WO2015046141A1 - ガス分離膜およびガス分離膜の製造方法ならびにガス分離膜モジュール - Google Patents

ガス分離膜およびガス分離膜の製造方法ならびにガス分離膜モジュール Download PDF

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separation membrane
gas separation
gas
separation
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史織 木原
賢志 狩野
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富士フイルム株式会社
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    • B01D71/62—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain

Definitions

  • the present invention relates to a gas separation membrane, a manufacturing method thereof, and a gas separation membrane module. More particularly, the present invention relates to a gas separation membrane having high scratch resistance and hardly causing separation selectivity, a method for producing a gas separation membrane having high scratch resistance and hardly causing separation selectivity, and a gas separation membrane module having the gas separation membrane. .
  • a material made of a polymer compound has a gas permeability unique to each material. Based on the properties, a desired gas component can be selectively permeated and separated by a membrane composed of a specific polymer compound (gas separation membrane). As an industrial application of this gas separation membrane, it is related to the problem of global warming, and it is considered to separate and recover it from large-scale carbon dioxide generation sources in thermal power plants, cement plants, steelworks blast furnaces, etc. Has been.
  • This membrane separation technology is attracting attention as a means of solving environmental problems that can be achieved with relatively small energy, such as natural gas and biogas (biological excrement, organic fertilizer, biodegradable substances, sewage, garbage, energy crops, etc.)
  • biogas biological excrement, organic fertilizer, biodegradable substances, sewage, garbage, energy crops, etc.
  • a membrane separation method As a means for removing carbon dioxide from a mixed gas mainly containing methane and carbon dioxide, a membrane separation method has been studied.
  • an asymmetric membrane As a membrane separation method for ensuring gas permeability and separability by thinning a portion that contributes to gas separation in order to make a practical gas separation membrane, an asymmetric membrane (Asymmetric Membrane)
  • a thin layer composite film Thin film composite
  • Thin film composite in which a thin layer called a skin layer or a support as a material having mechanical strength and a thin film layer (Selective Layer) contributing to gas separation are provided thereon.
  • a method using a hollow fiber (Hollow fiber) including a high-density layer that contributes to gas separation is known.
  • a layer contributing to gas separation is called a separation layer.
  • Patent Document 1 a thin film composite film having a separation layer made of a resin is subjected to UV ozone irradiation treatment or subsequent silane coupling agent treatment as a hydrophilic modification treatment, thereby increasing the life of the membrane.
  • a method is described in which the lifetime of a membrane used for separation of a mixed gas mixed with shrinking BTX (benzene, toluene, xylene-based organic components) is prolonged.
  • Patent Document 2 discloses a thin layer having heat resistance and durability by controlling the abundance ratio of the surface of a non-porous layer made of polyimide resin by performing plasma treatment in the presence of a specific halogen gas. Methods for making composite membranes or hollow fibers are described.
  • Patent Document 3 discloses a thin-layer composite membrane using a thin and dense separation layer of a plasma polymer, and describes that a protective layer is provided on the separation layer. No mention was made of performing plasma treatment.
  • Patent Document 4 describes a method of improving gas separation properties by using a hollow fiber membrane obtained by plasma-treating a separation layer formed using a specific polyimide.
  • Patent Document 5 discloses a polylayer so that unintentional contact between the separation layer and other materials does not occur during handling or use in the thin-layer composite membrane. A method is described in which a protective layer containing dimethylsiloxane is provided on the separating layer.
  • JP 2013-75264 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-236822 JP 60-54707 A JP-A-5-49882 International Publication WO1994 / 029002A
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a gas separation membrane that has high scratch resistance and is unlikely to deteriorate the separation selectivity.
  • the separation layer contributing to gas separation of the gas separation membrane is surface-treated to increase the oxygen atomic ratio, and a protective layer is provided thereon.
  • a protective layer is provided thereon.
  • a gas separation membrane comprising a separation layer containing a resin and a protective layer formed on the separation layer, wherein the oxygen atom ratio (unit:%) on the protective layer side of the separation layer is the separation layer. Gas separation membrane larger by 10% or more than the oxygen atom ratio (unit:%) on the side opposite to the protective layer.
  • the gas separation membrane according to [1] preferably forms a protective layer after subjecting the separation layer to surface treatment.
  • the surface treatment is preferably a plasma treatment.
  • the separation layer is preferably formed on a support.
  • the gas separation membrane according to [4] preferably has a resin layer between the separation layer and the support.
  • the resin contained in the separation layer is preferably at least one selected from polyimide, polybenzoxazole, and cellulose acetate.
  • the protective layer is at least one selected from polydimethylsiloxane, poly (1-trimethylsilyl-1-propyne), and polyethylene oxide. It is preferable that [8] The gas separation membrane according to any one of [1] to [7], wherein the permeation of carbon dioxide at 40 ° C.
  • the surface treatment is preferably a plasma treatment.
  • substituents when there are a plurality of substituents, linking groups, and the like (hereinafter referred to as substituents) indicated by specific symbols, or when a plurality of substituents are specified simultaneously or alternatively, It means that a substituent etc. may mutually be same or different. Even when not specifically stated, when a plurality of substituents and the like are close to each other, they may be connected to each other or condensed to form a ring.
  • a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • the gas separation membrane of the present invention is a gas separation membrane comprising a separation layer containing a resin and a protective layer formed on the separation layer, and the oxygen atom ratio (unit:%) on the protective layer side of the separation layer Is larger by 10% or more than the oxygen atom ratio (unit:%) on the side opposite to the protective layer of the separation layer.
  • the gas separation membrane of the present invention has high scratch resistance, and the separation selectivity is hardly lowered.
  • the gas separation membrane of the present invention is preferably a thin layer composite membrane, an asymmetric membrane or a hollow fiber.
  • a case where the gas separation membrane is a thin layer composite membrane may be described as a representative example, but the gas separation membrane of the present invention is not limited to the thin layer composite membrane.
  • the gas separation membrane of the present invention is produced, when the membrane is formed using a so-called phase separation method of passing through a poor solvent after applying the solution, the gas separation membrane has a void portion having a void and a void. Not divided into separate layers.
  • the thickness of the separation layer can be obtained by observing the cross section of the gas separation membrane by SEM and measuring the thickness of the portion where no void exists.
  • the gas separation membrane 10 of the present invention shown in FIG. 1 is a thin-layer composite membrane, and includes a separation layer 1 containing a resin and a protective layer (Protective Layer) 2 formed on the separation layer 1.
  • the separation layer 1 is preferably formed on the support 4.
  • the gas separation membrane 10 of the present invention preferably has a resin layer 3 between the separation layer 1 and the support 4.
  • the separation layer contains a resin, and the oxygen atom ratio (unit:%) on the protective layer side of the separation layer is 10% or more larger than the oxygen atom ratio (unit:%) on the side opposite to the protective layer of the separation layer.
  • the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer means the oxygen atom ratio (unit:%) (A) on the surface of the separation layer on the protective layer side, specifically, the surface of the separation layer on the protective layer side is configured. This means the oxygen atom ratio (unit:%) when the element ratio is expressed as a percentage.
  • the oxygen atom ratio on the opposite side of the separation layer from the protective layer means the oxygen atom ratio (unit:%) (B) on the surface of the separation layer opposite to the protective layer, specifically, the protective layer of the separation layer. It means the ratio (unit:%) of oxygen atoms when the ratio of elements constituting the surface opposite to the surface is expressed as a percentage.
  • resin examples include, but are not limited to, the following. Specifically, polyimides, polyamides, celluloses, polyethylene glycols, and polybenzoxazoles are preferable, and at least one selected from polyimide, polybenzoxazole, and cellulose acetate is more preferable. It is particularly preferred that
  • Matrimid 5218 refers to a specific polyimide polymer sold under the Matrimid® trademark) and HP Polymers sold under the Matrimid® trademark by Huntsman Advanced Materials.
  • Polyimides such as P84 or P84HT sold under the trade name P84 and trade name P84HT from GmbH, respectively, and celluloses such as cellulose acetate, cellulose triacetate, cellulose acetate butyrate, cellulose propionate, ethylcellulose, methylcellulose, and nitrocellulose
  • a specific polyimide polymer sold under the trademark Matrimid (registered trademark) 5218 is preferable.
