JPH05123541A - 液体膜モジユール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】従来の膜製造技術を用いて得ることができるも
のと比べて、理論値により近い有効膜厚を示す、液体の
膜分離に用いられるように適合させた中空繊維膜、を含
むモジュールを提供する。 【構成】モジュールケースと、モジュールケースの内部
空間にある微孔質中空フィード繊維Ｆｆおよびストリッ
プ繊維Ｆｓの膜の組を有するモジュール１０において、
該微孔質中空フィード繊維およびストリップ繊維の膜の
組がそれぞれ重ね合わされたファブリックシート１２，
１４を構成し、該シートがモジュールケースの長さ方向
に沿って互いに編まれ、入れ子状に重なっているモジュ
ール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願】本出願は、同一の日付に、本出願と共に出
願され、本出願と名称が同じである、通常に認められて
同時継続している米国特許出願第６８８，１７９号・代
理人ドュケット第４２６−３３号（２００７）、及び米
国特許出願第６８８，１８０号・代理人ドュケット第４
２６−３４号（２００９）と関係がある。前記特許出願
のその全内容は、引用文献として本明細書に明白に取り
入れられている。

【０００２】

【発明の背景と概要】最近、微孔質中空繊維（ＭＨＦ）
を液体膜分離法で用いて、フィードガス（feed gas）と
スイープガス（sweep gas）を、疎水性 ＭＨＦ の２つ
の異なるセットの管腔（ルーメン（ｌｕｍｅｎ））（そ
れぞれを、フィード繊維とスイープ繊維と呼ぶ）の中に
流して、ＭＨＦのシェル側の液体を、膜として働かせる
ことができる、ということが提案された。マジャムダー
（Majumdar）らの「ガス分離のための新しい液体膜法」
[アメリカ化学工学協会誌（AICHE journal）ｖｏｌ．３
４，Ｎｏ．７，１１３５−１１４５頁（１９８８）］、
及び セングプタ（Sengupta）らの「含有液体膜によ
る、水溶液からの溶質の分離」［アメリカ化学工学協会
誌、vol.３４，ｎｏ．１０，１６９８−１７０８頁（１
９８８）］を参照。前記文献の全内容は、本明細書にお
いて、引用文献として明白に取り入れられている。この
いわゆる「含有液体膜」（ＣＬＭ）法は、従来の固定液
体膜（ＩＬＭ）分離法を超える幾つかの利点を有してい
ることが報告されている。

【０００３】例えば、一般的に、従来のＩＬＭ法では、
溶質飽和、消耗及び／又は汚染（行われている分離のタ
イプによって異なる）が起こるので、固定膜液体を定期
的に交換する必要がある。その結果として、従来のＩＬ
Ｍ法は、一般的に、回分分離加工にのみ限定して用いら
れている。しかしながら、最近提出されたＣＬＭ法に従
う膜液体は、分離モジュールのシェル側に物理的に存在
していることから、多かれ少なかれ連続的に補給及び／
又は交換することができるので、実質的に連続したベー
スに基づいて、分離加工を達成することができる。

【０００４】ＣＬＭ分離プロセスを行うためのモジュー
ルは、一般的に、１セットのフィード繊維（供給流体が
流れる）と１セットのストリップ繊維（ストリップ流体
が流れる）へと、ほぼ等分に分けられる微孔質中空繊維
の束を含む。ＭＨＦ束は、フィード繊維とストリップ繊
維のルーメンが、それぞれ、フィード流体とストリップ
流体の流れと関連しているモジュールケースの供給口と
排出口と流体連絡するように望ましく配置された望まし
い大きさのモジュールケースの中に物理的に収容されて
いる。この方法によると、モジュールケース中のフィー
ド繊維とストリップ繊維の各セットの中を流れる並流ガ
ス流又は向流ガス流を確立することができる。理論的に
は、ＣＬＭ分離を行う場合、フィード繊維とストリップ
繊維の間の距離が膜液体で満たされるように、フィード
繊維のそれぞれを、ストリップ繊維の各繊維とは直接隣
接してはいるが接触はしていないように配置すべきであ
る。従って、理想的に前述のように配置すると、理論最
小有効膜厚（ＥＭＴ）が確立されるので、フィード繊維
とストリップ繊維の最密充填が達成されて、二繊維間の
距離は最小となる。しかしながら、従来のモジュール製
造技術では、個々のフィード繊維を、個々のストリップ
繊維の間に、正確に且つ確実に挟むことができないの
で、理論最小ＥＭＴには遥かに及ばない。その結果とし
て、フィード繊維の組分けは、ストリップ繊維の組分け
に隣接しているモジュールによって決まるので、モジュ
ールＥＭＴは、理論最小値を超えて有意に増大する。

