TWI693095B - 二氧化碳分離方法及二氧化碳分離裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種二氧化碳分離方法，係具有：混合氣體供應步驟，其係將至少含二氧化碳及水蒸氣之混合氣體供應至含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜；二氧化碳分離步驟，其係藉由前述二氧化碳分離膜由前述混合氣體分離含有二氧化碳的穿透氣體；溫度調整步驟，其係以前述混合氣體與前述穿透氣體的溫度差為0℃以上、20℃以下之範圍之方式調整與前述二氧化碳分離膜接觸的氣體之溫度；壓力調整步驟，其係調整前述穿透氣體的壓力；而且，前述混合氣體的水蒸氣分壓、及前述穿透氣體的壓力滿足下述式(1)。
2.5kPaA<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(1)

Description

二氧化碳分離方法及二氧化碳分離裝置
本發明係有關於二氧化碳分離方法及二氧化碳分離裝置。
作為對燃料電池供應氫氣的方式，有水蒸氣改質。在水蒸氣改質中，使烴與水蒸氣反應而獲得一氧化碳及氫氣，進而，使所獲得之一氧化碳再與水蒸氣反應而產生二氧化碳及氫氣。藉由從所生成之含有二氧化碳及氫氣的混合氣體分離二氧化碳而獲得氫氣。
就由混合氣體分離二氧化碳的方法而言，從謀求節約能源來看，膜分離法在近年倍受注目。就使用於膜分離法之氣體分離膜而言，至今已提出各種分離膜。其中，利用二氧化碳與二氧化碳載體之可逆反應的促進二氧化碳分離傳送膜之開發研究正盛行(專利文獻1、2)。例如，在專利文獻3中，曾提出藉由將利用促進傳送機制的二氧化碳分離膜之穿透側加壓至飽合水蒸氣壓以上，或者將經加濕的流通氣流(sweep gas)供應至前述穿透側，而抑制前述穿透側中來自前述二氧化碳分離膜之水的蒸發，提升二 氧化碳分離膜之二氧化碳穿透性能之技術。
[先前技術文獻] 專利文獻
[專利文獻1]日本公開特許公報「特開2009-195900號(2009年9月3日公開)」
[專利文獻2]日本公開特許公報「特開2001-120940號(2001年5月8日公開)」
[專利文獻3]日本公開特許公報「特開2013-22581號(2013年2月4日公開)」
然而，在使用習知之二氧化碳分離膜的二氧化碳分離方法中，已知二氧化碳分離膜所具有之二氧化碳之穿透性能未必能充分發揮。本發明人等究明若使二氧化碳分離膜之穿透側過度加壓，供應側與穿透側的壓力差會變小，故有二氧化碳分離膜之二氧化碳穿透性能降低的問題。再者，本發明人等發現為對二氧化碳分離膜之穿透側供應經加濕之流通氣流，必須追加流通氣體的新氣體來源及調整加濕之步驟，故以膜分離法之導入無法謀求可期待之節省能源化之問題。本發明係解決此等之問題。
本發明之目的係在於提供藉由將穿透二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力調整至適當的範圍，確保二氧化碳分離膜的供應側與穿透側之壓力差，同時穿透二氧化 碳分離膜的水蒸氣產生流通效果，而於前述二氧化碳分離膜發揮高的二氧化碳穿透性能的二氧化碳分離方法。
同時，本發明之另一目的，在於提供二氧化碳分離膜中之二氧化碳穿透性能優異之二氧化碳分離裝置。
為解決上述問題，本發明係包含以下之發明。
<1>一種二氧化碳分離方法，係具有如下步驟：混合氣體供應步驟，係將至少含有二氧化碳及水蒸氣之混合氣體，供應至含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜；二氧化碳分離步驟，係藉由前述二氧化碳分離膜由前述混合氣體分離含有二氧化碳的穿透氣體；溫度調整步驟，係以供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體與已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的溫度差為0℃以上、20℃以下的範圍之方式，調整與前述二氧化碳分離膜接觸之氣體的溫度；壓力調整步驟，係調整已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力；其中供應至前述二氧化碳分離膜的混合氣體之水蒸氣分壓與已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力，滿足下述式(1)。
