JP6431481B2 - Method for separating CO2 permselective membrane and CO2 from mixed gas - Google Patents
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Description
本発明は、CO2選択透過膜及びCO2を混合ガスから分離する方法に関する。The present invention relates to a CO 2 permselective membrane and a method for separating CO 2 from a mixed gas.
CO2を選択的に透過し、混合ガスからCO2を分離するために用いることのできるCO2選択透過膜として、種々のポリマー膜が開発されてきた(例えば、非特許文献1)。しかし、ポリマー膜は、一般に溶解拡散機構に基づいてCO2を物理的に透過させるため、CO2透過速度、及びCO2のN2に対する選択性(CO2/N2選択性)の向上に限界があった。Selectively transmits CO 2, as CO 2 selective permeation membrane which can be used to separate CO 2 from a gas mixture, various polymer membranes have been developed (e.g., Non-Patent Document 1). However, polymeric membranes, in order to generally based on the solution-diffusion mechanism physically transmit CO 2, a limit to the improvement of the CO 2 permeation rate, and selectivity to N 2 in the
そこで、CO2と選択的に反応する「キャリア」と呼ばれる物質を用い、溶解拡散機構に加えて促進輸送機構により選択的にガスを透過する、促進輸送膜と呼ばれる透過膜について検討がなされている(例えば、非特許文献2、3)。促進輸送機構では、特定のガスとキャリアとの膜内での可逆的な化学反応に基づいて、特定のガスを選択的に透過させる。Therefore, studies have been made on a permeable membrane called a facilitated transport membrane that uses a substance called “carrier” that selectively reacts with CO 2 and selectively permeates gas by a facilitated transport mechanism in addition to a dissolution and diffusion mechanism. (For example, Non-Patent
さらに近年、イオン液体を用いた透過膜が促進輸送機構を志向した膜として提案されており(非特許文献4、5)、特に特許文献1には、アミノ酸アニオンと特定のカチオンとからなるイオン液体を含む炭酸ガス分離膜が開示されており、当該膜がCO2透過係数及びCO2/H2透過係数比に優れるとされている。Furthermore, in recent years, permeable membranes using ionic liquids have been proposed as membranes oriented to the facilitated transport mechanism (Non-patent Documents 4 and 5). In particular,
しかし、従来の促進輸送膜は、温度や湿度の条件によってはCO2透過速度、CO2/N2選択性が必ずしも十分ではなく、改善の余地があった。However, the conventional facilitated transport membrane has room for improvement because the CO 2 permeation rate and CO 2 / N 2 selectivity are not always sufficient depending on temperature and humidity conditions.
そこで本発明は、従来の促進輸送膜に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を達成することが可能なCO2選択透過膜を提供することを目的とする。Therefore, the present invention achieves a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity even in a wider range of temperature conditions and relative humidity conditions than the conventional facilitated transport membrane. An object is to provide a CO 2 permselective membrane capable of satisfying the requirements.
本発明はまた、上記のCO2選択透過膜を用いて、安定的且つ効果的にCO2を混合ガスから分離する方法を提供することも目的とする。Another object of the present invention is to provide a method for stably and effectively separating CO 2 from a mixed gas using the above-mentioned CO 2 permselective membrane.
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、驚くべきことに、イオン液体に特に特定の構造を有するカチオンを用いることにより、従来技術に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を具備するCO2選択透過膜が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。As a result of intensive studies, the present inventors have surprisingly found that a cation having a specific structure is used in the ionic liquid, and in a wider range of temperature conditions and relative humidity conditions than in the prior art. In addition, the inventors have found that a CO 2 permselective membrane having a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity can be obtained, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、カチオン及びアニオンを含有するイオン液体と、該イオン液体が含浸している多孔質膜とを有するCO2選択透過膜であって、前記カチオンが、下記式(1)で表されるアンモニウム及び下記式(2)で表されるホスホニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、CO2選択透過膜を提供する。That is, the present invention is a CO 2 permselective membrane having an ionic liquid containing a cation and an anion and a porous membrane impregnated with the ionic liquid, wherein the cation is represented by the following formula (1). And a CO 2 permselective membrane comprising at least one selected from the group consisting of ammonium and phosphonium represented by the following formula (2).
上記のCO2選択透過膜は、従来の促進輸送膜に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を達成することが可能である。The above-mentioned CO 2 permselective membrane has a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity even in a wider range of temperature conditions and relative humidity conditions than the conventional facilitated transport membrane. Can be achieved.
アニオンは、カルボキシレートアニオンを含んでいてもよい。アニオンとしてカルボキシレートアニオンを含むものを採用することにより、より優れたCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を具備するCO2選択透過膜を提供することができる。The anion may include a carboxylate anion. By adopting an anion containing a carboxylate anion as an anion, a CO 2 permselective membrane having a more excellent CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity can be provided.
式(1)及び(2)において、各Rのうち少なくとも1つが上記アミノ基であってもよい。分子内にアミノ基を有するカチオンを採用することにより、CO2飽和吸収量を増大させることができ、結果としてより優れたCO2透過速度、及び/又はCO2/N2選択性を具備するCO2選択透過膜を提供することができる。In formulas (1) and (2), at least one of each R may be the amino group. By adopting a cation having an amino group in the molecule, the saturated absorption of CO 2 can be increased, and as a result, CO having a better CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity. A two permselective membrane can be provided.
