気体分離装置
【課題】効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる気体分離装置を提供する。
【解決手段】気体分離装置１００は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメント１４と、膜エレメント１４を収容すると共に、混合ガスが供給される供給口及び混合ガスが排出される排出口を有するケーシング１２と、膜エレメント１４を透過した目的ガスをケーシング１２外部に導出する流路管２２Ｂと、を備えるモジュール１０を備え、このモジュール１０が複数接続されており、連設されたモジュール１０において、上流側のモジュール１０の排出口と下流側のモジュール１０の供給口とが連通するように接続され、複数のモジュール１０のそれぞれに流路管２２Ｂが設けられている。
【解決手段】気体分離装置１００は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメント１４と、膜エレメント１４を収容すると共に、混合ガスが供給される供給口及び混合ガスが排出される排出口を有するケーシング１２と、膜エレメント１４を透過した目的ガスをケーシング１２外部に導出する流路管２２Ｂと、を備えるモジュール１０を備え、このモジュール１０が複数接続されており、連設されたモジュール１０において、上流側のモジュール１０の排出口と下流側のモジュール１０の供給口とが連通するように接続され、複数のモジュール１０のそれぞれに流路管２２Ｂが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全の観点から、工場などから排出されたガスは分離されて排出されている。特に、地球温暖化の一要因である二酸化炭素は排出削減が求められており、排出されたガスから二酸化炭素を効率よく分離することが求められている。
【０００３】
工業的な分野では、管状のガス分離膜が周面に設けられた複数の膜エレメントをケーシングの中に配置し、混合ガスをケーシング又は膜エレメントの中に通して、目的とするガスを膜エレメントに透過させてガスの分離が行われている。このような方法において、分離効率を向上させるために、膜エレメントを長くして、モジュールの体積当りの透過性能を向上させることが提案されている。しかし、長さが１ｍ以上の膜エレメントを作製することは製造上困難であり、分離性の高い液膜の場合には特にこの問題が顕著となる。また、ケーシングの長さ寸法を大きくするために円筒形の部材を多数接続すると、接続部位が増えるため、デッドボリュームがどうしても増大してしまう。そこで、長さの短い膜エレメント同士を接続することも考えられるが、スイープガスの流路のガス分圧の問題から、透過効率が悪化するおそれがある。
【０００４】
このような問題に関して、例えば特許文献１に記載のガス分離フィルタでは、円錐形状の膜エレメントをケーシング内に配置している。このような構成により、このガス分離フィルタでは、膜エレメントの長さ寸法を大きくすることなく表面積を増大させている。
【０００５】
また、特許文献２に記載の分離膜モジュールでは、胴体の円面が水平となるように設置し、胴体の一端部において内部空間を高さ方向に２つに区画して、一方の領域を気体の上流通路、他方の領域を気体の下流通路としている。そして、それぞれの通路に膜エレメントを設置し、胴体の他端部の領域において上流通路から入った気体が下流通路に折り返される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−６６２７１号公報
【特許文献２】特開２００９−２２６３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載のものでは、円錐形状を成しているため、ケーシング内に複数配置しようとすると一方側の領域側にのみスペースが必要となり、スペース効率が悪化してしまう。また、円錐形状では、膜エレメントを透過した後のガスの流速が場所によって変化するため、目的ガスが安定的に透過しないといった問題が生じる。さらに、この膜エレメントに液膜を使用した場合、混合ガスがある程度接触すると溶解が平衡に達してしまい、十分にガスの分離ができないおそれがある。
【０００８】
また、上記特許文献２に記載のものでは、ガスの平衡という観点では有効であるが、構造が複雑であり、また、胴体の内径がどうしても大きくなる。また、混合ガスの導入口と導出口が同一端に設けられているため、設置の形態が限られてしまい、実用性が低下するといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる気体分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る気体分離装置は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメントと、膜エレメントを収容すると共に、混合ガスが供給される供給口及び混合ガスが排出される排出口を有する管状の筐体と、膜エレメントを透過した目的ガスを筐体の外部に導出する導出部と、を備えるモジュールを備え、モジュールが複数接続されており、連設されたモジュールにおいて、上流側のモジュールの排出口と下流側のモジュールの供給口とが連通するように接続され、複数のモジュールのそれぞれに導出部が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この気体分離装置では、連設されたモジュールにおいて、上流側のモジュールの排出口と下流側のモジュールの供給口とが連通するように接続されている。そして、複数のモジュールのそれぞれに、膜エレメントを透過した目的ガスを筐体の外部に導出する導出部が設けられている。このように、モジュールを多段に接続することにより、膜エレメントを長く形成したり、複数繋ぎ合わせたりしなくても、混合ガスと膜エレメントとの接触面積を多くすることができると共に、各段においてガスの分離が可能となる。また、簡易な構成であるため、所望する分離能力に応じてモジュールを多段に接続すればよく、目的に応じて構成を変更することができる。以上のように、本発明の気体分離装置では、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【００１２】
なお、本明細書中、「目的ガス」とは、混合ガスから分離して得ることが必要なガスであり、分離膜によって選択的に透過されるガスである。ここで「選択的に透過」とは、いわゆる多孔質膜の細孔を通ってガスの分子が拡散していく態様のみならず、膜の物質との親和性によって拡散していく、溶解拡散やキャリヤー輸送も含むものである。但し、混合ガスから一種類のガスを分離する場合には、その一種類のガスが除かれた混合ガスを得ることが目的であったとしても、除かれる一種類のガスを目的ガスという。
【００１３】
本明細書中、「混合ガス」とは、目的ガスを含めて少なくとも二種以上のガスを含有し、ガス分離膜に対して、拡散または溶解度の異なるガスの混合物である。例えば二酸化炭素を目的ガスとして含む混合ガスとしては、工場等で炭化水素系の燃料を延焼させた排気ガスや、燃料電池用のガスとして炭化水素から生じさせる水素及び二酸化炭素を含む混合ガス、あるいは、石油工業分野で生じる二酸化炭素及び炭素系ガスを含む混合ガスなどが挙げられる。あるいは、酸素富化ガスを得るため酸素を分離する場合、窒素と酸素などの混合ガスがある。
【００１４】
また、膜エレメントは、筐体内に複数配置されていることが好ましい。このような構成によれば、混合ガスから目的ガスをより効率的に分離することができる。
【００１５】
