JP5853530B2 - Hollow fiber carbon membrane, separation membrane module, and method for producing hollow fiber carbon membrane - Google Patents

Hollow fiber carbon membrane, separation membrane module, and method for producing hollow fiber carbon membrane Download PDF

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Description

本発明は、中空糸炭素膜、分離膜モジュールおよび中空糸炭素膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a hollow fiber carbon membrane, a separation membrane module, and a method for producing a hollow fiber carbon membrane.

中空糸状に成形されたポリマーを炭化して得られる中空糸炭素膜は、耐熱性および耐薬品性に優れており、浸透気化分離法によって、水を含む有機溶媒から水を分離することができる分離膜モジュール等の装置に好適に用いることができる。   A hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a polymer formed into a hollow fiber is excellent in heat resistance and chemical resistance, and can separate water from an organic solvent containing water by pervaporation separation. It can be suitably used for an apparatus such as a membrane module.

たとえば特許文献1には、スルホン化ポリフェニレンオキサイドを含む製膜原液を二重管環状構造の中空糸紡糸ノズルの外管から水凝固浴中に押し出して前駆体高分子膜を作製し、この前駆体高分子膜を不融化処理した後に炭化することによって得られた中空糸炭素膜が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses that a precursor polymer membrane is prepared by extruding a membrane-forming stock solution containing sulfonated polyphenylene oxide into a water coagulation bath from the outer tube of a hollow fiber spinning nozzle having a double-tube annular structure. A hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing the membrane after infusibilizing the membrane is disclosed.

特許文献2には、中空糸状のスルホン化ポリフェニレンオキサイドを含む前駆体高分子膜に金属イオンを導入し、不融化処理した後に炭化することによって得られた、金属イオンを導入した中空糸炭素膜が開示されている。   Patent Document 2 discloses a hollow fiber carbon membrane introduced with metal ions, obtained by introducing metal ions into a precursor polymer membrane containing a hollow fiber-like sulfonated polyphenylene oxide, carbonizing after infusibility treatment. Has been.

特許文献3には、ポリフェニレンオキサイドを含む前駆体高分子膜を不融化処理した後に炭化することによって得られた中空糸炭素膜が開示されている。   Patent Document 3 discloses a hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a precursor polymer membrane containing polyphenylene oxide after infusibility treatment.

また、支持体としてのアルミナ等の多孔質基材の表面に炭素膜を設けることによって形成された分離膜も知られている。   A separation membrane formed by providing a carbon membrane on the surface of a porous substrate such as alumina as a support is also known.

たとえば特許文献4には、円筒状多孔質アルミナ管をフェノール樹脂溶液に浸漬して乾燥させてフェノール樹脂皮膜を形成し、このフェノール樹脂皮膜を加熱することによって形成された炭素膜を含む分子ふるい炭素膜が開示されている。   For example, Patent Document 4 discloses a molecular sieve carbon including a carbon film formed by immersing a cylindrical porous alumina tube in a phenol resin solution and drying it to form a phenol resin film and heating the phenol resin film. A membrane is disclosed.

特許文献5には、モノリス形状のアルミナ多孔質体からなる多孔質基材にポリイミド樹脂前駆体ワニスを含む下地層前駆体形成溶液をディップコートして下地層前駆体配設体を形成した後に、リグニンを含む分離層前駆体形成用溶液をディップコートして乾燥させ、炭化することによって形成された炭素膜積層体が開示されている。   In Patent Document 5, after forming a base layer precursor arrangement by dip coating a base layer precursor forming solution containing a polyimide resin precursor varnish on a porous base material made of a monolithic alumina porous body, A carbon film laminate formed by dip-coating a separation layer precursor forming solution containing lignin, drying, and carbonizing is disclosed.

特開2009−34614号公報JP 2009-34614 A 特開2010−269229号公報JP 2010-269229 A 特開2006−231095号公報JP 2006-231095 A 特許第3647985号公報Japanese Patent No. 3647985 特表2010−510870号公報Special table 2010-510870 gazette

浸透気化分離法によって、水を含む有機溶媒から水を分離する場合の中空糸炭素膜としては、中空糸炭素膜の水の分離性能と透過性能の双方が良好であることが求められている。   As a hollow fiber carbon membrane in the case of separating water from an organic solvent containing water by a pervaporation separation method, it is required that the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane are both good.

しかしながら、特許文献1にしたがって中空糸炭素膜を作製したところ、浸透気化分離法による水の分離性能は非常に優れるが、中空糸炭素膜全体が緻密化するため、中空部への水の透過性能が十分ではないという問題があった。   However, when a hollow fiber carbon membrane was prepared according to Patent Document 1, the water separation performance by the pervaporation separation method is very excellent, but the entire hollow fiber carbon membrane is densified, so the water permeation performance to the hollow portion There was a problem that was not enough.

また、特許文献1の実施例に記載されているように、高いスルホン化度(たとえばスルホン化度DS=45%)のスルホン化ポリフェニレンオキサイドを含む製膜原液を中空糸紡糸ノズルから凝固浴中に押し出して中空糸状の前駆体高分子膜を作製した場合には、紡糸工程中で、前駆体高分子膜が多量に水分を含む結果、前駆体高分子膜の強度が低くなってしまい、前駆体高分子膜の大量生産時の取り扱いに困難を生じる。さらに、紡糸工程後の乾燥工程において前駆体高分子膜同士が接着しやすいため、中空糸炭素膜の大量生産時の取り扱いが困難となるという問題もあった。   Further, as described in the Examples of Patent Document 1, a membrane-forming stock solution containing a sulfonated polyphenylene oxide having a high degree of sulfonation (for example, a degree of sulfonation DS = 45%) is fed from a hollow fiber spinning nozzle into a coagulation bath. When a hollow fiber-like precursor polymer film is produced by extrusion, the precursor polymer film contains a large amount of moisture during the spinning process. As a result, the strength of the precursor polymer film decreases, and the precursor polymer film Difficult handling in mass production. Furthermore, since the precursor polymer membranes are easily bonded to each other in the drying step after the spinning step, there is also a problem that handling at the time of mass production of hollow fiber carbon membranes becomes difficult.

特許文献2に記載の中空糸炭素膜においても、中空糸炭素膜の構造全体が緻密化することによる水の透過性能の低下を避けることができない。また、高いスルホン化度のスルホン化ポリフェニレンオキサイドを含む製膜原液を紡糸した際にも、特許文献1と同様に、紡糸工程後の乾燥工程において前駆体高分子膜同士が接着しやすい等の前駆体高分子膜および中空糸炭素膜の大量生産時の取り扱いが困難となるという問題が生じる。   Even in the hollow fiber carbon membrane described in Patent Document 2, a reduction in water permeation performance due to the densification of the entire structure of the hollow fiber carbon membrane cannot be avoided. Also, when spinning a film-forming stock solution containing a sulfonated polyphenylene oxide having a high degree of sulfonation, the precursor polymer film such that the precursor polymer films are likely to adhere to each other in the drying step after the spinning step, as in Patent Document 1. There arises a problem that handling at the time of mass production of molecular membranes and hollow fiber carbon membranes becomes difficult.

特許文献3に記載の中空糸炭素膜は、細孔径が比較的大きく、かつ細孔内の疎水性が高いために、中空部へ水が容易に透過しやすい構造であると考えられる。しかしながら、実際に、浸透気化分離法によって、親水性の低い物質を溶媒とする水溶液から水を分離した場合には、親水性の低い溶媒が細孔内に容易に侵入し、細孔内に吸着されて、水が透過せず、結果的に水の透過性能が悪くなるという問題があった。さらに、細孔内に吸着された溶媒により、中空糸炭素膜が膨潤して破損しやすくなるという問題もあった。   The hollow fiber carbon membrane described in Patent Document 3 has a relatively large pore diameter and high hydrophobicity in the pores. Therefore, it is considered that the hollow fiber carbon membrane has a structure in which water easily passes through the hollow portion. However, in practice, when water is separated from an aqueous solution containing a low hydrophilic substance as a solvent by pervaporation separation, the low hydrophilic solvent easily enters the pores and adsorbs into the pores. Thus, there is a problem that water does not permeate, resulting in poor water permeation performance. Further, there is a problem that the hollow fiber carbon membrane is easily swelled and damaged by the solvent adsorbed in the pores.

また、特許文献4に記載の分子ふるい炭素膜および特許文献5に記載の炭素膜積層体は、それぞれ、多孔質基材を支持体として用いる必要があるため、分離膜モジュール等の装置が大型化して、高コスト化するという問題があった。さらに、特許文献4に記載の分子ふるい炭素膜および特許文献5に記載の炭素膜積層体は、それぞれ、多孔質基材の表面に未硬化の樹脂ポリマーを塗布して炭化することによって作製されるため、多孔質基材から炭素膜が剥離したり、多孔質基材と炭素膜との熱膨張係数の違いに起因して炭素膜にクラックが生じたりするため、製造が困難であるという問題もあった。   In addition, since the molecular sieve carbon membrane described in Patent Document 4 and the carbon membrane laminate described in Patent Document 5 each require the use of a porous substrate as a support, the size of an apparatus such as a separation membrane module is increased. Therefore, there was a problem of high cost. Furthermore, the molecular sieving carbon film described in Patent Document 4 and the carbon film laminate described in Patent Document 5 are respectively produced by applying an uncured resin polymer to the surface of a porous substrate and carbonizing it. For this reason, the carbon film is peeled off from the porous base material, or cracks are generated in the carbon film due to the difference in the thermal expansion coefficient between the porous base material and the carbon film. there were.

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、製造が容易であり、装置の小型化が可能で、水の分離性能および透過性能に優れた中空糸炭素膜、それを用いた分離膜モジュールおよびその中空糸炭素膜の製造方法を提供することにある。   In view of the above circumstances, the object of the present invention is a hollow fiber carbon membrane that is easy to manufacture, can be miniaturized, and has excellent water separation performance and permeation performance, and a separation membrane module using the same. An object of the present invention is to provide a method for producing the hollow fiber carbon membrane.

本発明は、中空糸状の第1の炭素膜と、第1の炭素膜の外表面に設けられた第2の炭素膜と、を備え、第2の炭素膜は、金属元素と、硫黄元素とを含み、第2の炭素膜の金属元素含有量は、第1の炭素膜の金属元素含有量よりも多く、第2の炭素膜の硫黄元素含有量は、第1の炭素膜の硫黄元素含有量よりも多い、中空糸炭素膜である。 The present invention comprises a hollow fiber-shaped first carbon film and a second carbon film provided on the outer surface of the first carbon film, the second carbon film comprising a metal element, a sulfur element, only containing the metal element content of the second carbon film, more than the metal element content of the first carbon film, a sulfur element content of the second carbon film, elemental sulfur of the first carbon film It is a hollow fiber carbon membrane with more content .

また、本発明の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜の前駆体ポリマーが、スルホン酸基を含有することが好ましい。   In the hollow fiber carbon membrane of the present invention, the precursor polymer of the second carbon membrane preferably contains a sulfonic acid group.

また、本発明の中空糸炭素膜において、スルホン酸基を含有するポリマーは、下記の式(I)で表わされる繰り返し単位Aと、下記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bとの繰り返し構造を有しており、   In the hollow fiber carbon membrane of the present invention, the polymer containing a sulfonic acid group has a repeating structure of a repeating unit A represented by the following formula (I) and a repeating unit B represented by the following formula (II). Have

式(I)および式(II)において、それぞれ、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を示し、前記式(II)において、R1およびR2は、それぞれ独立に、−SO3M、−SO3Hまたは水素原子を示し、Mは金属元素を示し、R1およびR2は同時に水素原子を示さず、繰り返し単位Aと繰り返し単位Bとの総数に対する繰り返し単位Bの数の百分率の割合が、15%よりも大きく、100%よりも小さいことが好ましい。 In the formula (I) and the formula (II), m and n each represent a natural number of 1 or more. In the formula (II), R 1 and R 2 are each independently —SO 3 M, —SO 3 represents H or a hydrogen atom, M represents a metal element, R 1 and R 2 do not represent a hydrogen atom at the same time, and the ratio of the percentage of the number of repeating units B to the total number of repeating units A and B is: It is preferably larger than 15% and smaller than 100%.

また、本発明の中空糸炭素膜において、第2の炭素膜の広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが存在することが好ましい。 Further, the hollow fiber carbon membrane of the present invention, within the scope of the scattering vector q of measured X-ray diffraction peaks by wide angle X-ray diffraction method of the second carbon film is 5 nm -1 up to 50 nm -1, the carbon structure It is preferable that an X-ray diffraction peak other than the X-ray diffraction peak derived from is present.

また、本発明の中空糸炭素膜において、第2の炭素膜の厚さは、500nm以上10μm以下であることが好ましい。   In the hollow fiber carbon membrane of the present invention, the thickness of the second carbon membrane is preferably 500 nm or more and 10 μm or less.

また、本発明の中空糸炭素膜において、第2の炭素膜は、第1の炭素膜よりも高い親水性を有することが好ましい。   In the hollow fiber carbon membrane of the present invention, the second carbon membrane preferably has higher hydrophilicity than the first carbon membrane.

また、本発明は、上記のいずれかの中空糸炭素膜を含む分離膜モジュールである。
また、本発明は、上記のいずれかの中空糸炭素膜を製造する方法であって、第1の炭素膜の前駆体ポリマーである第1の前駆体ポリマーを準備する工程と、第2の炭素膜の前駆体ポリマーである第2の前駆体ポリマーを準備する工程と、第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程と、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーの外表面に第2の前駆体ポリマーを設置することによって中空糸炭素膜前駆体を形成する工程と、中空糸炭素膜前駆体を炭素化処理する工程とを含む中空糸炭素膜の製造方法である。
The present invention also provides a separation membrane module including any one of the hollow fiber carbon membranes described above.
The present invention is also a method for producing any one of the hollow fiber carbon membranes described above, the step of preparing a first precursor polymer that is a precursor polymer of the first carbon membrane, and a second carbon A step of preparing a second precursor polymer that is a precursor polymer of the membrane, a step of forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape, and an outer surface of the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape A method for producing a hollow fiber carbon membrane comprising a step of forming a hollow fiber carbon membrane precursor by installing a second precursor polymer and a step of carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor.

ここで、本発明の中空糸炭素膜の製造方法において、第2の前駆体ポリマーは、スルホン酸基を含有することが好ましい。   Here, in the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention, the second precursor polymer preferably contains a sulfonic acid group.

また、本発明の中空糸炭素膜の製造方法において、スルホン酸基を含有するポリマーは、下記の式(I)で表わされる繰り返し単位Aと、下記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bとの繰り返し構造を有しており、   In the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention, the polymer containing a sulfonic acid group includes a repeating unit A represented by the following formula (I) and a repeating unit B represented by the following formula (II): Has a repeating structure of

式(I)および式(II)において、それぞれ、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を示し、式(II)において、R1およびR2は、それぞれ独立に、−SO3M、−SO3Hまたは水素原子を示し、Mは金属元素を示し、R1およびR2は同時に水素原子を示さず、繰り返し単位Aと繰り返し単位Bとの総数に対する繰り返し単位Bの数の百分率の割合が、15%よりも大きく、100%よりも小さいことが好ましい。 In the formula (I) and the formula (II), m and n each represent a natural number of 1 or more. In the formula (II), R 1 and R 2 are each independently —SO 3 M, —SO 3 H represents a hydrogen atom, M represents a metal element, R 1 and R 2 do not represent a hydrogen atom at the same time, and the ratio of the percentage of the number of repeating units B to the total number of repeating units A and B is 15 It is preferable that it is larger than% and smaller than 100%.

ここで、本発明の中空糸炭素膜の製造方法において、第1の前駆体ポリマーは、スルホン酸基を有さないポリフェニレンオキサイドであり、第2の前駆体ポリマーは、スルホン化ポリフェニレンオキサイドであることが好ましい。 Here, in the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention, the first precursor polymer is polyphenylene oxide having no sulfonic acid group , and the second precursor polymer is sulfonated polyphenylene oxide. Is preferred.

また、本発明の中空糸炭素膜の製造方法は、炭素化処理する工程の前に、中空糸炭素膜前駆体を耐炎化処理する工程をさらに含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the manufacturing method of the hollow fiber carbon membrane of this invention further includes the process of flameproofing a hollow fiber carbon membrane precursor before the process of carbonizing.

本発明によれば、製造が容易であり、装置の小型化が可能で、水の分離性能および透過性能に優れた中空糸炭素膜、それを用いた分離膜モジュールおよびその中空糸炭素膜の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, a hollow fiber carbon membrane that is easy to manufacture, can be miniaturized, and has excellent water separation performance and permeation performance, a separation membrane module using the same, and manufacture of the hollow fiber carbon membrane A method can be provided.

