JP5539228B2 - ポリノルボルネンパーベーパレーション膜フィルム、その調製および使用 - Google Patents
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Description
本出願は、2008年1月28日出願の米国仮特許出願第61/024,043号に基づく優先権の利益を主張しており、その全内容が参照により本明細書に援用される。
thf:テトラヒドロフラン CAS:[109−99−9]
DME:1,2−ジメトキシエタン CAS:[110−71−4]
RT:室温
PGMEA:プロピレングリコールメチルエーテルアセテート CAS:[108−65−6]
MGENB:メチルグリシジルエーテルノルボルネン CAS:[3188−75−8]
DeNB:5−デシル−2−ノルボルネン CAS:[22094−85−5]
PENB:フェネチルノルボルネン CAS:[29415−09−6]
TMSNB:トリメトキシシリルノルボルネン CAS:[7538−46−7]
TESNB:トリエトキシシリルノルボルネン CAS:[18401−43−9]
MeOAcNB:5−ノルボルネン−2−メタノールアセテート CAS:[10471−24−6]
HFANB:ヒドロキシヘキサフルオロイソプロピルノルボルネン CAS:[196314−61−1]
TFSNB:N−(ビシクロ[2.2.1]ヘプタ−5−エン−2−イルメチル)−1,1,1−トリフルオロメタンスルホンアミド CAS:[287923−92−6]
tBuEsNB:ビシクロ[2,2,1]ヘプタ−5−エン−2−tert−ブチルカルボキシラート CAS:[154970−45−3]および
Mw:分子量。
1種またはそれ以上のノルボルネンモノマーを1種またはそれ以上の有機溶媒に溶解させ、反応容器に投入し得る。空気および/または溶存水を取り除く。そのモノマー溶液に触媒溶液を加える。種々の技術(抽出などを含む)を用い、ポリノルボルネンポリマーを回収し、乾燥させる。例示的な重合プロセスは、公開された米国特許出願公開第2006/0020068(A1)号明細書の段落[0053]および[0057]に記載されており、かかる段落およびそこで参照された文献は、参照により本明細書に援用される。他の例示的な重合プロセスは、米国特許第5,468,819号明細書および米国特許出願公開第2007/0066775号明細書に記載されており、これらも参照により本明細書に援用される。
NB(49.8g、0.5モル)、PENB(105.0g、0.5モル)およびHFANB(145.3g、0.5モル)を、トルエンおよび1,2−ジメトキシエタンの混合物(85/15)に溶解させ、次いで、3Lの反応容器に投入した。この容器および溶液に1時間にわたってN2を注入して空気および溶存水を全て除去した。ドライボックス中において、49.2gの無水酢酸エチルに4.8gのNiArf(0.01モル)を溶解させることにより、ニッケル触媒溶液を調製した。反応器を囲む水浴の温度を25℃に制御した。この触媒溶液を、乾いたカニューレシリンジにより上記モノマーに加えた。このモノマーとNiArfの比率は160:1であった。ジャケットを用いて25℃となるように制御される中で反応混合物を4時間にわたって攪拌した後、濃橙色の粘性ポリマー溶液を得た。この生成物溶液を希釈するために200gのテトラヒドロフランを加えた。テトラヒドロフランと生成物とを混合した後、脱イオン水172.1gと、氷酢酸59.6g(1モル)および30%過酸化水素112.5g(1モル)を含む過酸溶液172.1gとを加え、一晩中攪拌した。ジャケットを用いて温度を60℃となるように制御する中、20分後に2つの相が分離し始めた。酸洗後、NiArf触媒をポリマー相から酸層に移動させ、次いで酸層を排出させた。次に、450gの脱イオン水および150gのイソプロパノールを加え、10分間にわたって攪拌し、分離させ、排出させた。この水洗および排出手順を3回繰り返した。このポリマー溶液を、MeOH/水の80/20混合物中に沈殿させ、濾紙に通して濾過した。白色のポリマー粉末を回収し、70℃の真空オーブン中で一晩中乾燥させた。13C NMR分析により、このターポリマーの組成がNB/PENB/HFANB 28/43/29であることが確認された。