また、膜エレメントには、一端部に導出部が接続されていると共に、他端部にスイープガスが導入される導入部が接続されていることが好ましい。このように、スイープガスを導入することによって、目的ガスを良好に回収することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る気体分離装置によれば、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）は図１におけるａ−ａ線端面図、（ｂ）は図１におけるｂ−ｂ線端面図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示す図である。
【図３】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図４】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図５】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図６】変形例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る気体分離装置を示す概略図である。図２（ａ）は、図１におけるａ−ａ線端面図、図２（ｂ）は図１におけるｂ−ｂ線端面図である。図１では、一部を断面で示している。
【００２０】
各図に示す気体分離装置１００は、例えば炭化水素系の燃料を延焼させた際に発生する排ガスから二酸化炭素を選択的に分離したり、燃料電池用のガスとして炭化水素から生じされる水素と二酸化炭素の混合ガスから、二酸化炭素を選択的に分離したり、石油工業分野において生じる二酸化炭素と炭素系ガスなどを分離したりする装置である。また、その他の使用方法としては、水蒸気を膜透過させることにより、加湿または除湿を行う使用方法や、燃焼炉用途、空調機用途、ディーゼルエンジン用途などに使用する方法が考えられる。
【００２１】
図１及び図２に示すように、気体分離装置１００は、複数（ここでは２つ）のモジュール１０が接続されて構成されている。モジュール１０は、ケーシング（筐体）１２と、このケーシング１２に収容された複数の膜エレメント１４とを備えている。各モジュール１０は、同様の構成を有している。気体分離装置１００では、分離対象となる混合ガスが膜エレメント１４の外部を通過してもよいし、膜エレメント１４の内部を通過してもよい。以下の説明においては、膜エレメント１４の外部に混合ガスを通過させ、膜エレメント１４によって選択的に分離された目的ガスが外部よりも負圧の膜エレメント１４の内部を通過する構成について説明する。
【００２２】
ケーシング１２は、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）、アルミ、樹脂などの各種材料によって作製されており、管状を呈している。ケーシング１２は、膜エレメント１４を収容すると共に、混合ガスの流路を形成している。
【００２３】
ケーシング１２の長手方向の両端部には、保持部材１６Ａ，１６Ｂが配設されている。保持部材１６Ａ，１６Ｂは、膜エレメント１４を保持する部材であり、円筒状を呈している。保持部材１６Ａ，１６Ｂの外周面側には、溝（図示しない）がケーシング１２の外形に合わせて環状に形成されており、その溝にケーシング１２の両端部が挿入されている。保持部材１６Ａ，１６Ｂの端部の周囲には、フランジ１８が設けられている。フランジ１８は、保持部材１６Ａ，１６Ｂの径方向の外側に張り出しており、図示しないボルトが挿通される貫通孔Ｈが複数（ここでは４つ）形成されている。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、保持部材１６Ａ（１６Ｂ）の中央部分には、この保持部材１６Ａを厚み方向に貫通する円形の開口部２０（２１）が形成されている。開口部２０は、混合ガスの供給口であり、開口部２１は、混合ガスの排出口である。開口部２０，２１は、ケーシング１２の内部空間と連通している。なお、図２（ｃ）に示すように、開口部２０（２１）は、保持部材１６Ａ（１６Ｂ）に複数形成されていてもよい。図２（ｃ）において、破線で示す部分は、膜エレメント１４の一端が挿入される膜エレメント保持孔である後述の分岐流路部２２Ａｂ（２２Ｂｂ）を示している。
【００２５】
保持部材１６Ａ，１６Ｂには、後述する膜エレメント１４が接続される流路管２２Ａ、２２Ｂが設けられている。流路管２２Ａは、主流路部２２Ａａと、分岐流路部２２Ａｂとを有している。主流路部（導入部）２２Ａａは、ケーシング１２の外部に引き出されており、端部の開口がスイープガスの導入口となっている。分岐流路部２２Ａｂは、主流路部２２Ａａから分岐しており、膜エレメント１４の配置位置に対応して複数設けられている。流路管２２Ｂは、主流路部２２Ｂａと、分岐流路部２２Ｂｂとを有している。主流路部（導出部）２２Ｂａは、ケーシング１２の外部に引き出されており、端部の開口が目的ガスの導出口となっている。分岐流路部２２Ｂｂは、主流路部２２Ｂａから分岐しており、膜エレメント１４の配置位置に対応して複数設けられている。
【００２６】
また、ケーシング１２内には、補強部材２４が配置される。補強部材２４は、ケーシング１２内に複数（ここでは４本）設けられている。補強部材２４は、柱状の部材であり、対向配置された保持部材１６Ａ，１６Ｂに亘って設けられている。具体的には、補強部材２４は、ケーシング１２内において、内周面近傍に配置されていると共に、図２に示す上下及び左右方向において対向する位置に配置されている。
【００２７】
膜エレメント１４は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する。膜エレメント１４は、ケーシング１２の長手方向に延在する管状をなしており、分離膜が外表面に設けられている。膜エレメント１４は、一端部が保持部材１６Ａに保持されていると共に、他端部が保持部材１６Ｂに保持されており、ケーシング１２内に所定の間隙を有して収容されている。つまり、ケーシング１２内では、膜エレメント１４及び補強部材２４以外の部分が、混合ガスの流路となっている。各膜エレメント１４は、流路管２２Ａ，２２Ｂの分岐流路部２２Ａｂ，２２Ｂｂにそれぞれ連結されており、その内部が各流路管２２Ａ，２２Ｂと連通している。なお、膜エレメント１４の配置位置は任意に設定されるが、ケージング１２の直径に沿って均一に配置することができる。
【００２８】
上述の構成を有するモジュール１０は、多段に接続されて気体分離装置１００を構成している。具体的には、気体分離装置１００は、上流側のモジュール１０の排出口（開口部２１）と、下流側のモジュール１０の供給口（開口部２０）とが連通するように、フランジ１８が対向配置されてボルト締結されている。
【００２９】
気体分離装置１００において、ケーシング１２の供給口（保持部材１６Ａの開口部２０）から供給された混合ガスは、図１中矢印で示すように、膜エレメント１４に接触しつつケーシング１２の内を通過し、排出口（保持部材１６Ｂの開口部２１）から排出される。この際、混合ガスは、ケーシング１２内に設けられた膜エレメント１４によって目的ガスが選択的に分離される。これにより、ケーシング１２の排出口から排出される混合ガスは、目的ガスの含有量が少なくなっており、この混合ガスが次の段のモジュール１０の供給口から供給される。
【００３０】
膜エレメント１４によって分離された目的ガスは、保持部材１６Ａ側の流路管２２Ａの主流路部２２Ａａから導入されたスイープガスに同伴され、保持部材１６Ｂの流路管２２Ｂの主流路部２２Ｂａから導出される。スイープガスとしては、例えばアルゴンなどの希ガスやスチームを用いることができる。なお、気体分離装置１００では、保持部材１６Ｂに設けられた流路管２２Ｂの主流路部２２Ｂａからスイープガスを導入し、スイープガスに同伴された目的ガスが保持部材１６Ａに設けられた流路管２２Ａの主流路部２２Ａａから導出してもよい。
