JP6325579B2 - 質量交換、分離、および濾過のための膜デバイスおよびプロセス - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本願は、２０１３年２月２２日に出願され、「Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍａｓｓ Ｅｘｃｈａｎｇｅ、Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ、ａｎｄ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ」と題する米国仮出願第６１／７６８，１２４号、および２０１４年２月２０日に出願され、「Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍａｓｓ Ｅｘｃｈａｎｇｅ、Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ、ａｎｄ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ」と題する米国出願第１４／１８５，７０６号」からの優先権を主張している。

（連邦政府によって後援された研究および開発の下でなされた発明に対する権利に関する陳述）
本発明は、米国エネルギー省によって授与された政府支援契約ＤＥ−ＡＣ０５−７６ＲＬＯ１８３０でなされた。政府は、本発明に特定の権利を有している。

低コスト高表面積無機膜モジュールが、長年、金属材料およびセラミック材料両方の特有の性能属性のため、模索されている。容易に展開されるために、膜モジュールは、コンパクト形態を含む必要がある。ポリマー膜が充塞された従来の逆浸透圧（ＲＯ）膜は、単位容積あたり大膜表面積を提供することができる。しかしながら、逆浸透圧（ＲＯ）膜は、掃引（すなわち、ガス）流動流を処理不能であるため、質量移動用途のために非効果的である。その円筒形設計を伴うＲＯタイプの膜もまた、減圧下に置かれると、大圧力降下につながり得る、チャネル寸法によって制限される。加えて、金属またはセラミック管を採用する、従来のフィルタは、典型的には、大きさが約１桁、ポリマー膜より低い、膜充塞密度を有する。加えて、渦巻巻着ＲＯ膜フィルタおよびプレートタイプのＲＯ膜フィルタも、一般に、バイオリアクタ内における海水の脱塩および排水の処理のために使用されているが、それぞれ、単一流動方向における単一流動流のみの濾過を提供する。いずれのフィルタも、２つの流動流間の質量移動および熱伝達を排除する、二重流動流を同時に処理することができない。また、液相濾過のために設計された膜フィルタは、低圧力または真空下における気相分離のために好適ではなく、圧力降下が有意な懸念となる。故に、液相および気相分離および濾過用途のために最小限の圧力降下を伴う、高質量移動率を提供する、新しい膜設計が、必要とされる。本発明は、これらの必要性に対処する。

本発明は、質量交換、質量移動、熱伝達、分離、濾過における用途を見出す、膜デバイスを含む。膜デバイスは、膜モジュールを形成するようにともに積層される、１つまたはそれを上回る膜カセットを含んでもよい。各膜カセットは、選択された材料（例えば、金属またはプラスチック）から構築される、支持フレームを含んでもよい。多孔性金属シート膜は、支持フレームの個別の側に搭載されてもよい。スタック内の膜カセットは、膜デバイスの個別の側に、いくつかの供給流動スロットおよび浸透（または、掃引）流動スロットとともに、動作の間、膜カセット内の多孔性膜の表面を横断して、供給流動流内の選択された流体または分子を輸送する流動チャネルを提供する。供給スロットは、交差流流動パターンまたは逆流流動パターンにおいて、膜デバイスを通して、選択された流体または分子を輸送してもよい。多孔性金属膜は、動作の間、膜デバイスに導入された供給流動流と、膜デバイスから除去された浸透流動流内の成分のための選択された質量交換を提供する。多孔性金属膜は、種々の金属および金属合金を含むか、またはそれらから構築されてもよい。金属および金属合金として、限定ではないが、例えば、ニッケル（Ｎｉ）金属、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）合金、ニッケル−銅（Ｎｉ−Ｃｕ）合金、ステンレス鋼合金、チタン（Ｔｉ）金属、チタン合金が挙げられ、これらの種々の金属および金属合金の組み合わせも含む。

膜モジュールは、選択されたサイズの微粒子または分子を膜デバイスの中に導入された供給流動流から分離または濾過する。支持フレームは、供給流動スロットおよび浸透（または、掃引）流動スロットを膜デバイス内の膜カセットのそれぞれ内に形成する、支持フレームの個別の面上に位置付けられる、くぼみを含んでもよい。膜デバイスの選択された側の供給スロットは、膜デバイスの他側の浸透（または、掃引ガス）スロットから方向９０度に配向される。

多孔性金属膜は、膜カセットの支持フレーム上で選択された距離だけ離れて分離されてもよい。膜は、膜デバイス内の金属カセットの供給スロットを通して導入された供給流からの微粒子の濾過または分離を提供する。

いくつかの用途では、多孔性金属膜は、対称膜であってもよい。いくつかの用途では、多孔性金属膜は、非対称膜であってもよい。多孔性金属膜は、約０．０１０μｍ〜約１０μｍのサイズの細孔を含んでもよい。

多孔性金属膜は、選択された厚さを有してもよい。膜の厚さは、膜デバイスの膜を横断して選択された分子または材料の輸送抵抗を低減あるいは最小限にするように選択されてもよい。多孔性金属シート膜は、約２０μｍ〜約２００μｍから選択された厚さを有してもよい。

膜デバイス内の膜は、２つのプロセス流動流が、選択された分子または選択された材料が、膜を通して交差することを可能にしながら、他方のプロセス流動流から分離されたままであることを可能にする。

膜カセット内の多孔性金属シート膜は、膜カセット内の膜を支持するために、膜の後または裏側に設置される、多孔性または流体浸透性材料あるいは構造の１つまたはそれを上回る層から構築される、裏打ち材料を含んでもよい。裏打ち材料は、限定ではないが、例えば、ポリマー、金属、およびこれらの材料の組み合わせを含んでもよい。いくつかの用途では、裏打ち材料は、多孔性ポリエステルシートを含んでもよい。いくつかの用途では、裏打ち材料は、金属メッシュで共役された多孔性ポリエステルシートを含んでもよい。裏打ち材料は、掃引流動流が、２つの膜シートの裏面間において、膜カセットを通して流動するための流動抵抗を最小限にする。質量移動の間の流動方向は、膜表面と平行であってもよい。

裏打ち材料は、約０．０５ｍｍ〜約５．０ｍｍから選択された厚さを含んでもよい。裏打ち材料は、約０．２〜約０．９５の総面積に対する開放面積の比率によって画定される多孔率を含んでもよい。裏打ち材料は、浸透液が、本明細書に列挙される浸透率値によって特徴付けられる最小限の圧力降下を伴って、膜デバイスの膜カセットから流動することを可能にする、約０．０１ｍｍ〜約５．０ｍｍから選択されたサイズを伴う細孔開口部を含んでもよい。

液相濾過または分離のための裏打ち材料は、約５０リットル／ｍ^２／時／バールを上回る浸透率を含んでもよい。裏打ち材料を通して通過する液相掃引流動流の圧力降下は、好ましくは、約１バール未満である。ガス相濾過または分離のための裏打ち材料は、約１．０Ｅ−５モル／ｍ^２／秒／Ｐａを上回る浸透率を含んでもよい。裏打ち材料を通して通過するガス相掃引流動流の圧力降下は、好ましくは、約０．１バール未満である。

裏打ち材料は、好ましくは、約０．３ｍｍ〜約５．０ｍｍの、掃引流動流が、流動膜カセットを通して通過し、裏打ち材料を通して流動するための水力直径を含んでもよい。

裏打ち材料はまた、多孔性金属シート膜が、膜デバイスの膜の供給側と膜の浸透側との間に位置付けられる、約１バールまたはそれを上回る圧力勾配に耐えることを可能にする。

いくつかの用途では、膜カセットは、多孔性金属膜の後側の裏打ち材料間に配置される、スペーサ材料を含んでもよい。スペーサは、波形金属または他の好適な波形材料から構築されてもよい。間隔材料は、膜モジュールの膜カセット内の多孔性金属膜間の選択された分離距離を維持する役割を果たす。種々の用途では、膜表面間の分離距離は、約０．５ｍｍ〜約１０．０ｍｍである。スペーサ材料はまた、約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍから選択された直径寸法を含む開口部を伴う、膜カセット内側の直線供給流動チャネルを提供してもよい。

スペーサは、バルク流動流と膜表面との間の質量移動抵抗を最小限にする役割を果たし、流動流が、最小限の圧力降下を伴って流動することを可能にしてもよい。

いくつかの用途では、スペーサ材料は、膜デバイス内の膜カセットのスタック内の個々のカセット間に位置付けられてもよい。

供給スロットは、約０．３ｍｍ〜約５．０ｍｍから選択された直径寸法を伴う開口部を含んでもよい。浸透スロットは、約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍから選択された直径寸法を伴う開口部を含んでもよい。

膜デバイスは、１つまたはそれを上回る膜カセットの個別の側の膜モジュールの供給および浸透スロットに取り付けられるマニホールドを含んでもよい。マニホールドは、少なくとも１つの供給流動流を膜デバイスの第１の側の流動スロットの中に均一に送達し、１つまたはそれを上回る流動流を膜デバイスの第１の側のものと異なる膜デバイスの１つまたはそれを上回る側の浸透流動スロットを通して収集してもよい。膜デバイスの供給スロットは、膜デバイス内の１つまたはそれを上回る膜カセットの多孔性金属膜を横断する供給流内で選択された流体または分子を輸送してもよい。

いくつかの用途では、膜カセット内の多孔性金属膜のうちの少なくとも１つは、選択されたゼオライトから構築された多孔性膜上の選択された厚さのゼオライト層（膜）を含んでもよい。ゼオライト膜は、選択された原子または分子が存在しない浸透流をもたらす、圧力勾配下、膜デバイスの中に導入された供給流から、選択された原子または分子を除去するように構成されてもよい。ゼオライト膜は、膜デバイスの中に導入された供給流から、水の選択的除去のために、約１Ｅ−０６モル／ｍ^２／Ｐａ／秒またはそれを上回る水浸透率を提供する、選択されたサイズの細孔を伴う、水選択的膜であってもよい。

いくつかの用途では、水選択的ゼオライト膜は、水／アルコール混合物等の水に加え、他の分子を含有する流体流から水分子を除去するために使用されてもよい。他の分子に対する水の選択率は、好ましくは、約１０を上回る。いくつかの用途では、選択された分子の除去は、一定圧力および温度下で実施される連続プロセスであってもよい。

いくつかの用途では、膜デバイスの中に導入された供給流は、少なくとも約１０％の相対湿度を伴う、１０℃を上回る温度において導入された湿気を含んだ空気であってもよい。供給空気流中の湿気の２０％超が、膜デバイスの膜間の水蒸気の部分的圧力差によって査定されるように、湿気を含んだ供給空気が膜モジュールを通して流動するにつれて、１回の通過において除去され得る。

いくつかの用途では、水選択的ゼオライト膜が、空気等のガス流から湿気を除去するために使用されてもよい。他の分子に対する水の選択率は、好ましくは、約１００を上回る。膜モジュールは、建物の空気除湿または調整のために使用されることができ、また、例えば、産業規模および建物規模の除湿または調整プロセスを含む、種々のガス乾燥プロセスにおいて使用されることができる。これは、限定を意図するものではない。

