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JP2017200684A - Separation membrane and solute separation module - Google Patents

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JP2017200684A
JP2017200684A JP2016093127A JP2016093127A JP2017200684A JP 2017200684 A JP2017200684 A JP 2017200684A JP 2016093127 A JP2016093127 A JP 2016093127A JP 2016093127 A JP2016093127 A JP 2016093127A JP 2017200684 A JP2017200684 A JP 2017200684A
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separation membrane
separation
membrane
space
water
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JP2016093127A
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英俊 松本
Hidetoshi Matsumoto
英俊 松本
鶴岡 秀志
Shuji Tsuruoka
秀志 鶴岡
林 靖彦
Yasuhiko Hayashi
靖彦 林
阿部 浩二
Koji Abe
浩二 阿部
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Okayama University NUC
Tokyo Institute of Technology NUC
U Tec Co Ltd
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Okayama University NUC
Tokyo Institute of Technology NUC
U Tec Co Ltd
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Abstract

【課題】複数のカーボンナノチューブを自立膜で保持した分離膜を提供する。【解決手段】本発明の一態様は、複数のカーボンナノチューブ13と、前記複数のカーボンナノチューブの相互間に埋められた自立膜であるパラキシリレン系ポリマー膜14と、を具備する分離膜である。【選択図】 図1A separation membrane in which a plurality of carbon nanotubes are held by a self-supporting membrane is provided. One embodiment of the present invention is a separation membrane including a plurality of carbon nanotubes 13 and a paraxylylene-based polymer membrane 14 which is a self-supporting membrane embedded between the plurality of carbon nanotubes. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、カーボンナノチューブを有する分離膜及び溶質分離モジュールに関する。   The present invention relates to a separation membrane and a solute separation module having carbon nanotubes.

上水の原料となる淡水不足は世界的に進行している。そのため、下水、工業用排水、汚濁水(ブラックウオーター)の浄化、海水の淡水化などの水処理の必要性が高まっている。他方、水浄化技術として蒸発法と膜分離法があるが、前者は溶質により共沸点があることとエネルギー多消費型である。膜分離法式は実用化されているものの、精製度の高い水を得るために使われている逆浸透膜は高圧ポンプを必要とするのでより流束の大きい分離膜が求められている。   The shortage of fresh water that is the raw material for clean water is progressing worldwide. Therefore, there is an increasing need for water treatment such as sewage, industrial wastewater, purification of polluted water (black water), and desalination of seawater. On the other hand, there are an evaporation method and a membrane separation method as water purification technologies, but the former is energetically boiling due to the solute and is energy intensive. Although the membrane separation method has been put to practical use, the reverse osmosis membrane used for obtaining highly purified water requires a high-pressure pump, so that a separation membrane having a higher flux is required.

一方、カーボンナノチューブ(CNT)からなるCNT膜を基板の表面に形成し、そのCNT膜の一部をピンセット等により引き出すことでそのCNTをロープ状に紡績することが提案されている。そのためのCNTを基板の表面に垂直方向に形成する技術が特許文献1に開示されている。   On the other hand, it has been proposed that a CNT film made of carbon nanotubes (CNT) is formed on the surface of a substrate, and a part of the CNT film is pulled out by tweezers to spin the CNT in a rope shape. For this purpose, Patent Document 1 discloses a technique for forming CNTs in a direction perpendicular to the surface of a substrate.

CNTの内径は非常に小さいため、上記の水処理を行う分離膜に適用することが考えられる。しかし、多数のCNTを、水処理を行うのに適した面積で保持するのは容易ではない。特許文献2に垂直成長CNTを用いた分離膜が提案されているが、個々の膜面積は1mm 以下で極めて小さく工業化に適するものとは言えない。   Since the inner diameter of CNT is very small, it can be considered to be applied to the separation membrane that performs the above water treatment. However, it is not easy to hold a large number of CNTs in an area suitable for water treatment. Although a separation membrane using vertically grown CNTs has been proposed in Patent Document 2, the area of each membrane is 1 mm or less, which is extremely small and cannot be said to be suitable for industrialization.

特開2013−6708号公報JP 2013-6708 A 米国特許US8038887US Patent US8038887

本発明の一態様は、複数のカーボンナノチューブを自立膜で保持した分離膜、その分離膜を用いた溶質分離モジュールのいずれかを提供することを課題とする。
また、本発明の一態様は、複数のカーボンナノチューブを、ポリマーを用いた自立膜で保持した分離膜、その分離膜を用いた溶質分離モジュールのいずれかを提供することを課題とする。
An object of one embodiment of the present invention is to provide either a separation membrane in which a plurality of carbon nanotubes are held by a self-supporting membrane, or a solute separation module using the separation membrane.
Another object of one embodiment of the present invention is to provide either a separation membrane in which a plurality of carbon nanotubes are held by a self-supporting membrane using a polymer, or a solute separation module using the separation membrane.

以下に、本発明の種々の態様について説明する。
[1]複数のカーボンナノチューブと、前記複数のカーボンナノチューブの相互間を埋められた自立膜とを具備することを特徴とする分離膜。
Hereinafter, various aspects of the present invention will be described.
[1] A separation membrane comprising a plurality of carbon nanotubes and a self-supporting membrane filled with the plurality of carbon nanotubes.

[2]前記複数のカーボンナノチューブが互いに接触してなく、前記複数のカーボンナノチューブの相互間隔が1nm以上であることを特徴とする上記[1]に記載の分離膜。 [2] The separation membrane according to [1], wherein the plurality of carbon nanotubes are not in contact with each other, and a mutual interval between the plurality of carbon nanotubes is 1 nm or more.

[2−1]前記複数のカーボンナノチューブの相互間隔が3nm以上であることを特徴とする上記[2]に記載の分離膜。 [2-1] The separation membrane according to the above [2], wherein an interval between the plurality of carbon nanotubes is 3 nm or more.

[3]前記カーボンナノチューブの内径が10nm以下であることを特徴とする上記[1]、[2]及び[2−1]のいずれか一項に記載の分離膜。 [3] The separation membrane according to any one of [1], [2], and [2-1], wherein the carbon nanotube has an inner diameter of 10 nm or less.

[3−1]前記カーボンナノチューブの内径が7nm以下であることを特徴とする上記[3]に記載の分離膜。
[3−2]前記カーボンナノチューブの内径が4nm以下であることを特徴とする上記[3−1]に記載の分離膜。
[3−3]前記カーボンナノチューブの内径が2nm以下であることを特徴とする上記[3―2]に記載の分離膜。
[3-1] The separation membrane according to [3], wherein the carbon nanotube has an inner diameter of 7 nm or less.
[3-2] The separation membrane according to [3-1], wherein an inner diameter of the carbon nanotube is 4 nm or less.
[3-3] The separation membrane according to [3-2] above, wherein an inner diameter of the carbon nanotube is 2 nm or less.

[4]前記自立膜がポリマー膜であることを特徴とする上記[1]、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]及び[3−3]のいずれか一項に記載の分離膜。
[4−1]前記自立膜が炭素を含むポリマー膜である上記[4]に記載の分離膜。
[4−2]前記自立膜が炭化水素を含むポリマー膜である上記[4]に記載の分離膜。
[5]前記自立膜がパーフルオロ系材料を含むポリマー膜であることを特徴とする上記[1]、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]、[3−3]及び[4]のいずれか一項に記載の分離膜。
[4] The above-mentioned [1], [2], [2-1], [3], [3-1], [3-2] and [3-] are characterized in that the self-supporting film is a polymer film. [3] The separation membrane according to any one of [3].
[4-1] The separation membrane according to [4], wherein the self-supporting membrane is a polymer membrane containing carbon.
[4-2] The separation membrane according to [4], wherein the self-supporting membrane is a polymer membrane containing a hydrocarbon.
[5] The above-mentioned [1], [2], [2-1], [3], [3-1], [3-, wherein the self-supporting film is a polymer film containing a perfluoro-based material. The separation membrane according to any one of [2], [3-3] and [4].

[6]前記自立膜の厚さが1μm以上であることを特徴とする上記[4]、[4−1]、[4−2]、[4−3]及び[5]のいずれか一項に記載の分離膜。
[6−1]前記自立膜の厚さが10μm以上であることを特徴とする上記[6]に記載の分離膜。
[6−2]前記自立膜の厚さが20μm以上であることを特徴とする上記[6−1]に記載の分離膜。
[6] Any one of the above-mentioned [4], [4-1], [4-2], [4-3] and [5], wherein the self-supporting film has a thickness of 1 μm or more. The separation membrane according to 1.
[6-1] The separation membrane according to [6], wherein the self-supporting membrane has a thickness of 10 μm or more.
[6-2] The separation membrane according to [6-1], wherein the self-supporting membrane has a thickness of 20 μm or more.

