JP5782669B2 - 空気中の水分除去方法 - Google Patents

Description

本発明は気体中に含まれる水分を膜を利用して除去する方法に関する。より詳しくは絶対湿度が大気（温度Ｔ_２）の絶対湿度より高い湿った気体（温度Ｔ_１）より多孔性平膜を用いて水分を除去する方法に関する。

産業界では乾燥工程はエネルギーを消費する工程の一つであり省エネ対策としてその改良が常に検討されている。家庭においては洗濯後の乾燥あるいは室内の除湿には実質的には気体中の水分除去を目的とした技術が利用されている。気体中からの水分除去の方法として冷却器を用いて空気の温度下げ、その空気の露点以下にすることにより、水蒸気を液体の水として除去する。除去後再び加熱することにより気体中の水分のみを除去することは可能である。この冷却器を用いる方法は（イ）水蒸気が持つ蒸発潜熱は冷却時に加えられるべきエネルギーとなり、エネルギー効率の悪い方法といえる。（ロ）外部との間で空間的には閉鎖系となり、開放部をもうけると除湿効率は低下するという問題点がある。

実験室規模での水分除去方法としては乾燥剤を利用する方法がある。活性炭を用いて適度な湿度を確保したり、吸湿剤（シリカゲル，塩化カルシウムなど）により空気中の湿度を０％近くまで低下させる方法としては利用できる。この方法は閉鎖系で小規模の水分除去法として簡便である。

高分子膜を利用した湿った気体より水分を除去する方法が提案されている（特許文献１）。この方法で用いられる膜は電子顕微鏡ではその孔の存在が確認できず、いわゆる溶解・拡散機構で水分子は膜中を移動する。そのため水分の膜除去速度は小さく工業的規模での適用に際しては多大の膜面積と圧力差を必要とする。この方法は気体中のすべての成分分子について開放系であり、むしろ積極的に気体中の成分を系外へ移動させるために湿った気体の持つエネルギーを系外へ損失する。開放系で水分を除去すると水分と同時にエネルギーも系外へ流出するのが一般的である。

高分子多孔膜を親水性素材で作製し、孔拡散と操作条件を特定することにより湿熱気体が有するエネルギーを保持し、水分のみを系外に取り出す方法が提案されている（特許文献１）。この方法では湿熱空気と乾燥空気の流動量の合計Ｖ，膜の平均孔径ｒ_ａ、膜の面積Ａ，膜の空孔率Ｐｒとすると｜ΔＰ｜／ｄは（１）式を満足しなくてはならない。
｜ΔＰ｜／ｄ ＜ ３．０ｘ１０^−５Ｖ／（Ｐｒ・ｒ_ａ ^２・Ａ）となる。 （１）
該方法では膜を流体として通過する成分量の速度が湿熱空気と乾燥空気の合計Ｖの一定比率以下である必要性を指摘している。その後、該方法で熱回収を実施する際、乾燥空気の流れ速度は湿熱空気の流れ速度の３倍以上が必要であることが明らかにされ、この流れ速度を与えるための新たなエネルギーの投入が必要である（特許文献２）。新たなエネルギー量は該方法で回収されるエネルギーに匹敵するという問題があり、湿熱空気の持つエネルギ‐回収技術としては不十分であった。

特許文献２の問題点を解消する技術として湿熱空気側に比較して乾燥空気側に接する膜面に凹凸の激しい構造体を配することにより省エネ型除湿システムが開発されている（特許文献３）。この技術により気体中の成分分子にとっては開放系で、微生物粒子に対しては閉鎖系が完成する。この技術では（イ）湿熱空気の持つ顕熱エネルギー（温度や運動エネルギーの形での流体としての速度など）は利用されていない（ロ）膜の裏面の構造が複雑なため膜モジュール作製が困難である点の問題点を残す。

