JP2017006820A - 二酸化炭素分離方法及び二酸化炭素分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い二酸化炭素の透過性能を発揮する二酸化炭素分離方法、及び二酸化炭素の透過性能に優れた二酸化炭素分離装置を提供する。【解決手段】少なくとも二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体を、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む二酸化炭素分離膜に供給する混合気体供給工程と、前記二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を含む透過気体を前記混合気体から分離する二酸化炭素分離工程と、前記混合気体と前記透過気体との温度差を０℃以上２０℃以下の範囲となるように前記二酸化炭素分離膜と接する気体の温度を調整する温度調整工程と、前記透過気体の圧力を調整する圧力調整工程とを有する二酸化炭素分離方法であって、前記混合気体の水蒸気分圧と、前記透過気体の圧力とが下記式（１）を満たすようにする。２．５ｋＰａＡ＜（透過気体の圧力）＜（混合気体の水蒸気分圧） ・・・（１）【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素分離方法及び二酸化炭素分離装置に関するものである。

燃料電池への水素の供給手段として水蒸気改質がある。水蒸気改質は、炭化水素と水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素とを得、さらに一酸化炭素と水蒸気とを反応させて二酸化炭素と水素とを生成させる。そして、生成した二酸化炭素と水素とを含む混合気体から二酸化炭素を分離することによって水素を得るものである。

混合気体から二酸化炭素を分離する方法としては、省エネルギー化が図れることから膜分離法が近年注目されている。膜分離法に用いるガス分離膜として、これまでから種々の分離膜が提案されている。なかでも二酸化炭素との可逆的な反応を利用した二酸化炭素分離促進輸送膜の開発研究が盛んに行われている（特許文献１，２）。例えば、特許文献３では、促進輸送機構を利用した二酸化炭素分離膜の透過側を飽和水蒸気圧以上に加圧したり、前記透過側に加湿されたスイープガスを供給したりすることで、前記透過側における前記二酸化炭素分離膜からの水の蒸発を抑制し、二酸化炭素の透過性能を向上する技術が提案されている。

特開２００９−１９５９００号公報 特開２００１−１２０９４０号公報 特開２０１３−２２５８１号公報

ところが、従来の二酸化炭素分離膜を用いた二酸化炭素の分離方法では、二酸化炭素分離膜が有する二酸化炭素の透過性能が十分に発揮されていないことが分かった。発明者らは鋭意検討を行ったところ、二酸化炭素分離膜の透過側を加圧し過ぎると、供給側と透過側との圧力差が小さくなるため、二酸化炭素の透過性能が低下するといった問題があることを突き止め、この問題を解決する二酸化炭素分離方法を見出した。さらに、二酸化炭素分離膜の透過側に加湿されたスイープガスを供給するためには、スイープガスの新たなガス源や加湿調整する工程の追加が必要であるため、膜分離法の導入にて期待できる省エネルギー化が図れなくなる問題を見定め、この問題をも解決する二酸化炭素分離方法を見出した。

本発明の目的は、二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力を適切な範囲に調整することで、供給側と透過側との圧力差を確保すると共に、二酸化炭素分離膜を透過した水蒸気のスイープ効果によって、高い二酸化炭素の透過性能を発揮する二酸化炭素分離方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、二酸化炭素の透過性能に優れた二酸化炭素分離装置を提供することにある。

前記目的を達成する本発明に係る二酸化炭素の分離方法は、少なくとも二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体を、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む二酸化炭素分離膜に供給する混合気体供給工程と、前記二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を含む透過気体を前記混合気体から分離する二酸化炭素分離工程と、前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体と前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体との温度差が０℃以上２０℃以下の範囲となるように前記二酸化炭素分離膜と接する気体の温度を調整する温度調整工程と、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力を調整する圧力調整工程とを有する二酸化炭素の分離方法であって、前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の水蒸気分圧と、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力とが下記式（１）を満たすことを特徴とする。
２．５ｋＰａＡ＜（透過気体の圧力）＜（混合気体の水蒸気分圧） ・・・（１）

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力が圧力調整手段によって調整されるようにしてもよい。

また前記構成において、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力が、透過気体の流路構造による圧力損失を利用することにより調整されるようにしてもよい。

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜と接する気体の温度が温度調整手段によって調整されるようにしてもよい。