2.5kPaA<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(1)
<2>如<1>項記載之二氧化碳分離方法，其中已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力係藉由壓力調整手段來調整。
<3>如<1>項記載之二氧化碳分離方法，其中已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力係藉由利用穿透氣體之流道構造所致的壓力損失來調整。
<4>如<1>項至<3>項中任一項記載之二氧化碳分離方法，其中與前述二氧化碳分離膜接觸的氣體之溫度係藉由溫度調整手段來調整。
<5>如<1>項至<4>項中之任一項記載之二氧化碳分離方法，其中供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體的水蒸氣分壓、與已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力，進一步滿足下述式(2)。
(混合氣體的水蒸氣分壓)×0.25<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(2)
<6>如<1>項至<5>項中之任一項記載之二氧化碳分離方法，其中供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體為溫度50℃以上、140℃以下之範圍及相對濕度50%RH以上、100%RH以下之範圍。
<7>一種二氧化碳分離裝置，其係使用於<1>項至<6>項中之任一項記載之二氧化碳分離方法的二氧化碳分離裝置，且具備：1台以上的二氧化碳分離膜組，係具有藉由含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜隔開為供 應側與穿透側之構造；溫度調整手段，係調整被供應至前述二氧化碳分離膜組所具有的供應側入口之混合氣體與由穿透側出口所排出之穿透氣體的溫度差；壓力調整手段，係調整由前述穿透側出口所排出的穿透氣體之壓力。
<8>如<7>項記載之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳載體為選自由鹼金屬碳酸鹽、鹼金屬碳酸氫鹽及鹼金屬氫氧化物所構成之群組的至少一種化合物。
<9>如<7>項或<8>項記載之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳載體含有碳酸銫及氫氧化銫的至少一種。
<10>如<7>項至<9>項中之任一項記載之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳分離膜為中空絲狀、管狀或螺旋狀。
<11>如<7>項至<10>項中之任一項記載之二氧化碳分離裝置，更具備：調整被供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體的溫度及相對濕度的溫濕度調整手段。
若依據本發明中之二氧化碳分離方法，可藉由將穿透二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力調整至適當之範圍，確保二氧化碳分離膜之供應側與穿透側的壓力差，同時使穿透膜之水蒸氣產生流通效果，而可於前述二氧化碳分離膜發揮高的二氧化碳穿透性能。
又，若依據本發明，可提供二氧化碳分離膜 中的二氧化碳穿透性能優異之二氧化碳分離裝置。
1‧‧‧供應氣體流道
2‧‧‧穿透氣體流道
3‧‧‧二氧化碳分離膜
4‧‧‧積層體
5‧‧‧集氣管
11‧‧‧供應氣體供應口
12‧‧‧供應氣體排出口
22‧‧‧穿透氣體排出口
41‧‧‧二氧化碳分離膜
42‧‧‧供應側流道材
43‧‧‧穿透側流道材
44‧‧‧供應口
45、52‧‧‧排出口
51‧‧‧孔
A‧‧‧調整器(溫濕度調整手段)
B‧‧‧背壓調整器(壓力調整手段)
M‧‧‧二氧化碳分離膜模組
M1‧‧‧螺旋型二氧化碳分離膜元件
P‧‧‧混合氣體之供應方向
