JP6636932B2 - Membrane structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、膜構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a film structure and a method for manufacturing the same.
従来、複数の貫通孔を有する基材本体と、貫通孔の内表面に形成される分離膜と、基材本体の端面を被覆するガラスシールとを備える膜構造体が知られている。ガラスシールは、濾過対象である混合溶液が基材本体に侵入することを抑えるために設けられている。 BACKGROUND ART Conventionally, a membrane structure including a substrate body having a plurality of through holes, a separation membrane formed on an inner surface of the through hole, and a glass seal covering an end surface of the substrate body has been known. The glass seal is provided to prevent the mixed solution to be filtered from entering the base material body.
ここで、ガラスシールの耐熱性向上を目的として、ガラスシールにセラミック粒子を分散させる手法が提案されている(特許文献1参照)。 Here, for the purpose of improving the heat resistance of the glass seal, a method of dispersing ceramic particles in the glass seal has been proposed (see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の手法によると、何らかの理由でガラスシールにクラックが発生した場合には、混合溶液の侵入を抑えることが困難になる。そのため、ガラスシールにクラックが発生したとしても混合溶液の侵入を抑制したいという要請がある。さらに、ガラスシールにはクラックや剥離が発生することがあるため、ガラスシールを設けずに混合溶液の侵入を抑制したいという要請もある。
However, according to the method of
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、混合溶液の基材本体への侵入を抑制可能な膜構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a membrane structure capable of suppressing intrusion of a mixed solution into a substrate body.
本発明に係る膜構造体は、多孔質の基材本体とフッ素樹脂層とを備える。基材本体は、第1端面と、第2端面と、第1端面から第2端面までそれぞれ貫通する複数の貫通孔とを有する。フッ素樹脂層は、第1端面を被覆する。 The film structure according to the present invention includes a porous base material main body and a fluororesin layer. The substrate body has a first end face, a second end face, and a plurality of through holes penetrating from the first end face to the second end face. The fluororesin layer covers the first end face.
本発明によれば、混合溶液の基材本体への侵入を抑制可能な膜構造体及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the membrane structure which can suppress invasion of a mixed solution into a base material main body, and its manufacturing method can be provided.
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and ratios of dimensions may be different from actual ones. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. In addition, it is needless to say that dimensional relationships and ratios are different between drawings.
以下の実施形態において、「モノリス」とは、長手方向に形成された複数の貫通孔を有する形状を意味し、ハニカム形状を含む概念である。 In the following embodiments, “monolith” means a shape having a plurality of through holes formed in the longitudinal direction, and is a concept including a honeycomb shape.
(膜構造体100の構成)
図1は、膜構造体100の斜視図である。図2は、図1のA−A断面の部分拡大図である。(Configuration of the film structure 100)
FIG. 1 is a perspective view of the
膜構造体100は、モノリス型基材200と、分離膜300とを備える。モノリス型基材200は、基材本体210と、第1シール部220と、第2シール部230とを有する。
The
基材本体210は、多孔体である。基材本体210は、円柱状に形成される。長手方向における基材本体210の長さは150〜2000mmとすることができ、短手方向における基材本体210の直径は30〜220mmとすることができるが、これに限られるものではない。
The
基材本体210は、図2に示すように、第1端面S1と、第2端面S2と、側面S3と、複数の貫通孔TH1とを有する。第1端面S1は、第2端面S2の反対に設けられる。側面S3は、第1端面S1と第2端面S2の外縁に連なる。複数の貫通孔TH1は、第1端面S1から第2端面S2まで連なるように基材本体210の内部を貫通する。貫通孔TH1の断面形状は円形であるが、これに限られるものではない。貫通孔TH1の内径は1〜5mmとすることができる。
As shown in FIG. 2, the
基材本体210は、図2に示すように、基体211と、第1支持膜212と、第2支持膜213とによって構成される。
As shown in FIG. 2, the
基体211は、円柱状に形成される。基体211には、複数の貫通孔TH2が形成されている。基体211は、多孔質材料によって構成される。基体211の多孔質材料としては、セラミックス、金属、樹脂などを用いることができ、特に多孔質セラミックス材料が好適である。多孔質セラミックス材料の骨材粒子としては、アルミナ(Al2O3)、チタニア(TiO2)、ムライト(Al2O3・SiO2)、セルベン及びコージェライト(Mg2Al4Si5O18)などを用いることができ、入手容易性と坏土安定性と耐食性を考慮すると特にアルミナが好適である。基体211は、多孔質材料に加えて、無機結合材を含んでいてもよい。無機結合材としては、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも一つを用いることができる。基体211の気孔率は、25%〜50%とすることができる。基体211の平均細孔径は、5μm〜25μmとすることができる。基体211を構成する多孔質材料の平均粒径は、5μm〜100μmとすることができる。なお、基体211平均細孔径は、水銀ポロシメーターによって測定することができる。本実施形態において、「平均粒径」とは、SEM(Scanning Electron Microscope)を用いた断面微構造観察によって測定される30個の測定対象粒子の最大直径を算術平均した値である。The
第1支持膜212は、基体211(貫通孔TH2)の内表面に形成される。第1支持膜212は、筒状に形成される。第1支持膜212は、基体211と同様の多孔質セラミックス材料によって構成される。貫通孔TH1の中心軸に垂直な方向(以下、径方向という。)における第1支持膜212の厚みは、30μm〜300μmとすることができる。第1支持膜212の気孔率は、20%〜60%とすることができる。第1支持膜212の平均細孔径は、基体211の平均細孔径よりも小さくてもよく、例えば0.005μm〜2μmとすることができる。第1支持膜212の平均細孔径は、パームポロメーターによって測定することができる。
The first support film 212 is formed on the inner surface of the base 211 (through hole TH2). The first support film 212 is formed in a cylindrical shape. The first support film 212 is made of the same porous ceramic material as the
