成果報告書詳細
管理番号20160000000390
タイトル平成27年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム/省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討/耐溶剤性分離膜を用いた革新的省エネルギープロセスの開発についての調査
公開日2016/8/5
報告書年度2015 - 2015
委託先名ユニチカ株式会社 国立大学法人神戸大学
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約件名:平成27年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討 耐溶剤性分離膜を用いた革新的省エネルギープロセスの開発についての調査
 現在、分離膜は様々な産業分野で省エネに貢献しているが、炭化水素系や非プロトン性極性溶媒等の比較的強い溶剤系では、使用できるものが無いこともありほとんど分離膜の適用がされていない。ユニチカが開発中のポリアミド(ナイロン6)製中空糸分離膜は多くの溶剤に耐性を持つ特長を有するため、有機溶剤系の分離プロセスに応用が可能と考えられる。しかしながら現状では適用できる現存プロセスや省エネへの寄与割合等が不透明であるため、ユニチカ株式会社、神戸大学松山研究室が共同で調査を行った。
<技術優位性の調査>
文献、特許の調査を行った。先行文献検索を行った結果、耐溶剤性分離膜に関する文献が144件ヒットした。これらはポリイミド膜の論文がほとんどであり、ポリアミド系UF膜に関する論文は0件であった。先行特許検索の結果、日本特許で353件、米国・欧州特許で78件がヒットした。関連特許を精査した結果、耐溶剤性UF膜についてはセラミック、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール等の素材で出願があったが、ポリアミド、ナイロン単体でのUF膜の先行特許は無かった。汎用エンプラのポリアミドでの耐溶剤性分離膜は実用化を見据えた技術としては優位性を持っていると考えられた。
<性能向上の検討>
膜性能向上のため、ユニチカがこれまでに確立した製膜条件をベースに神戸大学保有の製膜装置を用いて中空糸UF膜の製膜実験を行った。その結果、水透過流束11L/(m2・h・bar)、阻止率90-75%(それぞれ分子量150kDaと35kDaのデキストラン)を示し、期初の数倍の透過流束の膜を得ることができた。走査型電子顕微鏡による形状解析では全体の多孔構造と共に中空糸内側に厚さ0.5μm程度の緻密層の形成を確認した。
<市場調査>
 耐溶剤性膜として使える市販品の調査を行った結果、ポール、日本ガイシ、Tamiのセラミック膜、ダイセルエボニックのポリイミドNF膜があった。いずれも一般的な高分子膜の5-10倍と高価格であり、セラミック膜では単位体積あたりのろ過面積が小さい短所が明らかとなった。また、ポール製の膜は一部の販社で溶剤系への適用が推奨されていないことがわかった。
耐溶剤性UF膜の市場規模は数千万円と小さいとの調査結果があったが、これは新規プロセスのため新たな市場形成が必要であるためと考えられる。また、重要課題としてモジュール化に必要な接着剤やケースの耐溶剤性化が挙げられた。
 適用できる新規プロセスについて調査した結果、液晶工場での溶剤再生、エマルジョン燃料、電着塗料回収など用途を見出すことができた。
<連携フォーメーションの調査>
 液晶工場での溶剤再生、ポリマー製品の回収等の用途で数社の候補を見出すことができた。
<省エネ効果量の調査>
 国内液晶工場での用途は販売開始3年後の省エネ効果量は導入工場5%と仮定すると2.3万KL/年と試算された。他の用途については具体的数値の試算は困難であった。他の業界含め工場の省エネ推進への関心が高まっているため、導入率がさらに上がる可能性が考えられる。
英文要約Title:Strategic Innovation Program for Energy Conservation Technologies/ Research for the Important Technologies of Energy Efficiency Projects/ A Study for Development of Innovative Energy Conservation Processes using Solvent Resistant Membranes.
 Recently, separation membranes has been contributing to energy savings in variety of industry fields. But membrane applications for organic solvent treatments are not common because most of membranes are not resistant against organic solvents such as hydrocarbons and polar aprotic solvents. Polyamide hollow fiber membrane developed in Unitika Ltd. could be used for separation process of organic solvents because it has resistance for many solvents. The purpose of this joint study by Unitika Ltd. and Kobe University is to examine the possibility and effectiveness of polyamide hollow fiber membrane, especially ultra filtration (UF) membrane, for the use of organic solvent treatments, and to estimate to what extent this membrane process contributes to energy savings.

Literature and patent searches were conducted. As a result of literature search, 144 literatures that are related to solvent resistant membrane were hit. These papers were almost related to polyimide membrane, and no papers were related to polyamide UF membrane. As a result of patent search, 353 patents in Japan and 78 patents in U.S. and Europe were hit. They were related to ceramic, poly phenylene sulfone, polyimide, and polybenzoxazole UF membranes. No patents were related to Polyamide or Nylon UF membrane. From these results, solvent resistant membrane made of polyamide has advantages as practical technology.

To improve membrane performance, we performed experiments of UF hollow fiber membrane fabrication based on Unitika technologies studied before. As a result, we obtained the membrane that has 11L/(m2 h bar) as water flux and 90%, 75% as dextran (150kDa and 35kDa) rejection. They showed several times higher flux than that of before examination. We could observe porous structures in whole area of cross section and about 500nm dense layer at inner side of the hollow fiber membranes by scanning electron microscope.

 There are several commercial products that can be used as solvent resistant membrane; ceramic membranes from Pall corporation, NGK insulators LTD and Tami Industries, and Polyimide NF membrane from Daicel Evonik LTD. These products are 5 to 10 times higher in price than common polymeric membranes. For ceramic membranes, smaller filtration area per unit volume was a disadvantage. Additionally, it was found that ceramic membrane from Pall corporation was not recommended for the use of organic solvent treatment.
The market size of the solvent resistant UF membrane was estimated at tens of millions of yen in Japan. It seems to be small, but this is the reason why it is necessary to produce a new market for new process in the future. And we found that it is important to add solvent tolerance to bond and case for making module. As a result of investigation for applying new process for which our membrane can be used, we could find some applications such as solvent recycling in liquid crystal display (LCD) plants, emulsified fuel, electrodeposition of paint.

 We could find several candidate companies in the application of solvent recycling in LCD plant, collection of polymer product, etc.

 The energy saving effects in 3 years after commercialization of an ideal new solvent-resistant UF membrane in Japanese LCD plants was estimated to be 23,000kL of oil per year if the rate of installed plant reaches to 5%. It was difficult to estimate specific values for other applications. The rate of installation will increase in accord with the enhancement of interest in plant energy saving including other industrial fields.
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