JPWO2016158183A1 - 中空糸炭素膜の製造方法及び分離膜モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体分離膜として利用することができる中空糸炭素膜の気体分子の透過速度や選択性を簡易的に制御することができる方法を提供することを目的とする。
<1> 有機高分子化合物を中空糸状に成形した前駆体を準備する準備工程、前記前駆体を酸素ガスを含む雰囲気下で150℃〜400℃に加熱する予備加熱工程、及び前記予備加熱工程を経た前駆体を450℃〜850℃に加熱して炭化する炭化工程を含む中空糸炭素膜の製造方法であって、
前記炭化工程が、窒素原子を含んでいてもよい炭素数1〜8の炭化水素ガスの存在下で加熱することを含む、中空糸炭素膜の製造方法。
<2> 前記炭化水素ガスが、炭素−炭素不飽和結合を有する炭化水素である、<1>に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
<3> 前記有機高分子化合物が、ポリフェニレンオキシド、並びに下記式(a)及び(b)で表される構造を有するポリフェニレンオキシド誘導体からなる群より選択される少なくとも1種を含むものである、<1>又は<2>に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
<4> 下記条件を満たす中空糸炭素膜を製造する方法である、<1>〜<3>の何れかに記載の中空糸炭素膜の製造方法。
(条件)中空糸炭素膜を円柱に180°以上巻き付けた時に中空糸炭素膜が破断しない円柱の半径(曲げ半径)が5mm以下である。
<5> <1>〜<4>の何れかに記載の中空糸炭素膜の製造方法によって製造された中空糸炭素膜を備える分離膜モジュール。
本発明の一態様である中空糸炭素膜の製造方法(以下、「本発明の製造方法」と略す場合がある。)は、有機高分子化合物を中空糸状に成形した前駆体を準備する準備工程(以下、「準備工程」と略す場合がある。)、前駆体を酸素ガスを含む雰囲気下で150℃〜400℃に加熱する予備加熱工程(以下、「予備加熱工程」と略す場合がある。)、及び予備加熱工程を経た前駆体を450℃〜850℃に加熱して炭化する炭化工程(以下、「炭化工程」と略す場合がある。)を含む方法であり、炭化工程が、窒素原子を含んでいてもよい炭素数1〜8の炭化水素ガスの存在下で加熱することを含むことを特徴とする。
本発明者らは、中空糸炭素膜の気体分子の透過速度や選択性を改良すべく鋭意検討を重ねた結果、前駆体を炭化する際に、特定の炭化水素ガスの存在下で加熱することにより、表面に新たな炭化物層を形成して、得られる中空糸炭素膜の気体分子の透過速度や選択性を簡易的に制御することができることを見出したのである。
なお、「中空糸炭素膜」とは、中空糸膜(ストロー状)の形状を有した炭素(単体)材料を意味するものとし(図1参照)、主に炭素から構成されるものであれば、不純物の含有、結晶構造等の詳細は特に限定されないものとする。
以下、「準備工程」、「予備加熱工程」、「炭化工程」について詳細に説明する。
準備工程は、有機高分子化合物を中空糸状に成形した前駆体を準備する工程であるが、前駆体の準備方法、有機高分子化合物の種類、前駆体の寸法、前駆体の調製方法等は、特に限定されず、公知の内容を適宜選択することができる。以下、具体例を挙げて説明する。
前駆体の準備方法としては、自ら前駆体を調製する方法、前駆体を入手する方法が挙げられる。なお、前駆体を調製する方法については、後述するものとする。
有機高分子化合物は、炭素骨格を有する高分子化合物であれば、ポリフェニレンオキシド、ポリイミド等の合成高分子化合物であっても、セルロース等の天然高分子化合物であってもよいが、合成高分子化合物であることが好ましい。
合成高分子化合物としては、ポリフェニレンオキシド、下記式(a)及び(b)で表される構造を有するポリフェニレンオキシド誘導体(以下「ポリフェニレンオキシド誘導体」と略す場合がある。)等が挙げられる。
この中でも式(a)及び(b)で表される構造を有するポリフェニレンオキシド誘導体が特に好ましい。有機高分子化合物としてポリフェニレンオキシド誘導体を使用すると、曲げ強度に優れた柔軟な中空糸炭素膜を製造することができる。
ポリフェニレンオキシド誘導体における式(b)で表される構造の比率(式((b)の物質量数/(式(a)の物質量数+式(b)の物質量数)×100)は、通常15%以上、好ましくは18%以上、より好ましくは20%以上であり、通常60%以下、好ましくは40%以下、より好ましくは35%以下である。
