JP2021069990A - ガス分離膜 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
【課題】耐薬品性が高く、長期安定性に優れるフッ素系ポリマーをガス分離性ポリマー素材として用いながら、分離係数及び透過係数の高い、ガス分離膜を提供すること。【解決手段】多孔性支持体と、前記多孔性支持体上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、前記ガス分離活性層が、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及びフッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢを含む、ガス分離膜。【選択図】図１
Description
本発明は、優れた分離性能を持つガス分離膜に関する。
ガス分離膜によるガスの分離・濃縮は、蒸留法、高圧吸着法等と比べた場合、エネルギー効率に優れ、安全性の高い方法である。この分野における先駆的な実用例としては、例えば、ガス分離膜によるガスの分離濃縮、アンモニア製造プロセスにおける水素分離等が挙げられる。最近では、窒素富化空気及び酸素富化空気の需要の高まりから、空気を対象にしたガス分離膜に関する検討が盛んに行なわれている。
ガス分離膜は、一般的には、多孔性支持体の表面上にガス分離活性層が形成された形態を有する（特許文献１及び２）。この形態は、膜に強度を付与しつつ、ガスの透過量を多くすることに有効である。この場合のガス分離活性層は、例えば、ガス分離性ポリマーから成る層等である。
ガス分離膜は、一般的には、多孔性支持体の表面上にガス分離活性層が形成された形態を有する（特許文献１及び２）。この形態は、膜に強度を付与しつつ、ガスの透過量を多くすることに有効である。この場合のガス分離活性層は、例えば、ガス分離性ポリマーから成る層等である。
一般に、ガス分離膜の性能は、透過速度及び分離係数を指標として評価される。透過速度は、下記数式：
透過速度＝（ガス分離活性層の透過係数）／（ガス分離活性層の厚み）
によって表される。透過係数は、ガス分離活性層の素材に依存する値である。また、分離係数は、分離しようとする２種のガスの透過速度の比で表され、ガス分離活性層の素材に依存する値である。
ガス分離膜として実用的な性能を得るためには、高い分離係数と高いガス透過速度とを有する必要がある。透過速度を向上させる方法としては、ガス分離活性層の透過係数を高くするか、ガス分離活性層の厚みを薄くする方法がある。
透過速度＝（ガス分離活性層の透過係数）／（ガス分離活性層の厚み）
によって表される。透過係数は、ガス分離活性層の素材に依存する値である。また、分離係数は、分離しようとする２種のガスの透過速度の比で表され、ガス分離活性層の素材に依存する値である。
ガス分離膜として実用的な性能を得るためには、高い分離係数と高いガス透過速度とを有する必要がある。透過速度を向上させる方法としては、ガス分離活性層の透過係数を高くするか、ガス分離活性層の厚みを薄くする方法がある。
フッ素系ポリマーは、耐薬品性が高く、長期安定性に優れることから、ガス分離膜におけるガス分離性ポリマー素材として注目されている。しかし、フッ素系ポリマーから成るガス分離活性を有するガス分離膜では、実用的なガス分離係数及び透過係数は得られておらず、その向上が求められている。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、耐薬品性が高く、長期安定性に優れるフッ素系ポリマーをガス分離性ポリマー素材として用いながら、分離係数及び透過係数の高い、ガス分離膜を提供することである。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、耐薬品性が高く、長期安定性に優れるフッ素系ポリマーをガス分離性ポリマー素材として用いながら、分離係数及び透過係数の高い、ガス分離膜を提供することである。
本発明は、以下の実施形態から成るものである。
《態様１》
多孔性支持体と、前記多孔性支持体上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、
前記ガス分離活性層が、
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及び
フッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢ
を含む、
ガス分離膜。
《態様２》
前記ポリマーＢがエステル結合を有する、態様１に記載のガス分離膜。
《態様３》
前記ポリマーＢが、フッ化アクリル系ポリマー又はフッ化メタクリル系ポリマーである、態様１又は２に記載のガス分離膜。
《態様４》
前記多孔性支持体が、中空糸状である、態様１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜。
《態様５》
前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、２０質量％以上９８％以下である、態様１〜４のいずれか一項に記載のガス分離膜。
《態様６》
前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、５０質量％以上９５％以下である、態様５に記載のガス分離膜。
《態様７》
前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、７０質量％以上９５％以下である、態様６に記載のガス分離膜。
《態様１》
多孔性支持体と、前記多孔性支持体上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、
前記ガス分離活性層が、
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及び
フッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢ
を含む、
ガス分離膜。
《態様２》
前記ポリマーＢがエステル結合を有する、態様１に記載のガス分離膜。
《態様３》
前記ポリマーＢが、フッ化アクリル系ポリマー又はフッ化メタクリル系ポリマーである、態様１又は２に記載のガス分離膜。
《態様４》
前記多孔性支持体が、中空糸状である、態様１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜。
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前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、２０質量％以上９８％以下である、態様１〜４のいずれか一項に記載のガス分離膜。
《態様６》
前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、５０質量％以上９５％以下である、態様５に記載のガス分離膜。
《態様７》
