JP4965928B2 - Carbon dioxide separator and method - Google Patents

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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及び方法に関し、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及び方法に関する。 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 More particularly, the present invention relates to a carbon dioxide separation apparatus and method for separating 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.

現在開発中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、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 the reforming system for the hydrogen station currently under development, the hydrocarbon is reformed to hydrogen and carbon monoxide (CO) by steam reforming, and further, the carbon monoxide is reacted with steam using a CO shift reaction. Produces hydrogen.

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。   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.

(化1)
CO + HO → H +CO
(Chemical formula 1)
CO + H 2 O → H 2 + CO 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18及び図19に、この様子を模式的に示す。図19(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. 18 and 19 schematically show this state. FIGS. 19A and 19B 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、同文献の図1〜図4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 shift reaction), and representative four types of processes are shown in FIGS. When hydrocarbons (including methane) are used as raw materials, carbon monoxide is selectively removed using a membrane reactor equipped with a CO 2 facilitated transport membrane in the water gas shifter to increase the carbon monoxide reaction rate. While reducing the carbon oxide concentration, the purity of the produced hydrogen is improved. 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、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選択率が19となっており、後述するように、CO透過型メンブレンリアクターのCO促進輸送膜に適用するには十分な性能とは言えない。 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. in use. 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 ) is mixed with a total pressure of 3 atm. The membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane when treated at 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, which will be described later. Thus, it cannot be said that the performance is sufficient for application to the CO 2 facilitated transport membrane of the CO 2 permeable membrane reactor.

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

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選択率等に対して、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。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。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選択率として90〜100程度以上が必要と考えられる。 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, when considering 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 operating 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. 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. 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.

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)と第1級アミン(RNH)の反応は、通常以下の(化2)の反応経路式に示す反応を繰り返し、全体として(化3)の総括反応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 of carbon dioxide (CO 2 ) and primary amine (RNH 2 ) in the membrane usually repeats the reaction shown in the following reaction formula (Chemical Formula 2), and as a whole (Chemical Formula 3) ) Shows the chemical reaction shown in the general reaction formula. 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+2RNH → RNHCOO+RNH
RNHCOO+HO → RNH+HCO
(化3)
CO+2RNH+HO → HCO +RNH
(Chemical formula 2)
CO 2 + 2RNH 2 → RNHCOO + RNH 3 +
RNHCOO + H 2 O → RNH 2 + HCO 3
(Chemical formula 3)
CO 2 + 2RNH 2 + H 2 O → HCO 3 + RNH 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。   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.

CO促進輸送膜をCO変成反応と併用する場合には、CO変成反応が発熱反応であるので、低温であるほど化学平衡は生成物側(右側)にシフトするが、触媒活性が低下するために触媒反応器の容積が増加するので、使用温度としては、約140〜200℃の範囲が適当と考えられる。更に、加圧下で操作すると反応速度及びCO促進輸送膜によるCO透過速度が増加して装置の小型化が可能になるが、耐圧装置及び安全面から圧力としては約150〜800kPaが望ましいと考えられる。一方、CO促進輸送膜内の水分量は、使用温度及び気相中の水蒸気分圧に依存するため、使用温度と圧力を個別独立に設定したのでは、膜内の水分が十分に確保できずに、個々の使用状況に応じた十分な膜性能(COパーミアンス、CO/H選択率)が得られない虞がある。従って、個々の使用状況に応じた使用温度と圧力の適正な関係を示す指標が必要とされる。 When the CO 2 facilitated transport membrane is used in combination with the CO shift reaction, the CO shift reaction is an exothermic reaction, so the lower the temperature, the more the chemical equilibrium shifts to the product side (right side), but the catalytic activity decreases. In addition, since the volume of the catalytic reactor is increased, it is considered that the temperature range of about 140 to 200 ° C. is appropriate. Furthermore, although CO 2 permeation rate according to the operating under pressure reaction rate and CO 2 facilitated transport membrane is possible to reduce the size of the increases and device, as the pressure from the pressure-resistant apparatus, and safety and about 150~800kPa desirable Conceivable. On the other hand, the amount of water in the CO 2 facilitated transport membrane depends on the operating temperature and the partial pressure of water vapor in the gas phase, and therefore, if the operating temperature and pressure are set independently, sufficient water in the membrane can be secured. In addition, there is a possibility that sufficient membrane performance (CO 2 permeance, CO 2 / H 2 selectivity) according to individual use conditions cannot be obtained. Therefore, an index indicating an appropriate relationship between the use temperature and pressure corresponding to each use situation is required.

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、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及び方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, its object is used sufficient film performance can exert a CO 2 -facilitated transport membrane at elevated temperature and pressure conditions above 100 ° C. Carbon dioxide It is to provide a separation apparatus and method.

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、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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加して形成されたCO促進輸送膜であり、前記CO促進輸送膜に供給される前記原料ガスの全圧を、前記原料ガス中の水蒸気分圧を前記供給温度で決定される飽和水蒸気圧で除した比で規定される水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上、前記水蒸気飽和度が1となる圧力以下の圧力に調整する圧力調整手段を備えることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a carbon dioxide separator according to the present invention provides a raw material gas containing at least carbon dioxide and water vapor in a predetermined main component gas at a supply temperature of 100 ° C. or more on the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane. A carbon dioxide separator for supplying and removing carbon dioxide permeated through the CO 2 facilitated transport membrane from a permeation side surface, wherein the CO 2 facilitated transport membrane is added to the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane; A CO 2 facilitated transport film formed by adding 3-diaminopropionic acid, the total pressure of the source gas supplied to the CO 2 facilitated transport film, the partial pressure of water vapor in the source gas as the supply temperature The water vapor saturation specified by the ratio divided by the saturated water vapor pressure determined in the above is the pressure at which the water vapor saturation is the lower limit saturation set within the range of 0.3 to 0.6, and the water vapor saturation is The first, comprising a pressure adjusting means for adjusting the pressure below the pressure which becomes.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第1の特徴に加え、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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加したゲル層を、親水性の多孔膜に担持させてなることを第2の特徴とする。 Furthermore, in the carbon dioxide separator according to the present invention, in addition to the first feature, the CO 2 facilitated transport membrane is obtained by adding 2,3-diaminopropionic acid to a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane. A second feature is that the gel layer is supported on a hydrophilic porous film.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第2の特徴に加え、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支持されていることを第3の特徴とする。   Furthermore, in addition to the second feature, the carbon dioxide separator according to the present invention has a third feature that the gel layer supported on the hydrophilic porous membrane is covered and supported by a hydrophobic porous membrane. Features.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第2または第3の特徴に加え、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と2,3‐ジアミノプロピオン酸を含む水溶液からなるキャスト溶液を、前記親水性の多孔膜にキャストした後にゲル化して作製されることを第4の特徴とする。   Furthermore, in the carbon dioxide separator according to the present invention, in addition to the second or third feature, the gel layer comprises an aqueous solution containing a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer and 2,3-diaminopropionic acid. A fourth feature is that the cast solution is produced by gelling after casting into the hydrophilic porous membrane.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第1乃至第3の何れかの特徴に加え、前記ポリビニルアルコール‐ポリアクリル酸共重合体ゲル膜内に、2,3‐ジアミノプロピオン酸の他に、二酸化炭素透過性を促進するための添加剤として、イオン性流体(イオン液体とも呼称される)、または、グリセリン、ポリグリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアクリル酸の中から選択される化学物質を含有することを第5の特徴とする。   Furthermore, the carbon dioxide separator according to the present invention includes 2,3-diaminopropionic acid in addition to any one of the first to third features described above, in the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane. In addition, as an additive for promoting carbon dioxide permeability, ionic fluid (also called ionic liquid), glycerin, polyglycerin, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene oxide, polyethyleneimine, polyallylamine, poly The fifth feature is that it contains a chemical substance selected from acrylic acid.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第5の特徴に加え、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と2,3‐ジアミノプロピオン酸と前記二酸化炭素透過性を促進するための添加剤を含む水溶液からなるキャスト溶液を、親水性の多孔膜にキャストした後にゲル化して作製されることを第6の特徴とする。   Furthermore, in the carbon dioxide separator according to the present invention, in addition to the fifth feature, the gel layer promotes the carbon dioxide permeability with polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer, 2,3-diaminopropionic acid and the carbon dioxide. A sixth feature is that a cast solution made of an aqueous solution containing an additive for forming is cast into a hydrophilic porous membrane and then gelled.

更に、本発明に係る二酸化炭素分離装置は、上記第5または第6の特徴に加え、前記イオン性流体が、下記のカチオン、アニオンの組合せよりなる化合物から選択される化学物質であり、前記カチオンが、1,3位に以下の置換基を有するイミダゾリウムで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するもの、または、第4級アンモニウムカチオンで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するものであり、前記アニオンが、塩化物イオン、臭化物イオン、四フッ化ホウ素イオン、硝酸イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、または、トリフルオロメタンスルホン酸イオンであることを第5の特徴とする。   Furthermore, in the carbon dioxide separator according to the present invention, in addition to the fifth or sixth feature, the ionic fluid is a chemical substance selected from a compound comprising a combination of the following cation and anion, and the cation Is substituted with an imidazolium having the following substituents at the 1,3-positions and having an alkyl group, hydroxyalkyl group, ether group, allyl group, aminoalkyl group as a substituent group, or a quaternary ammonium cation. It has an alkyl group, a hydroxyalkyl group, an ether group, an allyl group, an aminoalkyl group as a group, and the anion is chloride ion, bromide ion, boron tetrafluoride ion, nitrate ion, bis (trifluoromethanesulfonyl). Imido ion, hexafluorophosphate ion, or trifluoromethanesulfonic acid ion A fifth feature that it is down.

また、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方法は、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、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方法であって、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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加して形成されたCO促進輸送膜であり、前記原料ガスを、100℃以上の供給温度、且つ、前記原料ガス中の水蒸気分圧を前記供給温度で決定される飽和水蒸気圧で除した比で規定される水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上で前記水蒸気飽和度が1となる圧力以下の全圧で、前記CO促進輸送膜の前記原料側面に供給することを特徴とする。 In addition, the carbon dioxide separation method according to the present invention for achieving the above-described object provides a raw material gas containing at least carbon dioxide and water vapor in a predetermined main component gas to the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane, A carbon dioxide separation method for removing carbon dioxide permeated through a 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 2,3-diaminopropionic acid. CO 2 facilitated transport film formed by adding the raw material gas to the supply temperature of 100 ° C. or higher, and the water vapor partial pressure in the raw material gas is divided by the saturated water vapor pressure determined by the supply temperature. At a total pressure below the pressure at which the water vapor saturation is 1 above the pressure at which the water vapor saturation specified by the ratio is not less than the lower limit saturation set in the range of 0.3 to 0.6. And supplying the raw material side of the serial CO 2 -facilitated transport membrane.

上記第1の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、CO促進輸送膜が、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、2,3‐ジアミノプロピオン酸(DAPA)を含むことから、当該DAPA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(原料側面)から低濃度側界面(透過側面)へと二酸化炭素を捕獲して輸送する二酸化炭素キャリアとして機能し、更に、CO促進輸送膜内の水分量が減少する100℃以上の高温においても、水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上において原料ガスの供給温度に応じた適正な加圧状態(水蒸気分圧の増加)が得られ、膜内に十分な水分量を確保できるため、下限飽和度で決定される膜性能(COパーミアンス、CO選択率)が原料ガスの供給温度に関係なく達成可能となる。以下、その根拠について説明する。 According to the carbon dioxide separator having the first feature described above, the CO 2 facilitated transport membrane is formed of 2,3-diaminopropionic acid (DAPA) in a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer gel membrane. Carbon dioxide which captures and transports carbon dioxide from the high concentration side interface (raw material side surface) to the low concentration side interface (permeation side surface) of the PVA / PAA gel layer in which the DAPA is a permeable substance. It functions as a carrier, and even at a high temperature of 100 ° C. or higher where the amount of water in the CO 2 facilitated transport membrane decreases, the water vapor saturation is set within a range of 0.3 to 0.6, Since the proper pressurization state (increase in water vapor partial pressure) according to the supply temperature of the raw material gas is obtained at a pressure higher than or equal to the pressure, and a sufficient amount of water can be secured in the film, the film performance is determined by the lower limit saturation. CO 2 permeance, CO 2 selectivity) can be achieved regardless of the supply temperature of the raw material gas. The basis for this will be described below.

