JP2023144364A - Gas separation membrane, gas separation membrane module, and gas producing method - Google Patents

Gas separation membrane, gas separation membrane module, and gas producing method Download PDF

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Yosuke Mizuno
広沢洋帆
Hiroho Hirozawa
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Abstract

To provide a gas separation membrane having improved selective separability between gases with small molecular diameters such as hydrogen and helium and other gases.SOLUTION: Provided is a gas separation membrane having a separation functional layer on a porous support layer, in which the average pore radius R3 [nm] of the separation functional layer determined by the positron beam method and the pore diameter dNKP [nm] of the gas separation membrane determined by Formula 2 and the NKP (Normalized-Knudsen-based Permeance) method satisfy Formula 1. (Here, "i" is hydrogen, nitrogen, or methane, "Pi" is the permeability of the gas i at 25°C [nmol/m2/s/Pa], Mi is the molecular weight of the gas i, and dk,i is the dynamic molecular diameter [nm] of the gas i).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガス混合物の中の少なくとも一成分を選択分離可能なガス分離膜、ガス分離膜モジュール、及びそれを用いたガスの製造方法に関する。 The present invention relates to a gas separation membrane capable of selectively separating at least one component in a gas mixture, a gas separation membrane module, and a method for producing gas using the same.

近年クリーンなエネルギー源として、水素が注目されている。水素は、天然ガス及び石炭等の化石燃料を改質・ガス化し、主成分として水素と二酸化炭素などを含む混合ガスから不要ガスを除去することによって得られている。また、水を電気や光触媒によって分解し、水素と酸素、水蒸気を含む混合ガスから水素のみを取り出すことで得られている。また、水素はアンモニアを合成するハーバー・ボッシュ法にも用いられている。これは、水素と窒素を高温、高圧で反応させることでアンモニアを合成する方法であるが、生産プラントにおいて未反応の水素と窒素を分離回収するプロセスが必要である。 In recent years, hydrogen has attracted attention as a clean energy source. Hydrogen is obtained by reforming and gasifying fossil fuels such as natural gas and coal, and removing unnecessary gases from a mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide as main components. Hydrogen is also obtained by decomposing water using electricity or a photocatalyst, and extracting only hydrogen from a mixed gas containing hydrogen, oxygen, and water vapor. Hydrogen is also used in the Haber-Bosch process to synthesize ammonia. This is a method of synthesizing ammonia by reacting hydrogen and nitrogen at high temperature and pressure, but it requires a process to separate and recover unreacted hydrogen and nitrogen at the production plant.

水素と他種ガスの分離には、圧力スウィング吸着法(PSA)が用いられてきた。しかしながらPSA法は、吸着剤の再生にかかるコストが課題となっている。低コストで混合ガスから特定のガスを濃縮させる方法として、素材の持つ気体透過性の違いを利用して、目的ガスを選択的に透過させる膜分離法が注目されている。 Pressure swing adsorption (PSA) has been used to separate hydrogen from other gases. However, the problem with the PSA method is the cost involved in regenerating the adsorbent. As a low-cost method of concentrating a specific gas from a mixed gas, membrane separation methods that utilize differences in gas permeability of materials to selectively permeate target gases are attracting attention.

また、膜分離法が注目を集めている分野として、水蒸気を選択的に透過させる膜を用いた調湿プロセスが挙げられる。調湿プロセスとしては吸着法や冷凍法などが用いられてきたが、吸着剤の再生コストや装置の大型化といった課題がある。膜分離法の場合、運転が簡便であり、装置の小型化も容易であることから、新たな調湿プロセスとして注目されている。 Another area where membrane separation methods are attracting attention is humidity control processes that use membranes that selectively transmit water vapor. Adsorption methods and freezing methods have been used as humidity control processes, but there are issues such as the cost of regenerating the adsorbent and the increased size of the equipment. The membrane separation method is attracting attention as a new humidity control process because it is easy to operate and the equipment can be easily miniaturized.

低コストで混合ガスから特定のガスを濃縮させる方法として、素材の持つ気体透過性の違いを利用して、目的ガスを選択的に透過させる膜分離法が注目されている。 As a low-cost method of concentrating a specific gas from a mixed gas, membrane separation methods that utilize differences in gas permeability of materials to selectively permeate target gases are attracting attention.

特許文献1には、単層構造をしたポリアラミド製ガス分離膜の機能層表面を、フッ素系のノニオン界面活性剤を含有した非溶媒に接触させ、膨潤させたのち乾燥させることにより、該膜のHe/N2選択性を向上させる技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses that the functional layer surface of a polyaramid gas separation membrane having a single-layer structure is brought into contact with a non-solvent containing a fluorine-based nonionic surfactant, swollen, and then dried. Techniques for improving He/N2 selectivity have been disclosed.

特許文献2には、多孔性支持層に対し、非晶性樹脂を主成分とした半透膜層を含侵させることで欠陥の少ないガス分離膜を得られる技術が開示されている。 Patent Document 2 discloses a technique for obtaining a gas separation membrane with fewer defects by impregnating a porous support layer with a semipermeable membrane layer containing an amorphous resin as a main component.

特許文献3には、ガスの選択分離性を有する第一の分離層に、フッ素原子の含有量の多い第二の分離膜を積層することで、二酸化炭素/メタンの選択分離性が高く、不純ガス暴露による性能低下が小さい膜を得られる技術が開示されている。 Patent Document 3 discloses that by laminating a second separation membrane with a high content of fluorine atoms on a first separation layer that has a selective separation property of gases, the selective separation property of carbon dioxide/methane is high and impurities are separated. A technique has been disclosed that allows a film to be obtained with little performance deterioration due to gas exposure.

特開平3-186327号公報Japanese Patent Application Publication No. 3-186327 特開2017-74580号公報JP2017-74580A 特開2019-162565号公報JP2019-162565A

しかしながら、従来の技術、つまり特許文献1~3に記載の技術では、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の他種ガスの透過抵抗を効率的に高めることができず、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスの高い透過性と、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の他種ガスとの高い選択分離性を両立できないという問題点がある。 However, the conventional techniques, that is, the techniques described in Patent Documents 1 to 3, cannot efficiently increase the permeation resistance of other gases such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane; There is a problem in that high permeability for gases with small molecular diameters such as ammonia and high selective separation from other gases such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane cannot be achieved at the same time.

特に特許文献2、3に記載の技術においては、二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の他種ガスの透過抵抗が十分でないため、選択分離性が不十分である。特許文献1に記載の技術においては、記載の処理によって高い選択分離性を得られる一方で、透過性を著しく低下させてしまうという欠点がある。 In particular, in the techniques described in Patent Documents 2 and 3, the selective separation performance is insufficient because the permeation resistance for other gases such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane is insufficient. In the technique described in Patent Document 1, although high selective separation performance can be obtained by the described treatment, there is a drawback that permeability is significantly reduced.

そこで本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスの高い透過性と二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の他種ガスとの高い選択分離性を両立可能なガス分離膜を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and aims to provide high permeability to gases with small molecular diameters, such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and to other gases such as carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane. The purpose of the present invention is to provide a gas separation membrane that can achieve both high selective separation from gas.

本発明者らは上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、ガス分離膜の性能、特に選択分離性を大幅に改善することに成功し、本発明を完成するに至った。 The present inventors conducted extensive studies to solve the above problems, and as a result, succeeded in significantly improving the performance of gas separation membranes, particularly the selective separation performance, and completed the present invention.

すなわち本発明は、以下の構成を要旨とするものである。
(1)
少なくとも多孔性支持層、及び前記多孔性支持層上に分離機能層を有するガス分離膜であって、
陽電子ビーム法により決定される、前記分離機能層の平均空孔半径R[nm]、並びに、式2とNKP(Normalized-Knudsen-based Permeance)法により決定される、前記ガス分離膜の孔径dNKP[nm]が、式1を満たす、ガス分離膜。
That is, the gist of the present invention is the following configuration.
(1)
A gas separation membrane having at least a porous support layer and a separation functional layer on the porous support layer,
The average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer determined by the positron beam method, and the pore diameter d of the gas separation membrane determined by Equation 2 and the NKP (Normalized-Knudsen-based Permeance) method. A gas separation membrane in which NKP [nm] satisfies formula 1.

Figure 2023144364000002
Figure 2023144364000002

Figure 2023144364000003
Figure 2023144364000003

(ここで、「i」はH、N、CHのいずれかであり、「P」は25℃におけるガスiの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、PHeは25℃におけるHeガスの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、Mはガスiの分子量、MHeはHeガスの分子量であり、dk,iはガスiの動的分子径[nm]であり、dk,HeはHeガスの動的分子径[nm]である。)
(2)
前記ガス分離膜100重量%中に、水またはヘキサンに溶出する成分(以下、溶出成分、という)を0.10重量%以上含有する、前記(1)に記載のガス分離膜。
(3)
前記溶出成分が、界面活性剤または有機ケイ素化合物を含有し、
前記ガス分離膜100重量%中に、前記界面活性剤または前記有機ケイ素化合物を0.05重量%以上含有する、前記(2)に記載のガス分離膜。
(4)
前記界面活性剤の分子量が100以上500以下である、前記(3)に記載のガス分離膜。
(5)
前記平均空孔半径R[nm]が、0.20以上0.50以下である、前記(1)~(4)のいずれかに記載のガス分離膜。
(6)
前記孔径dNKP[nm]が、0.30以上0.60以下である、前記(1)~(5)のいずれかに記載のガス分離膜。
(7)
飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)により検出される、前記機能層表面から深さ0~50nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX1、前記機能層表面から深さ1000~1050nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX2としたときに、X1/X2が0.01以上0.5以下である、前記(1)~(6)のいずれかに記載のガス分離膜。
(8)
前記(1)~(7)のいずれかに記載のガス分離膜、供給側流路材、および透過側流路材が、透過ガスを集積する中心管の周りに巻囲された、ガス分離膜モジュール。
(9)
前記(8)に記載のガス分離膜モジュールを用いたガス製造方法であって、
以下の工程1および工程2を含む、ガス製造方法。
(Here, "i" is either H 2 , N 2 , or CH 4 , "P i " is the permeability of gas i at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], and P He is the permeability of He gas at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], M i is the molecular weight of gas i, M He is the molecular weight of He gas, and d k,i is the dynamic coefficient of gas i. is the molecular diameter [nm], and d k,He is the dynamic molecular diameter [nm] of He gas.)
(2)
The gas separation membrane according to (1) above, which contains 0.10% by weight or more of a component that can be eluted in water or hexane (hereinafter referred to as eluted component) in 100% by weight of the gas separation membrane.
(3)
The eluted component contains a surfactant or an organosilicon compound,
The gas separation membrane according to (2) above, which contains 0.05% by weight or more of the surfactant or the organosilicon compound in 100% by weight of the gas separation membrane.
(4)
The gas separation membrane according to (3) above, wherein the surfactant has a molecular weight of 100 or more and 500 or less.
(5)
The gas separation membrane according to any one of (1) to (4) above, wherein the average pore radius R 3 [nm] is 0.20 or more and 0.50 or less.
(6)
The gas separation membrane according to any one of (1) to (5) above, wherein the pore diameter d NKP [nm] is 0.30 or more and 0.60 or less.
(7)
The sum of the peak intensities of surfactants or organosilicon compounds in a region of 0 to 50 nm in depth from the surface of the functional layer detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) is X1, and the functional layer is (1) to (1), wherein X1/X2 is 0.01 or more and 0.5 or less, where X2 is the sum of the peak intensities of surfactants or organosilicon compounds in a region from the surface to a depth of 1000 to 1050 nm. 6) The gas separation membrane according to any one of 6).
(8)
A gas separation membrane in which the gas separation membrane according to any one of (1) to (7) above, the supply side channel material, and the permeate side channel material are wrapped around a central pipe that accumulates permeated gas. module.
(9)
A gas production method using the gas separation membrane module according to (8) above,
A gas production method including the following steps 1 and 2.

工程1:前記ガス分離膜の一方の面に、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニアのうち少なくとも一種であるガスAと、前記ガスA以外のガスBとを含む混合ガスを供給する工程。 Step 1: A step of supplying a mixed gas containing gas A, which is at least one of hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and a gas B other than the gas A, to one surface of the gas separation membrane.

工程2:前記ガス分離膜の他方の面から、前記混合ガスよりもガスA/ガスBのモル比が大きいガスを得る工程。 Step 2: A step of obtaining a gas having a larger molar ratio of gas A/gas B than the mixed gas from the other side of the gas separation membrane.

本発明によれば、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスに対して高い選択分離性を有するガス分離膜、ガス分離膜モジュール及びそれらを用いたガス製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas separation membrane, a gas separation membrane module, and a gas production method using the same, which have high selective separation properties for gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia. can.

図1はガス分離膜の断面図の一例である。FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a gas separation membrane. 図2は本発明のガス分離膜モジュールの実施の一形態を示す一部展開斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded perspective view showing one embodiment of the gas separation membrane module of the present invention.

1.ガス分離膜
本発明のガス分離膜は、少なくとも多孔性支持層、及び前記多孔性支持層上に分離機能層を有するガス分離膜であって、陽電子ビーム法により決定される、前記分離機能層の平均空孔半径R[nm]、並びに、式2とNKP(Normalized-Knudsen-based Permeance)法により決定される、前記ガス分離膜の孔径dNKP[nm]が、式1を満たす、ガス分離膜である。
1. Gas Separation Membrane The gas separation membrane of the present invention is a gas separation membrane having at least a porous support layer and a separation functional layer on the porous support layer, wherein the separation functional layer is determined by a positron beam method. Gas separation in which the average pore radius R 3 [nm] and the pore diameter d NKP [nm] of the gas separation membrane, which is determined by Equation 2 and the NKP (Normalized-Knudsen-based Permeance) method, satisfy Equation 1. It is a membrane.

