JP2023108133A - Composite semipermeable film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合半透膜に関する。 The present invention relates to composite semipermeable membranes.
有機溶剤に対する耐性を考慮して構成された分離膜が知られている。例えば、特許文献1には、アクリロニトリル等の多孔性支持体の表面に、ポリアミドとシリコーンとを含むスキン層が形成されているナノ複合膜が記載されている。特許文献1には、上記ナノ複合膜が、有機溶媒に溶けている分子量100~1000の有機化合物の分離に使用されることが記載されている。
Separation membranes are known that are configured with resistance to organic solvents taken into consideration. For example,
また、特許文献2には、エチレン性不飽和ニトリルから形成された支持体に、親水性のコーティングを設けたナノ複合膜が記載されている。特許文献2には、上記複合膜を、水溶液中の糖類の分離に利用できることが記載されている。
特許文献1、2に記載されているような分離膜では、多孔質支持体の膨潤等の現象を抑えることができ、有機溶剤を含む被処理液の処理を、良好な透水性を維持しつつ継続して行うことが可能となる。しかしながら、特許文献1、2の分離膜はナノ複合膜として形成されたものであり、低分子の有機溶剤の阻止率は低く、有機溶剤を分離、濃縮することは実質的にはできない。
Separation membranes such as those described in
本発明の一態様は、低分子有機溶剤を含有する水溶液の処理において、低分子有機溶剤の阻止率に優れ、透水性にも優れた複合半透膜を提供することを課題とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide a composite semipermeable membrane that exhibits excellent rejection of low-molecular-weight organic solvents and excellent water permeability in the treatment of aqueous solutions containing low-molecular-weight organic solvents.
本発明の一態様による複合半透膜は、耐有機溶剤性多孔質支持体と、前記耐有機溶剤性多孔質支持体の表面に設けられたポリアミドスキン層とを有する。 A composite semipermeable membrane according to one aspect of the present invention comprises an organic solvent-resistant porous support and a polyamide skin layer provided on the surface of the organic solvent-resistant porous support.
本発明の一態様によれば、低分子有機溶剤を含有する水溶液の処理において、低分子有機溶剤の阻止率に優れ、透水性にも優れた複合半透膜を提供できる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a composite semipermeable membrane that exhibits excellent rejection of low-molecular-weight organic solvents and excellent water permeability in the treatment of aqueous solutions containing low-molecular-weight organic solvents.
図1に、本発明の一実施形態による複合半透膜の例を示す。図1に示すように、複合半透膜10は、多孔質支持体2と、多孔質支持体(多孔質支持層)2上に設けられたスキン層(分離機能層)1とを備えている。また、図1に示すように、複合半透膜10は、多孔質支持体2を補強するための基材3を備えていてもよい。本明細書において、「半透膜」とは、被処理液中の一部の成分を透過させ、それ以外の成分を透過させない膜である。また、複合半透膜における「複合」とは、異なる機能又は構成を有する複数の層が積層されてなることを意味する。
FIG. 1 shows an example of a composite semipermeable membrane according to one embodiment of the invention. As shown in FIG. 1, the composite
スキン層1は複合半透膜10において最上に配置された緻密な薄い層(0.01μm以上1μm以下)であり、複合半透膜の分離処理が主として行われる層である。多孔質支持体は、上記スキン層を支持する役割を果たす。本形態におけるスキン層は、ポリアミドスキン層である(製膜方法については後述)。
The
本形態においては、多孔質支持体として、耐有機溶剤性の多孔質支持体を用いる。「耐有機溶剤性」とは、複合半透膜が用いられる通常の条件で有機溶剤と接触しても、膨潤等の変性をしない若しくは変性し難く、多孔質支持体の本来の機能が維持されることを指す。よって、本形態による複合半透膜は、有機溶剤を含有する被処理液の処理に用いても、有機溶剤によって多孔質支持体が膨潤したり多孔質支持体にリークスポットが生じたりすることを防止でき、良好な分離性能を維持して継続的な運転が可能である。 In this embodiment, an organic solvent-resistant porous support is used as the porous support. “Organic solvent resistance” means that even when the composite semipermeable membrane comes into contact with an organic solvent under normal conditions, it does not denature such as swelling or is difficult to denature, and the original function of the porous support is maintained. refers to Therefore, even when the composite semipermeable membrane according to the present embodiment is used for treating a liquid to be treated containing an organic solvent, the organic solvent does not swell the porous support or cause leak spots in the porous support. can be prevented, and continuous operation is possible while maintaining good separation performance.
本形態による、耐有機溶剤性の多孔質支持体とポリアミドスキン層とから構成された複合半透膜は、被処理液に含まれる有機溶剤を濃縮可能な分離膜である。すなわち、被処理液に含まれる溶媒は透過させるが、有機溶剤を阻止し得る構造を有する。ここで、濃縮される有機溶剤は、低分子の有機溶剤であってよく、より具体的には、分子量100以下、好ましくは100未満の有機溶剤であってよい。また、上記有機溶剤は水溶性であり、水に対する溶解度が0.1%以上の任意の量で溶解するのものであってよい。さらに、上記の有機溶剤を含有する被処理液は、水系液、特に有機溶剤の水溶液であってよい。すなわち、本形態による複合半透膜は、水溶液から当該水溶液に溶解している低分子量の有機溶剤の濃縮のために好適に用いられる。 The composite semipermeable membrane according to this embodiment, which is composed of an organic solvent-resistant porous support and a polyamide skin layer, is a separation membrane capable of concentrating the organic solvent contained in the liquid to be treated. That is, it has a structure capable of transmitting the solvent contained in the liquid to be treated but blocking the organic solvent. Here, the organic solvent to be concentrated may be a low-molecular-weight organic solvent, more specifically, an organic solvent having a molecular weight of 100 or less, preferably less than 100. Moreover, the above organic solvent is water-soluble, and may be dissolved in an arbitrary amount with a solubility in water of 0.1% or more. Furthermore, the liquid to be treated containing the above organic solvent may be an aqueous liquid, particularly an aqueous solution of an organic solvent. That is, the composite semipermeable membrane according to the present embodiment is suitably used for concentrating the low-molecular-weight organic solvent dissolved in the aqueous solution from the aqueous solution.