本発明の中空糸炭素膜の一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of an example of the hollow fiber carbon membrane of this invention. (a)は、図1のIIa−IIaに沿った模式的な断面図であり、(b)は、(a)に示す中空糸炭素膜の部分断面図の一例であり、(c)は、(b)に示す第1の炭素膜と第2の炭素膜とのそれぞれの膜厚方向における金属元素含有量(質量%)と硫黄元素含有量(質量%)との関係の一例を示す図である。(A) is typical sectional drawing along IIa-IIa of FIG. 1, (b) is an example of the fragmentary sectional view of the hollow fiber carbon membrane shown to (a), (c) is It is a figure which shows an example of the relationship between metal element content (mass%) and sulfur element content (mass%) in each film thickness direction of the 1st carbon film and 2nd carbon film which are shown to (b). is there. 図1に示す中空糸炭素膜の製造方法の一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the manufacturing method of the hollow fiber carbon membrane shown in FIG. 本発明の分離膜モジュールの一例の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of an example of the separation membrane module of this invention. 実施例1の中空糸炭素膜のSEM(Scanning Electron Microscope)像である。2 is an SEM (Scanning Electron Microscope) image of the hollow fiber carbon membrane of Example 1. 実施例1の中空糸炭素膜の他のSEM像である。4 is another SEM image of the hollow fiber carbon membrane of Example 1. FIG. 実施例1の中空糸炭素膜の他のSEM像である。4 is another SEM image of the hollow fiber carbon membrane of Example 1. FIG. (a)は、実施例1の中空糸炭素膜の元素組成の分析が行なわれた領域を示す図であり、(b)は、実施例1の中空糸炭素膜のエネルギー分散型X線分光法による元素組成の分析結果を示す図であり、(c)は、実施例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜および第2の炭素膜のそれぞれの元素分析の結果を示す図である。(A) is a figure which shows the area | region where the elemental composition of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 was analyzed, (b) is the energy dispersive X-ray spectroscopy of the hollow fiber carbon membrane of Example 1. (C) is a figure which shows the result of each elemental analysis of the 1st carbon film of the hollow fiber carbon film of Example 1, and the 2nd carbon film. 実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜および比較例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜のそれぞれの広角X線回折法により得られたX線回折強度分布を示すX線回折プロファイルを比較した例を示す。X-rays showing X-ray diffraction intensity distributions obtained by the wide-angle X-ray diffraction method of the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 and the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 The example which compared the diffraction profile is shown. 実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜の浸透気化分離法による水の分離性能および透過性能の評価に用いた浸透気化分離装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the pervaporation separation apparatus used for evaluation of the water separation performance and permeation performance by the pervaporation separation method of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

<中空糸炭素膜>
図1に、本発明の中空糸炭素膜の一例の模式的な断面図を示し、図2(a)に図1のIIa−IIaに沿った模式的な断面図を示す。図1および図2(a)に示すように、中空糸炭素膜10は、中空部3を有する中空糸状の第1の炭素膜1と、第1の炭素膜1の外表面に設けられた第2の炭素膜2とを備えている。
<Hollow fiber carbon membrane>
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the hollow fiber carbon membrane of the present invention, and FIG. 2 (a) shows a schematic cross-sectional view along IIa-IIa of FIG. As shown in FIG. 1 and FIG. 2 (a), a hollow fiber carbon membrane 10 includes a hollow fiber-shaped first carbon membrane 1 having a hollow portion 3 and a first carbon membrane 1 provided on the outer surface of the first carbon membrane 1. 2 carbon films 2.

第1の炭素膜1としては、炭素を主成分として含む多孔質膜を用いることができる。第1の炭素膜1は、炭素を主成分として含むものであれば、炭素以外の成分を含んでいてもよい。第1の炭素膜1中における炭素の含有量は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。なお、本明細書において、「主成分」とは、膜の構成成分中において含有量(質量%)が最も大きい成分のことを意味する。   As the first carbon film 1, a porous film containing carbon as a main component can be used. The first carbon film 1 may contain a component other than carbon as long as it contains carbon as a main component. The carbon content in the first carbon film 1 is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more. In the present specification, the “main component” means a component having the largest content (% by mass) in the constituent components of the film.

第2の炭素膜2としては、炭素を主成分として含むとともに、金属元素および硫黄元素をも含む多孔質膜を用いることができる。第2の炭素膜2も、炭素を主成分として含むとともに、金属元素および硫黄元素を含むものであれば、炭素、金属元素および硫黄元素以外の成分を含んでいてもよい。第2の炭素膜2中における炭素の含有量は、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。   As the second carbon film 2, a porous film containing carbon as a main component and also containing a metal element and a sulfur element can be used. The second carbon film 2 may also contain components other than carbon, metal elements and sulfur elements as long as it contains carbon as a main component and also contains metal elements and sulfur elements. The carbon content in the second carbon film 2 is preferably 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more.

中空糸炭素膜10においては、外側の第2の炭素膜2に、有機溶媒と水との混合液を接触させ、第2の炭素膜2で水が選択的に分離されて第2の炭素膜2中に取り込まれる。ここで、有機溶媒の種類は特に限定されないが、たとえば、エタノール、イソプロパノール、酢酸エチル、アセトンまたはテトラヒドロフランなどである。第2の炭素膜2中に取り込まれた水は、第2の炭素膜2中を拡散し、内側の第1の炭素膜1に移行する。そして、第1の炭素膜1に取り込まれた水は、第1の炭素膜1中を拡散し、第1の炭素膜1から中空部3に移行する。このように中空糸炭素膜10においては、第2の炭素膜2では水を効率的に分離する性能が要求され、第1の炭素膜では水を効率的に中空部3に透過させる性能が要求されることになる。   In the hollow fiber carbon membrane 10, a liquid mixture of an organic solvent and water is brought into contact with the outer second carbon membrane 2, and water is selectively separated by the second carbon membrane 2, thereby the second carbon membrane. 2 is incorporated. Here, the type of the organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include ethanol, isopropanol, ethyl acetate, acetone, and tetrahydrofuran. The water taken into the second carbon film 2 diffuses in the second carbon film 2 and moves to the inner first carbon film 1. Then, the water taken into the first carbon film 1 diffuses in the first carbon film 1 and moves from the first carbon film 1 to the hollow portion 3. As described above, in the hollow fiber carbon membrane 10, the second carbon membrane 2 is required to have a performance for efficiently separating water, and the first carbon membrane is required to have a performance for allowing water to efficiently pass through the hollow portion 3. Will be.

本発明者らが、上記の課題を解決すべく、鋭意検討を行なった結果、内側の第1の炭素膜1と外側の第2の炭素膜2との複合構造からなる中空糸炭素膜10とし、炭素を主成分とする第2の炭素膜2に金属元素および硫黄元素を含有させることによって、浸透気化分離法による有機溶媒と水との混合液からの水の分離性能および透過性能に優れ、製造が容易であり、かつ装置の小型化が可能な自立型の中空糸炭素膜10とすることができることを見い出したことによるものである。   As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above-mentioned problems, a hollow fiber carbon membrane 10 having a composite structure of an inner first carbon membrane 1 and an outer second carbon membrane 2 is obtained. By adding a metal element and a sulfur element to the second carbon membrane 2 containing carbon as a main component, the water separation performance and the permeation performance from the mixed solution of the organic solvent and water by the pervaporation separation method are excellent. This is because it has been found that the self-supporting hollow fiber carbon membrane 10 can be easily manufactured and the apparatus can be downsized.

なお、中空糸炭素膜10の構成成分およびその含有量は、たとえば、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray spectroscopy;EDS)により、それぞれ特定することができる。   The constituent components and the content of the hollow fiber carbon membrane 10 can be specified by, for example, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

図2(b)に、図2(a)に示す中空糸炭素膜10の部分断面図の一例を示す。図2(b)に示すように、第1の炭素膜1は厚さT1を有し、第2の炭素膜2は厚さT2を有している。   FIG. 2B shows an example of a partial cross-sectional view of the hollow fiber carbon membrane 10 shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the first carbon film 1 has a thickness T1, and the second carbon film 2 has a thickness T2.

第1の炭素膜1の厚さT1は、特に限定されないが、たとえば、支持体として機能する程度に機械的強度を有するとともに、水の透過性能が高くなる厚さとすることができる。第2の炭素膜2の厚さT2も、特に限定されないが、たとえば、水の透過性能が高くなる程度の薄さと、後述する第2の前駆体ポリマーの塗布ムラやダストの付着によって生じ得る欠陥が水の分離性能に影響しない程度の厚さとを兼ね備える厚さとすることができる。   The thickness T1 of the first carbon film 1 is not particularly limited. For example, the thickness T1 can be set to such a thickness that the mechanical strength is high enough to function as a support and the water permeation performance is high. The thickness T2 of the second carbon film 2 is also not particularly limited. For example, the thinness is high enough to increase the water permeation performance, and a defect that may be caused by uneven coating of the second precursor polymer and adhesion of dust described later. However, the thickness can be a thickness that does not affect the water separation performance.

第2の炭素膜2の厚さT2は、500nm以上10μm以下であることが好ましく、750nm以上7μm以下であることがより好ましく、1μm以上5μm以下であることがさらに好ましい。第2の炭素膜2の厚さT2が500nm以上10μm以下である場合、特に750nm以上7μm以下である場合には、さらに1μm以上5μm以下である場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能が共に優れる傾向が大きくなる。   The thickness T2 of the second carbon film 2 is preferably 500 nm or more and 10 μm or less, more preferably 750 nm or more and 7 μm or less, and further preferably 1 μm or more and 5 μm or less. When the thickness T2 of the second carbon membrane 2 is 500 nm or more and 10 μm or less, particularly when the thickness T2 is 750 nm or more and 7 μm or less, and when the thickness T2 is 1 μm or more and 5 μm or less, water separation of the hollow fiber carbon membrane 10 is performed. Both the performance and the transmission performance tend to be excellent.

第1の炭素膜1と第2の炭素膜2との総膜厚(T1+T2)は、1μm以上50μm以下とすることが好ましく、5μm以上20μm以下とすることがより好ましい。第1の炭素膜1と第2の炭素膜2との総膜厚(T1+T2)が1μm以上50μm以下である場合、特に5μm以上20μm以下である場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能が共に優れる傾向が大きくなる。   The total film thickness (T1 + T2) of the first carbon film 1 and the second carbon film 2 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 20 μm or less. When the total film thickness (T1 + T2) of the first carbon film 1 and the second carbon film 2 is 1 μm or more and 50 μm or less, particularly when the total film thickness is 5 μm or more and 20 μm or less, the water separation of the hollow fiber carbon membrane 10 is performed. Both the performance and the transmission performance tend to be excellent.

また、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能を共に優れたものとする観点からは、中空糸炭素膜10の外径は、50μm以上500μm以下とすることが好ましく、100μm以上400μm以下とすることがより好ましい。   Further, from the viewpoint of making both the water separation performance and the permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 excellent, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane 10 is preferably 50 μm or more and 500 μm or less, and 100 μm or more and 400 μm or less. More preferably.

なお、第1の炭素膜1の厚さT1、第2の炭素膜2の厚さT2、第1の炭素膜1と第2の炭素膜2との総膜厚(T1+T2)、および中空糸炭素膜10の外径は、それぞれ、たとえば、走査型電子顕微鏡(SEM)により測定することができる。   The thickness T1 of the first carbon film 1, the thickness T2 of the second carbon film 2, the total film thickness (T1 + T2) of the first carbon film 1 and the second carbon film 2, and hollow fiber carbon The outer diameter of the film 10 can be measured by, for example, a scanning electron microscope (SEM).

図2(c)に、図2(b)に示す第1の炭素膜1と第2の炭素膜2とのそれぞれの膜厚方向における金属元素含有量(質量%)と硫黄元素含有量(質量%)との関係の一例を示す。図2(c)の横軸が第2の炭素膜2から第1の炭素膜1への膜厚方向を示しており、図2(c)の縦軸が金属元素および硫黄元素のそれぞれの含有量(質量%)を示している。なお、図2(c)において、実線が金属元素含有量(質量%)を示し、破線が硫黄元素含有量(質量%)を示している。   FIG. 2C shows the metal element content (mass%) and the sulfur element content (mass%) in the film thickness directions of the first carbon film 1 and the second carbon film 2 shown in FIG. %)). The horizontal axis of FIG. 2 (c) shows the film thickness direction from the second carbon film 2 to the first carbon film 1, and the vertical axis of FIG. 2 (c) contains the respective metal elements and sulfur elements. The amount (mass%) is shown. In FIG. 2C, the solid line indicates the metal element content (mass%), and the broken line indicates the sulfur element content (mass%).

たとえば図2(c)に示すように、中空糸炭素膜10においては、第2の炭素膜2の金属元素含有量(質量%)が第1の炭素膜1の金属元素含有量(質量%)よりも多くなっているとともに、第2の炭素膜2の硫黄元素含有量(質量%)が第1の炭素膜1の硫黄元素含有量(質量%)よりも多くなっていることが好ましい。この場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能をさらに優れたものとすることができる。なお、上記において、第1の炭素膜1の金属元素含有量(質量%)および硫黄元素含有量(質量%)は、それぞれ、0(質量%)であってもよい。   For example, as shown in FIG. 2 (c), in the hollow fiber carbon membrane 10, the metal element content (mass%) of the second carbon membrane 2 is the metal element content (mass%) of the first carbon membrane 1. It is preferable that the sulfur element content (mass%) of the second carbon film 2 is larger than the sulfur element content (mass%) of the first carbon film 1. In this case, the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 can be further improved. In the above, the metal element content (mass%) and the sulfur element content (mass%) of the first carbon film 1 may each be 0 (mass%).

ここで、第1の炭素膜1および第2の炭素膜2に含まれ得る金属元素は、特に限定されず、たとえばナトリウム、カリウム、またはマグネシウムなどが挙げられる。第2の炭素膜2の金属元素含有量は、0.1質量%以上30質量%以下であることが好ましく、第1の炭素膜1の金属元素含有量は、第2の炭素膜2の金属元素含有量よりも少なく、かつ0質量%以上10質量%以下であることが好ましい。この場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能が向上する傾向にある。   Here, the metal element that can be included in the first carbon film 1 and the second carbon film 2 is not particularly limited, and examples thereof include sodium, potassium, and magnesium. The metal element content of the second carbon film 2 is preferably 0.1% by mass or more and 30% by mass or less, and the metal element content of the first carbon film 1 is the metal of the second carbon film 2 It is preferably less than the element content and 0% by mass or more and 10% by mass or less. In this case, the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 tend to be improved.

また、第2の炭素膜2の硫黄元素含有量は、0.1質量%以上30質量%以下であることが好ましく、第1の炭素膜1の硫黄元素含有量は、第2の炭素膜2の硫黄元素含有量よりも少ないことが好ましい。この場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能が向上する傾向にある。   The sulfur element content of the second carbon film 2 is preferably 0.1% by mass or more and 30% by mass or less, and the sulfur element content of the first carbon film 1 is the second carbon film 2. It is preferable that the content is less than the sulfur element content. In this case, the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 tend to be improved.

なお、第1の炭素膜1の金属元素含有量、第2の炭素膜2の金属元素含有量、第2の炭素膜2の硫黄元素含有量および第2の炭素膜1の硫黄元素含有量は、それぞれ、たとえば、エネルギー分散型X線分光法により特定することができる。   The metal element content of the first carbon film 1, the metal element content of the second carbon film 2, the sulfur element content of the second carbon film 2, and the sulfur element content of the second carbon film 1 are as follows: , Respectively, can be specified by energy dispersive X-ray spectroscopy, for example.

また、後述するように、中空糸炭素膜10の第2の炭素膜2の広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが存在することが好ましい。この場合には、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能をさらに優れたものとすることができる。 Further, as described later, in the range in which the second scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction of the carbon film 2 of the hollow fiber carbon membrane 10 is 5 nm -1 up to 50 nm -1 It is preferable that an X-ray diffraction peak other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure exists. In this case, the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 can be further improved.

さらに、本発明者らが鋭意検討した結果、中空糸炭素膜10の第1の炭素膜1として疎水性かつ細孔径の大きい膜を用い、第2の炭素膜2として親水性かつ細孔径の小さい膜を用いることによって、水の分離性能および透過性能がともにさらに優れた自立型の中空糸炭素膜が得られることを見い出した。すなわち、外側の第2の炭素膜2は、細孔径が小さく、かつ細孔内の親水性が高いため、親水性の低い溶媒を透過させず、水のみを効率的に透過させることができる。また、内側の第1の炭素膜1は、細孔径が大きく、かつ細孔内の疎水性が高いため、第2の炭素膜2から透過してきた水を、第1の炭素膜1の細孔内に吸着させず、速やかに中空部3に透過させることができる。これにより、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能をそれぞれ共に優れたものとすることができる。また、このような第1の炭素膜1と第2の炭素膜2とを複合させた中空糸炭素膜10は、多孔質基材からなる支持体を必要としないため、中空糸炭素膜10の製造が容易であり、中空糸炭素膜10を用いた分離膜モジュール等の装置の小型化が容易となる。   Furthermore, as a result of intensive studies by the present inventors, a hydrophobic and large pore diameter membrane is used as the first carbon membrane 1 of the hollow fiber carbon membrane 10, and a hydrophilic and small pore size is used as the second carbon membrane 2. It has been found that by using a membrane, a self-supporting hollow fiber carbon membrane having further excellent water separation performance and permeation performance can be obtained. That is, since the outer second carbon film 2 has a small pore diameter and high hydrophilicity in the pores, only water can be efficiently permeated without permeating a solvent having low hydrophilicity. Further, since the inner first carbon membrane 1 has a large pore diameter and high hydrophobicity in the pores, water that has permeated from the second carbon membrane 2 is allowed to pass through the pores of the first carbon membrane 1. It can be quickly permeated into the hollow portion 3 without being adsorbed inside. Thereby, both the water separation performance and the permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 can be made excellent. In addition, the hollow fiber carbon membrane 10 in which the first carbon membrane 1 and the second carbon membrane 2 are combined does not require a support made of a porous substrate. Manufacture is easy, and downsizing of a device such as a separation membrane module using the hollow fiber carbon membrane 10 is facilitated.