いくつかの用途では、膜デバイスは、膜デバイスの片側からの供給流内に導入された１種類の分子を膜デバイスの別の側から放出された掃引流の中に輸送するために使用されてもよい。実施例として、膜デバイス内の湿気を含んだ空気と乾燥空気との間の湿気の交換が挙げられる。いくつかの用途では、プロセスは、湿気を含んだ空気の供給流を膜デバイスの中に導入するステップ、および膜デバイスの浸透側から乾燥空気を含有する掃引流を放出するステップを含んでもよい。

種々の用途では、膜デバイスは、交差流または逆流方式において、プロセス流動をデバイスの膜を通して送達することによって、濾過または分離を提供するために使用されてもよい。

いくつかの用途では、膜デバイスは、限定ではないが、例えば、分子分離または微粒子の濾過を含む用途のために、膜デバイスの供給側と浸透側との間に位置付けられる、圧力勾配と連動して使用されてもよい。

いくつかの用途では、膜デバイスは、藻類を収穫するための藻類含有流動流からの藻類の濾過等、微粒子をプロセス流動流から濾過するために使用されてもよい。いくつかの用途では、膜デバイスは、膜デバイスの供給側と浸透側との間に位置付けられる圧力勾配下、藻類を培養液から濾過するために使用されてもよい。いくつかの用途では、供給流は、藻類を含有し、膜デバイスの中に導入されてもよい。膜デバイスから放出される供給流は、より高い濃度の藻類を含有してもよい。膜デバイスから放出される浸透流動流は、供給流から収集される水を含んでもよい。

いくつかの用途では、膜デバイスは、膜デバイスの浸透側と供給側との間の圧力勾配を反転させることによって、逆流洗浄を可能にし得る。本動作モードでは、選択されたサイズの微粒子または分子の濾過および／または分離は、最初に、ある時間周期の間、浸透側の圧力より高い、膜デバイスの供給側の圧力を保持することによって、実施されてもよい。次いで、浸透側の圧力は、選択された時間の間、膜デバイスの供給側の圧力を上回って上昇され、浸透流内の流体が、膜デバイス内の膜を通して供給側の中に逆流し、膜表面上の固体のいかなる堆積物も洗浄することを可能にしてもよい。

いくつかの用途では、プロセスは、マニホールドを膜デバイスの個別の側の供給スロットおよび浸透スロットに接続し、個別の流動流を膜デバイス内外に蓄積または収集するステップを含んでもよい。

本発明はまた、膜デバイスを通して濾過または分離されるべき成分を含む、供給流の送達を含む、プロセスを含む。膜デバイスは、スタック内の１つまたはそれを上回る膜カセットを含んでもよい。膜カセットは、支持フレームの個別の側に位置付けられる、選択された厚さ、多孔率、および表面積を伴う、多孔性金属膜を含んでもよい。膜カセットは、供給流を膜を横断して輸送する、膜デバイスの少なくとも片側に位置付けられる、供給流動スロットを提供する。膜デバイスの少なくとも他側に位置付けられる、浸透流動スロットは、濾過または分離された成分を伴わない、少なくとも１つの浸透流を膜デバイスから送達してもよい。

いくつかの用途では、供給流は、浸透流動流に対して逆流流動方向または交差流流動方向に、膜デバイスを通して送達されてもよい。１バールまたはそれを上回る圧力勾配が、膜デバイスの供給側と膜デバイスの浸透側との間に位置付けられ、供給流から成分を濾過および／または分離してもよい。いくつかの用途では、供給流は、１バール未満の圧力降下を用いて、膜デバイス内の１つまたはそれを上回る膜カセットの多孔性金属膜を通して送達されてもよい。供給流は、供給流内の選択された分子または成分を１つまたはそれを上回る膜カセットの多孔性金属膜を通して輸送し、供給流を膜デバイスの浸透側から送達される浸透流の中に送達してもよい。

いくつかの用途では、供給流は、相対湿度最大８０％を伴う、膜デバイスの中に導入され得る、湿気を含んだ空気であってもよい。浸透流は、約５０％を下回る相対湿度を伴う、乾燥空気を含む、膜デバイスから放出されてもよい。

本発明はまた、膜デバイスの製作のためのプロセスを含む。本プロセスは、１つまたはそれを上回る膜カセットを膜カセットのスタック内にともに組み立てるステップを含んでもよい。各膜カセットは、支持フレームの個別の側に位置付けられる多孔性金属膜を伴う、支持フレームを含んでもよい。膜カセットのスタックは、膜デバイスの個別の側に、供給流動スロットおよび浸透（または、掃引）流動スロットとともに、膜カセット内の多孔性膜の表面を横断して、選択された流体または分子を輸送し、膜デバイスの中に導入された流体（例えば、供給流動流）から選択されたサイズの微粒子または分子を分離または濾過することを可能にする、流動チャネルを提供してもよい。

本発明の種々の利点および新規特徴が、本明細書に説明され、本明細書に記載される説明および実証から、当業者に容易に明白となるであろう。認識されるように、本発明は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の点において修正可能である。故に、以下の図面および本発明の説明は、本発明の例証であって、いかようにも限定として見なされるべきではない。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
（項目１）
膜デバイスであって：
膜カセットのスタック内に配置される１つ以上の膜カセットを備え、各膜カセットは支持フレームの個別の側に配置される多孔性金属膜を含み、前記膜カセットは、前記膜デバイスの個別の側に、複数の供給流動スロット、および複数の浸透（または、掃引）流動スロットとともに、動作の間、前記膜カセット内の前記多孔性膜の表面を横断して、選択された流体を輸送し前記膜デバイスの中に導入された流体から選択されたサイズの微粒子または分子の分離または濾過を提供する、流動チャネルを提供する、膜デバイス。
（項目２）
前記支持フレームは２つのフレームを含み、各半フレームは、前記膜デバイス内の１つ以上の膜カセットのための供給流動スロットおよび浸透（または、掃引）流動スロットを形成する、その個別の面上に配置されるくぼみを含む、項目１に記載の膜デバイス。
（項目３）
前記膜デバイスの選択された側の供給スロットは、動作の間、交差流流動パターンまたは逆流流動パターンにおいて、前記膜デバイスを通して、選択された流体または分子を輸送するように構成される前記膜デバイスの別の側の前記浸透（または、掃引ガス）スロットから、９０度の方向に配向される、項目１に記載の膜デバイス。
（項目４）
前記多孔性金属膜は、前記１つ以上膜カセットの支持フレーム上に選択された距離だけ離れて配置される、項目１に記載の膜デバイス。
（項目５）
前記１つ以上の膜カセットの多孔性金属膜は、対称膜および／または非対称膜である、項目１に記載の膜デバイス。
（項目６）
前記多孔性金属膜は、約０．０１０μｍ〜約１０μｍのサイズの細孔および約２０μｍ〜約２００μｍから選択された厚さを含む、項目１に記載の膜デバイス。
（項目７）
前記１つ以上の多孔性金属膜は、その後側に配置される選択された多孔性材料から成る裏打ち材料を含む、項目１に記載の膜デバイス。
（項目８）
前記１つ以上の膜カセットは、前記多孔性金属膜の後側の裏打ち材料間に配置されるスペーサ材料を含み、前記スペーサは、約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍから選択された直径寸法を伴う開口部を含む供給チャネルを前記１つ以上の膜カセットの内側に画定する、項目７に記載の膜デバイス。
（項目９）
前記供給スロットおよび／または浸透スロットは、約０．３ｍｍ〜約５．０ｍｍまたは約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍから選択された直径寸法を伴う開口部を画定する、項目１に記載の膜デバイス。
（項目１０）
前記１つ以上の膜カセット内の多孔性金属膜のうちの少なくとも１つは、選択された厚さの層内の選択されたゼオライトをその上に備えるゼオライト膜を含み、前記ゼオライト膜は、前記選択された原子または分子が存在しない浸透流をもたらす圧力勾配下で、前記膜デバイスの中に導入された供給流から選択された原子または分子を除去するように構成される、項目１に記載の膜デバイス。
（項目１１）
前記ゼオライト膜は、前記膜デバイスの中に導入された供給流から、水の選択的除去のために、約１Ｅ−０６モル／ｍ ^２ ／Ｐａ／秒またはそれを上回る水浸透率を提供する選択されたサイズの細孔を伴う、水選択的膜である、項目１０に記載の膜デバイス。
（項目１２）
スタック内の１つ以上の膜カセットをその中に備える膜デバイスを通して、そこから濾過または分離されるべき成分をその中に含む供給流を送達するステップを含むプロセスであって、前記膜カセットが、支持フレームの個別の側に配置される、選択された厚さ、多孔率、および表面積を備えた多孔性金属膜をその中に含み、前記１つ以上の膜カセットが、前記供給流を前記膜を横断して輸送する前記膜デバイスの少なくとも１つの側に配置される、供給流動スロットと、前記膜デバイスの少なくとも他側に配置される、前記膜デバイスから、濾過または分離されるべき成分が存在しない少なくとも１つの浸透流を送達する浸透流動スロットとを画定する、プロセス。
（項目１３）
前記供給流を送達するステップは、前記浸透流動流に対して逆流流動方向または交差流流動方向に、前記供給流を前記膜デバイスを通して流動させるステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１４）
前記供給流を送達するステップは、前記膜デバイスの供給側と前記膜デバイスの浸透側との間に配置される、１バールまたはそれを上回る圧力勾配を提供し、前記供給流から成分を濾過および／または分離するステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１５）
前記供給流を送達するステップは、１バール未満の圧力降下を用いて、前記供給流を前記膜デバイスの１つ以上の膜カセットの１つ以上の多孔性金属膜を通して送達するステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１６）
前記供給流を送達するステップは、前記供給流内に存在する選択された分子または成分を前記１つ以上の膜カセットの多孔性金属膜を通して輸送し、それを前記膜デバイスの浸透側から送達される浸透流の中に送達するステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１７）
前記供給流を送達するステップは、藻類を含む供給流を前記膜デバイスの中に導入し、前記膜デバイスから、より高い濃度の藻類をその中に含む供給流と、前記膜デバイスから、水を含む浸透流とを放出するステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１８）
前記供給流を送達するステップは、相対湿度最大８０％を伴う、湿気を含んだ空気を前記膜デバイスの中に導入し、前記膜デバイスから、約５０％を下回る相対湿度を伴う、乾燥空気を含む浸透流を放出するステップを含む、項目１２に記載のプロセス。
（項目１９）
１つ以上の膜カセットを膜カセットのスタック内にともに組み立てるステップを含む、膜デバイスを組み立てるためのプロセスであって、各膜カセットは、前記支持フレームの個別の側に配置される多孔性金属膜を伴う、支持フレームを含み、前記膜カセットのスタックは、前記膜デバイスの個別の側に配置される、複数の供給流動スロットおよび浸透（または、掃引）流動スロットとともに、前記膜カセット内の前記多孔性膜の表面を横断して、選択された流体を輸送する流動チャネルを提供し、前記膜デバイスの中に導入された流体から選択されたサイズの微粒子または分子を分離または濾過する、製作プロセス。

