JPH0152043B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、中性非電解質物質（以下、中性物質
或いは非イオン性物質ともいう）を含む電解質溶
液から、イオン交換膜を用いる電気透析方法によ
り中性物質と電解質を効率よく分離する電気透析
方法に係る。 イオン交換膜は、電解質水溶液の濃縮、脱塩、
イオン性物質と非イオン性物質の分離等の電気透
析の分野；食塩電解あるいは有機電解反応の隔膜
としての利用；拡散透析、ドナン透析等の化学ポ
テンシヤル差に基づく分離等、各方面に相変化の
ない分離技術として工業的に広く利用されてい
る。特に相変化のない分離技術として、他の蒸
発、晶折等の分離技術に比較して省エネルギーで
あるので工業的に有用である。 イオン交換膜電気透析法利用の一例として、中
性物質の合成に際して副生する無機あるいは有機
の電解質をそれらの溶液から分離する場合があ
る。具体的には、アセトアルデヒドとホルマリン
の反応で蟻酸とペンタエリストールを生成するよ
うな場合である。このような場合、蟻酸とペンタ
エリスリトールを分離することは困難であるか
ら、一担蟻酸をアルカリ金属水酸化物で中和して
イオン性の蟻酸ソーダにし、次いで電気透析する
ことによつて蟻酸ソーダはペンタエリスリトール
から分離できる。このような例は今日数多く見う
けられる。 以上のように塩の形にするとかPHを調整して
イオン性物質と非イオン性物質を分離することが
できるが、この時問題となるのは非イオン性物質
（ペンタエリスリトール、等）が、濃度差に基づ
いてイオン交換膜の細孔を拡散漏洩することであ
る。有用物質の拡散漏洩は、分離効率の低下にな
るばかりか損失ともなる。 非イオン性物質の拡散漏洩はイオン交換膜の微
細構造を緻密にすれば一応減少させられる。この
ような膜としては、例えば従来本発明者等が提案
したフエノール系の縮合可能な単量体を陽イオン
交換膜内に含浸させて縮合させ、膜の細孔を詰め
たものがあるが、微細構造を緻密にすると電解質
の拡散漏洩を減少させるという目的は達せられる
が、膜の電気抵抗の上昇は避け難く、また膜の製
法も煩雑であるという問題点が残る。 また、陰イオン交換膜について言えば、膜にフ
エニレンジアミンのような縮合可能な単量体を含
浸縮合させたものも同様に緻密な微細構造の膜と
なり、電解質物質、非イオン性物質の拡散漏洩を
減少させるのに有効であるが、膜の電気抵抗の上
昇を招き、製法も煩雑であるという、陽イオン交
換膜の場合と同様の問題点が残る。 斯様な背景から中性物質を含有する電解質溶液
の電気透析法においては、中性物質の拡散漏洩、
膜面への付着、電槽電圧の上昇、濃度分極等の諸
弊害を取り除いた電気透析法が要望される。 本発明者等は、非イオン性物質、両性電解質等
の中性物質の拡散漏洩が少なく、膜面への付着が
なく、且つ有機、無機イオン等の電解質が極めて
効率よく、電気透析できる方法につき種々検討を
加えた結果、電解質溶液中の中性物質濃度を６重
量％以上とし、且つイオン交換膜として、イオン
交換膜の実質上の表面にイオン交換基の電荷とは
反対の電荷を有するイオン交換膜を用いることに
より、所期の目的が達成されることが判明した。 即ち、イオン交換膜の実質上の表面に該イオン
交換膜のイオン交換基の電荷と反対の電荷を有す
るイオン交換膜を用い、中性物質の濃度による漏
洩量の影響を調べたところ、第１図実線で示す如
く中性物質の濃度が高くなるに従つて漏洩量が増
加し、４重量％で最大となるが、それ以降は減少
して６重量％を越えるとほぼ一定に推移すること
を見い出した。これに対してイオン交換膜の実質
上の表面に該膜のイオン交換基の電荷とは反対の
電荷を有しないイオン交換膜を用いた場合は、第
