JP6743962B2 - ガス分離膜、ガス分離膜エレメント及びガス分離方法 - Google Patents
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Description
低コストで混合ガスから特定のガスを濃縮させる方法として、素材の持つ気体透過性の違いを利用して目的ガスを選択的に透過させる膜分離法が注目されている。
非特許文献1には、界面重縮合反応により架橋性芳香族ポリアミドを形成することで、極めて薄い機能層が形成されるため、高いガス透過度が得られる技術が開示されている。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、連続的な使用が可能であり、さらに水素およびヘリウム等の軽ガスと二酸化炭素、または軽ガスと窒素との分離選択性が向上したガス分離膜等を提供することを目的とする。
[2]前記多孔性支持膜に含有される芳香族ポリアミドが下記式(1)または式(2)の少なくとも一方に示す構造を有する、[1]に記載のガス分離膜。
[4]前記多孔性支持膜表面において、孔径8nm以上の孔が全孔の15%以下である[1]〜[3]のいずれか1つに記載のガス分離膜。
[5]前記多孔性支持膜表面の最大孔径が12nm以下である[1]〜[4]のいずれか1つに記載のガス分離膜。
[6]透過ガスを集積する中心管と、前記中心管の周りにスパイラル状に巻囲された、[1]〜[5]のいずれか1つに記載のガス分離膜と、を備えるガス分離膜エレメント。
[7][1]〜[5]のいずれか1つに記載のガス分離膜を用いたガス分離方法であって、
以下の工程
(a)前記ガス分離膜の一方の面に水素またはヘリウムの少なくとも一方を含む混合ガスを供給する工程
(b)前記ガス分離膜の他方の面から前記混合ガスよりも水素またはヘリウムの少なくとも一方の濃度の高いガスを得る工程を含むガス分離方法。
[8]前記(a)における混合ガスが二酸化炭素及び窒素の少なくとも一方を含有する、[7]に記載のガス分離方法。
[9]前記混合ガスの温度が80℃以上である、[7]または[8]に記載のガス分離方法。
ガス分離膜は、多孔性支持膜と、多孔性支持膜上に設けられ、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との重縮合により得られる架橋ポリアミドを含有する分離機能層とを備える。
多孔性支持膜は、基材及び多孔性支持層を備えることができる。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、多孔性支持膜は、基材を備えず、多孔性支持層のみで構成されていてもよい。
基材としては、ポリエステル系重合体、ポリアミド系重合体、ポリオレフィン系重合体、ポリフェニレンスルフィド、あるいはこれらの混合物や共重合体等が挙げられる。中でも、機械的、熱的に安定性の高いポリエステル系重合体の布帛が特に好ましい。布帛の形態としては、長繊維不織布や短繊維不織布、さらには織編物を好ましく用いることができる。ここで、長繊維不織布とは、平均繊維長300mm以上、かつ平均繊維径3〜30μmの不織布のことを指す。
基材は、通気量が0.5cc/cm2/sec以上5.0cc/cm2/secであることが好ましい。基材の通気量が上記範囲内にあることにより、多孔性支持層となるポリマー溶液が基材に含浸するため、基材との接着性が向上し、支持膜の物理的安定性を高めることができる。
多孔性支持層は、実質的にガスの分離性能を有さず、実質的にガスの分離性能を有する分離機能層に強度を与えるためのものである。
発明者らは鋭意検討を行った結果、耐熱性、つまり高温での運転安定性は多孔性支持層の材質が重要であり、支持膜の主成分がクロロ基で置換された芳香環を含む芳香族ポリアミドであると、高温下でもガス透過性および選択性が低下しにくいことを見出した。
芳香族ポリアミドは水素結合サイトを有しているので分子間相互作用が強い。つまり、芳香族ポリアミドの分子運動は、高温下でも制限される。
多孔性支持層は、次の化学式(1)、(2)に示す繰り返し単位からなる芳香族ポリアミドを含有することが好ましい。
また、パラ置換体の割合における分子数について、例えば、式(3−4−mp)の構造では、パラ置換体の数は1である。また、ナフタレン(式(3−2))の置換位置は通常はパラ、メタとは呼ばないが、本明細書では、ana−置換体、amphi−置換体をパラ置換体とみなし、他の構造はメタ置換体とみなす。
ここで、芳香環のモル数の総和に対して、クロロ基のモル数が占める割合(モル百分率(mole fraction))は、20モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがさらに好ましい。クロロ基のモル数が占める割合が上記範囲内の場合、高温下でより優れたガス透過性またはガス選択性を発揮する。
多孔性支持層は、上述したポリマーを主成分として含有することが好ましい。具体的には、多孔性支持層において、上述したポリマーの占める割合(複数のポリマーを含有する場合は各ポリマーの割合の合計)が70重量%以上、80重量%以上または90重量%以上であることが好ましく、さらには、多孔性支持層は、上述したポリマーのみで構成されていてもよい。
