JP6547832B2 - 複合多孔質中空糸膜、複合多孔質中空糸膜モジュール及び複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法 - Google Patents

複合多孔質中空糸膜、複合多孔質中空糸膜モジュール及び複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、水処理、食品もしくは化学品製造、または医療等の用途に利用可能な複合多孔質中空糸膜複合多孔質中空糸膜モジュール及び複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法に関する。
分離膜(多孔質膜ともいう。)は、浄水処理及び排水処理などの水処理分野、血液浄化などの医療用途、食品工業分野等、様々な方面でろ過に利用されている。
ろ過を行うと分離膜の細孔が閉塞する。閉塞が進行すると、ろ過圧力が上昇するので、次第にろ過量を維持することが難しくなる。そのため、一定時間ろ過運転した後、分離膜を洗浄する方法が公開されている。分離膜の薬液洗浄として、塩酸、クエン酸、シュウ酸などの酸や水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ、塩素、界面活性剤などで分離膜を洗浄したりすることがある。それゆえ、近年では耐薬品性の高い素材として、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素樹脂系高分子を用いた分離膜が開発され、利用されている。
特許文献1には、ポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる多孔質中空糸膜において、長さ方向に配向した直径が0.9μm以上3μm以下の繊維状組織が多孔質中空糸膜全体の30%以上を占めることで、この多孔質中空糸膜が強度及び純水透過性能に優れることが記載されている。また、本文献には、中空糸膜の製造方法において、口金から吐出する前のポリフッ化ビニリデン系樹脂の溶液に、送液ライン中で圧力を加えることが記載されている。
また、特許文献2及び3には、三次元網目状構造と球状構造とを有する中空膜が開示されている。
さらに、特許文献4には、フッ化ビニリデン系樹脂に可塑剤及びフッ化ビニリデン系樹脂の良溶媒を添加して得られた組成物を膜状に押出し、その片側面から優先的に冷却して固化成膜した後、可塑剤を抽出し、更に延伸することで多孔膜を形成すること;多孔膜では、X線回折法により、結品配向部と、結品非配向部(ランダム配向部)が認められることが記載されている。
日本国特開2006−297383号公報 国際公開第03/106545号 日本国特開2006−263721号公報 国際公開第04/081109号
ろ過条件または洗浄条件によっては、膜に大きな力が加わる。従来膜は、微生物培養液による閉塞を抑制する外圧式クロスフローろ過に使用するにはまだ不十分であった。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであって、耐薬品性の高いフッ素樹脂系高分子による優れた化学的耐久性を備えつつ、優れた物理的耐久性と膜外表面の孔径制御により、微生物等による流路及び膜中の細孔内の閉塞を抑制し、長期安定運転可能な複合多孔質中空糸膜を提供することを目的とする。
また、本発明は、微生物による流路及び膜中の細孔内の閉塞を抑制し、長期安定運転可能な複合多孔質中空糸膜モジュールとその運転方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、複合多孔質中空糸膜の長手方向に対するフッ素樹脂系高分子の分子鎖の配向度πを、0.4以上1.0未満とすることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は以下の[1]〜[14]の構成をとる。
[1]フッ素樹脂系高分子を含有する第1及び第2の層を少なくとも有する複合多孔質中空糸膜であって、前記フッ素樹脂系高分子の分子鎖の少なくとも一部が前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向しており、下記式(1)に基づき算出される、前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に対する前記フッ素樹脂系高分子の分子鎖の配向度πが、0.4以上1.0未満であり、前記第1の層は、前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向する柱状組織を有し、前記第2の層は、三次元網目組織を有し、前記第2の層の表面の平均孔径が5.0nm以上5.0μm以下である、複合多孔質中空糸膜。
配向度π=(180°−H)/180° ・・・(1)
(ただし、Hは広角X線回折像の円周方向における回折強度分布の半値幅(°)である。)
[2]前記柱状組織の短手長さが0.5μm以上3μm以下、且つ、該柱状組織のアスペクト比が3以上である、[1]に記載の複合多孔質中空糸膜。
[3]前記柱状組織の太さ均一性が0.60以上である、[1]または[2]に記載の複合多孔質中空糸膜。
[4]前記半値幅Hが、広角X線回折測定によるポリフッ化ビニリデンの(110)面由来の結晶ピーク(2θ=20.4°)を円周方向にスキャンして得られる強度分布の半値幅である、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[5]前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に1cm間隔の測定点で広角X線回折測定を行った際に、80%以上の前記測定点で、前記配向度πが0.4以上1.0未満である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[6]前記柱状組織において、ラマン分光法によって得られるラマン配向パラメータの平均値νが3.0以上である、[1]〜[5]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[7]前記フッ素樹脂系高分子がポリフッ化ビニリデンである、[1]〜[6]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[8]前記第1の層における空隙率が50%以上80%以下である、[1]〜[7]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[9]50kPa、25℃における純水透過性能が0.1m/m/hr以上であり、破断強度が25MPa以上である、[1]〜[8]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜。
[10]高さ方向における第1端と第2端とを有する筒状ケースと、前記筒状ケース内に収容される複数の[1]〜[9]のいずれか1つに記載の複合多孔質中空糸膜と、前記筒状ケースの中央より第2端側側面に位置する流体の流出入口と、前記筒状ケースの第1端側端面に位置する流体の流出入口とを備え、前記複合多孔質中空糸膜の中空部は、前記第2端側が開口し、前記第1端側が閉塞している、複合多孔質中空糸膜モジュール。
[11][10]に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法であって、下記工程(A)及び工程(B)を同時に行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
(A)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
(B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
[12][10]に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法であって、下記工程(B)及び工程(C)を同時に行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
(B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
(C)前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
[13]前記工程(B)及び下記工程(D)を繰り返し行う、[11]または[12]に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
(D)前記工程(B)の後に、前記第2端側の前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記複合多孔質中空糸膜の外側へ流体をろ過する工程
[14]前記工程(B)及び前記工程(D)を繰り返し行い、さらに下記工程(E)を行う、[13]に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
(E)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口より気体を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記気体を前記筒状ケース外に排出する工程
本発明によれば、耐薬品性の高いフッ素樹脂系高分子による優れた化学的耐久性を備えつつ、優れた物理的耐久性と膜外表面の孔径制御により、微生物等による流路及び膜中の細孔内の閉塞を抑制し、長期安定運転可能な複合多孔質中空糸膜が提供される。
また、本発明によれば、微生物による流路及び膜中の細孔内の閉塞を抑制し、長期安定運転可能な複合多孔質中空糸膜モジュールとその運転方法が提供される。
図1は、実施例4と比較例1の複合多孔質中空糸膜の2θ=20.4°における方位角方向の強度分布を示す図である。 図2は、実施例4の複合多孔質中空糸膜の各測定箇所におけるラマン配向パラメータを示す図である。 図3は、実施例4の複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面写真を示す図である。 図4は、比較例1の複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面写真を示す図である。 図5は、本発明の三次元網目組織を有する第2層の断面写真を示す図である。 図6は、本発明の複合多孔質中空糸膜モジュール100Aを示す図である。 図7は、実施例で使用したろ過装置を示す図である。
1.複合多孔質中空糸膜
本発明の複合多孔質中空糸膜は、フッ素樹脂系高分子を含有する第1層及び第2層を備え、第1層が柱状組織を有し、第2層が三次元網目組織を有する。
1−1.X線回折により決定される配向度
複合多孔質中空糸膜において、複合多孔質中空糸膜の長手方向に対するフッ素樹脂系高分子の分子鎖の配向度πは、0.4以上1.0未満である。配向度πは、下記式(1)に基づき、広角X線回折測定によって得られた半値幅H(°)から算出される。
配向度π=(180°−H)/180° ・・・(1)
(ただし、Hは広角X線回折像の円周方向における回折強度分布の半値幅(°)である。)
フッ素樹脂系高分子の分子鎖が配向していることで、クロスフローろ過またはエアスクラビングなどの大きな力が加わる条件での使用にも耐えうる強度を持つ複合多孔質中空糸膜が実現される。
フッ素樹脂系高分子の分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向及びその配向度πの測定方法について、以下に具体的に説明する。
配向度πを算出するためには、複合多孔質中空糸膜の長手方向が鉛直となるように繊維試料台に取り付ける。なお、複合多孔質中空糸膜の短手方向とは、中空糸の径方向と平行な方向であり、長手方向とは、短手方向に垂直な方向である。
X線回折を行うと、デバイ環(Debye−Scherrer ring)と呼ばれる円環状の回折像が得られる。無配向試料ではデバイ環に沿って回折強度に大きな変化は見られないが、配向試料では、デバイ環上での強度分布に偏りが生じる。よって、この強度分布から、上記式(1)に基づいて配向度を算出することができる。
より詳細には、分子鎖が無配向である場合には、短手方向に2θ/θスキャンすると(つまりデバイ環の径方向における回折強度分布を示す回折パターンを得ると)、回折角2θ=20°付近の位置にピークが見られる。このとき得られる回折パターンの横軸はX線の回折角2θであり、縦軸は回折強度である。さらに、回折角2θをこのピーク位置、つまり20°付近に固定して、試料を方位角β方向にスキャンすることで、横軸が方位角βを示し、縦軸が回折強度を示す回折パターン(つまり、回折角2θ=20°の位置におけるデバイ環の円周方向に沿った回折強度分布)が得られる。無配向試料では、デバイ環の円周方向360°全体にわたって、回折強度はほぼ一定となる。
一方で、フッ素樹脂系高分子の分子鎖が複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向している場合には、2θ=20°付近のデバイ環上で複合多孔質中空糸膜の短手方向に相当する方位角上(つまり赤道上)に、強い回折強度が見られ、他の部分では小さい回折強度が得られる。つまり、配向試料では、デバイ環の径方向における回折強度分布では、無配向試料と同様に2θ=20°付近で回折ピークが見られ、円周方向における分布では、無配向試料と違って、複合多孔質中空糸膜の短手方向に相当する方位角上に回折ピークが観察される。たとえば、後述の図1は、実施例4の複合多孔質中空糸膜の2θ=20.4°における方位角方向の強度分布を示す図であり、この図では、β=90°付近及び270°付近にピークが見られる。
デバイ環の径方向における回折ピークの位置(つまり、回折ピークに対応する2θの値)を、以上の説明では「20°付近」とした。しかし、この2θの値は、高分子の構造、配合によって異なり、15〜25°の範囲となる場合もある。例えば、α晶またはβ晶を有するポリフッ化ビニリデンホモポリマーについてX線回折を行うと、2θ=20.4°付近に、α晶またはβ晶の(110)面、すなわち分子鎖と平行な面に由来する回折ピークが見られる。
上述したように、回折角2θの値を固定して、さらに方位角方向(円周方向)に0°から360°までの強度を測定することにより、方位角方向の強度分布が得られる。この強度分布は、回折像における結晶ピークをその円周方向にスキャンして得られる強度分布であるとも言える。ここで、方位角180°(長手方向)の強度と方位角90°(短手方向)の強度の比が0.80以下となる場合または1.25以上となる場合に、ピークが存在するとみなし、この方位角方向の強度分布において、ピーク高さの半分の位置における幅(半値幅H)を求める。
この半値幅Hを上記式(1)に代入することによって配向度πを算出する。
本発明のフッ素樹脂系高分子の分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは、0.4以上1.0未満の範囲であり、好ましくは0.5以上1.0未満であり、より好ましくは0.6以上1.0未満である。配向度πが0.4以上であることで、複合多孔質中空糸膜の機械的強度が大きくなる。また、配向度πが1.0未満であることで、複合多孔質中空糸膜の靭性が高くなる。
なお、配向度πは、複合多孔質中空糸膜の長手方向に1cm間隔の測定点で広角X線回折測定を行った際に、80%以上の測定点で、0.4以上1.0未満であることが好ましい。
なお、結晶ピークを円周方向にスキャンして得られる強度分布で、方位角180°の強度と方位角90°の強度の比が0.80を超えて1.25未満の範囲となる場合には、ピークが存在しないとみなす。つまり、この場合は、フッ素樹脂系高分子は無配向であると判断する。
複合多孔質中空糸膜がポリフッ化ビニリデンのα晶またはβ晶を含有する場合、半値幅Hは、広角X線回折測定によるポリフッ化ビニリデンのα晶またはβ晶の(110)面由来の結晶ピーク(2θ=20.4°)を円周方向にスキャンして得られる強度分布から得られるものであることが好ましい。
