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JP7465009B2 - Filtration Membrane - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 (その1)ウェブサイトの掲載日 2018年2月27日 ウェブサイトのアドレス http://www3.scej.org/meeting/83a/pages/jp_appl-intellectual.html (その2) 開催日 2018年3月13日から2018年3月15日(公開日は2018年3月14日) 集会名、開催場所 化学工学会 第83年会 関西大学 千里山キャンパス(大阪府吹田市山手町3丁目3番35号)Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. (Part 1) Date of website posting: February 27, 2018 Website address: http://www3.scej.org/meeting/83a/pages/jp_apple-intellectual.html (Part 2) Date of holding: March 13, 2018 to March 15, 2018 (publication date: March 14, 2018) Name and location of the meeting: Society of Chemical Engineers, 83rd Annual Meeting, Kansai University, Senriyama Campus (3-3-35 Yamate-cho, Suita-shi, Osaka)

本発明は、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズ溶質をろ過するためのろ過
膜等に関する。
The present invention relates to a filtration membrane for filtering nano-sized solutes in a solution containing an organic solvent and the solute.

ナノろ過は逆浸透と限外ろ過の中間サイズである分画分子量(200-2000)を分
離するものであり、一般的には水溶液から水を透過させるものであるが、医薬品、石油化
学産業において有機溶媒を透過させることができる有機溶媒ナノろ過膜(OSN)の開発
が望まれている。OSNは石油化学産業を始め、医薬品製造プロセスにおける有機溶媒回
収・リサイクルに有効であり、これまで廃棄されていた廃液の処理費用、有機溶媒のコス
トを大幅にカットすることができ、大幅な環境負荷低減を可能にする技術である。しかし
、既存の膜は透過係数が低く、阻止率も十分ではないので、膨大な膜面積が必要であった
り、加圧にエネルギーがかかったり、透過側に望ましくない物質が混入したりなどの問題
がある。特に、潤滑油などの分子量(約300)は有機溶媒の分子量と比較的近いので、
これらの問題がより顕著になる。
Nanofiltration separates molecules with a molecular weight cutoff (200-2000), which is intermediate between reverse osmosis and ultrafiltration. Generally, nanofiltration allows water to pass through an aqueous solution, but there is a demand for the development of an organic solvent nanofiltration membrane (OSN) that allows organic solvents to pass through in the pharmaceutical and petrochemical industries. OSN is effective for recovering and recycling organic solvents in the pharmaceutical manufacturing process, including the petrochemical industry, and can significantly reduce the cost of treating waste liquids that have been discarded up until now and the cost of organic solvents, making it a technology that enables a significant reduction in environmental load. However, existing membranes have low permeability coefficients and insufficient rejection rates, so there are problems such as the need for a huge membrane area, the need for energy to apply pressure, and the inclusion of undesirable substances on the permeation side. In particular, the molecular weight of lubricating oils (about 300) is relatively close to that of organic solvents, so
These problems become more pronounced.

有機溶媒ナノろ過膜としては、高分子膜が多く用いられている。ただ、高分子膜は、透
過流束が低いなどの問題がある(非特許文献1)。
Polymer membranes are widely used as organic solvent nanofiltration membranes, but they have problems such as low permeation flux (Non-Patent Document 1).

Chem.Rev.,114,10735-10806(2014).Chem. Rev. , 114, 10735-10806 (2014).

本発明は、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズの溶質をより効率的にろ過
することができる技術を提供することを課題とする。
An object of the present invention is to provide a technique capable of more efficiently filtering nano-sized solutes in a solution containing an organic solvent and the solute.

本発明者は上記課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、ろ過を多孔質疎水性シリカ膜を含
むろ過膜を用いて行う、且つ/或いはろ過を浸透気化分離法により行うことにより、有機
溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズの溶質をより効率的にろ過できることを見出
した。この知見に基づいてさらに研究を進めた結果、本発明が完成した。
In view of the above problems, the present inventors have conducted extensive research and found that nano-sized solutes in a solution containing an organic solvent and a solute can be filtered more efficiently by using a filtration membrane including a porous hydrophobic silica membrane and/or by a pervaporation separation method. Based on this finding, further research has led to the completion of the present invention.

即ち、本発明は、下記の態様を包含する。
項1a.
分離膜を製造する方法であって、
前記分離膜が、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズ溶質を分離するための分離膜であり、
前記分離膜が、多孔質疎水性シリカ膜を含み、
前記多孔質疎水性シリカ膜を、ケイ素原子に連結した疎水性基を含むアルコキシシラン、界面活性剤、及び溶媒を混合してアルコキシシランを加水分解重合した後、得られた混合液を焼成することにより得る工程(A)を含む、
分離膜の製造方法。
項2a.
前記界面活性剤が陽イオン性界面活性剤である、項1aに記載の製造方法。
項3a.
前記界面活性剤がアルキルアンモニウム又はその塩である、項1a又は2aに記載の製造方法。
項4a.
前記アルキルアンモニウム又はその塩の炭素数が12~25である、項3aに記載の製造方法。
項5a.
前記アルキルアンモニウム又はその塩の炭素数が14~18である、項3a又は4aに記載の製造方法。
項6a.
前記工程(A)の前記溶媒100mLに対する前記界面活性剤の使用量が、0.008~0.08molである、項1a~5aのいずれかに記載の製造方法。
項7a.
前記工程(A)の前記溶媒100mLに対する前記界面活性剤の使用量が、0.005~0.012molである、項1a~6aのいずれかに記載の製造方法。
項8a.
前記分離膜がさらに支持体を含み、前記工程(A)が該支持体上で実施される、項1a~7aのいずれかに記載の製造方法。
項9a.
前記支持体が中空糸状である、項1a~8aのいずれかに記載の製造方法。
項10a.
前記分離膜が中空糸状である、項1a~9aのいずれかに記載の製造方法。
項11a.
前記支持体の平均細孔径が2~500nmである、項8a~10aのいずれかに記載の製造方法。
項12a.
前記支持体が、平均細孔径20~500nmの支持層、及び該支持層上に配置されている平均細孔径2~10nmの中間層を含む、項8a~11aのいずれかに記載の製造方法。
項13a.
前記中間層の厚みが0.2~5μmである、項12aに記載の製造方法。
項14a.
前記多孔質疎水性シリカ膜の平均細孔径が2nm未満である、項1a~13aのいずれかに記載の製造方法。
項15a.
前記多孔質疎水性シリカ膜の厚みが50~500nmである、項1a~14aのいずれかに記載の製造方法。
項16a.
前記ナノサイズ溶質の分子量が200~1000である、項1a~15aのいずれかに記載の製造方法。
項17a.
前記ナノサイズ溶質の分子量が200~500である、項1a~16aのいずれかに記載の製造方法。
項18a.
前記アルコキシシランが下記式(1)で表されるケイ素原子に連結した疎水性基を含むアルコキシシラン

