JP2020138138A - Composite semipermeable membrane - 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半透膜に関し、特に実用性のある透過性と選択分離性を有し、耐久性の高い複合半透膜に関する。 The present invention relates to a semipermeable membrane useful for selective separation of a liquid mixture, and particularly to a composite semipermeable membrane having practical permeability and selective separability and high durability.
液状混合物の膜分離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、例えば塩分、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。 Membranes used for membrane separation of liquid mixtures include microfiltration membranes, ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes, reverse osmosis membranes, etc., and these membranes are beverages from, for example, salt and water containing harmful substances. It is used to obtain water, to produce industrial ultrapure water, to treat wastewater, and to recover valuable resources.
現在市販されている逆浸透膜およびナノろ過膜の大部分は複合半透膜であり、中でも、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応によって得られる架橋芳香族ポリアミドからなる分離機能層を微多孔性支持膜上に被覆して得られる複合半透膜(特許文献1−2)は、透過性や選択分離性の高い分離膜として広く用いられている。 Most of the reverse osmosis membranes and nanofiltration membranes currently on the market are composite semipermeable membranes, and among them, a separation function composed of a crosslinked aromatic polyamide obtained by a polycondensation reaction between a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide. A composite semipermeable membrane (Patent Document 1-2) obtained by coating a layer on a microporous support membrane is widely used as a separation membrane having high permeability and selective separation.
ここで造水プラントなどの各種水処理において、前処理に添加している塩素は原則として膜と接触しないようオペレーション設計されているものの、オペレーションミスにより漏洩した塩素が膜と接触し、膜が酸化劣化するリスクが存在する。そこで塩素漏洩による膜劣化リスクを低減し、膜寿命を長期化する目的で、これら複合半透膜について耐塩素性向上に向けた検討が行われてきた。 Here, in various water treatments such as water production plants, the operation is designed so that the chlorine added to the pretreatment does not come into contact with the membrane in principle, but the chlorine leaked due to an operation error comes into contact with the membrane and the membrane is oxidized. There is a risk of deterioration. Therefore, in order to reduce the risk of membrane deterioration due to chlorine leakage and prolong the membrane life, studies have been conducted on these composite semipermeable membranes for improving chlorine resistance.
耐塩素性向上方法としては、分離機能層を形成するモノマー成分を改良する方法および分離機能層上に保護層を形成する方法が知られている。特許文献1には、分離機能層を形成する多官能アミンとしてm−フェニレンジアミン−4−スルホン酸ナトリウムを用いることが開示されており、特許文献2には、分離機能層を形成する多官能アミンとして、ヘキサフルオロアルコールを側鎖として有する化合物を用いることが開示されている。 As a method for improving chlorine resistance, a method for improving the monomer component forming the separation functional layer and a method for forming a protective layer on the separation functional layer are known. Patent Document 1 discloses that sodium m-phenylenediamine-4-sulfonate is used as the polyfunctional amine forming the separation functional layer, and Patent Document 2 discloses the polyfunctional amine forming the separation functional layer. Disclosed as a compound having a hexafluoroalcohol as a side chain.
上述した種々の提案では耐塩素性を有する膜もあるが、透水性および除去性を併せもつ膜は得られていない。本発明の目的は、実用に耐える透水性と塩除去性を有し、塩素に接触後も高い塩除去性を有する複合半透膜を提供することにある。 In the various proposals described above, some membranes have chlorine resistance, but membranes having both water permeability and removability have not been obtained. An object of the present invention is to provide a composite semipermeable membrane having water permeability and salt removing property that can withstand practical use and having high salt removing property even after contact with chlorine.
上記目的を達成するために、本発明の複合半透膜は、微多孔性支持層と、前記微多孔性支持層上に設けられた分離機能層を有する複合半透膜であって、前記分離機能層が架橋芳香族ポリアミドを含有し、かつ前記ポリアミドが(1)であらわされる部分構造を有する。 In order to achieve the above object, the composite semipermeable membrane of the present invention is a composite semipermeable membrane having a microporous support layer and a separation function layer provided on the microporous support layer, and the separation. The functional layer contains a crosslinked aromatic polyamide, and the polyamide has a partial structure represented by (1).
(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、Xは少なくとも2つの置換基を有する炭化水素であり、Xは前記置換基としてカルボキシ基と、カルボキシ基以外の置換基とを有し、Xの有する前記置換基のうち1つ以上のpKaが2.5以下である。またR2〜5は水素原子であるかまたは炭素数1〜10の脂肪族鎖である。) (Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, X is a hydrocarbon having at least two substituents, and X is a carboxy group as the substituent. It has a substituent other than the carboxy group, and one or more of the substituents of X has a pKa of 2.5 or less. Further, R2 to 5 are hydrogen atoms or fats having 1 to 10 carbon atoms. It is a tribal chain.)
本発明によって実用性のある透水性と塩除去性を有し、さらに塩素に接触後も高い塩除去性を示す複合半透膜が得られる。 According to the present invention, a composite semipermeable membrane having practical water permeability and salt removability and further exhibiting high salt removability even after contact with chlorine can be obtained.
[1.複合半透膜]
本発明に係る複合半透膜は、支持膜と、支持膜上に形成される分離機能層とを備える。複合半透膜は逆浸透膜またはナノろ過膜としての分離性能を備える。前記分離機能層は実質的に分離性能を有するものであり、支持膜は水を透過するものの実質的にイオン等の分離性能を有さず、分離機能層に強度を与えることができる。
[1. Composite semipermeable membrane]
The composite semipermeable membrane according to the present invention includes a support membrane and a separation functional layer formed on the support membrane. The composite semipermeable membrane has separation performance as a reverse osmosis membrane or a nanofiltration membrane. The separation functional layer has substantially separation performance, and although the support membrane allows water to pass through, it does not substantially have separation performance of ions and the like, and can give strength to the separation functional layer.
(1)支持膜
本実施形態では、支持膜は、基材および微多孔性支持層を備える。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、支持膜は、基材を持たず、微多孔性支持層のみで構成されていてもよい。
(1) Support film In the present embodiment, the support film includes a base material and a microporous support layer. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, the support film may not have a base material and may be composed only of a microporous support layer.
(1−1)基材
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、及びこれらの混合物又は共重合体等が挙げられる。中でも、機械的、熱的に安定性の高いポリエステル系重合体の布帛が特に好ましい。布帛の形態としては、長繊維不織布や短繊維不織布、さらには織編物を好ましく用いることができる。
(1-1) Base material Examples of the base material include polyester-based polymers, polyamide-based polymers, polyolefin-based polymers, and mixtures or copolymers thereof. Of these, polyester-based polymer fabrics with high mechanical and thermal stability are particularly preferable. As the form of the cloth, a long fiber non-woven fabric, a short fiber non-woven fabric, and a woven or knitted fabric can be preferably used.
(1−2)微多孔性支持層
本発明において微多孔性支持層は、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ためのものである。微多孔性支持層の孔のサイズや分布は特に限定されない。例えば、均一で微細な孔、又は分離機能層が形成される側の表面からもう一方の面まで徐々に大きな微細孔をもち、かつ、分離機能層が形成される側の表面で微細孔の大きさが0.1nm以上100nm以下であるような微多孔性支持層が好ましい。支持層に使用する材料やその形状は特に限定されない。
(1-2) Microporous Support Layer In the present invention, the microporous support layer is intended to give strength to a separation functional layer that does not substantially have separation performance such as ions and has substantially separation performance. Is. The size and distribution of the pores in the microporous support layer are not particularly limited. For example, it has uniform and fine pores or gradually large fine pores from the surface on the side where the separation function layer is formed to the other surface, and the size of the fine pores on the surface on the side where the separation function layer is formed. A microporous support layer having a size of 0.1 nm or more and 100 nm or less is preferable. The material used for the support layer and its shape are not particularly limited.