１図破線に示す如く、中性物質の濃度上昇に比例
して漏洩量が増加するのである。 本発明は斯様な発見に基づいてなされたもので
ある。 本発明は、中性物質を含有する電解質溶液か
ら、電解質と中性物質とをイオン交換膜を用いる
電気透析法により分離するに際し、中性物質濃度
を６重量％以上とし、且つイオン交換膜の実質上
の表面に該イオン交換膜のイオン交換基の電荷と
反対の電荷を有するイオン交換膜を用いることを
特徴とする電気透析法である。 本発明に用いられる、イオン交換基の実質上の
表面にイオン交換膜のイオン交換基電荷と反対の
電荷を有するイオン交換膜（以下、単に「表面処
理イオン交換膜」ともいう）は、従来から知られ
ている電荷の小なるイオンを選択的に透過するイ
オン交換膜が何等制限なく用いられる。特に１価
陽イオン或は１価陰イオンを選択的に透過するよ
うな表面処理イオン交換膜がより望ましいが、必
らずしも１価イオン選択透過性の特性を示さなく
ても有効である。 本発明の表面処理イオン交換膜は、イオン交換
基の電荷と反対の電荷を有する物質が次の〜
の形態で存在しているものが好ましい。 膜表面に付着、イオン交換、吸着している。 膜本体とは化学結合していないが、膜表面で
絡合い、３次元構造をとつているもの。 膜本体と化学結合しているもの。 以下に本発明の表面処理イオン交換膜の一般的
製法を示す。 本発明の表面処理イオン交換膜の母体となるイ
オン交換膜、即ち、イオン交換基の電荷と反対の
電荷を存在させるために用いられる膜（以下単
に、未処理イオン交換膜ともいう）は従来公知の
イオン交換膜が用いられる。例えば、重合系、縮
合系、均一系、不均一系等の種類あるいは製造方
法更には補強材の有無等により種々の未処理イオ
ン交換膜が適宜使用される。また未処理イオン交
換膜としてイオン交換基を容易に導入できる高分
子膜状物を用い、これにイオン交換基を導入した
ものも用いられる。 本発明の表面処理イオン交換膜とするため、未
処理イオン交換膜の表面に、そのイオン交換基の
電荷とは反対の電荷を有する物質を存在させる。
未処理イオン交換膜が陽イオン交換膜の場合は、
反対電荷を有する物質としては、陰イオン交換基
を有する物質を存在させる。先ず、陰イオン交換
基としては、第４級アンモニウム塩基、第４級ピ
リジウム塩基、スルホニウム塩基およびホスホニ
ウム塩基、スチボニウム塩基、アルソニウム塩基
等の所謂オニウム塩基、第１級アミン、第２級ア
ミン、第３級アミン等のアミノ基、ピリジル基、
イミノ基等であり、これらの陰イオン交換基の１
種以上から選ばれる。 これら陰イオン交換基を有する物質としては、
ポリエチレンイミン、ポリビニルピリジン類、ポ
リビニルイミダゾール類およびその四級化物、ポ
リベンジルトリアルキルアンモニウム塩、アイオ
ネンポリマー、アニリンとホルマリンの縮合物等
がある。又陰イオン交換基を有する架橋高分子で
あつてもよい。これらの陰イオン交換基を有する
物質のうち、特に分子量が500以上のものが好ま
しく用いられる。 また、未処理イオン交換膜が陰イオン交換膜の
場合は反対電荷を有する物質としては陽イオン交
換基を有する物質を存在させる。この場合の陽イ
オン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸
基、リン酸基、フエノール性水酸基、スルホン酸
エステル基、リン酸エステル基等があげられ、こ
れらの陽イオン交換基の１種以上が選ばれる。 陽イオン交換基を有する物質としては、フエノ
ールスルホン酸とホルマリンとの縮合生成物、ポ
リスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、
ポリビニルアルコールの硫酸エステル、ポリアク
リル酸、ポリメタアクリル酸およびこれらの塩類