Figure 0007465009000001
[式中、R は炭素数1~5のアルキル基を示す。R 、R 及びR は同一又は異なって、炭素数1~4のアルキル基を示す]
である、項1a~17aのいずれかに記載の製造方法。
項19a.
項1a~18aのいずれかに記載の製造方法で製造される、分離膜。
項20a.
中空糸状である、項19aに記載の分離膜。 That is, the present invention includes the following aspects.
Item 1a.
A method for producing a separation membrane, comprising the steps of:
The separation membrane is a separation membrane for separating a nanosized solute in a solution containing an organic solvent and a solute,
the separation membrane comprises a porous hydrophobic silica membrane;
The method includes a step (A) of obtaining the porous hydrophobic silica membrane by mixing an alkoxysilane containing a hydrophobic group linked to a silicon atom, a surfactant, and a solvent, hydrolyzing and polymerizing the alkoxysilane, and then baking the resulting mixture.
A method for producing a separation membrane.
Item 2a.
The method according to Item 1a, wherein the surfactant is a cationic surfactant.
Item 3a.
The method according to Item 1a or 2a, wherein the surfactant is an alkyl ammonium or a salt thereof.
Item 4a.
Item 3a. The method according to Item 3a, wherein the alkyl ammonium or the salt thereof has 12 to 25 carbon atoms.
Item 5a.
The method according to Item 3a or 4a, wherein the alkyl ammonium or the salt thereof has 14 to 18 carbon atoms.
Item 6a.
The method according to any one of Items 1a to 5a, wherein the amount of the surfactant used per 100 mL of the solvent in the step (A) is 0.008 to 0.08 mol.
Item 7a.
The method according to any one of Items 1a to 6a, wherein the amount of the surfactant used per 100 mL of the solvent in the step (A) is 0.005 to 0.012 mol.
Item 8a.
The method according to any one of Items 1a to 7a, wherein the separation membrane further comprises a support, and the step (A) is carried out on the support.
Item 9a.
The method according to any one of items 1a to 8a, wherein the support is in the form of a hollow fiber.
Item 10a.
The method according to any one of Items 1a to 9a, wherein the separation membrane is in the form of a hollow fiber.
Item 11a.
The method according to any one of items 8a to 10a, wherein the support has an average pore size of 2 to 500 nm.
Item 12a.
The manufacturing method according to any one of Items 8a to 11a, wherein the support includes a support layer having an average pore diameter of 20 to 500 nm, and an intermediate layer having an average pore diameter of 2 to 10 nm disposed on the support layer.
Item 13a.
Item 12. The method according to item 12a, wherein the intermediate layer has a thickness of 0.2 to 5 μm.
Item 14a.
The method according to any one of Items 1a to 13a, wherein the porous hydrophobic silica membrane has an average pore size of less than 2 nm.
Item 15a.
The method according to any one of Items 1a to 14a, wherein the porous hydrophobic silica film has a thickness of 50 to 500 nm.
Item 16a.
The method according to any one of items 1a to 15a, wherein the molecular weight of the nano-sized solute is 200 to 1000.
Item 17a.
The method according to any one of items 1a to 16a, wherein the molecular weight of the nano-sized solute is 200 to 500.
Item 18a.
The alkoxysilane contains a hydrophobic group linked to a silicon atom represented by the following formula (1):
Figure 0007465009000001
[In the formula, R 1 represents an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.]
The method according to any one of Items 1a to 17a,
Item 19a.
A separation membrane produced by the production method according to any one of items 1a to 18a.
Item 20a.
Item 19. The separation membrane according to item 19a, which is in the form of a hollow fiber.

項1. 多孔質疎水性シリカ膜を含む、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイ
ズ溶質をろ過するためのろ過膜。
Item 1. A filtration membrane for filtering a nanosized solute in a solution containing an organic solvent and the solute, comprising a porous hydrophobic silica membrane.

項2. 前記ナノサイズ溶質の分子量が200~1000である、項1に記載のろ過膜
Item 2. The filtration membrane according to Item 1, wherein the nano-sized solute has a molecular weight of 200 to 1,000.

項3. 前記ナノサイズ溶質の分子量が200~500である、項1又は2に記載のろ
過膜。
Item 3. The filtration membrane according to Item 1 or 2, wherein the molecular weight of the nano-sized solute is 200 to 500.

項4. 前記多孔質疎水性シリカ膜の平均細孔径が2nm未満である、項1~3のいず
れかに記載のろ過膜。
Item 4. The filtration membrane according to any one of Items 1 to 3, wherein the porous hydrophobic silica membrane has an average pore size of less than 2 nm.

項5. 前記多孔質疎水性シリカ膜の平均細孔径が0.1~0.9nmである、項1~
4のいずれかに記載のろ過膜。
Item 5. The porous hydrophobic silica membrane has an average pore size of 0.1 to 0.9 nm.
5. A filtration membrane according to any one of claims 4 to 4.

項6. 前記多孔質疎水性シリカ膜の厚みが50~500nmである、項1~5のいず
れかに記載のろ過膜。
Item 6. The filtration membrane according to any one of Items 1 to 5, wherein the porous hydrophobic silica membrane has a thickness of 50 to 500 nm.

項7. 前記疎水性シリカが炭化水素基を含む、項1~6のいずれかに記載のろ過膜。 Item 7. The filtration membrane according to any one of items 1 to 6, wherein the hydrophobic silica contains a hydrocarbon group.

項8. さらに支持体を含み、且つ前記多孔質疎水性シリカ膜が該支持体上に配置され
ている、項1~7のいずれかに記載のろ過膜。
Item 8. The filtration membrane according to any one of Items 1 to 7, further comprising a support, and the porous hydrophobic silica membrane is disposed on the support.

項9. 前記支持体の平均細孔径が2~500nmである、項8に記載のろ過膜。 Item 9. The filtration membrane according to Item 8, wherein the average pore size of the support is 2 to 500 nm.

項10. 前記支持体が、平均細孔径20~500nmの支持層、及び該支持層上に配
置されている平均細孔径2~10nmの中間層を含む、項8又は9に記載のろ過膜。
Item 10. The filtration membrane according to Item 8 or 9, wherein the support comprises a support layer having an average pore diameter of 20 to 500 nm, and an intermediate layer having an average pore diameter of 2 to 10 nm disposed on the support layer.

項11. 前記中間層の厚みが0.2~5μmである、項10に記載のろ過膜。 Item 11. The filtration membrane according to item 10, wherein the thickness of the intermediate layer is 0.2 to 5 μm.

項12. 浸透気化分離法によるろ過に用いるための、項1~11のいずれかに記載の
ろ過膜。
Item 12. The filtration membrane according to any one of Items 1 to 11, for use in filtration by pervaporation separation.

項13. 項1~12のいずれかに記載のろ過膜を含む、膜モジュール。 Item 13. A membrane module comprising the filtration membrane described in any one of items 1 to 12.

項14. 項13に記載の膜モジュールを含む、膜分離システム。 Item 14. A membrane separation system including the membrane module described in Item 13.

項15. 項1~12のいずれかに記載のろ過膜を用いて、有機溶媒及び溶質を含む溶
液中のナノサイズ溶質をろ過することを含む、ろ過方法。
Item 15. A filtration method, comprising filtering a nanosized solute in a solution containing an organic solvent and the solute, using the filtration membrane according to any one of Items 1 to 12.

項16. 前記ろ過が浸透気化分離法により行われる、項15に記載のろ過方法。 Item 16. The filtration method according to Item 15, wherein the filtration is performed by pervaporation separation.

項17. 有機溶媒及び溶質を含む溶液中のナノサイズ溶質を浸透気化分離法によりろ
過することを含む、ろ過方法。
Item 17. A method for filtering a nanosized solute in a solution containing an organic solvent and the solute by pervaporation separation.

本発明によれば、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズの溶質を、より効率
的に、具体的には例えばより高い阻止率及び/又はより高い透過係数で、ろ過することが
できる。
According to the present invention, nanosized solutes in a solution containing an organic solvent and a solute can be filtered more efficiently, particularly with, for example, a higher rejection and/or a higher permeability coefficient.

中空糸状ジルコニア支持体上にγ-アルミナ膜を形成する方法(比較例1)の概略を示す。A method for forming a γ-alumina membrane on a hollow fiber zirconia support (Comparative Example 1) is outlined below. 比較例1で調整したろ過膜を支持体として、該支持体上に多孔質疎水性シリカ膜を形成する方法(実施例1)の概略を示す。The filtration membrane prepared in Comparative Example 1 is used as a support, and a method (Example 1) for forming a porous hydrophobic silica membrane on the support is outlined below. ナノろ過試験(試験例3-1)の概略を示す。1 shows an outline of a nanofiltration test (Test Example 3-1). 浸透気化分離試験(試験例3-2)の概略を示す。1 shows an outline of a pervaporation separation test (Test Example 3-2). 既報(Chem.Rev.,114,10736-10799(2014))の高分子膜のメチルオレンジ分離試験の結果と、試験例3-1の結果とを対比した図である。疎水性シリカ膜が実施例1の膜である。This is a comparison of the results of a methyl orange separation test of a polymer membrane previously reported (Chem. Rev., 114, 10736-10799 (2014)) and the results of Test Example 3-1. The hydrophobic silica membrane is the membrane of Example 1. 浸透気化分離試験(試験例3-2)の結果について温度変化の影響を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the effect of temperature change on the results of a pervaporation separation test (Test Example 3-2). 透気化分離試験(試験例3-2)の結果について経時変化の影響を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the effect of changes over time on the results of a permeation separation test (Test Example 3-2).

