JP2727594B2 - 複合半透膜の製造方法 - Google Patents

複合半透膜の製造方法

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    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、液状混合物の選択分離、特に、カン水や海
水の脱塩に有用な複合半透膜の製造方法に関する。
[従来の技術] 多官能芳香族アミンと多官能酸ハロゲン化物との界面
重縮合反応によって得られるポリアミドからなる超薄膜
層を微多孔性支持膜上に被覆してなる複合半透膜は、透
過性や選択分離性の高い逆浸透膜として注目されてい
る。多官能の芳香族アミンと多官能酸ハロゲン化物とを
界面重縮合反応させるものとしては、例えば、特開昭55
−147106号公報,および特開昭61−42302号公報,特開
昭62−121603号公報がこれまでに知られている。また、
水溶性アミノ化合物で線状ポリアミド系膜を処理し、脱
塩率を上げる試みも知られており、例えば、特開昭49−
65991号公報などがあげられる。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、これらの膜は実用的な逆浸透膜に要求
される、高透過性、高選択分離製を十分に満たすもので
はなかった。
本発明は、これら膜性能の向上、特に、高い脱塩性、
高い水透過性を有する複合半透膜の製造方法を提供する
ことを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため本発明は下記の構成を有す
る。
すなわち、本発明は、界面重縮合によって一分子中に
2個以上のアミノ基を有する多官能芳香族アミンと多官
能酸ハロゲン化物から架橋ポリアミドの超薄膜層を微多
孔性支持膜上に形成させて複合半透膜を形成した後、該
複合半透膜をアミノ基を有する水溶性化合物で処理する
ことを特徴とする複合半透膜の製造方法に関する。
本発明の複合半透膜は、実質的に分離性能を有する超
薄膜層が、実質的に分離性能を有さない微多孔性支持膜
上に被覆されてなり、該超薄膜層は、多官能芳香族アミ
ンと多官能酸ハロゲン化物との界面重縮合によって得ら
れる架橋ポリアミドからなる。
多官能芳香族アミンは、一分子中に2個以上のアミノ
基を有する芳香族アミンであり、2官能以上のアミンと
しては例えばm−フェニレンジアミン、p−フェニレン
ジアミン、1,3,5−トリアミノベンゼンを用いることが
できる。上記2官能以上の芳香族アミンは単独で用いる
こともできるが、混合物として用いても良い。
多官能酸ハロゲン化物とは、2つ以上のハロゲン化カ
ルボニル基を有する酸ハロゲン化物であり、上記多官能
芳香族アミンとの界面重縮合反応によりポリアミドを与
えるものである。本発明では、一分子中に2個以上のハ
ロゲン化カルボニル基を有する酸ハロゲン化物を含有す
るものが好ましい。該多官能酸ハロゲン化物として、例
えば、1,3,5−シクロヘキサントリカルボン酸、1,3−シ
クロヘキサンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカ
ルボン酸、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸、1,3−ベン
ゼンジカルボン酸、1,4−ベンゼンジカルボン酸等の酸
ハロゲン化物を用いることができる。
多官能芳香族アミンとの反応性を考慮すると、多官能
酸ハロゲン化物は、多官能酸塩化物であることが好まし
い。
本発明において、好ましい微多孔性支持膜としてはポ
リエステルまたは芳香族ポリアミドから選ばれる少なく
とも一種を主成分とする布帛により強化されたポリスル
ホン支持膜を例示することができる。
微多孔性支持膜は、実質的には分離性能を有さない層
で、実質的に分離性能を有する超薄膜層に強度を与える
ために用いられるものであり、均一な微細な孔あるいは
片面からもう一方の面まで徐々に大きな微細な孔をもっ
ていて、その微細孔の大きさはその片面の表面が100nm
以下であるような構造の支持膜が好ましい。上記の微多
孔性支持膜は、ミリポア社製“ミリポアフィルターVSW
P"(商品名)や、東洋紙社製”ウルトラフィルターUK
10"(商品名)のような各種市販材料から選択すること
もできるが、通常は、“オフィス・オブ・セイリーン・
ウォーター・リサーチ・アンド・ディベロップメント・
プログレス・レポート"No.359(1968)に記載された方
法等に従って製造できる。その素材にはポリスルホンや
酢酸セルロース、硝酸セルロースやポリ塩化ビニル等の
ホモポリマーあるいはブレンドしたものが通常使用され
るが、化学的、機械的、熱的に安定性の高い、ポリスル
ホンを使用するのが好ましい。さらに孔径が制御しやす
く、寸法安定性の高い、繰返し単位[A] よりなるポリスルホンを用いるのが好ましく、例えば、
上記ポリスルホンのジメチルホルムアミド(DMF)溶液
を密に織ったポリエステル布あるいは不織布の上に一定
の厚さに注型し、それをドデシル硫酸ソーダ0.5重量%
およびDMF2重量%を含む水溶液中で湿式凝固させること
によって、表面の大部分が直径数10nm以下の微細な孔を
有した微多孔性支持膜が得られる。
次に、本複合半透膜の製造方法について説明する。
複合半透膜中の実質的に分離性能を有する超薄膜層
は、前述の多官能芳香族アミンを含有する水溶液と、前
述の多官能酸ハロゲン化物を含有する水と非混和性の有
機溶媒溶液を用い、界面重縮合により形成される。
多官能芳香族アミン水溶液におけるアミノ化合物の濃
度は0.1〜10重量%が好ましく、より好ましくは0.5〜5.
