JP7383851B2 - 中空糸膜の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、中空糸膜の製造方法に関する。
精密ろ過膜、限外ろ過膜など多孔質膜を用いたろ過技術は、医薬分野、浄水分野あるいは食品産業における除菌や半導体産業における超純水製造など多くの分野で実用化されている。例えば、浄水分野で用いられる多孔質膜は、上水の除菌に加え、下水分野における除菌、除濁にも応用されている。このような分野で用いられる多孔質膜としては、耐熱性、耐薬品性、力学的特性、成形性にすぐれているポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのポリスルホン系多孔質膜が広く用いられている。
浄水分野に用いられる多孔質膜のろ過性能として、透水性能および分離性能が求められている。これら透水性能および分離性能は、膜の表面構造や内部構造で決定され、多孔質膜の製造方法に大きく依存している。例えば、特許文献1には、中空糸膜の表面において、孔の短径と長径を所望の範囲に制御することで、ウイルス除去性能と透水性能の両立化を図ることが開示されている。
透水性能および分離性能に優れた膜の製造方法として、相分離を利用する方法が広く知られている。例えば、特許文献2に記載されている非溶媒誘起相分離法や、特許文献3に記載されている熱誘起相分離法等の液体相分離を利用した方法が知られている。
このような非溶媒誘起相分離法や熱誘起相分離法では、中空糸膜の原料となる疎水性の樹脂と、当該樹脂に親水性を付与する親水性高分子物質と、これらを溶解させる水溶性有機溶媒を主に含有する紡糸原液を、芯液と共に二重環ノズルを介して凝固浴中に吐出し、その後、洗浄処理を行うことにより中空糸膜が作製される。しかしながら、これらの製膜方法では、紡糸原液中に一定量の有機溶媒が含まれるため、製膜後の中空糸膜中に使用した有機溶媒が残存してしまうおそれがある。特に、樹脂としてポリスルホン系樹脂を使用する場合、ポリスルホンの骨格内部に含まれている有機溶媒は水等による洗浄だけで完全に除去することは困難である。
また、近年の浄水器膜モジュールにおいては、有機溶媒等の不純物の溶出に対してより高いクリーン性が要求されている。特に、アメリカ、ヨーロッパ等の主要先進国が国の基準として定める浄水器の国際基準としてのNSF認証においては、各種物質の溶出基準が設けられており、ppbオーダーの非常に低濃度の基準が定められている。例えば、上述の製膜方法において、紡糸原液の水溶性有機溶媒として一般的に用いられるN,N-ジメチルホルムアミドの基準値は90ppb以下であり、N,N-ジメチルアセトアミドの基準値は2000ppb以下である。
特許文献1~3には、得られた中空糸膜の透過性能等の特性については開示されているものの、中空糸膜中に残存する有機溶媒成分については言及されてない。そのため、中空糸膜中に残存する有機溶媒の濃度をより低減させ、高水準な安全性を確保できる中空糸膜の開発が望まれている。
特開2014-073487号公報 特開2017-051880号公報 特開2013-144264号公報
本発明は、中空糸膜中に残存する有機溶媒を低減し、安全性の高い中空糸膜の製造方法を提供する。
本発明の実施態様に係る中空糸膜の製造方法は、10質量%以上40質量%以下のポリスルホン系樹脂、1質量%以上30質量%以下のポリビニルピロリドン、および1質量%以上80質量%以下のN,N-ジメチルホルムアミドを含有する紡糸原液を、芯液と共に二重環ノズルより吐出し、乾湿式紡糸により中空糸膜を作製した後、前記中空糸膜を80℃以上100℃以下の温度で48時間以上168時間以下乾熱処理する。
本発明の一実施態様において、前記芯液は30質量%以上100質量%以下のN,N-ジメチルホルムアミドを含有する。
本発明の一実施態様において、前記ポリスルホン系樹脂はポリスルホン樹脂である。
本発明の一実施態様において、前記乾熱処理後に中空糸膜中に残存するN,N-ジメチルホルムアミドの濃度は10ppm以下である。
本発明の一実施態様において、前記乾熱処理後に水中に浸漬した中空糸膜から溶出されるN,N-ジメチルホルムアミドの濃度は90ppb以下である。
本発明の一実施態様において、前記乾熱処理前に、紡糸した中空糸膜を温水で洗浄する。
本発明によれば、中空糸膜中に残存する有機溶媒を低減し、安全性の高い中空糸膜の製造方法を提供することができる。
図1は、実施例で作製した各サンプルにおいて、乾燥時間と中空糸膜中に残存するN,N-ジメチルホルムアミドの濃度との関係を示すグラフである。 図2は、N,N-ジメチルホルムアミドの蒸気圧曲線を示すグラフである。 図3は、水による洗浄時間と中空糸膜から溶出されるN,N-ジメチルホルムアミドの濃度との関係を示すグラフである。 図4は、乾熱処理を行っていない場合と、乾熱処理を行った場合における中空糸膜から溶出されるN,N-ジメチルホルムアミドの濃度を示すグラフである。
