JP2006130453A - ガス・蒸気分離用液体膜及びその製造方法、ガス・蒸気膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な操作を必要とせずに容易に作成でき、ガスや蒸気を確実に分離できる、ガス・蒸気分離用液体膜及びその製造方法、および、このガス・蒸気分離用液体膜を用いたガス・蒸気膜分離装置を提供する。
【解決手段】 １枚の多孔質膜１の一方の面に親水性の親水層２、他方の面に疎水性の疎水層３を有し、前記親水層２に親水性の液体を含浸させた。多孔質膜１は、フッ化ポリビニリデンが好ましく、親水性の液体は、グリコール類又はアミン類が好ましい。疎水性の多孔質膜１の一方の面に親水化処理を行って親水性の親水層２を形成し、親水層２に親水性の液体を含浸させることにより製造する。親水化処理は、コロナ放電処理が好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス・蒸気分離用液体膜及びその製造方法、ガス・蒸気膜分離装置に関する。

従来の空気中の水蒸気を除去する方法として、吸湿性の液体を含浸・保持した多孔質膜と、これに隣接して配置された疎水性多孔質膜とからなる積層構造の膜を用いた方法が知られている（特許文献１）。この方法は、水蒸気を含む空気を、吸湿性の液体を保持した多孔質膜側に接触させ、疎水性多孔質膜側を減圧することで、選択的に水蒸気を膜の減圧側に透過させて空気中の水蒸気を除去するものである。

また、空気中の炭酸ガスを除去する方法として、ポリオール類とアミン類とを組み合わせた炭酸ガスキャリアー液を含浸・保持した多孔質膜と、これに隣接して配置された炭酸ガスキャリアー液に対して撥液性の疎水性多孔質膜とからなる積層構造の膜を用いた方法が知られている（特許文献２）。この方法は、炭酸ガスを含む空気を、炭酸ガスキャリアー液を保持した多孔質膜側に接触させ、疎水性多孔質膜側を減圧することで、選択的に炭酸ガスを膜の減圧側に透過させて空気中の炭酸ガスを除去するものである。

そして、上記の水蒸気や炭酸ガスの膜分離法においては、膜の片側を減圧することから、吸湿性の液体や炭酸ガスキャリアー液を含浸した多孔質膜を疎水性多孔質膜で保持することで、吸湿性の液体や炭酸ガスキャリアー液が保持され、減圧側へ移動しないように構成されている。
特開２０００−３５０９１８号公報 特開２００１−１２０９４０号公報

しかし、上記の膜分離法においては、液体を含浸した多孔質膜を、疎水性多孔質膜に重ねた２枚構成の膜を使用するものであり、このような２枚の膜を重ねることは、実際の膜モジュールの製作において複雑な操作を必要とするといった問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、複雑な操作を必要とせずに容易に作成でき、ガスや蒸気を確実に分離できる、ガス・蒸気分離用液体膜及びその製造方法を提供することをその目的とする。さらに、このガス・蒸気分離用液体膜を用いたガス・蒸気膜分離装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のガス・蒸気分離用液体膜は、１枚の多孔質膜の一方の面に親水性の親水層、他方の面に疎水性の疎水層を有し、前記親水層に親水性の液体を含浸させたことを特徴とする。

本発明の請求項２記載のガス・蒸気分離用液体膜は、請求項１において、前記多孔質膜は、フッ化ポリビニリデンからなることを特徴とする。

本発明の請求項３記載のガス・蒸気分離用液体膜は、請求項１又は２において、前記親水性の液体は、グリコール類又はアミン類であることを特徴とする。

本発明の請求項４記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法は、疎水性の多孔質膜の一方の面に親水化処理を行って親水性の親水層を形成し、前記親水層に親水性の液体を含浸させることを特徴とする。

本発明の請求項５記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法は、請求項４において、前記親水化処理は、コロナ放電処理であることを特徴とする。

本発明の請求項６記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法は、請求項４又は５において、前記多孔質膜は、フッ化ポリビニリデンからなることを特徴とする。