[7]上記[1]乃至[6]のいずれか一項において、前記分離膜に溶媒を通した際に、前記カーボンナノチューブの内部で溶媒分子の規則構造化が起こることによって、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒の流動性を失うことを特徴とする分離膜。
なお、本明細書において、1つの溶液において、その溶液をつくるにあたって溶かされた成分を溶質といい、溶質を溶かすのに用いた成分を溶媒という。溶質、溶媒の区別がつけにくい場合は多量に存在するほうを溶媒とする。
[7] In any one of the above [1] to [6], when a solvent is passed through the separation membrane, a regular structure of solvent molecules occurs inside the carbon nanotube, whereby the carbon nanotube A separation membrane characterized by losing the fluidity of the solvent inside.
In this specification, in one solution, a component dissolved in making the solution is called a solute, and a component used to dissolve the solute is called a solvent. If it is difficult to distinguish between solute and solvent, the solvent that exists in a large amount is used.

[8]上記[7]において、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒分子の規則構造化が起こる温度が−20℃から60℃の範囲であることを特徴とする分離膜。
[8−1]上記[7]において、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒分子の規則構造化が起こる温度が−10℃から50℃の範囲であることを特徴とする分離膜。
[8] The separation membrane according to [7], wherein the temperature at which the ordered structure of the solvent molecules occurs inside the carbon nanotube is in the range of −20 ° C. to 60 ° C.
[8-1] The separation membrane according to [7], wherein the temperature at which the ordered structure of the solvent molecules occurs in the carbon nanotube is in the range of −10 ° C. to 50 ° C.

[8−2]上記[7]において、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒分子の規則構造化が起こる温度が10℃から30℃の範囲であることを特徴とする分離膜。 [8-2] The separation membrane according to [7] above, wherein the temperature at which the ordered structure of the solvent molecules occurs in the carbon nanotube is in the range of 10 ° C to 30 ° C.

[9]上記[1]、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]、[3−3]、[4]、[4−1]、[4−2]、[4−3]、[5]、[6]、[6−1]、[6−2]、[7]、[8]、[8−1]及び[8−2]のいずれか一項において、前記カーボンナノチューブの内径が4nm以下である前記分離膜に35℃以上の溶媒を通した際に、前記カーボンナノチューブの内部で溶媒分子の規則構造化が起こらないことを特徴とする分離膜。 [9] The above [1], [2], [2-1], [3], [3-1], [3-2], [3-3], [4], [4-1], [4-2], [4-3], [5], [6], [6-1], [6-2], [7], [8], [8-1] and [8-2] ], When a solvent having a carbon nanotube inner diameter of 4 nm or less is passed through the separation membrane at a temperature of 35 ° C. or higher, a regular structure of solvent molecules does not occur inside the carbon nanotube. A separation membrane.

[10]前記自立膜両面が非対称の構造を持つことを特徴とする上記[1]、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]、[3−3]、[4]、[4−1]、[4−2]、[4−3]、[5]、[6]、[6−1]、[6−2]、[7]、[8]、[8−1]、[8−2]及び[9]のいずれか一項に記載の分離膜。 [10] The above [1], [2], [2-1], [3], [3-1], [3-2], [3], and [2] 3-3], [4], [4-1], [4-2], [4-3], [5], [6], [6-1], [6-2], [7] , [8], [8-1], [8-2] and [9].

[11]上記[1]、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]、[3−3]、[4]、[4−1]、[4−2]、[4−3]、[5]、[6]、[6−1]、[6−2]、[7]、[8]、[8−1]、[8−2]、[9]及び[10]のいずれか一項に記載の分離膜に、1つ以上の溶質が含まれる流体を通すことで、前記1つ以上の溶質を前記流体から分離する分離方法を用いたことを特徴とする溶質分離モジュール。
なお、本明細書において「溶質(パーティクル)」とは、流体(液体または気体)に含まれる2種類以上の化学種のうち、膜を透過しにくいほうの化学種をいう。
[11] The above [1], [2], [2-1], [3], [3-1], [3-2], [3-3], [4], [4-1], [4-2], [4-3], [5], [6], [6-1], [6-2], [7], [8], [8-1], [8-2 ], A separation method for separating the one or more solutes from the fluid by passing a fluid containing one or more solutes through the separation membrane according to any one of [9] and [10]. A solute separation module characterized by being used.
In the present specification, the “solute (particle)” refers to a chemical species that is less likely to permeate the membrane among two or more chemical species contained in a fluid (liquid or gas).

[12]上記[11]において、前記1つ以上の溶質が含まれる流体が、液体または気体であることを特徴とする溶質分離モジュール。 [12] The solute separation module according to [11], wherein the fluid containing the one or more solutes is a liquid or a gas.

[13]筐体と、
前記筐体内に配置され、第1の空間と第2の空間を仕切る第1の分離膜と、
前記第1の分離膜は請求項1、[2]、[2−1]、[3]、[3−1]、[3−2]、[3−3]、[4]、[4−1]、[4−2]、[4−3]、[5]、[6]、[6−1]、[6−2]、[7]、[8]、[8−1]、[8−2]、[9]、[10]、[11]及び[12]のいずれか一項に記載の分離膜であり、
前記筐体に設けられ、前記第1の空間に接続され、1つ以上の溶質と溶媒が含まれる液体が導入される第1の導入流路と、
前記筐体に設けられ、前記第2の空間に接続され、前記第1の分離膜を通過した前記溶媒を排出する第1の排出流路と、
を具備することを特徴とする溶質分離モジュール。
[13] a housing;
A first separation membrane disposed in the housing and partitioning the first space and the second space;
The first separation membrane is defined in claim 1, [2], [2-1], [3], [3-1], [3-2], [3-3], [4], [4- 1], [4-2], [4-3], [5], [6], [6-1], [6-2], [7], [8], [8-1], [ 8-2], [9], [10], [11] and the separation membrane according to any one of [12],
A first introduction flow path provided in the housing and connected to the first space into which a liquid containing one or more solutes and a solvent is introduced;
A first discharge flow path provided in the housing, connected to the second space, for discharging the solvent that has passed through the first separation membrane;
A solute separation module comprising:

[14]上記[13]において、前記筐体内に配置され且つ前記第1の分離膜に対向する第2の分離膜を有し、
前記第2の分離膜は請求項1乃至16のいずれか一項に記載の分離膜であり、
前記第1の空間は、前記第1の分離膜と前記第2の分離膜との間に位置し、
前記第2の分離膜は前記第1の空間と前記筐体内の第3の空間を仕切り、
前記筐体に設けられ且つ前記第3の空間に接続された第2の排出流路を有し、
前記第2の排出流路は前記第2の分離膜を通過した前記溶媒を排出する流路であることを特徴とする溶質分離モジュール。
[14] In the above [13], a second separation membrane disposed in the housing and facing the first separation membrane,
The second separation membrane is the separation membrane according to any one of claims 1 to 16,
The first space is located between the first separation membrane and the second separation membrane;
The second separation membrane partitions the first space and the third space in the housing;
A second discharge channel provided in the housing and connected to the third space;
The solute separation module, wherein the second discharge channel is a channel for discharging the solvent that has passed through the second separation membrane.

[15]上記[13]において、前記筐体に設けられ且つ前記第2の空間に接続された第2の導入流路を有し、前記第2の導入流路は洗浄液を導入する流路であることを特徴とする溶質分離モジュール。 [15] In the above [13], the apparatus has a second introduction flow path provided in the housing and connected to the second space, and the second introduction flow path is a flow path for introducing a cleaning liquid. A solute separation module characterized by being.

本発明の一態様によれば、複数のカーボンナノチューブを自立膜で保持した分離膜、その分離膜を用いた溶質分離モジュールのいずれかを提供することができる。
また、本発明の一態様によれば、複数のカーボンナノチューブを、ポリマーを用いた自立膜で保持した分離膜、その分離膜を用いた溶質分離モジュールのいずれかを提供することができる。
According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide either a separation membrane in which a plurality of carbon nanotubes are held by a self-supporting membrane, or a solute separation module using the separation membrane.
In addition, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide either a separation membrane in which a plurality of carbon nanotubes are held by a self-supporting membrane using a polymer, or a solute separation module using the separation membrane.

