JP7807773B2 - Composite hollow fiber membrane and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、緻密層及び支持層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜と、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層とを有する複合中空糸膜及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a composite hollow fiber membrane having an aliphatic polyamide hollow fiber membrane with a dense layer and a support layer, and a separation function layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation, and a method for producing the same.
近年、持続可能な社会の構築、カーボンニュートラルの達成といった観点から、化学産業においても、より省エネルギーなプロセスが求められている。特に、蒸留プロセスは、化学産業全体で消費されるエネルギーに占める割合が高いことから、より省エネルギーなプロセスへの転換が求められており、省エネルギーなプロセスである膜分離プロセスへの転換が検討されている。In recent years, the chemical industry has been seeking more energy-efficient processes in order to build a sustainable society and achieve carbon neutrality. Distillation processes in particular account for a large proportion of the energy consumed by the entire chemical industry, so there is a need for a shift to more energy-efficient processes, and a shift to the energy-efficient membrane separation process is being considered.
膜分離プロセスは、浄水、海水淡水化分野や、水を溶媒とする各種工業製品の製造プロセスで利用されており、工業的に確立された技術となっている。膜分離プロセスに用いられる分離膜の素材としては、成形加工が比較的容易であり、安価な大量製造プロセスが確立しやすいこと、軽量・柔軟性があり取り扱いやすいことから、高分子素材からなる膜が主流となっている。Membrane separation processes are an industrially established technology used in the fields of water purification and seawater desalination, as well as in the manufacturing processes of various industrial products that use water as a solvent. Polymer membranes are the mainstream material for separation membranes used in membrane separation processes, as they are relatively easy to mold, an inexpensive mass-production process can be easily established, and they are lightweight, flexible, and easy to handle.
一方で、化学産業においては、有機溶媒が主に用いられているため、膜分離プロセスの導入のためには、分離膜素材が有機溶媒に対して十分な耐久性を有することが求められる。特に高沸点の非プロトン性極性溶媒は、化学合成における溶液反応に用いられる媒体、精製などに用いられる抽出媒体、その高い溶解性を活かした高分子材料などの溶剤、及び洗浄剤などの用途で近年高いニーズがあり、消費量が増加している。代表的な非プロトン性極性溶媒としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、炭酸プロピレン、及びテトラヒドロフランなどがあり、これらの溶剤に対する耐久性が分離膜に求められる。しかし、これらの溶剤は、従来より水処理分野で広く用いられているポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、及び酢酸セルロースなどの分離膜素材を溶解、浸食する特性を持っており、水処理用に開発されたこれらの分離膜を有機溶媒の膜分離プロセスに転用することは不可能である。また、ポリエチレン、四フッ化ポリエチレンなどの限られた高分子素材は、有機溶媒の膜分離プロセスに以前から用いられている。しかし、これらの高分子素材からなる分離膜は、精密ろ過膜(細孔径が0.1μm程度から数μm)として、デッドエンド濾過(全濾過)型の平膜として実用化されており、有機溶媒に溶解した高分子物質や低分子溶質を分離する目的では使用できず、回収したい溶質の濃縮に有効な操作法であるクロスフロー方式に適した中空糸膜としての実用化はなされていない。中空糸型の濾過モジュールは、流路設計が単純であり、平膜型の濾過モジュールで必要となるスペーサー部材やO-リング部材などの部品が不要であるなど、使用上及び製造上の利点が大きい。 In the chemical industry, organic solvents are widely used, and the introduction of membrane separation processes requires separation membrane materials to be sufficiently resistant to organic solvents. High-boiling-point aprotic polar solvents, in particular, have been in high demand in recent years for applications such as solvents for solution reactions in chemical synthesis, extraction media for purification, solvents for polymer materials utilizing their high solubility, and cleaning agents, and their consumption has been increasing. Representative aprotic polar solvents include dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, propylene carbonate, and tetrahydrofuran, and separation membranes are required to be resistant to these solvents. However, these solvents dissolve and corrode separation membrane materials such as polysulfone, polyvinylidene fluoride, and cellulose acetate, which have traditionally been widely used in water treatment. Therefore, these separation membranes developed for water treatment cannot be adapted for organic solvent membrane separation processes. Furthermore, limited polymer materials, such as polyethylene and polyethylene tetrafluoride, have long been used in organic solvent membrane separation processes. However, separation membranes made from these polymeric materials have been put to practical use as microfiltration membranes (with pore sizes ranging from about 0.1 μm to several μm) and as flat membranes of the dead-end filtration (total filtration) type, but cannot be used for the purpose of separating high molecular weight substances or low molecular weight solutes dissolved in organic solvents, and have not been put to practical use as hollow fiber membranes suitable for the cross-flow method, which is an effective operating method for concentrating the solutes to be recovered. Hollow fiber filtration modules have significant advantages in terms of use and manufacturing, such as a simple flow path design and the elimination of parts such as spacer members and O-ring members that are required in flat membrane filtration modules.
現状では蒸留により、非プロトン性極性溶媒を精製回収あるいは溶解している溶質との分離操作が行われている。しかし、代表的な非プロトン性極性溶媒は、沸点が150~200℃前後で比較的高温であり、酸化などの変性も受けやすいため、蒸留で溶質との分離精製を行うには、エネルギー消費のみならず、変性を抑える技術が必要となる。また、分離回収したい溶質が熱に弱い場合には、もとより蒸留法を適用できないなどの課題を有する。Currently, aprotic polar solvents are purified and recovered, or separated from dissolved solutes, by distillation. However, typical aprotic polar solvents have relatively high boiling points of around 150-200°C, and are susceptible to denaturation such as oxidation. Therefore, separating and purifying solutes by distillation requires not only energy consumption but also technology to suppress denaturation. Furthermore, if the solute to be separated and recovered is sensitive to heat, distillation cannot be applied in the first place, which presents a problem.
これら課題に対して、膜分離プロセスは、溶剤の蒸発などの相変化を行わないことから、省エネルギープロセスの構築が可能であり、溶剤の酸化及び熱変性の影響がなく、熱に弱い溶質を含有する溶液の分離にも有用である。また、低分子溶質(分子量200~1000程度)と溶媒(分子量100程度)との分離を効率的に実施することを可能とするナノろ過膜を提供することができれば、既存の精密ろ過膜に限定された用途から、分離対象が広がることが期待される。このような分離膜の分野は、OSN(organic solvent nanofiltration)と呼ばれる。 In response to these challenges, membrane separation processes do not involve phase changes such as solvent evaporation, making it possible to develop energy-saving processes. They are also unaffected by the oxidation or thermal denaturation of solvents, making them useful for separating solutions containing heat-sensitive solutes. Furthermore, if nanofiltration membranes could be provided that enable the efficient separation of low-molecular-weight solutes (molecular weights of approximately 200-1000) and solvents (molecular weights of approximately 100), it is expected that the range of separation targets would expand beyond the limited applications of existing microfiltration membranes. This type of separation membrane field is called OSN (organic solvent nanofiltration).
OSN膜は、近年開発が進められており、いくつかの試みや実用化が実施されている。材料特性的に耐溶剤性の高いセラミックなどの無機材料からなる膜を適用させることが一つの方策であるが、生産コストやスケールアップの点が普及を阻んでいる。一方、高分子素材の適用に関しては、代表的な方法として従来型の水処理膜を作製する際に用いられる非溶媒誘起層分離法(NIPS)によるプロセスで高分子膜を作製し、後処理にて架橋処理を行うことで高分子膜に有機溶媒耐性を付与し、高分子膜を有機溶媒に不溶化させる方法が検討されている。NIPS法は、前述の極性溶媒等に高分子を溶解させた製膜原液を用いる方法であり、高分子自体は耐溶剤性が低いため、後工程としての強固な架橋処理が必要となる。Development of OSN membranes has progressed in recent years, with several attempts and practical applications underway. One approach is to use membranes made from inorganic materials such as ceramics, which have high solvent resistance, but production costs and scale-up issues have hindered widespread adoption. Regarding the application of polymeric materials, a typical method is to produce polymer membranes using the non-solvent-induced phase separation (NIPS) process used to produce conventional water treatment membranes, followed by a post-processing crosslinking process to impart organic solvent resistance to the polymer membrane and render it insoluble in organic solvents. The NIPS method uses a membrane-forming solution in which a polymer is dissolved in the aforementioned polar solvent, but because the polymer itself has low solvent resistance, a robust post-processing crosslinking process is required.
例えば、非特許文献1では、NIPS法で作製されたポリイミド平膜を架橋処理することにより、耐溶剤性を付与したナノ濾過膜が提案されている。しかし、当該ナノ濾過膜は、非プロトン性極性溶媒に対して十分な耐性を有しているとはいえない。For example, Non-Patent Document 1 proposes a nanofiltration membrane that is solvent-resistant by crosslinking a polyimide flat membrane produced by the NIPS method. However, this nanofiltration membrane does not have sufficient resistance to aprotic polar solvents.
また、非特許文献2では、NIPS法で作製されたポリスルホン製中空糸膜を基材とし、前記中空糸膜の内表面に界面重合膜を形成した、水系での脱塩(海水淡水化)用逆浸透膜が提案されている。しかし、当該ポリスルホン製中空糸膜は、有機溶媒、特に非プロトン性極性溶媒に対する耐性は全くない。 Non-Patent Document 2 proposes a reverse osmosis membrane for desalination in aqueous systems (seawater desalination) that uses a polysulfone hollow fiber membrane fabricated by the NIPS method as a substrate and forms an interfacially polymerized membrane on the inner surface of the hollow fiber membrane. However, this polysulfone hollow fiber membrane has no resistance to organic solvents, particularly aprotic polar solvents.
また、OSN膜のような細孔径の極めて小さい膜の透過性の向上のためには、分離活性層をできるだけ薄くすることが必要である。NIPS法で製膜される非対称型の膜では、分離活性層は一般的に数μmと薄く、より高度な非対称化(表面緻密層の形成)で0.5μm程度まで薄くすることが可能であり、非対称構造膜化により透過性の優位な膜を形成できる。また、OSNのような10bar超の高圧運転を前提とするような膜では、溶媒中での機械的強度も重要となる。NIPS法で製膜される膜は、ほとんどの場合は非晶性高分子を用いた膜であるため、機械的強度は必ずしも高くなく、特に溶媒中のような、溶媒膨潤を受けるような場合は、弾性率の低下が起こる。従って、膜としての強度維持のためには、膜の強度維持を担う別の裏打ち担体の上に膜を形成する方法を採用せざるを得ない。前述のポリイミド膜についても同様であり、裏打ち担体としてはポリエステルやポリオレフィンの不織布が用いられている。Furthermore, to improve the permeability of membranes with extremely small pore sizes, such as OSN membranes, it is necessary to make the separation active layer as thin as possible. In asymmetric membranes fabricated using the NIPS method, the separation active layer is typically as thin as a few micrometers. With more advanced asymmetry (the formation of a dense surface layer), it is possible to thin it down to approximately 0.5 micrometers. This asymmetric structure allows for the formation of membranes with superior permeability. Furthermore, for membranes such as OSNs that are intended for high-pressure operation above 10 bar, mechanical strength in solvents is also important. Because most membranes fabricated using the NIPS method are made using amorphous polymers, their mechanical strength is not necessarily high. Especially when subjected to solvent swelling, such as in solvents, a decrease in elastic modulus occurs. Therefore, to maintain membrane strength, it is necessary to form the membrane on a separate backing carrier that maintains the membrane's strength. The same is true for the polyimide membranes mentioned above, where polyester or polyolefin nonwoven fabrics are used as backing carriers.
一方、OSN膜作製の別のアプローチとして、熱誘起相分離法(TIPS)と呼ばれる手法で、ナノ濾過膜を得ることが検討されている。TIPS法は、比較的新しい方法であり、高分子材料に対して低温では溶解しないが高温で溶解する溶媒を選択し、高温で溶解させた均一な高分子溶液を1相領域と2相領域の境界であるバイノダル(binodal)線以下の温度へ冷却させることにより相分離を誘起し、高分子の結晶化やガラス転移により構造を固定する方法である。TIPS法は、低温で溶解する溶媒がない高分子にも適用できることから耐溶剤性の高い結晶性の高分子に適用できること、また、スポンジ状の均質構造になる傾向があり高強度の分離膜が得られることから、耐圧性のOSN膜を得るために適した手法であり、特に中空糸型の自立膜の作製に好適な手法である。Meanwhile, another approach to fabricating OSN membranes, known as thermally induced phase separation (TIPS), is being investigated for obtaining nanofiltration membranes. The TIPS method is a relatively new technique that involves selecting a solvent that dissolves the polymer material at high temperatures but not at low temperatures. The resulting homogeneous polymer solution is then cooled to a temperature below the binodal line, which is the boundary between the one-phase and two-phase regions, inducing phase separation and solidifying the structure through polymer crystallization and glass transition. The TIPS method can be applied to polymers that do not dissolve in solvents at low temperatures, making it suitable for crystalline polymers with high solvent resistance. Furthermore, the TIPS method tends to form a homogeneous, sponge-like structure, resulting in high-strength separation membranes. Therefore, it is a suitable technique for obtaining pressure-resistant OSN membranes, particularly for fabricating hollow-fiber freestanding membranes.
例えば、特許文献1では、TIPS法で製造された、分画分子量が200~1000であり、メタノール透過量が0.03L/(m2・bar・h)以上である、ポリアミド樹脂を用いて形成されたナノ濾過中空糸膜が提案されている。 For example, Patent Document 1 proposes a nanofiltration hollow fiber membrane formed using a polyamide resin produced by the TIPS method, having a molecular weight cutoff of 200 to 1000 and a methanol permeation rate of 0.03 L/( m2 ·bar·h) or more.
また、特許文献2では、TIPS法を応用して製造された、少なくとも一方の面に緻密層が形成されており、前記緻密層の表面に一方向に伸びる筋状凹部を有する、限外濾過膜又はナノ濾過膜として用いられるポリアミド中空糸膜が提案されている。 Patent document 2 also proposes a polyamide hollow fiber membrane for use as an ultrafiltration membrane or nanofiltration membrane, manufactured using the TIPS method, having a dense layer formed on at least one side and striated depressions extending in one direction on the surface of the dense layer.
膜分離プロセスを蒸留プロセスの代替とするためには、有機溶媒の透液性能に優れ、かつ有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能に優れる分離膜が求められるが、前記透液性能と前記阻止性能は相反する性能であるため、前記透液性能と前記阻止性能を高いレベルで両立させることは非常に困難である。 In order to use membrane separation processes as an alternative to distillation processes, separation membranes are required that have excellent permeability to organic solvents and excellent blocking performance for solutes in organic solvent-based treated liquids. However, because these two properties are contradictory, it is extremely difficult to achieve high levels of both permeability and blocking performance.
前記特許文献1及び2のポリアミド中空糸膜は、クロスフロー濾過用に適した形状のものであり、各種有機溶媒に対して高い耐性を有するものであるが、有機溶媒中での機械的強度が十分ではないため運転時の圧力を高めて有機溶媒の透液量を増大させることは困難であり、また、有機溶媒系被処理液中の低分子溶質の阻止性能が満足できるものではなく、前記透液性能と前記阻止性能を高いレベルで両立させるという点で改善の余地があった。 The polyamide hollow fiber membranes in Patent Documents 1 and 2 are suitable for cross-flow filtration and have high resistance to various organic solvents. However, because their mechanical strength in organic solvents is insufficient, it is difficult to increase the operating pressure and thereby increase the amount of organic solvent that permeates. Furthermore, their ability to reject low-molecular-weight solutes in organic solvent-based treated liquids is unsatisfactory, leaving room for improvement in terms of achieving both high levels of permeability and rejection.
本発明は、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を高いレベルで両立させた複合中空糸膜及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a composite hollow fiber membrane and a method for manufacturing the same that achieves both high levels of organic solvent permeability and high levels of solute rejection in organic solvent-based treated liquids.
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、緻密層及び支持層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜の前記緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を設けることにより、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を高いレベルで両立できる複合中空糸膜が得られることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて更に検討を重ねることにより完成したものである。 The inventors conducted extensive research to solve the above-mentioned problems and discovered that by providing a separation function layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation on the surface of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer and a support layer, it is possible to obtain a composite hollow fiber membrane that achieves both high levels of organic solvent permeability and high levels of solute rejection in organic solvent-based treated liquids. The present invention was completed through further research based on this finding.
即ち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する。
項1. 緻密層及び支持層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜と、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層とを有し、前記分離機能層は、前記緻密層の表面に設けられており、下記条件で測定されるバースト圧が、2.25MPa以上である、複合中空糸膜。
<バースト圧>
複合中空糸膜を用いて作製したモジュールにN-メチル-2-ピロリドンを通液しながら10分間隔で0.25MPaずつ昇圧し、複合中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。
項2. 架橋樹脂は、架橋芳香族ポリアミド樹脂である、項1に記載の複合中空糸膜。
項3. 支持層は、空隙率が60~80%である、項1又は2に記載の複合中空糸膜。
項4. 緻密層は、厚みが0.1~5μmである、項1~3のいずれかに記載の複合中空糸膜。
項5. 緻密層は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔面側に有する、項1~4のいずれかに記載の複合中空糸膜。
項6. 脂肪族ポリアミド中空糸膜は、分画分子量が1万~30万である、項1~5のいずれかに記載の複合中空糸膜。
項7. 脂肪族ポリアミド中空糸膜は、下記条件で測定されるバースト圧が、2.1MPa以上である、項1~6のいずれかに記載の複合中空糸膜。
<バースト圧>
脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いて作製したモジュールに水圧をかけていき、脂肪族ポリアミド中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。
項8. 溶媒がN-メチル-2-ピロリドンであり、溶質がジフェニルスルホンである溶液を濾過した際のジフェニルスルホンの阻止率が30%以上である、項1~7のいずれかに記載の複合中空糸膜。
項9. 25℃におけるN-メチル-2-ピロリドンの透過量が6L/(m2・h)以上である、項1~8のいずれかに記載の複合中空糸膜。
項10. 項1~9のいずれかに記載の複合中空糸膜を使用して、有機溶媒と溶質を含む被処理液を濾過処理する、濾過方法。
項11. モジュールケースに、項1~9のいずれかに記載の複合中空糸膜が収容されてなる、中空糸膜モジュール。
項12. 下記第1工程~第4工程を含む、複合中空糸膜の製造方法:
150℃以上の沸点を有し且つ100℃未満の温度では脂肪族ポリアミド樹脂と相溶しない有機溶媒に、100℃以上の温度で脂肪族ポリアミド樹脂を20重量%以上の濃度で溶解させた製膜原液を調製する第1工程、
前記製膜原液を所定形状にて100℃以下の凝固浴中に押し出すことにより、脂肪族ポリアミド樹脂を膜状に凝固させる工程であって、当該工程において、所定形状にて押し出された前記製膜原液の少なくとも一方の表面に対して、前記製膜原液で使用した有機溶媒と相溶性を有し且つ脂肪族ポリアミド樹脂とは親和性が低い凝固液を接触させて、少なくとも一方の表面に緻密層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成する第2工程、
前記第2工程で形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜から製膜原液溶媒及び凝固液を除去する第3工程、及び
前記第3工程を行って得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の少なくとも一方の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を形成する第4工程。
That is, the present invention provides the following aspects.
Item 1. A composite hollow fiber membrane comprising an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer and a support layer, and a separation function layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation, the separation function layer being provided on the surface of the dense layer, and having a burst pressure of 2.25 MPa or more measured under the following conditions:
<Burst pressure>
While N-methyl-2-pyrrolidone is passed through a module prepared using a composite hollow fiber membrane, the pressure is increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals, and the pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane breaks is measured.
Item 2. The composite hollow fiber membrane according to Item 1, wherein the crosslinked resin is a crosslinked aromatic polyamide resin.
Item 3. The composite hollow fiber membrane according to Item 1 or 2, wherein the support layer has a porosity of 60 to 80%.
Item 4. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 3, wherein the dense layer has a thickness of 0.1 to 5 μm.
Item 5. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 4, wherein the dense layer is provided on the lumen surface side of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
Item 6. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 5, wherein the aliphatic polyamide hollow fiber membrane has a molecular weight cutoff of 10,000 to 300,000.
Item 7. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 6, wherein the aliphatic polyamide hollow fiber membrane has a burst pressure of 2.1 MPa or more as measured under the following conditions:
<Burst pressure>
A water pressure is applied to a module made using an aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and the pressure (MPa) is measured when the aliphatic polyamide hollow fiber membrane breaks.
Item 8. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 7, wherein when a solution containing N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent and diphenyl sulfone as a solute is filtered, the rejection rate of diphenyl sulfone is 30% or more.
Item 9. The composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 8, having an N-methyl-2-pyrrolidone permeation rate of 6 L/( m2 ·h) or more at 25°C.
Item 10. A filtration method, comprising filtering a liquid to be treated, which contains an organic solvent and a solute, using the composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 9.
Item 11. A hollow fiber membrane module comprising a module case and the composite hollow fiber membrane according to any one of Items 1 to 9 housed in the module case.
Item 12. A method for producing a composite hollow fiber membrane, comprising the following first to fourth steps:
a first step of preparing a film-forming solution by dissolving an aliphatic polyamide resin at a concentration of 20% by weight or more in an organic solvent having a boiling point of 150°C or more and being incompatible with the aliphatic polyamide resin at a temperature below 100°C, at a temperature of 100°C or more;
a second step in which the membrane-forming solution is extruded into a coagulation bath at 100°C or less in a predetermined shape to coagulate the aliphatic polyamide resin into a membrane, in which a coagulation liquid that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution but has low affinity for the aliphatic polyamide resin is brought into contact with at least one surface of the membrane-forming solution extruded into the predetermined shape, thereby forming an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer on at least one surface;
a third step of removing the membrane-forming solution solvent and the coagulation solution from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane formed in the second step; and a fourth step of forming a separation functional layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation on the surface of at least one of the dense layers of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane obtained by performing the third step.
本発明の複合中空糸膜は、有機溶媒中での機械的強度が高いため(有機溶媒中での耐圧試験におけるバースト圧が高いため)、運転時の圧力を高めて有機溶媒の透液量を増大させることができ、また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を有しているため、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質(特に分子量200~1000程度の低分子溶質)の阻止性能を高いレベルで両立できるものである。また、本発明の複合中空糸膜は、脂肪族ポリアミドを含む中空糸膜と架橋樹脂を含む分離機能層とで形成されているため、様々なタイプの有機溶媒に対して優れた耐性を備えており、工業的に使用されている様々なタイプの有機溶媒と接触しても膜性能を安定的に維持できるため、蒸留プロセスの代替となる膜分離プロセスに好適に用いることができる。 The composite hollow fiber membrane of the present invention has high mechanical strength in organic solvents (due to its high burst pressure in pressure resistance tests in organic solvents), allowing for increased operating pressure and increased organic solvent permeation rates. Furthermore, the membrane has a separation functional layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation on the surface of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, enabling it to achieve both high levels of organic solvent permeability and high levels of rejection of solutes (particularly low-molecular-weight solutes with molecular weights of approximately 200 to 1000) in organic solvent-based treated liquids. Furthermore, because the composite hollow fiber membrane of the present invention is formed from a hollow fiber membrane containing an aliphatic polyamide and a separation functional layer containing a crosslinked resin, it has excellent resistance to various types of organic solvents and can stably maintain membrane performance even when in contact with various types of organic solvents used industrially. Therefore, it can be suitably used in membrane separation processes as an alternative to distillation processes.
1.定義
本発明において、「限外濾過」又は「限外濾過膜」と表記する場合には、分画分子量が1000~100万の範囲内に設定されている濾過又は分画分子量が1000~100万の範囲内にある濾過膜を意味し、「ナノ濾過」又は「ナノ濾過膜」と表記する場合には、分画分子量が200~1000の範囲内に設定されている濾過又は分画分子量が200~1000の範囲内にある濾過膜を意味する。
1. Definitions In the present invention, the terms "ultrafiltration" or "ultrafiltration membrane" refer to a filtration having a molecular weight cutoff set within a range of 1,000 to 1,000,000 or a filtration membrane having a molecular weight cutoff within a range of 1,000 to 1,000,000, and the terms "nanofiltration" or "nanofiltration membrane" refer to a filtration having a molecular weight cutoff set within a range of 200 to 1,000 or a filtration membrane having a molecular weight cutoff within a range of 200 to 1,000.
本発明において、「脂肪族ポリアミド中空糸膜」とは、脂肪族ポリアミド樹脂を用いて形成された、緻密層及び支持層を有する中空糸形状の濾過膜を意味する。 In the present invention, "aliphatic polyamide hollow fiber membrane" means a filtration membrane in the form of a hollow fiber formed using an aliphatic polyamide resin and having a dense layer and a support layer.
本発明において、「緻密層」とは、脂肪族ポリアミド中空糸膜において、緻密な微細孔が集合している領域であって、倍率10000倍以上の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において実質的に細孔の存在が認められない領域を意味する。 In the present invention, "dense layer" refers to a region in an aliphatic polyamide hollow fiber membrane where dense micropores are concentrated, and where the presence of pores is substantially absent in a scanning electron microscope (SEM) photograph at a magnification of 10,000x or more.
本発明において、「支持層」とは、脂肪族ポリアミド中空糸膜において、緻密層以外の領域であって、倍率2000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において実質的に細孔の存在が認められる、連続多孔構造を有する多孔質領域を意味する。In the present invention, the term "support layer" refers to a region of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane other than the dense layer, which is a porous region having a continuous pore structure in which the presence of substantial pores can be observed in a scanning electron microscope (SEM) photograph at 2000x magnification.
本発明において、「分離機能層」とは、脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に設けられ、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む層を意味する。In the present invention, the term "separation functional layer" refers to a layer that is provided on the surface of the dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane and contains a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation.
2.複合中空糸膜
本発明の複合中空糸膜は、緻密層及び支持層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜と、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層とを有し、前記分離機能層は、前記緻密層の表面に設けられており、下記条件で測定されるバースト圧が、2.25MPa以上であることを特徴とする。以下、本発明の複合中空糸膜について詳述する。
<バースト圧>
複合中空糸膜を用いて作製したモジュールにN-メチル-2-ピロリドンを通液しながら10分間隔で0.25MPaずつ昇圧し、複合中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。
2. Composite hollow fiber membrane The composite hollow fiber membrane of the present invention comprises an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer and a support layer, and a separation function layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation, the separation function layer being provided on the surface of the dense layer, and characterized in that the burst pressure measured under the following conditions is 2.25 MPa or more. The composite hollow fiber membrane of the present invention will be described in detail below.