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の水蒸気分圧と、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力とがさらに下記式（２）を満たすことが好ましい。
（混合気体の水蒸気分圧）×０．２５＜（透過気体の圧力）＜（混合気体の水蒸気分圧） ・・・・・・（２）

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体が、温度５０℃以上１４０℃以下の範囲および相対湿度５０％ＲＨ以上１００％ＲＨ以下の範囲であるのが好ましい。

また本発明によれば、前記のいずれか記載の二酸化炭素分離方法に用いる二酸化炭素分離装置であって、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む二酸化炭素分離膜により供給側と透過側とに隔てられた構造を有する１基以上の二酸化炭素分離膜モジュールと、前記二酸化炭素分離膜モジュール内の気体の温度を調整する温度調整手段と、前記二酸化炭素分離膜モジュールが有する透過側出口から排出される透過気体の圧力を調整する圧力調整手段とを備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置が提供される。

前記構成において、前記二酸化炭素キャリアは、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩及びアルカリ金属水酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物であるのが好ましい。

前記構成において、前記二酸化炭素キャリアは、炭酸セシウム及び水酸化セシウムの少なくとも一方を含んでいるのが好ましい。

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜は、中空糸状、管状またはスパイラル状であるのが好ましい。

前記構成において、前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の温度および相対湿度を調整する温湿度調整手段をさらに備えるのが好ましい。

本発明に係る二酸化炭素分離方法によれば、二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力を適切な範囲に調整することで、供給側と透過側との圧力差を確保すると共に、膜を透過した水蒸気のスイープ効果によって、高い二酸化炭素透過性能を発揮すことができる。

また、本発明によれば、二酸化炭素の透過性能に優れた二酸化炭素分離装置を提供することができる。

本発明の二酸化炭素分離装置の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る二酸化炭素分離方法を実施するスパイラル型二酸化炭素分離膜エレメントの構造を示す概説図である。 実施例のシミュレーションで用いる二酸化炭素の透過度と供給側相対湿度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る二酸化炭素分離方法及び二酸化炭素分離装置について図に基づいて説明するが本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１に、本発明の二酸化炭素分離装置の一例を示す概略図を示す。図１の二酸化炭素分離装置は、供給される混合気体の温度、湿度、圧力を調整する調整器Ａと、分離膜モジュールＭと、透過気体の圧力を調整する背圧調整器Ｂとを有する。分離膜モジュールＭは、供給気体流路１と透過気体流路２とが二酸化炭素分離膜３で仕切られた構造を有する。供給気体流路１の対向する壁には供給気体供給口１１と供給気体排出口１２とが形成されている。透過気体流路２には、透過気体排出口２２が形成されている。

なお、図１では前記分離膜モジュールＭを１基のみ図示しているが、供給される混合気体の流量と設定される透過気体の流量とに応じて、１基以上の前記分離膜モジュールＭを並列または直列に連結した分離膜モジュール群であってもよい。並列に分離膜モジュールＭを連結した場合、透過気体の圧力を調整する背圧調整器Ｂは、分離膜モジュール毎の透過気体排出口２２の後に備えても良いし、１基以上の分離膜モジュールの透過気体排出口２２を束ねた後に備えられていてもよい。

少なくとも二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体が、調整器Ａにおいて温度、湿度、圧力が調整されて、供給気体供給口１１から供給気体流路１に供給される。そして、供給気体流路１を混合気体が流動する間に、混合気体に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素分離膜３を透過して透過気体流路２に移動する。そして、二酸化炭素が除去された混合気体（非透過ガス）が供給気体排出口１２から排出される。一方、二酸化炭素分離膜３を透過した二酸化炭素を含む透過気体は透過気体排出口２２から排出される。透過気体の圧力は背圧調整器Ｂで調整される。

