JP5972774B2 - ガス分離複合膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
天然ガスの膜分離方法による精製では、膜分離方法に用いる膜の素材としてセルロースやポリイミドが検討されてきた。しかし、実際のプラントにおける高圧条件や天然ガス中に存在する不純物の影響等によって膜が可塑化し、これによる分離選択性の低下が問題となっていた(非特許文献1の313−322頁および非特許文献2、3)。この膜の可塑化を抑制するために、膜を構成する高分子化合物に架橋構造や分岐構造を導入することが有効であることが知られており、ポリイミド樹脂を用いた分離膜においてその研究がなされている(非特許文献1の3−27頁、非特許文献4、5、特許文献2、3)。
例えば、非特許文献4には、金属錯体を用いてイオン架橋したポリイミドのガス分離膜が記載されている。非特許文献4では、非架橋形態、共有結合による架橋形態、及びイオン架橋形態の3つの形態のポリイミドを用いて40〜60μm厚の単膜を作成し、そのガス分離性能を比較している。そして、金属錯体を用いたイオン架橋ポリイミドを用いたガス分離膜においてはガス分離性能の向上はほとんど認められず、共有結合により架橋構造を形成させたポリイミドにおいてガス分離性能が向上したことが報告されている。また、非特許文献5には、非特許文献4に記載の金属錯体を用いたイオン架橋単膜について、金属錯体の凝集物が形成されていることを報告している。
ガス分離複合膜では、十分なガス透過性を確保するため、分離機能担う膜を上記スキン層と同様に薄膜状に成膜する必要がある。しかし、一般に、機械的強度を満足させるべく合成原料に多官能成分(重合性基を3つ以上有する化合物)を用いて、高分子化合物に多数の多分岐構造を導入すると、ゲル化しやすく、得られる高分子化合物は溶剤に対する溶解性に劣り、塗布成膜性に劣るものとなる。したがって、例えば特許文献3に記載のハイパーブランチポリイミドでは、これを塗布し成膜しても、均一で十分なガス透過性を示す薄膜状に成膜することは困難である。それ故、多数の多分岐構造を有する高分子化合物を用いた分離膜は、ガス透過性能において制約がある。
本発明は、これらの知見に基づき完成させるに至ったものである。
<1>架橋ポリイミド樹脂を含有してなるガス分離層をガス透過性の支持層上側に有するガス分離複合膜であって、
前記架橋ポリイミド樹脂は、2〜4価の中心金属に対して2〜4分子のポリイミド化合物が酸素原子又は硫黄原子を介して配位した構造を有し、
前記架橋ポリイミド樹脂は前記中心金属を複数有し、該複数の中心金属は前記ポリイミド化合物のポリイミド鎖を介して連結しており、
前記ガス分離層の厚さが0.01μm以上2μm以下である、ガス分離複合膜。
<2>前記ポリイミド化合物が、下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II−a)又は(II−b)で表される繰り返し単位と、下記式(III−a)又は(III−b)で表される繰り返し単位とを有する、前記<1>に記載のガス分離複合膜。
<3>前記中心金属が、Be、Mg、Ca、Sc、Y、Ti、Zr、V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga又はInである、前記<1>又は<2>に記載のガス分離複合膜。
<4>分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、40℃、40気圧における二酸化炭素の透過速度が20GPU超であり、二酸化炭素とメタンとの透過速度比(RCO2/RCH4)が15以上である、前記<1>〜<3>のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
<5>前記支持層が、ガス分離層側の多孔質層と、その逆側の不織布層とからなる、前記<1>〜<4>のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
<6>前記多孔質層の分画分子量が100,000以下である、前記<1>〜<5>のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
<7>前記<1>〜<6>のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を具備するガス分離モジュール。
<8>前記<7>に記載のガス分離モジュールを備えたガス分離装置。
<9>前記<1>〜<6>のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を用いて、二酸化炭素及びメタンを含むガスから二酸化炭素を選択的に透過させるガス分離方法。