第1圖係顯示本發明之二氧化碳分離裝置之一例的概略之截面圖。
第2圖係顯示實施本發明之二氧化碳分離方法的螺旋型二氧化碳分離膜元件之構造的設有一部分展開部分的概略之截面圖。
第3圖係顯示在實施例之模擬所使用的二氧化碳之穿透率與供應側相對濕度的關係之曲線圖。
本發明中之二氧化碳的分離方法，係具有如下步驟：混合氣體供應步驟，係將至少含有二氧化碳及水蒸氣之混合氣體，供應至含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜；二氧化碳分離步驟，係藉由前述二氧化碳分離膜由前述混合氣體分離含有二氧化碳的穿透氣體；溫度調整步驟，係以供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體與已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的溫度差為0℃以上、20℃以下的範圍之方式，調整與前述二氧化碳分離膜接觸之氣體的溫度；壓力調整步驟，係調整已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力；且供應至前述二氧化碳分離膜的混合氣體之水蒸氣分壓、與已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力，滿足下述式(1)。
2.5kPaA<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(1)
前述構成中，已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力亦可藉由壓力調整手段來調整。
前述構成中，已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力亦可藉由利用穿透氣體之流道構造所致的壓力損失來調整。
前述構成中，與前述二氧化碳分離膜接觸之氣體的溫度亦可藉由溫度調整手段來調整。
前述構成中，供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體的水蒸氣分壓、及已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力以進一步滿足下述式(2)為佳。
(混合氣體的水蒸氣分壓)×0.25<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(2)
前述構成中，供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體以溫度在50℃以上、140℃以下之範圍、及相對濕度在50%RH以上、100%RH以下之範圍為佳。
本發明之二氧化碳分離裝置，係使用於前述之任意1種所記載之二氧化碳分離方法的二氧化碳分離裝置，且具備：1台以上的二氧化碳分離膜模組，係具有藉由含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜隔開為供應側與穿透側之構造；溫度調整手段，係調整前述二氧化碳分離膜模組內的氣體之溫度；壓力調整手段，係調整由前述二氧化碳分離膜模組所具有之穿透側出口所排出的穿透氣體之壓力。
前述構成中，前述二氧化碳載體係以選自由鹼金屬碳酸鹽、鹼金屬碳酸氫鹽及鹼金屬氫氧化物所構成之群組的至少一種化合物為佳。
前述構成中，前述二氧化碳載體係以含有碳酸銫及氫氧化銫的至少一種為佳。
前述構成中，前述二氧化碳分離膜係以中空絲狀、管狀或螺旋狀為佳。
前述構成中，以更具備調整被供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體的溫度及相對濕度之溫濕度調整手段為佳。
以下，再對於本發明中之二氧化碳分離方法及二氧化碳分離裝置依據圖面進一步說明，惟本發明並不受此等之實施形態任何限定。
第1圖顯示本發明之二氧化碳分離裝置之一例的概略之截面圖。第1圖之二氧化碳分離裝置係具有：調整所供應之混合氣體的溫度、濕度、壓力之調整器A、分離膜模組M、及調整已穿透氣體之壓力的背壓調整器B。分離膜模組M係具有供應氣體流道1與穿透氣體流道2被二氧化碳分離膜3所分隔之構造。在供應氣體流道1之相對向之器壁上形成有供應氣體供應口11及供應氣體排出口12。在穿透氣體流道2係形成有穿透氣體排出口22。
