JPWO2018181365A1 - 多孔質膜、膜モジュール、水処理装置、及び多孔質膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
[化1]
Description
本願は、2017年3月27日に日本に出願された特願2017−061772号及び2017年11月10日に日本に出願された特願2017−217681号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、多孔質膜には、高い分画性能や親水性といった膜の性能が求められている。また、多孔質膜の製造工程の簡略化も求められている。
特許文献1には、従来からのフリーラジカル重合では、ポリマーセグメントの制御及び物性の調節を意のままに設計することは不可能であることから、両親媒性ブロックを有するコポリマーを制御ラジカル重合によって合成し、このコポリマーを用いて、透過流束と親水性とを有する多孔質膜を製造することが開示されている。
特許文献2には、ポリフッ化ビニリデン樹脂にポリビニルピロリドン樹脂とアクリル酸エステル系樹脂を複合した、低ファウリング性に優れたポリフッ化ビニリデン系樹脂多孔質膜が開示されている。
特許文献3には、膜形成ポリマーであるポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン系樹脂、及び、(メタ)アクリル酸エステルマクロモノマーと親水性の(メタ)アクリル酸エステルとを共重合したポリマーを含む親水性多孔質膜が開示されている。
特許文献1には、99〜20質量%の疎水性マトリックスポリマー、及び、1〜80質量%の、少なくとも一つの親水性ブロックと少なくとも一つの疎水性ブロックとを有し、ポリマーマトリックスと相溶性がある両親媒性ブロックコポリマー、を含むポリマー膜が開示されている。
特許文献4には、分離機能層を有する分離膜であって、分離機能層が溶融粘度3300Pa・s以上のポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有し、かつ、分離機能層が三次元網目状構造を有し、かつ、分離機能層が、非溶媒誘起相分離法により形成され、分離機能層はさらに親水性ポリマーを含有し、親水性ポリマーが、ポリビニルピロリドン系樹脂、アクリル系樹脂及びセルロースエステル系樹脂から選ばれる1種以上のポリマーである分離膜が開示されている。
特許文献5には、膜形成ポリマー、ならびに、メタクリル酸エステルマクロモノマーとその他のモノマー(親水性の(メタ)アクリル酸エステル等)とを含むモノマー組成物を重合して得られる親水性ポリマーを含む樹脂組成物から形成される、多孔質膜が開示されている。
[1]ポリマー(A)及びポリマー(B)を含む多孔質膜であって、
ポリマー(A)は、膜形成ポリマーであり、
ポリマー(B)は、下記式(1)で表される単位(b1)
(式中、sは、2又は3であり、tは、0〜2の整数である。)、
及び水酸基含有(メタ)アクリレートに基づく単位(b2)を有するポリマーであり、
多孔質膜中の単位(b1)の濃度(質量%)が単位(b2)の濃度(質量%)以上である多孔質膜。
[2]前記ポリマー(B)が、下記式(2)で表される基を有する単位(b3)
(式中、R1〜Rnは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基又は複素環基であり、X1〜Xnは、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基であり、nは、3〜10,000の整数である。)
をさらに有する、[1]に記載の多孔質膜。
[3]前記単位(b1)が、アクリル酸2−メトキシエチルに基づく単位である、[1]又は[2]に記載の多孔質膜。
前記ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有し、
前記複数の多孔質層のうち、少なくとも前記多孔質膜の被処理水側の最表層に含まれる全ポリマー中の前記ポリマー(B)の濃度(質量%)が、前記最表層以外の他の多孔質層に含まれる全ポリマー中の前記ポリマー(B)の濃度(質量%)よりも大きい、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の多孔質膜。
[6]多孔質膜中に支持体をさらに有する、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の多孔質膜。
[7][1]〜[6]のいずれか一項に記載の多孔質膜を備える、膜モジュール。
[8][7]に記載の膜モジュールを備える、水処理装置。
前記多孔質膜前駆体から前記ポリマー(C)の一部又は全部を取り除く、多孔質層を有する多孔質膜の製造方法であり、
ポリマー(A)は、膜形成ポリマーであり、
ポリマー(B)は、下記式(1)で表される単位(b1)
(式中、sは、2又は3であり、tは、0〜2の整数である。)、
及び水酸基含有(メタ)アクリレートに基づく単位(b2)を有するポリマーであり、
製膜原液中の単位(b1)の濃度(質量%)が単位(b2)の濃度(質量%)以上である多孔質膜の製造方法。
[10]前記ポリマー(B)が、下記式(2)で表される基を有する単位(b3)
(式中、R1〜Rnは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基又は複素環基であり、X1〜Xnは、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基であり、nは、3〜10,000の整数である。)
をさらに有する、[9]に記載の多孔質膜の製造方法。
[11]前記単位(b1)が、アクリル酸2−メトキシエチルに基づく単位である、[9]又は[10]に記載の多孔質膜の製造方法。
前記ポリマー(A)及びビニルピロリドンに基づく単位を有するポリマー(C)を含む複数の製膜原液を用いて、前記複数の製膜原液のそれぞれに対応した複数の多孔質前駆体層を有する多孔質膜前駆体を製膜し、
前記多孔質膜前駆体からポリマー(C)の一部又は全部を取り除く、前記ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有する多孔質膜の製造方法であり、
前記複数の製膜原液のうち、少なくとも前記多孔質膜の被処理水側の最表層に対応する製膜原液が前記ポリマー(B)をさらに含み、
前記最表層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の質量が、前記最表層以外の他の多孔質層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の質量よりも大きい、多孔質膜の製造方法。
また、本発明の別の態様の多孔質膜は、高い親水性及び透水性を有し、膜分離活性汚泥法における耐ファウリング性に優れ、かつ低コストで簡便に製造することができ、膜モジュール及びこの膜モジュールを備えた水処理装置に有用である。
また、本発明の別の態様の多孔質膜の製造方法によれば、高い親水性及び透水性を有し、膜分離活性汚泥法における耐ファウリング性に優れる多孔質膜を、低コストで簡便に製造できる。
多孔質膜の「被処理水側」とは、ろ過前の液と接触する膜表面を有する側である。
「疎水性」とは、膜形成ポリマー(A)のバルクの純水に対する接触角が60°以上であることをいう。
「バルクの接触角」とは、膜形成ポリマー(A)を後述する溶剤(S)に溶解し、溶解した溶液を流涎した後に溶媒(S)を蒸発させることで平滑なフィルムを形成し、その表面に水滴を付着させたときの接触角をいう。
マクロモノマーの「末端」とは、マクロモノマーの分子鎖の最も長い部分を主鎖とした場合、その主鎖の端部をいう。
マクロモノマーの「末端基」とは、マクロモノマーの不飽和二重結合を有する基が付加している側とは反対側の基をいう。
数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
また、本発明の多孔質膜は、多孔質膜に含まれる単位(b1)の濃度(質量%)が、多孔質膜に含まれる単位(b2)の濃度(質量%)以上であることを特徴とする。