微多孔性支持層の素材には、例えば、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ィド、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、及びポリフェニレンオキシド等のホモポリマー又はコポリマーを、単独で又は混合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、ポリアクリロニトリルなどが使用できる。 The material of the microporous support layer includes, for example, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyether sulfone, polyamide, polyester, cellulose-based polymer, vinyl polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, and polyphenylene oxide. It can be used alone or in combination. Here, as the cellulosic polymer, cellulose acetate, cellulose nitrate and the like can be used, and as the vinyl polymer, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile and the like can be used.
中でもポリスルホン、ポリアミド、ポリエステル、酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホンなどのホモポリマーまたはコポリマーが好ましい。より好ましくは酢酸セルロース、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る。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。 Of these, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyamide, polyester, cellulose acetate, cellulose nitrate, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyphenylene sulfide, and polyphenylene sulfide sulfone are preferable. More preferably, cellulose acetate, polysulfone, polyphenylene sulfide sulfone, or polyphenylene sulfone can be mentioned. Further, among these materials, polysulfone can be generally used because of its high chemical, mechanical and thermal stability and easy molding.
ポリスルホンは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)でN−メチルピロリドンを溶媒に、ポリスチレンを標準物質として測定した場合の質量平均分子量(Mw)が、10000以上200000以下であることが好ましく、より好ましくは15000以上100000以下である。 The mass average molecular weight (Mw) of polysulfone measured by gel permeation chromatography (GPC) using N-methylpyrrolidone as a solvent and polystyrene as a standard substance is preferably 10,000 or more and 200,000 or less, more preferably. It is 15,000 or more and 100,000 or less.
ポリスルホンのMwが10000以上であることで、微多孔性支持層として好ましい機械的強度および耐熱性を得ることができる。また、Mwが200000以下であることで、溶液の粘度が適切な範囲となり、良好な成形性を実現することができる。 When the Mw of polysulfone is 10,000 or more, preferable mechanical strength and heat resistance can be obtained as a microporous support layer. Further, when Mw is 200,000 or less, the viscosity of the solution is in an appropriate range, and good moldability can be realized.
例えば、ポリスルホンのN,N−ジメチルホルムアミド(以降、DMFと記載)溶液を、密に織ったポリエステル布又は不織布の上に一定の厚さに注型し、それを水中で湿式凝固させることによって、表面の大部分が直径数10nm以下の微細な孔を有する微多孔性支持層を得ることができる。 For example, a solution of polysulfone in N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF) is cast on a densely woven polyester cloth or non-woven fabric to a certain thickness and wet-coagulated in water. A microporous support layer can be obtained in which most of the surface has fine pores having a diameter of several tens of nm or less.
基材と微多孔性支持層の厚みは、複合半透膜の強度及びそれをエレメントにしたときの充填密度に影響を与える。十分な機械的強度及び充填密度を得るためには、基材と微多孔性支持層の厚みの合計が、30μm以上300μm以下であることが好ましく、100μm以上220μm以下であるとより好ましい。また、微多孔性支持層の厚みは、20μm以上100μm以下であることが好ましい。なお、本書において、特に付記しない限り、厚みとは、平均値を意味する。ここで平均値とは相加平均値を表す。すなわち、基材と微多孔性支持層の厚みは、断面観察で厚み方向に直交する方向(膜の面方向)に20μm間隔で測定した、20点の厚みの平均値を算出することで求められる。 The thickness of the substrate and the microporous support layer affects the strength of the composite semipermeable membrane and the packing density when it is used as an element. In order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, the total thickness of the base material and the microporous support layer is preferably 30 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 100 μm or more and 220 μm or less. The thickness of the microporous support layer is preferably 20 μm or more and 100 μm or less. In this document, unless otherwise specified, the thickness means an average value. Here, the average value represents an arithmetic mean value. That is, the thickness of the base material and the microporous support layer can be obtained by calculating the average value of the thicknesses of 20 points measured at intervals of 20 μm in the direction orthogonal to the thickness direction (plane direction of the film) in the cross-sectional observation. ..
(2)分離機能層
(2−1)分離機能層の化学構造
分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを含有する。特に、分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを主成分として含有することが好ましい。主成分とは分離機能層の成分のうち、50重量%以上を占める成分を指す。分離機能層は、架橋芳香族ポリアミドを50重量%以上含むことにより、高い除去性能を発現することができる。
(2) Separation function layer (2-1) Chemical structure of separation function layer The separation function layer contains crosslinked aromatic polyamide. In particular, the separation functional layer preferably contains a crosslinked aromatic polyamide as a main component. The main component refers to a component that accounts for 50% by weight or more of the components of the separation functional layer. The separation functional layer can exhibit high removal performance by containing 50% by weight or more of the crosslinked aromatic polyamide.
本発明における芳香族ポリアミドは、その末端アミノ基を介したアミド結合によって(1)であらわされる部分構造を有する。 The aromatic polyamide in the present invention has a partial structure represented by (1) by an amide bond via its terminal amino group.
(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、Xは少なくとも2つの置換基を有する炭化水素であり、Xは前記置換基としてカルボキシ基と、カルボキシ基以外の置換基とを有し、Xの有する前記置換基のうち1つ以上のpKaが2.5以下である。またR2〜5は水素原子であるかまたは炭素数1〜10の脂肪族鎖である。)
式(1)における繰り返し単位(括弧内の構造)は、多官能芳香族アミンと多官能芳香族酸クロリドとの重合物であることが好ましい。
(Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have a substituent, X is a hydrocarbon having at least two substituents, and X is a carboxy group as the substituent. It has a substituent other than the carboxy group, and one or more of the substituents of X has a pKa of 2.5 or less. Further, R2 to 5 are hydrogen atoms or fats having 1 to 10 carbon atoms. It is a tribal chain.)
The repeating unit (structure in parentheses) in the formula (1) is preferably a polymer of a polyfunctional aromatic amine and a polyfunctional aromatic acid chloride.
末端にアミノ基ではなく、(1)の構造を有することで、末端アミノ基に比べてエネルギー準位が低下するため、耐酸化性が向上して塩素接触後も構造が変化しにくくなる。また、親水性であるカルボニル基が存在することにより、末端官能基がかさ高くなっても透水性が低下しづらい。さらに、pKaを2.5以下とすることで、中性領域で荷電を有する末端基の割合が増加し、荷電が形成する静電場により、塩除去性能が向上する。 By having the structure (1) at the terminal instead of the amino group, the energy level is lowered as compared with the terminal amino group, so that the oxidation resistance is improved and the structure is less likely to change even after chlorine contact. Further, due to the presence of the hydrophilic carbonyl group, the water permeability is unlikely to decrease even if the terminal functional group becomes bulky. Further, by setting the pKa to 2.5 or less, the proportion of the terminal groups having a charge in the neutral region increases, and the electrostatic field formed by the charge improves the salt removal performance.
