JP6896642B2 - 非対称複合膜および供給流から水を除去する方法 - Google Patents
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Description
特許文献2には、ポリオレフィン物品の表面にアクリル酸グラフトポリマーを生成する方法であって、物品を、揮発性溶剤中の開始剤の溶液に浸漬するステップ、溶媒を蒸発させるステップ、及びその後、アクリル系親水化剤の溶液に物品を浸漬してから、物品を空気雰囲気又は不活性雰囲気下で紫外線照射するステップを含む方法が開示されている。上記文献に開示されている各実施例では、アクリル酸が、アクリル系親水化剤として使用されているが、当量のメタクリル酸、アクリルアミド、及び他のアクリル系親水化剤の使用も考えられる。
1.親水化微孔性ポリオレフィンのシートの一方の側を、スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)及び少なくとも1つの架橋剤の有機溶媒中の分散系と接触させて、コーティングされたシートを準備するステップ、及びその後
2.非対称複合膜を得るのに十分な波長、強度、及び時間にわたって、コーティングされたシートの一方の側を照射するステップを含む方法を提供する。
1.有機溶媒中にスルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)及び少なくとも1つの架橋剤を含む分散系を照射して、部分的に架橋されたスルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)の分散系を準備するステップ、
2.湿潤化微孔性ポリオレフィンのシートの一方の側を、部分的に架橋されたスルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)の分散系と接触させるステップ、
3.架橋されたスルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)を微孔性ポリオレフィンのシートに接着させて複合材を得るのに十分な波長、強度、及び時間にわたって、コーティングしたシートの一方の側を照射するステップ、及びその後
4.非対称複合膜を得るのに十分な温度及び時間で複合材を乾燥させるステップを含み、
湿潤化微孔性ポリオレフィンのシートが、水性溶媒中の親水化剤の溶液で湿潤化される方法を提供する。
好ましくは、親水化剤は、4−エテニル−ベンゼンスルホン酸である。
好ましくは、親水性微孔性ポリオレフィンは、グラフトポリマーである。より好ましくは、グラフトポリマーの側鎖は、2−アクリルアミド−1−メチル−2−プロパンスルホン酸、2−プロペン−1−オール、2−プロペン酸、2−ヒドロキシエチル2−メチル−2−プロペン酸エステル、及び4−エテニル−ベンゼンスルホン酸の1つ又は複数に由来する。更により好ましくは、グラフトポリマーの側鎖は、2−アクリルアミド−1−メチル−2−プロパンスルホン酸及び4−エテニル−ベンゼンスルホン酸のいずれか一方又は両方に由来する。より好ましくは、グラフトポリマーの側鎖は、4−エテニル−ベンゼンスルホン酸に由来する。
好ましくは、架橋剤は、260未満の分子量を有するジエテニル化合物、トリエテニル化合物、又はテトラエテニル化合物である。より好ましくは、架橋剤は、以下のものからなる群から選択されるジエテニル化合物又はテトラエテニル化合物である:ジビニルベンゼン、ジメタクリル酸エチレングリコール、及びグリオキサールビス(ジアリルアセタール)。最も好ましくは、架橋剤は、p−ジビニルベンゼンである。
好ましくは、光開始剤の濃度は、2%(w/w)超である。より好ましくは、光開始剤の濃度は、4%(w/w)超である。
好ましくは、照射は60〜120秒間である。より好ましくは、照射は80〜100秒間である。
第3の態様では、本発明は、供給流から水を除去する方法であって、透過分を生成するのに十分な圧力及び温度で、本発明の第2の態様による非対称複合膜を供給流と接触させるステップを含む方法を提供する。
好ましくは、圧力は、1.0〜4.0MPa(10〜40bar)の範囲である。より好ましくは、圧力は、1.5〜3.5MPa(15〜35bar)の範囲である。最も好ましくは、圧力は、2.0±0.25MPa(20±2.5bar)である。
第4の態様では、本発明は、親水性微孔性ポリオレフィン基材を調製する方法であって、
1.微孔性ポリオレフィン基材を、親水化剤及び光開始剤の溶液と接触させるステップ、
2.接触させた基材を、グラフトポリマーを得るのに十分な強度及び時間でUVA照射するステップ、及びその後
3.未グラフト重合親水化剤を除去するステップを含み、
