JPWO2016194833A1 - スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント、酸性ガス分離膜モジュール、および酸性ガス分離装置 - Google Patents
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Abstract
Description
<1> 酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層と、多孔膜からなる支持層とを有する分離膜、供給側流路材および透過側流路材が積層状態で有孔の中心管に巻回された巻回体を備えるスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントにおいて、上記透過側流路材は、上記分離膜よりも少なくとも両端幅方向において大きく、上記分離膜の幅方向両端部に、透過側流路材と分離膜との段差を埋める封止部を備えることを特徴とするスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<2> 分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上をさらに備えることを特徴とする<1>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<3> 上記封止部が、接着剤層であることを特徴とする<1>または<2>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<4> 上記接着剤層が、エポキシ系接着用樹脂を含むことを特徴とする<3>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<5> 上記支持層が、フッ素含有樹脂の多孔膜であることを特徴とする<1>〜<4>のいずれか1つに記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<6> 上記透過側流路材、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上のエレメント構成層の幅方向両端部に、当該エレメント構成層の幅方向両端から分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線に至る連続した領域に接着剤を浸透させた更なる封止部をさらに備えることを特徴とする<1>〜<5>のいずれか1つに記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<7> 上記更なる封止部において、上記接着剤が分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線よりも幅方向内側まで浸透していることを特徴とする<6>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<8> 上記保護層が、親水化処理剤により、幅方向端部を処理されていることを特徴とする<1>〜<7>のいずれか1つに記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<9> 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を浸透させた封止部をさらに含むことを特徴とする<1>〜<8>のいずれか1つに記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<10> 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を浸透させた封止部が、親水化処理剤により処理されていることを特徴とする<9>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<11> 親水化処理剤が界面活性剤である<8>または<10>に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
<12> <1>〜<11>のいずれか1つに記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントをハウジング内に少なくとも1つ備えることを特徴とする酸性ガス分離膜モジュール。
<13> <12>に記載の酸性ガス分離膜モジュールを少なくとも1つ備えることを特徴とする酸性ガス分離装置。
<14> 酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層と、多孔膜からなる支持層とを有する分離膜、供給側流路材および透過側流路材が積層状態で有孔の中心管に巻回された巻回体を備えるスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントに用いられる封止方法であって、上記透過側流路材は、上記分離膜よりも少なくとも両端幅方向において大きく、上記分離膜の幅方向両端部に、上記透過側流路材と分離膜との段差を埋めるようにして接着剤を塗布することを特徴とする封止方法。
<15> 上記スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントが、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上をさらに備えることを特徴とする<14>に記載の封止方法。
<16> 上記透過側流路材、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上のエレメント構成層の幅方向両端部に、当該エレメント構成層の幅方向両端から分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線に至る連続した領域に接着剤を浸透するように接着剤を塗布することを特徴とする<14>または<15>に記載の封止方法。
