JPS5824303A - 耐酸化性複合半透膜 - Google Patents

耐酸化性複合半透膜

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JPS5824303A
JPS5824303A JP56120675A JP12067581A JPS5824303A JP S5824303 A JPS5824303 A JP S5824303A JP 56120675 A JP56120675 A JP 56120675A JP 12067581 A JP12067581 A JP 12067581A JP S5824303 A JPS5824303 A JP S5824303A
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aliphat
composite membrane
diamines
group
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JP56120675A
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Takeyuki Kawaguchi
武行 川口
Koki Tamura
弘毅 田村
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Teijin Ltd
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Teijin Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C08G73/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
    • C08G73/06Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
    • C08G73/10Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C08G73/14Polyamide-imides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • B01D69/125In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction
    • B01D69/1251In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction by interfacial polymerisation
    • 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
    • B01D71/56Polyamides, e.g. polyester-amides

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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】 本発明は半透性複合膜に関するものである。
更に詳しくはすぐれた半透性に加えて、耐熱性。
耐圧密性、耐PH性及び耐酸化性に極めてすぐれた特徴
を有する複合半透膜に関するものである。
当初、ロウプ(Loeb)  およびスリラージャン(
8ourirajan)  らにより開発された酢酸セ
ルロース系逆浸透膜が、そのすぐれた基本性能と製造の
容易さの故に広く用いられてきたが、酸。
アルカリ等による加水分解性、微生物による分解劣化性
、正置性、乾燥保存不能性などの欠点が問題となり、こ
れらの欠点を補うために合成高分子による新しい逆浸透
膜がいろいろ提案されてきた。デュ・ボン社からは全芳
香族ポリアミドによる逆浸透膜が提案され、これは加水
分解性、微生物分解劣化性については大きな改善をなし
えたが、基本性能の面では酢酸セルーースな凌駕するも