  • the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer is 10% or more larger than the oxygen atom ratio on the opposite side of the protective layer of the separation layer.
  • the oxygen atom ratio (A) on the protective layer side of the separation layer and the oxygen atom ratio (B) on the opposite side of the separation layer from the protective layer are calculated as 100% ⁇ (AB) / B.
  • the value is greater than 10%.
  • the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer is preferably 15% or more, and more preferably 20% or more larger than the oxygen atom ratio on the side opposite to the protection layer of the separation layer.
  • the film thickness of the separation layer is preferably a thin film as much as possible under the condition of imparting high gas permeability while maintaining mechanical strength and separation selectivity.
  • the separation layer of the gas separation membrane of the present invention is preferably a thin layer.
  • the thickness of the separation layer is usually 10 ⁇ m or less, preferably 5 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or less, further preferably 2 ⁇ m or less, further preferably 1 ⁇ m or less, 0 More preferably, it is 5 ⁇ m or less.
  • the thickness of the separation layer is usually 0.01 ⁇ m or more, and preferably 0.03 ⁇ m or more from a practical viewpoint.
  • the variation coefficient of the thickness of the separation layer is preferably 1 or less, more preferably 0.5 or less, and further preferably 0.3 or less.
  • the coefficient of variation is a value calculated by randomly selecting 10 film thickness measurement sites that are separated from each other by 1 cm or more in the separation layer constituting the gas separation membrane, and measuring the film thickness at these sites.
  • the gas separation membrane of the present invention includes a protective layer formed on the separation layer.
  • the protective layer is a layer disposed on the separation layer. Unintentional contact between the separation layer and other materials can be prevented during handling and use.
  • the protective layer is preferably at least one selected from polydimethylsiloxane (hereinafter also referred to as PDMS), poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) (hereinafter also referred to as PTMSP), and polyethylene oxide. More preferred is siloxane or poly (1-trimethylsilyl-1-propyne), and particularly preferred is polydimethylsiloxane.
  • the thickness of the protective layer is preferably 20 nm to 3 ⁇ m, more preferably 50 nm to 2 ⁇ m, and particularly preferably 100 nm to 1 ⁇ m.
  • the gas separation membrane of the present invention preferably includes a support, and a separation layer is preferably formed on the support.
  • the support is preferably a thin and porous material in order to ensure sufficient gas permeability.
  • a separation layer may be formed and disposed on the surface or inner surface of a porous support, and by forming on the surface, a thin layer composite membrane can be easily formed.
  • a gas separation membrane having the advantages of having both high separation selectivity, high gas permeability, and mechanical strength can be obtained.
  • the thin-layer composite membrane is coated with the coating liquid (dope) that forms the above-mentioned separation layer on the surface of the porous support (in this specification, coating and coating).
  • the support preferably has a porous layer (Porous Layer) on the separation layer side, and is a laminate of a porous layer and a nonwoven fabric (Non-Woven) arranged on the separation layer side. More preferred.
  • the porous layer preferably applied to the support is not particularly limited as long as it has the purpose of satisfying the provision of mechanical strength and high gas permeability, and may be either organic or inorganic material. However, it is preferably a porous film of an organic polymer, and its thickness is 1 to 3000 ⁇ m, preferably 5 to 500 ⁇ m, more preferably 5 to 150 ⁇ m.
  • the porous structure of this porous layer usually has an average pore diameter of 10 ⁇ m or less, preferably 0.5 ⁇ m or less, more preferably 0.2 ⁇ m or less, and a porosity of preferably 20 to 90%. Preferably, it is 30 to 80%.
  • the molecular weight cut-off of the porous layer is preferably 100,000 or less, and the gas permeability is 3 ⁇ 10 ⁇ 5 cm 3 (STP) / cm 2 ⁇ cm ⁇ sec. It is preferable that it is cmHg (30 GPU) or more.
  • the material for the porous layer include conventionally known polymers such as polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, and polyvinylidene fluoride, polystyrene, cellulose acetate, and polyurethane.
  • the shape of the porous layer may be any shape such as a flat plate shape, a spiral shape, a tubular shape, and a hollow fiber shape.
  • a woven fabric, a nonwoven fabric, a net or the like is provided at the lower portion of the porous layer disposed on the separation layer side in order to provide mechanical strength.
  • the nonwoven fabric fibers made of polyester, polypropylene, polyacrylonitrile, polyethylene, polyamide or the like may be used alone or in combination.
  • the nonwoven fabric can be produced, for example, by making a main fiber and a binder fiber uniformly dispersed in water using a circular net or a long net, and drying with a dryer.
  • the gas separation membrane of the present invention is a thin layer composite membrane, it is preferable to have a resin layer between the separation layer and the support.
  • Resin layer is a layer containing resin.
  • This resin preferably has a functional group capable of binding to a metal.
  • functional groups include epoxy groups, oxetane groups, carboxyl groups, amino groups, hydroxyl groups, and thiol groups.
  • the resin layer includes an epoxy group, an oxetane group, a carboxyl group, and a resin having two or more of these groups.
  • Such a resin is preferably formed on a support by curing the radiation curable composition by irradiation with radiation.
  • the polymerizable dialkylsiloxane is a monomer having a dialkylsiloxane group, a polymerizable oligomer having a dialkylsiloxane group, or a polymer having a dialkylsiloxane group.
  • the resin layer may be formed from a partially crosslinked radiation curable composition having a dialkylsiloxane group.
  • the dialkylsiloxane group include a group represented by — ⁇ O—Si (CH 3 ) 2 ⁇ n — (n is 1 to 100, for example).
  • a poly (dialkylsiloxane) compound having a vinyl group at the terminal can also be preferably used.
  • the material of the resin layer is preferably at least one selected from polydimethylsiloxane (hereinafter also referred to as PDMS), poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) (hereinafter also referred to as PTMSP), and polyethylene oxide. More preferred is polydimethylsiloxane or poly (1-trimethylsilyl-1-propyne), and particularly preferred is polydimethylsiloxane.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PTMSP poly (1-trimethylsilyl-1-propyne
  • polyethylene oxide More preferred is polydimethylsiloxane or poly (1-trimethylsilyl-1-propyne), and particularly preferred is polydimethylsiloxane.
  • UV9300 polydimethylsiloxane (PDMS) manufactured by Momentive
  • UV9300 polydimethylsiloxane (PDMS) manufactured by Momentive
  • the material of the resin layer can be prepared as a composition containing an organic solvent when forming the resin layer, and is preferably a curable composition.
  • the film thickness of the resin layer is not particularly limited, but the film thickness of the resin layer is preferably 25 to 1200 nm, more preferably 30 to 800 nm, and particularly preferably 50 to 650 nm.
  • the thickness may be 70 to 120 nm, 130 to 170 nm, 180 to 220 nm, 230 to 270 nm, 300 to 360 nm, 380 to 450 nm, 470 to 540 nm, or 560 to 630 nm.
  • the film thickness of the resin layer can be determined by SEM.
  • the film thickness of the resin layer can be controlled by adjusting the coating amount of the curable composition.
  • the gas separation membrane of the present invention can be suitably used as a gas separation recovery method and a gas separation purification method.
  • a gas separation purification method for example, hydrogen, helium, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen sulfide, oxygen, nitrogen, ammonia, sulfur oxides, nitrogen oxides, hydrocarbons such as methane and ethane, unsaturated hydrocarbons such as propylene, tetrafluoroethane, etc.
  • a gas separation membrane capable of efficiently separating a specific gas from a gas mixture containing a gas such as a perfluoro compound.
  • the gas separation membrane of the present invention is preferably a gas separation membrane for separating at least one acidic gas from a gas mixture of acidic gas and non-acidic gas.
  • the acid gas examples include carbon dioxide, hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, sulfur oxide (SOx), and nitrogen oxide (NOx), and carbon dioxide, hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, sulfur oxide (SOx), and nitrogen. It is preferably at least one selected from oxides (NOx), more preferably carbon dioxide, hydrogen sulfide or sulfur oxide (SOx), and particularly preferably carbon dioxide.
  • the non-acid gas is preferably at least one selected from hydrogen, methane, nitrogen, and carbon monoxide, more preferably methane and hydrogen, and particularly preferably methane.
