JP2014064989A - Composite semipermeable membrane - Google Patents
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Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
本発明は、液状混合物の選択的分離に有用な複合半透膜に関する。本発明によって得られる複合半透膜は、例えば海水やかん水の淡水化に好適に用いることができる。 The present invention relates to a composite semipermeable membrane useful for the selective separation of liquid mixtures. The composite semipermeable membrane obtained by the present invention can be suitably used for desalination of seawater and brine, for example.
混合物の分離に関して、溶媒(例えば水)に溶解した物質(例えば塩類)を除くための技術には様々なものがあるが、近年、省エネルギーおよび省資源のためのプロセスとして膜分離法の利用が拡大している。膜分離法に使用される膜には、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などがあり、これらの膜は、例えば海水、かん水、有害物を含んだ水などから飲料水を得る場合や、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などに用いられている。 Regarding the separation of mixtures, there are various techniques for removing substances (eg, salts) dissolved in a solvent (eg, water), but in recent years, the use of membrane separation methods has expanded as a process for saving energy and resources. doing. Membranes used in membrane separation methods include microfiltration membranes, ultrafiltration membranes, nanofiltration membranes, and reverse osmosis membranes. These membranes can be used for beverages such as seawater, brine, and water containing harmful substances. It is used to obtain water, to manufacture industrial ultrapure water, to treat wastewater, to recover valuable materials.
現在市販されている逆浸透膜およびナノろ過膜の大部分は複合半透膜であり、多孔性支持膜上にゲル層とポリマーを架橋した活性層を有するものと、多孔性支持膜上でモノマーを重縮合した活性層を有するものとの2種類がある。なかでも、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応によって得られる架橋ポリアミドからなる分離機能層を多孔性支持膜上に被覆して得られる複合半透膜は、透水性能や塩除去性能の高い分離膜として広く用いられている。 The majority of currently marketed reverse osmosis membranes and nanofiltration membranes are composite semipermeable membranes, which have an active layer in which a gel layer and a polymer are crosslinked on a porous support membrane, and monomers on the porous support membrane. There are two types, one having an active layer obtained by polycondensation. Among them, the composite semipermeable membrane obtained by coating a porous support membrane with a separation functional layer made of a crosslinked polyamide obtained by polycondensation reaction of a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide has water permeability and salt removal. Widely used as a high-performance separation membrane.
逆浸透膜を用いる造水プラントではランニングコストの一層の低減を図るため、さらなる高い透水性能が求められている。また、逆浸透膜として用いる場合には、高圧での長時間運転や、頻繁に運転・停止が繰り返され圧力が変動する運転条件においても上記の膜性能を維持できることが要求される。 In water production plants using reverse osmosis membranes, higher water permeability is required in order to further reduce running costs. In addition, when used as a reverse osmosis membrane, it is required that the above membrane performance can be maintained even under long-time operation at high pressure or in operating conditions where the pressure fluctuates due to frequent operation / stop.
複合半透膜の性能に影響を及ぼす因子として、分離機能層の形態、とりわけ、ポリアミド機能層表面に形成されるひだ構造が挙げられる。膜性能とひだ構造の関係については、ひだを伸長することによって実質的な膜面積を大きくし、透水性を向上させられることが提示されている(特許文献1〜3)。また、複合半透膜を運転した際の性能変化を抑制するために、多孔性支持膜の圧密化を抑制する方法が提示されている(特許文献4〜5)。 Factors affecting the performance of the composite semipermeable membrane include the form of the separation functional layer, particularly the pleat structure formed on the surface of the polyamide functional layer. As for the relationship between the membrane performance and the pleat structure, it has been proposed that the substantial membrane area can be increased by extending the pleats to improve the water permeability (Patent Documents 1 to 3). Moreover, in order to suppress the performance change at the time of drive | operating a composite semipermeable membrane, the method of suppressing consolidation of a porous support membrane is proposed (patent documents 4-5).
しかし、従来の複合半透膜では、頻繁に運転と停止とが繰り返される場合など、膜にかかる圧力が変動する状況下で、透水性能または塩除去性能が低下することがあった。 However, in the conventional composite semipermeable membrane, the water permeation performance or the salt removal performance may be deteriorated under a situation where the pressure applied to the membrane fluctuates, such as when the operation and the stop are frequently repeated.
本発明の目的は、圧力が変動する条件下でも、高い塩除去性能および透水性能を両立することができる複合半透膜を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a composite semipermeable membrane that can achieve both high salt removal performance and water permeation performance even under pressure fluctuation conditions.
上記目的を達成するために、本発明の複合半透膜は、基材と、前記基材上に配置された多孔性支持層と、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により生成したポリアミド化合物を主成分として含有し、かつ前記多孔性支持槽上に設けられた分離機能層とを備え、前記多孔性支持層内にポリアミド化合物を含有する。
本発明はすなわち、以下に関する。
(1)(i)基材と、
(ii)高分子化合物を主構成成分とし、前記基材上に配置された多孔性支持層と、
(iii)多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により生成したポリアミド化合物を主成分として含有し、かつ前記多孔性支持層上に設けられた分離機能層とを備え、前記多孔性支持層内にポリアミド化合物を含有することを特徴とする複合半透膜。
(2)前記多孔性支持層内に含有する前記ポリアミド化合物の少なくとも一部が、前記分離機能層と相互作用するように配置されることを特徴とする、前記(1)に記載の複合半透膜。
(3)前記多孔性支持層内に含有するポリアミド化合物が、前記多孔性支持層の表面のくぼみに含有されることを特徴とする、前記(1)または(2)に記載の複合半透膜。
(4)前記多孔性支持層の少なくとも一部において、前記多孔性支持層の主構成成分である高分子化合物と、前記ポリアミド化合物とが混在していることを特徴とする、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の複合半透膜。
(5)前記多孔性支持層が、基材側の第1層と前記第1層の上に形成される第2層の多層構造を有し、基材上に前記第1層を形成する高分子溶液Aと前記第2層を形成する高分子溶液Bとが同時に塗布された後に、凝固浴に接触し相分離することで形成されることを特徴とする、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の複合半透膜。
(6)前記高分子溶液Bに少なくとも1種のポリアミド化合物を含有することを特徴とする、前記(5)に記載の複合半透膜。
(7)前記基材が、主成分としてポリエステルを含有する長繊維不織布であることを特徴とする、前記(1)〜(6)のいずれかに記載の複合半透膜。
(8)NaClの濃度が3.5重量%、温度が25℃、pHが6.5の水溶液を、4.0MPaの操作圧力で透過させた際の造水量が、1.00m3/m2/日以上、かつ脱塩率が99.80%以上であることを特徴とする、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の複合半透膜。
In order to achieve the above object, the composite semipermeable membrane of the present invention is obtained by a polycondensation reaction of a base material, a porous support layer disposed on the base material, a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide. And a separation functional layer provided on the porous support tank, the polyamide compound being contained in the porous support layer.
That is, the present invention relates to the following.
(1) (i) a substrate;
(Ii) a porous support layer having a polymer compound as a main component and disposed on the substrate;
(Iii) a separation functional layer containing a polyamide compound produced by a polycondensation reaction of a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide as a main component, and provided on the porous support layer; A composite semipermeable membrane comprising a polyamide compound in a support layer.
(2) The composite semipermeable material according to (1), wherein at least a part of the polyamide compound contained in the porous support layer is disposed so as to interact with the separation functional layer. film.
(3) The composite semipermeable membrane according to (1) or (2), wherein the polyamide compound contained in the porous support layer is contained in a depression on the surface of the porous support layer. .
(4) In at least a part of the porous support layer, the polymer compound, which is a main component of the porous support layer, and the polyamide compound are mixed, (1) to (1) above (3) The composite semipermeable membrane according to any one of (3).
(5) The porous support layer has a multilayer structure of a first layer on the substrate side and a second layer formed on the first layer, and the first layer is formed on the substrate. (1) to (4), wherein the molecular solution A and the polymer solution B forming the second layer are simultaneously applied and then contacted with a coagulation bath and phase-separated. The composite semipermeable membrane according to any one of the above.
(6) The composite semipermeable membrane according to (5), wherein the polymer solution B contains at least one polyamide compound.
(7) The composite semipermeable membrane according to any one of (1) to (6), wherein the base material is a long fiber nonwoven fabric containing polyester as a main component.
(8) The amount of water produced when an aqueous solution having a NaCl concentration of 3.5% by weight, a temperature of 25 ° C., and a pH of 6.5 was permeated at an operating pressure of 4.0 MPa was 1.00 m 3 / m 2. The composite semipermeable membrane according to any one of the above (1) to (7), wherein the desalting rate is 99.80% or more.
本発明によって、頻繁に運転・停止が繰り返され圧力が変動する条件下であっても、高い塩除去性能および透水性能を両立する複合半透膜が実現される。 According to the present invention, a composite semipermeable membrane that achieves both high salt removal performance and water permeability performance is realized even under conditions where the operation is frequently stopped and stopped and the pressure varies.
1.複合半透膜
複合半透膜は、基材および多孔性支持層を含む支持膜と、前記多孔性支持層上に設けられた分離機能層とを備える。
1. Composite Semipermeable Membrane The composite semipermeable membrane includes a support membrane including a base material and a porous support layer, and a separation functional layer provided on the porous support layer.
(1−1)分離機能層
分離機能層は、複合半透膜において溶質の分離機能を担う層である。分離機能層の組成および厚み等の構成は、複合半透膜の使用目的に合わせて設定される。
(1-1) Separation Functional Layer The separation functional layer is a layer that bears a solute separation function in the composite semipermeable membrane. The composition and thickness of the separation functional layer are set according to the intended use of the composite semipermeable membrane.
分離機能層はポリアミドを主成分とすることが好ましい。分離機能層を構成するポリアミドは、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との界面重縮合により形成することができる。ここで、多官能アミンまたは多官能酸ハロゲン化物の少なくとも一方が3官能以上の化合物を含んでいることが好ましい。 The separation functional layer is preferably composed mainly of polyamide. The polyamide constituting the separation functional layer can be formed by interfacial polycondensation of a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide. Here, it is preferable that at least one of the polyfunctional amine or the polyfunctional acid halide contains a trifunctional or higher functional compound.
なお、本書において、「XがYを主成分として含有する」とは、YがXの60重量%以上、80重量%以上、又は90重量%以上を占めることを意味し、Xが実質的にYのみを含有する構成を含む。 In this document, “X contains Y as a main component” means that Y occupies 60% by weight, 80% by weight, or 90% by weight of X, and X is substantially The structure containing only Y is included.
ポリアミド分離機能層の厚みは、十分な分離性能および透過水量を得るために、通常1nm〜1μmの範囲内が好ましく、10nm〜0.5μmの範囲内がより好ましい。 The thickness of the polyamide separation functional layer is usually preferably in the range of 1 nm to 1 μm and more preferably in the range of 10 nm to 0.5 μm in order to obtain sufficient separation performance and permeated water amount.
ここで、多官能アミンとは、一分子中に少なくとも2個のアミノ基を有し、そのアミノ基のうち少なくとも1つは第一級アミノ基であり、さらに一分子中に第二級アミノ基を有してよいアミンをいう。例えば、多官能アミンとして、2個のアミノ基がオルト位やメタ位、パラ位のいずれかの位置関係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、1,3,5−トリアミノベンゼン、1,2,4−トリアミノベンゼン、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、4−アミノエチルピペラジンなどの脂環式多官能アミン等を挙げることができる。中でも、膜の選択分離性や透過性、耐熱性を考慮すると、多官能アミンは、一分子中に2〜4個の第一級アミノ基および/または第二級アミノ基を有する芳香族多官能アミンであることが好ましい。このような多官能芳香族アミンとしては、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、1,3,5−トリアミノベンゼンが好適に用いられる。中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさから、m−フェニレンジアミン(以下、m−PDA)を用いることが好ましい。 Here, the polyfunctional amine has at least two amino groups in one molecule, at least one of the amino groups is a primary amino group, and further a secondary amino group in one molecule. Refers to an amine that may have For example, as a polyfunctional amine, phenylenediamine, xylylenediamine, 1,3,5-triaminobenzene in which two amino groups are bonded to a benzene ring in any of the ortho-position, meta-position, and para-position, Aromatic polyfunctional amines such as 1,2,4-triaminobenzene, 3,5-diaminobenzoic acid, 3-aminobenzylamine and 4-aminobenzylamine; aliphatic amines such as ethylenediamine and propylenediamine; -An alicyclic polyfunctional amine such as diaminocyclohexane, 1,4-diaminocyclohexane, 4-aminopiperidine, 4-aminoethylpiperazine and the like can be mentioned. Among them, considering the selective separation property, permeability, and heat resistance of the membrane, the polyfunctional amine is an aromatic polyfunctional having 2 to 4 primary amino groups and / or secondary amino groups in one molecule. An amine is preferred. As such a polyfunctional aromatic amine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, and 1,3,5-triaminobenzene are preferably used. Among these, m-phenylenediamine (hereinafter referred to as m-PDA) is preferably used from the standpoint of availability and ease of handling.
これらの多官能アミンは、単独で用いても、2種以上を同時に用いてもよい。2種以上を同時に用いる場合、上記アミン同士を組み合わせてもよく、上記アミンと一分子中に少なくとも2個の第二級アミノ基を有するアミンを組み合わせてもよい。一分子中に少なくとも2個の第二級アミノ基を有するアミンとして、例えば、ピペラジン、1,3−ビスピペリジルプロパン等を挙げることができる。 These polyfunctional amines may be used alone or in combination of two or more. When using 2 or more types simultaneously, the said amines may be combined and the said amine and the amine which has at least 2 secondary amino group in 1 molecule may be combined. Examples of the amine having at least two secondary amino groups in one molecule include piperazine and 1,3-bispiperidylpropane.