<17> 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を塗布する工程をさらに含むことを特徴とする<14>〜<16>のいずれか1つに記載の封止方法。
<18> 上記保護層または支持層の少なくとも1つの幅方向両端部を、接着剤塗布に先立って親水化処理剤により処理することを特徴とする<14>〜<17>のいずれか1つに記載の封止方法。
<19> 前記親水化処理剤が、界面活性剤である<18>に記載の封止方法。
本発明に係るスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントは、酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層と、多孔膜からなる支持層とを有する分離膜、供給側流路材および透過側流路材が積層状態で有孔の中心管に巻回された巻回体を備えるスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントにおいて、上記透過側流路材は、上記分離膜よりも少なくとも両端幅方向において大きく、上記分離膜の幅方向両端部に、透過側流路材と分離膜との段差を埋める封止部を備える構成である。
分離膜2は、酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層20と、当該分離機能層20を支持する多孔膜からなる支持層21とから少なくとも構成されている(図9から11)。
下記反応式(1)は、酸性ガスが二酸化炭素(CO2)であり、酸性ガスキャリア(CO2キャリア)として炭酸セシウム(Cs2CO3)を使用した場合における、CO2とCO2キャリアとの反応を示している。尚、反応式(1)中の記号「⇔」は、この反応が可逆反応であることを示す。
上記反応式(1)に示されるように、CO2とCO2キャリアとの可逆反応には水が必要であるため、分離機能層20を構成する酸性ガス分離膜用樹脂としては、水酸基やイオン交換基等の親水性基を有する、親水性を示す親水性樹脂が好ましく、親水性樹脂の分子鎖同士が架橋により網目構造を有することで高い保水性を示す架橋型親水性樹脂がより好ましい。酸性ガスが分離膜2を透過するための推進力として大きな圧力差が印加されるため、分離膜2に要求される耐圧強度の観点からも、分離機能層20を構成する酸性ガス分離膜用樹脂として、架橋型親水性樹脂を含むことが好ましい。
分離機能層20は、酸性ガス分離膜用樹脂(例えば親水性樹脂)と、酸性ガスが例えばCO2の場合には、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、およびアルカリ金属水酸化物からなるアルカリ金属化合物の群より選ばれる少なくとも1つの化合物(以下、「CO2キャリア」と記す)とを含む。このCO2キャリアは、上記酸性ガス分離膜用樹脂を含む分離機能層20内に存在し、分離機能層20に存在する水に溶解したCO2と可逆的に反応することで当該CO2を選択的に透過する役割を果たしている。CO2キャリアは、Na,K,Rb,およびCsからなる群より選ばれる少なくとも1つのアルカリ金属の炭酸塩、重炭酸塩または水酸化物であることが好ましい。アルカリ金属炭酸塩としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、および炭酸セシウム等が挙げられる。アルカリ金属重炭酸塩としては、例えば、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸ルビジウム、および重炭酸セシウム等が挙げられる。アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、および水酸化セシウム等が挙げられる。CO2キャリアとしては、潮解性を示すアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ金属水酸化物が好ましく、水への溶解度が高い炭酸セシウムまたは水酸化セシウムがより好ましい。
分離膜2が備える分離機能層20の形成に使用される塗工液(後述する)には、当該分離機能層20を構成する酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂の他に、例えば、酸性ガスの水和反応触媒や後述する界面活性剤等を添加剤としてさらに添加してもよい。上記酸性ガスの水和反応触媒は、酸性ガスとキャリアとの反応速度を向上させる。
分離膜2は、膜透過したガス成分の拡散抵抗とならない、ガス透過性の高い多孔膜を含む支持層21を透過側流路材4側に備えている。分離膜2の適用が想定される水素や尿素等を製造する大規模プラントでのプロセスでは、分離膜2の使用温度が100℃以上となるため、分離膜2を構成する上記多孔膜等の部材の耐熱性は、100℃以上であることが好ましい。本出願において「100℃以上の耐熱性」とは、多孔膜等の部材を100℃以上の温度条件下に2時間保存した後においても当該部材の保存前の形態が維持され、熱収縮或いは熱溶融による、目視で確認し得るカールが生じないことを意味する。
分離膜2の製造方法を以下に説明する。分離膜2の製造は、第1工程(塗工液作製工程)、第2工程(塗布工程)、および第3工程(乾燥工程)の3工程からなる。第2工程および第3工程は、支持層21を連続的に搬送しながら行う、ロール・トゥ・ロール(Roll-to-Roll)方式の塗工機や乾燥機を用いることが好ましい。各工程を詳細に説明する。
