JP6607250B2 - 流体分離用炭素膜および流体分離用炭素膜モジュール - Google Patents
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Description
<1>繊維状の流体分離用炭素膜であって、繊維表面に高低差1μm以上の凸部が形成されてなる流体分離用炭素膜。
<2>共連続多孔構造を有するコア層と、該コア層の周囲に形成された実質的に共連続多孔構造を有しないスキン層からなる繊維状の流体分離用炭素膜である、<1>に記載の流体分離用炭素膜。
<3>前記凸部の凸部断面コア層比が50%以上98%以下である、<1>または<2>に記載の流体分離用炭素膜。
<4>混合ガスを分離する、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の流体分離用炭素膜。
<5>前記凸部の高さが、繊維断面の外縁に内接する内接円の半径の1/2以下である、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の流体分離用炭素膜。
<6>前記凸部が繊維軸方向に100μm以上連続する畝状突起である、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の流体分離用炭素膜。
<7>前記畝状突起が前記流体分離用炭素膜の全長に渡って連続する、<6>に記載の流体分離用炭素膜。
<8>前記畝状突起が複数本形成されてなる、<6>または<7>に記載の流体分離用炭素膜。
<9>繊維断面において、前記複数本の畝状突起が放射状に形成されてなる、<8>に記載の流体分離用炭素膜。
<10>前記畝状突起の平均形成間隔が、該畝状突起の平均幅の1/3以上4倍以下である、<9>に記載の流体分離用炭素膜。
<11>前記畝状突起の平均幅が1μm以上100μm以下である、<6>〜<10>のいずれか1つに記載の流体分離用炭素膜。
<12><1>〜<11>のいずれか1つに記載の流体分離用炭素膜を含む流体分離用炭素膜モジュール。
本発明の流体分離用炭素膜(以下、単に「炭素膜」ということがある。)は、繊維状の形態を持ち、繊維表面に高低差1μm以上の凸部が形成されてなる。
繊維状とは、平均直径に対して平均長さが100倍以上の形態を指す。繊維状の炭素膜は、複数本の炭素膜を内蔵したガス分離膜モジュールとすることで、フィルム状と比較して単位体積当りの膜面積を大きくすることができる利点がある。
平均空隙率(%)=D/C×100
なお、後述するスキン層は実質的に細孔を有しないため、炭素膜全体の細孔の平均直径は、実質的にコア層の細孔の平均直径と同一である。
また、下限についても特に限定されないが、スキン層は膜の形態を保ち、分離機能層としての役割を有する観点から1nm以上であることが好ましく、100nm以上であることがより好ましい。
なお、本発明の流体分離用炭素膜は、スキン層の外側に、さらにコート層を有するものであってもよい。ここで、コート層を形成する成分は特に限定されず、各種有機、無機高分子化合物を使用することができる。
凸部断面コア層比(%)=Sc/Sa×100
Saは、注目する凸部の断面が全て収まる倍率で観察した画像に対し、炭素膜の外縁となる内接円を表す円弧をフィッティングし、その円弧と凸部の外周部が作る面積とする。
Scの計算精度はこの境界点の数により決定されるため、できるだけ多く定義することが好ましく、さらに、境界点はできるだけ凸部断面全体に均一に定義することが好ましい。
繊維表面として定義した円弧上における左右の境界点PbLとPbRを決定する。境界点PbLとPbRを結ぶ直線Lhを引き、直線Lhの垂線であって境界点PbLとPbR上を通る直線をそれぞれ、LvLおよびLvRとする。さらに、直線LvLと直線LvRで挟まれる領域を、直線LvLまたは直線LvRに平行な直線でn等分し、その平行な直線上(図3ではLv1〜Lv7)における境界点Pを決定する。nは、できるだけ大きい方がScの計算精度が高まるため好ましく、具体的には、5以上が好ましく、8以上がより好ましい。
また、窒素元素比率は、低いほど高温環境にさらされた際の炭素膜としての耐久性に優れ、炭素膜として撥水効果が高まるため好ましい。
