JP2013107076A - Carbon dioxide separation apparatus - Google Patents

Carbon dioxide separation apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2013107076A
JP2013107076A JP2012279552A JP2012279552A JP2013107076A JP 2013107076 A JP2013107076 A JP 2013107076A JP 2012279552 A JP2012279552 A JP 2012279552A JP 2012279552 A JP2012279552 A JP 2012279552A JP 2013107076 A JP2013107076 A JP 2013107076A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
membrane
carbon dioxide
film
facilitated transport
permeance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012279552A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5474172B2 (en
Inventor
Osamu Okada
治 岡田
Masaaki Teramoto
正明 寺本
Reza Yegani
イエガニ レザ
Hideto Matsuyama
秀人 松山
Keiko Shimada
敬子 島田
Kaori Morimoto
かおり 森本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe University NUC
Renaissance Energy Research Corp
Original Assignee
Kobe University NUC
Renaissance Energy Research Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobe University NUC, Renaissance Energy Research Corp filed Critical Kobe University NUC
Priority to JP2012279552A priority Critical patent/JP5474172B2/en
Publication of JP2013107076A publication Critical patent/JP2013107076A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5474172B2 publication Critical patent/JP5474172B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon dioxide separation apparatus using a COtransportation promoting membrane capable of exerting sufficient membrane performance at a high temperature of 100°C or higher and under a pressurized condition.SOLUTION: In the carbon dioxide separation apparatus, a feed gas containing at least hydrogen, carbon dioxide and steam is sent to the feed gas side of the COtransportation promoting membrane 10 at a feed temperature of 100°C or higher, while the carbon dioxide having passed through the COtransportation promoting membrane 10 is taken out of the transmission side of the membrane. A gel layer obtained by adding cesium carbonate to a gel membrane of a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer is supported on a hydrophilic porous membrane to form the COtransportation promoting membrane 10.

Description

本発明は、所定の主成分ガスに少なくとも二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に供給して、CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素分離装置に関し、特に、水素を主成分とする燃料電池用等の改質ガスに含まれる二酸化炭素を水素に対する高い選択比率で分離する二酸化炭素分離装置に関する。 The present invention dioxide to retrieve the raw material gas contains at least carbon dioxide and water vapor to a predetermined main component gas is supplied to the raw material side of the CO 2 -facilitated transport membrane, the carbon dioxide that has passed through the CO 2 -facilitated transport membrane from the permeate side The present invention relates to a carbon separator, and more particularly, to a carbon dioxide separator that separates carbon dioxide contained in a reformed gas for a fuel cell containing hydrogen as a main component at a high selection ratio with respect to hydrogen.

現在の水素ステーション用改質システムでは、水蒸気改質により炭化水素を水素及び一酸化炭素(CO)に改質し、更に、CO変成反応を用いて一酸化炭素を水蒸気と反応させることにより水素を製造している。   In current reforming systems for hydrogen stations, hydrocarbons are reformed to hydrogen and carbon monoxide (CO) by steam reforming, and further, carbon is converted to hydrogen by reacting carbon monoxide with steam using a CO shift reaction. Manufacture.

しかし、これらの技術はケミカルプラント用の大規模な水素製造プロセスとして開発されたものであり、日産数10万m以上の大規模なものが普通で、しかも工場内に設置され、高圧・連続運転が前提となっている。これに対し、将来の水素エネルギ社会を支える重要なインフラとして天然ガスや石油からオンサイトで水素を製造し燃料電池自動車等に水素を供給する水素ステーションでは、水素を製造する規模や設置環境、運転パターンにおいて、従来の大規模水素プラントと大きく異なっており、それに起因する問題が多く残されている。 However, these techniques has been developed as a large-scale hydrogen production processes for chemical plants, Nissan number 100,000 m 3 or more ones are usually large, yet installed in the factory, high-continuous Driving is assumed. On the other hand, in the hydrogen station that produces hydrogen on-site from natural gas and oil as an important infrastructure that will support the future hydrogen energy society and supplies hydrogen to fuel cell vehicles, etc., the scale, installation environment, and operation of hydrogen production The pattern is greatly different from the conventional large-scale hydrogen plant, and many problems resulting from it remain.

性能面の課題としては、水素ステーションの場合、水素需要(具体的には、水素供給対象の燃料電池自動車の数量等)に対応して、頻繁な起動停止や負荷変化に対応する必要がある。特に、改質システム中でもサイズが最も大きく熱容量の大きなCO変成器に対して、起動時間や負荷応答性等の面で改善が必要となっている。   As a performance problem, in the case of a hydrogen station, it is necessary to respond to frequent start / stop and load changes in response to hydrogen demand (specifically, the number of fuel cell vehicles to be supplied with hydrogen, etc.). In particular, the CO transformer having the largest size and the largest heat capacity among reforming systems needs to be improved in terms of start-up time and load response.

また、燃料電池用改質システムの普及促進に必須とされる家庭用システムでのDSS(毎日の起動停止)運転に対しても、起動時間や負荷応答性等において、改質システム中でもCO変成器に課題が多く残されており、特に、CO変成器の小型化、低温度化が最大の課題である。   In addition, even for DSS (daily start / stop) operation in home systems, which is essential for promoting the reforming of fuel cell reforming systems, the CO transformer is also used in reforming systems in terms of start-up time and load responsiveness. Many problems remain, and in particular, downsizing and lowering the temperature of the CO transformer are the biggest problems.

更に、自動車用への適用についても、水蒸気改質方式はサイズや起動時間の点で目標との大きなギャップがあり、自動車業界ではオンボード改質に関しては効率の高い水蒸気改質よりは、寧ろ昇温反応性に優れた部分酸化方式での実用化を目指す傾向がある。しかし、部分酸化方式では、改質器については大幅な小型化が期待できるものの、CO変成器を伴うため、実用化に向けてはCO変成器の小型化が大きな課題となっている。このようにCO変成器の小型化は水素ステーションだけではなく、自動車用を含む燃料電池改質システムに共通の課題と言える。   In addition, the steam reforming method has a large gap with respect to the target in terms of size and start-up time for automotive applications, and the on-board reforming in the automotive industry is rather more efficient than steam reforming, which is highly efficient. There is a tendency to aim at practical use with a partial oxidation method with excellent temperature reactivity. However, in the partial oxidation method, although the reformer can be expected to be greatly reduced in size, since it is accompanied by a CO converter, downsizing of the CO converter is a major issue for practical use. Thus, it can be said that downsizing of the CO converter is a common problem not only for the hydrogen station but also for the fuel cell reforming system including for automobiles.

また、効率面から見ても、水蒸気改質を行う際、S/C(スチームと炭素(原料炭化水素)のモル比)の低下が熱効率上望ましいが、CO変成反応の化学平衡上の制約から効率の高い低S/C条件が採用されていなかった。   Also, from the viewpoint of efficiency, when steam reforming is performed, a decrease in S / C (molar ratio of steam to carbon (raw hydrocarbon)) is desirable in terms of thermal efficiency, but due to restrictions on the chemical equilibrium of the CO shift reaction. Highly efficient low S / C conditions were not employed.

コスト面での課題としては、水素ステーション全体のコストで最大の割合を占めるのがPSA(プレッシャー・スイング・アドソープション)であることから、そのコストダウンに直接繋がる水素濃度を上げる改質方式が望まれていた。改質器の出口ガス組成は水素以外に、10%程度の一酸化炭素及び二酸化炭素が含まれており、CO変成器では一酸化炭素は減少するものの二酸化炭素は増加するため、現状のプロセス(水蒸気改質+CO変成)では、1%程度のメタンとともに、20%程度の二酸化炭素と1%以下の一酸化炭素の残留は避けられず、その精製のために大型・高コストのPSA装置を設置せざるを得なかった。   As a cost issue, PSA (Pressure Swing Adsorption) accounts for the largest percentage of the total cost of the hydrogen station, so there is a reforming method that increases the hydrogen concentration that directly leads to cost reduction. It was desired. The reformer outlet gas composition contains about 10% carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen. In the CO converter, carbon monoxide decreases, but carbon dioxide increases. In steam reforming + CO conversion), about 20% of carbon dioxide and less than 1% of carbon monoxide remain together with about 1% of methane, and a large and high-cost PSA system is installed for purification. I had to do it.

従来のCO変成器において、小型化や起動時間の短縮を阻害する原因として、以下の(化1)に示すCO変成反応の化学平衡上の制約から、多量のCO変成触媒が必要となっていることが挙げられる。一例として、50kWのPAFC(リン酸型燃料電池)用改質システムでは、改質触媒が20L必要であるのに対して、CO変成触媒は77Lと約4倍の触媒が必要となる。このことが、CO変成器の小型化や起動時間の短縮を阻害する大きな要因となっている。なお、記号「⇔」は、可逆反応であることを示している。   In conventional CO converters, a large amount of CO conversion catalyst is required as a cause of hindering miniaturization and shortening of the start-up time due to restrictions on the chemical equilibrium of the CO conversion reaction shown in the following (Chemical Formula 1). Can be mentioned. As an example, a reforming system for a 50 kW PAFC (phosphoric acid fuel cell) requires 20 L of reforming catalyst, whereas a CO conversion catalyst requires 77 L, which is about four times as much as the catalyst. This is a major factor that hinders downsizing the CO transformer and shortening the startup time. The symbol “⇔” indicates a reversible reaction.

(化1)
CO + HO ⇔ CO + H
(Chemical formula 1)
CO + H 2 O CO CO 2 + H 2

そこで、CO変成器に二酸化炭素を選択的に透過させるCO促進輸送膜を備え、上記(化1)のCO変成反応で生成された右側の二酸化炭素を効率的にCO変成器外部に除去することで、化学平衡を水素生成側(右側)にシフトさせることができ、同一反応温度において高い転化率が得られる結果、一酸化炭素及び二酸化炭素を平衡の制約による限界を超えて除去することが可能となる。図21及び図22に、この様子を模式的に示す。図22(A)と(B)は、夫々、CO促進輸送膜を備えている場合と備えていない場合における、CO変成器の触媒層長に対する一酸化炭素及び二酸化炭素の各濃度変化を示している。 Therefore, the CO converter is provided with a CO 2 facilitated transport membrane that selectively allows carbon dioxide to permeate, and the right-side carbon dioxide generated by the CO conversion reaction of (Chemical Formula 1) is efficiently removed outside the CO converter. As a result, the chemical equilibrium can be shifted to the hydrogen production side (right side), and a high conversion rate can be obtained at the same reaction temperature. As a result, carbon monoxide and carbon dioxide can be removed beyond the limit due to equilibrium constraints. It becomes possible. FIG. 21 and FIG. 22 schematically show this state. FIGS. 22 (A) and 22 (B) show changes in the concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide with respect to the catalyst layer length of the CO converter with and without the CO 2 facilitated transport membrane, respectively. ing.

上記のCO促進輸送膜を備えたCO変成器(CO透過型メンブレンリアクター)により、一酸化炭素及び二酸化炭素を平衡の制約による限界を超えて除去することが可能となるため、水素ステーションのPSAの負荷低減及び低S/C化が図れ、水素ステーション全体のコスト低減及び高効率化が図れる。また、CO促進輸送膜を備えることで、CO変成反応の高速化(高SV化)が図れるため、改質システムの小型化及び起動時間の短縮が図れる。 The CO converter (CO 2 permeable membrane reactor) equipped with the above CO 2 facilitated transport membrane makes it possible to remove carbon monoxide and carbon dioxide beyond the limits due to equilibrium constraints. The PSA load and S / C can be reduced, and the cost and efficiency of the entire hydrogen station can be reduced. Further, by providing the CO 2 facilitated transport film, the CO conversion reaction can be speeded up (higher SV), so that the reforming system can be downsized and the startup time can be shortened.

かかるCO透過型メンブレンリアクターの先行例としては、下記の特許文献1(或いは、同じ発明者による同一内容の特許文献2)に開示されているものがある。 As a prior example of such a CO 2 permeable membrane reactor, there is one disclosed in the following Patent Document 1 (or Patent Document 2 having the same contents by the same inventor).

該特許文献1、2において提案されている改質システムは、炭化水素、メタノール等の燃料を燃料電池自動車用の水素に車上で改質する際に発生する改質ガスの精製及び水性ガスシフト反応(CO変成反応)に有用なCO促進輸送膜プロセスを提供するもので、代表的な4種類のプロセスが、同文献に示されている。炭化水素(メタンを含む)を原料とする場合、水性ガスシフター(CO変成器)にCO促進輸送膜を備えたメンブレンリアクターを用いて二酸化炭素を選択的に除去することにより、一酸化炭素の反応率を高め一酸化炭素濃度を低下させるとともに生成水素の純度を向上させている。また、生成水素中に残留する%オーダーの一酸化炭素及び二酸化炭素はメタネーターで水素と反応させてメタンに変換して濃度を低下させ、燃料電池の被毒等による効率低下を防いでいる。 The reforming systems proposed in Patent Documents 1 and 2 are directed to purifying reformed gas and water gas shift reaction generated when reforming a fuel such as hydrocarbon or methanol into hydrogen for a fuel cell vehicle on the vehicle. The present invention provides a CO 2 facilitated transport membrane process useful for (CO conversion reaction), and four typical processes are shown in the same document. When hydrocarbons (including methane) are used as raw materials, carbon monoxide is selectively removed by selectively removing carbon dioxide using a membrane reactor equipped with a CO 2 facilitated transport membrane in a water gas shifter (CO converter). It increases the reaction rate and lowers the carbon monoxide concentration and improves the purity of the produced hydrogen. In addition, carbon monoxide and carbon dioxide remaining in the generated hydrogen are reacted with hydrogen by a methanator and converted to methane to reduce the concentration, thereby preventing a decrease in efficiency due to poisoning of the fuel cell.

該特許文献1、2では、CO促進輸送膜として、主としてハロゲン化四級アンモニウム塩((R))を二酸化炭素キャリアとして含むPVA(ポリビニルアルコール)等の親水性ポリマー膜が使用されている。また、該特許文献1、2の実施例6には、二酸化炭素キャリアとしてテトラメチルアンモニウムフルオリド塩50重量%を含む膜厚49μm50重量%のPVA膜とそれを支持する多孔質PTFE(四フッ化エチレン重合体)膜よりなる複合膜で形成されたCO促進輸送膜の作製方法が開示されており、同実施例7には、混合ガス(25%CO、75%H)を全圧3気圧、23℃で処理したときの当該CO促進輸送膜の膜性能が開示されている。当該膜性能として、COパーミアンスRCO2が7.2GPU(=2.4×10−6mol/(m・s・kPa))、CO/H選択性が19となっている。 In Patent Documents 1 and 2, a hydrophilic polymer film such as PVA (polyvinyl alcohol) mainly containing a halogenated quaternary ammonium salt ((R) 4 N + X ) as a carbon dioxide carrier is used as the CO 2 facilitated transport film. It is used. In Example 6 of Patent Documents 1 and 2, a PVA membrane having a film thickness of 49 μm and 50 wt% containing 50 wt% of tetramethylammonium fluoride salt as a carbon dioxide carrier and porous PTFE (tetrafluoride tetrafluoride) supporting the PVA membrane. A method for producing a CO 2 facilitated transport film formed of a composite film made of an ethylene polymer) film is disclosed. In Example 7, a mixed gas (25% CO 2 , 75% H 2 ) was mixed at a total pressure. The membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane when treated at 3 atm and 23 ° C. is disclosed. As the membrane performance, CO 2 permeance R CO2 is 7.2 GPU (= 2.4 × 10 −6 mol / (m 2 · s · kPa)), and CO 2 / H 2 selectivity is 19.

また、下記特許文献3には、CO促進輸送膜として、炭酸セシウムとアミノ酸とを組み合わせて構成されたCO吸収剤が開示されている。 Patent Document 3 below discloses a CO 2 absorbent composed of a combination of cesium carbonate and an amino acid as a CO 2 facilitated transport film.

特許文献3に記載のCO促進輸送膜の製法は、以下のとおりである。まず、炭酸セシウムの水溶液に市販のアミノ酸を濃度分加えて、よく撹拌し混合水溶液を作製する。その後、ゲルを塗布した多孔PTFE膜(47Φ)のゲル塗布面を、作製した混合溶液に30分以上浸した後、ゆっくり膜を引き上げる。焼結金属の上にシリコーン膜を乗せ(溶液が透過側に漏れるのを防ぐため)その上に47mmΦの上記の含水ゲル膜を乗せ、その上からシリコーンパッキングの入ったセルをかぶせシーリングする。このようにして製造されたCO促進輸送膜に対して、供給ガスを50cc/分の速度で流し、膜の下側を真空引きし圧力を40torr程度まで下げる。 The method for producing the CO 2 facilitated transport membrane described in Patent Document 3 is as follows. First, a commercially available amino acid is added to an aqueous solution of cesium carbonate in a concentration, and stirred well to prepare a mixed aqueous solution. Thereafter, the gel-coated surface of the porous PTFE membrane (47Φ) coated with the gel is immersed in the prepared mixed solution for 30 minutes or more, and then the membrane is slowly pulled up. A silicone membrane is placed on the sintered metal (to prevent the solution from leaking to the permeate side), and the above-mentioned hydrogel membrane of 47 mmΦ is placed on it, and a cell containing silicone packing is placed thereon and sealed. A supply gas is allowed to flow at a rate of 50 cc / min with respect to the CO 2 facilitated transport membrane thus produced, and the lower side of the membrane is evacuated to lower the pressure to about 40 torr.

特許文献3の実施例4では、炭酸セシウムと、2,3−ジアミノプロピオン酸塩酸塩をそれぞれ4(mol/kg)のモル濃度で構成したCO促進輸送膜により、25℃の温度条件下において、CO透過速度が1.1(10−4cm(STP)/cm・s・cmHg)、CO/N分離係数が300となっている。なお、COパーミアンスRCO2は、圧力差あたりの透過速度で定義されるので、特許文献3の実施例4におけるCOパーミアンスRCO2は、110GPUと算出されるが、本実施例におけるCO/H選択性に関するデータは開示されていない。 In Example 4 of Patent Document 3, a CO 2 facilitated transport membrane comprising cesium carbonate and 2,3-diaminopropionate hydrochloride at a molar concentration of 4 (mol / kg), respectively, under a temperature condition of 25 ° C. The CO 2 permeation rate is 1.1 (10 −4 cm 3 (STP) / cm 2 · s · cmHg), and the CO 2 / N 2 separation factor is 300. Incidentally, CO 2 permeance R CO2, as defined by the permeation rate per pressure difference, CO 2 permeance R CO2 in Example 4 of Patent Document 3 is calculated as 110GPU, CO in the embodiment 2 / Data regarding H 2 selectivity is not disclosed.

なお、下記特許文献4には、アルカリ重炭酸塩を添加した酢酸セルロース膜で構成されたCO分離膜が開示されている。しかし、当該文献4では、CO/O選択性についてしか記載されておらず、CO/Hの選択性についてのデータが開示されていない。更に、開示されたデータは低圧力(0.01気圧程度)の条件下で測定されたものであり、数気圧程度の圧力条件下におけるデータは開示されていない。 Patent Document 4 below discloses a CO 2 separation membrane composed of a cellulose acetate membrane to which alkali bicarbonate is added. However, the document 4 only describes CO 2 / O 2 selectivity, and does not disclose data on CO 2 / H 2 selectivity. Furthermore, the disclosed data was measured under conditions of low pressure (about 0.01 atmosphere), and data under a pressure condition of about several atmospheres is not disclosed.

