JP2936633B2 - 複合半透膜 - Google Patents

複合半透膜

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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、有機溶媒を
含有する水溶液の分離や高温の水溶液の分離に有用な複
合半透膜に関する。
[従来の技術] 従来、工業的に利用されている半透膜には、酢酸セル
ロースから作った非対称膜がある。しかし、この膜は耐
加水分解性、耐微生物性、耐薬品性、耐熱性等に問題が
あり、一部使用されているが広範囲の用途に実用化され
るに至っていない。酢酸セルロース非対称膜の欠点をな
くした新しい素材に対する研究は米国、日本を中心に盛
んに行われているが、芳香族ポリアミド、ポリアミドヒ
ドラジド(米国特許第3,567,632号明細書)、ポリアミ
ド酸(特開昭55−37282号公報)、架橋ポリアミド酸
(特公昭56−3769号公報)、ポリイミダゾピロロン、ポ
リスルホンアミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベン
ズイミダゾロン、ポリアリーレンオキシドなど、その一
部の欠点を改良する素材は得られているものの、選択分
離性あるいは透過性等の面では酢酸セルロース膜より劣
っている。
一方、多孔性支持膜に実質的に膜性能を司る活性層を
被覆した複合膜が開発されている。複合膜においては、
活性層と微多孔性支持膜を各々の用途に最適な素材を選
ぶことが可能となり、製膜技術の自由度が増す。また常
時湿潤状態で保存しなければならない非対称膜とは異な
り乾燥状態での保存が可能であるなどの利点がある。
これらの複合膜の具体例は、特開昭49−133282号公
報、特公昭55−38164号公報、PBレポート80−182090、
特公昭59−27202号公報、特開昭56−40403号公報、米国
特許第3,744,642号明細書、同第3,926,798号明細書、同
第4,277,344号明細書、特開昭55−147106号公報、特開
昭58−24303号公報、特開昭61−42302号公報、特開昭55
−147106号公報、特開昭61−42302号公報などがある。
特に複合膜の中でも、ポリスルホン多孔性支持膜上に
架橋ポリアミド超薄膜を界面重縮合法によって形成した
ものが主流となっており、この種の複合半透膜は、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。
しかし、多孔性支持膜として用いられているポリスルホ
ン支持膜が耐熱、耐溶剤性に乏しいことから、有機溶剤
を含有する水溶液や高温の水溶液の分離に用いると選択
分離性が低下するという問題があった。
[発明が解決しようとする課題] 実用的な逆浸透膜には、高透過性、高選択分離性をは
じめ、耐熱性、耐薬品性など満たすべき条件は数多い。
しかしながら、特に耐熱、耐薬品性において、2つの要
求特性を満たす膜はまだない。従って、耐薬品性、特に
耐溶剤性においては、低濃度の有機溶剤を含有する水溶
液では分離性能を発揮できる膜でも、高濃度になると膜
そのものや支持膜が有機溶剤によって膨潤あるいは溶解
し、分離性能を損なうため、用途が限られてきた。
本発明者らは、かかる社会のニーズに鑑み、高い選択
分離性、高い水透過性を有する耐熱、耐溶剤性の良好な
複合半透膜を得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、 超薄膜層を多孔性支持膜上に被覆してなる複合半透膜
において、該多孔性支持膜が構成単位がフェニレンスル
フィドおよびフェニレンスルホンからなるポリフェニレ
ンスルフィドスルホンを主成分とすることを特徴とする
複合半透膜。
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多孔性支持膜上
に被覆されてなり、特に限定されるものではないが、好
適には、該超薄膜層は、界面重縮合によって得られる架
橋ポリアミドからなる。
界面重縮合によって、架橋ポリアミドの超薄膜を形成
する方法は、現在用いられている複合逆浸透膜の製造方
法として広く知られており、多孔性支持膜上で多官能ア
ミンと多官能酸ハロゲン化物を、界面重縮合することに
より超薄膜を形成する。
多官能アミン化合物としては、2官能以上のアミン化
合物が用いられ、代表的なアミン化合物としては、m−
フェニレンジアミン、1、3、5−トリアミノベンゼ
ン、ピペラジン、ポリエチレンイミン、エチレンジアミ
ンなどを上げることができる。多官能酸ハロゲン化物と
