JPWO2017057378A1 - 複合半透膜 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)基材と、前記基材上に配置された多孔質支持体と、前記多孔質支持体上に設けられた分離機能層とを備える複合半透膜であって、前記基材が圧着部分と非圧着部分を備える構造を有し、前記圧着部分の割合は前記基材の単位面積当たり50%以下であり、前記基材の圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さが0.1g/m2以上2g/m2以下であり、前記基材の非圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さが3g/m2以上20g/m2以下である複合半透膜。
(2)前記基材の圧着部分の割合が、前記基材の単位面積当たりの5%以上50%以下である前記(1)に記載の複合半透膜。
(3)前記基材の圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さAと、前記基材の非圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さBが0.005≦A/B≦0.7の関係式を満たす前記(1)または(2)に記載の複合半透膜。
(4)前記基材の非圧着部分の厚さが40μm以上150μm以下であって、前記基材の目付が40g/m2以上100g/m2以下であり、かつ、前記基材が、ポリエステルを主成分として含有する前記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の複合半透膜。
(5)前記基材の圧着部分の厚みと非圧着部分の厚みの差が10μm以上95μm以下である前記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の複合半透膜。
(6)前記分離機能層が、ポリアミドを含有する前記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の複合半透膜。
本発明の複合半透膜は、基材と多孔質支持体とを備えた支持膜と、前記支持膜の多孔質支持体上に設けられた分離機能層とを備える。
支持膜はイオン等の分離性能を実質的に有さず、分離性能を実質的に有する分離機能層に強度を与えるための膜である。支持膜は、基材と多孔質支持体とを備える。多孔質支持体は基材上に配置され、多孔質支持体の一部が基材に含浸し、基材と多孔質支持体は一体的に積層されている。
非圧着部分の繊維密度としては、0.4〜0.75が好ましい。非圧着部分の繊維密度を0.4以上、より好ましくは0.5以上とすることで、製膜時に工程部材等と接触した際に毛羽立ち、膜欠点が生じるのを防ぐことができる。また非圧着部分の繊維密度を0.75以下とすることで、製膜時に多孔質支持体の原料となる熱可塑性樹脂が基材内部に十分浸透し、多孔質支持体と基材が強固に接着することができ、支持膜内部の透水性も確保することができる。
また、基材の圧着部分の割合は、基材の単位面積当たりの5%以上とすることが好ましい。圧着部分の単位面積当たりの割合を5%以上、より好ましくは7%以上とすることで、基材の機械的強度が向上し、耐久性に優れた支持膜を得ることができる。
基材の圧着部分の割合は、基材の単位面積当たりの5%以上50%以下とすることがより好ましい。
基材の圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さA、基材の非圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さBとが、上述のそれぞれの好ましい数値範囲を満たしつつ、かつ上記関係式を満たすことがより好ましい。
分離機能層は、複合半透膜において溶質の分離機能を担う層である。分離機能層の組成および厚み等の構成は、複合半透膜の使用目的に合わせて設定される。
例えば、分離機能層は、ポリアミドを主成分として含有してもよい。分離機能層を構成するポリアミドは、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との界面重縮合により形成することができる。ここで、多官能アミンまたは多官能酸ハロゲン化物の少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。
また、分離機能層は、Si元素などを有する有機−無機ハイブリッド構造を有してもよい。有機−無機ハイブリッド構造を有する分離機能層は、例えば、以下の化合物(A)、(B):
(A)エチレン性不飽和基を有する反応性基および加水分解性基がケイ素原子に直接結合したケイ素化合物、ならびに
(B)前記化合物(A)以外の化合物であってエチレン性不飽和基を有する化合物
を含有することができる。具体的には、分離機能層は、化合物(A)の加水分解性基の縮合物ならびに化合物(A)および/または化合物(B)のエチレン性不飽和基の重合物を含有してもよい。すなわち、分離機能層は、
・化合物(A)のみが縮合および/または重合することで形成された重合物、
