セラミックフィルタ及びナノ濾過膜の製造方法
【課題】欠陥が少なく、膜厚が薄く均一で、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜の製造方法、及びこのＮＦ膜を用いたセラミックフィルタを提供する。
【解決手段】柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路１１３を有するセラミックフィルタである。このセラミックフィルタは、複数の流路１１３のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜１４２を備える。
【解決手段】柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路１１３を有するセラミックフィルタである。このセラミックフィルタは、複数の流路１１３のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜１４２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）を有するセラミックフィルタ、及びこのセラミックフィルタの内部に設けられた複数の流路のそれぞれの内壁にＮＦ膜を形成するＮＦ膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多孔質基材上に限外濾過膜（ＵＦ膜）を成膜する方法は種々のものが知られている。例えば、チューブ形状、レンコン状、又は蜂の巣状の一体構造(モノリス）の多孔質基材の内表面に濾過成膜により多孔質膜を形成する方法も公知であり（特許文献１〜２を参照）、多孔質基材のゾル液が接触する内表面側より外表面側を低圧に保持することにより多孔質基材の内表面に成膜するものである。
【０００３】
「分画分子量（ＭＷＣＯ）」は、濾過膜が９０％以上分離することのできる最小分子量として定義される。分画分子量の決定に際しては、平均分子量の異なる３種類以上の分子量標準物質（マーカー）を用い濾過装置で濾過したときの濃度比からそれぞれの阻止率を求め、図４に示すような確率対数紙上にプロットする。確率対数紙上で阻止率９０％の分子量を算出し、分画分子量とされる。しかしながら、図４に示すように、Ａの濾過膜とＢの濾過膜とが、同じ分画分子量（ＭＷＣＯ）３，０００ｇ／molであっても分子量（ＭＷ）６０００ｇ／molの阻止率が、Ｂの濾過膜の方が高い。このとき、Ｂの濾過膜の方が「細孔の分布がシャープ」になっていると定義する。
【特許文献１】特開平３−２６７１２９号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３８３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セル数が多く膜面積が大きいレンコン状や蜂の巣状の一体構造(モノリス）をなす多孔質基材に適応して平均細孔径が４ｎｍ以下のＮＦ膜を作製しようとすると、５ｎｍ以上、或いは１０ｎｍ以上の大きな細孔或いはクラック等の欠陥が発生し、細孔の分布がシャープでないため、所望の阻止特性が得られなかった。
【０００５】
本発明は、欠陥が少なく、膜厚が薄く均一で、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜の製造方法、及びこのＮＦ膜を用いたセラミックフィルタを提供することを目的とする。
【０００６】
なお、本明細書では、「ＮＦ膜の細孔の分布にシャープさがある」とは、以下の内、どれか１つ以上を満たしたときとする：
（ａ）２つのＮＦ膜を比較したとき、分子量６，０００ｇ／molの阻止率が高いＮＦ膜の方を相対的に「シャープなＮＦ膜」とする。
【０００７】
（ｂ）分子量６，０００ｇ／molの阻止率が、９８％以上となるＮＦ膜の場合、そのＮＦ膜を絶対的に「シャープなＮＦ膜」と表現する。
【０００８】
（ｃ）確率対数紙上に複数の阻止率をプロットして各阻止率を結んだとき、９９％に向かって、略直線性があるＮＦ膜の方を相対的に「シャープなＮＦ膜」と表現する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を有するセラミックフィルタに関する。即ち、第１の態様に係るセラミックフィルタは、複数の流路のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様は、（イ）柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を備えたセラミックエレメントを用意する工程と、（ロ）セラミックゾル原液を作製した後に、希釈用の溶媒としてイソプロピルアルコール、又はイソプロピルアルコールの水溶液をセラミックゾル原液に混合してセラミックゾルコート液を作製する工程と、（ハ）クロスフロー濾過法によりセラミックエレメントの複数の流路の内壁表面上にセラミックゾルコート液を付着させる工程と、（ニ）付着させる工程の後、恒温槽にセラミックエレメントを収納し、湿度４５〜５５％に制御して、セラミックゾルコート液を乾燥させて内壁表面上にセラミックゾルコート液を乾燥させた被膜を付着させる第１乾燥処理工程と、（ホ）第１乾燥処理工程の後、焼成温度まで１０〜５０℃／ｈの昇温速度でセラミックエレメントを昇温し、焼成温度で被膜を焼成の後、焼成温度から降温速度１０〜５０℃／ｈで降温する焼成工程とを含むナノ濾過膜の製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、欠陥が少なく、膜厚が薄く均一で、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜の製造方法、及びこのＮＦ膜を用いたセラミックフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。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。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法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。
【００１３】
又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
（セラミックフィルタ）
図２に本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によって得られたＮＦ膜１４２を用いたセラミックフィルタ１１ｆの一例を説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆは、隔壁１１４により画成され軸方向の流体通路を形成する複数の流路（セル）１１３を有するレンコン状の一体構造(モノリス)を成している。本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆでは、流路（セル）１１３は円形断面を有し、その内壁面に、図３に示されたようなＮＦ膜１４２が形成されている。ＮＦ膜１４２は、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜１４２であり、１０ｎｍ以上の粗大細孔含有率が０．５％以下である。更に、ＮＦ膜１４２の分子量６，０００ｇ／molに対する阻止率が、９８％以上である。
【００１６】
流路（セル）１１３は、六角断面や四角形断面を有するように形成しても良い。図２に示すような構造によれば、例えば、混合体を入口側端面から流路（セル）１１３に導入すると、その混合体を構成する一方が、流路（セル）１１３内壁に形成されたＮＦ膜１４２において分離され、多孔質の隔壁１１４を透過してセラミックフィルタ１１ｆの最外壁から排出されるため、混合体を分離することができる。つまり、セラミックフィルタ１１ｆに形成されたＮＦ膜１４２は、分離膜として利用することができる。
【００１７】
図３に示すように、本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆでは、細孔径が１〜１０μｍの精密濾過膜（ＭＦ膜）１１１上に細孔径が５〜１０ｎｍの限外濾過膜であるＵＦ膜１４１が形成され、そのＵＦ膜１４１上に細孔径が０．５〜４ｎｍのＮＦ膜１４２が形成されている。ＵＦ膜１４１としては、例えば、チタニアを採用することができる。ＮＦ膜１４２は、セラミックゾルをクロスフロー濾過法により積層した単層、又は多層構造であり、例えば、チタニアを採用することができる。以上のように、ＵＦ膜１４１上にＮＦ膜１４２を形成した場合、ＵＦ膜１４１の膜表面が平滑で欠陥も少ないため、ＮＦ膜１４２が薄く、欠陥無く成膜することが可能となる。即ち高分離能、高透過速度、低コストのＮＦ膜１４２が作製可能となる。