図１は、本発明の膜デバイスの製作のための例示的プロセスを提示する。 図２Ａは、本発明の膜カセットを組み立てるための支持フレームの上半分および下半分を示す。 図２Ｂは、本発明の膜カセットの構成要素を示す、分解図である。 図３は、単一の組み立てられた膜カセットを試験するための漏出試験アセンブリを示す。 図４Ａ−４Ｂは、本発明の膜デバイスの２つの異なる実施形態のアセンブリを示す。 図５は、本発明の膜デバイスの組み立てられた膜モジュール内の流動スロットを示す。 図６は、本発明の作業膜デバイスを形成する、組み立てられた膜モジュールに取り付けられたマニホールドを示す。 図７Ａ−７Ｂは、本発明の膜デバイスの例示的動作モードを示す。 図８は、時間の関数として、濾過用途における膜デバイスの動作パラメータの変動をプロットする。 図９は、供給空気線形速度の関数として、膜デバイスを通して測定された圧力降下をプロットする。 図１０Ａ−１０Ｂは、選択された流速および温度における、供給空気の除湿のための膜デバイスの性能を示す。 図１０Ａ−１０Ｂは、選択された流速および温度における、供給空気の除湿のための膜デバイスの性能を示す。図１０Ｃ−１０Ｄは、供給空気の除湿のための膜デバイスの性能に及ぼす供給空気の速度の影響を示す。 図１０Ｃ−１０Ｄは、供給空気の除湿のための膜デバイスの性能に及ぼす供給空気の速度の影響を示す。 図１１は、安定性を査定する、経過時間の関数としての膜デバイスの水浸透率および分離データをプロットする。

（詳細な説明）
膜デバイスならびに製作および使用のプロセスが、詳述される。膜デバイスは、限定ではないが、例えば、質量移動、熱伝達、質量交換、濾過、分離、および除湿を含む、用途のための逆流および交差流流動の両方のために構成されてもよい。

以下の説明は、本発明の一実施形態の好ましい最良形態を含む。説明から、本発明が、これらの図示される実施形態に限定されないことが明白となるであろう。本発明は、種々の修正および代替構造を被るが、本発明を開示される具体的形態に限定する意図はなく、対照的に、本発明は、請求項に定義される本発明の精神および範囲内にある全修正、代替構造、および均等物を網羅することを理解されたい。したがって、本説明は、例証であって、限定として見なされるべきではない。

図１は、本発明の膜デバイスの組立のための例示的プロセスを提示する｛開始｝。単一膜カセットが、２つの多孔性金属［例えば、ニッケル（Ｎｉ）］膜を支持フレーム上に取り付けることによって組み立てられてもよい。最初に｛１０２｝、多孔性ポリエステル等の裏打ち材料のシートが、膜カセットの個別の側に位置付けられる金属膜のそれぞれの後側に取り付けられてもよい。波形金属メッシュが、随意に、裏打ち材料の２つのシート間に位置付けられ、流動チャネルを膜カセット内に形成してもよい。膜および他の随意の材料が、接着剤を用いて、支持フレームに取り付けられ、耐荷重負荷下で硬化され、膜カセットを形成してもよい。次に｛１０４｝、膜カセットは、漏出に関して試験されてもよい。組み立てられた膜カセットが漏出試験に不合格となる場合、新しい膜カセットが、構築されることができる。組み立てられた膜カセットが、漏出試験に合格する場合、付加的膜カセットが、構築および試験されてもよい。次に｛１０６｝、１つまたはそれを上回る膜カセットが、組み立てられ、膜カセットのスタック内にともに接合され、膜モジュールを形成してもよい。本明細書に説明されるスペーサが、膜カセット間に位置付けられ、膜モジュール内のカセットを分離してもよい。膜モジュールは、膜モジュールの個別の側に位置付けられる、膜デバイス内外への複数の供給スロットと、膜デバイス内外への浸透（または、掃引ガス）スロットとを含んでもよい。次に｛１０８｝、マニホールドが、組み立てられた膜モジュールの４つの面のそれぞれに取り付けられ、作業膜デバイスを形成してもよい。マニホールドは、流体を均等かつ均一に膜デバイスの入口側の供給スロット（または、掃引ガススロット）の中に分配し、流体を均等および均一に膜デバイスの出口側の供給スロットおよび浸透スロットから蓄積させる｛終了｝。膜カセットの製作は、商業生産のために標準化され、容易に自動化され得る。

図２Ａは、本発明の膜デバイス（図６）の基本ユニットである、膜カセット（図２Ｂ）を構築するために使用される支持（または、搭載）フレーム２００の斜視図を示す。支持フレーム２００は、耐腐食性金属、金属合金（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、または他の合金）、セラミック（例えば、アルミナ、炭化ケイ素、または他のセラミック）、およびポリマー（例えば、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、または他のポリマー）を含む、構造上剛性の材料から構築されてもよい。本実施形態では、支持フレーム２００は、２つの対称半フレーム、すなわち、上部（第１）半フレーム２０２および下部（第２）半フレーム２０４を含んでもよい。半フレーム２０２および２０４は、それぞれ、半フレーム２０２および２０４の個別の正面および背面上に位置付けられる、正面くぼみ２０６および背面くぼみ２０８を含んでもよい。半フレーム２０２および２０４は、組み立てられると、浸透（または、掃引）流動流を膜カセットの内部の内外に導入する、選択された寸法を伴う、正面浸透（または、掃引）スロット２１０および背面浸透（または、掃引）スロット２１２を形成する。半フレーム２０２および２０４はさらに、動作の間、それぞれ、供給流動流を膜カセットに導入し、そこから回収する、左側供給流動スロット２１８および右側供給流動スロット２２０を形成する、左側くぼみ２１４および右側くぼみ２１６を含む。スロットは、限定ではないが、例えば、正方形、長方形、または卵形を含む、異なる非限定的形状を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、膜カセット３００の任意の１つのスロットは、より大きい幅および高さ寸法を伴う、単一開口部の形態であってもよい。いくつかの実施形態では、膜カセット３００の任意の１つのスロットは、それぞれ、より小さい幅および高さ寸法を伴う、複数の開口部を含んでもよい。これは、限定を意図するものではない。スロットは、約０．５ｍｍ〜約５．０ｍｍの典型的高さを含んでもよいが、寸法は、限定を意図するものではない。

支持フレーム２００は、フレームが、図４Ａを参照してさらに説明される、組立の間、膜カセットを整合させる、搭載支柱上に搭載されることを可能にする、搭載孔２２２を含んでもよい。

図２Ｂは、内部構成要素を示す、単一膜カセット３００の分解図である。膜カセット３００は、膜カセット３００の上部半フレーム２０２に取り付けられる、上部多孔性金属［例えば、ニッケル（Ｎｉ）］膜３０２と、膜カセット３００の下部半フレーム２０４に取り付けられる、下部多孔性金属［例えば、ニッケル（Ｎｉ）］膜３０４とを含む。多孔性金属膜３０２および３０４は、例えば、Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．の米国特許公開第ＵＳ２０１１０１５５６６２号に詳述されるように製作されてもよい。多孔性金属シート膜３０２および３０４は、接着剤、例えば、室温加硫（ＲＴＶ）シリコーン接着剤を用いて、個別の半フレーム２０２および２０４に接合されてもよい。各膜カセット内の２つの膜表面間の距離（空間高さと称される）は、好ましくは、２．０ｍｍ未満である。

半フレーム２０２および２０４はそれぞれ、半フレーム２０２および２０４の片側に機械製作された選択された深度の少なくとも１つの正面くぼみ２０６と、少なくとも１つの背面くぼみ２０８とを含んでもよい。半フレーム２０２および２０４はさらに、それぞれ、半フレーム２０２および２０４の左縁および右縁上に機械製作された選択された深度の少なくとも１つのくぼみ２１４と、少なくとも１つのくぼみ２１６とを含んでもよい。くぼみ２０６および２０８は、くぼみ２１４および２１６から９０度に配向される。半フレーム２０２および２０４が、ともに結合されると、くぼみ２０６および２０８は、本明細書にさらに説明される浸透（または、掃引）流動スロットを形成する。くぼみ２１４および２１６は、本明細書にさらに説明される供給流動スロットを形成する。

金属膜３０２および３０４の厚さは、膜３０２および３０４を横断する質量移動抵抗を低減させるように選択される。膜を横断する移動率は、膜厚に逆一次依存性を有する。厚さはまた、製作の間、材料使用量および重量を最小限にするように選択されてもよい。種々の実施形態では、多孔性金属シート膜３０２および３０４は、約２０μｍ〜約２００μｍから選択された厚さを有してもよい。典型的厚さは、約５０μｍである。

多孔性金属膜は、機械的に強固であって、作業膜デバイスの中に梱包されると、十分な強度、剛性、および／または延性を提供し、圧力勾配下にある間、完全性を維持し、動作の間、作業膜デバイスの中に導入された流動流のための質量移動／交換要件に対処する。

いくつかの実施形態では、多孔性金属膜は、膜の厚さを通して均一寸法を有する細孔を伴う、対称膜であってもよい。

いくつかの実施形態では、多孔性金属膜は、異なる寸法または別様に膜の厚さを通して変動する寸法を含む細孔を伴う、非対称膜であってもよい。いくつかの実施形態では、非対称膜は、約０．０１０μｍ〜１０μｍの範囲内で選択された細孔を含んでもよい。いくつかの実施形態では、非対称膜は、多孔性金属膜の上部に形成または堆積される、分子分離層３０１を含んでもよい。分子分離層は、約１ｎｍ未満のサイズを伴う細孔を含んでもよい。例示的実施形態では、分子分離層は、例えば、Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．の米国特許公開第ＵＳ２０１００３０４９５３号に詳述されるように、５０μｍ厚の非対称多孔性Ｎｉシート膜上に形成される、約５μｍ未満の厚さを伴う、ゼオライトから成ってもよい。

膜カセット３００内の金属膜３０２および３０４は、それぞれ、裏打ち材料３０６および３０８上に支持されてもよい。裏打ち材料は、限定ではないが、例えば、ポリマー、金属、セラミック、およびこれらの種々の材料の組み合わせを含む、材料から構築されてもよい。裏打ち材料は、シート、発泡体、ネット状スクリーン、または他の好適な形態であってもよい。いくつかの実施形態では、裏打ち材料は、複数の層構造を含んでもよく、各層は、動作の間、例えば、機械的強度、浸透性、および安定性を含む、機械的特性が調整されることを可能にする、１つまたはそれを上回る選択された材料を含む。機械的強度は、選択された負荷を印加し、時間および負荷の関数として、変形を観察することによって、試験されてもよい。複数の層構造はさらに、種々の流動チャネル構成を可能にする。

図中、３層構造が、図示される。上部金属膜３０２および下部金属膜３０４はそれぞれ、膜カセット３００の内部の中の支持フレーム２００の上部および下部における多孔性金属（Ｎｉ）シート膜のそれぞれの背（裏）面上に設置されたシートの形態において、個別の裏打ち材料３０６および３０８を含んでもよい。裏打ち材料は、膜カセット３００の支持フレーム２００の中に適合するように定寸されてもよい。

本実施形態では、裏打ち材料は、９０度配向における撚線のアレイで覆われたリブのアレイを伴う、多孔性ポリエステル（例えば、Ｈｏｒｎｗｏｏｄ Ｓｔｙｌｅ１４１４ポリエステルシート）から構築されてもよい。リブは、約０．５ｍｍの全体的厚さを提供するように撚線に縫着されてもよい。リブは、約０．５６５ｍｍの幅であって、約０．４５２ｍｍの間隔で離間されてもよい。撚線は、直径約０．１３５ｍｍを含んでもよい。

