JP6931490B2 - 中空糸複合膜モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)外径が100μm以上800μm以下の中空糸膜の糸束から構成され、正味の中空糸膜充填率が20%以上60%以下である、外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法において、以下の(i)〜(vi)の工程を含むことを特徴とする製造方法:
(i)アニオン性官能基を含むポリマーからなる第一分離層を外表面に有する中空糸膜を作製する工程、
(ii)前記中空糸膜を巻き上げて糸束を作製する工程、
(iii)前記中空糸膜の糸束をハウジングに挿入する工程、
(iv)前記中空糸膜の糸束の少なくとも片方の端部を樹脂接着し、開口処理を行う工程、
(v)前記中空糸膜の外表面に、少なくとも1種類のカチオン性官能基またはアニオン性官能基を有する変性ポリビニルアルコール水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの吸着層からなる第二分離層を形成させる工程、及び
(vi)前記第二分離層に、アルデヒド類の水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの水酸基の一部をアセタール化する工程。
(2)前記第一分離層を構成するポリマーが、下記式(IV)で表される疎水性セグメントと、下記式(V)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする(1)に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。
上記式中、
であり、
であり、
であり、
であり、
YとWは同じものが選択されることはなく、
aおよびbはそれぞれ1以上の自然数を表し、
R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、
スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(IV)の繰り返し数と式(V)の繰り返し数の合計に対する式(V)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
(3)前記第一分離層を構成するスルホン化ポリマーが、下記式(I)で表される疎水性セグメントと、下記式(II)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。
上記式中、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を表し、R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(I)の繰り返し数と式(II)の繰り返し数の合計に対する式(II)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
(4)前記中空糸膜の第一分離層および第二分離層以外の中空糸膜の構成部分が、ポリフェニレンエーテルで構成されることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。
(5)外径が100μm以上800μm以下の中空糸膜の糸束から構成され、正味の中空糸膜充填率が、20%以上60%以下である、外圧ろ過式の中空糸膜モジュールにおいて、以下の(i)〜(iii)を満足することを特徴とする外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。
(i)中空糸膜の外表面に第一分離層と第二分離層が順に設けられていること、
(ii)第一分離層が、アニオン性官能基を含むポリマーから構成されていること、及び
(iii)第二分離層が、少なくとも1種類のカチオン性官能基またはアニオン性官能基を有する変性ポリビニルアルコールのアルデヒド架橋物から構成されていること。
(6)前記第一分離層を構成するポリマーが、下記式(IV)で表される疎水性セグメントと、下記式(V)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする(5)に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。
上記式中、
であり、
であり、
であり、
であり、
YとWは同じものが選択されることはなく、
aおよびbはそれぞれ1以上の自然数を表し、
R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、
スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(IV)の繰り返し数と式(V)の繰り返し数の合計に対する式(V)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
(7)前記第一分離層を構成するスルホン化ポリマーが、下記式(I)で表される疎水性セグメントと、下記式(II)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする(5)又は(6)に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。
上記式中、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を表し、R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(I)の繰り返し数と式(II)の繰り返し数の合計に対する式(II)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
(8)前記中空糸膜の第一分離層および第二分離層以外の中空糸膜の構成部分が、ポリフェニレンエーテルで構成されることを特徴とする(5)〜(7)のいずれかに記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。