等があげられる。 陰イオン交換基を有する物質あるいは陽イオン
交換基を有する物質のイオン交換能を調節するた
めに、イオン交換基を含まない物質と共重合また
は共縮合させたものを用いてもよく、更には陽イ
オン性あるいは陰イオン性高分子電解質をジビニ
ルベンゼン、フエノールなどの架橋性物質によつ
て一部架橋構造を形成させたものを用いてもよ
い。 以上に述べた反対電荷を有する物質を未処理イ
オン交換膜の実質上の表面に存在させる方法を前
述〜の結合形態別に示せば次の通りとなる。 反対電荷を有する物質を未処理イオン交換膜表
面に付着、イオン交換、吸着させる方法は、、浸
漬でも塗布でもあるいは噴霧でもよく、更には透
析槽に組立てた後通液により付着、イオン交換、
吸着させてもよい。反対電荷を有する物質は水溶
液の状態で使用してもよく、有機溶剤に溶解して
使用してもよい。又架橋分子のような不溶性物質
の場合には懸濁液で使用すればよい。また、反対
電荷を有する物質の溶液或いは懸濁液中には、、
無機の電解質、あるいはその他害とならない物質
が存在していてもよい。付着、イオン交換、吸着
の条件である温度、時間、濃度、溶液PH等は未処
理イオン交換膜と反対電荷を有する物質の性質に
応じて適宜選べばよい。 次に、反対電荷を有する物質を未処理イオン交
換膜本体とは化学結合していないが、膜表面で膜
本体とからみ合い、三次元構造となるように形成
させる方法は次の通りである。反対電荷を有し且
つ反応性官能基を有する物質、例えば第１，２，
３級アミン等のアミノ基、水酸基、ハロゲン基、
エポキシ基、カルボニル基、エチレン系あるいは
アセチレン系の不飽和結合、縮合可能な位置が置
換されていないフエノール核、アルデヒド基を有
する物質等を浸漬、塗布等の前述の方法でイオン
交換膜表面に付着させた後、これらと反応し得る
官能基を有する物質、例えばホルムアルデヒド等
のアルデヒド類；ジブロモブタン等の如きポリハ
ロゲン化アルキル類；エピクロルヒドリン等のハ
ロエポキシ化合物類；ポリエポキシ化合物類；ポ
リエチレンイミン等のポリアミン類；ポリアクリ
ル酸等のポリカルボン酸類等を反応させる。例え
ばポリエチレンイミンを陽イオン交換膜表面に付
着させた後、エピクロルヒドリンで反応させる方
法がその一例である。 また、、イオン交換膜表面に付着させた不飽和
結合にラジカル重合、イオン重合を開始させる放
射線照射を施こしたり、あるいは過酸化物、ルイ
ス酸等を作用させ、膜表面に三次元構造を形成さ
せることもできる。 更に、反対電荷を有する物質を未処理イオン交
換膜本体と化学結合させる方法は、反対電荷を有
し且つ反応性官能基を有する物質を膜本体と反応
させる方法、また、イオン交換膜を作る際に反対
電荷を有しているか、あるいは反対電荷に変換で
きる表面層を作つておき、内部にイオン交換基を
導入した後表面層を反対電荷に変換する方法等が
ある。例えば、スチレン―ジビニルベンゼン系の
膜状物を表面だけニトロ化し、次いでアミノ化
（還元）して膜内部をスルホン化するとか、スチ
レン―ジビニルベンゼン系の膜状物を表面だけス
ルホン化し、次いで内部をクロロメチル化、アミ
ノ化する等の方法等がその例である。 本発明の表面処理イオン交換膜において、反対
電荷を有する物質を膜表面に存在させる量は、未
処理イオン交換膜の種類、電荷、反対電荷を有す
る物質の種類等によつて異なる。一応の目やすと
して、電気透析中に溶液のPHが著しく変化を生じ
ないこと、電気透析槽の限界電流密度を著しく低
減させないこと、表面処理膜と未処理イオン交換
膜で比較して未処理イオン交換膜の限界電流密度
の60％以上は有すること等があげられ、一般には
0.001mg／cm²以上存在させるのが好ましい。 本発明の電気透析方法の対象となる電解質溶液
