JP2006524133A - 気体移送薄膜をもたらすためのプリ−ツ形構造 - Google Patents

Abstract

薄膜を通って第１流体から第２流体に気体の通過をもたらす接触器１０であって、
第１流体の第１流路内部に配置された少なくとも１つのバッフル３０と共に、第１流体用の第１入口１８および第１出口２０と、第２流体用の少なくとも１つの第２出口２２とを備えるハウジング１２の内部に配置された円筒プリ−ツ形薄膜カートリッジ２４をもつ接触器１０。

Description

本発明は、プリ−ツ式多孔性薄膜を含む２つの流体の間で気体の流れをもたらす接触器（ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）および方法に関する。より詳細には、本発明は、プリ−ツ式多孔性薄膜とプリ−ツ式薄膜と液体の流れの接触をもたらすバッフル手段とを含むそのような接触器に関する。

微孔性の薄膜が、広く様々な応用例で使用されている。分離フィルタとして使用され、それらは、医薬品業界の緩衝液および治療薬を含む溶液、マイクロエレクトロニクスのウェーハ製造プロセスにおけるまた浄水プロセスの前処理のための超高純度の水性および有機の溶剤溶液などの様々な溶液から粒子およびバクテリアを取り除く。さらに、それらは、それらの高い多孔性が有利な吸収および吸い上げの性質をもたらす医療診断装置に使用される。

中空のファイバ薄膜が、通常、脱気または気体吸収の応用例のために薄膜接触器として使用される。接触器は、一方の相から他方の相へ成分を移送する目的で、２つの相、例えば２つの液相または液相と気相を一緒にする。一般的なプロセスは、気体または気体の成分の流れが液体に吸収される気体吸収などの、気体―液体間の質量移動である。液体脱気法は、液体を含む溶解気体が、溶解気体を取り除くために大気、真空または別の相と接触する別の例である。従来の気体吸収の１つの例では、気体の泡は、吸収液体の中に分散されて、気体／液体の表面積を増加させ、気相から吸収される種の移送速度を増加させる。逆に、液体の液滴は噴霧されることができ、または液体が、スプレー塔、充填塔の向流動作における薄いフィルムとして移送されることができる。同様に、不混和性の液体の液滴は、移送を増加させるために第２液体に分散されることができる。充填カラムおよびトレイカラムには充水、飛沫同伴等なしで２つの流れの個々の速度を独立に広範囲にわたって変化させることができないという、欠陥がある。しかし、相が薄膜で分離されている場合、各相の流量は独立に変化させることができる。さらに、比較的低い流量でもすべての領域を利用可能である。これらの利点により、中空ファイバ薄膜は接触器の応用例でますます使用されている。

疎水性で微孔性の薄膜は、一般に薄膜を濡らさない水溶液を用いて接触器の応用例用に使用される。溶液が、薄膜の一方の面を流れ、溶液より低い圧力の混合気体が薄膜の他方の面を流れる。薄膜の両側の圧力は、液体の圧力が、薄膜の臨界圧力を越えないように維持され、したがって気体は液体の中に泡として入っていかない。臨界圧力、溶液が孔に侵入する圧力は、薄膜を作るのに使用された材料に直接依存し、薄膜の孔の大きさに逆依存し、気相と接触する溶液の表面張力に直接依存する。そのような装置において、非常に高い充填密度を得ることができるので、中空ファイバ薄膜が主に使用される。充填密度は、装置の体積当たりの有益なフィルタリング表面の量に関係する。また、特定の応用例でどちらがより有利であるかによって、それらは、内部または外部表面に接触する供給で作動されることができる。接触薄膜システムの通常の応用例は、溶解気体を液体から取り除く、「脱気」または液体に気体の物質を加えることである。例えば、半導体ウェーハを洗浄するための溶液を提供するために、オゾンを高度の純水に加える。

