JP2017124371A - ガス分離体とそれを用いたガス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分離対象となるガスの実用的な分離性能を維持しつつ、空調等に応用可能な流量を得ることを可能にしたガス分離体を提供する。
【解決手段】実施形態のガス分離体は、第１の空間と第２の空間との間に配置され、第２の空間の分離対象ガスの分圧を第１の空間の分離対象ガスの分圧より低くすることにより、第１の空間に存在する分離対象ガスを第２の空間に透過させるために用いられる。実施形態のガス分離体５は、第１の面１６ａと、第１の面１６ａと対向する第２の面１６ｂとを備え、分離対象ガスに親和性を有する無機材料粒子１５の多孔質集合体１６を具備する。多孔質集合体１６は、無機材料粒子１５間に設けられ、第１の面１６ａから第２の面１６ｂに通じる空孔１７を備える。多孔質集合体１６の第１の面１６ａから第２の面１６ｂへの空気透過率は１×１０^−１４ｍ^２以上１×１０^−１１ｍ^２以下である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ガス分離体とそれを用いたガス分離装置に関する。

家庭用エアコン等の空調技術においては、冷媒およびエネルギー効率の両面で技術が進展し、それに伴ってより快適な生活環境が求められている。このため、温度ばかりでなく、調湿、換気、気流調整、空気清浄等の空気調和機の多機能化が進んできている。エネルギー効率の向上は、ここ最近のエネルギー不足からも最重要課題となっている。高温多湿のアジア諸国においても、生活水準の向上に伴って、調湿、特に除湿は重要と考えられており、これを省エネで行うことで環境負荷の小さい空調が求められている。現在主流となっているコンプレッサー等を用いた冷媒冷却による除湿では、空気を冷却して水蒸気を凝縮すると共に、冷却した空気を再加熱して温度調整するため、多大のエネルギーを要する。このため、消費電力が増加することから、環境負荷の大きさが課題となっている。

デシカント空調等のガス分離装置は、水蒸気を吸着する吸湿材を用いた吸湿器で室内の水分を吸着した後、これを温めて屋外に排出するため、冷媒式の除湿より省エネ性に優れている。しかし、水を吸着して飽和した吸湿材を再生する必要がある。吸湿材の再生処理は、吸湿材を加熱して水を排出させることにより行われる。このような吸湿材の再生処理を冷房と併用することは、非効率的であると指摘されている。一方、計装機器等に用いられる空気を脱湿するために、ゼオライト膜のような無機分離膜を用いた脱湿装置が知られている。ゼオライト膜等を用いた脱湿装置は、水蒸気の分離性能に優れる反面、水蒸気の透過流量が小さいという問題を有している。空調用途等では流量を確保する必要があるため、ゼオライト膜等を用いた脱湿装置では実用的な空調装置を構成することができない。

また、現行の空調方式に代わる省エネで低コストの手法として、再生処理を必要としないガス分離体を用いた連続除湿方式が検討されている。ガス分離体を用いた調湿装置の構造としては、ポリエチレンやフッ素樹脂等を用いた２枚の水蒸気透過性膜間に塩化リチウム水溶液等の液体吸収剤を充填したガス分離体を、調湿する室内等の空間と室外等の空間との間に配置した構造が挙げられ、室内の空気と液体吸収剤との間で水蒸気透過性膜を介して水蒸気の授受が行われる。しかしながら、水蒸気透過性膜は破損しやすく、さらにこの方式では水蒸気の移動速度が遅いため、効率的に除湿を行うことが難しい。

特開２００２−２７４６０８号公報 特開２０１１−０４１９２１号公報 特開２０１３−１７６７６５号公報 特開平７−３２８３７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、分離対象となるガスの実用的な分離性能を維持しつつ、空調等に応用可能な流量を得ることを可能にしたガス分離体とそれを用いたガス分離装置を提供することにある。

実施形態のガス分離体は、第１の空間と第２の空間との間に配置され、第２の空間の分離対象ガスの分圧を第１の空間の分離対象ガスの分圧より低くすることにより、第１の空間に存在する分離対象ガスを第２の空間に透過させるガス分離体であって、第１の面と、第１の面と対向する第２の面とを備え、分離対象ガスに親和性を有する無機材料粒子の多孔質集合体を具備する。多孔質集合体は、無機材料粒子間において第１の面から第２の面に通じる空孔を備える。多孔質集合体の第１の面から第２の面への空気透過率は、１×１０^−１４ｍ^２以上１×１０^−１１ｍ^２以下である。