は中性物質をその濃度が６重量％以上含有するこ
とが必要である。第１図からも明らかな如く、中
性物質の濃度が５重量％付近までは漏洩率が大き
く、６重量％を過ぎて低くなり、それ以上の濃度
ではほぼ一定に推移する。このような傾向は種々
の実験からも確認されている。更に中性物質の濃
度の上限は溶解度までである。本発明においては
中性物質濃度が６重量％以上溶解度以下の範囲で
拡散漏洩が少なく中性物質と電解質の分離が効率
よく行われる。従つて、処理の対象となる電解質
溶液中の中性物質の濃度が６重量％以下の場合
は、改めて中性物質を溶液中に添加してその濃度
が６重量％以上となる如く調整するとか、あるい
は中性物質濃度が６重量％以上になるように濃縮
する等の操作を加え、電解質溶液中の中性物質濃
度が６重量％以上とすることが重要である。 本発明の電気透析方法においては、中性物質と
無機、有機の陽イオン、陰イオンを含有した電解
質溶液が、その中性物質の濃度を６重量％以上と
する制限以外は、他の制限を受けず適用できる。
非イオン性物質即ち、中性物質としては、糖類；
ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサ
イド、クラウンエーテル等のポリエーテル類；ポ
リビニルアルコール、ペンタエリスリトール等の
アルコール類；アセトン、メチルビニルケトン等
のケトン類等が挙げられる。 本発明の電気透析方法に使用される電気透析装
置およびその透析条件は何等制限されず、公知の
装置および条件が適宜採用される。好ましくは、
中性物質が含まれている電解質溶液に、反対電荷
を有する物質の層が存在する膜面が接触するよう
に表面処理したイオン交換膜を配置するのがよ
い。 以下、実施例を挙げて説明するが、本発明はこ
れら実施例に限定されるものでない。 実施例 １ スチレン―ジビニルベンゼンに微粉状ポリ塩化
ビニルを混合してペースト状とした混合物に、ベ
ンゾイルパーオキサイドを添加したものをポリ塩
化ビニル製の平織布に脱気しながら均一に塗布
し、その両面をセロフアンで覆い、100℃で加熱
重合して高分子状膜状物とした。これを60℃で98
％以上の濃硫酸中に12時間浸漬してスルホン化
し、本発明で言う未処理陽イオン交換膜とした。
この膜の電気抵抗は0.5N NaCl中で25℃、1000
サイクル交流で測定して3.2Ω−cm²であつた。ま
た0.5N NaClと2.5N NaClの間で発生した膜電
位により計算して求めた輸率は0.88であつた。 他方、ビニルベンジルクロライドとスチレン等
とジビニルベンゼンを架橋剤としてベンゾイルパ
ーオキサイドを含むモノマー混合溶液に、未処理
陽イオン交換膜の場合と同じ微粉状のポリ塩化ビ
ニルを混合して粘稠なペースト状混合物とし、ポ
リ塩化ビニル製の平織布に塗布してその両面をセ
ロフアンで覆い加熱重合して高分子膜状物とし
た。この膜状物をトリメチルアミンの40％水溶液
50部にアセトン30部を加えた混合溶液に浸漬して
アミノ化処理し、第４級アンモニウム塩基を有す
る、本発明で言う未処理陰イオン交換膜とした。
この膜の電気抵抗は3.3Ωcm²で輸率は同様の測定
条件下において0.94であつた。 斯様にして得られた未処理陽イオン交換膜と未
処理陰イオン交換膜について、各々次に記載する
処理を施した。 ＜未処理陽イオン交換膜の処理＞ ４―ビニルピリジンを蒸留後水に分散し、ベン
ゾイルパーオキサイドを４―ビニルピリジンに対
して重量で10％加え、窒素雰囲気で80℃で２時間
撹拌しゴム状の粘稠なポリマーを得た。これを一
旦メタノール中に溶解し次いで純水中に分散した
後ゴム状のポリマーを取り出し凍結乾燥した。ゴ
ム状のポリマーを大過剰の沃化メチルを含むｎ―
ヘキサン中に入れて72時間還流して４級化した。
