN) and 50 mol% 2,2'5,5'-tetrachlorobenzidine (hereinafter TCB) together with parachlorophenol (hereinafter PCP) as a solvent Polymerization was carried out for 12 hours at .degree. C. to obtain a polyimide solution having a polymer concentration of 18% by weight. Glycerin was added to the obtained polyimide solution to 5 wt% with respect to the total amount of the polymer solution. By stirring at 190 ° C. for 1 hour, a polyimide solution having a solution viscosity of 2000 poise at 100 ° C. and a polymer concentration of 17% by weight was finally obtained. The solution viscosity of the polyimide solution was measured at a temperature of 100 ° C. using a rotational viscometer (the shear rate of the rotor is 1.75 sec −1 ).

(非対称中空糸膜の製造方法)
得られたポリイミド溶液を、400メッシュの金網で濾過したあと、中空糸紡糸ノズル(円形開口部外径1000μm、円形開口部スリット幅200μm、芯部開口部外径600μm)から吐出させ、吐出した中空糸状体を窒素雰囲気中に通した後、0℃の75重量%エタノール水溶液からなる凝固液に浸漬し湿潤糸とした。これを50℃のエタノール中に2時間浸漬し脱溶媒処理を完了し、更に、70℃のイソオクタン中に3時間浸漬洗浄して溶媒を置換後、100℃で30分乾燥し、その後250℃で30分の熱処理を行った。得られた中空糸膜はいずれも、外径寸法330μm、内径寸法210μm、膜厚60μmのものであった。
(Method for producing asymmetric hollow fiber membrane)
The resulting polyimide solution is filtered through a 400 mesh wire mesh, and then discharged from a hollow fiber spinning nozzle (round opening outer diameter 1000 μm, circular opening slit width 200 μm, core opening outer diameter 600 μm) and discharged hollow The filament was passed through a nitrogen atmosphere and then immersed in a coagulating solution consisting of a 75% by weight aqueous ethanol solution at 0 ° C. to obtain a wet yarn. This is immersed in ethanol at 50 ° C. for 2 hours to complete the desolvation treatment, and then it is dipped and washed in isooctane at 70 ° C. for 3 hours to replace the solvent, dried at 100 ° C. for 30 minutes, and then at 250 ° C. Heat treatment was performed for 30 minutes. The obtained hollow fiber membranes were all having an outer diameter of 330 μm, an inner diameter of 210 μm, and a film thickness of 60 μm.

得られた中空糸膜のガス透過性能を前記の方法によって測定した。結果を表1に示す。   The gas permeation performance of the obtained hollow fiber membrane was measured by the above-mentioned method. The results are shown in Table 1.

<実施例2、比較例1〜3>
実施例2および比較例1においては、ポリイミドの組成、グリセリン濃度、ポリマー溶液の固形分濃度を表1のようにした以外は実施例1と同様の方法でポリイミド中空糸を得た。比較例2および3は表1に記載の中空糸膜を用いた。それぞれの中空糸膜のガス透過性能を前記の方法によって測定した。結果を表1に示す。
Example 2, Comparative Examples 1 to 3
In Example 2 and Comparative Example 1, polyimide hollow fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the polyimide, the concentration of glycerin, and the solid content concentration of the polymer solution were as shown in Table 1. In Comparative Examples 2 and 3, the hollow fiber membranes described in Table 1 were used. The gas permeation performance of each hollow fiber membrane was measured by the method described above. The results are shown in Table 1.