ここで重要なことは、透過気体の圧力を２．５ｋＰａＡより大きく且つ混合気体の水蒸気分圧よりも小さくすることである。２．５ｋＰａＡは温度２０℃における飽和水蒸気圧であり、透過気体の圧力が２．５ｋＰａＡ以下であると、混合気体中の水蒸気が二酸化炭素分離膜３を多く透過し、混合気体中の水分が低下し二酸化炭素の透過性能が低下する。また、透過気体の圧力が混合気体の水蒸気分圧以上であると、供給側と透過側との圧力差が小さくなり二酸化炭素の透過性能が低下する。より好ましい透過気体の圧力は、｛（混合気体の水蒸気分圧）×０．２５｝よりも大きく混合気体の水蒸気分圧よりも小さい圧力範囲である。なお、｛（混合気体の水蒸気分圧）×０．２５｝は、透過気体の温度が混合気体よりも２０℃以上低い場合における飽和水蒸気圧である。透過気体の温度が混合気体よりも２０℃以上低いと、二酸化炭素分離膜内を透過した気体が二酸化炭素分離膜の透過側に排出する際に必要な熱エネルギーが不足し、二酸化炭素の透過性能が低下する。このように、透過気体の圧力を前記式（１）の範囲とすることによって、二酸化炭素分離膜３の供給側と透過側とにおける二酸化炭素の分圧差を確保しながら、透過した水蒸気がスイープガスと同様の作用効果をもたらし、二酸化炭素の透過性能を向上させることができる。また本発明の二酸化炭素分離方法によれば、従来は分離膜モジュールに別途供給されていたスイープガスを供給することなく高い透過性能を発揮することができる。

なお、図１では示されていないが、供給気体供給口１１に供給される混合気体と透過気体排出口２２から排出される透過気体との温度差が０℃以上２０℃以下となるように、分離膜モジュールＭ内の気体が温調されていてもよい。このように温度差を調整することにより、透過気体の圧力を前記式（１）の範囲にすることで得られる効果が向上する。前記温度差が０℃超である場合、透過気体の温度は、混合気体よりも高くても低くてもよいが、混合気体よりも低いことが好ましい。

分離膜モジュールＭ内の気体を温調する手段としては、分離膜モジュールＭの周囲に熱媒を流通させる温調装置や、分離膜モジュールＭからの放熱を抑える断熱材による断熱装置などを用いることができる。

分離膜モジュールＭに供給される混合気体は、調整器Ａによって温度、湿度、圧力が調整される。混合気体の温度としては５０℃以上１４０℃以下の範囲が好ましい。また、混合気体の湿度としては５０％ＲＨ以上１００％ＲＨ以下の範囲が好ましい。調整器Ａとしては、例えば、熱交換装置、加圧・減圧装置、気泡塔やスチーム追加による加湿装置などが挙げられる。

また、背圧調整器Ｂとしては、加圧装置、減圧装置、背圧弁など従来公知の圧力調整装置を用いることができる。あるいはまた、背圧調整器Ｂを用いることなく、分離膜モジュールＭの透過気体の流路構造による圧力損失を利用して二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力調整を行ってもよい。図２に、透過気体の流路構造によって圧力調整を行い得る分離膜モジュールに備わる膜エレメントＭ１の一例を示す。

図２は、膜エレメントＭ１の一部を切り欠いた斜視図である。膜エレメントＭ１は、二酸化炭素分離膜４１と供給側流路材４２と透過側流路材４３とが積層された積層体４が、複数の穴５１が形成された中空の集ガス管５の外周に複数巻き付けられた構造を有する。このような構造の膜エレメントＭ１において、二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体は、膜エレメントＭ１の供給口４４から矢印Ｐで示す方向に供給され、供給側流路材４２を流れる間に、混合気体中の二酸化炭素が二酸化炭素分離膜４１を透過し、分離された二酸化炭素は透過側流路材４３を流れて集ガス管５に収集され、集ガス管５の排出口５２から回収される。一方、供給側流路材４２の空隙を通過した、二酸化炭素が分離された残余の混合気体は、膜エレメントＭ１の排出口４５から排出される。

供給側流路材４２及び透過側流路材４３には、供給される二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体と二酸化炭素分離膜４１を透過した透過ガスの乱流（膜面の表面更新）を促進して混合気体中の二酸化炭素の膜透過速度を増加させる機能と、供給側の圧力損失をできるだけ小さくする機能と、気体の流路を形成するスペーサーとしての機能などが要求される。このため、網目状のものが好適に用いられる。網目の単位格子の形状は、網目の形状により気体の流路が変わることから、目的に応じて、例えば、菱形、平行四辺形などの形状から選択して用いられる。

