JP7816751B2 - Gas separation membrane, gas separation membrane module, manufacturing method thereof, and gas separation method using same - Google Patents
Gas separation membrane, gas separation membrane module, manufacturing method thereof, and gas separation method using sameInfo
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Description
本発明は、気体分離膜および気体分離膜モジュール、ならびにそれらの製造方法に関する。さらに本発明は気体分離膜および気体分離膜モジュールを使用した気体分離方法に関する。 The present invention relates to gas separation membranes and gas separation membrane modules, as well as methods for producing the same. Furthermore, the present invention relates to gas separation methods using gas separation membranes and gas separation membrane modules.
近年、持続可能な開発目標(SDGs)の達成に向けた種々の取り組みが日本においてなされているが、中でも主要な目標として2025年までに温室効果ガス排出を実質ゼロとし、いわゆるカーボンニュートラルの実現を目指すことが掲げられている。温室効果ガスとは、主に人間活動により増加した気体であり、二酸化炭素、メタン、フロンガス、一酸化炭素等を挙げることができる。中でも二酸化炭素は地球温暖化に及ぼす影響が最も大きい温室効果ガスであるとされている。そこで、産業界で排出される種々の混合気体から二酸化炭素を分離して、これを大気中に排出しないように制御することができれば、カーボンニュートラルの実現に大きく貢献することができると考えられる。 In recent years, Japan has been undertaking various initiatives to achieve the Sustainable Development Goals (SDGs), with one of the main targets being the reduction of greenhouse gas emissions to virtually zero by 2025, thereby achieving so-called carbon neutrality. Greenhouse gases are gases that have increased primarily due to human activity, and examples include carbon dioxide, methane, chlorofluorocarbons, and carbon monoxide. Of these, carbon dioxide is considered to have the greatest impact on global warming. Therefore, if it were possible to separate carbon dioxide from the various mixed gases emitted by industry and control its release so that it does not enter the atmosphere, it would be possible to make a significant contribution to achieving carbon neutrality.
一方、高分子化合物からなる材料は、材料ごとに特有の気体透過性を有していることが知られている。特定の高分子化合物からなる膜に、所望の気体成分を含有する混合気体を透過させて、所望の気体を分離して得ることができる。このような膜は、気体分離膜あるいはガス分離膜と呼ばれ、産業上の利用が試みられている。特に、火力発電所、製鉄所高炉、各種工場等から発生する排ガスは、二酸化炭素を多量に含有しており、これらの施設は、大規模な二酸化炭素発生源となっている。そこで、これらの施設の内外において、排ガスから二酸化炭素を分離回収することが盛んに検討されている。この際、気体分離膜による所望の気体成分の分離は、投下するエネルギー量が比較的少ない、簡便な操作で行うことができるため、環境問題を解決することができる手段として大いに注目されている。
特許文献1には、多孔質層を含む支持体、ポリイミド層およびセルロース層をこの順で有し、セルロース層には特定のセルロース化合物を用いた、ガス分離膜が開示されている。特許文献1には、保護層、セルロース層、ポリイミド層、樹脂層、支持体の順で積層されたガス分離膜が開示され、このうち保護層にはシリコーン樹脂やポリイミド、セルロース樹脂、ポリエチレンオキサイド等を用いることが好ましく、支持体はポリイミド層側に多孔質層を有しており、特定のセルロース層と特定のポリイミド層を用いることにより分離選択性能の高いガス分離膜を得ることができることが開示されている。
特許文献2には、水溶性高分子と、特定のアミン化合物およびポリエチレンアミン類からなる群より選ばれるアミン化合物とを含む高分子膜から構成されたガス分離膜が開示されている。特許文献2は、特定のアミン化合物で二酸化炭素を吸着および脱着することにより高い選択性を持って二酸化炭素を他のガスから分離することができることを開示している。
On the other hand, materials made of polymer compounds are known to have unique gas permeabilities. A mixed gas containing desired gas components can be passed through a membrane made of a specific polymer compound to separate and obtain the desired gas. Such membranes are called gas separation membranes, and attempts are being made to use them industrially. In particular, exhaust gases generated from thermal power plants, steelworks blast furnaces, various factories, etc. contain large amounts of carbon dioxide, making these facilities large-scale sources of carbon dioxide. Therefore, the separation and recovery of carbon dioxide from exhaust gases has been actively studied both inside and outside these facilities. In this case, separation of desired gas components using gas separation membranes can be performed with a simple operation and requires a relatively small amount of energy, and therefore has attracted much attention as a means to solve environmental problems.
Patent Document 1 discloses a gas separation membrane having a support including a porous layer, a polyimide layer, and a cellulose layer in this order, with the cellulose layer using a specific cellulose compound. Patent Document 1 discloses a gas separation membrane laminated in the order of a protective layer, a cellulose layer, a polyimide layer, a resin layer, and a support, with the protective layer preferably being made of a silicone resin, polyimide, cellulose resin, polyethylene oxide, or the like, the support having a porous layer on the polyimide layer side, and the use of a specific cellulose layer and a specific polyimide layer makes it possible to obtain a gas separation membrane with high separation selectivity.
Patent Document 2 discloses a gas separation membrane composed of a polymer membrane containing a water-soluble polymer and an amine compound selected from the group consisting of specific amine compounds and polyethyleneamines. Patent Document 2 discloses that carbon dioxide can be separated from other gases with high selectivity by adsorbing and desorbing carbon dioxide with the specific amine compound.
特許文献1のガス分離膜は、ガス分離における分離選択性とガス透過性を考慮してポリイミド層と特定のセルロース層を選択したことに特徴がある。一方、特許文献2は、水溶性高分子によるマトリクスに特定のアミン化合物やポリエチレンポリアミン類を含有させた高分子膜にガス分離機能があることを開示している。特許文献1および特許文献2は、これらのガス分離膜や高分子膜を使用してガス分離を行ううちに、ガス分離膜や高分子膜が劣化してくるという現象には気付いておらず、したがってこれらのガス分離膜や高分子膜の寿命に関しては触れられていない。ところが先述の通り、気体分離膜は、火力発電所、製鉄所高炉、各種工場等のように産業上温室効果ガスを含む混合排ガスが多量に発生しうる施設において長期にわたり使用することを想定しているものである。そこで気体分離膜は、優れた分離選択性と透過性とを兼ね備えることを大前提として、これらの施設において可能な限り長く使用できるという特性をも備えていることが重要である。 The gas separation membrane of Patent Document 1 is characterized by the selection of a polyimide layer and a specific cellulose layer in consideration of separation selectivity and gas permeability during gas separation. Meanwhile, Patent Document 2 discloses that a polymer membrane containing a specific amine compound or polyethylene polyamine in a water-soluble polymer matrix has gas separation functionality. Patent Documents 1 and 2 do not acknowledge the phenomenon that these gas separation membranes and polymer membranes deteriorate as gas separation is performed using them, and therefore do not address the lifespan of these gas separation membranes or polymer membranes. However, as mentioned above, gas separation membranes are intended for long-term use in facilities such as thermal power plants, steelworks blast furnaces, and various factories, where large amounts of industrially produced mixed exhaust gases containing greenhouse gases may be generated. Therefore, it is important that gas separation membranes combine excellent separation selectivity and permeability as a basic premise, and also possess properties that enable them to be used as long as possible in these facilities.
本発明者らは、特許文献1や特許文献2に開示されたガス分離膜や高分子膜に代表される従来の気体分離膜が、気体分離に際して比較的早期に劣化してしまう現象に着目した。本発明は、気体分離膜の劣化を抑制することで、長い期間使用可能でメンテナンスの容易な気体分離膜および気体分離膜モジュール、これらの製造方法、ならびに気体分離膜を使用した気体分離方法を提供することを目的とする。 The inventors focused on the phenomenon that conventional gas separation membranes, such as the gas separation membranes and polymer membranes disclosed in Patent Documents 1 and 2, deteriorate relatively quickly during gas separation. The present invention aims to provide a gas separation membrane and gas separation membrane module that can be used for a long period of time and is easy to maintain by suppressing deterioration of the gas separation membrane, as well as methods for manufacturing these and a gas separation method using a gas separation membrane.
本発明は、多孔質の支持膜に、機能層と、保護層とを有する、気体分離膜である。気体分離膜において、該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含む該保護層を有し、該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する該機能層を有することを特徴とする。
該水溶性高分子は、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
また、該シロキサン類は、以下の式(1):
さらに、該多孔質の支持膜は、中空糸膜であることが好ましい。
The present invention provides a gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer, characterized in that the porous support membrane has, on one side thereof, a protective layer containing a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of a siloxane and a polyolefin, and the other side thereof has a functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines.
The water-soluble polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
The siloxanes are represented by the following formula (1):
Furthermore, the porous support membrane is preferably a hollow fiber membrane.
さらに本発明は、上記の本発明の気体分離膜の該保護層を有する一の面に、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を接触させて、該気体分離膜内に二酸化炭素を選択的に通過させ、該機能層を有する他の面から二酸化炭素を取り出す気体分離方法である。 Furthermore, the present invention relates to a gas separation method in which a mixed gas containing at least carbon dioxide is brought into contact with one side of the gas separation membrane of the present invention that has the protective layer, carbon dioxide is selectively passed through the gas separation membrane, and carbon dioxide is extracted from the other side that has the functional layer.
本発明は、多孔質の支持膜に、機能層と、保護層とを有する、気体分離膜の製造方法である。気体分離膜の製造方法において、該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成し、次いで該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、機能層を形成する各工程を含むことを特徴とする。
該水溶性高分子は、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
該シロキサン類は、以下の式(1):
さらに、該多孔質の支持膜は、中空糸膜であることが好ましい。
The present invention provides a method for producing a gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer, comprising the steps of: applying a mixture containing siloxanes, optionally a polyolefin, and a crosslinking agent to one surface of the porous support membrane, and heating the mixture to form the protective layer; and then applying an aqueous solution containing water-soluble polymers, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to the other surface of the porous support membrane, and drying the mixture to form the functional layer.
The water-soluble polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
The siloxanes have the following formula (1):
Furthermore, the porous support membrane is preferably a hollow fiber membrane.
本発明は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入する、混合気体入口と、
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器の内部に、気体分離膜を1つ以上配置した、気体分離膜モジュールである。気体分離膜モジュールにおいて、該気体分離膜は、中空糸膜の一の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する機能層を有し、該中空糸膜の二の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含んだ保護層を有することを特徴とする。
該水溶性高分子が、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
該シロキサン類は、以下の式(1):
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
The gas separation membrane module is characterized in that one or more gas separation membranes are disposed inside a module container comprising: a hollow fiber membrane; a functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, disposed on one side of the hollow fiber membrane; and a protective layer containing a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of a siloxane and a polyolefin, disposed on the other side of the hollow fiber membrane.
The water-soluble polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
The siloxanes have the following formula (1):
さらに本発明は、上記の本発明の気体分離膜モジュールの、該混合気体入口から、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入し、
該気体分離膜の二の面に、該混合気体を接触させて、該気体分離膜内に二酸化炭素を選択的に通過させ、
該気体分離膜の一の面から二酸化炭素を取り出し、
取り出した二酸化炭素を該二酸化炭素排出口から排出し、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を該分離気体排出口から排出する
各工程を含む、混合気体から二酸化炭素を分離する方法である。
Furthermore, the present invention provides a gas separation membrane module according to the present invention, which includes introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide through the mixed gas inlet,
bringing the mixed gas into contact with two surfaces of the gas separation membrane to selectively pass carbon dioxide through the gas separation membrane;
carbon dioxide is removed from one side of the gas separation membrane;
The extracted carbon dioxide is discharged from the carbon dioxide discharge port.
The method for separating carbon dioxide from a mixed gas includes the steps of separating the carbon dioxide from the mixed gas and discharging the separated mixed gas from the separated gas outlet.
