JP5349774B2 - 溶液からの溶媒の分離装置及び分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、水と、水より沸点が高い有機溶剤とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーが溶解された混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離装置及び分離方法に関する。

ポリスルホンの中空糸膜を製造する際には、例えば、ポリスルホン及びポリビニルピロリドンを、ジメチルアセトアミド及び水に溶解して原液を調製し、この原液を凝固浴に吐出させる方法が採られている。
上記製造方法では、凝固浴から、ポリビニルピロリドンを水及びジメチルアセトアミドに溶解させた混合溶液が排出される。その混合溶液から水及びジメチルアセトアミドの相当量が回収再利用されるが、なおもポリビニルピロリドンを含む大量の混合溶液がそのまま廃棄処分されていた。しかし、近年、環境への負荷を低減させるために、ジメチルアセトアミドをより多く回収して再利用することが求められている。

ところで、ジメチルアセトアミドの沸点近くでは、ポリビニルピロリドンのジメチルアセトアミドへの溶解度が小さいため、前記混合溶液を加熱して水を先に蒸発させると、主に水に溶解していたポリビニルピロリドンが析出した。この析出したポリビニルピロリドンは加熱伝熱面に付着し、加熱面の伝熱を妨げるようになる。
そのため、ポリビニルピロリドンを水及びジメチルアセトアミドに溶解させた混合溶液から、ポリビニルピロリドンと水及びジメチルアセトアミドとを分離する際には、特許文献１に記載されているような、ポリマーの付着に対応した真空式の薄膜塗布型ドラムドライヤを使用する方法を適用しなければならなかった。
特開平０７−００８７０１号公報

真空式の薄膜塗布型ドラムドライヤを使用する方法では、薄膜状態のため、ポリビニルピロリドンが析出しても水及びジメチルアセトアミドを加熱蒸発させる際に伝熱性能が維持でき、さらにドラムに付着したポリマーを掻き取るため、ポリマーの付着を防止しながらポリマーと水及び有機溶剤とを分離できる。その反面、真空設備を備えるため、複雑になり、設備費が高くなる傾向にあり、汎用性に乏しかった。さらに、掻きとったポリビニルピロリドンの紛体を真空雰囲気中から大気雰囲気中に回収するのが煩雑であった。また、真空式でないドラムドライヤは真空式に比較してさらに加熱伝熱面積を大きくする必要があり、設備費はさらに高くなっていた。
このような問題は、ポリビニルピロリドンを水及びジメチルアセトアミドに溶解させた混合溶液に限らず、水と、水より沸点が高い有機溶剤と、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーとを含有する混合溶液の場合に共通する問題である。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、水と、水より沸点が高い有機溶剤とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーが溶解された混合溶液から水及び有機溶剤を分離する際に、ポリマーの付着を防止でき、しかも簡便な分離装置及び分離方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の態様を包含する。
［１］ 水と、水より沸点が高い有機溶剤とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーが溶解した混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離装置であって、
互いに噛み合いながら同方向に回転する２本のスクリューと、該２本のスクリューを収容するシリンダと、該シリンダ内を加熱するヒータとを備えた二軸押出機を具備し、
該二軸押出機は分離ゾーンを有し、該分離ゾーンは、前記混合溶液をシリンダに供給する供給孔と、該供給孔より該二軸押出機の先端側に形成され、揮発成分をシリンダから排出させる揮発成分排出孔と、該分離ゾーンの先端にてスクリューに取り付けられたニーディングディスクとを有することを特徴とする分離装置。
［２］ 二軸押出機の供給孔に接続され、二軸押出機に供給する前に前記混合溶液をあらかじめ濃縮する濃縮機をさらに具備することを特徴とする［１］に記載の分離装置。
［３］ ［１］に記載の分離装置を用いて、前記混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離方法であって、
前記混合溶液を供給孔から二軸押出機のシリンダに供給する工程と、
シリンダに供給した混合溶液を、ヒータにより加熱しながら、２本のスクリューを回転させることで二軸押出機の先端側に向けて移送して、水及び有機溶剤を揮発させ、揮発させた水及び有機溶媒を揮発成分排出孔より排出させ、ポリマーを二軸押出機の先端より排出させる工程とを有することを特徴とする分離方法。
［４］ 前記混合溶液を供給孔から二軸押出機のシリンダに供給する工程の前に、混合溶液をあらかじめ濃縮する工程をさらに有することを特徴とする［３］に記載の分離方法。
［５］ 有機溶剤がジメチルアセトアミド、ポリマーがポリビニルピロリドンである［３］または［４］に記載の分離方法。

本発明の分離装置及び分離方法によれば、水と、水より沸点が高い有機溶剤とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーが溶解された混合溶液から水及び有機溶剤を分離する際に、ポリマーの付着を防止でき、しかも簡便である。

