JP7734523B2 - Raw material liquid concentration system and concentration device - Google Patents
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Description
本発明は、原料液濃縮システムおよび濃縮装置に関する。詳しくは、膜蒸留法により有機溶媒および溶質を含む原料水溶液から溶媒の一部を分離して原料液を濃縮することにより、原料液中の成分の変質、減少等を抑え、効率よく原料液を濃縮することが可能な、原料液濃縮システムおよび濃縮装置に関する。 The present invention relates to a raw material liquid concentration system and concentration device. Specifically, the present invention relates to a raw material liquid concentration system and concentration device that can efficiently concentrate a raw material liquid by concentrating the raw material liquid by separating a portion of the solvent from a raw material aqueous solution containing an organic solvent and a solute using a membrane distillation method, thereby suppressing the deterioration or loss of components in the raw material liquid.
濃縮を必要とする原料液が、溶媒として水および有機溶媒の双方を含む場合は、医薬品製造や化学品製造プロセスなど、工業上、数多く存在する。
特に、ペプチド、タンパク質等の、アミノ酸配列を有する物質は、診断・検査薬、医薬品として広く利用されている。これらは非常に高価であるため、製造工程において、変性をさせず、収率高く回収することが重要である。
近年、有機溶媒を含む溶液から非加熱で溶質を回収する方法として、OSN(OrganicSolvent Nanofiltraion)法が研究されている。OSN法は、成分を篩分けにより分離する技術であり、相変化を伴わない分離方法であるため、エネルギー負荷を下げることが可能である。また、膜を使用する方法は、蒸留法などに比べてスケールアップしやすいという利点がある(非特許文献1) 。
There are many industrial processes, such as pharmaceutical and chemical manufacturing processes, where a raw material liquid that needs to be concentrated contains both water and an organic solvent as a solvent.
In particular, substances with amino acid sequences, such as peptides and proteins, are widely used as diagnostic and testing agents and pharmaceuticals. Because they are very expensive, it is important to recover them in high yields without denaturing them during the manufacturing process.
In recent years, research has focused on the organic solvent nanofiltration (OSN) method as a method for recovering solutes from solutions containing organic solvents without heating. The OSN method separates components by sieving, and because it is a separation method that does not involve phase change, it can reduce energy consumption. Furthermore, membrane-based methods have the advantage of being easier to scale up than methods such as distillation (Non-Patent Document 1).
これらとは別の原料液の濃縮方法として、液体の持つ蒸気圧差を利用して原料液中の溶媒を分離する膜蒸留(MD:Membrane Distillation)法が知られている。膜蒸留法の1つの方法として、原料液と、当該原料液よりも温度の低い冷却水とを膜を介して接触させ、原料液から冷却水へ原料液中の有効物質を含まない蒸気が移動することにより、原料液が濃縮されるDCMD法(Direct Contact MD)がよく知られている(例えば、特許文献1)。 Another method for concentrating raw liquids is known as membrane distillation (MD), which separates the solvent in the raw liquid by utilizing the difference in vapor pressure between the liquids. One well-known membrane distillation method is direct contact MD (DCMD), in which the raw liquid is brought into contact with cooling water that is at a lower temperature than the raw liquid via a membrane, and vapor that does not contain the active substance in the raw liquid is transferred from the raw liquid to the cooling water, thereby concentrating the raw liquid (see, for example, Patent Document 1).
しかし、非特許文献1に記載のOSN法では、分子サイズの小さな有価物は膜を透過してしまうため、ロスなく回収することが難しい。また、原料液の加圧を要するため、原料液に含まれる溶質の膜表面への固着が起こり、回収率が低下する課題があった。 However, with the OSN method described in Non-Patent Document 1, valuable materials with small molecular sizes permeate the membrane, making it difficult to recover them without loss. Furthermore, because the raw material liquid must be pressurized, solutes contained in the raw material liquid tend to adhere to the membrane surface, resulting in a reduced recovery rate.
一方、特許文献1の膜蒸留法によると、膜蒸留用膜がウェッティングされると、原料液が冷却水側に流入するため、濃縮を行うことができなくなっていた。また、非特許文献2によると、膜蒸留用膜としては、孔径の小さい多孔質膜が選ばれているため、蒸気の透過量が小さいことが課題であった。さらに、蒸気の透過量を上げるには、原料液の温度を高くすることが必要となる。この場合、原料液は、一般的には60℃以上に加熱されることが多く、酵素、ペプチド等の熱による変性が懸念される溶質を含む原料液の濃縮には、膜蒸留法を適用した報告例は少ない。
本発明は、膜蒸留法の課題である、膜蒸留用膜のウェッティングを抑制し、常温においても工業的に実現可能な処理速度を持つ、医薬および化学品製造プロセスにおける原料液の濃縮システムおよび濃縮装置を提供することを目的とする。
On the other hand, according to the membrane distillation method of Patent Document 1, when the membrane distillation membrane becomes wet, the raw material liquid flows into the cooling water side, making it impossible to concentrate. Furthermore, according to Non-Patent Document 2, a porous membrane with a small pore size is selected as the membrane distillation membrane, which poses a problem of low vapor permeability. Furthermore, to increase the vapor permeability, it is necessary to increase the temperature of the raw material liquid. In this case, the raw material liquid is generally heated to 60°C or higher, and there have been few reports of applying membrane distillation to the concentration of raw material liquids containing solutes such as enzymes and peptides that are susceptible to thermal denaturation.
The present invention aims to provide a concentration system and a concentration device for raw material liquids in pharmaceutical and chemical manufacturing processes that suppress wetting of membrane distillation membranes, which is a problem in membrane distillation methods, and has an industrially feasible processing speed even at room temperature.
本発明は、上記目的を達成するべくなされたものである。
すなわち、本発明者らは、原料液を膜蒸留法で濃縮する際、膜蒸留用膜として、蒸気透過性が高く、かつ疎水性が高い多孔質膜を用いることにより、膜蒸留用膜の原料液によるウェッティングが抑制され、常温においても効率よく蒸気を取り出すことができ、その結果、原料液中の有効成分の変性を防ぎつつ、効率のよい濃縮を行えることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
The present invention has been made to achieve the above object.
That is, the inventors discovered that when concentrating a raw material liquid by membrane distillation, by using a porous membrane that is highly vapor permeable and highly hydrophobic as the membrane for membrane distillation, wetting of the membrane distillation membrane by the raw material liquid can be suppressed, and vapor can be efficiently extracted even at room temperature. As a result, efficient concentration can be achieved while preventing denaturation of the active ingredients in the raw material liquid, and this led to the present invention.
That is, the present invention is as follows.
《態様1》溶媒および溶質を含有する原料液と、冷却水とを、膜蒸留用膜を介して接触させ、前記原料液中の前記溶媒を、蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過させ、前記冷却水側に移動させる膜蒸留法を用いる、原料液濃縮システムにおいて、
前記膜蒸留用膜として、表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である多孔質膜を用い、
前記膜蒸留用膜は、少なくとも一部に疎水性ポリマーが付着している中空糸膜であり、
前記中空糸膜の内側の空隙率は外側の空隙率より大きい、
原料液濃縮システム。
《態様2》溶媒および溶質を含有する原料液と、冷却水とを、膜蒸留用膜を介して接触させ、前記原料液中の前記溶媒を、蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過させ、前記冷却水側に移動させる膜蒸留法を用いる、原料液濃縮システムにおいて、
前記膜蒸留用膜として、表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である多孔質膜を用い、
前記膜蒸留用膜は、少なくとも一部に疎水性ポリマーが付着している中空糸膜であり、
前記中空糸膜の前記中空糸膜の、濃度20重量パーセントのエタノール水溶液に対する液体侵入圧が0.1MPa以上0.5MPa以下である、
原料液濃縮システム。
《態様3》溶媒および溶質を含有する原料液と、冷却水とを、膜蒸留用膜を介して接触させ、前記原料液中の前記溶媒を、蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過させ、前記冷却水側に移動させる膜蒸留法を用いる、原料液濃縮システムにおいて、
前記膜蒸留用膜として、表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である多孔質膜を用い、
前記膜蒸留用膜は、少なくとも一部に疎水性ポリマーが付着している中空糸膜であり、
前記疎水性ポリマーは、ポリマー濃度0.2~5.0質量%の溶液を前記中空糸膜表面に接触させた後に乾燥されることにより付着している、
原料液濃縮システム。
《態様4》前記疎水性ポリマーが、側鎖にフッ素原子含有基を持つポリマーであり、
前記フッ素原子含有基が、(パー)フルオロアルキル基、(パー)フルオロポリエーテル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基から選ばれる少なくとも1つである、
態様1~3のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。
《態様5》前記膜蒸留用膜の材料が、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン・四フッ化エチレン共重合体、およびポリクロロトリフルオロエチレンから成る群から選ばれる少なくとも1つの樹脂を含む、態様1~4のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。
《態様6》前記溶媒が、水、アセトニトリル、メタノール、エタノール、およびイソプロパノールから成る群から選ばれる少なくとも1種を含む、態様1~5のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。
《態様7》前記溶質の数平均分子量が100~50,000であり、
前記溶質が界面活性効果を有する化合物である、
請求項1~6のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。
《態様8》前記原料液の温度が、5℃以上50℃以下の範囲に調整されている、態様1~7のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。
《態様9》溶媒および溶質を含有する原料液と、冷却水とを、膜蒸留用膜を介して接触させ、前記原料液中の前記溶媒を、蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過させ、前記冷却水側に移動させる膜蒸留法を用いる、原料液濃縮システムにおいて、
前記原料液に含まれるすべての溶媒の蒸気圧、および前記冷却水に含まれるすべての溶媒の蒸気圧を求め、
前記原料液中の各溶媒の蒸気圧から、前記冷却水中の当該溶媒の蒸気圧を引いた蒸気圧差から、前記当該溶媒が蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過する速度を求めることを含み、
前記当該溶媒の蒸気圧が、前記当該溶媒のモル濃度および温度から求めた蒸気分圧に、前記当該溶媒のモル濃度および温度から求めた活量係数を掛けることによって求められる、
原料液濃縮システムの性能予測方法。
《態様10》膜蒸留用膜を具備し、膜蒸留法によって原料液の濃縮を行うための濃縮装置であって、
前記膜蒸留用膜として、膜表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である膜を用いる、
濃縮装置。
<<Aspect 1>> A raw material liquid concentration system using a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid passes through the membrane distillation membrane in a vapor state and moves to the cooling water side,
As the membrane for membrane distillation, a porous membrane having a surface water contact angle of 90° or more, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used,
The membrane distillation membrane is a hollow fiber membrane having a hydrophobic polymer attached to at least a portion thereof,
The porosity of the inside of the hollow fiber membrane is greater than the porosity of the outside.
Raw material liquid concentration system.
<<Aspect 2>> A raw material liquid concentration system using a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid is passed through the membrane distillation membrane in a vapor state and moved to the cooling water side,
As the membrane for membrane distillation, a porous membrane having a surface water contact angle of 90° or more, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used,
The membrane distillation membrane is a hollow fiber membrane having a hydrophobic polymer attached to at least a portion thereof,
The liquid penetration pressure of the hollow fiber membrane with respect to an aqueous ethanol solution having a concentration of 20 weight percent is 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less.
Raw material liquid concentration system.
<<Aspect 3>> A raw material liquid concentration system using a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid passes through the membrane distillation membrane in a vapor state and moves to the cooling water side,
As the membrane for membrane distillation, a porous membrane having a surface water contact angle of 90° or more, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used,
The membrane distillation membrane is a hollow fiber membrane having a hydrophobic polymer attached to at least a portion thereof,
The hydrophobic polymer is attached by contacting a solution having a polymer concentration of 0.2 to 5.0 mass % with the surface of the hollow fiber membrane and then drying the solution.
Raw material liquid concentration system.
<Aspect 4> The hydrophobic polymer is a polymer having a fluorine atom-containing group in a side chain,
the fluorine atom-containing group is at least one selected from a (per)fluoroalkyl group, a (per)fluoropolyether group, an alkylsilyl group, and a fluorosilyl group;
A raw material liquid concentrating system according to any one of aspects 1 to 3.
Aspect 5: The raw material liquid concentration system according to any one of Aspects 1 to 4, wherein the material of the membrane distillation membrane comprises at least one resin selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and polychlorotrifluoroethylene.
Aspect 6: The raw material liquid concentrating system according to any one of Aspects 1 to 5, wherein the solvent comprises at least one selected from the group consisting of water, acetonitrile, methanol, ethanol, and isopropanol.
<Embodiment 7> The number average molecular weight of the solute is 100 to 50,000,
the solute is a compound having a surface active effect;
The raw material liquid concentrating system according to any one of claims 1 to 6.
Aspect 8: The raw material liquid concentrating system according to any one of Aspects 1 to 7, wherein the temperature of the raw material liquid is adjusted to a range of 5°C or higher and 50°C or lower.
<Aspect 9> A raw material liquid concentration system using a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid is passed through the membrane distillation membrane in a vapor state and moved to the cooling water side,
determining the vapor pressures of all solvents contained in the raw material liquid and all solvents contained in the cooling water;
Calculating the rate at which the solvent passes through the membrane distillation membrane in a vapor state from a vapor pressure difference obtained by subtracting the vapor pressure of the solvent in the cooling water from the vapor pressure of each solvent in the raw material liquid,
The vapor pressure of the solvent is calculated by multiplying the vapor partial pressure calculated from the molar concentration of the solvent and the temperature by the activity coefficient calculated from the molar concentration of the solvent and the temperature.
A method for predicting the performance of a feedstock liquid concentration system.
<<Aspect 10>> A concentrating apparatus for concentrating a raw material liquid by a membrane distillation method, comprising: a membrane for membrane distillation;
As the membrane for membrane distillation, a membrane having a water contact angle on the membrane surface of 90° or more, an average pore size in the range of 0.02 μm to 0.5 μm, and a porosity of 60% to 90% is used.
Concentrator.
本発明の濃縮システムは、例えば、アミノ酸配列を有する溶質を含有する原料液を、常温付近の膜蒸留プロセスによって濃縮する際、ウェッティングを起こさず、かつ原料液の溶質組成を実質的に維持したまま、濃縮できる。
本発明の濃縮システムを、医薬品、化学品等の製造プロセスにおいて、有価物を含む原料液の濃縮に適用すれば、熱および圧力に弱い有価物を、変性することなく、かつ高回収率で濃縮することができる。
The concentration system of the present invention can concentrate a raw liquid containing a solute having an amino acid sequence, for example, by a membrane distillation process at around room temperature, without causing wetting and while substantially maintaining the solute composition of the raw liquid.
If the concentration system of the present invention is applied to the concentration of raw material liquids containing valuable substances in the manufacturing processes of pharmaceuticals, chemicals, etc., valuable substances that are sensitive to heat and pressure can be concentrated at a high recovery rate without denaturing them.
以下、本発明の好ましい実施形態を、非限定的な例として具体的に説明する。
《原料液濃縮システム》
本発明の原料液濃縮システムは、溶媒および溶質を含有する原料液と、冷却水とを、膜蒸留用膜を介して接触させ、前記原料液中の前記溶媒を、蒸気の状態で前記膜蒸留用膜を通過させ、前記冷却水側に移動させる膜蒸留法を用いる、原料液濃縮システムである。
以下、本発明の原料液濃縮システムついて、図を参照にしつつ、説明する。
Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail as non-limiting examples.
<<Raw material liquid concentration system>>
The raw material liquid concentration system of the present invention is a raw material liquid concentration system that uses a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid is passed through the membrane distillation membrane in a vapor state and moved to the cooling water side.