また、多孔性支持層の表面の最大孔径が11nm以下であるということは、足場間の距離が11nm以下であるので、さらに欠点の発生が抑制される。
多孔性支持層の表面における孔径は、以下のように測定される。多孔性支持層の表面における任意の5箇所をSEMにより撮影(200万倍率、0.3072平方μm)し、5枚の画像を得る。5枚のSEM写真で、孔径および孔数を測定する。
最大孔径は、5枚のSEM写真のそれぞれで得られた最大孔径から、最小値と最大値を除いた3つの数値の相加平均である。
なお、孔径および孔数の測定の前に、画像から孔ではなく表面の粒状構造に由来する影を除くような画像補正を行ってもよい。
また、分離機能層が設けられている状態の多孔性支持層の表面を観察するには、まず、分離膜から分離機能層を除去し、多孔性支持層の表面を露出させる。上記除去方法については、例えば分離膜を次亜塩素酸ナトリウム水溶液に浸漬させることが挙げられるが、特に限定されない。
基材と多孔性支持層の厚みは、ガス分離膜の強度及びそれをエレメントにしたときの充填密度に影響を与える。十分な機械的強度及び充填密度を得るためには、基材と多孔性支持層の厚みの合計が、30μm以上300μm以下であることが好ましく、100μm以上220μm以下であるとより好ましい。また、多孔性支持層の厚みは、20μm以上100μm以下であることが好ましい。なお、本明細書において、特に付記しない限り、厚みとは、平均値を意味する。ここで平均値とは相加平均値を表す。すなわち、基材と多孔性支持層の厚みは、断面観察で厚み方向に直交する方向(膜の面方向)に20μm間隔で測定した、20点の厚みの平均値を算出することで求められる。
分離機能層は、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との重縮合反応で得られた架橋ポリアミドを主成分とする薄膜を有する。言い換えると、分離機能層は、架橋ポリアミドを主成分として含有する。具体的には、分離機能層において、架橋ポリアミドが占める割合は50重量%以上、70重量%以上または90重量%以上であり、分離機能層は、架橋ポリアミドのみで構成されていてもよい。分離機能層が架橋ポリアミドを50重量%以上含むことにより、高性能な膜性能を発現しやすい。この架橋ポリアミドは、全芳香族ポリアミドでも、全脂肪族ポリアミドでも、芳香族部分と脂肪族部分を併せ持っていてもよいが、より高い性能を発現するためには、全芳香族であることが好ましい。
また、多官能性アミンとは、具体的には多官能性芳香族アミンまたは多官能性脂肪族アミンである。
例えば、多官能性芳香族アミンは、o−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、o−キシリレンジアミン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、o−ジアミノピリジン、m−ジアミノピリジン、p−ジアミノピリジン等の2個のアミノ基がオルト位やメタ位、パラ位のいずれかの位置関係で芳香環に結合した多官能性芳香族アミン;1,3,5−トリアミノベンゼン、1,2,4−トリアミノベンゼン、3,5−ジアミノ安息香酸、3−アミノベンジルアミン、4−アミノベンジルアミン、2,4−ジアミノチオアニソール、1,3−ジアミノチオアニソール、1,3−ジアミノ−5−(ジメチルホスフィノ)ベンゼン、(3,5−ジアミノフェニル)ジメチルホスフィンオキシド、(2,4−ジアミノフェニル)ジメチルホスフィンオキシド、1,3−ジアミノ−5−(メチルスルホニル)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−(メチルスルホニル)ベンゼン、1,3−ジアミノ−5−ニトロソベンゼン、1,3−ジアミノ−4−ニトロソベンゼン、1,3−ジアミノ−5−(ヒドロキシアミノ)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−(ヒドロキシアミノ)ベンゼン等が挙げられる。
これらの多官能性アミンは、単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
また、多官能性酸ハロゲン化物とは、具体的には多官能性芳香族酸ハロゲン化物または多官能性脂肪族酸ハロゲン化物である。
多官能性酸ハロゲン化物とは、多官能性カルボン酸誘導体とも表され、一分子中に少なくとも2個のハロゲン化カルボニル基を有する酸ハロゲン化物をいう。例えば、3官能酸ハロゲン化物では、トリメシン酸クロリド等を挙げることができ、2官能酸ハロゲン化物では、ビフェニルジカルボン酸ジクロリド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロリド、テレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ナフタレンジカルボン酸クロリド、オキサリルクロリド等を挙げることができる。