のではなく、圧密性、乾燥保存不能性の欠点は依然とし
て残っていた。
これらの膜はいずれも相分離法といわれる方法で調整さ
れる不均質膜と呼ばれるものであり、分離に関与する均
質層と膜の強度保持醇に関係する多孔質層とが同一素材
からなっていた。
ところが、予め多孔質層を別素材で調製しておき、その
上で親水性反応性ポリマーと架橋剤とを反応せしめ架橋
化した薄膜状の分一層をその上に形成せしめる方法が提
案され、基本性°能の向上に加えて、加水分解性、微生
物分解性。
圧密性および乾燥保存性等に大幅な改善を行い得ること
が示唆された。ノース・スター研究所では、かかる親水
性2反応性ポリマーとしてポリエチレンイミンを、又架
橋剤としてイン7りの如きポリ酸りpライド又はポリイ
ソシアネートな用いて上記改善が可能なことを実証した
が、かくして得られた膜は原料のポリエチレンイミンの
アミン含量が大きすぎるためK、形成される架橋層が非
常に弱くなり、スパイラルモジュールの形態にするには
大きな問題が存在することが判明した。一方、ユニバー
サル・オイル・プロダクツ社では、上記の如き欠点を改
善するためにアミン変性ポリエビフルルヒドリンを親水
性反応性ポリマーとして用いることにより、上記の欠点
を改善するととに成功したが、原料のエビアミンの製造
が難しいために透水量の大なる膜が作りにくいこと、及
び長期耐久性に問題のあることが最近明らかとなってき
た。
また最近、フィルムチック社(発明者、ジョン・イー・
カドラグ)Kより、メタフェニレン    、1ジアミ
ン、パラフェニレンジアミン醇の低分子芳香族アミンな
微多孔膜上にて、トリメシン酸クロライドの如き芳香族
ポリ酸ハライドで架橋せしめてなる複合膜が提案され(
特開昭55−147106号公報参照)、極めて良好な
脱塩性能と耐酸化性を有するものであるとの開示がなさ
れた。
しかしながら本発明者による検討の結果、この膜の耐酸
化性も短期的なものにすぎず、本発明の比較例に示すよ
うに4〜5 ppmの活性塩素共存下での連続逆浸透テ
ストに於てはわずか150時間経過した時点から脱塩率
の低下及び透水量の増加という典型的な膜劣化現象を呈
し始めることが明確になった。
また先に、−二級アミン基のみを、有するポリアミンを
芳香族ポリ酸ハライドで架橋して得られる耐酸化性のす
ぐれた複合膜が提案されている(411開昭55−13
9802号公報参照)がこの膜は一般に脱塩率が上りに
<<、高々90〜95−程度のものしか得られないとい
う難点を有していた。本発明者は、従来提案されてきた
これらの膜の欠点に錐みこれらを解決すべく鋭意検討し
た結果、驚くべきことに従来耐酸化性が悪いとされてき
た脂肪族第1級7ミド結合を有するポリアミドからも酸
成分を適切に選択することにより、従来公知の半透膜特
に前記カドラグらの発明した膜に比べても格段にすぐれ
た耐酸化性を有しかつ高い脱塩性能をも有する高性能半
透膜が得られることを見い出し、本発明を完成するに到
った。すなわち本発明は、微多孔膜。
及びその上で形成された次式(I)で表わされる構成単
位及び次式(II)で表わされる構成単位を少なくとも
50モル貴以上含んでなる架橋高分子薄膜とからなる複
合半透膜である。
本発明において上記式(I)で宍わされる構成単位と式
(It)で表わされる構成単位との割合は広い範囲から
選ぶことができるが、通常(■):(II)としてt:
o、os 〜0.05:1.好ましくは9:1〜5:5
、更に好ましくは8:2〜6:4が選ばれる。
本発明の複合膜は次式(m) R’NH−R”  Nib          −・−
・・(m)〔但し式中81及びR2は前記定義の通りで
ある。〕で表わされる脂肪族ジアミンを蓼多孔膜上にて
次式(IV) 21     Z* Ar                ・・・・・・・
・・ (Th’)s で表わされる芳香族ポリ酸ハライドと架橋反応せしめて
得られるものである。
上記式(m)で表わされる本発明に使用される脂肪族ジ
アミンとしては溶媒、好ましくは水又は低級フルコール
に可溶性のものが用いられる。
その様なジアミンを例示すると次の如くである。
H雪NCH鵞CHmN11s    、H嘗NCHs 