膜機能を左右するCO促進輸送膜内の水分量を支配する因子は水蒸気圧であるが、以下の理由より、水蒸気圧ではなく水蒸気飽和度であると考えるべきである。尚、水蒸気飽和度は、通常、関係湿度または相対湿度とも呼ばれ、(水蒸気分圧Pw)/(その温度における飽和水蒸気圧Ps)で定義され、水蒸気の活量に相当するものである。気相(原料ガス)中の水蒸気分圧が一定でも、温度が高いほど飽和蒸気圧が増すのでゲル膜内の水分量は減少する。しかし、水蒸気飽和度(Pw/Ps)が一定であれば、ゲル膜内の水分量は温度に無関係に決まると考えられる。このことは、以下に示す実験例から裏付けられる。 The factor governing the amount of water in the CO 2 facilitated transport membrane that affects the membrane function is the water vapor pressure, but it should be considered that it is not the water vapor pressure but the water vapor saturation for the following reason. The water vapor saturation is usually also referred to as relative humidity or relative humidity, and is defined by (water vapor partial pressure Pw) / (saturated water vapor pressure Ps at that temperature) and corresponds to the activity of water vapor. Even if the partial pressure of water vapor in the gas phase (raw material gas) is constant, the saturated vapor pressure increases as the temperature increases, so the amount of water in the gel film decreases. However, if the water vapor saturation (Pw / Ps) is constant, it is considered that the amount of water in the gel film is determined regardless of the temperature. This is supported by the following experimental example.

図6は、ゲル層中のDAPAの構成比(重量%)が50%のCO促進輸送膜を使用して、窒素を主成分ガスとする原料ガス(水蒸気のモル分率が63.5%)に対して、125℃、140℃、160℃の3つの温度条件で、COパーミアンスと対窒素選択率(CO/N)を、原料ガスの全圧を150kPaから600kPaの圧力範囲で変化させて測定した結果を示すグラフで、縦軸が夫々COパーミアンスと対窒素選択率(CO/N)であり、横軸が原料ガスの全圧(kPa)である。測定方法や測定条件は後述の本発明の実施形態で詳細に説明するので、ここではその詳細な説明を割愛する。気相全圧と水蒸気飽和度の関係は、温度をパラメータとすると、図7のように示される。原料ガス中の水蒸気のモル分率が63.5%であるので、全圧の63.5%が飽和水蒸気圧に等しくなれば水蒸気飽和度は1になる。図7より、例えば、水蒸気飽和度が0.4の場合の全圧を求めると、125℃、140℃、160℃の各温度において、夫々、146kPa、228kPa、390kPaとなる。図6の各温度におけるCOパーミアンスは、上記水蒸気飽和度が0.4となる圧力以上に加圧しても、ほぼ頭打ちになって飽和する傾向が認められる。また、図6のグラフの横軸を図7の関係を使用して水蒸気飽和度(Pw/Ps)に変換して書き直すと、図9に示すグラフが得られる。図9より、125℃、140℃、160℃の各温度におけるCOパーミアンスは、ほぼ同じ水蒸気飽和度で頭打ちになって飽和する傾向が認められ、水蒸気飽和度を指標とすることにより、各温度において気相中の水蒸気分圧が増して膜内の水分量が確保されるのに必要な圧力を推定することが可能となる。 FIG. 6 shows a raw material gas containing nitrogen as a main component gas (water vapor molar fraction is 63.5%) using a CO 2 facilitated transport membrane having a composition ratio (% by weight) of DAPA in the gel layer of 50%. ) With respect to CO 2 permeance and nitrogen selectivity (CO 2 / N 2 ) under three temperature conditions of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C., the total pressure of the raw material gas is within a pressure range of 150 kPa to 600 kPa. changing a graph showing the result of measurement, the vertical axis is respectively CO 2 permeance and to nitrogen selectivity (CO 2 / N 2), the horizontal axis is the total pressure of the material gas (kPa). Since the measurement method and measurement conditions will be described in detail in an embodiment of the present invention described later, the detailed description thereof is omitted here. The relationship between the gas phase total pressure and the water vapor saturation is shown in FIG. 7, where temperature is a parameter. Since the molar fraction of water vapor in the raw material gas is 63.5%, the water vapor saturation becomes 1 when 63.5% of the total pressure is equal to the saturated water vapor pressure. From FIG. 7, for example, the total pressure when the water vapor saturation is 0.4 is 146 kPa, 228 kPa, and 390 kPa at temperatures of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C., respectively. It is recognized that the CO 2 permeance at each temperature in FIG. 6 tends to saturate almost at the peak even when the water vapor saturation is increased to a pressure equal to or higher than 0.4. Further, when the horizontal axis of the graph of FIG. 6 is converted into the water vapor saturation (Pw / Ps) using the relationship of FIG. 7 and rewritten, the graph shown in FIG. 9 is obtained. From FIG. 9, the CO 2 permeance at each temperature of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. tends to reach a peak at approximately the same water vapor saturation and is saturated. In this case, the partial pressure of water vapor in the gas phase increases and the pressure required to secure the amount of water in the film can be estimated.

更に、図6及び図9より、例えば下限飽和度が約0.3の場合、窒素を主成分ガスとする原料ガスに対して、原料ガスの供給温度に関係なく、90〜100程度以上の対窒素選択率(CO/N)、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。 Furthermore, from FIG. 6 and FIG. 9, for example, when the lower limit saturation is about 0.3, the source gas containing nitrogen as the main component gas is about 90 to 100 or more regardless of the supply temperature of the source gas. A nitrogen selectivity (CO 2 / N 2 ) and a CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more can be achieved.

また、図5は、ゲル層中のDAPAの構成比(重量%)が20%のCO促進輸送膜を使用して、水素を主成分ガスとする原料ガス(水蒸気のモル分率が63.5%)に対して、125℃、140℃、160℃の3つの温度条件で、COパーミアンスと対水素選択率(CO/H)を、原料ガスの全圧を150kPaから600kPaの圧力範囲で変化させて測定した結果を示すグラフで、縦軸が夫々COパーミアンスと対水素選択率(CO/H)であり、横軸が原料ガスの全圧(kPa)である。測定方法や測定条件は後述の本発明の実施形態で詳細に説明するので、ここではその詳細な説明を割愛する。図8は、図5のグラフの横軸を図7の関係を使用して水蒸気飽和度(Pw/Ps)に変換して書き直した図で、窒素を主成分ガスとする原料ガスの場合(図9)と比較すると、140℃の測定値と他の125℃と160℃の測定値との間の乖離が見られるが、各温度におけるCOパーミアンスの測定値が、原料ガスの全圧を横軸とした場合と比較すれば、各測定値は近付き合うため、水蒸気飽和度を指標とすることにより、各温度において気相中の水蒸気分圧が増して膜内の水分量が確保されるのに必要な圧力を推定することが可能となる。 Further, FIG. 5 shows a raw material gas having a main component gas of hydrogen (a water vapor molar fraction of 63.3%) using a CO 2 facilitated transport film in which the composition ratio (% by weight) of DAPA in the gel layer is 20%. 5%), CO 2 permeance and hydrogen selectivity (CO 2 / H 2 ) under three temperature conditions of 125 ° C., 140 ° C. and 160 ° C., and the total pressure of the raw material gas is from 150 kPa to 600 kPa. In the graph showing the results of measurement with varying ranges, the vertical axis represents CO 2 permeance and hydrogen selectivity (CO 2 / H 2 ), and the horizontal axis represents the total pressure (kPa) of the raw material gas. Since the measurement method and measurement conditions will be described in detail in an embodiment of the present invention described later, the detailed description thereof is omitted here. FIG. 8 is a diagram in which the horizontal axis of the graph of FIG. 5 is converted to water vapor saturation (Pw / Ps) using the relationship of FIG. Compared with 9), there is a discrepancy between the measured value of 140 ° C. and the other measured values of 125 ° C. and 160 ° C., but the measured value of CO 2 permeance at each temperature crosses the total pressure of the raw material gas. Compared to the case of the axis, each measured value approaches, so by using the water vapor saturation as an index, the water vapor partial pressure in the gas phase increases at each temperature, and the amount of water in the film is secured. It is possible to estimate the pressure required for the operation.

また、図5及び図8より、下限飽和度が約0.5の場合に、水素を主成分ガスとする原料ガスに対して、原料ガスの供給温度に関係なく、90〜100程度以上の対水素選択率(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。 5 and 8, when the lower limit saturation is about 0.5, the source gas containing hydrogen as the main component gas is less than about 90 to 100 regardless of the supply temperature of the source gas. It becomes possible to achieve a hydrogen selectivity (CO 2 / H 2 ) and a CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more.

以上より、上記第1の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、圧力調整手段によって水蒸気飽和度が所定の下限飽和度となる下限圧力と1となる上限圧力の範囲内に全圧を調整することで、原料ガスの供給温度に応じて飽和領域またはその近傍領域にある高いCOパーミアンスを得ることができ、原料ガスの供給温度と水蒸気モル分率が既知であれば、適正な全圧が、水蒸気飽和度を指標として与えられる。 As described above, according to the carbon dioxide separator having the first feature, the total pressure is adjusted within the range of the lower limit pressure at which the water vapor saturation becomes the predetermined lower limit saturation and the upper limit pressure at which the water vapor saturation becomes 1. Thus, depending on the supply temperature of the raw material gas, a high CO 2 permeance in the saturation region or in the vicinity thereof can be obtained, and if the raw material gas supply temperature and the water vapor mole fraction are known, an appropriate total pressure is obtained. Water vapor saturation is given as an index.

また、上記第2の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、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CO選択率(原料ガスの主成分が水素の場合は、対水素選択率)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ところ、本発明の二酸化炭素分離装置で使用されるCO促進輸送膜では、以下の理由から親水性多孔膜を使用することで、欠陥が少なく高い対水素選択率を維持できるCO促進輸送膜を安定して作製できるようになった。 In addition, according to the carbon dioxide separation device of the second feature, since the porous membrane supporting the PVA / PAA gel layer is hydrophilic, a gel layer with few defects can be stably produced, and high CO 2 selectivity (when the main component of the source gas is 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 the water content in the PVA / PAA gel membrane decreases, the use of a hydrophobic porous membrane is recommended, and the CO 2 used in the carbon dioxide separator of the present invention is recommended. In the facilitated transport membrane, by using a hydrophilic porous membrane for the following reasons, it has become possible to stably produce a CO 2 facilitated transport membrane with few defects and capable of maintaining a high hydrogen selectivity.

親水性の多孔膜上に、PVA/PAA共重合体とDAPA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。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。しかし、細孔内のゲル層と比較して膜表面のゲル層は欠陥が生じ易く、ゲル層の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小さいので、微小な欠陥個所或いは局所的にガスパーミアンスが高い個所では二酸化炭素より水素の方が、ガスパーミアンスが高くなる可能性があるが、促進輸送機構で透過する二酸化炭素の透過速度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も格段に大きいので,二酸化炭素パーミアンスは膜の局所的な欠陥の影響を殆ど受けないのに対して、水素のパーミアンスは欠陥により著しく増加する。結果として、疎水性多孔膜を使用した場合の対水素選択率(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、対水素選択率(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DAPA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。尚、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DAPA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。 When a cast solution made of an aqueous solution of PVA / PAA copolymer and DAPA is cast on a hydrophilic porous membrane, the pores of the porous membrane are filled with the liquid, and the cast solution is applied to the surface of the porous membrane. . 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. 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 higher in both hydrogen and carbon dioxide compared to the hydrophilic porous membrane. However, the gel layer on the membrane surface is more likely to have defects than the gel layer in the pores, and the success rate of film formation of the gel layer is reduced. Hydrogen has a smaller molecular size than carbon dioxide, so hydrogen may have higher gas permeance than carbon dioxide at small defects or where the gas permeance is locally high. Since the permeation rate of carbon dioxide is much larger than the hydrogen permeance that permeates through the physical dissolution and diffusion mechanism, the carbon dioxide permeance is hardly affected by local defects in the membrane, whereas the hydrogen permeance is Significant increase due to defects. 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 DAPA as a carbon dioxide carrier to the PVA / PAA gel layer. Note that the difference in gas permeance due to the difference between the hydrophobic porous membrane and the hydrophilic porous membrane is the same as the gel in the pores even if the cast solution is impregnated after gelation without adding the carbon dioxide carrier DAPA in advance. The point that the layer has a large resistance to gas permeation is the same, and it is presumed that the layer develops similarly.

以上より、上記第2の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、水素を主成分ガスとする原料ガスに対して、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選択率が実現でき、CO透過型メンブレンリアクターへ応用可能なCO促進輸送膜が提供可能となり、CO変成器の小型化、起動時間の短縮、及び、高速化(高SV化)が図れる。 From the above, according to the carbon dioxide separation device of the second feature, the operating temperature of 100 ° C. or higher, 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · CO 2 permeance of about kPa) (= 60 GPU) or more and CO 2 / H 2 selectivity of about 90 to 100 or more can be realized, and a CO 2 facilitated transport membrane applicable to a CO 2 permeable membrane reactor can be provided. Thus, the CO transformer can be downsized, the startup time can be shortened, and the speed can be increased (higher SV).

更に、上記第3の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、ゲル層を担持した親水性の多孔膜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、二酸化炭素分離装置をCO透過型メンブレンリアクターへ応用した場合に、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。 Furthermore, according to the carbon dioxide separator having the third feature, the hydrophilic porous membrane carrying the gel layer is protected by the hydrophobic porous membrane, and the strength of the CO 2 facilitated transport membrane during use is increased. As a result, when the carbon dioxide separator is applied to a CO 2 permeable membrane reactor, it is sufficient even if the pressure difference on both sides (inside and outside the reactor) of the CO 2 facilitated transport membrane is large (for example, 2 atmospheres or more). Film strength can be secured. 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.

