JP6839766B2 - 多孔質膜を用いたろ過方法 - Google Patents
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Description
フルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、エチレン、及びヘキサフルオロプロピレンからなる群から選ばれるポリマー又は該ポリマーの混合物であることが好ましい。
前記洗浄工程は、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、フラックスが50%以下となった際に、4%以上の水酸化ナトリウムの水溶液を含む薬液を前記多孔質膜に通過させる工程であり、
前記リンス工程は、膜面積1m2あたり10L以下のリンス水を使用する工程であり、
前記リンス工程後、ろ過工程を再開した際の、ろ過水のpHが9以下であり、
前記ろ過工程、前記洗浄工程、前記リンス工程を、20回繰り返した後のフラックスL20が、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、以下の式:
105%≧L‘20/L0×100≧80%
で表される関係を有することが好ましい。
<ろ過方法>
本実施形態のろ過方法は、樹脂から形成される多孔性中空糸膜(本発明の多孔質膜に相当する)に被ろ過液を通過させてろ過するろ過工程と、そのろ過工程の後、多孔性中空糸膜の膜内部を洗浄する洗浄工程とを有する。
本明細書中において、「膜内部」とは、多数の細孔が形成されている膜厚(肉厚)部を指す。
本実施形態のろ過方法に用いる多孔性中空糸膜は、多孔性中空糸膜の内側表面に直交する膜厚方向における膜断面のSEM画像における、その内側表面を含む視野、多孔性中空糸膜の外側表面を含む視野、及びこれらの視野の間を等間隔で撮影した2視野の合計4視野の各領域において、1μm2以下の面積を有する樹脂部の面積の合計が、その樹脂部の総面積に対して70%以上であるもの;同各領域において、10μm2以上の面積を有する樹脂部の面積の合計が、樹脂部の総面積に対して15%以下であるもの;同各領域において、1μm2以下の面積を有する樹脂部の面積の合計が、樹脂部の総面積に対して70
%以上であり、かつ、10μm2以上の面積を有する樹脂部の面積の合計が、該樹脂部の総面積に対して15%以下であるもの;のいずれかである。好ましくは、同各領域において、1μm2以下の面積を有する樹脂部の面積の合計が、樹脂部の総面積に対して70%以上であり、1μm2超10μm2未満の面積を有する樹脂部の面積の合計が、樹脂部の総面積に対して15%以下であり、かつ、10μm2以上の面積を有する樹脂部の面積の
合計が、樹脂部の総面積に対して15%以下であるものである。
本明細書中、「樹脂部」とは、多孔質膜において多数の孔を形成する、樹脂から構成される3次元網目構造の樹状骨格部分である。図1に黒色で示す部分が樹脂部であり、白色の部分が孔である。
多孔性中空糸膜を構成する樹脂は、好ましくは熱可塑性樹脂であり、フッ素樹脂がより好ましい。フッ素樹脂としては、フッ化ビニリデン樹脂(PVDF)、クロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン樹脂、エチレン−テトラフルオロエチレン共重
合体(ETFE)、エチレン−モノクロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ヘキサフルオロプロピレン樹脂、及びこれら樹脂の混合物からなる群から選ばれるものが挙げられる。
これらの溶剤は、熱分解GC−MS(ガスクロマトグラフィー質量分析法)により検出することが可能である。
引張破断伸度の初期値は60%以上であることが好ましく、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは100%以上、とくに好ましくは120%以上である。引張破断伸度は後述の実施例における測定方法により測定することができる。
多孔性中空糸膜としては、ろ過工程開始時の多孔性中空糸膜のフラックスL0と、洗浄工程後の多孔性中空糸膜のフラックスL1との関係は、105%≧L1/L0×100≧95%であることが好ましい。
前記洗浄工程は、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、フラックスが50%以下となった際に、4%以上の水酸化ナトリウムの水溶液を含む薬液を前記多孔質膜に通過させる工程であり、