部分構造(1)におけるXの有する炭素数は6以下であることが好ましく、より好ましくは5以下、さらに好ましくは4以下である。炭素数が6以下であることで、親水性基に対する疎水性部位の割合が小さくなるため、膜の透水性は大きくなる。 The carbon number of X in the partial structure (1) is preferably 6 or less, more preferably 5 or less, still more preferably 4 or less. When the number of carbon atoms is 6 or less, the ratio of the hydrophobic site to the hydrophilic group becomes small, so that the water permeability of the membrane becomes large.
Xの有するカルボキシ基以外の置換基の数は適宜選択することができるが、反応時の立体障害の観点から、3以下が好ましく、さらに好ましくは2以下である。 The number of substituents other than the carboxy group of X can be appropriately selected, but from the viewpoint of steric hindrance during the reaction, it is preferably 3 or less, more preferably 2 or less.
Xの主鎖部分は環式であっても鎖式であってもよく、また、飽和結合のみで形成されても不飽和結合が含まれていてもよく、得たい性能により適宜選択することができる。不飽和結合に隣接したメチレン水素は塩素ラジカルによる攻撃を受けやすく塩素接触後の構造が変化しやすいため、飽和結合のみで形成された場合は耐久性がより向上する。一方、不飽和結合を有した場合は、部分構造内の絡み合いが生じにくく粘度が下がるため運動性が向上し、透水性が向上する。
これらのポリアミド中の官能基量は、例えば、13C固体NMR測定で求めることができる。具体的には、複合半透膜から基材を剥離し、分離機能層と多孔性支持層を得た後、多孔性支持層を溶解・除去し、分離機能層を得る。得られた分離機能層をDD/MAS−13C固体NMR測定を行い、各官能基が結合している炭素原子のピークの積分値を算出する。この積分値から各官能基量を同定できる。13C固体NMRで測定される官能基としては、具体的には、カルボキシ基、アミノ基、及びX内の脂肪族鎖部が想定される。
Xは、スルホ基、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基、ヒドロキシテレフタル酸基などの置換基を有する環状酸無水物、スルホ基、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基、ヒドロキシテレフタル酸基などの置換基を有するジカルボン酸またはジカルボン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種の化合物に由来することが好ましい。これらの化合物については後述する。
本発明において、酸素原子/窒素原子は1.15以上であることが好ましく、さらに好ましくは1.20以上である。酸素原子/窒素原子が1.15以上であることで、カルボキシ基を含むXが十分に含まれるため、荷電が形成する静電場による塩除去性向上やカルボキシ基の親水性による透水性向上が見込める。
ポリアミド分離機能層の元素比率は、例えば、X線光電子分光法(XPS)を用いて分析することができる。具体的には、「Journal of Polymer Science」,Vol.26,559−572(1988)および「日本接着学会誌」,Vol.27,No.4(1991)で例示されているX線光電子分光法(XPS)を用いることにより求めることができる。
The main chain portion of X may be a ring type or a chain type, and may be formed only by a saturated bond or may contain an unsaturated bond, and may be appropriately selected depending on the desired performance. it can. Since methylene hydrogen adjacent to an unsaturated bond is easily attacked by chlorine radicals and its structure after chlorine contact is likely to change, its durability is further improved when it is formed only by a saturated bond. On the other hand, when it has an unsaturated bond, entanglement in the partial structure is less likely to occur and the viscosity is lowered, so that the mobility is improved and the water permeability is improved.
The amount of functional groups in these polyamides can be determined, for example, by 13C solid-state NMR measurement. Specifically, the base material is peeled from the composite semipermeable membrane to obtain a separation function layer and a porous support layer, and then the porous support layer is dissolved and removed to obtain a separation function layer. The obtained separation functional layer is subjected to DD / MAS-13C solid-state NMR measurement, and the integrated value of the peak of the carbon atom to which each functional group is bonded is calculated. Each functional group amount can be identified from this integrated value. As the functional group measured by 13C solid-state NMR, specifically, a carboxy group, an amino group, and an aliphatic chain portion in X are assumed.
X is a cyclic acid anhydride having a substituent such as a sulfo group, a fluoro group, a chloro group, a bromo group, an iodo group or a hydroxyterephthalic acid group, a sulfo group, a fluoro group, a chloro group, a bromo group, an iodo group or a hydroxyterephthalate group. It is preferably derived from at least one compound selected from the group consisting of dicarboxylic acids or dicarboxylic acid salts having substituents such as acid groups. These compounds will be described later.
In the present invention, the oxygen atom / nitrogen atom is preferably 1.15 or more, and more preferably 1.20 or more. Since the oxygen atom / nitrogen atom is 1.15 or more, X containing a carboxy group is sufficiently contained, so that the salt removal property is expected to be improved by the electrostatic field formed by the electric charge and the water permeability is expected to be improved by the hydrophilicity of the carboxy group. ..
The element ratio of the polyamide separation functional layer can be analyzed using, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Specifically, "Journal of Polymer Science", Vol. 26,559-572 (1988) and "Journal of the Japan Society of Adhesion", Vol. 27, No. It can be obtained by using the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) illustrated in 4 (1991).
2.複合半透膜の製造方法
(1)分離機能層の形成方法
上記の分離機能層は、多官能芳香族アミン、多官能芳香族酸クロリド、脂肪族カルボン酸誘導体を化学反応させることにより得られる。主骨格である架橋芳香族ポリアミドは、多官能芳香族アミンと多官能芳香族酸クロリドの重合反応により構築される。
2. 2. Method for producing composite semipermeable membrane (1) Method for forming separation functional layer The above separation functional layer is obtained by chemically reacting a polyfunctional aromatic amine, a polyfunctional aromatic acid chloride, and an aliphatic carboxylic acid derivative. The crosslinked aromatic polyamide, which is the main skeleton, is constructed by a polymerization reaction of a polyfunctional aromatic amine and a polyfunctional aromatic acid chloride.
多官能芳香族アミンとは、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のアミノ基を2個以上有し、かつ、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芳香族アミンを意味する。多官能芳香族アミンとしては、例えば、o−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、o−キシリレンジアミン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、o−ジアミノピリジン、m−ジアミノピリジン、p−ジアミノピリジン等の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芳香環に結合した多官能芳香族アミン、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多官能芳香族アミンなどが挙げられる。特に、膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、及び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を用いることがより好ましい。これらの多官能芳香族アミンは、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The polyfunctional aromatic amine has two or more amino groups of at least one of a primary amino group and a secondary amino group in one molecule, and at least one of the amino groups is primary. It means an aromatic amine which is an amino group. Examples of the polyfunctional aromatic amine include o-phenylenediamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, o-xylylene diamine, m-xylylene diamine, p-xylylene diamine, o-diaminopyridine, and m-. A polyfunctional aromatic amine in which two amino groups such as diaminopyridine and p-diaminopyridine are bonded to an aromatic ring at any of the ortho-position, meta-position, and para-position, 1,3,5-triaminobenzene. , 1,2,4-triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, 4-aminobenzylamine and other polyfunctional aromatic amines. In particular, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, and 1,3,5-triaminobenzene are preferably used in consideration of selective separability, permeability, and heat resistance of the membrane. Above all, it is more preferable to use m-phenylenediamine from the viewpoint of easy availability and ease of handling. These polyfunctional aromatic amines may be used alone or in combination of two or more.