【００１８】
一方、ＵＦ膜１４１を形成せずにＭＦ膜１１１上にＮＦ膜１４２を形成した場合、ＭＦ膜１１１の表面の凸凹のため、表面を全てＮＦ膜１４２で被覆するためにはセラミック層が厚膜となってしまい、低透過速度となる。又ＭＦ膜１１１の表面が凸凹であるため、ＮＦ膜１４２が不均質となりクラック等の欠陥が発生しやすい。即ち低分離性能となる。更にクラックを発生させないためには一度に薄くしか成膜できず、工程数が増え高コストの原因となる。したがって、ＭＦ膜１１１の表面にＵＦ膜１４１を形成し、ＵＦ膜１４１の表面を下地膜としてＮＦ膜１４２を形成することが望ましい。
【００１９】
ＵＦ膜１４１をＮＦ膜１４２形成の下地膜として、ＵＦ膜１４１上にセラミック多孔質膜を形成すると、欠陥の少ないＮＦ膜１４２、即ち高分離能のＮＦ膜１４２を形成できる。
【００２０】
セラミックフィルタ１１ｆの本体となるＭＦ膜１１１は、押し出し成形等により多孔質材料からなるレンコン形状型フィルタエレメントとして形成されており、多孔質材料としては、耐食性と温度変化による濾過部の細孔径の変化が少ない点や充分な強度が得られる点から、例えば、アルミナを用いることができるが、アルミナ以外にコーディエライト、ムライト、炭化珪素等のセラミックス材料を使用することもできる。ＮＦ膜１４２を成膜する面（最表面層）は、細孔径が好ましくは５〜２０ｎｍ、より好ましくは、５〜１０ｎｍの多数の細孔を有する多孔質体で形成されると良く、最表面層は、基材本体であっても良いが、図３の例においては、ＵＦ膜１４１が上記範囲の最表面層を形成している。
【００２１】
本発明のＮＦ膜１４２は、ＵＦ膜１４１の内周面（内壁面）を下地膜として成膜するため、長さが５０ｃｍ以上である比較的長尺のレンコン状の形状のＭＦ膜１１１からなる多孔質基材を好適に用いることができる。
【００２２】
（クロスフロー濾過装置）
本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるクロスフロー濾過装置は、図１に示すように、セラミックエレメント１１ｅを収納する成膜チャンバー１２と、成膜チャンバー１２の上流側となる底部フランジ１２３ｂに接続された上流側配管２１ａと、成膜チャンバー１２の下流側となる上部フランジ１２３ａに接続された循環液配管２１ｅと、循環液配管２１ｅにＴ分岐して接続されるエヤー抜きバルブ１８及びリターン配管２１ｆと、成膜チャンバー１２の底部フランジ１２３ｂから分岐した第１減圧配管２１ｇと、第１減圧配管２１ｇに接続された真空トラップ１６と、真空トラップ１６に接続された第２減圧配管２１ｈ、第２減圧配管２１ｈに接続された真空ポンプと、上流側配管２１ａにＴ分岐して接続されるドレイン配管２１ｄ及び供給配管２１ｂと、ドレイン配管２１ｄに接続されたドレインバルブ１３と、供給配管２１ｂに接続された循環ポンプ１４と、循環ポンプ１４に接続されたタンク配管２１ｃと、タンク配管２１ｃに接続された循環タンク１５とを備える。循環ポンプ１４により、コート液は底部フランジ１２３ｂからからフランジ１２３ａに送液され、循環液配管２１ｅ及びリターン配管２１ｆを介して、コート液が循環タンク１５に戻る。この循環を行いながら、第１減圧配管２１ｇ、真空トラップ１６及び第２減圧配管２１ｈを介して、真空ポンプ１７で真空吸引する。真空トラップ１６に一定量のセラミックエレメント１１ｅを濾過したコート液が貯まったら、循環ポンプ１４を停止し、ドレインバルブ１３を開けて、上流側配管２１ａ及びドレイン配管２１ｄを介して、コート液を排出する。真空ポンプ１７による吸引を停止しても、残圧で余分に濾過されてしまうので、真空トラップ１６に一定量のコート液が貯まった時点で、セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）のコート液を排出する。セラミックエレメント１１ｅの１次側のコート液を排出させた後、ドレインバルブ１３を閉じ、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）を真空で保持する。
【００２３】
成膜チャンバー１２はセラミックエレメント１１ｅを収納する円筒型の収納ケースであり、成膜チャンバー１２の上部には円筒型の上部エレメント保持リング１２２ａが、成膜チャンバー１２の下部には円筒型の下部エレメント保持リング１２２ｂが設けられている。セラミックエレメント１１ｅの釉薬部１１２ａは、Ｏ−リング１２１ａにより上部エレメント保持リング１２２ａにより真空密閉状態で固定され、セラミックエレメント１１ｅの釉薬部１１２ｂは、Ｏ−リング１２１ｂにより下部エレメント保持リング１２２ｂにより真空密閉状態で固定される。循環液配管２１ｅには流量計Ｆ１が設けられ、コート液を送液する際の線速（送液速度）を監視し、制御する。又、成膜チャンバー１２の上部には、圧力計Ｐ１が接続され、成膜チャンバーを減圧する圧力を監視し、制御する。
【００２４】
（ＮＦ膜の製造方法）
図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法を説明する。なお、以下に述べるＮＦ膜の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。ＮＦ膜１４２として、チタニア膜を形成する場合を例として説明する。
【００２５】
（イ）先ず、ＭＦ膜１１１からなるレンコン形状（外径３０ｍｍ，セル内径３ｍｍ×３７セル，長さ６５〜１０００ｍｍ）のセラミックエレメント１１ｅを用意する。そして、セラミックエレメント１１ｅの両端部を、図２に示すようにガラス質の被膜（釉薬部）１１２ａ，１１２ｂで釉薬シールをする。更に、圧縮空気でセラミックエレメント１１ｅの流路１１３内のゴミを排出させた後、ＭＦ膜１１１からなるセラミックエレメント１１ｅに設けられた流路（セル）１１３の内壁に、ディップ法、濾過成膜法、又はセラミックエレメント１１ｅの上部より滴下してセル１１３の内側表面上を流動させる方法などにより、それぞれ細孔径が５〜１０ｎｍのＵＦ膜１４１を形成する。
【００２６】
（ロ）本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるコート液は、先ず、セラミックゾル原液（以下、単に「ゾル原液」ともいう。）をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）又はその水溶液で希釈して得る。ゾル原液は金属アルコキシド（例えば、チタンテトライソプロポキシド）と硝酸、又は塩酸の混合液を２〜１０℃に保持しながら水と混合し、更に保持温度を１０〜４０℃にし、予め硝酸と混合しておいたＩＰＡと混合して得られる。なお、ゾル原液は、０．１質量％〜１．２質量％、好ましくは、０．２質量％〜０．５質量％のチタニア（ＴｉＯ２）を含むゾル液である。
【００２７】
（ハ）そして、得られたゾル原液をイオン交換水（導電率で１０μＳ/ｃｍ以下）で希釈し、希釈後のコート液中のＩＰＡ濃度が１０質量％以下、好ましくは９質量％以下となるように調整し、コート液を得る。具体的には、イオン交換水を攪拌しながら、そこにゾル原液を少しずつ加えて、コート液を得る。コート液を得るために、約５分間程度攪拌する。希釈後のチタニア濃度は０．０２〜０．２質量％が特に好ましい。濃度が０．０２質量％以下の場合、膜が薄膜化しすぎるために目的の膜厚を得るまでの成膜回数が増え生産性が悪くなり、更に下地の影響を受けやすくなるために不均質となりクラック等の欠陥が発生しやすくなる。濃度が０．２質量％以上の場合、一度の成膜で得られる膜厚が大きくなり、クラックが発生しやすくなる。又、ここではセラミックゾルの成分としてチタニアを用いているが、チタニアの変わりにシリカ、ジルコニアの成分のゾルを用いることもできる。コート液には、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を０．１質量％〜０．２質量％の濃度の範囲で混合する。できれば、０．１７質量％にする。ＰＶＡの濃度はＴｉＯ2の濃度０．０８３質量％に対し、上記の濃度とする。コート液中のＩＰＡ濃度は１０％以下にする。本発明におけるコート液の作製方法は、セラミックゾル原液を先に作製し、それをイオン交換水で希釈するという２段プロセスであり、このようにゾル原液を作製後ＩＰＡで希釈してコート液を得ることにより、細孔径の小さい、具体的には、平均細孔径が４ｎｍ以下、又分子量が３０００以下の物質を阻止するのに適したＮＦ膜を作製することが可能となる。これに対し、セラミックゾル原液作製時に希釈溶媒として予めＩＰＡを混合して所望の濃度のコート液を得る１段プロセスでは、凝集したゾル粒子が多くなり、粗大細孔の数が増えてしまうので好ましくない。攪拌終了後、２段プロセスで調合したコート液を例えばナイロン製で孔径１０〜１００μｍの濾布で濾す。濾布は、直前に蒸留水で洗浄しておく。