0重量%である。該水溶液にはアミノ化合物と多官能酸
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、酸化防止剤等が含まれていてもよ
い。また、性能を損なわない範囲で水溶性ポリビールア
ルコール等の水溶性高分子化合物が含まれていても良
い。
微多孔性支持膜表面への該アミン水溶液の被覆は、該
水溶液が表面に均一にかつ連続的に被覆されればよく、
公知の塗布手段例えば、該水溶液を微多孔性支持膜表面
にコーティングする方法、微多孔性支持膜を該水溶液に
浸漬する方法等で行えばよい。
次いで過剰に塗布された該アミン水溶液を液切り工程
により除去する。液切りの方法としては、例えば膜面を
垂直方向に保持して自然流下させる方法等がある。液切
り後、膜面を乾燥させ、水溶液の水の全部を除去しても
よいが、これは必ずしも必要ではない。
次いで、前述の多官能酸ハロゲン化物の有機溶媒溶液
を塗布し、界面重縮合により架橋ポリアミド超薄膜層を
形成させる。
該溶液中の多官能酸ハロゲン化物は好ましくは0.01〜
10重量%、より好ましくは0.02〜2重量%を有機溶媒に
溶解して用い、該溶液にDMFのようなアシル化触媒等を
含有させると界面重縮合が促進され、更に好ましい。
該有機溶媒は、水と非混和性であり、かつ酸ハロゲン
化物を溶解し微多孔性支持膜を破壊しないことが必要で
あり、アミノ化合物および酸ハロゲン化物に対して不活
性であるものであればいずれであっても良い。好ましい
例としては炭化水素化合物、トリクロロトリフルオロエ
タンなどが挙げられるが、反応速度、溶媒の揮発性の点
からはn−ヘキサン、トリクロロトリフルオロエタンが
好ましい。引火性という安全上の問題を考慮するとトリ
クロロトリフルオロエタンを用いるのが更に好ましい。
多官能酸ハロゲン化物のアミノ化合物水溶液相への接
触の方法は、アミノ化合物水溶液の微多孔性支持膜への
被覆方法と同様に行えばよい。
このようにして得られた複合半透膜は、これだけでも
十分良好な膜性能を発現するが、さらに該超薄膜をpH6
〜13の塩素含有水溶液に浸漬することにより膜性能、特
に、脱塩率、透水量を飛躍的に向上することができる。
塩素発生試薬としては、塩素ガス、サラシ粉、次亜塩素
酸ナトリウム、二酸化塩素、クロラミンB、クロラミン
T、ハラゾーン、ジクロロジメチルヒダントイン、塩素
化イソシアヌル酸およびその塩などを代表例として挙げ
ることができ、酸化力の強さによって濃度を決定するこ
とが好ましい。上記の塩素発生試薬の中で、次亜塩素酸
ナトリウム水溶液が、取扱い性の点から好ましい。塩素
含有水溶液の酸化力とpHの間には重要な関係があり、例
えば、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の場合、pH6以下で
は十分な酸化力を示さず、また、pH13以上ではアミド結
合の加水分解が生じ、超薄膜層が損傷を受けるため、と
もに不適当である。従って、pH6〜13で塩素含有水溶液
に浸漬するのが好ましい。
このようにして得られた架橋ポリアミドは完全にアミ
ド結合のみで結合しておらず、一部にカルボン酸末端
(−COOH)やアミン末端基(−NH2)が含まれている。
これらの極性基は、イオン的架橋の場を提供すると同時
に、膜の脱塩率、透水量に影響を与える。
本発明において、これらの極性基とアミン処理剤との
反応は、慣用的な製品膜をアミン水溶液中で後処理する
方法である。使用するアミン処理剤は、メタフェニレン
ジアミン、パラフェニレンジアミン、パラキシリレンジ
アミン、パラアミノベンズヒドラジド、1,3,5−トリア
ミノベンゼン、3,3′,5,5′−テトラアミノベンズアニ
リド及びエチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミ
ン、ピペラジン、4−アミノメチルピペリジン、1,3−