（分離装置）
本発明の分離装置の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例の分離装置１は、水と、水より沸点が高い有機溶剤（以下、有機溶剤と略す。）とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマー（以下、ポリマーと略す。）とが溶解された混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離装置であって、二軸押出機１０と濃縮機２０とを具備するものである。

［二軸押出機］
二軸押出機１０は、図２及び図３に示すように、互いに噛み合いながら同方向に回転する２本のスクリュー１１，１１と、２本のスクリュー１１，１１を収容するシリンダ１２と、シリンダ１２内を加熱するヒータ１３とを備えるものである。
また、本実施形態例における二軸押出機１０は、上流側の第１の分離ゾーンＺ_１と下流側の第２の分離ゾーンＺ_２に区分されている。
第１の分離ゾーンＺ_１及び第２の分離ゾーンＺ_２の各々には、前記混合溶液をシリンダ１２内に供給する供給孔１４と、供給孔１４より二軸押出機１０の先端１０ａ側かつ各分離ゾーンＺ_１，Ｚ_２の先端の近傍に形成され、揮発成分をシリンダ１２から排出させる揮発成分排出孔１５と、各分離ゾーンＺ_１，Ｚ_２の先端にてスクリュー１１に取り付けられたニーディングディスク１６とを有している。
供給孔１４には、混合溶液を供給する供給管１４ａが接続され、揮発成分排出孔１５には、揮発成分を排出する排出管１５ａが接続されている。
また、二軸押出機１０のシリンダ１２の先端１０ａには、固体成分を排出させる固体成分排出口１８が形成されている。

スクリュー１１の、ニーディングディスク１６が取り付けられた部分以外の部分には、ポリマーを順送りするエレメント１７が取り付けられている。ニーディングディスク１６ではポリマーの移動速度が遅くなるため、その部分でポリマーが滞留するようになる。その結果、滞留したポリマーが堰の役割を果たし、揮発成分が固体成分排出口１８側に流れないようになっている。なお、分離ゾーンＺ_１のニーディングディスク１６の直近下流には堰の役割を確実にするために、逆送りスクリューを配置してもよい。
また、スクリュー１１は末端に接続されたモータ１９によって回転するようになっている。

ヒータ１３は、シリンダ１２内を一括して加熱するものであってもよいし、シリンダ１２内を分割して加熱するものであってもよい。

［濃縮機］
濃縮機２０は、混合溶液から水及び有機溶剤を揮発させて濃縮させるものであり、供給孔１４に接続されている。このような濃縮機２０としては、水及び有機溶剤を揮発させるために、加熱可能な容器、減圧可能な容器などが用いられる。濃縮機２０の具体例としては、パンドライヤ、薄膜蒸発機などが挙げられる。これらの中でも、簡便であることから、パンドライヤが好ましい。

［分離装置の作用効果］
上述した分離装置１の二軸押出機１０では、ヒータ１３によりシリンダ１２を加熱することによって、混合溶液中の水及び有機溶剤を蒸発させると共に、水及び有機溶剤の蒸発によって析出したポリマーを溶融させることができる。また、互いに噛み合いながら同方向に回転する２本のスクリュー１１，１１を具備するため、シリンダ１２の内面及びスクリューの表面に析出し付着したポリマーを掻き取りながら固体成分排出口１８に移送することができる。さらに、各分離ゾーンＺ_１，Ｚ_２の先端にニーディングディスク１６を有することにより、その部分にてポリマーを滞留させて、揮発成分を固体成分排出口１８側に流れないようにして、揮発成分排出孔１５に流れるようにすることができる。
したがって、分離装置１では、ポリマーの付着を防止しながら、前記混合溶液から水及び有機溶剤を分離し、揮発成分排出孔１５から水及び有機溶剤の蒸気を排出させ、固体成分排出口１８からポリマーを排出させることができる。
また、二軸押出機１０を用いた分離装置１では、真空対応が容易であり、簡便である。

さらに、分離装置１は、濃縮機２０を具備しているため、混合溶液を濃縮させてから二軸押出機１０に供給することができる。濃縮機２０は、大きい伝熱面積を確保できるため、濃縮機２０であらかじめ濃縮した混合溶液を二軸押出機１０に供給して分離することにより、分離に要する二軸押出機を小さくでき、全体として設備投資効率を向上させることができる。

（分離方法）
本発明の分離方法の一実施形態例について説明する。
本実施形態例の分離方法は、上記分離装置１を用いて、前記混合溶液から水及び有機溶剤を分離する方法である。
具体的には、混合溶液を濃縮機２０で濃縮する工程（以下、第１の工程という。）と、濃縮機２０にて濃縮した混合溶液を供給孔１４を介して二軸押出機１０のシリンダ１２に供給する工程（以下、第２の工程という。）と、二軸押出機１０によって、水及び有機溶剤を揮発させ、揮発させた水及び有機溶媒を揮発成分排出孔１５より排出させ、ポリマーを固体成分排出口１８より排出させる工程（以下、第３の工程という。）とを有する方法である。