本発明の請求項７記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法は、請求項４〜６のいずれか１項において、前記親水性の液体は、グリコール類又はアミン類であることを特徴とする。

本発明の請求項８記載のガス・蒸気膜分離装置は、請求項１〜３のいずれか１項記載のガス・蒸気分離用液体膜と、このガス・蒸気分離用液体膜を保持する膜保持手段と、前記ガス・蒸気分離用液体膜の疎水層側を減圧する減圧手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜によれば、１枚の多孔質膜で構成されていることから、従来のような液体を含浸した多孔質膜を疎水性多孔質膜に重ねるといった煩雑な操作を行うことが不要となり、膜モジュールの製作を簡略化することができる。

そして、親水層に含浸させた親水性の液体が、疎水層で弾かれることによって疎水層側にしみ出すことがなく、安定した状態で親水性の液体を親水層に保持することができ、ガス・蒸気膜分離装置用の分離膜として用いた際に、ガスや蒸気を確実に分離できる。

さらに、親水性の液体を適宜選択することによって、種々のガスや蒸気を分離することができる。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法によれば、疎水性の多孔質膜の一方の面に親水化処理を行って親水性の親水層を形成し、親水層に親水性の液体を含浸させるので、ガス・蒸気分離用液体膜を複雑な操作を必要とせずに容易に作成することができる。そして、ガス・蒸気分離用液体膜を簡便に作成できるので、ガス・蒸気膜分離装置を低コストで提供することができる。

また、親水化処理をコロナ放電処理とすることで、確実に多孔質膜の一方の面に親水層を形成することができる。また、親水化処理の程度により、親水層の厚みを制御できるので、薄膜化によりガスや蒸気の分離性能の向上を図ることができる。

本発明のガス・蒸気膜分離装置によれば、減圧手段によりガス・蒸気分離用液体膜の疎水層側を減圧することで、ガス・蒸気分離用液体膜の親水層に含浸された親水性の液体に目的とするガスや蒸気が吸着され、この吸着されたガスや蒸気が多孔質の疎水層を透過することで、目的とするガスや蒸気を確実に分離することができる。

また、膜保持手段でガス・蒸気分離用液体膜を保持することで、ガス・蒸気分離用液体膜が破れたりすることがなくガスや蒸気を確実に分離することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜は、図１に示すように、１枚の多孔質膜１の一方の面に親水性の親水層２、他方の面に疎水性の疎水層３を有する。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜で用いられる多孔質膜１としては、スポンジ状の多孔質の膜であって、例えば、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ），ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ化ポリマー、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリサルフォン，ポリエーテルサルフォン、ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアクリレート、ポリ炭酸エステル、セルロース系ポリマー、ポリ塩化ビニル，ポリアクリロニトリルなどのビニルポリマー、などからなるものを用いることができる。これらの中では、特に、フッ化ポリビニリデンが好適に用いられる。また、多孔質膜１は、ガス・蒸気を効率よく分離するために可能な限り薄い方が好ましく、１５０μｍ以下のものが好適に用いられ、また、多孔質膜１の空隙率は３０〜８５％であって、平均孔径は０．００１〜１０μｍであることが好ましい。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜の親水層２に含浸させる親水性の液体としては、ポリエチレングリコール，トリエチレングリコール，テトラエチレングリコールなどのグリコール類、ジエタノールアミン，モノエタノールアミン，トリエタノールアミン，ジグリコールアミン，ジイソパノールアミン，メチルジエタノールアミンなどのアミン類などを用いることができ、これらの２種以上の混合物を用いてもよい。この親水性の液体は、分離するガス・蒸気の種類に応じて、選択すればよい。例えば、水蒸気を分離する場合には、トリエチレングリコール，ポリエチレングリコールなどのグリコール類が好適に用いられ、炭酸ガスを分離する場合には、グリコール類とアミン類の混合物が好適に用いられる。このほか、適切な親水性の液体を用いることにより、シックハウス症候群の原因物質として知られるホルムアルデヒドなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、或いはガソリンなども分離することができる。