第2支持膜213は、第1支持膜212の内表面に形成される。第2支持膜213は、筒状に形成される。第2支持膜213は、基体211と同様の多孔質セラミックス材料によって構成される。径方向における第2支持膜213の厚みは、1μm〜50μmとすることができる。第2支持膜213の気孔率は、20%〜60%とすることができる。第2支持膜213の平均細孔径は、第1支持膜212の平均細孔径よりも小さくてもよく、例えば0.001μm〜5μmとすることができる。第2支持膜213の平均細孔径は、パームポロメーターによって測定することができる。
The second support film 213 is formed on the inner surface of the first support film 212. The second support film 213 is formed in a cylindrical shape. The second support film 213 is made of the same porous ceramic material as the
第1シール部220は、図2に示すように、第1ガラスシール221と、第1プライマー層222と、第1フッ素樹脂層223とを有する。
As shown in FIG. 2, the
第1ガラスシール221は、基材本体210の第1端面S1の全面と側面S3の一部を覆う。第1ガラスシール221は、後述するセルCに流入する濾過対象である混合流体(例えば、有機溶剤など)が第1端面S1から基材本体210に侵入することを抑制する。第1ガラスシール221は、セルCの流入口を塞がないように形成される。第1ガラスシール221を構成する材料としては、混合流体を透過させないガラスを用いることができ、アルカリ成分の拡散を抑制できる無アルカリガラスが特に好適である。第1端面S1に垂直な方向(すなわち、長手方向)における第1ガラスシール221の厚みは、10μm〜1000μmとすることができる。
The first glass seal 221 covers the entire first end surface S1 of the
第1プライマー層222は、第1ガラスシール221上に形成されており、第1ガラスシール221を覆う。第1プライマー層222は、第1ガラスシール221と第1フッ素樹脂層223の間に介挿されている。第1プライマー層222は、第1ガラスシール221と分離膜300の境界付近を覆っていることが好ましい。
The first primer layer 222 is formed on the first glass seal 221 and covers the first glass seal 221. The first primer layer 222 is interposed between the first glass seal 221 and the
第1プライマー層222は、第1ガラスシール221に対する第1フッ素樹脂層223の接着力を向上させる機能を有する。第1プライマー層222と第1ガラスシール221の接着力は、第1フッ素樹脂層223と第1ガラスシール221との接着力よりも大きい。同様に、第1プライマー層222と第1フッ素樹脂層223の接着力は、第1フッ素樹脂層223と第1ガラスシール221との接着力よりも大きい。第1プライマー層222は、フッ素樹脂と接着成分によって構成される。フッ素樹脂としては、PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene;四フッ化エチレン)、PFA(Tetra Fluoro Ethylene-Perfluoro Alkylvinyl Ether Copolymer;四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体)及びFEP(Fluorinated Ethylene Propylene Copolymer;四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)の少なくとも1つ、或いはこれらの基本構造を含む共重合体を用いることができる。接着成分としては、市販のテフロンプライマー剤を用いることができる。第1端面S1に垂直な方向における第1プライマー層222の厚みは、1μm〜100μmとすることができる。
The first primer layer 222 has a function of improving the adhesive strength of the
第1フッ素樹脂層223は、第1プライマー層222上に形成されており、第1ガラスシール221を覆う。第1フッ素樹脂層223は、第1ガラスシール221と第1プライマー層22を間に挟んだ状態で、第1端面S1の全面と側面S3の一部を覆う。第1フッ素樹脂層223は、第1ガラスシール221と分離膜300の境界付近を覆っていることが好ましい。ただし、第1フッ素樹脂層223は、セルCの流入口を塞がないように形成されている。第1フッ素樹脂層223は、混合流体が第1端面S1から基材本体210に侵入することを抑制するとともに、第1ガラスシール221を保護する。
The
第1フッ素樹脂層223は、フッ素樹脂によって構成される。フッ素樹としては、PTFE、PFA及びFEPの少なくとも1つ、或いはこれらの基本構造を含む共重合体を用いることができる。PFAは、FEPよりも化学耐食性が高いため、シール材料として好適である。PTFEは、PFAよりも融点が低く低温で施工できるため、シール材料として特に好適である。第1端面S1に垂直な方向における第1フッ素樹脂層223の厚みは、1μm〜2000μmとすることができ、100μm以上であることが好ましい。
The
第2シール部230は、図2に示すように、第2ガラスシール231と、第2プライマー層232と、第2フッ素樹脂層233とを有する。
As shown in FIG. 2, the
第2ガラスシール231は、基材本体210の第2端面S2の全面と側面S3の一部を覆う。第2ガラスシール231は、セルCに流入する混合流体が第2端面S2から基材本体210に侵入することを抑制する。第2ガラスシール231は、セルCの流出口を塞がないように形成される。第2ガラスシール231は、第1ガラスシール221と同様の材料によって構成される。第2端面S2に垂直な方向(すなわち、長手方向)における第2ガラスシール231の厚みは、10μm〜1000μmとすることができる。
The second glass seal 231 covers the entire surface of the second end surface S2 and a part of the side surface S3 of the
第2プライマー層232は、第2ガラスシール231上に形成されており、第2ガラスシール231を覆う。第2プライマー層232は、第2ガラスシール231と第2フッ素樹脂層233の間に介挿されている。第2プライマー層232は、第1ガラスシール221と分離膜300の境界付近を覆っていることが好ましい。
The second primer layer 232 is formed on the second glass seal 231 and covers the second glass seal 231. The second primer layer 232 is interposed between the second glass seal 231 and the second fluororesin layer 233. The second primer layer 232 preferably covers the vicinity of the boundary between the first glass seal 221 and the
第2プライマー層232は、第2ガラスシール231に対する第2フッ素樹脂層233の接着力を向上させる機能を有する。第2プライマー層232と第2ガラスシール231の接着力は、第2フッ素樹脂層233と第2ガラスシール231との接着力よりも大きい。同様に、第2プライマー層232と第2フッ素樹脂層233の接着力は、第2フッ素樹脂層233と第2ガラスシール231との接着力よりも大きい。第2プライマー層232は、第1プライマー層222と同様の材料によって構成される。第2端面S2に垂直な方向における第2プライマー層232の厚みは、1μm〜100μmとすることができる。 The second primer layer 232 has a function of improving the adhesive strength of the second fluororesin layer 233 to the second glass seal 231. The adhesive force between the second primer layer 232 and the second glass seal 231 is larger than the adhesive force between the second fluororesin layer 233 and the second glass seal 231. Similarly, the adhesion between the second primer layer 232 and the second fluororesin layer 233 is larger than the adhesion between the second fluororesin layer 233 and the second glass seal 231. The second primer layer 232 is made of the same material as the first primer layer 222. The thickness of the second primer layer 232 in a direction perpendicular to the second end surface S2 can be 1 μm to 100 μm.
