JP2009078218A

JP2009078218A - 複合半透膜の製造方法

Info

Publication number: JP2009078218A
Application number: JP2007248759A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Tomioka; 洋樹富岡; Takao Sasaki; 崇夫佐々木; Atsushi Okabe; 淳岡部
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】溶質除去性能を阻害することなく、複合半透膜から効率的に未反応成分を除去し、未反応成分の残存量の少ない複合半透膜を製造する。
【解決手段】多官能アミンと多官能酸誘導体を界面重縮合させて架橋芳香族ポリアミドの分離機能層を多孔性支持膜上に形成させ、複合半透膜を製造する方法において、前記界面重縮合の後に、尿素類化合物を含有する水溶液に接触させた後、７０℃以上の水で洗浄処理を行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、逆浸透膜や限外ろ過膜等として用いるのに好適な複合半透膜の製造方法に関する。

複合半透膜は、液状混合物中に含まれる成分を選択的に分離するために使用されるものであり、超純水の製造、海水またはかん水の脱塩、染色や電着塗料廃水の除去・分離回収による工業用水のクローズドシステム構築、食品工業での有効成分の濃縮等に用いられている。その具体例として、多官能芳香族アミンと多官能酸誘導体（例えば塩化物）との界面重縮合反応によって得られる架橋ポリアミドからなる薄膜層を多孔性支持膜上に接触させた複合半透膜があり、この複合半透膜は、透過性や選択分離性の高い逆浸透膜として実用化されている。その複合半透膜において、高透水性を発現するために、界面重縮合反応で添加剤を用いて逆浸透膜を製造する技術も開発されている。該添加剤としては、水酸化カリウムやリン酸三ナトリウムなど界面反応にて生成する酸性物質を系外に除去するための化合物や、アシル化触媒、溶解度パラメーターが８〜１４（ｃａｌ／ｃｍ² ）^0.5 の化合物などが提案されている。また、脱塩性能を向上させる手段としては複合半透膜を熱水処理する方法が提案されている。また、多価アルコールとトリアルキルアミンおよび有機酸の混合物を含有する水溶液に浸漬して熱水処理し、透過水量の低下を抑える方法が提案されている。

しかし、これらの製法による複合半透膜には、芳香族系モノマーもしくは低重合度ポリマーといった未反応成分が残存しているので、そのまま分離膜として膜モジュールに組み込んで使用すると、残存する未反応成分が透過液中に含まれて流出する問題があった。

そこで、製造された複合半透膜中に残存している未反応成分を除去することを目的として、複合半透膜に対して有機物水溶液を接触させ未反応残存物を除去する方法（特許文献１）、半透膜をリチウム塩、ストロンチウム塩に接触処理する方法（特許文献２）、未反応のモノマーを５０℃以上の洗浄液で洗浄除去する方法（特許文献３）などが提案されている。

また、アミン不浸透処理を施した多孔性支持体上に架橋ポリアミドの分離機能層を形成することにより、膜洗浄後の未反応多官能アミン成分の残存量を極めて少ない水準とする方法（特許文献４）が提案されている。
しかしながら、これら従来の方法で洗浄処理しても、近年逆浸透膜の性能として強く要求されている、脱塩率やホウ素除去率などの溶質除去性能を悪化させることなく、複合半透膜に残存する未反応成分を効率的に洗浄除去させることができなかった。

特開２０００−２４４７０号公報特開２００３−１１７３６１号公報特許第３５２５７５９号公報特開２００６−１２２８８６号公報

本発明の目的は、溶質除去性能を阻害することなく、複合半透膜から効率的に未反応成分を除去することができる洗浄方法を採用することによって、脱塩率およびホウ素除去率が高く、かつ、未反応成分の残存量の少ない複合半透膜を製造することにある。

上記目的を達成するための本発明は、多官能アミンと多官能酸誘導体を界面重縮合させて架橋芳香族ポリアミドの分離機能層を多孔性支持膜上に形成させて複合半透膜を製造する方法において、前記界面重縮合の後に、下記一般式（１）で示される構造を有する有機化合物（以下、尿素類化合物と呼ぶ）を含む水溶液に接触させた後、７０℃以上の水で洗浄処理を行うことを特徴とする、複合半透膜の製造方法である。

本発明法によれば、溶質除去性能を阻害することなく、複合半透膜から効率的に未反応成分を除去することができるので、近年逆浸透膜の性能として強く要求されている、脱塩率およびホウ素除去率が高く、かつ、未反応成分の残存量の少ない複合半透膜を得ることができる。