The raw material liquid concentrating system of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の濃縮システムにおいて、原料液を膜蒸留によって濃縮するときに好ましく使用される、膜蒸留用膜モジュールの一例を示す。
図1の膜蒸留用膜モジュールは、ハウジング内に複数の中空糸状の膜蒸留用膜(Hollow Fiber Membrane)が収納され、これらの両端部は、接着樹脂(Adhesive)によって接着固定されている。ここで、膜蒸留用膜の両端は、閉塞されずに開口している。
ハウジングの側面には、冷却水)を流入させるための第1のハウジング側管と、冷却水を排出させるための第2のハウジング側管とを有し、これらにより、膜蒸留用膜の外部空間に冷却水を流通させることができる。図1では、第1及び第2のハウジング側管は、「Cooling Water inlet/outlet」として参照されている。
ハウジングの軸方向(図1の上下方向)の両端には、原料液を流入させるための下側開口部と、原料液を排出させるための上側開口部とを有し、これらにより、膜蒸留用膜の中空部に原料液を流通させることができる。図1では、下側開口部および上側開口部は「Feed inlet/outlet」として参照されている。
膜蒸留用膜モジュールの内部は、膜蒸留用膜によって、膜蒸留用膜の中空部側の空間と、膜蒸留用膜の外部空間側の空間とに分割されている。これら2つの空間は、所定の溶媒が膜蒸留用膜の外壁を通過して行き来することができる他は、流体的に遮断されている。
FIG. 1 shows an example of a membrane module for membrane distillation that is preferably used when concentrating a raw material liquid by membrane distillation in the concentration system of the present invention.
The membrane distillation membrane module of Figure 1 contains a plurality of hollow fiber membranes in a housing, both ends of which are adhesively fixed with an adhesive resin. Here, both ends of the membrane distillation membrane are open and not closed.
The side of the housing has a first housing side pipe for introducing cooling water and a second housing side pipe for discharging cooling water, and these pipes allow cooling water to circulate in the space outside the membrane distillation membrane. In Figure 1, the first and second housing side pipes are referred to as "Cooling Water inlet/outlet".
At both ends of the housing in the axial direction (the vertical direction in FIG. 1 ), there are a lower opening for introducing the raw material liquid and an upper opening for discharging the raw material liquid, which allow the raw material liquid to flow through the hollow part of the membrane distillation membrane. In FIG. 1 , the lower opening and the upper opening are referred to as "feed inlet/outlet."
The interior of the membrane distillation membrane module is divided by the membrane distillation membrane into a space on the hollow side of the membrane distillation membrane and a space on the external space side of the membrane distillation membrane. These two spaces are fluidically isolated except that a predetermined solvent can pass through the outer wall of the membrane distillation membrane.
膜蒸留用膜は、例えば中空糸状であり、その外壁は、強い疎水性を有し、多孔質でありながら液体が内部に進入せず、かつ、外壁を気体のみが通過できる性状であることが必要である。また常温においても高い蒸気透過性が求められるため、高い空孔率と適切な平均孔径とを有する必要がある。
本発明では、膜蒸留用膜として、膜表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下の多孔質膜を用いる。
The membrane for membrane distillation is, for example, a hollow fiber, and its outer wall must be highly hydrophobic and porous, yet must not allow liquids to penetrate inside, and must allow only gases to pass through the outer wall. Furthermore, since high vapor permeability is required even at room temperature, the membrane must have a high porosity and an appropriate average pore size.
In the present invention, a porous membrane having a water contact angle of 90° or more on the membrane surface, an average pore size in the range of 0.02 μm to 0.5 μm, and a porosity of 60% to 90% is used as the membrane for membrane distillation.
膜蒸留法にて原料液を濃縮するには、膜蒸留用膜の片側(図1では中空糸状の膜蒸留用膜の中空部側空間)に原料液を流し、一方、原料液よりも温度の低い冷却水をもう一方の側(図1では状の膜蒸留中空糸膜の外部空間側)に流す。すると、膜壁内部で両空間に連通する細孔は、膜壁を介して原料液および冷却水に接する。その結果、蒸気圧の高い原料液ら発生した蒸気が、膜壁を通過して蒸気圧の低い冷却水に移動して、冷却されて液化することにより、原料液が濃縮される。 To concentrate a raw liquid using membrane distillation, the raw liquid is passed through one side of the membrane distillation membrane (in Figure 1, the hollow space of the hollow fiber membrane distillation membrane), while cooling water, which is at a lower temperature than the raw liquid, is passed through the other side (in Figure 1, the external space of the hollow fiber membrane distillation membrane). The pores connecting the two spaces inside the membrane wall then come into contact with the raw liquid and cooling water through the membrane wall. As a result, the vapor generated from the raw liquid, which has a high vapor pressure, passes through the membrane wall and moves to the cooling water, which has a low vapor pressure, where it is cooled and liquefied, concentrating the raw liquid.
図2は、本発明の濃縮システムの一例を示す。
図2の濃縮システムでは、図1で示した膜蒸留用膜モジュール(MD Membrane)の軸方向両端に、原料液(Feed solution)を循環させる手段(配管系統)が備えられている。原料液を循環させる配管系統には、原料液貯留タンク、原料液を循環するためのポンプ、原料液の温度を設定温度に保つ温調器が設置されている。本濃縮システムにおいては、必要に応じて、循環流量を示す流量計(図示せず)、循環流量を調整する流量調整装置(図示せず)、および膜蒸留用膜モジュールに原料液を供給するときの液圧を表示する圧力計を備えていてもよい。また、原料液貯留タンクに重量計、液面計等を備えることにより、液面、重量等の低下の程度により、膜性能および濃縮率を推定することができる。
FIG. 2 shows an example of a concentration system of the present invention.
In the concentration system of FIG. 2, a means (piping system) for circulating the feed solution is provided at both axial ends of the membrane distillation membrane module (MD Membrane) shown in FIG. 1. The piping system for circulating the feed solution includes a feed solution storage tank, a pump for circulating the feed solution, and a temperature regulator for maintaining the temperature of the feed solution at a set temperature. This concentration system may, as necessary, be equipped with a flow meter (not shown) that indicates the circulation flow rate, a flow rate regulator (not shown) that adjusts the circulation flow rate, and a pressure gauge that displays the liquid pressure when supplying the feed solution to the membrane distillation membrane module. In addition, by providing a weight scale, a liquid level gauge, etc. in the feed solution storage tank, the membrane performance and concentration rate can be estimated based on the degree of decrease in liquid level, weight, etc.
一方、膜蒸留用膜モジュールのハウジング側管には、冷却水(Cooling Water)を循環させる手段(配管系統)が備えられている。この配管系統には、冷却水貯留タンク、冷却水を循環するためのポンプ、循環流量を示す流量計、循環流量を調整する流量調整装置(図示せず)、および冷却水の温度を設定温度に保つ温調器が設置されている。膜蒸留によって原料液から冷却水に溶媒が移動して冷却水の容量は経時的に増加する。そのため、冷却水貯留タンク(300)の貯留量は、膜蒸留の継続によって増加する。このとき、冷却水が廃棄可能である場合には、冷却水貯留タンクにオーバーフロー口を設置して、冷却水の貯留量を一定容積に維持することができる。 Meanwhile, the housing side pipe of the membrane distillation membrane module is equipped with a means (piping system) for circulating cooling water. This piping system is equipped with a cooling water storage tank, a pump for circulating the cooling water, a flow meter that indicates the circulation flow rate, a flow rate regulator (not shown) that adjusts the circulation flow rate, and a temperature regulator that maintains the cooling water temperature at a set temperature. As the solvent moves from the raw material liquid to the cooling water during membrane distillation, the volume of the cooling water increases over time. Therefore, the storage volume of the cooling water storage tank (300) increases as membrane distillation continues. If the cooling water can be disposed of at this time, an overflow port can be installed in the cooling water storage tank to maintain a constant volume of cooling water.
医薬品、化学品等の製造用の原料液濃縮システムにおいては、ペプチド、たんぱく質等の、加熱によって分解し得るものを含む原料液を取り扱うため、原料液を低温(例えば50℃以下)に保つことが必要である。また、原料液の溶媒として、アセトニトリル、メタノール、エタノール、イソプロパノール等の表面張力の小さい液体が使用される。
これらのことから、膜蒸留用の膜には、低表面張力の液体にも濡れない強い疎水性、および、常温の原料液から溶媒の蒸気を効率的に取り出すために、蒸気通過性の高いことが求められる。
したがって、本発明で用いられる膜蒸留用膜は、強い疎水性であることが必要であり、水接触角が90°以上であることが求められる。また、高い蒸気通過性を確保することが必要であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下の多孔質膜であることが求められる。
これらの要件については後述する。
In a raw material liquid concentration system for manufacturing pharmaceuticals, chemicals, etc., the raw material liquid must be kept at a low temperature (for example, 50°C or below) in order to handle raw material liquids containing substances that can be decomposed by heating, such as peptides and proteins. In addition, liquids with low surface tension, such as acetonitrile, methanol, ethanol, and isopropanol, are used as solvents for the raw material liquid.
For these reasons, membranes for membrane distillation are required to have strong hydrophobicity so that they do not get wet even with liquids with low surface tension, and high vapor permeability so that solvent vapor can be efficiently extracted from the raw material liquid at room temperature.
Therefore, the membrane distillation membrane used in the present invention must be highly hydrophobic, with a water contact angle of 90° or more. It is also necessary to ensure high vapor permeability, and the membrane must be a porous membrane with an average pore size in the range of 0.02 μm to 0.5 μm and a porosity of 60% to 90%.
These requirements are discussed below.
《原料液濃縮システムの各要素》
以上、本発明の原料液濃縮システムよる原料液の濃縮の概要を説明した。引き続き、本発明の原料液濃縮システムを構成する各要素について、以下に詳説する。
〈原料液〉
原料液とは、溶質および溶媒を含有する流体であり、本発明のシステムによって濃縮されることが予定されている。この原料液は、流体である限りにおいて、乳化物であってもよい。
本発明に適用される原料液としては、例えば、医薬品、医薬品原料、医薬品原体、医薬品中間体等(以下、これらを総称して「医薬品原体等」という。)、化学品を含む溶液または分散液;食品;海水;ガス田・油田等から排出される随伴水等を挙げることができる。
本発明の原料液濃縮システムでは、原料液aの組成がほぼそのまま維持されつつ、溶媒が除去された濃縮液が得られる。そのため、本発明の原料液濃縮システムを、溶質として医薬品原体や化学品等を含む溶液または分散液の濃縮に適用すると、溶質の性質を維持した状態で濃縮することが可能となる。
<<Each element of the raw material liquid concentration system>>
The above has provided an overview of the concentration of a raw material liquid using the raw material liquid concentration system of the present invention. Next, each element constituting the raw material liquid concentration system of the present invention will be described in detail below.
<Raw material liquid>
The source liquid is a fluid containing a solute and a solvent, and is intended to be concentrated by the system of the present invention. This source liquid may be an emulsion, so long as it is a fluid.
Examples of raw material liquids applicable to the present invention include pharmaceuticals, pharmaceutical raw materials, pharmaceutical active ingredients, pharmaceutical intermediates, etc. (hereinafter collectively referred to as "pharmaceutical active ingredients, etc."), solutions or dispersions containing chemicals; food; seawater; and produced water discharged from gas fields, oil fields, etc.
The liquid raw material concentration system of the present invention can obtain a concentrated solution from which the solvent has been removed while maintaining the composition of the liquid raw material A. Therefore, when the liquid raw material concentration system of the present invention is applied to the concentration of a solution or dispersion containing a pharmaceutical product or chemical as a solute, it becomes possible to concentrate the solution while maintaining the properties of the solute.
[原料液の溶質]
医薬品原体や化学品等としては、例えば、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、糖、ワクチン、核酸、抗生物質、抗体薬物複合体(ADC)、界面活性効果を有する化合物、およびビタミン類から成る群から選ばれる有用物質を溶質とし、この溶質が適当な溶媒中に溶解または分散されたものであることが好ましい。
[Solute of raw material liquid]
As the pharmaceutical raw materials, chemicals, etc., it is preferable that the solute is a useful substance selected from the group consisting of amino acids, peptides, proteins, sugars, vaccines, nucleic acids, antibiotics, antibody-drug conjugates (ADCs), compounds having surface active effects, and vitamins, and that this solute is dissolved or dispersed in an appropriate solvent.
アミノ酸は、カルボキシル基およびアミノ基、ならびにこれらを連結している部分から成るアミノ酸骨格を1個有する化合物である。本明細書におけるアミノ酸は、必須アミノ酸、非必須アミノ酸、および非天然アミノ酸を包含する概念である。
必須アミノ酸としては、例えば、トリプトファン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、トレオニン、バリン、ロイシン、イソロイシン等が挙げられる。非必須アミノ酸としては、例えば、アルギニン、グリシン、アラニン、セリン、チロシン、システイン、アスパラギン、グルタミン、プロリン、アスパラギン酸、グルタミン酸等が挙げられる。
An amino acid is a compound having an amino acid backbone consisting of a carboxyl group, an amino group, and a moiety connecting them. In this specification, the term "amino acid" encompasses essential amino acids, non-essential amino acids, and unnatural amino acids.
Examples of essential amino acids include tryptophan, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, valine, leucine, isoleucine, etc. Examples of non-essential amino acids include arginine, glycine, alanine, serine, tyrosine, cysteine, asparagine, glutamine, proline, aspartic acid, glutamic acid, etc.
非天然アミノ酸とは、分子内にアミノ酸骨格を有する、天然に存在しない人工のあらゆる化合物を指す。しかしながら、医薬品原体等としての非天然アミノ酸としては、アミノ酸骨格に所望の標識化合物を結合させて得られるものが挙げられ。標識化合物としては、例えば、色素、蛍光物質、発光物質、酵素基質、補酵素、抗原性物質、タンパク質結合性物質等が挙げられる。
医薬品原体等として好ましい非天然アミノ酸の例として、例えば、標識アミノ酸、機能化アミノ酸等が挙げられる。
標識アミノ酸は、アミノ酸骨格と標識化合物とが結合した非天然アミノ酸であい、その具体例としては、例えば、側鎖に芳香環を含むアミノ酸骨格に、標識化合物が結合したアミノ酸等が挙げられる。
機能化アミノ酸の例としては、例えば、光応答性アミノ酸、光スイッチアミノ酸、蛍光プローブアミノ酸、蛍光標識アミノ酸等が挙げられる。
Unnatural amino acids refer to any artificial compound that does not exist in nature and has an amino acid backbone. However, unnatural amino acids used as pharmaceutical ingredients include those obtained by binding a desired labeling compound to the amino acid backbone. Examples of labeling compounds include dyes, fluorescent substances, luminescent substances, enzyme substrates, coenzymes, antigenic substances, and protein-binding substances.
Examples of unnatural amino acids that are preferred as pharmaceutical ingredients include labeled amino acids and functionalized amino acids.
A labeled amino acid is a non-natural amino acid in which an amino acid backbone is bound to a labeling compound, and specific examples thereof include amino acids in which a labeling compound is bound to an amino acid backbone containing an aromatic ring in the side chain.
Examples of functionalized amino acids include photoresponsive amino acids, photoswitch amino acids, fluorescent probe amino acids, and fluorescently labeled amino acids.