CM雪C&N迅  。
H雪N%Cut +4 Nut        、  
 H掌N4CH* うヒs NHtHl N+CB書−
)aN迅   、 HsN+C迅+? NHsHt N
4CH雷うヒ* Nut         、   H
a N%CHm ミド* N1ftH怠N(−OH意)
・Nut         l   H意N(C)I嘗
〕瞳tNH雪         。
(CHieNHC&CHtN耳s  、(C愈HsfN
HCH*CH禽Nib  。
HOCHw CHs NHCHs CHmNHt、 C
Hs XHC& NU(Jb Cut Nut 。
H雪NCHsCH*OCHmCH*NH雪。
Ha NCHs Cu雪 CHs 0CHs Cu菅 
C& Nut   。
H茸N(ヴNHCH魯  、H寓N−C)NHCH雪C
H愈OH。
これらの脂肪族ジアミンのうちで特に好まし゛いものは
エチレンジアミン及びシフ−ヘキサンジアミンである。
上記の脂肪族ジアミンは単独でも或いは21!1類以上
組合せて用いても構わない。
これらのジアミンと他のポリアミン化合物を組合せて用
いることも本発明の範囲に包含される。その様なポリア
ミンとしては次の様なものが好適に使用できる。
(1)  芳香族ポリアミン: 4.4′−ジアミノジフェニルエーテル(Ha N−C
?OペコトNH聡)。
−COOMはカルボン酸塩 を宍わす。) (2)  脂肪族2級ジアミン: CHsNHCH諺CHsNHCHs C霊Ha NFICH雪CH雪NHCtH@HOCHs
CH會NHCH*CM電NIIICH富Cl1llOH
(3)  環状脂肪族ジアミン: ピペラジン (aN NU) CHs ジビペリジルプロパン (HN’lΣ(CHt +rC
JJNH)これらのポリアミンを組合せて用いることに
より本発明の複合膜の透水量又は/及び脱塩率を適宜調
整することが可能となる場合がある、これらのポリアミ
ンを用いる場合、前記式(m)で條わされる必須ジアミ
ン成分に対して100重量−以下、好ましくは50重量
−以下の割合で用いるのが有利である。
前記のポリアミン化合物を用いて本発明の複合膜を得る
ためには、これらのアミン化合物の溶液を後述の微多孔
膜上に塗布(apply ) Lなければならない。こ
の塗布方法としては浸漬法。
ロールコーティング法、ウィンクコ−ティング法、スプ
レーコーティング法郷如何なる方法でも良いが、塗布さ
れたポリアミン層の厚みが0、01〜2μ、好ましくは
0.02〜1μ、更に好ましくはO,OS〜0.7μと
なるように塗布条件をコントロールすべきである。誼ポ
リアミン層の塗布厚が上記下限値(すなわち0.01μ
)よりも小さいと、最終的に得られる複合膜の活性層が
薄くなりすぎ機械的強度が低下する。また該塗布厚が2
fiよりも厚いと活性層の膜厚が厚くなりすぎ、複合膜
の透水性を損ねる傾向が大きくなる。かかるポリアミン
は可溶性でなければならないが、層に水、メタノール、
エタノール、インプロパツール、メチルセロソルブ。
ジオキサン或いはテトラヒドロフラン又はこれら2種以
上の混合溶媒にα1 j/1001以上、好ましくは0
.Sjl/100aj以上可溶であるととが好ましい。
特に水に対してQ、 1 j / 100d以上、更に
はo、 s g / t o o−以上の溶解性を有す
るものが好ましい。
これらの溶媒群より選ばれた少なくとも1種の溶媒(4
11に好ましくは水)に少なくとも0.1チ溶解せしめ
た本発明のポリアミン化合物溶液は、微多孔性を有する
基材に塗布又は含浸せしめられる。
かかる基材として、ガラス質多孔材、焼結金属、セラミ
ックスとかセルロース夏ステル、ポリスチレン、ビニル
ブチラール、ポリスルホン、   1塩化ビニル等の有
機ポOマーが挙げられる。
ポリスルホン膜は本発明の基材として特にすぐれた性能
を有するものであり、ポリビニルクロライドも又有効で
ある。ポリスルホン多孔質基材の製造法は、米国塩水局
レボ−)(O8WReport) A 359にも記載
されている。
かかる基材は表面の孔の大きさが一般に約100〜10
00オングストロームの間にあるものが好ましいが、こ
れに限られるものではなく、最終の膜の用途などに応じ