これらの観点から、窒素元素比率は、1〜25%であることがより好ましく、3〜18%であることがより好ましい。
本発明の流体分離用炭素膜は、一例として、炭化可能樹脂と消失樹脂とを相溶させて樹脂混合物とする工程(工程1)と、相溶させた状態の樹脂混合物を紡糸し、微細な相分離構造を形成する工程(工程2)と、得られた前駆体を焼成により炭化する工程(工程3)とを有する製造方法により製造することができる。
工程1は、炭化可能樹脂10〜90重量%と、消失樹脂90〜10重量%と相溶させ、樹脂混合物とする工程である。
これらは単独で用いても、混合された状態で用いても構わないが、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂それぞれで混合することも成形加工の容易さから好ましい。
このことからSP値の平均値からの差の絶対値は、3.0以下であることが好ましく、2.0以下が最も好ましい。
炭化可能樹脂が10重量%以上であれば、炭化後の膜における力学的な強度を保つことが可能になるほか、収率が向上するため好ましい。また、炭化可能な樹脂が90重量%以下であれば、消失樹脂が効率よく空隙を形成できるため好ましい。
工程2は、工程1において相溶させた状態の樹脂混合物を紡糸し、微細な相分離構造を形成する工程である。
工程2において得られた炭素膜の前駆体は、炭化工程(工程3)に供される前、または炭化工程(工程3)と同時、またはその両方で消失樹脂の除去処理を行うことが好ましい。
工程2において得られた炭素膜の前駆体は、炭化工程(工程3)に供される前に不融化処理を行うことが好ましい。
工程3は、工程2において得られた炭素膜の前駆体、あるいは必要に応じて消失樹脂の除去および/または不融化処理に供された前駆体を焼成し、炭化して炭素膜を得る工程である。
繊維表面への凸部の形成方法は特に限定されないが、前述のように工程2で多葉型や歯車型の口金を用いて紡糸する方法が好ましい。また、工程2の紡糸後〜工程3までのいずれかの工程、好ましくは工程3の焼成前までに、エンボス加工等物理的な押圧により繊維の一部を凹ませることで凸部を形成させる方法を用いることもできる。
本発明の流体分離用炭素膜モジュールは、本発明の流体分離用炭素膜、ポッティング樹脂、ベッセルを含む。
ポッティング樹脂としては、流体分離用炭素膜間の隙間や本発明の流体分離用炭素膜とベッセル内面の隙間を完全に塞ぐことができる、種々の熱硬化性または熱可塑性樹脂を用いることができる。
熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、非晶ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテルなどを例示することができる。
ベッセルの断面形状は、特に限定されないが、楕円形または円形であると、ベッセルの耐圧性を高くできる点で好ましく、特に円形であることが好ましい。また、ベッセルの素材は、特に限定されないが、金属、樹脂、複合材料などが用いられる。
(共連続多孔構造の有無)
繊維状の炭素膜を液体窒素中で充分に冷却後、ピンセットで割断して形成した断面のコア層部分を走査型電子顕微鏡で表面観察し、炭素骨格の枝部と細孔部(空隙部)がそれぞれ連続しつつ三次元的に規則的に絡み合った構造が見られた場合、共連続多孔構造を有していると判定した。
炭素膜を液体窒素中で冷却後、ピンセットで割断して形成した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、断面が全て収まる任意の倍率で画像を取得した。続いて、画像処理ソフト“ImageJ”を用いて、炭素膜の外縁に内接する真円または楕円の内接円を作図した。
炭素膜を樹脂中に包埋し、その後カミソリ等で炭素膜の断面を露出させ、日本電子製スパッタリング装置SM−09010を用いて加速電圧5.5kVにて試料表面にアルゴンイオンビームを照射、エッチングを施した。
平均空隙率(%)=D/C×100
炭素膜を試料プレートに挟み、CuKα線光源から得られたX線源から散乱角度10度未満の情報が得られるように、光源、試料および二次元検出器の位置を調整した。二次元検出器から得られた画像データ(輝度情報)から、ビームストッパーの影響を受けている中心部分を除外して、ビーム中心から動径を設け、角度1°毎に360°の輝度値を合算して散乱強度分布曲線を得た。得られた曲線においてピークを持つ位置の散乱角度2θより、連続多孔構造部分の構造周期を下記の式によって得た。
