JP2020171923A - 多孔質膜 - Google Patents
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Abstract
Description
濾過液側の表面を一方の表面、被濾過液側を他方の表面としたときに、前記一方の表面の表面孔径指数(=最表面の孔径/第2表面の孔径)が2.5以上であることを特徴とする、多孔質膜。
[2]
前記一方の表面の前記最表面の孔径が1.0μm以上である、[1]に記載の多孔質膜。
[3]
前記一方の表面の前記最表面の孔径の前記他方の表面に対する孔径の割合が30以上である、[1]又は[2]に記載の多孔質膜。
[4]
他方の表面の孔径が60nm以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の多孔質膜。
[5]
耐圧縮強度が0.30MPa以上である、[1]〜[4]のいずれかに記載の多孔質膜。
[6]
膜厚方向について、他方の表面の位置を0、一方の表面の位置を1として規格化し膜厚方向に10分割した場合の膜厚位置が0.9〜1.0の領域における断面孔径が0.5μm以上である、[1]〜[5]のいずれかに記載の多孔質膜。
[7]
圧縮クリープ係数が−0.014以上である、[1]〜[6]のいずれかに記載の多孔質膜。
[8]
中空糸状の膜形状を有し、
前記一方の表面のうち前記中空糸膜の流路の中心を挟んで対向する2箇所での前記表面孔径指数との差が1.3以下である、[1]〜[7]のいずれかに記載の多孔質膜。
[9]
主成分として、フッ化ビニリデン系樹脂を含む、[1]〜[8]のいずれかに記載の多孔質膜。
[10]
主成分として、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合ポリマーを含む、[1]〜[9]のいずれかに記載の多孔質膜。
[11]
主成分として、フッ化ビニリデンとクロロトリフロオロエチレンとの共重合ポリマーを含む、[1]〜[10]のいずれかに記載の多孔質膜。
フッ化ビニリデン系樹脂とは、フッ化ビニリデンのホモポリマー、又は、フッ化ビニリデンを重量比で50%以上含有する共重合ポリマーを意味する。フッ化ビニリデン系樹脂は、柔軟性に優れることから共重合ポリマーであることが好ましい。フッ化ビニリデン系樹脂が共重合ポリマーである場合、フッ化ビニリデンモノマーと共重合させる他の共重合モノマーとしては、公知のものを適宜選択して用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば、テトラフルオロエチレンやトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンのようなフッ素系モノマーやクロロトリフルオロエチレンのような塩素系モノマー等を好適に用いることができる。
一般に汚濁分の多い原水を濾過する場合、濾過を続けていくと膜表面又は膜内部に濾過
されずに残った堆積物が新たな濾過抵抗となるため、濾過能力が落ちてしまうことが知ら
れている。そのため、濾過運転の途中に濾過をせずに高流速の水流で堆積物を剥ぎ取るフ
ラッシング、気泡を膜にあて、膜を振動させることにより堆積物を剥ぎ取るエアースクラビング、濾過の方向を逆にして洗浄する逆洗等が取り入れられている。特に、柔軟性の高い共重合ポリマーを使用した膜の場合、エアースクラビングによる振動が大きく効率的に堆積物を剥ぎ取ることができる。
一方、ポリエチレングリコールの含有量が0.01質量部未満であると、水分子層が形成されにくい傾向にあり、4.0質量部を超えると、ポリエチレングリコールが水分子を過剰に引き付けて膜が膨潤し、透水量が低下する傾向にある。好ましくは、0.1質量部以上であり、さらに好ましくは0.3質量部以上である。
上記は、親水性樹脂としてポリエチレングリコールを用いた場合の含有形態について述べたが、特にこれに限るものではない。
ここで、中空糸膜とは、中空環状の形態をもつ膜を意味する。多孔質膜が中空糸膜の膜構造を有することにより、平面状の膜に比べて、モジュール単位体積当たりの膜面積を大きくすることが可能である。
但し、本実施形態の多孔質膜は、中空糸膜の膜構造を有する多孔質膜(中空糸状の多孔質膜)に限定されるものではなく、平膜、管状膜などの他の膜構造を有するものであってもよい。