第2フッ素樹脂層233は、第2プライマー層232上に形成されており、第2ガラスシール231を覆う。第2フッ素樹脂層233は、第2ガラスシール231と第1プライマー層22を間に挟んだ状態で、第2端面S2の全面と側面S3の一部を覆う。第2フッ素樹脂層233は、第1ガラスシール221と分離膜300の境界付近を覆っていることが好ましい。ただし、第2フッ素樹脂層233は、セルCの流入口を塞がないように形成される。第2フッ素樹脂層233は、混合流体が第2端面S2から基材本体210に侵入することを抑制するとともに、第2ガラスシール231を保護する。
The second fluororesin layer 233 is formed on the second primer layer 232 and covers the second glass seal 231. The second fluororesin layer 233 covers the entire second end face S2 and a part of the side face S3 with the second glass seal 231 and the first primer layer 22 interposed therebetween. The second fluororesin layer 233 preferably covers the vicinity of the boundary between the first glass seal 221 and the
第2フッ素樹脂層233は、第1フッ素樹脂層222と同様の材料によって構成される。第2端面S2に垂直な方向における第2フッ素樹脂層233の厚みは、10μm〜2000μmとすることができ、100μm以上であることが好ましい。 The second fluororesin layer 233 is made of the same material as the first fluororesin layer 222. The thickness of the second fluororesin layer 233 in a direction perpendicular to the second end surface S2 can be set to 10 μm to 2000 μm, and is preferably 100 μm or more.
分離膜300は、貫通孔TH1(本実施形態では、第2支持膜213)の内表面上に形成される。分離膜300は、筒状に形成される。分離膜300の内側の空間は、混合流体を流通させるためのセルCである。径方向におけるセルCの内径は特に制限されないが、例えば0.5mm〜3.5mmとすることができる。径方向における分離膜300の厚みは特に制限されないが、5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましい。分離膜300は、無機材料や金属によって構成することができる。例えば、浸透気化運転あるいは蒸気透過運転による混合液体の分離又は濃縮では、ゼオライト膜、炭素膜及びシリカ膜が分離膜300として好適である。また、浄水などの限外ろ過運転やナノフィルトレーション運転による固液の分離、タンパク質等高分子の分離、又はウィルスの分離では、ゾルゲル法などによって作製されるナノ微粒子を焼結させたUF膜やナノ膜などが分離膜300として好適である。分離膜300がゼオライト膜である場合、LTA、MFI、MOR、FER、FAU、DDR、CHA及びBEAなどの結晶構造を有するゼオライトを用いることができる。
The
(膜構造体100の製造方法)
まず、多孔質材料を含む坏土を用いて、複数の貫通孔TH2を有する基体211の成形体を形成する。基体211の成形体を形成する方法としては、真空押出成形機を用いた押出成形法のほかプレス成型法や鋳込み成型法を用いることができる。(Method of Manufacturing Film Structure 100)
First, a formed body of the base 211 having a plurality of through holes TH2 is formed using a clay containing a porous material. As a method of forming a molded body of the
次に、基体211の成形体を焼成(例えば、500℃〜1500℃、0.5時間〜80時間)することによって、基体211を形成する。
Next, the formed body of the
次に、多孔質材料に有機バインダとpH調整剤と界面活性剤などを添加して第1支持膜用スラリーを調製する。 Next, an organic binder, a pH adjuster, a surfactant and the like are added to the porous material to prepare a slurry for the first support film.
次に、第1支持膜用スラリーを用いて、濾過法や流下法などによって第1支持膜212の成形体を形成する。具体的には、第1支持膜用スラリーを基体211の貫通孔TH2に供給しながら基体211の側面S3からポンプで吸引することによって、貫通孔TH2の内表面上に第1支持膜212の成形体を堆積させる。
Next, using the slurry for the first support film, a formed body of the first support film 212 is formed by a filtration method, a flow-down method, or the like. Specifically, the first supporting film 212 is formed on the inner surface of the through hole TH2 by suctioning the first supporting film slurry from the side surface S3 of the base 211 with a pump while supplying the slurry to the through hole TH2 of the
次に、第1支持膜212の成形体を焼成(例えば、900℃〜1450℃、0.5時間〜80時間)することによって、第1支持膜212を形成する。 Next, the first support film 212 is formed by firing the formed body of the first support film 212 (for example, at 900 ° C. to 1450 ° C. for 0.5 to 80 hours).
次に、多孔質材料に有機バインダとpH調整剤と界面活性剤などを添加して第2支持膜用スラリーを調製する。 Next, an organic binder, a pH adjuster, a surfactant and the like are added to the porous material to prepare a slurry for the second support film.