本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」
、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。
In this specification, the expressions "contain" and "include" are used interchangeably.
This includes the concepts of "consisting essentially of" and "consisting only of."

1.実施形態1
本発明は、その一態様において、多孔質疎水性シリカ膜を含む、有機溶媒及び溶質を含
有する溶液中のナノサイズ溶質をろ過するためのろ過膜(本明細書において、「本発明の
ろ過膜」と示すこともある。)、並びに本発明のろ過膜を用いたろ過方法(本明細書にお
いて、「本発明のろ過方法1」と示すこともある。)に関する。以下に、これについて説
明する。
1. Embodiment 1
In one aspect, the present invention relates to a filtration membrane for filtering nano-sized solutes in a solution containing an organic solvent and a solute, the filtration membrane comprising a porous hydrophobic silica membrane (also referred to as the "filtration membrane of the present invention" in this specification), and a filtration method using the filtration membrane of the present invention (also referred to as the "filtration method 1 of the present invention" in this specification). This will be described below.

1-1.多孔質疎水性シリカ膜
多孔質疎水性シリカ膜は、多孔質であり、且つ疎水性シリカが主成分である膜である限
り、特に制限されない。ここで、「主成分である」とは、疎水性シリカの含有量が、多孔
質疎水性シリカ膜100質量%に対して、例えば80質量%以上、好ましくは90質量%
以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは99質量%以上であることを示
す。
1-1. Porous hydrophobic silica film The porous hydrophobic silica film is not particularly limited as long as it is porous and is a film in which hydrophobic silica is the main component. Here, "main component" means that the content of hydrophobic silica is, for example, 80% by mass or more, preferably 90% by mass, based on 100% by mass of the porous hydrophobic silica film.
It indicates that the content is more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 99% by mass or more.

多孔質疎水性シリカ膜の平均細孔径は、ナノサイズ溶質をろ過することが可能である限
り特に制限されるものではない。該平均細孔径は、透過させたい物質及び透過を阻止した
い物質に応じて適宜設定することができる。例えば、阻止したい物質の半分くらいの細孔
径であり、且つ溶媒が十分に通ることができる細孔径のおよそ1.5倍(例えば1.3~1.8倍
程度)の細孔径が例示される。具体的態様の一例として、阻止率、透過係数等の観点から
、例えば2nm未満、好ましくは0.1~1.5nm、より好ましくは0.1~1nm、
さらに好ましくは0.1~0.9nm、よりさらに好ましくは0.2~0.7nm、特に
好ましくは0.3~0.5nmである。
The average pore size of the porous hydrophobic silica membrane is not particularly limited as long as it is capable of filtering nano-sized solutes. The average pore size can be appropriately set depending on the substance to be permeated and the substance to be blocked. For example, a pore size that is about half the size of the substance to be blocked and is about 1.5 times (e.g., about 1.3 to 1.8 times) the pore size that allows the solvent to pass sufficiently is exemplified. As an example of a specific embodiment, from the viewpoint of the rejection rate, permeability coefficient, etc., the average pore size is, for example, less than 2 nm, preferably 0.1 to 1.5 nm, more preferably 0.1 to 1 nm,
More preferably, it is 0.1 to 0.9 nm, even more preferably, it is 0.2 to 0.7 nm, and particularly preferably, it is 0.3 to 0.5 nm.

なお、平均細孔径は、パームポロメトリで測定することができる。該測定では、非凝集
性ガスにはヘリウム、凝集性ガスには水及びヘキサンを用いる。凝集性ガスと非凝集性ガ
スを膜に供給し、膜を透過したヘリウムの透過流量を石鹸膜流量計によって測定する。水
及びヘキサンは、Eq.(1)のKelvin式(下記)から算出した蒸気圧となるよう
にシリンジポンプを用いて供給する。膜の測地温度は315Kで行う。
The average pore size can be measured by perm porometry. In this measurement, helium is used as the non-coagulating gas, and water and hexane are used as the coagulating gas. Coagulating gas and non-coagulating gas are supplied to the membrane, and the permeation flow rate of helium that permeates the membrane is measured by a soap film flowmeter. Water and hexane are supplied using a syringe pump so that the vapor pressure is calculated from the Kelvin formula (below) of Eq. (1). The geodetic temperature of the membrane is 315K.

ここで、dはKlvin径[m]、νはモル体積[mmol-1]、Rは気体定数[
Jmol-1-1]、Tは温度[K]、σは表面張力[Nm-1]、θは接触角[de
g.]、Pは蒸気圧[Pa]及びPsは飽和蒸気圧[Pa]である。
Here, d is the Klvin diameter [m], ν is the molar volume [m 3 mol −1 ], and R is the gas constant [
Jmol −1 K −1 ], T is temperature [K], σ is surface tension [Nm −1 ], θ is contact angle [de
g.], P is the vapor pressure [Pa], and Ps is the saturated vapor pressure [Pa].

多孔質疎水性シリカ膜の厚みは、特に制限されるものではなく、本発明のろ過膜の機械
的強度の観点から適宜設定することができる。具体的態様の一例として、阻止率、透過係
数等の観点から、例えば10~1000nm、好ましくは50~500、より好ましくは
50~400nm、さらに好ましくは100~300、よりさらに好ましくは150~2
50nmである。
The thickness of the porous hydrophobic silica membrane is not particularly limited and can be appropriately set from the viewpoint of the mechanical strength of the filtration membrane of the present invention. As an example of a specific embodiment, from the viewpoint of rejection rate, permeability coefficient, etc., the thickness is, for example, 10 to 1000 nm, preferably 50 to 500, more preferably 50 to 400 nm, even more preferably 100 to 300, and even more preferably 150 to 200 nm.
It is 50 nm.

なお、厚みは、膜の断面を顕微鏡で観察し、得られた観察像に基づいて測定することが
できる。
The thickness can be measured based on an image obtained by observing a cross section of the film under a microscope.

疎水性シリカは、通常、疎水性官能基を含むシリカであり、その限りにおいて特に制限
されない。疎水性基としては、例えば炭化水素基が挙げられる。炭化水素基としては、ハ
ロゲン原子等で置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子等で置換されていてもよ
いシクロアルキル基、ハロゲン原子等で置換されていてもよいアリール基等が挙げられる
Hydrophobic silica is usually silica that contains hydrophobic functional group, and is not particularly limited as long as it is.Hydrophobic group can be, for example, hydrocarbon group.Hydrophobic group can be, for example, alkyl group that may be substituted with halogen atom, cycloalkyl group that may be substituted with halogen atom, aryl group that may be substituted with halogen atom, etc.

アルキル基には、直鎖状又は分岐鎖状(好ましくは直鎖状)のいずれのものも包含され
る。該アルキル基の炭素数は、特に制限されず、例えば1~12、好ましくは1~8、よ
り好ましくは2~5、さらに好ましくは3~4、よりさらに好ましくは3である。該アル
キル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-
ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、sec-ブチル基、n-ペンチル基、ネ
オペンチル基、n-ヘキシル基、3-メチルペンチル基、n-ヘプチル基、n-オクチル
基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基等が挙げられる。
これらの中でも、特に好ましくはn-プロピル基である。該アルキル基は、フッ素原子、
塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子で置換されていてもよい。
The alkyl group may be either linear or branched (preferably linear). The number of carbon atoms in the alkyl group is not particularly limited, and is, for example, 1 to 12, preferably 1 to 8, more preferably 2 to 5, even more preferably 3 to 4, and still more preferably 3. Specific examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-
Examples of such alkyl groups include butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, n-pentyl, neopentyl, n-hexyl, 3-methylpentyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-undecyl and n-dodecyl groups.
Among these, n-propyl is particularly preferred. The alkyl group may be a fluorine atom,
It may be substituted with a halogen atom such as a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom.

