JP2004033981A - Fluid separation filter and fluid separation module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized fluid separation filter enhanced in the recovery efficiency of the permeated fluid through a separation layer, and a fluid separation module. <P>SOLUTION: The fluid separation filter is equipped with a plurality of fluid partition walls 1 wherein separation layers 6a and 6b are provided on the main surface 5a and opposed main surface 5b of a flat plate-shaped support 4 comprising a ceramic porous body, a plurality of spacers 2 provided between the fluid partition walls 1, fluid main flow channels 3a formed by the spacers 2 and the fluid partition walls 1, a sub-flow channels 3b for connecting two adjacent main flow channels 3a, a permeated fluid flow channel allowing the permeated fluid permeated through the separation layer to flow through the flat plate-shaped support 4 and a discharge part for discharging the permeated fluid from the side surface 7 of the flat plate-shaped support 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガスからのCO回収などに代表される特定のガスを濃縮するプラント、混合溶剤からの特定物質の濃縮するプラント、アルコールからの脱水を行うプラント、水の純度を高める水処理プラントや淡水化プラント、工場排ガスや発電所から酸素や二酸化炭素等の特定ガスの分離を行う装置、食品関係又は医療関係の分離装置、水素ガスと酸素ガスを燃料として発電する燃料電池の酸素分離層や水素分離層、半導体製造装置から排出されるPFC分離装置、露光装置で使われる希ガス回収装置として好適に使用できる流体分離フィルタ及び流体分離モジュールに関する。
【0002】
【従来技術】
従来から、各種の流体が混合された混合流体から特定流体だけを濾過分離するフィルタを始め、触媒担持体や電解隔壁等として多孔質体が用いられているが、安全かつ簡便なことからその適用範囲が拡がり、多孔質体を用いた特定の流体の分離濃縮技術は各種燃焼機関をはじめ、濃縮プラント、水処理プラント、食品工業や医療用機器の流体分離、燃料電池、更には廃棄物処理等の様々な分野において注目されている。
【0003】
このような多孔質体として、従来は高分子膜が使用されてきたが、近年は耐熱性、耐薬品性に優れたセラミック分離層が注目されている。特に、最近はオンサイトでガス処理を行なうことが多いため、小型のセラミック分離モジュールが求められている。
【0004】
従来、セラミック分離モジュールには、有機高分子膜などにおいて一般的に使われている中空糸をセラミックスに応用したものが多く用いられていた。このような中空糸構造のフィルタは、チューブ状のセラミック支持体の表面に耐食性、耐熱性を有する分離層を形成し、これを多数束ねたものであり、例えば、特開平11−156167号公報に記載されている。
【0005】
しかし、特開平11−156167号公報に記載された中空糸構造は、チューブ状のセラミック支持体の径を小さくすると強度が低くなって、ハンドリング時に破壊されやすいと共に、高効率の高圧領域で使用が困難であり、また、支持体同士が密着して流路を確保するのが難しく、小型化を図るのが困難であるいという問題があった。
【0006】
そこで、図6に示すように、分離層32を主面及び対向主面に形成したセラミック平板31を、スペーサ34を挟んで積層し、セラミック平板31間に流体の流路を設けるため、総流路長を大きくして小型化を図った流体分離フィルタが、特開平2−198611号公報に記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平2−198611号公報に記載された平板状支持体構造の流体分離フィルタでは、分離層32を透過した流体成分が、各セラミック平板31の内部を、長い距離にわたって移動し、各段毎に取出口部材35に達した後、通気孔36から一ヶ所に集められた後に回収されるため、回収効率が非常に悪いという問題があり、実用化を阻んでいた。
【0008】
そこで、本発明の目的は、分離層を透過した透過流体の回収効率を高めた小型の流体分離フィルタ及び流体分離モジュールを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質セラミックスからなる平板状支持体の表面に設けられた分離層を透過した透過流体を、平板状支持体の側面から吐出させることによって、平板状支持体内の通過距離を短くし、透過流体の回収効率を顕著に高めることができるという知見に基づき、回収効率を高めた小型の流体分離フィルタを実現したものである。
【0010】
即ち、本発明の流体分離フィルタは、セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けた複数の流体隔壁と、該流体隔壁間に設けられた複数のスペーサと、該スペーサと流体隔壁とで形成される流体の主流路と、隣接する2つの主流路を連結するための副流路と、前記平板状支持体の内部に前記分離層を透過した透過流体が流れる透過流体流路と、該透過流体が前記平板状支持体の側面から吐出する吐出部を具備することを特徴とする。
【0011】
特に、前記吐出部の面積が、全側面の総面積の50%以上であることが好ましい。これにより、流体の分離効率をより高めることができる。
【0012】
また、前記平板状支持体の主面及び対向主面が多角形で、且つ前記透過流体流路が前記多角形の辺の長さ以下であること、又は、前記平板状支持体の主面及び対向主面が円形で、且つ前記透過流体流路が前記円形の半径以下であることが好ましい。これにより、透過効率を律速する透過流体の走行距離を短くでき、透過速度をより高めることができる。
【0013】
さらに、前記主流路が櫛型形状であることが好ましい。これにより、主流滞留炉内でガスの流れがよどむいわゆるデッドスペースを抑制でき、効率的に特定ガスを供給ガスから透過させることができる。
【0014】
さらにまた、前記スペーサの相対密度が98%以上であることが好ましい。これにより、スペーサからのガスの抜けを防止できる。
【0015】
また、前記スペーサが多孔質体からなり、前記流体流路を形成する前記スペーサの表面に分離層が設けられてなることが好ましい。これにより、複数の成分を含む流体から特性成分がスペーサに設けられた分離層を透過して分離され、分離フィルタの外部に吐出され、フィルタの効率をさらに一層高めることができる。
【0016】
さらに、前記スペーサの厚みが0.2〜20mmであることが好ましい。これにより、機械的強度を有したまま一定以上の単位体積当たりの分離層面積を確保し、かつ透過流体が多孔質内をスムーズに移動でき透過流体の回収が行える。
【0017】
さらにまた、前記平板状支持体の厚みが0.2〜20mmであることが好ましい。これにより、流体分離フィルタのより小型化に寄与でき、さらに平板状支持体内を流れる透過流体の十分な経路を確保できる。
【0018】
また、前記平板状支持体の気孔率が、表面部よりも内部で大きいことが好ましい。これにより、透過した流体の多孔質内での圧力損失が小さくなり透過量を多く取れることができる。
【0019】
さらに、前記平板状支持体の平均気孔径が、表面部よりも内部で大きいことが好ましい。これにより、透過流体の透過量を減らすことなく平板支持体表面上にコートされる分離層の成膜性が向上し分離特性が向上することができる。
【0020】
また、本発明の流体分離モジュールは、上記の流体分離フィルタと、該流体分離フィルタを保持するための容器と、前記流体分離フィルタを容器内で支持するとともに流体と該流体から分離された透過流体とが混合しないように設けられた隔離体と、該流体分離フィルタに流体を供給するための流体導入口と、前記流体分離フィルタを通過して外部に排出するための排出口と、透過流体を回収するための取出口とを具備することを特徴とするものであり、これにより、混合流体から選択的に特定の流体成分を分離透過させる分離層をシステムとして使用することが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。
【0022】
本発明の流体分離フィルタは、図1に示すように、セラミック多孔質体からなる複数の流体隔壁1がスペーサ2と交互に積層され、流体が流れる流路3が形成されている。
【0023】