したがって、上記の観点から、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能をそれぞれ共に優れたものとするためには、第2の炭素膜2は、第1の炭素膜1よりも、細孔径が小さいことが好ましい。   Therefore, from the above viewpoint, the second carbon membrane 2 is thinner than the first carbon membrane 1 in order to make both the water separation performance and permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 excellent. It is preferable that the pore diameter is small.

なお、第1の炭素膜1の細孔径および第2の炭素膜2の細孔径は、たとえば、第1の炭素膜1あるいは第2の炭素膜2のそれぞれの単成分からなる中空糸炭素膜を作製し、有機溶媒と水との混合液の浸透気化分離法による分離性能の評価を行なって、水よりも分子径の大きい有機溶媒分子の透過量を比較することによって、すなわち後述する浸透気化分離法による分離係数を測定することにより、評価することができる。   Note that the pore diameter of the first carbon membrane 1 and the pore diameter of the second carbon membrane 2 are, for example, those of the hollow fiber carbon membrane made of each single component of the first carbon membrane 1 or the second carbon membrane 2. By preparing and evaluating the separation performance of the mixture of organic solvent and water by pervaporation separation, and comparing the permeation amount of organic solvent molecules having a molecular diameter larger than water, that is, pervaporation separation described later It can be evaluated by measuring the separation factor by the method.

また、上記の観点から、中空糸炭素膜10の水の分離性能および透過性能をそれぞれ共に優れたものとするためには、第2の炭素膜2は、第1の炭素膜1よりも高い親水性を有することが好ましい。   From the above viewpoint, the second carbon membrane 2 is more hydrophilic than the first carbon membrane 1 in order to make both the water separation performance and the permeation performance of the hollow fiber carbon membrane 10 excellent. It is preferable to have properties.

上記の構成を有する中空糸炭素膜10は、水の分離性能と透過性能の双方に優れているため、浸透気化分離法によって、有機溶媒と水との混合液から水を除去する用途に特に好適に用いることができる。また、中空糸炭素膜10は、多孔質基材からなる支持体を必要としない自立型の中空糸炭素膜であるため、製造が容易であり、かつ装置の小型化が可能である実用的な分離膜モジュールを作製することができるものである。   Since the hollow fiber carbon membrane 10 having the above-described configuration is excellent in both water separation performance and permeation performance, it is particularly suitable for use in removing water from a mixture of an organic solvent and water by pervaporation separation. Can be used. Further, since the hollow fiber carbon membrane 10 is a self-supporting hollow fiber carbon membrane that does not require a support made of a porous substrate, it is easy to manufacture and can be downsized. A separation membrane module can be produced.

<中空糸炭素膜の製造方法>
図3に、図1に示す中空糸炭素膜10の製造方法の一例のフローチャートを示す。以下、図3を参照して、図1に示す中空糸炭素膜10の製造方法の一例について説明する。
<Method for producing hollow fiber carbon membrane>
FIG. 3 shows a flowchart of an example of a method for producing the hollow fiber carbon membrane 10 shown in FIG. Hereinafter, an example of a method for producing the hollow fiber carbon membrane 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.

まず、ステップS1に示すように、第1の前駆体ポリマーを準備する工程を行なう。ここで、第1の前駆体ポリマーは、第1の炭素膜1の前駆体となる前駆体ポリマーであれば特に限定されないが、水を透過しやすくする観点からは、後述する炭素化処理工程を経た後に細孔径が大きく、かつ疎水性の高い第1の炭素膜1が形成される分子構造を有するポリマーであることが好ましい。また、第1の炭素膜1と第2の炭素膜2との剥離を防止する観点からは、第1の前駆体ポリマーとしては、後述する耐炎化処理する工程において第2の炭素膜2の前駆体となる後述の第2の前駆体ポリマーと架橋しやすい分子構造を有するポリマーを含むことが好ましい。   First, as shown in step S1, a step of preparing a first precursor polymer is performed. Here, the first precursor polymer is not particularly limited as long as it is a precursor polymer that becomes the precursor of the first carbon film 1, but from the viewpoint of facilitating water permeation, a carbonization treatment step described later is performed. It is preferable that the polymer has a molecular structure in which the first carbon film 1 having a large pore size and high hydrophobicity is formed after the passage. In addition, from the viewpoint of preventing the first carbon film 1 and the second carbon film 2 from being peeled, the first precursor polymer may be a precursor of the second carbon film 2 in a step of performing a flame resistance treatment to be described later. It is preferable to include a polymer having a molecular structure that easily crosslinks with a second precursor polymer, which will be described later.

第1の前駆体ポリマーとしては、たとえば、ポリフェニレンオキサイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアクリロニトリルなどの公知の炭素化可能なポリマーを用いることができ、なかでも、炭素化処理工程を経た後に細孔径が大きく、かつ疎水性の第1の炭素膜1を得る観点からは、ポリフェニレンオキサイドであることが好ましく、重量平均分子量5000以上100000以下のポリフェニレンオキサイドであることがより好ましい。ポリフェニレンオキサイドの重量平均分子量が5000以上100000以下である場合には、中空糸炭素膜前駆体の製造工程におけるポリフェニレンオキサイドの溶液粘度が適切なものとなり、紡糸における取扱い性が向上し、中空糸炭素膜の製造が容易となる傾向にある。なお、第1の炭素膜1の細孔径を制御するために、たとえば、第1の前駆体ポリマーに熱分解性ポリマーおよび/またはフィラーなどを混合してもよい。   As the first precursor polymer, for example, a known carbonizable polymer such as polyphenylene oxide, polyimide, polyamide, polyamideimide, polyarylate, polyacrylonitrile and the like can be used. From the viewpoint of obtaining a hydrophobic first carbon film 1 having a large pore diameter later, polyphenylene oxide is preferable, and polyphenylene oxide having a weight average molecular weight of 5,000 to 100,000 is more preferable. When the weight average molecular weight of the polyphenylene oxide is 5,000 or more and 100,000 or less, the solution viscosity of the polyphenylene oxide in the production process of the hollow fiber carbon membrane precursor becomes appropriate, the handling property in spinning is improved, and the hollow fiber carbon membrane Tends to be easy to manufacture. In order to control the pore diameter of the first carbon film 1, for example, a thermally decomposable polymer and / or a filler may be mixed with the first precursor polymer.

次に、ステップS2に示すように、第2の前駆体ポリマーを準備する工程を行なう。ここで、第2の前駆体ポリマーは、第2の炭素膜2の前駆体となる前駆体ポリマーであれば特に限定されないが、細孔径が小さく、かつ親水性の高い第2の炭素膜2を得る観点からは、第2の前駆体ポリマーはスルホン酸基を含有するポリマーであることが好ましい。   Next, as shown in step S2, a step of preparing a second precursor polymer is performed. Here, the second precursor polymer is not particularly limited as long as it is a precursor polymer that becomes a precursor of the second carbon film 2, but the second carbon film 2 having a small pore diameter and high hydrophilicity is used. From the viewpoint of obtaining, the second precursor polymer is preferably a polymer containing a sulfonic acid group.

スルホン酸基を含有するポリマーは特に限定されないが、たとえば、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリアリルエーテル、スルホン化ポリイミド、またはスルホン化ポリフェニレンオキサイドを用いることが好ましく、スルホン化ポリフェニレンオキサイドあるいはスルホン化ポリエーテルスルホンを用いることがより好ましく、スルホン化ポリフェニレンオキサイドを用いることがさらに好ましい。   The polymer containing a sulfonic acid group is not particularly limited. For example, sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyallyl ether, sulfonated polyimide, or sulfonated polyphenylene oxide is preferably used. Alternatively, it is more preferable to use a sulfonated polyethersulfone, and it is more preferable to use a sulfonated polyphenylene oxide.

スルホン化ポリフェニレンオキサイドは、下記の式(I)で表わされる繰り返し単位Aと下記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bとの繰り返し構造を有するとともに繰り返し単位Aと繰り返し単位Bとの総数に対する繰り返し単位Bの数の百分率の割合DS(スルホン化度:100×(繰り返し単位Bの数)/(繰り返し単位Aと繰り返し単位Bとの総数))が、15<DS<100、好ましくは30<DS<100、より好ましくは40<DS<100の関係式を満たすスルホン酸基を含有するスルホン化ポリフェニレンオキサイドであることが好ましい。スルホン化ポリフェニレンオキサイドの繰り返し単位Aと繰り返し単位Bとの総数に対する繰り返し単位Bの数の百分率の割合DSが大きくなるにつれて、後述する炭素化処理工程を経て得られる第2の炭素膜2の親水性が大きくなるため、水の分離性能が高くなる傾向にある。   The sulfonated polyphenylene oxide has a repeating structure of a repeating unit A represented by the following formula (I) and a repeating unit B represented by the following formula (II), and is repeated with respect to the total number of the repeating units A and B. Percentage ratio DS of the number of units B (degree of sulfonation: 100 × (number of repeating units B) / (total number of repeating units A and B)) is 15 <DS <100, preferably 30 <DS A sulfonated polyphenylene oxide containing a sulfonic acid group satisfying the relational expression of <100, more preferably 40 <DS <100 is preferable. As the ratio DS of the percentage of the number of repeating units B to the total number of repeating units A and B of the sulfonated polyphenylene oxide increases, the hydrophilicity of the second carbon film 2 obtained through the carbonization treatment step described later. Therefore, the water separation performance tends to be high.

なお、上記の式(I)および式(II)において、それぞれ、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数であり、これらは特に制限されないが、mは好ましくは1〜2000の範囲内、より好ましくは5〜1000の範囲内であり、nは好ましくは1〜2000の範囲内、より好ましくは5〜1000の範囲内である。   In the above formulas (I) and (II), m and n are each a natural number of 1 or more, and these are not particularly limited, but m is preferably in the range of 1 to 2000, more preferably It is in the range of 5 to 1000, and n is preferably in the range of 1 to 2000, more preferably in the range of 5 to 1000.

上記の式(II)において、R1およびR2は、それぞれ独立に、−SO3M、−SO3Hまたは水素原子を示し、Mは金属元素を示し、R1およびR2は同時に水素原子を示さない。ここで、Mは金属元素を示し、たとえばリチウム、ナトリウム、カリウムなどの1価の金属元素、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄など2価以上の金属元素から選ばれる1種以上が挙げられる。なかでも、中空糸炭素膜を作製したとき、浸透気化分離法による分離に好適な第2の炭素膜2の細孔径が得られ、第2の炭素膜2の親水性がより高くなるという理由から、金属元素としてはナトリウムおよび/またはカリウムが好ましく、ナトリウムが特に好ましい。 In the above formula (II), R 1 and R 2 each independently represent —SO 3 M, —SO 3 H or a hydrogen atom, M represents a metal element, and R 1 and R 2 represent hydrogen atoms simultaneously. Not shown. Here, M represents a metal element, and examples thereof include one or more selected from monovalent metal elements such as lithium, sodium, and potassium, and divalent or higher metal elements such as calcium, magnesium, aluminum, and iron. Among these, when a hollow fiber carbon membrane is produced, the pore diameter of the second carbon membrane 2 suitable for separation by the pervaporation separation method can be obtained, and the hydrophilicity of the second carbon membrane 2 becomes higher. As the metal element, sodium and / or potassium is preferable, and sodium is particularly preferable.

また、スルホン化ポリエーテルスルホン(SPES)の構造は、たとえば、下記の式(III)で表わされる繰り返し単位Cと下記の式(IV)で表わされる繰り返し単位Dとの繰り返し構造を有するとともに繰り返し単位Cと繰り返し単位Dとの総数に対する繰り返し単位Dの数の百分率の割合DS(スルホン化度:100×(繰り返し単位Dの数)/(繰り返し単位Cと繰り返し単位Dとの総数))が、15<DS<100、好ましくは30<DS<100、より好ましくは40<DS<100の関係式を満たすスルホン酸基を含有するスルホン化ポリエーテルスルホンであることが好ましい。スルホン化ポリエーテルスルホンの繰り返し単位Cと繰り返し単位Dとの総数に対する繰り返し単位Dの数の百分率の割合DSが大きくなるにつれて、後述する炭素化処理工程を経て得られる第2の炭素膜2の親水性が大きくなるため、水の分離性能が高くなる傾向にある。   The structure of the sulfonated polyethersulfone (SPES) has, for example, a repeating unit of a repeating unit C represented by the following formula (III) and a repeating unit D represented by the following formula (IV) and the repeating unit: The percentage DS of the number of repeating units D to the total number of C and repeating units D (degree of sulfonation: 100 × (number of repeating units D) / (total number of repeating units C and repeating units D)) is 15 <DS <100, preferably 30 <DS <100, more preferably sulfonated polyethersulfone containing a sulfonic acid group satisfying the relational expression of 40 <DS <100. As the ratio DS of the percentage of the number of repeating units D to the total number of repeating units C and repeating units D of the sulfonated polyethersulfone increases, the hydrophilicity of the second carbon film 2 obtained through the carbonization treatment step described later is increased. Since the property increases, the water separation performance tends to increase.

なお、上記の式(III)および式(IV)において、それぞれ、kおよびlはそれぞれ1以上の自然数であり、これらは特に制限されないが、kは好ましくは1〜2000の範囲内、より好ましくは5〜1000の範囲内であり、lは好ましくは1〜2000の範囲内、より好ましくは5〜1000の範囲内である。   In the above formulas (III) and (IV), k and l are each a natural number of 1 or more, and these are not particularly limited, but k is preferably in the range of 1 to 2000, more preferably It is in the range of 5-1000, and l is preferably in the range of 1-2000, more preferably in the range of 5-1000.

上記の式(IV)において、R3およびR4は、それぞれ独立に、−SO3M、または−SO3Hを示し、Mは金属元素を示す。ここで、金属元素を示すMは、たとえばリチウム、ナトリウム若しくはカリウムなどの1価の金属元素、またはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム若しくは鉄など2価以上の金属元素から選ばれる1種以上を示す。なかでも、中空糸炭素膜を作製したとき、浸透気化分離法による分離に好適な第2の炭素膜2の細孔径が得られ、第2の炭素膜2の親水性がより高くなるという理由から、金属元素としてはナトリウムおよび/またはカリウムが好ましく、ナトリウムが特に好ましい。 In the above formula (IV), R 3 and R 4 each independently represent —SO 3 M or —SO 3 H, and M represents a metal element. Here, M which shows a metal element shows 1 or more types chosen from monovalent metal elements, such as lithium, sodium, or potassium, or bivalent or more metal elements, such as calcium, magnesium, aluminum, or iron. Among these, when a hollow fiber carbon membrane is produced, the pore diameter of the second carbon membrane 2 suitable for separation by the pervaporation separation method can be obtained, and the hydrophilicity of the second carbon membrane 2 becomes higher. As the metal element, sodium and / or potassium is preferable, and sodium is particularly preferable.

上記のスルホン酸基を含有するポリマーは、上記のDSの値に応じて溶媒への溶解性が異なるが、上記のスルホン酸基を含有するポリマーを溶解するための溶媒としては公知の溶媒を用いることができる。このような溶媒としては、たとえば、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、エタノール、水などの溶媒またはこれらの少なくとも2種を混合して得られる混合溶媒などを用いることができる。   The polymer containing the sulfonic acid group has different solubility in a solvent depending on the DS value, but a known solvent is used as a solvent for dissolving the polymer containing the sulfonic acid group. be able to. As such a solvent, for example, a solvent such as dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, ethanol, water, or a mixed solvent obtained by mixing at least two of these can be used.

スルホン酸基を含有するポリマーのスルホン酸基は、その少なくとも一部が、金属イオンで中和されていることが好ましい。この場合には、第2の炭素膜2の水の分離性能が向上する傾向にある。   It is preferable that at least a part of the sulfonic acid group of the polymer containing a sulfonic acid group is neutralized with a metal ion. In this case, the water separation performance of the second carbon membrane 2 tends to be improved.