・化合物(B)のみが重合して形成された重合物、並びに
・化合物(A)と化合物(B)との共重合物
のうちの少なくとも1種の重合物を含有することができる。なお、重合物には縮合物が含まれる。また、化合物(A)と化合物(B)との共重合体中で、化合物(A)は加水分解性基を介して縮合していてもよい。
次に、上記複合半透膜の製造方法について説明する。製造方法は、支持膜の形成工程および分離機能層の形成工程を含む。
支持膜の形成工程は、基材に多孔質支持体の成分である熱可塑性樹脂の溶液を塗布する工程、および前記溶液を塗布した前記基材を、熱可塑性樹脂の良溶媒と比較して前記熱可塑性樹脂の溶解度が小さい凝固浴に浸漬させて前記熱可塑性樹脂を凝固させ、三次元網目構造を形成させる工程を含んでもよい。また、支持膜の形成工程は、多孔質支持体の成分である熱可塑性樹脂を、その熱可塑性樹脂の良溶媒に溶解して熱可塑性樹脂溶液を調製する工程を、さらに含んでいてもよい。
複合半透膜を構成する分離機能層の形成工程の一例として、ポリアミドを主成分とする層(つまりポリアミド分離機能層)の形成を挙げて説明する。ポリアミド分離機能層の形成工程は、前述の多官能アミンを含有する水溶液と、多官能酸ハロゲン化物を含有する水と非混和性の有機溶媒溶液とを用い、支持膜の表面で界面重縮合を行うことにより、ポリアミド骨格を形成することを含む。
このようにして製造される複合半透膜は、プラスチックネットなどの原水流路材と、トリコットなどの透過水流路材と、必要に応じて耐圧性を高めるためのフィルムと共に、多数の孔を穿設した筒状の集水管の周りに巻回して、スパイラル型の複合半透膜エレメントを形成することができる。さらに、このエレメントは、直列または並列に接続されて圧力容器に収納されることで、複合半透膜モジュールを構成することもできる。
大きさ30cm×50cmの複合半透膜を3個採取して、複合半透膜から支持膜をDMF溶媒で溶解して取り除いたあと、各試料の基材である不織布の重量をそれぞれ測定し、得られた値の平均値を単位面積当たりに換算し、小数点以下第一位を四捨五入してもとめた。
複合半透膜から支持膜を溶解して取り除いたあと、基材である不織布からランダムに小片サンプル50個を採取し、走査型電子顕微鏡で50〜300倍の断面写真を撮影した。各サンプルについて圧着部分と非圧着部分の厚さをそれぞれ測定し、それらの平均値の小数点以下第三位を四捨五入して求めた。ここで圧着部分の厚さとしては、圧着された部分の中でも最も厚さが小さい箇所を、また非圧着部分の厚さとしては、圧着されていない部分の中でも最も厚さが大きい箇所をそれぞれ測定した。
複合半透膜から、5つの切片の試料を切り出した。それぞれの試料切片において、膜の表面に粘着性の高いテープを貼り多孔質支持体を基材から剥離することで、基材と基材内部に含浸した多孔質支持体とで構成された複合基材(図1の“43”で示す部分)を得た。
5つの試料切片から、圧着部分と非圧着部分それぞれを各2cm2程度切り出し、これを130℃で3時間乾燥させて、乾燥後の重さを測定した。
次に、乾燥後の複合基材をDMF溶液の中に3時間以上浸漬して基材内部の多孔質支持体を溶解除去した。こうして、複合基材から基材のみを取り出した。その後、この基材を純水で洗浄してから、130℃で3時間乾燥した。こうして得られた基材の重さを測定した。
複合基材の重さと基材の重さの差から、基材内部の多孔質支持体の重さを求めた。
得られた値を単位面積当たりに換算し、平均値を求めた。
基材の圧着部分の内部の多孔質支持体の重さAと、基材の非圧着部分の内部の多孔質支持体の重さBからA/Bを算出した。
温度25℃、pH6.5の海水(供給水に該当)を、操作圧力5.5MPaで複合半透膜に供給することで、24時間に渡ってろ過処理を行った。得られた透過水を、TDS除去率の測定に用いた。
東亜電波工業株式会社製電気伝導度計で供給水および透過水の電気伝導度を測定することにより、実用塩分を得た。この実用塩分を換算して得られるTDS濃度から、次の式により脱塩率すなわちTDS除去率を求めた。
TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}
TDS除去率が99.80%以上であると非常に良好な脱塩性能を有すると評価して「◎」、99.60%以上99.80%未満であると良好な脱塩性能を有すると評価して「〇」、99.00%以上99.60%未満であると目標値に満たず脱塩性能に劣ると評価して「△」、99.00%未満であると使用不可であると評価して「×」とした。なお、「◎」と「〇」が合格基準である。
24時間の上記ろ過処理により得られた透過水量を、膜面1平方メートルあたり、1日あたりの透水量(立方メートル)に換算し、膜透過流束(m3/m2/日)として表した。
膜透過流束が1.00m3/m2/日以上であると非常に効率的に透過させることができると評価して「◎」、0.60m3/m2/日以上1.00m3/m2/日未満であると効率的に透過させることができると評価して「〇」、0.45m3/m2/日以上0.60m3/m2/日未満であると目標値に満たず透過性能に劣ると評価して「△」、0.45m3/m2/日未満であると使用不可であると評価して「×」とした。なお、「◎」と「〇」が合格基準である。