(A)〜(E)は本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す断面図である。(A)-(E) are sectional drawings which show the manufacturing method of the separation membrane which concerns on 1 aspect of this invention. (A)〜(D)は本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す斜視図である。(A)-(D) are perspective views which show the manufacturing method of the separation membrane which concerns on 1 aspect of this invention. (A)〜(E)は本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す断面図である。(A)-(E) are sectional drawings which show the manufacturing method of the separation membrane which concerns on 1 aspect of this invention. 図1に示す二層カーボンナノチューブを合成するための熱CVD装置を概略的に示す構成図である。It is a block diagram which shows schematically the thermal CVD apparatus for synthesize | combining the double-walled carbon nanotube shown in FIG. 図1に示すパラキシリレン系ポリマー膜を成膜する成膜装置を概略的に示す構成図である。It is a block diagram which shows schematically the film-forming apparatus which forms the paraxylylene-type polymer film shown in FIG. (A)〜(C)は図5に示す成膜装置の気化炉、分解炉、蒸着室での反応を説明するための図である。(A)-(C) are the figures for demonstrating reaction in the vaporization furnace of a film-forming apparatus shown in FIG. 5, a decomposition furnace, and a vapor deposition chamber. (A)は図1及び図2に示す分離膜を組み込んだ溶質分離モジュールを模式的に示し、液体の原液をろ過する工程を説明するための断面図であり、(B)は図1及び図2に示す分離膜を組み込んだ溶質分離モジュールを模式的に示し、逆洗浄を行う工程を説明するための断面図である。(A) is a sectional view for schematically illustrating a solute separation module incorporating the separation membrane shown in FIG. 1 and FIG. 2, and illustrating a step of filtering a liquid stock solution, and (B) is a diagram of FIG. 1 and FIG. It is sectional drawing for demonstrating the process which shows typically the solute separation module incorporating the separation membrane shown in 2, and performs back washing | cleaning. (A)はシリコンウエハ上に多数のDWCNTを成長させた実施例1のサンプルのSEM写真、(B)は(A)に示すサンプルのDWCNTの上部を拡大したSEM写真である。(A) is a SEM photograph of the sample of Example 1 in which a large number of DWCNTs were grown on a silicon wafer, and (B) is an SEM photograph in which the upper part of the DWCNT of the sample shown in (A) is enlarged. (A)は図8のサンプルのDWCNT上にパリレンを被覆したサンプルを示す写真、(B)は(A)に示すサンプルの断面図である。(A) is the photograph which shows the sample which coat | covered parylene on DWCNT of the sample of FIG. 8, (B) is sectional drawing of the sample shown to (A). 図9(C),(D)のサンプルの分離膜の柔軟性を試験した写真である。It is the photograph which tested the softness | flexibility of the separation membrane of the sample of FIG.9 (C), (D). デッドエンド方式ろ過実験を行うための装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus for performing a dead end system filtration experiment. 実施例2による透過実験の回数と水フラックスの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency | count of the permeation | transmission experiment by Example 2, and water flux.

以下では、本発明の実施形態及び実施例について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態の記載内容及び実施例に限定して解釈されるものではない。   Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments and examples below.

[第1の実施形態]
<分離膜の製造方法>
図1(A)〜(E)は、本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す断面図である。図2(A)〜(D)は、本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す斜視図である。
[First Embodiment]
<Method for producing separation membrane>
1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a separation membrane according to one embodiment of the present invention. 2A to 2D are perspective views illustrating a method for manufacturing a separation membrane according to one embodiment of the present invention.

図1(A)及び図2(A)に示すように、基板11上に触媒層12を形成する。なお、基板11としては例えばシリコン基板を用いることができる。触媒層12としては鉄などの金属触媒を用いることができる。次いで、触媒層12を不活性雰囲気中または還元雰囲気中で加熱することにより、触媒層12を活性化させる。   As shown in FIGS. 1A and 2A, a catalyst layer 12 is formed on a substrate 11. For example, a silicon substrate can be used as the substrate 11. As the catalyst layer 12, a metal catalyst such as iron can be used. Next, the catalyst layer 12 is activated by heating the catalyst layer 12 in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.

次に、図4に示す熱CVD装置を用いて触媒層12上に多数のカーボンナノチューブ(CNT)13を形成する。多数のCNT13は基板11と交差する方向(例えば基板11と垂直方向)に成長する(図1(B)及び図2(B)参照)。   Next, a large number of carbon nanotubes (CNT) 13 are formed on the catalyst layer 12 using the thermal CVD apparatus shown in FIG. Many CNTs 13 grow in a direction crossing the substrate 11 (for example, a direction perpendicular to the substrate 11) (see FIGS. 1B and 2B).

ここで、図4に示す熱CVD装置について説明する。
この熱CVD装置は、真空チャンバー21と、真空チャンバー21内を真空引きするための真空ポンプ(図示せず)を有している。真空チャンバー21内には基板10を保持する保持部24が配置されている。保持部24の下方にはヒーター23が配置されており、ヒーター23は保持部24に保持された基板10を加熱するものである。また、熱CVD装置はシャワー状にガスを供給する供給口22を有し、供給口22はガス経路を介して原料ガス供給源(図示せず)に接続されている。
Here, the thermal CVD apparatus shown in FIG. 4 will be described.
This thermal CVD apparatus has a vacuum chamber 21 and a vacuum pump (not shown) for evacuating the inside of the vacuum chamber 21. A holding unit 24 that holds the substrate 10 is disposed in the vacuum chamber 21. A heater 23 is disposed below the holding unit 24, and the heater 23 heats the substrate 10 held by the holding unit 24. The thermal CVD apparatus has a supply port 22 for supplying a gas in a shower-like manner, and the supply port 22 is connected to a source gas supply source (not shown) via a gas path.

真空チャンバー21内に基板10を導入し、保持部24に基板10を保持する。次いで、真空ポンプによって真空チャンバー21内を真空排気し、供給口22から炭素を含む原料ガスをシャワー状に基板10に供給することで、排気と原料ガスの供給のバランスによって真空チャンバー21内を所定の圧力に調整する。そして、ヒーター23によって基板10を所定の温度になるように加熱する。このようにして図1(B)及び図2(B)に示すように、基板10の触媒層12上に多数のカーボンナノチューブ(CNT)13を形成する。   The substrate 10 is introduced into the vacuum chamber 21 and the substrate 10 is held in the holding unit 24. Next, the inside of the vacuum chamber 21 is evacuated by a vacuum pump, and a source gas containing carbon is supplied from the supply port 22 to the substrate 10 in a shower shape, so that the inside of the vacuum chamber 21 is predetermined depending on the balance between exhaust and source gas supply. Adjust to the pressure of. Then, the heater 10 heats the substrate 10 to a predetermined temperature. In this way, as shown in FIGS. 1B and 2B, a large number of carbon nanotubes (CNT) 13 are formed on the catalyst layer 12 of the substrate 10.

次いで、熱CVD装置の真空チャンバー21からCNT13が形成された基板10を取り出す。   Next, the substrate 10 on which the CNTs 13 are formed is taken out from the vacuum chamber 21 of the thermal CVD apparatus.

上記の多数のCNT13は互いに接触してなく離れていて、相互間隔は、1nm以上であるとよく、より好ましくは3nm以上であることがよい。CNT13の相互間隔が1nm未満とすると、ポリマー膜14を成膜する際に、原料ガスの粒子がCNT13の隙間に入り込みにくくなり、ポリマー膜14を成膜することが困難になるためである。   The above-mentioned many CNTs 13 are not in contact with each other and are separated from each other, and the mutual interval is preferably 1 nm or more, more preferably 3 nm or more. If the interval between the CNTs 13 is less than 1 nm, when the polymer film 14 is formed, the raw material gas particles are less likely to enter the gaps between the CNTs 13, making it difficult to form the polymer film 14.

また、多数のCNT13それぞれの内径は、流体(液体または気体)が通過できるがその液体または気体に含まれる1つ以上の溶質(液体または気体から分離したい溶質)が通過できない程度の内径であるとよく、具体的には10nm以下、好ましくは7nm以下、より好ましくは4nm以下、更に好ましくは2nm以下がよい。また、CNT13の長さは分離膜として機能する長さであればよく、例えば50μmでもよいし、110μmでもよい。   The inner diameter of each of the CNTs 13 is such that the fluid (liquid or gas) can pass but one or more solutes contained in the liquid or gas (solutes that are desired to be separated from the liquid or gas) cannot pass. Specifically, specifically, it is 10 nm or less, preferably 7 nm or less, more preferably 4 nm or less, and still more preferably 2 nm or less. Moreover, the length of CNT13 should just be a length which functions as a separation membrane, for example, may be 50 micrometers and may be 110 micrometers.

また、CNT13は二層カーボンナノチューブ(DWCNT:double-walled carbon nanotube)であるとよい。その理由は、多層カーボンナノチューブに比べて非親水性が強くないため、二層カーボンナノチューブの開口部に親水化処理を施さなくても二層カーボンナノチューブの中空内部に水が浸入するからである。また、多層カーボンナノチューブのように、中空部分に竹の節のような構造をもたないためである。   The CNT 13 is preferably a double-walled carbon nanotube (DWCNT). The reason is that non-hydrophilicity is not strong compared with multi-walled carbon nanotubes, so that water permeates into the hollow interior of double-walled carbon nanotubes even if the opening of double-walled carbon nanotubes is not subjected to a hydrophilic treatment. Moreover, it is because a hollow part does not have a structure like a bamboo node like a multi-walled carbon nanotube.