【００２８】
（ニ）次に２段プロセスで調合したコート液をクロスフロー濾過法によりセラミックエレメント１１ｅの流路（セル）１１３の内壁の表面上に付着させるために、セラミックエレメント１１ｅを図１に示すクロスフロー濾過装置の成膜チャンバー１２内に立てて設置する。クロスフロー濾過は、クロスフロー濾過装置の成膜チャンバー１２内に設置したセラミックエレメント１１ｅに下から上に送液する。送液速度は、例えば、φ３×３７穴のセラミックエレメント１１ｅの場合であれば、１Ｌ／分で循環させる（線速０．０６ｍ／ｓ）ように流量計Ｆ１で制御する。循環液（コート液）の循環を行いながら、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）から第１減圧配管２１ｇ、真空トラップ１６及び第２減圧配管２１ｈを介して、真空ポンプ１７で真空吸引する。真空圧は圧力計Ｐ１を用いて０．０８ＭＰａ以上とし、例えば、長さ１ｍ（膜面積０．３５ｍ2）のセラミックエレメント１１ｅの場合、真空トラップ１６に７０〜１５０ｍＬ程度濾過液（コート液）が貯まったら、真空ポンプ１７を停止し（実際には、真空ポンプ１７を動作させながら、第２減圧配管２１ｈ中に設けたストップバルブ（図示省略）を閉じれば良い。）、セラミックエレメント１１ｅの循環液（コート液）をドレインバルブ１３を開けて、上流側配管２１ａ及びドレイン配管２１ｄを介して排出する。真空ポンプ１７による吸引を停止しても、残圧で余分に濾過されてしまうので、３０〜５０ｍＬ程度濾過液（コート液）が貯まった時点で、セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）の循環液（コート液）をドレインバルブ１３を開けて、排出する。セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）の循環液（コート液）を排出させた後、ドレインバルブ１３を閉じ、真空ポンプ１７を再度動作させ（実際には、真空ポンプ１７を動作したまま維持しておき、第２減圧配管２１ｈ中に設けたストップバルブ（図示省略）を開ければ良い。）、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）の真空保持を約１０分間行う。セラミックエレメント１１ｅの真空保持が終了した後に、セラミックエレメント１１ｅをクロスフロー濾過装置から取出す。
【００２９】
（ホ）クロスフロー濾過装置からセラミックエレメント１１ｅを取出し、セラミックエレメント１１ｅの残液を拭い取った後、セラミックエレメント１１ｅを乾燥機（恒温槽）に収納し、乾燥機（恒温槽）を用いた第１乾燥処理を実施して、コート液を乾燥させ、コート液が乾燥した被膜をＵＦ膜１４１の表面に付着させる。第１乾燥処理は、２７〜３３℃、湿度４５〜５５％、好ましくは湿度４８〜５２％に乾燥機の内部を制御して、１２〜２０時間行う。
【００３０】
（ヘ）更に、５０〜６０℃で湿度成り行き（湿度制御なし）で、５〜２４時間程度の第２乾燥処理を加えて、コート液を乾燥させた被膜を更に乾燥させ、ＵＦ膜１４１の表面に密着させる。第２乾燥処理の乾燥時間を長くするほど、より高阻止率のＮＦ膜１４２ができる。第２乾燥処理を省略してしまうと、ＮＦ膜１４２の分離性能が劣る。第２乾燥処理を省略した場合、１０ｎｍ以上の粗大細孔がＮＦ膜１４２に多く存在し、特に平均分子量７５００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）６０００（和光純薬製）に対し、分画分子量２００００ｇ／molのＵＦ膜１４１が９９％の阻止率であるのにも関わらず、ＮＦ膜１４２のＰＥＧ６０００に対する阻止率が９２％程度に低下してしまう。このように、セラミックエレメント１１ｅに第２乾燥処理を加えることで、９９％以上のＰＥＧ６０００に対する阻止率のＮＦ膜１４２を得ることができるので、第２乾燥処理を実施することが好ましいが、目的によっては、第２乾燥処理を省略した可能である。
【００３１】
（ト）第２乾燥処理の終了後、１０〜５０℃／ｈ、好ましくは、１５〜３０℃／ｈ、例えば２５℃／ｈの速度で４００〜５００℃、例えば４５０℃の焼成温度までセラミックエレメント１１ｅを昇温し、焼成温度においてセラミックエレメント１１ｅを保持時間を４５分〜３時間、好ましくは１〜２．５時間程度保持して、コート液を乾燥させた被膜を焼成した後、１０〜５０℃／ｈ、好ましくは、１５〜３０℃／ｈ、例えば２５℃／ｈでセラミックエレメント１１ｅを室温まで冷却してＮＦ膜１４２を得る。なお、セラミックエレメント１１ｅが大きい場合、昇降温の速度は３０℃／ｈ以下の小さい値に設定するのが良い。昇温の速度を１０℃／ｈ未満の値にすることも可能であるが、工業的見地からは、生産効率が低下するので、昇温の速度を１０℃／ｈ未満にすることは現実的ではない。同様に、降温の速度を１０℃／ｈ未満の値にすることも可能であるが、工業的見地からは、生産効率が低下するので、降温の速度を１０℃／ｈ未満にすることは現実的ではない。
【００３２】
以上の工程により、セラミックエレメント１１ｅのＵＦ膜１４１を下地とし、そのＵＦ膜１４１の表面上にセラミック多孔質膜であるＮＦ膜１４２が形成され、図２に示した本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆが完成する。
【００３３】
本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、表１に、実施例の一部（実施例１〜８）を例示的に示すように、セラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度を１〜５０℃／ｈとすることで、１０ｎｍ以上の粗大細孔が無く、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜１４２を得ることができる。
【００３４】
特に、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、分画分子量（ＭＷＣＯ）が３０００ｇ／mol以下、具体的には、例えば分画分子量が１０００〜２５００ｇ／molの分離性能を有し、例えば、有機溶媒中の分子量が数千程度の物質の除去にも適用することができ、細孔の分布にシャープさがあり、有機膜では耐蝕性という意味で使用困難な環境でも使用可能なＮＦ膜の製造方法を提供することができる。電子分野などにおいて、例えば、半導体、液晶ガラス、フォトマスク等の製造工程で用いられる有機物質（例えば、平均粒子径が４ｎｍ以下で、分子量が３０００ｇ／mol以下であるレジストなど）とそれを剥離、洗浄するための各種溶剤（極めて高価であるために再利用が求められている）との加熱処理なしでの分離に適応可能である、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜を提供することができる。
【表１】
【００３５】
表１には、焼成処理時の昇温速度、焼成温度、保持時間及び降温速度、第１乾燥処理（乾燥１）時の乾燥温度、乾燥湿度、保持時間を、並びに第２乾燥処理（乾燥２）時の乾燥温度、保持時間を、それぞれ実施例１〜８及び比較例１〜４に付いて示し、ＵＦ膜１４１の表面上に形成されたセラミック多孔質膜の分画分子量をそれぞれ示した。表１からセラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度を２５℃／ｈとすること（実施例１〜８）で、分画分子量２０００〜３５００ｇ／molのＮＦ膜１４２が得られるが、焼成時の昇降温の速度が１００℃／ｈの比較例１〜４では、分画分子量が４０００〜６０００ｇ／molであることが分かる。
【００３６】
表１に実施例の一部を例示したように、セラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度が１００℃／ｈの場合は、ＰＥＧを分子量標準物質とした測定で分画分子量４，０００ｇ／mol程度であったが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法を用いることで、分画分子量３５００ｇ／mol以下、更には、分画分子量２０００ｇ／mol程度のＮＦ膜１４２を得ることができることが分かる。これは、ＮＦ膜１４２の焼成温度、保持時間、昇降温の速度を上記の値に選定したことによって、５ｎｍ以上及び１０ｎｍ以上の粗大な細孔が大きく減少したことによる。
【００３７】