なお、有機高分子化合物の分子量は、その種類に応じて適宜選択されるべきであるが、ポリフェニレンオキシドやポリフェニレンオキシド誘導体の場合、重量平均分子量(Mw)は、通常5,000以上、好ましくは10,000以上、より好ましくは20,000以上であり、通常1,000,000以下、好ましくは900,000以下、より好ましくは800,000以下である。
有機高分子化合物を溶解するために使用する溶媒は、有機高分子化合物の種類に応じて適宜選択されるべきであるが、ポリフェニレンオキシド誘導体の場合、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。
凝固浴や芯液に使用する溶媒は、有機高分子化合物を溶解しない溶媒であれば特に限定されないが、ポリフェニレンオキシド誘導体の場合、水、アンモニウム塩水溶液が挙げられる。なお、アンモニウム塩水溶液のアンモニウム塩としては、硝酸アンモニウム、塩酸アンモニウム、硫酸アンモニウムが挙げられる。なお、芯液および凝固浴の温度は、−20℃〜60℃であり、好ましくは0℃〜30℃である。
予備加熱工程は、前駆体を酸素ガスを含む雰囲気下で150℃〜400℃に加熱する工程であるが、酸素ガスの濃度、加熱装置、加熱温度、加熱時間等は、特に限定されず、公知の内容を適宜選択することができる。以下、具体例を挙げて説明する。
酸素ガスを含む雰囲気としては、空気が挙げられ、酸素ガスの濃度としては、通常1体積%以上、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上であり、通常100体積%以下、好ましくは50体積%以下、より好ましくは30体積%以下である。
加熱装置は、400℃程度まで加熱することができる装置であればよく、また酸素ガスを含む雰囲気でよいため、装置内が密閉された雰囲気である必要もない。加熱装置としては、マッフル炉が挙げられる。
加熱温度は、150℃〜400℃であるが、好ましくは250℃以上、より好ましく280℃以上であり、好ましくは350℃以下、より好ましくは320℃以下である。
加熱時間は、通常10分以上、好ましくは30分以上、より好ましく1時間以上であり、通常4時間以下、好ましくは3時間以下、より好ましくは2時間以下である。
上記範囲内であると、前駆体の融解等を抑制し、良質な中空糸炭素膜を製造し易くなる。
炭化工程は、予備加熱工程を経た前駆体を450℃〜850℃に加熱して炭化する工程であるが、雰囲気ガス、加熱装置、加熱温度、加熱時間等は、特に限定されず、公知の内容を適宜選択することができる。以下、具体例を挙げて説明する。
炭化工程では、前駆体を「炭化」するために、通常、炭素を酸化してしまう物質が含まれない雰囲気で加熱する。具体的には不活性ガスの雰囲気下で加熱することが挙げられる。
不活性ガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等が挙げられる。
炭素を酸化してしまう物質が含まれない雰囲気で加熱するため、加熱装置としては、密閉可能な回分式反応器や不活性ガス等を連続的に供給・排出できる連続式反応器を外部から加熱する装置が挙げられる。特に図3に示すような連続式管型反応器を外部から加熱する装置が好ましい。
加熱温度は、450℃〜850℃であるが、好ましくは550℃以上、より好ましく600℃以上であり、好ましくは750℃以下、より好ましくは700℃以下である。
加熱時間は、通常5分以上、好ましくは10分以上、より好ましく20分以上、さらに好ましくは30分以上であり、通常4時間以下、好ましくは2時間以下、より好ましくは1時間以下である。
炭化水素ガスの炭素数は、好ましくは6以下、より好ましくは4以下、特に好ましくは3以下である。
炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、アセトニトリル、n−プロパン、i−プロパン、プロピレン、n−ブタン、i−ブタン、1−ブテン、1,3−ブタジエン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等が挙げられる。これらの中でも、プロピレン、エチレンが特に好ましい。
不活性ガス及び炭化水素ガスを同時に供給する場合の炭化水素ガスの濃度(炭化水素ガスの体積流量/不活性ガスの体積流量×100[体積%])は、通常1体積%以上、好ましくは5体積%以上、より好ましくは10体積%以上であり、通常100体積%以下、好ましくは50体積%以下、より好ましくは20体積%以下である。
炭化工程における加熱温度は、図4に示されるように途中で変更してもよく、加熱温度の組合せとしては、450℃〜650℃(炭化工程前半)を600℃〜750℃(炭化工程後半)に変更する態様、650℃〜750℃(炭化工程前半)を500℃〜650℃(炭化工程後半)に変更する態様等が挙げられる。