多孔質膜に含まれる単位(b1)の濃度(質量%)が、多孔質膜に含まれる単位(b2)の濃度(質量%)以上であることで、多孔質膜の構造が均一になり、多孔質膜の機械物性(たとえば、バブルポイント圧力)が向上する。多孔質膜に含まれる単位(b1)の濃度(質量%)は、多孔質膜に含まれる単位(b2)の濃度(質量%)の2倍以上であることが好ましく、3倍以上がより好ましく、5倍以上がさらに好ましい。
膜形成ポリマー(A)は、多孔質膜の構成成分の一つである。
膜形成ポリマー(A)は、多孔質膜の構造を維持させるためのものである。膜形成ポリマー(A)の組成は、多孔質膜に求められる特性に応じて選択することができる。
膜形成ポリマー(A)は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
膜形成ポリマー(A)の質量平均分子量が、前記下限値以上であれば多孔質膜の機械的強度が良好となる傾向にあり、前記上限値以下であれば溶剤(S)への溶解性が良好となる傾向にある。
膜形成ポリマー(A)として前記範囲の質量平均分子量を有するものを用いる場合、異なる質量平均分子量を有するものを混合して、所定の質量平均分子量を有する膜形成ポリマー(A)とすることができる。
膜形成ポリマー(A)の質量平均分子量は、ポリスチレン又はポリメタクリル酸メチルを標準試料として用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により求められる。
ポリマー(B)は、多孔質膜の構成成分の一つである。
ポリマー(B)は、前述の式(1)で表される単位(b1)及び水酸基含有(メタ)アクリレートに基づく単位(b2)を有する。
ポリマー(B)は、その他の単位(b4)を有していてもよい。
単位(b1)は、式(1)で表される単位であり、ポリマー(B)の構成単位の一つである。
ポリマー(B)が単位(b1)を有することによって、多孔質膜に親水性、透水性及び耐ファウリング性を付与できる。
ポリマーの表面に水和する水として、自由水(高分子に弱い力で結合した水)、中間水(高分子に中間的な力で結合した水)、不凍水(高分子に強い力で結合した水)があることが知られている。膜表面に中間水が存在すると、膜分離活性汚泥法で多孔質膜を使用したときに、活性汚泥中のタンパク質等が膜表面に付着しにくくなり、その結果、耐ファウリングが付与されると考えられる。
膜表面に中間水を存在させるには、多孔質膜中に、アクリル酸の低炭素数のアルキルエステルの末端に低炭素数のアルコキシ基が付いたモノマー単位、すなわち、上記式(1)で表される単位(b1)を含有させることが有効であると考えられ、その中で、特にアクリル酸2−メトキシエチルに基づくモノマー単位が、有効であると考えられる。
単位(b2)は、水酸基含有(メタ)アクリレートに基づく単位であり、ポリマー(B)の構成単位の一つである。
ポリマー(B)が単位(b2)を有することによって、多孔質膜の親水性がより高くなる。
水酸基含有(メタ)アクリレートは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
単位(b3)は、式(2)で表される基を有する単位であり、ポリマー(B)の構成単位の一つとすることができる。
ポリマー(B)が単位(b3)を有することによって、多孔質膜にポリマー(B)を固定化でき、物理的耐性及び化学的耐性に優れた多孔質膜を得ることができる。
シクロアルキル基としては、炭素数3〜20のシクロアルキル基が挙げられ、具体例としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、アダマンチル基等が挙げられる。
アリール基としては、炭素数6〜18のアリール基が挙げられ、具体例としては、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。
複素環基としては、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子を有する炭素数5〜18の複素環基が挙げられ、具体例としては、γ−ラクトン基、ε−カプロラクトン基等が挙げられる。
置換基のアミド基としては、ジメチルアミド基等が挙げられる。
置換基のハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。
置換基のアルコキシ基としては、炭素数1〜12のアルコキシ基が挙げられ、具体例としては、メトキシ基等が挙げられる。
後述するマクロモノマーの合成しやすさの点から、X1〜Xnの半数以上がメチル基であることが好ましい。
X1〜Xnの半数以上がメチル基であることを確認する方法としては、公知の磁気共鳴スペクトル(NMR)による解析方法が挙げられる。
(式中、R1〜Rnは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基又は複素環基であり、X1〜Xnは、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基であり、nは、3〜10,000の整数であり、Rは、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基又は複素環基であり、Zは、マクロモノマーの末端基である。)
(メタ)アクリル酸エステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
マクロモノマーの分子量分布(Mw/Mn:質量平均分子量/数平均分子量)は、ポリマー(B)の機械物性のバランスの点から、1.5〜5.0が好ましい。
マクロモノマーの数平均分子量及び分子量分布は、ポリメタクリル酸メチルを標準試料として用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィによって求められる。
溶剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
その他の単位(b4)は、単位(b1)を構成するモノマー(アクリル酸2−メトキシエチル等)、単位(b2)を構成する水酸基含有(メタ)アクリレート、単位(b3)を構成するマクロモノマー以外のモノマーに基づく単位である。
その他の単位(b4)は、ポリマー(B)の構成単位の一つとすることができる。
その他のモノマー(b4)は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ポリマー(B)を構成するすべての単位のうち(100質量%)、単位(b1)の濃度は、20〜95質量%が好ましく、30〜90質量%がより好ましく、40〜85質量%がさらに好ましい。
単位(b1)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜に親水性、透水性及び耐ファウリング性を十分に付与でき、ポリマー(B)が実質的に非水溶性となるため、使用環境下で溶出の懸念が少ない。また、単位(b1)の濃度が前記上限値以下であれば、単位(b2)を含む、単位(b1)以外の単位による効果を十分に発揮できる。
単位(b2)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜の親水性がさらに高くなる。単位(b2)の濃度が前記上限値以下であれば、ポリマー(B)が水に溶けにくくなるため、多孔質膜の親水性が維持されやすい。また、後述のポリマー(C)との相溶性も高くなる傾向にある。
単位(b3)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜の柔軟性が良好となる。単位(b3)の濃度が前記上限値以下であれば、多孔質膜の耐ファウリング性を損なわない傾向がある。
その他の単位(b4)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜の柔軟性が良好となる。その他の単位(b4)の濃度が前記上限値以下であれば、多孔質膜の耐ファウリング性を損なわない傾向がある。
ポリマー(B)の数平均分子量は、1,000〜5,000,000が好ましく、2,000〜500,000が好ましく、5,000〜300,000がより好ましい。ポリマー(B)の数平均分子量が前記範囲内であれば、ポリマー(B)の熱安定性、及び得られる多孔質膜の機械強度や外表面の親水性が高まる傾向にある。
ポリマー(B)の数平均分子量は、ポリスチレンを標準試料として用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィによって求められる。