  • the gas separation membrane of the present invention is preferably a gas separation membrane that selectively separates carbon dioxide from a gas mixture containing carbon dioxide / hydrocarbon (methane).
  • the carbon dioxide permeation rate at 40 ° C. and 4 MPa is preferably more than 5 GPU, more preferably 5 to 300 GPU.
  • 1 GPU is 1 ⁇ 10 ⁇ 6 cm 3 (STP) / cm 2 ⁇ sec ⁇ cmHg.
  • the gas separation membrane according to the present invention is a separation selectivity which is a ratio of the permeation flux of carbon dioxide to the permeation flux of methane at 40 ° C. and 4 MPa when the gas to be separated is a mixed gas of carbon dioxide and methane.
  • ⁇ is preferably 20 or more, more preferably 25 or more, particularly preferably 30 or more, and particularly preferably 35 or more.
  • the selective gas permeation involves a dissolution / diffusion mechanism into the membrane.
  • a separation membrane containing a polyethyleneoxy (PEO) composition has been studied (see Journal of Membrane Science, 1999, 160, 87-99). This is because carbon dioxide has a strong interaction with the polyethyleneoxy composition. Since this polyethyleneoxy membrane is a flexible rubber-like polymer membrane having a low glass transition temperature, the difference in diffusion coefficient due to the gas species is small, and the separation selectivity is mainly due to the effect of the difference in solubility.
  • the glass transition temperature of the polyimide resin applied to the composite film is high, and the film is greatly improved in terms of the thermal durability of the film while exhibiting the above-described dissolution / diffusion action. Can do.
  • the method for producing a gas separation membrane of the present invention includes a step of surface-treating one surface of a separation layer containing a resin, and a step of forming a protective layer on the surface subjected to the surface treatment of the separation layer. The process is performed until the oxygen atomic ratio on the protective layer side of the separation layer becomes 10% or more larger than the oxygen atomic ratio on the opposite side of the protective layer of the separation layer.
  • a well-known material may be obtained commercially, may be formed by a well-known method, and may be formed by the below-mentioned method using specific resin.
  • a coating method is not particularly limited and a known method can be used.
  • a spin coating method can be used.
  • the conditions for forming the separation layer of the gas separation membrane of the present invention are not particularly limited, but the temperature is preferably ⁇ 30 to 100 ° C., more preferably ⁇ 10 to 80 ° C., and particularly preferably 5 to 50 ° C.
  • a gas such as air or oxygen may coexist when forming the separation layer, but it is preferably in an inert gas atmosphere.
  • the method for producing a gas separation membrane of the present invention includes a step of surface-treating one surface of the separation layer, and the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer in the surface treatment is oxygen atoms on the side opposite to the protective layer of the separation layer. The process is performed until the ratio becomes 10% or more.
  • a surface treatment for the surface of the substrate is a plasma treatment, and the plasma treatment can be performed for 1.5 seconds or more under the following conditions.
  • Plasma treatment conditions Argon flow rate 100 cm 3 (STP) / min, degree of vacuum 3 Pa, discharge output 500 W.
  • the plasma treatment is preferably 5 seconds or longer under the above conditions, more preferably from the viewpoint of enhancing the separation selectivity and increasing the scratch resistance and making it difficult to lower the separation selectivity. More preferably, it is 30 seconds or more. On the other hand, it is preferable that plasma processing is 1000 second or less on said conditions. Further, when the surface treatment on the surface of the separation layer is a plasma treatment, the accumulated energy amount by the plasma treatment is preferably 25 to 500,000 J, and more preferably 2500 to 100,000 J.
  • the plasma treatment applied to the present invention may be based on a conventional method.
  • a low-pressure plasma is used to generate a stable plasma, and an object to be processed is processed in the large vacuum chamber.
  • an atmospheric pressure plasma processing apparatus capable of processing in an atmospheric pressure atmosphere.
  • a gas mainly composed of argon gas is introduced into the process chamber, and high-density plasma can be stably generated under an atmospheric pressure atmosphere.
  • Examples of the system configuration of the atmospheric pressure plasma processing apparatus include a system composed of a gas mixing / control unit, a reactor, and a transfer conveyor (or XY table).
  • the argon flow rate is preferably 5 to 500 cm 3 (STP) / min, more preferably 50 to 200 cm 3 (STP) / min, and 80 to 120 cm 3 (STP) / min. It is particularly preferred.
  • the degree of vacuum is preferably 0.6 to 15 Pa, more preferably 1 to 5 Pa, and particularly preferably 2 to 4 Pa.
  • the discharge output is preferably 5 to 2000 W, more preferably 200 to 1000 W, and particularly preferably 300 to 700 W.
  • the manufacturing method of the gas separation membrane of this invention includes the process of forming a protective layer on the surface which performed the surface treatment of the separation layer.
  • a protective layer on the surface which performed the surface treatment of the separated layer.
  • an organic solvent the organic solvent used for formation of a separated layer can be mentioned.
  • a coating method is not particularly limited and a known method can be used. For example, a spin coating method can be used.
  • the irradiation time is preferably 1 to 30 seconds.
  • the radiant energy is preferably 10 to 500 mW / cm 2 .
  • the method for producing a gas separation membrane of the present invention may include a step of forming a resin layer on a support.
  • a resin layer on a support there is no restriction
  • the coating method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a spin coating method, a dip coating method, or a bar coating method can be appropriately used.
  • the irradiation time is preferably 1 to 30 seconds.
  • the radiant energy is preferably 10 to 500 mW / cm 2 .
  • the gas mixture can be separated.
  • the components of the raw material gas mixture are affected by the raw material production area, application, or use environment, and are not particularly defined.
  • the main components are preferably carbon dioxide and methane or carbon dioxide and nitrogen or carbon dioxide and hydrogen. That is, the proportion of carbon dioxide and methane or carbon dioxide and hydrogen in the gas mixture is preferably 5 to 50%, more preferably 10 to 40% as the proportion of carbon dioxide.
  • the separation method of the gas mixture using the gas separation membrane of the present invention exhibits particularly excellent performance, preferably carbonization such as carbon dioxide and methane. Excellent performance in separation of hydrogen, carbon dioxide and nitrogen, and carbon dioxide and hydrogen.
  • the method for separating the gas mixture is preferably a method including selectively permeating carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide and methane.
  • the pressure at the time of gas separation is preferably 1 MPa to 10 MPa, more preferably 2 MPa to 7 MPa.
  • the gas separation temperature is preferably ⁇ 30 to 90 ° C., more preferably 15 to 70 ° C.
  • the gas separation membrane module of the present invention has the gas separation membrane of the present invention.
  • the gas separation membrane of the present invention is preferably a thin layer composite membrane combined with a porous support, and more preferably a gas separation membrane module using this.
  • it can be set as the gas separation apparatus which has a means for carrying out separation recovery of the gas using the gas separation membrane of this invention, a thin layer composite membrane, or a gas separation membrane module.
  • the gas separation membrane of the present invention can be suitably used in a modular form. Examples of modules include spiral type, hollow fiber type, pleated type, tubular type, plate & frame type and the like.
  • the gas separation membrane of the present invention may be applied to a gas separation / recovery device as a membrane / absorption hybrid method used in combination with an absorbing solution as described in, for example, JP-A-2007-297605.
  • UV9300 Momentive polydimethylsiloxane (PDMS)) 8% by mass
  • n-heptane solution containing 1% by mass and spin-coating a polyacrylonitrile porous membrane (polyacrylonitrile porous membrane is present on the nonwoven fabric, including the nonwoven fabric, the film thickness is about 180 ⁇ m) as a support
  • Matrimid 5218 manufactured by Huntsman Advanced Materials, Matrimid (registered trademark) 5218. Refers to a specific polyimide polymer sold under the trademark of Matrimid. .
  • MEK methyl ethyl ketone
  • the oxygen atom ratio (A) on the surface of the separation layer on the protective layer side (plasma treatment surface side) and the oxygen atom ratio (B) on the surface on the opposite side of the protective layer are etched ESCA (trade name ESCA-3400, manufactured by Kratos) It was measured by. Furthermore, the value calculated by 100% ⁇ (A ⁇ B) / B, that is, the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer (however, on the side opposite to the support when no protective layer is provided) is the separation layer. The percentage of oxygen atom was determined when compared with the oxygen atom ratio on the side opposite to the protective layer of (but on the support side when no protective layer was provided). The obtained results are shown in Table 1 below.