【０００５】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにある。従って、概括的に言えば、本発明は、従来の
膜製造技術を用いて得ることができるものと比べて、理
論値により近い有効膜厚を示す、含有液体膜分離に用い
られるように適合させた中空繊維膜、を含むモジュール
に関するものである。

【０００６】さらに、本発明はファブリックの縦糸方向
に中空繊維膜が配置された、重ね合わされたファブリッ
クシートを有するモジュールを提供する。ひとつのファ
ブリックシートの中の縦糸方向の中空繊維膜はその中を
フィード液体が流れるフィード繊維として用いられ、他
のファブリックシートの中の中空繊維膜はその中をスト
リップ液体が流れるストリップ繊維として用いられる。

【０００７】重ね合わされたファブリックシートは縦糸
方向に一緒に編まれ、ファブリックシートのそれぞれの
折り目を互いに入れ子状にする。このようにして、それ
ぞれのファブリックシートのフィードおよびストリップ
繊維を交互にモジュール中に配置し、ストリップおよび
フィード繊維をそれぞれ隣り合わせにする。その結果、
従来のＣＬＭ値に比較して減少したＥＭＴ値を得ること
ができる。

【０００８】好ましくは、本発明で用いられるファブリ
ックは横糸方向のモノフィラメント繊維と織り合わされ
た縦糸方向の中空繊維膜を含む織られたファブリックで
ある。しかし、他のファブリック形態のものも本発明に
使用でき、たとえば、中空繊維膜が横糸として挿入され
ているニット構造も使用できる。

【０００９】横糸繊維は縦糸方向の中空繊維膜を構造的
に支持し、モジュールの長さ方向の中空繊維膜間の繊維
ー繊維の平行を保持する。さらに、横糸繊維は多孔質中
空フィードおよびストリップ繊維間の接触を本質的に排
除できないとしても、それを最小にするスペーサーとし
て働き、同様に重ね合わされたファブリック層中の中空
繊維膜に自己中心保持機能(self-centering functions)
を付与する。これらの横糸の機能的な特性はモジュール
のＥＭＴ値をさらに減少させ、すなわちモジュールのＥ
ＭＴ値は理論値に近づく。

【００１０】以下に示す好ましい典型的な態様の詳細な
記述を注意深く考察すれば、本発明の更なる面と利点
が、より明確となるだろう。

【００１１】次に、添付の図面を参照する。図１ − ４
を通じて、同じ参照番号は、同じ構造要素を示してい
る；添付の図１は、本発明に従う含有液体膜モジュール
１０の好ましい態様を示している。この態様において
は、モジュール１０は、ケースＣと、該ケースの内部空
間Ｓ（図２参照）中に配置された微孔質中空繊維束Ｂを
含む。

【００１２】拡大して示された図２により明らかに示さ
れているように、ケースＣ内部の束Ｂは重ね合わされた
ファブリックシート（図２中では一点鎖線１２と二点鎖
線１４でそれぞれ示されている）を含み、それらは一緒
に編まれ、互いに入れ子状にされる。ファブリックシー
ト１２および１４は、長さ方向に一緒に伸びた多孔質中
空フィード繊維とストリップ繊維（各々の２，３は図２
においてＦｆおよびＦｓ’として示される）を含む。モ
ジュール１０が液体膜分離に供される時に、フィード繊
維Ｆｆの管腔はフィード液体が流れることができる通路
を提供し、ストリップ繊維Ｆｓはストリップ液体が流れ
ることができる通路を提供する。