第1圖中係表示只有1台前述分離膜組M之圖，但亦可為依照所供應之混合氣體的流量及所設定的穿透氣體之流量，而使2台以上之前述分離膜模組M並聯或 串聯連接的分離膜模組群。在以並聯地連接分離膜模組M時，用以調整穿透氣體之壓力的背壓調整器B係可設置在每個分離膜模組之穿透氣體排出口22的後端，亦可設置在將2台以上之分離膜模組的穿透氣體排出口22集束後之處。
至少含有二氧化碳及水蒸氣之混合氣體，係在調整器A中被調整溫度、濕度、壓力，而由供應氣體供應口11供應至供應氣體流道1。混合氣體在供應氣體流道1流動之期間，混合氣體所含有之二氧化碳係穿透二氧化碳分離膜3而移動至穿透氣體流道2。除去二氧化碳後的混合氣體(未穿透氣體)由供應氣體排出口12排出。另一方面，已穿透二氧化碳分離膜3的含有二氧化碳之穿透氣體係由穿透氣體排出口22排出。穿透氣體的壓力係以背壓調整器B調整。
其中，重要的事係穿透氣體之壓力大於2.5kPaA且小於混合氣體的水蒸氣分壓。2.5kPaA係在20℃下之飽和水蒸氣壓。在穿透氣體之壓力為2.5kPaA以下時，混合氣體中的水蒸氣會大量穿透二氧化碳分離膜3，而混合氣體中的水分量會降低，使二氧化碳分離膜3的二氧化碳穿透性能降低。
穿透氣體之壓力為混合氣體的水蒸氣分壓以上時，二氧化碳分離膜3之供應側與穿透側之壓力差變小，使二氧化碳穿透性能降低。穿透氣體之壓力較佳係大於{(混合氣體的水蒸氣分壓)×0.25}，小於混合氣體的水蒸 氣分壓之壓力範圍。{(混合氣體的水蒸氣分壓)×0.25}為穿透氣體之溫度較混合氣體的溫度低20℃以上時之飽和水蒸氣壓。穿透氣體之溫度較混合氣體的溫度低20℃以上時，已穿透二氧化碳分離膜內之氣體在被排出至二氧化碳分離膜之穿透側時所須之熱能會不足，二氧化碳分離膜之二氧化碳穿透性能會降低。如此，使穿透氣體之壓力設為前述式(1)之範圍，藉此，一邊確保二氧化碳分離膜3之供應側與穿透側的二氧化碳之分壓差，一邊藉由已穿透的水蒸氣產生與流通氣流同樣之作用效果，可提高二氧化碳分離膜3的二氧化碳穿透性能。若依據本發明之二氧化碳分離方法，可不供應以往另外供應至分離膜模組之流通氣流，而在二氧化碳分離膜發揮高的穿透性能。
在第1圖中雖未顯示，但亦可以使供應至供應氣體供應口11之混合氣體與由穿透氣體排出口22所排出之穿透氣體的溫度差為0℃以上、20℃以下之方式，調整分離膜模組M內之氣體的溫度。藉由如此地調整溫度差，可使穿透氣體的壓力設為前述式(1)之範圍所獲得的效果會提高。在前述溫度差超過0℃時，穿透氣體的溫度，可較混合氣體更高亦可更低，但以較混合氣體更低為較佳。
對分離膜模組M內之氣體進行調溫的手段係可使用使熱媒於分離膜模組M之周圍流通之調溫裝置、及以抑制來自分離膜模組M之放熱的隔熱材料所構成的隔熱裝置等。
供應至分離膜模組M之混合氣體，係可藉由 調整器A而調整溫度、濕度、壓力。混合氣體之溫度係以50℃以上、140℃以下之範圍為佳。而且，混合氣體之濕度係以50%RH以上、100%RH以下之範圍為佳。調整器A係可舉例如熱交換裝置、加壓/減壓裝置、以氣泡塔及追加蒸氣所構成之加濕裝置等。
背壓調整器B係可使用加壓裝置、減壓裝置、背壓閥等以往公知之壓力調整裝置。亦可不使用背壓調整器B，而利用分離膜模組M之穿透氣體的流道構造所致之壓力損失而進行穿透二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力調整。第2圖所示，係表示可藉由穿透氣體的流道構造而進行壓力調整之分離膜模組M所具備的膜元件M1之一例。
第2圖係以設置一部分展開部分之方式顯示膜元件M1的概略之截面圖。膜元件M1，係具有：複數個積層有二氧化碳分離膜41、供應側流道材42、及穿透側流道材43而成之積層體4被捲繞在形成有複數孔51的中空集氣管5外周而成之構造。
在此種構造之膜元件M1中，含有二氧化碳及水蒸氣的混合氣體，係由膜元件M1之供應口44朝以箭號P所示的方向被供應，在流動於供應側流道材42之期間，混合氣體中的二氧化碳會穿透二氧化碳分離膜41，被分離之二氧化碳係在穿透側流道材43流動而被收集於集氣管5，並由集氣管5的排出口52回收。另一方面，通過供應側流道材42之空隙且已分離二氧化碳之殘餘的混合 氣體，係由膜元件M1之排出口45排出。