［第１の工程］
第１の工程では、濃縮機２０にて、混合溶液を加熱し、必要に応じて減圧して濃縮する。この濃縮では混合溶液の固形分濃度を１０〜３０質量％にすることが好ましく、１５〜２５質量％であることがより好ましい。固形分濃度を１０質量％以上とすれば、二軸押出機１０に充分に濃縮した混合溶液を供給できるので、分離装置１の設備投資効率をより向上させることができる。また、固形分濃度を３０質量％以下とすれば、流動性を確保できる。

［第２の工程］
第２の工程では、第１の分離ゾーンＺ_１及び第２の分離ゾーンＺ_２の各供給孔１４に濃縮した混合溶液を供給する。その際の供給量は、二軸押出機１０の処理能力に応じて適宜選択される。また、混合溶液の水の含有量は２〜１５質量％であることが好ましく、５〜６質量％であることがより好ましい。混合溶液の水の含有量が２質量％以上であれば、流動性を充分に確保でき、１５質量％以下であれば、二軸押出機１０として規模の小さいものを用いることができる。

［第３の工程］
第３の工程では、シリンダ１２に供給した混合溶液を、ヒータ１３により加熱しながら、２本のスクリュー１１，１１を同方向に回転させることで揮発成分排出孔１５及び固体成分排出口１８に向けて移送する。これにより、ポリマーを溶融させると共に、水及び有機溶剤を揮発させる。
加熱温度はポリマーの軟化点以上にすることが好ましい。加熱温度をポリマーの軟化点以上にすれば、ポリマーを溶融させて移送しやすくでき、しかも水及び有機溶剤を確実に蒸発させることができる。

第３の工程では、揮発成分排出孔１５の絶対圧力を０．０５〜０．０９５ＭＰａとすることが好ましく、０．０８〜０．０９５ＭＰａとすることがより好ましい。揮発成分排出孔１５の絶対圧力を０．０５ＭＰａ以上とすれば、シリンダ１２内でのガス速度を抑えることができ、揮発成分排出孔１５へのポリマーの同伴を防止できる。揮発成分排出孔１５の絶対圧力を０．０９５ＭＰａ以下とすれば、揮発成分を揮発成分排出孔１５から容易に排出させることができる。

上記分離方法により得た揮発成分は水及び有機溶剤を含むものであり、凝縮することで回収できる。回収した水及び有機溶剤は再利用可能である。また、上記分離方法により得た固体成分はポリマーを含むものであり、用途によっては再利用可能である。

上記分離方法を適用できる有機溶剤としては、例えば、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドンなどが挙げられる。
上記分離方法を適用できるポリマーとしては、例えば、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。
とりわけ、上記分離方法の効果がより発揮される点では、有機溶剤がジメチルアセトアミドで、かつ、ポリマーがポリビニルピロリドンであることが好ましい。

上述したように、本実施形態例の分離方法では、二軸押出機１０によって水及び有機溶剤を揮発させ、揮発させた水及び有機溶媒を揮発成分排出孔１５より排出させ、ポリマーを固体成分排出口１８より排出させることができる。しかも、互いに噛み合いながら同方向二回転する２本のスクリュー１１，１１を備えた二軸押出機１０を用いるため、ポリマーを掻き取りながら移送することができる。そのため、ポリマーの付着を防止できる。

なお、本発明の分離装置及び分離方法は上述したものに限定されない。例えば、上記実施形態例における二軸押出機１０には、２つの分離ゾーンに区分されて２つの分離ゾーンにてポリマーを各々分離していたが、３つ以上の分離ゾーンに区分されて３つ以上の分離ゾーンにてポリマーを各々分離してもよい。また、１つの分離ゾーンで水及び有機溶剤を分離してもよい。
また、濃縮機２０を省略し、濃縮しないで混合溶液を二軸押出機１０のシリンダ１２内に供給してもよい。しかし、上述したように、投資効率を向上させることができるため、濃縮機２０により混合溶液を濃縮することが好ましい。

（使用例）
分離装置及び分離方法は、水と、水より沸点が高い有機溶剤と、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーとを含有する混合溶液を生成する場合に適用される。
例えば、ポリスルホンの中空糸膜を製造する際に排出された水／ジメチルアセトアミド／ポリビニルピロリドンの混合溶液から、水及びジメチルアセトアミドとポリビニルピロリドンとを分離するのに適用できる。以下に、ポリスルホンの中空糸膜を製造する際に排出された水／ジメチルアセトアミド／ポリビニルピロリドンの混合溶液を分離する方法について説明する。