【００３１】
気体分離装置１００において、混合ガス側の気圧（膜エレメント１４の外圧）は０．１ＭＰａＡ〜６．０ＭＰａＡ程度、目的ガス側の気圧（膜エレメント１４の内圧）は０ＭＰａＡ〜０．５ＭＰａＡ程度である。本実施形態において、気体分離装置１００では、２０℃〜２００℃程度の温度で混合ガスの分離を実施することができる。
【００３２】
続いて、上記膜エレメント１４について詳細に説明する。膜エレメント１４は、周囲に分離膜が設けられた膜材によって形成されており、使用される条件下において一定の形状（管状）を保持する。分離膜としては、選択的に分離する目的ガスによって適宜選択されるが、例えば多孔質膜を用いることができ、液膜などの溶解拡散用の膜を用いることがより好ましい。液膜を用いる場合には、上記気体分離装置１００に配置される膜エレメント１４において、液膜がケーシング１２側（混合ガス側）に向かうように設けることが好ましい。
【００３３】
管状の膜エレメント１４を構成する方法としては、例えば疎水性多孔質膜面に親水性高分子、そのオリゴマー又はそのモノマーを含有する液体を接触させた状態で放射線を照射し、多孔質膜面に親水性高分子ゲル膜を形成して、水を含浸させる方法がある。また、目的ガスと親和性のある液体を多孔質内に担持して、両側からかかる液体の封止素材で覆ってもよい。
【００３４】
多孔質膜は、有機または無機の多孔質材料を管状に形成したものである。多孔質膜は、その長さが、５０ｍｍ〜７００ｍｍ程度、その厚さが、１０μｍ〜２ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１ｍｍ、その直径（外径）が、５ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものである。
【００３５】
この多孔質膜の細孔構造特性は、通常平均細孔直径が１０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下であり、空孔率が５〜９９％、好ましくは３０〜９０％である。また、そのガス透過速度は、例えば、二酸化炭素透過速度で、１０−５（ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）以上であることが好ましい。
【００３６】
また、液膜としてはゲル膜でもよい。ゲル膜を形成するための親水性高分子としては、従来公知のものを用いることができる。親水性高分子としては、例えば、キサンタンガム、ローカストビーンガム、ゼラチン、デンプン、アミロース、アミロペクチン、セルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、キチン等の各種の多糖類及びその変性体の他、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸、ポリスルホン酸、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、アクリル酸／ビニルアルコール共重合体、メタクリル酸／ビニルベンゼン共重合体、アクリル酸／スルホン酸共重合体等を挙げることができる。
【００３７】
また、上記高分子のスルホン化物や、アミノ化物、クロロメチル化物、イオンコンプレックス等も使用することができる。
【００３８】
以上のようにして、多孔質膜の一方の面に高分子ゲル膜が結合した構造の高分子ゲル複合膜が得られるが、この場合、液体として水溶液等の水を含む液体を用いることにより、その高分子ゲル膜として、水を含むもの（高分子ハイドロゲル膜）を得ることができる。その高分子ゲル膜が水を含有しないものである場合には、そのゲル膜を水又は水を含む液体と接触させることにより、高分子ハイドロゲル膜を得ることができる。
【００３９】
このような高分子ゲル複合膜や高分子ハイドロゲル複合膜は、そのままで水蒸気透過膜や、親水性ガス、例えば、ＣＯ２やＳＯ２、ＮＯ２、ＣＯ、ＮＯ、ＣＨ４等の分離膜として用いることができるが、その高分子ゲル膜にガスキャリヤーの水溶液を含有させることにより、ガス分離促進輸送膜として用いることができる。
【００４０】
この場合、ガスキャリヤーの水溶液を含む高分子ゲル膜を得る方法としては、高分子ゲル膜を乾燥した後、ガスキャリヤーの水溶液と接触させて高分子ハイドロゲル膜とする方法や、高分子ゲル膜をガスキャリヤー水溶液と接触させて、ガスキャリヤー水溶液をその高分子ゲル膜中に拡散させる方法等がある。
【００４１】
このようなガスキャリヤーとしては、例えば、二酸化炭素を分離するのであれば、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属重炭酸塩、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、ジプロパノールアミン、トリプロパノールアミン等のアルカノールアミン等の従来公知のものを挙げることができる。また、上記アルカリ金属の炭酸塩や重炭酸塩の場合、補助添加成分として、アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子や、亜砒酸ナトリウム、炭酸アンヒドラーゼ、ホウ酸等を併用することができる。
【００４２】
二酸化炭素キャリヤーは、上述のものに限られるものではなく、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示すものであればよく、有機酸のアルカリ金属塩等各種のものを用いることができるが、キャリヤーの化学的安定性及び蒸気圧が低く、膜中から失われる可能性が低いことから、分離性能の長期耐久性が期待できるアルカリ金属炭酸塩やアルカリ金属重炭酸塩、さらには親水性塩基性イオン液体が好ましい。
【００４３】
親水性塩基性イオン液体としては、公知のイミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオンおよびホスホニウムカチオンからなる群から選ばれる少なくとも一種のカチオンと、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、セリン、トレオニン、システイン、メチオニン、アスパラギン、グルタミン酸、グルタミン、アルギニン、リシン、ヒスチジン、フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン、アスパラギン酸、プロリン（以上天然のＬ−α−アミノ酸として知られるアミノ酸）；２−アミノ酪酸、２−アミノイソ酪酸、２−アミノシクロペンタンカルボン酸（以上非天然のα−アミノ酸として知られるアミノ酸）；および４−アミノ酪酸（その他のアミノ酸）、およびタウリンから選ばれる少なくとも一種のアミノカルボン酸アニオンまたはアミノスルホン酸アニオンとから構成されるイオン液体が挙げられる。
【００４４】
アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子としては、従来公知のもの、例えば：１２−クラウン−４、１５−クラウン−５、１８−クラウン−６、ベンゾ−１２−クラウン−４、ベンゾ−１５−クラウン−５、ベンゾ−１８−クラウン−６、ジベンゾ−１２−クラウン−４、ジベンゾ−１５−クラウン−５、ジベンゾ−１８−クラウン−６、ジシクロヘキシル−１２−クラウン−４、ジシクロヘキシル−１５−クラウン−５、ジシクロヘキシル−１８−クラウン−６、ｎ−オクチル−１２−クラウン−４、ｎ−オクチル−１５−クラウン−５、ｎ−オクチル−１８−クラウン−６等の環状ポリエーテル；クリプタンド〔２．１〕、クリプタンド〔２．２〕等の環状ポリエーテルアミン；クリプタンド〔２．１．１〕、クリプタンド〔２．２．２〕、等の双環式ポリエーテルアミンの他、ポルフィリン、フタロシアニン、ポリエチレングリコール、エチレンジアミン四酢酸等を用いることができる。