<10>厚さ0.01μm以上2μm以下であるガス分離層をガス透過性の支持層上側に有するガス分離複合膜の製造方法であって、
−COOH、−OH、−SH及び−S(=O) 2 OHからなる群より選択される少なくとも1つの活性水素含有基を有するポリイミド化合物と金属錯体とを含有する溶液をガス透過性の支持層上側に塗布することで、前記ポリイミド化合物と前記金属錯体との間で配位子交換を行わせ、前記支持層上に金属架橋ポリイミド樹脂を含むガス分離層を形成することを含み、前記溶液中の、前記ポリイミド化合物の濃度が0.1〜20.0質量%であり、前記金属錯体の濃度が、前記ポリイミド化合物の濃度100質量%に対して0.2〜40質量%である、製造方法。
<11>前記金属錯体の中心原子が、Be、Mg、Ca、Sc、Y、Ti、Zr、V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga又はInである、<10>に記載の製造方法。
<12>前記金属錯体が、アルコキシ基、アリールオキシ基、カルボキシレート基、サルフェート基、シアノ基、アンモニウム基、ホスフェート基、β−ジケトン、β−ケトエステル、及びハロゲン原子から選ばれる配位子を2つ以上有する、<10>又は<11>に記載の製造方法。
<13>前記ポリイミド化合物が、下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II−a)又は(II−b)で表される繰り返し単位と、下記式(III−a)又は(III−b)で表される繰り返し単位とを有する、前記<10>〜<12>のいずれか1項に記載の製造方法。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、所望の効果を奏する範囲で、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。
本明細書において置換基というときには、特に断らない限り、後記置換基群Zをその好ましい範囲とする。
本発明のガス分離複合膜(以下、単に「本発明の複合膜」ともいう。)は、ガス透過性の支持層の上側に、特定の架橋ポリイミド樹脂を含有してなるガス分離層が形成されている。この複合膜は、多孔質の支持体の少なくとも表面に、上記のガス分離層をなす塗布液(ドープ)を塗布(本明細書において塗布とは浸漬により表面に付着される態様を含む意味である。)することにより形成することが好ましい。
図1は、本発明の好ましい実施形態であるガス分離複合膜10を模式的に示す縦断面図である。1はガス分離層、2は多孔質層からなる支持層である。図2は、本発明の好ましい実施形態であるガス分離複合膜20を模式的に示す断面図である。この実施形態では、ガス分離層1及び多孔質層2に加え、支持層として不織布層3が追加されている。
なお、1GPUは1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHgである。
本発明に用いるポリイミド化合物について以下に詳しく説明する。
本発明において、架橋ポリイミド樹脂を構成するポリイミド化合物は、より具体的に説明すれば、下記式(I)で表される繰り返し単位の少なくとも1種と、下記式(II−a)又は(II−b)で表される繰り返し単位の少なくとも1種と、下記式(III−a)又は(III−b)で表される繰り返し単位の少なくとも1種とを含むことが好ましい。
本発明に用いるポリイミド樹脂は、上記各繰り返し単位以外の繰り返し単位を含むことができるが、そのモル数は、上記各式で表される各繰り返し単位のモル数の和を100としたときに、20以下であることが好ましく、0〜10であることがより好ましい。本発明に用いるポリイミド樹脂は、上記各式で表される各繰り返し単位のみからなることが特に好ましい。
X1、X2、X3は、単結合又は2価の連結基を示す。当該2価の連結基としては、−C(Rx)2−(Rxは水素原子又は置換基を示す。Rxが置換基の場合、互いに連結して環を形成してもよい)、−O−、−SO2−、−C(=O)−、−S−、−NRY−(RYは水素原子、アルキル基(好ましくはメチル基又はエチル基)又はアリール基(好ましくはフェニル基))、又はこれらの組み合わせが好ましく、単結合又は−C(Rx)2−がより好ましい。Rxが置換基を示すとき、その具体例としては、後記置換基群Zが挙げられ、なかでもアルキル基(好ましい範囲は後記置換基群Zと同義である)が好ましく、ハロゲン原子を置換基として有するアルキル基がより好ましく、トリフルオロメチルが特に好ましい。なお、本明細書において「互いに連結して環を形成してもよい」というときには、単結合、二重結合等により結合して環状構造を形成するものであってもよく、また、縮合して縮環構造を形成するものであってもよい。