供給側流路材3は、混合ガスの流路空間(以下、「供給側の空間部分」と記す場合がある)を形成する流路材としての機能と、混合ガスに乱流を生じさせる機能とを備えていることが好ましいことから、網状の流路材が好適である。網目の形状によって混合ガスの流路が変わることから、供給側流路材3における網目の単位格子の形状は、目的に応じて、例えば、菱形、平行四辺形等の形状から選択すればよい。供給側流路材3の材質は、特に限定はないが、分離膜2が100℃以上の温度条件下で使用されることから、耐熱性を有する材料が好ましく、例えば、上記多孔膜の材質として挙げた材料と同様の材料を好適に用いることができる。具体的には、PTFE、PPS、ポリエーテルスルホン、PEEK、ポリイミド、金属が好ましく、さらには、PTFE、PPS、PEEK、金属がより好ましい。
透過側流路材4は、分離膜2を透過した透過ガス(酸性ガスおよび水蒸気を含む)の流路空間(以下、「透過側の空間部分」と記す場合がある)を形成する流路材としての機能と、酸性ガスに乱流を生じさせる機能とを備えていることが好ましいことから、網状の流路材が好適である。網目の形状によって透過ガスの流路が変わることから、透過側流路材4における網目の単位格子の形状は、目的に応じて、例えば、菱形、平行四辺形等の形状から選択すればよい。透過側流路材4の材質は、特に限定はないが、分離膜2が100℃以上の温度条件下で使用されることから、耐熱性を有する材料が好ましく、例えば、上記多孔膜の材質として挙げた材料と同様の材料を好適に用いることができる。具体的には、PTFE、PPS、ポリエーテルスルホン、PEEK、ポリイミド、金属が好ましく、さらには、PTFE、PPS、PEEK、金属がより好ましい。
本発明のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントは、透過側流路材4が分離膜2よりも少なくとも両端が幅方向(中心管5と平行な方向)において大きく、上記分離膜2の幅方向両端部に、透過側流路材4と分離膜2とを積層した際に生じる段差を埋める封止部25を備える。
巻回体は、供給された混合ガスと分離膜2を透過した酸性ガスを含む透過ガスとが混合しないように構成されている。具体的には、巻回体を構成する膜リーフ(分離膜積層体)は、長尺の矩形状の分離膜2を、長尺の矩形状の供給側流路材3を挟み込むようにして、分離機能層20を内側にして二つ折りにした構造(例えば0.5m〜1.5m×0.5m〜1.5m程度の大きさ)を備えている。つまり、膜リーフは、供給側流路材3を一枚の分離膜2で挟んだ構造となっている。一枚の分離膜2を二つ折りにして膜リーフを形成する代わりに、長尺の矩形状の供給側流路材3を挟み込んだ状態で二枚の長尺の矩形状の分離膜2を、分離機能層20を内側にして配置して膜リーフを形成してもよい。この場合には、二枚の分離膜2の一端部を接着して、見かけ上、一枚となるようにする。
中心管5は、分離膜2を透過した透過ガスを収集して、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1から排出するための導管である。中心管5の材質は、特に限定はないが、分離膜2が100℃以上の温度条件下で使用されることから、耐熱性を有する材料が好ましく、また、分離膜2等が外周に複数回巻き付けられることによって巻回体が形成されることから、機械的強度を有する材料が好ましい。中心管5の材質としては、例えば、ステンレス等が好適に用いられる。中心管5の直径や長さ、肉厚は、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1の大きさ、膜リーフの枚数、透過ガスの量、中心管5に要求される機械的強度等に応じて適宜設定すればよい。
図1は、本発明に係る酸性ガス分離膜モジュールが備える巻回体の構造を展開して示す、一部切り欠き部分を設けた概略の斜視図である。図2は、上記酸性ガス分離膜モジュールの構造を示す、一部展開部分を設けた概略の斜視図である。本発明に係る酸性ガス分離膜モジュールは、図1および2に示すスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1をハウジング(容器)15内に少なくとも1つ備えている。
本発明に係るスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1を使用するときには、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1をハウジング15内に設置して、酸性ガス分離膜モジュールMを構成する。また、上記巻回体を構成する分離膜2と透過側流路材4とで形成される透過側の空間部分が仕切り10を備えている場合には、中心管5における複数の孔30(孔群)が偏在している側の端部が供給側流路材3で形成される供給側の空間部分を流れる混合ガスの流路方向の下流側に位置するように、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1をハウジング15内に設置して、酸性ガス分離膜モジュールMを構成する。以下、このようにして構成した酸性ガス分離膜モジュールM、および、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの使用方法を説明する。
少なくとも酸性ガスを含む混合ガスは、酸性ガス分離膜モジュールMの上流側における供給側流路材3で形成される供給側の空間部分である供給口31に連続的に供給され(図2において矢印Aで示している)、分離膜2を透過した透過ガスは、透過側流路材4で形成される透過側の空間部分を通過し、孔30を通じて中心管5の排出口(開口部)32から連続的に収集され(図2において矢印Bで示している)、残りの混合ガスは、酸性ガス分離膜モジュールMの下流側における供給側流路材3で形成される供給側の空間部分である排出口33から連続的に排出される(図2において矢印Cで示している)。これにより、少なくとも酸性ガスを含む混合ガスから当該酸性ガスを従来よりも効率的に分離することができる。
