JPH07126410A - Bipolar membrane - Google Patents

Bipolar membrane

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JPH07126410A
JPH07126410A JP29594293A JP29594293A JPH07126410A JP H07126410 A JPH07126410 A JP H07126410A JP 29594293 A JP29594293 A JP 29594293A JP 29594293 A JP29594293 A JP 29594293A JP H07126410 A JPH07126410 A JP H07126410A
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JP
Japan
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layer
ion exchange
exchange resin
matrix polymer
polymer
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Withdrawn
Application number
JP29594293A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Yamamura
晃一 山村
Yasuhide Noaki
康秀 野秋
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a bipolar membrane exhibiting a good mechanical strength, a high electric current efficiency and a low water dissociation voltage at a high electric current density. CONSTITUTION:A bipolar membrane comprises at least two layers. Therein, the first layer 1 comprises composite particles 3 comprising a porous material having an average particle diameter of 0.5-50mum, a pore volume of 0.5-1.4cm<3>/g and an average fine pore diameter of 20-100nm, and an ion exchange group- containing polymer contained in the porous material, and a matrix polymer 4 having ion exchange groups having an electric charge opposite to that of the ion exchange groups of the composite particles 3. The ion exchange capacity of the ion exchange group-containing polymer in the porous material is 0.01-1.3meq/g per unit weight of the first layer, and the ion exchange capacity of the matrix polymer is 0.7-3.0meq/g per unit weight of the first layer. The second layer comprises a polymer having ion exchange groups having an electric charge opposite to that of the ion exchange groups of the matrix polymer 4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水を分解して水素イオ
ンと水酸イオンを生成し、中性塩から酸或は塩基を製造
するために用いられるバイポーラ膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipolar membrane used for decomposing water to produce hydrogen ions and hydroxide ions and producing an acid or a base from a neutral salt.

【0002】[0002]

【従来の技術】バイポーラ膜に関する提案は、V.J.
Frillete〔J.Phys.Chem.60,4
35(1956)〕の報告以来、過去30年以上にわた
って数多くなされている。例えば、アニオン交換膜とカ
チオン交換膜をイオン交換性接着材で接合したもの(特
公昭34−3961号公報)、アニオン交換膜とカチオ
ン交換膜を微粉の強塩基性のアニオン交換樹脂、あるい
は強酸性のカチオン交換樹脂と熱可塑性樹脂のペースト
性混合物を塗布し、圧着させたもの(特公昭35−14
531号公報)、カチオン交換膜に部分重合したビニル
ピリジンとエポキシ樹脂との混合物を塗布し、その硬化
中に放射線照射を行ったもの(特公昭38−16638
号公報)等がある。しかし、これらのバイポーラ膜は、
低い電流密度でありながら、膜の水解離の電圧が高く、
工業上魅力のないものであった。また、単一シートの片
側からアニオン透過性もしくは、カチオン透過性を付与
し、もう片側から、その反対電荷のイオン透過性を付与
したバイポーラ膜(特公昭60−31860号公報)、
イオン交換基導入に適した官能基を有する高分子膜状物
を被覆フィルムで覆い、一体物をスルホン化処理したの
ち、被覆フィルムを剥離した後に、その剥離した面にア
ニオン交換基を導入したバイポーラ膜の製造方法(特公
平1−14251号公報)等、の提案がある。しかしな
がら、これらは、交換基導入時の反応制御が難しく、工
業規模の大きな膜の製造が困難であったり、高い電流効
率を得られないことがあり、工業的に有用なものとなっ
ていない。
2. Description of the Related Art Proposals concerning bipolar films are described in V. J.
Frilete [J. Phys. Chem. 60,4
35 (1956)], a lot has been done over the past 30 years. For example, one in which an anion exchange membrane and a cation exchange membrane are joined with an ion exchange adhesive (Japanese Patent Publication No. 34-3961), an anion exchange membrane and a cation exchange membrane are fine powder of a strongly basic anion exchange resin, or a strong acidity. Of the paste-type mixture of the cation exchange resin and the thermoplastic resin, and press-bonded (Japanese Patent Publication No. 35-14).
No. 531), a mixture of a partially polymerized vinyl pyridine and an epoxy resin was applied to a cation exchange membrane, and radiation was applied during curing (Japanese Patent Publication No. 38-16638).
Issue gazette) etc. However, these bipolar films
Although the current density is low, the water dissociation voltage of the membrane is high,
It was industrially unattractive. Further, a bipolar membrane in which anion permeability or cation permeability is imparted from one side of a single sheet, and ion permeability of the opposite charge is imparted from the other side (Japanese Patent Publication No. Sho 60-31860),
A bipolar film in which a polymeric film having a functional group suitable for introducing an ion-exchange group is covered with a coating film, the monolith is subjected to a sulfonation treatment, and then the coating film is peeled off, and then an anion-exchange group is introduced on the peeled surface. There is a proposal such as a method for manufacturing a film (Japanese Patent Publication No. 14251/1991). However, these are not industrially useful because it is difficult to control the reaction at the time of introducing an exchange group, it may be difficult to produce a membrane having a large industrial scale, and high current efficiency may not be obtained.

【0003】一方、バイポーラ膜製造に有用なラミネー
ト構造体で、マトリックスポリマーとその中に分散した
イオン交換樹脂が反対の電荷をもつ界面層(中間層)か
らなるバイポーラ膜(特開昭60−210638号公
報)があるが、膜の水解離の電圧は、比較的低いが未だ
十分なものとは言えない。さらに、四級アミン基及び非
四級アミン基を含有するマトリックスポリマー中に微細
なカチオン交換樹脂粒子を分散して含む界面層(中間
層)からなるバイポーラ膜(特公表平1−502673
号公報、米国特許第4766161号明細書)などがあ
が、これは、低い水解離電圧電を示すが、非常に微細な
イオン交換樹脂を用いることや、アニオン層形成時のゲ
ル化と乾燥行程の制御が難しく製造が容易でない。更に
ポリマーを溶媒に溶解し、流延、乾燥して膜を得るた
め、塊状重合して得たものにくらべ、製造上難しく機械
的強度もが劣る等の欠点があった。さらに、バイポーラ
膜の高い電気抵抗を下げる目的で、無機物を利用したも
のがある。アニオン交換膜、若しくは、カチオン交換膜
を酸化状態の陽イオン水溶液に浸漬し、アルカリ性水溶
液で処理後二枚の膜を加温加圧して接合したバイポーラ
膜(特公表平3−505894号公報)、重金属イオン
を膜内に存在させたアニオン交換膜の表面にカチオン交
換基のポリマーの皮膜を形成したバイポーラ膜(特開平
4−63292号公報)、カチオン交換膜に鉄を含浸し
た後アニオン交換樹脂を表面にコーティングしたバイポ
ーラ膜(特開平4−228591号公報)等がある。こ
れらの無機物を利用した膜は、アニオン交換膜とカチオ
ン交換膜との接合体構造で中間層構造を持たず、無機物
を導入した効果は有するものの、バイポーラ膜の水解離
電圧は、十分に低いものが得られないという欠点があっ
た。
On the other hand, a laminated structure useful for the production of a bipolar film, in which a matrix polymer and an ion exchange resin dispersed therein are composed of an interface layer (intermediate layer) having opposite charges (Japanese Patent Laid-Open No. 60-210638). However, the voltage of water dissociation of the membrane is relatively low, but it is still not sufficient. Furthermore, a bipolar membrane comprising an interface layer (intermediate layer) containing fine cation exchange resin particles dispersed in a matrix polymer containing a quaternary amine group and a non-quaternary amine group (Japanese Patent Publication No. 1-502673).
No. 4,766,161) and the like, which show low water dissociation voltage, but use a very fine ion exchange resin, and gelation and drying process during anion layer formation. Control is difficult and not easy to manufacture. Further, since the polymer is dissolved in a solvent, cast and dried to obtain a film, it has drawbacks such as difficulty in production and poor mechanical strength as compared with the one obtained by bulk polymerization. Further, there is one using an inorganic material for the purpose of lowering the high electric resistance of the bipolar film. A bipolar membrane in which an anion exchange membrane or a cation exchange membrane is immersed in a cation aqueous solution in an oxidized state, treated with an alkaline aqueous solution, and heated and pressurized to join the two membranes (Japanese Patent Publication No. 3-505894). A bipolar membrane (Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-63292) in which a polymer film of a cation exchange group is formed on the surface of an anion exchange membrane in which heavy metal ions are present in the membrane, and an anion exchange resin is impregnated after impregnating the cation exchange membrane with iron. There is a bipolar film coated on the surface (Japanese Patent Laid-Open No. 4-228591). Membranes using these inorganic substances have a structure of an anion exchange membrane and a cation exchange membrane that does not have an intermediate layer structure and have the effect of introducing inorganic substances, but the water dissociation voltage of the bipolar membrane is sufficiently low. There was a drawback that you could not get.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、良好
な機械的強度、高電流密度での低水解離電圧、高電流効
率を示すバイポーラ膜を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a bipolar film having good mechanical strength, low water dissociation voltage at high current density, and high current efficiency.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記の課題は、少なくと
も二層からなるバイポーラ膜において、その内の第一層
が多孔質体中にイオン交換基を含むポリマーを有する複
合体粒子と該イオン交換基と反対の電荷を有するイオン
交換基を含むマトリックスポリマーとからなっており、
第二層が該マトリックスポリマーが含むイオン交換基と
反対の電荷を持つイオン交換基を有するポリマーからな
ることを特徴とするバイポーラ膜によって解決できる。
ここでいう、第一層とは、図1における1に示すよう
に、イオン交換樹脂を含む複合体粒子3がマトリックス
ポリマー4中に分散して存在している層のことであり、
アニオン交換樹脂層またはカチオン交換樹脂層と密着し
て配置されるものである。また、図2に示すように、ア
ニオン交換樹脂層とカチオン交換樹脂層の両方の間にあ
って、この両方に接していてもよい。第二層とは、図1
の2に示すように第一層のマトリックスポリマーと反対
の電荷を持っているイオン交換樹脂層である。第三層と
は、図2の5に示される層であって、第二層と反対の電
荷を持ち、第一層のマトリックスポリマーと同一の電荷
を持つイオン交換樹脂層のことである。また図1、図
2、に示すようなバイポーラ膜の厚みとしては、数μm
〜数mm程度の範囲である。
Means for Solving the Problems The above-mentioned problems are, in a bipolar membrane having at least two layers, a composite particle in which a first layer therein has a polymer containing an ion exchange group in a porous body and the ion exchange. Consisting of a matrix polymer containing an ion-exchange group having an opposite charge to the group,
This can be solved by a bipolar membrane characterized in that the second layer is made of a polymer having ion-exchange groups having a charge opposite to that of the matrix polymer.
Here, the first layer is a layer in which the composite particles 3 containing an ion exchange resin are present in a dispersed state in the matrix polymer 4, as indicated by 1 in FIG.
It is arranged in close contact with the anion exchange resin layer or the cation exchange resin layer. Further, as shown in FIG. 2, it may be between both the anion exchange resin layer and the cation exchange resin layer and may be in contact with both of them. The second layer is shown in FIG.
2 is an ion exchange resin layer having a charge opposite to that of the matrix polymer of the first layer. The third layer is the layer shown by 5 in FIG. 2, which is an ion exchange resin layer having the opposite charge to the second layer and the same charge as the matrix polymer of the first layer. The thickness of the bipolar film as shown in FIGS. 1 and 2 is several μm.
The range is about several mm.