【００４５】
これらの濃度はアルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属重炭酸塩であれば、０．１〜５．０ｍｏｌ／ｌ好ましくは１．０〜４．０ｍｏｌ／ｌである。アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子であれば水溶液中濃度は、０．００１ｍｏｌ／ｌ以上、好ましくは０．０１〜０．１ｍｏｌ／ｌである。
【００４６】
また、二酸化炭素と親和性を有する物質の他の例であるアルカノールアミンの水溶液中濃度は、１０重量％以上に規定することが好ましい。
【００４７】
以上説明したように、気体分離装置１００では、連設されたモジュール１０において、上流側のモジュール１０の排出口と下流側のモジュール１０の供給口とが連通するように接続されている。そして、モジュール１０のそれぞれに、膜エレメント１４を透過した目的ガスをケーシング１２の外部に導出する流路管２２Ｂが設けられている。このように、モジュール１０を多段に接続することにより、膜エレメント１４を長く形成したり、複数繋ぎ合わせたりしなくても、混合ガスと膜エレメント１４との接触面積を多くすることができると共に、各段においてガスの分離が可能となる。また、また、簡易な構成であるため、所望する分離能力に応じてモジュール１０を多段に接続すればよく、目的に応じて構成を変更することができる。以上のように、気体分離装置１００では、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００４９】
（実施例１）
ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）（数平均分子量５万）の１０ｗｔ％濃度の水溶液をセラミック製の多孔質材料（空隙率：５０％、平均細孔直径：１０μｍ、長さ：２２ｃｍ、外径：６ｍｍ、内径：４ｍｍ）の外部に塗布し、電子線照射装置（定格２００ｋｅＶ、日新ハイボルテージ製）にセットして、加速電圧：１５０ｋｅＶの条件で、窒素雰囲気下で膜上方から電子線照射した。４Ｍｒａｄ以上の照射量の電子線により、ＰＥＧのハイドロゲル膜（ハイドロゲル層）を多孔質材料状に固定化する。
【００５０】
このようにして調製した高分子ハイドロゲル複合膜を、イオン液体テトラエチルホスホニウムタウリン上に、高分子ハイドロゲル膜面を下にして３０分間浮かせることにより、高分子ハイドロゲル膜中に二酸化炭素キャリヤーを含浸させ、膜エレメントを作製した。
【００５１】
上述のように得られた膜エレメントの特性を、以下のようにして評価した。テストガスとして、ＣＯ２／Ｈ２＝５０／５０の混合ガスを用い、これを飽和水蒸気下、流量１００ｍｌ／分、全圧１ａｔｍで高分子ハイドロゲル膜が固定された側に供給し、透過側を減圧とした。透過してきたガスをガスクロマトグラフで分析し、ＣＯ２透過速度（ＱＣＯ２）と分離係数（α）を算出した。
【００５２】
その後、この膜エレメントを７８本使用したモジュールを作成し、図１のように多段型分離膜を作成した。混合ガスの導入口からＣＯ２／Ｈ２＝５０／５０の混合ガスを温度６０℃、４Ｌ／分の量で流し、混合ガスの導出口から回収した。また、流路管の供給口からスイープガスを流し、流路管の排出口からＣＯ２を回収した。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７０であった。
【００５３】
（比較例１）
実施例１と同じ膜エレメントで長さの２倍のもの７８本使用し、図３に示すような気体分離装置を作製した。図３に示す気体分離装置は、モジュール１０が一段だけの構成であり、上記のモジュール１０と同様の構成を有しているが、長さ寸法が上記モジュール１０よりも大きくなっている。このモジュール１０において、実施例１と同じ条件で実験を行った。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数５５であった。なお、膜エレメントの作成時に、破損が多かった。
【００５４】
（実施例２）
実施例１と同じ材料、同じ膜エレメントを用いて、図４に示す気体分離装置を作製した。図４に示す気体分離装置１１０では、１段目及び２段目のモジュール３０へのスイープガスの供給口３２が保持部材３１Ａに一つだけ設けられている。また、ケーシング１２の中にスイープガスの流通経路３５を設けている。スイープガスは各モジュール３０の保持部材３１Ａ内において分岐流路３３により分岐され、膜エレメント１４それぞれに流通し、もう一方の保持部材３１Ｂの中で合流される構造になっている。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７０であった。
【００５５】
（実施例３）
ケーシングの内部に螺旋状の突起を設けて、図５に示す気体分離装置を作製した。図５に示すように、気体分離装置１２０では、ケーシング４１の内周面に、内側に突出する螺旋状の突起部４２が設けられている。この気体分離装置１２０において、実施例２と同じ条件でおこなった。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７５であった。
【００５６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、保持部材１６Ａ，１６Ｂに溝を形成し、この溝にケーシング１２の端部を挿入しているが、例えば図６に示すような構成であってもよい。
【００５７】
図６（ａ）に示すように、モジュール５０では、ケーシング５２の内部に補強部材５１Ａ，５１Ｂが挿入されている。つまり、ケーシング５２の内径と補強部材５１Ａ，５１Ｂの外径とが略同等となっている。また、図６（ｂ）に示すように、モジュール６０では、モジュール１０と同様に、保持部材６１Ａ，６１Ｂに溝を形成し、この溝にケーシング６２の端部を挿入している。モジュール６０では、ケーシング６２の外周面よりも保持部材６１Ａ，６１Ｂが外側に張り出している。また、図６（ｃ）に示すように、モジュール７０では、図６（ａ）に示すモジュール５０に、キャップ７１が取り付けられている。
【００５８】
また、上記実施形態では、気体分離装置１００において、膜エレメント１４の外部に混合ガスを通過させ、膜エレメント１４によって選択的に分離された目的ガスが膜エレメント１４の内部を通過する構成としているが、膜エレメント１４の内部に混合ガスを導入し、目的ガスがケーシング１２内を通過する構成であってもよい。具体的には、流路管２２Ａの主流路部（供給口）２２Ａａから混合ガスを供給すると共に、流路管２２Ｂの主流路部（排出口）２２Ｂａから混合ガスを排出する。また、ケーシング１２の供給口（開口部２０）からスイープガスを導入すると共に、膜エレメント１４を選択的に透過した目的ガスをケーシング１２の排出口（導出部：開口部２１）から導出する。
【符号の説明】
【００５９】
１０…モジュール、１２…ケーシング、１４…膜エレメント、２０，２１…開口部（供給口、排出口）、２２Ａ，２２Ｂ…流路管（導出部、導入部）、１００…気体分離装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全の観点から、工場などから排出されたガスは分離されて排出されている。特に、地球温暖化の一要因である二酸化炭素は排出削減が求められており、排出されたガスから二酸化炭素を効率よく分離することが求められている。
【０００３】