流路3は、図1のa−a′部の断面図である図2に示したように、流体隔壁1とスペーサ2とで構成された主流路3aと、隣接する2つの主流路3a間を連結するための副流路3bで構成される。主流路3aは、流体隔壁1間に複数設けられ、お互いに略平行となっている。また、副流路3bは、流体隔壁1に設けられた連通孔として形成されている。流体は、図2の中の矢印で示したように、主流路3aと副流路3bを交互に流れる。
【0024】
流体隔壁1は、平板状支持体4と、平板状支持体4の主面5aに設けられた分離層6aと、対向主面5bに設けられた分離層6bとから構成され、分離層6a、6bは流体の主流路3aを形成し、流体隔壁1の一部には副流路3bとなる連通孔が設けられている。
【0025】
また、流体隔壁1の断面図である図3に示したように、平板状支持体4の内部4aには、気孔が連なって形成された透過流体流路が設けられ、側面7の少なくとも一部には透過流体の吐出する吐出部が設けられている。
【0026】
流路3を流れる流体の成分の一部は、図3の矢印で示したように、分離層6a、6bを透過すると平板状支持体4の表面部4bから内部4aへ浸透し、内部4aに設けられた透過流体流路を通って側面7に達する。そして、透過流体が側面7から吐出する。
【0027】
本発明によれば、上述のように、流体分離フィルタが流体隔壁1と、スペーサ2と、主流路3aと、副流路3bと、透過流体流路と、吐出部とを具備することが重要である。
【0028】
本発明の流体分離フィルタは平板構造であるため、中空糸構造に比べて、セラミック多孔質体中を移動する距離が長い。従って、透過流体の移動距離を短縮して透過効率を高めるため、透過流体を平板状支持体4の側面7から吐出させることが重要である。側面7から透過流体を吐出させると、透過流体流路が短縮でき、透過流量を増加させ、透過効率を高めることが可能となる。
【0029】
平板状支持体4の主面5a及び対向主面5bが他の多角形である場合、透過流体流路が多角形の辺の長さ以下であることが好ましい。例えば、図1のように平板状支持体4が四角柱(直方体)の場合、主面5a及び対向主面5bの形状が長方形で透過流体が4方向(4側面)に吐出することが可能であり、六角柱(8面体)の場合、主面5a及び対向主面5bの形状が6角形で、6方向(6側面)からの吐出が可能であり、吐出した透過流体を捕集する。
【0030】
また、平板状支持体4が円柱の場合、平板状支持体4の主面5a及び対向主面5bの形状が円である場合、透過流体流路が前記円形の半径以下であることが好ましい。このような構成にすることで、主面が多角形であっても円形であっても、いずれの場合でも透過流体が側面7に至るまでの透過流体流路を短くし、回収効率を高めるのに寄与することができる。
【0031】
また、全側面7の総面積に対する透過流体が吐出する側面7の面積の比率を高めることによって、透過効率を容易に高めることができる。即ち、全側面7の総面積(Sall)に対する透過流体が吐出する側面7の部位の面積(S)の比S/Sallを50%以上、特に70%以上、更には90%以上にすることが好ましい。さらに、平板状支持体4の固定やその他の理由で側面7の一部が使用できない場合もあるが、比S/Sallは100%又は100%に近いのが良い。
【0032】
平板状支持体4は、流体の主流路3aを形成し、複数の成分からなる流体と接しており、その一部の成分が分離層6を透過した透過流体は平板状支持体4の内部を流れるため、透過量を増やし、透過速度を高める上では、平板状支持体4内部の気孔率が、表面部4b、即ち主面5a及び対向主面5b付近での気孔率よりも大きいことが好ましい。
【0033】
具体的には、平板状支持体4全体の平均としての気孔率は、透過ガスが平板状支持体4中を透過しやすくするため、15%以上、特に20%以上、更には25%以上であることが望ましく、さらには、平板状支持体4の強度を確保し、ハウジングなどへ組み立てる際に、平板状支持体4が破損したり、操作中に平板状支持体4を構成する粒子が脱粒することを防止するためには、平板状支持体4の気孔率が60%以下、特に50%以下、更には40%以下であることが望ましい。
【0034】
また、平板状支持体4の内部4aの気孔率は、流体隔壁1の強度を確保し、ハウジングなどへ組み立てる際の破損、操作中に平板状支持体4を構成する粒子が脱粒すること等、支持体として機械強度の低下を抑制しつつ大きな透過係数を実現するため、上限が60%、特に55%、更には50%であることが好ましい。また、透過流体が十分な透過流体流路を確保し、より高い透過効率を得るためには、平板状支持体4の気孔率の下限を20%、特に25%、更には30%にすることが好ましい。
【0035】
平板状支持体4の表面部4bは、分離層を透過した流体の一部の成分からなる透過流体を効率良く透過させるとともに、1nm程度の細孔径を有する分離層を表面に形成するため、これらの分離層6にピンホールや欠陥が発生しないように、表面部4bの気孔率及び平均気孔径を制御するのが良い。具体的には、気孔率が8〜30%、特に10〜25%、更には12〜20%、平均気孔径が0.05μm〜1μm、特に0.1μm〜0.8μm、更には0.1〜0.5μmを例示できる。
【0036】
平板状支持体4の内部4aは、気孔が連なって透過流体経路を形成し、透過流体がスムーズに流れる。従って、多孔質である平板状支持体4の内部4aにおける透過流体の圧力損失を小さくし、高い透過速度を実現するためには、内部4aの気孔率及び平均気孔径を表面部4bよりも大きくすることが好ましい。
【0037】
平板状支持体4の厚みは、透過流体流路の断面積を大きくして透過流体量を増かさせるため、下限を0.2mm、特に0.4mm、更には0.6mmであることが好ましく、単位体積当たりの流体分離フィルタに含まれる分離層6の面積を大きくし、流路3の総延長を大きくしつつ小型化を図るため、上限を20mm、特に15mm、更には10mmであることが好ましい。
【0038】
平板状支持体4の材料としては、α−アルミナや安定化ジルコニアを主成分とするセラミックスやシリカ系ガラス(分相ガラス)、Si、SiC等を用いることができるものの、耐熱性が高いこと、容易に作製できること、及び低コストの点でα−アルミナを主成分とするセラミックスが良い。
【0039】
分離層6は、Si、Ti、Zr、Alの少なくとも1種を含むことが好ましい。これらは、酸化物として分離層6を形成する。これらのうち、アルコキシド状態では反応性が低く局所的な反応を進むことが抑制でき、Si−O−Siのネットワークを組むことで1nm以下の細孔径の作製が容易である観点からSiが更に良い。
【0040】
その際の流体によって平板状支持体4が加圧されていることが好ましい。このように平板状支持体4に圧力が加わると透過速度が高まり、更に透過効率を高めることが可能となる。具体的には、気体の場合、1.5atm以上、特に2atm以上、更には3atm以上であることが好ましい。
【0041】
また、平板状支持体4は薄いため、機械的損傷を防止するため、平板状支持体4の主面5aに加わる圧力と、対向主面5bに加わる圧力が略同一であることが好ましい。即ち、主面5aの接する流体の圧力が、対向主面5bと接する流体の圧力と略同一であれば良い。このように、平板状支持体4の上下面から均等な圧力によって支えられるため、特別の応力の発生を防止でき、クラックや破壊を防止することができる。
【0042】
スペーサ2は、密封性を高めるため98%以上、特に99%以上であることが好ましい。これにより、流路3の供給ガスが流体分離層フィルターから漏れ出すことを防ぐことが出来る。
【0043】
また、スペーサ2の厚みは0.2〜20mm、特に0.5〜15mm、更には1〜10mmが好ましい。スペーサ2は流路を形成するとともに、その厚みをこのような範囲に設定することで、流体と分離層6との接触面積を大きくし、透過流体の回収効率を高め、且つ流体分離フィルタとしてクラックの発生防止に寄与することができる。
【0044】
スペーサ2は、耐食性を高めるため、所望のセラミックスを用いるのが良い。例えば、アルミナや安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス、シリカ系ガラス(分相ガラス)、Si、SiC等を好適に用いることができる。これらのうち、耐熱性、製造の容易性、低コストの点でα−アルミナを主成分とするセラミックスが良い。
【0045】
また、積層体を形成するため、平板状支持体4との密着性を高め、クラックや剥離の発生を効果的に防止するように、スペーサ2を平板状支持体4と略同一の材料で構成することが好ましい。
【0046】
本発明によれば、流体分離フィルタの使用環境や要求特性によって、スペーサ2に関して2通りの材料設計を行うことができる。即ち、第一に強度等の機械的信頼性や流体分離の信頼性が要求される場合であり、第二にフィルタとして高特性が要求される場合である。
【0047】
機械的信頼性や流体分離の信頼性が要求される第一の場合、スペーサ2の密度を98%以上、特に99%以上にすることが好ましい。このようにスペーサ2に緻密なセラミックスを用いると、流体分離フィルタの骨格が高強度、高靭性、高耐衝撃性等のような機械的信頼性の高い緻密セラミックスで構成されるため、壁面及び内部4aに比較的多孔質のセラミックスを用いても流体分離フィルタの機械的信頼性を高めることができ、また、流体がスペーサ2を透過してスペーサ2の側面から吐出するのを防止でき、流体分離の信頼性を高めることができる。
【0048】
フィルタとしての高特性が要求される第二の場合、スペーサ2の少なくとも流体と接する部位に分離層6を設けることが好ましい。平板状支持体4に加えてスペーサ2を通して流体分離を行うことができる。平板状支持体4で分離された透過流体は平板状支持体4の内部の比較的長い距離を移動するが、スペーサ2で分離された透過流体は、スペーサ2の厚み分の短距離を移動するだけなので分離効率が高く、その結果、スペーサ2に設けられた分離層6の面積にもよるが、さらに10〜200%もの分離効率を高めることができる。