中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさの観点から、トリメシン酸クロリドがより好ましい。これらの多官能性酸ハロゲン化物は、単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
また、重縮合反応とは、具体的には界面重縮合である。
ここで、多官能性アミン及び多官能性酸ハロゲン化物の少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。
また、分離機能層の厚みは、十分な分離性能及びガス透過度を得るために、通常0.01〜1μmの範囲内、好ましくは0.1〜0.5μmの範囲内である。
次に、上記ガス分離膜の製造方法について説明する。
(2−1)多孔性支持膜の形成
基材と多孔性支持層との積層体を多孔性支持膜と称する。以下に挙げる例では、多孔性支持膜の形成方法は、基材にポリマー溶液を塗布する工程、及びポリマー溶液を凝固浴に浸漬させることでポリマーを湿式凝固させる工程を含む。凝固したポリマーが多孔性支持層に相当する。
また、支持膜の形成方法は、モノマーを重合させることで、多孔性支持層を形成するポリマーを生成する工程を含んでよい。
単量体として酸クロリドとジアミンを使用してポリアミドを生成すると塩化水素が副生する。塩化水素を中和する場合には水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸リチウムなどの無機の中和剤、またエチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、アンモニア、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、ジエタノールアミンなどの有機の中和剤が使用される。
多孔性支持膜の形成に使うポリマー溶液の濃度は特に限定されないが、2重量%以上15重量%以下が好ましく、4重量%以上12重量%以下が好ましい。4重量%以上にすることで内部構造が空虚になりすぎるのを防ぎ、12重量%以下とすることでポリマー溶液の粘度が極端に高くなることを防ぐことができる。
上記混合溶媒の混合比率は特に制限されないが、NMPが60重量%以上99重量%以下であることが好ましく、70重量%以上90重量%以下であることがより好ましい。更にNMPが80重量%以上90重量%以下であることがより好ましい。上記混合溶媒のNMPの混合比率が99重量%より大きい場合、NMPと混合する上記有機極性溶媒の割合が少なく、上述の効果は発現されない。NMPの混合比率が60重量%未満である場合、ポリマー溶液の粘度が増加し、多孔性支持層の形成が容易でなくなる。
上述のポリマー溶液を用いて多孔性支持層を形成することは、多孔性支持層の表面の孔径を適切な範囲にする点でも好ましい。
次にガス分離膜を構成する分離機能層の形成工程を説明する。分離機能層の形成工程は、
(a)多官能性アミンを含有する水溶液を多孔性支持層上に接触させる工程と、
(b)多官能性アミンを含有する水溶液を接触させた多孔性支持層に多官能性酸ハロゲン化物を含有する有機溶媒溶液を接触させる工程、を有する。
工程(a)において、多官能性アミン水溶液における多官能性アミンの濃度は0.1重量%以上20重量%以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.5重量%以上15重量%以下の範囲内である。多官能性アミンの濃度がこの範囲であると十分な溶質除去性能及び透水性を得ることができる。
多官能性アミン水溶液の多孔性支持層への接触は、多孔性支持層上に均一にかつ連続的に行うことが好ましい。具体的には、例えば、多官能性アミン水溶液を多孔性支持層にコーティングする方法や、多孔性支持層を多官能性アミン水溶液に浸漬する方法を挙げることができる。多孔性支持層と多官能性アミン水溶液との接触時間は、1秒以上10分間以下であることが好ましく、10秒以上3分間以下であるとさらに好ましい。
多官能性酸ハロゲン化物を含有する有機溶媒溶液の、多官能性アミン水溶液と接触させた多孔性支持層への接触の方法は、多官能性アミン水溶液の多孔性支持層への接触方法と同様に行えばよい。
このとき、多官能性酸ハロゲン化物を含有する有機溶媒溶液を接触させた多孔性支持層を加熱してもよい。加熱温度としては50℃以上180℃以下、好ましくは60℃以上160℃以下である。60℃以上で加熱することで、界面重合反応でのモノマー消費に伴う反応性の低下を熱による反応の促進効果で補うことができる。160℃以下で加熱することで、溶媒が完全に揮発して反応効率が著しく低下するのを防ぐことができる。
また、加熱処理時間は、5秒以上180秒以下であることが好ましい。加熱処理時間を5秒以上とすることで反応の促進効果を得ることができ、180秒以下とすることで溶媒が完全に揮発することを防ぐことができる。
水溶性の酸化剤と架橋ポリアミドとを反応させる方法は特に限定されないが、例えば、水溶性の酸化剤を含む水溶液に架橋ポリアミドのガス分離膜を浸漬することが好ましい。
