JPH0773666B2 - Membrane separation and concentration method of alcoholic aqueous solution - Google Patents

Membrane separation and concentration method of alcoholic aqueous solution

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JPH0773666B2
JPH0773666B2 JP4086288A JP8628892A JPH0773666B2 JP H0773666 B2 JPH0773666 B2 JP H0773666B2 JP 4086288 A JP4086288 A JP 4086288A JP 8628892 A JP8628892 A JP 8628892A JP H0773666 B2 JPH0773666 B2 JP H0773666B2
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lysine
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純男 山田
勤 仲川
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】本発明は、メタノール、エタノール、プロ
パノール、ブタノールなどの水溶性アルコールを溶解し
たアルコール水溶液をポリアミノ酸誘導体膜を用いてパ
ーベーパレーション膜分離法により全濃度領域にわたっ
て脱水、濃縮する方法に関する。
The present invention relates to a method of dehydrating and concentrating an aqueous alcohol solution in which a water-soluble alcohol such as methanol, ethanol, propanol or butanol is dissolved by a pervaporation membrane separation method using a polyamino acid derivative membrane over the entire concentration range.

【0002】[0002]

【産業上の利用分野】均一な混合溶液の中から特定の化
合物を分離する方法は種々知られており、蒸留、抽出、
吸着、イオン交換、晶析など色々な方法があり、工業的
にも広く用いられている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Various methods for separating a specific compound from a homogeneous mixed solution are known, and distillation, extraction,
There are various methods such as adsorption, ion exchange, and crystallization, and they are widely used industrially.

【0003】[0003]

【従来の技術及びその問題点】しかしながら、有機物質
の代表的な物質分離法である蒸留法では、分離する過程
で一たん混合液から蒸気に相変換する必要があり、この
とき蒸発潜熱に多量の熱量を必要とし、典型的なエネル
ギー消費型の分離精製技術となっている。例えばエタノ
ールを水から分離する場合、沸点差は22.5℃あるもの
の、エタノールと水は水素結合によって会合しており、
この強い親和力を断ち切って効率的に分離するには多量
のエネルギーが必要である。またエタノール水溶液は9
5.5wt%の濃度では共沸するため、完全脱水エタノール
を製造することには、複雑な工程の共沸蒸留を行う必要
がある。したがって蒸留法でエタノールなどの有機溶媒
を脱水・濃縮するには、複雑な工程をとらなくてはなら
ないことと、多量のエネルギーを消費するという欠点が
あった。
However, in the distillation method, which is a typical method of separating organic substances, it is necessary to perform phase conversion from a mixed solution into vapor during the separation process. It requires a certain amount of heat and is a typical energy-consuming separation and purification technology. For example, when ethanol is separated from water, the boiling point difference is 22.5 ° C, but ethanol and water are associated by hydrogen bonds,
A large amount of energy is required to break off this strong affinity and separate efficiently. Also, the ethanol solution is 9
Since azeotropic distillation occurs at a concentration of 5.5 wt%, it is necessary to perform azeotropic distillation in a complicated process to produce completely dehydrated ethanol. Therefore, in order to dehydrate and concentrate an organic solvent such as ethanol by the distillation method, there are drawbacks that complicated steps must be taken and a large amount of energy is consumed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来法の多
エネルギー消費型分離法である蒸留法の欠点を克服し、
アルコール水溶液の脱水・濃縮を簡単な操作で、しかも
効率よく大量に処理しうる、かつ工業的に実施するのに
有利なアルコール水溶液の脱水・濃縮法を提供するため
になされたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes the drawbacks of the distillation method, which is a conventional multi-energy consuming separation method,
It was made to provide a method for dehydration / concentration of an alcohol aqueous solution, which is capable of efficiently performing a large amount of dehydration / concentration with a simple operation, and which is advantageous for industrial implementation.

【0005】第一次石油危機を端緒とした省エネルギー
化への強い要請と人工膜に関する科学技術の著しい進展
によって、蒸留を補い、あるいはそれに代わる新しい分
離・濃縮技術として、パーベーパレーション法による膜
分離技術が開発された。特にバイオマスのアルコール水
溶液の濃縮分離技術として大きな期待がかけられてい
る。パーベーパレーション法のもう一つの大きな応用分
野にアルコール水溶液などの含水有機溶媒の脱水・濃縮
がある。
Due to the strong demand for energy saving starting from the first oil crisis and the remarkable progress of science and technology on artificial membranes, pervaporation method is used as a new separation / concentration technology to supplement or replace distillation. Technology was developed. In particular, great expectations are placed on the technology for concentrating and separating the alcohol aqueous solution of biomass. Another major application field of the pervaporation method is dehydration / concentration of a water-containing organic solvent such as an alcohol aqueous solution.

【0006】この膜分離プロセスでは透過側を負圧にす
るための動力が必要であるが、共沸蒸留法で必要とされ
る多量の蒸発潜熱やエントレーナ回収のためのエネルギ
ーが不要であることから、省エネルギー的であることが
最大の特徴である。
In this membrane separation process, power is required to make the permeate side negative pressure, but a large amount of latent heat of vaporization and energy required for entrainer recovery required in the azeotropic distillation method are unnecessary. The biggest feature is energy conservation.