次に、第2支持膜用スラリーを用いて、濾過法や流下法などによって第2支持膜213の成形体を形成する。具体的には、第2支持膜用スラリーを第1支持膜212の内側に供給しながら基体211の側面S3からポンプで吸引することによって、第1支持膜212上に第2支持膜213の成形体を堆積させる。 Next, using the slurry for the second support film, a formed body of the second support film 213 is formed by a filtration method, a flow-down method, or the like. Specifically, the second support film 213 is formed on the first support film 212 by sucking the second support film slurry from the side surface S3 of the base 211 with a pump while supplying the slurry to the inside of the first support film 212. Deposit the body.
次に、第2支持膜213の成形体を焼成(例えば、900℃〜1450℃、0.5時間〜80時間)することによって、第2支持膜213を形成する。以上により、複数の貫通孔TH1を有する基材本体210が完成する。
Next, the second support film 213 is formed by firing the formed body of the second support film 213 (for example, 900 ° C. to 1450 ° C. for 0.5 to 80 hours). As described above, the
次に、ガラスフリットと水と有機バインダなどを混合してガラスシール用スラリーを調製する。 Next, a glass sealing slurry is prepared by mixing glass frit, water, an organic binder, and the like.
次に、基材本体210の第1端面S1と第2端面S2にガラスシール用スラリーを塗布することによって、第1ガラスシール221及び第2ガラスシール231の成形体を形成する。
Next, a molded body of the first glass seal 221 and the second glass seal 231 is formed by applying a glass sealing slurry to the first end surface S1 and the second end surface S2 of the
次に、第1ガラスシール221及び第2ガラスシール231の成形体を焼成(例えば、700℃〜1200℃、0.5時間〜80時間)することによって、第1ガラスシール221及び第2ガラスシール231を形成する。 Next, the formed body of the first glass seal 221 and the second glass seal 231 is fired (for example, 700 ° C. to 1200 ° C., for 0.5 hours to 80 hours), so that the first glass seal 221 and the second glass seal 221 are formed. 231 are formed.
次に、複数の貫通孔TH1の内表面上に分離膜300を形成する。分離膜300の形成方法としては、分離膜300の種類に応じた適切な方法を用いればよい。例えば、分離膜300としてDDR型ゼオライト膜を形成する場合には、流下法による種付け工程と、ゾルの水熱合成工程と、構造規定剤を除去するための加熱工程を順次実施する。
Next, the
次に、フッ素樹脂と接着成分の混合剤を第1ガラスシール221及び第2ガラスシール231の表面に塗布して乾燥させる。これによって、第1プライマー層222及び第2プライマー層232の成形体が形成される。第1プライマー層222及び第2プライマー層232の成形体は、基材本体210の側面S3や分離膜300の一部を覆っていてもよい。
Next, a mixture of a fluororesin and an adhesive component is applied to the surfaces of the first glass seal 221 and the second glass seal 231 and dried. Thereby, a molded body of the first primer layer 222 and the second primer layer 232 is formed. The molded product of the first primer layer 222 and the second primer layer 232 may cover the side surface S3 of the
次に、フッ素樹脂を第1プライマー層222及び第2プライマー層232の成形体の表面に塗布して、所定条件(例えば、280℃〜380℃、0.1時間〜2時間)で焼き付ける。これによって、第1及び第2フッ素樹脂層223,233と第1及び第2プライマー層222,232が形成される。第1及び第2フッ素樹脂層223,233は、PFAコート、PFA粉体コート、FEP分散液コート、或いはPTFE分散液コートによって形成することができる。なお、PFAコート又はPFA粉体コートによって第1及び第2フッ素樹脂層223,233を形成する場合、粒径25μm以上の粗粉フッ素樹脂粒子を少なくとも一部に使用することでフッ素樹脂の基材本体210への染み込みによる膜欠陥を抑制することができる。
Next, a fluororesin is applied to the surface of the molded body of the first primer layer 222 and the second primer layer 232 and baked under predetermined conditions (for example, 280 to 380 ° C. for 0.1 to 2 hours). Thus, the first and second fluororesin layers 223 and 233 and the first and second primer layers 222 and 232 are formed. The first and second fluororesin layers 223 and 233 can be formed by PFA coating, PFA powder coating, FEP dispersion coating, or PTFE dispersion coating. In the case where the first and second fluororesin layers 223 and 233 are formed by PFA coating or PFA powder coating, the fluororesin base material is formed by using at least a part of coarse fluororesin particles having a particle size of 25 μm or more. Film defects due to permeation into the
(その他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。(Other embodiments)
As described above, one embodiment of the present invention has been described, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention.
(A)上記実施形態において、モノリス型基材200は、基材本体210と、第1シール部220と、第2シール部230を有することとしたが、第1シール部220及び第2シール部230の少なくとも一方を有していなくてもよい。
(A) In the above embodiment, the monolithic base material 200 has the
(B)上記実施形態において、第1シール部220は、第1プライマー層222を有することとしたが、図3に示すように、第1プライマー層222を有していなくてもよい。同様に、第2シール部230は、第2プライマー層232を有していなくてもよい。
(B) In the above embodiment, the
(C)上記実施形態において、第1シール部220は、第1ガラスシール221を有することとしたが、図3に示すように、第1ガラスシール221を有していなくてもよい。同様に、第2シール部230は、第2ガラスシール231を有していなくてもよい。このように、各シール部がガラスシールを有していない場合、分離膜300は、水をろ過精製することによって浄化水を生成する浄水膜として好適に利用可能である。
(C) In the above embodiment, the
(D)上記実施形態において、基材本体210は、基体211と、第1支持膜212と、第2支持膜213とを有することとしたが、第1支持膜212及び第2支持膜213の少なくとも一方を有していなくてもよい。基材本体210が第2支持膜213を有さない場合、分離膜300は第1支持膜212上に形成される。また、図3に示すように、基材本体210が第1支持膜212及び第2支持膜213を有さない場合、分離膜300は基体211の内表面上に形成される。
(D) In the above embodiment, the
(E)上記実施形態では、第1及び第2ガラスシール221,231→分離膜300→第1及び第2フッ素樹脂層223,233の順に形成することとしたが、分離膜300→第1及び第2ガラスシール221,231→第1及び第2フッ素樹脂層223,233の順に形成してもよいし、第1及び第2ガラスシール221,231→第1及び第2フッ素樹脂層223,233→分離膜300の順に形成してもよい。
(E) In the above embodiment, the first and second glass seals 221 and 231 → the
(F)上記実施形態において、セルCの断面形状は円形であることとしたが、楕円形、矩形或いは多角形であってもよい。 (F) In the above embodiment, the cross-sectional shape of the cell C is circular, but may be elliptical, rectangular, or polygonal.
