WO2022190938A1 - スパイラル型膜エレメント及び膜分離システム - Google Patents

スパイラル型膜エレメント及び膜分離システム Download PDF

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WO2022190938A1
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separation membrane
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慎 片桐
吉宏 中村
真哉 西山
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日東電工株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a spiral membrane element and a membrane separation system.
  • a membrane separation method has been developed as a method for separating acidic gases from mixed gases containing acidic gases such as carbon dioxide.
  • the membrane separation method can efficiently separate the acid gas while suppressing the operating cost, compared to the absorption method in which the acid gas contained in the mixed gas is absorbed by an absorbent and separated.
  • a spiral membrane element is used for the membrane separation method.
  • a spiral-wound membrane element comprises a central tube and membrane leaves wound around the central tube.
  • a membrane leaf has a separation membrane and a permeate spacer.
  • a spiral wound membrane element is suitable for increasing the membrane area of the separation membrane in the membrane element.
  • the spiral wound type membrane element further has, for example, a channel spacer wound around the central tube on the central tube side of the membrane leaf (for example, Patent Document 1).
  • the channel spacer facilitates the delivery of permeate fluid from the membrane leaves to the central tube.
  • the presence of the channel spacer when fabricating the spiral-wound membrane element facilitates winding the membrane leaves around the central tube.
  • the permeation rate of the permeating fluid from the separation membrane tends to be lower than the permeation rate of the permeating fluid from the same flat membrane separation membrane.
  • the permeation rate of the permeating fluid from the separation membrane tends to decrease. This tendency is particularly conspicuous in a system in which the inside of the central tube is evacuated to operate the spiral wound type membrane element (decompression system).
  • an object of the present invention is to provide a spiral membrane element that is suitable for suppressing a decrease in permeation velocity (or permeation flux) of a permeation fluid through a separation membrane.
  • the present inventors newly discovered that the decrease in the permeation rate of the permeating fluid in the spiral membrane element is caused by the pressure loss in the spacers, especially the channel spacers. Based on this knowledge, the inventors have further studied and completed the present invention.
  • the present invention a central canal; a membrane leaf having a separation membrane and a permeate spacer wrapped around the central tube; a channel spacer connected to the permeation spacer and wound around the central tube on the central tube side of the membrane leaf; with Provided is a spiral membrane element in which the pressure loss P1 of the flow path spacer measured by the following test is smaller than the pressure loss P2 of the permeation spacer measured by the following test.
  • Test A test piece is prepared by laminating a strip-shaped spacer (the channel spacer or the permeation spacer) of 150 mm long ⁇ 47 mm wide on a film made of polyethylene terephthalate.
  • Nitrogen gas is sent to the space so that the pressure in the space adjacent to the film of the test piece is 0.1 MPa, and the nitrogen gas is sent to the spacer at a flow rate of 2.5 L/min. The pressure loss caused by the movement of nitrogen gas in the spacer in the longitudinal direction of the spacer is measured.
  • the present invention provides the above spiral membrane element; a decompression device for decompressing the inside of the central tube; to provide a membrane separation system.
  • the present invention provides a central canal; a membrane leaf having a separation membrane and a permeate spacer wrapped around the central tube; a channel spacer connected to the permeation spacer and wound around the central tube on the central tube side of the membrane leaf; with Provided is a spiral wound type membrane element in which the pressure loss P1 of the channel spacer measured by the following test is 30 kPa or less.
  • Test A test piece is prepared by laminating the strip-shaped channel spacer of 150 mm long ⁇ 47 mm wide on a film made of polyethylene terephthalate.
  • Nitrogen gas is sent to the space adjacent to the film of the test piece so that the pressure in the space becomes 0.1 MPa, and the nitrogen gas is sent to the flow path spacer at a flow rate of 2.5 L/min. A pressure loss caused by the movement of nitrogen gas in the longitudinal direction of the channel spacer is measured within the channel spacer.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a spiral wound type membrane element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a spiral wound membrane element
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a measuring device for measuring pressure loss of a spacer
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a separation membrane included in the spiral wound type membrane element
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the separation membrane provided in the spiral wound type membrane element.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for manufacturing a spiral wound type membrane element
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for manufacturing a spiral wound type membrane element
  • 1 is a configuration diagram of a membrane separation system equipped with a spiral membrane element
  • ⁇ Embodiment of Spiral Membrane Element> 1 and 2 show a spiral membrane element 10 (hereinafter referred to as "separation membrane element 10") according to one embodiment of the present invention.
  • the separation membrane element 10 has a central tube 21 and a laminate 22 .
  • the laminate 22 is wrapped around the central tube 21 and arranged around the central tube 21 .
  • a feed fluid channel and a permeate fluid channel are formed inside the laminate 22 .
  • the feed fluid is supplied from one end surface of the laminate 22 into the separation membrane element 10 and flows through the feed fluid channel parallel to the longitudinal direction of the central tube 21 .
  • the feed fluid is separated to produce permeate and non-permeate fluids.
  • the permeating fluid is led outside through the central tube 21 .
  • the non-permeating fluid is discharged outside the separation membrane element 10 from the other end face of the laminate 22 .
  • the feed fluid to be treated by the separation membrane element 10 may be gas or liquid.
  • the feed fluid is a gas mixture containing acid gases, particularly a gas mixture containing carbon dioxide and nitrogen.
  • the feed fluid is a mixed liquid containing volatile organic compounds, particularly a mixed liquid containing alcohol (eg isopropanol) and water.
  • the separation membrane element 10 further includes a channel spacer 15.
  • the flow path spacer 15 is positioned between the central tube 21 and the laminate 22 and is wound around the central tube 21 on the central tube 21 side of the laminate 22 .
  • the channel spacer 15 secures a space as a permeating fluid channel between the laminate 22 and the central tube 21 .
  • the separation membrane element 10 may further include a shell surrounding the laminate 22.
  • the shell may be made of FRP (fiber reinforced plastic).
  • end surface members may be arranged on both sides of the laminate 22 .
  • the laminate 22 has multiple membrane leaves 11 .
  • Each membrane leaf 11 has a separation membrane 12 and a permeate spacer 14 .
  • the membrane leaf 11 has two separation membranes 12 .
  • Two separation membranes 12 are superimposed on each other and sealed on three sides to have a bag-like structure.
  • an adhesive layer 26 containing an adhesive is used for sealing the two separation membranes 12, for example.
  • a permeation spacer 14 is arranged between the two separation membranes 12 so as to be located inside the bag-like structure.
  • the open end of membrane leaf 11 is connected to channel spacer 15 , thereby connecting permeate spacer 14 to channel spacer 15 .
  • the permeate spacer 14 secures a space as a permeate fluid channel between the two separation membranes 12 .
  • the number of membrane leaves 11 in the laminate 22 is not particularly limited, and is, for example, 2-30.
  • the laminate 22 further has supply spacers 13 .
  • the feed spacer 13 is positioned outside the bag-like structure and laminated to the membrane leaf 11 .
  • the stack 22 has a plurality of supply spacers 13, and in the stack 22, a plurality of supply spacers 13 and a plurality of film leaves 11 are alternately stacked.
  • the supply spacer 13 secures a space as a supply fluid channel between the membrane leaves 11 .
  • the central tube 21 has the role of collecting permeated fluids that have passed through each separation membrane 12 and guiding them to the outside of the separation membrane element 10 .
  • the central tube 21 is provided with an opening 21h that communicates the inner space and the outer space of the central tube 21 .
  • the opening 21h is, for example, a through hole formed in the wall surface of the central tube 21 .
  • the center tube 21 is provided with a plurality of openings 21h at predetermined intervals along the direction in which the center tube 21 extends.
  • the number of rows of the plurality of openings 21h provided along the direction in which the central tube 21 extends is not particularly limited, and is one or two, for example.
  • the central tube 21 may be provided with two rows of openings 21h facing each other.
  • a channel spacer 15 is in contact with each of the plurality of openings 21h. This allows the permeating fluid to flow from the channel spacer 15 into the central tube 21 through the plurality of openings 21h.
  • the outer diameter of the central tube 21 is, for example, 10-100 mm, preferably 12-50 mm.
  • the pressure loss P1 (kPa) of the channel spacer 15 is smaller than the pressure loss P2 (kPa) of the permeation spacer 14 .
  • the pressure loss P1 can be measured by the following method using the measuring device 30 shown in FIG. First, a strip-shaped spacer 15a having a length of 150 mm and a width of 47 mm is prepared. The spacer 15a has the same shape as the channel spacer 15 before being wound around the central tube 21, except for the length and width. The longitudinal direction of the spacer 15 a coincides with the direction in which the channel spacer 15 is wound around the central tube 21 . Next, a film 41 made of polyethylene terephthalate is laminated on the spacer 15a to prepare a test piece 40. As shown in FIG. The film 41 is, for example, PET100SG2 manufactured by Panac.
  • the measuring device 30 includes, for example, a holder 31, a lid member 35 and a seal member 34. As shown in FIG. Specifically, the test piece 40 is set in the holder 31 of the measuring device 30 so that the spacer 15 a of the test piece 40 is positioned below the film 41 . Openings 32 and 33 are formed in the wall surface of the holder 31 . Each of openings 32 and 33 communicates with spacer 15 a of test piece 40 . The openings 32 and 33 are positioned so that when nitrogen gas is introduced into the holder 31 through one opening 32, the nitrogen gas moves in the longitudinal direction X of the spacer 15a and is discharged from the other opening 33. is doing. The openings 32 and 33 may or may not face each other.
  • the lid member 35 is fastened to the holder 31 above the holder 31 using fasteners (not shown).
  • the lid member 35 is formed with an opening 36 for sending nitrogen gas to the space 37 adjacent to the film 41 of the test strip 40 .
  • the sealing member 34 is positioned between the holder 31 and the lid member 35 and prevents ventilation inside and outside the measuring device 30 in portions other than the openings 32 , 33 and 36 .
  • the seal member 34 is, for example, a circular cross-section seal ring (O-ring) made of an elastic material.
  • FIG. 3 depicts a state in which the seal member 34, which is a seal ring, is crushed.
  • nitrogen gas is sent into the space 37 through the opening 36 of the lid member 35 so that the pressure in the space 37 adjacent to the film 41 of the test piece 40 becomes 0.1 MPa, and through the opening 32 of the holder 31, 2.
  • Nitrogen gas is sent to the spacer 15a at a flow rate of 5 L/min.
  • the temperature of the nitrogen gas sent into the measuring device 30 is, for example, 23°C.
  • Nitrogen gas sent through the opening 32 moves in the longitudinal direction X of the spacer 15 a within the spacer 15 a and is discharged from the opening 33 .
  • a difference (differential pressure D1) between the pressure of the nitrogen gas sent to the opening 32 and the pressure of the nitrogen gas discharged from the opening 33 is measured.
  • the differential pressure D0 is measured in the same manner as the differential pressure D1, except that the spacer 15a is not present.
  • the pressure loss due to the spacer 15a is calculated based on the differential pressures D0 and D1.
  • the calculated value can be regarded as the pressure loss P1 caused by the movement of the nitrogen gas in the longitudinal direction X of the spacer 15a within the spacer 15a.
  • the pressure loss P2 can be measured by the same method as the pressure loss P1, except that the spacer 14a corresponding to the transmission spacer 14 is used instead of the spacer 15a.
  • Spacer 14a has the same shape as transmissive spacer 14 before it is wrapped around central tube 21, except for its length and width.
  • a separation membrane element 10 usually has a plurality of permeation spacers 14 .
  • the pressure loss P1 of the channel spacer 15 should be smaller than the pressure loss P2 of at least one permeation spacer 14 selected from the plurality of permeation spacers 14 .
  • the separation membrane element 10 may include a permeation spacer 14 exhibiting a pressure loss P2 equal to or smaller than the pressure loss P1.
  • the pressure loss P1 of the channel spacer 15 has the same value as the pressure loss P2 of one permeation spacer 14 among the plurality of permeation spacers 14, and is lower than the pressure loss P2 of all the other permeation spacers 14. It can be small.
  • the pressure drop P1 across the channel spacers 15 is preferably less than the pressure drop P2 across all permeate spacers 14 .
  • the value (P2-P1) obtained by subtracting the pressure loss P1 from the pressure loss P2 is not particularly limited, and is, for example, 5 kPa or more, preferably 10 kPa or more, and more preferably 20 kPa or more.
  • the upper limit of the value (P2-P1) is not particularly limited, and is 50 kPa, for example.
  • a ratio (P1/P2) of the pressure loss P1 to the pressure loss P2 is not particularly limited, and is, for example, 0.8 or less, preferably 0.5 or less, and more preferably 0.2 or less.
  • the lower limit of the ratio (P1/P2) is not particularly limited, and is 0.01, for example.
  • the pressure loss P1 is, for example, 30 kPa or less, preferably 20 kPa or less, more preferably 10 kPa or less, and even more preferably 6 kPa or less.
  • the lower limit of the pressure loss P1 is not particularly limited, and is 0.1 kPa, for example. Pressure loss P1 may be greater than 30 kPa in some cases.
  • a central canal 21 a membrane leaf 11 having a separation membrane 12 and a permeate spacer 14 and wrapped around a central tube 21; a channel spacer 15 connected to the permeation spacer 14 and wound around the central tube 21 on the central tube 21 side of the membrane leaf 11; with A spiral wound type membrane element 10 is provided in which the pressure loss P1 of the channel spacer 15 measured by the above test is 30 kPa or less.
  • the pressure loss P2 is, for example, greater than 30 kPa and less than or equal to 50 kPa.
  • the pressure loss P2 may be 30 kPa or less in some cases.
  • Examples of the flow path spacer 15 include nets, meshes, wire fabrics, fiber fabrics, nonwoven fabrics, grooved sheets, corrugated sheets, and the like.
  • Examples of materials for the flow path spacer 15 include polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polyamide, polyphenylene sulfide (PPS), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and epoxy resin. , resin materials such as urethane resin; natural polymers; rubber; metals, and the like.
  • the thickness of the channel spacer 15 is not particularly limited, and is, for example, 300 ⁇ m or more, preferably 400 ⁇ m or more, more preferably 500 ⁇ m or more, and still more preferably 600 ⁇ m or more.
  • the pressure loss P1 of the flow path spacer 15 tends to decrease as the thickness of the flow path spacer 15 increases.
  • the upper limit of the thickness of the channel spacer 15 is not particularly limited, it is, for example, 2000 ⁇ m from the viewpoint of sufficiently securing the membrane area of the separation membrane 12 in the separation membrane element 10 .
  • the opening ratio of the channel spacer 15 is not particularly limited, and is, for example, 30% or more, preferably 40% or more, and more preferably 50% or more.
  • the pressure loss P1 of the flow path spacer 15 tends to decrease as the opening ratio of the flow path spacer 15 increases.
  • the upper limit of the aperture ratio of the channel spacer 15 is not particularly limited, and is, for example, 80%.
  • the aperture ratio of the channel spacer 15 can be specified by the following method. First, the channel spacer 15 is arranged on the film, and the surface of the channel spacer 15 is observed with a scanning electron microscope (SEM). From the obtained electron microscope image, the area A1 of the surface of the channel spacer 15 and the area A2 where the film can be confirmed through the channel spacer 15 (the area of the gap formed in the channel spacer 15) are calculated by image processing. do. The ratio of the area A2 to the area A1 can be specified as the aperture ratio of the flow path spacer 15 .
  • SEM scanning electron microscope
  • the flow path spacer 15 is preferably PE30.