【0006】ここでいう複合体粒子とは、イオン交換基
を含有するポリマーを、多孔質体の細孔内表面にコート
もしくは細孔内に一部充填した構造の粒子のことを言う
が、多孔質なイオン交換樹樹脂粒子であってもよい。こ
こでいうマトリックスポリマーとは、第一層を形成する
イオン交換樹脂を含むポリマーのことであり、連続につ
ながった均一な構造を持つものである。本発明は、マト
リックスポリマー中に分散された上記の複合体粒子より
なる第一層の構造によって効率のよい水解離がなされる
ことと、第一層自体が単独でもマトリックスポリマーが
有するイオン交換基と同一の電荷を持つ単層のイオン交
換膜としても作用することに基づくものであって、新規
な構造を有するバイポーラ膜を提供するものである。
The term "composite particles" as used herein means particles having a structure in which a polymer having an ion exchange group is coated on the inner surface of the pores of the porous body or partially filled in the pores. It may be a quality ion exchange resin particle. The matrix polymer referred to here is a polymer containing an ion-exchange resin forming the first layer, and has a continuous and uniform structure. The present invention provides efficient water dissociation due to the structure of the first layer composed of the above composite particles dispersed in a matrix polymer, and an ion-exchange group contained in the matrix polymer even if the first layer itself is present. It is based on the fact that it also functions as a single-layer ion exchange membrane having the same charge, and provides a bipolar membrane having a novel structure.

【0007】本発明で言うバイポーラ膜の第一層での水
の解離は、カチオン交換樹脂の部分で生じるのか、ある
いはアニオン交換樹脂の部分かそれともそれらの接合界
面であるかは明確ではない。しかしイオン交換基を含む
多孔質体粒子中のイオン交換基とこれを取り巻くマトリ
ックスポリマーのイオン交換基との距離、位置関係、交
換基密度、固定電荷に水和する水分子などに、水解離の
性能が影響されると考えられ、第一層の内部構造の設計
が極めて重要である。本発明者らは、鋭意検討を重ねた
結果、理由は明かではないが、以下に説明する構造の第
一層が目的にかなう性能を与えることを見出し、本発明
を完成させた。即ち、(1)複合体が適度な粒子径と細
孔径、孔容量を持つ多孔質体から構成されているため、
多孔質体中のイオン交換樹脂とマトリックスポリマーと
の接触面積が大きくなっていること、(2)イオン交換
基を含む多孔質体粒子がマトリックスポリマー中に分散
されており、一種のモザイク構造になっており、解離し
た水素イオンと水酸イオンが再結合せずに、それぞれ、
カチオン交換樹脂層とアニオン交換樹脂層に到達できる
ようになっていること、等である。
It is not clear whether the dissociation of water in the first layer of the bipolar membrane referred to in the present invention occurs in the cation exchange resin portion, or in the anion exchange resin portion or at their bonding interface. However, the distance between the ion-exchange group in the porous particle containing the ion-exchange group and the ion-exchange group of the matrix polymer surrounding it, the positional relationship, the density of the exchange group, the water molecules hydrated to a fixed charge, and the like It is believed that performance is affected and the design of the internal structure of the first layer is extremely important. As a result of intensive investigations, the present inventors have found that the first layer of the structure described below provides performance that meets the purpose, although the reason is not clear, and completed the present invention. That is, (1) since the composite is composed of a porous body having an appropriate particle size, pore size, and pore volume,
The contact area between the ion-exchange resin and the matrix polymer in the porous body is large, and (2) the porous body particles containing ion-exchange groups are dispersed in the matrix polymer to form a kind of mosaic structure. The dissociated hydrogen ions and hydroxide ions do not recombine,
That is, the cation exchange resin layer and the anion exchange resin layer can be reached.

【0008】このような構造を持つバイポーラ膜の透析
電圧は、主に、水解離の場である第一層の構造によって
決まり、複合体粒子の種類、内部構造、含まれるイオン
交換樹脂の種類、形態や交換容量、および該多孔質体粒
子のマトリックスポリマー中での分散構造に影響され
る、と考えられる。更に、本発明においては、第一層単
独ではマトリックスポリマーが有するイオン交換基の単
層膜と同一のイオン選択透過性を示し、例えばマトリク
ッスポリマーがアニオン交換樹脂的性質を示すならばア
ニオン単独のイオン交換樹脂層としての役割も果たせる
ことを見いだしている。このため第一層のマトリックス
ポリマーが含むイオン交換基と反対の電荷を有する第二
層を接合するだけでバイポーラ膜を形成できることにな
る。この理由も明確ではないが、例えば第一層を形成す
る際、マトリックスポリマーの原料モノマーとイオン交
換基を含む多孔質体粒子を混合してキャストし重合する
が、重合後はその両側の表面にイオン交換基を含む多孔
質体粒子が露出せず、マトリックスポリマーで覆われた
状態になっているためと考えている。
The dialysis voltage of the bipolar membrane having such a structure is mainly determined by the structure of the first layer, which is the field of water dissociation, and it depends on the kind of complex particles, the internal structure, the kind of ion exchange resin contained, It is considered to be influenced by the morphology, the exchange capacity, and the dispersion structure of the porous particles in the matrix polymer. Further, in the present invention, the first layer alone exhibits the same ion selective permeability as the monolayer membrane of the ion exchange group possessed by the matrix polymer. For example, if the matrix polymer exhibits anion exchange resin-like properties, the anion alone It has been found that it can also serve as an ion exchange resin layer. Therefore, the bipolar film can be formed only by joining the second layer having an opposite charge to the ion exchange group contained in the matrix polymer of the first layer. The reason for this is not clear, but for example, when forming the first layer, the raw material monomer of the matrix polymer and the porous body particles containing an ion exchange group are mixed and cast, and after the polymerization, the surfaces on both sides thereof are polymerized. It is considered that the porous particles containing the ion-exchange group are not exposed and are covered with the matrix polymer.