裏打ち材料３０６および３０８は、約２０％〜約７０％の範囲内の選択された多孔率（空隙率）を含んでもよい。多孔性裏打ち材料内の細孔開口部は、最小限の圧力降下を伴って、浸透液を膜カセット３００から流動させる、約０．０１ｍｍ〜約１．０ｍｍのサイズを含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔性ポリエステル裏打ち材料の全体的多孔率または開放正面面積率は、約０．３３ｍｍの細孔サイズ（すなわち、水力直径）を伴う、約０．２３であってもよい。

種々の実施形態では、裏打ち材料は、掃引流動流が金属膜を通して通過することを可能にする、約０．３ｍｍ〜約５．０ｍｍの水力直径を提供する。

裏打ち材料は、選択された厚さを含んでもよい。厚さは、約０．０２０ｍｍ（２０μｍ）〜約５．０ｍｍ（５００μｍ）であってもよい。例示的厚さは、約０．５ｍｍ（５０μｍ）である。いくつかの実施形態では、厚さは、膜カセット３００の厚さに一致してもよい。

膜カセット３００はさらに、膜カセットの内部の中の裏打ち材料３０６と３０８との間に位置付けられる、チャネル付き間隔材料（または、内部スペーサ）３１０を含んでもよい。チャネル付き間隔材料３１０は、アルミニウム、金属合金（例えば、ニッケル合金、鋼鉄）、耐久性ポリマー材料、または他の類似材料を含む、またはそれらから構築されてもよい。間隔材料は、膜モジュールの膜カセット内の多孔性金属膜間に選択された分離距離を維持するのに役立つ。種々の実施形態では、多孔性金属膜間の分離距離は、約０．５ｍｍ〜約１０．０ｍｍである。膜カセット内側の圧力が、圧力膜カセット外側の圧力に匹敵するとき、および／または浸透液を膜カセットから移動させるために要求される距離が、膜カセットのより小さいサイズのため、比較的に短いとき、より小さい分離距離が、好ましい。圧力膜カセット内側の圧力が、低いまたは減圧下にあるとき、および／または浸透液を膜カセットから移動させるために要求される距離が、膜カセットのより大きいサイズのため、比較的に長いとき、より大きい分離距離が、好ましい。

種々の実施形態では、チャネル付き間隔材料３１０は、波形（波状）アルミニウムプレートまたは波形金属メッシュの形態であってもよい。波形（波状）アルミニウムプレートは、平坦プレートを波状パターンを用いて圧着することによって製作されてもよい。間隔材料３１０は、選択された寸法を伴う、直線開放流動チャネル３１２を含んでもよい。アルミニウムプレートは、丸みを帯びた縁を含み、上部および下部膜シート３０２および３０４の穿刺を防止してもよい。波形アルミニウムプレートは、金属シート厚さ０．０８ｍｍ、山谷間距離０．６２ｍｍを含んでもよい。曲げられた隅は、半径約０．２ｍｍを含んでもよい。山間高さは、約１．０４ｍｍであってもよく、これは、開放正面面積率０．７８および水力直径１．０ｍｍをもたらす。

チャネル付き裏打ち材料３１０は、機械的に強固である。使用されると、高密度金属が、金属プレートを横断した質量移動を阻止し得るため、バルク流動流からの質量移動が、膜カセット３００の上部金属膜３０２上でのみ生じ得る。したがって、本実施形態では、上部膜３０２からの質量移動は、上部膜３０２に面したチャネル３１２内でのみ生じ得る。加えて、下部膜３０４からの質量移動は、下部膜３０４に面したチャネル（図示せず）内でのみ生じ得る。本構成は、膜表面上へのバルク流動流からの輸送距離を増加させる。

別の実施形態では、チャネル付き裏打ち材料３１０は、展伸ニッケル（Ｎｉ）メッシュ（例えば、モデル５Ｎｉ７−０７７Ｃ金属メッシュ、Ｄｅｘｍｅｔ Ｃｏｒｐ．， Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ， ＣＴ， ＵＳＡ）等の波形（波状）の共役金属メッシュの形態であってもよい。波形金属メッシュ３１０の流動チャネル３１２は、バルク流動流から膜カセット３００内の両膜３０２および３０４への質量移動を可能にする。波形金属メッシュ３１０は、幅寸法約０．４ｍｍおよび高さ寸法約１．２３ｍｍを伴う、菱形開口部を含んでもよい。金属ワイヤ厚は、約０．２３ｍｍであってもよい。波形金属メッシュは、山間高さ約０．９９ｍｍ、山谷間距離約１．３６ｍｍ、および曲げ半径約０．３１ｍｍを有してもよい。チャネル付き裏打ち材料３１０は、全体的空隙率約７８％および水力直径約１．０ｍｍを有してもよい。しかしながら、これは、限定を意図するものではない。

いくつかの実施形態では、裏打ち材料３０６および３０８は、例えば、プレートの正面および背面の両方に流動チャネルを含むように機械加工されたプレートの形態にある、単一層構造を含んでもよい。他の実施形態では、裏打ち材料は、例えば、３次元流動構造、またはスクリーン状支持グリッド、または類似構造を含む、多孔性プレートの形態にある３次元構造を含んでもよい。

裏打ち材料３０６および３０８は、多孔性金属膜３０２および３０４に取り付けられると、約１バールまたはそれを上回る圧力勾配が、膜の供給側と膜の浸透側との間に位置付けられても、金属膜が機械的完全性を維持することを可能にする。裏打ち材料はさらに、膜表面と平行方向における流動抵抗を最小限にすることによって、膜カセット内の金属膜を通した掃引流動流の高速輸送を提供する。流動抵抗は、方程式［１］から判定される浸透率値（Ｐ）によって特徴付けられ得る。

ここで、（Ｆ）は、浸透流速であって、（ＳＡ）_Ｍは、膜面積であって、Δρは、圧力差（すなわち、圧力降下）である。液相濾過または分離用途の場合、裏打ち材料は、好ましくは、約５０リットル／時／ｍ^２／バールを上回る、浸透率（Ｐ）値を含んでもよい。ガス相濾過または分離用途の場合、裏打ち材料は、好ましくは、約１．０Ｅ−０５／モル／ｍ^２／秒／Ｐａを上回る浸透率（Ｐ）値を含んでもよい。

ガス相掃引流動流の圧力降下は、好ましくは、約０．１バール未満である。低圧力動作の場合、ガス相掃引流動流の圧力降下は、好ましくは、約０．０１バール未満である。液相掃引流動流の場合、圧力降下は、好ましくは、約１バール未満である。

多孔性裏打ちシート３０６および３０８は、膜カセット３００の中間のチャネル付き裏打ち材料３１０より小さい細孔サイズおよびより低い多孔率を有し、上部および下部膜シート３０２および３０４を支持する、平滑表面を提供してもよい。

膜カセット３００の構成要素は、室温加硫（ＲＴＶ）シリコーン接着剤等の接着剤を用いて、支持フレーム２００に接合されてもよい。例えば、多孔性裏打ち材料３０６および３０８は、チャネル付き裏打ち材料３１０に固着されてもよい。チャネル付き裏打ち材料３１０は、次いで、支持フレーム２００に固着され、膜カセット３００を補強してもよい。組み立てられた構成要素は、耐荷重負荷下で硬化され、強固な接着が、統合された膜カセット３００を形成する、チャネル付き裏打ち材料３１０、多孔性裏打ち材料３０６および３０８、金属膜３０２および３０４、ならびに支持フレーム２００の組み立てられた構成要素間に達成されたことを確実にしてもよい。

製作および組立は、種々の膜材料、裏打ち材料、および間隔材料が、種々の具体的用途のために膜カセットを構成するよう選択されることを可能にするように柔軟である。例えば、いくつかの実施形態では、多孔性金属膜シートは、約１０重量％〜約５０重量％溶媒と、約２０重量％〜約８０重量％金属前駆体粉末とを含む、スラリーから加工されることができる。金属前駆体粉末の平均粒子サイズは、好ましくは、約１００ｎｍ〜約５μｍである。金属前駆体は、限定ではないが、例えば、Ｎｉ金属の酸化物を含む金属酸化物、Ｔｉ金属の水素化物等の金属水素化物、金属有機物、ならびに、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｔｉ合金、およびステンレス鋼を含む、合金を含んでもよい。スラリーはさらに、最大約３０重量％細孔形成剤を含んでもよく、形成剤は、約１００ｎｍ〜約１０μｍの平均粒子サイズを有する。細孔形成剤として、限定ではないが、カーボンブラック、黒鉛、コークス、デンプン、およびこれらの細孔形成剤の組み合わせが挙げられる。スラリーはまた、限定ではないが、例えば、分散剤、結合剤、可塑剤、およびこれらの添加剤の組み合わせを含む、最大約１５重量％有機添加剤を含んでもよい。スラリーは、スラリーの成分をともにボールミル粉砕することによって調製されてもよい。スラリーの均質性および安定性は、例えば、スラリーが、少なくとも３０分間、そのままにされるとき、沈殿液が存在しないことを検証することによって、素地（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）の鋳造（ｃａｓｔ）に先立って、検証されることができる。スラリーは、選択された厚さにおいて素地の中に鋳造されてもよい。素地は、最初に、揮発性溶媒を除去するために乾燥されることができる。次いで、素地は、焼成し、金属前駆体を金属状態に変換することができる。焼成はまた、溶媒ならびに細孔形成剤および有機添加剤等の他のスラリー成分を除去し、焼成体をもたらす。焼成体は、焼結および焼鈍され、その金属骨格および網状細孔を伴う、多孔性金属シート膜を調製してもよい。焼成は、還元環境において、素地を０．２℃〜１０℃／分の上昇率で焼成温度４００℃〜１２００℃まで加熱するステップを含む。焼成温度は、時間周期３０分〜２４時間の間、維持される。焼成の間、金属前駆体は、直接、金属状態に還元される。代替として、素地の焼成は、最初に、酸化環境において、素地を第１の温度まで加熱し、次いで、還元環境において、第２の温度で加熱するステップを含むことができる。第１の温度は、典型的には、約８００℃〜約１４００℃である。第２の温度は、典型的には、約４００℃〜約１２００℃である。第１の温度までの温度上昇率は、１０℃／分未満またはそれと等しい。焼結、焼鈍、および／または平坦化は、焼成体の溶融点を超えない温度で、不活性または還元環境において生じ、実質的に、軟化点に等しい。典型的には、温度は、６００℃〜２００℃である。金属膜の平坦化は、負荷（または、圧力）を固体平滑表面に対して多孔性金属体に印加するステップを含んでもよい。素地シートは、単一スラリー組成物から形成され、均等シートをもたらしてもよい。または、素地シートは、異なるスラリー組成物から形成され、可変組成物、厚さ、および／または構造を伴うシートをもたらしてもよい。