  • permeable spacer 14 examples include nets, meshes, wire fabrics, fiber fabrics, nonwoven fabrics, grooved sheets, corrugated sheets, and the like. Materials for the permeable spacer 14 include those mentioned above for the channel spacer 15 .
  • the thickness of the transmission spacer 14 is not particularly limited, and is, for example, less than 300 ⁇ m, preferably 250 ⁇ m or less.
  • the smaller the thickness of the permeate spacer 14 the easier it is to arrange a sufficient number of membrane leaves 11 within the separation membrane element 10 . In other words, a sufficient membrane area can be easily secured for the separation membrane 12 in the separation membrane element 10 .
  • the lower limit of the thickness of the transmissive spacer 14 is not particularly limited, and is, for example, 100 ⁇ m.
  • the thickness of the transmissive spacer 14 may be 300 ⁇ m or more in some cases.
  • the opening ratio of the transmission spacers 14 is not particularly limited, and is, for example, less than 30%, preferably 25% or less, more preferably 20% or less.
  • the lower limit of the aperture ratio of the transmissive spacer 14 is not particularly limited, and is, for example, 10%.
  • the aperture ratio of the transmissive spacers 14 may be 30% or more in some cases.
  • the aperture ratio of the permeable spacer 14 can be specified by the method described above for the channel spacer 15 .
  • transmission spacer 14 is #1000E (material: PET, aperture ratio: 22%, thickness: 250 ⁇ m, pressure loss P2: 33.6 kPa).
  • Transmissive spacers 14 may optionally be those illustrated in Table 1.
  • the permeation spacer 14 is basically different from the channel spacer 15 .
  • at least one permeation spacer 14 selected from the plurality of permeation spacers 14 may be the same as the channel spacer 15 .
  • one permeation spacer 14 of the plurality of permeation spacers 14 may be the same as the channel spacer 15 and all other permeation spacers 14 may be different from the channel spacer 15 .
  • one transparent spacer 14 of the plurality of transparent spacers 14 may be PE30, and all other transparent spacers 14 may be #1000E.
  • the supply spacer 13 is not particularly limited, and for example, the above-described permeation spacer 14 or channel spacer 15 can be used as appropriate.
  • the separation membrane 12 may be a separation membrane (gas separation membrane) that can preferentially permeate acidic gases contained in the mixed gas, and preferentially permeate volatile organic compounds contained in the mixed liquid. It may be a separation membrane (liquid separation membrane) capable of separating The separation membrane 12 as a gas separation membrane will be described below.
  • a separation membrane 12A as a gas separation membrane includes, for example, a separation functional layer 1 and a porous support 3 that supports the separation functional layer 1. It may further comprise an intermediate layer 2 arranged between and. The intermediate layer 2 is in direct contact with the separation functional layer 1 and the porous support 3, for example.
  • the separation functional layer 1 is, for example, a layer that preferentially allows the acidic gas contained in the mixed gas to permeate.
  • the separation functional layer 1 contains a resin.
  • resins contained in the separation functional layer 1 include polyether block amide resins, polyamide resins, polyether resins, polyimide resins, cellulose acetate resins, silicone resins and fluorine resins.
  • the separation functional layer 1 preferably contains a polyether block amide resin.
  • the separation functional layer 1 is preferably substantially made of resin.
  • "consisting essentially of” means excluding other ingredients that alter the essential characteristics of the material referred to, such as 95 wt% or more, or even 99 wt% or more of the material. It means that it is composed of
  • the separation functional layer 1 contains an ionic liquid.
  • the separation functional layer 1 has, for example, a double network gel containing an ionic liquid.
  • a double network gel is a gel that has two types of network structures that are independent of each other.
  • a double network gel includes, for example, a first network structure mainly composed of an organic material, a second network structure mainly composed of an inorganic material, and an ionic liquid.
  • "mainly composed of” means that 50 wt% or more, or even 70 wt% or more is composed of the material.
  • the organic material for forming the first network structure includes, for example, a polymer such as polyacrylamide (especially polydialkylacrylamide such as polydimethylacrylamide).
  • the polymer contained in the organic material has a structural unit derived from an acrylamide derivative and may further contain a crosslinked structure.
  • a polymer containing a crosslinked structure can be produced by a known method. For example, first, a prepolymer having structural units having N-hydroxysuccinimide ester groups is prepared. A structural unit having an N-hydroxysuccinimide ester group is derived from, for example, N-acryloxysuccinimide. Next, a polymer containing a crosslinked structure can be obtained by reacting the prepolymer with an amine-based crosslinking agent.
  • Amine crosslinkers are compounds with two or more primary amino groups, such as ethylene glycol bis(3-aminopropyl) ether.
  • the second network structure may include a network of multiple particles.
  • a network of a plurality of particles is formed, for example, by bonding a plurality of particles to each other through hydrogen bonding.
  • Particles included in the second network structure may be particles exemplified as nanoparticles to be described later.
  • the particles included in the second network structure are silica particles.
  • specific ionic liquids include, for example, ionic liquids having imidazolium, pyridinium, ammonium, or phosphonium and substituents having 1 or more carbon atoms.
  • the substituent having 1 or more carbon atoms includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms, and a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms. 6 or more and 20 or less aryl groups, etc., which may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group or the like (for example, a hydroxyalkyl group having 1 or more and 20 or less carbon atoms etc).
  • alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n- nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n- nonadecyl group, n-eicosadecyl group, i-propyl group, sec-butyl group, i-butyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylpropyl group, 2-methylbutyl
  • the above alkyl group may be substituted with a cycloalkyl group.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group substituted by the cycloalkyl group is, for example, 1 or more and 20 or less.
  • Alkyl groups substituted by cycloalkyl groups include cyclopropylmethyl, cyclobutylmethyl, cyclohexylmethyl, cyclohexylpropyl groups and the like, which further include hydroxy, cyano, amino, monovalent ether It may be substituted with a group or the like.
  • cycloalkyl groups having 3 to 14 carbon atoms include cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclododecyl, norbornyl, bornyl and adamantyl groups. , and these may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group, or the like.
  • aryl group having 6 to 20 carbon atoms examples include phenyl, toluyl, xylyl, mesityl, anisyl, naphthyl, benzyl, etc. These are further hydroxy, cyano, amino, mono may be substituted with a valent ether group or the like.
  • the compound having imidazolium and a substituent having 1 or more carbon atoms may further have a substituent such as an alkyl group, and may form a salt with a counter anion.
  • Counter anions include alkylsulfate, tosylate, methanesulfonate, acetate, bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, thiocyanate, dicyanamide, tricyanometanide, tetracyanoborate, hexafluorophosphate, tetrafluoro Examples include borates and halides, and bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, dicyanamide, tricyanometanide, and tetracyanoborate are preferred from the viewpoint of gas separation performance.
  • ionic liquids having imidazolium and substituents having 1 or more carbon atoms include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide.
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide [EMI] [FSI]
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide [EMI] [DCA]
  • 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanometanide [EMI] [TCM]
  • 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [C mim] [ TF 2 N]
  • 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [C 2 OHim][TF 2 N]
  • the method for producing a double network gel is not particularly limited, and for example, the method disclosed in E.Kamio et al., Adv.Mater, 29, 1704118 (2017) can be used.
  • the content of the ionic liquid in the double network gel is, for example, 50 wt% or more, preferably 60 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, and still more preferably 80 wt% or more.
  • the upper limit of the content of the ionic liquid is not particularly limited, and is, for example, 95 wt%.
  • the content of the first network structure mainly composed of an organic material in the double network gel is, for example, 1 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more.
  • the upper limit of the content of the first network structure is, for example, 15 wt%.
  • the content of the second network structure mainly composed of an inorganic material in the double network gel is, for example, 1 wt % or more from the viewpoint of improving the strength of the double network gel.
  • the upper limit of the content of the second network structure is, for example, 5 wt%.
  • the ratio of the sum of the weight of the first network structure and the weight of the second network structure to the weight of the double network gel is, for example, 2 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more. . This proportion is preferably less than or equal to 20 wt%.
  • the separation functional layer 1 is preferably substantially made of double network gel.
  • the thickness of the separation functional layer 1 is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 25 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less.
  • the thickness of the separation functional layer 1 may be 10 ⁇ m or less, 5.0 ⁇ m or less, or 2.0 ⁇ m or less depending on the case.
  • the thickness of the separation functional layer 1 may be 0.05 ⁇ m or more, or may be 0.1 ⁇ m or more.
  • the intermediate layer 2 contains, for example, a resin, and may further contain nanoparticles dispersed in the resin (matrix).
  • the nanoparticles may be spaced apart from each other within the matrix or may be partially aggregated.
  • the material of the matrix is not particularly limited, and examples thereof include silicone resins such as polydimethylsiloxane; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene; epoxy resins such as polyethylene oxide; polyimide resins; polyacetylene resins such as polymethylpentene; polyolefin resins such as polymethylpentene; and polyurethane resins.
  • the matrix preferably contains at least one selected from the group consisting of silicone resins and polyurethane resins, and more preferably contains both silicone resins and polyurethane resins.
  • the nanoparticles may contain inorganic materials or organic materials.
  • Inorganic materials included in nanoparticles include, for example, silica, titania, and alumina.
  • the nanoparticles preferably contain silica.
  • the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, less than 50 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, 1 ⁇ m.
  • the intermediate layer 2 is, for example, a layer having a thickness of less than 50 ⁇ m.
  • porous support 3 supports the separation functional layer 1 with the intermediate layer 2 interposed therebetween.
  • Porous support 3 includes, for example, nonwoven fabric; porous polytetrafluoroethylene; aromatic polyamide fiber; porous metal; sintered metal; porous ceramic; silicone; silicone rubber; permeation containing at least one selected from the group consisting of polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyetheretherketone, polyacrylonitrile, polyimide and polyphenylene oxide open-celled or closed-celled metal foams; open-celled or closed-celled polymeric foams; silica; porous glass;
  • the porous support 3 may be a combination of two or more of these.
  • the porous support 3 has an average pore size of, for example, 0.01-0.4 ⁇ m.
  • the thickness of the porous support 3 is not particularly limited, and is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, more preferably 50 ⁇ m or more.
  • the thickness of the porous support 3 is, for example, 300 ⁇ m or less, preferably 200 ⁇ m or less, more preferably 150 ⁇ m or less.
  • Separation membrane 12A can be produced, for example, by the following method. First, a coating liquid containing a material for the intermediate layer 2 is prepared. Next, a coating liquid containing the material of the intermediate layer 2 is applied onto the porous support 3 to form a coating film.
  • a method for applying the coating liquid is not particularly limited, and for example, a spin coating method, a dip coating method, a gravure coating method, or the like can be used. The coating liquid may be applied using a wire bar or the like. The thickness of the intermediate layer 2 to be formed can be adjusted by adjusting the concentration of the material of the intermediate layer 2 in the coating liquid.
  • the coating film is dried to form the intermediate layer 2 .
  • the coating film can be dried, for example, under heating conditions.
  • the heating temperature of the coating film is, for example, 50° C. or higher.
  • the heating time of the coating film is, for example, 1 minute or longer, and may be 5 minutes or longer.
  • the surface of the intermediate layer 2 can be subjected to an easy-adhesion treatment as necessary.
  • Surface treatments such as application of a primer, corona discharge treatment, plasma treatment, etc. may be applied as the adhesion-promoting treatment.
  • a coating liquid containing the material for the separation functional layer 1 is prepared.
  • a coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is applied onto the intermediate layer 2 to obtain a coating film.
  • This coating film is dried to form the separation functional layer 1 .
  • the coating method and drying conditions of the coating liquid the methods and conditions described above for the intermediate layer 2 can be used. Thereby, the separation membrane 12A is obtained.
  • the method for producing the separation membrane 12A is not limited to the above method.
  • the separation membrane 12A can also be produced by the following method. For example, a coating liquid containing the material of the separation functional layer 1 is applied onto the transfer film to obtain a coating film. The separation functional layer 1 is formed by drying the coating film. Next, the intermediate layer 2 is formed by applying a coating liquid containing the material of the intermediate layer 2 onto the separation function layer 1 and drying it. A laminate of the intermediate layer 2 and the separation functional layer 1 is transferred to the porous support 3 . Thereby, the separation membrane 12A is obtained.
  • the separation membrane 12 may be a separation membrane (liquid separation membrane) capable of preferentially permeating volatile organic compounds contained in the mixed liquid.
  • the separation membrane 12 as a liquid separation membrane is, for example, a pervaporation membrane that produces a gas permeation fluid containing the above organic compound by a pervaporation method.
  • the separation membrane 12 as a liquid separation membrane will be described below.
  • a separation membrane 12B as a liquid separation membrane includes, for example, a separation functional layer 5 and a porous support 6 that supports the separation functional layer 5.
  • Separation membrane 12B may further include a protective layer (not shown) that protects separation functional layer 5 .
  • the separation functional layer 5 is in direct contact with the porous support 6, for example.
  • the separation functional layer 5 is, for example, a layer that allows preferential transmission of volatile organic compounds contained in the mixed liquid.
  • Separation functional layer 5 includes, for example, a silicone resin such as polydimethylsiloxane (PDMS); a hydrophobic material such as a polyolefin resin such as polypropylene.
  • Separation function layer 5 preferably contains a silicone resin as a hydrophobic material.
  • the separation function layer 5 may contain a hydrophobic material as a main component, or may be substantially composed only of the hydrophobic material.
  • a “main component” means a component contained in the separation functional layer 5 in the largest amount by weight.
  • the separation function layer 5 may contain a matrix containing a hydrophobic material and a filler dispersed in the matrix.
  • the filler is embedded within the matrix. Within the matrix all fillers may be spaced from each other or may be partially agglomerated.
  • the filler includes, for example, inorganic materials such as zeolite.
  • the zeolite contained in the filler is preferably high silica zeolite having a high ratio of silica to alumina.
  • High-silica zeolite has excellent hydrolysis resistance, and is therefore suitable for use in separating liquids containing water.
  • As the high silica zeolite HSZ (registered trademark) manufactured by Tosoh Corporation, HiSiv (registered trademark) manufactured by Union Showa Corporation, USKY manufactured by Union Showa Corporation, and Zeoal (registered trademark) manufactured by Nakamura Choukou Co., Ltd. can be used. .
  • the shape of the filler is, for example, particulate.
  • "particulate” includes spherical, ellipsoidal, scaly and fibrous.
  • the average particle size of the filler is not particularly limited, and is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the average particle size of the filler is, for example, 0.01 ⁇ m.
  • the average particle size of the filler can be specified, for example, by the following method. First, a cross section of the separation functional layer 5 is observed with a transmission electron microscope. In the obtained electron microscope image, the area of the specific filler is calculated by image processing.
  • the diameter of a circle having the same area as the calculated area is taken as the particle size (particle diameter) of that particular filler.
  • the particle size of an arbitrary number (at least 50) of fillers is calculated, and the average value of the calculated values is regarded as the average particle size of the filler.
  • the filler content in the separation functional layer 5 is, for example, 10 wt% or more, preferably 20 wt% or more.
  • the upper limit of the filler content in the separation functional layer 5 is not particularly limited, and is, for example, 70 wt %.
  • the matrix content in the separation function layer 5 is not particularly limited, and is, for example, 30 wt % to 90 wt %.
  • the thickness of the separation functional layer 5 is, for example, 200 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or less, and more preferably 80 ⁇ m or less.