又、従来は、１０ｎｍ以上の粗大な細孔が存在したことにより、その部分を起点とした剥離により、耐蝕性に難があったが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、粗大細孔が大幅に減少したことにより耐蝕性も向上する。焼成時の昇降温の速度１００℃／ｈで焼成した膜（実施例１，２，４）では、０．５％−ＮａＯＨに１０日浸漬させたとき、膜の劣化により細孔径が大きくなる事で透水量が初期値の１．８倍になってしまうが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、５％未満の上昇に抑えること、若しくは上昇が見られないようにすることが可能となる。この原因は、焼成時の昇降温の速度１００℃／ｈでセラミックエレメント１１ｅをｅ焼成した場合はＵＦ膜１４１上へＮＦ膜１４２の接着強度が低いことによる。特に、ＮＦ膜１４２を、ディッピング法でセラミックエレメント１１ｅに形成した場合は、その後のセラミックエレメント１１ｅの乾燥方法によりＵＦ膜１４１上へのＮＦ膜１４２接着強度が低くなる。一方、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、クロスフロー濾過における加圧により、ＵＦ膜１４１上に楔が入ったように接着されるため、耐蝕性が向上する。焼成の保持時間は１時間が最適であり、これを３０分以下にすると、分画分子量６，０００以上の膜となり、耐蝕性劣る。なお、保持時間を３時間以上、昇温速度を１０℃／ｈ以下にしても（実施例８参照。）、表１に示すように分画分子量が３５００ｇ／molとなり、耐蝕性共これ以上の効果は望めない。
【００３８】
表１から、第２乾燥処理（乾燥２）を実施しなければ、焼成時の昇降温の速度を１０〜２５℃／ｈとしても、分画分子量が３５００ｇ／molとなることが分かるので、第２乾燥処理（乾燥２）が重要であることは分かるが、分画分子量が３５００ｇ／molを目的とする場合は、第２乾燥処理（乾燥２）を省略できる。
【００３９】
表１から、第１乾燥処理時の乾燥温度は、２７〜３３℃が好ましく、乾燥温度を６０℃にすると（比較例３）、焼成時の昇降温の速度を２５℃／ｈとしても、分画分子量が５，０００ｇ／molの膜となることが分かる。乾燥温度を６０℃以上にすると、膜面にクラックが発生しやすくなるからである。
【００４０】
ナノサイズの細孔径分布はナノパームメトリー法（例えば、日本膜学会編、『膜学実験法「人工膜編」』、２００６年講習会テキスト（CD版）等参照。）による方法にて測定が可能であり、３０分以下の保持時間で焼成したＮＦ膜での分布は１０ｎｍ以上の粗大細孔が３％存在するので、細孔の分布にシャープさが無い。一方、１時間の保持時間で焼成したＮＦ膜では、１０ｎｍ以上の粗大細孔が最悪でも０．５％以下、多くは測定限界以下（０％）となり、５ｎｍ以上の粗大細孔は５％以下となり、細孔の分布にシャープさがある。それぞれの膜に対し、ＰＥＧによる阻止率を測定し、確率対数紙にプロットすると、１時間保持では、線形性が得られるのに対し、１５分保持ではＰＥＧ６０００の部分で傾きが寝てしまうので、細孔の分布にシャープさが無い。このことから、１０ｎｍ以上の粗大細孔が存在する場合、ＰＥＧの確率対数紙へのプロットだけからも、１０ｎｍ以上の粗大細孔の存在を確認することができる。
【００４１】
以上のようにして得られた、内壁面に細孔の分布にシャープさがある薄膜状のＮＦ膜１４２が形成されたセラミックフィルタ１１ｆは、混合液体等を分離するフィルタとして好適に用いることができる。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４３】
例えば、上記の実施の形態の説明においては、ゾル原液として用いる金属アルコキシドとしてチタンテトライソプロポキシドを例に説明したが、これは、ＮＦ膜１４２としてチタニアを形成する場合についての例示であり、ゾル原液としては、アルミニウムイソプロポキシドやジルコニウムイソプロポキシド等の他の金属アルコキシドを用いても良い。アルミニウムイソプロポキシドをゾル原液として用いれば、ＮＦ膜１４２としてアルミナが、ジルコニウムイソプロポキシドを金属アルコキシドを用いれば、ＮＦ膜１４２としてジルコニアが形成されるが、これらの他の金属アルコキシドを用いた場合であっても、上記と同様な顕著な効果を奏することができることは、上記の説明から本発明の技術的思想を把握すれば、容易に理解できるであろう。
【００４４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるクロスフロー濾過装置の概略を説明する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタの概略構造を説明する鳥瞰図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタの概略構造を説明する断面図であり、ＭＦ膜上にＵＦ膜が形成され、ＵＦ膜上にＮＦ膜が形成された状態を示す。
【図４】４点の阻止率データをプロットした確率対数紙上で、Ａの濾過膜とＢの濾過膜とが、同じ分画分子量であっても、分子量６０００の阻止率がＢの濾過膜の方が高いので、Ｂの濾過膜の方を「細孔の分布がシャープ」であると定義することを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１ｅ…セラミックエレメント
１１ｆ…セラミックフィルタ
１２…成膜チャンバー
１３…ドレインバルブ
１４…循環ポンプ
１５…循環タンク
１６…真空トラップ
１７…真空ポンプ
１８…バルブ
２１ａ…上流側配管
２１ｂ…供給配管
２１ｃ…タンク配管
２１ｄ…ドレイン配管
２１ｅ…循環液配管
２１ｆ…リターン配管
２１ｇ…第１減圧配管
２１ｈ…第２減圧配管
１１１…ＭＦ膜
１１２ａ，１１２ｂ…釉薬部
１１３…セル（流路）
１１４…隔壁
１２１ａ，１２１ｂ…Ｏ−リング
１２２…成膜チャンバー
１２２ａ…上部エレメント保持リング
１２２ｂ…下部エレメント保持リング
１２３ａ…フランジ
１２３ａ…上部フランジ
１２３ｂ…底部フランジ
１４１…ＵＦ膜
１４２…ＮＦ膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）を有するセラミックフィルタ、及びこのセラミックフィルタの内部に設けられた複数の流路のそれぞれの内壁にＮＦ膜を形成するＮＦ膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多孔質基材上に限外濾過膜（ＵＦ膜）を成膜する方法は種々のものが知られている。例えば、チューブ形状、レンコン状、又は蜂の巣状の一体構造(モノリス）の多孔質基材の内表面に濾過成膜により多孔質膜を形成する方法も公知であり（特許文献１〜２を参照）、多孔質基材のゾル液が接触する内表面側より外表面側を低圧に保持することにより多孔質基材の内表面に成膜するものである。
【０００３】
「分画分子量（ＭＷＣＯ）」は、濾過膜が９０％以上分離することのできる最小分子量として定義される。分画分子量の決定に際しては、平均分子量の異なる３種類以上の分子量標準物質（マーカー）を用い濾過装置で濾過したときの濃度比からそれぞれの阻止率を求め、図４に示すような確率対数紙上にプロットする。確率対数紙上で阻止率９０％の分子量を算出し、分画分子量とされる。しかしながら、図４に示すように、Ａの濾過膜とＢの濾過膜とが、同じ分画分子量（ＭＷＣＯ）３，０００ｇ／molであっても分子量（ＭＷ）６０００ｇ／molの阻止率が、Ｂの濾過膜の方が高い。このとき、Ｂの濾過膜の方が「細孔の分布がシャープ」になっていると定義する。
【特許文献１】特開平３−２６７１２９号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３８３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セル数が多く膜面積が大きいレンコン状や蜂の巣状の一体構造(モノリス）をなす多孔質基材に適応して平均細孔径が４ｎｍ以下のＮＦ膜を作製しようとすると、５ｎｍ以上、或いは１０ｎｍ以上の大きな細孔或いはクラック等の欠陥が発生し、細孔の分布がシャープでないため、所望の阻止特性が得られなかった。
【０００５】
本発明は、欠陥が少なく、膜厚が薄く均一で、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜の製造方法、及びこのＮＦ膜を用いたセラミックフィルタを提供することを目的とする。
【０００６】
なお、本明細書では、「ＮＦ膜の細孔の分布にシャープさがある」とは、以下の内、どれか１つ以上を満たしたときとする：
（ａ）２つのＮＦ膜を比較したとき、分子量６，０００ｇ／molの阻止率が高いＮＦ膜の方を相対的に「シャープなＮＦ膜」とする。
【０００７】
（ｂ）分子量６，０００ｇ／molの阻止率が、９８％以上となるＮＦ膜の場合、そのＮＦ膜を絶対的に「シャープなＮＦ膜」と表現する。
