JP2878798B2 - 複合半透膜及びその製造方法 - Google Patents

複合半透膜及びその製造方法

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/56Polyamides, e.g. polyester-amides

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液状混合物の成分を選択的に透過分離する
ための複合半透膜及びその製造方法に関し、詳しくは、
ポリアミドからなる超薄膜が微多孔性支持膜上に形成さ
れてなる複合半透膜及びその製造方法に関する。
かかる本発明による複合半透膜は、例えば、かん水、
海水等の脱塩による淡水化や、半導体の製造に必要とさ
れる超純水の製造等に好適に用いることができる。
〔従来の技術〕
従来より、非対称半透膜とは構造の異なる半透膜とし
て、微多孔性支持膜上に実質的に選択分離性を有する活
性な超薄膜を形成してなる複合半透膜が知られている。
現在、かかる複合半透膜として、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合によって得られる
ポリアミドからなる超薄膜が、支持膜上に形成されたも
のが多く知られている(例えば、特開昭55−147106号、
特開昭62−121603号、特開昭63−218208号等)。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記複合半透膜は、高い脱塩性及び水透過性を有する
が、最近の超純水製造のシステムでは、イオン交換樹脂
を減らして膜だけで純度を上げることも要求されてきて
おり、例えば、逆浸透膜を2段で用いることにより、水
の電導度をイオン交換樹脂を用いる場合と同程度にする
ことが必要となってきている。また、半導体の高容量化
に伴いさらにクリーンな超純水が要求されてきており、
これらの要求を満たすためには、現在の複合半透膜では
不十分であり、さらに高い脱塩性及び水透過性を有する
複合半透膜が求められている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
であって、超薄膜がその構成成分として特定の成分を含
む芳香族ポリアミドからなる複合半透膜が、低圧操作に
よって極めて高い脱塩性能と透水性能とを併せ有する新
規な複合半透膜及びその製造方法を提供することを目的
とする。
即ち本発明は、超薄膜とこれを支持する微多孔性支持
膜とからなる複合半透膜において、上記超薄膜が、少な
くとも2つ以上の−NH基を有しかつ立体障害位置に少な
くとも1つのアミノ基を有する構成成分を含む芳香族ポ
リアミドからなることを特徴とする複合半透膜及びその
製造方法に関する。
本発明の複合半透膜において超薄膜を構成する芳香族
ポリアミドとは、少なくとも2つ以上の−NH基を有し、
かつ立体障害位置に少なくとも1つのアミノ基を有する
構成成分を、かかるポリアミド中に一部分として含むも
のである。かかる構成成分は、上記条件を満足する限り
限定されないが、特に高脱塩性能、高透水性能の点か
ら、例えば、次式(I)又は(II) で表される成分を含むことが好ましい。
さらに上記以外に、例えば 等の成分が挙げられる。
本発明において超薄膜を構成している上記特定の構成
成分以外の成分としては、芳香族ポリアミドと呼ばれる
ものであれば特に限定されず、例えば、 (ここで、Rはアルキル基、OCH3などのメトキシ基、X
はハロゲン、OH基などである。) が挙げられる。
かかる超薄膜の厚さは得られる複合半透膜の用途や要
求特性によって適宜に選ばれるが、通常、10〜1000nm、
好ましくは20〜300nmの範囲である。膜厚が薄すぎると
きは膜欠陥が生じやすく、他方、厚すぎるときは透水速
度が低下する場合あがるため好ましくない。
上記超薄膜を支持する微多孔性支持膜は、実質的に分
離機能をもらず、超薄膜を支持し得る物であれば特に限
定されず、例えば、酢酸セルロース、ポリアミド、ポリ
イミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、エチレ
ン−ビニルアルコール共重合体、ポリアクリロニトリル
等、種々のものを挙げることができるが、特に、化学
的、機械的、熱的に安定である点から、ポリスルホンか
らなる微多孔性支持膜が好ましく用いられる。
本発明の複合半透膜における超薄膜は、特定の多官能
芳香族アミン成分と多官能酸ハロゲン化物との界面重合
によって得られる。
かかる多官能芳香族アミン成分は、反応性アミノ基に
対して立体障害位置にアミノ基を有するポリアミンを一
部含むものである。ここで反応性アミノ基に対して立体
障害位置とは、後述する多官能酸ハロゲン化物との反応
の際、反応障害となってアイド結合の生成を妨げ、反応
生成物である芳香族ポリアミド内に遊離のアミノ基を積
極的に残存させることのできるものである。かかる立体
障害位置にあるアミノ基は、好ましくはアリール基(芳
香族核)に直結していることが望ましい。
かかるポリアミンとしては、合成の容易さ、取り扱い
の簡便さ、製膜のしやすさ等の点から、特に、1,2,4−
トリアミノベンゼンが好ましい。これ以外に、例えば1,
2,3−トリアミノベンゼン、や下記のポリアミンを挙げ
ることができる。
また上記ポリアミンのベンゼン核の他の位置に−C
H3、−OCH3、−OH等の官能基がついたものも用いること
ができる。
前記の多官能芳香族アミン成分は、一分子内に平均2.