本発明はまた、上述したようなCO2選択透過膜に、CO2を含む混合ガス中のCO2を透過させることにより、CO2を当該混合ガスから分離する工程を備える、CO2を混合ガスから分離する方法を提供する。当該方法は、上述したようなCO2選択透過膜を採用していることから、従来技術に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、安定的且つ効果的にCO2を混合ガスから分離することができる。The present invention also relates to a CO 2 selective permeation membrane as described above, by passing the CO 2 in the mixed gas containing CO 2, the CO 2 comprising the step of separating from the mixed gas, a mixed gas of CO 2 Provide a method of separating from Since this method employs a CO 2 permselective membrane as described above, CO 2 can be mixed stably and effectively over a wider range of temperature and relative humidity conditions than in the prior art. It can be separated from the gas.
本発明によれば、従来技術に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又はCO2/N2選択性を達成することが可能なCO2選択透過膜を提供することができる。According to the present invention, a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity can be achieved even in a wider range of temperature conditions and relative humidity conditions than in the prior art. A CO 2 permselective membrane can be provided.
本発明はまた、上記のCO2選択透過膜を用いることで、安定的且つ効果的にCO2を混合ガスから分離する方法を提供することができる。The present invention can also provide a method for stably and effectively separating CO 2 from a mixed gas by using the above-mentioned CO 2 permselective membrane.
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
図1は、CO2選択透過膜を有する膜分離装置の一実施形態を示す模式図である。図1に示す膜分離装置10は、CO2選択透過膜1と、CO2選択透過膜1を収容する透過セル3と、CO2選択透過膜1を加熱する加熱部5とから主として構成される。FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a membrane separation apparatus having a CO 2 permselective membrane.
透過セル3の内部には、CO2選択透過膜1が装着される空間が設けられており、この空間が、CO2選択透過膜1によりフィード側部分とスイープ側部分に分割されている。フィード側部分にCO2を含むフィードガス(混合ガス)F1が供給され、フィードガスF2として排出される。スイープ側部分には、通常スイープガスS1が供給される。スイープガスS1は、一般にヘリウムガス等の不活性ガスである。CO2選択透過膜1を選択的に透過してスイープ側部分に移動したCO2ガスが、排出ガスS2としてスイープガスとともに排出される。その結果、フィードガスF1からCO2が分離される。A space in which the CO 2 selective
本実施形態に係るCO2選択透過膜は、カチオン及びアニオンを含有するイオン液体と、該イオン液体が含浸している多孔質膜とを有する。The CO 2 permselective membrane according to this embodiment includes an ionic liquid containing a cation and an anion, and a porous membrane impregnated with the ionic liquid.
カチオンは、下記式(1)で表されるアンモニウム及び下記式(2)で表されるホスホニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む。 The cation includes at least one selected from the group consisting of ammonium represented by the following formula (1) and phosphonium represented by the following formula (2).
式(1)及び(2)において、各Rは、それぞれ独立に、アミノ基、フッ素原子で置換されていてもよいC1−C3アルキル基、フッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルケニル基、又はフッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルキニル基を表し、前記アミノ基は、1個又は2個のC1−C3アルキル基、C2−C3アルケニル基、又はC2−C3アルキニル基で置換されていてもよい。In the formulas (1) and (2), each R is independently an amino group, a C 1 -C 3 alkyl group optionally substituted with a fluorine atom, or a C 2- optionally substituted with a fluorine atom. Represents a C 3 alkenyl group or a C 2 -C 3 alkynyl group optionally substituted by a fluorine atom, wherein the amino group is one or two C 1 -C 3 alkyl groups, C 2 -C 3 alkenyl Group or a C 2 -C 3 alkynyl group.
上記アニオンとカチオンとの組合せは、それぞれ、イオン液体を形成する組合せで任意に選択される。また、当該イオン液体は、少量の水分を含んでいてもよい。イオン液体の水分濃度は、例えば0〜50質量%であってもよく、5〜10質量%であってもよい。 The combination of the anion and cation is arbitrarily selected as a combination that forms an ionic liquid. The ionic liquid may contain a small amount of moisture. The water concentration of the ionic liquid may be, for example, 0 to 50% by mass or 5 to 10% by mass.
アニオンは、特に制限されず、カウンターカチオンとイオン液体を形成することが可能な任意のものを適宜選択することができる。このようなアニオンは、例えばカルボキシレートアニオンを含んでいてもよい。また、本実施形態に係るCO2透過速度、CO2/N2選択性の観点から、当該アニオンは、第1級アミノ基(−NH2)、第2級アミノ基(−NH−)、及び第3級アミノ基(−N=)から選ばれる1種又は2種以上のアミノ基を有していてもよい。中でも、当該アニオンは、上記のアミノ基を有するカルボキシレートアニオンを含んでいてもよい。An anion in particular is not restrict | limited, The arbitrary thing which can form an ionic liquid with a counter cation can be selected suitably. Such anions may include, for example, carboxylate anions. In addition, from the viewpoint of CO 2 permeation rate and CO 2 / N 2 selectivity according to the present embodiment, the anion includes a primary amino group (—NH 2 ), a secondary amino group (—NH—), and You may have 1 type, or 2 or more types of amino groups chosen from tertiary amino group (-N =). Especially, the said anion may contain the carboxylate anion which has said amino group.