多官能芳香族酸クロリドとは、一分子中に少なくとも2個のクロロカルボニル基を有する芳香族酸クロリドをいう。例えば、3官能酸クロリドでは、トリメシン酸クロリドなどを挙げることができ、2官能酸クロリドでは、ビフェニルジカルボン酸ジクロリド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロリド、テレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ナフタレンジカルボン酸クロリドなどを挙げることができる。膜の選択分離性、耐熱性を考慮すると、一分子中に2〜4個の塩化カルボニル基を有する多官能芳香族酸クロリドであることが好ましい。膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、トリメシン酸クロリドがより好ましい。これらの多官能芳香族酸クロリドは、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The polyfunctional aromatic acid chloride refers to an aromatic acid chloride having at least two chlorocarbonyl groups in one molecule. For example, the trifunctional acid chloride includes trimesic acid chloride and the like, and the bifunctional acid chloride includes biphenyldicarboxylic acid dichloride, azobenzenedicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, naphthalenedicarboxylic acid chloride and the like. Can be done. Considering the selective separability and heat resistance of the membrane, a polyfunctional aromatic acid chloride having 2 to 4 carbonyl chloride groups in one molecule is preferable. Trimesic acid chloride is more preferable in consideration of selective separability, permeability and heat resistance of the membrane. These polyfunctional aromatic acid chlorides may be used alone or in combination of two or more.
ここで、多官能芳香族アミンおよび多官能芳香族酸クロリドについて、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。これにより、剛直な分子鎖が得られ、水和イオンやホウ素などの微細な溶質を除去するための良好な孔構造が形成される。
化学反応の方法として、界面重合法が生産性、性能の観点から最も好ましい。以下、界面重合の工程について説明する。
Here, it is preferable that at least one of the polyfunctional aromatic amine and the polyfunctional aromatic acid chloride contains a trifunctional or higher functional compound. As a result, a rigid molecular chain is obtained, and a good pore structure for removing fine solutes such as hydrated ions and boron is formed.
As a method of chemical reaction, the interfacial polymerization method is most preferable from the viewpoint of productivity and performance. Hereinafter, the step of interfacial polymerization will be described.
界面重合の工程は、(a)多官能芳香族アミンを含有する水溶液を多孔性支持層上に接触させる工程と、(b)多官能芳香族アミンを含有する水溶液を接触させた多孔性支持層に多官能芳香族酸クロリド溶液を接触させる工程と、(c)接触後の有機溶媒溶液を液切りする工程と、(d)有機溶媒溶液を液切りした複合半透膜を熱水で洗浄する工程、を有する。 The interfacial polymerization steps include (a) a step of contacting an aqueous solution containing a polyfunctional aromatic amine on the porous support layer and (b) a porous support layer in which an aqueous solution containing a polyfunctional aromatic amine is brought into contact. The step of contacting with the polyfunctional aromatic acid chloride solution, (c) the step of draining the organic solvent solution after contact, and (d) washing the composite semipermeable membrane obtained by draining the organic solvent solution with hot water. Has a process.
なお本欄では、支持膜が基材と微多孔性支持層とを備える場合を例に挙げるが、支持膜が別の構成を備える場合は、「微多孔性支持層」を「支持膜」と読み替えればよい。 In this column, the case where the support film includes the base material and the microporous support layer is given as an example, but when the support film has a different configuration, the "microporous support layer" is referred to as "support film". It should be read as.
工程(a)において、多官能芳香族アミン水溶液における多官能芳香族アミンの濃度は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、より好ましくは0.5重量%以上15重量%以下の範囲内である。多官能芳香族アミンの濃度がこの範囲であると十分な溶質除去性能および透水性を得ることができる。 In the step (a), the concentration of the polyfunctional aromatic amine in the aqueous solution of the polyfunctional aromatic amine is preferably in the range of 0.1% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 0.5% by weight or more and 15% by weight. It is within the range of weight% or less. When the concentration of the polyfunctional aromatic amine is in this range, sufficient solute removal performance and water permeability can be obtained.
多官能芳香族アミン水溶液の接触は、微多孔性支持層上に均一かつ連続的に行うことが好ましい。具体的には、例えば、多官能芳香族アミン水溶液を微多孔性支持層にコーティングする方法や、微多孔性支持層を多官能芳香族アミン水溶液に浸漬する方法などを挙げることができる。微多孔性支持層と多官能芳香族アミン水溶液との接触時間は、1秒以上10分間以下であることが好ましく、10秒以上3分間以下であるとさらに好ましい。 The contact of the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is preferably performed uniformly and continuously on the microporous support layer. Specifically, for example, a method of coating the microporous support layer with a polyfunctional aromatic amine aqueous solution, a method of immersing the microporous support layer in the polyfunctional aromatic amine aqueous solution, and the like can be mentioned. The contact time between the microporous support layer and the aqueous solution of the polyfunctional aromatic amine is preferably 1 second or more and 10 minutes or less, and more preferably 10 seconds or more and 3 minutes or less.
多官能芳香族アミン水溶液を微多孔性支持層に接触させた後は、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、微多孔性支持層形成後に液滴残存部分が膜欠点となって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、多官能芳香族アミン水溶液接触後の支持膜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 the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is brought into contact with the microporous support layer, the liquid is sufficiently drained so that no droplets remain on the membrane. By draining the liquid sufficiently, it is possible to prevent the residual portion of the droplet from becoming a film defect and deteriorating the removal performance after the formation of the microporous support layer. As a method of draining the liquid, for example, as described in JP-A-2-78428, a method of vertically grasping the support membrane after contact with the polyfunctional aromatic amine aqueous solution and allowing the excess aqueous solution to flow down naturally. Alternatively, a method of forcibly draining the liquid by blowing an air flow such as nitrogen from an air nozzle can be used. Further, after draining the liquid, the film surface can be dried to remove a part of the water content of the aqueous solution.
工程(b)において、有機溶媒溶液中の多官能芳香族酸クロリドの濃度は、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。0.01重量%以上とすることで十分な反応速度が得られ、また、10重量%以下とすることで副反応の発生を抑制することができるためである。 In the step (b), the concentration of the polyfunctional aromatic acid chloride in the organic solvent solution is preferably in the range of 0.01% by weight or more and 10% by weight or less, and 0.02% by weight or more and 2.0% by weight or less. It is more preferably within the following range. This is because a sufficient reaction rate can be obtained when the content is 0.01% by weight or more, and the occurrence of side reactions can be suppressed when the content is 10% by weight or less.
有機溶媒は、水と非混和性であり、かつ多官能芳香族酸クロリドを溶解し、支持膜を破壊しないものが好ましく、多官能芳香族アミンおよび多官能芳香族酸クロリドに対して不活性であるものであればよい。好ましい例として、n−ノナン、n−デカン、n−ウンデカン、n−ドデカン、イソオクタン、イソデカン、イソドデカンなどの炭化水素化合物および混合溶媒が挙げられる。 The organic solvent is preferably immiscible with water, dissolves the polyfunctional aromatic acid chloride, and does not destroy the support film, and is inactive against the polyfunctional aromatic amine and the polyfunctional aromatic acid chloride. Anything is fine. Preferred examples include hydrocarbon compounds such as n-nonane, n-decane, n-undecane, n-dodecane, isooctane, isodecan, isododecane and mixed solvents.
多官能芳香族酸クロリドの有機溶媒溶液の多官能芳香族アミン水溶液と接触させた微多孔性支持層への接触の方法は、多官能芳香族アミン水溶液の微多孔性支持層への被覆方法と同様に行えばよい。 The method of contacting the microporous support layer in which the organic solvent solution of the polyfunctional aromatic acid chloride is brought into contact with the polyfunctional aromatic amine aqueous solution is the method of coating the microporous support layer of the polyfunctional aromatic amine aqueous solution. You can do the same.