工業的な分野では、管状のガス分離膜が周面に設けられた複数の膜エレメントをケーシングの中に配置し、混合ガスをケーシング又は膜エレメントの中に通して、目的とするガスを膜エレメントに透過させてガスの分離が行われている。このような方法において、分離効率を向上させるために、膜エレメントを長くして、モジュールの体積当りの透過性能を向上させることが提案されている。しかし、長さが１ｍ以上の膜エレメントを作製することは製造上困難であり、分離性の高い液膜の場合には特にこの問題が顕著となる。また、ケーシングの長さ寸法を大きくするために円筒形の部材を多数接続すると、接続部位が増えるため、デッドボリュームがどうしても増大してしまう。そこで、長さの短い膜エレメント同士を接続することも考えられるが、スイープガスの流路のガス分圧の問題から、透過効率が悪化するおそれがある。
【０００４】
このような問題に関して、例えば特許文献１に記載のガス分離フィルタでは、円錐形状の膜エレメントをケーシング内に配置している。このような構成により、このガス分離フィルタでは、膜エレメントの長さ寸法を大きくすることなく表面積を増大させている。
【０００５】
また、特許文献２に記載の分離膜モジュールでは、胴体の円面が水平となるように設置し、胴体の一端部において内部空間を高さ方向に２つに区画して、一方の領域を気体の上流通路、他方の領域を気体の下流通路としている。そして、それぞれの通路に膜エレメントを設置し、胴体の他端部の領域において上流通路から入った気体が下流通路に折り返される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−６６２７１号公報
【特許文献２】特開２００９−２２６３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載のものでは、円錐形状を成しているため、ケーシング内に複数配置しようとすると一方側の領域側にのみスペースが必要となり、スペース効率が悪化してしまう。また、円錐形状では、膜エレメントを透過した後のガスの流速が場所によって変化するため、目的ガスが安定的に透過しないといった問題が生じる。さらに、この膜エレメントに液膜を使用した場合、混合ガスがある程度接触すると溶解が平衡に達してしまい、十分にガスの分離ができないおそれがある。
【０００８】
また、上記特許文献２に記載のものでは、ガスの平衡という観点では有効であるが、構造が複雑であり、また、胴体の内径がどうしても大きくなる。また、混合ガスの導入口と導出口が同一端に設けられているため、設置の形態が限られてしまい、実用性が低下するといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる気体分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る気体分離装置は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメントと、膜エレメントを収容すると共に、混合ガスが供給される供給口及び混合ガスが排出される排出口を有する管状の筐体と、膜エレメントを透過した目的ガスを筐体の外部に導出する導出部と、を備えるモジュールを備え、モジュールが複数接続されており、連設されたモジュールにおいて、上流側のモジュールの排出口と下流側のモジュールの供給口とが連通するように接続され、複数のモジュールのそれぞれに導出部が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この気体分離装置では、連設されたモジュールにおいて、上流側のモジュールの排出口と下流側のモジュールの供給口とが連通するように接続されている。そして、複数のモジュールのそれぞれに、膜エレメントを透過した目的ガスを筐体の外部に導出する導出部が設けられている。このように、モジュールを多段に接続することにより、膜エレメントを長く形成したり、複数繋ぎ合わせたりしなくても、混合ガスと膜エレメントとの接触面積を多くすることができると共に、各段においてガスの分離が可能となる。また、簡易な構成であるため、所望する分離能力に応じてモジュールを多段に接続すればよく、目的に応じて構成を変更することができる。以上のように、本発明の気体分離装置では、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【００１２】
なお、本明細書中、「目的ガス」とは、混合ガスから分離して得ることが必要なガスであり、分離膜によって選択的に透過されるガスである。ここで「選択的に透過」とは、いわゆる多孔質膜の細孔を通ってガスの分子が拡散していく態様のみならず、膜の物質との親和性によって拡散していく、溶解拡散やキャリヤー輸送も含むものである。但し、混合ガスから一種類のガスを分離する場合には、その一種類のガスが除かれた混合ガスを得ることが目的であったとしても、除かれる一種類のガスを目的ガスという。
【００１３】
本明細書中、「混合ガス」とは、目的ガスを含めて少なくとも二種以上のガスを含有し、ガス分離膜に対して、拡散または溶解度の異なるガスの混合物である。例えば二酸化炭素を目的ガスとして含む混合ガスとしては、工場等で炭化水素系の燃料を延焼させた排気ガスや、燃料電池用のガスとして炭化水素から生じさせる水素及び二酸化炭素を含む混合ガス、あるいは、石油工業分野で生じる二酸化炭素及び炭素系ガスを含む混合ガスなどが挙げられる。あるいは、酸素富化ガスを得るため酸素を分離する場合、窒素と酸素などの混合ガスがある。
【００１４】
また、膜エレメントは、筐体内に複数配置されていることが好ましい。このような構成によれば、混合ガスから目的ガスをより効率的に分離することができる。
【００１５】
また、膜エレメントには、一端部に導出部が接続されていると共に、他端部にスイープガスが導入される導入部が接続されていることが好ましい。このように、スイープガスを導入することによって、目的ガスを良好に回収することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る気体分離装置によれば、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）は図１におけるａ−ａ線端面図、（ｂ）は図１におけるｂ−ｂ線端面図、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示す図である。
【図３】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図４】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図５】実施例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【図６】変形例に係る気体分離装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る気体分離装置を示す概略図である。図２（ａ）は、図１におけるａ−ａ線端面図、図２（ｂ）は図１におけるｂ−ｂ線端面図である。図１では、一部を断面で示している。
【００２０】
各図に示す気体分離装置１００は、例えば炭化水素系の燃料を延焼させた際に発生する排ガスから二酸化炭素を選択的に分離したり、燃料電池用のガスとして炭化水素から生じされる水素と二酸化炭素の混合ガスから、二酸化炭素を選択的に分離したり、石油工業分野において生じる二酸化炭素と炭素系ガスなどを分離したりする装置である。また、その他の使用方法としては、水蒸気を膜透過させることにより、加湿または除湿を行う使用方法や、燃焼炉用途、空調機用途、ディーゼルエンジン用途などに使用する方法が考えられる。
【００２１】
図１及び図２に示すように、気体分離装置１００は、複数（ここでは２つ）のモジュール１０が接続されて構成されている。モジュール１０は、ケーシング（筐体）１２と、このケーシング１２に収容された複数の膜エレメント１４とを備えている。各モジュール１０は、同様の構成を有している。気体分離装置１００では、分離対象となる混合ガスが膜エレメント１４の外部を通過してもよいし、膜エレメント１４の内部を通過してもよい。以下の説明においては、膜エレメント１４の外部に混合ガスを通過させ、膜エレメント１４によって選択的に分離された目的ガスが外部よりも負圧の膜エレメント１４の内部を通過する構成について説明する。
