JPH0299121A - 有機物混合液の浸透気化分離方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、有機物（を機化合物）が溶解している有機
溶媒溶液などの有機物混合液を、特定の可溶性芳香族ポ
リイミドからなる耐熱性の非対称性分離膜と直接に接触
させて、有機物混合液中の少なくとも一種の有機物が、
前記非対称性分離膜内を選択的に浸透・透過されること
によって、前記非対称性分離膜を選択的に透過した前記
有機物を蒸気として分離して回収する有機物混合液の浸
透気化分離方法（パーベーパレーション法）に係る。

〔従来技術の説明〕

従来、有機物混合液を各成分に分離する方法として、蒸
留法が知られている。しかし、蒸留法では、共沸混合物
、あるいは近沸点混合物、熱で化学変化を起こし易い有
機化合物を分離することは、極めて困難であった。

これらの問題点を解決するために、分離膜を用いて分離
する方法が研究されている。分離膜を用いて有機物水溶
液を濃縮、分離する方法において、一部の低濃度の有機
物水溶液の濃縮に対しては、有機物水溶液を分離膜と接
触させて特定の液状成分を浸透圧の差で選択的に透過さ
せる逆浸透法が用いられてきた。しかしながら、逆浸透
法は分離液の浸透圧以上の圧力を加える必要があるため
に、浸透圧が高くなる高濃度の有機物水溶液について適
用できないのであり、従って分離可能な有機物水溶液の
濃度範囲に限界がある。

最近、従来の分離法と異なる有機物混合液の分離法とし
て、浸透気化法（パーベーパレーション法）が、新しい
分離膜使用の分離法として、注目されつつある。この浸
透気化法は、選択透過性を有する分離膜の一方の側（供
給側）に、分離されるべき有機物混合液を液状のままで
供給し、分離膜の供給側と直接に接触させ、分離膜の他
方の側（透過側）を真空又は減圧状態となし、その結果
、分離膜の供給側から透過側へ選択的に透過する物質を
気体状で取り出し、有機物混合液を濃縮したり、各有機
物を分離する方法である。

前述の浸透気化法についは、従来、多くの提案がなされ
ている。

例えば、ベンゼン−シクロヘキサン混合溶液、又は、ベ
ンゼン−ヘキサン混合溶液の分離については、特開昭５
２−１１１８８８号公報に、アイオノマー系高分子膜を
使用する分離方法、特開昭５９−３０４４１号公報に、
ポリアミド膜を使用する分離方法が例示されている。

しかしながら、公知の有機物混合液の分離方法では、パ
ーベーパレーション法に使用されている分離膜は、透過
速度が小さかったり、有機物混合液中の少なくとも一種
の有機物を選択的に透過させることが充分にできないよ
うな選択分離性しか有していなかったりするという問題
点、あるいは、公知のパーベーパレーション法に使用さ
れている分離膜は、耐熱性、または、耐溶剤性が充分で
はなく、種々の有機物混合液の浸透気化法による分離を
工業的に長時間、実施することが極めて困難であった。

〔解決すべき問題点〕

この発明の目的は、非対称性分離膜を使用する有機物混
合液の浸透気化法において、公知の浸透気化法における
欠点もなく、有機物混合液から少なくとも一種の有機物
を、効率的および選択的に浸透気化法で分離することが
でき、しかも、工業的に長期間実施できる浸透気化分離
方法を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、ビフェニルテトラカルボン酸類を７０モル
％以上含有する芳香族テトラカルボン酸成分と、９，１
０−ジ（アミノフェニル）アントラセン類を含有率１５
モル％より多い割合で含有していてしかも残部がベンゼ
ン環を２〜３個有する芳香族ジアミン化合物である芳香
族ジアミン成分とから得られた可溶性芳香族ポリイミド
からなる耐熱性の非対称性分離膜の片面に、有機物混合
液を直接に接触させて、有機物混合液中の少なくとも一
種の有機物が、前記非対称性分離膜内を選択的に浸透・
透過されることによって、前記非対称性分離膜を透過し
た有機物を蒸気として分離することを特徴とする有機物
混合液の浸透気化分離方法に関する。