(i)アニオン性官能基を含むポリマーからなる第一分離層を外表面に有する中空糸膜を作製する工程、
(ii)前記中空糸膜を巻き上げて糸束を作製する工程、
(iii)前記中空糸膜の糸束をハウジングに挿入する工程、
(iv)前記中空糸膜の糸束の少なくとも片方の端部を樹脂接着し、開口処理を行う工程、
(v)前記中空糸膜の外表面に、少なくとも1種類のカチオン性官能基またはアニオン性官能基を有する変性ポリビニルアルコール水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの吸着層からなる第二分離層を形成させる工程、及び
(vi)前記第二分離層に、アルデヒド類の水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの水酸基の一部をアセタール化する工程。
上記式中、
であり、
であり、
であり、
であり、
YとWは同じものが選択されることはなく、
aおよびbはそれぞれ1以上の自然数を表し、
R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、
スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(IV)の繰り返し数と式(V)の繰り返し数の合計に対する式(V)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
上記式中、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を表し、R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(I)の繰り返し数と式(II)の繰り返し数の合計に対する式(II)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
(充填率)=100×NLHπRH 2/(LMSM)(vol%)
N:中空糸本数、LH:中空糸膜の平均有効長さ、RH:中空糸膜の外半径、LM:ろ過室の長さ、SM:ろ過室の平均断面積
ここで、LHは、ろ過室内において供給液と接触する中空糸膜有効部分の長さの平均値であり、樹脂接着部は除く。LMは樹脂接着部を除き、中空糸膜が充填された正味のろ過室の長さである(図3〜5にLMを例示する)。SMは中空糸膜部を含むろ過室の断面積について、容器壁、芯管部、仕切り板、液の導入配管部等の中空糸膜以外の部材の断面積を全て除いた後の、長さLMの範囲での平均値である。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸支持膜のポリマーとして、三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製のポリフェニレンエーテルPX100L(以下、PPEと略す。)を準備した。PPEが20質量%となるように、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略す。)を加えて混練しながら、130℃で溶解させて、均一な製膜原液を得た。
上記の式(I)で表される疎水性セグメントと上記の式(II)で表される親水性セグメントの繰り返し構造を有するSPAEを以下のようにして準備した。
以下のように、図3に示すタイプのモジュールを作製した。上述の中空糸膜を70,000本平行に束ねた糸束1本を準備し、糸束の片方の端部を切断し、開口面をポリオレフィンのホットメルトにより目詰めした。この端部を内径80mmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の容器に収めて、これにエポキシ樹脂を充填して固めた後、離型して接着端(A11)を得た。
さらに上述の糸束の周囲を、厚さ50μmのPTFEフィルムで巻いて外面を保護した状態にして、2箇所の供給液入出口(A4,A5)を備えた内径100mm、長さ1,000mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器に充填した。その後、PTFEフィルムを引き抜いた。続いて、円筒容器を立てた状態で固定して、接着端(A11)を上側、もう片方の端部を下側にした状態で、円筒容器下部からエポキシ樹脂を流し込み、端部接着を行い、接着端(A2)を得た。開口端部(A1)は、樹脂硬化後に、中空糸膜が開口するように切削加工を行った。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに900mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は7,000m2/m3であった。このモジュールにキャップ(A9)を上下取り付けて、第一分離層を有する中空糸膜モジュールを作製した。
このように作製されたモジュールに、下端の導入口(A12)からエタノールを充填し、親水化処理を2時間行った。その後、上部出口(A5)からエタノールを追い出しつつ、純水を導入し、置換処理を行った。その後、さらに2barの圧力にて、純水でクロスフロー運転を行い、膜中のエタノールを完全に除去した。
この含水状態のモジュールについて、上部出口(A5)から純水を追い出しつつ、CPVA(クラレ製CM318)を純水に溶解させた0.1wt%水溶液をモジュール内に充填した。30分間静置して吸着処理を行った後、純水に置換しながら5分間リンスを行った。その後、APVA(日本合成化学製CKS50)を純水に溶解させた0.1wt%水溶液をモジュール内に充填した。30分間静置して吸着処理を行った。純水に置換処理しながら5分間リンス処理を行った後、1wt%のグルタルアルデヒド(GA)水溶液(酸触媒として硫酸を加え、pH=1に調製)を充填し、20時間架橋処理を行った。モジュール内を十分純水で洗浄した後、全く同じ方法に基づいて、CPVAおよびAPVAの吸着処理およびグルタルアルデヒド架橋の処理サイクルをもう1回実施した。最後に十分純水で水洗して、第二分離層を有する中空糸膜モジュールを完成させた。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は520μm、膜厚は310μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは40L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、ディップコーティング速度と乾燥温度を微調整して、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは180nmであった。この時点で、純水フラックスは28L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は10%であった。
