JPH04227828A - ポリアリール化合物から得られた半透過膜 - Google Patents

ポリアリール化合物から得られた半透過膜

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JPH04227828A
JPH04227828A JP3104648A JP10464891A JPH04227828A JP H04227828 A JPH04227828 A JP H04227828A JP 3104648 A JP3104648 A JP 3104648A JP 10464891 A JP10464891 A JP 10464891A JP H04227828 A JPH04227828 A JP H04227828A
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semi
membrane
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チャオ−フォン.ティエン
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アンドリュー.ディビッド.サーネーマー
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G63/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G63/68Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen
    • C08G63/682Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen containing halogens
    • C08G63/6824Polyesters containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen containing halogens derived from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds
    • C08G63/6826Dicarboxylic acids and dihydroxy compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/48Polyesters
    • B01D71/481Polyarylates

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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はガス分離に有用な高分子
膜に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高透過性を有し、しかもある環境のもと
では種々のガスの組み合わせのうちから特定のガスを選
択して透過するような高分子物質が要望されている。そ
して、このような物質は非冷凍ガス分離法において一般
的に利用されている。
【0003】高分子物質に基づくガス分離装置の商業的
な利用においては、如何にして膜を通過するガスの流通
を最大にするかが重要な要素となっている。ピー、エッ
チ、キムらはJ.Appl.Poly.Sci.,34
  1761(1987)において、膜に対するガスの
流通は高分子鎖間における平均空隙に関係があると述べ
ている。これに加えて彼らは高分子の密度もまた総体的
なガス流通に関与することについても述べている。
【0004】従って産業上の利用においては、高い流動
性を有し、かつ良好な高温機械的特性を有する高分子物
質を見分けることが重要な課題となる。一般的に高分子
物質が高い流動性を有するためには、鎖間の相互作用が
低いことが必要とされる。そしてこのことはポリ(ジメ
チルシロキサン)や、ポリ(4−メチル−1−ペンテン
)で例証されている。これらの高分子物質は比較的高い
ガス流動値を示すが、これはこれらの物質が低い鎖間相
互作用を持ち、また低い硝子転移温度(Tg)を示して
いる。
【0005】結局、これらの物質は化学的および物理化
学的架橋を構築するために特別の工程条件が必要であり
、また比較的低い適用温度でのみ使用することができる
ものであると云うことができる。これに対照的に強い鎖
間相互作用を有する高分子物質は、高いTg値を有して
おりまたガス流動値も低い。
【0006】米国特許第3,822,202号および米
国特許第3,899,309号;再発行第30,351
号(1980)にはポリイミド、ポリエステルまたはポ
リアミドから得られた半透過膜を使用する液分離法につ
いて記載されている。これらの膜における主高分子鎖の