【0049】
流体は、平板状支持体4の表面に設けられた分離層3と接していれば良く、その流れる方向、流量、或いは流速には特に制限がない。しかし、特定の成分を効率良く透過させるため、流路のあらゆる部位において流体が流動し、常に新鮮な流体が供給されることが好ましい。
【0050】
また、平板状支持体4は薄いため、機械的損傷を防止するため、平板状支持体4の主面5aに加わる圧力と、対向主面5bに加わる圧力が略同一であることが好ましい。即ち、主面5aの接する流体の圧力が、対向主面5bと接する流体の圧力と略同一であれば良い。このように、平板状支持体4の主面5a及び対向主面5bの上下面から均等な圧力によって支えられるため、平板状支持体4に加わる応力を低く抑えることができ、クラックや破壊を防止することができる。
【0051】
主流路3aは、特に制限はないものの、流体と分離層6とが広範な範囲で接触し、且つよどみがなく新鮮な流体が分離層6に供給されることが好ましい。そのため、主流路3aを図4(a)のように単純構造にしても良いが、(b)に示すような櫛型形状にすることが望ましい。このように、流路の距離を伸ばし、全ての流体を強制的に流すことにより、流路に大きなよどみの発生するのを防止し、分離層6に新鮮な流体を常時供給でき、その結果、分離効率をさらに高めるのに効果がある。
【0052】
以上のような構成を有する流体分離フィルタは、高い耐圧性を有する特徴があり、高圧で用いられる天然ガスからのCO分離や石油コンビナート等の石油化学プロセスに、また単位体積当たりに占める膜面積が高いという特徴を有しているため、流体分離フィルタを設置する面積を大きく取れない用途、具体的には半導体製造ラインに使われるPFC分離装置、露光装置に使われる希ガス分離装置に使われる分離装置として好適に使用することができる。
【0053】
次に、流体分離フィルタの製造方法について説明する。
【0054】
まず、平板状支持体4を作製するため、所望の原料粉末を混合し、成形する。成形方法としては、プレス成形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧成形等の公知の成形手段を使用でき、コストと基板の反りを考慮すると粉末圧延法で作製することが望ましい。得られた成形体を焼成し、焼結体を得た。
【0055】
本発明によれば、気孔率及び平均細孔径が、表面部4bよりも内部4aで大きくなるように、平板状支持体4の厚みを好適に調整し、かつ成型温度、湿度の調整を行うと良い。
【0056】
次に、分離層6を作製する。分離層6は、ゾルゲル法、CVD法、スパッタ法などによって作製できるが、製造の容易さでゾルゲル法が好ましい。以下に、ゾルゲル法を用いた場合、特にSi、Ti、Zr、Alの元素のうちSiを含む分離層6の製造方法を取り上げて説明する。
【0057】
分離層6の原料としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン及びテトラプロポキシシラン等のシリコンアルコキシドを用意する。
【0058】
この原料を用いて、まず、前駆体ゾルを作製する。即ち、シリコンアルコキシドをアルコール等の溶媒に溶解させ、水を加えて加水分解する。
【0059】
得られた前駆体ゾルを平板状支持体4の表面に塗布し、その後、焼成して分離層6を形成することができる。焼成は、大気中、350〜700℃、特に400〜600℃で熱処理することによりゲル内でSi−Oのシロキサン結合が進行し、強固な膜となるとともに、前記有機官能基が熱処理により分解、除去され細孔を生成する。
【0060】
焼成温度及び焼成時間に関しては、分離層6の平均細孔径の大きさによって異なるが、ガス分離の場合には、平均細孔径が0.2〜1.3nm、特に0.3〜1.0nm、さらには0.4〜0.8nmとなるように上記の焼成条件を調整することが好ましく、これによって分離特性の高い膜の作製ができる。
【0061】
また、焼成においては、分離層6が、平板状支持体4との界面に反応生成物を生じることがないように焼成条件を制御することが好ましい。具体的には400〜800℃の温度、好ましくは450〜600℃の焼成温度で行なう。平板状支持体4の表面に層状に被覆され、平滑な表面を形成することが望ましい。
【0062】
焼成温度及び焼成時間に関しては、分離層6の平均細孔径の大きさによって異なるが、ガス分離フィルタの場合、平均細孔径が0.2〜1.3nm、特に0.3〜1.0nm、更には0.4〜0.8nmとなるように上記の焼成条件を調整することが好ましい。例えば、水素ガスを他のガスから分離するためには0.25〜0.6nm、COとCHとを分離するためには0.3〜0.8nm、NガスとCFガスとを分離するためには0.35〜1.0nmの平均細孔径に設定するのがよく、これによって分離特性を高めることができる。
【0063】
特に内部4aの気孔率及び平均細孔径を表面部4bよりも大きくするため、焼成温度での保持時間を短くする。
【0064】
なお、分離層6は、平板状支持体4の主面5a及び対向主面5bに被着形成するが、分離層6の厚みが0.01〜5μm、特に0.1〜4μm、さらには0.5〜3μmとなるようにゾルの粒径を調整する。
【0065】
なお、平板状支持体4と分離層6との間に中間層を設け、分離層6の密着性を高めることができる。中間層にはチタニア、ジルコニア、アルミナ等を用いることができ、そのため、原料としてはこれらのアルコキシドを準備すれば良い。
【0066】
スペーサ2は平板状支持体4を仕切るために用いられスペーサ2からガス漏れが発生しないように緻密体である必要がある。スペーサ2は平板支持体4同士間に設置され平板支持体と熱膨張係数が近いことが好ましい。これにより、耐熱性の高い流体分離層モジュールとなる。
【0067】
このようにして作製された平板状支持体4をスペーサ2と交互に積み重ねることによって積層体が作製される。積層される平板状支持体4とスペーサ2の枚数は必要とする膜面積によって変化する。また積層させた積層体の両端部には緻密体の平板を設ける。この平板は熱膨張係数をスペーサ2と近い材質を選ぶことが好ましい。具体的にはスペーサ2がアルミナの場合はアルミナを用いる。また、平板状支持体4とスペーサ2、スペーサ2と両端の緻密体との接続にはアルミナと熱膨張係数の近いガラスペーストを用いたガラス接合が好ましい。これにより全ての部材をセラミック性とすることが出来、耐熱性、耐食性に優れた流体分離フィルタを作製できる。
【0068】
本発明の流体分離モジュールは、図5に示したように、上記の流体分離フィルタ21が容器22の内部に複数配置され、容器22の内部に流体を供給するための流体導入口23と、流体分離フィルタ21を通過した流体を外部に排出するための排出口24と、透過流体を回収するための取出口25とを備えている。
【0069】
複数の成分を有する流体、例えばHとCOの混合ガスが、流体導入口23から容器22へ導入され、流体が流体分離フィルタ21と接し、流体の一部が流体分離フィルタ21の表面に設けられた分離層を透過し、流体分離フィルタ21内の分離層を透過した透過流体は側面27に移動し、取出口25から取り出される。
【0070】
上記の構成を有する本発明の流体分離モジュールは、高い耐圧性を有する特徴があり、高圧で用いられる天然ガスからのCO分離や石油コンビナート等の石油化学プロセス等にも好適に用いることができる。また、透過、非透過のどちらのガスも回収が可能となる。
【0071】
【実施例】
まず、平板状支持体を作製した。即ち、純度99.9%、平均粒径0.1μmのアルミナ粉末、ジルコニア粉末、ガラス粉末、窒化珪素粉末及び炭化珪素粉末に対し、それぞれ所望の有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を添加、混合し、粉末圧延法にてテープを成形した後、焼成して肉厚0.8mm、縦150mm、横50mmの焼結体からなる平板状支持体を作製した。なお、この平板状支持体を加工して表1の厚みに調整するとともに、その表面は、表面粗さ(Ra)が0.3μm以下となるように研磨した。
【0072】
得られた焼結体の気孔率及び平均細孔径を走査型電子顕微鏡(SEM)観察から測定した。
【0073】
次に、分離層を作製した。原料として、チタニウムテトライソプロポキシド(TTP)、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトラプロポキシジルコニウム(TPZ)、アルミニウムセカンダリーブトキシド(ASBD)を準備した。
【0074】
上記の原料を用いて、ゾルゲル法により支持体上に分離層を作製した。即ち、TTP、TEOS、TPZ及びASBDの原料を単独で用いる場合、これら金属アルコキシド1モルに対して、水1モル及びHClを含むエタノール溶液を添加、混合した。また、複数の原料を用いる場合、TEOS1モルに対して、水1モルおよびHClを含むエタノール溶液を添加、混合して部分加水分解ゾルを作製し、これに他の金属アルコキシドのエタノール溶液を金属アルコキシドが1モルとなるように添加し、窒素気流下で攪拌し、複合アルコキシドを作製した。
【0075】
次に、得られた溶液に対し、水9.3モルとエタノールの混合溶液を添加し加水分解して、攪拌し、前駆体ゾルを作製した。次いで、平板状支持体の側面に栓をして、上記のゾルに含浸して60秒間保持し、5mm/秒の速度で取り出し、室温で2時間乾燥してゾルをゲル化した後、大気中、550℃で焼成する工程を4回繰り返して支持体の外表面に分離層を被着形成した。
【0076】
なお、分離層の作製に先立ち、所望により中間層を作製した。即ち、水110モルに対して、上記原料を添加して加水分解し、さらに硝酸を添加した後、16時間煮沸攪拌して前駆体ゾルを作製した。次いで、分離層と同様の方法で中間層を被着形成した。