【0009】本発明に用いる多孔質体は、無機多孔質体
または有機多孔質体にイオン交換基を含浸したもの、あ
るいはイオン交換樹脂多孔質体のいずれでもよい。ここ
でいう無機多孔質体としては、例えば、珪素、ホウ素、
アルミニウム、チタン等を焼結して得られたポーラスな
酸化物である。焼結した酸化物等は強度的にも有利であ
り、好んで用いられる。なお、これらの酸化物を二種以
上含有してもよく、さらには、他の成分元素を含んでも
よい。無機多孔質体の中では、特に酸化珪素の多孔質体
が、粒子径、細孔径、孔容量や比表面積を任意に選択で
きるので最も好ましい。ここでいう有機多孔質体として
は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリ
オレフィン系の多孔質体やポリビニルアルコール系、ポ
リスルホン、フッ化ビニリデン系、ポリアクリロニトリ
ル系、セルロース系、ポリウレタン系、ポリスチレン系
等の公知のイオン交換基を含有しない多孔質体等やスル
ホン酸基や4級アンモニウム基等のイオン交換基を導入
したものであってもよい。
The porous body used in the present invention may be either an inorganic porous body or an organic porous body impregnated with an ion exchange group, or an ion exchange resin porous body. Examples of the inorganic porous material here include silicon, boron,
It is a porous oxide obtained by sintering aluminum, titanium and the like. Sintered oxides and the like are advantageous in strength and are preferably used. In addition, two or more kinds of these oxides may be contained, and further, other component elements may be contained. Among the inorganic porous materials, the silicon oxide porous material is most preferable because the particle diameter, the pore diameter, the pore volume and the specific surface area can be arbitrarily selected. Examples of the organic porous body here include well-known polyolefin-based porous bodies such as polyethylene and polypropylene, polyvinyl alcohol-based, polysulfone, vinylidene fluoride-based, polyacrylonitrile-based, cellulose-based, polyurethane-based, polystyrene-based and the like. It may be a porous body containing no ion exchange group, or an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a quaternary ammonium group.

【0010】この多孔質体にイオン交換樹脂を含浸する
場合、細孔構造として、含浸するイオン交換樹脂が、細
孔内表面に薄くコートされ易い構造の多孔質体が有効で
あり、多孔質体としては、平均細孔径、細孔容積、粒子
径、表面積の指標があり、例えば、平均細孔径は20n
m〜1000nmが有効であり、好ましくは50nm〜
700nmである。多孔質体の細孔径は、小さすぎると
イオン交換樹脂の含浸が不十分となったり、大きすぎる
と含浸するイオン交換樹脂のコート面積が不足し、水の
解離を行う際の電圧が高くなる。更に、複合体を形成
し、マトリックスポリマー中に分散させた際に、複合体
にも細孔が残り、この細孔にマトリックスポリマーが侵
入してマトリックスポリマーと複合体との間で大きな界
面面積が得られるようにすることも必要であり、このた
めにも前記のような平均細孔径が好ましい。多孔質体の
空孔容量は、イオン交換樹脂を含浸する際に十分な量が
含浸でき、複合体を形成した時に必要十分な交換容量を
持つためにも、十分大きいものが好ましいが、公知の多
孔質体では、強度や製造上の点から限界があり、その範
囲は、0.5cm3 /g〜1.4cm3 /gが好まし
い。0.5cm3 /g未満では水解離の電圧が高くなり
好ましくない。
When the porous body is impregnated with an ion exchange resin, a porous body having a structure in which the impregnated ion exchange resin is likely to be thinly coated on the inner surfaces of the pores is effective. Is an index of average pore diameter, pore volume, particle diameter, and surface area. For example, the average pore diameter is 20 n.
m to 1000 nm is effective, and preferably 50 nm to
It is 700 nm. If the pore size of the porous body is too small, the impregnation of the ion exchange resin will be insufficient, and if it is too large, the coating area of the impregnated ion exchange resin will be insufficient and the voltage for dissociating water will be high. Furthermore, when the composite is formed and dispersed in the matrix polymer, pores remain in the composite, and the matrix polymer penetrates into the pores, resulting in a large interfacial area between the matrix polymer and the composite. It is also necessary to obtain it, and for this reason, the average pore diameter as described above is preferable. The pore volume of the porous body is preferably sufficiently large so that a sufficient amount can be impregnated when the ion exchange resin is impregnated, and a sufficient and sufficient exchange capacity can be obtained when the composite is formed. the porous body, there is a limit in terms of strength and manufacturing, the range is preferably 0.5cm 3 /g~1.4cm 3 / g. If it is less than 0.5 cm 3 / g, the voltage of water dissociation becomes high, which is not preferable.

【0011】多孔質体に含浸するイオン交換樹脂として
は、非架橋型であっても、架橋型であってもよく、具体
的には、ポリスチレンスルホン酸樹脂、パーフルオロス
ルホン酸樹脂、四級化ポリビニルピリジン樹脂、四級化
ポリビニルベンジルクロリド樹脂、四級化ポリビニルイ
ミダゾール樹脂およびこれらのジビニルベンゼンとの共
重合体およびこれらの前駆体で、含浸後イオン交換基を
導入したものなどがあげられる。含浸樹脂の分子量は、
非架橋型のポリマーであれば1万以上、好ましくは7万
以上であり、樹脂の分子量が低すぎると、膜の電気抵抗
が高くなったり、また、製造途中の洗浄工程や化学反応
工程で、脱落し、十分なものとならない。分子量は大き
い程好ましいが、大きすぎると、ポリマーを含浸する際
に、ポリマーが溶媒に溶解しにくくなり、目的量の含浸
ができなくなる。また、イオン交換樹脂が多孔質体内部
の細孔表面に薄くコートされている構造が好ましく、細
孔表面全体をコートするが細孔を埋め尽くさない程度の
樹脂の含浸量が選ばれる。多孔質体に含浸するイオン交
換樹脂量は、空孔容積の10〜80%がよく、好ましく
は20〜60%がよい。この含浸量は、多い方が好まし
いが、多すぎると多孔質体の細孔をイオン交換樹脂が埋
めてつくしてしまい水解離の電圧が高くなり好ましくな
い。この樹脂のイオン交換容量は、含浸するイオン交換
樹脂として1.0meq/g〜5.4meq/gであ
り、好ましくは、3.0〜5.4meq/gである。第
一層全体としては、0.02meq/g〜1.3meq
/gであり、好ましくは、0.06meq/g〜1.3
meq/gである。交換容量が低すぎると水解離の電圧
が高くなり好ましくなく、逆に、交換容量は高いほうが
好ましいが、共重合するモノマーや添加剤などによりそ
の上限が制約される。
The ion exchange resin with which the porous material is impregnated may be either a non-crosslinked type or a crosslinked type. Specifically, it is a polystyrene sulfonic acid resin, a perfluorosulfonic acid resin, or a quaternized resin. Examples thereof include polyvinyl pyridine resins, quaternized polyvinyl benzyl chloride resins, quaternized polyvinyl imidazole resins, copolymers of these with divinylbenzene, and precursors thereof into which an ion exchange group is introduced after impregnation. The molecular weight of the impregnated resin is
If it is a non-crosslinked polymer, it is 10,000 or more, preferably 70,000 or more. If the molecular weight of the resin is too low, the electric resistance of the film becomes high, and in the washing step or chemical reaction step during the production, It falls off and does not become enough. The larger the molecular weight, the more preferable. However, if the molecular weight is too large, it becomes difficult for the polymer to be dissolved in the solvent when impregnating the polymer, and it becomes impossible to impregnate a desired amount. Further, a structure in which the surface of the pores inside the porous body is thinly coated with an ion exchange resin is preferable, and an impregnation amount of the resin is selected so as to coat the entire surface of the pores but not to fill the pores. The amount of ion exchange resin with which the porous body is impregnated is preferably 10 to 80% of the pore volume, and more preferably 20 to 60%. This impregnation amount is preferably as large as possible, but if it is too large, the pores of the porous body are filled with the ion exchange resin and the voltage of water dissociation becomes high, which is not preferable. The ion exchange capacity of this resin is 1.0 meq / g to 5.4 meq / g as the ion exchange resin to be impregnated, and preferably 3.0 to 5.4 meq / g. As a whole of the first layer, 0.02 meq / g to 1.3 meq
/ G, preferably 0.06 meq / g to 1.3
It is meq / g. If the exchange capacity is too low, the voltage of water dissociation becomes high, which is not preferable. On the contrary, the exchange capacity is preferably high, but the upper limit is restricted by the monomers and additives to be copolymerized.

