JPH0683775B2

JPH0683775B2 - 気体分離複合膜モジュール

Info

Publication number: JPH0683775B2
Application number: JP63127757A
Authority: JP
Inventors: 茂樹畠中; 高則杉本; 貴樹小林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH01297121A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、混合気体から特定の気体を選択的に分離する
気体分離複合膜を用いた気体分離複合膜モジュールに関
するものである。

従来の技術近年、高分子の膜を利用して、酸素富化気体、窒素富化
気体もしくは水素その他の気体を混合気体中から分離す
る方法が種々提案されている。特に、酸素富化気体は、
燃焼分野では省エネルギーのために、また医療分野では
呼吸疾患の治療用として利用されている。

従来、このような方法を具体化するものとして、たとえ
ば特開昭61-216713号公報に示されているような気体分
離複合膜モジュールがある。

以下図面を参照しながら、この気体分離複合膜モジュー
ルについて説明する。

第４図は気体分離複合膜の断面図、第５図は第４図に示
す気体分離複合膜においてその多孔質支持膜を改良した
ものの断面図、第６図は従来の気体分離複合膜モジュー
ルを２枚積層した装置の横断面図、第７図は同気体分離
複合膜モジュールの気体分離複合膜を張りつける前の状
態を示す斜視図、第８図は同気体分離複合膜モジュール
の縦断面図である。

第４図において、１は混合気体から希望する気体を分離
する気体分離膜、２は気体分離膜１を担持する多孔質支
持膜で、これらによって気体分離複合膜が構成されてい
る。

多孔質支持膜２は、その膜面に垂直な方向に通気性を示
し、水平面方向には通気性がない。このような特定方向
に通気性を示す支持膜として、ポロプロピレン多孔質支
持膜がある。ところが、これは空孔率が小さいため、圧
力損失が大きく、それに気体分離膜１を担持させても、
十分な初期特性（酸素濃度、流量）が得られない。ま
た、気体分離膜１との密着性が悪いため、耐湿特性にお
いて寿命が短い。

そこで、第５図に示すような、表面孔径が0.5μｍ以下
の孔径の緻密層2aと、0.5〜20μｍの孔径の空洞層2bと
を有し、空孔率が50〜80％である多孔質支持膜２に改良
した。この多孔質支持膜２は、緻密層2aの孔径が0.5μ
ｍ以下であるため、気体分離膜１の膜厚ｌを薄くでき、
密着性もよい。また、空洞層2bの孔径が0.5〜20μｍと
大きいため、圧力損失も少ない。空孔率の範囲としては
50〜80％が望ましく、それが50％未満であれば、圧力損
失を受けやすくなり、また80％を超えると、機械強度が
小さくなって、気体分離時の圧力に十分耐えることがで
きなくなる。緻密層2aが0.5μｍ以上の表面孔径の空洞
層2bのみで構成されると、気体分離膜１の厚みが増し
て、分離されるべき気体の流量が少なくなるので、好ま
しくない。また、それが緻密層2aのみで構成されると、
圧力損失が大きくなって流量が少なくなり、分離された
気体濃度も低くなるので、やはり好ましくない。

上述したような条件を満たし得る多孔質支持膜材料とし
ては、ポリエーテルスルホンやポリスルホンなどが挙げ
られる。このような材料で作られた多孔質支持膜２に気
体分離膜１をコーティングすれば、初期特性の良好な気
体分離複合膜が得られる。

しかしながら、この多孔質支持膜２は気体分離という面
では特性的に優れているものの、実用的には、引張り強
度が小さく、熱収縮が大きいという欠点をもっている。

そこで、第６図に示すように、モジュール化する場合に
は、多孔質支持膜２と通気性部材３との間に、通気性シ
ート４を介在させている。これは、真空ポンプで気体分
離複合膜モジュールの内部を減圧した場合、通気性部材
３に多孔質支持膜２がくい込んで、気体分離膜１を破損
してしまうことがないように、保護するためである。