接触の応用例の利点は、熱可塑性の過フッ化高分子などの親水性薄膜の非常に低い表面張力が、低い表面張力の液体での使用を可能にすることである。半導体製造産業で使用される例えば高度に腐食性の現像剤は、界面活性剤などの表面張力を減少させる添加剤を含むことができる。液体が使用される圧力で微細孔に侵入し浸透し溶液損失および過剰の蒸発を起こすので、これらの現像剤は、一般の微孔性の薄膜では脱気されることができない。さらに、微細孔を満たす液体は、気体移送の質量移動抵抗を大幅に増加する。

微孔性の薄膜は、薄膜全体にわたって続く連続した多孔性構造をもつ。この分野の研究者は、微細孔の厚さの範囲は約０．０５ミクロンから約１０．０ミクロンであると考える。そのような薄膜は、シート、管または中空ファイバの形状をとる。中空ファイバは、高い充填密度で分離装置に組み込むことができるという利点がある。しかし、中空ファイバは、形成するのが難しくそれゆえ高価であるという不利な点がある。

したがって、中空のファイバを使用することなしに、第１流体相から第２流体相に気体の移送をもたらす接触器装置を提供することが望ましいであろう。さらに、現在入手可能な接触器と比べて改良された気体の移送効率をもつ２つの流体相の間で気体の移送をもたらすそのような接触器を提供することが望ましいであろう。

外部ハウジングとプリーツ形薄膜カートリッジと、（ａ）ハウジングの内面とプリーツ形薄膜カートリッジの外面との間、または（ｂ）プリーツ形薄膜カートリッジの内直径の間に、１つまたは複数のバッフルとを含む接触器が提供される。バッフルがプリーツ形カートリッジの複数のリーフの間の間隙に、接触器から流体用の出口の方向に流体の流れをもたらす。

本発明によれば、気体の移送が流体の間で行われる２つの流体用の接触器が提供される。液体の流れを含む第１流体は、プリーツ形薄膜カートリッジの内部表面または外部表面と接触し、一方、第２流体は、残りのプリーツ形フィルタカートリッジの内部または外部表面と接触する。第１流体と接触する１つのカートリッジの表面は、流体をプリーツ形フィルタの隣接するリーフの間の間隙の中に導く１つまたは複数のバッフルを備えている。流体の流れは、（ａ）カートリッジ用ハウジングの内面とカートリッジの外面の間の空間、または、（ｂ）カートリッジの内面の内部の空間で妨害を提供するように配置されたバッフルによって、これらの間隙の内部で維持される。

１つまたは複数のバッフルを、カートリッジの高さに沿って使用することができる。バッフルは単一の部品または２つの嵌め合いセグメントなどの嵌め合いセグメントから形成されることができる。バッフルの表面は滑らかでよく、またはバッフルの表面の１つは、カートリッジのプレートまたはリーフの間の間隙に延びる歯を備えていてもよい。歯を含むことは、カートリッジの薄膜と、そこから気体が取り除かれ、またはその中に気体が提供される第１流体との間により密接な接触を提供する。

プリーツ形薄膜は、当分野でよく知られているように、薄膜層と多孔性支持スクリーン層とから形成される。適切な疎水性薄膜は、ポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル共重合体（ＭＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロプロピルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）から形成されるものを含む。ＰＦＡテフロン（登録商標）とＦＥＰテフロン（登録商標）の熱可塑性プラスチックの両方は、デラウェア州、ＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＤＵＰｏｎｔ社製である。Ｎｅｏｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡは、Ｄａｉｋｉｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから入手可能な重合体である。ＭＦＡ Ｈａｆｌｏｎ（登録商標）は、ニュージャージー州、ＴｈｏｒｏｆａｒｅのＡｕｓｉｍｏｎｔ ＵＳＡ Ｉｎｃ．から入手可能な重合体である。予め形成されたＭＦＡ Ｈａｆｌｏｎ（登録商標）およびＦＥＰテフロン（登録商標）の管は、サウスカロライナ州、ＯｒａｎｇｅｂｕｒｙのＺｅｕｓ Ｉｎｄａｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。本発明を実施するのに有益な他の熱可塑性プラスチックおよびその混合物は、これらに限定するものではないが、ポリ（クロロトリフルオロエチレン ビニリデン フロライド）と、ポロビニルクロライドと、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、超高分子量ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン（ＵＰＥ）、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリカーボネートなどのポリオレフィンとを含む。