多官能酸ハロゲン化物とは、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酸ハロゲン化物をいう。例えば、3官能酸ハロゲン化物としては、トリメシン酸クロリド、1,3,5−シクロヘキサントリカルボン酸トリクロリド、1,2,4−シクロブタントリカルボン酸トリクロリドなどを挙げることができる。2官能酸ハロゲン化物としては、ビフェニルジカルボン酸ジクロリド、アゾベンゼンジカルボン酸ジクロリド、テレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ナフタレンジカルボン酸クロリドなどの芳香族2官能酸ハロゲン化物;アジポイルクロリド、セバコイルクロリドなどの脂肪族2官能酸ハロゲン化物;シクロペンタンジカルボン酸ジクロリド、シクロヘキサンジカルボン酸ジクロリド、テトラヒドロフランジカルボン酸ジクロリドなどの脂環式2官能酸ハロゲン化物を挙げることができる。多官能アミンとの反応性を考慮すると、多官能酸ハロゲン化物は多官能酸塩化物であることが好ましい。また、膜の選択分離性、耐熱性を考慮すると、多官能酸塩化物は一分子中に2〜4個の塩化カルボニル基を有する多官能芳香族酸塩化物であることがより好ましい。中でも、入手の容易性や取り扱いのしやすさの観点から、トリメシン酸クロリドが好ましい。これらの多官能酸ハロゲン化物は、単独で用いても、2種以上を同時に用いてもよい。 The polyfunctional acid halide refers to an acid halide having at least two carbonyl halide groups in one molecule. For example, examples of the trifunctional acid halide include trimesic acid chloride, 1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acid trichloride, 1,2,4-cyclobutanetricarboxylic acid trichloride, and the like. Examples of the bifunctional acid halide include aromatic bifunctional acid halides such as biphenyl dicarboxylic acid dichloride, azobenzene dicarboxylic acid dichloride, terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, and naphthalene dicarboxylic acid chloride; adipoyl chloride, sebacoyl chloride, and the like. Aliphatic bifunctional acid halides; cycloaliphatic difunctional acid halides such as cyclopentane dicarboxylic acid dichloride, cyclohexane dicarboxylic acid dichloride, and tetrahydrofuran dicarboxylic acid dichloride can be exemplified. In consideration of the reactivity with the polyfunctional amine, the polyfunctional acid halide is preferably a polyfunctional acid chloride. In view of selective separation of the membrane and heat resistance, the polyfunctional acid chloride is more preferably a polyfunctional aromatic acid chloride having 2 to 4 carbonyl chloride groups in one molecule. Of these, trimesic acid chloride is preferable from the viewpoint of availability and ease of handling. These polyfunctional acid halides may be used alone or in combination of two or more.
一般に、分離機能層上の凸部の高さ(つまりひだの高さ)を拡大すると、透水性能は向上するものの塩透過性も大きくなる。しかも、過度に拡大したひだの存在は、加圧時に変形しやすいので、加圧時に、膜表面積の低下および部分的な破壊により、透水性能および塩除去性能を低下させる原因となる。特に、比較的高い圧力で運転される海水淡水化用の膜の場合は、この傾向が性能に現れやすい。 Generally, when the height of the convex portion on the separation functional layer (that is, the height of the folds) is increased, the water permeability is improved, but the salt permeability is also increased. In addition, the presence of excessively enlarged pleats is likely to be deformed during pressurization, and this causes a decrease in membrane surface area and partial destruction during pressurization, thereby reducing water permeability and salt removal performance. In particular, in the case of a membrane for seawater desalination operated at a relatively high pressure, this tendency tends to appear in performance.
そこで本発明者らは、分離機能層と前記多孔性支持層の化学構造に着目し、鋭意検討を行った。その結果、分離機能層を構成するポリアミド化合物を多孔性支持層に含有させることで、高い塩除去性能と透水性能を両立できることを見出した。しかも、ポリアミド化合物を含有する割合が大きいほど圧力による塩除去性能の変化が小さいことを見出した。さらに、凸部の数密度と高さを精密に制御することにより、高い塩除去性能と透水性能を両立させることができる。頻繁に運転および停止が繰り返されるなど、圧力が変動する系においては、凸部の数密度が低く、かつ高さが大きい膜よりも、凸部の数密度が高く、かつ高さが小さい膜のほうが透水性の変化が少ない点で好ましい。 Therefore, the present inventors have made extensive studies by paying attention to the chemical structures of the separation functional layer and the porous support layer. As a result, it was found that high salt removal performance and water permeation performance can both be achieved by including the polyamide compound constituting the separation functional layer in the porous support layer. Moreover, it has been found that the change in salt removal performance due to pressure is smaller as the proportion of the polyamide compound is larger. Furthermore, high salt removal performance and water permeation performance can both be achieved by precisely controlling the number density and height of the convex portions. In systems where pressure fluctuates, such as frequent operation and shutdown, the number density of protrusions is higher and the number of protrusions is smaller than that of films with a higher number density of protrusions. Is preferable in that the change in water permeability is small.
分離機能層の凸部の平均高さは、好ましくは100nm未満、より好ましくは90nm未満である。凸部の高さが100nm未満であることで、頻繁に運転および停止が繰り返されるなどで圧力が変動する条件下でも、ひだが変形したり潰れたりすることなく、安定した膜性能を得ることができる。 The average height of the convex portions of the separation functional layer is preferably less than 100 nm, more preferably less than 90 nm. When the height of the convex portion is less than 100 nm, stable film performance can be obtained without causing fold deformation or crushing even under conditions where the pressure fluctuates due to frequent repetition of operation and stoppage. it can.
また、分離機能層の凸部の平均数密度は、好ましくは10.0個/μm以上であり、より好ましくは13.0個/μm以上である。平均数密度が10.0個/μm以上であることで、複合半透膜の表面積が増大して十分な透水性を得られ、さらには加圧時の凸部の変形を抑えることもでき、安定した膜性能を得られる。また、分離機能層の凸部の平均数密度は、好ましくは30.0個/μm以下である。平均数密度が30.0個/μm以下であることで、凸部同士が接触することで実効的な表面積が減少することを抑制できる。 Further, the average number density of the convex portions of the separation functional layer is preferably 10.0 pieces / μm or more, and more preferably 13.0 pieces / μm or more. When the average number density is 10.0 pieces / μm or more, the surface area of the composite semipermeable membrane is increased and sufficient water permeability can be obtained, and further, deformation of the convex portion during pressurization can be suppressed, Stable membrane performance can be obtained. Further, the average number density of the convex portions of the separation functional layer is preferably 30.0 pieces / μm or less. When the average number density is 30.0 pieces / μm or less, the effective surface area can be suppressed from decreasing due to the protrusions contacting each other.
凸部の高さおよび数密度とは、10点平均面粗さの5分の1以上の高さを有する凸部について測定される値である。 The height and number density of the protrusions are values measured for the protrusions having a height of 1/5 or more of the 10-point average surface roughness.
10点平均面粗さとは、次のような算出方法で得られる値である。まず電子顕微鏡により、膜面に垂直な方向の断面を下記の倍率で観察する。得られた断面画像には、分離機能層(図1に符号“1”で示す。)の表面が凸部と凹部が連続的に繰り返される、ひだ構造の曲線として現れる。この曲線について、ISO4287:1997に基づき定義される粗さ曲線を求める。その後、上記粗さ曲線の平均線の方向に2.0μmの幅で断面画像を抜き取る(図1)。抜き取った幅2.0μmの画像において、平均線を基準線(図1に符号“2”で示す)として、分離機能層におけるひだの凸部の高さと、凹部の深さをそれぞれ測定する。最も高い凸部から高さが低くなる順に凸部を選び、5番目までの5つの凸部の高さH1〜H5の絶対値について平均値を算出し、また、最も深い凹部から、深さが浅くなる順に凹部を選び、5番目まで5つの凹部の深さD1〜D5の絶対値について平均値を算出する。さらに、得られた2つの平均値(上記凸部の高さおよび凹部の深さの平均値)の絶対値の和を算出する。こうして得られた和が、10点平均面粗さである。
なお、上記平均線とは、ISO4287:1997に基づき定義される直線であり、測定長さにおいて、平均線と粗さ曲線とで囲まれる領域の面積の合計が平均線の上下で等しくなるように描かれる直線である。
The 10-point average surface roughness is a value obtained by the following calculation method. First, a cross section perpendicular to the film surface is observed with an electron microscope at the following magnification. In the obtained cross-sectional image, the surface of the separation functional layer (indicated by reference numeral “1” in FIG. 1) appears as a curve of a pleated structure in which convex portions and concave portions are continuously repeated. About this curve, the roughness curve defined based on ISO4287: 1997 is calculated | required. Thereafter, a cross-sectional image is extracted with a width of 2.0 μm in the direction of the average line of the roughness curve (FIG. 1). In the extracted image having a width of 2.0 μm, the height of the ridges of the folds and the depth of the recesses in the separation functional layer are measured using the average line as a reference line (indicated by reference numeral “2” in FIG. 1). A convex part is selected in order of decreasing height from the highest convex part, an average value is calculated for the absolute values of the heights H1 to H5 of the five convex parts up to the fifth, and the depth is determined from the deepest concave part. The concave portions are selected in order of decreasing depth, and the average value is calculated for the absolute values of the depths D1 to D5 of the five concave portions up to the fifth. Further, the sum of absolute values of the two obtained average values (the average value of the height of the convex portion and the depth of the concave portion) is calculated. The sum thus obtained is the 10-point average surface roughness.
The average line is a straight line defined based on ISO 4287: 1997. In the measurement length, the total area of the regions surrounded by the average line and the roughness curve is equal above and below the average line. It is a straight line drawn.
分離機能層の断面は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡により観察できる。例えば走査型電子顕微鏡で観察するのであれば、複合半透膜サンプルに白金または白金−パラジウムまたは四酸化ルテニウム、好ましくは四酸化ルテニウムを薄くコーティングして3〜6kVの加速電圧で高分解能電界放射型走査電子顕微鏡(UHR−FE−SEM)を用いて観察する。高分解能電界放射型走査電子顕微鏡は、日立製S−900型電子顕微鏡などが使用できる。観察倍率は5,000〜100,000倍が好ましく、凸部の高さを求めるには10,000〜50,000倍が好ましい。得られた電子顕微鏡写真において、観察倍率を考慮して、凸部の高さをスケールなどで直接測定することができる。 The cross section of the separation functional layer can be observed with a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. For example, for observation with a scanning electron microscope, a composite semipermeable membrane sample is thinly coated with platinum, platinum-palladium, or ruthenium tetroxide, preferably ruthenium tetroxide, and a high resolution field emission type with an acceleration voltage of 3 to 6 kV. Observation is performed using a scanning electron microscope (UHR-FE-SEM). A Hitachi S-900 electron microscope or the like can be used as the high-resolution field emission scanning electron microscope. The observation magnification is preferably 5,000 to 100,000 times, and preferably 10,000 to 50,000 times for obtaining the height of the convex portion. In the obtained electron micrograph, the height of the convex portion can be directly measured with a scale or the like in consideration of the observation magnification.
さらに、凸部の平均数密度は次のようにして測定される。複合半透膜において、任意の10箇所の断面を観察したときに、各断面において、上述の10点平均面粗さの値の5分の1以上の高さを有する凸部を数える。各断面での数密度(つまり1μm当たりの凸部数)を算出し、さらに10箇所の断面における数密度から、相加平均値を算出することで、平均数密度が得られる。ここで、観察する各断面は、上記粗さ曲線の平均線の方向において、2.0μmの幅を有する。 Furthermore, the average number density of the convex portions is measured as follows. In the composite semipermeable membrane, when arbitrary cross sections are observed, the convex portions having a height of 1/5 or more of the above-mentioned 10-point average surface roughness value are counted in each cross section. The average number density is obtained by calculating the number density in each cross section (that is, the number of convex portions per 1 μm), and further calculating the arithmetic average value from the number density in 10 cross sections. Here, each cross section to be observed has a width of 2.0 μm in the direction of the average line of the roughness curve.
また、凸部の平均高さは次のようにして測定される。複合半透膜において、任意の10箇所の断面を観察したときに、各断面において、上述の10点平均面粗さの値の5分の1以上の高さである凸部を全て選び、これらの凸部の高さを測定して、1個の凸部当たりの高さ平均を算出する。さらに、10箇所の断面についての算出結果に基づいて、相加平均を算出することで、平均高さが得られる。ここで、観察する各断面は、上記粗さ曲線の平均線の方向において、2.0μmの幅を有する。 Moreover, the average height of a convex part is measured as follows. In the composite semipermeable membrane, when observing arbitrary 10 cross-sections, in each cross-section, all convex portions having a height of 1/5 or more of the above-mentioned 10-point average surface roughness value are selected. The height of each convex part is measured, and the average height per convex part is calculated. Furthermore, the average height is obtained by calculating the arithmetic average based on the calculation results for the 10 cross sections. Here, each cross section to be observed has a width of 2.0 μm in the direction of the average line of the roughness curve.
凸部の高さの標準偏差は、平均高さと同様に、10箇所の断面において測定された、10点平均面粗さの値の5分の1以上である凸部の高さに基づいて、算出される。 The standard deviation of the height of the convex part is based on the height of the convex part, which is equal to or more than one fifth of the value of the 10-point average surface roughness measured in the cross section of 10 points, similarly to the average height. Calculated.
分離機能層の凸部の高さの標準偏差は70nm以下であることが好ましい。標準偏差がこの範囲内であれば、凸部の高さが均一であることで、複合半透膜を高圧で運転して使用する際にも安定した膜性能を得ることができる。 The standard deviation of the height of the convex portion of the separation functional layer is preferably 70 nm or less. If the standard deviation is within this range, the height of the projections is uniform, so that stable membrane performance can be obtained even when the composite semipermeable membrane is operated at high pressure.
前記ポリアミドの存在の有無については、前記電子顕微鏡により観察が可能であり、エネルギー分散型X線分光法(EDX)や電子線エネルギー損失分光法(EELS)等による元素分析と併用することで単位面積あたりの存在数、深さの定量が可能である。 The presence or absence of the polyamide can be observed with the electron microscope, and can be used in combination with elemental analysis such as energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) or electron beam energy loss spectroscopy (EELS). The number of hits and depth can be quantified.