濃縮される有機溶剤は、低分子の鎖式又は脂環式の有機化合物であると好ましい。有機溶剤の具体例としては、アセトニトリル、アセトン、1,4-ジオキサン、1,3-ジオキソラン、シクロヘキサノン、ガンマブチルラクトン、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリドン(NMP)、γ‐ブチロラクトン(GBL)等が挙げられる。また、有機溶剤は、分子量100以下の水溶性アルコール(一価及び多価アルコールを含む)等であってもよい。 The organic solvent to be concentrated is preferably a low-molecular chain or alicyclic organic compound. Specific examples of organic solvents include acetonitrile, acetone, 1,4-dioxane, 1,3-dioxolane, cyclohexanone, gamma-butyllactone, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide ( DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), γ-butyrolactone (GBL) and the like. Also, the organic solvent may be a water-soluble alcohol (including monohydric and polyhydric alcohols) having a molecular weight of 100 or less.
本形態における耐有機溶剤性の多孔質支持体は、耐有機溶剤性のポリマー(有機ポリマー若しくは有機高分子化合物)を主として含み、好ましくは耐有機溶剤性のポリマーからなる。用いられるポリマーの具体例としては、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアリルエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル等が挙げられる。これらのポリマーは、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて、すなわち2種以上の材料のコポリマー及び/又はポリマーブレンドとして用いてもよい。 The organic solvent-resistant porous support in this embodiment mainly contains an organic solvent-resistant polymer (organic polymer or organic polymer compound), preferably composed of an organic solvent-resistant polymer. Specific examples of polymers used include polyetherimide, polyamideimide, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyetherketone, polyetheretherketone, polyketone, polyethersulfone, polyallylethersulfone, and polyacrylonitrile. These polymers may be used alone or in combination of two or more, ie, as copolymers and/or polymer blends of two or more materials.
本形態による耐有機溶剤性の多孔質支持体を備えた複合半透膜は、例えばポリスルホン等の材料を用いて形成された多孔質支持体を備えた複合半透膜と異なり、有機溶剤による多孔質支持体の膨潤や溶解によるリークスポットを防止でき、多孔質支持体とスキン層との層間剥離を防止できる。そのため、有機溶剤を含有する被処理液であっても、良好な有機溶剤阻止率及び透過量(透水量)で継続して処理することができる。 The composite semipermeable membrane provided with an organic solvent-resistant porous support according to this embodiment differs from a composite semipermeable membrane provided with a porous support formed using a material such as polysulfone, for example. Leak spots due to swelling or dissolution of the porous support can be prevented, and delamination between the porous support and the skin layer can be prevented. Therefore, even a liquid to be treated containing an organic solvent can be continuously treated with a good organic solvent rejection rate and permeation amount (water permeation amount).
多孔質支持層に用いられる上述のポリマーのうち、耐有機溶剤性に優れることからポリエーテルイミドが好ましい。ポリエーテルイミドは、特にアセトン、アセトニトリル、シクロヘキサノン等のケトンに対する耐性に優れ、またそのような有機溶剤の阻止性能の維持にも寄与する。よって、多孔質支持層にポリエーテルイミドを用いることで、特にケトン等の有機溶剤を含む排水から有機溶剤を濃縮する処理を長期間にわたって行うことができる。また、ポリエーテルイミドは、難燃性、耐熱性、及び圧縮強度が高いことから、複合半透膜の高温・高圧下の条件でも強度を維持でき、膜の加工時又はモジュール(後述)の製作時にも熱及び/又は圧力による膜の損傷やその他の不都合を防止できる。 Among the above-mentioned polymers used for the porous support layer, polyetherimide is preferred because of its excellent resistance to organic solvents. Polyetherimide is particularly excellent in resistance to ketones such as acetone, acetonitrile, and cyclohexanone, and also contributes to maintaining such organic solvent blocking performance. Therefore, by using polyetherimide for the porous support layer, the process of concentrating the organic solvent especially from the waste water containing the organic solvent such as ketone can be carried out over a long period of time. In addition, since polyetherimide has high flame retardancy, heat resistance, and compressive strength, it can maintain its strength even under high temperature and high pressure conditions of the composite semipermeable membrane. Sometimes heat and/or pressure damage to the membrane and other disadvantages can be prevented.
ポリエーテルイミドの具体例としては、SHPP US社製の「Ultem(登録商標)」シリーズが挙げられ、Ultem1000等を好適に用いることができる。また、用いられるポリエーテルイミドの比重は1.2~1.3程度である。ポリエーテルイミドの重量平均分子量は、5,000以上500,000以下であると好ましく、10,000以上50,000以下であるとより好ましい。重量平均分子量が上記の範囲であることで、適度な加工性が得られるとともに、多孔質支持体、ひいては複合半透膜の強度を向上することができる。 Specific examples of polyetherimide include the “Ultem (registered trademark)” series manufactured by SHPP US, and Ultem 1000 and the like can be preferably used. Moreover, the specific gravity of the polyetherimide used is about 1.2 to 1.3. The weight average molecular weight of the polyetherimide is preferably 5,000 or more and 500,000 or less, more preferably 10,000 or more and 50,000 or less. When the weight-average molecular weight is within the above range, it is possible to obtain appropriate workability and improve the strength of the porous support and, in turn, the composite semipermeable membrane.