以下、この発明の各要件についてさらに詳しく説明する
。

本発明の浸透気化分離方法において使用する非対称性分
離膜を形成している可溶性芳香族ポリイミドは、 （Ａ）ビフェニルテトラカルボン酸類を、全芳香族テト
ラカルボン酸成分に対して７０モル％以上、好ましくは
８０モル％以上、特に好ましくは９０〜１００モル％含
有する芳香族テトラカルボン酸成分と、 （Ｂ　）　（ａ）　９．１０−ジ（アミノフェニル）ア
ントラセン類が全芳香族ジアミン成分に対する含有率１
５モル％より多い割合、好ましくは２５〜１００モル％
の割合で含有されており、しかも、 （ｂ）芳香族ジアミン成分の残部がベンゼン環を２〜３
個有する芳香族ジアミン化合物である 芳香族ジアミン成分と から重合およびイミド化によって得られた、フェノール
系の有機溶媒などに可溶性である高分子量の芳香族ポリ
イミドである。

前記の芳香族ポリイミドは、例えば、芳香族テトラカル
ボン酸成分と、芳香族ジアミン成分とを、フェノール系
有機溶媒中に均一に溶解させて、その溶液を約１５０〜
２５０″Ｃの高温に加熱するか、あるいは、約１０〜１
００°Ｃ程度の低温でイミド化剤の存在下に反応させる
かして、前記溶液中の両成分を重合およびイミド化する
ことによって生成することができる。

前記のビフェニルテトラカルボン酸類としては、２．３
．３″、４゛−又は３，３°、４，４“−ビフェニルテ
トラカルボン酸又はそれらの酸二無水物、あるいは、そ
れらの酸の塩または低級アルコールエステル化物等を挙
げることができる。

前記の芳香族テトラカルボン酸類としては、特に、２．
３，３“、４°−または３．３’、４．４”−ビフェニ
ルテトラカルボン酸二無水物が、芳香族ポリイミドを製
造する上で好ましい。

この発明において、９，１０−ジ（アミノフェニル）ア
ントラセン類としては、−Ｓ式 で示される芳香族ジアミン化合物であればよい。

前記の９，１０−ジ（アミノフェニル）アントラセン類
としては、９．１０−ビス（４−アミノフェニル）アン
トラセン、９．１０−ビス（３−アミノフェニル）アン
トラセン、９−（４−アミノフェニル）−１０−（３−
アミノフェニル）アントラセンなどを挙げることができ
る。

前記の芳香族テトラカルボン酸成分は、ビフェニルテト
ラカルボン酸類と共に、ピロメリット酸又はその酸二無
水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）
プロパン又はその酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボ
キシフェニル）メタン又はその酸二無水物、３，３”、
４．４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸又はその酸
二無水物、あるいは、３．３’　、４．４−ジフェニル
エーテルテトラカルボン酸又はその酸二無水物を少ない
割合で共用されてもよい。

前記の芳香族ポリイミドの製法において、テトラカルボ
ン酸成分中のビフェニルテトラルボン酸類の含有割合が
余りに少なくなり過ぎると、得られる芳香族ポリイミド
は、フェノール系有機溶媒に対して溶解性の低いものと
なったり、品質の安定した非対称性分離膜を製造するこ
とができなくなったり、得られた非対称性分離膜の浸透
気化法における分離性能が劣るので好ましくない。

前記の芳香族ポリイミドの製法において、９，１０ジ（
アミノフェニル）アントラセン類と共に、使用される「
ベンゼン環を２〜３個有する芳香族ジアミン化合物」と
しては、４，４゛−ジアミノジフェニルエーテル、３．
４’−ジアミノジフェニルエーテルなどのジアミノジフ
ェニルエーテル類、Ｏ−ジアニシジン、０−トリジン、
ｍ−トリジンなどのジアミノビフェニル類、ジアミノジ
フェニルチオエーテル類、ジアミノジフェニルスルホン
類、ジアミノジベンゾチオフェン類、ジアミノチオキサ
ンチン類、ジアミノジフェニルアルカン（メタンまたは
プロパン）類などのベンゼン環を２個有する芳香族ジア
ミン化合物、あるいは、ビス（アミノフェノキシ）ベン
ゼン類、ビス（アミノフェニル）ベンゼン類などのベン
ゼン環を３個有する芳香族ジアミン化合物を挙げること
ができる。