Lは−CH2=CH2−又は−CH2−を示し、好ましくは−CH2=CH2−である。
R1、R2は水素原子又は置換基を示す。その置換基としては、下記に示される置換基群Zより選ばれるいずれか1つを用いることができる。R1およびR2は互いに結合して環を形成していてもよい。
R3はアルキル基又はハロゲン原子を示す。当該アルキル基及びハロゲン原子の好ましいものは、後記置換基群Zで規定したアルキル基及びハロゲン原子の好ましい範囲と同義である。R3の数を示すl1は0〜4の整数であるが、1〜4が好ましく、3〜4がより好ましい。R3はアルキル基であることが好ましく、メチル基又はエチル基であることがより好ましい。
R4、R5はアルキル基もしくはハロゲン原子を示すか、又は互いに連結してX2と共に環を形成する基を示す。当該アルキル基及びハロゲン原子の好ましいものは、後記置換基群Zで規定したアルキル基及びハロゲン原子の好ましい範囲と同義である。R4、R5が連結した構造に特に制限はないが、単結合、−O−又は−S−が好ましい。R4、R5の数を示すm1、n1は0〜4の整数であるが、1〜4が好ましく、3〜4がより好ましい。
R4、R5はアルキル基である場合、メチル基又はエチル基であることが好ましく、トリフルオロメチルも好ましい。
R6、R7、R8は置換基を示す。ここでR7とR8が互いに結合して環を形成してもよい。当該置換基の数を示すl2、m2、n2は0〜4の整数であるが、0〜2が好ましく、0〜1がより好ましい。
J1は単結合又は2価の連結基を表す。連結基としては*−COO−N+RbRcRd−**(Rb〜Rdは水素原子、アルキル基、アリール基を示し、その好ましい範囲は後記置換基群Zで説明するものと同義である。)、*−SO3 −N+ReRfRg−**(Re〜Rgは水素原子、アルキル基、アリール基を示し、その好ましい範囲は後記置換基群Zで説明するものと同義である。)、アルキレン基、又はアリーレン基を表す。*はフェニレン基側の結合部位、**はその逆の結合部位を表す。J1は、単結合、メチレン基、フェニレン基であることが好ましく、単結合が特に好ましい。
A1は−COOH、−OH、−SH、及び−S(=O)2OHから選ばれる基を示す。当該アルキル基の好ましい範囲は、後記置換基群Zで説明するアルキル基の好ましい範囲と同義である。A1は好ましくは−COOH又は−OHである。
アルキル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルキル基であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3〜30、より好ましくは炭素数3〜20、特に好ましくは炭素数3〜10のシクロアルキル基であり、例えばシクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルケニル基であり、例えばビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニルなどが挙げられる。)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10のアルキニル基であり、例えばプロパルギル、3−ペンチニルなどが挙げられる。)、アリール基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリール基であり、例えばフェニル、p−メチルフェニル、ナフチル、アントラニルなどが挙げられる。)、アミノ基(アミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、ヘテロ環アミノ基を含み、好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜10のアミノ基であり、例えばアミノ、メチルアミノ、ジメチルアミノ、ジエチルアミノ、ジベンジルアミノ、ジフェニルアミノ、ジトリルアミノなどが挙げられる。)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10のアルコキシ基であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、2−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12のアリールオキシ基であり、例えばフェニルオキシ、1−ナフチルオキシ、2−ナフチルオキシなどが挙げられる。)、ヘテロ環オキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12のヘテロ環オキシ基であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。)、