室内内部に発熱体を有する密閉に近い構造体では絶対温度が経時的に高まり、大気温度の日間変動のために該構造体内部に水滴が生じる。そのため構造体内部では錆が生じたり、あるいは電気的配線の絶縁性不良などのため電気的トラブルを起こす。この対策のために高温の発熱体を設置する方策がとられるがこれは悪循環をもたらし、水分を系外に除去する方策をとらなくてはならない。発熱体によって相対湿度を低下する方式での水分対策は根本的対策ではない。ほぼ密閉された空間部内での水分除去は遠隔地にある無人の施設にとっては重要な課題である。

特開 昭５４−１５２６７９号 特公 平４−１３００６号 特公 第３８９１８０８号

本発明では従来技術では解消できない下記の課題を同時に解決しようとする。すなわち（１）気体中の水分を熱エネルギーを使うことなく除去、（２）気体中の水分の持つ潜熱エネルギーを顕熱エネルギーとして回収、（３）気体中の成分分子に対しては空間で気体中に分散する微粒子（直径０．０８μｍ以上のレトロウイルスや細菌、マイコプラズマ等）に対しては閉空間（４）水分の除去速度を増加させるために使用する外部からの必要とするエネルギーを極小化、（５）利用する膜として作製の容易な構造体の５種の要求を満足する空気中の水分除去方法を提供する。

気体中の水分を熱エネルギーを使うことなく系外へ除去するには膜を介しての除去が最適である。ただし膜を介しての系外へ水分子の除去の機構として膜濾過を利用すると気体中の他の成分分子（酵素や窒素など）も系外へ流出する。分子の流出は気体の持つ熱エネルギーの損失になるので膜濾過機構による物質輸送への寄与を可能な限り少なくする必要がある。そのためには孔径を大きくするのに限界がある。一方、孔径を小さくすることにより溶解拡散機構が期待できるが水分子の透過の選択性を高め、しかも水分子の膜移動速度を高める機構を設定する必要がある。

気体中の水分子の持つ潜熱エネルギーとは蒸発熱を意味する。すなわち液体中の水分子が蒸発して気体の水分子へ変化するのに際し、蒸発熱を得て気相の水分子となる。したがって気相の水分子は液相の水分子に比較して蒸発熱の分だけエンタルピーは増加している。この増加分が潜熱エネルギーである。潜熱エネルギーを顕熱エネルギーに変換させるには再び相変化を起こさせる必要がある。

気体中の成分分子に対しては開空間で、気体中に分散する微粒子に対して閉空間にするためには両空間を隔てる膜に特別な孔構造を持たせるか、あるいは物質を移動させるための駆動力に特別な力を与えるしかない。また特別な孔構造としては孔径分布が非常に鋭いかあるいは層状構造で表現される多層構造膜かのいずれかと考えられる。ここで多層構造膜とは膜の縦断面を透過型電子顕微鏡で観察した際、厚さ約０．２μｍの薄膜の積層構造が観察される膜である。この薄膜の積層数が２０以上である膜を多層構造膜と定義される。

膜を介して水分子の除去速度を高めるには特許文献３に述べるように膜の裏面側に特別な構造体を持たせる必要性が明らかにされている。膜の構造体としての最適設計の他に膜裏面での水分率を低める手段を採用することも考えられる。本発明では複雑な膜構造体に代替した手段を外系からエネルギーを加えることなく提案する。

本発明を適用する対象の中心は物質を乾燥した後に出てくる湿度の高い高温の気体（温度Ｔ_１）、温度が高く絶対湿度の高い空間（例、電源室、動物舎）内の気体、水蒸気が発生している空間内の気体などである。これらの気体を流動させるための装置（送風機など）と直結した形で利用される技術を本発明は提供する。

本発明の最大の特徴は、絶対湿度が高い高温（温度Ｔ１）の湿った気体より膜を介して反対側に位置する大気中へ水分を除去する際に該気体の流れる力で膜を設置したモジュールを回転させる点にある。図１にそのモジュールの概念図を示す。膜表面上に気体を層状状態で流した場合、膜表面に接した気体の流れ速度が零となる部分（これを境膜部分という）が生じる。また気体中の水蒸気が飽和状態に近い場合には膜の孔内においては水蒸気が液体の水に変化する場合が起る。境膜や孔中の水はいずれも膜を介した気体中の水分子の拡散を妨げる。 膜を回転させることにより、膜表面に存在する境膜（気体の流れが停止した部分でこの部分は膜表面に接して薄層状となる）を薄くし、膜の大気側に接する面からの水の蒸発を容易にする。この作用は膜の静止状態での気体と大気の流れ速度を大きくすることと同様の効果が期待される。さらに回転に伴なう遠心力によって膜中で液体となった水は大気中に遠心力で吹き飛ばされる。このように膜を回転させることによって特許文献３のような膜裏面が複雑な構造体である必要がなくなり、本技術で利用される膜として作製容易な構造体で十分である。