炭化水素ガスを供給している期間の加熱温度としては、好ましくは550℃以上、より好ましく650℃以上であり、好ましくは800℃以下、より好ましくは750℃以下である。
炭化水素ガスの供給時間としては、通常2分以上、好ましくは5分以上、より好ましくは10分以上であり、通常1時間以下、好ましくは30分以下、より好ましくは20分以下である。
(条件)中空糸炭素膜を円柱に180°以上巻き付けた時に中空糸炭素膜が破断しない円柱の半径(曲げ半径)が5mm以下である。
中空糸炭素膜の曲げ半径は、好ましくは10mm以下、より好ましくは7mm以下、さらに好ましくは5mm以下であり、通常2mm以上である。
上記範囲内であると、中空糸炭素膜を容器内にコンパクトに充填した膜モジュールの作製において膜の破損を低減することができる。
中空糸炭素膜の外径は、通常0.08mm以上、好ましくは0.1mm以上、より好ましくは0.15mm以上であり、通常0.5mm以下、好ましくは0.35mm以下、より好ましくは0.25mm以下である。中空糸炭素膜の内径は、通常0.06mm以上、好ましくは0.08mm以上、より好ましくは0.13mm以上であり、通常0.48mm以下、好ましくは0.33mm以下、より好ましくは0.23mm以下である。
前述のように本発明の製造方法は、中空糸炭素膜の気体分子の透過速度や選択性を簡易的に制御することができる方法であるが、本発明の製造方法によって製造された中空糸炭素膜を備える分離膜モジュール(以下、「本発明の分離膜モジュール」と略す場合がある。)も本発明の一態様である。
本発明の分離膜モジュールの具体的構造、中空糸炭素膜の数等は、特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。以下、具体例を挙げて説明する。
本発明の分離膜モジュールとしては、図5に示す構造を有するものが挙げられる。
図5の分離膜モジュール1は、容器2および分離膜エレメント3を有している。
分離膜エレメント3は、複数の中空糸炭素膜(分離膜)を束ねて構成された分離膜部31と、分離膜部31の一方を固定する固定部32とを含んで構成されており、容器2の内部空間を第1の空間8と第2の空間9に分割するように配置されている。中空糸炭素膜は、固定部32側の一端が開口し、他端は閉口した構造となっており、当該開口は第1の空間8と通じている。従って、第1の空間8と第2の空間9とは中空糸炭素膜を介して連通していることになる。なお、分離膜エレメント3は、容器2に固定されている。
容器2は、ガス供給口4と、ガス排出口5と、ガス排出口6とを備えており、本実施形態では円筒状である。ガス供給口4は、第2の空間9に供給物質(例えば脱水素反応物)を供給するためのものであり、本実施形態では容器2の周面に設けられている。ガス排出口5は、分離膜部31を透過しなかった非透過物質(例えば脱水素化物)を第2の空間9から容器2外に排出するためのものであり、本実施形態では容器2の一端部に設けられている。ガス排出口6は、分離膜部31を透過した透過物質(例えば水素分子)を第1の空間8から容器2外へ排出するためのものであり、本実施形態では容器2の他端部に設けられている。
なお、分離膜モジュール1に備えられる中空糸炭素膜の数は、中空糸炭素膜の性能や必要とされる高純度水素量等に応じて適宜選択される。
(準備工程)
式(b)で表される構造の比率が28%のスルホン化ポリフェニレンオキシド8.0gをメタノール10.3gとN,N−ジメチルアセトアミド10.3gの混合溶液に溶解させて、28重量%の有機高分子化合物溶液を調製した。外管の外径が0.4mm、内径が0.18mmである二重管環状構造の中空糸紡糸ノズルの外管から得られた有機高分子化合物溶液を、同ノズルの内管から芯液として20重量%硝酸アンモニウム水溶液を、それぞれ同時に水凝固浴中に押し出し、これを室温で風乾して前駆体を準備した。
得られた前駆体をマッフル炉内にて、空気雰囲気中、8℃/分の速度で320℃まで昇温させ、この温度で1時間加熱した後放冷した。
予備加熱を行った前駆体を、連続式管型反応器を用いて、不活性ガスとして高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら炭化処理を行った。この際の操作は、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、10℃/分の速度で650℃まで昇温させ、この温度で55分間加熱した後、窒素ガスの供給を停止するのと同時に高純度プロピレンガスを3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:100体積%(プロピレン))して5分間加熱した。その後、プロピレンガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法6)。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:0体積%)しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、10℃/分の速度で650℃まで昇温させた。この温度で1時間加熱した後、放冷し、中空糸炭素膜を得た。