<Burst pressure>
While N-methyl-2-pyrrolidone is passed through a module prepared using a composite hollow fiber membrane, the pressure is increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals, and the pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane breaks is measured.
[脂肪族ポリアミド中空糸膜]
本発明の複合中空糸膜の主要構成部材である脂肪族ポリアミド中空糸膜は、緻密層及び支持層を有しており、かつ脂肪族ポリアミド樹脂で形成されている。脂肪族ポリアミド樹脂を中空糸膜の構成樹脂とすることにより、本発明の複合中空糸膜に、幅広い有機溶媒に対する耐性を付与できるだけでなく、有機溶媒中での高い機械的強度を付与できるため(有機溶媒中での耐圧試験におけるバースト圧を高めることができるため)、運転時の圧力を高めて有機溶媒の透液量を増大させることができる。
[Aliphatic polyamide hollow fiber membrane]
The aliphatic polyamide hollow fiber membrane, which is a main component of the composite hollow fiber membrane of the present invention, has a dense layer and a support layer and is formed from an aliphatic polyamide resin. By using an aliphatic polyamide resin as a constituent resin of the hollow fiber membrane, the composite hollow fiber membrane of the present invention can be endowed with resistance to a wide range of organic solvents and also with high mechanical strength in organic solvents (by increasing the burst pressure in a pressure resistance test in an organic solvent), thereby enabling an increase in operating pressure and an increase in the amount of organic solvent permeated.
脂肪族ポリアミド樹脂の種類については、特に制限されないが、例えば、脂肪族ポリアミドのホモポリマー、脂肪族ポリアミドの共重合体、又はこれらの混合物が挙げられる。脂肪族ポリアミドのホモポリマーとしては、具体的には、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46、ポリアミド610、ポリアミド612、ポリアミド11、及びポリアミド12等が挙げられる。また、脂肪族ポリアミドの共重合体としては、具体的には、脂肪族ポリアミドと、ポリテトラメチレングリコール及びポリエチレングリコール等のポリエーテルとの共重合体等が挙げられる。また、脂肪族ポリアミドの共重合体における脂肪族ポリアミド成分の比率については、特に制限されないが、例えば、脂肪族ポリアミド成分が占める割合として、好ましくは70モル%以上、より好ましくは80モル%以上、更に好ましくは90モル%以上、特に好ましくは95モル%以上が挙げられる。脂肪族ポリアミドの共重合体において脂肪族ポリアミド成分の比率が上記範囲を充足することにより、一層優れた有機溶媒耐性と機械的強度を脂肪族ポリアミド中空糸膜に備えさせることができる。脂肪族ポリアミド樹脂は、1種単独で使用してもよく、また2種以上組み合わせて使用してもよい。The type of aliphatic polyamide resin is not particularly limited, but examples include aliphatic polyamide homopolymers, aliphatic polyamide copolymers, and mixtures thereof. Specific examples of aliphatic polyamide homopolymers include polyamide 6, polyamide 66, polyamide 46, polyamide 610, polyamide 612, polyamide 11, and polyamide 12. Specific examples of aliphatic polyamide copolymers include copolymers of aliphatic polyamides with polyethers such as polytetramethylene glycol and polyethylene glycol. The proportion of aliphatic polyamide components in the aliphatic polyamide copolymer is not particularly limited, but examples include a proportion of aliphatic polyamide components of preferably 70 mol% or more, more preferably 80 mol% or more, even more preferably 90 mol% or more, and particularly preferably 95 mol% or more. By ensuring that the proportion of aliphatic polyamide components in the aliphatic polyamide copolymer satisfies the above range, the aliphatic polyamide hollow fiber membrane can be endowed with even better organic solvent resistance and mechanical strength. The aliphatic polyamide resins may be used alone or in combination of two or more.
これらの脂肪族ポリアミド樹脂の中でも、ポリアミド6は、耐圧性と耐溶剤性を好適に両立させ易く、さらに有機溶媒の透液性能を向上させ易いため、脂肪族ポリアミド中空糸膜の形成樹脂として好ましく用いられる。 Of these aliphatic polyamide resins, polyamide 6 is preferred as a resin for forming aliphatic polyamide hollow fiber membranes because it easily achieves both good pressure resistance and solvent resistance and also easily improves the permeability of organic solvents.
脂肪族ポリアミド樹脂は、架橋の有無は問わないが、製造コストを低減させるという観点から、架橋されていないものが好ましい。 Aliphatic polyamide resins may be crosslinked or not, but from the perspective of reducing manufacturing costs, non-crosslinked resins are preferred.
脂肪族ポリアミド樹脂の相対粘度については、特に制限されないが、例えば、2.0~7.0、好ましくは2.5~6.0、より好ましくは3.0~5.0が挙げられる。このような相対粘度を備えることにより、脂肪族ポリアミド中空糸膜の製造時に、成形性や相分離の制御性が向上し、脂肪族ポリアミド中空糸膜に対して優れた形状安定性を備えさせることが可能になる。なお、ここで、相対粘度とは、96%硫酸100mLに1gの脂肪族ポリアミド樹脂を溶解した溶液を用い、25℃でウベローデ粘度計によって測定した値を指す。 The relative viscosity of the aliphatic polyamide resin is not particularly limited, but examples include 2.0 to 7.0, preferably 2.5 to 6.0, and more preferably 3.0 to 5.0. Having such a relative viscosity improves moldability and controllability of phase separation during the production of aliphatic polyamide hollow fiber membranes, enabling the aliphatic polyamide hollow fiber membranes to have excellent shape stability. Here, relative viscosity refers to the value measured with an Ubbelohde viscometer at 25°C using a solution in which 1 g of aliphatic polyamide resin is dissolved in 100 mL of 96% sulfuric acid.
脂肪族ポリアミド中空糸膜は、前記脂肪族ポリアミド樹脂の他に本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、フィラーが含まれていてもよい。フィラーを含むことにより、脂肪族ポリアミド中空糸膜の強度、伸度、弾性率を向上させることができる。特に、フィラーを含むことにより、濾過の際に高圧をかけても、脂肪族ポリアミド中空糸膜が変形し難くなるという効果も得られる。添加するフィラーの種類については、特に制限されないが、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウィスカー、酸化亜鉛ウィスカー、炭酸カルシウムウィスカー、ワラステナイトウィスカー、硼酸アルミウィスカー、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維、石コウ繊維、金属繊維等の繊維状フィラー;タルク、ハイドロタルサイト、ワラステナイト、ゼオライト、セリサイト、マイカ、カオリン、クレー、パイロフィライト、ベントナイト、アスベスト、アルミナシリケート等の珪酸塩;酸化珪素、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化鉄等の金属化合物;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト等の炭酸塩;硫酸カルシウム、硫酸バリウム等の硫酸塩;水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物;ガラスビーズ、ガラスフレーク、ガラス粉、セラミックビーズ、窒化ホウ素、炭化珪素、カーボンブラック、シリカ、黒鉛等の非繊維フィラー等の無機材料が挙げられる。これらのフィラーは、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。これらのフィラーの中でも、好ましくは、タルク、ハイドロタルサイト、シリカ、クレー、酸化チタン、より好ましくは、タルク、クレーが挙げられる。フィラーの含有量については、特に限定されないが、例えば、脂肪族ポリアミド樹脂100重量部当たり、フィラーが5~100重量部、好ましくは10~75重量部、より好ましくは25~50重量部が挙げられる。このような含有量でフィラーを含むことにより、脂肪族ポリアミド中空糸膜の強度、伸度、弾性率の向上を図ることができる。In addition to the aliphatic polyamide resin, the aliphatic polyamide hollow fiber membrane may optionally contain a filler to the extent that the effects of the present invention are not impaired. The inclusion of a filler can improve the strength, elongation, and elastic modulus of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. In particular, the inclusion of a filler also has the effect of making the aliphatic polyamide hollow fiber membrane less susceptible to deformation, even when subjected to high pressure during filtration. The type of filler to be added is not particularly limited, but examples include fibrous fillers such as glass fiber, carbon fiber, potassium titanate whiskers, zinc oxide whiskers, calcium carbonate whiskers, wollastonite whiskers, aluminum borate whiskers, aramid fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber, ceramic fiber, asbestos fiber, gypsum fiber, and metal fiber; talc, hydrotalcite, wollastonite, zeolite, sericite, mica, kaolin, clay, pyrophyllite, bentonite, asbestos, and the like. Examples of fillers include silicates such as sintered silicate and alumina silicate; metal compounds such as silicon oxide, magnesium oxide, alumina, zirconium oxide, titanium oxide, and iron oxide; carbonates such as calcium carbonate, magnesium carbonate, and dolomite; sulfates such as calcium sulfate and barium sulfate; metal hydroxides such as calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and aluminum hydroxide; and inorganic materials such as non-fibrous fillers such as glass beads, glass flakes, glass powder, ceramic beads, boron nitride, silicon carbide, carbon black, silica, and graphite. These fillers may be used alone or in combination of two or more. Among these fillers, preferred are talc, hydrotalcite, silica, clay, and titanium oxide, and more preferred are talc and clay. The filler content is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 100 parts by weight, preferably 10 to 75 parts by weight, and more preferably 25 to 50 parts by weight, of the filler per 100 parts by weight of the aliphatic polyamide resin. By including the filler in such an amount, the strength, elongation, and elastic modulus of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane can be improved.
脂肪族ポリアミド中空糸膜には、孔径制御や膜性能の向上等のために、必要に応じて、増粘剤、酸化防止剤、表面改質剤、滑剤、界面活性剤等の添加剤が含まれていてもよい。 Aliphatic polyamide hollow fiber membranes may contain additives such as thickeners, antioxidants, surface modifiers, lubricants, and surfactants as needed to control pore size and improve membrane performance.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の外径は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の用途、緻密層及び支持層の厚み、備えさせる透液性能等に応じて適宜設定されるが、モジュールに充填した際の有効膜面積、膜強度、中空部を流れる流体の圧損、座屈圧との関係を鑑みた場合、中空糸膜の外径として、400μm以上、好ましくは450~4000μm、より好ましくは500~3500μmが挙げられる。また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内径は、特に制限されないが、例えば、100~3000μm、好ましくは200~2500μm、より好ましくは300~2000μm、更に好ましくは300~1500μmが挙げられる。本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の外径及び内径は、5本の中空糸膜について光学顕微鏡にて倍率200倍で観察し、各中空糸膜の外径及び内径(ともに最大径となる箇所)を測定し、それぞれの平均値を算出することにより求められる値である。The outer diameter of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is set appropriately depending on the application of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the thickness of the dense layer and support layer, the desired liquid permeability, etc. However, taking into consideration the relationship between the effective membrane area when packed into a module, membrane strength, pressure loss of the fluid flowing through the hollow portion, and buckling pressure, the outer diameter of the hollow fiber membrane is 400 μm or more, preferably 450 to 4000 μm, and more preferably 500 to 3500 μm. Furthermore, the inner diameter of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is not particularly limited, but examples include 100 to 3000 μm, preferably 200 to 2500 μm, more preferably 300 to 2000 μm, and even more preferably 300 to 1500 μm. In the present invention, the outer diameter and inner diameter of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane are values that can be determined by observing five hollow fiber membranes with an optical microscope at a magnification of 200 times, measuring the outer diameter and inner diameter (both at the point where they are maximum diameter) of each hollow fiber membrane, and calculating the average value of each.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の厚みは、脂肪族ポリアミド中空糸膜の用途、緻密層及び支持層の厚み、備えさせる透液性能等に応じて適宜設定されるが、例えば、50~600μm、好ましくは100~350μmが挙げられる。本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の厚みは、外径から内径を引いた値を2で除することにより算出される値である。 The thickness of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is set appropriately depending on the application of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the thickness of the dense layer and support layer, the desired liquid permeability, etc., but is, for example, 50 to 600 μm, preferably 100 to 350 μm. In the present invention, the thickness of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is calculated by subtracting the inner diameter from the outer diameter and dividing the value by 2.
ここで、濾過膜(分離膜)は、その分離対象の大きさの順に、大きい方から精密濾過(MF)膜、限外濾過(UF)膜、ナノ濾過(NF)膜、逆浸透(RO)膜に分類されるが、UF膜以下の濾過膜では、その捕捉対象物質の大きさの指標として分画分子量が用いられる。分画分子量は、既知分子量の標準物質を用いた透過試験で決定される。分画分子量は、透過試験により90%以上保持される下限の分子サイズ(ダルトン単位:Da)によって決定される。本発明において、限外濾過膜の分画分子量は1000~100万であり、ナノ濾過膜の分画分子量は200~1000である。 Filtration membranes (separation membranes) are classified in order of the size of the substance they separate into microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), and reverse osmosis (RO) membranes, from largest to smallest. For filtration membranes below UF, molecular weight cutoff is used as an indicator of the size of the substance they capture. The molecular weight cutoff is determined by a permeation test using a standard substance of known molecular weight. The molecular weight cutoff is determined by the lower limit molecular size (Daltons: Da) that is retained by 90% or more in the permeation test. In the present invention, the molecular weight cutoff of ultrafiltration membranes is 1,000 to 1,000,000, and the molecular weight cutoff of nanofiltration membranes is 200 to 1,000.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を形成する際に、緻密層支配となる脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画性能が、界面重縮合反応が行われる緻密層表面の特性を反映することから、脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画性能は、分離機能層の形成及び特性に大きな影響を与える。本発明の脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量は、有機溶媒系被処理液中の溶質(特に分子量200~1000程度の低分子溶質)の阻止性能に優れる分離機能層を緻密層の表面に形成するために、限外濾過膜の範囲であることが好ましく、より好ましくは1万~30万、更に好ましくは2万~10万、より更に好ましくは3万~8万、一層好ましくは4万~7万、特に好ましくは5万~7万である。分画分子量が前記範囲内であれば、緻密層の表面及び表層部(表面に近い層内部)に均一な分離機能層を形成して複合化することができ、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能をより高いレベルで両立した本発明の複合中空糸膜を得ることができる。なお、脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量は、緻密層の厚さ、及び支持層の細孔の孔径等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができる。When a separation layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation is formed on the surface of the dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the fractionation performance of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, which is dominated by the dense layer, reflects the characteristics of the dense layer surface where the interfacial polycondensation reaction takes place. Therefore, the fractionation performance of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane significantly affects the formation and characteristics of the separation layer. In order to form a separation layer on the surface of the dense layer that has excellent blocking performance for solutes (particularly low-molecular-weight solutes with molecular weights of approximately 200 to 1,000) in organic solvent-based treated liquids, the molecular weight cutoff of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane of the present invention is preferably in the range of that of an ultrafiltration membrane, more preferably 10,000 to 300,000, even more preferably 20,000 to 100,000, even more preferably 30,000 to 80,000, even more preferably 40,000 to 70,000, and particularly preferably 50,000 to 70,000. If the molecular weight cutoff is within the above range, a uniform separation functional layer can be formed on the surface and the surface layer portion (inside the layer near the surface) of the dense layer to form a composite, and the composite hollow fiber membrane of the present invention can be obtained which achieves both higher levels of organic solvent permeability and higher levels of solute rejection in the organic solvent-based treated liquid.The molecular weight cutoff of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane can be adjusted to the desired value by appropriately adjusting the thickness of the dense layer and the pore size of the support layer, etc.
本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量は、3000より大きい場合は、標準物質としてデキストランを使用し、溶媒として水を使用した際に決定される値である。脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量(3000より大きい場合)は、具体的には、脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いてクロスフローモジュールを作製し、内圧クロスフロー方式にて、複数の既知分子量のデキストランをそれぞれ所定濃度で含む水溶液を循環液(原液)として用いた際に決定される値であり、高速液体クロマトグラフィーによって透過液中のデキストラン濃度をそれぞれ測定し、下記式に従って各分子量における溶質阻止率を算出した後、各結果を、横軸に分子量、縦軸に阻止率を示すグラフにプロットし、得られる近似曲線と阻止率90%の交点の分子量である。
溶質阻止率(%)={(原液中のデキストラン濃度-透過液中のデキストラン濃度)/原液中のデキストラン濃度}×100
In the present invention, when the molecular weight cutoff of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is greater than 3000, it is a value determined using dextran as the standard substance and water as the solvent. Specifically, the molecular weight cutoff of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane (when greater than 3000) is a value determined when a crossflow module is prepared using the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and an aqueous solution containing a plurality of dextrans of known molecular weights at predetermined concentrations is used as the circulating liquid (raw solution) in an internal pressure crossflow system. The dextran concentrations in the permeate are measured by high performance liquid chromatography, and the solute rejection at each molecular weight is calculated according to the following formula. The results are then plotted on a graph with molecular weight on the horizontal axis and rejection on the vertical axis, and the molecular weight is the molecular weight at the intersection of the obtained approximation curve and a rejection of 90%.
Solute rejection rate (%) = {(dextran concentration in stock solution - dextran concentration in permeate) / dextran concentration in stock solution} × 100
また、本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量は、3000以下の場合は、標準物質として単分散ポリスチレンを使用し、溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン(以下、「NMP」ともいう。)を使用した際に決定される値である。脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量(3000以下の場合)は、具体的には、脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いてクロスフローモジュールを作製し、内圧クロスフロー方式にて、複数の既知分子量のポリスチレンをそれぞれ所定濃度で含むNMP溶液を循環液(原液)として用いた際に決定される値であり、高速液体クロマトグラフィーによって透過液中のポリスチレン濃度をそれぞれ測定し、下記式に従って各分子量における溶質阻止率を算出した後、各結果を、横軸に分子量、縦軸に阻止率を示すグラフにプロットし、得られる近似曲線と阻止率90%の交点の分子量である。
溶質阻止率(%)={(原液中のポリスチレン濃度-透過液中のポリスチレン濃度)/原液中のポリスチレン濃度}×100
In the present invention, when the molecular weight cutoff of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is 3000 or less, it is a value determined using monodisperse polystyrene as a standard substance and N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as "NMP") as a solvent. Specifically, the molecular weight cutoff of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane (when 3000 or less) is a value determined when a crossflow module is prepared using the aliphatic polyamide hollow fiber membrane and an NMP solution containing polystyrenes of known molecular weights at predetermined concentrations is used as a circulating liquid (raw solution) in an internal pressure crossflow system. The polystyrene concentrations in the permeate are measured by high performance liquid chromatography, the solute rejection at each molecular weight is calculated according to the following formula, and the results are plotted on a graph with molecular weight on the horizontal axis and rejection on the vertical axis, and the molecular weight is the molecular weight at the intersection of the obtained approximation curve and a rejection of 90%.
Solute rejection rate (%) = {(polystyrene concentration in raw solution - polystyrene concentration in permeate) / polystyrene concentration in raw solution} x 100
複合中空糸膜の基材となる脂肪族ポリアミド中空糸膜は、複合中空糸膜の力学特性を担う部分であり、主に耐圧性と関連する中空糸膜の径方向の応力特性が重要になる。応力は中空部への内圧として与えることができ、径方向の破断応力は、内圧のバースト圧で評価することができる。また、膜濾過時の運転圧力は透過速度とも関連するため、脂肪族ポリアミド中空糸膜の耐圧性は十分に高いことが好ましい。本発明の脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧は、特に制限されず、脂肪族ポリアミド樹脂の結晶性及び分子量などの材料特性、中空糸膜の内径と膜厚の比、緻密層の厚さ、支持層の厚さ及び空隙率、及び支持層の細孔の孔径等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができるが、膜濾過時の運転圧を上げて透液量を増加させる観点から、好ましくは2.1MPa以上、より好ましくは2.5MPa以上、更に好ましくは2.8MPa以上、より更に好ましくは3.0MPa以上である。脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧の上限値は、通常、4.0MPa以下であり、好ましくは3.8MPa以下である。具体的に、脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧は、好ましくは2.1~4.0MPa、より好ましくは2.5~3.8MPa、更に好ましくは2.8~3.8MPa、より更に好ましくは3.0~3.8MPaである。本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧とは、脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いて作製したモジュールに水圧をかけていき、脂肪族ポリアミド中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)である。The aliphatic polyamide hollow fiber membrane, which serves as the base material for the composite hollow fiber membrane, is responsible for the membrane's mechanical properties. The radial stress characteristics of the hollow fiber membrane, which are primarily related to its pressure resistance, are important. Stress can be applied as internal pressure to the hollow portion, and the radial breaking stress can be evaluated by the burst pressure of the internal pressure. Furthermore, because the operating pressure during membrane filtration is also related to the permeation rate, it is preferable that the aliphatic polyamide hollow fiber membrane have sufficiently high pressure resistance. The burst pressure of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane of the present invention is not particularly limited and can be adjusted to the desired value by appropriately adjusting the material properties of the aliphatic polyamide resin, such as the crystallinity and molecular weight, the ratio of the hollow fiber membrane's inner diameter to its membrane thickness, the thickness and porosity of the dense layer, the thickness and porosity of the support layer, and the pore size of the support layer. However, from the perspective of increasing the operating pressure during membrane filtration to increase the permeation rate, the burst pressure is preferably 2.1 MPa or higher, more preferably 2.5 MPa or higher, even more preferably 2.8 MPa or higher, and even more preferably 3.0 MPa or higher. The upper limit of the burst pressure of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is usually 4.0 MPa or less, preferably 3.8 MPa or less. Specifically, the burst pressure of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is preferably 2.1 to 4.0 MPa, more preferably 2.5 to 3.8 MPa, even more preferably 2.8 to 3.8 MPa, and still more preferably 3.0 to 3.8 MPa. In the present invention, the burst pressure of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane refers to the pressure (MPa) at which the aliphatic polyamide hollow fiber membrane ruptures when hydraulic pressure is applied to a module prepared using the aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧は、具体的には、以下の方法で測定する。まず、図2のaに示すモジュール8を作製する。具体的には、まず、中空糸膜8a10本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備する。次に、外径8mm、内径6mm、長さ50mmのナイロン硬質チューブ8bを準備し、当該チューブの一方の端部開口から、長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をする。次に、当該チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填する。その後、前記準備した中空糸膜を束ねたものを略U字状に曲げ、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように中空糸膜の両端部を熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させる。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断することにより、中空糸膜の両端部の中空部が開口したモジュール8を作製する。
次に、図2のbに示す装置にモジュール8をセットし、手押しポンプ9によりモジュール8に水圧をかけていき、破断した際の圧力(MPa)をバースト圧とする。
Specifically, the burst pressure of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is measured by the following method. First, a module 8 shown in FIG. 2A is prepared. Specifically, ten hollow fiber membranes 8a are cut to 30 cm lengths and bundled together. Next, a nylon hard tube 8b with an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 6 mm, and a length of 50 mm is prepared. A rubber stopper approximately 20 mm long is inserted into one end opening of the tube to plug the end opening. Next, a two-component epoxy resin is injected into the opening opposite the rubber stopper to fill the inner space of the tube. The bundle of hollow fiber membranes is then bent into a roughly U-shape, and both ends of the hollow fiber membranes are heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow portion. The end tip is then inserted into the tube filled with epoxy resin until it touches the rubber stopper, and the epoxy resin is cured in this state. Next, the region of the hardened epoxy resin on the rubber stopper side is cut off together with the tube, thereby producing a module 8 in which the hollow portions at both ends of the hollow fiber membrane are open.
Next, the module 8 is set in the device shown in FIG. 2b, and water pressure is applied to the module 8 by a hand pump 9, and the pressure (MPa) at which the module 8 breaks is taken as the burst pressure.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の結晶化度は、特に制限されず、通常25%以上であり、耐溶剤性及び耐圧性を向上させる観点から、好ましくは30%以上、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは40%以上、一層好ましくは45%以上、特に好ましくは50%以上である。なお、脂肪族ポリアミド中空糸膜の結晶化度は、例えば、アニーリング(熱処理)することにより目的とする値に調整することができる。アニーリングは、例えば、乾熱法、オートクレーブ法などの方法を用いることができる。The crystallinity of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is not particularly limited and is typically 25% or higher. From the perspective of improving solvent resistance and pressure resistance, it is preferably 30% or higher, more preferably 35% or higher, even more preferably 40% or higher, even more preferably 45% or higher, and particularly preferably 50% or higher. The crystallinity of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane can be adjusted to the desired value, for example, by annealing (heat treatment). Annealing can be performed using methods such as dry heat and autoclave.
本発明において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の結晶化度は、X線回折法(XRD)により測定される値である。具体的には、測定ステージに中空糸サンプルを隙間なく複数本を並べ、散乱角度の走査測定により、散乱ベクトルと散乱強度の散乱パターンのスペクトルを得る。得られたスペクトルを結晶由来の成分と、アモルファス由来の成分とにスペクトル分離し、定量化することで結晶化度を求める。In the present invention, the crystallinity of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is a value measured by X-ray diffraction (XRD). Specifically, multiple hollow fiber samples are arranged closely together on a measurement stage, and a scattering pattern spectrum of scattering vectors and scattering intensity is obtained by scanning the scattering angle. The obtained spectrum is then spectrally separated into crystalline and amorphous components, and the crystallinity is determined by quantifying them.
[緻密層]
緻密層は、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜において、緻密な微細孔が集合している領域であって、倍率10000倍以上の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において実質的に細孔の存在が認められない領域である。
[Dense layer]
The dense layer is a region in the aliphatic polyamide hollow fiber membrane where dense micropores are concentrated, and where the presence of pores is substantially not observed in a scanning electron microscope (SEM) photograph at a magnification of 10,000 times or more.
緻密層は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面に形成されていてもよく、外側表面に形成されていてもよく、又は両側表面に形成されていてもよいが、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能をより高いレベルで両立させる観点から、内腔側表面に形成されていることが好ましい。なお、走査型電子顕微鏡(SEM)による緻密層の観察において、緻密層が脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側表面に存在する場合は、脂肪族ポリアミド中空糸膜を適切な大きさに裁断し、試料台に載せた後、Pt、Au、Pd等の蒸着処理を施して観察すればよく、また、緻密層が脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面に存在する場合は、メス等の鋭利な刃物で脂肪族ポリアミド中空糸膜を長手方向に裁断し、内腔側表面を露出させてから適切な大きさに裁断し、試料台に載せた後、Pt、Au、Pd等の蒸着処理を施して観察すればよい。The dense layer may be formed on the lumen-side surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, on the outer surface, or on both surfaces. However, from the viewpoint of achieving a higher level of both organic solvent permeability and blocking performance for solutes in the organic solvent-based treated liquid, it is preferable to form it on the lumen-side surface. When observing the dense layer with a scanning electron microscope (SEM), if the dense layer is present on the outer surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the membrane can be cut to an appropriate size, mounted on a sample stage, and then vapor-deposited with Pt, Au, Pd, or the like before observation. If the dense layer is present on the lumen-side surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the membrane can be cut longitudinally with a sharp blade such as a scalpel to expose the lumen-side surface, cut to an appropriate size, mounted on a sample stage, and then vapor-deposited with Pt, Au, Pd, or the like before observation.