圧縮クリープ耐性は圧縮クリープ係数により評価した。表面孔径指数が大きいと、最も圧縮応力がかかる中空糸膜内表面(外圧濾過の場合、一方の表面)の最表面への流れが急激に変化するため、最表面への負荷が減り圧縮クリープ潰れを抑制できる。圧縮クリープ係数は−0.014以上が好ましく、さらに好ましくは−0.012以上である。特に好ましくは−0.010以上である。
また、表面孔径指数は、急激な多孔質膜の構造変化を抑制する観点から、30以下としてよく、好ましくは25以下である。
ここで、第2表面の孔径とは、膜厚方向にみて最表面の孔の中に観察することができる孔であって、その中で最も一方の表面側に観察される孔の孔径ことをいう。詳細には、膜厚方向にみて最表面の孔の中に観察することができる孔が複数存在する場合には、複数の孔のうち当該孔の外輪郭線をなす部分の膜厚方向における平均位置が最も一方の表面側にある孔の孔径のことを第2表面の孔径という。
また製膜原液の温度(Td℃)と濁り点温度(Tc℃)は、Td>Tc+10℃を満たすことが好ましい。このような条件下で製膜することにより、原液が均一な状態になるため表面孔径指数のばらつきを低減できクリープ寿命を高くすることができる。
一方、第一水中ローラまでの到達時間が短く固化が十分でない場合、表面は固化しているのに対して、内部は固化していない。そのため、その状態でロールによって屈曲されることで内部の孔が引き延ばされ、最表面と第2表面の孔径差がつきにくい。さらに好ましくは3.5秒以上である。
第一水中ローラでの中空糸膜の抱き角は30°以上145°以下であることが好ましい。なお、第一水中ローラでの中空糸膜の抱き角とは、第一水中ローラに接触する前の製膜原液からなる紡糸がなすラインと第一水中ローラから離れた製膜原液からなる紡糸がなすラインとがなす角度のうち小さい方の角度をいう。
30°以上であるとローラと中空糸膜の接触面積が確保できるため、中空糸膜のたるみやローラから外れることなく安定的に製造することができる。145°以下であればローラ側に対して反対側の面の内部の孔が引き延ばされないため、表面孔径指数が小さくなり高いクリープ耐性を発現させることができる。上記抱き角は好ましくは40°以上140°以下であり、さらに好ましくは45°以上135°以下である。ローラの材質などは特に限定されるものではない。
本実施形態の中空糸膜においては、製膜時にローラ側に位置していた内面の表面孔径指数と製膜時にローラ側に対して反対側に位置していた内面の表面孔径指数との差が、1.3以下であれば高いクリープ耐性を有する。上記差は、好ましくは1.2以下であり、さらに好ましくは1.1以下であり、特に好ましくは0.8以下である。本実施形態の中空糸膜では、断面における内面の任意の2箇所において表面孔径指数の差が、上記範囲を満たすことも好ましい。
なお、本実施例において用いた測定方法は以下のとおりである。以下の測定は特に記載がない限り全て25℃で行っている。
以下では、評価方法について説明した後、実施例及び比較例の製造方法及び評価結果について説明する。
中空糸膜を膜長手方向に垂直な向きにカミソリなどで薄く切り、顕微鏡を用いて断面の内径の長径と短径、外径の長径と短径を測定し、以下の式(2)、(3)により、それぞれ内径と外径を決定した。また、膜厚D(mm)は式(4)で表される。
約10cm長の湿潤中空糸膜の一端を封止し、他端の中空部内へ注射針を入れ、注射針から0.1MPaの圧力にて25℃の純水を中空部内へ注入し、外表面へと透過してくる純水の透過水量を測定し、以下の式(5)により純水透水量Fを決定した。ここで、膜有効長とは、注射針が挿入されている部分を除いた、正味の膜長を指す。
約5cm長の湿潤中空糸膜の一端を封止し、他端を大気開放とし、外表面より40℃の純水を加圧し大気開放端より透過水を出した。このとき膜供給水を循環させることなくその全量を濾過する方式、即ち全量濾過方式を取った。
加圧圧力を0.1MPaより0.01MPa刻みで昇圧し、各圧力にて15秒間圧力を保持し、この15秒間に大気開放端より出てくる透過水をサンプリングした。中空糸膜の中空部が潰れないうちは加圧圧力が増すにつれて透過水量(質量)の絶対値も増してゆくが、加圧圧力が中空糸膜の耐圧縮強度を超えると中空部が潰れて閉塞が始まるため、透過水量の絶対値は加圧圧力が増すにも関わらず、低下する。透過水量の絶対値が極大になる加圧圧力を耐圧縮強度とした。