ランダム共重合体を合成する場合は、公知のフリーラジカル重合を用いる方法が簡便である。
ブロック共重合体及びグラフト共重合体を合成する場合は、公知の制御ラジカル重合を用いる方法が簡便である。
ポリマー(B)を製造する際のモノマー成分の重合方法としては、溶液重合法が挙げられる。
溶液重合法に用いる溶剤(S)は、ポリマー(B)が可溶であれば特に制限されない。
重合後の重合液(D)をそのまま製膜原液に用いる場合、溶剤(S)としては、膜形成ポリマー(A)を溶解できるものが好ましい。溶剤(S)としては、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチルピロリドン(NMP)、ヘキサメチルリン酸トリアミド、テトラメチルウレア、トリエチルフォスフェート、リン酸トリメチル等が挙げられる。溶剤(S)としては、取り扱いやすく、膜形成ポリマー(A)及びポリマー(B)の溶解性に優れる点から、アセトン、DMF、DMAc、DMSO、NMPが好ましい。
連鎖移動剤は、ポリマー(B)の分子量を調節するものである。連鎖移動剤としては、メルカプタン、水素、α−メチルスチレンダイマー、テルペノイド等が挙げられる。
連鎖移動剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
有機過酸化物としては、2,4−ジクロロベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシピバレート、o−メチルベンゾイルパーオキサイド、ビス−3,5,5−トリメチルヘキサノイルパーオキサイド、オクタノイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、シクロヘキサノンパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、メチルエチルケトンパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、t−ブチルハイドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド等が挙げられる。
ラジカル重合開始剤の添加量は、モノマー成分の100質量部に対して、0.0001〜10質量部が好ましい。
ビニルピロリドンに基づく単位を有するポリマー(C)(以下、「ポリマー(C)」とも言う。)は、製膜原液の構成成分の一つとすることができる。
ポリマー(C)は、膜形成ポリマー(A)と溶剤(S)との相分離を制御するための開孔助剤として添加される。
ポリマー(C)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
前記分子量分布を有するポリマー(C)を用いることによって、相分離制御剤として良好な洗浄性(除去性)を発揮し、多孔質膜の構造中に微細な割れが発生しやすくなるため、多孔質膜のろ過性能を良好とすることができる傾向にある。
多孔質膜(100質量%)中、膜形成ポリマー(A)の濃度は、60〜99.9質量%が好ましく、70〜98質量%がより好ましく、80〜97質量%がさらに好ましい。
膜形成ポリマー(A)の濃度が、前記下限値以上であれば、多孔質膜に機械物性を付与できる傾向にあり、前記上限値以下であれば、膜の表面の純水に対する接触角を低くできる傾向にある。
ポリマー(B)の濃度が、前記下限値以上であれば膜に耐ファウリング性や親水性を付与できる傾向にあり、前記上限値以下であれば多孔質膜の機械物性が維持できる。
単位(b1)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜に親水性、透水性及び耐ファウリング性を十分に付与でき、ポリマー(B)が実質的に非水溶性となるため、使用環境下で溶出の懸念が少ない。また、単位(b1)の濃度が前記上限値以下であれば、単位(b2)を含む、単位(b1)以外の単位による効果を十分に発揮できる。
単位(b2)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜の親水性がさらに高くなる。単位(b2)の占める濃度が前記上限値以下であれば、ポリマー(B)が水に溶けにくくなるため、多孔質膜の親水性が維持されやすい。また、後述のポリマー(C)との相溶性も高くなる傾向にある。
単位(b3)の濃度が前記下限値以上であれば、多孔質膜の柔軟性が良好となる。単位(b3)の濃度が前記上限値以下であれば、多孔質膜の耐ファウリング性を損なわない傾向がある。
なお、測定の際に下の(i)〜(iv)の不都合が起こった場合、(i)〜(iv)のように対応することができる。
(i)支持体が中空糸膜から剥がれない場合、中空糸膜をそのまま重水素化溶媒に浸し、支持体以外の多孔質膜を溶解し、支持体を除去し、試料とする。
(ii)支持体が中空糸膜から剥がれない場合で、多孔質膜層及び支持体どちらも重水素化溶媒に溶解する場合、支持体が溶解しない溶媒に中空糸膜を浸し、多孔質膜層のみ溶解し、支持体を除去する。その後、多孔質膜層の溶媒を留去し、残った多孔質膜層を試料とする。
(iii)1H−NMRスペクトルでピークが重なっている場合、二次元の1H−NMRスペクトルを測定する等して、ピークが重ならないようにすることができる。
(iv)多孔質膜中にどのようなポリマーが含まれるか不明の場合、1H−NMRスペクトルに加え、熱分解ガスクロマトグラフィー、ゲル浸透クロマトグラフィー又は赤外線吸収スペクトル等を併用し、多孔質膜中にどのようなポリマーが含まれるか同定した後に、1H−NMRスペクトルを用いて各単位の濃度(モル%)及び各単位の濃度(質量%)を測定することができる。
ポリマー(C)の濃度が、前記下限値以上であれば、多孔質膜の耐ファウリング性及び透水性を損なわない傾向にあり、前記上限値以下であれば、ポリマー(C)による孔の閉塞が少なくなる。また、ポリマー(C)は水に溶解するため、ポリマー(C)の濃度を前記上限値以下とすることは、処理水にポリマー(C)が溶け出すことによって水質を損なう恐れを少なくする。
ポリマー(B)は、少なくとも膜形成ポリマー(A)の表面、つまり多孔質膜の表面に存在していればよい。多孔質膜の表面にポリマー(B)が存在していることにより、多孔質膜に耐ファウリング性や親水性を付与できる。
本明細書において、多孔質膜の表面とは、多孔質膜中のすべての孔の表面を意味し、多孔質膜の形状における表裏や外側若しくは内側を意味するものではない。
多孔質膜を製造する過程で、ポリマー(C)の大部分は除去されるが、相分離の過程で膜形成ポリマー(A)及び/又はポリマー(B)に覆われ、後述の洗浄工程で取り除くことが不可能な状態で存在している可能性がある。ポリマー(C)が多孔質膜中にこのような状態で存在していても、本発明の効果に影響は及ぼさない。
本発明の多孔質膜は、本目的を逸脱しない範囲において種々の添加剤を含んでもよい。
添加剤としては、セルロースナノファイバー、ガラスファイバー、カーボンファイバー、アクリルファイバーのような繊維状物質;ポリ酢酸ビニル、セルロース誘導体、アクリル樹脂のような樹脂粉末:シリカ粒子、酸化チタン粒子、活性炭等の無機粒子;ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等の界面活性剤;等が挙げられる。
本発明の多孔質膜は、被処理水をろ過して処理水とするものであって、
膜形成ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有した多孔質膜であってもよい。
この場合、多孔質膜を構成する複数の多孔質層のうち、少なくとも多孔質膜の被処理水側の最表層(α)は、膜形成ポリマー(A)の他にポリマー(B)をさらに含み、最表層(α)に含まれる全ポリマー中のポリマー(B)の質量は、最表層以外の他の多孔質層に含まれる全ポリマー中のポリマー(B)の質量よりも大きい。
最表層(α)は、膜形成ポリマー(A)の他にポリマー(C)をさらに含んでいてもよい。