更に、上記第4の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、CO促進輸送膜の作製時において、膜材料(PVA/PAA)に対する二酸化炭素キャリアの配分を適正に調整したキャスト溶液が予め準備されるため、最終的なPVA/PAAゲル膜内の二酸化炭素キャリアの配合比率の適正化が簡易に実現でき、CO促進輸送膜の膜性能の高性能化が実現できる。 Furthermore, according to the carbon dioxide separator having the fourth feature, a cast solution in which the distribution of carbon dioxide carriers to the membrane material (PVA / PAA) is appropriately adjusted is prepared in advance when the CO 2 facilitated transport membrane is produced. Therefore, optimization of the mixing ratio of carbon dioxide carrier in the final PVA / PAA gel membrane can be easily realized, and high performance of the membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane can be realized.

更に、上記第5乃至第7の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、CO促進輸送膜のゲル層が親水性と二酸化炭素キャリアとの相容性と二酸化炭素との親和性を兼ね備えたイオン性流体またはグリセリン等の添加剤を含有するため、二酸化炭素透過性が促進され、100℃以上のPVA/PAAゲル膜内の水分が少なくなる高温下においても、高いCOパーミアンスが実現できる。CO促進輸送膜を100℃以上の高温環境で使用すると、PVA/PAAゲル膜の架橋が更に進行し、二酸化炭素キャリアによる二酸化炭素の促進輸送が阻害され二酸化炭素透過性が低下する虞があるところ、当該添加剤が含まれることで、架橋の進行が抑制される結果、高温下での使用による二酸化炭素透過性の低下が抑制されることが、高COパーミアンスの理由として考えられる。尚、当該添加剤の効果は、温度に依存するものの、特定の温度では、特にCO促進輸送膜の両側(反応器内外)での圧力差が3気圧以下において顕著に現れ、2気圧以下でより顕著に現れることが実験結果より認められる。 Furthermore, according to the carbon dioxide separators of the fifth to seventh characteristics, the gel layer of the CO 2 facilitated transport membrane has ions having both hydrophilicity, compatibility with the carbon dioxide carrier, and affinity for carbon dioxide. Since carbon dioxide permeation is promoted and water in the PVA / PAA gel membrane at 100 ° C. or higher is reduced, high CO 2 permeance can be realized. When the CO 2 facilitated transport membrane is used in a high temperature environment of 100 ° C. or higher, the cross-linking of the PVA / PAA gel membrane further proceeds, and the facilitated transport of carbon dioxide by the carbon dioxide carrier may be inhibited, resulting in a decrease in carbon dioxide permeability. However, it is considered as a reason for the high CO 2 permeance that the addition of the additive suppresses the progress of the crosslinking, thereby suppressing the decrease in carbon dioxide permeability due to use at high temperatures. The effect of the additive depends on the temperature, but at a specific temperature, the pressure difference between both sides of the CO 2 facilitated transport membrane (inside and outside the reactor) appears remarkably at 3 atm or less, and at 2 atm or less. It is recognized from the experimental results that it appears more prominently.

ところで、膜内に水分が無い場合でも二酸化炭素は促進輸送されるが、その透過速度は一般に非常に小さいため、高い透過速度を得るには膜内の水分が不可欠となる。従って、親水性の添加剤を使用することにより、可能な限り膜内に水分を保持することが可能となり、二酸化炭素透過性が促進される。また、二酸化炭素キャリアとの相容性と二酸化炭素との親和性を兼ね備えた添加剤を使用することで、二酸化炭素キャリアであるDAPAの二酸化炭素の促進輸送を阻害することなく、添加剤がDAPAとともに膜内に均質に分布でき、二酸化炭素透過性が促進される。   By the way, although carbon dioxide is facilitated and transported even when there is no moisture in the membrane, its permeation rate is generally very small, so that moisture in the membrane is indispensable for obtaining a high permeation rate. Therefore, by using a hydrophilic additive, moisture can be retained in the membrane as much as possible, and carbon dioxide permeability is promoted. In addition, by using an additive having compatibility with carbon dioxide carrier and affinity for carbon dioxide, the additive is DAPA without inhibiting the facilitated transport of carbon dioxide of DAPA as a carbon dioxide carrier. At the same time, it can be uniformly distributed in the membrane, and carbon dioxide permeability is promoted.

特に、上記第6の特徴の二酸化炭素分離装置によれば、CO促進輸送膜の膜材料(PVA/PAA)に対する二酸化炭素キャリアと添加剤の配分を適正に調整したキャスト溶液が予め準備されるため、最終的なPVA/PAAゲル膜内の二酸化炭素キャリアと添加剤の配合比率の適正化が簡易に実現でき、膜性能の高性能化が実現できる。 In particular, according to the carbon dioxide separator having the sixth feature, a cast solution in which the distribution of carbon dioxide carriers and additives to the membrane material (PVA / PAA) of the CO 2 facilitated transport membrane is appropriately adjusted is prepared in advance. Therefore, optimization of the mixing ratio of the carbon dioxide carrier and the additive in the final PVA / PAA gel membrane can be easily realized, and high performance of the membrane performance can be realized.

上記特徴の二酸化炭素分離方法によれば、CO促進輸送膜が、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、2,3‐ジアミノプロピオン酸(DAPA)を含むことから、当該DAPA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(原料側面)から低濃度側界面(透過側面)へと二酸化炭素を捕獲して輸送する二酸化炭素キャリアとして機能し、更に、CO促進輸送膜内の水分量が減少する100℃以上の高温においても、水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上において原料ガスの供給温度に応じた適正な加圧状態(水蒸気分圧の増加)が得られ、膜内に十分な水分量を確保できるため、下限飽和度で決定される膜性能(COパーミアンス、CO選択率)が原料ガスの供給温度に関係なく達成可能となる。 According to the carbon dioxide separation method having the above characteristics, the CO 2 facilitated transport membrane contains 2,3-diaminopropionic acid (DAPA) in the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer gel membrane. , Which functions as a carbon dioxide carrier that captures and transports carbon dioxide from the high concentration side interface (raw material side surface) to the low concentration side interface (permeation side surface) of the PVA / PAA gel layer where the DAPA is a permeating substance In addition, even at a high temperature of 100 ° C. or higher where the amount of water in the CO 2 facilitated transport membrane decreases, the water vapor saturation is not less than the pressure at which the lower limit saturation is set within the range of 0.3 to 0.6. proper pressure state corresponding to the supply temperature of the raw material gas (increased water vapor partial pressure) is obtained at, since it is possible to ensure a sufficient amount of water in the membrane, membrane performance (CO determined by the lower limit saturation Permeance, CO 2 selectivity) can be achieved regardless of the supply temperature of the raw material gas.

更に、上記第1の特徴の二酸化炭素分離装置に対する説明と同様に、水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる下限圧力と1となる上限圧力の範囲に全圧を調整することで、原料ガスの供給温度に応じて飽和領域またはその近傍領域にある高いCOパーミアンスを得ることができ、原料ガスの供給温度と水蒸気モル分率が既知であれば、適正な全圧が、水蒸気飽和度を指標として与えられる。 Further, similarly to the explanation for the carbon dioxide separator according to the first feature, the lower limit pressure at which the water vapor saturation is set within the range of 0.3 to 0.6 and the upper limit pressure at which the lower limit pressure is 1. By adjusting the total pressure within the range, it is possible to obtain a high CO 2 permeance in the saturation region or its vicinity depending on the supply temperature of the raw material gas, and the supply temperature of the raw material gas and the water vapor mole fraction are known. If present, the proper total pressure is given as an index of water vapor saturation.

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

〈第1実施形態〉
本発明装置は、図1に示すように、例えば、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と、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’の排気経路に設けられた背圧調整器(圧力調整手段に相当)15とを備えて構成される。
<First Embodiment>
The present invention apparatus, as shown in FIG. 1, for example, CO 2 -facilitated transport membrane 10 CO transformer equipped with the (CO 2 permeable membrane reactor) 20, the carbon dioxide is selectively by CO 2 -facilitated transport membrane 10 And a back pressure regulator (corresponding to pressure regulating means) 15 provided in the exhaust path of the treated gas FG ′ after separation.

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。尚、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 for 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に送入されるが、CO促進輸送膜10に加わる原料ガスFGの全圧は、その下流側に設けられた背圧調整器15によって、CO促進輸送膜10に供給される原料ガスの温度に応じて、後述する要領で水蒸気飽和度が所定値(0.3以上0.6以下の下限飽和度)となる圧力以上に調整される。尚、水蒸気飽和度は、原料ガス中の水蒸気分圧Pwをその供給温度で決定される飽和水蒸気圧Psで除した比(Pw/Ps)として与えられる。尚、原料ガスの全圧の上限は、CO促進輸送膜10やCO透過型メンブレンリアクター20の耐圧や安全面からも制限されるが、水蒸気飽和度が1となる圧力以上に設定しても膜内の水分は飽和状態であるので、水蒸気飽和度が1となる圧力以下に調整するのが望ましい。背圧調整器15は、圧力調整弁等によって構成される。 The source gas FG is sent from the upstream steam reformer to the CO 2 permeable membrane reactor 20 at a predetermined pressure. The total pressure of the source gas FG applied to the CO 2 facilitated transport membrane 10 is Depending on the temperature of the raw material gas supplied to the CO 2 facilitated transport membrane 10 by the back pressure regulator 15 provided on the downstream side, the water vapor saturation is a predetermined value (0.3 or more and 0.6 or less) in the manner described later. Is adjusted to a pressure equal to or lower than the lower limit saturation). The water vapor saturation is given as a ratio (Pw / Ps) obtained by dividing the water vapor partial pressure Pw in the raw material gas by the saturated water vapor pressure Ps determined by the supply temperature. The upper limit of the total pressure of the raw material gas is limited by the pressure resistance and safety of the CO 2 facilitated transport membrane 10 and the CO 2 permeable membrane reactor 20, but is set to a pressure at which the water vapor saturation is 1 or more. However, since the water in the film is in a saturated state, it is desirable to adjust the water vapor saturation to a pressure equal to or lower than 1. The back pressure regulator 15 is configured by a pressure regulating valve or the like.

下限飽和度は、CO促進輸送膜10の膜性能を決定する指標として機能し、本発明装置の適応対象となる装置(CO透過型メンブレンリアクター等)の仕様に応じて決定される。また、CO促進輸送膜10の膜性能は、後述する実施例の説明より明らかなように、CO促進輸送膜10の膜組成(以下に示す二酸化炭素キャリアの配合比率)や原料ガスの組成によって変化するため、下限飽和度もCO促進輸送膜10の膜組成や原料ガスの組成、及び、目標膜性能に応じて決定され、後述の実施例で説明するように、0.3以上0.6以下の範囲内に設定される。 The lower limit saturation functions as an index for determining the membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane 10, and is determined in accordance with the specifications of a device (such as a CO 2 permeable membrane reactor) to which the present invention is applied. Further, the membrane performance of the CO 2 facilitated transport membrane 10 is, as will be apparent from the description of the examples described later, the membrane composition of the CO 2 facilitated transport membrane 10 (the blending ratio of carbon dioxide carrier shown below) and the composition of the source gas. Therefore, the lower limit saturation is also determined according to the film composition of the CO 2 facilitated transport film 10, the composition of the raw material gas, and the target film performance, and is 0.3 or more and 0 as described in Examples below. .6 or less is set.

次に、本発明装置で使用するCO促進輸送膜(以下、第1実施形態の説明において適宜「本発明膜」と称す)10について説明する。 Next, a CO 2 facilitated transport membrane (hereinafter referred to as “the membrane of the present invention” as appropriate in the description of the first embodiment) 10 used in the apparatus of the present invention will be described.

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、2,3‐ジアミノプロピオン酸(DAPA)を使用する。また、本実施形態では、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「含有ゲル膜」と略称する。また、この含有ゲル膜中のPVA/PAAとDAPAの全重量を基準として、含有ゲル膜中において、PVA/PAAは約20〜80重量%の範囲で存在し、DAPAは約20〜80重量%の範囲で存在する。   The membrane of the present invention uses a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid (PVA / PAA) copolymer as a membrane material and 2,3-diaminopropionic acid (DAPA) as a carbon dioxide carrier. Moreover, in this embodiment, as shown schematically in FIG. 2, the membrane of the present invention comprises two hydrophilic porous membranes 2 each carrying a PVA / PAA gel membrane 1 containing a carbon dioxide carrier. It has a three-layer structure sandwiched between the films 3 and 4. 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 “containing gel film” as appropriate. Further, based on the total weight of PVA / PAA and DAPA in the contained gel film, in the contained gel film, PVA / PAA is present in a range of about 20 to 80% by weight, and DAPA is about 20 to 80% by weight. It exists in the range.