Figure 2023144364000004
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Figure 2023144364000005
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(ここで、「i」はH、N、CHのいずれかであり、「P」は25℃におけるガスiの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、PHeは25℃におけるHeガスの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、Mはガスiの分子量、MHeはHeガスの分子量であり、dk,iはガスiの動的分子径[nm]であり、dk,HeはHeガスの動的分子径[nm]である。)
本実施形態のガス分離膜(51)は、図1に示すように、少なくとも多孔性支持層(52)、多孔性支持層上の分離機能層(53)を含む。また、基材(54)を有していてもよい。
(Here, "i" is either H 2 , N 2 , or CH 4 , "P i " is the permeability of gas i at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], and P He is the permeability of He gas at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], M i is the molecular weight of gas i, M He is the molecular weight of He gas, and d k,i is the dynamic coefficient of gas i. is the molecular diameter [nm], and d k,He is the dynamic molecular diameter [nm] of He gas.)
As shown in FIG. 1, the gas separation membrane (51) of this embodiment includes at least a porous support layer (52) and a separation functional layer (53) on the porous support layer. Moreover, it may have a base material (54).

分離機能層とは、ガス分離膜を構成する要素のうち、最も高いガスの選択分離性を有する構成要素を意味する。 The separation functional layer means a component having the highest gas selective separation property among the components constituting the gas separation membrane.

また、本発明のガス分離膜は、特定の形状に限定されず、平膜状あるいは中空糸状、その他形状をとりうる。 Further, the gas separation membrane of the present invention is not limited to a specific shape, and may take a flat membrane shape, a hollow fiber shape, or other shapes.

陽電子ビーム法は、陽電子消滅寿命測定法の一つであり、陽電子が試料に入射してから消滅するまでの時間を測定し、その消滅時間から約0.1~10nmの空孔の大きさ、数密度、さらには空孔の大きさの分布に関する情報を非破壊的に評価する方法である。陽電子線源として放射性同位体(22Na)の代わりに陽電子ビームを用いる点が、通常の陽電子消滅法と異なり、数百nm厚程度の薄膜の測定を可能とした手法である。分離機能層の平均空孔半径R[nm]は、分離機能層を有する表面から陽電子を1keVの強さで打ち込んだ際の陽電子消滅寿命τから求められる。 The positron beam method is one of the positron annihilation lifetime measurement methods, and measures the time from when a positron enters a sample until it annihilates, and from the annihilation time, the size of the vacancy, approximately 0.1 to 10 nm, is determined. This is a method for non-destructively evaluating information regarding the number density and further the distribution of pore size. This method differs from the usual positron annihilation method in that it uses a positron beam instead of a radioactive isotope ( 22 Na) as a positron source, and makes it possible to measure thin films with a thickness of several hundred nanometers. The average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer is determined from the positron annihilation life τ when positrons are implanted at an intensity of 1 keV from the surface having the separation functional layer.

本発明のガス分離膜の分離機能層の平均空孔半径R[nm]は、上記の陽電子の消滅寿命τに基づいて、以下の式3から求めている。式3は、厚さΔRの電子層にある平均空孔半径Rの空孔にオルソポジトロニウム(o-Ps)が存在すると仮定した場合の関係を示しており、ΔRは経験的に0.166nmと求められている(Nakanishi他,Journal of Polymer Science,Part B:Polymer Physics,Vol.27,p.1419,John Wiley & Sons,Inc.(1989)にその詳細が記載されている)。 The average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer of the gas separation membrane of the present invention is determined from the following equation 3 based on the positron extinction lifetime τ described above. Equation 3 shows the relationship when it is assumed that orthopositronium (o-Ps) exists in holes with an average hole radius R 3 in an electronic layer with a thickness ΔR, and ΔR is empirically 0.166 nm. (The details are described in Nakanishi et al., Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics, Vol. 27, p. 1419, John Wiley & Sons, Inc. (1989)).

Figure 2023144364000006
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平均空孔半径R[nm]は0.20以上0.50以下が好ましく、0.22以上0.40以下がより好ましく、0.24以上0.32以下がさらに好ましい。平均空孔半径R[nm]が0.20以上であることで、膜を透過させたいガスの透過度を大きくすることができ、0.50以下であることで、ガスの分子径に応じた選択分離性を発現することが可能となる。 The average pore radius R 3 [nm] is preferably 0.20 or more and 0.50 or less, more preferably 0.22 or more and 0.40 or less, and even more preferably 0.24 or more and 0.32 or less. When the average pore radius R 3 [nm] is 0.20 or more, it is possible to increase the permeability of the gas that you want to pass through the membrane, and when it is 0.50 or less, it is possible to increase the permeability of the gas that you want to pass through the membrane. It becomes possible to express selective separation properties.

本発明のガス分離膜の孔径dNKP[nm]は、NKP(Normalized-Knudsen-based Permeance)法に基づき、以下の式(2)から求めている。NKP法とは、分子径の異なる多種類の非凝縮性ガスの膜透過流量を測定し、横軸にガスの動力学分子径、縦軸に膜透過流量をプロットし、(式2)でカーブフィッティングすることで孔径dNKP[nm]を算出する方法である。本明細書においては非凝縮性ガスとして、He、H、N、CHの4種のガスを用いる(Lie Meng他,Journal of Membrane Science,Vol.496,p.211-218,Department of Chemical Engineering, Graduate School of Engineering,Hiroshima University(2015)にその詳細が記載されている)。 The pore diameter d NKP [nm] of the gas separation membrane of the present invention is determined from the following equation (2) based on the NKP (Normalized-Knudsen-based Permeance) method. The NKP method measures the membrane permeation flow rate of many types of non-condensable gases with different molecular diameters, plots the gas dynamic molecular diameter on the horizontal axis and the membrane permeation flow rate on the vertical axis, and calculates the curve using (Equation 2). This is a method of calculating the pore diameter d NKP [nm] by fitting. In this specification, four types of gases, He, H 2 , N 2 , and CH 4 are used as non-condensable gases (Lie Meng et al., Journal of Membrane Science, Vol. 496, p. 211-218, Department of The details are described in Chemical Engineering, Graduate School of Engineering, Hiroshima University (2015)).

Figure 2023144364000007
Figure 2023144364000007

孔径dNKP[nm]は0.30以上、かつ、0.60以下が好ましく、0.32以上0.50以下がより好ましく、0.35以上0.40以下がさらに好ましい。孔径dNKP[nm]が0.30以上であることで、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスを透過する膜として利用でき、0.60以下であることで、ガスの分子径に応じた選択分離性を発現することができる。 The pore diameter d NKP [nm] is preferably 0.30 or more and 0.60 or less, more preferably 0.32 or more and 0.50 or less, and even more preferably 0.35 or more and 0.40 or less. When the pore diameter d NKP [nm] is 0.30 or more, it can be used as a membrane that permeates gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and when it is 0.60 or less, it can be used as a membrane that permeates gas molecules. It is possible to exhibit selective separation depending on the diameter.

一般に、ガス分離膜の分離機能層は孔径分布を有する。目的ガスの選択分離性に優れた適正サイズの孔径である適正孔のみを有することが理想的であるが、実際は選択分離性の低い粗大孔を有することが多く、選択分離性の向上のためには、粗大孔の寄与を低減することが重要である。 Generally, the separation functional layer of a gas separation membrane has a pore size distribution. Ideally, it would be ideal to have only suitable pores with an appropriate size pore that has excellent selective separation of the target gas, but in reality, it often has coarse pores with low selective separation. It is important to reduce the contribution of coarse pores.

分離機能層の粗大孔の寄与が低減された膜においては、分離機能層の平均空孔半径R[nm]から求められる孔径(2R)に対し、NKP法によって算出される孔径dNKP[nm]が小さくなる。NKP法によって算出される孔径dNKP[nm]が、分離機能層の平均空孔半径R[nm]から求められる孔径(2R)に対し、0.40倍以上0.90倍以下であること、つまり式1を満たすことが好ましく、0.50倍以上0.85倍以下がより好ましく、0.60倍以上0.80倍以下であることがさらに好ましい。「孔径dNKP/孔径(2R)」が、0.40倍以上であることで、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスの透過を大きくすることができ、「孔径dNKP/孔径(2R)」を0.80倍以下とすることで、選択分離性を大きくすることができる。 In a membrane in which the contribution of coarse pores in the separation functional layer is reduced, the pore diameter d NKP [ calculated by the NKP method with respect to the pore diameter (2R 3 ) calculated from the average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer nm] becomes smaller. The pore diameter d NKP [nm] calculated by the NKP method is 0.40 times or more and 0.90 times or less of the pore diameter (2R 3 ) calculated from the average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer. That is, it is preferable that Formula 1 is satisfied, more preferably 0.50 times or more and 0.85 times or less, and even more preferably 0.60 times or more and 0.80 times or less. When "pore diameter d NKP / pore diameter (2R 3 )" is 0.40 times or more, it is possible to increase the permeation of gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and "pore diameter d NKP /pore diameter (2R 3 )" is 0.80 times or less, the selective separation property can be increased.

分離機能層の粗大孔の寄与を低減する方法、つまり式1を満たすための方法としては、分離機能層表面へのコーティング、機能層及び/又は多孔性支持層への異種物質の吸着、製法の改良による支持膜の高密度化、加圧による多孔性支持層の圧密化、などが挙げられる。これらの手法で分離機能層以外の箇所にガス透過抵抗を付与することが粗大孔の寄与低減には重要となる。 Methods for reducing the contribution of coarse pores in the separation functional layer, that is, methods for satisfying formula 1, include coating the surface of the separation functional layer, adsorption of foreign substances to the functional layer and/or porous support layer, and methods for manufacturing. Examples include increasing the density of the support membrane through improvements and consolidating the porous support layer through pressurization. Using these methods, it is important to provide gas permeation resistance to locations other than the separation functional layer in order to reduce the contribution of coarse pores.

粗大孔はガス透過抵抗が小さいため、ガス透過度が著しく大きい。一方、適正孔は粗大孔と比べるとはるかにガス透過抵抗が高く、ガス透過度が小さい。上述の方法を用いて分離機能層以外の箇所にガス透過抵抗を付与した場合、粗大孔からのガス透過は大幅に抑制されるが、適正孔の透過に与える影響は小さいため、粗大孔からのガス透過の寄与を低減することが可能となり、膜全体の選択分離性が向上する。 Since coarse pores have low gas permeation resistance, gas permeability is extremely high. On the other hand, proper pores have much higher gas permeation resistance and lower gas permeability than coarse pores. When gas permeation resistance is applied to locations other than the separation functional layer using the method described above, gas permeation through coarse pores is greatly suppressed, but the effect on permeation through appropriate pores is small, so gas permeation through coarse pores is It becomes possible to reduce the contribution of gas permeation, and the selective separation performance of the entire membrane improves.


(1-1)基材
本発明のガス分離膜は基材を有していてもよい。基材はガスの分離選択透過能を持つ必要はなく、分離機能層を支持することで、ガス分離膜全体に強度を与えることができればよい。

(1-1) Base material The gas separation membrane of the present invention may have a base material. The base material does not need to have the ability to separate and permeate gases selectively, but only needs to be able to provide strength to the entire gas separation membrane by supporting the separation functional layer.

基材を構成する樹脂としては特に限定されないが、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、ポリスルフィド系重合体、あるいはこれらの混合物や共重合体などがあげられる。なかでも機械的強度および熱的安定性の高いポリエステル系重合体やポリスルフィド系重合体が、基材を構成する樹脂として特に好ましい。 The resin constituting the base material is not particularly limited, but includes polyester polymers, polyamide polymers, polyolefin polymers, polysulfide polymers, and mixtures and copolymers thereof. Among these, polyester polymers and polysulfide polymers with high mechanical strength and thermal stability are particularly preferred as resins constituting the base material.

基材の形態としては特に限定されないが、長繊維不織布、短繊維不織布といった不織布または織編物が好ましい。 The form of the base material is not particularly limited, but nonwoven fabrics such as long fiber nonwoven fabrics and short fiber nonwoven fabrics or woven or knitted fabrics are preferred.

基材は、通気量が0.5cc/cm/sec以上5.0cc/cm/sec以下であることが好ましい。基材の通気量が上記範囲内にあることにより、多孔性支持層となる高分子溶液が基材に含浸するため、基材との接着性が向上し、多孔性支持層の物理的安定性を高めることができる。 The base material preferably has an air permeability of 0.5 cc/cm 2 /sec or more and 5.0 cc/cm 2 /sec or less. When the air flow rate of the base material is within the above range, the polymer solution that will become the porous support layer is impregnated into the base material, improving the adhesion with the base material and improving the physical stability of the porous support layer. can be increased.

基材の厚みは、10~200μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは30~120μmの範囲内である。なお、本発明において厚みとは、特に付記しない限り、膜状の試料の厚み方向断面(膜面方向に垂直な断面)で、膜面方向に20μm間隔で測定した20点の厚みの平均値である。 The thickness of the base material is preferably within the range of 10 to 200 μm, more preferably within the range of 30 to 120 μm. In the present invention, the thickness refers to the average value of the thickness of 20 points measured at 20 μm intervals in the film surface direction on a cross section in the thickness direction (a cross section perpendicular to the film surface direction) of a film-like sample, unless otherwise specified. be.