02〜3.00のアミノ基を含有することが好ましい。かかる
アミン成分は、上記の特定のポリアミンと、他の2官能
もしくは3官能の芳香族アミンとを適宜混合することに
よって得られる。
2官能芳香族アミンとしては、例えば、m−フェニレ
ンジアミン、p−フェニレンジアミン、2,4−トリレン
ジアミン、2,5−ジメチル−p−フェニレンジアミン、
4−クロル−m−フェニレンジアミン、5−クロル−m
−フェニレンジアミン、3,5−ジアミノ安息香酸、2,4−
ジアミノフェノール、4−メトキシ−m−フェニレンジ
アミン等のジアミンが好ましく用いられる。また、3,3
−ジアミノジフェニル、1,5−ジアミノナフタレン等の
ベンゼン核が2つ以上のものも好ましく用いられる。
3官能芳香族アミンとしては、例えば、1,2,4−トリ
アミノベンゼン、2,5,6−トリアミノピリミジン、2,3,5
−トリアミノピラジン、2,3,6−トリアミノアクリジ
ン、1,5,6−トリアミノナフタレン等が好ましく用いら
れる。
本発明においては、多官能芳香族アミン成分として、
前記1,2,4−トリアミノベンゼンとm−フェニレンジア
ミンとの混合物が特に好適に用いられる。この場合の混
合比率は、通常1/200〜2/1、好ましくは1/50〜1/1であ
る。1,2,4−トリアミノベンゼンが多すぎると、透水量
が低下し、逆に少なすぎると、十分な脱塩性能がやや低
下する。
また本発明で用いられる多官能酸ハロゲン化物は、そ
の平均官能度が2〜3であれば特に限定されないが、例
えば次式(III)、(IV) (R4は、水素又は炭素数1〜4のアルキル基、環Aは、
ベンゼン環又はシクロヘキサン環を示す。) (R5は、水素又は炭素数1〜4のアルキル基、環Bは、
ベンゼン環又はシクロヘキサン環を示す。) で表される一種もしくは二種以上の混合物を挙げること
ができる。
具体的には、例えば、テレフタル酸ハライド、イソフ
タル酸ハライド、1,3−シクロヘキサンジカルボン酸ハ
ライド、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸ハライド等
のジハライド、トリメシン酸ハライド、1,3,5−シクロ
ヘキサントリカルボン酸ハライド等のトリハライド等が
挙げられる。本発明においては、トリメシン酸クロライ
ド、イソフタル酸クロライド、テレフタル酸クロライド
が好適に用いられ、特にトリメシン酸クロライドとイソ
フタル酸クロライドとを組み合わせて用いるのが好まし
い。
前記多官能芳香族アミン成分と多官能酸ハロゲン化物
との界面重合により、少なくとも2つ以上の−NH基を有
し、かつ立体障害位置に少なくとも1つのアミノ基を有
する構成成分を含む芳香族ポリアミドからなる超薄膜が
得られる。
本発明の複合半透膜は、反応性アミノ基に対して立体
障害位置にアミノ基を有するポリアミンを含む多官能芳
香族アミン成分を含有する水溶液と、多官能酸ハロゲン
化物成分を含有する水非混和性有機溶剤溶液との界面重
合によって、支持膜上に芳香族ポリアミドからなる超薄
膜を形成させることによって得られる。
より詳細には、前記多官能芳香族アミン成分を含有す
る水溶液を支持膜上に塗布し、次いで多官能酸ハロゲン
化物成分を含有する水非混和性有機溶剤溶液を塗布し、
水溶液との界面にて重縮合を行って、支持膜上に(好ま
しくは架橋した)ポリアミドを生成させ、必要に応じて
加熱処理を行うことによって得ることができる。
多官能芳香族アミン成分を含有する水溶液は、製膜を
容易にし、或いは得られる複合半透膜の性能を向上させ