X線回折測定で得られる情報は、複合多孔質中空糸膜全体の配向状態を反映する。しかし、複合多孔質中空糸膜に含まれる一部の層において分子鎖が配向しており、他の一部の層で分子鎖が配向していない場合も、「配向有り」との結果になる。例えば、第1層を延伸してから第2層を形成し、かつ第2層を形成後は延伸しない場合、第1層の分子鎖は配向するが第2層の分子鎖は配向しない。しかし、第1層の分子鎖が配向していれば、複合多孔質中空糸膜全体を対象としたX線回折で、配向が検出される。特に、後述するように、第1層の厚みが複合多孔質中空糸膜の厚みの50%以上を占める場合は、第1層が回折結果に与える影響は大きくなる。
1−2.層構造
複合多孔質中空糸膜は、第1層及び第2層を少なくとも備える。
(A)第1層
第1層とは、走査型電子顕微鏡を用いて分離膜の長手方向の断面を3000倍で写真撮影した際に、柱状組織が観察される部分として特定できる。第1層は、複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向する柱状組織を有する。また、第1層はフッ素樹脂系高分子を含有する。
(A−1)第1層の構成
第1層においては、主たる構造が柱状組織であることが好ましい。第1層において、柱状組織が占める割合は、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上が更に好ましい。また、第1層は、柱状組織のみで構成されていてもよいし、その場合、第1層は、柱状組織の集合体である、とも表現できる。
より具体的には、第1層は、その主たる構造として、フッ素樹脂系高分子を主成分として含有する柱状組織を有することが好ましい。
なお、本書において、「XはYを主成分として含有する」とは、XにおいてYの占める割合が80重量%以上、90重量%以上、または95重量%以上であることを意味する。また、XはYのみで構成されていてもよい。第1層は、フッ素樹脂系高分子のみで構成されていてもよい。また、「XはYを主成分として含有する」とは、「XはYをベースとする」と言い換えることができる。
ここで、「長手方向に配向する」とは、柱状組織の長手方向と複合多孔質中空糸膜の長手方向とが成す角度のうち鋭角の角度が20度以内であることを意味する。
第1層は、柱状組織以外の組織を含有していてもよい。柱状組織以外の構造としては、例えば、アスペクト比(長手長さ/短手長さ)が3未満の球状組織が挙げられる。球状組織の短手長さ及び長手長さは、0.5μm以上3μm以下の範囲であることが好ましい。球状組織を用いる場合に、その短手長さ及び長手長さが前記範囲であれば、複合多孔質中空糸膜の強度の低下が抑制され、かつ良好な純水透過性能を維持することができる。
球状組織が第1層に占める割合は、20重量%以下、10重量%以下、5重量%以下または1重量%未満であることが好ましい。
ここで、第1層における各組織の占有率(%)は、複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面のうち、第1層の部分について、SEM(Scanning Electron Microscope)等を用いて柱状組織及び球状組織が明瞭に確認できる倍率、好ましくは1000〜5000倍で写真を撮影し、下記式(6)で求められる。精度を高めるために、任意の20カ所以上、好ましくは30カ所以上の断面について占有率を求め、それらの平均値を算出することが好ましい。
占有率(%)={(各組織の第1層を占める面積)/(写真全体の第1層の面積)}×100 ・・・(6)
ここで、写真全体の第1層の面積及び組織が第1層を占める面積は、写真撮影された各組織の対応する重量に置き換えて求める方法などが好ましく採用できる。すなわち、撮影された写真を紙に印刷し、写真全体の第1層に対応する紙の重量及びそこから切り取った第1層の組織部分に対応する紙の重量を測定すればよい。また、SEM等による写真撮影に先立ち、後述する樹脂包埋・染色処理、集束イオンビーム(FIB)による切削加工を施すと、観察精度が高くなるため好ましい。
第1層の空隙率は、高い純水透過性能と高い強度を両立するために、40%以上90%以下、50%以上80%以下、または50%以上70%以下であることが好ましい。空隙率が40%以上であることで高い純水透過性能が得られ、90%以下であることで高い強度を実現することができる。特に、複合多孔質中空糸膜が発酵工業及び食品工業用途で行われるクロスフローろ過に用いられる場合、または水処理用におけるエアスクラビングが適用される場合は、空隙率がこれらのいずれかの範囲を満たすことが望ましい。
第1層の空隙率は、上述した断面における第1層の樹脂部分面積と第1層の空隙部分面積を用いて、下記式(5)によって求められる。精度を高めるために、任意の20点以上、好ましくは30点以上の断面について空隙率を求め、それらの平均値を用いることが好ましい。
空隙率(%)={100×(空隙部分面積)}/{(樹脂部分面積)+(空隙部分面積)} ・・・(5)
(A−2)フッ素樹脂系高分子
本書において、フッ素樹脂系高分子とは、フッ化ビニリデンホモポリマー及びフッ化ビニリデン共重合体のうちの少なくとも1つを含有する樹脂を意味する。フッ素系樹脂高分子は、複数の種類のフッ化ビニリデン共重合体を含有してもよい。フッ素樹脂系高分子としては、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。
また、フッ素樹脂系高分子の分子鎖の少なくとも一部は、複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向している。
フッ化ビニリデン共重合体は、フッ化ビニリデン残基構造を有するポリマーであり、典型的にはフッ化ビニリデンモノマーとそれ以外のフッ素系モノマーなどとの共重合体である。このような共重合体としては、例えば、フッ化ビニル、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレンから選ばれた1種類以上のモノマーとフッ化ビニリデンとの共重合体が挙げられる。
また、本発明の効果を損なわない程度に、前記フッ素系モノマー以外の例えばエチレンなどのモノマーが共重合されていてもよい。
また、フッ素樹脂系高分子の重量平均分子量は、要求される複合多孔質中空糸膜の強度と透水性能によって適宜選択すればよいが、重量平均分子量が大きくなると透水性能が低下し、重量平均分子量が小さくなると強度が低下する。このため、複合多孔質中空糸膜がクロスフローろ過運転に耐えうる強度を有するためには、フッ素樹脂系高分子の重量平均分子量が5万以上100万以下で形成された層を有することが好ましい。複合多孔質中空糸膜が高頻度に薬液洗浄に晒される発酵工業、食品工業用途の場合、重量平均分子量は10万以上70万以下が好ましく、さらに15万以上60万以下が好ましい。
第1層は、フッ素樹脂系高分子を主成分として含有することが好ましい。
(A−3)柱状組織
(a)寸法
「柱状組織」とは、一方向に長い形状の固形物である。柱状組織のアスペクト比(長手長さ/短手長さ)は3以上であることが好ましい。
ここで、「長手長さ」とは柱状組織の長手方向の長さである。また、「短手長さ」とは柱状組織の短手方向の平均長さである。
長手長さ及び短手長さは、以下のように測定できる。
長手長さを測定するには、まず、複合多孔質中空糸膜の長手方向に沿って複合多孔質中空糸膜を切断する。得られた断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察する。倍率は、柱状組織の長さによって変更可能であり、視野内に5個、好ましくは10個の柱状組織の全体が、その長手方向に渡って含まれる程度とする。1つの柱状組織において、長手方向の長さにばらつきが認められる場合は、長手長さとして、長手方向の最大長さを測定すればよい。
また、短手長さは、1つの柱状組織における所定数の任意の測定点において各短手方向の長さを計測し、それらの平均値を算出することで求められる。測定点数は、長手長さ(μm)を1μmで除した値(小数点以下切り捨て)である。たとえば、柱状組織の長手長さが20.5μmの時には、測定点数は20点となる。ただし、この値が21以上になった場合は、任意の20箇所を測定すればよい。
柱状組織の長手長さは特に限定されないが、7μm以上であることが好ましく、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは15μm以上である。また、柱状組織の長手長さは、例えば50μm以下であることが好ましく、より好ましくは40μm以下である。
柱状組織の短手長さは0.5μm以上3μm以下であることが好ましい。短手長さが前記範囲であると、高い強度性能と高い純水透過性能が得られるため好ましい。柱状組織の短手長さが0.5μm以上であることで、柱状組織自体の物理的強度が大きくなるので、高い強度が得られる。また、柱状組織の短手長さが3μm以下であることで、柱状組織間の空隙が大きくなるので、良好な純水透過性能が得られる。柱状組織の短手長さは、0.7μm以上2.5μm以下であることがより好ましく、更に好ましくは1μm以上2μm以下である。
なお、本発明の複合多孔質中空糸膜において、柱状組織の長手長さの代表値及び短手長さの代表値の好ましい範囲は、それぞれ、上述の個々の柱状組織の長手長さ及び短手長さの好ましい範囲と同一である。また、各代表値がその範囲内にあることの効果については、個々の柱状組織の寸法がその範囲にある場合の効果についての説明が適用される。
長手長さの代表値は、以下のように測定する。長手長さの測定と同様にして、複合多孔質中空糸膜における3箇所、好ましくは5箇所の位置で、1箇所につき5個、好ましくは10個の柱状組織について、長手長さを測定する。得られた長手長さの値について平均値を求めることで、柱状組織の長手長さの代表値とすることができる。
また、短手長さの代表値は、長手長さの代表値の測定の対象とした柱状組織について、上述のとおり短手長さ(平均値として算出される)を測定し、その平均値を算出することで決定される。
また、本発明の複合多孔質中空糸膜において、長手長さの代表値及び短手長さの代表値から算出される柱状組織のアスペクト比の代表値は、3以上であることが好ましく、より好ましくは5以上、更に好ましくは10以上、特に好ましくは20以上である。
本発明において、柱状組織の短手長さが0.5μm以上3μm以下であり、且つ、柱状組織のアスペクト比が3以上であることが好ましい。
(b)太さ均一性
柱状組織の太さ均一性(後述の平均値D)は、0.60以上が好ましく、より好ましくは0.70以上であり、更に好ましくは0.80以上であり、特に好ましくは0.90以上である。太さ均一性は、最大で1.0であるが、柱状組織は、1.0未満の太さ均一性を有してもよい。
このように複合多孔質中空糸膜において、柱状組織が高い太さ均一性を有すること、つまり柱状組織のくびれ部分が少ないことで、複合多孔質中空糸膜の伸度が高くなる。
複合多孔質中空糸膜が高い伸度を保持していると、急激な荷重が掛かった際にも糸切れしにくいため好ましい。実用的には、クロスフローろ過の液流の変化によって複合多孔質中空糸膜に外力が急に作用した場合においても、複合多孔質中空糸膜の破断が起こりにくい。
複合多孔質中空糸膜の破断伸度は、50%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。
太さ均一性について説明する。柱状組織の各短手方向の長さのバラツキが小さいほど、柱状組織は、くびれ部分が少なく、太さの均一性が高くなり、理想的な円柱に近づく。
柱状組織の太さ均一性は、複合多孔質中空糸膜の短手方向に平行な第一の断面と第二の断面を比較することで求められる。以下に具体的に説明する。
まず、互いに平行である第一の断面と第二の断面を選定する。第一の面と第二の面との距離は5μmとする。そして、それぞれの断面で、第1層における樹脂からなる部分と空隙部分とを区別し、樹脂部分面積と空隙部分面積を測定する。次に、第一の断面を第二の断面に投影した時に、第一の断面における樹脂からなる部分と第二の断面における樹脂からなる部分とが重なる部分の面積、すなわち重なり面積を求める。次に、下記式(3)及び(4)に基づいて、1本の複合多孔質中空糸膜について任意の20組の第一の断面と上記第二の断面について、太さ均一性A及びBをそれぞれ求める。
太さ均一性A=(重なり面積)/(第二の断面の樹脂部分面積) ・・・(3)
太さ均一性B=(重なり面積)/(第一の断面の樹脂部分面積) ・・・(4)
つまり、1本の複合多孔質中空糸膜について、20組の太さ均一性A、Bが得られる。この値が大きいほど、柱状組織の太さが均一であることを意味する。
次に、それぞれの組について、太さ均一性AとBとの平均値Cを算出する。すなわち1本の複合多孔質中空糸膜について、20個の平均値Cが得られる。この平均値Cについて、さらに平均値Dを算出する。この平均値Dが、この複合多孔質中空糸膜における柱状組織の太さ均一性である。
また、1本の複合多孔質中空糸膜について算出された20個の平均値Cのうち、80%以上が0.60以上である場合に、この複合多孔質中空糸膜は柱状組織を有するといえる。
なお、太さ均一性の測定に当たっては、樹脂部分と空隙部分とを明瞭に区別するために、あらかじめ、複合多孔質中空糸膜をエポキシ樹脂等で樹脂包埋し、エポキシ樹脂等をオスミウム等で染色処理することが好ましい。このような樹脂包埋・染色処理によって、空隙部分がエポキシ樹脂等で埋められ、後述する集束イオンビームによる断面加工の際に、フッ素樹脂系高分子からなる部分と、空隙部分(すなわちエポキシ樹脂部分)とが明瞭に区別できるようになるため、観察精度が高くなる。
また、上述した複合多孔質中空糸膜の短手方向に平行な第一の断面と第二の断面を得るために、集束イオンビーム(FIB)を備えた走査型電子顕微鏡(SEM)を用いることが好ましい。複合多孔質中空糸膜の短手方向に平行な面を、FIBを用いて切り出し、FIBによる切削加工とSEM観察を、複合多孔質中空糸膜の長手方向に向かって50nm間隔で繰り返し200回実施する。このような連続断面観察によって、10μmの深さの情報を得ることができる。この中で、5μmの間隔を持つ互いに平行な面となる任意の第一の断面と第二の断面を選択し、上述した式(3)及び(4)を用いて太さ均一性を求めることができる。なお、観察倍率は、柱状組織及び球状組織が明瞭に確認できる倍率であればよく、例えば1000〜5000倍を用いればよい。
(c)組成
柱状組織は、フッ素樹脂系高分子を含有する。柱状組織は、フッ素樹脂系高分子を主成分として含有することが好ましく、柱状組織においてフッ素樹脂系高分子が占める割合は、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上であることが更に好ましい。また、柱状組織は、フッ素樹脂系高分子のみで構成されていてもよい。
言い換えると、第1層はフッ素樹脂系高分子を含有する固形分を有しており、その固形分の少なくとも一部が柱状組織を構成している。第1層において、フッ素樹脂系高分子を含有する固形分のうち、柱状組織を構成する固形分が占める割合は、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上であることが更に好ましい。
また、少なくとも、柱状組織は、複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向するフッ素樹脂系高分子を含有する。
(A−4)ラマン分光法
分子鎖の配向は、ラマン分光法による配向解析でも確認することができる。ラマン分光法では、後述する柱状組織における分子鎖の配向度を測定することができる。まず、複合多孔質中空糸膜の長手方向に沿う断面において、ミクロトームによる切削を行うことで、膜を切片化する。こうして得られた切片を光学顕微鏡で観察することで、柱状組織を確認しながら、柱状組織の長手方向に沿って、1μm間隔でレーザーラマン測定を行う。一つの柱状組織における測定点の数は、後述する柱状組織の長手長さ(μm)を1μmで除した値(小数点以下切り捨て)とする。たとえば、柱状組織の長手長さが20.5μmの時には、測定点数は20点となる。
ラマン散乱は分子鎖の振動方向と入射光の偏光方向が一致する場合に強く得られることから、分子鎖に対して平行な振動方向を示す振動モードと、分子鎖に対して垂直な振動方向を示す振動モードを適宜選定し、その散乱強度比をとることで配向度を算出できる。
例えば、フッ素樹脂系高分子がポリフッ化ビニリデンホモポリマーである場合、1270cm−1付近のラマンバンドは、CF(フルオロカーボン)伸縮振動とCC(炭素−炭素)伸縮振動とのカップリングモードに帰属する。これらの振動モードにおける振動方向は、分子鎖に対して平行である。一方で、840cm−1付近のラマンバンドの振動方向は分子鎖に対して垂直である。