多孔質支持体は、本形態による作用・効果を妨げないのであれば、上記した耐有機溶剤性のポリマー以外に添加剤等含んでいてもよい。添加剤としては、コロイダルシリカ、ゼオライト等の機能粒子が挙げられる。その場合であっても、上記の耐有機溶剤性のポリマーの含有量は90質量%以上であると好ましく、95質量%以上であるとより好ましい。そして、多孔質支持体はポリエーテルイミドから実質的になることが好ましく、ポリエーテルイミドからなることがより好ましい。なお、本明細書において、所定成分「から実質的になる」とは、所定成分以外の、製造時に不可避的に生成又は混入する成分の含有が許容されることを意味する。 The porous support may contain additives other than the organic solvent-resistant polymer described above as long as it does not interfere with the action and effect of the present embodiment. Examples of additives include functional particles such as colloidal silica and zeolite. Even in that case, the content of the organic solvent-resistant polymer is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more. The porous support preferably consists essentially of polyetherimide, more preferably polyetherimide. In the present specification, the phrase “consisting essentially of” a prescribed component means that it is permissible to contain a component other than the prescribed component, which is unavoidably generated or mixed during manufacturing.
多孔質支持体は、全体として均質な層であることが好ましい。本明細書において、均質な層とは、多孔質支持体が単相から構成されていること、すなわち、当分野の通常の観察方法で、分離した複数の相が観察されないことを指す。 The porous support is preferably a homogeneous layer as a whole. As used herein, a homogeneous layer means that the porous support is composed of a single phase, that is, no separate multiple phases are observed by ordinary observation methods in the art.
また、多孔質支持体の表面における平均孔径は、5nm以上50nm以下であると好ましく、7nm以上20nm以下であるとより好ましい。上記の平均孔径によって、低分子量の有機溶剤、より具体的には分子量100以下の有機溶剤の阻止性能を向上させることができる。 The average pore diameter on the surface of the porous support is preferably 5 nm or more and 50 nm or less, more preferably 7 nm or more and 20 nm or less. The above average pore size can improve the ability to block low-molecular-weight organic solvents, more specifically, organic solvents having a molecular weight of 100 or less.
本形態における多孔質支持体の製造方法は特に限定されず、非溶媒誘起相分離法(NIPS)、熱誘起溶媒相分離(TIPS)等を用いることができるが、均一で幅広の多孔質支持体を製造できることから非溶媒誘起相分離法(NIPS)を用いることが好ましい。より具体的には、ポリマーを溶媒に溶解して製膜溶液を得た後、製膜溶液を、不織布等の基材に、ダイコーター等によって塗布する。その後、塗布された溶液中のポリマーを凝固させ、残存溶液を除去する。 The method for producing the porous support in this embodiment is not particularly limited, and non-solvent induced phase separation (NIPS), thermally induced solvent phase separation (TIPS), etc. can be used. It is preferable to use a non-solvent induced phase separation method (NIPS) because it can produce More specifically, after a polymer is dissolved in a solvent to obtain a membrane-forming solution, the membrane-forming solution is applied to a base material such as a nonwoven fabric using a die coater or the like. The polymer in the applied solution is then coagulated and the remaining solution is removed.
非溶媒誘起相分離法による多孔質支持体の製造においては、ポリマーを溶媒に溶解させる際、均一な製膜溶液を調製でき、また良好な相分離が得られることから、用いる溶媒は水溶性であり且つ高沸点のものが好ましい。例えば、用いられる溶媒は、沸点130℃以上250℃以下の水溶性溶媒であると好ましい。溶媒の具体例としては、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン(DMI)、N-メチルピロリドン(NMP)、γ‐ブチロラクトン(GBL)等が挙げられる。 In the production of the porous support by the non-solvent-induced phase separation method, when the polymer is dissolved in the solvent, a uniform membrane-forming solution can be prepared and good phase separation can be obtained. and having a high boiling point are preferred. For example, the solvent used is preferably a water-soluble solvent having a boiling point of 130°C or higher and 250°C or lower. Specific examples of solvents include dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAC), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), N-methylpyrrolidone (NMP), γ- butyrolactone (GBL) and the like.
多孔質支持体の製膜用のポリマー溶液の製造の際には、上記溶媒に加えて、ポリエチレングリコール、ポリブチレングリコール等のポリオキシアルキレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等の水溶性ポリマー、グリセリン、ジエチレングリコール、水、アセトン、1,3-ジオキソラン等を、開孔剤として添加することができる。開孔剤を所定量添加することにより、多孔質支持体の気孔率、孔径等を調整することができる。 When producing a polymer solution for film formation of a porous support, in addition to the above solvents, polyoxyalkylenes such as polyethylene glycol and polybutylene glycol, water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, glycerin, and diethylene glycol are used. , water, acetone, 1,3-dioxolane and the like can be added as pore opening agents. By adding a predetermined amount of a pore-forming agent, the porosity, pore size, etc. of the porous support can be adjusted.
本形態による複合半透膜は、多孔質支持体上にポリアミドスキン層を備えているが、このようなスキン層は、上述のように基材上に形成された多孔質支持体の表面を、多官能アミン化合物の溶液に浸漬させることによって形成できる。その後、酸ハライド化合物の溶剤溶液に接触させることで、多官能アミンと酸ハライド化合物との界面重合を進行させ、架橋ポリアミドが形成される。 The composite semipermeable membrane according to this embodiment comprises a polyamide skin layer on the porous support. Such a skin layer covers the surface of the porous support formed on the substrate as described above, It can be formed by immersion in a solution of a polyfunctional amine compound. Thereafter, contacting with a solvent solution of the acid halide compound promotes interfacial polymerization between the polyfunctional amine and the acid halide compound, thereby forming a crosslinked polyamide.