緻密層の厚みは、特に制限されず、製膜原液の溶媒、濃度、及び温度、凝固液の種類、及び温度等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができるが、有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を向上させる観点、及び分離機能層の安定化の観点から、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上、更に好ましくは0.3μm以上であり、また、有機溶媒の透液性能を向上させる観点から、好ましくは2.0μm以下、より好ましくは1.8μm以下、更に好ましくは1.5μm以下、より更に好ましくは1.2μm以下、一層好ましくは1.0μm以下である。具体的に、緻密層の厚みは、好ましくは0.1~2.0μm、より好ましくは0.2~1.8μm、更に好ましくは0.3~1.5μm、より更に好ましくは0.3~1.2μm、一層好ましくは0.3~1.0μmである。本発明において、緻密層の厚みは、倍率10000倍の脂肪族ポリアミド中空糸膜断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において、実質的に細孔の存在が認められない領域の距離(厚み)を一定間隔で10か所測定し、その平均値を算出することにより求められる値である。 The thickness of the dense layer is not particularly limited and can be adjusted to the desired value by appropriately adjusting the solvent, concentration, and temperature of the membrane-forming solution, the type and temperature of the coagulation solution, etc. However, from the perspective of improving the blocking performance of solutes in the organic solvent-based treated solution and from the perspective of stabilizing the separation functional layer, it is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, and even more preferably 0.3 μm or more. Furthermore, from the perspective of improving the liquid permeability of the organic solvent, it is preferably 2.0 μm or less, more preferably 1.8 μm or less, even more preferably 1.5 μm or less, even more preferably 1.2 μm or less, and even more preferably 1.0 μm or less. Specifically, the thickness of the dense layer is preferably 0.1 to 2.0 μm, more preferably 0.2 to 1.8 μm, even more preferably 0.3 to 1.5 μm, even more preferably 0.3 to 1.2 μm, and even more preferably 0.3 to 1.0 μm. In the present invention, the thickness of the dense layer is a value determined by measuring the distance (thickness) of a region where the presence of pores is substantially not observed at 10 points at regular intervals in a scanning electron microscope (SEM) photograph of the cross section of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane at a magnification of 10,000 times, and calculating the average value.
[支持層]
支持層は、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜において、前記緻密層以外の領域であって、倍率2000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)写真において実質的に細孔の存在が認められる、連続多孔構造を有する多孔質領域である。
[Support layer]
The support layer is a region of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane other than the dense layer, and is a porous region having a continuous pore structure in which the presence of substantial pores can be seen in a scanning electron microscope (SEM) photograph at a magnification of 2000 times.
支持層の細孔の孔径は、緻密層を保持する程度の強度と流体の透過にとって著しい妨げにならない限り特に制限されない。 There are no particular restrictions on the pore size of the support layer, as long as it is strong enough to maintain the dense layer and does not significantly impede fluid permeation.
支持層の空隙率は、特に制限されず、脂肪族ポリアミド中空糸膜の製造において、製膜原液の溶媒、濃度、及び温度、凝固液の種類、及び温度等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができるが、製膜の容易性の観点、及び膜濾過時の運転圧を上げて透液量を増加させることができるように膜強度を高くする観点から、好ましくは60~80%、より好ましくは63~78%、更に好ましくは65~77%、より更に好ましくは66~76%である。 The porosity of the support layer is not particularly limited, and can be adjusted to the desired value by appropriately adjusting the solvent, concentration, and temperature of the membrane-forming solution, the type and temperature of the coagulation solution, etc., during the production of aliphatic polyamide hollow fiber membranes. However, from the standpoint of ease of membrane production and increasing membrane strength so that the operating pressure during membrane filtration can be increased to increase the amount of liquid permeated, the porosity is preferably 60 to 80%, more preferably 63 to 78%, even more preferably 65 to 77%, and even more preferably 66 to 76%.
本発明において、支持層の空隙率は、以下の方法で算出される。脂肪族ポリアミド中空糸膜又は複合中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の支持層の厚み方向に等間隔で5か所の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影する。具体的には、次のように撮影する。図11は脂肪族ポリアミド中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面模式図であり、図12及び図13は図11において点線で囲まれた領域の部分拡大図であって、緻密層10及び支持層11を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜8aの例を示す図である。なお、図11~13において、分離機能層の記載は省略されている。図12に示すように、脂肪族ポリアミド中空糸膜8aの内腔中心から外側表面に向かって直線を引き、当該直線を支持層11の内腔側表面から外側表面にかけて5等分する。そして、図12に示すように、5等分した線分の中点を定める。そして、図13に示すように、当該中点が撮影画像の中心となるように、撮影画像に支持層11部分のみが含まれ、細孔数が30~300となるような倍率にて、5か所統一した倍率で撮影する。撮影した5か所のSEM写真において、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて、前記領域の画像解析を行い、細孔部分とポリマー部分とを2値化処理により区別した上で、解析領域面積に対する総細孔面積の面積比率(%)をそれぞれ算出し、その平均値を算出する。In the present invention, the porosity of the support layer is calculated as follows. Scanning electron microscope (SEM) photographs are taken at five locations evenly spaced along the thickness of the support layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane in a cross section of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane or composite hollow fiber membrane cut perpendicular to the longitudinal direction. Specifically, the photographs are taken as follows. Figure 11 is a schematic cross-sectional view of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane cut perpendicular to the longitudinal direction. Figures 12 and 13 are partial enlarged views of the area surrounded by dotted lines in Figure 11, illustrating an example of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane 8a having a dense layer 10 and a support layer 11. Note that the separation function layer is omitted in Figures 11 to 13. As shown in Figure 12, a straight line is drawn from the center of the lumen of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane 8a toward the outer surface, and this line is divided into five equal parts from the lumen-side surface of the support layer 11 to the outer surface. The midpoints of the five equal parts are then determined as shown in Figure 12. 13, five locations are photographed at a uniform magnification so that the midpoint is at the center of the photographed image, the photographed image includes only the support layer 11 portion, and the number of pores is 30 to 300. For the five SEM photographs taken, image analysis of the regions is performed using image analysis software (ImageJ), and the pore portions and polymer portions are distinguished by binarization processing, and the area ratio (%) of the total pore area to the area of the analyzed region is calculated for each, and the average value is calculated.
[分離機能層]
分離機能層は、有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を向上させるために、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に設けられる層である。脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に分離機能層を有する本発明の複合中空糸膜は、分離機能層を有さない脂肪族ポリアミド中空糸膜に比べて、有機溶媒系被処理液中の溶質(特に分子量200~1000程度の低分子溶質)の阻止性能が顕著に向上しており、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を高いレベルで両立できるものである。
[Separation functional layer]
The separation functional layer is a layer provided on the surface of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane in order to improve the blocking performance of solutes in the organic solvent-based liquid to be treated. The composite hollow fiber membrane of the present invention, which has a separation functional layer on the surface of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, has significantly improved blocking performance of solutes in the organic solvent-based liquid to be treated (particularly low-molecular-weight solutes with molecular weights of about 200 to 1,000) compared to aliphatic polyamide hollow fiber membranes not having a separation functional layer, and can achieve both high levels of organic solvent permeability and high levels of blocking performance of solutes in the organic solvent-based liquid to be treated.
分離機能層は、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面に有する緻密層の表面、又は前記脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側表面に有する緻密層の表面に設けられていてもよいが、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面に有する緻密層の表面に設けられていていることが好ましい。その理由は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側表面に有する緻密層の表面に分離機能層を設けると、濾過時の中空糸膜同士の接触による分離機能層の剥離や、モジュール作製時にモジュール両端と封止剤との界面において剥離が生じやすくなる場合があるからである。また、脂肪族ポリアミド中空糸膜が、その両面に緻密層を有する場合、分離機能層は、どちらか一方の緻密層の表面にのみ設けられていてもよく、両方の緻密層の表面に設けられていてもよいが、前記理由により、内腔側表面に有する緻密層の表面にのみ設けられていることが好ましい。The separation functional layer may be provided on the surface of the dense layer on the lumen-side surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane or on the surface of the dense layer on the outer surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. However, it is preferably provided on the surface of the dense layer on the lumen-side surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. This is because providing a separation functional layer on the surface of the dense layer on the outer surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane may lead to peeling of the separation functional layer due to contact between the hollow fiber membranes during filtration, or peeling at the interfaces between both ends of the module and the sealant during module fabrication. Furthermore, when an aliphatic polyamide hollow fiber membrane has dense layers on both sides, the separation functional layer may be provided on the surface of only one of the dense layers or on the surfaces of both dense layers. However, for the reasons mentioned above, it is preferable that the separation functional layer be provided only on the surface of the dense layer on the lumen-side surface.
分離機能層は、界面重縮合により得られる架橋樹脂を主成分として含む層であり、より具体的には、3官能以上のモノマーを含む2種以上の多官能モノマーの界面重縮合反応により得られる架橋樹脂で形成された網目状構造を有する層である。分離機能層は、架橋樹脂で形成されているため、様々なタイプの有機溶媒に対して優れた耐性を備えており、工業的に使用されている様々なタイプの有機溶媒と接触しても膜性能を安定的に維持できる。架橋樹脂は、界面重縮合により得られる架橋構造を有する樹脂であれば特に制限されず、例えば、架橋ポリアミド樹脂、及び架橋ポリエステル樹脂などが挙げられる。架橋樹脂は、1種含まれていてもよく、2種以上含まれていてもよい。架橋ポリアミド樹脂の場合、通常、多官能モノマーとして2官能以上の多官能アミンと2官能以上の多官能アシルハライドが用いられる。架橋ポリエステル樹脂の場合、通常、多官能モノマーとして2官能以上の多価アルコールと2官能以上の多官能アシルハライドが用いられる。反応性の高いアシルハライドを用いることで容易に瞬時に界面重縮合反応を進行させることができる。本発明において、分離機能層の耐溶剤性を向上させる観点、及び有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能をより高いレベルで両立できる複合中空糸膜を得る観点から、分離機能層を構成する架橋樹脂は、好ましくは架橋ポリアミド樹脂、より好ましくは架橋芳香族ポリアミド樹脂である。以下、代表例として、分離機能層を構成する架橋樹脂が、架橋ポリアミド樹脂である場合について説明する。The separation functional layer is a layer primarily composed of a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation. More specifically, it is a layer with a network structure formed from a crosslinked resin obtained by the interfacial polycondensation reaction of two or more polyfunctional monomers, including a trifunctional or higher functional monomer. Because the separation functional layer is formed from a crosslinked resin, it has excellent resistance to various types of organic solvents and can stably maintain membrane performance even when in contact with various types of industrially used organic solvents. The crosslinked resin is not particularly limited as long as it has a crosslinked structure obtained by interfacial polycondensation, and examples include crosslinked polyamide resins and crosslinked polyester resins. One or more types of crosslinked resins may be included. In the case of crosslinked polyamide resins, typically, a bifunctional or higher polyfunctional amine and a bifunctional or higher polyfunctional acyl halide are used as the polyfunctional monomers. In the case of crosslinked polyester resins, typically, a bifunctional or higher polyhydric alcohol and a bifunctional or higher polyfunctional acyl halide are used as the polyfunctional monomers. The use of a highly reactive acyl halide facilitates the interfacial polycondensation reaction to proceed rapidly. In the present invention, from the viewpoint of improving the solvent resistance of the separating functional layer and from the viewpoint of obtaining a composite hollow fiber membrane that can achieve both higher levels of liquid permeability for organic solvents and higher levels of blocking performance for solutes in organic solvent-based treated liquids, the crosslinked resin constituting the separating functional layer is preferably a crosslinked polyamide resin, more preferably a crosslinked aromatic polyamide resin. Hereinafter, as a representative example, a case where the crosslinked resin constituting the separating functional layer is a crosslinked polyamide resin will be described.
架橋ポリアミド樹脂の原料モノマーである多官能アミンは、一分子中に少なくとも2個のアミノ基を有するアミンであり、例えば、2個のアミノ基がオルト位、メタ位、又はパラ位のいずれかの位置でベンゼン環に結合したフェニレンジアミン、キシリレンジアミン、3,5-ジアミノ安息香酸、3-アミノベンジルアミン、4-アミノベンジルアミン、ビフェニル及びジフェニルメタンなどのベンゼン環が直接又は官能基を介して結合した芳香族炭化水素の2個の水素原子が2個のアミノ基で置換された化合物などの芳香族ジアミン、1,3,5-トリアミノベンゼン、1,2,4-トリアミノベンゼン、ビフェニル及びジフェニルメタンなどのベンゼン環が直接又は官能基を介して結合した芳香族炭化水素の3個の水素原子が3個のアミノ基で置換された化合物などの芳香族トリアミン、ビフェニル及びジフェニルメタンなどのベンゼン環が直接又は官能基を介して結合した芳香族炭化水素の4個の水素原子が4個のアミノ基で置換された化合物(例えば、3,3’,4,4’-テトラアミノビフェニルなど)などの芳香族テトラアミンなどの芳香族多官能アミン;エチレンジアミン、プロピレンジアミンなどの脂肪族多官能アミン;1,2-ジアミノシクロヘキサン、1,4-ジアミノシクロヘキサン、4-アミノピペリジン、ピペラジン、4-アミノエチルピペラジンなどの脂環式多官能アミンなどが挙げられる。前記多官能アミンは、さらに、ハロゲン原子、スルホ基、アルキル基、及びフルオロアルキル基などの置換基で置換されていてもよい。これらの多官能アミンは、1種用いてもよく、2種以上併用してもよい。また、これらの多官能アミンのうち、有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を向上させる観点、反応性、取り扱い性、及び入手の容易さなどの観点から、好ましくは芳香族多官能アミン、より好ましくは芳香族2~4官能アミン、さらに好ましくはm-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、キシリレンジアミン、3,5-ジアミノ安息香酸、3-アミノベンジルアミン、及び4-アミノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種の芳香族ジアミン、特に好ましくはm-フェニレンジアミンである。 Polyfunctional amines, which are raw material monomers for crosslinked polyamide resins, are amines that have at least two amino groups in one molecule. Examples include phenylenediamine, xylylenediamine, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, 4-aminobenzylamine, in which two amino groups are bonded to a benzene ring at either the ortho, meta, or para positions; aromatic diamines such as biphenyl and diphenylmethane, in which two hydrogen atoms of an aromatic hydrocarbon bonded directly or via a functional group are replaced with two amino groups; and compounds in which a benzene ring is bonded directly or via a functional group, such as 1,3,5-triaminobenzene, 1,2,4-triaminobenzene, biphenyl, and diphenylmethane, in which two hydrogen atoms of the aromatic hydrocarbon are replaced with two amino groups. Examples of suitable aromatic polyfunctional amines include aromatic triamines, such as compounds in which three hydrogen atoms of an aromatic hydrocarbon bonded directly or via a functional group are substituted with three amino groups; aromatic tetraamines, such as compounds in which four hydrogen atoms of an aromatic hydrocarbon bonded directly or via a functional group to a benzene ring, such as biphenyl or diphenylmethane, are substituted with four amino groups (e.g., 3,3',4,4'-tetraaminobiphenyl); aliphatic polyfunctional amines, such as ethylenediamine and propylenediamine; and alicyclic polyfunctional amines, such as 1,2-diaminocyclohexane, 1,4-diaminocyclohexane, 4-aminopiperidine, piperazine, and 4-aminoethylpiperazine. The polyfunctional amines may be further substituted with substituents such as halogen atoms, sulfo groups, alkyl groups, and fluoroalkyl groups. These polyfunctional amines may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, among these polyfunctional amines, from the viewpoints of improving the blocking performance of solutes in the organic solvent-based liquid to be treated, reactivity, handleability, ease of availability, and the like, preferred are aromatic polyfunctional amines, more preferred are aromatic di- to tetrafunctional amines, even more preferred are at least one aromatic diamine selected from the group consisting of m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, xylylenediamine, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine, and 4-aminobenzylamine, and particularly preferred is m-phenylenediamine.
架橋ポリアミド樹脂の原料モノマーである多官能アシルハライドは、一分子中に少なくとも2個のハロゲン化カルボニル基を有するアシルハライドであり、例えば、トリメシン酸クロライド、1,3,5-シクロヘキサントリカルボン酸トリクロライド、1,2,4-シクロブタントリカルボン酸トリクロライドなどの3官能アシルハライド;ビフェニルジカルボン酸ジクロライド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロライド、テレフタル酸クロライド、イソフタル酸クロライド、ナフタレンジカルボン酸クロライドなどの芳香族2官能アシルハライド、アジポイルクロライド、セバコイルクロライドなどの脂肪族2官能アシルハライド、シクロペンタンジカルボン酸ジクロライド、シクロヘキサンジカルボン酸ジクロライド、テトラヒドロフランジカルボン酸ジクロライドなどの脂環式2官能アシルハライドなどの2官能アシルハライドなどが挙げられる。これらの多官能アシルハライドは、1種用いてもよく、2種以上併用してもよい。架橋ポリアミド樹脂を得るためには、3官能以上の多官能アミン及び/又は多官能アシルハライドを用いる必要があるが、分離機能層の耐溶剤性を向上させる観点、有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を向上させる観点、反応性、取り扱い性、及び入手の容易さなどの観点から、3官能アシルハライドを用いることが好ましく、より好ましくはトリメシン酸クロライドである。 The polyfunctional acyl halides used as raw material monomers for crosslinked polyamide resins are acyl halides containing at least two halogenated carbonyl groups per molecule. Examples include trifunctional acyl halides such as trimesic acid chloride, 1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acid trichloride, and 1,2,4-cyclobutanetricarboxylic acid trichloride; aromatic bifunctional acyl halides such as biphenyldicarboxylic acid dichloride, azobenzenedicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, and naphthalenedicarboxylic acid chloride; aliphatic bifunctional acyl halides such as adipoyl chloride and sebacoyl chloride; and alicyclic bifunctional acyl halides such as cyclopentanedicarboxylic acid dichloride, cyclohexanedicarboxylic acid dichloride, and tetrahydrofurandicarboxylic acid dichloride. These polyfunctional acyl halides may be used alone or in combination. In order to obtain a crosslinked polyamide resin, it is necessary to use a polyfunctional amine and/or a polyfunctional acyl halide having three or more functionalities. However, from the viewpoints of improving the solvent resistance of the separation functional layer, improving the blocking performance of solutes in the organic solvent-based treated liquid, reactivity, handleability, and ease of availability, it is preferable to use a trifunctional acyl halide, and more preferably trimesic acid chloride.
分離機能層は、非架橋ポリアミド樹脂(ジアミンと2官能アシルハライドとの界面重縮合反応により得られる直鎖状ポリアミド樹脂)を含んでいてもよいが、分離機能層の耐溶剤性を向上させる観点から、非架橋ポリアミド樹脂を含まないことが好ましい。分離機能層が非架橋ポリアミド樹脂を含む場合、非架橋ポリアミド樹脂の含有量は、好ましくは20重量%以下、より好ましくは10重量%以下、更に好ましくは5重量%以下である。The separation functional layer may contain a non-crosslinked polyamide resin (a linear polyamide resin obtained by the interfacial polycondensation reaction of a diamine and a bifunctional acyl halide), but from the perspective of improving the solvent resistance of the separation functional layer, it is preferable that it does not contain a non-crosslinked polyamide resin. If the separation functional layer contains a non-crosslinked polyamide resin, the content of the non-crosslinked polyamide resin is preferably 20% by weight or less, more preferably 10% by weight or less, and even more preferably 5% by weight or less.
分離機能層は、必要に応じて、増粘剤、酸化防止剤、表面改質剤、滑剤、界面活性剤等の添加剤が含まれていてもよい。 The separation functional layer may contain additives such as thickeners, antioxidants, surface modifiers, lubricants, surfactants, etc. as needed.
分離機能層の厚みは特に制限されないが、極めて薄い(0.1μm未満)ため、その厚みを正確に測定することは、走査型電子顕微鏡(SEM)の10~20万倍の倍率で観察しても非常に困難である。本発明の分離機能層は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層と完全に一体化した形態として観察されるため、分離機能層の厚みを特定することは困難である。しかし、分離機能層が大きな凹凸を持つ形態である場合には、緻密層とは異なる凸凹像として観察され、SEM画像から分離機能層の存在を判断できる。この場合も、分離機能層の厚みを特定することは難しい。一方、界面重縮合反応を実施した表面のSEM画像における形態は、界面重縮合反応を行っていない脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面のSEM画像における形態とは異なった形態(緻密層の表面にはない多数の円形突起などが見られる)をしているため、SEM画像を比較することにより分離機能層の存在を確認できる。While the thickness of the separation functional layer is not particularly limited, it is extremely thin (less than 0.1 μm), making it extremely difficult to accurately measure its thickness even when observed with a scanning electron microscope (SEM) at magnifications of 100,000 to 200,000 times. Because the separation functional layer of the present invention is observed as a completely integrated part of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, determining its thickness is difficult. However, if the separation functional layer has a significantly uneven morphology, it will be observed as an uneven image distinct from the dense layer, and the presence of the separation functional layer can be determined from the SEM image. In this case, determining the thickness of the separation functional layer is also difficult. Meanwhile, the morphology in SEM images of the surface after the interfacial polycondensation reaction differs from that of the dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane that has not undergone the interfacial polycondensation reaction (e.g., numerous circular protrusions not present on the surface of the dense layer can be seen), and therefore the presence of the separation functional layer can be confirmed by comparing the SEM images.
また、分離機能層の存在の確認は、複合中空糸膜のエアーリーク試験でも行うことができる。エアーリーク試験法は、乾燥状態の複合中空糸膜の中空部に0.2MPa程度の空気加圧を行って加圧空気を封じ込めた状態とし、封じ込み圧力の経時低下を評価する方法である。脂肪族ポリアミド中空糸膜が限外濾過膜の領域の孔径を有する場合、脂肪族ポリアミド中空糸膜は、封じ込み圧力を保持することは全くできない。一方、分離機能層により完全に複合化された複合中空糸膜は、ほぼ完全に封じ込み圧力を保持することができる。そのため、封じ込み圧力を保持することができるか否かを試験することにより分離機能層の存在を確認できる。また、封じ込み圧力の保持状態を定量化することで分離機能層の形成状態の良否を判定することができるため、エアーリーク試験法は、分離機能層の欠陥等の確認に有効である。本発明の複合中空糸膜の一実施態様として、下記式1により定義される膜面積(S)と加圧される全空間体積(V)においてエアーリーク試験を行った際の、エアーリーク量(圧力低下量)は、5分間あたり、好ましくは0.05MPa以下、より好ましくは0.02MPa以下、さらに好ましくは0.005MPa以下である。
(式1)V/S=0.0002×0.45/R
Rは、複合中空糸膜の内径(mm)である。また、V/Sの誤差は、±10%以内である。
中空糸膜を介してエアーが漏れる状態を圧力低下で検出する場合は、膜面積S(リークする部分)と全加圧空間体積Vが、ある程度一定値であることが定量性には必要となる。中空糸膜の場合は、内径の変化により中空糸自体の中空体積部が変動し、体積と膜面積の比は内径に比例する。また、モジュールサイズやリークテスターサイズも中空糸膜の太さなどにより変動するため、それらを前記式1に示すように補正する必要がある。本発明では、中空糸膜の内径0.45mmで1m2あたり0.0002m3の空間でのエアーリーク試験を基準として最適値を見出しており、本発明で好適である、内径0.1~3mmの中空糸膜に対しては、この基準を基に前記式1に記載の関係により、内径の異なる中空糸膜に対して条件を標準化した。
The presence of a separation functional layer can also be confirmed by an air leak test of a composite hollow fiber membrane. The air leak test involves applying an air pressure of approximately 0.2 MPa to the hollow portion of a dry composite hollow fiber membrane to trap the pressurized air, and evaluating the decrease in trapping pressure over time. When an aliphatic polyamide hollow fiber membrane has a pore size in the range of an ultrafiltration membrane, the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is completely unable to maintain the trapping pressure. On the other hand, a composite hollow fiber membrane completely combined with a separation functional layer can almost completely maintain the trapping pressure. Therefore, the presence of a separation functional layer can be confirmed by testing whether the trapping pressure can be maintained. Furthermore, because the quality of the separation functional layer can be determined by quantifying the retention of the trapping pressure, the air leak test is effective in checking for defects in the separation functional layer. In one embodiment of the composite hollow fiber membrane of the present invention, when an air leak test is conducted with a membrane area (S) and a total space volume (V) to be pressurized defined by the following formula 1, the air leak amount (pressure drop) per 5 minutes is preferably 0.05 MPa or less, more preferably 0.02 MPa or less, and even more preferably 0.005 MPa or less.
(Formula 1) V/S=0.0002×0.45/R
R is the inner diameter (mm) of the composite hollow fiber membrane. The error of V/S is within ±10%.
When detecting air leakage through a hollow fiber membrane by pressure drop, it is necessary for quantitative measurement that the membrane area S (the leaking portion) and the total pressurized space volume V be relatively constant. In the case of hollow fiber membranes, the hollow volume of the hollow fiber itself fluctuates with changes in the inner diameter, and the ratio of volume to membrane area is proportional to the inner diameter. Furthermore, the module size and leak tester size also vary depending on factors such as the thickness of the hollow fiber membrane, and therefore these must be corrected as shown in Equation 1 above. In the present invention, the optimal value was found based on an air leak test using a hollow fiber membrane with an inner diameter of 0.45 mm and a space of 0.0002 m3 per m2 . For hollow fiber membranes with inner diameters of 0.1 to 3 mm, which are suitable for the present invention, the conditions were standardized for hollow fiber membranes with different inner diameters using the relationship described in Equation 1 above.