特表2001−511430号公報Special table 2001-511430 gazette 米国特許6579331号明細書US Pat. No. 6,579,331 特開2000−229219号公報JP 2000-229219 A 米国特許第3396510号明細書US Pat. No. 3,396,510

CO促進輸送膜は、基本機能として二酸化炭素を選択的に分離することから、地球温暖化の原因となっている二酸化炭素の吸収或いは除去等を目的とした開発も行われている。しかしながら、CO促進輸送膜は、CO透過型メンブレンリアクターへの応用を考えた場合、使用温度、COパーミアンス、CO/H選択性等に対して、一定以上の性能が要求される。つまり、CO変成反応に供するCO変成触媒の性能が温度とともに低下する傾向にあるため、使用温度は最低でも100℃が必要と考えられる。上記各特許文献1〜3は、いずれも25℃程度の温度条件下で膜性能の測定が行われており、100℃以上の温度条件下においても十分な膜性能を示すCO促進輸送膜が上記各特許文献によって開示されたということはできない。 Since the CO 2 facilitated transport membrane selectively separates carbon dioxide as a basic function, development for the purpose of absorbing or removing carbon dioxide causing global warming has also been performed. However, in consideration of application to a CO 2 permeable membrane reactor, the CO 2 facilitated transport membrane is required to have a certain performance or more with respect to the use temperature, CO 2 permeance, CO 2 / H 2 selectivity, etc. . In other words, since the performance of the CO shift catalyst for use in the CO shift reaction tends to decrease with temperature, the use temperature is considered to be at least 100 ° C. In each of the above Patent Documents 1 to 3, the membrane performance is measured under a temperature condition of about 25 ° C., and a CO 2 facilitated transport membrane exhibiting sufficient membrane performance even under a temperature condition of 100 ° C. or higher is used. It cannot be disclosed by the above patent documents.

また、COパーミアンス(二酸化炭素透過性の性能指標の一つ)は、CO変成反応の化学平衡を水素生成側(右側)にシフトさせ、一酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度を平衡の制約による限界を超えて例えば0.1%程度以下に低減し、且つ、CO変成反応の高速化(高SV化)を図るためには、一定レベル以上(例えば、2×10−5mol/(m・s・kPa)=60GPU程度以上)が必要と考えられる。しかしながら、上記各特許文献1,2に記載のCO促進輸送膜のCOパーミアンスは、10GPUを大きく下回るような値であり、60GPU程度以上のCOパーミアンスを示すCO促進輸送膜が上記各特許文献によって開示されたということはできない。また、特許文献3は、CO/H選択性は開示されていない上、100℃以上の温度条件でCOパーミアンスが60GPU以上の能力を示すことは示されていない。特許文献4においても、CO/H選択性は開示されていない上、数気圧程度の圧力条件の下でのデータが開示されていない。 CO 2 permeance (one of the performance indicators of carbon dioxide permeability) shifts the chemical equilibrium of the CO shift reaction to the hydrogen production side (right side) and limits the carbon monoxide concentration and carbon dioxide concentration due to equilibrium constraints. Over a certain level, for example, about 0.1% or less, and in order to speed up the CO shift reaction (high SV), for example, 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) = 60 GPU or more) is considered necessary. However, the CO 2 permeance of the CO 2 facilitated transport membrane described in each of the above Patent Documents 1 and 2 is a value that is significantly lower than 10 GPU, and the CO 2 facilitated transport membrane exhibiting a CO 2 permeance of about 60 GPU or more is It cannot be disclosed by patent literature. In addition, Patent Document 3 does not disclose CO 2 / H 2 selectivity and does not show that the CO 2 permeance exhibits a capacity of 60 GPU or more under a temperature condition of 100 ° C. or more. In Patent Document 4, CO 2 / H 2 selectivity is not disclosed, and data under a pressure condition of about several atmospheres is not disclosed.

更に、CO変成反応で生成された水素が二酸化炭素とともにCO促進輸送膜を通して外部に廃棄されたのでは、当該廃棄ガスから水素を分離回収するというプロセスが必要となる。水素は当然に二酸化炭素より分子サイズが小さいので、二酸化炭素を透過可能な膜は水素も透過できることになるが、膜中の二酸化炭素キャリアによって二酸化炭素のみを選択的に膜の供給側から透過側に向けて輸送可能な促進輸送膜が必要となり、その場合のCO/H選択性として90〜100程度以上が必要と考えられる。 Furthermore, when the hydrogen produced by the CO shift reaction is discarded outside together with carbon dioxide through the CO 2 facilitated transport membrane, a process of separating and recovering hydrogen from the waste gas is required. Since hydrogen is naturally smaller in molecular size than carbon dioxide, a membrane that can permeate carbon dioxide can also permeate hydrogen, but only carbon dioxide is selectively passed from the membrane supply side to the permeate side by the carbon dioxide carrier in the membrane. It is considered that a facilitated transport membrane that can be transported toward the surface is required, and the CO 2 / H 2 selectivity in that case is required to be about 90 to 100 or more.

しかしながら、上記各特許文献1及び2に記載のCO促進輸送膜は、CO/H選択性が19であり、十分な選択性を有しているとは言えない。また、上記特許文献3,4は、CO/H選択性が開示されていないため、特許文献3,4によって高いCO/H選択性を示すCO促進輸送膜が開示されたということはできない。 However, the CO 2 facilitated transport membranes described in Patent Documents 1 and 2 have a CO 2 / H 2 selectivity of 19 and cannot be said to have sufficient selectivity. In addition, since Patent Documents 3 and 4 do not disclose CO 2 / H 2 selectivity, Patent Documents 3 and 4 disclose a CO 2 facilitated transport membrane exhibiting high CO 2 / H 2 selectivity. It is not possible.

ところで、CO促進輸送膜は、二酸化炭素の促進輸送機能(膜機能)を十分に発揮するには水分が必要である。具体的に説明すると、膜内の二酸化炭素(CO)と炭酸イオンの反応は、通常以下の(化2)の反応経路式に示す化学反応を示す。これより、膜内の水分が多いほど化学平衡は生成物側(右側)にシフトし、二酸化炭素の透過が促進されることが分かる。 By the way, the CO 2 facilitated transport membrane needs moisture to sufficiently exhibit the facilitated transport function (membrane function) of carbon dioxide. More specifically, the reaction between carbon dioxide (CO 2 ) and carbonate ions in the membrane usually indicates a chemical reaction represented by the following reaction path equation (Chemical Formula 2). From this, it can be seen that as the moisture in the membrane increases, the chemical equilibrium shifts to the product side (right side) and the permeation of carbon dioxide is promoted.

(化2)
CO+CO 2−+HO → 2HCO3−
(Chemical formula 2)
CO 2 + CO 3 2− + H 2 O → 2HCO 3−

しかし、使用温度が100℃を超える高温になると、膜内の水分が蒸発して膜機能、つまり、二酸化炭素の促進輸送機能が低下する。当該膜機能低下はこれまでの促進輸送膜の常識となっている。一方、高温ほど上記化学反応の速度が大きくなるので、本願の発明者は、加圧下において気相中の水蒸気分圧を増すことにより膜内の水分量を確保することで膜機能が十分に発揮されることを確認した。現時点においては、使用温度が100℃以上を超える高温の温度条件下においても高いCO分離機能を示す二酸化炭素分離装置は提供されていない。 However, when the operating temperature is higher than 100 ° C., the moisture in the membrane evaporates, and the membrane function, that is, the facilitated transport function of carbon dioxide is lowered. Such a decrease in membrane function has become a common sense of conventional facilitated transport membranes. On the other hand, the higher the temperature, the higher the rate of the chemical reaction, so the inventors of the present application can fully demonstrate the membrane function by ensuring the amount of water in the membrane by increasing the partial pressure of water vapor in the gas phase under pressure. Confirmed that it will be. At present, no carbon dioxide separation device is provided that exhibits a high CO 2 separation function even under high temperature conditions where the operating temperature exceeds 100 ° C. or higher.

本発明は、上記の問題点に鑑み、100℃以上の高温及び加圧条件下において十分な膜性能を発揮可能なCO促進輸送膜を用いた二酸化炭素分離装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a carbon dioxide separation apparatus using a CO 2 facilitated transport membrane capable of exhibiting sufficient membrane performance under a high temperature and a pressurized condition of 100 ° C. or higher. .

上記目的を達成するための本発明に係る二酸化炭素分離装置は、少なくとも水素と二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に100℃以上の供給温度で供給して、前記CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素分離装置であって、前記CO促進輸送膜が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜に炭酸セシウム若しくは重炭酸セシウム若しくは水酸化セシウムからなる添加剤を添加したゲル層を親水性の多孔膜に担持させて形成されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a carbon dioxide separator according to the present invention supplies a raw material gas containing at least hydrogen, carbon dioxide and water vapor to a raw material side surface of a CO 2 facilitated transport membrane at a supply temperature of 100 ° C. or more, A carbon dioxide separator that extracts carbon dioxide permeated through the CO 2 facilitated transport membrane from a permeation side surface, wherein the CO 2 facilitated transport membrane is formed on a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane with cesium carbonate or cesium bicarbonate. Alternatively, it is characterized in that a gel layer to which an additive made of cesium hydroxide is added is supported on a hydrophilic porous film.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の上記特徴によれば、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸(PVA/PAA)共重合体ゲル膜中に、炭酸セシウム(CsCO)が含まれることから、当該CsCOが透過物質であるPVA/PAAゲル層の二酸化炭素の高濃度側界面から低濃度側界面へと二酸化炭素を輸送する二酸化炭素キャリアとして機能し、100℃以上の高温において90〜100程度以上の対水素選択性(CO/H)、及び、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンスを達成可能となる。 According to the above feature of the carbon dioxide separator according to the present invention, since the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer gel film contains cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), the Cs 2 CO 3 functions as a carbon dioxide carrier that transports carbon dioxide from the high-concentration side interface of carbon dioxide to the low-concentration side interface of the PVA / PAA gel layer, which is a permeable substance, and is about 90-100 at a high temperature of 100 ° C. or higher The above hydrogen selectivity (CO 2 / H 2 ) and CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more can be achieved.

また、PVA/PAAゲル層を担持する多孔膜が親水性であるので、欠陥の少ないゲル層を安定して作製することができ、高い対水素選択性を維持できる。一般に、多孔膜が疎水性であると、100℃以下においてPVA/PAAゲル膜内の水分が多孔膜内の細孔に侵入して膜性能を低下させるのを防止でき、また、100℃以上においてPVA/PAAゲル膜内の水分が少なくなる状況でも同様の効果が期待できると考えられるため、疎水性の多孔膜の使用が推奨されるが、本発明の二酸化炭素分離装置は、親水性多孔膜を使用することで、以下の理由により欠陥が少なく高い対水素選択性を維持できる。   Further, since the porous membrane carrying the PVA / PAA gel layer is hydrophilic, a gel layer with few defects can be stably produced, and high selectivity to hydrogen can be maintained. In general, when the porous membrane is hydrophobic, it is possible to prevent moisture in the PVA / PAA gel membrane from entering the pores in the porous membrane at 100 ° C. or lower and lowering the membrane performance. Since it is considered that the same effect can be expected even in a situation where moisture in the PVA / PAA gel membrane decreases, the use of a hydrophobic porous membrane is recommended. By using this, there are few defects and the high selectivity to hydrogen can be maintained for the following reasons.

親水性の多孔膜上に、PVA/PAA共重合体とCsCOの水溶液からなるキャスト溶液をキャストすると多孔膜の細孔内が液で満たされ、更に、多孔膜の表面にキャスト溶液が塗布される。このキャスト溶液をゲル化すると、多孔膜の表面のみならず細孔内にもゲル層が充填されるので欠陥が生じ難くなり、ゲル層の製膜成功率が高くなる。 When a cast solution composed of an aqueous solution of PVA / PAA copolymer and Cs 2 CO 3 is cast on a hydrophilic porous membrane, the pores of the porous membrane are filled with the solution, and the cast solution is further applied to the surface of the porous membrane. Applied. When the cast solution is gelled, not only the surface of the porous membrane but also the pores are filled with the gel layer, so that defects are less likely to occur, and the success rate of forming the gel layer is increased.

細孔部分の割合(多孔度)、及び、細孔が膜表面に垂直に真っ直ぐではなく曲がりくねっていること(屈曲率)を考慮すると、細孔内のゲル層はガス透過の大きな抵抗となるので、多孔膜表面のゲル層と比較して透過性は低くなり、ガスパーミアンスは低下する。他方、疎水性の多孔膜上にキャスト溶液をキャストすると多孔膜の細孔内は液で満たされずに多孔膜の表面のみにキャスト溶液が塗布され細孔はガスで満たされるので、疎水性多孔膜上のゲル層におけるガスパーミアンスは、親水性多孔膜と比較して水素及び二酸化炭素の両方において高くなると予想される。   Considering the ratio of the pores (porosity) and the fact that the pores are not perpendicular to the membrane surface but bends (flexibility), the gel layer in the pores has a large resistance to gas permeation. As compared with the gel layer on the surface of the porous membrane, the permeability is lowered and the gas permeance is lowered. On the other hand, when the cast solution is cast on the hydrophobic porous membrane, the inside of the pores of the porous membrane is not filled with liquid, but the cast solution is applied only to the surface of the porous membrane and the pores are filled with gas. The gas permeance in the upper gel layer is expected to be higher in both hydrogen and carbon dioxide compared to the hydrophilic porous membrane.

しかし、細孔内のゲル層と比較して膜表面のゲル層では微小な欠陥が生じ易く、製膜成功率は低下する。水素は二酸化炭素より分子サイズが非常に小さいので、微小な欠陥個所では二酸化炭素より水素の方が、パーミアンスが著しく大きくなる。なお、欠陥箇所以外では、促進輸送機構で透過する二酸化炭素のパーミアンスは、物理的な溶解、拡散機構で透過する水素のパーミアンスより格段に大きい。   However, in the gel layer on the surface of the membrane, minute defects are likely to occur as compared with the gel layer in the pores, and the success rate of film formation is reduced. Since hydrogen has a much smaller molecular size than carbon dioxide, hydrogen has a significantly larger permeance than carbon dioxide at small defects. Except for the defective part, the permeance of carbon dioxide permeated by the facilitated transport mechanism is much larger than the permeance of hydrogen permeated by the physical dissolution and diffusion mechanism.

結果として、疎水性多孔膜を使用した場合の対水素選択性(CO/H)は、親水性多孔膜を使用した場合と比較して低下することになる。従って、実用化の観点からは、CO促進輸送膜の安定性、耐久性が非常に重要となり、対水素選択性(CO/H)の高い親水性多孔膜を使用する方が有利となる。また、親水性多孔膜の使用は、PVA/PAAゲル層に二酸化炭素キャリアとしてCsCOを添加することで高いCOパーミアンスを達成可能であることを前提に実現できるものである。 As a result, the selectivity for hydrogen (CO 2 / H 2 ) when using a hydrophobic porous membrane will be lower than when using a hydrophilic porous membrane. Therefore, from the viewpoint of practical use, the stability and durability of the CO 2 facilitated transport membrane are very important, and it is advantageous to use a hydrophilic porous membrane having a high selectivity to hydrogen (CO 2 / H 2 ). Become. The use of the hydrophilic porous membrane can be realized on the assumption that high CO 2 permeance can be achieved by adding Cs 2 CO 3 as a carbon dioxide carrier to the PVA / PAA gel layer.

なお、疎水性多孔膜と親水性多孔膜の違いによるガスパーミアンスの差は、キャスト溶液中に予め二酸化炭素キャリアであるCsCOを添加せずにゲル化後に含侵させても、細孔内のゲル層がガス透過の大きな抵抗となる点は同じであり、同様に発現するものと推定される。 Note that the difference in gas permeance due to the difference between the hydrophobic porous membrane and the hydrophilic porous membrane can be obtained even if the cast solution is impregnated after gelation without adding carbon dioxide carrier Cs 2 CO 3 in advance. It is presumed that the inner gel layer has the same resistance to large gas permeation and develops similarly.

以上より、上記特徴の二酸化炭素分離装置によれば、100℃以上の使用温度、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンス、及び、90〜100程度以上のCO/H選択性が実現でき、CO変成器の小型化、起動時間の短縮、及び、高速化(高SV化)が図られる。 From the above, according to the carbon dioxide separator having the above characteristics, a working temperature of 100 ° C. or higher, a CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or higher, and 90 A CO 2 / H 2 selectivity of about ˜100 or more can be realized, and the CO transformer can be downsized, the startup time can be shortened, and the speed can be increased (higher SV).

なお、添加剤として、炭酸セシウムの代わりに水酸化セシウムを添加した場合においても、同様の効果を得ることができる。即ち、水酸化セシウムが添加されたゲル層を含む促進輸送膜をCOの分離に利用することで、以下の(化3)に示されるような反応が起こり、これによって当該促進輸送膜内に添加されていた水酸化セシウムが炭酸セシウムに転化するためである。 The same effect can be obtained when cesium hydroxide is added as an additive instead of cesium carbonate. That is, by using the facilitated transport membrane including the gel layer to which cesium hydroxide is added for the separation of CO 2 , the reaction shown in the following (Chemical Formula 3) occurs, and thereby, in the facilitated transport membrane. This is because the added cesium hydroxide is converted to cesium carbonate.

(化3)
CO + CsOH → CsHCO
CsHCO + CsOH → CsCO + H
(Chemical formula 3)
CO 2 + CsOH → CsHCO 3
CsHCO 3 + CsOH → Cs 2 CO 3 + H 2 O

なお、上記(化3)をまとめると、下記(化4)のように表すことができる。即ち、これにより、添加された水酸化セシウムが炭酸セシウムに転化することが示される。   The above (Chemical Formula 3) can be summarized as follows (Chemical Formula 4). That is, this indicates that the added cesium hydroxide is converted to cesium carbonate.

(化4)
CO + 2CsOH → CsCO + H
(Chemical formula 4)
CO 2 + 2CsOH → Cs 2 CO 3 + H 2 O

更に、上記(化3)より、添加剤として、炭酸セシウムの代わりに重炭酸セシウムを添加した場合においても同様の効果を得ることができることが分かる。   Further, from the above (Chemical Formula 3), it can be seen that the same effect can be obtained when cesium bicarbonate is added as an additive instead of cesium carbonate.

また、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記特徴に加えて、前記ゲル層が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜と炭酸セシウムの合計重量に対する炭酸セシウムの重量比率が65重量%以上85重量%以下の範囲で構成されることを別の特徴とする。   Further, in the carbon dioxide separator according to the present invention, in addition to the above characteristics, the gel layer has a cesium carbonate weight ratio of 65 wt% with respect to a total weight of the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane and cesium carbonate. Another feature is that the content is in the range of 85% by weight or less.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の上記特徴によれば、100℃以上の温度条件下で、優れたCOパーミアンス、並びに優れたCO/H選択性の値を実現でき、CO変成器の小型化、起動時間の短縮、及び、高速化(高SV化)が図られる。 According to the characteristics of the carbon dioxide separator according to the present invention, an excellent CO 2 permeance and an excellent CO 2 / H 2 selectivity value can be realized under a temperature condition of 100 ° C. or higher. Miniaturization, shortening of startup time, and speeding up (higher SV) are achieved.