なお、本発明において、1つの構造部位に複数の置換基があるときには、それらの置換基は互いに連結して環を形成していたり、上記構造部位の一部又は全部と縮環して芳香族環もしくは不飽和複素環を形成していたりしてもよい。
本発明に用いうるポリイミド化合物は、特定の2官能酸無水物(テトラカルボン酸二無水物)と特定のジアミンとを縮合重合させることで合成することができる。その方法としては一般的な書籍(例えば、株式会社エヌ・ティー・エス発行、今井淑夫、横田力男編著、最新ポリイミド〜基礎と応用〜、3〜49頁など)で記載の手法を適宜選択することができる。
当該溶媒としては、特に限定されるものではないが、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系有機溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等の脂肪族ケトン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジブチルブチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルシクロペンチルエーテル、ジオキサン等のエーテル系有機溶剤、N−メチルピロリドン、2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルアセトアミド等のアミド系有機溶剤、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄系有機溶剤などが挙げられる。これらの有機溶剤は反応基質であるテトラカルボン酸二無水物、ジアミン化合物、反応中間体であるポリアミック酸、さらに最終生成物であるポリイミド化合物を溶解させることを可能とする範囲で適切に選択されるものであるが、好ましくは、エステル系(好ましくは酢酸ブチル)、脂肪族ケトン(好ましくは、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン)、エーテル系(ジエチレングリコールモノメチルエーテル、メチルシクロペンチルエーテル)、アミド系、含硫黄系(ジメチルスルホキシド、スルホラン)が好ましい。また、これらは、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明において、ポリイミド化合物の重合反応液中のテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の総濃度は特に限定されるものではないが、5〜70質量%が好ましく、より好ましくは5〜50質量%が好ましく、さらに好ましくは5〜30質量%である。
本発明のガス分離複合膜において、ガス分離層を構成する架橋ポリイミド樹脂は、2〜4価の金属原子を中心金属とし、この中心金属に対して2〜4分子の前記ポリイミド化合物が配位した(結合した)構造を有する。当該ポリイミド化合物は、酸素原子又は硫黄原子を介して中心金属に配位する。より好ましくは、当該ポリイミド化合物が有する活性水素含有基、例えば、−COOH、−OH、−SH及び−S(=O)2OHにおいて、水素原子が脱離した酸素原子又は硫黄原子を介して中心金属に配位している。ポリイミド化合物の中心金属への配位数(Np)が、当該中心金属に配位可能な数(Nq)よりも少ないときは、当該中心金属は(Nq−Np)個の、アルコキシ基、アリールオキシ基、カルボキシレート基、サルフェート基、シアノ基、アンモニウム基、ホスフェート基、β−ジケトン、β−ケトエステル、及びハロゲン原子から選ばれる配位子を有する。当該配位子は、後述の金属錯体が有する配位子である。
中心金属に配位するポリイミド化合物は同一であっても異なっていてもよい。