(1-2)多孔性支持層
本発明のガス分離膜は、多孔性支持層を有する。多孔性支持層は、ガスの選択分離性を持っていても、持たなくともよい。そして多孔性支持層は、基材上に配置されていてもよく、基材及び基材上の多孔性支持層をあわせて、支持膜という。

(1-2) Porous support layer The gas separation membrane of the present invention has a porous support layer. The porous support layer may or may not have selective gas separation properties. The porous support layer may be disposed on the base material, and the base material and the porous support layer on the base material are collectively referred to as a support film.

多孔性支持層の孔のサイズおよび分布は特に限定されないが、例えば、孔径は、多孔性支持層全体で均一であるか、あるいは多孔性支持層において分離機能層と接する側の表面からもう一方の面にかけて徐々に大きくなっていてもよい。 The size and distribution of the pores in the porous support layer are not particularly limited; It may gradually increase in size over the surface.

多孔性支持層の素材は特に限定されないが、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリアラミド、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、ポリフェニレンオキシド等のホモポリマー、あるいはコポリマーを単独あるいはブレンドして使用することができる。なかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアラミドなどのホモポリマーあるいはコポリマーは、化学的、機械的、熱的安定性が高いので、多孔性支持層の素材として特に好ましい。そして多孔性支持層は、多孔性支持層100質量%中に、これらの素材を50質量%以上100質量%以下含むことが好ましい。 The material of the porous support layer is not particularly limited, but examples include homopolymers such as polysulfone, polyethersulfone, polyamide, polyaramid, polyester, cellulose polymer, vinyl polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, and polyphenylene oxide; Alternatively, copolymers can be used alone or in blends. Among these, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyethersulfone, and polyaramid are particularly preferred as materials for the porous support layer because they have high chemical, mechanical, and thermal stability. The porous support layer preferably contains 50% by mass or more and 100% by mass or less of these materials in 100% by mass of the porous support layer.

基材と多孔性支持層の厚みは、ガス分離膜の強度及びそれをガス分離膜モジュール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、基材と多孔性支持層の厚みの合計、つまり基材と多孔性支持層からなる支持膜の厚みが、30μm以上300μm以下であることが好ましく、50μm以上250μm以下であるとより好ましい。また、多孔性支持層の厚みは、10μm以上200μm以下であることが好ましい。 The thickness of the base material and the porous support layer influences the strength of the gas separation membrane and the packing density when it is made into a gas separation membrane module. In order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, the total thickness of the base material and the porous support layer, that is, the thickness of the support film consisting of the base material and the porous support layer, must be 30 μm or more and 300 μm or less. The thickness is preferably 50 μm or more and 250 μm or less. Further, the thickness of the porous support layer is preferably 10 μm or more and 200 μm or less.


(1-3)分離機能層
本発明のガス分離膜は、分離機能層を有する。

(1-3) Separation functional layer The gas separation membrane of the present invention has a separation functional layer.

分離機能層は、架橋ポリアミドを主成分とすることが好ましい。分離機能層を構成する架橋ポリアミドは、多孔性支持層上で、多官能アミンと多官能ハロゲン化物との界面重縮合を行うことにより形成することができる。 The separation functional layer preferably contains crosslinked polyamide as a main component. The crosslinked polyamide constituting the separation functional layer can be formed by interfacial polycondensation of a polyfunctional amine and a polyfunctional halide on a porous support layer.

本発明において、架橋ポリアミドを主成分とするとは、分離機能層100重量%において架橋ポリアミドが60重量%以上、好ましくは80重量%以上、より好ましくは90重量%以上100重量%以下を占めることを意味する。 In the present invention, "containing crosslinked polyamide as a main component" means that crosslinked polyamide accounts for 60% by weight or more, preferably 80% by weight or more, more preferably 90% by weight or more and 100% by weight or less in 100% by weight of the separation functional layer. means.

分離機能層中の架橋ポリアミドは、全芳香族ポリアミドでも、全脂肪族ポリアミドでも、芳香族部分と脂肪族部分を併せ持っていてもよいが、より高い性能を発現するためには、全芳香族であることが好ましい。 The crosslinked polyamide in the separation functional layer may be a fully aromatic polyamide, a fully aliphatic polyamide, or a combination of aromatic and aliphatic portions; It is preferable that there be.

多官能性アミンとは、具体的には多官能性芳香族アミンまたは多官能性脂肪族アミンである。多官能性芳香族アミンとは、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。また多官能性脂肪族アミンとは、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個以上有する脂肪族アミンを意味する。 The polyfunctional amine is specifically a polyfunctional aromatic amine or a polyfunctional aliphatic amine. A 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 a primary amino group. means an aromatic amine which is a class amino group. Moreover, the polyfunctional aliphatic amine means an aliphatic amine having two or more amino groups of at least one of a primary amino group and a secondary amino group in one molecule.

例えば、多官能性芳香族アミンは、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性芳香族アミン;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、2,4-ジアミノチオアニソール、1,3-ジアミノチオアニソール、1,3-ジアミノ-5-(ジメチルホスフィノ)ベンゼン、(3,5-ジアミノフェニル)ジメチルホスフィンオキシド、(2,4-ジアミノフェニル)ジメチルホスフィンオキシド、1,3-ジアミノ-5-(メチルスルホニル)ベンゼン、1,3-ジアミノ-4-(メチルスルホニル)ベンゼン、1,3-ジアミノ-5-ニトロソベンゼン、1,3-ジアミノ-4-ニトロソベンゼン、1,3-ジアミノ-5-(ヒドロキシアミノ)ベンゼン、1,3-ジアミノ-4-(ヒドロキシアミノ)ベンゼン等が挙げられる。 For example, polyfunctional aromatic amines include o-phenylenediamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, o-xylylenediamine, m-xylylenediamine, p-xylylenediamine, o-diaminopyridine, m- Polyfunctional aromatic amines such as diaminopyridine and p-diaminopyridine in which two amino groups are bonded to an aromatic ring at the ortho, meta, or para positions; 1,3,5-triamino Benzene, 1,2,4-triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, 4-aminobenzylamine, 2,4-diaminothioanisole, 1,3-diaminothioanisole, 1, 3-Diamino-5-(dimethylphosphino)benzene, (3,5-diaminophenyl)dimethylphosphine oxide, (2,4-diaminophenyl)dimethylphosphine oxide, 1,3-diamino-5-(methylsulfonyl)benzene , 1,3-diamino-4-(methylsulfonyl)benzene, 1,3-diamino-5-nitrosobenzene, 1,3-diamino-4-nitrosobenzene, 1,3-diamino-5-(hydroxyamino)benzene , 1,3-diamino-4-(hydroxyamino)benzene and the like.

また、多官能性脂肪族アミンは、エチレンジアミン、1,3-ジアミノプロパン、1,4-ジアミノブタン、1,5-ジアミノペンタン、ピペラジン、2-メチルピペラジン、2,4-ジメチルピペラジン、2,5-ジメチルピペラジン、2,6-ジメチルピペラジン等が挙げられる。 In addition, polyfunctional aliphatic amines include ethylenediamine, 1,3-diaminopropane, 1,4-diaminobutane, 1,5-diaminopentane, piperazine, 2-methylpiperazine, 2,4-dimethylpiperazine, 2,5 -dimethylpiperazine, 2,6-dimethylpiperazine, and the like.

これらの多官能性アミンは、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。 These polyfunctional amines may be used alone or in combination of two or more.

また、多官能性酸ハロゲン化物とは、具体的には多官能性芳香族酸ハロゲン化物または多官能性脂肪族酸ハロゲン化物である。 Moreover, the polyfunctional acid halide specifically refers to a polyfunctional aromatic acid halide or a polyfunctional aliphatic acid halide.

多官能性酸ハロゲン化物とは、多官能性カルボン酸誘導体とも表され、一分子中に少なくとも2個のハロゲン化カルボニル基を有する酸ハロゲン化物をいう。例えば、3官能酸ハロゲン化物では、トリメシン酸クロリド等を挙げることができ、2官能酸ハロゲン化物では、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ジクロリド、オキサリルクロリド等を挙げることができる。 The polyfunctional acid halide is also expressed as a polyfunctional carboxylic acid derivative, and refers to an acid halide having at least two halogenated carbonyl groups in one molecule. For example, examples of trifunctional acid halides include trimesic acid chloride, and examples of difunctional acid halides include biphenyldicarboxylic acid dichloride, azobenzenedicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, naphthalene dicarboxylic acid dichloride, and oxalyl chloride. Examples include chloride.

多官能性アミンとの反応性を考慮すると、多官能性酸ハロゲン化物は多官能性酸塩化物であることが好ましく、また、ガス分離膜の選択分離性、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性酸塩化物であることが好ましい。 Considering the reactivity with polyfunctional amines, the polyfunctional acid halide is preferably a polyfunctional acid chloride, and considering the selective separation property and heat resistance of the gas separation membrane, A polyfunctional acid chloride having 2 to 4 carbonyl chloride groups is preferred.

中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさの観点から、トリメシン酸クロリドがより好ましい。これらの多官能性酸ハロゲン化物は、単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 Among these, trimesic acid chloride is more preferred from the viewpoint of ease of availability and handling. These polyfunctional acid halides may be used alone or in combination of two or more.

また、重縮合反応とは、具体的には界面重縮合である。 Moreover, the polycondensation reaction specifically refers to interfacial polycondensation.

ここで、多官能性アミン及び多官能性酸ハロゲン化物の少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。 Here, it is preferable that at least one of the polyfunctional amine and the polyfunctional acid halide contains a trifunctional or higher functional compound.

本発明のガス分離膜は、水の膜透過流束が0.01(m/m/日)以上0.50(m/m/日)以下であることが好ましく、0.02(m/m/日)以上0.30(m/m/日)以下であることがより好ましく、0.05(m/m/日)以上0.20(m/m/日)以下であることがさらに好ましい。水の透過流束が0.50(m/m/日)以下であることで、膜面内の粗大孔や欠点を抑制し、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスに対する選択分離性をより高く発現することできる。水の透過流束が0.01(m/m/日)以上であることで、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスに対する透過性を大きくすることができる。 The gas separation membrane of the present invention preferably has a membrane permeation flux of water of 0.01 (m 3 /m 2 /day) or more and 0.50 (m 3 /m 2 /day) or less, and preferably 0.02 (m 3 /m 2 /day) or more and 0.30 (m 3 /m 2 /day) or less, more preferably 0.05 (m 3 /m 2 /day) or more and 0.20 (m 3 /m 2 /day) or more. m 2 /day) or less is more preferable. The permeation flux of water is 0.50 (m 3 /m 2 /day) or less, which suppresses coarse pores and defects in the membrane surface and allows gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia to be It is possible to express higher selective separation against. When the permeation flux of water is 0.01 (m 3 /m 2 /day) or more, the permeability to gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia can be increased.


(1-4)水またはヘキサンに溶出する成分
本発明のガス分離膜は、ガス分離膜100重量%中に、水またはヘキサンに溶出する成分を0.10重量%以上含有することが好ましく、0.50重量%以上含有することがより好ましく、1.00重量%以上含有することがさらに好ましい。ガス分離膜100重量%中に、水またはヘキサンに溶出する成分を0.10重量%以上含有することで、ガス分離膜に選択分離性を向上するために十分なガス透過抵抗を付与することができる。ガスの透過性を大きく低減させないために、ガス分離膜100重量%中の水またはヘキサンに溶出する成分の含有量は、20.0重量%以下であることが好ましい。

(1-4) Components eluted in water or hexane The gas separation membrane of the present invention preferably contains 0.10% by weight or more of components eluted in water or hexane in 100% by weight of the gas separation membrane. The content is more preferably .50% by weight or more, and even more preferably 1.00% by weight or more. By containing 0.10% by weight or more of components eluted in water or hexane in 100% by weight of the gas separation membrane, sufficient gas permeation resistance can be imparted to the gas separation membrane to improve selective separation performance. can. In order not to significantly reduce gas permeability, the content of components eluted in water or hexane in 100% by weight of the gas separation membrane is preferably 20.0% by weight or less.

本明細書において、ガス分離膜が水またはヘキサンに溶出する成分(以下、溶出成分、という)を0.10重量%以上含有する、とは、下記(A)に記載の洗浄方法を用いてガス分離膜の洗浄を行った際、洗浄後の洗浄液が、洗浄前のガス分離膜100重量部に対し、0.10重量部以上の溶出成分を含有することと同義である。 In this specification, the gas separation membrane containing 0.10% by weight or more of a component eluted in water or hexane (hereinafter referred to as eluted component) means that the gas separation membrane is This is synonymous with the fact that when cleaning the separation membrane, the cleaning solution after cleaning contains 0.10 parts by weight or more of eluted components based on 100 parts by weight of the gas separation membrane before cleaning.

(A)ISO 3819(1985年制定)の500mLビーカーに、一辺1cmの正方形にカットしたガス分離膜を3g投入し、温度25℃の水またはヘキサン300gを洗浄液として使用し、径8mm、全長40mmのポリテトラフルオロエチレン製撹拌子を用いて、200回転/分で1時間攪拌する。 (A) Into a 500 mL beaker according to ISO 3819 (established in 1985), put 3 g of a gas separation membrane cut into squares of 1 cm on each side, use 300 g of water or hexane at a temperature of 25 °C as a cleaning liquid, and use a beaker with a diameter of 8 mm and a total length of 40 mm. Stir at 200 rpm for 1 hour using a polytetrafluoroethylene stirrer.