最表層(α)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量αBは、最表層(α)以外の他の多孔質層(β)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量βBよりも大きい。質量αBが質量βBよりも大きいということは、親水性、透水性及び耐ファウリング性を発揮させるのに必要十分なポリマー(B)を最表層(α)に含ませれば、他の多孔質層(β)に含まれるポリマー(B)の量を減らす又は0にすることができることを意味する。そのため、多孔質膜全体に均一にポリマー(B)を含ませる場合に比べ、高価なポリマー(B)の使用量を減らすことができ、多孔質膜を低コストで製造できる。
質量αBは、質量βBの1.2倍以上が好ましく、2倍以上がより好ましい。最も好ましいのは、質量βBが0である。
ポリマー(B)の割合が前記下限値以上であれば、多孔質膜に親水性、透水性及び耐ファウリング性を十分に付与できる。ポリマー(B)の割合が前記上限値以下であれば、ポリマー(B)が多孔質膜内を閉塞することが少なく、水が通水できることから、純水透過流束が5m3/m2/MPa/h以上の多孔質膜を得られやすい傾向にある。
多孔質膜を構成する複数の多孔質層のうち、最表層(α)以外の他の多孔質層(β)は、膜形成ポリマー(A)の他にポリマー(B)をさらに含んでいてもよい。
他の多孔質層(β)は、膜形成ポリマー(A)の他にポリマー(C)をさらに含んでいてもよい。
他の多孔質層(β)がポリマー(B)を含む場合、他の多孔質層(β)におけるポリマー(B)の割合は、他の多孔質層(β)のうち、0〜40質量%が好ましく、0〜30質量%がより好ましく、0〜20質量%がさらに好ましい。
他の多孔質層(β)がポリマー(C)を含む場合、他の多孔質層(β)におけるポリマー(C)の割合は、他の多孔質層(β)のうち、0〜15質量%が好ましく、0〜12質量%がより好ましく、0〜10質量%がさらに好ましい。
多孔質層における細孔の平均孔径は、バクテリアやウイルスの除去、たんぱく質や酵素の精製、又は上水用途で利用可能な点から、1〜1200nmが好ましい。細孔の平均孔径が1nm以上であれば、水を処理する際に高い透水圧力を必要としなくなる傾向にあり、細孔の平均孔径が1200nm以下であれば、バクテリアやウイルス、上水中の懸濁物質等を容易に除去できる傾向にある。
多孔質層における細孔の平均孔径は、500nm以下がより好ましく、400nm以下がさらに好ましく、350nm以下が特に好ましい。
多孔質層における細孔の平均孔径は、走査型電子顕微鏡を用いて多孔質膜の断面を撮影し、画像解析処理によって求めた値である。たとえば、走査型電子顕微鏡を用いて多孔質膜の外表面部分を観察し、30個の細孔を無作為に選び、各細孔の最長径を測定し、30個の細孔の最長径を平均して求める。
多孔質膜の形態としては、中空糸膜、平膜等が挙げられ、任意の長さで加工しやすく、膜モジュールに高い充填率で膜を充填可能な点から、中空糸膜が好ましい。多孔質膜は、膜中にマクロボイド又は球晶構造を有してもよい。
本発明の多孔質膜は、支持体を有するものであってもよい。支持体を有することによって、複数の多孔質層が支持体によって補強され、破裂圧や引張強度といった物理的特性を向上させることができる。
支持体としては、織布、不織布、組紐、編紐、ネット等が挙げられる。支持体の材料としては、合成繊維、半合成繊維、再生繊維、天然繊維等が挙げられる。
半合成繊維としては、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、キチン、キトサン等を原料としたセルロース誘導体系繊維:プロミックスと呼称される蛋白質系繊維等が挙げられる。
再生繊維としては、ビスコース法、銅−アンモニア法、有機溶剤法等により得られるセルロース系再生繊維(レーヨン、キュプラ、ポリノジック等。)が挙げられる。
天然繊維としては、亜麻、黄麻等が挙げられる。
また、多孔質膜の形態が中空糸膜の場合、中空状の組紐又は編紐をそのまま支持体として用いることができる。紐の内表面又は外表面に多孔質層を設けることによって補強中空糸膜となる。
中空糸膜の外径が前記下限値以上であれば、製膜時に糸切れが発生しにくい傾向にある。中空糸膜の外径が前記上限値以下であれば、中空形状を保ちやすく、特に外圧がかかっても扁平化しにくい傾向にある。
中空糸膜の膜厚が前記下限値以上であれば、製膜時に糸切れが発生しにくい傾向にある。中空糸膜の膜厚が前記上限値以下であれば、高い透水性を有する傾向にある。
本発明の多孔質膜は、前述のように、膜形成ポリマー(A)とポリマー(B)とを含む。
多孔質膜がポリマー(B)を含むことにより、多孔質膜の外表面が親水化され、乾燥状態と湿潤状態の透水性能差を小さくすることができる。
(Wd20/Ww100) ・・・(2)
Wd20:多孔質膜が乾燥状態であって、測定圧力20kPaにおけるWF。
Ww100:多孔質膜が水で湿潤状態であって、測定圧力100kPaにおけるWF。
本発明の多孔質膜は、高い親水性を有することから上記HPの値は0.5〜1.3とすることができる。
純水透過流束が前記下限値以上であれば、一定時間内に多量の水を処理できることから水処理膜用途として好ましい。純水透過流束が前記上限値未満であれば、多孔質膜内における欠陥を少なくすることができるため、上水、下排水等の幅広い分野で利用できる。
本発明の多孔質膜は、前述の膜形成ポリマー(A)、ポリマー(B)、及びポリマー(C)を含むポリマー組成物を用いて製造してもよい。ポリマー組成物は、前述の膜形成ポリマー(A)を溶解可能な溶剤と混合して製膜原液とすることで、後述の多孔質膜の製造方法に用いることができる。
膜形成ポリマー(A)の濃度が、前記下限値以上であれば容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば膜の表面の純水に対する接触角を低くできる傾向にある。
ポリマー(B)の濃度が、前記下限値以上であれば膜に耐ファウリング性や親水性を付与できる傾向にあり、前記上限値以下であれば容易に多孔質膜とすることができる。
ポリマー(C)の濃度が、前記下限値以上であれば容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば多孔質膜の機械強度が高まる傾向にある。
本発明の多孔質膜の製造方法の一例を以下に説明する。
得られた製膜原液を凝固液に浸漬して凝固させて多孔質膜前駆体を得る(凝固工程)。
得られた多孔質膜前駆体中に残存する溶剤(S)やポリマー(C)の一部又は全部を洗浄して取り除く(洗浄工程)。
洗浄した多孔質膜前駆体を乾燥して、多孔質膜を得る(乾燥工程)。
製膜原液は、膜形成ポリマー(A)、ポリマー(B)、及びポリマー(C)を、溶剤(S)と混合することにより得られる。製膜原液は、膜形成ポリマー(A)、ポリマー(B)、ポリマー(C)、及び添加剤が含まれる場合には添加剤の一部が溶剤(S)中に溶解していることが好ましいが、均一に分散していれば必ずしも溶解していなくてもよい。
膜形成ポリマー(A)の濃度が、前記下限値以上であれば、容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば、溶剤(S)へ容易に溶解することができる傾向にある。
ポリマー(B)の濃度が、前記下限値以上であれば、容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば、膜形成ポリマー(A)の溶剤(S)への溶解性が高まる傾向にある。
ポリマー(C)の濃度が、前記下限値以上であれば、容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば、膜形成ポリマー(A)及びポリマー(B)の溶剤(S)への溶解性が高まる傾向にある。
溶剤(S)の濃度が、前記下限値以上であれば高い透過流束を得られる傾向にあり、前記上限値以下であれば容易に多孔質膜とすることができる。
凝固液としては、膜の孔径制御の点から、溶剤(S)を50質量%以下含む水溶液が好ましい。
凝固液に含まれる溶剤(S)と、製膜原液に含まれる溶剤(S)とは、同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよいが、同じ種類であることが好ましい。
凝固液の温度が、前記下限値以上であれば多孔質膜の透水性能が向上する傾向にあり、前記上限値以下であれば多孔質膜の機械強度を良好に維持できる傾向にある。
