JP5028661B2 - Cation exchange, anion exchange membrane and production method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、製塩に用いられる陽イオン交換、陰イオン交換膜およびこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to cation exchange and anion exchange membranes used for salt production and methods for producing them.
イオン交換膜製塩法における海水濃縮工程には、陽および陰イオン交換膜を利用した電気透析槽が用いられている。電気透析槽に利用するイオン交換膜の性能上求められているのは、膜の電気抵抗、濃縮性能、耐久性等であり、製造費低減のためには、膜の電気抵抗を増加させることなく、濃縮性能を向上させることが必要である。加えて耐久性、特に機械的強度を向上させることも必要となる。 An electrodialysis tank using positive and negative ion exchange membranes is used in the seawater concentration step in the ion exchange membrane salt production method. What is required in terms of the performance of ion exchange membranes used in electrodialysis tanks is membrane electrical resistance, concentration performance, durability, etc. To reduce manufacturing costs, without increasing membrane electrical resistance. It is necessary to improve the concentration performance. In addition, it is necessary to improve durability, particularly mechanical strength.
製塩用イオン交換膜の製法については従来から数多くの方法が提案されている(例えば特許文献1〜3参照)が、イオン交換基が導入可能な官能基またはイオン交換基を有するモノマー、架橋剤および重合触媒を主たる成分として含有する混合物をポリ塩化ビニル製の織布などに塗布して重合した後、必要に応じてイオン交換基を導入する方法が広く知られている。
Many methods have been proposed for producing an ion exchange membrane for salt production (see, for example,
しかしながら、この方法により得られたイオン交換膜は、膜の電気抵抗を増加させることなく、濃縮性能を向上させることは困難であった。 However, it has been difficult to improve the concentration performance of the ion exchange membrane obtained by this method without increasing the electrical resistance of the membrane.
かかる問題点を解決するため、ポリプロピレン繊維基材等に重合性モノマーを含浸担持させた後、電離放射線でグラフト重合しイオン交換膜を得る方法や、オレフィン製基材等に重合性モノマーを含浸担持させた後、電離性放射線で一部重合をおこない、続いて重合開始剤の存在下で加熱することにより、重合を完結させてイオン交換膜を得る方法が提案されている(例えば特許文献4〜6参照)。
In order to solve this problem, after impregnating and supporting a polymerizable monomer on a polypropylene fiber base material, etc., a method of obtaining an ion exchange membrane by graft polymerization with ionizing radiation, or impregnating and supporting a polymerizable monomer on an olefin base material, etc. Then, a method is proposed in which the polymerization is completed by partially polymerizing with ionizing radiation, followed by heating in the presence of a polymerization initiator to obtain an ion exchange membrane (for example,
しかし、いずれの方法も、膜の濃縮性能については満足のいく成果は見られなかった。
本発明は、製塩に用いられる陽および陰イオン交換膜について、従来使用されている膜と比較し、電気抵抗を増加させずに、濃縮性能を向上させることを目的とするものである。 The object of the present invention is to improve the concentration performance of cation and anion exchange membranes used for salt production without increasing the electrical resistance as compared with conventionally used membranes.
本発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ポリアミドフィルムに電離放射線を照射し、例えば、スルホン酸基もしくは第四級アンモニウム基を有する重合性単量体等をグラフト重合することにより、従来使用されている製塩用のイオン交換膜と比較し、電気抵抗を増加させずに、濃縮性能を増加させた膜を提供できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention irradiate the polyamide film with ionizing radiation, for example, graft polymerization of a polymerizable monomer having a sulfonic acid group or a quaternary ammonium group. As a result, it has been found that a membrane having an increased concentration performance can be provided without increasing the electric resistance as compared with conventionally used ion exchange membranes for salt production.
すなわち、本発明は、下記の構成とすることにより上記の目的を達成するに至った。
(1) ポリアミドフィルムに電離放射線を照射することにより、ポリアミドにラジカルを発生させた後、スルホン酸基及びその塩から選択される少なくとも1つの陽イオン交換基又は第四級アンモニウム基及びそのハロゲン化物から選択される少なくとも1つの陰イオン交換基を有する重合性単量体、架橋性単量体、及び溶媒を含有する重合性混合物中でグラフト重合をおこなうことにより得られた製塩用に好適な陽イオン交換膜または陰イオン交換膜。
(2) ポリアミドフィルムに電離放射線を照射することにより、ポリアミドにラジカルを発生させた後、スルホン酸基及びその塩から選択される少なくとも1つの陽イオン交換基又は第四級アンモニウム基及びそのハロゲン化物から選択される少なくとも1つの陰イオン交換基を有する重合性単量体、架橋性単量体、及び膨潤溶媒を含有する重合性混合物中でグラフト重合をおこなう工程を含む製塩用に好適な陽イオン交換膜または陰イオン交換膜の製造方法。
That is, the present invention has achieved the above object by adopting the following configuration.