また、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、少なくとも水素と二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に100℃以上の供給温度で供給して、前記CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素分離装置であって、前記CO促進輸送膜が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜に炭酸ルビジウム若しくは重炭酸ルビジウム若しくは水酸化ルビジウムからなる添加剤を添加したゲル層を親水性の多孔膜に担持させて形成されることを別の特徴とする。 Further, the carbon dioxide separator according to the present invention supplies the raw material gas containing at least hydrogen, carbon dioxide and water vapor to the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane at a supply temperature of 100 ° C. or more, thereby promoting the CO 2 facilitated transport. A carbon dioxide separator that extracts carbon dioxide that has permeated through a membrane from a permeation side surface, wherein the CO 2 facilitated transport membrane is formed from rubidium carbonate, rubidium bicarbonate, or rubidium hydroxide on a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane. Another feature is that the gel layer to which the additive is added is supported on a hydrophilic porous membrane.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の上記特徴によれば、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸(PVA/PAA)共重合体ゲル膜中に、水中への溶解度が比較的高い炭酸塩である炭酸ルビジウム(RbCO)が、透過物質である二酸化炭素をPVA/PAA共重合体ゲル層の二酸化炭素高濃度側界面から低濃度側界面へと輸送する二酸化炭素キャリアとして機能し、100℃以上の高温において90〜100程度以上の対水素選択性(CO/H)、及び、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンスを達成可能となる。 According to the above characteristics of the carbon dioxide separator according to the present invention, in the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer gel membrane, rubidium carbonate (Rb) which is a carbonate having a relatively high solubility in water. 2 CO 3 ) functions as a carbon dioxide carrier that transports carbon dioxide, which is a permeating substance, from the carbon dioxide high concentration side interface to the low concentration side interface of the PVA / PAA copolymer gel layer, at a high temperature of 100 ° C. or higher. It is possible to achieve a selectivity to hydrogen (CO 2 / H 2 ) of about 90 to 100 or more and a CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more. .

なお、炭酸ルビジウムの代わりに水酸化ルビジウム若しくは重炭酸ルビジウムを添加した場合においても、同様の効果を得ることができる。これは、炭酸セシウムの代わりに水酸化セシウム若しくは重炭酸セシウムを添加した場合において、炭酸セシウムを添加したときと同様の効果が得られることと同様の理由による。   The same effect can be obtained when rubidium hydroxide or rubidium bicarbonate is added instead of rubidium carbonate. This is because the same effect as that obtained when cesium carbonate is added is obtained when cesium hydroxide or cesium bicarbonate is added instead of cesium carbonate.

また、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記特徴に加えて、前記親水性の多孔膜に担持された前記ゲル層が疎水性の多孔膜によって被覆されていることを別の特徴とする。   In addition to the above feature, the carbon dioxide separator according to the present invention has another feature that the gel layer supported on the hydrophilic porous membrane is covered with a hydrophobic porous membrane.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の上記特徴によれば、親水性の多孔膜で担持されたゲル層が疎水性の多孔膜によって保護され、使用時におけるCO促進輸送膜の強度が増す。この結果、CO促進輸送膜の両側(反応器内外)での圧力差が大きく(例えば、2気圧以上)なっても十分な膜強度を確保できる。更に、ゲル層が疎水性の多孔膜によって被覆されるため、水蒸気が疎水性の多孔膜の膜表面に凝縮しても当該多孔膜が疎水性のために水がはじかれてゲル層内にしみ込むのを防止している。よって、疎水性の多孔膜によって、ゲル層中の二酸化炭素キャリアが水で薄められ、また、薄められた二酸化炭素キャリアがゲル層から流出することを防止できる。 According to the above feature of the carbon dioxide separator according to the present invention, the gel layer supported by the hydrophilic porous membrane is protected by the hydrophobic porous membrane, and the strength of the CO 2 facilitated transport membrane during use is increased. As a result, sufficient membrane strength can be ensured even if the pressure difference between both sides of the CO 2 facilitated transport membrane (inside and outside the reactor) is large (eg, 2 atm or more). Furthermore, since the gel layer is covered with a hydrophobic porous membrane, even if water vapor is condensed on the membrane surface of the hydrophobic porous membrane, the porous membrane is hydrophobic and water is repelled and penetrates into the gel layer. Is preventing. Therefore, the hydrophobic porous membrane can dilute the carbon dioxide carrier in the gel layer with water, and can prevent the thinned carbon dioxide carrier from flowing out of the gel layer.

また、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記特徴に加えて、前記ゲル層が、アルデヒド基由来の架橋構造を有することを別の特徴とする。   The carbon dioxide separator according to the present invention is characterized in that, in addition to the above characteristics, the gel layer has a crosslinked structure derived from an aldehyde group.

本発明に係るCO促進輸送膜の上記特徴によれば、ゲル層に形成された架橋構造によって膜内に欠陥が生じにくくなり、この結果、Hパーミアンスが大きく低下する。一方で、COパーミアンスは、Hパーミアンスほどの低下を招来しない。これにより、更に高いCO/H選択性を示す促進輸送膜を実現することができる。 According to the above characteristics of the CO 2 facilitated transport film according to the present invention, the cross-linked structure formed in the gel layer makes it difficult for defects to occur in the film, and as a result, the H 2 permeance is greatly reduced. On the other hand, the CO 2 permeance does not cause a decrease as much as the H 2 permeance. Thus, it is possible to realize a facilitated transport membrane which exhibits a higher CO 2 / H 2 selectivity.

なお、このとき、添加する架橋剤としては、グルタルアルデヒドやホルムアルデヒドを採用することができる。グルタルアルデヒドを添加する場合においては、PVA/PAA共重合体1gに対して0.008〜0.015g程度添加することで、特に高いCO/H選択性を示すことができる。 At this time, glutaraldehyde or formaldehyde can be employed as a crosslinking agent to be added. In the case of adding glutaraldehyde, particularly high CO 2 / H 2 selectivity can be shown by adding about 0.008 to 0.015 g to 1 g of PVA / PAA copolymer.

また、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記特徴に加え、前記親水性の多孔膜が100℃以上の耐熱性を備えていることを別の特徴とする。   Further, the carbon dioxide separator according to the present invention is characterized in that, in addition to the above characteristics, the hydrophilic porous membrane has heat resistance of 100 ° C. or higher.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の上記特徴によれば、常温から100℃以上に亘る広範な温度範囲での使用が可能となる。具体的には、親水性の多孔膜が100℃以上の耐熱性を備えることで100℃以上の温度領域での使用が可能となる。   According to the above feature of the carbon dioxide separator according to the present invention, it can be used in a wide temperature range from room temperature to 100 ° C. or more. Specifically, the hydrophilic porous membrane has heat resistance of 100 ° C. or higher, so that it can be used in a temperature region of 100 ° C. or higher.

また、本発明に係るCO促進輸送膜は、上記特徴に加え、前記ゲル層,並びに前記親水性の多孔膜は、共に軸心を同一にした筒形状であって、一方の膜が、その内側面を他方の膜の外側面と接触させて、前記他方の膜を取り囲むように構成されていることを特徴とする。 In addition to the above characteristics, the CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention has a cylindrical shape in which both the gel layer and the hydrophilic porous membrane have the same axial center, and one membrane has The inner surface is brought into contact with the outer surface of the other film so as to surround the other film.

このとき、前記親水性の多孔膜として、アルミナ等のセラミックス製の膜を利用することができる。   At this time, a film made of ceramics such as alumina can be used as the hydrophilic porous film.

また、前記ゲル層を、前記親水性の多孔膜を取り囲むように、前記親水性の多孔膜の外側に形成することができる。   Further, the gel layer can be formed outside the hydrophilic porous film so as to surround the hydrophilic porous film.

本発明の構成によれば、100℃以上の高温及び加圧条件下において十分な膜性能を発揮可能なCO促進輸送膜を用いた二酸化炭素分離装置を実現することができ、また、かかるCO促進輸送膜を用いた二酸化炭素分離方法を提供することができる。 According to the configuration of the present invention, it is possible to realize a carbon dioxide separation apparatus using a CO 2 facilitated transport membrane capable of exhibiting sufficient membrane performance at a high temperature of 100 ° C. or higher and a pressurized condition. 2 A carbon dioxide separation method using a facilitated transport membrane can be provided.

本発明に係る二酸化炭素分離装置の一実施形態における概略の構成を模式的に示す構成図The block diagram which shows typically the schematic structure in one Embodiment of the carbon dioxide separator which concerns on this invention 本発明に係るCO促進輸送膜の一実施形態における構造を模式的に示す断面図Sectional view schematically showing the structure of an embodiment of a CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の作製方法を示す工程図Process diagram showing the manufacturing method of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention CO促進輸送膜の比較例サンプルの構造を模式的に示す断面図Sectional view schematically showing the structure of a comparative sample of a CO 2 -facilitated transport membrane 本発明に係るCO促進輸送膜の膜性能を評価するための実験装置の構成図Configuration diagram of an experimental apparatus for evaluating the membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の親水性多孔膜の使用によるCO/H選択性の改善効果を示す図(1)Figure shows the effect of improving CO 2 / H 2 selectivity by use of a hydrophilic porous membrane of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention (1) 本発明に係るCO促進輸送膜の親水性多孔膜の使用によるCO/H選択性の改善効果を示す図(2)Illustrates the effect of improving CO 2 / H 2 selectivity by use of a hydrophilic porous membrane of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention (2) 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性の原料ガスの圧力とキャリア濃度に対する依存性を示す図It shows the dependence on the pressure and the carrier concentration of the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of the source gas CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性のキャリア濃度に対する依存性を示す図It shows the dependence on CO 2 permeance R carrier concentration of CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性の原料ガスの圧力と使用温度に対する依存性を示す図It shows the dependence on CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 pressure and operating temperature of the selectivity of the raw material gas of CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性の使用温度に対する依存性を示す図It shows the dependence on CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of the use temperature of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性の原料ガスの圧力と水蒸気モル%に対する依存性を示す図It shows the dependence on pressure and water vapor mole% of CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of the source gas CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択性の経時変化を示す図Shows the time course of CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第2実施形態の実施例1の方法で作製された本発明膜の膜性能を示すグラフGraph showing the membrane performance of the prepared membrane of the present invention by the method of Example 1 of the second embodiment of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第2実施形態の実施例2の方法で作製された本発明膜の膜性能を示すグラフGraph showing the membrane performance of the prepared membrane of the present invention in a second embodiment the method of Example 2 of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第2実施形態の実施例3の方法で作製された本発明膜の膜性能を示すグラフGraph showing the membrane performance of the prepared membrane of the present invention in Example 3 of the method of the second embodiment of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第2実施形態の実施例1の方法で作製された本発明膜の膜性能の経時変化を示すグラフA graph showing changes over time in membrane performance of the prepared membrane of the present invention by the method of Example 1 of the second embodiment of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第3実施形態の構造を模式的に示す断面図Sectional view schematically showing the structure of a third embodiment of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の第3実施形態のCOパーミアンス、Hパーミアンス、並びにCO/H選択性の原料ガスの圧力に対する依存性を示す図Shows the dependence on a third embodiment of the CO 2 permeance, H 2 permeance and CO 2 / H 2 pressure of selectivity of the raw material gas of CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 円筒型と平板型の促進輸送膜における、COパーミアンスRCO2とCO/H選択性の経時変化の比較図Comparison diagram of CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity over time in cylindrical and flat type facilitated transport membranes CO促進輸送膜を備えたCO変成器における各種ガスの流れを示す図The figure which shows the flow of various gases in the CO transformer equipped with the CO 2 facilitated transport film CO促進輸送膜を備えている場合と備えていない場合における、CO変成器の触媒層長に対する一酸化炭素及び二酸化炭素の各濃度変化の比較図Comparison chart of changes in carbon monoxide and carbon dioxide concentrations versus the catalyst layer length of the CO converter with and without a CO 2 facilitated transport membrane

本発明に係る二酸化炭素分離装置(以下、適宜「本発明装置」という。)の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。   An embodiment of a carbon dioxide separator according to the present invention (hereinafter referred to as “the present apparatus” as appropriate) will be described with reference to the drawings.

本装置は、図1に示すように、CO促進輸送膜10を備えたCO変成器(CO透過型メンブレンリアクター)20を備え、CO促進輸送膜10によって二酸化炭素が選択的に分離された後の処理済ガスFG’は、排気経路から排気される構成である。 The apparatus, as shown in FIG. 1, includes a CO transformer (CO 2 permeable membrane reactor) 20 having a CO 2 -facilitated transport membrane 10, the carbon dioxide is selectively separated by the CO 2 -facilitated transport membrane 10 Thereafter, the processed gas FG ′ is exhausted from the exhaust path.

CO透過型メンブレンリアクター20は、例えば、水蒸気改質器(図示せず)で生成された原料ガスFG中の水素以外に含まれる一酸化炭素を、上述の(化1)に示すCO変成反応によって除去する装置であって、CO変成反応で生成される二酸化炭素をCO促進輸送膜10により選択的にCO変成器外部に除去することで、CO変成反応の化学平衡を水素生成側にシフトさせることができ、同一反応温度において高い転化率で、一酸化炭素及び二酸化炭素を平衡の制約による限界を超えて除去することが可能である。 The CO 2 permeable membrane reactor 20 is configured to convert, for example, carbon monoxide contained in the raw material gas FG other than hydrogen in a steam reformer (not shown) into CO conversion reaction shown in the above (Chemical Formula 1). The carbon dioxide generated by the CO shift reaction is selectively removed to the outside of the CO shift converter by the CO 2 facilitated transport membrane 10 to shift the chemical equilibrium of the CO shift reaction to the hydrogen generation side. It is possible to remove carbon monoxide and carbon dioxide beyond the limits due to equilibrium constraints with high conversion at the same reaction temperature.

本発明装置では、CO変成反応に供するCO変成触媒の性能が温度とともに低下する傾向にあるため、使用温度は最低でも100℃であると考え、CO促進輸送膜10の原料側面に供給される原料ガスFGの供給温度は100℃以上となっている。従って、原料ガスFGは、CO促進輸送膜10より上流側において、CO変成触媒の触媒活性に適した温度に調整された後に、CO変成反応(発熱反応)を経てCO促進輸送膜10に供給される。なお、CO変成反応後の原料ガス温度を低下させる処理を行ってから原料ガスをCO促進輸送膜10に供給しても構わない。 In the apparatus of the present invention, the performance of the CO shift catalyst for the CO shift reaction tends to decrease with temperature. Therefore, the operating temperature is considered to be at least 100 ° C., and is supplied to the raw material side of the CO 2 facilitated transport membrane 10. The supply temperature of the raw material gas FG is 100 ° C. or higher. Thus, the feed gas FG is the upstream side of the CO 2 -facilitated transport membrane 10, after being adjusted to a temperature suitable for catalytic activity in CO conversion catalyst, the CO 2 -facilitated transport membrane 10 through the CO shift reaction (exothermic reaction) Supplied. Note that the raw material gas may be supplied to the CO 2 facilitated transport film 10 after performing a process of lowering the raw material gas temperature after the CO shift reaction.

CO促進輸送膜10を透過した二酸化炭素を含む透過ガスの分圧を低くして、CO促進輸送膜10の透過推進力を維持し、透過ガスPGを外部に排出するために、CO促進輸送膜10の外側面(透過側面)に沿ってスイープガスSGの通路21を設けてあり、当該通路の一方側から空気等のスイープガスSGを送入し、他方側からスイープガスSGとともに透過ガスPGを排出する構造となっている。具体的には、例えば、CO透過型メンブレンリアクター20を二重管構造として内管内をCO変成器として、内管と外管の間をスイープガスの通路21として構成する。 The partial pressure of the permeated gas containing carbon dioxide that has passed through the CO 2 -facilitated transport membrane 10 by lowering, in order to maintain the transmission driving force of CO 2 facilitated transport membrane 10, for discharging the permeate gas PG to the outside, CO 2 A sweep gas SG passage 21 is provided along the outer side surface (permeation side surface) of the facilitated transport film 10, and a sweep gas SG such as air is fed from one side of the passage and permeated with the sweep gas SG from the other side. The gas PG is discharged. Specifically, for example, the CO 2 permeable membrane reactor 20 is configured as a double tube structure, the inner tube is configured as a CO transformer, and the space between the inner tube and the outer tube is configured as a sweep gas passage 21.

また、原料ガスFGは、上流側の水蒸気改質器から所定の圧力でCO透過型メンブレンリアクター20に送入される。 The raw material gas FG is sent to the CO 2 permeable membrane reactor 20 from the upstream steam reformer at a predetermined pressure.

次に、本発明装置で使用するCO促進輸送膜10(以下、適宜「本発明膜10」という)について説明する。 Next, the CO 2 facilitated transport membrane 10 used in the apparatus of the present invention (hereinafter referred to as “the present invention membrane 10” as appropriate) will be described.

[本発明膜の第1実施形態]
本発明膜の第1実施形態について、以下に図2〜図13及び表1を参照して説明する。
[First embodiment of the membrane of the present invention]
1st Embodiment of this invention film | membrane is described with reference to FIGS. 2-13 and Table 1 below.

本発明膜は、水分を含むゲル膜内に二酸化炭素キャリアを含有したCO促進輸送膜であって、100℃以上の使用温度、高い二酸化炭素透過性とCO/H選択性を有するCO透過型メンブレンリアクターへ応用可能なCO促進輸送膜である。更に、本発明膜は、高いCO/H選択性を安定して実現するために、二酸化炭素キャリアを含有したゲル膜を担持する支持膜として、親水性の多孔膜を採用している。 The membrane of the present invention is a CO 2 facilitated transport membrane containing a carbon dioxide carrier in a gel membrane containing water, and has a use temperature of 100 ° C. or higher, high carbon dioxide permeability and CO 2 / H 2 selectivity. This is a CO 2 facilitated transport membrane applicable to a two- permeable membrane reactor. Furthermore, the membrane of the present invention employs a hydrophilic porous membrane as a support membrane that supports a gel membrane containing a carbon dioxide carrier in order to stably realize high CO 2 / H 2 selectivity.

具体的には、本発明膜は、膜材料として、ポリビニルアルコール‐ポリアクリル酸(PVA/PAA)共重合体を使用し、二酸化炭素キャリアとして、炭酸セシウム(CsCO)を使用する。また、本発明膜は、図2に模式的に示すように、二酸化炭素キャリアを含有するPVA/PAAゲル膜1を担持した親水性多孔膜2が、2枚の疎水性多孔膜3,4に挟持される3層構造で構成される。以下、二酸化炭素キャリアを含有するPVA/PAAゲル膜を、二酸化炭素キャリアを含有しないPVA/PAAゲル膜、及び、2枚の疎水性多孔膜を備えた構造の本発明膜と区別するために、適宜「含浸ゲル膜」と略称する。また、この含浸ゲル膜中のPVA/PAAとCsCOの全重量を基準として、含浸ゲル膜中において、PVA/PAAは約20〜80重量%の範囲で存在し、CsCOは約20〜80重量%の範囲で存在する。 Specifically, the membrane of the present invention uses a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer as a membrane material, and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) as a carbon dioxide carrier. Further, in the membrane of the present invention, as schematically shown in FIG. 2, the hydrophilic porous membrane 2 carrying the PVA / PAA gel membrane 1 containing carbon dioxide carrier is divided into two hydrophobic porous membranes 3 and 4. It is composed of a three-layer structure that is sandwiched. Hereinafter, in order to distinguish a PVA / PAA gel membrane containing a carbon dioxide carrier from a PVA / PAA gel membrane not containing a carbon dioxide carrier, and a membrane of the present invention having a structure comprising two hydrophobic porous membranes, It is abbreviated as “impregnated gel film” as appropriate. Further, based on the total weight of PVA / PAA and Cs 2 CO 3 in the impregnated gel film, PVA / PAA is present in the range of about 20 to 80% by weight in the impregnated gel film, and Cs 2 CO 3 is It is present in the range of about 20-80% by weight.