多官能アミン(2以上の反応性アミン基を有する化合物)は、芳香族多官能アミン、脂肪族多官能アミン、又はその組合せであってよい。芳香族多官能アミンの具体例としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、1,3,5-トリアミノベンゼン等、或いはこれらのN-アルキル化物、例えばN,N-ジメチルm-フェニレンジアミン、N,N-ジエチルm-フェニレンジアミン、N,N-ジメチルp-フェニレンジアミン、N,N-ジエチルp-フェニレンジアミンが挙げられ、中でもm-フェニレンジアミンが好ましい。また、脂肪族多官能アミンは、鎖式又は脂環式多官能アミンであってよい。脂肪族多官能アミンの具体例としては、エチレンジアミン及びエチレンジアミン誘導体、1,6-ジアミノヘキサン等の鎖状ジアミン、1,3-ジアミノシクロヘキサン、1,2-ジアミノシクロへキサン、1,4-ジアミノシクロへキサン等の環状ジアミン、ピペラジン及びピペラジン誘導体が挙げられる。ピペラジン誘導体の例としては、2,5-ジメチルピペラジン、2-メチルピペラジン、2,6-ジメチルピペラジン、2,3,5-トリメチルピペラジン、2,5-ジエチルピペラジン、2,3,5-トリエチルピペラジン、2-n-プロピルピペラジン、2,5-ジ-n-ブチルピペラジン、エチレンジアミン等が挙げられる。上記のうちピペラジンが好ましい。上述の多官能アミンは、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 Multifunctional amines (compounds having two or more reactive amine groups) can be aromatic multifunctional amines, aliphatic multifunctional amines, or combinations thereof. Specific examples of aromatic polyfunctional amines include m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 1,3,5-triaminobenzene, etc., or N-alkylated products thereof such as N,N-dimethyl m-phenylenediamine. , N,N-diethyl m-phenylenediamine, N,N-dimethyl p-phenylenediamine, N,N-diethyl p-phenylenediamine, among which m-phenylenediamine is preferred. Also, the aliphatic polyfunctional amine may be a chain or cycloaliphatic polyfunctional amine. Specific examples of aliphatic polyfunctional amines include ethylenediamine and ethylenediamine derivatives, chain diamines such as 1,6-diaminohexane, 1,3-diaminocyclohexane, 1,2-diaminocyclohexane, 1,4-diaminocyclohexane Cyclic diamines such as hexane, piperazine and piperazine derivatives are included. Examples of piperazine derivatives include 2,5-dimethylpiperazine, 2-methylpiperazine, 2,6-dimethylpiperazine, 2,3,5-trimethylpiperazine, 2,5-diethylpiperazine, 2,3,5-triethylpiperazine. , 2-n-propylpiperazine, 2,5-di-n-butylpiperazine, ethylenediamine and the like. Of the above, piperazine is preferred. The above polyfunctional amines can be used alone or in combination of two or more.
なお、スキン層の形成の際に、m-フェニレンジアミン等の芳香族多官能アミンを用いた場合には、1価の塩を選択的に分離することに適した複合半透膜を得ることができる。また、ピペラジン等の脂肪族多官能アミンを用いた場合には、2価の塩を選択的に分離することに適した複合半透膜を得ることができる。 Note that when an aromatic polyfunctional amine such as m-phenylenediamine is used in forming the skin layer, a composite semipermeable membrane suitable for selectively separating monovalent salts can be obtained. can. Also, when an aliphatic polyfunctional amine such as piperazine is used, a composite semipermeable membrane suitable for selectively separating divalent salts can be obtained.
酸ハライド化合物としては、上記多官能アミンとの反応によりポリアミドを与えるものであれば特に限定されないが、一分子中に2個以上のハロゲン化カルボニル基を有する酸ハロゲン化物であると好ましい。酸ハライド化合物の具体例としては、シュウ酸、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、グルタル酸、1,3,5-シクロヘキサントリカルボン酸、1,3-シクロヘキサンジカルボン酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸等の脂肪酸のハライド化合物、フタル酸、イソフタル酸、1,3,5-ベンゼントリカルボン酸、1,2,4-ベンゼントリカルボン酸、1,3-ベンゼンジカルボン酸、1,4-ベンゼンジカルボン酸等の芳香族酸の酸ハライド化合物を用いることができる。これらの酸ハライド化合物は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 The acid halide compound is not particularly limited as long as it gives a polyamide by reaction with the polyfunctional amine, but an acid halide compound having two or more halogenated carbonyl groups in one molecule is preferable. Specific examples of acid halide compounds include oxalic acid, malonic acid, maleic acid, fumaric acid, glutaric acid, 1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acid, 1,3-cyclohexanedicarboxylic acid, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, and the like. Fragrances such as halide compounds of fatty acids, phthalic acid, isophthalic acid, 1,3,5-benzenetricarboxylic acid, 1,2,4-benzenetricarboxylic acid, 1,3-benzenedicarboxylic acid, 1,4-benzenedicarboxylic acid Acid halide compounds of group acids can be used. These acid halide compounds can be used alone or in combination of two or more.