  • the thickness of the separation functional layer 5 may be 1.0 ⁇ m or more, 10 ⁇ m or more, or 30 ⁇ m or more.
  • the separation function layer 5 may have a microporous structure with an average pore size of less than 0.01 ⁇ m, or may be a dense layer with no pores on the surface.
  • porous support As the porous support 6, those described above for the separation membrane 12A can be used.
  • the protective layer covers, for example, the surface of the separation functional layer 5 .
  • the material for the protective layer is not particularly limited, and examples thereof include silicone resins.
  • the material of the protective layer may be the same as the material of the matrix of the separation functional layer 5 .
  • the thickness of the protective layer is not particularly limited, and is, for example, 5 ⁇ m or more, preferably 10 ⁇ m or more, more preferably 20 ⁇ m or more.
  • the thickness of the protective layer is, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less.
  • the separation membrane 12B can be produced by forming the separation function layer 5 on the porous support 6, for example. Specifically, first, a coating liquid containing the material of the separation functional layer 5 is prepared. The coating liquid may contain a dispersing agent for dispersing the filler in the coating liquid together with the filler. When the coating liquid contains a silicone resin, the coating liquid may further contain a catalyst for curing the silicone resin. Next, a coating film is obtained by coating the coating liquid on the porous support 6 . The separation functional layer 5 is formed by drying the coating film.
  • the separation membrane 12 is folded in two such that the separation functional layer 1 of the separation membrane 12 is located inside.
  • a feed spacer 13 is placed between the two folded separation membranes 12 and a permeate spacer 14 is placed above the separation membrane 12 .
  • an adhesive 26a is applied to the three sides of the perimeter of the transmissive spacer 14. As shown in FIG. Thus, the separation membrane unit U is obtained.
  • the adhesive 26a is in an uncured state at this point.
  • the spacer 16 has, for example, a first portion 16a directly wound around the central tube 21 and a second portion 16b laminated with the separation membrane unit U.
  • the first portion 16 a of the spacer 16 corresponds to the channel spacer 15 and the second portion 16 b corresponds to the permeation spacer 14 .
  • the material, thickness, etc. of the first portion 16a may be the same as or different from those of the second portion 16b.
  • a plurality of separation membrane units U are arranged stepwise on the second portion 16 b of the spacer 16 .
  • the number of multiple separation membrane units U is not particularly limited, and is, for example, 2-30. Note that the uppermost separation membrane unit U may not have the permeation spacer 14 .
  • the number of turns of the first portion 16a is not particularly limited, and is, for example, 1-15, preferably 2-10.
  • a plurality of separation membrane units U are wound around the central tube 21 .
  • the uppermost separation membrane unit U is stacked with the second portion 16 b of the spacer 16 .
  • the adhesive 26a is cured to form the adhesive layer 26 and the bag-like membrane leaf 11 is formed. An assembly including the central tube 21 and the laminate 22 is thereby obtained.
  • the spacer 16 is not limited to the shape shown in FIG.
  • the spacer 16 may further have a third portion (not shown) connected to the second portion 16b and extending from the second portion 16b on the opposite side of the central tube 21 .
  • the third portion is wound around the central tube 21 on the outside of the laminate 22 formed by winding the separation membrane unit U around the central tube 21 . That is, the third portion can cover the laminate 22 on the outside of the laminate 22 .
  • a film for example, Lumirror 38E20 manufactured by Panac Co., Ltd.
  • the material, thickness, etc. of the third portion may be the same as or different from the first portion 16a.
  • membrane separation of the feed fluid by the separation membrane 12 proceeds with the difference (pressure difference) between the pressure of the feed fluid and the pressure of the permeated fluid as a driving force. Therefore, when a pressure loss occurs in the separation membrane element 10, the pressure difference is reduced, and the permeation speed and permeation flux of the fluid passing through the separation membrane 12 are lowered.
  • the pressure difference is greater than in the method of pressurizing the feed fluid to operate the separation membrane element 10 (pressurization method). Since it tends to be small, the influence of the decrease in pressure difference due to pressure loss is large.
  • the pressure loss tends to occur particularly significantly in the channel spacer 15 where the permeated fluid from each membrane leaf 11 concentrates.
  • the pressure loss P1 of the channel spacer 15 is set smaller than the pressure loss P2 of the permeation spacer 14, thereby effectively suppressing the decrease in the pressure difference.
  • the separation membrane element 10 of the present embodiment it is possible to sufficiently suppress a decrease in the permeation velocity and permeation flux of the permeating fluid through the separation membrane 12 by suppressing a decrease in the pressure difference.
  • the separation membrane element 10 provided with the separation membrane 12 (specifically, the separation membrane 12A) and the flat membrane-like separation membrane 12 (specifically, the separation membrane 12A) are each separated.
  • the ratio R of the carbon dioxide permeation rate T2 (GPU) from the separation membrane element 10 to the carbon dioxide permeation rate T (GPU) from the flat separation membrane 12 is, for example, 90. % or more, preferably 95% or more.
  • the feed fluid supplied to the separation membrane element 10 or the flat separation membrane 12 has a temperature of 23° C.
  • the pressure in the space where the permeate is obtained matches the atmospheric pressure (eg, 101 kPa) in the measurement environment.
  • GPU means 10 ⁇ 6 ⁇ cm 3 (STP)/(sec ⁇ cm 2 ⁇ cmHg).
  • cm 3 (STP) means the volume of carbon dioxide at 1 atmosphere and 0°C.
  • the separation membrane element 10 is increased with respect to the permeation rate T1 (GPU) of carbon dioxide from the flat separation membrane 12 when the flat separation membrane 12 is operated in a reduced pressure system.
  • the ratio R1 of the permeation rate T2 (GPU) of carbon dioxide from the separation membrane element 10 when operated in the pressure mode is, for example, 85% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.
  • the permeation rate T1 can be measured under the conditions described later.
  • the transmission rate T2 is the same as described above for the ratio R.
  • the permeation rate of carbon dioxide through the flat separation membrane 12 is T1 (GPU).
  • T1 GPU
  • the feed fluid supplied to the separation membrane element 10 or the flat separation membrane 12 has a temperature of 23° C. and a pressure of 0.1 MPa. be.
  • a vacuum pump is used to reduce the pressure of the space in which the permeated fluid is obtained (the space within the permeated fluid flow path) to about 10 kPa or less.
  • the separation membrane element 10 provided with the separation membrane 12 (specifically, the separation membrane 12B) and the flat separation membrane 12 ( Specifically, when each of the separation membranes 12B) is operated under reduced pressure, the ratio of IPA from the separation membrane element 10 to permeation flux F1 (kg/m 2 /hr) of IPA from the flat separation membrane 12 is A ratio L of the permeation flux F2 (kg/m 2 /hr) is, for example, 60% or more.
  • the upper limit of the ratio L is not particularly limited, and is, for example, 90%.
  • the temperature of the feed fluid supplied to the separation membrane element 10 or the flat separation membrane 12 is 40°C.
  • the amount of feed fluid is appropriately set within a range that does not affect the measurement of the permeation fluxes F1 and F2.
  • the supply flow rate of the feed fluid sent to the separation membrane element 10 may be set at 40 g/min.
  • the concentration of IPA in the feed fluid is 5 wt%.
  • a vacuum pump is used to reduce the pressure of the space in which the permeated fluid is obtained (the space within the permeated fluid channel) to 1.5 kPa.
  • Vacuum systems typically result in gaseous permeate fluids. By condensing the gaseous permeate and analyzing the composition of the resulting liquid permeate, the permeate fluxes F1 and F2 can be determined.
  • the separation membrane element 10 of this embodiment it is not necessary to reduce the pressure loss P2 of the permeation spacer 14 as compared with the conventional one. That is, there is no need, for example, to increase the thickness of the transmissive spacer 14 in order to reduce the pressure drop P2. Therefore, according to the separation membrane element 10 of the present embodiment, there is an advantage that the number of membrane leaves 11 in the separation membrane element 10 can be maintained, thereby securing a sufficient membrane area for the separation membrane 12 .
  • a permeation spacer 14 exhibiting a smaller pressure loss P2 than conventional ones may be used.
  • An example of the application of the separation membrane element 10 of the present embodiment is the application of separating acidic gas from a mixed gas containing acidic gas.
  • the acid gas of the mixed gas includes carbon dioxide, hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, sulfur oxides (SOx), hydrogen cyanide, nitrogen oxides (NOx), etc. Carbon dioxide is preferred.
  • the mixed gas contains other gases than acid gas. Other gases include, for example, hydrogen, non-polar gases such as nitrogen, and inert gases such as helium, preferably nitrogen.
  • the separation membrane element 10 having the separation membrane 12A described above is suitable for separating carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen.
  • Volatile organic compounds include, for example, alcohols, typically lower alcohols.
  • a lower alcohol is, for example, an alcohol having 5 or less carbon atoms.
  • the lower alcohol may be a monohydric alcohol or a polyhydric alcohol.
  • the lower alcohol may be linear or branched.
  • Lower alcohols include, for example, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol (IPA), n-butanol, 2-butanol, isobutanol, t-butanol and n-pentanol, preferably IPA.
  • Volatile organic compounds may be alcohols other than lower alcohols, such as phenol.
  • the mixed liquid contains liquids other than volatile organic compounds.
  • the other liquid is typically water.
  • the separation membrane element 10 having the separation membrane 12B described above is suitable for separating alcohol from a mixed liquid containing alcohol and water.
  • the separation membrane element 10 of the present embodiment is used to (i) separate carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen, and (ii) separate alcohol from a mixed liquid containing alcohol and water. It is preferable that at least one of is established.
  • the application of the separation membrane element 10 is not limited to the application (i) or (ii) above.
  • the membrane separation system 100 of this embodiment includes the separation membrane element 10 and the decompression device 60 described above.
  • the pressure reducing device 60 can reduce the pressure inside the central tube 21 of the separation membrane element 10 .
  • the decompression device 60 can generate or increase the differential pressure between the space in the feed fluid channel and the space in the permeate fluid channel of the separation membrane element 10 .
  • a specific example of the decompression device 60 is a vacuum device such as a vacuum pump.
  • the membrane separation system 100 may comprise two separation membrane elements 10a and 10b and two pressure reducing devices 60a and 60b.
  • the membrane separation system 100 is suitable for separating acid gases from gas mixtures containing acid gases.
  • the membrane separation system 100 further includes a mixed fluid supply path 50.
  • the mixed fluid supply path 50 is connected to the mixed fluid inlet of the separation membrane element 10a, and is a path for supplying the mixed fluid from a tank (not shown) storing the mixed fluid to the separation membrane element 10a.
  • the mixed fluid supply path 50 may or may not be provided with a pressurizing device 64 for pressurizing the space in the supply fluid path of the separation membrane element 10a.
  • Pressurization devices 64 include, for example, compressors, blowers, and back pressure valves. The pressurizing device 64 can pressurize the space in the feed fluid path of the separation membrane element 10a, for example, by pressurizing the mixed fluid supplied to the separation membrane element 10a.
  • the membrane separation system 100 further comprises a permeate fluid supply channel 52 .
  • the permeate fluid supply path 52 is connected to the permeate fluid outlet of the separation membrane element 10a and the permeate fluid inlet of the separation membrane element 10b, and supplies the permeate fluid from the separation membrane element 10a to the separation membrane element 10b from the separation membrane element 10a. It is a route for The permeated fluid from the separation membrane element 10a is further processed in the separation membrane element 10b.
  • a decompression device 60 a is arranged in the permeate fluid supply path 52 .
  • the permeate fluid supply path 52 has a first portion 52a extending from the separation membrane element 10a to the pressure reducing device 60a and a second portion 52b extending from the pressure reducing device 60a to the separation membrane element 10b.
  • the decompression device 60a can decompress the space in the permeate fluid path of the separation membrane element 10a through the first portion 52a.
  • the decompression device 60a for example, sucks the permeated fluid that has passed through the first portion 52a and discharges the permeated fluid to the second portion 52b.
  • a pressure device (not shown) for pressurizing the permeated fluid discharged from the decompression device 60a may or may not be disposed in the second portion 52b. According to this pressurizing device, the space in the supply fluid path of the separation membrane element 10b can be pressurized.
  • Pressurization devices include, for example, compressors, blowers and back pressure valves.
  • the membrane separation system 100 further includes a first discharge path 54.
  • the first discharge path 54 is connected to the non-permeate fluid outlet of the separation membrane element 10a, and is a path for discharging the non-permeate fluid from the separation membrane element 10a.
  • the first discharge path 54 is formed with an opening (discharge port 72 ) for discharging non-permeating fluid from the first discharge path 54 .
  • the membrane separation system 100 may further comprise a tank (not shown) for storing the non-permeate fluid, and the first discharge line 54 may be connected to the tank.
  • the membrane separation system 100 further comprises a second discharge path 56 and a tank 70.
  • the second discharge path 56 is connected to the permeated fluid outlet of the separation membrane element 10b and the inlet of the tank 70, and is a path for sending the permeated fluid from the separation membrane element 10b to the tank 70.
  • the tank 70 can store the permeated fluid sent from the separation membrane element 10b.
  • a decompression device 60 b is arranged in the second discharge path 56 .
  • the second discharge path 56 has a first portion 56a extending from the separation membrane element 10b to the pressure reducing device 60b and a second portion 56b extending from the pressure reducing device 60b to the tank 70.
  • the decompression device 60 can decompress the space in the permeate fluid path of the separation membrane element 10b through the first portion 56a.
  • the decompression device 60b for example, sucks the permeated fluid that has passed through the first portion 56a and discharges the permeated fluid to the second portion 56b.
  • the membrane separation system 100 further includes a third discharge path 58.
  • the third discharge path 58 is connected to the non-permeate fluid outlet of the separation membrane element 10b and is a path for discharging the non-permeate fluid from the separation membrane element 10b.
  • the third discharge path 58 may join the mixed fluid supply path 50 .
  • the third discharge path 58 is connected to the pressurizing device 64 and joins the mixed fluid supply path 50 at the pressurizing device 64 . Since the third discharge path 58 joins the mixed fluid supply path 50, it is possible to reuse, for example, the non-permeating fluid containing the acid gas that has not been completely separated by the separation membrane element 10b.
  • Each of the routes of the membrane separation system 100 is composed of, for example, metal or resin piping.
  • the separation operation can be performed by decompressing the space in the permeate fluid path of the separation membrane element 10 by the decompression device 60 . Separation operation by such a depressurization method is suitable for reducing the energy required to separate the mixed fluid compared to the pressurization method.
  • Example 1 [Preparation of Separation Membrane] First, a coating solution containing silicone resin and polyurethane resin at a weight ratio of 9:1 was prepared. The coating liquid contained water as a solvent. Next, a coating film was obtained by applying the coating liquid onto the porous support by a gravure coating method. As the porous support, a UF membrane (ultrafiltration membrane) RS-50 (a laminate of a PVDF porous layer and a PET nonwoven fabric) manufactured by Nitto Denko was used. An intermediate layer was formed by drying the obtained coating film. Thus, a laminate of the porous support and the intermediate layer was produced.
  • UF membrane ultrafiltration membrane
  • RS-50 a laminate of a PVDF porous layer and a PET nonwoven fabric
  • polyether block amide (Pebax MH1657 manufactured by Arkema) was added to 98 g of a 70 wt% isopropanol aqueous solution and stirred at 80°C for 3 hours to prepare a 2 wt% Pebax solution.
  • the prepared solution was applied onto the intermediate layer by gravure coating.
  • the separated functional layer was formed by drying the obtained coating film. Thus, a separation membrane was obtained.
