JP5966298B2 - Method for producing hollow fiber carbon membrane - Google Patents

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Description

本発明は、ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる中空糸炭素膜に関するものであって、柔軟性が高く、破損しにくいという利点を有し、柔軟性の指標として、引張り破断伸度が優れる中空糸炭素膜に関する。また本発明は、前記中空糸炭素膜の製造方法、ならびに、当該中空糸炭素膜を用いた分離膜モジュールにも関する。   The present invention relates to a hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a hollow fiber carbon membrane precursor using polyphenylene oxide, which has the advantage of being highly flexible and difficult to break, and as an indicator of flexibility The present invention relates to a hollow fiber carbon membrane excellent in tensile elongation at break. The present invention also relates to a method for producing the hollow fiber carbon membrane and a separation membrane module using the hollow fiber carbon membrane.

近年の環境問題や省エネルギー化の観点から、各種のガスなどの混合物からの分離、有機溶剤の脱水・精製プロセスなどにおいて膜分離法が注目を集めている。用いられる分離膜には、ポリイミド膜、ポリスルホン膜などの高分子膜が提案されているが、このような高分子膜は耐熱性および耐溶剤性に問題がある。また、高分子膜と比較して耐熱性に優れるゼオライト膜を分離膜に用いることも知られているが、ゼオライト膜では耐酸性に乏しいという問題があった。   From the viewpoint of environmental problems and energy saving in recent years, membrane separation methods have attracted attention in separation from mixtures such as various gases, and dehydration / purification processes of organic solvents. As the separation membrane to be used, polymer membranes such as polyimide membranes and polysulfone membranes have been proposed, but such polymer membranes have problems in heat resistance and solvent resistance. In addition, it is known to use a zeolite membrane, which is superior in heat resistance as compared with a polymer membrane, as a separation membrane, but the zeolite membrane has a problem of poor acid resistance.

近年、耐熱性、耐薬品性に優れ、高温あるいは腐食性の高いガスを含む環境でのガス分離用途に好適な分離膜として、炭素膜が開発されている。このような炭素膜は、支持体(多孔質基材)の表面に形成されたチューブラー型炭素膜、モノリス型炭素膜などの支持体型炭素膜と、支持体を用いない自立型炭素膜との2種類に大きく分類される。自立型炭素膜は、その代表的なものに平膜型、中空糸型があり、中でも、単位容積あたりの膜面積を大きくでき、装置を小型化でき、製造工程も容易であるということから、中空糸型(中空糸炭素膜)が好適であると考えられている。   In recent years, carbon membranes have been developed as separation membranes that are excellent in heat resistance and chemical resistance, and are suitable for gas separation applications in environments containing high temperature or highly corrosive gases. Such a carbon film is composed of a support-type carbon film such as a tubular carbon film or a monolith-type carbon film formed on the surface of a support (porous substrate), and a free-standing carbon film that does not use a support. There are two main types. Typical examples of self-supporting carbon membranes include a flat membrane type and a hollow fiber type.Among them, the membrane area per unit volume can be increased, the apparatus can be downsized, and the manufacturing process is easy. A hollow fiber type (hollow fiber carbon membrane) is considered suitable.

ガス分離性能に優れた自立型の中空糸炭素膜について、たとえば特開2006−231095号公報(特許文献1)には、ポリフェニレンオキサイド(PPO)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PPO中空糸炭素膜が開示されている。   Regarding a self-supporting hollow fiber carbon membrane excellent in gas separation performance, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-231095 (Patent Document 1) carbonizes a precursor polymer membrane containing polyphenylene oxide (PPO) after infusibility treatment. The PPO hollow fiber carbon membrane obtained by this is disclosed.

またたとえば特開2009−34614号公報(特許文献2)には、スルホン化ポリフェニレンオキサイド(SPPO)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SPPO中空糸炭素膜が開示されている。   Further, for example, in JP 2009-34614 A (Patent Document 2), a film-forming stock solution containing sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) is extruded from the outer tube of a hollow fiber spinning nozzle having a double-tube annular structure into a water coagulation bath. An SPPO hollow fiber carbon membrane obtained by producing a precursor polymer membrane, carbonizing the precursor polymer membrane after infusibilizing the precursor polymer membrane is disclosed.

特開2006−231095号公報JP 2006-231095 A 特開2009−34614号公報JP 2009-34614 A

しかしながら、特許文献1に開示されたPPO中空糸炭素膜は、PPOは比較的安価なポリマーであるため、経済的であり、かつガス分離性能に優れるという利点がある一方で、柔軟性に乏しいため破損しやすく、分離能モジュールの製造工程における取扱い性に困難を生じるという問題があった。   However, since the PPO hollow fiber carbon membrane disclosed in Patent Document 1 is advantageous in that it is economical and excellent in gas separation performance because PPO is a relatively inexpensive polymer, it has poor flexibility. There was a problem that it was easy to break and the handling property in the manufacturing process of the separation module was difficult.

また特許文献2に開示されたSPPO中空糸炭素膜では、スルホン化度の高い(たとえば特許文献2に実施例として記載されたスルホン化度45%)SPPOは、ポリマーの親水性が高いために、紡糸工程中で水分を多量に含む結果、膜の強度が弱くなるうえ、乾燥工程において中空糸膜同士が接着しやすいなど、大量生産工程における取扱い性に困難を生じる。   In addition, in the SPPO hollow fiber carbon membrane disclosed in Patent Document 2, SPPO having a high degree of sulfonation (for example, the degree of sulfonation described as an example in Patent Document 2 of 45%) is high in hydrophilicity of the polymer. As a result of containing a large amount of moisture in the spinning process, the strength of the membrane is weakened, and the hollow fiber membranes are easily bonded to each other in the drying process, which makes it difficult to handle in the mass production process.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる中空糸炭素膜であって、ガス分離性能に加え、モジュール化に必要な柔軟性を確保し、実用性の高い中空糸炭素膜およびその製造方法を提供することである。   The present invention has been made in order to solve the above problems, and the object thereof is a hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a hollow fiber carbon membrane precursor using polyphenylene oxide, In addition to gas separation performance, it is intended to provide a highly practical hollow fiber carbon membrane and a method for producing the same, ensuring flexibility necessary for modularization.

本発明は、ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる中空糸炭素膜であって、破断伸度が1〜4%であることを特徴とする。   The present invention is a hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a hollow fiber carbon membrane precursor using polyphenylene oxide, wherein the elongation at break is 1 to 4%.

本発明の中空糸炭素膜は、引張弾性率が5GPa以上であることが好ましい。
本発明はまた、上述した本発明の中空糸炭素膜を用いた分離膜モジュールについても提供する。
The hollow fiber carbon membrane of the present invention preferably has a tensile elastic modulus of 5 GPa or more.
The present invention also provides a separation membrane module using the above-described hollow fiber carbon membrane of the present invention.