なお、芳香族ジアミン成分は、ｍ−フェニレンジアミン
、ｐ−フェニレンジアミンなどのフェニレンジアミン、
３，５−ジアミノ安息香酸、２，４−ジアミノ安息香酸
、それらの安息香酸のエステル化物などのジアミノ安息
香酸類などの？ベンゼン環を１個有する芳香族ジアミン
化合物」などが少い割合（１０モル％以下）で含有され
ていてもよい。

この発明においては、特に、３．３’　、４．４’−ビ
フェニルテトラカルボン酸類を７０モル以上含有する芳
香族テトラカルボン酸成分を使用する場合には、９，１
０−ジ（アミノフェニル）アントラセン類を含有率１５
モル％より多い割合であって９０モル％より少ない割合
で、特に２０〜８０モル％の割合で含有していて、しか
も残部がベンゼン環を２〜３個有する芳香族ジアミン化
合物である芳香族ジアミン成分を使用して、重合および
イミド化によって得られた可溶性芳香族ポリイミドから
なる耐熱性の非対称性分離膜を使用することが好ましい
。

この発明において使用される前述の芳香族ポリイミドか
らなる非対称性分離膜は、芳香族ポリイミドのフェノー
ル系溶媒溶液を使用して、その溶液の薄膜（平膜状、中
空糸状）を、流延法、押出し法などによって形成し、次
いで、その薄膜を比較的低温の凝固液と接触させてその
薄膜を凝固させて平膜状又は中空糸状の非対称性分離膜
を形成する湿式製膜法で製造することができ、例えば、
特開昭５６−２１６０２号、特開昭５６−１５７４３５
号公報などに記載されているような従来公知の製膜方法
によって製造することができる。

前記の非対称性分離膜の製造法において、湿式製膜法で
製造された非対称性分離膜は、適当な有機溶媒（例えば
、メタノール、エタノール、プロパツール、ブタノール
などの低級アルコール類、および、ｎ−ヘキサン、ｎ−
へブタン、オクタン、シクロヘキサンなどの脂肪族又は
脂環式炭化水素溶媒など）で洗浄し、さらに、充分に乾
燥した後、さらに、窒素、空気などの気体の雰囲気下、
約１５０〜４２０°Ｃ１特に１８０〜４００°Ｃの温度
で０、１〜５時間程度の熱処理することが適当である。

この発明で使用する非対称性分離膜は、有機物混合液を
使用して浸透気化分離を行った場合に、選択的に透過す
る有機物の透過速度Ｑが、約０．１ｋｇ　／　％　・Ｈ
ｒ以上、特に約０．２〜５　ｋｇ／　ｒｒｆ　・Ｈｒ程
度であって、透過した有機物と透過しなかった有機物と
の分離性能（後述べる分離係数α）が、５以上、特に１
０〜６０００であることが好ましい。

この発明の浸透気化分離方法は、 （ａ）　　前述の芳香族ポリイミドからなる非対称性分
離膜（平膜状、中空糸状）が内蔵されている分離膜モジ
ュールに、有機化合物混合液を供給し、そして、有機物
混合液を分離膜モジュール内の前記非対称性分離膜の供
給側と直接に接触させ、（ｂ）　　前記非対称性分離膜
の透過側を、必要であれば、キャリヤーガス（スィーブ
ガス）を流しながら、あるいは、分離膜モジュールの外
部に設置された減圧ポンプなどと連結して減圧状態とし
ておき、前記の供給された有機物混合液から、前記非対
称性分離膜を介して、少なくとも一種の有機物を選択的
に浸透・透過させて気化させて分離し、（Ｃ）　　最後
に、前記の非対称性分離膜の未透過側（供給側）から分
離膜モジュールの外部へ、前記分離膜を透過しなかった
濃縮された残部の有機物の溶液を取り出して回収し、同
時に、非対称性分離膜の透過側から分離膜モジュールの
外部へ、前記の分離膜を選択的に透過した有機物の透過
蒸気（透過物）を取り出し、必要であればその透過蒸気
（透過物）を冷却し凝縮して回収するのである。