(1−2)支持膜
支持膜は、基材と多孔性支持層とを備えるものであり、実質的にイオン等の分離性能を有さず、実質的に分離性能を有する分離機能層に強度を与えることができる。
(1-2) Support Membrane The support membrane includes a base material and a porous support layer, has substantially no separation performance such as ions, and has a strength to a separation functional layer having separation performance substantially. Can be given.
支持膜の厚みは、複合半透膜の強度およびそれを膜エレメントにしたときの充填密度に影響を与える。十分な機械的強度および充填密度を得るためには、30〜300μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは50〜250μmの範囲内である。 The thickness of the support membrane affects the strength of the composite semipermeable membrane and the packing density when it is used as a membrane element. In order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, it is preferably in the range of 30 to 300 μm, more preferably in the range of 50 to 250 μm.
なお、本書において、特に付記しない限り、各層および膜の厚みとは、平均値を意味する。ここで平均値とは相加平均値を表す。すなわち、各層および膜の厚みは、断面観察で厚み方向に直交する方向(膜の表面の方向)に20μm間隔で測定した20点の厚みの平均値を算出することで求められる。 In this document, unless otherwise specified, the thickness of each layer and film means an average value. Here, the average value represents an arithmetic average value. That is, the thickness of each layer and film is obtained by calculating the average value of the thicknesses of 20 points measured at intervals of 20 μm in the direction orthogonal to the thickness direction (direction of the film surface) in cross-sectional observation.
[多孔性支持層]
多孔性支持層は、下記素材を主成分として含有することが好ましい。多孔性支持層の素材としては、特に限定されないが、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、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使用することができる。ここで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が使用され;ビニル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が使用される。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またはコポリマーが好ましい。より好ましくは酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、またはポリフェニレンスルホンが挙げられる。これらの素材の中では化学的、機械的、熱的に安定性が高く、成型が容易であることからポリスルホンが特に好ましくに使用できる。
[Porous support layer]
The porous support layer preferably contains the following materials as main components. The material of the porous support layer is not particularly limited, but a homopolymer or copolymer such as polysulfone, polyethersulfone, polyamide, polyester, cellulosic polymer, vinyl polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, or polyphenylene oxide is used. It can be used alone or blended. Here, cellulose acetate, cellulose nitrate and the like are used as the cellulose polymer; polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile and the like are used as the vinyl polymer. Among them, homopolymers or copolymers such as polysulfone, polyamide, polyester, cellulose acetate, cellulose nitrate, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyphenylene sulfide, and polyphenylene sulfide sulfone are preferable. More preferred is cellulose acetate, polysulfone, polyphenylene sulfide sulfone, or polyphenylene sulfone. Among these materials, polysulfone can be particularly preferably used because of its high chemical, mechanical and thermal stability and easy molding.
具体的には、多孔性支持層の素材として、次の化学式(I)に示す繰り返し単位からなるポリスルホンは、孔径の制御が容易であり、寸法安定性が高いため好ましい。
ポリスルホンは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)でN−メチルピロリドンを溶媒に、ポリスチレンを標準物質として測定した場合の重量平均分子量(Mw)が、好ましくは10,000〜200,000、または15,000〜100,000の範囲内にあるものである。このMwが10,000以上であることで、多孔性支持層として、好ましい機械的強度および耐熱性を得ることができる。また、Mwが200,000以下であることで、溶液の粘度が適切な範囲となり、良好な成形性を実現することができる。 Polysulfone preferably has a weight average molecular weight (Mw) measured by gel permeation chromatography (GPC) using N-methylpyrrolidone as a solvent and polystyrene as a standard substance, preferably 10,000 to 200,000, or 15, It is in the range of 000-100,000. When the Mw is 10,000 or more, preferable mechanical strength and heat resistance can be obtained as the porous support layer. Moreover, when Mw is 200,000 or less, the viscosity of the solution falls within an appropriate range, and good moldability can be realized.
多孔性支持層は、例えば、上記ポリスルホンのN,N−ジメチルホルムアミド(以下、DMF)溶液を、基材上に一定の厚さに注型し、それを水中で湿式凝固させることによって、得られる。この方法によって、表面の大部分が直径数nm〜30nmの微細な孔を有する多孔性支持層を得ることができる。 The porous support layer can be obtained, for example, by casting an N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF) solution of the above polysulfone to a constant thickness on a substrate and wet coagulating it in water. . By this method, a porous support layer in which most of the surface has fine pores having a diameter of several nm to 30 nm can be obtained.
多孔性支持層内には、ポリアミド化合物を含有させることが好ましい。発明者らは、分離機能層と前記多孔性支持層の化学構造に着目し、鋭意検討を行うことにより、該多孔性支持層の内部にポリアミド分子を含有させることで、圧力による塩除去性能の変化が小さくなることを見出した。この理由としては、多孔性支持層において、分離機能層との界面に、分離機能層と同種の材料を含有させることによって、多孔性支持層と分離機能層との物理的吸着または化学的吸着などの相互作用力を向上させることができ、その結果として、多孔性支持層と分離機能層との接着性が向上し、塩除去性能改善に繋がったものと考えられる。 It is preferable to contain a polyamide compound in the porous support layer. The inventors pay attention to the chemical structure of the separation functional layer and the porous support layer, and by conducting intensive studies, by incorporating polyamide molecules inside the porous support layer, the salt removal performance by pressure is improved. We found that the change was smaller. The reason for this is that the porous support layer contains physical or chemical adsorption between the porous support layer and the separation functional layer by including the same type of material as the separation functional layer at the interface with the separation functional layer. As a result, it is considered that the adhesion between the porous support layer and the separation functional layer is improved, and the salt removal performance is improved.
ここで、「多孔性支持層内にポリアミド化合物を含有する」とは、ポリアミド化合物が、多孔性支持層の表面のくぼみに存在する状態、および多孔性支持層において、主成分である高分子化合物と混在している状態の少なくとも一方を満たせばよい。 Here, “containing a polyamide compound in the porous support layer” means that the polyamide compound is present in a depression on the surface of the porous support layer, and a polymer compound that is a main component in the porous support layer. It is sufficient to satisfy at least one of the mixed states.
また、多孔性支持層の厚みは、十分な機械的強度および充填密度を得るためには、10〜200μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは20〜100μmの範囲内である。基材の厚みは、十分な機械的強度および充填密度を得るために、10〜250μmの範囲内にあることが好ましく、より好ましくは20〜200μmの範囲内である。 Moreover, in order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, the thickness of the porous support layer is preferably in the range of 10 to 200 μm, and more preferably in the range of 20 to 100 μm. In order to obtain sufficient mechanical strength and packing density, the thickness of the substrate is preferably in the range of 10 to 250 μm, more preferably in the range of 20 to 200 μm.
多孔性支持層の表面(つまり分離機能層に対向する面)は微小突起が分散して配置されているような構造を有する。すなわち、図2に示すように、多孔性支持層4がひだ構造の分離機能層5の凹部と接合している部分は微小突起3の形態を備えている。この多孔性支持層4の表面の微小突起3の密度が高いほど、分離機能層における凸部の数密度は高くなる。これは、以下の理由によると考えられる。 The surface of the porous support layer (that is, the surface facing the separation functional layer) has a structure in which minute protrusions are dispersed. That is, as shown in FIG. 2, the portion where the porous support layer 4 is joined to the concave portion of the separation function layer 5 having a pleated structure has a form of a microprojection 3. The higher the density of the microprotrusions 3 on the surface of the porous support layer 4, the higher the number density of convex portions in the separation functional layer. This is considered to be due to the following reason.
分離機能層の形成においては、支持膜に上記の多官能アミン水溶液が接触し、多官能アミン水溶液は重縮合時に多孔性支持層の内部から表面へと移送される。多孔性支持層の表面は重縮合の反応場として機能し、多孔性支持層内から反応場へと多官能アミン水溶液が供給されることで、分離機能層のひだの凸部が成長する。また、多孔性支持層表面の前記微小突起が主要な反応場となっていると考えられる。そのため、反応場である多孔性支持層の表面における微小突起の数密度が大きいと、凸部の成長点が多くなり、結果として凸部の数密度は高くなる。一般的に、表面における微小突起の数密度が高い多孔性支持層は、緻密で空隙率が小さく、孔径が小さい。 In the formation of the separation functional layer, the polyfunctional amine aqueous solution is in contact with the support membrane, and the polyfunctional amine aqueous solution is transferred from the inside of the porous support layer to the surface during polycondensation. The surface of the porous support layer functions as a reaction field for polycondensation, and the pleated protrusions of the separation functional layer grow by supplying the polyfunctional amine aqueous solution from the porous support layer to the reaction field. Moreover, it is thought that the said microprotrusion on the porous support layer surface becomes a main reaction field. Therefore, if the number density of microprojections on the surface of the porous support layer, which is a reaction field, is large, the number of growth points of the protrusions increases, and as a result, the number density of the protrusions increases. In general, a porous support layer having a high number density of microprojections on the surface is dense and has a small porosity and a small pore diameter.
その一方で、多孔性支持層の空隙率が高く、孔径が大きく、連続性が高いと、モノマーの供給速度が大きくなるので、ひだの凸部は高く成長しやすい。 On the other hand, if the porosity of the porous support layer is high, the pore diameter is large, and the continuity is high, the monomer supply rate increases, so that the ridges of the pleats are easy to grow.
このように、多孔性支持層の多官能アミン水溶液保持容量、放出速度および供給量によって凸部の高さや分離機能層の厚みが決定し、表面構造によって凸部の数密度を制御することができる。具体的には、多孔性支持層において、上述の凸部の高さおよび数密度を両立するために、基材側の部分は空隙率が高く、孔径が大きく、連続性が高いことが好ましく、分離機能層側の部分は微小突起の数密度が高いことが好ましい。そのような構造の例として、多孔性支持層は、多官能アミン水溶液を効率的に移送する第1層と、第1層よりも分離機能層寄りに位置し、凸部の数密度を制御する第2層とを備えることが好ましい。特に、第1層は基材に接することが好ましく、第2層は分離機能層に接するように、多孔性支持層の最表層に位置することが好ましい。 Thus, the height of the convex portion and the thickness of the separation functional layer are determined by the polyfunctional amine aqueous solution holding capacity, the release rate and the supply amount of the porous support layer, and the number density of the convex portions can be controlled by the surface structure. . Specifically, in the porous support layer, in order to achieve both the height and the number density of the above-described protrusions, it is preferable that the part on the substrate side has a high porosity, a large pore diameter, and high continuity. The separation functional layer side portion preferably has a high number density of microprotrusions. As an example of such a structure, the porous support layer is positioned closer to the separation functional layer than the first layer for efficiently transferring the polyfunctional amine aqueous solution, and controls the number density of the convex portions. It is preferable to provide a second layer. In particular, the first layer is preferably in contact with the substrate, and the second layer is preferably located on the outermost layer of the porous support layer so as to be in contact with the separation functional layer.
前記第1層は、分離機能層の形成に必要な多官能アミン水溶液を重合場へ移送する役割を果たす。モノマーを効率的に移送するためには連続した細孔を有していることが好ましい。特に、その孔径は0.1μm以上1μm以下であることが好ましい。 The first layer plays a role of transferring an aqueous polyfunctional amine solution necessary for forming the separation functional layer to the polymerization field. In order to efficiently transfer the monomer, it is preferable to have continuous pores. In particular, the pore diameter is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less.
前記第2層は、上述したように、重合の場となり、かつモノマーを保持および放出することで、形成する分離機能層へモノマーを供給する役割を果たすと共に、凸部成長の起点としての役割も果たす。 As described above, the second layer serves as a polymerization field and serves to supply and supply the monomer to the separation functional layer to be formed by holding and releasing the monomer, and also serves as a starting point for the convex growth. Fulfill.
ここで、表面における微小突起の数密度が高い多孔性支持層は数密度の高い凸部を形成できるが、緻密であるため重合場へのモノマーの移送速度が小さく、形成される凸部の高さが小さく不均一になる課題がある。このとき、連続した細孔を有する層である前記の第1層を基材側に、この緻密な層を第2層として第1層の上に薄く積層させ、多孔性支持層とすることにより、モノマーの移送速度を補うことができるので、高さが大きく均一な凸部を形成できる。このように、凸部の高さ、均一性および数密度を同時に制御するためには、多孔性支持層が、第1層とその上に形成された第2層とを備えることが好ましい。 Here, the porous support layer having a high number density of microprotrusions on the surface can form convex portions having a high number density. However, since the porous support layer is dense, the transfer rate of the monomer to the polymerization field is low, and the formed convex portions have a high density. There is a problem that becomes small and non-uniform. At this time, the above-mentioned first layer, which is a layer having continuous pores, is thinly laminated on the first layer as the second layer on the substrate side, thereby forming a porous support layer. Since the transfer rate of the monomer can be compensated, a uniform convex part having a large height can be formed. Thus, in order to simultaneously control the height, uniformity and number density of the convex portions, it is preferable that the porous support layer includes a first layer and a second layer formed thereon.
さらに、多孔性支持層に含まれる層の界面は、連続構造であることが好ましい。連続構造とは、層間にスキン層を形成しない構造を指す。ここでいうスキン層とは、高い密度を有する部分を意味する。具体的には、スキン層の表面細孔の径は、1nm以上50nm以下の範囲内にある。層間にスキン層が形成された場合には、多孔性支持層中に高い抵抗が生じるため、透過流束は劇的に低下する。 Furthermore, it is preferable that the interface of the layer contained in the porous support layer has a continuous structure. A continuous structure refers to a structure in which no skin layer is formed between layers. The skin layer here means a portion having a high density. Specifically, the diameter of the surface pores of the skin layer is in the range of 1 nm to 50 nm. When a skin layer is formed between the layers, the permeation flux decreases dramatically because of the high resistance in the porous support layer.