  • PE30 manufactured by NBC Meshtec Co., Ltd. was used as the spacer 16 in FIG.
  • a spiral wound membrane element of Example 1 was produced by the method described with reference to .
  • the first portion 16a of the spacer 16 had a length of 90 mm in the direction in which it was wound around the central tube, and a length of 280 mm in the direction in which the central tube extends.
  • the permeable spacer 14 had a length of 290 mm in the direction in which it was wrapped around the central tube, and a length of 280 mm in the direction in which the central tube extended. Spacers 16 and permeate spacers 14 were wrapped around the central tube and then cut at the ends.
  • the effective length of these spacers in the extending direction of the central tube was 180 mm.
  • the outer diameter of the central tube 21 was 17.3 mm, and the outer diameter of the spiral wound membrane element was about 2 inches.
  • Example 2 Spiral membrane elements of Examples 2 and 3 were produced in the same manner as in Example 1, except that the spacer 16 was changed as shown in Table 2.
  • Example 4 The spiral membrane element of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the laminate of the porous support and the intermediate layer (the laminate before producing the separation functional layer) was used as the separation membrane. made.
  • Example 5 changing the length of the first portion 16a of the spacer 16 and the permeable spacer 14 to 1 m in the direction in which the central tube extends; changing the length of the permeable spacer 14 in the direction in which it is wound around the central tube to 400 mm; Same as Example 1 except that the length of the first portion 16a of the spacer 16 in the winding direction was changed to 136 mm and the outer diameter of the spiral membrane element was changed to about 4 inches.
  • a spiral wound membrane element of Example 5 was produced by the method.
  • Comparative example 1 A spiral membrane element of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that #1000E manufactured by KB Seiren Co., Ltd. was used as the spacer 16 .
  • Comparative example 2 A spiral membrane element of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 4, except that #1000E manufactured by KB Seiren Co., Ltd. was used as the spacer 16 .
  • the feed fluid injected into the metal cell had a temperature of 23° C. and a pressure of 0.1 MPa.
  • the pressure in the space adjacent to the main surface of the separation membrane on the porous support side was reduced to about 10 kPa or less.
  • the permeation rate T1 of carbon dioxide was calculated based on the obtained composition of the permeated fluid, the weight of the permeated fluid, and the like.
  • the composition of the permeating fluid was measured using gas chromatography (G2700T manufactured by Yanaco Technical Science).
  • the permeation rate T1 of the separation membrane used in Example 1 was 100 GPU.
  • the permeation rate T1 of the separation membrane (laminate of porous support and intermediate layer) used in Example 4 was 1500 GPU.
  • the permeation rate T2 was measured by the following method. First, a feed fluid (carbon dioxide) was supplied to the feed fluid channel of the spiral membrane element. The feed fluid had a temperature of 23° C. and a pressure of 0.2 MPa. As a result, a permeated fluid was obtained through the central tube of the spiral membrane element. The carbon dioxide permeation rate T2 was calculated based on the obtained flow rate of the permeated fluid. The flow rate of the permeated fluid was measured using a soap film flowmeter (manufactured by HORIBA).
  • the permeation rate T3 was determined by changing the pressure of the feed fluid (carbon dioxide) supplied to the feed fluid channel to 0.1 MPa, and by using a vacuum pump to reduce the pressure in the central tube of the spiral membrane element to about 10 kPa or less. It was measured by the same method as the permeation rate T2, except that
  • the ratios R1 and R2 are lower than those of Comparative Examples 1 and 2, respectively.
  • the ratios R1 were all 83% or more, which was higher than the ratios R1 of Comparative Examples 1 and 2.
  • the ratio R2 was 78% or more, which was higher than the ratio R2 of Comparative Examples 1 and 2. From this result, it can be seen that the spiral wound type membrane element of the present embodiment is suitable for suppressing a decrease in the permeation rate of the permeating fluid through the separation membrane.
  • Example 6 [Preparation of Separation Membrane] First, silicone resin (YSR3022 manufactured by Momentive Performance Materials Japan), silicone curing catalyst (YC6831 manufactured by Momentive Performance Materials Japan), and high silica zeolite (HiSiv3000 manufactured by Union Showa) A coating liquid was prepared by mixing. Next, a coating film was obtained by applying the coating solution onto a porous support (RS-50 manufactured by Nitto Denko Corporation). A separation functional layer was produced by drying the coating film. Thus, a separation membrane was obtained. In the separation functional layer, the weight ratio of silicone resin and high silica zeolite was 50:50.
  • PE30 manufactured by NBC Meshtec Co., Ltd. was used as the spacer 16 in FIG.
  • a spiral wound membrane element of Example 6 was produced by the method described with reference to .
  • the first portion 16a of the spacer 16 had a length of 90 mm in the direction in which it was wound around the central tube, and a length of 280 mm in the direction in which the central tube extends.
  • the transmission spacer 14 had a length of 140 mm in the direction in which it was wrapped around the central tube, and a length of 280 mm in the direction in which the central tube extended. Spacers 16 and permeate spacers 14 were wrapped around the central tube and then cut at the ends.
  • the effective length of these spacers in the extending direction of the central tube was 180 mm.
  • the outer diameter of the central tube 21 was 17.3 mm, and the outer diameter of the spiral wound membrane element was about 2 inches.
  • Example 7 A spiral membrane element of Example 7 was produced in the same manner as in Example 6, except that the spacer 16 was changed as shown in Table 3.
  • Comparative Example 3 A spiral membrane element of Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 6, except that #1000E manufactured by KB Seiren Co., Ltd. was used as the spacer 16 .
  • the permeation flux F1 (kg/m 2 /hr) of isopropanol (IPA) in the flat membrane state was measured.
  • the permeation flux F1 was measured by the following method. First, the separation membrane was set in a metal cell in the state of a flat membrane and sealed with an O-ring to prevent leakage. The membrane area of the separation membrane was 34.2 cm 2 . Next, the metal cell was filled with the supply fluid so that the supply fluid was in contact with the main surface of the separation membrane on the side of the separation functional layer.
  • the feed fluid consisted essentially of IPA and water.
  • the concentration of IPA in the feed fluid was 5 wt%.
  • the feed fluid fed into the metal cell had a temperature of 40°C.
  • the pressure in the space adjacent to the main surface of the separation membrane on the porous support side was reduced to 1.5 kPa.
  • a gas permeating fluid was obtained from the main surface of the separation membrane on the porous support side. That is, separation by the pervaporation method (PV) progressed due to the reduced pressure operation.
  • the permeate was liquefied by cooling the gaseous permeate with liquid nitrogen at -196°C. Gas chromatography was used to analyze the composition of the liquid permeate.
  • the permeation flux F1 of IPA was calculated based on the obtained composition of the permeated fluid, the weight of the permeated fluid, and the like.
  • the permeation flux F2 was measured by the following method. First, a feed fluid was supplied to the feed fluid channel of the spiral membrane element.
  • the feed fluid consisted essentially of IPA and water.
  • the concentration of IPA in the feed fluid was 5 wt%.
  • the feed fluid had a temperature of 40°C.
  • the feed flow rate of the feed fluid was 40 g/min.
  • the pressure inside the central tube of the spiral membrane element was reduced to 1.5 kPa using a vacuum pump. As a result, a gas permeate fluid was obtained through the central tube of the spiral wound type membrane element. That is, separation by the pervaporation method (PV) progressed due to the reduced pressure operation.
  • PV pervaporation method
  • the permeate was liquefied by cooling the gaseous permeate with liquid nitrogen at -196°C. Gas chromatography was used to analyze the composition of the liquid permeate.