実施形態のガス分離装置は、第１の空間と、第１の空間に通じる第２の空間と、第１の面を第１の空間に露出させ、かつ第２の面を第２の空間に露出させつつ、第１の空間と第２の空間との間を仕切るように設けられた、実施形態のガス分離体と、第２の空間の分離対象ガスの分圧が第１の空間の分離対象ガスの分圧より低くなるように、第２の空間の分離対象ガスの分圧を調整するガス圧調整部とを具備し、第１の空間に存在する前記分離対象ガスを、ガス分離体を介して第２の空間に透過させる装置である。

実施形態のガス分離装置の構成を示す図である。 図１に示すガス分離装置に用いられるガス分離体を示す断面図である。 図２に示すガス分離体の使用例を示す断面図である。 図１に示すガス分離装置を除湿装置として用いた第１の例を示す図である。 図１に示すガス分離装置を除湿装置として用いた第２の例を示す図である。

以下、実施形態のガス分離体とそれを用いたガス分離装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態によるガス分離装置の構成を示している。図１に示すガス分離装置１は、処理対象の空間（被処理空間）内に存在する、例えば水蒸気や有機溶剤系ガス（有機溶剤蒸気）等のガス（分離対象ガス）を含む空気等の被処理気体から分離対象ガスを分離し、被処理空間のガス濃度を低下させる装置である。ガス分離装置１は、第１の空間Ｓ１を構成する分離室２と、第２の空間Ｓ２を構成する減圧室３と、分離室２と減圧室３とが通じるように接続する接続路４と、分離室２と減圧室３との間を仕切るように、接続路４内に配置されたガス分離体５と、分離対象ガスを含む被処理気体を分離室２に送る送風機６と、減圧室４内を減圧する減圧ポンプ７とを備えている。

分離室２は吸入口８Ａと吐出口９Ａとを有し、吸入口８Ａは配管１０を介して送風機６と接続されている。減圧室３は吸入口８Ｂと吐出口９Ｂとを有し、吐出口９Ｂは配管１１を介して減圧ポンプ７と接続されている。分離室２内の第１の空間Ｓ１には、送風機６を稼働させることにより、配管１０を介して分離対象ガスを含む空気等の被処理気体が送られる。被処理気体は、例えば水蒸気や有機溶剤系ガス等の分離対象ガスの濃度を低減する部屋、装置内部、工場内部（密閉空間等）、保管庫、貯蔵庫等の被処理空間（図示せず）から配管１２を介して送風機６に導入される。分離室２内で分離対象ガスが分離され、ガス濃度が低減された被処理気体は、配管１３を介して被処理空間に返送される。

減圧室３内の第２の空間Ｓ２は、減圧ポンプ７を稼働させることにより、分離室２内の圧力（第１の空間Ｓ１の圧力）と減圧室３内の圧力（第２の空間Ｓ２の圧力）との間に差が生じるように減圧される。被処理気体から分離された水蒸気や有機溶剤系ガス等のガスは、減圧ポンプ７に接続された配管１４を介して排出される。分離されたガス（減圧室３に透過したガス）は、大気中に放出されたり、必要に応じて回収される。減圧室３の吸入口８Ｂには、減圧室３の内部に外部の空気等を取り込みながら減圧するように、配管１５が接続されている。配管１５には、必要に応じて弁（図示せず）を設けてもよい。また、配管１５は場合によって省くことができる。

ガス分離体５は、図２に示すように、分離対象ガスに親和性を有する無機材料粒子１５の多孔質集合体１６を備えている。多孔質集合体１６は、無機材料粒子１５間に設けられた空孔１７を有している。多孔質集合体１６は、例えば直方体形状を有し、除湿室２内（第１の空間Ｓ１）に露出される第１の面１６ａと、減圧室３内（第２の空間Ｓ２）に露出される第２の面１６ｂとを有している。多孔質集合体１６内に設けられた空孔１７の少なくとも一部は、第１の面１６ａから第２の面１６ｂに通じている。ガス分離体５は、多孔質集合体１６の空孔１７内に分離対象ガスの液化物、例えば水蒸気であれば水、また有機溶剤系ガスであれば有機溶剤を保持してウエットシールを形成する。ガス分離体５は、当初より分離対象ガスの液化物を含んでいてもよいし、ガス分離体５の使用時に液化物を含ませるようにしてもよい。ガス分離体５の具体的な構成については、後に詳述する。