本発明は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入する、混合気体入口と、
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器内部に、
中空糸膜の一の面に、機能層を有し、
該中空糸膜の二の面に、保護層を有する気体分離膜を、1つ以上配置した、気体分離膜モジュールの製造方法である。気体分離膜モジュールの製造方法において、該モジュール容器内部に、該中空糸膜を1つ以上配置し、該中空糸膜の二の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成し、次いで該中空糸膜の一の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、該機能層を形成する、各工程を含むことを特徴とする。
該水溶性高分子は、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
該シロキサン類は、以下の式(1):
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
Inside the module container,
A functional layer is provided on one surface of the hollow fiber membrane,
The method for producing a gas separation membrane module includes disposing one or more hollow fiber membranes inside the module container, applying a mixture containing a siloxane, optionally a polyolefin, and a crosslinking agent to two surfaces of the hollow fiber membranes and heating the mixture to form the protective layer, and then applying an aqueous solution containing water-soluble polymer, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to one surface of the hollow fiber membranes and drying the mixture to form the functional layer.
The water-soluble polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
The siloxanes have the following formula (1):
本発明は、高い気体分離選択性と透過性とを兼ね備え、かつ気体分離操作中に劣化が少なく寿命の長い気体分離膜ならびに気体分離膜モジュールを提供することができる。 The present invention can provide gas separation membranes and gas separation membrane modules that combine high gas separation selectivity and permeability, and have long life with minimal deterioration during gas separation operations.
本発明の実施形態について、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態にのみ限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described in more detail below, but the present invention is not limited to the following embodiments.
本発明の一の実施形態は、多孔質の支持膜に、機能層と、保護層とを有する、気体分離膜である。気体分離膜において、該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含む該保護層を有し、該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する該機能層を有することを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer. The gas separation membrane is characterized in that one surface of the porous support membrane has a protective layer containing a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of a siloxane and a polyolefin, and the other surface of the porous support membrane has a functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines.
本実施形態において、気体分離膜とは、少なくとも2種の気体成分を含有する混合気体から所望の気体成分を取り出すことを目的とする膜のことである。本明細書では、気体分離膜のことをガス分離膜と呼ぶこともあり、両者は同じ意味で用いられる。気体分離膜は、固体や液体を含有する混合気体から該固体や液体を濾過(濾別)する機能を備えていても良い。実施形態の気体分離膜は、少なくとも以下の3つの構成要素:多孔質の支持膜、機能層、および保護層を有する。 In this embodiment, a gas separation membrane refers to a membrane intended to extract a desired gas component from a gas mixture containing at least two gas components. In this specification, a gas separation membrane is also sometimes referred to as a gas separation membrane, and the two terms are used interchangeably. A gas separation membrane may have the function of filtering (separating) solids or liquids from a gas mixture containing the solids or liquids. The gas separation membrane of this embodiment has at least the following three components: a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer.
実施形態の気体分離膜は、その構成要素として多孔質の支持膜を備える。実施形態において、多孔質とは、構造物に複数の穴(孔)が空いている性質のことを指し、好ましくは多数の細孔が空いている性質のことを云う。多孔質材料は、細孔の大きさに応じて、ミクロポーラス材料、メソポーラス材料、マクロポーラス材料があり、本実施形態の多孔質の支持膜としていずれの材料を用いても良い。多孔質材料として、いかなる材料のものを用いても良く、たとえば、活性炭、ゼオライト、メソポーラスシリカ、軽石のほか、天然繊維(綿、麻、毛等)、化学繊維(ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、アセテート、プロミックス、レーヨン、アラミド、ポリアクリロニトリル等)、およびその他の熱可塑性樹脂(ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン等)を用いることができる。実施形態において、多孔質の支持膜は、後述する機能層と保護層とを付着あるいは担持させるための支持部材である。支持膜は、特定の面積を有する板状の硬質または軟質の膜を指すが、本実施形態においては、支持膜の形状は、板状に限らず、板状の膜を丸めた、球状や筒状等の形状であっても良く、本実施形態の気体分離膜の使用の形態に応じて自由に形成することができる。支持膜は、実施形態の気体分離膜の使用の形態に応じて、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの種々の厚さとすることができる。支持膜の厚さは、好ましくは50μm~1cm、さらに好ましくは100μm~5mm、特に好ましくは300μm~1mmである。 The gas separation membrane of the embodiment includes a porous support membrane as a component. In the embodiment, "porous" refers to a structure having multiple holes (pores), preferably a large number of pores. Porous materials include microporous, mesoporous, and macroporous materials depending on the size of the pores, and any of these materials may be used for the porous support membrane of the embodiment. Any material may be used as the porous material, including activated carbon, zeolite, mesoporous silica, and pumice, as well as natural fibers (cotton, linen, wool, etc.), chemical fibers (polyester, polyolefin, polyamide, acetate, promix, rayon, aramid, polyacrylonitrile, etc.), and other thermoplastic resins (polyvinyl alcohol, polysulfone, polyvinylidene fluoride, etc.). In the embodiment, the porous support membrane is a support member for attaching or supporting the functional layer and protective layer described below. The support membrane refers to a plate-like, hard or soft membrane having a specific area. In this embodiment, the shape of the support membrane is not limited to a plate, and it may be a rolled-up plate, spherical, cylindrical, or other shape, and can be freely formed depending on the use of the gas separation membrane of this embodiment. The support membrane can have a variety of thicknesses ranging from micrometers to millimeters, depending on the use of the gas separation membrane of this embodiment. The thickness of the support membrane is preferably 50 μm to 1 cm, more preferably 100 μm to 5 mm, and particularly preferably 300 μm to 1 mm.
多孔質の支持膜として、特に、壁面に微細孔を有する中空形状(ストロー形状)の中空糸膜を用いると、容積あたりの膜面積を大きくすることができて好適である。中空形状の中空糸膜は、内側の面と外側の面の二面を有している。実施形態における多孔質の支持膜として、限外濾過(UF)用中空糸膜や精密濾過用(MF)中空糸膜を用いることができる。中空糸膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を挙げることができる。このようなUF中空糸膜や、MF中空糸膜は、市販のものを適宜入手可能である。 The use of hollow (straw-shaped) hollow fiber membranes with micropores in the wall surface as the porous support membrane is particularly advantageous, as it allows for a larger membrane area per volume. Hollow fiber membranes have two surfaces: an inner surface and an outer surface. In this embodiment, ultrafiltration (UF) hollow fiber membranes and microfiltration (MF) hollow fiber membranes can be used as the porous support membrane. Examples of hollow fiber membrane materials include polyethylene, polypropylene, cellulose acetate, polyacrylonitrile, polyimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, and polyethylene tetrafluoride. Such UF hollow fiber membranes and MF hollow fiber membranes are commercially available.
実施形態の気体分離膜は、その構成要素として機能層と保護層とを備える。機能層は、実施形態の気体分離膜を気体分離膜たらしめる構成要素であり、所望の気体を含む混合気体から所望の気体を選択的に透過させて(あるいは透過させずに)これを分離する機能、あるいは、反対に、所望ではない気体を選択的に透過させて(あるいは透過させずに)これを分離する機能(気体分離機能)を有する層のことである。一方、保護層は、機能層の気体分離機能を低下させるような気体の透過を防止したり抑制したりする機能を有する層であることが好ましい。ここで特定の気体が機能層の気体分離機能を低下させる形態は種々考えられ、たとえば、気体が機能層を構造的に劣化させること、気体が機能層の表面に物理的に付着して混合気体と機能層との接触を妨げること、あるいは、気体が機能層を構成する物質と化学的に反応して機能層の気体分離機能を失わせること、を挙げることができる。実施形態において保護層とは、上記のような機能層の気体分離機能を低下または失活させるような気体を透過させない、または透過を抑制することができる層のことが好ましい。実施形態の気体分離膜において、多孔質の支持膜の一の面に保護層が設けられており、多孔質の支持膜の他の面に機能層が設けられている。ここで多孔質の支持膜の一の面とは、膜のもっとも広い二面のうちの一方の面であり、多孔質の支持膜の他の面とは、一の面に対向する面のことである。実施形態において、保護層と機能層とが接触して積層されておらず、多孔質の支持膜を介してそれぞれ別の面に設けられていることが好ましい。 The gas separation membrane of the embodiment comprises a functional layer and a protective layer as its constituent elements. The functional layer is a constituent element that defines the gas separation membrane of the embodiment. It is a layer that has the function of selectively allowing (or preventing) the permeation of a desired gas from a gas mixture containing the desired gas, thereby separating the desired gas, or conversely, the function of selectively allowing (or preventing) the permeation of an undesired gas (gas separation function). On the other hand, the protective layer is preferably a layer that has the function of preventing or suppressing the permeation of gases that would reduce the gas separation function of the functional layer. A specific gas can reduce the gas separation function of the functional layer in various ways, including the gas structurally deteriorating the functional layer, the gas physically adhering to the surface of the functional layer and preventing contact between the gas mixture and the functional layer, or the gas chemically reacting with a substance constituting the functional layer, thereby losing the gas separation function of the functional layer. In the embodiment, the protective layer is preferably a layer that can prevent or suppress the permeation of gases that would reduce or inactivate the gas separation function of the functional layer. In the gas separation membrane of the embodiment, a protective layer is provided on one surface of the porous support membrane, and a functional layer is provided on the other surface of the porous support membrane. Here, the one surface of the porous support membrane refers to one of the two widest surfaces of the membrane, and the other surface of the porous support membrane refers to the surface opposite the one surface. In the embodiment, it is preferable that the protective layer and the functional layer are not stacked in contact with each other, but are provided on separate surfaces with the porous support membrane interposed between them.
実施形態において、保護層は、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含むことが好ましい。ここでシロキサン類とは、シロキサン結合を繰り返して有する化合物のことを意味し、オリゴマー、あるいはポリマーであって良い。
ここで、シロキサン類は、以下の式(1):
Here, the siloxanes are represented by the following formula (1):
先記の通り、保護層は、機能層の機能を低下させるあるいは失活させるような気体の透過を防止したり抑制したりする機能を有する層であることが好ましい。硫黄酸化物(SOx)や窒素酸化物(NOx)等の気体が含まれた混合気体について、従来の気体分離膜を用いて気体分離操作を行うと、気体分離膜の機能層における気体分離性能が早急に低下するという現象が見られた。このような気体分離機能の低下を防止または抑制するために、本実施形態においては、保護層を多孔質の支持膜を介して機能層と反対側の面に設ける。本実施形態の気体分離膜において、保護層が設けられている側の面から混合気体を透過させた場合に、機能層の気体分離機能を低下させるような気体(たとえばSOxやNOx)の透過が防止され、もって、これらの気体が機能層に接触しないようになる。保護層にこのような機能を発揮させるためには、保護層の厚さを0.1μm~数100μm程度、たとえば0.5μm~500μm、好ましくは1μm~200μm、さらに好ましくは10μm~100μmとすることができる。保護層の厚さが厚すぎると、混合気体の透過性が低下して、効率の良い気体分離が困難になることがあり、他方、保護層の厚さが薄すぎると、多孔質の支持膜の面を均一にムラなく保護層にて覆うことが難しくなる。 As mentioned above, the protective layer is preferably a layer that has the function of preventing or suppressing the permeation of gases that degrade or deactivate the function of the functional layer. When a gas mixture containing gases such as sulfur oxides (SOx) and nitrogen oxides (NOx) is separated using a conventional gas separation membrane, the gas separation performance of the functional layer of the gas separation membrane rapidly deteriorates. To prevent or suppress such a deterioration in gas separation function, in this embodiment, a protective layer is provided on the side opposite the functional layer via a porous support membrane. When a mixed gas is passed through the gas separation membrane of this embodiment from the side on which the protective layer is provided, the permeation of gases that degrade the gas separation function of the functional layer (e.g., SOx and NOx) is prevented, thereby preventing these gases from coming into contact with the functional layer. To enable the protective layer to perform this function, the thickness of the protective layer can be set to approximately 0.1 μm to several hundred μm, for example, 0.5 μm to 500 μm, preferably 1 μm to 200 μm, and more preferably 10 μm to 100 μm. If the protective layer is too thick, the permeability to mixed gases may decrease, making efficient gas separation difficult. On the other hand, if the protective layer is too thin, it will be difficult to uniformly and evenly cover the surface of the porous support membrane with the protective layer.