【0007】有機液体混合物の新たな分離プロセスとし
て注目されているパーベーパレーション膜分離法は米国
特許2953502 号明細書などに教示されているように分離
・濃縮法としていくつかの特徴をもっている。蒸留法な
どの従来法と比べて省エネルギー的であり、熱的に不安
定な物質の分離に適し、従来の方法では分離の困難な系
(共沸混合物や近沸点混合物)の分離に威力を発揮する
などが大きな特徴である。パーベーパレーション膜分離
法は、液体から蒸気への相変化という点では蒸留と同じ
過程をとるが、蒸発潜熱には燃料コストの掛からない廃
熱を利用しているという顕著な違いがある。またパーベ
ーパレーション膜分離法は膜内への溶解、膜中の拡散と
膜外への蒸発という3つのプロセスによって分離・濃縮
を行うわけで、これらの過程をうまく活用することによ
って将来蒸留法に代替できる高度な分離技術として、今
後いろいろな工業分野で広く応用されることが期待され
る。
The pervaporation membrane separation method, which is attracting attention as a new separation process for organic liquid mixtures, has some characteristics as a separation / concentration method as taught in US Pat. No. 2,953,502. It is more energy-saving than conventional methods such as distillation, and is suitable for separating thermally unstable substances, and is effective for separating systems (azeotropic mixtures and near-boiling mixtures) that are difficult to separate by conventional methods. It is a big feature. The pervaporation membrane separation method takes the same process as distillation in terms of phase change from liquid to vapor, but there is a notable difference in that the latent heat of vaporization uses waste heat which does not cost fuel. In addition, the pervaporation membrane separation method separates and concentrates by three processes of dissolution in the membrane, diffusion in the membrane, and evaporation to the outside of the membrane, and by making good use of these processes, it will be used in the distillation method in the future. It is expected that it will be widely applied in various industrial fields in the future as an alternative high-level separation technology.

【0008】アルコールを初め有機溶媒中に含まれる水
分を除去し、有機溶媒を濃縮・精製する目的に使用され
る、従来法のパーベーパレーション分離膜は有機溶媒の
高濃度領域、つまり低含水率の領域だけを対象に限定し
ており、高中含水有機溶媒の脱水には使えないという欠
点があった。同時に、従来法では透過速度が余り上がら
ず、したがって排出水量が少なく、非効率であった。本
発明はこれらの欠点を克服した膜分離濃縮法である。言
い換えれば、本発明は高中含水も含めアルコール水溶液
の全濃度領域にわたってアルコールの脱水・濃縮を目的
とた、排出水量が高い、アルコール水溶液の脱水・濃縮
分離プロセスに使用する膜濃縮法を提供するためになさ
れたものである。
The conventional pervaporation separation membrane used for the purpose of removing water contained in an organic solvent such as alcohol and concentrating and purifying the organic solvent is a high concentration region of the organic solvent, that is, a low water content. However, it has a drawback that it cannot be used for dehydration of high and medium water-containing organic solvents. At the same time, in the conventional method, the permeation rate did not increase so much, so the amount of discharged water was small and it was inefficient. The present invention is a membrane separation and concentration method that overcomes these drawbacks. In other words, the present invention provides a membrane concentration method used in a dehydration / concentration separation process of an alcohol aqueous solution, which has a high discharge water amount, for the purpose of dehydration / concentration of alcohol over the entire concentration range of the alcohol aqueous solution including high-medium water content. It was done by.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、パーベー
パレーション膜分離法により、アルコール水溶液を分
離、濃縮する手段、特に脱水する手段について、鋭意研
究を重ねた結果、ポリアミノ酸共重合膜を使用したパー
ベーパレーション法を採用すれば、常温でアルコール水
溶液を効率よく分離・濃縮しうることを見いだし、この
知見に基づいて本発明をなすに至った。好ましくは、疎
水性構造を有するL-ロイシンと親水性構造を持たすこ
とができるNε-カルボベンゾキシ-L-リジンをランダ
ム共重合し、製膜した状態で臭化水素酢酸中で脱カルボ
ベンゾキシ化を行って得られたポリ(L-ロイシン−L-
リジン)共重合体の誘導体膜を用いるパーベーパレーシ
ョン法により、メタノール、エタノール、プロパノール
などのアルコール水溶液から、水を選択性よく分離し、
濃縮アルコール水溶液を回収し得ることを見いだし、本
発明に至った。なお本発明の膜濃縮法はアルコール水溶
液ばかりでなく、一般の有機溶媒中の水分を除去し、有
機溶媒を濃縮し、精製することにも応用できる。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted extensive studies on a means for separating and concentrating an aqueous alcohol solution by a pervaporation membrane separation method, particularly a means for dehydrating, and as a result, a polyamino acid copolymer membrane has been obtained. It was found that the aqueous solution of alcohol can be efficiently separated and concentrated at room temperature by adopting the pervaporation method using the above method, and the present invention has been completed based on this finding. Preferably, L-leucine having a hydrophobic structure and Nε-carbobenzoxy-L-lysine capable of having a hydrophilic structure are randomly copolymerized, and decarbobenzoxy in hydrobromic acetic acid in a film-formed state. Poly (L-leucine-L-
By a pervaporation method using a derivative film of a lysine) copolymer, water is separated with good selectivity from an aqueous alcohol solution such as methanol, ethanol, or propanol,
It was found that a concentrated aqueous alcohol solution can be recovered, and the present invention has been completed. The membrane concentration method of the present invention can be applied not only to aqueous alcohol solutions, but also to removing water in general organic solvents and concentrating and purifying the organic solvents.