本発明はさらに、上述した本発明の中空糸炭素膜を製造する方法であって、ポリフェニレンオキサイドを非プロトン性溶媒に溶解させる工程と、ポリフェニレンオキサイドを温度誘起相分離点以上の温度で紡糸ノズルより吐出し、中空糸状にする工程と、中空糸状のポリフェニレンオキサイドを水あるいは水と有機溶媒の混合溶液により凝固させる工程と、凝固した中空糸状物を、溶媒置換処理を行うことなく、水を含んだ状態から乾燥させて中空糸炭素膜前駆体を得る工程と、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についても提供する。 The present invention is further a method for producing the above-described hollow fiber carbon membrane of the present invention, comprising a step of dissolving polyphenylene oxide in an aprotic solvent, and a polyphenylene oxide from a spinning nozzle at a temperature higher than the temperature-induced phase separation point. A step of discharging and forming a hollow fiber, a step of coagulating the hollow fiber-shaped polyphenylene oxide with water or a mixed solution of water and an organic solvent, and the solidified hollow fiber-like material containing water without performing solvent replacement treatment. There is also provided a method for producing a hollow fiber carbon membrane, comprising a step of drying from a state to obtain a hollow fiber carbon membrane precursor and a step of carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor.

本発明の中空糸炭素膜は、ガス分離性能に優れ、かつ柔軟性にも優れるため、破損しにくく、モジュール化が容易であり、実用性に優れたものである。   Since the hollow fiber carbon membrane of the present invention has excellent gas separation performance and flexibility, it is difficult to break, can be easily modularized, and has excellent practicality.

引張試験に用いたサンプル台紙1を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the sample mount 1 used for the tension test.

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。   BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described. However, the present invention is not limited to the following embodiment, and is within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention. It should be understood that design changes, improvements, and the like can be made as appropriate based on the knowledge.

<中空糸炭素膜>
本発明の中空糸炭素膜は、破断伸度(引張伸度)が1〜4%であることを特徴とする。本発明によれば、破断伸度が1〜4%の範囲内であることで、ガス分離性能に優れ、かつ柔軟性にも優れるため、破損しにくく、モジュール化が容易であり、実用性に優れた中空糸炭素膜が提供される。中空糸炭素膜の破断伸度が1%未満である場合には、中空糸炭素膜として十分な柔軟性が得られず、破損しやすいため、モジュール作製時の取扱い性に困難を生じるという不具合があり、また、4%を超える場合には、炭素化が十分に進行していないために耐酸性、耐薬品性、ガス分離性能が十分でないという不具合がある。すなわち中空糸炭素膜としての柔軟性を確保し、かつ炭素膜としての耐酸性、耐薬品性、ガス分離性能をも向上させるという理由からは、本発明の中空糸炭素膜の破断伸度は、1〜4%の範囲内であることが好ましく、1.5〜3.5%の範囲内であることがより好ましい。なお、中空糸炭素膜の破断伸度は、日本工業規格「炭素繊維−単繊維の引張特性の試験法」(JIS R7606)に準拠して、たとえば引張試験機テクノグラフ(TGI−200N、ミネベア株式会社製)を用いて引張試験を行うことで測定することができる。
<Hollow fiber carbon membrane>
The hollow fiber carbon membrane of the present invention has a breaking elongation (tensile elongation) of 1 to 4%. According to the present invention, since the elongation at break is in the range of 1 to 4%, the gas separation performance is excellent and the flexibility is excellent. An excellent hollow fiber carbon membrane is provided. When the breaking elongation of the hollow fiber carbon membrane is less than 1%, sufficient flexibility as the hollow fiber carbon membrane is not obtained, and it is easy to break. In addition, when it exceeds 4%, there is a problem that the acidification, chemical resistance, and gas separation performance are not sufficient because the carbonization is not sufficiently advanced. That is, from the reason of ensuring the flexibility as a hollow fiber carbon membrane and improving the acid resistance, chemical resistance, and gas separation performance as a carbon membrane, the breaking elongation of the hollow fiber carbon membrane of the present invention is: It is preferably in the range of 1 to 4%, and more preferably in the range of 1.5 to 3.5%. The elongation at break of the hollow fiber carbon membrane is, for example, a tensile tester technograph (TGI-200N, Minebea Co., Ltd.) in accordance with Japanese Industrial Standard “Testing Method for Tensile Properties of Carbon Fiber-Single Fiber” (JIS R7606). It can be measured by conducting a tensile test using

上述のような破断伸度を有する本発明の中空糸炭素膜は、ポリフェニレンオキサイド(PPO)を用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られたものである。このような本発明の中空糸炭素膜は、耐酸性、耐薬品性の付与およびガス分離性能発現の観点から、炭素化が十分に行われていることが必須であり、炭素を主成分として含む多孔質膜として提供される。ここで、本発明の中空糸炭素膜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。なお、中空糸炭素膜の構成成分およびその含有量は、たとえば、エネルギーエネルギー分散型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 hollow fiber carbon membrane of the present invention having the above elongation at break is obtained by carbonizing a hollow fiber carbon membrane precursor using polyphenylene oxide (PPO). Such a hollow fiber carbon membrane of the present invention must be sufficiently carbonized from the viewpoint of imparting acid resistance, chemical resistance and gas separation performance, and contains carbon as a main component. Provided as a porous membrane. Here, the carbon content in the hollow fiber carbon membrane of the present invention 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. The constituent components and the content of the hollow fiber carbon membrane can be specified by, for example, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

本発明の中空糸炭素膜は、引張弾性率が5GPa以上であることが好ましく、10GPa以上であることがより好ましい。中空糸炭素膜の引張弾性率が5GPa未満であると、破断伸度が高くとも、炭素化が十分に進行していないために耐酸性、耐薬品性、ガス分離性能が十分でない場合があるためである。また炭素化が進行しすぎると、炭素膜としての弾性率は高くなるが、欠陥が多くなるため、伸度が低下する結果、柔軟性が失われ、さらには欠陥に起因するガス分離性能の低下が起こりやすい。これらの理由からは、中空糸炭素膜の引張弾性率は50GPa以下であることが好ましく、30GPa以下であることがより好ましい。なお、中空糸炭素膜の引張弾性率は、日本工業規格「炭素繊維−単繊維の引張特性の試験方法」(JIS R7606:2000)に準拠し、上述した破断伸度の測定に使用した引張試験機を用いて測定することができる。このとき引張弾性率を評価するための、中空糸炭素膜の断面積の測定は、日本工業規格「炭素繊維−単繊維の直径及び断面積の試験方法」(JIS R7607:2000)のC法に準拠し、樹脂片に包埋した中空糸炭素膜の繊維軸方向に垂直な面を研磨し、その横断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscopy:SEM)によって撮影し、20本の中空糸膜断面の面積を測定し、平均値を求めることで可能である。   The hollow fiber carbon membrane of the present invention preferably has a tensile elastic modulus of 5 GPa or more, more preferably 10 GPa or more. If the tensile modulus of the hollow fiber carbon membrane is less than 5 GPa, even if the elongation at break is high, the carbonization is not sufficiently advanced, so the acid resistance, chemical resistance, and gas separation performance may not be sufficient. It is. If carbonization proceeds too much, the modulus of elasticity as a carbon membrane increases, but defects increase, resulting in a decrease in elongation, resulting in loss of flexibility, and further deterioration in gas separation performance due to defects. Is likely to occur. For these reasons, the tensile elastic modulus of the hollow fiber carbon membrane is preferably 50 GPa or less, and more preferably 30 GPa or less. The tensile modulus of the hollow fiber carbon membrane is based on the Japanese Industrial Standard “Testing Method for Tensile Properties of Carbon Fiber-Single Fiber” (JIS R7606: 2000), and the tensile test used for the measurement of the elongation at break described above. It can be measured using a machine. At this time, the measurement of the cross-sectional area of the hollow fiber carbon membrane in order to evaluate the tensile elastic modulus is the C method of Japanese Industrial Standard “Testing Method of Diameter and Cross-sectional Area of Carbon Fiber-Single Fiber” (JIS R7607: 2000). In conformity, the surface perpendicular to the fiber axis direction of the hollow fiber carbon membrane embedded in the resin piece was polished, and the cross section was photographed by a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscopy: SEM). This is possible by measuring the cross-sectional area and calculating the average value.