ペプチドは、2残基以上70残基未満のアミノ酸残基が結合した化合物を指し、鎖状であっても、環状であってもよい。ペプチドとしては、例えば、L-アラニル-L-グルタミン、β-アラニル-L-ヒスチジンシクロスポリン、グルタチオン等が挙げられる。
タンパク質は、一般的には、アミノ酸残基が結合した化合物のうちのペプチドよりも長鎖のものを指す。本明細書におけるタンパク質としては、例えば、タンパク製剤として適用されるものが好ましい。
タンパク製剤としては、例えば、インターフェロンα、インターフェロンβ、インターロイキン1~12、成長ホルモン、エリスロポエチン、インスリン、顆粒状コロニー刺激因子(G-CSF)、組織プラスミノーゲン活性化因子(TPA)、ナトリウム利尿ペプチド、血液凝固第VIII因子、ソマトメジン、グルカゴン、成長ホルモン放出因子、血清アルブミン、カルシトニン等が挙げられる。
A peptide refers to a compound in which 2 to less than 70 amino acid residues are bonded, and may be linear or cyclic. Examples of peptides include L-alanyl-L-glutamine, β-alanyl-L-histidine cyclosporine, and glutathione.
A protein generally refers to a compound in which amino acid residues are bound, and which has a longer chain than a peptide. As used herein, the protein is preferably one that is used as, for example, a protein drug.
Examples of protein preparations include interferon α, interferon β, interleukins 1 to 12, growth hormone, erythropoietin, insulin, granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF), tissue plasminogen activator (TPA), natriuretic peptide, blood coagulation factor VIII, somatomedin, glucagon, growth hormone-releasing factor, serum albumin, and calcitonin.
糖としては、例えば、単糖類、二糖類、糖鎖(二糖類を除く)、糖鎖誘導体等が挙げられる。
単糖類としては、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース、リボース、デオキシリボース等が挙げられる。二糖類としては、例えば、マルトース、スクロース、ラクトース等が挙げられる。
本明細書における糖鎖とは、二糖類を除く概念であり、例えば、グルコース、ガラクトース、マンノース、フコース、キシロース、グルクロン酸、イズロン酸等が挙げられる。糖鎖誘導体としては、例えば、N-アセチルグルコサミン、N-アセチルガラクトサミン、N-アセチルノイラミン酸等の、糖類誘導体等が挙げられる。
Examples of sugars include monosaccharides, disaccharides, sugar chains (excluding disaccharides), sugar chain derivatives, and the like.
Examples of monosaccharides include glucose, fructose, galactose, mannose, ribose, deoxyribose, etc. Examples of disaccharides include maltose, sucrose, lactose, etc.
The term "sugar chain" as used herein refers to a concept excluding disaccharides, and examples thereof include glucose, galactose, mannose, fucose, xylose, glucuronic acid, iduronic acid, etc. Examples of sugar chain derivatives include saccharide derivatives such as N-acetylglucosamine, N-acetylgalactosamine, and N-acetylneuraminic acid.
ワクチンとしては、例えば、A型肝炎ワクチン、B型肝炎ワクチン、C型肝炎ワクチン等が;
核酸としては、例えば、オリゴヌクレオチド、RNA、アプタマー、デコイ等が;
抗生物質としては、例えば、ストレプトマイシン、バンコマイシン等が;
それぞれ挙げられる。
Examples of vaccines include hepatitis A vaccine, hepatitis B vaccine, and hepatitis C vaccine;
Examples of nucleic acids include oligonucleotides, RNA, aptamers, decoys, etc.
Antibiotics include, for example, streptomycin and vancomycin;
Each of them can be mentioned.
ビタミン類としては、例えば、ビタミンA類、ビタミンB類、ビタミンC類等が挙げられ、これらの誘導体、塩等も含む概念である。ビタミンB類には、例えば、ビタミンB6、ビタミンB12等が包含される。 Examples of vitamins include vitamin A, vitamin B, and vitamin C, and also include their derivatives and salts. Examples of vitamin B include vitamin B6 and vitamin B12.
界面活性効果を有する化合物としては、例えば、多糖類、リン脂質、ペプチド、ラウリル硫酸ナトリウムのような陰イオン性界面活性剤、塩化ベンザルコニウムのような陽イオン界面活性剤、または両性界面活性剤、ポリエチレングリコールのような非イオン界面活性剤が挙げられる。 Examples of compounds having a surface active effect include polysaccharides, phospholipids, peptides, anionic surfactants such as sodium lauryl sulfate, cationic surfactants such as benzalkonium chloride, or nonionic surfactants such as amphoteric surfactants and polyethylene glycol .
原料液に含まれる溶質の数平均分子量は、100~75,000程度であってよく、好ましくは100~50,000程度、より好ましくは100~10,000程度であり、100~6,000の低分子化合物であることが特に好ましい。
溶質の分子量が過度に小さいと、膜蒸留用膜を透過する場合があり、分子量が過度に大きいと、膜表面への溶質の付着が起こる場合があり、好ましくない。
The number average molecular weight of the solute contained in the raw material solution may be about 100 to 75,000, preferably about 100 to 50,000, more preferably about 100 to 10,000, and is particularly preferably a low molecular weight compound of 100 to 6,000.
If the molecular weight of the solute is too small, it may pass through the membrane for membrane distillation, whereas if the molecular weight is too large, it may cause adhesion of the solute to the membrane surface, which is undesirable.
[原料液における溶媒]
原料液における溶媒は、液体であり、原料液中の溶質を溶解または分散できるものである限り、あらゆる無機溶媒または有機溶媒であることができる。
溶媒として、好ましくは、水、または、アセトニトリル、メタノール、エタノール、もしくはイソプロパノールであり、これらのうちから選択される1種以上を適宜選択して使用してよい。溶媒は、例えば、水、アセトニトリル、メタノール、エタノール、およびイソプロパノールから選択される2種以上を含む混合物であってもよい。
[Solvent in the raw material liquid]
The solvent in the raw material liquid can be any inorganic or organic solvent as long as it is liquid and can dissolve or disperse the solute in the raw material liquid.
The solvent is preferably water, acetonitrile, methanol, ethanol, or isopropanol, and one or more selected from these may be used as appropriate. The solvent may also be, for example, a mixture containing two or more selected from water, acetonitrile, methanol, ethanol, and isopropanol.
〈濃縮液〉
原料液が濃縮されて得られる濃縮液は、原料液中の溶質をほぼそのまま維持し、かつ、溶媒が優先的に分離されることにより得られる。本発明の原料液濃縮システムでは、原料液から分離される溶媒の種類および量を任意に制御することができる。
<Concentrate>
The concentrate obtained by concentrating the raw material liquid is obtained by preserving the solutes in the raw material liquid almost intact while preferentially separating the solvent. The raw material liquid concentration system of the present invention allows for arbitrary control of the type and amount of solvent separated from the raw material liquid.
〈膜蒸留用膜〉
本発明で用いられる膜蒸留用膜としては、多孔質膜を用いることが好ましい。
多孔質膜は、膜の一方の表面から他方の表面まで厚み方向に連通している細孔(連通孔)を有している。細孔は、膜材料(例えばポリマー)のネットワークの空隙であってよく、枝分かれしていても直通孔でもよい。細孔は、蒸気を通すが液体を通さないものであってよい。
<Membrane for membrane distillation>
As the membrane for membrane distillation used in the present invention, it is preferable to use a porous membrane.
Porous membranes have pores that are interconnected through the membrane from one surface to the other. The pores may be voids in the network of the membrane material (e.g., polymer) and may be branched or continuous. The pores may be permeable to vapor but not liquid.
本発明で用いられる膜蒸留用膜は、少なくとも片側表面の水接触角が、膜のウェッティングを回避する観点から、90°以上であり、好ましくは90°よりも大きく、より好ましくは110°以上であり、さらに好ましくは120°以上である。膜の水接触角には、本発明の奏する効果との関係では上限はないが、現実的には150°以下であってよい。
本明細書における水接触角は、JIS R 3257準拠の液滴法により測定される値である。具体的には、2μLの純水を測定対象物表面に滴下し、測定対象物と液滴とが形成する角度を、投影画像から解析することで数値化する。
本発明で用いられる膜蒸留用膜では、片側表面のうちの実質的にすべての領域面で、上記範囲の水接触角を示すことが好ましい。
なお、本発明で用いられる膜蒸留用膜の形状については後述するが、中空糸状である場合、当該中空糸の外側表面が、上記範囲の水接触角を示すことが好ましい。
The membrane distillation membrane used in the present invention has a water contact angle on at least one surface of 90° or more, preferably greater than 90°, more preferably 110° or more, and even more preferably 120° or more, from the viewpoint of avoiding wetting of the membrane. There is no upper limit to the water contact angle of the membrane in relation to the effects of the present invention, but in reality it may be 150° or less.
The water contact angle in this specification is a value measured by the sessile drop method in accordance with JIS R 3257. Specifically, 2 μL of pure water is dropped onto the surface of the object to be measured, and the angle formed between the object to be measured and the droplet is quantified by analyzing a projected image.
In the membrane distillation membrane used in the present invention, it is preferable that substantially the entire area of one surface exhibits a water contact angle within the above range.
The shape of the membrane for membrane distillation used in the present invention will be described later. When the membrane is in the form of a hollow fiber, it is preferable that the outer surface of the hollow fiber exhibits a water contact angle within the above range.
膜蒸留用膜の平均孔径は、0.02μm以上0.5μm以下の範囲内であり、好ましくは0.03μm以上0.3μm以下の範囲内である。平均孔径が0.02μm以上である場合、蒸気の透過抵抗が大きくなり過ぎず、原料液の濃縮速度が速くなる。平均孔径が0.5μm以下である場合、膜のウェッティングの抑制効果が良好である。平均孔径は、ASTM:F316-86に準拠して、ハーフドライ法で測定される値である。
蒸気透過性とウェッティング抑制との両立の観点から、膜の孔径分布は狭い方が好ましい。具体的には、平均孔径に対する最大孔径の比である孔径分布が、好ましくは1.2~2.5の範囲内、より好ましくは1.2~2.0の範囲内である。上記最大孔径は、バブルポイント法を用いて測定される値である。
The average pore size of the membrane for membrane distillation is in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, preferably in the range of 0.03 μm or more and 0.3 μm or less. When the average pore size is 0.02 μm or more, the vapor permeation resistance is not too large, and the concentration rate of the raw material liquid is increased. When the average pore size is 0.5 μm or less, the effect of suppressing membrane wetting is good. The average pore size is a value measured by the half-dry method in accordance with ASTM: F316-86.
From the viewpoint of achieving both vapor permeability and wetting suppression, the pore size distribution of the membrane is preferably narrow. Specifically, the pore size distribution, which is the ratio of the maximum pore size to the average pore size, is preferably in the range of 1.2 to 2.5, more preferably in the range of 1.2 to 2.0. The maximum pore size is a value measured using the bubble point method.
膜蒸留用膜の空隙率は、高い蒸気透過性と、長期耐久性とを両立させる観点から、60%以上90%以下の範囲である。高い蒸気透過性を得るために、膜蒸留用膜の空隙率は、60%以上であり、好ましくは70%以上である。膜自体の強度が良好に維持され、長期使用の際に破断等の問題を発生させにくくする観点から、膜蒸留用膜の空隙率は、90%以下であり、好ましくは85%以下である。
膜蒸留用膜の表面開口率は、効率的な濃縮速度を得る観点から、各表面について、好ましくは15%以上、より好ましくは18%以上、さらに好ましくは20%以上であり、膜自体の強度が良好に維持され、長期使用の際に破断等の問題を発生させにくくする観点から、好ましくは60%以下、より好ましくは55%以下、さらに好ましくは50%以下である。上記表面開口率は、膜表面の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察画像において、画像解析ソフトで孔部を検出することにより求められる値である。
The porosity of the membrane distillation membrane is in the range of 60% to 90% in order to achieve both high vapor permeability and long-term durability. To achieve high vapor permeability, the porosity of the membrane distillation membrane is 60% or more, preferably 70% or more. To maintain the strength of the membrane itself well and to prevent problems such as breakage during long-term use, the porosity of the membrane distillation membrane is 90% or less, preferably 85% or less.
The surface opening ratio of the membrane distillation membrane is preferably 15% or more, more preferably 18% or more, and even more preferably 20% or more for each surface from the viewpoint of obtaining an efficient concentration rate, and is preferably 60% or less, more preferably 55% or less, and even more preferably 50% or less from the viewpoint of maintaining good strength of the membrane itself and making it less likely to cause problems such as breakage during long-term use. The surface opening ratio is a value determined by detecting pores using image analysis software in an image of the membrane surface observed with a scanning electron microscope (SEM).
膜蒸留用膜の空隙率は、膜厚方向に分布があってよい。原料液に接する側の空隙率を高くし、冷却水に接する側の空隙率を低くすることにより、蒸気の透過性を維持しながら長期耐久性を高めることが可能になる。
前記膜が中空糸状の場合、原料液を中空糸内側に通液することが多いことから、中空糸膜の外側よりも内側の空隙率が高いことが好ましい。具体的には、中空糸の膜断面方向における内側5%の空隙率が、外側5%の空隙率の1.0倍超3.0倍以下であることが好ましく、より好ましくは1.1倍以上2.0倍以下である。
The porosity of the membrane for membrane distillation may vary along the thickness of the membrane. By increasing the porosity on the side in contact with the raw liquid and decreasing the porosity on the side in contact with the cooling water, it is possible to improve long-term durability while maintaining vapor permeability.
When the membrane is in the form of a hollow fiber, since the raw material liquid is often passed through the inside of the hollow fiber, it is preferable that the porosity of the inside of the hollow fiber membrane is higher than that of the outside. Specifically, the porosity of the inner 5% of the hollow fiber in the cross-sectional direction of the membrane is preferably more than 1.0 times and not more than 3.0 times, more preferably 1.1 times or more and not more than 2.0 times, the porosity of the outer 5%.
膜蒸留用膜を構成する材料としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン・四フッ化エチレン共重合体、およびポリクロロトリフルオロエチレンから成る群から選ばれる少なくとも1種の樹脂を含む材料が挙げられる。疎水性、機械的耐久性、および熱的耐久性に優れる膜を、高い成膜性で製造できるとの観点からは、ポリフッ化ビニリデン、エチレン・四フッ化エチレン共重合体、またはポリクロロトリフルオロエチレンが好ましい。 Materials for constructing membranes for membrane distillation include materials containing at least one resin selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and polychlorotrifluoroethylene. From the perspective of being able to produce membranes with excellent hydrophobicity, mechanical durability, and thermal durability with high membrane-forming properties, polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, or polychlorotrifluoroethylene are preferred.
本発明の一様態として、疎水性向上のために、膜蒸留用膜の少なくとも一部に、疎水性ポリマーが付着していてよい。疎水性ポリマーは、膜蒸留用膜の少なくとも片側の表面または膜内部に疎水性の被膜を形成して、膜に撥水性を付与し、または膜の撥水性を向上させることができる。
疎水性ポリマーは、例えば、水、フッ素系溶媒等の適当な溶媒中に溶解した溶液状態で、膜蒸留用膜に塗布した後、溶媒を蒸発させることにより、膜の表面もしくは内部、又はこれらの双方に、付着させることができる。疎水性ポリマー溶液の塗布は、例えば、スプレー等の噴霧、浸漬等の適宜の方法によって、行われてよい。
本明細書において、「疎水性ポリマー」とは、水との親和性が低いポリマーを意味し、例えば、疎水性構造を有するポリマーであってよい。疎水性構造としては、非極性基または低極性基、非極性骨格または低極性骨格等が挙げられる。非極性基または低極性基としては、例えば、炭化水素基、含フッ素基等が挙げられ、非極性骨格または低極性骨格としては、例えば、炭化水素主鎖、シロキサン主鎖等が挙げられる。
In one embodiment of the present invention, a hydrophobic polymer may be attached to at least a portion of the membrane distillation membrane to improve hydrophobicity. The hydrophobic polymer can form a hydrophobic coating on at least one surface of the membrane distillation membrane or on the inside of the membrane, thereby imparting water repellency to the membrane or improving the water repellency of the membrane.
