(57)【要約】      （修正有）【課題】分離膜を用いて混合流体から成分分離を行う場合に前記成分が順方向および逆方向の双方向に移動する中で、透過速度低下の原因となる逆方向への前記成分の移動を起こしにくい分離膜を備える分離装置の提供。【解決手段】混合流体を入れる第１室１１と、混合流体から分離された透過成分が入る第２室１２と、分離膜１３と、厚さ方向に貫通する貫通孔を有する層１４とを備え、前記分離膜１３が、前記第１室１１と前記第２室１２とを隔てるように配置されており、前記貫通孔を有する層１４が、前記分離膜１３の少なくとも一方の表面に積層されており、前記貫通孔において、前記第１室１１側の開口部が前記第２室１２側の開口部よりも大きく形成されている分離装置１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合流体を入れる第１室と、
混合流体から分離された透過成分が入る第２室と、
分離膜と、
厚さ方向に貫通する貫通孔を有する層と
を備え、
前記分離膜が、前記第１室と前記第２室とを隔てるように配置されており、
前記貫通孔を有する層が、前記分離膜の少なくとも一方の表面に積層されており、
前記貫通孔において、前記第１室側の開口部が前記第２室側の開口部よりも大きく形成されている分離装置。
【請求項２】
前記第１室側の開口部の開口径をｄ１とし、前記第２室側の開口部の開口径をｄ２とした場合に、１＜（ｄ１／ｄ２）≦１０の関係を満足する請求項１に記載の分離装置。
【請求項３】
前記分離膜が細孔を有するとともに、前記第１室側の開口部の開口径が、前記分離膜の平均細孔径以上である請求項１または２に記載の分離装置。
【請求項４】
前記分離膜が細孔を有するとともに、前記分離膜において、前記貫通孔を有する層が積層されている表面に存在する前記細孔の開口部の面積率をＳｓとし、
前記貫通孔を有する層において、前記第１室側の表面に存在する前記貫通孔の開口部の面積率をＳｒとした場合に、
Ｓｓ≦Ｓｒの関係を満足する請求項１〜３のいずれかに記載の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体や液体中に含まれる不純物などを、分離や濾過するために分離膜を備えた分離装置が用いられている。分離膜は、複数の成分を含有する気体や液体、すなわち混合流体から特定の成分を分離または濾過することができる。例えば、細孔を有する分離膜は、混合流体中の細孔よりも小さいサイズの特定の成分を透過させ、細孔よりも大きいサイズの他の成分は透過させない分子ふるい機能により分離または濾過を行う。ここで、分離膜を透過する成分を透過成分、分離膜を透過しない成分を非透過成分と称する。
【０００３】
分離膜の中で、セラミックなどの無機材料で形成されている無機分離膜は、高分子膜など有機材料で形成されている膜と比較して、耐熱性、耐薬品性および耐久性の面で優れている。無機分離膜は、一般的にゼオライト、シリカ、炭素などで形成されており、形状を保持するために支持体に形成される。支持体としては、例えばセラミック多孔質体などが挙げられる。例えば特許文献１には、多孔質基材の表面に形成された炭素膜が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５９５０４４号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示に係る分離装置は、混合流体を入れる第１室と、混合流体から分離された透過成分が入る第２室と、分離膜と、厚さ方向に貫通する貫通孔を有する層とを備える。分離膜は、第１室と第２室とを隔てるように配置されており、貫通孔を有する層が、分離膜の少なくとも一方の表面に積層されている。貫通孔において、第１室側の開口部は第２室側の開口部よりも大きく形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の一実施形態に係る分離装置を示した説明図である。
【図２】図１に示す分離装置に備えられた貫通孔を有する層を示す部分拡大説明図である。
【図３】分離膜と貫通孔を有する層とを積層させた状態の一実施形態を示す説明図である。
【図４】分離膜と貫通孔を有する層とを積層させた状態の他の実施形態を示す説明図である。