膜を回転する力は気体の流れる力（風力）である。風力を回転に変えるために気体の流れの中に風車状の羽根を設置する。羽根の形を工夫することにより、回転と気体の流れを膜面へ積極的に近づけることが出来る。この気体の流れを風力として利用することにより水分の除去速度を増加させるために外部から加えられるエネルギー（回転力など）を極小化できる。

本発明の第２の特徴は膜として親水性多孔性平膜を用いている点にある。新水性とは溶解度パラメーターの水素結合の成分δ_ｈが８（ｃａｌ^１／２ｃｍ^−３／２）以上である物質を意味する。例えばセルロース，ポリビニールアルコールなどである。多孔性とは空孔率が３０％以上で膜の両平面に５ｎｍ以上の孔の存在が電子顕微鏡で認められる膜である。平膜とは膜厚１０μｍ〜１ｍｍで膜平面が幅１ｃｍ以上で長さが１ｃｍ以上で構成された膜である。

親水性膜は空気中の水分を吸着し吸着熱を発生する。吸着によって空気中の水分濃度は低下し、同時に空気の温度が上昇する。すなわち潜熱を顕熱に変えるのが吸着である。水分の吸着性能は膜の素材と水分子との間の親和力の結果でもある。製膜の容易さと親水性の強さとから再生セルロースが特に望ましい。セルロースの場合相対湿度が６０％の気体に対してセルロース１ｋｇ当り約３００ｋｊの微分吸着熱が発生する。吸着熱による温度上昇の程度は膜と空気との比熱の関係で定まる。

本発明の第３の特徴は、膜を介した水分の移動として孔拡散，表面拡散および溶解拡散の３種の拡散機構を利用した点にある。ここで孔拡散とは孔中での分子の拡散で拡散係数はほぼ分子量の１／２乗に反比例する。孔拡散は孔径が１００ｎｍ前後でかつ気体の圧力が低いほど起りやすい。表面拡散は膜中の孔壁表面への水分子の吸着層が二次元的液体面を形成し、この液体面での拡散を意味し、孔径が５〜８０ｎｍの孔で起りやすい。溶解拡散は多孔膜の素材高分子に水分子が溶解し、この素材高分子実体中での拡散を意味する。これらの拡散により水分子の膜中での拡散速度が早くなる。拡散機構を利用することにより気体中の水分を熱エネルギーを使うことなく除去することができる。

拡散機構に基づく膜中での物質移動は濾過機構に比較して（イ）孔の目詰まりがない、（ロ）微粒子除去性能が大（ハ）物質移動に必要なエネルギーを加える必要がない（水分の除去に必要なエネルギーが極小化できる。）等の特徴を持つが、一方では物質移動速度が小さい問題点を持つ。本発明で利用される膜中での水分移動の機構は拡散であるため、その原理上、膜間差圧（ΔＰ）は不要である。ΔＰが大きくなると流体としての物質移動が起るため熱エネルギーの系外への損失が起るのでΔＰには最適な値がある。

湿った気体の温度（Ｔ_１）は大気の温度Ｔ_２より高く両者の差△Ｔ＝Ｔ_１―Ｔ_２とすると膜を介して熱拡散が起る。この熱拡散によって水分子も高温側より低温側へ移動する。水分の移動と共に気体中の他の分子（酵素や窒素など）も高温側から低温側へ移動するため気体の熱エネルギーの損失が起る。この流れをおさえるためには△Ｐを負に保つ方が望ましい。