【０００８】
（ｃ）確率対数紙上に複数の阻止率をプロットして各阻止率を結んだとき、９９％に向かって、略直線性があるＮＦ膜の方を相対的に「シャープなＮＦ膜」と表現する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を有するセラミックフィルタに関する。即ち、第１の態様に係るセラミックフィルタは、複数の流路のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様は、（イ）柱状形状をなし、柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を備えたセラミックエレメントを用意する工程と、（ロ）セラミックゾル原液を作製した後に、希釈用の溶媒としてイソプロピルアルコール、又はイソプロピルアルコールの水溶液をセラミックゾル原液に混合してセラミックゾルコート液を作製する工程と、（ハ）クロスフロー濾過法によりセラミックエレメントの複数の流路の内壁表面上にセラミックゾルコート液を付着させる工程と、（ニ）付着させる工程の後、恒温槽にセラミックエレメントを収納し、湿度４５〜５５％に制御して、セラミックゾルコート液を乾燥させて内壁表面上にセラミックゾルコート液を乾燥させた被膜を付着させる第１乾燥処理工程と、（ホ）第１乾燥処理工程の後、焼成温度まで１０〜５０℃／ｈの昇温速度でセラミックエレメントを昇温し、焼成温度で被膜を焼成の後、焼成温度から降温速度１０〜５０℃／ｈで降温する焼成工程とを含むナノ濾過膜の製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、欠陥が少なく、膜厚が薄く均一で、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜の製造方法、及びこのＮＦ膜を用いたセラミックフィルタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。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。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法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。
【００１３】
又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
（セラミックフィルタ）
図２に本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によって得られたＮＦ膜１４２を用いたセラミックフィルタ１１ｆの一例を説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆは、隔壁１１４により画成され軸方向の流体通路を形成する複数の流路（セル）１１３を有するレンコン状の一体構造(モノリス)を成している。本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆでは、流路（セル）１１３は円形断面を有し、その内壁面に、図３に示されたようなＮＦ膜１４２が形成されている。ＮＦ膜１４２は、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のＮＦ膜１４２であり、１０ｎｍ以上の粗大細孔含有率が０．５％以下である。更に、ＮＦ膜１４２の分子量６，０００ｇ／molに対する阻止率が、９８％以上である。
【００１６】
流路（セル）１１３は、六角断面や四角形断面を有するように形成しても良い。図２に示すような構造によれば、例えば、混合体を入口側端面から流路（セル）１１３に導入すると、その混合体を構成する一方が、流路（セル）１１３内壁に形成されたＮＦ膜１４２において分離され、多孔質の隔壁１１４を透過してセラミックフィルタ１１ｆの最外壁から排出されるため、混合体を分離することができる。つまり、セラミックフィルタ１１ｆに形成されたＮＦ膜１４２は、分離膜として利用することができる。
【００１７】
図３に示すように、本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆでは、細孔径が１〜１０μｍの精密濾過膜（ＭＦ膜）１１１上に細孔径が５〜１０ｎｍの限外濾過膜であるＵＦ膜１４１が形成され、そのＵＦ膜１４１上に細孔径が０．５〜４ｎｍのＮＦ膜１４２が形成されている。ＵＦ膜１４１としては、例えば、チタニアを採用することができる。ＮＦ膜１４２は、セラミックゾルをクロスフロー濾過法により積層した単層、又は多層構造であり、例えば、チタニアを採用することができる。以上のように、ＵＦ膜１４１上にＮＦ膜１４２を形成した場合、ＵＦ膜１４１の膜表面が平滑で欠陥も少ないため、ＮＦ膜１４２が薄く、欠陥無く成膜することが可能となる。即ち高分離能、高透過速度、低コストのＮＦ膜１４２が作製可能となる。
【００１８】
一方、ＵＦ膜１４１を形成せずにＭＦ膜１１１上にＮＦ膜１４２を形成した場合、ＭＦ膜１１１の表面の凸凹のため、表面を全てＮＦ膜１４２で被覆するためにはセラミック層が厚膜となってしまい、低透過速度となる。又ＭＦ膜１１１の表面が凸凹であるため、ＮＦ膜１４２が不均質となりクラック等の欠陥が発生しやすい。即ち低分離性能となる。更にクラックを発生させないためには一度に薄くしか成膜できず、工程数が増え高コストの原因となる。したがって、ＭＦ膜１１１の表面にＵＦ膜１４１を形成し、ＵＦ膜１４１の表面を下地膜としてＮＦ膜１４２を形成することが望ましい。
【００１９】
ＵＦ膜１４１をＮＦ膜１４２形成の下地膜として、ＵＦ膜１４１上にセラミック多孔質膜を形成すると、欠陥の少ないＮＦ膜１４２、即ち高分離能のＮＦ膜１４２を形成できる。
【００２０】
セラミックフィルタ１１ｆの本体となるＭＦ膜１１１は、押し出し成形等により多孔質材料からなるレンコン形状型フィルタエレメントとして形成されており、多孔質材料としては、耐食性と温度変化による濾過部の細孔径の変化が少ない点や充分な強度が得られる点から、例えば、アルミナを用いることができるが、アルミナ以外にコーディエライト、ムライト、炭化珪素等のセラミックス材料を使用することもできる。ＮＦ膜１４２を成膜する面（最表面層）は、細孔径が好ましくは５〜２０ｎｍ、より好ましくは、５〜１０ｎｍの多数の細孔を有する多孔質体で形成されると良く、最表面層は、基材本体であっても良いが、図３の例においては、ＵＦ膜１４１が上記範囲の最表面層を形成している。
【００２１】
本発明のＮＦ膜１４２は、ＵＦ膜１４１の内周面（内壁面）を下地膜として成膜するため、長さが５０ｃｍ以上である比較的長尺のレンコン状の形状のＭＦ膜１１１からなる多孔質基材を好適に用いることができる。
【００２２】
（クロスフロー濾過装置）
本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるクロスフロー濾過装置は、図１に示すように、セラミックエレメント１１ｅを収納する成膜チャンバー１２と、成膜チャンバー１２の上流側となる底部フランジ１２３ｂに接続された上流側配管２１ａと、成膜チャンバー１２の下流側となる上部フランジ１２３ａに接続された循環液配管２１ｅと、循環液配管２１ｅにＴ分岐して接続されるエヤー抜きバルブ１８及びリターン配管２１ｆと、成膜チャンバー１２の底部フランジ１２３ｂから分岐した第１減圧配管２１ｇと、第１減圧配管２１ｇに接続された真空トラップ１６と、真空トラップ１６に接続された第２減圧配管２１ｈ、第２減圧配管２１ｈに接続された真空ポンプと、上流側配管２１ａにＴ分岐して接続されるドレイン配管２１ｄ及び供給配管２１ｂと、ドレイン配管２１ｄに接続されたドレインバルブ１３と、供給配管２１ｂに接続された循環ポンプ１４と、循環ポンプ１４に接続されたタンク配管２１ｃと、タンク配管２１ｃに接続された循環タンク１５とを備える。循環ポンプ１４により、コート液は底部フランジ１２３ｂからからフランジ１２３ａに送液され、循環液配管２１ｅ及びリターン配管２１ｆを介して、コート液が循環タンク１５に戻る。この循環を行いながら、第１減圧配管２１ｇ、真空トラップ１６及び第２減圧配管２１ｈを介して、真空ポンプ１７で真空吸引する。真空トラップ１６に一定量のセラミックエレメント１１ｅを濾過したコート液が貯まったら、循環ポンプ１４を停止し、ドレインバルブ１３を開けて、上流側配管２１ａ及びドレイン配管２１ｄを介して、コート液を排出する。真空ポンプ１７による吸引を停止しても、残圧で余分に濾過されてしまうので、真空トラップ１６に一定量のコート液が貯まった時点で、セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）のコート液を排出する。セラミックエレメント１１ｅの１次側のコート液を排出させた後、ドレインバルブ１３を閉じ、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）を真空で保持する。