このようなアニオンは、例えば、アルギニン、ヒスチジン、リシン、アスパラギン酸、グルタミン酸、セリン、トレオニン、アスパラギン、グルタミン、システイン、グリシン、プロリン、アラニン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシン、及びバリンからなる群より選ばれる少なくとも1種のアミノ酸から形成されるアニオンが挙げられる。これらのアミノ酸のアミノ基が有する水素原子の一部又は全部が、アルキル基又はアリール基によって置換されていてもよい。例えば、当該アニオンは、第2級アミノ基を有するN−アルキルアミノ酸及びN−アリールアミノ酸、第3級アミノ基を有するN,N−ジアルキルアミノ酸及びN−アルキル−N−アリールアミノ酸が含まれ得る。特に、グリシン及びプロリンから選ばれる少なくとも1種のアミノ酸から形成されるアニオンであってもよい。 Such anions include, for example, arginine, histidine, lysine, aspartic acid, glutamic acid, serine, threonine, asparagine, glutamine, cysteine, glycine, proline, alanine, isoleucine, leucine, methionine, phenylalanine, tryptophan, tyrosine, and valine. An anion formed from at least one amino acid selected from the group consisting of: Some or all of the hydrogen atoms of the amino group of these amino acids may be substituted with an alkyl group or an aryl group. For example, the anion can include N-alkyl amino acids and N-aryl amino acids having secondary amino groups, N, N-dialkyl amino acids and N-alkyl-N-aryl amino acids having tertiary amino groups. In particular, it may be an anion formed from at least one amino acid selected from glycine and proline.
カチオンは、上記式(1)で表されるアンモニウム及び上記式(2)で表されるホスホニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である。 The cation is at least one selected from the group consisting of ammonium represented by the above formula (1) and phosphonium represented by the above formula (2).
式(1)中、各Rはそれぞれ独立に、アミノ基、フッ素原子で置換されていてもよいC1−C3アルキル基、フッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルケニル基、又はフッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルキニル基を表し、上記アミノ基は、1個又は2個のC1−C3アルキル基、C2−C3アルケニル基、又はC2−C3アルキニル基で置換されていてもよい。中でも、RはC1−C3アルキル基であってもよく、メチル基又はエチル基であってもよい。分子サイズを小さくし、自由体積を減少させることで、N2透過速度が抑制され、結果としてCO2選択透過性能を向上させることができる。アンモニウムの具体例としては、テトラメチルアンモニウム等が挙げられる。In formula (1), each R independently represents an amino group, a C 1 -C 3 alkyl group optionally substituted with a fluorine atom, a C 2 -C 3 alkenyl group optionally substituted with a fluorine atom, or be substituted by a fluorine atom represent also good C 2 -C 3 alkynyl group, the amino group, one or two C 1 -C 3 alkyl group, C 2 -C 3 alkenyl group or C 2 it may be substituted by -C 3 alkynyl group. Among them, R represents may be a C 1 -C 3 alkyl group may be a methyl group or an ethyl group. By reducing the molecular size and reducing the free volume, the N 2 permeation rate is suppressed, and as a result, the CO 2 selective permeation performance can be improved. Specific examples of ammonium include tetramethylammonium.
式(2)中、各Rはそれぞれ独立に、アミノ基、フッ素原子で置換されていてもよいC1−C3アルキル基、フッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルケニル基、又はフッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルキニル基を表し、上記アミノ基は、1個又は2個のC1−C3アルキル基、C2−C3アルケニル基、又はC2−C3アルキニル基で置換されていてもよい。中でも、RはC1−C3アルキル基であってもよく、メチル基又はエチル基であってもよい。分子サイズを小さくし、自由体積を減少させることで、N2透過速度が抑制され、結果としてCO2選択透過性能を向上させることができる。ホスホニウムの具体例としては、テトラメチルホスホニウム等が挙げられる。In formula (2), each R independently represents an amino group, a C 1 -C 3 alkyl group optionally substituted with a fluorine atom, a C 2 -C 3 alkenyl group optionally substituted with a fluorine atom, or be substituted by a fluorine atom represent also good C 2 -C 3 alkynyl group, the amino group, one or two C 1 -C 3 alkyl group, C 2 -C 3 alkenyl group or C 2 it may be substituted by -C 3 alkynyl group. Among them, R represents may be a C 1 -C 3 alkyl group may be a methyl group or an ethyl group. By reducing the molecular size and reducing the free volume, the N 2 permeation rate is suppressed, and as a result, the CO 2 selective permeation performance can be improved. Specific examples of phosphonium include tetramethylphosphonium.
また、式(1)及び(2)中、各Rのうち少なくとも1つが上記アミノ基であってもよい。当該カチオンが、アミノ基を有することによって、分子内のアミノ基とCO2が反応しCO2が吸収されるため、結果としてCO2透過速度、及びCO2/N2選択性をより増大させることができる。このようなアンモニウム又はホスホニウムの具体例としては、1,1,1−トリメチルヒドラジニウム、アミノトリメチルホスホニウム等が挙げられる。In the formulas (1) and (2), at least one of each R may be the amino group. The cation is, by having an amino group, for amino group and CO 2 in the molecule is reacted with CO 2 is absorbed, resulting in CO 2 permeation rate, and CO 2 / N 2 to more increase the selectivity Can do. Specific examples of such ammonium or phosphonium include 1,1,1-trimethylhydrazinium, aminotrimethylphosphonium, and the like.