親水性多孔膜は、親水性に加えて、100℃以上の耐熱性、機械的強度、含浸ゲル膜との密着性を有するのが好ましく、更に、多孔度(空隙率)が55%以上で、細孔径は0.1〜1μmの範囲にあるのが好ましい。本実施形態では、これらの条件を備えた親水性多孔膜として、親水性化した四フッ化エチレン重合体(PTFE)多孔膜を使用する。   The hydrophilic porous membrane preferably has, in addition to hydrophilicity, heat resistance of 100 ° C. or higher, mechanical strength, and adhesion to the impregnated gel membrane, and further has a porosity (porosity) of 55% or more, The pore diameter is preferably in the range of 0.1 to 1 μm. In the present embodiment, a hydrophilic tetrafluoroethylene polymer (PTFE) porous membrane is used as the hydrophilic porous membrane having these conditions.

疎水性多孔膜は、疎水性に加えて、100℃以上の耐熱性、機械的強度、含浸ゲル膜との密着性を有するのが好ましく、更に、多孔度(空隙率)が55%以上で、細孔径は0.1〜1μmの範囲にあるのが好ましい。本実施形態では、これらの条件を備えた疎水性多孔膜として、親水性化していない四フッ化エチレン重合体(PTFE)多孔膜を使用する。   The hydrophobic porous membrane preferably has heat resistance of 100 ° C. or higher, mechanical strength, and adhesion to the impregnated gel membrane in addition to hydrophobicity, and further has a porosity (porosity) of 55% or more, The pore diameter is preferably in the range of 0.1 to 1 μm. In the present embodiment, a non-hydrophilic tetrafluoroethylene polymer (PTFE) porous membrane is used as the hydrophobic porous membrane having these conditions.

次に、本発明膜の作製方法(本発明方法)の一実施形態について、図3を参照して説明する。   Next, an embodiment of a method for producing a film of the present invention (method of the present invention) will be described with reference to FIG.

まず、PVA/PAA共重合体とCsCOを含む水溶液からなるキャスト溶液を作製する(工程1)。より詳細には、PVA/PAA共重合体(例えば、住友精化製の仮称SSゲル)を1g、CsCOを2.33g、サンプル瓶に秤取し、これに水20mlを加えて室温で5日間攪拌して溶解させてキャスト溶液を得る。 First, a cast solution composed of an aqueous solution containing a PVA / PAA copolymer and Cs 2 CO 3 is prepared (step 1). In more detail, 1 g of PVA / PAA copolymer (for example, a temporary name SS gel manufactured by Sumitomo Seika), 2.33 g of Cs 2 CO 3 , weighed in a sample bottle, and 20 ml of water was added thereto at room temperature. And cast for 5 days to obtain a cast solution.

次に、工程1で得たキャスト溶液中の気泡を除去するために、遠心分離(回転数5000rpmで30分間)を行う(工程2)。   Next, in order to remove bubbles in the cast solution obtained in Step 1, centrifugation (rotation speed: 5000 rpm for 30 minutes) is performed (Step 2).

次に、工程2で得たキャスト溶液を、親水性PTFE多孔膜(例えば、住友電工製,WPW−020−80、膜厚80μm、細孔径0.2μm、空隙率75%)と疎水性PTFE多孔膜(例えば、住友電工製、フロロポアFP010、膜厚60μm、細孔径0.1μm、空隙率55%)を2枚重ね合わせた層状多孔膜の親水性PTFE多孔膜側の面上に、アプリケータでキャストする(工程3)。なお、後述する実施例のサンプルでのキャスト厚は500μmである。ここで、キャスト溶液は、親水性PTFE多孔膜中の細孔内に浸透するが、疎水性のPTFE多孔膜の境界面で浸透が停止し、層状多孔膜の反対面までキャスト溶液がしみ込まず、層状多孔膜の疎水性PTFE多孔膜側面にはキャスト溶液が存在せず取り扱いが容易となる。   Next, the cast solution obtained in step 2 is mixed with a hydrophilic PTFE porous membrane (for example, manufactured by Sumitomo Electric, WPW-020-80, film thickness 80 μm, pore diameter 0.2 μm, porosity 75%) and hydrophobic PTFE porous On the hydrophilic PTFE porous membrane side surface of the layered porous membrane in which two membranes (for example, made by Sumitomo Electric, Fluoropore FP010, film thickness 60 μm, pore diameter 0.1 μm, porosity 55%) are overlapped with an applicator Cast (step 3). In addition, the cast thickness in the sample of the Example mentioned later is 500 micrometers. Here, the cast solution penetrates into the pores in the hydrophilic PTFE porous membrane, but the penetration stops at the boundary surface of the hydrophobic PTFE porous membrane, and the cast solution does not penetrate to the opposite surface of the layered porous membrane, There is no casting solution on the side surface of the porous porous membrane of the layered porous membrane, and the handling becomes easy.

次に、キャスト後の親水性PTFE多孔膜を室温で一昼夜自然乾燥させた後、キャスト溶液をゲル化させゲル層を生成する(工程4)。この方法では、工程3において、キャスト溶液を層状多孔膜の親水性PTFE多孔膜側の表面にキャストするため、工程4において、ゲル層は、親水性PTFE多孔膜の表面(キャスト面)に形成されるのみならず細孔内にも充填して形成されるので、欠陥(ピンホール等の微小欠陥)が生じ難くなり、ゲル層の製膜成功率が高くなる。なお、工程4において、自然乾燥させたPTFE多孔膜を、更に、120℃程度の温度で、2時間程度熱架橋するのが望ましい。なお、後述する実施例及び比較例のサンプルでは、何れも熱架橋を行っている。   Next, the hydrophilic PTFE porous membrane after casting is naturally dried overnight at room temperature, and then the cast solution is gelled to form a gel layer (step 4). In this method, since the cast solution is cast on the hydrophilic PTFE porous membrane side surface of the layered porous membrane in Step 3, the gel layer is formed on the surface (cast surface) of the hydrophilic PTFE porous membrane in Step 4. In addition to being formed in the pores, defects (micro-defects such as pinholes) are less likely to occur, and the success rate of forming the gel layer is increased. In Step 4, it is desirable that the naturally dried PTFE porous membrane is further thermally crosslinked at a temperature of about 120 ° C. for about 2 hours. In the samples of Examples and Comparative Examples described later, thermal crosslinking is performed.

次に、工程4で得た親水性PTFE多孔膜表面のゲル層側に、工程3で用いた層状多孔膜の疎水性PTFE多孔膜と同じ疎水性PTFE多孔膜を重ね、図2に模式的に示すように、疎水性PTFE多孔膜/ゲル層(親水性PTFE多孔膜に担持された含浸ゲル膜)/疎水性PTFE多孔膜よりなる3層構造の本発明膜を得る(工程5)。なお、図2において、含浸ゲル膜1が親水性PTFE多孔膜2の細孔内に充填している様子を模式的に直線状に表示している。   Next, on the gel layer side of the hydrophilic PTFE porous membrane surface obtained in step 4, the same hydrophobic PTFE porous membrane as that of the layered porous membrane used in step 3 is overlaid and schematically shown in FIG. As shown, a membrane of the present invention having a three-layer structure comprising a hydrophobic PTFE porous membrane / gel layer (impregnated gel membrane supported on a hydrophilic PTFE porous membrane) / hydrophobic PTFE porous membrane is obtained (step 5). In FIG. 2, the state in which the impregnated gel film 1 is filled in the pores of the hydrophilic PTFE porous film 2 is schematically displayed in a straight line.

以上、工程1〜工程5を経て作製された本発明膜は、後述するようにCO透過型メンブレンリアクターへ応用可能な膜性能、即ち、使用温度100℃以上、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンス、及び、90〜100程度以上のCO/H選択性が実現できる。 As described above, the membrane of the present invention produced through the steps 1 to 5 can be applied to a CO 2 permeable membrane reactor, that is, a use temperature of 100 ° C. or higher, 2 × 10 −5 mol / ( CO 2 permeance of about m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more and CO 2 / H 2 selectivity of about 90 to 100 or more can be realized.

また、ゲル層を疎水性PTFE多孔膜で挟持した3層構造とすることにより、一方の疎水性PTFE多孔膜は、工程3及び工程4で用いられ、含浸ゲル膜を担持する親水性PTFE多孔膜の支持とキャスト溶液の浸透防止に供せられ、他方の疎水性PTFE多孔膜は、含浸ゲル膜を他方面側から保護するのに用いられる。   Further, by forming a three-layer structure in which the gel layer is sandwiched between the hydrophobic PTFE porous membranes, one hydrophobic PTFE porous membrane is used in Step 3 and Step 4, and is a hydrophilic PTFE porous membrane carrying the impregnated gel membrane. The other hydrophobic PTFE porous membrane is used to protect the impregnated gel membrane from the other surface side.

更に、水蒸気が疎水性PTFE多孔膜の膜表面に凝縮しても当該PTFE多孔膜が疎水性のために水がはじかれて含浸ゲル膜にしみ込むのを防止している。よって、他方のPTFE多孔膜によって、含浸ゲル膜中の二酸化炭素キャリアが水で薄められ、また、薄められた二酸化炭素キャリアが含浸ゲル膜から流出することを防止できる。   Furthermore, even if water vapor is condensed on the surface of the hydrophobic PTFE porous membrane, the PTFE porous membrane is hydrophobic and prevents water from being repelled and penetrating into the impregnated gel membrane. Therefore, the other PTFE porous membrane can dilute the carbon dioxide carrier in the impregnated gel membrane with water and prevent the thinned carbon dioxide carrier from flowing out of the impregnated gel membrane.

以下、具体的な実施例の膜性能について説明する。   Hereinafter, the film performance of specific examples will be described.

まず、含浸ゲル膜を担持する多孔膜として、親水性PTFE多孔膜を使用した実施例と、疎水性PTFE多孔膜を使用した比較例の各サンプルの膜組成について説明する。   First, the film composition of each sample of an example using a hydrophilic PTFE porous film and a comparative example using a hydrophobic PTFE porous film as a porous film carrying an impregnated gel film will be described.

実施例のサンプルは、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:CsCO)の配合比率は、記載の順に、(30重量%:70重量%)となっている。なお、以下では、共重合体重量とキャリア重量の合計重量に対するキャリア重量の比率を「キャリア濃度」と記載する。即ち、上記の例の場合、キャリア濃度は70%である。 The sample of the example was manufactured by the above-described manufacturing method. The blending ratio of (PVA / PAA: Cs 2 CO 3 ) is (30% by weight: 70% by weight) in the order of description. Hereinafter, the ratio of the carrier weight to the total weight of the copolymer weight and the carrier weight is referred to as “carrier concentration”. That is, in the above example, the carrier concentration is 70%.

比較例のサンプルは、上述の作製方法において、親水性PTFE多孔膜と疎水性PTFE多孔膜の層状多孔膜に替えて1層の疎水性PTFE多孔膜を使用して作製された。従って、比較例のサンプルは、図4に模式的に示すように、二酸化炭素キャリアを含有するPVA/PAAゲル膜1が、2枚の疎水性多孔膜3,4の間に挟持される3層構造で構成される。(PVA/PAA:CsCO)の配合比率は、実施例と同じである。 The sample of the comparative example was prepared by using one layer of a hydrophobic PTFE porous membrane in place of the layered porous membrane of the hydrophilic PTFE porous membrane and the hydrophobic PTFE porous membrane in the above-described production method. Therefore, in the sample of the comparative example, as schematically shown in FIG. 4, a PVA / PAA gel film 1 containing a carbon dioxide carrier is sandwiched between two hydrophobic porous films 3 and 4. Composed of structure. The blending ratio of (PVA / PAA: Cs 2 CO 3 ) is the same as in the example.

次に、実施例、及び、比較例の各サンプルの膜性能を評価するための実験装置の構成及び実験方法について、図5を参照して説明する。   Next, the configuration of the experimental apparatus and the experimental method for evaluating the film performance of each sample of the example and the comparative example will be described with reference to FIG.

図5に示すように、各サンプル10は、ステンレス製の流通式ガス透過セル11(膜面積:2.88cm)の原料側室12と透過側室13の間に、2枚のフッ素ゴム製ガスケットをシール材として用いて固定されている。原料ガス(CO、H、HOからなる混合ガス)FGを、2.24×10−2mol/minの流量で原料側室12に供給し、スイープガス(Arガス)SGを、8.18×10−4mol/minの流量で透過側室13に供給する。原料側室12の圧力は、排気ガスの排出路の途中の冷却トラップ14の下流側に設けられた背圧調整器15で調整される。透過側室13の圧力は大気圧である。透過側室13から排出するスイープガスSG’中の水蒸気を冷却トラップ16で除去した後のガス組成をガスクロマトグラフ17で定量し、これとスイープガスSG中のArの流量よりCO及びHのパーミアンス[mol/(m・s・kPa)]を計算し、その比より、CO/H選択性を算出する。なお、冷却トラップ16とガスクロマトグラフ17の間にも背圧調整器19が設けられており、これによって透過側室13の圧力が調整される。 As shown in FIG. 5, each sample 10 has two fluororubber gaskets between a raw material side chamber 12 and a permeation side chamber 13 of a stainless steel flow type gas permeation cell 11 (membrane area: 2.88 cm 2 ). It is fixed by using it as a sealing material. A source gas (mixed gas composed of CO 2 , H 2 , H 2 O) FG is supplied to the source side chamber 12 at a flow rate of 2.24 × 10 −2 mol / min, and a sweep gas (Ar gas) SG is supplied at 8 .Supply to the permeation side chamber 13 at a flow rate of 18 × 10 −4 mol / min. The pressure in the raw material side chamber 12 is adjusted by a back pressure regulator 15 provided on the downstream side of the cooling trap 14 in the middle of the exhaust gas discharge path. The pressure in the transmission side chamber 13 is atmospheric pressure. The gas composition after the water vapor in the sweep gas SG ′ discharged from the permeation side chamber 13 is removed by the cooling trap 16 is quantified by the gas chromatograph 17 and the permeance of CO 2 and H 2 from this and the flow rate of Ar in the sweep gas SG. [Mol / (m 2 · s · kPa)] is calculated, and the CO 2 / H 2 selectivity is calculated from the ratio. A back pressure regulator 19 is also provided between the cooling trap 16 and the gas chromatograph 17, thereby adjusting the pressure in the permeation side chamber 13.

原料ガスFGは、CO変成器内における原料ガスを模擬するために、CO、H、HOからなる第1混合ガスを、CO:5.0%、H:45%、HO:50%の混合比率(モル%)に調整した。具体的には、10%COと90%H(モル%)よりなる混合ガス流(25℃での流量:200cm/min、8.18×10−3mol/min)に水を定量送液ポンプ18で送入し(流量:0.256cm/min、1.42×10−2mol/min)、100℃以上に加熱して水分を蒸発させて、上記混合比率の混合ガスを調製し、これを原料側室12に供給した。 In order to simulate the raw material gas in the CO transformer, the raw material gas FG is obtained by using a first mixed gas composed of CO 2 , H 2 , and H 2 O as follows: CO 2 : 5.0%, H 2 : 45%, H 2 O: The mixture ratio was adjusted to 50% (mol%). Specifically, water is quantified in a mixed gas flow (flow rate at 25 ° C .: 200 cm 3 / min, 8.18 × 10 −3 mol / min) composed of 10% CO 2 and 90% H 2 (mol%). It was fed by the liquid feed pump 18 (flow rate: 0.256 cm 3 / min, 1.42 × 10 −2 mol / min), heated to 100 ° C. or more to evaporate the water, and the mixed gas having the above mixing ratio was This was prepared and supplied to the raw material side chamber 12.

スイープガスSGは、サンプル膜を透過する被測定ガス(CO、H)の透過側室側の分圧を低くして、透過推進力を維持するために供給され、被測定ガスと異なるガス種(Arガス)を用いる。具体的には、Arガス(25℃での流量:20cm/min、8.13×10−4mol/min)を透過側室13に供給した。 The sweep gas SG is supplied in order to reduce the partial pressure on the permeate side chamber side of the gas to be measured (CO 2 , H 2 ) that permeates the sample membrane and maintain the permeation driving force, and is a gas type different from the gas to be measured. (Ar gas) is used. Specifically, Ar gas (flow rate at 25 ° C .: 20 cm 3 / min, 8.13 × 10 −4 mol / min) was supplied to the permeation side chamber 13.

なお、図示していないが、サンプル膜の使用温度、及び、原料ガスFGとスイープガスSGの温度を一定温度に維持するために、サンプル膜を固定した流通式ガス透過セル11と上記ガスを加熱する予熱コイルを、所定温度に設定したオイル恒温槽内に浸している。   Although not shown, in order to maintain the use temperature of the sample film and the temperatures of the raw material gas FG and the sweep gas SG at a constant temperature, the flow type gas permeable cell 11 to which the sample film is fixed and the gas are heated. The preheating coil is immersed in an oil thermostat set at a predetermined temperature.

次に、図6及び図7に、(1)実施例と(2)比較例の各サンプルのCOパーミアンスRCO2、HパーミアンスRH2、及びCO/H選択性を、原料側室12内の原料ガスFGの圧力(グラフ上では「原料側圧力」と記載。以下同様)を200kPa〜400kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。なお、図6は測定温度を160℃、図7は測定温度を180℃として、それぞれ測定したものである。また、グラフ上における原料側圧力の値は、原料側室12の圧力を調整するための背圧調整器15が示す圧力値を採用した。 Next, FIGS. 6 and 7 show the selectivity of CO 2 permeance R CO2 , H 2 permeance R H2 , and CO 2 / H 2 for each sample of (1) Examples and (2) Comparative Examples. The result of having measured the pressure of the raw material gas FG (described as “raw material side pressure” on the graph. The same applies hereinafter) in a pressure range of 200 kPa to 400 kPa is shown. FIG. 6 shows a measurement temperature of 160 ° C., and FIG. 7 shows a measurement temperature of 180 ° C. Moreover, the pressure value which the back pressure regulator 15 for adjusting the pressure of the raw material side chamber 12 showed as the value of the raw material side pressure on the graph was employ | adopted.

図6及び図7より、Hパーミアンスは、疎水性PTFE多孔膜を使用した比較例のサンプルの方が、親水性PTFE多孔膜を使用した実施例のサンプルより、全圧力範囲で高くなっているが、COパーミアンス、並びにCO/H選択性では、実施例のサンプルの方が、比較例のサンプルより大幅に改善されていることが分かる。これは、親水性膜の場合は、キャスト溶液を膜上にキャストすると、PTFE多孔膜の表面のみならず細孔内にもゲル層が充填されるので欠陥(ピンホール等の微小欠陥)が生じ難くなり、当該微小欠陥を介してガスパーミアンス、特に、Hパーミアンスが上昇するのが抑制されるためと考えられる。これに対し、疎水性膜の場合には、キャスト液が膜の細孔内には侵入せず、その表面に塗布されるので、欠陥が生じやすく、Hパーミアンスが上昇し、これによって選択性が低下するものと考えられる。 6 and 7, the H 2 permeance is higher in the entire pressure range in the comparative sample using the hydrophobic PTFE porous membrane than in the example using the hydrophilic PTFE porous membrane. However, in the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity, it can be seen that the sample of the example is significantly improved over the sample of the comparative example. This is because, in the case of a hydrophilic membrane, when the cast solution is cast on the membrane, the gel layer is filled not only on the surface of the PTFE porous membrane but also in the pores, so that defects (minute defects such as pinholes) occur. This is considered to be because the gas permeance, particularly the H 2 permeance, is suppressed from increasing through the minute defect. On the other hand, in the case of a hydrophobic membrane, the casting liquid does not penetrate into the pores of the membrane and is applied to the surface of the membrane, so that defects are likely to occur and the H 2 permeance is increased. Is considered to decrease.