ガス分離装置１に用いられるガス分離体５は、図３に示すように、気体を透過する支持体１８により支持されていてもよい。図３は一対の支持体１８をガス分離体５の両面に沿って配置した状態を示しているが、支持体１８はガス分離体５の一方の面のみに沿って配置してもよい。支持体１８には、例えば紙、パンチングメタル、ポリイミド多孔体等が用いられ、これら以外のメッシュ状物質であってもよい。支持体１８は、数μｍ径以上の貫通孔を有していることが好ましいが、これに限定されるものではない。ガス分離体５は、支持体１８上に直接形成してもよい。例えば、支持体１８を型内に配置し、その上に無機材料粒子１５を充填して加圧成形して多孔質集合体５を作製してもよい。

分離対象ガスを含む空気等の被処理気体は、上述したように送風機６を稼働させることにより除湿室２内に送られる。送風機３と同時に減圧ポンプ７を稼働させ、減圧室３内を減圧することによって、除湿室２内の圧力と減圧室３内の圧力との間に差を生じさせる。この圧力差によって、減圧室３内の水蒸気圧等の分離対象ガスの分圧（第２の空間Ｓ２の分離対象ガスの分圧（以下、単にガス分圧ともいう））が除湿室２内の水蒸気圧等のガス分圧（第２の空間Ｓ２のガス分圧）より小さくなる。ガス分離体５は空孔１７内に保持された分離対象ガスの液化物によりウエットシールを形成しているため、除湿室２内と減圧室３内との間にガス分圧差を生じさせることで、ガス分離体５を介して配置された除湿室２と減圧室３との間で分離対象ガス（その液化物）の移動が起こる。

ガス分離体５を介して分離対象ガス（その液化物）の移動を生じさせるにあたって、減圧室３内の圧力が除湿室２内の圧力に対して−５０ｋＰａ以下となるように、減圧ポンプ７で減圧室３内を減圧することが好ましい。言い換えると、除湿室２内の圧力と減圧室３内の圧力との差が５０ｋＰａ以上となるように、減圧室３内を減圧することが好ましい。この圧力差が５０ｋＰａ未満であると、除湿室２内から減圧室３内への分離対象ガス（その液化物）の移動を十分に促進できないおそれがある。さらに、除湿室２と減圧室３との圧力差は１００ｋＰａ未満であることが好ましい。圧力差が大きすぎると、ガス分離体５を構成する多孔質集合体１６が破損するおそれが生じる。除湿室２と減圧室３との圧力差は８０〜９０ｋＰａの範囲であることがより好ましい、

図１に示すガス分離装置１においては、減圧室３内を減圧する減圧ポンプ７で除湿室２と減圧室３との間にガス分圧差を生じさせているが、ガス分圧の調整部はこれに限られるものではない。例えば、減圧室３（第２の空間Ｓ２）に乾燥空気や加熱空気を導入するようにしてもよい。これによっても、除湿室２と減圧室３との間に水蒸気圧差等のガス分圧差を生じさせることができる。図１に示すガス分離装置１において、除湿室２と減圧室３との間にガス分圧差を生じさせるガス圧調整部は、特に限定されるものではなく、ガス分圧差を生じさせることが可能な各種の機構を適用することができる。

ガス分圧が相対的に高い除湿室２内の被処理気体中に含まれる分離対象ガスは、ガス分離体５が形成するウエットシール、具体的には空孔１７内に保持された分離対象ガスの液化物に吸収される。ガス分離体５内の分離対象ガスの液化物は、ガス分圧が相対的に低い減圧室３内に透過する。除湿室２内のガス分圧と減圧室３内のガス分圧とガス分離体５内の分離対象ガスの液化物量等のバランスによって、除湿室２内の被処理気体中に含まれる分離対象ガスのガス分離体５による吸収とガス分離体５内の分離対象ガス（その液化物）の減圧室３内への放出とが連続して起こる。

従って、除湿室２内（第１の空間Ｓ１）の分離対象ガスの濃度、さらには除湿室２と送風機６を介して接続された被処理空間の分離対象ガスの濃度を低下させることができる。分離対象ガスが水蒸気である場合、除湿室２内および被処理空間の水蒸気量を減少させて除湿することができる。ガス濃度を低下させた空気等の被処理気体は、除湿室２から被処理空間に返送される。減圧室３内に透過した水分等の分離対象ガスは、配管１１、減圧ポンプ７、および配管１４を介して外部に排出される。分離対象ガスが水蒸気である場合、減圧室３内に透過した水分を加湿が必要な部屋等の第３の空間に送るようにしてもよい。