高純度プロピレンガスを工業用プロピレンガス(プロピレン濃度:76体積%)に変更した以外(炭化水素ガスの濃度:76〜100体積%(プロピレン等))、実施例1と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。なお、工業用プロピレンに含まれる不純物は、プロパン等の炭化水素化合物であり、水分濃度は1000PPM以下である。
高純度プロピレンガスを高純度エチレンガスに変更した以外(炭化水素ガスの濃度:100体積%(エチレン))、実施例1と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、10℃/分の速度で650℃まで昇温させた。ここで供給ガスを窒素ガスから14体積%アセトニトリル/窒素混合ガスに切り替えて3.4リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:14体積%(アセトニトリル))し、この温度で1時間加熱した。その後、アセトニトリル/窒素混合ガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法3)。
14体積%アセトニトリル/窒素混合ガスを16体積%シクロヘキサン/窒素混合ガスに変更した以外(炭化水素ガスの濃度:16体積%(シクロヘキサン))、実施例4と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、10℃/分の速度で650℃まで昇温させた。この温度で1時間加熱した後、10℃/分の速度で600℃まで降温させ、窒素ガスの供給を停止するのと同時に高純度プロピレンガスを3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:100体積%(プロピレン))して10分間加熱した。その後、プロピレンガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法6)。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で700℃まで昇温させた。この温度で15分間加熱した後、窒素ガスの供給を停止するのと同時に高純度プロピレンガスを3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:100体積%(プロピレン))して5分間加熱した。その後、プロピレンガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法6)。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:0体積%)しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で700℃まで昇温させた。この温度で20分間加熱した後、放冷し、中空糸炭素膜を得た。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で700℃まで昇温させた。ここで供給ガスを窒素ガスから10体積%プロピレン/窒素混合ガスに切り替えて3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:10体積%(プロピレン))し、この温度で20分間加熱した。その後、プロピレン/窒素混合ガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法3)。
10体積%プロピレン/窒素混合ガスを5体積%プロピレン/窒素混合ガスに変更した以外(炭化水素ガスの濃度:5体積%(プロピレン))、実施例8と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で700℃まで昇温させた。この温度で10分間加熱した後、供給ガスを窒素ガスから10体積%プロピレン/窒素混合ガスに切り替えて3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:10体積%(プロピレン))し、この温度でさらに10分間加熱した。その後、プロピレン/窒素混合ガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法5)。