反復単位は、これが少なくとも1個の固定2価副次単位
を有し、これから延びる2個の主鎖単体結合は共直線性
でなく、少なくともこれらの結合の内の1個の回りを立
体的に306°回転不能であり、また主鎖原子の50%
以上を芳香族環の一員で構成することによって特徴付け
られている。
【0007】米国特許第4,705,540号には、高
透過性芳香族ポリイミドによるガス分離膜およびこの膜
を使用したガス分離方法についての記載がある。膜はフ
ェニレンジアミンが固定されており、主としてアミノ置
換物に対する全てのオルト位置において置換されていて
、また酸無水物群が全ての固定芳香族部位に付着する芳
香族ポリイミド膜によって構成されている。
【0008】米国特許第4,717,393号および米
国特許第4,717,394号には、高分子膜および該
膜を使用して混合ガスの成分分離を行う方法について記
載されている。これらの両特許に記載された膜は半柔軟
性芳香族ポリイミドであって、これはアミン官能基に対
する全てのオルト位置にアルキル置換基を有するフェニ
レンジアミンか、または他の非アルカリジアミンとアミ
ン官能基に対する全てのオルト位置に置換基を有するあ
る種の成分と混合物と重無水物の重縮合によって得られ
る。この種のポリアミドから得られる膜は、重合体にお
ける分子容積の自由度の極限化によって、優れた環境安
定性とガス透過度を示す。
【0009】米国特許第4,378,400号には、ビ
フェニールテトラカルボキシル酸無水物に基づく芳香族
ポリイミドから得られた種々の混合ガスから成分を分離
するためのガス分離膜について記載されている。特開平
−194,905号公報には、種々のポリイミドから作
られたガス分離膜について、また特開昭−190,60
7号公報および特開昭−278,524号公報には種々
のポリアミドから作られたガス分離膜についてそれぞれ
記載されており、特開平−194,904号公報にはヒ
ドロキシ官能基に対する全てのオルト位置に水素、メチ
ル基群またはエチル基群を有するポリアリール化合物か
ら得られたガス分離膜についての記載がある。そしてこ
の膜はO2/N2選択率1.7乃至2.5を有すると報
告されている。
【0010】米国特許第4,840,646号およびこ
れに関連するヨーロッパ特許出願87303339.3
号にはテトラブロモビスフェノールから得られたポリエ
ステルカルボン酸膜についての記載がある。ビスフェノ
ールは−C=O−、−SO2−および−0−から選ばれ
た結合群を含むものである。さらにまたエム、サレイム
は、Poly.Eng.Sci.,26  1543(
1986)において、酸素透過係数[P(O2)]と重
合物構造との関係を予報的に開陳している。このなかで
彼は重合物の種々の構造部分のP(O2)値に対する群
の貢献について実証している。彼は殊にフェニールのよ
うな芳香族群の存在がメチレン(−CH2−)の代わり
にP(O2)値を減少させることを指摘している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明はポリアリール
化合物から得られた透過膜および該透過膜を使用した混
合ガス中の1種以上の成分を分離する方法の改善を課題
とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の透過膜は塩化ジカルボキシル酸およびヒドロ
キシ官能基に対する全てのオルト位置にハロ置換基を有
するカルドビスフェノールから誘導された芳香族ポリア
リール化合物から得られる。本発明による膜は極めて高
いガス選択透過性を示し、ガス分離への活用、殊に空気
から窒素と酸素を分離するのに有効である。そしてこれ
らの膜が形成されるポリアリール化合物は下記化学式1
2で示される。
【0013】
【化12】 但し、ArはC1−C202価炭化水素基で、これらは
下記の化学式13、化学式14、化学式15または化学
式16から選択された好ましい態様のものとハロ置換さ
れたものであり、
【0014】
【化13】
【0015】
【化14】
【0016】
【化15】
【0017】
【化16】 また、R1およびR2はそれぞれ独自のハロ置換基で、
そのnは50より大きい整数であり、Lは下記化学式1
7、または化学式18、またはマルチシクロ架橋群、好
ましくはバイシクロ架橋群、またはトリシクロ架橋群で
ある。
【0018】
【化17】
【0019】
【化18】 例えば、Lがマルチシクロ架橋群である場合には、この
ような架橋群は下記の一般構造化学式19で示される。
【0020】
【化19】 但し、ここでX1、X2およびX3はそれぞれが独立に
H、またはC1−C4アルキル基群であり、X5および
X6はそれぞれが独立にH、またはC1−C4アルキル
基群、または縮合環架橋群を形成するC3−C15シク
リックアルキル基群である。マルチシクロ架橋群には下