The hydrophobic polymer can be applied to the membrane distillation membrane in the form of a solution dissolved in a suitable solvent such as water or a fluorinated solvent, and then the solvent is evaporated to adhere the hydrophobic polymer to the surface or the interior, or both, of the membrane. The application of the hydrophobic polymer solution may be carried out by an appropriate method such as spraying or immersion.
As used herein, the term "hydrophobic polymer" refers to a polymer that has low affinity for water, and may be, for example, a polymer having a hydrophobic structure. Examples of the hydrophobic structure include a non-polar group or a low-polarity group, a non-polar skeleton or a low-polarity skeleton, etc. Examples of the non-polar group or low-polarity group include a hydrocarbon group, a fluorine-containing group, etc., and examples of the non-polar skeleton or low-polarity skeleton include a hydrocarbon main chain, a siloxane main chain, etc.
疎水性ポリマーとしては、例えば、シロキサン結合を有するポリマー、フッ素原子含有ポリマー等が挙げられ、より具体的には、例えば、以下のものが挙げられる:
(ア)シロキサン結合を有するポリマーとして、例えば、ジメチルシリコーンゲル、メチルフェニルシリコーンゲル、有機官能基(アミノ基、フルオロアルキル基等)を有する反応性変性シリコーンゲル、シランカップリング剤と反応して架橋構造を形成するシリコーン系ポリマー等、およびこれらの架橋体であるポリマーゲル
(イ)フッ素原子含有ポリマーとして、側鎖にフッ素原子含有基を持つポリマー、ここで、フッ素原子含有基は、(パー)フルオロアルキル基、(パー)フルオロポリエーテル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基等である。
特に、疎水性ポリマーが、炭素数1~12の(パー)フルオロアルキル基および/または(パー)フルオロポリエーテル基を有する、(メタ)アクリレート系モノマーおよび/またはビニル系モノマーの重合体であることが好ましい。
Examples of hydrophobic polymers include polymers having siloxane bonds and fluorine atom-containing polymers, and more specific examples include the following:
(a) Examples of polymers having siloxane bonds include dimethylsilicone gel, methylphenylsilicone gel, reactive modified silicone gels having organic functional groups (amino groups, fluoroalkyl groups, etc.), silicone polymers that form crosslinked structures upon reaction with silane coupling agents, and polymer gels that are crosslinked products of these. (b) Examples of fluorine atom-containing polymers include polymers having fluorine atom-containing groups in their side chains, where the fluorine atom-containing groups are (per)fluoroalkyl groups, (per)fluoropolyether groups, alkylsilyl groups, fluorosilyl groups, etc.
In particular, the hydrophobic polymer is preferably a polymer of a (meth)acrylate monomer and/or a vinyl monomer having a (per)fluoroalkyl group and/or a (per)fluoropolyether group having 1 to 12 carbon atoms.
疎水性ポリマーは、膜蒸留用膜の細孔内全体に付着していてもよいが、細孔内への液体の進入を防ぎ、蒸気の透過性を確保する観点から、疎水性ポリマーの付着量が膜蒸留用膜の厚さ方向に分布を有し、液体と接する膜の表層に多くのポリマーが付着し、膜の厚み方向の内部は付着量が少なく細孔構造が維持されていることが好ましい。
この観点から、疎水性ポリマーの付着量については、膜蒸留用膜の少なくとも片面の表層における付着量が、内部の付着量よりも多いことが好ましく、膜蒸留用膜の片面の表層から反対面の表層に向かって減少して行くことがより好ましい。
ここでいう「膜の表層」とは、液体と接する膜の部位、およびその近傍を意味する。定量的には、膜の最外層部分から、膜厚方向の内部に向かう10μm程度の範囲をいう。一方、「膜の内部」とは、膜のうち、液体と接することがなく、蒸気のみが通過する部位を意味し、膜の表層以外の部位を指す。
本明細書において、TOF-SIMS分析等において、疎水性ポリマーの量を表層(膜の内側、外側)と内部とを比較するときは、内部の測定データは膜厚部のちょうど中央部からおおむね±5%の位置における測定データを採用する 。
The hydrophobic polymer may be attached to the entire pores of the membrane distillation membrane, but from the viewpoint of preventing liquid from entering the pores and ensuring vapor permeability, it is preferable that the amount of attached hydrophobic polymer has a distribution in the thickness direction of the membrane distillation membrane, with more polymer attached to the surface layer of the membrane that comes into contact with the liquid and less polymer attached inside the thickness direction of the membrane, so that the pore structure is maintained.
From this viewpoint, it is preferable that the amount of hydrophobic polymer attached on the surface layer of at least one side of the membrane distillation membrane is greater than the amount attached inside, and it is more preferable that the amount of hydrophobic polymer attached decreases from the surface layer of one side of the membrane distillation membrane to the surface layer of the opposite side.
The "surface layer of the membrane" here refers to the part of the membrane that comes into contact with the liquid and its vicinity. Quantitatively, it refers to a range of about 10 μm from the outermost layer of the membrane toward the inside in the membrane thickness direction. On the other hand, the "inside of the membrane" refers to the part of the membrane that does not come into contact with the liquid and through which only vapor passes, and refers to the part other than the surface layer of the membrane.
In this specification, when comparing the amount of hydrophobic polymer between the surface layer (inside and outside of the film) and the inside in TOF-SIMS analysis or the like, the measurement data for the inside is taken as the data measured at a position approximately ±5% from the exact center of the film thickness portion.
図11に、膜蒸留用膜が中空糸状である場合の、疎水性ポリマーの分布の一例を示す。図11(a)は、中空糸の長手方向に垂直な断面における疎水性ポリマーの分布を示し、図11(b)は、中空糸の長手方向の断面における疎水性ポリマーの分布を示す。図11(a)および(b)では、グレーが濃いほど、疎水性ポリ―が高濃度で存在していることを示している。
図11(a)および(b)を参照すると、この中空糸状の膜蒸留用膜の場合、中空糸膜の内側表面近傍に、疎水性ポリマーが多く付着しており、外側表面近傍の疎水性ポリマー量は少ない。この場合、疎水性ポリマーの付着量が多い内側面に接する中空部分に、原料液(a)を通すことが、膜のウェッティング防止の観点から好ましい。
疎水性ポリマーの分布は、中空糸の外側表面近傍で多く、内側表面近傍で少なくても構わない。この場合には、疎水性ポリマーの付着量が多い外側面に接する中空糸の外部空間に、原料液(a)を通すことが好ましい。
Figure 11 shows an example of the distribution of hydrophobic polymers when the membrane distillation membrane is in the form of a hollow fiber. Figure 11(a) shows the distribution of hydrophobic polymers in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber, and Figure 11(b) shows the distribution of hydrophobic polymers in a cross section in the longitudinal direction of the hollow fiber. In Figures 11(a) and (b), the darker the gray, the higher the concentration of hydrophobic polymers present.
11(a) and (b), in the case of this hollow fiber membrane for membrane distillation, a large amount of hydrophobic polymer adheres to the vicinity of the inner surface of the hollow fiber membrane, and the amount of hydrophobic polymer is small near the outer surface. In this case, it is preferable to pass the raw material liquid (a) through the hollow part in contact with the inner surface where the amount of hydrophobic polymer adheres is large from the viewpoint of preventing wetting of the membrane.
The distribution of the hydrophobic polymer may be high near the outer surface of the hollow fiber and low near the inner surface, in which case it is preferable to pass the raw material liquid (a) through the outer space of the hollow fiber that is in contact with the outer surface where the amount of attached hydrophobic polymer is high.
膜蒸留用膜への疎水性ポリマー付着量は、疎水性ポリマーが付着した膜蒸留用膜を、当該疎水性ポリマーの良溶媒で抽出して得られた抽出液から、溶媒を除去することにより、直接質量として、求めることができる。
また、適当な表面解析装置を用いて疎水性ポリマーが付着した膜蒸留用膜の分析を行い、膜蒸留用膜の構成材料と、疎水性ポリマーとのシグナル強度比から、付着量を求めることができる。表面解析装置によれば、膜蒸留用膜の任意の部分についての分析が可能であることから、膜の部分ごとのシグナル強度比を比較することによって、疎水性ポリマーの付着分布を知ることができる。この場合の表面解析機器としては、例えば、IR(赤外線スペクトル吸収)装置、XPS(X線光電子分光)装置、TOF-SIMS(飛行時間型二次イオン分析)装置等を例示できる。
本発明においては、疎水性ポリマーの付着に関し、内側の付着量と外側の付着量との比率が重要な意味をもつ。強度比が1.2倍以上あれば本発明の内側と外側の状態に差があると判断し、特に3.0倍以上の差がある場合に非常に大きな差があると判断する。
The amount of hydrophobic polymer attached to a membrane distillation membrane can be determined directly as a mass by extracting the membrane distillation membrane to which the hydrophobic polymer has been attached with a good solvent for the hydrophobic polymer, and then removing the solvent from the extract.
Furthermore, a suitable surface analysis device can be used to analyze a membrane distillation membrane to which a hydrophobic polymer has been attached, and the amount of attachment can be determined from the signal intensity ratio between the constituent material of the membrane distillation membrane and the hydrophobic polymer. Since a surface analysis device can analyze any part of the membrane distillation membrane, the distribution of attached hydrophobic polymer can be determined by comparing the signal intensity ratios for each part of the membrane. Examples of surface analysis devices in this case include an IR (infrared spectroscopy) device, an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) device, and a TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion spectroscopy) device.
In the present invention, the ratio of the amount of hydrophobic polymer attached on the inside to the amount attached on the outside is important for the adhesion of the hydrophobic polymer. If the intensity ratio is 1.2 times or more, it is determined that there is a difference between the state of the inside and outside of the present invention, and if the difference is 3.0 times or more, it is determined that there is a very large difference.
膜蒸留用膜に疎水性ポリマーを付着させるには、疎水性ポリマーを適当な溶媒に溶解した塗工液を膜に塗布し、乾燥する方法によることができる。所望の疎水性ポリマー分布を得るには、塗屋部位、塗工液の溶媒の揮発性(沸点)、塗工液中の疎水性ポリマーの濃度、および塗工後の乾燥条件を、適宜に調整する、等の方法によることができる。例えば、塗工を浸漬法によって行う場合には、塗工液中の溶媒の揮発性が低く(沸点が高く)、塗工後の乾燥条件が緩やかなほど、乾燥工程の間に疎水性ポリマーを含んだ塗工液が膜表面方向に移動することができ、したがって、膜の厚さ方向に分布を発生させることができる。 Hydrophobic polymers can be attached to membrane distillation membranes by applying a coating solution in which the hydrophobic polymer is dissolved in a suitable solvent to the membrane and drying it. The desired hydrophobic polymer distribution can be achieved by appropriately adjusting the coating location, the volatility (boiling point) of the coating solution solvent, the concentration of the hydrophobic polymer in the coating solution, and the drying conditions after coating. For example, when coating is performed by the immersion method, the lower the volatility (higher the boiling point) of the solvent in the coating solution and the milder the drying conditions after coating, the more easily the coating solution containing the hydrophobic polymer can migrate toward the membrane surface during the drying process, thereby generating a distribution along the membrane thickness.
疎水性ポリマーが、膜蒸留用膜の片面の表層から、反対面の表層に向かって減少して行く分布で付着している場合には、疎水性ポリマーの付着量が少ない側の面が、親水化処理されていてもよい。
疎水性ポリマーの付着量が少ない側の面は、疎水性が低く、親水性の高い溶媒との親和性が高いのに対して、疎水性ポリマーが多く付着している側の面は、疎水性が高く、親水性の高い溶媒との親和性が低い。このことを利用して、疎水性ポリマーの付着量が少ない側の面のみを、親水性の高い溶媒で濡れた状態とし、親水化することができる。
例えば、疎水性ポリマーの付着量が、膜蒸留用膜の片面の表層から、反対面の表層に向かって減少して行く分布の膜を、例えば、エタノール等に浸漬させると、図12に示したように、疎水性ポリマーの付着量が少ない部分のみ、エタノールに濡れた状態になる。この状態の膜蒸留用膜を用いて膜蒸留法による濃縮を行うと、蒸気が通過する膜の厚さ方向の距離が、実質的に短くなるため、時間当たりの蒸気通過量を増やすことができる。
このような親水化処理がされた膜蒸留用膜を使用する場合には、親水化処理された側の面を冷却水と接触させ、かつ、疎水性ポリマーの付着量が多い反対面の側を原料液に接触させることが好ましい。
When the hydrophobic polymer is attached in a distribution that decreases from the surface layer on one side of the membrane distillation membrane to the surface layer on the opposite side, the surface on which the amount of attached hydrophobic polymer is less may be subjected to a hydrophilization treatment.
The surface on which the hydrophobic polymer is less adhered has low hydrophobicity and high affinity with highly hydrophilic solvents, whereas the surface on which the hydrophobic polymer is more adhered has high hydrophobicity and low affinity with highly hydrophilic solvents. Utilizing this, only the surface on which the hydrophobic polymer is less adhered can be wetted with a highly hydrophilic solvent to be hydrophilized.
For example, when a membrane for membrane distillation in which the amount of attached hydrophobic polymer decreases from the surface layer on one side to the surface layer on the other side is immersed in, for example, ethanol, only the portion with a small amount of attached hydrophobic polymer becomes wet with ethanol, as shown in Figure 12. When a membrane for membrane distillation in this state is used for concentration by membrane distillation, the distance through which vapor passes in the thickness direction of the membrane is substantially shortened, and the amount of vapor passing per unit time can be increased.
When using such a hydrophilically treated membrane for membrane distillation, it is preferable to bring the hydrophilically treated side into contact with cooling water and the opposite side, on which a larger amount of hydrophobic polymer is attached, into contact with the raw material liquid.
疎水性ポリマーの付着工程に用いる疎水性ポリマー溶液中の疎水性ポリマー濃度は、ある一定の範囲内であることが好ましい。具体的には、ポリマー濃度が0.2~5.0質量%であることが好ましく、0.4~4.0質量%であることがより好ましく、0.6~3.0質量%であることがさらに好ましい。
ポリマー濃度が0.2質量%以上であると、ポリマーが膜内で分配された後でもポリマーが不足することがなく、ポリマーが付着していない部分が生じずに膜の疎水化を十分に行える。また、ポリマー濃度が5.0質量%以下であると、膜の空隙部分がポリマーで埋まることがなく、乾燥後の膜の空隙率を維持して、蒸気透過速度の低下を回避することができる。
The concentration of the hydrophobic polymer in the hydrophobic polymer solution used in the hydrophobic polymer deposition step is preferably within a certain range. Specifically, the polymer concentration is preferably 0.2 to 5.0 mass %, more preferably 0.4 to 4.0 mass %, and even more preferably 0.6 to 3.0 mass %.
When the polymer concentration is 0.2% by mass or more, the polymer is not insufficient even after being distributed in the membrane, and the polymer does not adhere to any part, so that the membrane can be sufficiently hydrophobized.In addition, when the polymer concentration is 5.0% by mass or less, the void part of the membrane is not filled with the polymer, so that the porosity of the membrane after drying can be maintained, and the vapor transmission rate can be prevented from decreasing.