多孔質膜前駆体は、40〜100℃の、水及び次亜塩素酸ナトリウム水溶液等の水溶液のいずれか一方又は両方に浸漬することにより、多孔質膜前駆体中に残存する溶剤(S)やポリマー(C)の一部又は全部を洗浄して除去することが好ましい。
ポリマー(C)を除去するため、水及び/又は次亜塩素酸ナトリウム水溶液等の水溶液へ浸漬する工程は、複数回繰り返すことができる。
洗浄された多孔質膜前駆体の乾燥は、60〜120℃で、1分間〜24時間にて行われることが好ましい。
乾燥温度が前記下限値以上であれば、乾燥処理時間が短縮され、生産コストを抑えることができるため、工業生産上好ましく、前記上限値以下であれば、乾燥工程で多孔質膜前駆体が収縮しすぎることを抑制でき、多孔質膜の外表面に微小な亀裂が発生しにくくなる傾向にある。
工程(b):複数の製膜原液を用いて、複数の製膜原液のそれぞれに対応した複数の多孔質前駆体層を有する多孔質膜前駆体を製膜する工程。
工程(c):多孔質膜前駆体からポリマー(C)の一部又は全部を除去して、膜形成ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有する多孔質膜を得る工程。
工程(a)においては、例えば、膜形成ポリマー(A)及びポリマー(C)、必要に応じてポリマー(B)を溶剤(S)に溶解させて、複数の製膜原液を調製する。
工程(a)は、前述の調製工程に準じて行うことができる。
製膜原液(x)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量xBは、最表層(α)以外の他の多孔質層(β)に対応する製膜原液(y)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量yBよりも大きい。質量xBは、質量yBの1.2倍以上が好ましく、2倍以上がより好ましい。最も好ましいのは、質量yBが0である。
ポリマー(B)の濃度が、前記下限値以上であれば、容易に多孔質膜とすることができる傾向にあり、前記上限値以下であれば、膜形成ポリマー(A)の溶剤(S)への溶解性が高まる傾向にある。
製膜原液(y)(100質量%)中のポリマー(B)の濃度は、0〜10質量%が好ましく、0〜8質量%がより好ましく、0〜6質量%がさらに好ましい。
工程(b)においては、例えば、複数の製膜原液を層状に配置した状態で凝固液に浸漬し、凝固させて、複数の製膜原液のそれぞれに対応した複数の多孔質前駆体層を有する多孔質膜前駆体を製膜する。
工程(b)は、前述の凝固工程に準じて行うことができる。
工程(c)は、前述の洗浄工程及び乾燥工程に準じて行うことができる。
また、一度乾燥されても低圧力で通水することができる。
また、製膜原液へポリマーを添加するのみで製膜の過程で親水化されるため、溶剤洗浄や架橋処理を必要とせず簡便な方法で製造可能である。
また、最表層(α)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量αBが、最表層(α)以外の他の多孔質層(β)に含まれる全ポリマーのうちのポリマー(B)の質量βBよりも大きいため、親水性、透水性及び耐ファウリング性を発揮させるのに必要十分なポリマー(B)を最表層(α)に含ませれば、他の多孔質層(β)に含まれるポリマー(B)の量を減らす又は0にすることができる。そのため、多孔質膜全体に均一にポリマー(B)を含ませる場合に比べ、高価なポリマー(B)の使用量を減らすことができ、多孔質膜を低コストで製造できる。
また、少なくとも多孔質膜の被処理水側の最表層にポリマー(B)を含ませるだけでよいため、溶剤洗浄、架橋処理等の特殊な処理を必要とせず、簡便に製造できる。
本発明の膜モジュールは、本発明の多孔質膜を備える。
膜モジュールとしては、2枚の平膜とこれら平膜の四辺を支持する枠状支持体とを有する平膜モジュール、複数の中空糸膜とこれら中空糸膜の端部を支持するハウジングとを有する中空糸膜モジュール等が挙げられる。
本発明の水処理装置は、本発明の膜モジュールを備える。
水処理装置としては、水槽と水槽内に配置された膜モジュールと膜モジュールの下方に配置された散気管とを備えた膜分離活性汚泥装置、液流通路と液流通路内に配置された膜モジュールとを備えた給気脱気装置等が挙げられる。
実施例において「部」及び「%」は、それぞれ「質量部」及び「質量%」を示す。
の組成]
(1)中空糸膜を切り開いた後、ピンセットで支持体を中空糸膜から引出して取り除き、残った多孔質膜を試料とした。
(2)(1)の試料を重水素化溶媒(テトラメチルシランが添加されたN,N−ジメチルスルホキシド−d6)に溶解し、1質量%の溶液を調製した。
(3)日本電子(株)製「JNM−EX270」を用い、温度80℃にて(2)の溶液の1H−NMRスペクトルを測定した。
(4−1)以下のポリマー又はマクロモノマーの1H−NMRスペクトルを測定した(測定条件は(2)及び(3)と同じ。)。
ポリフッ化ビニリデン:
アルケマ(株)製、Kynar(登録商標)761A
ポリアクリル酸2-メトキシエチル:
メタクリル酸2−ヒドロキシエチル及びマクロモノマーを使用しないこと以外、合成例4と同じ条件で重合したポリマー
ポリメタクリル酸メチルマクロモノマー:
後述のマクロモノマー(b3−1)の合成と同じ条件で合成したマクロモノマー
ポリメタクリル酸2−ヒドロキシエチル:
アクリル酸2−メトキシエチル及びマクロモノマーを使用しないこと以外は合成例4と同じ条件で重合したポリマー
ポリビニルピロリドン:
(株)日本触媒製、PVP K80
(4−2)(4−1)で測定した1H−NMRスペクトル、及び、独立行政法人産業技術総合研究所の提供する有機化合物のスペクトルデータベース(SDBS)に掲載された、ポリフッ化ビニリデン、アクリル酸2-メトキシエチル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル及びポリビニルピロリドンの1H−NMRスペクトルを参考にし、(3)で測定した1H−NMRスペクトルについて、以下のピークの帰属を行った。
フッ化ビニリデン単位:2.2〜2.4ppm、2.7〜3.1ppm
アクリル酸2-メトキシエチル単位:4.0〜4.2ppm、3.4〜3.6ppm、3.2〜3.3ppm
メタクリル酸2−ヒドロキシエチル単位:4.7ppm〜4.9、3.8〜4.1ppm、3.5〜3.7ppm
ポリメタクリル酸メチルマクロモノマー単位:3.5〜3.7ppm
ポリビニルピロリドン単位:1.7〜1.8ppm、1.8〜1.9ppm、3.5〜3.6ppm
(5)(4)で帰属したピークの面積から、各単位の積分比を算出し、全単位の積分比の合計を100(モル%)として各単位の濃度(モル%)を算出した。但し、マクロモノマー単位については、分子量にかえて数平均分子量を用いて算出した。
(6)各単位の濃度(モル%)を各単位の分子量で除して、各単位の濃度(質量%)を算出した。
(1)中空糸膜を切り開いた後、ピンセットで支持体を中空糸膜から引張って剥がし、多孔質膜から支持体を分けた。
(2)ピンセットで多孔質膜の外層と内層とを引き剥がして分け、各層の試料とした。
(3)以降、上記の「多孔質膜(中空糸膜M−A1〜A7、M’−A1〜A5、及び、M’−B1)の組成」の測定における(3)〜(6)と同様にして、各層における各単位の濃度(質量%)を測定した。
試料をポリマー(B)及びポリマー(B’)とした以外は、上記の「多孔質膜の組成」と同様にして測定した。
(1)合成したマクロモノマー(b3)を重水素化溶媒(テトラメチルシランが添加されたN,N−ジメチルスルホキシド−d6)に溶解し、1質量%の溶液を調製した。
(2)日本電子(株)製「JNM−EX270」を用い、温度40℃にて(1)の溶液の1H−NMRスペクトルを測定した。
(3)独立行政法人産業技術総合研究所の提供する有機化合物のスペクトルデータベース(SDBS)に掲載されたスペクトルデータを参考にし、測定した1H−NMRスペクトルのピーク面積から、末端二重結合の導入率を求めた。
膜形成ポリマー(A)のMwは、GPC(東ソー(株)製、「HLC−8020」(製品名))を使用して以下の条件で求めた。
・カラム:TSK GUARD COLUMN α(7.8mm×40mm)と3本のTSK−GEL α―M(7.8×300mm)とを直列に接続。
・溶離液:臭化リチウム(LiBr)のN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)溶液(LiBrの濃度:20mM)。