複合中空糸膜のエアーリーク量(圧力低下量)は、具体的には、以下の方法で測定する。まず、複合中空糸膜20本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備する。次に、外径12.7mm、内径9.5mm、長さ53mmのポリブチレンテレフタレート(PBT)チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口に、さらに内径12mm、長さ約50mmのシリコーンチューブを15mm程度挿入して連結させ、シリコーンチューブのPBTチューブに挿入した側と反対側に長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をする。次に、当該連結チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填する。その後、前記準備した複合中空糸膜を束ねたものの片端を、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させる。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して中空部を開口する。もう一方の片端についても同様の操作を行い、複合中空糸膜の両端部の中空部が開口したクロスフローモジュールを作製する。モジュールの膜面積は、中空糸の内面積基準とし、中空糸の内径、本数、及び有効長から算出する。
作製したモジュールの中空部に連結する出口の一端を封止し、他端に、バルブ、及びバルブとモジュールの間に圧力計を有する加圧ラインを取り付ける。中空部に0.2MPaの空気加圧を行い、バルブを閉めて圧力を封じ込める。その直後から、経時的に圧力を確認し、5分後の圧力の変化量を測定する。なお、中空糸、モジュール、加圧ラインなどを含めた封じ込め体積(全加圧空間体積V)を見積り、膜面積Sと全加圧空間体積Vの比が前記式1の関係の±10%以内となるようにラインの長さ等を制御する。
Specifically, the air leak rate (pressure drop) of a composite hollow fiber membrane is measured by the following method. First, 20 composite hollow fiber membranes are cut into 30 cm lengths and bundled together. Next, a polybutylene terephthalate (PBT) tube with an outer diameter of 12.7 mm, an inner diameter of 9.5 mm, and a length of 53 mm is prepared. A silicone tube with an inner diameter of 12 mm and a length of approximately 50 mm is inserted approximately 15 mm into one end opening of the tube to connect the two. A rubber stopper approximately 20 mm long is inserted into the silicone tube on the side opposite the end inserted into the PBT tube to plug the one end opening. Next, a two-component epoxy resin mixture is injected into the opening on the side opposite the rubber stopper to fill the space inside the tube with the epoxy resin. One end of the bundle of composite hollow fiber membranes prepared above is then heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow portion, and the end is inserted into the tube filled with the epoxy resin until the tip of the end touches the rubber stopper, and the epoxy resin is cured in this state. Next, the region of the cured epoxy resin on the rubber stopper side is cut together with the tube to open the hollow portion. The same procedure is performed on the other end to prepare a cross-flow module with open hollow portions at both ends of the composite hollow fiber membrane. The membrane area of the module is calculated based on the internal area of the hollow fibers, and from the internal diameter, number, and effective length of the hollow fibers.
One end of the outlet connected to the hollow part of the fabricated module is sealed, and a valve and a pressure line with a pressure gauge between the valve and the module are attached to the other end. Air pressure of 0.2 MPa is applied to the hollow part, and the valve is closed to contain the pressure. Immediately after that, the pressure is checked over time, and the amount of pressure change after 5 minutes is measured. The containment volume (total pressurized space volume V) including the hollow fibers, module, and pressure line is estimated, and the length of the line, etc. is controlled so that the ratio of the membrane area S to the total pressurized space volume V is within ±10% of the relationship in Equation 1 above.
[複合中空糸膜のバースト圧]
本発明の複合中空糸膜は、下記条件で測定されるバースト圧が、2.25MPa以上であり、有機溶媒中での機械的強度が高い(耐圧性に優れる)ため、膜濾過時の運転圧力を高めて有機溶媒の透液量を増大させることができる。
<バースト圧>
複合中空糸膜を用いて作製したモジュールにN-メチル-2-ピロリドンを通液しながら10分間隔で0.25MPaずつ昇圧し、複合中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。
[Burst pressure of composite hollow fiber membrane]
The composite hollow fiber membrane of the present invention has a burst pressure of 2.25 MPa or more as measured under the conditions described below, and has high mechanical strength in organic solvents (excellent pressure resistance), so that the operating pressure during membrane filtration can be increased to increase the amount of organic solvent that permeates through the membrane.
<Burst pressure>
While N-methyl-2-pyrrolidone is passed through a module prepared using a composite hollow fiber membrane, the pressure is increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals, and the pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane breaks is measured.
複合中空糸膜の前記バースト圧は、膜濾過時の運転圧力を高めて有機溶媒の透液量をより増大させる観点から、好ましくは2.5MPa以上、より好ましくは2.75MPa以上である。複合中空糸膜の前記バースト圧の上限値は、通常、4.0MPa以下である。具体的に、複合中空糸膜の前記バースト圧は、好ましくは2.5~4.0MPa、より好ましくは2.75~4.0MPaである。複合中空糸膜の前記バースト圧は、脂肪族ポリアミド中空糸膜及び分離機能層の形成材料、緻密層の厚さ、支持層の厚さ及び空隙率、及び支持層の細孔の孔径等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができる。 From the perspective of increasing the operating pressure during membrane filtration and further increasing the amount of organic solvent permeated, the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is preferably 2.5 MPa or more, more preferably 2.75 MPa or more. The upper limit of the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is typically 4.0 MPa or less. Specifically, the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is preferably 2.5 to 4.0 MPa, more preferably 2.75 to 4.0 MPa. The burst pressure of the composite hollow fiber membrane can be adjusted to the desired value by appropriately adjusting the materials used to form the aliphatic polyamide hollow fiber membrane and the separation function layer, the thickness of the dense layer, the thickness and porosity of the support layer, and the pore size of the pores in the support layer, etc.
複合中空糸膜の前記バースト圧は、具体的には、以下の方法で測定する。まず、複合中空糸膜20本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備する。次に、外径12.7mm、内径9.5mm、長さ53mmのポリブチレンテレフタレート(PBT)チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口に、さらに内径12mm、長さ約50mmのシリコーンチューブを15mm程度挿入して連結させ、シリコーンチューブのPBTチューブに挿入した側と反対側に長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をする。次に、当該連結チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填する。その後、前記準備した複合中空糸膜を束ねたものの片端を、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させる。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して中空部を開口する。もう一方の片端についても同様の操作を行い、複合中空糸膜の両端部の中空部が開口したクロスフローモジュールを作製する。
作製したクロスフローモジュール6を図1に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ2によって連続してクロスフローモジュール6にNMPを透過させる。モジュールにおいて、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力をレギュレーター5により調節し、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値を印加圧とし、10分間隔で0.25MPaずつ昇圧する。そして、複合中空糸膜が破断したとき、つまり、急激な圧力低下が起こった時の圧力(MPa)をバースト圧とする。
Specifically, the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is measured by the following method. First, 20 composite hollow fiber membranes are cut into 30 cm lengths and bundled together. Next, a polybutylene terephthalate (PBT) tube with an outer diameter of 12.7 mm, an inner diameter of 9.5 mm, and a length of 53 mm is prepared. A silicone tube with an inner diameter of 12 mm and a length of approximately 50 mm is inserted approximately 15 mm into one end opening of the tube to connect the two. A rubber stopper approximately 20 mm long is inserted into the silicone tube on the side opposite the end inserted into the PBT tube to plug the one end opening. Next, a two-component epoxy resin mixture is injected into the opening on the side opposite the rubber stopper to fill the space inside the tube with the epoxy resin. One end of the bundle of composite hollow fiber membranes prepared above is then heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow portion, and the end is inserted into a tube filled with the epoxy resin until the tip of the end touches the rubber stopper, and the epoxy resin is cured in this state. Next, the region of the cured epoxy resin on the rubber stopper side is cut together with the tube to open the hollow portion. The same procedure is performed on the other end to produce a cross-flow module with open hollow portions at both ends of the composite hollow fiber membrane.
The fabricated crossflow module 6 is connected to the internal pressure separation treatment line shown in Figure 1, and NMP is continuously permeated through the crossflow module 6 by the liquid supply circulation pump 2. In the module, the pressures measured by the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 are regulated by the regulator 5, and the arithmetic mean value of the pressures measured by the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 is defined as the applied pressure, which is increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals. The pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane ruptures, i.e., the pressure at which a sudden drop in pressure occurs, is defined as the burst pressure.
[有機溶媒の透液性能及び溶質の阻止性能]
本発明の複合中空糸膜は、前記脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に前記分離機能層が設けられていることにより、有機溶媒の透液性能と有機溶媒系被処理液中の溶質の阻止性能を高いレベルで両立できるものであり、例えば、以下の透液性能及び阻止性能を有するものである。
[Permeability of organic solvents and blocking performance of solutes]
The composite hollow fiber membrane of the present invention has the separation functional layer provided on the surface of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and therefore can achieve both high levels of liquid permeability for organic solvents and high levels of blocking performance for solutes in organic solvent-based treated liquids, and has, for example, the following liquid permeability and blocking performance.
本発明の複合中空糸膜の一実施態様として、25℃、複合中空糸膜の前記バースト圧に対して75%の圧力におけるNMPの透過量は、好ましくは6L/(m2・h)以上、より好ましくは8L/(m2・h)以上、更に好ましくは10L/(m2・h)以上、より更に好ましくは11L/(m2・h)以上、一層好ましくは12L/(m2・h)以上、より一層好ましくは14L/(m2・h)以上である。なお、前記NMP透過量の上限値は、通常、20L/(m2・h)以下である。具体的には、25℃、複合中空糸膜の前記バースト圧に対して75%の圧力におけるNMPの透過量は、好ましくは6~20L/(m2・h)、より好ましくは8~20L/(m2・h)、更に好ましくは10~20L/(m2・h)、より更に好ましくは11~20L/(m2・h)、一層好ましくは12~20L/(m2・h)、より一層好ましくは14~20L/(m2・h)である。前記NMP透過量は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量、緻密層の厚み、分離機能層の形成材料の種類等を適宜調整することにより目的とする値に調整することができる。 In one embodiment of the composite hollow fiber membrane of the present invention, the NMP permeation rate at 25°C and a pressure 75% of the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is preferably 6 L/( m2 ·h) or more, more preferably 8 L/( m2 ·h) or more, even more preferably 10 L/( m2 ·h) or more, still more preferably 11 L/( m2 ·h) or more, even more preferably 12 L/( m2 ·h) or more, and still more preferably 14 L/( m2 ·h) or more. The upper limit of the NMP permeation rate is usually 20 L/( m2 ·h) or less. Specifically, the NMP permeation rate at 25°C and a pressure 75% of the burst pressure of the composite hollow fiber membrane is preferably 6 to 20 L/( m2 ·h), more preferably 8 to 20 L/( m2 ·h), even more preferably 10 to 20 L/( m2 ·h), still more preferably 11 to 20 L/( m2 ·h), even more preferably 12 to 20 L/( m2 ·h), and even more preferably 14 to 20 L/( m2 ·h). The NMP permeation rate can be adjusted to a desired value by appropriately adjusting the molecular weight cutoff of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the thickness of the dense layer, the type of material forming the separation functional layer, etc.
前記NMP透過量は、内圧式濾過によって測定される値であり、以下の手順で測定される値である。まず、複合中空糸膜20本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備する。次に、外径12.7mm、内径9.5mm、長さ53mmのポリブチレンテレフタレート(PBT)チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口に、さらに内径12mm、長さ約50mmのシリコーンチューブを15mm程度挿入して連結させ、シリコーンチューブのPBTチューブに挿入した側と反対側に長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をする。次に、当該連結チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填する。その後、前記準備した複合中空糸膜を束ねたものの片端を、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させる。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して中空部を開口する。もう一方の片端についても同様の操作を行い、複合中空糸膜の両端部の中空部が開口したクロスフローモジュールを作製する。
作製したクロスフローモジュール6を図1に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ2によって連続してクロスフローモジュール6に流動液を透過させる。流動液にはNMPを用いる。モジュールにおいて、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力をレギュレーター5により調節し、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値が、複合中空糸膜の前記バースト圧に対して75%となるようにする。モジュール内を透過する流動液のうち、複合中空糸膜の細孔を透過したものは、流動液から分離された透過液として回収し、残りは再び分離処理ラインに循環させる。循環開始2時間後から4時間後までにクロスフローモジュール6から流出した透過液を受け皿7により回収し、下記算出式に従ってNMP透過量(L/(m2・h))を算出する。
NMP透過量=複合中空糸膜の外側に透過したNMPの容量(L)/[複合中空糸膜の内径(m)×3.14×複合中空糸膜の有効濾過長さ(m)×20(本)×時間(h)]
複合中空糸膜の有効濾過長さ:クロスフローモジュールにおいて複合中空糸膜の外表面のうちエポキシ樹脂に被覆されていない部分の長さである。
The NMP permeation rate is a value measured by internal pressure filtration and is a value measured by the following procedure. First, 20 composite hollow fiber membranes are cut into 30 cm lengths and bundled together. Next, a polybutylene terephthalate (PBT) tube with an outer diameter of 12.7 mm, an inner diameter of 9.5 mm, and a length of 53 mm is prepared. A silicone tube with an inner diameter of 12 mm and a length of approximately 50 mm is inserted approximately 15 mm into one end opening of the tube to connect them. A rubber stopper approximately 20 mm long is inserted into the silicone tube on the side opposite the end inserted into the PBT tube to plug the one end opening. Next, a two-component epoxy resin mixture is injected through the opening on the side opposite the rubber stopper to fill the space inside the tube with the epoxy resin. One end of the bundle of composite hollow fiber membranes prepared above is then heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow portion, and the end is inserted into a tube filled with the epoxy resin until the tip of the end touches the rubber stopper, and the epoxy resin is cured in this state. Next, the region of the cured epoxy resin on the rubber stopper side is cut together with the tube to open the hollow portion. The same procedure is performed on the other end to produce a cross-flow module with open hollow portions at both ends of the composite hollow fiber membrane.
The fabricated crossflow module 6 is connected to the internal pressure separation treatment line shown in Figure 1, and the flowing liquid is continuously passed through the crossflow module 6 by the liquid supply circulation pump 2. NMP is used as the flowing liquid. In the module, the pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 are adjusted by the regulator 5 so that the arithmetic mean value of the pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 is 75% of the burst pressure of the composite hollow fiber membrane. Of the flowing liquid passing through the module, that which has passed through the pores of the composite hollow fiber membrane is recovered as permeated liquid separated from the flowing liquid, and the remainder is circulated back to the separation treatment line. The permeated liquid flowing out of the crossflow module 6 between 2 and 4 hours after the start of circulation is recovered in the receiver 7, and the NMP permeation rate (L/( m2 ·h)) is calculated according to the following formula:
NMP permeation amount = volume (L) of NMP permeated to the outside of the composite hollow fiber membrane / [inner diameter (m) of composite hollow fiber membrane × 3.14 × effective filtration length (m) of composite hollow fiber membrane × 20 (membranes) × time (h)]
Effective filtration length of composite hollow fiber membrane: The length of the portion of the outer surface of the composite hollow fiber membrane that is not coated with epoxy resin in the crossflow module.
本発明の複合中空糸膜は、好ましくは限外濾過膜又はナノ濾過膜、より好ましくはナノ濾過膜、すなわち、分画分子量が200~1000である。しかし、分画分子量の測定方法は煩雑であるため、濾過膜の分類を特定する簡便な手法として、特定物質の阻止性能で評価を行った。本発明では、OSNとしての分画分子量の最小分子量相当であるジフェニルスルホン(分子量:218.27)の阻止率を用いた。また、分画分子量が1000未満であることは、単分散ポリスチレン(分子量:1000)の阻止率を用いて確認した。本発明の複合中空糸膜は、分子量1000のポリスチレンの阻止率が90%以上であり、また、低分子であるジフェニルスルホンの阻止率が30%以上であり、ナノ濾過膜としての性能を満足するものであった。 The composite hollow fiber membrane of the present invention is preferably an ultrafiltration membrane or nanofiltration membrane, and more preferably a nanofiltration membrane, i.e., one with a molecular weight cutoff of 200 to 1,000. However, because measuring the molecular weight cutoff is complicated, a simple method for identifying the classification of filtration membranes was used to evaluate the rejection performance of specific substances. In this invention, the rejection rate of diphenyl sulfone (molecular weight: 218.27), which corresponds to the minimum molecular weight cutoff for OSN, was used. Furthermore, the molecular weight cutoff of less than 1,000 was confirmed using the rejection rate of monodisperse polystyrene (molecular weight: 1,000). The composite hollow fiber membrane of the present invention had a rejection rate of 90% or more for polystyrene with a molecular weight of 1,000 and a rejection rate of 30% or more for diphenyl sulfone, a low molecular weight substance, thereby satisfying the performance requirements of a nanofiltration membrane.
本発明の複合中空糸膜の一実施態様として、溶媒がNMPであり、溶質がジフェニルスルホンである溶液を濾過した際のジフェニルスルホンの阻止率は、好ましくは30%以上、より好ましくは35%以上、更に好ましくは50%以上、より更に好ましくは60%以上、特に好ましくは70%以上である。前記ジフェニルスルホンの阻止率は、分離機能層の形成材料の種類等を適宜選択することにより目的とする値に調整することができる。In one embodiment of the composite hollow fiber membrane of the present invention, the rejection rate of diphenyl sulfone when a solution containing NMP as the solvent and diphenyl sulfone as the solute is filtered is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, even more preferably 50% or more, even more preferably 60% or more, and particularly preferably 70% or more. The rejection rate of diphenyl sulfone can be adjusted to the desired value by appropriately selecting the type of material forming the separation functional layer, etc.
ジフェニルスルホン又はポリスチレンの阻止率は、内圧式濾過によって測定される値であり、ジフェニルスルホン又はポリスチレンを0.2重量%含むNMP溶液を用いる以外は、前記NMP透過量の測定と同様の測定手順で測定される値である。ジフェニルスルホン又はポリスチレンの濃度は、液体クロマトグラフィーにより測定することができる。ジフェニルスルホン又はポリスチレンの阻止率は、以下の式から算出する。
阻止率=100-(透過液の濃度/流動液の濃度)×100
The rejection of diphenyl sulfone or polystyrene is a value measured by internal pressure filtration, and is a value measured using the same measurement procedure as for the measurement of the NMP permeation amount, except that an NMP solution containing 0.2 wt% of diphenyl sulfone or polystyrene is used. The concentration of diphenyl sulfone or polystyrene can be measured by liquid chromatography. The rejection of diphenyl sulfone or polystyrene is calculated using the following formula.
Rejection rate = 100 - (concentration of permeate/concentration of flow-through) x 100
[有機溶媒耐性]
本発明の複合中空糸膜は、主に脂肪族ポリアミド樹脂と架橋樹脂(好ましくは、架橋芳香族ポリアミド樹脂)で形成されているため、様々な種類の有機溶媒と接触しても、強度や伸びの変化を抑制して膜構造を安定に保持する特性(有機溶媒耐性)を備えている。より具体的には、本発明の複合中空糸膜は、アルコール類、非プロトン性極性溶媒、炭化水素類、高級脂肪酸、ケトン類、エステル類、エーテル類等の有機溶媒への耐性を有している。かかる有機溶媒の種類としては、具体的には以下のものが例示される。
アルコール類:メタノール、エタノール、n-プロパノール、n-ブタノール、ベンジルアルコール等の第一級アルコール;イソプロピルアルコール、イソブタノール等の第二級アルコール;ターシャリーブチルアルコール等の第三級アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3-ブタンジオール、グリセリン等の多価アルコール。
ケトン類:アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ジイソプロピルケトン等。
エーテル類:3-メトキシブタノール、3-メトキシブチルアセテート、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、1,4-ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等。
非プロトン性極性溶媒:N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチル-2-ピロリドン、スルホラン等。
エステル類:酢酸エチル、酢酸イソブチル、乳酸エチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等。
炭化水素類:石油エーテル、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、流動パラフィン、ガソリン、及び鉱油。
高級脂肪酸:オレイン酸、リノール酸、リノレン酸等のカルボキシ基以外の炭素数が4以上(好ましくは4~30)の脂肪酸。
[Organic solvent resistance]
The composite hollow fiber membrane of the present invention is formed mainly from an aliphatic polyamide resin and a crosslinked resin (preferably a crosslinked aromatic polyamide resin), and therefore has the property of suppressing changes in strength and elongation and stably maintaining the membrane structure even when it comes into contact with various types of organic solvents (organic solvent resistance). More specifically, the composite hollow fiber membrane of the present invention is resistant to organic solvents such as alcohols, aprotic polar solvents, hydrocarbons, higher fatty acids, ketones, esters, and ethers. Specific examples of such organic solvents include the following:
Alcohols: primary alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol, and benzyl alcohol; secondary alcohols such as isopropyl alcohol and isobutanol; tertiary alcohols such as tertiary butyl alcohol; and polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, 1,3-butanediol, and glycerin.
Ketones: acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, diisopropyl ketone, etc.
Ethers: 3-methoxybutanol, 3-methoxybutyl acetate, tetrahydrofuran, diethyl ether, diisopropyl ether, 1,4-dioxane, ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monomethyl ether acetate, and the like.
Aprotic polar solvents: N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, sulfolane, and the like.
Esters: ethyl acetate, isobutyl acetate, ethyl lactate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.
Hydrocarbons: petroleum ether, pentane, hexane, heptane, benzene, toluene, xylene, liquid paraffin, gasoline, and mineral oil.
Higher fatty acids: fatty acids having 4 or more carbon atoms (preferably 4 to 30 carbon atoms) other than the carboxyl group, such as oleic acid, linoleic acid, and linolenic acid.
[用途]
本発明の複合中空糸膜は、例えば、限外濾過膜又はナノ濾過膜として、半導体工業、化学工業、食品工業、医薬品工業、医療品工業等の分野で好適に用いられる。特に、本発明の複合中空糸膜は、非プロトン性極性溶媒に対する耐性が高く、当該溶媒を使用する産業分野において、当該溶媒と溶質とを含む被処理液を処理対象とする濾過に好適に用いられる。
[Application]
The composite hollow fiber membrane of the present invention is suitably used, for example, as an ultrafiltration membrane or nanofiltration membrane in fields such as the semiconductor industry, chemical industry, food industry, pharmaceutical industry, medical product industry, etc. In particular, the composite hollow fiber membrane of the present invention has high resistance to aprotic polar solvents, and is suitably used in industrial fields that use such solvents for filtration of a liquid to be treated that contains the solvent and a solute.
また、本発明の複合中空糸膜は、様々な有機溶媒に対する耐性を有しているので、有機溶媒と溶質を含む被処理液を処理対象とする膜分離プロセスに好適に用いられる。 In addition, the composite hollow fiber membrane of the present invention is resistant to various organic solvents, making it suitable for use in membrane separation processes that treat liquids containing organic solvents and solutes.
3.複合中空糸膜の製造方法
本発明の複合中空糸膜の製造方法については、前記構造の複合中空糸膜が得られれば特に制限されないが、好適な一例として下記第1工程~第4工程を含む製造方法が挙げられる。
第1工程:150℃以上の沸点を有し且つ100℃未満の温度では脂肪族ポリアミド樹脂と相溶しない有機溶媒に、100℃以上の温度で脂肪族ポリアミド樹脂を20重量%以上の濃度で溶解させた製膜原液を調製する。
第2工程:前記製膜原液を所定形状にて100℃以下の凝固浴中に押し出すことにより、脂肪族ポリアミド樹脂を膜状に凝固させる工程であって、当該工程において、所定形状にて押し出された前記製膜原液の少なくとも一方の表面に対して、前記製膜原液で使用した有機溶媒と相溶性を有し且つ脂肪族ポリアミド樹脂とは親和性が低い凝固液を接触させて、少なくとも一方の表面に緻密層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成する。
第3工程:前記第2工程で形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜から製膜原液溶媒及び凝固液を除去する。
第4工程:前記第3工程を行って得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の少なくとも一方の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を形成する。
3. Manufacturing Method of Composite Hollow Fiber Membrane The manufacturing method of the composite hollow fiber membrane of the present invention is not particularly limited as long as it can produce a composite hollow fiber membrane having the above-described structure. A suitable example includes a manufacturing method including the following first to fourth steps.
First step: A membrane-forming solution is prepared by dissolving an aliphatic polyamide resin at a concentration of 20% by weight or more in an organic solvent having a boiling point of 150°C or higher and being incompatible with the aliphatic polyamide resin at temperatures below 100°C at a temperature of 100°C or higher.
Second step: A step of coagulating the aliphatic polyamide resin into a membrane by extruding the membrane-forming solution in a predetermined shape into a coagulation bath at 100°C or less. In this step, a coagulation liquid that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution but has low affinity for the aliphatic polyamide resin is brought into contact with at least one surface of the membrane-forming solution extruded in the predetermined shape, thereby forming an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer on at least one surface.
Third step: The membrane forming solution solvent and the coagulation solution are removed from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane formed in the second step.
Fourth step: A separation functional layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation is formed on the surface of at least one of the dense layers of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane obtained by carrying out the third step.
[脂肪族ポリアミド中空糸膜の形成]
以下、脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成するための前記第1工程~第3工程について工程毎に詳述する。
[Formation of aliphatic polyamide hollow fiber membrane]
Hereinafter, the first to third steps for forming the aliphatic polyamide hollow fiber membrane will be described in detail.
[第1工程]
第1工程では、150℃以上の沸点を有し且つ100℃未満の温度では脂肪族ポリアミド樹脂と相溶しない有機溶媒に、100℃以上の温度で脂肪族ポリアミド樹脂を20重量%以上の濃度で溶解させた製膜原液を調製する。
[First step]
In the first step, a film-forming solution is prepared by dissolving an aliphatic polyamide resin at a concentration of 20% by weight or more in an organic solvent having a boiling point of 150°C or higher and being incompatible with the aliphatic polyamide resin at temperatures below 100°C at a temperature of 100°C or higher.