【００２３】
成膜チャンバー１２はセラミックエレメント１１ｅを収納する円筒型の収納ケースであり、成膜チャンバー１２の上部には円筒型の上部エレメント保持リング１２２ａが、成膜チャンバー１２の下部には円筒型の下部エレメント保持リング１２２ｂが設けられている。セラミックエレメント１１ｅの釉薬部１１２ａは、Ｏ−リング１２１ａにより上部エレメント保持リング１２２ａにより真空密閉状態で固定され、セラミックエレメント１１ｅの釉薬部１１２ｂは、Ｏ−リング１２１ｂにより下部エレメント保持リング１２２ｂにより真空密閉状態で固定される。循環液配管２１ｅには流量計Ｆ１が設けられ、コート液を送液する際の線速（送液速度）を監視し、制御する。又、成膜チャンバー１２の上部には、圧力計Ｐ１が接続され、成膜チャンバーを減圧する圧力を監視し、制御する。
【００２４】
（ＮＦ膜の製造方法）
図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法を説明する。なお、以下に述べるＮＦ膜の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。ＮＦ膜１４２として、チタニア膜を形成する場合を例として説明する。
【００２５】
（イ）先ず、ＭＦ膜１１１からなるレンコン形状（外径３０ｍｍ，セル内径３ｍｍ×３７セル，長さ６５〜１０００ｍｍ）のセラミックエレメント１１ｅを用意する。そして、セラミックエレメント１１ｅの両端部を、図２に示すようにガラス質の被膜（釉薬部）１１２ａ，１１２ｂで釉薬シールをする。更に、圧縮空気でセラミックエレメント１１ｅの流路１１３内のゴミを排出させた後、ＭＦ膜１１１からなるセラミックエレメント１１ｅに設けられた流路（セル）１１３の内壁に、ディップ法、濾過成膜法、又はセラミックエレメント１１ｅの上部より滴下してセル１１３の内側表面上を流動させる方法などにより、それぞれ細孔径が５〜１０ｎｍのＵＦ膜１４１を形成する。
【００２６】
（ロ）本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるコート液は、先ず、セラミックゾル原液（以下、単に「ゾル原液」ともいう。）をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）又はその水溶液で希釈して得る。ゾル原液は金属アルコキシド（例えば、チタンテトライソプロポキシド）と硝酸、又は塩酸の混合液を２〜１０℃に保持しながら水と混合し、更に保持温度を１０〜４０℃にし、予め硝酸と混合しておいたＩＰＡと混合して得られる。なお、ゾル原液は、０．１質量％〜１．２質量％、好ましくは、０．２質量％〜０．５質量％のチタニア（ＴｉＯ２）を含むゾル液である。
【００２７】
（ハ）そして、得られたゾル原液をイオン交換水（導電率で１０μＳ/ｃｍ以下）で希釈し、希釈後のコート液中のＩＰＡ濃度が１０質量％以下、好ましくは９質量％以下となるように調整し、コート液を得る。具体的には、イオン交換水を攪拌しながら、そこにゾル原液を少しずつ加えて、コート液を得る。コート液を得るために、約５分間程度攪拌する。希釈後のチタニア濃度は０．０２〜０．２質量％が特に好ましい。濃度が０．０２質量％以下の場合、膜が薄膜化しすぎるために目的の膜厚を得るまでの成膜回数が増え生産性が悪くなり、更に下地の影響を受けやすくなるために不均質となりクラック等の欠陥が発生しやすくなる。濃度が０．２質量％以上の場合、一度の成膜で得られる膜厚が大きくなり、クラックが発生しやすくなる。又、ここではセラミックゾルの成分としてチタニアを用いているが、チタニアの変わりにシリカ、ジルコニアの成分のゾルを用いることもできる。コート液には、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を０．１質量％〜０．２質量％の濃度の範囲で混合する。できれば、０．１７質量％にする。ＰＶＡの濃度はＴｉＯ2の濃度０．０８３質量％に対し、上記の濃度とする。コート液中のＩＰＡ濃度は１０％以下にする。本発明におけるコート液の作製方法は、セラミックゾル原液を先に作製し、それをイオン交換水で希釈するという２段プロセスであり、このようにゾル原液を作製後ＩＰＡで希釈してコート液を得ることにより、細孔径の小さい、具体的には、平均細孔径が４ｎｍ以下、又分子量が３０００以下の物質を阻止するのに適したＮＦ膜を作製することが可能となる。これに対し、セラミックゾル原液作製時に希釈溶媒として予めＩＰＡを混合して所望の濃度のコート液を得る１段プロセスでは、凝集したゾル粒子が多くなり、粗大細孔の数が増えてしまうので好ましくない。攪拌終了後、２段プロセスで調合したコート液を例えばナイロン製で孔径１０〜１００μｍの濾布で濾す。濾布は、直前に蒸留水で洗浄しておく。
【００２８】
（ニ）次に２段プロセスで調合したコート液をクロスフロー濾過法によりセラミックエレメント１１ｅの流路（セル）１１３の内壁の表面上に付着させるために、セラミックエレメント１１ｅを図１に示すクロスフロー濾過装置の成膜チャンバー１２内に立てて設置する。クロスフロー濾過は、クロスフロー濾過装置の成膜チャンバー１２内に設置したセラミックエレメント１１ｅに下から上に送液する。送液速度は、例えば、φ３×３７穴のセラミックエレメント１１ｅの場合であれば、１Ｌ／分で循環させる（線速０．０６ｍ／ｓ）ように流量計Ｆ１で制御する。循環液（コート液）の循環を行いながら、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）から第１減圧配管２１ｇ、真空トラップ１６及び第２減圧配管２１ｈを介して、真空ポンプ１７で真空吸引する。真空圧は圧力計Ｐ１を用いて０．０８ＭＰａ以上とし、例えば、長さ１ｍ（膜面積０．３５ｍ2）のセラミックエレメント１１ｅの場合、真空トラップ１６に７０〜１５０ｍＬ程度濾過液（コート液）が貯まったら、真空ポンプ１７を停止し（実際には、真空ポンプ１７を動作させながら、第２減圧配管２１ｈ中に設けたストップバルブ（図示省略）を閉じれば良い。）、セラミックエレメント１１ｅの循環液（コート液）をドレインバルブ１３を開けて、上流側配管２１ａ及びドレイン配管２１ｄを介して排出する。真空ポンプ１７による吸引を停止しても、残圧で余分に濾過されてしまうので、３０〜５０ｍＬ程度濾過液（コート液）が貯まった時点で、セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）の循環液（コート液）をドレインバルブ１３を開けて、排出する。セラミックエレメント１１ｅの１次側（循環側）の循環液（コート液）を排出させた後、ドレインバルブ１３を閉じ、真空ポンプ１７を再度動作させ（実際には、真空ポンプ１７を動作したまま維持しておき、第２減圧配管２１ｈ中に設けたストップバルブ（図示省略）を開ければ良い。）、セラミックエレメント１１ｅの２次側（濾過側）の真空保持を約１０分間行う。セラミックエレメント１１ｅの真空保持が終了した後に、セラミックエレメント１１ｅをクロスフロー濾過装置から取出す。
【００２９】
（ホ）クロスフロー濾過装置からセラミックエレメント１１ｅを取出し、セラミックエレメント１１ｅの残液を拭い取った後、セラミックエレメント１１ｅを乾燥機（恒温槽）に収納し、乾燥機（恒温槽）を用いた第１乾燥処理を実施して、コート液を乾燥させ、コート液が乾燥した被膜をＵＦ膜１４１の表面に付着させる。第１乾燥処理は、２７〜３３℃、湿度４５〜５５％、好ましくは湿度４８〜５２％に乾燥機の内部を制御して、１２〜２０時間行う。
【００３０】
（ヘ）更に、５０〜６０℃で湿度成り行き（湿度制御なし）で、５〜２４時間程度の第２乾燥処理を加えて、コート液を乾燥させた被膜を更に乾燥させ、ＵＦ膜１４１の表面に密着させる。第２乾燥処理の乾燥時間を長くするほど、より高阻止率のＮＦ膜１４２ができる。第２乾燥処理を省略してしまうと、ＮＦ膜１４２の分離性能が劣る。第２乾燥処理を省略した場合、１０ｎｍ以上の粗大細孔がＮＦ膜１４２に多く存在し、特に平均分子量７５００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）６０００（和光純薬製）に対し、分画分子量２００００ｇ／molのＵＦ膜１４１が９９％の阻止率であるのにも関わらず、ＮＦ膜１４２のＰＥＧ６０００に対する阻止率が９２％程度に低下してしまう。このように、セラミックエレメント１１ｅに第２乾燥処理を加えることで、９９％以上のＰＥＧ６０００に対する阻止率のＮＦ膜１４２を得ることができるので、第２乾燥処理を実施することが好ましいが、目的によっては、第２乾燥処理を省略した可能である。