【図５】分離膜と貫通孔を有する層とを積層させた状態のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【図６】分離膜と貫通孔を有する層とを積層させた状態のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【図７】実施例においてリーク評価で使用した評価装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
分離膜を備える分離装置を用いて、混合流体から成分を分離する場合、成分は基本的に順方向および逆方向の双方向に移動し、逆方向への成分の移動は分離膜の透過速度を低下させる原因となる（透過速度＝（透過物質の体積）／（分離膜の面積×分離時間×分離膜前後の圧力差））。
【０００８】
本開示の分離装置は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有する層が備えられている。この貫通孔において、混合流体を入れる第１室側の開口部は、混合流体から分離された透過成分が入る第２室側の開口部よりも大きく形成されている。したがって、第１室側の開口部は相対的に大きいため、透過成分の分子が第１室側から貫通孔に入りやすく、第２室側の開口部は相対的に小さいため、透過成分の分子が第２室側から貫通孔に入りにくい。その結果、透過成分の分子は、第１室側から貫通孔に入る順方向の流れが優勢となり、本開示の分離装置は透過速度が低下しにくく優れた分離性能を発揮する。
【０００９】
本開示の一実施形態に係る分離装置について、図１および２に基づいて説明する。図１に示す分離装置１は、第１室１１と、第２室１２と、分離膜１３と、貫通孔を有する層１４とを備える。第１室１１には、混合流体が入れられる。混合流体は液体であってもよく、気体であってもよい。第２室１２には、混合流体から分離された透過成分が入る。
【００１０】
第１室１１と第２室１２とは、分離膜１３によって隔てられている。分離膜１３は第１室１１に入れられた混合流体から、分離膜１３を通過し得る成分（透過成分）を分離・濾過する機能を有する。以下、分離膜１３の表面（主面）のうち、第１室１１側の表面を「第１面１３ａ」と記載し、第２室１２側の表面を「第２面１３ｂ」と記載する場合がある。
【００１１】
図１に示す分離装置１では、分離膜１３は分離膜本体１３１で形成されている。分離膜本体１３１は、高い透過速度（単位時間、単位面積および単位圧力あたりに分離膜を透過する透過成分の流量）を得るために、例えば薄膜であってもよい。分離膜本体１３１は、混合流体から分離対象である特定の成分を分離、または濾過する機能を有していれば、分離膜本体１３１の材料は限定されない。分離膜本体１３１の材料は、例えば細孔による分子ふるい機能、溶解拡散機構などのいずれかの分離機能を有する材料であればよい。例えば、細孔による分子ふるい機能を有する分離膜本体１３１では、混合流体に含まれる成分のうち、分離膜本体１３１に形成された細孔よりも小さな分子の成分は、透過成分として分離膜本体１３１を透過する。
【００１２】
細孔による分子ふるい機能を有する材料としては、例えば、カーボン、ゼオライト、シリカなどの多孔質のセラミックス、ならびにポリイミド（例えば、芳香族イミド樹脂など）、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、酢酸セルロース、フェノール樹脂、芳香族アミド樹脂、フェニレンエーテル樹脂、ベンゾオキサゾール樹脂などの多孔質の高分子材料などが挙げられる。溶解拡散機構を有する材料としては、例えば、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、プラチナおよびこれらの合金などの金属材料が挙げられる。溶解拡散機構を有する材料は、細孔を有さなくてもよい。分離膜本体１３１に形成された細孔の平均細孔径および細孔径分布、溶解拡散性能、または逆浸透性能は、分離対象の成分および用途に応じて適宜設定される。分子ふるい機能を有する分離膜本体１３１に形成された細孔の平均細孔径は、例えば０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。分離装置１が、耐熱性または耐薬品性が要求される用途で使用される場合、分離膜本体１３１は、セラミックスまたは金属材料で形成されるのがよい。