実施例1と同様にして、内径100mm、長さ1,000mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数19,200本の糸束を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに900mmであり、中空糸充填率は52vol%、比表面積は4,000m2/m3であった。
実施例1に同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は260μm、膜厚は170μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは83L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、ディップコーティング速度と乾燥温度を微調整して、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは150nmであった。この時点で、純水フラックスは42L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は11%であった。
実施例1と同様にして、内径100mm、長さ1,000mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数36,000本の糸束を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに900mmであり、中空糸充填率は24vol%、比表面積は3,700m2/m3であった。
実施例1に同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は670μm、膜厚は420μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは117L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、ディップコーティング速度と乾燥温度を微調整して、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは200nmであった。この時点で、純水フラックスは62L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は9%であった。
実施例1と同様にして、内径100mm、長さ1,000mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数12,400本の糸束を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに900mmであり、中空糸充填率は56vol%、比表面積は3,300m2/m3であった。
実施例1に同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は260μm、膜厚は170μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは83L/(m2・h・bar)であった。
下記の式(VI)で表される疎水性セグメントと下記の式(VII)で表される親水性セグメントの繰り返し構造を有するSPAEを以下のようにして準備した。まず3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(以下S−DCDPSと略す)30.000g、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(以下DCDPSと略す)70.936gを計り取り、S−DCDPSとDCDPSの仕込みモル比を20:80とした。さらに4,4’−ビフェノール56.386g、炭酸カリウム46.004g、およびモレキュラーシーブを四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。NMPを534g加えて、150℃で50分撹拌した後、反応温度を195℃〜200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた。その後、放冷し、放冷後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、純水で丁寧に水洗することで、残留した炭酸カリウムを完全に除去した。その後、炭酸カリウムを除去した後のポリマーを乾燥させることによって、目的物であるスルホン化度DS=20%の共重合SPAEを得た。
上記式中、aおよびb、R1およびR2については上記の式(IV)(V)で規定されているのと同じ意味を表す。
以下のように、図3タイプのモジュールを作製した。中空糸膜の本数1,100本を平行に束ねた糸束1本を準備し、糸束の片方のループ端部を紐で縛り、この端部を、内径10mmのPTFE製筒容器に収めて、これにエポキシ樹脂を充填して固めた後、離型して接着端(A11)を得た。次に糸束の周囲を、厚さ50μmのPTFEフィルムで巻いて外面を保護した状態にして、2箇所の供給液入出口(A4,A5)を備えた内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器に充填した。その後、PTFEフィルムを引き抜いた。続いて、円筒容器を立てた状態で固定して、接着端(A11)を上側、もう片方の端部を下側にした状態で、円筒容器下部からエポキシ樹脂を流し込み、端部接着を行い、接着端(A2)を得た。開口端部(A1)は、樹脂硬化後に、中空糸膜が開口するように切削加工を行った。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は6,800m2/m3であった。このモジュールにキャップ(A9)を上下取り付けて、第一分離層を有する中空糸膜モジュールを作製した。