【0077】
得られた試料に対して、ケルビンの毛管凝縮式を用いて細孔内に毛管凝縮する水の湿度と温度から分離層の平均細孔径を求めた。
【0078】
また、分離層の膜厚を、走査型電子顕微鏡(SEM)で測定した。
【0079】
また、得られたフィルタ18枚フィルタ間にスペーサを17枚と端部フィルタ両側にスペーサを2枚、フィルタと同じ形状の緻密層の平板を両端スペーサ状にそれぞれ積層してそれぞれの層をガラスペースト(山村硝子社製YB519)を用いて接着封止した後、ガラス容器の内部に配置し、流体導入口、排出口、取出口を取り付け、図3に示したような流体分離モジュールを作製した。なお、吐出部の面積比が表1の側面比率になるように、側面の一部をガラスで封止した。また、No.13は、図6のように取出口部材35を設け、通気孔36から回収する構造とした。
【0080】
得られた流体分離モジュール内を250℃の温度に加熱すると共に、平板状支持体内側を大気開放として100kPa(大気圧)にした状態で、平板状支持体外側に二酸化炭素200kPa(2気圧)を20l/分の割合で流し、透過流体排出口で回収されるガスについて、透過流量を測定し、さらに、二酸化炭素ガスの透過量/(膜面積×差圧×時間)で表される透過率を算出した。また、上記と同様にしてメタンガスの透過率を求め、透過係数比α(二酸化炭素の透過率/メタンの透過率)を求めた。二酸化炭素の回収率は供給二酸化炭素流量に対しての透過分離された二酸化炭素流量の比で求めた。結果を表1に示した。
【0081】
【表1】

Figure 2004033981
【0082】
本発明の試料No.1〜4及び6〜25は、COとCHとの混合ガスのうち46%以上のCOを回収することができた。
【0083】
これに対して、
【0084】
【発明の効果】
本発明は、セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けてなる流体隔壁を複数積層し、該流体隔壁間に流体が流れる流路を形成してなる積層体を作製することにより、流体処理量が大きく高圧領域に好適な流体分離フィルタを実現することができる。
【0085】
特に、スペーサに緻密なセラミックスを用いることによって、耐食性と機械的信頼性が更に高い流体分離フィルタを実現でき、また、スペーサに多孔質セラミックスを用いて、流体と接する部位に分離層を形成することによって、分離効率のより高い流体分離フィルタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流体分離フィルタを示す概略斜視図である。
【図2】本発明の図1の流体分離フィルタのa−a′部の概略断面図である。
【図3】本発明の流体分離フィルタの一部を示す概略断面図である。
【図4】本発明の流路の一例を示す概略断面図で、(a)は平板形状の場合、(b)は櫛型形状の場合である。
【図5】本発明の流体分離モジュールを示す概略断面図である。
【図6】従来の流体分離フィルタを示す概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・流体隔壁
2・・・スペーサ
3・・・流路
3a・・・主流路
3b・・・副流路
4・・・平板状支持体
5a・・・主面
5b・・・対向主面
6、6a、6b・・・分離層
7・・・側面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plant for concentrating a specific gas represented by CO 2 recovery from natural gas, a plant for concentrating a specific substance from a mixed solvent, a plant for dehydrating from alcohol, Water treatment plants and desalination plants that increase the purity of water, devices that separate specific gases such as oxygen and carbon dioxide from factory exhaust gas and power plants, food-related or medical-related separation devices, and hydrogen and oxygen gas as fuel The present invention relates to a fluid separation filter and a fluid separation module which can be suitably used as an oxygen separation layer and a hydrogen separation layer of a fuel cell for generating power, a PFC separation device discharged from a semiconductor manufacturing device, and a rare gas recovery device used in an exposure device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, porous materials have been used as filters for filtering and separating only specific fluids from mixed fluids in which various fluids are mixed, and porous materials are used as catalyst carriers and electrolytic partition walls. The range is expanded, and the separation and concentration technology of specific fluids using porous materials is used for various combustion engines, concentration plants, water treatment plants, fluid separation for the food industry and medical equipment, fuel cells, and waste treatment. Is attracting attention in various fields.
[0003]
Conventionally, a polymer membrane has been used as such a porous body, but in recent years, a ceramic separation layer having excellent heat resistance and chemical resistance has attracted attention. In particular, recently, gas treatment is often performed on-site, and thus a small ceramic separation module is required.
[0004]
Conventionally, a ceramic separation module in which a hollow fiber generally used in an organic polymer membrane or the like is applied to ceramics has been often used. Such a filter having a hollow fiber structure is formed by forming a separation layer having corrosion resistance and heat resistance on the surface of a tubular ceramic support, and bundling a large number of the separation layers. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-156167 discloses the filter. Has been described.
[0005]
However, the hollow fiber structure described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-156167 has a problem that when the diameter of the tube-shaped ceramic support is reduced, the strength is reduced, and the tube is easily broken at the time of handling. There is a problem that it is difficult, and it is difficult to secure the flow path by the close contact between the supports, and it is difficult to reduce the size.