この後、多数のCNT13の相互間及び多数のCNT13上にポリマー膜14を形成する(図1(C)及び図2(C)参照)。ポリマー膜14は、例えば炭素系のポリマー膜(炭素を含むポリマー膜)、好ましくは炭化水素系のポリマー膜(炭化水素を含むポリマー膜)、より好ましくはパラキシリレンから重合されるポリマーからなる膜(パラキシリレン系ポリマー膜)である。また、ポリマー膜14は、パーフルオロ系材料を含むポリマー膜であってもよい。パラキシリレン系ポリマー膜としては特にパリレン膜を用いることが好ましい。例えばパリレンCは、ベンゼン環の水素の一つを塩素に置換しており、電気的特性と物理的特性のバランスが良く、特に湿気や腐食性ガスに対するバリア性に優れている。なお、ポリマー膜14としてパラキシリレン系ポリマー膜を用いる場合は、図5に示す成膜装置を用いて多数のCNT13の相互間及び多数のCNT13上に気相重合法によりパラキシリレン系ポリマー膜を形成するとよい。以下はポリマー膜14としてパラキシリレン系ポリマー膜を用いた場合について説明する   Thereafter, a polymer film 14 is formed between the CNTs 13 and on the CNTs 13 (see FIGS. 1C and 2C). The polymer film 14 is, for example, a carbon-based polymer film (carbon-containing polymer film), preferably a hydrocarbon-based polymer film (hydrocarbon-containing polymer film), more preferably a film made of polymer polymerized from paraxylylene (paraxylylene). Polymer film). The polymer film 14 may be a polymer film containing a perfluoro material. A parylene film is particularly preferably used as the paraxylylene polymer film. For example, Parylene C has one of the hydrogen atoms in the benzene ring replaced with chlorine, and has a good balance between electrical and physical properties, and is particularly excellent in barrier properties against moisture and corrosive gases. In the case where a paraxylylene polymer film is used as the polymer film 14, it is preferable to form a paraxylylene polymer film between the many CNTs 13 and on the many CNTs 13 by a gas phase polymerization method using the film forming apparatus shown in FIG. . In the following, a case where a paraxylylene polymer film is used as the polymer film 14 will be described.

ここで、図5に示す成膜装置について説明する。
この成膜装置は、図6(A)に示すように固体のダイマーを熱によってダイマーガスに気化する気化炉31を有する。気化炉31は分解炉32に配管によって接続されている。分解炉32は、図6(B)に示すようにダイマーガスを熱によってモノマーガスに分解する炉である。分解炉32は蒸着室33に配管によって接続されている。蒸着室33内には図1(B)の基板20を保持する保持部34が配置されている。蒸着室33は配管及びバルブ35を介して真空ポンプ36に接続されており、真空ポンプ36は蒸着室33内を真空排気するものである。蒸着室33は、図6(C)に示すようにモノマーガスを気相重合法により基板20上にパラキシリレン系ポリマー膜を成膜するものである。
Here, the film forming apparatus shown in FIG. 5 will be described.
As shown in FIG. 6A, this film forming apparatus includes a vaporizing furnace 31 that vaporizes a solid dimer into dimer gas by heat. The vaporizing furnace 31 is connected to the cracking furnace 32 by piping. The cracking furnace 32 is a furnace that decomposes dimer gas into monomer gas by heat as shown in FIG. The decomposition furnace 32 is connected to the vapor deposition chamber 33 by piping. In the vapor deposition chamber 33, a holding portion 34 for holding the substrate 20 of FIG. The vapor deposition chamber 33 is connected to a vacuum pump 36 via a pipe and a valve 35, and the vacuum pump 36 evacuates the vapor deposition chamber 33. In the vapor deposition chamber 33, as shown in FIG. 6C, a paraxylylene polymer film is formed on the substrate 20 by vapor phase polymerization of monomer gas.

気化炉31に原料となる固体のダイマーを導入する。固体のダイマーは、例えばパラキシリレンである。また、蒸着室33内に基板20を導入し、保持部34に基板20を保持する。次いで、バルブ35を開けて真空ポンプ36によって蒸着室33内を真空排気し、気化炉31で固体のダイマーを熱によってダイマーガスに気化する。そのダイマーガスを配管を通して分解炉32に導入し、分解炉32でダイマーガスを熱によってモノマーガスに分解する。そのモノマーガスを配管を通して蒸着室33に供給し、蒸着室33で排気とモノマーガスの供給のバランスによって蒸着室33内を所定の圧力に調整する。そして、蒸着室33において室温で基板20の多数のCNT13の相互間及び多数のCNT13上に気相重合法によりパラキシリレン系ポリマー膜14を形成する(図1(C)及び図2(C)参照)。   A solid dimer as a raw material is introduced into the vaporizing furnace 31. The solid dimer is, for example, paraxylylene. Further, the substrate 20 is introduced into the vapor deposition chamber 33, and the substrate 20 is held in the holding unit 34. Next, the valve 35 is opened, the inside of the vapor deposition chamber 33 is evacuated by the vacuum pump 36, and the solid dimer is vaporized into dimer gas by heat in the vaporizing furnace 31. The dimer gas is introduced into the cracking furnace 32 through a pipe, and the dimer gas is decomposed into monomer gas by heat in the cracking furnace 32. The monomer gas is supplied to the vapor deposition chamber 33 through a pipe, and the vapor deposition chamber 33 adjusts the inside of the vapor deposition chamber 33 to a predetermined pressure by the balance between exhaust gas and monomer gas supply. Then, a paraxylylene-based polymer film 14 is formed by vapor phase polymerization between the CNTs 13 on the substrate 20 and on the CNTs 13 at room temperature in the vapor deposition chamber 33 (see FIGS. 1C and 2C). .

この後、パラキシリレン系ポリマー膜14及び多数のCNT13の上部を研磨(ポリッシング)することで、CNT13上を覆っているパラキシリレン系ポリマー膜14を除去するとともに多数のCNT13の上部を開口する(図1(D)参照)。研磨前のCNT13は上部がキャップで塞がれているため、そのキャップを研磨により除去することでCNT13を開口することができる。   Thereafter, the paraxylylene polymer film 14 and the upper portions of the CNTs 13 are polished (polished), thereby removing the paraxylylene polymer film 14 covering the CNTs 13 and opening the upper portions of the CNTs 13 (FIG. 1 ( D)). Since the upper part of the CNT 13 before polishing is covered with a cap, the CNT 13 can be opened by removing the cap by polishing.

次に、図1(E)及び図2(D)に示すように、CNT13及びパラキシリレン系ポリマー膜14から基板11を剥離する。このようにして多数のCNT13がパラキシリレン系ポリマー膜14で固定された分離膜を作製することができる。この分離膜両面は非対称の構造を持つ。   Next, as shown in FIGS. 1E and 2D, the substrate 11 is peeled from the CNT 13 and the paraxylylene-based polymer film 14. In this way, a separation membrane in which a large number of CNTs 13 are fixed by the paraxylylene polymer membrane 14 can be produced. Both sides of this separation membrane have an asymmetric structure.

上記の研磨後のパラキシリレン系ポリマー膜14の厚さは、1μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、20μm以上であることが更に好ましい。また、パラキシリレン系ポリマー膜以外のポリマー膜を用いた場合でも、そのポリマー膜の厚さは、1μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、20μm以上であることが更に好ましい。パラキシリレン系ポリマー膜14等のポリマー膜の厚さを1μm未満とすると、基板11を剥離した後の図1(E)に示す分離膜が自立できない膜となるためである。つまり、パラキシリレン系ポリマー膜14等のポリマー膜が自立膜として機能するための最小膜厚は1μm(好ましくは10μm)である。   The thickness of the above-mentioned paraxylylene polymer film 14 after polishing is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and further preferably 20 μm or more. Even when a polymer film other than the paraxylylene polymer film is used, the thickness of the polymer film is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and further preferably 20 μm or more. This is because if the thickness of the polymer film such as the paraxylylene-based polymer film 14 is less than 1 μm, the separation film shown in FIG. That is, the minimum film thickness for a polymer film such as the paraxylylene-based polymer film 14 to function as a self-supporting film is 1 μm (preferably 10 μm).

パラキシリレン系ポリマー膜が1μmの厚さで自立することができるのは、パラキシリレン系ポリマー膜がフレキシブル性を有するからである。窒化珪素膜のようなフレキシブル性がない硬い膜を多数のCNT13の相互間に埋めたとしても、自立膜として機能させることはできない。   The paraxylylene polymer film can be self-supporting with a thickness of 1 μm because the paraxylylene polymer film has flexibility. Even if a hard film having no flexibility such as a silicon nitride film is buried between many CNTs 13, it cannot function as a self-supporting film.

なお、本実施形態では、多数のCNT13の相互間に自立膜であるパラキシリレン系ポリマー膜14を埋めることで、自立できる分離膜を作製しているが、多数のCNT13の相互間にパラキシリレン系ポリマー膜以外の自立膜(例えば炭素系のポリマー膜、炭化水素系のポリマー膜、パーフルオロ系材料を含むポリマー膜等のポリマー膜)を埋めることで分離膜を作製することも可能である。但し、自立膜は、欠陥がほとんどなく、水やガス等を通過させない膜であればよい。   In the present embodiment, a paraxylylene-based polymer film 14, which is a self-supporting film, is embedded between a large number of CNTs 13 to produce a self-supporting separation membrane. However, a paraxylylene-based polymer film is formed between a large number of CNTs 13. It is also possible to produce a separation membrane by filling a self-supporting membrane other than (such as a polymer membrane such as a carbon-based polymer membrane, a hydrocarbon-based polymer membrane, or a polymer membrane containing a perfluoro-based material). However, the self-supporting film may be a film that has few defects and does not allow water or gas to pass through.