前記リンス工程は、膜面積1m2あたり10Lのリンス水を使用する工程であり、
前記リンス工程後、ろ過工程を再開した際の、ろ過水のpHが9以下であり、
前記ろ過工程、前記洗浄工程、前記リンス工程を、20回繰り返した後のフラックスL20が、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、以下の式:
105%≧L20/L0×100≧80%
で表される関係を有することが好ましい。
次に、多孔性中空糸膜の製造方法について説明する。但し、本実施形態のろ過方法に用いられる多孔性中空糸膜の製造方法は、以下の製造方法に限定されないものではない。
本実施形態のろ過方法に用いられる多孔性中空糸膜の製造方法は、(a)溶融混練物を準備する工程と、(b)溶融混練物を多重構造の紡糸ノズルに供給し、紡糸ノズルから溶融混練物を押し出すことによって中空糸膜を得る工程と、(c)可塑剤を中空糸膜から抽出する工程とを備える。溶融混練物が添加剤を含む場合には、多孔性中空糸膜10の製造方法は、工程(c)の後に、(d)添加剤を中空糸膜から抽出する工程を備える。
はない。実施例、比較例における各物性値は以下の方法で各々求めた。
多孔性中空糸膜を、カミソリを用いて薄くスライスし、100倍拡大鏡にて、外径と内径を測定した。一つのサンプルについて、30mm間隔で60箇所の測定を行った。そして、その平均値を膜の外形及び内径とした。
多孔性中空糸膜をその長さ方向に直交する方向に円環状に裁断し、10%リンタングステン酸+四酸化オスミウム染色を実施し、エポキシ樹脂に包埋した。次いでトリミング後、試料断面にBIB加工を施して平滑断面を作製し、導電処理を施して検鏡試料を作製した。作製した検鏡試料を、HITACHI製電子顕微鏡SU8000シリーズを使用し、加速電圧1kVで膜の断面の電子顕微鏡(SEM)画像を5,000〜10,000倍で膜厚(肉厚部)断面を内表面から外表面に等間隔で4カ所撮影した。具体的には、膜厚(肉厚部)断面の内側表面を含む視野、該膜の外側表面を含む視野、及びこれらの視野の間を等間隔で撮影した2視野の合計4視野の各領域(図2A〜図2Dにおける丸1〜丸4)内で所定の視野で撮影した。平均孔径に応じて倍率を変えて測定することができ、具体的には、平均孔径が0.1μm以上の場合には、5000倍、平均孔径が0.05μm以上0.1μm未満の場合には、10,000倍、平均孔径が0.05μm未満の場合には、30,000倍とした。尚、視野のサイズは、2560×1920ピクセルとした。
画像処理には、ImageJを用い、撮影したSEM画像に対してThreshold処理(Image−Adjust−Treshold:大津法(Otsuを選択))を施すことより、孔の部分と樹脂部とで二値化した。
尚、二値化処理を施す際のノイズ除去については、0.1μm2未満の面積の樹脂部をノイズとして除去し、0.1μm2以上の面積の樹脂部を分析対象とした。また、ノイズ除去は、メディアンフィルタ処理(Process−Filters−Median:Radius:3.0pixels)を施すことによって行った。
SEM画像の端で切れている粒状の樹脂部についても計測対象とした。「Incude Holes」(穴をうめる)の処理は行わなかった。「雪だるま」型を「扁平」型などに形状を補正する処理は行わなかった。
多孔性中空糸膜をエタノール浸漬した後、純水浸漬を数回繰り返した約10cm長の湿潤中空糸膜の一端を封止し、他端の中空部内に注射針を挿入し、25℃の環境下にて注射針から0.1MPaの圧力で25℃の純水を中空部内に注入し、外表面から透過してくる純水量を測定し、下記式:
純水フラックス[L/m2/h]=60×(透過水量[L])/{π×(膜外径[m])×(膜有効長[m])×(測定時間[min])}
により純水フラックスを決定し、透水性を評価した。
尚、ここで膜有効長とは、注射針が挿入されている部分を除いた、正味の膜長を指す。
懸濁水ろ過時の透水性能保持率は、目詰まり(ファウリング)による透水性能劣化の程度を判断するための1指標である。エタノール浸漬した後、純水浸漬を数回繰り返した湿潤中空糸膜を、膜有効長11cmにて外圧方式によりろ過を行った。まず、純水を、膜外表面積1m2当たり1日当たり10m3透過するろ過圧力にてろ過を行って透過水を2分間採取し、初期純水透水量とした。次いで、懸濁水(東京湾川崎港から採取した天然の海水:濁度2.2、TOC濃度2.4ppm)を、初期純水透水量を測定したときと同じろ過圧力にて10分間ろ過を行い、ろ過8分目から10分目までの2分間透過水を採取し、懸濁水ろ過時透水量とした。懸濁水ろ過時の透水性能保持率を、下記式:
懸濁水ろ過時の透水性能保持率[%]=100×(懸濁水ろ過時透水量[g])/(初期純水透水量[g])
で定義した。尚、操作は全て、25℃、膜面線速0.5m/秒で行い、式中の各パラメーターは下記式で算出されるものであった。
ろ過圧力={(入圧)+(出圧)}/2
膜外表面積[m2]=π×(糸外径[m])×(膜有効長[m])
膜面線速[m/s]=4×(循環水量[m3/s])/{π×(チューブ径[m])2−π×(膜外径[m])2}
引張り破断時の荷重と変位を以下の条件で測定した。
JIS K7161の方法に従い、サンプルには多孔性中空糸膜をそのまま用いた。
測定機器:インストロン型引張試験機(島津製作所製AGS-5D)
チャック間距離:5cm
引張り速度:20cm/分
得られた結果から引張破断伸度は、JIS K7161に従って算出した。
前記(4)で行った懸濁水のろ過工程後、多孔性中空糸膜を10cmにカットし、20本を500mlの4%水酸化ナトリウム水溶液に浸漬させ、10日間40℃に保持した。水酸化ナトリウムに浸漬前後の膜の引張破断伸度をn20で測定し、その平均値を算出した。NaOH浸漬後伸度保持率を、以下の式:
NaOH浸漬後伸度保持率=(浸漬後の引張破断伸度)/(浸漬前の引張破断伸度)×100
で定義し、アルカリ耐性を評価した。尚、浸漬前の引張破断伸度は、洗浄工程前における引張破断伸度に相当し、浸漬後の引張破断伸度は、洗浄工程後の引張破断伸度に相当する。
また、上述した懸濁水のろ過工程後(初期フラックスL0に対し、フラックスが50%以下となった後)、上述した4%水酸化ナトリウム水溶液への中空糸膜の浸漬し通過させる洗浄工程、膜面積1m2あたり10Lのリンス水を使用したリンス工程の後、再度ろ過した際のpHを測定し、9以下となっているかを確認した。
また、上述のろ過工程後、洗浄工程、膜面積1m2あたり10Lのリンス水を使用したリンス工程の後、再度ろ過するサイクルを20回繰り返した後のフラックスをL‘20とし、L‘20/L0×100を「20サイクル繰り返し後の透水量保持率」として算出した。
サイクルを20回繰り返した後の伸度E‘20についても測定し、引張破断伸度の初期値(浸漬前の引張破断伸度)E0との比、E‘20/E0×100を「20サイクル繰り返し後の伸度保持率」として算出した。
2重管構造の紡糸ノズルを用いて、実施例1の多孔性中空糸膜を得た。溶融混練物として、熱可塑性樹脂としてPVDF樹脂(クレハ社製、KF−W#1000)40質量%と、微粉シリカ(一次粒径:16nm)23質量%と、非溶剤としてアジピン酸ビス2−エチルヘキシル(DOA)32.9質量%、貧溶剤としてアセチルクエン酸トリブチル(ATBC, 沸点343℃)4.1質量%の溶融混練物を調製した。溶融混連物の温度は、240℃程度であった。
また、ろ過、洗浄、リンス(10L/m2のリンス水)後のpHを測定し、毎回pH9以下であることを確認した。
2重管構造の紡糸ノズルを用いて、実施例2の多孔性中空糸膜を得た。熱可塑性樹脂としてETFE樹脂(旭硝子社製、TL−081)40質量%と、微粉シリカ(一次粒径:16nm)23質量%と、非溶剤としてアジピン酸ビス2−エチルヘキシル(DOA)32.9質量%、貧溶剤としてアジピン酸ジイソブチル(DIBA)4.1質量%の溶融混練物を調製した。
また、ろ過、洗浄、リンス(10L/m2のリンス水)後のpHを測定し、毎回pH9以下であることを確認した。
2重管構造の紡糸ノズルを用いて、実施例3の多孔性中空糸膜を得た。溶融混練物として、熱可塑性樹脂としてECTFE樹脂(ソルベイスペシャルティポリマーズ社製、Halar901)40質量%と、微粉シリカ(一次粒径:16nm)23質量%と、非溶剤としてトリフェニル亜リン酸(TPP)32.9質量%、貧溶剤としてアジピン酸ビス2−エチルヘキシル(DOA)4.1質量%の溶融混練物を調製した。
また、ろ過、洗浄、リンス(10L/m2のリンス水)後のpHを測定し、毎回pH9以下であることを確認した。
溶剤をATBCのみとしたこと以外は、実施例1と同様にして製膜し、比較例1の中空糸膜を得た。表2に、得られた比較例1の多孔質膜の配合組成及び製造条件並びに各種性能を示す。膜構造は、球晶構造を示した。また、透水性が低く、連通性の低い膜であることが分かった。また、耐薬品性能であるNaOH浸漬後伸度保持率は、30%であり、低い値であった。
また、ろ過、洗浄、リンス(10L/m2のリンス水)後のpHを測定したが、pH9にはならず、追加のリンス水を用いたリンス工程によりpH9以下となった。