シクロアルキル基の炭素数は、特に制限されず、例えば3~10である。該シクロアル
キル基の具体例としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シク
ロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基等が挙げられる。該シクロアルキル
基は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子で置換されていて
もよい。
The number of carbon atoms in the cycloalkyl group is not particularly limited and is, for example, 3 to 10. Specific examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a cycloheptyl group, a cyclooctyl group, etc. The cycloalkyl group may be substituted with a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom.

アリール基は、特に制限されないが、炭素数が6~12のものが好ましく、6~8のも
のがさらに好ましい。該アリール基は、単環式又は多環式(例えば2環式、3環式等)の
いずれでも有り得るが、好ましくは単環式である。該アリール基としては、具体的には、
例えばフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、ペンタレニル基、インデニル基、アント
ラニル基、テトラセニル基、ペンタセニル基、ピレニル基、ペリレニル基、フルオレニル
基、フェナントリル基等が挙げられ、好ましくはフェニル基が挙げられる。該アリール基
は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子で置換されていても
よい。
The aryl group is not particularly limited, but preferably has 6 to 12 carbon atoms, more preferably 6 to 8. The aryl group may be either monocyclic or polycyclic (e.g., bicyclic, tricyclic, etc.), but is preferably monocyclic. Specific examples of the aryl group include:
Examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group, a pentalenyl group, an indenyl group, an anthranyl group, a tetracenyl group, a pentacenyl group, a pyrenyl group, a perylenyl group, a fluorenyl group, a phenanthryl group, etc., and preferably a phenyl group. The aryl group may be substituted with a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom.

多孔質疎水性シリカ膜は、ゾルゲル法によるシリカゲルの作製方法に準じた方法により
製造することができる。例えば、多孔質疎水性シリカ膜は、ケイ素原子に連結した疎水性
基を含むアルコキシシラン、界面活性剤、及び溶媒を混合してアルコキシシランを加水分
縮重合した後、得られた混合液を焼成することにより得ることができる。
Porous hydrophobic silica film can be manufactured by the method according to the method of preparing silica gel by sol-gel method.For example, porous hydrophobic silica film can be obtained by mixing the alkoxysilane that contains the hydrophobic group connected to silicon atom, surfactant and solvent, carrying out hydrolytic polycondensation of the alkoxysilane, and then calcining the mixture obtained.

アルコキシシランは、ケイ素原子に連結した疎水性基を含む限りにおいて、特に制限さ
れない。該アルコキシシランとしては、例えば一般式(1):
The alkoxysilane is not particularly limited as long as it contains a hydrophobic group linked to a silicon atom. Examples of the alkoxysilane include those represented by the general formula (1):

[式中:Rは疎水性基を示す。R、R及びRは同一又は異なって、アルキル基を
示す。]
で表される化合物が挙げられる。
[In the formula, R 1 represents a hydrophobic group. R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represent an alkyl group.]
Examples of the compound include compounds represented by the following formula:

で示される疎水性基については、上記で説明した疎水性基と同様である。 The hydrophobic group represented by R1 is the same as the hydrophobic group explained above.

、R及びRで示されるアルキル基には、直鎖状又は分岐鎖状のいずれのものも
包含される。該アルキル基の炭素数は、特に制限されず、例えば1~6、好ましくは1~
4、より好ましくは1~2である。該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基
、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基
、sec-ブチル基、n-ペンチル基、ネオペンチル基、n-ヘキシル基、3-メチルペ
ンチル基等が挙げられる。
The alkyl groups represented by R 2 , R 3 and R 4 include both linear and branched ones. The number of carbon atoms in the alkyl group is not particularly limited, and may be, for example, 1 to 6, preferably 1 to 6.
4, more preferably 1 to 2. Specific examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a tert-butyl group, a sec-butyl group, an n-pentyl group, a neopentyl group, an n-hexyl group, and a 3-methylpentyl group.

アルコキシシランの使用量は、特に制限されないが、溶媒100mLに対して、例えば
0.003~0.3mol、好ましくは0.01~0.1mol、より好ましくは0.0
2~0.5molである。
The amount of the alkoxysilane used is not particularly limited, but is, for example, 0.003 to 0.3 mol, preferably 0.01 to 0.1 mol, and more preferably 0.0 to 100 mL of the solvent.
It is 2 to 0.5 mol.

界面活性剤としては、特に制限されず、例えばカチオン界面活性剤、アニオン界面活性
剤、ノニオン界面活性剤等を広く使用することができる。これらの中でも、好ましくは陽
イオン性界面活性剤が挙げられ、より好ましくはアルキルアンモニウム又はその塩が挙げ
られる。界面活性剤は、アルコキシシラン又はその加水分解物の疎水性基と相互作用する
ことにより、焼成後の細孔の形成に寄与する。この観点から、界面活性剤は、炭素数12
以上(好ましくは12~25、より好ましくは12~20、さらに好ましくは14~18
、よりさらに好ましくは15~17のアルキル基)を含むことが好ましい。
The surfactant is not particularly limited, and for example, cationic surfactants, anionic surfactants, nonionic surfactants, etc. can be widely used. Among these, cationic surfactants are preferable, and alkylammonium or its salts are more preferable. The surfactant contributes to the formation of pores after baking by interacting with the hydrophobic group of alkoxysilane or its hydrolyzate. From this viewpoint, the surfactant is preferably a C12 surfactant.
or more (preferably 12 to 25, more preferably 12 to 20, and even more preferably 14 to 18
, and even more preferably an alkyl group having 15 to 17 carbon atoms.

界面活性剤の使用量は、特に制限されないが、溶媒100mLに対して、例えば0.0
008~0.08mol、好ましくは0.002~0.03mol、より好ましくは0.
005~0.012molである。
The amount of the surfactant used is not particularly limited, but may be, for example, 0.0
0.008 to 0.08 mol, preferably 0.002 to 0.03 mol, more preferably 0.
0.005 to 0.012 mol.

加水分解の際には、加水分解触媒として、硝酸、塩酸、硫酸等の酸が添加されているこ
とが好ましい。
During the hydrolysis, it is preferable to add an acid such as nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid as a hydrolysis catalyst.

溶媒は、アルコキシドの加水分解に必要な水を含む限りにおいて、特に制限されない。
通常、溶媒は、水及び有機溶媒(例えば、エタノール等のアルコール)の混合溶媒である
The solvent is not particularly limited as long as it contains water necessary for the hydrolysis of the alkoxide.
Typically, the solvent is a mixture of water and an organic solvent (eg, an alcohol such as ethanol).

混合時間及び混合温度は、特に制限されず、例えば10~40℃で1~5時間(好まし
くは2~4時間)である。これによりアルコキシドが加水分解される。
The mixing time and mixing temperature are not particularly limited, and are, for example, 10 to 40° C. for 1 to 5 hours (preferably 2 to 4 hours), whereby the alkoxide is hydrolyzed.

得られた混合液は、必要に応じて適当な基材に塗布してから、焼成される。基材として
は、後述の支持体を用いることが好ましい。焼成により、溶媒を蒸発させ、残った水酸基
同士の反応を促進することにより、アモルファスのシリカ膜を得ることができる。
The resulting mixture is applied to a suitable substrate as required and then baked. As the substrate, it is preferable to use a support as described below. By baking, the solvent is evaporated and the reaction between the remaining hydroxyl groups is promoted, thereby obtaining an amorphous silica film.

基材への塗布は、特に制限されず、公知の方法に従って又は準じて行うことができる。
塗布方法としては、例えばディップコーティング法、スピンコーティング法、スプレーコ
ーティング法等が挙げられる。
The coating onto the substrate is not particularly limited, and can be carried out according to or in accordance with a known method.
Examples of the coating method include a dip coating method, a spin coating method, and a spray coating method.