【0010】本発明の膜分離濃縮法で用いた合成ポリア
ミノ酸共重合膜は、次の4種類のポリ(L-ロイシン−
L-リジン)共重合体の誘導体膜である。
The synthetic polyamino acid copolymer membrane used in the membrane separation / concentration method of the present invention comprises the following four types of poly (L-leucine-
It is a derivative film of an L-lysine) copolymer.

【0011】(1)疎水性構造を有するL-ロイシンと
親水性構造を持たすことができるNε-カルボベンゾキ
シ-L-リジンをランダム共重合し、製膜した状態で臭化
水素酢酸中で脱カルボベンゾキシ化を行って得られたポ
リ(L-ロイシン−L-リジン)共重合体膜
(1) L-leucine having a hydrophobic structure and Nε-carbobenzoxy-L-lysine, which can have a hydrophilic structure, are randomly copolymerized, and depolymerized in hydrobromic acetic acid in a film-formed state. Poly (L-leucine-L-lysine) copolymer membrane obtained by carbobenzoxylation

【0012】(2)疎水性構造を有するL-ロイシンと
親水性構造を持たすことができるNε-カルボベンゾキ
シ-L-リジンをランダム共重合し、製膜した状態で臭化
水素酢酸中で脱カルボベンゾキシ化を行って得られたポ
リ(L-ロイシン−L-リジン)共重合体膜を更に水酸化
ナトリウム水溶液で処理して得られる分離膜
(2) L-leucine having a hydrophobic structure and Nε-carbobenzoxy-L-lysine capable of having a hydrophilic structure are randomly copolymerized, and then depolymerized in hydrobromic acetic acid in a film-formed state. Separation membrane obtained by further treating a poly (L-leucine-L-lysine) copolymer membrane obtained by carbobenzoxylation with an aqueous sodium hydroxide solution

【0013】(3)疎水性構造を有するL-ロイシンと
親水性構造を持たすことができるNε-カルボベンゾキ
シ-L-リジンをランダム共重合し、製膜した状態で臭化
水素酢酸中で脱カルボベンゾキシ化を行って得られたポ
リ(L-ロイシン−L-リジン)共重合体膜を更に塩酸水
溶液で処理して得られる分離膜
(3) L-leucine having a hydrophobic structure and Nε-carbobenzoxy-L-lysine, which can have a hydrophilic structure, are randomly copolymerized, and depolymerized in hydrobromic acetic acid in a film-formed state. Separation membrane obtained by further treating a poly (L-leucine-L-lysine) copolymer membrane obtained by carbobenzoxylation with an aqueous hydrochloric acid solution

【0014】(4)疎水性構造を有するL-ロイシンと
親水性構造を持たすことができるNε-カルボベンゾキ
シ-L-リジンをランダム共重合し、製膜した状態で臭化
水素酢酸中で脱カルボベンゾキシ化を行って得られたポ
リ(L-ロイシン−L-リジン)共重合体膜を更にアジピ
ン酸ジクロリドのエーテル溶液で処理して得られる分離
(4) R-leucine having a hydrophobic structure and Nε-carbobenzoxy-L-lysine, which can have a hydrophilic structure, are randomly copolymerized, and depolymerized in hydrobromic acetic acid in a film-formed state. Separation membrane obtained by further treating a poly (L-leucine-L-lysine) copolymer membrane obtained by carrying out carbobenzoxylation with an ether solution of adipic acid dichloride

【0015】[0015]

【作用】本発明によれば、前記した膜をパーベーパレー
ション法の分離膜として用いることにより、メタノー
ル、エタノール、プロパノールなどの水溶液から水を、
全濃度領域にわたって効率よく選択透過させ、アルコー
ル水溶液を純度高く濃縮、あるいは脱水精製させること
ができる。
According to the present invention, by using the above-mentioned membrane as a separation membrane of the pervaporation method, water can be removed from an aqueous solution of methanol, ethanol, propanol or the like.
The aqueous alcohol solution can be concentrated or dehydrated and purified with high purity by allowing selective permeation over the entire concentration range.

【0016】本発明に使用する分離膜は、いずれもアル
コール水溶液に対する膨潤度の測定結果から考えて、親
水性よりもむしろ疎水性が強く、言い換えれば水に対し
て作用が少なく、抵抗性があり、アルコール水溶液中に
あって膜の微細構造の弛緩が起こりにくいことを示唆し
ている。その上その疎水性の強さも親水性モノマーと疎
水性モノマーとのバランス、即ち共重合組成によって調
節することができる。従って、本発明に使用する分離膜
は、従来の分離膜の処理対象と違って、微量な水分だけ
でなく、例えば30%,50%,80%、更にそれ以上の水を含
む、中高含水の濃度領域を分離対象とした、応用範囲の
広い脱水、濃縮に使用できる。このように含水率が高い
場合には、その必然として大きな排出水量、即ち透過速
度が求められが、この点に関しても本発明に使用する分
離膜は高い要求性能をもつ。つまり透過速度は数Kg/〓h
rにも及び、高中低含水率の場合の脱水分離膜としての
有用性を示す。
Each of the separation membranes used in the present invention has a strong hydrophobicity rather than a hydrophilicity, that is, a small action against water and resistance in view of the measurement result of the swelling degree in an aqueous alcohol solution. , Suggests that relaxation of the microstructure of the membrane is unlikely to occur in an aqueous alcohol solution. Furthermore, the strength of the hydrophobicity can be adjusted by the balance between the hydrophilic monomer and the hydrophobic monomer, that is, the copolymer composition. Therefore, the separation membrane used in the present invention, unlike the treatment object of the conventional separation membrane, not only a small amount of water, for example, 30%, 50%, 80%, further containing water, medium and high water content. It can be used for dehydration and concentration, which has a wide range of applications and has a concentration range as a separation target. When the water content is high as described above, a large amount of discharged water, that is, a permeation rate is inevitably required, and in this respect also, the separation membrane used in the present invention has high performance requirements. In other words, the transmission speed is several Kg / 〓h
It is also useful as a dehydration separation membrane when the water content is high, medium, and low.