多孔質膜は、選択透過膜の支持膜として通常使用されているものから適宜選択することができる。多孔質膜は親水性でも疎水性でもよいが、イオン液体が親水性である場合、親水性であってもよい。多孔質膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを含む。多孔質膜の厚さは、特に制限されないが、例えば、10〜100μmである。多孔質膜内の空隙はイオン液体により十分に充填されていてもよいし、部分的に未充填であってもよい。多孔質膜は、必要に応じて、イオン液体に加えて、イオン液体以外の材料により含浸されていてもよい。この追加的な材料の種類及び量は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に選択され得る。 The porous membrane can be appropriately selected from those usually used as a support membrane for the selectively permeable membrane. The porous membrane may be hydrophilic or hydrophobic, but may be hydrophilic when the ionic liquid is hydrophilic. The porous membrane includes, for example, polytetrafluoroethylene. The thickness of the porous film is not particularly limited, but is, for example, 10 to 100 μm. The voids in the porous membrane may be sufficiently filled with the ionic liquid, or may be partially unfilled. The porous membrane may be impregnated with a material other than the ionic liquid, if necessary, in addition to the ionic liquid. The type and amount of this additional material can be arbitrarily selected without departing from the spirit of the present invention.
CO2選択透過膜は、多孔質膜にイオン液体を含浸させる工程を含む方法により、製造することができる。含浸は、当該技術分野において、通常用いられる方法で行うことができる。The CO 2 permselective membrane can be produced by a method including a step of impregnating a porous membrane with an ionic liquid. Impregnation can be performed by a method usually used in the art.
本実施形態に係るCO2選択透過膜及び膜分離装置10を用いてフィードガスF1からCO2を分離する際、膜分離装置10を通過するフィードガス(混合ガス)F1、及びCO2選択透過膜の温度は、当業者により適宜実験的に設定することができ、広範な温度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を達成することができる。温度条件の上限としては、150℃以下であってもよいし、110℃以下であってもよい。一方、温度条件の下限としては、10℃以上であってもよいし、80℃以上であってもよい。具体的な温度は、例えば、10〜150℃であり、80〜110℃であってもよい。必要に応じて、CO2選択透過膜1は加熱部5により加熱される。加熱部5としては、例えば、透過セル3を収容可能なオーブンが用いられる。When CO 2 is separated from the feed gas F1 using the CO 2 permselective membrane and the
フィードガスF1は、CO2の他にN2を含むことが多い。本実施形態に係るCO2選択透過膜によれば、CO2分圧が低いときであっても高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性が維持される。したがって、CO2分圧がそれほど高くない混合ガスからCO2を分離する場合、本実施形態に係るCO2選択透過膜は特に有用である。一般に、フィードガスが下流側に流れていくのに従って、フィードガス中のCO2分圧が減少していく傾向がある。そのため、実用的にも、多くの場合、低いCO2分圧の混合ガスからCO2を分離する工程が含まれることが想定される。具体的には、フィードガス(混合ガス)F1のCO2分圧が15kPa以下であってもよい。The feed gas F1 often contains N 2 in addition to CO 2 . The CO 2 permselective membrane according to the present embodiment maintains a high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity even when the CO 2 partial pressure is low. Thus, if the partial pressure of CO 2 separates the CO 2 from the gas mixture is not so high, CO 2 selectively permeable film according to the present embodiment is particularly useful. In general, as the feed gas flows downstream, the CO 2 partial pressure in the feed gas tends to decrease. Therefore, practically even, in many cases, may include the step of separating CO 2 from a gas mixture of low partial pressure of CO 2 is assumed. Specifically, the CO 2 partial pressure of the feed gas (mixed gas) F1 may be 15 kPa or less.
さらに、本実施形態に係るCO2選択透過膜によれば、従来の促進輸送膜に比して、より広範な湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又は、CO2/N2選択性を達成することが可能である。一般に、促進輸送膜においては、低湿度の混合ガスからCO2ガスを分離する場合、混合ガスに水蒸気を加えることが必要となることが多いが、本実施形態によれば水蒸気を添加しなくとも、CO2を効率的に分離することができる。水蒸気の供給のためには多大なエネルギーを要するため、水蒸気が不要であることは、環境面、経済面の意義が非常に大きい。具体的には、フィードガス(混合ガス)F1の相対湿度は、50%未満、30%以下、5%以下であってもよい。相対湿度の下限は、特に制限されないが、例えば0%以上であってもよい。また、フィードガス(混合ガス)F1の水蒸気濃度は、30モル%未満、5モル%以下であってもよい。水蒸気濃度の下限は、特に制限されないが、例えば0モル%以上であってもよい。Furthermore, the CO 2 permselective membrane according to the present embodiment has a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N even under a wider range of humidity conditions than the conventional facilitated transport membrane. Two selectivity can be achieved. In general, in the facilitated transport membrane, when separating CO 2 gas from a low-humidity mixed gas, it is often necessary to add water vapor to the mixed gas, but according to this embodiment, it is not necessary to add water vapor. , CO 2 can be separated efficiently. Since enormous energy is required to supply water vapor, the necessity of water vapor is very significant in terms of environment and economy. Specifically, the relative humidity of the feed gas (mixed gas) F1 may be less than 50%, 30% or less, and 5% or less. The lower limit of the relative humidity is not particularly limited, but may be 0% or more, for example. Further, the water vapor concentration of the feed gas (mixed gas) F1 may be less than 30 mol% and 5 mol% or less. The lower limit of the water vapor concentration is not particularly limited, but may be, for example, 0 mol% or more.