對於供應側流道材42及穿透側流道材43，係要求下列機能：促進所供應的含有二氧化碳及水蒸氣之混合氣體及穿透二氧化碳分離膜41的穿透氣流之亂流(膜面之表面再生)以提高混合氣體中的二氧化碳之膜穿透速度之機能、儘可能地減少供應側之壓力損失之機能、及形成氣體之流道的空間部之機能等。因此，供應側流道材42及穿透側流道材43係適宜使用網目狀者。網目之單位格子之形狀，係依網目的形狀而改變氣體的流道，依需要而從例如菱形、平行四邊形等之形狀選擇而使用。
穿透氣體之壓力損失，可藉由該穿透側流道材43的厚度及構造(網目之形狀等)而調整。例如，若使穿透側流道材43薄化，穿透氣體之壓力損失變大，相反地若增厚，穿透氣體之壓力損失變小。此外，亦可藉由調整膜元件M1之集氣管5的內徑及孔51的個數、大小、位置等而調整穿透氣體之壓力損失。
供應側流道材42及穿透側流道材43的材質並無特別限定，惟由於二氧化碳分離膜可在100℃以上的溫度條件下使用，以具有耐熱性之材料為佳，可例舉如聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯等含氟樹脂，聚伸苯硫醚(PPS)、聚醚碸、聚醚醚酮(PEEK)、聚醯亞胺、高分子量聚酯、聚烯烴、耐熱性聚醯胺、芳族醯胺、聚碳酸酯等樹脂材料；金屬、玻璃、陶瓷等無機材料等。其中，以PTFE、PPS、聚醚碸、PEEK、聚醯亞胺、陶瓷、金屬較 佳，以PTFE、PPS、PEEK、金屬為更佳。
於本發明所使用之二氧化碳分離膜，係只要為含有親水性樹脂及二氧化碳載體者即可，並無特別限定，可使用以往公知者。更佳係可舉例如積層有含有親水性樹脂組成物之分離機能層及多孔膜層之狀態者，其中，該親水性樹脂組成物係含有親水性樹脂及二氧化碳載體。
親水性樹脂係可舉例如乙烯醇-丙烯酸共聚物、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚順丁烯二酸(PMA)、聚反丁烯二酸、聚乙烯膦酸、聚乙烯酚等。此等之中，適宜使用具有以氫鍵所產生之物理性交聯構造的樹脂，具體上係乙烯醇-丙烯酸共聚物、PVA、PAA等具有羥基及羧基之親水性樹脂。
在本發明所使用之親水性樹脂，係進一步以具有交聯構造為佳。在由親水性樹脂組成物所構成之分離機能層中之二氧化碳係以親水性樹脂所吸收的水之中作為反應場所而與二氧化碳載體進行可逆反應，並以接觸於分離機能層的供應側及穿透側之氣體相中的壓力差作為推進力而穿透分離機能層。親水性樹脂具有交聯構造時，親水性樹脂層成為三維網狀構造，可保持大量之水，同時並可耐受高的壓力差。
二氧化碳載體係只要為存在於分離機能層中，並可與溶解在親水性樹脂所吸收之水中的二氧化碳進行可逆反應，以發揮使二氧化碳選擇性穿透之功能者即可，亦可使用以往公知者。
如此之二氧化碳載體係可舉例如鹼金屬碳酸鹽、鹼金屬碳酸氫鹽、鹼金屬氫氧化物等。構成此等之化合物之鹼金屬，以顯示潮解性之Na、K、Rb或Cs為較佳。鹼金屬碳酸鹽係可舉例如碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銣、及碳酸銫等。又，鹼金屬碳酸氫鹽係可舉例如碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、碳酸氫銣、及碳酸氫銫等。同時，鹼金屬氫氧化物係可舉例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銣、及氫氧化銫等。此等之中，以對水之溶解度高的碳酸銫、氫氧化銫為較佳。
多孔膜係以高分子多孔膜為佳，其材質係可舉例以往公知之高分子，例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴系樹脂等，PTFE、聚氟化乙烯、聚偏氟乙烯等含氟樹脂等，聚苯乙烯、乙酸纖維素、聚胺酯、聚丙烯腈、聚碸、聚醚碸、PEEK、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、芳族聚醯胺等之各種樹脂，較佳係使用PTFE、聚碸、聚醚碸、PEEK、聚丙烯腈、乙酸纖維素、聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺等。此等之中，PTFE係容易獲得微小孔徑、且因可提高氣孔率而分離之能量效率佳等之理由，故更佳。