膜蒸留用膜の疎水性は、一般的に水の液体侵入圧を測定することにより、求めることが出来る。ただし、有機溶媒、界面活性剤等を含む原料液を扱う際、膜蒸留用膜には有機溶媒を含有する溶液に対する高い疎水性が求められる。具体的には、20重量パーセント濃度のエタノール水溶液に対する液体侵入圧が、0.1MPa以上0.5MPa以下であることが好ましく、より好ましくは0.2MPa以上0.4MPa以下である。この液体侵入圧が高いと、有機溶媒を含む原料液を扱っても膜が濡れにくい。一方、高い液体侵入圧を実現するためには、膜の最大孔径を小さくする必要があるため、高すぎる液体侵入圧の実現には空隙率の低い膜を用いる必要がある。したがって、一定の蒸気透過性を保持するためには、液体侵入圧は高すぎない方が好ましい。 The hydrophobicity of membrane distillation membranes can generally be determined by measuring the liquid entry pressure of water. However, when handling raw materials containing organic solvents, surfactants, etc., membrane distillation membranes are required to have high hydrophobicity against solutions containing organic solvents. Specifically, the liquid entry pressure against a 20 weight percent aqueous ethanol solution is preferably 0.1 MPa to 0.5 MPa, and more preferably 0.2 MPa to 0.4 MPa. If this liquid entry pressure is high, the membrane will not easily wet even when handling raw materials containing organic solvents. On the other hand, achieving a high liquid entry pressure requires a small maximum pore size of the membrane; therefore, achieving a liquid entry pressure that is too high requires the use of a membrane with a low porosity. Therefore, to maintain a certain level of vapor permeability, it is preferable that the liquid entry pressure not be too high.
[膜蒸留用膜の形状およびサイズ]
膜蒸留用膜の形状は、例えば、平膜、中空糸膜、チューブ型等、いかなる形状の膜でも構わない。膜モジュールの形状は平膜を用いた場合、スパイラル型、プリーツ型、積層型等を選ぶことができる。膜蒸留用膜が平膜状である場合、原料液と冷却液とが混合されず、流路が確保されるよう、膜は袋状にシールされ、適宜スペーサー等を挿入する。
本発明の膜蒸留用膜の厚さは、蒸気透過性と膜の機械的強度との両立の観点から、10μm以上1,000μm以下であることが好ましく、20μm以上500μm以下であることがより好ましい。膜厚が1,000μm以下であれば、高い蒸気透過性を得ることができ、他方、膜厚が10μm以上であれば、膜が変形することなく使用することができる。
膜蒸留用膜が中空糸膜の場合、外径は、300μm以上5,000μm以下、好ましくは350μm以上4,000μm以下であり、中空糸膜の内径は、例えば、200μm以上4,000μm以下、好ましくは250μm以上3,000μm以下である。
[Shape and size of membrane for membrane distillation]
The membrane for membrane distillation may have any shape, such as a flat membrane, a hollow fiber membrane, a tubular membrane, etc. When a flat membrane is used, the shape of the membrane module can be selected from spiral, pleated, laminated, etc. When the membrane for membrane distillation is flat, the membrane is sealed in a bag shape and a spacer or the like is inserted as appropriate so that the raw material liquid and the cooling liquid do not mix and a flow path is secured.
From the viewpoint of achieving both vapor permeability and mechanical strength of the membrane, the thickness of the membrane for membrane distillation of the present invention is preferably 10 μm to 1,000 μm, more preferably 20 μm to 500 μm. If the membrane thickness is 1,000 μm or less, high vapor permeability can be obtained, while if the membrane thickness is 10 μm or more, the membrane can be used without deformation.
When the membrane for membrane distillation is a hollow fiber membrane, the outer diameter is 300 μm or more and 5,000 μm or less, preferably 350 μm or more and 4,000 μm or less, and the inner diameter of the hollow fiber membrane is, for example, 200 μm or more and 4,000 μm or less, preferably 250 μm or more and 3,000 μm or less.
〈膜蒸留モジュール〉
本発明では、膜蒸留用膜が中空糸状である場合には、中空糸状の膜蒸留用膜を複数束ねた膜束を、適当なモジュール内に充填した膜蒸留用膜モジュールの形態で使用してもよい。
モジュールの形状は、円筒型、多角柱型、その他の多面体型型等であってよく、形状の制限はない。
好ましくは、円筒型または多角柱型のハウジングに、中空糸の長手方向がハウジングの軸方向と一致するように、中空糸膜束を収納し、該中空糸束の両端が、適当な接着樹脂にてハウジング内に固定された構造であってよい。この場合、接着樹脂による中空糸束の固定を液密に行い、中空糸膜の内外の流路が混合されないようにすることが好ましい。
<Membrane distillation module>
In the present invention, when the membrane distillation membrane is in the form of a hollow fiber, the membrane may be used in the form of a membrane distillation membrane module in which a membrane bundle formed by bundling a plurality of hollow fiber membrane distillation membranes is packed in an appropriate module.
The shape of the module may be a cylinder, a polygonal prism, or other polyhedron, and there is no limitation on the shape.
Preferably, the hollow fiber membrane bundle is housed in a cylindrical or polygonal prism-shaped housing so that the longitudinal direction of the hollow fibers coincides with the axial direction of the housing, and both ends of the hollow fiber bundle are fixed to the inside of the housing with an appropriate adhesive resin. In this case, it is preferable that the hollow fiber bundle is fixed with the adhesive resin in a liquid-tight manner so that the flow paths inside and outside the hollow fiber membranes do not mix.
接着樹脂には、機械的強度が強く、かつ100℃での耐熱性を有することが望まれる。接着樹脂としては、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂、熱硬化性のウレタン樹脂等が挙げられる。耐熱性の観点ではエポキシ樹脂が好ましい。ハンドリング性の観点ではウレタン樹脂が好ましい。
接着固定の方法は、膜蒸留用膜モジュール作製に関する公知の接着方法にしたがえばよい。
ハウジングの構成は、原料液および冷却水に含まれる溶質および溶媒により、諸性能が劣化しない耐薬品性を主として、耐圧性、耐熱性、耐衝撃性、耐候性等の観点から選定される。例えば、樹脂、金属等が使用できる。上記の観点からは、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ABS樹脂、繊維強化プラスチック、塩化ビニル樹脂等の合成樹脂、およびステンレス、真鍮、チタン等の金属から選択されることが好ましい。
The adhesive resin is desired to have high mechanical strength and heat resistance at 100°C. Examples of adhesive resins include thermosetting epoxy resins and thermosetting urethane resins. From the viewpoint of heat resistance, epoxy resins are preferred. From the viewpoint of handling, urethane resins are preferred.
The adhesive fixing method may be any known adhesive method related to the production of membrane modules for membrane distillation.
The construction of the housing is selected primarily from the viewpoint of chemical resistance, which is necessary to prevent performance degradation due to solutes and solvents contained in the raw material liquid and cooling water, as well as pressure resistance, heat resistance, impact resistance, weather resistance, etc. For example, resin, metal, etc. can be used. From the above viewpoints, it is preferable to select the material from synthetic resins such as polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, ABS resin, fiber-reinforced plastic, and polyvinyl chloride resin, and metals such as stainless steel, brass, and titanium.
〈原料液濃縮システムの性能予測〉
本発明の原料液濃縮システムでは、
原料液に含まれるすべての溶媒の蒸気圧、および冷却水に含まれるすべての溶媒の蒸気圧を求め、
原料液中の各溶媒の蒸気圧から、冷却水中の当該溶媒の蒸気圧を引いた蒸気圧差から、当該溶媒が蒸気の状態で膜蒸留用膜を通過する速度を求めることができる。
ここで、当該溶媒の蒸気圧は、当該溶媒のモル濃度および温度から求めた蒸気分圧に、当該溶媒のモル濃度および温度から求めた活量係数を掛けることによって求められる。
<Performance prediction of raw material liquid concentration system>
In the raw material liquid concentration system of the present invention,
Calculate the vapor pressure of all solvents contained in the raw material liquid and the vapor pressure of all solvents contained in the cooling water,
The rate at which the solvent passes through the membrane distillation membrane in a vapor state can be calculated from the vapor pressure difference obtained by subtracting the vapor pressure of the solvent in the cooling water from the vapor pressure of the solvent in the raw material liquid.
Here, the vapor pressure of the solvent is determined by multiplying the vapor partial pressure determined from the molar concentration and temperature of the solvent by the activity coefficient determined from the molar concentration and temperature of the solvent.
膜蒸留における、原料液から冷却水への蒸気透過速度(フラックス)は、下記数式(1)により求めることが出来る。
ラウールの法則およびドルトンの法則によると、理想状態の混合溶媒における各溶媒(成分i)の蒸気分圧Piは、下記数式(2)および(3)で表すことが出来る。
According to Raoult's law and Dalton's law, the vapor partial pressure Pi of each solvent (component i) in an ideal mixed solvent can be expressed by the following formulas (2) and (3).
ただし、多くの場合、混合溶媒中の成分は理想状態ではない。例えば、混合溶媒中に共沸する成分がある場合のPiは、下記数式(4)のように、活量係数γiを乗じた値となる。
前記混合溶媒が、共沸する2成分iとjの混合溶媒である場合、それぞれの活量係数γiおよびγjは、例えばWilsonの法則を用いて下記数式(6)および(7)で求めることが出来る。
ΛijおよびΛjiは、それぞれ、Wilsonパラメータと呼ばれ、下記数式(8)で求めることが出来る。
前記P0
iは、下記数式(9)で示されるAntone式によって求めることが出来る。
上記のように、原料液及び冷却水の組成及び温度から、原料液中の各成分のフラックスを求めることが出来る。各成分のフラックスが分かれば、原料液濃縮における溶媒組成、濃縮速度等の、濃縮システムの性能を予測することが可能になる。
すなわち、原料液濃縮システムの構成及び膜蒸留の温度が決まれば、特定の溶媒について、原料液中の当該溶媒の蒸気圧から、冷却水中の当該溶媒の蒸気圧を引いた蒸気圧差から、当該溶媒が蒸気の状態で膜蒸留用膜を通過する速度が分かる。
この情報を用いて、例えば、濃縮後の溶媒組成を予測することができる。原料液に含まれる有価物にとって、濃縮後の溶媒組成が好ましくない場合(析出、変質等が予測される場合)には、例えば、冷却水組成の変更、膜蒸留温度の変更、濃縮物の溶媒組成を調節しながらの膜蒸留実施、等の措置により原料液中の有価物の損失を最小限にしながら、効率的な原料液濃縮が可能となる。
また、上記の情報から、所定の濃縮倍率に至るまでの時間を知ることができる。したがって、例えば、冷却水組成の変更、膜蒸留温度等を変更して、この時間を比較することにより、最短の時間で所定の倍率の濃縮液を得るための、原料液濃縮システムの最適化が可能になる。
As described above, the flux of each component in the raw material liquid can be calculated from the composition and temperature of the raw material liquid and the cooling water. Knowing the flux of each component makes it possible to predict the performance of the concentration system, such as the solvent composition and concentration rate during raw material liquid concentration.
In other words, once the configuration of the raw liquid concentration system and the temperature of membrane distillation are determined, the speed at which a particular solvent passes through the membrane distillation membrane in vapor form can be determined from the vapor pressure difference obtained by subtracting the vapor pressure of the solvent in the cooling water from the vapor pressure of the solvent in the raw liquid.
This information can be used to predict, for example, the solvent composition after concentration. If the solvent composition after concentration is unfavorable for the valuable materials contained in the raw material liquid (if precipitation, deterioration, etc. is predicted), measures such as changing the cooling water composition, changing the membrane distillation temperature, or performing membrane distillation while adjusting the solvent composition of the concentrate can be taken to minimize loss of the valuable materials in the raw material liquid and enable efficient concentration of the raw material liquid.
Furthermore, the time required to reach a predetermined concentration ratio can be determined from the above information. Therefore, by comparing the time required to achieve a desired concentration ratio by changing, for example, the cooling water composition or the membrane distillation temperature, it is possible to optimize the raw material liquid concentration system to obtain a concentrated solution of the desired concentration ratio in the shortest time.
〈本発明の原料液濃縮システムの成分維持性〉
上記のような本発明の原料液濃縮システムによると、原料液に含有される溶質の組成が実質的に維持された高濃度の濃縮物を効率的に得ることができる。
したがって、本発明の原料液濃縮システムは、例えば、医薬品、化学品等の製造プロセスにおいて使用するのに好適である。
得られた濃縮物中の溶質の分析は、原料液およびその濃縮物に含まれる成分の種類に応じて適宜に選択されてよい。例えば、ICP-MS(誘導結合高周波プラズマ質量分析)、核磁気共鳴分光(NMR)法、ガスクロマトグラフィー質量分析(GC/MS)法、比色法、蛍光法、高速液体クロマトグラフ(HPLC)等の各種の公知の分析方法によって分析することができる。
<Component retention of the raw material liquid concentration system of the present invention>
According to the above-described system for concentrating a raw material liquid of the present invention, a highly concentrated product can be efficiently obtained in which the composition of the solutes contained in the raw material liquid is substantially maintained.
Therefore, the raw material liquid concentrating system of the present invention is suitable for use in, for example, manufacturing processes for pharmaceuticals, chemicals, and the like.
The method for analyzing the solutes in the obtained concentrate may be appropriately selected depending on the types of components contained in the raw material liquid and the concentrate, and may be any of various known analytical methods, such as inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), colorimetry, fluorometry, and high performance liquid chromatography (HPLC).
<本発明の濃縮装置>
本発明の濃縮装置は、上記のような本発明の膜蒸留用膜を含む。
したがって、本発明の濃縮装置は、
膜蒸留用膜を具備し、膜蒸留法によって原料液の濃縮を行うための濃縮装置であって、
膜蒸留用膜として、膜表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である膜を用いる、
濃縮装置である。
上記の膜蒸留用膜の少なくとも一部に疎水性ポリマーを付着していてもよいし、疎水性ポリマーの付着量につき、膜蒸留用膜の厚さ方向に分布があり、膜蒸留用膜の少なくとも片面の表層における付着量が、内部の付着量よりも多くてもよい。
本発明の濃縮装置におけるその他の態様は、本発明の濃縮システムについての説明を参照してよい。
<Concentration device of the present invention>
The concentrating device of the present invention includes the membrane for membrane distillation of the present invention as described above.
Therefore, the concentrating device of the present invention:
A concentrating apparatus equipped with a membrane distillation membrane and for concentrating a raw material liquid by a membrane distillation method,
As the membrane for membrane distillation, a membrane having a water contact angle of 90° or more on the membrane surface, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used.
It is a concentration device.
A hydrophobic polymer may be attached to at least a portion of the membrane distillation membrane, or the amount of hydrophobic polymer attached may be distributed in the thickness direction of the membrane distillation membrane, and the amount attached on the surface layer of at least one side of the membrane distillation membrane may be greater than the amount attached inside.
For other aspects of the concentrating device of the present invention, please refer to the description of the concentrating system of the present invention.
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等についてさらに説明するが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。 The following provides further explanation of examples that specifically demonstrate the configuration and effects of the present invention, but the present invention is not limited to these examples in any way.
《中空糸状の膜蒸留用膜の諸物性》
本実施例では、以下に記載する各種の測定方法で、中空糸状膜蒸留用膜の諸物性を求めた。
<Physical properties of hollow fiber membranes for membrane distillation>
In this example, various physical properties of the hollow fiber membrane for membrane distillation were determined by the various measurement methods described below.
[中空糸膜外側表面の水接触角]
中空糸状膜蒸留用膜の水接触角を、JIS R 3257準拠の液滴法によって測定した。
23℃の温度および50%の相対湿度の条件下で、中空糸膜試料の外側表面に、2μLの純水の液滴を滴下し、液滴と中空糸膜の外側表面とが形成する角度を画像解析により算出して接触角を求めた。測定は5回行い、数平均値を水接触角として採用した。
[Water contact angle on the outer surface of the hollow fiber membrane]
The water contact angle of the hollow fiber membrane for membrane distillation was measured by the sessile drop method in accordance with JIS R 3257.