(1) Radiation is generated in polyamide by irradiating the polyamide film with ionizing radiation, and then at least one cation exchange group or quaternary ammonium group selected from a sulfonic acid group and a salt thereof and a halide thereof. A positive electrode suitable for salt production obtained by graft polymerization in a polymerizable mixture containing a polymerizable monomer having at least one anion exchange group selected from the group consisting of a crosslinkable monomer and a solvent. Ion exchange membrane or anion exchange membrane.
(2) After generating radicals in polyamide by irradiating the polyamide film with ionizing radiation, at least one cation exchange group or quaternary ammonium group selected from sulfonic acid groups and salts thereof and halides thereof A cation suitable for salt production comprising a step of graft polymerization in a polymerizable mixture containing a polymerizable monomer having at least one anion exchange group selected from the group consisting of a crosslinkable monomer and a swelling solvent A method for producing an exchange membrane or an anion exchange membrane.
上記から明らかなように、本発明の骨子は、下記(1)及び(2)に存する。
(1)ポリアミドに電離放射線を照射することにより、ラジカルを発生させた後、上記陽もしくは陰イオン交換基を有する重合性単量体、架橋性単量体、及び溶媒を主たる成分とする重合性混合物中でグラフト重合をおこなう工程を含む製塩用陽および陰イオン交換膜の製造方法である。
(2)前記(1)に記載の方法で得た製塩用陽および陰イオン交換膜である。
As is clear from the above, the gist of the present invention resides in the following (1) and (2).
(1) After the radicals are generated by irradiating the polyamide with ionizing radiation, the above-described polymerizable monomer having a cation or anion exchange group, a crosslinkable monomer, and a solvent are used as main components. A method for producing a salt-forming cation and anion exchange membrane comprising a step of performing graft polymerization in a mixture.
(2) A salt-forming cation and anion exchange membrane obtained by the method described in (1) above.
本発明により、現在製塩に用いられている陽もしくは陰イオン交換膜と比較して、電気抵抗を増加させずに、濃縮性能を増加させた陽もしくは陰イオン交換膜を提供できることから、製塩コスト低減に寄与できる。 According to the present invention, it is possible to provide a cation or anion exchange membrane having an increased concentration performance without increasing the electric resistance as compared with the cation or anion exchange membrane currently used for salt production. Can contribute.
本発明の陽および陰イオン交換膜製造方法は、ポリアミド製のフィルム,例えばナイロン6製フィルムに電離放射線を照射することにより、ラジカルを発生させた後、陽もしくは陰イオン交換基を有する重合性単量体、架橋性単量体、及び溶媒を主たる成分とする重合性混合物中でグラフト重合をおこなうことが特徴である。
The method for producing a cation and anion exchange membrane according to the present invention comprises a polymerizable unit having a cation or anion exchange group after generating radicals by irradiating a polyamide film such as
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明で使用できる、ポリアミドフィルム基材として、ナイロン6、ナイロン11、ナイロン12などのポリラクタム類、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン6,12などのジカルボン酸とジアミンとから得られるポリアミド類を使用することができ、厚みが20−100μmのものを用いるのが好ましい。なお、ポリラクタム類は本発明でいうポリアミドに含まれるものとする。
基材の形態は、製塩用のイオン交換膜としての利用面からの要請から、膜(フィルム)の形態であって、その大きさ、厚さは適宜決定することができる。
本発明にかかるポリアミドフィルムとしては、例えばユニチカ株式会社製、ユニチカナイロンフィルム エンブレム(製品名)などが挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
Polyamides obtained from polylactams such as
The form of the base material is a form of a membrane (film) from the viewpoint of utilization as an ion exchange membrane for salt production, and its size and thickness can be appropriately determined.
Examples of the polyamide film according to the present invention include Unitika Nylon Film Emblem (product name) manufactured by Unitika Corporation.