多孔膜的厚度並無特別限定，惟由機械強度之觀點而言，通常，以10μm至3000μm之範圍為佳，以10μm至500μm之範圍為更佳，以15μm至150μm之範圍又更佳。
多孔膜的細孔之平均孔徑並無特別限定，但以10μm以下為佳，以1μm以下更佳。多孔膜的空孔率以5%至99%之範圍為佳，以30%至90%之範圍為更佳。
二氧化碳分離膜之形狀並無特別限定，以中空絲狀、管狀或螺旋狀為佳。
[實施例] (實施例1至4、比較例1至5)
使用以下所示之條件及前提，計算分離膜模組之二氧化碳的處理量。結果表示於表1。
(供應至分離膜模組之混合氣體) (組成)
總流量：1Nm3/h
CO2：0.2Nm3/h(20vol%-wet)
H2O：相當於表1記載的水蒸氣分壓
H2：除了CO2及H2O以外之其餘組成
(溫度/濕度/壓力)
如表1所記載。
(前提)
‧分離膜模組之穿透側不供應流通氣流。
‧將供應至分離膜模組之混合氣體與由分離膜模組所排出之穿透氣體的溫度差設為0℃。
‧二氧化碳之穿透率係受分離膜模組之供應側所流通之混合氣體的濕度影響而顯示第3圖之相關性者。
‧H2係不穿透分離膜模組所具備之二氧化碳分離膜。
(計算方法)
對於表1所示之條件的混合氣體而改變分離膜模組中之穿透氣體之壓力時，計算二氧化碳之去除率(=100×穿透氣體之二氧化碳流量/混合氣體之二氧化碳流量)成為50%時之殘餘混合氣體(未穿透分離膜模組所具備的二氧化碳分離膜之氣體)及穿透氣體(已穿透分離膜模組所具備的二氧化碳分離膜之氣體)的條件。具體之計算順序如下。
1.對於所賦予之混合氣體的條件以物質平衡式，計算在分離膜模組中之殘餘混合氣體與穿透氣體之相對濕度為相等且二氧化碳之去除率成為50%時之殘餘混合氣體及穿透氣體中的濕度及二氧化碳之流量及分壓。
2.分離膜模組所具備之二氧化碳分離膜的二氧化碳穿透率，係從所賦予之混合氣體的濕度及第1.項所得之殘餘的混合氣體之濕度及第3圖，求出在混合氣體及殘餘的混合氣體中之二氧化碳穿透率，並計算其等之平均值。
3.從分離膜模組之供應側與穿透側中之各氣體所含之二氧化碳的分壓，求出成為穿透膜之推進力的分壓差。在分離膜組入口上的二氧化碳之分壓差，係由於穿透二氧化碳分離膜之二氧化碳為零，故與所得之混合氣體中所含的二氧化碳的分壓相等。另一方面，在分離膜模組出口的二氧化碳之分壓差，係在第1.項所得之殘餘混合氣體與穿透氣體之分別所含之二氧化碳的分壓之差。從所得之分離膜 模組入口與出口之二氧化碳的分壓差求出之平均值設為分離膜模組之二氧化碳的分壓差。
4.從在第2.項所得之分離膜模組的二氧化碳穿透率與在第3.項所得之二氧化碳的分壓差，使用下述式，計算分離膜模組之每單位膜面積的二氧化碳之處理量(穿透氣體之二氧化碳流量)。
分離膜模組每單位膜面積之二氧化碳的處理量[mol/s/m2]=分離膜模組之二氧化碳穿透率[mol/s/kPa/m2]×分離膜模組之二氧化碳分壓差[kPa]
Figure 105119144-A0202-12-0017-1
由表1可知，在溫度140℃、濕度100%RH、總壓力2500kPaA、水蒸氣分壓360kPa下將含有二氧化碳20vol%的混合氣體供應至分離膜模組之情形中，使穿透氣體之壓力較混合氣體的水蒸氣分壓小且較2.5kPaA大之實施例1及實施例2，每單位膜面積之二氧化碳處理量係多於使穿透氣體之壓力大於混合氣體的水蒸氣分壓之比較例1及比較例2。
即使使混合氣體為溫度80℃、濕度100%RH、 總壓力200kPaA、水蒸氣分壓47kPa之情形中，穿透氣體之壓力較混合氣體的水蒸氣分壓小且較2.5kPaA大之實施例3，每單位膜面積之二氧化碳處理量亦多於使穿透氣體之壓力大於混合氣體的水蒸氣分壓之比較例3。
使混合氣體設為溫度50℃、濕度50%RH、總壓力100kPaA、水蒸氣分壓6.2kPa之情形中，使穿透氣體之壓力較混合氣體的水蒸氣分壓小且較2.5kPaA大之實施例4，每單位膜面積之二氧化碳處理量亦多於較使穿透氣體之壓力大於混合氣體的水蒸氣分壓之比較例4、及使穿透氣體之壓力設為未達2.5kPaA的比較例5。
[產業上利用之可能性]
若依據本發明之二氧化碳分離方法，藉由將已穿透二氧化碳分離促進傳送膜的穿透氣體之壓力調整至適當之範圍，可確保二氧化碳分離膜之供應側與穿透側之壓力差，同時使穿透膜的水蒸氣具有流通效果，藉此，可發揮二氧化碳分離膜之高的二氧化碳穿透性能。