約5cm長の湿潤中空糸膜の一端を封止し、他端を大気開放とし、外表面より40℃の純水を加圧し大気開放端より透過水を出した。このとき膜供給水を循環させることなくその全量を濾過する方式、即ち全量濾過方式を取った。
加圧圧力を、圧縮強度から0.05MPa減算した値に設定し、中空糸膜が潰れるまで連続に加圧した。長期に時間が経過すると中空糸膜は楕円形上に扁平してくるが、完全につぶれた時を、潰れと判断した。同様の試験を3回行い、最も潰れるまでの時間が短かった点を潰れた時間として採用した。
次に、横軸を負荷時間、縦軸を負荷圧力とした両対数グラフ上に、耐圧縮強度(時間は0.008時間とした)と、耐圧縮強度から0.05MPa減算した圧力値で潰れが生じた時間をプロットした(図2中、4点のうちの左側2点)。この2点から長時間側に補外し、10〜1000時間の間で潰れる点を予測し、次の加圧圧力を決定した。この方法により、2点を追加し圧縮強度の点を含めた計4点で最小二乗法による近似曲線により傾きを算出した。この傾きを、圧縮クリープ係数とした。圧縮クリープ係数の算出方法を図2に示す。圧縮クリープ係数は、値が大きいほど圧縮クリープ耐性が高いことを示す。
HITACHI製電子顕微鏡SU8000シリーズを使用し、加速電圧3kVで、中空糸膜の外表面と内表面とを撮影した。20個以上の孔の形状が確認できる倍率で、例えば、実施例2では一方の表面(この場合、内表面)を250倍で、撮影を行った。
撮影した画像を用いて、例えば、国際公開第2001/53213号公報に記載されているように、画像のコピーの上に透明シートを重ね、黒いペン等を用いて、最表面部分の孔部分を黒く塗り潰し、透明シートを白紙にコピーすることにより、孔部分は黒、非孔部分は白と明確に区別した。その後に市販の画像解析ソフトWinroof6.1.3を使い、判別分析法により二値化を行った。こうして得た二値化画像の占有面積を求めることにより、一方の表面、他方の表面の開孔率を求めた。
孔径は、表面に存在した各孔に対して円相当径を算出し、孔径の大きい方から順に各孔の孔面積を足していき、その和が各孔の孔面積の総和の50%に達するところの孔の孔径で決定した。
また、一方の表面の最表面/他方の表面の孔径比は、上記のようにして求めた一方の表面の最表面の孔径の平均値と他方の表面の孔径の平均値との比である。
上記[5]に記載のとおり中空糸膜の一方の表面(実施例の場合、内表面)を撮影し、撮影した画像を用いて、一方の表面の最表面部分の孔部分を黒く塗り潰し、孔径を算出した。
また、同じ画像において、膜厚方向にみて最表面の孔の中に観察することができる孔であって、その中で最も一方の表面側に観察される孔を第2表面の孔として、その孔の孔径を算出した。
最表面の孔と第2表面の孔との例を図3(B)に示す。なお、図3(B)は、図3(A)に示す実施例3の多孔質膜の内表面の電子顕微鏡写真(250倍)の拡大図である。
表面孔径指数は、一方の表面の最表面の孔径と第2表面の孔径との比により算出した。表面孔径指数は、中空糸膜製膜時にローラ側(図1参照)となった面とローラ側に対して反対側(図1参照)となった面との両方について算出した。
一方の表面が中空糸膜の内表面の場合、ローラ側となった面とローラ側に対して反対側となった面とは、中空糸膜の流路の中心を挟んで対向する。より具体的に述べると、ローラ側となった面での算出箇所とローラ側に対して反対側となった面での算出箇所とは、中空糸膜の延在方向に直交する断面において中空糸膜の流路の中心に関して反対側に位置する。
断面孔径は、膜を膜厚方向に10分割して規格化し、他方の表面を0とし、一方の表面側を1とした場合、0〜0.1の領域、0.1〜0.2の領域・・・0.9〜1.0の領域の10の領域の孔径を測定し、断面の孔径のプロファイルを解析して算出した。
まず、10分割した膜の断面の孔を100個以上の孔の形状が確認できる倍率にて走査型電子顕微鏡で撮影した画像を用いて、例えば、国際公開第01/53213号に記載されているように、電子顕微鏡画像のコピーの上に透明シートを重ね、黒いペン等を用いて孔部分を黒く塗り潰し、その後透明シートを白紙にコピーすることにより、孔部分は黒、非孔部分は白と明確に区別した。孔の外周が、断面を分割した境界線と交わる場合は、その孔は測定対象と見なさなかった。