フィードガスF1の流量は、特に制限されないが、例えばCO2選択透過膜の面積10cm2あたり、2〜1000mL/分である。フィードガスの圧力は、特に制限されないが、大気圧であってもよいし、例えば100〜10000kPa又は100〜1000kPaの範囲で調整してもよい。The flow rate of the feed gas F1 is not particularly limited, but is, for example, 2 to 1000 mL / min per 10 cm 2 area of the CO 2 permselective membrane. The pressure of the feed gas is not particularly limited, but may be atmospheric pressure, and may be adjusted within a range of 100 to 10000 kPa or 100 to 1000 kPa, for example.
スイープガスS1の流量は、特に制限されないが、例えばCO2選択透過膜の面積10cm2あたり、1〜500mL/分である。スイープガスの圧力は、特に制限されないが、大気圧又は大気圧未満であってもよいし、例えば30〜5000kPa又は30〜1000kPaの範囲に調整してもよい。フィードガス中のCO2分圧が十分高い場合などには、スイープガスを必ずしも流す必要がないこともある。The flow rate of the sweep gas S1 is not particularly limited, but is, for example, 1 to 500 mL / min per 10 cm 2 area of the CO 2 permselective membrane. The pressure of the sweep gas is not particularly limited, but may be atmospheric pressure or less than atmospheric pressure, and may be adjusted to a range of 30 to 5000 kPa or 30 to 1000 kPa, for example. When the partial pressure of CO 2 in the feed gas is sufficiently high, the sweep gas may not necessarily flow.
本発明は、以上説明した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形が可能である。例えば、CO2選択透過膜の片面又は両面に任意の層が積層されていてもよい。The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention. For example, an arbitrary layer may be laminated on one side or both sides of the CO 2 permselective membrane.
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
イオン液体として、テトラメチルアンモニウムグリシン(以下、[N1111][Gly]という。)を準備した。(Example 1)
Tetramethylammonium glycine (hereinafter referred to as [N1111] [Gly]) was prepared as an ionic liquid.
該イオン液体は中和法により合成した。すなわち、テトラメチルアンモニウム水酸化物(以下、[N1111][OH]という。)を40質量%含む水溶液を窒素雰囲気下で8℃に冷却しながら、それらのモル数よりも5%過剰な量のグリシンと純水100mLとを含むグリシン水溶液に滴下した。その後、24時間以上撹拌することで、水酸化物イオンとグリシン由来の水素イオンの中和反応を行った。中和反応後、エバポレータによって40℃で水を除去した。水は、調製されるイオン液体が90質量%水溶液(水分濃度10質量%)となるまで除去した。このようにして調製したイオン液体に、親水性のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)多孔質膜(厚さ35.7μm、平均孔径0.2μm)を浸し、その状態で1800秒間減圧することにより、多孔質膜にイオン液体を含浸させた。イオン液体が含浸した多孔質膜を取り出し、表面に付着した余剰なイオン液体を取り除いて、評価用の透過膜を得た。
The ionic liquid was synthesized by a neutralization method. That is, while cooling an aqueous solution containing 40% by mass of tetramethylammonium hydroxide (hereinafter referred to as [N1111] [OH]) to 8 ° C. in a nitrogen atmosphere, an amount of 5% excess of the number of moles thereof is achieved. The solution was added dropwise to an aqueous glycine solution containing glycine and 100 mL of pure water. Then, the neutralization reaction of the hydroxide ion and the hydrogen ion derived from glycine was performed by stirring for 24 hours or more. After the neutralization reaction, water was removed at 40 ° C. by an evaporator. Water was removed until the prepared ionic liquid became a 90 mass% aqueous solution (
(比較例1)
実施例1と同様の方法により、イオン液体として、テトラブチルアンモニウムグリシン(以下、[N4444][Gly]という。)を準備し、これをPTFE多孔質膜に含浸させて、比較用の透過膜を得た。(Comparative Example 1)
By using the same method as in Example 1, tetrabutylammonium glycine (hereinafter referred to as [N4444] [Gly]) was prepared as an ionic liquid, and this was impregnated into a PTFE porous membrane to prepare a comparative permeable membrane. Obtained.
(比較例2)
実施例1と同様の方法により、イオン液体として、テトラブチルホスホニウムグリシン(以下、[P4444][Gly]という。)を準備し、これをPTFE多孔質膜に含浸させて、比較用の透過膜を得た。(Comparative Example 2)
By using the same method as in Example 1, tetrabutylphosphonium glycine (hereinafter referred to as [P4444] [Gly]) was prepared as an ionic liquid, and this was impregnated into a PTFE porous membrane to prepare a comparative permeable membrane. Obtained.