【００１３】モジュールケースＣは最も好ましくは細長
い中心管Ｃｃ、中心管Ｃｃの末端に取り付けられた一対
のＹ字型になった末端管Ｙ₁とＹ₂を有する。ファブリッ
クシート１２の末端は、これによりファブリックシート
１４の末端と、好ましくは後述の方法によって、分離さ
れ、それらはそれぞれＹ字型の管のどちらかの枝の内部
に配置され、多孔質中空のフィード繊維Ｆｆとストリッ
プ繊維Ｆｓ’とのそれぞれの管腔が液体供給源に接続さ
れる。即ち、ファブリックシート１２中の微孔質中空フ
ィード繊維 Ｆf の最終末端を、Ｙ形管 Ｙ₁ の 枝管 Ｙ
_1f 中に配置することができ、又ファブリックシート１
２中のフィード繊維 Ｆf のもう一方の最終末端を、Ｙ
形管 Ｙ₂ の 枝管 Ｙ_2f 中に配置することができる。同
様にして、ファブリックシート１４中のストリップ繊維
Ｆ_S の最終末端を、Ｙ形管 Ｙ₁と Ｙ₂ のそれぞれの枝
管 Ｙ_1S と Ｙ_2S’ の中に配置することができる。従っ
て、この方法では、分離プロセス中に、枝管 Ｙ_1f’，
Ｙ_2f’，Ｙ_1S ，及びＹ_2Sは、モジュール１０を通る望
ましい相対流量に従って、流体のための供給口と排出口
として働く。例えば、図１には、向流の流体流を記載し
ているが、並流の流体流も同様に可能である。

【００１４】ファブリックシート１２と１４のそれぞれ
は、最も好ましくはフィード繊維とストリップ繊維、Ｆ
ｆおよびＦｓ’のそれぞれがファブリックの縦糸方向に
配置されている織られたファブリックである。それぞれ
フィード繊維Ｆｆとストリップ繊維Ｆｓ’を構成する中
空繊維膜と織られている横糸繊維Ｗは、好ましくは合成
モリフィラメント繊維、たとえば、ナイロン、ポリエス
テル、および類似物のようなものの繊維である。横糸繊
維はフィード繊維およびストリップ繊維、ＦｆおよびＦ
ｓと本質的に同じ繊維で作られることが好ましい。

【００１５】モノフィラメント横糸繊維Ｗの直径は、そ
れぞれフィード繊維およびストリップ繊維、Ｆｆおよび
Ｆｓ’を構成する中空繊維膜の直径よりもかなり小さい
ことが好ましい。横糸繊維Ｗが作られる合成樹脂の強度
特性は、横糸繊維の実質的な最小直径を規定する。モジ
ュール１０の分離能力に悪影響を及ぼさないように、横
糸繊維Ｗは余りに大きな直径を有さないことが好まし
い。好ましい例としては、横糸繊維１０の直径は約１０
デニール以上である。

【００１６】横糸繊維Ｗは、ファブリックシート１４中
のストリップ繊維Ｆｓとファブリックシート１２中のフ
ィード繊維Ｆｆの間の距離を本質的に維持するためのス
ペーサーとして働く。すなわち、隣り合ったフィード繊
維Ｆｆとストリップ繊維Ｆｓ’との間の距離は少なくと
も横糸繊維Ｗのデニールに対応する距離だけ互いに離れ
ている。

【００１７】横糸繊維Ｗは自己中心保持機能をも有す
る。換言すれば、横糸繊維Ｗは、ファブリックシート１
２および１４中の隣り合った各々のフィード繊維Ｆｆと
Ｆｓが互いに千鳥になることを助ける（すなわち、ひと
つのファブリックシートのひとつの縦方向中空繊維膜を
結んでいる横方向繊維の”ピーク”が、隣り合った入れ
子状になったファブリックシートの中の隣り合った中空
繊維膜の間の横方向のそれぞれの”谷”の間に位置す
る）。