前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、７０質量％以上９５％以下である、態様６に記載のガス分離膜。
本発明によると、優れた分離性能を持つガス分離膜が提供される。本発明のガス分離膜は、特に、酸素の透過速度が高く、酸素と窒素との分離に優れるから、例えば、酸素富化空気、窒素富化空気等の製造に好適である。
《ガス分離膜》
本発明のガス分離膜は、
中空糸状多孔性支持体と、前記中空糸状多孔性支持体の内表面上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、
前記ガス分離活性層が、
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及び
フッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢ
を含む。
本発明のガス分離膜は、
中空糸状多孔性支持体と、前記中空糸状多孔性支持体の内表面上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、
前記ガス分離活性層が、
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及び
フッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢ
を含む。
図１に、本発明のガス分離膜の一実施形態における構造を模式的に示す概略断面図である。
図１のガス分離膜（１００）は、多孔性支持体（１０）の片側の表面上に、ガス分離活性層（２０）が形成されている。このガス分離活性層（２０）は、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む。
多孔性支持体（１０）は、細孔（１１）を多数有する膜である。細孔（１１）のそれぞれは、多孔性支持体（１０）の表面に開口し、厚さ方向に伸び、膜の表裏を繋いで貫通する。
図１のガス分離膜（１００）では、多孔性支持体（１０）の表面から厚さ方向にガス分離活性層が含浸して成るガス分離活性層含浸部（２１）と、ガス分離活性層が含浸していないガス分離活性層非含浸部（２２）とから成る。ガス分離活性層含浸部（２１）は、あってもなくてもかまわない。
図１のガス分離膜（１００）では、ガス分離活性層（２０）は、多孔性支持体（１０）の片側表面の全部を覆っている。
図１のガス分離膜（１００）は、多孔性支持体（１０）の片側の表面上に、ガス分離活性層（２０）が形成されている。このガス分離活性層（２０）は、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む。
多孔性支持体（１０）は、細孔（１１）を多数有する膜である。細孔（１１）のそれぞれは、多孔性支持体（１０）の表面に開口し、厚さ方向に伸び、膜の表裏を繋いで貫通する。
図１のガス分離膜（１００）では、多孔性支持体（１０）の表面から厚さ方向にガス分離活性層が含浸して成るガス分離活性層含浸部（２１）と、ガス分離活性層が含浸していないガス分離活性層非含浸部（２２）とから成る。ガス分離活性層含浸部（２１）は、あってもなくてもかまわない。
図１のガス分離膜（１００）では、ガス分離活性層（２０）は、多孔性支持体（１０）の片側表面の全部を覆っている。
以下、本発明のガス分離膜を構成する各要素について、順に詳細を説明する。
［多孔性支持体］
本実施形態のガス分離膜における多孔性支持体は、細孔を多数有する膜である。細孔は、多孔性支持体の表面に開口し、厚さ方向に延び、膜の表裏を繋いで貫通する微細な孔である。
多孔性支持体が有する細孔の表面平均孔径は、０．００２μｍ以上１μｍ以下が好ましい。細孔の表面平均孔径が１μｍ以下であると、ガス分離活性層の塗工が容易になる。細孔の表面平均孔径が０．００２μｍ以上であと、多孔性支持体のガス透過速度を、十分に高くすることができる。細孔の表面平均孔径は、０．０１μｍ以上０．９５μｍ以下がより好ましく、０．０５μｍ以上０．９μｍ以下が更に好ましく、０．１μｍ以上０．８５μｍ以下が特に好ましく、０．３μｍ以上０．８μｍ以下がとりわけ好ましい。
多孔性支持体の表面平均孔径は、ＳＥＭ画像解析によって算出される値である。ＳＥＭ画像解析は、例えば以下のように行うことができる。得られたＳＥＭ像の２値化によって細孔の開口部を識別した後に、各孔の面積を求める。そして面積の小さい孔からその面積値を累計していき、累計値が全部の合計面積の５０％の値になったときの孔の面積値から算出された円換算径を、多孔性支持体の表面平均孔径とする。
［多孔性支持体］
本実施形態のガス分離膜における多孔性支持体は、細孔を多数有する膜である。細孔は、多孔性支持体の表面に開口し、厚さ方向に延び、膜の表裏を繋いで貫通する微細な孔である。
多孔性支持体が有する細孔の表面平均孔径は、０．００２μｍ以上１μｍ以下が好ましい。細孔の表面平均孔径が１μｍ以下であると、ガス分離活性層の塗工が容易になる。細孔の表面平均孔径が０．００２μｍ以上であと、多孔性支持体のガス透過速度を、十分に高くすることができる。細孔の表面平均孔径は、０．０１μｍ以上０．９５μｍ以下がより好ましく、０．０５μｍ以上０．９μｍ以下が更に好ましく、０．１μｍ以上０．８５μｍ以下が特に好ましく、０．３μｍ以上０．８μｍ以下がとりわけ好ましい。
多孔性支持体の表面平均孔径は、ＳＥＭ画像解析によって算出される値である。ＳＥＭ画像解析は、例えば以下のように行うことができる。得られたＳＥＭ像の２値化によって細孔の開口部を識別した後に、各孔の面積を求める。そして面積の小さい孔からその面積値を累計していき、累計値が全部の合計面積の５０％の値になったときの孔の面積値から算出された円換算径を、多孔性支持体の表面平均孔径とする。
この多孔性支持体は、実質的にはガス分離性能を有さないが、本実施形態のガス分離膜に機械的強度を与えることができる。
多孔性支持体を構成する素材の種類は問わない。例えば、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾイミダゾール等のホモポリマー又はコポリマー等から選択される。
多孔性支持体を構成する素材の種類は問わない。例えば、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾイミダゾール等のホモポリマー又はコポリマー等から選択される。
多孔性支持体の形状は、例えば、中空糸状、平膜状、プリーツ状等の任意の形状であってよい。多孔性支持体を中空糸状とし、その複数本をまとめて適当なハウジング内に収納してモジュール化すると、該モジュールにおけるガス分離活性層の合計表面積を極めて大きくすることができ、これにより、目的ガスの透過量を大きくすることができ、好ましい。
［ガス分離活性層］
本実施形態のガス分離活性層は、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む。
本実施形態のガス分離活性層は、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む。