(比較例3)
実施例1と同様の方法により、イオン液体として、テトラブチルホスホニウムプロリン(以下、[P4444][Pro]という。)を準備し、これをPTFE多孔質膜に含浸させて、比較用の透過膜を得た。(Comparative Example 3)
In the same manner as in Example 1, tetrabutylphosphonium proline (hereinafter referred to as [P4444] [Pro]) was prepared as an ionic liquid, and this was impregnated into a PTFE porous membrane, and a comparative permeable membrane was prepared. Obtained.
(試験例1)
準備した各透過膜をステンレススチール製の透過セルに装着した。この透過セルをサーモスタットが取り付けられたオーブン内に収容して、図1に示す装置と同様の構成を有する評価装置を準備した。サーモスタットにより、オーブンを所定の温度に調整した。(Test Example 1)
Each prepared permeable membrane was attached to a stainless steel permeation cell. This permeation cell was accommodated in an oven equipped with a thermostat to prepare an evaluation apparatus having the same configuration as the apparatus shown in FIG. The oven was adjusted to a predetermined temperature with a thermostat.
フィードガスF1として、CO2ガス及びN2ガスを含み、水分を実質的に含まない乾燥した混合ガス(CO2分圧:1.0kPa)を用いた。フィードガスF1は、流量200mL/分、温度25℃に調整した。フィード側の圧力は大気圧に維持した。スイープガスS1として、ヘリウムガスを用いた。スイープガスS1は、流量40mL/分、温度25℃に調整した。スイープ側の圧力は大気圧に維持した。出口側のスイープガス(排出ガス)S2を、ガスクロマトグラフィー(GC)で分析した。GCの分析結果から、CO2及びN2の透過速度と、CO2/N2選択性を算出した。As the feed gas F1, a dry mixed gas (CO 2 partial pressure: 1.0 kPa) containing CO 2 gas and N 2 gas and substantially free of moisture was used. The feed gas F1 was adjusted to a flow rate of 200 mL / min and a temperature of 25 ° C. The pressure on the feed side was maintained at atmospheric pressure. Helium gas was used as the sweep gas S1. The sweep gas S1 was adjusted to a flow rate of 40 mL / min and a temperature of 25 ° C. The pressure on the sweep side was maintained at atmospheric pressure. The outlet side sweep gas (exhaust gas) S2 was analyzed by gas chromatography (GC). From the GC analysis results, CO 2 and N 2 permeation rates and CO 2 / N 2 selectivity were calculated.
実施例1及び比較例1〜3で得た透過膜について、オーブンの湿度を50RH%に設定し、設定温度を30〜100℃まで変化させたときのCO2透過速度及びN2透過速度をそれぞれ図2及び3に、CO2/N2選択性を図4にそれぞれ示す。For the permeable membranes obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, the humidity of the oven was set to 50 RH%, and the CO 2 permeation rate and N 2 permeation rate when the set temperature was changed from 30 to 100 ° C., respectively. 2 and 3 show the CO 2 / N 2 selectivity in FIG. 4, respectively.
図2及び3において、透過速度をそれぞれ「パーミアビリティ」として示した。パーミアビリティは、所定の温度において単位圧力低下を与えた際、単位表面積及び単位厚さを有する膜を通過したガスの量で表される。パーミアビリティの単位は「バーラー」として表され、1バーラーは10−10[cm3・cm/cm2・cmHg・s]である。なお、透過速度の算出において、膜厚は多孔質膜の厚さ(35.7μm)を用いた。図5、6、8、9も同様である。2 and 3, the permeation speed is shown as “permeability”. Permeability is expressed as the amount of gas that has passed through a membrane having a unit surface area and unit thickness when a unit pressure drop is applied at a predetermined temperature. The unit of permeability is expressed as “barrer”, and 1 barr is 10 −10 [cm 3 · cm 2 / cm 2 · cmHg · s]. In calculating the permeation speed, the thickness of the porous film (35.7 μm) was used as the film thickness. The same applies to FIGS.
図3に示されるように、N2透過速度について実施例1の透過膜の方が、比較例1〜3の透過膜よりも小さいという結果となった。これは、イオン液体の構成分子として、可能な限り分子サイズの小さいカチオンを選択することにより、イオン液体自体の自由体積が減少し、それによってイオン液体へのN2溶解量が低下したためと考えられる。この傾向は、特に高温領域において顕著にみられた。As shown in FIG. 3, the result was that the permeable membrane of Example 1 was smaller than the permeable membranes of Comparative Examples 1 to 3 with respect to the N 2 permeation rate. This is thought to be because the free volume of the ionic liquid itself was reduced by selecting a cation having a molecular size as small as possible as the constituent molecule of the ionic liquid, thereby reducing the amount of N 2 dissolved in the ionic liquid. . This tendency was particularly noticeable in the high temperature region.
結果として図4に示されるように、実施例1の透過膜は、比較例1〜3の透過膜と比較して、優れたCO2/N2選択性を有することが分かった。As a result, as shown in FIG. 4, it was found that the permeable membrane of Example 1 had excellent CO 2 / N 2 selectivity as compared with the permeable membranes of Comparative Examples 1 to 3.