【００１８】分離の対照となる選択された化学種に関し
て透過性を示す壁を有する任意の実質的に中空の繊維
を、本発明に従うモジュール１０において用いることが
できる。従って、本明細書と添付の特許請求の範囲で用
いている「中空繊維膜」、及びそれと同様の用語は、そ
の壁が、選択された化学種に対して透過性を有する中空
繊維のことを指している。（例えば、中空繊維壁に細孔
が存在しているために）物理的に透過性である中空繊維
及び／又は（例えば、中空繊維壁を通過する化学種の質
量の移動があるために）化学的に透過性である中空繊維
は、この定義の中に含まれる。

【００１９】しかしながら、好ましくは、本発明に用い
る中空繊維膜は、本明細書に引例文献として明確に取り
入れられているジェームズ Ｊ．ラウリー（James J.Low
ery）らの 米国特許第４，４０５，６８８号と米国特許
第４，４５１，９８１号に記載されている「アップ−ス
ピニング（up-spinning）」法によって製造される微孔
質中空繊維である。前駆物質である非多孔質中空繊維
は、前述の先行特許に記載されている、実質的に垂直上
方向に前駆繊維を溶融紡糸（アップ−スピニング）する
方法を用いて製造する。次に、前駆繊維に対して実質的
に均一に急冷媒体を分配する１つ又はそれ以上の開口を
その内面に有する中空環状構造を前駆繊維の周囲に配す
る対称急冷工程に、溶融紡糸した中空前駆繊維を暴露し
ながら、紡糸延伸する。そのようにして成形された中空
前駆繊維を、例えば、少なくとも数秒間（例えば、数秒
から約２４時間、好ましくは約３０分から２時間）約５
− １００℃ の温度に、該非多孔質中空繊維を暴露する
ことによって、ヒートアニールすることができる。

【００２０】完成した微孔質中空繊維は、約５ − １５
００ミクロンの、好ましくは約７０− １５００ミクロ
ンの平均内径を有する。更に、該繊維は、実質的に均一
な内径（Ｉ．Ｄ．）、例えば繊維の軸に対して直角に切
断した横断面の内径の変動係数が、約８％未満、好まし
くは約５％未満、更に好ましくは約３％未満であること
を特徴とする。

【００２１】好ましい微孔質中空繊維の細孔は、実質的
に、１つの外面又は外表面領域からもう１つの外面又は
外表面領域に達することができる曲がりくねった径路を
通じて相互に連絡している（即ち、連続気泡）。更に、
本発明の好ましい微孔質中空繊維の細孔は、顕微鏡的、
即ち細孔の配置又は配列の詳細は、顕微鏡的寸法でのみ
記述される。従って、該繊維の開放気泡又は細孔は、通
常の光学顕微鏡を用いて測定できるそれらと比べて、更
に小さい。なぜならば、可視光の波長は、約５，０００
オングストロームで、開放気泡又は細孔の最も長い平面
又は表面寸法と比べて長いからである。微孔質中空繊維
の細孔サイズは、５，０００オングストローム未満の細
孔構造の詳細を分解することができる電子顕微鏡法を用
いることによって、又は水銀ポロシミトリー法（mercur
y porosimitry techniques）によって、確定することが
できる。

【００２２】本発明の実施に用いることができる微孔質
中空繊維の平均有効細孔サイズは、好ましくは ５０ −
２０００オングストローム、更に一般的には １００
− １０００オングストロームである。「平均有効細孔
サイズ」とは、同じ寸法を有する一般的に球状の粒子を
通過させる細孔の最小寸法のことである。細孔は、一般
的に、幅５０ − ２０００オングストローム、長さ５０
０ − １０，０００オングストローム の細長い形状を
有する。故に、好ましい微孔質中空繊維の「平均有効細
孔サイズ」は、通常は、細孔の幅寸法によって決める。
更に、これらの細孔は、繊維の円周を取り巻くように極
めて均一に存在している。例えば、好ましい微孔質中空
繊維では、繊維の円周における、最大細孔密度 対 最小
細孔密度の平均比は、約３：１未満、通常は 約２：１
未満を示す。