（ポリマーＡ）
ポリマーＡは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールのコポリマーである。したがってポリマーＡは、水素原子を持たないパーフルオロポリマーである。
ポリマーＡ中のパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合は、５０モル％以上であることが好ましく、より好ましくは５５モル％以上９５モル％以下であり、更に好ましくは６０モル％以上９０モル％以下である。
ポリマーＡは、後述のポリマーＢに比べて、目的ガスの透過係数が高いポリマーであることが好ましい。
ポリマーＡとしては、市販品を使用してもよい。ポリマーＡとして使用できる市販品としては、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ１６００Ｘ、Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ２４００Ｘ（以上、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）等が挙げられる。
ポリマーＡは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールのコポリマーである。したがってポリマーＡは、水素原子を持たないパーフルオロポリマーである。
ポリマーＡ中のパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合は、５０モル％以上であることが好ましく、より好ましくは５５モル％以上９５モル％以下であり、更に好ましくは６０モル％以上９０モル％以下である。
ポリマーＡは、後述のポリマーＢに比べて、目的ガスの透過係数が高いポリマーであることが好ましい。
ポリマーＡとしては、市販品を使用してもよい。ポリマーＡとして使用できる市販品としては、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ１６００Ｘ、Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ２４００Ｘ（以上、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製）等が挙げられる。
（ポリマーＢ）
ポリマーＢは、フッ素原子と水素原子とを含むポリマーである。
ポリマー剤Ｂは、ポリマーＡに比べ分離係数が高いことが好ましい。
ポリマーＢは、フッ素原子と水素原子とを含むポリマーである。
ポリマー剤Ｂは、ポリマーＡに比べ分離係数が高いことが好ましい。
ポリマーＢがフッ素原子とともに水素原子を含むことにより、理由は明らかではないが、ポリマーＡ及びポリマーＢのうち、分離係数が高い方の成分（例えばポリマーＢ）の分離係数を低下させることなく、透過係数が増加されたガス分離活性層を持つ、ガス分離膜が得られると考えられる。
フッ素原子は、例えば、炭素数１〜１２程度のフルオロアルキル基に含まれていることが好ましい。
水素原子は、例えば、アクリル基、メタクリル基等に含まれていることが好ましい。
ポリマーＢは、エステル結合を有するポリマーであってよく、具体的には、例えば、フッ化アクリル系ポリマー、フッ化メタクリル系ポリマー等であってよい。
フッ素原子は、例えば、炭素数１〜１２程度のフルオロアルキル基に含まれていることが好ましい。
水素原子は、例えば、アクリル基、メタクリル基等に含まれていることが好ましい。
ポリマーＢは、エステル結合を有するポリマーであってよく、具体的には、例えば、フッ化アクリル系ポリマー、フッ化メタクリル系ポリマー等であってよい。
ポリマーＢとしては、市販品を使用してもよい。ポリマーＢとして使用できる市販品としては、例えば、一般にフッ素系コーティング剤として市販されているものが挙げられる。市販品として、例えば、Ｎｏｖｅｃ １７００、Ｎｏｖｅｃ ２４００（以上、３Ｍ社製）；エスエフコート（ＡＧＣセイミケミカル（株）製）；ＲＢＸ−ＨＣ１（（株）ネオス製）；フロロサーフ（（株）フロロテクノロジー製）；等が挙げられる。
（ポリマーＡ及びポリマーＢの割合）
本実施形態のガス分離活性層は、上記のようなポリマーＡ及びポリマーＢを含む。ポリマーＡとポリマーＢとの合計に対するポリマーＡの割合は、２０質量％以上９８質量％以下であることが好ましい。この割合は、より好ましくは、５０質量％以上９５質量％以下であり、更に好ましくは７０質量％以上９５質量％以下である。
ガス分離活性層におけるポリマーＡの比率を高くすると、ポリマーＢの高い分離係数を維持したまま、透過速度を増加させることができる。
本実施形態のガス分離活性層は、上記のようなポリマーＡ及びポリマーＢを含む。ポリマーＡとポリマーＢとの合計に対するポリマーＡの割合は、２０質量％以上９８質量％以下であることが好ましい。この割合は、より好ましくは、５０質量％以上９５質量％以下であり、更に好ましくは７０質量％以上９５質量％以下である。
ガス分離活性層におけるポリマーＡの比率を高くすると、ポリマーＢの高い分離係数を維持したまま、透過速度を増加させることができる。
（ポリマーＡ及びポリマーＢの分析）
ポリマーＡ及びポリマーＢの同定は、例えば、ガスクロマトグラフィー質量分析法（ＧＣ−ＭＳ）、飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）、固体核磁気共鳴分析（固体ＮＭＲ）、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）、アルゴンガスクラスターイオン銃搭載Ｘ線光電子分光分析（ＧＣＩＢ―ＸＰＳ）等によって行うことができる。
ポリマーＡ及びポリマーＢの同定は、例えば、ガスクロマトグラフィー質量分析法（ＧＣ−ＭＳ）、飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）、固体核磁気共鳴分析（固体ＮＭＲ）、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）、アルゴンガスクラスターイオン銃搭載Ｘ線光電子分光分析（ＧＣＩＢ―ＸＰＳ）等によって行うことができる。
ポリマーＡとポリマーＢとの割合は、例えば、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）、ＮＭＲ等で測定できる。
一例として、ポリマーＢとしてエステル結合を有するポリマーを用いたときに、ＦＴ−ＩＲを用いてポリマーＡとポリマーＢとの割合を測定する手法について以下に示す。
ポリマーＡ及びポリマーＢを含むガス分離活性層の試料を、ＦＴ−ＩＲのＡＴＲ（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）法で測定する。このときの、１，７４８ｃｍ−１付近、及び９８６ｃｍ−１付近にそれぞれピークトップを有する、２つの吸収ピークが観測される。これら２つピークのピーク強度比で、ポリマーＡ及びポリマーＢの割合を知ることができる。