て、表面の孔の大きさはsol〜5oooXの間で変化
しうる。
これらの基材は対称構造でも非対称構造でも使用できる
が、望ましくは非対称構造のものがよい。しかしながら
、これらの基材は膜定数が1o−’ I/d−wt・a
tm  以下の場合は透水量が低くなりすぎ、また11
1101・式・atm以上の場合は脱塩率が極め【低く
なりやすく好ましくない。従って好ましい支持膜定数と
しては1〜to  p/(、IJ−see −1ty1
1 %特に好ましくは10〜1011/d−−・atm
の範囲のものが最も好ましい結果を与える。なお、ここ
でいう膜定数とは、2kII/dの圧力下での純水の透
過量を表わす値で、単位は11101一式・atmであ
る。
このような基材は、裏側を縁布又は不織布などで補強し
た形態で使用するのが好ましい。かb・る織布又は不織
布としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレ
ン、ポリプロピレン。
ナイpン又は塩化ビニル尋によるものが好適な例として
挙げられる。
前述のジアミンが塗布された基材は、該アミノ基と反応
してカルボンアミド結合又はスルホンアミド結合のいず
れかを形成しうる官能基な含有する前述の式(IV)で
表わされる芳香族酸ノ・ライドを用いる架橋処理に付さ
れ、基材上にて前述のジアミンが架橋薄膜化される。
本発明に用いうる架橋剤としての多官能性化合物が有す
る官能基はカルボニルハライド基(−COX)、スルホ
ニルハライド基(80g! )、のいずれかであり、1
分子中にこれら官能基を3個含むものである。特に好適
な官能基は酸り一ライド基及びスルホニルクーライド基
である。
これら1分子中に存在する複数個の官能基は同一種のも
のであってもよく或いは互に異なるものであってもかま
わない。また、多官能性化合物としては芳香族性多官能
性化合物が有効である。これらの架橋剤の具体例として
は次のものが挙げられる。
上記した芳香族の多官能性化合物はそれぞれ単独で用い
ることができ或いは2種又はそれ以上混合して用いても
よい。
本発明によれば、多官能性化合物として上記3官能性の
ものだけを使用する代りに、下式(V)Kて表わされる
2官能性のものと上記3官能性のものとの組合せで使用
することにより、最終的に得られる膜の塩排除率及び/
又は透水性を調節できる場合もあることが判明した。
Zt + Ar  Zs          ++++
+++++  (V)〔但し、Zs、Zsは前述の式(
IV) kおける定業と同義である。〕 その様な2官j能性化合物としては次のものが例示され
る。
これら2官能性化合物を用いる場合、その使用割合は前
記3官能性化合物に対して1〜50モルチ、好ましくは
5〜30モルチである。
本発明の複合膜を得るためkは前述のジアミンを微多孔
膜上にて上記した多官能性化合物の溶液と接触させるこ
とにより行うことができる。
多官能性化合物の溶解に使用する溶媒は、皺ポリアミン
化合物及び基材物質を実質的に溶解しないものであり、
例えば、n−ヘキサン、 n −ヘプタ/、n−オクタ
ン、シクロヘキサン、n−ノナン、n−デカン等の炭化
水素系溶媒などが挙げられる。溶媒中の好適な多官能性
化合物濃度は該化合物の種類、溶媒、基材、その他の条
件によって変化しうるが、実験により最適値を決定する
ことができる。
しかし、一般的に約0.1〜50、好ましくはO,S〜
3.0重量%で十分効果を発揮しうる。
多官能性化合物によるポリアミン化合物の架橋は好適に
は該ポリアミン化合物を塗布ルた膜を多官能性化合物の
溶液に浸漬することにより、膜と溶液との界面における
反応により達成される。その際、この界面架橋反応を促
進させるために前述のポリアミン化合物中に或いは上記
多官能性化合一溶液中に界面反応促進剤を予め含ませる
ことも可能である。その様な促進剤としては、力性アル
カリ、リン酸ソーダ、ピリジン。
3級アミン、界面活性剤、酢酸ソーダなどが好適に用い
られる。
ポリアミン化合物と多官能性化合物とのかかる界面架橋
反応は室温乃至約100℃、好ましくは20〜50℃の
温度において2秒〜lO分、好ましくは10秒〜5分間