本発明による複合半透膜は、脱塩性能、透水性能、ホウ素除去性能などの流体分離機能を発揮する分離機能層と、この機能層を支持するための多孔性支持膜とからなる。この多孔性支持膜は、基材と多孔質樹脂層からなる。

上記のような複合半透膜は、たとえば、不織布などの基材上に多孔質層を形成させて多孔質支持膜とした後、その多孔性支持膜の表面で、多官能アミンと多官能酸誘導体とを界面重縮合させて架橋芳香族ポリアミドの分離機能層を形成させることにより得ることができる。

本発明では、上記のようにして製造された複合半透膜を、尿素類化合物を含む水溶液に接触させた後、７０℃以上の水で洗浄処理し、膜中に残存している未反応成分を除去する。この洗浄処理による未反応成分の除去効率を高めるために、膜中の未反応成分を酸化せしめる処理を、尿素類化合物水溶液と接触させる前に行ってもよい。ここで、未反応成分（未反応の芳香族系モノマー）を酸化させる処理としては、塩素を含む液体や気体を用いた処理を適用することができる。酸化せしめることによって、芳香族系モノマーの有するカチオン性を除去することができ、洗浄除去効率をさらに高めることができる。

ここで用いる尿素類化合物水溶液には、複合半透膜から、多官能アミン、多官能酸誘導体、およびその低分子量重合体などの未反応成分を抽出除去するために効果がある成分が含まれる。即ち、抽出除去を促進させる成分として、前記した一般式（１）で示される構造を有する有機化合物（尿素類化合物）が含有される。この尿素類化合物は、分子量が５９〜１０００であることが好ましい。具体的には、尿素、グアニジン、チオ尿素およびそれらの塩から選ばれる成分が挙げられる。なかでも、有害性がなく経済性が高いという観点から、尿素が好ましい。

これらの尿素類化合物水溶液で未反応成分の抽出除去効果を十分得るためには、尿素類化合物の濃度が１〜５モル体積％であることが好ましい。尿素類化合物水溶液の濃度を５モル体積％としても未反応成分の抽出除去効果は飽和するので、これ以上高くする必要はない。

複合半透膜と尿素類化合物水溶液との接触時間は、複合半透膜の種類や処理温度により異なるが、通常１時間〜１０日の範囲が好ましく、特に好ましくは１日〜５日であると十分な未反応成分の抽出除去効果が得られる。

複合半透膜を尿素類化合物水溶液に接触させることで残存する未反応成分を抽出除去すると、分離機能層内の空隙が増えるため、透水性能が向上し、溶質除去率は低下する。そこで本発明の洗浄処理では、複合半透膜を尿素類化合物水溶液に接触させた後に、７０℃以上の水で洗浄処理することにより、分離機能層を構成する分子鎖が、未反応成分の抽出除去された後の空隙を埋めるように変形させるため、溶質除去性能を洗浄前と同等以上にすることができる。

７０℃以上の水で洗浄処理することによって未反応成分の抽出効率をさらに高めることができる。洗浄処理の温度は７０〜１００℃の範囲が好ましく、さらに８０℃〜１００℃の範囲内であると短時間で十分な洗浄効果が得られることから特に好ましい。

７０℃以上の水で洗浄処理を行う時間は、複合半透膜の種類や処理温度により異なるが、通常１０秒〜２４時間の範囲が好ましく、さらに３０秒〜３時間であると十分な洗浄効果が得られることから特に好ましい。

本発明の洗浄方法によって複合半透膜を洗浄処理することにより、半透膜中に残存する未反応の多官能アミンの量を洗浄処理前の４０％以上除去することができ、かつ洗浄後の溶質除去性能を洗浄前と同等以上とすることができる。

本発明における複合半透膜は、多孔性支持膜上に分離機能層が形成されたものであるが、分離機能層は多孔性支持膜の少なくとも片面に設けられたものであることが好ましい。多孔性支持膜の両面に分離機能層を設けても良いが、通常、片面に１層の分離機能層があれば実用的には十分である。