一例として、ポリマーＢとしてエステル結合を有するポリマーを用いたときに、ＦＴ−ＩＲを用いてポリマーＡとポリマーＢとの割合を測定する手法について以下に示す。
ポリマーＡ及びポリマーＢを含むガス分離活性層の試料を、ＦＴ−ＩＲのＡＴＲ（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）法で測定する。このときの、１，７４８ｃｍ−１付近、及び９８６ｃｍ−１付近にそれぞれピークトップを有する、２つの吸収ピークが観測される。これら２つピークのピーク強度比で、ポリマーＡ及びポリマーＢの割合を知ることができる。
１，７４８ｃｍ−１付近のピークは、ポリマーＢに含まれるエステル結合に由来するピークであり、９８６ｃｍ−１付近のピークは、ポリマーＡに含まれるパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールユニットのエーテル結合に由来するピークである。したがって、９８６ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ９８６と、１，７４８ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ１７４８との比（Ｉ９８６／Ｉ１７４８）を計算することにより、ポリマーＡ及びポリマーＢの割合を推定することができる。
（その他のポリマー）
本実施態様のガス分離膜におけるガス分離活性層は、上記のとおり、ポリマーＡ及びポリマーＢを所定の割合で含むが、任意的にポリマーＡ及びポリマーＢ以外にその他のポリマーを含んでもよい。その他のポリマーとしては、フッ素樹脂が好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレンコポリマー、テトラフルオロエチレン−パーフルオロプロピレンコポリマー、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）等が挙げられる。
ガス分離活性層は、ガスの透過係数及び分離係数を高くする観点から、ポリマーＡ及びポリマーＢを多く含むことが好ましい。ガス分離活性層におけるポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合は、５０質量％以上であってよく、６０質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましく、９０％以上が特に好ましく、９５％以上がとりわけ好ましく、１００％であってもよい。
本実施態様のガス分離膜におけるガス分離活性層は、上記のとおり、ポリマーＡ及びポリマーＢを所定の割合で含むが、任意的にポリマーＡ及びポリマーＢ以外にその他のポリマーを含んでもよい。その他のポリマーとしては、フッ素樹脂が好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレンコポリマー、テトラフルオロエチレン−パーフルオロプロピレンコポリマー、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）等が挙げられる。
ガス分離活性層は、ガスの透過係数及び分離係数を高くする観点から、ポリマーＡ及びポリマーＢを多く含むことが好ましい。ガス分離活性層におけるポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合は、５０質量％以上であってよく、６０質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましく、９０％以上が特に好ましく、９５％以上がとりわけ好ましく、１００％であってもよい。
（ガス分離活性層の態様）
本実施態様のガス分離膜におけるガス分離活性層の厚みは０．１〜１０μｍが好ましく、０．１〜１μｍであることがより好ましい。ガス分離活性層の厚みが１０μｍ以下であると、十分に高いガスの透過速度を得ることができる。一方、ガス分離活性層の厚みが０．１μｍ以上であると、十分に高いガスの分離係数を得ることができる。
本実施態様のガス分離膜におけるガス分離活性層の厚みは０．１〜１０μｍが好ましく、０．１〜１μｍであることがより好ましい。ガス分離活性層の厚みが１０μｍ以下であると、十分に高いガスの透過速度を得ることができる。一方、ガス分離活性層の厚みが０．１μｍ以上であると、十分に高いガスの分離係数を得ることができる。
ガス分離活性層の一部は、多孔性支持体の表面から厚み方向に含浸して存在するガス分離活性層含浸部となっていてもかまわない。ガス分離膜の機械的強度の観点では、ガス分離活性層含浸部が形成されていることが好ましい。しかしながら、ガス分離活性層含浸部の厚さは、ガスの透過速度を高く維持することができる程度に薄く設定されることが好ましい。
ガス分離活性層含浸部は、多孔性支持体のうちのガス分離活性層が含浸していない部分と、含浸してない部分（非含浸部）との間に、明確な境界を持っていてもよいし、明確な境界を持っていなくてもかまわない。ガス分離活性層含浸部におけるポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合は、厚み方向で同じであってもよいし、傾斜組成となっていてもよい。好ましくは、ガス分離活性層含浸部のうちの非含浸部と接する領域においては、ポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合が大きく、該含有割合が深さ方向に漸減して行き、遂にはゼロとなる地点でガス分離性ポリマー含浸層が終わる場合である。
ガス分離活性層含浸部の厚さは、例えば、ＳＥＭ−ＥＤＸ（ＳＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法）によって得られるフッ素原子の分布、ＧＣＩＢ―ＸＰＳ（アルゴンガスクラスターイオン銃搭載Ｘ線光電子分光装置）によって測定された相対元素濃度の分布曲線等から知ることができる。
ガス分離活性層含浸部は、多孔性支持体のうちのガス分離活性層が含浸していない部分と、含浸してない部分（非含浸部）との間に、明確な境界を持っていてもよいし、明確な境界を持っていなくてもかまわない。ガス分離活性層含浸部におけるポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合は、厚み方向で同じであってもよいし、傾斜組成となっていてもよい。好ましくは、ガス分離活性層含浸部のうちの非含浸部と接する領域においては、ポリマーＡ及びポリマーＢの合計の含有割合が大きく、該含有割合が深さ方向に漸減して行き、遂にはゼロとなる地点でガス分離性ポリマー含浸層が終わる場合である。
ガス分離活性層含浸部の厚さは、例えば、ＳＥＭ−ＥＤＸ（ＳＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法）によって得られるフッ素原子の分布、ＧＣＩＢ―ＸＰＳ（アルゴンガスクラスターイオン銃搭載Ｘ線光電子分光装置）によって測定された相対元素濃度の分布曲線等から知ることができる。