[0006]
Therefore, as shown in FIG. 6, the ceramic flat plates 31 having the separation layer 32 formed on the main surface and the opposite main surface are laminated with the spacer 34 interposed therebetween, and a fluid flow path is provided between the ceramic flat plates 31. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-198611 discloses a fluid separation filter in which the path length is increased to reduce the size.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fluid separation filter having a flat support structure described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-198611, the fluid component transmitted through the separation layer 32 moves inside the ceramic flat plate 31 over a long distance, and the fluid component passes through each step. Each time it reaches the outlet member 35, it is collected after being collected at one location from the ventilation hole 36, and therefore, there is a problem that the collection efficiency is very poor, which hinders practical use.
[0008]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a small-sized fluid separation filter and a fluid separation module that improve the recovery efficiency of a permeated fluid that has passed through a separation layer.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention shortens the passage distance in the plate-shaped support by discharging the permeated fluid transmitted through the separation layer provided on the surface of the plate-shaped support made of porous ceramics from the side surface of the plate-shaped support. Based on the finding that the recovery efficiency of the permeated fluid can be significantly increased, a small-sized fluid separation filter having improved recovery efficiency has been realized.
[0010]
That is, the fluid separation filter of the present invention includes a plurality of fluid partitions provided with a separation layer on a main surface and a facing main surface of a flat support made of a ceramic porous body, and a plurality of spacers provided between the fluid partitions. A main flow path of the fluid formed by the spacer and the fluid partition, a sub flow path for connecting two adjacent main flow paths, and a permeated fluid permeating through the separation layer inside the plate-shaped support. And a discharge portion for discharging the permeated fluid from the side surface of the flat support.
[0011]
In particular, it is preferable that the area of the ejection portion is 50% or more of the total area of all side surfaces. Thereby, the fluid separation efficiency can be further improved.
[0012]
Further, the main surface and the opposing main surface of the plate-shaped support are polygonal, and the permeate fluid flow path is equal to or less than the length of a side of the polygon, or the main surface of the plate-shaped support and It is preferable that the opposing main surface be circular and the permeate fluid flow path be smaller than the radius of the circular shape. As a result, the traveling distance of the permeated fluid that determines the permeation efficiency can be reduced, and the permeation speed can be further increased.
[0013]
Further, it is preferable that the main flow path has a comb shape. As a result, a so-called dead space in which the flow of gas is stagnated in the mainstream residence furnace can be suppressed, and the specific gas can be efficiently transmitted from the supply gas.
[0014]
Furthermore, it is preferable that the relative density of the spacer is 98% or more. This can prevent gas from escaping from the spacer.
[0015]
Preferably, the spacer is made of a porous material, and a separation layer is provided on a surface of the spacer forming the fluid flow path. Accordingly, the characteristic component is separated from the fluid containing the plurality of components by passing through the separation layer provided on the spacer, and is discharged to the outside of the separation filter, so that the efficiency of the filter can be further improved.
[0016]
Further, it is preferable that the thickness of the spacer is 0.2 to 20 mm. As a result, it is possible to secure a separation layer area per unit volume equal to or more than a certain value while maintaining mechanical strength, and to allow the permeated fluid to smoothly move in the porous material and recover the permeated fluid.
[0017]
Furthermore, it is preferable that the thickness of the flat support is 0.2 to 20 mm. This can contribute to further miniaturization of the fluid separation filter, and can secure a sufficient path for the permeated fluid flowing in the flat support.
[0018]
Further, it is preferable that the porosity of the plate-shaped support is larger inside than the surface portion. Thereby, the pressure loss in the porous body of the permeated fluid is reduced, and the permeated amount can be increased.
[0019]
Further, it is preferable that the average pore diameter of the flat support is larger inside than the surface portion. Thereby, the film forming property of the separation layer coated on the surface of the flat plate support can be improved without reducing the permeation amount of the permeated fluid, and the separation characteristics can be improved.
[0020]
Further, the fluid separation module of the present invention includes the above-described fluid separation filter, a container for holding the fluid separation filter, and a fluid that supports the fluid separation filter in the container and separates the fluid and the permeated fluid from the fluid. A fluid inlet for supplying a fluid to the fluid separation filter, an outlet for discharging the fluid through the fluid separation filter to the outside, and a permeate fluid. An outlet for recovery is provided, whereby a separation layer that selectively separates and permeates a specific fluid component from a mixed fluid can be used as a system.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
In the fluid separation filter of the present invention, as shown in FIG. 1, a plurality of fluid partition walls 1 made of a porous ceramic material are alternately laminated with spacers 2 to form a flow path 3 through which a fluid flows.
[0023]
As shown in FIG. 2, which is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 1, the flow path 3 is provided between a main flow path 3a composed of a fluid partition wall 1 and a spacer 2 and between two adjacent main flow paths 3a. And a sub flow path 3b for connecting the two. A plurality of main channels 3a are provided between the fluid partitions 1, and are substantially parallel to each other. The sub flow path 3b is formed as a communication hole provided in the fluid partition 1. The fluid alternately flows through the main flow path 3a and the sub flow path 3b, as indicated by arrows in FIG.
[0024]
The fluid partition 1 is composed of a flat support 4, a separation layer 6 a provided on a main surface 5 a of the flat support 4, and a separation layer 6 b provided on an opposing main surface 5 b. 6b forms a main flow path 3a for the fluid, and a communication hole serving as a sub flow path 3b is provided in a part of the fluid partition 1.
[0025]
As shown in FIG. 3 which is a cross-sectional view of the fluid partition 1, a permeated fluid flow path formed by connecting pores is provided in the inside 4 a of the flat support 4, and at least a part of the side surface 7 is provided. Is provided with a discharge section for discharging a permeated fluid.
[0026]
As shown by arrows in FIG. 3, some of the components of the fluid flowing through the flow path 3 penetrate through the separation layers 6a and 6b, penetrate from the surface portion 4b of the flat support 4 to the inside 4a, and enter the inside 4a. It reaches the side surface 7 through the provided permeate fluid flow path. Then, the permeated fluid is discharged from the side surface 7.
[0027]
According to the present invention, as described above, it is important that the fluid separation filter includes the fluid partition 1, the spacer 2, the main channel 3a, the sub channel 3b, the permeated fluid channel, and the discharge unit. It is.
[0028]
Since the fluid separation filter of the present invention has a flat plate structure, it has a longer moving distance in the porous ceramic body than the hollow fiber structure. Therefore, in order to shorten the moving distance of the permeated fluid and increase the permeation efficiency, it is important to discharge the permeated fluid from the side surface 7 of the flat support 4. When the permeated fluid is discharged from the side surface 7, the permeated fluid channel can be shortened, the permeation flow rate can be increased, and the permeation efficiency can be increased.
[0029]
When the main surface 5a and the opposing main surface 5b of the flat support 4 are other polygons, it is preferable that the permeated fluid flow path is not more than the length of the sides of the polygon. For example, when the flat support 4 is a quadrangular prism (rectangular parallelepiped) as shown in FIG. 1, the shape of the main surface 5a and the opposing main surface 5b is rectangular, and the permeated fluid can be discharged in four directions (four side surfaces). In the case of a hexagonal prism (octahedron), the main surface 5a and the opposing main surface 5b are hexagonal, and can discharge from six directions (six side surfaces), and collect the discharged permeated fluid.
[0030]
In addition, when the flat support 4 is a column, and when the main surface 5a and the opposing main surface 5b of the flat support 4 are circular, it is preferable that the permeated fluid flow path has a radius equal to or less than the radius of the circle. With such a configuration, regardless of whether the main surface is polygonal or circular, in any case, the permeated fluid flow path until the permeated fluid reaches the side surface 7 is shortened, and the recovery efficiency is improved. Can be contributed to.
[0031]
In addition, the transmission efficiency can be easily increased by increasing the ratio of the area of the side surface 7 from which the permeated fluid is discharged to the total area of all the side surfaces 7. That is, the ratio S f / S all sites of the area of the side surface 7 of the permeate to the total area of all the sides 7 (S all) is discharged (S f) 50% or more, particularly 70% or more, further 90% or more Is preferable. Further, there may be a case where a part of the side surface 7 cannot be used for fixing the flat support 4 or for other reasons, but the ratio S f / S all is preferably 100% or close to 100%.