150℃以上の沸点を有し且つ100℃未満の温度では脂肪族ポリアミド樹脂と相溶しない有機溶媒としては、例えば、非プロトン性極性溶媒、グリセリンエーテル類、多価アルコール類、有機酸及び有機酸エステル類、高級アルコール類等が挙げられる。非プロトン性極性溶媒としては、具体的には、スルホラン、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、ε-カプロラクトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等が挙げられる。グリセリンエーテル類としては、具体的には、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。多価アルコール類としては、具体的には、グリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール、1,3-ブタンジオール、ポリエチレングリコール(分子量100~10000)等が挙げられる。有機酸及び有機酸エステル類としては、具体的には、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジイソプロピル、フタル酸ジブチル、フタル酸ブチルベンジル、サリチル酸メチル、オレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ラウリン酸等が挙げられる。これらの有機溶媒の中でも、より高い強度を備える脂肪族ポリアミド中空糸膜を得るという観点から、好ましくは、非プロトン性極性溶媒、多価アルコール類;より好ましくは、スルホラン、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、ε-カプロラクトン、プロピレングリコール、へキシレングリコール、1,3-ブタンジオール、ポリエチレングリコール(分子量100~600);更に好ましくは、スルホラン、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、ε-カプロラクトン;より更に好ましくは、ジメチルスルホンが挙げられる。これらの有機溶媒は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合せて使用してもよい。これらの有機溶媒を1種単独で使用しても十分な効果が得られるが、2種類以上を混合して用いることで、相分離の順序や構造が異なることに起因して、更に効果的な脂肪族ポリアミド中空糸膜を作製できることもある。 Examples of organic solvents that have a boiling point of 150°C or higher and are incompatible with aliphatic polyamide resins at temperatures below 100°C include aprotic polar solvents, glycerin ethers, polyhydric alcohols, organic acids and organic acid esters, and higher alcohols. Specific examples of aprotic polar solvents include sulfolane, dimethyl sulfone, dimethyl sulfoxide, γ-butyrolactone, δ-valerolactone, ε-caprolactone, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, ethylene carbonate, and propylene carbonate. Specific examples of glycerin ethers include diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. Specific examples of polyhydric alcohols include glycerin, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, hexylene glycol, 1,3-butanediol, polyethylene glycol (molecular weight 100 to 10,000), etc. Specific examples of organic acids and organic acid esters include dimethyl phthalate, diethyl phthalate, diisopropyl phthalate, dibutyl phthalate, butyl benzyl phthalate, methyl salicylate, oleic acid, palmitic acid, stearic acid, lauric acid, etc. Among these organic solvents, from the viewpoint of obtaining aliphatic polyamide hollow fiber membranes with higher strength, preferred are aprotic polar solvents and polyhydric alcohols; more preferred are sulfolane, dimethyl sulfone, γ-butyrolactone, δ-valerolactone, ε-caprolactone, propylene glycol, hexylene glycol, 1,3-butanediol, and polyethylene glycol (molecular weight 100 to 600); even more preferred are sulfolane, dimethyl sulfone, γ-butyrolactone, δ-valerolactone, and ε-caprolactone; and even more preferred are dimethyl sulfone. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. While sufficient effects can be obtained when using one of these organic solvents alone, using a mixture of two or more may result in the production of more effective aliphatic polyamide hollow fiber membranes due to differences in the order and structure of phase separation.
製膜原液中の脂肪族ポリアミド樹脂の濃度は、20重量%以上であればよく、好ましくは23~50重量%、より好ましくは25~38重量%、更に好ましくは28~35重量%が挙げられる。製膜原液中の脂肪族ポリアミド樹脂の濃度が前記範囲を充足することにより、空隙率が60~80%の支持層を得ることができ、脂肪族ポリアミド中空糸膜に優れた耐圧性を備えさせることができ、その結果、本発明の複合中空糸膜に優れた耐圧性と有機溶媒の透液性能を備えさせることができる。The concentration of the aliphatic polyamide resin in the membrane-forming solution may be 20% by weight or higher, preferably 23 to 50% by weight, more preferably 25 to 38% by weight, and even more preferably 28 to 35% by weight. By ensuring that the concentration of the aliphatic polyamide resin in the membrane-forming solution is within this range, a support layer with a porosity of 60 to 80% can be obtained, providing the aliphatic polyamide hollow fiber membrane with excellent pressure resistance. As a result, the composite hollow fiber membrane of the present invention can be provided with excellent pressure resistance and organic solvent permeability.
また、第1工程において、脂肪族ポリアミド樹脂を前記有機溶媒に溶解するに当たり、溶媒の温度を100℃以上にしておくことが必要である。具体的には、調製される製膜原液の相分離温度の10~50℃高い温度、好ましくは20~40℃高い温度で溶解させることが望ましい。製膜原液の相分離温度とは、脂肪族ポリアミド樹脂と前記有機溶媒を十分に高い温度で混合したものを徐々に冷却し、液-液相分離又は結晶析出による固-液相分離が起こる温度を指す。相分離温度は、ホットステージを備えた顕微鏡等を使用することにより測定することができる。 In addition, in the first step, when dissolving the aliphatic polyamide resin in the organic solvent, it is necessary to maintain the temperature of the solvent at 100°C or higher. Specifically, it is desirable to dissolve the resin at a temperature 10 to 50°C higher, and preferably 20 to 40°C higher, than the phase separation temperature of the membrane-forming solution to be prepared. The phase separation temperature of the membrane-forming solution refers to the temperature at which liquid-liquid phase separation or solid-liquid phase separation due to crystal precipitation occurs when a mixture of aliphatic polyamide resin and the organic solvent at a sufficiently high temperature is gradually cooled. The phase separation temperature can be measured using a microscope equipped with a hot stage, etc.
第1工程において、脂肪族ポリアミド樹脂を前記有機溶媒に溶解させる際の温度条件は、使用する脂肪族ポリアミド樹脂の種類や有機溶媒の種類に応じて、前述する指標に従って100℃以上の温度域で適宜設定すればよいが、好ましくは120~250℃、より好ましくは140~220℃、更に好ましくは160~200℃が挙げられる。In the first step, the temperature conditions for dissolving the aliphatic polyamide resin in the organic solvent may be appropriately set within a temperature range of 100°C or higher in accordance with the aforementioned indicators, depending on the type of aliphatic polyamide resin and the type of organic solvent used, but are preferably 120 to 250°C, more preferably 140 to 220°C, and even more preferably 160 to 200°C.
また、製膜原液には、脂肪族ポリアミド中空糸膜の孔径制御や性能向上等のために、必要に応じてフィラー、増粘剤、酸化防止剤、表面改質剤、滑剤、界面活性剤等を添加してもよい。 In addition, fillers, thickeners, antioxidants, surface modifiers, lubricants, surfactants, etc. may be added to the membrane-forming solution as needed to control the pore size of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane or improve its performance.
第1工程で調製された製膜原液は、その温度のまま(即ち、100℃以上の状態)で第2工程に供される。 The film-forming solution prepared in the first step is subjected to the second step at the same temperature (i.e., above 100°C).
[第2工程]
第2工程では、前記第1工程で調製された製膜原液を所定形状にて100℃以下の凝固浴中に押し出すことにより、脂肪族ポリアミド樹脂を膜状に凝固させる工程であって、当該工程において、所定形状にて押し出された前記製膜原液の少なくとも一方の表面に対して、前記製膜原液で使用した有機溶媒と相溶性を有し且つ脂肪族ポリアミド樹脂とは親和性が低い凝固液(以下、「緻密層形成用凝固液」と表記することもある)を接触させて、少なくとも一方の表面に緻密層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成する。
[Second step]
The second step is a step of coagulating the aliphatic polyamide resin into a membrane by extruding the membrane-forming solution prepared in the first step into a coagulation bath at 100°C or less in a predetermined shape, and in this step, a coagulation liquid (hereinafter sometimes referred to as "coagulation liquid for forming a dense layer") that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution but has a low affinity for the aliphatic polyamide resin is brought into contact with at least one surface of the membrane-forming solution extruded in the predetermined shape, thereby forming an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer on at least one surface.
当該第2工程において、凝固浴中に所定形状にて押し出された前記製膜原液は、緻密層形成用凝固液と接触した表面において緻密層が形成される。前記製膜原液が緻密層形成用凝固液と接触した表面近傍では冷却による熱誘起相分離よりも、溶媒交換による非溶媒相分離が優勢に進行し、従来のTIPS法よりも緻密な構造が表面に形成され、その結果、前記分画分子量を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜が得られる。In the second step, the membrane-forming solution is extruded into a predetermined shape into a coagulation bath, and a dense layer is formed on the surface where it comes into contact with the dense-layer-forming coagulation liquid. Near the surface where the membrane-forming solution comes into contact with the dense-layer-forming coagulation liquid, non-solvent phase separation due to solvent exchange occurs more frequently than thermally induced phase separation due to cooling. This results in the formation of a denser structure on the surface than in conventional TIPS methods, resulting in an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having the aforementioned molecular weight cutoff.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の一方の表面のみに緻密層を形成させる場合には、第2工程において、所定形状で押し出された製膜原液の一方の面に緻密層形成用凝固液を接触させ、他方の面には前記製膜原液に使用した有機溶媒と相溶性を有し且つ脂肪族ポリアミド樹脂とは親和性が高い凝固液(以下、「支持層形成用凝固液」と表記することもある)を接触させればよい。また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の両方の表面に緻密層を形成させる場合には、第2工程において、所定形状で押し出された製膜原液の両方の面に緻密層形成用凝固液を接触させればよい。 When a dense layer is to be formed on only one surface of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, in the second step, one surface of the membrane-forming solution extruded into a predetermined shape is contacted with a dense layer-forming coagulating liquid, and the other surface is contacted with a coagulating liquid (hereinafter sometimes referred to as "support layer-forming coagulating liquid") that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution and has a high affinity for the aliphatic polyamide resin. When a dense layer is to be formed on both surfaces of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, in the second step, both surfaces of the membrane-forming solution extruded into a predetermined shape are contacted with a dense layer-forming coagulating liquid.
緻密層形成用凝固液は、具体的には、25℃以下の温度にて前記製膜原液で使用した有機溶媒と相溶するが、沸点以下又は200℃以下の温度にて脂肪族ポリアミド樹脂を溶解させない溶剤である。緻密層形成用凝固液として、具体的には、水、水含有量が80重量%以上の水溶液等の水性溶剤;1-プロパノール、2-プロパノール、イソブタノール等の1価アルコール類;平均分子量300以上のポリエチレングリコール、平均分子量400以上のポリプロピレングリコール、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のグリコールエーテル類;トリアセチン、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート等のグリコールアセテート類等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは、平均分子量300~600のポリエチレングリコール、トリアセチン、トリエチレングリコールモノメチルエーテル;より好ましくはポリエチレングリコール300、ポリエチレングリコール400、ポリエチレングリコール600;更に好ましくはポリエチレングリコール300、ポリエチレングリコール400が挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。本発明において、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコールの平均分子量は、JIS K 1557-6:2009「プラスチック-ポリウレタン原料ポリオール 試験方法-第6部:近赤外(NIR)分光法による水酸基価の求め方」に準拠して測定した水酸基価に基づいて算出された数平均分子量である。Specifically, the dense layer-forming coagulation liquid is a solvent that is compatible with the organic solvent used in the film-forming solution at temperatures below 25°C, but does not dissolve the aliphatic polyamide resin at temperatures below its boiling point or below 200°C. Specific examples of dense layer-forming coagulation liquids include aqueous solvents such as water and aqueous solutions with a water content of 80% by weight or more; monohydric alcohols such as 1-propanol, 2-propanol, and isobutanol; glycol ethers such as polyethylene glycol with an average molecular weight of 300 or more, polypropylene glycol with an average molecular weight of 400 or more, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether; and glycol acetates such as triacetin and propylene glycol monoethyl ether acetate. Among these, preferred are polyethylene glycol, triacetin, and triethylene glycol monomethyl ether with an average molecular weight of 300 to 600; more preferred are polyethylene glycol 300, polyethylene glycol 400, and polyethylene glycol 600; and even more preferred are polyethylene glycol 300 and polyethylene glycol 400. These solvents may be used alone or in combination of two or more. In the present invention, the average molecular weights of polyethylene glycol and polypropylene glycol are number average molecular weights calculated based on the hydroxyl value measured in accordance with JIS K 1557-6:2009 "Plastics - Polyurethane raw polyols - Test methods - Part 6: Determination of hydroxyl value by near-infrared (NIR) spectroscopy."
また、緻密層形成用凝固液には、緻密層を形成可能であることを限度として、グリセリン等の支持層形成用凝固液に使用される溶剤(25℃以下の温度にて前記製膜原液に使用した有機溶媒と相溶し、且つ沸点以下の温度にて脂肪族ポリアミド樹脂を溶解させる溶剤)が含まれていてもよい。緻密層形成用凝固液に支持層形成用凝固液に使用される溶剤(好ましくは、グリセリン、ジグリセリン、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、及びポリエチレングリコール200からなる群より選択される少なくとも1種)を含有させる場合、当該溶剤の含有量としては、好適な厚みの緻密層を形成し、前記分画分子量を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜を得る観点から、好ましくは5~38重量%、より好ましくは10~35重量%、更に好ましくは15~32重量%、より更に好ましくは15~30重量%である。 Furthermore, the coagulation liquid for forming the dense layer may contain, to the extent that a dense layer can be formed, a solvent used in the coagulation liquid for forming the support layer, such as glycerin (a solvent that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution at temperatures below 25°C and dissolves the aliphatic polyamide resin at temperatures below its boiling point). When the coagulation liquid for forming the dense layer contains a solvent used in the coagulation liquid for forming the support layer (preferably at least one selected from the group consisting of glycerin, diglycerin, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, tetraethylene glycol, and polyethylene glycol 200), the content of the solvent is preferably 5 to 38% by weight, more preferably 10 to 35% by weight, even more preferably 15 to 32% by weight, and even more preferably 15 to 30% by weight, from the viewpoint of forming a dense layer of an appropriate thickness and obtaining an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having the aforementioned molecular weight cutoff.
支持層形成用凝固液は、25℃以下の温度にて前記製膜原液に使用した有機溶媒と相溶し、且つ沸点以下の温度にて脂肪族ポリアミド樹脂を溶解させる溶剤であればよい。支持層形成用凝固液として、具体的には、グリセリン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール200、プロピレングリコール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、スルホラン、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、及びこれらの20重量%以上を含む水溶液が挙げられる。これらの中でも、前記空隙率を有する支持層を得る観点から、好ましくは、1,4-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、グリセリン、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、及びポリエチレングリコール200よりなる群から選択される少なくとも1種、並びにこれらの少なくとも1種を25~75重量%の割合で含む水溶液;より好ましくは、1,4-ブタンジオール、グリセリン、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、及びテトラエチレングリコールよりなる群から選択される少なくとも1種、並びにこれらの少なくとも1種を40~80重量%(好ましくは40~60重量%)の割合で含む水溶液である。The solidifying liquid for forming the support layer may be any solvent that is compatible with the organic solvent used in the film-forming solution at temperatures below 25°C and that dissolves the aliphatic polyamide resin at temperatures below its boiling point. Specific examples of solidifying liquid for forming the support layer include glycerin, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol 200, propylene glycol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, sulfolane, N-methyl-2-pyrrolidone, gamma-butyrolactone, delta-valerolactone, and aqueous solutions containing 20% or more by weight of any of these. Among these, from the viewpoint of obtaining a support layer having the above-mentioned porosity, preferred are at least one selected from the group consisting of 1,4-butanediol, 1,3-butanediol, glycerin, propylene glycol, diethylene glycol, tetraethylene glycol, and polyethylene glycol 200, and an aqueous solution containing at least one of these in a proportion of 25 to 75% by weight; and more preferred are at least one selected from the group consisting of 1,4-butanediol, glycerin, propylene glycol, diethylene glycol, and tetraethylene glycol, and an aqueous solution containing at least one of these in a proportion of 40 to 80% by weight (preferably 40 to 60% by weight).
脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成するために、第2工程は、二重管構造の中空糸製造用二重管状ノズルを用い、外側の環状ノズルから前記製膜原液を吐出すると共に内側のノズルから内部用凝固液を吐出し、凝固浴中に浸漬すればよい。この際、内部用凝固液と凝固浴の内、少なくとも一方に緻密層形成用凝固液を使用すればよい。内部用凝固液と凝固浴の双方に緻密層形成用凝固液を使用した場合には、内腔側表面及び外側表面の双方に緻密層が形成され、内部が支持層である脂肪族ポリアミド中空糸膜が得られる。また、内部用凝固液として緻密層形成用凝固液を使用し、且つ凝固浴として支持層形成用凝固液を使用した場合には、内腔側表面に緻密層が形成され、内部と外側表面は支持層である脂肪族ポリアミド中空糸膜が得られる。また、内部用凝固液として支持層形成用凝固液を使用し、且つ凝固浴として緻密層形成用凝固液を使用した場合には、外側表面に緻密層が形成され、内腔側表面と内部が支持層である脂肪族ポリアミド中空糸膜が得られる。なお、脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成する際に使用される内部用凝固液は、二重環状ノズルを経由することから、沸点が二重環状ノズルの温度以下となる水を含有しないことが好ましい。 To form an aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the second step involves using a double-tube nozzle for hollow fiber production with a double-tube structure. The membrane-forming solution is discharged from the outer annular nozzle and the internal coagulation liquid is discharged from the inner nozzle, and the membrane is immersed in a coagulation bath. In this case, a dense layer-forming coagulation liquid can be used for at least one of the internal coagulation liquid and the coagulation bath. When a dense layer-forming coagulation liquid is used for both the internal coagulation liquid and the coagulation bath, a dense layer is formed on both the inner and outer surfaces, resulting in an aliphatic polyamide hollow fiber membrane with a support layer on the interior. When a dense layer-forming coagulation liquid is used as the internal coagulation liquid and a support layer-forming coagulation liquid is used as the coagulation bath, a dense layer is formed on the inner surface, and the internal and outer surfaces are support layers. Furthermore, when a coagulating liquid for forming a support layer is used as the internal coagulating liquid and a coagulating liquid for forming a dense layer is used as the coagulating bath, a dense layer is formed on the outer surface, and an aliphatic polyamide hollow fiber membrane in which the lumen side surface and the interior are support layers is obtained. Note that, since the internal coagulating liquid used in forming the aliphatic polyamide hollow fiber membrane passes through a double annular nozzle, it is preferable that the internal coagulating liquid does not contain water whose boiling point is equal to or lower than the temperature of the double annular nozzle.
中空糸製造用二重管状ノズルとしては、溶融紡糸において芯鞘型の複合繊維を作製する際に用いられるような二重管状構造を有する口金を用いることができる。中空糸製造用二重管状ノズルの外側の環状ノズルの径、内側のノズルの径については、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内径と外径に応じて適宜設定すればよい。 A double-tubular nozzle for producing hollow fibers can be a spinneret with a double-tubular structure, such as that used to produce core-sheath composite fibers in melt spinning. The diameters of the outer annular nozzle and the inner nozzle of the double-tubular nozzle for producing hollow fibers can be set appropriately depending on the inner and outer diameters of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
また、中空糸製造用二重管状ノズルの外側の環状ノズルから前記製膜原液を吐出させる際の流量については、そのスリット幅にもよるため特に制限されないが、例えば、2~30g/分、好ましくは3~20g/分、更に好ましくは5~15g/分が挙げられる。また、内部用凝固液の流量については、中空糸製造用二重管状ノズルの内側ノズルの径、使用する内部液の種類、製膜原液の流量等を勘案して適宜設定されるが、製膜原液の流量に対して、0.1~2倍、好ましくは0.2~1倍、更に好ましくは0.4~0.7倍が挙げられる。The flow rate at which the membrane forming solution is discharged from the outer annular nozzle of the double-tubular nozzle for hollow fiber production is not particularly limited as it depends on the slit width, but may be, for example, 2 to 30 g/min, preferably 3 to 20 g/min, and more preferably 5 to 15 g/min. The flow rate of the internal coagulation liquid is set appropriately taking into consideration the diameter of the inner nozzle of the double-tubular nozzle for hollow fiber production, the type of internal liquid used, the flow rate of the membrane forming solution, etc., but may be 0.1 to 2 times, preferably 0.2 to 1 time, and more preferably 0.4 to 0.7 times the flow rate of the membrane forming solution.
第2工程において、凝固浴の温度は、100℃以下であればよいが、好ましくは-20~100℃、より好ましくは0~60℃、更に好ましくは2~20℃、特に好ましくは2~10℃が挙げられる。凝固浴の好適な温度は、製膜原液に使用した有機溶媒、凝固液組成等に応じて変動し得るが、一般により低い温度にすることで熱誘起相分離が優先して進み、より高い温度にすることで非溶媒相分離が優先して進む傾向がみられる。即ち、内腔側表面に緻密層が形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜を製造する場合であれば、内腔側表面の緻密層の孔径を大きくするためには凝固浴を低い温度に設定することが好ましく、内腔側表面の緻密層をより緻密にし、内部構造を粗大にするには凝固浴を高い温度に設定することが好ましい。In the second step, the temperature of the coagulation bath may be 100°C or less, preferably -20 to 100°C, more preferably 0 to 60°C, even more preferably 2 to 20°C, and particularly preferably 2 to 10°C. The suitable temperature of the coagulation bath varies depending on the organic solvent used in the membrane-forming solution, the composition of the coagulation solution, etc., but generally, lower temperatures tend to favor thermally induced phase separation, while higher temperatures tend to favor non-solvent phase separation. That is, when producing an aliphatic polyamide hollow fiber membrane with a dense layer formed on the lumen-side surface, it is preferable to set the coagulation bath at a low temperature to increase the pore size of the dense layer on the lumen-side surface, and it is preferable to set the coagulation bath at a high temperature to make the dense layer on the lumen-side surface denser and the internal structure coarser.
また、内部用凝固液の温度は、二重管状ノズルの設定温度程度であればよく、例えば120~250℃、好ましくは160~230℃、より好ましくは180~220℃が挙げられる。 The temperature of the internal coagulation liquid may be approximately the set temperature of the double tubular nozzle, for example, 120 to 250°C, preferably 160 to 230°C, and more preferably 180 to 220°C.
斯して第2工程を実施することにより、製膜原液が凝固浴中で凝固すると共に、少なくとも一方の表面に緻密層が形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜が形成される。 By carrying out the second step in this manner, the membrane-forming solution coagulates in the coagulation bath, and an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is formed with a dense layer formed on at least one surface.
[第3工程]
第3工程では、前記第2工程で形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜から製膜原液溶媒及び凝固液を除去する。
[Third step]
In the third step, the membrane forming solution solvent and the coagulation solution are removed from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane formed in the second step.
脂肪族ポリアミド中空糸膜から製膜原液溶媒及び凝固液を除去する方法については、特に制限されないが、前記第2工程で形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜を抽出溶媒に浸漬して抽出除去する方法が好ましい。 There are no particular restrictions on the method for removing the membrane forming solution solvent and coagulation liquid from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, but a preferred method is to immerse the aliphatic polyamide hollow fiber membrane formed in the second step in an extraction solvent to extract and remove them.
抽出除去に使用される抽出溶媒としては、安価で沸点が低く抽出後に沸点の差などで容易に分離できるものが好ましく、例えば、水、グリセリン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、ジエチルエーテル、ヘキサン、石油エーテル、トルエン等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン;より好ましくは水、メタノール、イソプロパノールが挙げられる。特に、水に溶解する製膜原液溶媒および凝固液を抽出する場合には、水でシャワリングしながら巻取りを行えば同時に溶媒抽出も行うことができ効率的である。また、フタル酸エステル、脂肪酸等の水に不溶の有機溶媒を抽出する際は、イソプロピルアルコール、石油エーテル等を好適に用いることができる。The extraction solvent used for extraction and removal is preferably inexpensive, has a low boiling point, and can be easily separated after extraction due to differences in boiling points, such as water, glycerin, methanol, ethanol, isopropanol, acetone, diethyl ether, hexane, petroleum ether, and toluene. Among these, water, methanol, ethanol, isopropanol, and acetone are preferred; water, methanol, and isopropanol are more preferred. In particular, when extracting water-soluble membrane-forming solution solvents and coagulation solutions, winding the membrane while showering it with water allows for simultaneous solvent extraction, which is efficient. Furthermore, isopropyl alcohol, petroleum ether, and the like are suitable for extracting water-insoluble organic solvents such as phthalate esters and fatty acids.
脂肪族ポリアミド中空糸膜を抽出溶媒に浸漬することにより、製膜原液溶媒及び凝固液の抽出除去を行う場合、抽出溶媒に脂肪族ポリアミド中空糸膜を浸漬する時間については、特に制限されないが、例えば0.2時間~2ヶ月間、好ましくは0.5時間~1ヶ月間、更に好ましくは2時間~10日間が挙げられる。脂肪族ポリアミド中空糸膜に残留する凝固液等を効果的に抽出除去するために、抽出溶媒を入れ替えたり、攪拌したりしてもよい。When the membrane-forming solution solvent and coagulation liquid are extracted and removed by immersing the aliphatic polyamide hollow fiber membrane in an extraction solvent, the time for which the aliphatic polyamide hollow fiber membrane is immersed in the extraction solvent is not particularly limited, but may be, for example, 0.2 hours to 2 months, preferably 0.5 hours to 1 month, and more preferably 2 hours to 10 days. The extraction solvent may be replaced or stirred to effectively extract and remove the coagulation liquid remaining in the aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
斯して第3工程を実施することにより、製膜原液溶媒及び凝固液が除去された、少なくとも一方の表面に緻密層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜が得られる。 By carrying out the third step in this manner, an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is obtained from which the membrane-forming solution solvent and coagulation liquid have been removed and which has a dense layer on at least one surface.
第3工程後、脂肪族ポリアミド中空糸膜中の抽出溶媒を乾燥除去することが好ましい。抽出溶媒の乾燥除去は、自然乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、真空乾燥等の公知の乾燥処理により行うことができる。After the third step, it is preferable to dry and remove the extraction solvent from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. Drying and removal of the extraction solvent can be carried out by known drying processes such as natural drying, hot air drying, reduced pressure drying, and vacuum drying.
また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の強度を高め、優れた耐圧性を具備させるために、脂肪族ポリアミド中空糸膜を乾燥と同時又は乾燥後に一軸方向(長手方向)に延伸してもよい。 In addition, to increase the strength of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane and provide it with excellent pressure resistance, the aliphatic polyamide hollow fiber membrane may be stretched uniaxially (longitudinal) simultaneously with or after drying.
乾燥と同時に一軸方向に延伸するには、脂肪族ポリアミド中空糸膜に対して延伸のための張力をかけた状態で乾燥を行えばよい。乾燥と同時に一軸方向に延伸する際の温度条件としては、乾燥と延伸の双方が可能であることを限度として特に制限されないが、例えば、40℃以上、好ましくは40~160℃、より好ましくは50℃~140℃、更に好ましくは120~140℃が挙げられる。 To simultaneously dry and stretch uniaxially, the aliphatic polyamide hollow fiber membrane can be dried while tension for stretching is applied. The temperature conditions for simultaneously drying and stretching uniaxially are not particularly limited, as long as both drying and stretching are possible. Examples include temperatures of 40°C or higher, preferably 40 to 160°C, more preferably 50 to 140°C, and even more preferably 120 to 140°C.