本発明の中空糸炭素膜の厚さは特に制限されるものではないが、1〜50μmの範囲内であることが好ましい。中空糸炭素膜の厚さが1μm未満である場合には、自立型の中空糸炭素膜として十分な柔軟性が得られず、破損しやすいという傾向にあるためであり、また、50μmを超える場合には、気体分子の透過抵抗が大きくなりすぎるため、ガス分離膜として十分な透過流量が得られないという傾向にあるためである。すなわち中空糸炭素膜としての柔軟性を確保しつつ、しかもガス分離の透過流量も確保するという理由からは、中空糸炭素膜の厚さは5〜20μmの範囲内であることがより好ましい。なお、中空糸炭素膜の厚さは、例えば上記の樹脂片に包埋した中空糸炭素膜の断面をSEMにより評価する方法を用いることができる。   The thickness of the hollow fiber carbon membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 50 μm. When the thickness of the hollow fiber carbon membrane is less than 1 μm, sufficient flexibility cannot be obtained as a self-supporting hollow fiber carbon membrane, and it tends to break, and when the thickness exceeds 50 μm This is because the permeation resistance of gas molecules becomes too large, and there is a tendency that a sufficient permeation flow rate as a gas separation membrane cannot be obtained. That is, it is more preferable that the thickness of the hollow fiber carbon membrane is in the range of 5 to 20 μm because the flexibility as the hollow fiber carbon membrane is secured and the permeation flow rate of gas separation is secured. In addition, the thickness of a hollow fiber carbon membrane can use the method of evaluating the cross section of the hollow fiber carbon membrane embedded in said resin piece by SEM, for example.

また本発明の中空糸炭素膜の外径についても特に制限されないが、50〜500μmの範囲内であることが好ましい。中空糸炭素膜の外径が50μm未満であると、前駆体中空糸膜の吐出工程において作製が難しくなり、また中空糸膜の内径が小さくなりすぎるため、異物による詰りなども起こりやすくなるという傾向にあるためであり、また、500μmを超えて中空糸炭素膜の外径が大きくなるほど中空糸炭素膜が破断する最小曲げ半径は大きくなり、取り扱い性が悪くなる傾向にあるためである。すなわち作製の容易さ、中空糸炭素膜の中空部に十分なスペースを与えること、さらに中空糸炭素膜としての十分な柔軟性をも確保するという理由からは、中空糸炭素膜の外径は100〜400μmの範囲内であることがより好ましい。なお、中空糸炭素膜の外径については、例えば上記の樹脂片に包埋した中空糸炭素膜の断面をSEMにより評価する方法を用いることができる。   The outer diameter of the hollow fiber carbon membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 to 500 μm. If the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane is less than 50 μm, it becomes difficult to produce the precursor hollow fiber membrane in the discharge step, and the inner diameter of the hollow fiber membrane becomes too small, so that clogging due to foreign matters tends to occur. This is because the minimum bending radius at which the hollow fiber carbon membrane breaks increases as the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane exceeds 500 μm and the handleability tends to deteriorate. That is, the outer diameter of the hollow fiber carbon membrane is 100 because it is easy to fabricate, provides a sufficient space in the hollow portion of the hollow fiber carbon membrane, and secures sufficient flexibility as the hollow fiber carbon membrane. More preferably, it is in the range of ˜400 μm. In addition, about the outer diameter of a hollow fiber carbon membrane, the method of evaluating the cross section of the hollow fiber carbon membrane embedded in said resin piece by SEM can be used, for example.

<中空糸炭素膜の製造方法>
本発明の中空糸炭素膜の製造方法は、(1)ポリフェニレンオキサイドを非プロトン性溶媒に溶解させる工程(溶解工程)と、(2)PPOを温度誘起相分離点以上の温度で紡糸ノズルより吐出し、中空糸状にする工程(吐出工程)と、(3)中空糸状のPPOを水あるいは水と有機溶媒の混合溶液により凝固させる工程(凝固工程)と、(4)凝固した中空糸状物を、溶媒置換処理を行うことなく、水を含んだ状態から乾燥させて中空糸炭素膜前駆体を得る工程(乾燥工程)と、(5)中空糸炭素膜前駆体を炭素化処理する工程(炭素化処理工程)とを含むことを特徴とする。上述した本発明の中空糸炭素膜は、このような本発明の中空糸炭素膜の製造方法によって好適に製造することができるが、上述したような本発明の中空糸炭素膜の特徴を備えるものであれば、本発明の中空糸炭素膜の製造方法で製造されたものに限定されるものではない。
<Method for producing hollow fiber carbon membrane>
The method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention includes (1) a step of dissolving polyphenylene oxide in an aprotic solvent (dissolution step), and (2) discharging PPO from a spinning nozzle at a temperature equal to or higher than the temperature-induced phase separation point. A hollow fiber-like process (discharge process), (3) a process of coagulating the hollow fiber-shaped PPO with water or a mixed solution of water and an organic solvent (coagulation process), and (4) a solidified hollow fiber-like product, A step of obtaining a hollow fiber carbon membrane precursor by drying from a state containing water without performing a solvent substitution treatment (drying step), and (5) a step of carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor (carbonization) Processing step). The hollow fiber carbon membrane of the present invention described above can be preferably manufactured by such a method of manufacturing the hollow fiber carbon membrane of the present invention, but has the characteristics of the hollow fiber carbon membrane of the present invention as described above. If it is, it will not be limited to what was manufactured with the manufacturing method of the hollow fiber carbon membrane of this invention.

〔1〕溶解工程
本発明の中空糸炭素膜の製造方法では、まず、PPOを非プロトン性溶媒に溶解させる。PPOの溶媒は、たとえば公知文献(G. Chowdhury, B. Kruczek, T. Matsuura, Polyphenylene Oxide and Modified Polyphenylene Oxide Membranes Gas, Vapor and Liquid Separation, 2001, Springer)にまとめられているように、ベンゼン、トルエン、クロロホルムなど環境負荷が大きく、人体に有害なものが多い。一方、たとえば特開平3−65227号公報には、およそ100℃以上の温度では、比較的環境負荷の小さい非プロトン性の溶媒にPPOが溶解されることが開示されている。本発明において用いられる非プロトン性溶媒としては、たとえばN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどが用いられ、中でもPPOの溶解性が特に優れることから、非プロトン性溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いることが好ましい。
[1] Dissolution Step In the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention, first, PPO is dissolved in an aprotic solvent. Solvents for PPO are, for example, benzene, toluene as summarized in known literature (G. Chowdhury, B. Kruczek, T. Matsuura, Polyphenylene Oxide and Modified Polyphenylene Oxide Membranes Gas, Vapor and Liquid Separation, 2001, Springer). , Chloroform such as chloroform has a large environmental load and is harmful to human body. On the other hand, for example, JP-A-3-65227 discloses that PPO is dissolved in an aprotic solvent having a relatively small environmental load at a temperature of about 100 ° C. or higher. As the aprotic solvent used in the present invention, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide and the like are used. Among them, the solubility of PPO is particularly excellent. It is preferable to use methyl-2-pyrrolidone.