[基材]
支持膜を構成する基材としては、例えば、ポリエステル系重合体、ポリアミド系重合体、ポリオレフィン系重合体、あるいはこれらの混合物や共重合体等が挙げられるが、機械的強度、耐熱性、耐水性等により優れた支持膜を得られることから、ポリエステル系重合体であることが好ましい。
[Base material]
Examples of the substrate constituting the support film include polyester polymers, polyamide polymers, polyolefin polymers, and mixtures and copolymers thereof, but mechanical strength, heat resistance, water resistance, and the like. A polyester polymer is preferable because an excellent support film can be obtained.
前記ポリエステル系重合体とは、酸成分とアルコール成分からなるポリエステルであることが好ましい。酸成分としては、テレフタル酸、イソフタル酸およびフタル酸などの芳香族カルボン酸、アジピン酸やセバシン酸などの脂肪族ジカルボン酸、およびシクロヘキサンカルボン酸等の脂環族ジカルボン酸などを用いることができる。また、アルコール成分としては、エチレングリコール、ジエチレングリコールおよびポリエチレングリコールなどを用いることができる。 The polyester polymer is preferably a polyester composed of an acid component and an alcohol component. Examples of the acid component include aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, isophthalic acid and phthalic acid, aliphatic dicarboxylic acids such as adipic acid and sebacic acid, and alicyclic dicarboxylic acids such as cyclohexanecarboxylic acid. Further, as the alcohol component, ethylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, or the like can be used.
ポリエステル系重合体の例としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリ乳酸樹脂およびポリブチレンサクシネート樹脂等が挙げられ、またこれらの樹脂の共重合体も挙げられる。 Examples of polyester polymers include, but are not particularly limited to, for example, polyethylene terephthalate resin, polybutylene terephthalate resin, polytrimethylene terephthalate resin, polyethylene naphthalate resin, polylactic acid resin, and polybutylene succinate resin. Moreover, the copolymer of these resin is also mentioned.
基材に用いられる布帛には、強度、凹凸形成能、流体透過性の点で繊維状基材を用いることが好ましい。前記繊維状基材としては、長繊維不織布及び短繊維不織布のいずれも好ましく用いることができる。特に、長繊維不織布は基材には高分子重合体の溶液を流延した際の浸透性に優れ、多孔性支持層が剥離すること、さらには基材の毛羽立ち等により膜が不均一化すること、及びピンホール等の欠点が生じることを抑制できることから好ましい。基材は特に、熱可塑性連続フィラメントより構成される長繊維不織布からなることが好ましい。また、半透膜を連続製膜するときに、製膜方向に対し張力がかけられることからも、基材にはより寸法安定性に優れる長繊維不織布を用いることが好ましい。 As the fabric used for the substrate, it is preferable to use a fibrous substrate in terms of strength, unevenness forming ability, and fluid permeability. As the fibrous base material, either a long fiber nonwoven fabric or a short fiber nonwoven fabric can be preferably used. In particular, long-fiber non-woven fabrics have excellent permeability when casting a polymer solution on a base material, and the porous support layer peels off, and the film becomes non-uniform due to fluffing of the base material. This is preferable because defects such as pinholes can be suppressed. In particular, the base material is preferably made of a long-fiber nonwoven fabric composed of thermoplastic continuous filaments. Moreover, since continuous tension | tensile_strength is applied with respect to the film forming direction when forming a semipermeable membrane continuously, it is preferable to use the long-fiber nonwoven fabric which is more excellent in dimensional stability for a base material.
長繊維不織布は、成形性、強度の点で、多孔性支持層とは反対側の表層における繊維が、多孔性支持層側の表層の繊維よりも縦配向であることが好ましい。そのような構造によれば、強度を保つことで膜破れ等を防ぐ高い効果が実現されるだけでなく、半透膜に凹凸を付与する際の、多孔性支持層と基材とを含む積層体としての成形性も向上し、半透膜表面の凹凸形状が安定するので好ましい。より具体的に、前記長繊維不織布の、多孔性支持層とは反対側の表層における繊維配向度は、0°〜25°であることが好ましく、また、多孔性支持層側表層における繊維配向度との配向度差が10°〜90°であることが好ましい。 In the long-fiber nonwoven fabric, in terms of moldability and strength, it is preferable that the fibers in the surface layer on the side opposite to the porous support layer have a longitudinal orientation than the fibers in the surface layer on the porous support layer side. According to such a structure, not only a high effect of preventing film breakage by maintaining strength is realized, but also a lamination including a porous support layer and a substrate when imparting irregularities to a semipermeable membrane Formability as a body is also improved, and the uneven shape on the surface of the semipermeable membrane is stabilized, which is preferable. More specifically, the fiber orientation degree in the surface layer on the side opposite to the porous support layer of the long fiber nonwoven fabric is preferably 0 ° to 25 °, and the fiber orientation degree in the surface layer on the porous support layer side. And the orientation degree difference is preferably 10 ° to 90 °.
一般的に、半透膜の製造工程やエレメントの製造工程においては加熱する工程が含まれるが、加熱により多孔性支持層または分離機能層が収縮する現象が起きる。特に連続製膜において張力が付与されていない幅方向において、収縮は顕著である。収縮することにより、寸法安定性等に問題が生じるため、基材としては熱寸法変化率が小さいものが望まれる。不織布において多孔性支持層とは反対側の表層における繊維配向度と多孔性支持層側表層における繊維配向度との差が10°〜90°であると、熱による幅方向の変化を抑制することもでき、好ましい。 In general, the manufacturing process of the semipermeable membrane and the manufacturing process of the element include a heating process, but a phenomenon occurs in which the porous support layer or the separation functional layer contracts due to the heating. In particular, the shrinkage is remarkable in the width direction where no tension is applied in continuous film formation. Since shrinkage causes problems in dimensional stability and the like, a substrate having a small rate of thermal dimensional change is desired. In the nonwoven fabric, when the difference between the fiber orientation degree on the surface layer opposite to the porous support layer and the fiber orientation degree on the porous support layer side surface layer is 10 ° to 90 °, the change in the width direction due to heat is suppressed. Can also be preferred.
ここで、繊維配向度とは、多孔性支持層を構成する不織布基材の繊維の向きを示す指標である。具体的には、繊維配向度とは、連続製膜を行う際の製膜方向、つまり不織布基材の長手方向と、不織布基材を構成する繊維との間の角度の平均値である。すなわち、繊維の長手方向が製膜方向と平行であれば、繊維配向度は0°である。また、繊維の長手方向が製膜方向に直角であれば、すなわち不織布基材の幅方向に平行であれば、その繊維の配向度は90°である。よって、繊維配向度が0°に近いほど縦配向であり、90°に近いほど横配向であることを示す。 Here, the fiber orientation degree is an index indicating the direction of the fibers of the nonwoven fabric substrate constituting the porous support layer. Specifically, the fiber orientation degree is an average value of angles between the film forming direction when continuous film formation is performed, that is, the longitudinal direction of the nonwoven fabric base material, and the fibers constituting the nonwoven fabric base material. That is, if the longitudinal direction of the fiber is parallel to the film forming direction, the fiber orientation degree is 0 °. If the longitudinal direction of the fiber is perpendicular to the film forming direction, that is, if it is parallel to the width direction of the nonwoven fabric substrate, the degree of orientation of the fiber is 90 °. Accordingly, the closer to 0 ° the fiber orientation, the longer the orientation, and the closer to 90 °, the lateral orientation.
繊維配向度は以下のように測定される。まず、不織布からランダムに小片サンプル10個を採取する。次に、そのサンプルの表面を走査型電子顕微鏡で100〜1000倍で撮影する。撮影像の中で、各サンプルあたり10本を選び、不織布の長手方向(縦方向、製膜方向)を0°としたときの角度を測定する。つまり1つの不織布あたり計100本の繊維について、角度の測定が行われる。こうして測定された100本の繊維についての角度から平均値を算出する。得られた平均値の小数点以下第一位を四捨五入して得られる値が、繊維配向度である。 The degree of fiber orientation is measured as follows. First, 10 small piece samples are randomly collected from the nonwoven fabric. Next, the surface of the sample is photographed at 100 to 1000 times with a scanning electron microscope. In the photographed image, 10 samples are selected for each sample, and the angle when the longitudinal direction (longitudinal direction, film forming direction) of the nonwoven fabric is 0 ° is measured. That is, the angle is measured for a total of 100 fibers per nonwoven fabric. An average value is calculated from the angles of 100 fibers thus measured. The value obtained by rounding off the first decimal place of the obtained average value is the fiber orientation degree.
(1−3)造水量および脱塩率
複合半透膜は、3.5重量% NaCl、25℃、pH6.5である水溶液を、5.5MPaの操作圧力で、24時間透過させた後の造水量が、1.00m3/m2/日以上であり、かつ脱塩率が99.5%以上であることが好ましい。また、3.5重量% NaCl、25℃、pH6.5である水溶液を、4.0MPaの操作圧力で、24時間透過させた後の造水量が、1.00m3/m2/日以上、かつ脱塩率が99.8%以上であるとより省エネルギーでの運転が可能となるため、さらに好ましい。
(1-3) Water production amount and desalination rate The composite semipermeable membrane was obtained by allowing an aqueous solution of 3.5% by weight NaCl, 25 ° C., pH 6.5 to pass through at an operating pressure of 5.5 MPa for 24 hours. It is preferable that the amount of water produced is 1.00 m 3 / m 2 / day or more and the desalination rate is 99.5% or more. In addition, the amount of water produced after permeating an aqueous solution of 3.5 wt% NaCl, 25 ° C., pH 6.5 at an operating pressure of 4.0 MPa for 24 hours is 1.00 m 3 / m 2 / day or more, In addition, it is more preferable that the desalination rate is 99.8% or more because it enables more energy-saving operation.
また、複合半透膜は、
(i)NaClの濃度が3.5重量%、温度が25℃、pHが6.5の水溶液を、5.5MPaの操作圧力で複合半透膜に供給することで、24時間に渡ってろ過処理を行った後に、
(ii)5.5MPaの操作圧力における運転を1分行い、30秒で0MPaに降圧し、1分保持後、30秒で5.5MPaに昇圧するサイクルを5000回繰り返し、
(iii)さらに、その後5.5MPaの操作圧力で透過させた際の造水量が、0.85m3/m2/日以上、かつ脱塩率が99.5%以上であることが好ましい。
In addition, the composite semipermeable membrane
(i) An aqueous solution having a NaCl concentration of 3.5% by weight, a temperature of 25 ° C., and a pH of 6.5 was supplied to the composite semipermeable membrane at an operating pressure of 5.5 MPa, and filtered for 24 hours. After processing,
(ii) The operation at an operating pressure of 5.5 MPa was performed for 1 minute, the pressure was reduced to 0 MPa in 30 seconds, held for 1 minute, and then increased to 5.5 MPa in 30 seconds, 5000 times,
(iii) Furthermore, it is preferable that the amount of water produced when permeated at an operating pressure of 5.5 MPa is 0.85 m 3 / m 2 / day or more and the desalting rate is 99.5% or more.
また、前記(iii)において、操作圧力を4.0MPaとしたときの造水量が、1.00m3/m2/日以上、かつ脱塩率が99.8%以上であるとより省エネルギーでの運転が可能となるため、さらに好ましい。 In (iii) above, when the operating pressure is 4.0 MPa, the amount of water produced is 1.00 m 3 / m 2 / day or more, and the desalination rate is 99.8% or more, resulting in more energy saving. Since driving | operation becomes possible, it is more preferable.
2.複合半透膜の製造方法
次に、上記複合半透膜の製造方法について説明する。製造方法は、支持膜の形成工程および分離機能層の形成工程を含む。
2. Next, a method for manufacturing the composite semipermeable membrane will be described. The manufacturing method includes a support film forming step and a separation functional layer forming step.
(2−1)支持膜の形成工程
支持膜の形成工程は、多孔性基材に高分子溶液を塗布する工程、多孔性基材に高分子溶液を含浸させる工程、および前記溶液を含浸した前記多孔性基材を、高分子の良溶媒と比較して前記高分子の溶解度が小さい凝固浴に浸漬させて前記高分子を凝固させ、三次元網目構造を形成させる工程を含んでもよい。また、支持膜の形成工程は、多孔性支持層の成分である高分子を、その高分子の良溶媒に溶解して高分子溶液を調製する工程を、さらに含んでいてもよい。
(2-1) Support film forming step The support film forming step includes a step of applying a polymer solution to the porous substrate, a step of impregnating the porous substrate with the polymer solution, and the step of impregnating the solution. A step of immersing the porous substrate in a coagulation bath in which the solubility of the polymer is lower than that of a good solvent for the polymer to coagulate the polymer to form a three-dimensional network structure may be included. In addition, the step of forming the support film may further include a step of preparing a polymer solution by dissolving a polymer that is a component of the porous support layer in a good solvent for the polymer.
高分子溶液の基材への含浸を制御することで、所定の構造をもつ支持膜を得ることができる。高分子溶液の基材への含浸を制御するためには、例えば、基材上に高分子溶液を塗布した後、非溶媒に浸漬させるまでの時間を制御する方法、或いは高分子溶液の温度または濃度を制御することにより粘度を調製する方法が挙げられ、これらの方法を組み合わせることも可能である。 By controlling the impregnation of the polymer solution into the substrate, a support film having a predetermined structure can be obtained. In order to control the impregnation of the polymer solution into the substrate, for example, a method of controlling the time until the polymer solution is immersed on the non-solvent after the polymer solution is applied on the substrate, or the temperature of the polymer solution or The method of adjusting a viscosity by controlling a density | concentration is mentioned, These methods are also combinable.