多孔質支持体は、その表面上に設けられているスキン層と共有結合していることが好ましい。ここで、多孔質支持体としてポリエーテルイミドが用いられている場合、ポリエーテルイミドが開環してスキン層と共有結合していることが好ましい。多孔質支持体とスキン層との間に共有結合が形成されていることにより、有機溶媒に晒されても多孔質支持体が劣化しにくくなっており、層間剥離やリークスポット等が生じにくい。よって、複合半透膜の耐有機溶媒性が向上し、複合半透膜の分離性能、すなわち有機溶剤の阻止率及び透過量が向上する。 The porous support is preferably covalently bonded to a skin layer provided on its surface. Here, when polyetherimide is used as the porous support, it is preferable that the polyetherimide is ring-opened and covalently bonded to the skin layer. Since covalent bonds are formed between the porous support and the skin layer, the porous support is less likely to deteriorate even when exposed to organic solvents, and delamination and leak spots are less likely to occur. Therefore, the organic solvent resistance of the composite semipermeable membrane is improved, and the separation performance of the composite semipermeable membrane, that is, the rejection rate and permeation amount of the organic solvent are improved.
なお、多孔質支持体とスキン層との間の所望の化学的な結合状態は、スキン層を形成するために用いられる多官能アミン化合物の溶液の濃度を調整することによって得ることができる。例えば、多官能アミン化合物の溶液濃度を0.5質量%以上15質量%以下とすることが好ましい。また、多孔質支持体とスキン層との間の化学的な結合状態の判定は、例えば赤外分光分析法を用いて、例えばフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)を用いて、所定の波数のピーク強度、例えばイミド基のC=O伸縮振動に由来するピークの強度を測定することで判定できる。 A desired chemical bonding state between the porous support and the skin layer can be obtained by adjusting the concentration of the polyfunctional amine compound solution used to form the skin layer. For example, it is preferable to set the solution concentration of the polyfunctional amine compound to 0.5% by mass or more and 15% by mass or less. In addition, determination of the chemical bonding state between the porous support and the skin layer can be performed using, for example, an infrared spectroscopic analysis method, for example, using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). can be determined by measuring the peak intensity of the wavenumber of, for example, the intensity of the peak derived from the C=O stretching vibration of the imide group.
さらに、本形態による複合半透膜は、長時間にわたり圧力が掛かっても変形しにくい性質、すなわち優れた耐圧性を有する。逆浸透法による高い操作圧力、例えば1~20MPa、特に2MPa以上、好ましくは5MPa以上という操作圧力での運転にも十分対応することができる。より具体的に言えば、複合半透膜のうち、多孔質支持体とスキン層とからなる部分の圧縮率、つまり所定時間にわたる所定圧力での加圧によって圧縮されて減少した厚み分(初期厚みから加圧後の厚みを引いた値)の、初期厚みに対する割合も小さい。例えば、本形態による複合半透膜では、2時間にわたり5.5MPaの操作圧力で被処理液を処理した場合の圧縮率は20%以下、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下となり得る。 Furthermore, the composite semipermeable membrane according to this embodiment has a property of being resistant to deformation even when pressure is applied for a long period of time, that is, it has excellent pressure resistance. It can sufficiently cope with operation at a high operating pressure by the reverse osmosis method, for example, 1 to 20 MPa, particularly 2 MPa or higher, preferably 5 MPa or higher. More specifically, the compressibility of the portion of the composite semipermeable membrane consisting of the porous support and the skin layer, that is, the thickness reduced by being compressed by pressurization at a predetermined pressure for a predetermined time (initial thickness The ratio of the value obtained by subtracting the thickness after pressurization from the initial thickness is also small. For example, in the composite semipermeable membrane according to the present embodiment, the compressibility can be 20% or less, preferably 10% or less, more preferably 5% or less when the liquid to be treated is treated at an operating pressure of 5.5 MPa for 2 hours. .
また、複合半透膜の使用前の多孔質支持体の空隙率(気孔率)は、40%以上70%以下であると好ましく、55%以上65%以下であるとより好ましい。上記範囲の空隙率を有することで、有機溶剤水溶液を処理する場合の適切な有機溶剤阻止性能及び透水性が得られるとともに、複合半透膜の耐圧性及び強度を向上できる。さらに、長時間又は高圧の圧力付与によって複合半透膜が圧縮されて厚みが小さくなった状態でも、高い透過性能を維持できる。 The porosity (porosity) of the porous support before use of the composite semipermeable membrane is preferably 40% or more and 70% or less, more preferably 55% or more and 65% or less. By having the porosity in the above range, it is possible to obtain appropriate organic solvent blocking performance and water permeability when treating an aqueous organic solvent solution, and to improve the pressure resistance and strength of the composite semipermeable membrane. Furthermore, even when the composite semipermeable membrane is compressed and reduced in thickness by applying pressure for a long time or high pressure, high permeation performance can be maintained.
複合半透膜における基材としては、繊維平面構造体、具体的には、織物、編物、不織布等を用いることができる。このうち、不織布が好ましい。不織布は、スパンボンド法、スパンレース法、メルトブロー法、カーディング法、エアレイ法、湿式法、ケミカルボンディング法、サーマルボンド法、ニードルパンチ法、ウォータージェット法、ステッチボンド法、エレクトロスピニング法等によって作製されたものであってよい。また、不織布を構成する繊維の種類は限定されないが、合成繊維であると好ましい。繊維の具体例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリグリコール酸(PGA)、ポリ乳酸(PLA)、ナイロン6、ポリカプロラクトン(PCL)、ポリエチレンアジペート(PEA)、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)、又はこれらのコポリマーであってよい。これらのうち、安価且つ寸法安定性及び成形性が高いこと、また耐油性が高いことから、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルを用いることが好ましい。 As the base material for the composite semipermeable membrane, a fiber planar structure, specifically, a woven fabric, a knitted fabric, a nonwoven fabric, or the like can be used. Among these, nonwoven fabrics are preferred. Nonwoven fabrics are produced by spunbonding, spunlacing, meltblowing, carding, air laying, wet, chemical bonding, thermal bonding, needle punching, water jet, stitch bonding, electrospinning, etc. It may have been Moreover, although the kind of fiber which comprises a nonwoven fabric is not limited, it is preferable that it is a synthetic fiber. Specific examples of fibers include polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyphenylene sulfide (PPS). , polyvinylidene fluoride (PVDF), polyglycolic acid (PGA), polylactic acid (PLA), nylon 6, polycaprolactone (PCL), polyethylene adipate (PEA), polyhydroxyalkanoate (PHA), or copolymers thereof you can Among these, it is preferable to use polyester such as polyethylene terephthalate because it is inexpensive, has high dimensional stability and moldability, and has high oil resistance.