比較例、実施例における複合半透膜の各種特性は、複合半透膜に、濃度1500ppm、温度25℃、pH6.5に調整した塩化ナトリウム水溶液(供給水に該当)を操作圧力1.55MPaで供給して膜ろ過処理を24時間行い、24時間の膜ろ過処理中の脱塩率および膜透過流束を測定した(初期性能)。その後、供給水中に1重量%の炭酸カルシウムを追添加して、さらに3時間膜ろ過処理を行った。次いで、装置内の炭酸カルシウムを含む供給水を排水し、純水で装置内の洗浄を行った後、再度、濃度1500ppm、25℃、pH6.5に調整した塩化ナトリウム水溶液を操作圧力1.55MPaで供給して膜ろ過処理を1時間行い、1時間の膜ろ過処理中の脱塩率および膜透過流束を再測定した(耐久性試験後性能)。
テンシロン試験機(RTG−1210)により、耐久性として剥離強度を測定した。具体的には、圧力印加および通水を経ていない新品の膜試料から10枚の切片を切り出した。それぞれの切片について、25℃において、10mm/minのつかみ移動速度で、剥離方向180°で剥離を行うことで、剥離力の最大値を求めた。得られた10個の値の平均を算出することにより、剥離強度を得た。
剥離強度が1.20N/25mm以上であると、非常に高い耐久性を有すると評価して「◎」、0.70N/25mm以上1.20N/25mm未満であると高い耐久性を有すると評価して「〇」、0.30N/25mm以上0.70N/25mm未満であると目標値に満たず耐久性に劣ると評価して「△」、0.30N/25mm未満であると使用不可であると評価して「×」とした。なお、「◎」と「〇」が合格基準である。
ポリスルホン16重量%のDMF溶液を、攪拌しながら90℃で2時間加熱保持することで熱可塑性樹脂溶液を調製した。
なお、本書の実施例では、ポリスルホンとしてソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製ポリスルホンUDEL p−3500を用いた。
調製した熱可塑性樹脂溶液は室温まで冷却し、押出機に供給して高精度濾過した。濾過した熱可塑性樹脂溶液はスリットダイを介し、ポリエステル長繊維からなる基材(糸径:1デシテックス、厚み:約90μm、通気度:1cc/cm2/sec、繊維配向度:多孔質支持体側表層40°、多孔質支持体とは反対側の表層20°、目付75.4g/m2、圧着部分の厚み56μm、非圧着部分の厚み84μm、圧着部分の割合21%、圧着部分の大きさ3mm2)上に180μmの厚みでキャストし、直ちに純水中に浸漬して5分間洗浄することによって支持膜を作製した。
巻き出しと巻き取り装置を備えて、ロールトゥロールで搬送される支持膜上に、m−フェニレンジアミン4.5重量%の水溶液をスリット形状の吐出口が5箇所、スリット形状の吸引口が2箇所配置された複合半透膜の製造装置を用いてアミン水溶液の塗布を行った。
次いで、多官能アミン水溶液接触後の支持膜上に、多官能酸ハロゲン化物全体で0.16重量%、トリメシン酸クロリド/テレフタル酸クロリド=80/20モル比となるように調製した多官能酸ハロゲン化物のn−デカン溶液(25℃)を、膜の表面が完全に濡れるようにスロットダイコーター24で塗布した。多官能酸ハロゲン化物のn−デカン溶液を塗布してから1分後に、膜から余分な溶液を除去するためにエアナイフで液切りした。その後、70℃の熱水で2分間洗浄して複合半透膜を得た。
支持膜の基材として、目付74.3g/m2、圧着部分の厚み61μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例2における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付76.2g/m2、圧着部分の厚み67μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例3における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、圧着部分の大きさ2mm2の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例4における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、圧着部分の大きさ4mm2の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例5における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、圧着部分の割合が15%の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例6における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、圧着部分の割合が41%の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例7における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