シリカを0%とし、溶剤をγ-ブチロラクトンのみとしたこと以外は、実施例1と同様にして製膜し、比較例2の中空糸膜を得た。表2に、得られた比較例2の多孔質膜の配合組成及び製造条件並びに各種性能を示す。膜構造は、球晶構造を示した。また、透水性が低く、連通性の低い膜であることが分かった。また、耐薬品性能であるNaOH浸漬後伸度保持率は、30%であり、低い値であった。
また、ろ過、洗浄、リンス(10L/m2のリンス水)後のpHを測定したが、pH9にはならず、追加のリンス水を用いたリンス工程によりpH9以下となった。
優れ、かつ、高効率なろ過操作が提供される。
Claims (9)
- 樹脂から形成される多孔質膜に被ろ過液を通過させてろ過するろ過工程と、前記ろ過工程の後、前記多孔質膜の膜内部を洗浄する洗浄工程とを有するろ過方法であって、
前記膜内部の断面における全ての視野において、前記各視野に含まれる0.1μm 2 以上1μm2以下の面積を有する樹脂部の面積割合が、前記各視野に含まれる全樹脂部の総面積に対して70%以上であり、かつ、1μm 2 超10μm 2 未満の面積を有する樹脂部の面積の合計が、該樹脂部の総面積に対して2%以上30%以下であり、かつ、前記各視野に含まれる10μm2以上の面積を有する樹脂部の面積割合が、前記各視野に含まれる全樹脂部の総面積に対して15%以下であり、かつ、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、エチレン、及びヘキサフルオロプロピレンからなる群から選ばれるポリマー又は該ポリマーの混合物であるフッ素樹脂から構成される多孔質膜を用い、かつ、
前記洗浄工程が、1%以上の水酸化ナトリウムの水溶液を前記多孔質膜に通過させる工程を含むろ過方法。 - 前記洗浄工程において使用する水酸化ナトリウムの水溶液の濃度が、2%以上である請求項1に記載のろ過方法。
- 前記洗浄工程において使用する水酸化ナトリウムの水溶液の濃度が、4%以上である請求項1又は2に記載のろ過方法。
- 前記洗浄工程前における前記多孔質膜の伸度E0と、前記洗浄工程後における前記多孔質膜の伸度E1との関係が、E1/E0×100≧80%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のろ過方法。
- 前記ろ過工程開始時の前記多孔質膜のフラックスL0と、前記洗浄工程後の前記多孔質膜のフラックスL1との関係が、105%≧L1/L0×100≧95%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のろ過方法。
- 前記洗浄工程前における前記多孔質膜の伸度E0と、前記洗浄工程をX(Xは100以下の自然数)回繰り返した後における前記多孔質膜の伸度EXとの関係が、EX/E0×100≧70%である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のろ過方法。
- 前記多孔質膜が、中空糸膜である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のろ過方法。
- 前記ろ過工程開始時の前記多孔質膜のフラックスL0と、前記洗浄工程をX(Xは100以下の自然数)回繰り返した後における前記多孔質膜のフラックスLXとの関係が、110%≧LX/L0×100≧90%である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のろ過方法。
- 前記洗浄工程の後に、前記多孔質膜の膜内部に残存する洗剤を排出するリンス工程をさらに含み、
前記洗浄工程は、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、フラックスが50%以下となった際に、4%以上の水酸化ナトリウムの水溶液を含む薬液を前記多孔質膜に通過させる工程であり、
前記リンス工程は、膜面積1m2あたり10L以下のリンス水を使用する工程であり、
前記リンス工程後、ろ過工程を再開した際の、ろ過水のpHが9以下であり、
前記ろ過工程、前記洗浄工程、前記リンス工程を、20回繰り返した後のフラックスL20が、前記多孔質膜の初期フラックスL0に対し、以下の式:
105%≧L‘20/L0×100≧80%
で表される関係を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のろ過方法。
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