このため、ラマン配向パラメータを、下記式(2)で算出することができる。ラマン配向パラメータは、複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向が高いほど大きな値となり、無配向時には1、短手方向への配向が高いと1よりも小さな値を示す。
ラマン配向パラメータ=(I1270平行/I840平行)/(I1270垂直/I840垂直) ・・・(2)
式(2)において、
I1270平行:平行条件時の1270cm−1のラマンバンドの強度
I1270垂直:垂直条件時の1270cm−1のラマンバンドの強度
I840平行:平行条件時の840cm−1のラマンバンドの強度
I840垂直:垂直条件時の840cm−1のラマンバンドの強度
である。
平行条件:複合多孔質中空糸膜の長手方向と偏光方向が平行
垂直条件:複合多孔質中空糸膜の長手方向と偏光方向が直交
である。
1本の複合多孔質中空糸膜において、上述の柱状組織の長手長さの代表値の0.5倍から1.5倍の長さを持つ、10個の相異なる柱状組織を選定する。それぞれの柱状組織について、上述したように1μm間隔でレーザーラマン測定を行い、各測定点の配向パラメータを式(2)により算出する。得られた値の平均値をラマン配向パラメータの平均値νとする。
また、1つの柱状組織の測定点の中で、最も大きな配向パラメータと最も小さな配向パラメータを選ぶ操作を、10個の相異なる柱状組織について行う。選ばれた10個の最も大きな配向パラメータと10個の最も小さな配向パラメータについて、それぞれ平均値を最大ラマン配向パラメータM、最小ラマン配向パラメータmとして算出する。
ラマン配向パラメータの平均値ν、最大ラマン配向パラメータM、最小ラマン配向パラメータm、後述の比M/mを精度良く得るために、20個の相異なる柱状組織について測定を行うことが好ましい。
ラマン配向パラメータの平均値νは、3.0以上が好ましく、3.4以上または3.7以上がより好ましい。
ラマン配向パラメータの平均値νが3.0以上であることで、複合多孔質中空糸膜の強度が大きくなり、クロスフローろ過に好適に用いることができる。
最大ラマン配向パラメータM、最小ラマン配向パラメータmは、それぞれ柱状組織における主たる配向箇所の配向度と、延伸時の力点となる部分の配向度を表すと考えられる。
このため、得られる複合多孔質中空糸膜の強度、伸度、透水性等の性能のバランスを考慮して、Mやmを適切な範囲とすればよい。
M/mが大きいほど、分子鎖の配向が進み、複合多孔質中空糸膜の強度が高くなる傾向にあり、クロスフローろ過運転を行うのに好ましい。このため、本発明では、M/mは、3以上が好ましく、4以上がより好ましく、5以上がさらに好ましい。
広角X線回折測定により求められる配向度πは、複合多孔質膜中空糸膜全体の分子鎖の配向を表し、ラマン分光法により求められるラマン配向パラメータの平均値νは、複合多孔質膜中空糸膜の柱状組織に焦点をあてた場合の分子鎖の配向、すなわち局所的な分子鎖の配向を表す傾向にある。
複合多孔質膜中空糸膜全体及び局所の分子鎖がともに強く配向していると、複合多孔質中空糸膜の強度が高くなるため、配向度πが0.6以上1.0未満の範囲であり、かつ、ラマン配向パラメータの平均値νが3.4以上であることが好ましく、さらには、配向度πが0.7以上1.0未満の範囲であり、かつ、ラマン配向パラメータの平均値νが3.7以上であることがより好ましい。
(B)第2層
第2層は三次元網目組織を有する。また、本発明における第2層とは、走査型電子顕微鏡を用いてフッ素樹脂系高分子分離膜の長手方向の断面を60000倍で写真撮影した際に、三次元網目組織が観察される部分をいう。
三次元網目組織とは、図5に示すように、固形分が三次元的に網目状に広がっている組織である。三次元網目組織は、網を形成する固形分に仕切られた細孔及びボイドを有する。
第2層は、三次元網目組織を有することで、複合多孔質中空糸膜において、分離性能、つまりろ過対象の液体から標的の物質を除去する性能を実質的に担う。
第2層の表面の平均孔径は5.0nm以上5.0μm以下である。
第2層における表面の平均孔径が5.0μm以下であることで、微生物を分離することができる。第2層の表面の平均孔径が2.0μm以下または1.0μm以下であることで、微生物の除去性能がより高くなる。
また、第2層における表面の平均孔径が5.0nm以上であることで、複合多孔質中空糸膜の透水性を確保することができる。第2層の表面平均孔径は、10nm以上であってもよい。
さらに、第2層の表面の平均孔径が0.2μm以上、0.3μm以上または0.4μm以上であると、発酵工業及び食品工業で香味などの有用成分を透過することができるので好ましく、第2層の表面の平均孔径が1.5μm以下または1.3μm以下であることで、酵母による閉塞を抑制することができる。より具体的には、第2層の表面の平均孔径は、0.4μm以上1.0μm以下であることが好ましい。
一方、飲料水製造、浄水処理、排水処理などの各種水処理で使用される場合には、膜中の細孔内への閉塞物質の浸入を防ぎつつ、優れた透水性を有するために、第2層の表面の平均孔径は5.0nm以上1.0μm以下であることが好ましい。
第2層の表面の平均孔径は、走査型電子顕微鏡を用いて第2層の表面を60000倍で写真撮影し、10個以上、好ましくは20個以上の任意の細孔の直径を測定し、数平均して求められる。細孔が円状でない場合、第2層の表面の平均孔径は、画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円(等価円)を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求められる。
なお、「第2層の表面」とは、第2層が複合多孔質中空糸膜の最表面に位置している場合は、複合多孔質中空糸膜において露出している第2層の表面を指す。また、第2層が露出しておらず、2つの他の層の間に配置されている場合は、いずれかの層を除いて、第2層の表面を露出させればよい。
第2層は、マクロボイドを実質的に有さないことが好ましい。これによって、微生物等の漏洩防止の信頼性を高めることができる。マクロボイドとは、表面細孔径の十倍以上の長径を有する孔である。マクロボイドは透過流体に対してろ過抵抗を殆ど示さない。
マクロボイドの有無は、複合多孔質中空糸膜の径方向の断面において、走査型電子顕微鏡を用いて第2層を3000倍で撮影し、撮影像において長径を測定することで判断できる。孔がいびつな形であって、長径を決定することが困難な場合、画像処理装置等によって、孔が有する面積と等しい面積を有する円(等価円)を求め、等価円直径を長径とすればよい。
マクロボイドの有無の確認には、少なくとも30箇所で撮影を行うことが好ましい。
三次元網目組織の化学的組成(例えばフッ素樹脂系高分子の含有率)については、柱状組織における記載が適用される。
すなわち、第2層はフッ素樹脂系高分子を含有する固形分を有しており、その固形分の少なくとも一部が三次元網目組織を構成している。第2層において、フッ素樹脂系高分子を含有する固形分のうち、三次元網目組織を構成する固形分が占める割合は、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上であることが更に好ましい。
第2層における主たる構造は、三次元網目組織であることが好ましい。第2層において、三次元網目組織が占める割合は、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上であることが更に好ましい。また、第2層は、三次元網目組織のみで構成されていてもよい。
より具体的には、第2層は、その主たる構造として、フッ素樹脂系高分子を主成分として含有する三次元網目組織を有することが好ましい。
1−3.層の配置
第2層は、複合多孔質中空糸膜において、被ろ過液と接するよう配置されることが好ましい。外圧式のろ過に使用される膜は、被ろ過液と外表面で接するので、第2層を最外層として備えることが好ましい。また、第1層は、被ろ過液と接しない位置に配置されることが好ましい。
このような膜は、微生物等の除去性能を有する第2層で細孔の閉塞を抑制することができ、かつ第1層の柱状組織によって高い強度を獲得することができるので、結果として、特に大きな力が加わる外圧式ろ過でも、安定したろ過を可能とする。
1−4.層厚み
第1層は、複合多孔質中空糸膜の有する層の中で最も厚いことが好ましい。これによって、複合多孔質中空糸膜は高い強度を得ることができる。
また、複合多孔質中空糸膜全体の厚みに対する第1層の厚みの比が、0.50以上、0.55以上、0.60以上であることが好ましい。複合多孔質中空糸膜は複数の第1層を備えてもよい。複合中空糸膜が複数の第1層を備える場合、第1層の厚みの合計が上記数値範囲内にあればよい。
また、第1層の厚みは、透水性と物理的強度とのバランスから、100μm以上500μm以下であることが好ましく、150μm以上300μm以下であることが、より好ましい。
第2層は、膜の周方向だけでなく、膜の厚み方向にも三次元的に広がる網目組織を有する。よって、第2層は、厚み方向に重なった複数の薄い「網」を有するともいえる。この薄い「網」を以下では「薄層」と称する。
第2層による微生物除去性能は、第2層における各薄層での微生物除去性能の和である。つまり、薄層数を増やすと、微生物除去性能が向上する。第2層の厚みは、除去対象物の濃度等の被ろ過液の条件、ろ過運転の条件、求められる透過液の条件等によって変更すればよいが、例えば、10μm以上120μm以下であることが好ましく、15μm以上80μm以下であることがより好ましい。また、第2層の厚みは、第2層の表面平均孔径の2倍以上、5倍以上または10倍以上であることが好ましい。
また、除去性と透水性とを確保するため、複合多孔質中空糸膜全体の厚みに対する第2層の厚みの比は、0.03以上0.35以下であることが好ましい。
また、本発明の複合多孔質中空糸膜は、上述した柱状組織を有する層と、三次元網目組織を有する層とが積層されたものである。ただし、柱状組織を有する第1層に比べて、三次元網目組織を有する第2層の厚みが厚くなると、物理的強度が低下する。また、三次元網目組織を有する第2層の厚みが薄すぎると、第2層の欠点等が存在した場合に除去対象物の漏洩が懸念される。従って、第2層の平均厚みの第1層の平均厚みに対する比は、0.04以上0.5以下がよく、より好ましくは0.07以上0.4以下がよい。
なお、第1層と第2層とが接している場合、その界面は、両者が互いに入り組んだ構造であってもよい。
層厚みの測定においては、入り組んだ構造の厚みの1/2をそれぞれ第1層と第2層の厚みとする。
1−5.その他
本発明の複合多孔質中空糸膜は、50kPa、25℃における純水透過性能が0.1m/m/hr以上であり、破断強度が25MPa以上であることが好ましい。より好ましくは50kPa、25℃における純水透過性能が0.2m/m/hr以上であり、破断強度が30MPa以上である。特に、高い純水透過性能と高い強度性能を両立させた高性能の複合多孔質中空糸膜とするという観点から、50kPa、25℃における純水透過性能が0.2m/m/hr以上5.0m/m/hr以下であり、破断強度が25MPa以上70MPa以下の範囲が好ましく、より好ましくは50kPa、25℃における純水透過性能が0.2m/m/hr以上5.0m/m/hr以下であり、破断強度が30MPa以上70MPa以下の範囲である。
純水透過性能の測定は、複合多孔質中空糸膜4本からなる長さ200mmのミニチュアモジュールを作製して行う。温度25℃、ろ過差圧16kPaの条件下で、逆浸透膜ろ過水の外圧全ろ過を10分間行い、透過量(m)を求める。その透過量(m)を単位時間(h)及び有効膜面積(m)あたりの値に換算し、さらに(50/16)倍することにより、圧力50kPaにおける値に換算することで純水透過性能を求める。
破断強度と破断伸度の測定方法は、特に限定されるものではないが、例えば、引っ張り試験機を用い、測定長さ50mmの試料を引っ張り速度50mm/分で引っ張り試験を、試料を変えて5回以上行い、破断強度の平均値と破断伸度の平均値を求めることで測定することができる。
複合多孔質中空糸膜は、第1層及び第2層の他に、さらに層を備えてもよい。
複合多孔質中空糸膜の寸法は、例えば、外径が1.5mm、内径が0.8mm程度であってもよい。ただし、寸法は、使用目的などに合わせて変更可能である。
以上に説明した複合多孔質中空糸膜は、発酵工業、食品工業、飲料水製造、工業用水製造、浄水処理、排水処理、海水淡水化、工業用水製造などの各種水処理に十分な純水透過性能、強度、伸度を有する。
2.複合多孔質中空糸膜の製造方法
上述した複合多孔質中空糸膜の製造方法の実施形態について、以下に述べる。
製造方法の1つ目の例としては、第1層の表面もしくは内面に、フッ素樹脂系高分子溶液を塗布した後に、凝固浴中で凝固せしめることにより第2層を被覆する方法が挙げられる。
2つ目の例としては、第2層形成用のフッ素樹脂系高分子溶液及び第1層形成用フッ素樹脂系高分子溶液を口金から同時に吐出し、凝固浴中でそれぞれ凝固及び冷却固化させることにより第2層と第1層とを同時に形成する方法が挙げられる。
1つ目の方法は各操作を個別に制御できるため、得られる膜の性能をコントロールし易い。2つ目の方法は、各操作を同時に行うことができるため、製造装置を極小化することができる。以下では、1つ目の方法について説明する。
すなわち、本実施形態に係る複合多孔質中空糸膜の製造方法は、下記1)から3)の工程を備える。
1)フッ素樹脂系高分子を含有する製膜原液から、熱誘起相分離により、長手方向に配向し、かつ0.60以上1.00未満の太さ均一性を有する柱状組織を有する多孔質中空糸を形成する工程
2)前記工程1)で得られた多孔質中空糸を長手方向に2.0倍以上5.0倍以下に延伸する工程
3)前記工程2)で得られた多孔質中空糸上に、フッ素樹脂系高分子を含有する製膜原液から、非溶媒誘起相分離により、三次元網目組織を有する層を形成する工程
各工程について以下に説明する。
2−1.柱状組織形成工程
まず、上記1)の工程について説明する。
本工程は、具体的には、以下のステップ
(A)製膜原液の調製
(B)柱状組織を有する多孔質中空糸の形成
を含む。
(A)製膜原液の調製
本ステップでは、フッ素樹脂系高分子を、フッ素樹脂系高分子の貧溶媒または良溶媒に、結晶化温度以上の比較的高温で溶解することで、フッ素樹脂系高分子溶液(つまり、フッ素樹脂系高分子を含有する製膜原液)を調製する。
製膜原液中の高分子濃度が高いと、高い強度を有する複合多孔質中空糸膜が得られる。一方で、高分子濃度が低いと、複合多孔質中空糸膜の空隙率が大きくなり、純水透過性能が向上する。このため、フッ素樹脂系高分子の濃度は、20重量%以上60重量%以下であることが好ましく、30重量%以上50重量%以下であることがより好ましい。
本書において、貧溶媒とは、フッ素樹脂系高分子を60℃以下の低温領域では、5重量%以上溶解させることができないが、60℃以上かつフッ素樹脂系高分子の融点(例えば、高分子がフッ化ビニリデンホモポリマー単独で構成される場合は178℃程度)以下の高温領域で5重量%以上溶解させることができる溶媒である。
また、良溶媒とは、60℃以下の低温領域でもフッ素樹脂系高分子を5重量%以上溶解させることができる溶媒であり、非溶媒とは、フッ素樹脂系高分子の融点または溶媒の沸点まで、フッ素樹脂系高分子を溶解も膨潤もさせない溶媒と定義する。
ここで、フッ素樹脂系高分子の貧溶媒としてはシクロヘキサノン、イソホロン、γ−ブチロラクトン、メチルイソアミルケトン、プロピレンカーボネート、ジメチルスルホキシド等及びそれらの混合溶媒が挙げられる。
良溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、メチルエチルケトン、アセトン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、リン酸トリメチル等及びそれらの混合溶媒が挙げられる。
非溶媒としては、水、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、四塩化炭素、o−ジクロルベンゼン、トリクロルエチレン、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、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、低分子量のポリエチレングリコール等の脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪族多価アルコール、芳香族多価アルコール、塩素化炭化水素、またはその他の塩素化有機液体及びそれらの混合溶媒などが挙げられる。