【0017】本発明はコストの高い、エネルギー多消費
型の蒸留法を避けることができる点で有利である。本発
明の方法でアルコール水溶液の脱水・濃縮を行うには、
膜の1次側、すなわち供給側に大気圧下または加圧下で
原料アルコール水溶液を供給させる。2次側では透過液
を他の不活性な気体または蒸気に掃引させて採取する
か、減圧下で採取することができる。つまり膜の2次側
すなわち透過液採取側の化学ポテンシャルよりも膜の1
次側すなわち供給側の化学ポテンシャルを大きく維持す
ることによって膜によるアルコール水溶液の脱水・濃縮
を行うことができる。供給側及び透過側の各温度は広い
温度範囲にわたって適用可能であるが、本発明では膜の
1次側が液状、2次側が蒸気状となっているため、原理
的にはアルコールと水の凝固点以下あるいは沸点以上の
温度範囲は使用できない。
The present invention is advantageous in that it avoids costly, energy-intensive distillation processes. To perform dehydration / concentration of an aqueous alcohol solution by the method of the present invention,
The raw material alcohol aqueous solution is supplied to the primary side of the membrane, that is, the supply side under atmospheric pressure or under pressure. On the secondary side, the permeate can be collected by sweeping it with another inert gas or vapor, or it can be collected under reduced pressure. That is, the membrane potential is 1 more than the chemical potential on the secondary side of the membrane, that is, the permeate collecting side.
By maintaining a large chemical potential on the secondary side, that is, the supply side, dehydration / concentration of the aqueous alcohol solution by the membrane can be performed. Each temperature on the supply side and the permeation side can be applied over a wide temperature range, but in the present invention, since the primary side of the membrane is liquid and the secondary side is vapor, in principle, the temperature is below the freezing point of alcohol and water. Alternatively, the temperature range above the boiling point cannot be used.

【0018】本発明に分離膜材料として使用するポリ
(α−アミノ酸)は、主鎖がα−ヘリックスの剛直な構
造を形成し、その主鎖構造間には側鎖によって異なる自
由容積を形づくっている。従って低分子の透過はこの自
由容積の部分を通して生じると考えられ、またその際自
由容積の形成に影響する側鎖の化学的性質(親水性、疎
水性など)とバルキー性が、透過分離挙動に大きく関与
するものと予想される。確かに本発明の分離膜では側鎖
に親水性基を保持しているため、水選択透過型の挙動を
示す。しかし予期に反して剛直な主鎖構造はアルコール
水溶液によって崩れ、大きく膨潤し、膜の微細構造は維
持できないことが分かった。
The poly (α-amino acid) used as a separation membrane material in the present invention has a rigid structure in which the main chain has an α-helix, and different free volumes are formed between the main chain structures depending on the side chains. There is. Therefore, it is considered that the permeation of small molecules occurs through this part of the free volume, and the chemical properties of the side chains (hydrophilicity, hydrophobicity, etc.) and the bulky property that influence the formation of the free volume affect the permeation separation behavior. It is expected to be greatly involved. Certainly, the separation membrane of the present invention has a hydrophilic group in its side chain, and therefore exhibits a water selective permeation type behavior. However, unexpectedly, it was found that the rigid main chain structure was destroyed by the aqueous alcohol solution and swelled greatly, and the fine structure of the film could not be maintained.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明を実施例により更に具体的に説
明するが、本発明はこれらによって限定されるものでは
ない。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