焼成温度は、溶媒の蒸発及び残った水酸基同士の反応が促進され、且つ疎水性基が除去
されない程度の温度である限り、特に制限されない。該温度は、例えば100~250℃
、好ましくは130~220℃、より好ましくは160~220℃、さらに好ましくは1
70~190℃である。焼成時間は、焼成温度により適宜設定されるものであり、特に制
限されない。該時間は、例えば1~6時間、好ましくは2~4時間である。焼成後は、膜
を洗浄することが望ましい。
The baking temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the evaporation of the solvent and the reaction between the remaining hydroxyl groups are promoted, and the hydrophobic groups are not removed.
, preferably 130 to 220°C, more preferably 160 to 220°C, and even more preferably 1
The calcination temperature is 70 to 190° C. The calcination time is appropriately set depending on the calcination temperature, and is not particularly limited. The time is, for example, 1 to 6 hours, and preferably 2 to 4 hours. After calcination, it is desirable to wash the membrane.

1-2.ろ過膜の層構造
本発明のろ過膜は、多孔質疎水性シリカ膜を含む限りにおいて特に制限されない。好ま
しくは、本発明のろ過膜は、さらに支持体を含む。この場合、多孔質疎水性シリカ膜は、
支持体上に配置されている。支持体により、本発明のろ過膜の機械的強度を保ちながらも
、多孔質疎水性シリカ膜の膜厚をより薄くすることができる。
1-2. Layer structure of the filtration membrane The filtration membrane of the present invention is not particularly limited as long as it includes a porous hydrophobic silica membrane. Preferably, the filtration membrane of the present invention further includes a support. In this case, the porous hydrophobic silica membrane is
The support allows the thickness of the porous hydrophobic silica membrane to be made thinner while maintaining the mechanical strength of the filtration membrane of the present invention.

支持体の材料は、特に制限されず、ろ過膜の支持体として使用され得る材料を広く使用
することができる。該材料としては、例えばジルコニア、アルミナ、シリカ、チタニア、
マグネシア等が挙げられる。
The material of the support is not particularly limited, and a wide variety of materials that can be used as supports for filtration membranes can be used. Examples of such materials include zirconia, alumina, silica, titania,
Magnesia and the like.

支持体の平均細孔径は、特に制限されないが、阻止率、透過係数等の観点から、例えば
2~500nm、好ましくは2~200nm、より好ましくは2~100nmである。支
持体の厚みは、特に制限されないが、阻止率、透過係数等の観点から、例えば50~30
0μm、好ましくは120~200μmである。
The average pore size of the support is not particularly limited, but is, for example, 2 to 500 nm, preferably 2 to 200 nm, and more preferably 2 to 100 nm, from the viewpoints of rejection rate, permeability coefficient, etc. The thickness of the support is not particularly limited, but is, for example, 50 to 30
0 μm, preferably 120 to 200 μm.

支持体の層構造は特に制限されない。支持体は単層からなるものであることもできるし
、複層からなるものであることもできる。支持体は、好ましくは平均細孔径20~500
nmの支持層、及び該支持層上に配置されている平均細孔径2~10nmの中間層を含む
The layer structure of the support is not particularly limited. The support may be a single layer or a multi-layer structure. The support preferably has an average pore size of 20 to 500 nm.
The present invention comprises a support layer having an average pore size of 2 to 10 nm, and an intermediate layer having an average pore size of 2 to 10 nm disposed on the support layer.

支持層の平均細孔径は、特に制限されないが、阻止率、透過係数等の観点から、好まし
くは20~200nm、より好ましくは20~100nm、さらに好ましくは30~80
nmである。支持層の厚みは、特に制限されないが、阻止率、透過係数等の観点から、例
えば50~300μm、好ましくは120~200μmである。支持層の材料は、好まし
くはジルコニアである。
The average pore size of the support layer is not particularly limited, but from the viewpoints of rejection rate, permeability coefficient, etc., it is preferably 20 to 200 nm, more preferably 20 to 100 nm, and further preferably 30 to 80
The thickness of the support layer is not particularly limited, but is, for example, 50 to 300 μm, and preferably 120 to 200 μm, from the viewpoints of rejection rate, transmission coefficient, etc. The material of the support layer is preferably zirconia.

中間層の平均細孔径は、特に制限されないが、阻止率、透過係数等の観点から、好まし
くは2~8nm、より好ましくは3~6nmである。中間層の厚みは、特に制限されない
が、透過係数等の観点から、好ましくは0.2~5μm、より好ましくは0.5~3μm
、さらに好ましくは0.7~2μmである。中間層の材料は、好ましくはアルミナである
The average pore size of the intermediate layer is not particularly limited, but is preferably 2 to 8 nm, more preferably 3 to 6 nm, from the viewpoints of rejection rate, permeability coefficient, etc. The thickness of the intermediate layer is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 5 μm, more preferably 0.5 to 3 μm, from the viewpoints of permeability coefficient, etc.
, and more preferably 0.7 to 2 μm. The material of the intermediate layer is preferably alumina.

支持層、中間層等の支持体は、公知の方法に従って又は準じて形成することができる。
これらは、例えば、既報(Adv.Funct.Mater. 27(2017)160
4311.、Journal of Membrane Science,290(20
07)138-145等)に従って形成することができる。
The support such as the support layer and the intermediate layer can be formed according to or in accordance with a known method.
These are, for example, as previously reported (Adv. Funct. Mater. 27 (2017) 160
4311. , Journal of Membrane Science, 290 (20
07) 138-145, etc.

1-3.用途
本発明のろ過膜は、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズ溶質をろ過するた
めに用いられる。
1-3. Uses The filtration membrane of the present invention is used to filter a nano-sized solute in a solution containing an organic solvent and the solute.

有機溶媒としては、特に制限されないが、例えばメタノールやエタノール等のアルコー
ル、トルエン、メチルエチルケトン、アセトン、酢酸エチル、1-メチル,2-ピロリドン、
イソプロパノール、n-ヘプタン、n-ヘキサン、ジメチルホルミアミド、テトラヒドロフラ
ン等が挙げられる。有機溶媒の分子量は、例えば20~150、好ましくは30~120
、より好ましくは30~100である。
The organic solvent is not particularly limited, but examples thereof include alcohols such as methanol and ethanol, toluene, methyl ethyl ketone, acetone, ethyl acetate, 1-methyl, 2-pyrrolidone,
Examples of the organic solvent include isopropanol, n-heptane, n-hexane, dimethylformamide, and tetrahydrofuran. The molecular weight of the organic solvent is, for example, 20 to 150, preferably 30 to 120.
, and more preferably 30 to 100.

ナノサイズ溶質は、特に制限されないが、例えば分子量が200~1000、好ましく
は200~500、より好ましくは200~400、さらに好ましくは250~400の
溶質が挙げられる。ナノサイズ溶質としては、例えば潤滑油、より具体的には例えばアル
ファオレフィンオリゴマー、ポリブデン、ジエステル、リン酸エステル、ケイ酸エステル
等が挙げられる。
The nano-sized solute is not particularly limited, but examples thereof include solutes having a molecular weight of 200 to 1000, preferably 200 to 500, more preferably 200 to 400, and even more preferably 250 to 400. Examples of the nano-sized solute include lubricating oils, more specifically, alpha olefin oligomers, polybutene, diesters, phosphate esters, silicate esters, and the like.

ろ過の方法としては、例えばナノろ過法、浸透気化分離法等が挙げられる。本発明のろ
過膜は、いずれの方法に用いても、より高い阻止率及び/又はより高い透過係数を達成す
ることができる。これらの方法は、従来公知の方法に従って又は準じて実施することがで
きる。本発明のろ過膜は、浸透気化分離法によるろ過に用いることにより、透過係数をよ
り顕著に高めることができる。
Examples of the filtration method include nanofiltration and pervaporation separation. The filtration membrane of the present invention can achieve a higher rejection rate and/or a higher permeability coefficient when used in any of the methods. These methods can be carried out according to or in accordance with conventionally known methods. The filtration membrane of the present invention can be used for filtration by pervaporation separation to more significantly increase the permeability coefficient.