(B)柱状組織を有する多孔質中空糸の形成
多孔質中空糸の形成工程においては、温度変化により相分離を誘起する熱誘起相分離法を利用して、フッ素樹脂系高分子を含有する製膜原液から、多孔質中空糸を得る。後述する2.0倍以上の高倍率延伸を行うためには、多孔質中空糸は、その長手方向に配向する柱状組織を有し、かつ、柱状組織の太さ均一性は0.60以上1.00未満であることが好ましい。柱状組織の太さ均一性の下限は、0.70以上であることがより好ましく、0.80以上であることが更に好ましく、0.90以上であることが特に好ましい。
熱誘起相分離法には、主に2種類の相分離機構が利用される。一つは、高温時に均一に溶解した高分子溶液が、降温時に溶液の溶解能力低下が原因で高分子濃厚相と高分子希薄相に分離し、その後、構造が結晶化により固定される液−液相分離法である。もう一つは、高温時に均一に溶解した高分子溶液が、降温時に高分子の結晶化が起こり高分子固体相と溶媒相に相分離する固−液相分離法である。
前者の方法では主に三次元網目組織が、後者の方法では主に球状組織で構成された球状組織が形成される。本発明の多孔質中空糸膜の製造では、後者の相分離機構が好ましく利用される。よって、固−液相分離が誘起される高分子濃度及び溶媒が選択される。前者の相分離機構では、上述したような多孔質中空糸膜の長手方向に配向した柱状組織を発現させることは困難である。これは構造が固定される前の相分離でポリマー濃厚相は非常に微細な相を形成し、柱状にすることができないためである。
柱状組織を有する多孔質中空糸を形成する具体的な方法としては、上述の製膜原液を多孔質中空糸膜紡糸用の二重管式口金の外側の管から吐出しつつ、中空部形成液体を二重管式口金の内側の管から吐出する。こうして吐出された製膜原液を冷却浴中で冷却固化することで、多孔質中空糸を得る。
フッ素樹脂系高分子溶液は、口金から吐出される前に、圧力をかけられながら、特定の温度条件下に一定時間置かれる。圧力は0.5MPa以上であることが好ましく、1.0MPa以上であることがより好ましい。前記高分子溶液の温度Tは、Tc+35℃≦T≦Tc+60℃を満たすことが好ましく、Tc+40℃≦T≦Tc+55℃を満たすことがより好ましい。Tcは、フッ素樹脂系高分子溶液の結晶化温度である。この圧力及び温度下で前記高分子溶液が保持される時間は、10秒以上であることが好ましく、20秒以上であることがより好ましい。
具体的には、高分子溶液を口金に送る送液ラインのいずれかの箇所に、高分子溶液を滞留させる滞留部が設けられており、滞留した高分子溶液を加圧する加圧手段と、滞留した高分子溶液の温度を調整する温度調整手段(例えば加熱手段)が設けられる。加圧手段としては、特に限定されないが、送液ラインに2つ以上のポンプを設置することで、その間のいずれかの箇所で加圧することができる。ここでポンプとしては、ピストンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、ウィングポンプ、ギヤーポンプ、ロータリーポンプ、スクリューポンプなどが挙げられ、2種類以上を用いてもよい。
この工程により結晶化が起こりやすい条件で圧力が加えられるため、結晶の成長が異方性を有し、等方的な球状組織ではなく、多孔質中空糸膜の長手方向に配向した組織が発現し、その結果、柱状組織が得られると推測される。
ここで、前記フッ素樹脂系高分子溶液の結晶化温度Tcは次のように定義される。示差走査熱量測定(DSC測定)装置を用いて、フッ素樹脂系高分子と溶媒など製膜高分子原液組成と同組成の混合物を密封式DSC容器に密封し、昇温速度10℃/minで溶解温度まで昇温し30分保持して均一に溶解した後に、降温速度10℃/minで降温する過程で観察される結晶化ピークの立ち上がり温度がTcである。
次に、口金から吐出されたフッ素樹脂系高分子溶液を冷却する冷却浴について説明する。冷却浴には、濃度が50〜95重量%の貧溶媒あるいは良溶媒と、濃度が5〜50重量%の非溶媒からなる混合液体を用いることが好ましい。さらに貧溶媒としては高分子溶液と同じ貧溶媒を用いることが好ましい。また、中空部形成液体には、冷却浴同様、濃度が50〜95重量%の貧溶媒あるいは良溶媒と、濃度が5〜50重量%の非溶媒からなる混合液体を用いることが好ましい。さらに貧溶媒としては高分子溶液と同じ貧溶媒を用いることが好ましい。
ここで、くびれ部分を多数有する繊維状組織ではなく、均一な太さを有する柱状組織とするために、くびれ部分への高分子取り込み成長を促進させることが望ましい。本発明者らは、くびれ部分への高分子取り込み成長は、界面エネルギーの高いくびれ部分の消失につながり、エネルギー的に安定化するため、くびれ部分以外の成長よりも優先的に生じさせうることを見出し、太さ均一性を向上させための方法について鋭意検討を行った。
その結果、くびれ部分への高分子取り込み成長を促進させる方法として、熱誘起相分離が下記a)及びb)の冷却工程のうちの少なくとも一方を備えることが好ましいことを見出した。
a)前記製膜原液をTc−30℃<Tb≦Tcを満たす温度Tbの冷却浴に浸す工程
b)前記製膜原液をTb1≦Tc−30℃を満たす温度Tb1の冷却浴に浸した後、Tc−30℃<Tb2≦Tcを満たす温度Tb2の冷却浴に浸す工程
(ただし、Tcは前記フッ素樹脂系高分子を含有する製膜原液の結晶化温度である。)
本発明において、方法a)として、冷却浴中での冷却固化を前記高分子溶液の結晶化温度付近で行うことで、冷却固化を徐々に進行させることを見出した。この場合、冷却浴の温度Tbを、前記フッ素樹脂系高分子溶液の結晶化温度をTcとした際に、Tc−30℃<Tb≦Tcを満たすようにするものであり、Tc−20℃<Tb≦Tcとすることがより好ましい。
冷却浴の通過時間(つまり冷却浴への浸漬時間)は、くびれ部分への高分子取り込み成長を含む熱誘起相分離が完結するのに十分な時間を確保できれば特に限定されず、多孔質中空糸膜数、紡糸速度、浴比、冷却能力などを勘案して実験的に決定すればよい。
ただし、所望の太さ均一性を達成するためには、上述した冷却浴の温度の範囲において通過時間をできるだけ長くすることが好ましく、例えば、10秒以上、好ましくは20秒以上、さらに好ましくは30秒以上とするのがよい。
また、方法b)として二段階以上の冷却を行ってもよい。具体的には、冷却工程は、過冷却度を高めて結晶核生成及び成長を促す第1の冷却浴を用いて冷却するステップと、その後、くびれ部分への高分子取り込み成長を促す第2の冷却浴を用いて冷却するステップとを含んでいてもよい。第2の冷却浴による冷却ステップは、くびれ部分への高分子取り込み成長が、主に相分離の構造粗大化過程で優先的に生じるという現象を利用している。
この場合、口金から吐出されたフッ素樹脂高分子溶液を冷却する第1の冷却浴の温度Tb1が、Tb1≦Tc−30℃を満たすことで、過冷却度を高めて結晶核の生成及び成長を促すことができ、第2の冷却浴の温度Tb2を結晶化温度付近の温度とすることで(具体的には、Tc−30℃<Tb2≦Tc、より好ましくはTc−20℃<Tb2≦Tcを満たすようにすることで)、くびれ部分への高分子取り込み成長を促すことができる。Tcは高分子溶液の結晶化温度である。
それぞれの冷却浴の通過時間は変更可能であるが、例えば、第1の冷却浴の通過時間を1秒以上20秒以下、好ましくは3秒以上15秒以下、さらに好ましくは5秒以上10秒以下とし、第2の冷却浴の通過時間を10秒以上、好ましくは20秒以上、さらに好ましくは30秒以上とするのがよい。
0.60未満の太さ均一性を有する組織を、柱状組織と区別するために、「繊維状組織」と称すると、日本国特開2006−297383号公報(特許文献1)に開示されているのは繊維状組織を有する中空糸膜である。このような繊維状組織を有する中空糸膜は、強度及び純水透過性能に比較的優れているため、本発明者らは、これを延伸することで高強度化を図った。しかしながら、均一に延伸することができず、高強度化できないことが分かった。
一般に、水処理用に用いられる多孔質膜は、水を透過させるための空隙部を多数有し、延伸時には、空隙部を起点として組織の破壊が進行するため、延伸そのものが大変難しい。特に、多孔質中空糸膜が、非溶媒誘起相分離や熱誘起相分離の原理を利用する乾湿式紡糸によって得られる相分離多孔構造を有する場合には、微細な空隙が多数存在し、空隙率が高いため、この傾向が顕著である。
特許文献1における繊維状組織を有する多孔質膜の場合には、長手方向に配向した繊維状組織によって、延伸時の応力が分散され、2.0倍未満と低倍率ではあるが延伸が可能になったと考えられる。しかしながら、2.0倍以上の高倍率延伸を均一に実施することは未だ困難であり、その原因について鋭意検討した結果、繊維状組織は、くびれ部分が多く、延伸時に、このくびれ部分に応力が集中するため、くびれ部分が優先的に延伸されてしまい、繊維状組織全体を均一に延伸できないために延伸倍率を上げることができないことを発見した。
これに対して、本発明者らは、均一な太さを有する柱状組織を有する中空糸であれば、柱状組織全体を均一に延伸できることを見出し、2.0倍以上の高倍率延伸を可能とした。そして、このような均一かつ高倍率延伸によって、フッ素樹脂系高分子の分子鎖を多孔質中空糸膜の長手方向に延伸配向させることに成功し、高い純水透過性能を維持しつつ高強度化することに成功した。
2−2.延伸
次いで、前記1)で得られた多孔質中空糸を長手方向に2.0倍以上5.0倍以下で延伸する工程を経て、前記高分子の分子鎖を前記多孔質中空糸膜の長手方向に配向させる。こうして、第1層が形成される。
延伸倍率は、2.0〜5.0倍であり、より好ましくは2.5〜4.0倍であり、とりわけ2.5〜3.5倍が好ましい。延伸倍率が2.0倍未満の場合、延伸による分子鎖の配向が充分ではなく、5.0倍を超えると伸度の低下が大きくなる。
延伸温度は、好ましくは60〜140℃、より好ましくは70〜120℃、さらに好ましくは80〜100℃である。延伸温度が60℃以上であることで、安定して均質に延伸することができる。また、延伸温度が140℃以下であることで、フッ素樹脂系高分子の融解を抑制し、延伸配向させることができる。
延伸は、液体中で行うと、温度制御が容易であり好ましいが、スチームなどの気体中で行ってもよい。液体としては水が簡便で好ましいが、90℃程度以上で延伸する場合には、低分子量のポリエチレングリコールなどを用いることも好ましく採用できる。
2−3.三次元網目組織を有する層の形成
三次元網目組織を有する層を形成する工程、つまり第2層を形成する工程について、以下に説明する。本工程は、具体的には、以下のステップ
(A)製膜原液の調製
(B)延伸後の多孔質中空糸への製膜原液の塗布
(C)非溶媒誘起相分離による三次元網目組織を有する層の形成
を含む。
(A)製膜原液の調製
本ステップでは、製膜原液、つまりフッ素樹脂系高分子溶液を調製する。具体的には、溶媒と、フッ素樹脂系高分子及びその他の添加剤を混合し、溶媒の沸点以下の温度で攪拌しながら、透明な溶液となるように、数時間加熱することが好ましい。
製膜原液における高分子濃度、つまりフッ素樹脂系高分子及び他の高分子成分との和は、10重量%以上30重量%以下であることが好ましく、12重量%以上25重量%以下であることがより好ましい。高分子濃度が10重量%以上であることで、分離膜として好ましい物理的強度と、微生物を除去するのに好ましい細孔径とを有する第2層を得ることができる。また、高分子濃度が30重量%以下であることで、分離膜として好ましい透水性能を有する三次元網目組織を得ることができる。
溶媒としては、上述のフッ素樹脂系高分子の良溶媒を50重量%以上含むことが好ましい。また、フッ素樹脂系高分子の貧溶媒を50重量%以下含んでいてもよい。
また、製膜原液は、孔径を制御するための添加剤を含むことが好ましい。このフッ素樹脂系高分子溶液に、孔径を制御するための添加剤を入れ、三次元網目組織を形成する際に、または、三次元網目組織を形成した後に、該添加剤を溶出させることにより、表面の平均孔径を制御することができる。
該添加剤としては、有機化合物及び無機化合物が挙げられる。
有機化合物としては、該高分子溶液に用いる溶媒及び非溶媒誘起相分離を起こす非溶媒の両方に溶解するものが好ましく用いられる。例えば、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、セルロースアセテート、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸、デキストランなどの水溶性ポリマー、界面活性剤、グリセリン、糖類などを挙げることができる。
無機化合物としては、該高分子溶液に用いる溶媒及び非溶媒誘起相分離を起こす非溶媒の両方に溶解するものが好ましく、例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム、硫酸バリウムなどを挙げることができる。
また、該高分子溶液に非溶媒を添加することも、相分離速度の制御に有効である。添加する非溶媒としては例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、2−メトキシエタノール、グリセリン、アセトン、メチルエチルケトン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン等が挙げられる。
(B)多孔質中空糸への製膜原液の塗布
上述した方法で得られた延伸後の多孔質中空糸、つまり第1層の表面に、製膜原液を塗布する。「塗布」としては、多孔質中空糸を製膜原液中に浸漬すること、または多孔質中空糸上に製膜原液を滴下することが挙げられる。
また、フッ素樹脂系高分子溶液の塗布量を制御する方法としては、
−前記高分子溶液の塗布量自体を制御する
−柱状組織からなるフッ素樹脂系高分子分離膜を前記高分子溶液に浸漬する
−柱状組織からなるフッ素樹脂系高分子分離膜に前記高分子溶液を塗布した後に、前記高分子溶液の一部を掻き取るか、エアナイフを用いて吹き飛ばす
等の方法が好ましく用いられる。
(C)非溶媒誘起相分離による三次元網目組織を有する層の形成
本ステップでは、製膜原液を塗布した多孔質中空糸を凝固浴に浸漬させることで、非溶媒誘起相分離を起こして、三次元網目組織を有する第2層を形成する。
凝固浴は、少なくともフッ素樹脂系高分子の非溶媒を含有すればよい。凝固浴における非溶媒の含有率は40重量%以上95重量%以下が好ましい。
また、凝固浴は、フッ素樹脂系高分子の良溶媒を含有することが好ましい。
フッ素樹脂系高分子の良溶媒を含有する凝固浴は、フッ素樹脂系高分子の良溶媒を5重量%以上60重量%以下含有し、20重量%以上50重量%以下含有することが好ましい。凝固浴中の良溶媒を前記の範囲に調整することにより、フッ素樹脂系高分子溶液への非溶媒の侵入速度が低下し、実質的にマクロボイドを含有しない三次元網目組織が形成されやすい。良溶媒の含有率が5重量%以上であることで、非溶媒の侵入速度を抑制することができるので、その結果、マクロボイドの形成を抑制しやすい。また、良溶媒の含有率が60重量%以下であることで、比較的短時間でフッ素樹脂を凝固させることができる。なお、フッ素樹脂系高分子の良溶媒としては、上述したものを好ましく用いることができる。
3.複合多孔質中空糸膜モジュール
上述の複合多孔質中空糸膜は、モジュールの部材として使用可能である。図6に、モジュール構成の一例を示す。なお、以下の説明において、「上」及び「下」は、図における上及び下をそれぞれ指す。また、「下」から「上」に向かう方向を「高さ方向」と便宜的に表現する。
図6は、本発明の実施形態にかかる複合多孔質中空糸膜モジュール100Aの概略縦断面図である。
複合多孔質中空糸膜モジュール100Aは、高さ方向における第1端1aと第2端1bとを有する筒状ケース1と;筒状ケース1内に収容され、第1端1a側の端部(第1端部)が閉塞され、第2端1b側の端部(第2端部)が開口する複数の複合多孔質中空糸膜2を有する複合多孔質中空糸膜束12と;複合多孔質中空糸膜2の第1端1a側の端部を結束する第1結束部3と;第1端1a側から第2端1b側に向けて第1結束部3を通るように流体を導く第1流路4とを備えている。