基材上に高分子溶液を塗布した後、凝固浴に浸漬させるまでの時間は、通常0.1〜5秒間の範囲であることが好ましい。凝固浴に浸漬するまでの時間がこの範囲であれば、高分子を含む有機溶媒溶液が基材の繊維間にまで充分含浸したのち固化される。なお、凝固浴に浸漬するまでの時間の好ましい範囲は、用いる高分子溶液の粘度などによって適宜調製すればよい。 The time until the polymer solution is applied on the substrate and then immersed in the coagulation bath is preferably in the range of usually 0.1 to 5 seconds. If the time until dipping in the coagulation bath is within this range, the organic solvent solution containing the polymer is sufficiently impregnated between the fibers of the base material and then solidified. In addition, what is necessary is just to prepare the preferable range of time until it immerses in a coagulation bath suitably with the viscosity of the polymer solution to be used.
本発明者らによる鋭意検討の結果、高分子溶液におけるポリマー濃度(すなわち固形分濃度)が高いほど、表面における微小突起の数密度が大きい多孔性支持層が得られ、その結果、分離機能層の凸部の数密度も高くなることがわかった。さらに圧力変動に耐えうるひだ構造を実現するために、多孔性支持層において、少なくとも分離機能層側の表層に近接した部分に、分離機能層と同じ官能基を有するポリアミド分子を含み、下記第2層を形成する固形分濃度を有する高分子溶液をともに用いて形成されることが好ましい。 As a result of intensive studies by the present inventors, the higher the polymer concentration (that is, the solid content concentration) in the polymer solution, the more porous support layer having a higher number density of microprojections on the surface is obtained. It turned out that the number density of a convex part also becomes high. Further, in order to realize a pleat structure that can withstand pressure fluctuations, the porous support layer includes a polyamide molecule having the same functional group as that of the separation functional layer at least in a portion close to the surface layer on the separation functional layer side. It is preferably formed using a polymer solution having a solid content concentration to form a layer.
上述したように、多孔性支持層が第1層および第2層を含む多層構造を備える場合、第1層を形成する高分子溶液Aの組成と第2層を形成する高分子溶液Bとは、互いに異なっていてもよい。「組成が異なる」とは、含有する高分子の種類およびその固形分濃度、添加物の種類およびその濃度、並びに溶媒の種類のうち、少なくとも1つの要素が異なることを意味する。 As described above, when the porous support layer has a multilayer structure including the first layer and the second layer, the composition of the polymer solution A forming the first layer and the polymer solution B forming the second layer are , May be different from each other. “Different composition” means that at least one of the types of the polymer to be contained and its solid content concentration, the additive and its concentration, and the solvent are different.
高分子溶液Aの固形分濃度aは、好ましくは12重量%以上であり、より好ましくは13重量%以上である。固形分濃度aが12重量%以上であることで、連通孔が比較的小さく形成されるので、所望の孔径が得られやすい。 The solid content concentration a of the polymer solution A is preferably 12% by weight or more, and more preferably 13% by weight or more. When the solid content concentration a is 12% by weight or more, the communication hole is formed to be relatively small, so that a desired hole diameter is easily obtained.
また、固形分濃度aは、好ましくは18重量%以下であり、より好ましくは15重量%以下である。固形分濃度aが18重量%以下であることで、高分子の凝固前に相分離が十分に進行するので、多孔性構造が得られやすい。 The solid content concentration a is preferably 18% by weight or less, and more preferably 15% by weight or less. When the solid content concentration a is 18% by weight or less, the phase separation sufficiently proceeds before solidification of the polymer, so that a porous structure is easily obtained.
高分子溶液Bの固形分濃度bは、好ましくは14重量%以上であり、より好ましくは15重量%以上であり、さらに好ましくは20重量%以上であり、25重量%以上であってもよい。高分子溶液Bのポリスルホン濃度が14重量%以上であることで、運転圧力が大きく変動した際にも、多孔質構造の変形が抑制される。第2層は分離機能層を直接支えるので、第2層の変形は分離機能層の破損の原因となりうる。 The solid content concentration b of the polymer solution B is preferably 14% by weight or more, more preferably 15% by weight or more, still more preferably 20% by weight or more, and may be 25% by weight or more. When the polysulfone concentration of the polymer solution B is 14% by weight or more, deformation of the porous structure is suppressed even when the operating pressure largely fluctuates. Since the second layer directly supports the separation functional layer, deformation of the second layer can cause damage to the separation functional layer.
また、固形分濃度bは、好ましくは35重量%以下であり、より好ましくは30重量%以下である。高分子溶液Bのポリスルホン濃度が35重量%以下であることで、分離機能層形成時のモノマー供給速度が小さくなりすぎない程度に、多孔性支持層の表面細孔径が調整される。よって、分離機能層形成時に、適切な高さを持つ凸部が形成される。 Further, the solid content concentration b is preferably 35% by weight or less, and more preferably 30% by weight or less. When the polysulfone concentration in the polymer solution B is 35% by weight or less, the surface pore diameter of the porous support layer is adjusted to such an extent that the monomer supply rate during formation of the separation functional layer does not become too small. Therefore, a convex portion having an appropriate height is formed when the separation functional layer is formed.
固形分濃度aと固形分濃度bとは、(a/b)≦1.0の関係式を満たすことが好ましい。また、固形分濃度aと固形分濃度bとが、上述のそれぞれの好ましい数値範囲を満たしつつ、かつ上記関係式を満たすことがより好ましい。 The solid content concentration a and the solid content concentration b preferably satisfy the relational expression (a / b) ≦ 1.0. Further, it is more preferable that the solid content concentration a and the solid content concentration b satisfy the above-mentioned relational expressions while satisfying the respective preferable numerical ranges described above.
以上に述べた「固形分濃度」は、「高分子濃度」に置き換えることができる。また、多孔性支持層を形成する高分子がポリスルホンおよび/またはポリアミドである場合、以上に述べた「固形分濃度」は、「ポリスルホンおよび/またはポリアミド濃度」に置き換えることができる。高分子溶液塗布時の高分子溶液の温度は、例えばポリスルホンであれば、通常10〜60℃の範囲内が好ましい。この範囲内であれば、高分子溶液が析出することなく、高分子を含む有機溶媒溶液が基材の繊維間にまで充分含浸したのち固化される。その結果、アンカー効果により支持膜が基材に強固に接合し、本発明の支持膜を得ることができる。なお、高分子溶液の温度範囲は、用いる高分子溶液の粘度などによって適宜調製すればよく、当分野で通常の知識を有する者が検討し得る範囲は、本発明の範囲内である。 The “solid content concentration” described above can be replaced with “polymer concentration”. When the polymer forming the porous support layer is polysulfone and / or polyamide, the above-mentioned “solid content concentration” can be replaced with “polysulfone and / or polyamide concentration”. The temperature of the polymer solution during application of the polymer solution is preferably within the range of 10 to 60 ° C., for example, if it is polysulfone. Within this range, the polymer solution does not precipitate and is solidified after sufficiently impregnating the organic solvent solution containing the polymer between the fibers of the substrate. As a result, the support film is firmly bonded to the substrate by the anchor effect, and the support film of the present invention can be obtained. The temperature range of the polymer solution may be appropriately adjusted depending on the viscosity of the polymer solution to be used, and the range that can be examined by those having ordinary knowledge in the art is within the scope of the present invention.
支持膜の形成においては、基材上に第1層を形成する高分子溶液Aを塗布すると同時に第2層を形成する高分子溶液Bを塗布することが好ましい。高分子溶液Aの塗布後に硬化時間を設けた場合には、高分子溶液Aの相分離によって第1層の表面に密度の高いスキン層が形成され、透過流束を大幅に低下させる。そのため、高分子溶液Aが相分離により密度の高いスキン層を形成しないように、高分子溶液AとBとを同時に塗布することが好ましい。例えば、「同時に塗布される」とは、高分子溶液Aが、基材に到達する前に、高分子溶液Bと接触している状態、つまり、高分子溶液Aが基材に塗布されたときには、高分子溶液Bが高分子溶液A上に塗布されている状態である。 In the formation of the support film, it is preferable to apply the polymer solution A forming the second layer at the same time as applying the polymer solution A forming the first layer on the substrate. When a curing time is provided after the application of the polymer solution A, a high-density skin layer is formed on the surface of the first layer by the phase separation of the polymer solution A, and the permeation flux is greatly reduced. Therefore, it is preferable to apply the polymer solutions A and B at the same time so that the polymer solution A does not form a high-density skin layer by phase separation. For example, “applied simultaneously” means that the polymer solution A is in contact with the polymer solution B before reaching the substrate, that is, when the polymer solution A is applied to the substrate. In this state, the polymer solution B is coated on the polymer solution A.
上記のように高分子溶液Aおよび高分子溶液Bを基材上に同時に塗布した後に、高分子溶液Aおよび高分子溶液Bを塗布した基材を凝固浴に接触させることで、高分子を相分離させ、本発明の多孔性支持層を形成させてもよい。このように多孔性支持層を形成させることで、高い透過流束を実現することができる。 After the polymer solution A and the polymer solution B are simultaneously coated on the substrate as described above, the polymer is phased by bringing the substrate coated with the polymer solution A and the polymer solution B into contact with the coagulation bath. They may be separated to form the porous support layer of the present invention. By forming the porous support layer in this way, a high permeation flux can be realized.
基材上への高分子溶液の塗布は、種々のコーティング法によって実施できるが、正確な量のコーティング溶液を供給できるダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング等の前計量コーティング法が好ましく適用される。さらに、本発明の多層構造を有する多孔性支持層の形成においては、第1の層を形成する高分子溶液と第2の層を形成する高分子溶液を同時に塗布する二重スリットダイ法がさらに好ましく用いられる。 Application of the polymer solution onto the substrate can be carried out by various coating methods, but pre-metering coating methods such as die coating, slide coating, curtain coating and the like that can supply an accurate amount of the coating solution are preferably applied. Furthermore, in the formation of the porous support layer having a multilayer structure of the present invention, there is further provided a double slit die method in which the polymer solution forming the first layer and the polymer solution forming the second layer are simultaneously applied. Preferably used.
なお、高分子溶液Aおよび高分子溶液Bが含有する高分子は、同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。適宜、製造する支持膜の強度特性、透過特性、表面特性などの諸特性をより広い範囲で調製することができる。 The polymers contained in the polymer solution A and the polymer solution B may be the same or different from each other. As appropriate, various characteristics such as strength characteristics, permeability characteristics, and surface characteristics of the support membrane to be manufactured can be prepared in a wider range.
なお、高分子溶液Aおよび高分子溶液Bが含有する溶媒は、高分子の良溶媒であれば同一の溶媒でも、互いに異なる溶媒でも良い。適宜、製造する支持膜の強度特性、高分子溶液の基材への含浸を勘案して、より広い範囲で調製することができる。 The solvent contained in the polymer solution A and the polymer solution B may be the same solvent or different solvents as long as they are good polymers. As appropriate, it can be prepared in a wider range in consideration of the strength characteristics of the support membrane to be produced and the impregnation of the polymer solution into the substrate.
良溶媒とは、多孔性支持層を形成する高分子を溶解するものであればよく、特に限定されない。良溶媒としては、例えばN-メチル-2-ピロリドン(NMP);テトラヒドロフラン;ジメチルスルホキシド;テトラメチル尿素、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド等のアミド;アセトン、メチルエチルケトン等の低級アルキルケトン;リン酸トリメチル、γ−ブチロラクトン等のエステルおよびラクトン;並びにこれらの混合溶媒が挙げられる。 The good solvent is not particularly limited as long as it dissolves the polymer that forms the porous support layer. Examples of good solvents include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP); tetrahydrofuran; dimethyl sulfoxide; amides such as tetramethylurea, dimethylacetamide, and dimethylformamide; lower alkyl ketones such as acetone and methylethylketone; trimethyl phosphate, γ- And esters such as butyrolactone and lactones; and mixed solvents thereof.
前記高分子の非溶媒としては、特に限定されず、例えば水、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、トリクロルエチレン、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、ブチレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、低分子量のポリエチレングリコール等の脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪族アルコール、またはこれらの混合溶媒などが挙げられる。 The non-solvent for the polymer is not particularly limited. For example, water, hexane, pentane, benzene, toluene, methanol, ethanol, trichloroethylene, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, pentanediol, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as hexanediol and low molecular weight polyethylene glycol, aromatic hydrocarbons, aliphatic alcohols, or mixed solvents thereof.
また、上記高分子溶液は、支持膜の孔径、空孔率、親水性、弾性率などを調節するための添加剤を含有してもよい。孔径および空孔率を調節するための添加剤としては、水;アルコール類;ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸等の水溶性高分子またはその塩;塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、硝酸リチウム等の無機塩;ホルムアルデヒド、ホルムアミド等が例示されるが、これらに限定されるものではない。親水性や弾性率を調節するための添加剤としては、種々の界面活性剤が挙げられる。 The polymer solution may contain an additive for adjusting the pore size, porosity, hydrophilicity, elastic modulus, etc. of the support membrane. Additives for adjusting the pore size and porosity include water; alcohols; water-soluble polymers such as polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol and polyacrylic acid or salts thereof; lithium chloride, sodium chloride, calcium chloride Inorganic salts such as lithium nitrate; formaldehyde, formamide and the like are exemplified, but not limited thereto. Examples of additives for adjusting hydrophilicity and elastic modulus include various surfactants.
高分子溶液には、ポリアミド化合物が添加されてもよい。また、2つ以上の高分子溶液を重ねて塗布する場合、分離機能層側に位置する高分子溶液Bに、ポリアミド化合物を添加することが好ましい。こうして、多孔性支持層内で、主成分である高分子化合物とポリアミド化合物とを混在させることができる。 A polyamide compound may be added to the polymer solution. Further, when two or more polymer solutions are applied in layers, it is preferable to add a polyamide compound to the polymer solution B located on the separation function layer side. In this way, the polymer compound and the polyamide compound which are the main components can be mixed in the porous support layer.