実施形態において、機能層は、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有することが好ましい。水溶性高分子とは、水に溶解性または易溶性の高分子化合物のことである。本実施形態では、水溶性高分子として、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。 In this embodiment, the functional layer preferably contains a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines. A water-soluble polymer is a polymer compound that is soluble or readily soluble in water. In this embodiment, it is preferable to use at least one water-soluble polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
一方、アルカノールアミン類とは、アルカン骨格にヒドロキシ基とアミノ基とを有する化合物である。本実施形態で用いるアルカノールアミン類は、水溶性であることが好ましい。このような水溶性のアルカノールアミン類として、メタノールアミン、エタノールアミン、プロパノールアミン、ヘプタミノール、ジメチルエタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、N-[2-(ジメチルアミノ)エチル]、N-メチルエタノールアミン、N-[2-(ジエチルアミノ)エチル]エタノールアミン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシメチル、2-ヒドロキシ)-n-プロピル]ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシ、2-ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)-N’-メチル-ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]-N’-メチル-ピペラジン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、およびペンタエチレンヘキサミン(PEHA)等を挙げることができる。 On the other hand, alkanolamines are compounds having a hydroxy group and an amino group in an alkane skeleton. The alkanolamines used in this embodiment are preferably water-soluble. Examples of such water-soluble alkanolamines include methanolamine, ethanolamine, propanolamine, heptaminol, dimethylethanolamine, N-methylethanolamine, N-(2-aminoethyl)ethanolamine, N-[2-(dimethylamino)ethyl], N-methylethanolamine, N-[2-(diethylamino)ethyl]ethanolamine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)piperazine, N-[(1-hydroxymethyl, 2-hydroxy)-n-propyl]piperazine, N Examples of such compounds include N-[(1-hydroxy, 2-hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)-N'-methyl-piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]-N'-methyl-piperazine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylenepentamine (TEPA), and pentaethylenehexamine (PEHA).
本実施形態において水溶性高分子と水溶性のアルカノールアミン類を用いるのは、機能層の形成時に、水溶性高分子と水溶性アルカノールアミン類とを水に溶解し、これを多孔質の支持膜の面に塗布して乾燥させて、水溶性高分子のマトリクス内にアルカノールアミン類が分散した機能層を得るためである。本実施形態において、水溶性アルカノールアミン類が水溶性高分子マトリクス内に分散した機能層は、特に二酸化炭素の分離機能を示す。すなわち、水溶性アルカノールアミン類が水溶性高分子マトリクス内に分散した機能層は、二酸化炭素を選択的に透過させる働きをする。ここで水溶性アルカノールアミン類は、水溶性高分子マトリクス内に1重量%~90重量%含まれていれば良く、二酸化炭素の分離機能をより効果的に発揮させるためには、水溶性アルカノールアミン類は水溶性高分子マトリクス内に10重量%~80重量%、好ましくは30重量%~70重量%、さらに好ましくは40重量%~60重量%含まれている。機能層の厚さは、0.001μm~1000μm、好ましくは0.1μm~100μm、さらに好ましくは0.3μm~5μmとすることができる。機能層の厚さが厚すぎると、気体の透過性が減少し、他方、機能層の厚さが薄すぎると、機能層に欠陥が生じやすくなる。
本実施形態において、多孔質の支持膜と、保護層と、機能層とが、上記の順で積層されていることは重要な技術的特徴である。本実施形態の気体分離膜を使用して、混合気体から所望の気体を分離するためには、混合気体をまず保護層に接触させ、保護層にて機能層の気体分離機能を低下させる気体をブロックし、混合気体を多孔質の支持膜を通過させ、最後に機能層で所望でない気体を分離して、機能層の側の面から所望の気体を得る、ように使用するので、本実施形態の気体分離膜の各層の積層順序は重要である。
The reason why a water-soluble polymer and a water-soluble alkanolamine are used in this embodiment is that, when forming the functional layer, the water-soluble polymer and the water-soluble alkanolamine are dissolved in water, and the solution is applied to the surface of a porous support membrane and dried to obtain a functional layer in which the alkanolamine is dispersed in a water-soluble polymer matrix. In this embodiment, the functional layer in which the water-soluble alkanolamine is dispersed in a water-soluble polymer matrix exhibits a carbon dioxide separation function in particular. In other words, the functional layer in which the water-soluble alkanolamine is dispersed in a water-soluble polymer matrix functions to selectively allow carbon dioxide to permeate. Here, the water-soluble alkanolamine may be contained in the water-soluble polymer matrix at 1 wt % to 90 wt %, and to more effectively exhibit the carbon dioxide separation function, the water-soluble alkanolamine is contained in the water-soluble polymer matrix at 10 wt % to 80 wt %, preferably 30 wt % to 70 wt %, and more preferably 40 wt % to 60 wt %. The thickness of the functional layer can be 0.001 μm to 1000 μm, preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 0.3 μm to 5 μm. If the functional layer is too thick, gas permeability decreases, while if the functional layer is too thin, defects tend to occur in the functional layer.
In this embodiment, the stacking order of the porous support membrane, protective layer, and functional layer is an important technical feature. To separate a desired gas from a mixed gas using the gas separation membrane of this embodiment, the mixed gas is first brought into contact with the protective layer, which blocks gases that reduce the gas separation function of the functional layer, the mixed gas passes through the porous support membrane, and finally the undesired gas is separated by the functional layer, and the desired gas is obtained from the surface on the functional layer side. Therefore, the stacking order of the layers of the gas separation membrane of this embodiment is important.
本発明の二の実施形態は、本発明の一の実施形態の気体分離膜の該保護層を有する一の面に、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を接触させて、該気体分離膜内に二酸化炭素を選択的に通過させ、該機能層を有する他の面から二酸化炭素を取り出す気体分離方法である。実施形態の気体分離方法は、上記の一の実施形態の気体分離膜を用いて行うことが好ましい。上記の通り、一の実施形態の気体分離膜は、多孔質の支持膜の一の面に保護層を有し、他の面に機能層を有する。この保護層を有する一の面に、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を接触させると、混合気体中に含まれた、保護層を透過することができない気体が保護層でその透過を防止され、保護層を透過しにくい気体が保護層でその透過を抑制される。このような気体は、機能層の気体分離機能を低下させる気体である場合がある。このような気体を保護層でブロックし、混合気体からは除かれて、それら以外の混合気体が多孔質の支持膜を透過する。多孔質の支持膜を透過した混合気体は機能層に到達する。機能層には、二酸化炭素の分離機能(二酸化炭素の選択的透過機能)を発揮するアルカノールアミン類が含まれており、機能層に到達した混合気体のうち二酸化炭素のみが機能層を透過する。こうして一の実施形態の気体分離膜の他の面から二酸化炭素を取り出すことができる。本実施形態の気体分離方法は、低温(たとえば0℃)から高温(たとえば100℃)までの広い温度域にて行うことができる。
本実施形態の気体分離方法により、二酸化炭素を含む混合気体から優れた分離能をもって二酸化炭素を分離することが可能となる。一の実施形態の気体分離膜には、好ましくは機能層の機能を低下させるような気体の透過を防止または抑制する保護層が存在しているので、機能層の機能の劣化や失活が起こりにくく、大量の混合気体の処理と長期間にわたる混合気体の処理が可能となる。
A second embodiment of the present invention is a gas separation method in which a mixed gas containing at least carbon dioxide is contacted with one side of the gas separation membrane of one embodiment of the present invention, which has the protective layer, to selectively pass carbon dioxide through the gas separation membrane, and carbon dioxide is extracted from the other side, which has the functional layer. The gas separation method of the embodiment is preferably carried out using the gas separation membrane of the above-mentioned one embodiment. As described above, the gas separation membrane of one embodiment has a protective layer on one side of a porous support membrane and a functional layer on the other side. When a mixed gas containing at least carbon dioxide is contacted with the one side having the protective layer, gases contained in the mixed gas that cannot permeate the protective layer are prevented from permeating by the protective layer, and gases that have difficulty permeating the protective layer are suppressed from permeating by the protective layer. Such gases may reduce the gas separation function of the functional layer. Such gases are blocked by the protective layer and removed from the mixed gas, while the remaining mixed gases permeate through the porous support membrane. The mixed gas that permeates the porous support membrane reaches the functional layer. The functional layer contains alkanolamines that exhibit a carbon dioxide separation function (selective carbon dioxide permeability), and only carbon dioxide from the mixed gas that reaches the functional layer permeates the functional layer. In this way, carbon dioxide can be extracted from the other side of the gas separation membrane of one embodiment. The gas separation method of this embodiment can be performed over a wide temperature range, from low temperatures (e.g., 0°C) to high temperatures (e.g., 100°C).
The gas separation method of this embodiment makes it possible to separate carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide with excellent separation ability. The gas separation membrane of one embodiment preferably has a protective layer that prevents or suppresses the permeation of gases that would degrade the function of the functional layer, making it less likely that the function of the functional layer will deteriorate or be deactivated, and enabling the treatment of large amounts of mixed gas and the treatment of mixed gas over a long period of time.
本発明の三の実施形態は、多孔質の支持膜に、機能層と、保護層とを有する、気体分離膜の製造方法である。気体分離膜の製造方法において、該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成し、次いで該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、機能層を形成する各工程を含むことを特徴とする。三の実施形態により製造する気体分離膜は、多孔質の支持膜に、機能層と、保護層とを有する。本実施形態は、まず、多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成する工程を有する。ここで、多孔質とは、構造物に複数の穴(孔)が空いている性質のことを指し、好ましくは多数の細孔が空いている性質のことを云う。多孔質材料は、細孔の大きさに応じて、ミクロポーラス材料、メソポーラス材料、マクロポーラス材料があり、本実施形態の多孔質の支持膜としていずれの材料を用いても良い。多孔質材料として、いかなる材料のものを用いても良く、たとえば、活性炭、ゼオライト、メソポーラスシリカ、軽石のほか、天然繊維(綿、麻、毛等)、化学繊維(ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、アセテート、プロミックス、レーヨン、アラミド、ポリアクリロニトリル等)、およびその他の熱可塑性樹脂(ポリビニルアルコール、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン等)を用いることができる。実施形態において、多孔質の支持膜は、後述する保護層と機能層とを付着あるいは担持させるための支持部材である。支持膜は、特定の面積を有する板状の硬質または軟質の膜を指すが、実施形態において支持膜の形状は、板状に限らず、板状の膜を丸めた、球状や筒状等の形状であっても良く、本実施形態の気体分離膜の使用の形態に応じて自由に形成することができる。支持膜は、実施形態の気体分離膜の使用の形態に応じて、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの種々の厚さとすることができる。支持膜の厚さは、好ましくは50μm~1cm、さらに好ましくは100μm~5mm、特に好ましくは300μm~1mmである。多孔質の支持膜として、特に、壁面に微細孔を有する中空形状(ストロー形状)の中空糸膜を用いると、容積あたりの膜面積を大きくすることができて好適である。中空形状の中空糸膜は、内側の面と外側の面の二面を有している。多孔質の支持膜として、限外濾過用(UF)中空糸膜や精密濾過用(MF)中空糸膜を用いることができる。中空糸膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を挙げることができる。このようなUF中空糸膜や、MF中空糸膜は、市販のものを適宜入手可能である。 A third embodiment of the present invention is a method for producing a gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer. The method includes the steps of: applying a mixture containing siloxanes, optionally a polyolefin, and a crosslinking agent to one side of the porous support membrane, heating the mixture to form the protective layer; and then applying an aqueous solution containing a water-soluble polymer, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to the other side of the porous support membrane, and drying the mixture to form the functional layer. The gas separation membrane produced by the third embodiment has a functional layer and a protective layer on the porous support membrane. This embodiment includes the steps of first applying a mixture containing siloxanes, optionally a polyolefin, and a crosslinking agent to one side of the porous support membrane, heating the mixture to form the protective layer. Here, "porous" refers to a structure having multiple holes (pores), preferably a structure having numerous pores. Porous materials include microporous materials, mesoporous materials, and macroporous materials depending on the pore size, and any of these materials may be used for the porous support membrane of this embodiment. Any material may be used as the porous material, including activated carbon, zeolite, mesoporous silica, and pumice, as well as natural fibers (cotton, linen, wool, etc.), chemical fibers (polyester, polyolefin, polyamide, acetate, promix, rayon, aramid, polyacrylonitrile, etc.), and other thermoplastic resins (polyvinyl alcohol, polysulfone, polyvinylidene fluoride, etc.). In this embodiment, the porous support membrane is a support member for attaching or supporting the protective layer and functional layer described below. The support membrane refers to a plate-like hard or soft membrane having a specific area. However, in this embodiment, the shape of the support membrane is not limited to a plate-like shape and may be a rolled-up plate-like membrane, a spherical shape, a cylindrical shape, or other shape, and can be freely formed depending on the use form of the gas separation membrane of this embodiment. The support membrane can have a thickness ranging from micrometers to millimeters depending on the intended use of the gas separation membrane of the embodiment. The thickness of the support membrane is preferably 50 μm to 1 cm, more preferably 100 μm to 5 mm, and particularly preferably 300 μm to 1 mm. Using a hollow (straw-shaped) hollow fiber membrane with micropores in the wall as the porous support membrane is particularly advantageous, as it allows for a large membrane area per volume. Hollow-shaped hollow fiber membranes have two surfaces: an inner surface and an outer surface. Ultrafiltration (UF) hollow fiber membranes and microfiltration (MF) hollow fiber membranes can be used as the porous support membrane. Examples of hollow fiber membrane materials include polyethylene, polypropylene, cellulose acetate, polyacrylonitrile, polyimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, and polyethylene tetrafluoride. Such UF hollow fiber membranes and MF hollow fiber membranes are commercially available.