本発明において使用することができる単量体としては、以下に列記する単量体が挙げられる。
(1)陽イオン交換基を有する単量体。例えば、スチレンスルホン酸、スルホプロピルメタクリレート等。
(2)陰イオン交換基を有する単量体。例えば、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、メタクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド、メタクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロライド等。
(3)架橋構造を導入できる単量体(架橋性単量体)。すなわちビニル基を少なくとも2個有するもの。例えばジビニルベンゼン(DVB)、トリビニルベンゼン、ジビニルトルエン、ジビニルナフタレン、エチレングリコールジメタクリレート、メチレンビスアクリルアミド(MBAAm)等。
架橋性単量体の使用割合は、陽もしくは陰イオン交換基をもつ単量体に対して0.3〜3質量%、好ましくは0.4〜2質量%である。
Examples of the monomer that can be used in the present invention include monomers listed below.
(1) A monomer having a cation exchange group. For example, styrene sulfonic acid, sulfopropyl methacrylate and the like.
(2) A monomer having an anion exchange group. For example, vinylbenzyltrimethylammonium chloride, methacryloyloxyethyltrimethylammonium chloride, methacryloylaminopropyltrimethylammonium chloride, and the like.
(3) A monomer capable of introducing a crosslinked structure (crosslinkable monomer). That is, one having at least two vinyl groups. For example, divinylbenzene (DVB), trivinylbenzene, divinyltoluene, divinylnaphthalene, ethylene glycol dimethacrylate, methylenebisacrylamide (MBAAm) and the like.
The proportion of the crosslinkable monomer used is 0.3 to 3% by mass, preferably 0.4 to 2% by mass, based on the monomer having a cation or anion exchange group.
本発明において、重合性モノマー,すなわち重合性単量体は、溶媒中に溶解させる,溶媒中に分散させる,あるいは溶媒で希釈して用いてもよい。希釈溶媒としては、水、メタノール、エタノール等の溶媒が挙げられ、これらを適宜、少なくとも1種以上選択して使用することができる。溶媒中に希釈して用いる場合、モノマー濃度は特に限定されないが、通常10重量%以上が好ましい。 In the present invention, the polymerizable monomer, that is, the polymerizable monomer may be used by dissolving in a solvent, dispersing in a solvent, or diluting with a solvent. Examples of the dilution solvent include water, methanol, ethanol and the like, and at least one or more of them can be appropriately selected and used. When diluted in a solvent and used, the monomer concentration is not particularly limited, but it is usually preferably 10% by weight or more.
基材への上記モノマーのグラフト重合は、基材を電離放射線照射後、モノマーと重合反応させる、いわゆる前照射法か、または基材とモノマーとに同時に照射し、重合反応させる、いわゆる同時照射法のいずれによっても行うことができる。基材にグラフト重合しないホモポリマーの生成量が少ないことから、前照射法を使用することが好ましい。前照射法については2方法あり、基材を不活性ガス中で照射するポリマーラジカル法と、基材を酸素の存在する雰囲気下で照射するパーオキサイト法があり、いずれも本発明において使用することができる。 Graft polymerization of the above-mentioned monomer onto the substrate is a so-called pre-irradiation method in which the substrate is irradiated with ionizing radiation and then the monomer is subjected to a polymerization reaction, or a so-called simultaneous irradiation method in which the substrate and the monomer are simultaneously irradiated and polymerized. Any of the above can be performed. The pre-irradiation method is preferably used because the amount of homopolymer that does not undergo graft polymerization on the substrate is small. There are two pre-irradiation methods, a polymer radical method in which the substrate is irradiated in an inert gas, and a peroxide method in which the substrate is irradiated in an oxygen-existing atmosphere, both of which are used in the present invention. be able to.
前照射法の一例を以下に説明する。
まず、基材を酸素不透過性ポリ袋中に挿入後、この袋内を窒素置換し、袋内酸素を除去する。次いでこの基材を含む袋に電離放射線の一つである電子線を、−80℃から室温までの範囲で、50―200kGy照射する。次いで、袋内にモノマー液またはモノマー溶液(溶媒希釈液)を充填する。モノマー液またはモノマー溶液は、酸素の存在しない不活性ガスによるバブリングや凍結脱気などで予め酸素ガスを除いたものを使用する。照射済み基材にポリマーのグラフト鎖を導入するためのグラフト重合は、通常、室温〜80℃、好ましくは、40〜70℃で実施する。
An example of the pre-irradiation method will be described below.