【００１３】
分離装置１には、貫通孔を有する層１４が分離膜１３の第２室１２側の表面（すなわち第２面１３ｂ）に積層されている。貫通孔を有する層１４には、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。貫通孔の開口部は、平面視した場合に例えば円形状を有している。図２に示すように、貫通孔を有する層１４に形成された貫通孔において、第１室１１側の開口部が、第２室１２側の開口部よりも大きい。以下、図２に示すように、貫通孔を有する層１４において、第１室１１側の表面を「第３面１４ａ」と記載し、第２室１２側の表面を「第４面１４ｂ」と記載する場合がある。貫通孔は、具体的には、混合流体を入れる第１室１１に近い側の第３面１４ａから、透過成分が入る第２室１２に近い側の第４面１４ｂに向かって狭くなるテーパー状に形成されている。
【００１４】
混合流体に含まれる分離膜本体１３１を透過できる成分は、分離膜１３を介して、第１室１１から第２室１２に移動する（順方向）。分離膜１３は成分の透過性について可逆的であり、分離膜１３を透過した透過成分の一部は、第２室１２から第１室１１に戻ることがある（逆方向）。分離装置１では、貫通孔を有する層１４が、第３面１４ａから第４面１４ｂに向かって狭くなるテーパー状に形成されている。そのため、透過成分の分子は、第３面１４ａに形成された比較的大きな開口部から貫通孔に入りやすく、第４面１４ｂに形成された比較的小さな開口部からは貫通孔に入りにくい。その結果、透過成分の分子は、第３面１４ａに形成された開口部から貫通孔への流れが優勢となり、第１室１１から第２室１２への順方向に流れやすくなる。
【００１５】
貫通孔を有する層１４を形成している材料としては特に限定されず、耐熱性または耐薬品性を有するセラミックス、ガラス、高分子材料および金属などが挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コーディエライト、チタン酸アルミニウムなどが挙げられる。貫通孔を有する層１４として、細孔による分子ふるい機能、溶解拡散機構などを有する分離膜本体１３１の材料を用いてもよく、分離膜本体１３１と貫通孔を有する層１４とが一体化していてもよい。貫通孔を有する層１４は、例えば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚みを有していてもよい。
【００１６】
第３面１４ａ（第１室１１側）に形成された開口部は、第４面１４ｂ（第２室１２側）に形成された開口部よりも大きければ、それぞれの開口部の大きさおよび形状は特に限定されない。貫通孔を有する層１４の内部において、透過成分の分子が貫通孔の内壁面に接触しにくくなり、より高い透過速度が発揮される点で、第３面１４ａに形成された開口部の開口径ｄ１と第４面１４ｂに形成された開口部の開口径ｄ２とが、１＜（ｄ１／ｄ２）≦１０の関係を満足してもよく、２≦（ｄ１／ｄ２）≦１０の関係を満足してもよい。
【００１７】
開口径は、第３面１４ａまたは第４面１４ｂを平面視したときの開口部を円換算した直径であるが、貫通孔を有する層の断面、すなわち貫通孔の縦断面における開口部の大きさを開口径としてもよい。また、ｄ１とｄ２との比率は一つの貫通孔において満足されるものであるが、ｄ１の平均値とｄ２の平均値とが上記比率を満足していてもよい。
【００１８】
第３面１４ａに形成された開口部の開口径ｄ１は、例えば１μｍ以上５００μｍ以下であってもよい。一方、第４面１４ｂに形成された開口部の開口径ｄ２は、例えば０．５μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。さらに、分離膜を透過した透過成分が貫通孔を有する層１４により移動しやすくなったり、より多くの混合流体が分離膜と接触しやすくなったりする点で、第３面１４ａに形成された開口部の開口径ｄ１は、細孔を有する分離膜１３に形成された細孔の平均細孔径Ｄ１以上でもよい。なお、細孔を有さない分離膜１３の場合は、Ｄ１を０とみなせばよく、ｄ１は当然Ｄ１よりも大きい。