【0012】ここで用いる複合体粒子の形成方法とし
て、多孔質体にイオン交換基を含む樹脂を適切な溶媒に
溶解した後含浸し乾燥させてもよく、また、イオン交換
基に転換しうる化学的に活性な部位を有する樹脂の溶液
を含浸させた後にイオン交換基を導入してもよい。さら
には、イオン交換基を有するモノマーを含有したモノマ
ー混合物を多孔質体に含浸後、重合もしくは共重合し
て、複合体粒子を得てもよい。また、イオン交換基に転
換しうる化学的に活性な部位を有するモノマーを多孔質
体に含浸後、重合もしくは共重合した後にイオン交換基
を導入して複合体粒子を得てもよい。多孔質体粒子の粒
子径は、0.5μm〜50μmの微粒子が好ましい。更
に1μm〜10μmの範囲が水解離の電圧を低くする上
で最も好ましい。粒子径があまりに大きすぎると層形成
する際均一なものが得られにくい上、水解離の電圧が高
くなる傾向があり、小さすぎると適度な孔容量と細孔径
を持つ多孔質体が得られないばかりでなく、複合体を形
成しようとすると相互に凝集したり均一なイオン交換樹
脂の含浸ができなかったりすることが多く、結果として
水解離の電圧が高くなってしまう。
As a method for forming the composite particles used here, a resin containing an ion exchange group may be dissolved in a suitable solvent in a porous body, and then impregnated and dried, or a chemistry capable of converting into an ion exchange group. The ion exchange group may be introduced after impregnation with a solution of a resin having a chemically active site. Further, composite particles may be obtained by impregnating the porous body with a monomer mixture containing a monomer having an ion exchange group and then polymerizing or copolymerizing the same. Alternatively, the composite particles may be obtained by impregnating the porous body with a monomer having a chemically active site that can be converted into an ion-exchange group, polymerizing or copolymerizing the monomer, and then introducing the ion-exchange group. The particle size of the porous particles is preferably 0.5 μm to 50 μm. Further, the range of 1 μm to 10 μm is most preferable in order to lower the voltage of water dissociation. If the particle size is too large, it is difficult to obtain a uniform one when forming a layer, and the voltage of water dissociation tends to increase, and if it is too small, a porous body with an appropriate pore volume and pore size cannot be obtained. Not only that, when trying to form a complex, they often aggregate with each other or fail to be uniformly impregnated with the ion exchange resin, resulting in a high voltage of water dissociation.

【0013】多孔質体単位重量あたりの表面積(比表面
積)は、含浸する樹脂が多孔質体内部をできるだけ均一
にコーティングできる範囲であれば出来得る限り大きい
ことが好まく、多孔質体の表面積が、1m2 /g以上で
あれば水解離の電圧を低くできるので好ましい。しか
し、その表面積は細孔径や孔容量によって決まってくる
のでこの面からの制約がある。このような多孔質体粒子
は、公知の方法、例えば、特開昭61ー122173号
公報記載の方法のようなシリカゾルを造粒し焼成して製
作する方法等で製作される。
The surface area (specific surface area) per unit weight of the porous body is preferably as large as possible as long as the resin to be impregnated can coat the inside of the porous body as uniformly as possible. It is preferable that it is 1 m 2 / g or more because the voltage of water dissociation can be lowered. However, since the surface area is determined by the pore diameter and the pore volume, there are restrictions from this aspect. Such porous particles are manufactured by a known method, for example, a method of granulating and firing silica sol such as the method described in JP-A-61-122173.

【0014】以上述べたように、複合体粒子は、複合体
のベースである多孔質体がある好ましい範囲の平均粒子
径、平均細孔径、孔容量を有することにより低い水解離
電圧で酸と塩基とを分離することができる。この複合体
粒子を、孔容量や平均細孔径の異なっている単なる同一
粒子径のイオン交換樹脂と置き換えたとしても、本発明
のような低い水解離の電圧は到底達成できない。しか
し、イオン交換樹脂が本発明における複合体粒子と全く
同一形状のものが得られれば本発明と同一の効果が得ら
れると考えられるので、このようなものを複合体粒子の
代わりに用いてもよい。マトリックスポリマーとして
は、多孔質体に含浸するイオン交換樹脂がカチオン交換
基の場合は、四級化ポリビニルピリジン、四級化ポリビ
ニルイミダゾール、四級化ポリビニルベンジルクロリド
およびこれらとジビニルベンゼンとの共重合体や含フッ
ソ系アニオン交換樹脂などを含むものであり、逆にアニ
オン交換基の場合は、ポリスチレンスルホン酸を含むカ
チオン交換樹脂やパーフルオロスルホン酸樹脂を含むカ
チオン交換樹脂などである。
As described above, the composite particles have a porous body which is the base of the composite and have an average particle diameter, an average pore diameter and a pore volume within a preferable range, whereby an acid and a base can be generated at a low water dissociation voltage. And can be separated. Even if the composite particles are replaced with ion exchange resins having the same particle size but different pore volumes and average pore sizes, the low water dissociation voltage as in the present invention cannot be achieved at all. However, it is considered that the same effect as that of the present invention can be obtained if the ion exchange resin having the same shape as the composite particles of the present invention is obtained. Therefore, even if such an ion exchange resin is used instead of the composite particles. Good. As the matrix polymer, when the ion exchange resin impregnated in the porous body is a cation exchange group, quaternized polyvinyl pyridine, quaternized polyvinyl imidazole, quaternized polyvinyl benzyl chloride, and a copolymer of these with divinyl benzene And a fluorine-containing anion exchange resin and the like. Conversely, in the case of an anion exchange group, it is a cation exchange resin containing polystyrene sulfonic acid or a cation exchange resin containing perfluorosulfonic acid resin.

【0015】マトリックスポリマーのイオン交換容量
は、1.0meq/g〜4.5meq/gで好ましく
は、2.0meq/g〜4.5meq/gである。第一
層全体としては、0.7meq/g〜3.0meq/g
であり、交換容量が低すぎると電気抵抗が高くなり好ま
しくなく、逆に、交換容量が高いほうが好ましいが、共
重合するモノマーや添加剤などによりその上限が制約さ
れる。第一層のマトリックスポリマーとしては、膜の電
気抵抗や寸法安定性や機械的強度の点から架橋構造にす
ることが好ましく、この架橋構造は、三次元架橋が好ま
しく、マトリックスポリマーを形成するモノマーとして
ビニル基を二個以上持った架橋剤が好んで用いられる。
ここでいう架橋剤としては、m−、p−、o−、ジビニ
ルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプ
レン、トリビニルベンゼン類、ジビニルナフタリン、ト
リビニルナフタリン等のポリビニル化合物があげられ、
また、その他の架橋剤として、ポリアミン架橋も利用で
き、ポリアミン架橋剤としては、例えば、N,N−ジメ
チルプロパンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメ
チルヘキサンジアミン等の公知のジアミンもしくは、ポ
リアミンが使用できる。また、これらマトリックスポリ
マー中には、弾性アップ、密着性アップや増粘などの目
的で必要に応じて、可塑剤や線状高分子などの付加物質
を含有させても構わない。
The ion exchange capacity of the matrix polymer is 1.0 meq / g to 4.5 meq / g, preferably 2.0 meq / g to 4.5 meq / g. 0.7 meq / g to 3.0 meq / g as a whole of the first layer
If the exchange capacity is too low, the electric resistance becomes high, which is not preferable. On the contrary, the exchange capacity is preferably high, but the upper limit is restricted by the monomers and additives to be copolymerized. The matrix polymer of the first layer is preferably a cross-linked structure from the viewpoint of electric resistance, dimensional stability and mechanical strength of the film. This cross-linked structure is preferably three-dimensional cross-linked and used as a monomer for forming the matrix polymer. A crosslinking agent having two or more vinyl groups is preferably used.
Examples of the crosslinking agent include polyvinyl compounds such as m-, p-, o-, divinylbenzene, divinylsulfone, butadiene, chloroprene, trivinylbenzenes, divinylnaphthalene, and trivinylnaphthalene.
Further, polyamine cross-linking can be used as the other cross-linking agent, and as the polyamine cross-linking agent, for example, known diamines such as N, N-dimethylpropanediamine, N, N, N ′, N′-tetramethylhexanediamine, or , Polyamines can be used. In addition, these matrix polymers may contain additional substances such as plasticizers and linear polymers as needed for the purpose of increasing elasticity, improving adhesion, and increasing viscosity.

【0016】マトリックスポリマーの架橋の程度として
は、ジビニルベンゼンが他のモノマーに対して1部〜1
3部程度含まれることが好ましく、更に好ましくは5部
〜13部であり、この範囲以外では、バイポーラ膜とし
て使用した場合、水解離電圧が徐々に上昇する等の不都
合が生じることがある。また、イオン交換樹脂を含浸し
た多孔質体である複合体粒子とマトリックスポリマーの
重量組成比は、マトリックスポリマーの組成比が小さく
なりすぎて脆くなるといった機械的強度の悪化や電気抵
抗の悪化のない組成範囲がよく、その範囲は1:2〜
1:4が望ましく、複合体粒子が多すぎると第一層を形
成する際、亀裂や強度低下を引き起こすことがあり、少
なすぎると水解離の電圧が高くなる等の不都合が生じる
ことがある。さらに、多孔質体にイオン交換樹脂を含浸
した複合体粒子をマトリックスポリマー中に均一分散す
る目的で、この複合体粒子を粉砕してもよい。
The degree of crosslinking of the matrix polymer is such that divinylbenzene is 1 part to 1 with respect to other monomers.
It is preferably contained in an amount of about 3 parts, more preferably 5 to 13 parts. Outside this range, when it is used as a bipolar membrane, disadvantages such as a gradual increase in water dissociation voltage may occur. Further, the weight composition ratio of the composite particles, which is a porous material impregnated with the ion exchange resin, and the matrix polymer does not deteriorate mechanical strength or electrical resistance such that the composition ratio of the matrix polymer becomes too small and becomes brittle. The composition range is good, and the range is 1: 2
The ratio of 1: 4 is desirable, and when the amount of the composite particles is too large, cracks and reduction in strength may occur when forming the first layer, and when the amount is too small, disadvantages such as an increase in water dissociation voltage may occur. Further, the composite particles may be crushed for the purpose of uniformly dispersing the composite particles in which the porous material is impregnated with the ion exchange resin in the matrix polymer.