First, after the base material is inserted into an oxygen-impermeable plastic bag, the inside of the bag is purged with nitrogen to remove oxygen in the bag. Next, the bag containing the base material is irradiated with an electron beam, which is one of ionizing radiation, in the range from −80 ° C. to room temperature for 50 to 200 kGy. Next, the bag is filled with the monomer liquid or the monomer solution (solvent dilution liquid). As the monomer solution or monomer solution, one obtained by removing oxygen gas in advance by bubbling or freeze degassing with an inert gas containing no oxygen is used. Graft polymerization for introducing a polymer graft chain to an irradiated substrate is usually carried out at room temperature to 80 ° C, preferably 40 to 70 ° C.
これにより得られたポリマーのグラフト率(すなわち、重合前の基材に対するグラフト鎖の重量パーセント)は、5〜300重量%、より好ましくは50〜200重量%である。グラフト率は、照射線量、重合温度、重合時間等に依存して適宜変化させることができる。 The graft ratio of the polymer thus obtained (that is, the weight percentage of the graft chain with respect to the substrate before polymerization) is 5 to 300% by weight, more preferably 50 to 200% by weight. The graft ratio can be appropriately changed depending on the irradiation dose, polymerization temperature, polymerization time and the like.
以下、本発明の陽イオン交換膜ならびにその製造方法を実施例にもとづいてさらに詳細に説明する。なお、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the cation exchange membrane of the present invention and the production method thereof will be described in more detail based on examples. In addition, this invention is not limited to this Example.
(実施例1)
膜厚25μmのナイロン6基材を酸素不透過性ポリ袋中に挿入後、この袋内を窒素置換し、袋内の酸素を除去する。次いでこの基材を含む袋に電子線を−80℃、加速電圧2.0MeV、電子線電流20mAで、200kGy照射した。次いで、窒素によりバブリングし、予め酸素ガスを除いたスチレンスルホン酸ナトリウムの10重量%水溶液を袋内に充填した。充填後、袋を40℃恒温槽に8h浸漬させた。その後、袋より膜を取り出し、水で洗浄し、風乾した。グラフト率は125%であった。得られた陽イオン交換膜はよく水洗し、0.5M−塩化ナトリウム水溶液中に保存した。
Example 1
After inserting a
さらに、本発明の陽イオン交換膜と現在製塩用陰イオン交換膜として使用されている膜(旭硝子(株)ASA)を小型電気透析装置(膜面積8cm2)に装着し、濃縮試験を実施した。脱塩室流速は6cm/s、電流密度3A/dm2の濃縮条件で供給液は0.5Mの塩化ナトリウム水溶液を用いた。 Furthermore, the cation exchange membrane of the present invention and the membrane currently used as an anion exchange membrane for salt production (Asahi Glass Co., Ltd. ASA) were mounted on a small electrodialysis apparatus (membrane area 8 cm 2 ), and a concentration test was carried out. . A 0.5 M sodium chloride aqueous solution was used as the feed solution under the concentration conditions of a desalting chamber flow rate of 6 cm / s and a current density of 3 A / dm 2 .
実施例1と異なる方法で合成した膜を実施例2−6、現在製塩用陽イオン交換膜として使用されている膜を比較例1とし、実施例1とあわせ、合成条件及び膜特性を表1に示す。なお、比較例1で使用されている製塩用陽イオン交換膜は、旭硝子(株)製セレミオンCSOである。また、表1において、架橋濃度は、陽イオン交換基をもつモノマーに対する仕込みの重量比である。膜抵抗は、電気抵抗測定セル(有効面積1.77cm2)と交流ブリッジ回路を使って膜の電気抵抗を算出し、セルの有効面積1.77cm2をかけることにより測定した。なお、膜の電気抵抗は膜を電気抵抗測定用のセルにはさみ、セルを0.5MNaClに満たした状態で交流ブリッジ回路を使って、膜と0.5MNaClの電気抵抗を測定した後、膜をはさまない状態で0.5MNaClのみの電気抵抗を測定し、膜と0.5MNaClの電気抵抗から0.5MNaClのみの電気抵抗を差し引いて膜の電気抵抗とした。 The membrane synthesized by a method different from that in Example 1 is Example 2-6, the membrane currently used as a cation exchange membrane for salt production is Comparative Example 1, and together with Example 1, the synthesis conditions and membrane characteristics are shown in Table 1. Shown in The salt-forming cation exchange membrane used in Comparative Example 1 is Selemion CSO manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. In Table 1, the crosslinking concentration is the weight ratio of the charge to the monomer having a cation exchange group. The membrane resistance was measured by calculating the electrical resistance of the membrane using an electrical resistance measurement cell (effective area 1.77 cm 2 ) and an AC bridge circuit and multiplying the effective area of the cell by 1.77 cm 2 . The electrical resistance of the membrane is measured by measuring the electrical resistance of the membrane and 0.5 M NaCl using an AC bridge circuit with the membrane sandwiched between cells for electrical resistance measurement and filling the cell with 0.5 M NaCl. The electric resistance of only 0.5 M NaCl was measured in a state where the film was not sandwiched, and the electric resistance of only 0.5 M NaCl was subtracted from the electric resistance of the film and 0.5 M NaCl to obtain the electric resistance of the film.