・測定温度:40℃。
・流速:0.1mL/分。
なお、膜形成ポリマー(A)のMwは、東ソー(株)製のポリスチレンスタンダード(Mp(ピークトップ分子量)=76,969,900、2,110,000、1,260,000、775,000、355,000、186,000、19,500、1,050の8種類)、及びNSスチレンモノマー(株)製のスチレンモノマー(M(分子量)=104)を用いて作成した検量線を使用して求めた。
単位(b3)、ポリマー(B)、ポリマー(B’)のMn及びMw/Mnは、GPC(東ソー(株)製、「HLC−8220」(製品名))を使用して以下の条件で求めた。
・カラム:TSK GUARD COLUMN SUPER H−L(4.6×35mm)と、2本のTSK−GEL SUPER HZM−H(4.6×150mm)とを直列に接続。
・溶離液:塩化リチウム(LiCl)のDMF溶液(LiClの濃度:0.01M)。
・測定温度:40℃。
・流速:0.6mL/分。
なお、ポリマー(B)、ポリマー(B’)のMn及びMw/Mnは、東ソー(株)製のポリスチレンスタンダード(Mp(ピークトップ分子量)=6,200,000、2,800,000、1,110,000、707,000、354,000、189,000、98,900、37,200、9,830、5,870、870、及び500の12種)を用いて作成した検量線を使用して求めた。
また、単位(b3)のMn及びMw/Mnは、Polymer Laboratories社製のポリメタクリル酸メチル(Mp=141,500、55,600、10,290及び1,590の4種)を用いて作成した検量線を使用して求めた。
中空糸膜の外径(膜外径)は、以下の方法で測定した。
測定するサンプルを約10cmに切断し、数本を束ねて、全体をポリウレタン樹脂で覆った。ポリウレタン樹脂は支持体の中空部にも入るようにした。ポリウレタン樹脂を硬化した後、カミソリ刃を用いて厚さ(膜の長手方向)約0.5mmの薄片をサンプリングした。サンプリングした中空糸膜の断面を、投影機((株)ニコン製、PROFILE PROJECTOR V−12)を用い、対物レンズ100倍にて観察した。中空糸膜の断面のX方向、Y方向の外表面の位置にマーク(ライン)を合わせて外径を読み取った。これを3回測定して外径の平均値を求めた。
多孔質層の膜厚は、以下の方法で測定した。
外径を測定したサンプルと同様の方法でサンプリングした。サンプリングした中空糸膜の断面を、投影機((株)ニコン製、PROFILE PROJECTOR V−12)を用い、対物レンズ100倍にて観察した。中空糸膜の断面の3時方向位置の膜厚の外表面と内表面の位置にマーク(ライン)をあわせて膜厚を読み取った。同様に、9時方向、12時方向、6時方向の順で膜厚を読み取った。これを3回測定して内径の平均値を求めた。
また、多孔質層の外層及び内層の膜厚は、上記と同様にして、膜厚を読み取った後、中空糸膜の外表面と中空糸膜の支持体の外表面の間に明瞭な明暗を示す界面が存在する場合は、この界面と中空糸膜の外表面の間の長さを外層の膜厚として測定し、界面から中空糸膜の支持体の外表面までの長さを内層の膜厚とした。これを3回測定して外層及び内層の膜厚の平均値を求めた。
多孔質層における細孔の孔径(平均孔径)は、以下の方法で測定した。
多孔質層の断面を、走査型電子顕微鏡を用いて倍率5,000倍で撮影し、得られた写真の画像解析処理により細孔の平均孔径を求めた。画像解析処理ソフトとしては、Media Cybernetics社のIMAGE−PRO PLUS version5.0を使用した。
中空糸膜を長さ4cmに切断し、片端面の開口をポリウレタン樹脂で封止した。中空糸膜を容器中のエタノールに浸漬させた後、容器内を5分間以上減圧することにより、中空糸膜の内部を脱気し、エタノールに置換した。中空糸膜を純水中に5分以上浸漬し、エタノールを純水に置換し、中空糸膜を取り出した。容器に純水(25℃)を入れ、容器と中空糸膜の他端面とをチューブで繋ぎ、容器に100kPaの空気圧をかけて中空糸膜から出る純水の量を1分間測定した。これを3回測定して、平均値を求め、この数値をサンプルの表面積で割り、湿潤状態の純水透過流速Ww100とした。
中空糸膜を長さ4cmに切断し、片端面の開口をポリウレタン樹脂で封止した。容器に純水(25℃)を入れ、容器と中空糸膜の他端面とをチューブで繋ぎ、容器に100kPaの空気圧をかけて1分間保持し、中空糸膜の内部を脱気し、純水に置換した。中空糸膜を80℃の熱風乾燥器に24時間投入し、中空糸膜を乾燥させた。容器に純水(25℃)を入れ、容器と乾燥した中空糸膜の他端面とを即座にチューブで繋いだ。20kPaの空気圧をかけて中空糸膜から出る純水の量を1分間測定し、さらに、空気圧を100kPaに昇圧して中空糸膜から出る純水の量を1分間測定した。あるいは、Wd100のみを測定する場合には、空気圧を100kPaに昇圧して中空糸膜から出る純水の量を1分間測定した。これらを3回測定して、平均値を求め、この数値をサンプルの表面積で割り、乾燥状態の純水透過流速Wd20及びWd100とした。
親水性の指標として、以下の指標で親水性(HP)を算出した。
HP=Wd20/Ww100
中空糸膜を長さ4cmに切断し、片端面の開口をポリウレタン樹脂で封止した。中空糸膜をエタノール中で5分間以上減圧した後、純水中に5分間以上浸漬して、エタノールを純水に置換した。中空糸膜を純水(25℃)に浸漬し、中空糸膜の他端面にチューブを繋ぎ、チューブから中空糸膜の中空部にゆっくりと空気圧をかけていった。徐々に昇圧し、中空糸膜の表面に気泡が確認された圧力を測定した。これを10回測定して、平均値を求めた。
撹拌装置を備えた反応装置中に、窒素雰囲気下で、酢酸コバルト(II)四水和物(和光純薬(株)製、和光特級)の1.00g;ジフェニルグリオキシム(東京化成(株)製、EPグレード)の1.93g;30分以上窒素で置換し、脱酸素を行ったジエチルエーテル(関東化学(株)製、特級)の80mL;を入れ、室温で30分間攪拌し、混合物を得た。
得られた混合物に三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体(東京化成(株)製、EPグレード)の10mLを加えて6時間攪拌し、反応物を得た。
得られた反応物をろ過し、固体をジエチルエーテル(関東化学(株)製、特級)で洗浄し、15時間真空乾燥して、コバルト連鎖移動剤CoBF−1を2.12gの赤褐色固体として得た。
撹拌機、冷却管及び温度計を備えた反応装置中に、17質量%水酸化カリウム水溶液の61.6質量部、メタクリル酸メチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)M)の19.1質量部、脱イオン水の19.3質量部を加えた。反応装置内の混合物を室温にて撹拌し、発熱ピークを確認した後、4時間撹拌し、反応液を得た。
得られた反応液を室温まで冷却してメタクリル酸カリウム水溶液を得た。
冷却管付フラスコに、メタクリル酸メチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)M)の100質量部、脱イオン水の150質量部、硫酸ナトリウムの1.39質量部、分散剤1の1.53質量部、コバルト連鎖移動剤CoBF−1の0.00045質量部を加えた。フラスコ内の混合物を70℃に加温した状態でコバルト連鎖移動剤CoBF−1を溶解させ、窒素バブリングにより内部を窒素置換した。重合開始剤として1,1,3,3−テトラメチルブチルペルオキシ−2−エチルヘキサネート(日油(株)製、商品名:パーオクタ(登録商標)O)の0.12質量部を加えた後、内温を70℃に保った状態で6時間保持し、重合を完結させ、重合反応物を得た。得られた重合反応物を室温まで冷却し、ろ過して重合体を回収した。得られた重合体を水洗した後、50℃で一晩真空乾燥することによりマクロモノマー(b3−1)を得た。