【0017】第一層のマトリックスポリマーがカチオン
交換基を含むものであれば、本発明のバイポーラ膜の第
二層としてアニオン交換樹脂層を形成する。このアニオ
ン交換樹脂層としては、四級化ポリビニルピリジン、四
級化ポリビニルベンジルクロリド、四級化ポリビニルイ
ミダゾール、含フッソ系アニオン交換樹脂などであり必
要に応じてジビニルベンゼンなどによる三次元架橋やハ
ロメチル基のアミノ化によるポリアミン架橋を含んでも
よい。第一層のマトリックスポリマーがアニオン交換基
を含むものであれば、本発明のバイポーラ膜の第二層と
してカチオン交換樹脂層を形成する。このカチオン交換
樹脂層としては、ポリスチレンスルホン酸を含むカチオ
ン交換樹脂やパーフルオロスルホン酸樹脂を含むカチオ
ン交換樹脂などであり必要に応じてジビニルベンゼンな
どによる三次元架橋を含んでもよく、また、必要に応じ
て、可塑剤や線状高分子などの付加物質を含有させても
構わない。機械的強度を高める為の補強布として、ポリ
塩化ビニルやポリプロピレンの織布を用いてもよい。そ
の他、補強材として、網、布、微多孔膜などを用いても
良い。
When the matrix polymer of the first layer contains a cation exchange group, an anion exchange resin layer is formed as the second layer of the bipolar membrane of the present invention. The anion exchange resin layer includes a quaternized polyvinyl pyridine, a quaternized polyvinyl benzyl chloride, a quaternized polyvinyl imidazole, a fluorine-containing anion exchange resin, and the like, and if necessary, three-dimensional crosslinking with divinylbenzene or a halomethyl group. It may also include polyamine crosslinking by amination of. If the matrix polymer of the first layer contains an anion exchange group, a cation exchange resin layer is formed as the second layer of the bipolar membrane of the present invention. The cation exchange resin layer is a cation exchange resin containing polystyrene sulfonic acid or a cation exchange resin containing perfluorosulfonic acid resin, and may contain three-dimensional crosslinking with divinylbenzene or the like, if necessary. Accordingly, an additional substance such as a plasticizer or a linear polymer may be contained. A woven fabric of polyvinyl chloride or polypropylene may be used as the reinforcing fabric for increasing the mechanical strength. In addition, a mesh, cloth, microporous film, or the like may be used as the reinforcing material.

【0018】本発明のバイポーラ膜を製作する方法とし
ては、複合体粒子及びマトリックスポリマーに交換基を
導入して形成した第一層上に、第二層としてアニオン交
換樹脂層やカチオン交換樹脂層を形成する。即ち、第一
層の片面にアニオン交換樹脂層を第二層として形成する
場合であれば、アニオン交換性接着材でアニオン交換膜
を、カチオン交換樹脂層を形成する場合であればカチオ
ン交換性接着材でカチオン交換膜を接着もしくは、加熱
加圧融着する。また、アニオン交換基もしくはカチオン
交換基を含む樹脂を溶媒に溶解し、第一層表面に塗布後
乾燥してバイポーラ膜を得ることができ、第二層として
は、三次元架橋したものを用いることもできる。本発明
に用いることのできるイオン交換樹脂を合成する方法は
特に制限はなく、例えばアニオン交換樹脂であれば、ハ
ロメチル基をもつビニルベンジルクロライドとジビニル
ベンゼンの混合モノマーを重合してトリメチルアミン等
によって交換基を導入する方法が用いられ、またカチオ
ン交換樹脂であれば、スチレンとジベニルベンゼンの混
合モノマーを重合して硫酸等で交換基を導入する方法
や、アミン塩酸塩等で疎水化したスルホン基を含有する
スチレンスルホン酸モノマーとジビニルベンゼンの混合
モノマーを重合する方法等が用いられる。
As a method for producing the bipolar membrane of the present invention, an anion exchange resin layer or a cation exchange resin layer is formed as a second layer on the first layer formed by introducing an exchange group into the composite particles and the matrix polymer. Form. That is, when the anion exchange resin layer is formed as the second layer on one surface of the first layer, the anion exchange membrane is formed with an anion exchange adhesive material, and when the cation exchange resin layer is formed, the cation exchange adhesive layer is formed. The cation exchange membrane is adhered or heat-pressed and fused with a material. Further, a resin containing an anion exchange group or a cation exchange group can be dissolved in a solvent, a first layer surface can be applied and dried to obtain a bipolar film, and a three-dimensionally crosslinked one can be used as the second layer. You can also The method for synthesizing the ion exchange resin that can be used in the present invention is not particularly limited. For example, in the case of an anion exchange resin, a mixed monomer of vinylbenzyl chloride having a halomethyl group and divinylbenzene is polymerized to form an exchange group with trimethylamine or the like. In the case of a cation exchange resin, a method of polymerizing a mixed monomer of styrene and dibenenylbenzene to introduce an exchange group with sulfuric acid or a sulfo group hydrophobized with amine hydrochloride or the like is used. A method of polymerizing a mixed monomer of a styrene sulfonic acid monomer and divinylbenzene is used.

【0019】本発明においては、電流効率の向上や化学
的耐久性の向上等を図るため必要に応じて第三層を形成
することもできる。この場合は、第一層の面のうち第二
層に接する側とは反対側に、第一層のマトリックスポリ
マーと同一の電荷を持つイオン交換樹脂層を密着させて
形成する。したがって第三層のポリマーは、基本的には
第二層とは反対側の電荷を持つイオン交換樹脂層であ
り、第三層を形成させる方法は、上記の第二層を形成さ
せる時と同様にキャスト法や接着法のいずれでもよい。
以上述べたのように、本発明者等は鋭意検討の結果次の
三つの長所を持つバイポーラ膜を得るに至った。即ち、
本発明の第一の特徴は、ある範囲の平均粒子径、孔容
量、平均細孔径を持つ多孔質体中にイオン交換樹脂を含
有する複合体を第一層に分散しているので、高電流密度
で低水解離電圧を示すことである。
In the present invention, the third layer may be formed if necessary in order to improve the current efficiency and the chemical durability. In this case, an ion exchange resin layer having the same charge as that of the matrix polymer of the first layer is formed in close contact with the surface of the first layer opposite to the side in contact with the second layer. Therefore, the polymer of the third layer is basically an ion exchange resin layer having a charge on the side opposite to the second layer, and the method of forming the third layer is the same as that of forming the second layer described above. Either a casting method or an adhesion method may be used.
As described above, the present inventors have earnestly studied and, as a result, have obtained a bipolar film having the following three advantages. That is,
The first feature of the present invention is that a composite containing an ion exchange resin in a porous body having a certain range of average particle diameter, pore volume, and average pore diameter is dispersed in the first layer, so that high current That is, the density shows a low water dissociation voltage.

【0020】本発明の第二の特徴は、第一層のマトリッ
クスポリマーがアニオン交換基を持つものであればアニ
オン層として利用することができ、カチオン交換基を持
つものであればカチオン層として利用できる事であり、
そのため、第一層と第二層のみでもバイポーラ膜として
高性能を発揮できるので製造上非常に有利である。本発
明の第三の特徴は、低い水解離電圧に有効な水解離のた
めの第一層を第二層としてのアニオン交換樹脂層やカチ
オン交換樹脂層と別々に設計、製造でき、そのため、そ
の他の機能性付与が容易なことである。即ち、高い電流
効率を実現するため、必要に応じて、アニオン交換樹脂
層及びカチオン交換樹脂層を三次元架橋構造のものやイ
オンクラスタ構造のものを用いてもよい。また、本発明
のバイポーラ膜を構成する各層には、機械的強度をよく
する為に補強布を入れることが容易である。以上述べた
ように、本発明は、第一層、第二層、必要に応じて第三
層を個々に設計、製作できるので、工業規模に用いられ
る大きなサイズのバイポーラ膜製造も容易であるばかり
でなく、個別の透析条件に合わせたバイポーラ膜を製作
し易い高性能なバイポーラ膜である。
The second feature of the present invention is that if the matrix polymer of the first layer has an anion exchange group, it can be used as an anion layer, and if it has a cation exchange group, it can be used as a cation layer. Is possible,
Therefore, high performance as a bipolar film can be achieved even with only the first layer and the second layer, which is very advantageous in manufacturing. The third feature of the present invention is that the first layer for water dissociation effective for low water dissociation voltage can be designed and manufactured separately from the anion exchange resin layer and the cation exchange resin layer as the second layer, and therefore other It is easy to add the functionality of. That is, in order to realize high current efficiency, the anion exchange resin layer and the cation exchange resin layer may have a three-dimensional cross-linking structure or an ion cluster structure, if necessary. Moreover, it is easy to put a reinforcing cloth in each layer constituting the bipolar film of the present invention in order to improve the mechanical strength. As described above, according to the present invention, since the first layer, the second layer, and the third layer can be individually designed and manufactured, it is easy to manufacture a large-sized bipolar film used on an industrial scale. Rather, it is a high-performance bipolar membrane that makes it easy to fabricate bipolar membranes that meet individual dialysis conditions.