るために、さらに例えば、ポリビニルアルコール、ポリ
ビニルピロリドン、ポリアクリル酸等の水溶性重合体
や、ソルビトール、グリセリン、グルコール等のような
多価アルコールを含有させることもできる。
また、USP4,872,984に記載のアミン塩、例えばテトラ
アルキルアンモニウムハライドやトリアルキルアミンと
有機酸とによる塩等も、製膜を容易にする、アミン溶液
の支持膜への吸収性を良くする、縮合反応を促進する等
の点で、好適に用いられる。
また、トデシル硫酸ナトリウム、アルキルベンゼンス
ルホン酸ナトリウム等の界面活性剤を含有させることも
できる。これらの界面活性剤は、多官能アミン成分を含
有する水溶液の微多孔性支持膜への濡れ性を改善するの
に効果がある。さらに、上記界面での重縮合反応を促進
するために、界面反応にて生成するハロゲン化水素を除
去し得る水酸化ナトリウムやリン酸三ナトリウムを用
い、或いは触媒として、第4級アンモニウム塩、アシル
化触媒、相間移動触媒等を用いることも有益である。
多官能酸ハロゲン化物成分を含有する水非混和性有機
溶剤溶液を調整するための有機溶剤としては、用いる酸
ハロゲン化物をよく溶解し、他方、用いる微多孔性支持
膜を溶解しない有機溶剤であればよく、例えば、n−ヘ
キサン、シクロヘキサン等の炭化水素溶剤、トリクロロ
フルオロエタン等のハロゲン化炭化水素が用いられる
が、特にn−ヘキサンが好ましく用いられる。
多官能アミン成分を含有する水溶液及び多官能酸ハロ
ゲン化物成分を含有する有機溶剤溶液において、多官能
アミン及び官能酸ハロゲン化物の濃度は、特に限定され
るものではないが、多官能アミンは、通常0.1〜10重量
%、好ましくは0.5〜5重量%の範囲であり、多官能酸
ハロゲン化物は、通常0.01〜5重量%、好ましくは0.05
〜1重量%の範囲である。
支持膜上に多官能アミン成分を含有する水溶液を塗布
し、次いで、その上に多官能酸ハロゲン化物を含有する
有機溶剤溶液を塗布する際、任意の手段を採用すること
ができるが、特にアプリケーター等を用いるコーティン
グ法が好ましく採用される。
このようにして、支持膜上に多官能アミン成分を含有
する水溶液を塗布し、次いで、その上に多官能酸ハロゲ
ン化物を含有する有機溶剤溶液を塗布すれば、多官能ア
ミンと多官能酸ハライドとは、支持膜上で室温にて容易
に界面重縮合反応するが、必要に応じて、反応を促進さ
せ、あるいは溶剤を除去し、あるいは形成される超薄膜
の支持膜からの剥離を防止するために、50〜150℃程度
に加熱してもよい。
また本発明の複合半透膜を、特公昭63−36803号公報
に記載されているように、次亜塩素酸透による塩素処理
を行って塩排除性能をさらに向上させることもできる。
〔発明の効果〕
本発明による複合半透膜は、超薄膜がその構成成分と
して特定の成分をふくむ芳香族ポリアミドからなるた
め、低圧操作によって極めて高い脱塩性能と透水性能と
を併せ有し、例えば、かん水、海水等の脱塩による淡水
化や、半導体の製造に必要とされる超純水の製造等に好
適に用いることができる。
〔実施例〕
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、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、得られた複合半透膜の性能は、複合半透膜に操
作圧力15kg/cm2、温度25℃にて塩化ナトリウム1500ppm
を含有する水溶液を15時間処理した後、透水速度及び塩
化ナトリウムの透塩率を測定した。塩化ナトリウムの透