以下、本実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るポリスルホン中空糸膜の製造方法では、ポリスルホン系樹脂、ポリビニルピロリドンおよびN,N-ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」ともいう)をそれぞれ所定量含有する紡糸原液を、芯液と共に二重環ノズルより吐出し、乾湿式紡糸により中空糸膜を作製した後、得られた中空糸膜を80℃以上100℃以下の温度で48時間以上168時間以下乾熱処理する。すなわち、乾湿式紡糸で得られた中空糸膜を所定の温度で所定の時間加熱処理することで、中空糸膜中に残存するDMFを除去し、実質的に溶媒フリーの中空糸膜の製造が可能となる。例えば、従来の非溶媒誘起相分離法で形成された中空糸膜の三次元網目構造の表面および骨格内部には、紡糸原液中に含まれる水溶性有機溶媒が多く残存している。本実施形態では、この状態の中空糸膜を、使用する水溶性有機溶剤の蒸気圧曲線の変曲点以上の温度で乾熱処理することにより、中空糸膜中に残存し、さらには中空糸膜の骨格内部に含まれる水溶性有機溶剤、すなわちDMFの濃度をppbオーダーまで除去できる。その結果、中空糸膜中に残存する有機溶媒濃度が非常に低く、安全性の高い中空糸膜を作製することができる。
ポリスルホン系樹脂としては、例えば、ポリスルホン樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリールエーテルスルホン樹脂、ビスフェノールA型ポリスルホン樹脂などが挙げられ、好ましくはポリスルホン樹脂が用いられる。
ポリスルホン樹脂は、例えばソルベイスペシャルティポリマーズ社製のUdel(登録商標)シリーズ、BASF社製のUltrason(登録商標)Sシリーズ等の市販品を使用することができる。
紡糸原液中に含まれるポリスルホン系樹脂の含有量は、10質量%以上40質量%以下であり、12質量%以上25質量%以下であることが好ましい。ポリスルホン系樹脂の配合割合が10質量%以上であることにより、紡糸時における中空糸膜の強度の低下を抑制し、さらには、中空糸膜の形成がし易くなり、紡糸をより確実に行うことができる。また、ポリスルホン系樹脂の配合割合が40質量%以下であることにより、中空糸膜に孔が形成し易くなるため、透水性能の低下を抑制できる。
ポリスルホンを紡糸(製膜)成分とする紡糸原液には、さらにポリビニルピロリドンおよびDMFが配合される。
ポリビニルピロリドンは親水性高分子物質として添加される。ポリビニルピロリドンの重量平均分子量(Mw)は1000以上1200000以下であることが好ましく、10000以上120000以下であることがより好ましい。このようなポリビニルピロリドンとして、例えば、BASF社製の「PVP K-30」等の市販品が挙げられる。紡糸原液中に含まれるポリビニルピロリドンの含有量は、1質量%以上30質量%以下であり、5質量%以上20質量%以下であることが好ましい。ポリビニルピロリドンの配合割合が1質量%以上であることにより、中空糸膜に十分な親水性を付与することができ、さらには、中空糸膜の孔径が小さくなることを防止し、透水性能の低下を抑制できる。また、ポリビニルピロリドンの配合割合が30質量%以下であることにより、紡糸原液が安定であるため、白濁化を抑制し、紡糸をより確実に行うことができる。
DMFは、ポリスルホン系樹脂を溶解させる水溶性有機溶媒として添加される。紡糸原液中に含まれるDMFの含有量は、特に限定されるものではないが、1質量%以上80質量%以下であることが好ましく、50質量%以上75質量%であることがより好ましい。
紡糸原液は、必要に応じて水をさらに含んでいてもよく、1質量%以下、好ましくは0.3質量%以上1質量%以下の水を配合することができる。
中空糸膜の製膜は、上述の各成分を含有する紡糸原液を、芯液と共に二重環ノズルより吐出し、乾湿式紡糸により行われる。その際、芯液は、30質量%以上100質量%以下のDMFを含有することが好ましい。芯液が溶液として用いられる場合、さらに水を含む水溶液として用いられる。芯液として濃度が30質量%以上100質量%以下であるDMFを使用することにより、中空糸膜の透水性能を向上させることが可能となる。吐出された紡糸原液は水等の凝固浴中で凝固された後、水等の洗浄浴中で洗浄される。
得られた中空糸膜は、80℃以上100℃以下の温度で48時間以上168時間以下乾熱処理する。乾熱処理は、例えば精密恒温器を用いて実施することができる。乾熱処理における加熱温度が80℃以上100℃以下の範囲内であり、かつ加熱時間が48時間以上168時間以下であることにより、中空糸膜中に残存するDMFを著しく低減させることができ、安全性の高い中空糸膜の製造方法を提供することができる。また、乾熱処理前に、紡糸した中空糸膜を温水で洗浄してもよく、この場合、オートクレーブ等を用いて121℃以上125℃以下の温度の加圧水中下で、1時間以上2時間以下洗浄する。
DMFは、引火点が低く有毒性のある液体であるため、中空糸膜中に残存するDMFの濃度をできるだけ高水準のレベルまで低減させる必要がある。具体的には、作業環境測定基準における管理濃度は10ppm以下であり、NSF認証における溶出基準値は90ppb以下であることが定められている。そのため、乾熱処理後に中空糸膜中に残存するDMFの濃度は10ppm以下であることが好ましく、また、乾熱処理後に水中に浸漬した中空糸膜から溶出されるDMFの濃度は、90ppb以下であることが好ましい。