実施例1に同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は260μm、膜厚は170μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは83L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、ディップコーティング速度と乾燥温度を微調整して、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは180nmであった。この時点で、純水フラックスは42L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は11%であった。
実施例5と同様にして、内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数1,100本の糸束を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は6,800m2/m3であった。
実施例1と同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
アルデヒド架橋剤として、1wt%オルトフタルアルデヒド(OPA)水溶液(酸触媒として硫酸を加え、pH=1に調製)を用いて架橋時間を10時間、架橋液温度を40℃としたこと以外は、実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、オルトフタルアルデヒドによる架橋処理を行った。ただし、2回目のOPA架橋処理後、モジュール内を純水で水洗してから、2%のフルクトース水溶液(水酸化ナトリウムpH=11に調製)をモジュール内に充填し、24時間放置して、膜内外のOPAの未反応アルデヒド基を還元糖であるフルクトースと反応させて、アルデヒド臭気が完全になくなるまで無毒化した。最後に純水で十分水洗し、モジュールを完成させた。
(SPAE中空糸膜の作製)
中空糸支持膜と第一分離層が、同一のSPAEで構成された非対称膜を以下のように作製した。まず、上記の式(I)で表される疎水性セグメントと上記の式(II)で表される親水性セグメントの繰り返し構造を有するSPAEを以下のようにして準備した。
SPAE中空糸膜は、乾燥すると膜性能が著しく低下したことから、製膜後、水洗されたウェット膜の状態のまま、以下のように、図3タイプのモジュールを作製した。含水状態のSPAE中空糸膜の本数2,200本を平行に束ねた糸束1本を準備し、乾燥しないように濡れた布巾で糸束を覆った。糸束の片方のループ端部をドライヤーで乾燥させて紐で縛り、この端部を、内径10mmのテフロン(登録商標)筒容器に収めて、これにエポキシ樹脂を充填して固めた後、離型して接着端(A11)を得た。次に糸束の周囲を、厚さ50μmのテフロン(登録商標)フィルムで巻いて外面を保護した状態にして、2箇所の供給液入出口(A4,A5)を備えた内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器に充填した。その後、テフロン(登録商標)フィルムを引き抜いた。続いて、円筒容器を立てた状態で固定して、接着端(A11)を上側、もう片方の端部を下側にして、同じくドライヤーで乾燥した端部に、円筒容器下部からエポキシ樹脂を流し込み、端部接着を行い、接着端(A2)を得た。開口端部(A1)は、樹脂硬化後に、中空糸膜が開口するように切削加工を行った。得られたモジュールの中空糸膜有効長およびろ過室長さLMは240mmであり、中空糸充填率は42vol%、比表面積は9,400m2/m3であった。このモジュールにキャップ(A9)を上下取り付けた後、純水をモジュール内に充填して、第一分離層(スキン層)を有するSPAE中空糸膜のモジュールを得た。
実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
(中空糸支持膜の作製)
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は260μm、膜厚は170μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは83L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、ディップコーティング速度と乾燥温度を微調整して、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは160nmであった。この時点で、純水フラックスは42L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は10%であった。
実施例5と同様にして、内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数1,100本の糸束を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は6,800m2/m3であった。
実施例1と同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
CPVAの種類を変更し、K434(日本合成化学製カチオン変性ポリビニルアルコール)を用いたこと以外は、実施例1と同一の方法で、CPVAおよびAPVAの吸着処理、グルタルアルデヒドによる架橋処理を行った。
以下のように、中空糸膜に第一分離層及び第二分離層を順に形成する処理を行ってから、モジュールを構成する手法を検討した。