ジアミノシクロヘキサン、ポリエチレンイミン、ポリア
リルアミン等が使用しうる。
あらかじめ製品膜を酸性水溶液、例えばHC1水溶液で
交換することが一般に好ましい。これは架橋を目的とし
てカルボキシル基を完全にカルボン酸基に変換させるた
めである。
イオン的架橋に最適な反応条件は、極性基のタイプと
数、使用する架橋剤、製品膜の特性すなわち脱塩率、透
水量、透水量の安定性、耐圧性、耐熱性などによってか
なり変化するもので、実験的に最も効果的に決められ
る。
アミン処理剤の中でメタフェニレンジアミン、パラフ
ェニレンジアミンが、取り扱い性の点から好ましく、そ
の中でもパラフェニレンジアミンが、得られた膜の脱塩
率および透水量の安定性が実質的に向上する点におい
て、より好ましい。
アミン処理剤としてパラフェニレンジアミンを用いる
場合、その濃度は0.05〜10%が好ましく、膜性能のバラ
ンスを考えると0.1〜1%の範囲がより好ましい。反応
は例えば15〜30℃で約10〜48時間浸漬することによって
簡単に行うことができる。
[実施例] 以下の実施例によって更に詳細に説明するが、本発明
はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
なお、実施例において、排除率は、次式により求め
た。
また、透過性能として、水透過速度は単位面積、単位
時間当りの水の透過量で決定した。さらに、次式で定義
されるm値を用いて透過性能の劣化の度合いを示した。
J1:T1時間後の水の透過量 J2:T2時間後の水の透過量 T2>T1 本発明において使用した繊維補強ポリスルホン支持膜
は、以下の手法により製造した。
タテ30cmヨコ20cmの大きさのポリエステル繊維からな
るタフタ(タテ糸、ヨコ糸とも150デニールのマルチフ
ィラメント糸、織密度タテ90本/インチ、ヨコ67本/イ
ンチ、厚さ160μ)をガラス板上に固定し、その上にポ
リスルホン(ユニオン・カーバイト社製のUdel−P350
0)の15重量%ジメチルホルムアミド(DMF)溶液を200
μの厚みで室温(20℃)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繊維補強ポリス
ルホン支持膜(以下FR−PS支持膜と略す)を作製する。
このようにして得られたFR−PS支持膜(厚さ210〜215
μ)の純水透過係数は、圧力1kg/cm2、温度25℃で測定
して0.005〜0.01g/cm2・sec・atmであった。
比較例1 特開昭55−147106号公報の実施例を参考に、FR−PS支
持膜を2%メタフェニレンジアミン水溶液中に1分間浸
漬した。該支持膜を垂直方向にゆっくりと引上げ、支持
膜表面から余分な水溶液を取除いた後、0.1%トリメシ
ン酸塩化物のトリクロロトリフルオロエタン溶液を表面
が完全に濡れるように塗布して1分間静置した。次に膜
を垂直にして余分な溶液を液切りして除去した後、炭酸
ナトリウムの0.2重量%水溶液に5分間浸漬した。さら
に、膜を水道水で洗浄した。
このようにして得られた複合半透膜をpH6.5に調整し
た1500ppm食塩水を原水とし、15kg/cm2、25℃の条件下
で逆浸透テストした結果、20時間後、脱塩率99.05%、
透水量1.07m3/m2・dであった。300時間後は、脱塩率9
9.08%、透水量0.93m3/m2・d、透水量の安定性(m
値)−0.052であった。
比較例2 FR−PS支持膜を0.94%メタフェニレンジアミン,1.06
%1,3,5−トリアミノベンゼン水溶液中に1分間浸漬し
た。該支持膜を垂直方向にゆっくりと引上げ、支持膜表
面から余分な水溶液を取除いた後、0.05%トリメシン酸
塩化物,0.05%テレフタル酸塩化物のトリクロロトリフ
ルオロエタン溶液を用いたこと以外は、比較例1と同様
の方法で複合半透膜を得た。
このようにして得られた複合半透膜をpH6.5に調整し
た35000ppm食塩水を原水とし、56kg/cm2、25℃の条件下