水分を大気へ移動させる速度は膜厚ｄが小さいほど大きい。ｄが小さすぎると熱拡散の効果が大きくなり気体の熱エネルギーの損失が起る。ｄとしては５μｍ以上が好ましいが△Ｔ（単位℃）が大きくなるとｄも大きくする必要がある。△Ｔが負になることも考慮して気体の持つ熱エネルギーの損失を防止するためにｄ（μｍ単位）は（２）式を満足するのが望ましい。
ｄ≧３０＋５△Ｔ （２）

本発明で利用する膜の構造として多層構造膜を採用すると気体と大気との間で分子に対しては開空間を粒子としては閉空間をつくることが可能となる。ここで多層構造膜とは膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察した際に幅約０．２μｍの筋状物が膜平面に沿って存在することによって確認できる膜である。この筋が２０本以上観察される膜を多層構造膜と定義する。多層構造膜では微粒子除去性能が優れる。大気から混入する可能性のある有害な微粒子の例として、細菌、ウイルス、ナノ粒子等である。これらの微粒子の拡散係数は水分子に較べて非常に小さいので本発明技術によって該微粒子は膜を通過できない。さらに膜の平均孔径を３００ｎｍにすれば微粒子の膜通過をほぼ完全におさえることが可能である。

多層構造膜において気体に接する側の膜表面の平均孔径を大気に接する面の平均孔径より小さくすることにより膜表面での孔壁に吸着した水分子の該壁面積当りの濃度が増加し、そのため吸着水分子間で吸着水分子が２次元的に連続化する。連続化した水分子は液体の水分子と同様に界面張力が働く。そのため吸着した水分子間での水素結合の発達により該水分子の蒸気圧が低下し、吸着が進み、逆に膜裏面の大きな孔の孔壁に吸着した水分子では吸着力が低下するので水分子の膜からの脱着が容易となる。一方、大気から膜裏面から膜表面の湿った気体へ向けての大気中の微粒子の移動がふるい効果によって阻止される。なお多層構造膜がふるい効果によって優れた微粒子阻止性能を発揮する例は旭化成メデイカル社製プラノバのウイルス除去性能で実証されている。また平膜はプリーツ状に折りたたまれた形でモジュール化された報が湿った気体と大気とに接する面積が大きくなり水分子の除去速度が大きくなる。平膜に対して負荷される圧力が小さいので平膜を支える支持体は必ずしも必要ないが、プリーツ化する際に再生セルロース不織布を折り込むと形態保持が容易となる。

本発明技術によって（１）極小化されたエネルギーを用いて除湿が可能となり乾燥空気のリサイクル化も可能、（２）蒸発潜熱を顕熱としてエネルギー回収可能、（３）除湿工程の小型軽量化が達成され、移動空間（車、飛行機、電車などの空間）用あるいは産業用、民需用の除湿システムが設計できる。（４）炭酸ガス、酸素に対しては充分な換気が自然になされ、微粒子に対しては隔離状態となるため病院あるいは家庭内での風呂場の換気法として利用される。

ミクロ相分離法で得られた酢酸セルロース多孔膜を苛性ソーダによりケン化処理し、再生セルロース平膜（図１，図２中の３）を作製する。これを図１に示したモジュール内に６〜１２角（図１，図２には８角）の星状に装着する。平膜を星状に折りたたむ際に再生セルロース不織布と平膜とを重ねると膜の力学的性質が向上する。星状に折りたたまれた平膜の内筒部には中空の回転体５を有し、５の下部側には風力を回転力に変換するスクリュー１０を複数個有する。回転体５に１２個の浅い溝を有し、この溝内に平膜の支持体を必要な場合にははさむことが可能である。回転体の５の上および下部に回転の中心となる棒１１、棒１１に直角に接続した棒１２によって回転力は星状に折りたたまれた平膜３に伝わり、星状の平膜は中心棒１１の周りを回転する。平膜は高分子包埋材Ｐで埋込み固定されている。