浸透気化分離法によるろ過の際の供給温度は、特に制限されない。該温度は、例えば5
℃以上、好ましくは15℃以上、より好ましくは30℃以上、さらに好ましくは50℃以
上、よりさらに好ましくは60℃以上である。該温度をより高く設定することにより、透
過係数をより顕著に高めることができる。上限は、特に制限されず、有機溶媒の沸点に応
じて、操作圧力と有機溶媒の蒸気圧に基づいて適宜設定することができる。該上限は、例
えば200℃、150℃、100℃、80℃である。
The supply temperature during filtration by the pervaporation separation method is not particularly limited.
° C. or higher, preferably 15 ° C. or higher, more preferably 30 ° C. or higher, even more preferably 50 ° C. or higher, and even more preferably 60 ° C. or higher. By setting the temperature higher, the permeability coefficient can be increased more significantly. The upper limit is not particularly limited, and can be appropriately set based on the operating pressure and the vapor pressure of the organic solvent according to the boiling point of the organic solvent. The upper limit is, for example, 200 ° C., 150 ° C., 100 ° C., or 80 ° C.

本発明のろ過膜を用いて、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズ溶質をろ過
することにより、より高い阻止率及び/又はより高い透過係数を達成することができる。
The filtration membrane of the present invention can be used to filter nanosized solutes in a solution containing an organic solvent and the solute to achieve a higher rejection and/or a higher permeability coefficient.

透過係数は、例えば0.1Lm-2-1bar-1以上、好ましくは0.15Lm
-1bar-1以上である。浸透気化分離法を採用した場合は、透過係数は、例えば
1Lm-2-1bar-1以上、好ましくは5Lm-2-1bar-1以上、より好
ましくは10Lm-2-1bar-1以上、さらに好ましくは20Lm-2-1ba
-1以上、よりさらに好ましくは40Lm-2-1bar-1以上、特に好ましくは
60Lm-2-1bar-1以上である。透過係数の上限は特に制限されず、例えば1
00Lm-2-1bar-1である。
The permeability coefficient is, for example, 0.1 Lm −2 h −1 bar −1 or more, preferably 0.15 Lm −2 h −1 bar −1 or more.
When the pervaporation separation method is used, the permeability coefficient is, for example, 1 Lm -2 h -1 bar -1 or more, preferably 5 Lm -2 h -1 bar -1 or more, more preferably 10 Lm -2 h -1 bar -1 or more, and even more preferably 20 Lm -2 h -1 bar -1 or more .
The permeability coefficient is preferably 1000 Lm -2 h -1 bar-1 or more, more preferably 40 Lm-2 h-1 bar -1 or more, and particularly preferably 60 Lm -2 h -1 bar -1 or more. There is no particular upper limit to the permeability coefficient.
00Lm -2 h -1 bar -1 .

透過係数は、供給側の溶質濃度及び透過側の溶質濃度に基づいて、以下の式に従って算
出することができる。
The permeability coefficient can be calculated based on the solute concentration on the feed side and the solute concentration on the permeate side according to the following formula:

阻止率は、例えば90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、さ
らに好ましくは99%以上、よりさらに好ましくは99.5%以上、特に好ましくは99
.8%以上であり、通常100%未満である。
The rejection rate is, for example, 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 98% or more, even more preferably 99% or more, still more preferably 99.5% or more, and particularly preferably 99% or more.
.8% or more, and usually less than 100%.

阻止率は、供給側の溶質濃度及び透過側の溶質濃度に基づいて、以下の式に従って算出
することができる。
The rejection can be calculated based on the feed-side solute concentration and the permeate-side solute concentration according to the following formula:

1-4.膜モジュール、膜分離システム
本発明は、その一態様において、本発明のろ過膜を含む膜モジュール、及び該膜モジュ
ールを含む膜分離システムに関する。
1-4. Membrane Module and Membrane Separation System In one aspect, the present invention relates to a membrane module including the filtration membrane of the present invention, and a membrane separation system including the membrane module.

膜モジュールの種類としては、特に制限されず、例えばスパイラル型モジュール、プリ
ーツ型モジュール、モノリス型モジュール、チューブ型モジュール等が挙げられる。膜モ
ジュールには、本発明のろ過膜の他に、適宜、モジュールを構成する部品が含まれる。
The type of membrane module is not particularly limited, and examples thereof include a spiral module, a pleated module, a monolith module, a tubular module, etc. The membrane module includes, in addition to the filtration membrane of the present invention, appropriate components constituting the module.

膜分離システムは、上記膜モジュール以外に、膜分離システムを構成する部品や装置が
含まれる。例えば、ろ過モードの場合は、加圧器、多段システム等、多段の場合の透過し
ない液を前段に戻すシステム等を含む。PVモードの場合は、供給装置(連続でも、バッチ
でも可)等、連続の場合は多段システム等、多段の場合はリサイクル透過しなかった液を
リサイクルするシステム、真空装置、冷却して透過蒸気を回収する装置等をを含む。
In addition to the membrane module, the membrane separation system includes other components and devices that make up the membrane separation system. For example, in the filtration mode, it includes a pressurizer, a multi-stage system, and a system for returning non-permeated liquid to the previous stage in the case of a multi-stage system. In the PV mode, it includes a supply device (can be continuous or batch), a multi-stage system in the case of a continuous system, a system for recycling non-permeated liquid in the case of a multi-stage system, a vacuum device, and a device for cooling and recovering permeated vapor.

実施形態2
本発明は、その一態様において、有機溶媒及び溶質を含む溶液中のナノサイズ溶質を浸
透気化分離法によりろ過することを含む、ろ過方法にも関する。
EMBODIMENT 2
The present invention, in one aspect, also relates to a method of filtering a nanosized solute in a solution comprising an organic solvent and the solute by pervaporation.

各構成の定義等は、実施形態1における定義と同じである。本方法に使用するろ過膜と
しては、本発明のろ過膜以外にも、公知のろ過膜を挙げることができる。公知のろ過膜と
しては、例えばポリジメチルシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン-プロ
ピレン-ジエン三元共重合体、ポリウレタン尿素、ポリ(エーテル-ブロックアミド)、
ポリ(1-トリメチルシリル-1-プロピン)、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリイ
ミド、ポリエーテルスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ジメチルホルムア
ミド、ポリエチレンイミン等の高分子膜、チタニア、アルミナ、シリカ等を用いた無機膜
等の膜が挙げられる。
The definitions of each component are the same as those in the first embodiment. In addition to the filtration membrane of the present invention, known filtration membranes can be used in this method. Known filtration membranes include, for example, polydimethylsiloxane, polytetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene terpolymer, polyurethaneurea, poly(ether-block amide),
Examples of the membrane include polymer membranes such as poly(1-trimethylsilyl-1-propyne), polypropylene, polyaniline, polyimide, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyamide, dimethylformamide, and polyethyleneimine, and inorganic membranes using titania, alumina, silica, and the like.

以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によっ
て限定されるものではない。
The present invention will be described in detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

比較例1.γ-アルミナ膜を含むろ過膜の調製
中空糸状ジルコニア支持体上にγ-アルミナ膜を形成した。具体的には以下のようにし
て行った。また、この形成方法の概略を図1に示す。
Comparative Example 1. Preparation of a filtration membrane including a γ-alumina membrane A γ-alumina membrane was formed on a hollow fiber zirconia support. Specifically, this was carried out as follows. The outline of this formation method is shown in FIG.

ポリビニルアルコール1.75g及び0.05M硝酸水溶液50mLを混合して、90
℃で2時間還流させた。そこへベーマイト溶液(濃度:0.8mol/L)25mLを添
加して、20分間、超音波攪拌して、γ-アルミナ膜形成用溶液を得た。中空糸状ジルコ
ニア支持体(厚み:158μm、平均細孔径約50nm、Adv.Funct.Mate
r. 27(2017)1604311.)を、2mm/sの速度でγ-アルミナ膜形成
用溶液に浸漬して20秒間保持させた後、1mm/sの速度の速度で該溶液から引き上げ
た。室温で3時間乾燥させた後、600℃で24時間焼成して、γ-アルミナ膜を得た。
1.75 g of polyvinyl alcohol and 50 mL of 0.05 M aqueous nitric acid solution were mixed to obtain a 90
The mixture was refluxed at 0.8° C. for 2 hours. 25 mL of a boehmite solution (concentration: 0.8 mol/L) was added thereto, and ultrasonic stirring was performed for 20 minutes to obtain a solution for forming a γ-alumina membrane.
r. 27 (2017) 1604311.) was immersed in a γ-alumina membrane forming solution at a speed of 2 mm/s and held for 20 seconds, then pulled out of the solution at a speed of 1 mm/s. After drying at room temperature for 3 hours, it was fired at 600 ° C for 24 hours to obtain a γ-alumina membrane.