本発明に係る酸性ガス分離装置は、上記構成の酸性ガス分離膜モジュールMを少なくとも1つ備えている。酸性ガス分離装置は、上記構成の酸性ガス分離膜モジュールMを備えることにより、少なくとも酸性ガスおよび水蒸気を含む混合ガスから当該酸性ガスを従来よりも効率的に分離することができ、しかも省エネルギー化を実現することができる。
図4に示すように、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1における供給側空間部分の供給口31側と中心管の排出口32側とが当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1の分離膜で隔てられるように、スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1を、試験装置Nにおけるステンレス製のハウジング15’内に固定した。中心管の排出口32側はハウジング15’の外部に導出し、他方側は閉栓した。スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1における供給側空間部分の供給口31側と他方側(排出口側)は、ハウジング15’内に開放した。即ち、当該ハウジング15’に供給したガスを、当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1における供給側空間部分の両端(供給口側と排出口側)から、当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメント1の内部に流入させた。
分離膜2の分離機能層20を構成する酸性ガス分離用樹脂として、アクリル酸−ビニルアルコール共重合体(CH2=CH(COOH)とCH2=CH(OH)との共重合体)のCs塩型(Cs塩型とは、上記「COOH」が「COOCs」となっている塩を指す)を用いた。酸性ガスキャリアとして、炭酸セシウム(Cs2CO3)を用いた。
実施例1と同様にして、封止構造を図6に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例1の分離膜エレメントにおいて、分離機能層20が支持層21の幅方向両端部において支持層21の側面部(厚み方向の断面部)を覆っており、かつ、供給側流路材3と分離膜2との間に保護層23と、分離膜2と透過側流路材4との間に補強用多孔膜22とを備えた構成とした。
実施例1と同様にして、封止構造を図7に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例1の分離膜エレメントにおいて、供給側流路材3と分離膜2との間に保護層23と、分離膜2と透過側流路材4との間に補強用多孔膜22とを備えた構成とした。当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行い、下記比較例1のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントのN2のパーミアンスと比較した。その結果、比較例1では気密性が保たれていなかった一方で、実施例3では、気密性が保たれていることが確認された(10回の試行中、10回の試行で、気密性が保たれていると評価した)。従って、接着剤を用いて、分離機能層20の幅方向両端部にできた封止部25を封止することにより、気密性が向上することが分かった。
実施例1と同様にして、封止構造を図8に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例1の分離膜エレメントにおいて、供給側流路材3と分離膜2との間に保護層23と、分離膜2と透過側流路材4との間に補強用多孔膜22とを備えた構成とした。比較例1においては、透過側流路材4と分離膜2との段差が存在しないため、接着剤の盛り付けは行わず、透過側流路材4および補強用多孔膜22の幅方向末端部から接着剤を染み込ませることによってのみ封止した。この際の接着剤としては、二液混合型エポキシ系接着剤(アレムコ・プロダクツ(米国)製;粘度:45,000cP)を用いた。そして、当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行った。その結果、気密性が保たれていないことが確認された(10回の試行中、気密性が保たれている試行はなかった)。この気密試験結果は、当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察したところ、支持層である上記多孔膜に上記接着剤が染み込んでおらず、供給したN2ガスが分離膜を介さずに当該多孔膜を通過して中心管の排出口32側に漏洩したためであることが確認された。
分離膜2の分離機能層20を構成する酸性ガス分離用樹脂として、アクリル酸−ビニルアルコール共重合体(CH2=CH(COOH)とCH2=CH(OH)との共重合体のCs塩型(Cs塩型とは、上記「COOH」が「COOCs」となっている塩を指す)を用いた。酸性ガスキャリアとして、炭酸セシウム(Cs2CO3)を用いた。
実施例4と同様にして、封止構造を図14に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例4の分離膜エレメントにおいて、分離膜2を作製後、分離膜2の支持層21側から界面活性剤を含む水溶液を分離膜2の幅方向端部に塗布し、1時間自然乾燥を行うことで支持層21の端部を親水化したこと以外は実施例4と同様に製造した。界面活性剤として、ノニオン性界面活性剤(AGCセイミケミカル(株)製:サーフロンS−242)を用い、該界面活性剤と水を重量比で1:1の割合で混合し、水溶液としたものを使用した。当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行い、上述した比較例1のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントのN2のパーミアンスと比較した。その結果、比較例1では気密性が保たれていなかった一方で、実施例5では、気密性が保たれていることが確認された(10回の試行中、10回の試行で、気密性が保たれていると評価した)。さらに気密試験後に当該気密試験を行ったスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを解体し、封止部断面を顕微鏡で観察したところ、図14に示すように、図13に記載の封止構造に加えて支持層21の端部領域にも接着剤が浸透していることが確認された。従って、接着剤を用いて、分離機能層20の幅方向両端部に設けた封止部25を封止し、さらにエレメント構成層への接着剤浸透部27を設けることで気密性が向上することが分かった。