また、乾燥後に一軸方向に延伸する場合、乾燥時の温度条件については、付着している抽出溶媒を揮散可能であることを限度として特に制限されないが、例えば、40℃以上、好ましくは40~160℃、より好ましくは50℃~140℃、更に好ましくは120~140℃が挙げられる。また、乾燥後に一軸方向に延伸する場合、延伸時の温度条件については、特に制限されず、-10~140℃、好ましくは0~120℃であればよいが、透液性能をより一層向上させるという観点から、使用している脂肪族ポリアミド樹脂のガラス転移点以上(より好ましくは50~120)℃、更に好ましくは60~100℃)であることが望ましい。 When stretching in the uniaxial direction after drying, the temperature conditions during drying are not particularly limited as long as they allow the adhering extraction solvent to volatilize, but examples include 40°C or higher, preferably 40 to 160°C, more preferably 50 to 140°C, and even more preferably 120 to 140°C. When stretching in the uniaxial direction after drying, the temperature conditions during stretching are not particularly limited as long as they are -10 to 140°C, preferably 0 to 120°C. However, from the perspective of further improving liquid permeability, it is desirable for the temperature to be above the glass transition point of the aliphatic polyamide resin used (more preferably 50 to 120°C, even more preferably 60 to 100°C).
一軸方向への延伸は公知の方法で行えばよく、例えば低速ロールから高速ロールへの巻取によって連続的に行えばよい。また、一定の長さに切断した脂肪族ポリアミド中空糸膜の両端をつかんで引張試験機等を使用して延伸してもよく、また手動延伸を使用してもよい。 Uniaxial stretching can be performed by known methods, such as continuous winding from a low-speed roll to a high-speed roll. Alternatively, an aliphatic polyamide hollow fiber membrane cut to a specific length can be stretched by holding both ends of the membrane using a tensile tester, or by manual stretching.
延伸倍率としては、例えば、1.2~5倍、好ましくは1.2~3倍が挙げられる。脂肪族ポリアミド中空糸膜の強度を高め、優れた耐圧性を具備させるという観点から、延伸倍率は、好ましくは1.2~2.4倍、より好ましくは1.2~2.0倍である。 The stretching ratio is, for example, 1.2 to 5 times, preferably 1.2 to 3 times. From the perspective of increasing the strength of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane and providing it with excellent pressure resistance, the stretching ratio is preferably 1.2 to 2.4 times, more preferably 1.2 to 2.0 times.
[分離機能層の形成]
以下、前記第3工程を行って得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の少なくとも一方の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を形成するための前記第4工程について詳述する。
[Formation of separation functional layer]
Hereinafter, the fourth step for forming a separation functional layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation on the surface of at least one of the dense layers of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane obtained by carrying out the third step will be described in detail.
分離機能層を構成する架橋樹脂は、前記「2.複合中空糸膜」の[分離機能層]の欄で記載したとおりである。以下、代表例として、架橋樹脂が、架橋ポリアミド樹脂である場合について説明する。The cross-linked resin that constitutes the separation function layer is as described in the [Separation Function Layer] section of "2. Composite Hollow Fiber Membrane" above. Below, we will explain a typical example in which the cross-linked resin is a cross-linked polyamide resin.
架橋ポリアミド樹脂は、多官能アミンと多官能アシルハライドとの界面重縮合により得られる。ここで、架橋ポリアミド樹脂を得るために、多官能アミンまたは多官能アシルハライドの少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいる必要がある。Crosslinked polyamide resins are obtained by interfacial polycondensation of polyfunctional amines and polyfunctional acyl halides. To obtain crosslinked polyamide resins, at least one of the polyfunctional amines or polyfunctional acyl halides must contain a trifunctional or higher functional compound.
分離機能層の形成工程では、例えば、多官能アミンを含有する溶液(以下、多官能アミン溶液ともいう。)と、多官能アミン溶液の溶媒と非混和性であり、多官能アシルハライドを含有する有機溶液(以下、多官能アシルハライド溶液ともいう。)とを用い、緻密層の表面で界面重縮合を行うことにより、緻密層の表面に分離機能層を形成することができる。多官能アミン溶液の溶媒としては、通常、水が用いられる。ただし、多官能アミンが非水溶性である場合には、水の代わりにジメチルホルムアミドなどの有機溶媒を用いることができ、また、水とジメチルホルムアミドなどの有機溶媒との混合溶媒を用いてもよい。多官能アミンとしてm-フェニレンジアミンを用いる場合は、溶媒として水を用いることが好ましい。水の代わりにジメチルホルムアミドなどの有機溶媒を用いる場合には、当該有機溶媒は、中空糸膜を溶解しないこと、及び多官能アシルハライド溶液の有機溶媒と非混和性であることが必要である。本発明の脂肪族ポリアミド中空糸膜は、多種多様な有機溶媒に対して優れた耐性を持つものである。そのため、本発明においては、従来の中空糸膜を溶解するジメチルホルムアミドなどの有機溶媒であっても多官能アミン溶液の溶媒として用いることができる。In the separation functional layer formation process, for example, a solution containing a polyfunctional amine (hereinafter also referred to as a polyfunctional amine solution) and an organic solution containing a polyfunctional acyl halide that is immiscible with the solvent of the polyfunctional amine solution (hereinafter also referred to as a polyfunctional acyl halide solution) are used to perform interfacial polycondensation on the surface of the dense layer, thereby forming a separation functional layer on the surface of the dense layer. Water is typically used as the solvent for the polyfunctional amine solution. However, if the polyfunctional amine is water-insoluble, an organic solvent such as dimethylformamide can be used instead of water, or a mixed solvent of water and an organic solvent such as dimethylformamide can also be used. When m-phenylenediamine is used as the polyfunctional amine, water is preferably used as the solvent. If an organic solvent such as dimethylformamide is used instead of water, the organic solvent must not dissolve the hollow fiber membrane and must be immiscible with the organic solvent of the polyfunctional acyl halide solution. The aliphatic polyamide hollow fiber membrane of the present invention has excellent resistance to a wide variety of organic solvents. Therefore, in the present invention, even an organic solvent such as dimethylformamide, which dissolves conventional hollow fiber membranes, can be used as the solvent for the polyfunctional amine solution.
多官能アミン水溶液における多官能アミンの濃度は特に制限されないが、通常、0.01~10重量%程度であり、好ましくは0.1~5重量%、より好ましくは0.5~4重量%、さらに好ましくは1~3重量%である。 There are no particular restrictions on the concentration of the polyfunctional amine in the polyfunctional amine aqueous solution, but it is typically approximately 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight, more preferably 0.5 to 4% by weight, and even more preferably 1 to 3% by weight.
多官能アミン水溶液には、界面重縮合反応を阻害しない範囲で、界面活性剤、及び相間移動触媒などが含まれていてもよい。界面活性剤は、緻密層表面の濡れ性を向上させ、多官能アミン溶液と多官能アシルハライド溶液との界面張力を減少させる機能を有する。界面活性剤としては、例えば、ドデシル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどが挙げられる。相間移動触媒は、多官能アミン溶液と多官能アシルハライド溶液との非混和性溶液間の反応を促進する機能を有する。相間移動触媒としては、例えば、トリエチルアミンなどの第三級アミン、トリオクチルメチルアンモニウムクロライドなどの第四級アンモニウム塩などが挙げられる。前記添加剤を添加する場合、前記添加剤の含有量は、合計で0.5~20重量%であることが好ましく、より好ましくは1~10重量%である。この範囲内であれば、各添加剤の効果が効果的に得られる。The polyfunctional amine aqueous solution may contain a surfactant and a phase transfer catalyst, etc., to the extent that they do not inhibit the interfacial polycondensation reaction. The surfactant improves the wettability of the dense layer surface and reduces the interfacial tension between the polyfunctional amine solution and the polyfunctional acyl halide solution. Examples of surfactants include sodium dodecyl sulfate and sodium dodecylbenzenesulfonate. The phase transfer catalyst promotes the reaction between the immiscible solutions of the polyfunctional amine solution and the polyfunctional acyl halide solution. Examples of phase transfer catalysts include tertiary amines such as triethylamine and quaternary ammonium salts such as trioctylmethylammonium chloride. If the additives are added, the total content of the additives is preferably 0.5 to 20 wt%, more preferably 1 to 10 wt%. Within this range, the effects of each additive can be effectively achieved.
界面重縮合を緻密層上で行うために、まず、多官能アミン溶液を緻密層表面に接触させることが好ましい。接触は、緻密層上において均一にかつ隙間なく行うことが好ましい。接触方法としては、例えば、脂肪族ポリアミド中空糸膜を多官能アミン溶液中に浸漬する方法、及び多官能アミン溶液を脂肪族ポリアミド中空糸膜内部に通液する方法などが挙げられる。緻密層と多官能アミン溶液との接触時間は特に制限されないが、好ましくは0.5~10分、より好ましくは1~5分である。この時間の範囲内にすることにより、多官能アミン溶液を緻密層に十分に含侵させることができ、また、支持層への過剰な含侵を抑制できる。また、脂肪族ポリアミド中空糸膜は、多官能アミン溶液の接触前に、水等の溶媒で濡らしておいてもよい。それにより、多官能アミン溶液の含侵を促進することができる。To perform interfacial polycondensation on the dense layer, it is preferable to first contact the surface of the dense layer with the polyfunctional amine solution. Contact is preferably uniform and without gaps across the dense layer. Examples of contact methods include immersing the aliphatic polyamide hollow fiber membrane in the polyfunctional amine solution and passing the polyfunctional amine solution through the interior of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. The contact time between the dense layer and the polyfunctional amine solution is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 10 minutes, more preferably 1 to 5 minutes. This time range allows the polyfunctional amine solution to sufficiently impregnate the dense layer while preventing excessive impregnation of the support layer. The aliphatic polyamide hollow fiber membrane may also be wetted with a solvent such as water before contact with the polyfunctional amine solution. This promotes impregnation of the polyfunctional amine solution.
多官能アミン溶液を緻密層に接触させた後に、過剰に残留している多官能アミン溶液を除去することが好ましい。それにより、界面の均一性が向上し、分離機能層に欠陥が生じ難くなる。除去方法としては、例えば、空気などの気流で緻密層表面に過剰に残留している多官能アミンを吹き飛ばす方法、脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部に空気などを通気させる方法などが挙げられる。空気などを吹き付ける又は通気させる時間は特に制限されないが、好ましくは5秒~3分、より好ましくは10秒~2分である。時間が短すぎると十分な液切りができず、時間が長すぎると多官能アミン溶液が過剰に除去されたり、接触表面が乾燥してしまうため、最適な界面重縮合反応が阻害されやすくなる。また、多官能アミン溶液の溶媒と非混和性の液体を緻密層表面に流してもよい。この場合も、気流と同様の効果を得ることができる。この場合、後述する多官能アシルハライド溶液の溶媒を用いることが好ましい。脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部に非混和性の液体を通液させる場合、通液は気流での液切り前でも後でもよく、通液量は中空糸内部の体積の5~50倍程度である。After contacting the dense layer with the polyfunctional amine solution, it is preferable to remove any excess polyfunctional amine solution. This improves interfacial uniformity and reduces the likelihood of defects in the separation layer. Removal methods include, for example, blowing away excess polyfunctional amine remaining on the dense layer surface with an airflow or ventilating the hollow space of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane. The duration of the airflow or ventilating is not particularly limited, but is preferably 5 seconds to 3 minutes, and more preferably 10 seconds to 2 minutes. A shorter duration may result in insufficient drainage, while a longer duration may result in excessive removal of the polyfunctional amine solution or dryness of the contact surface, potentially inhibiting optimal interfacial polycondensation. Alternatively, a liquid immiscible with the solvent for the polyfunctional amine solution may be passed over the dense layer surface. This method also achieves the same effects as airflow. In this case, it is preferable to use the solvent for the polyfunctional acyl halide solution, as described below. When an immiscible liquid is passed through the hollow portion of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the liquid may be passed either before or after draining with an air stream, and the amount of liquid passed is about 5 to 50 times the internal volume of the hollow fiber.
次いで、多官能アミン溶液接触後の緻密層に、多官能アシルハライド溶液を接触させ、界面重縮合により、緻密層の表面に架橋ポリアミド樹脂を含む分離機能層を形成する。Next, the dense layer that has been contacted with the polyfunctional amine solution is contacted with a polyfunctional acyl halide solution, and a separation functional layer containing cross-linked polyamide resin is formed on the surface of the dense layer through interfacial polycondensation.
多官能アシルハライド溶液の有機溶媒は、多官能アミン溶液の溶媒と非混和性であり、多官能アシルハライドを溶解し、脂肪族ポリアミド中空糸膜を溶解せず、多官能アミン及び多官能アシルハライドに対して不活性であるものであればよい。当該有機溶媒としては、例えば、炭化水素溶剤、塩素系溶剤、及びフッ素系溶剤などが挙げられる。これらは1種用いてもよく、2種以上併用してもよい。これらのうち、取り扱い性、及び環境への影響などの観点から炭化水素溶剤が好ましい。炭化水素溶剤としては、例えば、脂肪族炭化水素、及び芳香族炭化水素などが挙げられる。脂肪族炭化水素としては、例えば、ヘキサン、オクタンなどの直鎖状脂肪族炭化水素、イソオクタンなどの分岐状脂肪族炭化水素などが挙げられる。芳香族炭化水素としては、例えば、トルエン、キシレンなどが挙げられる。The organic solvent for the polyfunctional acyl halide solution should be immiscible with the solvent for the polyfunctional amine solution, dissolve the polyfunctional acyl halide, not dissolve the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and be inert to the polyfunctional amine and polyfunctional acyl halide. Examples of such organic solvents include hydrocarbon solvents, chlorinated solvents, and fluorinated solvents. These may be used alone or in combination. Of these, hydrocarbon solvents are preferred from the standpoints of ease of handling and environmental impact. Examples of hydrocarbon solvents include aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons. Examples of aliphatic hydrocarbons include linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and octane, and branched aliphatic hydrocarbons such as isooctane. Examples of aromatic hydrocarbons include toluene and xylene.
多官能アシルハライド溶液における多官能アシルハライドの濃度は特に制限されないが、通常、0.01~5重量%程度であり、好ましくは0.01~1重量%、より好ましくは0.05~0.5重量%である。前記範囲であれば、緻密層の表面に均一かつ十分な膜厚の分離機能層を形成することができる。There are no particular restrictions on the concentration of the polyfunctional acyl halide in the polyfunctional acyl halide solution, but it is typically about 0.01 to 5% by weight, preferably 0.01 to 1% by weight, and more preferably 0.05 to 0.5% by weight. Within this range, a separation functional layer with a uniform and sufficient thickness can be formed on the surface of the dense layer.
多官能アシルハライド溶液と、多官能性アミン溶液を被覆した緻密層表面との接触は、上記の多官能性アミン溶液の緻密層表面への接触方法と同様の方法で行えばよい。接触時間は特に制限されず、多官能性アミンと多官能性アシルハライドとの界面重縮合反応が十分に進行し、分離機能層が緻密層の表面に形成されるに足る時間があればよく、通常、5秒~10分程度であり、好ましくは10秒~5分、より好ましくは30秒~3分である。The polyfunctional acyl halide solution can be brought into contact with the dense layer surface coated with the polyfunctional amine solution in the same manner as described above for contacting the dense layer surface with the polyfunctional amine solution. The contact time is not particularly limited, as long as it is long enough for the interfacial polycondensation reaction between the polyfunctional amine and the polyfunctional acyl halide to proceed sufficiently and for a separation functional layer to form on the surface of the dense layer. It is typically about 5 seconds to 10 minutes, preferably 10 seconds to 5 minutes, and more preferably 30 seconds to 3 minutes.
次いで、上記の余剰の多官能アミン溶液の除去方法と同様の方法で、余剰の多官能アシルハライド溶液を除去することが好ましい。また、多官能アシルハライド溶液の溶媒を用いて接触面のみを洗浄して置換し、その後、液切りを行うことも余剰の多官能アシルハライド溶液の除去には効果的である。脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部に多官能アシルハライド溶液の溶媒を通液させる場合、通液は気流での液切り前でも後でもよく、通液量は中空糸内部の体積の5~50倍程度である。Next, it is preferable to remove the excess polyfunctional acyl halide solution using a method similar to the method for removing the excess polyfunctional amine solution described above. It is also effective to remove the excess polyfunctional acyl halide solution by washing and replacing only the contact surface with the solvent of the polyfunctional acyl halide solution, followed by draining. When passing the solvent of the polyfunctional acyl halide solution through the hollow portion of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, the solution may be passed either before or after draining with an airflow, and the amount of solution passed is approximately 5 to 50 times the internal volume of the hollow fiber.
余剰の多官能アシルハライド溶液を除去した後、接触面の乾燥を行うことが好ましい。それにより、分離機能層を緻密層上に強く固定化することができる。乾燥方法としては、例えば、複合中空糸膜を乾燥機に入れる方法、分離機能層の形成面のみに温風を当てる又は通気させる方法などが挙げられる。乾燥又は通気時の温度は特に制限されず、好ましくは50~120℃、より好ましくは80~100℃である。乾燥時間は、多官能アシルハライド溶液の溶媒が十分に除去できる時間を適宜設定すればいが、通常、0.5~60分程度であり、好ましくは0.5~30分、より好ましくは1~20分、さらに好ましくは1~10分である。After removing excess polyfunctional acyl halide solution, it is preferable to dry the contact surface. This allows the separation functional layer to be firmly fixed onto the dense layer. Drying methods include, for example, placing the composite hollow fiber membrane in a dryer or applying or ventilating hot air only to the surface on which the separation functional layer is formed. The temperature during drying or ventilating is not particularly limited, but is preferably 50 to 120°C, more preferably 80 to 100°C. The drying time can be set appropriately so that the solvent in the polyfunctional acyl halide solution can be sufficiently removed, but is typically approximately 0.5 to 60 minutes, preferably 0.5 to 30 minutes, more preferably 1 to 20 minutes, and even more preferably 1 to 10 minutes.
乾燥処理を行った複合中空糸膜は、そのまま使用してもよいが、さらに洗浄処理してもよい。未反応の多官能アミン及び多官能アシルハライドが膜中に残留している場合があり、これらが膜中に残留すると、複合中空糸膜の使用時に溶出する可能性があるため、洗浄処理により除去することが好ましい。洗浄処理は水を用いることが好ましい。また、洗浄処理の方法としては、例えば、水に浸漬する方法、複合中空糸膜の中空部に水を通液する方法などが挙げられる。洗浄処理時の温度は特に制限されないが、通常、室温~70℃程度である。洗浄時間は、水温に応じて適宜調整すればよく、室温で浸漬処理する場合は、12時間以上の放置することが好ましい。 The dried composite hollow fiber membrane may be used as is, or may be further washed. Unreacted polyfunctional amines and polyfunctional acyl halides may remain in the membrane. If these remain in the membrane, they may leach out during use of the composite hollow fiber membrane, so they are preferably removed by washing. Water is preferably used for washing. Examples of washing methods include immersion in water and passing water through the hollow portions of the composite hollow fiber membrane. The temperature during washing is not particularly limited, but is typically between room temperature and 70°C. The washing time can be adjusted appropriately depending on the water temperature. If immersion at room temperature is used, it is preferable to leave the membrane for 12 hours or more.
洗浄処理を行った複合中空糸膜は、そのまま使用してもよいが、再度乾燥を行ってもよい。複合中空糸膜は、乾燥した状態の方が、その後のモジュール化などの工程に有利である。乾燥条件は、実質的に水分がなくなる条件で実施すればよいが、乾燥温度は、好ましくは25~100℃、より好ましくは40~70℃である。 The washed composite hollow fiber membrane may be used as is, or may be dried again. A dried composite hollow fiber membrane is more advantageous for subsequent processes such as modularization. Drying should be carried out under conditions that substantially eliminate moisture, and the drying temperature is preferably 25 to 100°C, more preferably 40 to 70°C.
以下、前記第4工程の好適な一例として、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側の緻密層の表面に分離機能層を形成する方法について詳述する。 Below, as a suitable example of the fourth step, a method of forming a separation functional layer on the surface of the dense layer on the lumen side of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane will be described in detail.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側の緻密層の表面に分離機能層を形成する方法としては、例えば、脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部に多官能アミン溶液を注入し、その後、多官能アシルハライド溶液を前記中空部に注入して、緻密層上で多官能アミンと多官能アシルハライドとを界面重縮合させて、緻密層の表面に分離機能層を形成する方法が挙げられる。 One method for forming a separation functional layer on the surface of the dense layer on the inner surface of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane is to inject a polyfunctional amine solution into the hollow portion of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, then inject a polyfunctional acyl halide solution into the hollow portion, and cause interfacial polycondensation between the polyfunctional amine and the polyfunctional acyl halide on the dense layer, thereby forming a separation functional layer on the surface of the dense layer.
脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部への多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液の注入方法は、緻密層の表面に多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液を均一に被覆できれば特に制限されないが、脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いてモジュールを形成し、当該モジュールの脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部に多官能アミン溶液を注入し、その後、多官能アシルハライド溶液を注入する方法が好ましい。当該注入方法は、具体的には、以下の手順による。まず、所望の長さの脂肪族ポリアミド中空糸膜を所望の本数揃えて束ねたものを準備する。次に、硬質チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口に適切な長さのゴム栓等を挿入し、当該一方の端部開口に栓をする。次に、当該チューブの栓をした方とは反対側の端部開口から2液混合型の熱硬化性樹脂を注入し、チューブ内側空間を当該樹脂で充填する。その後、前記準備した束ねた脂肪族ポリアミド中空糸膜の片端部を熱シールして目止めし、前記熱硬化性樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端が栓に触れるまで挿入し、そのままの状態で前記熱硬化性樹脂を硬化させる。次いで、硬化した樹脂部分の栓側の領域をチューブごと切断して脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部を開口する。その後、開口側のチューブに適切な治具を装着して多官能アミン溶液を注入し、その後、多官能アシルハライド溶液を注入する。なお、多官能アミン溶液の注入前に、湿潤溶液を注入してもよい。The method for injecting the polyfunctional amine solution and polyfunctional acyl halide solution into the hollow spaces of the aliphatic polyamide hollow fiber membranes is not particularly limited as long as it can uniformly coat the surface of the dense layer. However, a preferred method involves forming a module using aliphatic polyamide hollow fiber membranes, injecting the polyfunctional amine solution into the hollow spaces of the aliphatic polyamide hollow fiber membranes of the module, and then injecting the polyfunctional acyl halide solution. Specifically, this injection method involves the following steps: First, prepare a bundle of the desired number of aliphatic polyamide hollow fiber membranes of the desired length. Next, prepare a rigid tube and insert a rubber stopper or similar of an appropriate length into one end opening of the tube to plug the end opening. Next, inject a two-component thermosetting resin into the end opening opposite the plugged end of the tube, filling the interior space of the tube with the resin. One end of the bundled aliphatic polyamide hollow fiber membranes is then heat-sealed to seal the openings, and the membrane is inserted into the tube filled with the thermosetting resin until the tip of the end touches the stopper, allowing the thermosetting resin to harden in this state. The region of the cured resin on the stopper side is then cut along with the tube to open the hollow portion of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane. An appropriate jig is then attached to the tube on the open side, and a polyfunctional amine solution is injected, followed by a polyfunctional acyl halide solution. A wetting solution may be injected before the injection of the polyfunctional amine solution.
注入方法は、特に限定されず、例えば、シリンジを用いた注入方法、加圧気体を用いた圧送方法、ペリスタポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、及びギヤーポンプなどのポンプを用いた注入方法などが挙げられる。 The injection method is not particularly limited, and examples include injection methods using a syringe, pressure-feeding methods using pressurized gas, and injection methods using pumps such as peristaltic pumps, plunger pumps, diaphragm pumps, and gear pumps.
多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液を注入する際の速度は特に限定されないが、線速として、例えば、0.01~2m/秒程度であり、濡れムラを抑制し、均一に被覆する観点、及び製造効率の観点から、好ましくは0.05~1m/秒である。多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液の注入は、所定の接触時間を確保できるように連続的に行うことが好ましい。接触時間は、前記のとおりである。 The speed at which the polyfunctional amine solution and polyfunctional acyl halide solution are injected is not particularly limited, but is, for example, approximately 0.01 to 2 m/sec as a linear velocity, and from the viewpoints of suppressing uneven wetting, achieving uniform coating, and production efficiency, is preferably 0.05 to 1 m/sec. The polyfunctional amine solution and polyfunctional acyl halide solution are preferably injected continuously to ensure the specified contact time. The contact time is as described above.
前記のとおり、余剰の多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液を除去するために、多官能アミン溶液の注入後、及び多官能アシルハライド溶液の注入後に、脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部内に気体を通気することが好ましい。通気に用いる気体は特に制限されないが、副反応を防止する観点、及び安全性の観点から、好ましくは乾燥空気又は窒素である。As described above, in order to remove excess polyfunctional amine solution and polyfunctional acyl halide solution, it is preferable to ventilate a gas into the hollow space of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane after injecting the polyfunctional amine solution and the polyfunctional acyl halide solution. There are no particular restrictions on the gas used for ventilating, but dry air or nitrogen is preferred from the standpoints of preventing side reactions and safety.
気体の通気速度は特に限定されないが、線速として、例えば、1~100m/秒程度であり、過剰な反応液の除去により界面重縮合が不良となり、分離機能層に欠陥が生じることを抑制する観点、形成された分離機能層が剥離しないようする観点、及び製造効率の観点から、好ましくは2.5~70m/秒、より好ましくは10~50m/秒である。通気は、所定時間、連続的に行うことが好ましく、通気時間は特に制限されないが、好ましくは5秒~5分、より好ましくは20秒~2分である。The gas aeration speed is not particularly limited, but is, for example, approximately 1 to 100 m/s as a linear velocity. From the viewpoints of preventing defects in the separation functional layer due to poor interfacial polycondensation caused by removal of excess reaction liquid, preventing peeling of the formed separation functional layer, and production efficiency, it is preferably 2.5 to 70 m/s, more preferably 10 to 50 m/s. Aeration is preferably carried out continuously for a predetermined period of time, and while there are no particular limitations on the aeration time, it is preferably 5 seconds to 5 minutes, more preferably 20 seconds to 2 minutes.
多官能アシルハライド溶液を注入した後、界面重縮合反応の促進、分離機能層の緻密層表面への定着、溶媒等の除去のために、膜表面を加熱処理して乾燥することが好ましい。加熱温度及び加熱時間は、前記のとおりである。After injecting the polyfunctional acyl halide solution, it is preferable to heat-treat and dry the membrane surface in order to promote the interfacial polycondensation reaction, fix the separation functional layer to the surface of the dense layer, and remove solvents, etc. The heating temperature and heating time are as described above.
界面重縮合反応の終了後、未反応物や副反応物を除去するために複合中空糸膜を洗浄処理することが好ましい。洗浄方法及び洗浄条件は、前記のとおりである。After the interfacial polycondensation reaction is complete, it is preferable to wash the composite hollow fiber membrane to remove unreacted materials and by-products. The washing method and conditions are as described above.