溶液中の光開始剤の濃度が、溶液中のその溶解度の限界付近である方法を提供する。
好ましくは、微孔性ポリオレフィン基材は、微孔性ポリオレフィンのシートである。より好ましくは、ポリオレフィンは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、及びポリメチルペンテンからなる群から選択される。最も好ましくは、ポリオレフィンは、ポリエチレンである。
好ましくは、溶液は、40〜60%(v/v)のアセトン水溶液である。より好ましくは、溶液は、50%(v/v)のアセトン水溶液である。
好ましくは、UVA照射は、5分間以下の時間で行われる。
好ましくは、未グラフトポリマーの除去は、水で洗浄することにより行われる。より好ましくは、未グラフトポリマーの除去は、40〜50℃の温度の水で洗浄することにより行われる。
微孔性ポリオレフィン基材を、1:1(v/v)アセトン−水溶液中の1%(w/v)光開始剤及び6%(w/v)親水化剤の溶液と接触させる。その後、接触させた基材に、ピーク波長が368nmのUVAを最大5分間照射する。最後に、照射した基材を、大量の水の中で超音波を用いて洗浄し、その後水に浸漬する。接触させた基材の照射を、溶液中で(基材表面で乾燥状態ではなく)光開始剤を用いて行った場合、より小さな接触角が達成可能であったことが観察された。
フーリエ変換赤外分光法(FTIR)
単回反射ATR及びダイヤモンド結晶を備えたThermo Electron社製Nicolet8700 FTIR分光計を使用して、試料のスペクトルを記録した。全ての試料で、平均32回のスキャンを4cm−1の分解能で行った。
Causserand及びAimar(2010)の文献に記載のキャプティブバブル法を使用して、非対称複合膜の表面の接触角を決定した。試料を、分析する表面を下にして脱イオン水に浸漬した。注射器を使用して、試料の下表面に気泡を閉じ込めた。気泡の画像を取得し、その幾何学的パラメータから接触角を算出した。
2.0MPa(20bar)から開始し、0.4MPa(4bar)単位で繰り返し減少させた種々の圧力下で、脱イオン水でのフラックスを測定することにより、透過率を決定した。その後、フラックスJVを、膜前後の有効圧力差peff、及び透過率の傾きLp対してグラフにした。
また、異なる環境で耐久性を評価するために、30%(w/v)水酸化カリウム(「アルカリ環境」)又は33%(w/v)塩酸(「酸環境」)のいずれかの水溶液に60〜70時間浸漬した試料でも試験を実施した。
1.6MPa(16bar)の供給圧力下で2g/Lの溶液を使用して、塩化ナトリウム排除率を測定した。供給材料及び透過分の導電率を比較した。
透過分が膜から流れ始めるまで供給材料の圧力を徐々に増加させることにより、乾燥膜のバブルポイントを決定した。
試料A〜DのFTIRスペクトルに見られたピークは、概して、未修飾ポリオレフィン基材(CELGARD(商標)K2045、Celgard LLC社)のFTIRスペクトルに観察されたピークと比較して、非常に小さかった(図1を参照)。しかしながら、試料Cのエステル基及びカルボニル基は、明白に識別可能であった。試料A及び試料Dのヒドロキシル基ピークは、かろうじて確認可能であった。試料BのFTIRスペクトルは、識別不能であった。
非対称複合膜の調製
親水性微孔性ポリ(エチレン)(μPE)のシートを、推定架橋スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)(sPEEK)のフィルムに接着することにより、膜を調製する。2つのポリマーの相互貫入により接着が強化される。実験室では、以下の方法に従って膜を調製することができ、この膜では、親水性μPEのシートは、名前に関しては「裏打ち層」と呼ばれ、推定架橋sPEEKのフィルムは、名前に関しては「排除層」と呼ばれる。(裏打ち層は、その代わりに「支持層」と呼ばれる場合があり、排除層は、その代わりに「バリア層」と呼ばれる場合がある。)本方法には、非対称複合膜の連続生産に応用可能であるという利点がある。本方法は、単一試料の調製に関して詳細に記載されている。
ポリ(エーテルエーテルケトン)(PEEK)(VICTREX(商標)450P、Victrex社、英国)を、70℃にて8時間、濃硫酸(95%)中で加熱することによりスルホン化した。スルホン化PEEK(sPEEK)を、氷水中に沈降させ、数回洗浄した後、真空オーブンで乾燥させた。理論により束縛されることは望まないが、濃硫酸中に存在する少量の水により、スルホン架橋の形成に起因する架橋が防止されると考えられる。Drioliら(2004)の文献に開示されている方法の変法に従って滴定することにより、sPEEKのスルホン化度を決定した。sPEEKを、3Mの塩化ナトリウム(NaCl)溶液で3日間浸出させ、得られた溶液を、指標としてフェノールフタレインを使用して、0.2Mの水酸化ナトリウム(NaOH)溶液で滴定した。その後、69%のDSを有するある量のsPEEK(0.2g)を、ある体積のジメチルアセトアミド(DMAc)(2.7mL)に添加し、透明ないしわずかに濁った分散系が得られるまで超音波処理した。