塩率は、通常の電導度測定によった。
実施例1 m−フェニレンジアミン(MPD)1.0重量%、1,2,4−
トリアミノベンゼン(TAB)1.0重量%、ラウリル硫酸ナ
トリウム(SLS)0.3重量%、リン酸三ナトリウム0.5重
量%、水酸化ナトリウム0.1重量%を含む水溶液を、ポ
リスルホン製限外濾過膜からなる微多孔性支持膜上に塗
布し、室温で1分間放置した後、その上にイソフタル酸
クロライド(IPC)0.5重量%を含むn−ヘキサン溶液を
塗布し、120℃で5分間熱風加熱して複合半透膜を得
た。その構成成分及び膜性能を表に示す。
実施例2〜13 構成成分を表の如く変更した以外は、実施例1と同様
にして得た複合半透膜の性能を表に示す。
実施例14 表の構成成分にて実施例1と同様にして得た膜を、さ
らに100ppmの次亜塩素酸ソーダ、及びpH7の水溶液に約1
0時間浸漬して得た複合半透膜の性能を表に示す。
ここで、MPD:m−フェニレンジアミン TAB:1,2,4−トリアミノベンゼン TMC:トリメシン酸クロライド IPC:イソフタル酸クロライド TPC:テレフタル酸クロライド SLS:ラウリル硫酸ナトリウム CAS:カンファースルホン酸 TEA:トリエチルアミン である。
比較例 実施例4において1,2,4−トリアミノベンゼンを1,3,5
−トリアミノベンゼンに代えた以外は、実施例4と同様
にして得られた複合半透膜の結果を表に示す。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超薄膜とこれを支持する微多孔性支持膜と
    からなる複合半透膜において、上記超薄膜が、少なくと
    も2つ以上の−NH基を有しかつ立体障害位置に少なくと
    も1つのアミノ基を有する構成成分を含む芳香族ポリア
    ミドからなることを特徴とする複合半透膜。
  2. 【請求項2】少なくとも2つ以上の−NH基を有しかつ立
    体障害位置に少なくとも1つのアミノ基を有する構成成
    分が、下記式(I)又は(II)で示される成分から選ば
    れる一種以上である請求項(1)記載の複合半透膜。
  3. 【請求項3】超薄膜とこれを支持する微多孔性支持膜と
    からなる複合半透膜において、上記超薄膜が多官能芳香
    族アミン成分と多官能酸ハロゲン化物成分との界面重合
    によって得られる芳香族ポリアミドからなり、該多官能
    芳香族アミン成分が、反応性アミノ基に対して立体障害
    位置にアミノ基を有するポリアミンを含むことを特徴と
    する複合半透膜。
  4. 【請求項4】ポリアミンが、1,2,4−トリアミノベンゼ
    ンである請求項(3)記載の複合半透膜。
  5. 【請求項5】多官能芳香族アミン成分が、芳香族ジアミ
    ンと、反応性アミノ基に対して立体障害位置にアミノ基
    を有するポリアミンを含む請求項(3)記載の複合半透
    膜。
  6. 【請求項6】超薄膜とこれを支持する微多孔性支持膜と
    からなる複合半透膜の製造方法において、上記超薄膜
    を、反応性アミノ基に対して立体障害位置にアミノ基を
    有するポリアミンを含む多官能芳香族アミン成分を含有
    する水溶液と、多官能酸ハロゲン化物成分を含有する水
    非混和性有機溶剤溶液との界面重合によって、支持膜上
    に芳香族ポリアミドからなる超薄膜を形成させることを
    特徴とする複合半透膜の製造方法。
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