ガス分離活性層は、多孔性支持体の両面にあってもよいし、片面上のみにあってもよい。多孔性支持体が中空糸状である場合には、ガス分離活性層は、中空糸状多孔性支持体の外側表面のみにあってもよいし、内側表面のみにあってもよいし、外側表面及び内側表面の双方の面上にあってもよい。
［ガス分離膜の使用態様］
本実施形態のガス分離膜は、そのまま使用に供してもよいし、筒状容器内に収納してパッケージ化したガス分離膜モジュールとしたうえで使用に供してもよい。
中空糸状のガス分離膜をガス分離膜モジュールとして用いる場合には、１つの筒状容器内に収納するガス分離膜の数は、例えば、１０本以上１，０００本以下とすることができ、５０本以上５００本以下とすることが好ましい。
本実施形態におけるガス分離膜は、例えば、Ｏ２及びＮ２を含むガス（例えば空気）からＯ２を分離するために好適に用いることができる。
本実施形態のガス分離膜は、そのまま使用に供してもよいし、筒状容器内に収納してパッケージ化したガス分離膜モジュールとしたうえで使用に供してもよい。
中空糸状のガス分離膜をガス分離膜モジュールとして用いる場合には、１つの筒状容器内に収納するガス分離膜の数は、例えば、１０本以上１，０００本以下とすることができ、５０本以上５００本以下とすることが好ましい。
本実施形態におけるガス分離膜は、例えば、Ｏ２及びＮ２を含むガス（例えば空気）からＯ２を分離するために好適に用いることができる。
［ガス分離膜の性能］
本実施形態のガス分離膜は、
測定温度３０℃、及び酸素分圧０．６気圧の条件下で測定したときに、
酸素の透過係数が、好ましくは２０Ｂａｒｒｅｒ以上１００Ｂａａｒｅｒ以下、より好ましくは３０Ｂａｒｒｅｒ以上１００Ｂａｒｒｅｒ以下であり、かつ、
酸素／窒素の分離係数が、好ましくは３．０以上１０以下とすることができる。
なお、１Ｂａｒｒｅｒは、３．３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）に相当するから、酸素の透過係数の値をｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）単位に換算すると、好ましくは６７×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以上３３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以下であり、より好ましくは１０１×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以上３３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以下である。
酸素／窒素の分離係数は、酸素の透過係数と窒素の透過係数との比で表される。
本実施形態のガス分離膜は、
測定温度３０℃、及び酸素分圧０．６気圧の条件下で測定したときに、
酸素の透過係数が、好ましくは２０Ｂａｒｒｅｒ以上１００Ｂａａｒｅｒ以下、より好ましくは３０Ｂａｒｒｅｒ以上１００Ｂａｒｒｅｒ以下であり、かつ、
酸素／窒素の分離係数が、好ましくは３．０以上１０以下とすることができる。
なお、１Ｂａｒｒｅｒは、３．３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）に相当するから、酸素の透過係数の値をｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）単位に換算すると、好ましくは６７×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以上３３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以下であり、より好ましくは１０１×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以上３３５×１０−１６ｍｏｌ／（ｍ・ｓ・Ｐａ）以下である。
酸素／窒素の分離係数は、酸素の透過係数と窒素の透過係数との比で表される。
《ガス分離膜の製造方法》
本実施形態のガス分離膜の製造方法の一例について、以下に詳細に説明する。
本実施形態のガス分離膜を製造するに際しては、多孔性支持体をそのままの形態でガス分離膜の製造に供してもよいし、複数個の多孔性支持体を容器内に収納してパッケージ化したうえでガス分離膜の製造に供してもよい。
本実施形態のガス分離膜をパッケージ化したうえでガス分離膜の製造に供して得られるパッケージ化されたガス分離膜は、そのままガス分離膜モジュールとして、使用に供することができる。
本実施形態のガス分離膜の製造方法の一例について、以下に詳細に説明する。
本実施形態のガス分離膜を製造するに際しては、多孔性支持体をそのままの形態でガス分離膜の製造に供してもよいし、複数個の多孔性支持体を容器内に収納してパッケージ化したうえでガス分離膜の製造に供してもよい。
本実施形態のガス分離膜をパッケージ化したうえでガス分離膜の製造に供して得られるパッケージ化されたガス分離膜は、そのままガス分離膜モジュールとして、使用に供することができる。
本発明のガス分離膜は、例えば、
ポリマーＡ及びポリマーＢを含む塗工液を調製する、塗工液調製工程、
多孔性支持体の少なくとも片面上に、塗工液を塗工して塗工面を形成する、塗工工程、及び
多孔性支持体の面上の前記塗工面を乾燥してガス分離活性層を形成する、乾燥工程
を含む方法によって、製造することができる。
ポリマーＡ及びポリマーＢを含む塗工液を調製する、塗工液調製工程、
多孔性支持体の少なくとも片面上に、塗工液を塗工して塗工面を形成する、塗工工程、及び
多孔性支持体の面上の前記塗工面を乾燥してガス分離活性層を形成する、乾燥工程
を含む方法によって、製造することができる。
［塗工液調製工程］
塗工液調製工程では、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む塗工液を調製する。
ポリマーＡ及びポリマーＢは、それぞれ別の容器で溶媒に溶解させた後に混合してもかまわないし、ポリマーＡ及びポリマーＢを１つの容器に入れ、同一の溶媒で溶かしてもかまわない。
溶媒は、ポリマーＡの溶媒、ポリマーＢの溶媒共に、フッ素系溶剤が好ましい。フッ素系溶剤とは、分子構造中に少なくとも１つのフッ素原子を有する溶剤である。フッ素系溶剤としては、例えば、フロリナート、Ｎｏｖｅｃ高機能性液体（以上、３Ｍ社製）、アサヒクリン（ＡＧＣ社製）等が用いることができる。これらの溶媒は単独で使用しても２種以上を混合して使用してもよい。
塗工液中のポリマーＡ及びポリマーＢの濃度は、これらの合計の濃度として、０．１質量％以上１０質量％以下が好ましく、０．１質量％以上５質量％以下がより好ましい。塗工液をこの範囲のポリマー濃度とすることにより、ガスの分離係数及び透過速度が高く、中空糸状多孔性支持体との密着のよいガス分離活性層を均一に形成することが容易となる。
塗工液調製工程では、ポリマーＡ及びポリマーＢを含む塗工液を調製する。