金属イオンは、たとえば、リチウム、ナトリウム若しくはカリウムなどの1価の金属イオン、またはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム若しくは鉄などの2価以上の金属イオンとすることができるが、第2の炭素膜2の水の分離性能を向上する観点からは、ナトリウムイオンまたはカリウムイオンであることが好ましく、ナトリウムイオンであることがより好ましい。また、上記のスルホン酸基を含有するポリマーには、上記の金属イオンの2種以上が含まれていてもよい。すなわち、スルホン化ポリフェニレンオキサイドの上記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bのうち少なくとも1つの繰り返し単位BのR1およびR2の少なくとも一方が−SO3Mを示す場合には、Mは、上記の金属イオンを構成する金属を示すことになる。また、スルホン化ポリエーテルスルホンの上記の式(IV)で表される繰返し単位Dのうち少なくとも1つの繰返し単位DのR3およびR4の少なくとも一方が−SO3Mを示す場合には、Mは、上記の金属イオンを構成する金属を示すことになる。 The metal ion can be, for example, a monovalent metal ion such as lithium, sodium, or potassium, or a divalent or higher metal ion such as calcium, magnesium, aluminum, or iron. From the viewpoint of improving the separation performance, sodium ions or potassium ions are preferable, and sodium ions are more preferable. The polymer containing the sulfonic acid group may contain two or more of the above metal ions. That is, when at least one of R 1 and R 2 of at least one repeating unit B among the repeating units B represented by the above formula (II) of the sulfonated polyphenylene oxide represents —SO 3 M, M is: The metal which comprises said metal ion will be shown. Further, when at least one of R 3 and R 4 of at least one repeating unit D among the repeating units D represented by the above formula (IV) of the sulfonated polyethersulfone represents —SO 3 M, M Indicates the metal constituting the metal ion.

なお、金属イオンは、後述する紡糸工程またはディップコート工程で用いられるポリマー溶液の原料ポリマーに導入されていてもよく、紡糸工程またはディップコート工程後の中空糸炭素膜前駆体を所望の金属イオンを含む溶液に浸漬させて導入してもよい。   The metal ions may be introduced into the raw polymer of the polymer solution used in the spinning process or dip coating process described later, and the hollow fiber carbon membrane precursor after the spinning process or dip coating process is replaced with a desired metal ion. It may be introduced by immersing it in a solution containing it.

また、第1の前駆体ポリマーを準備する工程(ステップS1)と第2の前駆体ポリマーを準備する工程(ステップS2)との順序は特に限定されず、ステップS1が先に行なわれてもよく、ステップS2が先に行なわれてもよく、ステップS1とステップS2とが並行して行なわれてもよい。   In addition, the order of the step of preparing the first precursor polymer (step S1) and the step of preparing the second precursor polymer (step S2) is not particularly limited, and step S1 may be performed first. Step S2 may be performed first, and Step S1 and Step S2 may be performed in parallel.

次に、ステップS3に示すように、第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程を行なう。第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程は、特に限定されないが、たとえば、二重円筒管ノズルの内側から内液を押し出すと同時に外側から第1の前駆体ポリマーを含む紡糸原液を押し出して、所望の長さの空間(エアギャップ)で乾燥させた後、貧溶媒の凝固浴中で紡糸原液を固化して中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーとする乾湿式紡糸法を好適に用いることができる。   Next, as shown in step S3, a step of forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape is performed. The step of forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape is not particularly limited. For example, the inner liquid is extruded from the inside of the double cylindrical tube nozzle, and at the same time, the spinning stock solution containing the first precursor polymer is extruded from the outside. Then, after drying in a space (air gap) of a desired length, a dry-wet spinning method in which the spinning stock solution is solidified in a poor solvent coagulation bath to form a first precursor polymer formed into a hollow fiber shape It can be used suitably.

第1の前駆体ポリマーを含む紡糸原液を作製する際に第1の前駆体ポリマーを溶解させるのに用いられる溶媒としては、たとえば第1の前駆体ポリマーがポリフェニレンオキサイドを含む場合には、ポリフェニレンオキサイドの良溶媒として公知のものが用いられる。ポリフェニレンオキサイドの良溶媒としては、公知文献(G. Chowdhury, B. Kruczek, T. Matsuura, Polyphenylene Oxide and Modified Polyphenylene Oxide Membranes Gas, Vapor and Liquid Separation, 2001, Springer)に記載されているように、たとえば、ベンゼン、トルエンまたはクロロホルムなどを用いることができ、なかでもクロロホルムを好適に用いることができる。また、上記の良溶媒と混和し、ポリフェニレンオキサイドの貧溶媒であるような公知の溶媒、たとえばアセトン、メチルエチルケトンまたはテトラヒドロフランなどを、ポリフェニレンオキサイドの均一溶解性が確保される範囲で紡糸原液に添加して、紡糸原液の溶解性を変更し、第1の炭素膜1の細孔径や細孔径分布などを制御することもできる。   As a solvent used for dissolving the first precursor polymer when preparing the spinning dope containing the first precursor polymer, for example, when the first precursor polymer contains polyphenylene oxide, polyphenylene oxide A known solvent is used as a good solvent. As a good solvent for polyphenylene oxide, as described in known literature (G. Chowdhury, B. Kruczek, T. Matsuura, Polyphenylene Oxide and Modified Polyphenylene Oxide Membranes Gas, Vapor and Liquid Separation, 2001, Springer), for example, , Benzene, toluene or chloroform can be used, and among them, chloroform can be preferably used. In addition, a known solvent such as acetone, methyl ethyl ketone or tetrahydrofuran that is miscible with the above-mentioned good solvent and is a poor solvent for polyphenylene oxide is added to the spinning dope as long as uniform solubility of polyphenylene oxide is ensured. The solubility of the spinning dope can be changed to control the pore size, pore size distribution, etc. of the first carbon membrane 1.

また、内液は、中空状に押し出された第1の前駆体ポリマーを含む紡糸原液を内側から凝固させる液体であれば特に限定されず、たとえばエタノールなどを用いることができる。凝固浴の貧溶媒も特に限定されず、たとえばエタノールなどを用いることができる。また、凝固浴の貧溶媒に所望の溶媒を添加し、紡糸原液と凝固液との間の溶媒交換速度を変化させることにより、第1の炭素膜1の細孔径や細孔径分布などを制御してもよい。凝固浴中への浸漬によって中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーは、乾燥して、たとえばワインダー装置などにより巻き取られる。   The internal liquid is not particularly limited as long as it is a liquid that solidifies the spinning stock solution containing the first precursor polymer extruded into a hollow shape from the inside, and for example, ethanol can be used. The poor solvent for the coagulation bath is not particularly limited, and for example, ethanol can be used. Further, by adding a desired solvent to the poor solvent of the coagulation bath and changing the solvent exchange rate between the spinning solution and the coagulation solution, the pore diameter and pore diameter distribution of the first carbon membrane 1 are controlled. May be. The first precursor polymer formed into a hollow fiber shape by immersion in a coagulation bath is dried and wound up by, for example, a winder device.

また、二重円筒管ノズルの形状などを調節することによって、第1の炭素膜1の外径や厚さなどを適宜調節することができる。   Moreover, the outer diameter, thickness, etc. of the first carbon film 1 can be appropriately adjusted by adjusting the shape of the double cylindrical tube nozzle.

次に、ステップS4に示すように、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程を行なう。中空糸状の第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程は、特には限定されないが、たとえば、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーを第2の前駆体ポリマーを含有するディップ液に浸漬させた後、引き上げ、乾燥させることにより行なうことができる。   Next, as shown in step S4, a step of placing the second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape is performed. The step of placing the second precursor polymer on the outer surface of the hollow fiber-shaped first precursor polymer is not particularly limited. For example, the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape is used as the second precursor polymer. After immersing in a dip solution containing a precursor polymer, it can be carried out by lifting and drying.

ディップ液中における第2の前駆体ポリマーの濃度は1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、5質量%以上20質量%以下であることがより好ましい。所定の引き上げ速度とすることにより、ディップ液がコートされた中空糸状の第1の前駆体ポリマーを引き上げながら乾燥させることによって、第2の前駆体ポリマーを所望の厚さで第1の前駆体ポリマーの外表面上に設置した中空糸炭素膜前駆体を作製することができる。   The concentration of the second precursor polymer in the dip liquid is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less. By making the hollow fiber-shaped first precursor polymer coated with the dip liquid by drying at a predetermined pulling speed, the second precursor polymer is dried at a desired thickness to the first precursor polymer. A hollow fiber carbon membrane precursor placed on the outer surface of the can be prepared.

ディップコート工程中での、第2の前駆体ポリマーへのダストの付着は、第2の炭素膜2の欠陥となるため、中空糸炭素膜前駆体は、ダストを低減した雰囲気中で作製されることが好ましい。ディップコートされた第2の前駆体ポリマーの塗布ムラやダストの付着を低減するため、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーを溶媒に浸漬させる、またはディップコート工程を複数回行なう等の前処理工程を行なってもよい。   Since the adhesion of dust to the second precursor polymer during the dip coating process becomes a defect of the second carbon film 2, the hollow fiber carbon film precursor is produced in an atmosphere with reduced dust. It is preferable. In order to reduce coating unevenness of the dip-coated second precursor polymer and adhesion of dust, the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape is immersed in a solvent, or the dip coating process is performed a plurality of times. A pretreatment step may be performed.

なお、上記においては、第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程(ステップS3)を行なった後に、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程(ステップS4)を行なっているが、ステップS3とステップS4とを同時に行なってもよい。ステップS3とステップS4とを同時に行なう方法としては、三重円筒管ノズルを用いて、第1の前駆体ポリマーを含む紡糸原液と、第2の前駆体ポリマーを含む紡糸原液と、これらの紡糸原液を凝固するための内液とを同時に押し出して、乾式紡糸法、湿式紡糸法、または乾湿式紡糸法などを用いて、中空糸炭素膜前駆体を形成する方法などが挙げられる。   In the above, after the step of forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape (step S3), the second precursor is formed on the outer surface of the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape. Although the step of installing the polymer (step S4) is performed, step S3 and step S4 may be performed simultaneously. As a method of performing Step S3 and Step S4 simultaneously, using a triple cylindrical tube nozzle, a spinning stock solution containing a first precursor polymer, a spinning stock solution containing a second precursor polymer, and these spinning stock solutions Examples thereof include a method of forming a hollow fiber carbon membrane precursor by extruding the internal solution for coagulation at the same time and using a dry spinning method, a wet spinning method, a dry wet spinning method, or the like.

また、ステップS3がステップS1の後に行なわれるのであれば、ステップS3はステップS2の前に行なわれてもよい。また、ステップS4がステップS2の後に行なわれるのであれば、ステップS4はステップS1の前に行なわれてもよい。   Further, if step S3 is performed after step S1, step S3 may be performed before step S2. Further, if step S4 is performed after step S2, step S4 may be performed before step S1.

次に、ステップS5に示すように、中空糸炭素膜前駆体を耐炎化処理する工程を行なう。ここで、中空糸炭素膜前駆体を耐炎化処理する工程は、特に限定されず、従来から公知の方法を用いることができ、たとえば、上記のようにして作製した中空糸炭素膜前駆体を空気雰囲気中において、たとえば150℃〜350℃で、たとえば30分間〜4時間加熱することにより行なうことができる。   Next, as shown in step S5, a process of flameproofing the hollow fiber carbon membrane precursor is performed. Here, the flame-proofing process of the hollow fiber carbon membrane precursor is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, the hollow fiber carbon membrane precursor produced as described above is air-treated. In an atmosphere, it can carry out by heating at 150 degreeC-350 degreeC, for example for 30 minutes-4 hours, for example.

上記のようにして作製された中空糸炭素膜前駆体に対して直接、後述する炭素化処理工程を行なうことによって中空糸炭素膜10を形成してもよい。しかしながら、耐炎化処理工程を行なった後に炭素化処理工程を行なうことによって、第1の前駆体ポリマーおよび第2の前駆体ポリマーの架橋反応がそれぞれ促進して、炭素化処理工程後の中空糸炭素膜10が緻密化して機械的強度を向上させることができるため、炭素化処理工程後の中空糸炭素膜10による水の分離性能が向上する傾向にある。また、耐炎化処理工程において、第1の前駆体ポリマーと第2の前駆体ポリマーとが架橋することにより、第1の炭素膜1と第2の炭素膜2との間に剥離が生じにくい強固な中空糸炭素膜10を形成することができる。   The hollow fiber carbon membrane 10 may be formed by performing the carbonization treatment step described later directly on the hollow fiber carbon membrane precursor produced as described above. However, by performing the carbonization treatment step after the flameproofing treatment step, the cross-linking reaction of the first precursor polymer and the second precursor polymer is promoted, respectively, so that the hollow fiber carbon after the carbonization treatment step Since the membrane 10 can be densified to improve mechanical strength, the water separation performance by the hollow fiber carbon membrane 10 after the carbonization treatment step tends to be improved. Further, in the flameproofing treatment step, the first precursor polymer and the second precursor polymer are cross-linked so that separation between the first carbon film 1 and the second carbon film 2 is difficult to occur. A hollow fiber carbon membrane 10 can be formed.

次に、ステップS6に示すように、中空糸炭素膜前駆体を炭素化処理する工程を行なう。ここで、炭素化処理する工程は、特に限定されず、従来から公知の方法を用いることができ、たとえば、中空糸炭素膜前駆体を高温炉内に収容し、10-4atm以下の減圧の大気雰囲気中、または減圧していないヘリウム、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で、中空糸炭素膜前駆体を加熱することにより行なうことができる。また、炭素化処理する工程は、たとえば、連続炭素化炉において、中空糸炭素膜前駆体を連続的に搬送しながら、不活性ガス雰囲気中で高温で加熱処理することにより行なうこともできる。 Next, as shown in step S6, a step of carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor is performed. Here, the step of carbonization treatment is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, the hollow fiber carbon membrane precursor is accommodated in a high temperature furnace and the pressure is reduced to 10 −4 atm or less. It can be performed by heating the hollow fiber carbon membrane precursor in an air atmosphere or in an inert gas atmosphere such as helium, argon gas or nitrogen gas which is not decompressed. Moreover, the process of carbonizing can also be performed by heat-processing at high temperature in inert gas atmosphere, conveying a hollow fiber carbon membrane precursor continuously, for example in a continuous carbonization furnace.

炭素化処理する工程における中空糸炭素膜前駆体の加熱条件は、第1の前駆体ポリマーおよび第2の前駆体ポリマーを構成するポリマーの種類などにより適宜選択することができるが、10-4atmの減圧の大気雰囲気中または減圧していない不活性ガス雰囲気中で500℃〜850℃で30分間〜4時間加熱することが好ましく、10-4atmの減圧の大気雰囲気中または減圧していない不活性ガス雰囲気中で550℃〜650℃で30分間〜2時間加熱することがより好ましい。これらの好ましい加熱条件、特により好ましい加熱条件によれば、装置の小型化が可能で、水の分離性能および透過性能に優れた中空糸炭素膜10を効率的に製造することができる傾向にある。 The heating condition of the hollow fiber carbon membrane precursor in the carbonization treatment step can be appropriately selected depending on the types of polymers constituting the first precursor polymer and the second precursor polymer, but 10 −4 atm. It is preferable to heat at 500 ° C. to 850 ° C. for 30 minutes to 4 hours in an atmosphere of reduced pressure or in an inert gas atmosphere that is not decompressed, and in an atmosphere of reduced pressure of 10 −4 atm or not. It is more preferable to heat at 550 ° C. to 650 ° C. for 30 minutes to 2 hours in an active gas atmosphere. According to these preferable heating conditions, particularly more preferable heating conditions, the apparatus can be miniaturized, and the hollow fiber carbon membrane 10 excellent in water separation performance and permeation performance tends to be efficiently produced. .

上記のようにして作製された中空糸炭素膜10においては、エネルギー分散型X線分光法により、中空糸炭素膜10の第2の炭素膜2の断面および/または外表面の元素分析を行なった場合に、第2の炭素膜2に金属元素および硫黄元素が含有されていることが検出される。   The hollow fiber carbon membrane 10 produced as described above was subjected to elemental analysis of the cross section and / or outer surface of the second carbon membrane 2 of the hollow fiber carbon membrane 10 by energy dispersive X-ray spectroscopy. In this case, it is detected that the second carbon film 2 contains a metal element and a sulfur element.

たとえば、第2の前駆体ポリマーとして、スルホン酸基を含有するポリマーを用いた場合には、150℃〜450℃の温度範囲において、スルホン酸基が熱分解して脱離するため、十分に炭素化処理が進行した中空糸炭素膜10に硫黄は本来存在しないはずである。しかしながら、たとえば、少なくとも一部のスルホン酸基が金属イオンで中和された第2の前駆体ポリマーを用いて第2の炭素膜2を形成した場合には、第2の炭素膜2中に硫黄元素が存在することがわかった。   For example, when a polymer containing a sulfonic acid group is used as the second precursor polymer, the sulfonic acid group is thermally decomposed and eliminated in a temperature range of 150 ° C. to 450 ° C. Sulfur should not originally exist in the hollow fiber carbon membrane 10 that has undergone the conversion treatment. However, for example, when the second carbon film 2 is formed using the second precursor polymer in which at least a part of the sulfonic acid group is neutralized with a metal ion, sulfur is contained in the second carbon film 2. The element was found to be present.

金属元素および硫黄元素を含む第2の炭素膜2の構造の詳細については不明であるが、本発明者らが、中空糸炭素膜10の第2の炭素膜2について広角X線回折法によってX線回折ピークを測定したところ、X線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが観察された。本発明者らが、このX線回折ピークを同定したところ、このX線回折ピークは、金属の酸化物または硫酸塩に由来するものであることが確認された。 Although the details of the structure of the second carbon film 2 containing a metal element and a sulfur element are unknown, the present inventors have examined the second carbon film 2 of the hollow fiber carbon film 10 by X-ray diffraction using a wide angle X-ray diffraction method. the measured ray diffraction peak, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure was observed. When the present inventors identified this X-ray diffraction peak, it was confirmed that this X-ray diffraction peak was derived from a metal oxide or sulfate.