非プロトン性溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いる場合、N−メチル−2−ピロリドンはおよそ100℃以上の温度でPPOを均一に溶解することができる。またN−メチル−2−ピロリドンに所望の貧溶媒(たとえばメタノール、エタノール、アセトン、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンなど)をポリマーの溶解性が確保される範囲で添加して、膜の細孔径や細孔径分布を変更することもできる。   When N-methyl-2-pyrrolidone is used as the aprotic solvent, N-methyl-2-pyrrolidone can uniformly dissolve PPO at a temperature of about 100 ° C. or higher. In addition, a desired poor solvent (for example, methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, glycerin, etc.) is added to N-methyl-2-pyrrolidone as long as the solubility of the polymer is ensured. Thus, the pore size and pore size distribution of the membrane can be changed.

〔2〕吐出工程
続く工程では、上述のようにしてPPOを非プロトン性溶媒に溶解させた溶液(PPO紡糸原液)を、紡糸ノズルより吐出させて中空糸状にする。本発明における紡糸の形式は特に制限されるものではなく、従来公知の紡糸法を適用することができるが、PPO中空糸膜の構造制御を精密に行う観点および、作製の容易さの観点からは、乾湿式紡糸法を適用することが好ましい。
[2] Discharging Step In the subsequent step, a solution (PPO spinning stock solution) in which PPO is dissolved in an aprotic solvent as described above is discharged from a spinning nozzle to form a hollow fiber. The spinning type in the present invention is not particularly limited, and a conventionally known spinning method can be applied. From the viewpoint of precisely controlling the structure of the PPO hollow fiber membrane and from the viewpoint of ease of production. It is preferable to apply a dry and wet spinning method.

本発明の中空糸炭素膜の製造方法において、PPO紡糸原液は、温度誘起相分離点以上の温度で吐出させる。ここで、「温度誘起相分離点」とは、温度により誘起された相分離により固化しない温度を指し、たとえばPPOをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解させたPPO紡糸原液の温度誘起相分離点は、紡糸原液濃度や溶媒組成により変動するが、概ね80℃(50〜120℃)である。したがって当該工程では、80℃以上、好ましくは100℃以上、より好ましくは120℃以上の温度で、均一な液体状を保った状態で、二重円筒管ノズルより内液とともに紡糸する。なお、吐出工程の際の温度は、溶媒の沸点以下に設定することはいうまでもなく、かつ紡糸原液の粘度を低くしすぎて紡糸安定性を損なわないという観点から、200℃以下とすることが好ましく、180℃以下とすることがより好ましい。   In the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention, the PPO spinning stock solution is discharged at a temperature equal to or higher than the temperature-induced phase separation point. Here, the “temperature-induced phase separation point” refers to a temperature at which solidification is not caused by temperature-induced phase separation, for example, temperature induction of a PPO spinning stock solution in which PPO is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The phase separation point varies depending on the spinning dope concentration and the solvent composition, but is generally 80 ° C. (50 to 120 ° C.). Therefore, in this step, spinning is performed together with the internal liquid from a double cylindrical tube nozzle in a state of maintaining a uniform liquid state at a temperature of 80 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher, more preferably 120 ° C. or higher. It should be noted that the temperature during the discharging step should be set to 200 ° C. or lower from the viewpoint that the viscosity of the stock solution for spinning is not too low and does not impair spinning stability. Is preferable, and it is more preferable to set it as 180 degrees C or less.

上述のように内液とともに吐出された中空糸状のPPO紡糸原液は、内液との非溶媒誘起相分離により凝固される。内液は、中空糸状に吐出されたPPO紡糸原液の内側に吐出され、非溶媒誘起相分離により、PPO紡糸原液を凝固させうるものが好適に用いられる。このような内液としては、紡糸原液を上述のように100℃以上で吐出させる場合には、水よりも沸点の高い溶媒が好適に用いられる。このような内液としては、たとえばグリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが挙げられる。中でも、内液として後の水洗処理が容易となる理由から、エチレングリコールを用いることが好ましい。   As described above, the hollow fiber PPO spinning stock discharged together with the inner liquid is solidified by non-solvent-induced phase separation from the inner liquid. As the internal solution, one that is discharged inside the PPO spinning solution discharged in the form of a hollow fiber and can coagulate the PPO spinning solution by non-solvent induced phase separation is preferably used. As such an internal solution, a solvent having a boiling point higher than that of water is suitably used when the spinning solution is discharged at 100 ° C. or higher as described above. Examples of such internal liquid include glycerin, ethylene glycol, diethylene glycol and the like. Among them, it is preferable to use ethylene glycol as the internal liquid because the subsequent water washing treatment becomes easy.

〔3〕凝固工程
上述した吐出工程で吐出された紡糸原液は、続く凝固工程において、貧溶媒で満たされた凝固浴に浸漬される。なお、中空糸状物の表面のポリマー濃度を高くして、表面を緻密にするなどの膜構造制御の観点から、吐出工程の後、中空糸状に形成されたPPO紡糸原液は、溶媒を部分的に乾燥処理した後に、当該凝固工程に供するようにすることが好ましい。凝固工程では、中空糸状に形成されたPPO紡糸原液は、非溶媒誘起相分離により、中空糸状物に凝固する。
[3] Solidification step The spinning dope discharged in the discharge step described above is immersed in a solidification bath filled with a poor solvent in the subsequent solidification step. In addition, from the viewpoint of controlling the membrane structure such as increasing the polymer concentration on the surface of the hollow fiber-like material to make the surface dense, the PPO spinning stock solution formed into a hollow fiber shape after the discharging step partially removes the solvent. It is preferable to use for the said coagulation | solidification process after drying. In the coagulation step, the PPO spinning dope formed into a hollow fiber is coagulated into a hollow fiber by non-solvent induced phase separation.

当該凝固工程に用いられる貧溶媒としては、紡糸原液中のPPOポリマーを速やかに凝固させることが可能で、かつ使用が容易であるという理由から、水あるいは水と有機溶媒の混合溶液が用いられる。有機溶媒を混合する場合、当該有機溶媒としては、たとえばメタノール、エタノール、グリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、アセトン、テトラヒドロフラン、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどが挙げられ、中でもN−メチル−2−ピロリドンが好ましい。   As the poor solvent used in the coagulation step, water or a mixed solution of water and an organic solvent is used because it is possible to quickly coagulate the PPO polymer in the spinning dope and it is easy to use. In the case of mixing an organic solvent, examples of the organic solvent include methanol, ethanol, glycerin, ethylene glycol, diethylene glycol, acetone, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide and the like. -Methyl-2-pyrrolidone is preferred.