記の化学(構造)式20、化学(構造)式21および化
学(構造)式22で示されるものが含まれる。
【0021】
【化20】
【0022】
【化21】
【0023】
【化22】
【0024】
【作用】本発明による重合体膜は上記したようにジカル
ボキシル酸塩化物およびヒドロキシ官能基に対する全て
のオルト位置にハロ置換物を有するカルドビスフェノー
ルから誘導される芳香族ポリアリール化合物から構成さ
れたものであるが、上記の重合体構造において、ヒドキ
シ官能基に対する4つのオルト位置におけるハロ置換体
の存在はアリール化合物結合の回りの立体的自由回転を
抑制する。
【0025】そしてこの硬直した分子内立体配位が、O
2およびN2の分離に対し高い選択性を与えるものと思
われる。実際に本発明で示されるポリアリール化合物か
ら得られた膜は特公平1−194,904号公報に開示
されているポリアリール化合物膜よりも遥かに高いガス
選択性(α)を示している。そしてさらに本発明の膜の
選択性が従来技術による膜の選択性と同等である場合で
あっても、本発明の膜はガス透過に際して従来の膜に比
して遥かに優れた透過性を示す。
【0026】上記したポリアリール化合物の構造には、
さらに少量の他の単量体単位が付加的に存在する場合も
あるが、これらは得られる膜のガス分離特性には何等影
響を与えることはない。本発明におけるポリアリール化
合物から得られる膜は、稠密フィルム状、フラットシー
ト状、中空ファイバー状等従来から当業者間において知
られている如何なる形状にでも成形することができる。
【0027】上記したように本発明によって得られるポ
リアリール化合物膜は、種々のガス成分を含むガスから
のガス成分の分離への応用が可能であり、殊にO2/N
2混合気流または空気からの酸素の分離回収に有効に利
用し得るものである。そして分離しようとする混合ガス
を単に本発明の膜に接触させるだけで、1種以上のガス
成分を膜に透過させ、これによって容易にガス分離を行
わせることができるのである。
【0028】
【実施例】本発明の効果を実証するために以下に幾つか
の実施例を揚げるが、本発明はこれに限定されるもので
はない。
【0029】実施例1 下記の工程を経ることにより本発明のポリアリール化合
物膜を製造した。これらポリアリール化合物膜は次のよ
うな一般化学(構造)式23で示されるものであった。
【0030】
【化23】 単量体の作成   機械攪拌装置、窒素ガス還流冷却器および添加用漏
斗を具えた3つ首の500ml丸底フラスコに、9,9
’ビスフェノールクルオレン40g(0.114モル)
、エタノール300mlおよび水100mlを注入した
。 攪拌後溶液を0℃に冷却し、添加用漏斗を使用してBr
25ml(0.5モル)をゆっくりと添加した。Brの
添加完了後溶液を室温迄温めて1時間の攪拌を行った。
【0031】溶液は濾過され、集められ、水洗された後
、クロロフォルム中に溶かし、硫酸マグネシウムによっ
て乾燥した。その溶液は濾過されて、クロロフォルムの
1部を蒸留除去した。製品はゆっくりと晶出され、該物
質は3回再結晶された。
【0032】重合体の作成   全てのガラス器具を炉中において120℃以上の温
度で少くとも2時間加熱し、その後窒素雰囲気中で冷却
した。しかる後、機械的攪拌装置と窒素ガスノズルを具
えた3つ首の100ml丸底フラスコ中に窒素雰囲気下
において9.9’ビス(ジブロモフェノール)フルオレ
ン10g(0.015モル)と無水ジメチルアセトアミ
ド40mlを注入した。単量体の溶解度を増加させるた
めに溶液を温め、単量体が十分に溶解し終ってから溶液
を0℃の温度に冷却した。
【0033】次に、イソフタロイル二塩化物3.05g
(0.051モル)を攪拌しながら溶液中に添加し、さ
らにピリジン8mlを添加した。溶液の粘性は最初の5
分間で急速に増加した。この溶液に室温で2時間半に亘
って攪拌を加えた。重合体は水中に沈澱させることによ
って生成させた。その後この重合体を二塩化メチレン中
で再溶解させ、メタノール中で2度の再沈澱を行わせた
。得られた白色粉末は真空中で70℃において24時間
乾燥させた。
【0034】膜透過試験   クロロフォルム中に8%の重合体溶液を準備した。 溶液中の粒状物を除去するためテフロンのフィルターを
用いて濾過し、溶液をガラス板上に注いで膜を形成させ
た。約10gの溶液をガラス板における110cm径の
ガラスリング内に注ぎ込み、溶媒を気化除去した。ガラ
ス板から膜を取り出して真空炉中で100℃で24時間
乾燥し、さらに250℃で24時間の乾燥を行った。
【0035】乾燥済の膜をダウ透過性測定用セルの中に
設置し、その一方の面を真空で引き他方の面に窒素を導
入し、3時間平衡状態に維持した後、窒素の透過性を測
定した。その後、これを酸素洗浄を行い同様にして平衡
状態にして酸素の透過性測定を行った。これらの測定結
果およびこの結果に基づくO2/N2選択性の値を下記