透過気体の圧力損失は、この透過側流路材４３の厚さや構造（網目形状など）によって調整することができる。例えば、透過側流路材４３を薄くすれば透過気体の圧力損失が大きくなり、反対に厚くすれば透過気体の圧力損失は小さくなる。また、膜エレメントＭ１の集ガス管５の内径や穴５１の個数、大きさ、位置などを調整することによっても透過気体の圧力損失を調整できる。

供給側流路材４２及び透過側流路材４３の材質としては、特に限定はないが、二酸化炭素分離膜が１００℃以上の温度条件下で使用され得ることから、耐熱性を有する材料が好ましく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、高分子量ポリエステル、ポリオレフィン、耐熱性ポリアミド、アラミド、ポリカーボネートなどの樹脂材料；金属、ガラス、セラミックスなどの無機材料等が挙げられる。これらの中でも、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ポリエーテルスルホン、ＰＥＥＫ，ポリイミド、セラミック、金属が好ましく、さらには、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、金属がより好ましい。

本発明で使用する二酸化炭素分離膜としては、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含むものであれば特に限定はなく従来公知のものが使用できる。より好適には、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む親水性樹脂組成物を含む分離機能層と多孔膜層とが積層された状態のものが挙げられる。

親水性樹脂としては、例えば、ビニルアルコール−アクリル酸共重合体、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリマレイン酸（ＰＭＡ）、ポリフマル酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルフェノールなどが挙げられる。これらの中でも、水素結合による物理架橋構造を有する樹脂、具体的には、ビニルアルコール−アクリル酸共重合体、ＰＶＡ、ＰＡＡなどの水酸基やカルボキシル基を有する親水性樹脂が好適に使用される。

また、本発明で使用する親水性樹脂は、さらに架橋構造を有することが好ましい。親水性樹脂組成物から成る分離機能層における二酸化炭素は、親水性樹脂が吸収した水の中を反応場として二酸化炭素が二酸化炭素キャリアと可逆的に反応し、分離機能層に接する供給側と透過側のガス相における圧力差を推進力として透過しており、親水性樹脂が架橋構造を有すると、親水性樹脂層が三次元網目構造となり、多くの水を保持し得ると共に、高い圧力差に耐え得るようになるからである。

また、二酸化炭素キャリアは、分離機能層中に存在し、親水性樹脂が吸収した水に溶解した二酸化炭素と可逆的に反応することで二酸化炭素を選択透過する役割を果たすものであればよく、従来公知のものを使用できる。

このような二酸化炭素キャリアとしては、例えば、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、アルカリ金属水酸化物などが挙げられる。これらの化合物を構成するアルカリ金属は、潮解性を示すＮａ、Ｋ、Ｒｂ又はＣｓが好ましい。アルカリ金属炭酸塩としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、及び炭酸セシウムなどが挙げられる。また、アルカリ金属重炭酸塩としては、例えば、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ルビジウム、及び重炭酸セシウムなどが挙げられる。さらにまた、アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、及び水酸化セシウムなどが挙げられる。これらの中でも、水への溶解度が高い炭酸セシウム、水酸化セシウムが好ましい。

多孔膜としては、高分子多孔膜が好ましく、その材質としては、従来公知の高分子、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等、ＰＴＦＥ、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ＰＥＥＫ、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアラミド等の各種樹脂を挙げられ、好ましくはＰＴＦＥ、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ＰＥＥＫ、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリイミド、ポリアミドイミドなどが好ましく使用される。これらの中でも、ＰＴＦＥは、微小孔径を得やすいこと、気孔率を高くできるために分離のエネルギー効率が良いこと等の理由からより好ましい。

多孔膜の厚さに特に限定はないが、機械的強度の観点からは、通常、１０μｍ〜３０００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５００μｍの範囲であり、更に好ましくは１５μｍ〜１５０μｍの範囲である。

多孔膜の細孔の平均孔径に特に限定はないが、１０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以下である。また多孔膜の空孔率は５％〜９９％の範囲が好ましく、より好ましくは３０％〜９０％の範囲である。