  • an n-heptane solution of PDMS containing 8% by mass of UV9300 and 0.1% by mass of UV9380C was prepared and spin-coated on the plasma-treated surface of the separation layer, and then the UV intensity was 100 mW / cm 2 and the treatment time was 10 seconds.
  • a protective layer having a thickness of 0.6 ⁇ m was formed on the separation layer to produce a gas separation membrane. The obtained separation membrane was used as the gas separation membrane of Example 1.
  • Examples 2 to 4 As shown in Table 1 below, a gas separation membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the plasma treatment on the separation layer was changed to 10 seconds, 60 seconds, and 200 seconds, respectively. The obtained separation membranes were used as gas separation membranes of Examples 2 to 4, respectively.
  • Examples 5 to 8 After plasma treatment of the separation layer, a cyclohexane solution containing 8% by mass of poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) (PTMSP) was prepared, and a PTMSP cyclohexane solution was spun onto the separation layer instead of PDMS n-heptane solution.
  • PTMSP poly (1-trimethylsilyl-1-propyne)
  • Gas separation membranes were produced in the same manner as in Examples 1 to 4, except that a protective layer was formed by coating. The obtained separation membranes were used as gas separation membranes of Examples 5 to 8, respectively.
  • Example 1 A gas separation membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that a protective layer was formed on the separation layer without performing plasma treatment on the separation layer.
  • Example 2 A gas separation membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that no plasma treatment was performed on the separation layer and no protective layer was formed.
  • Example 4 A gas separation membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the plasma treatment for the separation layer was changed to 1 second.
  • the ratio of the CO 2 permeation flux Q CO2 to the CH 4 permeation flux Q CH4 was calculated as the separation selectivity ⁇ .
  • the unit of GPU is represented by the symbol Q.
  • GPU is a unit representing physical properties of the film itself depending on the thickness of the film.
  • the scratch resistance is preferably A or B, and particularly preferably A.
  • the gas separation membrane of the present invention has high scratch resistance and the separation selectivity is hardly lowered.
  • the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer is smaller than the lower limit of the range defined in the present invention with respect to the oxygen atom ratio on the opposite side (support side) of the separation layer. In this case, it was found that even if a protective layer was provided, the scratch resistance was low and the separation selectivity was lowered.
  • the oxygen atom ratio on the protective layer side of the separation layer is smaller than the lower limit of the range defined in the present invention with respect to the oxygen atom ratio on the side opposite to the protective layer of the separation layer (support side).
  • Examples 101 to 108 -modularization- Using the gas separation membranes produced in Examples 1 to 8, spiral type modules were produced with reference to JP-A-5-168869. The obtained gas separation membrane module was used as the gas separation membrane module of Examples 101 to 108. It was confirmed that the produced gas separation membrane modules of Examples 101 to 108 were good according to the performance of the built-in gas separation membrane.

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Abstract

樹脂を含む分離層と、分離層上に形成された保護層とを具備するガス分離膜であって、分離層の保護層側の酸素原子比率（単位：％）が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率（単位：％）と比べて１０％以上大きいガス分離膜は、耐傷性が高く分離選択性が低下し難い；ガス分離膜の製造方法；ガス分離膜モジュール。

Description

ガス分離膜およびガス分離膜の製造方法ならびにガス分離膜モジュール
　本発明は、ガス分離膜およびその製造方法ならびにガス分離膜モジュールに関する。より詳しくは、耐傷性が高く分離選択性が低下し難いガス分離膜と、耐傷性が高く分離選択性が低下し難いガス分離膜の製造方法と、このガス分離膜を有するガス分離膜モジュールに関する。
　高分子化合物からなる素材には、その素材ごとに特有の気体透過性がある。その性質に基づき、特定の高分子化合物から構成された膜によって、所望の気体成分を選択的に透過させて分離することができる（ガス分離膜）。このガス分離膜の産業上の利用態様として、地球温暖化の問題と関連し、火力発電所やセメントプラント、製鉄所高炉等において、大規模な二酸化炭素発生源からこれを分離回収することが検討されている。この膜分離技術は、比較的小さなエネルギーで達成できる環境問題の解決手段として着目されており、天然ガスやバイオガス（生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚水、ゴミ、エネルギー作物などの発酵、嫌気性消化により発生するガス）は主としてメタンと二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を除去する手段として膜分離方法が検討されている。
　実用的なガス分離膜とするためにガス分離に寄与する部位を薄層にしてガス透過性と分離性を確保するための膜分離方法として、非対称膜（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ）として分離に寄与する部分をスキン（Ｓｋｉｎ）層と呼ばれる薄層にする方法、あるいは機械強度を有する素材として支持体を、そしてその上にガス分離に寄与する薄膜層（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｌａｙｅｒ）を設ける薄層複合膜（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を用いる方法、あるいはガス分離に寄与する高密度の層を含む中空糸（Ｈｏｌｌｏｗ　ｆｉｂｅｒ）を用いる方法が知られている。上記方法に共通して、ガス分離に寄与する層を分離層と呼ぶ。