ここで、通気性部材３としては、たとえば連続発泡され
たエーテル系ウレタンフォームを含浸剤５により熱硬化
させ、プレス成型したものが使用される。また、図にお
いて、４は通気性部材３と一体プレス成型することによ
り全面接着されたポリエチレン不織布の通気性シート、
５は通気性部材３と通気性シート４とを一体プレスによ
り全面接着するための含浸剤（メチルジイソシアネー
ト）である。６はモジュール枠で、硬質の塩化ビニール
樹脂を、押出し成型、引枠き成型または射出成型するな
どして作られたもので、通気性部材３と近接する内側に
透過気体を通過させるための溝6aを備えている。6bは気
体分離複合モジュールを積層した場合のモジュールピッ
チである。７は両面接着テープで、気体分離膜１および
多孔質支持膜２からなる気体分離複合膜とモジュール枠
６とを気密に保つためのものである。すなわち、これ
は、真空ポンプで減圧吸引した際に、気体分離複合膜モ
ジュールの内部を気密に保って気体分離複合膜以外から
は外気が進入しないように、気体分離複合膜を接着密閉
するものである。

第７図において、８は透過気体を取り出すガス導出口で
ある。

第８図において、矢印は真空ポンプで減圧した場合の透
過気体の流れの方向を示す。

このような構造の気体分離複合膜モジュールにおいて、
まず、気体分離複合膜モジュールの外側からガス導出口
８より真空ポンプで減圧吸引すると、気体分離複合膜モ
ジュールの外側の気体は、気体分離膜１により選択的に
分離され、多孔質支持膜２を通って気体分離複合モジュ
ール内部に侵入する。そして、透過気体は、第８図の矢
印のように流れて、ガス導出口８から得られる。

通気性シート４は、通気性部材３の表面が粗面であるの
で、気体分離膜１を保護するためのもので、真空ポンプ
で減圧吸引された場合に、多孔質支持膜２が通気性部材
３にくい込んで気体分離膜１を破損しないようにしてい
る。外壁を形成するモジュール枠６の、通気性部材３と
近接する内側には溝6aが設けられており、この溝6aは、
真空ポンプで減圧吸引した場合に真空度を効率よく伝
え、透過気体をガス導出口８へ導く働きをする。

発明が解決しようとする課題しかしながら、第６図のように通気性部材３と通気性シ
ート４とを一体成型しまたは実質的に全面接着しただけ
では、真空ポンプにより減圧を受けていないとき、多孔
質支持膜２と通気性シート４が接着されていないため、
高温高湿状態において、多孔質支持膜２の中央部分がふ
くらんで、気体分離膜１に張力がかかり、それが破損し
てしまう。その結果、寿命が短くなる。

また、多孔質支持膜２がふくらむと、気体分離膜１が厚
み方向へ積層されている他の気体分離複合モジュールの
気体分離膜１と接触して破損するために、モジュールピ
ッチ6bを気体分離膜１が互いに接触しないように十分な
大きさとしなければならないため、小型化できないとい
う課題が残されていた。

本発明はかかる課題を解決し、長寿命で、小型の気体分
離複合膜モジュールを提供しようとするものである。

課題を解決するための手段この目的を達成するために、本発明の気体分離複合膜モ
ジュールは、気体分離膜、多孔質支持膜および繊維状補
強材を一体化した気体分離複合膜と、この気体分離複合
膜を内側から支持する通気性部材と、外壁を形成するモ
ジュール枠とを有し、気体分離複合膜と通気性部材とを
実質的に全面接着してなるものである。

作用この構成によって、多孔質支持膜が真空ポンプにより減
圧を受けていない状態で、高温高湿時にふくらまないた
め、気体分離膜に対して張力もかからなくなる。

実施例以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

〔実施例１〕第１図において、11は混合気体から希望する気体を分離
する気体分離膜、12は多孔質支持膜である。この多孔質
支持膜12において、12aは気体分離膜11のコーティング
面で、平滑性を有する多孔質支持膜の緻密層、12bは多
孔質支持膜の圧力損失を少なくするための空洞層であ
る。13は繊維状補強材で、多孔質支持膜を補強するため
のものである。