多孔質膜１の親水層２、疎水層３は、それぞれ、多孔質膜１を親水化処理、疎水化処理することによって形成することができる。なお、親水層２は親水性の液体を均一に含浸することができる程度の親水性を有していればよい。一方、疎水層３は、疎水層側を真空にした場合であっても親水層２に含浸された液体が疎水層３側に浸透しない程度の高い疎水性を有することが望ましく、水の浸入圧力が４００ｋＰａ以上、トリエチレングリコールの進入圧力が２００ｋＰａ以上であることが好ましい。あるいは、親水層２側の表面のぬれ張力（ＪＩＳ Ｋ６７６８）は５０ｍＮ／ｍ以上であって、疎水層３側のぬれ張力（ＪＩＳ Ｋ６７６８）は２５ｍＮ／ｍ以下であるのが望ましい。親水化処理の例としては、コロナ放電処理、疎水化処理の例としては、フッ素モノマー表面処理を挙げることができる。

以上のように、本発明のガス・蒸気分離用液体膜は、１枚の多孔質膜１の一方の面に親水性の親水層２、他方の面に疎水性の疎水層３を有し、前記親水層２に親水性の液体を含浸させたものである。１枚の多孔質膜１で構成されていることから、従来のような液体を含浸した多孔質膜を疎水性多孔質膜に重ねるといった煩雑な操作を行うことが不要となり、膜モジュールの製作を簡略化することができる。そして、親水層２に含浸させた親水性の液体が、疎水層３で弾かれることによって疎水層３側にしみ出すことがなく、安定した状態で親水性の液体を親水層２に保持することができ、ガス・蒸気膜分離装置用の分離膜として用いた際に、ガスや蒸気を確実に分離できる。さらに、親水性の液体を適宜選択することによって、種々のガスや蒸気を分離することができる。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法について説明すると、まず、多孔質膜１にフッ素モノマー表面処理などの疎水性処理を施す。この疎水性処理により、多孔質膜１の全体が疎水性となる。なお、フッ素モノマー表面処理を施した多孔質膜は市販されている（例えば、フッ素モノマー表面処理多孔質ＰＶＤＦ膜、商品名：Durapel，ミリポア社製）ので、疎水性処理を施す代わりに市販品を用いてもよい。

つぎに、疎水性処理が施された多孔質膜１の一方の面の全体に、親水化処理を施す。親水化処理としては、親水層２の厚みが容易に制御できるコロナ放電処理が好適である。この親水化処理によって、多孔質膜１の一方の面に親水層２が形成され、他方の面の親水化処理が施されなかった層は、疎水層３となる。なお、親水層２を薄く形成することにより、ガスや蒸気の分離性能が向上する。親水層２の厚みとしては、５０μｍ以下とするのが好ましい。

そして、親水層２に親水性の液体を含浸させる。このとき、多孔質膜１の一方の面の全体に施された親水層２に、均一にまんべんなく含浸させることによって、気密性を有する多孔質膜１を得る。この気密性よって、空気は透過せず、親水性の液体に吸着されるガス・蒸気のみが透過する。以上のようにして、本発明のガス・蒸気分離用液体膜が製造される。

以上のように、本発明のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法は、疎水性の多孔質膜１の一方の面に親水化処理を行って親水性の親水層２を形成し、前記親水層２に親水性の液体を含浸させるものであるので、ガス・蒸気分離用液体膜を複雑な操作を必要とせずに容易に作成することができる。そして、ガス・蒸気分離用液体膜を簡便に作成できるので、ガス・蒸気膜分離装置を低コストで提供することができる。

また、前記親水化処理をコロナ放電処理とすることで、確実に多孔質膜１の一方の面に親水層２を形成することができる。また、親水化処理の程度により、親水層２の厚みを制御できるので、薄膜化によりガスや蒸気の分離性能の向上を図ることができる。