実施例1.多孔質疎水性シリカ膜を含むろ過膜の調製
比較例1で調製したろ過膜を支持体として、該支持体の中間層(γ-アルミナ膜)上に
多孔質疎水性シリカ膜を形成した。具体的には以下のようにして行った。また、この形成
方法の概略を図2に示す。エタノール25mL、1M硝酸水溶液7.5mL、N-プロピ
ルトリメトキシシラン0.01mol、及びセチルトリメチルアンモニウムブロマイド0
.008molを混合して、室温下で3時間攪拌して、多孔質疎水性シリカ膜形成用溶液
(シリカゾル)を得た。比較例1で調製したろ過膜を、多孔質疎水性シリカ膜形成用溶液
に浸漬して60秒間保持させた後、1mm/sの速度の速度で該溶液から引き上げた。1
80℃3時間焼成後、エタノールに24時間浸漬し、多量のエタノールで洗浄して、多孔
質疎水性シリカ膜を得た。
Example 1. Preparation of a filtration membrane containing a porous hydrophobic silica membrane Using the filtration membrane prepared in Comparative Example 1 as a support, a porous hydrophobic silica membrane was formed on the intermediate layer (γ-alumina membrane) of the support. Specifically, this was carried out as follows. The outline of this formation method is shown in Figure 2. 25 mL of ethanol, 7.5 mL of 1 M aqueous nitric acid solution, 0.01 mol of N-propyltrimethoxysilane, and 0.01 mol of cetyltrimethylammonium bromide were used.
The filtration membrane prepared in Comparative Example 1 was immersed in the porous hydrophobic silica membrane forming solution for 60 seconds, and then pulled out of the solution at a speed of 1 mm/s.
After baking at 80° C. for 3 hours, the film was immersed in ethanol for 24 hours and washed with a large amount of ethanol to obtain a porous hydrophobic silica film.

試験例1.膜厚の測定
実施例1で調製したろ過膜の断面をFE-SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)(日立
製作所製、製品名S-4800)で観察し(倍率20000倍)、得られた観察像に基づ
いて各層の厚みを測定した。その結果、γ-アルミナ膜の厚みは約1μmであり、多孔質
疎水性シリカ膜の厚みは約200nmであった。
Test Example 1. Measurement of membrane thickness The cross section of the filtration membrane prepared in Example 1 was observed (magnification: 20,000 times) with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope) (manufactured by Hitachi, Ltd., product name S-4800), and the thickness of each layer was measured based on the obtained observation image. As a result, the thickness of the γ-alumina membrane was about 1 μm, and the thickness of the porous hydrophobic silica membrane was about 200 nm.

試験例2.平均細孔径の測定
比較例1で調製したろ過膜及び実施例1で調製したろ過膜について、γ-アルミナ膜及
び多孔質疎水性シリカ膜それぞれの細孔径分布をパームポロメトリで測定した。本試験例
では、非凝集性ガスにはヘリウム、凝集性ガスには水及びヘキサンを用いた。凝集性ガス
と非凝集性ガスを膜に供給し、膜を透過したヘリウムの透過流量を石鹸膜流量計によって
測定した。水及びヘキサンは、Eq.(1)のKelvin式(下記)から算出した蒸気
圧となるようにシリンジポンプを用いて供給した。膜の測地温度は315Kで行った。
Test Example 2. Measurement of average pore size For the filtration membrane prepared in Comparative Example 1 and the filtration membrane prepared in Example 1, the pore size distribution of each of the γ-alumina membrane and the porous hydrophobic silica membrane was measured by perm porometry. In this test example, helium was used as the non-coagulating gas, and water and hexane were used as the coagulating gas. The coagulating gas and the non-coagulating gas were supplied to the membrane, and the permeation flow rate of helium that permeated the membrane was measured by a soap film flowmeter. Water and hexane were supplied using a syringe pump so that the vapor pressure was calculated from the Kelvin formula (below) of Eq. (1). The geodetic temperature of the membrane was 315K.

ここで、dはKlvin径[m]、νはモル体積[mmol-1]、Rは気体定数[
Jmol-1-1]、Tは温度[K]、σは表面張力[Nm-1]、θは接触角[de
g.]、Pは蒸気圧[Pa]及びPsは飽和蒸気圧[Pa]である。
Here, d is the Klvin diameter [m], ν is the molar volume [m 3 mol −1 ], and R is the gas constant [
Jmol −1 K −1 ], T is temperature [K], σ is surface tension [Nm −1 ], θ is contact angle [de
g.], P is the vapor pressure [Pa], and Ps is the saturated vapor pressure [Pa].

その結果、γ-アルミナ膜の平均細孔径は4.1nmであり、多孔質疎水性シリカ膜の
平均細孔径は0.43nmであった。
As a result, the average pore diameter of the γ-alumina membrane was 4.1 nm, and the average pore diameter of the porous hydrophobic silica membrane was 0.43 nm.

試験例3.透過試験
試験例3-1.ナノろ過(NF)試験
有機溶媒としてエタノールを用い、溶質にメチルオレンジ(分子量327、分子径約1
nm)を用いて、メチルオレンジ35μMの溶液を調製した。圧力容器に膜(比較例1又
は実施例1)を接続し、圧力容器上部より6bar加圧した。透過液は圧力容器下部より
ビーカーに回収した。供給側及び透過側の濃度は吸光度計(ASUV 6300-PC、
アズワン社製)で測定した。本試験の概略を図3に示す。
Test Example 3: Permeation test
Test Example 3-1. Nanofiltration (NF) test Ethanol was used as the organic solvent, and methyl orange (molecular weight 327, molecular diameter approximately 1
A 35 μM solution of methyl orange was prepared using a spectrophotometer (nm). A membrane (Comparative Example 1 or Example 1) was connected to a pressure vessel, and 6 bar of pressure was applied from the top of the pressure vessel. The permeate was collected in a beaker from the bottom of the pressure vessel. The concentrations on the supply side and the permeate side were measured using an absorbance meter (ASUV 6300-PC,
The measurement was performed using a 300-millimeter wave length measuring instrument (manufactured by AS ONE Corporation). The outline of this test is shown in Figure 3.

透過係数(Permeance)及び阻止率(Rejection)を以下の式に従っ
て算出した。
The permeance and rejection were calculated according to the following formulas.

試験例3-2.浸透気化分離試験
有機溶媒としてエタノールを用い、溶質にメチルオレンジ(分子量327)を用いて、
メチルオレンジ35μMの溶液を調製した。膜(比較例1又は実施例1)を溶液に浸漬し
、真空ポンプで膜の内側を約5.0Paに減圧した。透過した気体をコールドトラップで
液体として回収し、透過液の重量を測定した。供給側の濃度は吸光度計(ASUV 63
00-PC、アズワン社せい)で測定した。本試験の概略を図4に示す。
Test Example 3-2. Pervaporation separation test Using ethanol as the organic solvent and methyl orange (molecular weight 327) as the solute,
A 35 μM solution of methyl orange was prepared. A membrane (Comparative Example 1 or Example 1) was immersed in the solution, and the inside of the membrane was depressurized to about 5.0 Pa using a vacuum pump. The permeated gas was collected as a liquid in a cold trap, and the weight of the permeated liquid was measured. The concentration on the supply side was measured using an absorption spectrometer (ASUV 63
The measurement was performed using a 00-PC (manufactured by AS ONE Corporation). The outline of this test is shown in Figure 4.