この構造の気体分離複合膜は、たとえば次のようにして
作られる。

繊維状保強材13に多孔質支持膜を形成する方法として、
非着性基板（たとえばガラス板）上に不織布（阿波製紙
株式会社製「グレードアルト100」）を固定した上に、
ポリエーテルスルホン樹脂（ICI社の「Victrex」グレー
ドＰ−1700）の15重量％のジメチルスルホキシド溶液
を、膜厚40μｍになるようにアプリケータを用いて均一
に塗布し、室温で約10秒放置した後、ガラス板とともに
水凝固液中に浸漬し、ガラス板より剥離した膜を水洗し
てから、乾燥させる。なお、ポリスルホン樹脂（ICI社
の「Victrex」グレードP300p）の18重量％のジメチルホ
ルムアミド溶液を用いて、同様な作業を行った。ただ
し、この場合には室温放置時間を15秒とした。

この工法により、多孔質支持膜の緻密層12aの孔径が0.2
μｍ以下で、また空洞層12bの孔径が0.5〜10μｍであっ
て、多孔質支持膜全体の空孔率が77％であった。

なお、本実施例では、多孔質支持膜を支持する繊維状補
強材13として不織布を使用したが、織繊維、金属または
ガラス繊維を使用してもよい。

本実施例の気体分離複合膜は、その張力強度が20kg/15m
m以上（従来品の2.0倍以上）で、温度60℃で熱収縮率が
５％以内であった。通気性も２×10^-3cc/秒・cm²・cmHg
であり、従来品と同等であった。

ここでモジュール化して多孔質支持膜２の性能比較をす
るにあたって、高分子薄膜材料として、ポリジメチルシ
ロキサン−ポリヒドロキシスチレン−ポリスルホン共重
合体のベンゼン溶液2.0重量％を使用した。この溶液を
水面展開法により膜厚が0.1μｍになるように展開し
た。

この膜面上に多孔質支持膜を静かに置いてから引き上げ
ることにより、前記薄膜を多孔質支持膜２上に得た。

この気体分離複合膜特性を第１表に示す。

上記特性の本実施例は、第５図に示した従来の気体分離
複合膜と同等の特性を示している。

本実施例をモジュール化した装置の構造の一例を第２図
に示す。

図において、11は気体分離膜、12は多孔質支持膜、12a
は多孔質支持膜の緻密層、12bは空洞層、13は繊維状補
強材であり、これらによって第１図に示した気体分離複
合膜が構成されている。14は通気性部材、15はシールテ
ープ、16はモジュール枠、16aは流体吐出口、17は粘着
材である。

この気体分離複合膜モジュールの動作について説明す
る。

真空ポンプで流体吐出口16aの内部を減圧吸引すると、
モジュール枠16の内部が減圧状態になり、通気性部材1
4、繊維状補強材13および多孔質支持膜12を介して気体
分離膜11に差圧が生じる。この差圧によって、気体分離
複合膜モジュール外の気体から特定の気体たとえば酸素
が気体分離膜11を通って選択的に分離され、多孔質支持
膜12を通って通気性部材14により形成されている空間部
に進入して、流体吐出口16aから分離気体（酸素富化空
気）として取り出される。

粘着材17を用いて通気性部材14と気体分離複合膜11を通
気性を損なわずに実質的に全面接着した場合、発明者ら
の実験によれば、温度60℃、相対湿度95％での寿命が従
来の気体分離複合膜モジュールの寿命の1.5倍となっ
た。ただし、気体分離複合モジュールの寿命は酸素濃度
28％以下になった場合とし、使用した気体分離膜11は第
１表に示した特性の膜とし、そのときの真空度は200mmH
gとする。

以上のように、本実施例によれば、通気性部材14と気体
分離複合膜とを粘着材17によって実質的に全面接着する
ことで、気体分離複合膜がふくらんで気体分離複合膜同
士が接触したり、気体分離膜に張力がかかったりするよ
うなことがなくなり、気体分離複合膜モジュールの寿命
が伸びる。