複合半透膜10の全体厚みは、60μm以上250μm以下であってよい。多孔質支持体の厚みは、10μm以上100μm以下とすることができる。スキン層の厚みは、0.01μm以上1μm以下とすることができる。また、基材の厚みは、50μm以上200μm以下とすることができる。
The total thickness of the composite
本形態による複合半透膜によれば、1LMH以上、好ましくは5LMH以上の透過量を得ることができる。また、50%以上、好ましくは60%以上の有機溶剤阻止率を達成することができる。50%以上で有機溶剤を阻止することで、有機溶剤の濃縮が可能となる。 According to the composite semipermeable membrane of this embodiment, a permeation amount of 1 LMH or more, preferably 5 LMH or more can be obtained. Also, an organic solvent rejection rate of 50% or more, preferably 60% or more can be achieved. By blocking the organic solvent at 50% or more, the organic solvent can be concentrated.
さらに、本形態による複合半透膜は、逆浸透膜又はナノろ過膜として、特に逆浸透膜として好適に用いられる。よって、本形態による複合半透膜では、有機溶剤の濃縮とともに、高い塩阻止率で脱塩も可能である。 Furthermore, the composite semipermeable membrane according to this embodiment is suitably used as a reverse osmosis membrane or a nanofiltration membrane, particularly as a reverse osmosis membrane. Therefore, the composite semipermeable membrane according to the present embodiment can concentrate an organic solvent and desalt with a high salt rejection rate.
本形態による複合半透膜は、平膜状に構成することが好ましい。また、本形態による平膜状の複合半透膜は、当該複合半透膜を集水管の外側に渦巻き状に巻き付けて構成されるスパイラル型の膜モジュールにおいて用いることができるし、さらに、ディスク状(平板状)の複合半透膜を複数重ねて配置してなるディスクチューブ型複合半透膜モジュールにおいて、特にディスクチューブ型逆浸透膜(Disk Tube Reverse Osmosis;DTRO)モジュールにおいて用いることができる。 The composite semipermeable membrane according to this embodiment is preferably configured in a flat membrane shape. In addition, the flat membrane-shaped composite semipermeable membrane according to the present embodiment can be used in a spiral membrane module configured by winding the composite semipermeable membrane spirally around the outside of a water collection tube. It can be used in a disk tube type composite semipermeable membrane module in which a plurality of (plate-like) composite semipermeable membranes are stacked and arranged, particularly in a disk tube type reverse osmosis (DTRO) module.
図2に、ディスクチューブ型逆浸透膜モジュールの一例の断面図を示す。また、図3に、図2の部分Aの拡大図を示す。さらに図4には、図3の部分Bの拡大図を示す。図2に示すように、ディスクチューブ型膜モジュール100は、上述の複合半透膜10を用いて構成された、ディスクチューブ型逆浸透膜用のディスク状逆浸透膜(膜クッションとも呼ぶ)15が、チューブ状のケーシング内に多段に配置されてなる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of an example of a disk tube type reverse osmosis membrane module. Also, FIG. 3 shows an enlarged view of the portion A of FIG. Further, FIG. 4 shows an enlarged view of portion B of FIG. As shown in FIG. 2, the disc
図3及び図4に示すように、ディスク状逆浸透膜(膜クッション)15は、一対の複合半透膜10、10が、基材3が対向するように重ね合わされてなっており、その外周縁が、例えばヒートシール等によって閉じられた構成を有している。図示の例では、膜クッション15の一対の複合半透膜10、10の間には透過水スペーサ8が配置されている。ディスク状逆浸透膜15は、一対の複合半透膜10、10の表面(スキン層1)から被処理水が入り込み、複合半透膜10、10間を流れるようになっている。図3では、被処理水Wf、濃縮水Wc、透過水Wpの流れを矢印で示す。
As shown in FIGS. 3 and 4, the disc-shaped reverse osmosis membrane (membrane cushion) 15 is formed by stacking a pair of composite
ディスクチューブ型膜モジュール100のケーシングは、チューブ状の周壁部30の上下端面を塞ぐ端面部31、32によって構成されている。図2の例では、端面部31には、被処理水Wfを内部に導入するための導入口、ディスク状逆浸透膜15を通過しなかった液(濃縮水Wc)を排水するための導出口、及びディスク状逆浸透膜15を透過した液(透過水Wp)を排水するための導出口が設けられている。また、ディスク状逆浸透膜15の中心部には穴が形成されていいて、この穴に軸35を挿入することで複数のディスク状逆浸透膜15がケーシング内に安定的に配置される。
A casing of the disc
ディスク状逆浸透膜15、15間には、スペーサディスク20が配置されている。このスペーサディスク20があることで、ディスク状逆浸透膜15間にも流路を形成することができる。別の言い方をすると、ディスク状逆浸透膜15は、スペーサディスク20、20に挟まれている。そして、ディスク状逆浸透膜15は軸35付近ではパッキン34等によって密にシールされ、供給側(濃縮水Wcの側)と透過側(透過水Wpの側)とが分離されている。
A
図2に示すように、被処理水(供給水)Wfは、周壁部30の内周面とスペーサディスク20の外周面との間を通って導入され、さらにディスク状逆浸透膜15の表面に沿って流れる。ディスク状逆浸透膜15を透過しなかった液は、周壁部30側から軸35側へ、軸35側から周壁部30側へという方向の流れを繰り返して進み、端面部31の濃縮水導出口からへと導かれる。一方、ディスク状逆浸透膜15を透過した液は、ディスク状逆浸透膜15の内部を軸35方向に流れ、スペーサディスク20の中心の内周面と軸35との間の流路に沿って透過水Wp用の導出口から排出される。
As shown in FIG. 2, the water to be treated (supply water) Wf is introduced through between the inner peripheral surface of the