また、縦20mm以上、横20mm以上の基板11を用いることで、自立膜であるパラキシリレン系ポリマー膜14及び分離膜それぞれの平面状の大きさを縦20mm以上、横20mm以上とすることができる。これにより、下水や工業用排水の浄化、海水の淡水化などの水処理を行うのに適した面積を確保した分離膜を実現することができる。別言すれば、平面状の面積が小さい分離膜では、実際に多量の水処理を行うには適さない。   Further, by using the substrate 11 having a length of 20 mm or more and a width of 20 mm or more, the planar size of each of the paraxylylene polymer membrane 14 and the separation membrane, which are self-supporting membranes, can be 20 mm or more and 20 mm or more. Thereby, the separation membrane which ensured the area suitable for water treatment, such as purification of sewage and industrial wastewater, and desalination of seawater, can be realized. In other words, a separation membrane with a small planar area is not suitable for actually performing a large amount of water treatment.

<分離方法>
1つ以上の溶質が含まれる流体(液体または気体)を上記の分離膜に通すことで、溶質を流体から分離することができる。例えば、溶質(塩)が含まれる液体(海水)を分離膜に通す。この際、分離膜のCNT13の中空内部に、水は通るが、塩は通らない。パラキシリレン系ポリマー膜14は海水(水と塩)を通さない。そのため、分離膜のCNT13の中空内部を通過した水と、分離膜を通さない塩を分離することができる。なお、本例では、塩と水を分離するが、塩以外の溶質と水を分離することも可能であり、塩以外の溶質と水以外の液体を分離することも可能である。
<Separation method>
By passing a fluid (liquid or gas) containing one or more solutes through the separation membrane, the solute can be separated from the fluid. For example, a liquid (seawater) containing a solute (salt) is passed through a separation membrane. At this time, water passes through the hollow interior of the CNT 13 of the separation membrane, but salt does not pass. The paraxylylene polymer membrane 14 does not pass seawater (water and salt). Therefore, the water that has passed through the hollow interior of the separation membrane CNT 13 and the salt that does not pass through the separation membrane can be separated. In this example, salt and water are separated, but solutes other than salt and water can also be separated, and solutes other than salt and liquids other than water can be separated.

また、1つ以上の溶質(例えば有機リン系物質)が含まれる気体(例えば空気)を分離膜に通す。この際、分離膜のCNT13の中空内部に、空気は通るが、有機リン分子は通らない。パラキシリレン系ポリマー膜14は有機リン分子と空気を通さない。そのため、分離膜のCNT13の中空内部を通過した空気と、分離膜を通さない有機リンを分離することができる。   Further, a gas (for example, air) containing one or more solutes (for example, an organic phosphorus material) is passed through the separation membrane. At this time, air passes through the hollow interior of the CNT 13 of the separation membrane, but organic phosphorus molecules do not pass. The paraxylylene-based polymer film 14 is impermeable to organic phosphorus molecules and air. Therefore, the air that has passed through the hollow interior of the separation membrane CNT 13 and the organic phosphorus that does not pass through the separation membrane can be separated.

<カーボンナノチューブの中空内部での凍結>
CNT13の内径が小さいと、圧力をかけた常温の水(溶媒)が分離膜のCNT13の中空内部を通過するときに、CNT13の内部で水分子(溶媒分子)が規則構造を有する様になること(溶媒分子の規則構造化が起こること)により、分離膜のCNT13の内部の透過性に影響を与え、水の流動性を失い、凍結状態になる。また、分離膜に水を通した際に、CNT13の内部で水分子の規則構造化が起こる温度が−20℃から60℃の範囲である分離膜を用いることが好ましく、より好ましくは−10℃から50℃の範囲である分離膜であり、更に好ましくは10℃から30℃の範囲である分離膜である。
<Freezing of hollow carbon nanotubes>
When the inner diameter of the CNT 13 is small, when water (solvent) at room temperature under pressure passes through the hollow interior of the CNT 13 of the separation membrane, the water molecules (solvent molecules) have a regular structure inside the CNT 13. (Regular structuring of the solvent molecules occurs) affects the permeability inside the CNT 13 of the separation membrane, loses the fluidity of water, and enters a frozen state. Further, it is preferable to use a separation membrane in which the temperature at which the regular structure of water molecules occurs inside the CNT 13 when water is passed through the separation membrane is in the range of −20 ° C. to 60 ° C., more preferably −10 ° C. To 50 ° C., more preferably 10 ° C. to 30 ° C.

また、分離膜を通す水温を高くすることで、CNT13の内部で水(溶媒)が凍結するのを抑制できる。詳細には、CNT13の内径が4nm以下である場合は分離膜に通す液体(1つ以上の溶質と水が含まれる液体)の温度を35℃以上とするとよいと考えられる。   Moreover, it can suppress that water (solvent) freezes inside CNT13 by making the water temperature which passes a separation membrane high. Specifically, when the inner diameter of the CNT 13 is 4 nm or less, the temperature of the liquid (liquid containing one or more solutes and water) passed through the separation membrane is considered to be 35 ° C. or higher.

また、CNT13の内径が大きいと、常温の水が分離膜のCNT13の中空内部を通過してもCNT13の内部で水が凍結することがない。詳細には、CNT13の内径が10nm超である場合は分離膜に通す液体(1つ以上の溶質と水が含まれる液体)の温度が常温でもCNT13の内部で水が凍結しない。
言い換えると、内径が10nm以下のCNT13を有する分離膜に、上記の常温の液体を通すと、CNT13の内部で一部の水が凍結し、残りの水が凍結せずにCNT13の内部を通過する。そして、CNT13の内径を4nmまで小さくした分離膜に、上記の常温の液体を通すと、CNT13の内部で全ての水が凍結し、CNT13の内部を通過できる水が無くなる。
この性質を使うと、内径が4nm超10nm以下のCNT13を有する分離膜に、上記の常温の液体を通すことで、溶質と水を分離することが可能となる。例えば、内径が8nmのCNT13に上記の常温の液体を通すと、CNT13の内部で一部の水が凍結するため、CNT13の実質的な内径が8nmより小さくなる。
そこで、CNT13の内径が4nm超10nm以下の範囲内において、CNT13の中空内部を通過する液体である溶液の温度を制御することにより、CNT13の実質的な内径を制御でき、それにより溶質の阻止率の調整あるいは阻止される溶質の種類を制御することが可能になる。また、20℃以下にすることによりCNTの中空内部を通過する溶質の流れを止めることが可能になる。
In addition, when the inner diameter of the CNT 13 is large, even when normal temperature water passes through the hollow interior of the CNT 13 of the separation membrane, the water does not freeze inside the CNT 13. Specifically, when the inner diameter of the CNT 13 exceeds 10 nm, the water does not freeze inside the CNT 13 even when the temperature of the liquid (a liquid containing one or more solutes and water) passed through the separation membrane is normal temperature.
In other words, when the above-mentioned liquid at room temperature is passed through the separation membrane having the CNT 13 having an inner diameter of 10 nm or less, a part of the water is frozen inside the CNT 13 and the remaining water passes through the inside of the CNT 13 without freezing. . Then, when the liquid at room temperature is passed through the separation membrane having the inner diameter of the CNT 13 reduced to 4 nm, all the water is frozen inside the CNT 13 and there is no water that can pass through the CNT 13.
When this property is used, it is possible to separate the solute and water by passing the liquid at room temperature through a separation membrane having CNTs 13 having an inner diameter of more than 4 nm and not more than 10 nm. For example, if the liquid at room temperature is passed through the CNT 13 having an inner diameter of 8 nm, a part of water freezes inside the CNT 13, so that the substantial inner diameter of the CNT 13 becomes smaller than 8 nm.
Therefore, by controlling the temperature of the solution that is a liquid that passes through the hollow interior of the CNT 13 within the range where the inner diameter of the CNT 13 is greater than 4 nm and less than or equal to 10 nm, the substantial inner diameter of the CNT 13 can be controlled. It is possible to control the type of solute that is adjusted or blocked. Moreover, it becomes possible to stop the flow of the solute passing through the hollow interior of the CNT by setting the temperature to 20 ° C. or lower.

[第2の実施形態]
図3(A)〜(E)は、本発明の一態様に係る分離膜の製造方法を示す断面図であり、図1と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
[Second Embodiment]
3A to 3E are cross-sectional views illustrating a separation membrane manufacturing method according to one embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and only different parts will be described.

図3(C)に示すように、多数のCNT13の相互間及び多数のCNT13上に気相重合法によりポリマー膜14を形成する。このポリマー膜14は多数のCNT13の底部まで埋められていない。そのため、ポリマー膜14と基板10との間には隙間が形成され、ポリマー膜の両面は非対称構造になる。   As shown in FIG. 3C, a polymer film 14 is formed by vapor phase polymerization between a large number of CNTs 13 and on a large number of CNTs 13. This polymer film 14 is not filled up to the bottom of many CNTs 13. Therefore, a gap is formed between the polymer film 14 and the substrate 10, and both surfaces of the polymer film have an asymmetric structure.