つぎに、本発明のガス・蒸気分離用液体膜を用いたガス・蒸気膜分離装置について説明する。本発明のガス・蒸気膜分離装置は、図２に示すように、ガス・蒸気分離用液体膜としての多孔質膜１と、この多孔質膜１を保持する保持手段としてのステンレス焼結板４と、多孔質膜１の疎水層３側を減圧する減圧手段としての真空ポンプ５を備えている。そして、多孔質膜１は、その疎水層３側をステンレス焼結板４に接して保持され、多孔質膜１とステンレス焼結板４は平膜セル６内に設置されている。そして、平膜セル６の内部において、疎水層３側は、真空ポンプへ接続して真空に保たれるように構成され、親水層２側は大気に開放されている。

このガス・蒸気膜分離装置を用いてガス・蒸気を分離する方法について、除湿を例にとって説明する。真空ポンプ５で多孔質膜１の疎水層３側を水蒸気圧以下に減圧するとともに、親水層２側に供給気体Ａを供給する。なお、親水層２にはトリエチレングリコールが含浸されている。供給気体Ａに含まれた水蒸気は、親水層２に含浸されたトリエチレングリコールに吸着される。一方、疎水層３側では親水層２に吸着された水分が蒸発し、この蒸発した水分が真空ポンプ５側Ｄへ移動し、真空ポンプ５へ至る経路の途中で冷却による凝縮、吸着などの定法により回収される。ここで、疎水層３側に乾燥した空気Ｃを少しずつ流すことで、親水層２に吸着された水分の蒸発が促される。そして、供給気体Ａに含まれた水蒸気がさらに親水層２に吸着されやすくなる。

このようにして供給気体Ａは除湿されて、排出気体Ｂとして平膜セル６外へ排出される。なお、ここでは除湿を例にとって説明したが、親水性の液体を適宜選択することによって、炭酸ガス、ホルムアルデヒドなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、或いはガソリンなども分離することができる。また、ここで説明した平膜セル６の構成は一例であって、種々の変形が可能である。すなわち、疎水層３側を真空に保つことができる構成であればよい。また、乾燥した空気Ｃを流す構成を省略してもよく、さらには、親水層２側を加圧するように構成してもよい。また、保持手段として、ステンレス焼結板を例にとって説明したが、通気性を有するとともに多孔質膜を確実に保持できるものであれば、これに限らない。

以上のように、本発明のガス・蒸気膜分離装置は、ガス・蒸気分離用液体膜としての多孔質膜１と、この多孔質膜１を保持する膜保持手段としてのステンレス焼結板４と、前記多孔質膜１の疎水層３側を減圧する減圧手段としての真空ポンプ５を備えたものである。真空ポンプ５により多孔質膜１の疎水層３側を減圧することで、多孔質膜１の親水層２に含浸された親水性の液体に目的とするガスや蒸気が吸着され、この吸着されたガスや蒸気が多孔質１の疎水層３を透過することで、目的とするガスや蒸気を確実に分離することができる。また、ステンレス焼結板４で多孔質膜１を保持することで、多孔質膜１が破れたりすることがなくガスや蒸気を確実に分離することができる。

以下、具体的な実施例を例にとって説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。

膜材料として、市販のフッ素モノマー表面処理多孔質ＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）膜（商品名：Durapel，ミリポア社製，膜厚み１２５μｍ）を用いた。これは細孔径０．１μｍ，多孔度７０％のスポンジ状の多孔質膜である。この膜材料はフッ素処理されているため、膜内部を含む膜全体が超疎水性となっている。このため、表面張力が２１ｍＮ／ｍより大きい液体は濡れず、多孔質膜内に侵入できない。

本実施例では、この膜の片側面を表面処理した。コロナ放電表面処理装置（春日電機製 AFI-020S，ワイヤ電極方式）を用い、電力２００Ｗ，速度１０ｍ／分の条件下で、この超疎水性多孔質膜の片面にコロナ放電による表面処理を行った。この表面処理を２回行った結果、膜の処理面側のぬれ張力が５０ｍＮ／ｍとなり、表面処理を４回行うことでさらに親水性が増加し、ぬれ張力が５４ｍＮ／ｍとなった。なお、ぬれ張力の測定はJIS K6768に従った。