で逆浸透テストした結果、20時間後、脱塩率99.32%、
透水量0.85m3/m2・dであった。
実施例1〜5 比較例1で得られた膜をpH2.5に調整したHCl水溶液
に、15時間、25±1℃の室温で浸漬した。次いで脱イオ
ン水中で10分間洗浄し、残留するHClをすべて除去し
た。
次いで膜を表1に示した0.5%のジアミン水溶液中に
浸漬し、24時間室温で処理した。この処理膜を、脱イオ
ン水中で20時間洗浄し、未反応アミンを除去した。この
膜を比較例1と同じ条件で逆浸透テストした結果、表1
に示す膜性能がえられた。
実施例6〜8 アミン処理剤にパラフェニレンジアミンを表2に示し
た濃度で用いたこと以外は、実施例1〜5と同様に処理
膜を得た。
膜性能を表2に示す。
実施例9 実施例7で得られた膜を同じ条件で300時間逆浸透テ
ストした結果、脱塩率99.89%、透水量0.865m3/m2
d、透水量の安定性(m値)−0.006であった。
実施例10 比較例2で得られた膜を実施例1〜5と同じ処理を行
い比較例2と同じ条件で逆浸透テストした結果、脱塩率
99.62%、透水量0.74m3/m2・dであった。
[発明の効果] 本発明により、高い脱塩性、水透過性の安定な複合半
透膜の製造方法を提供することができる。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】界面重縮合によって一分子中に2個以上の
    アミノ基を有する多官能芳香族アミンと多官能酸ハロゲ
    ン化物から架橋ポリアミドの超薄膜層を微多孔性支持膜
    上に形成させて複合半透膜を形成した後、該複合半透膜
    をアミノ基を有する水溶性化合物で処理することを特徴
    とする複合半透膜の製造方法。
  2. 【請求項2】一分子中に2個以上のアミノ基を有する多
    官能芳香族アミンがm−フェニレンジアミン及び/又は
    1,3,5−トリアミノベンゼンであることを特徴とする請
    求項1記載の複合半透膜の製造方法。
  3. 【請求項3】多官能酸ハロゲン化物が多官能酸塩化物で
    あることを特徴とする請求項1記載の複合半透膜の製造
    方法。
  4. 【請求項4】多官能酸ハロゲン化物が、1,3,5−シクロ
    ヘキサントリカルボン酸、1,3−シクロヘキサンジカル
    ボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸,1,3,5−ベ
    ンゼントリカルボン酸、1,3−ベンゼンジカルボン酸、
    1,4−ベンゼンジカルボン酸の酸ハロゲン化物から選ば
    れる少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項
    1記載の複合半透膜の製造方法。
  5. 【請求項5】アミノ基を有する水溶性化合物が、2個以
    上のアミノ基を有することを特徴とする請求項1記載の
    複合半透膜の製造方法。
  6. 【請求項6】アミノ基を有する水溶性化合物が、メタフ
    ェニレンジアミン、パラフェニレンジアミン、キシリレ
    ンジアミン、エチレンジアミン、ピペラジンから選ばれ
    る少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載
    の複合半透膜の製造方法。
  7. 【請求項7】微多孔性支持膜がポリスルホンからなるこ
    とを特徴とする請求項1記載の複合半透膜の製造方法。
  8. 【請求項8】微多孔性支持膜がポリエステルおよび芳香
    族ポリアミドから選ばれる少なくとも1種を主成分とす
    る布帛によって強化されてなることを特徴とする請求項
    1記載の複合半透膜の製造方法。
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