PPO紡糸原液を浸漬する際の貧溶媒の温度は特に制限されないが、0〜50℃の範囲内であることが好ましく、0〜20℃の範囲内であることがより好ましい。貧溶媒の温度が0℃未満である場合には、凝固浴の液体が凍る、あるいは粘度が低下しすぎるため紡糸安定性が悪くなるという傾向があるためであり、また、貧溶媒の温度が50℃を超えると、凝固浴の粘度が低くなりすぎ、膜構造が不安定になったり、紡糸安定性が悪くなったりするという傾向があるためである。また、PPO吐出原液を貧溶媒に浸漬する時間についても特に制限されないが、十分凝固を進行させて、中空糸状の形状を保ち、かつ工程を無駄に長くしないという観点から、0.1〜100秒の範囲内であることが好ましく、1〜50秒の範囲内であることがより好ましい。   The temperature of the poor solvent at the time of immersing the PPO spinning dope is not particularly limited, but is preferably in the range of 0 to 50 ° C, more preferably in the range of 0 to 20 ° C. This is because when the temperature of the poor solvent is less than 0 ° C., the liquid in the coagulation bath freezes or the viscosity is too low, and the spinning stability tends to deteriorate, and the temperature of the poor solvent is 50. This is because when the temperature is higher than 0 ° C., the viscosity of the coagulation bath becomes too low, and the membrane structure tends to become unstable or the spinning stability tends to deteriorate. Further, the time for immersing the PPO discharge stock solution in a poor solvent is not particularly limited, but it is 0.1 to 100 seconds from the viewpoint of sufficiently solidifying, maintaining a hollow fiber shape, and not unnecessarily lengthening the process. Is preferably in the range of 1 to 50 seconds, and more preferably in the range of 1 to 50 seconds.

〔4〕乾燥工程
上述した凝固工程の後、凝固した中空糸状物を、溶媒置換処理を行うことなく、水を含んだ状態から乾燥させて中空糸炭素膜前駆体を得る。なお、凝固工程で相分離を終えた中空糸状物は、十分に水洗して残存する溶媒を除去した後に、当該乾燥工程に供することが好ましい。
[4] Drying Step After the solidification step, the solidified hollow fiber-like material is dried from a state containing water without performing a solvent replacement treatment to obtain a hollow fiber carbon membrane precursor. In addition, it is preferable to use for the said drying process, after the hollow fiber-like thing which finished phase separation at the coagulation process fully washed with water and removed the remaining solvent.

本発明における乾燥工程で行わない「溶媒置換処理」とは、たとえば水を含む中空糸状物を、アルコールなど表面張力が水よりも小さく、かつ水と混和する溶媒に、徐々に溶媒濃度を高くしながら、最終的に完全に前記溶媒に置換する手法である。またアルコールに置換した中空糸状物は、シクロヘキサン、n−ヘキサンなど、さらに表面張力の小さい溶媒に置換される場合もある。表面張力の低い溶媒を含んだ状態から乾燥された中空糸状物は、初期の細孔構造が維持されやすいとされる。また、溶媒置換と類似の方法として、前記吐出工程における凝固浴の貧溶媒をあらかじめ、表面張力の小さい、たとえばアルコールなどにする場合も同様の効果が得られる。   The “solvent replacement treatment” not performed in the drying step in the present invention means, for example, that the hollow fiber-like material containing water is gradually made higher in a solvent having a surface tension smaller than that of water such as alcohol and miscible with water. However, this is a method of finally completely replacing the solvent. Further, the hollow fiber-like product substituted with alcohol may be substituted with a solvent having a lower surface tension such as cyclohexane or n-hexane. The hollow fiber-like material dried from a state containing a solvent having a low surface tension is considered to easily maintain the initial pore structure. Further, as a method similar to solvent replacement, the same effect can be obtained when the poor solvent of the coagulation bath in the discharge step is previously made to have a low surface tension, such as alcohol.

しかしながら、本発明の中空糸炭素膜の製造方法では、このような溶媒置換処理は不要である。本発明者らの知見によれば、このような溶媒置換処理を行ったとしても、PPO吐出原液から形成した中空糸状物は、後述する耐炎化処理工程と炭素化処理工程において、その多孔構造は溶融し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した場合に、一見すると全体が緻密で一様な、いわゆる均質膜構造となってしまうためである。溶媒置換処理を行って作製されたPPO中空糸炭素膜は、このような均質膜構造であるにも関わらず、脆くなり、柔軟性が低くなってしまう。   However, such a solvent replacement treatment is not necessary in the method for producing a hollow fiber carbon membrane of the present invention. According to the knowledge of the present inventors, even if such a solvent substitution process is performed, the hollow fiber formed from the PPO discharge stock solution has a porous structure in the flameproofing process and the carbonization process described later. This is because when melted and observed with a scanning electron microscope (SEM), the entire structure becomes a so-called homogeneous film structure that is dense and uniform at first glance. The PPO hollow fiber carbon membrane produced by performing the solvent replacement treatment becomes fragile and less flexible in spite of such a homogeneous membrane structure.

これに対し、本発明者らは、水を含んだ膜を溶媒置換処理を行わずに乾燥して中空糸炭素膜を作製したところ、同様な均質膜構造が得られたにも関わらず、驚くべきことに柔軟性は、溶媒置換処理を行った中空糸炭素膜と比較して、非常に優れることが明らかとなった。また両者のガス分離性および透過性には、大きな差異は見られなかった。すなわち溶媒置換処理を行わず、水を含んだ状態から直接乾燥処理を行うことが、中空糸炭素膜の優れた柔軟性とガス分離性能を発揮させるために好ましいことが分かった。   On the other hand, the inventors of the present invention dried a membrane containing water without subjecting it to solvent substitution treatment to produce a hollow fiber carbon membrane. It was clarified that the flexibility is very excellent as compared with the hollow fiber carbon membrane subjected to the solvent substitution treatment. Further, there was no significant difference in gas separation and permeability between the two. That is, it was found that it is preferable to perform the drying treatment directly from the state containing water without performing the solvent replacement treatment in order to exhibit the excellent flexibility and gas separation performance of the hollow fiber carbon membrane.

〔5〕炭素化処理工程
最後に、得られた中空糸炭素膜前駆体を炭素化処理するが、好ましくは、炭素化処理の前処理として、耐炎化処理が施される。耐炎化処理では、空気雰囲気下で150〜350℃、より好ましくは200〜300℃で、30分間から4時間程度、中空糸炭素膜前駆体を加熱する。このような耐炎化処理を施すことによって、ポリマーの熱架橋反応が促進され、炭素化後の膜構造が強固なものとなり、分離性能や柔軟性の向上に有利である。
[5] Carbonization treatment step Finally, the obtained hollow fiber carbon membrane precursor is subjected to carbonization treatment. Preferably, flameproofing treatment is performed as a pretreatment for the carbonization treatment. In the flameproofing treatment, the hollow fiber carbon membrane precursor is heated at 150 to 350 ° C., more preferably 200 to 300 ° C. in an air atmosphere for about 30 minutes to about 4 hours. By applying such a flameproofing treatment, the thermal crosslinking reaction of the polymer is promoted, and the membrane structure after carbonization becomes strong, which is advantageous in improving separation performance and flexibility.

上述のように好ましくは耐炎化処理を施した中空糸炭素膜前駆体は、炭素化処理工程で公知の方法で炭素化処理され、中空糸炭素膜が得られる。炭素化処理は、たとえば、中空糸炭素膜前駆体を高温炉内に収容し、10−4気圧以下の減圧下、またはヘリウム、アルゴンガス、窒素ガスなどで置換した不活性ガス雰囲気下で減圧することなく加熱処理することによって行なう。また、中空糸炭素膜前駆体を連続搬送しながら、不活性ガス雰囲気の下、高温処理する連続炭素化炉で炭素化処理を行なう方法がとられてもよい。 As described above, the hollow fiber carbon membrane precursor preferably subjected to the flameproofing treatment is carbonized by a known method in the carbonization treatment step to obtain a hollow fiber carbon membrane. In the carbonization treatment, for example, the hollow fiber carbon membrane precursor is housed in a high-temperature furnace, and the pressure is reduced under a reduced pressure of 10 −4 atm or less or in an inert gas atmosphere substituted with helium, argon gas, nitrogen gas, or the like. The heat treatment is performed without any problems. Moreover, the method of performing a carbonization process with the continuous carbonization furnace processed at high temperature under inert gas atmosphere may be taken, conveying a hollow fiber carbon membrane precursor continuously.