【００２２】
ケーシング１２は、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）、アルミ、樹脂などの各種材料によって作製されており、管状を呈している。ケーシング１２は、膜エレメント１４を収容すると共に、混合ガスの流路を形成している。
【００２３】
ケーシング１２の長手方向の両端部には、保持部材１６Ａ，１６Ｂが配設されている。保持部材１６Ａ，１６Ｂは、膜エレメント１４を保持する部材であり、円筒状を呈している。保持部材１６Ａ，１６Ｂの外周面側には、溝（図示しない）がケーシング１２の外形に合わせて環状に形成されており、その溝にケーシング１２の両端部が挿入されている。保持部材１６Ａ，１６Ｂの端部の周囲には、フランジ１８が設けられている。フランジ１８は、保持部材１６Ａ，１６Ｂの径方向の外側に張り出しており、図示しないボルトが挿通される貫通孔Ｈが複数（ここでは４つ）形成されている。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、保持部材１６Ａ（１６Ｂ）の中央部分には、この保持部材１６Ａを厚み方向に貫通する円形の開口部２０（２１）が形成されている。開口部２０は、混合ガスの供給口であり、開口部２１は、混合ガスの排出口である。開口部２０，２１は、ケーシング１２の内部空間と連通している。なお、図２（ｃ）に示すように、開口部２０（２１）は、保持部材１６Ａ（１６Ｂ）に複数形成されていてもよい。図２（ｃ）において、破線で示す部分は、膜エレメント１４の一端が挿入される膜エレメント保持孔である後述の分岐流路部２２Ａｂ（２２Ｂｂ）を示している。
【００２５】
保持部材１６Ａ，１６Ｂには、後述する膜エレメント１４が接続される流路管２２Ａ、２２Ｂが設けられている。流路管２２Ａは、主流路部２２Ａａと、分岐流路部２２Ａｂとを有している。主流路部（導入部）２２Ａａは、ケーシング１２の外部に引き出されており、端部の開口がスイープガスの導入口となっている。分岐流路部２２Ａｂは、主流路部２２Ａａから分岐しており、膜エレメント１４の配置位置に対応して複数設けられている。流路管２２Ｂは、主流路部２２Ｂａと、分岐流路部２２Ｂｂとを有している。主流路部（導出部）２２Ｂａは、ケーシング１２の外部に引き出されており、端部の開口が目的ガスの導出口となっている。分岐流路部２２Ｂｂは、主流路部２２Ｂａから分岐しており、膜エレメント１４の配置位置に対応して複数設けられている。
【００２６】
また、ケーシング１２内には、補強部材２４が配置される。補強部材２４は、ケーシング１２内に複数（ここでは４本）設けられている。補強部材２４は、柱状の部材であり、対向配置された保持部材１６Ａ，１６Ｂに亘って設けられている。具体的には、補強部材２４は、ケーシング１２内において、内周面近傍に配置されていると共に、図２に示す上下及び左右方向において対向する位置に配置されている。
【００２７】
膜エレメント１４は、混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する。膜エレメント１４は、ケーシング１２の長手方向に延在する管状をなしており、分離膜が外表面に設けられている。膜エレメント１４は、一端部が保持部材１６Ａに保持されていると共に、他端部が保持部材１６Ｂに保持されており、ケーシング１２内に所定の間隙を有して収容されている。つまり、ケーシング１２内では、膜エレメント１４及び補強部材２４以外の部分が、混合ガスの流路となっている。各膜エレメント１４は、流路管２２Ａ，２２Ｂの分岐流路部２２Ａｂ，２２Ｂｂにそれぞれ連結されており、その内部が各流路管２２Ａ，２２Ｂと連通している。なお、膜エレメント１４の配置位置は任意に設定されるが、ケージング１２の直径に沿って均一に配置することができる。
【００２８】
上述の構成を有するモジュール１０は、多段に接続されて気体分離装置１００を構成している。具体的には、気体分離装置１００は、上流側のモジュール１０の排出口（開口部２１）と、下流側のモジュール１０の供給口（開口部２０）とが連通するように、フランジ１８が対向配置されてボルト締結されている。
【００２９】
気体分離装置１００において、ケーシング１２の供給口（保持部材１６Ａの開口部２０）から供給された混合ガスは、図１中矢印で示すように、膜エレメント１４に接触しつつケーシング１２の内を通過し、排出口（保持部材１６Ｂの開口部２１）から排出される。この際、混合ガスは、ケーシング１２内に設けられた膜エレメント１４によって目的ガスが選択的に分離される。これにより、ケーシング１２の排出口から排出される混合ガスは、目的ガスの含有量が少なくなっており、この混合ガスが次の段のモジュール１０の供給口から供給される。
【００３０】
膜エレメント１４によって分離された目的ガスは、保持部材１６Ａ側の流路管２２Ａの主流路部２２Ａａから導入されたスイープガスに同伴され、保持部材１６Ｂの流路管２２Ｂの主流路部２２Ｂａから導出される。スイープガスとしては、例えばアルゴンなどの希ガスやスチームを用いることができる。なお、気体分離装置１００では、保持部材１６Ｂに設けられた流路管２２Ｂの主流路部２２Ｂａからスイープガスを導入し、スイープガスに同伴された目的ガスが保持部材１６Ａに設けられた流路管２２Ａの主流路部２２Ａａから導出してもよい。
【００３１】
気体分離装置１００において、混合ガス側の気圧（膜エレメント１４の外圧）は０．１ＭＰａＡ〜６．０ＭＰａＡ程度、目的ガス側の気圧（膜エレメント１４の内圧）は０ＭＰａＡ〜０．５ＭＰａＡ程度である。本実施形態において、気体分離装置１００では、２０℃〜２００℃程度の温度で混合ガスの分離を実施することができる。
【００３２】
続いて、上記膜エレメント１４について詳細に説明する。膜エレメント１４は、周囲に分離膜が設けられた膜材によって形成されており、使用される条件下において一定の形状（管状）を保持する。分離膜としては、選択的に分離する目的ガスによって適宜選択されるが、例えば多孔質膜を用いることができ、液膜などの溶解拡散用の膜を用いることがより好ましい。液膜を用いる場合には、上記気体分離装置１００に配置される膜エレメント１４において、液膜がケーシング１２側（混合ガス側）に向かうように設けることが好ましい。
【００３３】
管状の膜エレメント１４を構成する方法としては、例えば疎水性多孔質膜面に親水性高分子、そのオリゴマー又はそのモノマーを含有する液体を接触させた状態で放射線を照射し、多孔質膜面に親水性高分子ゲル膜を形成して、水を含浸させる方法がある。また、目的ガスと親和性のある液体を多孔質内に担持して、両側からかかる液体の封止素材で覆ってもよい。
【００３４】
多孔質膜は、有機または無機の多孔質材料を管状に形成したものである。多孔質膜は、その長さが、５０ｍｍ〜７００ｍｍ程度、その厚さが、１０μｍ〜２ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１ｍｍ、その直径（外径）が、５ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものである。
【００３５】
この多孔質膜の細孔構造特性は、通常平均細孔直径が１０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下であり、空孔率が５〜９９％、好ましくは３０〜９０％である。また、そのガス透過速度は、例えば、二酸化炭素透過速度で、１０−５（ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）以上であることが好ましい。