溶出成分の定量には以下の方法を用いる。 The following method is used to quantify the eluted components.

(A)の洗浄方法を行った後、JIS規格に記載の一般ろ紙1種を用いて洗浄液をろ過する。ろ過後の洗浄液100gをナスフラスコに採取し、凍結乾燥により、洗浄液から揮発成分を除去する。ナスフラスコの重量をW1、凍結乾燥後のナスフラスコと残渣を合わせた重量をW2として、溶出成分の重量はW2-W1で算出され、このときガス分離膜100重量部に対し、溶出成分は100×(W2-W1)重量部と計算される。 After performing the cleaning method (A), the cleaning liquid is filtered using one type of general filter paper described in the JIS standard. 100 g of the filtered cleaning solution is collected in an eggplant flask, and volatile components are removed from the cleaning solution by freeze-drying. The weight of the eluted component is calculated as W2 - W1, where the weight of the eggplant flask is W1, and the combined weight of the eggplant flask and residue after freeze-drying is W2, and at this time, the eluted component is 100 parts by weight per 100 parts by weight of the gas separation membrane. It is calculated as x (W2-W1) parts by weight.

ガス分離膜が溶出成分を含有することで、分離機能層がもともと有しているガス透過抵抗に加え、溶出成分の存在に起因するガス透過抵抗が付与される。それにより、ガス透過抵抗が小さく、ガスの選択分離性が低い粗大孔からのガス透過が抑制され、膜全体のガス選択分離性が向上する。 Since the gas separation membrane contains the eluted component, in addition to the gas permeation resistance that the separation functional layer originally has, gas permeation resistance due to the presence of the eluted component is imparted. As a result, gas permeation through the coarse pores with low gas permeation resistance and low gas selective separation performance is suppressed, and the gas selective separation performance of the entire membrane is improved.

分離機能層には、粗大孔や欠点等の気体透過度が著しく大きい領域がわずかながら存在する。このような領域においては分子ふるいによる分離の寄与が小さく、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスに対する選択分離性が低い。粗大孔や欠点等の選択分離性が低い領域の寄与を少なくすることが、膜全体の選択分離性の向上に重要である。 The separation functional layer has a small number of regions with extremely high gas permeability, such as coarse pores and defects. In such a region, the contribution of separation by molecular sieves is small, and the selective separation of gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia is low. It is important to reduce the contribution of regions with low selective separation such as large pores and defects in improving the selective separation of the membrane as a whole.

多孔性支持層が溶出成分を含有する場合、多孔性支持層の空隙部に溶出成分が存在することで、多孔性支持層の気体透過抵抗が増加する。多孔性支持層の気体透過抵抗が大きいことで、分離機能層の粗大孔・欠点領域からの気体透過を抑えることができる。二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の透過を大きく抑制するが、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスの透過への影響は小さいため、選択分離性を大きく向上させることができる。 When the porous support layer contains an eluted component, the presence of the eluted component in the voids of the porous support layer increases the gas permeation resistance of the porous support layer. The high gas permeation resistance of the porous support layer makes it possible to suppress gas permeation through the coarse pores and defect areas of the separation functional layer. Although it greatly suppresses the permeation of carbon dioxide, oxygen, nitrogen, methane, etc., it has little effect on the permeation of gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, so it can greatly improve selective separation. .

分離機能層中に、溶出成分が含まれる場合、分離機能層の上部に溶出成分のコート層を形成、あるいは粗大孔・欠点を両親媒性分子が埋めることで、粗大孔・欠点からの気体透過を抑得ることができる。二酸化炭素、酸素、窒素、メタン等の透過を大きく抑制するが、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスの透過への影響は小さいため、選択分離性を大きく向上させることができる。 If the separation functional layer contains eluted components, gas permeation through the large pores and defects can be prevented by forming a coating layer of the eluted components on top of the separation functional layer, or by filling the large pores and defects with amphiphilic molecules. can be suppressed. Although it greatly suppresses the permeation of carbon dioxide, oxygen, nitrogen, methane, etc., it has little effect on the permeation of gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, so it can greatly improve selective separation. .

本発明のガス分離膜は、溶出成分が、界面活性剤または有機ケイ素化合物を含有し、ガス分離膜100重量%中に、界面活性剤または有機ケイ素化合物を0.05重量%以上含有することが好ましく、0.30重量%以上含有することがより好ましく、0.50重量%以上含有することがさらに好ましい。ガスの透過性を大きく低減させないために、ガス分離膜100重量%中の界面活性剤または有機ケイ素化合物の含有量は、10.0重量%以下であることが好ましい。 In the gas separation membrane of the present invention, the eluted component contains a surfactant or an organosilicon compound, and the surfactant or the organosilicon compound may be contained in an amount of 0.05% by weight or more in 100% by weight of the gas separation membrane. The content is preferably 0.30% by weight or more, more preferably 0.50% by weight or more. In order not to significantly reduce gas permeability, the content of the surfactant or organosilicon compound in 100% by weight of the gas separation membrane is preferably 10.0% by weight or less.

溶出成分として好適な界面活性剤とは、一つの分子中に、水との親和性が高い親水基と、油との親和性が高い疎水基の両方を有する分子のことである。 A surfactant suitable as an elution component is a molecule that has both a hydrophilic group with high affinity for water and a hydrophobic group with high affinity with oil in one molecule.

標準化学用語辞典第2版(丸善出版)によれば、親水基とは、「水との相互作用の強い極性原子団」のことを指し、「イオン性の親水基には硫酸基、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、アンモニウム基などがあり、非イオン性の親水基には、ヒドロキシ基、オキシエチレン基、アミド基などがある。」と記されている。 According to the 2nd edition of the Standard Chemical Terminology Dictionary (Maruzen Publishing), a hydrophilic group refers to a "polar atomic group that interacts strongly with water," and "ionic hydrophilic groups include sulfate groups, sulfonic acid groups, etc." The nonionic hydrophilic groups include hydroxyl groups, oxyethylene groups, and amide groups.''

また、標準化学用語辞典第2版(丸善出版)によれば、疎水基については、「水とはなじまない水との親和性が低い官能基」と記されており、親水基とは逆に無極性の原子団のことを意味する。疎水基の例としては、直鎖式あるいは分岐式の脂肪族基、またはこれらの水素の一部、あるいは全部がフッ素によって置き換えられたフルオロ脂肪族が挙げられる。 Furthermore, according to the 2nd edition of the Standard Chemical Terminology Dictionary (Maruzen Publishing), hydrophobic groups are described as "functional groups that do not mix with water and have low affinity for water," and are the opposite of hydrophilic groups. It means a nonpolar atomic group. Examples of hydrophobic groups include linear or branched aliphatic groups, or fluoroaliphatic groups in which some or all of their hydrogens are replaced by fluorine.

界面活性剤の具体的な物質名としては、ホスファチジルコリン、スフィンゴミエリン、ラウリル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリルトリメチルアンモニウムクロリド、セチルトリメチルアンモニウムブロリド、ジデシルジメチルアンモニウムクロリド、ノナフルオロ-1-ブタン硫酸、ヘプタフルオロ-1-オクタン硫酸リチウム、ステアリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ラウロイルグルタミン酸カリウム、ステアリルアルコール、ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエートなどが挙げられる。 Specific names of surfactants include phosphatidylcholine, sphingomyelin, sodium lauryl sulfate, sodium hexadecyl sulfate, sodium laurylbenzenesulfonate, lauryltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium brolide, didecyldimethylammonium chloride, nonafluoro- Examples include 1-butane sulfate, lithium heptafluoro-1-octane sulfate, stearyldimethylaminoacetic acid betaine, potassium lauroylglutamate, stearyl alcohol, sorbitan monooleate, sorbitan trioleate, and the like.

また、界面活性剤は、分子量が100以上500以下の化合物であることが好ましく、200以上400以下がより好ましい。具体的には、ラウリルトリメチルアンモニウムクロリド、セチルトリメチルアンモニウムブロリド、ジデシルジメチルアンモニウムクロリド、ヘプタフルオロ-1-オクタン硫酸リチウム、ステアリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ラウロイルグルタミン酸カリウムが挙げられる。 Further, the surfactant preferably has a molecular weight of 100 or more and 500 or less, more preferably 200 or more and 400 or less. Specific examples include lauryltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium brolide, didecyldimethylammonium chloride, lithium heptafluoro-1-octane sulfate, stearyldimethylaminoacetic acid betaine, and potassium lauroylglutamate.

なお、溶出成分中の界面活性剤は、(A)の洗浄方法により得られた洗浄液をLC-MS/MS(液体クロマトグラフィータンデム質量分析法)で分析することにより、同定・定量が可能である。 The surfactant in the eluted component can be identified and quantified by analyzing the washing solution obtained by the washing method (A) using LC-MS/MS (liquid chromatography tandem mass spectrometry). .

溶出成分として好適な有機ケイ素化合物とは、有機化合物の炭素原子1個以上をケイ素原子で置換した化合物のことを指す。例えば、飽和炭化水素の炭素をケイ素で置換したケイ素化合物であるシラン、シロキサン結合(Si-O-Si)を有するシロキサン、シロキサン結合が連なり高分子となったポリシロキサンが挙げられる。 An organosilicon compound suitable as an eluent component refers to a compound in which one or more carbon atoms of an organic compound are replaced with a silicon atom. Examples include silane, which is a silicon compound in which the carbon of a saturated hydrocarbon is replaced with silicon, siloxane having a siloxane bond (Si--O--Si), and polysiloxane, which is a polymer made by linking siloxane bonds.

溶出成分中の有機ケイ素化合物は、(A)の洗浄方法により得られた洗浄液をH-NMRで分析することにより、同定・定量が可能である。 The organosilicon compound in the eluted component can be identified and quantified by analyzing the washing solution obtained by the washing method (A) by 1 H-NMR.

本発明のガス分離膜は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)により検出される、分離機能層表面から深さ0~50nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX1、分離機能層表面から深さ1000~1050nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX2としたときに、X1/X2が0.01以上0.5以下であることが好ましく、0.03以上0.3以下がより好ましく、0.05以上0.2以下がさらに好ましい。X1/X2が0.5以下であることで、界面活性剤または有機ケイ素化合物が多孔性支持層に偏在し、効果的に透過抵抗を高め、粗大孔からの透過の寄与を低減することができる。X1/X2が0.01以上であることで、粗大孔への界面活性剤または有機ケイ素化合物の入り込みによる粗大孔からの透過抑制が可能となる。 The gas separation membrane of the present invention has a peak intensity of a surfactant or an organosilicon compound detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) at a depth of 0 to 50 nm from the surface of the separation functional layer. X1 is the sum of the peak intensities of the surfactant or organosilicon compound in a region of 1000 to 1050 nm in depth from the surface of the separation functional layer, and X1/X2 is 0.01 or more and 0.5 or less. It is preferably 0.03 or more and 0.3 or less, and even more preferably 0.05 or more and 0.2 or less. When X1/X2 is 0.5 or less, the surfactant or organosilicon compound is unevenly distributed in the porous support layer, effectively increasing permeation resistance and reducing the contribution of permeation from coarse pores. . When X1/X2 is 0.01 or more, it becomes possible to suppress permeation from the coarse pores due to penetration of the surfactant or organosilicon compound into the coarse pores.

X1/X2を好適な範囲とするための手段としては、多孔性支持層側または基材側から、界面活性剤または有機ケイ素化合物を含有した溶液を塗布する方法や接触させる方法が挙げられる。 Examples of means for adjusting X1/X2 to a suitable range include a method of applying a solution containing a surfactant or an organosilicon compound from the porous support layer side or the base material side, and a method of bringing it into contact.

飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)は、超高真空中においた試料表面に対し、パルス化された一次イオンを照射し、試料表面からスパッタリングされて放出された二次イオンの飛行時間の分布から二次イオンの質量分布を得る分析方法である。スパッタリングを進行させつつ、二次イオン強度を検出することで、試料の深さ方向の検出元素の濃度分布を知ることができる。 Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) uses pulsed primary ions to irradiate a sample surface placed in an ultra-high vacuum, and collects secondary ions sputtered and emitted from the sample surface. This is an analysis method that obtains the mass distribution of secondary ions from the distribution of flight times. By detecting the secondary ion intensity while sputtering progresses, it is possible to know the concentration distribution of the detected element in the depth direction of the sample.

なお、本明細書において、ピーク強度X1、X2は、ともに同一成分の界面活性剤または有機ケイ素化合物に着目した場合のピーク強度である。X1が界面活性剤、X2が有機ケイ素化合物といった組み合わせや、X1とX2が異なる界面活性剤または有機ケイ素化合物といった組み合わせは考慮せず、X1として界面活性剤に着目した場合には、X2としても同一の界面活性剤に着目し、X1として有機ケイ素化合物に着目した場合には、X2としても同一の有機ケイ素化合物に着目する。具体的には、X1とX2がともにヘキサデシル硫酸ナトリウム、X1とX2がともにポリジメチルシロキサン、といった組み合わせは認められるが、X1がヘキサデシル硫酸ナトリウムでX2がポリジメチルシロキサンという組み合わせや、X1がヘキサデシル硫酸ナトリウムでX2がラウリル硫酸ナトリウムといった組み合わせは認められない。 In this specification, peak intensities X1 and X2 are both peak intensities when focusing on surfactants or organosilicon compounds that are the same component. If we focus on the surfactant as X1 without considering combinations such as X1 being a surfactant and X2 being an organosilicon compound, or combinations such as X1 and X2 being different surfactants or organosilicon compounds, the same as X2. When paying attention to the surfactant and paying attention to an organosilicon compound as X1, pay attention to the same organosilicon compound as X2. Specifically, combinations such as X1 and X2 are both sodium hexadecyl sulfate, and X1 and X2 are both polydimethylsiloxane are allowed, but there are also combinations in which X1 is sodium hexadecyl sulfate and X2 is polydimethylsiloxane, and X1 is sodium hexadecyl sulfate. A combination in which X2 is sodium lauryl sulfate is not permitted.