実施形態のガス分離装置１においては、ガス分離体５がウエットシールを形成しているため、除湿室２内の空気等の被処理気体中に含まれる分離対象ガス（その液化物）のみを減圧室３内に移動させることができる。例えば、ガス分離装置１を除湿装置として使用する場合、除湿室２と減圧室３との間で、基本的には空気中の水分のみが移動し、空気中の乾燥空気はほとんど移動しない。従って、除湿対象の被処理空間の温度をほとんど変動させることがない。被処理空間の温度をほとんど変動させることなく、空間内を除湿することによって、例えば空間の冷房と併用する場合においても、熱効率を低下させるおそれがない。除湿装置を冷房と併用する際の熱効率を高めることができる。

次に、ガス分離体５について詳述する。ガス分離体５を構成する多孔質集合体１６は、無機材料粒子１５の未焼結圧粉体や焼結体等の粒子集合体である。集合体は未焼結圧粉体や焼結体に限らず、無機材料粒子１５間に適度な空孔１７を形成し得る各種の粒子集合体構造を適用することができる。多孔質集合体１６の作製方法については、後述する。多孔質集合体１６を構成する無機材料粒子１５には、分離対象ガスに親和性を有する材料が用いられる。無機材料粒子１５は、単結晶粒子および多結晶粒子のいずれでもよく、また水熱合成で形成した粒子等であってもよい。分離対象ガスに親和性を有する無機材料粒子１５で多孔質集合体１６を構成することによって、多孔質集合体１６の空孔１７内に分離対象ガスの液化物を保持して、ガス分離体５内にウエットシールを形成することができる。

無機材料粒子１５は分離対象ガスに応じて選択される。分離対象ガスとしては、水蒸気や有機溶剤系ガスが挙げられる。これら分離対象ガスを含む被処理気体としては、分離対象ガスを含む空気が挙げられるが、必ずしもこれに限定されない。有機溶剤系ガスとしては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉ−ブタノール、ｓ−ブタノール、ｔ−ブタノール、酢酸エチル、酢酸ｎ−エチル、ギ酸ｉ−ブチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジエチルエーテル、ジイソプロパノール、トリクロロエチレン、ｎ−ヘキサン等の蒸気が挙げられる。

分離対象ガスが水蒸気である場合、無機材料粒子１５には親水性材料が用いられる。無機材料粒子１５を構成する親水性材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）等の酸化物、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含むアルミノケイ酸塩、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の炭酸塩、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のリン酸塩、およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ等のチタン酸塩のような化合物、もしくはこれらの複合物や混合物等が挙げられる。親水性材料の具体例としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、酸化亜鉛、フェライト、ゼオライト、ハイドロキシアパタイト、チタン酸バリウム等挙げられるが、これらに限定されない。

分離対象ガスが有機溶剤ガスである場合、無機材料粒子１５には上述した親水性の化合物粒子の格子内にチャージバランスを崩す添加元素を導入した複合材料粒子や、親水性の化合物粒子の格子内に酸素空孔のような原子空孔を導入した欠陥導入材料粒子が用いられる。親水性化合物は上述した通りであり、そのような化合物粒子の格子内に導入する添加元素としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等が挙げられる。ただし、化合物粒子を構成する陽イオン元素と重複する元素は除かれる。これらの元素を格子内に導入したり、あるいは格子内に酸素空孔等を導入することで、有機溶剤に対する親和性が得られる。

多孔質集合体１６を構成する無機材料粒子１５の平均一次粒子径は１０ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。このような平均一次粒子径を有する無機材料粒子１５を用いることで、適度な大きさを有する空孔１７を適度な量で存在させた多孔質集合体１６が得られやすくなる。無機材料粒子１５の平均一次粒子径が１０μｍを超えると、多孔質集合体１６内の空孔１７の大きさが大きくなりやすいため、ウエットシールの形成性が低下するおそれがある。無機材料粒子１５の平均一次粒子径が１０ｎｍ未満であると、多孔質集合体１６内の空孔１７の量が減少したり、空孔１７の大きさが小さくなりやすいため、分離対象ガスの透過流量が低下するおそれがある。無機材料粒子１５の平均一次粒子径は５０〜１０００ｎｍであることがより好ましい。さらに、多孔質集合体１６内の空孔１７の大きさや量を制御するために、平均一次粒子径が異なる２種類以上の無機材料粒子１５を用いてもよい。これによって、分離対象ガスの分離率と透過流量とを両立させやすくなる。