【００３６】
また、液膜としてはゲル膜でもよい。ゲル膜を形成するための親水性高分子としては、従来公知のものを用いることができる。親水性高分子としては、例えば、キサンタンガム、ローカストビーンガム、ゼラチン、デンプン、アミロース、アミロペクチン、セルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、キチン等の各種の多糖類及びその変性体の他、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸、ポリスルホン酸、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、アクリル酸／ビニルアルコール共重合体、メタクリル酸／ビニルベンゼン共重合体、アクリル酸／スルホン酸共重合体等を挙げることができる。
【００３７】
また、上記高分子のスルホン化物や、アミノ化物、クロロメチル化物、イオンコンプレックス等も使用することができる。
【００３８】
以上のようにして、多孔質膜の一方の面に高分子ゲル膜が結合した構造の高分子ゲル複合膜が得られるが、この場合、液体として水溶液等の水を含む液体を用いることにより、その高分子ゲル膜として、水を含むもの（高分子ハイドロゲル膜）を得ることができる。その高分子ゲル膜が水を含有しないものである場合には、そのゲル膜を水又は水を含む液体と接触させることにより、高分子ハイドロゲル膜を得ることができる。
【００３９】
このような高分子ゲル複合膜や高分子ハイドロゲル複合膜は、そのままで水蒸気透過膜や、親水性ガス、例えば、ＣＯ２やＳＯ２、ＮＯ２、ＣＯ、ＮＯ、ＣＨ４等の分離膜として用いることができるが、その高分子ゲル膜にガスキャリヤーの水溶液を含有させることにより、ガス分離促進輸送膜として用いることができる。
【００４０】
この場合、ガスキャリヤーの水溶液を含む高分子ゲル膜を得る方法としては、高分子ゲル膜を乾燥した後、ガスキャリヤーの水溶液と接触させて高分子ハイドロゲル膜とする方法や、高分子ゲル膜をガスキャリヤー水溶液と接触させて、ガスキャリヤー水溶液をその高分子ゲル膜中に拡散させる方法等がある。
【００４１】
このようなガスキャリヤーとしては、例えば、二酸化炭素を分離するのであれば、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属重炭酸塩、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、ジプロパノールアミン、トリプロパノールアミン等のアルカノールアミン等の従来公知のものを挙げることができる。また、上記アルカリ金属の炭酸塩や重炭酸塩の場合、補助添加成分として、アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子や、亜砒酸ナトリウム、炭酸アンヒドラーゼ、ホウ酸等を併用することができる。
【００４２】
二酸化炭素キャリヤーは、上述のものに限られるものではなく、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示すものであればよく、有機酸のアルカリ金属塩等各種のものを用いることができるが、キャリヤーの化学的安定性及び蒸気圧が低く、膜中から失われる可能性が低いことから、分離性能の長期耐久性が期待できるアルカリ金属炭酸塩やアルカリ金属重炭酸塩、さらには親水性塩基性イオン液体が好ましい。
【００４３】
親水性塩基性イオン液体としては、公知のイミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオンおよびホスホニウムカチオンからなる群から選ばれる少なくとも一種のカチオンと、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、セリン、トレオニン、システイン、メチオニン、アスパラギン、グルタミン酸、グルタミン、アルギニン、リシン、ヒスチジン、フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン、アスパラギン酸、プロリン（以上天然のＬ−α−アミノ酸として知られるアミノ酸）；２−アミノ酪酸、２−アミノイソ酪酸、２−アミノシクロペンタンカルボン酸（以上非天然のα−アミノ酸として知られるアミノ酸）；および４−アミノ酪酸（その他のアミノ酸）、およびタウリンから選ばれる少なくとも一種のアミノカルボン酸アニオンまたはアミノスルホン酸アニオンとから構成されるイオン液体が挙げられる。
【００４４】
アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子としては、従来公知のもの、例えば：１２−クラウン−４、１５−クラウン−５、１８−クラウン−６、ベンゾ−１２−クラウン−４、ベンゾ−１５−クラウン−５、ベンゾ−１８−クラウン−６、ジベンゾ−１２−クラウン−４、ジベンゾ−１５−クラウン−５、ジベンゾ−１８−クラウン−６、ジシクロヘキシル−１２−クラウン−４、ジシクロヘキシル−１５−クラウン−５、ジシクロヘキシル−１８−クラウン−６、ｎ−オクチル−１２−クラウン−４、ｎ−オクチル−１５−クラウン−５、ｎ−オクチル−１８−クラウン−６等の環状ポリエーテル；クリプタンド〔２．１〕、クリプタンド〔２．２〕等の環状ポリエーテルアミン；クリプタンド〔２．１．１〕、クリプタンド〔２．２．２〕、等の双環式ポリエーテルアミンの他、ポルフィリン、フタロシアニン、ポリエチレングリコール、エチレンジアミン四酢酸等を用いることができる。
【００４５】
これらの濃度はアルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属重炭酸塩であれば、０．１〜５．０ｍｏｌ／ｌ好ましくは１．０〜４．０ｍｏｌ／ｌである。アルカリ金属イオンと錯体を形成する多座配位子であれば水溶液中濃度は、０．００１ｍｏｌ／ｌ以上、好ましくは０．０１〜０．１ｍｏｌ／ｌである。
【００４６】
また、二酸化炭素と親和性を有する物質の他の例であるアルカノールアミンの水溶液中濃度は、１０重量％以上に規定することが好ましい。
【００４７】
以上説明したように、気体分離装置１００では、連設されたモジュール１０において、上流側のモジュール１０の排出口と下流側のモジュール１０の供給口とが連通するように接続されている。そして、モジュール１０のそれぞれに、膜エレメント１４を透過した目的ガスをケーシング１２の外部に導出する流路管２２Ｂが設けられている。このように、モジュール１０を多段に接続することにより、膜エレメント１４を長く形成したり、複数繋ぎ合わせたりしなくても、混合ガスと膜エレメント１４との接触面積を多くすることができると共に、各段においてガスの分離が可能となる。また、また、簡易な構成であるため、所望する分離能力に応じてモジュール１０を多段に接続すればよく、目的に応じて構成を変更することができる。以上のように、気体分離装置１００では、効率的に混合ガスから目的ガスを分離できる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００４９】
（実施例１）
ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）（数平均分子量５万）の１０ｗｔ％濃度の水溶液をセラミック製の多孔質材料（空隙率：５０％、平均細孔直径：１０μｍ、長さ：２２ｃｍ、外径：６ｍｍ、内径：４ｍｍ）の外部に塗布し、電子線照射装置（定格２００ｋｅＶ、日新ハイボルテージ製）にセットして、加速電圧：１５０ｋｅＶの条件で、窒素雰囲気下で膜上方から電子線照射した。４Ｍｒａｄ以上の照射量の電子線により、ＰＥＧのハイドロゲル膜（ハイドロゲル層）を多孔質材料状に固定化する。