いくつかの実施形態では、膜カセットは、膜カセットの多孔性金属膜のうちの１つまたはそれを上回るものに取り付けられる、ゼオライト膜を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ゼオライト膜は、供給流が、圧力勾配下、膜カセットの中に導入されると、湿気を含んだ空気または水／アルコール混合物等の供給流から水分子を除去することができる、水選択的分子篩を形成してもよい。組み合わせられた膜は、水が除去された浸透流をもたらす。

ゼオライト膜は、薄い多孔性金属支持シート上に形成される厚さ３μｍ未満を有する、ゼオライト膜層を備えてもよい。ゼオライト膜層は、均一シード層を多孔性金属支持シートの裸金属表面に適用することによって形成されてもよい。シード層は、１μｍ未満またはそれに等しい平均直径を有する、ゼオライト結晶を含んでもよい。多孔性金属支持シートは、３μｍ未満の平均細孔サイズと、２５％〜７５％の多孔率と、約２００μｍ未満またはそれと等しい厚さとを含んでもよい。シード層を伴う支持シートは、ゼオライト成長溶液中に浸漬され、結晶間成長層を熱水的に形成し、ゼオライト膜層を完成してもよい。結晶間成長層は、シード層を組み込み、ゼオライト結晶と同一のゼオライトを備え、約３μｍ未満またはそれと等しい厚さまでのゼオライト膜層の均一形成を完成する。ゼオライト膜層は、好ましくは、薄く、膜処理の間、良好な接着を達成する。ゼオライト層は、水選択的ゼオライト、炭化水素選択的ゼオライト、またはアルコール選択的ゼオライトを含んでもよい。例示的水選択的ゼオライトとして、限定ではないが、３Ａ、４Ａ、および５Ａタイプのゼオライトフレームワークが挙げられる。例示的炭化水素選択的およびアルコール選択的ゼオライトとして、限定ではないが、純シリカライト、珪酸チタン、およびＺＳＭ−５タイプおよびＹタイプのゼオライトフレームワークが挙げられる。シード層は、ゼオライト結晶の複数の適用を堆積させ、段階的細孔サイズ構造を形成することによって形成されてもよい。例えば、多孔性金属支持シートに最も近い初期ゼオライト結晶は、比較的により大きく、平均直径約０．５ｐｍ〜約３ｐｍを有してもよい。金属膜基板の細孔の中へのシード結晶の貫入は、ゼオライト膜と多孔性金属膜との間の機械的相互係止を得るために好ましい。ゼオライト膜層の暴露表面により近い後続ゼオライト結晶は、より小さく、平均直径約５０ｎｍ〜約５００ｎｍを伴ってもよい。これは、限定を意図するものではない。

図３は、漏出に関して、個々の組み立てられた膜カセット３００を試験する、漏出試験アセンブリ３５０を示す。図中、マニホールド３１４（例えば、左供給マニホールド）および３１６（例えば、右供給マニホールド）が、膜カセット３００の個別の側に結合されてもよい。ガスは、膜カセット３００の１つの側に位置付けられる供給スロット（図示せず）を通して、マニホールド３１４を通して導入され得る。ガスは、膜カセット３００の反対側に位置付けられる、供給チャネル（図示せず）から、第２のマニホールド３１６を通して収集され得る。膜カセットが、組立の間、適切に密閉および硬化される場合、膜カセットの中に導入されたガスの容積は、膜カセットから収集された（すなわち、流出した）ガスの容積に匹敵し得る。

図４Ａは、本発明の膜モジュール４００のアセンブリを図示する。図中、膜モジュールは、膜カセットのスタック内に組み立てられる、１つまたはそれを上回る膜カセット３００を含んでもよい。いくつかの実施形態では、膜モジュールは、４〜１０の膜カセットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、膜モジュールは、１０またはそれを上回る膜カセットを含んでもよい。しかしながら、膜カセットの数は、限定されない。本実施形態では、本明細書で後に説明されるスペーサ（図示せず）は、個々の膜カセット間に設置されない。

本実施形態では、膜モジュール４００は、膜カセット３００が、組立の間、整合されることを可能にする、搭載支柱（例えば、ボルト）４２０を含んでもよい。搭載支柱は、膜カセットの整合が外部整合デバイスを用いて提供される場合、排除されてもよい。これは、限定を意図するものではない。

膜モジュール４００はさらに、図５を参照してさらに説明される、下部（底部）カバープレート４０４と、上部カバープレート（図示せず）とを含んでもよい。カバープレートは、金属、金属合金、またはプラスチックを含む、高密度材料から構築されてもよい。カバープレートは、膜カセットのスタックの底部および上部に設置され、膜カセットを支持および整合させてもよい。流動チャネル（図示せず）は、死容積が膜モジュール内に存在しないように、それぞれ、下部膜カセットと上部膜カセットとの間の底部カバープレートおよび上部カバープレートの内面上に機械加工されてもよい。膜カセット３００のスタックは、例えば、正面および背面浸透供給スロットならびに左および右側供給スロットを含む、膜モジュールの個別の側に流動スロットを形成する。図中、正面浸透スロット２１０および右側供給スロット２２０が、示される。

接着剤（例えば、７３２ＲＴＶ， Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．， Ｍｉｄｌａｎｄ， Ｍｌ， ＵＳＡ）が、膜カセット３００の支持フレーム（図２Ａ）の正面および背面上の接触縁（図示せず）に塗布され、膜カセットをカセットのスタック内でともに接合してもよい。本実施形態では、膜カセット３００の左および右側は、供給流動流が、膜カセットの左側または右側からあるいはその逆から、導入されることを可能にする、開口部を提供するために、接触縁を含まない。下部カバープレート４０４および上部カバープレートは、ＲＴＶ接着剤を用いて、または溶接によって、膜カセットのスタックに接合されてもよい。これは、限定を意図するものではない。組み立てられた膜カセットのスタックは、ＲＴＶ接着剤を硬化させ、膜カセットおよびカバープレートをともに接合するために十分な時間の間、全膜カセットならびに下部および上部カバープレートを接触させて保つために十分な荷重負荷下に置かれてもよい。統合された膜モジュールが、得られる。硬化時間は、数時間から数日まで変動し得る。硬化温度は、室温から約３００℃まで変動してもよい。

図４Ｂは、濾過／分離等の用途のための膜モジュール４００の代替構成のアセンブリを示す。膜モジュール内の付加的支持構造は、圧力勾配が印加されるとき、膜シート（図２Ｂ）の反りを防止する。膜モジュール４００は、組み立てられた膜カセットのスタックを形成する、１つまたはそれを上回る膜カセット３００を含んでもよい。膜カセットの数は、限定されない。図中、搭載支柱（例えば、ボルト）４２０が、組立の間、膜カセット３００を整合させるために使用されてもよい。

膜カセットのスタック３００は、例えば、正面および背面浸透供給スロットならびに左および右側供給スロットを含む、膜モジュールの個別の側に流動スロットを形成する。図中、正面浸透スロット２１０および右側供給スロット２２０が、示される。

膜モジュール４００は、図４Ａを参照して前述のように、下部または底部カバープレート４０４と、上部カバープレート（図示せず）とを含んでもよい。カバープレートは、膜カセットのスタックの底部および上部に設置され、膜カセットを支持および整合してもよい。流動チャネル（図示せず）は、下部膜カセットと上部膜カセットとの間の底部カバープレートおよび上部カバープレートの内面上に機械加工され、膜モジュール内の死容積を排除してもよい。

本実施形態では、チャネル付き間隔材料（スペーサ）４０２は、カセットのスタック内の隣接する膜カセット３００間に位置付けられてもよい。スペーサはまた、カセットのスタックの下部に位置付けられる、下部カバープレート４０４と膜カセット３００との間と、カセットのスタックの上部に位置付けられる、上部カバープレート（図示せず）と膜カセットとの間に設置されてもよい。チャネル付き間隔材料４０２は、１つまたは複数の構造要素から成ってもよい。いくつかの実施形態では、チャネル付き間隔材料（スペーサ）は、例えば、プレート、共役スクリーン、波形（波状）共役金属メッシュ、または他の好適な材料の片側または正面および背面の両方のいずれかに流動チャネル４１２を伴う、波形金属プレートまたは金属シートの形態にある、単一構造要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、チャネル付き間隔材料は、複数の構造要素を含んでもよい。単一構造要素スペーサは、アセンブリを単純化するため好ましい。チャネル付き間隔材料は、背圧勾配が印加されるとき、例えば、供給チャネル圧力が浸透チャネル圧力未満であるとき、膜モジュール内の膜シートの反りまたは曲げを防止する。チャネル付き間隔材料はまた、最小限の圧力降下を伴って、供給流動流が膜カセットの膜を通して通過するための開放流動チャネル４１２を生成し、同時に、バルク流動から膜表面上への高速質量移動を可能にする。大気圧またはその近傍の低圧力ガス流の圧力降下は、好ましくは、約０．０１バール未満である。大気圧を上回る高圧力ガス流動流または液体流動流の圧力降下は、好ましくは、約０．１バール未満である。チャネル付き間隔材料は、好ましくは、約０．３ｍｍ〜約４．０ｍｍの水力直径を含んでもよい。

図５は、図４Ａまたは図４Ｂを参照して前述のように組み立てられる、本発明の完全に組み立てられた膜モジュール４００を図示する。膜モジュール４００は、組み立てられると、例えば、正面および背面浸透スロットならびに左および右側供給スロットを含む、膜モジュールの個別の側に位置付けられる、流動スロットを含む。図中、膜モジュールの１つ側のスロットは、浸透スロットまたは供給スロットを表し得るものとして示される。図中、下部（底部）カバープレート４０４および上部カバープレート４０６が、図４Ａまたは図４Ｂを参照して前述のように示される。搭載支柱（例えば、ボルト）４２０は、組み立てられた膜モジュール内の整合を維持する。

供給スロットは、供給流動流を膜モジュール内の流動チャネルの中に導入する、または処理された供給流動流を膜モジュールから回収する役割を果たす。好適な間隔材料の選択によって、供給チャネルは、選択された形状、幾何学形状、ならびに高さおよび幅を含む、サイズ寸法を有してもよい。種々の実施形態では、供給チャネルは、約０．３ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内で選択された高さを有してもよい。いくつかの実施形態では、より大きい幅を伴う単一供給チャネルが、使用されてもよい。いくつかの実施形態では、それぞれ、より小さい幅を含み得る、いくつかの供給チャネルが、使用されてもよい。これは、限定を意図するものではない。供給チャネルは、供給流動流に面する膜シートの幅に沿って均等に分布してもよい。

浸透スロットは、分離または濾過後、浸透流動流を膜モジュール内の流動チャネルから回収する役割を果たす。膜モジュール内部の浸透（または、掃引）チャネル（図示せず）は、供給流動チャネルに対して方向９０度に配向される。好適な裏打ち材料の選択によって、浸透チャネルは、選択された形状、幾何学形状、ならびに、例えば、高さおよび幅を含む、サイズ寸法を有してもよい。種々の実施形態では、浸透チャネルは、約０．３ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内で選択された高さを有してもよい。いくつかの実施形態では、より大きい幅を伴う単一浸透スロットが、使用されてもよい。いくつかの実施形態では、それぞれ、より小さい幅を伴う、いくつかの浸透チャネルが、使用されてもよい。これは、限定を意図するものではない。浸透チャネルは、供給流動に面する膜カセットの幅に沿って均等に分布してもよい。