水溶性の酸化剤を含む水溶液のpHは酸化剤の酸化力を十分発揮できる範囲であれば特に限定されないが、1.5〜7.0の範囲であることが好ましい。
化学処理の方法としては、水溶性の酸化剤を含む水溶液を10℃以上100℃以下で処理することが好ましく、20℃以上80℃以下で処理することがより好ましい。温度を20℃以上とすることで反応の効率を向上させることができ、80℃以下とすることで酸化剤の分解を抑制することができる。
水溶性の酸化剤を含む水溶液と架橋ポリアミドの接触時間は30秒〜1日が好ましく、実用性と反応効率の両立を考慮すると1分〜30分がより好ましい。
還元剤と架橋ポリアミドの接触時間は、酸化反応を停止させることができればよく、通常1分〜20分が好ましい。
還元剤と架橋ポリアミドの接触後は、架橋ポリアミド複合膜に残存する還元剤を洗い流すために水でリンスすることが好ましい。
XPSにより得られるN1sピークは、窒素原子の内殻電子に起因する。N1sピークは、N−C由来の成分及びNOx(x≧2)由来の成分から構成されると考えられるため、N1sピークを2つの成分でピーク分割を行い、N−C由来の成分は400eV付近に、NOx(x≧2)由来の成分は406eV付近に現れることから、ニトロ基の存在を検出することができる。
特に、簡便に緻密な分離機能層を得られる高温加熱が好ましい。高温加熱の方法は特に限定されないが、オーブン中で30℃〜200℃、より好ましくは50℃〜150℃で1分以上加熱することが望ましい。温度を50℃以上とすることで水分の除去が効率よく行われ、150℃以下とすることで分離機能層と基材の熱収縮率の差に起因する変形を防ぐことができる。
(3−1)概要
本発明のガス分離膜エレメントは、透過ガスを集積する中心管と、前記中心管の周りにスパイラル状に巻囲された上述した本発明のガス分離膜とを備える。
本発明のガス分離膜エレメントの一実施形態では、図1に示すように、ガス分離膜エレメント1は、集ガス管2、ガス分離膜3、供給側流路材4、透過側流路材6を備える。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。ガス分離膜3は、集ガス管2の周囲に巻回されており、ガス分離膜3の幅方向が集ガス管2の長手方向に沿うように配置される。その結果、ガス分離膜3は、長さ方向が巻回方向に沿うように配置される。
なお、「巻回方向の内側端部」とは、ガス分離膜3において集ガス管2に近い方の端部に該当する。
集ガス管2は、透過ガスを集積する中心管の一例である。集ガス管2は、その中を透過ガスが流れるように構成されていればよく、材質、形状、大きさ等は特に限定されないが、材質としては耐圧性や耐熱性の観点からSUS(Stainless Used Steel)、アルミニウム、銅、真鍮、チタン等の金属製のものが好適に用いられる。形状としては、例えば、複数の孔が設けられた側面を有する円筒状の部材が用いられる。
ガス分離膜3は、集ガス管2の周りに、複数枚のガス分離膜3が巻回されている。ガス分離膜3は、その供給側の面が供給側流路材4と対向し、その透過側の面が透過側流路材6と対向するように配置される。
具体的には、ガス分離膜3は、供給側の面が対向するように折りたたまれている。このようにたたまれたガス分離膜3に、折りたたまれた別のガス分離膜3が重ねられることで、一枚のガス分離膜3の透過側の面に他のガス分離膜3の透過側の面が対向するように配置される。
封筒状膜5は、向かい合う透過側の面が対向するように配置された2枚1組のガス分離膜対である。封筒状膜5は長方形状であり、透過ガスが集ガス管2に流れるように、透過側の面の間がガス分離膜3の長方形状において、巻回方向内側の一辺のみにおいて開放され、他の三辺においては封止される。透過ガスはこの封筒状膜5によって供給ガス9から隔離される。
また、上述の例では、ガス分離膜3の供給側の面において、巻回方向の内側端部は、折りたたみにより閉じられているが、この部分は折り畳みではなく接着または融着等によって封止されていてもよい。ガス分離膜3の供給側面が、折り畳まれているのではなく封止されていることで、ガス分離膜3の端部における撓みが発生しにくい。折り目近傍での撓みの発生が抑制されることで、巻囲したときにガス分離膜3間での空隙の発生及びこの空隙によるリークの発生が抑制される。
なお、重ねられたガス分離膜3は、同じ構成を備えてもよいし、異なる構成を備えてもよい。
封筒状膜5の内側には、透過側流路材6が配置されていてもよいし、されていなくてもよい。また、隣り合う2つの封筒状膜5の間には供給側流路材4が配置されていてもよいし、されていなくともよい。
ガス分離膜エレメント1は透過側流路材6を有していても有していなくてもよいが、有している方が好ましい。有している場合は図1に示すように、封筒状膜5の内側、つまり向かい合うガス分離膜3の透過側の面の間に透過側流路材6を備える。