2.ガス分離膜の製造方法
次に、本発明のガス分離膜の製造方法について、例を挙げて説明する。

2. Method for Manufacturing a Gas Separation Membrane Next, the method for manufacturing a gas separation membrane of the present invention will be described by giving an example.

(2-1)支持膜の形成
基材と多孔性支持層との積層体を支持膜と称し、この場合について説明する。以下に挙げる例では、支持膜の形成方法は、多孔性支持層の構成成分であるポリマーをそのポリマーの良溶媒に溶解させることで、ポリマー溶液を調整する工程、基材にポリマー溶液を塗布する工程、及びポリマー溶液を凝固浴に浸漬させることでポリマーを湿式凝固させる工程を含む。凝固したポリマーが多孔性支持層に相当する。
(2-1) Formation of support membrane A laminate of a base material and a porous support layer is referred to as a support membrane, and this case will be explained. In the examples listed below, the method for forming the support film includes the step of preparing a polymer solution by dissolving the polymer that is a component of the porous support layer in a good solvent for that polymer, and applying the polymer solution to the base material. and wet coagulating the polymer by immersing the polymer solution in a coagulation bath. The solidified polymer corresponds to the porous support layer.

ポリマーとしてポリスルホン、ポリエーテルスルホンの少なくとも一方を用いる場合は、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に溶解させることでポリマー溶液を得る。凝固浴としては水が好ましく用いられる。 When at least one of polysulfone and polyethersulfone is used as the polymer, a polymer solution is obtained by dissolving it in N,N-dimethylformamide (DMF). Water is preferably used as the coagulation bath.

また、ポリマーの一例であるアラミドは、酸クロリドおよびジアミンをモノマーとして用いる溶液重合または界面重合によって得られる。溶液重合では、溶媒としてDMF、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)などの非プロトン性有機極性溶媒を用いることができる。単量体として酸クロリドとジアミンを使用してポリアミドを生成すると塩化水素が副生する。塩化水素を中和する場合には水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸リチウムなどの無機の中和剤、またエチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、アンモニア、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、ジエタノールアミンなどの有機の中和剤が使用される。 Aramid, which is an example of a polymer, can be obtained by solution polymerization or interfacial polymerization using acid chloride and diamine as monomers. In solution polymerization, an aprotic organic polar solvent such as DMF, N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), etc. can be used as a solvent. When polyamide is produced using acid chloride and diamine as monomers, hydrogen chloride is produced as a by-product. When neutralizing hydrogen chloride, inorganic neutralizing agents such as calcium hydroxide, calcium carbonate, and lithium carbonate, and organic neutralizing agents such as ethylene oxide, propylene oxide, ammonia, triethylamine, triethanolamine, and diethanolamine are used. used.


(2-2)分離機能層の形成
(ポリアミドの重縮合)
次に分離機能層の形成工程を説明する。分離機能層は、前記支持膜上で多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との界面重縮合によりポリアミドを形成することで、形成される。

(2-2) Formation of separation functional layer (polyamide polycondensation)
Next, the process of forming the separation functional layer will be explained. The separation functional layer is formed by forming polyamide on the support membrane through interfacial polycondensation of a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide.


より具体的には、分離機能層の形成工程は以下の工程を有する。
(a)多官能性アミンを含有する水溶液を多孔性支持層上に塗布する工程。
(b)前記工程(a)後に、前記多孔性支持層に多官能性酸ハロゲン化物を含有する有機溶媒溶液を塗布する工程。

More specifically, the step of forming the separation functional layer includes the following steps.
(a) Applying an aqueous solution containing a polyfunctional amine onto a porous support layer.
(b) After the step (a), a step of applying an organic solvent solution containing a polyfunctional acid halide to the porous support layer.

工程(a)において、多官能性アミン水溶液における多官能性アミンの濃度は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。多官能性アミンの濃度がこの範囲であると十分な選択分離性及びガス透過性を得ることができる。 In step (a), the concentration of the polyfunctional amine in the aqueous polyfunctional amine solution 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 following range. When the concentration of the polyfunctional amine is within this range, sufficient selective separation and gas permeability can be obtained.

多官能性アミン水溶液には、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との反応を妨害しないものであれば、界面活性剤や有機溶媒、アルカリ性化合物、酸化防止剤等が含まれていてもよい。界面活性剤は、支持膜表面の濡れ性を向上させ、多官能性アミン水溶液と非極性溶媒との間の界面張力を減少させる効果がある。 The polyfunctional amine aqueous solution may contain surfactants, organic solvents, alkaline compounds, antioxidants, etc. as long as they do not interfere with the reaction between the polyfunctional amine and the polyfunctional acid halide. good. The surfactant has the effect of improving the wettability of the support membrane surface and reducing the interfacial tension between the polyfunctional amine aqueous solution and the nonpolar solvent.

多官能性アミン水溶液の多孔性支持層への塗布は、多孔性支持層上に均一にかつ連続的に行うことが好ましい。塗布とは、多孔性支持層に多官能性アミン水溶液を接触させることであり、具体的には、多官能性アミン水溶液の多孔性支持層表面へのコーティング、または支持膜の多官能性アミン水溶液への浸漬等である。コーティングとしては、滴下、噴霧、ローラー塗布等が挙げられる。 It is preferable to apply the polyfunctional amine aqueous solution to the porous support layer uniformly and continuously. Coating refers to contacting a porous support layer with a polyfunctional amine aqueous solution, and specifically, coating the surface of a porous support layer with a polyfunctional amine aqueous solution, or coating a polyfunctional amine aqueous solution on a support membrane. immersion in water, etc. Coatings include dropping, spraying, roller coating, and the like.

多孔性支持層上に多官能性アミン水溶液を塗布してから液切りするかまたは多官能酸ハロゲン化物を塗布するまでの時間(つまり多孔性支持層と多官能性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 time from applying the polyfunctional amine aqueous solution on the porous support layer to draining it or applying the polyfunctional acid halide (that is, the contact time between the porous support layer and the polyfunctional amine aqueous solution) is , preferably 1 second or more and 10 minutes or less, and more preferably 10 seconds or more and 3 minutes or less.

多官能アミン水溶液を多孔性支持層に塗布した後は、多孔性支持層上に液滴が残らないように液切りする。液滴が残存している箇所は膜欠点となって分離性能が低下することがあるが、液切りによってそれを防ぐことができる。多官能アミン水溶液塗布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。 After applying the polyfunctional amine aqueous solution to the porous support layer, the solution is drained so that no droplets remain on the porous support layer. Locations where droplets remain may become membrane defects and reduce separation performance, but this can be prevented by draining. A method can be used, such as a method in which the support film after applying the polyfunctional amine aqueous solution is held vertically to allow excess aqueous solution to flow down naturally, or a method in which a stream of nitrogen or the like is sprayed from an air nozzle to forcefully drain the liquid.

工程(b)において、有機溶媒溶液中の多官能性酸ハロゲン化物の濃度は、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 step (b), the concentration of the polyfunctional acid halide 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. More preferably, it is within the following range. This is because by setting the content to 0.01% by weight or more, a sufficient reaction rate can be obtained, and by setting the content to 10% by weight or less, the occurrence of side reactions can be suppressed.

有機溶媒は、水と非混和性であり、かつ多官能性酸ハロゲン化物を溶解し、支持膜を破壊しないものが望ましく、多官能性アミン化合物及び多官能性酸ハロゲン化物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-ヘキサン、n-オクタン、n-ノナン、n-デカン、n-ウンデカン、n-ドデカン、n-トリデカン、イソオクタン、イソデカン、イソドデカン等の炭化水素化合物、あるいはこれらの混合物が挙げられる。 The organic solvent is preferably one that is immiscible with water, dissolves the polyfunctional acid halide, does not destroy the support film, and is inert to the polyfunctional amine compound and polyfunctional acid halide. It's fine as long as it exists. Preferred examples include hydrocarbon compounds such as n-hexane, n-octane, n-nonane, n-decane, n-undecane, n-dodecane, n-tridecane, isooctane, isodecane, isododecane, or mixtures thereof. .

多官能酸ハロゲン化物溶液の多孔性支持層への塗布方法は、多官能アミン水溶液の多孔性支持層への塗布方法と同様に行えばよい。ただし、多官能酸ハロゲン化物の溶液は、多孔性支持層の片面のみに塗布することが好ましいので浸漬よりもコーティングにより塗布することが好ましい。 The method for applying the polyfunctional acid halide solution to the porous support layer may be performed in the same manner as the method for applying the polyfunctional amine aqueous solution to the porous support layer. However, since it is preferable to apply the polyfunctional acid halide solution to only one side of the porous support layer, it is preferable to apply the solution by coating rather than by dipping.

このとき、多官能酸ハロゲン化物の有機溶媒溶液を接触させた多孔性支持層を加熱してもよい。加熱処理する温度としては50℃以上180℃以下、好ましくは60℃以上160℃以下である。60℃以上で加熱することで、界面重合反応でのモノマー消費に伴う反応性の低下を熱による反応の促進効果で補うことができる。160℃以下で加熱することで溶媒が完全に揮発して反応効率が著しく低下するのを防ぐことができる。また、それぞれの時間の加熱処理時間は、5秒以上600秒以下であることが好ましい 。5秒以上とすることで反応の促進効果を得ることができ、600秒以下とすることで溶媒が完全に揮発することを防ぐことができる。 At this time, the porous support layer in contact with the organic solvent solution of the polyfunctional acid halide may be heated. The heat treatment temperature is 50°C or higher and 180°C or lower, preferably 60°C or higher and 160°C or lower. By heating at 60° C. or higher, the reduction in reactivity due to monomer consumption in the interfacial polymerization reaction can be compensated for by the effect of promoting the reaction due to heat. By heating at 160° C. or lower, it is possible to prevent the solvent from completely volatilizing and the reaction efficiency from significantly decreasing. Moreover, it is preferable that the heat treatment time of each time is 5 seconds or more and 600 seconds or less. By setting the time to 5 seconds or more, a reaction promotion effect can be obtained, and by setting the time to 600 seconds or less, complete volatilization of the solvent can be prevented.

また、界面重縮合反応の途中に多官能性ハロゲン化物を追加し、多官能性アミンの消費を促進してもよい。 Further, a polyfunctional halide may be added during the interfacial polycondensation reaction to promote consumption of the polyfunctional amine.

(化学修飾)
得られたガス分離膜に化学処理を行い、ポリアミドが有する末端アミノ基、または末端カルボキシル基を化学変換しても良い。
(chemical modification)
The obtained gas separation membrane may be chemically treated to chemically convert the terminal amino groups or terminal carboxyl groups of the polyamide.

例えば二酸化炭素と親和性の低いニトロ基構造を導入することで、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスと二酸化炭素の選択分離性を向上させることができる。具体的には、水溶性の酸化剤をガス分離膜に接触させることが好ましく、水溶性の酸化剤としては、過酸化水素、過酢酸、過ホウ酸ナトリウム、ペルオキシ一硫酸カリウム等を挙げることができる。 For example, by introducing a nitro group structure that has low affinity for carbon dioxide, it is possible to improve the selective separation of carbon dioxide from gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia. Specifically, it is preferable to bring a water-soluble oxidizing agent into contact with the gas separation membrane, and examples of the water-soluble oxidizing agent include hydrogen peroxide, peracetic acid, sodium perborate, potassium peroxymonosulfate, etc. can.

水溶性の酸化剤とポリアミドの反応手段は特に限定されないが、例えば、水溶性の酸化剤を含む水溶液にポリアミドのガス分離膜を浸漬する方法が好ましい。 The means for reacting the water-soluble oxidizing agent with the polyamide is not particularly limited, but for example, a method of immersing the polyamide gas separation membrane in an aqueous solution containing the water-soluble oxidizing agent is preferred.

水溶性の酸化剤の濃度は0.1重量%~10重量%が好ましく、より好ましくは0.5~3重量%である。 The concentration of the water-soluble oxidizing agent is preferably 0.1% to 10% by weight, more preferably 0.5% to 3% by weight.

水溶性の酸化剤を含む水溶液のpHは酸化剤の酸化力を十分発揮できる範囲であれば特に限定されないが、1.5~7.0の範囲であることが好ましい。 The pH of the aqueous solution containing the water-soluble oxidizing agent is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the oxidizing power of the oxidizing agent, but it is preferably in the range of 1.5 to 7.0.

化学処理の方法としては、水溶性の酸化剤を含む水溶液を10℃以上100℃以下で処理することが好ましく、20℃以上80℃以下で処理することがより好ましい。温度を20℃以上とすることで反応の効率を向上させることができ、80℃以下とすることで酸化剤の分解を抑制することができる。 As for the chemical treatment method, it is preferable to use an aqueous solution containing a water-soluble oxidizing agent at a temperature of 10° C. or more and 100° C. or less, more preferably a temperature of 20° C. or more and 80° C. or less. By setting the temperature to 20°C or higher, the efficiency of the reaction can be improved, and by setting the temperature to 80°C or lower, decomposition of the oxidizing agent can be suppressed.