　ガス分離膜の寿命または耐久性を高める種々の方法が知られている。例えば、特許文献１には、樹脂からなる分離層を有する薄層複合膜に対し、親水性改質処理としてＵＶオゾン照射処理やその後のシランカップリング剤処理などを行うことにより、膜の寿命を縮めるＢＴＸ（ベンゼン、トルエン、キシレン系有機成分）が混入している混合ガスの分離に使われる膜の寿命が長期化する方法が記載されている。
　特許文献２には、ポリイミド系樹脂からなる非多孔質層の表面の原子存在比を、特定のハロゲンガスの存在下でプラズマ処理を行って制御することで、耐熱性、耐久性を有する薄層複合膜または中空糸とする方法が記載されている。
　一方、耐久性改善の目的以外でプラズマ処理などの表面処理を行った例や、分離層自体を設ける過程でプラズマ重合を行った例も知られている。例えば、特許文献３には、プラズマ重合体の薄い緻密な分離層を用いた薄層複合膜が開示されており、分離層の上に保護層を設けることが記載されているものの、分離層表面にプラズマ処理を行うことは記載されていなかった。
　特許文献４には、特定のポリイミドを用いて形成した分離層をプラズマ処理した中空糸膜により、ガス分離性を高める方法が記載されている。
　分離機能を奏する分離層の耐久性を高めるその他の方法として、特許文献５には、薄層複合膜において、ハンドリング時や使用時に分離層と他の材料との意図しない接触が起こらないようにポリジメチルシロキサンを含む保護層を分離層の上に設ける方法が記載されている。
特開２０１３－７５２６４号公報 特開平７－２３６８２２号公報 特開昭６０－５４７０７号公報 特開平５－４９８８２号公報 国際公開ＷＯ１９９４／０２９００２Ａ号公報
　このような状況のもと本発明者らがこれらのガス分離膜の性能を検討したところ、ガス分離膜に外部から力が複数回にわたって加わると分離選択性が低下してしまう問題があることがわかった。
　本発明が解決しようとする課題は、耐傷性が高く分離選択性が低下し難いガス分離膜を提供することにある。
　本発明者らが上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、ガス分離膜のガス分離に寄与する分離層を表面処理して酸素原子比率を高め、その上に保護層を付与することで、分離層にプラズマ表面処理をしたものの保護層を付与していない特許文献１に記載の態様や、分離層に表面処理をせず保護層を付与した特許文献５に記載の態様と比較して、ガス分離膜の耐傷性が著しく高くなり、分離選択性が低下し難くなることを見出すに至った。
　上記の課題を解決するための具体的な手段である本発明は以下のとおりである。
［１］　樹脂を含む分離層と、前述の分離層上に形成された保護層とを具備するガス分離膜であって、分離層の保護層側の酸素原子比率（単位：％）が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率（単位：％）と比べて１０％以上大きいガス分離膜。
［２］　［１］に記載のガス分離膜は、分離層に表面処理を行った後に保護層を形成することが好ましい。
［３］　［２］に記載のガス分離膜は、表面処理がプラズマ処理であることが好ましい。
［４］　［１］～［３］のいずれか一つに記載のガス分離膜は、分離層が支持体上に形成されたことが好ましい。
［５］　［４］に記載のガス分離膜は、分離層と支持体の間に樹脂層を有することが好ましい。
［６］　［１］～［５］のいずれか一つに記載のガス分離膜は、分離層に含まれる樹脂が、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールおよび酢酸セルロースから選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
［７］　［１］～［６］のいずれか一つに記載のガス分離膜は、保護層が、ポリジメチルシロキサン、ポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）およびポリエチレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
［８］　［１］～［７］のいずれか一つに記載のガス分離膜は、分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、４０℃、４ＭＰａにおける二酸化炭素の透過流束のメタンの透過流束に対する比である分離選択性αが２０以上であることが好ましい。
［９］　樹脂を含む分離層の一方の表面を表面処理する工程と、分離層の表面処理を行った表面上に保護層を形成する工程を含み、表面処理を分離層の保護層側の酸素原子比率（単位：％）が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率（単位：％）と比べて１０％以上大きくなるまで行うガス分離膜の製造方法。
［１０］　［９］に記載のガス分離膜の製造方法は、表面処理がプラズマ処理であることが好ましい。
［１１］　［９］または［１０］に記載のガス分離膜の製造方法で製造されたガス分離膜。
［１２］　［１］～［８］および［１１］のいずれか一つに記載のガス分離膜を有するガス分離膜モジュール。
　本明細書において、特定の符号で表示された置換基や連結基等（以下、置換基等という）が複数あるとき、あるいは複数の置換基等を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が近接するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい。
　本明細書において化合物（樹脂を含む）の表示については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、所定の一部を変化させた誘導体を含む意味である。
　本明細書における置換基（連結基についても同様）については、所望の効果を奏する範囲で、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。
　本発明によれば、耐傷性が高く分離選択性が低下し難いガス分離膜を提供することができる。
本発明のガス分離膜の一例を示す模式図である。 本発明のガス分離膜の製造方法の一例を示す模式図である。
　以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
［ガス分離膜］
　本発明のガス分離膜は、樹脂を含む分離層と、分離層上に形成された保護層とを具備するガス分離膜であって、分離層の保護層側の酸素原子比率（単位：％）が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率（単位：％）と比べて１０％以上大きい。
　このような構成により、本発明のガス分離膜は耐傷性が高く分離選択性が低下し難い。
　以下、本発明のガス分離膜の好ましい態様について説明する。
＜構成＞
　本発明のガス分離膜は、薄層複合膜、非対称膜または中空糸であることが好ましい。
　以下においてガス分離膜が薄層複合膜である場合を代表例として説明するときがあるが、本発明のガス分離膜は薄層複合膜によって限定されるものではない。
　本発明のガス分離膜を製造する場合、溶液塗布後に貧溶媒中を通過させるいわゆる相分離法を用いて製膜を行ったときに、ガス分離膜は空隙のある空隙部と、空隙を有さない分離層に分かれる。分離層の厚みは、ガス分離膜の断面をＳＥＭ観察し、空隙が存在しない部分の厚さを測定することにより求めることが可能である。
　本発明のガス分離膜の好ましい構成を、図面を用いて説明する。図１に示した本発明のガス分離膜１０は薄層複合膜であって、樹脂を含む分離層１と、分離層１上に形成された保護層（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　Ｌａｙｅｒ）２とを具備する。
　本発明のガス分離膜１０は、分離層１が支持体４上に形成されたことが好ましい。
　本発明のガス分離膜１０は、分離層１と支持体４の間に樹脂層３を有することが好ましい。
＜分離層＞
　分離層は樹脂を含み、分離層の保護層側の酸素原子比率（単位：％）が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率（単位：％）と比べて１０％以上大きい。
　本明細書中、分離層の保護層側（表面処理面側）の表面における酸素原子比率（単位：％）（Ａ）と、分離層の保護層と反対側の表面における酸素原子比率（単位：％）（Ｂ）は、エッチングＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）により測定した値を用いる。
　分離層の保護層側の酸素原子比率は、分離層の保護層側の表面における酸素原子比率（単位：％）（Ａ）を意味し、具体的には分離層の保護層側の表面を構成する元素比率を百分率で表したときの酸素原子の比率（単位：％）を意味する。
　分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率は、分離層の保護層と反対側の表面における酸素原子比率（単位：％）（Ｂ）を意味し、具体的には分離層の保護層と反対側の表面を構成する元素比率を百分率で表したときの酸素原子の比率（単位：％）を意味する。
（樹脂）
　分離層に含まれる樹脂は、以下に挙げられるが、これらに限定されるわけではない。具体的には、ポリイミド類、ポリアミド類、セルロース類、ポリエチレングリコール類、ポリベンゾオキサゾール類であることが好ましく、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールおよび酢酸セルロースから選ばれる少なくとも１種であることがより好ましく、ポリイミドであることが特に好ましい。