A 2 μL droplet of pure water was dropped onto the outer surface of the hollow fiber membrane sample at 23° C. and 50% relative humidity, and the contact angle was calculated by image analysis to determine the angle between the droplet and the outer surface of the hollow fiber membrane. The measurement was performed five times, and the number average value was used as the water contact angle.
[中空糸膜の外径、内径、および膜厚]
中空糸状膜蒸留用膜の外径および内径は、顕微鏡観察により求めた。具体的には、中空糸膜を、長手方向に垂直な方向にカミソリ等で薄く切って、断面の顕微鏡像を得て、該断面の外径および内径をそれぞれ測定して求めた。中空糸膜の膜厚は、下記数式(10)により算出した:
The outer diameter and inner diameter of the hollow fiber membrane distillation membrane were determined by microscopic observation. Specifically, the hollow fiber membrane was thinly sliced in a direction perpendicular to the longitudinal direction with a razor or the like, a microscopic image of the cross section was obtained, and the outer diameter and inner diameter of the cross section were measured. The membrane thickness of the hollow fiber membrane was calculated using the following formula (10):
[中空糸膜の平均孔径]
中空糸状膜蒸留用膜の平均孔径は、ASTM:F316-86に記載されている平均孔径の測定方法(別称:ハーフドライ法)により測定した。
約10cm長の中空糸膜に対し、液体としてエタノールを用いて、25℃、昇圧速度0.01atm/秒での標準測定条件で行った。
平均孔径は、下記数式(11)により求めた:
平均孔径[μm]=2,860×(s[dyne/cm])/(p[Pa]) (11)
{上記数式中、sは使用液体の表面張力であり、pはハーフドライ空気圧力である。}
ここで、使用液体エタノールの25℃における表面張力sの値は21.97dyne/cmであるので、2,860×s=62,834として数式(11)を変形して下記数式(12)とし、この数式(12)に、ハーフドライ空気圧力pの値を代入して、中空糸膜の平均孔径を求めた。
平均孔径[μm]=62,834/(p[Pa]) ・・・(12)
[Average pore diameter of hollow fiber membrane]
The average pore diameter of the hollow fiber membrane for membrane distillation was measured by the method for measuring average pore diameter (also known as the half-dry method) described in ASTM: F316-86.
The measurement was carried out on a hollow fiber membrane approximately 10 cm long, using ethanol as the liquid, under standard measurement conditions of 25° C. and a pressure increase rate of 0.01 atm/sec.
The average pore diameter was calculated by the following formula (11):
Average pore diameter [μm] = 2,860 × (s [dyne/cm]) / (p [Pa]) (11)
{In the above formula, s is the surface tension of the liquid used, and p is the half-dry air pressure.}
Here, the surface tension s of the liquid ethanol used at 25°C was 21.97 dyne/cm, so 2,860 × s = 62,834 was used, and equation (11) was transformed to the following equation (12). The value of the half-dry air pressure p was substituted into equation (12) to determine the average pore diameter of the hollow fiber membrane.
Average pore diameter [μm] = 62,834/(p[Pa]) ... (12)
[中空糸膜の最大孔径]
中空糸状膜蒸留用膜の最大孔径は、浸漬液としてエタノールを用い、バブルポイント法を用いて測定した。
長さ8cmの中空糸膜の一方の末端を閉塞し、他方の末端に圧力計を介して窒素ガス供給ラインを接続した。この状態で窒素ガスを供給してライン内部を窒素に置換した後、中空糸膜をエタノール中に浸漬した。このとき、エタノールがライン内に逆流しないように、極僅かに窒素で加圧した状態で、中空糸膜を浸漬した。空糸膜をエタノール中に浸漬した状態で、窒素ガスの圧力をゆっくりと増加させ、中空糸膜から窒素ガスの泡が安定して出始めた圧力P(kg/cm2)を記録した。このPを、下記式(13):
d=C1γ/P (13)
{数式(13)中、dは中空糸の最大孔径、C1は定数、γは浸漬液の表面張力、そしてPは圧力である。}に代入して、中空糸膜の最大孔径dを算出した。このとき、エタノールを浸漬液としたときのC1γの値を0.632(kg/cm)として、最大孔径d(μm)を求めた。
[Maximum pore diameter of hollow fiber membrane]
The maximum pore size of the hollow fiber membrane for membrane distillation was measured by the bubble point method using ethanol as the immersion liquid.
One end of an 8 cm long hollow fiber membrane was blocked, and the other end was connected to a nitrogen gas supply line via a pressure gauge. Nitrogen gas was supplied in this state to replace the inside of the line with nitrogen, and then the hollow fiber membrane was immersed in ethanol. At this time, the hollow fiber membrane was immersed in ethanol while being slightly pressurized with nitrogen to prevent ethanol from flowing back into the line. With the hollow fiber membrane immersed in ethanol, the nitrogen gas pressure was slowly increased, and the pressure P (kg/cm 2 ) at which nitrogen gas bubbles began to steadily emerge from the hollow fiber membrane was recorded. This P was calculated using the following formula (13):
d=C1γ/P (13)
{In equation (13), d is the maximum pore diameter of the hollow fiber, C1 is a constant, γ is the surface tension of the immersion liquid, and P is pressure.} The maximum pore diameter d of the hollow fiber membrane was calculated by substituting the above equation. In this case, the value of C1γ when ethanol was used as the immersion liquid was set to 0.632 (kg/cm), and the maximum pore diameter d (μm) was obtained.
[中空糸膜の空隙率]
中空糸状膜蒸留用膜の空隙率は、中空糸膜の質量と中空糸膜を構成する材料の密度(真密度)とから算出した。
すなわち、中空糸膜を一定長さに切り、その質量を測定し、下記数式(14):
また、中空糸膜内側5%および外側5%の空隙率は、中空糸膜断面の電子顕微鏡写真を画像解析処理ソフトで処理して求めた。画像解析ソフトとして、ImageJ(フリーソフト)を使用して処理を行った。とり込んだ画像の孔部分を黒、非孔部分を白となるように強調・フィルタ操作を実施した。その後、孔部をカウントした。孔内部に下層のポリマー鎖が見て取れる場合には、ポリマー鎖を孔部分とみなしてカウントした。表面開孔率は、下記数式(15)から算出した。
表面開孔率[%]=100×(各孔面積の総和)/(測定範囲の面積) (15)
(測定範囲の面積)は、(各孔面積の総和)+(各非孔部分面積の総和)である。また、測定範囲境界上の孔は除外しないで計算に含めた。
[Porosity of hollow fiber membrane]
The porosity of the hollow fiber membrane for membrane distillation was calculated from the mass of the hollow fiber membrane and the density (true density) of the material constituting the hollow fiber membrane.
That is, the hollow fiber membrane is cut to a certain length, its mass is measured, and the mass is calculated by the following formula (14):
The porosity of the inner 5% and outer 5% of the hollow fiber membrane was determined by processing an electron microscope photograph of the cross section of the hollow fiber membrane using image analysis software. ImageJ (free software) was used for image analysis. The captured image was enhanced and filtered so that the pores were black and the non-pores were white. The pores were then counted. When the underlying polymer chains were visible inside the pores, the polymer chains were considered to be pores and counted. The surface pore ratio was calculated using the following formula (15):
Surface porosity [%] = 100 × (total area of each pore) / (area of measurement range) (15)
The area of the measurement range is the sum of the areas of each hole plus the sum of the areas of each non-hole. Holes on the boundary of the measurement range were not excluded but were included in the calculation.
[疎水性ポリマーの付着量]
(1)IR、ATR法
中空糸状膜蒸留用膜における疎水性ポリマーの付着量の比較を、IRスペクトル解析、ATR法(全反射法,内部反射法)により、プリズムとしてZnSe結晶を用いて行った。
測定装置は、PerkinElmer社製 Spectrum Oneを用い、結晶の押し付け圧については、圧力コンターの値を約30として行った。そして、得られたIRスペクトルから、疎水性ポリマー由来のピーク強度と中空糸膜の構成材料由来のピーク強度との比を求めることで、膜表面に付着した疎水性ポリマー量を算出した。
中空糸膜試料は、モジュールから切り出した。中空糸膜の外側表面を分析するための試料には、中空糸膜を長手方向に垂直な断面で1cm間隔にて切断した試料を用い、内側表面を分析するための試料には、中空糸膜を長手方向に切断した試料を用いた。
実施例においては、中空糸膜の構成材料はポリフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)であり、疎水性ポリマーとして、側鎖にパーフルオロアルキル基を有するアクリレートポリマーを用いた。そのため、1,734cm-1のν(C=O)および1,180cm-1付近の(ν(C-F)+ν(C-O))のピーク強度比、ν(C=O)/(ν(C-F)+ν(C-O))の値を算出して、疎水性ポリマー付着量の指標とした。
このピーク強度比を、中空糸膜の部位ごとに測定し、最小値を1.0倍としたときに、1.2倍以上の値を示した部位は、疎水性ポリマーの付着量が多いと判断できる。
[Amount of Hydrophobic Polymer Attached]
(1) IR and ATR Methods Comparison of the amount of hydrophobic polymer attached to hollow fiber membranes for membrane distillation was carried out by IR spectrum analysis and ATR method (total reflection method, internal reflection method) using a ZnSe crystal as a prism.
The measurement device used was a Spectrum One manufactured by PerkinElmer, and the pressing pressure on the crystal was measured with a pressure contour value of approximately 30. From the obtained IR spectrum, the ratio of the peak intensity derived from the hydrophobic polymer to the peak intensity derived from the constituent material of the hollow fiber membrane was calculated to calculate the amount of hydrophobic polymer attached to the membrane surface.
The hollow fiber membrane samples were cut from the module. For the analysis of the outer surface of the hollow fiber membrane, the hollow fiber membrane was cut at 1 cm intervals in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, and for the analysis of the inner surface, the hollow fiber membrane was cut in the longitudinal direction.
In the examples, the hollow fiber membrane was made of polyvinylidene fluoride (PVDF) and the hydrophobic polymer was an acrylate polymer with a perfluoroalkyl group in the side chain. Therefore, the peak intensity ratio of v(C=O) at 1,734 cm -1 to (v(C-F) + v(C-O)) at around 1,180 cm- 1 , v(C=O)/(v(C-F) + v(C-O)), was calculated and used as an index of the amount of hydrophobic polymer attached.
This peak intensity ratio was measured for each site of the hollow fiber membrane, and when the minimum value was taken as 1.0, sites showing a value of 1.2 or more were judged to have a large amount of hydrophobic polymer attached.
(2)TOF-SIMS分析
中空糸状膜蒸留用膜における疎水性ポリマーの付着量の比較は、上記のIR、およびATR法の他、TOF-SIMSによる中空糸膜断面の観察によっても行った。
観察試料としては、中空糸膜を薄片状にスライスしたサンプルを用いた。
使用機器は、アルバック・ファイ社製、nano-TOFであり、一次イオンにBi3
++、加速電圧30kV、電流0.1nA(DCとして)、分析面積350 μm×350 μm、積算時間120 分、検出イオン負イオンとし、中和は電子銃で行った。中空糸膜構成材料および疎水性ポリマーそれぞれの素材につき、特徴的に強度が強いm/zによるマッピングを行い、得られた強度比を比較することで、各部部分における疎水性ポリマーの存在率を求めた。本条件においては積算時間としては30分で十分であるが、本実施例においては120分の積算時間で行った。
実施例においては、中空糸膜の構成材料はポリフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)であり、疎水性ポリマーとして、側鎖にパーフルオロアルキル基を有するアクリレートポリマーを用いた。そのため、PVDFの強度が特に強いm/z=67と、パーフルオロ化アクリレートポリマーの」強度が特に強いm/z=293とを採用し、これらの強度比を求めた。
ここでは、強度比が2倍以上であった場合に、疎水性ポリマーの存在率に有意差があると判断できる。
(2) TOF-SIMS Analysis The amount of hydrophobic polymer attached to the hollow fiber membrane for membrane distillation was compared by observing the cross section of the hollow fiber membrane by TOF-SIMS in addition to the above-mentioned IR and ATR methods.
As the observation sample, a sample obtained by slicing a hollow fiber membrane into thin pieces was used.
The equipment used was a nano-TOF manufactured by ULVAC-PHI, Inc., with Bi 3 ++ as the primary ion, an acceleration voltage of 30 kV, a current of 0.1 nA (as DC), an analysis area of 350 μm × 350 μm, an accumulation time of 120 minutes, and negative ions as the detected ions, and neutralization was performed with an electron gun. Mapping was performed using m/z values with characteristically strong intensities for each material of the hollow fiber membrane constituent material and the hydrophobic polymer, and the abundance ratio of the hydrophobic polymer in each part was determined by comparing the obtained intensity ratios. Under these conditions, an accumulation time of 30 minutes is sufficient, but in this example, an accumulation time of 120 minutes was used.
In the examples, the hollow fiber membrane was made of polyvinylidene fluoride (PVDF) and the hydrophobic polymer was an acrylate polymer having a perfluoroalkyl group in the side chain. Therefore, the intensity ratio of m/z=67, where the intensity of PVDF is particularly strong, and m/z=293, where the intensity of the perfluorinated acrylate polymer is particularly strong, was calculated.
Here, when the intensity ratio is two or more, it can be determined that there is a significant difference in the abundance rate of the hydrophobic polymer.
《実施例1》
(1)膜蒸留用中空糸膜の作製
実施例1では、膜蒸留用膜として中空糸状の多孔質膜を用い、疎水性ポリマーを付着させた後、原料液の膜蒸留による濃縮を行った。この膜蒸留用膜は、図1に示した構成の膜蒸留用膜モジュールに充填して使用した。中空糸状の多孔質膜は、下記の製法により製膜した。
平均一次粒径0.016μm、比表面積110m2/gの疎水性シリカ(日本アエロジル社製、AEROSIL-R972)23質量部と、DOP(フタル酸ジ-2-エチルヘキシルフタル酸ジオクチル)31質量部と、DBP(フタル酸ジブチル)6質量部とを、ヘンシェルミキサーで混合し、これに重量平均分子量が310,000のポリフッ化ビニリデン(SOLVAY社製、Solef(登録商標)6010)40質量部を添加し、再度ヘンシェルミキサーで混合した。この混合物を2軸混練押し出し機で混合した後、ペレット化した。
得られたペレットを2軸混練押し出し機で溶融混練し(240℃)、得られた溶融混錬物を、押し出し機先端のヘッド内の押し出し口に装着した中空糸成形用紡口の押し出し面にある溶融物押し出し用円環穴から押し出した。同時に、溶融混錬物押し出し用円環穴の内側にある中空部形成流体吐出用の円形穴から、中空部形成流体として窒素ガスを吐出させ、中空糸状押し出し物の中空部内に注入した。中空糸状押し出し物を空走距離20cmにて水浴(40℃)中に導入し、20m/分の速度で巻き取った。
得られた中空糸状物を塩化メチレン中に浸漬して、中空糸状物中のDOP及びDBPを抽出除去した後、乾燥させた。次いで、50質量%エチルアルコール水溶液中に浸漬した後、5質量%水酸化ナトリウム水溶液中に40℃にて1時間浸漬して、中空糸状物中のシリカを抽出除去した。その後、水洗し、乾燥してポリフッ化ビニリデン製多孔中空糸膜を得た。
Example 1
(1) Preparation of hollow fiber membrane for membrane distillation In Example 1, a hollow fiber porous membrane was used as the membrane distillation membrane, and after a hydrophobic polymer was attached, the raw material liquid was concentrated by membrane distillation. This membrane distillation membrane was packed into a membrane distillation membrane module having the configuration shown in Figure 1 and used. The hollow fiber porous membrane was produced by the following method.