xsPEEKのフィルムを接着するsμPEのシートを、微孔性ポリ(エチレン)(μPE)の既に形成されているシートから調製した。μPEシートの形成は、例えば、Fisherら(1991)及びGillberg−LaForce(1994)の文献に記載されている。本研究では、既製のμPEシート(厚さ20μm、多孔度45%、平均細孔直径0.08μm)(CELGARD(商標)K2045、Celgard LLC社)を、親水化剤として1%(w/v)ベンゾフェノン及び6%(w/v)4−エテニル−ベンゼンスルホン酸(ナトリウム塩として)(SSS)の1:1(v/v)アセトン−水中の溶液と接触させた。この溶液は、ベンゾフェノンをアセトンと混合した後、水を添加し、その後、親水化剤を添加することにより調製した。SSSを使用すると、この親水化剤を使用して調製した膜の塩素耐性がより高いため、より好ましい。この利点は、親水化裏打ち層及び非対称複合膜の調製の両方に該当する。
溶液と接触させたμPEシートを、半硬化フィルム(形成初期の「排除層」)の上部にのせた。その後、上記溶液と接触させたμPEと推定xsPEEKの半硬化フィルムとの複合材を、50mmの距離で0.1mWm−1のUVA蛍光灯(368nm)に上述のように曝露したが、時間は210秒間に限定した。その後、UVA照射複合材を、60℃のオーブンで30分間乾燥させて、フィルムとシートの接着を促進してから、2%(w/w)水酸化ナトリウムの溶液に浸漬して、又はガラス板上で硬化させた場合は、膜が剥離し表面に浮遊するまで(典型的には、10〜15分間)、室温のウォーターバスに膜を浸漬して、複合膜をアルミニウムホイルから剥離させた。形成初期の排除層をステンレス鋼表面上で硬化させた場合は、水に一晩浸漬することが必要となる場合がある。AMPS、SSS、及びその他のモノエテニル親水化剤の構造は、表1に示されている。評価の前に、実験室で調製した複合膜を、50℃にて大量の脱イオン(DI)水ですすいだ。
図13に図示されているタイプの逆浸透(RO)フィルターアセンブリを使用して、非対称複合膜の性能を評価した。非対称複合膜の部分(1)を、蒸留水に浸漬することにより予め湿潤させ、その後、フィルターアセンブリ筺体の下半分(3)に位置する粗支持体メッシュ(2)に配置し、任意選択でシム(4)を間に挟んだ。この部分を、非対称複合膜の排除層と共に下向きに配置した。フィルターアセンブリ(6)筺体の上半分に位置する微細メッシュ(5)を、非対称複合膜の部分(1)の上部表面の上方に配置した。フィルターアセンブリを封止リング(7及び8)で密封し、6.0MPa(60Bar)に加圧した液圧プレスに保持した。フィルターアセンブリ筺体(3)の下半分の入口ポート(9)は、供給材料リザーバ(非表示)と流体連通しており、そこから供給流をある速度でポンプ送液(425rpm)して、圧力計(10)で測定される供給流圧力を維持した。透過分を、フィルターアセンブリ筺体(6)の上半分にある出口ポート(11)からメスシリンダー(非表示)に収集した。収集は、膜の事前湿潤に由来する水又は以前に使用した供給流に由来する透過分を排除するため、透過分が出口ポート(11)から排出され始めてから少なくとも5分後に開始した。およそ2L/分の流速が得られた。
商業処理運転を模倣するために、供給流としてミルクを使用し終わったらその度に、非対称複合膜を「定置洗浄」(CIP)プロトコールにかけた。CIPプロトコールは、逆浸透(RO)膜の商業処理運転に使用されているプロトコール(Anon(2014)に基づいていた。これは、表7に要約されている。CIPプロトコールは、供給流としてミルクの使用と交互に繰り返した。供給流としてのミルクの各交互使用毎に供給材料及び透過分から試料を採取し、反復CIPプロトコールに起因する膜性能のあらゆる劣化を判定した。また、次亜塩素酸ナトリウムを含むCIPプロトコールに対する耐性について、非対称複合膜を評価した(表8)。
1.供給流として水又は全乳を用いて30分間平衡化した後の初期フラックス速度、
2.脂肪、ラクトース、及びタンパク質の排除率レベル、
3.全固形分含有量、
4.塩(NaCl又はNa2SO4)保持率、及び
5.スクロース保持率。
・試料1