市販の画像解析ソフトWinroof6.1.3を利用して、判別分析法により二値化を行い、孔部分の面積の総和を求めた。また各孔の円相当径を算出し、円相当径を降順に並べ、最大の孔から順に孔の面積を加算した際に、その総和が、すべての孔の面積の1/2に相当する孔の円相当径を、断面の孔径とした。
膜厚位置0.9〜1.0の領域の断面孔径を、表1に示す。
供試ウイルスとして大腸菌ファージMS−2(Bacteriophage MS−2 NBRC13965)(粒径約25nm)を用い、大腸菌中で107pfu/mLオーダーに増殖させ、0.1mMリン酸バッファーにてpH7に調製し、これを試験原液とした。そして、次の非破壊性試験により、多孔性中空糸膜のウイルス阻止性能を評価した。
日本電子社のLambda400をNMR測定装置として用い、溶媒にd6−DMFを、内部標準(0ppm)にテトラメチルシランを各々用いて、多孔質膜の1H−NMR測定を実施した。得られたスペクトルにおいて、3.6ppm付近に現れるポリエチレングリコール由来のシグナルの積分値(IPEG)と、2.3〜2.4と、2.9〜3.2ppm付近に現れるPVDF樹脂由来のシグナルの積分値(IPVDF)とから、次式によって算出した。
ポリエチレングリコール含有率(質量%)={44(IPEG/4)/60(IPVDF/2)}×100
多孔質膜0.1gをアセトン10mLに溶解し、その溶液を100mLの水中に滴下し、膜を構成する高分子は再沈殿させ、膜中に残存していたポリエチレングリコールは水溶液として分離した。その後、ポリエチレングリコールを含む溶液をエバポレーターで濃縮し、その後、下記の移動相液で溶解しポリエチレングリコール溶液とした。得られた溶液を200mL用い、以下の条件でGPC測定を行いその重量平均分子量(ポリエチレングリコール標準試料換算)を求めた。
装置 :HLC−8220GPC(東ソー株式会社)
カラム:Shodex SB−803HQ
移動相:0.7mL/min KH2PO4(0.02mM)+Na2HPO4(0.02mM)水溶液
検出器:示差屈折率検出器
広口ビンに入れた製造原液を恒温槽に入れ、液温が二重管ノズルから押し出される温度になるように設定した。B型粘度計を用いて粘度の測定を行った。
PVDF(アルケマ社製、KYNAR761)25質量%と、ポリエチレングリコール重量平均分子量35000(メルク社製、ポリエチレングリコール35000)16質量%とを、N−メチルピロリドン59質量%に80℃で溶解させ製膜原液とした。
膜の性質を、以降の例を含め、表1にまとめた。
PVDF(アルケマ社製、KYNAR761)10質量%と、P(VDF−HFP)(アルケマ社製、KYNARFLEX LBG)15質量%、ポリエチレングリコール重量平均分子量35000(メルク社製、ポリエチレングリコール35000)18質量%とを、N−メチルピロリドン57質量%に80℃で溶解させ製膜原液とした以外は、実施例1と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
P(VDF−HFP)(アルケマ社製、KYNARFLEX LBG)25質量%、ポリエチレングリコール重量平均分子量35000(メルク社製、ポリエチレングリコール35000)18質量%を、N−メチルピロリドン57質量%に80℃で溶解させ製膜原液とした以外は、実施例1と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
図3(A)は本実施例3の多孔質膜(多孔性中空糸膜)の一方の表面(この場合、内表面)の電子顕微鏡写真(250倍)である。
P(VDF−HFP)(アルケマ社製、KYNARFLEX LBG)25質量%、ポリエチレングリコール重量平均分子量35000(メルク社製、ポリエチレングリコール35000)16質量%を、N−メチルピロリドン59質量%に80℃で溶解させ製膜原液とした。第一水中ローラまでの滞留時間を5.0秒とした以外は実施例1と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
多孔性中空糸膜の外径を0.9mm、内径を0.5mmとした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
多孔性中空糸膜の外径を1.1mm、内径を0.6mmとした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