  • the permeation flux F2 of IPA was calculated based on the obtained composition of the permeated fluid, the weight of the permeated fluid, and the like.
  • the ratio L was higher than that of Comparative Example 3.
  • the ratio L was about 63%, which was higher than the ratio L of Comparative Example 3.
  • the spiral wound type membrane element of this embodiment is suitable for separating acid gas from a mixed gas containing acid gas.
  • the spiral wound membrane element of the present embodiment is suitable for separating carbon dioxide from off-gases of chemical plants or thermal power plants.
  • the spiral wound type membrane element of this embodiment is also suitable for separating organic compounds from a mixed liquid containing volatile organic compounds.

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Abstract

本発明は、分離膜からの透過流体の透過速度（又は透過流束）の低下を抑制することに適したスパイラル型膜エレメントを提供する。本発明のスパイラル型膜エレメント１０は、中心管２１と、分離膜１２及び透過スペーサ１４を有し、中心管２１に巻き付けられた膜リーフ１１と、透過スペーサ１４に接続され、膜リーフ１１よりも中心管２１側で中心管２１に巻き付けられた流路スペーサ１５と、を備える。所定の試験によって測定された流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１は、透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２よりも小さい。

Description

スパイラル型膜エレメント及び膜分離システム
　本発明は、スパイラル型膜エレメント及び膜分離システムに関する。
　二酸化炭素などの酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離する方法として、膜分離法が開発されている。膜分離法は、混合気体に含まれる酸性ガスを吸収剤に吸収させて分離する吸収法と比べて、運転コストを抑えながら酸性ガスを効率的に分離することができる。
　膜分離法には、例えば、スパイラル型膜エレメントが用いられる。スパイラル型膜エレメントは、中心管と、中心管に巻き付けられた膜リーフとを備えている。膜リーフは、分離膜及び透過スペーサを有する。スパイラル型膜エレメントは、膜エレメントにおける分離膜の膜面積を増加させることに適している。
　スパイラル型膜エレメントは、例えば、膜リーフよりも中心管側で中心管に巻き付けられた流路スペーサをさらに有する（例えば、特許文献１）。流路スペーサによれば、膜リーフからの透過流体を中心管に容易に送ることができる。スパイラル型膜エレメントを作製するときに流路スペーサが存在すると、膜リーフを中心管に容易に巻き付けることができる。
特許第４６５０９２１号公報
　スパイラル型膜エレメントでは、分離膜からの透過流体の透過速度が、平膜状の同じ分離膜からの透過流体の透過速度よりも小さい傾向がある。すなわち、分離膜をスパイラル型膜エレメントに適用すると、分離膜からの透過流体の透過速度が低下する傾向がある。この傾向は、中心管の内部を減圧してスパイラル型膜エレメントを運転する方式（減圧方式）で特に顕著である。
　そこで本発明は、分離膜からの透過流体の透過速度（又は透過流束）の低下を抑制することに適したスパイラル型膜エレメントを提供することを目的とする。
　本発明者らは、鋭意検討の結果、スパイラル型膜エレメントにおける透過流体の透過速度の低下がスペーサ、特に流路スペーサ、での圧力損失に起因していることを新たに見出した。本発明者らは、この知見に基づいてさらに検討を進め、本発明を完成するに至った。
　本発明は、
　中心管と、
　分離膜及び透過スペーサを有し、前記中心管に巻き付けられた膜リーフと、
　前記透過スペーサに接続され、前記膜リーフよりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられた流路スペーサと、
を備え、
　下記試験により測定された前記流路スペーサの圧力損失Ｐ１が、下記試験により測定された前記透過スペーサの圧力損失Ｐ２よりも小さい、スパイラル型膜エレメントを提供する。
　試験：縦１５０ｍｍ×横４７ｍｍの短冊状のスペーサ（前記流路スペーサ又は前記透過スペーサ）をポリエチレンテレフタレート製のフィルムに積層させた試験片を準備する。前記試験片の前記フィルムに隣接する空間の圧力が０．１ＭＰａとなるように窒素ガスを前記空間に送るとともに、２．５Ｌ／ｍｉｎの流量で前記スペーサに窒素ガスを送る。前記スペーサ内で、窒素ガスが前記スペーサの長手方向に移動することによって生じた圧力損失を測定する。
　さらに、本発明は、
　上記のスパイラル型膜エレメントと、
　前記中心管の内部を減圧する減圧装置と、
を備えた、膜分離システムを提供する。
　さらに、本発明は、
　中心管と、
　分離膜及び透過スペーサを有し、前記中心管に巻き付けられた膜リーフと、
　前記透過スペーサに接続され、前記膜リーフよりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられた流路スペーサと、
を備え、
　下記試験により測定された前記流路スペーサの圧力損失Ｐ１が３０ｋＰａ以下である、スパイラル型膜エレメントを提供する。
　試験：縦１５０ｍｍ×横４７ｍｍの短冊状の前記流路スペーサをポリエチレンテレフタレート製のフィルムに積層させた試験片を準備する。前記試験片の前記フィルムに隣接する空間の圧力が０．１ＭＰａとなるように窒素ガスを前記空間に送るとともに、２．５Ｌ／ｍｉｎの流量で前記流路スペーサに窒素ガスを送る。前記流路スペーサ内で、窒素ガスが前記流路スペーサの長手方向に移動することによって生じた圧力損失を測定する。
　本発明によれば、分離膜からの透過流体の透過速度（又は透過流束）の低下を抑制することに適したスパイラル型膜エレメントを提供できる。
本発明の一実施形態にかかるスパイラル型膜エレメントを模式的に示す展開斜視図である。 スパイラル型膜エレメントの概略断面図である。 スペーサの圧力損失を測定するための測定装置の一例を示す概略断面図である。 スパイラル型膜エレメントが備える分離膜の一例を示す概略断面図である。 スパイラル型膜エレメントが備える分離膜の変形例を示す概略断面図である。 スパイラル型膜エレメントの製造方法を説明するための図である。 スパイラル型膜エレメントの製造方法を説明するための図である。 スパイラル型膜エレメントを備える膜分離システムの構成図である。
　以下、本発明の詳細を説明するが、以下の説明は、本発明を特定の実施形態に制限する趣旨ではない。
＜スパイラル型膜エレメントの実施形態＞
　図１及び２は、本発明の一実施形態にかかるスパイラル型膜エレメント１０（以下、「分離膜エレメント１０」と称する）を示している。分離膜エレメント１０は、中心管２１及び積層体２２を備えている。積層体２２は、中心管２１に巻き付けられ、中心管２１の周囲に配置されている。積層体２２の内部には、供給流体流路と透過流体流路とが形成されている。
　供給流体は、積層体２２の一方の端面から分離膜エレメント１０の内部に供給され、中心管２１の長手方向に平行に供給流体流路を流れる。分離膜エレメント１０において、供給流体が分離されて透過流体と非透過流体とが生成される。透過流体は、中心管２１を通じて外部に導かれる。非透過流体は、積層体２２の他方の端面から分離膜エレメント１０の外部に排出される。
　分離膜エレメント１０によって処理されるべき供給流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。一例として、供給流体は、酸性ガスを含む混合気体、特に二酸化炭素及び窒素を含む混合気体、である。他の例として、供給流体は、揮発性の有機化合物を含む混合液体、特にアルコール（例えばイソプロパノール）及び水を含む混合液体、である。
　分離膜エレメント１０は、流路スペーサ１５をさらに備えている。流路スペーサ１５は、中心管２１と積層体２２との間に位置し、積層体２２よりも中心管２１側で中心管２１に巻き付けられている。流路スペーサ１５は、積層体２２と中心管２１との間に透過流体流路としての空間を確保している。
　分離膜エレメント１０は、積層体２２を包囲するシェルをさらに備えていてもよい。シェルは、ＦＲＰ（fiber reinforced plastic）によって作られていてもよい。積層体２２の端面を保護するとともに、積層体２２がテレスコピック状に伸張することを防止するために、積層体２２の両側に端面部材が配置されていてもよい。
　図１及び２に示すとおり、積層体２２は、複数の膜リーフ１１を有する。各膜リーフ１１は、分離膜１２及び透過スペーサ１４を有する。詳細には、膜リーフ１１は、２つの分離膜１２を有する。２つの分離膜１２が互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように３辺において封止されている。２つの分離膜１２の封止には、例えば、接着剤を含む接着剤層２６が利用される。袋状の構造の内部に位置するように、２つの分離膜１２の間に透過スペーサ１４が配置されている。膜リーフ１１の開口端は、流路スペーサ１５に接続されており、これにより、透過スペーサ１４が流路スペーサ１５に接続されている。透過スペーサ１４は、２つの分離膜１２の間に透過流体流路としての空間を確保している。積層体２２における膜リーフ１１の数は、特に限定されず、例えば２～３０である。
　積層体２２は、供給スペーサ１３をさらに有する。供給スペーサ１３は、上述の袋状の構造の外部に位置するとともに、膜リーフ１１に積層されている。詳細には、積層体２２が複数の供給スペーサ１３を有し、積層体２２において、複数の供給スペーサ１３と複数の膜リーフ１１とが交互に積層されている。供給スペーサ１３は、膜リーフ１１と膜リーフ１１との間に供給流体流路としての空間を確保している。
　中心管２１は、各分離膜１２を透過した透過流体を集めて分離膜エレメント１０の外部に導く役割を担っている。中心管２１には、中心管２１の内部空間と外部空間とを連通する開口部２１ｈが設けられている。開口部２１ｈは、例えば、中心管２１の壁面に形成された貫通孔である。詳細には、中心管２１には、中心管２１が延びる方向に沿って複数の開口部２１ｈが所定間隔で設けられている。中心管２１が延びる方向に沿って設けられた複数の開口部２１ｈの列の数は、特に限定されず、例えば１又は２である。中心管２１には、複数の開口部２１ｈの２つの列が互いに対向するように設けられていてもよい。複数の開口部２１ｈのそれぞれには、流路スペーサ１５が接している。これにより、透過流体は、複数の開口部２１ｈを通じて、流路スペーサ１５から中心管２１の内部に流入することができる。中心管２１の外径は、例えば１０～１００ｍｍであり、好ましくは１２～５０ｍｍである。
　本実施形態では、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１（ｋＰａ）が透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２（ｋＰａ）よりも小さい。圧力損失Ｐ１は、図３に示す測定装置３０を用いて、以下の方法によって測定することができる。まず、縦１５０ｍｍ×横４７ｍｍの短冊状のスペーサ１５ａを準備する。スペーサ１５ａは、縦及び横の長さを除き、中心管２１に巻き付けられる前の流路スペーサ１５と同じ形状を有する。スペーサ１５ａの長手方向は、流路スペーサ１５が中心管２１に巻き付けられる方向と一致する。次に、スペーサ１５ａに、ポリエチレンテレフタレート製のフィルム４１を積層させ、試験片４０を作製する。フィルム４１は、例えば、パナック社製のＰＥＴ１００ＳＧ２である。
　次に、試験片４０を測定装置３０にセットする。測定装置３０は、例えば、ホルダ３１、蓋部材３５及びシール部材３４を備えている。試験片４０は、詳細には、試験片４０のスペーサ１５ａがフィルム４１よりも下方に位置するように、測定装置３０のホルダ３１にセットされる。ホルダ３１の壁面には、開口３２及び３３が形成されている。開口３２及び３３のそれぞれは、試験片４０のスペーサ１５ａに連通している。開口３２及び３３は、一方の開口３２からホルダ３１の内部に窒素ガスを導入したときに、窒素ガスが、スペーサ１５ａの長手方向Ｘに移動して、他方の開口３３から排出されるように位置している。開口３２及び３３は、互いに対向していてもよく、対向していなくてもよい。
　蓋部材３５は、締結具（図示せず）を用いて、ホルダ３１の上方でホルダ３１に締結されている。蓋部材３５には、試験片４０のフィルム４１に隣接する空間３７に窒素ガスを送るための開口３６が形成されている。シール部材３４は、ホルダ３１及び蓋部材３５の間に位置し、開口３２、３３及び３６以外の部分における測定装置３０の内外の通気を防ぐ。シール部材３４は、例えば、弾性材料から構成される円形断面のシールリング（Ｏリング）である。図３には、シールリングであるシール部材３４が押しつぶされた状態が描かれている。
　次に、蓋部材３５の開口３６を通じて、試験片４０のフィルム４１に隣接する空間３７の圧力が０．１ＭＰａとなるように窒素ガスを空間３７に送るとともに、ホルダ３１の開口３２を通じて、２．５Ｌ／ｍｉｎの流量でスペーサ１５ａに窒素ガスを送る。測定装置３０内に送られる窒素ガスの温度は、例えば２３℃である。開口３２を通じて送られた窒素ガスは、スペーサ１５ａ内で、スペーサ１５ａの長手方向Ｘに移動して開口３３から排出される。開口３２に送られた窒素ガスの圧力と、開口３３から排出された窒素ガスの圧力との差（差圧Ｄ１）を測定する。次に、スペーサ１５ａが存在しないことを除き、差圧Ｄ１を測定する方法と同じ方法で差圧Ｄ０を測定する。差圧Ｄ０及びＤ１に基づいて、スペーサ１５ａによる圧力損失を算出する。算出された値は、スペーサ１５ａ内で、窒素ガスがスペーサ１５ａの長手方向Ｘに移動することによって生じた圧力損失Ｐ１とみなすことができる。
　圧力損失Ｐ２は、スペーサ１５ａに代えて、透過スペーサ１４に相当するスペーサ１４ａを用いることを除き、圧力損失Ｐ１と同じ方法によって測定することができる。スペーサ１４ａは、縦及び横の長さを除き、中心管２１に巻き付けられる前の透過スペーサ１４と同じ形状を有する。
　上記の試験方法によって測定された圧力損失Ｐ１及びＰ２の関係は、分離膜エレメント１０の運転時における流路スペーサ１５での圧力損失及び透過スペーサ１４での圧力損失の関係とよく一致する。
　分離膜エレメント１０は、通常、複数の透過スペーサ１４を有する。本実施形態において、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１は、複数の透過スペーサ１４から選ばれる少なくとも１つの透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２よりも小さければよい。この条件を満たす限り、分離膜エレメント１０は、圧力損失Ｐ１と同じ値、又は、圧力損失Ｐ１よりも小さい値の圧力損失Ｐ２を示す透過スペーサ１４を含んでいてもよい。一例として、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１は、複数の透過スペーサ１４のうちの１つの透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２と同じ値であり、かつ、他の全ての透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２より小さくてもよい。流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１は、好ましくは、全ての透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２より小さい。
　圧力損失Ｐ２から圧力損失Ｐ１を差し引いた値（Ｐ２－Ｐ１）は、特に限定されず、例えば５ｋＰａ以上であり、好ましくは１０ｋＰａ以上であり、より好ましくは２０ｋＰａ以上である。値（Ｐ２－Ｐ１）の上限値は、特に限定されず、例えば５０ｋＰａである。圧力損失Ｐ２に対する圧力損失Ｐ１の比（Ｐ１／Ｐ２）は、特に限定されず、例えば０．８以下であり、好ましくは０．５以下であり、より好ましくは０．２以下である。比（Ｐ１／Ｐ２）の下限値は、特に限定されず、例えば０．０１である。
　圧力損失Ｐ１は、例えば３０ｋＰａ以下であり、好ましくは２０ｋＰａ以下であり、より好ましくは１０ｋＰａ以下であり、さらに好ましくは６ｋＰａ以下である。圧力損失Ｐ１の下限値は、特に限定されず、例えば０．１ｋＰａである。圧力損失Ｐ１は、場合によっては、３０ｋＰａより大きくてもよい。
　本発明は、その別の側面から、
　中心管２１と、
　分離膜１２及び透過スペーサ１４を有し、中心管２１に巻き付けられた膜リーフ１１と、
　透過スペーサ１４に接続され、膜リーフ１１よりも中心管２１側で中心管２１に巻き付けられた流路スペーサ１５と、
を備え、
　上記の試験により測定された流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１が３０ｋＰａ以下である、スパイラル型膜エレメント１０を提供する。
　圧力損失Ｐ２は、例えば３０ｋＰａより大きく、５０ｋＰａ以下である。圧力損失Ｐ２は、場合によっては、３０ｋＰａ以下であってもよい。
　流路スペーサ１５としては、例えば、ネット、メッシュ、線材織物、繊維織物、不織布、溝付きシート、波形シートなどが挙げられる。流路スペーサ１５の材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料；天然高分子；ゴム；金属などが挙げられる。
　流路スペーサ１５の厚さは、特に限定されず、例えば３００μｍ以上であり、好ましくは４００μｍ以上であり、より好ましくは５００μｍ以上であり、さらに好ましくは６００μｍ以上である。流路スペーサ１５の厚さが大きければ大きいほど、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１が低下する傾向がある。流路スペーサ１５の厚さの上限値は、特に限定されないが、分離膜エレメント１０内における分離膜１２の膜面積を十分に確保する観点から、例えば２０００μｍである。
　流路スペーサ１５の開口率は、特に限定されず、例えば３０％以上であり、好ましくは４０％以上であり、より好ましくは５０％以上である。流路スペーサ１５の開口率が高ければ高いほど、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１が低下する傾向がある。流路スペーサ１５の開口率の上限値は、特に限定されず、例えば８０％である。
　流路スペーサ１５の開口率は、次の方法によって特定できる。まず、流路スペーサ１５をフィルムの上に配置し、流路スペーサ１５の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。得られた電子顕微鏡像から、画像処理によって、流路スペーサ１５の表面の面積Ａ１と、流路スペーサ１５を通じてフィルムが確認できる面積Ａ２（流路スペーサ１５に形成された隙間の面積）とを算出する。面積Ａ１に対する面積Ａ２の比率を流路スペーサ１５の開口率として特定できる。