冷却管付フラスコに、メタクリル酸メチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)M)の100質量部、脱イオン水の150質量部、硫酸ナトリウムの1.39質量部、分散剤1の1.53質量部、コバルト連鎖移動剤CoBF−1の0.003質量部を加えた。フラスコ内の混合物を70℃に加温した状態でコバルト連鎖移動剤CoBF−1を溶解させ、窒素バブリングにより内部を窒素置換した。重合開始剤として1,1,3,3−テトラメチルブチルペルオキシ−2−エチルヘキサネート(日油(株)製、パーオクタ(登録商標)O)の0.12質量部を加えた後、内温を70℃に保った状態で6時間保持し、重合を完結させ、重合反応物を得た。得られた重合反応物を室温まで冷却し、ろ過して重合体を回収した。得られた重合体を水洗した後、50℃で一晩真空乾燥することによりマクロモノマー(b3−2)を得た。
[合成例1]
(ポリマー(B−1)の合成)
冷却管付フラスコに、アクリル酸2−メトキシエチル(単位(b1))の59質量部(和光純薬工業(株)製、和光一級)、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(単位(b2))の1質量部(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)HO)、マクロモノマー(b3−1)(単位(b3))の40質量部、N,N−ジメチルアセトアミド(溶剤(S))(和光純薬工業(株)製、試薬特級)の150質量部からなるモノマー組成物を加えて、窒素バブリングによりフラスコの内部を窒素置換した。モノマー組成物を加温して内温を55℃に保った状態で、ラジカル重合開始剤として2,2’−アゾビス(2,4’−ジメチルバレロニトリル)の0.1質量部(和光純薬工業(株)製、商品名:V−65)を加え、5時間保持した。70℃に昇温し、V−65の0.15質量部を追添加した後、60分間保持し、重合を完結させた。その後、室温まで冷却し、ポリマー(B−1)を含有する重合液(D−1)を得た。
(ポリマー(B−2)〜(B−5)、ポリマー(B’−2)〜(B’−4)の合成)
モノマー組成物の組成、重合開始剤、及び溶剤(S)について、表1に示すように変更した以外は、ポリマー(B−1)と同様の方法でポリマー(B−2)を含有する重合液(D−2)、ポリマー(B−3)を含有する重合液(D−3)、ポリマー(B−4)を含有する重合液(D−4)、ポリマー(B−5)を含有する重合液(D−5)、ポリマー(B’−2)を含有する重合液(D−7)、ポリマー(B’−3)を含有する重合液(D−8)、ポリマー(B’−4)を含有する重合液(D−9)をそれぞれ得た。
(ポリマー(B’−1)の合成)
冷却管付フラスコに、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(単位(b2))の40質量部(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)HO)、メタクリル酸メチル(単位(b4))の40質量部、メタクリル酸2−ジメチルアミノエチル(単位(b4))の20質量部(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)DM)N,N−ジメチルアセトアミド(溶剤(S))(和光純薬工業(株)製、試薬特級)の150質量部からなるモノマー組成物を加えて、窒素バブリングによりフラスコの内部を窒素置換した。モノマー組成物を加温して内温を70℃に保った状態で、ラジカル重合開始剤として2,2’−アゾビス(2,4’−ジメチルバレロニトリル)の0.1質量部(和光純薬工業(株)製、商品名:V−65)を加え、5時間保持した。80℃に昇温し、0.2質量部の2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを追添加した後、60分間保持し重合を完結させた。その後、室温まで冷却し、ポリマー(B’−1)を含有する重合液(D−6)を得た。
MEA:アクリル酸2-メトキシエチル(和光純薬工業(株)製、和光一級)。
HEMA:メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)HO)。
MMA:メタクリル酸メチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)M)。
DMAEMA:メタクリル酸ジメチルアミノエチル(三菱ケミカル(株)製、アクリエステル(登録商標)DM)。
V−65:2,2’−アゾビス(2,4’−ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業(株)製、商品名:V−65)。
DMAc:N,N−ジメチルアセトアミド(和光純薬工業(株)製、試薬特級)。
PMMA−MM:ポリメタクリル酸メチルマクロモノマー。
[調製例A1]
(製膜原液(A1)の調製)
膜形成ポリマー(A)としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(アルケマ社製、Kynar(登録商標)761A、Mw=550,000)の1.2質量部、ポリマー(B)としてポリマー(B−1)を含む重合液(D−1)の0.15質量部、ポリマー(C)としてポリビニルピロリドン(PVP)((株)日本触媒製、PVP K80、Mw=900,000)の0.72質量部、溶剤(S)としてN,N−ジメチルアセトアミド(和光純薬工業(株)製、和光特級)の5.01質量部をステンレス容器に入れ、60℃で5時間攪拌して製膜原液(A1)を調製した。得られた製膜原液を25℃にて一日静置した。
(製膜原液(A2)〜(A7)、製膜原液(B1)の調製)
膜形成ポリマー(A)、ポリマー(B)、及びポリマー(C)の組成、並びに溶剤(S)について表2に示すように変更した以外は、製膜原液(A1)と同様の方法で製膜原液(A2)〜(A7)、及び製膜原液(B1)をそれぞれ得た。
(製膜原液(B2)の調製)
重合液(D−2)を配合せず、N,N−ジメチルアセトアミドの量を5.10部に変更した以外は、製膜原液(B1)と同様の方法で製膜原液(B2)を得た。
(製膜原液(B3)の調製)
重合液(D−2)の量を0.15部に変更し、N,N−ジメチルアセトアミドの量を5.01部に変更した以外は、製膜原液(B1)と同様の方法で製膜原液(B3)を得た。
(製膜原液(A’1)の調製)
調製例A1で使用した重合液を使用しなかった以外は、製膜原液(A1)と同様の方法で製膜原液(A’1)を得た。
(製膜原液(A’2)〜(A’5)の調製)
膜形成ポリマー(A)、ポリマー(B)、及びポリマー(C)の組成、並びに溶剤(S)について表2に示すように変更した以外は、製膜原液(A1)と同様の方法で製膜原液(A’2)〜(A’5)を得た。
Kynar 761A:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(アルケマ社製、Kynar(登録商標)761A、Mw=550,000)。
K80:ポリビニルピロリドン(PVP)(日本触媒製、PVP K80、Mw=900,000)。
[実施例A1]
(中空糸膜(M−A1)の製造)
支持体製造装置を用いて、ポリエステル繊維(ポリエチレンテレフタレート製、繊度417dtex)のマルチフィラメントを円筒状に丸編みし、210℃にて熱処理を施して支持体を得た。得られた支持体の外径は1.45mmであった。
製造装置1の原液供給装置2より調製した製膜原液(A1)を送液し、塗布部3において支持体4に塗布した。製膜原液が塗布された支持体4を77℃の凝固浴槽5中の凝固液(N,N−ジメチルアセトアミドの40質量%水溶液)に浸漬し、製膜原液を凝固されることによって、多孔質層を有する中空糸膜前駆体6を得た。
中空糸膜前駆体を60℃の熱水に浸漬する工程と次亜塩素酸ナトリウム水溶液に浸漬する工程とを繰り返し、最後に115℃に熱した乾燥炉にて3分間乾燥させて、中空糸膜(M−A1)を得た。
(中空糸膜(M−A2)〜(M−A7)の製造)
製膜原液(A1)に代えて、それぞれ製膜原液(A2)〜(A7)を使用した以外は、中空糸膜(M−A1)と同様の方法で、中空糸膜(M−A2)〜(M−A7)を製造した。
(中空糸膜(M’−A1)〜(M’−A5)の製造
製膜原液(A1)に代えて、それぞれ製膜原液(A’1)〜(A’5)を使用した以外は、中空糸膜(M−A1)と同様の方法で、中空糸膜(M’−A1)〜(M’−A5)を製造した。
また、バブルポイント圧力が100kPa以上であり、高い濾過性能及び機械物性を有することが明らかとなった。
比較例A2においては、ポリマー(B)が単位(b1)を含んでいないため、得られた中空糸膜の親水性HPの値が0.4と低く、高い親水性を有さなかった。