なお、図6及び図7によれば、測定温度を変更しても、同様の特性が示されていることが分かる。   In addition, according to FIG.6 and FIG.7, even if it changes measurement temperature, it turns out that the same characteristic is shown.

また、上記特許文献1,2に開示されたCO促進輸送膜では、100℃以上の使用温度、2×10−5mol/(m・s・kPa)程度以上のCOパーミアンス、及び、90〜100程度以上のCO/H選択性の何れも満足していないのに対して、図6及び図7に示す実施例のサンプルは、全圧力範囲において全ての要件を概ね満足している。また、比較例のサンプルでも、100℃以上の使用温度条件下で、2×10−5mol/(m・s・kPa)程度以上のCOパーミアンスを示している。なお、比較例のサンプルでは、300kPa以上でCO/H選択性の低下が大きくなることが示唆されている。 In addition, in the CO 2 facilitated transport membrane disclosed in Patent Documents 1 and 2, a use temperature of 100 ° C. or more, a CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa), and While none of the CO 2 / H 2 selectivity of about 90-100 or more is satisfied, the samples of the examples shown in FIGS. 6 and 7 generally satisfy all the requirements in the entire pressure range. Yes. In addition, the sample of the comparative example also shows CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) or more under the operating temperature condition of 100 ° C. or higher. In the sample of Comparative Example, it has been suggested that reduction of CO 2 / H 2 selectivity at least 300kPa increases.

図6及び図7の結果を勘案すれば、特許文献1、2に開示されたCO促進輸送膜と比較して、CsCOを含有するPVA/PAAゲル膜を備える本発明膜の方が、100℃以上の高温条件下においてCOパーミアンスを向上させることができる。そして、特に支持膜を親水性多孔膜とすることで、COパーミアンス、及びCO/H選択性の値を顕著に向上させることができる。 Considering the results of FIG. 6 and FIG. 7, the membrane of the present invention having a PVA / PAA gel membrane containing Cs 2 CO 3 as compared with the CO 2 facilitated transport membrane disclosed in Patent Documents 1 and 2 However, CO 2 permeance can be improved under high temperature conditions of 100 ° C. or higher. Then, in particular the supporting layer by a hydrophilic porous membrane, CO 2 permeance and CO 2 / H value of 2 selectivity can be remarkably improved.

以下では、実施例と同様、親水性PTFE多孔膜によって含浸ゲル膜を担持する構成を有する本発明膜を用いてデータの取得を行った。   In the following, data acquisition was performed using the membrane of the present invention having a configuration in which an impregnated gel membrane is supported by a hydrophilic PTFE porous membrane as in the Examples.

次に、図8に、キャリア濃度を50wt%〜85wt%まで変化させて作製された各サンプルのCOパーミアンスRCO2、HパーミアンスRH2、及びCO/H選択性を、原料ガスFGの混合比率及び測定温度を図6と同一の条件とし、原料ガスFGの圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。 Next, FIG. 8 shows CO 2 permeance R CO2 , H 2 permeance R H2 , and CO 2 / H 2 selectivity of each sample produced by changing the carrier concentration from 50 wt% to 85 wt%, and the source gas FG. The mixing ratio and the measurement temperature are the same as in FIG. 6, and the result of measuring the pressure of the raw material gas FG in a pressurized state in the range of 200 kPa to 600 kPa is shown.

図8より、160℃の測定温度下において、キャリア濃度70wt%のときにCOパーミアンスRCO2が最大となり、また、原料ガスFGの圧力が500kPaのときにCOパーミアンスRCO2が最大となることが分かる。そして、キャリア濃度が80%以下の場合、及びキャリア濃度が85%の場合であって原料ガスFGの圧力が300kPa以上の場合には、いずれも5.0×10−5mol/(m・s・kPa)以上の高いCOパーミアンスを示すことが分かる。 From FIG. 8, in the measurement temperature of 160 ° C., CO 2 permeance R CO2 when the carrier concentration of 70 wt% is maximized, also be CO 2 permeance R CO2 is maximized when the pressure of the feed gas FG is 500kPa I understand. When the carrier concentration is 80% or less and when the carrier concentration is 85% and the pressure of the source gas FG is 300 kPa or more, both are 5.0 × 10 −5 mol / (m 2 · It can be seen that a high CO 2 permeance of (s · kPa) or higher is exhibited.

また、HパーミアンスRH2は、キャリア濃度が50wt%の場合を除くと、全体的に原料ガスFGの圧力が増加するとともに微減する傾向を示すことが分かる。 Further, it can be seen that the H 2 permeance R H2 tends to slightly decrease as the pressure of the raw material gas FG increases as a whole, except when the carrier concentration is 50 wt%.

更に、図8より、キャリア濃度が70wt%以上80wt%以下の場合には、原料ガスFGの圧力が200〜600kPaのいずれの場合においても90〜100程度以上のCO/H選択性を示すことが分かる。 Furthermore, as shown in FIG. 8, when the carrier concentration is 70 wt% or more and 80 wt% or less, CO 2 / H 2 selectivity of about 90 to 100 or more is exhibited in any case where the pressure of the source gas FG is 200 to 600 kPa. I understand that.

即ち、図8の結果より、本発明膜によれば、キャリア濃度を調整することにより、使用温度100℃以上(160℃)、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンス、及び、90〜100程度以上のCO/H選択性が実現できる。このため、本発明膜をCO透過型メンブレンリアクターに適用することができる。特に、70wt%〜80wt%の範囲内で全圧力範囲に亘って高いCO/H選択性を示すことが示唆されている。 That is, from the result of FIG. 8, according to the film of the present invention, the use temperature is adjusted to 100 ° C. or higher (160 ° C.), 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more CO 2 permeance and 90 to 100 or more CO 2 / H 2 selectivity can be realized. For this reason, the membrane of the present invention can be applied to a CO 2 permeable membrane reactor. In particular, it has been suggested that high CO 2 / H 2 selectivity is exhibited over the entire pressure range within the range of 70 wt% to 80 wt%.

また、図9は、原料ガス圧力を一定(501.3kPa)として、キャリア濃度とCOパーミアンスRCO2の関係、並びに、キャリア濃度とCO/H選択性の関係をそれぞれグラフにしたものである。なお、原料ガスFGの混合比率及び測定温度は図8の場合と同一の条件とした。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the carrier concentration and the CO 2 permeance R CO2 and the relationship between the carrier concentration and the CO 2 / H 2 selectivity, with the raw material gas pressure being constant (501.3 kPa). is there. Note that the mixing ratio of the source gas FG and the measurement temperature were the same as in FIG.

図9によれば、キャリア濃度が70wt%の場合に、COパーミアンス並びにCO/H選択性の双方が最も高い値を示すことが分かる。即ち、図9によれば、COパーミアンス並びにCO/H選択性は、いずれもキャリア濃度に依存することが分かる。特に、本発明膜をCO促進輸送膜として利用する際には、キャリア濃度を70wt%と設定することで、その能力を最大限発揮させることができる。 FIG. 9 shows that both the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity show the highest values when the carrier concentration is 70 wt%. That is, according to FIG. 9, it can be seen that the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity both depend on the carrier concentration. In particular, when the membrane of the present invention is used as a CO 2 facilitated transport membrane, the ability can be maximized by setting the carrier concentration to 70 wt%.

図10は、キャリア濃度を70wt%とし、原料ガスFGの混合比率を図8の場合と同様とした状態の下、測定温度を125℃以上200℃以下の範囲内で変化させたときの、COパーミアンスRCO2、HパーミアンスRH2、及びCO/H選択性を、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。 FIG. 10 shows CO 2 when the measurement temperature is changed within the range of 125 ° C. or more and 200 ° C. or less under the condition that the carrier concentration is 70 wt% and the mixing ratio of the raw material gas FG is the same as in FIG. 2 permeance R CO2 , H 2 permeance R H2 , and CO 2 / H 2 selectivity are shown as a result of measuring the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 in a pressure range of 200 kPa to 600 kPa.

図10によれば、測定温度が160℃のときが最もCOパーミアンスRCO2が大きくなっている。また、CO/H選択性については、測定温度が160℃並びに180℃におけるCO/H選択性が大きく、それより温度が上昇しても低下してもCO/H選択性が減少することが分かる。即ち、図10によれば、COパーミアンス並びにCO/H選択性は、測定温度にも依存することが分かる。特に、本発明膜をCO促進輸送膜として利用する際には、160℃の温度条件下で本発明膜を設置することで、その能力を最大限発揮させることができることが分かる。これにより、本発明膜によれば、特許文献1、2に開示された従来のCO促進輸送膜と比較して、十分高い温度条件下(125℃〜200℃)で高いCOパーミアンスと高いCO/H選択性を実現することができ、特に140℃〜180℃で良好な値を実現することが示唆される。 According to FIG. 10, when the measurement temperature is 160 ° C., the CO 2 permeance R CO2 is the largest. Moreover, CO for 2 / H 2 selectivity, CO 2 / H is larger 2 selectivity measured temperature is at 160 ° C. and 180 ° C., CO 2 / H 2 selectivity than the temperature it falls increased It can be seen that decreases. That is, according to FIG. 10, it can be seen that the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity also depend on the measurement temperature. In particular, when the membrane of the present invention is used as a CO 2 facilitated transport membrane, it can be seen that the ability can be maximized by installing the membrane of the present invention at a temperature of 160 ° C. Thereby, according to the membrane of the present invention, compared with the conventional CO 2 facilitated transport membrane disclosed in Patent Documents 1 and 2 , high CO 2 permeance and high under sufficiently high temperature conditions (125 ° C. to 200 ° C.) CO 2 / H 2 selectivity can be achieved, suggesting that good values are achieved especially at 140 ° C. to 180 ° C.

なお、本発明膜は、測定温度が200℃の場合であっても、COパーミアンスRCO2は1.0×10−4mol/(m・s・kPa)程度の値を示しており、2×10−5mol/(m・s・kPa)程度以上のCOパーミアンスを示すことが分かる。そして、一定温度条件下においては、原料ガスFGの圧力を変化してもCOパーミアンスの値はあまり変化していないことが分かる。 The present invention film even when the measurement temperature is 200 ° C., CO 2 permeance R CO2 shows a 1.0 × 10 -4 mol / (m 2 · s · kPa) about value, It can be seen that the CO 2 permeance is about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) or more. It can be seen that the CO 2 permeance value does not change so much even when the pressure of the raw material gas FG is changed under a constant temperature condition.

更に、図10によれば、200℃の高温条件下において、CO/H選択性は圧力300kPaの下で100に近い値を示していることが分かる。即ち、200℃程度の高温条件下でも、CO透過型メンブレンリアクターに適用可能なCO促進輸送膜を実現できることが分かる。 Furthermore, FIG. 10 shows that CO 2 / H 2 selectivity shows a value close to 100 under a pressure of 300 kPa under a high temperature condition of 200 ° C. That is, even under a high temperature condition of about 200 ° C., it is found that can achieve the applicable CO 2 -facilitated transport membrane to CO 2 permeable membrane reactor.

また、図11は、原料ガス圧力を一定(501.3kPa)として、測定温度とCOパーミアンスRCO2の関係、並びに、測定温度とCO/H選択性の関係をそれぞれグラフにしたものである。なお、原料ガスFGの混合比率及び測定温度は図10の場合と同一の条件とした。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the measurement temperature and CO 2 permeance R CO2 and the relationship between the measurement temperature and CO 2 / H 2 selectivity, with the raw material gas pressure being constant (501.3 kPa). is there. Note that the mixing ratio of the source gas FG and the measurement temperature were the same as in FIG.

図11によれば、測定温度が160℃の場合に、COパーミアンス並びにCO/H選択性の双方が最も高い値を示すことが分かる。即ち、図11によれば、COパーミアンス並びにCO/H選択性は、いずれも測定温度の高さに依存することが分かる。特に、本発明膜をCO促進輸送膜として利用する際には、160℃の温度条件下で利用することでその能力を最大限発揮させることができる。 According to FIG. 11, it can be seen that when the measurement temperature is 160 ° C., both the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity show the highest values. That is, according to FIG. 11, it can be seen that both the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity depend on the height of the measurement temperature. In particular, when the membrane of the present invention is used as a CO 2 facilitated transport membrane, its ability can be maximized by using it at a temperature of 160 ° C.

図12は、キャリア濃度を70wt%として作製されたサンプルのCOパーミアンスRCO2、HパーミアンスRH2、及びCO/H選択性を、原料ガスFGの混合比率及び測定温度を図6と同一の条件とし、水蒸気モル%を20%、30%、50%、70%、90%と変化させた場合において、原料ガスFGの圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。なお、具体的には、CO、H、HOからなる混合ガスを、COのモル%を5%と固定し、H並びにHOのモル%の合計が95%となるように、Hのモル%並びにHOのモル%(水蒸気モル%)をそれぞれ変更して測定した。 FIG. 12 shows the CO 2 permeance R CO2 , H 2 permeance R H2 , and CO 2 / H 2 selectivity of the sample prepared with a carrier concentration of 70 wt%, the mixing ratio of the raw material gas FG and the measurement temperature as shown in FIG. When the water vapor mol% was changed to 20%, 30%, 50%, 70%, and 90% under the same conditions, the result of measuring the pressure of the raw material gas FG in a pressurized state in the range of 200 kPa to 600 kPa Show. Note that, specifically, a mixed gas consisting of CO 2, H 2, H 2 O, the mole% of CO 2 was fixed to 5%, mole% of the sum of H 2 and H 2 O becomes 95% Thus, the measurement was performed by changing the mol% of H 2 and the mol% of H 2 O (water vapor mol%), respectively.

図12によれば、水蒸気モル%が高いほどCOパーミアンスの値が上昇し、逆に水蒸気モル%が低下するに連れCOパーミアンスの値も低下することが分かる。そして、水蒸気モル%を30%程度にまで低下させた場合においても、400kPaの原料ガスFGの圧力条件の下で約1×10−4mol/(m・s・kPa)程度のCOパーミアンスを示している。 According to FIG. 12, it can be seen that the higher the water vapor mol%, the higher the CO 2 permeance value, and conversely, the lower the water vapor mol%, the lower the CO 2 permeance value. Even when the water vapor mol% is reduced to about 30%, the CO 2 permeance of about 1 × 10 −4 mol / (m 2 · s · kPa) under the pressure condition of the raw material gas FG of 400 kPa. Is shown.

なお、Hパーミアンスの値は、水蒸気モル%が20%の場合においては大きく変化しているものの、他の値の場合にはあまり大きな差異が見られない。一方、CO/H選択性は、水蒸気モル%が低下するに連れほぼ全体的に低下することが分かる。そして、水蒸気モル%を30%としても、400kPaの原料ガスFGの圧力条件の下で約100程度のCO/H選択性を示している。 In addition, although the value of H 2 permeance changes greatly when the water vapor mol% is 20%, there is not much difference in other values. On the other hand, it can be seen that the CO 2 / H 2 selectivity decreases almost entirely as the water vapor mol% decreases. And even if water vapor mol% is set to 30%, CO 2 / H 2 selectivity of about 100 is shown under the pressure condition of the raw material gas FG of 400 kPa.

従って、図12のグラフにより、水蒸気モル%を30%以下に低く設定した条件下においても、本発明膜は優れた性能を示し、CO透過型メンブレンリアクターに適用可能なCO促進輸送膜を実現できることが分かる。従って、本発明装置は、原料ガスの水蒸気モル%が低い場合においても、CO分離性能を示すことができる。 Thus, the graph of FIG. 12, even under the conditions set low steam mol% to less than 30%, the membrane of the present invention shows a superior performance, the applicable CO 2 -facilitated transport membrane to CO 2 permeable membrane reactor It can be seen that it can be realized. Therefore, the apparatus of the present invention can exhibit CO 2 separation performance even when the water vapor mol% of the raw material gas is low.

また、図13は、本発明膜の長期性能を示すグラフ結果である。原料ガスをCO:5%、H:45%、HO:50%の混合比率(モル%)に調整し、原料ガスの圧力を351.03kPa、キャリア濃度を70wt%としたときの、COパーミアンスRCO2、並びにCO/H選択性の値の経時変化をグラフ化したものである。 FIG. 13 is a graph showing the long-term performance of the membrane of the present invention. When the source gas is adjusted to a mixing ratio (mol%) of CO 2 : 5%, H 2 : 45%, H 2 O: 50%, the pressure of the source gas is 351.03 kPa, and the carrier concentration is 70 wt% , CO 2 permeance R CO2 , and CO 2 / H 2 selectivity values over time.

図13によれば、時間が経過してもCOパーミアンスRCO2の値は大きな変化を示さず、ほぼ1.6×10−4mol/(m・s・kPa)程度の値を示した。また、CO/H選択性についても、同様に時間が経過しても大きな変化を示さず、ほぼ100程度の値を示した。このように、本発明膜によれば、時間経過に連れて性能が大きく低下するということがなく、長時間にわたって、優れた性能を示すCO透過型メンブレンリアクターに適用可能なCO促進輸送膜を実現できることが分かる。 According to FIG. 13, the value of CO 2 permeance R CO2 did not show a great change over time, and was about 1.6 × 10 −4 mol / (m 2 · s · kPa). . Similarly, the CO 2 / H 2 selectivity did not show a great change over time and showed a value of about 100. Thus, according to the membrane of the present invention, the CO 2 facilitated transport membrane that can be applied to a CO 2 permeable membrane reactor that exhibits excellent performance over a long period of time without significantly deteriorating with time. Can be realized.

また、下記表1は、膜材料を同一(PVA/PAA共重合体)とし、二酸化炭素キャリアとして用いる材料をCsCO以外の種々の炭酸塩としたときの、COパーミアンス、Hパーミアンス、及びCO/H選択性の値を、本発明膜と比較したものである。表1では、本発明膜で用いたCsの炭酸塩以外に、Na、K、Rbの炭酸塩を二酸化炭素キャリアとして利用した場合の上記データを測定した。なお、いずれの場合も、原料ガス圧力を401.33kPa、測定温度を160℃とし、原料ガスをCO:5.0%、H:45%、HO:50%の混合比率(モル%)に調整して各データの測定を行った。また、各膜は、上述した本発明膜の製法と同様の方法により製造した。 Table 1 below shows the CO 2 permeance and H 2 permeance when the membrane material is the same (PVA / PAA copolymer) and the carbon dioxide carrier is various carbonates other than Cs 2 CO 3. , And CO 2 / H 2 selectivity values are compared with the membrane of the present invention. In Table 1, the above data was measured when carbonates of Na, K, and Rb were used as carbon dioxide carriers in addition to the carbonate of Cs used in the membrane of the present invention. In either case, the raw material gas pressure was 401.33 kPa, the measurement temperature was 160 ° C., and the raw material gas was a CO 2 : 5.0%, H 2 : 45%, H 2 O: 50% mixing ratio (moles). %) To measure each data. Each film was manufactured by the same method as the above-described method for manufacturing the film of the present invention.