本発明において、架橋ポリイミドを含有するガス分離膜の調製は、少なくとも前記特定のポリイミド化合物の1種又は2種以上と、1種又は2種以上の金属錯体とを溶媒中に混合して塗布液を調製し、この塗布液をガス分離複合膜用の支持層上に薄状塗布することで、架橋形成とガス分離層の形成とを同時進行で行うことが好ましい。その際、ポリイミド化合物と金属錯体とを含有する塗布液中では、配位子交換反応が進行せず、又はその進行速度が塗布前にゲル化が生じない程度に十分に抑えられていることが好ましい。塗布液中のポリイミド化合物と金属錯体の濃度を一定濃度よりも低く抑えることで、塗布液中での配位子交換反応の進行を所定のレベルに抑えることができ、薄層塗布が可能な低粘性の状態を保つことができる。具体的には、塗布時における塗布液中のポリイミド化合物の濃度は0.1〜20.0質量%とすることが好ましく、0.2〜10.0質量%とすることがより好ましく、0.5〜5.0質量%とすることがさらに好ましい。また。塗布時における塗布液中の金属錯体の濃度は、ポリイミド化合物の濃度100質量%に対して0.2〜30質量%とすることが好ましく、0.5〜20質量%とすることがより好ましく、1〜10質量%とすることがさらに好ましい。
β−ジケトン、β−ケトエステルの具体例としては、アセチルアセトン、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸−n−プロピル、アセト酢酸−i−プロピル、アセト酢酸−n−ブチル、アセト酢酸−sec−ブチル、アセト酢酸−t−ブチル、2,4−ヘキサン−ジオン、2,4−ヘプタン−ジオン、3,5−ヘプタン−ジオン、2,4−オクタン−ジオン、2,4−ノナン−ジオン、5−メチル−ヘキサン−ジオンなどを挙げることができる。これらのうち、特にアセチルアセトンが好ましい。
後述するように、少なくとも2個の配位子は、活性水素基を含有するポリイミド化合物との共存下において、配位子交換によって当該ポリイミド化合物に置き換わる。これにより、ポリイミド化合物の金属架橋構造が形成される。
ガス透過性を高める観点から本発明の複合膜のガス分離層は薄層であることが好ましい。ガス分離層の厚さは通常には10μ以下であり、5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることがさらに好ましく、1μm以下であることがさらに好ましく、0.5μm以下であることがさらに好ましい。上記好ましい厚さのガス分離膜とするために、塗布液も薄層状に塗布することになるが、上記のように塗布液は薄層塗布が可能な性状に調製されるので、薄層塗布を容易に行うことができる。なお、上記ガス分離層の厚さは通常には0.01μm以上であり、実用上の観点から0.03μm以上が好ましい。
塗布液の媒体とする有機溶剤としては、特に限定されるものではないが、n−ヘキサン、n−ヘプタン等の炭化水素系有機溶剤、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系有機溶剤、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール等の低級アルコール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等の脂肪族ケトン、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、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチル又はモノエチルエーテル、ジブチルブチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルシクロペンチルエーテル、ジオキサン等のエーテル系有機溶剤、N−メチルピロリドン、2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。これらの有機溶剤は支持体を浸蝕するなどの悪影響を及ぼさない範囲で適切に選択されるものであるが、好ましくは、エステル系(好ましくは酢酸ブチル)、アルコール系(好ましくはメタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール)、脂肪族ケトン(好ましくは、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロペンタノン、シクロヘキサノン)、エーテル系(エチレングリコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、メチルシクロペンチルエーテル)が好ましく、さらに好ましくは脂肪族ケトン系、アルコール系、エーテル系である。またこれらは、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明のガス分離膜には、膜物性を調整するため、各種高分子化合物を添加することもできる。高分子化合物としては、アクリル系重合体、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、シェラック、ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ゴム系樹脂、ワックス類、その他の天然樹脂等が使用できる。また、これらは2種以上併用してもかまわない。