二酸化炭素分離膜の形状としては特に限定はないが、中空糸状、管状またはスパイラル状であるのが好ましい。

（実施例１〜４，比較例１〜５）
下記に示す条件と前提とを用いて、分離膜モジュールの二酸化炭素の処理量を計算した。結果を表１に示す。

（分離膜モジュールに供給する混合気体）
（組成）
総流量：１Ｎｍ^３／ｈ
ＣＯ_２ ：０．２ Ｎｍ^３／ｈ（２０ｖｏｌ％−ｗｅｔ）
Ｈ_２Ｏ ：表１に記載の水蒸気分圧相当
Ｈ_２ ：ＣＯ_２とＨ_２Ｏを除いた残り組成
（温度・湿度・圧力）
表１に記載の通り。

（前提）
・分離膜モジュールの透過側へのスイープガスの供給はなしとした。
・分離膜モジュールに供給される混合気体と分離膜モジュールから排出される透過気体との温度差は０℃とした。
・二酸化炭素の透過度は、分離膜モジュールの供給側を流通する混合気体の湿度に影響する図３の依存性を示すものとした。
・Ｈ_２は分離膜モジュールに備わる二酸化炭素分離膜を透過しないとした。

（計算方法）
表１に示す条件の混合気体に対して分離膜モジュールにおける透過気体の圧力を変えた場合の、二酸化炭素の除去率（＝１００×透過気体の二酸化炭素流量／混合気体の二酸化炭素流量）が５０％となる、残余混合気体（分離膜モジュールに備わる二酸化炭素分離膜を透過しなかった気体）と透過気体（分離膜モジュールに備わる二酸化炭素分離膜を透過した気体）との条件を計算した。具体的な計算手順は以下の通りである。

１．分離膜モジュールにおける残余混合気体と透過気体との相対湿度が等しく、二酸化炭素の除去率が５０％となる、残余混合気体および透過気体における湿度と二酸化炭素の流量および分圧とを、与えた混合気体の条件に対して物質収支式により計算した。
２．分離膜モジュールが備える二酸化炭素分離膜の二酸化炭素透過度として、与えた混合気体の湿度と１．で得られた残余混合気体の湿度と図３より、混合気体と残余混合気体とにおける二酸化炭素透過度を求め、それらの平均値を計算した。
３．分離膜モジュールの供給側と透過側とにおける気体のそれぞれに含まれる二酸化炭素の分圧から、膜透過の推進力となる分圧差を求めた。分離膜モジュール入口における二酸化炭素の分圧差は、二酸化炭素分離膜を透過した二酸化炭素はゼロであるため、与えた混合気体に含まれる二酸化炭素の分圧と等しいとした。一方、分離膜モジュール出口における二酸化炭素の分圧差は、１．で得られた残余混合気体と透過気体とのそれぞれに含まれる二酸化炭素の分圧の差とした。得られた分離膜モジュールの入口と出口とにおける二酸化炭素の分圧差から求めた平均値を、分離膜モジュールの二酸化炭素の分圧差とした。
４．２．で得られた分離膜モジュールの二酸化炭素透過度と３．で得られた二酸化炭素分圧差とから、下記式を用いて、分離膜モジュールの単位膜面積当たりの二酸化炭素の処理量（透過気体の二酸化炭素流量）を計算した。
分離膜モジュールの単位膜面積当たりの二酸化炭素の処理量［ｍｏｌ／ｓ／ｍ^２］
＝ 分離膜モジュールの二酸化炭素透過度［ｍｏｌ／ｓ／ｋＰａ／ｍ^２］
× 分離膜モジュールの二酸化炭素分圧差［ｋＰａ］

表１から明らかなように、温度１４０℃、湿度１００％ＲＨ、全圧２５００ｋＰａＡ、水蒸気分圧３６０ｋＰａで二酸化炭素を２０ｖｏｌ％含む混合気体を分離膜モジュールに供給した場合、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも小さく且つ２．５ｋＰａＡよりも大きくした実施例１及び実施例２では、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも大きくした比較例１及び比較例２よりも、単位膜面積当たりの二酸化炭素処理量は多くなっていた。

また、混合気体を温度８０℃、湿度１００％ＲＨ、全圧２００ｋＰａＡ、水蒸気分圧４７ｋＰａとした場合でも、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも小さく且つ２．５ｋＰａＡよりも大きくした実施例３では、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも大きくした比較例３よりも、単位膜面積当たりの二酸化炭素処理量は多くなっていた。