二酸化炭素キャリアであるDAPAは、水酸化セシウム(CsOH)等のアルカリと中和させて、後述のキャスト溶液中に溶解して解離したNH をNHに変換する必要がある。これは、NH が二酸化炭素と反応しないためである。ここで、アルカリとして水酸化セシウム(CsOH)を用いても、炭酸セシウム(CsCO)を用いても最終のpH値が同じであれば、同等物となる。但し、炭酸セシウム(CsCO)を用いた場合には、含有ゲル膜中に、炭酸イオン、炭酸水素イオンが存在することになるが、当該イオンによる二酸化炭素の促進輸送への寄与は小さいと考えられる。 DAPA, which is a carbon dioxide carrier, must be neutralized with an alkali such as cesium hydroxide (CsOH) to convert NH 3 + dissolved and dissociated in a cast solution described later to NH 2 . This is because NH 3 + does not react with carbon dioxide. Here, even if cesium hydroxide (CsOH) is used as an alkali or cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) is used, it is equivalent if the final pH value is the same. However, when cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) is used, carbonate ions and hydrogen carbonate ions are present in the contained gel film, but the contribution of the ions to the facilitated transport of carbon dioxide is small. it is conceivable that.

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、含有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 with the contained 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、含有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。   In addition to hydrophobicity, the hydrophobic porous membrane preferably has heat resistance of 100 ° C. or higher, mechanical strength, and adhesiveness with the contained 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 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 will be described with reference to FIG.

先ず、PVA/PAA共重合体とDAPA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、DAPA一塩酸塩を0.25g、水酸化セシウム(CsOH)を0.54g(DAPA一塩酸塩に対して2当量)、サンプル瓶に秤取し、これに水20gを加えて室温で一昼夜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 DAPA is prepared (step 1). More specifically, 1 g of a PVA / PAA copolymer (for example, a temporary name SS gel manufactured by Sumitomo Seika), 0.25 g of DAPA monohydrochloride, 0.54 g of cesium hydroxide (CsOH) (DAPA monohydrochloride) 2 equivalents), weighed in a sample bottle, added 20 g of water, and stirred and dissolved at room temperature overnight to obtain a cast solution.

ここで、DAPA(NH‐CH‐CH(NH)‐COOH)はその一塩酸塩(monohydrochloride)として市販されており、水に溶解すると[NH ‐CH‐CH(NH Cl)‐COO]のように解離する。二酸化炭素はプロトン化したNH とは反応せず、フリーのNHと反応する。従って、二酸化炭素キャリアとしてDAPAを用いるには、市販のDAPA一塩酸塩に対して2当量の水酸化セシウムを添加してアミノ基をプロトン化していないフリーのアミノ基に変換する必要がある。 Here, DAPA (NH 2 —CH 2 —CH (NH 2 ) —COOH) is commercially available as its monohydrochloride, and when dissolved in water, [NH 3 + —CH 2 —CH (NH 3 + Cl -) -COO -] dissociates as. Carbon dioxide does not react with protonated NH 3 + but reacts with free NH 2 . Therefore, in order to use DAPA as a carbon dioxide carrier, it is necessary to add 2 equivalents of cesium hydroxide to commercially available DAPA monohydrochloride to convert the amino group into a free amino group that is not protonated.

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、アドバンテック製、H010A142C、膜厚35μm、細孔径0.1μm、空隙率70%)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)。尚、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 Advantech, H010A142C, film thickness 35 μm, pore diameter 0.1 μm, porosity 70%) and hydrophobic PTFE porous membrane (for example, Sumitomo Cast with an applicator on the surface of the porous PTFE porous membrane side of a layered porous membrane in which two sheets made by Denko, Fluoropore FP010, film thickness 60 μm, pore diameter 0.1 μm, porosity 55%) are laminated (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多孔膜を室温で約半日自然乾燥させ、キャスト溶液をゲル化させゲル層を生成する(工程4)。本発明方法では、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。尚、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。尚、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 at room temperature for about half a day, and the cast solution is gelled to form a gel layer (step 4). In the method of the present invention, in Step 3, the cast solution is cast on the surface of the layered porous membrane on the hydrophilic PTFE porous membrane side, so in Step 4, the gel layer is formed on the surface (cast surface) of the hydrophilic PTFE porous membrane. In addition to being formed, the pores are filled and formed, so that defects (micro-defects such as pinholes) are less likely to occur, and the success rate of gel layer deposition 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有ゲル膜)/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)。尚、図2において、含有ゲル膜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 (containing gel membrane supported on a hydrophilic PTFE porous membrane) / hydrophobic PTFE porous membrane is obtained (step 5). In addition, in FIG. 2, a mode that the containing gel film | membrane 1 is filling in the pore of the hydrophilic PTFE porous film 2 is displayed typically linearly.

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、含有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、含有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 of the hydrophobic PTFE porous membranes is used in Step 3 and Step 4, and is a hydrophilic PTFE porous membrane supporting the contained gel membrane. The other hydrophobic PTFE porous membrane is used to protect the contained 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有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、含有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有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 contained gel membrane. Therefore, it is possible to prevent the carbon dioxide carrier in the contained gel film from being diluted with water by the other PTFE porous membrane, and to prevent the diluted carbon dioxide carrier from flowing out of the containing gel film.

以上、工程1〜工程5を経て作製された本発明膜は、(PVA/PAA:DAPA)の配合比率は、記載の順に(80重量%:20重量%)となっている。以下の水蒸気飽和度と膜性能の関係を評価するための実施例サンプルでは、上記作製方法で作製されたDAPAの配合比率が20重量%のサンプル以外にも、DAPAの配合比率が35重量%、50重量%、65重量%、80重量%のサンプルも作製した。この場合、工程1におけるPVA/PAA共重合体、DAPA一塩酸塩、水酸化セシウムの分量をDAPAの配合比率に応じて変更すれば良い。尚、何れのサンプルも上述の3層構造を更にシリコンをコーティングしたポリプロピレン多孔膜で補強した4層構造としたものを使用した。   As mentioned above, as for this invention film produced through the process 1-the process 5, the compounding ratio of (PVA / PAA: DAPA) is (80 weight%: 20 weight%) in order of description. In the example samples for evaluating the relationship between the water vapor saturation and the membrane performance below, the DAPA blending ratio is 35 wt%, in addition to the DAPA blending ratio 20 wt% produced by the above production method, Samples of 50 wt%, 65 wt%, and 80 wt% were also prepared. In this case, the amounts of the PVA / PAA copolymer, DAPA monohydrochloride, and cesium hydroxide in step 1 may be changed according to the blending ratio of DAPA. Each sample used was a four-layer structure in which the above three-layer structure was further reinforced with a polypropylene porous film coated with silicon.

次に、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4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 will be described with reference to FIG.

図4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(原料ガス1:CO、H、HOからなる混合ガス、または、原料ガス2:CO、N、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ガスまたはHe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(図1に示す本発明装置の圧力調整手段に相当する背圧調整器15と同じ機能を備える)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選択率を算出する。 As shown in FIG. 4, each sample 10 has two fluororubber gaskets between the raw material side chamber 12 and the 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. Source gas (source gas 1: mixed gas composed of CO 2 , H 2 , H 2 O, or source gas 2: mixed gas composed of CO 2 , N 2 , H 2 O) FG, 2.24 × 10 − The raw material side chamber 12 is supplied at a flow rate of 2 mol / min, and a sweep gas (Ar gas or He gas) SG is supplied to the permeation side chamber 13 at a flow rate of 8.18 × 10 −4 mol / min. The pressure in the raw material side chamber 12 is a back pressure adjuster 15 provided on the downstream side of the cooling trap 14 in the exhaust gas discharge path (a back pressure adjuster 15 corresponding to the pressure adjusting means of the apparatus of the present invention shown in FIG. 1). With the same function). 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.

原料ガス1は、CO変成器内における原料ガスを模擬するための水素を主成分とする二酸化炭素と水蒸気を含む混合ガスで、CO:3.65%、H:32.85%、HO:63.5%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。 The raw material gas 1 is a mixed gas containing carbon dioxide and water vapor containing hydrogen as main components for simulating the raw material gas in the CO converter, CO 2 : 3.65%, H 2 : 32.85%, H 2 O: Adjusted to a mixing ratio (mol%) of 63.5%. 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.

原料ガス2は、窒素を主成分とする二酸化炭素と水蒸気を含む混合ガスで、CO:3.65%、N:32.85%、HO:63.5%の混合比率(モル%)に調整した。具体的には、10%COと90%N(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。尚、原料ガス2は、本実施形態で想定している本発明装置を応用したCO透過型メンブレンリアクター20に供給される水素を主成分とする原料ガスとは異なり、本発明膜の膜性能の評価のために使用するものである。 The raw material gas 2 is a mixed gas containing carbon dioxide and water vapor whose main components are nitrogen, and a mixing ratio (moles) of CO 2 : 3.65%, N 2 : 32.85%, H 2 O: 63.5%. %). 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% N 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. The source gas 2 is different from the source gas mainly containing hydrogen supplied to the CO 2 permeable membrane reactor 20 to which the apparatus of the present invention assumed in the present embodiment is applied. It is used for evaluation.

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(原料ガス1に対してArガス、原料ガス2に対してHeガス)を用いる。具体的には、ArガスまたはHe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 for the source gas 1 and He gas for the source gas 2) are used. Specifically, Ar gas or He gas (flow rate at 25 ° C .: 20 cm 3 / min, 8.13 × 10 −4 mol / min) was supplied to the permeation side chamber 13.

尚、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 source gas FG and the sweep gas SG at a constant temperature, the flow type gas permeable cell 11 with the sample film fixed and the gas are heated. The preheating coil is immersed in an oil thermostat set at a predetermined temperature.

次に、図5に、原料ガスとして水素を主成分とする原料ガス1を使用した場合における、DAPAの配合比率が20重量%のサンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/H選択率を原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。また、図6に、窒素を主成分とする原料ガス2を使用した場合における、DAPAの配合比率が50重量%のサンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/N選択率を、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜600kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。尚、測定温度は125℃、140℃、160℃の3通りである。 Next, FIG. 5 shows the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of a sample having a DAPA blending ratio of 20% by weight when the raw material gas 1 containing hydrogen as a main component is used. The result of having measured the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 in the pressurization state of the range of 150 kPa-600 kPa is shown. FIG. 6 shows the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / N 2 selectivity of the sample having a DAPA blending ratio of 50 wt% when the raw material gas 2 containing nitrogen as a main component is used. The result of having measured the pressure of raw material gas FG in the pressurization state of the range of 150 kPa-600 kPa is shown. There are three measurement temperatures: 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C.

図5及び図6に示すように、一定の原料ガス圧力では、原料ガスの温度(サンプル膜の使用温度)が高くなるに従い、膜内の水分量が減少して膜性能が低下している様子が分かる。従って、一定の膜性能(例えば、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンス)を実現するためには、原料ガスの温度が高いほど、圧力を高く調整する必要がある。また、COパーミアンスは、各温度において、原料ガスの組成に関係なく、原料ガスをある圧力以上に加圧してもほぼ頭打ちになって飽和する傾向が認められる。このCOパーミアンスがほぼ一定となる圧力は、原料ガスの温度が高いほど高くなるので、COパーミアンスを最大限に発揮するには、原料ガスの温度が高いほど、圧力を高く調整する必要がある。 As shown in FIGS. 5 and 6, at a constant source gas pressure, as the source gas temperature (the use temperature of the sample membrane) increases, the amount of water in the membrane decreases and the membrane performance deteriorates. I understand. Therefore, in order to realize a certain membrane performance (for example, CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU)), the higher the temperature of the raw material gas, It is necessary to adjust the pressure higher. Further, it is recognized that the CO 2 permeance tends to reach a peak and saturate at each temperature regardless of the composition of the source gas, even if the source gas is pressurized to a certain pressure or higher. Since the pressure at which the CO 2 permeance is substantially constant increases as the temperature of the raw material gas increases, it is necessary to adjust the pressure higher as the temperature of the raw material gas increases in order to maximize the CO 2 permeance. is there.

本発明装置及び本発明方法の本旨は、原料ガスの温度が100℃以上の高温状態において、原料ガスの圧力を加圧状態にすることで所定の膜性能を発揮するに十分な膜内の水分量を確保する点にあり、更には、原料ガスの温度に応じた適正な圧力を、水蒸気飽和度(Pw/Ps)を指標として背圧調整器15によって設定する点にある。   The gist of the apparatus and the method of the present invention is that the moisture in the film is sufficient to exhibit a predetermined film performance by bringing the pressure of the source gas to a pressurized state in a high temperature state where the temperature of the source gas is 100 ° C. In addition, the back pressure regulator 15 sets an appropriate pressure corresponding to the temperature of the raw material gas using the water vapor saturation (Pw / Ps) as an index.