【００１９】
細孔を有する分離膜１３において、貫通孔を有する層１４が積層されている表面に存在する細孔の開口部の面積率をＳｓとし、貫通孔を有する層１４において、第１室１１側の表面（第３面１４ａ）に存在する貫通孔の開口部の面積率をＳｒとした場合、Ｓｓ≦Ｓｒの関係を満足するのがよい。Ｓｓ≦Ｓｒの関係を満足すると、透過成分の透過速度に対して貫通孔を有する層１４の影響がより支配的になる。面積率Ｓｓは分離膜１３としての形状が維持できる程度、例えば３０％以上８０％以下であればよい。面積率Ｓｒは貫通孔を有する層１４の強度を考慮して、例えば３０％以上８０％以下であればよい。
【００２０】
細孔の開口部の面積率Ｓｓは、分離膜１３の貫通孔を有する層１４が積層されている表面を平面視したときの面積率であるが、分離膜１３の細孔が等方的に分布しているとみなして、分離膜１３の断面における細孔の面積率をＳｓとして用いてもよい。また、分離膜１３と貫通孔を有する層との境界部の断面において、細孔の開口部の大きさを細孔の直径として円換算してその面積率を算出し、Ｓｓとして用いてもよい。
【００２１】
貫通孔の開口部の面積率Ｓｒは、第１室１１側の表面（第３面１４ａ）を平面視した時の面積率であるが、貫通孔の縦断面における第３面１４ａの開口部の大きさを開口部の直径として円換算してその面積率を算出し、Ｓｒとして用いてもよい。
【００２２】
なお、ＳｓとＳｒを比較する際は、いずれも所定の面を平面視して得られたＳｓとＳｒとを比較するか、いずれも断面から算出されたＳｓとＳｒとを比較すればよい。細孔を有さない分離膜１３の場合は、Ｓｓを０とみなせばよく、Ｓｒは当然Ｓｓよりも大きい。
【００２３】
図１に示す分離装置１において、分離膜１３は分離膜本体１３１のみで形成されている。しかし、分離膜１３は、図３〜６に示すように、分離膜本体１３１と支持体１３２との積層構造を有していてもよい。支持体１３２は、上面から下面まで開気孔が繋がった細孔を有する多孔質体で形成されている。支持体１３２は、透過成分を分離する機能を有さないものの、液体や気体などの流体を透過することができ、さらに分離膜本体１３１を保持する機能を有する。本開示では、支持体１３２を備える場合、分離膜本体１３１と支持体１３２とを総じて分離膜１３とする。
【００２４】
支持体１３２に形成されている細孔の平均細孔径は、細孔を有する分離膜本体１３１の平均細孔径よりも大きい。したがって、貫通孔を有する層１４の開口部の開口径ｄ１は、支持体１３２の平均細孔径よりも大きければ、分離膜１３の平均細孔径Ｄ１よりも大きいといえる。開口径ｄ１と比較する場合、支持体１３２を有する分離膜１３では、支持体１３２の平均細孔径を分離膜１３の平均細孔径Ｄ１とみなしてもよい。支持体１３２の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ以上であってもよく、０．１μｍ以上であってもよく、５μｍ以下であってもよく、３μｍ以下であってもよい。支持体１３２の気孔率は、３０％以上であってもよく、３５％以上であってもよく、６０％以下であってもよく、５５％以下であってもよい。なお、支持体１３２に細孔を有さない分離膜本体１３１が形成されている場合、分離膜本体１３１の平均細孔径は０とみなせばよく、分離膜１３としての平均細孔径Ｄ１は支持体１３２の平均細孔径とすればよい。
【００２５】
支持体１３２を形成している材料としては、分離膜本体１３１を保持し得る材料であれば限定されず、例えばセラミックス、ガラスおよび金属などの無機材料が挙げられる。耐熱性または耐薬品性を考慮すると、セラミックスであるのがよい。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ムライト、コーディエライト、チタン酸アルミニウムなどが挙げられる。支持体１３２に、貫通孔を有する層の材料を用いてもよい。
【００２６】