筒状ケース1は、中空状の筒状ケース本体26と、上部キャップ6と、下部キャップ7とで構成されている。図6に示すように、筒状ケース1の上部には、ろ過液出口8を有する上部キャップ6が、筒状ケース1の下部には、被ろ過液流入口9を有する下部キャップ7がそれぞれ、液密かつ気密に接続されている。
上部キャップ6及び下部キャップ7は、例えば図6に示すようにガスケット10を使用し、クランプ等で筒状ケース1に固定される。また、筒状ケース1のろ過液出口8寄り、すなわち第2端1b寄りの側面には、流体(被ろ過液)を排出するノズルとしての被ろ過液出口11が設けられている。上部キャップ6は筒状ケース1の内径と略等しい内径を有し、その上端側が縮径してろ過液出口8を成形している。
下部キャップ7は筒状ケース1の内径と略等しい内径を有し、その下端側が縮径して被ろ過液流入口9を成形している。さらに、複合多孔質中空糸膜モジュール100Aは、複数の複合多孔質中空糸膜2を含む複合多孔質中空糸膜束12と、複合多孔質中空糸膜束12の端部で複合多孔質中空糸膜2間を結束する結束部とを備える。結束部は、筒状ケース1の被ろ過液流入口9側に配置される第1結束部3と、筒状ケース1のろ過液出口8側に配置される第2結束部13とを有する。
さらに、複合多孔質中空糸膜モジュール100Aは、被ろ過液出口11と、筒状ケース1の径方向において並ぶように、筒状ケース1と複合多孔質中空糸膜束12との間に配置され、かつ側面に複数の整流孔14を有する整流筒15と、を備え、整流筒15内に、第2結束部13を収容している。
第1結束部3における複合多孔質複合多孔質中空糸膜束12の結束方法は、結束部の機械的強度、化学的耐久性、熱的耐久性などを満たせば特に限定されないが、熱収縮チューブ等で複合多孔質中空糸膜束12の外周を覆い、加熱して結束する方法や、シートに複合多孔質中空糸膜を並べてのり巻き状に結束する方法、ポッティング剤を用いて接着する方法などが挙げられる。ポッティング剤は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂などを主成分として含有することができる。また、ポッティング剤は、接着剤以外のシリカ、ガラス、ゴム等の添加材を含んでもよい。
第1結束部3は、被ろ過液等の流体流路となる第1流路4を有している。具体的には、第1流路4は、第1結束部3中に設けられた貫通孔4Aを含む。各貫通孔31Aの配置は、多数の正三角形の頂点の位置や、放射線と同心円との交点の位置、格子上の交点の位置など任意であるが、隣り合う貫通孔同士の間隔に偏りがあると、該間隔が他より大きい箇所は滞留しやすいので、該間隔に大差がないように等間隔にすることが好ましい。また、貫通孔4Aの高さ方向に垂直な断面形状は円形、楕円形、多角形、星型など任意である。
複合多孔質中空糸膜モジュール100Aは、蒸気滅菌や温水殺菌してから使用することも可能だが、複合多孔質中空糸膜2の種類によっては蒸気滅菌及び温水殺菌により収縮が起こるものがある。そのためモジュール作製後に蒸気滅菌或いは温水殺菌を行うと複合多孔質中空糸膜2の収縮により複合多孔質中空糸膜2が損傷したり、複合多孔質中空糸膜2が結束部から脱落したりする可能性がある。従って予め複合多孔質中空糸膜2を蒸気処理或いは温水処理し、収縮させてから端部結束を行ってモジュールを製作することが望ましい。
一般的に蒸気滅菌は121℃以上で実施するため、121℃以上の蒸気で前処理を実施しておくことが望ましい。また、温水殺菌は約80℃程度で実施することが一般的であるが、工程により温度を変えることがしばしばある。そのため、想定される使用温度以上の温水で予め複合多孔質中空糸膜2を処理しておくことが望ましい。
複合多孔質中空糸膜モジュール100Aは、前記高さ方向に垂直な断面において、複合多孔質中空糸膜2と、複合多孔質中空糸膜2の中空部の面積の和が、第1結束部3の第2端1b側端面の面積に対して、35%以上65%以下であることが好ましい。前記面積の和が小さいと、複合多孔質中空糸膜モジュール100Aの単位体積当たりのろ過処理量が小さくなり、ろ過量当たりのコストが増加する。前記面積の和が大きいと、微生物等による流路の閉塞が起こり易い。
また、複合多孔質中空糸膜束12は、複合多孔質中空糸膜モジュール100Aを作製する作業性やモジュール洗浄における複合多孔質中空糸膜2の洗浄性に鑑み、緩みを持つ状態で両端の結束部3、13を介して筒状ケース1内に収容することが好ましい。緩みがあるとは、第1結束部3の第2端1b側端面から第2結束部13の第1端1a側端面までの直線距離よりも、該部分の複合多孔質中空糸膜2の長さの方が長い状態を指す。
筒状ケース1の第2端1b側には、複合多孔質中空糸膜モジュール100Aの上端側である第2結束部13が配置されている。第2結束部13は、多数本の複合多孔質中空糸膜2からなる複合多孔質中空糸膜束12を結束して構成される。ここで、複合多孔質中空糸膜2の中空部が封止されておらず、開口している状態となっており、開口部からろ過液を上部キャップ6側に取り出す。結束方法及び用いる材質は、結束部の機械的強度、化学的耐久性、熱的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えば第1結束部3と同様の方法、材質を選択することができる。
また、第2結束部13の外径は筒状ケース1よりも小さい構成となっている。さらに筒状ケース1と、第2結束部の間に整流筒15が存在し、第2結束部13は、筒状ケース1或いは整流筒15に固定されており、整流筒15は、筒状ケースに固定されている。各々の固定方法は本発明とは何ら関わりない。
複合多孔質中空糸膜モジュール100Aで使用する筒状ケース1の材質は機械的強度、化学的耐久性、熱的耐久性などを満たせば特に限定されないが、例えば塩化ビニル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂などのフッ素系樹脂、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ステンレス、アルミニウムなどを挙げることができる。また複合多孔質中空糸膜モジュール100Aで使用する整流筒15の材質は特に限定されないが、例えば筒状ケース1と同様の材料から選択することができる。
整流筒15は、示されるような高さ方向における第1端と第2端とを有する筒状ケース1内に収容される。また、筒状ケース1は、中央より第2端側側面に流体の流出入口と、筒状ケースの第1端側端面に流体の流出入口とを備え、複合多孔質中空糸膜の中空部は、第2端側が開口し、第1端側が閉塞している複合多孔質中空糸膜モジュール100Aとすることで、微生物発酵液等による閉塞が起こりづらい。
4.複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法
以下では、被ろ過液はモジュール下部から供給され、ろ過液はモジュール上部から流出する。また、使用時の複合多孔質中空糸膜モジュールの姿勢の上下方向は、図における上下方向と一致する。
複合多孔質中空糸膜モジュール100Aを用いたろ過運転中には、被ろ過液は、被ろ過液流入口9から入り第1結束部3の第1端1a側から第1流路4を下から上に通過し流れ出る。被ろ過液は、複合多孔質中空糸膜2内を通過した後、ろ過液として、第2結束部13と上部キャップ6で囲まれた空間に移動する。その後、ろ過液は、ろ過液出口8からモジュール外に取り出される。デッドエンドろ過を行う場合には、被ろ過液出口11は閉止される。
一方、クロスフローろ過を行う場合には、被ろ過液出口11から、筒状ケース1内に導入された被ろ過液の一部が取り出される。取り出された被ろ過液は、再び被ろ過液流入口9からモジュール内に導入される。クロスフローろ過は、モジュール内に流れを起こすので、膜面近傍の流れによる膜面洗浄の効果が得られ、微生物培養液中の濁質の堆積が低減される。クロスフローろ過運転において、膜面線速度を高くすることで、膜面に付着した濁質等に対して、さらに高いせん断力を与えることができる。このとき、上述の膜内周側の柱状構造によって、複合多孔質中空糸膜は支持され、破断されることなく分離機能を維持することができる。
つまり、下記工程(A)及び工程(B)を同時に行う、複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法によって、濁質の堆積が低減される。
(A)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
(B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
また、クロスフローろ過は、被ろ過液を被ろ過液出口11から導入し、被ろ過液流入口9から取り出してもよい。つまり、下記工程(B)及び工程(C)を同時に行う、複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法によって、濁質の堆積が低減される。
(B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
(C)前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
クロスフローろ過における膜面線速度は0.1m/s以上7m/s以下でが好ましい。0.1m/s以上の膜面線速度でせん断を与えることで、微生物培養液による流路の閉塞を抑制できる。7m/s以下であることで、微生物培養液循環における電力費を低減でき、微生物へのせん断によるストレスを抑制できる。より好ましくは、0.3m/s以上3m/s以下とすることで、より高い閉塞抑制効果と、経済性、微生物の安定生育を両立できる。
一定期間複合多孔質中空糸膜モジュール100Aを用いてろ過運転を行った後には、モジュール内を洗浄する工程が設けられており、被ろ過液流入口9から、水、薬液、気体などが供給される。特に、温水殺菌が必要な工程では約80℃以上の温水が供給される。
また、気体を供給する場合を特にエアスクラビングと呼ぶ。つまり、下記工程(E)を行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法によって、濁質の堆積を抑制できる。
(E)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口より気体を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記気体を前記筒状ケース外に排出する工程
一方、洗浄工程において、ろ過液出口8から、ろ過液や、水、または洗浄液を導入し、複合多孔質中空糸膜2の中空部から外側に排出する方法をとる場合があり、逆圧洗浄または単に、逆洗と呼ぶ。つまり、前記工程(B)及び下記工程(D)を繰り返し行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法によって濁質の堆積を抑制できる。
(D)前記工程(B)の後に、前記第2端側の前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記複合多孔質中空糸膜の外側へ流体をろ過する工程
また、モジュール内を蒸気滅菌する際等は第1流路4を上から下に排水が流れ、被ろ過液流入口9からモジュール外に排出される。このとき、第1端側端面に流体流入口が設けられていることで、モジュール内の濁質を効果的に排出し、微生物培養液による流路の閉塞を抑制することができる。
膜面、および流路の閉塞を抑制する操作であるクロスフローろ過、エアスクラビング、逆洗は組合せることでより閉塞を効率的に抑制することができる。つまり、前記工程(B)及び前記工程(D)を繰り返し行い、さらに下記工程(E)を行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法によって、効果的に濁質の堆積を抑制できる。
(E)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口より気体を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記気体を前記筒状ケース外に排出する工程
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。なお、本発明に関する物性値は、以下の方法で測定することができる。
(1)純水透過性能
複合多孔質中空糸膜4本からなる有効長さ200mmの小型モジュールを作製した。このモジュールに、温度25℃、ろ過差圧16kPaの条件で、1時間にわたって蒸留水を送液し得られた透過水量(m)を測定し、単位時間(h)及び単位膜面積(m)当たりの数値に換算し、さらに圧力(50kPa)換算して純水透過性能(m/m/h)とした。なお、単位膜面積は平均外径と複合多孔質中空糸膜の有効長から算出した。
(2)破断強度、破断伸度
引っ張り試験機(TENSILON(登録商標)/RTM−100、東洋ボールドウィン株式会社製)を用い、測定長さ50mmの試料を引っ張り速度50mm/分で、試料を変えて5回以上試験し、破断強度、破断伸度の平均値を求めることで算出した。
(3)分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度π
複合多孔質中空糸膜の長手方向が鉛直となるように繊維試料台に取り付け、X線回折装置(Rigaku社製、高分子用SmartLab、CuKα線)を用いて、X線回折測定(2θ/θスキャン、βスキャン)を行った。まず、2θ/θスキャンで、2θ=20.4°にピークトップがあることを確認した。次に、βスキャンにて、2θ=20.4°の回折ピークに対し、方位角方向に0°から360°までの強度を測定することにより、方位角方向の強度分布を得た。ここで、方位角180°の強度と方位角90°の強度の比が0.80以下、または、1.25以上となる場合にピークが存在するとみなし、この方位角方向の強度分布において、ピーク高さの半分の位置における幅(半値幅H)を求め、下記式(1)によって配向度πを算出した。なお、βスキャンにおける強度の極小値が0°と180°付近に見られたため、これらを通る直線をベースラインとした。
配向度π=(180°−H)/180° ・・・(1)
(4)ラマン配向パラメータの平均値ν
柱状構造中のポリフッ化ビニリデンホモポリマーの配向のパラメータを以下の操作により求めた。
複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面を、ミクロトームによる切削により切片化した。複合多孔質中空糸膜1本あたり10個の柱状組織を選択し、光学顕微鏡で柱状組織を確認しながら、それぞれの柱状組織について、その長手方向に沿って、1μm間隔でレーザーラマン分光法により散乱強度の測定を行った。
それぞれの配向パラメータを式(2)により算出し、各配向パラメータの平均値をラマン配向パラメータの平均値νとした。また、10個の相異なる柱状組織の中で、最も大きな配向パラメータと最も小さな配向パラメータを選び、それらについてそれぞれ平均値を求め、最大ラマン配向パラメータM、最小ラマン配向パラメータmとし、M/mを算出した。
配向パラメータ=(I1270平行/I840平行)/(I1270垂直/I840垂直) ・・・(2)
I1270平行:平行条件時の1270cm−1のラマンバンドの強度
I1270垂直:垂直条件時の1270cm−1のラマンバンドの強度
I840平行:平行条件時の840cm−1のラマンバンドの強度
I840垂直:垂直条件時の840cm−1のラマンバンドの強度
平行条件:複合多孔質中空糸膜の長手方向と偏光方向が平行
垂直条件:複合多孔質中空糸膜の長手方向と偏光方向が直交
レーザーラマン分光装置及び測定条件は以下の通りである。
装置:Jobin Yvon/愛宕物産株式会社製 T−64000
条件:測定モード;顕微ラマン
対物レンズ;×100
ビーム径;1μm
光源;Ar+レーザー/514.5nm
レーザーパワー;100mW
回折格子;Single 600gr/mm
スリット;100μm
検出器;CCD/Jobin Yvon 1024×256
(5)柱状組織の長手長さ、短手長さ
各例で作製した複合多孔質中空糸膜の第1層について、その長手方向に沿った断面を、走査型電子顕微鏡(FEI社製、Strata400S)を用いて3000倍で撮影した。撮影された画像から、任意に10個の柱状組織を選択し、それぞれの長手長さ、短手長さを測定した。ここで、各柱状組織の長手長さとしては、長手方向の最大長さを測定した。また、上述したように、各柱状組織の長手長さを1μmで除して小数点以下を切り捨てることで得られた値を測定点数とし、短手方向の長さを測定し、それらの平均値を算出することで、各柱状組織の短手長さを求めた。