また、気体分離複合膜がふくらまないために、気体分離
複合膜モジュールのモジュールピッチ（第６図の6b）を
小さくでき、小型化できる。

初期性能は、第２表に示すように従来品と同等の性能が
得られる。

〔実施例２〕他の気体分離複合膜特性を第３表に示す。

第３表に示す特性の気体分離複合膜に圧力差400mmHgを
かけて、圧力損失が15mmHg以下になるように、粘着材17
を直径3mmでピッチ10mmで塗布した。なお、実質的に全
面接着とは、上述のように気体分離複合膜がふくらむこ
とにより気体分離複合膜同士が接触したり、張力がかか
ったりしないように部分的に接着することも含む。

寿命もモジュールピッチ（第６図の6b）も実施例１と同
等になり、小型で長寿命化される。

初期性能を第４表に示す。

第４表に示すように、粘着材17により接着層の圧力損失
が15mmHgとした場合には、酸素濃度については0.1％、
流量については0.3l/分の差が認められるものの、実用
的には同等の性能である。しかし、酸素透過速度が5.0
×10^-2cc/秒・cm²・cmHgより大きかったり、選択係数が
1.5未満であったりすれば、圧力差400mmHg未満でも接着
層の圧力損失が15mmHg以上になり、従来品と同等の性能
を得ることができなくなる。

つまり、酸素透過速度が5.0×10^-2cc/秒・cm²・cmHg以
下で、選択係数が1.5以上で圧力差400mmHg以上の場合、
圧力損失を15mmHg以下とするように粘着材17を塗布する
ことにより、従来品と同等の性能を得ることができる。

〔実施例３〕第３図は、他の実施例の気体分離複合膜モジュールの断
面図である。

図において、第２図に示した実施例と対応する構成要素
には同じ符号を付している。18は含浸材である。

図に示すように、通気性部材14と繊維状補強材13bとを
含浸材18でプレス成型し、一体化して、気体分離膜11、
多孔質支持膜12および繊維状補強材13aからなる気体分
離複合膜と、繊維状補強材13bとを粘着材17で実質的に
全面接着する。なお、初期性能、寿命、モジュールピッ
チは、実施例１と同等であった。

発明の効果本発明の気体分離複合膜モジュールは、気体分離膜、多
孔質支持膜および繊維状補強材を一体化した気体分離複
合膜と、この気体分離複合膜を内側から支持する通気性
部材とが実質的に全面接着されているので、気体分離複
合膜同士が接触せず、気体分離複合膜モジュールのモジ
ュールピッチを小さくでき、小型なものとすることがで
きる。また、気体分離複合膜モジュールの寿命が伸びる
とともに、従来と同等の性能（酸素富化流量と酸素濃
度）が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の気体分離複合膜の断面図、
第２図は第１図に示す実施例を用いて構成した気体分離
複合膜モジュールの断面図、第３図は本発明の他の実施
例を用いて構成した気体分離複合膜モジュールの断面図
である。第４図は従来の気体分離複合膜の断面図、第５
図は第４図の多孔質支持膜の構造を改良した気体分離複
合膜の断面図、第６図は従来の気体分離複合膜モジュー
ルを２枚積層した装置の横断面図、第７図はこの気体分
離複合膜モジュールの気体分離複合膜を張りつける前の
状態を示す斜視図、第８図はこの気体分離複合膜モジュ
ールの縦断面図である。 11……気体分離膜、12……多孔質支持膜、 13……繊維状補強材、14……通気性部材、16……モジュ
ール枠、17……粘着材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林貴樹大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭59−62326（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−216713（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気もしくは混合気体を選択的に分離する
気体分離膜，多孔質支持膜および繊維状補強材を一体化
した気体分離複合膜と、この気体分離複合膜を内側から
支持する通気性部材と、外壁を形成するモジュール枠と
を有し、前記気体分離複合膜と前記通気性部材とを実質
的に全面接着してなり、前記気体分離複合膜の酸素透過
速度が5.0×10^-2c.c./秒・cm²・cmHg以下、窒素透過速
度に対する前記酸素透過速度の比である選択係数が1.5
以上、圧力差が400mHg以上である時、前記気体分離複合
膜と前記通気性部材との間の接着層の圧力損失を15mmHg
以下としたことを特徴とする気体分離複合膜モジュー
ル。