還元粘度は0.09dl／ｇ（25℃）であつた。これの
1000PPMの水溶液に未処理陽イオン交換膜を24
時間浸漬し、本発明の表面処理陽イオン交換膜と
した。 ＜未処理陰イオン交換膜の処理＞ スチレンスルホン酸ソーダ（和光純薬製）を水
に分散させて同様に過硫酸アンモニウムを添加し
て常法により重合してポリスチレンスルホン酸ソ
ーダとしたもの（１％水溶液の還元粘度0.085
dl／ｇ、25.0℃）の１％水溶液中に24時間浸漬し
て、本発明の表面処理陰イオン交換膜とした。 以上のようにして得た表面処理陽イオン交換膜
および陰イオン交換膜の電気抵抗は、処理前に比
べてともに0.5Ω―cm²以上の上昇は認められなか
つた。 また、表面処理した陽イオン交換膜に付着した
高分子電解質の量を紫外吸収スペクトルによつ
て、溶液中の濃度減少から定量したところ、ポリ
―Ｎ―メチル―４―ビニルピリジンは0.10mg／cm²
であり、また同様にして定量した陰イオン交換膜
にはポリスチレンスルホン酸が0.25mg／cm²付着し
ていた。 さて、上記の表面処理陽イオン交換膜と表面処
理陰イオン交換膜を対にして脱塩室、希釈室、と
もに0.75mmのガスケツトを有する有効通電面積2d
m²の締付型電槽に組込んで、陽極にはチタン板に
白金メツキをしたもの、陰極には軟鉄を用いて、
ブドウ糖含有食塩水（塩化ナトリウム3.1％、塩
化カルシウム0.2％でブドウ糖濃度を第１表に示
すように変化させた水溶液）30の電気透析脱塩
した。濃縮室には約２％の食塩水溶液を流して電
流密度を最初3.0A／ｄm²にし、後は大略定電圧
で脱塩して電気透析槽の限界電流密度の約70％の
電流密度を保ちながら電気透析を実施して、塩化
ナトリウム35ppm、塩化カルシウム5ppmまで減
少させた。この時のブドウ糖の食塩水中への拡散
漏洩量は第１表に記載する通りであつた。 また、比較のために、高分子電解質を付着させ
ない未処理陽イオン交換膜および未処理陰イオン
交換膜を用いて同程度まで同一時間で脱塩し、ブ
ドウ糖の食塩水中への拡散漏洩量（処理液30に
つき脱塩したときに漏洩したブドウ糖の量（ｇ））
を調べた。その結果も第１表に併記した。尚、第
１表の結果をグラフ化したものを第１図として示
した。

【表】 尚、本実施例で用いた膜に選択透過係数（下記
する方法）を求めたところ表面処理陽イオン交換
膜はP^Ca _Na＝1.85、未処理陽イオン交換膜はP^Ca _Na＝
2.15であり、表面処理陰イオン交換膜はP^SO4 _Cl＝
0.10、未処理陰イオン交換膜P^SO4 _Cl＝0.21であつた。 陽イオン交換膜の場合は0.208N NaClと
0.208N CaCl₂の１：１の混合溶液を、また陰イ
オン交換膜の場合は0.208N NaClと0.208N
Na₂SO₄の１：１の混合溶液を用いた。 同符号イオン間の選択透過係数P^Ca _Na，P^SO4 _Clは次
式によつた。 P^M2 _M1＝（tM₂／tM₁）／（cM₂／cM₁） ｔ；膜中の輸率 ｃ；溶液の濃度 P^Ca _NaのときはM₂がCa，M₁がNaである。 P^SO4 _ClのときM₂がSO₄，M₁がClである。 実施例 ２ スチレン―ジビニルベンゼンに亀裂防止剤とし
てアクリロニトリル―ブタジエン共重合ゴムを溶
解し、更にこれにジオクチルフタレート、ベンゾ
イルパーオキサイドを添加した粘稠なモノマー混
合物をポリプロピレン製の平織布に塗布し、両面
をセロフアンでおおい加熱重合して高分子膜状物
とした。この膜をジオキサン―SO₃のコンプレツ
クスをエチレンジクロライドに溶解したものに浸
漬してスルホン化処理して、本発明でいう未処理
陽イオン交換膜とした。この膜を１％のポリエチ
レンイミン水溶液に浸漬して、スルホン酸基を有