高分子溶液にポリアミド化合物を添加して多孔性支持層を形成させると、多孔性支持層内にもポリアミド化合物を存在させることができる。そして、多孔性支持層にポリアミド化合物が存在することで多孔性支持層と分離機能層との接着性が向上し、圧力変動に耐えうるひだ構造を実現することが可能となる。なお、「ポリアミド化合物が多孔性支持層内に存在する」とは、(1)図3に示すようにポリアミド化合物が多孔性支持層4の微小突起3と3の間のくぼみに対面する、参照番号6で示す部分にポリアミド化合物が存在している状態、(2)多孔性支持層の主成分である高分子化合物と相分離せずに混在している状態、のいずれか一方を満たせばよい。 When a polyamide compound is added to the polymer solution to form a porous support layer, the polyamide compound can also be present in the porous support layer. The presence of the polyamide compound in the porous support layer improves the adhesion between the porous support layer and the separation functional layer, and can realize a pleat structure that can withstand pressure fluctuations. “The polyamide compound is present in the porous support layer” refers to (1) the polyamide compound faces a recess between the microprotrusions 3 and 3 of the porous support layer 4 as shown in FIG. Either the state where the polyamide compound is present in the portion indicated by the number 6 or (2) the state where the polyamide compound is mixed without being phase-separated with the polymer compound which is the main component of the porous support layer may be satisfied. .
なお、多孔性支持層内にポリアミド化合物を存在させることで多孔性支持層と分離機能層との接着性が向上する理由は、多孔性支持層内のポリアミド化合物と分離機能層のポリアミドとが、化学結合する、あるいは物理的吸着または化学的吸着などの相互作用を示すことにより発揮される効果であると考えられる。そのため、多孔性支持層内のポリアミド化合物は、分離機能層を構成するポリアミドと上記相互作用ができる場所に存在していればよく、多孔性支持層の表面に断続的に分散していてもよく、または多孔性支持層の表面を覆うように連続的に存在していてもよく、特に限定されない。多孔性支持層内に存在するポリアミド化合物の少なくとも一部が、分離機能層と接することによって上記相互作用するように配置されていれば、本発明の効果が得られる。 The reason why the adhesion between the porous support layer and the separation functional layer is improved by the presence of the polyamide compound in the porous support layer is that the polyamide compound in the porous support layer and the polyamide in the separation functional layer are It is considered that the effect is exhibited by chemically bonding or showing an interaction such as physical adsorption or chemical adsorption. Therefore, the polyamide compound in the porous support layer only needs to be present in a place where the above-described interaction with the polyamide constituting the separation functional layer is allowed, and may be intermittently dispersed on the surface of the porous support layer. Or may be continuously present so as to cover the surface of the porous support layer, and is not particularly limited. The effect of the present invention can be obtained if at least a part of the polyamide compound present in the porous support layer is arranged so as to interact with the separation functional layer.
本発明で用いられる凝固浴としては、通常水が使われるが、高分子を溶解しないものであればよく、特に限定されない。また、凝固浴の温度は、−20℃〜100℃が好ましい。さらに好ましくは10〜30℃である。温度が100℃以下であることで、熱運動による凝固浴面の振動の大きさが抑えられ、膜表面を平滑に形成することができる。また、温度が−20℃以上であることで、凝固速度を比較的大きく保つことができ、良好な製膜性が実現される。 As the coagulation bath used in the present invention, water is usually used, but it is not particularly limited as long as it does not dissolve the polymer. Further, the temperature of the coagulation bath is preferably -20 ° C to 100 ° C. More preferably, it is 10-30 degreeC. When the temperature is 100 ° C. or lower, the magnitude of vibration of the coagulation bath surface due to thermal motion can be suppressed, and the film surface can be formed smoothly. Further, when the temperature is −20 ° C. or higher, the solidification rate can be kept relatively high, and good film forming properties are realized.
次に、このような好ましい条件下で得られた支持膜を、膜中に残存する製膜溶媒を除去するために熱水洗浄することが好ましい。このときの熱水の温度は50〜100℃が好ましく、さらに好ましくは60〜95℃である。この範囲より高いと、支持膜の収縮度が大きくなり、透水性能が低下する。逆に、低いと洗浄効果が小さい。 Next, the support membrane obtained under such preferable conditions is preferably washed with hot water in order to remove the membrane-forming solvent remaining in the membrane. The temperature of the hot water at this time is preferably 50 to 100 ° C, more preferably 60 to 95 ° C. If it is higher than this range, the shrinkage of the support membrane will increase and the water permeability will deteriorate. Conversely, if it is low, the cleaning effect is small.
(2−2)分離機能層の形成
次に、複合半透膜を構成する分離機能層の形成工程の一例として、ポリアミドを主成分とする層(つまりポリアミド分離機能層)の形成を挙げて説明する。ポリアミド分離機能層の形成工程は、前述の多官能アミンを含有する水溶液と、多官能酸ハロゲン化物を含有する(水と非混和性の)有機溶媒溶液とを用い、支持膜の表面で界面重縮合を行うことにより、ポリアミド骨格を形成することを含む。
(2-2) Formation of Separation Function Layer Next, as an example of the formation process of the separation function layer constituting the composite semipermeable membrane, description will be given by forming a layer containing polyamide as a main component (that is, a polyamide separation function layer). To do. The formation process of the polyamide separation functional layer uses an aqueous solution containing the above-mentioned polyfunctional amine and an organic solvent solution containing polyfunctional acid halide (immiscible with water), and the interfacial weight on the surface of the support membrane. It includes forming a polyamide skeleton by performing condensation.
多官能アミン水溶液における多官能アミンの濃度は、0.1重量%以上20重量%以下の範囲内であることが好ましく、0.5重量%以上15重量%以下の範囲内であることがより好ましい。この範囲であると、十分な透水性能と塩およびホウ素の除去性能を得ることができる。 The concentration of the polyfunctional amine in the polyfunctional amine aqueous solution is preferably in the range of 0.1 wt% to 20 wt%, and more preferably in the range of 0.5 wt% to 15 wt%. . Within this range, sufficient water permeability and salt and boron removal performance can be obtained.
多官能アミン水溶液は、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との反応を妨害しないものであれば、界面活性剤や有機溶媒、アルカリ性化合物、酸化防止剤などを含んでいてもよい。界面活性剤には、支持膜表面の濡れ性を向上させ、アミン水溶液と非極性溶媒との間の界面張力を減少させる効果がある。有機溶媒は、界面重縮合反応の触媒として働くことがあるので、有機溶媒の添加により界面重縮合反応を効率よく行える場合がある。 The polyfunctional amine aqueous solution may contain a surfactant, an organic solvent, an alkaline compound, an antioxidant, or the like as long as it does not interfere with the reaction between the polyfunctional amine and the polyfunctional acid halide. The surfactant has the effect of improving the wettability of the support membrane surface and reducing the interfacial tension between the aqueous amine solution and the nonpolar solvent. Since the organic solvent may act as a catalyst for the interfacial polycondensation reaction, the interfacial polycondensation reaction may be efficiently performed by adding the organic solvent.
多官能アミン水溶液は、水酸基を持つ有機化合物である、イソプロピルアルコール、グリセリン、トリエタノールアミン、およびトリエタノールアミン−N−オキシドのうち少なくとも1種の化合物を含有することが好ましい。グリセリンを含有することによって、界面重合による分離機能層形成時に、多孔性支持層の表面のくぼみにポリアミドが形成される。 The polyfunctional amine aqueous solution preferably contains at least one compound among isopropyl alcohol, glycerin, triethanolamine, and triethanolamine-N-oxide, which are organic compounds having a hydroxyl group. By containing glycerin, polyamide is formed in the depression on the surface of the porous support layer when the separation functional layer is formed by interfacial polymerization.
界面重縮合を支持膜上で行うために、まず、上述の多官能アミン水溶液を支持膜に接触させる。接触は、支持膜面上に均一にかつ連続的に行うことが好ましい。具体的には、多官能アミン水溶液を支持膜にコーティングする方法や支持膜を多官能アミン水溶液に浸漬する方法を挙げることができる。支持膜と多官能アミン水溶液との接触時間は、5秒以上10分以下の範囲内であることが好ましく、10秒以上3分以下の範囲内であるとさらに好ましい。接触時間をこの範囲内とすることで、好ましい分離機能層を形成するために適した量の多官能アミン水溶液を、支持膜に保持させることができる。 In order to perform the interfacial polycondensation on the support membrane, first, the polyfunctional amine aqueous solution is brought into contact with the support membrane. The contact is preferably performed uniformly and continuously on the support membrane surface. Specifically, a method of coating a support membrane with a polyfunctional amine aqueous solution and a method of immersing the support membrane in a polyfunctional amine aqueous solution can be exemplified. The contact time between the support membrane and the polyfunctional amine aqueous solution is preferably in the range of 5 seconds to 10 minutes, and more preferably in the range of 10 seconds to 3 minutes. By setting the contact time within this range, a polyfunctional amine aqueous solution in an amount suitable for forming a preferable separation functional layer can be held on the support membrane.
多官能アミン水溶液を支持膜に接触させた後は、膜上に液滴が残らないように十分に液切りすることが好ましい。液滴が残存していた部分は、複合半透膜形成後に欠点となることがあり、この欠点は複合半透膜の除去性能を低下させる。十分に液切りすることで、欠点の発生を抑制することができる。液切りの方法としては特に限定されないが、例えば、特開平2−78428号公報に記載されているように、多官能アミン水溶液接触後の支持膜を垂直方向に把持して過剰の水溶液を自然流下させる方法や、エアーノズルから窒素などの気流を吹き付け、強制的に液切りする方法などが挙げられる。また、液切り後、膜面を乾燥させて水溶液の水分を一部除去することもできる。 After bringing the polyfunctional amine aqueous solution into contact with the support membrane, it is preferable to sufficiently drain the liquid so that no droplets remain on the membrane. The portion where the droplets remain may become a defect after the formation of the composite semipermeable membrane, and this defect deteriorates the removal performance of the composite semipermeable membrane. By sufficiently draining the liquid, generation of defects can be suppressed. The method of draining is not particularly limited. For example, as described in JP-A-2-78428, the support film after contacting with the polyfunctional amine aqueous solution is vertically gripped to allow the excess aqueous solution to flow down naturally. And a method of forcibly draining an air stream such as nitrogen from an air nozzle. In addition, after draining, the membrane surface can be dried to partially remove water from the aqueous solution.
次いで、多官能アミン水溶液接触後の支持膜に、多官能酸ハロゲン化物を含む(水と非混和性の)有機溶媒溶液を接触させ、界面重縮合により架橋ポリアミド分離機能層を形成させる。 Next, an organic solvent solution containing polyfunctional acid halide (immiscible with water) is brought into contact with the support membrane after contact with the polyfunctional amine aqueous solution to form a crosslinked polyamide separation functional layer by interfacial polycondensation.
水と非混和性の有機溶媒溶液中の多官能酸ハロゲン化物濃度は、0.01重量%以上10重量%以下の範囲内であると好ましく、0.02重量%以上2.0重量%以下の範囲内であるとさらに好ましい。多官能酸ハロゲン化物濃度が0.01重量%以上であることで十分な反応速度が得られ、また、10重量%以下であることで副反応の発生を抑制することができる。さらに、この有機溶媒溶液にDMFのようなアシル化触媒を含有させると、界面重縮合が促進され、さらに好ましい。 The concentration of the polyfunctional acid halide in the organic solvent solution immiscible with water is preferably in the range of 0.01 wt% to 10 wt%, and preferably 0.02 wt% to 2.0 wt%. More preferably within the range. When the polyfunctional acid halide concentration is 0.01% by weight or more, a sufficient reaction rate can be obtained, and when it is 10% by weight or less, the occurrence of side reactions can be suppressed. Further, it is more preferable to include an acylation catalyst such as DMF in the organic solvent solution, since interfacial polycondensation is promoted.
水と非混和性の有機溶媒は、多官能酸ハロゲン化物を溶解し、支持膜を破壊しないものが望ましく、多官能アミン化合物および多官能酸ハロゲン化物に対して不活性であるものであればよい。好ましい例として、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどの炭化水素化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The water-immiscible organic solvent is preferably one that dissolves the polyfunctional acid halide and does not destroy the support membrane, and may be any one that is inert to the polyfunctional amine compound and polyfunctional acid halide. . Preferred examples include hydrocarbon compounds such as hexane, heptane, octane, nonane and decane, but are not limited thereto.
多官能酸ハロゲン化物を含む有機溶媒溶液を支持膜へ接触させる方法は、多官能アミン水溶液を支持膜へ被覆する方法と同様に行うことができる。 The method of bringing the organic solvent solution containing the polyfunctional acid halide into contact with the support membrane can be performed in the same manner as the method of coating the support membrane with the polyfunctional amine aqueous solution.
本発明の界面重縮合工程においては、支持膜上を架橋ポリアミド薄膜で十分に覆い、かつ、接触させた多官能酸ハロゲン化物を含む水と非混和性の有機溶媒溶液を支持膜上に残存させておくことが肝要である。このため、界面重縮合を実施する時間は、0.1秒以上3分以下が好ましく、0.1秒以上1分以下であるとより好ましい。界面重縮合を実施する時間が0.1秒以上3分以下であることで、支持膜上を架橋ポリアミド薄膜で十分に覆うことができ、かつ多官能酸ハロゲン化物を含む有機溶媒溶液を支持膜上に保持することができる。 In the interfacial polycondensation step of the present invention, the support membrane is sufficiently covered with a crosslinked polyamide thin film, and a water-immiscible organic solvent solution containing a polyfunctional acid halide in contact with the support membrane is left on the support membrane. It is important to keep it. For this reason, the time for performing the interfacial polycondensation is preferably from 0.1 second to 3 minutes, and more preferably from 0.1 second to 1 minute. When the interfacial polycondensation time is 0.1 seconds or more and 3 minutes or less, the support membrane can be sufficiently covered with a crosslinked polyamide thin film, and an organic solvent solution containing a polyfunctional acid halide is supported on the support membrane. Can be held on.