多孔質の支持膜の一の面に設ける保護層は、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含むことが好ましい。そこで、まずシロキサン結合を繰り返して有する化合物(オリゴマーまたはポリマー)であるシロキサン類と、架橋剤とを含む混合物を作製し、これを多孔質の支持膜の一の面に塗布し、加熱してシロキサン類を架橋させ、シロキサン類の架橋体を含む保護層を形成することができる。保護層を形成する際に、シロキサン類と架橋剤の他にポリオレフィンを含んだ混合物を塗布しても良い。多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類とポリオレフィンと架橋剤とを含む混合物を塗布して加熱した場合は、シロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含む保護層が形成される。多孔質の支持膜の一の面にシロキサン類と架橋剤の混合物を塗布する方法は、スプレー噴霧法、キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スピンコーティング法等の従来から行われている公知の方法により行うことができる。シロキサン類(および場合によりポリオレフィン)を架橋させるための加熱は、オーブン、乾燥機等の従来から公知の加熱手段を適宜用いて行うことができる。 The protective layer formed on one side of the porous support film preferably contains a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of siloxanes and polyolefin. Therefore, a mixture containing siloxanes (oligomers or polymers) with repeating siloxane bonds and a crosslinker is first prepared. This mixture is then applied to one side of the porous support film and heated to crosslink the siloxanes, forming a protective layer containing the crosslinked siloxanes. When forming the protective layer, a mixture containing a polyolefin in addition to the siloxanes and crosslinker may also be applied. When a mixture containing siloxanes, polyolefin, and a crosslinker is applied to one side of the porous support film and heated, a protective layer containing a crosslinked mixture of siloxanes and polyolefin is formed. The mixture of siloxanes and a crosslinker can be applied to one side of the porous support film by conventional methods such as spraying, casting, dipping, screen printing, doctor blade coating, and spin coating. Heating to crosslink the siloxanes (and optionally the polyolefin) can be carried out using conventionally known heating means such as an oven or dryer.
実施形態で用いるシロキサン類として、以下の式(1):
この工程で形成される保護層は、機能層の機能を低下させるあるいは失活させるような気体の透過を防止したり抑制したりする機能を有する層であることが好ましい。気体分離を行う混合気体中に、特に硫黄酸化物(SOx)や窒素酸化物(NOx)等の気体が含まれている場合、気体分離膜の機能層における気体分離性能が早急に低下するという現象を防ぐために、多孔質の支持膜の一の面に保護層を設ける。本実施形態で製造される気体分離膜において、保護層が設けられている側の面から混合気体を透過させた場合に、機能層の気体分離機能を低下させるような気体(たとえばSOxやNOx)の透過が防止され、もって、これらの気体が機能層に到達しないようになる。なお、本実施形態において保護層の厚さは0.1μm~数100μm程度、たとえば0.55μm~500μm、好ましくは1μm~200μm、さらに好ましくは10μm~100μmとすることができる。 The protective layer formed in this process preferably functions to prevent or inhibit the permeation of gases that would impair or deactivate the functionality of the functional layer. When the mixed gas to be separated contains gases, particularly sulfur oxides (SOx) and nitrogen oxides (NOx), a protective layer is provided on one side of the porous support membrane to prevent a rapid deterioration in the gas separation performance of the functional layer of the gas separation membrane. When a mixed gas is passed through the gas separation membrane manufactured in this embodiment from the side on which the protective layer is provided, the permeation of gases that would impair the gas separation function of the functional layer (e.g., SOx and NOx) is prevented, thereby preventing these gases from reaching the functional layer. In this embodiment, the thickness of the protective layer can be approximately 0.1 μm to several hundred μm, for example, 0.55 μm to 500 μm, preferably 1 μm to 200 μm, and more preferably 10 μm to 100 μm.
本実施形態は、次いで、多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、機能層を形成する工程を有する。ここで水溶性高分子とは、水に溶解性または易溶性の高分子化合物のことである。本実施形態では、水溶性高分子として、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。 This embodiment then includes a step of applying an aqueous solution containing a water-soluble polymer, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to the other surface of the porous support membrane, followed by drying to form a functional layer. Here, a water-soluble polymer refers to a polymer compound that is soluble or readily soluble in water. In this embodiment, it is preferable to use at least one water-soluble polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
一方、アルカノールアミン類とは、アルカン骨格にヒドロキシ基とアミノ基とを有する化合物である。本実施形態で用いるアルカノールアミン類は、水溶性であることが好ましい。このような水溶性のアルカノールアミン類として、メタノールアミン、エタノールアミン、プロパノールアミン、ヘプタミノール、ジメチルエタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、N-[2-(ジメチルアミノ)エチル]、N-メチルエタノールアミン、N-[2-(ジエチルアミノ)エチル]エタノールアミン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシメチル、2-ヒドロキシ)-n-プロピル]ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシ、2-ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)-N’-メチル-ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]-N’-メチル-ピペラジン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、およびペンタエチレンヘキサミン(PEHA)等を挙げることができる。 On the other hand, alkanolamines are compounds having a hydroxy group and an amino group in an alkane skeleton. The alkanolamines used in this embodiment are preferably water-soluble. Examples of such water-soluble alkanolamines include methanolamine, ethanolamine, propanolamine, heptaminol, dimethylethanolamine, N-methylethanolamine, N-(2-aminoethyl)ethanolamine, N-[2-(dimethylamino)ethyl], N-methylethanolamine, N-[2-(diethylamino)ethyl]ethanolamine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)piperazine, N-[(1-hydroxymethyl, 2-hydroxy)-n-propyl]piperazine, N Examples of such compounds include N-[(1-hydroxy, 2-hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)-N'-methyl-piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]-N'-methyl-piperazine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylenepentamine (TEPA), and pentaethylenehexamine (PEHA).
水溶性アルカノールアミン類は、水溶性高分子マトリクス内に1重量%~90重量%含まれていれば良く、二酸化炭素気体の分離機能をより効果的に発揮するためには、10重量%~80重量%、好ましくは30重量%~70重量%、さらに好ましくは40重量%~60重量%含まれている。そこで、このような機能層を形成するために、水の重量に対して0.1%-50%、好ましくは1%-30%の水溶性アルカノールアミンと、0.01%-20%、好ましくは0.1%-10%の水溶性高分子とを溶解させて、この混合水溶液を多孔質の支持膜の他の面に塗布することができる。 The water-soluble alkanolamines should be contained in the water-soluble polymer matrix at 1% to 90% by weight. To more effectively achieve carbon dioxide gas separation functionality, the content should be 10% to 80% by weight, preferably 30% to 70% by weight, and more preferably 40% to 60% by weight. Therefore, to form such a functional layer, 0.1% to 50%, preferably 1% to 30%, of the water-soluble alkanolamine and 0.01% to 20%, preferably 0.1% to 10%, of the water-soluble polymer can be dissolved in water by weight, and this mixed aqueous solution can be applied to the other side of the porous support membrane.
ここで水溶性高分子と水溶性アルカノールアミンを溶解させる溶媒は、主成分として水を含んでいれば、たとえば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフランおよびこれらの1以上の混合物を含んでいても良い。本明細書で、水溶性高分子と水溶性アルカノールアミンを溶解させる「水」という場合、主成分である水の他に、上記の成分を含有する場合を含むものとする。水溶性高分子と水溶性アルカノールアミン類とを水に溶解し、好ましくはこの混合物を公知の方法(たとえば撹拌子、スターラーによる撹拌、撹拌羽根による撹拌、振盪機による撹拌、超音波による撹拌)によりよく撹拌し、概ね均一な混合水溶液を得、この混合水溶液を多孔質の支持膜の面に塗布して乾燥させて、水溶性高分子のマトリクス内にアルカノールアミン類が分散した機能層を形成することができる。この際、多孔質の支持膜上への混合水溶液の塗布は、スプレー噴霧法、キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スピンコーティング法等の従来から行われている公知の方法により行うことができる。塗布した混合水溶液を乾燥させる方法は、大気下での放置や、各種オーブンやドライヤーによる乾燥等の公知の方法により行えば良く、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性気体下にて乾燥を行うこともできる。こうして形成した機能層の厚さは、0.001μm~1000μm、好ましくは0.1μm~100μm、さらに好ましくは0.3μm~5μmとすることができる。本実施形態において、水溶性のアルカノールアミン類が水溶性高分子マトリクス内に分散した機能層は、特に二酸化炭素気体の分離機能(二酸化炭素の選択的透過機能)を発揮することができる。 The solvent used to dissolve the water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine contains water as the primary component, and may include, for example, methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylacetamide, tetrahydrofuran, or a mixture of one or more of these. In this specification, the term "water" used to dissolve the water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine includes the case where the water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine contain the above-mentioned components in addition to the primary component water. The water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine are dissolved in water, and the mixture is preferably stirred thoroughly by a known method (e.g., stirring with a stirrer or stirrer blade, stirring with a shaker, or ultrasonic stirring) to obtain a substantially uniform aqueous mixture. This aqueous mixture can then be applied to the surface of a porous support film and dried to form a functional layer in which the alkanolamine is dispersed within the water-soluble polymer matrix. The aqueous mixture can be applied to the porous support film by conventional methods such as spraying, casting, dipping, screen printing, doctor blade coating, and spin coating. The applied mixed aqueous solution can be dried by known methods such as leaving it in the atmosphere or drying it in various ovens or dryers. It can also be dried under an inert gas such as helium, argon, or nitrogen. The thickness of the functional layer thus formed can be 0.001 μm to 1000 μm, preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 0.3 μm to 5 μm. In this embodiment, the functional layer in which water-soluble alkanolamines are dispersed within a water-soluble polymer matrix is particularly capable of exhibiting a carbon dioxide gas separation function (selective carbon dioxide permeability).