(G)上記実施形態において、膜構造体100は、モノリス型基材200と分離膜300とを備えることとしたが、分離膜300を備えていなくてもよい。膜構造体100が分離膜300を備えていない場合、第1支持膜212と第2支持膜213は、浄水用の精密ろ過運転による固液分離のための分離膜として機能する。
(G) In the above embodiment, the
以下において本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
(サンプルNo.1〜No.3の作製)
まず、骨材粒子としての平均粒径50μmのアルミナ粒子100質量部に対して焼結助剤としてのフリット20質量部を添加し、さらに水、分散剤及び増粘剤を加えて混練することによって坏土を得た。(Production of Sample Nos. 1 to 3)
First, 20 parts by mass of a frit as a sintering aid are added to 100 parts by mass of alumina particles having an average particle size of 50 μm as aggregate particles, and then water, a dispersant and a thickener are added and kneaded. A clay was obtained.
次に、成形した坏土を乾燥及び焼成(1250℃、1時間、昇温及び降温速度100℃/時間)することによって基体を作製した。基体の寸法は、直径30mm×長さ30mmであった。基体には、55本の貫通孔を形成した。
Next, the formed body was dried and fired (1250 ° C., 1 hour, heating and
次に、骨材粒子としての平均粒径3μmのアルミナ粒子100質量部に対して焼結助剤としてのフリット14質量部を添加し、さらに水、分散剤及び増粘剤を加えて混合することによって第1支持膜用スラリーを調製した。次に、第1支持膜用スラリーを用いた濾過法によって、基体の貫通孔の内周面に第1支持膜の成形体を形成した。次に、第1支持膜の成形体を電気炉にて焼成(大気雰囲気下、950℃、1時間、昇温及び降温速度100℃/時間)することによって第1支持膜を形成した。 Next, 14 parts by mass of a frit as a sintering aid are added to 100 parts by mass of alumina particles having an average particle size of 3 μm as aggregate particles, and water, a dispersant and a thickener are further added and mixed. Thus, a slurry for the first support film was prepared. Next, a formed body of the first support film was formed on the inner peripheral surface of the through hole of the substrate by a filtration method using the slurry for the first support film. Next, the first support film was formed by firing the formed body of the first support film in an electric furnace (at 950 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, and at a temperature increase / decrease rate of 100 ° C./hour).
次に、骨材粒子としての平均粒径0.5μmのチタニア粒子に対し、水、分散剤及び増粘剤を加えて混合することによって第2支持膜用スラリーを調製した。次に、第2支持膜用スラリーを用いた濾過法によって、第1支持膜の内周面に第2支持膜の成形体を形成した。次に、第2支持膜の成形体を電気炉にて焼成(大気雰囲気下、950℃、1時間、昇温及び降温速度100℃/時間)することによって第2支持膜を形成した。以上により、複数の貫通孔を有する基材本体が完成した。 Next, water, a dispersant, and a thickener were added to and mixed with titania particles having an average particle size of 0.5 μm as aggregate particles to prepare a slurry for the second support film. Next, a formed body of the second support film was formed on the inner peripheral surface of the first support film by a filtration method using the slurry for the second support film. Next, the second support film was formed by firing the formed body of the second support film in an electric furnace (at 950 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, at a rate of temperature increase and decrease of 100 ° C./hour). As described above, a base body having a plurality of through holes was completed.
次に、ガラスフリットと水と有機バインダを混合してガラスシール用スラリーを調製した。次に、基材本体の両端面にガラスシール用スラリーを塗布することによって、一組のガラスシールの成形体を形成した。次に、一組のガラスシールの成形体を電気炉にて焼成(大気雰囲気下、950℃、1時間、昇温及び降温速度100℃/時間)することによって一組のガラスシールを形成した。 Next, a glass sealing slurry was prepared by mixing glass frit, water and an organic binder. Next, a glass seal slurry was applied to both end surfaces of the base material body to form a set of glass seal compacts. Next, a set of molded glass seals was fired in an electric furnace (at 950 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, at a rate of temperature increase and decrease of 100 ° C./hour) to form a set of glass seals.
次に、サンプルNo.3において、一組のガラスシールの表面にフッ素樹脂と接着成分の混合剤を塗布して乾燥させることによって、一組のプライマー層の成形体を形成した。一方、サンプルNo.1,2では、一組のプライマー層の成形体を形成しなかった。 Next, the sample no. In 3, a mixture of a fluororesin and an adhesive component was applied to the surface of a set of glass seals and dried to form a set of molded products of a primer layer. On the other hand, the sample No. In the cases of Nos. 1 and 2, a molded product of one set of primer layers was not formed.