この発明では、分離膜モジュールへ供給される有機物混
合液は、約０〜１２０°Ｃ１特に好ましくは２０〜１０
０°Ｃ程度の温度であることが好ましい。

この発明の分離法では、分離方法に適用される圧力が、
通常、分離膜の透過側の圧を供給側の圧よりも低圧とし
、供給側の圧を大気圧〜６０ｋｇ／ｄ、好ましくは大気
圧〜３０ｋｇ／ｃｆｆｌとすることが好ましい。

前記の分離膜モジュール内の非対称性分離膜の透過側は
、有機物混合液の浸透気化分離を行う際に、スイープガ
スを流すか、または、減圧状態とすればよいが、その減
圧状態は、大気圧より低圧となっていればよく、特に好
ましくは約２００トール以下、さらに好ましくは１００
トール以下に減圧されていることが好ましい。

この発明における有機物混合液の浸透気化方法を適用す
ることができる有機物混合液としては、種々の有機物の
組み合わせがあるが、例えば、各有機物に共沸点が存在
するために通常の蒸留法では分離できない有機物同士の
混合物、各有機物の沸点が相互に接近しているために蒸
留分離が非常に難しい有機物同士の混合物の場合などに
特に有効である。

また、有機物混合液はその全てが相互に均一に溶解して
いてもよいし、一部が溶解度を越えて分離して懸濁状態
になっていてもかまわない。ただし、有機物を含む混合
液は、その混合状態で浸透気化分離を行う際の温度およ
び圧の条件下において、液状であることが必要である。

共沸点が存在する有機物の混合液としては、例えば、ベ
ンゼン／シクロヘキサン、ベンゼン／ノルマルヘキサン
、メタノール／アセトン、ベンゼン／メタノール、アセ
トン／クロロホルム（トリクロロメタン）、エタノール
／シクロヘキサン、ブタノール／シクロヘキサン、クロ
ロホルム／ノルマルヘキサン、エタノール／ベンゼン、
エタノール／トルエン、キシレン異性体混合液などを挙
げることができる。

また、沸点の差が約２０°Ｃ以下、特に１０°Ｃ以下で
あって沸点が相互に近接している有機物混合液としては
、例えば、エチルベンゼン／スチレン、パラクロルエチ
ルベンゼン／パラクロルスチレン、トルエン／メチルシ
クロヘキサン、ブタジェン／ブテン類、ブタジェン／ブ
タン類、ノルマルブテン−１／イソブチンなどが挙げら
れる。　前記の有機物混合液は、上記のような二成分系
の混合液ばかりでなく、三成分系以上の多成分系の混合
液であっても適用することが可能である。

本発明の浸透気化分離法では、前記の有機物混合液の組
成比は、特に限定されるものではなく、任意の割合の有
機物の混合液を分離又は濃縮することができる。

前記の分離膜モジュールの構造、形式などは、特に限定
されるものではないが、例えば、特に限定されるもので
はないが、プレートアンドフレーム型モジュール、スパ
イラル型モジュール、中空糸膜型モジュールなどである
ことが好ましい。

〔実施例〕

以下、この発明の浸透気化分離法に関する実施例、およ
び比較例を示し、さらに詳しくこの発明を説明する。

実施例および比較例において、透過速度Ｑおよび分離係
数αは、膜を透過した気化成分を冷却・凝縮させて採集
し、その重量を測定し、そして、凝縮液中に内部標準液
を加え、ＴＣＤ−ガスクロマトグラフィーによって有機
物ＸおよびＹの重量比が測定され、次に示す計算式によ
って算出された。