行うことができる、この界面架橋反応は膜の表面に主と
して集中されるように行うことができる。
次いで、基材に支持された膜は必要に応じて余分の多官
能性化合物溶液を10秒〜2分間ドレンした後、室温に
て或いは必要に応じて40〜130℃、好ましくはs 
o −s o℃の温度において、約1〜30分間、好ま
しくは約5〜20分間の間加熱処理する。これKより、
誼界面架橋反応を完結せしめることができ且つ前記ポリ
アミノ化合物の水不溶性化が達成される。
かくして微多孔性基材間上に1選択透過4!な有する架
橋された重縮合体の薄い膜を有する複合膜が得られる。
かくの如くして得られる本発明の複合膜活性層を形成し
うる架橋ポリアミドの例を以下に示す。
上述の架橋ポリアミドの構造式中に示した如く、本発明
の架橋ポリアミドの架橋度はポリマーくり返し単位当り
5〜95当量チ、好ましくは10〜80当量チである。
かくの如くして得られる本発明の複合膜はその優れた基
本的逆浸透性能、耐圧密性、耐熱性、耐PR性などに加
えて、極めて驚異的な耐酸化性を備えており、従来公知
の膜とは全く異なった有利性、及び特徴を有するものと
言える。以下、実施例、参考例及び比較例により本発明
をさらに詳しく説明する。
参考例1 逆浸透試験法 通常の連続式ポンプ型逆浸透装置を用い、25℃にで5
000 ppmのNaCj及び4〜5 ppmの次亜塩
素酸を常時含むPH6,0〜6.5  の水溶液を原液
とし、操作圧力は< 2.5 kg / d Gにて行
なった。
なお、実施例中の塩排除率とは次式により求められる値
である。
参考例2 ポリスルホン多孔質支持膜の製造密に織った
ダクロン(Daeron)  捩子織布(目付量tso
g/m”)をガラス板上に固定した。
次いで、該不織布上にポリスルホン12−s vt%。
メチルセロソルブ12.svt%、および残部ジメチル
ホルムアミドを含む溶液を厚さ約o、’2mの層状にキ
ャストし、直ちにポリスルホン層を室温の水浴中にてゲ
ル化させることにより、不織布補強多孔性ポリスルホン
膜を得た。
この様にして得られた多孔性ポリスルホン層は厚みが約
40〜70μであり、非対称構造を有しており、かつ表
面には約200〜yoo!の微孔が多数存在することが
電子顕微鏡写真により観察された。またこれらの多孔性
基材は2klP/clIGにおける純水の透過量(膜定
数)が約a、 o 〜?、 OX 1o  g/cd−
m−atmであった。
実施例1 エチレンジアミン(蒸留直後のもの)1gを蒸留水10
0+w/にとかした水溶液中へ参考例2で得られたポリ
スルホン微多孔膜を5分間浸漬したのち、膜を水溶液よ
り引き出し垂直にして室温にて7分間ドレインした。
かくドレインした膜を次でトリメシン酸りpライドめ−
Q、 5 vt% n−ヘキサン中に20秒間浸漬した
のち、室温にて30分間風乾した。
この様にして得た複合膜を参考例1の条件下にて逆浸透
試験した処、脱塩率989%、透水量41.31/yl
−hr  という初期性能を示した。
このものを引き続き同一条件下で(PH6,0〜65次
亜塩素酸4〜5 ppmに常時原液をコントロールしな
がら)逆浸透テストを継続した処、200時間時間口9
9.1%、  37.51/w’hr 、 500、時
間口には9 e、 s %、  31.41/1rt−
hr 、さらに1000時間目時間口 s、 s % 
、  2 g、 61/vr・byと透水性はやや低下
したが脱塩率は極めて安定した性能を示した。
上記条件下で製造した実施例1の複合膜を1昼夜0.1
 % NaOH水溶液に浸漬したのち、蒸留水で洗浄を
くり返し膜を真空乾燥した。その後この膜をクロロホル
ム中に浸漬しポリスルホン微多孔膜を溶出することによ
り単離できる架橋活性層ポリ77−を充分クロロホルム
で洗浄し、アルコール洗浄及び水洗浄を引き続き行なっ
て精製、乾燥したのち、このポリマー粉末なNa原子吸
光分析した処、ナトリウムカルボキシレート基(−〇〇
〇Nm)  換算で0.53ミリ当量/yのNaが検出
された。この値を用いて推定した上記ポリマーの組成は
次の如くになる。
比較例1 蒸留直後のメタフェニレンジアミン2IIを蒸留水10