透過側流路材6としてはネット形状を有するものが好適に用いられる。透過側流路材6の材質としては特に制限はないが、SUS、アルミニウム、銅、真鍮、チタン等の金属や、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体、ポリアセタール、ポリメチルメタクリレート、メタクリル−スチレン共重合体、酢酸セルロール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブタジエンテレフタレートやフッ素樹脂(三フッ化塩化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合、四フッ化エチレン−エチレン共重合等)等のポリマーも選択できる。なお、これらの材料は、単独もしくは2種類以上からなる混合物として用いられる。
ガス分離膜エレメント1は供給側流路材4を有していても有していなくてもよいが、有している方が望ましい。有している場合は図1に示すように、向かい合うガス分離膜3の供給側の面の間に、供給側流路材4を備える。
供給側流路材4は、ガス分離膜3の間に、混合ガスがガス分離膜3に接触しながら通ることのできるスペースを確保できればよい。
供給側流路材4の高さ(厚み)は、各性能のバランスや運転コストを考慮すると0.5mmを超えて2.0mm以下が好ましく、0.6mm以上1.0mm以下がさらに好ましい。
また、ガス分離膜エレメント1は、上述した構成に加えて、さらに以下の構成を備える。
すなわち、ガス分離膜エレメント1は、その両端(すなわち第1端及び第2端)に供給ガス9を通過させることができる複数の孔を有する孔付端板7を備える。また、ガス分離膜エレメント1において、巻囲されたガス分離膜3(以下、「巻囲体」と称する。)の外周面には、外装体8が巻囲されている。
本発明のガス分離膜は、水素、ヘリウムなどの軽ガスを選択的に透過して濃度を高くするガス分離方法に利用することができる。つまり、本発明におけるガス分離方法は、
(a)ガス分離膜の一方の面に軽ガスを含む混合ガスを供給する工程、及び
(b)上記(a)工程の後、ガス分離膜の他方の面から前記混合ガスよりも軽ガス濃度の高いガスを得る工程を含む。
ガス分離膜を透過したガス、つまり軽ガス濃度の高いガスは「透過ガス」と呼ばれ、ガス分離膜を透過せずにガス分離膜の上記一方の面に残ったガスは「濃縮ガス」と呼ばれる。
本発明のガス分離方法においては、上述したスパイラル型ガス分離膜エレメントを用いることができる。また、本発明のガス分離方法においては、圧力容器と、直列または並列に接続され、上記圧力容器に収容されたスパイラル型のガス分離膜エレメントを備えるガス分離膜モジュールを用いることもできる。
ガスの供給温度は特に限定されないが、0℃〜200℃が好ましく、25℃〜180℃がより好ましい。温度を25℃以上とすることで良好なガス透過性が得られ、180℃以下とすることでモジュール部材が熱変形することを防ぐことができる。上記分離膜をもちいれば、80℃以上、90℃以上、または100℃以上の温度でガスを供給することが可能である。
支持膜を120℃のオーブンで30分間静置することで乾燥を行った。得られた乾燥支持膜を、協和界面科学社製Drop Master DM500を用いて、θ/2法にて水との静的接触角をコンピュータでの画像解析により自動算出した。なお、液適量は1.5μLとし、蒸留水の支持膜上への着滴開始から1秒後の画像を元に、接触角を測定した。
実施例及び比較例で得られたガス分離膜において、多孔性支持層の表面に形成された気孔のサイズ別分布度を測定した。
ガス分離膜の分離機能層を除去し、多孔性支持層表面を露出させた。除去方法としては、例えば分離膜を次亜塩素酸ナトリウム水溶液に浸漬させることが挙げられるが、特に限定されない。SEMにより、200万倍率、視野サイズ0.3072平方μmで、多孔性支持層表面を撮影した。得られた画像をMicrosoft Office 2010を用いて二値化し、次にPhoto Drawを用いて、孔ではない表面の粒状構造由来の影の除去(レベル2)を行った。この画像を再度Microsoft Office 2010を用いて中間トーン70に補正することで、影をさらに除去した。
補正後のイメージからInspector2.2によって孔数とそれぞれの孔径を測定した。孔径8nm以上の孔の全孔に対する割合は、孔径8nm以上の孔の数を全孔数で除することで算出した。孔径8nm以上の孔の全孔数に対する割合と最大孔径については、5枚のSEM写真に対しそれぞれ上記手順で割合および最大孔径を測定し、得られた5つの数値から最大値と最小値を省いて相加平均値を算出した。
実施例及び比較例で得られたそれぞれのガス分離膜の長時間運転安定性は、図2に示す装置を用いてJIS K 7126−2Bに則ってガス透過度を測定することにより行った。
有効膜面積25cm2のガス分離膜がセットされ、供給側と透過側の2つのチャンバに隔てられた透過セル23を温度130℃に保ち、供給側セルに原料ガスボンベ20からマスフローコントローラー22で水素、二酸化炭素の流量を7:3、合計100cm3/minに調節し、1atmで流した。透過側セルにスイープガスボンベ21からマスフローコントローラー22で流量を100cm3/minに調節し、スイープガスであるアルゴンを1atmで流した。
また、水素の透過度を二酸化炭素の透過度で除することにより、H2/CO2選択性比を算出した。(90時間後の選択性)/(初期選択性)を表3に示す。