工程(c)において、反応後の有機溶媒溶液を液切りする工程により、有機溶媒を除去する。有機溶媒の除去は、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、送風機で風を吹き付けることで有機溶媒を乾燥除去する方法、水とエアーの混合流体で過剰の有機溶媒を除去する方法等を用いることができる。 In step (c), the organic solvent is removed by the step of draining the organic solvent solution after the reaction. To remove the organic solvent, for example, a method of grasping the membrane in the vertical direction and naturally flowing down the excess organic solvent to remove the organic solvent, a method of drying and removing the organic solvent by blowing wind with a blower, a mixed fluid of water and air. A method of removing excess organic solvent can be used.
工程(d)において、有機溶媒を除去した複合半透膜を熱水で洗浄する。熱水の温度としては40℃以上100℃以下、好ましくは60℃以上100℃以下である。 In step (d), the composite semipermeable membrane from which the organic solvent has been removed is washed with hot water. The temperature of the hot water is 40 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.
こうして、末端アミノ基を有する架橋芳香族ポリアミド(下記式(2))を含む層が形成される。 In this way, a layer containing a crosslinked aromatic polyamide having a terminal amino group (formula (2) below) is formed.
(Ar1〜3は置換基を有していてもよい炭素数5〜14の芳香族環であり、R2〜5は水素原子または炭素原子が1〜10の脂肪族鎖である。)
次に、上記(1)であらわされる部分構造を架橋芳香族ポリアミドに付与する。pKaが2.5以下であるXとしては、SO3H基、SeO3H基などが挙げられる。また、Xが有するカルボキシ基のpKaが2.5以下となるカルボキシ基以外の置換基としては、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基、ヒドロキシテレフタル酸基が挙げられる。カルボキシ基及びカルボキシ基以外の置換基を導入する方法としては、芳香族ポリアミドのアミノ基末端に、スルホ基やフルオロ基などのカルボキシ基以外の置換基を有する環状酸無水物を作用させる方法、スルホジカルボン酸、フルオロジカルボン酸などのカルボキシ基以外の置換基を有するジカルボン酸またはジカルボン酸塩を反応させる方法が挙げられる。
(Ar1 to 3 are aromatic rings having 5 to 14 carbon atoms which may have substituents, and R2 to 5 are aliphatic chains having 1 to 10 hydrogen atoms or carbon atoms.)
Next, the partial structure represented by (1) above is imparted to the crosslinked aromatic polyamide. Examples of X having a pKa of 2.5 or less include an SO3H group and a SeO3H group. Examples of the substituent other than the carboxy group in which the pKa of the carboxy group of X is 2.5 or less include a fluoro group, a chloro group, a bromo group, an iodo group and a hydroxyterephthalic acid group. As a method for introducing a substituent other than the carboxy group and the carboxy group, a method in which a cyclic acid anhydride having a substituent other than the carboxy group such as a sulfo group or a fluoro group is allowed to act on the amino group terminal of the aromatic polyamide, sulfo. Examples thereof include a method of reacting a dicarboxylic acid or a dicarboxylic acid salt having a substituent other than the carboxy group such as dicarboxylic acid and fluorodicarboxylic acid.
用いられる環状酸無水物としては、たとえば、2−スルホ無水コハク酸、4−スルホ無水フタル酸、スルホ無水マレイン酸、テトラフルオロコハク酸無水物、テトラフルオロ無水フタル酸、テトラフルオロ無水マレイン酸、テトラクロロコハク酸無水物、テトラクロロ無水フタル酸、テトラクロロ無水マレイン酸、テトラブロモコハク酸無水物、テトラブロモ無水フタル酸、テトラブロモ無水マレイン酸、テトラヨードコハク酸無水物、テトラヨード無水フタル酸、テトラヨード無水マレイン酸などを挙げることができる。
スルホジカルボン酸またはスルホジカルボン酸塩としては、たとえば、スルホコハク酸、スルホマロン酸、スルホグルタル酸、スルホアジピン酸、スルホイソフタル酸、スルホテレフタル酸及びそれらの塩[金属塩、例えばアルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム等)、アルカリ土類金属(カルシウム、マグネシウム等)及びIIB族金属(亜鉛等)の塩;アンモニウム塩;並びにアミン塩及び4級アンモニウム塩等]などを挙げることができる。
用いる環状無水物あるいはジカルボン酸の炭素数は7以下であることが好ましく、より好ましくは6以下、さらに好ましくは5以下である。環状酸無水物炭素数が7以下であることで、ポリアミド末端のアミノ基に接近しやすいため、反応が十分に進行し、分離機能層の耐塩素性向上効果が得られる。また、環状酸無水物の炭素数が7以下であるとき、X内の炭素数の合計が6以下となるため、親水性基に対する疎水性部位の割合が小さくなり、膜の透水性が向上する。
Examples of the cyclic acid anhydride used include 2-sulfosuccinic anhydride, 4-sulfomaleic anhydride, sulfomaleic anhydride, tetrafluorosuccinic anhydride, tetrafluoromalic anhydride, tetrafluoromaleic anhydride, and tetra. Chlorosuccinic anhydride, tetrachlorosuccinic anhydride, tetrachloromaleic anhydride, tetrabromosuccinic anhydride, tetrabromosphthalic anhydride, tetrabromosuccinic anhydride, tetraiodosuccinic anhydride, tetraiodomalic anhydride, tetraiodomale anhydride Acid and the like can be mentioned.
Examples of the sulfodicarboxylic acid or sulfodicarboxylate include sulfosuccinic acid, sulfomaronic acid, sulfoglutaric acid, sulfoadipic acid, sulfoisophthalic acid, sulfoterephthalic acid and salts thereof [metal salts such as alkali metals (lithium, sodium, (Potass, etc.), salts of alkaline earth metals (calcium, magnesium, etc.) and Group IIB metals (zinc, etc.); ammonium salts; and amine salts, quaternary ammonium salts, etc.] and the like.
The cyclic anhydride or dicarboxylic acid used preferably has 7 or less carbon atoms, more preferably 6 or less, and further preferably 5 or less. When the cyclic acid anhydride has 7 or less carbon atoms, it easily approaches the amino group at the end of the polyamide, so that the reaction proceeds sufficiently and the effect of improving the chlorine resistance of the separation functional layer can be obtained. Further, when the number of carbon atoms in the cyclic acid anhydride is 7 or less, the total number of carbon atoms in X is 6 or less, so that the ratio of the hydrophobic site to the hydrophilic group becomes small and the water permeability of the membrane is improved. ..
以下に環状酸無水物を反応させる工程(A)およびジカルボン酸またはジカルボン酸塩を反応させる工程(B)について述べるが、部分構造(1)を付与する方法は工程(A)(B)いずれを用いてもよい。工程(A)において、環状酸無水物はその環ひずみにより加水分解反応が起こりやすいため、剰余水分を液切りしてから反応を行うのが好ましい。液切りの方法としては、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、雰囲気温度を高温にすることで膜面を乾燥させる方法などを用いることができる。
環状酸無水物は、そのまま接触させてもよいし、支持膜を変質させない溶媒に溶解し、複合半透膜に接触させてもよい。溶媒は環状酸無水物を溶解あるいは懸濁できるものであれば特に限定されないが、溶媒中の水分量は2%以下であると加水分解による反応阻害が小さくなり好ましい。
The step (A) of reacting the cyclic acid anhydride and the step (B) of reacting the dicarboxylic acid or the dicarboxylic acid salt will be described below, but any of the steps (A) and (B) can be used as the method for imparting the partial structure (1). You may use it. In the step (A), since the cyclic acid anhydride is likely to undergo a hydrolysis reaction due to its ring strain, it is preferable to perform the reaction after draining the excess water. As a method of draining the liquid, a method of forcibly draining the liquid by blowing an air flow such as nitrogen from an air nozzle, a method of drying the film surface by raising the ambient temperature, and the like can be used.