図7に、原料ガス(水蒸気のモル分率が63.5%)の温度をパラメータとする原料ガス(水蒸気のモル分率が63.5%)の圧力(全圧)と水蒸気飽和度(Pw/Ps)と関係を示す。原料ガス中の水蒸気のモル分率が63.5%であるので、全圧の63.5%(水蒸気分圧Pw)が飽和水蒸気圧Psに等しくなれば水蒸気飽和度は1になる。図7より、水蒸気飽和度(Pw/Ps)を一定値に維持するには、原料ガスの温度が高くなると飽和水蒸気圧Psが増すので、原料ガスの圧力(全圧)を上げる必要のあることが分かる。水蒸気飽和度(Pw/Ps)が一定になるように原料ガスの圧力を調整すれば、原料ガスの温度が高くなりゲル膜内の水分量は減少しようとしても、飽和水蒸気圧Psの上昇に比例して水蒸気分圧Pwも上昇するので、ゲル膜内の水分量は温度に無関係に決まると考えられ、水蒸気飽和度(Pw/Ps)によって決まる膜性能が得られる。   FIG. 7 shows the pressure (total pressure) and the water vapor saturation (Pw) of the raw material gas (water vapor mole fraction is 63.5%) with the temperature of the raw material gas (water vapor mole fraction is 63.5%) as parameters. / Ps). Since the molar fraction of water vapor in the source gas is 63.5%, the water vapor saturation becomes 1 if 63.5% of the total pressure (water vapor partial pressure Pw) is equal to the saturated water vapor pressure Ps. As shown in FIG. 7, in order to maintain the water vapor saturation (Pw / Ps) at a constant value, the saturated water vapor pressure Ps increases as the temperature of the raw material gas increases. Therefore, it is necessary to increase the pressure (total pressure) of the raw material gas. I understand. If the pressure of the raw material gas is adjusted so that the water vapor saturation (Pw / Ps) is constant, the temperature of the raw material gas increases and the amount of water in the gel film decreases, but is proportional to the increase of the saturated water vapor pressure Ps. Since the water vapor partial pressure Pw also rises, the water content in the gel film is considered to be determined regardless of the temperature, and the film performance determined by the water vapor saturation (Pw / Ps) is obtained.

図8に、原料ガス1を使用した場合における、DAPAの配合比率が20重量%のサンプルのCOパーミアンスRCO2と水蒸気飽和度(Pw/Ps)の関係を示す。また、図9に、原料ガス2を使用した場合における、DAPAの配合比率が50重量%のサンプルのCOパーミアンスRCO2と水蒸気飽和度(Pw/Ps)の関係を示す。尚、測定温度は125℃、140℃、160℃の3通りである。図8は、図5の横軸の原料ガス圧力を図7の関係を使用して水蒸気飽和度(Pw/Ps)に変換して書き直したグラフであり、図9は、図6の横軸の原料ガス圧力を図7の関係を使用して水蒸気飽和度(Pw/Ps)に変換して書き直したグラフである。 FIG. 8 shows the relationship between CO 2 permeance R CO2 and water vapor saturation (Pw / Ps) of a sample having a DAPA blending ratio of 20% by weight when raw material gas 1 is used. FIG. 9 shows the relationship between CO 2 permeance R CO2 and water vapor saturation (Pw / Ps) of a sample having a DAPA blending ratio of 50% by weight when raw material gas 2 is used. There are three measurement temperatures: 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. FIG. 8 is a graph rewritten by converting the raw material gas pressure on the horizontal axis of FIG. 5 into water vapor saturation (Pw / Ps) using the relationship of FIG. 7, and FIG. 9 is a graph of the horizontal axis of FIG. It is the graph which converted and rewritten the raw material gas pressure into water vapor saturation (Pw / Ps) using the relationship of FIG.

図8より、水蒸気飽和度が約0.5以上であれば、各温度において、つまり原料ガス1の供給温度に関係なく、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンスを達成可能であることが分かる。これにより、当該水蒸気飽和度(約0.5)を下限飽和度として、原料ガス1の供給温度(125℃、140℃、160℃等)に対して図7に基づいて原料ガス圧力を求め、当該原料ガス圧力を下限として原料ガスの圧力を背圧調整器によって調整すれば、DAPAの配合比率が20重量%の本発明膜を使用して、水素を主成分とする原料ガス1に対して上記COパーミアンスを達成できる。具体的には、原料ガスの供給温度が125℃、140℃、160℃の各温度において、水蒸気飽和度が約0.5での原料ガス圧力が、夫々、183kPa、285kPa、487kPaとなる。これらの原料ガス圧力を下限圧力として図5に当てはめて見ると、各温度において上記COパーミアンスを達成できることが分かる。 From FIG. 8, if the water vapor saturation is about 0.5 or more, 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) at each temperature, that is, regardless of the supply temperature of the raw material gas 1. It can be seen that a CO 2 permeance of about or higher can be achieved. Thereby, the water vapor saturation (about 0.5) is set as the lower limit saturation, and the raw material gas pressure is determined based on FIG. 7 with respect to the supply temperature of the raw material gas 1 (125 ° C., 140 ° C., 160 ° C., etc.) If the pressure of the raw material gas is adjusted by a back pressure regulator with the raw material gas pressure as the lower limit, the membrane of the present invention with a DAPA blending ratio of 20 wt% is used to make the raw material gas 1 mainly composed of hydrogen. The CO 2 permeance can be achieved. Specifically, the raw material gas pressures at the water vapor saturation of about 0.5 at the raw material gas supply temperatures of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. are 183 kPa, 285 kPa, and 487 kPa, respectively. When these raw material gas pressures are applied to FIG. 5 as lower limit pressures, it is understood that the CO 2 permeance can be achieved at each temperature.

更に、図8より、水蒸気飽和度が約0.6以上であれば、各温度において、つまり原料ガス1の供給温度に関係なく、飽和状態に近い(飽和傾向の開始状態にある)COパーミアンスを達成可能であることが分かる。これにより、当該水蒸気飽和度(約0.6)を下限飽和度として、原料ガス1の供給温度(125℃、140℃、160℃等)に対して図7に基づいて原料ガス圧力を求め、当該原料ガス圧力を下限として原料ガスの圧力を背圧調整器によって調整すれば、DAPAの配合比率が20重量%の本発明膜を使用して、水素を主成分とする原料ガス1に対して上記飽和状態に近いCOパーミアンスを達成できる。具体的には、原料ガスの供給温度が125℃、140℃、160℃の各温度において、水蒸気飽和度が約0.6での原料ガス圧力が、夫々、219kPa、342kPa、585kPaとなる。これらの原料ガス圧力を下限圧力として図5に当てはめて見ると、各温度においてCOパーミアンスがほぼ飽和状態に達していることが分かる。 Further, as shown in FIG. 8, when the water vapor saturation is about 0.6 or more, the CO 2 permeance is close to saturation (at the start of saturation tendency) at each temperature, that is, regardless of the supply temperature of the raw material gas 1. Can be achieved. Thereby, the water vapor saturation (about 0.6) is set as the lower limit saturation, and the raw material gas pressure is determined based on FIG. 7 with respect to the supply temperature of the raw material gas 1 (125 ° C., 140 ° C., 160 ° C., etc.) If the pressure of the raw material gas is adjusted by a back pressure regulator with the raw material gas pressure as the lower limit, the membrane of the present invention with a DAPA blending ratio of 20 wt% is used to make the raw material gas 1 mainly composed of hydrogen. A CO 2 permeance close to the saturation state can be achieved. Specifically, the raw material gas pressures at the water vapor saturation of about 0.6 at the raw material gas supply temperatures of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. are 219 kPa, 342 kPa, and 585 kPa, respectively. When these raw material gas pressures are applied to FIG. 5 as lower limit pressures, it can be seen that the CO 2 permeance almost reaches saturation at each temperature.

更に、図9より、水蒸気飽和度が約0.4以上であれば、各温度において、つまり原料ガス2の供給温度に関係なく、飽和状態に近いCOパーミアンスを達成可能であることが分かる。これにより、当該水蒸気飽和度(約0.4)を下限飽和度として、原料ガス2の供給温度(125℃、140℃、160℃等)に対して図7に基づいて原料ガス圧力を求め、当該原料ガス圧力を下限として原料ガスの圧力を背圧調整器によって調整すれば、DAPAの配合比率が50重量%の本発明膜を使用して、窒素を主成分とする原料ガス2に対して上記飽和状態に近いCOパーミアンスを達成できる。具体的には、原料ガスの供給温度が125℃、140℃、160℃の各温度において、水蒸気飽和度が約0.4での原料ガス圧力が、夫々、146kPa、228kPa、390kPaとなる。これらの原料ガス圧力を下限圧力として図6に当てはめて見ると、各温度においてCOパーミアンスがほぼ飽和状態に達していることが分かる。 Further, FIG. 9 shows that when the water vapor saturation is about 0.4 or more, CO 2 permeance close to saturation can be achieved at each temperature, that is, regardless of the supply temperature of the raw material gas 2. Accordingly, the water vapor saturation (about 0.4) is set as the lower limit saturation, and the raw material gas pressure is obtained based on FIG. 7 with respect to the supply temperature of the raw material gas 2 (125 ° C., 140 ° C., 160 ° C., etc.) If the pressure of the raw material gas is adjusted by the back pressure regulator with the raw material gas pressure as the lower limit, the membrane of the present invention with a DAPA blending ratio of 50% by weight is used for the raw material gas 2 mainly composed of nitrogen. A CO 2 permeance close to the saturation state can be achieved. Specifically, the raw material gas pressures at the water vapor saturation of about 0.4 at the raw material gas supply temperatures of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. are 146 kPa, 228 kPa, and 390 kPa, respectively. When these raw material gas pressures are applied to FIG. 6 as lower limit pressures, it can be seen that the CO 2 permeance almost reaches saturation at each temperature.

更に、図9より、水蒸気飽和度が約0.3以上であれば、各温度において、つまり原料ガス2の供給温度に関係なく、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンスを達成可能であることが分かる。これにより、当該水蒸気飽和度(約0.3)を下限飽和度として、原料ガス2の供給温度(125℃、140℃、160℃等)に対して図7に基づいて原料ガス圧力を求め、当該原料ガス圧力を下限として原料ガスの圧力を背圧調整器によって調整すれば、DAPAの配合比率が50重量%の本発明膜を使用して、窒素を主成分とする原料ガス2に対して上記COパーミアンスを達成できる。具体的には、原料ガスの供給温度が125℃、140℃、160℃の各温度において、水蒸気飽和度が約0.3での原料ガス圧力が、夫々、110kPa、171kPa、292kPaとなる。これらの原料ガス圧力を下限圧力として図6に当てはめて見ると、各温度においてCOパーミアンスがほぼ飽和状態に達していることが分かる。但し、125℃については、150kPaより低圧側でのデータがないので、150kPa以上のデータよりの推定である。 Furthermore, as shown in FIG. 9, when the water vapor saturation is about 0.3 or more, it is 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (at any temperature, that is, regardless of the supply temperature of the raw material gas 2). It can be seen that CO 2 permeance of about 60 GPU or more can be achieved. Accordingly, the water vapor saturation (about 0.3) is set as the lower limit saturation, and the raw material gas pressure is obtained based on FIG. 7 with respect to the supply temperature of the raw material gas 2 (125 ° C., 140 ° C., 160 ° C., etc.) If the pressure of the raw material gas is adjusted by the back pressure regulator with the raw material gas pressure as the lower limit, the membrane of the present invention with a DAPA blending ratio of 50% by weight is used for the raw material gas 2 mainly composed of nitrogen. The CO 2 permeance can be achieved. Specifically, the raw material gas pressures at the water vapor saturation of about 0.3 at the raw material gas supply temperatures of 125 ° C., 140 ° C., and 160 ° C. are 110 kPa, 171 kPa, and 292 kPa, respectively. When these raw material gas pressures are applied to FIG. 6 as lower limit pressures, it can be seen that the CO 2 permeance almost reaches saturation at each temperature. However, for 125 ° C., since there is no data on the low pressure side from 150 kPa, the estimation is based on data of 150 kPa or more.

次に、図10に、DAPAの配合比率が20重量%、35重量%、50重量%、65重量%と異なる各サンプルに対して、原料ガスとして水素を主成分とする原料ガス1を使用した場合の膜性能(COパーミアンスRCO2、CO/H選択率)を測定した結果を示す。また、図11に、DAPAの配合比率が0重量%、20重量%、50重量%、80重量%と異なる各サンプルに対して、原料ガスとして窒素を主成分とする原料ガス2を使用した場合の膜性能(COパーミアンスRCO2、CO/N選択率)を測定した結果を示す。尚、測定温度は何れも140℃である。図10及び図11に示すように、原料ガスの種類に関係なく、DAPAの配合比率の増加及び原料ガスの加圧が膜性能の向上に有効であることが分かる。 Next, in FIG. 10, the raw material gas 1 containing hydrogen as a main component was used as a raw material gas for each sample in which the blending ratio of DAPA was different from 20% by weight, 35% by weight, 50% by weight, and 65% by weight. for membrane performance showing the results of measurement of the (CO 2 permeance R CO2, CO 2 / H 2 selectivity). Further, in FIG. 11, when the raw material gas 2 containing nitrogen as a main component is used as the raw material gas for each sample having a DAPA blending ratio different from 0%, 20%, 50%, and 80% by weight. The results of measuring the membrane performance (CO 2 permeance R CO2 , CO 2 / N 2 selectivity) are shown. In addition, all the measurement temperatures are 140 degreeC. As shown in FIGS. 10 and 11, it can be seen that an increase in the blending ratio of DAPA and pressurization of the raw material gas are effective for improving the film performance regardless of the type of the raw material gas.