水溶性の酸化剤を含む水溶液とポリアミドの接触時間は30秒~1日が好ましく、実用性と反応効率の両立を考慮すると1分~30分がより好ましい。 The contact time between the aqueous solution containing a water-soluble oxidizing agent and the polyamide is preferably 30 seconds to 1 day, and more preferably 1 minute to 30 minutes in consideration of both practicality and reaction efficiency.

水溶性の酸化剤を含む水溶液とポリアミドの接触後は酸化反応を停止させるため、ポリアミドを還元剤と接触させる。ここで還元剤とは、使用する酸化剤と酸化還元反応を起こすものであれば特に限定されないが、入手、取扱の容易さから亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムのいずれかを用いるのが好ましい。また、それらは0.01~1重量%水溶液として用いるのが好ましい。 After the polyamide comes into contact with an aqueous solution containing a water-soluble oxidizing agent, the polyamide is brought into contact with a reducing agent in order to stop the oxidation reaction. Here, the reducing agent is not particularly limited as long as it causes a redox reaction with the oxidizing agent used, but sodium bisulfite, sodium sulfite, or sodium thiosulfate is preferably used because of ease of acquisition and handling. preferable. Further, they are preferably used as a 0.01 to 1% by weight aqueous solution.

還元剤とポリアミドの接触時間は、酸化反応を停止させることができればよく、通常1分~20分が好ましい。 The contact time between the reducing agent and the polyamide is sufficient as long as it can stop the oxidation reaction, and is usually preferably from 1 minute to 20 minutes.

還元剤とポリアミドの接触後は、ポリアミドガス分離膜に残存する還元剤を洗い流すために水でリンスすることが好ましい。 After contact between the reducing agent and the polyamide, it is preferable to rinse the polyamide gas separation membrane with water to wash away any remaining reducing agent.

なお、上記ニトロ基由来の官能基の存在は、ポリアミドをX線光電子分光法(XPS)分析することで求めることができる。具体的には、「Journal of Polymer Science」,Vol.26,559-572(1988)及び「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 presence of the functional group derived from the nitro group can be determined by analyzing the polyamide using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Specifically, "Journal of Polymer Science", Vol. 26, 559-572 (1988) and "Journal of the Adhesion Society of Japan", Vol. 27, No. 4 (1991), using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

XPSにより得られるN1sピークは、窒素原子の内殻電子に起因する。N1sピークは、N-C由来の成分及びNOx(x≧2)由来の成分から構成されると考えられるため、N1sピークを2つの成分でピーク分割を行い、N-C由来の成分は400eV付近に、NOx(x≧2)由来の成分は406eV付近に現れることから、ニトロ基の存在を検出することができる。 The N1s peak obtained by XPS is caused by the inner shell electrons of nitrogen atoms. Since the N1s peak is considered to be composed of a component derived from NC and a component derived from NOx (x≧2), the N1s peak is divided into two components, and the component derived from NC is around 400 eV. In addition, since components derived from NOx (x≧2) appear around 406 eV, the presence of nitro groups can be detected.

また、得られたポリアミドに含まれる芳香族環および窒素原子の少なくとも一方に化学処理を行い、フッ素原子を導入することで、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスとの親和性を高め、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスに対する選択分離性を向上させることができる。 In addition, by chemically treating at least one of the aromatic rings and nitrogen atoms contained in the obtained polyamide and introducing fluorine atoms, it has an affinity with gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia. It is possible to improve the selective separation of gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia.

具体的には、フッ素化剤を、ポリアミドを有するガス分離膜に接触させることが好ましく、フッ素化剤としては、1-クロロメチル-4-フルオロ-1,4-ジアゾニアビシクロ[2.2.2]オクタン ビス(テトラフルオロボラート)(Selectfluor(登録商標))、N-フルオロベンゼンスルホンイミド、1-フルオロピリジニウムテトラフルオロボラートなどを挙げることができる。 Specifically, it is preferable to bring the fluorinating agent into contact with a gas separation membrane having polyamide, and the fluorinating agent is 1-chloromethyl-4-fluoro-1,4-diazoniabicyclo[2.2. 2] Octane bis(tetrafluoroborate) (Selectfluor(R)), N-fluorobenzenesulfonimide, 1-fluoropyridinium tetrafluoroborate, and the like.

フッ素化剤とポリアミドの反応手段は特に限定されないが、例えばフッ素化剤を含む水溶液(以下、「フッ素化剤水溶液」と記載することがある。)にポリアミドを有するガス分離膜を浸漬する方法が好ましい。 The method for reacting the fluorinating agent and polyamide is not particularly limited, but for example, a method of immersing a gas separation membrane containing polyamide in an aqueous solution containing a fluorinating agent (hereinafter sometimes referred to as "fluorinating agent aqueous solution") is a method. preferable.

フッ素化剤水溶液中のフッ素化剤の濃度は0.01重量%~10重量%が好ましく、より好ましくは0.1~1重量%である。 The concentration of the fluorinating agent in the fluorinating agent aqueous solution is preferably 0.01% to 10% by weight, more preferably 0.1% to 1% by weight.

化学処理の方法としてはフッ素化剤水溶液を10℃以上100℃以下、より好ましくは20℃以上80℃以下で処理することが望ましい。温度を10℃以上とすることで反応の効率を向上させることができ、100℃以下とすることでフッ素化剤の分解を抑制することができる。 As for the chemical treatment method, it is desirable to treat the fluorinating agent aqueous solution at a temperature of 10°C or more and 100°C or less, more preferably 20°C or more and 80°C or less. By setting the temperature to 10°C or higher, the efficiency of the reaction can be improved, and by setting the temperature to 100°C or lower, decomposition of the fluorinating agent can be suppressed.

フッ素化剤水溶液とポリアミドを有するガス分離膜の接触時間は30秒~1日が好ましく、実用性と反応効率の両立を考慮すると1分~30分がより好ましい。 The contact time between the fluorinating agent aqueous solution and the gas separation membrane containing polyamide is preferably 30 seconds to 1 day, and more preferably 1 minute to 30 minutes in consideration of both practicality and reaction efficiency.

なお、上記フッ素原子の存在は、ポリアミドをX線光電子分光法(XPS)分析することで求めることができる。具体的には、「Journal of Polymer Science」,Vol.26,559-572(1988)及び「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 presence of the fluorine atoms can be determined by analyzing the polyamide using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Specifically, "Journal of Polymer Science", Vol. 26, 559-572 (1988) and "Journal of the Adhesion Society of Japan", Vol. 27, No. 4 (1991), using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).


(2-3)溶出成分の導入
本発明のガス分離膜中に、溶出成分を導入するためには、ガス分離膜に対し、溶出成分を含有する溶液、又はエマルジョンを接触させることが好ましい。接触の方法は特に限定されず、分離機能層側および/又は多孔性支持層側への塗布、浸漬、その他公知の方法が用いられる。

(2-3) Introduction of eluted components In order to introduce eluted components into the gas separation membrane of the present invention, it is preferable to bring a solution or emulsion containing the eluted components into contact with the gas separation membrane. The contacting method is not particularly limited, and may be applied to the separation functional layer side and/or the porous support layer side, dipping, or other known methods.

溶出成分をガス分離膜に導入する際に用いる溶媒としては、水、エタノール、ベンゼン、ヘキサンが挙げられ、浸漬処理におけるガス分離膜の劣化が少ないという点で、水が好ましい。溶媒として水を用いる場合、水溶液のpHはガス分離膜の劣化を可能な限り少なくする目的で、3~11の範囲であることが好ましい。 Examples of the solvent used when introducing the eluted component into the gas separation membrane include water, ethanol, benzene, and hexane, and water is preferable because the gas separation membrane is less likely to deteriorate during the immersion treatment. When water is used as the solvent, the pH of the aqueous solution is preferably in the range of 3 to 11 in order to minimize deterioration of the gas separation membrane.

溶出成分は、界面活性剤または有機ケイ素化合物を含有することが好ましい。 Preferably, the eluting component contains a surfactant or an organosilicon compound.

溶出成分を含む溶液にガス分離膜を浸漬させる場合には、浸漬時間は1分~3時間が好ましく、溶出成分の吸着量を考慮すると5分~2時間が好ましい。 When the gas separation membrane is immersed in a solution containing eluted components, the immersion time is preferably 1 minute to 3 hours, and preferably 5 minutes to 2 hours in consideration of the amount of eluted components adsorbed.

溶出成分を含む溶液との接触後は、溶出成分の結晶析出を防止するため、過剰な溶液を液切りすることが好ましい。 After contact with a solution containing an eluted component, it is preferable to drain excess solution to prevent crystal precipitation of the eluted component.

溶液の液切り後、ガス分離膜を十分に乾燥させるため、25℃、湿度70%以下で12時間以上風乾することが好ましい。 After draining the solution, in order to sufficiently dry the gas separation membrane, it is preferable to air-dry it at 25° C. and a humidity of 70% or less for 12 hours or more.


3.ガス分離膜モジュール
(3-1)概要、
本発明のガス分離膜は、平膜形状をとる場合、スパイラル型モジュールやスタック型モジュールに適用可能であり、中空糸形状をとる場合は中空糸型モジュールに適応可能であるが、以下ではスパイラル型モジュールについて記述する。

3. Gas separation membrane module (3-1) Overview,
When the gas separation membrane of the present invention takes a flat membrane shape, it can be applied to a spiral type module or a stack type module, and when it takes a hollow fiber shape, it can be applied to a hollow fiber type module. Describe the module.

本発明のガス分離膜モジュールは、前述の本発明のガス分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材が、透過ガスを集積する中心管の周りに巻囲された、ガス分離膜モジュールであり、以下、これの詳細について説明する。 The gas separation membrane module of the present invention is a gas separation membrane in which the gas separation membrane of the present invention, the supply side channel material, and the permeate side channel material are wrapped around a central pipe that accumulates permeated gas. This is a module, and the details of this will be explained below.

なお、図2は、スパイラル型モジュール(50)を部分的に分解して示す斜視図である。図2に示すように、スパイラル型モジュール(50)は、中心管(55)、ガス分離膜(51),供給側流路材(56)、透過側流路材(57)を備える。 Note that FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the spiral type module (50). As shown in FIG. 2, the spiral type module (50) includes a central pipe (55), a gas separation membrane (51), a supply side channel material (56), and a permeation side channel material (57).


(3-2)中心管
中心管(55)は、側面に貫通孔が形成された中空の円筒状部材である。中心管(55)の材質はモジュール使用時の圧力、温度または供給側気体の種類に応じて劣化しないものであればよい。

(3-2) Central tube The central tube (55) is a hollow cylindrical member with a through hole formed on the side surface. The material of the center tube (55) may be any material as long as it does not deteriorate depending on the pressure, temperature, or type of gas on the supply side when the module is used.


(3-3)ガス分離膜
ガス分離膜(51)については上述したとおりである。ガス分離膜(51)は、供給側流路材(56)および透過側流路材(57)と重ねられ、中心管(55)の周囲にスパイラル状に巻回されている。

(3-3) Gas separation membrane The gas separation membrane (51) is as described above. The gas separation membrane (51) is overlapped with the supply side channel material (56) and the permeate side channel material (57), and is spirally wound around the central tube (55).

1個のスパイラル型モジュールは複数のガス分離膜(51)を備えることができる。巻回されたこれらの部材を備えることで、スパイラル型モジュール(50)は、中心管(55)の長手方向を長軸とする、概ね円柱状の外観を有する。 One spiral-wound module can include multiple gas separation membranes (51). By including these wound members, the spiral module (50) has a generally cylindrical appearance with its long axis in the longitudinal direction of the central tube (55).

ガス分離膜(51)は、分離機能層側(供給側)の面同士が向かい合い、透過側の面同士が向かい合うように重ねられる。 The gas separation membranes (51) are stacked so that the surfaces on the separation functional layer side (supply side) face each other and the surfaces on the permeation side face each other.

ガス分離膜(51)の分離機能層側の面の間には供給側流路材(56)が挿入され、透過側の面の間には透過側流路材(57)が挿入される。 A supply side channel material (56) is inserted between the surfaces of the gas separation membrane (51) on the separation functional layer side, and a permeate side channel material (57) is inserted between the surfaces on the permeation side.

中心管(55)の長手方向の両端において、供給側流路は開放されている。つまり、スパイラル型モジュール(50)の一端には供給側入口が、他端には供給側出口が設けられる。一方で、供給側流路は、巻回方向内側の端部、つまり中心管側の端部において封止されている。封止は、ガス分離膜の折りたたみ、ホットメルトまたは化学的接着剤によるガス分離膜間の接着、レーザー等によるガス分離膜間の融着で形成される。 The supply side flow path is open at both longitudinal ends of the central tube (55). That is, a supply side inlet is provided at one end of the spiral type module (50), and a supply side outlet is provided at the other end. On the other hand, the supply side flow path is sealed at the inner end in the winding direction, that is, at the end on the center tube side. The seal is formed by folding the gas separation membranes, adhering the gas separation membranes together using hot melt or chemical adhesives, or fusing the gas separation membranes together using a laser or the like.


(3-4)流路材
(概要)
供給側流路材(56)および透過側流路材(57)は、ガス分離膜間で流路を確保するスペーサである。透過側流路材と供給側流路材とは、同じ部材であってもよいし、異なる部材であってもよい。以下、透過側流路材と供給側流路材とを「流路材」と総称する。

(3-4) Channel material (overview)
The supply side channel material (56) and the permeation side channel material (57) are spacers that secure a channel between the gas separation membranes. The permeation side channel material and the supply side channel material may be the same member or may be different members. Hereinafter, the permeation side channel material and the supply side channel material will be collectively referred to as "channel material."