次に、サンプルNo.2において、一組のガラスシールそれぞれの表面にPFAを塗布して焼き付けることによって、一組のフッ素樹脂層(厚み50μm)を形成した。同様に、サンプルNo.3では、一組のプライマー層それぞれの表面にPFAを塗布して焼き付けることによって、一組のフッ素樹脂層(厚み50μm)を形成した。一方、サンプルNo.1では、フッ素樹脂層を形成しなかった。このように、サンプルNo.1のシール部はガラスシールのみによって構成され、サンプルNo.2のシール部はガラスシールとフッ素樹脂層によって構成され、サンプルNo.3のシール部はガラスシールとプライマー層とフッ素樹脂層によって構成されている。 Next, the sample no. In 2, a pair of fluororesin layers (50 μm thick) were formed by applying and baking PFA on the surface of each of the pair of glass seals. Similarly, for sample no. In No. 3, PFA was applied to the surface of each of the pair of primer layers and baked to form a pair of fluororesin layers (thickness: 50 μm). On the other hand, the sample No. In No. 1, the fluororesin layer was not formed. Thus, the sample No. The seal portion of Sample No. 1 is constituted only by a glass seal, The seal portion of Sample No. 2 is composed of a glass seal and a fluororesin layer. The seal portion 3 is composed of a glass seal, a primer layer and a fluororesin layer.
以上により、サンプルNo.1〜No.3に係る膜構造体が完成した。 As described above, the sample No. 1 to No. 3 was completed.
(シール部の耐久性評価)
まず、サンプルNo.1〜No.3の膜構造体を耐圧容器中で酢酸水溶液(水濃度50%)に浸漬し、封入した。(Evaluation of durability of seal part)
First, sample no. 1 to No. The membrane structure of No. 3 was immersed in an acetic acid aqueous solution (water concentration: 50%) in a pressure vessel and sealed.
次に、耐圧容器を200℃に加熱し、80時間、200時間、600時間、1000時間、1200時間、1600時間が経過するたびに取り出して、ガラスシールのクラックやフッ素樹脂層の剥離の有無を観察した。クラックの有無は、シール部表面に塗布した染料がクラックに染み込んだか否かによって判定した。染料がクラックに染み込んだ場合には、脱水分離時においても処理液が染み出し漏れることが予想される。観察結果を表1にまとめて示す。 Next, the pressure vessel was heated to 200 ° C., taken out every 80 hours, 200 hours, 600 hours, 1000 hours, 1200 hours, and 1600 hours, and checked for cracks in the glass seal and peeling of the fluororesin layer. Observed. The presence or absence of cracks was determined based on whether or not the dye applied to the surface of the seal portion permeated the cracks. When the dye penetrates into the crack, it is expected that the treatment liquid will seep out and leak even during dehydration separation. The observation results are shown in Table 1.
表1に示すように、ガラスシールをフッ素樹脂層で保護したサンプルNo.2、3では、80時間経過時においてガラスシールのクラックやフッ素樹脂層の剥離は観察されなかった。一方、ガラスシールが露出しているサンプルNo.1では、80h経過時においてガラスシールのクラックが観察された。従って、ガラスシールをフッ素樹脂層で保護することによって、ガラスシールのクラックを抑制できることが確認できた。 As shown in Table 1, Sample No. 1 in which the glass seal was protected with a fluororesin layer. In Nos. 2 and 3, cracks in the glass seal and peeling of the fluororesin layer were not observed after 80 hours. On the other hand, in Sample No. In No. 1, cracks in the glass seal were observed after 80 hours. Therefore, it was confirmed that cracking of the glass seal can be suppressed by protecting the glass seal with the fluororesin layer.
また、ガラスシールとフッ素樹脂層をプライマー層で接着したサンプルNo.3では、1000時間以上経過した後においてもフッ素樹脂層の剥離は観察されなかった。従って、プライマー層でガラスシールとフッ素樹脂層を接着することによって、フッ素樹脂層の剥離を抑制できることが確認できた。 In addition, in Sample No. in which a glass seal and a fluororesin layer were bonded with a primer layer. In No. 3, peeling of the fluororesin layer was not observed even after 1000 hours or more. Therefore, it was confirmed that peeling of the fluororesin layer could be suppressed by bonding the glass seal and the fluororesin layer with the primer layer.
(サンプルNo.4,5の作製)
表2に示す材料を用いて、サンプルNo.1〜3と同様の工程にてサンプルNo.4,5に係る膜構造体を作製した。ただし、サンプルNo.4,5では、基体の寸法を直径30mm×長さ160mmとし、第2支持膜の内表面上にDDR型ゼオライト膜を形成した後、ガラスシール上にPFAを塗布して焼き付けることによって、フッ素樹脂層(厚み50μm)を形成した。(Production of Sample Nos. 4 and 5)
Using the materials shown in Table 2, Sample No. Sample Nos. 1 to 3 in the same process as in Nos. 1 to 3. Film structures according to Nos. 4 and 5 were produced. However, the sample No. In Examples 4 and 5, the size of the substrate is set to 30 mm in diameter × 160 mm in length, a DDR type zeolite film is formed on the inner surface of the second support film, and then PFA is applied and baked on a glass seal to obtain a fluororesin. A layer (thickness: 50 μm) was formed.
(フッ素樹脂層の分離性能への影響評価) (Evaluation of influence of fluororesin layer on separation performance)
まず、表2に示す混合流体を各サンプルのセルに供給しながら側面からポンプで1.5時間吸引し、その後0.5時間透過液を採取した。その後、各サンプルを透過した液量から透過速度を算出するとともに、次式(1)に基づいて分離係数αを算出した。 First, the mixed fluid shown in Table 2 was supplied to the cell of each sample while sucking it from the side by a pump for 1.5 hours, and then a permeate was collected for 0.5 hours. Thereafter, the permeation rate was calculated from the amount of liquid permeating each sample, and the separation coefficient α was calculated based on the following equation (1).