23 parts by mass of hydrophobic silica (AEROSIL-R972, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) with an average primary particle size of 0.016 μm and a specific surface area of 110 m 2 /g, 31 parts by mass of DOP (di-2-ethylhexyl phthalate, dioctyl phthalate), and 6 parts by mass of DBP (dibutyl phthalate) were mixed in a Henschel mixer, to which 40 parts by mass of polyvinylidene fluoride (Solef (registered trademark) 6010, manufactured by SOLVAY) with a weight average molecular weight of 310,000 was added and mixed again in the Henschel mixer. This mixture was mixed in a twin-screw kneading extruder and then pelletized.
The resulting pellets were melt-kneaded (240°C) in a twin-screw extruder, and the resulting molten mixture was extruded through a circular hole for extruding the molten material on the extrusion surface of a hollow fiber spindle attached to the extrusion port in the head at the tip of the extruder. Simultaneously, nitrogen gas was discharged as a hollow-forming fluid from a circular hole for discharging the hollow-forming fluid inside the circular hole for extruding the molten mixture and injected into the hollow portion of the hollow fiber-shaped extrudate. The hollow fiber-shaped extrudate was introduced into a water bath (40°C) with an idle running distance of 20 cm and wound up at a speed of 20 m/min.
The obtained hollow fiber was immersed in methylene chloride to extract and remove DOP and DBP from the hollow fiber, and then dried. Next, it was immersed in a 50% by mass aqueous solution of ethyl alcohol, and then in a 5% by mass aqueous solution of sodium hydroxide at 40°C for 1 hour to extract and remove silica from the hollow fiber. It was then washed with water and dried to obtain a porous hollow fiber membrane made of polyvinylidene fluoride.
(2)膜蒸留用膜モジュールの作製
実施例1では、膜蒸留用膜として中空糸状の多孔質膜を用い、疎水性ポリマーを付着させない状態で、原料液の膜蒸留による濃縮を行った。この膜蒸留用膜は、図1に示した構成の膜蒸留用膜モジュールに充填して使用した。
膜蒸留用膜としては、上記製膜法により得られた内径(ID)0.68mm、外径(OD)1.25mm、厚み(Thickness)0.28mm、ASTM-F316-86に準拠して求めた平均孔径0.21μm、最大孔径0.29μm、および空隙率72%のPVDF製の多孔質中空糸膜を、長さ15cmに切出したものを使用した。
この多孔質中空糸膜の水接触角(Contact angle)を、上述の方法によって測定したところ、103°であった。
上記の膜蒸留用膜を複数本束ねて膜束とし、これをハウジング内に収納し、接着樹脂として熱硬化性のエポキシ樹脂を使用して、遠心接着により膜蒸留用膜の膜束を、ハウジング内に接着固定した。
以上の操作により、実効長さ(接着樹脂中に埋没していない部分の長さ)8cm、膜蒸留用膜の内表面の合計膜面積120cm2の、中空糸状の膜蒸留用膜束が収納された膜蒸留用膜モジュールを、3個作製した。
(2) Preparation of membrane distillation membrane module In Example 1, a hollow fiber porous membrane was used as the membrane distillation membrane, and the raw material liquid was concentrated by membrane distillation without any hydrophobic polymer attached. This membrane distillation membrane was packed into a membrane distillation membrane module having the configuration shown in Figure 1.
The membrane for membrane distillation was a porous hollow fiber membrane made of PVDF obtained by the above-mentioned membrane production method, having an inner diameter (ID) of 0.68 mm, an outer diameter (OD) of 1.25 mm, a thickness (Thickness) of 0.28 mm, an average pore size of 0.21 μm and a maximum pore size of 0.29 μm as determined in accordance with ASTM-F316-86, and a porosity of 72%, cut into a length of 15 cm.
The water contact angle of this porous hollow fiber membrane was measured by the above-mentioned method and was found to be 103°.
A plurality of the above membrane distillation membranes were bundled together to form a membrane bundle, which was then housed in a housing. The membrane bundle was then adhered and fixed to the housing by centrifugal adhesion using a thermosetting epoxy resin as the adhesive resin.
By the above operations, three membrane distillation membrane modules containing hollow fiber membrane distillation membrane bundles were produced, each having an effective length (the length of the portion not embedded in the adhesive resin) of 8 cm and a total membrane area of the inner surface of the membrane distillation membranes of 120 cm2.
(3)膜蒸留用モジュールの疎水化処理
上記操作で得られた膜蒸留用膜モジュールに対して、以下に示す疎水化処理を行った。
疎水性ポリマーとしては、フロロテクノロジー社製のフッ素樹脂系撥水剤「FS-392B」(ポリマー濃度0.15質量%)を用い、該撥水剤中の溶媒を留去して3倍に濃縮し、ポリマー濃度を0.45質量%に濃縮した後に使用した。
疎水化処理においては、シリンジを用いて上記撥水剤を膜モジュールの入り口から中空糸膜内側に注入した。膜全体が撥水剤で濡れ、中空糸膜内側に注入した撥水剤が中空糸膜外側に染み出るように注入を続けた後(図3参照)、余分な撥水剤を膜モジュールから除去した。その後、中空糸膜内側に25℃の乾燥空気を流して終夜乾燥させて、膜全体が疎水化処理された膜蒸留用膜モジュールを得た。
(3) Hydrophobization Treatment of Membrane Distillation Module The membrane distillation membrane module obtained by the above-described operation was subjected to the following hydrophobization treatment.
As the hydrophobic polymer, a fluororesin-based water repellent agent "FS-392B" (polymer concentration: 0.15% by mass) manufactured by FluoroTechnologies Corporation was used. The solvent in the water repellent agent was distilled off to concentrate the agent three times, and the polymer concentration was concentrated to 0.45% by mass before use.
In the hydrophobic treatment, the water repellent agent was injected into the inside of the hollow fiber membrane through the inlet of the membrane module using a syringe. The injection was continued until the entire membrane was wetted with the water repellent agent and the water repellent agent injected into the inside of the hollow fiber membrane seeped out to the outside of the hollow fiber membrane (see Figure 3). The excess water repellent agent was then removed from the membrane module. Dry air at 25°C was then circulated inside the hollow fiber membrane to dry it overnight, yielding a membrane distillation membrane module in which the entire membrane had been hydrophobized.
得られた膜蒸留用膜モジュールのうちの2本は、疎水化処理前および疎水化処理後に液体侵入圧を測定した後、解体して中空糸膜の物性の測定に供した。
液体侵入圧は、図4に示す装置を用いて測定した。まず、20質量%のエタノール水溶液500mLをタンクに入れ、加圧して膜蒸留用膜モジュールの中空糸内側をエタノール水溶液で満たした。続いて、膜蒸留用膜モジュールの中空糸膜外側をエタノール水溶液で満たした。その後、タンクに印加している圧力を、モジュールの中空糸膜外側の水位が上昇する(水溶液が膜を通過する)まで少しずつ上昇させた。モジュールの中空糸膜外側の水位が上昇し始めたときの加圧圧力を、液体侵入圧(LEP)とした。
疎水化処理前後の測定結果を、表3に示す。
The liquid entry pressure was measured using the apparatus shown in Figure 4. First, 500 mL of a 20% by mass aqueous ethanol solution was placed in a tank and pressurized to fill the inside of the hollow fibers of the membrane distillation membrane module with the aqueous ethanol solution. Next, the outside of the hollow fiber membrane of the membrane distillation membrane module was filled with the aqueous ethanol solution. Then, the pressure applied to the tank was gradually increased until the water level outside the hollow fiber membrane of the module rose (the aqueous solution passed through the membrane). The applied pressure when the water level outside the hollow fiber membrane of the module began to rise was defined as the liquid entry pressure (LEP).
The measurement results before and after the hydrophobic treatment are shown in Table 3.
膜蒸留用膜モジュールの残りの1本は、原料液の濃縮に用いた。 The remaining membrane distillation module was used to concentrate the raw material liquid.
疎水化処理後の中空糸膜の走査型電子顕微鏡(SEM)像を、図5に示す。
図5a)は中空糸膜断面の画像であり、画像の左上が中空糸外側、右下が内側である。図5b)は、図5a)の中空糸膜の内側表面近傍の拡大画像であり、図5c)は、図5(a)の中空糸膜の外側表面近傍の拡大画像である。図5d)は、中空糸膜内表面のSEM像であり、図5e)は、中空糸膜外表面のSEM像である。図5f)は、中空糸膜の断面全体を示すSEM像である。
A scanning electron microscope (SEM) image of the hollow fiber membrane after the hydrophobic treatment is shown in FIG.
Figure 5a) is an image of the cross section of a hollow fiber membrane, with the upper left of the image being the outside of the hollow fiber and the lower right being the inside. Figure 5b) is an enlarged image of the vicinity of the inner surface of the hollow fiber membrane in Figure 5a), and Figure 5c) is an enlarged image of the vicinity of the outer surface of the hollow fiber membrane in Figure 5a. Figure 5d) is an SEM image of the inner surface of the hollow fiber membrane, and Figure 5e) is an SEM image of the outer surface of the hollow fiber membrane. Figure 5f) is an SEM image showing the entire cross section of the hollow fiber membrane.
(2)膜蒸留の実施
上記で作製した膜蒸留用膜モジュールを用いて、図2に示す構成の膜蒸留装置を作製して、膜蒸留を行った。
有価物を含む原料液の模擬液として、以下の構成の溶液を用いた。
溶媒:水
溶質:NaCl 1,000ppm
液量:1,000g
NaClは、有価物の代替であるとともに、膜蒸留用膜がウェッティングした場合の確認手段として、原料液に添加された。
上記の原料液を、原料液貯留タンクに充填した。
原料液は、ポンプを用いて300ml/分の流量で、膜蒸留用膜モジュールの中空糸膜内側を通るように循環させた。このとき、原料液の温度は、膜蒸留用膜モジュールの入側において25℃に維持されるように、温度調節器を用いて調整した。
(2) Implementation of Membrane Distillation Using the membrane module for membrane distillation prepared above, a membrane distillation apparatus having the configuration shown in FIG. 2 was prepared, and membrane distillation was performed.
As a simulated liquid of a raw material liquid containing valuable materials, a solution having the following composition was used.
Solvent: Water Solute: NaCl 1,000 ppm
Liquid volume: 1,000g
NaCl was added to the feedstock solution as a substitute for a valuable substance and as a means of checking if the membrane for membrane distillation was wetting.
The above raw material liquid was filled into a raw material liquid storage tank.
The raw material liquid was circulated through the hollow fiber membranes of the membrane distillation module at a flow rate of 300 ml/min using a pump, and the temperature of the raw material liquid was adjusted using a temperature controller so that it was maintained at 25° C. at the inlet side of the membrane distillation module.
一方、冷却水1,000gを保持する冷却水貯留タンクを設け、ポンプを用いて300ml/分の流量で膜蒸留用膜モジュールの中空糸膜の外側に流した。このとき、冷却水の温度が、10℃に維持されるように、温度調節器を用いて調整した。また、膜蒸留用膜モジュールを出た冷却水の導電率を常時測定した。冷却水の導電率が500μS/cm以上に上昇した場合には、原料液に添加したNaClが冷却水に混入したことによると考えられる。したがって、この場合には、膜蒸留用膜がウェッティングしたものと判断した。冷却水は、図2に示すとおり、原料液と対向する方向でモジュール内に流入させた。 A cooling water storage tank holding 1,000 g of cooling water was installed, and a pump was used to flow the water at a flow rate of 300 ml/min around the outside of the hollow fiber membrane of the membrane distillation membrane module. The temperature of the cooling water was adjusted using a temperature controller to maintain it at 10°C. The conductivity of the cooling water leaving the membrane distillation membrane module was also constantly measured. If the conductivity of the cooling water rose to 500 μS/cm or higher, this was likely due to NaCl added to the feed solution being mixed into the cooling water. Therefore, in this case, it was determined that the membrane distillation membrane had become wet. The cooling water was allowed to flow into the module in a direction opposite to the feed solution, as shown in Figure 2.
膜蒸留用膜のフラックスJp(kg/m2・h)は、下記数式(15)を用いて求めた。
有価物の透過速度Js(g/m2・h)は、下記数式(16)を用いて求めた。
また、原料液における溶質の濃縮倍率F(倍)は、運転前後における原料液中の溶質濃度CfおよびCf0を用い、下記数式(17)により求めた。
The concentration factor F (times) of the solute in the raw liquid was calculated by the following formula (17) using the solute concentrations C f and C f0 in the raw liquid before and after the operation.
原料液における溶質の阻止率β(%)については、運転前後における原料液中の溶質重量mf(kg)およびmf0(kg)、原料液重量Wf(kg)およびWf0(kg)、ならびに原料液中の溶質濃度Cf(%)およびCf0(%)を用い、下記数式(18)により求めた。
2時間の運転における平均のフラックスは0.8(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.02倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。 The average flux during 2 hours of operation was 0.8 (kg/m 2 ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/m 2 ·h) or less, the concentration ratio was 1.02 times, and the NaCl rejection rate was 99.9% or more.
《実施例2》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を35℃としたこと以外は実施例1と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転における平均のフラックスは1.7(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.04倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Example 2
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 1, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module was 35°C.
The average flux during 2 hours of operation was 1.7 (kg/m 2 ·h), NaCl permeation was 0.01 (g/m 2 ·h) or less, the concentration ratio was 1.04 times, and the NaCl rejection rate was 99.9% or more.
《実施例3》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を45℃としたこと以外は実施例1と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転における平均のフラックスは3.1(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.08倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Example 3
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 1, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module was 45°C.
The average flux during 2 hours of operation was 3.1 (kg/m 2 ·h), NaCl permeation was 0.01 (g/m 2 ·h) or less, the concentration ratio was 1.08 times, and the NaCl rejection rate was 99.9% or more.
《実施例4》
原料液として15質量%のエタノール水溶液を用い、膜蒸留用膜モジュール(100)の入側における原料液温度を24℃としたこと以外は実施例1と同様の条件で膜蒸留を行った。
有機溶媒のフラックスは、有機溶媒の透過量Wos(kg)、運転前後における冷却水重量Wc(kg)およびWc0(kg)、ならびに冷却水中有機溶媒濃度Cos(%)およびCos0(%)を用い、下記数式(19)により求めた。
2時間の運転後、原料液中のエタノール濃度は12.9質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは1.6(kg/m2・h)、水のフラックスは0.6(kg/m2・h)、エタノールのフラックスは1.1(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.04倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、エタノールの活量係数は3.5であった。原料液と冷却水との蒸気圧差は、エタノールが1.7kPa、水が1.7kPaであった。
Example 4
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 1, except that a 15% by mass aqueous ethanol solution was used as the raw material liquid and the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module (100) was 24°C.
The flux of the organic solvent was calculated using the amount of permeated organic solvent Wos (kg), the weights of cooling water before and after operation Wc (kg) and Wc0 (kg), and the concentrations of the organic solvent in the cooling water Cos (%) and Cos0 (%), according to the following formula (19):
After 2 hours of operation, the ethanol concentration in the feed solution was 12.9% by mass. The average overall flux during the 2 hours of operation was 1.6 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.6 (kg/ m² ·h), the ethanol flux was 1.1 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was less than 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.04, and the NaCl rejection was more than 99.9%.
The activity coefficient of water obtained by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of ethanol was 3.5. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 1.7 kPa for ethanol and 1.7 kPa for water.