単層フィルム:ポリノルボルネンを有機溶媒に溶解させて溶液を作製し、次いで、この溶液を濾過する。濾過後、トラップされたガスを除去し得る。そのポリマーを基材上に注ぎ、展延(pull)してフィルムを形成する。次いで、このフィルムを単純に乾燥させ、基材から取り外し、使用し得る状態にする。
上記膜から2インチの円を切り出してカプセルに取り付け、次いでこのカプセルをパーベーパレーション試験デバイスにセットした。試験デバイス中の供給液を70℃に加熱し、10分間にわたってデバイス中を循環させて、漏洩(リーク)がないか確認した。この確認の終了後、膜の乾燥側を真空引きし、冷却されたトラップ中に全ての透過物を回収した。このシステムを3時間にわたって作動させ、回収された透過物を室温に温めて評価した。
室温における透過物は2相液体に分離しており、その重さを量ったところ2.2gであった。この透過物に0.4gのMeOHを加えてこれらの相が混和し得るようにし、これにより単相の透過物を調製した。この単相の透過物(1g)を、0.02gのPGMEAを有するGCサンプリングバイアルに加え、完全に混合させた。次いで、このバイアルからとった試料をガスクロマトグラフに注入し、そこでPGMEA標準に対するブタノールピークの面積を評価することにより、%ブタノールを決定した。
ポリノルボルネンを有機溶媒に溶解させ、濾過して粒子を除去する。次いで、この溶液を紡糸口金(spinneret)の外側穴を通じて圧力により移動させると同時に、溶媒と塩の混合物を紡糸口金の内側穴を通じて圧力により移動させる。これらの圧力移動させた材料を沈殿浴に導いて中空糸を得る。中空糸の寸法は、上記内側/外側穴の大きさおよび上記溶液を移動させる圧力により制御され得る。
一般的に述べると、ポリノルボルネンポリマーを適切な溶媒(例えばメシチレン)に適切な濃度(例えば5重量%)で溶解させ、100ミクロンのフィルターに通して濾過して粒子を除去した。このポリノルボルネン溶液に、内側穴を塞いだ中空糸の精密濾過膜または限外濾過膜(例えば、0.1ミクロンのPVDFまたは3000MWCOポリスルホン)を浸漬し、次いで該溶液から引き上げた。この糸を適切な条件で(例えば、23〜60℃で0.5〜12時間)乾燥させることにより、溶媒を除去した。SEMを用いてこの薄フィルム複合中空糸を調べた。SEM画像により、中空糸の外側に厚さ3〜7ミクロンの緻密なポリノルボルネンフィルムが形成されていることが確認された。
PVP(ポリビニルピロリドン)混合効果:BuOH/THF(1/3)中15%TS溶液NB/PENB/HFANBにPVPを、異なる濃度(0、25、33、50、75および100phr)で混合した。次いで、支持なし膜を流延し、室温にてMeOH/水の25/75混合液に入れて凝固(coagulate)させ、新しい水に浸漬した。表1に示すように、0phr膜は、半透明の色合いおよび柔軟な機械的性質を示した。PVP濃度の上昇に伴って機械的性質は弱くなるように思われた。また、膜試料は、それらのSEMの断面画像(図3)において、ある傾向を示した。0phr膜は25μmと極めて薄く、25phr膜はそれより厚く(〜約85μm)見えた。他の4つの膜は全て、SEMによる測定において、110〜150μmの厚さを有していた。高倍率画像(図4および図5)では、0phr膜は微粒子特性を示したが、他は全て、チャネル組織を有するサンゴ様の微細構造を有していた。以上の結果は、PVPを33〜100phr混合すると、混合しない場合と比較して大きな形態変化(多孔性)をもたらすことを示している。
ポリノルボルネン組成物の比較を行って、パーベーパレーション試験におけるn−ブタノールの性能を観察した。ここで調べた2つの従属変数は、流束および分離係数である。フィード溶液の濃度は固定(約5%)とした。ヒートバスを用いて上記フィード溶液を65℃に加熱した。これにより与えられるハウジング温度は、熱損失のため、約60℃となる。透過物試料は、液体窒素中の減圧トラップを用いて回収した。減圧状態の圧力は20inHgであった。上記フィード溶液を70mL/分にてダイヤフラムポンプによりシステム中に供給した。3時間の試験により試料を回収した。支持なし緻密フィルムとして、様々の組成のターポリマーを使用した。これらのフィルムの典型的な厚さは30〜50ミクロンであり、有効直径は43.5mmであった。ここで使用した装置は、同時に動作する6つのハウジングを有するように設計されたものである。各試験のデータは、全てのハウジングの平均値である。以下の表において、SDは標準偏差を表す。これら全ての表において、ターポリマーの組成は、モノマー1/モノマー2/モノマー3のモル比により示される。NBはノルボルネンを表し、HFANBはNB−ヘキサフルオロイソプロパノールを表し、グリコールNBはNB−CH2OCH2CH2OHを表し、PENBはNB−フェニルエチルを表し、HFIBONBはNB−メトキシメチルヘキサフルオロプロパノールを表し、HxNBはNB−ヘキシルを表し、BuNBはNB−ブチルを表す。