付95.6g/m2、圧着部分の厚み81μm、非圧着部分の厚み95μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例8における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付48.8g/m2、圧着部分の厚み56μm、非圧着部分の厚み36μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例9における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付75.3g/m2、非圧着部分の厚み84μm、圧着部分の割合0%の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例1における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付75.5g/m2、圧着部分の厚み55μm、圧着部分の割合全面(100%)の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例2における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付75g/m2、圧着部分の割合60%の基材を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例3における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付122.1g/m2、圧着部分の厚み100μm、非圧着部分の厚み250μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例4における複合半透膜を作製した。
支持膜の基材として、目付26.5g/m2、圧着部分の厚み60μm、非圧着部分の厚み63μmの基材を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例5における複合半透膜を作製した。
以上の結果を表1に示す。実施例1〜9では、0.7N/25mm以上の高い耐剥離性と、高い透水性を両立した複合半透膜が得られた。
一方、比較例2、3の複合半透膜では、基材のかさ密度が高いため、剥離強度が低く、塩除去率は高かったものの透過流束が低かった。また、比較例4および5の複合半透膜では、基材の空隙率が高いため、剥離強度は大きく、透過流束も大きかったものの、脱塩率(TDS除去率)が低かった。これは、基材の総体積に対する空隙部分の割合(基材の目付量と厚みから算出可能)が非常に高いことで、多孔質支持体の基材への含浸量が多くなり、分離機能層の形成における多官能アミン水溶液の重合場への移送と重合速度とのバランスが崩れて、十分なひだ形成がされなかったためであると考えられる。
2:支持膜
3:基材
4:多孔質支持体
40:基材上に存在する多孔質支持体
41:非圧着部分の基材内に存在する多孔質支持体
42:圧着部分の基材内に存在する多孔質支持体
43:複合基材
45:多孔質支持体の表層
5:分離機能層
Claims (6)
- 基材と、前記基材上に配置された多孔質支持体と、前記多孔質支持体上に設けられた分離機能層とを備える複合半透膜であって、
前記基材が圧着部分と非圧着部分を備える構造を有し、前記圧着部分の割合は前記基材の単位面積当たり50%以下であり、
前記基材の圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さが0.1g/m2以上2g/m2以下であり、前記基材の非圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さが3g/m2以上20g/m2以下である複合半透膜。 - 前記基材の圧着部分の割合が、前記基材の単位面積当たりの5%以上50%以下である請求項1に記載の複合半透膜。
- 前記基材の圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さAと、前記基材の非圧着部分の内部に含浸した多孔質支持体の重さBが0.005≦A/B≦0.7の関係式を満たす請求項1または2に記載の複合半透膜。
- 前記基材の非圧着部分の厚さが40μm以上150μm以下であって、前記基材の目付が40g/m2以上100g/m2以下であり、かつ、前記基材が、ポリエステルを主成分として含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合半透膜。
- 前記基材の圧着部分の厚みと非圧着部分の厚みの差が10μm以上95μm以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合半透膜。
- 前記分離機能層が、ポリアミドを含有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合半透膜。
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