実施例及び比較例で得られたそれぞれのガス分離膜のH2/N2およびH2/CO2分離選択性は、図2に示す装置を用いてJIS K 7126−2Bに則ってガス透過度を測定することにより行った。
有効膜面積25cm2のガス分離膜がセットされ、供給側と透過側の2つのチャンバに隔てられた透過セル23を温度80℃に保ち、供給側セルに原料ガスボンベ20からマスフローコントローラー22で水素、窒素、二酸化炭素のいずれかの純ガスを、流量を100cm3/minに調節し、1atmで流した。透過側セルにスイープガスボンベ21からマスフローコントローラー22で流量を100cm3/minに調節し、スイープガスであるアルゴンを1atmで流した。
脱水したN−メチル−2−ピロリドンに100モル%に相当する2−クロロパラフェニレンジアミンと、70モル%に相当するテレフタル酸クロライドと30モル%のイソフタル酸クロリドを添加して、2時間攪拌により重合した。この後、炭酸リチウムで中和を行い、ポリマー濃度10質量%の芳香族ポリアミドの溶液を得た。
脱水したN−メチル−2−ピロリドンに30モル%に相当する2−クロロパラフェニレンジアミンと70モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを溶解させた後、100モル%に相当する2−クロロテレフタル酸クロライドを添加して、2時間攪拌により重合した。この後、炭酸リチウムで中和を行い、ポリマー濃度10質量%の芳香族ポリアミドの溶液を得た。
脱水したN−メチル−2−ピロリドンに80モル%に相当する2−クロロパラフェニレンジアミンと20モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを溶解させた後、100モル%に相当する2−クロロテレフタル酸クロライドを添加して、2時間攪拌により重合した。この後、炭酸リチウムで中和を行い、ポリマー濃度10質量%の芳香族ポリアミドの溶液を得た。
ポリエステル不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上にポリスルホン(PSf)の16.0重量%DMF溶液を25℃の条件下で200μmの厚みでキャストし、ただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
国際公開第2011/1057278号に記載の方法にならい、上述の操作によって得られた多孔性支持膜を、6重量%m−フェニレンジアミン含有水溶液中に2分間浸漬した。その後、該多孔性支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のウンデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して1分間静置した後、多孔性支持膜から余分な溶液を除去するために多孔性支持膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。100℃のオーブンで120秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後、120℃のオーブンで30分間乾燥することによりガス分離膜を得た。
比較例1で得られた多孔性支持膜を、6重量%m−フェニレンジアミン含有水溶液中に2分間浸漬した。その後、該多孔性支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して1分間静置した後、多孔性支持膜から余分な溶液を除去するために多孔性支持膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後、120℃のオーブンで30分間乾燥することによりガス分離膜を得た。
重合例1で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のウンデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで120秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例1で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例2で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のウンデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで120秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例2で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のウンデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで120秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈した。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈し、2−プロパノールを溶液の10重量%となるように加えた。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈し、アニソールを溶液の10重量%となるように加えた。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈し、アセトンを溶液の10重量%となるように加えた。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