本実施形態において、まず多孔質の支持膜の一の面に保護層を形成し、次いで多孔質の支持膜の他の面に機能層を形成することが重要である。このような順序で多孔質の支持膜の両面に保護層と機能層とを形成することにより、ムラ等のない安定した両層を設けることができる。
なお、図1には、本実施形態の気体分離膜の製造方法の各工程と順序を示す。
In this embodiment, it is important to first form a protective layer on one side of the porous support film, and then form a functional layer on the other side of the porous support film. By forming the protective layer and the functional layer on both sides of the porous support film in this order, both layers can be provided stably without unevenness.
FIG. 1 shows the steps and the order of the steps in the method for producing a gas separation membrane of this embodiment.
本発明の四の実施形態は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入する、混合気体入口と、
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器の内部に、気体分離膜を1つ以上配置した、気体分離膜モジュールである。本実施形態の気体分離膜モジュールにおいて、該気体分離膜は、中空糸膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含んだ保護層を有し、該中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する機能層を有することを特徴とする。本発明の四の実施形態の気体分離膜モジュールは、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入する、混合気体入口と、混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、を備えたモジュール容器を構成要素として備える。モジュール容器は、その内部に、後述する気体分離膜を1つ以上配置することができるような筐体である。モジュール容器の形状は、直方体や立方体等の角柱体や、円柱体、球体等のいかなる形状であっても良く、モジュール容器の材質は、金属、プラスチック、樹脂等であって良い。モジュール容器は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入するための混合気体入口と、混合気体から分離された二酸化炭素を排出するための二酸化炭素排出口と、混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出するための分離気体排出口と、を備える。混合気体入口からモジュール容器内部に導入された混合気体は、後述する、モジュール容器の内部に配置された1つ以上の気体分離膜を透過し、ここで二酸化炭素と、二酸化炭素が分離された分離気体とに分けられ、二酸化炭素は二酸化炭素排出口から排出され、分離気体は分離気体排出口から排出される。
図2には、本実施形態の気体分離膜モジュールの例を示す。図2中、1は気体分離膜モジュール;2はモジュール容器、21は混合気体入口;22は二酸化炭素排出口;23は分離気体排出口;24はスイープガス導入口である。
A fourth embodiment of the present invention provides a gas mixture inlet for introducing a gas mixture containing at least carbon dioxide;
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
and a gas separation membrane module having one or more gas separation membranes disposed inside the module container. In the gas separation membrane module of this embodiment, the gas separation membrane has a protective layer containing a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of a siloxane and a polyolefin on one side of the hollow fiber membrane, and a functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines on the other side of the hollow fiber membrane. A gas separation membrane module of a fourth embodiment of the present invention comprises, as a component, a module container having a mixed gas inlet for introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide, a carbon dioxide outlet for discharging carbon dioxide separated from the mixed gas, and a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas in which carbon dioxide has been separated from the mixed gas. The module container is a housing in which one or more gas separation membranes described below can be disposed. The module container may have any shape, such as a prismatic shape such as a rectangular parallelepiped or a cube, a cylindrical shape, or a spherical shape, and may be made of a material such as metal, plastic, or resin. The module container includes a mixed gas inlet for introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide, a carbon dioxide outlet for discharging carbon dioxide separated from the mixed gas, and a separated gas outlet for discharging the separated mixed gas in which carbon dioxide has been separated from the mixed gas. The mixed gas introduced into the module container from the mixed gas inlet permeates one or more gas separation membranes, which will be described later, arranged inside the module container, where it is separated into carbon dioxide and a separated gas from which the carbon dioxide has been separated. The carbon dioxide is discharged from the carbon dioxide outlet, and the separated gas is discharged from the separated gas outlet.
An example of a gas separation membrane module of this embodiment is shown in Figure 2. In Figure 2, 1 is a gas separation membrane module, 2 is a module container, 21 is a mixed gas inlet, 22 is a carbon dioxide outlet, 23 is a separated gas outlet, and 24 is a sweep gas inlet.
ここで、モジュール容器内部に配置される気体分離膜は、中空糸膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含んだ保護層を有し、該中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する機能層を有する。気体分離膜の支持体として用いられる中空糸膜は、壁面に微細孔を有する中空形状(ストロー形状)の膜である。中空形状の中空糸膜は、内側の面と外側の面の二面を有している。中空糸膜の厚さは、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの種々のものを使用することができ、たとえば、10μm~1mm、好ましくは30μm~800μm、さらに好ましくは50μm~500μmとすることができる。なお、中空糸膜として、限外濾過用(UF)中空糸膜や精密濾過用(MF)中空糸膜を用いることができる。中空糸膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を挙げることができる。このようなUF中空糸膜や、MF中空糸膜は、市販のものを適宜入手可能である。 The gas separation membrane placed inside the module container has a protective layer containing a crosslinked siloxane or a crosslinked mixture of a siloxane and a polyolefin on one side of the hollow fiber membrane, and a functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines on the other side of the hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane used as a support for the gas separation membrane is a hollow (straw-shaped) membrane with micropores in the wall. The hollow fiber membrane has two surfaces: an inner surface and an outer surface. The thickness of the hollow fiber membrane can vary from micrometers to millimeters, for example, 10 μm to 1 mm, preferably 30 μm to 800 μm, and more preferably 50 μm to 500 μm. Ultrafiltration (UF) hollow fiber membranes and microfiltration (MF) hollow fiber membranes can be used. Examples of materials for hollow fiber membranes include polyethylene, polypropylene, cellulose acetate, polyacrylonitrile, polyimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, and polyethylene tetrafluoride. Such UF hollow fiber membranes and MF hollow fiber membranes are commercially available.
本実施形態において用いられる気体分離膜は、中空糸膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含んだ保護層を有する。保護層は、機能層の気体分離機能を低下させるような気体の透過を防止したり抑制したりする機能を有する層であることが好ましい。実施形態において、保護層は、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含むことが好ましい。ここでシロキサン類とは、シロキサン結合を繰り返して有する化合物のことを意味し、オリゴマー、あるいはポリマーであって良い。ここでシロキサン類は、以下の式(1):
一方、本実施形態において用いられる気体分離膜は、中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する機能層を有する。機能層は、所望の気体を含む混合気体から所望の気体を分離する機能、あるいは、反対に、所望ではない気体を分離する機能(気体分離機能)を有する層である。ここで水溶性高分子とは、水に溶解性または易溶性の高分子化合物のことであり、本実施形態では、水溶性高分子として、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。 On the other hand, the gas separation membrane used in this embodiment has a functional layer on both sides of the hollow fiber membrane, which contains a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines. The functional layer is a layer that has the function of separating a desired gas from a gas mixture containing the desired gas, or conversely, the function of separating undesired gases (gas separation function). Here, a water-soluble polymer refers to a polymer compound that is soluble or easily soluble in water. In this embodiment, it is preferable to use at least one water-soluble polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
一方、アルカノールアミン類とは、アルカン骨格にヒドロキシ基とアミノ基とを有する化合物であり、本実施形態で用いるアルカノールアミン類は、水溶性であることが好ましい。このような水溶性のアルカノールアミン類として、メタノールアミン、エタノールアミン、プロパノールアミン、ヘプタミノール、ジメチルエタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、N-[2-(ジメチルアミノ)エチル]、N-メチルエタノールアミン、N-[2-(ジエチルアミノ)エチル]エタノールアミン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシメチル、2-ヒドロキシ)-n-プロピル]ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシ、2-ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)-N’-メチル-ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]-N’-メチル-ピペラジン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、およびペンタエチレンヘキサミン(PEHA)等を挙げることができる。 On the other hand, alkanolamines are compounds having a hydroxy group and an amino group in an alkane skeleton, and the alkanolamines used in this embodiment are preferably water-soluble. Examples of such water-soluble alkanolamines include methanolamine, ethanolamine, propanolamine, heptaminol, dimethylethanolamine, N-methylethanolamine, N-(2-aminoethyl)ethanolamine, N-[2-(dimethylamino)ethyl], N-methylethanolamine, N-[2-(diethylamino)ethyl]ethanolamine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)piperazine, N-[(1-hydroxymethyl,2-hydroxy)-n-propyl]piperazine, N Examples of such compounds include N-[(1-hydroxy, 2-hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)-N'-methyl-piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]-N'-methyl-piperazine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylenepentamine (TEPA), and pentaethylenehexamine (PEHA).
本実施形態において、機能層は、水溶性のアルカノールアミン類が水溶性高分子マトリクス内に分散した層となっている。このような機能層は、特に二酸化炭素気体の分離機能を発揮することができる。水溶性アルカノールアミン類は、水溶性高分子マトリクス内に1重量%-90重量%含まれていれば良く、二酸化炭素気体の分離機能をより効果的に発揮するためには、10重量%~80重量%、好ましくは30重量%~70重量%、さらに好ましくは40重量%~60重量%含まれている。機能層の厚さは、0.001μm~1000μm、好ましくは0.1μm~100μm、さらに好ましくは0.3μm~5μmとすることができる。
本実施形態において、中空糸膜の一の面に保護層が形成され、二の面に機能層が形成されている構造は、重要な技術的特徴である。本実施形態の気体分離膜モジュールは、内部に配置されている気体分離膜の保護層にまず混合気体を接触させ、保護層にて機能層の気体分離機能を低下させる気体をブロックし、混合気体を中空糸膜を通過させ、最後に機能層で所望でない気体を分離して、機能層の側の面から所望の気体を得る、ように使用するので、本実施形態に使用されている気体分離膜の各層の構成順序は重要である。なお、本実施形態において、中空糸膜の内側の面に機能層が形成され、外側の面に保護層が形成されていることが特に好ましいが、気体分離膜モジュールの使用に態様に応じて、中空糸膜の外側の面に機能層が設けられ、内側の面に保護層が形成されていても良い。
図3は、本実施形態において用いられる気体分離膜の例である。図3には、中空糸膜の内側の面に機能層が形成され、外側の面に保護層が形成されている気体分離膜の断面図が示されている。図3の気体分離膜において、二酸化炭素、窒素、二酸化硫黄等を含む硫黄酸化物あるいは窒素酸化物が含まれた混合気体をまず気体分離膜の保護層の側に接触させる。保護層は、機能層の気体分離機能を低下させる気体(硫黄酸化物、窒素酸化物等)をブロックし、その他の気体は中空糸膜を通過する。次いで機能層では所望の気体(二酸化炭素)以外の気体(窒素等)を分離して、機能層の側から二酸化炭素を得ることができる。
In this embodiment, the functional layer is a layer in which water-soluble alkanolamines are dispersed within a water-soluble polymer matrix. Such a functional layer is particularly capable of separating carbon dioxide gas. The water-soluble alkanolamines may be contained in the water-soluble polymer matrix at a concentration of 1% to 90% by weight. To more effectively separate carbon dioxide gas, the water-soluble alkanolamines are contained at 10% to 80% by weight, preferably 30% to 70% by weight, and more preferably 40% to 60% by weight. The thickness of the functional layer can be 0.001 μm to 1000 μm, preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 0.3 μm to 5 μm.
In this embodiment, the structure in which a protective layer is formed on one surface of the hollow fiber membrane and a functional layer is formed on the second surface is an important technical feature. The gas separation membrane module of this embodiment is used in such a way that a mixed gas is first brought into contact with the protective layer of the gas separation membrane arranged inside, the protective layer blocks gases that reduce the gas separation function of the functional layer, the mixed gas passes through the hollow fiber membrane, and finally the functional layer separates undesired gases, obtaining the desired gas from the surface facing the functional layer. Therefore, the order of construction of the layers of the gas separation membrane used in this embodiment is important. Note that in this embodiment, it is particularly preferable that a functional layer is formed on the inner surface of the hollow fiber membrane and a protective layer is formed on the outer surface. However, depending on the use mode of the gas separation membrane module, a functional layer may be provided on the outer surface of the hollow fiber membrane and a protective layer may be formed on the inner surface.