Figure 2013107076
Figure 2013107076

表1に示される結果によれば、NaCO膜による場合,COパーミアンスは非常に低く、そして高いHパーミアンスを示した。これは、NaCOの水中への溶解度が低いことから(表1参照)、キャスト膜を120℃で架橋するときに結晶が生成され、これによって均一な膜が得られなかったためと考えられる。また、KCO膜の場合、高いCOパーミアンスが得られたが、膜に欠陥が生じやすいためにHパーミアンスも大きくなり、高いCO/H選択性は得られなかった。一方、水中への溶解度が高いRbCOおよびCsCO(表1参照)を含む膜では、COパーミアンス並びにCO/H選択性ともに良好な結果が得られた。 According to the results shown in Table 1, the CO 2 permeance was very low and high H 2 permeance when using the Na 2 CO 3 membrane. This is probably because Na 2 CO 3 has a low solubility in water (see Table 1), so that crystals were formed when the cast film was crosslinked at 120 ° C., and a uniform film could not be obtained. . Further, in the case of the K 2 CO 3 membrane, a high CO 2 permeance was obtained, but since the membrane was prone to defects, the H 2 permeance was increased, and a high CO 2 / H 2 selectivity was not obtained. On the other hand, in the membrane containing Rb 2 CO 3 and Cs 2 CO 3 (see Table 1) having high solubility in water, good results were obtained for both CO 2 permeance and CO 2 / H 2 selectivity.

以上より、水中への溶解度の高い炭酸塩は、高温においてもCOのキャリアとして効率よく機能し,それを含有する膜は欠陥が生じにくく、高いCO透過性及び選択性を示すことが明らかになった。特に、CsCOをキャリアとする本発明膜によれば、高いCOパーミアンス及び高いCO/H選択性を示すCO促進輸送膜を実現することができる。従って、本発明装置が、かかるCO促進輸送膜を備えることで、高いCO分離能力を示すことができる。 From the above, it is clear that carbonates with high solubility in water function efficiently as CO 2 carriers even at high temperatures, and membranes containing them are less prone to defects and exhibit high CO 2 permeability and selectivity. Became. In particular, according to the membrane of the present invention using Cs 2 CO 3 as a carrier, a CO 2 facilitated transport membrane exhibiting high CO 2 permeance and high CO 2 / H 2 selectivity can be realized. Therefore, the device of the present invention can exhibit a high CO 2 separation capability by including such a CO 2 facilitated transport membrane.

[本発明膜の第2実施形態]
本発明膜の第2実施形態(以下、適宜「本実施形態」と称する)につき、図14〜図17の各図を参照して説明する。なお、本実施形態は、本発明膜の第1実施形態と比較して本発明膜及び本発明方法の一部構成が異なるのみであるため、同一の構成要素についてはその旨を記載して説明を割愛する。
[Second Embodiment of the Film of the Present Invention]
A second embodiment of the film of the present invention (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate) will be described with reference to FIGS. 14 to 17. Note that this embodiment is different from the first embodiment of the film of the present invention only in a part of the structure of the film of the present invention and the method of the present invention. Omit.

本実施形態では、第1実施形態と比較して、キャスト溶液を作製する工程(上記工程1)の内容が異なる。本実施形態では、第1実施形態の工程1に相当する工程(キャスト溶液作製工程)として以下の3通りの工程を行うものとし、それぞれを実施例1〜3と称する。   In this embodiment, the content of the process (the said process 1) which produces a cast solution differs compared with 1st Embodiment. In the present embodiment, the following three steps are performed as a step (cast solution preparation step) corresponding to step 1 of the first embodiment, and these are referred to as Examples 1 to 3, respectively.

(実施例1)
まず、PVA/PAA共重合体(例えば、住友精化製の仮称SSゲル)を1gに水20gを加えた後、室温で攪拌してゲルを溶解させる。次に、これにグルタルアルデヒドを0.008〜0.0343g程度加えた後、95℃の温度条件下で15時間攪拌する。そして、これにCsCOを2.33g加えて更に室温で攪拌することでキャスト溶液を得る。即ち、実施例1では、ゲル溶解工程、グルタルアルデヒド添加工程、高温下での攪拌工程、CsCO添加工程、室温下での攪拌工程、の順に処理を行うことでキャスト溶液を作製する。
Example 1
First, after adding 20 g of water to 1 g of a PVA / PAA copolymer (for example, a temporary name SS gel manufactured by Sumitomo Seika), the gel is dissolved by stirring at room temperature. Next, after adding about 0.008-0.0343g of glutaraldehyde to this, it stirs for 15 hours on 95 degreeC temperature conditions. Then, to obtain a cast solution by stirring further at room temperature was added 2.33g of Cs 2 CO 3 thereto. That is, in Example 1, a cast solution is prepared by performing a gel dissolution step, a glutaraldehyde addition step, a stirring step at a high temperature, a Cs 2 CO 3 addition step, and a stirring step at room temperature in this order.

(実施例2)
まず、PVA/PAA共重合体を1gに水20gを加えた後、室温で攪拌してゲルを溶解させる。次に、これにCsCOを2.33gと、グルタルアルデヒドを0.008〜0.0343g程度加えた後、室温で攪拌して溶解させる。その後、95℃の温度条件下で15時間攪拌することでキャスト溶液を得る。即ち、実施例2では、ゲル溶解工程、グルタルアルデヒド及びCsCO添加工程、室温下での攪拌工程、高温下での攪拌工程、の順に処理を行うことでキャスト溶液を作製する。
(Example 2)
First, after adding 20 g of water to 1 g of the PVA / PAA copolymer, the gel is dissolved by stirring at room temperature. Next, 2.33 g of Cs 2 CO 3 and about 0.008 to 0.0343 g of glutaraldehyde are added thereto, and the mixture is stirred and dissolved at room temperature. Then, a cast solution is obtained by stirring for 15 hours under a temperature condition of 95 ° C. That is, in Example 2, a cast solution is prepared by performing a gel dissolution step, a glutaraldehyde and Cs 2 CO 3 addition step, a stirring step at room temperature, and a stirring step at high temperature in this order.

(実施例3)
まず、PVA/PAA共重合体を1gに水20gを加えた後、室温で攪拌してゲルを溶解させる。次に、これにCsCOを2.33gと、グルタルアルデヒドを0.008〜0.0343g程度加えた後、室温で攪拌して溶解させることで、キャスト溶液を得る。即ち、実施例3では、ゲル溶解工程、グルタルアルデヒド及びCsCO添加工程、室温下での攪拌工程、の順に処理を行うことでキャスト溶液を作製する。
(Example 3)
First, after adding 20 g of water to 1 g of the PVA / PAA copolymer, the gel is dissolved by stirring at room temperature. Next, 2.33 g of Cs 2 CO 3 and about 0.008 to 0.0343 g of glutaraldehyde are added to this, and then dissolved by stirring at room temperature to obtain a cast solution. That is, in Example 3, a cast solution is prepared by performing a gel dissolution step, a glutaraldehyde and Cs 2 CO 3 addition step, and a stirring step at room temperature in this order.

なお、実施例1〜3の何れにおいても、キャスト溶液を作製後については、第1実施形態に記載の工程(工程2〜4)と同様の方法を用いてCO促進輸送膜を得る。即ち、キャスト溶液中の気泡を除去するために遠心分離を行った後、ガラス板上に疎水性PTFE多孔膜(膜厚60μm)と親水性PTFE多孔膜(膜厚80μm)を重ね合わせた層状多孔膜の親水性PTFE多孔膜側の面上に、前述のキャスト溶液をアプリケータを用いて厚さ500μmでキャストする。その後、室温で一昼夜乾燥させる。そして、更にこれを120℃程度の高温条件下で2時間程度保持することで、CO促進輸送膜を得る。 In any of Examples 1 to 3, after preparing the cast solution, a CO 2 facilitated transport membrane is obtained using the same method as in the step (steps 2 to 4) described in the first embodiment. That is, after centrifuging to remove bubbles in the cast solution, a porous porous PTFE porous membrane (film thickness 60 μm) and a hydrophilic PTFE porous film (film thickness 80 μm) are laminated on a glass plate. On the surface of the membrane on the hydrophilic PTFE porous membrane side, the above cast solution is cast with a thickness of 500 μm using an applicator. Then, it is dried overnight at room temperature. Then, by holding approximately 2 hours further this at a high temperature of about 120 ° C., to obtain a CO 2 facilitated transport membrane.

以下、これらの各実施例1〜3の方法で製造された本発明膜の膜性能について説明する。なお、膜組成は、第1実施形態の実施例と同様にキャリア濃度を70wt%とし、膜性能を評価するための実験装置及び実験方法も第1実施形態と同様とする。   Hereafter, the film | membrane performance of this invention film | membrane manufactured by the method of each of these Examples 1-3 is demonstrated. The film composition is the same as in the first embodiment, and the carrier concentration is 70 wt%, and the experimental apparatus and experimental method for evaluating the film performance are the same as in the first embodiment.

図14は、実施例1の方法で作製されたキャスト溶液を用いて作製された本発明膜による(a)COパーミアンスRCO2、(b)HパーミアンスRH2、及び(c)CO/H選択性を、原料側圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。なお、図14では、キャスト溶液作製の際に添加されるグルタルアルデヒドの添加量を異ならせて各データの測定を行った。即ち、グルタルアルデヒドの添加量として、(1)0.008g、(2)0.0153g、(3)0g(不添加)の3パターンで実験を行った。なお、グラフ上では、グルタルアルデヒドを「GA」と略記している(以下のグラフも同様)。 FIG. 14 shows (a) CO 2 permeance R CO2 , (b) H 2 permeance R H2 , and (c) CO 2 / by the membrane of the present invention produced using the cast solution produced by the method of Example 1. of H 2 selectivity, showing the results of measurement of the feed side pressure in a pressurized state ranging from 200KPa~600kPa. In addition, in FIG. 14, each data was measured by changing the addition amount of glutaraldehyde added at the time of casting solution preparation. That is, the experiment was performed with three patterns of (1) 0.008 g, (2) 0.0153 g, and (3) 0 g (no addition) as the amount of glutaraldehyde added. In the graph, glutaraldehyde is abbreviated as “GA” (the same applies to the following graphs).

また、実験条件としては、温度条件を160℃、原料ガスFGをCO:5.0%、H:45%、HO:50%の混合比率(モル%)、原料ガスFGの流量を25℃・1atm下で360cm/min、透過側の圧力を原料側の圧力から20kPa減、スイープガスSGの流量を25℃・1atm下で40cm/minとした。なお、この実験条件は、各実施例とも共通である。 Further, as experimental conditions, the temperature condition is 160 ° C., the raw material gas FG is a mixing ratio (mol%) of CO 2 : 5.0%, H 2 : 45%, H 2 O: 50%, and the flow rate of the raw material gas FG. the 360 cm 3 / min under 25 ° C. · 1 atm, 20 kPa decrease the pressure on the permeate side from the pressure of the feed side, and the flow rate of sweep gas SG and 40 cm 3 / min under 25 ° C. · 1 atm. This experimental condition is common to each example.

図14(a)によれば、グルタルアルデヒドを添加した場合、添加しない場合よりもCOパーミアンスRCO2が微小に低下している。しかしながら、図14(b)に示すように、グルタルアルデヒドを添加した場合、HパーミアンスRH2が大幅に低下しているため、図14(c)に示すように、グルタルアルデヒドを添加することで添加しない場合と比べてCO/H選択性は大きく上昇することが分かる。これは、グルタルアルデヒドを添加したことにより、架橋構造が形成されることで膜の欠陥が生じにくくなったためにHパーミアンスが大きく低下したことによるものと考えられる。図14(b)及び(c)によれば、グルタルアルデヒドを0.008g添加した場合の方が、0.0153g添加した場合よりもHパーミアンスが低く、CO/H選択性が高いことが分かる。即ち、グルタルアルデヒドの添加量は、多ければ多いほど選択性が高くなるという訳ではなく、実験条件に応じて高い選択性が実現可能な適正な添加量が存在することが示唆される。 According to FIG. 14A, when glutaraldehyde is added, the CO 2 permeance R CO2 is slightly lower than when not added. However, as shown in FIG. 14 (b), when glutaraldehyde is added, H 2 permeance R H2 is greatly reduced. Therefore, as shown in FIG. 14 (c), by adding glutaraldehyde, It can be seen that the CO 2 / H 2 selectivity is greatly increased as compared with the case where it is not added. This is considered to be due to the fact that the addition of glutaraldehyde makes it difficult for film defects to occur due to the formation of a cross-linked structure, resulting in a significant decrease in H 2 permeance. According to FIGS. 14B and 14C, the H 2 permeance is lower and the CO 2 / H 2 selectivity is higher when 0.008 g of glutaraldehyde is added than when 0.0153 g is added. I understand. That is, the greater the amount of glutaraldehyde added, the higher the selectivity, suggesting that there is an appropriate amount of additive that can achieve high selectivity depending on the experimental conditions.

図15は、実施例2の方法で作製されたキャスト溶液を用いて作製された本発明膜による(a)COパーミアンスRCO2、(b)HパーミアンスRH2、及び(c)CO/H選択性を、原料側圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。なお、図15では、キャスト溶液作製の際に添加されるグルタルアルデヒドの添加量を異ならせて各データの測定を行った。即ち、グルタルアルデヒドの添加量として、(1)0.008g、(2)0.0165g、(3)0g(不添加)の3パターンで実験を行った。その他の実験条件は実施例1の場合と同様である。 FIG. 15 shows (a) CO 2 permeance R CO2 , (b) H 2 permeance R H2 , and (c) CO 2 / by the membrane of the present invention produced using the cast solution produced by the method of Example 2. of H 2 selectivity, showing the results of measurement of the feed side pressure in a pressurized state ranging from 200KPa~600kPa. In FIG. 15, each data was measured by varying the amount of glutaraldehyde added when the cast solution was prepared. That is, the experiment was performed with three patterns of (1) 0.008 g, (2) 0.0165 g, and (3) 0 g (no addition) as the amount of glutaraldehyde added. Other experimental conditions are the same as in the case of Example 1.

図15(a)によれば、図14(a)と同様、グルタルアルデヒドを添加した場合、添加しない場合よりもCOパーミアンスRCO2が微小に低下している。そして、図15(b)によれば、図14(b)と同様、グルタルアルデヒドを添加した場合にHパーミアンスRH2が大幅に低下しているため、図15(c)に示すように、グルタルアルデヒドを添加することで添加しない場合と比べてCO/H選択性は大きく上昇することが分かる。これは、実施例1の場合と同様の理由、即ち、グルタルアルデヒドを添加したことにより、架橋構造が形成されることで膜の欠陥が生じにくくなったためにHパーミアンスが大きく低下したことによるものと考えられる。図15(b)及び(c)によれば、グルタルアルデヒドを0.008g添加した場合の方が、0.0165g添加した場合よりもHパーミアンスが低く、CO/H選択性が高いことが分かる。即ち、グルタルアルデヒドの添加量は、多ければ多いほど選択性が高くなるという訳ではなく、実験条件に応じて高い選択性が実現可能な適正な添加量が存在することが示唆される。なお、図15(c)より、原料側のガス圧力が高い領域においては、添加するグルタルアルデヒドの添加量による選択性の差分は小さくなっている。 According to FIG. 15 (a), as in FIG. 14 (a), when glutaraldehyde is added, CO 2 permeance R CO2 is slightly lower than when not added. Then, according to FIG. 15 (b), the order similar to FIG. 14 (b), when added to glutaraldehyde H 2 permeance R H2 is substantially reduced, as shown in FIG. 15 (c), It can be seen that the CO 2 / H 2 selectivity is greatly increased by adding glutaraldehyde as compared to the case of not adding it. This is the same reason as in Example 1, that is, the addition of glutaraldehyde caused the H 2 permeance to be greatly reduced because it was difficult for film defects to occur due to the formation of a crosslinked structure. it is conceivable that. According to FIGS. 15B and 15C, the H 2 permeance is lower and the CO 2 / H 2 selectivity is higher when 0.008 g of glutaraldehyde is added than when 0.0165 g is added. I understand. That is, the greater the amount of glutaraldehyde added, the higher the selectivity, suggesting that there is an appropriate amount of additive that can achieve high selectivity depending on the experimental conditions. In addition, from FIG.15 (c), in the area | region where the gas pressure by the side of a raw material is high, the difference of the selectivity by the addition amount of glutaraldehyde to add is small.

図16は、実施例3の方法で作製されたキャスト溶液を用いて作製された本発明膜による(a)COパーミアンスRCO2、(b)HパーミアンスRH2、及び(c)CO/H選択性を、原料側圧力を200kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。なお、図15では、キャスト溶液作製の際に添加されるグルタルアルデヒドの添加量を異ならせて各データの測定を行った。即ち、グルタルアルデヒドの添加量として、(1)0.008g、(2)0.0154g、(3)0.0343g、(4)0g(不添加)の4パターンで実験を行った。その他の実験条件は実施例1の場合と同様である。 FIG. 16 shows (a) CO 2 permeance R CO2 , (b) H 2 permeance R H2 , and (c) CO 2 / by the membrane of the present invention produced using the cast solution produced by the method of Example 3. of H 2 selectivity, showing the results of measurement of the feed side pressure in a pressurized state ranging from 200KPa~600kPa. In FIG. 15, each data was measured by varying the amount of glutaraldehyde added when the cast solution was prepared. That is, the experiment was performed with four patterns of (1) 0.008 g, (2) 0.0154 g, (3) 0.0343 g, and (4) 0 g (no addition) as the amount of glutaraldehyde added. Other experimental conditions are the same as in the case of Example 1.

図16(a)によれば、図14(a)と同様、グルタルアルデヒドを添加した場合、添加しない場合よりもCOパーミアンスRCO2が微小に低下している。そして、図16(b)によれば、図14(b)と同様、グルタルアルデヒドを添加した場合にHパーミアンスRHが大幅に低下しているため、図16(c)に示すように、グルタルアルデヒドを添加することで添加しない場合と比べてCO/H選択性は大きく上昇することが分かる。これは、実施例1の場合と同様の理由、即ち、グルタルアルデヒドを添加したことにより、架橋構造が形成されることで膜の欠陥が生じにくくなったためにHパーミアンスが大きく低下したことによるものと考えられる。図16(b)及び(c)によれば、グルタルアルデヒドを0.008g添加した場合の方が、0.0154g添加した場合、並びに0.0343g添加した場合よりもHパーミアンスが低く、CO/H選択性が高いことが分かる。即ち、グルタルアルデヒドの添加量は、多ければ多いほど選択性が高くなるという訳ではなく、実験条件に応じて高い選択性が実現可能な適正な添加量が存在することが示唆される。 According to FIG. 16 (a), as in FIG. 14 (a), when glutaraldehyde is added, CO 2 permeance R CO2 is slightly lower than when not added. Then, according to FIG. 16 (b), the order similar to FIG. 14 (b), when added to glutaraldehyde H 2 permeance RH 2 are significantly reduced, as shown in FIG. 16 (c), It can be seen that the CO 2 / H 2 selectivity is greatly increased by adding glutaraldehyde as compared to the case of not adding it. This is the same reason as in Example 1, that is, the addition of glutaraldehyde caused the H 2 permeance to be greatly reduced because it was difficult for film defects to occur due to the formation of a crosslinked structure. it is conceivable that. According to FIG. 16 (b) and (c), towards the case of adding 0.008g of glutaraldehyde, when added 0.0154G, and low H 2 permeance than when 0.0343g added, CO 2 It can be seen that / H 2 selectivity is high. That is, the greater the amount of glutaraldehyde added, the higher the selectivity, suggesting that there is an appropriate amount of additive that can achieve high selectivity depending on the experimental conditions.