に示す。
【0036】P(O2)=3.5〜5.0  バーレル
P(N2)=0.5〜0.75バーレルαO2/N2=
6.7〜7.0 さらに比較のため、上記と同様の手順に従ってテトラブ
ロモ置換基の代りにテトラメチル置換基を有する膜を作
り、同様のO2/N2選択性試験を行った。これらの測
定結果を下記に示す。
【0037】P(O2)=7.1  バーレルP(N2
)=1.25バーレル αO2/N2=5.7 これらの結果に見られるように、テトラメチル置換基を
有する透過膜のO2/N2選択性は特開平−194,9
04号公報に報告された透過膜の示す値よりも改善され
ているが、テトラブロモ置換基を有する透過膜における
O2/N2選択性より遥かに低い値を示すことが判る。
【0038】実施例2 下記に示す一般化学(構造)式24を有する本発明によ
るポリアリール化合物膜を合成した。
【0039】
【化24】 重合体作成   機械的攪拌装置、還流冷却器および窒素ガス浸漬管
を具えた1lの3つ首丸底フラスコに200mlの水を
注入し、還流を起こすまで水を加熱した。窒素ガスを1
時間バブリングさせて、4g(0.1モル)の水酸化ナ
トリウムを攪拌した液中に添加し、これが溶解してから
液を室温まで冷却した。その後、4,4’−ノルボルニ
リデン−ビス−2.6−ジブロモフェノール30g(0
.05モル)を添加した。溶解した単量体を溶液とを3
0分間攪拌し、相転換剤として塩化ベンジルトリメチル
アンモニウム0.3gを添加した。
【0040】次に二塩化フタロイル10g(0.05モ
ル)を二塩化メチレン200ml中に溶解し、これを前
記攪拌溶液中に添加した。溶液は粘性を帯びたが、これ
に2時間の攪拌を加えた。この溶液を希釈酸溶液(1%
HCl、200ml)でリンスしさらに水で洗浄した後
、メタノール中に沈澱させることによって重合体を得た
。この操作を2回繰り返して行い、得られた白色粉末を
真空中において70℃で24時間乾燥した。
【0041】膜透過試験   1,2’ジクロロエタンの8%重合体溶液を準備し
、テフロンフィルターにより粒状物を濾過除去した。約
10gの溶液をガラス板上における110cm径のガラ
スリング内に注入し、溶媒を気化除去した後ガラス板か
ら膜を取り出して真空炉中で100℃で24時間乾燥し
、さらに250℃で48時間の乾燥を行った。
【0042】乾燥済の膜をダウ透過性測定用セルの中に
設置し、その一方の面を真空で引き他方の面に窒素を導
入し、3時間平衡状態に維持した後、窒素の透過性を測
定した。その後、これを酸素洗浄を行い同様にして平衡
状態にして酸素の透過性測定を行った。これらの測定結
果およびこの結果に基づくO2/N2選択性の値を下記
に示す。
【0043】P(O2)=2.0  バーレルP(N2
)=0.25バーレル αO2/N2=7.9 実施例3 下記に示す一般化学(構造)式25を有する本発明によ
るポリアリール化合物膜を合成した。
【0044】
【化25】 重合体作成   機械的攪拌装置、還流冷却器および窒素ガス浸漬管
を具えた1lの3つ首丸底フラスコに200mlの水を
注入し、還流を起こすまで水を加熱した。窒素ガスを1
時間バブリングさせて、4g(0.1モル)の水酸化ナ
トリウムを攪拌した液中に添加し、これが溶解してから
液を室温まで冷却した。その後、4,4’−ノルボルニ
リデン−ビス−2,6−ジブロモフェノール30g(0
.05モル)を添加した。溶解した単量体と溶液とを3
0分間攪拌し、相転換剤として塩化ベンジルトリメチル
アンモニウム0.3gを添加した。
【0045】次に二塩化フタロイル10g(0.05モ
ル)を二塩化メチレン200ml中に溶解し、これを前
記攪拌溶液中に添加した、溶液は粘性を帯びたが、これ
に2時間の攪拌を加えた。この溶液を希釈酸溶液(1%
HC1,200ml)でリンスし、さらに水で洗浄した
後、メタノール中に沈澱させることによって重合体を得
た。この操作を2回繰り返して行い、得られた白色粉末
を真空中において70℃で24時間乾燥した。
【0046】膜透過試験   1,2’ジクロロエタンの8%重合体溶液を用意し
、テフロンフィルターにより粒状物を濾過除去した。約
10gの溶液をガラス板上における110cm径のガラ
スリング内に注入し、溶媒を気化除去した後ガラス板か
ら膜を取り出して真空炉中で100℃で24時間乾燥し
、さらに250℃で48時間の乾燥を行った。
【0047】乾燥済の膜をダウ透過性測定用セルの中に
設置し、その一方の面を真空で引き他方の面に窒素を導
入し、3時間平衡状態に維持した後、窒素の透過性を測
定した。その後、これを酸素洗浄を行い同様にして平衡
状態にして酸素の透過性測定を行った。これらの測定結
果およびこの結果に基づくO2/N2選択性の値を下記
に示す。
【0048】P(O2)=4.5  バーレルP(N2
)=0.69バーレル αO2/N2=6.5 実施例4 下記に示す一般化学(構造)式26を有する本発明によ