分離機能層を形成するために用いる多官能アミンとは、２つ以上の反応性アミノ基を有する多官能アミンのことであり、メタフェニレンジアミン、パラフェニレンジアミン、１，３，５−トリアミノベンゼン、パラキシリレンジアミンなどを用いることができるが、反応効率の高い架橋反応を行うためにはメタフェニレンジアミンやパラフェニレンジアミンや１，３，５−トリアミノベンゼンが好ましい。また、多官能酸誘導体としては、トリメシン酸ハライド、ベンゾフェノンテトラカルボン酸ハライド、トリメリット酸ハライド、ピロメリット酸ハライド、イソフタル酸ハライド、テレフタル酸ハライド、ナフタレンジカルボン酸ハライド、ジフェニルジカルボン酸ハライド、ピリジンジカルボン酸ハライド、ベンゼンスルホン酸ハライド、クロロスルホニルイソフタル酸ハライドなどを用いることができるが、反応効率の高い架橋反応を行うためにイソフタル酸クロリド、テレフタル酸クロリド、トリメシン酸クロリド、またはこれらの混合物が好ましい。

ここで多孔性支持膜は、分離機能層を支持するための膜として複合半透膜に強度を与えるために配置されるものである。したがって、多数の孔を有する膜であって強度があれば特に限定されない。好ましくは、略均一な孔あるいは片面からもう一方の面まで徐々に孔径が大きくなる孔をもっていて、その孔の大きさはその片面の表面が１００ｎｍ以下であるような構造の多孔質層が基材上に形成されたものが好ましい。さらに、その孔径は、１〜１００ｎｍの範囲内であるとより好ましい。孔径が１ｎｍを下回ると、透過流束が低下する傾向にあり、１００ｎｍを超えると多孔性支持膜の強度が低下しやすい。

また、多孔性支持膜の厚みは、１μｍ〜５ｍｍの範囲内にあると好ましく、１０〜１００μｍの範囲内にあるとより好ましい。厚みが１μｍを下回ると多孔性支持膜の強度が低下しやすく、５ｍｍを超えると取り扱いにくくなる。

多孔性支持膜は、ポリエステル繊維やポリアミド繊維からなる不織布や平織物のような布帛を基材とし、この基材上に多孔質層が形成されたものである。この多孔質層に用いる樹脂素材としては特に限定されないが、たとえば、ポリスルホン、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系ポリマー、ビニル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンオキシドなどのホモポリマーあるいはコポリマーを単独であるいはブレンドして用いることができる。上記のうち、セルロース系ポリマーとしては、酢酸セルロース、硝酸セルロースなど、ビニル系ポリマーとしてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリルなどを用いると好ましい。中でも、ポリスルホン、ポリアミド、ポリエステル、酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホンなどのホモポリマーやコポリマーが好ましい。さらに、これらの素材の中でも、化学的、機械的、熱的に安定性が高く、成型が容易であるポリスルホンを用いることが特に好ましい。

このようにして得られた多孔性支持膜上に、多官能アミン化合物の水溶液、多官能酸誘導体の溶液を順に塗布してｉｎ−ｓｉｔｕ界面重縮合反応をさせて、実質的に分離性能を有するポリアミド分離機能層を形成させる。

多官能アミン化合物水溶液中の多官能アミン化合物の濃度は、０．５〜２０重量％の範囲内にあることが好ましく、１〜１５重量％の範囲内にあることがより好ましい。多官能アミン化合物濃度が０．５重量％を下回ると、純水透過係数が３０×１０^−１２ｍ^３／ｍ^２・Ｐａ・ｓ以下の複合半透膜を作製することが困難となり、２０重量％を超えると分離機能層の膜厚が大きくなり実用レベルの透過水量を得ることが困難となる。

多官能酸誘導体を溶解する溶媒は、水と非混和性であり、かつ、多官能酸ハロゲン化物を溶解するとともに、微多孔性支持膜を破壊せず、界面重縮合により架橋ポリマーを形成し得るものであればよい。例えば、炭化水素化合物、シクロヘキサン、１，１，２−トリクロロ−１，２，２トリフルオロエタンなどが挙げられるが、反応速度、溶媒の揮発性から、好ましくは、ｎ−ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、１，１，２−トリクロロ−１，２，２トリフルオロエタンなどである。

上記有機溶媒中の多官能酸誘導体の濃度は、０．０４〜１．０重量％の範囲内であると好ましい。０．０４重量％を下回ると、活性層である分離機能層の形成が不十分となりやすく、１．０重量％を超えると実用レベルの透過水量を得ることが困難となり、また、コスト高となる。

これら多官能アミン化合物、多官能酸誘導体およびその他の成分の比率は、上記範囲内の濃度でもって製造する複合半透膜の純水透過係数が所望水準となるように適宜調整すればよい。