なお、図示しないが、スペーサディスク20の両主面には多数の突起が形成されていてもよく、その突起によってもディスク状逆浸透膜15を保持することができる。また、ディスク状逆浸透膜15に沿って流れる被処理水は、スペーサディスク20の突起に衝突して乱流若しくは不規則な流れを生じせる。このような流れの乱れにより、ディスク状逆浸透膜15の表面に不純物が留まり難くなり、膜の目詰まりが抑制され、また回収率も向上する。ディスクチューブ型膜モジュールを用いた場合、75%以上、好ましくは90%以上の有機溶剤の回収率を達成することができる。
Although not shown, a large number of projections may be formed on both main surfaces of the
また、ディスクチューブ型膜モジュール100は、ケーシングを耐圧容器とすることで、高い操作圧力、例えば最大20MPaで使用することができる。
In addition, the disc
ディスクチューブ型逆浸透膜モジュールは上記のように高圧下で、また高温下でも使用されることも多いので、当該モジュールにおいては、ポリエーテルイミドを含む多孔質支持体を備えた複合半透膜が好適に用いられる。また、ポリエーテルイミドを含む多孔質支持体を備えた膜の場合、膜クッションを製作する際(例えば縁部をヒートシールする際等)に熱の影響を抑えることができ、モジュールの組立て時にも透膜クッションと透過水スペーサとの溶着により生じ得る発火の可能性も低減でき安全性も高い。 As described above, the disk tube type reverse osmosis membrane module is often used under high pressure and also at high temperature. It is preferably used. In addition, in the case of a membrane with a porous support containing polyetherimide, the effects of heat can be suppressed when fabricating the membrane cushion (for example, when heat-sealing the edges), and the module can be assembled. The possibility of ignition due to welding between the permeable membrane cushion and the permeated water spacer can be reduced, and safety is high.
よって、本発明の一実施形態は、複合半透膜が多段に配置されてなるディスクチューブ型膜モジュール、好ましくは逆浸透膜が多段に配置されてなるディスクチューブ型逆浸透膜モジュールであってよい。また、一実施形態は、逆浸透膜が多段に配置されてなるディスクチューブ型逆浸透膜モジュールを1以上備えた排水の処理システムであってよい。 Therefore, one embodiment of the present invention may be a disc tube type membrane module in which composite semipermeable membranes are arranged in multiple stages, preferably a disc tube type reverse osmosis membrane module in which reverse osmosis membranes are arranged in multiple stages. . Further, one embodiment may be a wastewater treatment system including one or more disc tube type reverse osmosis membrane modules in which reverse osmosis membranes are arranged in multiple stages.
さらに、本発明の一実施形態は、上述の複合半透膜又はディスクチューブ型膜モジュールを用いて分子量100以下の水溶性有機溶剤を含有する水系被処理液を処理し、水溶性有機溶剤を濃縮する、水系被処理液の処理方法であってよい。 Furthermore, in one embodiment of the present invention, an aqueous liquid to be treated containing a water-soluble organic solvent having a molecular weight of 100 or less is treated using the composite semipermeable membrane or disc tube membrane module described above, and the water-soluble organic solvent is concentrated. It may be a method for treating a water-based liquid to be treated.
本形態による複合半透膜及びディスクチューブ型膜モジュールは、特に、有機溶剤を含有する水系の被処理液の処理に好適に用いられる。例えば、半導体製造工場で使用される有機溶剤、例えばフォトレジストの洗浄剤、脱脂工程で使用された脱脂剤等を含む排水から、有機溶剤を回収することができる。その他、石油精製プラント、石油化学プラント、火力発電所、自動車製造工場、油脂製造工場、食品製造工場等で生じる排液、有機溶剤を含む海水、又はこれらを前処理して得られた液等から有機溶剤を回収し、且つ水を精製・浄化するために好適に用いることができる。膜モジュールを通して得られた濃縮水は蒸留塔等で蒸留し、蒸留水を分離して、有機溶剤をさらに濃縮してもよい。 The composite semipermeable membrane and disc tube membrane module according to this embodiment are particularly suitable for treating aqueous liquids containing organic solvents. For example, organic solvents can be recovered from wastewater containing organic solvents used in semiconductor manufacturing plants, such as photoresist cleaning agents and degreasing agents used in degreasing processes. In addition, wastewater from petroleum refining plants, petrochemical plants, thermal power plants, automobile manufacturing plants, oil manufacturing plants, food manufacturing plants, etc., seawater containing organic solvents, or liquids obtained by pretreatment of these It can be suitably used to recover organic solvents and to purify and purify water. The concentrated water obtained through the membrane module may be distilled in a distillation column or the like to separate the distilled water and further concentrate the organic solvent.
以下、実験例に基づき本発明の実施形態を説明する。例1は実施例であり、例2は比較例である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on experimental examples. Example 1 is an example and Example 2 is a comparative example.