　以下の表１は、流路スペーサ１５の具体例を示している。流路スペーサ１５は、ＰＥ３０であることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　透過スペーサ１４としては、例えば、ネット、メッシュ、線材織物、繊維織物、不織布、溝付きシート、波形シートなどが挙げられる。透過スペーサ１４の材料としては、流路スペーサ１５について上述したものが挙げられる。
　透過スペーサ１４の厚さは、特に限定されず、例えば３００μｍ未満であり、好ましくは２５０μｍ以下である。透過スペーサ１４の厚さが小さければ小さいほど、分離膜エレメント１０内において、十分な数の膜リーフ１１を容易に配置できる。言い換えると、分離膜エレメント１０内の分離膜１２について、十分な膜面積を容易に確保できる。透過スペーサ１４の厚さの下限値は、特に限定されず、例えば１００μｍである。透過スペーサ１４の厚さは、場合によっては、３００μｍ以上であってもよい。
　透過スペーサ１４の開口率は、特に限定されず、例えば３０％未満であり、好ましくは２５％以下であり、より好ましくは２０％以下である。透過スペーサ１４の開口率が低ければ低いほど、分離膜エレメント１０の運転時に、分離膜１２の一部が透過スペーサ１４の隙間に入り込むことによる分離膜１２の性能の低下を抑制できる傾向がある。透過スペーサ１４の開口率の下限値は、特に限定されず、例えば１０％である。透過スペーサ１４の開口率は、場合によっては、３０％以上であってもよい。透過スペーサ１４の開口率は、流路スペーサ１５について上述した方法によって特定することができる。
　透過スペーサ１４の具体例としては、＃１０００Ｅ（材料：ＰＥＴ、開口率：２２％、厚さ：２５０μｍ、圧力損失Ｐ２：３３．６ｋＰａ）が挙げられる。透過スペーサ１４は、場合によっては、表１で例示されたものであってもよい。
　本実施形態において、透過スペーサ１４は、基本的には流路スペーサ１５と異なる。ただし、分離膜エレメント１０において、複数の透過スペーサ１４から選ばれる少なくとも１つの透過スペーサ１４が流路スペーサ１５と同じであってもよい。一例として、複数の透過スペーサ１４のうちの１つの透過スペーサ１４が流路スペーサ１５と同じであり、他の全ての透過スペーサ１４が流路スペーサ１５と異なっていてもよい。詳細には、複数の透過スペーサ１４のうちの１つの透過スペーサ１４がＰＥ３０であり、他の全ての透過スペーサ１４が＃１０００Ｅであってもよい。
　供給スペーサ１３は、特に限定されず、例えば、透過スペーサ１４又は流路スペーサ１５について上述したものを適宜利用することができる。
［分離膜］
　分離膜１２は、混合気体に含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる分離膜（ガス分離膜）であってもよく、混合液体に含まれる揮発性の有機化合物を優先的に透過させることができる分離膜（液体分離膜）であってもよい。以下では、ガス分離膜としての分離膜１２について説明する。
　図４Ａに示すとおり、ガス分離膜としての分離膜１２Ａは、例えば、分離機能層１及び分離機能層１を支持する多孔性支持体３を備えており、分離機能層１と多孔性支持体３との間に配置されている中間層２をさらに備えていてもよい。中間層２は、例えば、分離機能層１及び多孔性支持体３のそれぞれに直接接している。
（分離機能層）
　分離機能層１は、例えば、混合気体に含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる層である。好ましい一形態では、分離機能層１は、樹脂を含む。分離機能層１に含まれる樹脂としては、例えば、ポリエーテルブロックアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、酢酸セルロース樹脂、シリコーン樹脂及びフッ素樹脂が挙げられる。分離機能層１は、好ましくはポリエーテルブロックアミド樹脂を含む。この形態において、分離機能層１は、好ましくは、実質的に樹脂からなる。本明細書において、「実質的に～からなる」は、言及された材料の本質的特徴を変更する他の成分を排除することを意味し、例えば９５ｗｔ％以上、さらには９９ｗｔ％以上が当該材料により構成されていることを意味する。
　別の好ましい一形態では、分離機能層１は、イオン液体を含む。分離機能層１は、例えば、イオン液体を含むダブルネットワークゲルを有する。ダブルネットワークゲルは、互いに独立した２種類の網目構造を備えるゲルである。ダブルネットワークゲルは、例えば、主として有機材料により構成された第１網目構造、主として無機材料により構成された第２網目構造、及び、イオン液体を含む。本明細書において、「主として構成された」は、５０ｗｔ％以上、さらには７０ｗｔ％以上が当該材料により構成されていることを意味する。
　第１網目構造を構成するための有機材料は、例えば、ポリアクリルアミド（特に、ポリジメチルアクリルアミドなどのポリジアルキルアクリルアミド）などの重合体を含む。有機材料に含まれる重合体は、アクリルアミド誘導体に由来する構造単位を有し、さらに架橋構造を含んでいてもよい。架橋構造を含む重合体は、公知の方法によって作製することができる。例えば、まず、Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位を有するプレポリマーを準備する。Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位は、例えば、Ｎ－アクリルオキシスクシンイミドに由来する。次に、プレポリマーとアミン系架橋剤とを反応させることによって、架橋構造を含む重合体を得ることができる。アミン系架橋剤は、２つ以上の第一級アミノ基を有する化合物であり、例えばエチレングリコールビス（３－アミノプロピル）エーテルである。
　第２網目構造は、複数の粒子のネットワークを含んでいてもよい。複数の粒子のネットワークは、例えば、複数の粒子が水素結合によって互いに結合することによって形成されている。第２網目構造に含まれる粒子は、後述するナノ粒子として例示する粒子であってもよい。一例として、第２網目構造に含まれる粒子は、シリカ粒子である。
　本実施形態において、具体的なイオン液体としては、例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム又はホスホニウムと、炭素数１以上の置換基とを有するイオン液体等が挙げられる。
　イミダゾリウムと炭素数１以上の置換基とを有するイオン液体において、炭素数１以上の置換基としては、炭素数１以上２０以下のアルキル基、炭素数３以上１４以下のシクロアルキル基、炭素数６以上２０以下のアリール基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい（例えば、炭素数１以上２０以下のヒドロキシアルキル基等）。
　炭素数１以上２０以下のアルキル基としては、メチル基、エチル基、ｎ－プロピル基、ｎ－ブチル基、ｎ－ペンチル基、ｎ－ヘキシル基、ｎ－ヘプチル基、ｎ－オクチル基、ｎ－ノニル基、ｎ－デシル基、ｎ－ウンデシル基、ｎ－ドデシル基、ｎ－トリデシル基、ｎ－テトラデシル基、ｎ－ペンタデシル基、ｎ－ヘキサデシル基、ｎ－ヘプタデシル基、ｎ－オクタデシル基、ｎ－ノナデシル基、ｎ－エイコサデシル基、ｉ－プロピル基、ｓｅｃ－ブチル基、ｉ－ブチル基、１－メチルブチル基、１－エチルプロピル基、２－メチルブチル基、ｉ－ペンチル基、ネオペンチル基、１，２－ジメチルプロピル基、１，１－ジメチルプロピル基、ｔ－ペンチル基、２－エチルヘキシル基、１，５－ジメチルヘキシル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
　上述のアルキル基は、シクロアルキル基によって置換されていてもよい。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基の炭素数は、例えば、１以上２０以下である。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基としては、シクロプロピルメチル基、シクロブチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルプロピル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
　炭素数３以上１４以下のシクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロドデシル基、ノルボルニル基、ボルニル基、アダマンチル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
　炭素数６以上２０以下のアリール基としては、フェニル基、トルイル基、キシリル基、メシチル基、アニシル基、ナフチル基、ベンジル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。
　イミダゾリウムおよび炭素数１以上の置換基を有する化合物は、さらに、アルキル基等の置換基を有してもよく、対アニオンと塩を形成してもよい。対アニオンとしては、アルキルスルフェート、トシレート、メタンスルホネート、アセテート、ビス（フルオロスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、チオシアネート、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレート、ヘキサフルオロホスフェート、テトラフルオロボレート、ハライド等が挙げられ、ガス分離性能の観点から、ビス（フルオロスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレートが好ましい。
　イミダゾリウム及び炭素数１以上の置換基を有するイオン液体としては、具体的には、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（フルオロスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムジシアンアミド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムブロミド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムクロライド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスホネート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラクロロフェレート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムヨーダイド、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムクロリド、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムトリフルオロ（トリフルオロメチル）ボレート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムトリブロミド、１，３－ジメシチルイミダゾリウムクロライド、１，３－ビス（２，６－ジイソプロピルフェニル）イミダゾリウムクロライド、１，３－ジイソプロピルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１，３－ジ－ｔｅｒｔ－ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１，３－ジシクロヘキシルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１，３－ジシクロヘキシルイミダゾリウムクロライド、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウムヨーダイド、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムクロライド、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムブロミド、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムヨーダイド、１－メチル－３－ｎ－オクチルイミダゾリウムブロミド、１－メチル－３－ｎ－オクチルイミダゾリウムクロライド、１－メチル－３－ｎ－オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、１－メチル－３－[６－（メチルスルフィニル）ヘキシル]イミダゾリウムｐ－トルエンスルホネート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド、１－（２－ヒドロキシエチル）－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド等が挙げられる。
　なかでも、ガス分離性能の観点から、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（フルオロスルホニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＦＳＩ］）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムジシアンアミド（［ＥＭＩ］［ＤＣＡ］）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド（［ＥＭＩ］［ＴＣＭ］）、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（［Ｃ4ｍｉｍ］［ＴＦ2Ｎ］）、１－（２－ヒドロキシエチル）－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（［Ｃ2ＯＨｉｍ］［ＴＦ2Ｎ］）が特に好ましい。
　ダブルネットワークゲルを作製する方法は、特に限定されず、例えば、E.Kamio et al.,Adv.Mater,29,1704118(2017)に開示された方法を利用することができる。
　ダブルネットワークゲルにおけるイオン液体の含有率は、例えば５０ｗｔ％以上であり、好ましくは６０ｗｔ％以上であり、より好ましくは７０ｗｔ％以上であり、さらに好ましくは８０ｗｔ％以上である。イオン液体の含有率が高ければ高いほど、分離機能層１は、混合気体に含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる。イオン液体の含有率の上限値は、特に限定されず、例えば９５ｗｔ％である。
　ダブルネットワークゲルにおける主として有機材料により構成された第１網目構造の含有率は、例えば１ｗｔ％以上であり、好ましくは５ｗｔ％以上であり、より好ましくは１０ｗｔ％以上である。第１網目構造の含有率の上限値は、例えば１５ｗｔ％である。ダブルネットワークゲルにおける主として無機材料により構成された第２網目構造の含有率は、ダブルネットワークゲルの強度を向上させる観点から、例えば１ｗｔ％以上である。第２網目構造の含有率の上限値は、例えば５ｗｔ％である。ダブルネットワークゲルの重量に対する第１網目構造の重量と第２網目構造の重量との合計値の比率は、例えば２ｗｔ％以上であり、好ましくは５ｗｔ％以上であり、より好ましくは１０ｗｔ％以上である。この比率は、好ましくは２０ｗｔ％以下である。この形態において、分離機能層１は、好ましくは、実質的にダブルネットワークゲルからなる。
　分離機能層１の厚さは、例えば５０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下であり、より好ましくは１５μｍ以下である。分離機能層１の厚さは、場合によっては、１０μｍ以下であってもよく、５．０μｍ以下であってもよく、２．０μｍ以下であってもよい。分離機能層１の厚さは、０．０５μｍ以上であってもよく、０．１μｍ以上であってもよい。
（中間層）
　中間層２は、例えば、樹脂を含み、樹脂（マトリクス）に分散したナノ粒子をさらに含んでいてもよい。ナノ粒子は、マトリクス内で互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。マトリクスの材料は、特に限定されず、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂；ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂；ポリエチレンオキシドなどのエポキシ樹脂；ポリイミド樹脂；ポリスルホン樹脂；ポリトリメチルシリルプロピン、ポリジフェニルアセチレンなどのポリアセチレン樹脂；ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン樹脂；ポリウレタン樹脂が挙げられる。マトリクスは、シリコーン樹脂及びポリウレタン樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましく、シリコーン樹脂及びポリウレタン樹脂の両方を含むことがより好ましい。
　ナノ粒子は、無機材料を含んでいてもよく、有機材料を含んでいてもよい。ナノ粒子に含まれる無機材料としては、例えば、シリカ、チタニア及びアルミナが挙げられる。ナノ粒子は、シリカを含むことが好ましい。
　中間層２の厚さは、特に限定されず、例えば５０μｍ未満であり、好ましくは４０μｍ以下であり、より好ましくは３０μｍ以下である。中間層２の厚さの下限値は、特に限定されず、例えば１μｍである。中間層２は、例えば、５０μｍ未満の厚さを有する層である。
（多孔性支持体）
　多孔性支持体３は、中間層２を介して分離機能層１を支持する。多孔性支持体３としては、例えば、不織布；多孔質ポリテトラフルオロエチレン；芳香族ポリアミド繊維；多孔質金属；焼結金属；多孔質セラミック；多孔質ポリエステル；多孔質ナイロン；活性化炭素繊維；ラテックス；シリコーン；シリコーンゴム；ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド及びポリフェニレンオキシドからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む透過性（多孔質）ポリマー；連続気泡又は独立気泡を有する金属発泡体；連続気泡又は独立気泡を有するポリマー発泡体；シリカ；多孔質ガラス；メッシュスクリーンなどが挙げられる。多孔性支持体３は、これらのうちの２種以上を組み合わせたものであってもよい。
　多孔性支持体３は、例えば０．０１～０．４μｍの平均孔径を有する。多孔性支持体３の厚さは、特に限定されず、例えば１０μｍ以上であり、好ましくは２０μｍ以上であり、より好ましくは５０μｍ以上である。多孔性支持体３の厚さは、例えば３００μｍ以下であり、好ましくは２００μｍ以下であり、より好ましくは１５０μｍ以下である。
［分離膜の製造方法］
　分離膜１２Ａは、例えば、次の方法によって作製することができる。まず、中間層２の材料を含む塗布液を調製する。次に、多孔性支持体３の上に、中間層２の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を形成する。塗布液の塗布方法は、特に限定されず、例えばスピンコート法、ディップコート法、グラビアコート法などを利用できる。ワイヤーバーなどを利用して塗布液を塗布してもよい。塗布液における中間層２の材料の濃度などを調整することによって、形成される中間層２の厚さを調整することができる。次に、塗布膜を乾燥し、中間層２を形成する。塗布膜の乾燥は、例えば、加熱条件下で行うことができる。塗布膜の加熱温度は、例えば５０℃以上である。塗布膜の加熱時間は、例えば１分以上であり、５分以上であってもよい。