図１を参照すると、本発明の接触器１０の１つの実施形態が示されている。接触器１０は、結合されたエンドキャップ１４および１６をもつハウジング１２を含む。エンドキャップ１４は、液体入口１８を含む。エンドキャップ１６は、液体出口２０と真空源（図示せず）に変換される出口２２を含む。多孔性支持ケージ２６に囲まれたプリーツ形薄膜カートリッジ２４は、カートリッジ２４を支持するように提供される。第２の多孔性支持ケージも、カートリッジ２４の中央コア２８の内部に配置することができる。バッフル３０が、カートリッジ２４の外円周の周りに延びる。バッフル３０が、ケージ３３の外面３４からハウジング１２の内面に延びる。バッフル３０が、液体がプレート４０の間隙３８中に導き、それによって、プリーツ４０のプリーツ形薄膜の間でより密接な接触をもたらす。この実施形態では、気体の泡を入口１８から導入された液体から取り除く。

第２の実施形態では、プリーツ形薄膜を通して入口１８から導入した水などの液体にオゾンの移送をもたらす状況下で、オゾンなどの加圧気体を開口２２から導入することができる。望むならば、加圧気体用のハウジング（図示せず）からの第２の出口を、ハウジング１２からの加圧気体を取り除くために提供することができる。

図２を参照すると、バッフル４４がプリーツ形フィルタカートリッジ４８のコア４６の内部に配置されている接触器４２が備えられる。カートリッジ４８は、多孔性支持ケージ５０によって囲まれる。脱気される液体が入口５２および５４を介してカートリッジ４８の中央コア４６に導入される。バッフル４４は、プリーツ６０の薄膜と、より密接な接触をもたらすために、導入された液体をプリーツ６０の間の間隙に移動させる。真空源（図示せず）が、プリーツ４８を通過する気体を集めるために出口６２に連結される。脱気された液体は出口６４を介して回収される。

他の実施形態では、入口５２および５４を介して液体内にオゾンなどの気体の流れをもたらす条件下で、加圧気体を出口６２を介してハウジング６６内に導入することができる。

図３を参照すると、図１のカートリッジ１０のプリーツ２４は、多孔性ケージ３６と多孔性ケージ４１との間に配置される。ケージ３６はハウジング１２内部に配置されたバッフル３０に接触する。

図４を参照すると、バッフル３０は、矢印６５および６７で示すように、液体をプリーツ４０内に流入させて、液体と薄膜の間に、より密接な接触を引き起こす。

図５を参照すると、バッフル７０は、使用中に互いに接触するバッフル・セグメント７１および７２から形成される。

図６を参照すると、バッフル７３は、カートリッジ２４の隣接するプリーツの間の間隙に適合する歯７５を含み、それによって、液体と薄膜の間で、より密接な接触をもたらす。バッフルが図３に示されるようにカートリッジのコアの内部に配置されるとき、歯はバッフル４４の外側表面上にある。

図７に示されるように、図２のバッフル４４は固体の部品を含む。

図８を参照すると、本発明の接触器１０の１つの実施形態が示されている。接触器１０は、結合されたエンドキャップ１４および１６をもつハウジング１２を含む。エンドキャップ１４は、液体入口１８を含む。エンドキャップ１６は、液体出口２０と真空源（図示せず）に変換される出口２２を含む。多孔性支持ケージ２６に囲まれたプリーツ形薄膜カートリッジ２４は、カートリッジ２４を支持するように提供される。第２の多孔性支持ケージも、カートリッジ２４の中央コア２８の内部に配置することができる。バッフル３０ａが、カートリッジ２４の外円周の周りに延びる。バッフル３０ａが、ケージ３３の外面３４からハウジング１２の内面に延びる。バッフル３０ａが、液体をプレート４０の間隙３８中に導き、それによって、プリーツ４０のプリーツ形薄膜の間でより密接な接触をもたらす。この実施形態では、気体の泡が入口１８から導入された液体から取り除かれる。