ここで、炭素構造に由来するX線回折ピークとは、炭素結晶の(002)面および(10)面に対応する2つのX線回折ピークおよびアモルファスハローを意味する。また、上記の炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークの出現位置および/または半値幅は、耐炎化処理工程および/または炭素化処理工程における加熱温度および/または加熱時間により変化する。特に金属イオンで中和されたスルホン酸基は、耐炎化処理工程および/または炭素化処理工程で熱分解する際に、親水性の高い金属酸化物あるいは硫酸塩の微結晶を生成し、これらが第2の炭素膜2内の炭素構造と複合化しているために、親水性がより高くなるものと考えられる。   Here, the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure means two X-ray diffraction peaks and an amorphous halo corresponding to the (002) plane and the (10) plane of the carbon crystal. In addition, the appearance position and / or the half width of the X-ray diffraction peak other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure varies depending on the heating temperature and / or the heating time in the flameproofing process and / or the carbonization process. To do. In particular, sulfonic acid groups neutralized with metal ions generate highly hydrophilic metal oxides or sulfate microcrystals when thermally decomposed in a flameproofing process and / or a carbonization process. It is considered that the hydrophilicity becomes higher due to the composite with the carbon structure in the second carbon film 2.

このような炭素と金属の複合物については公知の知見があり、たとえば、Shujiang Ding et al., Colloid Polymer Science(2008), 286,1093-1096には、スルホン化ポリスチレンから作製した炭素中空粒子において、スルホン酸基が金属イオンを容易に取り込みやすく、炭素化を行なうと金属と炭素との複合物が形成され、分離選択性が高く、透過性も高い階層的な細孔チャンネル構造が作製され得ることが示されている。   For example, Shujiang Ding et al., Colloid Polymer Science (2008), 286,1093-1096 describes carbon composites made of sulfonated polystyrene. , Sulfonic acid groups can easily take up metal ions, and when carbonized, a composite of metal and carbon is formed, and a hierarchical pore channel structure with high separation selectivity and high permeability can be produced. It has been shown.

特に、中空糸炭素膜10において、外側の第2の炭素膜2として親水性かつ細孔径の小さい膜を用い、内側の第1の炭素膜1として疎水性かつ細孔径の大きい膜を用いる場合には、浸透気化分離法において、有機溶媒と水との混合液から水を分離する分離性能に優れるとともに、水の透過性能にも優れるため、水の透過量を大きくすることができる自立型の中空糸炭素膜10が得られることが見い出された。   In particular, in the hollow fiber carbon membrane 10, a hydrophilic membrane with a small pore diameter is used as the outer second carbon membrane 2, and a hydrophobic membrane with a large pore diameter is used as the inner first carbon membrane 1. Is a self-supporting hollow that can increase the amount of water permeated because it has excellent separation performance for separating water from a mixture of an organic solvent and water in the pervaporation separation method, and also has excellent water permeation performance. It has been found that a thread carbon film 10 can be obtained.

<分離膜モジュール>
図4に、本発明の分離膜モジュールの一例の模式的な断面図を示す。図4に示す分離膜モジュール20は、所定の長さに切断された複数本の中空糸炭素膜10が束ねられた状態でその両端がそれぞれ接着剤11および接着剤12で固められた構造を有している。中空糸炭素膜10の中空部3の接着剤11で固められている側の端部は開口しているが、接着剤12で固められている側の端部は接着剤12で開口せずに閉じられている。そして、中空糸炭素膜10の接着剤11側の端部にはキャップ14が取り付けられており、接着剤12側の端部にはキャップ15が取り付けられている。なお、中空糸炭素膜10の中空部3の一端が開口し、他端が閉口している構造であれば、上記の構造に限定されないことは言うまでもない。また、上記の構造に加えて、接着剤12で固められている側の端部をも開口させ、キャップ14と同様のものをキャップ15の代わりに取り付けることにより、両端を開口して、分離効率を向上させた分離膜モジュールとしてもよい。
<Separation membrane module>
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an example of the separation membrane module of the present invention. The separation membrane module 20 shown in FIG. 4 has a structure in which a plurality of hollow fiber carbon membranes 10 cut to a predetermined length are bundled and both ends thereof are solidified with an adhesive 11 and an adhesive 12, respectively. doing. The end of the hollow fiber 3 that is solidified with the adhesive 11 in the hollow portion 3 is open, but the end that is solidified with the adhesive 12 is not opened with the adhesive 12. Closed. A cap 14 is attached to the end of the hollow fiber carbon membrane 10 on the adhesive 11 side, and a cap 15 is attached to the end of the adhesive 12 side. Needless to say, the structure is not limited to the above as long as one end of the hollow portion 3 of the hollow fiber carbon membrane 10 is open and the other end is closed. In addition to the structure described above, the end on the side that is hardened with the adhesive 12 is also opened, and the same thing as the cap 14 is attached in place of the cap 15 so that both ends are opened and the separation efficiency is increased. The separation membrane module may be improved.

上記の構成を有する分離膜モジュール20を有機溶媒と水との混合液中に浸漬して、中空糸炭素膜10を有機溶媒と水との混合液に接触させた状態で、キャップ14内から矢印13の方向にガスを抜いて、キャップ14内の雰囲気を減圧雰囲気とする。これにより、中空糸炭素膜10の第2の炭素膜2の外表面に接触した混合液から水が第2の炭素膜2で選択的に分離、気化されて第1の炭素膜1に透過し、第1の炭素膜1から中空部3に水が効率的に透過する。そして、中空部3に移動した水分子は、接着剤11側の端部からキャップ14内に流入して、キャップ14内から矢印13の方向に取り出される。   The separation membrane module 20 having the above-described configuration is immersed in a mixed solution of an organic solvent and water, and the hollow fiber carbon membrane 10 is in contact with the mixed solution of the organic solvent and water. The gas is extracted in the direction of 13 to make the atmosphere in the cap 14 a reduced pressure atmosphere. Thereby, water is selectively separated and vaporized by the second carbon membrane 2 from the mixed liquid in contact with the outer surface of the second carbon membrane 2 of the hollow fiber carbon membrane 10 and permeates the first carbon membrane 1. The water efficiently permeates from the first carbon membrane 1 to the hollow portion 3. Then, the water molecules that have moved to the hollow portion 3 flow into the cap 14 from the end on the adhesive 11 side, and are taken out from the cap 14 in the direction of the arrow 13.

図4に示す分離膜モジュール20は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、上記のようにして複数本の中空糸炭素膜10を作製し、それをそれぞれ所定の長さに切断した状態で束ね、束ねられた複数本の中空糸炭素膜10の一端を接着剤11で接着するとともに、他端を接着剤12で接着する。その後、接着剤11側の中空糸炭素膜10の一端を接着剤11とともに切断することによって、接着剤11側の中空糸炭素膜10の中空部3を開口させる。その後、中空糸炭素膜10の接着剤11側の端部にキャップ14を取り付けるとともに、接着剤12側の端部にキャップ15を取り付けることによって、図4に示す分離膜モジュール20を作製することができる。   The separation membrane module 20 shown in FIG. 4 can be manufactured as follows, for example. First, a plurality of hollow fiber carbon membranes 10 are produced as described above, bundled in a state of being cut into predetermined lengths, and one end of the bundled hollow fiber carbon membranes 10 is bonded to the adhesive 11. And the other end is bonded with an adhesive 12. Then, the hollow part 3 of the hollow fiber carbon membrane 10 on the adhesive 11 side is opened by cutting one end of the hollow fiber carbon membrane 10 on the adhesive 11 side together with the adhesive 11. Thereafter, the cap 14 is attached to the end of the hollow fiber carbon membrane 10 on the adhesive 11 side, and the cap 15 is attached to the end of the adhesive 12 to produce the separation membrane module 20 shown in FIG. it can.

分離膜モジュール20は、上記の中空糸炭素膜10を用いているため、製造が容易であって、小型化が可能であり、かつ水の分離性能および透過性能に優れた分離膜モジュールとすることができる。   Since the separation membrane module 20 uses the hollow fiber carbon membrane 10 described above, the separation membrane module is easy to manufacture, can be downsized, and has excellent water separation performance and permeation performance. Can do.

<実施例1>
(第1の前駆体ポリマーを準備する工程)
第1の前駆体ポリマーとしては、アルドリッチ社製(No.181781)のポリフェニレンオキサイド(PPO)を準備した。
<Example 1>
(Step of preparing the first precursor polymer)
As the first precursor polymer, polyphenylene oxide (PPO) manufactured by Aldrich (No. 181781) was prepared.

(第2の前駆体ポリマーを準備する工程)
また、第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化ポリフェニレンオキサイド(SPPO)は以下のようにして準備した。まず、アルドリッチ社製(No.181781)のPPOをクロロホルムに溶解した状態で、室温下、クロロ硫酸とクロロホルムとの混合溶液を滴下し、スルホン化反応を進行させて反応物を得た。そして、このようにして得られた反応物を再沈させ、水洗した後に、0.5Mの炭酸ナトリウム水溶液に浸漬し、スルホン酸基をナトリウムイオンで中和した。そして、炭酸ナトリウム水溶液への浸漬後の反応物を水洗することによって、反応物に残留した炭酸ナトリウム塩を完全に除去した。その後、反応物を乾燥させて、目的物である第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=45%のSPPOを得た。
(Step of preparing a second precursor polymer)
Moreover, the sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) as the second precursor polymer was prepared as follows. First, a mixed solution of chlorosulfuric acid and chloroform was added dropwise at room temperature in a state where PPO manufactured by Aldrich (No. 181781) was dissolved in chloroform, and a sulfonation reaction was advanced to obtain a reaction product. The reaction product thus obtained was reprecipitated and washed with water, and then immersed in a 0.5 M aqueous sodium carbonate solution to neutralize sulfonic acid groups with sodium ions. And the sodium carbonate salt which remained in the reaction material was removed completely by washing the reaction material after immersion in the sodium carbonate aqueous solution with water. Thereafter, the reaction product was dried to obtain SPPO having a sulfonation degree DS = 45% as a target second precursor polymer.

(第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程)
第1の前駆体ポリマー濃度が27.5質量%となるように、第1の前駆体ポリマーとしてのPPOをクロロホルムに加え、常温で撹拌することによって、PPOをクロロホルムに溶解させ、均一な紡糸原液を得た。
(Process of forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape)
PPO as a first precursor polymer is added to chloroform so that the first precursor polymer concentration is 27.5% by mass, and stirred at room temperature to dissolve PPO in chloroform. Got.

続いて、二重円筒管ノズルの内側から内液であるエタノールを押し出すと同時に外側から上記の紡糸原液を押し出して、エアギャップで乾燥させた後、エタノールで満たした凝固浴中で紡糸原液を固化することによって、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーを作製した。その後、中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーを乾燥し、ワインダーで巻き取った。   Subsequently, the inner liquid ethanol is extruded from the inside of the double cylindrical tube nozzle, and at the same time, the above spinning stock solution is extruded from the outside, dried in an air gap, and then the spinning stock solution is solidified in a coagulation bath filled with ethanol. By doing this, the 1st precursor polymer shape | molded by the hollow fiber shape was produced. Thereafter, the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape was dried and wound up with a winder.

(第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程)
メタノールと、ジメチルアセトアミドとを質量比50:50で混合して混合溶媒を作製した。そして、SPPO濃度が10質量%となるように、第2の前駆体ポリマーとしてのSPPOを混合溶媒に溶解させてディップ液を作製し、ディップ液で浴槽を満たした。
(Installing the second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer)
Methanol and dimethylacetamide were mixed at a mass ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. And so that SPPO density | concentration might be 10 mass%, SPPO as a 2nd precursor polymer was dissolved in the mixed solvent, the dip liquid was produced, and the bathtub was filled with the dip liquid.

そして、ディップ液で満たされた浴槽中に、上記のようにして作製した中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーを浸漬させた後、引き上げながら乾燥させることによって、中空糸炭素膜前駆体を作製した。   And after immersing the 1st precursor polymer shape | molded in the hollow fiber shape produced as mentioned above in the bathtub satisfy | filled with the dip liquid, it is made to dry while pulling up, A hollow fiber carbon membrane precursor Was made.

(耐炎化処理する工程)
上記のようにして作製した中空糸炭素膜前駆体をマッフル炉内に設置し、空気雰囲気中において、2℃/分の速度で260℃まで昇温させ、この温度で1時間加熱した後に放冷することによって、中空糸炭素膜前駆体の第1の前駆体ポリマーおよび第2の前駆体ポリマーの架橋を行なった。
(Process for flameproofing)
The hollow fiber carbon membrane precursor produced as described above was placed in a muffle furnace, heated to 260 ° C. at a rate of 2 ° C./min in an air atmosphere, heated at this temperature for 1 hour, and then allowed to cool. As a result, the first precursor polymer and the second precursor polymer of the hollow fiber carbon membrane precursor were crosslinked.

(炭素化処理する工程)
耐炎化処理後の中空糸炭素膜前駆体を高温炉内に設置し、窒素雰囲気中において、10℃/分の速度で600℃まで昇温させ、この温度で2時間加熱した後に放冷することによって、中空糸状の内側の第1の炭素膜と、外側の第2の炭素膜とからなる実施例1の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例1の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。
(Process for carbonization)
The hollow fiber carbon membrane precursor after the flameproofing treatment is placed in a high temperature furnace, heated to 600 ° C. at a rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere, heated at this temperature for 2 hours, and then allowed to cool. Thus, a hollow fiber carbon membrane of Example 1 composed of a hollow carbon inner first carbon membrane and an outer second carbon membrane was obtained. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

<実施例2>
0.5Mの炭酸ナトリウム水溶液に代えて、硝酸マグネシウム濃度が20質量%の硝酸マグネシウム水溶液を用いて第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=45%のSPPOを準備したこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例2の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例2の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。
<Example 2>
Example except that SPPO having a degree of sulfonation DS = 45% as the second precursor polymer was prepared using a magnesium nitrate aqueous solution having a magnesium nitrate concentration of 20% by mass instead of a 0.5 M sodium carbonate aqueous solution. The hollow fiber carbon membrane of Example 2 was obtained using the same method and the same conditions as in Example 1. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 2 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

<実施例3>
ディップ液中のSPPO濃度を10質量%から15質量%に変更したこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例3の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例3の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は14μmであった。
<Example 3>
A hollow fiber carbon membrane of Example 3 was obtained in the same manner and under the same conditions as in Example 1 except that the SPPO concentration in the dip solution was changed from 10% by mass to 15% by mass. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 3 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 14 μm.

<実施例4>
ディップ液中のSPPO濃度を10質量%から6.5質量%に変更したこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例4の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例4の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。
<Example 4>
A hollow fiber carbon membrane of Example 4 was obtained in the same manner and under the same conditions as in Example 1 except that the SPPO concentration in the dip solution was changed from 10% by mass to 6.5% by mass. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 4 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

<実施例5>
ディップ液中のSPPO濃度を10質量%から20質量%に変更するとともに、ディップ液からの中空糸状に成形された第1の前駆体ポリマーの引き上げ速度を大きくしたこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例5の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例5の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は21μmであった。
<Example 5>
The SPPO concentration in the dip solution was changed from 10% by mass to 20% by mass, and the same pulling rate as that of the first precursor polymer formed into a hollow fiber shape from the dip solution was increased. The hollow fiber carbon membrane of Example 5 was obtained using the same method and the same conditions. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 5 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 21 μm.

<実施例6>
第2の前駆体ポリマーを準備する工程、および第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程を以下のように変更したこと以外は、実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例6の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例6の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。
<Example 6>
The same as Example 1 except that the step of preparing the second precursor polymer and the step of installing the second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer were changed as follows. The hollow fiber carbon membrane of Example 6 was obtained using the same method and the same conditions. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 6 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

(第2の前駆体ポリマーを準備する工程)
第2の前駆体ポリマーとして、上記の式(III)および式(IV)にそれぞれ示される化学構造を有する繰り返し単位Cと繰り返し単位Dとの組み合わせからなるスルホン化ポリエーテルスルホン(SPES)を以下のようにして準備した。
(Step of preparing a second precursor polymer)
As the second precursor polymer, a sulfonated polyethersulfone (SPES) comprising a combination of a repeating unit C and a repeating unit D each having a chemical structure represented by the above formulas (III) and (IV) is as follows: I prepared as follows.

まず、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウム、およびモレキュラーシーブを四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。N−メチル−2−ピロリドンを加えて、150℃で50分撹拌した後、反応温度を195℃〜200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた。その後、放冷し、放冷後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、純水で丁寧に水洗することで、残留した炭酸カリウムを完全に除去した。その後、炭酸カリウムを除去した後のポリマーを乾燥させることによって、目的物である第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=60%のSPESを得た。スルホン酸基はほぼカリウムで中和されていた。   First, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN), 4,4′-biphenol, potassium carbonate , And molecular sieves were weighed into a four-necked flask and flushed with nitrogen. After adding N-methyl-2-pyrrolidone and stirring at 150 ° C. for 50 minutes, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195 ° C. to 200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system. Thereafter, the mixture was allowed to cool and then allowed to cool, and the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then carefully washed with pure water to completely remove residual potassium carbonate. Thereafter, the polymer after the potassium carbonate was removed was dried to obtain SPES having a sulfonation degree DS = 60% as the second precursor polymer as the target product. The sulfonic acid group was almost neutralized with potassium.