図３および図４に示す分離膜１３では、分離膜本体１３１は、支持体１３２に対して混合流体を入れる第１室１１側に形成されている。そのため、混合流体は分離膜本体１３１に接触する。分離膜１３１が分子ふるい機能を有する場合、混合流体に含まれる透過成分の分子は、分離膜本体１３１に形成された細孔よりも小さく、分離膜本体１３１に形成された細孔を通過する。分離膜本体１３１を通過した透過成分は、さらに支持体１３２の細孔を通過して分離膜１３の第２室１２側の表面（第２面１３ｂ）から出て第２室１２に達する。このようにして、第１室１１の混合流体から特定の成分（透過成分）を分離することができる。
【００２７】
次に、図５および図６に示す分離膜１３では、支持体１３２は、分離膜本体１３１に対して混合流体を入れる第１室１１側に形成されている。そのため、混合流体は支持体１３２に接触した後、分離膜本体１３１に接触する。分離膜１３１が分子ふるい機能を有する場合、分離膜本体１３１に接触した混合流体に含まれる透過成分の分子は、分離膜本体１３１に形成された細孔よりも小さく、分離膜本体１３１に形成された細孔を通過する。分離膜本体１３１を通過した透過成分は、分離膜１３の第２室１２側の表面（第２面１３ｂ）から出て第２室１２に達する。このようにして、第１室１１の混合流体から特定の成分（透過成分）を分離することができる。
【００２８】
上記のように、混合流体から分離された透過成分は、順方向にも逆方向にも移動する。透過成分の透過速度は、順方向の速度成分と逆方向の速度成分との合成によって決定される。したがって、逆方向の速度成分が高いと、分離膜１３から第１室１１に移動する分子や、第２室１２から分離膜１３に移動する分子が多くなるため、透過速度が低下する。支持体１３２は、透過成分を分離する機能を有さないものの、液体や気体などの流体を透過する機能を有している。一方、分離膜本体１３１は、分離性能に優れるものの透過速度が低い。そのため、支持体１３２と分離膜本体１３１とを組み合わせることによって、優れた分離性能を発揮し、透過速度も高い分離膜１３が得られる。
【００２９】
図３〜図６に示す分離膜１３および貫通孔を有する層１４を有する分離装置１でも、貫通孔を有する層１４が、第３面１４ａから第４面１４ｂに向かって狭くなるテーパー状に形成されている。そのため、混合流体の分子または透過成分の分子は、第３面１４ａに形成された比較的大きな開口部から貫通孔に入りやすく、第４面１４ｂに形成された比較的小さな開口部からは貫通孔に入りにくい。その結果、混合流体の分子または透過成分の分子は、第３面１４ａに形成された開口部から貫通孔への流れが優勢となり、第１室１１から第２室１２へ向かう順方向に流れやすくなる。
【００３０】
特に、図３に示す構造を有する分離装置１では、分離膜本体１３１を透過した透過成分だけが貫通孔を有する層１４（および支持体１３２）を透過し、混合流体に含まれ得る大きな分子は貫通孔を有する層１４（および支持体１３２）に達しない。そのため、貫通孔を有する層１４（および支持体１３２）の大きな分子による目詰まりが起こりにくく、貫通孔を有する層１４（および支持体１３２）に起因する透過速度の低下が発生しにくい。なお、貫通孔は分離膜本体１３１を貫通しなければよく、貫通孔の壁面の一部が分離膜本体１３１、または支持体１３２により構成されていてもよい。
【００３１】
本開示の一実施形態に係る分離装置において、分離膜を製造する方法は、特に限定されない。以下、分離膜本体１３１と支持体１３２との積層構造を有する分離膜１３を例に、分離膜１３の製造方法を説明する。
【００３２】
まず、支持体１３２の前駆体である支持体生シートを作製する。支持体１３２の材料となる上述のアルミナなど無機材料の粉末、バインダー、溶剤、および分散剤などを任意の割合で混合してスラリーを調製する。溶剤は、例えば水、有機溶剤などが挙げられる。バインダー、分散剤などは公知のものを使用することができる。得られたスラリーを公知の成形方法、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、押出成形などによってシート状（支持体生シート）に成形する。
【００３３】