【0020】実施例1 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-L-リジンのアミ
ノ酸無水物を70:30のモル比で、ベンゼン−ジオキサン
混合溶媒(モル比1:3)に約10wt%の溶液となるよう
に溶解させ、全モノマーの1/200モルのトリエチルアミ
ンを重合開始剤として用い、室温で約1週間かけて重合
を行った。製膜は溶液キャスト法で行ったが、重合して
得られるL-ロイシン−Nε-カルボベンゾキシ-L-リジ
ン共重合体溶液は溶媒をとばして乾燥してしまうと、二
度と溶媒に溶けなくなるので、重合液をそのままベンゼ
ンで約0.5wt%濃度になるように希釈し、ガラス板上に
キャスト液を流して、乾燥し製膜した。次に共重合膜を
臭化水素酢酸溶液に2日間浸漬し、脱カルボベンジルオ
キシ化を行い、最終的にポリ(L-ロイシン−L-リジ
ン)共重合膜(22.6μm)を得た。
EXAMPLE 1 A solution of L-leucine and Nε-carbobenzoxy-L-lysine amino acid anhydride in a molar ratio of 70:30 in a benzene-dioxane mixed solvent (molar ratio 1: 3) at a concentration of about 10 wt%. The resulting mixture was dissolved in the above solution, and triethylamine (1/200 mol of all monomers) was used as a polymerization initiator to carry out polymerization at room temperature for about 1 week. The film was formed by the solution casting method, but the L-leucine-Nε-carbobenzoxy-L-lysine copolymer solution obtained by polymerization will never dissolve in the solvent again if the solvent is dried. The polymerization solution was diluted with benzene as it was to a concentration of about 0.5 wt%, the casting solution was poured on a glass plate, and dried to form a film. Next, the copolymer film was immersed in a hydrobromic acid acetic acid solution for 2 days for decarbobenzyloxylation, and finally a poly (L-leucine-L-lysine) copolymer film (22.6 μm) was obtained.

【0021】溶液キャスト法でポリアミノ酸共重合体を
製膜するときの溶媒の選定は、ポリアミノ酸共重合体の
各種の溶媒に対する溶解性を調べ、最適の溶媒を決定し
た。ポリ(L-ロイシン−L-リジン)共重合体の仕込み
比が90/10,85/15と80/20では、製膜時の溶媒として
ベンゼンを使用することができる。またポリ(L-ロイ
シン−L-リジン)共重合体の仕込み比が70/30よりL-
リジン含有量が多いときには、ジクロロ酢酸20wt%を含
むベンゼン溶液を用いることができる。いずれの溶媒を
用いた場合も共重合体のベンゼン溶液をガラス板上にキ
ャストした後、常温下で溶媒を徐々に蒸散させる方法
で、製膜を行った。また必要によって加熱減圧して蒸発
させる方法をとることができる。ガラス板より剥離して
得られた薄膜は、通常20〜200μmの厚さである。
The selection of the solvent for forming the polyamino acid copolymer by the solution casting method was carried out by examining the solubility of the polyamino acid copolymer in various solvents and determining the optimum solvent. When the charging ratio of the poly (L-leucine-L-lysine) copolymer is 90/10, 85/15 and 80/20, benzene can be used as a solvent during film formation. Further, since the charging ratio of poly (L-leucine-L-lysine) copolymer was 70/30, L-
When the lysine content is high, a benzene solution containing 20 wt% of dichloroacetic acid can be used. Regardless of which solvent was used, a benzene solution of the copolymer was cast on a glass plate, and then the solvent was gradually evaporated at room temperature to form a film. If necessary, a method of evaporating by heating and depressurizing can be adopted. The thin film obtained by peeling from the glass plate is usually 20 to 200 μm thick.

【0022】次に、実施例において透過速度および分離
係数の測定は通常のパーベーパレーション用の測定装置
を用いて行った。図1は本発明による分離膜を用いてパ
ーベーパレーション法を実施する装置の概略図を示す。
Next, in the examples, the permeation rate and the separation coefficient were measured by using an ordinary measuring device for pervaporation. FIG. 1 shows a schematic view of an apparatus for carrying out a pervaporation method using a separation membrane according to the present invention.

【0023】この装置を用いて膜分離実験を行うには、
液透過セル6に分離膜12を装着し、この分離膜上にアル
コール水溶液13を供給する。この場合供給側の圧力は大
気圧である。一方透過側14は真空ポンプ1によって13.3
〜66.5Paの減圧状態に保持する。膜分離実験は、濃縮す
べきアルコール水溶液13を供給し、一晩放置したのち
に、攪拌用モーター7絶えず攪拌しながら測定を行っ
た。液透過セル6の全体を恒温水槽11中に漬け、温度を
一定に保った。このとき分離膜の有効面積は 15.9c〓
であった。
To conduct a membrane separation experiment using this apparatus,
The separation membrane 12 is attached to the liquid permeation cell 6, and the aqueous alcohol solution 13 is supplied onto the separation membrane. In this case, the pressure on the supply side is atmospheric pressure. On the other hand, the transmission side 14 is 13.3 by the vacuum pump 1.
Hold at a reduced pressure of ~ 66.5Pa. In the membrane separation experiment, the alcohol aqueous solution 13 to be concentrated was supplied and left overnight, after which the stirring motor 7 was measured while continuously stirring. The entire liquid permeation cell 6 was immersed in a constant temperature water bath 11 to keep the temperature constant. At this time, the effective area of the separation membrane is 15.9c〓
Met.

【0024】分離膜を透過した蒸気は液体窒素で冷却し
た枝管5の一つに捕集し、その枝管5を所定の時間後に
溶融切断し、続いて次の枝管を液体窒素で冷却し、蒸気
を捕集し、また所定の時間後に溶射切断するという作業
を続けた。この透過液体を封入した枝管5の重量測定か
ら、内容物の重量を求め、透過速度(Kg/〓hr)を算出し
た。
The vapor permeated through the separation membrane is collected in one of the branch pipes 5 cooled with liquid nitrogen, the branch pipe 5 is melted and cut after a predetermined time, and then the next branch pipe is cooled with liquid nitrogen. Then, the work of collecting the vapor and spray cutting after a predetermined time was continued. The weight of the content was obtained from the weight measurement of the branch pipe 5 in which the permeated liquid was sealed, and the permeation rate (Kg / 〓hr) was calculated.