炭素化処理における加熱条件は、前駆体を構成するポリマーの種類などにより、最適なものが選択されるが、好ましくは、10−4気圧以下の減圧下または不活性ガス雰囲気中で、500〜850℃で30分間から4時間である。より好ましくは、550〜650℃で30分から2時間である。500℃未満では十分な炭素化が起こらないため、得られた中空糸炭素膜は柔軟であるが、十分なガス分離性が得られず、また耐薬品性、耐熱性も劣ったものとなってしまうので好ましくない。一方、850℃を超える温度で炭素化処理を行なうと、炭素化後の膜が脆くなってしまうので好ましくない。 The heating conditions in the carbonization treatment are optimally selected depending on the type of polymer constituting the precursor, but preferably 500 to 850 under a reduced pressure of 10 −4 atm or less or in an inert gas atmosphere. 30 minutes to 4 hours at ° C. More preferably, it is 30 minutes to 2 hours at 550 to 650 ° C. Since sufficient carbonization does not occur at temperatures below 500 ° C., the obtained hollow fiber carbon membrane is flexible, but sufficient gas separability cannot be obtained, and chemical resistance and heat resistance are inferior. This is not preferable. On the other hand, when the carbonization treatment, the film after coal hydrogenation becomes brittle unfavorable at temperatures above 850 ° C..

<分離膜モジュール>
本発明は、上述した本発明の中空糸炭素膜を用いた分離膜モジュールについても提供する。分離膜モジュール自体は公知であり、本発明の分離膜モジュールも、本発明の中空糸炭素膜を用いること以外は、従来公知の適宜の材質、構造を組み合わせて実現することができる。たとえば典型的な構造の分離膜モジュールとして、所定の長さに切断された複数本の本発明の中空糸炭素膜が束ねられた状態でその両端をそれぞれ接着剤で固めた分離膜モジュールが例示される。この際、束ねられた状態の中空糸炭素膜の一方側の端部は開口するように接着剤で固められ、開口を有するキャップが取付けられる。また、束ねられた状態の中空糸炭素膜の他方側の端部は開口しないように接着剤で固められ、開口を有さないキャップが取付けられる。なお、これはあくまで一例に過ぎず、束ねられた状態の中空糸炭素膜の一方側の端部が開口し、他方側の端部が閉口している構造であればよい。
<Separation membrane module>
The present invention also provides a separation membrane module using the above-described hollow fiber carbon membrane of the present invention. The separation membrane module itself is known, and the separation membrane module of the present invention can also be realized by combining conventionally known appropriate materials and structures except that the hollow fiber carbon membrane of the present invention is used. For example, a separation membrane module having a typical structure is exemplified by a separation membrane module in which a plurality of the hollow fiber carbon membranes of the present invention cut to a predetermined length are bundled and both ends thereof are fixed with an adhesive. The At this time, one end of the bundled hollow fiber carbon membrane is hardened with an adhesive so as to open, and a cap having an opening is attached. Further, the other end of the bundled hollow fiber carbon membrane is hardened with an adhesive so as not to open, and a cap having no opening is attached. Note that this is merely an example, and any structure may be used as long as one end of the bundled hollow fiber carbon membrane is open and the other end is closed.

上述した分離膜モジュールを作製する方法についても、公知の方法を適宜採用することができ、特に制限されるものではない。たとえば、複数本の本発明の中空糸炭素膜を作製し、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の一端を接着剤で接着するとともに、他端を接着剤で接着する。その後、束ねられた状態の中空糸炭素膜の一方側の端部を接着剤とともに切断することによって開口させる。その後、それぞれの端部に上述のようなキャップを取付けることによって、上述した分離膜モジュールが作製できる。   Also for the method for producing the separation membrane module described above, a known method can be appropriately employed and is not particularly limited. For example, producing a plurality of hollow fiber carbon membranes of the present invention, bundling them in a state where each is cut into a predetermined length, and bonding one end of the bundled hollow fiber carbon membranes with an adhesive, Adhere the other end with an adhesive. Then, it opens by cut | disconnecting the edge part of the one side of the hollow fiber carbon membrane of the bundled state with an adhesive agent. Thereafter, the above-described separation membrane module can be manufactured by attaching a cap as described above to each end.

本発明の中空糸炭素膜およびこれを用いた分離膜モジュールは、特にガス分離用炭素膜として有用である。水素製造、二酸化炭素分離回収、排気ガス分離回収、天然ガス分離、ガスの除湿、空気からの酸素の製造などの分野において特に好適に用いることができる。   The hollow fiber carbon membrane of the present invention and the separation membrane module using the same are particularly useful as a carbon membrane for gas separation. It can be particularly suitably used in fields such as hydrogen production, carbon dioxide separation and recovery, exhaust gas separation and recovery, natural gas separation, gas dehumidification, and production of oxygen from air.

以下に本発明の実施例の詳細を示すが、本発明を制限するものではない。
<実施例1>
ポリフェニレンオキサイド(PPO)(No.181781、アルドリッチ社製)13.75gに対して、N−メチル−2−ピロリドン36.25gを加え、混練して均一な懸濁液を作製した後、100〜150℃の範囲の温度で混練しながら加熱することで均一な紡糸原液を得た。得られた紡糸原液を150℃に保温した状態で、同じく130℃に加熱保温した紡糸原液押出し機に充填し、二重円筒管ノズルのスリット部より、紡糸原液を定量押出しした。二重円筒管ノズルの内孔からは、内液として、エチレングリコールを定量吐出させ、中空状に押出された紡糸原液の内層部分に相分離を誘起させつつ、50mmのエアギャップで、紡糸原液表層部の乾燥処理を行い、その後、10℃に保温したN−メチル−2−ピロリドン30%水溶液で満たした凝固浴中で、完全に相分離を進行させた。固化した中空糸状物を十分水洗した後、水を含んだ状態のまま、80℃の乾燥炉にて乾燥処理した。
Although the detail of the Example of this invention is shown below, this invention is not restrict | limited.
<Example 1>
36.25 g of N-methyl-2-pyrrolidone is added to 13.75 g of polyphenylene oxide (PPO) (No. 181781, manufactured by Aldrich) and kneaded to prepare a uniform suspension. A uniform spinning dope was obtained by heating while kneading at a temperature in the range of ° C. The obtained spinning dope was kept at 150 ° C., filled in a spinning dope extruder that was also heated and kept at 130 ° C., and the spinning dope was quantitatively extruded from the slit portion of the double cylindrical tube nozzle. From the inner hole of the double cylindrical tube nozzle, a constant amount of ethylene glycol is discharged as the inner liquid, and phase separation is induced in the inner layer portion of the spinning raw liquid extruded into a hollow shape, while the surface layer of the spinning raw liquid is at a 50 mm air gap. Part of the mixture was dried, and then phase separation was allowed to proceed completely in a coagulation bath filled with 30% aqueous N-methyl-2-pyrrolidone kept at 10 ° C. The solidified hollow fiber-like material was sufficiently washed with water and then dried in an oven at 80 ° C. while containing water.