次いで、貫通孔を有する層１４の前駆体である生シートを作製する。貫通孔を有する層１４の材料となる上述のアルミナなど無機材料の粉末、バインダー、溶剤、および分散剤などを任意の割合で混合してスラリーを調製する。溶剤は、例えば水、有機溶剤などが挙げられる。バインダー、分散剤などは公知のものを使用することができる。得られたスラリーを公知の成形方法、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、押出成形などによってシート状に成形する。得られたシート状成形体に、公知の方法によって貫通孔を形成する。貫通孔の形成方法は、レーザー加工法、パンチング加工法、エッチング加工法、ドリル加工法など公知の加工法を採用することができる。貫通孔はシート状成形体の上面から下面にテーパー状に形成される。このようにして、貫通孔を有する層１４の生シートが得られる。貫通孔を有する層１４の材料（無機材料）と支持体１３２の材料（無機材料）とは異なっていてもよく、同じであってもよい。加工性や信頼性を考慮すると、同じ材料を用いるのがよい。
【００３４】
得られた支持体生シートと貫通孔を有する層１４の生シートとを、公知の積層方法、例えば、熱圧着法、接着助剤を用いた圧着法などによって、一体化する。次いで、一体化した生シートを所望の形状、例えば、円筒状、角筒状、平板状などに加工する。円筒状や角筒状など筒状に加工する方法としては、例えば、型曲げ加工法、フランジ成形加工法、送り曲げ加工法など公知の加工方法が挙げられる。
【００３５】
一体化した生シートを所望の形状に加工した後、任意の温度（例えば、１０００℃以上１５００℃以下）、任意の時間（例えば、０．１時間以上２時間以下）および任意の雰囲気下（例えば、大気雰囲気、不活性雰囲気、真空雰囲気など）で焼成することによって、貫通孔を有する層１４が積層された支持体１３２が得られる。焼成条件は、支持体１３２を多孔質とするため、緻密体となる前に焼結を終了させる条件であればよい。支持体１３２に形成される気孔の気孔径分布は、無機材料粉末の平均粒子径、成形体の生密度、焼成温度、焼成時間、昇温速度、焼成雰囲気などを適宜調整することによって、変更することが可能である。支持体は単層構造でもよいし、例えば、材質や気孔径分布の異なる複数の層が積層された多層構造を有していてもよい。
【００３６】
次いで、貫通孔を有する層１４が積層された支持体１３２に分離膜本体１３１をゾル−ゲル法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、スパッタ法、ディップコーティング法、水熱法などにより形成する。分離膜本体１３１は、支持体１３２の貫通孔を有する層１４が積層されていない表面に形成される。分離膜本体１３１として例えば炭素膜を形成する場合、炭素膜の材料となるフェノール樹脂などの樹脂を、水、有機溶剤などに溶解して樹脂スラリーを調製する。樹脂としては、熱処理時に炭化しやすい点で、分子内にベンゼン環などの共役構造を含む樹脂を用いてもよい。
【００３７】
得られた樹脂スラリーを、ディップコーティング法によって、支持体１３２の貫通孔を有する層１４が積層されていない表面に塗布する。塗布後、乾燥して焼成することによって炭素膜の分離膜本体１３１が形成される。焼成条件は、所望の分離特性が発揮される細孔が形成されるのであれば、特に限定されない。焼成は、例えば、４００℃以上１６００℃以下、１分以上１８０分以下、窒素雰囲気や水素雰囲気（Ｎ2＋Ｈ2、Ａｒ＋Ｈ2など）などの非酸化性雰囲気下で行われる。
【００３８】
図１、図４または図５のように、分離膜本体１３１上に貫通孔を有する層１４を形成する場合、例えば、分離膜本体１３１または支持体１３２付きの分離膜１３と、貫通孔を有する層１４とをそれぞれ単独で作成し、貫通孔を有する層１４を分離膜本体１３１上に接着してもよい。また、分離膜本体１３１上に貫通孔の形状のマスクを施して層を形成した後、マスクを除去してもよい。さらに、分離膜本体１３１上に貫通孔の無い層を形成した後、機械的加工により分離膜本体１３１まで貫通孔を形成してもよし、貫通孔の無い層の表面の貫通孔を形成する部分以外にマスクを施し、化学的エッチングなどにより貫通孔を形成した後、マスクを除去してもよい。
【００３９】
本開示の分離装置は、上述の一実施形態に限定されない。例えば、上述の一実施形態に係る分離装置１において、貫通孔を有する層１４は分離膜１３の片面のみに形成されている。しかし、貫通孔を有する層は、分離膜の両面に形成されていてもよい。
【００４０】