炭素膜を樹脂中に包埋し、その後カミソリ等で炭素膜の断面を露出させ、日本電子製スパッタリング装置SM−09010を用いて加速電圧5.5kVにて試料表面にアルゴンイオンビームを照射、エッチングを施した。
窒素原子比率は、XPS装置(Quantera SXM(PHI社製))を用いて、励起X線monochromatic Al Kα1,2線(1486.6eV)、X線径100μm、光電子脱出角度45°(試料表面に対する検出器の傾き)として測定した。
10本の炭素膜を束ねてステンレス製のベッセルに収容し、束ねた炭素膜の端をエポキシ樹脂系のポッティング樹脂によりケーシング内面に固定するとともにケーシングの両端を封止して、炭素膜モジュールを作製し、ガス透過速度を測定した。
70gのポリサイエンス社製ポリアクリロニトリル(Mw15万)と70gのシグマ・アルドリッチ社製ポリビニルピロリドン(Mw4万)、および、溶媒として400gの和光純薬工業株式会社製ジメチルスルホキシド(DMSO)をセパラブルフラスコに投入し、3時間攪拌および還流を行いながら150℃で均一かつ透明な溶液を調製した。このときポリアクリロニトリルの濃度およびポリビニルピロリドンの濃度はそれぞれ10重量%であった。
実施例1で調製したポリマー溶液を25℃まで冷却した後、図4に示した、直径d’が75μmの円の周りに、高さh’が48μm、幅w’が20μmの切欠きを周囲に等間隔で12カ所持つ多葉型の1穴口金から3mL/分で溶液を吐出して凝固浴へ導き、その後5m/分の速度で引き取り、バット上に堆積させることで原糸を得た。その後、実施例1と同様の手法にて乾燥、焼成を行い、炭素膜を得た。
2.凸部(畝状突起)
3.コア層
4.スキン層
C:炭素膜の繊維断面の外縁に内接する内接円
T:炭素膜の外縁に内接する内接円の接線
L:凸部の頂点から炭素膜の外縁に内接する内接円に向けて引いた垂線の中点を通り、かつ接線Tと平行な直線
C’:多葉型口金の外縁に内接する内接円
T’:多葉型口金の外縁に内接する内接円の接線
Claims (10)
- 繊維状の流体分離用炭素膜であって、共連続多孔構造を有するコア層と、該コア層の周囲に形成された実質的に共連続多孔構造を有しないスキン層からなり、繊維表面に高低差1μm以上の凸部が形成されてなり、前記凸部の凸部断面コア層比が50%以上98%以下である、流体分離用炭素膜。
- 混合ガスを分離する、請求項1に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記凸部の高さが、繊維断面の外縁に内接する内接円の半径の1/2以下である、請求項1または2に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記凸部が繊維軸方向に100μm以上連続する畝状突起である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記畝状突起が前記流体分離用炭素膜の全長に渡って連続する、請求項4に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記畝状突起が複数本形成されてなる、請求項4または5に記載の流体分離用炭素膜。
- 繊維断面において、前記複数本の畝状突起が放射状に形成されてなる、請求項6に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記畝状突起の平均形成間隔が、該畝状突起の平均幅の1/3以上4倍以下である、請求項7に記載の流体分離用炭素膜。
- 前記畝状突起の平均幅が1μm以上100μm以下である、請求項4〜8のいずれか1項に記載の流体分離用炭素膜。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の流体分離用炭素膜を含む流体分離用炭素膜モジュール。
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