Figure 3 shows an example of a gas separation membrane used in this embodiment. Figure 3 shows a cross-sectional view of a gas separation membrane in which a functional layer is formed on the inner surface of a hollow fiber membrane and a protective layer is formed on the outer surface. In the gas separation membrane of Figure 3, a mixed gas containing sulfur oxides or nitrogen oxides, including carbon dioxide, nitrogen, and sulfur dioxide, is first brought into contact with the protective layer side of the gas separation membrane. The protective layer blocks gases (sulfur oxides, nitrogen oxides, etc.) that reduce the gas separation function of the functional layer, while other gases pass through the hollow fiber membrane. Next, the functional layer separates gases (nitrogen, etc.) other than the desired gas (carbon dioxide), allowing carbon dioxide to be obtained from the functional layer side.
このような中空糸膜を利用した気体分離膜の1つ以上が、モジュール容器内部に配置されている。気体分離膜はモジュール容器内部にどのように配置しても良く、規則的に並列させたり、円形に配列したり、モジュール容器内部に隙間をあけて、あるいは隙間をあけずに配置させたりすることができる。 One or more gas separation membranes using such hollow fiber membranes are arranged inside the module container. The gas separation membranes may be arranged in any manner inside the module container, such as in regular parallel rows, in a circular arrangement, or with or without gaps inside the module container.
本発明の五の実施形態は、上記の四の実施形態の気体分離膜モジュールの、該混合気体入口から、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入し、該気体分離膜の一の面に、該混合気体を接触させて、該気体分離膜内に二酸化炭素を選択的に通過させ、該気体分離膜の二の面から二酸化炭素を取り出し、取り出した二酸化炭素を該二酸化炭素排出口から排出し、該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を該分離気体排出口から排出する各工程を含む、混合気体から二酸化炭素を分離する方法である。まず、四の実施形態の気体分離膜モジュールの混合気体入口から、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体をモジュール容器内に導入する。導入された混合気体を気体分離膜の一の面、すなわち保護層が形成された面に接触させて混合気体を気体分離膜に透過させる。ここで保護層に接触した混合気体のうち、保護層にて透過を防止または抑制された気体は中空糸膜を透過することができずに分離気体となる。一方、保護層を透過した気体は中空糸膜を透過して気体分離膜の二の面、すなわち機能層に到達する。機能層に到達した混合気体のうち、二酸化炭素のみが機能層を透過して、その他の気体は透過することができずに分離気体となる。こうして機能層が形成された面から二酸化炭素が取り出される。こうして取り出した二酸化炭素は二酸化炭素排出口から二酸化炭素を排出し、混合気体から二酸化炭素を分離した残りの分離気体は分離気体排出口から排出する。こうして四の実施形態の気体分離膜モジュールを利用して、混合気体から二酸化炭素を選択的に分離することができる。本実施形態の気体分離方法は、低温(たとえば0℃)から高温(たとえば100℃)までの広い温度域にて行うことができる。 A fifth embodiment of the present invention is a method for separating carbon dioxide from a mixed gas, comprising the steps of: introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide through the mixed gas inlet of the gas separation membrane module of the fourth embodiment; contacting the mixed gas with one surface of the gas separation membrane to selectively pass carbon dioxide through the gas separation membrane; extracting carbon dioxide from the second surface of the gas separation membrane; discharging the extracted carbon dioxide through the carbon dioxide outlet; and discharging a separated mixed gas in which carbon dioxide has been separated from the mixed gas through the separated gas outlet. First, a mixed gas containing at least carbon dioxide is introduced into the module container through the mixed gas inlet of the gas separation membrane module of the fourth embodiment. The introduced mixed gas is brought into contact with one surface of the gas separation membrane, i.e., the surface on which the protective layer is formed, allowing the mixed gas to permeate the gas separation membrane. Of the mixed gas that comes into contact with the protective layer, gases whose permeation is prevented or suppressed by the protective layer are unable to permeate the hollow fiber membrane and become separated gases. Meanwhile, the gas that has permeated the protective layer permeates the hollow fiber membrane and reaches the second surface of the gas separation membrane, i.e., the functional layer. Of the mixed gas that reaches the functional layer, only carbon dioxide permeates the functional layer, while the other gases cannot permeate and become separated gases. In this way, carbon dioxide is extracted from the surface on which the functional layer is formed. The extracted carbon dioxide is discharged through a carbon dioxide outlet, and the remaining separated gas after carbon dioxide has been separated from the mixed gas is discharged through a separated gas outlet. In this way, carbon dioxide can be selectively separated from a mixed gas using the gas separation membrane module of the fourth embodiment. The gas separation method of this embodiment can be performed over a wide temperature range, from low temperatures (e.g., 0°C) to high temperatures (e.g., 100°C).
本発明の六の実施形態は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入する、混合気体入口と、
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器内部に、
中空糸膜の一面に、保護層を有し、
該中空糸膜の二の面に、機能層を有する気体分離膜を、1つ以上配置した、気体分離膜モジュールの製造方法である。本実施形態において、まずモジュール容器内部に、中空糸膜を1つ以上配置する工程を有する。ここでモジュール容器は、その内部に、中空糸膜を1つ以上配置することができるような筐体である。モジュール容器の形状は、直方体や立方体等の角柱体や、円柱体、球体等のいかなる形状であっても良く、モジュール容器の材質は、金属、プラスチック、樹脂等であって良い。モジュール容器は、少なくとも二酸化炭素を含む混合気体を導入するための混合気体入口と、混合気体から分離された二酸化炭素を排出するための二酸化炭素排出口と、混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出するための分離気体排出口と、を備えるものである。このようなモジュール容器内部に、中空糸膜を1つ以上配置する。ここで中空糸膜は、壁面に微細孔を有する中空形状(ストロー形状)の膜である。中空形状の中空糸膜は、内側の面と外側の面の二面を有している。中空糸膜の厚さは、マイクロメートルからミリメートルオーダーまでの種々のものを使用することができ、たとえば、10μm~1mm、好ましくは30μm~800μm、さらに好ましくは50μm~500μmとすることができる。なお、中空糸膜として、限外濾過用(UF)中空糸膜や精密濾過用(MF)中空糸膜を用いることができる。中空糸膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を挙げることができる。このようなUF中空糸膜や、MF中空糸膜は、市販のものを適宜入手可能である。中空糸膜は、モジュール容器内部にどのように配置しても良く、たとえば規則的に並列させたり、円形に配列したり、モジュール容器内部に隙間をあけて、あるいは隙間をあけずに配置させたりすることができる。
A sixth embodiment of the present invention provides a gas mixture inlet for introducing a gas mixture containing at least carbon dioxide;
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
Inside the module container,
A protective layer is provided on one side of the hollow fiber membrane,
This is a method for producing a gas separation membrane module in which one or more gas separation membranes having functional layers are arranged on two surfaces of the hollow fiber membranes. In this embodiment, the method first includes a step of arranging one or more hollow fiber membranes inside a module container. Here, the module container is a housing capable of arranging one or more hollow fiber membranes inside. The module container may have any shape, such as a prismatic shape such as a rectangular parallelepiped or cube, a cylindrical shape, or a sphere, and may be made of metal, plastic, resin, or the like. The module container includes a mixed gas inlet for introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide, a carbon dioxide outlet for discharging carbon dioxide separated from the mixed gas, and a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas in which carbon dioxide has been separated from the mixed gas. One or more hollow fiber membranes are arranged inside such a module container. Here, the hollow fiber membrane is a hollow (straw-shaped) membrane having micropores in the wall surface. The hollow hollow fiber membrane has two surfaces, an inner surface and an outer surface. The thickness of the hollow fiber membrane can vary from micrometers to millimeters, for example, 10 μm to 1 mm, preferably 30 μm to 800 μm, and more preferably 50 μm to 500 μm. Ultrafiltration (UF) hollow fiber membranes and microfiltration (MF) hollow fiber membranes can be used. Examples of hollow fiber membrane materials include polyethylene, polypropylene, cellulose acetate, polyacrylonitrile, polyimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, and polyethylene tetrafluoride. Commercially available UF and MF hollow fiber membranes are available. The hollow fiber membranes may be arranged in any manner within the module container, such as in a regular array, a circular arrangement, or with or without gaps within the module container.
本実施形態は、次いで、モジュール容器内部に配置した中空糸膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、保護層を形成する工程を有する。シロキサン結合を繰り返して有する化合物(オリゴマーまたはポリマー)であるシロキサン類と、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱してシロキサン類を架橋させ、シロキサン類の架橋体を含む保護層を形成することができる。保護層を形成する際に、シロキサン類と架橋剤の他にポリオレフィンを含んだ混合物を塗布しても良い。中空糸膜の一の面に、シロキサン類とポリオレフィンと架橋剤とを含む混合物を塗布して加熱した場合は、シロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含む保護層が形成される。中空糸膜の一の面にシロキサン類と架橋剤の混合物を塗布する方法は、スプレー噴霧法、キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スピンコーティング法等の従来から行われている公知の方法により行うことができる。シロキサン類(および場合によりポリオレフィン)を架橋させるための加熱は、オーブン、乾燥機等の従来から公知の加熱手段を適宜用いて行うことができる。実施形態で用いるシロキサン類として、以下の式(1):
本実施形態は、次いで、中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、該機能層を形成する工程を有する。ここで水溶性高分子とは、水に溶解性または易溶性の高分子化合物のことである。本実施形態では、水溶性高分子として、ポリビニルアルコール類、ポリアクリル酸類、ポリエチレングリコール類、ポリビニルピロリドン類、ポリアミン類、多糖類、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。 This embodiment then includes a step of applying an aqueous solution containing a water-soluble polymer, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to the second surface of the hollow fiber membrane, followed by drying to form the functional layer. Here, a water-soluble polymer refers to a polymer compound that is soluble or readily soluble in water. In this embodiment, it is preferable to use at least one water-soluble polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohols, polyacrylic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyamines, polysaccharides, and copolymers thereof.
一方、アルカノールアミン類とは、アルカン骨格にヒドロキシ基とアミノ基とを有する化合物である。本実施形態で用いるアルカノールアミン類は、水溶性であることが好ましい。このような水溶性のアルカノールアミン類として、メタノールアミン、エタノールアミン、プロパノールアミン、ヘプタミノール、ジメチルエタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、N-[2-(ジメチルアミノ)エチル]、N-メチルエタノールアミン、N-[2-(ジエチルアミノ)エチル]エタノールアミン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシメチル、2-ヒドロキシ)-n-プロピル]ピペラジン、N-[(1-ヒドロキシ、2-ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-(1,2-ジヒドロキシ-n-プロピル)-N’-メチル-ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]ピペラジン、N-[1,2-ビス(ヒドロキシメチル)-n-プロピル]-N’-メチル-ピペラジン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、およびペンタエチレンヘキサミン(PEHA)等を挙げることができる。水溶性アルカノールアミン類は、水溶性高分子マトリクス内に1重量%~90重量%含まれていれば良く、二酸化炭素気体の分離機能をより効果的に発揮するためには、10重量%~80重量%、好ましくは30重量%~70重量%、さらに好ましくは40重量%~60重量%含まれている。そこで、このような機能層を形成するために、水の重量に対して0.1%-50%、好ましくは1%-30%の水溶性アルカノールアミンと、0.01%-20%、好ましくは0.1%-10%の水溶性高分子とを溶解させて、この混合水溶液を中空糸膜の二の面に塗布することができる。 On the other hand, alkanolamines are compounds having a hydroxy group and an amino group in an alkane skeleton. The alkanolamines used in this embodiment are preferably water-soluble. Examples of such water-soluble alkanolamines include methanolamine, ethanolamine, propanolamine, heptaminol, dimethylethanolamine, N-methylethanolamine, N-(2-aminoethyl)ethanolamine, N-[2-(dimethylamino)ethyl], N-methylethanolamine, N-[2-(diethylamino)ethyl]ethanolamine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)piperazine, N-[(1-hydroxymethyl, 2-hydroxy)-n-propyl]piperazine, N Examples of suitable water-soluble alkanolamines include N-[(1-hydroxy,2-hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-(1,2-dihydroxy-n-propyl)-N'-methyl-piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]piperazine, N-[1,2-bis(hydroxymethyl)-n-propyl]-N'-methyl-piperazine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylenepentamine (TEPA), and pentaethylenehexamine (PEHA). The water-soluble alkanolamines may be contained in an amount of 1% to 90% by weight within the water-soluble polymer matrix, and in order to more effectively exhibit the carbon dioxide gas separation function, the amount is 10% to 80% by weight, preferably 30% to 70% by weight, and more preferably 40% to 60% by weight. To form such a functional layer, 0.1%-50%, preferably 1%-30%, of a water-soluble alkanolamine and 0.01%-20%, preferably 0.1%-10%, of a water-soluble polymer are dissolved in water by weight, and this mixed aqueous solution can be applied to both sides of the hollow fiber membrane.