得られた中空糸状物を50cmの長さにカットし、マッフル炉にて空気雰囲気の下、10℃/minの速度で昇温させ、280℃に達してから、同温度にて1時間加熱し、その後放冷した。   The obtained hollow fiber-like material is cut into a length of 50 cm, heated at a rate of 10 ° C./min in an air atmosphere in a muffle furnace, reached 280 ° C., and heated at the same temperature for 1 hour. Then, it was allowed to cool.

空気酸化処理を行った中空糸状物を、高温焼成炉にて窒素雰囲気の下、10℃/minの速度で昇温させ、600℃に達してから、同温度にて2時間加熱し、その後放冷し、PPO中空糸炭素膜を得た。   The hollow fiber-like material subjected to air oxidation treatment is heated at a rate of 10 ° C./min in a high-temperature firing furnace at a rate of 10 ° C./min. After reaching 600 ° C., it is heated at the same temperature for 2 hours and then released. It cooled and obtained the PPO hollow fiber carbon membrane.

<実施例2>
凝固浴組成を10℃に保温した純水に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてPPO中空糸炭素膜を得た。
<Example 2>
A PPO hollow fiber carbon membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coagulation bath composition was changed to pure water kept at 10 ° C.

<実施例3>
炭素化処理における温度を700℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてPPO中空糸炭素膜を得た。
<Example 3>
A PPO hollow fiber carbon membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature in the carbonization treatment was changed to 700 ° C.

<実施例4>
炭素化処理における温度を500℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてPPO中空糸炭素膜を得た。
<Example 4>
A PPO hollow fiber carbon membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature in the carbonization treatment was changed to 500 ° C.

<比較例1>
固化した中空糸膜を十分に水洗した後、50重量%エタノール水溶液に2時間浸漬し、さらにエタノールに一晩浸漬させた後、ヘキサンに一晩浸漬させた後に常温で乾燥処理を行ったこと以外は実施例1と同様にしてPPO中空糸炭素膜を得た。
<Comparative Example 1>
The solidified hollow fiber membrane was thoroughly washed with water, then immersed in a 50 wt% ethanol aqueous solution for 2 hours, further immersed in ethanol overnight, then immersed in hexane overnight, and then dried at room temperature. Obtained a PPO hollow fiber carbon membrane in the same manner as in Example 1.

<比較例2>
ポリフェニレンオキサイド(PPO)(No.181781、アルドリッチ社製)13.75gに対して、クロロホルム36.25gを加え、混練して均一な紡糸原液を作製した後、これを紡糸原液押出し機に充填し、二重円筒管ノズルのスリット部より、常温条件下で紡糸原液を定量押出しした。二重円筒管ノズルの内孔からは、内液として、エタノールを定量吐出させ、中空状に押出された紡糸原液の内層部分に相分離を誘起させつつ、紡糸原液表層部の乾燥処理を行い、その後、10℃に保温したエタノールで満たした凝固浴中で、完全に相分離を進行させた。固化した中空糸状物を乾燥処理して巻取り、中空糸状物を得た。このようにして得られた中空糸状物に対し実施例1と同様の条件で耐炎化処理および炭素化処理を行ない、PPO中空糸炭素膜を得た。
<Comparative example 2>
To 13.75 g of polyphenylene oxide (PPO) (No. 181781, manufactured by Aldrich), 36.25 g of chloroform was added and kneaded to prepare a uniform spinning stock solution, which was then filled into a spinning stock solution extruder. The spinning solution was quantitatively extruded from the slit part of the double cylindrical tube nozzle under normal temperature conditions. From the inner hole of the double cylindrical tube nozzle, ethanol is quantitatively discharged as an inner liquid, and a phase separation is induced in the inner layer portion of the spinning stock solution extruded in a hollow shape, while the spinning stock solution surface layer is dried, Thereafter, phase separation was allowed to proceed completely in a coagulation bath filled with ethanol kept at 10 ° C. The solidified hollow fiber was dried and wound up to obtain a hollow fiber. The hollow fiber-like material thus obtained was subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment under the same conditions as in Example 1 to obtain a PPO hollow fiber carbon membrane.

実施例および比較例で得られたサンプル(PPO中空糸炭素膜またはPPO中空糸状物)の評価方法を以下に示す。   The evaluation methods of the samples (PPO hollow fiber carbon membrane or PPO hollow fiber) obtained in Examples and Comparative Examples are shown below.

(柔軟性評価方法1)
JIS R7606:2000に準拠して、引張試験機テクノグラフ(TG−200NB、ロードセル型式TT3D−10N、ミネベア株式会社製)を用いて引張試験を行った。中空糸炭素膜サンプルの断面積は、JIS R7607:2000のC法に準拠して、中空糸膜断面積を測定した。サンプルの把持部での端部切れを防ぐために、図1のような四角の枠状のサンプル台紙1の両端に、サンプル2を載せて、サンプル2の両端部を二液性エポキシ樹脂3により接着、固化させた。作製したサンプル台紙1の両端のチャック把持部5を引張試験機のチャックにて把持、固定する。続いて接続部4を切り離した後、サンプル2の引張試験を開始する。サンプル長は25mmとした。引張り速度は5mm/minとした。測定本数は20本行い平均値を評価した。各サンプルについての破断伸度および引張弾性率を表1に示す。
(Flexibility evaluation method 1)
Based on JIS R7606: 2000, a tensile test was performed using a tensile tester technograph (TG-200NB, load cell type TT3D-10N, manufactured by Minebea Co., Ltd.). The cross-sectional area of the hollow fiber carbon membrane sample was measured according to the JIS R7607: 2000 C method. In order to prevent the end portion from being cut off at the gripping portion of the sample, the sample 2 is placed on both ends of the square frame-shaped sample mount 1 as shown in FIG. 1 and the both ends of the sample 2 are bonded to each other with the two-component epoxy resin 3. , Solidified. The chuck holding portions 5 at both ends of the prepared sample mount 1 are held and fixed by a chuck of a tensile tester. Subsequently, after disconnecting the connection portion 4, the tensile test of the sample 2 is started. The sample length was 25 mm. The pulling speed was 5 mm / min. The number of measurements was 20 and the average value was evaluated. Table 1 shows the elongation at break and the tensile modulus of elasticity for each sample.

(柔軟性評価方法2)
実施例および比較例のPPO中空糸炭素膜の柔軟性は、上記の引張り試験に加えて、中空糸炭素膜を曲げたときに破断するときの、最小曲げ半径についても評価を行った。1mm刻みで異なる様々な直径の円柱に中空糸炭素膜を180°以上巻きつけて、中空糸炭素膜が破断するかどうかを確認し、最小曲げ半径は、中空糸炭素膜が破断しない円柱において、最小の半径を有する円柱を求め、その円柱の半径の値で示すことにより、膜の柔軟性を評価した。結果を表1に示す。
(Flexibility evaluation method 2)
In addition to the tensile test described above, the flexibility of the PPO hollow fiber carbon membranes of Examples and Comparative Examples was also evaluated for the minimum bending radius when the hollow fiber carbon membrane was broken. Winding the hollow fiber carbon membrane 180 ° or more around a cylinder of various diameters different in 1 mm increments to check whether the hollow fiber carbon membrane breaks, the minimum bending radius is in the cylinder where the hollow fiber carbon membrane does not break, The flexibility of the film was evaluated by obtaining a cylinder having the minimum radius and showing the value by the value of the radius of the cylinder. The results are shown in Table 1.