[0032]
The plate-shaped support 4 forms a main flow path 3a of the fluid, and is in contact with a fluid composed of a plurality of components, and a permeated fluid of which some components have passed through the separation layer 6 passes through the inside of the plate-shaped support 4. In order to increase the amount of permeation and the permeation speed because of the flow, it is preferable that the porosity inside the plate-shaped support 4 is larger than the porosity near the surface portion 4b, that is, near the main surface 5a and the opposing main surface 5b. .
[0033]
Specifically, the average porosity of the entire plate-like support 4 is 15% or more, particularly 20% or more, and more preferably 25% or more, in order to make the permeated gas easily permeate the plate-like support 4. More preferably, the strength of the plate-shaped support 4 is ensured, and the plate-shaped support 4 is damaged when assembled into a housing or the like, or the particles constituting the plate-shaped support 4 are shed during operation. In order to prevent this, the porosity of the flat support 4 is preferably 60% or less, particularly preferably 50% or less, and more preferably 40% or less.
[0034]
In addition, the porosity of the inside 4a of the plate-shaped support 4 ensures the strength of the fluid partition wall 1, damages when assembling into a housing or the like, and particles that constitute the plate-shaped support 4 during operation, such as shedding of particles. In order to realize a large transmission coefficient while suppressing a decrease in mechanical strength as a support, the upper limit is preferably 60%, particularly 55%, and more preferably 50%. Further, in order to ensure a sufficient permeated fluid flow path for the permeated fluid and obtain higher permeation efficiency, the lower limit of the porosity of the flat support 4 is set to 20%, particularly 25%, and more preferably 30%. Is preferred.
[0035]
The surface portion 4b of the flat support 4 efficiently transmits a permeated fluid composed of a part of the fluid permeated through the separation layer and forms a separation layer having a pore diameter of about 1 nm on the surface. It is preferable to control the porosity and average pore diameter of the surface portion 4b so that pinholes and defects do not occur in the separation layer 6 described above. Specifically, the porosity is 8 to 30%, particularly 10 to 25%, more preferably 12 to 20%, and the average pore diameter is 0.05 μm to 1 μm, particularly 0.1 μm to 0.8 μm, and more preferably 0.1 μm to 0.8 μm. To 0.5 μm.
[0036]
In the inside 4a of the plate-shaped support 4, pores are connected to form a permeated fluid path, and the permeated fluid flows smoothly. Accordingly, in order to reduce the pressure loss of the permeated fluid in the inside 4a of the porous plate-shaped support 4 and to realize a high permeation rate, the porosity and the average pore diameter of the inside 4a must be larger than those of the surface portion 4b. Is preferred.
[0037]
The lower limit of the thickness of the plate-shaped support 4 is preferably 0.2 mm, particularly 0.4 mm, and more preferably 0.6 mm in order to increase the cross-sectional area of the permeate fluid flow path and increase the permeate fluid volume. In order to increase the area of the separation layer 6 included in the fluid separation filter per unit volume and to reduce the size while increasing the total length of the flow path 3, the upper limit may be 20 mm, particularly 15 mm, and even 10 mm. preferable.
[0038]
As the material of the flat support 4, ceramics containing α-alumina or stabilized zirconia as a main component, silica-based glass (phase-separated glass), Si 3 N 4 , SiC, or the like can be used, but heat resistance is low. Ceramics containing α-alumina as a main component are preferable in terms of high cost, easy production, and low cost.
[0039]
The separation layer 6 preferably contains at least one of Si, Ti, Zr, and Al. These form the separation layer 6 as an oxide. Among these, Si is more preferable in terms of low reactivity in the alkoxide state, which can suppress the progress of local reaction, and easy formation of a pore diameter of 1 nm or less by forming a Si-O-Si network. .
[0040]
It is preferable that the flat support 4 is pressurized by the fluid at that time. When pressure is applied to the plate-like support 4 in this manner, the transmission speed increases, and the transmission efficiency can be further increased. Specifically, in the case of a gas, it is preferably at least 1.5 atm, particularly preferably at least 2 atm, and more preferably at least 3 atm.
[0041]
Further, since the flat support 4 is thin, it is preferable that the pressure applied to the main surface 5a of the flat support 4 and the pressure applied to the opposing main surface 5b be substantially the same in order to prevent mechanical damage. That is, the pressure of the fluid in contact with the main surface 5a may be substantially the same as the pressure of the fluid in contact with the opposing main surface 5b. As described above, since the plate-like support 4 is supported by the upper and lower surfaces of the plate-like support 4 with uniform pressure, generation of special stress can be prevented, and cracks and breakage can be prevented.
[0042]
The spacer 2 is preferably at least 98%, particularly preferably at least 99% in order to enhance the sealing performance. Thereby, it is possible to prevent the supply gas of the flow path 3 from leaking out of the fluid separation layer filter.
[0043]
Further, the thickness of the spacer 2 is preferably 0.2 to 20 mm, particularly 0.5 to 15 mm, and more preferably 1 to 10 mm. By setting the thickness of the spacer 2 in such a range as described above, the contact area between the fluid and the separation layer 6 is increased, the recovery efficiency of the permeated fluid is increased, and the spacer 2 is used as a fluid separation filter. Can be prevented.
[0044]
The spacer 2 is preferably made of a desired ceramic in order to enhance corrosion resistance. For example, ceramics containing silica or stabilized zirconia as a main component, silica-based glass (phase-separated glass), Si 3 N 4 , SiC, or the like can be preferably used. Among them, ceramics containing α-alumina as a main component are preferable in terms of heat resistance, ease of production, and low cost.
[0045]
Further, in order to form a laminated body, the spacer 2 is made of substantially the same material as the plate-shaped support 4 so as to enhance the adhesion to the plate-shaped support 4 and effectively prevent cracks and peeling from occurring. Is preferred.
[0046]
According to the present invention, two types of material design can be performed for the spacer 2 depending on the use environment and required characteristics of the fluid separation filter. That is, first, mechanical reliability such as strength and reliability of fluid separation are required, and second, high characteristics are required as a filter.
[0047]
In the first case where mechanical reliability and reliability of fluid separation are required, it is preferable that the density of the spacer 2 be 98% or more, particularly 99% or more. When dense ceramics are used for the spacer 2 as described above, the skeleton of the fluid separation filter is made of dense ceramics having high mechanical reliability such as high strength, high toughness, and high impact resistance. Even if a relatively porous ceramic is used for 4a, the mechanical reliability of the fluid separation filter can be improved, and the fluid can be prevented from penetrating through the spacer 2 and being discharged from the side surface of the spacer 2. Reliability can be improved.
[0048]
In the second case where high characteristics as a filter are required, it is preferable to provide the separation layer 6 at least in a portion of the spacer 2 which is in contact with the fluid. Fluid separation can be performed through the spacer 2 in addition to the flat support 4. The permeate fluid separated by the flat support 4 moves a relatively long distance inside the flat support 4, while the permeate fluid separated by the spacer 2 moves a short distance corresponding to the thickness of the spacer 2. , The separation efficiency is high, and as a result, the separation efficiency can be further increased by 10 to 200%, depending on the area of the separation layer 6 provided in the spacer 2.
[0049]
The fluid only needs to be in contact with the separation layer 3 provided on the surface of the flat support 4, and there is no particular limitation on the flowing direction, flow rate, or flow rate. However, in order to allow a specific component to pass through efficiently, it is preferable that the fluid flows in all parts of the flow channel and that a fresh fluid is always supplied.