次に、本発明膜では、含有ゲル膜を担持する多孔膜として、親水性PTFE多孔膜を使用しており、その効果について説明する。先ず、含有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。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:DAPA)の配合比率は、記載の順に、(80重量%:20重量%)となっている。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代えて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12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:DAPA)の配合比率は、実施例と同じである。尚、何れのサンプルも上述の3層構造を更にシリコンをコーティングしたポリプロピレン多孔膜で補強した4層構造としたものを使用した。   Next, in the membrane of the present invention, a hydrophilic PTFE porous membrane is used as the porous membrane supporting the contained gel membrane, and the effect thereof will be described. 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 the gel gel will be described. The sample of the example was manufactured by the above-described manufacturing method. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA) is (80% by weight: 20% by weight) in the order of description. 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. 12, the PVA / PAA gel film 1 containing carbon dioxide carrier is sandwiched between two hydrophobic porous films 3 and 4. Composed of structure. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA) is the same as in the examples. Each sample used was a four-layer structure in which the above three-layer structure was further reinforced with a polypropylene porous film coated with silicon.

次に、図13に、実施例と比較例の各サンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/H選択率を、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜350kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。尚、測定温度は125℃である。 Next, FIG. 13 shows the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of each sample of the example and the comparative example, and the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 is in the range of 150 kPa to 350 kPa. The result measured in the state is shown. The measurement temperature is 125 ° C.

図13より、CO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、全圧力範囲で僅かに高くなっているが、CO/H選択率では、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PTFE多孔膜を使用した場合に、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、水素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。 From FIG. 13, the CO 2 permeance is slightly 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. In 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 when a hydrophilic PTFE porous membrane is used, 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) are less likely to occur. It is considered that gas permeance, particularly hydrogen permeance, is prevented from rising through the defect.

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選択率の何れも満足していないのに対して、図13に示す実施例及び比較例の各サンプルは、全ての要件を概ね満足しており、特に、実施例のサンプルにおいて、良好な結果が得られていることが分かる。比較例のサンプルでは、300kPa以上でCO/H選択率が100を下回り、温度を更に上昇させるとCO/H選択率の低下がより顕著に現れる。 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 to 100 or more is satisfied, each sample of the example and comparative example shown in FIG. 13 generally satisfies all the requirements. It can be seen that good results are obtained in the samples of the examples. In the sample of the comparative example, the CO 2 / H 2 selectivity falls below 100 at 300 kPa or more, and the CO 2 / H 2 selectivity decreases more significantly when the temperature is further increased.

次に、図14に、実施例と比較例の各サンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/H選択率を、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜550kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。尚、測定温度は140℃である。 Next, FIG. 14 shows the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of each sample of the example and the comparative example, and the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 is in the range of 150 kPa to 550 kPa. The result measured in the state is shown. The measurement temperature is 140 ° C.

図14より、温度が125℃から140℃に上昇したことにより、COパーミアンスRCO2とCO/H選択率の何れもが低下しているが、温度上昇によってPVA/PAAゲル膜内の二酸化炭素の促進輸送に寄与する水分が減少したことに起因するものである。しかし、実施例のサンプルでは、温度が140℃に上昇しても、比較例のサンプルより高いCO/H選択率が得られるため、原料ガスFGの圧力が350kPa以上において、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選択率の何れも概ね満足できるのに対し、比較例のサンプルでは、CO/H選択率で期待値を大幅に下回る結果となっている。 From FIG. 14, both the CO 2 permeance R CO2 and the CO 2 / H 2 selectivity are decreased by increasing the temperature from 125 ° C. to 140 ° C., but the increase in temperature causes an increase in the PVA / PAA gel membrane. This is due to a decrease in moisture that contributes to facilitated transport of carbon dioxide. However, in the sample of the example, even when the temperature rises to 140 ° C., a higher CO 2 / H 2 selectivity than that of the sample of the comparative example can be obtained. Therefore, when the pressure of the source gas FG is 350 kPa or more, 2 × 10 − Both the CO 2 permeance of about 5 mol / (m 2 · s · kPa) and the CO 2 / H 2 selectivity of about 90 to 100 or more are generally satisfactory, whereas the sample of the comparative example has CO 2 It has resulted in significantly less than the expected value at 2 / H 2 selectivity.

〈第2実施形態〉
本発明装置の第2実施形態について説明する。第2実施形態の本発明装置は、使用するCO促進輸送膜10が、第1実施形態で使用したCO促進輸送膜と組成が異なり、それ以外の構成、及び、原料ガス圧力の調整方法は第1実施形態と同じである。以下、第2実施形態で使用するCO促進輸送膜(以下、第2実施形態の説明において適宜「本発明膜」と称す)について説明する。
Second Embodiment
A second embodiment of the device of the present invention will be described. In the apparatus of the present invention of the second embodiment, the CO 2 facilitated transport membrane 10 to be used has a composition different from that of the CO 2 facilitated transport membrane used in the first embodiment, and the other configuration and the method for adjusting the raw material gas pressure Is the same as in the first embodiment. Hereinafter, the CO 2 facilitated transport membrane used in the second embodiment (hereinafter referred to as “the present invention membrane” as appropriate in the description of the second embodiment) will be described.

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、高い二酸化炭素透過性を実現するために、二酸化炭素キャリアに加えて、二酸化炭素透過性を促進するための添加剤をゲル膜内に含有する。従って、ゲル膜内に添加剤が追加されている点で、第1実施形態で使用したCO促進輸送膜と相違する。 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 in order to realize high carbon dioxide permeability, in addition to the carbon dioxide carrier, the carbon dioxide permeability is increased. An additive for promoting is contained in the gel film. Therefore, it is different from the CO 2 facilitated transport membrane used in the first embodiment in that an additive is added in the gel membrane.

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、2,3‐ジアミノプロピオン酸(DAPA)を使用し、添加剤として、グリセリン、または、イオン性流体を使用する。また、本発明膜は、二酸化炭素キャリアと添加剤を含有するPVA/PAAゲル膜を担持した親水性多孔膜2が、2枚の親水性多孔膜3,4に挟持される3層構造(図2に示す第1実施形態の3層構造と同じ)で構成される。以下、二酸化炭素キャリアと添加剤を含有するPVA/PAAゲル膜を、二酸化炭素キャリアと添加剤を含有しない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「含有ゲル膜」と略称する。また、この含有ゲル膜中のPVA/PAAとDAPAと添加剤の全重量を基準として、含有ゲル膜中において、PVA/PAAは約20〜80重量%の範囲で存在し、DAPAは約20〜80重量%の範囲で存在し、添加剤は約0〜30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 uses 2,3-diaminopropionic acid (DAPA) as a carbon dioxide carrier. , Glycerin or ionic fluid is used as an additive. The membrane of the present invention has a three-layer structure in which a hydrophilic porous membrane 2 carrying a PVA / PAA gel membrane containing a carbon dioxide carrier and an additive is sandwiched between two hydrophilic porous membranes 3 and 4 (see FIG. 2 is the same as the three-layer structure of the first embodiment shown in FIG. Hereinafter, a PVA / PAA gel film containing a carbon dioxide carrier and an additive, a PVA / PAA gel film containing no carbon dioxide carrier and an additive, and a membrane of the present invention having a structure comprising two hydrophobic porous films In order to distinguish them from each other, they are appropriately abbreviated as “containing gel film”. Further, based on the total weight of PVA / PAA, DAPA and additives in the containing gel film, PVA / PAA is present in the range of about 20 to 80% by weight in the containing gel film, and DAPA is about 20 to It is present in the range of 80% by weight, and the additive is present in the range of about 0-30% by weight.

添加剤は、イオン性流体やオリゴマー等の低蒸気圧の液体であって、親水性、熱安定性、二酸化炭素に対する親和性、及び、二酸化炭素キャリアであるDAPAとの相溶性が必要である。かかる条件を備えたイオン性流体として、下記のカチオン、アニオンの組合せよりなる化合物から選択される化学物質が利用できる。
カチオン:1,3位に以下の置換基を有するイミダゾリウムで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するもの、または、第4級アンモニウムカチオンで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するもの。
アニオン:塩化物イオン、臭化物イオン、四フッ化ホウ素イオン、硝酸イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、または、トリフルオロメタンスルホン酸イオン。
The additive is a low vapor pressure liquid such as an ionic fluid or an oligomer, and requires hydrophilicity, thermal stability, affinity for carbon dioxide, and compatibility with DAPA which is a carbon dioxide carrier. As an ionic fluid having such conditions, a chemical substance selected from a compound comprising a combination of the following cation and anion can be used.
Cation: Imidazolium having the following substituents at positions 1 and 3, substituted with an alkyl group, hydroxyalkyl group, ether group, allyl group, aminoalkyl group as a substituent group, or substituted with a quaternary ammonium cation A group having an alkyl group, a hydroxyalkyl group, an ether group, an allyl group or an aminoalkyl group as a group.
Anion: Chloride ion, bromide ion, boron tetrafluoride ion, nitrate ion, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion, hexafluorophosphate ion, or trifluoromethanesulfonate ion.

また、当該イオン性流体の具体例として、1‐アリル‐3‐エチルイミダゾリウムブロミド、1‐エチル‐3-メチルイミダゾリウムブロミド、1‐(2‐ヒドロキシエチル)‐3‐メチルイミダゾリウムブロミド、1‐(2‐メトキシエチル)‐3‐メチルイミダゾリウムブロミド、1‐オクチル‐3‐メチルイミダゾリウムクロリド、N,N‐ジエチル‐N‐メチル‐N‐(2‐メトキシエチル)アンモニウムテトラフルオロボラート、エチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、エチルメチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホン酸、エチルメチルイミダゾリウムジシアナミド、及び、塩化トリヘキシルテトラデシルホスホニウム等が利用できる。また、添加剤として、イオン性流体以外に、グリセリン、ポリグリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアクリル酸の中から選択される化学物質が利用できる。   Specific examples of the ionic fluid include 1-allyl-3-ethylimidazolium bromide, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide, 1- (2-hydroxyethyl) -3-methylimidazolium bromide, 1 -(2-methoxyethyl) -3-methylimidazolium bromide, 1-octyl-3-methylimidazolium chloride, N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium tetrafluoroborate, Ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, ethylmethylimidazolium bistrifluoromethanesulfonic acid, ethylmethylimidazolium dicyanamide, trihexyl tetradecylphosphonium chloride, and the like can be used. In addition to the ionic fluid, a chemical substance selected from glycerin, polyglycerin, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene oxide, polyethyleneimine, polyallylamine, and polyacrylic acid can be used as an additive.

二酸化炭素キャリアであるDAPA、親水性多孔膜、及び、疎水性多孔膜は、第1実施形態のCO促進輸送膜で使用したものと同じであるので、重複する説明は省略する。 Since DAPA, which is a carbon dioxide carrier, a hydrophilic porous membrane, and a hydrophobic porous membrane are the same as those used in the CO 2 facilitated transport membrane of the first embodiment, overlapping description is omitted.

次に、本発明膜の作製方法の一実施形態について、図15を参照して説明する。   Next, an embodiment of a method for producing a film of the present invention will be described with reference to FIG.

先ず、PVA/PAA共重合体とDAPAと添加剤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、DAPA一塩酸塩を0.25g、水酸化セシウム(CsOH)を0.54g(DAPA一塩酸塩に対して2当量)、添加剤(イオン性流体AEB等)を0.2g、サンプル瓶に秤取し、これに水20gを加えて室温で一昼夜攪拌して溶解させてキャスト溶液を得る。キャスト溶液中に添加剤を加えた点以外は、第1実施形態の作製方法と同じあり、DAPAの処理方法についても重複する説明は割愛する。   First, a cast solution composed of an aqueous solution containing a PVA / PAA copolymer, DAPA and an additive is prepared (step 1). More specifically, 1 g of a PVA / PAA copolymer (for example, a temporary name SS gel manufactured by Sumitomo Seika), 0.25 g of DAPA monohydrochloride, 0.54 g of cesium hydroxide (CsOH) (DAPA monohydrochloride) 2 g), 0.2 g of additive (ionic fluid AEB, etc.), weighed in a sample bottle, added with 20 g of water, and stirred at room temperature for 24 hours to dissolve to obtain a cast solution. Except for the point that an additive is added to the cast solution, it is the same as the manufacturing method of the first embodiment, and the description of the DAPA processing method is omitted.