界面重縮合によって支持膜上にポリアミド分離機能層を形成した後は、余剰の溶媒を液切りする。液切りの方法としては、例えば、膜を垂直方向に把持して過剰の有機溶媒を自然流下して除去する方法を用いることができる。この場合、垂直方向に把持する時間としては、1分以上5分以下であることが好ましく、1分以上3分以下であるとより好ましい。短すぎると分離機能層が完全に形成せず、長すぎると有機溶媒が過乾燥となってポリアミド分離機能層に欠損部が発生し、膜性能が低下する。 After the polyamide separation functional layer is formed on the support membrane by interfacial polycondensation, excess solvent is drained. As a liquid draining method, for example, a method of removing the excess organic solvent by flowing down naturally by holding the film in the vertical direction can be used. In this case, the time for gripping in the vertical direction is preferably 1 minute or more and 5 minutes or less, and more preferably 1 minute or more and 3 minutes or less. If it is too short, the separation functional layer will not be completely formed, and if it is too long, the organic solvent will be overdried and a defective part will occur in the polyamide separation functional layer, resulting in poor membrane performance.
3.複合半透膜の利用
このようにして製造される複合半透膜は、プラスチックネットなどの原水流路材と、トリコットなどの透過水流路材と、必要に応じて耐圧性を高めるためのフィルムと共に、多数の孔を穿設した筒状の集水管の周りに巻回され、スパイラル型の複合半透膜エレメントを形成することができる。さらに、このエレメントは、直列または並列に接続されて圧力容器に収納されることで、複合半透膜モジュールを構成することもできる。
3. Utilization of composite semipermeable membrane The composite semipermeable membrane manufactured in this way is combined with raw water flow path materials such as plastic nets, permeate flow path materials such as tricot, and a film for enhancing pressure resistance as required. The spiral semi-permeable membrane element can be formed by being wound around a cylindrical water collecting pipe having a large number of holes. Further, this element can be connected in series or in parallel and housed in a pressure vessel to constitute a composite semipermeable membrane module.
また、上記の複合半透膜やそのエレメント、モジュールは、それらに原水を供給するポンプや、その原水を前処理する装置などと組み合わせて、流体分離装置を構成することができる。この分離装置を用いることにより、原水を飲料水などの透過水と膜を透過しなかった濃縮水とに分離して、目的にあった水を得ることができる。 In addition, the above-described composite semipermeable membrane, its elements, and modules can be combined with a pump that supplies raw water to them, a device that pretreats the raw water, and the like to form a fluid separation device. By using this separation device, the raw water can be separated into permeated water such as drinking water and concentrated water that has not permeated through the membrane to obtain water that meets the purpose.
流体分離装置の操作圧力は高い方が塩除去性能は向上するが、運転に必要なエネルギーも増加すること、また、複合半透膜の耐久性を考慮すると、複合半透膜に被処理水を透過する際の操作圧力は、1.0MPa以上、10.0MPa以下が好ましい。なお、操作圧力とはいわゆる膜間圧力差(trans membrane pressure)である。供給水温度は、高くなると塩除去性能が低下するが、低くなるにしたがい膜透過流束も減少するので、5℃以上、45℃以下が好ましい。また、供給水pHは、高くなると海水などの高塩濃度の供給水の場合、マグネシウムなどのスケールが発生する恐れがあり、また、高pH運転による膜の劣化が懸念されるため、中性領域での運転が好ましい。 The higher the operating pressure of the fluid separator, the better the salt removal performance, but the energy required for operation also increases, and considering the durability of the composite semipermeable membrane, water to be treated is added to the composite semipermeable membrane. The operating pressure at the time of permeation is preferably 1.0 MPa or more and 10.0 MPa or less. The operation pressure is a so-called transmembrane pressure. As the feed water temperature increases, the salt removal performance decreases, but the membrane permeation flux decreases as the supply water temperature decreases, so 5 ° C. or higher and 45 ° C. or lower is preferable. In addition, when the pH of the feed water becomes high, scales such as magnesium may be generated in the case of feed water with a high salt concentration such as seawater, and there is a concern about deterioration of the membrane due to high pH operation. Is preferred.
複合半透膜によって処理される原水としては、海水、かん水、排水等の500mg/L〜100g/LのTDS(Total Dissolved Solids:総溶解固形分)を含有する液状混合物が挙げられる。一般に、TDSは総溶解固形分量を指し、「質量÷体積」で表されるか、1Lを1kgと見なして「重量比」で表される。定義によれば、0.45ミクロンのフィルターで濾過した溶液を39.5〜40.5℃の温度で蒸発させ残留物の重さから算出できるが、より簡便には実用塩分から換算する。 Examples of raw water to be treated by the composite semipermeable membrane include liquid mixtures containing TDS (Total Dissolved Solids) of 500 mg / L to 100 g / L such as seawater, brine, and drainage. Generally, TDS refers to the total amount of dissolved solids and is expressed as “mass / volume”, or expressed as “weight ratio” by regarding 1 L as 1 kg. According to the definition, the solution filtered with a 0.45 micron filter can be calculated from the weight of the residue by evaporating at a temperature of 39.5 to 40.5 ° C., but more simply converted from practical salt content.
以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples, and many modifications can be made within the technical idea of the present invention. It is possible by those who have.
<半透膜の作成>
以下の実施例では、ポリスルホンとしてソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製ポリスルホンUDEL p−3500を用いた。
<Creation of semipermeable membrane>
In the following examples, polysulfone UDEL p-3500 manufactured by Solvay Advanced Polymers Co., Ltd. was used as the polysulfone.
(実施例1)
ポリスルホン15重量%のDMF溶液(高分子溶液A)およびポリスルホン25重量%のDMF溶液(高分子溶液B)を、各溶媒および溶質の混合物を攪拌しながら90℃で2時間加熱保持することで調製した。
Example 1
A 15% by weight polysulfone DMF solution (polymer solution A) and a 25% by weight polysulfone DMF solution (polymer solution B) were prepared by heating and maintaining a mixture of each solvent and solute at 90 ° C. for 2 hours. did.
調製した高分子溶液はそれぞれ室温まで冷却し、別々の押出機に供給して高精度濾過した。その後、濾過した高分子溶液は二重スリットダイを介し、ポリエチレンテレフタレート繊維からなる長繊維不織布(糸径:1デシテックス、厚み:約90μm、通気度:1.3cc/cm2/sec)上に高分子溶液Aを110μmの厚みで、高分子溶液Bを50μmの厚みで同時にキャストし、直ちに25℃の純水中に浸漬して5分間洗浄することによって支持膜を得た。 Each of the prepared polymer solutions was cooled to room temperature, supplied to a separate extruder, and filtered with high precision. Thereafter, the filtered polymer solution is passed through a double slit die and is high on a long-fiber nonwoven fabric made of polyethylene terephthalate fibers (thread diameter: 1 dtex, thickness: about 90 μm, air permeability: 1.3 cc / cm 2 / sec). The molecular solution A was cast at a thickness of 110 μm and the polymer solution B at a thickness of 50 μm at the same time, and immediately immersed in pure water at 25 ° C. and washed for 5 minutes to obtain a support membrane.
得られた支持膜を、m−PDAの4.0重量%およびグリセリン5.0重量%水溶液中に2分間浸漬した後、膜面が鉛直になるようにゆっくりと引き上げた。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、90℃の熱風乾燥機の中で2分間保持した。次に、トリメシン酸クロリド0.12重量%を含む25℃のn−デカン溶液を膜表面が完全に濡れるように塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後、45℃の水で2分間洗浄することで、基材、多孔性支持層、およびポリアミド分離機能層を備える複合半透膜を得た。 The obtained support membrane was immersed in a 4.0 wt% m-PDA and 5.0 wt% glycerin aqueous solution for 2 minutes, and then slowly pulled up so that the membrane surface was vertical. Nitrogen was blown from the air nozzle to remove the excess aqueous solution from the surface of the support membrane, and then held in a hot air dryer at 90 ° C. for 2 minutes. Next, an n-decane solution at 25 ° C. containing 0.12% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the film surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Then, the composite semipermeable membrane provided with a base material, a porous support layer, and a polyamide separation functional layer was obtained by washing with water at 45 ° C. for 2 minutes.
(実施例2)
高分子溶液Aとしてポリスルホン18重量%のDMF溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例2における複合半透膜を得た。
(Example 2)
A composite semipermeable membrane in Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a DMF solution containing 18% by weight of polysulfone was used as the polymer solution A.
(実施例3)
実施例1において、高分子溶液Aとしてポリスルホン15重量%のNMP溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン25重量%のNMP溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例3における複合半透膜を得た。
(Example 3)
In Example 1, except that an NMP solution of 15% by weight of polysulfone was used as the polymer solution A and an NMP solution of 25% by weight of polysulfone was used as the polymer solution B, the same as in Example 1, the same as in Example 3. A composite semipermeable membrane was obtained.
(実施例4)
実施例1において、高分子溶液Aとしてポリスルホン18重量%のDMF溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン20重量%のDMF溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例4における複合半透膜を得た。
Example 4
In Example 1, the same procedure as in Example 1 was used, except that a polymer solution A was a 18% by weight polysulfone DMF solution and the polymer solution B was a 20% polysulfone DMF solution. A composite semipermeable membrane was obtained.
(実施例5)
実施例1において、基材として糸径1デシテックス、厚み約90μm、通気度0.7cc/cm2/secの短繊維不織布を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例5における複合半透膜を得た。
(Example 5)
In Example 1, the composite in Example 5 was used in the same manner as in Example 1 except that a short fiber nonwoven fabric having a yarn diameter of 1 dtex, a thickness of about 90 μm, and an air permeability of 0.7 cc / cm 2 / sec was used as the base material. A semipermeable membrane was obtained.
(実施例6)
((ポリアミド分子の合成))
500mLのナス型フラスコにm−PDA 12.2gを加え、塩化メチレン250mLに溶解した。室温で十分攪拌を行った後、この溶液にトリメシン酸クロリド10gを含む塩化メチレン溶液20mLを2mL/分の割合で滴下し、室温に温度を保ちながら反応を行った。得られた白色固体をメタノールで洗浄し、塩化メチレン、メタノールを順次用いて再沈法による精製操作を行った。これにより、分子量300〜2000の間に分布を有するポリアミド分子18.0gを得た。この分子はDMFに溶解した。
(Example 6)
((Synthesis of polyamide molecules))
To a 500 mL eggplant-shaped flask, 12.2 g of m-PDA was added and dissolved in 250 mL of methylene chloride. After sufficiently stirring at room temperature, 20 mL of a methylene chloride solution containing 10 g of trimesic acid chloride was dropped into this solution at a rate of 2 mL / min, and the reaction was performed while maintaining the temperature at room temperature. The obtained white solid was washed with methanol and purified by reprecipitation using methylene chloride and methanol in this order. As a result, 18.0 g of polyamide molecules having a distribution between molecular weights 300 and 2000 were obtained. This molecule was dissolved in DMF.
ポリスルホン15重量%のDMF溶液(高分子溶液A)、並びにポリスルホン25重量%および前記ポリアミド分子0.5重量%を含むDMF溶液(高分子溶液B)を、各溶媒および溶質の混合物を攪拌しながら90℃で2時間加熱保持することで調製した。 A DMF solution containing 15% by weight of polysulfone (Polymer solution A) and a DMF solution (Polymer solution B) containing 25% by weight of polysulfone and 0.5% by weight of the above-mentioned polyamide molecules are stirred while the mixture of each solvent and solute is stirred. It was prepared by heating and holding at 90 ° C. for 2 hours.
調製した高分子溶液はそれぞれ室温まで冷却し、別々の押出機に供給して高精度濾過した。その後、濾過した高分子溶液は二重スリットダイを介し、ポリエチレンテレフタレート繊維からなる長繊維不織布(糸径:1デシテックス、厚み:約90μm、通気度:1.3cc/cm2/sec)上に高分子溶液Aを110μmの厚みで、高分子溶液Bを50μmの厚みで同時にキャストし、直ちに25℃の純水中に浸漬して5分間洗浄することによって支持膜を得た。 Each of the prepared polymer solutions was cooled to room temperature, supplied to a separate extruder, and filtered with high precision. Thereafter, the filtered polymer solution is passed through a double slit die and is high on a long-fiber nonwoven fabric made of polyethylene terephthalate fibers (thread diameter: 1 dtex, thickness: about 90 μm, air permeability: 1.3 cc / cm 2 / sec). The molecular solution A was cast at a thickness of 110 μm and the polymer solution B at a thickness of 50 μm at the same time, and immediately immersed in pure water at 25 ° C. and washed for 5 minutes to obtain a support membrane.
得られた支持膜をm−PDAの4.0重量%水溶液中に2分間浸漬した後、膜面が鉛直になるようにゆっくりと引き上げた。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、90℃の熱風乾燥機の中で2分間保持した。次に、トリメシン酸クロリド0.12重量%を含む25℃のn−デカン溶液を膜表面が完全に濡れるように塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後、45℃の水で2分間洗浄することで、基材、多孔性支持層、およびポリアミド分離機能層を備える複合半透膜を得た。 The obtained support membrane was immersed in a 4.0 wt% aqueous solution of m-PDA for 2 minutes, and then slowly pulled up so that the membrane surface was vertical. Nitrogen was blown from the air nozzle to remove the excess aqueous solution from the surface of the support membrane, and then held in a hot air dryer at 90 ° C. for 2 minutes. Next, an n-decane solution at 25 ° C. containing 0.12% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the film surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Then, the composite semipermeable membrane provided with a base material, a porous support layer, and a polyamide separation functional layer was obtained by washing with water at 45 ° C. for 2 minutes.
(実施例7)
実施例6において、高分子溶液Aとしてポリスルホン15重量%のDMF溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン28重量%および前記ポリアミド分子0.5重量%を含むDMF溶液を用いた以外は、実施例6と同様にして、実施例7における複合半透膜を得た。
(Example 7)
In Example 6, a DMF solution containing 15% by weight of polysulfone was used as the polymer solution A, and a DMF solution containing 28% by weight of polysulfone and 0.5% by weight of the polyamide molecule was used as the polymer solution B. In the same manner as in Example 6, a composite semipermeable membrane in Example 7 was obtained.