(第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程)
ジメチルアセトアミドと、N−メチル−2−ピロリドンを質量比50:50で混合して混合溶媒を作製した。そして、SPES濃度が10質量%となるように、第2の前駆体ポリマーとしてのSPPOを混合溶媒に溶解させてディップ液を作製し、ディップ液で浴槽を満たした。
(Installing the second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer)
Dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone were mixed at a mass ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. Then, a dip solution was prepared by dissolving SPPO as the second precursor polymer in a mixed solvent so that the SPES concentration was 10% by mass, and the bath was filled with the dip solution.

<実施例7>
第2の前駆体ポリマーを準備する工程について以下のように変更を行ない、第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置する工程を実施例6と同一の方法、同一の条件で行ったこと以外は、実施例1と同一の方法および同一の条件で、実施例7の中空糸炭素膜を得た。後述するSEMを用いた測定によれば、実施例7の中空糸炭素膜の外径は300μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。
<Example 7>
The step of preparing the second precursor polymer is changed as follows, and the step of installing the second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer is the same as in Example 6, the same A hollow fiber carbon membrane of Example 7 was obtained in the same manner and under the same conditions as in Example 1, except that the conditions were as described above. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Example 7 was 300 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

(第2の前駆体ポリマーを準備する工程)
実施例6と同一の方法、同一の条件で得られた第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=60%のSPESを、0.5Mの炭酸ナトリウム水溶液に浸漬し、スルホン酸基をナトリウムで中和した。そして、炭酸ナトリウム水溶液への浸漬後のポリマーを水洗することによって、反応物に残留した炭酸ナトリウム塩を完全に除去した。その後、反応物を乾燥させて、目的物である第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=60%のSPESを得た。スルホン酸基はほぼナトリウムで中和されていた。
(Step of preparing a second precursor polymer)
SPES having a sulfonation degree DS = 60% as a second precursor polymer obtained by the same method and under the same conditions as in Example 6 was dipped in a 0.5 M aqueous sodium carbonate solution, and the sulfonic acid group was converted to sodium. Neutralized. And the sodium carbonate salt which remained in the reaction material was removed completely by washing the polymer after immersion in the sodium carbonate aqueous solution with water. Thereafter, the reaction product was dried to obtain SPES having a sulfonation degree DS = 60% as a target second precursor polymer. The sulfonic acid group was almost neutralized with sodium.

<比較例1>
第1の前駆体ポリマーの外表面に第2の前駆体ポリマーを設置しなかったこと以外は実施例1と同一の方法および同一の条件で、比較例1の中空糸炭素膜を得た。すなわち、比較例1の中空糸炭素膜は、中空糸状に成形されたPPOからなる第1の前駆体ポリマーについて耐炎化処理および炭素化処理を行なって得られた中空糸状の第1の炭素膜のみからなる中空糸炭素膜であった。後述するSEMを用いた測定によれば、比較例1の中空糸炭素膜の外径は290μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は9μmであった。
<Comparative Example 1>
A hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 was obtained by the same method and the same conditions as in Example 1 except that the second precursor polymer was not placed on the outer surface of the first precursor polymer. That is, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 is only a hollow fiber-like first carbon membrane obtained by subjecting the first precursor polymer made of PPO formed into a hollow fiber shape to flame resistance treatment and carbonization treatment. It was a hollow fiber carbon membrane made of According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 was 290 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 9 μm.

<比較例2>
比較例2の中空糸炭素膜は、以下のようにして作製した。まず、実施例1と同一の方法および同一の条件で第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=45%のSPPOを作製した。次に、SPPO濃度が27.5質量%となるように、このSPPOをメタノールに加え、常温で撹拌することによって、SPPOをメタノールに溶解させ、均一な紡糸原液を得た。
<Comparative Example 2>
The hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2 was produced as follows. First, SPPO having a degree of sulfonation DS of 45% as a second precursor polymer was produced by the same method and the same conditions as in Example 1. Next, this SPPO was added to methanol so that the SPPO concentration would be 27.5% by mass, and the mixture was stirred at room temperature to dissolve SPPO in methanol to obtain a uniform spinning solution.

続いて、二重円筒管ノズルの内側から内液である硝酸アンモニウム濃度が15質量%の硝酸アンモニウム水溶液を押し出すと同時に外側から上記の紡糸原液を押し出して、エアギャップで乾燥させた後、純水で満たした凝固浴中で紡糸原液を固化することによって、中空糸状に成形されたSPPOを作製した。その後、中空糸状に成形された湿潤状態のSPPOをワインダーで巻き取った。   Subsequently, an aqueous ammonium nitrate solution having a concentration of 15% by mass of ammonium nitrate as the inner liquid was extruded from the inside of the double cylindrical tube nozzle, and at the same time, the above spinning stock solution was extruded from the outside, dried in an air gap, and then filled with pure water. SPPO formed into a hollow fiber shape was prepared by solidifying the spinning solution in a coagulation bath. Thereafter, the wet SPPO formed into a hollow fiber shape was wound with a winder.

上記のようにして得られた中空糸状に成形された湿潤状態のSPPOを束にして乾燥させた場合には、SPPOが互いに密着して、取り扱いが困難であった。そのため、SPPOをそれぞれ1m程度の長さにカットして、1本ずつ吊るした状態で、それぞれの先端に1g程度の錘を取り付けて、中空糸状のSPPO中の内液を抜きつつ乾燥させた。   When the wet SPPO formed in the hollow fiber shape obtained as described above was bundled and dried, the SPPOs were in close contact with each other and were difficult to handle. For this reason, each SPPO was cut to a length of about 1 m and suspended one by one, and a weight of about 1 g was attached to each tip, and dried while removing the internal liquid in the hollow fiber-shaped SPPO.

その後、上記の乾燥後の中空糸状のSPPOについて、実施例1と同一の方法および同一の条件の耐炎化処理および炭素化処理をすることによって、比較例2の中空糸炭素膜を得た。すなわち、比較例2の中空糸炭素膜は、中空糸状に成形されたSPPOについて耐炎化処理および炭素化処理を行なって得られた中空糸状の第1の炭素膜のみからなる中空糸炭素膜であった。後述するSEMを用いた測定によれば、比較例2の中空糸炭素膜の外径は260μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。   After that, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2 was obtained by subjecting the hollow fiber-shaped SPPO after drying to flameproofing treatment and carbonization treatment under the same method and the same conditions as in Example 1. That is, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2 is a hollow fiber carbon membrane composed only of a hollow fiber-like first carbon membrane obtained by subjecting SPPO molded into a hollow fiber shape to flameproofing treatment and carbonization treatment. It was. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2 was 260 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

<比較例3>
比較例3の中空糸炭素膜は、以下のようにして作製した。まず、実施例6と同一の方法および同一の条件で、第2の前駆体ポリマーとしてのスルホン化度DS=60のSPESを作製した。次に、SPES濃度が27.5質量%となるように、このSPESをN−メチル−2−ピロリドンに加え、150℃で撹拌することによって、SPESをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させ、均一な紡糸原液を得た。
<Comparative Example 3>
The hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3 was produced as follows. First, SPES having a degree of sulfonation DS of 60 as a second precursor polymer was produced by the same method and the same conditions as in Example 6. Next, SPES was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone by adding this SPES to N-methyl-2-pyrrolidone and stirring at 150 ° C. so that the SPES concentration was 27.5% by mass. A uniform spinning dope was obtained.

続いて、二重円筒管ノズルの内側から内液である硝酸アンモニウム濃度が15質量%の硝酸アンモニウム水溶液を押し出すと同時に外側から上記の紡糸原液を押し出して、エアギャップで乾燥させた後、純水で満たした凝固浴中で紡糸原液を固化することによって、中空糸状に成形されたSPESを作製した。その後、中空糸状に成形された湿潤状態のSPESをワインダーで巻き取った。   Subsequently, an aqueous ammonium nitrate solution having a concentration of 15% by mass of ammonium nitrate as the inner liquid was extruded from the inside of the double cylindrical tube nozzle, and at the same time, the above spinning stock solution was extruded from the outside, dried in an air gap, and then filled with pure water. SPES formed into a hollow fiber shape was prepared by solidifying the spinning solution in a coagulation bath. Thereafter, the wet SPES formed into a hollow fiber shape was wound with a winder.

上記のようにして得られた中空糸状に成形された湿潤状態のSPESを束にして乾燥させた場合には、比較例2のSPPOの場合と同様に、SPESが互いに密着して、取り扱いが困難であった。そのため、SPESをそれぞれ1m程度の長さにカットして、1本ずつ吊るした状態で、それぞれの先端に1g程度の錘を取り付けて、中空糸状のSPES中の内液を抜きつつ乾燥させた。   When the wet SPES formed in the hollow fiber shape obtained as described above is bundled and dried, the SPES adheres to each other and is difficult to handle, as in the case of SPPO of Comparative Example 2. Met. Therefore, each SPES was cut to a length of about 1 m and suspended one by one, and a weight of about 1 g was attached to each tip, and the SPES was dried while removing the internal liquid in the hollow fiber-like SPES.

その後、上記の乾燥後の中空糸状のSPESについて、実施例1と同一の方法および同一の条件の耐炎化処理および炭素化処理をすることによって、比較例3の中空糸炭素膜を得た。すなわち、比較例3の中空糸炭素膜は、中空糸状に成形されたSPESについて耐炎化処理および炭素化処理を行なって得られた中空糸状の第1の炭素膜のみからなる中空糸炭素膜であった。後述するSEMを用いた測定によれば、比較例3の中空糸炭素膜の外径は270μmであり、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は10μmであった。   Then, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3 was obtained by subjecting the hollow fiber SPES after drying to flameproofing treatment and carbonization treatment under the same method and the same conditions as in Example 1. That is, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3 is a hollow fiber carbon membrane consisting only of a hollow fiber-like first carbon membrane obtained by subjecting SPES formed into a hollow fiber shape to flame resistance treatment and carbonization treatment. It was. According to the measurement using SEM described later, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3 was 270 μm, and the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane was 10 μm.

<中空糸炭素膜の評価>
上記のようにして作製された実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜について以下の方法で、(i)中空糸炭素膜の外径、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚、ならびに第2の炭素膜の厚さ、(ii)金属元素含有量および硫黄元素含有量、ならびに(iii)炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークの有無を測定するとともに、(iv)浸透気化分離法による水の分離性能および透過性能の評価を行なった。
<Evaluation of hollow fiber carbon membrane>
With respect to the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 manufactured as described above, (i) the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane, the first carbon membrane, and the second carbon membrane The total thickness of the carbon film, the thickness of the second carbon film, (ii) the metal element content and the sulfur element content, and (iii) the presence or absence of X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure (Iv) Evaluation of water separation performance and permeation performance by the pervaporation separation method was performed.

(外径、総厚および厚さの測定)
実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜の外径、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚、ならびに実施例1〜7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜の厚さをそれぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により測定した。表1に、実施例1〜7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜の厚さの測定結果を示す。なお、比較例1〜3の中空糸炭素膜については、第2の炭素膜が存在しないため、第2の炭素膜の厚さについては測定せず、第1の炭素膜および第2の炭素膜の総厚は第1の炭素膜の厚さを意味している。
(Measurement of outer diameter, total thickness and thickness)
The outer diameter of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, the total thickness of the first carbon membrane and the second carbon membrane, and the second of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 The thickness of the carbon film was measured with a scanning electron microscope (SEM). In Table 1, the measurement result of the thickness of the 2nd carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Examples 1-7 is shown. In addition, about the hollow fiber carbon membrane of Comparative Examples 1-3, since the 2nd carbon membrane does not exist, it does not measure about the thickness of a 2nd carbon membrane, but the 1st carbon membrane and the 2nd carbon membrane The total thickness means the thickness of the first carbon film.

具体的には、実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜をそれぞれ、その長手方向と直交する方向に切断し、その切断面にPtをスパッタリングしたものを、(株)日立製作所製の走査型電子顕微鏡S−4800を用いて、加速電圧5kVで観察した。実施例1〜7の第2の炭素膜の厚さは、中空糸炭素膜のSEM像の内側の第1の炭素膜と第2の炭素膜との間に色のコントラストが生じることを利用して測定した。図5〜図7に、SEM像の一例として、実施例1の中空糸炭素膜のSEM像を示す。   Specifically, each of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 was cut in a direction orthogonal to the longitudinal direction, and Pt was sputtered on the cut surface. Observation was performed at an acceleration voltage of 5 kV using a scanning electron microscope S-4800 manufactured by Seisakusho. The thickness of the second carbon film of Examples 1 to 7 is based on the fact that a color contrast is generated between the first carbon film and the second carbon film inside the SEM image of the hollow fiber carbon film. Measured. 5-7, the SEM image of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 is shown as an example of the SEM image.

表1に示すように、実施例1〜7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜の厚さは、それぞれ、1.2μm、1.4μm、4.2μm、0.4μm、13μm、1.3μm、および1.3μmであった。   As shown in Table 1, the thicknesses of the second carbon membranes of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 are 1.2 μm, 1.4 μm, 4.2 μm, 0.4 μm, 13 μm, and 1. 3 μm and 1.3 μm.

(金属元素含有量および硫黄元素含有量の測定)
実施例1〜7の中空糸炭素膜の第1の炭素膜および第2の炭素膜、ならびに比較例1〜3の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の元素組成をエネルギー分散型X線分光法により分析した。そして、その分析結果から金属元素含有量および硫黄元素含有量をそれぞれ測定した。その結果を表1に示す。
(Measurement of metal element content and sulfur element content)
Energy dispersive X-ray spectroscopy of elemental compositions of the first and second carbon films of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and the first carbon film of the hollow fiber carbon membranes of Comparative Examples 1 to 3 Analyzed by the method. And the metal element content and sulfur element content were measured from the analysis result, respectively. The results are shown in Table 1.

具体的には、実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜をそれぞれ、その長手方向と直交する方向に切断し、エネルギー分散型X線分光法により、第1の炭素膜および第2の炭素膜のそれぞれの切断面の元素組成の分析を行なった。ここで、エネルギー分散型X線分光法による測定は、BRUKER製エネルギー分散型X線分析装置QUANTAXを備えた走査型電子顕微鏡S−4800を用い、加速電圧20kV、積算時間300秒の条件で行なった。   Specifically, each of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 was cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction, and the first carbon membrane and the carbon fiber membranes were analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy. The elemental composition of each cut surface of the second carbon film was analyzed. Here, the measurement by energy dispersive X-ray spectroscopy was performed using a scanning electron microscope S-4800 equipped with an energy dispersive X-ray analyzer QUANTAX manufactured by BRUKER under the conditions of an acceleration voltage of 20 kV and an integration time of 300 seconds. .

図8(a)に、実施例1の中空糸炭素膜の元素組成の分析が行なわれた領域を示す。図8(a)の破線で取り囲まれた領域が第2の炭素膜の元素組成の分析領域であり、実線で取り囲まれた領域が第1の炭素膜の元素組成の分析領域である。   FIG. 8A shows a region where the elemental composition of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 was analyzed. A region surrounded by a broken line in FIG. 8A is an analysis region of the elemental composition of the second carbon film, and a region surrounded by a solid line is an analysis region of the elemental composition of the first carbon film.

図8(b)に、エネルギー分散型X線分光法による元素組成の分析結果の一例として、実施例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜および第2の炭素膜のそれぞれの元素組成の分析結果を示す。図8(b)に示すように、第1の炭素膜および第2の炭素膜のいずれにおいてもナトリウムの存在に対応するピークが現れており、そのピークは、第1の炭素膜よりも第2の炭素膜の方が大きくなっていた。また、第2の炭素膜については硫黄の存在に対応するピークが現れているが、第1の炭素膜については硫黄の存在に対応するピークは現れていなかった。   FIG. 8B shows, as an example of the analysis result of the elemental composition by energy dispersive X-ray spectroscopy, the elemental composition of each of the first carbon film and the second carbon film of the hollow fiber carbon film of Example 1. The analysis results are shown. As shown in FIG. 8B, a peak corresponding to the presence of sodium appears in both the first carbon film and the second carbon film, and the peak is higher than that of the first carbon film. The carbon film was larger. Moreover, although the peak corresponding to the presence of sulfur appeared for the second carbon film, the peak corresponding to the presence of sulfur did not appear for the first carbon film.

図8(c)に、実施例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜および第2の炭素膜のそれぞれの元素分析の結果を示す。図8(c)に示すように、実施例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の炭素、窒素、酸素、ナトリウムおよび硫黄の含有量(質量%)は、それぞれ、92.60質量%、0.69質量%、6.30質量%、0.41質量%および0質量%であった。   FIG. 8C shows the results of elemental analysis of the first carbon film and the second carbon film of the hollow fiber carbon membrane of Example 1. FIG. As shown in FIG. 8 (c), the content (mass%) of carbon, nitrogen, oxygen, sodium and sulfur in the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 was 92.60 mass%, respectively. 0.69% by mass, 6.30% by mass, 0.41% by mass and 0% by mass.