さらに、上述の一実施形態に係る分離装置１において、貫通孔は貫通孔を有する層１４の上面から下面にテーパー状に形成されている。しかし、第１室側の開口部が第２室側の開口部よりも大きければ、貫通孔はテーパー状に限定されない。例えば、貫通孔は、第１室側の開口部から第２室側の開口部に向けて段差状に狭くなるような形状であってもよい。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例を挙げて本開示の分離装置を具体的に説明するが、本開示の分離装置は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４２】
まず、支持体の材料となるセラミックスラリーを調製した。具体的には、アルミナ粉末（平均粒径０．５μｍ）、バインダー、分散剤および水を混合して撹拌し、アルミナスラリーを得た。得られたアルミナスラリーを、ドクターブレード法によってシート状に成形し、支持体生シートを得た。
【００４３】
次いで、貫通孔を有する層の材料となるセラミックスラリーを調製した。具体的には、アルミナ粉末（平均粒径０．１μｍ）、バインダー、分散剤および水を混合して撹拌し、アルミナスラリーを得た。得られたアルミナスラリーを、ドクターブレード法によってシート状に成形した。得られたシート状成形体に、レーザー加工法によって孔を形成し、貫通孔を有する層の生シートを得た。
【００４４】
次いで、得られた支持体生シートと貫通孔を有する層の生シートとを、図３に示す配置となるように積層し、熱圧着法を用いて一体化した。一体化した生シートを送り曲げ加工法によって、内側が貫通孔を有する層の生シート、外側が支持体生シートとなるように円筒状に加工した。得られた円筒状の成形体を、大気中で焼成し、貫通孔を有する層が積層された支持体を得た。
【００４５】
ここで、得られた支持体の平均細孔径は、後に形成する分離膜本体の平均細孔径よりも大きいので、支持体を備える本実施例では、支持体の平均細孔径を分離膜の平均細孔径Ｄ１とする。得られた支持体の平均細孔径Ｄ１は、支持体部分の断面写真を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影し、得られた断面写真を画像解析することにより求めた。貫通孔を有する層の第１室側に配置する開口部の開口径ｄ１、および第２室側に配置する開口部の開口径ｄ２は、貫通孔を有する層の断面写真を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影し、得られた断面写真を画像解析することにより、それぞれの平均値（平均開口径ｄ１および平均開口径ｄ２）を求めた。さらに、支持体に形成された細孔の開口部の面積率Ｓｓ、および貫通孔を有する層の第１室側に配置する開口部の面積率Ｓｒは、支持体と貫通孔を有する層の境界部分の断面写真をＳＥＭで撮影し、得られた断面写真を画像解析して細孔および貫通孔の開口部の面積率を求めた。
【００４６】
次いで、貫通孔を有する層が積層された支持体の外表面に、分離膜本体を形成した。まず、フェノール樹脂粉末をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解し、フェノール樹脂溶液を調製した。得られたフェノール樹脂溶液に、貫通孔を有する層が積層された支持体を浸漬して、この支持体の外表面にフェノール樹脂の被膜を形成した。具体的には、支持体の内表面にフェノール樹脂溶液が接触しないように、支持体の一方の端部を封止した。支持体を、封止した端部からフェノール樹脂溶液に浸漬し、一定速度で支持体をフェノール樹脂溶液から引き上げて、支持体の外表面にフェノール樹脂の被膜を形成した。フェノール樹脂の被膜が形成された支持体を乾燥した後、窒素雰囲気下で熱処理を行い、支持体の外表面に分離膜本体が積層され、支持体の内表面に貫通孔を有する層が積層された分離膜を得た。得られた円筒状の分離膜の外表面（分離膜本体の表面）が第１面、内表面（支持体の表面）が第２面に相当する。
【００４７】