する膜の表面をポリエチレンイミンを付着させ、
次いでこれをエピクロルヒドリン20部、エタノー
ル30部の中に浸漬し本発明の表面処理陽イオン交
換膜とした。 他方ポリ塩化ビニルの0.2mmのシートをエチレ
ンジアミン中に浸漬して、50℃で加熱したとこ
ろ、ポリ塩化ビニルのシートは褐色に変化し、本
発明で言う未処理陰イオン交換膜を得た。この膜
の性能を測定したところ、電気抵抗は3.8Ω―cm²
（0.5N NaCl中、25.0℃）で、輸率は0.88（0.5N
NaClと2.5N NaClの溶液の間で発生した膜電位
からネルンストの式によつて計算した。）であつ
た。スチレン―ジビニルベンゼンの共重合体の粒
状物をスルホン化したのち微粉状に粉砕したもの
を水に分散した懸濁液中に未処理陰イオン交換膜
を60℃で５時間浸漬して本発明の表面処理陰イオ
ン交換膜とした。この膜を先に製造した表面処理
陽イオン交換膜と対にして、実施例１で用いた電
気透析方法槽を用いて、18％ホエー（乳糖12重量
％、脂肪0.9重量％、たん白質2.2重量％、無機質
塩1.8重量％、その他0.54重量％を含む）の脱塩
を実施した。初期電流密度は1A／ｄm²であり、
バツチ方式で脱塩した。ホエーのPHは4.7であつ
た。カルシウム、ナトリウム、カリウム、リン酸
イオン、塩素イオン等を脱塩した。濃縮液には
2.0％NaClを用いて実施した。電気透析脱塩をホ
エーに含まれている塩分の90％まで脱塩したあ
と、電気透析槽を解体したところ、陽イオン交換
膜表面及びスペーサーには全然沈澱のようなもの
は析出していなかつた。他方未処理陽イオン交換
膜及び陰イオン交換膜を用いて、同じく90％の脱
塩率まで脱塩したところ、脱塩終了後の電気透析
槽内の陽イオン交換膜面上に白色のタンパク質の
沈澱が析出していた。この場合溶解している乳糖
は多量に拡散により塩と共に移行している。 実施例 ３ 実施例２に於いて合成した高分子膜状物を四塩
化炭素１部、クロルスルホン酸２部からなる混合
溶液に４℃で４時間浸漬してスルホニルクロライ
ド基を導入した。この膜状物を分子量約5000のポ
リエチレンイミンの10％水溶液に30℃で８時間浸
漬した後、2.5規定の苛性ソーダ中に浸漬し、更
にプロピレンオキサイドの20％メタノール溶液に
浸漬した。即ち、膜内部にはスルホン酸基が存在
し、表層部のみ反対電荷の層がある陽イオン交換
膜を得た。陰イオン交換膜は実施例１で用いたと
同じ陰イオン交換膜を用いて、第２表に示す溶液
の電気透析を実施した。尚比較のためにスルホニ
ルクロライド基を有する陽イオン交換膜をそのま
ま2.5規定苛性ソーダに浸漬して得たスルホン酸
基のみの有する陽イオン交換膜と実施例１の陰イ
オン交換膜を用いた場合についても実施した。い
ずれの結果も第２表にまとめて示す。 尚、電気透析は実施例１と同じ電気透析槽を用
い、これの限界電流密度の約70％の電流密度で、
定電圧電気透析をした。電気透析は混在している
無機塩の濃度が50ppmとなるまで電気透析脱塩を
実施した。

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は電解質溶液中のブドウ糖濃度と、イオ
ン交換膜を拡散漏洩する量との関係を示すグラフ
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中性非電解質物質を含有する電解質溶液か
   ら、電解質と核中性物質とをイオン交換膜を用い
   る電気透析方法により分離するに際し、中性非電
   解質物質濃度を６重量％以上とし、且つイオン交
   換膜の実質上の表面に該イオン交換膜のイオン交
   換基の電荷と反対の電荷を有するイオン交換膜を
   用いることを特徴とする電気透析方法。