Figure 2019076866
Figure 2019076866

本発明のガス分離膜は、ガス透過速度をより向上させた非対称膜であり、実用レベルに十分なガスの選択透過性を有する。このため、本発明のガス分離膜を用いれば、ガス分離速度が向上した、高効率でコンパクトな高性能中空糸ガス分離膜モジュールを提供でき、高効率のガス分離を実現できる。また、本発明のガス分離膜は、好ましくは、ハロゲン化フェノールと脂肪族アルコールとの混合物を溶媒として用いたポリマー溶液を、乾湿式相転換法により形成することにより得ることができる。   The gas separation membrane of the present invention is an asymmetric membrane with a further improved gas permeation rate, and has gas selective permeability sufficient for practical use. Therefore, by using the gas separation membrane of the present invention, it is possible to provide a highly efficient and compact high performance hollow fiber gas separation membrane module having an improved gas separation rate, and to realize high efficiency gas separation. Further, the gas separation membrane of the present invention can be obtained preferably by forming a polymer solution using a mixture of a halogenated phenol and an aliphatic alcohol as a solvent by a dry-wet phase conversion method.

特に、本発明のガス分離膜は、水蒸気を含む混合ガスから水蒸気を除去する(除湿する)場合には、極めて高効率に、除湿を実施することが可能になる。   In particular, in the case of removing (dehumidifying) water vapor from a mixed gas containing water vapor, the gas separation membrane of the present invention can perform dehumidification with extremely high efficiency.

Claims (5)

ポリイミドで構成され、
スキン層(分離層)と多孔質層(支持層)とから構成される非対称構造を有し、水蒸気透過速度(P’H2O)が400×10−5cm(STP)/cm・sec・cmHg以上であり、水蒸気と窒素の透過速度比(P’H2O/P’N2)が100以上である、ガス分離膜。
Composed of polyimide,
It has an asymmetric structure composed of a skin layer (separation layer) and a porous layer (support layer), and has a water vapor transmission rate (P ' H2O ) of 400 × 10 -5 cm 3 (STP) / cm 2 · sec · A gas separation membrane having a cmHg or more and a water vapor / nitrogen permeation rate ratio ( P'H2O / P'N2 ) of 100 or more.
前記ポリイミドが、下記一般式(1)で表される反復単位を含む、請求項1に記載のガス分離膜。
Figure 2019076866
〔式(1)中、Bはテトラカルボン酸成分に起因する4価のユニットであり、下記式(B1)および下記式(B2)で示される構造を含み、Aはジアミン成分に起因する2価のユニットであり、下記式(A1)及び下記式(A2)で示される構造を含む。〕
Figure 2019076866
Figure 2019076866
(式(A1)中、RおよびR’は、互いに独立に、水素原子または有機基である。)
Figure 2019076866
(式(A2)中、Xは塩素原子又は臭素原子でnは1〜3である。)
The gas separation membrane according to claim 1, wherein the polyimide contains a repeating unit represented by the following general formula (1).
Figure 2019076866
[In formula (1), B is a tetravalent unit derived from a tetracarboxylic acid component, includes a structure represented by the following formula (B1) and the following formula (B2), and A is a bivalent derived from a diamine component] And a structure represented by the following formula (A1) and the following formula (A2). ]
Figure 2019076866
Figure 2019076866
(In formula (A1), R and R ′ are, independently of each other, a hydrogen atom or an organic group.)
Figure 2019076866
(In the formula (A2), X is a chlorine atom or a bromine atom and n is 1 to 3.)
前記式(1)中のBが、さらに下記式(B3):
Figure 2019076866
で示される構造を含む、請求項2に記載のガス分離膜。
B in the formula (1) is further represented by the following formula (B3):
Figure 2019076866
The gas separation membrane according to claim 2, comprising a structure represented by
請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス分離膜の製造方法であって、
ポリイミドと、フェノール系溶媒と脂肪族アルコールとを含む溶媒とを含むポリイミド溶液を用いて、乾湿式相転換法を行う工程を含む、ガス分離膜の製造方法。
The method for producing a gas separation membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein
A method for producing a gas separation membrane, comprising the step of performing a dry / wet phase conversion method using a polyimide solution containing a polyimide and a solvent containing a phenolic solvent and an aliphatic alcohol.
請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス分離膜を用いて、水蒸気を含有する混合ガスから水蒸気を分離する方法。   A method for separating water vapor from a mixed gas containing water vapor using the gas separation membrane according to any one of claims 1 to 3.
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