The cyclic acid anhydride may be contacted as it is, or may be dissolved in a solvent that does not deteriorate the support membrane and brought into contact with the composite semipermeable membrane. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve or suspend the cyclic acid anhydride, but it is preferable that the water content in the solvent is 2% or less because the reaction inhibition due to hydrolysis is small.
環状酸無水物を接触させる方法としては、複合半透膜の分離機能層上にコーティングすることで反応させてもよいし、環状酸無水物またはそれを含む溶液に、分離機能層を含む膜を浸漬して反応させてもよい。また、後述する複合半透膜エレメントを作成してから環状酸無水物を含む溶液を通液処理して反応させてもよい。 As a method of contacting the cyclic acid anhydride, the reaction may be carried out by coating on the separation functional layer of the composite semipermeable membrane, or a membrane containing the separation functional layer is added to the cyclic acid anhydride or a solution containing the same. It may be immersed and reacted. Alternatively, a composite semipermeable membrane element, which will be described later, may be prepared and then a solution containing a cyclic acid anhydride may be passed through and reacted.
環状酸無水物を溶液として、またはそのまま複合半透膜に塗布する際の反応時間および温度は、環状酸無水物の種類、塗布方法により適宜調整可能である。環状酸無水物を溶液として塗布する際には、溶液の濃度は10mmol/L以上であることが好ましい。10mmol/L以上であることで、機能層のポリアミド末端のアミノ基と環状酸無水物が十分に反応し、分離機能層の耐塩素性向上効果が得られる。 The reaction time and temperature when the cyclic acid anhydride is applied as a solution or as it is to the composite semipermeable membrane can be appropriately adjusted depending on the type and application method of the cyclic acid anhydride. When the cyclic acid anhydride is applied as a solution, the concentration of the solution is preferably 10 mmol / L or more. When it is 10 mmol / L or more, the amino group at the polyamide terminal of the functional layer reacts sufficiently with the cyclic acid anhydride, and the effect of improving the chlorine resistance of the separation functional layer can be obtained.
工程(B)においては、エタノールなどのアルコールにN,N‘−ジシクロヘキシルカルボジイミド及びジカルボン酸を溶解した溶液を、複合半透膜の分離機能層上にコーティングすることで接触させて反応させる。塗布する際の反応時間および温度は、ジカルボン酸の種類、塗布方法により適宜調整可能である。溶液の濃度は10mmol/L以上であることが好ましい。10mmol/L以上であることで、機能層のポリアミド末端のアミノ基と十分に反応し、分離機能層の耐塩素性向上効果が得られる。 In the step (B), a solution prepared by dissolving N, N'-dicyclohexylcarbodiimide and a dicarboxylic acid in an alcohol such as ethanol is coated on the separation functional layer of the composite semipermeable membrane to bring them into contact with each other for reaction. The reaction time and temperature at the time of coating can be appropriately adjusted depending on the type of dicarboxylic acid and the coating method. The concentration of the solution is preferably 10 mmol / L or more. When it is 10 mmol / L or more, it sufficiently reacts with the amino group at the polyamide terminal of the functional layer, and the effect of improving the chlorine resistance of the separated functional layer can be obtained.
(2)支持膜の形成方法
本発明に使用する微多孔性支持層は、ミリポア社製“ミリポアフィルターVSWP”(商品名)や、東洋濾紙社製“ウルトラフィルターUK10”(商品名)のような各種市販材料から選択することもできるが、“オフィス・オブ・セイリーン・ウォーター・リサーチ・アンド・ディベロップメント・プログレス・レポート”No.359(1968)に記載された方法に従って製造することができる。
(2) Method for Forming Support Film The microporous support layer used in the present invention is such as "Millipore Filter VSWP" (trade name) manufactured by Millipore Co., Ltd. or "Ultrafilter UK10" (trade name) manufactured by Toyo Filter Paper Co., Ltd. You can choose from a variety of commercially available materials, but the "Office of Saline Water Research and Development Progress Report" No. It can be produced according to the method described in 359 (1968).
微多孔性支持層の形成方法は、具体的には以下の工程を含む。
・微多孔性支持層を形成する樹脂を溶媒に溶かすことで、溶液を得る。
・得られた溶液を基材に塗布する。
・上記樹脂の非溶媒を含む凝固液に浸漬する。
Specifically, the method for forming the microporous support layer includes the following steps.
-A solution is obtained by dissolving the resin forming the microporous support layer in a solvent.
-Apply the obtained solution to the substrate.
-Immerse in a coagulating solution containing the non-solvent of the above resin.
3.複合半透膜の利用
複合半透膜は、プラスチックネットなどの供給水流路材と、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として好適に用いられる。さらに、このエレメントを直列または並列に接続して圧力容器に収納した複合半透膜モジュールとすることもできる。
3. 3. Utilization of composite semipermeable membrane The composite semipermeable membrane is provided with a large number of holes together with a supply water flow path material such as a plastic net, a permeation water flow path material such as a tricot, and a film for increasing pressure resistance as needed. It is wound around a cylindrical water collecting pipe, and is suitably used as a spiral type composite semipermeable membrane element. Further, the elements can be connected in series or in parallel to form a composite semipermeable membrane module housed in a pressure vessel.
また、上記の複合半透膜やそのエレメント、モジュールは、それらに供給水を供給するポンプや、その供給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、供給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。 Further, the composite semipermeable membrane, its elements, and modules can be combined with a pump for supplying supply water to them, a device for pretreating the supplied water, and the like to form a fluid separation device. By using this separation device, the supplied water can be separated into permeated water such as drinking water and concentrated water that has not permeated the membrane, and water suitable for the purpose can be obtained.
本発明に係る複合半透膜によって処理される供給水としては、海水、かん水、排水等の500mg/L以上100g/L以下のTDS(Total Dissolved Solids:総溶解固形分)を含有する液状混合物が挙げられる。一般に、TDSは総溶解固形分量を指し、「質量÷体積」あるいは「重量比」で表される。定義によれば、0.45ミクロンのフィルターで濾過した溶液を39.5℃以上40.5℃以下の温度で蒸発させ残留物の重さから算出できるが、より簡便には実用塩分(S)から換算する。 As the supply water treated by the composite semipermeable membrane according to the present invention, a liquid mixture containing 500 mg / L or more and 100 g / L or less of TDS (Total Dissolved Solids) such as seawater, brackish water, and wastewater is used. Can be mentioned. Generally, TDS refers to the total amount of dissolved solids and is expressed as "mass ÷ volume" or "weight ratio". According to the definition, a solution filtered through a 0.45 micron filter is evaporated at a temperature of 39.5 ° C. or higher and 40.5 ° C. or lower and can be calculated from the weight of the residue, but more simply, the practical salinity (S). Convert from.