次いで、得られた分離膜それぞれについて、図７に示す分離装置として評価装置２を使用して、下記の手順で透過・分離性能を評価した。まず、得られた分離膜３の一方の端部（封止端２３）を、Ｏリング（図示せず）および封止金具２２を用いて機械的に封止した。図７に示すように、分離膜３を、ガス導入口２５、評価口２６、および非透過ガス開放口２７を備えた第１室となる密閉容器２１内に収容した。具体的には、第１室は密閉容器２１の内部且つ円筒状の分離膜３の外部であり、第２室は円筒状の分離膜３の内部である。分離膜３の残りの端部（開放端２４）を、密閉容器２１の一方の端部に位置する評価口２６に接続した。評価口２６には、石鹸膜ガス流量計（図示せず）を接続した。ガス導入口２５は外部の水素ガス（Ｈ2）ボンベ、および窒素ガス（Ｎ2）ボンベ（図示せず）に接続した。非透過ガス開放口２７は密閉容器の側面に位置している。
【００４８】
Ｈ2およびＮ2は、ガス導入口２５から密閉容器２１の内部に導入される。導入されたガスのうち、分離膜３の外側から内側に透過したガスは評価口５６から排出され、石鹸膜流量計により流量が計測される。分離膜３を透過したガスは、分離膜本体、支持体および貫通孔を有する層を透過したガスである。分離膜３を透過しなかったガスは、非透過ガス開放口２７から開放される。
【００４９】
Ｈ2およびＮ2は、１気圧および７０℃の条件で密閉容器２１の内部に導入した。分離膜３の外側から内側に透過した流量を、評価口２６に接続された石鹸膜ガス流量計で測定することによって、透過・分離性能を評価した。透過・分離性能は「透過体積（ｍｏｌ）／（面積（ｍ2）・時間（ｓ）・圧力（Ｐａ））」で算出した。透過体積は試験温度である７０℃での体積であり、圧力は第１室（円筒状分離膜の外部）と第２室（円筒状分離膜の内部）との差圧である。さらに、分離係数は「Ｈ2透過速度／Ｎ2透過速度」の式で算出し、３０以上の場合をＯＫ（合格）とした。結果を表１〜３に示す。
【００５０】
＜評価＞
ＯＫ（合格）：Ｈ2透過速度２．０×１０-6ｍｏｌ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）以上の場合
ＮＧ（不合格）：Ｈ2透過速度２．０×１０-6ｍｏｌ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）未満の場合
【００５１】
【表１】
2020032324.tif 000003
【００５２】
【表２】
2020032324.tif 000004
【００５３】
【表３】
2020032324.tif 000005
【００５４】
試料Ｎｏ．４〜１３については、分離膜の第２面に貫通孔を有する層が形成されており、貫通孔を有する層に形成された貫通孔は、第１室側の開口部の開口径ｄ１が第２室側の開口部の開口径ｄ２よりも大きい（ｄ１／ｄ２＞１）。その結果、試料Ｎｏ．４〜１３については、水素の透過速度が高いことがわかる。
【００５５】
一方、試料Ｎｏ．１については貫通孔を有する層が形成されておらず、水素の透過速度が低いことがわかる。試料Ｎｏ．２および３については貫通孔を有する層が形成されている。しかし、試料Ｎｏ．２では、貫通孔において第１室側の開口部の開口径ｄ１が第２室側の開口部の開口径ｄ２よりも小さく（ｄ１／ｄ２＝０．８）、試料Ｎｏ．３では、貫通孔において第１室側の開口部の開口径ｄ１と第２室側の開口部の開口径ｄ２と同じである（ｄ１／ｄ２＝１）。したがって、試料Ｎｏ．２および３については、水素の透過速度が低いことがわかる。
【符号の説明】
【００５６】
１    分離装置
１１  第１室
１２  第２室
１３  分離膜
１３１  分離膜本体
１３２  支持体
１４  貫通孔を有する層
２    評価装置
２１  密閉容器
２２  封止金具
２３  封止端
２４  開放端
２５  ガス導入口
２６  評価口
２７  非透過ガス開放口
３    評価サンプル
【図１】
2020032324.tif 000006
【図２】
2020032324.tif 000007
【図３】
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【図４】
2020032324.tif 000009
【図５】
2020032324.tif 000010
【図６】
2020032324.tif 000011
【図７】
2020032324.tif 000012