試料は、ステップ1及びステップ6も35℃で実施されたことを除き、表8に示されているスケジュールに従って反復CIPプロトコールにかけた。3回のCIPプロトコール後に最大の全固形分排除率(標準ミルク)が観察され、4〜5回のCIPプロトコール後にフラックス及び全固形分排除率が安定した(図14)。反復CIPプロトコールに曝された試料の表面を顕微鏡検査すると、膜の結晶化度が増加したことが示された。その後の試料調製に使用した光開始剤ベンゾフェノン(BP)の濃度を増加させると、こうした観察の再現性が向上することがわかった。
試料を、表7(10回)及び表8(12回)に示されているスケジュールに従って反復連続CIPプロトコールにかけた。その後、試料を数日間乾燥させてから、更なるCIPプロトコールにかけた。ラクトース排除率は、連続CIPプロトコールの全体にわたって高率を維持し、わずかな性能低下は、試料の乾燥後に回復可能であった(図15)。
試料を、表8に示されているスケジュールに従って反復CIPプロトコール(25回)にかけた。試料1で得られたものと同等の全固形分排除率(標準ミルク)が観察された。フラックスは変動がより大きいことが観察された(図16)。
試料を反復CIPプロトコール(17回)にかけた。全固形分排除率は許容できない低下を示した(図17)。この試料の許容できない性能は、排除層の調製に使用したsPEEKのDSが高いこと(80%超)に起因するものであった。
1.6MPa(16bar)の定圧で長時間(18時間)にわたって新鮮な生乳から透過分を回収した際の、試料の性能を評価した。既存の商業運転と同等の性能が観察された。
この試料は、排除層の調製に架橋剤及び親水化剤を両方とも含有させることによりもたらされる利点を実証するために調製した。表8に示されているスケジュールによる単回CIPプロトコール前後の試料の性能を、試料1の性能と比較した。全固形分排除率に関する後者の性能は向上したが、試料6の性能は低下した。試料の耐久性不良は、複合膜の裏打ち層及び排除層のポリマーの架橋及び相互貫入の非存在に起因する。
これら試料は、排除層の調製に使用するSPEEKの割合が性能に及ぼす影響(親水化剤SSSの非存在下で)を評価するために調製した。使用したSPEEKの割合と塩化ナトリウム排除率との間の非線形関係は、膜電場勾配及び対応する荷電化学種の排除率の増加予測と一致する(図20)。最適なラクトース排除率及び全固形分排除率は、sPEEK:DVBのモル比が0.6の試料で得られた(図21及び22)。最適なフラックスをもたらしたsPEEK:DVBのモル比は、供給流に依存した(図23)。水の場合、フラックスは、モル比が最も低い0.3を有する試料で最も高かった。ミルクの場合、フラックスは、モル比がより低い試料で最も高かった。両方の供給流において、sPEEK:DVBの高いモル比は、高いフラックスと両立しなかった。
排除層を調製する際に高い(80%超の)固形分を使用して、試料を調製した。加えて、SSSの代わりにHEMAを親水化剤として用いた。これは、後者のメタノールへの溶解度が不良であるためであった。10分間の長期硬化時間を使用した。2.0MPa(20bar)圧力下では、試料は、同等の塩化ナトリウム排除率を示した(図24)が、フラックスはごくわずかな程度であった(図25)。
裏打ち層として未修飾μPEを使用して、試料を調製した。これには、排除層配合の溶媒としてアセトン/水の使用が必要であった。この溶媒の使用に応じて、sPEEKの割合を低減し、SSSの割合を増加させ、全固形分を6%(w/w)にした。硬化は、5分間の硬化期間中にアセトンがフラッシュ蒸発するのを防止するために、密封したポリエチレンバッグ中で実施した。フラックス及び塩化ナトリウム排除率及びスクロース排除率に関する2.0MPa(20bar)での試料性能は、グラフト親水化裏打ち層を使用して調製した類似の試料の性能と比較して、不良であった。
Claims (5)
- 親水性微孔性ポリオレフィンのシートに接着されている架橋スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)のフィルムから本質的になる非対称複合膜。
- 前記架橋スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)のフィルムが、架橋スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)の相互貫入フィルムである、請求項1に記載の膜。
- 供給流から水を除去する方法であって、請求項1又は2に記載の非対称複合膜の一方の側を、前記非対称複合膜の他方の側に透過分を生成するのに十分な圧力及び温度で、前記供給流と接触させるステップを含む方法。
- 前記供給流が乳製品である、請求項3に記載の方法。
- 前記供給流が全乳である、請求項4に記載の方法。
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