ここで水溶性高分子と水溶性アルカノールアミンを溶解させる溶媒は、主成分として水を含んでいれば、たとえば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフランおよびこれらの1以上の混合物を含んでいても良い。水溶性高分子と水溶性アルカノールアミン類とを水に溶解し、好ましくはこの混合物を公知の方法(たとえば撹拌子、スターラーによる撹拌、撹拌羽根による撹拌、振盪機による撹拌、超音波による撹拌)によりよく撹拌し、概ね均一な混合水溶液を得、この混合水溶液を中空糸膜の二の面に塗布して乾燥させて、水溶性高分子のマトリクス内にアルカノールアミン類が分散した機能層を形成することができる。この際、多孔質の支持膜上への混合水溶液の塗布は、スプレー噴霧法、キャスト法、ディップ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スピンコーティング法等の従来から行われている公知の方法により行うことができる。塗布した混合水溶液を乾燥させる方法は、大気下での放置や、各種オーブンやドライヤーによる乾燥等の公知の方法により行えば良く、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性気体下にて乾燥を行うこともできる。こうして形成した機能層の厚さは、0.001μm~1000μm、好ましくは0.1μm~100μm、さらに好ましくは0.3μm~5μmとすることができる。 The solvent used to dissolve the water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine contains water as a primary component, and may include, for example, methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylacetamide, tetrahydrofuran, or a mixture of one or more of these. The water-soluble polymer and water-soluble alkanolamine are dissolved in water, and the resulting mixture is preferably thoroughly stirred by a known method (e.g., stirring with a stirrer, a stirring blade, a shaker, or ultrasonic stirring) to obtain a substantially uniform aqueous mixture. This aqueous mixture can then be applied to both surfaces of a hollow fiber membrane and dried to form a functional layer in which the alkanolamine is dispersed within the water-soluble polymer matrix. The aqueous mixture can be applied to the porous support membrane by conventional methods such as spraying, casting, dipping, screen printing, doctor blade coating, and spin coating. The applied aqueous mixture can be dried by known methods such as leaving it in the air or drying it in various ovens or dryers. It can also be dried under an inert gas such as helium, argon, or nitrogen. The thickness of the functional layer thus formed can be 0.001 μm to 1000 μm, preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 0.3 μm to 5 μm.
本実施形態において、まず中空糸膜の一の面に保護層を形成し、次いで中空糸膜の二の面に機能層を形成することが重要である。このような順序で中空糸膜の内外の面に保護層と機能層とを形成することにより、ムラ等のない安定した両層を設けることができる。なお、本実施形態において、中空糸膜の内側の面に機能層が形成され、外側の面に保護層が形成されていることが特に好ましいが、製造された気体分離膜モジュールの使用に態様に応じて、中空糸膜の外側の面に機能層が設けられ、内側の面に保護層が形成されていても良い。 In this embodiment, it is important to first form a protective layer on one surface of the hollow fiber membrane, and then form a functional layer on the second surface of the hollow fiber membrane. By forming the protective layer and functional layer on the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane in this order, both layers can be formed stably and without unevenness. In this embodiment, it is particularly preferable that the functional layer be formed on the inner surface of the hollow fiber membrane and the protective layer be formed on the outer surface. However, depending on the use of the manufactured gas separation membrane module, the functional layer may be formed on the outer surface of the hollow fiber membrane and the protective layer may be formed on the inner surface.
本実施形態の気体分離膜は、多孔質の支持膜の一の面に、好ましくは機能層の機能を低下させる気体の透過を防止または抑制する保護層を有するため、混合気体に含まれ得る、機能層の機能を低下させる気体による機能層の劣化を防止または最小限に抑制することが可能となる。これにより、気体分離膜による大量の混合気体の処理が可能となり、気体分離膜の寿命が延長される。実施形態の気体分離膜を用いて気体分離膜モジュールを得ることも可能である。気体分離膜ならびに気体分離膜モジュールは、比較的工程数の少ない製造方法にて製造可能である。気体分離膜ならびに気体分離膜モジュールを用いた気体分離方法により、所望の気体を選択的に、かつ効率的に分離することが可能である。 The gas separation membrane of this embodiment has a protective layer on one side of the porous support membrane, which preferably prevents or suppresses the permeation of gases that degrade the function of the functional layer. This makes it possible to prevent or minimize deterioration of the functional layer due to gases that may be contained in the mixed gas and that degrade the function of the functional layer. This makes it possible to process large amounts of mixed gas using the gas separation membrane, extending the life of the gas separation membrane. It is also possible to obtain a gas separation membrane module using the gas separation membrane of this embodiment. Gas separation membranes and gas separation membrane modules can be manufactured using a manufacturing method with a relatively small number of steps. A gas separation method using a gas separation membrane and a gas separation membrane module makes it possible to selectively and efficiently separate desired gases.
以下に本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention are described in detail below. The present invention is not limited to the following examples, as long as they do not depart from the gist of the invention.
[製造例1:気体分離膜と気体分離膜モジュール] [Manufacturing Example 1: Gas Separation Membrane and Gas Separation Membrane Module]
ポリジメチルシロキサン(SYLGARD184、東レ・ダウコーニング株式会社)のベース剤10gと、触媒(架橋剤)1gとを混合した。この混合液体を、内孔径1.4mmの中空糸膜(商品名:マイクローザLP-1053、旭化成株式会社、有効面積は4.4cm2)の外側の面に塗布した。この中空糸膜をオーブンに入れ、温度を80℃に上昇させて、ポリジメチルシロキサンを架橋させた保護層(厚さ:10μm)を形成した。
続いて、ポリビニルアルコール(重量平均分子量:60,000、和光純薬工業株式会社)2gを水198gに溶解させ、ここにN-(2-アミノエチル)-エタノールアミン1gを添加して撹拌し、混合水溶液を得た。得られた混合水溶液を、保護層が形成された中空糸膜の内側に流して接触させ、室温大気下で12時間静置して乾燥させ、機能層(厚さ:0.8μm)を形成した。なお、機能層中のN-(2-アミノエチル)-エタノールアミンの含有量は、ポリビニルアルコールの重量に対して50%であった。こうして、中空糸膜型の気体分離膜を得た。
得られた気体分離膜1本を、混合気体入口と分離気体排出口と二酸化炭素排出口と、さらに気体分離膜を透過した二酸化炭素をスイープするスイープガスを供給する導入口とを備えたステンレス製モジュール容器の内部に配置して、気体分離膜モジュールを得た。
10 g of a base agent of polydimethylsiloxane (SYLGARD184, Toray Dow Corning Co., Ltd.) was mixed with 1 g of a catalyst (crosslinking agent). This mixed liquid was applied to the outer surface of a hollow fiber membrane (product name: Microza LP-1053, Asahi Kasei Corporation, effective area: 4.4 cm 2 ) with an inner pore diameter of 1.4 mm. This hollow fiber membrane was placed in an oven, and the temperature was raised to 80°C to form a protective layer (thickness: 10 μm) in which the polydimethylsiloxane was crosslinked.
Next, 2 g of polyvinyl alcohol (weight average molecular weight: 60,000, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 198 g of water, and 1 g of N-(2-aminoethyl)-ethanolamine was added thereto and stirred to obtain a mixed aqueous solution. The obtained mixed aqueous solution was passed through the inside of the hollow fiber membrane on which the protective layer had been formed, contacted therewith, and allowed to dry for 12 hours under room temperature atmospheric conditions to form a functional layer (thickness: 0.8 μm). The content of N-(2-aminoethyl)-ethanolamine in the functional layer was 50% relative to the weight of polyvinyl alcohol. In this way, a hollow fiber membrane-type gas separation membrane was obtained.
One of the obtained gas separation membranes was placed inside a stainless steel module container equipped with a mixed gas inlet, a separated gas outlet, a carbon dioxide outlet, and an inlet for supplying a sweep gas to sweep away the carbon dioxide that had permeated the gas separation membrane, thereby obtaining a gas separation membrane module.
[実施例1:混合気体の分離]
二酸化炭素、窒素、および二酸化硫黄(SO2)の各気体のボンベを用意し、これらを、適宜流量計等の機材を介して、気体分離膜モジュールに導入される直前で混合されるように接続した。マスフローコントローラを使用して、二酸化炭素10%と窒素90%とを含み、二酸化硫黄(SO2)30ppmを含有する混合気体となるように調整した。この混合気体を、設定温度40℃、供給量約50mL/分で、気体分離膜モジュールの混合気体入口に導入し、同時にヘリウム(スイープガス)を導入し、混合気体を気体分離膜の外側の面(供給側)に接触させた。気体分離膜の内側の面(透過側)から排出される二酸化炭素を二酸化炭素排出口から排出させ、分離気体は分離気体排出口から排出させた。各排出口から排出された気体の流量を流量計で測定し、ガスクロマトグラフィにて気体成分を分析して、各気体の透過流束および二酸化炭素選択性を算出した。
なお、気体分離の条件は以下の通り:
混合気体供給量:約50mL/分
設定温度:40℃
混合気体:二酸化炭素/窒素=10/90(vol/vol)に、30ppmのSO2を含有させたもの
透過側スイープガス:ヘリウム
相対湿度:90%
圧力:供給側:155kPa、透過側:105kPa
また、透過流束Q(二酸化炭素)とQ(窒素)(単位はGPU[1×10-6cm3(STP)/(s・cm2・cmHg)])を算出する式ならびに二酸化炭素選択性を算出する式は以下の通り:
Example 1: Separation of mixed gases
Cylinders containing carbon dioxide, nitrogen, and sulfur dioxide (SO 2 ) were prepared, and these were connected via appropriate equipment such as flow meters so that they were mixed just before being introduced into the gas separation membrane module. Using a mass flow controller, a mixed gas containing 10% carbon dioxide, 90% nitrogen, and 30 ppm sulfur dioxide (SO 2 ) was prepared. This mixed gas was introduced into the mixed gas inlet of the gas separation membrane module at a set temperature of 40 ° C and a feed rate of approximately 50 mL / min. At the same time, helium (sweep gas) was introduced, and the mixed gas was brought into contact with the outer surface (feed side) of the gas separation membrane. Carbon dioxide discharged from the inner surface (permeation side) of the gas separation membrane was discharged from the carbon dioxide outlet, and the separated gas was discharged from the separated gas outlet. The flow rate of the gas discharged from each outlet was measured with a flow meter, and the gas components were analyzed by gas chromatography to calculate the permeation flux and carbon dioxide selectivity of each gas.
The gas separation conditions are as follows:
Mixed gas supply rate: about 50 mL/min Set temperature: 40°C
Mixed gas: carbon dioxide/nitrogen = 10/90 (vol/vol) containing 30 ppm SO2 Permeation side sweep gas: helium Relative humidity: 90%
Pressure: Feed side: 155 kPa, Permeation side: 105 kPa
The formulas for calculating the permeation flux Q (carbon dioxide) and Q (nitrogen) (unit: GPU [1×10 −6 cm 3 (STP)/(s·cm 2 ·cmHg)]) and the carbon dioxide selectivity are as follows:
(式中、Q:透過流束、n:気体体積、A:中空糸膜面積、t:時間、Δp:供給側(中空糸膜外側)分圧と透過側(中空糸膜内側)分圧の差を表す。) (In the formula, Q: permeation flux, n: gas volume, A: hollow fiber membrane area, t: time, Δp: difference in partial pressure between the feed side (outside the hollow fiber membrane) and the permeation side (inside the hollow fiber membrane).)