《実施例5》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を34℃としたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のエタノール濃度は12.2質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは3.2(kg/m2・h)、水のフラックスは1.6(kg/m2・h)、エタノールのフラックスは1.6(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.08倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、エタノールの活量係数は3.6であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、エタノールが3.1kPa、水が3.9kPaであった。
Example 5
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane module for membrane distillation was 34°C.
After 2 hours of operation, the ethanol concentration in the feed solution was 12.2% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 3.2 (kg/ m² ·h), the water flux was 1.6 (kg/ m² ·h), the ethanol flux was 1.6 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was less than 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.08, and the NaCl rejection was more than 99.9%.
The activity coefficient of water obtained by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of ethanol was 3.6. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 3.1 kPa for ethanol and 3.9 kPa for water.
《実施例6》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を45℃としたこと以外は実施例3と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のエタノール濃度は10.7質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは5.4(kg/m2・h)、水のフラックスは3.0(kg/m2・h)、エタノールのフラックスは2.4(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.15倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、エタノールの活量係数は3.6であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、エタノールが5.4kPa、水が7.9であった。
Example 6
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 3, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module was 45°C.
After 2 hours of operation, the ethanol concentration in the feed solution was 10.7% by mass. The average overall flux during the 2 hours of operation was 5.4 (kg/ m² ·h), the water flux was 3.0 (kg/ m² ·h), the ethanol flux was 2.4 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was less than 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.15, and the NaCl rejection was more than 99.9%.
The activity coefficient of water calculated by the Wilson equation was 1.0, and the activity coefficient of ethanol was 3.6. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 5.4 kPa for ethanol and 7.9 for water.
《実施例7》
原料液として15質量%のアセトニトリル水溶液を用いたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は10.4質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは2.8(kg/m2・h)、水のフラックスは0.6(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは2.2(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.07倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、アセトニトリルの活量係数は7.9であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、アセトニトリルが6.7kPa、水が1.7kPaであった。
Example 7
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that a 15% by mass aqueous solution of acetonitrile was used as the raw material liquid.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 10.4% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 2.8 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.6 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 2.2 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.07, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of acetonitrile was 7.9. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 6.7 kPa for acetonitrile and 1.7 kPa for water.
《実施例8》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を35℃としたこと以外は実施例7と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は9.0質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは4.5(kg/m2・h)、水のフラックスは1.6(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは2.9(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.12倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、アセトニトリルの活量係数は7.6であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、アセトニトリルが10.1kPa、水が4.0kPaであった。
Example 8
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 7, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module was 35°C.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 9.0% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 4.5 (kg/ m² ·h), the water flux was 1.6 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 2.9 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.12, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of acetonitrile was 7.6. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 10.1 kPa for acetonitrile and 4.0 kPa for water.
《実施例9》
膜蒸留用膜モジュールの入側における原料液温度を45℃としたこと以外は実施例8と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は8.3質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは6.5(kg/m2・h)、水のフラックスは3.1(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは3.3(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.18倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、アセトニトリルの活量係数は7.3であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、アセトニトリルが14.9kPa、水が7.9kPaであった。
Example 9
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 8, except that the temperature of the raw material liquid at the inlet side of the membrane distillation membrane module was 45°C.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 8.3% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 6.5 (kg/ m² ·h), the water flux was 3.1 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 3.3 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.18 times, and the NaCl rejection rate was 99.9% or more.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of acetonitrile was 7.3. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 14.9 kPa for acetonitrile and 7.9 kPa for water.
《実施例10》
原料液として30質量%のエタノール水溶液を用いたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のエタノール濃度は26.9質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは2.4(kg/m2・h)、水のフラックスは0.5(kg/m2・h)、エタノールのフラックスは1.9(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.06倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.0、エタノールの活量係数は2.6であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、エタノールが2.7kPa、水が1.5kPaであった。
Example 10
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that a 30% by mass aqueous ethanol solution was used as the raw material liquid.
After 2 hours of operation, the ethanol concentration in the feed solution was 26.9% by mass. The average overall flux during the 2 hours of operation was 2.4 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.5 (kg/ m² ·h), the ethanol flux was 1.9 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was less than 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.06, and the NaCl rejection was more than 99.9%.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.0, and the activity coefficient of ethanol was 2.6. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 2.7 kPa for ethanol and 1.5 kPa for water.
《実施例11》
原料液として50質量%のエタノール水溶液を用いたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のエタノール濃度は47.6質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは3.4(kg/m2・h)、水のフラックスは0.8(kg/m2・h)、エタノールのフラックスは2.6(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.09倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.2、エタノールの活量係数は1.8であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、エタノールが3.8kPa、水が1.3kPaであった。
Example 11
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that a 50% by mass aqueous ethanol solution was used as the raw material liquid.
After 2 hours of operation, the ethanol concentration in the feed solution was 47.6% by mass. The average overall flux during the 2 hours of operation was 3.4 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.8 (kg/ m² ·h), the ethanol flux was 2.6 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was less than 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.09, and the NaCl rejection was more than 99.9%.
The activity coefficient of water obtained by Wilson's equation was 1.2, and the activity coefficient of ethanol was 1.8. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 3.8 kPa for ethanol and 1.3 kPa for water.
《実施例12》
原料液として30質量%のアセトニトリル水溶液を用いたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は24.2質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは4.7(kg/m2・h)、水のフラックスは1.2(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは3.6(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.13倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.1、アセトニトリルの活量係数は4.5であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、アセトニトリルが8.1kPa、水が1.6kPaであった。
Example 12
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that a 30% by mass aqueous solution of acetonitrile was used as the raw material liquid.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 24.2% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 4.7 (kg/ m² ·h), the water flux was 1.2 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 3.6 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.13, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.1, and the activity coefficient of acetonitrile was 4.5. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 8.1 kPa for acetonitrile and 1.6 kPa for water.
《実施例13》
原料液として50質量%のアセトニトリル水溶液を用いたこと以外は実施例4と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は45.6質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは5.3(kg/m2・h)、水のフラックスは1.0(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは4.2(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.14倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Wilson方程式により求めた水の活量係数は1.3、アセトニトリルの活量係数は2.5であった。原料液と冷却水の蒸気圧差は、アセトニトリルが8.9kPa、水が1.6kPaであった。
Example 13
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 4, except that a 50% by mass aqueous solution of acetonitrile was used as the raw material liquid.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 45.6% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 5.3 (kg/ m² ·h), the water flux was 1.0 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 4.2 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.14, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
The activity coefficient of water calculated by Wilson's equation was 1.3, and the activity coefficient of acetonitrile was 2.5. The vapor pressure difference between the raw material liquid and the cooling water was 8.9 kPa for acetonitrile and 1.6 kPa for water.
《実施例14》
原料液中の溶質として、1000ppmのSodium Dodecyl sulfate(SDS)を用いた、溶媒として50質量%のアセトニトリル水溶液を用いたこと以外は実施例7と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は10.1質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは3.2(kg/m2・h)、水のフラックスは0.8(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは2.4(kg/m2・h)、SDSの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.08倍、およびSDSの阻止率は99.9%以上であった。
Example 14
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 7, except that 1000 ppm of sodium dodecyl sulfate (SDS) was used as the solute in the raw material liquid and a 50% by mass aqueous acetonitrile solution was used as the solvent.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 10.1% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 3.2 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.8 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 2.4 (kg/ m² ·h), the SDS permeation rate was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.08, and the SDS rejection rate was 99.9% or more.
《比較例1》
膜蒸留用中空糸膜として、疎水化処理後の中空糸膜内側の空隙率40%、中空糸膜外側の空隙率70%、中空糸膜全体の空隙率60%である中空糸膜を使用した以外は実施例7と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は14.1質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは0.57(kg/m2・h)、水のフラックスは0.12(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは0.44(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.01倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Comparative Example 1
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 7, except that a hollow fiber membrane for membrane distillation was used, which had a porosity of 40% on the inside of the hollow fiber membrane after hydrophobization treatment, a porosity of 70% on the outside of the hollow fiber membrane, and a porosity of 60% throughout the hollow fiber membrane.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 14.1% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 0.57 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.12 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 0.44 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h), the concentration ratio was 1.01, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
《比較例2》
膜蒸留用中空糸膜として、疎水化処理前の膜を使用した以外は実施例7と同様の条件で膜蒸留を行った。
運転開始10分後、膜のウェッティングが発生し、冷却水中の導電率が500μS/cm以上になったため、運転を終了した。
Comparative Example 2
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 7, except that a membrane before the hydrophobic treatment was used as the hollow fiber membrane for membrane distillation.
Ten minutes after the start of operation, membrane wetting occurred and the conductivity of the cooling water exceeded 500 μS/cm, so operation was terminated.
《比較例3》
膜蒸留用中空糸膜の疎水化処理として、疎水性ポリマー濃度5.5質量%の撥水剤を使用した以外は実施例7と同様の条件で膜蒸留を行った。
2時間の運転後、原料液中のアセトニトリル濃度は13.7質量%であった。2時間の運転における平均の全体フラックスは0.82(kg/m2・h)、水のフラックスは0.15(kg/m2・h)、アセトニトリルのフラックスは0.67(kg/m2・h)、NaClの透過は0.01(g/m2・h)以下、濃縮倍率1.02倍、およびNaClの阻止率は99.9%以上であった。
Comparative Example 3
Membrane distillation was carried out under the same conditions as in Example 7, except that a water repellent agent having a hydrophobic polymer concentration of 5.5% by mass was used for the hydrophobic treatment of the hollow fiber membrane for membrane distillation.
After 2 hours of operation, the acetonitrile concentration in the feed solution was 13.7% by mass. The average overall flux during the 2-hour operation was 0.82 (kg/ m² ·h), the water flux was 0.15 (kg/ m² ·h), the acetonitrile flux was 0.67 (kg/ m² ·h), the NaCl permeation was 0.01 (g/ m² ·h) or less, the concentration ratio was 1.02, and the NaCl rejection was 99.9% or more.
以上の結果を、表4~10にまとめた。
表中の略語は、それぞれ、以下の意味である。
〈中空糸膜構成材料〉
PVDF:ポリフッ化ビニリデン
〈疎水性ポリマー〉
FS-392B:フロロテクノロジー社製、フッ素樹脂系撥水剤「FS-392B」
〈溶媒(b)〉
AcCN:アセトニトリル
IPA:イソプロパノール
The abbreviations in the table have the following meanings:
<Hollow fiber membrane constituent materials>
PVDF: Polyvinylidene fluoride (hydrophobic polymer)
FS-392B: Fluoropolymer water repellent "FS-392B" manufactured by Fluoro Technology Co., Ltd.
<Solvent (b)>
AcCN: acetonitrile IPA: isopropanol
また、
実施例1~9の原料液の入り温度と、原料液のフラックス(全溶媒の合計フラックス)との関係を表すグラフを図6に;
エタノール、アセトニトリル、および水の、各温度における蒸気圧(計算値)を表すグラフを図7に;
実施例1~9の運転開始時における、原料液の入り温度と、エタノール、アセトニトリル、および水の蒸気圧差(計算値)表すグラフを図8に;
実施例4、7、および10から13における運転開始時の、原料液中の有機溶媒濃度と、原料液のフラックス(全溶媒の合計フラックス)との関係を表すグラフを図9に;
実施例4、7、および10~13における運転開始時の、原料液中の有機溶媒濃度と各溶媒のフラックスとの関係を表すグラフを図10に;
実施例4~13おける運転開始時の、各溶媒の蒸気圧差とフラックスとの関係を表すグラフを図13に;
それぞれ示す。
Also,
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the inlet temperature of the raw material liquid and the flux of the raw material liquid (total flux of all solvents) in Examples 1 to 9;
Figure 7 shows a graph showing the vapor pressure (calculated values) of ethanol, acetonitrile, and water at each temperature;
FIG. 8 is a graph showing the inlet temperature of the raw material liquid and the vapor pressure difference (calculated value) of ethanol, acetonitrile, and water at the start of operation in Examples 1 to 9;
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the organic solvent concentration in the feed solution and the flux of the feed solution (total flux of all solvents) at the start of operation in Examples 4, 7, and 10 to 13;
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the organic solvent concentration in the feed solution and the flux of each solvent at the start of operation in Examples 4, 7, and 10 to 13;
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the vapor pressure difference and the flux of each solvent at the start of operation in Examples 4 to 13;
Each is shown.
Claims (8)
前記膜蒸留用膜として、表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である多孔質膜を用い、
前記膜蒸留用膜は、少なくとも一部に疎水性ポリマーが付着している中空糸膜であり、
前記中空糸膜の膜断面方向における内側5%の空隙率は、外側5%の空隙率の1.0倍超3.0倍以下であり、
前記中空糸膜の前記中空糸膜の、濃度20重量パーセントのエタノール水溶液に対する液体侵入圧が0.1MPa以上0.5MPa以下である、
原料液濃縮システム。 A raw material liquid concentration system using a membrane distillation method in which a raw material liquid containing a solvent and a solute is contacted with cooling water via a membrane distillation membrane, and the solvent in the raw material liquid passes through the membrane distillation membrane in a vapor state and moves to the cooling water side,
As the membrane for membrane distillation, a porous membrane having a surface water contact angle of 90° or more, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used,
The membrane distillation membrane is a hollow fiber membrane having a hydrophobic polymer attached to at least a portion thereof,
the porosity of the inner 5% of the hollow fiber membrane in the cross-sectional direction of the membrane is more than 1.0 times and not more than 3.0 times the porosity of the outer 5% ;
The liquid penetration pressure of the hollow fiber membrane with respect to an aqueous ethanol solution having a concentration of 20 weight percent is 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less.
Raw material liquid concentration system.
前記フッ素原子含有基が、(パー)フルオロアルキル基、(パー)フルオロポリエーテル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基から選ばれる少なくとも1つである、
請求項1又は2に記載の原料液濃縮システム。 the hydrophobic polymer is a polymer having a fluorine atom-containing group in a side chain,
the fluorine atom-containing group is at least one selected from a (per)fluoroalkyl group, a (per)fluoropolyether group, an alkylsilyl group, and a fluorosilyl group;
The raw material liquid concentrating system according to claim 1 or 2 .
前記溶質が界面活性効果を有する化合物である、
請求項1~5のいずれか一項に記載の原料液濃縮システム。 The number average molecular weight of the solute is 100 to 50,000;
the solute is a compound having a surface active effect;
The raw material liquid concentrating system according to any one of claims 1 to 5 .
前記膜蒸留用膜として、膜表面の水接触角が90°以上であり、平均孔径が0.02μm以上0.5μm以下の範囲であり、かつ、空隙率が60%以上90%以下である膜を用い、
前記膜蒸留用膜は、少なくとも一部に疎水性ポリマーが付着している中空糸膜であり、
前記中空糸膜の膜断面方向における内側5%の空隙率は、外側5%の空隙率の1.0倍超3.0倍以下であり、
前記中空糸膜の前記中空糸膜の、濃度20重量パーセントのエタノール水溶液に対する液体侵入圧が0.1MPa以上0.5MPa以下である、
濃縮装置。 A concentrating apparatus equipped with a membrane distillation membrane and for concentrating a raw material liquid by a membrane distillation method,
As the membrane for membrane distillation, a membrane having a water contact angle of 90° or more on the membrane surface, an average pore size in the range of 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and a porosity of 60% or more and 90% or less is used ,
The membrane distillation membrane is a hollow fiber membrane having a hydrophobic polymer attached to at least a portion thereof,
the porosity of the inner 5% of the hollow fiber membrane in the cross-sectional direction of the membrane is more than 1.0 times and not more than 3.0 times the porosity of the outer 5%;
The liquid penetration pressure of the hollow fiber membrane with respect to an aqueous ethanol solution having a concentration of 20 weight percent is 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less.
Concentrator.
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