実施例4と同様にして、封止構造を図15に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例4の分離膜エレメントにおいて、保護層23を2層構造とした。ここで、保護層23を構成するそれぞれの層を、保護層a、保護層bと称する。保護層として、PPS不織布とPTFE多孔膜(住友電工ファインポリマー(株)製;商品名:ポアフロン・HP−010−50;厚さ:50μm、細孔径:0.1μm)を用い、PTFE多孔膜は分離膜2と同じ幅となるようにした。当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行い、上述した比較例1のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントのN2のパーミアンスと比較した。その結果、比較例1では気密性が保たれていなかった一方で、実施例6では、気密性が保たれていることが確認された(10回の試行中、10回の試行で、気密性が保たれていると評価した)。さらに気密試験後に当該気密試験を行ったスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを解体し、封止部断面を顕微鏡で観察したところ、PTFE多孔膜の保護層部分には浸透していなかったが、その他のエレメント構成層への接着剤浸透部27が分離膜2の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線よりも幅方向内側まで浸透していることが確認された。従って、接着剤を用いて、分離機能層20の幅方向両端部に設けた封止部25を封止し、さらにエレメント構成層への接着剤浸透部27を設けることで気密性が向上することが分かった。
実施例6と同様にして、封止構造を図16に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例6の分離膜エレメントにおいて、PTFE多孔膜の保護層の端部を界面活性剤で親水化したこと以外は実施例6と同様に製造した。親水化処理の方法については、実施例5と同様に行った。当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行い、上述した比較例1のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントのN2のパーミアンスと比較した。その結果、比較例1では気密性が保たれていなかった一方で、実施例7では、気密性が保たれていることが確認された(10回の試行中、10回の試行で、気密性が保たれていると評価した)。さらに気密試験後に当該気密試験を行ったスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを解体し、封止部断面を顕微鏡で観察したところ、エレメント構成層への接着剤浸透部27が分離膜2の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線よりも幅方向内側まで浸透していることが確認された。従って、接着剤を用いて、分離機能層20の幅方向両端部に設けた封止部25を封止し、さらにエレメント構成層への接着剤浸透部27を設けることで気密性が向上することが分かった。
実施例6と同様にして、封止構造を図17に示した構造に変更したスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを製造した。具体的には、実施例6の分離膜エレメントにおいて、PTFE多孔膜の保護層と支持層21の各々の端部を界面活性剤で親水化したこと以外は実施例6と同様に製造した。親水化処理の方法については、実施例5と同様に行った。当該スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントの気密試験を行い、上述した比較例1のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントのN2のパーミアンスと比較した。その結果、比較例1では気密性が保たれていなかった一方で、実施例8では、気密性が保たれていることが確認された(10回の試行中、10回の試行で、気密性が保たれていると評価した)。さらに気密試験後に当該気密試験を行ったスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントを解体し、封止部断面を顕微鏡で観察したところ、エレメント構成層および支持層21への接着剤浸透部27が分離膜2の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線よりも幅方向内側まで浸透していることが確認された。従って、接着剤を用いて、分離機能層20の幅方向両端部に設けた封止部25を封止し、さらにエレメント構成層への接着剤浸透部27を設けることで気密性が向上することが分かった。