図６は、発明の作業膜デバイス５００を示す。膜デバイス５００は、図５を参照して前述のように、下部カバープレート４０４および上部カバープレート４０６を定位置に伴う、膜カセットのスタックから成る組み立てられた膜モジュール４００を含む。膜デバイス５００は、膜モジュール４００の個別の（すなわち、４つの）面に取り付けられ、作業膜デバイス５００を形成する、マニホールド３１４、３１６、３１８、および３２０を含む。本発明のマニホールドは、膜デバイス５００の個別の側に位置する、流動スロットの中に流動流を導入する、またはそこから流動流を収集するために使用される、チャンバまたは容器である。図中、浸透マニホールド３１８および３２０は、組み立てられた膜モジュール４００の両側の浸透スロット（図示せず）に取り付けられる。浸透マニホールド３１８は、単一掃引流動流を膜モジュール４００の１つの側の複数の浸透（または、掃引）流動スロット（図示せず）の中に均一に導入するか、または膜モジュールの１つの側から流出する浸透液を収集するように構成されてもよい。浸透マニホールド３２０は、膜モジュールの反対側の浸透流動スロットに取り付けられ、浸透スロットから流出する掃引流動流を収集するか、または膜モジュールのその側の浸透スロットから流出する浸透流動流を収集してもよい。図中、供給スロット２１０は、膜モジュール４００の供給側に暴露されて示される。供給マニホールド３１４は、供給流動流を供給スロット２１０を通して膜モジュール４００の中に均一に導入するように構成される。供給マニホールド３１６は、処理後、供給流動流の収集のために、膜モジュールに取り付けられて示される。

膜デバイス５００は、種々の流動モードで動作され、異なる用途のための動作柔軟性を提供してもよい。流動モードとして、限定ではないが、例えば、交差流動、逆流流動、並流流動、および混合流動が挙げられる。図７Ａは、分離および／または濾過用途のための交差流動動作モードを示す。本構成では、膜デバイス内の膜カセット（図示せず）間のスペーサ（図４Ｂ）は、随意であって、膜デバイスの供給側の圧力が膜デバイスの浸透側の圧力を上回ってもよい。本動作モードでは、供給（入口）流は、第１の供給マニホールド３１４を通して、組み立てられた膜カセットのスタック（図４Ａを参照して説明される）を含有する、膜モジュール４００の中に導入されてもよい。供給流は、膜モジュールの内部の膜表面（図示せず）にわたって一方向に均一に通過し、続いて、示されるように、膜モジュール４００の反対側に取り付けられる第２（例えば、背面）マニホールド３１６を通して排出される。浸透（出口）流は、膜モジュールから、膜モジュールの両側の供給マニホールドから９０度に配向される、第３のマニホールド３１８および第４のマニホールド３２０を通して収集されてもよい。浸透液は、膜モジュールの両側から収集され、輸送抵抗を低減させてもよい。輸送抵抗が有意ではない場合、浸透液は、膜モジュールの片側から引き出されてもよい。

いくつかの実施形態では、膜デバイス５００は、分離および／または濾過用途のために構成されてもよい。本モードでは、膜デバイス５００に導入される微粒子を含んだ供給流は、供給流中の流体が、膜を通して浸透し、清浄な流体を膜デバイスから流出する浸透流の中に送達する一方、供給流中の微粒子が膜によって阻止され得るように、膜デバイスの供給側に、膜デバイスの浸透側より高い圧力を維持することによって濾過されてもよい。本願では、間隔材料は、膜カセットスタックの中の膜モジュール（図４Ｂ）内で使用され、膜表面の逆流洗浄を可能にしてもよい。

空気除湿等の別の用途では、湿気を含んだ空気は、選択された大気圧近傍（例えば、１バール）の圧力において、供給流として膜デバイスの中に導入されてもよい。膜デバイスの浸透側に約１ｍバール〜約３００ｍバールの真空を引き込むことによって、水分子は、供給流が膜にわたって流動するにつれて、湿気を含んだ空気から除去され得る。本実施形態では、間隔材料は、供給流動抵抗を最小限にするために、使用されない。

図７Ｂは、質量移動および／または質量交換用途のための交差流動動作モードを示す。本動作モードでは、膜デバイスの供給側の圧力は、膜デバイスの浸透側の圧力に匹敵し得る。したがって、膜デバイスは、膜カセットの内側の膜カセット（図示せず）間に位置付けられる、スペーサ（図４Ｂ）を含んでもよい。供給（入口）流は、再び、第１の供給マニホールド３１４を通して、組み立てられた膜カセットのスタック（図４Ｂを参照して前述）を含有する、膜モジュール４００の中に導入されてもよい。供給流動流は、示されるように、膜モジュールの内部の膜表面（図示せず）にわたって一方向に均一に通過し、続いて、膜モジュール４００の反対側に位置付けられる、第２（例えば、背面）マニホールド３１６を通して排出される。本動作モードでは、掃引（入口）流動流は、膜モジュール４００の別の側に位置付けられる、第３のマニホールド３１８を通して導入されてもよい。掃引（入口）流動流は、供給流動流の方向に垂直方向（すなわち、横方向）に、膜モジュール内の膜シートの裏側にわたって均一に流動する。掃引流動流は、膜の反対側に進行する。掃引流動流は、第４のマニホールド３２０を通して収集されてもよい。

例えば、質量および熱伝達動作のために構成される、いくつかの実施形態では、膜デバイスの供給側および掃引側の圧力は、類似してもよいが、２つの流動流は、異なる温度を有してもよい。例えば、建物の排気口からの暖かい湿気を含んだ雰囲気中のエネルギー回収のために、暖かい湿気を含んだ周囲空気は、膜デバイスの供給側から導入されてもよい一方、建物内の乾燥し、冷たい空気は、膜デバイスの掃引側から排出されてもよい。供給および掃引流動流は、膜デバイスの供給側と掃引側との間の水蒸気の部分圧力差によって駆動される、湿気を含んだ空気中の水分子が、膜を横断して乾燥空気の中に拡散するように、大気圧近傍（例えば、１バール）で導入されてもよい。それぞれ、暖かい空気の温度は、約２５℃〜約４５℃であってもよく、相対湿度（ＲＨ）は、約５０％〜約８０％であってもよい。それぞれ、掃引空気の温度は、約１５℃〜約２５℃であってもよく、相対湿度（ＲＨ）は、約５０％〜約８０％であってもよい。

例えば、膜吸着のために構成される別の実施形態では、ＣＯ_２ガス流は、膜デバイスの供給側から導入されてもよい一方、溶媒流は、膜デバイスの掃引側から導入されてもよい。この用途では、ＣＯ_２は、供給ガスから膜を横断して拡散し、イオン液およびアミン系水溶液等の溶媒流の中に吸収される。移送は、膜の供給側と浸透側との間のＣＯ_２に対する化学電位差によって駆動されることができる。
［用途］

その薄シート多孔性金属膜と、直線開放流動チャネルとを伴う、本発明の膜デバイスは、例えば、質量移動、質量交換、熱交換、微粒子の濾過、および分子分離を含む用途のために、単位容積あたり高膜表面積を提供する。本発明の膜モジュールの容積あたり膜表面積単位値（すなわち、入口および出口容積を除く、総充塞容積）は、約３００ｍ^２／ｍ^３〜約３５００ｍ^２／ｍ^３に及ぶ。開放流動チャネルは、プロセス流が、低圧力降下を伴って、膜モジュールを通して通過することを可能にする。その制御されたチャネル幾何学形状（例えば、間隔、高さ、および形状）を伴う、開放流動チャネルはさらに、膜上へのバルク流動流の輸送抵抗を最小限にする。

いくつかの実施形態では、ゼオライト膜は、分子分離用途のために、膜デバイスの膜カセット内の金属膜に取り付けられてもよい。ゼオライト膜は、ゼオライト結晶を多孔性金属シート膜上に成長させ、選択された厚さのゼオライト層を形成することによって形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ゼオライト層は、厚さ１０μｍ未満を伴う、内部成長ゼオライト結晶を含んでもよい。可変厚が、採用されてもよい。したがって、厚さは、限定を意図するものではない。

ゼオライト層は、空隙および／またはピンホールを含まないゼオライト膜層をもたらす、高結晶性および結晶密度を有することが好ましい。ゼオライト結晶は、サイズ、形状、および／または重量の若干の差異に基づいて、個々の分子を分離する、境界明瞭な格子状の細孔構造を有する。ゼオライト膜は、ゼオライト結晶を通した拡散を介して、ゼオライト膜を横断して分子を送達し、分子分離のための高流束および高選択率の両方を提供する。

いくつかの実施形態では、膜モジュールは、直径約６ｍｍ〜約３０ｍｍを含む、管の形態におけるゼオライト膜を含んでもよい。より大きい管直径は、バルク流動流から膜表面上への質量移動距離を増加させる。内径１０ｍｍ×外径１２ｍｍの寸法および膜管／モジュール容積率０．４を伴う、膜管で充塞されたゼオライト膜モジュールの場合、膜面積充塞密度は、１３３ｍ^２／ｍ^３であって、管中心からゼオライト膜表面までの質量移動距離は、５ｍｍである。高さ寸法１ｍｍ、膜シート厚０．０５ｍｍ、および浸透チャネル高さ２．０ｍｍを有する、供給チャネルとともに構成される本発明の平坦シート膜モジュールと比較すると、膜面積充塞密度は、約６６０ｍ^２／ｍ^３である。供給チャネルの中心から膜表面までの質量移動距離は、約０．５ｍｍである。膜面積充塞密度は、実質的に、向上され、質量移動距離は、実質的に、低減される。

いくつかの実施形態では、膜デバイスは、建物および車両内の暖かく、湿気を含んだ雰囲気中の空気の除湿のため、湿気をガス流から除去するため、ガス流から湿気を除去し、飲料水を空気および燃焼排ガス流から産生するため、ならびにエタノール／水またはアルコール／水等の水混和性溶媒の乾燥のために構成されてもよい。そのような用途では、水選択的薄シートゼオライト膜が、膜デバイス内に組み立てられ得る、膜カセットの構造内で使用されてもよい。本発明は、エネルギー消費を低下させ、生産性の向上をもたらす。実施例として、水含有供給流は、大気圧または約１バール〜約１０バールの低圧で膜デバイスに導入されてもよい一方、膜デバイスの浸透側は、約１ｍバール〜約３００ｍバールの減圧または真空下に維持される。供給流が膜デバイスを通して流動するにつれて、水分子は、選択的に、ゼオライト膜表面上に吸着され得、吸着された水分子は、次いで、膜を横断して拡散し得、浸透した水蒸気は、各膜カセットの浸透側から回収され得、回収された浸透流は、膜デバイスから浸透スロットを通して排出され得る。したがって、除湿または脱水は、供給流温度および／または圧力の変化を伴わずに、連続的であることができる。エタノールおよび水の分離のための本発明の膜脱水は、蒸留が、蒸留カラムの全高に沿った温度勾配による一定蒸発および凝縮を要求するため、従来の蒸留と比較して、エネルギー消費を５０％超も低減させることができる。