図４に、ポリスルホンの中空糸膜を製造する紡糸設備の一例を示す。この紡糸設備１００は、ポリスルホン（図中ではＰＳＦと表記する。）とポリビニルピロリドン（図中ではＰＶＰと表記する。）に水及びジメチルアセトアミドを混合して原液を調製する混合槽２と、原液を凝固液に吐出させて中空糸膜を形成する紡浴３と、紡浴３から排出された水／ジメチルアセトアミド／ポリビニルピロリドンの混合溶液を一時的に貯留する廃液タンク４と、廃液タンク４から移送した混合溶液の水の一部を脱水する第１の脱水装置５ａと、第１の脱水装置５ａにて脱水した混合溶液中のジメチルアセトアミドの一部を蒸発させて分離する蒸発装置６と、蒸発装置６に接続された分離装置１と、分離装置１により分離した水及びジメチルアセトアミドを廃液タンク４に移送する移送管７と、蒸発装置６により分離したジメチルアセトアミドを脱水する第２の脱水装置５ｂと、第２の脱水装置５ｂにより脱水して得たジメチルアセトアミドを混合槽２に返送する第１の返送管８ａと、第１の脱水装置５ａ及び第２の脱水装置５ｂにより回収した水を紡浴３に返送する第２の返送管８ｂとを具備するものである。
この紡糸設備１００における分離装置１では、蒸発装置６によりジメチルアセトアミドの一部を分離して残った水／ジメチルアセトアミド／ポリビニルピロリドンの混合溶液の水及びジメチルアセトアミドを分離する。

上記紡糸設備１００では、分離装置１により分離して回収した水及びジメチルアセトアミドを廃液タンク４に戻すことによって、回収したジメチルアセトアミドの一部を、第１の脱水装置５ａ、蒸発装置６、第２の脱水装置５ｂ及び第１の返送管８ａを経由して、混合槽２に戻して再利用することができる。したがって、分離装置１を具備することによって、ジメチルアセトアミドの廃棄量を少なくできるため、環境への負荷を低減させることができる。しかも、ジメチルアセトアミドは価格の高い溶剤であるため、ジメチルアセトアミドを再利用する上記紡糸設備１００はコストの面でも有利である。

本発明の分離装置の一実施形態例を示す模式図である。 図１に示す分離装置の二軸押出機を示す模式図である。 図２に示す二軸押出機のスクリューの一部を示す模式図である。 本発明の分離装置が使用される設備の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ 分離装置
２ 混合槽
３ 紡浴
４ 廃液タンク
５ａ 第１の脱水装置
５ｂ 第２の脱水装置
６ 蒸発装置
７ 移送管
８ａ 第１の返送管
８ｂ 第２の返送管
１０ 二軸押出機
１１ スクリュー
１２ シリンダ
１３ ヒータ
１４ 供給孔
１５ 揮発成分排出孔
１６ ニーディングディスク
１７ エレメント
１８ 固体成分排出口
１９ モータ
２０ 濃縮機
１００ 紡糸設備

Claims (5)

1. 水と、水より沸点が高い有機溶剤とに、水に溶解し且つ軟化点が前記有機溶剤の沸点より高いポリマーが溶解した混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離装置であって、
   互いに噛み合いながら同方向に回転する２本のスクリューと、該２本のスクリューを収容するシリンダと、該シリンダ内を加熱するヒータとを備えた二軸押出機を具備し、
   該二軸押出機は分離ゾーンを有し、該分離ゾーンは、前記混合溶液をシリンダに供給する供給孔と、該供給孔より該二軸押出機の先端側に形成され、揮発成分をシリンダから排出させる揮発成分排出孔と、該分離ゾーンの先端にてスクリューに取り付けられたニーディングディスクとを有することを特徴とする分離装置。
2. 二軸押出機の供給孔に接続され、二軸押出機に供給する前に前記混合溶液をあらかじめ濃縮する濃縮機をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の分離装置。
3. 請求項１に記載の分離装置を用いて、前記混合溶液から水及び有機溶剤を分離する分離方法であって、
   前記混合溶液を供給孔から二軸押出機のシリンダに供給する工程と、
   シリンダに供給した混合溶液を、ヒータにより加熱しながら、２本のスクリューを回転させることで二軸押出機の先端側に向けて移送して、水及び有機溶剤を揮発させ、揮発させた水及び有機溶媒を揮発成分排出孔より排出させ、ポリマーを二軸押出機の先端より排出させる工程とを有することを特徴とする分離方法。
4. 前記混合溶液を供給孔から二軸押出機のシリンダに供給する工程の前に、混合溶液をあらかじめ濃縮する工程をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の分離方法。
5. 有機溶剤がジメチルアセトアミド、ポリマーがポリビニルピロリドンである請求項３または４に記載の分離方法。

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