流体分離装置の操作圧力は高い方が溶質除去率は向上するが、運転に必要なエネルギーも増加すること、また、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、0.5MPa以上、10MPa以下が好ましい。供給水温度は、高くなると溶質除去率が低下するが、低くなるにしたがい膜透過流束も減少するので、5℃以上、45℃以下が好ましい。また、供給水pHが高くなると、海水などの高溶質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 solute removal rate, but the energy required for operation also increases, and considering the durability of the composite semipermeable membrane, water to be treated is applied to the composite semipermeable membrane. The operating pressure for permeation is preferably 0.5 MPa or more and 10 MPa or less. As the supply water temperature increases, the solute removal rate decreases, but as the temperature decreases, the membrane permeation flux also decreases, so that the temperature is preferably 5 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. In addition, when the pH of the supplied water becomes high, scales such as magnesium may be generated in the case of supplied water having a high solute concentration such as seawater, and there is a concern that the membrane may deteriorate due to high pH operation. It is preferable to operate in.
以下実施例をもって本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるものではない。
(酸素原子/窒素原子の比)
比較例、実施例における複合半透膜の分離機能層の全酸素原子数と全窒素原子数を、X線光電子分光法(XPS)による測定結果から算出した。
測定装置:Quantera SXM(PHI社製)
励起X線:monochromatic Al Kα1,2線(1486.6eV)
X線径:0.2mm
(Xの官能基の同定)
複合半透膜5m2から基材を物理的に剥離させ、多孔性支持層と分離機能層を回収した。25°Cで24時間静置することで乾燥させた後、ジクロロメタンの入ったビーカー内に少量ずつ加えて撹拌し、多孔性支持層を構成するポリマーを溶解させた。ビーカー内の不溶物を濾紙で回収した。この不溶物をジクロロメタンの入ったビーカー内に入れ攪拌し、ビーカー内の不溶物を回収した。この作業をジクロロメタン溶液中に多孔性支持層を形成するポリマーの溶出が検出できなくなるまで繰り返した。回収した分離機能層は真空乾燥機で乾燥させ、残存するジクロロメタンを除去した。得られた分離機能層は凍結粉砕によって粉末状の試料とし、固体NMR法測定に用いられる試料管内に封入して、CP/MAS法、及びDD/MAS法による13C固体NMR測定を行った。13C固体NMR測定には、例えば、Chemagnetics社製CMX−300を用いることができる。測定条件例を以下に示す。
基準物質:ポリジメチルシロキサン(内部基準:1.56ppm)
試料回転数:10.5kHz
パルス繰り返し時間:100s
得られたスペクトルから、各官能基が結合している炭素原子由来のピークごとにピーク分割を行い、分割されたピークの面積から官能基量比を定量した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited thereto.
(Ratio of oxygen atom / nitrogen atom)
The total number of oxygen atoms and the total number of nitrogen atoms of the separation functional layer of the composite semipermeable membrane in Comparative Examples and Examples were calculated from the measurement results by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Measuring device: Quantera SXM (manufactured by PHI)
Excited X-rays: monochromatic Al Kα1, 2 lines (1486.6 eV)
X-ray diameter: 0.2 mm
(Identification of functional group of X)
The base material was physically peeled off from the composite semipermeable membrane 5 m2, and the porous support layer and the separating functional layer were recovered. After drying by allowing to stand at 25 ° C. for 24 hours, it was added little by little to a beaker containing dichloromethane and stirred to dissolve the polymer constituting the porous support layer. The insoluble matter in the beaker was collected with filter paper. This insoluble matter was placed in a beaker containing dichloromethane and stirred to recover the insoluble matter in the beaker. This process was repeated until the elution of the polymer forming the porous support layer in the dichloromethane solution could not be detected. The recovered separation functional layer was dried in a vacuum dryer to remove residual dichloromethane. The obtained separation functional layer was made into a powdery sample by freeze-grinding, sealed in a sample tube used for solid-state NMR measurement, and 13C solid-state NMR measurement was performed by CP / MAS method and DD / MAS method. For 13C solid-state NMR measurement, for example, CMX-300 manufactured by Chemagnetics can be used. An example of measurement conditions is shown below.
Reference substance: Polydimethylsiloxane (internal standard: 1.56 ppm)
Sample rotation speed: 10.5 kHz
Pulse repetition time: 100s
From the obtained spectrum, peak division was performed for each peak derived from the carbon atom to which each functional group was bonded, and the functional group amount ratio was quantified from the area of the divided peak.
複合半透膜の各種特性は、複合半透膜に、pH7.0に調整した海水(TDS濃度3.5%、ホウ素濃度約5ppm)を操作圧力5.5MPaで供給して膜ろ過処理を24時間行い、その後の透過水、供給水の水質を測定することにより求めた。 Various characteristics of the composite semipermeable membrane are such that seawater adjusted to pH 7.0 (TDS concentration 3.5%, boron concentration about 5 ppm) is supplied to the composite semipermeable membrane at an operating pressure of 5.5 MPa to perform membrane filtration treatment 24. It was determined by measuring the quality of the permeated water and the supplied water after that.
(膜透過流束)
供給水(海水)の膜透過水量を、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)でもって膜透過流束(m3/m2/日)を表した。
(Membrane permeation flux)
The amount of permeated membrane of the supply water (seawater) was expressed as the permeated membrane flux (m3 / m2 / day) by the amount of permeation per day (cubic meter) per square meter of the membrane surface.
(溶質除去率)
(溶質除去率(TDS除去率))TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}
(耐塩素性試験)
複合半透膜をpH7.0に調整した100mg/L次亜塩素酸ナトリウム水溶液に25℃雰囲気下、24時間浸漬した。その後1000mg/L亜硫酸水素ナトリウム水溶液に10分浸漬し、引き続いて水で十分に洗浄した。
耐薬品性は浸漬前後での膜透過流束比とTDSSP比から求めた。
(Solute removal rate)
(Solute removal rate (TDS removal rate)) TDS removal rate (%) = 100 × {1- (TDS concentration in permeated water / TDS concentration in feed water)}
(Chlorine resistance test)
The composite semipermeable membrane was immersed in a 100 mg / L sodium hypochlorite aqueous solution adjusted to pH 7.0 under an atmosphere of 25 ° C. for 24 hours. Then, it was immersed in a 1000 mg / L sodium hydrogen sulfite aqueous solution for 10 minutes, and subsequently washed thoroughly with water.
The chemical resistance was determined from the membrane permeation flux ratio and the TDSSP ratio before and after immersion.
膜透過流束比=浸漬後の膜透過流束/浸漬前の膜透過流束
TDSSP比=(100−浸漬後のTDS除去率)/(100−浸漬前のTDS除去率)
(膜の作製)
(参考例1)
ポリエステル不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上にポリスルホン(PSf)の16.0質量%DMF溶液を25℃の条件下で200μmの厚みでキャストし、ただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって、多孔性支持膜を作製した。
(比較例1)
参考例1により得られた多孔性支持膜をm−フェニレンジアミン(m−PDA)の3質量%水溶液中に2分間浸漬し、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、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、室温40℃に制御した環境で、トリメシン酸クロリド(TMC)0.165質量%を含む40℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して1分間静置したのち、膜を垂直にして余分な溶液を液切りして除去し、架橋芳香族ポリアミド分離機能層を有する複合半透膜を得た。
Membrane permeation flux ratio = Membrane permeation flux after immersion / Membrane permeation flux TDSSP ratio before immersion = (100-TDS removal rate after immersion) / (TDS removal rate after 100-immersion)
(Preparation of membrane)
(Reference example 1)
A 16.0% by mass DMF solution of polysulfone (PSf) was cast on a polyester non-woven fabric (air volume 2.0 cc / cm2 / sec) to a thickness of 200 μm under the condition of 25 ° C., and immediately immersed in pure water 5 A porous support membrane was prepared by leaving it for a minute.