【0025】次に、捕集した透過液のアルコール−水の
混合組成をガスクロマトグラフを用いて決定し、分離係
数を求めた。により示される。分離係数(α)は供給液
中の二つの物質AおよびBの濃度比で透過液中の対応す
る物質の濃度比を割った値として定義される。 ここで、CAおよびCBは、それぞれ選択的に優先透過し
うる成分の濃度およびその他の成分の濃度を示す。本発
明の膜分離実験の場合、CAは水、CBはアルコールの濃
度をそれぞれ示す。以下に示すα(W/A)はアルコールに
対する水の分離係数(α)である。
Next, the alcohol-water mixed composition of the collected permeated liquid was determined using a gas chromatograph, and the separation coefficient was obtained. Indicated by. The separation factor (α) is defined as the concentration ratio of the two substances A and B in the feed liquid divided by the concentration ratio of the corresponding substances in the permeate. Here, CA and CB respectively indicate the concentration of the component that can selectively preferentially permeate and the concentration of the other component. In the case of the membrane separation experiment of the present invention, CA indicates the concentration of water and CB indicates the concentration of alcohol. Α (W / A) shown below is the separation coefficient (α) of water with respect to alcohol.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】実施例2 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液をエタノール水溶液
にした以外は実施例1と全く同様にして膜調製と濃縮実
験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃縮結
果は表2の通りである。
Example 2 A membrane preparation and concentration experiment were conducted in exactly the same manner as in Example 1 except that the aqueous alcohol solution to be dehydrated / concentrated was an aqueous ethanol solution. The results of dehydration / concentration by pervaporation are shown in Table 2.

【表2】 [Table 2]

【0028】実施例3 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液を2-プロパノール水
溶液にした以外は実施例1と全く同様にして膜調製と濃
縮実験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃
縮結果は表3の通りである。
Example 3 A membrane preparation and concentration experiment were conducted in exactly the same manner as in Example 1 except that the aqueous alcohol solution to be dehydrated and concentrated was changed to an aqueous 2-propanol solution. The results of dehydration / concentration by pervaporation are shown in Table 3.

【表3】 [Table 3]

【0029】実施例4 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-L-リジンのアミ
ノ酸無水物のモル比を80:20として共重合し、溶液キャ
スト法で製膜したものを臭化水素酢酸中で脱カルボベン
ゾキシ化を行い、更に水に対する膨潤度を抑えるために
室温でpH=10〜12の苛性ソーダ水溶液に48時間浸漬し、
架橋処理を行った。脱イオン水でよく洗浄し、乾燥し
て、21,82μmの厚さの分離膜を得た。この分離膜を図
1に示した装置の液透過セル6に装着し、メタノール水
溶液の膜分離実験を行った。パーベーパレーションによ
る脱水・濃縮結果を表4に示す。
Example 4 L-leucine and Nε-carbobenzoxy-L-lysine were copolymerized at a molar ratio of amino acid anhydride of 80:20, and the film was formed by solution casting in hydrobromic acetic acid. Decarbobenzoxylation is performed, and in order to further suppress the degree of swelling in water, it is immersed in a caustic soda aqueous solution of pH = 10 to 12 at room temperature for 48 hours,
A crosslinking treatment was performed. The membrane was thoroughly washed with deionized water and dried to obtain a separation membrane having a thickness of 21,82 μm. This separation membrane was attached to the liquid permeation cell 6 of the apparatus shown in FIG. 1 and a membrane separation experiment of an aqueous methanol solution was conducted. Table 4 shows the results of dehydration and concentration by pervaporation.

【0030】[0030]

【表4】 [Table 4]

【0031】実施例5 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液をエタノール水溶液
にした以外は実施例4と全く同様にして膜調製と濃縮実
験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃縮結
果は表5の通りである。このときの分離膜の厚さは21μ
mであった。
Example 5 A membrane preparation and concentration experiment were conducted in exactly the same manner as in Example 4 except that the aqueous alcohol solution to be dehydrated / concentrated was an aqueous ethanol solution. Table 5 shows the results of dehydration / concentration by pervaporation. The thickness of the separation membrane at this time is 21μ
It was m.

【表5】 [Table 5]

【0032】実施例6 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液を1-プロパノール水
溶液にした以外は実施例4と全く同様にして膜調製と濃
縮実験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃
縮結果は表6の通りである。このときの分離膜の厚さは
82μmであった。
Example 6 Membrane preparation and concentration experiments were conducted in exactly the same manner as in Example 4, except that the alcohol aqueous solution to be dehydrated and concentrated was changed to the 1-propanol aqueous solution. Table 6 shows the results of dehydration and concentration by pervaporation. The thickness of the separation membrane at this time is
It was 82 μm.