図3(D)に示す研磨後のポリマー膜14の厚さは1μm以上であるとよい。その理由は、ポリマー膜14の厚さを1μm以上とすることで、図3(E)に示す基板剥離後のポリマー膜14を自立膜とすることができるからである。   The thickness of the polymer film 14 after polishing shown in FIG. 3D is preferably 1 μm or more. The reason is that by setting the thickness of the polymer film 14 to 1 μm or more, the polymer film 14 after peeling off the substrate shown in FIG.

[第3の実施形態]
図7(A),(B)は、図1及び図2に示す分離膜を組み込んだ溶質分離モジュールを模式的に示す断面図である。図7(A)は、液体の原液をろ過する工程を説明するための図であり、図7(B)は、逆洗浄を行う工程を説明するための図である。
[Third Embodiment]
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views schematically showing a solute separation module incorporating the separation membrane shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 7A is a diagram for explaining a step of filtering a liquid stock solution, and FIG. 7B is a diagram for explaining a step of performing reverse cleaning.

図7(A)に示すように、溶質分離モジュールは筐体71を有し、筐体71は複数の分離室80を有している。分離室80には2枚の分離膜72が対向して配置されており、2枚の分離膜72によって分離室80を3つの空間に分けている。3つの空間は、分離膜72が相対する空間73aと、2枚の分離膜72それぞれと分離室80の内壁とで囲まれた2つの空間73b,73cである。なお、空間73aは第1の空間ともいい、空間73bは第2の空間ともいい、空間73cは第3の空間ともいう。   As shown in FIG. 7A, the solute separation module has a casing 71, and the casing 71 has a plurality of separation chambers 80. Two separation membranes 72 are arranged opposite to each other in the separation chamber 80, and the separation chamber 80 is divided into three spaces by the two separation membranes 72. The three spaces are a space 73 a facing the separation membrane 72, and two spaces 73 b and 73 c surrounded by the two separation membranes 72 and the inner wall of the separation chamber 80. The space 73a is also referred to as a first space, the space 73b is also referred to as a second space, and the space 73c is also referred to as a third space.

また、溶質分離モジュールは、筐体71の内部で連続して繋がっている流路76を有し、この流路76は第1の導入流路81によって空間73aに接続されている。空間73aは排出流路75に接続されている。空間73b,73cそれぞれは排出流路74に接続されている。なお、排出流路74は、第1の排出流路または第2の排出流路ともいう。   The solute separation module has a flow path 76 that is continuously connected inside the casing 71, and the flow path 76 is connected to the space 73 a by a first introduction flow path 81. The space 73 a is connected to the discharge channel 75. Each of the spaces 73 b and 73 c is connected to the discharge flow path 74. The discharge channel 74 is also referred to as a first discharge channel or a second discharge channel.

次に、原液をろ過する工程について説明する。原液は1つ以上の溶質と溶媒が含まれる液体であり、原液を分離膜72に通すことで、溶質と溶媒を分離して原液をろ過する工程である。   Next, the process of filtering the stock solution will be described. The stock solution is a liquid containing one or more solutes and a solvent, and is a step of filtering the stock solution by separating the solute and the solvent by passing the stock solution through the separation membrane 72.

図7(A)に示すように、圧力が加えられた原液82が、流路76に供給され、分離膜72が相対する空間73aに導入される。空間73a内の原液82が分離膜72を通過して空間73b,73cに流入する際に、原液82は分離膜72によりろ過される。これにより、溶質と溶媒が分離され、空間73a内には原液が濃縮された濃縮液(溶質と一部の溶媒)が残され、空間73b,73c内にはろ過液(溶媒)が流入する。その結果、空間73b,73c内のろ過液は排出流路74から排出され、空間73a内の濃縮液は排出流路75から排出される。   As shown in FIG. 7A, the stock solution 82 to which pressure is applied is supplied to the flow channel 76, and the separation membrane 72 is introduced into the opposing space 73a. When the stock solution 82 in the space 73 a passes through the separation membrane 72 and flows into the spaces 73 b and 73 c, the stock solution 82 is filtered by the separation membrane 72. Thereby, the solute and the solvent are separated, the concentrated solution (solute and part of the solvent) in which the stock solution is concentrated remains in the space 73a, and the filtrate (solvent) flows into the spaces 73b and 73c. As a result, the filtrate in the spaces 73b and 73c is discharged from the discharge flow path 74, and the concentrated liquid in the space 73a is discharged from the discharge flow path 75.

次に、洗浄液をろ過と逆方向に分離膜72に通すことで分離膜72に付着した1つ以上の溶質を除去する洗浄工程について図7(B)を参照しつつ説明する。この洗浄工程は、空間73b,73c内に洗浄液を導入し、その洗浄液を分離膜に通すことで空間73a側の分離膜72の表面に付着した溶質を除去するものである。   Next, a cleaning process for removing one or more solutes attached to the separation membrane 72 by passing the cleaning liquid through the separation membrane 72 in the direction opposite to the filtration will be described with reference to FIG. In this cleaning process, a cleaning solution is introduced into the spaces 73b and 73c, and the cleaning solution is passed through the separation membrane to remove solutes attached to the surface of the separation membrane 72 on the space 73a side.

図7(B)に示すように、洗浄工程を行う際は図7(A)に示す排出流路74を閉じ、第2の導入流路83を開く。この際、第1の導入流路81を閉じてもよい。第2の導入流路83は流路76と空間73b,73cそれぞれとを繋ぐ流路である。   As shown in FIG. 7B, when the cleaning process is performed, the discharge channel 74 shown in FIG. 7A is closed and the second introduction channel 83 is opened. At this time, the first introduction flow path 81 may be closed. The second introduction channel 83 is a channel connecting the channel 76 and the spaces 73b and 73c.

圧力が加えられた洗浄液77が、原液を供給する流路76とは別途に設けた流路76aに供給され、第2の導入流路83を通って空間73b,73cに導入される。空間73b,73c内の洗浄液77が分離膜72を通過して空間73aに流入する。このようにろ過とは逆方向から洗浄液77を分離膜72に流すことで、分離膜72の膜面に付着した1つ以上の溶質を分離膜72から除去する。そして、この除去された溶質は洗浄液とともに空間73a内から排出流路75を通って外部へ排出される。その結果、分離膜72は洗浄される。   The cleaning liquid 77 to which pressure is applied is supplied to a flow path 76 a provided separately from the flow path 76 for supplying the stock solution, and is introduced into the spaces 73 b and 73 c through the second introduction flow path 83. The cleaning liquid 77 in the spaces 73b and 73c passes through the separation membrane 72 and flows into the space 73a. As described above, the cleaning liquid 77 is allowed to flow through the separation membrane 72 from the opposite direction to the filtration, thereby removing one or more solutes adhering to the membrane surface of the separation membrane 72 from the separation membrane 72. The removed solute is discharged together with the cleaning liquid from the space 73a through the discharge channel 75 to the outside. As a result, the separation membrane 72 is washed.

分離膜72は同一の構造を持つ面が相対して1単位となっている。この1単位を複数配置することにより原液82を供給する流路76、洗浄液77を供給する流路76a、ろ過液を排出する排出流路74、濃縮液を排出する排出流路75を効率的に配置することが可能になる。その結果、溶質分離モジュールがコンパクトになり、装置設置床面積を大幅に節約できる。   The separation membrane 72 has a unit having a surface having the same structure. By arranging a plurality of these units, the flow path 76 for supplying the stock solution 82, the flow path 76a for supplying the cleaning liquid 77, the discharge flow path 74 for discharging the filtrate, and the discharge flow path 75 for discharging the concentrated liquid can be efficiently used. It becomes possible to arrange. As a result, the solute separation module becomes compact, and the floor area for installing the apparatus can be greatly saved.

なお、第1〜第3の実施形態を互いに適宜組み合わせて実施することも可能である。   It should be noted that the first to third embodiments can be implemented by appropriately combining with each other.

図8(A)は、シリコンウエハ上に多数の二層カーボンナノチューブ(DWCNT)を垂直に成長させた実施例1のサンプルのSEM写真であり、図8(B)は図8(A)に示すサンプルのDWCNTの上部を拡大したSEM写真である。   FIG. 8A is an SEM photograph of the sample of Example 1 in which a large number of double-walled carbon nanotubes (DWCNT) were grown vertically on a silicon wafer, and FIG. 8B is shown in FIG. It is the SEM photograph which expanded the upper part of DWCNT of a sample.

図8のサンプルの作製方法は以下のとおりである。
シリコンウエハ上に鉄などの触媒層を形成し、その触媒層を還元雰囲気中で加熱することにより、触媒層を活性化させた。次いで、熱CVD法により触媒層上に多数のDWCNTをシリコンウエハの表面に対して垂直方向に成長させた。DWCNTの長さは100μmであり、DWCNTの平均外径は4nmであった。
The method for producing the sample of FIG. 8 is as follows.
A catalyst layer such as iron was formed on a silicon wafer, and the catalyst layer was heated in a reducing atmosphere to activate the catalyst layer. Next, a number of DWCNTs were grown on the catalyst layer in a direction perpendicular to the surface of the silicon wafer by a thermal CVD method. The length of DWCNT was 100 μm, and the average outer diameter of DWCNT was 4 nm.