参考例において、芳香族テトラカルボン酸成分および芳
香族ジアミン成分に使用される各化合物の略記号を以下
に示す。

〔テトラカルボン　Ｊへ〕

５−ＢＰＤＡ　；　３，３’、４．４’−ビフェニルテ
トラカルボン酸二無水物 ａ−ＢＰＤＡ　；　２＋３＋３’＋４’−ビフェニルテ
トラカルボン酸二無水物 ＥＴＤＡ　　；　　３，３”、４，４”−ジフェニルエ
ーテルテトラカルボン酸二無水物 〔　　　ジアミン成分　〕 ＡＤＡ　　；　９，１０−ビス（４−アミノフェニル）
アントラセン ＤＡＤＥ　；　４，４’−ジアミノジフェニルエーテル
参考例１〜３ 第１表に示す仕込み比（組成　モル％）からなる酸成分
とジアミン成分とを略等モル使用して、パラクロフェノ
ールの有機極性溶媒中で、第１表に示す重合温度および
重合時間で、重合およびイミド化して芳香族ポリイミド
溶液を製造した。

前述のようにして生成した各芳香族ポリイミド溶液のポ
リマー濃度および溶液粘度（１００°Ｃの回転粘度；ポ
イズ）を第１表にそれぞれ示す。

前述のようにして得られた芳香族ポリイミド溶液を使用
して、中空糸紡糸ノズルから、気体中を経由して、第１
表に示す組成の凝固液（アルコール水溶液、０゛Ｃ）中
に中空糸状体を押し出し、中空糸の引取り速度１０ｍ／
分で引き取ることによって中空糸を形成する半乾式の湿
式製膜法を行った後、アルコールおよび脂肪族炭化水素
で洗浄し、乾燥して第１表に示す熱処理温度で３０分間
処理して、第１表に示す形状（中空糸の内径および膜厚
）を有する芳香族ポリイミドからなる非対称性の中空糸
分離膜をそれぞれ製造した。

実施例１〜５ 各参考例で製造された長さ７．５　ｃｍの非対称性中空
糸分離膜を４本束ねて糸束を形成し、その糸束の一方の
端部をエポキシ樹脂で封止し、中空系束エレメントを作
成し、有機物混合液を供給する導入口と、未透過物の取
り出し口および透過物の取り出し口を有する容器内へ前
記中空系束エレメントを内設して、分離膜モジュールを
製造した。

前記の分離膜モジュールへ第２表に示す組成、および温
度の有機物混合液を供給し、分離膜モジュール内の中空
糸エレメントの中空糸内部を３トール以下の減圧状態で
、浸透気化を行い、透過物蒸気を冷却し、回収した。

その浸透気化における透過速度Ｑおよび各を機動の分離
係数αを第２表に示す。

実施例６ 参考例２（１）で製造した非対称性中空糸分離膜を、ベ
ンゼンとシクロヘキサンとの混合液（重量比１：ｌ）か
らなる処理溶剤中で、１５０″Ｃで２０時間浸漬する処
理を行った。

前述の処理を行った各非対称性中空糸分離膜を３０゛Ｃ
で２０時間乾燥した後、実施例１と同様にして、分離膜
モジュールをそれぞれ製造し、各分離膜モジュールにつ
いて第２表に示す有機物混合液での分離性能を測定した
。

その結果を第２表に示す。

比較参考例１ ピロメリット酸二無水物６０ミリモル、４．４“−ジア
ミノジフェニルエーテル６０ミリモル、Ｎメチル−２−
ピロリドン２００ｇを、三ツ口のセパラブルフラスコに
入れて、窒素ガスの流通を行い、撹拌しながら２０°Ｃ
で１０時間、重合反応させて、ポリアミック酸を生成さ
せ、さらに、この反応液にＮ−メチル−２−ピロリドン
２００ｇと、ピリジン２７ｇと無水酢酸３５ｇを加えて
強く攪拌しながら徐々に８０°Ｃまで昇温し、８０°Ｃ
で１時間維持し、ポリマーをイミド化させて、ポリイミ
ドを析出させた。さらに、この反応液にエタノールを加
えて、ポリマーを完全に沈澱させ、濾別し、最後にエタ
ノール洗浄をして、さらに、減圧下に乾燥して、ポリイ
ミド粉末を得た。