また、実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜の炭素、窒素、酸素、ナトリウムおよび硫黄の含有量(質量%)は、それぞれ、81.10質量%、1.10質量%、12.71質量%、3.33質量%および1.76質量%であった。   Further, the carbon (carbon), nitrogen, oxygen, sodium and sulfur contents (% by mass) of the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 were 81.10% by mass, 1.10% by mass and 12%, respectively. They were 0.71 mass%, 3.33 mass%, and 1.76 mass%.

(X線回折ピークの有無の測定)
実施例1〜7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜および比較例1〜3の中空糸炭素膜の第1の炭素膜のそれぞれについて、広角X線回折法により、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークの有無を測定した。その結果を表1に示す。
(Measurement of presence or absence of X-ray diffraction peak)
About each of the 2nd carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Examples 1-7 and the 1st carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Examples 1-3, it originates in carbon structure by wide angle X-ray diffraction method The presence or absence of X-ray diffraction peaks other than the line diffraction peaks was measured. The results are shown in Table 1.

具体的には、株式会社リガク製のSmartLabをX線回折装置として用い、X線としては、40kV、30mAによるCu−Kα線を使用した。広角X線回折測定は、集中法での2θ−θスキャン測定により行なった。検出器は、株式会社リガク製の高速1次元検出器D/tex Ultraを用いた。Cu−Kα線の単色化は、Kβフィルターを用いることにより行なった。広角X線回折測定の測定ステップは0.02°とし、スキャン速度は0.5deg/minとした。また、測定角度範囲は、散乱ベクトルqでの尺度において、q=5nm-1〜50nm-1の範囲とした。 Specifically, SmartLab manufactured by Rigaku Corporation was used as an X-ray diffractometer, and 40 kV, 30 mA Cu—Kα ray was used as the X-ray. Wide-angle X-ray diffraction measurement was performed by 2θ-θ scan measurement by the concentration method. As a detector, a high-speed one-dimensional detector D / tex Ultra manufactured by Rigaku Corporation was used. The Cu—Kα ray was monochromatized by using a Kβ filter. The measurement step of wide-angle X-ray diffraction measurement was 0.02 °, and the scan speed was 0.5 deg / min. The measurement range of angles, in a measure of the scattering vector q, and the range of q = 5nm -1 ~50nm -1.

散乱ベクトルqは、以下の式(V)により表わされる。なお、式(V)において、λは測定に用いられるX線の波長を示し、θはBragg回折角2θの1/2の値を示している。
q=(4π/λ)sinθ …(V)
The scattering vector q is represented by the following formula (V). In equation (V), λ represents the wavelength of X-rays used for measurement, and θ represents a value that is ½ of the Bragg diffraction angle 2θ.
q = (4π / λ) sin θ (V)

また、広角X線回折法の測定サンプルは、以下のようにして作製した。まず、実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜をそれぞれ10cm程度の長さにカットしたものを純水に浸漬させ、スターラーバーで緩やかに撹拌しながら、2時間放置することによって水洗を行なった。そして、上記の水洗を純水を交換しながら4回繰り返し、中空糸炭素膜の表面に析出した金属塩および/または汚れを除去した。   Moreover, the measurement sample of the wide angle X-ray diffraction method was produced as follows. First, each of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 cut to a length of about 10 cm is immersed in pure water and left for 2 hours while gently stirring with a stirrer bar. Was washed with water. Then, the above water washing was repeated 4 times while exchanging pure water to remove metal salts and / or dirt deposited on the surface of the hollow fiber carbon membrane.

次に、上記の中空糸炭素膜を80℃の雰囲気中に一晩放置することによって、中空糸炭素膜を乾燥させ、中空糸炭素膜から水分を除去した。乾燥することによって水分を除去した中空糸炭素膜を上記のX線回折装置用のガラス製サンプル台に収まる長さにカットし、平行かつ重ならないように20〜50本程度敷き詰めることによって、広角X線回折法の測定サンプルとした。このようにして作製した測定サンプルをX線回折装置のステージに取り付け、上記の測定条件にて広角X線回折測定を行ない、これをサンプルデータとした。   Next, the hollow fiber carbon membrane was allowed to stand in an atmosphere of 80 ° C. overnight, thereby drying the hollow fiber carbon membrane and removing moisture from the hollow fiber carbon membrane. The wide-angle X is obtained by cutting the hollow fiber carbon membrane from which moisture has been removed by drying to a length that can be accommodated in the glass sample table for the X-ray diffractometer, and laying about 20 to 50 in parallel so as not to overlap. A measurement sample of the line diffraction method was used. The measurement sample thus prepared was attached to the stage of the X-ray diffractometer, and wide-angle X-ray diffraction measurement was performed under the above measurement conditions, and this was used as sample data.

次に、中空糸炭素膜を敷き詰めていない状態での空気散乱およびガラス製サンプル台の散乱を同一条件で測定し、上記の測定条件と同一条件で測定し、これをバックグラウンドデータとした。   Next, the air scattering and the scattering of the glass sample stage in the state where the hollow fiber carbon membrane was not spread were measured under the same conditions, and measured under the same conditions as the above measurement conditions, and this was used as background data.

そして、サンプルデータのX線回折強度分布から、バックグラウンドデータのX線回折強度分布を除去することによって、実施例1〜7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜および比較例1〜3の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の広角X線回折測定によるX線回折強度分布とした。サンプルデータのX線回折強度分布から、バックグラウンドデータのX線回折強度分布を除去する操作においては、サンプルによるX線吸収の寄与を考慮してもよいが、考慮しなくても、データの大勢に影響しないと考えられる。   And by removing the X-ray diffraction intensity distribution of the background data from the X-ray diffraction intensity distribution of the sample data, the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 The X-ray diffraction intensity distribution was measured by wide-angle X-ray diffraction measurement of the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane. In the operation of removing the X-ray diffraction intensity distribution of the background data from the X-ray diffraction intensity distribution of the sample data, the contribution of X-ray absorption by the sample may be taken into account, but many of the data may be taken without consideration. It is thought that it does not affect.

図9に、上記の広角X線回折法により得られたX線回折強度分布を示すX線回折プロファイルの一例として、実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜および比較例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜のそれぞれのX線回折プロファイルを比較した例を示す。図9に示すように、実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜のX線回折プロファイルにおいては、炭素結晶の(002)面および(10)面に対応する箇所ではない(A)および(B)の箇所にそれぞれ、X線回折ピークが見られるが、比較例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜のX線回折プロファイルではこのようなX線回折ピークは見られない。実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜のX線回折プロファイルにおける(A)および(B)の箇所のX線回折ピークは、炭素結晶の(002)面および(10)面に対応する2つのX線回折ピークおよびアモルファスハローのいずれにも相当しないため、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークである。   FIG. 9 shows, as an example of the X-ray diffraction profile showing the X-ray diffraction intensity distribution obtained by the above-mentioned wide-angle X-ray diffraction method, the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 and the hollow of Comparative Example 1. The example which compared each X-ray diffraction profile of the 1st carbon film of a thread carbon film is shown. As shown in FIG. 9, in the X-ray diffraction profile of the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1, it is not a location corresponding to the (002) plane and the (10) plane of the carbon crystal (A) X-ray diffraction peaks are observed at the positions (B) and (B), respectively, but such X-ray diffraction peaks are not observed in the X-ray diffraction profile of the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1. The X-ray diffraction peaks at locations (A) and (B) in the X-ray diffraction profile of the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Example 1 correspond to the (002) plane and the (10) plane of the carbon crystal. The X-ray diffraction peak other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure is not equivalent to any of the two X-ray diffraction peaks and amorphous halo.

実施例2〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜についても上記と同様にしてX線回折プロファイルを取得し、上記と同様の判断基準で、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークの有無を判断した。   For the hollow fiber carbon membranes of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, X-ray diffraction profiles were obtained in the same manner as described above, and other than the X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure based on the same criteria as described above. The presence or absence of an X-ray diffraction peak was determined.

なお、中空糸炭素膜の第2の炭素膜の厚さが薄く、上記のような実験室装置で十分なX線回折強度が得られない場合には、たとえばSPring8のような大型放射光施設において、上記と同じ散乱ベクトルq=5nm-1〜50nm-1の範囲での広角X線回折測定(たとえば透過法による測定)が行なわれてもよい。 If the second carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane is thin and sufficient X-ray diffraction intensity cannot be obtained with the laboratory apparatus as described above, for example, in a large synchrotron radiation facility such as SPring8 may be a wide-angle X-ray diffraction measurement in the same range of the scattering vector q = 5nm -1 ~50nm -1 and above (e.g. measured by transmission method) is performed.

(分離性能および透過性能の評価)
図10に、実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜の浸透気化分離法による水の分離性能および透過性能の評価に用いた浸透気化分離装置の模式的な構成図を示す。実施例1〜7および比較例1〜3の中空糸炭素膜10の複数をそれぞれ同数ずつ束ねて、束ねた中空糸炭素膜10の一端の開口部を接着剤で封止して閉口するとともに、他端の開口部を開口させて、その両端にそれぞれキャップを嵌め込んで分離膜モジュール20を作製した。そして、このようにして作製した分離膜モジュール20を、保温テープ39で被覆されたステンレスチューブ44の一端に気密状態が保たれるように取り付けた。また、ステンレスチューブ44の端部間にはストップバルブ40を取り付けた。
(Evaluation of separation performance and permeation performance)
In FIG. 10, the typical block diagram of the osmosis | evaporation separation apparatus used for evaluation of the water separation performance by the osmosis | evaporation separation method of the hollow fiber carbon membrane of Examples 1-7 and Comparative Examples 1-3 and permeation | permeation performance is shown. . A plurality of hollow fiber carbon membranes 10 of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 are bundled in the same number, and the opening at one end of the bundled hollow fiber carbon membranes 10 is sealed with an adhesive and closed. The separation membrane module 20 was produced by opening the opening at the other end and fitting caps at both ends. Then, the separation membrane module 20 produced in this way was attached to one end of the stainless tube 44 covered with the heat insulating tape 39 so as to keep an airtight state. A stop valve 40 was attached between the ends of the stainless tube 44.

また、容器33に供給液としての水分率3質量%の酢酸エチル水溶液32を注入して、容器33の底部に攪拌子35を設置した。そして、容器33を恒温槽34に設置し、スターラー31上に恒温槽34を設置して、酢酸エチル水溶液32中に温度計38を挿入した。恒温槽34によって容器33中の酢酸エチル水溶液32を一定温度に保ちながら、スターラー31によって攪拌子35を回転させて酢酸エチル水溶液32を攪拌し、分離膜モジュール20を酢酸エチル水溶液32中に浸漬させた。   In addition, an ethyl acetate aqueous solution 32 having a water content of 3% by mass as a supply liquid was poured into the container 33, and a stirrer 35 was installed at the bottom of the container 33. And the container 33 was installed in the thermostat 34, the thermostat 34 was installed on the stirrer 31, and the thermometer 38 was inserted in the ethyl acetate aqueous solution 32. FIG. The stirrer 35 is rotated by the stirrer 31 while the ethyl acetate aqueous solution 32 is stirred by keeping the ethyl acetate aqueous solution 32 in the container 33 at a constant temperature by the thermostatic bath 34, and the separation membrane module 20 is immersed in the ethyl acetate aqueous solution 32. It was.

また、ステンレスチューブ44の他端を、他のステンレスチューブ45の一端とともに液体窒素37(−196℃)で冷却された冷却トラップ36中に気密状態で挿入した。ステンレスチューブ45の他端を真空ポンプ43に取り付けるとともに、ステンレスチューブ45の端部間には圧力計41およびストップバルブ42を冷却トラップ36側からこの順に取り付けた。   Further, the other end of the stainless steel tube 44 was inserted in an airtight state into a cooling trap 36 cooled with liquid nitrogen 37 (−196 ° C.) together with one end of the other stainless steel tube 45. The other end of the stainless steel tube 45 was attached to the vacuum pump 43, and a pressure gauge 41 and a stop valve 42 were attached between the ends of the stainless steel tube 45 in this order from the cooling trap 36 side.

そして、真空ポンプ43を作動させて、分離膜モジュール20の酢酸エチル水溶液32の供給液側の圧力を大気圧とし、透過液側の圧力を1Paとした。そして、評価を開始してから所定時間が経過した後、冷却トラップ36でトラップされた透過液の質量から以下の式(VI)により透過流束(kg・m-2・h-1)を求めた。その結果を表1に示す。
透過流束[kg・m-2・h-1]=(透過液の質量[kg])÷{中空糸炭素膜の面積[m2]×時間[h]} …(VI)
Then, the vacuum pump 43 was operated to set the pressure on the supply liquid side of the ethyl acetate aqueous solution 32 of the separation membrane module 20 to atmospheric pressure, and the pressure on the permeate side to 1 Pa. Then, after a predetermined time has elapsed from the start of the evaluation, the permeation flux (kg · m −2 · h −1 ) is obtained from the mass of the permeate trapped by the cooling trap 36 by the following formula (VI). It was. The results are shown in Table 1.
Permeation flux [kg · m −2 · h −1 ] = (mass of permeate [kg]) ÷ {area of hollow fiber carbon membrane [m 2 ] × time [h]} (VI)

また、冷却トラップ36でトラップされた透過液をTCD(Thermal Conductivity Detector)ガスクロマトグラフにより分析し、透過液中の酢酸エチル濃度を求めるとともに以下の式(VII)により分離係数を算出した。その結果を表1に示す。
分離係数={透過液の水濃度[質量%]/透過液の酢酸エチル濃度[質量%]}÷{供給液の水濃度[質量%]/供給液の酢酸エチル濃度[質量%]} …(VII)
Further, the permeate trapped by the cooling trap 36 was analyzed by a TCD (Thermal Conductivity Detector) gas chromatograph to obtain the ethyl acetate concentration in the permeate and the separation factor was calculated by the following equation (VII). The results are shown in Table 1.
Separation factor = {water concentration in permeate [mass%] / ethyl acetate concentration in permeate [mass%]} ÷ {water concentration in feed liquid [mass%] / ethyl acetate concentration in feed liquid [mass%]} VII)

<細孔径の相対比較>
また、実施例1〜7の中空糸炭素膜の第1の炭素膜および第2の炭素膜2の細孔径、ならびに比較例1〜3の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の細孔径が大きいか小さいかの相対比較は、上記の浸透気化分離法による分離性能試験における分離係数の値により評価した。すなわち、たとえば分離係数がより高い場合には、水分子よりも分子径の大きい酢酸エチル分子の炭素膜内への侵入を効率よく阻止できているということであり、細孔径が小さいことを意味する。
<Relative comparison of pore size>
Moreover, the pore diameter of the 1st carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Examples 1-7 and the 2nd carbon membrane 2 and the pore diameter of the 1st carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Examples 1-3 are the same. The relative comparison between large and small was evaluated by the value of the separation coefficient in the separation performance test by the above-described pervaporation separation method. That is, for example, when the separation factor is higher, it means that ethyl acetate molecules having a larger molecular diameter than water molecules can be effectively prevented from entering the carbon membrane, which means that the pore diameter is small. .

その結果、表1から明らかなように、実施例1〜7の中空糸炭素膜の分離係数は、それぞれ、320000、220000、540000、20000、820000、230000および320000であった。一方、比較例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の分離係数は645であった。実施例1〜7の中空糸炭素膜の分離係数は、比較例1の中空糸炭素膜の第1の炭素膜の分離係数を大きく上回っており、実施例1〜7の第1の炭素膜の上に設置された第2の炭素膜の細孔径が、第1の炭素膜の細孔径よりも小さく、有機溶媒分子を阻止するに好ましい構造となっていることが確認された。   As a result, as is clear from Table 1, the separation factors of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 were 320,000, 220,000, 540000, 20000, 820000, 230000, and 320,000, respectively. On the other hand, the separation factor of the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 was 645. The separation factor of the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 greatly exceeds the separation factor of the first carbon membrane of the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1, and the separation factor of the first carbon membranes of Examples 1 to 7 It was confirmed that the pore diameter of the second carbon film installed above was smaller than the pore diameter of the first carbon film, and that the structure was favorable for blocking organic solvent molecules.