多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液の注入の際に使用したチューブ部分は、適切な時、例えば、複合中空糸膜を加熱処理する前又は後に切断して除去する。 The tubing sections used when injecting the polyfunctional amine solution and polyfunctional acyl halide solution are cut and removed at the appropriate time, for example, before or after heat-treating the composite hollow fiber membrane.
また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側の緻密層の表面に分離機能層を形成する方法としては、例えば、多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液の各浴に脂肪族ポリアミド中空糸膜を順次浸漬するか、あるいは多官能アミン溶液及び多官能アシルハライド溶液を脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側の緻密層の表面に順次塗布し、必要により液切り、気体のブローにより過剰液を除く工程を繰り返す方法が挙げられる。これらの処理は、中空糸束のバッチ処理として行ってもよく、ロールtoロールとして連続的に行ってもよい。当該方法により脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側の緻密層の表面に分離機能層を形成した場合も、熱処理および洗浄処理の後処理を実施することが好ましい。 Methods for forming a separation functional layer on the surface of the outer dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane include, for example, sequentially immersing the aliphatic polyamide hollow fiber membrane in baths of a polyfunctional amine solution and a polyfunctional acyl halide solution, or sequentially applying a polyfunctional amine solution and a polyfunctional acyl halide solution to the surface of the outer dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and, if necessary, draining the solution and blowing gas to remove excess liquid, repeating the process. These treatments can be performed as a batch process on a hollow fiber bundle, or continuously in a roll-to-roll process. Even when a separation functional layer is formed on the surface of the outer dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane using these methods, it is preferable to perform post-treatments such as heat treatment and washing.
また、脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側及び外側の緻密層の表面にそれぞれ分離機能層を形成する方法としては、例えば、前記の脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側の緻密層の表面に分離機能層を形成する方法と、前記の脂肪族ポリアミド中空糸膜の外側の緻密層の表面に分離機能層を形成する方法とを、順不同にて又は組み合わせて行う方法が挙げられる。 In addition, methods for forming separation functional layers on the surface of the lumen side and outer dense layer of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane include, for example, a method of forming a separation functional layer on the surface of the lumen side dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane and a method of forming a separation functional layer on the surface of the outer dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, in any order or in combination.
また、複合中空糸膜のモジュールへの固定化を行うポッティング工程への適応が容易になるため、複合中空糸膜は、乾燥したものであることが好ましい。さらに、乾燥した複合中空糸膜は、前記エアーリーク試験にも対応することができるため好ましい。本発明の複合中空糸膜は、乾燥膜とした場合においても所望の性能を発現できるものである。通常、限界濾過膜や逆浸透膜は、乾燥させると、細孔が水の蒸発に伴う表面張力で収縮又は閉塞し、透過性が失われることがしばしば発生するが、本発明の複合中空糸膜は、処理液体の通液前は乾燥膜であっても所望の特性を発現することができる。乾燥条件は特に制限されないが、好ましくは25~100℃、より好ましくは40~70℃の温度での通風乾燥である。 It is also preferable that the composite hollow fiber membrane be dried, as this facilitates application to the potting process for fixing the composite hollow fiber membrane to the module. Furthermore, a dried composite hollow fiber membrane is also preferable because it can also be used in the air leak test. The composite hollow fiber membrane of the present invention can exhibit desired performance even when it is a dried membrane. Typically, when ultrafiltration membranes or reverse osmosis membranes are dried, the pores shrink or become clogged due to the surface tension caused by the evaporation of water, often resulting in a loss of permeability. However, the composite hollow fiber membrane of the present invention can exhibit desired properties even when it is a dried membrane before the treatment liquid is passed through it. Drying conditions are not particularly limited, but ventilation drying at a temperature of 25 to 100°C is preferred, and more preferably 40 to 70°C is preferred.
斯して前記第4工程を実施することにより、脂肪族ポリアミド中空糸膜の少なくとも一方の緻密層の表面に分離機能層を有する本発明の複合中空糸膜が得られる。 By carrying out the fourth step in this manner, a composite hollow fiber membrane of the present invention is obtained, which has a separation functional layer on the surface of at least one of the dense layers of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
4.中空糸膜モジュール
本発明の複合中空糸膜は、被処理液流入口や透過液流出口等を備えたモジュールケースに収容され、中空糸膜モジュールとして使用される。
4. Hollow Fiber Membrane Module The composite hollow fiber membrane of the present invention is housed in a module case equipped with an inlet for the liquid to be treated, an outlet for the permeated liquid, etc., and used as a hollow fiber membrane module.
具体的には、中空糸膜モジュールは、本発明の複合中空糸膜を束にし、モジュールケースに収容して、複合中空糸膜の端部の一方又は双方をポッティング剤により封止して固着させた構造であればよい。中空糸膜モジュールには、被処理液の流入口又は濾液の流出口として、複合中空糸膜の外壁面側を通る流路と連結した開口部と、複合中空糸膜の中空部分と連結した開口部が設けられていればよい。Specifically, the hollow fiber membrane module may be configured by bundling the composite hollow fiber membranes of the present invention, housing them in a module case, and sealing and fixing one or both ends of the composite hollow fiber membranes with a potting agent. The hollow fiber membrane module may be provided with an opening connected to a flow path passing through the outer wall surface of the composite hollow fiber membrane, and an opening connected to the hollow portion of the composite hollow fiber membrane, as an inlet for the liquid to be treated or an outlet for the filtrate.
中空糸膜モジュールの形状は、特に制限されず、デッドエンド型モジュールであっても、クロスフロー型モジュールであってもよい。具体的には、中空糸膜束をU字型に折り曲げて充填し、中空糸膜束の端部を封止後カットして開口させたデッドエンド型モジュール;中空糸膜束の一端の中空開口部を熱シール等により閉じたものを真っ直ぐに充填し、開口している方の中空糸膜束の端部を封止後カットして開口させたデッドエンド型モジュール;中空糸膜束を真っ直ぐに充填し、中空糸膜束の両端部を封止し片端部のみをカットして開口部を露出させたデッドエンドモジュール;中空糸膜束を真っ直ぐに充填し、中空糸膜束の両端部を封止し、中空糸膜束の両端の封止部をカットし、フィルターケースの側面に2箇所の流路を作ったクロスフロー型モジュール等が挙げられる。The shape of the hollow fiber membrane module is not particularly limited and may be a dead-end module or a cross-flow module. Specific examples include dead-end modules in which hollow fiber membrane bundles are folded into a U-shape and packed, with the ends of the hollow fiber membrane bundle sealed and then cut open; dead-end modules in which hollow fiber membrane bundles with the hollow opening at one end closed by heat sealing or other means are packed straight, with the open end of the hollow fiber membrane bundle sealed and then cut open; dead-end modules in which hollow fiber membrane bundles are packed straight, both ends of the hollow fiber membrane bundle are sealed, and only one end is cut to expose the opening; and cross-flow modules in which hollow fiber membrane bundles are packed straight, both ends of the hollow fiber membrane bundle are sealed, and the seals at both ends of the hollow fiber membrane bundle are cut to create two flow paths on the side of the filter case.
モジュールケースに挿入する複合中空糸膜の充填率は、特に制限されないが、例えば、モジュールケース内部の体積に対する中空部分の体積を入れた複合中空糸膜の体積が、好ましくは15~75体積%、より好ましくは25~65体積%、更に好ましくは35~55体積%が挙げられる。このような充填率を満たすことによって、十分な濾過面積を確保しつつ、複合中空糸膜のモジュールケースへの充填作業を容易にし、複合中空糸膜の間をポッティング剤が流れ易くすることができる。 The filling rate of the composite hollow fiber membranes inserted into the module case is not particularly limited, but for example, the volume of the composite hollow fiber membranes, including the volume of the hollow portions relative to the internal volume of the module case, is preferably 15 to 75 volume%, more preferably 25 to 65 volume%, and even more preferably 35 to 55 volume%. Meeting this filling rate ensures a sufficient filtration area, facilitates the loading of the composite hollow fiber membranes into the module case, and allows the potting agent to flow easily between the composite hollow fiber membranes.
中空糸膜モジュールの製造に使用されるポッティング剤については、特に制限されないが、中空糸膜モジュールを有機溶媒の処理に使用する場合には、有機溶媒耐性を備えていることが望ましく、このようなポッティング剤の例として、ポリアミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリウレア樹脂等が挙げられる。これらのポッティング剤の中でも、硬化した時の収縮や膨潤が小さく、硬度が硬過ぎないものが好ましく、好適な例として、ポリアミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンが挙げられる。これらのポッティング剤は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。There are no particular restrictions on the potting agent used in the manufacture of hollow fiber membrane modules. However, if the hollow fiber membrane module is to be used for processing organic solvents, it is desirable that the potting agent be resistant to organic solvents. Examples of such potting agents include polyamide, silicone resin, epoxy resin, melamine resin, polyethylene, polypropylene, phenolic resin, polyimide, and polyurea resin. Among these potting agents, those that shrink or swell little when cured and are not too hard are preferred. Suitable examples include polyamide, silicone resin, epoxy resin, and polyethylene. These potting agents may be used alone or in combination of two or more.
中空糸膜モジュールに使用するモジュールケースの材質については、使用する溶剤への耐久性があれば良く特に制限されず、金属材料の外、高分子材料の場合は、例えば、ポリアミド、ポリエステル、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、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。これらの中でも、好ましくはポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、更に好ましくはポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。The material of the module case used in the hollow fiber membrane module is not particularly limited as long as it is durable against the solvent used. Examples of suitable materials include metals and polymers, such as polyamide, polyester, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polysulfone, polyethersulfone, polycarbonate, polyarylate, and polyphenylene sulfide. Among these, polyamide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polycarbonate, polysulfone, and polyethersulfone are preferred, with polyamide, polyethylene, polypropylene, and polytetrafluoroethylene being even more preferred.
本発明の複合中空糸膜を利用した中空糸膜モジュールは、半導体工業、化学工業、食品工業、医薬品工業、医療品工業等の分野で、溶剤中の異物の除去、溶剤中の有用成分の濃縮、溶剤回収等のための限外濾過又はナノ濾過用途で使用される。 Hollow fiber membrane modules using the composite hollow fiber membrane of the present invention are used in ultrafiltration or nanofiltration applications for removing foreign matter from solvents, concentrating useful components in solvents, recovering solvents, etc. in fields such as the semiconductor, chemical, food, pharmaceutical, and medical product industries.
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
1.測定方法
[脂肪族ポリアミド中空糸膜の外径及び内径]
5本の脂肪族ポリアミド中空糸膜について光学顕微鏡にて倍率200倍で観察し、各中空糸膜の外径及び内径(ともに最大径となる箇所)を測定し、各平均値を求めた。
1. Measurement method [Outer diameter and inner diameter of aliphatic polyamide hollow fiber membrane]
The five aliphatic polyamide hollow fiber membranes were observed under an optical microscope at a magnification of 200 times, and the outer and inner diameters of each hollow fiber membrane (both at the maximum diameter points) were measured, and the average values were calculated.
[支持層の空隙率]
複合中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面において、脂肪族ポリアミド中空糸膜の支持層の厚み方向に等間隔で5か所の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を撮影した。具体的には、次のように撮影した。図11は脂肪族ポリアミド中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面模式図であり、図12及び図13は図11において点線で囲まれた領域の部分拡大図であって、緻密層10及び支持層11を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜8aの例を示す図である。なお、図11~13において、分離機能層の記載は省略されている。図11に示すように、脂肪族ポリアミド中空糸膜8aの内腔中心から外側表面に向かって直線を引き、当該直線を支持層11の内腔側表面から外側表面にかけて5等分した。そして、図12に示すように、5等分した線分の中点を定める。そして、図13に示すように、当該中点が撮影画像の中心となるように、撮影画像に支持層11部分のみが含まれ、細孔数が30~300となるような倍率にて、5か所統一した倍率で撮影した。撮影した5か所のSEM写真において、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて、前記領域の画像解析を行い、細孔部分とポリマー部分とを2値化処理により区別した上で、解析領域面積に対する総細孔面積の面積比率(%)をそれぞれ算出し、その平均値を算出した。
ImageJでの具体的な操作は下記の通りである。解析対象の画像をImageJに取り込み、解析範囲を指定し、「Analyze>Histogram」の操作により得られるヒストグラムのピークが最も高くなる輝度値を閾値として(すなわち、Lower threshold levelを当該ヒストグラムのピークが最も高くなる輝度値とし、Upper threshold levelを255とする。)、「Image>Adjust>Threshold」により画像を2値化した。次に、「Analyze>Set measurements」で「Area」にチェックを入れ、「Analyze>Measure」の操作により解析範囲の全面積を求めたのち、「Analyze>Set measurements」で「Area」と「Limit to threshold」にチェックを入れたうえで再度「Analyze>Measure」の操作を行うことで、ポリマー部分と細孔部分の面積を算出し、解析領域面積に対する総細孔面積の面積比率(%)を算出した。
[Porosity of Support Layer]
Scanning electron microscope (SEM) photographs were taken at five locations equidistantly spaced in the thickness direction of the support layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane in a cross section of the composite hollow fiber membrane cut perpendicular to the longitudinal direction. Specifically, the photographs were taken as follows. Fig. 11 is a schematic cross-sectional view of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane cut perpendicular to the longitudinal direction. Figs. 12 and 13 are partial enlarged views of the area surrounded by the dotted line in Fig. 11 , showing an example of an aliphatic polyamide hollow fiber membrane 8a having a dense layer 10 and a support layer 11. Note that the separation function layer is omitted in Figs. 11 to 13. As shown in Fig. 11, a straight line was drawn from the center of the lumen of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane 8a to the outer surface, and this line was divided into five equal parts from the lumen-side surface of the support layer 11 to the outer surface. The midpoints of the five equal parts were then determined as shown in Fig. 12. 13, five locations were photographed at a uniform magnification such that the midpoint was at the center of the photographed image, the photographed image included only the support layer 11 portion, and the number of pores was 30 to 300. For the five SEM photographs taken, image analysis of the regions was performed using image analysis software (ImageJ), and the pore portions and polymer portions were distinguished by binarization processing, and the area ratio (%) of the total pore area to the area of the analyzed region was calculated, and the average value was calculated.
The specific operations in ImageJ are as follows: The image to be analyzed is imported into ImageJ, the analysis range is specified, and the brightness value at which the peak of the histogram obtained by the "Analyze>Histogram" operation is highest is set as the threshold (i.e., the lower threshold level is set to the brightness value at which the peak of the histogram is highest, and the upper threshold level is set to 255), and the image is binarized using "Image>Adjust>Threshold." Next, "Area" was checked in "Analyze>Set measurements" and the total area of the analysis range was determined by operating "Analyze>Measure." Then, "Analyze>Set measurements" was checked and "Area" and "Limit to threshold" were checked, and the "Analyze>Measure" operation was again performed to calculate the areas of the polymer portion and the pore portion, and the area ratio (%) of the total pore area to the area of the analysis region was calculated.
[緻密層の厚み]
脂肪族ポリアミド中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて倍率10000倍で観察した。得られたSEM写真において、実質的に細孔の存在が認められない領域の距離(厚み)を一定間隔で10か所測定し、その平均値を算出した。
[Thickness of dense layer]
The cross section of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane was cut perpendicular to the longitudinal direction and observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 10,000. In the obtained SEM photograph, the distance (thickness) of a region where the presence of pores was substantially not observed was measured at 10 regularly spaced locations, and the average value was calculated.
[脂肪族ポリアミド中空糸膜の結晶化度]
脂肪族ポリアミド中空糸膜の結晶化度は、X線回折法(XRD)により測定した。測定ステージに中空糸サンプルを隙間なく複数本を並べ、散乱角度の走査測定により、散乱ベクトルと散乱強度の散乱パターンのスペクトルを得た。得られたスペクトルを結晶由来の成分と、アモルファス由来の成分とにスペクトル分離し、定量化することで結晶化度を求めた。
[Crystallization degree of aliphatic polyamide hollow fiber membrane]
The crystallinity of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane was measured by X-ray diffraction (XRD). Multiple hollow fiber samples were closely spaced on a measurement stage, and a scattering pattern spectrum of scattering vectors and scattering intensity was obtained by scanning the scattering angle. The obtained spectrum was separated into crystalline and amorphous components, and the crystallinity was determined by quantifying the components.
[脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量(3000より大きい場合)]
脂肪族ポリアミド中空糸膜10本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備した。次に、外径8mm、内径6mm、長さ50mmのナイロン硬質チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口から、長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をした。次に、当該連結チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填した。その後、前記準備した脂肪族ポリアミド中空糸膜を束ねたものの片端部を、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させた。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して中空部を開口した。もう一方の片端についても同様の操作を行い、脂肪族ポリアミド中空糸膜の両端部の中空部が開口したクロスフローモジュール6を作製した。
作製したクロスフローモジュール6を図1に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ2によって連続してクロスフローモジュール6に流動液(原液)を透過させた。流動液には、分子量が5000、10000、40000、70000、又は500000である5種のデキストランをそれぞれ0.5重量%、0.5重量%、0.2重量%、0.2重量%、又は0.4重量%含む水溶液を用いた。一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力をレギュレーター5により調節し、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値が1barとなるようにした。モジュール内を透過する流動液のうち、ポリアミド中空糸膜の細孔を透過したものは、流動液から分離された透過液として回収し、残りは再び分離処理ラインに循環させた。循環開始2時間経過後にクロスフローモジュール6から流出する透過液を受け皿7により回収し、高速液体クロマトグラフィーによって透過液中のデキストラン濃度をそれぞれ測定し、下記式に従って各分子量における阻止率を算出した。各分子量のデキストランに対する阻止率の結果に基づいて、横軸に使用したデキストランの分子量、縦軸に阻止率を示すグラフを作成し、得られる近似曲線と阻止率90%の交点の分子量を分画分子量とした。
溶質阻止率(%)={(原液中のデキストラン濃度-透過液中のデキストラン濃度)/原液中のデキストラン濃度}×100
[Molecular weight cutoff of aliphatic polyamide hollow fiber membrane (greater than 3000)]
Ten aliphatic polyamide hollow fiber membranes were cut to 30 cm lengths and bundled together. Next, a nylon hard tube with an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 6 mm, and a length of 50 mm was prepared. A rubber stopper approximately 20 mm long was inserted into one end opening of the tube to plug the end opening. Next, a two-component epoxy resin was injected into the opening opposite the rubber stopper to fill the inner space of the tube. One end of the bundle of prepared aliphatic polyamide hollow fiber membranes was then heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow space. The end was then inserted into the tube filled with the epoxy resin until its tip touched the rubber stopper, and the epoxy resin was allowed to cure in this state. Next, the region of the cured epoxy resin on the rubber stopper side of the tube was cut along with the tube to open the hollow space. The same procedure was performed on the other end to produce a cross-flow module 6 with open hollow spaces at both ends of the aliphatic polyamide hollow fiber membranes.
The prepared crossflow module 6 was connected to the internal pressure separation treatment line shown in Figure 1, and the flowing liquid (raw liquid) was continuously passed through the crossflow module 6 by the liquid circulation pump 2. The flowing liquid was an aqueous solution containing five types of dextrans with molecular weights of 5000, 10000, 40000, 70000, or 500000 at 0.5 wt%, 0.5 wt%, 0.2 wt%, 0.2 wt%, or 0.4 wt%, respectively. The pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 were adjusted by regulator 5 so that the arithmetic mean value of the pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 was 1 bar. Of the flowing liquid permeating through the module, that which permeated the pores of the polyamide hollow fiber membrane was recovered as permeate separated from the flowing liquid, and the remainder was circulated back to the separation treatment line. Two hours after the start of circulation, the permeate flowing out of the cross-flow module 6 was collected in a receiver 7, and the dextran concentration in each permeate was measured by high-performance liquid chromatography. The rejection rate for each molecular weight was calculated according to the following formula: Based on the rejection rate results for dextran of each molecular weight, a graph was created with the molecular weight of the dextran used on the horizontal axis and the rejection rate on the vertical axis, and the molecular weight at the intersection of the obtained approximation curve and the 90% rejection rate was taken as the molecular weight cutoff.
Solute rejection rate (%) = {(dextran concentration in stock solution - dextran concentration in permeate) / dextran concentration in stock solution} × 100
[脂肪族ポリアミド中空糸膜の分画分子量(3000以下の場合)]
流動液として、分子量が370、1000、2000、又は3000である4種のポリスチレンをそれぞれ0.05重量%含むNMP溶液を用い、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値が15barとなるようにし、下記式に従って阻止率を算出した以外は、前記と同様の方法で分画分子量を求めた。
溶質阻止率(%)={(原液中のポリスチレン濃度-透過液中のポリスチレン濃度)/原液中のポリスチレン濃度}×100
[Molecular weight cutoff of aliphatic polyamide hollow fiber membrane (3000 or less)]
The molecular weight cutoff was determined in the same manner as above, except that an NMP solution containing 0.05% by weight of each of four types of polystyrene having molecular weights of 370, 1000, 2000, and 3000 was used as the flowing liquid, the arithmetic mean value of the pressure measured by the primary pressure gauge 3 and the pressure measured by the secondary pressure gauge 4 was set to 15 bar, and the rejection rate was calculated according to the following formula:
Solute rejection rate (%) = {(polystyrene concentration in raw solution - polystyrene concentration in permeate) / polystyrene concentration in raw solution} x 100
[脂肪族ポリアミド中空糸膜のバースト圧]
図2のaに示すモジュール8を作製した。まず、脂肪族ポリアミド中空糸膜8a10本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備した。次に、外径8mm、内径6mm、長さ50mmのナイロン硬質チューブ8bを準備し、当該チューブの一方の端部開口から、長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をした。次に、当該チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填した。その後、前記準備した脂肪族ポリアミド中空糸膜を束ねたものを略U字状に曲げ、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように脂肪族ポリアミド中空糸膜の両端部を熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させた。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断することにより、脂肪族ポリアミド中空糸膜の両端部の中空部が開口したモジュール8を作製した。
次に、図2のbに示す装置にモジュール8をセットし、手押しポンプ9によりモジュール8に水圧をかけていき、モジュール8が破断した際の圧力(バースト圧、単位:MPa)を測定した。
[Burst pressure of aliphatic polyamide hollow fiber membrane]
The module 8 shown in Figure 2a was fabricated. First, ten aliphatic polyamide hollow fiber membranes 8a were cut to 30 cm lengths and bundled together. Next, a nylon hard tube 8b with an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 6 mm, and a length of 50 mm was prepared. A rubber stopper approximately 20 mm long was inserted into one end opening of the tube to plug the end opening. Next, a two-component epoxy resin was injected into the opening opposite the rubber stopper to fill the inner space of the tube. The bundle of aliphatic polyamide hollow fiber membranes was then bent into a roughly U-shape, and both ends of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane were heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow space. The end was then inserted into the tube filled with epoxy resin until the tip of the end touched the rubber stopper, and the epoxy resin was allowed to harden in this state. Next, the region of the cured epoxy resin on the rubber stopper side was cut off together with the tube, thereby producing a module 8 in which the hollow portions at both ends of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane were open.
Next, the module 8 was set in the device shown in FIG. 2b, and water pressure was applied to the module 8 using a hand pump 9, and the pressure (burst pressure, unit: MPa) at which the module 8 broke was measured.
[分離機能層の観察]
複合中空糸膜を長手方向に対して垂直方向に割断した断面において、複合化した表面付近を走査型電子顕微鏡(SEM)にて倍率10000倍又は20000倍で観察した。また、複合化した面は、内面あるいは外面を上部からSEMにて倍率10000倍又は20000倍で観察した。
[Observation of Separation Functional Layer]
In a cross section of a composite hollow fiber membrane cut perpendicular to the longitudinal direction, the composite surface and its vicinity were observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 10,000 or 20,000. The composite surface was also observed from above, either on the inner or outer side, with an SEM at a magnification of 10,000 or 20,000.
[複合中空糸膜のエアーリーク量(圧力低下量)]
複合中空糸膜20本を30cm長に切断し、これらを揃えて束ねたものを準備した。次に、外径12.7mm、内径9.5mm、長さ53mmのポリブチレンテレフタレート(PBT)チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口に、さらに内径12mm、長さ約50mmのシリコーンチューブを15mm程度挿入して連結させ、シリコーンチューブのPBTチューブに挿入した側と反対側に長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をした。次に、当該連結チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填した。その後、前記準備した複合中空糸膜を束ねたものの片端を、中空部にエポキシ樹脂が浸入しないように熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させた。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して中空部を開口した。もう一方の片端についても同様の操作を行い、複合中空糸膜の両端部の中空部が開口したクロスフローモジュールを作製した。モジュールの膜面積は、中空糸の内面積基準とし、中空糸の内径、本数、有効長より算出した。
作製したモジュールの中空部に連結する出口の一端を封止し、一端に、バルブ、及びバルブとモジュールの間に圧力計を有する加圧ラインを取り付けた。中空部に0.2MPaの空気加圧を行い、バルブを閉めることで圧力を封じ込めた。その直後より、経時的に圧力を確認し、5分後の圧力の変化量を測定した。また、中空糸、モジュール、加圧ラインなどを含めた封じ込め体積(全加圧空間体積V)を見積り、膜面積Sと全加圧空間体積Vの比が下記式の関係の±10%以内となるようにラインの長さを調整した。
V/S=0.0002×0.45/R
Rは、複合中空糸膜の内径(mm)である。
[Air leak amount (pressure drop amount) of composite hollow fiber membrane]
Twenty composite hollow fiber membranes were cut into 30 cm lengths and bundled together. Next, a polybutylene terephthalate (PBT) tube with an outer diameter of 12.7 mm, an inner diameter of 9.5 mm, and a length of 53 mm was prepared. A silicone tube with an inner diameter of 12 mm and a length of approximately 50 mm was inserted approximately 15 mm into one end opening of the tube to connect the two. A rubber stopper approximately 20 mm long was inserted into the silicone tube opposite the end inserted into the PBT tube to plug the one end opening. Next, a two-component epoxy resin was injected through the opening opposite the rubber stopper to fill the inner space of the tube. One end of the bundle of composite hollow fiber membranes prepared above was then heat-sealed to prevent the epoxy resin from penetrating the hollow space. The end tip was inserted into the epoxy resin-filled tube until it touched the rubber stopper, and the epoxy resin was allowed to harden in this state. Next, the cured epoxy resin was cut along with the tube at the rubber stopper side to open the hollow portion. The same procedure was performed on the other end to produce a cross-flow module with open hollow portions at both ends of the composite hollow fiber membrane. The membrane area of the module was calculated based on the inner area of the hollow fibers and the inner diameter, number, and effective length of the hollow fibers.