また、液物性調整のためにノニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤や、有機フルオロ化合物などを添加することもできる
本発明のガス分離方法では、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることを含む方法である。ガス分離の際の圧力は10〜100気圧であることが好ましく、20〜70気圧であることがより好ましい。また、ガス分離温度は、−30〜90℃であることが好ましく、15〜70℃であることがさらに好ましい。
本発明のガス分離膜は多孔質支持体と組み合わせた複合膜であり、更にはこれを用いてガス分離膜モジュールを調製することができる。モジュールの例としては、スパイラル型、中空糸型、プリーツ型、管状型、プレート&フレーム型などが挙げられる。
また、本発明のガス分離複合膜又はガス分離膜モジュールを用いて、ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有する気体分離装置を得ることができる。本発明のガス分離複合膜は、例えば、特開2007−297605号公報に記載のような吸収液と併用した膜・吸収ハイブリッド法としての気体分離回収装置に適用してもよい。
ポリマー(P−101)の合成:
1Lの三口フラスコにN−メチルピロリドン123ml、6FDA(東京化成株式会社製、製品番号:)54.97g(0.124mol)を加えて40℃で溶解させ、窒素気流下で攪拌しているところに、2,3,5,6−テトラメチルフェニレンジアミン(東京化成株式会社製、製品番号:T1457)4.098g(0.0248mol)、3,5−ジアミノ安息香酸15.138g(0.0992mol)のN−メチルピロリドン84.0ml溶液を30分かけて系内を40℃に保ちつつ滴下した。反応液を40℃で2.5時間攪拌した後、ピリジン(和光純薬株式会社製、製品番号:)2.94g(0.037mol)、無水酢酸(和光純薬株式会社製、製品番号:)31.58g(0.31mol)をそれぞれ加えて、さらに80℃で3時間攪拌した。その後、反応液にアセトン676.6mLを加え、希釈した。5Lステンレス容器にメタノール1.15L、アセトン230mLを加えて攪拌しているところに、反応液のアセトン希釈液を滴下した。得られたポリマー結晶を吸引ろ過し、60℃で送風乾燥させて50.5gのポリマー(P−101)を得た。なお、このP−101は、前掲の例示ポリイミド化合物P−100においてX:Y=20:80としたものである。
複合膜101の作成:
50ml褐色バイアル瓶に、ポリマー(P−101)を0.6g、テトラヒドロフラン8.6gを混合して30分攪拌した後、アルミニウムアセチルアセトナト:0.0180gのテトラヒドロフラン溶液38mlを加えて、更に30分攪拌した。10cm四方の清浄なガラス板上に、ポリアクリロニトリル多孔質膜(GMT社製)を静置し、前記ポリマー液をアプリケータを用いて多孔質支持膜表面に薄くキャストさせ、ポリプロピレン製の蓋をして一晩静置したのち、送風乾燥機にて70℃で2時間乾燥させた(複合膜101)。ポリマー(P−101)層の厚さは約0.1μmであり、ポリアクリロニトリル多孔質膜の厚さは不織布を含めて約170μmであった。
前記複合膜101において、ポリイミド化合物及び金属錯体を表2に記載のとおりに変更することで、表2に示す実施例2〜24の複合膜を作製した。なお、表2の金属錯体において、「acac」はアセチルアセトナトを、「OiPr」はイソプロポキシドを示す。
前記複合膜101において、ポリイミド化合物及び金属錯体を表2に記載のとおりに変更することで、表2に示す比較例1〜5の複合膜を作製した。
米国特許出願公開第2010/0326273A1号明細書に記載の方法と同様の方法で、下記構造のポリマーを合成し、これを用いてセルロース系架橋有機−無機ハイブリッド膜c11を作製した。c11のガス分離層は膜欠陥が生じない最薄の厚さとした。
Polymer Bulletin,2005,53,139−146に記載の方法と同様の手法を用いて、下記構造のポリマーを合成し、これを用いてハイパーブランチポリイミド架橋有機−無機ハイブリッド膜c12を作製した。c12のガス分離層は膜欠陥が生じない最薄の厚さとした。