ポリマーＡ及びポリマーＢは、それぞれ別の容器で溶媒に溶解させた後に混合してもかまわないし、ポリマーＡ及びポリマーＢを１つの容器に入れ、同一の溶媒で溶かしてもかまわない。
溶媒は、ポリマーＡの溶媒、ポリマーＢの溶媒共に、フッ素系溶剤が好ましい。フッ素系溶剤とは、分子構造中に少なくとも１つのフッ素原子を有する溶剤である。フッ素系溶剤としては、例えば、フロリナート、Ｎｏｖｅｃ高機能性液体（以上、３Ｍ社製）、アサヒクリン（ＡＧＣ社製）等が用いることができる。これらの溶媒は単独で使用しても２種以上を混合して使用してもよい。
塗工液中のポリマーＡ及びポリマーＢの濃度は、これらの合計の濃度として、０．１質量％以上１０質量％以下が好ましく、０．１質量％以上５質量％以下がより好ましい。塗工液をこの範囲のポリマー濃度とすることにより、ガスの分離係数及び透過速度が高く、中空糸状多孔性支持体との密着のよいガス分離活性層を均一に形成することが容易となる。
［塗工工程］
本実施形態では、多孔性支持体の面上にガス分離活性層を配置する。
本実施形態のガス分離膜が中空糸状である場合には、塗工工程において、例えば下記のように、中空糸状多孔性支持体の内側に上記の塗工液を流通させて、塗工面を形成する方法が好ましい。
先ず、中空糸状多孔性支持体の内側へ、塗工液を注入し、次いで排出する。このときの塗工液の線速は、ガス分離活性層含浸部を適度の厚みで形成するために、３０ｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
中空糸状多孔性支持体の内側へ流通させる際の塗工液の温度は、使用する溶媒の沸点未満とすることが好ましい。溶媒の沸点未満の温度の塗工液を用いることにより、塗工中に溶媒の過度な揮発が抑制され、均一なガス分離活性層を得られる。
中空糸状多孔性支持体の内側へ注入した後、一旦排出された塗工液を、再び中空糸状多孔性支持体の内側へ注入して、循環流通させることも、本実施形態における好ましい態様である。
本実施形態では、多孔性支持体の面上にガス分離活性層を配置する。
本実施形態のガス分離膜が中空糸状である場合には、塗工工程において、例えば下記のように、中空糸状多孔性支持体の内側に上記の塗工液を流通させて、塗工面を形成する方法が好ましい。
先ず、中空糸状多孔性支持体の内側へ、塗工液を注入し、次いで排出する。このときの塗工液の線速は、ガス分離活性層含浸部を適度の厚みで形成するために、３０ｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
中空糸状多孔性支持体の内側へ流通させる際の塗工液の温度は、使用する溶媒の沸点未満とすることが好ましい。溶媒の沸点未満の温度の塗工液を用いることにより、塗工中に溶媒の過度な揮発が抑制され、均一なガス分離活性層を得られる。
中空糸状多孔性支持体の内側へ注入した後、一旦排出された塗工液を、再び中空糸状多孔性支持体の内側へ注入して、循環流通させることも、本実施形態における好ましい態様である。
上記塗工工程を行いながら、若しくは塗工工程の後に、又はこれらの双方において、中空糸状多孔性支持体の内側と外側とに圧力差を設ける工程を含んでもよい。中空糸状多孔性支持体の内側を高圧にし、外側を低圧にすることにより、塗工液が、中空糸状多孔性支持体の内側表面から多孔性膜内部に適度に浸み込み、ガス分離活性層含浸部を容易に形成することができる。この場合の圧力差のかけ方としては、例えば、中空糸状多孔性支持体内側を加圧してもよいし、中空糸状多孔性支持体外側を減圧させてもよいし、それらを同時に行ってもよい。
中空糸状多孔性支持体の内側と外側との圧力差は、１ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下であることが好ましく、２０ｋＰａ以上１２０ｋＰａ以下であることがより好ましい。この圧力差を１ｋＰａ以上とすると、ガス分離活性層含浸部の形成が容易となり、密着のよい分離活性層を形成することができる。この圧力差が１５０ｋＰａ以下であれば、ガス分離活性層含浸部の厚みが適度となり、高い透過速度が得られる。
中空糸状多孔性支持体の内側と外側との圧力差は、１ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下であることが好ましく、２０ｋＰａ以上１２０ｋＰａ以下であることがより好ましい。この圧力差を１ｋＰａ以上とすると、ガス分離活性層含浸部の形成が容易となり、密着のよい分離活性層を形成することができる。この圧力差が１５０ｋＰａ以下であれば、ガス分離活性層含浸部の厚みが適度となり、高い透過速度が得られる。
［乾燥工程］
そして、乾燥工程において、塗工面を乾燥することにより、多孔性支持体の表面上に、ガス分離活性層が形成されて、本実施形態のガス分離膜を製造することができる。
塗工面を乾燥する方法としては、例えば、塗工後の多孔性支持体を、所定温度の環境下に所定時間静置する方法；塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に気体を流す方法；塗工後の多孔性支持体を減圧下におき、減圧乾燥させる方法等が挙げられる。塗工面を均一に素早く乾燥させることができるとの観点から、塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に送風する方法が好ましい。以下、塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に送風することで乾燥させる方法について説明する。
塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に、好ましくは２０℃以上１６０℃以下、より好ましくは３０℃以上１００℃以下のガスを、好ましくは５分以上２４時間以下送風する。送風するガスは、例えば、空気、窒素等である。
そして、乾燥工程において、塗工面を乾燥することにより、多孔性支持体の表面上に、ガス分離活性層が形成されて、本実施形態のガス分離膜を製造することができる。
塗工面を乾燥する方法としては、例えば、塗工後の多孔性支持体を、所定温度の環境下に所定時間静置する方法；塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に気体を流す方法；塗工後の多孔性支持体を減圧下におき、減圧乾燥させる方法等が挙げられる。塗工面を均一に素早く乾燥させることができるとの観点から、塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に送風する方法が好ましい。以下、塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に送風することで乾燥させる方法について説明する。
塗工後の多孔性支持体のうちの塗工層を有する表面上に、好ましくは２０℃以上１６０℃以下、より好ましくは３０℃以上１００℃以下のガスを、好ましくは５分以上２４時間以下送風する。送風するガスは、例えば、空気、窒素等である。
以下に、本発明について、実施例等を用いて更に具体的に説明する。しかしながら本発明は、これらの実施例等に何ら限定されるものではない。