[0050]
Further, since the flat support 4 is thin, it is preferable that the pressure applied to the main surface 5a of the flat support 4 and the pressure applied to the opposing main surface 5b be substantially the same in order to prevent mechanical damage. That is, the pressure of the fluid in contact with the main surface 5a may be substantially the same as the pressure of the fluid in contact with the opposing main surface 5b. As described above, since the main surface 5a of the flat support 4 and the upper and lower surfaces of the opposing main surface 5b are supported by the uniform pressure, the stress applied to the flat support 4 can be suppressed low, and cracks and breakage can be prevented. can do.
[0051]
Although there is no particular limitation on the main flow path 3a, it is preferable that the fluid and the separation layer 6 come into contact with each other in a wide range, and that a fresh fluid without stagnation be supplied to the separation layer 6. For this reason, the main channel 3a may have a simple structure as shown in FIG. 4A, but it is desirable that the main channel 3a has a comb shape as shown in FIG. In this way, by increasing the distance of the flow path and forcing all the fluid to flow, it is possible to prevent the occurrence of large stagnation in the flow path and to supply fresh fluid to the separation layer 6 at all times. This is effective in further increasing the separation efficiency.
[0052]
The fluid separation filter having the above configuration has a feature of high pressure resistance, and is used in petrochemical processes such as separation of CO 2 from natural gas used at high pressure and petroleum complex, and in a membrane area occupying a unit volume. Is used for applications where the area for installing a fluid separation filter cannot be large, specifically for PFC separators used in semiconductor manufacturing lines and rare gas separators used in exposure equipment. It can be suitably used as a separation device.
[0053]
Next, a method for manufacturing the fluid separation filter will be described.
[0054]
First, in order to produce the flat support 4, desired raw material powders are mixed and molded. As a molding method, known molding means such as press molding, extrusion molding, injection molding, and cold isostatic molding can be used. In consideration of cost and warpage of the substrate, it is preferable to produce the sheet by a powder rolling method. The obtained molded body was fired to obtain a sintered body.
[0055]
According to the present invention, the thickness of the flat support 4 is preferably adjusted so that the porosity and the average pore diameter are larger in the inside 4a than in the surface portion 4b, and the molding temperature and humidity are adjusted. good.
[0056]
Next, the separation layer 6 is formed. The separation layer 6 can be formed by a sol-gel method, a CVD method, a sputtering method, or the like, but the sol-gel method is preferable because of ease of manufacturing. In the following, when the sol-gel method is used, a method of manufacturing the separation layer 6 containing Si among elements of Si, Ti, Zr, and Al will be particularly described.
[0057]
As a raw material of the separation layer 6, a silicon alkoxide such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetrapropoxysilane is prepared.
[0058]
First, a precursor sol is prepared using this raw material. That is, silicon alkoxide is dissolved in a solvent such as alcohol, and water is added to perform hydrolysis.
[0059]
The obtained precursor sol is applied to the surface of the plate-shaped support 4 and then fired to form the separation layer 6. The baking is performed by heat treatment at 350 to 700 ° C., particularly 400 to 600 ° C. in the air, so that the siloxane bond of Si—O proceeds in the gel to form a strong film, and the organic functional groups are decomposed by the heat treatment. Removed to form pores.
[0060]
The firing temperature and the firing time vary depending on the size of the average pore diameter of the separation layer 6, but in the case of gas separation, the average pore diameter is 0.2 to 1.3 nm, particularly 0.3 to 1.0 nm, Further, it is preferable to adjust the above firing conditions so as to be 0.4 to 0.8 nm, whereby a film having high separation characteristics can be manufactured.
[0061]
In the firing, it is preferable to control the firing conditions so that the separation layer 6 does not generate a reaction product at the interface with the flat support 4. Specifically, it is carried out at a temperature of 400 to 800 ° C, preferably at a firing temperature of 450 to 600 ° C. It is desirable that the surface of the plate-like support 4 is coated in a layer form to form a smooth surface.
[0062]
The firing temperature and the firing time vary depending on the size of the average pore diameter of the separation layer 6, but in the case of a gas separation filter, the average pore diameter is 0.2 to 1.3 nm, particularly 0.3 to 1.0 nm, and furthermore, Is preferably adjusted to 0.4 to 0.8 nm. For example, 0.25-0.6 nm to separate hydrogen gas from other gases, 0.3-0.8 nm to separate CO 2 and CH 4 , N 2 gas and CF 4 gas Is preferably set to an average pore diameter of 0.35 to 1.0 nm, whereby the separation characteristics can be improved.
[0063]
In particular, the holding time at the firing temperature is shortened in order to make the porosity and the average pore diameter of the inside 4a larger than those of the surface portion 4b.
[0064]
The separation layer 6 is formed on the main surface 5a and the opposing main surface 5b of the flat support 4, and the thickness of the separation layer 6 is 0.01 to 5 μm, particularly 0.1 to 4 μm, and more preferably 0 to 5 μm. The particle size of the sol is adjusted so as to be 0.5 to 3 μm.
[0065]
In addition, an intermediate layer may be provided between the plate-shaped support 4 and the separation layer 6 to improve the adhesion of the separation layer 6. Titania, zirconia, alumina, or the like can be used for the intermediate layer. Therefore, these alkoxides may be prepared as raw materials.
[0066]
The spacer 2 is used for partitioning the flat support 4 and needs to be a dense body so that gas leakage from the spacer 2 does not occur. It is preferable that the spacer 2 is provided between the flat plate supports 4 and has a thermal expansion coefficient close to that of the flat plate support. Thus, a fluid separation layer module having high heat resistance is obtained.
[0067]
A laminate is produced by alternately stacking the plate-like supports 4 thus produced with the spacers 2. The number of the plate-like supports 4 and the spacers 2 to be laminated varies depending on the required film area. Dense flat plates are provided at both ends of the laminated body. For this flat plate, it is preferable to select a material having a thermal expansion coefficient close to that of the spacer 2. Specifically, when the spacer 2 is alumina, alumina is used. Further, glass connection using a glass paste having a thermal expansion coefficient close to that of alumina is preferable for connection between the flat support 4 and the spacer 2 and between the spacer 2 and the dense body at both ends. As a result, all the members can be made of ceramic, and a fluid separation filter having excellent heat resistance and corrosion resistance can be manufactured.
[0068]
As shown in FIG. 5, the fluid separation module of the present invention includes a plurality of the fluid separation filters 21 arranged inside a container 22, a fluid introduction port 23 for supplying a fluid to the inside of the container 22, An outlet 24 for discharging the fluid that has passed through the separation filter 21 to the outside, and an outlet 25 for collecting the permeated fluid are provided.
[0069]
A fluid having a plurality of components, for example, a mixed gas of H 2 and CO 2 is introduced from the fluid inlet 23 into the container 22, the fluid comes into contact with the fluid separation filter 21, and a part of the fluid is on the surface of the fluid separation filter 21. The permeated fluid that has passed through the provided separation layer and has passed through the separation layer in the fluid separation filter 21 moves to the side surface 27 and is taken out from the outlet 25.
[0070]
The fluid separation module of the present invention having the above configuration has a feature of high pressure resistance, and can be suitably used for petrochemical processes such as separation of CO 2 from natural gas used at high pressure and petroleum complexes. . Further, both permeated and non-permeated gases can be recovered.
[0071]
【Example】
First, a flat support was prepared. That is, a desired organic binder, a lubricant, a plasticizer, and water are added to alumina powder, zirconia powder, glass powder, silicon nitride powder, and silicon carbide powder having a purity of 99.9% and an average particle size of 0.1 μm, respectively. After mixing and forming a tape by a powder rolling method, it was fired to produce a flat support made of a sintered body having a thickness of 0.8 mm, a length of 150 mm and a width of 50 mm. The flat support was processed to adjust the thickness to the value shown in Table 1, and the surface was polished so that the surface roughness (Ra) became 0.3 μm or less.
[0072]
The porosity and average pore diameter of the obtained sintered body were measured from observation by a scanning electron microscope (SEM).
[0073]
Next, a separation layer was formed. As raw materials, titanium tetraisopropoxide (TTP), tetraethoxysilane (TEOS), tetrapropoxyzirconium (TPZ), and aluminum secondary butoxide (ASBD) were prepared.