50ml褐色バイアル瓶に、ポリマー(P−103)を0.6g、テトラヒドロフラン8.6gを混合して30分攪拌した後、アルミニウムアセチルアセトナト:0.0450gのテトラヒドロフラン溶液38mlを加えて、更に30分攪拌した。直径約9cmのガラスシャーレに前記ポリマー液を移し、100℃で8時間送風乾燥した後、130℃で24時間真空乾燥した。得られた単膜c13の膜厚は約50μmであった。
比較例8の手法に従い、単膜c14〜16を作成した。
ガス分離膜の分離層を薄層に成膜して形成することができれば、高いガス透過性能が得られる。分離層の薄層化の度合を調べるため、ガス分離膜を構成する分離層において、互いに1cm以上離れた膜厚測定部位を無作為に10箇所選抜し、当該部位においてガス分離層の膜厚測定を行い、膜厚分布を評価した。
(評価基準)
A:10箇所の膜厚がいずれも0μm超1μm以下である。
B:上記A評価には該当しないが、10箇所の膜厚がいずれも0μm超2μm以下である。
C:上記A及びBに該当しない。
上記で測定したガス分離層10箇所の膜厚の変動係数を算出し、下記基準で評価した。
(評価基準)
A:変動係数が0.3未満である。
B:変動係数が0.3以上0.5未満である。
C:変動係数が0.5以上1.0未満である。
D:変動係数が1.0以上2.0未満である。
前記実施例、比較例に記載のガス分離膜を各々50サンプル作製し、その折の水素の透過率を測定し、水素ガス透過率値が1,000,000GPU(1×106cm3/cm2・sec・cmHg)を越えたサンプルをピンホール有りの膜(サンプルエラー)として判断し、下記式によりサンプルエラー率〔サンプルエラー率=(ピンホール有りの膜数/50)×100〕を求めた。
A:エラー率5%以下
B:エラー率5〜10%未満
C:エラー率10%以上
<ガス透過性の評価>
得られた複合膜において、高圧耐性のあるSUS316製ステンレスセル(DENISSEN社製)を用いて、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)の体積比が1:1となるようにマスフローコントローラーを用いて、40℃、ガス供給側の全圧力を40気圧(CO2、CH4の分圧:20気圧)としてCO2、CH4のそれぞれのガスの透過性をTCD検知式ガスクロマトグラフィーにより測定した。膜のガス透過性は、ガス透過率(Permeance)としてガス透過速度を算出することにより比較した。ガス透過率(ガス透過速度)の単位はGPU(ジーピーユー)単位〔1GPU=1×10−6cm3(STP)/cm2・sec・cmHg〕で表した。
−湿熱経時試験−
実施例および比較例において作製したガス分離複合膜を80℃、90%湿度条件下(いすゞ製作所低温恒温恒湿器、水晶)で24時間保存した後、前記と同様にガス透過性を調べ(単位:GPU)、得られたGPU値の比(CO2とCH4とのガス透過速度比(RCO2/RCH4))を評価した。
トルエン溶媒を張った蓋のできるガラス製容器内に、100mlビーカーを静置し、さらに実施例および比較例において作製したガス分離複合膜をビーカーの中に入れ、ガラス製の蓋を施し、密閉系とした。その後、40℃条件下で24時間保存した後、前記と同様にガス分離性能を評価した。
本発明のガス分離膜はモジュール又はエレメントと呼ばれる膜が充填されたパッケージとして使用することが望ましい。ガス分離膜をモジュールとして使用する場合は膜表面積を大きくするために高密度に充填される。平膜ではスパイラル状に折り曲げて充填するため、十分な折曲げ強度が付与されていなければならない。本性能を確認するために得られた複合膜を180度折り曲げては戻す操作を50回実施した後、再度ガス透過率を測定した。
(評価基準)
A:折り曲げ前後においてメタンガスの透過率がほとんど変化しなかった
B:折り曲げ後にメタンガスの透過率が明らかに上昇した。
比較例6及び7は、金属架橋ポリイミドを形成してから支持体上に塗布するので、ガス分離層の薄膜化は困難であった。また、比較例1〜7のガス分離膜はいずれもCO2透過性、CO2とCH4のガス透過速度比(RCO2/RCH4)に劣る結果となった。
比較例8〜11はいずれも単膜であり、比較例8及び9では金属錯体を添加した例、比較例10及び11では金属錯体を添加していない例である。比較例8と10、比較例9と11を比較した場合、性能にほとんど差異は見られなかった。これは非特許文献4の記載と一致しており、このことから、金属錯体を用いた架橋形成による性能の向上は、複合膜においてのみ発現していることが分かる。
2 多孔質層
3 不織布層
10、20 ガス分離複合膜
Claims (13)
- 架橋ポリイミド樹脂を含有してなるガス分離層をガス透過性の支持層上側に有するガス分離複合膜であって、