【００３１】
（ト）第２乾燥処理の終了後、１０〜５０℃／ｈ、好ましくは、１５〜３０℃／ｈ、例えば２５℃／ｈの速度で４００〜５００℃、例えば４５０℃の焼成温度までセラミックエレメント１１ｅを昇温し、焼成温度においてセラミックエレメント１１ｅを保持時間を４５分〜３時間、好ましくは１〜２．５時間程度保持して、コート液を乾燥させた被膜を焼成した後、１０〜５０℃／ｈ、好ましくは、１５〜３０℃／ｈ、例えば２５℃／ｈでセラミックエレメント１１ｅを室温まで冷却してＮＦ膜１４２を得る。なお、セラミックエレメント１１ｅが大きい場合、昇降温の速度は３０℃／ｈ以下の小さい値に設定するのが良い。昇温の速度を１０℃／ｈ未満の値にすることも可能であるが、工業的見地からは、生産効率が低下するので、昇温の速度を１０℃／ｈ未満にすることは現実的ではない。同様に、降温の速度を１０℃／ｈ未満の値にすることも可能であるが、工業的見地からは、生産効率が低下するので、降温の速度を１０℃／ｈ未満にすることは現実的ではない。
【００３２】
以上の工程により、セラミックエレメント１１ｅのＵＦ膜１４１を下地とし、そのＵＦ膜１４１の表面上にセラミック多孔質膜であるＮＦ膜１４２が形成され、図２に示した本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ１１ｆが完成する。
【００３３】
本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、表１に、実施例の一部（実施例１〜８）を例示的に示すように、セラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度を１〜５０℃／ｈとすることで、１０ｎｍ以上の粗大細孔が無く、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜１４２を得ることができる。
【００３４】
特に、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、分画分子量（ＭＷＣＯ）が３０００ｇ／mol以下、具体的には、例えば分画分子量が１０００〜２５００ｇ／molの分離性能を有し、例えば、有機溶媒中の分子量が数千程度の物質の除去にも適用することができ、細孔の分布にシャープさがあり、有機膜では耐蝕性という意味で使用困難な環境でも使用可能なＮＦ膜の製造方法を提供することができる。電子分野などにおいて、例えば、半導体、液晶ガラス、フォトマスク等の製造工程で用いられる有機物質（例えば、平均粒子径が４ｎｍ以下で、分子量が３０００ｇ／mol以下であるレジストなど）とそれを剥離、洗浄するための各種溶剤（極めて高価であるために再利用が求められている）との加熱処理なしでの分離に適応可能である、細孔の分布にシャープさがあるＮＦ膜を提供することができる。
【表１】
【００３５】
表１には、焼成処理時の昇温速度、焼成温度、保持時間及び降温速度、第１乾燥処理（乾燥１）時の乾燥温度、乾燥湿度、保持時間を、並びに第２乾燥処理（乾燥２）時の乾燥温度、保持時間を、それぞれ実施例１〜８及び比較例１〜４に付いて示し、ＵＦ膜１４１の表面上に形成されたセラミック多孔質膜の分画分子量をそれぞれ示した。表１からセラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度を２５℃／ｈとすること（実施例１〜８）で、分画分子量２０００〜３５００ｇ／molのＮＦ膜１４２が得られるが、焼成時の昇降温の速度が１００℃／ｈの比較例１〜４では、分画分子量が４０００〜６０００ｇ／molであることが分かる。
【００３６】
表１に実施例の一部を例示したように、セラミックエレメント１１ｅの焼成時の昇降温の速度が１００℃／ｈの場合は、ＰＥＧを分子量標準物質とした測定で分画分子量４，０００ｇ／mol程度であったが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法を用いることで、分画分子量３５００ｇ／mol以下、更には、分画分子量２０００ｇ／mol程度のＮＦ膜１４２を得ることができることが分かる。これは、ＮＦ膜１４２の焼成温度、保持時間、昇降温の速度を上記の値に選定したことによって、５ｎｍ以上及び１０ｎｍ以上の粗大な細孔が大きく減少したことによる。
【００３７】
又、従来は、１０ｎｍ以上の粗大な細孔が存在したことにより、その部分を起点とした剥離により、耐蝕性に難があったが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、粗大細孔が大幅に減少したことにより耐蝕性も向上する。焼成時の昇降温の速度１００℃／ｈで焼成した膜（実施例１，２，４）では、０．５％−ＮａＯＨに１０日浸漬させたとき、膜の劣化により細孔径が大きくなる事で透水量が初期値の１．８倍になってしまうが、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、５％未満の上昇に抑えること、若しくは上昇が見られないようにすることが可能となる。この原因は、焼成時の昇降温の速度１００℃／ｈでセラミックエレメント１１ｅをｅ焼成した場合はＵＦ膜１４１上へＮＦ膜１４２の接着強度が低いことによる。特に、ＮＦ膜１４２を、ディッピング法でセラミックエレメント１１ｅに形成した場合は、その後のセラミックエレメント１１ｅの乾燥方法によりＵＦ膜１４１上へのＮＦ膜１４２接着強度が低くなる。一方、本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法によれば、クロスフロー濾過における加圧により、ＵＦ膜１４１上に楔が入ったように接着されるため、耐蝕性が向上する。焼成の保持時間は１時間が最適であり、これを３０分以下にすると、分画分子量６，０００以上の膜となり、耐蝕性劣る。なお、保持時間を３時間以上、昇温速度を１０℃／ｈ以下にしても（実施例８参照。）、表１に示すように分画分子量が３５００ｇ／molとなり、耐蝕性共これ以上の効果は望めない。
【００３８】
表１から、第２乾燥処理（乾燥２）を実施しなければ、焼成時の昇降温の速度を１０〜２５℃／ｈとしても、分画分子量が３５００ｇ／molとなることが分かるので、第２乾燥処理（乾燥２）が重要であることは分かるが、分画分子量が３５００ｇ／molを目的とする場合は、第２乾燥処理（乾燥２）を省略できる。
【００３９】
表１から、第１乾燥処理時の乾燥温度は、２７〜３３℃が好ましく、乾燥温度を６０℃にすると（比較例３）、焼成時の昇降温の速度を２５℃／ｈとしても、分画分子量が５，０００ｇ／molの膜となることが分かる。乾燥温度を６０℃以上にすると、膜面にクラックが発生しやすくなるからである。
【００４０】
ナノサイズの細孔径分布はナノパームメトリー法（例えば、日本膜学会編、『膜学実験法「人工膜編」』、２００６年講習会テキスト（CD版）等参照。）による方法にて測定が可能であり、３０分以下の保持時間で焼成したＮＦ膜での分布は１０ｎｍ以上の粗大細孔が３％存在するので、細孔の分布にシャープさが無い。一方、１時間の保持時間で焼成したＮＦ膜では、１０ｎｍ以上の粗大細孔が最悪でも０．５％以下、多くは測定限界以下（０％）となり、５ｎｍ以上の粗大細孔は５％以下となり、細孔の分布にシャープさがある。それぞれの膜に対し、ＰＥＧによる阻止率を測定し、確率対数紙にプロットすると、１時間保持では、線形性が得られるのに対し、１５分保持ではＰＥＧ６０００の部分で傾きが寝てしまうので、細孔の分布にシャープさが無い。このことから、１０ｎｍ以上の粗大細孔が存在する場合、ＰＥＧの確率対数紙へのプロットだけからも、１０ｎｍ以上の粗大細孔の存在を確認することができる。
【００４１】
以上のようにして得られた、内壁面に細孔の分布にシャープさがある薄膜状のＮＦ膜１４２が形成されたセラミックフィルタ１１ｆは、混合液体等を分離するフィルタとして好適に用いることができる。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４３】
例えば、上記の実施の形態の説明においては、ゾル原液として用いる金属アルコキシドとしてチタンテトライソプロポキシドを例に説明したが、これは、ＮＦ膜１４２としてチタニアを形成する場合についての例示であり、ゾル原液としては、アルミニウムイソプロポキシドやジルコニウムイソプロポキシド等の他の金属アルコキシドを用いても良い。アルミニウムイソプロポキシドをゾル原液として用いれば、ＮＦ膜１４２としてアルミナが、ジルコニウムイソプロポキシドを金属アルコキシドを用いれば、ＮＦ膜１４２としてジルコニアが形成されるが、これらの他の金属アルコキシドを用いた場合であっても、上記と同様な顕著な効果を奏することができることは、上記の説明から本発明の技術的思想を把握すれば、容易に理解できるであろう。