上述したような無機材料粒子１５を用いた多孔質集合体１６としては、無機材料粒子１５の圧粉体（未焼結圧粉体）や焼結体等が例示される。無機材料粒子１５の未焼結圧粉体は、例えば無機材料粒子１５を型内に充填して圧縮成形することにより得られる。無機材料粒子１５の焼結体は、圧粉体を焼結することにより得られる。無機材料粒子１５の圧縮成形条件や焼結条件を調整することによって、適度な多孔質状態を有する圧粉体や焼結体を得ることができる。また、無機材料粒子１５としてゼオライトを用いる場合、水熱合成した多孔体等であってもよい。さらに、無機材料粒子１５をバインダ樹脂と混合し、この混合物を成形して多孔質集合体１６を作製してもよい。この場合、適度な空孔１７が得られるように樹脂量を調整したり、予め多孔体になる樹脂を用いることが好ましい。混合物の成形方法としては、圧縮成形法に限らず、ドクターブレードのようなシート成形法や押し出し成形法等を適用してもよい。混合物の成形体は、そのまま多孔質集合体１６として用いてもよいし、適当な温度で熱処理して脱脂した状態で用いてもよい。

実施形態のガス分離体５において、無機材料粒子１５間に存在させる空孔１７の平均孔径は５０ｎｍ〜５μｍの範囲であることが好ましい。空孔１７の平均孔径を５０ｎｍ〜５μｍの範囲とすることによって、分離対象ガスの通り道である空孔１７内に分離対象ガスの液化物を保持しやすくなり、ガス分離体５にウエットシールが形成されやすくなると同時に、分離対象ガスの液化物の適度な透過流量を確保することができる。空孔１７の平均孔径が５μｍを超えると、ウエットシール性が低下したり、また除湿室２内からの分離対象ガスの吸収と減圧室３への分離対象ガスの放出のバランスが低下し、ガス分離性能が低下しやすくなる。空孔１７の平均孔径が５０ｎｍ未満であると、水蒸気や有機溶剤系ガス等の分離対象ガス（その液化物）の透過流量が低下しやすくなる。空孔１７の平均孔径は５０〜５００ｎｍの範囲であるであることがより好ましい。

多孔質集合体１６の体積気孔率（多孔質集合体１６内の空孔１７の体積率）は２０〜６０％の範囲であることが好ましい。多孔質集合体１６の体積気孔率が２０％未満であると、空孔１７を通過できる分離対象ガスの液化物量が減少するため、除湿室２内からの分離対象ガスの吸収量および減圧室３への分離対象ガスの放出量が不十分になるおそれがある。多孔質集合体１６の体積気孔率が６０％を超えると、多孔質集合体１６の強度が低下して、ガス分離装置１の連続運転を妨げたり、またガス分離体５のウエットシール性が低下するおそれがある。多孔質集合体１６の体積気孔率は３０〜５０％の範囲であることがより好ましい。なお、多孔質集合体１６の体積気孔率や空孔１７の形状（平均孔径等）は、水銀圧入法により測定した値を示すものである。

ガス分離体５を構成する多孔質集合体１６においては、上述した無機材料粒子１５の平均一次粒子径、無機材料粒子１５の成形条件、空孔１７の平均孔径、体積気孔率等に基づいて、第１の面１６ａから第２の面１６ｂへの空気透過率が１×１０^−１４〜１×１０^−１１ｍ^２の範囲に調整されている。これらによって、分離対象ガスの実用的な分離率α、例えば３〜１００程度の分離率αを維持しつつ、分離対象ガス（その液化物）の透過流量を向上させることができる。多孔質集合体１６の空気透過率が１×１０^−１４ｍ^２未満であると、分離対象ガス（その液化物）の透過流量が減少する。空気透過率が１×１０^−１１ｍ^２を超えると、ウエットシール性が低下して分離対象ガスの分離率αが低下しやすくなる。多孔質集合体１６の空気透過率は１×１０^−１４〜１×１０^−１３ｍ^２の範囲であることが好ましい。このような分離対象ガスの分離率αと透過流量とを両立させたガス分離体５を用いることによって、再生処理を伴わないガスの連続分離性能を高めることできる。従って、実用的でかつ効率的なガス分離装置１を提供することが可能となる。

空気透過率Ｋは、一定容量の空気を試料の垂直方向に通過させ、その際の流入と流出の圧力差ΔＰ［単位：ｋＰａ］と流速Ｑ_ａｉｒ［単位：ｃｍ^３／ｍｉｎ］から、下記の（１）式に基づいて求められる。（１）式において、δは試料の厚さ、Ａは試料の面積、μ_ａｉｒは空気の粘性（１８．５７μＰａ・ｓ）である。
Ｋ＝（Ｑ_ａｉｒ／ΔＰ）・（μ_ａｉｒ／Ａ）・δ …（１）