実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は250μm、膜厚は150μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは43L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは160nmであった。この時点で、純水フラックスは30L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は11%であった。
この中空糸膜を用いて、長さ500mmの1,200本のループ状糸束を作製した。このループ糸束を、エタノールを満たしたバットに2時間浸漬し、純水に段階的に置換して、親水化・含水処理を行った。続いて、この糸束を、CPVA(クラレ製CM318)の0.1wt%水溶液を満たしたプラスチックタンクに浸漬し、30分間静置して吸着処理を行った後、純水を満たしたタンクに5分間浸漬してリンスを行った。その後、APVA(日本合成化学製CKS50)を純水に溶解させた0.1wt%水溶液を満たしたタンクに糸束を浸漬し、30分間静置して吸着処理を行った後、同様に純水タンク内で、5分間リンス処理を行った。次にドラフト内で、1wt%のグルタルアルデヒド(GA)水溶液(酸触媒として硫酸を加え、pH=1に調製)を満たしたタンクに、糸束を浸漬し、20時間架橋処理を行った。中空糸膜の糸束を十分水洗した後、CPVAおよびAPVAの吸着処理およびグルタルアルデヒド架橋の処理サイクルをもう1回実施した。最後に十分純水で水洗して、第二分離層を有する中空糸膜の糸束を得た。
上記の中空糸膜の糸束を一晩風乾させた糸束を準備した。実施例5と同じ手順で、内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は7,100m2/m3であった。
乾燥状態のモジュールを再度含水させるために、実施例1と同一の方法で、親水化処理・含水処理を行った。
以下のように、従来の溶液塗布法により、未変性のポリビニルアルコールから構成される第二分離層を形成して、モジュールを構成する手法を検討した。
実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は250μm、膜厚は150μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは43L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは160nmであった。この時点で、純水フラックスは30L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は11%であった。
第二分離層のポリマーとして、通常の未変性ポリビニルアルコール(シグマ−アルドリッチ、製品番号:363073、平均分子量31,000〜50,000、ケン化度87〜89%)を準備した。ポリビニルアルコール(PVA)を純水に溶解し、1.0重量%水溶液を調製して、これを浴槽に満たした。ワインダーに巻き取った中空糸膜を巻きだして、この浴槽にディップコート処理を行い、80℃で乾燥処理した。続いてこの中空糸膜を1%グルタルアルデヒド水溶液(酸触媒として硫酸を加えpH=2に調製)に導いて、含浸処理を行った後、垂直型の乾燥炉にて120℃で乾燥処理を行って、最後にワインダーに巻き取って、PVAの第二分離層を有する中空糸膜を得た。
上記の中空糸膜1200本の糸束を準備し、実施例5と同じ手順で、内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器を用いて、図3タイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は7,100m2/m3であった。SEMで観察を行ったところ、PVA分離層の厚みは180nmであった。
実施例1と同一の方法で、親水化処理・含水処理を行った。
以下のように、比較的高い分離性能を付与した第一分離層のみを有する中空糸膜を準備し、モジュールの作製を検討した。
中空糸の形状を変更したこと以外は、実施例1と同一の方法で、PPE中空糸支持膜を得た。PPE中空糸支持膜の外径は260μm、膜厚は170μmであった。純水透過試験を行ったところ、純水フラックスは83L/(m2・h・bar)であった。
実施例1と同一の方法で、乾燥温度を180℃として、SPAEからなる第一分離層を有する複数の複合分離膜を得た。SEMで観察した結果、第一分離層の厚みは160nmであった。この時点で、純水フラックスは1.5L/(m2・h・bar)、NaCl阻止率は72%であった。
実施例5と同様にして、内径13mm、長さ300mmのポリ塩化ビニル製の円筒容器、中空糸膜の本数1,100本の糸束を用いて、図3に示すタイプのモジュールを作製した。得られたモジュールの中空糸膜有効長LHおよびろ過室長さLMはともに240mmであり、中空糸充填率は44vol%、比表面積は6,800m2/m3であった。
実施例1と同様にして、膜の親水化処理と純水への置換処理を行った。
SPAEポリマーのスルホン化度DSは以下のように評価した。真空乾燥器で100℃、1晩乾燥させたポリマー20mgを、ナカライテスク社の重水素化DMSO(DMSO−d6)1mLに溶解させ、これをBRUKER AVANCE500(周波数500.13MHz、温度30℃、FT積算32回)にてプロトンNMR測定した。得られたスペクトルチャートにおいて、疎水性セグメントおよび親水性セグメントに含まれる各プロトンとピーク位置の関係を同定し、疎水性セグメントにおけるプロトンのうち独立したピークと、親水性セグメントにおけるプロトンのうち独立したピークの1個のプロトンあたりの積分強度の比から求めた。
3mm径または6mm径の孔を空けた3mm厚のSUS板の孔に、適量の中空糸膜を詰め、カミソリ刃でカットして断面を露出させた後、Nikon製の顕微鏡(ECLIPSE LV100)およびNikon製の画像処理装置(DIGITAL SIGHT DS−U2)およびCCDカメラ(DS−Ri1)を用いて、断面の形状を撮影し、画像解析ソフト(NIS Element D3.00 SP6)により、中空糸膜断面の外径および内径を、該解析ソフトの計測機能を用いて測定することで中空糸膜の外径および内径および厚みを算出した。