上記撮影を5箇所で行い、それぞれ任意の10個の柱状組織について長手長さと短手長さを求め、合計50個の長手長さと合計50個の短手長さを得た。ついで、合計50個の長手長さの平均値を算出し、長手長さの代表値とし、合計50個の短手長さの平均値を算出し、短手長さの代表値とした。
(6)太さ均一性
まず、複合多孔質中空糸膜をエポキシ樹脂で樹脂包埋し、オスミウム染色処理することで、空隙部分をエポキシ樹脂で埋めた。次に、集束イオンビーム(FIB)を備えた走査型電子顕微鏡(FEI社製、Strata400S)を用いて、複合多孔質中空糸膜の短手方向に平行な面を、FIBを用いて切り出し、FIBによる切削加工とSEM観察を、複合多孔質中空糸膜の長手方向に向かって50nm間隔で繰り返し200回実施し、10μmの深さの情報を得た。
太さ均一性は、上記FIBを用いた連続断面観察で得た複合多孔質中空糸膜の短手方向に平行な第一の断面と第二の断面を比較することで求めた。ここで、第一の断面と第二の断面は、5μmの間隔を持つ互いに平行な面となるように、20組を選定した。
選定された面において第1層のみを観察対象とし、それぞれの断面において、樹脂からなる部分と空隙部分(エポキシ部分)とを区別し、樹脂部分面積と空隙部分面積を測定した。次に、両断面に垂直な方向から、第一の断面を第二の断面に投影した時に、第一の断面の樹脂からなる部分と第二の断面の樹脂からなる部分とが重なる部分の面積(つまり、重なり面積)を測定した。
太さ均一性を、下記式(3)及び(4)によって求められる太さ均一性A、Bを平均した値として算出した。こうして得られた、AとBとの20個の平均値から、さらに平均値を算出し、その値を膜の太さ均一性とした。
太さ均一性A=(重なり面積)/(第二の断面の樹脂部分面積) ・・・(3)
太さ均一性B=(重なり面積)/(第一の断面の樹脂部分面積) ・・・(4)
また、16組以上で太さ均一性0.60以上となった場合に柱状組織を有するとし、15組以下の場合には繊維状組織を有するとした。
(7)空隙率
空隙率は、「(6)太さ均一性」で得た20組の第一の断面と第二の断面、すなわち、合計40点の断面から、任意の20点の第1層断面について、樹脂部分面積と空隙部分面積を用いて、下記式(5)によって求め、それらの平均値を用いた。
空隙率(%)={100×(空隙部分面積)}/{(樹脂部分面積)+(空隙部分面積)} ・・・(5)
(8)組織の占有率
第1層の長手方向の断面を、走査型電子顕微鏡(FEI社製、Strata400S)を用いて3000倍で任意の20カ所の写真を撮影し、占有率を下記式(6)でそれぞれ求め、それらの平均値を採用した。ここで写真全体の面積及び組織の占める面積は、撮影された写真を紙に印刷し、写真全体に対応する紙の重量及びそこから切り取った組織部分に対応する紙の重量としてそれぞれ置き換えて求めた。
占有率(%)={(各組織の占める面積)/(写真全体の面積)}×100 ・・・(6)
(9)フッ素樹脂系高分子溶液の結晶化温度Tc
セイコー電子工業株式会社製DSC−6200を用いて、フッ素樹脂系高分子と溶媒など製膜高分子原液組成と同組成の混合物を密封式DSC容器に密封し、昇温速度10℃/minで溶解温度まで昇温し、30分保持して均一に溶解した後に、降温速度10℃/minで降温する過程で観察される結晶化ピークの立ち上がり温度を結晶化温度Tcとした。
(10)外表面の平均孔径
外表面の平均孔径は、フッ素樹脂系高分子分離膜の表面を上記の走査型電子顕微鏡(FEI社製、Strata400S)を用いて60000倍で写真撮影し、30個の任意の細孔の孔径の直径を測定し、数平均して求めた。
(11)膜厚
実施例のフッ素樹脂系高分子分離膜は外層に第2層を有し、内層に柱状組織を有している。三次元網目組織を有する外層の平均厚みや柱状組織を有する内層の平均厚みは、フッ素樹脂系高分子分離膜の断面を上記の走査型電子顕微鏡を用いて100倍及び1000倍で写真撮影し、その写真から次のような方法で算出した。
まず、第2層の平均厚みを次の方法で求めた。1000倍の写真において、外層表面の任意の1点から内層に向かって外層表面接線に対して垂直に進み、初めて柱状組織が観察されるまでの距離を測定する。この距離が、第2層の厚みである。この操作を任意の30カ所で行い、数平均して、第2層の平均厚みを算出した。
同様にして、第1層の平均厚みも算出できるが、実施例では第1層が厚いため、フッ素樹脂系高分子分離膜断面の表面から反対側の表面までを1000倍で写真撮影すると画面に収まらず、数枚の写真を貼り合わせなければならない。そこで、1000倍で数枚の写真撮影を行う代わりに、次の方法を選択した。
すなわち、100倍で写真撮影し、フッ素樹脂系高分子分離膜の厚み(フッ素樹脂系高分子分離膜断面の表面から反対側の表面まで)を求めた。このフッ素樹脂系高分子分離膜の厚みから第2層の平均厚みを引き算したものが第1層の厚みである。この操作を任意の30カ所で行い、数平均して、第1層の平均厚みを算出した。
<マクロボイド>
また、三次元網目組織がマクロボイドを有するか否かは、第2層の断面を上記の走査型電子顕微鏡を用いて3000倍で写真撮影することにより実施した。すなわち、互いに異なる30箇所の断面を観察し、マクロボイドが存在しない時あるいは長径が表面細孔径の十倍未満のマクロボイドしか存在しない時にマクロボイドを有さないとし、長径が表面細孔径の十倍以上のマクロボイドが一つでも観察された時にマクロボイドを有すると判断した。
〈実施例1〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)36重量%とγ−ブチロラクトン64重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液の結晶化温度Tcは48℃であった。
製膜原液の加圧及び吐出には、二重管式口金と、その口金につながれた配管と、その配管上に配置された2つのギヤーポンプとを備える装置を用いた。
ギヤーポンプ間の配管内で製膜原液を2.0MPaに加圧しながら、99〜101℃で20秒間滞留させた。その後、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出しながら、外側の管から製膜原液を吐出した。こうして吐出した製膜原液を、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度25℃の冷却浴中に20秒間滞留させることで、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.62の柱状組織を有し、柱状組織の占有率は86%であり、球状組織占有率は14%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2.5倍に延伸した。延伸後の中空糸を観察したところ、柱状組織が認められた。また、中空糸において、長手長さの代表値16μm、短手長さの代表値2.2μm、太さ均一性0.61の柱状組織を有し、空隙率が55%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の中空糸の長手方向への配向度πは0.61、ラマン配向パラメータの平均値νは3.12、M/mは3.1であった。延伸後の中空糸の構造と性質を表1に示す。
重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して製膜原液を調製した。
この製膜原液を上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに50℃の水浴中で凝固させることで、柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、直径3cm、高さ50cm、有効膜面積が0.3mである膜モジュールを作製した。
この膜モジュールを用いて、琵琶湖水の定流量外圧全ろ過を行った。加圧ポンプで原水を加圧供給し、ろ過線速度は3m/dとした。120分毎に、5ppm次亜塩素酸ナトリウム水溶液による逆洗を30秒、空気によるエアスクラビングを1分行った。このろ過運転を2016年2月1日〜3月1日までの1ヶ月間継続して実施した。
ろ過運転開始時の物理洗浄直後のろ過差圧(A)とろ過運転終了時の該ろ過差圧(B)を計測した。Aが低いほど、低エネルギーで運転開始できることを意味する。また、ろ過差圧上昇度(%)を、(B−A)×(1/A)×100で算出した。ろ過差圧上昇度が低いほど安定に運転できる、すなわち、運転性が優れることを意味する。よって、Aとろ過差圧上昇度の両方が低い膜ほど、低エネルギーで安定に運転できることを意味する。なお、ろ過時間(120分)は、短期間で運転性を評価するために、実運転で想定されるろ過時間(30分)より長く設定した。
運転性評価を実施した結果、ろ過運転開始時はろ過差圧31kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧40kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は29%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例2〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)36重量%とγ−ブチロラクトン64重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは48℃であった。
実施例1と同様の装置を用いて、製膜原液を2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた。その後、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出しながら、製膜原液を二重管式口金の外側の管から吐出した。吐出された製膜原液を、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度25℃の第2冷却浴中に20秒間滞留させることで、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.65の柱状組織を有し、柱状組織占有率は87%であり、球状組織占有率は13%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ19μm、短手長さ1.8μm、太さ均一性0.66の柱状組織を有し、空隙率が61%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の中空糸の長手方向への配向度πは0.77、ラマン配向パラメータの平均値νは3.74、M/mは4.2であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して製膜原液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧30kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧38kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は27%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例3〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)38重量%とγ−ブチロラクトン62重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは51℃であった。
実施例1と同様の装置を用いて、製膜原液を2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた。その後、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出しながら、製膜原液を外側の管から吐出した。吐出された製膜原液をγ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度35℃の第2冷却浴中に50秒間滞留させることで、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.66の柱状組織を有し、柱状組織占有率は91%であり、球状組織占有率は9%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ24μm、短手長さ1.6μm、太さ均一性0.66の柱状組織を有し、空隙率が59%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.85、ラマン配向パラメータの平均値νは4.37、M/mは5.0であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧30kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧39kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は30%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例4〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)38重量%とγ−ブチロラクトン62重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは51℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にγ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度35℃の第2冷却浴中に50秒間滞留させ、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.66の柱状組織を有し、柱状組織占有率は91%であり、球状組織占有率は9%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ28μm、短手長さ1.3μm、太さ均一性0.62の柱状組織を有し、空隙率が61%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.89、ラマン配向パラメータの平均値νは4.42、M/mは5.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