【0021】[0021]

【実施例】以下、実施例によって本発明を更に具体的に
説明するが、本発明は、この実施例によって何等限定さ
れるものではない。なお、実施例のバイポーラ膜の性能
は、以下のように測定した。即ち、白金黒メッキを施し
た白金板を陽極と陰極とし、カチオン交換膜、バイポー
ラ膜、アニオン交換膜で4室に仕切る。1N食塩水を5
0ml、1〜4室にそれぞれ入れて、電気透析を1時間
行う。この時、電流密度100mA/cm2 における膜
の水解離電圧を、ルギン管を用いて、比較電極に接続し
た電圧記録計で読む。また、バイポーラ膜の水素イオン
および水酸イオンの輸率は、酸塩基滴定で求めた。透析
面積は、8cm2 である。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples. The performance of the bipolar film of the example was measured as follows. That is, a platinum plate plated with platinum black is used as an anode and a cathode, and is partitioned into four chambers by a cation exchange membrane, a bipolar membrane and an anion exchange membrane. 5 1N saline
0 ml is placed in each of 1 to 4 chambers and electrodialysis is performed for 1 hour. At this time, the water dissociation voltage of the membrane at a current density of 100 mA / cm 2 is read by a voltmeter connected to the reference electrode using a Luggin tube. The transport numbers of hydrogen ions and hydroxide ions in the bipolar membrane were determined by acid-base titration. The dialysis area is 8 cm 2 .

【0022】(実施例1〜4)特開昭61ー12217
3号公報に記載の方法により、平均粒子径5μm、孔容
量1.1cm3 /gのシリカ多孔質体で平均細孔径20
nm、60nm、150nm、700nmのもの4種類
を製作した。これらのシリカ多孔質体から複合体を形成
する方法は次の手順にて行った。この内の一種のシリカ
多孔質体59.6部をロータリーエバポレーター内に取
り、スチレンモノマー5.1部、ジビニルベンゼン(純
度56%)2.9部、nーヘキサン32.3部、アゾビ
スイソブチロニトリル0.1部の混合液を、室温にて
0.1atmの条件でロータリーエバポレーターえを回
転させながら内部のシリカ多孔質体へ少しづづ添加す
る。添加終了後、別の容器に移し、窒素雰囲気下で60
℃、24時間重合させた。重合後、メタノールで洗浄
し、十分に乾燥させた後、濃硫酸にてシリカ多孔質体に
含浸されたポリマーをスルホン化し複合体とした。この
複合体全体の交換容量は約1.0meq/gで樹脂部の
容積はシリカ多孔質体孔容量の約30%であった。
(Examples 1 to 4) JP-A-61-2217
According to the method described in Japanese Patent Publication No. 3, a silica porous body having an average particle diameter of 5 μm and a pore volume of 1.1 cm 3 / g has an average pore diameter of 20.
Four types, namely, nm, 60 nm, 150 nm, and 700 nm were manufactured. The method of forming a composite from these silica porous bodies was performed by the following procedure. 59.6 parts of one kind of porous silica material was taken in a rotary evaporator, and 5.1 parts of styrene monomer, 2.9 parts of divinylbenzene (purity 56%), 32.3 parts of n-hexane, and azobisisobutyrate. A mixed solution of 0.1 part of ronitrile is added little by little to the internal silica porous body while rotating the rotary evaporator under the condition of 0.1 atm at room temperature. After the addition is completed, transfer to another container and 60 under a nitrogen atmosphere.
Polymerization was carried out at ℃ for 24 hours. After the polymerization, the polymer was washed with methanol and sufficiently dried, and then the polymer impregnated in the silica porous body was sulfonated with concentrated sulfuric acid to form a composite. The exchange capacity of the entire composite was about 1.0 meq / g, and the volume of the resin part was about 30% of the pore volume of the porous silica material.

【0023】この複合体を用いて第一層を形成する場合
は、次の手順に従って行った。複合体粉末50部をスチ
レン3.63部、ジビニルベンゼン(純度56%)1
7.86部、ビニルベンジルクロライド45.78部、
ポリ塩化ビニル樹脂10部、ニトリルブタジエンゴム5
部、フタル酸ジメチル10部、および重合開始剤アゾビ
スイソブチロニトリル0.2部と混合し、減圧下で脱気
し複合体内の空気を抜いた。このモノマーと複合体の混
合液をポリ塩化ビニル織布に含浸し、ポリエステルフィ
ルムで覆って60℃で24時間塊状重合し、膜状物を得
た。得られた膜状物をアセトンを含むトリメチルアミン
水溶液で四級化し第一層を得、この時得られた第一層の
厚みは、90μmであった。次に第一層上の第二層を形
成する面をあらかじめサンドペーパーで研磨し、分散し
た複合体粒子を一部露出させた。
When the first layer was formed using this composite, the following procedure was performed. 50 parts of composite powder, 3.63 parts of styrene, divinylbenzene (purity 56%) 1
7.86 parts, vinylbenzyl chloride 45.78 parts,
Polyvinyl chloride resin 10 parts, nitrile butadiene rubber 5
Parts, 10 parts of dimethyl phthalate, and 0.2 parts of a polymerization initiator, azobisisobutyronitrile, were mixed and deaerated under reduced pressure to remove air from the complex. A polyvinyl chloride woven fabric was impregnated with the mixed liquid of the monomer and the composite, covered with a polyester film, and subjected to bulk polymerization at 60 ° C. for 24 hours to obtain a film. The obtained film-like material was quaternized with an aqueous trimethylamine solution containing acetone to obtain a first layer, and the thickness of the first layer obtained at this time was 90 μm. Next, the surface on which the second layer was formed on the first layer was previously polished with sandpaper to partially expose the dispersed composite particles.

【0024】このようにして得られた第一層上に第二層
を形成するのは次の手順で行った。スチレンを重合し非
架橋のポリマーを得た。このポリマーを濃硫酸にてスル
ホン化し、交換容量1.5meq/gのイオン交換樹脂
を得た。更にこのイオン交換樹脂90部とポリ塩化ビニ
ル10部とを、ジメチルホルムアミドに溶解し約15重
量%のイオン交換樹脂を含む溶液を作成し、乾燥させた
第一層上にキャストした。キャスト後110℃〜120
℃で10分間乾燥させて第二層を形成させバイポーラ膜
とした。この時第二層の厚みは35μmであった。以上
の方法と同様な方法により4種類のシリカ多孔質体を用
い4種類のバイポーラ膜を得た。これらのバイポーラ膜
を一晩1Nの食塩水で平衡した後、100mA/cm2
の電流密度で透析を行いバイポーラ膜の電圧と苛性ソー
ダ生成電流効率を測定し、得られた結果を表1及び図3
に示す。
The second layer was formed on the first layer thus obtained by the following procedure. Styrene was polymerized to obtain a non-crosslinked polymer. This polymer was sulfonated with concentrated sulfuric acid to obtain an ion exchange resin having an exchange capacity of 1.5 meq / g. Further, 90 parts of this ion exchange resin and 10 parts of polyvinyl chloride were dissolved in dimethylformamide to prepare a solution containing about 15% by weight of the ion exchange resin, which was cast on the dried first layer. 110 ℃ ~ 120 after casting
It was dried at 0 ° C. for 10 minutes to form a second layer, which was a bipolar film. At this time, the thickness of the second layer was 35 μm. Four kinds of bipolar membranes were obtained by using the four kinds of porous silica materials by the same method as the above. After equilibrating these bipolar membranes with 1N saline solution overnight, 100 mA / cm 2
The dialysis was performed at the current densities shown in Table 1 and the voltage of the bipolar membrane and the efficiency of the caustic soda generation current were measured.
Shown in.