以下の実施例及び比較例では、以下の素材を用いてガス分離膜を製造し、評価を行った。
〈中空糸状多孔性支持体モジュール〉
中空糸状多孔性支持体として、ポリスルフォン製の多孔性中空糸（外径１．３５０ｍｍ、内径０．７５０ｍｍ、長さ２０ｃｍ、内側表面の平均孔径０．８μｍ）を用い、その５０本を筒状容器内に収納して、パッケージ化した。
〈ポリマーＡ〉
ポリマーＡとしては、
Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ１６００Ｘ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマー、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合約６５モル％、後述の表中では「ＡＦ１６００Ｘ」と表記）、又は
Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ２４００Ｘ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマー、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合約８７モル％、表中では「ＡＦ２４００Ｘ」と表記）
を用いた。
〈ポリマーＢ〉
ポリマーＢとしては、
Ｎｏｖｅｃ １７００（３Ｍ社製、フッ化アクリル系ポリマー、表中では「Ｎｏｖｅｃ１７００」と表記）、又は
ＲＢＸ−ＨＣ１（（株）ネオス製、フッ化アクリル系ポリマー、表中では「ＲＢＸ−ＨＣ１」と表記）
を用いた。
〈添加剤〉
比較例で使用の添加剤としては、Ｈｙｆｌｏｎ ＡＤ６０Ｘ（Ｓｏｌｖａｙ製、テトラフルオロエチレンと２，２，４−トリフルオロ−５−トリフルオロメトキシ−１，３−ジオキソールとのコポリマー、表中では「ＡＤ６０Ｘ」と表記）を用いた。
〈塗工液の溶媒〉
塗工液の溶媒としては、
ポリマーＡ、及び比較例で使用の添加剤については、フロリナートＦＣ−７２（３Ｍ社製、パーフルオロカーボン、Ｃ６Ｆ１４）を用い；
ポリマーＢについては、Ｎｏｖｅｃ ７１００（３Ｍ社製）を用いた。
〈中空糸状多孔性支持体モジュール〉
中空糸状多孔性支持体として、ポリスルフォン製の多孔性中空糸（外径１．３５０ｍｍ、内径０．７５０ｍｍ、長さ２０ｃｍ、内側表面の平均孔径０．８μｍ）を用い、その５０本を筒状容器内に収納して、パッケージ化した。
〈ポリマーＡ〉
ポリマーＡとしては、
Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ１６００Ｘ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマー、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合約６５モル％、後述の表中では「ＡＦ１６００Ｘ」と表記）、又は
Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ２４００Ｘ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマー、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合割合約８７モル％、表中では「ＡＦ２４００Ｘ」と表記）
を用いた。
〈ポリマーＢ〉
ポリマーＢとしては、
Ｎｏｖｅｃ １７００（３Ｍ社製、フッ化アクリル系ポリマー、表中では「Ｎｏｖｅｃ１７００」と表記）、又は
ＲＢＸ−ＨＣ１（（株）ネオス製、フッ化アクリル系ポリマー、表中では「ＲＢＸ−ＨＣ１」と表記）
を用いた。
〈添加剤〉
比較例で使用の添加剤としては、Ｈｙｆｌｏｎ ＡＤ６０Ｘ（Ｓｏｌｖａｙ製、テトラフルオロエチレンと２，２，４−トリフルオロ−５−トリフルオロメトキシ−１，３−ジオキソールとのコポリマー、表中では「ＡＤ６０Ｘ」と表記）を用いた。
〈塗工液の溶媒〉
塗工液の溶媒としては、
ポリマーＡ、及び比較例で使用の添加剤については、フロリナートＦＣ−７２（３Ｍ社製、パーフルオロカーボン、Ｃ６Ｆ１４）を用い；
ポリマーＢについては、Ｎｏｖｅｃ ７１００（３Ｍ社製）を用いた。
〈塗工液用ポリマー溶液、及び添加剤溶液の調製〉
各ポリマー、及び添加剤を、それぞれ、上述の所定の溶媒中に溶解して、ポリマー濃度０．５質量％のポリマー溶液を調製した。
各ポリマー、及び添加剤を、それぞれ、上述の所定の溶媒中に溶解して、ポリマー濃度０．５質量％のポリマー溶液を調製した。
《実施例１〜７、並びに比較例１及び２》
（１）ガス分離膜モジュールの製造
上記で得られた溶液を用い、表１に記載の組成になるように、１種類で、又は２種類を混合して、塗工液をそれぞれ調製した。
中空糸状多孔性支持体のパッケージに、上記の塗工液を、中空糸状多孔性支持体の内側を通るように注入し、中空糸状多孔性支持体の内側も外側も常圧のまま、１０秒間保持した。次いで、中空糸状多孔性支持体の内側から塗工液を抜いた後、中空糸状多孔性支持体の内側に３５℃の窒素を２４時間送り込んで乾燥させることにより、中空糸状多孔性支持体の内表面側にガス分離活性層を有するガス分離膜５０本がパッケージ化された、ガス分離膜モジュールをそれぞれ製造した。
（１）ガス分離膜モジュールの製造
上記で得られた溶液を用い、表１に記載の組成になるように、１種類で、又は２種類を混合して、塗工液をそれぞれ調製した。
中空糸状多孔性支持体のパッケージに、上記の塗工液を、中空糸状多孔性支持体の内側を通るように注入し、中空糸状多孔性支持体の内側も外側も常圧のまま、１０秒間保持した。次いで、中空糸状多孔性支持体の内側から塗工液を抜いた後、中空糸状多孔性支持体の内側に３５℃の窒素を２４時間送り込んで乾燥させることにより、中空糸状多孔性支持体の内表面側にガス分離活性層を有するガス分離膜５０本がパッケージ化された、ガス分離膜モジュールをそれぞれ製造した。
（２）Ｏ２の透過速度、並びにＯ２及びＮ２の分離係数の評価
上記で得られたガス分離膜モジュールを用いて、Ｏ２及びＮ２それぞれの透過速度を測定した。その後、ガス分離活性層の厚みをＳＥＭで観察し、各透過係数を算出した。
測定は、測定温度３０℃において行った。
供給ガスとして空気を中空糸状ガス分離膜の内側に、流量１９０ｃｃ／ｍｉｎにて流し、透過ガスのキャリアガスとしてヘリウムを中空糸状ガス分離膜の外側に、流量５０ｃｃ／ｍｉｎにて流し、Ｏ２の透過速度ＴＲＯ２及びＮ２の透過速度ＴＲＮ２を求めた。このとき、中空糸状ガス分離膜内側の圧力は３気圧（Ｏ２分圧０．６気圧）に維持し、外側の圧力は１気圧を維持した。次いで、ＳＥＭによりガス分離活性層の膜厚を測定し、Ｏ２の透過係数ＰＯ２、及びＮ２の透過係数ＰＮ２を求めた。
Ｏ２の透過係数ＰＯ２、及び酸素／窒素分離係数を、表１に示す。なお、酸素／窒素分離係数は、Ｏ２の透過速度ＴＲＯ２とＮ２の透過速度ＴＲＮ２との比（ＴＲＯ２／ＴＲＮ２）として定義されるが、この値は、Ｏ２の透過係数ＰＯ２とＮ２の透過係数ＰＮ２との比（ＰＯ２／ＰＮ２）と等しい。したがって、後述の表１では、酸素／窒素分離係数を「ＰＯ２／ＰＮ２」と表記した。