【００５０】
このようにして調製した高分子ハイドロゲル複合膜を、イオン液体テトラエチルホスホニウムタウリン上に、高分子ハイドロゲル膜面を下にして３０分間浮かせることにより、高分子ハイドロゲル膜中に二酸化炭素キャリヤーを含浸させ、膜エレメントを作製した。
【００５１】
上述のように得られた膜エレメントの特性を、以下のようにして評価した。テストガスとして、ＣＯ２／Ｈ２＝５０／５０の混合ガスを用い、これを飽和水蒸気下、流量１００ｍｌ／分、全圧１ａｔｍで高分子ハイドロゲル膜が固定された側に供給し、透過側を減圧とした。透過してきたガスをガスクロマトグラフで分析し、ＣＯ２透過速度（ＱＣＯ２）と分離係数（α）を算出した。
【００５２】
その後、この膜エレメントを７８本使用したモジュールを作成し、図１のように多段型分離膜を作成した。混合ガスの導入口からＣＯ２／Ｈ２＝５０／５０の混合ガスを温度６０℃、４Ｌ／分の量で流し、混合ガスの導出口から回収した。また、流路管の供給口からスイープガスを流し、流路管の排出口からＣＯ２を回収した。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７０であった。
【００５３】
（比較例１）
実施例１と同じ膜エレメントで長さの２倍のもの７８本使用し、図３に示すような気体分離装置を作製した。図３に示す気体分離装置は、モジュール１０が一段だけの構成であり、上記のモジュール１０と同様の構成を有しているが、長さ寸法が上記モジュール１０よりも大きくなっている。このモジュール１０において、実施例１と同じ条件で実験を行った。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数５５であった。なお、膜エレメントの作成時に、破損が多かった。
【００５４】
（実施例２）
実施例１と同じ材料、同じ膜エレメントを用いて、図４に示す気体分離装置を作製した。図４に示す気体分離装置１１０では、１段目及び２段目のモジュール３０へのスイープガスの供給口３２が保持部材３１Ａに一つだけ設けられている。また、ケーシング１２の中にスイープガスの流通経路３５を設けている。スイープガスは各モジュール３０の保持部材３１Ａ内において分岐流路３３により分岐され、膜エレメント１４それぞれに流通し、もう一方の保持部材３１Ｂの中で合流される構造になっている。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７０であった。
【００５５】
（実施例３）
ケーシングの内部に螺旋状の突起を設けて、図５に示す気体分離装置を作製した。図５に示すように、気体分離装置１２０では、ケーシング４１の内周面に、内側に突出する螺旋状の突起部４２が設けられている。この気体分離装置１２０において、実施例２と同じ条件でおこなった。結果は、ＣＯ２／Ｈ２分離係数７５であった。
【００５６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、保持部材１６Ａ，１６Ｂに溝を形成し、この溝にケーシング１２の端部を挿入しているが、例えば図６に示すような構成であってもよい。
【００５７】
図６（ａ）に示すように、モジュール５０では、ケーシング５２の内部に補強部材５１Ａ，５１Ｂが挿入されている。つまり、ケーシング５２の内径と補強部材５１Ａ，５１Ｂの外径とが略同等となっている。また、図６（ｂ）に示すように、モジュール６０では、モジュール１０と同様に、保持部材６１Ａ，６１Ｂに溝を形成し、この溝にケーシング６２の端部を挿入している。モジュール６０では、ケーシング６２の外周面よりも保持部材６１Ａ，６１Ｂが外側に張り出している。また、図６（ｃ）に示すように、モジュール７０では、図６（ａ）に示すモジュール５０に、キャップ７１が取り付けられている。
【００５８】
また、上記実施形態では、気体分離装置１００において、膜エレメント１４の外部に混合ガスを通過させ、膜エレメント１４によって選択的に分離された目的ガスが膜エレメント１４の内部を通過する構成としているが、膜エレメント１４の内部に混合ガスを導入し、目的ガスがケーシング１２内を通過する構成であってもよい。具体的には、流路管２２Ａの主流路部（供給口）２２Ａａから混合ガスを供給すると共に、流路管２２Ｂの主流路部（排出口）２２Ｂａから混合ガスを排出する。また、ケーシング１２の供給口（開口部２０）からスイープガスを導入すると共に、膜エレメント１４を選択的に透過した目的ガスをケーシング１２の排出口（導出部：開口部２１）から導出する。
【符号の説明】
【００５９】
１０…モジュール、１２…ケーシング、１４…膜エレメント、２０，２１…開口部（供給口、排出口）、２２Ａ，２２Ｂ…流路管（導出部、導入部）、１００…気体分離装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメントと、
前記膜エレメントを収容すると共に、前記混合ガスが供給される供給口及び前記混合ガスが排出される排出口を有する管状の筐体と、
前記膜エレメントを透過した前記目的ガスを前記筐体の外部に導出する導出部と、を備えるモジュールを備え、
前記モジュールが複数接続されており、
連設された前記モジュールにおいて、上流側の前記モジュールの前記排出口と下流側の前記モジュールの前記供給口とが連通するように接続され、
前記複数のモジュールのそれぞれに前記導出部が設けられていることを特徴とする気体分離装置。
【請求項２】
前記膜エレメントは、前記筐体内に複数配置されていることを特徴とする請求項１記載の気体分離装置。
【請求項３】
前記膜エレメントには、一端部に前記導出部が接続されていると共に、他端部にスイープガスが導入される導入部が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の気体分離装置。
【請求項１】
混合ガスから目的ガスを選択的に透過させて分離する分離膜を有する管状の膜エレメントと、
前記膜エレメントを収容すると共に、前記混合ガスが供給される供給口及び前記混合ガスが排出される排出口を有する管状の筐体と、
前記膜エレメントを透過した前記目的ガスを前記筐体の外部に導出する導出部と、を備えるモジュールを備え、
前記モジュールが複数接続されており、
連設された前記モジュールにおいて、上流側の前記モジュールの前記排出口と下流側の前記モジュールの前記供給口とが連通するように接続され、
前記複数のモジュールのそれぞれに前記導出部が設けられていることを特徴とする気体分離装置。
【請求項２】
前記膜エレメントは、前記筐体内に複数配置されていることを特徴とする請求項１記載の気体分離装置。
【請求項３】
前記膜エレメントには、一端部に前記導出部が接続されていると共に、他端部にスイープガスが導入される導入部が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の気体分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１０６００（Ｐ２０１２−２１０６００Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８２１８（Ｐ２０１１−７８２１８）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９００００４５５）一般財団法人石油エネルギー技術センター (249)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９００００４５５）一般財団法人石油エネルギー技術センター (249)
【Ｆターム（参考）】
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