JP2017225933A - 多孔質膜及び気体分離装置 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、前記目的を達成するため、第1の発明は、
<1> 気体分子の吸着が可能な孔を有し、かつ、下記式1を満たし、膜の一方面と他方面との間の温度差によって気体中の気体分子の一部を一方面から他方面に移動させて、前記気体から前記気体分子の一部を分離する、多孔質膜である。
Jsurf − Jgas > 0 ・・・式1
式1において、Jsurfは、固体内表面拡散による固体内物質移動度[g/秒]を表し、Jgasは、気体内拡散による気体内物質移動度[g/秒]を表す。
以下に、第1の発明をより具体的に説明する。
目的の気体分子として例えば水蒸気を含有する気体を、多孔質膜の一方の側(例えば低温側)において膜面に接触させて流通し、他方の側に比べて低温な膜の一方面に水蒸気を吸着させる。第1の発明の多孔質膜は、気体分子の吸着が可能な孔を有するので、吸着材の吸着等温線にしたがって水蒸気を吸着することができる。そして、第1の発明である多孔質膜は、固体内表面拡散による固体内物質移動度が、気体内拡散による気体内物質移動度に比べて卓越した状態(Jsurf−Jgas>0)にあるので、吸着成分である水蒸気は、流通する気体中への拡散よりも多孔質膜の固体内表面拡散が優位となる。よって、水蒸気は、多孔質膜内の水蒸気吸着量が均一になる方向に輸送されることになる。膜中を通って多孔質膜の他方の側(例えば高温側)に達した水蒸気は、前記一方面に比べて高温の他方面で多孔質膜中の吸着材の吸着等温線にしたがって脱離する。
第1の発明においては、上記のように、低温側での気体分子のガス吸着、固体内表面拡散による輸送、高温側での気体分子の脱着が連続的に進行することによって、気体分子の連続的なポンピング効果が得られる。
第1の発明では、既述の従来技術のようにデシカントロータ等の機械的な駆動部、回転部を有さず、かつ、吸着材の温度スウィングもないため、小型化が可能で高い信頼性を確保しつつ、所望とする気体分子を気体中から選択的に分離することができる。
例えば多孔質膜がシリカゲルからなる膜である場合、膜の気孔率が0.7%である場合に、固体内表面拡散による固体内物質移動度と、気体内拡散による気体内物質移動度と、が等しくなる。したがって、多孔質膜の気孔率が0.7%未満であると、気体分子は流通する気体中に拡散するよりも多孔質膜の固体内表面拡散が優位となる。これにより、気体分子は、多孔質膜内において気体分子の吸着量が均一になる方向に輸送される。例えば膜の低温側に気体分子を吸着させた場合、低温側から高温側への気体分子の輸送が可能になる。
<5> ゼオライト、シリカゲル、及びメソポーラスシリカから選択される吸着材を含む態様が好ましく、前記吸着剤からなる態様がより好ましい。
<6> 吸着される前記気体分子は、水蒸気であることが好ましい。
<7> 上記の<1>〜<6>のいずれか1つに記載の多孔質膜と、前記多孔質膜の一方の側に配置された熱源と、を備え、気体中の気体分子の一部を前記気体から分離する気体分離装置である。
<8> 更に、前記多孔質膜の他方の側に、前記気体分子を含む気体が流通する気体流通経路を備えた態様が好ましい。
<9> 前記熱源は、内燃機関、燃焼器、燃料改質器、燃料電池、及び加熱装置から選択される少なくとも一つから排出された加熱流体であることが好ましい。
<10> 前記熱源として、前記加熱流体が流通する流通経路を備えることが好ましい。
気体分子の吸脱着が可能で、かつ、吸着した気体分子の膜内輸送が可能な材料としては、例えば、ゼオライト、シリカゲル、及びメソポーラスシリカから選択される吸着材が好適に挙げられる。
なお、平均孔径は、細孔分布測定装置BELSORP−miniII(マイクロトラック・ベル社製)を用いて求められる値である。
なお、気孔率は、10cm角の試料(多孔質膜)を用意し、その試料体積(cm3)、質量(g)、及びヘリウムピクノメーター(BELPycno、マイクロトラック・ベル社製)により求めた試料真密度(g/ml)を用いて次式から求められる値である。試料体積(cm3)は、10cm×10cm×多孔質膜の厚み(cm)で算出される。
気孔率(%)=(1−(試料質量/試料真密度)/試料体積)×100
熱源としては、上記の内燃機関から排出された排ガスを用いた例を示したが、内燃機関に加えて燃焼器、燃料改質器、燃料電池、及び加熱装置から選択される少なくとも一つから排出された加熱流体を用いることができる。
以下に、具体的に説明する。