[0074]
Using the above raw materials, a separation layer was formed on a support by a sol-gel method. That is, when the raw materials of TTP, TEOS, TPZ and ASBD were used alone, an ethanol solution containing 1 mol of water and HCl was added to 1 mol of these metal alkoxides and mixed. When a plurality of raw materials are used, an ethanol solution containing 1 mol of water and HCl is added and mixed with 1 mol of TEOS to prepare a partial hydrolysis sol, and an ethanol solution of another metal alkoxide is added to the metal alkoxide. Was added so as to be 1 mol, and the mixture was stirred under a nitrogen stream to prepare a composite alkoxide.
[0075]
Next, a mixed solution of 9.3 mol of water and ethanol was added to the obtained solution, hydrolyzed, and stirred to prepare a precursor sol. Next, the side surface of the flat support is plugged, impregnated with the above sol, held for 60 seconds, taken out at a speed of 5 mm / sec, dried at room temperature for 2 hours to gel the sol, The step of baking at 550 ° C. was repeated four times to form a separation layer on the outer surface of the support.
[0076]
Note that an intermediate layer was formed as required before forming the separation layer. That is, the above raw materials were added to 110 mol of water for hydrolysis, nitric acid was further added, and the mixture was boiled and stirred for 16 hours to prepare a precursor sol. Next, an intermediate layer was formed by the same method as the separation layer.
[0077]
For the obtained sample, the average pore diameter of the separation layer was determined from the humidity and temperature of the water condensed in the pores using the Kelvin capillary condensation method.
[0078]
Further, the thickness of the separation layer was measured by a scanning electron microscope (SEM).
[0079]
In addition, 17 spacers are provided between the obtained 18 filters, two spacers are provided on both sides of the end filter, and a plate of a dense layer having the same shape as the filter is laminated on both ends in the form of a spacer, and each layer is made of glass paste. (YB519 manufactured by Yamamura Glass Co., Ltd.), and then placed inside a glass container, and attached with a fluid inlet, outlet, and outlet to produce a fluid separation module as shown in FIG. In addition, a part of the side surface was sealed with glass so that the area ratio of the ejection portion became the side surface ratio shown in Table 1. No. 13 has a structure in which an outlet member 35 is provided as shown in FIG.
[0080]
The inside of the obtained fluid separation module was heated to a temperature of 250 ° C., and 200 kPa (2 atm) of carbon dioxide was applied to the outside of the plate-like support while the inside of the plate-like support was opened to the atmosphere to 100 kPa (atmospheric pressure). At a flow rate of 20 l / min, the permeation flow rate of the gas collected at the permeate fluid outlet was measured, and the permeation rate represented by the permeation amount of carbon dioxide gas / (membrane area × differential pressure × time) was calculated. Calculated. The transmittance of methane gas was determined in the same manner as above, and the transmittance coefficient ratio α (transmittance of carbon dioxide / transmittance of methane) was determined. The recovery rate of carbon dioxide was determined by the ratio of the flow rate of carbon dioxide permeated and separated to the flow rate of supplied carbon dioxide. The results are shown in Table 1.
[0081]
[Table 1]
Figure 2004033981
[0082]
Sample No. of the present invention 1 to 4 and 6 to 25 were able to recover 46% or more of CO 2 in the mixed gas of CO 2 and CH 4 .
[0083]
On the contrary,
[0084]
【The invention's effect】
The present invention is obtained by laminating a plurality of fluid partitions provided with a separation layer on the main surface and the opposing main surface of a plate-shaped support made of a ceramic porous body, and forming a flow path through which a fluid flows between the fluid partitions. By producing a laminate, a fluid separation filter which has a large fluid throughput and is suitable for a high pressure region can be realized.
[0085]
In particular, by using dense ceramics for the spacer, a fluid separation filter with even higher corrosion resistance and mechanical reliability can be realized, and using porous ceramics for the spacer to form a separation layer at the part in contact with the fluid Thereby, a fluid separation filter having higher separation efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a fluid separation filter of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an aa ′ portion of the fluid separation filter of FIG. 1 of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a part of the fluid separation filter of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing an example of a flow channel according to the present invention, wherein FIG. 4A shows a case of a flat plate shape, and FIG.
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a fluid separation module of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a conventional fluid separation filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fluid partition 2 ... Spacer 3 ... Flow path 3a ... Main flow path 3b ... Sub flow path 4 ... Flat support 5a ... Main surface 5b ... Opposite main Surface 6, 6a, 6b ... separation layer 7 ... side surface

Claims (12)

セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けた複数の流体隔壁と、該流体隔壁間に設けられた複数のスペーサと、該スペーサと流体隔壁とで形成される流体の主流路と、隣接する2つの主流路を連結するための副流路と、前記平板状支持体の内部に前記分離層を透過した透過流体が流れる透過流体流路と、該透過流体が前記平板状支持体の側面から吐出する吐出部を具備することを特徴とする流体分離フィルタ。Formed by a plurality of fluid partitions provided with separation layers on the main surface and the opposing main surface of a plate-shaped support made of a ceramic porous body, a plurality of spacers provided between the fluid partitions, and the spacers and the fluid partitions. A main flow path for the fluid to be processed, a sub flow path for connecting two adjacent main flow paths, a permeate fluid flow path through which the permeated fluid permeates the separation layer inside the flat support, A fluid separation filter, comprising: a discharge unit for discharging a fluid from a side surface of the flat support. 前記吐出部の面積が、全側面の総面積の50%以上であることを特徴とする請求項1記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to claim 1, wherein the area of the discharge section is 50% or more of the total area of all side surfaces. 前記平板状支持体の主面及び対向主面が多角形で、且つ前記透過流体流路が前記多角形の辺の長さ以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to claim 1, wherein a main surface and an opposing main surface of the plate-like support are polygonal, and the permeated fluid flow path is equal to or less than a length of a side of the polygon. . 前記平板状支持体の主面及び対向主面が円形で、且つ前記透過流体流路が前記円形の半径以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の流体分離フィルタ。3. The fluid separation filter according to claim 1, wherein the main surface and the opposing main surface of the flat support are circular, and the permeated fluid flow path has a radius equal to or smaller than the radius of the circle. 前記主流路が櫛型形状であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the main flow path has a comb shape. 前記スペーサの相対密度が98%以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 5, wherein the relative density of the spacer is 98% or more. 前記スペーサが多孔質体からなり、前記流体の流路を形成する前記スペーサの表面に分離層が設けられてなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 6, wherein the spacer is formed of a porous body, and a separation layer is provided on a surface of the spacer that forms the flow path of the fluid. 前記スペーサの厚みが0.2〜20mmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 7, wherein the spacer has a thickness of 0.2 to 20 mm. 前記平板状支持体の厚みが0.2〜20mmであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 8, wherein the thickness of the flat support is 0.2 to 20 mm. 前記平板状支持体の気孔率が、表面部よりも内部で大きいことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 9, wherein the porosity of the flat support is larger inside than the surface portion. 前記平板状支持体の平均細孔径が、表面部よりも内部で大きいことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の流体分離フィルタ。The fluid separation filter according to any one of claims 1 to 10, wherein the average pore diameter of the flat support is larger inside than the surface portion. 請求項1乃至11のいずれかに記載の流体分離フィルタと、該流体分離フィルタを保持するための容器と、前記流体分離フィルタを容器内で支持するとともに流体と該流体から分離された透過流体とが混合しないように設けられた隔離体と、該流体分離フィルタに流体を供給するための流体導入口と、前記流体分離フィルタを通過して外部に排出するための排出口と、透過流体を回収するための取出口とを具備することを特徴とする流体分離モジュール。A fluid separation filter according to any one of claims 1 to 11, a container for holding the fluid separation filter, and a permeate fluid supporting the fluid separation filter in the container and separating the fluid from the fluid. , A fluid inlet for supplying a fluid to the fluid separation filter, an outlet for passing the fluid separation filter to the outside, and a permeate fluid being recovered. A fluid separation module, comprising:
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