乾熱処理における加熱温度の下限値は、紡糸原液に含まれるDMFの蒸気圧曲線の変曲点における温度に依存する。図2は、DMFの蒸気圧曲線を表すグラフであり、変曲点における温度は約70℃であることが示されている。乾熱処理における加熱温度が80℃以上であることにより、DMFの蒸気圧曲線における変曲点の温度より高いため、DMFが揮発し易くなり所望とする濃度までDMFを低減させることができる。また、乾熱処理における加熱温度が100℃以下であることにより、親水性高分子物質として使用しているポリビニルピロリドンの架橋を防止し、分離性能、透水性能等の中空糸膜の特性が大きく変化してしまうことを抑制できる。また、乾熱処理における加熱時間が48時間以上であることにより、DMFの蒸気圧曲線における変曲点以上の温度において、所望とする濃度までDMFをより確実に低減させることができる。一方、乾熱処理における加熱時間が168時間を超えても、残存するDMFの濃度が一定となるため、効率性の観点から乾熱処理における加熱時間の上限値は168時間以下である。なお、乾熱処理における加熱温度が100℃である場合、加熱時間が24時間以上であっても所望とする濃度までDMFを低減させることができる。
中空糸膜の平均孔径は特に限定されるものではないが、例えば、20nm以上200nm以下である。
本実施形態に係る中空糸膜は、中空糸膜中に残存するDMFの濃度が著しく低く、安全性の高いため、例えば、中空糸膜モジュールに適用することができ、特に浄水器用中空糸膜モジュールへの適用に好適である。
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り、これらの例に限定されるものではない。また、特に言及がない限り、室温とは20℃±5℃の範囲内であるとする。
(実施例1)
ポリスルホン(「Ultrason(登録商標)S3010」、BASF社製)19質量%、ポリビニルピロリドン(「PVP K-30」、BASF社製)9質量%およびDMF72質量%を含む紡糸原液を室温にて調製した。
得られた紡糸原液を、DMF60質量%および水40質量%を含む芯液を用いて、乾湿式紡糸法により二重環状ノズルから水凝固浴中に吐出し、中空糸膜を得た。その後、得られた中空糸膜を、精密恒温器(「DFS810」、ヤマト科学社製)により80℃で48時間乾熱処理した。
作製した中空糸膜について、下記の測定を2回行った。その結果を図1に示す。
<中空糸膜中に残存するDMF測定>
GC-MS(島津製作所社製)を用いて、中空糸膜中に残存するDMFを測定した。中空糸膜中のDMF濃度が10ppm以下であれば、作業環境測定基準における管理濃度を満たすため、安全性の高い中空糸膜が得られていると評価した。
(実施例2)
乾熱処理において、加熱時間を72時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。なお、DMF測定の結果が2回とも同じであったため、図1において対応するプロットも重複している。
(実施例3)
乾熱処理において、加熱時間を96時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(実施例4)
乾熱処理において、加熱時間を168時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(実施例5)
乾熱処理において、加熱温度を100℃とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(実施例6)
乾熱処理において、加熱時間を72時間とした以外は、実施例5と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(実施例7)
乾熱処理において、加熱時間を96時間とした以外は、実施例5と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(実施例8)
乾熱処理において、加熱時間を120時間とした以外は、実施例5と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例1)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を24時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例2)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を48時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例3)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を72時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例4)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を96時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例5)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を120時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(比較例6)