るポリアリール化合物膜を合成した。
【0049】
【化26】 重合体作成   機械的攪拌装置、還流冷却器および窒素ガス浸漬管
を具えた1lの3つ首丸底フラスコに200mlの水を
注入し、還流を起こすまで水を加熱した。窒素ガスを1
時間バブリングさせて、4g(0.1モル)の水酸化ナ
トリウムを攪拌した液中に添加し、これが溶解してから
液を室温まで冷却した。その後、4,4’−ノルボルニ
リデン−ビス−2,6−ジブロモフェノール30g(0
.05モル)を添加した。溶解した単量体と溶液とを3
0分間攪拌し、相転換剤として塩化ベンジルトリメチル
アンモニウム0.3gを添加した。
【0050】次に二塩化フタロイル10g(0.05モ
ル)を二塩化メチレン200ml中に溶解し、これを前
記攪拌溶液中に添加した。溶液は粘性を帯びたが、これ
に2時間の攪拌を加えた。この溶液を希釈酸溶液(1%
HCl、200ml)でリンスし、さらに水で洗浄した
後、メタノール中に再沈澱させることによって重合体を
得た。この操作を2回繰り返して行い、得られた白色粉
末を真空中において70℃で24時間乾燥した。
【0051】膜透過試験   1,2’ジクロロエタンの8%重合体溶液を用意し
、テフロンフィルターにより粒状物を濾過除去した。約
10gの溶液をガラス板上における110cm径のガラ
スリング内に注入し、溶媒を気化除去した後ガラス板か
ら膜を取り出して真空炉中で100℃で24時間乾燥し
、さらに250℃で48時間の乾燥を行った。
【0052】乾燥剤の膜をダウ透過性測定用セルの中に
設置し、その一方の面を真空で引き他方の面に窒素を導
入し、3時間平衡状態に維持した後、窒素の透過性を測
定した。その後、これを酸素洗浄を行い同様にして平衡
状態にして酸素の透過性測定を行った。これらの測定結
果およびこの結果に基づくO2/N2選択性の値を下記
に示す。
【0053】P(O2)=3.1  バーレルP(N2
)=0.425バーレル αO2/N2=7.3
【0054】
【発明の効果】上記したように本発明によりポリアリー
ル化合物から得られた半透過膜は、優れたガス透過性を
有するとともにガス成分の選択性も高いので種々のガス
分離用途に使用することが可能であり、特に空気からの
酸素および窒素の分離回収をするのに好適である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  下記の化学式1にて示される重合可能
    単位を含むポリアリール化合物から得られた半透過膜。 【化1】 (但し、ArはC1−C2O2価炭化水素基;R1およ
    びR2はそれぞれ独自のハロ置換基;nは50より大き
    い整数;Lは多シクロ架橋群または下記の化学式2また
    は化学式3により示される) 【化2】 【化3】
  2. 【請求項2】  Lが下記化学式4により示される請求
    項1記載の半透過膜。 【化4】
  3. 【請求項3】  Arが下記化学式5、化学式6、化学
    式7、または化学式8からなる群より選択されるか、ま
    たはこれらの混合物である請求項1記載の半透過膜。 【化5】 【化6】 【化7】 【化8】
  4. 【請求項4】  R1およびR2がBrである請求項1
    記載の半透過膜。
  5. 【請求項5】  Lが3シクロ架橋群である請求項1記
    載の半透過膜。
  6. 【請求項6】  Lが2シクロ架橋群である請求項1記
    載の半透過膜。
  7. 【請求項7】  Lが下記化学(構造)式9を有する2
    シクロ架橋群である請求項6記載の半透過膜。 【化9】
  8. 【請求項8】  Lが縮合環多シクロ架橋群である請求
    項1記載の半透過膜。
  9. 【請求項9】  縮合環多シクロ群は下記化学(構造)
    式10および化学(構造)式11よりなる群から選択さ
    れたものである請求項8記載の半透過膜。 【化10】 【化11】
  10. 【請求項10】  2種以上の成分を含む混合ガスを請
    求項1の半透過膜に接触させることにより、そのうちの
    1成分を選択的に該透過膜を透過させることを特徴とす
    る混合ガスからガス成分を分離する方法。
  11. 【請求項11】  混合ガスは空気で酸素が選択的に該
    半透過膜を透過する請求項10記載の混合ガスからガス
    成分を分離する方法。
  12. 【請求項12】  ガス混合物は窒素と酸素を含むもの
    である請求項10記載の混合ガスからガス成分を分離す
    る方法。
JP3104648A 1990-04-12 1991-04-10 ポリアリール化合物から得られた半透過膜 Expired - Lifetime JPH0655264B2 (ja)

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