(中空糸炭素膜の破損率の評価)
実施例および比較例のPPO中空糸炭素膜をそれぞれ用いて、中空糸炭素膜100本からなる分離膜モジュールをそれぞれ10個ずつ作製して、そのうち、ガス分離評価を行ったときに、モジュール作製時に中空糸炭素膜が破損した場合および、ガス透過試験時にリークが起こった場合の個数の、百分率での割合を破損率として評価した。結果を表1に示す。
(Evaluation of breakage rate of hollow fiber carbon membrane)
Using the PPO hollow fiber carbon membranes of Examples and Comparative Examples, 10 separation membrane modules each consisting of 100 hollow fiber carbon membranes were produced, and when gas separation evaluation was performed, The percentage of the number when the hollow fiber carbon membrane was broken and when the leak occurred during the gas permeation test was evaluated as the percentage of breakage. The results are shown in Table 1.

(中空糸炭素膜のガス分離性能の評価)
試験ガス(He,CO,N)を用いて、中空糸炭素膜のガス分離性能を測定した。自作の中空糸用気体透過率測定装置に各サンプル(PPO中空糸炭素膜またはPPO中空糸状物)を装着し、各サンプルの内面に一定圧力で試験ガスを供給し、透過する気体流量を流量計で測定した。この際に、下記式で求められるガス透過速度Q(10−6cm(STP)・cm−2・s−1・cmHg−1(=GPU))により気体分離性能を評価した。また、Qの比からガスの理想分離係数を求めた。
(Evaluation of gas separation performance of hollow fiber carbon membrane)
Using a test gas (He, CO 2 , N 2 ), the gas separation performance of the hollow fiber carbon membrane was measured. Each sample (PPO hollow fiber carbon membrane or PPO hollow fiber-like material) is mounted on a self-made hollow fiber gas permeability measuring device, and a test gas is supplied to the inner surface of each sample at a constant pressure, and the permeate gas flow rate is measured by a flow meter. Measured with At this time, the gas separation performance was evaluated by a gas permeation rate Q (10 −6 cm 3 (STP) · cm −2 · s −1 · cmHg −1 (= GPU)) obtained by the following formula. Further, the ideal separation factor of the gas was obtained from the ratio of Q.

・Q={ガス透過流量(cm・STP)}÷{膜面積(cm)×時間(秒)×圧力差(cmHg)}
結果を表2に示す。
Q = {gas permeation flow rate (cm 3 · STP)} ÷ {membrane area (cm 2 ) × time (seconds) × pressure difference (cmHg)}
The results are shown in Table 2.

Figure 0005966298
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表1、2から明らかなように、実施例1〜4では、破断伸度が高く、取扱い性に優れるPPO中空糸炭素膜が得られたことがわかる。また最小曲げ半径も4.5〜9.0mmと小さく、柔軟性に富むことがわかる。さらにモジュール作製時の破損率はゼロであり、モジュール化が容易であることもわかる。これに対し、比較例1、2は、破断伸度が格段に低く、最小曲げ半径も30mmと非常に大きく、破損しやすいことがわかる。その結果として、モジュール化時の取扱い性に問題があり、破損率は非常に高かった。   As is apparent from Tables 1 and 2, in Examples 1 to 4, it was found that PPO hollow fiber carbon membranes having high elongation at break and excellent handleability were obtained. Further, it can be seen that the minimum bending radius is as small as 4.5 to 9.0 mm, which is rich in flexibility. Furthermore, the damage rate at the time of module production is zero, and it can be seen that modularization is easy. On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 have a remarkably low breaking elongation and a very small minimum bending radius of 30 mm, which is easily damaged. As a result, there was a problem in handling at the time of modularization, and the breakage rate was very high.

1 サンプル台紙、2 サンプル、3 エポキシ樹脂、4 接続部、5 チャック把持部。   1 sample mount, 2 samples, 3 epoxy resin, 4 connection part, 5 chuck gripping part.

Claims (2)

ポリフェニレンオキサイドを用いた中空糸炭素膜前駆体を炭素化して得られる、破断伸度が1〜4%である中空糸炭素膜を製造する方法であって、
ポリフェニレンオキサイドを非プロトン性溶媒に溶解させる工程と、
ポリフェニレンオキサイドを温度誘起相分離点以上の温度で紡糸ノズルより吐出し、中空糸状にする工程と、
中空糸状のポリフェニレンオキサイドを水あるいは水と有機溶媒の混合溶液により凝固させる工程と、
凝固した中空糸状物を、溶媒置換処理を行うことなく、水を含んだ状態から乾燥させて中空糸炭素膜前駆体を得る工程と、
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。
A method for producing a hollow fiber carbon membrane obtained by carbonizing a hollow fiber carbon membrane precursor using polyphenylene oxide and having a breaking elongation of 1 to 4%,
Dissolving polyphenylene oxide in an aprotic solvent;
Discharging polyphenylene oxide from the spinning nozzle at a temperature equal to or higher than the temperature-induced phase separation point to form a hollow fiber;
A step of solidifying the hollow fiber-shaped polyphenylene oxide with water or a mixed solution of water and an organic solvent;
A step of drying the solidified hollow fiber-like material from a state containing water without performing a solvent substitution treatment to obtain a hollow fiber carbon membrane precursor;
And a step of carbonizing the hollow fiber carbon membrane precursor.
引張弾性率が5GPa以上である、請求項1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 1, wherein the tensile elastic modulus is 5 GPa or more .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101953886B1 (en) * 2017-09-01 2019-03-04 한국기계연구원 Hollow fiber carbonization apparatus and method thereof

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014196601A1 (en) * 2013-06-05 2014-12-11 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Carbon film and method for manufacturing carbon film
JP6733177B2 (en) 2014-07-24 2020-07-29 東レ株式会社 Fluid separation carbon membrane, fluid separation membrane module, and method for producing carbon membrane for fluid separation
EP3228382A4 (en) 2014-10-30 2018-07-11 Nok Corporation Membrane-forming dope for carbon membranes and method for producing carbon hollow fiber membrane using same
CN106999867B (en) * 2014-12-12 2020-08-18 Nok株式会社 Method for preparing hollow fiber carbon membrane
JP6729012B2 (en) * 2016-06-07 2020-07-22 東洋紡株式会社 Method for manufacturing hollow fiber carbon membrane
CN113882038A (en) * 2020-07-02 2022-01-04 中国石油化工股份有限公司 Modified spinning solution, hollow fiber carbon membrane and preparation method and application thereof
CN113877434B (en) * 2020-07-02 2022-12-09 中国石油化工股份有限公司 Method for preparing hollow fiber carbon film by direct wrapping heat treatment and hollow fiber carbon film thereof

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0274615A (en) * 1988-03-15 1990-03-14 Mitsubishi Rayon Co Ltd Carbon fiber-based porous hollow fiber membrane and production thereof
JP2673846B2 (en) * 1992-02-07 1997-11-05 宇部興産株式会社 Asymmetric hollow fiber carbon membrane and method for producing the same
JP2006231095A (en) * 2005-02-21 2006-09-07 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Carbonized film and its manufacturing method
JP5339324B2 (en) * 2007-08-02 2013-11-13 独立行政法人産業技術総合研究所 Hollow fiber carbon membrane and method for producing the same
JP4998929B2 (en) * 2009-02-16 2012-08-15 大陽日酸株式会社 Gas purification method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101953886B1 (en) * 2017-09-01 2019-03-04 한국기계연구원 Hollow fiber carbonization apparatus and method thereof

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