また、延伸後の中空糸の2θ=20.4°における方位角方向の強度分布を図1に、複合多孔質中空糸膜の各測定箇所におけるラマン配向パラメータを図2に、複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面写真を図3にそれぞれ示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧29kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧37kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は28%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例5〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度20℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.62の柱状組織を有し、柱状組織占有率は93%であり、球状組織占有率は7%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ20μm、短手長さ2.1μm、太さ均一性0.61の柱状組織を有し、空隙率が64%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.66、ラマン配向パラメータの平均値νは3.40、M/mは3.5であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧31kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧41kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は32%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例6〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度−5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度15℃の第2冷却浴中に30秒間滞留させ、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.72の柱状組織を有し、柱状組織占有率は92%であり、球状組織占有率は8%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ27μm、短手長さ1.7μm、太さ均一性0.69の柱状組織を有し、空隙率が64%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.86、ラマン配向パラメータの平均値νは4.38、M/mは5.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧30kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧38kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は27%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例7〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度−5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度20℃の第2冷却浴中に50秒間滞留させ、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.72の柱状組織を有し、柱状組織占有率は95%であり、球状組織占有率は5%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ35μm、短手長さ1.5μm、太さ均一性0.67の柱状組織を有し、空隙率が65%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.91、ラマン配向パラメータの平均値νは4.62、M/mは5.8であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧30kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧37kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は23%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例8〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度−5℃の第1冷却浴中に10秒間滞留させ、ついで、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度20℃の第2冷却浴中に50秒間滞留させ、固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.72の柱状組織を有し、柱状組織占有率は95%であり、球状組織占有率は5%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を4倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ40μm、短手長さ1.1μm、太さ均一性0.63の柱状組織を有し、空隙率が66%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖の複合多孔質中空糸膜の長手方向への配向度πは0.92、ラマン配向パラメータの平均値νは4.76、M/mは6.2であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表1に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧29kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧37kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は28%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例9〉
実施例8で作製した柱状組織を有する複合多孔質中空糸膜に、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、ポリ酢酸ビニル(ナカライテスク社製、75%エタノール溶液、重合度500)を1.25重量%、N−メチル−2−ピロリドンを76.75重量%、T−20Cを5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで、柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた中空糸は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧29kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧37kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は28%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例10〉
実施例8で作製した柱状組織を有する複合多孔質中空糸膜に、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、エチレン−酢酸ビニル共重合体(大成化薬社製、ポリエースRDH、68.5〜71.5モル%酢酸ビニル含有)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、T−20Cを5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで、柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.03μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧30kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧37kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は23%と低く、安定に運転できることが分かった。
〈実施例11〉
実施例8で作製した柱状構造を有する複合多孔質中空糸膜に、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を5重量%、N−メチル−2−ピロリドンを81重量%、水を1重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、80℃の20重量%N−メチル−2−ピロリドン水溶液からなる凝固浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.5μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて作製した複合多孔質中空糸膜モジュールを使用し、図7のろ過装置でビールのクロスフローろ過を実施した。ビールは市販の無ろ過ビールである富士桜高原(登録商標)麦酒ピルス(富士観光開発株式会社製)を使用した。クロスフローろ過の膜面線速度は0.5m/s、膜面積当たりのろ過流量(ろ過流束)は2m/m/dで実施し、被ろ過液側の圧力のろ過液側の圧力差(膜間差圧)が100kPaに達した時点でろ過を停止した。ろ過開始から5.8時間後に膜間差圧が100kPaに到達した。
〈実施例12〉
実施例8で作製した柱状構造を有する複合多孔質中空糸膜に、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を5重量%、N−メチル−2−ピロリドンを81重量%、水を1重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、80℃の30重量%N−メチル−2−ピロリドン水溶液からなる凝固浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.8μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて作製した複合多孔質中空糸膜モジュールを使用し、図7のろ過装置でビールのクロスフローろ過を実施した。ビールは市販の無ろ過ビールである富士桜高原(登録商標)麦酒ピルス(富士観光開発株式会社製)を使用した。クロスフローろ過の膜面線速度は0.5m/s、膜面積当たりのろ過流量(ろ過流束)は2m/m/dで実施し、被ろ過液側の圧力のろ過液側の圧力差(膜間差圧)が100kPaに達した時点でろ過を停止した。ろ過開始から6.3時間後に膜間差圧が100kPaに到達した。
〈実施例13〉
実施例8で作製した柱状構造を有する複合多孔質中空糸膜に、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を5重量%、N−メチル−2−ピロリドンを81重量%、水を1重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、80℃の100%水からなる凝固浴中で凝固させることで、柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.3μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表1に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて作製した複合多孔質中空糸膜モジュールを使用し、図7のろ過装置でビールのクロスフローろ過を実施した。ビールは市販の無ろ過ビールである富士桜高原(登録商標)麦酒ピルス(富士観光開発株式会社製)を使用した。クロスフローろ過の膜面線速度は0.5m/s、膜面積当たりのろ過流量(ろ過流束)は2m/m/dで実施し、被ろ過液側の圧力のろ過液側の圧力差(膜間差圧)が100kPaに達した時点でろ過を停止した。ろ過開始から5.0時間後に膜間差圧が100kPaに到達した。
〈比較例1〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)38重量%とγ−ブチロラクトン62重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは51℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にγ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.47の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は91%であり、球状組織占有率は9%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を1.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ15μm、短手長さ2.2μm、太さ均一性0.45の繊維状組織を有し、空隙率が63%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.01、M/mは1.0であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
また、延伸後の中空糸の2θ=20.4°における方位角方向の強度分布を図1に、複合多孔質中空糸膜の長手方向の断面写真を図4にそれぞれ示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧29kPaであったが、運転開始後10日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例2〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)38重量%とγ−ブチロラクトン62重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは51℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にγ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.47の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は91%であり、球状組織占有率は9%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ18μm、短手長さ1.7μm、太さ均一性0.42の繊維状組織を有し、空隙率が65%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.03、M/mは1.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧28kPaであったが、運転開始後12日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例3〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)38重量%とγ−ブチロラクトン62重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは51℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にγ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.47の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は91%であり、球状組織占有率は9%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を3.5倍に延伸したところ糸切れが発生し延伸することができなかった。
〈比較例4〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)36重量%とγ−ブチロラクトン64重量%を150℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは48℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で0.2MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にγ−ブチロラクトン85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、γ−ブチロラクトン85重量%水溶液からなる温度5℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.42の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は24%であり、球状組織占有率は76%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2倍に延伸したところ糸切れが発生し延伸することができなかった。