0−に溶解した水溶液を用いる他は実施例1と全く同様
の方法で豪合膜を得た。このものを実施例1と同一条件
下にて耐塩素性逆浸透テストを行なった処、初期性能と
しては26.51/WX−hr 、  9 & 5 %
という値を示した。さらに引き続いて同一条件下にて逆
浸透テストを継続した処、100時間時間口27. s
 j/j−hr e99゜フチと脱塩率が向上したが2
00時間時間口41. s l/−d−br、  99
.341.500時間口にはs & 41/vl・br
、  9 & 296.さらに1000時間目時間口 
7.3 i/wj・br、  93L 2 %と性能変
化し膜劣化現象を呈した。
実施例2〜6 実施例1に於てエチレンジアミンを用いる代りに下記表
1に示したアミンを用いる他は全く同様にして複合膜を
得た。これらの膜を実施例1と同一条件下で耐酸化性逆
浸透テストを行なった。その結果を表IK示す。また、
Na分析値及びC,H,N元素分析値より求めた複合膜
活性層ポリマー組成を表2′に示す。
実施例7 実施例1に於て、架橋剤としてトリメシン酸クロライド
を用いる代りに5−クロロスルホニルイソフタル酸りp
ライドを用いて、他は全く同様にして複合膜を得た。こ
のものは実施例1と同様のNa分析の結果、次式のポリ
マー組成を有する架橋ポリマ一層からなる複合・膜であ
るここの膜を実施例1と同一条件下で耐酸化性ROテス
トを行なった処、透水量s s、 a t/d−br 
、脱塩率89.2%という初期値を示した。さらに同一
条件下でテストを継続した処、200時間時間線43.
6 t/1−by、  9a、a%、 s o o時間
口には4 s、 o l/vl−br 、  9s、 
t %、さらIc100O時間Hには37.4 t/l
rt・br 、  97.7 %という性能を示した。
実施例8 実施例1に於て、架橋剤としてトリメシン酸クロライド
のみを用いる代りに、これとイソフタル酸りpライドの
3=1(モル比)混合物を用いて、他は全く同様にして
複合膜を得た。この複合膜活性層ポリマーを実施例1と
同様の方法でNa分析及び元素分析(C,H,N )を
行なった結果、このポリマーは次式のポリマー組成を有
する架橋ポリマーであることが分った。
この複合膜を実施例1と同一条件下でROテストした処
、初期性能としては54.11/m・hr+91.7チ
、200時間連続テスト後は4&2j/1−hr、  
911.0 % 、1500時間口には45.51/I
’hr 、  s 5.4%、さらに1000時間目に
は39.4 t/wl・hr 、  s s、 s%と
いう性能を示した。
実施例9〜目 実施例1K於てエチレンジ7ミンのみを用いる代りに、
下記表2記載のジアミンとエチレンジアミンとの混合物
(l:2モル比)を使用した他は全く同様にして複合膜
を得た。これらの膜を実施例1と同一の条件下で耐塩素
性ROテストを行なった処、下記の如き結果が得られた
また、これらの複合膜活性層ポリマーの組成を表4に示
す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 微多孔膜、及びその上で形成された次式(I)で表わさ
    れる構成単位刹亨及び次式(II)で表わされlる構成
    単位 但し上記式(I)及び(II)中、Xはカルボキシル基
    (−COOH)、スルホ基(−SO3H)及びこれらの
    塩のいずれかを表わし、Yはカルボニル結合()、又は
    スルホニル結合()を表わす。またR3及びR4はそれ
    ぞれ独立に、酸素素子を有していてもよい炭素原子数2
    〜15の脂肪族炭化水素残基を表わし、R1及びR3は
    それぞれ独立に、ヒドロキシル基を含有してもよい炭素
    原子数1〜3のアルキル基及び水素原子からなる群から
    選ばれる基を表わす。またArは縮合型又は非縮合型の
    芳香族炭化水素残基を表わす。〕 を少なくとも50モルチ以上含んでなる架橋高゛分子薄
    膜、とからなる複合半透膜。
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