(実施例2)
イオン液体として、1−アミノトリメチルアンモニウムグリシン(以下、[aN111][Gly]という。)を準備した。(Example 2)
As an ionic liquid, 1-aminotrimethylammonium glycine (hereinafter referred to as [aN111] [Gly]) was prepared.
該イオン液体は中和法により合成した。すなわち、市販の1,1,1−トリメチルヒドラジニウムヨウ化物(以下、[aN111][I]という。)16.1630gを、200mLの純水に溶解させ、[I]重量の12倍量となるようにOH−型イオン交換樹脂を添加し、10分間撹拌してアニオン交換反応を進行させた。反応後の溶液中の[I]濃度は50mg/Lであった。その後、濾過により反応液からイオン交換樹脂を除去し、この反応液を溶液中の[aN111][I]濃度よりも5%過剰な量のグリシンと純水100mLとを含むグリシン水溶液に滴下した。冷却下(7℃)で24時間中和反応を進行させた後、エバポレータによって60℃で水を除去した。その後、エタノールを50mL加えて未反応のグリシンを析出させ、濾過により当該グリシンを除去し、エバポレータによって60℃で溶媒を除去した。The ionic liquid was synthesized by a neutralization method. That is, 16.1630 g of commercially available 1,1,1-trimethylhydrazinium iodide (hereinafter referred to as [aN111] [I]) is dissolved in 200 mL of pure water, and 12 times the weight of [I] OH - type ion exchange resin was added so that the anion exchange reaction proceeded by stirring for 10 minutes. The [I] concentration in the solution after the reaction was 50 mg / L. Thereafter, the ion exchange resin was removed from the reaction solution by filtration, and the reaction solution was added dropwise to an aqueous glycine solution containing 5% excess glycine and 100 mL of pure water than the [aN111] [I] concentration in the solution. After allowing the neutralization reaction to proceed for 24 hours under cooling (7 ° C.), water was removed at 60 ° C. using an evaporator. Thereafter, 50 mL of ethanol was added to precipitate unreacted glycine, the glycine was removed by filtration, and the solvent was removed at 60 ° C. by an evaporator.
このようにして得られた[aN111][Gly]を、実施例1と同様の方法によりPTFE多孔質膜に含浸させて、評価用の透過膜を得た。 The PTFE porous membrane was impregnated with [aN111] [Gly] thus obtained in the same manner as in Example 1 to obtain a permeable membrane for evaluation.
(試験例2)
実施例2で得た透過膜について、試験例1と同様の試験を行った結果を図5〜7にそれぞれ示す。なお、図5〜7には、比較例1の結果も併せて示した。(Test Example 2)
About the permeable membrane obtained in Example 2, the result of having done the test similar to Test Example 1 is shown to FIGS. 5 to 7 also show the results of Comparative Example 1.
図5及び図6に示されるように、実施例2の透過膜は、比較例1の透過膜と比較して、N2透過速度が小さいという結果に加え、CO2透過速度が大きいという結果となった。これは、イオン液体の構成分子としてアミノ基を有するカチオンを選択することにより、CO2飽和吸収量が増加したためと考えられる。As shown in FIGS. 5 and 6, the permeable membrane of Example 2 has a higher CO 2 permeation rate in addition to the lower N 2 permeation rate than the permeable membrane of Comparative Example 1. became. This is presumably because the CO 2 saturation absorption increased by selecting a cation having an amino group as a constituent molecule of the ionic liquid.
結果として図7に示されるように、実施例2の透過膜は、比較例1の透過膜と比較して、きわめて優れたCO2/N2選択性を有することが分かった。As a result, as shown in FIG. 7, it was found that the permeable membrane of Example 2 had extremely excellent CO 2 / N 2 selectivity as compared with the permeable membrane of Comparative Example 1.
(試験例3)
試験例1と同様の方法で評価装置を準備した。(Test Example 3)
An evaluation apparatus was prepared in the same manner as in Test Example 1.
実施例1,2及び比較例1で得た透過膜について、オーブンの温度を100℃に設定し、設定湿度を0〜90RH%まで変化させたときのCO2透過速度、N2透過速度、及びCO2/N2選択性を図8〜10にそれぞれ示す。For the permeable membranes obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the CO 2 permeation rate, the N 2 permeation rate when the oven temperature was set to 100 ° C. and the set humidity was changed from 0 to 90 RH%, and CO 2 / N 2 selectivity is shown in FIGS.
図9に示されるように、N2透過速度について実施例1,2の透過膜の方が、比較例1の透過膜よりも小さいという、試験例1及び2と同様の結果となった。この傾向は、特に低湿度領域において顕著にみられた。As shown in FIG. 9, the results similar to Test Examples 1 and 2 were obtained in which the permeable membranes of Examples 1 and 2 were smaller in N 2 permeation rate than the permeable membrane of Comparative Example 1. This tendency was particularly noticeable in the low humidity region.
結果として図10に示すように、特に低湿度領域において、実施例1,2の透過膜は、比較例1の透過膜と比較して、優れたCO2/N2選択性を有することが分かった。As a result, as shown in FIG. 10, it was found that the permeable membranes of Examples 1 and 2 had excellent CO 2 / N 2 selectivity as compared with the permeable membrane of Comparative Example 1, particularly in the low humidity region. It was.