図9(A)は、図8のサンプルのDWCNT上にパリレンを被覆したサンプルを示す写真であり、図9(B)は、図9(A)に示すサンプルの断面図である。   FIG. 9A is a photograph showing a sample in which parylene is coated on the DWCNT of the sample of FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the sample shown in FIG. 9A.

図9(A),(B)のサンプルの作製方法は以下のとおりである。
図5に示す成膜装置を用いて、図8のサンプルのDWCNT上にモノマーガスを供給し、気相重合法によりパラキシリレン系ポリマー膜をDWCNT上に成膜した。
A method for producing the samples of FIGS. 9A and 9B is as follows.
A monomer gas was supplied onto the sample DWCNT of FIG. 8 using the film forming apparatus shown in FIG. 5, and a paraxylylene-based polymer film was formed on the DWCNT by a gas phase polymerization method.

図9(C)は、図9(A),(B)に示すパラキシリレン系ポリマー膜の表面を研磨したサンプルのDWCNT膜を拡大したSEM写真であり、図9(D)は、図9(C)のサンプルのパラキシリレン系ポリマー膜の表面を拡大したSEM写真である。   FIG. 9C is an SEM photograph showing an enlarged DWCNT film of the sample obtained by polishing the surface of the paraxylylene polymer film shown in FIGS. 9A and 9B. FIG. ) Is an SEM photograph in which the surface of the paraxylylene polymer film of the sample is enlarged.

図9(C),(D)のサンプルの作製方法は以下のとおりである。
図9(A),(B)のサンプルのパラキシリレン系ポリマー膜及びDWCNTの上部を研磨(ポリッシング)することで、DWCNT上を覆っているパラキシリレン系ポリマー膜を除去するとともに多数のDWCNTの上部を開口した。研磨前のDWCNTは上部がキャップで塞がれているため、そのキャップを研磨により除去することでDWCNTを開口することができた。なお、図9(D)に示すように、DWCNTの上部に開口が観察された。
The method for producing the samples of FIGS. 9C and 9D is as follows.
By polishing (polishing) the upper part of the paraxylylene polymer film and DWCNT in the samples of FIGS. 9A and 9B, the paraxylylene polymer film covering the DWCNT is removed and the upper parts of many DWCNTs are opened. did. Since the upper part of the DWCNT before polishing is covered with a cap, the DWCNT can be opened by removing the cap by polishing. As shown in FIG. 9D, an opening was observed at the top of the DWCNT.

次に、DWCNT及びパラキシリレン系ポリマー膜からシリコンウエハを剥離した。このようにして多数のDWCNTがパラキシリレン系ポリマー膜で固定された図9(C),(D)のサンプル(分離膜)を作製することができる。この分離膜は自立膜である。   Next, the silicon wafer was peeled from the DWCNT and paraxylylene polymer film. In this manner, the sample (separation membrane) shown in FIGS. 9C and 9D in which a large number of DWCNTs are fixed by the paraxylylene-based polymer membrane can be produced. This separation membrane is a self-supporting membrane.

この分離膜の複数のDWCNTの相互間隔は少なくとも1nmであり、DWCNTの内径は3.33nmであると推定された。   The distance between the plurality of DWCNTs in the separation membrane was at least 1 nm, and the inner diameter of the DWCNTs was estimated to be 3.33 nm.

図10は、図9(C),(D)のサンプルの分離膜の柔軟性を試験した写真である。この分離膜を180°曲げても分離膜が割れなかった。従って、分離膜が破壊に対して頑丈で、フレキシブル性が高いことが確認された。   FIG. 10 is a photograph in which the flexibility of the separation membrane of the samples of FIGS. 9C and 9D was tested. Even when the separation membrane was bent 180 °, the separation membrane was not broken. Therefore, it was confirmed that the separation membrane is strong against breakage and highly flexible.

図11は、デッドエンド装置を示す図である。図11に示すデッドエンド装置を使用して図9(C),(D)に示すサンプルの分離膜に塩水分離実験を行った。デッドエンド装置はマントルヒーター(図示せず)を有しており、このマントルヒーターによって溶液(分離前の塩水)の温度を制御できる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a dead-end device. A salt water separation experiment was performed on the separation membrane of the sample shown in FIGS. 9C and 9D using the dead end apparatus shown in FIG. The dead end device has a mantle heater (not shown), and the temperature of the solution (salt water before separation) can be controlled by the mantle heater.

分離膜上に溶液を供給する。この溶液は、溶質がNaClで、溶媒が水であり、NaCl濃度が500mg/Lである。溶液の温度は24℃であった。次いで、その溶液に圧力を加えることで、分離膜を通過する水と通過しないNaClに分離し、水フラックスと分離膜のNaClの除去率を測定した。この際の分離膜の表面間の圧力差は0.9MPaであった。   A solution is supplied onto the separation membrane. In this solution, the solute is NaCl, the solvent is water, and the NaCl concentration is 500 mg / L. The temperature of the solution was 24 ° C. Next, pressure was applied to the solution to separate into water that passed through the separation membrane and NaCl that did not pass through, and the water flux and the removal rate of NaCl in the separation membrane were measured. At this time, the pressure difference between the surfaces of the separation membrane was 0.9 MPa.

上記の塩水分離実験の結果、水フラックスが1.72L/mhであり、NaClの除去率が41.4%であった。この結果は、水フラックス及びNaClの除去率がともに低い。しかし、分離膜のDWCNTが全て開口されているわけではないと考えられるため、DWCNTの開口率を向上させることで、水フラックスをさらに高めることができる。また、分離膜のDWCNTの内径を調整することで、NaClの除去率をより高めることができる。従って、実用に耐えうる性能を備えた分離膜を実現することが可能であると示唆された。 As a result of the salt water separation experiment, the water flux was 1.72 L / m 2 h, and the removal rate of NaCl was 41.4%. As a result, both the water flux and NaCl removal rate are low. However, since it is considered that not all of the DWCNT of the separation membrane is opened, the water flux can be further increased by improving the opening ratio of the DWCNT. Further, the removal rate of NaCl can be further increased by adjusting the inner diameter of the DWCNT of the separation membrane. Therefore, it was suggested that it is possible to realize a separation membrane having performance that can withstand practical use.

本実施例では、図11に示すデッドエンド装置を使用して実施例1のサンプルの分離膜に水を透過させる実験を行った。その結果を図12に示す。
図12は実施例2による透過実験の回数と水フラックスの関係を示す図である。
In this example, an experiment was performed in which water was permeated through the separation membrane of the sample of Example 1 using the dead end apparatus shown in FIG. The result is shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the number of permeation experiments according to Example 2 and the water flux.

水の温度は20℃とし、1回目の水透過実験を分離膜に行った。この実験の結果、水フラックスは1.75L/mhであった。
続けて、その分離膜に20℃の水で2回目の水透過実験を行った。この実験の結果、水フラックスは0.55L/mhであった。
続けて、その分離膜に20℃の水で3回目の水透過実験を行った。この実験の結果、水フラックスは0.25L/mhであった。
続けて、その分離膜に20℃の水で4回目の水透過実験を行った。この実験の結果、分離膜の表面間の圧力差が増加したにもかかわらず、分離膜に水が全く透過しなかった。
The temperature of water was 20 ° C., and the first water permeation experiment was performed on the separation membrane. As a result of this experiment, the water flux was 1.75 L / m 2 h.
Subsequently, a second water permeation experiment was performed on the separation membrane with water at 20 ° C. As a result of this experiment, the water flux was 0.55 L / m 2 h.
Subsequently, a third water permeation experiment was performed on the separation membrane with water at 20 ° C. As a result of this experiment, the water flux was 0.25 L / m 2 h.
Subsequently, a fourth water permeation experiment was performed on the separation membrane with 20 ° C. water. As a result of this experiment, although the pressure difference between the surfaces of the separation membrane increased, water did not permeate through the separation membrane at all.

その後、その分離膜に20℃の水で水透過実験を行っても、分離膜に水が全く透過しなかった。   After that, even when a water permeation experiment was performed with 20 ° C. water on the separation membrane, water did not permeate the separation membrane at all.

次に、デッドエンド装置から分離膜を取出し、その分離膜を95%エタノールで洗浄し、40分間超音波洗浄を行った。そして、その分離膜に60℃の水で水透過実験を行った。この実験の結果、水フラックスは0.75L/mhであった。 Next, the separation membrane was taken out from the dead end device, the separation membrane was washed with 95% ethanol, and ultrasonic cleaning was performed for 40 minutes. Then, a water permeation experiment was performed on the separation membrane with water at 60 ° C. As a result of this experiment, the water flux was 0.75 L / m 2 h.