　また、より具体的には、Ｈｕｎｔｓｍａｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社よりＭａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）の商標で販売されているＭａｔｒｉｍｉｄ　５２１８（Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）の商標で販売されている特定のポリイミドポリマーを指す）およびＨＰ　Ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ＧｍｂＨ社よりそれぞれ商品名Ｐ８４および商品名Ｐ８４ＨＴで販売されているＰ８４またはＰ８４ＨＴ等のポリイミド類、セルロースアセテート、セルローストリアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースプロピオネート、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース等のセルロース類、ポリジメチルシロキサン類、ポリエチレングリコール♯２００ジアクリレート（新中村化学社製）の重合したポリマーなどのポリエチレングリコール類、また、特表２０１０－５１３０２１に記載のポリマーなどを選択することができる。
　これらの中でも、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）５２１８の商標で販売されている特定のポリイミドポリマーが好ましい。
（特性）
　本発明のガス分離膜は、分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層と反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きい。具体的には、分離層の保護層側の酸素原子比率（Ａ）と、分離層の保護層と反対側の酸素原子比率（Ｂ）において、１００％×（Ａ－Ｂ）／Ｂで計算される値が１０％以上大きい。
　分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層と反対側の酸素原子比率と比べて１５％以上大きいことが好ましく、２０％以上大きいことがより好ましい。
　分離層の膜厚としては機械的強度、分離選択性を維持しつつ高ガス透過性を付与する条件において可能な限り薄膜であることが好ましい。
　ガス透過性を高める観点から本発明のガス分離膜の分離層は薄層であることが好ましい。分離層の厚さは通常には１０μｍ以下であり、５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以下であることがさらに好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
　なお、上記分離層の厚さは通常には０．０１μｍ以上であり、実用上の観点から０．０３μｍ以上が好ましい。
　得られたガス分離膜において、分離層の厚さの変動係数は１以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましく、０．３以下であることがさらに好ましい。この変動係数は、ガス分離膜を構成する分離層において、互いに１ｃｍ以上離れた膜厚測定部位を無作為に１０箇所選抜し、これらの部位において膜厚測定を行い算出した値である。
＜保護層＞
　本発明のガス分離膜は、分離層上に形成された保護層を具備する。保護層は分離層の上に設置される層のことである。ハンドリング時や使用時に分離層と他の材料との意図しない接触を防ぐことができる。
（材料）
　保護層の材料としては特に制限はないが、保護層に用いられる材料の好ましい範囲は、後述の樹脂層に用いられる好ましい材料の範囲と同様である。特に保護層が、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳとも言う）、ポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）（以下、ＰＴＭＳＰとも言う）およびポリエチレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、ポリジメチルシロキサンまたはポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）であることがより好ましく、ポリジメチルシロキサンであることが特に好ましい。
（特性）
　保護層の膜厚は、２０ｎｍ～３μｍであることが好ましく、５０ｎｍ～２μｍであることがより好ましく、１００ｎｍ～１μｍであることが特に好ましい。
＜支持体＞
　本発明のガス分離膜は、支持体を含むことが好ましく、分離層が支持体上に形成されることが好ましい。支持体は、薄く、多孔質な素材であることが、十分なガス透過性を確保する上で好ましい。
　本発明のガス分離膜は、多孔質性の支持体の表面ないし内面に分離層を形成・配置するようにしてもよく、表面に形成することで簡便に薄層複合膜とすることができる。多孔質性の支持体の表面に分離層を形成することで、高分離選択性と高ガス透過性、更には機械的強度を兼ね備えるという利点を有するガス分離膜とすることができる。
　本発明のガス分離膜が薄層複合膜である場合、薄層複合膜は、多孔質の支持体の表面に、上記の分離層をなす塗布液（ドープ）を塗布（本明細書において塗布とは浸漬により表面に付着される態様を含む意味である。）することにより形成することが好ましい。具体的には、支持体は、多孔質層（Ｐｏｒｏｕｓ　Ｌａｙｅｒ）を分離層側に有することが好ましく、分離層側に配置された多孔質層と不織布（Ｎｏｎ－Ｗｏｖｅｎ）の積層体であることがより好ましい。
　支持体に好ましく適用される多孔質層は、機械的強度及び高気体透過性の付与に合致する目的のものであれば、特に限定されるものではなく有機、無機どちらの素材であっても構わないが、好ましくは有機高分子の多孔質膜であり、その厚さは１～３０００μｍ、好ましくは５～５００μｍであり、より好ましくは５～１５０μｍである。この多孔質層の細孔構造は、通常平均細孔直径が１０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下であり、空孔率は好ましくは２０～９０％であり、より好ましくは３０～８０％である。また、多孔質層の分画分子量が１００，０００以下であることが好ましく、さらに、その気体透過率は二酸化炭素透過速度で３×１０－５ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｃｍ・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ（３０ＧＰＵ）以上であることが好ましい。多孔質層の素材としては、従来公知の高分子、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアラミド等の各種樹脂を挙げることができる。多孔質層の形状としては、平板状、スパイラル状、管状、中空糸状などいずれの形状をとることもできる。
　薄層複合膜においては、分離層側に配置される多孔質層の下部に機械的強度を付与するために織布、不織布、ネット等が設けられることが好ましく、製膜性およびコスト面から不織布が好適に用いられる。不織布としてはポリエステル、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリアミド等からなる繊維を単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよい。不織布は、例えば、水に均一に分散した主体繊維とバインダー繊維を円網や長網等で抄造し、ドライヤーで乾燥することにより製造できる。また、毛羽を除去したり機械的性質を向上させたり等の目的で、不織布を２本のロール挟んで圧熱加工を施すことも好ましい。
＜樹脂層＞
　本発明のガス分離膜が薄層複合膜である場合、分離層と支持体の間に樹脂層を有することが好ましい。
　樹脂層とは、樹脂を含む層のことである。この樹脂には、金属に結合可能な官能基を有していることが好ましい。このような官能基としては、エポキシ基、オキセタン基、カルボキシル基、アミノ基、ヒドロキシル基およびチオール基を挙げることができる。樹脂層はエポキシ基、オキセタン基、カルボキシル基およびこれらのうち２以上の基を有する樹脂を含むことがより好ましい。このような樹脂は、支持体の上に放射線硬化性組成物への放射線照射による硬化をすることにより形成されることが好ましい。
　重合性ジアルキルシロキサンは、ジアルキルシロキサン基を有するモノマー、ジアルキルシロキサン基を有する重合性オリゴマー、ジアルキルシロキサン基を有するポリマーである。樹脂層は、ジアルキルシロキサン基を有する部分的に架橋された放射線硬化性組成物から形成されてもよい。ジアルキルシロキサン基としては、－｛Ｏ－Ｓｉ（ＣＨ３）２｝ｎ－で表される基（ｎは例えば１～１００）を挙げることができる。末端にビニル基を有するポリ（ジアルキルシロキサン）化合物も好ましく用いることができる。
　樹脂層の材料としては、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳとも言う）、ポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）（以下、ＰＴＭＳＰとも言う）およびポリエチレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、ポリジメチルシロキサンまたはポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）であることがより好ましく、ポリジメチルシロキサンであることが特に好ましい。
　樹脂層の材料としては市販の材料を用いることができ、例えば、ＵＶ９３００（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））、ＵＶ９３８０Ｃ（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のビス（４－ドデシルフェニル）ヨードニウム＝ヘキサフルオロアンチモネート）などを好ましく用いることができる。
　樹脂層の材料は、樹脂層を形成するときに有機溶媒を含む組成物として調製することができ、硬化性組成物であることが好ましい。
　樹脂層の膜厚としては特に制限はないが、樹脂層の膜厚は２５～１２００ｎｍであることが好ましく、３０～８００ｎｍであることがより好ましく、５０～６５０ｎｍであることが特に好ましい。例えば、７０～１２０ｎｍ、１３０～１７０ｎｍ、１８０～２２０ｎｍ、２３０～２７０ｎｍ、３００～３６０ｎｍ、３８０～４５０ｎｍ、４７０～５４０ｎｍまたは５６０～６３０ｎｍとすることができる。樹脂層の膜厚はＳＥＭで求めることができる。
　樹脂層の膜厚は、硬化性組成物の塗布量を調整することによって制御することができる。
＜特性、用途＞