第２の実施形態では、オゾンなどの加圧気体が、入口１８から導入される水などの液体の中に、プリーツ形薄膜を介してオゾンの移送をもたらす状況下で、開口２２を介して導入されることができる。望むならば、ハウジング１２からの加圧気体を取り除くために、加圧気体用のハウジング（図示せず）からの第２の出口を備えることができる。

以下の実施例は本発明を説明しているが、同じものに限定することを意図するものではない。

０．０５ミクロンの疎水性超高分子量のポリエチエレン薄膜（３５００ｃｍ^２の面積）をもつ図１の装置を、水から気体を取り除くために、脱イオン水でテストした。装置の出口に存在する、認識できるいかなる泡の兆候もなかった。ＹＳＩ ５１００ 溶解酸素メーターで測定された脱気の効率は、０．５リットル／分および２．０リットル／分の流量において、それぞれ２１％および１０％の除去であった。これらの結果は、ＰＦＡ中空ファイバ薄膜接触器での２．０リットル／分の流量における８．０％に匹敵する。

プリーツ形薄膜カートリッジの外側表面に配置されたバッフルをもつ本発明の接触器の破断側面図である。 プリーツ形薄膜カートリッジの内側表面に配置されたバッフルをもつ本発明の接触器の破断側面図である。 本発明で使用されるプリーツ形カートリッジの部分上面図である。 １つの流体の流れを示す本発明の接触器の部分側面図である。 本発明で使用されるセグメント化されたバッフルの上面図である。 本発明で使用される歯をもつバッフルの部分上面図である。 薄膜カートリッジの内面に配置されたバッフルの上面図である。 本発明の別の接触器の断面図である。

Claims (16)

1. 薄膜を通って第１流体から第２流体に気体の通過をもたらす接触器装置であって、
   ハウジング内部に配置された円筒プリーツ形薄膜カートリッジであって、
   前記ハウジングが第１流体用の第１入口および第１出口と第２流体用の少なくとも１つの第２出口とをもつ薄膜カートリッジと、
   前記第１流体用の第１流路内部に配置された少なくとも１つのバッフルとを含む接触器装置。
2. 複数のバッフルをもつ請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのバッフルが、前記カートリッジの外側表面に配置される請求項１に記載の装置。
4. 前記複数のバッフルが、前記カートリッジの外側表面に配置される請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのバッフルが、前記カートリッジの外側表面に配置される請求項２に記載の装置。
6. 前記複数のバッフルが、前記カートリッジの外側表面に配置される請求項２に記載の装置。
7. 前記第１流体を請求項１の装置の前記第１入口に導入するステップと、前記第１流体を前記第１出口から取り除くステップと、前記第２入口に真空を適用するステップとを含む気体を第１流体から取り除く方法。
8. 前記第２入口が前記カートリッジのコアと流体連通し、前記バッフルが前記カートリッジの外側表面に配置される請求項７に記載の方法。
9. 前記第２入口が前記カートリッジの外側表面と流体連通し、前記バッフルが前記カートリッジの内側表面に配置される請求項７に記載の方法。
10. 前記第１流体を請求項１の装置の前記第１入口に導入するステップと、前記第１流体を前記第１出口から導入するステップと、前記第２入口に加圧気体を導入するステップとを含む気体を第１流体から取り除く方法。
11. 前記第２入口が前記カートリッジのコアと流体連通し、前記バッフルが前記カートリッジの外側表面に配置される請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２入口が前記カートリッジの外側表面と流体連通し、前記バッフルが前記カートリッジの内側表面に配置される請求項１０に記載の方法。
13. 前記加圧気体がオゾンである請求項１０に記載の方法。
14. 前記加圧気体がオゾンである請求項１１に記載の方法。
15. 前記加圧気体がオゾンである請求項１２に記載の方法。
16. 前記バッフルの少なくとも１つが、前記カートリッジのプリーツの間の間隙に延びるように配置された歯を含む請求項１、２、３、４、５または６のいずれか一項に記載の装置。

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