【００２３】前述のタイプの微孔質中空繊維は、北カリ
フォルニア州 シャーロットにあるヘキスト セレニーズ
社の分離製品部から セルガード（CELGARD 登録商標）
という名称で市販されている。

【００２４】図３は上述されたモジュール１０を製造す
るために用いられる製造工程の原理を示すブロツク図で
ある。ファブリックシート１２および１４は、図４に模
式的に示される工程２０において互いに重ね合わされ
る。この工程の間、ファブリックシートの末端部分が確
実に分離されるように注意する必要がある（すなわち、
重ね合わされたファブリック層の中空多孔質フィード繊
維の組と、多孔質中空ストリップ繊維の組が分離される
ようにする）。好ましくは、ファブリックシート末端部
分の分離は、図４に示されたように、ファブリックシー
ト１２および１４の重ね合わされた末端部分の間に分離
ストリップＳを挿入することにより達成される。

【００２５】隣り合った領域の間に分離ストリップＳを
挿入された、重ね合わされたファブリックシート１２お
よび１４は、工程２２でファブリックシート２２の長さ
方向に沿って編まれる（すなわち、アコーディオン状に
編まれる）。得られたアコーデイオン状に編まれた構造
を図５に図示するが、ファブリックシート１２および１
４は互いに入れ子状にされる。

【００２６】アコーディオン状に編まれた構造が得られ
たら、ファブリックシート１２および１４のそれぞれの
末端部分は工程２４で、末端部分を集め適当な包装部材
（たとえば、テープおよび／または分離ストリップＳ）
でしばり、互いに分離される。工程２４では、アコーデ
ィオン状に編まれたファブリックシートは集められ、互
いに束にされ、モジュールケースＣに入れやすいように
される。束にされたアコーディオン状に編まれたファブ
リックシート１２および１４は、図６に示されたよう
に、最初に工程２６で中心管Ｃｃに導入され、ファブリ
ックシート１２および１４の末端部分はＹ字型のそれぞ
れの末端Ｙ₁およびＹ₂に挿入される。Ｙ字型Ｙ₁とＹ₂は
カップリングＴＣにより中心管に取り付けられる。

【００２７】次に、工程２８において、例えば、Ｙ形管
コネクターＹ₁ と Ｙ₂ のそれぞれの枝管の中に、中空
繊維膜の最終末端を入れた後、必要な品質制御検査を行
って、モジュール１０を完成させる。最後に、完成モジ
ュール１０を適当に梱包して、顧客に送る。

【００２８】上記モジュール１０の特有の幾何学的形状
は、本発明の特有な好ましい態様を表している一例であ
る、ことが分かるだろう。当業者は、本発明の二次加工
技術によってＥＭＴが減少するので、中空繊維膜を用い
る他の最終用途に、本発明の中空繊維膜を適用すること
もできる、ことを認識するだろう。

【００２９】本発明の原理および好ましい実施態様に基
づいて説明を行ってきたが、本発明の範囲は実施態様に
限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想に含
まれる種々の改良や等価の変更はその範囲に含まれるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、部分的に切断して、モジュールケース
中に含まれている重畳プリーツ生地層を暴露させてい
る、本発明に従うモジュールの側面透視図である。