　本発明のガス分離膜は、ガス分離回収法、ガス分離精製法として好適に用いることができる。例えば、水素、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素、窒素、アンモニア、硫黄酸化物、窒素酸化物、メタン、エタンなどの炭化水素、プロピレンなどの不飽和炭化水素、テトラフルオロエタンなどのパーフルオロ化合物などのガスを含有する気体混合物から特定の気体を効率よく分離し得るガス分離膜とすることができる。
　本発明のガス分離膜は、酸性ガスと非酸性ガスのガス混合物から、少なくとも１種の酸性ガスを分離するためのガス分離膜であることが好ましい。酸性ガスとしては、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が挙げられ、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）から選択される少なくとも１種であることが好ましく、より好ましくは二酸化炭素、硫化水素又は硫黄酸化物（ＳＯｘ）であり、特に好ましくは二酸化炭素である。
　非酸性ガスとしては水素、メタン、窒素、及び一酸化炭素から選択される少なくとも１種であることが好ましく、より好ましくはメタン、水素であり、特に好ましくはメタンである。
　本発明のガス分離膜は、特に二酸化炭素／炭化水素（メタン）を含む気体混合物から二酸化炭素を選択分離するガス分離膜とすることが好ましい。
　とりわけ、分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンとの混合ガスである場合においては、４０℃、４ＭＰａにおける二酸化炭素の透過速度が５ＧＰＵ超であることが好ましく、５～３００ＧＰＵであることがより好ましい。
　なお、１ＧＰＵは１×１０－６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇである。
　本発明のガス分離膜は、分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、４０℃、４ＭＰａにおける二酸化炭素の透過流束のメタンの透過流束に対する比である分離選択性αが２０以上であることが好ましく、２５以上であることがより好ましく、３０以上であることが特に好ましく、３５以上であることがより特に好ましい。
　上記選択的なガス透過には膜への溶解・拡散機構が関与すると考えられる。このような観点を活かし、ポリエチレンオキシ（ＰＥＯ）組成を含む分離膜が検討されている（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，１６０，８７－９９参照）。これは二酸化炭素がポリエチレンオキシ組成との相互作用が強いことに起因する。このポリエチレンオキシ膜はガラス転移温度の低い柔軟なゴム状のポリマー膜であるため、ガス種による拡散係数の差は小さく、分離選択性は溶解度の差の効果によるものが主である。これに対し、本発明の複合膜では、そこに適用されるポリイミド樹脂のガラス転移温度が高く、上記溶解・拡散作用を発揮させながら、膜の熱的な耐久性という観点でも大幅に改善することができる。
［ガス分離膜の製造方法］
　本発明のガス分離膜の製造方法は、樹脂を含む分離層の一方の表面を表面処理する工程と、分離層の表面処理を行った表面上に保護層を形成する工程を含み、表面処理を分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きくなるまで行う。
　本発明のガス分離膜の製造方法の好ましい構成を、図面を用いて説明する。図２に示した支持体４、樹脂層３、分離層１を有する薄層複合膜に対し、分離層１の一方の表面を表面処理５する工程を含む。その後、分離層１の表面処理５を行った表面上に保護層２を形成する工程を含む。
＜分離層の調製方法＞
　分離層の調製方法としては特に制限はなく、公知の材料を商業的に入手しても、公知の方法で形成しても、特定の樹脂を用いて後述の方法で形成してもよい。
　分離層を形成する方法としては特に制限はないが、分離層の材料および有機溶媒を含む組成物を下層（例えば、支持体層または樹脂層）に塗布することが好ましい。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法を用いることができる。
　本発明のガス分離膜の分離層を形成する条件に特に制限はないが、温度は－３０～１００℃が好ましく、－１０～８０℃がより好ましく、５～５０℃が特に好ましい。
　本発明においては、分離層を形成時に空気や酸素などの気体を共存させてもよいが、不活性ガス雰囲気下であることが望ましい。
＜分離層の表面処理＞
　本発明のガス分離膜の製造方法は分離層の一方の表面を表面処理する工程を含み、表面処理を分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きくなるまで行う。
　表面処理を分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きくなるまで行う方法としては特に制限はないが、例えば、分離層の表面への表面処理がプラズマ処理であり、プラズマ処理が以下の条件で１．５秒間以上行う方法を挙げることができる。
プラズマ処理条件：アルゴン流量１００ｃｍ３（ＳＴＰ）／分、真空度３Ｐａ、放電出力５００Ｗ。
　プラズマ処理は上記の条件で５秒間以上であることが分離選択性を高め、かつ、耐傷性を高くして分離選択性を低下し難くする観点からより好ましく、１０秒間以上であることが特に好ましく、３０秒間以上であることがより特に好ましい。一方、プラズマ処理が、上記の条件で１０００秒間以下であることが好ましい。
　また、分離層の表面への表面処理がプラズマ処理である場合、プラズマ処理による積算エネルギー量は２５～５０００００Ｊが好ましく、２５００～１０００００Ｊがより好ましい。
　本発明に適用されるプラズマ処理は定法によればよく、従来的なものとしては、安定したプラズマを発生させるため減圧プラズマを利用し、その大型の真空チャンバ内で被処理体を処理する態様が挙げられる。昨今では大気圧雰囲気下での処理が可能である大気圧プラズマ処理装置が開発されている。そこではプロセス室内にアルゴンガスを主体としたガスを導入し、大気圧雰囲気下で高密度プラズマを安定して発生させることができる。大気圧プラズマ処理装置のシステム構成としては、ガス混合・制御部、反応器および搬送コンベヤ（もしくはＸＹテーブル）から構成されるものが挙げられる。円形ノズルよりスポット的にプラズマジェットを吹き出して処理するものも提案されている。
　プラズマ処理条件としては、アルゴン流量が５～５００ｃｍ３（ＳＴＰ）／分であることが好ましく、５０～２００ｃｍ３（ＳＴＰ）／分であることがより好ましく、８０～１２０ｃｍ３（ＳＴＰ）／分であることが特に好ましい。
　プラズマ処理条件としては、真空度が０．６～１５Ｐａであることが好ましく、１～５Ｐａであることがより好ましく、２～４Ｐａであることが特に好ましい。
　プラズマ処理条件としては、放電出力が５～２０００Ｗであることが好ましく、２００～１０００Ｗであることがより好ましく、３００～７００Ｗであることが特に好ましい。
＜保護層の形成＞
　本発明のガス分離膜の製造方法は、分離層の表面処理を行った表面上に保護層を形成する工程を含む。
　分離層の表面処理を行った表面上に保護層を形成する方法としては特に制限はないが、保護層の材料および有機溶媒を含む組成物を塗布することが好ましい。有機溶媒としては、分離層の形成に用いられる有機溶媒を挙げることができる。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法を用いることができる。
　保護層を形成するときの硬化性組成物への放射線照射の方法としては特に制限はないが、電子線、紫外線（ＵＶ）、可視光または赤外線照射を用いることができ、用いる材料に応じて適宜選択することができる。
　放射線照射時間は１～３０秒であることが好ましい。
　放射エネルギーは１０～５００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましい。
＜樹脂層の形成＞
　本発明のガス分離膜の製造方法は、樹脂層を支持体上に形成する工程を含んでもよい。
　樹脂層を支持体上に形成する方法としては特に制限はないが、樹脂層の材料および有機溶媒を含む組成物を塗布することが好ましい。塗布方法としては特に制限はなく公知の方法を用いることができるが、例えばスピンコート法やディップコート法、バーコート法を適宜用いることができる。
　樹脂層を形成するときの硬化性組成物への放射線照射の方法としては特に制限はないが、電子線、紫外線（ＵＶ）、可視光または赤外線照射を用いることができ、用いる材料に応じて適宜選択することができる。
　放射線照射時間は１～３０秒であることが好ましい。
　放射エネルギーは１０～５００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましい。
＜ガス混合物の分離方法＞
　本発明のガス分離膜を用いることで、ガス混合物の分離をすることができる。
　本発明のガス分離膜を用いるガス混合物の分離方法において、原料のガス混合物の成分は原料産地や用途又は使用環境などによって影響されるものであり、特に規定されるものではないが、ガス混合物の主成分が二酸化炭素及びメタン又は二酸化炭素及び窒素又は二酸化炭素及び水素であることが好ましい。すなわち、ガス混合物における二酸化炭素及びメタン又は二酸化炭素及び水素の占める割合が、二酸化炭素の割合として５～５０％であることが好ましく、更に好ましくは１０～４０％である。ガス混合物が二酸化炭素や硫化水素のような酸性ガス共存下である場合、本発明のガス分離膜を用いるガス混合物の分離方法は特に優れた性能を発揮し、好ましくは二酸化炭素とメタン等の炭化水素、二酸化炭素と窒素、二酸化炭素と水素の分離において優れた性能を発揮する。
　ガス混合物の分離方法は、二酸化炭素及びメタンを含む混合ガスから二酸化炭素を選択的に透過させることを含む方法であることが好ましい。ガス分離の際の圧力は１ＭＰａ～１０ＭＰａであることが好ましく、２ＭＰａ～７ＭＰａであることがより好ましい。また、ガス分離温度は、－３０～９０℃であることが好ましく、１５～７０℃であることがさらに好ましい。
［ガス分離膜モジュール］
　本発明のガス分離膜モジュールは、本発明のガス分離膜を有する。