【表6】 [Table 6]

【0033】実施例7 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-L-リジンのアミ
ノ酸無水物のモル比を70:30として共重合し、溶液キャ
スト法で製膜したものを臭化水素酢酸中で脱カルボベン
ゾキシ化を行い、更に塩酸(pH=1.5)に浸漬することに
より、リジン残基を四級塩化してから、脱イオン水でよ
く洗浄し、乾燥して、193μmの厚さの分離膜を得た。
この分離膜を図1に示した装置の液透過セル6に装着
し、エタノール水溶液の膜分離実験を行った。パーベー
パレーションによる脱水・濃縮結果を表7に示す。
Example 7 Copolymerization of L-leucine and Nε-carbobenzoxy-L-lysine with an amino acid anhydride molar ratio of 70:30 and film formation by a solution casting method in hydrobromic acetic acid Decarbobenzoxylation is performed and the lysine residue is quaternized by further immersing in hydrochloric acid (pH = 1.5), then thoroughly washed with deionized water, dried and separated to a thickness of 193 μm. A film was obtained.
This separation membrane was attached to the liquid permeation cell 6 of the apparatus shown in FIG. 1, and an ethanol aqueous solution membrane separation experiment was conducted. Table 7 shows the results of dehydration / concentration by pervaporation.

【0034】[0034]

【表7】 [Table 7]

【0035】実施例8 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液を2-プロパノール水
溶液にした以外は実施例7と全く同様にして膜調製と濃
縮実験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃
縮結果は表8の通りである。
Example 8 A membrane preparation and concentration experiment were conducted in exactly the same manner as in Example 7, except that the aqueous alcohol solution to be dehydrated and concentrated was changed to the 2-propanol aqueous solution. Table 8 shows the results of dehydration and concentration by pervaporation.

【表8】 [Table 8]

【0036】実施例9 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-L-リジンのアミ
ノ酸無水物のモル比を90:10として共重合し、溶液キャ
スト法で製膜したものを臭化水素酢酸中で脱カルボベン
ゾキシ化を行い、更に塩酸(pH=1.5)に浸漬することに
より、リジン残基を四級塩化しから、脱イオン水でよく
洗浄し、乾燥して、27μmの厚さの分離膜を得た。この
分離膜を図1に示した装置の液透過セル6に装着し、2-
プロパノール水溶液の膜分離実験を行った。パーベーパ
レーションによる脱水・濃縮結果を表9に示す。
Example 9 L-leucine and Nε-carbobenzoxy-L-lysine amino acid anhydride were copolymerized at a molar ratio of 90:10, and film-formed by solution casting method in hydrobromic acetic acid. Decarbobenzoxylation is performed and the lysine residue is quaternized by further immersing in hydrochloric acid (pH = 1.5), then thoroughly washed with deionized water, dried, and separated with a thickness of 27 μm. Got Attach this separation membrane to the liquid permeation cell 6 of the device shown in FIG.
A membrane separation experiment of an aqueous propanol solution was conducted. Table 9 shows the results of dehydration and concentration by pervaporation.

【0037】[0037]

【表9】 [Table 9]

【0038】実施例10 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-L-リジンのアミ
ノ酸無水物のモル比を80:20として共重合し、溶液キャ
スト法で製膜したものを臭化水素酢酸中で脱カルボベン
ゾキシ化を行い、更にアジピン酸クロリドを溶かしたジ
エチルエーテル中に漬けて72時間架橋反応を行い、84μ
mの厚さの分離膜を得た。この分離膜を図1に示した装
置の液透過セル6に装着し、エタノール水溶液の膜分離
実験を行った。パーベーパレーションによる脱水・濃縮
結果を表10に示す。
Example 10 L-leucine and Nε-carbobenzoxy-L-lysine were copolymerized at a molar ratio of 80:20 amino acid anhydride, and the film was formed by a solution casting method in hydrobromic acetic acid. After decarbobenzoxylation, the product was immersed in diethyl ether in which adipic acid chloride was dissolved and the cross-linking reaction was performed for 72 hours.
A separation membrane with a thickness of m was obtained. This separation membrane was attached to the liquid permeation cell 6 of the apparatus shown in FIG. 1, and an ethanol aqueous solution membrane separation experiment was conducted. Table 10 shows the results of dehydration / concentration by pervaporation.

【0039】[0039]

【表10】 [Table 10]

【0040】実施例11 脱水・濃縮すべきアルコール水溶液を1-プロパノール水
溶液にした以外は実施例10と全く同様にして膜調製と
濃縮実験を行った。パーベーパレーションによる脱水・
濃縮結果は表11の通りである。
Example 11 A membrane preparation and concentration experiment were conducted in exactly the same manner as in Example 10 except that the alcohol aqueous solution to be dehydrated and concentrated was changed to the 1-propanol aqueous solution. Dehydration by pervaporation
Table 11 shows the concentration results.

【表11】 [Table 11]

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、前記した分離膜をパー
ベーパレーション用の分離膜として用いることにより、
メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノ
ールなどの水溶液から、全濃度領域にわたって濃度の高
い水だけを選択的に透過させ、アルコール水溶液を効率
よく脱水・濃縮させることができる。
According to the present invention, by using the above-mentioned separation membrane as a separation membrane for pervaporation,
From the aqueous solution of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, etc., it is possible to selectively permeate only high-concentration water over the entire concentration range to efficiently dehydrate and concentrate the alcohol aqueous solution.