(Comparative Example 1)
The porous support membrane obtained in Reference Example 1 is immersed in a 3% by mass aqueous solution of m-phenylenediamine (m-PDA) for 2 minutes, the support membrane is slowly pulled up in the vertical direction, and nitrogen is blown from an air nozzle. After removing excess aqueous solution from the surface of the support membrane, a decan solution at 40 ° C. containing 0.165% by mass of trimesic acid chloride (TMC) was applied so that the surface was completely wet in an environment controlled at room temperature of 40 ° C. After allowing to stand for 1 minute, the membrane was made vertical and the excess solution was drained and removed to obtain a composite semipermeable membrane having a crosslinked aromatic polyamide separation functional layer.
(比較例2)
参考例1により得られた多孔性支持膜をm−フェニレンジアミン(m−PDA)の3質量%水溶液中に2分間浸漬し、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、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、室温40℃に制御した環境で、トリメシン酸クロリド(TMC)0.165質量%と2−スルホコハク酸無水物0.05質量%を含む40℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して1分間静置したのち、膜を垂直にして余分な溶液を液切りして除去し、架橋芳香族ポリアミド分離機能層を有する複合半透膜を得た。
(Comparative Example 2)
The porous support membrane obtained in Reference Example 1 is immersed in a 3% by mass aqueous solution of m-phenylenediamine (m-PDA) for 2 minutes, the support membrane is slowly pulled up in the vertical direction, and nitrogen is blown from an air nozzle. After removing excess aqueous solution from the surface of the support membrane, a decan at 40 ° C. containing 0.165% by mass of trimesic acid chloride (TMC) and 0.05% by mass of 2-sulfosuccinic anhydride in an environment controlled at room temperature of 40 ° C. After applying the solution so that the surface is completely wet and allowing it to stand for 1 minute, the excess solution is drained and removed by making the membrane vertical to obtain a composite semipermeable membrane having a crosslinked aromatic polyamide separation functional layer. It was.
(比較例3)
比較例1により得られた複合半透膜を50℃の水で2分間洗浄し、500ppmのm−PDAを含む水溶液に60分間浸漬した。次に、膜を硫酸によりpH3に調整した、0.3重量%の亜硝酸ナトリウムを含む35℃の水溶液に1分間浸漬し、続いて水で洗浄した。最後に、0.1重量%の亜硫酸ナトリウム水溶液に2分間浸漬することで、比較例3の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 3)
The composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1 was washed with water at 50 ° C. for 2 minutes and immersed in an aqueous solution containing 500 ppm m-PDA for 60 minutes. The membrane was then immersed in an aqueous solution at 35 ° C. containing 0.3 wt% sodium nitrite, adjusted to pH 3 with sulfuric acid, for 1 minute and then washed with water. Finally, the composite semipermeable membrane of Comparative Example 3 was obtained by immersing in a 0.1 wt% sodium sulfite aqueous solution for 2 minutes.
(比較例4)
比較例1で得られた複合半透膜に、100mmol/Lのコハク酸無水物を含むイソプロパノール溶液を表面が完全に濡れるようにコーティングして塗布し、25℃で2分間接触させた。得られた複合半透膜をRO水に10分間浸漬し、比較例4の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 4)
The composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1 was coated with an isopropanol solution containing 100 mmol / L succinic anhydride so that the surface was completely wet, and contacted at 25 ° C. for 2 minutes. The obtained composite semipermeable membrane was immersed in RO water for 10 minutes to obtain the composite semipermeable membrane of Comparative Example 4.
(比較例5)
環状酸無水物として100mmol/Lの無水フタル酸を含むイソプロパノール溶液を用いた以外は、比較例4と同様にして、比較例5の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 5)
A composite semipermeable membrane of Comparative Example 5 was obtained in the same manner as in Comparative Example 4 except that an isopropanol solution containing 100 mmol / L phthalic anhydride was used as the cyclic acid anhydride.
(比較例6)
比較例1で得られた複合半透膜に、100mmol/Lの2,5−ジクロロテレフタル酸及びN,N‘−ジシクロヘキシルカルボジイミド及びを溶解した溶液を、表面が完全に濡れるようにコーティングして塗布し、25℃で2分間接触させた。得られた複合半透膜をRO水に10分間浸漬し、比較例6の複合半透膜を得た。
(Comparative Example 6)
The composite semipermeable membrane obtained in Comparative Example 1 is coated with a solution of 100 mmol / L of 2,5-dichloroterephthalic acid and N, N'-dicyclohexylcarbodiimide so that the surface is completely wet. Then, they were contacted at 25 ° C. for 2 minutes. The obtained composite semipermeable membrane was immersed in RO water for 10 minutes to obtain the composite semipermeable membrane of Comparative Example 6.
(実施例1)
ジカルボン酸として100mmol/Lのスルホマロン酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例1の複合半透膜を得た。
(Example 1)
A composite semipermeable membrane of Example 1 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L sulfomaronic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例2)
ジカルボン酸として100mmol/Lのスルホコハク酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例2の複合半透膜を得た。
(Example 2)
A composite semipermeable membrane of Example 2 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L sulfosuccinic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例3)
ジカルボン酸として10mmol/Lのスルホコハク酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例3の複合半透膜を得た。
(Example 3)
A composite semipermeable membrane of Example 3 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 10 mmol / L sulfosuccinic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例4)
ジカルボン酸として100mmol/Lのスルホピメリン酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例4の複合半透膜を得た。
(Example 4)
A composite semipermeable membrane of Example 4 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L sulfopimelic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例5)
ジカルボン酸として100mmol/Lのスルホスベリン酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例5の複合半透膜を得た。
(Example 5)
A composite semipermeable membrane of Example 5 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L sulfosveric acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例6)
ジカルボン酸として100mmol/Lのヒドロキシテレフタル酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例6の複合半透膜を得た。
(Example 6)
A composite semipermeable membrane of Example 6 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L hydroxyterephthalic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例7)
ジカルボン酸として100mmol/Lのテトラフルオロコハク酸を用いた以外は、比較例6と同様にして、実施例7の複合半透膜を得た。
(Example 7)
A composite semipermeable membrane of Example 7 was obtained in the same manner as in Comparative Example 6 except that 100 mmol / L tetrafluorosuccinic acid was used as the dicarboxylic acid.
(実施例8)
環状酸無水物として100mmol/Lのテトラクロロフタル酸無水物を用いた以外は、比較例4と同様にして、実施例8の複合半透膜を得た
以上の比較例、実施例で得られた複合半透膜のXの有する炭素数、XPS法によって検出される酸素原子/窒素原子、製造時性能、塩素劣化後性能を表1に示す。実施例に示すように、本発明の複合半透膜は、高い透水性能と除去性能を持ち、かつ高い耐塩素性を有することが分かる。
(Example 8)
The composite semipermeable membrane of Example 8 was obtained in the same manner as in Comparative Example 4 except that 100 mmol / L tetrachlorophthalic anhydride was used as the cyclic acid anhydride. Table 1 shows the number of carbon atoms of X in the composite semipermeable membrane, the oxygen / nitrogen atoms detected by the XPS method, the performance during production, and the performance after chlorine deterioration. As shown in Examples, it can be seen that the composite semipermeable membrane of the present invention has high water permeability and removal performance, and also has high chlorine resistance.
Claims (5)
The composite semipermeable membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the substituent other than the carboxy group is a sulfo group.
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