多孔質膜11は、上記のような孔径の孔を含み、上記の気孔率を有しており、多孔質膜11の表面には水蒸気が吸着可能なようになっている。そのため、大気中の水蒸気は、多孔質膜11の他方面Aに吸着し、吸着した水蒸気は、多孔質膜中を拡散できるようになる。ここで、気体分子は一般に濃度差によるガス拡散の原理に基づいて拡散しやすいが、本実施形態の多孔質膜11では、固体内表面拡散による固体内物質移動度が、気体内拡散による気体内物質移動度に比べて卓越した状態とされているので、吸着した気体分子である水蒸気は、水蒸気含有ガス流通経路15内を流通する大気へ戻ろうとする拡散移動よりも、むしろ多孔質膜の固体内表面拡散が優勢となって、多孔質膜中を、水蒸気吸着量の多い低温側(他方面A)から高温側(一方面B)へ移動しやすい状態となる。そのため、水蒸気は、多孔質膜内の水蒸気吸着量が均一化する方向に輸送されるので、多孔質膜11の他方面Aに吸着した水蒸気は、多孔質膜11の一方面Bへ輸送される。多孔質膜11中を通って多孔質膜の高温側の膜面に達した水蒸気は、多孔質膜の吸着材の吸着等温線にしたがって脱離する。これにより、大気中の水蒸気は大気から分離され、排ガスとともに排気されて除去される。
このように、多孔質膜において、低温側での水蒸気吸着、吸着後の固体内表面拡散による水蒸気の輸送、及び高温側での水蒸気脱離が連続的に進行することによって、気体分子の連続的なポンピング効果が得られる。
まず、固体内表面拡散(Jsurf;単位:g/秒)及び気体内物質移動度(Jgas;単位:g/秒)は、下記の式(1)、式(2)により求められる。
表面拡散Dsurfは、1.0×10−8m2/sの値が用いられる。
固体粒子密度ρsは、内部に孔を含む結晶の体積に対する重量密度を指し、結晶の物性値より求められる。
真密度ρcrystalは、ヘリウムピクノメーター(BELPycno、マイクロトラック・ベル社製)で求められる固体壁の密度(内部の孔を除いた固体壁自体の体積に対する重量密度)である。
温度T1、T2は、多孔質膜11の他方面A、一方面Bのそれぞれの温度(膜表面の温度)を指す。温度は、熱電対により測定される値である。
湿度C1、C2は、多孔質膜11の他方面A、一方面Bのそれぞれの湿度(膜表面の湿度)を指す。湿度は、湿度計により測定される値である。
飽和蒸気密度ρ1、ρ2は、多孔質膜11の他方面A、一方面Bのそれぞれにおける飽和蒸気密度を指し、飽和蒸気曲線により求められる値である。
吸着量W1、W2は、多孔質膜11の他方面A、一方面Bのそれぞれにおける気体分子の吸着量を示し、シリカゲルの吸着等温線を作成して求められる値である。
屈曲度は、多孔質膜(本実施形態ではシリカゲル)内のマクロ孔の屈曲度を指す。
・Jsurf= 3.47×10−7 [g/秒]
・Jgas = 3.29×10−7 [g/秒]
このような観点から、ε値は、0.5未満が好ましく、0.3未満がより好ましい。また、ε値は、0.1以上が好ましく、0.2以上がより好ましい。
13・・・排ガス流通管(加熱流体が流通する流通経路)
15・・・水蒸気含有ガス流通経路(気体流通経路)
100・・・気体分離装置
A・・・多孔質膜11の他方面
B・・・多孔質膜11の一方面
Claims (10)
- 気体分子の吸着が可能な孔を有し、かつ、下記式1を満たし、
膜の一方面と他方面との間の温度差によって気体中の気体分子の一部を一方面から他方面に移動させて、前記気体から前記気体分子の一部を分離する、多孔質膜。
Jsurf − Jgas > 0 ・・・式1
式1中、Jsurfは、固体内表面拡散による固体内物質移動度[g/秒]を表し、Jgasは、気体内拡散による気体内物質移動度[g/秒]を表す。 - 前記孔は、平均孔径が10nm以下であるナノ細孔である請求項1に記載の多孔質膜。
- 気孔率が0.7%未満である請求項1又は請求項2に記載の多孔質膜。
- 前記気孔率が0.5%未満である請求項3に記載の多孔質膜。
- ゼオライト、シリカゲル、及びメソポーラスシリカから選択される吸着材を含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の多孔質膜。
- 前記気体分子が、水蒸気である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の多孔質膜。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の多孔質膜と、
前記多孔質膜の一方の側に配置された熱源と、
を備え、気体中の気体分子の一部を前記気体から分離する、気体分離装置。 - 更に、前記多孔質膜の他方の側に、前記気体分子を含む気体が流通する気体流通経路を備えた請求項7に記載の気体分離装置。
- 前記熱源は、内燃機関、燃焼器、燃料改質器、燃料電池、及び加熱装置から選択される少なくとも一つから排出された加熱流体である請求項7又は請求項8に記載の気体分離装置。
- 前記熱源として、前記加熱流体が流通する流通経路を備える請求項9に記載の気体分離装置。
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