<評価結果>
(実施例1の中空糸炭素膜の評価)
実施例1の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてナトリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPPOから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例1の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においては、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
<Evaluation results>
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Example 1)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 1, the presence of sodium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the sodium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the sodium element content and the sulfur element content in one carbon film. Further, the second carbon membrane having a small pore diameter and made of SPPO and having a high hydrophilicity prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated to permeate the second carbon membrane, thereby reducing the fineness. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. In the second carbon film of the hollow fiber carbon membrane of Example 1, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

(実施例2の中空糸炭素膜の評価)
実施例2の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてマグネシウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるマグネシウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるマグネシウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPPOから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例2の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of hollow fiber carbon membrane of Example 2)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 2, the presence of magnesium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the magnesium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the magnesium element content and the sulfur element content in one carbon film. Further, the second carbon membrane having a small pore diameter and made of SPPO and having a high hydrophilicity prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated to permeate the second carbon membrane, thereby reducing the fineness. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 2, within the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

(実施例3の中空糸炭素膜の評価)
実施例3の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてナトリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPPOから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例3の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Example 3)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 3, the presence of sodium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the sodium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the sodium element content and the sulfur element content in one carbon film. Further, the second carbon membrane having a small pore diameter and made of SPPO and having a high hydrophilicity prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated to permeate the second carbon membrane, thereby reducing the fineness. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 3, within the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

(実施例4の中空糸炭素膜の評価)
実施例4の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてナトリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPPOから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例4の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Example 4)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 4, the presence of sodium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the sodium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the sodium element content and the sulfur element content in one carbon film. Further, the second carbon membrane having a small pore diameter and made of SPPO and having a high hydrophilicity prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated to permeate the second carbon membrane, thereby reducing the fineness. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 4, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

ただし、実施例4の中空糸炭素膜においては、実施例1〜3の中空糸炭素膜と比較して透過流量および分離係数が低くなり、透過液の酢酸エチル濃度も高くなっていた。これは、ディップ液中のSPPO濃度が低すぎて第2の前駆体ポリマーの塗布ムラが生じ、第2の炭素膜の厚さが薄くなって、第2の炭素膜の厚さが500nm以上10μm以下の範囲内に存在しなくなったことによるものと考えられる。   However, in the hollow fiber carbon membrane of Example 4, the permeate flow rate and the separation factor were lower than in the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 3, and the ethyl acetate concentration in the permeate was also higher. This is because the SPPO concentration in the dip solution is too low, resulting in uneven coating of the second precursor polymer, the thickness of the second carbon film is reduced, and the thickness of the second carbon film is 500 nm or more and 10 μm. This is thought to be due to the fact that it no longer exists within the following range.

(実施例5の中空糸炭素膜の評価)
実施例5の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてナトリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPPOから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例5の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Example 5)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 5, the presence of sodium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the sodium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were More than the sodium element content and the sulfur element content in one carbon film. Further, the second carbon membrane having a small pore diameter and made of SPPO and having a high hydrophilicity prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated to permeate the second carbon membrane, thereby reducing the fineness. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 5, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

ただし、実施例5の中空糸炭素膜においては、実施例1〜3の中空糸炭素膜と比較して分離係数が高くなり、透過液の酢酸エチル濃度も低かったが、透過流量が低くなっていた。これは、ディップ液中のSPPO濃度が高すぎて第2の炭素膜の厚さが厚くなりすぎて500nm以上10μm以下の範囲内に存在しなくなったことによるものと考えられる。   However, in the hollow fiber carbon membrane of Example 5, the separation factor was higher than in the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 3, and the ethyl acetate concentration in the permeate was low, but the permeate flow rate was low. It was. This is presumably because the SPPO concentration in the dip solution was too high and the thickness of the second carbon film became too thick to be no longer in the range of 500 nm to 10 μm.

(実施例6の中空糸炭素膜の評価)
実施例6の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてカリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるカリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるカリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPESから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例6の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Example 6)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 6, the presence of potassium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the potassium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the potassium element content and the sulfur element content in one carbon film. In addition, the second carbon membrane formed from SPES, which has a small pore diameter and is highly hydrophilic, prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated and permeated through the second carbon membrane. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 6, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

(実施例7の中空糸炭素膜の評価)
実施例7の中空糸炭素膜においては、第2の炭素膜においてナトリウム元素および硫黄元素の存在が確認されており、第2の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量は、それぞれ、第1の炭素膜におけるナトリウム元素含有量および硫黄元素含有量よりも多かった。また、細孔径が小さく、SPESから形成されて親水性が大きい第2の炭素膜により、酢酸エチルの透過が阻止されて、水が選択的に分離されて第2の炭素膜を透過し、細孔径が比較的大きいPPOから形成されて、親水性が小さい第1の炭素膜において、水が効率よく透過し、中空糸炭素膜の中空部へ速やかに放散させることができる結果、透過流量および分離係数がそれぞれ高くなり、透過液中の酢酸エチル濃度が低くなった。また、実施例7の中空糸炭素膜の第2の炭素膜においても、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが確認された。
(Evaluation of hollow fiber carbon membrane of Example 7)
In the hollow fiber carbon membrane of Example 7, the presence of sodium element and sulfur element was confirmed in the second carbon membrane, and the sodium element content and the sulfur element content in the second carbon membrane were respectively More than the sodium element content and the sulfur element content in one carbon film. In addition, the second carbon membrane formed from SPES, which has a small pore diameter and is highly hydrophilic, prevents permeation of ethyl acetate, and water is selectively separated and permeated through the second carbon membrane. In the first carbon membrane formed from PPO having a relatively large pore diameter and having low hydrophilicity, water can permeate efficiently and rapidly dissipate into the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, resulting in permeation flow rate and separation. Each coefficient increased and the ethyl acetate concentration in the permeate decreased. Also in the second carbon layer of the hollow fiber carbon membrane of Example 7, in the range of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X-ray diffraction peaks other than the X-ray diffraction peak derived from the carbon structure were confirmed.

(比較例1の中空糸炭素膜の評価)
比較例1の中空糸炭素膜は、実施例1〜7の中空糸炭素膜と比較して、透過流量および分離係数が小さくなるとともに、透過液の酢酸エチル濃度が高くなっていた。また、浸透気化分離法による評価後の中空糸炭素膜は、酢酸エチルの吸着により、大きく膨潤していた。この吸着した酢酸エチルにより、水の透過が阻害されるため、透過流量が低い値を示したものと思われる。また、比較例1の中空糸炭素膜においては、金属元素および硫黄元素の存在は確認されなかった。さらに、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークも確認されなかった。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Comparative Example 1)
Compared with the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7, the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1 had a low permeation flow rate and a separation factor and a high ethyl acetate concentration in the permeate. Further, the hollow fiber carbon membrane after evaluation by the pervaporation separation method was greatly swollen by the adsorption of ethyl acetate. This adsorbed ethyl acetate hinders the permeation of water, so it seems that the permeate flow rate showed a low value. In the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 1, the presence of metal elements and sulfur elements was not confirmed. Furthermore, within the scope of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, confirmed the X-ray diffraction peaks other than X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure Was not.

(比較例2の中空糸炭素膜の評価)
比較例2の中空糸炭素膜は、SPPOから形成されているため、細孔径が比較的小さく、親水性が比較的高いため、分離係数が高く、透過液の酢酸エチル濃度も低かったが、透過流量は非常に小さかった。また、比較例2の中空糸炭素膜においては、金属元素および硫黄元素の存在が確認された。さらに、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークも確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Comparative Example 2)
Since the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2 is made of SPPO, the pore size is relatively small and the hydrophilicity is relatively high, so the separation factor is high and the ethyl acetate concentration in the permeate is low. The flow rate was very small. In the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 2, the presence of metal elements and sulfur elements was confirmed. Furthermore, within the scope of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, confirmed the X-ray diffraction peaks other than X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure It was done.

(比較例3の中空糸炭素膜の評価)
比較例3の中空糸炭素膜は、SPESから形成されているため、細孔径が比較的小さく、親水性が比較的高いため、分離係数が高く、透過液の酢酸エチル濃度も低かったが、透過流量は最も小さかった。また、比較例3の中空糸炭素膜においては、金属元素および硫黄元素の存在が確認された。さらに、広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークも確認された。
(Evaluation of Hollow Fiber Carbon Membrane of Comparative Example 3)
Since the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3 is formed of SPES, the pore size is relatively small and the hydrophilicity is relatively high, so the separation factor is high and the ethyl acetate concentration in the permeate is low. The flow rate was the smallest. In the hollow fiber carbon membrane of Comparative Example 3, the presence of metal elements and sulfur elements was confirmed. Furthermore, within the scope of the scattering vector q of X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction method is 5 nm -1 up to 50 nm -1, confirmed the X-ray diffraction peaks other than X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure It was done.

(まとめ)
上記の結果から、実施例1〜7の中空糸炭素膜は、比較例1〜3の中空糸炭素膜と比べて、水の分離性能および透過性能がともに優れることが確認された。また、実施例1〜7の中空糸炭素膜は、多孔質基材からなる支持体を用いない自立型の中空糸炭素膜であるため、容易に製造することができ、かつ分離膜モジュール等の装置の小型化を可能とすることができる。
(Summary)
From the above results, it was confirmed that the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 were superior in both water separation performance and permeation performance as compared with the hollow fiber carbon membranes of Comparative Examples 1 to 3. Moreover, since the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 7 are self-supporting hollow fiber carbon membranes that do not use a support made of a porous substrate, they can be easily manufactured, and separation membrane modules, etc. It is possible to reduce the size of the apparatus.

また、第2の炭素膜の厚さが500nm以上10μm以下の範囲内にある実施例1〜3および実施例6〜7の中空糸炭素膜は、第2の炭素膜の厚さがその範囲内にない実施例4〜5の中空糸炭素膜と比べて、分離性能および透過性能を両立できることが確認された。   Further, the hollow fiber carbon membranes of Examples 1 to 3 and Examples 6 to 7 in which the thickness of the second carbon membrane is in the range of 500 nm to 10 μm are within the range of the thickness of the second carbon membrane. Compared to the hollow fiber carbon membranes of Examples 4 to 5 which are not present, it was confirmed that both separation performance and permeation performance can be achieved.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、中空糸炭素膜、分離膜モジュールおよび中空糸炭素膜の製造方法に利用することができる。   The present invention can be used for a hollow fiber carbon membrane, a separation membrane module, and a method for producing a hollow fiber carbon membrane.

1 第1の炭素膜、2 第2の炭素膜、3 中空部、10 中空糸炭素膜、11,12 接着剤、13 矢印、14,15 キャップ、20 分離膜モジュール、31 スターラー、32 酢酸エチル水溶液、33 容器、34 恒温槽、35 攪拌子、36 冷却トラップ、37 液体窒素、38 温度計、39 保温テープ、40 ストップバルブ、41 圧力計、42 ストップバルブ、43 真空ポンプ、44,45 ステンレスチューブ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st carbon membrane, 2nd 2nd carbon membrane, 3 hollow part, 10 hollow fiber carbon membrane, 11,12 adhesive, 13 arrow, 14,15 cap, 20 separation membrane module, 31 stirrer, 32 ethyl acetate aqueous solution , 33 container, 34 constant temperature bath, 35 stirrer, 36 cooling trap, 37 liquid nitrogen, 38 thermometer, 39 heat insulating tape, 40 stop valve, 41 pressure gauge, 42 stop valve, 43 vacuum pump, 44, 45 stainless steel tube.

Claims (12)

中空糸状の第1の炭素膜と、
前記第1の炭素膜の外表面に設けられた第2の炭素膜と、を備え、
前記第2の炭素膜は、金属元素と、硫黄元素とを含み、
前記第2の炭素膜の金属元素含有量は、前記第1の炭素膜の金属元素含有量よりも多く、
前記第2の炭素膜の硫黄元素含有量は、前記第1の炭素膜の硫黄元素含有量よりも多い、中空糸炭素膜。
A hollow fiber-shaped first carbon membrane;
A second carbon film provided on the outer surface of the first carbon film,
Said second carbon film, seen containing a metal element, a sulfur element,
The metal element content of the second carbon film is greater than the metal element content of the first carbon film,
The hollow fiber carbon membrane , wherein the sulfur element content of the second carbon membrane is greater than the sulfur element content of the first carbon membrane.
前記第2の炭素膜の前駆体ポリマーは、スルホン酸基を含有する、請求項1に記載の中空糸炭素膜。 The hollow fiber carbon membrane according to claim 1, wherein the precursor polymer of the second carbon membrane contains a sulfonic acid group. 前記スルホン酸基を含有するポリマーは、下記の式(I)で表わされる繰り返し単位Aと、下記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bとの繰り返し構造を有しており、
前記式(I)および前記式(II)において、それぞれ、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を示し、前記式(II)において、R1およびR2は、それぞれ独立に、−SO3M、−SO3Hまたは水素原子を示し、Mは金属元素を示し、R1およびR2は同時に水素原子を示さず、
前記繰り返し単位Aと前記繰り返し単位Bとの総数に対する前記繰り返し単位Bの数の百分率の割合が、15%よりも大きく、100%よりも小さい、請求項に記載の中空糸炭素膜。
The polymer containing a sulfonic acid group has a repeating structure of a repeating unit A represented by the following formula (I) and a repeating unit B represented by the following formula (II):
In the formula (I) and the formula (II), m and n each represent a natural number of 1 or more, and in the formula (II), R 1 and R 2 are each independently —SO 3 M, —SO 3 H or a hydrogen atom, M represents a metal element, R 1 and R 2 do not simultaneously represent a hydrogen atom,
The hollow fiber carbon membrane according to claim 2 , wherein a ratio of the percentage of the number of repeating units B to the total number of repeating units A and B is larger than 15% and smaller than 100%.
前記第2の炭素膜の広角X線回折法によって測定されたX線回折ピークの散乱ベクトルqが5nm-1〜50nm-1となる範囲内に、炭素構造に由来するX線回折ピーク以外のX線回折ピークが存在する、請求項1からのいずれかに記載の中空糸炭素膜。 Within the scattering vector q of the second X-ray diffraction peak measured by wide angle X-ray diffraction of the carbon film is 5 nm -1 up to 50 nm -1, X other than X-ray diffraction peaks derived from the carbon structure The hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 1 to 3 , wherein a line diffraction peak is present. 前記第2の炭素膜の厚さは、500nm以上10μm以下である、請求項1からのいずれかに記載の中空糸炭素膜。 The hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 1 to 4 , wherein a thickness of the second carbon membrane is 500 nm or more and 10 µm or less. 前記第2の炭素膜は、前記第1の炭素膜よりも高い親水性を有する、請求項1からのいずれかに記載の中空糸炭素膜。 The hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 1 to 5 , wherein the second carbon membrane has higher hydrophilicity than the first carbon membrane. 請求項1からのいずれかに記載の中空糸炭素膜を含む、分離膜モジュール。 A separation membrane module comprising the hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 1 to 6 . 請求項1からのいずれかに記載の中空糸炭素膜を製造する方法であって、
前記第1の炭素膜の前駆体ポリマーである第1の前駆体ポリマーを準備する工程と、
前記第2の炭素膜の前駆体ポリマーである第2の前駆体ポリマーを準備する工程と、
前記第1の前駆体ポリマーを中空糸状に成形する工程と、
中空糸状に成形された前記第1の前駆体ポリマーの外表面上に第2の前駆体ポリマーを設置することによって中空糸炭素膜前駆体を形成する工程と、
前記中空糸炭素膜前駆体を炭素化処理する工程と、を含む、中空糸炭素膜の製造方法。
A method for producing the hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 1 to 6 ,
Providing a first precursor polymer that is a precursor polymer of the first carbon film;
Providing a second precursor polymer that is a precursor polymer of the second carbon film;
Forming the first precursor polymer into a hollow fiber shape;
Forming a hollow fiber carbon membrane precursor by placing a second precursor polymer on the outer surface of the first precursor polymer shaped into a hollow fiber;
A process for carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor.
前記第2の前駆体ポリマーは、スルホン酸基を含有する、請求項に記載の中空糸炭素膜の製造方法。 The method for producing a hollow fiber carbon membrane according to claim 8 , wherein the second precursor polymer contains a sulfonic acid group. 前記スルホン酸基を含有するポリマーは、下記の式(I)で表わされる繰り返し単位Aと、下記の式(II)で表わされる繰り返し単位Bとの繰り返し構造を有しており、
前記式(I)および前記式(II)において、それぞれ、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を示し、前記式(II)において、R1およびR2は、それぞれ独立に、−SO3M、−SO3Hまたは水素原子を示し、Mは金属元素を示し、R1およびR2は同時に水素原子を示さず、
前記繰り返し単位Aと前記繰り返し単位Bとの総数に対する前記繰り返し単位Bの数の百分率の割合が、15%よりも大きく、100%よりも小さい、請求項に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
The polymer containing a sulfonic acid group has a repeating structure of a repeating unit A represented by the following formula (I) and a repeating unit B represented by the following formula (II):
In the formula (I) and the formula (II), m and n each represent a natural number of 1 or more, and in the formula (II), R 1 and R 2 are each independently —SO 3 M, —SO 3 H or a hydrogen atom, M represents a metal element, R 1 and R 2 do not simultaneously represent a hydrogen atom,
The method for producing a hollow fiber carbon membrane according to claim 9 , wherein a ratio of a percentage of the number of repeating units B to a total number of repeating units A and B is larger than 15% and smaller than 100%. .
前記第1の前駆体ポリマーは、スルホン酸基を有さないポリフェニレンオキサイドであり、
前記第2の前駆体ポリマーは、スルホン化ポリフェニレンオキサイドである、請求項から10のいずれかに記載の中空糸炭素膜の製造方法。
The first precursor polymer is polyphenylene oxide having no sulfonic acid group ,
The method for producing a hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 8 to 10 , wherein the second precursor polymer is a sulfonated polyphenylene oxide.
前記炭素化処理する工程の前に、前記中空糸炭素膜前駆体を耐炎化処理する工程をさらに含む、請求項から11のいずれかに記載の中空糸炭素膜の製造方法。 The method for producing a hollow fiber carbon membrane according to any one of claims 8 to 11 , further comprising a step of flameproofing the hollow fiber carbon membrane precursor before the carbonizing treatment.
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