流路材としては、ネット、不織布、織物、編物、フィルム等多孔性のシートが挙げられる。シートの片面または両面に樹脂等で形成された突起を設けてもよい。また、ガス分離膜に突起を直接固着させて、この突起を流路材としてもよい。 Examples of the channel material include porous sheets such as nets, nonwoven fabrics, woven fabrics, knitted fabrics, and films. Protrusions made of resin or the like may be provided on one or both sides of the sheet. Alternatively, the protrusions may be directly fixed to the gas separation membrane, and the protrusions may be used as channel materials.

流路材が、シートと突起とを有する場合、突起の形状は、ドットであってもよいし、曲線または直線状であってもよい。曲線または直線状であれば、ガスの流れをその形状に沿って制御することができる。突起の組成は、使用時の圧力、温度または供給側気体の種類に応じて劣化しないものであればよい。 When the channel material has a sheet and a protrusion, the shape of the protrusion may be a dot, a curved line, or a straight line. If the shape is curved or straight, the gas flow can be controlled along the shape. The composition of the protrusion may be one that does not deteriorate depending on the pressure, temperature, or type of gas on the supply side during use.

(材料)
流路材は、熱可塑性樹脂で形成されていることが好ましい。ガス分離膜の損傷を抑制する観点から、熱可塑性樹脂は、ポリエステル、ナイロン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)樹脂又はUV硬化性樹脂であることが好ましい。
(material)
The channel material is preferably made of thermoplastic resin. From the perspective of suppressing damage to the gas separation membrane, the thermoplastic resin must be polyester, nylon, polyphenylene sulfide, polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyether sulfone, ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) resin, or UV curable resin. is preferred.

(厚み)
供給側流路材および透過側流路材の少なくとも一方、好ましくは両方の厚みは1000μm以下であることが好ましく、700μm以下であることがさらに好ましく、400μm以下であることが特に好ましい。このように流路材を薄くすることで、曲げに対する剛性が低減し、割れにくくなる。また、流路材を薄くすることで、ガス分離膜モジュールの体積を維持しながら、充填できるガス分離膜の面積を大きくすることができる。
(thickness)
The thickness of at least one, preferably both, of the supply-side channel material and the permeate-side channel material is preferably 1000 μm or less, more preferably 700 μm or less, and particularly preferably 400 μm or less. By making the channel material thinner in this way, its rigidity against bending is reduced and it becomes less likely to break. Furthermore, by making the channel material thinner, the area of the gas separation membrane that can be filled can be increased while maintaining the volume of the gas separation membrane module.


4.ガス製造方法
本発明のガス分離膜は、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニア等の分子径の小さなガスを選択的に透過すること可能であり、ガス製造方法に適用される。

4. Gas Production Method The gas separation membrane of the present invention is capable of selectively permeating gases with small molecular diameters such as hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and is applied to gas production methods.

本実施形態にかかるガス製造方法は、以下の工程を含む。 The gas production method according to this embodiment includes the following steps.

工程1:本発明のガス分離膜の一方の面に、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニアのうち少なくとも一種であるガスAと、ガスA以外のガスBとを含む混合ガスを供給する工程。 Step 1: A step of supplying a mixed gas containing gas A, which is at least one of hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and a gas B other than gas A, to one surface of the gas separation membrane of the present invention.

工程2:本発明のガス分離膜の他方の面から、前記混合ガスよりもガスA/ガスBのモル比が大きいガスを得る工程。 Step 2: Step of obtaining a gas having a larger molar ratio of gas A/gas B than the mixed gas from the other side of the gas separation membrane of the present invention.

つまり、本製造方法によると、ガスAに対するガス分離膜の透過性と不要成分であるガスBとに対する透過性とが違うことを利用して、ガスAとガスBとの混合ガスから、ガスBの濃度が低減された透過ガスを得ることができる。 In other words, according to this manufacturing method, by utilizing the difference in the permeability of the gas separation membrane to gas A and the permeability to gas B, which is an unnecessary component, gas B is extracted from a mixed gas of gas A and gas B. A permeate gas having a reduced concentration of can be obtained.

ガスBは具体的な種類に限定されないが、混合ガスは、ガスBとして、例えば、二酸化炭素、酸素、窒素、およびメタンの少なくとも一種のガスを含有することが好ましい。ガス分離膜は、水素及びヘリウムの透過度と二酸化炭素、酸素、窒素、およびメタンの透過度の差が大きいことにより、水素およびヘリウムを効率よく分離することができるためである。 Although the gas B is not limited to a specific type, it is preferable that the mixed gas contains, as the gas B, at least one of carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane, for example. This is because gas separation membranes can efficiently separate hydrogen and helium due to the large difference in permeability between hydrogen and helium and carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and methane.

本発明のガス製造方法においては、上述したスパイラル型ガス分離膜モジュールを用いることができる。また、本発明のガス製造方法においては、圧力容器は直列及び/または並列に接続され、上記圧力容器に収容して用いることもできる。 In the gas production method of the present invention, the above-described spiral type gas separation membrane module can be used. Moreover, in the gas production method of the present invention, the pressure vessels can be connected in series and/or in parallel, and can be used by being accommodated in the pressure vessel.

工程1で、供給ガスをコンプレッサーにより昇圧してガス分離膜(そのモジュール)に供給してもよいし、ガス分離用ガス分離膜の透過側をポンプで減圧してもよい。 In step 1, the supply gas may be pressurized by a compressor and supplied to the gas separation membrane (its module), or the pressure on the permeate side of the gas separation membrane for gas separation may be reduced by a pump.

また、複数のモジュールを直列に接続してもよい。複数のモジュールを使用する場合は、下流のモジュールには上流のモジュールの透過ガス、非透過ガスのいずれを供給してもよい。また、下流のモジュールの透過ガスまたは非透過ガスを、上流のモジュールの供給ガスと混合してもよい。透過ガスまたは非透過ガスを後段のモジュール、これをコンプレッサーで加圧してもよい。 Also, a plurality of modules may be connected in series. If multiple modules are used, the downstream module may be supplied with either the permeate gas or the non-permeate gas of the upstream module. Also, the permeate or non-permeate gas of the downstream module may be mixed with the feed gas of the upstream module. The permeate gas or the non-permeate gas may be compressed in a subsequent module, which may be compressed by a compressor.

ガスの供給圧力は特に限定されないが、0.1MPa~10MPaが好ましい。0.1MPa以上とすることでガスの透過速度が大きくなり、10MPa以下とすることでガス分離膜やそのモジュール部材が圧力変形することを防ぐことができる。「供給側の圧力/透過側の圧力」の値も特に限定されないが、2~20が好ましい。「供給側の圧力/透過側の圧力」の値を2以上にすることでガスの透過速度を大きくすることができ、20以下とすることで、供給側のコンプレッサー、または透過側のポンプの動力費を抑制することができる。 The gas supply pressure is not particularly limited, but is preferably 0.1 MPa to 10 MPa. Setting the pressure to 0.1 MPa or more increases the gas permeation rate, and setting the pressure to 10 MPa or less can prevent pressure deformation of the gas separation membrane and its module members. The value of "pressure on the supply side/pressure on the permeate side" is also not particularly limited, but is preferably 2 to 20. By setting the value of "supply side pressure/permeation side pressure" to 2 or more, the gas permeation rate can be increased, and by setting it to 20 or less, the power of the supply side compressor or permeation side pump can be increased. Costs can be controlled.

ガスの供給温度は特に限定されないが、0℃~200℃が好ましく、15℃~180℃がより好ましい。温度を15℃以上とすることで良好なガス透過性が得られ、180℃以下とすることで、ガス分離膜モジュールを構成する部材の熱変形を防ぐことができる。上記ガス分離膜をもちいれば、80℃以上、90℃以上、または100℃以上の温度でガスを供給することが可能である。 The gas supply temperature is not particularly limited, but is preferably 0°C to 200°C, more preferably 15°C to 180°C. By setting the temperature to 15°C or higher, good gas permeability can be obtained, and by setting the temperature to 180°C or lower, thermal deformation of the members constituting the gas separation membrane module can be prevented. By using the above gas separation membrane, it is possible to supply gas at a temperature of 80°C or higher, 90°C or higher, or 100°C or higher.


5.用途
本発明のガス分離膜モジュールは優れた分離性能を有しており、例えば水素と窒素などを含む混合ガスからの水素ガス分離、水素と酸素などを含む混合ガスからの水素ガス分離に好適である。

5. Applications The gas separation membrane module of the present invention has excellent separation performance and is suitable for, for example, hydrogen gas separation from a mixed gas containing hydrogen and nitrogen, and hydrogen gas separation from a mixed gas containing hydrogen and oxygen. be.

以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below, but the present invention is not limited to these Examples in any way.

特に言及しない場合は、温度条件は室温(25℃)である。 Unless otherwise specified, temperature conditions are room temperature (25° C.).

A.ガス分離膜の作製
(ガス分離膜X)
基材であるポリエステル不織布(通気量2.0cc/cm/sec)上に、ポリスルホン(PSf)の18重量%ジメチルホルムアミド(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層を形成した。こうして、基材と多孔性支持層とを有する支持膜を作製した。
A. Preparation of gas separation membrane (Gas separation membrane X)
A 18% by weight solution of polysulfone (PSf) in dimethylformamide (DMF) was cast to a thickness of 200 μm at 25° C. on a polyester nonwoven fabric (airflow rate 2.0 cc/cm 2 /sec) as a base material, and immediately A porous support layer was formed by immersing it in pure water and leaving it for 5 minutes. In this way, a support membrane having a base material and a porous support layer was produced.

支持膜を6.0重量%のm-フェニレンジアミン(m-PDA)水溶液に2分間浸漬した。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多孔性支持層表面から余分な水溶液を取り除いた。 The support membrane was immersed in a 6.0% by weight m-phenylenediamine (m-PDA) aqueous solution for 2 minutes. The support membrane was slowly pulled up in the vertical direction, and nitrogen was blown from an air nozzle to remove excess aqueous solution from the surface of the porous support layer.

続いて、0.16重量%のトリメシン酸クロリド(TMC)を含むn-デカン溶液を、多孔性支持層の表面が完全に濡れるよう塗布して、25℃で30秒静置したのち、60℃で100秒静置した。その後、分離膜から余分な溶液を除去するために、該分離膜を垂直にして溶液を流化させ、さらに送付機を使い、25℃の空気を吹き付けて乾燥させることで液切りを行った。 Next, an n-decane solution containing 0.16% by weight of trimesic acid chloride (TMC) was applied so that the surface of the porous support layer was completely wetted, and after standing at 25°C for 30 seconds, it was heated at 60°C. It was left still for 100 seconds. Thereafter, in order to remove excess solution from the separation membrane, the separation membrane was held vertically to allow the solution to flow, and then the liquid was drained by blowing air at 25° C. using a sending device to dry the membrane.

(ガス分離膜Y)
基材であるポリエステル不織布(通気量2.0cc/cm/sec)上に、ポリスルホン(PSf)の15重量%ジメチルホルムアミド(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層を形成した。こうして、基材と多孔性支持層とを有する支持膜を作製した。
(Gas separation membrane Y)
A 15% by weight solution of polysulfone (PSf) in dimethylformamide (DMF) was cast to a thickness of 200 μm at 25° C. on a polyester nonwoven fabric (airflow rate 2.0 cc/cm 2 /sec) as a base material, and immediately A porous support layer was formed by immersing it in pure water and leaving it for 5 minutes. In this way, a support membrane having a base material and a porous support layer was produced.

支持膜を2.0重量%のm-フェニレンジアミン(m-PDA)水溶液に2分間浸漬した。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多孔性支持層表面から余分な水溶液を取り除いた。 The support membrane was immersed in a 2.0% by weight m-phenylenediamine (m-PDA) aqueous solution for 2 minutes. The support membrane was slowly pulled up in the vertical direction, and nitrogen was blown from an air nozzle to remove excess aqueous solution from the surface of the porous support layer.

続いて、0.04重量%のトリメシン酸クロリド(TMC)を含むn-デカン溶液を、多孔性支持層の表面が完全に濡れるよう塗布して、25℃で30秒静置した。その後、分離膜から余分な溶液を除去するために、該分離膜を垂直にして溶液を流化させ、さらに送付機を使い、25℃の空気を吹き付けて乾燥させることで液切りを行った。 Subsequently, an n-decane solution containing 0.04% by weight of trimesic acid chloride (TMC) was applied so that the surface of the porous support layer was completely wetted, and allowed to stand at 25° C. for 30 seconds. Thereafter, in order to remove excess solution from the separation membrane, the separation membrane was held vertically to allow the solution to flow, and then the liquid was drained by blowing air at 25° C. using a sending device to dry the membrane.