このポリイミド粉末を、ｐ−クロルフェノール、Ｎ−メ
チル−２−ピロリドン、または、Ｎ、　　Ｎジメチルア
セトアミドにそれぞれ添加して、その混合液を加熱して
、ポリイミド粉末を前記の溶媒に溶解させようとしたが
、実質的に、前記ポリイミドの溶液を調製することがで
きなかった。

したがって、前記のピロメリット酸二無水物を使用して
得られた芳香族ポリイミドからは、非対称性分離膜を製
造することができなかった。

比較参考例２〜４ ３．３’、４．４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無
水物と、パラフェニレンジアミン（比較参考例２）、２
．５−ジメチル−パラフェニレンジアミン（比較参考例
３）または２，６−ジアミツビリジン（比較参考例４）
とをそれぞれ当モル使用して、実施例１と同様にして、
パラクロフェノールの有機極性溶、媒中、重合温度１８
０°Ｃで、６時間重合したが、芳香族ポリイミドがそれ
ぞれ析出した。それらの芳香族ポリイミド粉末はそれぞ
れいずれの有機溶媒にも実質的に溶解せず、均一なポリ
マー溶液を調製することができなかった。

比較例１ 芳香族ポリイミド（ジェネラル・エレクトリック社、商
品名；ウルテム）１０重量部、Ｎ−メチル−２−ピロリ
ドン４０重量部、およびテトラヒドロフラン５０重量部
をセパラブルフラスコに入れ、攪拌して、均一なポリマ
ー溶液を調製した。

前記のポリマー溶液を平滑なガラス板上にドクターナイ
フで厚さ０．２　ｍｍに流延し、ガラス板ごと蒸留水中
に１時間浸漬して、非対称性分離膜を形成させ、最後に
ガラス板から前記の非対称性分離膜を剥離した後、３０
°Ｃで乾燥させて、非対称性分離膜を製造した。

前記の非対称性分離膜を、バーベーパレイジョン法によ
って、クロロホルムとｎ−ヘキサンとを当量含有する有
機物混合液の分離を行った。

前記の非対称性分離膜は、前記のを機動混合液によって
膨潤して、安定な分離性能を測定することができなかっ
た。

〔本発明の作用効果〕

この発明の分離法は、特定の芳香族ポリイミド類の非対
称性分離膜を用いる浸透気化法に係わる分離法であるの
で、種々の有機物の混合液の分離、濃縮に使用すること
ができ、そして、広範囲な濃度の有機物混合液について
使用可能であって、しかも、充分な耐熱性、耐水性、耐
溶剤性および耐久性を有しており、さらに、高い分離性
能を有する特定のポリイミド類の非対称性膜を使用して
いるので、長時間、安定した浸透気化法による分離を行
うことができる。

特許出願人　　宇部興産株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ビフェニルテトラカルボン酸類を７０モル％以上含有す
   る芳香族テトラカルボン酸成分と、９，１０−ジ（アミ
   ノフェニル）アントラセン類を含有率１５モル％より多
   い割合で含有していてしかも残部がベンゼン環を２〜３
   個有する芳香族ジアミン化合物である芳香族ジアミン成
   分とから得られた可溶性芳香族ポリイミドからなる耐熱
   性の非対称性分離膜の片面に、有機物混合液を直接に接
   触させて、有機物混合液中の少なくとも一種の有機物が
   、前記非対称性分離膜内を選択的に浸透・透過されるこ
   とによって、前記非対称性分離膜を透過した有機物を蒸
   気として分離することを特徴とする有機物混合液の浸透
   気化分離方法。