(比較例1)
実施例1において得られた支持膜を、m−PDAの4.0重量%水溶液中に2分間浸漬した後、膜面が鉛直になるようにゆっくりと引き上げた。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、90℃の熱風乾燥機の中で2分間保持した。次に、トリメシン酸クロリド0.12重量%を含む25℃のn−デカン溶液を膜表面が完全に濡れるように塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後、45℃の水で2分間洗浄することで、基材、多孔性支持層、およびポリアミド分離機能層を備える複合半透膜を得た。
(Comparative Example 1)
The support membrane obtained in Example 1 was immersed in a 4.0 wt% aqueous solution of m-PDA for 2 minutes, and then slowly pulled up so that the membrane surface was vertical. Nitrogen was blown from the air nozzle to remove the excess aqueous solution from the surface of the support membrane, and then held in a hot air dryer at 90 ° C. for 2 minutes. Next, an n-decane solution at 25 ° C. containing 0.12% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the film surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Then, the composite semipermeable membrane provided with a base material, a porous support layer, and a polyamide separation functional layer was obtained by washing with water at 45 ° C. for 2 minutes.
(比較例2)
ポリスルホン25重量%のDMF溶液のみを、二重スリットダイではなく単スリットダイを用いて、160μmの厚みで不織布上に塗布した以外は、実施例1と同様の手順によって支持膜を得た。得られた支持膜上に、実施例1と同様の手順によって分離機能層を形成し、比較例2における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 2)
A support membrane was obtained by the same procedure as in Example 1, except that only 25% by weight of the polysulfone DMF solution was applied on the nonwoven fabric with a thickness of 160 μm using a single slit die instead of a double slit die. A separation functional layer was formed on the obtained support membrane by the same procedure as in Example 1 to obtain a composite semipermeable membrane in Comparative Example 2.
(比較例3)
高分子溶液としてポリスルホン15重量%のDMF溶液のみを用いた以外は、比較例1と同様にして、比較例3における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 3)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 3 was obtained in the same manner as Comparative Example 1 except that only a 15% by weight polysulfone DMF solution was used as the polymer solution.
(比較例4)
高分子溶液としてポリスルホン15重量%のNMP溶液のみを用いた以外は、比較例1と同様にして、比較例4における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 4)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 4 was obtained in the same manner as Comparative Example 1 except that only a 15% by weight NMP solution of polysulfone was used as the polymer solution.
(比較例5)
高分子溶液Aとしてポリスルホン20重量%のDMF溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン13重量%のDMF溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、比較例5における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 5)
A composite semipermeable membrane in Comparative Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1, except that a polymer sulfone 20 wt% polysulfone DMF solution was used as the polymer solution A, and a polysulfone 13 wt% DMF solution was used as the polymer solution B. Obtained.
(比較例6)
高分子溶液Aとしてポリスルホン25重量%のDMF溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン15重量%のDMF溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、比較例6における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 6)
The composite semipermeable membrane in Comparative Example 6 was prepared in the same manner as in Example 1 except that 25% by weight polysulfone DMF solution was used as the polymer solution A and 15% by weight polysulfone DMF solution was used as the polymer solution B. Obtained.
(比較例7)
高分子溶液Aとしてポリスルホン20重量%のDMF溶液を用い、高分子溶液Bとしてポリスルホン18重量%のDMF溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、比較例7における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 7)
The composite semipermeable membrane in Comparative Example 7 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a polymer sulfone 20 wt% DMF solution was used as the polymer solution A and a polysulfone 18 wt% DMF solution was used as the polymer solution B. Obtained.
(比較例8)
高分子溶液としてポリスルホン18重量%のDMF溶液のみを用いた以外は、実施例1と同様の手順によって支持膜を得た。
得られた支持膜上に、m−PDA3.0重量%、ラウリル硫酸ナトリウム0.15重量%、トリエチルアミン3.0重量%、カンファースルホン酸6.0重量%を含有した水溶液を塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を2分間鉛直に保持して液切りし、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。その後、トリメシン酸クロリド0.20重量%を含む25℃のヘキサン溶液を、膜表面が完全に濡れるように塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後120℃の熱風乾燥機の中で3分間保持して分離機能層を形成し、比較例8における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 8)
A support membrane was obtained by the same procedure as in Example 1 except that only a 18% by weight polysulfone DMF solution was used as the polymer solution.
On the obtained support membrane, an aqueous solution containing 3.0% by weight of m-PDA, 0.15% by weight of sodium lauryl sulfate, 3.0% by weight of triethylamine, and 6.0% by weight of camphorsulfonic acid was applied. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the membrane, the membrane surface was held vertically for 2 minutes to drain the solution, and nitrogen was blown from an air nozzle to remove excess aqueous solution from the surface of the support membrane. Thereafter, a hexane solution at 25 ° C. containing 0.20% by weight of trimesic acid chloride was applied so that the film surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Thereafter, the separation functional layer was formed by holding in a hot air dryer at 120 ° C. for 3 minutes to obtain a composite semipermeable membrane in Comparative Example 8.
(比較例9)
高分子溶液としてポリスルホン17重量%のDMF溶液のみを用いた以外は、実施例1と同様の手順によって支持膜を得た。
得られた支持膜上に、m−PDA3.0重量%を含有した水溶液を塗布した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を2分間鉛直に保持して液切りし、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。その後、トリメシン酸クロリド0.13重量%を含む25℃のIsopar L(エクソンモービル社(ExxonMobil Corp.)から入手可能)溶液を、膜表面が完全に濡れるように噴霧した。1分間静置した後、膜から余分な溶液を除去するために膜面を1分間鉛直に保持して液切りした。その後室温の水での洗浄を経て、比較例9における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 9)
A support membrane was obtained by the same procedure as in Example 1 except that only a 17% by weight polysulfone DMF solution was used as the polymer solution.
An aqueous solution containing 3.0% by weight of m-PDA was applied on the obtained support film. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the membrane, the membrane surface was held vertically for 2 minutes to drain the solution, and nitrogen was blown from an air nozzle to remove excess aqueous solution from the surface of the support membrane. Thereafter, an Isopar L (available from ExxonMobil Corp.) solution at 25 ° C. containing 0.13% by weight of trimesic acid chloride was sprayed so that the membrane surface was completely wetted. After leaving still for 1 minute, in order to remove excess solution from the film, the film surface was held vertically for 1 minute to drain the liquid. Thereafter, the composite semipermeable membrane in Comparative Example 9 was obtained through washing with room temperature water.
(比較例10)
ポリスルホン15重量%のDMF溶液を110μmの厚みで不織布上に塗布し、以降は実施例1と同様の手順によって単層の多孔性支持層を備える支持膜を得た。こうして得られた多孔性支持層上に、ポリスルホン25重量%のDMF溶液を50μmの厚みで塗布し、再び実施例1と同様の手順を経て2層の多孔性支持層を形成した。つまり、多孔性支持層に含まれる第1層および第2層が、同時にではなく、順次塗布および凝固された。
こうして得られた2層の多孔性支持層を備える支持膜上に、実施例1と同様の手順によって分離機能層を形成し、比較例10における複合半透膜を得た。
(Comparative Example 10)
A DMF solution containing 15% by weight of polysulfone was applied to a nonwoven fabric with a thickness of 110 μm, and thereafter, a support membrane provided with a single porous support layer was obtained by the same procedure as in Example 1. On the porous support layer thus obtained, a DMF solution of 25% by weight of polysulfone was applied in a thickness of 50 μm, and a two-layer porous support layer was again formed through the same procedure as in Example 1. That is, the first layer and the second layer included in the porous support layer were applied and solidified sequentially, not simultaneously.
A separation functional layer was formed on the support membrane having the two porous support layers obtained in this manner by the same procedure as in Example 1 to obtain a composite semipermeable membrane in Comparative Example 10.
<凸部数密度、高さおよび標準偏差の測定>
複合半透膜サンプルをエポキシ樹脂で包埋し、断面観察を容易にするためOsO4で染色して、これをウルトラミクロトームで切断し超薄切片を10個作成した。得られた超薄切片について、透過型電子顕微鏡を用いて断面写真を撮影した。観察時の加速電圧は100kVであり、観察倍率は10,000倍であった。得られた断面写真について、幅2.0μmの距離における凸部の数をスケールを用いて測定し、上述したように10点平均面粗さを算出した。この10点平均面粗さに基づいて、10点平均面粗さの5分の1以上の高さを有する部分を凸部として、その数を数えた。分離機能層の凸部の平均数密度を求めた。また、断面写真中の全ての凸部の高さをスケールで測定し、凸部の平均高さを求めると共に、標準偏差を計算した。
<Measurement of convex number density, height and standard deviation>
A composite semipermeable membrane sample was embedded with an epoxy resin, stained with OsO 4 to facilitate cross-sectional observation, and cut with an ultramicrotome to prepare 10 ultrathin sections. A cross-sectional photograph of the obtained ultrathin slice was taken using a transmission electron microscope. The acceleration voltage at the time of observation was 100 kV, and the observation magnification was 10,000 times. About the obtained cross-sectional photograph, the number of the convex part in the distance of 2.0 micrometers in width was measured using the scale, and 10 point average surface roughness was computed as mentioned above. Based on this 10-point average surface roughness, the number of the portions having a height of 1/5 or more of the 10-point average surface roughness was taken as a convex portion, and the number was counted. The average number density of the convex portions of the separation functional layer was determined. Moreover, the height of all the convex parts in a cross-sectional photograph was measured with the scale, and while calculating | requiring the average height of a convex part, the standard deviation was calculated.
<塩除去性能(TDS除去率)・発停試験>
NaClの濃度が3.5重量%、温度が25℃、pHが6.5の水溶液を、5.5MPaの操作圧力で複合半透膜に供給することで、24時間に渡って水処理操作を行った後に、5.5MPaの操作圧力で得られた透過水を用いて、塩除去性の測定を行った。その後、5.5MPaの操作圧力における運転を1分行い、30秒で0MPaに降圧し、1分保持後、30秒で5.5MPaに昇圧するサイクルを5000回繰り返した後に、塩除去性能の測定を行った。
<Salt removal performance (TDS removal rate) and start / stop test>
By supplying an aqueous solution having an NaCl concentration of 3.5% by weight, a temperature of 25 ° C. and a pH of 6.5 to the composite semipermeable membrane at an operating pressure of 5.5 MPa, water treatment operation can be performed for 24 hours. After being performed, the salt removal property was measured using the permeated water obtained at an operating pressure of 5.5 MPa. Thereafter, the operation at an operating pressure of 5.5 MPa is performed for 1 minute, the pressure is reduced to 0 MPa in 30 seconds, the pressure is maintained for 1 minute, and the pressure is increased to 5.5 MPa in 30 seconds, and then the salt removal performance is measured. Went.
塩除去性能測定時の操作圧力は5.5MPaまたは4.0MPaとし、それ以外の条件はサイクル運転時と同様とした。それぞれ得られた透過水を用いて、塩除去性能の測定を行った。 The operating pressure when measuring the salt removal performance was 5.5 MPa or 4.0 MPa, and the other conditions were the same as those during cycle operation. The salt removal performance was measured using the obtained permeated water.
東亜電波工業株式会社製電気伝導度計で供給水および透過水の電気伝導度を測定することにより、実用塩分を得た。この実用塩分を換算して得られるTDS濃度から、次の式により塩除去性能すなわちTDS除去率を求めた。
TDS除去率(%)=100×{1−(透過水中のTDS濃度/供給水中のTDS濃度)}
Practical salinity was obtained by measuring the electrical conductivity of the supplied water and the permeated water with an electric conductivity meter manufactured by Toa Radio Industry Co., Ltd. From the TDS concentration obtained by converting this practical salt content, the salt removal performance, that is, the TDS removal rate was determined by the following equation.
TDS removal rate (%) = 100 × {1− (TDS concentration in permeated water / TDS concentration in feed water)}
<膜透過流束>
24時間の上記ろ過処理により得られた透過水量を、膜面1平方メートルあたり、1日あたりの透水量(立方メートル)でもって膜透過流束(m3/m2/日)として表した。
<Membrane permeation flux>
The amount of permeated water obtained by the above filtration treatment for 24 hours was expressed as a membrane permeation flux (m 3 / m 2 / day) with a water permeation amount per cubic meter (m 3 ) per day.
以上の結果を表1に示す。実施例1〜7より、本発明の複合半透膜は、高い透水性・塩除去性と、頻繁に運転・停止が繰り返され圧力が変動する運転条件下におけるこれらの性能の維持性に優れることが分かる。
本発明の複合半透膜は、特に、かん水や海水の脱塩に好適に用いることができる。 The composite semipermeable membrane of the present invention can be particularly suitably used for brine or seawater desalination.
1 分離機能層
2 平均線(基準線)
3 微小突起
4 多孔性支持層
5 分離機能層
6 ポリアミド
1 Separation function layer 2 Average line (reference line)
3 Microprojection 4 Porous support layer 5 Separation function layer 6 Polyamide
Claims (8)
(ii)高分子化合物を主構成成分とし、前記基材上に配置された多孔性支持層と、
(iii)多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により生成したポリアミド化合物を主成分として含有し、かつ前記多孔性支持槽上に設けられた分離機能層とを備え、
前記多孔性支持層内にポリアミド化合物を含有することを特徴とする複合半透膜。 (I) a substrate;
(Ii) a porous support layer having a polymer compound as a main component and disposed on the substrate;
(Iii) comprising as a main component a polyamide compound produced by a polycondensation reaction between a polyfunctional amine and a polyfunctional acid halide, and a separation functional layer provided on the porous support tank,
A composite semipermeable membrane comprising a polyamide compound in the porous support layer.
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