比較例A3においては、多孔質膜に含まれる単位(b1)の濃度(質量%)が、多孔質膜に含まれる単位(b2)の濃度(質量%)未満であるため、膜の構造が不均一となり、その結果、バブルポイント圧力が50kPaと低かった。
比較例A4においては、多孔質膜中に単位(b2)が含まれていないため
多孔質膜の親水性が低かった。
比較例A5においては、多孔質膜に含まれる単位(b1)の濃度(質量%)が、多孔質膜に含まれる単位(b2)の濃度(質量%)未満であるため、膜の構造が不均一となり、その結果、バブルポイント圧力が60kPaと低かった。
(中空糸膜(M−B1)の製造)
支持体製造装置を用いて、ポリエステル繊維(ポリエチレンテレフタレート製、繊度417dtex)のマルチフィラメントを円筒状に丸編みし、210℃にて熱処理を施して支持体を得た。得られた支持体の外径は1.45mmであった。
製造装置1の原液供給装置2から製膜原液(B1)及び製膜原液(B2)を二重管ノズルに送液し、塗布部3において二重管ノズルの内側から製膜原液(B2)、二重管ノズルの外側から製膜原液(B1)を支持体4に同時に塗布した。製膜原液が塗布された支持体4を77℃の凝固浴槽5中の凝固液(N,N−ジメチルアセトアミドの40質量%水溶液)に浸漬し、製膜原液を凝固させることによって、2層の多孔質前駆体層を有する中空糸膜前駆体6を得た。
中空糸膜前駆体を60℃の熱水に浸漬する工程と次亜塩素酸ナトリウム水溶液に浸漬する工程とを繰り返し、最後に115℃に熱した乾燥炉にて3分間乾燥させて、2層の多孔質層(内層及び外層)を有する中空糸膜(M−B1)を得た。
(中空糸膜(M−B2)〜(M−B3)の製造)
内層及び外層の膜厚を表4に示すように変更した以外は、中空糸膜(M−B1)と同様の方法で中空糸膜(M−B2)〜(M−B3)を得た。
(中空糸膜(M−B4)の製造)
製膜原液(B2)を製膜原液(B3)に変更し、内層及び外層の膜厚を表4に示すように変更した以外は、中空糸膜(M−B1)と同様の方法で中空糸膜(M−B4)を得た。
(中空糸膜(M’−B1)の製造)
製膜原液(B2)のみを用い、支持体4に製膜原液(B2)のみを塗布し、膜厚を変更した以外は、実施例B1と同様にして単層の中空糸膜を得た。
(中空糸膜(M’−B2)の製造)
製膜原液(B1)を製膜原液(B2)に変更し、内層及び外層の膜厚を変更した以外は、実施例B1と同様にして中空糸膜を得た。
(中空糸膜(M’−B3)の製造)
製膜原液(B1)を製膜原液(B2)に変更し、製膜原液(B3)を製膜原液(B1)に変更し、内層及び外層の膜厚を変更した以外は、実施例B4と同様にして中空糸膜を得た。
図2に示す水処理システム100を用いて被処理水の濾過処理を行った。
水処理システム100は、原水ポンプ10、原水流路11、硝化槽12、攪拌機13、循環流路14、生物反応槽20、分離膜モジュール21、散気管22、処理水流路23、濾過ポンプ24、ブロア25、循環流路26、及び循環ポンプ27を有する。
結果を表5に示す。
MLSS:槽内の浮遊物質濃度を、単位:mg/Lで表したものであり、MLSSが高いほど槽内に含まれる汚泥の濃度が高い。
一方、比較例A1の中空糸膜(M’−A1)は、単位(b1)を有するポリマー(B)を使用しなかったため、濾過試験中に膜が汚染されるファウリングが起こり、単位(b1)を有するポリマー(B)を使用した中空糸膜(M−A1)〜(M−A3)よりも膜間差圧が上昇し、耐ファウリング性に劣る膜であった。
また、比較例A2の中空糸膜(M’−A2)は、単位(b2)であるメタクリル酸2−ヒドロキシエチルに基づく単位を有するポリマーを使用したが、単位(b1)をも有するポリマー(B)ではなかったため、濾過試験中に膜が汚染されるファウリングが起こり、単位(b1)を有するポリマー(B)を使用した中空糸膜(M−A1)〜(M−A3)よりも膜間差圧が急激に上昇し、濾過試験を継続することができないほど、耐ファウリング性に劣る膜であった。
表6に示すとおり、中空糸膜、槽内環境、及び運転条件を変更した以外は、活性汚泥中における加速濾過試験−1と同様に濾過試験を実施した。
結果を表6に示す。
一方、比較例A1の中空糸膜(M’−A1)は、活性汚泥中における加速濾過試験−1と同様に、単位(b1)を有するポリマー(B)を使用しなかったため、条件を変えた濾過試験中においても膜が汚染されるファウリングが起こり、単位(b1)を有するポリマー(B)を使用した中空糸膜(M−A)2、(M−A4)〜(M−A6)よりも膜間差圧が上昇し、耐ファウリング性に劣る膜であった。
10 原水ポンプ
100 水処理システム
11 原水流路
12 硝化槽
13 攪拌機
14 循環流路
2 原液供給装置
20 生物反応槽
21 分離膜モジュール
22 散気管
23 処理水流路
24 濾過ポンプ
25 ブロア
26 循環流路
27 循環ポンプ
3 塗布部
4 支持体
5 凝固浴槽
6 中空糸膜前駆体
前記ポリマー(A)及びビニルピロリドンに基づく単位を有するポリマー(C)を含む複数の製膜原液を用いて、前記複数の製膜原液のそれぞれに対応した複数の多孔質前駆体層を有する多孔質膜前駆体を製膜し、
前記多孔質膜前駆体からポリマー(C)の一部又は全部を取り除く、前記ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有する多孔質膜の製造方法であり、
前記複数の製膜原液のうち、少なくとも前記多孔質膜の被処理水側の最表層に対応する製膜原液が前記ポリマー(B)をさらに含み、
前記最表層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の質量が、前記最表層以外の他の多孔質層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の質量よりも大きい、[9]〜[11]のいずれか一項に記載の多孔質膜の製造方法。
Claims (12)
- 前記単位(b1)が、アクリル酸2−メトキシエチルに基づく単位である、請求項1又は2に記載の多孔質膜。
- 被処理水をろ過して処理水とする多孔質膜であって、
前記ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有し、
前記複数の多孔質層のうち、少なくとも前記多孔質膜の被処理水側の最表層に含まれる全ポリマー中の前記ポリマー(B)の濃度(質量%)が、前記最表層以外の他の多孔質層に含まれる全ポリマー中の前記ポリマー(B)の濃度(質量%)よりも大きい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の多孔質膜。 - 膜の形態が中空糸膜である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 多孔質膜中に支持体をさらに有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の多孔質膜。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の多孔質膜を備える、膜モジュール。
- 請求項7に記載の膜モジュールを備える、水処理装置。
- 前記単位(b1)が、アクリル酸2−メトキシエチルに基づく単位である、請求項9又は10に記載の多孔質膜の製造方法。
- 被処理水をろ過して処理水とする多孔質膜の製造方法であって、
前記ポリマー(A)及びビニルピロリドンに基づく単位を有するポリマー(C)を含む複数の製膜原液を用いて、前記複数の製膜原液のそれぞれに対応した複数の多孔質前駆体層を有する多孔質膜前駆体を製膜し、
前記多孔質膜前駆体からポリマー(C)の一部又は全部を取り除く、前記ポリマー(A)を含む複数の多孔質層を有する多孔質膜の製造方法であり、
前記複数の製膜原液のうち、少なくとも前記多孔質膜の被処理水側の最表層に対応する製膜原液が前記ポリマー(B)をさらに含み、
前記最表層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の濃度(質量%)が、前記最表層以外の他の多孔質層に対応する製膜原液に含まれる全ポリマーのうちの前記ポリマー(B)の濃度(質量%)よりも大きい、多孔質膜の製造方法。
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