同様に、吸着／吸収のための本発明の膜除湿は、従来の吸着／吸収が、乾燥材を加熱するために大量の熱エネルギーを要求する、飽和乾燥材の周期的再生を要求するため、従来の空気除湿と比較して、エネルギー消費を５０％超も低減させることができる。両実施例では、膜デバイスは、蒸留または吸着のための従来の機器より大きさが少なくとも１桁小さいサイズを含む。

種々の実施形態では、膜デバイスは、高度にＨ_２Ｏ選択的かつ浸透性の膜を通して水蒸気の連続除去を提供する、水選択的分子篩膜（すなわち、金属シート膜の上部に位置付けられる）とともに構成されてもよい。再生は、要求されず、環境放出もない。

いくつかの実施形態では、本発明の膜デバイスは、例えば、供給および浸透流動流を膜モジュールの個別の供給および浸透側に接続することによって、分離または濾過デバイスとして動作するために構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、多孔性金属膜は、種々のプロセス流からの微粒子の濾過を可能にし、例えば、微細藻類を藻類培養液から濾過し、微細藻類を収穫することを含む。種々の実施形態では、膜デバイスは、本明細書に説明される薄い多孔性金属シートから成る濾過膜とともに構成されるとき、約０．１μｍ〜約２．０μｍのサイズを伴う細孔を有してもよい。濾過用途のために、多孔性金属シートは、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の細孔サイズを伴う、選択されたコーティングを含むように修正されてもよい。

いくつかの実施形態では、膜デバイスは、エアロゾル微粒子を空気から濾過するために構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、膜デバイスは、膜デバイスの供給側と浸透側との間に位置付けられる圧力勾配と連動して、分子分離または濾過を提供するように構成されてもよい。

加圧されたガスの脱水または加圧された液体の濾過等、圧力降下に敏感ではない用途の場合、約０．３ｍｍ〜約１．０ｍｍのサイズを伴う、供給流動チャネルおよび／または浸透流動チャネルが、膜を横断する大きな圧力勾配下、完全性を維持するように、膜の強度を向上させるために、膜の面積および充塞密度を最大限にするために採用されてもよい。いくつかの実施形態では、流動チャネルは、約１．０ｍｍまたはそれ未満の水力直径を有してもよい。水力直径（ｄ）は、以下の等式［２］によって与えられる。
ｄ＝４ＳＬ［２］

ここでは、（Ｓ）は、流動が通過するための断面積であって、（Ｌ）は、流動流に暴露されるチャネルの周囲長である。幅（ｗ）の正方形チャネルの場合、Ｓ＝ｗ^２、Ｌ＝４ｗおよび水力直径ｄ＝ｗである。

大気圧における空気の除湿等、圧力降下に敏感な用途の場合、流動チャネルのサイズは、圧力降下を最小限にするように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、膜デバイス内の供給チャネルおよび浸透チャネルは、好ましくは、死容積および圧力降下を最小限にするために、直線流動チャネルである。

以下の実施例は、本発明の種々の側面のさらなる理解を提供する。

［濾過用途］
図７Ａの膜モジュールが、使用された。交差流動膜モジュールが、藻類の濾過および収穫のために構築および構成された。膜モジュールのための設計パラメータは、表１に列挙される。
表１は、濾過用途のための典型的交差流動膜モジュールの寸法および構成要素を列挙する。

膜カセットが、図４Ｂを参照して説明されるように、ともに積層された。ニッケル（Ｎｉ）メッシュの波形（波状）シートが、スタック内の個々の膜カセット間と、上部および下部カバープレートに隣接して位置付けられる膜カセット間に設置された。膜モジュールは、９つの膜カセットとともに、１０の供給スロットおよび９つの浸透スロットを含んでいた。波状Ｎｉメッシュが、間隔材料として使用され、逆流洗浄の間、膜カセット内の膜を支持した。通常濾過動作の間、膜デバイスの供給側の圧力は、浸透側のものを上回る。濾過液は、供給側から浸透側に流動する。膜表面は、清浄な流体をデバイスの浸透側からデバイスの供給側の中に押動することによって清掃されることができる（すなわち、逆流洗浄）。逆流洗浄の間、デバイスの供給側の圧力は、浸透側のもの未満である。図８は、時間の関数として、藻類を収穫するための例示的濾過用途における膜デバイスの動作の間の動作パラメータの変動をプロットする。用途は、限定を意図するものではない。未処理藻類培養液が、貯蔵タンク内に貯蔵された。藻類培養液は、貯蔵タンクから膜デバイスを通して典型的供給液として圧送された。膜デバイスから流出された供給流は、貯蔵タンクに戻された。清浄な溶液が、真空下、膜デバイスの浸透側から引き出された。膜デバイスから収集された浸透流は、膜デバイスを通した供給流の流動に垂直な流動方向を有していた。典型的交差流動濾過動作の場合、供給チャネル内側の供給液体の速度は、約０．２７ｍ／秒の低供給率で実行された。膜モジュールの供給チャネルは、空気のパルスを膜モジュールの供給（入口）チャネルの中に導入することによって曝気され、濾過の間、膜表面上への固化層の蓄積を防止した。したがって、膜モジュールの中への供給流動流の流入圧力は、図８における上側（第１）プロットによって示されるように、広範囲にわたって変動した。膜モジュールからの供給圧力は、第２のプロットによって示されるように、若干大気圧を上回る圧力でほぼ一定であった。浸透側の圧力は、第３のプロットに図示されるように、濾過の間、約０．９バールに維持された。膜モジュールの入口における供給流動流の圧力変動の結果、浸透流動流の圧力は、下側プロットに示されるように、膜を横断した圧力勾配の変動のため、従って、変動した。浸透貯蔵タンクが、図に示されるように、０．５時間毎に、膜モジュールの浸透側の圧力を大気圧を上回る圧力まで上昇させることによって、周期的に、環境に排出された。膜デバイスは、廃水処理のために設計された市販のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜プレートに対して測定された流束の約２〜３倍の流束Ｌ／ｍ^２／時）を有していた。本試験のために、供給入口圧力変動が、膜デバイスの中に意図的に導入され、これは、空気パルスを供給流動流の中に導入することによって行われる。通常入口供給圧力は、曝気を伴わずに安定である。１週間実行後の膜カセットおよび膜シートの後検査は、膜表面上に藻類の堆積または蓄積を殆どまたは全く示さなかった。膜カセットもまた、無傷であった。膜細孔内側の可溶性培養ポリマーの吸着は、徐々に、時間に伴って、流束を減少させ得る。したがって、膜モジュール膜の周期的清掃が、反復収穫実行のために推奨される。膜モジュールは、化学洗浄剤の使用と同様に効果的であることが示されている、逆流洗浄によって、物理的に清掃されてもよい。

［除湿のための膜モジュール］
図７Ａの膜モジュールが、使用された。交差流動膜モジュールが、分子分離および除湿のために構築および構成された。膜モジュールのための設計パラメータは、表２に列挙される。
表２は、空気除湿用途のための典型的交差流動膜モジュールの寸法および構成要素を列挙する。

水選択的ゼオライト膜シートが、５０μｍ厚の多孔性Ｎｉシート膜（ゼオライト支持体として使用するため）上にゼオライト膜の成長によって調製された。ゼオライト膜は、厚さ約２μｍ〜約６μｍを伴うゼオライト層を形成した、選択されたゼオライト（例えば、ＮａＡ／Ｎｉ）の内部成長ゼオライト結晶を含んでいた。ゼオライト膜層は、多孔性金属（すなわち、Ｎｉ）膜に結合されたゼオライト膜が裸金属膜に見えるように十分に薄いものであった。

３つの膜カセットが、交差流動膜モジュールを形成するための内部間隔材料を伴わずに、図４Ａに図示されるように組み立てられた。除湿用途のために、スペーサは、供給チャネル内の膜カセット間に位置付けられなかった。膜カセットはそれぞれ、ポリカーボネートから作製された支持フレームを含んでいた。フレームサイズは、１３．１ｃｍ×１３．１ｃｍ〜５．２５ｃｍ×１１．２５ｃｍまで変動した。

膜モジュールは、２４０ｃｍ^２の活性膜分離面積を含んでいた。供給空気は、膜表面にわたって約１０ｃｍの典型的進行長を有する。浸透蒸気は、膜表面の下方に約４ｃｍの典型的進行長を有する。パラメータが、流体力学、質量移動、および熱伝達値を計算するために使用された。

モジュールが、供給流動流と浸透流動流との間に正圧勾配を伴って構成された。除湿および膜分離用途の場合、膜モジュールの供給側の圧力は、典型的には、浸透側のものを上回る。したがって、間隔材料は、供給チャネルのために必要とされない。間隔材料がない場合、供給空気は、より低い圧力降下を伴って、供給チャネルを通して流動することができる。膜モジュールが、圧力降下に関して試験された。膜スタックを通した圧力降下が、マニホールドを通した圧力降下を総圧力降下から減算することによって判定された。図９は、供給空気線形速度の関数として、膜モジュールを通して測定された圧力降下変動をプロットする。図中、圧力降下は、流動速度に伴って増加する。圧力降下は、流動速度２００ｃｍ／秒で約０．６５ｃｍの水である。

膜デバイスの機械的完全性および無漏出動作が、着色水の真空濾過を使用して試験された。膜デバイスは、無欠陥であった。色分子（サイズ約１ｎｍ〜２ｎｍ）は、膜を通して浸透しなかった。水の浸透は、濾過測定後、低かった。

膜モジュールは、次いで、炉内に置かれ、空気の除湿に関して試験された。加湿された屋内空気が、入口マニホールドを通して膜デバイスの中に導入され、出口マニホールドを通して周囲空気の中に排出された。湿気は、真空ポンプを用いて、膜デバイスの浸透側から引き出された。水蒸気浸透液が、膜デバイスから流出後、液体窒素トラップ内に捕捉された。真空ポンプによって排出された残留空気流速が、デジタルフローメーターを用いて測定された。表３は、膜デバイスの供給側に略大気圧で導入された空気に関して収集された機械的完全性試験データを列挙する。図１０Ａ−１０Ｄは、２つの異なる温度における流入供給空気に関する除湿結果を示す。
表３は、モジュール機械的完全性試験から収集されたリストデータを列挙する。

表中のデータは、真空が浸透側に引かれたとき、膜モジュールが機械的完全性を維持することを示す。空気供給は、ほぼ大気圧である。小量の空気が、膜内の欠陥を通して漏出し得る。圧力降下測定は、モジュールを通した圧力降下が、１．５４ｍ／秒のＶｇ時、約０．６３ｃｍの水であって、２．１ｍ／秒のＶｇ時、０．９５ｃｍの水であることを示す。Ｖｇは、モジュールを通した供給空気の空塔速度である。

図１０Ａは、流速２５Ｌ／分および温度２１．０℃で導入された流入供給空気の除湿のための膜デバイスの除湿性能結果を示す。図に示されるように、室温（２１℃）および一定供給空気流動の条件下、空気の相対湿度（ＲＨ）が２０％〜８０％に増加するにつれて、湿気浸透率は、定常のままであった。Ｈ_２Ｏ／Ｎ_２分離係数は、供給空気ＲＨに伴って増加すると考えられる。供給空気湿度に伴うＨ_２Ｏ／Ｎ_２選択率の増加は、暖かい空気（３１℃）の場合、より顕著となる。図１０Ｂは、流速２０Ｌ／分および温度３１．１℃で導入された供給空気の除湿のための膜デバイス除湿性能結果を示す。データは、分離係数が、暖かい空気に対する供給空気湿度の増加に伴って急上昇することを示す。暖かい空気に対する湿気浸透率は、室温空気の約２〜３倍であって、これは、温度の関数としてのゼオライト膜内の水の分子拡散率の増加に起因し得る。供給空気湿度に伴う分離係数の増加は、ゼオライト膜の細孔上への水分子の吸着の増加および空気浸透の阻止に起因し得る。