ガスの分離率αは、例えば水のようなガスの液化物と被処理気体を構成する乾燥空気の透過量の割合であり、下記の（２）式で定義される。
α＝（Ｎ４_{ｌｉｑｕｉｄ}／Ｎ４_ａｉｒ）／（Ｎ３_{ｌｉｑｕｉｄ}／Ｎ３_ａｉｒ） …（２）
式（１）において、（Ｎ３_{ｌｉｑｕｉｄ}／Ｎ３_ａｉｒ）は除湿室２（第１の空間Ｓ１）に供給させる被処理気体（空気）に含まれるガスの液化物と乾燥空気のモル比、（Ｎ４_{ｗａｔｅｒ}／Ｎ４_ａｉｒ）は減圧室３（第２の空間Ｓ２）から排出される被処理気体（空気）に含まれるガスの液化物と乾燥空気のモル比である。αが１であれば、除湿側空間Ｓ１から減圧側空間Ｓ２にガスの液化物（水等）と乾燥空気が同じ割合で流れることを意味する。αが１００であれば、除湿側空間Ｓ１から減圧側空間Ｓ２へのガスの液化物（水等）の透過に対して乾燥空気の透過が１／１００に低減されることを意味する。

ガス（液化物）の透過速度Ｖは、下記の（３）式で定義される。
Ｖ＝ΔＭ_{ｌｉｑｕｉｄ}／Ａ／Δｔ …（３）
式（２）において、ΔＭ_{ｌｉｑｕｉｄ}は減圧側空間Ｓ２で回収されるガス液化物の量であり、Ａはガス分離体５の面積、Δｔは時間である。

（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態によるガス分離装置１を除湿装置として用いた構成例について、図４および図５を参照して説明する。図４において、Ｒは除湿の対象空間Ｒｘを構成する部屋を示しており、部屋Ｒは吸気口Ｒａを有している。除湿装置１は、除湿対象の空間Ｒｘの空気から水蒸気（水分）を除去するために、部屋Ｒに設けられている。図４に示す除湿装置１は、減圧室３（第２の空間Ｓ２）に外部の空気を取り込む配管１５が接続された構造を有している。除湿装置１では、減圧室３内に外部の空気を取り込みながら減圧室３内が減圧される。配管１５は弁２１を有している。

空間Ｒｘ内の空気は、基本的に水蒸気（水分）と乾燥空気とにより構成されている。除湿装置１の除湿室２内には、送風機６を稼働させることにより配管１２、１０を介して空間Ｒｘ内の空気が送られる。除湿室２内で除湿された空気は、配管１３を介して空間Ｒｘに返送される。ガス分離体５を用いた除湿動作（ガス分離動作）は、第１の実施形態で詳述した通りである。すなわち、ウエットシールが形成されたガス分離体５を介して、除湿室２から減圧室３に水分のみが透過する。このような空気中の水分のガス分離体５による吸収とガス分離体５内の水分の減圧室３への放出とが連続して起こるため、再生処理を伴わない連続除湿による除湿性能を高めることできる。従って、実用的でかつ効率的な除湿装置１を提供することが可能となる。

実施形態の除湿装置１の適用構造は、図４に示す構造に限定されるものではない。実施形態の除湿装置１は、種々に変形することができる。図４では第１の空間Ｓ１を除湿装置１の除湿室２に設定したが、第１の空間Ｓ１はこれに限定されるものではない。図５に示すように、第１の空間Ｓ１は除湿の対象空間Ｒｘそのものであってもよい。すなわち、第２の空間Ｓ２となる減圧室３を、第１の空間Ｓ１となる対象空間Ｒｘとガス分離体５を介して配置してもよい。この場合、減圧室３を減圧することによって、除湿の対象空間Ｒｘ（第１の空間Ｓ１）の空気から水蒸気（水分）が直接除去される。第１の空間Ｓ１および第２の空間Ｓ２の設定は、種々に変更することができる。

次に、実施例とその評価結果について述べる。

（実施例１）
平均粒子径が３μｍの４Ａゼオライト粒子（ＬＴＡ型、細孔径：０．３〜０．４ｎｍ）を金型内に充填し、１ｔ／ｃｍ^２の圧力で圧縮成形することによって、厚さ２ｍｍの圧粉体（多孔質集合体）を作製した。圧粉体の空孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、空孔の平均孔径は１７０ｎｍ、体積気孔率は４０％であった。圧粉体の空気透過率は３×１０^−１４ｍ^２であった。この圧粉体をガス分離体として用いた場合の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝３、水蒸気透過速度Ｖ＝３００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。