B.ガス透過度測定(ガス分離膜の孔径dNKP[nm]の算出)
供給側セルと透過側セルとを有する試験用セルの、供給側セルと透過側のセルとの間に分離膜を保持した。測定ガスとして、He、H、O、およびNを用い、JIS K7126-1(2006)の圧力センサ法に準拠して測定温度25℃で各ガスの単位時間当たりの透過側の圧力変化を測定した。ここで、供給側を100kPa、透過側を0kPaに設定し、供給側と透過側の圧力差を100kPaとした。続いて、透過したガスの透過速度Qを下記式により算出し、各成分のガスの透過速度の比として分離係数αを算出した。なお、STPは標準条件を意味する。
B. Gas permeability measurement (calculation of pore diameter d NKP [nm] of gas separation membrane)
A separation membrane was held between the supply side cell and the permeation side cell of a test cell having a supply side cell and a permeation side cell. Using He, H 2 , O 2 , and N 2 as measurement gases, the pressure change on the permeation side of each gas per unit time was measured at a measurement temperature of 25°C in accordance with the pressure sensor method of JIS K7126-1 (2006). was measured. Here, the supply side was set to 100 kPa, the permeation side was set to 0 kPa, and the pressure difference between the supply side and the permeation side was 100 kPa. Subsequently, the permeation rate Q of the permeated gas was calculated using the following formula, and the separation coefficient α was calculated as the ratio of the gas permeation rates of each component. Note that STP means standard conditions.

Q = [ガス透過流量(×10-6 cm・STP)]/[膜面積(cm)×時間(s)×圧力差(cmHg)
また、横軸にHe、H、N、CHの動力学分子径、縦軸にHe、H、N、CHの膜透過流量をプロットし、(式2)の左辺と右辺の誤差の二乗和を最小化する孔径dNKP[nm]を算出した。
Q = [Gas permeation flow rate (×10 −6 cm 3・STP)]/[Membrane area (cm 2 )×Time (s)×Pressure difference (cmHg)
In addition, the dynamic molecular diameters of He, H 2 , N 2 , and CH 4 are plotted on the horizontal axis, and the membrane permeation flow rates of He, H 2 , N 2 , and CH 4 are plotted on the vertical axis, and the left and right sides of (Equation 2) are plotted. The pore diameter d NKP [nm] that minimizes the sum of squared errors was calculated.

C.陽電子ビーム法による分離機能層の平均空孔半径R[nm]の測定
各例における分離機能層の陽電子消滅寿命測定は、以下のように陽電子ビーム法を用いて行った。すなわち、減圧下室温で分離機能層を乾燥させ、1.5cm×1.5cm角に切断して検査試料とした。陽電子ビーム発生装置を装備した薄膜対応陽電子消滅寿命測定装置(この装置は、例えば、Radiation Physics and Chemistry,58,603,Pergamon(2000)で詳細に説明されている)にて、ビーム強度1keV、室温、真空下で、光電子増倍管を使用して二フッ化バリウム製シンチレーションカウンターにより総カウント数500万で検査試料を測定し、POSI TRONFITにより解析を行った。解析により得られた第4成分の平均陽電子消滅寿命τから、式3により平均空孔半径R[nm]を算出した。
C. Measurement of average pore radius R 3 [nm] of separation functional layer by positron beam method The positron annihilation lifetime measurement of the separation functional layer in each example was performed using the positron beam method as follows. That is, the separation functional layer was dried at room temperature under reduced pressure and cut into 1.5 cm x 1.5 cm square pieces to prepare test samples. A thin film compatible positron annihilation lifetime measuring device equipped with a positron beam generator (this device is described in detail in, for example, Radiation Physics and Chemistry, 58, 603, Pergamon (2000)) was used at a beam intensity of 1 keV and at room temperature. The test samples were measured under vacuum with a barium difluoride scintillation counter using a photomultiplier tube at a total count of 5 million, and analyzed using POSI TRONFIT. From the average positron annihilation lifetime τ of the fourth component obtained by the analysis, the average hole radius R 3 [nm] was calculated using Equation 3.

(実施例1)
ガス分離膜Xの分離機能層表面に、0.5重量%のポリオキシエチレンソルビタントリオレエート(富士フィルム和光純薬株式会社)を含む水溶液を表面が完全に濡れるように塗布した後、液膜をポリエチレンフィルムで覆い、1時間静置した。フィルムを除いた後、ガス分離膜から余分な溶液を除去するために、該ガス分離膜を垂直にして水溶液を流化させた。最後に25℃で12時間以上風乾させることでガス分離膜を得た。
(Example 1)
After applying an aqueous solution containing 0.5% by weight of polyoxyethylene sorbitan trioleate (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to the surface of the separation functional layer of gas separation membrane X so that the surface is completely wet, a liquid film is applied. It was covered with a polyethylene film and left to stand for 1 hour. After removing the film, the gas separation membrane was held vertically to allow the aqueous solution to flow in order to remove excess solution from the gas separation membrane. Finally, a gas separation membrane was obtained by air drying at 25° C. for 12 hours or more.

このガス分離膜の性能評価を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

Figure 2023144364000008
Figure 2023144364000008

Figure 2023144364000009
Figure 2023144364000009

Figure 2023144364000010
Figure 2023144364000010

(実施例2)
水溶液を、ラウリル硫酸ナトリウム(富士フィルム和光純薬株式会社)とした以外は実施例と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 2)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in the example except that sodium lauryl sulfate (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as the aqueous solution.

このガス分離膜の性能評価を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例3)
水溶液を、エマルジョン型シリコーン(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ製)とした以外は実施例と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 3)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example except that the aqueous solution was an emulsion type silicone (manufactured by Momentive Performance Materials).

このガス分離膜の性能評価を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例4)
水溶液を基材側表面に接触させた以外は実施例2と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 4)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 2 except that the aqueous solution was brought into contact with the surface of the base material.

このガス分離膜の性能評価を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例5)
水溶液を基材側表面に接触させた以外は実施例3と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 5)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 3 except that the aqueous solution was brought into contact with the surface of the base material.

このガス分離膜の性能評価を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例6)
ガス分離膜をYとした以外は実施例1と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 6)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 1 except that Y was used as the gas separation membrane.

このガス分離膜の性能評価を表2にまとめた。 Table 2 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.


(実施例7)
ガス分離膜をYとした以外は実施例2と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。

(Example 7)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 2 except that Y was used as the gas separation membrane.

このガス分離膜の性能評価を表2にまとめた。 Table 2 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例8)
ガス分離膜をYとした以外は実施例3と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 8)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 3 except that Y was used as the gas separation membrane.

このガス分離膜の性能評価を表2にまとめた。 Table 2 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例9)
ガス分離膜をYとした以外は実施例4と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 9)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 4 except that Y was used as the gas separation membrane.

このガス分離膜の性能評価を表2にまとめた。 Table 2 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(実施例10)
ガス分離膜をYとした以外は実施例5と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Example 10)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 5 except that Y was used as the gas separation membrane.

このガス分離膜の性能評価を表2にまとめた。 Table 2 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(比較例1)
ガス分離膜Xに対し処理を行わず、そのまま性能評価をした。
(Comparative example 1)
Gas separation membrane X was not subjected to any treatment and its performance was evaluated as it was.

性能評価を表3にまとめた。 Performance evaluation is summarized in Table 3.

(比較例2)
水溶液を、分子量4000のポリエチレングリコール(PEG)とした以外は実施例1と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Comparative example 2)
A gas separation membrane was obtained by performing the same operation as in Example 1 except that polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of 4000 was used as the aqueous solution.

このガス分離膜の性能評価を表3にまとめた。 Table 3 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

(比較例3)
ガス分離膜Yに対し処理を行わず、そのまま性能評価をした。
(Comparative example 3)
Gas separation membrane Y was not subjected to any treatment and its performance was evaluated as it was.

性能評価を表3にまとめた。 Performance evaluation is summarized in Table 3.

(比較例4)
水溶液を、分子量4000のポリエチレングリコール(PEG)とした以外は実施例6と同様の操作を行い、ガス分離膜を得た。
(Comparative example 4)
A gas separation membrane was obtained by carrying out the same operation as in Example 6 except that polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of 4000 was used as the aqueous solution.

このガス分離膜の性能評価を表3にまとめた。 Table 3 summarizes the performance evaluation of this gas separation membrane.

本発明のガス分離用ガス分離膜モジュールは、混合ガスから特定のガスを分離、精製することに好適に用いられる。 The gas separation membrane module for gas separation of the present invention is suitably used for separating and purifying a specific gas from a mixed gas.

50:スパイラル型モジュール
51:ガス分離膜
52:支持膜
53:分離機能層
54:基材
55:中心管
56:供給側流路材
57:透過側流路材
G1:混合ガス
G2:透過ガス
G3:濃縮ガス
50: Spiral type module 51: Gas separation membrane 52: Support membrane 53: Separation functional layer 54: Base material 55: Center pipe 56: Supply side channel material 57: Permeate side channel material G1: Mixed gas G2: Permeated gas G3 : Concentrated gas

Claims (9)

少なくとも多孔性支持層、及び前記多孔性支持層上に分離機能層を有するガス分離膜であって、
陽電子ビーム法により決定される、前記分離機能層の平均空孔半径R[nm]、並びに、式2とNKP(Normalized-Knudsen-based Permeance)法により決定される、前記ガス分離膜の孔径dNKP[nm]が、式1を満たす、ガス分離膜。
Figure 2023144364000011
Figure 2023144364000012
(ここで、「i」はH、N、CHのいずれかであり、「P」は25℃におけるガスiの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、PHeは25℃におけるHeガスの透過度[nmol/m/s/Pa]であり、Mはガスiの分子量、MHeはHeガスの分子量であり、dk,iはガスiの動的分子径[nm]であり、dk,HeはHeガスの動的分子径[nm]である。)
A gas separation membrane having at least a porous support layer and a separation functional layer on the porous support layer,
The average pore radius R 3 [nm] of the separation functional layer determined by the positron beam method, and the pore diameter d of the gas separation membrane determined by Equation 2 and the NKP (Normalized-Knudsen-based Permeance) method. A gas separation membrane in which NKP [nm] satisfies formula 1.
Figure 2023144364000011
Figure 2023144364000012
(Here, "i" is either H 2 , N 2 , or CH 4 , "P i " is the permeability of gas i at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], and P He is the permeability of He gas at 25°C [nmol/m 2 /s/Pa], M i is the molecular weight of gas i, M He is the molecular weight of He gas, and d k,i is the dynamic coefficient of gas i. is the molecular diameter [nm], and d k,He is the dynamic molecular diameter [nm] of He gas.)
前記ガス分離膜100重量%中に、水またはヘキサンに溶出する成分(以下、溶出成分、という)を0.10重量%以上含有する、請求項1に記載のガス分離膜。 The gas separation membrane according to claim 1, wherein the gas separation membrane contains 0.10% by weight or more of a component eluted in water or hexane (hereinafter referred to as eluted component) in 100% by weight of the gas separation membrane. 前記溶出成分が、界面活性剤または有機ケイ素化合物を含有し、
前記ガス分離膜100重量%中に、前記界面活性剤または前記有機ケイ素化合物を0.05重量%以上含有する、請求項2に記載のガス分離膜。
The eluted component contains a surfactant or an organosilicon compound,
The gas separation membrane according to claim 2, wherein the surfactant or the organosilicon compound is contained in an amount of 0.05% by weight or more in 100% by weight of the gas separation membrane.
前記界面活性剤の分子量が100以上500以下である、請求項3に記載のガス分離膜。 The gas separation membrane according to claim 3, wherein the surfactant has a molecular weight of 100 or more and 500 or less. 前記平均空孔半径R[nm]が、0.20以上0.50以下である、請求項1~4のいずれかに記載のガス分離膜。 The gas separation membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the average pore radius R 3 [nm] is 0.20 or more and 0.50 or less. 前記孔径dNKP[nm]が、0.30以上0.60以下である、請求項1~5のいずれかに記載のガス分離膜。 The gas separation membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the pore diameter d NKP [nm] is 0.30 or more and 0.60 or less. 飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)により検出される、前記分離機能層表面から深さ0~50nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX1、前記分離機能層表面から深さ1000~1050nmの領域における界面活性剤または有機ケイ素化合物のピーク強度の合計をX2としたときに、X1/X2が0.01以上0.5以下である、請求項1~6のいずれかに記載のガス分離膜。 The sum of the peak intensities of surfactants or organosilicon compounds in a region from 0 to 50 nm in depth from the surface of the separation functional layer detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) is X1, and the separation is Claims 1 to 3, wherein X1/X2 is 0.01 or more and 0.5 or less, where X2 is the total peak intensity of the surfactant or organosilicon compound in a region at a depth of 1000 to 1050 nm from the surface of the functional layer. 6. The gas separation membrane according to any one of 6. 請求項1~7のいずれかに記載のガス分離膜、供給側流路材、および透過側流路材が、透過ガスを集積する中心管の周りに巻囲された、ガス分離膜モジュール。 A gas separation membrane module, wherein the gas separation membrane according to any one of claims 1 to 7, the supply side channel material, and the permeate side channel material are wrapped around a central pipe that collects permeated gas. 請求項8に記載のガス分離膜モジュールを用いたガス製造方法であって、
以下の工程1および工程2を含む、ガス製造方法。
工程1:前記ガス分離膜の一方の面に、水素、ヘリウム、水蒸気、アンモニアのうち少なくとも一種であるガスAと、前記ガスA以外のガスBとを含む混合ガスを供給する工程。
工程2:前記ガス分離膜の他方の面から、前記混合ガスよりもガスA/ガスBのモル比が大きいガスを得る工程。
A gas production method using the gas separation membrane module according to claim 8,
A gas production method including the following steps 1 and 2.
Step 1: A step of supplying a mixed gas containing gas A, which is at least one of hydrogen, helium, water vapor, and ammonia, and a gas B other than the gas A, to one surface of the gas separation membrane.
Step 2: A step of obtaining a gas having a larger molar ratio of gas A/gas B than the mixed gas from the other side of the gas separation membrane.
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