以下実施例をもって本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるものではない。
以下の参考例、比較例、実施例における測定値は、次の方法により求めた。

（ホウ素除去率）
複合半透膜に、温度２５℃、ｐＨ６．５に調整した海水（ＴＤＳ濃度約３．５％、ホウ素濃度約５．０ｐｐｍ）を操作圧力５．５ＭＰａで供給して処理を行ない、透過水の水質、供給水の水質を測定し、次の式からホウ素除去率を求めた。
ホウ素除去率（％）＝１００×｛１−（透過水中のホウ素濃度／供給水中のホウ素濃度）｝

（半透膜中のｍ−ＰＤＡ含有量）
複合半透膜をエタノール溶液に浸漬し、一晩抽出した後、エタノール溶液のＵＶ測定を行い、膜中アミン濃度を測定した。

（参考例１）
多孔性支持膜である布帛補強ポリスルホン支持膜（限外濾過膜）は、次の手法により製造した。すなわち、単糸繊度０．５デシテックスのポリエステルフィラメントと単糸繊度１．５デシテックスのポリエステルフィラメントとから構成される、通気度０．７ｃｍ^３／ｃｍ^２・秒、平均孔径７μｍ以下の湿式不織布であって、縦３０ｃｍ、横２０ｃｍの大きさの物を、ガラス板上に固定した。その上に、ジメチルホルムアミド(ＤＭＦ）溶媒のポリスルホン濃度１５重量％の溶液（２．５ポアズ：２０℃）を、総厚み２１０〜２１５μｍになるようにキャストし、直ちに水に浸積してポリスルホンの多孔性支持膜を製造した。得られた多孔性支持膜をＰＳ支持膜と記す。

このようにして得られたＰＳ支持膜を、メタフェニレンジアミン（以下ｍ−ＰＤＡという）３．４重量％水溶液中に２分間浸漬し、該ＰＳ支持膜を垂直方向にゆっくりと引き上げ、エアーノズルから窒素を吹き付け支持膜表面から余分な水溶液を取り除いた後、トリメシン酸クロリド（以下ＴＭＣという）０．１７５重量％を含むｎ−デカン溶液を、１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合で支持膜表面が完全に濡れるように塗布して１分間静置した。次に膜から余分な溶液を除去するために、膜を１分間垂直に把持して液切りした。その後、９０℃の熱水で２分間洗浄して複合逆浸透膜とした。このようにして得られた複合半透膜の性能ならびに膜中アミン濃度を評価したところ、表１に示す値であった。

（実施例１）
参考例で得られた複合半透膜を、４モル体積％の尿素水溶液に２５℃で５日間浸漬した後、９０℃の熱水で２分間洗浄した。得られた複合半透膜の性能ならびに膜中アミン濃度を評価したところ、表１に示す値であった。

（比較例１）
参考例で得られた複合半透膜を、４モル体積％の尿素水溶液に２５℃で５日間浸漬した後、複合半透膜の性能ならびに膜中アミン濃度を評価したところ、表１に示す値であった。

（比較例２）
参考例で得られた複合半透膜を、再度９０℃の熱水で２分間洗浄した。得られた複合半透膜の性能ならびに膜中アミン濃度を評価したところ、表１に示す値であった。

この結果から、脱塩率、膜透過流束、ホウ素除去率を維持し、かつ膜中の残存アミンを十分に除去するためには、複合半透膜を尿素類化合物水溶液に接触させた後に熱水で洗浄処理することが、最も効果が高いことがわかる。

Claims

多官能アミンと多官能酸誘導体を界面重縮合させて架橋芳香族ポリアミドの分離機能層を多孔性支持膜上に形成させ、複合半透膜を製造する方法において、前記界面重縮合の後に、下記一般式（１）で示される構造を有する有機化合物を含む水溶液に接触させた後、７０℃以上の水で洗浄処理を行うことを特徴とする複合半透膜の製造方法。

（式（１）中、Ｘは酸素原子、硫黄原子、ＮＨ基のいずれかを表し、Ｒ_１〜Ｒ_４は水素原子、炭化水素基のいずれかを表す。）
前記有機化合物の分子量が、５９以上１０００以下である請求項１に記載の複合半透膜の製造方法。
前記有機化合物が、尿素、グアニジン、チオ尿素、及びそれらの塩から選ばれる少なくとも１種である請求項１または２に記載の複合半透膜の製造方法。