　中間層２の表面には必要に応じて易接着処理を施すことができる。易接着処理として、下塗り剤の塗布、コロナ放電処理、プラズマ処理などの表面処理が施されてもよい。
　次に、分離機能層１の材料を含む塗布液を調整する。中間層２の上に分離機能層１の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を得る。この塗布膜を乾燥し、分離機能層１を形成する。塗布液の塗工方法、及び乾燥条件は、中間層２について上述した方法及び条件を用いることができる。これにより、分離膜１２Ａが得られる。
　分離膜１２Ａの作製方法は、上記の方法に限定されない。例えば、次の方法によっても分離膜１２Ａを作製することができる。例えば、分離機能層１の材料を含む塗布液を転写フィルムの上に塗布して塗布膜を得る。塗布膜を乾燥することによって分離機能層１が形成される。次に、中間層２の材料を含む塗布液を分離機能層１の上に塗工して乾燥することによって、中間層２を形成する。中間層２及び分離機能層１の積層体を多孔性支持体３に転写する。これにより、分離膜１２Ａが得られる。
［分離膜の変形例］
　上述のとおり、分離膜１２は、混合液体に含まれる揮発性の有機化合物を優先的に透過させることができる分離膜（液体分離膜）であってもよい。液体分離膜としての分離膜１２は、例えば、浸透気化法によって、上記の有機化合物を含む気体の透過流体を生じさせる浸透気化膜である。以下では、液体分離膜としての分離膜１２について説明する。
　図４Ｂに示すとおり、液体分離膜としての分離膜１２Ｂは、例えば、分離機能層５、及び、分離機能層５を支持する多孔性支持体６を備えている。分離膜１２Ｂは、分離機能層５を保護する保護層（図示せず）をさらに備えていてもよい。分離機能層５は、例えば、多孔性支持体６と直接接している。
（分離機能層）
　分離機能層５は、例えば、混合液体に含まれる揮発性の有機化合物を優先的に透過させることができる層である。分離機能層５は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコーン樹脂；ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂などの疎水性材料を含む。分離機能層５は、疎水性材料としてシリコーン樹脂を含むことが好ましい。分離機能層５は、疎水性材料を主成分として含んでいてもよく、実質的に疎水性材料のみから構成されていてもよい。「主成分」は、分離機能層５に重量比で最も多く含まれる成分を意味する。
　分離機能層５は、疎水性材料を含むマトリクスと、マトリクスに分散したフィラーとを含んでいてもよい。フィラーは、マトリクス内に埋め込まれている。マトリクス内において、全てのフィラーが互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。
　フィラーは、例えば、ゼオライトなどの無機材料を含む。フィラーに含まれるゼオライトは、アルミナに対するシリカの比率が高いハイシリカゼオライトであることが好ましい。ハイシリカゼオライトは、耐加水分解性に優れているため、水を含む液体を分離する用途に適している。ハイシリカゼオライトとしては、東ソー社製のＨＳＺ（登録商標）、ユニオン昭和社製のＨｉＳｉｖ（登録商標）、ユニオン昭和社製のＵＳＫＹ及び中村超硬社製のＺｅｏａｌ（登録商標）を用いることができる。
　フィラーの形状は、例えば、粒子状である。本明細書において、「粒子状」には、球状、楕円体状、鱗片状及び繊維状が含まれる。フィラーの平均粒径は、特に限定されず、例えば５０μｍ以下であり、好ましくは２０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以下である。フィラーの平均粒径の下限値は、例えば０．０１μｍである。フィラーの平均粒径は、例えば、次の方法によって特定することができる。まず、分離機能層５の断面を透過電子顕微鏡で観察する。得られた電子顕微鏡像において、特定のフィラーの面積を画像処理によって算出する。算出された面積と同じ面積を有する円の直径をその特定のフィラーの粒径（粒子の直径）とみなす。任意の個数（少なくとも５０個）のフィラーの粒径をそれぞれ算出し、算出値の平均値をフィラーの平均粒径とみなす。
　分離機能層５におけるフィラーの含有率は、例えば１０ｗｔ％以上であり、好ましくは２０ｗｔ％以上である。分離機能層５におけるフィラーの含有率の上限値は、特に限定されず、例えば７０ｗｔ％である。分離機能層５におけるマトリクスの含有率は、特に限定されず、例えば３０ｗｔ％～９０ｗｔ％である。
　分離機能層５の厚さは、例えば２００μｍ以下であり、好ましくは１００μｍ以下であり、より好ましくは８０μｍ以下である。分離機能層５の厚さは、１．０μｍ以上であってもよく、１０μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよい。
　分離機能層５は、平均孔径が０．０１μｍ未満の微孔構造を有していてもよいが、表面に孔を有さない緻密層であってもよい。
（多孔性支持体）
　多孔性支持体６としては、分離膜１２Ａについて上述したものを用いることができる。
（保護層）
　保護層は、例えば、分離機能層５の表面を被覆している。保護層の材料としては、特に限定されず、例えばシリコーン樹脂が挙げられる。保護層の材料は、分離機能層５のマトリクスの材料と同じであってもよい。保護層の厚さは、特に限定されず、例えば５μｍ以上であり、好ましくは１０μｍ以上であり、より好ましくは２０μｍ以上である。保護層の厚さは、例えば１００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以下である。
［分離膜の製造方法］
　分離膜１２Ｂは、例えば、多孔性支持体６の上に分離機能層５を形成することによって作製することができる。詳細には、まず、分離機能層５の材料を含む塗布液を調製する。塗布液は、フィラーとともにフィラーを塗布液中に分散させるための分散剤を含んでいてもよい。塗布液がシリコーン樹脂を含む場合、塗布液は、シリコーン樹脂を硬化させるための触媒をさらに含んでいてもよい。次に、塗布液を多孔性支持体６の上に塗布することによって塗布膜を得る。塗布膜を乾燥させることによって、分離機能層５が形成される。
［スパイラル型膜エレメントの製造方法］
　次に、図５及び６を参照して分離膜エレメント１０の製造方法の一例を説明する。まず、図５に示すように、分離膜１２の分離機能層１が内側に位置するように、分離膜１２を２つに折り畳む。２つに折り畳まれた分離膜１２の間に供給スペーサ１３を配置し、分離膜１２の上に透過スペーサ１４を配置する。さらに、透過スペーサ１４の外周部の３辺に接着剤２６ａを塗布する。これにより、分離膜ユニットＵが得られる。接着剤２６ａは、この時点では、未硬化の状態である。
　次に、図６に示すように、中心管２１、スペーサ１６、及び複数の分離膜ユニットＵを準備する。スペーサ１６は、例えば、中心管２１に直接巻き付けられる第１部分１６ａと、分離膜ユニットＵと積層される第２部分１６ｂと、を有する。スペーサ１６の第１部分１６ａが流路スペーサ１５に相当し、第２部分１６ｂが透過スペーサ１４に相当する。第１部分１６ａの材料、厚さなどは、第２部分１６ｂと同じであってもよく、異なっていてもよい。複数の分離膜ユニットＵは、スペーサ１６の第２部分１６ｂの上において、階段状に配置される。複数の分離膜ユニットＵの数は、特に限定されず、例えば２～３０である。なお、最も上方に位置する分離膜ユニットＵは、透過スペーサ１４を有していなくてもよい。
　次に、中心管２１に、スペーサ１６の第１部分１６ａを巻き付ける。第１部分１６ａの巻き数は、特に限定されず、例えば１～１５であり、好ましくは２～１０である。
　次に、中心管２１に、複数の分離膜ユニットＵを巻き付ける。このとき、最も上方に位置していた分離膜ユニットＵは、スペーサ１６の第２部分１６ｂと積層される。中心管２１に分離膜ユニットＵが巻き付けられたのち、接着剤２６ａが硬化して接着剤層２６が形成されるとともに、袋状の膜リーフ１１が形成される。これにより、中心管２１及び積層体２２を含む組立体が得られる。
　なお、スペーサ１６は、図６に示す形状に限定されない。例えば、スペーサ１６は、第２部分１６ｂに接続され、第２部分１６ｂから中心管２１とは反対側に延びる第３部分（図示せず）をさらに有していてもよい。第３部分は、中心管２１に分離膜ユニットＵが巻き付けられて形成された積層体２２の外側において、中心管２１に巻き付けられる。すなわち、第３部分は、積層体２２の外側において、積層体２２を覆うことができる。積層体２２の供給スペーサ１３と第３部分とが接触しないように、積層体２２と第３部分との間には、フィルム（例えば、パナック株式会社製のルミラー３８Ｅ２０）が配置されていてもよい。第３部分の材料、厚さなどは、第１部分１６ａと同じであってもよく、異なっていてもよい。
［スパイラル型膜エレメントの特性］
　分離膜エレメント１０では、供給流体の圧力と透過流体の圧力との差（圧力差）を駆動力として、分離膜１２による供給流体の膜分離が進行する。そのため、分離膜エレメント１０内で圧力損失が生じると、上記の圧力差が減少し、分離膜１２からの透過流体の透過速度や透過流束が低下する。特に、中心管２１の内部を減圧して分離膜エレメント１０を運転する方式（減圧方式）では、供給流体を加圧して分離膜エレメント１０を運転する方式（加圧方式）に比べて圧力差が小さい傾向があるため、圧力損失による圧力差の減少の影響が大きい。
　本発明者らの検討によれば、圧力損失は、各膜リーフ１１からの透過流体が集中する流路スペーサ１５において、特に顕著に生じる傾向がある。本実施形態の分離膜エレメント１０では、流路スペーサ１５の圧力損失Ｐ１を透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２よりも小さく設定することによって、上記の圧力差の減少を効率的に抑制している。本実施形態の分離膜エレメント１０によれば、圧力差の減少が抑制されることによって、分離膜１２からの透過流体の透過速度や透過流束の低下を十分に抑制することができる。
（二酸化炭素に対するスパイラル型膜エレメントの特性）
　一例として、二酸化炭素を供給流体として用いて、分離膜１２（詳細には分離膜１２Ａ）を備えた分離膜エレメント１０、及び平膜状の分離膜１２（詳細には分離膜１２Ａ）のそれぞれを加圧方式で運転した場合、平膜状の分離膜１２からの二酸化炭素の透過速度Ｔ（ＧＰＵ）に対する、分離膜エレメント１０からの二酸化炭素の透過速度Ｔ２（ＧＰＵ）の比率Ｒは、例えば９０％以上であり、好ましくは９５％以上である。ここで、比率Ｒを特定するための加圧方式の運転において、分離膜エレメント１０、又は平膜状の分離膜１２に供給される供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．２ＭＰａである。加圧方式では、透過流体が得られる空間（透過流体流路内の空間）の圧力は、測定環境における大気圧（例えば１０１ｋＰａ）と一致する。なお、ＧＰＵは、１０-6・cm3(STP)/(sec・cm2・cmHg)を意味する。cm3(STP)は、１気圧、０℃での二酸化炭素の体積を意味する。
　二酸化炭素を供給流体として用いて、平膜状の分離膜１２を減圧方式で運転した場合における平膜状の分離膜１２からの二酸化炭素の透過速度Ｔ１（ＧＰＵ）に対する、分離膜エレメント１０を加圧方式で運転した場合における分離膜エレメント１０からの二酸化炭素の透過速度Ｔ２（ＧＰＵ）の比率Ｒ１は、例えば８５％以上であり、好ましくは９０％以上であり、より好ましくは９５％以上である。透過速度Ｔ１は、後述する条件で測定することができる。透過速度Ｔ２は、比率Ｒについて上述したものと同じである。
　二酸化炭素を供給流体として用いて、分離膜エレメント１０、及び平膜状の分離膜１２のそれぞれを減圧方式で運転した場合、平膜状の分離膜１２からの二酸化炭素の透過速度Ｔ１（ＧＰＵ）に対する、分離膜エレメント１０からの二酸化炭素の透過速度Ｔ３（ＧＰＵ）の比率Ｒ２は、例えば８０％以上であり、好ましくは８５％以上である。ここで、比率Ｒ２を特定するための減圧方式の運転において、分離膜エレメント１０、又は平膜状の分離膜１２に供給される供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．１ＭＰａである。減圧方式では、真空ポンプを用いて、透過流体が得られる空間（透過流体流路内の空間）を１０ｋＰａ程度以下まで減圧する。
（ＩＰＡ及び水からなる混合液体に対するスパイラル型膜エレメントの特性）
　他の例として、イソプロパノール（ＩＰＡ）及び水からなる混合液体を供給流体として用いて、分離膜１２（詳細には分離膜１２Ｂ）を備えた分離膜エレメント１０、及び平膜状の分離膜１２（詳細には分離膜１２Ｂ）のそれぞれを減圧方式で運転した場合、平膜状の分離膜１２からのＩＰＡの透過流束Ｆ１（ｋｇ／ｍ2／ｈｒ）に対する、分離膜エレメント１０からのＩＰＡの透過流束Ｆ２（ｋｇ／ｍ2／ｈｒ）の比率Ｌは、例えば６０％以上である。比率Ｌの上限値は、特に限定されず、例えば９０％である。ここで、比率Ｌを特定するための減圧方式の運転において、分離膜エレメント１０、又は平膜状の分離膜１２に供給される供給流体は、温度が４０℃である。供給流体の量は、透過流束Ｆ１及びＦ２の測定に影響が生じない範囲で適切に設定する。一例として、透過流束Ｆ２の測定では、分離膜エレメント１０に送られる供給流体の供給流量を４０ｇ／ｍｉｎに設定してもよい。供給流体におけるＩＰＡの濃度は５ｗｔ％である。減圧方式では、真空ポンプを用いて、透過流体が得られる空間（透過流体流路内の空間）を１．５ｋＰａまで減圧する。減圧方式では、通常、気体の透過流体が得られる。気体の透過流体を凝縮し、得られた液体の透過流体の組成を分析することによって、透過流束Ｆ１及びＦ２を特定することができる。
　なお、本実施形態の分離膜エレメント１０では、透過スペーサ１４の圧力損失Ｐ２を従来よりも減少させる必要がない。すなわち、圧力損失Ｐ２を減少させるために、例えば、透過スペーサ１４の厚さを増加させる必要がない。そのため、本実施形態の分離膜エレメント１０によれば、分離膜エレメント１０内における膜リーフ１１の数を維持でき、これにより、分離膜１２の膜面積を十分に確保できる利点がある。ただし、本実施形態の分離膜エレメント１０では、従来よりも小さい圧力損失Ｐ２を示す透過スペーサ１４が用いられてもよい。
［分離膜エレメントの用途］
　本実施形態の分離膜エレメント１０の用途の一例としては、酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離する用途が挙げられる。混合気体の酸性ガスとしては、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、シアン化水素、窒素酸化物（ＮＯｘ）などが挙げられ、好ましくは二酸化炭素である。混合気体は、酸性ガス以外の他のガスを含んでいる。他のガスとしては、例えば、水素、窒素などの非極性ガス、及び、ヘリウムなどの不活性ガスが挙げられ、好ましくは窒素である。上記の分離膜１２Ａを備えた分離膜エレメント１０は、二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離する用途に適している。
　分離膜エレメント１０の用途の他の例としては、揮発性の有機化合物を含む混合液体から当該有機化合物を分離する用途が挙げられる。揮発性の有機化合物としては、例えば、アルコール、典型的には低級アルコール、が挙げられる。低級アルコールは、例えば、炭素数５以下のアルコールである。低級アルコールは、一価アルコールであってもよく、多価アルコールであってもよい。低級アルコールは、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよい。低級アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ－プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）、ｎ－ブタノール、２－ブタノール、イソブタノール、ｔ－ブタノール及びｎ－ペンタノールが挙げられ、好ましくはＩＰＡである。揮発性の有機化合物は、低級アルコール以外のアルコール、例えばフェノール、であってもよい。混合液体は、揮発性の有機化合物以外の他の液体を含んでいる。他の液体は、典型的には水である。上記の分離膜１２Ｂを備えた分離膜エレメント１０は、アルコール及び水を含む混合液体からアルコールを分離する用途に適している。
　本実施形態の分離膜エレメント１０は、（ｉ）二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離するために用いられる、並びに、（ｉｉ）アルコール及び水を含む混合液体からアルコールを分離するために用いられる、の少なくとも１つが成立することが好ましい。ただし、分離膜エレメント１０の用途は、上記（ｉ）又は（ｉｉ）の用途に限定されない。
＜膜分離システムの実施形態＞
　図７に示すとおり、本実施形態の膜分離システム１００は、上述の分離膜エレメント１０及び減圧装置６０を備える。減圧装置６０は、分離膜エレメント１０の中心管２１の内部を減圧することができる。言い換えると、減圧装置６０によって、分離膜エレメント１０の供給流体流路内の空間と透過流体流路内の空間との間において、差圧を生じさせる、又は、差圧を増加させることができる。減圧装置６０の具体例は、真空ポンプなどの真空装置である。膜分離システム１００は、２つの分離膜エレメント１０ａ及び１０ｂと、２つの減圧装置６０ａ及び６０ｂとを備えていてもよい。膜分離システム１００は、酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離する用途に適している。
　膜分離システム１００は、混合流体供給経路５０をさらに備えている。混合流体供給経路５０は、分離膜エレメント１０ａの混合流体入口に接続されており、混合流体を貯蔵しているタンク（図示せず）などから分離膜エレメント１０ａに混合流体を供給するための経路である。混合流体供給経路５０には、分離膜エレメント１０ａの供給流体経路内の空間を加圧する加圧装置６４が配置されていてもよく、配置されていなくてもよい。加圧装置６４としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。加圧装置６４は、例えば、分離膜エレメント１０ａに供給される混合流体を昇圧することによって、分離膜エレメント１０ａの供給流体経路内の空間を加圧することができる。
　膜分離システム１００は、透過流体供給経路５２をさらに備えている。透過流体供給経路５２は、分離膜エレメント１０ａの透過流体出口及び分離膜エレメント１０ｂの透過流体入口に接続され、分離膜エレメント１０ａから分離膜エレメント１０ｂに、分離膜エレメント１０ａからの透過流体を供給するための経路である。分離膜エレメント１０ａからの透過流体は、分離膜エレメント１０ｂでさらに処理される。透過流体供給経路５２には、減圧装置６０ａが配置されている。
　透過流体供給経路５２は、分離膜エレメント１０ａから減圧装置６０ａまで延びている第１部分５２ａと、減圧装置６０ａから分離膜エレメント１０ｂまで延びている第２部分５２ｂとを有する。減圧装置６０ａは、第１部分５２ａを通じて、分離膜エレメント１０ａの透過流体経路内の空間を減圧することができる。減圧装置６０ａは、例えば、第１部分５２ａを通過した透過流体を吸引し、当該透過流体を第２部分５２ｂに排出する。第２部分５２ｂには、減圧装置６０ａから排出された透過流体を昇圧する加圧装置（図示せず）が配置されていてもよく、配置されていなくてもよい。この加圧装置によれば、分離膜エレメント１０ｂの供給流体経路内の空間を加圧することができる。加圧装置としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。