ガスクロマトグラフィの分析条件は以下の通り:
供給側:TCD検出器 GC7870A(Agilent Technology社)、
カラム:HayeSep Q×0.5m MS5A×6フィート HayeSep Q×6フィート MS5A×6フィート、
透過側:PDHID検出器 GC7870A(Agilent Technology社)、
カラム:SHINCARBON×4m HayeSep Q×0.5m、
Heスイープガス量:10mL/分
The gas chromatography analysis conditions were as follows:
Supply side: TCD detector GC7870A (Agilent Technology),
Column: HayeSep Q x 0.5m MS5A x 6 feet HayeSep Q x 6 feet MS5A x 6 feet,
Transmission side: PDHID detector GC7870A (Agilent Technology),
Column: SHINCARBON x 4 m HayeSep Q x 0.5 m
He sweep gas volume: 10 mL/min
二酸化炭素透過流束の経時変化を図4に、二酸化炭素選択性(二酸化炭素透過性/窒素透過性)の経時変化を図5に、それぞれ示す。 The change in carbon dioxide permeation flux over time is shown in Figure 4, and the change in carbon dioxide selectivity (carbon dioxide permeability/nitrogen permeability) over time is shown in Figure 5.
さらに実施例1の気体分離膜モジュールを用いて、二酸化炭素10%と窒素90%とを含み、二酸化硫黄(SO2)300ppmを含有する混合気体を分離した。混合気体を、気体分離膜モジュールの混合気体入口に導入し、気体分離膜の外側の面に接触させた。気体分離膜の内側の面から排出される二酸化炭素を二酸化炭素排出口から排出させ、分離気体は分離気体排出口から排出させた。気体分離の条件は上記のとおりである。二酸化炭素透過流束の経時変化を図3に、二酸化炭素選択性(二酸化炭素透過性/窒素透過性)の経時変化を図4に、それぞれ示す。 Furthermore, using the gas separation membrane module of Example 1, a mixed gas containing 10% carbon dioxide and 90% nitrogen, and containing 300 ppm of sulfur dioxide (SO 2 ), was separated. The mixed gas was introduced into the mixed gas inlet of the gas separation membrane module and brought into contact with the outer surface of the gas separation membrane. Carbon dioxide discharged from the inner surface of the gas separation membrane was discharged from the carbon dioxide outlet, and the separated gas was discharged from the separated gas outlet. The gas separation conditions were as described above. The change in carbon dioxide permeation flux over time is shown in Figure 3, and the change in carbon dioxide selectivity (carbon dioxide permeability/nitrogen permeability) over time is shown in Figure 4.
[比較製造例1:保護層のない気体分離膜と気体分離膜モジュール]
実施例1において、保護層を形成しなかったこと以外は実施例1を繰り返し、機能層のみを形成した気体分離膜を得た。この気体分離膜を用いて実施例1と同様に気体分離膜モジュールを作製し、実施例1と同条件にて気体分離を行った。実施例1と同様に、透過流束と二酸化炭素選択性を算出した。二酸化炭素透過流束の経時変化を図4に、二酸化炭素選択性の経時変化を図5に、それぞれ示す。
Comparative Manufacturing Example 1: Gas separation membrane and gas separation membrane module without protective layer
Example 1 was repeated except that the protective layer was not formed, to obtain a gas separation membrane having only a functional layer formed thereon. A gas separation membrane module was produced using this gas separation membrane in the same manner as in Example 1, and gas separation was performed under the same conditions as in Example 1. The permeation flux and carbon dioxide selectivity were calculated in the same manner as in Example 1. The change over time in carbon dioxide permeation flux is shown in Figure 4, and the change over time in carbon dioxide selectivity is shown in Figure 5, respectively.
[比較例1:混合気体の分離]
さらに比較例1の気体分離膜モジュールを用いて、二酸化炭素10%と窒素90%とを含み、二酸化硫黄(SO2)300ppmを含有する混合気体を分離した。二酸化炭素透過流束の経時変化を図6に、二酸化炭素選択性(二酸化炭素透過性/窒素透過性)の経時変化を図7に、それぞれ示す。
Comparative Example 1: Separation of mixed gases
Furthermore, a mixed gas containing 10% carbon dioxide, 90% nitrogen, and 300 ppm sulfur dioxide (SO 2 ) was separated using the gas separation membrane module of Comparative Example 1. The change in carbon dioxide permeation flux over time is shown in Figure 6 , and the change in carbon dioxide selectivity (carbon dioxide permeability/nitrogen permeability) over time is shown in Figure 7 .
本発明の気体分離膜およびこれを用いた気体分離膜モジュールにより、二酸化炭素を含む混合気体から選択的に二酸化炭素を分離することができた。実施例ならびに比較例で使用したSO2を30ppm含有するモデル混合気体は、工場等の施設から排出される排気ガスとしては最高レベルの濃度のSO2を含んだものであるが、このような混合気体を本発明の気体分離膜(気体分離膜モジュール)に接触させても、二酸化炭素透過流束ならびに選択性は長期間失われなかった(図4、図5)。これに対し比較製造例の気体分離膜(気体分離膜モジュール)は、二酸化炭素の透過流束が時間とともに逐次低下していき、二酸化炭素の選択性も使用時間200時間を超えた時点から急激に低下した(図4、図5)。なお、SO2を300ppm含有するモデル混合気体を使用して行った気体分離は、いわゆる加速試験であり、本発明の気体分離膜(気体分離膜モジュール)は加速試験においても二酸化炭素の透過流束ならびに選択性の低下が見られなかった(図6、図7)。これは、本発明の気体分離膜(気体分離膜モジュール)の長時間にわたる気体分離性能の維持を示唆する結果となっている。
本発明の多孔質の支持膜の一の面に保護層を有し、他の面に機能層を有する気体分離膜は、被分離混合気体中に機能層の気体分離性能を低下させるような気体が含まれていても、その気体分離性能を長期にわたり維持し、長い寿命を有する。
The gas separation membrane of the present invention and a gas separation membrane module using the same were able to selectively separate carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide. The model mixed gas containing 30 ppm SO 2 used in the examples and comparative examples contained the highest concentration of SO 2 among exhaust gases emitted from facilities such as factories. However, even when such a mixed gas was contacted with the gas separation membrane (gas separation membrane module) of the present invention, the carbon dioxide permeation flux and selectivity were not lost for a long period of time (Figures 4 and 5). In contrast, the gas separation membrane (gas separation membrane module) of the comparative manufacturing example showed a gradual decrease in carbon dioxide permeation flux over time, and the carbon dioxide selectivity also decreased sharply after 200 hours of use (Figures 4 and 5). Note that the gas separation performed using a model mixed gas containing 300 ppm SO 2 was a so-called accelerated test, and the gas separation membrane (gas separation membrane module) of the present invention did not show a decrease in carbon dioxide permeation flux and selectivity even in the accelerated test (Figures 6 and 7). This result suggests that the gas separation membrane (gas separation membrane module) of the present invention can maintain its gas separation performance for a long period of time.
The gas separation membrane of the present invention, which has a protective layer on one side of the porous support membrane and a functional layer on the other side, maintains its gas separation performance for a long period of time and has a long life, even if the mixed gas to be separated contains gases that reduce the gas separation performance of the functional layer.
Claims (16)
該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含む該保護層を有し、
該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する該機能層を有する、前記気体分離膜。 A gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer,
The protective layer includes a crosslinked siloxane or a mixed crosslinked siloxane and polyolefin on one surface of the porous support film,
The gas separation membrane as described above, wherein the functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines is provided on the other surface of the porous support membrane.
該機能層を有する他の面から二酸化炭素を取り出す、
気体分離方法。 A gas mixture containing at least carbon dioxide is brought into contact with one surface of the gas separation membrane according to any one of claims 1 to 4, the surface having the protective layer, to selectively pass carbon dioxide through the gas separation membrane;
and extracting carbon dioxide from the other surface having the functional layer.
Gas separation methods.
該多孔質の支持膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成し、次いで
該多孔質の支持膜の他の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、機能層を形成する
各工程を含む、前記気体分離膜の製造方法。 A method for producing a gas separation membrane having a porous support membrane, a functional layer, and a protective layer, comprising:
a method for producing the gas separation membrane, comprising the steps of: applying a mixture containing siloxanes, optionally a polyolefin, and a crosslinking agent to one surface of the porous support membrane, and heating the mixture to form the protective layer; and then applying an aqueous solution containing water-soluble polymers, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water to the other surface of the porous support membrane, and drying the mixture to form a functional layer.
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器の内部に、気体分離膜を1つ以上配置した、気体分離膜モジュールであって、該気体分離膜が、
中空糸膜の一の面に、シロキサン類の架橋体またはシロキサン類とポリオレフィンとの混合架橋体を含んだ、保護層を有し、
該中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物とを含有する機能層を有することを特徴とする、前記気体分離膜モジュール。 a mixed gas inlet for introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide;
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
A gas separation membrane module in which one or more gas separation membranes are disposed inside a module container comprising:
A protective layer containing a crosslinked siloxane or a mixed crosslinked product of a siloxane and a polyolefin is provided on one surface of the hollow fiber membrane,
The gas separation membrane module is characterized in that it has a functional layer on two surfaces of the hollow fiber membrane, the functional layer containing a water-soluble polymer and at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines.
該気体分離膜の一の面に、該混合気体を接触させて、該気体分離膜内に二酸化炭素を選択的に通過させ、
該気体分離膜の二の面から二酸化炭素を取り出し、
取り出した二酸化炭素を該二酸化炭素排出口から排出し、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を該分離気体排出口から排出する
各工程を含む、混合気体から二酸化炭素を分離する方法。 A mixed gas containing at least carbon dioxide is introduced through the mixed gas inlet of the gas separation membrane module according to any one of claims 10 to 12,
contacting one surface of the gas separation membrane with the mixed gas to selectively pass carbon dioxide through the gas separation membrane;
Carbon dioxide is extracted from the two surfaces of the gas separation membrane;
The extracted carbon dioxide is discharged from the carbon dioxide discharge port.
and discharging the separated gas mixture from the separated gas outlet.
該混合気体から分離された二酸化炭素を排出する、二酸化炭素排出口と、
該混合気体から二酸化炭素が分離された分離混合気体を排出する、分離気体排出口と、
を備えたモジュール容器内部に、
中空糸膜の一の面に、保護層を有し、
該中空糸膜の二の面に、機能層を有する気体分離膜を、1つ以上配置した、気体分離膜モジュールの製造方法であって、
該モジュール容器内部に、該中空糸膜を1つ以上配置し、
該中空糸膜の一の面に、シロキサン類と、場合によりポリオレフィンと、架橋剤とを含む混合物を塗布し、加熱して、該保護層を形成し、次いで
該中空糸膜の二の面に、水溶性高分子と、水溶性のアルカノールアミン類より選択される少なくとも1種のアミン化合物と、水とを含む水溶液を塗布し、乾燥して、該機能層を形成する、
各工程を含む、前記気体分離膜モジュールの製造方法。 a mixed gas inlet for introducing a mixed gas containing at least carbon dioxide;
a carbon dioxide outlet for discharging the carbon dioxide separated from the mixed gas;
a separated gas outlet for discharging a separated mixed gas from which carbon dioxide has been separated;
Inside the module container,
A protective layer is provided on one surface of the hollow fiber membrane,
A method for producing a gas separation membrane module, in which one or more gas separation membranes having functional layers are arranged on two surfaces of the hollow fiber membrane,
One or more hollow fiber membranes are placed inside the module container,
a mixture containing siloxanes, optionally polyolefins, and a crosslinking agent is applied to one surface of the hollow fiber membrane and heated to form the protective layer; and then an aqueous solution containing water-soluble polymers, at least one amine compound selected from water-soluble alkanolamines, and water is applied to the second surface of the hollow fiber membrane and dried to form the functional layer.
A method for producing the gas separation membrane module, comprising the steps of:
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