10体積%プロピレン/窒素混合ガスを20体積%プロピレン/窒素混合ガスに変更した以外(炭化水素ガスの濃度:20体積%(プロピレン))、実施例10と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。
10体積%プロピレン/窒素混合ガスを5体積%プロピレン/窒素混合ガスに変更した以外(炭化水素ガスの濃度:5体積%(プロピレン))、実施例10と同様の方法により中空糸炭素膜を得た。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で700℃まで昇温させた。ここで供給ガスを窒素ガスから16体積%シクロヘキサン/窒素混合ガスに切り替えて3.4リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:16体積%(シクロヘキサン))し、この温度で20分間加熱した。その後、シクロヘキサン/窒素混合ガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法3)。
炭化処理において、高純度窒素ガスを3.0リットル/分の流量で供給しながら、まず120℃に保持して1時間脱水処理を行い、20℃/分の速度で750℃まで昇温させた。この温度で5分間加熱した後、供給ガスを窒素ガスから10体積%プロピレン/窒素混合ガスに切り替えて3.0リットル/分の流量で供給(炭化水素ガスの濃度:10体積%(プロピレン))し、この温度でさらに5分間加熱した。その後、プロピレン/窒素混合ガスの供給を停止して、窒素ガスに切り替えてから放冷し、中空糸炭素膜を得た(供給方法5)。
試験ガス(He、H2、CO2、O2、N2、CH4)を用いて、実施例1〜14及び比較例1〜2の中空糸炭素膜の気体分離性能を調べた。その方法は次のとおりである。
中空糸用気体透過速度測定装置に装着した中空糸モジュールの外面に90℃にて一定圧力で試験ガスを供給し、透過してくる気体流量を流量計で測定した。この際に、下記式で求められる気体透過速度Qにより気体分離性能を評価した。
Q={ガス透過流量(cm3・STP)}÷{膜面積(cm2)×時間(秒)×圧力差(cmHg)}
単位はcm3(STP)/(cm2・sec・cmHg)である。
また、ガスBに対するガスAの膜の理想分離係数αA/Bは、下記式のように定められ、ガスBに対するガスAの選択性を表す。
αA/B=QA/QB
上記式において、QAおよびQBは、それぞれガスA及びガスBについての気体透過速度である。
結果を表3に示す。
前述の実施例1〜14、及び比較例1〜2の中空糸炭素膜について、種々の直径の円柱に180°以上巻きつけて、中空糸膜が破断するかどうかを観測した。曲げ半径は、中空糸膜が破断しない円柱において最小の半径を有する円柱を求め、その円柱の半径の値で示すことにより、膜の柔軟性を評価した。
その結果すべての炭素膜において、曲げ半径は5mm以下であった。
2 容器
3 分離膜エレメント
4 ガス供給口
5,6 ガス排出口
8 第1の空間
9 第2の空間
Claims (5)
- 有機高分子化合物を中空糸状に成形した前駆体を準備する準備工程、前記前駆体を酸素ガスを含む雰囲気下で150℃〜400℃に加熱する予備加熱工程、及び前記予備加熱工程を経た前駆体を450℃〜850℃に加熱して炭化する炭化工程を含む中空糸炭素膜の製造方法であって、
前記炭化工程が、窒素原子を含んでいてもよい炭素数1〜8の炭化水素ガスの存在下で加熱することを含む、中空糸炭素膜の製造方法。 - 前記炭化水素ガスが、炭素−炭素不飽和結合を有する炭化水素である、請求項1に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
- 前記有機高分子化合物が、ポリフェニレンオキシド、並びに下記式(a)及び(b)で表される構造を有するポリフェニレンオキシド誘導体からなる群より選択される少なくとも1種を含むものである、請求項1又は2に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
- 下記条件を満たす中空糸炭素膜を製造する方法である、請求項1〜3の何れか1項に記載の中空糸炭素膜の製造方法。
(条件)中空糸炭素膜を円柱に180°以上巻き付けた時に中空糸炭素膜が破断しない円柱の半径(曲げ半径)が5mm以下である。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載の中空糸炭素膜の製造方法によって製造された中空糸炭素膜を備える分離膜モジュール。
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