【0042】アルコール水溶液を対象とした高含水領域
の濃縮では、含有量の少ないアルコールを分取する方法
の方が能率がよい。これには、従来の分離、濃縮法とし
て蒸留法があるが、いったん液体から蒸気にして分離す
るため、多量の蒸発潜熱が必要であり、エネルギー的に
非効率である。一方、水よりもアルコールを優先的に透
過させて、濃縮する高効率な分離膜は未だ開発されてお
らず、採用できない。
In concentrating a high water content region for an aqueous alcohol solution, a method of collecting alcohol having a small content is more efficient. Although there is a distillation method as a conventional separation / concentration method for this, a large amount of latent heat of vaporization is required because the liquid is once vaporized and separated, which is energetically inefficient. On the other hand, a highly efficient separation membrane that preferentially permeates alcohol rather than water and concentrates it has not yet been developed and cannot be adopted.

【0043】高中含水領域の分離対象の脱水、濃縮であ
っても、濃度調節も含めて水を除くて、少しでも純度よ
く、精製することから考えれば水を優先的に透過させる
ことが目的にかなっている。この点に関して、蒸留法は
沸点の関係から水よりアルコールを先に分留させるが、
エタノール−水の気液平衡データから調べると、分留比
は分離係数と同じ比率で表すと、10以下の数字しか得ら
れないが、実際には蒸留段数が大きいために蒸留による
精製は効率がよい。本発明の膜濃縮法に関しても単一過
程の膜処理を行うのではなく、カスケード方式に行えば
分離効率も向上できると考えられる。
Even in the case of dehydration and concentration of the separation target in the high and medium water content region, the water is removed as well as the concentration adjustment, and the purity is as high as possible. From the viewpoint of purification, the purpose is to preferentially permeate water. It is correct. In this respect, the distillation method fractionates alcohol earlier than water because of the boiling point,
From the ethanol-water vapor-liquid equilibrium data, if the fractional distillation ratio is expressed as the same ratio as the separation coefficient, only a number of 10 or less can be obtained, but in reality, the number of distillation stages is large, so purification by distillation is not efficient. Good. With respect to the membrane concentration method of the present invention, it is considered that separation efficiency can be improved by performing a cascade method instead of performing a single-step membrane treatment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の膜分離濃縮法を実施する装置を示す概
略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for carrying out the membrane separation and concentration method of the present invention.

【符号の説明】 1 真空ポンプ 2 コールドトラップ 3 ガラスコック 4 回転マクレオド計 5 透過蒸気の捕集用コールドトラップ 6 液透過セル 7 攪拌用モーター 8 攪拌器 9 投込みヒーター 10 電子リレー 11 恒温水槽 12 分離膜 13 アルコール水溶液 14 下部セル[Explanation of Codes] 1 vacuum pump 2 cold trap 3 glass cock 4 rotating McLeod meter 5 cold trap for collecting permeated vapor 6 liquid permeation cell 7 stirring motor 8 stirrer 9 throw-in heater 10 electronic relay 11 constant temperature water tank 12 separation Membrane 13 Aqueous alcohol solution 14 Lower cell

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 L-ロイシンとNε-カルボベンゾキシ-
L-リジンのアミノ酸無水物を共重合し、製膜した状態
で臭化水素酢酸中で脱カルボベンゾキシ化を行って得ら
れるポリ(L-ロイシン−L-リジン)共重合膜を用い、
パーベーパレーション膜分離法によりアルコール水溶液
を脱水・濃縮することを特徴とするアルコール水溶液の
濃縮法。
1. L-leucine and Nε-carbobenzoxy-
Using a poly (L-leucine-L-lysine) copolymer film obtained by copolymerizing an amino acid anhydride of L-lysine and performing decarbobenzoxylation in hydrobromic acetic acid in a film-formed state,
A method for concentrating an aqueous alcohol solution, which comprises dehydrating and concentrating an aqueous alcohol solution by a pervaporation membrane separation method.
【請求項2】 請求項1記載のポリ(L-ロイシン−L-
リジン)共重合膜を水酸化ナトリウム水溶液で処理して
得られる膜を用い、パーベーパレーション膜分離法によ
りアルコール水溶液を脱水・濃縮することを特徴とする
アルコール水溶液の濃縮法。
2. The poly (L-leucine-L-
A method for concentrating an aqueous alcohol solution, which comprises dehydrating and concentrating an aqueous alcohol solution by a pervaporation membrane separation method using a membrane obtained by treating a lysine) copolymer membrane with an aqueous sodium hydroxide solution.
【請求項3】 請求項1記載のポリ(L-ロイシン−L-
リジン)共重合膜を塩酸水溶液で処理して得られる膜を
用い、パーベーパレーション膜分離法によりアルコール
水溶液を脱水・濃縮することを特徴とするアルコール水
溶液の濃縮法。
3. The poly (L-leucine-L-
A method for concentrating an aqueous alcohol solution, which comprises dehydrating and concentrating an aqueous alcohol solution by a pervaporation membrane separation method using a membrane obtained by treating a lysine) copolymer membrane with an aqueous hydrochloric acid solution.
【請求項4】 請求項1記載のポリ(L-ロイシン−L-
リジン)共重合膜をアジピン酸ジクロリドのエーテル溶
液で処理して得られる膜を用い、パーベーパレーション
膜分離法によりアルコール水溶液を脱水・濃縮すること
を特徴とするアルコール水溶液の濃縮法。
4. The poly (L-leucine-L-
A method for concentrating an aqueous alcohol solution, which comprises dehydrating and concentrating an aqueous alcohol solution by a pervaporation membrane separation method using a membrane obtained by treating a lysine) copolymer membrane with an ether solution of adipic dichloride.
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