〈比較例5〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度0℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.56の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は84%であり、球状組織占有率は16%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を1.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ18μm、短手長さ1.2μm、太さ均一性0.53の繊維状組織を有し、空隙率が64%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.03、M/mは1.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧34kPaであったが、運転開始後11日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例6〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)40重量%とジメチルスルホキシド60重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは30℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、78〜80℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度0℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.56の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は84%であり、球状組織占有率は16%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ22μm、短手長さ1.0μm、太さ均一性0.51の繊維状組織を有し、空隙率が65%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.05、M/mは1.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧32kPaであったが、運転開始後18日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例7〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)28重量%とジメチルスルホキシド72重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは20℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、64〜66℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度0℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.42の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は88%であり、球状組織占有率は12%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を1.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ14μm、短手長さ1.2μm、太さ均一性0.41の繊維状組織を有し、空隙率が71%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.04、M/mは1.1であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧34kPaであったが、運転開始後12日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例8〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)28重量%とジメチルスルホキシド72重量%を130℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液のTcは20℃であった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で2.0MPaに加圧し、64〜66℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルスルホキシド90重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルスルホキシド85重量%水溶液からなる温度0℃の冷却浴中に20秒間滞留させ固化させた。
得られた中空糸は、太さ均一性0.42の繊維状組織を有し、繊維状組織占有率は88%であり、球状組織占有率は12%であった。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2.5倍に延伸した。延伸後の中空糸は、長手長さ19μm、短手長さ0.8μm、太さ均一性0.37の繊維状組織を有し、空隙率が73%、フッ化ビニリデンホモポリマー分子鎖は無配向、ラマン配向パラメータの平均値νは1.06、M/mは1.2であった。延伸後の中空糸の構造と性能を表2に示す。
さらに、重量平均分子量28.4万のフッ化ビニリデンホモポリマーを14重量%、セルロースアセテート(イーストマンケミカル社製、CA435−75S:三酢酸セルロース)を1重量%、N−メチル−2−ピロリドンを77重量%、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン(三洋化成株式会社製、商品名イオネットT−20C)を5重量%、水を3重量%の割合で95℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。
上述の操作で得られた中空糸にこの製膜原液を均一に塗布し、すぐに、50℃の水浴中で凝固させることで柱状組織と、その外側に設けられた三次元網目組織とを有する複合多孔質中空糸膜を作製した。
得られた複合多孔質中空糸膜は、外径1330μm、内径770μm、外層の表面の平均孔径は0.04μm、平均厚みは35μmであった。複合多孔質中空糸膜の構造と性能を表2に示す。
得られた複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に複合多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧34kPaであったが、運転開始後15日後に糸切れが発生して、琵琶湖水がろ液側に漏洩したため、ろ過を停止した。
〈比較例9〉
フッ化ビニリデンホモポリマー(株式会社クレハ製KF1300、重量平均分子量:41.7万、数平均分子量:22.1万)15重量%とジメチルアセトアミド85重量%を100℃で溶解した。このフッ化ビニリデンホモポリマー溶液は、ジメチルアセトアミドがフッ化ビニリデンホモポリマーの良溶媒であるため、Tcを有さなかった。
該溶液を、2つのギヤーポンプを設置することにより、その間のライン上で0.2MPaに加圧し、99〜101℃で20秒間滞留させた後、二重管式口金の外側の管から吐出すると同時にジメチルアセトアミド85重量%水溶液を二重管式口金の内側の管から吐出し、ジメチルアセトアミド85重量%水溶液からなる温度25℃の冷却浴中に40秒間滞留させ固化させた。
得られた多孔質中空糸膜は、球状組織、繊維状組織、柱状組織のいずれも有さず、三次元網目状構造を有していた。
ついで、95℃の水中にて、上記で得られた中空糸を2倍に延伸したところ糸切れが発生し延伸することができなかった。
〈比較例10〉
実施例1で得られた、三次元網目組織を有していない、柱状構造のみを有する複合多孔質中空糸膜を用いて、実施例1と同様に多孔質中空糸膜モジュールを作製し、琵琶湖水のろ過運転を行った。その結果、ろ過運転開始時はろ過差圧22kPaであり、ろ過運転終了時はろ過差圧152kPaと、ろ過運転開始時のろ過差圧が低かった。また、ろ過差圧上昇度は591%と高く、安定に運転できないことがわかった。従って、得られた多孔質中空糸膜は、物理的耐久性には優れるが、運転性が劣るために長期安定的に運転できないことがわかった。
〈比較例11〉
実施例1で作製した、三次元網目組織を有していない、柱状構造のみを有する多孔質中空糸膜を用いて作製した多孔質中空糸膜モジュールを使用し、図7のろ過装置でビールのクロスフローろ過を実施した。ビールは市販の無ろ過ビールである富士桜高原麦酒ピルス(富士観光開発株式会社製)を使用した。クロスフローろ過の膜面線速度は0.5m/s、膜面積当たりのろ過流量(ろ過流束)は2m/m/dで実施し、被ろ過液側の圧力のろ過液側の圧力差(膜間差圧)が100kPaに達した時点でろ過を停止した。ろ過開始から2.4時間後に膜間差圧が100kPaに到達した。
Figure 0006547832
Figure 0006547832
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は2016年6月24日出願の日本特許出願(特願2016−125526)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明によれば、耐薬品性の高いフッ素樹脂系高分子による優れた化学的耐久性を備えつつ、優れた物理的耐久性と膜外表面の孔径制御により、微生物等による流路及び膜中の細孔内の閉塞を抑制し、長期安定運転可能な複合多孔質中空糸膜が提供される。
また、本発明によれば、耐薬品性の高いフッ素樹脂系高分子による優れた化学的耐久性を備えつつ、細孔の閉塞が抑制された複合多孔質中空糸膜モジュールとその運転方法が提供される。これにより発酵工業、食品工業に適用した場合、薬品洗浄を行いつつ長期間安定してろ過を行うことができるようになる。
100A 複合多孔質中空糸膜モジュール
2 複合多孔質中空糸膜
3 第1結束部
4A 貫通孔
6 上部キャップ
7 下部キャップ
8 ろ過液出口
9 被ろ過液流入口
10 ガスケット
11 被ろ過液出口(ノズル)
12 複合多孔質中空糸膜束
13 第2結束部
14 整流孔
15 整流筒
16 被ろ過液タンク
17 被ろ過液循環ポンプ
18 被ろ過液流量計
19 被ろ過液圧力計
20 複合多孔質中空糸膜モジュール
21 被ろ過液調節弁
22 ろ過液流量計
23 ろ過液圧力計
24 ろ過液抜出しポンプ
25 ろ過液タンク
26 筒状ケース本体

Claims (12)

  1. フッ素樹脂系高分子を含有する第1及び第2の層を少なくとも有する複合多孔質中空糸膜であって、
    前記フッ素樹脂系高分子の分子鎖の少なくとも一部が前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向しており、
    下記式(1)に基づき算出される、前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に対する前記フッ素樹脂系高分子の分子鎖の配向度πが、0.4以上1.0未満であり、
    前記第1の層は、前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に配向する柱状組織を有し、
    前記柱状組織の短手長さが0.5μm以上3μm以下、且つ、前記柱状組織のアスペクト比が3以上であり、
    前記柱状組織の太さ均一性が0.60以上1.00未満であり、
    前記第2の層は、三次元網目組織を有し、前記第2の層の表面の平均孔径が5.0nm以上5.0μm以下である、複合多孔質中空糸膜。
    配向度π=(180°−H)/180° ・・・(1)
    (ただし、Hは広角X線回折像の円周方向における回折強度分布の半値幅(°)である。)
  2. 前記半値幅Hが、広角X線回折測定によるポリフッ化ビニリデンの(110)面由来の結晶ピーク(2θ=20.4°)を円周方向にスキャンして得られる強度分布の半値幅である、請求項1に記載の複合多孔質中空糸膜。
  3. 前記複合多孔質中空糸膜の長手方向に1cm間隔の測定点で広角X線回折測定を行った際に、80%以上の前記測定点で、前記配向度πが0.4以上1.0未満である、請求項1または2に記載の複合多孔質中空糸膜。
  4. 前記柱状組織において、ラマン分光法によって得られるラマン配向パラメータの平均値νが3.0以上である、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合多孔質中空糸膜。
  5. 前記フッ素樹脂系高分子がポリフッ化ビニリデンである、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合多孔質中空糸膜。
  6. 前記第1の層における空隙率が50%以上80%以下である、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合多孔質中空糸膜。
  7. 50kPa、25℃における純水透過性能が0.1m/m/hr以上であり、破断強度が25MPa以上である、請求項1〜のいずれか1項に記載の複合多孔質中空糸膜。
  8. 高さ方向における第1端と第2端とを有する筒状ケースと、
    前記筒状ケース内に収容される複数の請求項1〜のいずれか1項に記載の複合多孔質中空糸膜と、
    前記筒状ケースの中央より第2端側側面に位置する流体の流出入口と、
    前記筒状ケースの第1端側端面に位置する流体の流出入口とを備え、
    前記複合多孔質中空糸膜の中空部は、前記第2端側が開口し、前記第1端側が閉塞している、複合多孔質中空糸膜モジュール。
  9. 請求項に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法であって、下記工程(A)及び工程(B)を同時に行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
    (A)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
    (B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
  10. 請求項に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法であって、下記工程(B)及び工程(C)を同時に行う複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
    (B)前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記第2端側へろ過液を取り出す工程
    (C)前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から被ろ過液を前記筒状ケース内に導入し、前記第1端側端面に位置する流体の流出入口から前記被ろ過液を前記筒状ケース外に排出する工程
  11. 前記工程(B)及び下記工程(D)を繰り返し行う、請求項または10に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
    (D)前記工程(B)の後に、前記第2端側の前記複合多孔質中空糸膜の中空部から、前記複合多孔質中空糸膜の外側へ流体をろ過する工程
  12. 前記工程(B)及び前記工程(D)を繰り返し行い、さらに下記工程(E)を行う、請求項11に記載の複合多孔質中空糸膜モジュールの運転方法。
    (E)前記第1端側端面に位置する流体の流出入口より気体を前記筒状ケース内に導入し、前記第2端側側面に位置する流体の流出入口から前記気体を前記筒状ケース外に排出する工程
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