そしてまた、混合気体を温度５０℃、湿度５０％ＲＨ、全圧１００ｋＰａＡ、水蒸気分圧６．２ｋＰａとした場合でも、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも小さく且つ２．５ｋＰａＡよりも大きくした実施例４では、透過気体の圧力を混合気体の水蒸気分圧よりも大きくした比較例４、及び透過気体の圧力を２．５ｋＰａＡ未満とした比較例５よりも、単位膜面積当たりの二酸化炭素処理量は多くなっていた。

本発明の二酸化炭素分離方法によれば、二酸化炭素分離促進輸送膜を透過した透過気体の圧力を適切な範囲に調整することで、供給側と透過側との圧力差を確保すると共に、膜を透過した水蒸気のスイープ効果とによって、高い二酸化炭素の透過性能を発揮する。

３ 二酸化炭素分離膜
４ 積層体
５ 集ガス管
Ａ 調整器（温湿度調整手段）
Ｂ 背圧調整器（圧力調整手段）
Ｍ 二酸化炭素分離膜モジュール
Ｍ１ スパイラル型二酸化炭素分離膜エレメント
４１ 二酸化炭素分離膜
４２ 供給側流路材
４３ 透過側流路材
４４ 供給口
４５ 排出口
５２ 排出口

Claims (11)

1. 少なくとも二酸化炭素と水蒸気とを含む混合気体を、親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む二酸化炭素分離膜に供給する混合気体供給工程と、
   前記二酸化炭素分離膜によって二酸化炭素を含む透過気体を前記混合気体から分離する二酸化炭素分離工程と、
   前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体と前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体との温度差を０℃以上２０℃以下の範囲となるように前記二酸化炭素分離膜と接する気体の温度を調整する温度調整工程と、
   前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力を調整する圧力調整工程とを有する二酸化炭素の分離方法であって、
   前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の水蒸気分圧と、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力とが、下記式（１）を満たすことを特徴とする二酸化炭素分離方法。
   ２．５ｋＰａＡ＜（透過気体の圧力）＜（混合気体の水蒸気分圧） ・・・（１）
2. 前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力が、圧力調整手段によって調整される請求項１に記載の二酸化炭素分離方法。
3. 前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力が、透過気体の流路構造による圧力損失を利用することにより調整される請求項１に記載の二酸化炭素分離方法。
4. 前記二酸化炭素分離膜と接する気体の温度が、温度調整手段によって調整される請求項１から３のいずれか記載の二酸化炭素分離方法。
5. 前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の水蒸気分圧と、前記二酸化炭素分離膜を透過した透過気体の圧力とが、さらに下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の二酸化炭素分離方法。
   （混合気体の水蒸気分圧）×０．２５＜（透過気体の圧力）＜（混合気体の水蒸気分圧） ・・・・・・（２）
6. 前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体が、温度５０℃以上１４０℃以下の範囲および相対湿度５０％ＲＨ以上１００％ＲＨ以下の範囲である請求項１から５のいずれか記載の二酸化炭素分離方法。
7. 請求項１から６のいずれか記載の二酸化炭素分離方法に用いる二酸化炭素分離装置であって、
   親水性樹脂と二酸化炭素キャリアとを含む二酸化炭素分離膜により供給側と透過側とに隔てられた構造を有する１基以上の二酸化炭素分離膜モジュールと、
   前記二酸化炭素分離膜モジュールが有する供給側入口に供給される混合気体と透過側出口から排出される透過気体から排出される透過気体との温度差を調整する温度調整手段と、
   前記透過側出口から排出される透過気体の圧力を調整する圧力調整手段と
   を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
8. 前記二酸化炭素キャリアが、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩及びアルカリ金属水酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一つの化合物である請求項７記載の二酸化炭素分離装置。
9. 前記二酸化炭素キャリアが、炭酸セシウム及び水酸化セシウムの少なくとも一方を含んでいる請求項７または８記載の二酸化炭素分離装置。
10. 前記二酸化炭素分離膜が、中空糸状、管状またはスパイラル状である請求項７から９のいずれか記載の二酸化炭素分離装置。
11. 前記二酸化炭素分離膜に供給される混合気体の温度および相対湿度を調整する温湿度調整手段をさらに備えた請求項７から１０のいずれか記載の二酸化炭素分離装置。