　膜分離システム１００は、第１排出経路５４をさらに備えている。第１排出経路５４は、分離膜エレメント１０ａの非透過流体出口に接続されており、分離膜エレメント１０ａから非透過流体を排出するための経路である。第１排出経路５４には、第１排出経路５４から非透過流体を排出するための開口（排出口７２）が形成されている。膜分離システム１００が非透過流体を貯蔵するタンク（図示せず）をさらに備えており、第１排出経路５４が当該タンクに接続されていてもよい。
　膜分離システム１００は、第２排出経路５６及びタンク７０をさらに備えている。第２排出経路５６は、分離膜エレメント１０ｂの透過流体出口及びタンク７０の入口に接続されており、分離膜エレメント１０ｂからタンク７０に透過流体を送るための経路である。タンク７０は、分離膜エレメント１０ｂから送られた透過流体を貯蔵することができる。第２排出経路５６には、減圧装置６０ｂが配置されている。
　第２排出経路５６は、分離膜エレメント１０ｂから減圧装置６０ｂまで延びている第１部分５６ａと、減圧装置６０ｂからタンク７０まで延びている第２部分５６ｂとを有する。減圧装置６０は、第１部分５６ａを通じて、分離膜エレメント１０ｂの透過流体経路内の空間を減圧することができる。減圧装置６０ｂは、例えば、第１部分５６ａを通過した透過流体を吸引し、当該透過流体を第２部分５６ｂに排出する。
　膜分離システム１００は、第３排出経路５８をさらに備えている。第３排出経路５８は、分離膜エレメント１０ｂの非透過流体出口に接続されており、分離膜エレメント１０ｂから非透過流体を排出するための経路である。第３排出経路５８は、混合流体供給経路５０に合流していてもよい。図７において、第３排出経路５８は、加圧装置６４に接続されており、加圧装置６４において混合流体供給経路５０に合流している。第３排出経路５８が混合流体供給経路５０に合流していることによって、例えば、分離膜エレメント１０ｂで分離しきれなかった酸性ガスを含む非透過流体を再利用することができる。
　膜分離システム１００の経路のそれぞれは、例えば、金属製又は樹脂製の配管で構成されている。
　本実施形態の膜分離システム１００によれば、減圧装置６０によって、分離膜エレメント１０の透過流体経路内の空間を減圧して分離操作を行うことができる。このような減圧方式による分離操作は、加圧方式に比べて、混合流体を分離するために必要なエネルギーを低減することに適している。
　以下に、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
［分離膜の作製］
　まず、シリコーン樹脂及びポリウレタン樹脂を９：１の重量比で含む塗布液を調製した。塗布液は、溶媒として水を含んでいた。次に、グラビアコート法によって、塗布液を多孔性支持体の上に塗布することによって塗布膜を得た。多孔性支持体としては、日東電工社製のＵＦ膜（限外ろ過膜）ＲＳ－５０（ＰＶＤＦ多孔質層とＰＥＴ不織布との積層体）を用いた。得られた塗布膜を乾燥させることによって、中間層を形成した。これにより、多孔性支持体及び中間層の積層体を作製した。
　次に、ポリエーテルブロックアミド（アルケマ社製のPebax MH1657）２ｇを７０ｗｔ％のイソプロパノール水溶液９８ｇに投入し、８０℃で３時間攪拌することで、２ｗｔ％のPebax溶液を作製した。次に、グラビアコート法によって、作製した溶液を中間層の上に塗布した。次に、得られた塗布膜を乾燥させることで分離機能層が形成された。これにより、分離膜を得た。
［スパイラル型膜エレメントの作製］
　図６のスペーサ１６としてＮＢＣメッシュテック社製のＰＥ３０を用い、他の透過スペーサ１４としてＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用い、さらに、供給スペーサ１３として東京インキ社製の３４ｍｉｌを用いて、図６を参照して説明した方法によって実施例１のスパイラル型膜エレメントを作製した。なお、スペーサ１６の第１部分１６ａは、中心管に巻き付けられる方向における長さが９０ｍｍであり、中心管が延びる方向における長さが２８０ｍｍであった。透過スペーサ１４は、中心管に巻き付けられる方向における長さが２９０ｍｍであり、中心管が延びる方向における長さが２８０ｍｍであった。スペーサ１６及び透過スペーサ１４は、中心管に巻き付けられたのち端部が切断された。スパイラル型膜エレメントにおいて、中心管が延びる方向について、これらのスペーサが有効に機能する長さは、１８０ｍｍであった。中心管２１の外径は１７．３ｍｍであり、スパイラル型膜エレメントの外径は約２インチであった。
（実施例２及び３）
　スペーサ１６を表２のように変更したことを除き、実施例１と同じ方法によって、実施例２及び３のスパイラル型膜エレメントを作製した。
（実施例４）
　分離膜として、多孔性支持体及び中間層の積層体（分離機能層を作製する前の積層体）を用いたことを除き、実施例１と同じ方法によって、実施例４のスパイラル型膜エレメントを作製した。
（実施例５）
　スペーサ１６の第１部分１６ａ、及び透過スペーサ１４について、中心管が延びる方向における長さを１ｍに変更したこと、透過スペーサ１４について、中心管に巻き付けられる方向における長さを４００ｍｍに変更したこと、スペーサ１６の第１部分１６ａについて、中心管に巻き付けられる方向における長さを１３６ｍｍに変更したこと、及び、スパイラル型膜エレメントの外径を約４インチに変更したことを除き、実施例１と同じ方法によって、実施例５のスパイラル型膜エレメントを作製した。
（比較例１）
　スペーサ１６としてＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用いたことを除き、実施例１と同じ方法によって、比較例１のスパイラル型膜エレメントを作製した。
（比較例２）
　スペーサ１６としてＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用いたことを除き、実施例４と同じ方法によって、比較例２のスパイラル型膜エレメントを作製した。
[平膜状の分離膜の評価]
　実施例１～５及び比較例１～２のスパイラル型膜エレメントに用いた分離膜について、平膜の状態での二酸化炭素の透過速度Ｔ１（ＧＰＵ）を測定した。透過速度Ｔ１の測定は、差圧式ガス透過率測定装置（ＧＴＲテック社製のＧＴＲ－３１ＡＨＮＤ）を用いて、以下の方法によって行った。まず、分離膜を平膜の状態で金属セル中にセットし、リークが発生しないようにＯリングでシールした。分離膜の膜面積は、３．１４ｃｍ2であった。次に、分離膜の分離機能層（又は中間層）側の主面に供給流体が接触するように、金属セル内に供給流体（二酸化炭素）を注入した。金属セル内に注入された供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．１ＭＰａであった。次に、真空ポンプを用いて、分離膜の多孔性支持体側の主面に隣接する空間を１０ｋＰａ程度以下まで減圧した。これにより、分離膜の多孔性支持体側の主面から透過流体が得られた。得られた透過流体の組成、透過流体の重量などに基づいて、二酸化炭素の透過速度Ｔ１を算出した。なお、透過流体の組成などは、ガスクロマトグラフィー（ヤナコテクニカルサイエンス社製のＧ２７００Ｔ）を用いて測定した。
　実施例１で用いた分離膜の透過速度Ｔ１は、１００ＧＰＵであった。実施例４で用いた分離膜（多孔性支持体及び中間層の積層体）の透過速度Ｔ１は、１５００ＧＰＵであった。
［スパイラル型膜エレメントの評価］
　次に、実施例１～５及び比較例１～２のスパイラル型膜エレメントを加圧方式で運転したときの二酸化炭素の透過速度Ｔ２（ＧＰＵ）、及び、当該スパイラル型膜エレメントを減圧方式で運転したときの二酸化炭素の透過速度Ｔ３（ＧＰＵ）を測定した。
　透過速度Ｔ２は、以下の方法によって測定した。まず、スパイラル型膜エレメントの供給流体流路に供給流体（二酸化炭素）を供給した。供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．２ＭＰａであった。これにより、スパイラル型膜エレメントの中心管を通じて、透過流体が得られた。得られた透過流体の流量などに基づいて、二酸化炭素の透過速度Ｔ２を算出した。なお、透過流体の流量は、石鹸膜流量計（ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて測定した。
　透過速度Ｔ３は、供給流体流路に供給した供給流体（二酸化炭素）の圧力を０．１ＭＰａに変更したこと、及び、真空ポンプを用いて、スパイラル型膜エレメントの中心管内を１０ｋＰａ程度以下まで減圧したことを除き、透過速度Ｔ２と同じ方法によって測定した。
　次に、透過速度Ｔ１に対する透過速度Ｔ２の比率Ｒ１、及び、透過速度Ｔ１に対する透過速度Ｔ３の比率Ｒ２を算出した。結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２からわかるとおり、流路スペーサの圧力損失Ｐ１が透過スペーサの圧力損失Ｐ２よりも小さい実施例１～５のスパイラル型膜エレメントでは、比率Ｒ１及びＲ２が、それぞれ、比較例１及び２と比べて高い値であった。詳細には、実施例１～５のスパイラル型膜エレメントでは、比率Ｒ１が、いずれも８３％以上であり、比較例１及び２の比率Ｒ１よりも高い値であった。さらに、実施例１～５のスパイラル型膜エレメントでは、比率Ｒ２が、いずれも７８％以上であり、比較例１及び２の比率Ｒ２よりも高い値であった。この結果から、本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、分離膜からの透過流体の透過速度の低下を抑制することに適していることがわかる。
（実施例６）
［分離膜の作製］
　まず、シリコーン樹脂（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製のＹＳＲ３０２２）、シリコーン硬化触媒（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製のＹＣ６８３１）、及びハイシリカゼオライト（ユニオン昭和社製のＨｉＳｉｖ３０００）を混合して塗布液を調製した。次に、塗布液を多孔性支持体（日東電工社製のＲＳ－５０）の上に塗布することによって塗布膜を得た。塗布膜を乾燥させることによって、分離機能層を作製した。これにより、分離膜を得た。分離機能層において、シリコーン樹脂とハイシリカゼオライトとの重量比は、５０：５０であった。
［スパイラル型膜エレメントの作製］
　図６のスペーサ１６としてＮＢＣメッシュテック社製のＰＥ３０を用い、他の透過スペーサ１４としてＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用い、さらに、供給スペーサ１３として東京インキ社製の３４ｍｉｌを用いて、図６を参照して説明した方法によって実施例６のスパイラル型膜エレメントを作製した。なお、スペーサ１６の第１部分１６ａは、中心管に巻き付けられる方向における長さが９０ｍｍであり、中心管が延びる方向における長さが２８０ｍｍであった。透過スペーサ１４は、中心管に巻き付けられる方向における長さが１４０ｍｍであり、中心管が延びる方向における長さが２８０ｍｍであった。スペーサ１６及び透過スペーサ１４は、中心管に巻き付けられたのち端部が切断された。スパイラル型膜エレメントにおいて、中心管が延びる方向について、これらのスペーサが有効に機能する長さは、１８０ｍｍであった。中心管２１の外径は１７．３ｍｍであり、スパイラル型膜エレメントの外径は約２インチであった。
（実施例７）
　スペーサ１６を表３のように変更したことを除き、実施例６と同じ方法によって、実施例７のスパイラル型膜エレメントを作製した。
（比較例３）
　スペーサ１６としてＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用いたことを除き、実施例６と同じ方法によって、比較例３のスパイラル型膜エレメントを作製した。
[平膜状の分離膜の評価]
　実施例６～７及び比較例３のスパイラル型膜エレメントに用いた分離膜について、平膜の状態でのイソプロパノール（ＩＰＡ）の透過流束Ｆ１（ｋｇ／ｍ2／ｈｒ）を測定した。透過流束Ｆ１の測定は、以下の方法によって行った。まず、分離膜を平膜の状態で金属セル中にセットし、リークが発生しないようにＯリングでシールした。分離膜の膜面積は、３４．２ｃｍ2であった。次に、分離膜の分離機能層側の主面に供給流体が接触するように、金属セル内に供給流体を充填した。供給流体は、実質的にＩＰＡ及び水から構成されていた。供給流体におけるＩＰＡの濃度は５ｗｔ％であった。金属セル内に供給された供給流体は、温度が４０℃であった。次に、真空ポンプを用いて、分離膜の多孔性支持体側の主面に隣接する空間を１．５ｋＰａまで減圧した。これにより、分離膜の多孔性支持体側の主面から気体の透過流体が得られた。すなわち、減圧方式の運転により、浸透気化法（ＰＶ）による分離が進行した。－１９６℃の液体窒素を用いて、気体の透過流体を冷却することによって、透過流体を液化した。ガスクロマトグラフィーを用いて、液体の透過流体の組成を分析した。得られた透過流体の組成、透過流体の重量などに基づいて、ＩＰＡの透過流束Ｆ１を算出した。
［スパイラル型膜エレメントの評価］
　次に、実施例６～７及び比較例３のスパイラル型膜エレメントを減圧方式で運転したときのＩＰＡの透過流束Ｆ２（ｋｇ／ｍ2／ｈｒ）を測定した。
　透過流束Ｆ２は、以下の方法によって測定した。まず、スパイラル型膜エレメントの供給流体流路に供給流体を供給した。供給流体は、実質的にＩＰＡ及び水から構成されていた。供給流体におけるＩＰＡの濃度は５ｗｔ％であった。供給流体は、温度が４０℃であった。供給流体の供給流量は、４０ｇ／ｍｉｎであった。次に、真空ポンプを用いて、スパイラル型膜エレメントの中心管内を１．５ｋＰａまで減圧した。これにより、スパイラル型膜エレメントの中心管を通じて、気体の透過流体が得られた。すなわち、減圧方式の運転により、浸透気化法（ＰＶ）による分離が進行した。－１９６℃の液体窒素を用いて、気体の透過流体を冷却することによって、透過流体を液化した。ガスクロマトグラフィーを用いて、液体の透過流体の組成を分析した。得られた透過流体の組成、透過流体の重量などに基づいて、ＩＰＡの透過流束Ｆ２を算出した。
　次に、透過流束Ｆ１に対する透過流束Ｆ２の比率Ｌを算出した。結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３からわかるとおり、流路スペーサの圧力損失Ｐ１が透過スペーサの圧力損失Ｐ２よりも小さい実施例６及び７のスパイラル型膜エレメントでは、比率Ｌが比較例３と比べて高い値であった。詳細には、実施例６及び７のスパイラル型膜エレメントでは、いずれも比率Ｌが６３％程度であり、比較例３の比率Ｌよりも高い値であった。この結果から、本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、供給流体として液体を用いた場合であっても、分離膜からの透過流体の透過流束の低下を抑制することに適していることがわかる。
　本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離することに適している。特に、本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、化学プラント又は火力発電のオフガスから二酸化炭素を分離することに適している。本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、揮発性の有機化合物を含む混合液体から当該有機化合物を分離する用途にも適している。

Claims (14)

  1. 　中心管と、
    　分離膜及び透過スペーサを有し、前記中心管に巻き付けられた膜リーフと、
    　前記透過スペーサに接続され、前記膜リーフよりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられた流路スペーサと、
    を備え、
    　下記試験により測定された前記流路スペーサの圧力損失Ｐ１が、下記試験により測定された前記透過スペーサの圧力損失Ｐ２よりも小さい、スパイラル型膜エレメント。
    　試験：縦１５０ｍｍ×横４７ｍｍの短冊状のスペーサ（前記流路スペーサ又は前記透過スペーサ）をポリエチレンテレフタレート製のフィルムに積層させた試験片を準備する。前記試験片の前記フィルムに隣接する空間の圧力が０．１ＭＰａとなるように窒素ガスを前記空間に送るとともに、２．５Ｌ／ｍｉｎの流量で前記スペーサに窒素ガスを送る。前記スペーサ内で、窒素ガスが前記スペーサの長手方向に移動することによって生じた圧力損失を測定する。
  2. 　前記圧力損失Ｐ１が３０ｋＰａ以下である、請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
  3. 　前記流路スペーサの開口率が３０％以上である、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
  4. 　前記流路スペーサの厚さが３００μｍ以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  5. 　前記膜リーフは、２つの前記分離膜を有し、
    　２つの前記分離膜は、互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように封止されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  6. 　前記透過スペーサは、２つの前記分離膜の間に配置されている、請求項５に記載のスパイラル型膜エレメント。
  7. 　前記膜リーフに積層された供給スペーサをさらに備えた、請求項１～６のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  8. 　前記中心管には、開口部が設けられており、
    　前記流路スペーサが前記開口部に接している、請求項１～７のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  9. 　前記分離膜は、
    　分離機能層と、
    　前記分離機能層を支持している多孔性支持体と、
    を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  10. 　前記分離機能層は、ポリエーテルブロックアミド樹脂を含む、請求項９に記載のスパイラル型膜エレメント。
  11. 　前記分離機能層は、シリコーン樹脂を含む、請求項９に記載のスパイラル型膜エレメント。
  12. 　（ｉ）二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離するために用いられる、並びに、（ｉｉ）アルコール及び水を含む混合液体からアルコールを分離するために用いられる、の少なくとも１つが成立する、請求項１～１１のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメントと、
    　前記中心管の内部を減圧する減圧装置と、
    を備えた、膜分離システム。
  14. 　中心管と、
    　分離膜及び透過スペーサを有し、前記中心管に巻き付けられた膜リーフと、
    　前記透過スペーサに接続され、前記膜リーフよりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられた流路スペーサと、
    を備え、
    　下記試験により測定された前記流路スペーサの圧力損失Ｐ１が３０ｋＰａ以下である、スパイラル型膜エレメント。
    　試験：縦１５０ｍｍ×横４７ｍｍの短冊状の前記流路スペーサをポリエチレンテレフタレート製のフィルムに積層させた試験片を準備する。前記試験片の前記フィルムに隣接する空間の圧力が０．１ＭＰａとなるように窒素ガスを前記空間に送るとともに、２．５Ｌ／ｍｉｎの流量で前記流路スペーサに窒素ガスを送る。前記流路スペーサ内で、窒素ガスが前記流路スペーサの長手方向に移動することによって生じた圧力損失を測定する。
     
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