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、アドバンテック製、H010A142C、膜厚35μm、細孔径0.1μm、空隙率70%)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)。尚、後述する実施例及び比較例のサンプルでのキャスト厚は254μmである。   Next, the cast solution obtained in step 2 is mixed with a hydrophilic PTFE porous membrane (for example, manufactured by Advantech, H010A142C, film thickness 35 μm, pore diameter 0.1 μm, porosity 70%) and hydrophobic PTFE porous membrane (for example, Sumitomo Cast with an applicator on the surface of the porous PTFE porous membrane side of a layered porous membrane in which two sheets made by Denko, Fluoropore FP010, film thickness 60 μm, pore diameter 0.1 μm, porosity 55%) are laminated (Step 3) ). In addition, the cast thickness in the sample of the Example and comparative example which are mentioned later is 254 micrometers.

次に、キャスト後の親水性PTFE多孔膜を室温で約半日自然乾燥させ、キャスト溶液をゲル化させゲル層を生成する(工程4)。本発明方法では、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。尚、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。尚、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 at room temperature for about half a day, and the cast solution is gelled to form a gel layer (step 4). In the method of the present invention, in Step 3, the cast solution is cast on the surface of the layered porous membrane on the hydrophilic PTFE porous membrane side, so in Step 4, the gel layer is formed on the surface (cast surface) of the hydrophilic PTFE porous membrane. In addition to being formed, the pores are filled and formed, so that defects (micro-defects such as pinholes) are less likely to occur, and the success rate of gel layer deposition 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、疎水性PTFE多孔膜/ゲル層(親水性PTFE多孔膜に担持された含有ゲル膜)/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)。工程2〜工程5の各処理は、第1実施形態の作製方法と全く同じある。   Next, the same hydrophobic PTFE porous membrane as that of the layered porous membrane used in Step 3 is stacked on the gel layer side of the hydrophilic PTFE porous membrane surface obtained in Step 4, and the hydrophobic PTFE porous membrane / A membrane of the present invention comprising a gel layer (containing gel membrane supported on a hydrophilic PTFE porous membrane) / hydrophobic PTFE porous membrane is obtained (step 5). Each process of step 2 to step 5 is exactly the same as the manufacturing method of the first embodiment.

以上、工程1〜工程5を経て作製された本発明膜は、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、水素を主成分とする原料ガスに対し、使用温度100℃以上で、2×10−5mol/(m・s・kPa)(=60GPU)程度以上のCOパーミアンス、及び、100程度以上のCO/H選択率が実現できる。 As described above, the membrane of the present invention produced through the steps 1 to 5 has a membrane performance applicable to a CO 2 permeable membrane reactor, that is, at a use temperature of 100 ° C. or more with respect to a source gas mainly containing hydrogen, A CO 2 permeance of about 2 × 10 −5 mol / (m 2 · s · kPa) (= 60 GPU) or more and a CO 2 / H 2 selectivity of about 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、含有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、含有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 of the hydrophobic PTFE porous membranes is used in Step 3 and Step 4, and is a hydrophilic PTFE porous membrane supporting the contained gel membrane. The other hydrophobic PTFE porous membrane is used to protect the contained gel membrane from the other surface side.

以下、添加剤として下記の4種類のイオン性流体を個々に使用した4つの実施例1〜4の各サンプルを参考にして、夫々の膜性能について説明する。4種類のイオン性流体は、実施例1:1‐アリル‐3‐エチルイミダゾリウムブロミド、実施例2:1‐(2‐ヒドロキシエチル)‐3‐メチルイミダゾリウムブロミド、実施例3:1‐オクチル‐3‐メチルイミダゾリウムクロリド、実施例4:N,N‐ジエチル‐N‐メチル‐N‐(2‐メトキシエチル)アンモニウムテトラフルオロボラートである。   Hereinafter, each membrane performance is demonstrated with reference to each sample of four Examples 1-4 which used the following four types of ionic fluid as an additive individually. The four ionic fluids are: Example 1: 1-allyl-3-ethylimidazolium bromide, Example 2: 1- (2-hydroxyethyl) -3-methylimidazolium bromide, Example 3: 1-octyl -3-Methylimidazolium chloride, Example 4: N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium tetrafluoroborate.

先ず、実施例1〜4の各サンプルの膜組成について説明する。実施例1のサンプルは、添加剤として1‐アリル‐3‐エチルイミダゾリウムブロミドを使用して、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:DAPA:添加剤)の配合比率は、記載の順に、(66.3重量%:20重量%:13.7重量%)となっている。実施例2のサンプルは、添加剤として1‐(2‐ヒドロキシエチル)‐3‐メチルイミダゾリウムブロミドを使用して、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:DAPA:添加剤)の配合比率は、記載の順に、(66.3重量%:20重量%:13.7重量%)となっている。実施例3のサンプルは、添加剤として1‐オクチル‐3‐メチルイミダゾリウムクロリドを使用して、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:DAPA:添加剤)の配合比率は、記載の順に、(66.3重量%:20重量%:13.7重量%)となっている。実施例4のサンプルは、添加剤としてN,N‐ジエチル‐N‐メチル‐N‐(2‐メトキシエチル)アンモニウムテトラフルオロボラートを使用して、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:DAPA:添加剤)の配合比率は、記載の順に、(66.3重量%:20重量%:13.7重量%)となっている。   First, the film composition of each sample of Examples 1 to 4 will be described. The sample of Example 1 was prepared by the above-described preparation method using 1-allyl-3-ethylimidazolium bromide as an additive. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA: additive) is (66.3 wt%: 20 wt%: 13.7 wt%) in the order of description. The sample of Example 2 was made by the above-described preparation method using 1- (2-hydroxyethyl) -3-methylimidazolium bromide as an additive. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA: additive) is (66.3 wt%: 20 wt%: 13.7 wt%) in the order of description. The sample of Example 3 was prepared by the above-described preparation method using 1-octyl-3-methylimidazolium chloride as an additive. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA: additive) is (66.3 wt%: 20 wt%: 13.7 wt%) in the order of description. The sample of Example 4 was prepared by the above-described preparation method using N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium tetrafluoroborate as an additive. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA: additive) is (66.3 wt%: 20 wt%: 13.7 wt%) in the order of description.

次に、実施例1〜4の各サンプルで使用した添加剤の効果、即ち、二酸化炭素透過性の促進効果を評価するために作製したPVA/PAAゲル膜内に添加剤を加えない比較用サンプルは、第1実施形態の実施例のサンプルと同条件(但し、キャスト厚は第1実施形態のサンプルと異なる)で作製されたものを使用する。実施例1〜4、及び、比較用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は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。   Next, a comparative sample in which no additive is added to the PVA / PAA gel membrane prepared in order to evaluate the effect of the additive used in each sample of Examples 1 to 4, that is, the carbon dioxide permeability promoting effect. Are manufactured under the same conditions as the sample of the example of the first embodiment (however, the cast thickness is different from that of the sample of the first embodiment). Since the configurations of the experimental apparatus and the experimental method for evaluating the film performance of Examples 1 to 4 and each sample for comparison are the same as those in the first embodiment, redundant description is omitted.

次に、図16に、原料ガスFGとして窒素を主成分とする原料ガス2を使用した場合における、実施例1〜4、及び、比較用の各サンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/N選択率、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜450kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。尚、測定温度は140℃である。 Next, in FIG. 16, CO 2 permeances R CO2 and CO 2 / N of Examples 1 to 4 and each sample for comparison when the source gas 2 containing nitrogen as a main component is used as the source gas FG. 2 shows the result of measuring the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 in a pressurized state in the range of 150 kPa to 450 kPa. The measurement temperature is 140 ° C.

図16より、本発明膜は、140℃の高温条件であっても、添加剤を用いることで、原料ガスFGの圧力が350kPa以下でも、添加剤を用いない比較用サンプルに比べて、COパーミアンスが改善されることが分かる。また、CO/N選択率に関しては、300kPa以下の圧力範囲で、一部の実施例1、2及び4で比較用サンプルに比べて改善されることが分かる。 From FIG. 16, the membrane of the present invention uses CO 2 at a high temperature condition of 140 ° C., so that even when the pressure of the raw material gas FG is 350 kPa or less, it is less CO 2 than the comparative sample using no additive. It can be seen that the permeance is improved. It can also be seen that the CO 2 / N 2 selectivity is improved in comparison with the comparative samples in some Examples 1, 2, and 4 in the pressure range of 300 kPa or less.

次に、図17に、添加剤の使用によるCOパーミアンス改善効果をCO/H系の原料ガスで確認した測定結果を示す。図17は、原料ガスFGとして水素を主成分とする原料ガス1を使用した場合における、添加剤として上記実施例1と同じイオン性流体の1‐アリル‐3‐エチルイミダゾリウムブロミドを添加した実施例5、及び、比較用の各サンプルのCOパーミアンスRCO2とCO/H選択率、原料側室12内の原料ガスFGの圧力を150kPa〜450kPaの範囲の加圧状態で測定した結果を示す。尚、測定温度は140℃である。 Next, FIG. 17 shows a measurement result of confirming the CO 2 permeance improvement by the use of additives in the feed gas of CO 2 / H 2 system. FIG. 17 shows an implementation in which 1-allyl-3-ethylimidazolium bromide of the same ionic fluid as that of Example 1 was added as an additive when the source gas 1 containing hydrogen as a main component was used as the source gas FG. Example 5 and the results of measuring the CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 selectivity of each sample for comparison and the pressure of the raw material gas FG in the raw material side chamber 12 in a pressurized state ranging from 150 kPa to 450 kPa. Show. The measurement temperature is 140 ° C.

実施例5のサンプルは、添加剤として1‐アリル‐3‐エチルイミダゾリウムブロミドを使用して、上述の作製方法により作製した。(PVA/PAA:DAPA:添加剤)の配合比率は、記載の順に、(66.3重量%:20重量%:13.7重量%)となっている。PVA/PAAゲル膜内に添加剤を加えない比較用のサンプルは、第1実施形態の実施例のサンプルと同条件で作製されたもの(但し、キャスト厚は第1実施形態のサンプルと異なる)を使用する。   The sample of Example 5 was prepared by the above-described preparation method using 1-allyl-3-ethylimidazolium bromide as an additive. The blending ratio of (PVA / PAA: DAPA: additive) is (66.3 wt%: 20 wt%: 13.7 wt%) in the order of description. The sample for comparison in which no additive is added in the PVA / PAA gel film was prepared under the same conditions as the sample of the example of the first embodiment (however, the cast thickness is different from the sample of the first embodiment). Is used.

実施例5及び比較用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は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。但し、実施例5及び比較用の各サンプルの膜面積は、第1実施形態及び実施例1〜4のサンプルと異なり、3.65cmである。また、実験方法は、原料ガスの組成と流量以外は、第1実施形態と同じである。原料ガスFGとして原料ガス3(CO、H、HOからなる混合ガス)を使用し、1.64×10−2mol/minの流量で原料側室12に供給し、スイープガス(Arガス)SGは、8.18×10−4mol/minの流量で透過側室13に供給する。 Since the configuration of the experimental apparatus for evaluating the film performance of Example 5 and each sample for comparison is the same as that of the first embodiment, a duplicate description is omitted. However, the film area of Example 5 and each sample for comparison is 3.65 cm 2 unlike the samples of the first embodiment and Examples 1-4. The experimental method is the same as that of the first embodiment except for the composition and flow rate of the source gas. A raw material gas 3 (mixed gas composed of CO 2 , H 2 , H 2 O) is used as the raw material gas FG, and supplied to the raw material side chamber 12 at a flow rate of 1.64 × 10 −2 mol / min, and a sweep gas (Ar Gas) SG is supplied to the permeation side chamber 13 at a flow rate of 8.18 × 10 −4 mol / min.

原料ガス3は、CO、H、HOからなる混合ガスを、CO:5%、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、8.13×10−3mol/min)に水を定量送液ポンプ18で送入し(流量:0.147cm/min、8.06×10−3mol/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。 As the raw material gas 3, a mixed gas composed of CO 2 , H 2 and H 2 O was adjusted to a mixing ratio (mol%) of CO 2 : 5%, H 2 : 45%, H 2 O: 50%. Specifically, water is quantified in a mixed gas flow (flow rate at 25 ° C .: 200 cm 3 / min, 8.13 × 10 −3 mol / min) composed of 10% CO 2 and 90% H 2 (mol%). was fed at a liquid feed pump 18 (flow rate: 0.147cm 3 /min,8.06×10 -3 mol / min ), the water is evaporated by heating to above 100 ° C., a mixed gas of the mixed ratio This was prepared and supplied to the raw material side chamber 12.

図17より、本発明膜は、140℃の高温条件であっても、添加剤を用いることで、原料ガスFGの圧力が150〜450kPaの全圧力範囲で、添加剤を用いない比較用サンプルに比べて、COパーミアンス及びCO/H選択率が改善されることが分かる。 From FIG. 17, the membrane of the present invention can be used as a comparative sample that does not use an additive in the entire pressure range of 150 to 450 kPa of the pressure of the raw material gas FG by using an additive even under a high temperature condition of 140 ° C. In comparison, it can be seen that the CO 2 permeance and the CO 2 / H 2 selectivity are improved.