上記の1回目から4回目の水透過実験より、20℃の水を分離膜に透過させると、DWCNTの中空内部で水が吸着され、その中空内部で水が凍結されることが確認された。また、温度を60℃に上げた水を分離膜に透過させてもDWCNTの中空内部で水の凍結が起こらないことが確認された。   From the first to fourth water permeation experiments, it was confirmed that when 20 ° C. water was permeated through the separation membrane, water was adsorbed inside the hollow of DWCNT and water was frozen inside the hollow. In addition, it was confirmed that freezing of water did not occur inside the hollow space of DWCNT even when water whose temperature was raised to 60 ° C. was permeated through the separation membrane.

本実施例によれば、圧力をかけた20℃の水が分離膜のDWCNTの中空内部を通過するときに、DWCNTの内部で水分子の規則構造化が起こることにより、DWCNTの内部の透過性に影響を与え、水の流動性を失い、凍結状態になると考えられる。   According to the present example, when water at 20 ° C. under pressure passes through the hollow inside of the DWCNT of the separation membrane, the regular structure of water molecules occurs inside the DWCNT, so that the permeability inside the DWCNT is obtained. It is considered that the fluidity of water is lost and the water becomes frozen.

また、上記の分離膜に20℃の水で水透過実験を行うことでDWCNTの内部の水が凍結状態になった後に、その分離膜に40℃の水で水透過実験を行うと、DWCNTの内部の水が通過することが確認された。このことから、DWCNTの内径が4nm以下である場合は分離膜に通す液体(1つ以上の溶質と水が含まれる液体)の温度を35℃以上とすることで、DWCNTの内部で水が凍結するのを抑制できると考えられる。   In addition, when the water permeation experiment was performed on the separation membrane with water at 20 ° C. and the water inside the DWCNT was frozen, the water permeation experiment with water at 40 ° C. was performed on the separation membrane. It was confirmed that water inside passed. For this reason, when the inner diameter of the DWCNT is 4 nm or less, the temperature of the liquid (liquid containing one or more solutes and water) passed through the separation membrane is set to 35 ° C. or higher, so that the water is frozen inside the DWCNT. It is thought that it can suppress doing.

なお、第1〜第3の実施形態及び実施例1,2を互いに適宜組み合わせて実施することも可能である。   It should be noted that the first to third embodiments and Examples 1 and 2 can be implemented in combination as appropriate.

10,11,20 基板
12 触媒層
13 カーボンナノチューブ(CNT)
14 パラキシリレン系ポリマー膜
21 真空チャンバー
22 供給口
23 ヒーター
24 保持部
31 気化炉
32 分離炉
33 蒸着室
34 保持部
35 バルブ
36 真空ポンプ
71 モジュール筐体
72 分離膜
73a 空間(第1の空間)
73b 空間(第2の空間)
73c 空間(第3の空間)
74,75 排出流路
76,76a 流路
77 洗浄液
80 分離室
81 第1の導入流路
82 原液
83 第2の導入流路
10, 11, 20 Substrate 12 Catalyst layer 13 Carbon nanotube (CNT)
14 Paraxylylene polymer film 21 Vacuum chamber 22 Supply port 23 Heater 24 Holding part 31 Vaporization furnace 32 Separation furnace 33 Deposition chamber 34 Holding part 35 Valve 36 Vacuum pump 71 Module housing 72 Separation film 73a Space (first space)
73b space (second space)
73c space (third space)
74, 75 Discharge flow path 76, 76a Flow path 77 Cleaning liquid 80 Separation chamber 81 First introduction flow path 82 Stock solution 83 Second introduction flow path

Claims (15)

複数のカーボンナノチューブと、前記複数のカーボンナノチューブの相互間を埋められた自立膜とを具備することを特徴とする分離膜。   A separation membrane comprising a plurality of carbon nanotubes and a self-supporting membrane in which the plurality of carbon nanotubes are filled with each other. 前記複数のカーボンナノチューブが互いに接触してなく、前記複数のカーボンナノチューブの相互間隔が1nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の分離膜。   2. The separation membrane according to claim 1, wherein the plurality of carbon nanotubes are not in contact with each other, and a mutual interval between the plurality of carbon nanotubes is 1 nm or more. 前記カーボンナノチューブの内径が10nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の分離膜。   The separation membrane according to claim 1 or 2, wherein an inner diameter of the carbon nanotube is 10 nm or less. 前記自立膜がポリマー膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の分離膜。   The separation membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the self-supporting membrane is a polymer membrane. 前記自立膜がパーフルオロ系材料を含むポリマー膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の分離膜。   The separation membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the self-supporting membrane is a polymer membrane containing a perfluoro-based material. 前記自立膜の厚さが1μm以上であることを特徴とする請求項4または5に記載の分離膜。   The separation membrane according to claim 4 or 5, wherein the self-supporting membrane has a thickness of 1 µm or more. 請求項1乃至6のいずれか一項において、前記分離膜に溶媒を通した際に、前記カーボンナノチューブの内部で溶媒分子の規則構造化が起こることによって、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒の流動性を失うことを特徴とする分離膜。   The flow of the solvent according to any one of claims 1 to 6, wherein when a solvent is passed through the separation membrane, a regular structure of solvent molecules occurs in the carbon nanotubes. Separation membrane characterized by loss of sex. 請求項7において、前記カーボンナノチューブの内部で前記溶媒分子の規則構造化が起こる温度が−20℃から60℃の範囲であることを特徴とする分離膜。   The separation membrane according to claim 7, wherein the temperature at which the ordered structure of the solvent molecules occurs in the carbon nanotube is in the range of −20 ° C. to 60 ° C. 請求項1乃至8のいずれか一項において、前記カーボンナノチューブの内径が4nm以下である前記分離膜に35℃以上の溶媒を通した際に、前記カーボンナノチューブの内部で溶媒分子の規則構造化が起こらないことを特徴とする分離膜。   9. The ordered structure of solvent molecules in the carbon nanotubes according to claim 1, when a solvent of 35 ° C. or higher is passed through the separation membrane having an inner diameter of the carbon nanotubes of 4 nm or less. Separation membrane characterized by not occurring. 前記自立膜両面が非対称の構造を持つことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の分離膜。   The separation membrane according to any one of claims 1 to 9, wherein both surfaces of the self-supporting membrane have an asymmetric structure. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の分離膜に、1つ以上の溶質が含まれる流体を通すことで、前記1つ以上の溶質を前記流体から分離する分離方法を用いたことを特徴とする溶質分離モジュール。   A separation method for separating the one or more solutes from the fluid by passing a fluid containing one or more solutes through the separation membrane according to any one of claims 1 to 10. Characteristic solute separation module. 請求項11において、前記1つ以上の溶質が含まれる流体が、液体または気体であることを特徴とする溶質分離モジュール。   The solute separation module according to claim 11, wherein the fluid containing the one or more solutes is a liquid or a gas. 筐体と、
前記筐体内に配置され、第1の空間と第2の空間を仕切る第1の分離膜と、
前記第1の分離膜は請求項1乃至12のいずれか一項に記載の分離膜であり、
前記筐体に設けられ、前記第1の空間に接続され、1つ以上の溶質と溶媒が含まれる液体が導入される第1の導入流路と、
前記筐体に設けられ、前記第2の空間に接続され、前記第1の分離膜を通過した前記溶媒を排出する第1の排出流路と、
を具備することを特徴とする溶質分離モジュール。
A housing,
A first separation membrane disposed in the housing and partitioning the first space and the second space;
The first separation membrane is the separation membrane according to any one of claims 1 to 12,
A first introduction flow path provided in the housing and connected to the first space into which a liquid containing one or more solutes and a solvent is introduced;
A first discharge flow path provided in the housing, connected to the second space, for discharging the solvent that has passed through the first separation membrane;
A solute separation module comprising:
請求項13において、前記筐体内に配置され且つ前記第1の分離膜に対向する第2の分離膜を有し、
前記第2の分離膜は請求項1乃至16のいずれか一項に記載の分離膜であり、
前記第1の空間は、前記第1の分離膜と前記第2の分離膜との間に位置し、
前記第2の分離膜は前記第1の空間と前記筐体内の第3の空間を仕切り、
前記筐体に設けられ且つ前記第3の空間に接続された第2の排出流路を有し、
前記第2の排出流路は前記第2の分離膜を通過した前記溶媒を排出する流路であることを特徴とする溶質分離モジュール。
In Claim 13, it has the 2nd separation membrane which is arranged in the case and counters the 1st separation membrane,
The second separation membrane is the separation membrane according to any one of claims 1 to 16,
The first space is located between the first separation membrane and the second separation membrane;
The second separation membrane partitions the first space and the third space in the housing;
A second discharge channel provided in the housing and connected to the third space;
The solute separation module, wherein the second discharge channel is a channel for discharging the solvent that has passed through the second separation membrane.
請求項13において、前記筐体に設けられ且つ前記第2の空間に接続された第2の導入流路を有し、前記第2の導入流路は洗浄液を導入する流路であることを特徴とする溶質分離モジュール。   14. The method according to claim 13, further comprising a second introduction flow path provided in the housing and connected to the second space, wherein the second introduction flow path is a flow path for introducing a cleaning liquid. Solute separation module.
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