他方、図8に示されるように、CO2透過速度について実施例2の透過膜は、比較例1の透過膜よりも大きいという、試験例2と同様の結果となった。この傾向は、特に50%以上の高湿度領域において顕著にみられた。On the other hand, as shown in FIG. 8, the CO 2 permeation rate of the permeable membrane of Example 2 was larger than the permeable membrane of Comparative Example 1, which was the same result as Test Example 2. This tendency was particularly noticeable in a high humidity region of 50% or more.
結果として図10に示されるように、特に50%以上の高湿度領域において、実施例2の透過膜は、比較例1の透過膜と比較して、きわめて優れたCO2/N2選択性を有することが分かった。As a result, as shown in FIG. 10, especially in a high humidity region of 50% or more, the permeable membrane of Example 2 has extremely excellent CO 2 / N 2 selectivity as compared with the permeable membrane of Comparative Example 1. It turns out to have.
以上、試験例1〜3の結果から、イオン液体の構成分子として、可能な限り分子サイズの小さいカチオンを選択することにより、透過膜のN2透過速度が小さくなり、結果として、優れたCO2/N2選択性を有するCO2選択透過膜を提供することができる。また、当該透過膜は、広範な温度条件、相対湿度条件下でも、その効果を具備していることが見て取れる。As described above, from the results of Test Examples 1 to 3, by selecting a cation having a molecular size as small as possible as a constituent molecule of the ionic liquid, the N 2 permeation rate of the permeable membrane is reduced, and as a result, excellent CO 2 A CO 2 permselective membrane having / N 2 selectivity can be provided. Further, it can be seen that the permeation membrane has the effect even under a wide range of temperature conditions and relative humidity conditions.
さらに、イオン液体の構成分子として、アミノ基を有するカチオンを選択することにより、透過膜のCO2透過速度が顕著に向上し、結果として、きわめて優れたCO2/N2選択性を有するCO2選択透過膜を提供することができる。また、当該透過膜は、広範な温度条件、相対湿度条件下(特に、低湿度条件下)でも、その効果を十分に具備していることが見て取れる。Furthermore, by selecting a cation having an amino group as a constituent molecule of the ionic liquid, the CO 2 permeation rate of the permeable membrane is remarkably improved, and as a result, CO 2 having extremely excellent CO 2 / N 2 selectivity. A selectively permeable membrane can be provided. In addition, it can be seen that the permeation membrane has sufficient effects even under a wide range of temperature conditions and relative humidity conditions (particularly under low humidity conditions).
本発明によれば、従来技術に比して、より広範な温度条件、相対湿度条件においても、十分に高いCO2透過速度、及び/又はCO2/N2選択性を達成することが可能なCO2選択透過膜を提供することができる。According to the present invention, a sufficiently high CO 2 permeation rate and / or CO 2 / N 2 selectivity can be achieved even in a wider range of temperature conditions and relative humidity conditions than in the prior art. A CO 2 permselective membrane can be provided.
本発明はまた、上記のCO2選択透過膜を用いることで、安定的且つ効果的にCO2を混合ガスから分離する方法を提供することができる。The present invention can also provide a method for stably and effectively separating CO 2 from a mixed gas by using the above-mentioned CO 2 permselective membrane.
1…CO2選択透過膜、3…透過セル、5…加熱部、10…膜分離装置、F1,F2…フィードガス(混合ガス)、S1,S2…スイープガス(排出ガス)。1 ... CO 2 selectively permeable membrane, 3 ... permeation cell, 5 ... heating section, 10 ... membrane separator, F1, F2 ... feed gas (mixed gas), S1, S2 ... sweep gas (exhaust gas).
Claims (2)
前記カチオンが、下記式(1)で表されるアンモニウム及び下記式(2)で表されるホスホニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記アニオンが、カルボキシレートアニオンを含む、CO2選択透過膜。
[式(1)及び(2)において、各Rは、それぞれ独立に、アミノ基、フッ素原子で置換されていてもよいC1−C3アルキル基、フッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルケニル基、又はフッ素原子で置換されていてもよいC2−C3アルキニル基を表し、前記アミノ基は、1個又は2個のC1−C3アルキル基、C2−C3アルケニル基、又はC2−C3アルキニル基で置換されていてもよく、式(1)及び(2)において各Rのうち少なくとも1つが前記アミノ基である。] A CO 2 permselective membrane having an ionic liquid containing a cation and an anion, and a porous membrane impregnated with the ionic liquid,
The cation is seen containing at least one selected from the group consisting of phosphonium represented by ammonium and the following formula represented by the following formula (1) (2),
Said anion, carboxylate anion including, CO 2 selectively permeable membrane.
[In the formulas (1) and (2), each R is independently an amino group, a C 1 -C 3 alkyl group optionally substituted with a fluorine atom, or a C 2 optionally substituted with a fluorine atom. -C 3 alkenyl group or optionally substituted with fluorine atom C 2 -C 3 alkynyl group, the amino group, one or two C 1 -C 3 alkyl group, C 2 -C 3 alkenyl, or C 2 -C 3 rather it may also be substituted with an alkynyl group, in which at least one of the amino groups of each R in formula (1) and (2). ]
The CO 2 selective permeation membrane according to claim 1, by passing the CO 2 in the mixed gas containing CO 2, comprising the step of separating CO 2 from the gas mixture to separate the CO 2 from the gas mixture Method.
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