これにより、多孔質膜の表面処理を施した一方の面としての表面側は表面張力５４ｍＮ／ｍまでの液体に濡れ、表面処理を施さない他方の面としての裏面側は２１ｍＮ／ｍまでの液体にしか濡れないという、表面側が親水性、裏面側が超疎水性の多孔質膜が作成できた。

表面張力が４３ｍＮ／ｍであるトリエチレングリコール液を着色して、実施例１で作成した多孔質膜の親水性の表面側からしみ込ませ、膜の断面を観察した。表面処理を４回行った膜では表面から膜厚みの約４０％まで、表面処理を２回行った膜では約２０％までトリエチレングリコールがしみ込んだ。

このように、１枚の多孔質膜で、その親水性の表面側にトリエチレングリコールをしみ込ませた層とし、その層以外の部分は液体がしみこんでいない空気層である形式の液体膜を作成することができた。

実施例１で作成した多孔質膜にトリエチレングリコール液を含浸させた液体膜を平膜セルにセットし、膜の表面側を加圧し、裏面側を大気解放した。その結果、２気圧程度の加圧まで液体は膜中に保持された（それ以上の圧力では空気が漏れ出た）。これは、従来の液体膜を超疎水性多孔質膜の表面で支持する方法（特許文献１）と同程度の耐圧であった。したがって、本発明の液体膜は、膜の片側を真空にしても液体を保持できることが確認された。

膜面積２８１ｃｍ^２の平膜セルに、トリエチレングリコール液を２０μｍ程度の厚さに含浸させた液体膜を設置した。液体膜表面を湿度５４％ＲＨ、温度２７℃の室内空気中に置いた。ダイヤフラム真空ポンプで裏面側を４０ｍｍＨｇに減圧し、裏面側の水蒸気除去目的で空気を６０ｃｍ^３／分程度の流速で流した。以上の操作により、真空ポンプ出口で１．５ｇ／時の凝縮水が得られた。本発明の表面含浸液体膜により空気の除湿操作ができることが確認された。

本発明のガス・蒸気分離用液体膜の構成を示す模式図である。 本発明のガス・蒸気膜分離装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 多孔質膜（ガス・蒸気分離用液体膜）
２ 親水層
３ 疎水層
４ ステンレス焼結板（膜保持手段）
５ 真空ポンプ（減圧手段）

Claims (8)

1. １枚の多孔質膜の一方の面に親水性の親水層、他方の面に疎水性の疎水層を有し、前記親水層に親水性の液体を含浸させたことを特徴とするガス・蒸気分離用液体膜。
2. 前記多孔質膜は、フッ化ポリビニリデンからなることを特徴とする請求項１記載のガス・蒸気分離用液体膜。
3. 前記親水性の液体は、グリコール類又はアミン類であることを特徴とする請求項１又は２記載のガス・蒸気分離用液体膜。
4. 疎水性の多孔質膜の一方の面に親水化処理を行って親水性の親水層を形成し、前記親水層に親水性の液体を含浸させることを特徴とするガス・蒸気分離用液体膜の製造方法。
5. 前記親水化処理は、コロナ放電処理であることを特徴とする請求項４記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法。
6. 前記多孔質膜は、フッ化ポリビニリデンからなることを特徴とする請求項４又は５記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法。
7. 前記親水性の液体は、グリコール類又はアミン類であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載のガス・蒸気分離用液体膜の製造方法。
8. 請求項１〜３のいずれか１項記載のガス・蒸気分離用液体膜と、このガス・蒸気分離用液体膜を保持する膜保持手段と、前記ガス・蒸気分離用液体膜の疎水層側を減圧する減圧手段とを備えたことを特徴とするガス・蒸気膜分離装置。

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