実施例1〜8と比較例1とを比較した結果から、分離機能層の幅方向両端部において、上述した封止部を有するスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントは、上記封止部を有さないスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントと比較して、気密性により優れていることが示された。
2 分離膜
3 供給側流路材
4 透過側流路材
5 中心管
6 膜リーフ
7 積層体
9 接着部
10 仕切り
15 ハウジング
20 分離機能層
21 支持層
22 補強用多孔膜
23 保護層
23a 保護層a
23b 保護層b
25 封止部
26 染み込み防止テープ
27 接着剤浸透部
30 孔
M 酸性ガス分離膜モジュール
Claims (19)
- 酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層と、多孔膜からなる支持層とを有する分離膜、供給側流路材および透過側流路材が積層状態で有孔の中心管に巻回された巻回体を備えるスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントにおいて、
上記透過側流路材は、上記分離膜よりも少なくとも両端幅方向において大きく、上記分離膜の幅方向両端部に、透過側流路材と分離膜との段差を埋める封止部を備えることを特徴とするスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。 - 分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記封止部が、接着剤層であることを特徴とする請求項1または2に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記接着剤層が、エポキシ系接着用樹脂を含むことを特徴とする請求項3に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記支持層が、フッ素含有樹脂の多孔膜であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記透過側流路材、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上のエレメント構成層の幅方向両端部に、当該エレメント構成層の幅方向両端から分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線に至る連続した領域に接着剤を浸透させた更なる封止部をさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記更なる封止部において、
上記接着剤が分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線よりも幅方向内側まで浸透していることを特徴とする請求項6に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。 - 上記保護層が、親水化処理剤により、幅方向端部を処理されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を浸透させた封止部をさらに含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を浸透させた封止部が、親水化処理剤により処理されていることを特徴とする請求項9に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 親水化処理剤が界面活性剤である請求項8または10に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメント。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載のスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントをハウジング内に少なくとも1つ備えることを特徴とする酸性ガス分離膜モジュール。
- 請求項12に記載の酸性ガス分離膜モジュールを少なくとも1つ備えることを特徴とする酸性ガス分離装置。
- 酸性ガスと可逆的に反応する酸性ガスキャリアと酸性ガス分離膜用樹脂とを含む分離機能層と、多孔膜からなる支持層とを有する分離膜、供給側流路材および透過側流路材が積層状態で有孔の中心管に巻回された巻回体を備えるスパイラル型酸性ガス分離膜エレメントに用いられる封止方法であって、
上記透過側流路材は、上記分離膜よりも少なくとも両端幅方向において大きく、上記分離膜の幅方向両端部に、上記透過側流路材と分離膜との段差を埋めるようにして接着剤を塗布することを特徴とする封止方法。 - 上記スパイラル型酸性ガス分離膜エレメントが、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上をさらに備えることを特徴とする請求項14に記載の封止方法。
- 上記透過側流路材、分離膜と供給側流路材との間に積層された1以上の保護層、および分離膜の透過面側に積層された1以上の補強用多孔膜からなる群から選択される1以上のエレメント構成層の幅方向両端部に、当該エレメント構成層の幅方向両端から分離膜の幅方向両端部を厚み方向に延長して得られる仮想線に至る連続した領域に接着剤を浸透するように接着剤を塗布することを特徴とする請求項14または15に記載の封止方法。
- 上記支持層の幅方向両端部に接着剤を塗布する工程をさらに含むことを特徴とする請求項14〜16のいずれか1項に記載の封止方法。
- 上記保護層または支持層の少なくとも1つの幅方向両端部を、接着剤塗布に先立って親水化処理剤により処理することを特徴とする請求項14〜17のいずれか1項に記載の封止方法。
- 前記親水化処理剤が、界面活性剤である請求項18に記載の封止方法。
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