分離係数α=([原液水モル濃度]/[原液エタノールモル濃度])/([透過液水モル濃度]/[透過液エタノールモル濃度]) ・・・(1) Separation coefficient α = ([molarity of stock solution water] / [molarity of stock solution ethanol]) / ([molarity of permeate solution water] / [molarity of permeate solution ethanol]) (1)
さらに、初期性能を測定した後の各サンプルを耐圧容器に少量の水とともに封入し、170℃にて200時間加熱することで、各サンプルを水蒸気に暴露して劣化させた。水蒸気に暴露した後、各サンプルを取り出して乾燥し、表2に示す混合流体を各サンプルのセルに供給しながら側面からポンプで1.5時間吸引し、その後0.5時間透過液を採取した。その後、各サンプルを透過した液量から透過速度を算出するとともに、上記式(1)に基づいて分離係数αを算出した。 Furthermore, each sample after measuring the initial performance was sealed in a pressure-resistant container together with a small amount of water, and heated at 170 ° C. for 200 hours, thereby exposing each sample to water vapor to deteriorate the sample. After being exposed to water vapor, each sample was taken out and dried, and while the mixed fluid shown in Table 2 was supplied to the cell of each sample, it was sucked from the side by a pump for 1.5 hours, and then the permeate was collected for 0.5 hours. . Thereafter, the permeation rate was calculated from the amount of liquid permeating each sample, and the separation coefficient α was calculated based on the above equation (1).
表2に示すように、フッ素樹脂層を設けたサンプルNo.5の透過速度及び分離係数αは、フッ素樹脂層を設けなかったサンプルNo.4と同等であった。これにより、フッ素樹脂層の有無が初期の分離性能に影響しないことが確認された。また、劣化後の性能を比較すると、フッ素樹脂層を設けたサンプルNo.5は劣化が少ないことが確認できた。 As shown in Table 2, the sample No. The transmission speed and the separation coefficient α of Sample No. 5 where no fluororesin layer was provided were obtained. It was equivalent to 4. This confirmed that the presence or absence of the fluororesin layer did not affect the initial separation performance. In addition, when the performance after the deterioration is compared, the sample No. 5 was confirmed to have little deterioration.
また、フッ素樹脂層を設けたサンプルNo.5では、水蒸気に暴露した後においても透過速度及び分離係数αを維持することができた。従って、フッ素樹脂層を設けることによってシール部の機能を維持できることが確認できた。 In addition, the sample No. In No. 5, the permeation rate and the separation coefficient α could be maintained even after exposure to water vapor. Therefore, it was confirmed that the function of the seal portion can be maintained by providing the fluororesin layer.
(フッ素樹脂層の作製容易性)
まず、表3に示す材料を用いてフッ素樹脂層用スラリーを作製した。表3に示すように、サンプルNo.6では粒径5μmのフッ素樹脂粒子を使用し、サンプルNo.7では粒径25μmのフッ素樹脂粒子を使用し、サンプルNo.8〜11では粒径5μmと粒径25μmのフッ素樹脂粒子を重量比1:1で使用した。(Ease of production of fluororesin layer)
First, a slurry for a fluororesin layer was prepared using the materials shown in Table 3. As shown in Table 3, sample no. Sample No. 6 used fluororesin particles having a particle size of 5 μm. Sample No. 7 used fluororesin particles having a particle size of 25 μm. In Nos. 8 to 11, fluororesin particles having a particle size of 5 μm and a particle size of 25 μm were used at a weight ratio of 1: 1.
次に、フッ素樹脂層用スラリーを多孔質基材に直接塗布して表3に示す熱処理条件で焼き付けた。 Next, the fluororesin layer slurry was directly applied to the porous substrate and baked under the heat treatment conditions shown in Table 3.
続いて、フッ素樹脂層における欠陥数の多少を染色試験によって観察した。欠陥数の多少は、シール部表面に塗布した染料が染み込んだピンホール数によって判定した。欠陥数の判定結果を表3に示す。 Subsequently, the number of defects in the fluororesin layer was observed by a dyeing test. The number of defects was determined based on the number of pinholes in which the dye applied to the surface of the seal portion was soaked. Table 3 shows the results of determining the number of defects.
表3に示すように、フッ素樹脂層を多孔質の基材本体に直接塗布して焼付けを行う場合、基材本体の細孔径より大きな粒径25μmのフッ素樹脂粒子を使用したサンプルNo.7〜11では、フッ素樹脂層の欠陥を抑制することができた。これは、フッ素樹脂粒子が基材本体に染み込むことを抑制できたためである。 As shown in Table 3, when the fluororesin layer is directly applied to the porous base material body and baked, the sample No. using fluororesin particles having a particle diameter of 25 μm larger than the pore diameter of the base material body was used. In Nos. 7 to 11, defects in the fluororesin layer could be suppressed. This is because the permeation of the fluororesin particles into the base body could be suppressed.
(シール部の薬液耐性評価)
サンプルNo.1〜3と同様の工程にてサンプルNo.12〜14に係る膜構造体を作製した。ただし、サンプルNo.13では、基材本体の両端面にガラスシールを形成せずに、基材本体の両端面にフッ素樹脂層を直接形成した。サンプルNo.14では、基材本体の両端面にガラスシールを形成せずに、基材本体の両端面にプライマー層とフッ素樹脂層を順次形成した。なお、サンプルNo.13,14では、サンプルNo.11と同様の材料を用いてフッ素樹脂層を形成した。(Evaluation of chemical resistance of seal part)
Sample No. Sample Nos. 1 to 3 in the same process as in Nos. 1 to 3. Film structures according to Nos. 12 to 14 were produced. However, the sample No. In No. 13, a fluororesin layer was directly formed on both end faces of the base material body without forming a glass seal on both end faces of the base material body. Sample No. In No. 14, a primer layer and a fluororesin layer were sequentially formed on both end faces of the base material body without forming a glass seal on both end faces of the base material body. The sample No. 13 and 14, the sample Nos. A fluororesin layer was formed using the same material as in No. 11.