1‧‧‧供應氣體流道
2‧‧‧穿透氣體流道
3‧‧‧二氧化碳分離膜
11‧‧‧供應氣體供應口
12‧‧‧供應氣體排出口
22‧‧‧穿透氣體排出口
A‧‧‧調整器(溫濕度調整手段)
B‧‧‧背壓調整器(壓力調整手段)
M‧‧‧二氧化碳分離膜組

Claims (10)

  1. 一種二氧化碳分離方法，係包含如下步驟：混合氣體供應步驟，係將至少含有二氧化碳及水蒸氣之混合氣體，供應至含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜；二氧化碳分離步驟，係藉由前述二氧化碳分離膜由前述混合氣體分離含有二氧化碳的穿透氣體；溫度調整步驟，係以供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體與已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的溫度差為0℃以上、20℃以下的範圍之方式調整與前述二氧化碳分離膜接觸之氣體的溫度；以及壓力調整步驟，係調整已穿透前述二氧化碳分離膜之穿透氣體的壓力；其中，供應至前述二氧化碳分離膜的混合氣體之水蒸氣分壓與已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力，滿足下述式(1)及式(2)，2.5kPaA<(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(1)(混合氣體的水蒸氣分壓)×0.61≦(穿透氣體的壓力)<(混合氣體的水蒸氣分壓)…(2)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳分離方法，其中已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力係藉由壓力調整手段來調整。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳分離方法，其中 已穿透前述二氧化碳分離膜的穿透氣體之壓力係藉由利用穿透氣體之流道構造所致的壓力損失來調整。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳分離方法，其中與前述二氧化碳分離膜接觸的氣體之溫度，係藉由溫度調整手段來調整。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化碳分離方法，其中供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體為溫度50℃以上、140℃以下之範圍及相對濕度50%RH以上、100%RH以下之範圍。
  6. 一種二氧化碳分離裝置，其係使用於申請專利範圍第1項至第5項之任一項所述之二氧化碳分離方法的二氧化碳分離裝置，該二氧化碳分離裝置具備：1台以上的二氧化碳分離膜模組，係具有藉由含有親水性樹脂及二氧化碳載體的二氧化碳分離膜隔開為供應側及穿透側之構造；溫度調整手段，係調整被供應至前述二氧化碳分離膜模組所具有的供應側入口之混合氣體與由穿透側出口所排出之穿透氣體的溫度差；以及壓力調整手段，係調整由前述穿透側出口所排出的穿透氣體之壓力。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳載體為選自由鹼金屬碳酸鹽、鹼金屬碳酸氫鹽及鹼金屬氫氧化物所構成之群組的至少一種化合物。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳載體含有碳酸銫及氫氧化銫的至少一種。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之二氧化碳分離裝置，其中前述二氧化碳分離膜為中空絲狀、管狀或螺旋狀。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之二氧化碳分離裝置，更具備：調整被供應至前述二氧化碳分離膜之混合氣體的溫度及相對濕度的溫濕度調整手段。
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