【0025】(比較例1)平均粒子径5μm、孔容量
1.1cm3 /gのシリカ多孔質体で平均細孔径60n
mものを準備した。この多孔質体を複合体の代わりにし
た以外は、実施例1〜4と同様にしてバイポーラ膜を形
成し、その性能を測定し、得られた結果を表1および図
3に示す。 (比較例2)シリカ多孔質体の平均細孔径が1300n
mのものを用いた以外実施例1〜4と全く同様な方法に
よりバイポーラ膜を形成し、同様な方法によりその性能
を測定し、得られた結果を表1及び図3に示す。 (実施例5)平均細孔60nm、孔容量0.6cm3
g、平均粒子径5μmのシリカ多孔質体を用いた以外は
実施例1〜4と全く同様な方法によりバイポーラ膜を形
成し、同様な方法によりその性能を測定し、得られた結
果を表1及び図3に示す。
Comparative Example 1 A silica porous material having an average particle diameter of 5 μm and a pore volume of 1.1 cm 3 / g has an average pore diameter of 60 n.
I prepared m items. A bipolar film was formed in the same manner as in Examples 1 to 4 except that this porous body was used instead of the composite, and the performance thereof was measured. The obtained results are shown in Table 1 and FIG. (Comparative Example 2) The average pore diameter of the silica porous body is 1300 n.
A bipolar film was formed by the same method as in Examples 1 to 4 except that m was used, and its performance was measured by the same method. The obtained results are shown in Table 1 and FIG. (Example 5) Average pore size 60 nm, pore volume 0.6 cm 3 /
g, a bipolar membrane was formed by the same method as in Examples 1 to 4 except that a silica porous body having an average particle diameter of 5 μm was used, the performance was measured by the same method, and the obtained results are shown in Table 1. And shown in FIG.

【0026】(比較例3)シリカ多孔質体が孔容量が
0.2cm3 /gである以外は実施例5と全く同様のも
のを用い、同様な方法でバイポーラ膜を形成し、その性
能を測定し、得られた結果を表1及び図3に示す。 ( 実施例6)シリカ多孔質体の平均粒子径50μm、孔
容量1.1cm3 、平均細孔径60nmのものを準備し
た。この多孔質体を実施例1〜4と同様にしてバイポー
ラ膜を形成し、その性能を測定し、得られた結果を表1
及び図3に示す。 ( 比較例4)複合体の代わりに架橋されたスチレンスル
ホン酸カチオン交換樹脂であって平均粒径5μmのもの
を準備した。カチオン交換樹脂の孔容量は0.04cm
3 /g、細孔径40nmであった。このカチオン交換樹
脂を用いて実施例1〜4と同様にしてバイポーラ膜を形
成し、その性能を測定し、得られた結果を表1及び図3
に示す。 ( 実施例7)実施例1と同様にして第一層及び第二層を
形成し、第一層と反対側をサンドペーパーで研磨し複合
体を一部露出させた後第三層を次の方法により形成し
た。
(Comparative Example 3) A bipolar membrane was formed in the same manner as in Example 5 except that the porous silica had a pore volume of 0.2 cm 3 / g. The measurement results are shown in Table 1 and FIG. Example 6 A silica porous material having an average particle diameter of 50 μm, a pore volume of 1.1 cm 3 and an average pore diameter of 60 nm was prepared. A bipolar film was formed on this porous body in the same manner as in Examples 1 to 4, the performance was measured, and the obtained results are shown in Table 1.
And shown in FIG. (Comparative Example 4) A crosslinked styrenesulfonic acid cation exchange resin having an average particle size of 5 μm was prepared instead of the composite. Pore volume of cation exchange resin is 0.04cm
It was 3 / g and the pore diameter was 40 nm. Using this cation exchange resin, a bipolar membrane was formed in the same manner as in Examples 1 to 4, the performance was measured, and the obtained results are shown in Table 1 and FIG.
Shown in. (Example 7) A first layer and a second layer were formed in the same manner as in Example 1, the side opposite to the first layer was polished with sandpaper to partially expose the composite, and then the third layer was formed as follows. Formed by the method.

【0027】クロルメチルスチレンを30重量%含むス
チレンとクロルメチルスチレンの共重合体をジメチルホ
ルムアミドに溶解し、N,N,N’,N’−テトラメチ
ルヘキサメチレンジアミンを加えて、スチレン−クロル
メチルスチレン共重合体15%とN,N,N’,N’−
テトラメチルヘキサメチレンジアミン1%を含む溶液を
得た。ゲル化が起こる前にこの溶液を第一層のもう一方
の面にキャストし室温で5分間放置後、120℃の熱風
乾燥器にて15分間乾燥し第三層を形成した。このバイ
ポーラ膜を一晩1Nの食塩水で平衡した後、100mA
/cm2 の電流密度で透析を行い性能を測定し、得られ
た結果を表1及び図3に示す。 ( 実施例8)シリカ多孔質体の平均粒子径10μm、孔
容量1.1cm3 、平均細孔径60nmのものを準備し
た。この多孔質体を実施例1〜4と同様にしてバイポー
ラ膜を形成し、その性能を測定し、得られた結果を表1
及び図3に示す。
A copolymer of styrene and chloromethylstyrene containing 30% by weight of chloromethylstyrene was dissolved in dimethylformamide, N, N, N ', N'-tetramethylhexamethylenediamine was added, and styrene-chloromethyl was added. Styrene copolymer 15% and N, N, N ', N'-
A solution containing 1% of tetramethylhexamethylenediamine was obtained. Before gelation occurred, this solution was cast on the other surface of the first layer, allowed to stand at room temperature for 5 minutes, and then dried in a hot air dryer at 120 ° C. for 15 minutes to form a third layer. The bipolar membrane was equilibrated overnight with 1N saline and then 100 mA.
The performance was measured by performing dialysis at a current density of / cm 2 , and the obtained results are shown in Table 1 and FIG. (Example 8) A silica porous material having an average particle diameter of 10 µm, a pore volume of 1.1 cm 3 , and an average pore diameter of 60 nm was prepared. A bipolar film was formed on this porous body in the same manner as in Examples 1 to 4, the performance was measured, and the obtained results are shown in Table 1.
And shown in FIG.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明のバイポーラは、新規な構造の第
一層を特徴とし、しかも、この第一層はアニオン交換樹
脂層やカチオン交換樹脂層にと個々に設計できるため、
高電流密度で低い水解離電圧を示すと同時に高い電流効
率を得ることができるものである。つぎに、膜の機械的
強度アップのために第一層であるアニオン交換樹脂層や
カチオン交換樹脂層への補強布の導入が容易であり、ま
た、最適な樹脂の選択といったその他の機能性付与が膜
の透析性能にほとんど影響を与えずに実現でき、更に、
工業規模の膜を容易に製造できるという優れた多数の利
点がある。
The bipolar of the present invention is characterized by a first layer having a novel structure, and since this first layer can be individually designed as an anion exchange resin layer or a cation exchange resin layer,
It is possible to obtain high current efficiency while exhibiting low water dissociation voltage at high current density. Next, in order to increase the mechanical strength of the membrane, it is easy to introduce a reinforcing cloth into the anion-exchange resin layer or the cation-exchange resin layer, which is the first layer, and to add other functionality such as selection of the optimum resin. Can be realized with almost no effect on the dialysis performance of the membrane.
There are a number of excellent advantages in that industrial scale membranes can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第一、二層から成るバイポーラ膜の構
成の概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of the structure of a bipolar film composed of first and two layers according to the present invention.

【図2】本発明の第一〜三層から成るバイポーラ膜の構
成の概略図である。
FIG. 2 is a schematic view of the structure of a bipolar film including the first to third layers of the present invention.

【図3】実施例及び比較例に示したバイポーラ膜に用い
た多孔質体の平均細孔径と水解離電圧の関係を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the average pore diameter of the porous bodies used in the bipolar membranes shown in Examples and Comparative Examples and the water dissociation voltage.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第一層 2 第二層 3 複合体粒子 4 マトリックスポリマー 5 第三層 1 1st layer 2 2nd layer 3 composite particle 4 matrix polymer 5 3rd layer

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成6年10月21日[Submission date] October 21, 1994

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0003[Name of item to be corrected] 0003