除湿性能に及ぼす供給空気速度の影響が、室温で試験された。現在の試験システムでは、供給空気率が変動するとき、室温以外のモジュール温度を制御することは困難であった。図１０Ｃ−１０Ｄは、供給空気の除湿のための膜デバイスの性能に及ぼす供給空気の速度の影響を示す。データは、浸透率および分離係数が、空気速度に伴って急上昇することを示す。高空気速度における水流束の向上から、増加が生じた。除湿度は、滞留時間の短縮のため、空気速度に伴って、低下した。所与の膜モジュールの場合、浸透圧力、供給空気圧力および湿度、ならびに温度が、一定に保たれるとき、空気速度に伴う水流束の変動は、流体力学および質量移動効果に起因し得る。供給空気流速を増加させることによって（空気速度の増加に等しい）、供給空気に伴って１／４インチ管から導入された湿度は、膜（１ｍｍ×４０ｍｍ）チャネルの中により均一に分布し得る。

膜モジュールの安定性もまた、ある時間周期にわたって、同一の条件下において、空気除湿性能を測定することによって確認された。図１１は、膜モジュールの安定性を査定する、湿気を含んだ暖かい空気（９２％ＲＨ、３２℃）の除湿のために、経過時間の関数として、膜デバイスの水浸透率および分離係数データをプロットする。図に示されるように、２０，０００も高い分離係数が、最初に示されたが、徐々に、約７０００〜８０００に安定した。浸透率は、ほば一定レベルに留まる。結果は、膜内のわずかな割合の非晶質材料の存在によって説明され得る。シリカ等の微細多孔性非晶質材料は、概して、安定相ではない。最初、そのような非晶質材料は、空気を阻止しながら、湿気浸透を可能にし得る。非晶質相が、徐々に、多結晶になるにつれて、空気を漏出させる大細孔が形成され、Ｈ_２Ｏ／空気選択率を減少させ得る。

［湿度および熱交換のための膜モジュール］
逆流膜モジュールが、４ｃｍ×１０ｃｍ活性面積を伴うように構成された単一５０μｍ厚のゼオライト／Ｎｉ膜シートとともに加工され、空気除湿およびエンタルピー交換に関して試験された。モジュールは、対称設計であった。同じ裏打ち材料が、膜シートの両側に設置された。１つの０．５ｍｍ厚の織布ポリエステルシートが、膜シートの後側に設置された。１つの０．５ｍｍ厚の織布ポリエステルシートが、膜シートとカバープレートとの間に設置された。供給ガス流が、膜シートの１つの側から導入された。掃引ガスが、膜シートの他側から導入された。供給ガス流は、３つの入口ポートを介して、１０ｃｍ幅の膜シートにわたって分配された。供給ガス流は、掃引ガス流動流と反対方向に、膜にわたって流動された。流路の長さは、４ｃｍであった。湿度交換は、室温において、一定供給ガス流速および一定掃引ガス流速で実施された。膜の両側は、ちょうど大気圧下に維持された。結果は、表４に要約される。
表４は、室温（２０．９℃）で実施された逆流モジュールとの湿度交換の試験結果を列挙する。

モジュールの性能は、全体的水浸透率値およびＨ_２Ｏ／Ｎ_２分離係数を使用して特徴付けられた。湿度交換から測定された水浸透率および分離係数は、空気除湿に関して測定された値に近い。表５は、同一のモジュールに対して得られた湿度および熱交換結果を比較する。

膜シートの流路は、わずか約４ｃｍである。そのような短滞留時間（約８ｍｓ）に伴う供給および掃引ガス流の入口と出口との間の温度および湿度の有意な変化は、熱および湿度交換率の両方が高速であることを示唆する。逆流モジュールの質量および熱交換率は、それぞれ、全体的水浸透率値および熱交換係数値によって特徴付けられる。水浸透率は、供給および掃引空気速度に伴って増加した。表内の水浸透率値は、空気除湿試験から測定された水浸透率値と一貫する。表中に列挙される熱交換係数値は、従来の金属プレート熱交換器に対するガス相熱交換値と一致する。したがって、膜デバイスは、空気除湿に加え、エンタルピー回復にも有望である。

本発明の種々の好ましい実施形態が、図示および説明されたが、本発明は、それらに限定されず、以下の請求項の範囲内で実践するために多様に具現化され得ることを明確に理解されたい。前述の説明から、種々の変更が、以下の請求項によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、行われてもよいことが明白であろう。

Claims (21)

1. 膜デバイスであって：
   前記膜デバイスは、膜カセットのスタック内に配置される２つ以上の膜カセットを備え、前記膜カセットのスタックは少なくとも第１の膜カセットおよび第２の膜カセットを備え、各膜カセットは、前記膜デバイスの中に導入された流体からの微粒子または分子の分離または濾過を提供する多孔性金属膜を含み、
   前記多孔性金属膜は支持フレームの反対の面に配置され、前記支持フレームは、第１の複数のくぼみを含む第１の半フレームと、第２の複数のくぼみを含む第２の半フレームと、前記支持フレームの前面端および背面端に位置する複数の浸透または掃引流動スロットとを備え、
   ここで、前記第１の半フレーム上の前記第１の複数のくぼみは、前記膜カセットのスタックにおいて複数の供給流動スロットを形成するように前記第２の半フレーム上の前記第２の複数のくぼみに接続可能であり、
   前記複数の供給流動スロットおよび前記複数の浸透または掃引流動スロットは、前記膜カセットのスタックの側面に位置し、
   流体経路は、前記膜カセット内の前記多孔性膜の表面を横断して流体を輸送するように構成され、前記膜デバイスの中に導入された流体からのあるサイズの微粒子または分子の分離または濾過を提供する、膜デバイス。
2. 前記第１の半フレームは第３の複数のくぼみをさらに含み、前記第２の半フレームは、前記支持フレームにおいて前記複数の浸透または掃引流動スロットを形成するように前記第３の複数のくぼみに接続可能である第４の複数のくぼみを含む、請求項１に記載の膜デバイス。
3. 前記供給流動スロットおよび前記浸透または掃引流動スロットは、交差流流動パターンのための９０度の相対配向か、または逆流流動パターンかいずれかで前記膜デバイスを通して流体または分子を輸送するように構成されている、請求項１に記載の膜デバイス。
4. 前記多孔性金属膜は、前記支持フレーム上に２ｍｍ未満の距離だけ離れて配置される、請求項１に記載の膜デバイス。
5. 前記多孔性金属膜は、対称多孔性金属膜を含む、請求項１に記載の膜デバイス。
6. 前記多孔性金属膜は、約０．０１０μｍ〜約１０μｍのサイズの細孔および約２０μｍ〜約２００μｍの厚さを含む、請求項１に記載の膜デバイス。
7. 前記多孔性金属膜は、０．０１ｍｍ〜５ｍｍの細孔開口部を有する細孔を含む多孔性裏打ち材料を含む、請求項１に記載の膜デバイス。
8. 前記多孔性裏打ち材料は、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの水力直径を有する流動経路を含む、請求項７に記載の膜デバイス。
9. 前記供給流動スロットおよび／または浸透もしくは掃引流動スロットは、０．５ｍｍ〜約５．０ｍｍの高さ寸法を伴う開口部を画定する、請求項１に記載の膜デバイス。
10. 前記膜カセット内の多孔性金属膜のうちの少なくとも１つは、多孔性金属支持シート上に堆積したゼオライト膜を含み、前記ゼオライト膜は、選択された分子が存在しない浸透流をもたらす圧力勾配下で、前記膜デバイスの中に導入された供給流から前記選択された分子を除去するように構成される、請求項１に記載の膜デバイス。
11. 前記ゼオライト膜は、前記膜デバイスの中に導入された供給流から、水の選択的除去のために、１×１０ ^−０６ モル／ｍ^２／Ｐａ／秒またはそれを上回る水浸透率を提供する水分子の浸透に選択的な細孔を伴う、水選択的膜である、請求項１０に記載の膜デバイス。
12. 濾過または分離されるべき成分をその中に含む供給流を、請求項１に記載の膜デバイスの前記複数の供給流動スロット中に送達するステップを含むプロセスであって、送達することによって前記供給流が前記多孔性シート膜を横断することを可能とし、前記成分が前記供給流から濾過もしくは分離されて、後に前記浸透もしくは掃引流動スロットから排出される浸透流もしくは掃引流に入ることを可能とする、プロセス。
13. 前記供給流を送達するステップは、前記浸透もしくは掃引流に対して逆流流動方向または交差流流動方向に、前記供給流を前記膜デバイスを通して流動させるステップを含む、請求項１２に記載のプロセス。
14. 前記供給流を送達するステップは、前記膜デバイスの供給側と前記膜デバイスの浸透側との間に配置される、１バールまたはそれを上回る圧力勾配を提供し、前記供給流から成分を濾過および／または分離するステップを含む、請求項１２に記載のプロセス。
15. 前記供給流を送達するステップは、１バール未満の圧力降下を用いて、前記供給流を前記膜デバイスの多孔性金属膜を通して送達するステップを含む、請求項１２に記載のプロセス。
16. 前記膜カセットの前記多孔性金属膜は、多孔性金属シートに支持されたゼオライト膜を含む、請求項１２に記載のプロセス。
17. 前記供給流を送達するステップは、藻類を含む供給流を前記膜デバイスの中に導入し、前記膜デバイスから、より高い濃度の藻類をその中に含む供給流と、前記膜デバイスから、水を含む浸透流とを放出するステップを含む、請求項１２に記載のプロセス。
18. 前記供給流を送達するステップは、少なくとも１０％の相対湿度を伴う湿気を含んだ空気を含む供給流を前記膜デバイスの中に導入することを含み、前記供給流における湿気の２０％超が浸透流中に除去および排出される、請求項１２に記載のプロセス。
19. 請求項１に記載の膜デバイスを作製するためのプロセスであって、
    前記第１および第２の膜カセットをともに組み立てて前記膜カセットのスタックを形成するステップを含み、
    ここで、組み立てることが、前記第１の半フレーム上の前記第１の複数のくぼみを前記第２の半フレーム上の前記第２の複数のくぼみと整合させて前記複数の供給流動スロットを形成することを含む、製作プロセス。
20. 前記多孔性金属膜は非対称性多孔性金属膜を含む、請求項１に記載の膜デバイス。
21. 前記多孔性金属膜と接触した多孔性裏打ち材料をさらに含む、請求項１に記載の膜デバイスであって、前記多孔性裏打ち材料は、浸透もしくは掃引流体を前記膜カセットから流出させる、前記複数の浸透もしくは掃引流動スロットに接続可能な細孔開口部を備える、膜デバイス。