なお、図16(c)においても、原料側のガス圧力が高い領域においては、添加するグルタルアルデヒドの添加量による選択性の差分は小さくなっている。   In FIG. 16C as well, in the region where the gas pressure on the raw material side is high, the difference in selectivity due to the amount of glutaraldehyde added is small.

以上、図14〜図16の各グラフを参照すれば、ゲル膜をグルタルアルデヒドで架橋することにより、グルタルアルデヒド無添加の場合と比較して、COの透過性の低下を一定程度に抑制しながらHの透過性を著しく低下させることが可能となり、これによって高いCO/H選択性を示す促進輸送膜を実現することができる。特に、PVA/PAA共重合体を1gに対し、グルタルアルデヒドを0.008〜0.015g程度添加した場合(以下、かかる範囲を「良好範囲」と称する)に、CO/Hの選択性が著しく向上する。 As described above, referring to the graphs of FIGS. 14 to 16, the gel membrane is cross-linked with glutaraldehyde to suppress a decrease in CO 2 permeability to a certain extent as compared with the case where glutaraldehyde is not added. However, it is possible to significantly reduce the permeability of H 2 , and thereby, a facilitated transport membrane exhibiting high CO 2 / H 2 selectivity can be realized. In particular, when about 0.008 to 0.015 g of glutaraldehyde is added to 1 g of PVA / PAA copolymer (hereinafter, this range is referred to as “good range”), the selectivity of CO 2 / H 2 Is significantly improved.

なお、上記実施例1〜3間では膜性能に顕著な差異は見られなかった。即ち、いずれの方法で製膜した場合であっても、グルタルアルデヒドを添加することによるCO/Hの選択性の向上効果を実現することができる。特に、実施例2及び3においては、グルタルアルデヒドで架橋した場合でもCOパーミアンスの低下量が抑制された。一方、実施例1においては、原料側のガス圧力を増加させてもHパーミアンスの増加が一定程度に抑制された。 In addition, the remarkable difference was not looked at by the film | membrane performance between the said Examples 1-3. That is, regardless of which method is used for film formation, it is possible to achieve the effect of improving CO 2 / H 2 selectivity by adding glutaraldehyde. In particular, in Examples 2 and 3, even when crosslinked with glutaraldehyde, the decrease in CO 2 permeance was suppressed. On the other hand, in Example 1, even if the gas pressure on the raw material side was increased, the increase in H 2 permeance was suppressed to a certain degree.

また、図17は、グルタルアルデヒドを添加した場合の長期性能を示すグラフである。具体的には、実施例1の方法によって作製した膜(グルタルアルデヒド添加量:0.0339g)を用いて長期間実験を行ったときの(a)COパーミアンスRCO2、(b)HパーミアンスRH2、(c)CO/H選択性の経時変化をそれぞれグラフに表したものである。なお、原料側ガス圧力を401.3kPaとし、その他の実験条件は、図14〜図16と同様とした。 FIG. 17 is a graph showing long-term performance when glutaraldehyde is added. Specifically, (a) CO 2 permeance R CO2 , (b) H 2 permeance when a long-term experiment was performed using the film prepared by the method of Example 1 (glutaraldehyde addition amount: 0.0339 g) R H2 and (c) CO 2 / H 2 selectivity over time are graphed respectively. The raw material side gas pressure was 401.3 kPa, and other experimental conditions were the same as those shown in FIGS.

実験方法としては、午前10時頃に本発明膜を透過セルにセットして温度を160℃まで上げて原料ガスおよびスイープガスを供給して透過実験を開始し、午後8時頃まで同じ条件で継続した。そして、午後8時頃に供給ガスを停めて温度を室温まで低下させた。再び翌朝の午前10時頃に、透過セルを分解せずにそのまま同じ膜を使用して同様の実験を行った。このような実験を繰り返し2週間続けた結果が図17(a)〜(c)に示されている。   As an experimental method, the membrane of the present invention was set in a permeation cell at about 10 am, the temperature was raised to 160 ° C., a raw material gas and a sweep gas were supplied, and a permeation experiment was started. Under the same conditions until about 8 pm Continued. Then, the supply gas was stopped around 8 pm to lower the temperature to room temperature. The same experiment was conducted again at about 10:00 am the next morning using the same membrane without disassembling the permeation cell. The results of repeating such an experiment for two weeks are shown in FIGS. 17 (a) to 17 (c).

図17の実験データは、添加したグルタルアルデヒド量が前記良好範囲よりも若干多いので、COパーミアンスは,図14〜図16の値と比較して小さい値となっているが、Hパーミアンスは、時間が経過してもグルタルアルデヒド無添加の場合より著しく小さい値が示されており、CO/H選択性も200以上の高い値を維持している。特に、本評価方法のように、スタートアップとシャットダウンを繰返して経時評価を行う場合には、温度の変動(室温〜160℃)や圧力の変動(常圧〜6気圧)を膜に繰返し与えるため、同一温度・同一圧力で実験を継続することで長期性能を評価する場合と比較して、膜に対する負荷が大きくなる。図17によれば、スタートアップ、シャットダウンを繰り返す本評価方法によっても、膜性能が約2週間にわたって安定していることから、グルタルアルデヒド添加によって、膜の安定性が著しく改善されたと言える。 The experimental data in FIG. 17 shows that the amount of added glutaraldehyde is slightly larger than the above-mentioned good range, so the CO 2 permeance is smaller than the values in FIGS. 14 to 16, but the H 2 permeance is Even when time elapses, a significantly smaller value is shown than when no glutaraldehyde is added, and the CO 2 / H 2 selectivity also maintains a high value of 200 or more. In particular, when performing time-lapse evaluation by repeating startup and shutdown as in this evaluation method, temperature fluctuations (room temperature to 160 ° C.) and pressure fluctuations (normal pressure to 6 atmospheres) are repeatedly given to the membrane. Compared with the case where long-term performance is evaluated by continuing the experiment at the same temperature and pressure, the load on the membrane increases. According to FIG. 17, it can be said that the stability of the film was remarkably improved by adding glutaraldehyde since the film performance was stable for about two weeks even by this evaluation method in which start-up and shutdown were repeated.

なお、本実施形態で添加する材料としてグルタルアルデヒドを採用したが、当該材料の添加工程は、膜に架橋構造を形成するために行われるものであるところ、架橋構造の形成が可能な材料であれば、グルタルアルデヒドに限定されるものではない。アルデヒド基で架橋を形成する場合には、例えば、ホルムアルデヒドも利用可能である。また、二酸化炭素キャリアとして用いる材料をCsCO以外の材料(例えばRbCO)とした場合でも、同様に添加剤を導入して架橋構造とすることで膜性能を更に高めることが可能である。 Although glutaraldehyde is adopted as a material to be added in the present embodiment, the material addition step is performed to form a crosslinked structure in the film, and any material capable of forming a crosslinked structure is used. For example, it is not limited to glutaraldehyde. In the case of forming a crosslink with an aldehyde group, for example, formaldehyde can also be used. Moreover, even when the material used as the carbon dioxide carrier is a material other than Cs 2 CO 3 (for example, Rb 2 CO 3 ), it is possible to further improve the membrane performance by introducing an additive in the same manner to obtain a crosslinked structure. It is.

[本発明膜の第3実施形態]
本発明膜の第3実施形態につき、説明する。なお、本実施形態は、第1及び第2実施形態と比較して本発明膜の形状が異なる。
[Third embodiment of the membrane of the present invention]
A third embodiment of the film of the present invention will be described. In addition, this embodiment differs in the shape of this invention film | membrane compared with 1st and 2nd embodiment.

上述の第1及び第2実施形態では、いずれも図2に示すような平板型構造の促進輸送膜を想定して説明を行った。これに対し、本実施形態では、図18に示すような円筒型形状の促進輸送膜を想定している。   In the first and second embodiments described above, the description has been made assuming that the facilitated transport film has a flat plate structure as shown in FIG. In contrast, in this embodiment, a facilitated transport film having a cylindrical shape as shown in FIG. 18 is assumed.

図18は、本実施形態の促進輸送膜の構造を示す概略図である。また、図19は、このような円筒型の形状を示す促進輸送膜を用いたときの、COパーミアンス,Hパーミアンス,並びにCO/H選択性を示すグラフである。 FIG. 18 is a schematic view showing the structure of the facilitated transport film of this embodiment. FIG. 19 is a graph showing CO 2 permeance, H 2 permeance, and CO 2 / H 2 selectivity when a facilitated transport membrane having such a cylindrical shape is used.

図18において、(a)は水平面に平行に切断したときの断面図,(b)は水平面に鉛直方向に切断したときの断面図である。図18に示される促進輸送膜は、円筒形状の親水性のセラミックス製支持膜42の外周上に、キャリアを含むゲル膜41を担持させた構造である。なお本実施形態では、第1実施形態と同様のキャスト溶液から生成されたゲル膜41を用いた。すなわち、キャリアとしてCsCOを用い、熱架橋を施している。 18A is a cross-sectional view when cut in parallel to the horizontal plane, and FIG. 18B is a cross-sectional view when cut in the vertical direction on the horizontal plane. The facilitated transport film shown in FIG. 18 has a structure in which a gel film 41 containing a carrier is supported on the outer periphery of a cylindrical hydrophilic ceramic support film 42. In this embodiment, the gel film 41 generated from the same cast solution as that in the first embodiment is used. In other words, Cs 2 CO 3 is used as a carrier and thermal crosslinking is performed.

また、図18に示すように、ゲル膜41と外枠の間には空間40が設けられており,セラミックス製支持膜42の内側にも空間43が設けられている。   As shown in FIG. 18, a space 40 is provided between the gel film 41 and the outer frame, and a space 43 is also provided inside the ceramic support film 42.

膜性能を評価するに際しては、上述の実施形態と同様の原料ガスFGを、空間40内に流入する。一方、空間43内には不活性のスイープガスSGを流入する。空間40内に流入された原料ガスFGのうち、その一部は、キャリアを含むゲル膜41(及び支持膜42)を透過して空間43内に透過ガスPGとして流入する。空間43内には、この透過ガスPGを系外に排出するために不活性のスイープガスSGが流入されており、このスイープガスSGと透過ガスPGが混合された排出ガスSG’が、図5の冷却トラップ16に供給される。パーミアンス及び選択性の算出方法は、第1実施形態と同様である。   When evaluating the membrane performance, the same raw material gas FG as in the above-described embodiment flows into the space 40. On the other hand, an inert sweep gas SG flows into the space 43. A part of the source gas FG that has flowed into the space 40 passes through the gel film 41 (and the support film 42) containing the carrier and flows into the space 43 as a permeable gas PG. An inert sweep gas SG flows into the space 43 in order to exhaust the permeate gas PG out of the system, and an exhaust gas SG ′ in which the sweep gas SG and the permeate gas PG are mixed is shown in FIG. The cooling trap 16 is supplied. The calculation method of permeance and selectivity is the same as that of the first embodiment.

図19は、促進輸送膜として図18に示す円筒形状の促進輸送膜を用い、測定方法,キャリア濃度,原料ガス圧力を図10のときと同じにして、測定温度を160℃としたときの得られたデータに基づくグラフである。図10の場合と同様、COパーミアンス及びCO/H選択性ともに高い値を示しており、図18に示すような構造の円筒型の促進輸送膜でも図1に示すような平板型と同様の効果を示すことが分かる。 FIG. 19 shows the result obtained when the cylindrical facilitated transport film shown in FIG. 18 is used as the facilitated transport film, the measurement method, the carrier concentration, and the raw material gas pressure are the same as those in FIG. It is a graph based on the obtained data. As in the case of FIG. 10, both CO 2 permeance and CO 2 / H 2 selectivity are high, and the cylindrical facilitated transport membrane having the structure shown in FIG. It turns out that the same effect is shown.

また、図18に示す構造の場合、ゲル膜41が直接原料ガスFGに接触するように、空間40内においてゲル膜41が露出している構成である。すなわち、図2に示す構造と比較して、疎水性膜によってゲル膜41が覆われていない。この疎水性膜は、ゲル膜を安定化させ、経時性能を劣化させにくくする効果を有している。しかし、図20に示すように、円筒型形状の促進輸送膜であれば、疎水性膜で覆わなくても経時性能を向上させる効果を有している。以下にその点を説明する。   In the structure shown in FIG. 18, the gel film 41 is exposed in the space 40 so that the gel film 41 directly contacts the source gas FG. That is, compared with the structure shown in FIG. 2, the gel film 41 is not covered with the hydrophobic film. This hydrophobic membrane has the effect of stabilizing the gel membrane and making it difficult to degrade the aging performance. However, as shown in FIG. 20, the facilitated transport film having a cylindrical shape has an effect of improving the aging performance without being covered with a hydrophobic film. This will be described below.

図20は、平板型と円筒型の促進輸送膜の長期性能を比較したグラフであり、(a)がCOパーミアンスRCO2、(b)がCO/H選択性を示している。いずれのグラフにおいても、(1)が円筒型のデータであり、(2)が平板型のデータである。なお、当該グラフ結果を得るに際しての条件は図13の場合と同一とした。 FIG. 20 is a graph comparing long-term performances of a flat type and a cylindrical type facilitated transport membrane, where (a) shows CO 2 permeance R CO2 and (b) shows CO 2 / H 2 selectivity. In any graph, (1) is cylindrical data, and (2) is flat plate data. The conditions for obtaining the graph result were the same as those in FIG.

また、図20では、比較例としての平板型の促進輸送膜として、ゲル膜が疎水性膜で覆われていない構造のものを想定している。これは、円筒型形状ではゲル膜の一方の面が原料ガスに曝される状態にあるため、比較の観点から、平板型についてもその条件を共通にする目的である。   FIG. 20 assumes a structure in which the gel film is not covered with a hydrophobic film as a flat-type facilitated transport film as a comparative example. This is because the cylindrical shape is in a state where one surface of the gel film is exposed to the raw material gas, so that the conditions are common to the flat plate type from the viewpoint of comparison.

図20(a)によれば、COパーミアンスに関しては、平板型,円筒型共に経時変化はあまり大きくない。これに対し、図20(b)によれば、CO/H選択性に関しては、円筒型の促進輸送膜の場合、時間が経過してもその性能はあまり変化がないのに対し、平板型の促進輸送膜の場合、時間経過とともに選択性が低下し、100時間経過時においては最大時の10%程度にまで落ち込んでいる。これにより、ゲル膜を疎水膜で覆わない場合においては、長期性能の観点から見れば円筒型形状の促進膜の方が平板型形状よりも優れていると見ることができる。なお、一方、平板型においても、ゲル膜を疎水膜で覆うことにより、図13や図17に示すように、良好な長期性能を示すことが分かる。 According to FIG. 20 (a), with respect to the CO 2 permeance, the change with time is not so large in both the flat plate type and the cylindrical type. On the other hand, according to FIG. 20B, with respect to the CO 2 / H 2 selectivity, in the case of the cylindrical facilitated transport membrane, the performance does not change much over time. In the case of a type facilitated transport membrane, the selectivity decreases with the passage of time, and has dropped to about 10% of the maximum at the end of 100 hours. Accordingly, when the gel film is not covered with the hydrophobic film, it can be seen that the cylindrical-shaped promotion film is superior to the flat plate shape from the viewpoint of long-term performance. On the other hand, it can be seen that, even in the flat plate type, good long-term performance is exhibited by covering the gel film with a hydrophobic film as shown in FIGS.

なお、本実施形態で用いたセラミックス製支持膜においても、第1実施形態において上述したPTFE多孔膜の場合と同様、100℃以上の耐熱性、機械的強度、含浸ゲル膜との密着性を有するのが好ましい。また、多孔度(空隙率)は40%以上で、細孔径は0.1〜1μmの範囲にあるのが好ましい。   The ceramic support film used in this embodiment also has heat resistance of 100 ° C. or higher, mechanical strength, and adhesion to the impregnated gel film, as in the case of the PTFE porous film described in the first embodiment. Is preferred. The porosity (porosity) is preferably 40% or more, and the pore diameter is preferably in the range of 0.1 to 1 μm.

また、図18の構成では、セラミックス製支持膜を内側にし、その外側にゲル膜を備えた構造としたが、これとは逆に、支持膜を外側にしてゲル膜をその内側に形成しても良い。また、形状として「円筒形状」と記載したが、これは必ずしも断面が正確な「円」であることを要求するものではなく、楕円形状であっても構わないし、多少の凹凸を有していても構わない。   In the configuration of FIG. 18, the ceramic support film is provided on the inner side and the gel film is provided on the outer side. On the contrary, the support film is formed on the outer side and the gel film is formed on the inner side. Also good. In addition, although described as “cylindrical shape” as a shape, this does not necessarily require that the cross section is an accurate “circle”, and may be an elliptical shape and has some unevenness. It doesn't matter.

本実施形態によれば、促進膜を円筒形状にすることで、平板型よりも長期性能が向上することが示される。これは、形状を円筒形状にすることで、促進輸送膜が変形しにくくなり、安定化することに由来すると考えられる。一方、平板型の場合は、経時とともに膜が変形して欠陥が生じ、この欠陥からHが漏れ出すことで選択性が低下するものと考えられる。すなわち、上記実施例では、支持膜としてセラミックス膜を利用したが、この膜は、円筒形状に対する加工が可能であり、且つ、経時と共に変形しにくい材料であれば、セラミックスに限定されるものではない。 According to the present embodiment, it is shown that the long-term performance is improved as compared with the flat plate type by making the promotion film cylindrical. It is considered that this is because the facilitated transport film is hardly deformed and stabilized by making the shape cylindrical. On the other hand, in the case of the flat plate type, the film is deformed with time and defects are generated, and it is considered that the selectivity is lowered by leakage of H 2 from the defects. That is, in the above embodiment, a ceramic film is used as the support film. However, this film is not limited to ceramics as long as it can be processed into a cylindrical shape and is not easily deformed over time. .

また、逆に、第1,第2実施形態では支持膜としてPTFE多孔膜を利用としたが、圧力を加えた状態でも割れたりすることなく安定的に平板状態を維持することができれば、PTFE多孔膜に限定されるものではない。   On the contrary, in the first and second embodiments, the PTFE porous membrane is used as the support membrane. However, if the flat plate state can be stably maintained without being cracked even when the pressure is applied, the PTFE porous membrane can be used. It is not limited to membranes.

[別実施形態]
以下に、別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Another embodiment will be described below.

〈1〉上記実施形態では、本発明膜は、PVA/PAA共重合体と二酸化炭素キャリアのCsCOを含む水溶液からなるキャスト溶液を、ゲル膜担持用の親水性PTFE多孔膜にキャストした後にゲル化して作製したが、本発明膜は、当該作製方法以外の作製方法で作製しても構わない。例えば、PVA/PAA共重合体ゲル膜に、CsCO水溶液を後から含浸させて作製しても構わない。 <1> In the above-described embodiment, the membrane of the present invention casts a cast solution composed of an aqueous solution containing a PVA / PAA copolymer and carbon dioxide carrier Cs 2 CO 3 into a hydrophilic PTFE porous membrane for supporting a gel membrane. Although it was prepared by gelation later, the membrane of the present invention may be manufactured by a manufacturing method other than the manufacturing method. For example, the PVA / PAA copolymer gel film may be prepared by later impregnating a Cs 2 CO 3 aqueous solution.