含水した状態の中空糸膜を液体窒素で凍結させ、割断し、風乾させて、その割断面にPtをスパッタリングし、(株)日立製作所製の走査型電子顕微鏡S−4800を用いて、加速電圧5kVで観察した。
実施例および比較例で作製したモジュールについて、供給水タンク、圧力ポンプからなるモジュール試験装置(内径13mmの小型モジュールについては、ほぼ同一構成の小型試験装置)に接続し、クロスフローにてろ過試験を実施した。評価圧力は5bar(0.5MPa),供給液温度は25℃に統一した。回収率はおおむね5%になるように供給液流量を調節した。分離試験の溶質として塩化ナトリウム(NaCl)、硫酸マグネシウム(MgSO4)、スクロース(分子量342)、グルコース(分子量180)をそれぞれ用いた。溶質濃度は全て1500mg/Lに調製した。約1時間ろ過運転を行った後、膜からの透過水量を試験装置の流量計で測定するとともに、透過液をサンプリングし、溶質濃度を測定した。
圧力あたり透水量は下記式より算出した。
FR[L/(m2・h・bar)]=透過水量[L]/膜面積[m2]/採取時間[分]/運転圧力[bar]
阻止率[%]=(1−ろ過液の導電率[μS/cm]/供給水溶液の導電率[μS/cm])×100
阻止率[%]=(1−ろ過液の糖濃度[mg/L]/供給水溶液の糖濃度[mg/L])×100
Claims (6)
- 外径が100μm以上800μm以下の中空糸膜の糸束から構成され、正味の中空糸膜充填率が20%以上60%以下である、外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法において、前記製造方法が、
(i)アニオン性官能基を含むポリマーからなる第一分離層を外表面に有する中空糸膜を作製する工程、
(ii)前記中空糸膜を巻き上げて糸束を作製する工程、
(iii)前記中空糸膜の糸束をハウジングに挿入する工程、
(iv)前記中空糸膜の糸束の少なくとも片方の端部を樹脂接着し、開口処理を行う工程、
(v)前記中空糸膜の外表面に、少なくとも1種類のカチオン性官能基またはアニオン性官能基を有する変性ポリビニルアルコール水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの吸着層からなる第二分離層を形成させる工程、及び
(vi)前記第二分離層に、アルデヒド類の水溶液を接触させ、変性ポリビニルアルコールの水酸基の一部をアセタール化する工程
を含み、
前記中空糸膜の第一分離層および第二分離層以外の中空糸膜の構成部分が、ポリフェニレンエーテルで構成されることを特徴とする外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。 - 前記第一分離層を構成するポリマーが、下記式(IV)で表される疎水性セグメントと、下記式(V)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする請求項1に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。
上記式中、
であり、
であり、
であり、
であり、
YとWは同じものが選択されることはなく、
aおよびbはそれぞれ1以上の自然数を表し、
R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、
スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(IV)の繰り返し数と式(V)の繰り返し数の合計に対する式(V)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。 - 前記第一分離層を構成するスルホン化ポリマーが、下記式(I)で表される疎水性セグメントと、下記式(II)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする請求項1又は2に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュールの製造方法。
上記式中、mおよびnはそれぞれ1以上の自然数を表し、R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(I)の繰り返し数と式(II)の繰り返し数の合計に対する式(II)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。 - 外径が100μm以上800μm以下の中空糸膜の糸束から構成され、正味の中空糸膜充填率が、20%以上60%以下である、外圧ろ過式の中空糸膜モジュールにおいて、前記中空糸複合膜モジュールが、
(i)中空糸膜の外表面に第一分離層と第二分離層が順に設けられていること、
(ii)第一分離層が、アニオン性官能基を含むポリマーから構成されていること、及び
(iii)第二分離層が、少なくとも1種類のカチオン性官能基またはアニオン性官能基を有する変性ポリビニルアルコールのアルデヒド架橋物から構成されていること
を満足し、
前記中空糸膜の第一分離層および第二分離層以外の中空糸膜の構成部分が、ポリフェニレンエーテルで構成されることを特徴とする外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。 - 前記第一分離層を構成するポリマーが、下記式(IV)で表される疎水性セグメントと、下記式(V)で表される親水性セグメントの繰り返し構造からなるスルホン化ポリアリーレンエーテルであることを特徴とする請求項4に記載の外圧ろ過式の中空糸複合膜モジュール。
上記式中、
であり、
であり、
であり、
であり、
YとWは同じものが選択されることはなく、
aおよびbはそれぞれ1以上の自然数を表し、
R1およびR2は、−SO3Mあるいは−SO3Hを表し、Mは金属元素を表し、
スルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体中の式(IV)の繰り返し数と式(V)の繰り返し数の合計に対する式(V)の繰り返し数の百分率割合として表されるスルホン化率が、5%よりも大きく、80%よりも小さい。
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