【図２】図２は、図１に示したモジュールのライン２
− ２ に沿って取った部分横断面図である（見やすくす
るために、かなり拡大してある）。

【図３】図３は、本発明のモジュールを製造する時に行
う基本的な製造工程を説明する構成図である。

【図４】図４は、フィード繊維とストリップ繊維を重ね
合わす工程を示す図である。

【図５】図５は、アコーディオン状に編んだ状態の図で
ある。

【図６】図６は、アコーディオン状に編まれたファブリ
ックシートをＹ字管に挿入するようすを示す図である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モジュールケースと、モジュールケース
   の内部空間にある微孔質中空フィード繊維およびストリ
   ップ繊維の膜の組を有するモジュールにおいて、該微孔
   質中空フィード繊維およびストリップ繊維の膜の組がそ
   れぞれ重ね合わされたファブリックシートを構成し、該
   シートがモジュールケースの長さ方向に沿って互いに編
   まれ、入れ子状に重なっているモジュール。
2. 【請求項２】 前記中空フィード繊維の膜およびストリ
   ップ繊維の膜が、それぞれのファブリックシートの縦糸
   方向に配置されている請求項１記載のモジュール。
3. 【請求項３】 それぞれのファブリック層中の前記中空
   フィード繊維の膜およびストリップ繊維の膜が、横糸方
   向に編まれている請求項１または２記載のモジュール。
4. 【請求項４】 前記横糸繊維膜が合成モノフィラメント
   繊維である請求項３記載のモジュール。
5. 【請求項５】 前記モジュールケースがそれぞれフィー
   ド繊維の膜およびストリップ繊維の膜のそれぞれに供給
   およびディスチャージ部を有し、該ファブリックシート
   の末端部分が互いに分離され、それぞれのフィード繊維
   の膜およびストリップ繊維の膜と結合した供給およびデ
   ィスチャージ部の内部に配置されている請求項１記載の
   モジュール。
6. 【請求項６】 膜液体を含むための内部空間を有する伸
   張されたモジュールケース、および、 前記モジュールケースの内部空間内に配置された、長さ
   方向に重ね合わされた編まれ、入れ子状にされたフィー
   ド液体とストリップ液体ファブリック、 を含む液体膜モジュールであって、フィード液体とスト
   リップ液体ファブリックが、前記モジュールケースの長
   さ方向と同一方向に広がりを持つ中空繊維膜を含み、該
   モジュールケースがフィード液体がその中を流れるフィ
   ード繊維と、その中をストリップ液体が流れるストリッ
   プ繊維を含む液体膜モジュール。
7. 【請求項７】 モジュールケースと、モジュールケース
   の内部空間の内部の中空繊維膜の束を含む中空繊維膜モ
   ジュールであって、該中空繊維膜の束が少なくとも一対
   の重ね合わされた、長さ方向に編まれ、入れ子状に編ま
   れたファブリックシートを含み、前記中空繊維膜が前記
   ファブリックシートのそれぞれの縦糸方向の繊維を構成
   するモジュール。
8. 【請求項８】 各前記重ね合わされたファブリックシー
   トの中空繊維膜が、それらに横糸繊維を編み込むことに
   より、互いに平行に保たれ、また隣接するファブリック
   シートの中空繊維と平行に保たれている請求項７記載の
   中空繊維膜モジュール。
9. 【請求項９】 横糸繊維が合成モノフィラメント繊維で
   あり、縦糸中空繊維膜の直径よりも小さなデニールを有
   する請求項８記載の微孔質中空繊維膜モジュール。
10. 【請求項１０】 それぞれ同一方向の、複数の平行な縦
    糸中空繊維膜を含む少なくとも一対のファブリックシー
    トを重ね合わす工程、 重ね合わせたファブリック層を長さ方向に編み、編まれ
    たファブリックシートを互いに長さ方向において入れ子
    状にする工程、および、 前記の重ね合わされた長さ方向に編まれ、入れ子状にさ
    れたファブリックシートをモジュールケース内部に配置
    し、縦糸中空繊維膜をケースの長さ方向に伸張する工
    程、 を含む中空繊維膜を含むモジュールの製造方法。
11. 【請求項１１】 ファブリックシートの重ね合わせ工程
    が、重ね合わせたファブリックシートの端部を分離する
    工程を含む請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記端部がその分離を助けるために位
    置的に拘束される請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 重ね合わされたファブリックシートの
    端部の分離工程が、端部の間に分離のための細長い一片
    を挿入することを含む請求項１１記載の方法。
14. 【請求項１４】 重ね合わされたファブリックシートの
    端部の分離工程が、分離された端部を束にし、挿入され
    た前記分離のための細長い一片を除去することを含む請
    求項１３記載の方法。