〈2〉上記第1実施形態において、添加剤として炭酸セシウムをゲル膜に添加してCO促進輸送膜を製造する場合について説明したが、炭酸セシウムの代わりに水酸化セシウムを用いても同様の効果を得ることができる。これは、水酸化セシウムが添加されたゲル膜をCO分離に利用することで、上記(化3)に示される反応が生じ、これによって水酸化セシウムが炭酸セシウムに転化するためである。更に、炭酸セシウムの代わりに重炭酸セシウムを用いた場合も、上記(化3)より同様の効果を得ることができることが分かる。 <2> In the first embodiment, the case where a CO 2 facilitated transport film is manufactured by adding cesium carbonate as an additive to the gel film has been described. An effect can be obtained. This is because the reaction shown in the above (Chemical Formula 3) occurs by using the gel membrane to which cesium hydroxide is added for CO 2 separation, thereby converting cesium hydroxide into cesium carbonate. Furthermore, it can be seen that the same effect can be obtained from the above (Chemical Formula 3) when cesium bicarbonate is used instead of cesium carbonate.

なお、添加剤として炭酸ルビジウムをゲル膜に添加してCO促進輸送膜を製造する場合についても、同様に、炭酸ルビジウムに代えて水酸化ルビジウム若しくは重炭酸ルビジウムを用いることができる。 Incidentally, the case where by the rubidium carbonate was added to the gel film as an additive for producing a CO 2 -facilitated transport membrane also similarly be used rubidium hydroxide or bicarbonate rubidium in place of rubidium carbonate.

〈3〉上記実施形態では、本発明膜は、疎水性PTFE多孔膜/ゲル層(親水性PTFE多孔膜に担持された含浸ゲル膜)/疎水性PTFE多孔膜よりなる3層構造としたが、本発明膜の支持構造は、必ずしも当該3層構造に限定されない。例えば、疎水性PTFE多孔膜/ゲル層(親水性PTFE多孔膜に担持された含浸ゲル膜)よりなる2層構造でも構わない。   <3> In the above embodiment, the membrane of the present invention has a three-layer structure composed of a hydrophobic PTFE porous membrane / gel layer (impregnated gel membrane supported on a hydrophilic PTFE porous membrane) / hydrophobic PTFE porous membrane. The support structure for the membrane of the present invention is not necessarily limited to the three-layer structure. For example, a two-layer structure composed of a hydrophobic PTFE porous membrane / gel layer (an impregnated gel membrane supported on a hydrophilic PTFE porous membrane) may be used.

〈4〉上記実施形態において例示した、本発明膜の組成における各成分の混合比率、膜の各部の寸法等は、本発明の理解の容易のための例示であり、本発明はそれらの数値のCO促進輸送膜に限定されるものではない。 <4> The mixing ratio of each component in the composition of the film of the present invention exemplified in the above embodiment, the dimensions of each part of the film, etc. are examples for easy understanding of the present invention. It is not limited to a CO 2 facilitated transport membrane.

本発明に係る二酸化炭素分離装置は、二酸化炭素の分離に利用可能であり、特に、水素を主成分とする燃料電池用等の改質ガスに含まれる二酸化炭素を水素に対する高い選択比率で分離可能なCO促進輸送膜を備えたCO透過型メンブレンリアクターに有用である。 The carbon dioxide separator according to the present invention can be used for carbon dioxide separation, and in particular, can separate carbon dioxide contained in reformed gas for fuel cells, etc. containing hydrogen as a main component at a high selection ratio with respect to hydrogen. It is useful for a CO 2 permeable membrane reactor equipped with a simple CO 2 facilitated transport membrane.

1: 二酸化炭素キャリアを含有するPVA/PAAゲル膜(ゲル層)
2: 親水性多孔膜
3、4: 疎水性多孔膜
10: CO促進輸送膜(サンプル)
11: 流通式ガス透過セル
12: 原料側室
13: 透過側室
14、16: 冷却トラップ
15: 背圧調整器
17: ガスクロマトグラフ
18: 定量送液ポンプ
19: 背圧調整器
20: CO変成器(CO透過型メンブレンリアクター)
21: スイープガスの通路
40: 空間
41: ゲル膜
42: セラミックス製支持膜
43: 空間
FG: 原料ガス
FG’: 処理済ガス
PG: 透過ガス
SG、SG’: スイープガス
1: PVA / PAA gel film (gel layer) containing carbon dioxide carrier
2: Hydrophilic porous membrane 3, 4: Hydrophobic porous membrane 10: CO 2 facilitated transport membrane (sample)
11: Flow-type gas permeation cell 12: Raw material side chamber 13: Permeation side chamber 14, 16: Cooling trap 15: Back pressure regulator 17: Gas chromatograph 18: Metering liquid pump 19: Back pressure regulator 20: CO transformer (CO (2 permeation type membrane reactor)
21: Sweep gas passage 40: Space 41: Gel membrane 42: Ceramic support membrane 43: Space FG: Source gas FG ': Treated gas PG: Permeated gas SG, SG': Sweep gas

Claims (9)

少なくとも水素と二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に100℃以上の供給温度で供給して、前記CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素分離装置であって、
前記CO促進輸送膜が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜に炭酸セシウム若しくは重炭酸セシウム若しくは水酸化セシウムからなる添加剤を添加したゲル層を親水性の多孔膜に担持させて形成されることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
A source gas containing at least hydrogen, carbon dioxide, and water vapor is supplied to the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane at a supply temperature of 100 ° C. or more, and the carbon dioxide that has permeated the CO 2 facilitated transport membrane is taken out from the permeate side surface. A carbon separator,
The CO 2 facilitated transport film is formed by supporting a gel layer obtained by adding an additive composed of cesium carbonate, cesium bicarbonate or cesium hydroxide on a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel film on a hydrophilic porous film. The carbon dioxide separator characterized by the above-mentioned.
前記ゲル層が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜と炭酸セシウムの合計重量に対する炭酸セシウムの重量比率が65重量%以上85重量%以下の範囲で構成されることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素分離装置。   The gel layer is configured such that a weight ratio of cesium carbonate to a total weight of the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel film and cesium carbonate is in a range of 65 wt% to 85 wt%. 2. The carbon dioxide separator according to 1. 少なくとも水素と二酸化炭素と水蒸気が含まれる原料ガスをCO促進輸送膜の原料側面に100℃以上の供給温度で供給して、前記CO促進輸送膜を透過した二酸化炭素を透過側面から取り出す二酸化炭素分離装置であって、
前記CO促進輸送膜が、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸共重合体ゲル膜に炭酸ルビジウム若しくは重炭酸ルビジウム若しくは水酸化ルビジウムからなる添加剤を添加したゲル層を親水性の多孔膜に担持させて形成されることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
A source gas containing at least hydrogen, carbon dioxide, and water vapor is supplied to the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane at a supply temperature of 100 ° C. or more, and the carbon dioxide that has permeated the CO 2 facilitated transport membrane is taken out from the permeate side surface. A carbon separator,
The CO 2 facilitated transport film is formed by supporting a gel layer obtained by adding an additive composed of rubidium carbonate, rubidium bicarbonate or rubidium hydroxide on a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel film on a hydrophilic porous film. The carbon dioxide separator characterized by the above-mentioned.
前記親水性の多孔膜に担持された前記ゲル層が疎水性の多孔膜によって被覆されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の二酸化炭素分離装置。   The carbon dioxide separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the gel layer supported on the hydrophilic porous membrane is covered with a hydrophobic porous membrane. 前記ゲル層が、アルデヒド基由来の架橋構造を有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の二酸化炭素分離装置。   The carbon dioxide separator according to any one of claims 1 to 4, wherein the gel layer has a cross-linked structure derived from an aldehyde group. 前記多孔膜が100℃以上の耐熱性を備えていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の二酸化炭素分離装置。   The carbon dioxide separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous membrane has heat resistance of 100 ° C or higher. 前記ゲル層,並びに前記親水性の多孔膜は、共に軸心を同一にした筒形状であって、一方の膜が、その内側面を他方の膜の外側面と接触させて、前記他方の膜を取り囲むように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の二酸化炭素分離装置。   The gel layer and the hydrophilic porous membrane both have a cylindrical shape with the same axial center, and one membrane has its inner surface in contact with the outer surface of the other membrane, and the other membrane. The carbon dioxide separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon dioxide separator is configured to surround. 前記親水性の多孔膜が、セラミックス製の多孔膜であることを特徴とする請求項7に記載の二酸化炭素分離装置。   The carbon dioxide separator according to claim 7, wherein the hydrophilic porous membrane is a ceramic porous membrane. 前記ゲル層が、前記親水性の多孔膜を取り囲むように、前記親水性の多孔膜の外側に形成されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の二酸化炭素分離装置。

The carbon dioxide separator according to claim 7 or 8, wherein the gel layer is formed outside the hydrophilic porous membrane so as to surround the hydrophilic porous membrane.

JP2012279552A 2008-01-24 2012-12-21 Carbon dioxide separator Active JP5474172B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012279552A JP5474172B2 (en) 2008-01-24 2012-12-21 Carbon dioxide separator

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008013723 2008-01-24
JP2008013723 2008-01-24
JP2012279552A JP5474172B2 (en) 2008-01-24 2012-12-21 Carbon dioxide separator

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009012353A Division JP5443773B2 (en) 2008-01-24 2009-01-22 Carbon dioxide separator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013107076A true JP2013107076A (en) 2013-06-06
JP5474172B2 JP5474172B2 (en) 2014-04-16

Family

ID=41140027

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009012353A Active JP5443773B2 (en) 2008-01-24 2009-01-22 Carbon dioxide separator
JP2012279552A Active JP5474172B2 (en) 2008-01-24 2012-12-21 Carbon dioxide separator

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009012353A Active JP5443773B2 (en) 2008-01-24 2009-01-22 Carbon dioxide separator

Country Status (1)

Country Link
JP (2) JP5443773B2 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5598630B1 (en) * 2012-10-22 2014-10-01 住友化学株式会社 Copolymer and carbon dioxide separation membrane
JP2015188867A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
JP2015188866A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
JP2015188865A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
WO2016104048A1 (en) * 2014-12-26 2016-06-30 日本碍子株式会社 Gas separation method
WO2016104049A1 (en) * 2014-12-26 2016-06-30 日本碍子株式会社 Gas separation method
WO2017154519A1 (en) * 2016-03-09 2017-09-14 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ Combustion system
US9833746B2 (en) 2013-03-29 2017-12-05 Renaissance Energy Research Corporation Facilitated CO2 transport membrane, method for producing same, resin composition for use in method for producing same, CO2 separation module and method and apparatus for separating CO2
JP2020032383A (en) * 2018-08-31 2020-03-05 東京瓦斯株式会社 Evaluation method and evaluation system

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5526055B2 (en) 2010-02-10 2014-06-18 富士フイルム株式会社 Gas separation membrane, gas separation membrane manufacturing method, gas mixture separation method, gas separation membrane module, and gas separation device
WO2011122581A1 (en) 2010-03-29 2011-10-06 富士フイルム株式会社 Gas separation membrane, manufacturing method for same, separation method for gas mixture using same, gas separation module, and gas separation device
US9827535B2 (en) 2010-07-26 2017-11-28 Renaissance Energy Research Corporation Steam permselective membrane, and method using same for separating steam from mixed gas
WO2012086836A1 (en) * 2010-12-24 2012-06-28 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ Gas separation device, membrane reactor, and hydrogen production device
JP5484361B2 (en) 2011-01-12 2014-05-07 富士フイルム株式会社 Method and apparatus for producing composite for carbon dioxide separation
JP2013049042A (en) 2011-01-12 2013-03-14 Fujifilm Corp Composition for forming carbon dioxide separation membrane, carbon dioxide separation membrane and method for manufacturing the same, and carbon dioxide separating apparatus
JP5563503B2 (en) * 2011-03-15 2014-07-30 公益財団法人地球環境産業技術研究機構 Gas separation composite membrane
JP5738704B2 (en) * 2011-07-26 2015-06-24 富士フイルム株式会社 Carbon dioxide separator and carbon dioxide separation method
JP5689765B2 (en) 2011-07-29 2015-03-25 富士フイルム株式会社 Carbon dioxide separation member, method for producing the same, and carbon dioxide separation module
JP5738710B2 (en) * 2011-07-29 2015-06-24 富士フイルム株式会社 Method for producing carbon dioxide separation membrane and carbon dioxide separation module
EP2742993A4 (en) * 2011-08-01 2015-06-17 Renaissance Energy Res Corp Co2-facilitated transport membrane, and method for manufacturing same
JP5490281B2 (en) * 2012-06-20 2014-05-14 富士フイルム株式会社 Acid gas separation module and acid gas separation system
JP5865201B2 (en) * 2012-07-11 2016-02-17 富士フイルム株式会社 Method for producing composite for carbon dioxide separation, composite for carbon dioxide separation, and module for carbon dioxide separation
JP5829227B2 (en) * 2012-09-28 2015-12-09 富士フイルム株式会社 Acid gas separation module, acid gas separation device, and telescope prevention plate
JP2014069147A (en) * 2012-09-28 2014-04-21 Fujifilm Corp Separation module, separation system, and separation system group
JP2014069146A (en) * 2012-09-28 2014-04-21 Fujifilm Corp Acidic gas separation complex, method for producing the same, and acidic gas separation module
JP5865317B2 (en) * 2012-09-28 2016-02-17 富士フイルム株式会社 Carbon dioxide separation composite, carbon dioxide separation module, and method for producing carbon dioxide separation composite
CN104507555B (en) 2012-10-02 2017-01-25 株式会社新生能源研究 Facilitated CO2 transport membrane and method for producing same, and method and apparatus for separating co2
JP6013127B2 (en) * 2012-10-17 2016-10-25 富士フイルム株式会社 Gas separation composite membrane, separation membrane module and gas separation system using the same
JP6071004B2 (en) 2013-03-29 2017-02-01 富士フイルム株式会社 Method for producing acid gas separation composite membrane and acid gas separation membrane module
JP6161124B2 (en) 2013-03-29 2017-07-12 富士フイルム株式会社 Method for producing acid gas separation composite membrane and acid gas separation membrane module
JP6164682B2 (en) * 2013-04-09 2017-07-19 住友化学株式会社 Gas separation apparatus and acid gas separation method using the same
JP6276598B2 (en) * 2014-01-16 2018-02-07 富士フイルム株式会社 Acid gas separation module
KR102313274B1 (en) 2014-08-11 2021-10-18 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 Composition for co2 gas separation membrane, co2 gas separation membrane and method for producing same, and co2 gas separation membrane module
EP3231501B1 (en) 2014-11-18 2024-02-28 Renaissance Energy Research Corporation Carbon dioxide gas separation membrane, method for manufacturing same, and carbon dioxide gas separation membrane module
JP6419850B2 (en) * 2015-01-26 2018-11-07 富士フイルム株式会社 Acid gas separation module
WO2016194832A1 (en) 2015-05-29 2016-12-08 住友化学株式会社 Spiral-type acidic-gas-separation-membrane element, acidic-gas-separation-membrane module, and acidic gas separation device
EP3305395B1 (en) 2015-05-29 2020-01-08 Sumitomo Chemical Company, Limited Spiral-wound acid gas separation membrane element, acid gas separation membrane module, and acid gas separation apparatus
JP6715575B2 (en) * 2015-06-18 2020-07-01 住友化学株式会社 Carbon dioxide separation method and carbon dioxide separation device
JP6084314B1 (en) * 2016-01-26 2017-02-22 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system
JP6964070B2 (en) 2016-04-04 2021-11-10 住友化学株式会社 Acid gas separation film and acid gas separation method using it, acid gas separation module and acid gas separation device
JP6573942B2 (en) 2017-09-15 2019-09-11 住友化学株式会社 Gas separation method
JP6573650B2 (en) 2017-09-15 2019-09-11 住友化学株式会社 Gas separation method
US11213792B2 (en) 2017-09-29 2022-01-04 Sumitomo Chemical Company, Limited Spiral-wound type gas separation membrane element, gas separation membrane module, and gas separation device
JP7089356B2 (en) 2017-11-15 2022-06-22 住友化学株式会社 Manufacturing method and manufacturing equipment for acid gas separation membrane sheet
JP6648092B2 (en) 2017-11-15 2020-02-14 住友化学株式会社 Acid gas separation membrane sheet and method for producing the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4802988A (en) * 1987-09-17 1989-02-07 Texaco Inc. Dehydration of glycols
JPH07102310B2 (en) * 1993-10-19 1995-11-08 工業技術院長 Carbon dioxide separation gel membrane and method for producing the same
JP3999423B2 (en) * 1999-10-27 2007-10-31 独立行政法人科学技術振興機構 Carbon dioxide separation and dehumidification method and apparatus using liquid membrane
JP4180991B2 (en) * 2003-07-25 2008-11-12 株式会社四国総合研究所 Carbon dioxide adsorption method
JP4939124B2 (en) * 2005-11-10 2012-05-23 住友電工ファインポリマー株式会社 Fluororesin porous membrane

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9724652B2 (en) 2012-10-22 2017-08-08 Sumitomo Chemical Company, Limited Copolymer and carbon dioxide gas separation membrane
JP5598630B1 (en) * 2012-10-22 2014-10-01 住友化学株式会社 Copolymer and carbon dioxide separation membrane
US9833746B2 (en) 2013-03-29 2017-12-05 Renaissance Energy Research Corporation Facilitated CO2 transport membrane, method for producing same, resin composition for use in method for producing same, CO2 separation module and method and apparatus for separating CO2
JP2015188867A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
JP2015188866A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
JP2015188865A (en) * 2014-03-28 2015-11-02 次世代型膜モジュール技術研究組合 gas separation membrane
WO2016104048A1 (en) * 2014-12-26 2016-06-30 日本碍子株式会社 Gas separation method
WO2016104049A1 (en) * 2014-12-26 2016-06-30 日本碍子株式会社 Gas separation method
US10576414B2 (en) 2014-12-26 2020-03-03 Ngk Insulators, Ltd. Gas separation method
US10688434B2 (en) 2014-12-26 2020-06-23 Ngk Insulators, Ltd. Gas separation method
WO2017154519A1 (en) * 2016-03-09 2017-09-14 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ Combustion system
JPWO2017154519A1 (en) * 2016-03-09 2018-12-20 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ Combustion system
TWI675990B (en) * 2016-03-09 2019-11-01 日商新生能源研究股份有限公司 Combustion System
JP2020165430A (en) * 2016-03-09 2020-10-08 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ Combustion system
US11247169B2 (en) 2016-03-09 2022-02-15 Renaissance Energy Research Corporation Combustion system
JP2020032383A (en) * 2018-08-31 2020-03-05 東京瓦斯株式会社 Evaluation method and evaluation system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009195900A (en) 2009-09-03
JP5443773B2 (en) 2014-03-19
JP5474172B2 (en) 2014-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5474172B2 (en) Carbon dioxide separator
JP4621295B2 (en) CO2-facilitated transport membrane and method for producing the same
JP4965927B2 (en) CO2 facilitated transport membrane and method for producing the same
JP4965928B2 (en) Carbon dioxide separator and method
JP5555332B2 (en) Gas separation device, membrane reactor, hydrogen production device
JP5553421B2 (en) CO2-facilitated transport membrane and method for producing the same
US10858248B2 (en) Method for separating CO2 using facilitated CO2 transport membrane
Okada et al. CO2-facilitated transport membrane and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140115

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5474172

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S201 Request for registration of exclusive licence

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314201

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S211 Written request for registration of transfer of exclusive licence

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314211

S804 Written request for registration of cancellation of exclusive licence

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314803

R371 Transfer withdrawn

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371

S211 Written request for registration of transfer of exclusive licence

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314211

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S804 Written request for registration of cancellation of exclusive licence

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314803

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250