しては、例えば、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸、テ
レフタル酸、イソフタル酸、1、3、5−シクロヘキサ
ントリカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸アダマ
ンタンテトラカルボン酸、フランジカルボン酸等の酸ハ
ロゲン化物を挙げることができる。
超薄膜を形成する架橋ポリアミド素材については本発
明において、特に限定されることはないが、得られる膜
の分離特性と、透過特性を考慮すると架橋芳香族ポリア
ミド、または架橋ピペラジンポリアミドが好ましい。
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。本発明にお
いて、多孔性支持膜は、耐熱、耐溶剤性に優れた構成単
位がフェニレンスルフィドおよびフェニレンスルホンか
らなるポリフェニレンスルフィドスルホンを主成分とす
る。
上記のポリフェニレンスルフィドスルホンを主成分と
する多孔性支持膜の製造方法については、特に限定され
ないが、ジメチルイミダゾリジノン(DMI)や、N−メ
チルピロリドン(NMP)に溶解した上記のポリフェニレ
ンスルフィドスルホンの溶液を硝子板または密に織った
布あるは不織布の上に一定の厚さに注型し、それを水中
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多孔性支持膜を得ることが
できる。上記のポリフェニレンスルフィドスルホンの製
膜溶液の濃度は、製膜に適した溶液粘度の点から10から
30%であり、これは、ポリマーの重合度と、製膜温度、
製膜溶媒などによって最適化される。また、表面の微細
孔径の大きさを考えると、一般に12から20%程度が好ま
しいことが多い。
このようにして得られた上記のポリフェニレンスルフ
ィドスルホンを主成分とする多孔性支持膜は、そのまま
用いてもDMIやNMPなど限られた溶媒にしか溶解せず、耐
熱、耐溶剤性に優れており、例えば、従来用いられてき
たポリスルホン多孔性支持膜では溶解してしまうよう
な、芳香族炭化水素系溶媒、アミド系溶媒、エーテル系
溶媒、エステル系溶媒に浸漬しても形態を保つ。
さらに、得られた上記のポリフェニレンスルフィドス
ルホンを主成分とする多孔性支持膜を過酢酸や過硫酸塩
で酸化してスルフィド結合の1部をスルホン結合に変換
すると、製膜溶媒として用いたDMIやNMPにも溶解しなく
なり耐溶剤性が向上し、さらに耐熱性も向上し好まし
い。
本発明において、多孔性支持膜は、ポリフェニレンス
ルフィド、ポリプロピレン、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支持膜であるとが好ましい。この
理由はこれらの素材が耐熱、耐溶剤性に優れ、複合膜を
有機溶剤の存在下でも十分に強化する性質を有するから
である。特にポリフェニレンスルフィドとポリプロピレ
ンは、耐溶剤性の点で最も優れている。
次に、本複合半透膜の製造方法について説明する。
上記のポリフェニレンスルフィドスルホンを主成分と
する多孔性支持膜は、ポリマー濃度15%から20%程度の
DMIまたはNMP溶液から注型し、水中で凝固することによ
って得られる。その厚みは10から300ミクロンの厚み
で、表面孔径は100オングストローム以下の非対称膜構
造を有すると好ましい。
複合半透膜中の実質的に分離性能を有する超薄膜層
は、多官能アミンを含有する水溶液を支持膜に塗布し、
その後、多官能酸ハロゲン化物を含有する水と非混和性
の有機溶媒溶液を塗布することにより、界面重縮合反応
が起こり形成される。
多官能アミン水溶液におけるアミノ化合物の濃度は、
化合物の種類によって最適な濃度は変化するが、通常、
0.1〜10重量%、好ましくは0.5〜5.0重量%であり、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。
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、該水溶液を多孔性支持膜表面にコ
ーティングする方法、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濃度は、使用する多
官能酸ハロゲン化物によって変化し、また、造水量と選
択分離性を決定する因子でもあり、通常0.01〜10重量
%、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、更に好ましいことがある。