前記架橋ポリイミド樹脂は、2〜4価の中心金属に対して2〜4分子のポリイミド化合物が酸素原子又は硫黄原子を介して配位した構造を有し、
前記架橋ポリイミド樹脂は前記中心金属を複数有し、該複数の中心金属は前記ポリイミド化合物のポリイミド鎖を介して連結しており、
前記ガス分離層の厚さが0.01μm以上2μm以下である、ガス分離複合膜。 - 前記ポリイミド化合物が、下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II−a)又は(II−b)で表される繰り返し単位と、下記式(III−a)又は(III−b)で表される繰り返し単位とを有する、請求項1に記載のガス分離複合膜。
式中、Rは下記式(I−a)〜(I−h)のいずれかで表される構造の基を示す。ここで、X1は単結合又は2価の連結基を、Lは−CH2=CH2−又は−CH2−を、R1及びR2は水素原子又は置換基を示し、*はカルボニル基との結合部位を示す。
式中、R6、R7及びR8は置換基を示す。J1は単結合又は2価の連結基を示す。l2、m2及びn2は0〜3の整数を示す。A1は−COOH、−OH、−SH、及び−S(=O)2OHから選ばれる基を示す。X3は単結合又は2価の連結基を示す。 - 前記中心金属が、Be、Mg、Ca、Sc、Y、Ti、Zr、V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga又はInである、請求項1又は2に記載のガス分離複合膜。
- 分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、40℃、40気圧における二酸化炭素の透過速度が20GPU超であり、二酸化炭素とメタンとの透過速度比(RCO2/RCH4)が15以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記支持層が、ガス分離層側の多孔質層と、その逆側の不織布層とからなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 前記多孔質層の分画分子量が100,000以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離複合膜。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を具備するガス分離モジュール。
- 請求項7に記載のガス分離モジュールを備えたガス分離装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス分離複合膜を用いて、二酸化炭素及びメタンを含むガスから二酸化炭素を選択的に透過させるガス分離方法。
- 厚さ0.01μm以上2μm以下であるガス分離層をガス透過性の支持層上側に有するガス分離複合膜の製造方法であって、
−COOH、−OH、−SH及び−S(=O) 2 OHからなる群より選択される少なくとも1つの活性水素含有基を有するポリイミド化合物と金属錯体とを含有する溶液をガス透過性の支持層上側に塗布することで、前記ポリイミド化合物と前記金属錯体との間で配位子交換を行わせ、前記支持層上に金属架橋ポリイミド樹脂を含むガス分離層を形成することを含み、前記溶液中の、前記ポリイミド化合物の濃度が0.1〜20.0質量%であり、前記金属錯体の濃度が、前記ポリイミド化合物の濃度100質量%に対して0.2〜40質量%である、製造方法。 - 前記金属錯体の中心原子が、Be、Mg、Ca、Sc、Y、Ti、Zr、V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga又はInである、請求項10に記載の製造方法。
- 前記金属錯体が、アルコキシ基、アリールオキシ基、カルボキシレート基、サルフェート基、シアノ基、アンモニウム基、ホスフェート基、β−ジケトン、β−ケトエステル、及びハロゲン原子から選ばれる配位子を2つ以上有する、請求項10又は11に記載の製造方法。
- 前記ポリイミド化合物が、下記式(I)で表される繰り返し単位と、下記式(II−a)又は(II−b)で表される繰り返し単位と、下記式(III−a)又は(III−b)で表される繰り返し単位とを有する、請求項10〜12のいずれか1項に記載の製造方法。
式中、Rは下記式(I−a)〜(I−h)のいずれかで表される構造の基を示す。ここで、X1は単結合又は2価の連結基を、Lは−CH2=CH2−又は−CH2−を、R1及びR2は水素原子又は置換基を示し、*はカルボニル基との結合部位を示す。
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