（実施例２）
平均粒子径が３μｍの４Ａゼオライト粒子と、この４Ａゼオライト粒子をビーズミルで粉砕して平均粒子径を３００ｎｍに調整した小径粒子とを用意した。平均粒子径が３μｍの４Ａゼオライト粒子と平均粒子径が３００ｎｍの４Ａゼオライト粒子（小径粒子）とを、体積比で１００：７の割合となるように混合した。混合粉を金型内に充填し、１ｔ／ｃｍ^２の圧力で圧縮成形することによって、厚さ２ｍｍの圧粉体（多孔質集合体）を作製した。圧粉体の空孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、空孔の平均孔径は１８０ｎｍ、体積気孔率は３０％であった。圧粉体の空気透過率は５×１０^−１４ｍ^２であった。この圧粉体をガス分離体として用いた場合の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝６、水蒸気透過速度Ｖ＝５００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。

（実施例３）
水熱合成法により４Ａゼオライトを作製し、この４Ａゼオライトを成型した後、９０℃で熱処理して多孔体を得た。多孔体の空孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、空孔の平均孔径は１００ｎｍ、体積気孔率は３０％であった。多孔体の空気透過率は１．５×１０^−１４ｍ^２であった。この多孔体をガス分離体として用いた場合の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝５０、水蒸気透過速度Ｖ＝２５０ｇ／ｈ／ｍ^２であった。数時間試験を行っても、水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖの低下は認められなかった。さらに、１カ月後に同様の測定をしても変化は認められなかった。

（実施例４）
実施例２で作製したガス分離体を用いて、図４に示したガス分離装置を構成した。第２の空間を減圧することによって、第１の空間に供給される空気中の水分量を減少させる。これによって、部屋内の対象空間が除湿される。除湿対象空間は、当初温度が４０℃、相対湿度が７０％であったが、ガス分離装置を１時間運転することによって、相対湿度が６０％にまで低下した。ガス分離装置は、第１の空間に対する第２の空間の圧力を−８０ｋＰａに設定して運転した。この際、対象空間の温度は４０℃±１℃の範囲で安定していた。また、実施例１で作製したガス分離体を用いて、同様な除湿試験を実施したところ、同様な結果が得られた。実施例３で作製したガス分離体を用いた場合も同様であった。

（比較例１）
アルミナ基材の表面に４Ａゼオライトを擦りつけ、これを水熱合成用の溶液（９０℃）に１時間浸漬して反応させることによって、アルミナ基材の表面に厚さ５μｍの４Ａゼオライト膜を形成した。得られたゼオライト膜の体積気孔率は２５％、空気透過率は１×１０^−１５ｍ^２であった。ゼオライト膜をガス分離体として用いた場合の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＞１００、水蒸気透過速度Ｖ＝１００ｇ／ｈ／ｍ^２であったが、その後に基材ごと破損した。

（比較例２）
平均粒子径が０．４μｍのアルミナ粒子に、濃度５％のポリビニルブチラール（ＰＶＢ）のアセトン溶液を添加し、乳鉢で混合した後に、金型に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で成型し、さらに１０００℃で焼結することで、厚さ２ｍｍの多孔質焼結体を作製した。多孔質焼結体の空孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、空孔の平均孔径は４８０ｎｍ、体積気孔率は４０％であった。多孔質焼結体の空気透過率は４×１０^−１０ｍ^２であった。多孔質焼結体をガス分離体として用いた場合の水蒸気分離率αおよび水蒸気透過速度Ｖを測定したところ、除湿（吸着）側への供給空気の温度が４０℃、飽和蒸気の条件において、水蒸気分離率α＝１、水蒸気透過速度Ｖ＝４０００ｇ／ｈ／ｍ^２であった。

（比較例３）
比較例１および比較例２で作製したガス分離体を用いて、実施例４と同様にして除湿試験を実施したところ、ガス分離装置を１時間運転して湿度は低下しなかった。