(例1)
ポリエーテルイミド(SHPP US社製「Ultem1000」)19重量部、N,N-ジメチルホルムアミド81重量部を50℃で加熱溶解し、均一な製膜用溶液を得た。当該製膜用溶液を、室温に冷却後、厚み0.1mm、密度0.7g/cm3のポリエステル製不織布基材に、コーターギャップ150μmに調整した製膜装置を用いて、含浸塗布した。40℃の凝固水槽中に浸潰し凝固させ、さらに70℃の水洗槽で残存溶媒を洗浄除去することによりポリエーテルイミド多孔質支持体を形成した。
(Example 1)
19 parts by weight of polyetherimide (“Ultem 1000” manufactured by SHPP US) and 81 parts by weight of N,N-dimethylformamide were dissolved by heating at 50° C. to obtain a uniform film-forming solution. After cooling to room temperature, the film forming solution was impregnated and applied to a polyester nonwoven fabric substrate having a thickness of 0.1 mm and a density of 0.7 g/cm 3 using a film forming apparatus adjusted to a coater gap of 150 µm. A polyetherimide porous support was formed by immersing in a coagulation bath at 40° C. to coagulate, and washing and removing the residual solvent in a water washing bath at 70° C.
形成されたポリエーテルイミド多孔質支持体の表面に、m-フェニレンジアミンの2質量%水溶液を接触させ、その後、余剰のm-フェニレンジアミン水溶液を除去した。続いて、トリメシン酸トリクロライド(芳香族酸ハライド化合物)0.1質量%及びイソフタル酸クロリド0.13質量%を含有するナフテン溶液に接触させた。その後、140℃の乾燥機にて乾燥させた。これにより、不織布、多孔質支持体、及びポリアミドスキン層がこの順に配置されてなる複合半透膜を得た。 A 2 mass % aqueous solution of m-phenylenediamine was brought into contact with the surface of the formed polyetherimide porous support, and then excess m-phenylenediamine aqueous solution was removed. Subsequently, it was brought into contact with a naphthene solution containing 0.1% by mass of trimesic acid trichloride (aromatic acid halide compound) and 0.13% by mass of isophthaloyl chloride. After that, it was dried in a dryer at 140°C. As a result, a composite semipermeable membrane was obtained in which the nonwoven fabric, the porous support, and the polyamide skin layer were arranged in this order.
(例2)
例2の膜として、スパイラル型UF膜エレメントであるRS50(日東電工社製)に用いられている複合半透膜を準備した。当該複合半透膜は、不織布の基材にポリフッ化ビニリデン(PVDF)多孔質支持体が形成された膜であり、スキン層を有さない。
(Example 2)
As the membrane of Example 2, a composite semipermeable membrane used for RS50 (manufactured by Nitto Denko Corporation), which is a spiral UF membrane element, was prepared. The composite semipermeable membrane is a membrane in which a polyvinylidene fluoride (PVDF) porous support is formed on a base material of nonwoven fabric, and does not have a skin layer.
<性能の評価>
得られた複合半透膜を膜評価用装置(日東電工株式会社製フロー式平膜テストセル、メンブレンマスターC70-F、有効透過面積:32.5cm2)に設置して、有機溶剤の水溶液を被処理液として供給した。供給流量5L/分で、クロスフロー方式で1時間運転した。処理圧力は、例1では5.8MPa、例2では0.05MPaであった。被処理液としては、シクロヘキサノン(分子量:98.15)の7.6%水溶液を用いた。供給側と透過側とでシクロヘキサノンの濃度を測定し、有機溶剤の阻止率(%)を算出した。阻止率(%)=〔1-{(透過水中の有機溶剤濃度)/(原水中の有機溶剤濃度)}〕×100であった。シクロヘキサノンの濃度は、屈折率計(アタゴ社製、デジタル屈折計RX-5000α)を用いてBrix値に基づき測定した。また、透水量も合わせて測定した。結果を表1に示す。
<Performance evaluation>
The obtained composite semipermeable membrane was placed in a membrane evaluation apparatus (flow type flat membrane test cell manufactured by Nitto Denko Corporation, Membrane Master C70-F, effective permeation area: 32.5 cm 2 ), and an aqueous solution of an organic solvent was added. It was supplied as a liquid to be treated. The cross-flow system was operated for 1 hour at a supply flow rate of 5 L/min. The treatment pressure was 5.8 MPa for Example 1 and 0.05 MPa for Example 2. A 7.6% aqueous solution of cyclohexanone (molecular weight: 98.15) was used as the liquid to be treated. The concentration of cyclohexanone was measured on the feed side and the permeate side, and the rejection rate (%) of the organic solvent was calculated. Rejection rate (%)=[1-{(concentration of organic solvent in permeated water)/(concentration of organic solvent in raw water)}]×100. The concentration of cyclohexanone was measured based on the Brix value using a refractometer (manufactured by Atago Co., Ltd., digital refractometer RX-5000α). In addition, the amount of water permeation was also measured. Table 1 shows the results.
表1より、ポリエーテルイミド多孔質支持体と、その表面に設けられたポリアミドスキン層とを有する複合半透膜を用いた例1では、高い阻止率で低分子量の水溶性有機溶剤を阻止でき、また高い透水量を示した。 From Table 1, in Example 1 using a composite semipermeable membrane having a polyetherimide porous support and a polyamide skin layer provided on its surface, a low molecular weight water-soluble organic solvent can be blocked with a high rejection rate. , also showed high permeability.
1 スキン層
2 多孔質支持体
3 基材
8 透過水スペーサ
10 複合半透膜
15 膜クッション
20 スペーサディスク
30 周壁部
31、32 端面部
35 軸
100 ディスクチューブ型膜モジュール
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