One end of the outlet connected to the hollow part of the fabricated module was sealed, and a valve and a pressure line with a pressure gauge were attached to one end between the valve and the module. Air was pressurized to 0.2 MPa in the hollow part, and the pressure was contained by closing the valve. Immediately after that, the pressure was checked over time, and the change in pressure after 5 minutes was measured. The containment volume (total pressurized space volume V) including the hollow fibers, module, and pressure line was estimated, and the length of the line was adjusted so that the ratio of the membrane area S to the total pressurized space volume V was within ±10% of the relationship in the following formula:
V/S=0.0002×0.45/R
R is the inner diameter (mm) of the composite hollow fiber membrane.
[複合中空糸膜のバースト圧]
前記で作製したクロスフローモジュール6を図1に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ2によって連続してクロスフローモジュール6にNMPを透過させた。モジュールにおいて、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力をレギュレーター5により調節し、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値を印加圧とし、10分間隔で0.25MPaずつ昇圧した。そして、複合中空糸膜が破断したとき、つまり、急激な圧力低下が起こった時の圧力(MPa)をバースト圧とした。
[Burst pressure of composite hollow fiber membrane]
The crossflow module 6 prepared above was connected to the internal pressure separation treatment line shown in Figure 1, and NMP was continuously permeated through the crossflow module 6 by the liquid supply circulation pump 2. In the module, the pressures measured by the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 were regulated by the regulator 5, and the arithmetic mean value of the pressures measured by the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 was defined as the applied pressure, which was increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals. The pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane ruptured, i.e., the pressure at which a sudden drop in pressure occurred, was defined as the burst pressure.
[NMP透過量]
前記で作製したクロスフローモジュール6を図1に示す内圧式分離処理ラインに接続し、送液循環ポンプ2によって連続してクロスフローモジュール6に流動液を透過させた。流動液には、NMPを用いた。モジュールにおいて、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力をレギュレーター5により調節し、一次側圧力計3の圧力と二次側圧力計4の圧力との算術平均値が、複合中空糸膜のバースト圧に対して75%となるようにした。モジュール内を透過する流動液のうち、複合中空糸膜の細孔を透過したものは、流動液から分離された透過液として回収し、残りは再び分離処理ラインに循環させた。循環開始2時間後から4時間後までにクロスフローモジュール6から流出した透過液を受け皿7により回収し、下記算出式に従ってNMP透過量(L/(m2・h))を算出した。
NMP透過量=複合中空糸膜の外側に透過したNMPの容量(L)/[複合中空糸膜の内径(m)×3.14×複合中空糸膜の有効濾過長さ(m)×20(本)×時間(h)]
複合中空糸膜の有効濾過長さ:クロスフローモジュールにおいて複合中空糸膜の外表面のうちエポキシ樹脂に被覆されていない部分の長さである。
[NMP permeation amount]
The crossflow module 6 prepared as described above was connected to the internal pressure separation treatment line shown in Figure 1, and the flowing liquid was continuously passed through the crossflow module 6 by the liquid circulation pump 2. NMP was used as the flowing liquid. In the module, the pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 were adjusted by the regulator 5 so that the arithmetic mean value of the pressures of the primary pressure gauge 3 and the secondary pressure gauge 4 was 75% of the burst pressure of the composite hollow fiber membrane. Of the flowing liquid passing through the module, that which permeated the pores of the composite hollow fiber membrane was recovered as permeated liquid separated from the flowing liquid, and the remainder was circulated back to the separation treatment line. The permeated liquid flowing out of the crossflow module 6 between 2 and 4 hours after the start of circulation was collected in the receiver 7, and the NMP permeation rate (L/(m2·h)) was calculated according to the following formula.
NMP permeation amount = volume (L) of NMP permeated to the outside of the composite hollow fiber membrane / [inner diameter (m) of composite hollow fiber membrane × 3.14 × effective filtration length (m) of composite hollow fiber membrane × 20 (membranes) × time (h)]
Effective filtration length of composite hollow fiber membrane: The length of the portion of the outer surface of the composite hollow fiber membrane that is not coated with epoxy resin in the crossflow module.
[ポリスチレン及びジフェニルスルホンの阻止率]
ポリスチレン及びジフェニルスルホンの阻止率は、ポリスチレン又はジフェニルスルホンを0.2重量%含むNMP溶液を用いた以外は、前記[NMP透過量]の測定と同様の測定手順で測定し、液体クロマトグラフィー(SECモード、移動相:DMF)で分離された各成分のRI検出値を用いて、得られた透過液および流動液の濃度を測定し、以下の式から、ポリスチレン及びジフェニルスルホンの阻止率(%)を算出した。
阻止率%=100-(透過液の濃度/流動液の濃度)×100
[Rejection rates of polystyrene and diphenyl sulfone]
The rejection rates of polystyrene and diphenyl sulfone were measured in the same manner as in the measurement of the above-mentioned [NMP permeation amount], except that an NMP solution containing 0.2 wt % of polystyrene or diphenyl sulfone was used. The concentrations of the obtained permeated liquid and eluted liquid were measured using the RI detection values of each component separated by liquid chromatography (SEC mode, mobile phase: DMF), and the rejection rates (%) of polystyrene and diphenyl sulfone were calculated from the following formula.
Rejection %=100−(concentration of permeate/concentration of flow-through)×100
2.試験例
[実施例1]
ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)350g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)650gを180℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製した。製膜原液を定量ポンプを介して、200℃に保温した紡糸口金に送液し、内部用凝固液として、ポリエチレングリコール300(PEG300)70重量%とグリセリン30重量%の混合液を流した。押出された製膜原液を5℃の60重量%1,4-ブチレングリコール(1,4BG)水溶液からなる凝固浴に投入して冷却固化させて脂肪族ポリアミド多孔膜を形成した。巻き取った脂肪族ポリアミド多孔膜を水に24時間浸漬して溶媒抽出(洗浄)を行った後に、延伸させることなく熱風乾燥機(庫内温度130℃)内を通過させることによって乾燥させ、脂肪族ポリアミド中空糸膜を得た。得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の外径、内径、支持層の空隙率、緻密層の厚み、分画分子量、バースト圧、及び結晶化度の測定結果を表1に示す。また、図3は、得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の支持層の空隙率を算出するための二値化処理後の画像解析図である。図4は、得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面の走査型電子顕微鏡画像(倍率10000倍)である。図5は、得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側表面の走査型電子顕微鏡画像(倍率20000倍)である。図6は、得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の内腔側断面の走査型電子顕微鏡画像(倍率10000倍)である。
得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜を長さ40cm、本数20本にそろえた膜束を準備した。内径8mm、長さ50mmのナイロン硬質チューブを準備し、当該チューブの一方の端部開口から、長さ20mm程度のゴム栓を挿入し、当該一方の端部開口の栓をした。次に、当該チューブの、ゴム栓をした方とは反対側の開口部から2液混合型のエポキシ樹脂を注入しチューブ内側空間を当該エポキシ樹脂で充填した。その後、前記準備した脂肪族ポリアミド中空糸膜の片端部を熱シールして目止めし、前記エポキシ樹脂で充填されたチューブ内に、当該端部先端がゴム栓に触れるまで挿入し、そのままの状態でエポキシ樹脂を硬化させた。次いで、硬化したエポキシ樹脂部分のゴム栓側の領域をチューブごと切断して脂肪族ポリアミド中空糸膜の中空部を開口し、界面重合用溶液注入用モジュールを得た。
前記モジュールの樹脂固定した開口端から、水を充填し、そのまま水中に1時間浸漬し膜全体を濡らした。次いで、水中から取り出したモジュールを軽く振って付着水を除いた後、前記開口端から窒素を吹き入れ、中空部に残る水を全て排出し、湿潤化処理を行った。その後、前記モジュールの前記開口端に3方コックを有するPP製コネクターを結合し、さらに中空糸膜の内部に界面重合用溶液および通気用窒素ガスを注入するための回路装置を接続した。
そして、m-フェニレンジアミン(MPD)を2重量%含む水溶液を、前記モジュールの開口端から0.12m/秒の線速で1分間通液し、次いで、流路を気流に切り替え、窒素ガスを20m/秒の線速で1分間流した。続いて、トリメシン酸クロライド(TMC)を0.1重量%含むヘキサン溶液を0.12m/秒の線速で1分間通液し、次いで、流路を気流に切り替え、窒素ガスを20m/秒の線速で1分間流した。その後、モジュールを回路装置から取り外し、100℃のオーブンに5分間入れて乾燥を行った。乾燥後のモジュールを純水中に浸漬して、数回の水交換を実施しながら24時間洗浄した。その後、洗浄したモジュールを50℃の対流式乾燥機に入れて乾燥させた。その後、乾燥したモジュールのエポキシ樹脂部分の側で中空糸膜を切断し、20本の複合中空糸膜束を得た。得られた複合中空糸膜を用いてモジュールを作製し、エアーリーク試験、ろ過試験を行った。表1に前記各測定における測定結果を示す。また、図7は、得られた複合中空糸膜の内腔側断面の走査型電子顕微鏡画像(倍率10000倍)である。図8は、得られた複合中空糸膜の内腔側断面の走査型電子顕微鏡画像(倍率20000倍)である。図9は、得られた複合中空糸膜の内腔側表面の走査型電子顕微鏡画像(倍率10000倍)である。図10は、得られた複合中空糸膜の内腔側表面の走査型電子顕微鏡画像(倍率20000倍)である。
2. Test Example [Example 1]
350 g of polyamide 6 chips (Unitika Ltd., A1030BRT, relative viscosity 3.53) and 650 g of dimethyl sulfone (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved by stirring at 180 ° C for 1.5 hours, and the stirring speed was reduced to degass for 1 hour to prepare a membrane-forming solution. The membrane-forming solution was pumped via a metering pump to a spinneret maintained at 200 ° C, and a mixture of 70 wt % polyethylene glycol 300 (PEG300) and 30 wt % glycerin was passed through as the internal coagulation liquid. The extruded membrane-forming solution was poured into a coagulation bath consisting of a 60 wt % aqueous 1,4-butylene glycol (1,4BG) solution at 5 ° C and cooled to solidify, forming an aliphatic polyamide porous membrane. The wound aliphatic polyamide porous membrane was immersed in water for 24 hours for solvent extraction (washing), and then dried by passing through a hot air dryer (cabinet temperature 130°C) without stretching to obtain an aliphatic polyamide hollow fiber membrane. The outer diameter, inner diameter, support layer porosity, dense layer thickness, molecular weight cutoff, burst pressure, and crystallinity of the obtained aliphatic polyamide hollow fiber membrane are shown in Table 1. Figure 3 is an image analysis diagram after binarization processing to calculate the porosity of the support layer of the obtained aliphatic polyamide hollow fiber membrane. Figure 4 is a scanning electron microscope image (magnification 10,000x) of the lumen side surface of the obtained aliphatic polyamide hollow fiber membrane. Figure 5 is a scanning electron microscope image (magnification 20,000x) of the lumen side surface of the obtained aliphatic polyamide hollow fiber membrane. Figure 6 is a scanning electron microscope image (magnification 10,000x) of the lumen side cross section of the obtained aliphatic polyamide hollow fiber membrane.
A membrane bundle of 20 aliphatic polyamide hollow fiber membranes, each 40 cm long, was prepared. A nylon hard tube with an inner diameter of 8 mm and a length of 50 mm was prepared, and a rubber stopper approximately 20 mm long was inserted into one end opening of the tube to plug the end opening. Next, a two-component epoxy resin was injected into the opening opposite the rubber stopper to fill the inner space of the tube. One end of the prepared aliphatic polyamide hollow fiber membrane was then heat-sealed to seal the opening, and the membrane was inserted into the epoxy resin-filled tube until the tip of the end touched the rubber stopper. The epoxy resin was then cured in this state. The region of the cured epoxy resin facing the rubber stopper was then cut along with the tube to open the hollow portion of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, yielding a module for injecting interfacial polymerization solutions.
Water was poured into the resin-fixed open end of the module and immersed in water for 1 hour to wet the entire membrane. The module was then removed from the water and gently shaken to remove any adhering water. Nitrogen was then blown in through the open end to remove any remaining water from the hollow fiber, completing the wetting process. A PP connector with a three-way cock was then attached to the open end of the module, and a circuit device was then connected to inject the interfacial polymerization solution and nitrogen gas for ventilation into the hollow fiber membrane.
An aqueous solution containing 2 wt% m-phenylenediamine (MPD) was passed through the open end of the module at a linear velocity of 0.12 m/s for 1 minute. The flow path was then switched to an airflow, and nitrogen gas was passed through at a linear velocity of 20 m/s for 1 minute. A hexane solution containing 0.1 wt% trimesoyl chloride (TMC) was passed through at a linear velocity of 0.12 m/s for 1 minute. The flow path was then switched to an airflow, and nitrogen gas was passed through at a linear velocity of 20 m/s for 1 minute. The module was then removed from the circuit device and placed in an oven at 100°C for 5 minutes to dry. The dried module was immersed in pure water and washed for 24 hours, with several water changes. The washed module was then placed in a convection dryer at 50°C and dried. The hollow fiber membranes were then cut near the epoxy resin portion of the dried module, yielding a bundle of 20 composite hollow fiber membranes. A module was fabricated using the obtained composite hollow fiber membrane, and an air leak test and a filtration test were performed. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements. FIG. 7 is a scanning electron microscope image (magnification: 10,000x) of the lumen side cross section of the obtained composite hollow fiber membrane. FIG. 8 is a scanning electron microscope image (magnification: 20,000x) of the lumen side cross section of the obtained composite hollow fiber membrane. FIG. 9 is a scanning electron microscope image (magnification: 10,000x) of the lumen side surface of the obtained composite hollow fiber membrane. FIG. 10 is a scanning electron microscope image (magnification: 20,000x) of the lumen side surface of the obtained composite hollow fiber membrane.
[実施例2]
実施例1で作製した脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いて、以下の界面重合を実施した。まず、実施例1と同様に界面重合用溶液を注入するモジュールを作製し、同様に湿潤化処理を行い、通液用の回路装置に接続した。
そして、3,3’,4,4’-テトラアミノビフェニル(TAB)を2重量%含むジメチルホルムアミド溶液を、前記モジュールの開口端から0.12m/秒の線速で1分間通液し、次いで、流路を気流に切り替え、窒素ガスを流速20m/秒の線速で1分間流した。続いて、トリメシン酸クロライド(TMC)を0.1重量%含むヘキサン溶液を0.12m/秒の線速で1分間通液し、次いで、流路を気流に切り替え、窒素ガスを20m/秒の線速で1分間流した。その後、モジュールを回路装置から取り外し、100℃のオーブンに1分間入れて乾燥を行った。乾燥後のモジュールを純水中に浸漬して、数回の水交換を実施しながら24時間洗浄した。その後、洗浄したモジュールを50℃の対流式乾燥機に入れて乾燥させた。その後、乾燥したモジュールのエポキシ樹脂部分の側で中空糸膜を切断し、20本の複合中空糸膜束を得た。得られた複合中空糸膜を用いてモジュールを作製し、エアーリーク試験、ろ過試験を行った。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Example 2]
The following interfacial polymerization was carried out using the aliphatic polyamide hollow fiber membrane prepared in Example 1. First, a module into which the interfacial polymerization solution was injected was prepared in the same manner as in Example 1, and the module was subjected to a wetting treatment in the same manner, followed by connection to a circuit device for liquid passage.
A dimethylformamide solution containing 2 wt% 3,3',4,4'-tetraaminobiphenyl (TAB) was passed through the open end of the module at a linear velocity of 0.12 m/s for 1 minute. The flow path was then switched to an airflow, and nitrogen gas was passed through at a linear velocity of 20 m/s for 1 minute. A hexane solution containing 0.1 wt% trimesoyl chloride (TMC) was passed through at a linear velocity of 0.12 m/s for 1 minute. The flow path was then switched to an airflow, and nitrogen gas was passed through at a linear velocity of 20 m/s for 1 minute. The module was then removed from the circuit device and placed in an oven at 100°C for 1 minute to dry. The dried module was immersed in pure water and washed for 24 hours, with several water changes. The washed module was then placed in a convection dryer at 50°C and dried. The hollow fiber membranes of the dried module were then cut near the epoxy resin portion to obtain a bundle of 20 composite hollow fiber membranes. A module was fabricated using the obtained composite hollow fiber membrane, and an air leak test and a filtration test were carried out. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements.
[比較例1]
製膜原液の調製において、ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)280g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)720gを190℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製した以外は、実施例1と同様の方法で複合中空糸膜を製造した。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Comparative Example 1]
A composite hollow fiber membrane was produced in the same manner as in Example 1, except that in preparing the membrane-forming solution, 280 g of polyamide 6 chips (A1030BRT, manufactured by Unitika Ltd., relative viscosity 3.53) and 720 g of dimethyl sulfone (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved by stirring at 190°C for 1.5 hours, and the stirring speed was reduced to degas for 1 hour to prepare a membrane-forming solution. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements.
[比較例2]
製膜原液の調製において、ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)250g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)750gを180℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製した以外は、実施例1と同様の方法で複合中空糸膜を製造した。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Comparative Example 2]
A composite hollow fiber membrane was produced in the same manner as in Example 1, except that in preparing the membrane-forming solution, 250 g of polyamide 6 chips (A1030BRT, manufactured by Unitika Ltd., relative viscosity 3.53) and 750 g of dimethyl sulfone (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved by stirring at 180°C for 1.5 hours, and the stirring speed was reduced to degas for 1 hour to prepare a membrane-forming solution. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements.
[比較例3]
製膜原液の調製において、ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)230g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)770gを180℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製した以外は、実施例1と同様の方法で複合中空糸膜を製造した。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Comparative Example 3]
A composite hollow fiber membrane was produced in the same manner as in Example 1, except that in preparing the membrane-forming solution, 230 g of polyamide 6 chips (A1030BRT, manufactured by Unitika Ltd., relative viscosity 3.53) and 770 g of dimethyl sulfone (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved by stirring at 180°C for 1.5 hours, and the stirring speed was reduced to degas for 1 hour to prepare a membrane-forming solution. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements.
[比較例4]
製膜原液の調製において、ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)280g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)720gを180℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製したこと、及び内部用凝固液として、ポリエチレングリコール300(PEG300)60重量%とグリセリン40重量%の混合液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で複合中空糸膜を製造した。なお、界面重合前の脂肪族ポリアミド中空糸膜は、緻密層が観察されなかった。また、バブルポイント法による推定孔径は5nm相当であった。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Comparative Example 4]
A composite hollow fiber membrane was produced in the same manner as in Example 1, except that the membrane-forming solution was prepared by stirring and dissolving 280 g of polyamide 6 chips (Unitika Ltd., A1030BRT, relative viscosity 3.53) and 720 g of dimethyl sulfone (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 180°C for 1.5 hours, then reducing the stirring speed and degassing for 1 hour, and that a mixture of 60 wt% polyethylene glycol 300 (PEG300) and 40 wt% glycerin was used as the internal coagulation liquid. No dense layer was observed in the aliphatic polyamide hollow fiber membrane before interfacial polymerization. The estimated pore size by bubble point method was equivalent to 5 nm. Table 1 shows the measurement results for each of the above measurements.
[比較例5]
製膜原液の調製において、ポリアミド6のチップ(ユニチカ株式会社製、A1030BRT、相対粘度3.53)280g、ジメチルスルホン(東京化成株式会社製)720gを180℃で1.5時間攪拌し溶解させ、撹拌速度を下げて1時間脱泡し製膜原液を調製したこと、内部用凝固液として、ポリエチレングリコール400(PEG400)を用いたこと、及び得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜を速度の異なるロール間を通過させることで1.3倍に延伸した以外は、実施例1と同様の方法で脂肪族ポリアミド中空糸膜を製造した。製造した中空糸膜は、界面重合を行わないで各測定を実施した。表1に前記各測定における測定結果を示す。
[Comparative Example 5]
In preparing the membrane forming solution, 280 g of polyamide 6 chips (Unitika Ltd., A1030BRT, relative viscosity 3.53) and 720 g of dimethyl sulfone (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved by stirring at 180°C for 1.5 hours, and the stirring speed was reduced to degass for 1 hour to prepare the membrane forming solution. Polyethylene glycol 400 (PEG400) was used as the internal coagulation liquid. The resulting aliphatic polyamide hollow fiber membrane was stretched 1.3 times by passing it between rolls operating at different speeds. An aliphatic polyamide hollow fiber membrane was produced in the same manner as in Example 1. The produced hollow fiber membrane was subjected to various measurements without undergoing interfacial polymerization. Table 1 shows the measurement results for each of the measurements.
実施例1及び2の複合中空糸膜は、脂肪族ポリアミド中空糸膜の緻密層の表面に、架橋芳香族ポリアミド樹脂を含む分離機能層を有しており、かつNMPバースト圧が、2.25MPa以上であるため、NMPの透過量が6L/(m2・h)以上と非常に高く、また、NMP溶液中のジフェニルスルホンの阻止率が30%以上、分子量1000のポリスチレンの阻止率が90%以上であり、ナノ濾過レベルにおいて極めて高い阻止性能を有するものであり、NMPの透液性能とジフェニルスルホンの阻止性能を高いレベルで両立できるものであった。一方、比較例1~4の複合中空糸膜、及び比較例5の脂肪族ポリアミド中空糸膜は、NMPバースト圧が低いため、NMPの透過量が低く、NMPの透液性能に劣るものであった。 The composite hollow fiber membranes of Examples 1 and 2 had a separation function layer containing a crosslinked aromatic polyamide resin on the surface of the dense layer of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and had an NMP burst pressure of 2.25 MPa or more, resulting in a very high NMP permeation rate of 6 L/( m2 ·h) or more, a diphenyl sulfone rejection rate in the NMP solution of 30% or more, and a polystyrene rejection rate of 1000 molecular weight of 90% or more, thereby providing extremely high rejection performance at the nanofiltration level and achieving both high levels of NMP permeability and diphenyl sulfone rejection. On the other hand, the composite hollow fiber membranes of Comparative Examples 1 to 4 and the aliphatic polyamide hollow fiber membrane of Comparative Example 5 had low NMP burst pressures, resulting in low NMP permeability and poor NMP permeability.
1 流動液タンク
2 送液ポンプ
3 一次側圧力計
4 二次側圧力計
5 レギュレーター
6 クロスフローモジュール
7 受け皿
8 バースト圧評価用モジュール
8a 脂肪族ポリアミド中空糸膜
8b ナイロン硬質チューブ
9 手押しポンプ
10 緻密層
11 支持層
1 Flowing liquid tank 2 Liquid feed pump 3 Primary pressure gauge 4 Secondary pressure gauge 5 Regulator 6 Cross flow module 7 Receptacle 8 Burst pressure evaluation module 8a Aliphatic polyamide hollow fiber membrane 8b Nylon hard tube 9 Hand pump 10 Dense layer 11 Support layer
Claims (12)
<バースト圧>
複合中空糸膜を用いて作製したモジュールにN-メチル-2-ピロリドンを通液しながら10分間隔で0.25MPaずつ昇圧し、複合中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。 A composite hollow fiber membrane comprising: an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer and a support layer; and a separation function layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation, wherein the separation function layer is provided on the surface of the dense layer, and the burst pressure measured under the following conditions is 2.25 MPa or more.
<Burst pressure>
While N-methyl-2-pyrrolidone is passed through a module prepared using a composite hollow fiber membrane, the pressure is increased by 0.25 MPa at 10-minute intervals, and the pressure (MPa) at which the composite hollow fiber membrane breaks is measured.
<バースト圧>
脂肪族ポリアミド中空糸膜を用いて作製したモジュールに水圧をかけていき、脂肪族ポリアミド中空糸膜が破断したときの圧力(MPa)を測定する。 2. The composite hollow fiber membrane according to claim 1, wherein the aliphatic polyamide hollow fiber membrane has a burst pressure of 2.1 MPa or more as measured under the following conditions:
<Burst pressure>
A water pressure is applied to a module made using an aliphatic polyamide hollow fiber membrane, and the pressure (MPa) is measured when the aliphatic polyamide hollow fiber membrane breaks.
150℃以上の沸点を有し且つ100℃未満の温度では脂肪族ポリアミド樹脂と相溶しない有機溶媒に、100℃以上の温度で脂肪族ポリアミド樹脂を20重量%以上の濃度で溶解させた製膜原液を調製する第1工程、
前記製膜原液を所定形状にて100℃以下の凝固浴中に押し出すことにより、脂肪族ポリアミド樹脂を膜状に凝固させる工程であって、当該工程において、所定形状にて押し出された前記製膜原液の少なくとも一方の表面に対して、前記製膜原液で使用した有機溶媒と相溶性を有し且つ脂肪族ポリアミド樹脂とは親和性が低い凝固液を接触させて、少なくとも一方の表面に緻密層を有する脂肪族ポリアミド中空糸膜を形成する第2工程、
前記第2工程で形成された脂肪族ポリアミド中空糸膜から製膜原液溶媒及び凝固液を除去する第3工程、及び
前記第3工程を行って得られた脂肪族ポリアミド中空糸膜の少なくとも一方の緻密層の表面に、界面重縮合により得られる架橋樹脂を含む分離機能層を形成する第4工程。 A method for producing a composite hollow fiber membrane, comprising the following first to fourth steps:
a first step of preparing a film-forming solution by dissolving an aliphatic polyamide resin at a concentration of 20% by weight or more in an organic solvent having a boiling point of 150°C or more and being incompatible with the aliphatic polyamide resin at a temperature below 100°C, at a temperature of 100°C or more;
a second step in which the membrane-forming solution is extruded into a coagulation bath at 100°C or less in a predetermined shape to coagulate the aliphatic polyamide resin into a membrane, in which a coagulation liquid that is compatible with the organic solvent used in the membrane-forming solution but has low affinity for the aliphatic polyamide resin is brought into contact with at least one surface of the membrane-forming solution extruded into the predetermined shape, thereby forming an aliphatic polyamide hollow fiber membrane having a dense layer on at least one surface;
a third step of removing the membrane-forming solution solvent and the coagulation solution from the aliphatic polyamide hollow fiber membrane formed in the second step; and a fourth step of forming a separation functional layer containing a crosslinked resin obtained by interfacial polycondensation on the surface of at least one of the dense layers of the aliphatic polyamide hollow fiber membrane obtained by performing the third step.
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