（実施例５）
平均粒子径が５μｍのＺＳＭ−５ゼオライト粒子を硝酸鉄溶液に含浸させた後に乾燥させ、これを金型内に充填して１ｔ／ｃｍ^２の圧力で圧縮成形することによって、厚さ２ｍｍの圧粉体（多孔質集合体）を作製した。圧粉体の空孔形状等を水銀圧入法により測定したところ、空孔の平均孔径は３μｍ、体積気孔率は４０％であった。圧粉体の空気透過率は９×１０^−１２ｍ^２であった。この圧粉体をガス分離体として用いて、エタノール水溶液の蒸気の分離試験を実施したところ、５質量％のエタノール溶液が８０質量％程度まで濃縮された。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ガス分離装置、２…除湿室、３…減圧室、４…接続路、５…ガス分離体、６…送風機、７…減圧ポンプ、１５…無機材料粒子、１６…多孔質集合体、１７…空孔、１８…支持体、Ｓ１…第１の空間、Ｓ２…第２の空間Ｓ２。

Claims (13)

1. 第１の空間と第２の空間との間に配置され、前記第２の空間内の分離対象ガスの分圧を前記第１の空間内の前記分離対象ガスの分圧より低くすることにより、前記第１の空間内に存在する前記分離対象ガスを前記第２の空間に透過させるガス分離体において、
   第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを備え、前記分離対象ガスに親和性を有する無機材料粒子の多孔質集合体を具備し、
   前記多孔質集合体は、前記無機材料粒子間において前記第１の面から前記第２の面に通じる空孔を備え、
   前記多孔質集合体の前記第１の面から前記第２の面への空気透過率が１×１０^−１４ｍ^２以上１×１０^−１１ｍ^２以下である、ガス分離体。
2. 前記多孔質集合体内に存在する前記空孔の平均孔径が５０ｎｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載のガス分離体。
3. 前記多孔質集合体の体積気孔率が２０％以上６０％以下である、請求項１または請求項２に記載のガス分離体。
4. 前記無機材料粒子の平均一次粒子径が１０ｎｍ以上１０μｍ以下である、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガス分離体。
5. 前記多孔質集合体は、前記無機材料粒子の未焼結圧粉体または焼結体である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のガス分離体。
6. 前記多孔質集合体は、前記空孔内に保持された前記分離対象ガスの液化物を備える、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガス分離体。
7. 前記分離対象ガスは水蒸気であり、前記多孔質集合体は親水性を有する無機材料粒子の集合体である、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のガス分離体。
8. 前記無機材料粒子は、アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛、マグネシウム、および鉄から選ばれる少なくとも１つの第１元素の酸化物、アルカリ金属およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１つを含むアルミノケイ酸塩、マグネシウム、カルシウム、およびストロンチウムから選ばれる少なくとも１つの第２元素の炭酸塩、前記第２元素のリン酸塩、およびマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびアルミニウムから選ばれる少なくとも１つの第３元素のチタン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１つからなる、請求項７に記載のガス分離体。
9. 前記分離対象ガスは有機溶剤蒸気であり、前記多孔質集合体は親水性を有する無機材料粒子の格子内にチャージバランスを崩す添加元素が導入された複合材料粒子、または前記無機材料粒子の格子内に原子空孔が導入された欠陥導入材料粒子の集合体である、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のガス分離体。
10. 前記無機材料粒子は、アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛、マグネシウム、および鉄から選ばれる少なくとも１つの第１元素の酸化物、アルカリ金属およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１つを含むアルミノケイ酸塩、マグネシウム、カルシウム、およびストロンチウムから選ばれる少なくとも１つの第２元素の炭酸塩、前記第２元素のリン酸塩、およびマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、およびアルミニウムから選ばれる少なくとも１つの第３元素のチタン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１つからなり、前記添加元素はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも１つ（ただし、無機材料粒子を構成する陽イオン元素と重複する場合を除く）からなる、請求項９に記載のガス分離体。
11. 第１の空間と、
    前記第１の空間に通じる第２の空間と、
    前記第１の面を前記第１の空間に露出させ、かつ前記第２の面を前記第２の空間に露出させつつ、前記第１の空間と前記第２の空間との間を仕切るように設けられた、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のガス分離体と、
    前記第２の空間の前記分離対象ガスの分圧が前記第１の空間の前記分離対象ガスの分圧より低くなるように、前記第２の空間の前記分離対象ガスの分圧を調整するガス圧調整部とを具備し、
    前記第１の空間に存在する前記分離対象ガスを、前記ガス分離体を介して前記第２の空間に透過させる、ガス分離装置。
12. 前記ガス圧調整部は、前記第２の空間の圧力を前記第１の空間の圧力より減圧する圧力調整機構を備える、請求項１１に記載のガス分離装置。
13. 前記ガス分離体は、気体を透過する支持体により支持されている、請求項１１または請求項１２に記載のガス分離装置。

Images