以下、本発明の陰イオン交換膜およびその製造方法を実施例にもとづいてさらに詳細に説明する。なお、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the anion exchange membrane of the present invention and the production method thereof will be described in more detail based on examples. In addition, this invention is not limited to this Example.
(実施例7)
膜厚25μmのナイロン6基材を酸素不透過性ポリ袋中に挿入後、この袋内を窒素置換し、袋内の酸素を除去する。次いでこの基材を含む袋に電子線を−80℃から室温までの範囲で、加速電圧2.0MeV、電子線電流20mAで、200kGy照射した。次いで、窒素によりバブリングし、予め酸素ガスを除いたビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライドおよびDVB、それぞれ20および0.8重量%水溶液を袋内に充填した。充填後、袋を40℃恒温槽に48h浸漬させた。その後、袋より膜を取り出し、水で洗浄し、風乾した。グラフト率は133%であった。得られた陰イオン交換膜はよく水洗し、0.5Mの塩化ナトリウム水溶液中に保存した。
(Example 7)
After inserting a
さらに、本発明の陰イオン交換膜と現在製塩用陽イオン交換膜として使用されている膜(旭硝子(株)CSO)を小型電気透析装置(膜面積8cm2)に装着し、濃縮試験を実施した。脱塩室流速は6cm/s、電流密度3A/dm2の濃縮条件で供給液は0.5Mの塩化ナトリウム水溶液を用いた。 Furthermore, the anion exchange membrane of the present invention and a membrane (Asahi Glass Co., Ltd. CSO) currently used as a cation exchange membrane for salt production were mounted on a small electrodialysis apparatus (membrane area 8 cm 2 ), and a concentration test was conducted. . A 0.5 M sodium chloride aqueous solution was used as the feed solution under the concentration conditions of a desalting chamber flow rate of 6 cm / s and a current density of 3 A / dm 2 .
実施例7と異なる方法で合成した膜を実施例8−11、現在製塩用陰イオン交換膜として使用されている膜を比較例2とし、実施例7とあわせ、合成条件及び膜特性を表2に示す。なお、比較例2で使用されている製塩用陰イオン交換膜は、旭硝子(株)製セレミオンASAである。 A membrane synthesized by a method different from that in Example 7 was designated as Example 8-11, a membrane currently used as an anion exchange membrane for salt production was designated as Comparative Example 2, and together with Example 7, the synthesis conditions and membrane characteristics were shown in Table 2. Shown in The anion exchange membrane for salt production used in Comparative Example 2 is Selemion ASA manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.
また、濃縮試験の結果として膜抵抗と濃縮液の塩化ナトリウム濃度との関係を図1、2に示す。
表1、2に示したとおり本発明に従って製造したいずれの膜についても、膜抵抗は市販膜とほぼ同等もしくは、それより低い値を示した。
さらに、図1、2に示したとおり、本発明に従って製造したいずれの陽もしくは陰イオン交換膜についても、市販されている陽もしくは陰イオン交換膜と比較し同等もしくはそれより高い濃縮性能を示した。なお、図1、2中に示した直線は、現行のイオン交換膜と同等の濃縮性能を示す直線であり、直線より上部に示される膜性能はすべて現行の膜より高い濃縮性能であるといえる。
1 and 2 show the relationship between the membrane resistance and the concentration of sodium chloride in the concentrated liquid as a result of the concentration test.
As shown in Tables 1 and 2, for any of the films produced according to the present invention, the film resistance was almost equal to or lower than that of the commercially available film.
Furthermore, as shown in FIGS. 1 and 2, any cation or anion exchange membrane produced according to the present invention showed a concentration performance equal to or higher than that of a commercially available cation or anion exchange membrane. . The straight lines shown in FIGS. 1 and 2 are straight lines showing the same concentration performance as that of the current ion exchange membrane, and all the membrane performances shown above the straight line can be said to be higher than the current membrane. .
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