試料E(Mw400,000〜500,000のNB/PENB/HFANBターポリマー)から作製した膜について、様々な水中ブタノール濃度におけるSFおよび流束を、6つのハウジングを有する試験装置を用いて60℃にて測定した。得られた結果を図11、図12および図13に示す。
パーベーパレーション試験におけるイソブタノールおよびn−ブタノールの性能を観察するため、アルコールの比較を行った。ここで調べた2つの従属変数は、流束および分離係数である。各試験において、様々な濃度(約1%、3%、および5%)のフィード溶液を用いて濃度の影響を調べた。ヒートバスを用いて上記フィード溶液を65℃に加熱した。これにより与えられるハウジング温度は、熱損失のため、約60℃となる。透過物試料は、液体窒素中の減圧トラップを用いて回収した。減圧状態の圧力は20inHgであった。上記フィード溶液を70mL/分にてダイヤフラムポンプによりシステム中に供給した。フィード濃度が3%以上の場合については、3時間の試験により試料を回収した。より低い濃度については、分析するのに十分な試料を回収するのにより多くの時間を必要とし、そのような場合には試験時間を6時間とした。全ての試験において同じ緻密ポリマーフィルム組成を使用した。該ポリマーフィルムは、33/33/33−NB/PENB/HFANBターポリマーであった。これらを支持なし緻密フィルムとして用いた。これらのフィルムの平均厚さは40ミクロンであり、有効直径は43.5mmである。ここで使用した装置は、同時に動作する6つのハウジングを有するように設計されたものである。各試験のデータは、全てのハウジングの平均値である。以下の表において、Avは平均値を表し、SDは標準偏差を表す。
上記単層フィルムと同様にして薄フィルム複合体(TFC)膜を調製した。違いは、ガラスパネルに固定されるMicrodyn−Nadir 200K MWCO PVDF精密濾過膜上に5ミクロンのポリマーフィルムをドクターブレードにてコートした点である。コートされたPVDF試料は、一様なコートを確保するため、ドクターブレードよりも広幅である。次いで、これを一晩空気乾燥させた。このポリマーはPVDFの表面上に残されるため、TFCを持ち上げてガラスパネルから取り外すための浸漬は必要ない。
Claims (18)
- ビニル付加ポリノルボルネンポリマーを含むパーベーパレーション膜であって、
前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーは、重量平均分子量(Mw)が少なくとも5,000であり、
前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーは、ノルボルネン型モノマーから誘導された少なくとも2種の異なる繰返し単位を含み、前記繰返し単位のうち1種はペンダント基にフッ素化カルビノール部分を有するノルボルネン型モノマーから誘導されたものである、パーベーパレーション膜。 - 水に対して有機物を優先的に透過させる性質を有し、フィード流における有機物濃度の増大に伴って前記有機物を優先的に透過させる性質が上昇する、請求項1に記載のパーベーパレーション膜。
- 管状中空糸、緻密フィルムフラットシート、または薄フィルム複合体の形態にある、請求項1または2に記載のパーベーパレーション膜。
- 前記パーベーパレーション膜は、ヒドロキシヘキサフルオロイソプロピルノルボルネンとC1〜C10アルキルノルボルネンとのコポリマーを含む、請求項1または2に記載のパーベーパレーション膜。
- 前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーが、異なるノルボルネン型モノマーから誘導された少なくとも3種の異なる繰返し単位を含む、請求項1または2に記載のパーベーパレーション膜。