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0003】一方、バイポーラ膜製造に有用なラミネー
ト構造体で、マトリックスポリマーとその中に分散した
イオン交換樹脂が反対の電荷をもつ界面層(中間層)か
らなるバイポーラ膜(特開昭60−210638号公
報)があるが、膜の水解離の電圧は、比較的低いが未だ
十分なものとは言えない。さらに、四級アミン基及び非
四級アミン基を含有するマトリックスポリマー中に微細
なカチオン交換樹脂粒子を分散して含む界面層(中間
層)からなるバイポーラ膜(特公表平1−502673
号公報、米国特許第4766161号明細書)などが
るが、これは、低い水解離電圧電を示すが、非常に微細
なイオン交換樹脂を用いることや、アニオン層形成時の
ゲル化と乾燥行程の制御が難しく製造が容易でない。更
にポリマーを溶媒に溶解し、流延、乾燥して膜を得るた
め、塊状重合して得たものにくらべ、製造上難しく機械
的強度もが劣る等の欠点があった。さらに、バイポーラ
膜の高い電気抵抗を下げる目的で、無機物を利用したも
のがある。アニオン交換膜、若しくは、カチオン交換膜
を酸化状態の陽イオン水溶液に浸漬し、アルカリ性水溶
液で処理後二枚の膜を加温加圧して接合したバイポーラ
膜(特公表平3−505894号公報)、重金属イオン
を膜内に存在させたアニオン交換膜の表面にカチオン交
換基のポリマーの皮膜を形成したバイポーラ膜(特開平
4−63292号公報)、カチオン交換膜に鉄を含浸し
た後アニオン交換樹脂を表面にコーティングしたバイポ
ーラ膜(特開平4−228591号公報)等がある。こ
れらの無機物を利用した膜は、アニオン交換膜とカチオ
ン交換膜との接合体構造で中間層構造を持たず、無機物
を導入した効果は有するものの、バイポーラ膜の水解離
電圧は、十分に低いものが得られないという欠点があっ
た。
On the other hand, a laminated structure useful for the production of a bipolar film, in which a matrix polymer and an ion exchange resin dispersed therein are composed of an interface layer (intermediate layer) having opposite charges (Japanese Patent Laid-Open No. 60-210638). However, the voltage of water dissociation of the membrane is relatively low, but it is still not sufficient. Furthermore, a bipolar membrane comprising an interface layer (intermediate layer) containing fine cation exchange resin particles dispersed in a matrix polymer containing a quaternary amine group and a non-quaternary amine group (Japanese Patent Publication No. 1-502673).
JP, US Pat. No. 4766161) and Oh
However , although it shows low water dissociation voltage, it is not easy to manufacture because it is difficult to use a very fine ion exchange resin and it is difficult to control the gelation and the drying process during the formation of the anion layer. Further, since the polymer is dissolved in a solvent, cast and dried to obtain a film, it has drawbacks such as difficulty in production and poor mechanical strength as compared with the one obtained by bulk polymerization. Further, there is one using an inorganic material for the purpose of lowering the high electric resistance of the bipolar film. A bipolar membrane in which an anion exchange membrane or a cation exchange membrane is immersed in a cation aqueous solution in an oxidized state, treated with an alkaline aqueous solution, and heated and pressurized to join the two membranes (Japanese Patent Publication No. 3-505894). A bipolar membrane (Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-63292) in which a polymer film of a cation exchange group is formed on the surface of an anion exchange membrane in which heavy metal ions are present in the membrane, and an anion exchange resin is impregnated after impregnating the cation exchange membrane with iron. There is a bipolar film coated on the surface (Japanese Patent Laid-Open No. 4-228591). Membranes using these inorganic substances have a structure of an anion exchange membrane and a cation exchange membrane that does not have an intermediate layer structure and have the effect of introducing inorganic substances, but the water dissociation voltage of the bipolar membrane is sufficiently low. There was a drawback that you could not get.

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0022[Name of item to be corrected] 0022

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0022】(実施例1〜4)特開昭61−12217
3号公報に記載の方法により、平均粒子径5μm、孔容
量1.1cm/gのシリカ多孔質体で平均細孔径20
nm、60nm、150nm、700nmのもの4種類
を製作した。これらのシリカ多孔質体から複合体を形成
する方法は次の手順にて行った。この内の一種のシリカ
多孔質体59.6部をロータリーエバポレーター内に取
り、スチレンモノマー5.1部、ジビニルベンゼン(純
度56%)2.9部、n−ヘキサン32.3部、アゾビ
スイソブチロニトリル0.1部の混合液を、室温にて
0.1atmの条件でロータリーエバポレーターを回転
させながら内部のシリカ多孔質体へ少しづづ添加する。
添加終了後、別の容器に移し、窒素雰囲気下で60℃、
24時間重合させた。重合後、メタノールで洗浄し、十
分に乾燥させた後、濃硫酸にてシリカ多孔質体に含浸さ
れたポリマーをスルホン化し複合体とした。この複合体
全体の交換容量は約1.0meq/gで樹脂部の容積は
シリカ多孔質体孔容量の約30%であった。
(Examples 1 to 4) JP-A-61-2217
According to the method described in Japanese Patent Publication No. 3, a silica porous body having an average particle size of 5 μm and a pore volume of 1.1 cm 3 / g has an average pore size of 20.
Four types, namely, nm, 60 nm, 150 nm, and 700 nm were manufactured. The method of forming a composite from these silica porous bodies was performed by the following procedure. 59.6 parts of one kind of porous silica material was taken in a rotary evaporator, and 5.1 parts of styrene monomer, 2.9 parts of divinylbenzene (purity 56%), 32.3 parts of n-hexane and azobisiso a mixture of butyronitrile 0.1 parts little added Dzudzu into the interior of the porous silica while rotating the rotary evaporator over the conditions of 0.1atm at room temperature.
After the addition is complete, transfer to another container, under a nitrogen atmosphere at 60 ° C,
It was polymerized for 24 hours. After the polymerization, the polymer was washed with methanol and sufficiently dried, and then the polymer impregnated in the silica porous body was sulfonated with concentrated sulfuric acid to form a composite. The exchange capacity of the entire composite was about 1.0 meq / g, and the volume of the resin part was about 30% of the pore volume of the porous silica material.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0026[Correction target item name] 0026

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0026】(比較例3)シリカ多孔質体が孔容量が
0.2cm/gである以外は実施例5と全く同様のも
のを用い、同様な方法でバイポーラ膜を形成し、その性
能を測定し、得られた結果を表1及び図3に示す。 (実施例6)シリカ多孔質体の平均粒子径50μm、孔
容量1.1cm/g、平均細孔径60nmのものを準
備した。この多孔質体を実施例1〜4と同様にしてバイ
ポーラ膜を形成し、その性能を測定し、得られた結果を
表1及び図3に示す。 (比較例4)複合体の代わりに架橋されたスチレンスル
ホン酸カチオン交換樹脂であって平均粒径5μmのもの
を準備した。カチオン交換樹脂の孔容量は0.04cm
/g、細孔径40nmであった。このカチオン交換樹
脂を用いて実施例1〜4と同様にしてバイポーラ膜を形
成し、その性能を測定し、得られた結果を表1及び図3
に示す。 (実施例7)実施例1と同様にして第一層及び第二層を
形成し、第一層と反対側をサンドペーパーで研磨し複合
体を一部露出させた後第三層を次の方法により形成し
た。
Comparative Example 3 A bipolar membrane was formed in the same manner as in Example 5 except that the silica porous material had a pore volume of 0.2 cm 3 / g. The measurement results are shown in Table 1 and FIG. Example 6 A silica porous material having an average particle diameter of 50 μm, a pore volume of 1.1 cm 3 / g and an average pore diameter of 60 nm was prepared. A bipolar film was formed from this porous body in the same manner as in Examples 1 to 4, the performance thereof was measured, and the obtained results are shown in Table 1 and FIG. (Comparative Example 4) A crosslinked styrenesulfonic acid cation exchange resin having an average particle size of 5 μm was prepared instead of the composite. Pore volume of cation exchange resin is 0.04cm
It was 3 / g and the pore diameter was 40 nm. Using this cation exchange resin, a bipolar membrane was formed in the same manner as in Examples 1 to 4, the performance was measured, and the obtained results are shown in Table 1 and FIG.
Shown in. (Example 7) A first layer and a second layer were formed in the same manner as in Example 1, the side opposite to the first layer was polished with sandpaper to partially expose the composite, and then the third layer was formed as follows. Formed by the method.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも二層からなるバイポーラ膜に
おいて、第一層が、(1)平均粒子径が0.5μm〜5
0μmの範囲、(2)孔容量が、0.5cm3 /g〜
1.4cm3 /gの範囲、(3)平均細孔径が20nm
〜1000nmの範囲、である多孔質体中にイオン交換
樹脂を含むポリマーを有する複合体粒子と、該イオン交
換基と反対の電荷を有するイオン交換基を含むマトリッ
クスポリマーとからなり、多孔質体中のイオン交換基を
含有するポリマーの交換容量が、第一層単位重量あた
り、0.02meq/g〜1.3meq/gの範囲であ
り、マトリックスポリマーの交換容量が、第一層単位重
量あたり、0.7eq/g〜3.0meq/gの範囲で
あって、且つ第二層が該マトリックスポリマーに含まれ
るイオン交換基と反対の電荷を持つイオン交換基を有す
るポリマーからなることを特徴とするバイポーラ膜。
1. In a bipolar film comprising at least two layers, the first layer has (1) an average particle size of 0.5 μm to 5 μm.
0 μm range, (2) Pore volume 0.5 cm 3 / g ~
Range of 1.4 cm 3 / g, (3) average pore diameter is 20 nm
In the range of up to 1000 nm, comprising composite particles having a polymer containing an ion exchange resin in a porous body and a matrix polymer containing an ion exchange group having a charge opposite to that of the ion exchange group. The exchange capacity of the polymer containing the ion exchange group is in the range of 0.02 meq / g to 1.3 meq / g per unit weight of the first layer, and the exchange capacity of the matrix polymer is per unit weight of the first layer, The second layer is composed of a polymer having an ion exchange group having a charge opposite to that of the ion exchange group contained in the matrix polymer, in the range of 0.7 eq / g to 3.0 meq / g. Bipolar membrane.
JP29594293A 1993-11-02 1993-11-02 Bipolar membrane Withdrawn JPH07126410A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017179533A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 国立大学法人秋田大学 Production method and production apparatus of copper ion-containing aqueous solution
EP4296406A1 (en) * 2022-06-22 2023-12-27 Vito NV Hybrid ceramic polymer membrane for water electrolysis application

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