重合例3で得られたポリアミドのNMP溶液を、ポリアミドが6重量%となるように希釈し、アセトンを溶液の20重量%となるように加えた。得られたNMP溶液を、ポリフェニレンスルフィド不織布(通気量2.0cc/cm2/sec)上に25℃で厚み180μmとなるようにキャストしてただちに純水中に浸漬して5分間放置することによって多孔性支持膜を作製した。
得られた多孔性支持膜を、6重量%のm−フェニレンジアミン水溶液に2分間浸漬した。その後、該支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け多孔性支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた。
さらに、トリメシン酸クロリド(TMC)0.16重量%を含む25℃のデカン溶液を表面が完全に濡れるように塗布して30秒間静置したのち、100℃のオーブンで60秒間静置し、50℃の温水で10時間洗浄した後に120℃のオーブンで30分間乾燥することでガス分離膜を得た。
表4に、実施例及び比較例の界面重合条件及び後処理条件をまとめた。
さらに、多孔性支持膜の素材として、クロロ基で置換された芳香環を含む芳香族ポリアミドのうち、全芳香環のモル数の総和に対しクロロ基のモル数が占める割合が80モル%以上である芳香族ポリアミドを用いると、H2/N2選択性が100以上まで向上することも分かった。
さらに、多孔性支持層表面に存在する孔径8nm以上の孔が全孔の15%以上である場合、そうでない場合よりもH2/CO2選択性が向上することが分かる。さらに、最大孔径が12nm以下である場合、そうでない場合よりもH2/CO2選択性が向上することが分かった。
本出願は、2017年12月26日出願の日本特許出願(特願2017−248897)、及び2018年3月30日出願の日本特許出願(特願2018−67917)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。
2:集ガス管
3:ガス分離膜
4:供給側流路材
5:封筒状膜
6:透過側流路材
7:孔付端板
8:外装体
9:供給ガス
10:濃縮ガス
11:透過ガス
20:原料ガスボンベ
21:スイープガスボンベ
22:マスフローコントローラー
23:ガス分離膜を装着した透過セル
24:バルブ
25:ガスクロマトグラフィー
26:石鹸膜流量計
Claims (10)
- クロロ基で置換された芳香環を主鎖構造中に含む芳香族ポリアミドを含有する多孔性支持膜と、
前記多孔性支持膜の上に設けられ、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との重縮合物である架橋ポリアミドを含有する分離機能層と、
を備えるガス分離膜。 - 前記式(3)に示す構造を有し、かつ置換基がパラ位に配置されている請求項2に記載のガス分離膜。
- 前記多孔性支持膜表面において、孔径8nm以上の孔が全孔の15%以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス分離膜。
- 前記多孔性支持膜表面の最大孔径が12nm以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス分離膜。
- 透過ガスを集積する中心管と、
前記中心管の周りにスパイラル状に巻囲された、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離膜と、を備えるガス分離膜エレメント。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス分離膜を用いたガス分離方法であって、
以下の工程
(a)前記ガス分離膜の一方の面に水素またはヘリウムの少なくとも一方を含む混合ガスを供給する工程
(b)前記ガス分離膜の他方の面から前記混合ガスよりも水素またはヘリウムの少なくとも一方の濃度の高いガスを得る工程を含むガス分離方法。 - 前記混合ガスが二酸化炭素及び窒素の少なくとも一方を含有する、請求項7に記載のガス分離方法。
- 前記混合ガスの温度が80℃以上である、
請求項7または8に記載のガス分離方法。 - 請求項7〜9のいずれか1項に記載のガス分離方法を含む、ガスの製造方法。
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