次に、一般的に上水用途では酸アルカリにて薬液洗浄が行われるため、各サンプルについて酸アルカリに対する薬液耐性を評価するために、薬液耐性サイクル試験を実施した。薬液耐性サイクル試験では、各サンプルのシール部をオートクレーブ中で硫酸(PH1.8)に浸漬して加熱(150℃、50時間)する工程と、シール部を洗浄及び乾燥する工程と、各サンプルのシール部をオートクレーブ中でNaOH(2%水溶液)に浸漬して加熱(150℃、50時間)する工程とを1サイクルとした。サンプルNo.12では薬液耐性サイクル試験を1サイクル実施し、サンプルNo.13,14では薬液耐性サイクル試験を2サイクル実施した。 Next, chemical water washing is generally performed with acid-alkali in tap water use, and a chemical resistance cycle test was performed to evaluate the chemical resistance of each sample to acid-alkali. In the chemical solution resistance cycle test, a step of immersing the seal part of each sample in sulfuric acid (PH1.8) in an autoclave and heating (150 ° C., 50 hours), a step of washing and drying the seal part, The step of immersing the seal portion in NaOH (2% aqueous solution) in an autoclave and heating (150 ° C., 50 hours) was defined as one cycle. Sample No. In Sample No. 12, one cycle of the chemical resistance cycle test was performed. In 13 and 14, the chemical solution resistance cycle test was performed for 2 cycles.
1サイクルが終了するたびに各サンプルのシール部を観察して、シール部における剥離の有無を確認した。 Each time one cycle was completed, the seal portion of each sample was observed to confirm the presence or absence of peeling at the seal portion.
表4に示すように、フッ素樹脂層で保護したサンプルNo.13,14では、薬液耐性サイクル試験を2サイクル実施した後においてもシール部に剥離は発生しなかった。一方、ガラスシールが露出しているサンプルNo.12では、薬液耐性サイクル試験を1サイクル実施した後に剥離が発生した。従って、ガラスシールの有無に関わらずフッ素樹脂層を設けることによって、シール部の耐久性を向上させられることが確認できた。 As shown in Table 4, Sample No. protected with the fluororesin layer In Nos. 13 and 14, peeling did not occur in the seal portion even after two cycles of the chemical resistance cycle test. On the other hand, in Sample No. In No. 12, peeling occurred after one cycle of the chemical resistance cycle test. Therefore, it was confirmed that the durability of the seal portion can be improved by providing the fluororesin layer regardless of the presence or absence of the glass seal.
100 膜構造体
200 モノリス型基材
210 基材本体
211 基体
212 第1支持膜
213 第2支持膜
220 第1シール部
221 第1ガラスシール
222 第1プライマー層
223 第1フッ素樹脂層
230 第2シール部
231 第2ガラスシール
232 第2プライマー層
233 第2フッ素樹脂層
300 分離膜
TH1 貫通孔100 Membrane Structure 200
Claims (5)
前記第1端面を被覆する第1フッ素樹脂層と、
を備え、
前記第1フッ素樹脂層の厚さは、10μm以上2000μm以下であり、
前記第1フッ素樹脂層は、前記基材本体の細孔径より大きな粒径のフッ素樹脂粒子を含む、
膜構造体。 A porous base body having a first end face, a second end face, and a plurality of through holes each penetrating from the first end face to the second end face;
A first fluororesin layer covering the first end face;
Equipped with a,
The thickness of the first fluororesin layer is 10 μm or more and 2000 μm or less,
The first fluororesin layer includes fluororesin particles having a diameter larger than the pore diameter of the base body,
Membrane structure.
前記分離膜は、水をろ過精製することによって浄化水を生成する、
請求項1に記載の膜構造体。 Comprising a separation membrane formed on the inner surface of the plurality of through holes,
The separation membrane generates purified water by filtering and purifying water,
The membrane structure according to claim 1.
請求項1又は2に記載の膜構造体。 The first fluororesin layer is composed of PFA,
Film structure according to claim 1 or 2.
前記第2フッ素樹脂層の厚さは、10μm以上2000μm以下であり、
前記第2フッ素樹脂層は、前記基材本体の細孔径より大きな粒径のフッ素樹脂粒子を含む、
請求項1乃至3のいずれかに記載の膜構造体。 A second fluororesin layer covering the second end face ;
The thickness of the second fluororesin layer is 10 μm or more and 2000 μm or less,
The second fluororesin layer includes fluororesin particles having a diameter larger than the pore diameter of the base body,
Film structure according to any one of claims 1 to 3.
前記第1端面を被覆するフッ素樹脂層を形成する工程と、
を備え、
前記フッ素樹脂層を形成する工程は、
前記基材本体の細孔径より大きな粒径のフッ素樹脂粒子を含むフッ素樹脂層用スラリーを用いてフッ素樹脂層の成形体を形成する工程と、
前記フッ素樹脂層の成形体を焼き付けることによって前記フッ素樹脂層を形成する工程と、
を含み、
前記フッ素樹脂層の厚さは、10μm以上2000μm以下である、
膜構造体の製造方法。 Forming a porous base body having a plurality of through holes penetrating from the first end face to the second end face, respectively;
Forming a fluororesin layer covering the first end face;
Equipped with a,
The step of forming the fluororesin layer,
A step of forming a molded article of a fluororesin layer using a fluororesin layer slurry containing fluororesin particles having a particle diameter larger than the pore diameter of the base body,
Forming the fluororesin layer by baking the molded body of the fluororesin layer,
Including
The thickness of the fluororesin layer is 10 μm or more and 2000 μm or less,
A method for manufacturing a membrane structure.
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