乾熱処理において、加熱温度を70℃とし、かつ加熱時間を168時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
(参考例1)
乾熱処理を行わず、紡糸後の中空糸膜に対して上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。なお、便宜上、図1では各加熱温度(70℃、80℃、100℃)が0時間である場合におけるDMF濃度を示す。
(参考例2)
乾熱処理において、加熱温度を100℃とし、かつ加熱時間を24時間とした以外は、実施例1と同様にして中空糸膜を作製して、上記の測定および評価を行った。その結果を図1に示す。
図1に示されるように、所定の成分を含む紡糸原液を用いて作製した中空糸膜を80℃以上100℃以下の温度で48時間以上168時間以下乾熱処理することにより、中空糸膜中に残存するDMFの濃度は10ppm以下まで低減した。そのため、実施例1~8における製造方法により、中空糸膜中に残存する有機溶媒を低減し、安全性の高い中空糸膜を作製することができた。特に、乾熱温度が高いほどDMFの除去効果も一層高まることが確認された。
一方、比較例1~6では、乾熱処理における加熱温度が80℃未満であるため、残存するDMFを所望とする濃度まで低減させることができず、高い安全性が確保された中空糸膜を作製することができなかった。
参考例1では、乾熱処理を行っていないため、中空糸膜中に約1050ppmのDMFが残存していた。一方、参考例2では、乾熱処理における加熱温度が100℃であるため、80℃の加熱温度よりもDMFの除去効果が高く、加熱時間が24時間であっても残存するDMFを所望とする濃度まで低減させることができた。
また、中空糸膜を浄水器用中空糸膜モジュールに適用し、中空糸膜モジュールから溶出されるDMF濃度を測定した。NSF認証におけるDMFの溶出基準値は90ppb以下であることが定められているため、中空糸膜から溶出されたDMF濃度が90ppb以下であれば、安全性の高い中空糸膜が得られていると評価した。
比較対象として、中空糸膜に乾熱処理を行う代わりに、一定時間通水(流量:3L/分)する洗浄処理を行った場合のDMF濃度を測定した。その結果を図3に示す。図3に示されるように、水洗浄を240分(4時間)以上行っても、NSF認証におけるDMFの溶出基準値(90ppb以下)を満たすことはできなかった。
中空糸膜に80℃で120時間および100℃で72時間の乾熱処理をそれぞれ行い、乾熱処理後の各中空糸膜を抽出試験ろ液中に浸漬し、ろ液から回収されるDMF濃度を測定した。参考として、乾熱処理を行っていないそのままの状態の中空糸膜についても抽出試験ろ液中に浸漬し、ろ液から回収されるDMF濃度を測定した。その結果を図4に示す。図4に示されるように、中空糸膜に乾熱処理を行うことにより、溶出されるDMF濃度はNSF認証におけるDMFの溶出基準値(90ppb)未満を達成した。そのため、本発明の製造方法により、浄水器分野の安全基準として非常に厳しい基準であるNSF認証においても、溶出基準値未満の中空糸膜を作製することができ、このような中空糸膜は、安全性および信頼性の高い浄水器用中空糸膜モジュールへの適用に有益である。

Claims (6)

  1. 10質量%以上40質量%以下のポリスルホン系樹脂、1質量%以上30質量%以下のポリビニルピロリドン、および1質量%以上80質量%以下のN,N-ジメチルホルムアミドを含有する紡糸原液を、芯液と共に二重環ノズルより吐出し、乾湿式紡糸により中空糸膜を作製した後、前記中空糸膜を80℃以上100℃以下の温度で48時間以上168時間以下乾熱処理することを特徴とする中空糸膜の製造方法。
  2. 前記芯液が、30質量%以上100質量%以下のN,N-ジメチルホルムアミドを含有する、請求項1に記載の中空糸膜の製造方法。
  3. 前記ポリスルホン系樹脂が、ポリスルホン樹脂である請求項1または2に記載の中空糸膜の製造方法。
  4. 前記乾熱処理後に中空糸膜中に残存するN,N-ジメチルホルムアミドの濃度が、10ppm以下である請求項1または2に記載の中空糸膜の製造方法。
  5. 前記乾熱処理後に水中に浸漬した中空糸膜から溶出されるN,N-ジメチルホルムアミドの濃度が、90ppb以下である請求項1または2に記載の中空糸膜の製造方法。
  6. 前記乾熱処理前に、紡糸した中空糸膜を温水で洗浄する請求項1または2に記載の中空糸膜の製造方法。
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