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。
なお、以下実施例によって本発明を説明するが、複合
膜の性能は、15atm,1500ppmNaCl,25℃の条件で通常の方
法で脱塩率、造水量を測定した。
[実施例] 実施例1 厚み100μmのポリフェニレンスルフィド製不織布に
ポリフェニレンスルフィドスルホンを16重量%含有する
ジメチルイミダゾリジノン(DMI)溶液を室温で厚み70
μmで塗布し、室温の蒸留水中に投入し、凝固すること
によって、ポリフェニレンスルフィド不織布で強化され
たポリフェニレンスルフィドスルホン多孔性支持膜を得
た。
得られた膜の分子量10万のポリエチレングリコールの
阻止率は約90%、透水量は約2m3/m2・dであった。(1a
tm,25℃、1000ppmポリエチレングリコール水溶液) 1重量%のm−フェニレンジアミンと1重量%の1、
3、5−トリアミノベンゼンを含有する水溶液に得られ
た支持膜を3分間浸漬し、その後、過剰な水溶液を除去
した後、0.05重量%のテレフタル酸クロライドと0.05重
量%のトリメシン酸クロライドを含有するトリフルオロ
トリクロロエタン溶液を塗布して、界面重縮合反応によ
り架橋芳香族ポリアミドの超薄膜を形成した。このよう
にして得られた複合膜の性能は、脱塩率約99%、造水量
約1m3/m2・dであった。
実施例2 実施例1において、ポリフェニレンスルフィドスルホ
ン多孔性支持膜を過酢酸溶液で処理し、酸化したものを
用いること以外、同様な方法で複合膜を製膜した。得ら
れた複合膜の性能は、脱塩率約98%、造水量約1m3/m2
dであった。
実施例3 実施例1および2で得られた複合膜を、水/トリクロ
ロエチレンの懸濁液に1日間浸漬し、その後、懸濁液を
水で置換した。実施例1および2の複合膜の性能はほと
んど変化しなかった。
比較例1 実施例1において、ポリスルホン多孔性支持膜を用い
ること以外、同様な方法で複合膜を製膜した。得られた
複合膜の性能は、脱塩率約99%、造水量約1m3/m2・dで
あった。この膜を実施例3の懸濁液に1日間浸漬し、そ
の後、懸濁液を水で置換したところ、ポリスルホン多孔
性支持膜が破壊され、複合膜形態を保っていなかった。
[発明の効果] 複合逆浸透膜の支持膜に構成単位がフェニレンスルフ
ィドおよびフェニレンスルホンからなるポリフェニレン
スルフィドスルホンを主成分とする多孔性支持膜を用い
ることにより、耐熱、耐溶剤性に優れた複合逆浸透膜を
提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01D 71/68 B01D 71/56

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超薄膜層を多孔性支持膜上に被覆してなる
    複合半透膜において、該多孔性支持膜が構成単位がフェ
    ニレンスルフィドおよびフェニレンスルホンからなるポ
    リフェニレンスルフィドスルホンを主成分とすることを
    特徴とする複合半透膜。
  2. 【請求項2】界面重縮合によって得られる架橋ポリアミ
    ドからなる超薄膜層を多孔性支持膜上に被覆してなる複
    合半透膜において、該多孔性支持膜が構成単位がフェニ
    レンスルフィドおよびフェニレンスルホンからなるポリ
    フェニレンスルフィドスルホンを主成分とすることを特
    徴とする複合半透膜。
  3. 【請求項3】架橋ポリアミドが架橋芳香族ポリアミドま
    たは架橋ピペラジンポリアミドを主成分とすることを特
    徴とする特許請求の範囲第2項記載の複合半透膜。
  4. 【請求項4】ポリフェニレンスルフィドスルホンが式
    (A)で示される繰り返し単位を主成分とする重合体で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の複合
    半透膜。
  5. 【請求項5】ポリフェニレンスルフィドスルホンが式
    (A)で示される繰り返し単位を酸化することによって
    得られる式(B)の繰り返し単位を含有することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の複合半透膜。
  6. 【請求項6】多孔性支持膜がポリプロピレン、ポリフェ
    ニレンスルフィド、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特許請求の範囲第
    1項記載の複合半透膜。
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