【００４４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係るＮＦ膜の製造方法に用いるクロスフロー濾過装置の概略を説明する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタの概略構造を説明する鳥瞰図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタの概略構造を説明する断面図であり、ＭＦ膜上にＵＦ膜が形成され、ＵＦ膜上にＮＦ膜が形成された状態を示す。
【図４】４点の阻止率データをプロットした確率対数紙上で、Ａの濾過膜とＢの濾過膜とが、同じ分画分子量であっても、分子量６０００の阻止率がＢの濾過膜の方が高いので、Ｂの濾過膜の方を「細孔の分布がシャープ」であると定義することを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１ｅ…セラミックエレメント
１１ｆ…セラミックフィルタ
１２…成膜チャンバー
１３…ドレインバルブ
１４…循環ポンプ
１５…循環タンク
１６…真空トラップ
１７…真空ポンプ
１８…バルブ
２１ａ…上流側配管
２１ｂ…供給配管
２１ｃ…タンク配管
２１ｄ…ドレイン配管
２１ｅ…循環液配管
２１ｆ…リターン配管
２１ｇ…第１減圧配管
２１ｈ…第２減圧配管
１１１…ＭＦ膜
１１２ａ，１１２ｂ…釉薬部
１１３…セル（流路）
１１４…隔壁
１２１ａ，１２１ｂ…Ｏ−リング
１２２…成膜チャンバー
１２２ａ…上部エレメント保持リング
１２２ｂ…下部エレメント保持リング
１２３ａ…フランジ
１２３ａ…上部フランジ
１２３ｂ…底部フランジ
１４１…ＵＦ膜
１４２…ＮＦ膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状形状をなし、前記柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を有するセラミックフィルタであって、
前記複数の流路のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のナノ濾過膜を備えることを特徴とするセラミックフィルタ。
【請求項２】
前記ナノ濾過膜の１０ｎｍ以上の粗大細孔含有率が０．５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項３】
前記ナノ濾過膜の分子量６，０００ｇ／molに対する阻止率が、９８％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックフィルタ。
【請求項４】
柱状形状をなし、前記柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を備えたセラミックエレメントを用意する工程と、
セラミックゾル原液を作製した後に、希釈用の溶媒としてイソプロピルアルコール、又はイソプロピルアルコールの水溶液を前記セラミックゾル原液に混合してセラミックゾルコート液を作製する工程と、
クロスフロー濾過法により前記セラミックエレメントの前記複数の流路の内壁表面上に前記セラミックゾルコート液を付着させる工程と、
前記付着させる工程の後、恒温槽に前記セラミックエレメントを収納し、湿度４５〜５５％に制御して、前記セラミックゾルコート液を乾燥させて前記内壁表面上に前記セラミックゾルコート液を乾燥させた被膜を付着させる第１乾燥処理工程と、
前記第１乾燥処理工程の後、焼成温度まで１０〜５０℃／ｈの昇温速度で前記セラミックエレメントを昇温し、前記焼成温度で前記被膜を焼成の後、前記焼成温度から降温速度１０〜５０℃／ｈで降温する焼成工程
とを含むことを特徴とするナノ濾過膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１乾燥処理時の後、湿度制御なしで、前記セラミックゾルコート液を更に乾燥させる第２乾燥処理工程を追加した後、前記焼成工程を実施することを特徴とする請求項４に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１乾燥処理時の乾燥温度が、２７〜３３℃であることを特徴とする請求項４又は５に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項７】
前記第２乾燥処理時の乾燥温度が、５０〜６０℃であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項８】
前記焼成工程時の保持時間が４５分〜３時間であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項９】
前記セラミックゾルコート液のイソプロピルアルコール濃度が１０質量％以下であることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項１】
柱状形状をなし、前記柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を有するセラミックフィルタであって、
前記複数の流路のそれぞれの内壁に、クロスフロー濾過法により形成され、５ｎｍ以上の粗大細孔含有率が５％以下のナノ濾過膜を備えることを特徴とするセラミックフィルタ。
【請求項２】
前記ナノ濾過膜の１０ｎｍ以上の粗大細孔含有率が０．５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項３】
前記ナノ濾過膜の分子量６，０００ｇ／molに対する阻止率が、９８％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックフィルタ。
【請求項４】
柱状形状をなし、前記柱状形状の両端面間を軸方向に貫通する複数の流路を備えたセラミックエレメントを用意する工程と、
セラミックゾル原液を作製した後に、希釈用の溶媒としてイソプロピルアルコール、又はイソプロピルアルコールの水溶液を前記セラミックゾル原液に混合してセラミックゾルコート液を作製する工程と、
クロスフロー濾過法により前記セラミックエレメントの前記複数の流路の内壁表面上に前記セラミックゾルコート液を付着させる工程と、
前記付着させる工程の後、恒温槽に前記セラミックエレメントを収納し、湿度４５〜５５％に制御して、前記セラミックゾルコート液を乾燥させて前記内壁表面上に前記セラミックゾルコート液を乾燥させた被膜を付着させる第１乾燥処理工程と、
前記第１乾燥処理工程の後、焼成温度まで１０〜５０℃／ｈの昇温速度で前記セラミックエレメントを昇温し、前記焼成温度で前記被膜を焼成の後、前記焼成温度から降温速度１０〜５０℃／ｈで降温する焼成工程
とを含むことを特徴とするナノ濾過膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１乾燥処理時の後、湿度制御なしで、前記セラミックゾルコート液を更に乾燥させる第２乾燥処理工程を追加した後、前記焼成工程を実施することを特徴とする請求項４に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１乾燥処理時の乾燥温度が、２７〜３３℃であることを特徴とする請求項４又は５に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項７】
前記第２乾燥処理時の乾燥温度が、５０〜６０℃であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項８】
前記焼成工程時の保持時間が４５分〜３時間であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【請求項９】
前記セラミックゾルコート液のイソプロピルアルコール濃度が１０質量％以下であることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のナノ濾過膜の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２２６３０７（Ｐ２００９−２２６３０７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７４６１８（Ｐ２００８−７４６１８）
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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