図１の星型の平膜モジュールの周りをナイロン製網または金網２で囲い、外部から異物の衛突を防止する。この網状物は平膜モジュールの外筒を形成し、この外筒はキャップ１で固定されている。外筒のキャップと平膜の埋込み部とはベアリング８、９で接触し、外筒キャップと中心棒とはベアリングとで接触する。入口７よりの湿った高温気体が流入するとこの流入の風力で平膜の星状折りたたみ部は回転する。

平均置換度２．４５の酢酸セルロース（平均重合度２００）を１５ｗｔ％でアセトンに溶解させ、この溶液中にメタノール、水、塩化カルシウム、シクロヘキサノールを添加して流延用溶液を作製した。この溶液組成については文献値（上出、真鍋、松井、坂本、梶田、高分子論文集、３４缶、２０５頁（１９７７））を参考にして決定した。得られた多孔性の酢酸セルロース膜を０．１規定の苛性ソーダで再生セルロースへと変化させ、この膜をアセトンを用いた水置換法で乾燥させた。乾燥後の再生セルロース多孔膜の特性は以下に与えられる。
膜厚；４００μｍ、平均孔径；３００ｎｍ、空孔率；８３％
ここで平均孔径は濾過速度法で測定された。

図１、図２に示したように膜を８角の星型に折り込む。有効膜面積を０．３ｍ^２ に設定した。金網の直径は１５ｃｍ、長さ５０ｃｍ、８角の星型の外接円の直径を１２ｃｍに設定した。大気の温度１５℃、相対湿度６５％、本装置の入口での湿った気体の温度は８０℃で、相対湿度８０％（水蒸気圧０．３８気圧）であった。この湿った空気を０．４気圧（大気圧より０．４気圧が負荷されている）で加圧し、装置内を４０リットル／分で流した。出口における湿った空気の温度は８０℃で相対湿度は４０％となり湿度は半分になった。本装置による水分除去速度は２ｇ／分であった。

乾燥工程を持つすべての産業で利用される。乾燥に必要なエネルギーコストを低下させることが可能となった。その他病院などでの感染源の隔離、動物実験施設、家庭の乾燥機、風呂場にも利用可能であった。

：本発明の除湿部の概略図 ：図１でＡ―Ａ´線での断面図

符号の説明

１ ：網枠および星状に折りたたまれた平膜等の回転部を支える外筒
２ ：金網あるいはナイロン製網
３ ：星状に折りたたまれた平膜
４ ：中空状の内筒
５ ：内筒にきざまれた溝
６ ：中心棒と外筒キャップとの間にあるポールベアリング
７ ：湿った空気の出入口
８ ：外筒キャップと星状に折りたたまれた平膜と内筒との接触部のポールベアリング
９ ：外筒キャップ
１０ ：風力により回転を与える羽根
１１ ：中心棒
１２ ：中心棒に直角に配置された棒状支持物
Ｐ ：平膜と棒状支持物を埋込むための高分子充填剤

Claims (3)

1. 絶対湿度が大気中（温度Ｔ_２）の絶対湿度より高い湿った気体（温度Ｔ_１）より膜を介して反対側の絶対湿度がより低い大気中へ水分を除去する際に温度Ｔ _１ の気体の流れの力を利用して親水性多孔性平膜を装着した円筒状回転体を回転することにより、膜表面に存在する水分子の境膜を薄くし、膜の大気側に接する面（膜裏面）からの水の蒸発を容易にするため、膜を介して膜裏面への孔拡散、表面拡散および溶解拡散の３種の機構のいずれかまたはすべてを利用して水分を移動させ、且つ移動後の水分を遠心力で大気中に移動させることを特徴とする水分除去方法。
2. 請求項１において、平膜は再生セルロースで構成され、該膜の孔構造は多層構造膜で表現され該膜の平均孔径は３００ｎｍ以下で５ｎｍ以上でかつ膜厚ｄ（μｍ単位）は温度差△Ｔ（℃）（＝Ｔ_１―Ｔ_２）との間に下記関係を満足するように選定されたことを特徴とする水分除去方法。
   ｄ≧３０＋５△Ｔ
3. 請求項１，２において平膜はプリーツ型でモジュール化され湿った気体に接する膜面の平均孔径が大気に接する側の膜面の平均孔径より小さいことを特徴とする水分除去方法。