多孔性中空糸膜の外径を1.1mm、内径を0.6mm、第一水中ローラまでの滞留時間を3.5秒とした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
多孔性中空糸膜の外径を1.1mm、内径を0.6mm、第一水中ローラでの抱き角を30°とした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
多孔性中空糸膜の外径を1.1mm、内径を0.6mm、第一水中ローラでの抱き角を145°とした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。
83℃の水中において第一水中ローラまでの滞留時間を2.0秒とした以外は、実施例1と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。第一水中ローラまでの時間が短いため、ローラに対して反対側の一方の表面(内表面)の表面孔径指数が低いためクリープ係数が小さくなった。
83℃の水中において第一水中ローラまでの滞留時間を2.0秒とした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。第一水中ローラまでの時間が短いため、ローラに対して反対側の一方の表面(内表面)の表面孔径指数が低いためクリープ係数が小さくなった。
第一水中ローラの抱き角を20°とした以外は実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。抱き角が小さいため、中空糸膜の製造が安定しないためサンプル採取不可であった。
多孔性中空糸膜の外径を1.1mm、内径を0.6mm、第一水中ローラでの抱き角を150°とした以外は、実施例3と同様の方法で多孔性中空糸膜を製膜した。抱き角が大きいため、ローラに対して反対側の一方の表面(内表面)の表面孔径指数が低いためクリープ係数が小さくなった。
20 溶液槽
30 容器
40 多孔性中空糸膜
50 ローラ
60 第一水中ローラ
Claims (11)
- 濾過液側の表面を一方の表面、被濾過液側を他方の表面としたときに、前記一方の表面の表面孔径指数(=最表面の孔径/第2表面の孔径)が2.5以上であることを特徴とする、多孔質膜。
- 前記一方の表面の前記最表面の孔径が1.0μm以上である、請求項1に記載の多孔質膜。
- 前記一方の表面の前記最表面の孔径の前記他方の表面の孔径に対する割合が30以上である、請求項1又は2に記載の多孔質膜。
- 他方の表面の孔径が60nm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 耐圧縮強度が0.30MPa以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 膜厚方向について、他方の表面の位置を0、一方の表面の位置を1として規格化し膜厚方向に10分割した場合の膜厚位置が0.9〜1.0の領域における断面孔径が0.5μm以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 圧縮クリープ係数が−0.014以上である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 中空糸状の膜形状を有し、
前記一方の表面のうち前記中空糸膜の流路の中心を挟んで対向する2箇所での前記表面孔径指数との差が1.3以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の多孔質膜。 - 主成分として、フッ化ビニリデン系樹脂を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 主成分として、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合ポリマーを含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 主成分として、フッ化ビニリデンとクロロトリフロオロエチレンとの共重合ポリマーを含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の多孔質膜。
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