上記で得られたガス分離膜モジュールを用いて、Ｏ２及びＮ２それぞれの透過速度を測定した。その後、ガス分離活性層の厚みをＳＥＭで観察し、各透過係数を算出した。
測定は、測定温度３０℃において行った。
供給ガスとして空気を中空糸状ガス分離膜の内側に、流量１９０ｃｃ／ｍｉｎにて流し、透過ガスのキャリアガスとしてヘリウムを中空糸状ガス分離膜の外側に、流量５０ｃｃ／ｍｉｎにて流し、Ｏ２の透過速度ＴＲＯ２及びＮ２の透過速度ＴＲＮ２を求めた。このとき、中空糸状ガス分離膜内側の圧力は３気圧（Ｏ２分圧０．６気圧）に維持し、外側の圧力は１気圧を維持した。次いで、ＳＥＭによりガス分離活性層の膜厚を測定し、Ｏ２の透過係数ＰＯ２、及びＮ２の透過係数ＰＮ２を求めた。
Ｏ２の透過係数ＰＯ２、及び酸素／窒素分離係数を、表１に示す。なお、酸素／窒素分離係数は、Ｏ２の透過速度ＴＲＯ２とＮ２の透過速度ＴＲＮ２との比（ＴＲＯ２／ＴＲＮ２）として定義されるが、この値は、Ｏ２の透過係数ＰＯ２とＮ２の透過係数ＰＮ２との比（ＰＯ２／ＰＮ２）と等しい。したがって、後述の表１では、酸素／窒素分離係数を「ＰＯ２／ＰＮ２」と表記した。
（３）ガス分離層のＦＴ−ＩＲ分析
得られたガス分離膜モジュールを分解して、ガス分離膜を取り出した。得られたガス分離膜を切り開いて、平面状とし、内表面側のガス分子活性層形成面を測定対象として、ＦＴ−ＩＲによる分析を行った。
ＦＴ−ＩＲ測定には、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製のフーリエ変換赤外分光分析装置、型式名「Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｏｎｅ」を用い、ＡＴＲ法で測定を行い、ＩＲスペクトルを得た。測定条件は、以下のとおりである：
ＡＴＲ結晶：セレン化亜鉛
入射角：３０°
測定波長域：４００〜４，０００ｃｍ―１
分解能：４ｃｍ−１
９８６ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ９８６と、１，７４８ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ１７４８との比（Ｉ９８６／Ｉ１７４８）を表１に合わせて示す。
得られたガス分離膜モジュールを分解して、ガス分離膜を取り出した。得られたガス分離膜を切り開いて、平面状とし、内表面側のガス分子活性層形成面を測定対象として、ＦＴ−ＩＲによる分析を行った。
ＦＴ−ＩＲ測定には、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製のフーリエ変換赤外分光分析装置、型式名「Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｏｎｅ」を用い、ＡＴＲ法で測定を行い、ＩＲスペクトルを得た。測定条件は、以下のとおりである：
ＡＴＲ結晶：セレン化亜鉛
入射角：３０°
測定波長域：４００〜４，０００ｃｍ―１
分解能：４ｃｍ−１
９８６ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ９８６と、１，７４８ｃｍ−１付近のピークのピーク強度Ｉ１７４８との比（Ｉ９８６／Ｉ１７４８）を表１に合わせて示す。
《実施例８〜２１、及び比較例３〜１２》
上記で得られた溶液を用い、表２に記載の組成になるように、１種類で、又は２種類を混合して調製した塗工液を用いた他は、実施例１等と同様にして、ガス分離膜モジュールをそれぞれ製造し、Ｏ２及びＮ２の透過係数の評価を行った。
評価結果を、比較例１及び２の結果とともに、表２に示す。なお、データの相互比較の便宜上、比較例２のデータは、表２中２回再録した。
上記で得られた溶液を用い、表２に記載の組成になるように、１種類で、又は２種類を混合して調製した塗工液を用いた他は、実施例１等と同様にして、ガス分離膜モジュールをそれぞれ製造し、Ｏ２及びＮ２の透過係数の評価を行った。
評価結果を、比較例１及び２の結果とともに、表２に示す。なお、データの相互比較の便宜上、比較例２のデータは、表２中２回再録した。
表１及び表２中の各成分の使用量は、いずれも、溶媒を除いた固形分換算値である。
本発明のガス分離膜は、酸素に対して高い透過係数を示し、酸素と窒素との分離係数が大きいガス分離活性層を持つものである。したがって、本発明のガス分離膜は、例えば、空気から、窒素富化空気及び酸素富化空気を生成するガス分離膜として、広く利用することができる。
１０ 多孔性支持体
１１ 細孔
２０ ガス分離活性層
２１ ガス分離活性層含浸部
２２ ガス分離活性層非含浸部
１００ ガス分離膜
１１ 細孔
２０ ガス分離活性層
２１ ガス分離活性層含浸部
２２ ガス分離活性層非含浸部
１００ ガス分離膜
Claims (7)
- 多孔性支持体と、前記多孔性支持体上に配置されたガス分離活性層とを有するガス分離膜であって、
前記ガス分離活性層が、
テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとのコポリマーであるポリマーＡ、及び
フッ素原子と水素原子とを含むポリマーＢ
を含む、
ガス分離膜。 - 前記ポリマーＢがエステル結合を有する、請求項１に記載のガス分離膜。
- 前記ポリマーＢが、フッ化アクリル系ポリマー又はフッ化メタクリル系ポリマーである、請求項１又は２に記載のガス分離膜。
- 前記多孔性支持体が、中空糸状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離膜。
- 前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、２０質量％以上９８％以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離膜。
- 前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、５０質量％以上９５％以下である、請求項５に記載のガス分離膜。
- 前記ポリマーＡと前記ポリマーＢとの合計に対する前記ポリマーＡの割合が、７０質量％以上９５％以下である、請求項６に記載のガス分離膜。
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|---|---|---|---|---|
| WO2009054460A1 (ja) * | 2007-10-26 | 2009-04-30 | Asahi Kasei Chemicals Corporation | 気体分離膜 |
| CN105664656A (zh) * | 2014-11-18 | 2016-06-15 | 江苏汇维特新材料科技有限公司 | 一种低浓度、大风量有机废气处理系统及其处理工艺 |
| JP2018536531A (ja) * | 2015-10-22 | 2018-12-13 | ユーオーピー エルエルシー | ガス分離のための二重層コーティングされた膜 |
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