尚、添加剤の使用によるCOパーミアンス改善効果が低圧側で発現する理由は、低圧下では水蒸気分圧が低くPVA/PAAゲル膜内の水分量が減少するので、添加剤が一種の可塑化剤の役割を果しているためと考えられる。 The reason why the CO 2 permeance improvement effect due to the use of the additive appears on the low pressure side is that the water vapor partial pressure is low and the water content in the PVA / PAA gel membrane is reduced at low pressure, so the additive is a kind of plasticization. This is thought to be due to the role of the agent.

以下に、本発明に係る二酸化炭素分離装置の別実施形態につき説明する。   Hereinafter, another embodiment of the carbon dioxide separator according to the present invention will be described.

〈1〉上記実施形態では、本発明装置の原料ガス圧力を調整する圧力調整手段として、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原料ガスの排気経路に設けられた背圧調整器を用いたが、圧力調整手段は背圧調整器に限定されるものではなく、原料ガスを供給する上流側で調整するようにしても構わない。 <1> In the above embodiment, the pressure adjusting means for adjusting the raw material gas pressure of the apparatus of the present invention is provided in the exhaust path of the raw material gas after the carbon dioxide is selectively separated by the CO 2 facilitated transport membrane 10. Although the back pressure adjuster is used, the pressure adjusting means is not limited to the back pressure adjuster, and may be adjusted on the upstream side where the source gas is supplied.

〈2〉上記実施形態では、本発明装置に使用するCO促進輸送膜は、PVA/PAA共重合体と二酸化炭素キャリアのDAPA(またはDAPAと添加剤)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、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、DAPAと添加剤の少なくとも何れか一方を後から含浸させて作製しても構わない。 <2> In the above embodiment, the CO 2 facilitated transport membrane used in the apparatus of the present invention is a gel solution prepared from an aqueous solution containing a PVA / PAA copolymer and a carbon dioxide carrier DAPA (or DAPA and an additive). Although it was produced by casting into a hydrophilic PTFE porous membrane for supporting a membrane and then gelled, it may be produced by a production method other than the production method. For example, the PVA / PAA copolymer gel film may be produced by impregnating at least one of DAPA and an additive later.

〈3〉上記実施形態では、本発明装置に使用するCO促進輸送膜は、疎水性PTFE多孔膜/ゲル層(親水性PTFE多孔膜に担持された含有ゲル膜)/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有ゲル膜)よりなる2層構造でも構わない。 <3> In the above embodiment, the CO 2 facilitated transport membrane used in the apparatus of the present invention is hydrophobic PTFE porous membrane / gel layer (containing gel membrane supported on the hydrophilic PTFE porous membrane) / hydrophobic PTFE porous membrane. However, the support structure of 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 film / gel layer (containing gel film supported on a hydrophilic PTFE porous film) may be used.

〈4〉上記実施形態では、本発明装置がCO透過型メンブレンリアクターへ応用される場合を想定したが、本発明装置は、CO透過型メンブレンリアクター以外にも、二酸化炭素を選択的に分離する目的で使用可能である。従って、本発明装置に供給される原料ガスは、上記実施形態に例示した混合ガスに限定されるものではない。 <4> In the above embodiment, it is assumed that the device of the present invention is applied to a CO 2 permeable membrane reactor, but the device of the present invention selectively separates carbon dioxide in addition to the CO 2 permeable membrane reactor. Can be used for the purpose. Therefore, the raw material gas supplied to the apparatus of the present invention is not limited to the mixed gas exemplified in the above embodiment.

〈5〉上記実施形態において例示した、本発明装置に使用するCO促進輸送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促進輸送膜を使用した場合に限定されるものではない。 <5> exemplified in the above embodiment, the mixing ratio of each component in the composition of CO 2 facilitated transport membrane used in the present invention apparatus, dimensions of each part of the film is an illustration for easier understanding of the present invention The present invention is not limited to the case of using those numerical values of the CO 2 facilitated transport membrane.

本発明に係る二酸化炭素分離装置及び方法は、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 separation apparatus and method according to the present invention can be used for separation of carbon dioxide, and in particular, carbon dioxide contained in reformed gas for fuel cells and the like mainly composed of hydrogen with a high selectivity to hydrogen. This is useful for a CO 2 permeable membrane reactor equipped with a separable CO 2 facilitated transport membrane.

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の第1実施形態を示す工程図Process diagram showing a first embodiment of a method for manufacturing a CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 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COパーミアンスRCO2とCO/H選択率の原料ガスの温度と圧力に対する依存性を示す図It shows the dependence on temperature and pressure of the source gas 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COパーミアンスRCO2とCO/N選択率の原料ガスの温度と圧力に対する依存性を示す図It shows the dependence on temperature and pressure of the source gas CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / N 2 selectivity of CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 原料ガスの温度をパラメータとする原料ガス圧力(全圧)と水蒸気飽和度(Pw/Ps)と関係を示す図The figure which shows the relationship between the raw material gas pressure (total pressure) which uses the temperature of raw material gas as a parameter, and water vapor saturation (Pw / Ps) 図5に対応した本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2と水蒸気飽和度(Pw/Ps)の関係を示す図Diagram showing the relationship between CO 2 permeance R CO2 and water vapor saturation of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention corresponding to FIG. 5 (Pw / Ps) 図6に対応した本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2と水蒸気飽和度(Pw/Ps)の関係を示す図Diagram showing the relationship between CO 2 permeance R CO2 and water vapor saturation of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention corresponding to FIG. 6 (Pw / Ps) 本発明に係るCO促進輸送膜のCOパーミアンスRCO2とCO/H選択率の原料ガス圧力とDAPAの配合比率に対する依存性を示す図Shows the dependence on CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 blending ratio of the raw material gas pressure and DAPA 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選択率の原料ガス圧力とDAPAの配合比率に対する依存性を示す図Shows the dependence on CO 2 permeance R CO2 and CO 2 / H 2 blending ratio of the raw material gas pressure and DAPA selectivity of 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促進輸送膜の親水性多孔膜の使用によるCO/H選択率の改善効果を示す図Shows the improvement CO 2 / H 2 selectivity rate by use of a hydrophilic porous membrane 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選択率の改善効果を示す図Shows the improvement CO 2 / H 2 selectivity rate by use of a hydrophilic porous membrane of the CO 2 -facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の作製方法の第2実施形態を示す工程図Process diagram showing a second embodiment of a method for manufacturing a CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の添加剤使用によるCOパーミアンスの促進効果を示す図Shows the promoting effect of CO 2 permeance by additives used for CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 本発明に係るCO促進輸送膜の添加剤使用によるCOパーミアンスの促進効果を示す図Shows the promoting effect of CO 2 permeance by additives used for CO 2 facilitated transport membrane according to the present invention 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

符号の説明Explanation of symbols

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(圧力調整手段)
17: ガスクロマトグラフ
18: 定量送液ポンプ
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
FG: 原料ガス
FG’: 処理済ガス
SG、SG’: スイープガス
PG: 透過ガス
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 (pressure regulating means)
17: Gas chromatograph 18: Fixed liquid feed pump 20: CO converter (CO 2 permeable membrane reactor)
21: Sweep gas passage FG: Raw material gas FG ': Processed gas SG, SG': Sweep gas PG: Permeated gas

Claims (7)

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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加して形成されたCO促進輸送膜であり、
前記CO促進輸送膜に供給される前記原料ガスの全圧を、前記原料ガス中の水蒸気分圧を前記供給温度で決定される飽和水蒸気圧で除した比で規定される水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上、前記水蒸気飽和度が1となる圧力以下の圧力に調整する圧力調整手段を備えることを特徴とする二酸化炭素分離装置。
A raw material gas containing at least carbon dioxide and water vapor in a predetermined main component gas 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 permeated through the CO 2 facilitated transport membrane is permeated. A carbon dioxide separator to be taken out from the side,
The CO 2 facilitated transport membrane is a CO 2 facilitated transport membrane formed by adding 2,3-diaminopropionic acid to a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane,
The water vapor saturation defined by the ratio of the total pressure of the raw material gas supplied to the CO 2 facilitated transport membrane divided by the water vapor partial pressure in the raw material gas by the saturated water vapor pressure determined by the supply temperature is 0 . Carbon dioxide separation characterized by comprising pressure adjusting means for adjusting the pressure to a lower limit saturation set within a range of 3 to 0.6 and higher than the pressure at which the water vapor saturation is 1 apparatus.
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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加したゲル層を、親水性の多孔膜に担持させてな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 CO 2 facilitated transport membrane is characterized in that a gel layer obtained by adding 2,3-diaminopropionic acid to a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane is supported on a hydrophilic porous membrane. Item 2. The carbon dioxide separator according to Item 1. 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支持されていることを特徴とする請求項2に記載の二酸化炭素分離装置。   3. The carbon dioxide separator according to claim 2, wherein the gel layer supported on the hydrophilic porous membrane is covered and supported by a hydrophobic porous membrane. 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と2,3‐ジアミノプロピオン酸を含む水溶液からなるキャスト溶液を、前記親水性の多孔膜にキャストした後にゲル化して作製されることを特徴とする請求項2または3に記載の二酸化炭素分離装置。   The gel layer is produced by casting a cast solution composed of an aqueous solution containing a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer and 2,3-diaminopropionic acid to the hydrophilic porous membrane and then gelling. The carbon dioxide separator according to claim 2 or 3. 前記ポリビニルアルコール‐ポリアクリル酸共重合体ゲル膜内に、2,3‐ジアミノプロピオン酸の他に、二酸化炭素透過性を促進するための添加剤として、イオン性流体、または、グリセリン、ポリグリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアクリル酸の中から選択される化学物質を含有し、
前記イオン性流体が、下記のカチオン、アニオンの組合せよりなる化合物から選択される化学物質であり、
前記カチオンが、1,3位に以下の置換基を有するイミダゾリウムで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するもの、または、第4級アンモニウムカチオンで、置換基としてアルキル基、ヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリル基、アミノアルキル基を有するものであり、
前記アニオンが、塩化物イオン、臭化物イオン、四フッ化ホウ素イオン、硝酸イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、または、トリフルオロメタンスルホン酸イオンであ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。
In the polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel film, in addition to 2,3-diaminopropionic acid, as an additive for promoting carbon dioxide permeability, an ionic fluid, or glycerin, polyglycerin, Contains a chemical selected from polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene oxide, polyethyleneimine, polyallylamine, polyacrylic acid ,
The ionic fluid is a chemical substance selected from a compound consisting of a combination of the following cation and anion,
The cation is an imidazolium having the following substituents at the 1,3-positions, having an alkyl group, a hydroxyalkyl group, an ether group, an allyl group, an aminoalkyl group as a substituent, or a quaternary ammonium cation. , Having an alkyl group, a hydroxyalkyl group, an ether group, an allyl group, an aminoalkyl group as a substituent,
Wherein the anion is chloride, bromide, tetrafluoroborate ions, which nitrate ions, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion, hexafluorophosphate ion, or wherein the ion der Rukoto trifluoromethanesulfonic acid Item 4. The carbon dioxide separator according to any one of Items 1 to 3.
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と2,3‐ジアミノプロピオン酸と前記二酸化炭素透過性を促進するための添加剤を含む水溶液からなるキャスト溶液を、親水性の多孔膜にキャストした後にゲル化して作製されることを特徴とする請求項5に記載の二酸化炭素分離装置。   The gel layer is formed from a cast solution composed of an aqueous solution containing a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer, 2,3-diaminopropionic acid, and the additive for promoting carbon dioxide permeability. 6. The carbon dioxide separator according to claim 5, wherein the carbon dioxide separator is produced by gelling after casting. 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、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方法であって、
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2,3‐ジアミノプロピオン酸を添加して形成されたCO促進輸送膜であり、
前記原料ガスを、100℃以上の供給温度、且つ、前記原料ガス中の水蒸気分圧を前記供給温度で決定される飽和水蒸気圧で除した比で規定される水蒸気飽和度が0.3以上0.6以下の範囲内で設定された下限飽和度となる圧力以上で前記水蒸気飽和度が1となる圧力以下の全圧で、前記CO促進輸送膜の前記原料側面に供給することを特徴とする二酸化炭素分離方法。
A raw material gas at least includes carbon dioxide and water vapor is supplied to the raw material side of the CO 2 facilitated transport membrane to a predetermined main component gas, the carbon dioxide separation method for extracting carbon dioxide that has passed through the CO 2 -facilitated transport membrane from the permeate side Because
The CO 2 facilitated transport membrane is a CO 2 facilitated transport membrane formed by adding 2,3-diaminopropionic acid to a polyvinyl alcohol-polyacrylic acid copolymer gel membrane,
The water vapor saturation defined by the ratio of the source gas to a supply temperature of 100 ° C. or higher and the water vapor partial pressure in the source gas divided by the saturated water vapor pressure determined by the supply temperature is 0.3 to 0 And supplying to the raw material side surface of the CO 2 facilitated transport membrane at a total pressure not lower than a pressure at which the lower limit saturation is set within a range of 6 or less and not higher than a pressure at which the water vapor saturation is 1. To separate carbon dioxide.
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