　本発明のガス分離膜は多孔質支持体と組み合わせた薄層複合膜とすることが好ましく、更にはこれを用いたガス分離膜モジュールとすることが好ましい。また、本発明のガス分離膜、薄層複合膜又はガス分離膜モジュールを用いて、ガスを分離回収又は分離精製させるための手段を有する気体分離装置とすることができる。本発明のガス分離膜はモジュール化して好適に用いることができる。モジュールの例としては、スパイラル型、中空糸型、プリーツ型、管状型、プレート＆フレーム型などが挙げられる。また本発明のガス分離膜は、例えば、特開２００７－２９７６０５号に記載のような吸収液と併用した膜・吸収ハイブリッド法としての気体分離回収装置に適用してもよい。
　以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
　なお、文中「部」及び「％」とあるのは特に示さない限り質量基準とする。
［実施例１］
＜サンプル作製＞
　市販のＵＶ９３００（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））８質量％、ＵＶ９３８０Ｃ（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ社製のビス（４－ドデシルフェニル）ヨードニウム＝ヘキサフルオロアンチモネートの４５質量％、アルキルグリシジルエーテル溶液）０．１質量％を含むｎ－ヘプタン溶液を調製し、ポリアクリロニトリル多孔質膜（不織布上にポリアクリロニトリル多孔質膜が存在、不織布を含め、膜厚は約１８０μｍ）を支持体としてスピンコートした後、ＵＶ強度１００ｍＷ／ｃｍ２、処理時間１０秒のＵＶ処理条件でＵＶ処理（Ｆｕｓｉｏｎ社製、Ｌｉｇｈｔ　Ｈａｍｍｅｒ　１０）を行うことで多孔質膜上に厚み０．６μｍの樹脂層を形成させた。
　樹脂層上に後述のプラズマ処理条件で５秒間プラズマ処理を行った後、市販のＭａｔｒｉｍｉｄ５２１８（Ｈｕｎｔｓｍａｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）５２１８。Ｍａｔｒｉｍｉｄの商標で販売されている特定のポリイミドポリマーを指す。）１．５質量％を含むメチルエチルケトン（ＭＥＫ）溶液を調製し、樹脂層上にスピンコートし、厚み０．１μｍの分離層を形成させた。分離層へのプラズマ処理として、アルゴン流量１００ｃｍ３（ＳＴＰ）／分、真空度３Ｐａ、放電出力５００Ｗのプラズマ処理条件で２秒間プラズマ処理を行った。
　分離層の保護層側（プラズマ処理面側）の表面における酸素原子比率（Ａ）および保護層と反対側の表面における酸素原子比率（Ｂ）はエッチングＥＳＣＡ（クレイトス社製、商品名ＥＳＣＡ－３４００）により測定した。さらに、１００％×（Ａ－Ｂ）／Ｂで計算される値、すなわち分離層の保護層側（ただし、保護層を有さない場合は支持体とは反対側）の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側（ただし、保護層を有さない場合は支持体側）の酸素原子比率と比べたときに何％大きいかを求めた。得られた結果を下記表１に記載した。
　その後、ＵＶ９３００を８質量％、ＵＶ９３８０Ｃを０．１質量％含むＰＤＭＳのｎ－ヘプタン溶液を調製し、分離層のプラズマ処理面上にスピンコートした後、ＵＶ強度１００ｍＷ／ｃｍ２、処理時間１０秒のＵＶ処理条件でＵＶ処理を行うことで分離層上に厚み０．６μｍの保護層を形成させ、ガス分離膜を作製した。
　得られた分離膜を、実施例１のガス分離膜とした。
［実施例２～４］
　分離層へのプラズマ処理を下記表１に記載したとおり、それぞれ１０秒間、６０秒間および２００秒間に変更した以外は実施例１と同様にして、ガス分離膜を作製した。
　得られた分離膜を、それぞれ実施例２～４のガス分離膜とした。
［実施例５～８］
　分離層のプラズマ処理後、ポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）（ＰＴＭＳＰ）を８質量％含むシクロヘキサン溶液を調製し、ＰＤＭＳのｎ－ヘプタン溶液の代わりにＰＴＭＳＰのシクロヘキサン溶液を分離層上にスピンコートして保護層を形成させた以外は実施例１～４と同様にして、ガス分離膜を作製した。
　得られた分離膜を、それぞれ実施例５～８のガス分離膜とした。
［比較例１］
　分離層にプラズマ処理を行わないで分離層上に保護層を形成した以外は実施例１と同様にして、ガス分離膜を作製した。
［比較例２］
　分離層にプラズマ処理を行わず、保護層を形成させないこと以外は実施例１と同様にして、ガス分離膜を作製した。
［比較例３］
　保護層を形成させない以外は実施例４と同様にして、ガス分離膜を作製した。
［比較例４］
　分離層へのプラズマ処理を１秒間に変更した以外は実施例１と同様にして、ガス分離膜を作製した。
［分離選択性評価］
＜スクラッチ試験実施前の分離選択性α＞
　得られた複合膜において、高圧耐性のあるＳＵＳ３１６製ステンレスセル（ＤＥＮＩＳＳＥＮ社製）を用いて、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）の体積比が１：１となるようにマスフローコントローラーを用いて、４０℃、ガス供給側の全圧力を４ＭＰａ（ＣＯ２、ＣＨ４の分圧：２ＭＰａ）としてＣＯ２、ＣＨ４のそれぞれのガスの透過性をＴＣＤ検知式ガスクロマトグラフィーにより測定した。膜のガス透過性は、ガス透過率（Ｐｅｒｍｅａｎｃｅ）としてガス透過流束を算出することにより比較した。ＣＨ４の透過流束ＱＣＨ４に対するＣＯ２の透過流束ＱＣＯ２の割合（ＱＣＯ２／ＱＣＨ４）を分離選択性αとして計算した。
　なお、ガス透過性の単位は、圧力差あたりの透過流束（透過率、透過度、Ｐｅｒｍｅａｎｃｅとも言う）を表すＧＰＵ（ジーピーユー）単位〔１ＧＰＵ＝１×１０－６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ〕で表す。本明細書中では、ＧＰＵ単位の場合は記号Ｑを用いて表した。
　ＧＰＵは膜の厚みに依存する膜自体の物性を表す単位である。
＜耐傷性＞
　２５℃、相対湿度５５％、大気圧下にて、Ｈｅｉｄｏｎ　１４ＤＲにて、１ｍｍサファイア針を使用、垂直荷重２００ｇにて５０回のスクラッチ試験を実施した後、ガス分離試験を行った。スクラッチ試験実施後の分離選択性が、スクラッチ試験実施前の分離選択性αと比較して半分未満となったものをＣ、半分以上３分の２未満となったものをＢ、３分の２以上であったものをＡとした。
　上記の各試験例の結果を下記表１に示す。耐傷性はＡ、Ｂとなるものが好ましく、特にＡとなるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表１より、本発明のガス分離膜は、耐傷性が高く分離選択性が低下し難いことがわかった。
　比較例１および４より、分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側（支持体側）の酸素原子比率に対して本発明で規定する範囲の下限値を下回る大きさである場合は、保護層を設けても耐傷性が低く分離選択性が低下してしまうことがわかった。
　比較例２より、分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側（支持体側）の酸素原子比率に対して本発明で規定する範囲の下限値を下回る大きさである場合は、保護層を設けないときも耐傷性が低く分離選択性が低下してしまうことがわかった。
　比較例３より、保護層を有しない場合は、分離層の保護層側の酸素原子比率が分離層の保護層とは反対側（支持体側）の酸素原子比率に対して本発明で規定する範囲内であっても耐傷性が低く分離選択性が低下してしまうことがわかった。
　なお、本発明のガス分離膜は、ＣＯ２の透過流束ＱＣＯ２は実用上問題ない程度に大きかった。
［実施例１０１～１０８］
－モジュール化－
　実施例１～８で作製したガス分離膜を用いて、特開平５－１６８８６９を参考に、スパイラル型モジュールを作製した。得られたガス分離膜モジュールを、実施例１０１～１０８のガス分離膜モジュールとした。
　作製した実施例１０１～１０８のガス分離膜モジュールは、内蔵するガス分離膜の性能のとおり、良好なものであることを確認した。
１　　分離層
２　　保護層
３　　樹脂層
４　　支持体
５　　表面処理
１０　ガス分離膜

Claims (12)

  1. 　樹脂を含む分離層と、前記分離層上に形成された保護層とを具備するガス分離膜であって、
    　前記分離層の前記保護層側の酸素原子比率が前記分離層の前記保護層とは反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きく、酸素原子比率の単位は％であるガス分離膜。
  2. 　前記分離層に表面処理を行った後に前記保護層を形成する請求項１に記載のガス分離膜。
  3. 　前記表面処理がプラズマ処理である請求項２に記載のガス分離膜。
  4. 　前記分離層が支持体上に形成された請求項１～３のいずれか一項に記載のガス分離膜。
  5. 　前記分離層と前記支持体の間に樹脂層を有する請求項４に記載のガス分離膜。
  6. 　前記分離層に含まれる前記樹脂が、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールおよび酢酸セルロースから選ばれる少なくとも１種である請求項１～５のいずれか一項に記載のガス分離膜。
  7. 　前記保護層が、ポリジメチルシロキサン、ポリ（１－トリメチルシリル－１－プロピン）およびポリエチレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種である請求項１～６のいずれか一項に記載のガス分離膜。
  8. 　分離処理されるガスが二酸化炭素とメタンの混合ガスである場合において、４０℃、４ＭＰａにおける二酸化炭素の透過流束のメタンの透過流束に対する比である分離選択性αが２０以上である請求項１～７のいずれか一項に記載のガス分離膜。
  9. 　樹脂を含む分離層の一方の表面を表面処理する工程と、
    　前記分離層の表面処理を行った表面上に保護層を形成する工程を含み、
    　前記表面処理を前記分離層の前記保護層側の酸素原子比率が前記分離層の前記保護層とは反対側の酸素原子比率と比べて１０％以上大きくなるまで行い、酸素原子比率の単位は％であるガス分離膜の製造方法。
  10. 　前記表面処理がプラズマ処理である請求項９に記載のガス分離膜の製造方法。
  11. 　請求項９または１０に記載のガス分離膜の製造方法で製造されたガス分離膜。
  12. 　請求項１～８および１１のいずれか一項に記載のガス分離膜を有するガス分離膜モジュール。
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