- 前記有機物がブタノールである、請求項2に記載のパーベーパレーション膜。
- 少なくとも1重量%のブタノールを含む発酵培養液からのブタノールについて少なくとも100g/(m2・hr)の流束(単位時間(hr)当たりに前記パーベーパレーション膜の単位面積(m2)を流通するブタノールの量(g))を有する、請求項6に記載のパーベーパレーション膜。
- ブタノールがn−ブタノールを含む、請求項6に記載のパーベーパレーション膜。
- 有機生成物を含む発酵培養液から有機生成物を分離する方法であって:
ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜を備えるパーベーパレーションモジュールに発酵培養液を供給する工程、ここで、前記ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜はビニル付加ポリノルボルネンポリマーを含み、前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーは、重量平均分子量(Mw)が少なくとも5,000であって少なくとも2種の異なる繰返し単位を含み、前記繰返し単位のうち1種はペンダント基にフッ素化カルビノール部分を有する;および
前記パーベーパレーションモジュールから前記有機生成物を含む透過物蒸気を回収する工程;
を包含する、有機生成物分離方法。 - ブタノールを含む発酵培養液からブタノールを分離する方法であって:
ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜を備えるパーベーパレーションモジュールに発酵培養液を供給する工程、ここで、前記ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜はビニル付加ポリノルボルネンポリマーを含み、前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーは、重量平均分子量(Mw)が少なくとも5,000であって少なくとも2種の異なる繰返し単位を含み、前記繰返し単位のうち1種はペンダント基にフッ素化カルビノール部分を有する;および
前記パーベーパレーションモジュールからブタノールを含む透過物蒸気を回収する工程;
を包含する、ブタノール分離方法。 - 前記パーベーパレーションモジュールに供給される前記発酵培養液の温度が30℃〜90℃である、請求項9または10に記載の方法。
- 前記パーベーパレーションモジュールに1inHg〜25inHgの減圧を適用する、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーは、ヒドロキシヘキサフルオロイソプロピルノルボルネンモノマー単位を含む、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜は、0.1ミクロン〜500ミクロンの厚さを有する、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ポリノルボルネンパーベーパレーション膜は、水に対して有機物を優先的に透過させる性質を有し、前記有機物を優先的に透過させる性質が前記発酵培養液における有機物濃度の増大に伴って上昇する、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ポリノルボルネンパーベーパレーション膜は、少なくとも1重量%のブタノールを含む発酵培養液からのブタノールについて少なくとも100g/(m2・hr)の流束(単位時間(hr)当たりに前記パーベーパレーション膜の単位面積(m2)を流通するブタノールの量(g))を有する、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜は、非ポリノルボルネン濾過成分を上回る前記ビニル付加ポリノルボルネンポリマーを含む、請求項9または10に記載の方法。
- 前記ビニル付加ポリノルボルネンパーベーパレーション膜は、ヒドロキシヘキサフルオロイソプロピルノルボルネンとC1〜C10アルキルノルボルネンとのコポリマーを含む、請求項9または10に記載の方法。
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