供給温度を20、30、50、60、及び70℃に設定し、各温度で30分間溶液を回
収し、温度変化の分離性能に及ぼす影響を検討した。70℃の試験の後に30分毎に溶液
を回収し続け270分間試験し、経時変化の影響を検討した。
The feed temperature was set to 20, 30, 50, 60, and 70° C., and the solution was collected for 30 minutes at each temperature to examine the effect of temperature change on separation performance. After the test at 70° C., the solution was continued to be collected every 30 minutes for 270 minutes to examine the effect of change over time.

透過係数及び阻止率を試験例3-1と同じ方法でv算出した。 The permeability coefficient and rejection rate were calculated in the same manner as in Test Example 3-1.

試験例3-3.結果
<結果1>
比較例1の膜(γ-アルミナ)と実施例1の膜(H-silica)で、NF試験を行
った結果を表1に示す。
Test Example 3-3. Results <Result 1>
The results of the NF test performed on the membrane of Comparative Example 1 (γ-alumina) and the membrane of Example 1 (H-silica) are shown in Table 1.

比較例1の膜は阻止率が13.6%と低い値を示したものの、シリカ層をコーティング
した膜は99.9%以上と高い膜を示した。透過係数は、中間層のみで行った試験に比べ
て低いものの、図5に示す既報(Chem.Rev.,114,10735-10806
(2014))の高分子膜のメチルオレンジ分離試験と比較した場合、トレードオフの関
係を突破していることが分かる。
The membrane of Comparative Example 1 showed a low rejection rate of 13.6%, while the membrane coated with the silica layer showed a high rejection rate of 99.9% or more. The permeability coefficient was lower than that of the test performed with only the intermediate layer, but it was higher than that of the previous report shown in FIG. 5 (Chem. Rev., 114, 10735-10806).
When compared with the methyl orange separation test of the polymer membrane in (2014), it can be seen that the trade-off relationship has been overcome.

<結果2>
浸透気化分離試験の結果を表2(供給温度20℃)に示す。また、温度及び経時変化の
影響を図6及び図7に示す。
<Result 2>
The results of the pervaporation separation test (supply temperature 20° C.) are shown in Table 2. The effects of temperature and time are shown in FIGS.

表2に示されるように、浸透気化分離を行うことによって、透過係数が大幅に上昇した
。また、図6より、20~70℃では温度増加に伴い透過流束が増加することが分かった
。また、図7より、透過流束は経時変化に伴い徐々に減少し、270分経過後で一定にな
ったことが分かった。ただ、270分経過後の膜を洗浄して再度試験に供したところ、同
程度の性能を示すことが分かった。
As shown in Table 2, the permeability coefficient increased significantly by performing pervaporation separation. Also, from FIG. 6, it was found that the permeation flux increased with increasing temperature at 20 to 70°C. Also, from FIG. 7, it was found that the permeation flux gradually decreased with time and became constant after 270 minutes had passed. However, when the membrane was washed after 270 minutes had passed and subjected to the test again, it was found to show the same level of performance.

Claims (20)

分離膜を製造する方法であって、
前記分離膜が、有機溶媒及び溶質を含有する溶液中のナノサイズ溶質を分離するための分離膜であり、
前記分離膜が、多孔質疎水性シリカ膜を含み、
前記多孔質疎水性シリカ膜を、ケイ素原子に連結した疎水性基を含むアルコキシシラン、界面活性剤、及び溶媒を混合してアルコキシシランを加水分解重合した後、得られた混合液を100~250℃で焼成することにより得る工程(A)を含
前記アルコキシシランが下記式(1)で表されるケイ素原子に連結した疎水性基を含むアルコキシシラン
Figure 0007465009000011
[式中、R は炭素数1~8のアルキル基、炭素数3~10のシクロアルキル基、又は炭素数6~8のアリール基を示す。R 、R 及びR は同一又は異なって、炭素数1~6のアルキル基を示す]
である、
分離膜の製造方法。
A method for producing a separation membrane, comprising the steps of:
The separation membrane is a separation membrane for separating a nanosized solute in a solution containing an organic solvent and a solute,
the separation membrane comprises a porous hydrophobic silica membrane;
The method includes a step (A) of obtaining the porous hydrophobic silica membrane by mixing an alkoxysilane containing a hydrophobic group linked to a silicon atom, a surfactant, and a solvent, hydrolyzing and polymerizing the alkoxysilane, and then baking the resulting mixture at 100 to 250° C .;
The alkoxysilane contains a hydrophobic group linked to a silicon atom represented by the following formula (1):
Figure 0007465009000011
[In the formula, R 1 represents an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 8 carbon atoms. R 2 , R 3 and R 4 may be the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.]
That is,
A method for producing a separation membrane.
前記界面活性剤が陽イオン性界面活性剤である、請求項1に記載の製造方法。 The method according to claim 1, wherein the surfactant is a cationic surfactant. 前記界面活性剤がアルキルアンモニウム又はその塩である、請求項1又は2に記載の製造方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the surfactant is an alkyl ammonium or a salt thereof. 前記アルキルアンモニウム又はその塩の炭素数が12~25である、請求項3に記載の製造方法。 The method according to claim 3, wherein the alkyl ammonium or its salt has 12 to 25 carbon atoms. 前記アルキルアンモニウム又はその塩の炭素数が14~18である、請求項3又は4に記載の製造方法。 The method according to claim 3 or 4, wherein the alkyl ammonium or its salt has 14 to 18 carbon atoms. 前記工程(A)の前記溶媒100mLに対する前記界面活性剤の使用量が、0.008~0.08molである、請求項1~5のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the amount of the surfactant used per 100 mL of the solvent in step (A) is 0.008 to 0.08 mol. 前記工程(A)の前記溶媒100mLに対する前記界面活性剤の使用量が、0.005~0.012molである、請求項1~6のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the amount of the surfactant used per 100 mL of the solvent in step (A) is 0.005 to 0.012 mol. 前記分離膜がさらに支持体を含み、前記工程(A)が該支持体上で実施される、請求項1~7のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the separation membrane further comprises a support, and step (A) is carried out on the support. 前記支持体が中空糸状である、請求項8に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 8, wherein the support is in the form of a hollow fiber. 前記分離膜が中空糸状である、請求項1~9のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 9, wherein the separation membrane is in the form of a hollow fiber. 前記支持体の平均細孔径が2~500nmである、請求項8又は9に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 8 or 9, wherein the average pore diameter of the support is 2 to 500 nm. 前記支持体が、平均細孔径20~500nmの支持層、及び該支持層上に配置されている平均細孔径2~10nmの中間層を含む、請求項8、9及び11のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 8, 9 and 11, wherein the support comprises a support layer having an average pore diameter of 20 to 500 nm, and an intermediate layer having an average pore diameter of 2 to 10 nm disposed on the support layer. 前記中間層の厚みが0.2~5μmである、請求項12に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 12, wherein the thickness of the intermediate layer is 0.2 to 5 μm. 前記多孔質疎水性シリカ膜の平均細孔径が2nm未満である、請求項1~13のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the average pore size of the porous hydrophobic silica membrane is less than 2 nm. 前記多孔質疎水性シリカ膜の厚みが50~500nmである、請求項1~14のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 14, wherein the thickness of the porous hydrophobic silica film is 50 to 500 nm. 前記工程(A)における焼成温度が130~220℃である、請求項1~15のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 15 , wherein the firing temperature in the step (A) is 130 to 220°C . 前記ナノサイズ溶質の分子量が200~500である、請求項1~16のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 16, wherein the molecular weight of the nanosized solute is 200 to 500. 式(1)中、R 炭素数1~のアルキル基であり、、R及びR 同一又は異なって、炭素数1~のアルキル基である、請求項1~17のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 17, wherein in formula (1) , R 1 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and are alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms. 請求項1~18のいずれかに記載の製造方法で製造される、分離膜。 A separation membrane manufactured by the manufacturing method described in any one of claims 1 to 18. 中空糸状である、請求項19に記載の分離膜。 The separation membrane according to claim 19, which is in the form of a hollow fiber.
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