(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子が結合されてなり、口径８００Å以下の孔を有する多孔性の流体透過シートを、積層面ごとに交互に相対する一方向に開口を有する流体通路を設けて積層し、その内の一の方向の流体通路にあっては上記開口とは反対側において当該開口とは直角の方向に開口を有する上記流体通路に原料流体を分配させる分配通路を設けてなることを特徴とする多孔性流体透過シート積層体。
【請求項２】
微粒子が結合されてなり、口径８００Å以下の孔を有する多孔性の流体透過シートを、積層面ごとに交互に相対する一方向に開口を有する流体通路を設けて積層し、その内の一の方向の流体通路にあっては上記開口とは反対側において当該開口とは直角の方向に開口を有する上記流体通路に原料流体を分配させる分配通路を設けてなり、なおかつ、この一の流体通路の表面には当該流体透過シートを形成する微粒子と異なる性質を持つ流体透過膜を結合させたことを特徴とする多孔性流体透過シート積層体。
【請求項３】
上記請求項１または２のいずれかに記載の多孔性流体透過シート積層体を円筒形の圧力容器に封入するとともに、相対する２方向に開口する流体通路のそれぞれが異なる空間を形成するよう所望位置に隔壁を設け、上記多孔性流体透過シート積層体において、分配通路の開口には原料流体導入口を、流体通路のそれぞれの開口に排出口を設け、なおかつ上記２つの排出口をほぼ同軸上において相対する方向に開口せしめたことを特徴とする、混合流体の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の気体または液体からなる混合流体から特定の１または２以上の構成流体を選択的に分離させるための多孔質積層体、及びこの多孔質積層体を利用した混合流体分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数のガスまたは液体からなる混合ガスまたは混合液体から特定のガスまたは液体を分離する技術が、工業上または医療の現場などで利用されている。
【０００３】
その手段としては、選択性分離膜を使用する方法、中空糸式膜分離方法等が既に提案され実用化に至っている。その中でも特に混合ガスから特定のガスを分離する方法として、従来から多孔性選択透過膜の利用がいくつか提案されている。
【０００４】
例えば図７に示すように、特開昭５９−６２３２６号に開示されたガス分離手段（従来例１）は、シート状多孔質構造体の表面に配した選択透過膜の周端部を密封し、この構造体をサンドイッチにした袋状とした膜エレメントを積層してなるものである。そして、原料ガスをハウジング３１に導入し、分流板３７で均一に分散後、目的成分を各膜３２を透過させ、集合空間３３に集めて回収し、残りの排ガスを排出させるというものである。
【０００５】
次に図８に示すように特開平２−１９８６１１に開示されているもの（従来例２）は、平板状の通気性部材４１とその両面に配設された平膜状の気体分離膜４２と、この通気性部材４１を透過した透過気体を透過気体取出し口４５へ導く通気孔４３からなる気体分離セル４０を積層して構成されている。
【０００６】
さらに図９に示すように特開昭６３−２８４２３に開示されている積層式膜分離装置（従来例３）は、異なる気体流路を形成した２種の流体用スペーサー５１，５３と分離膜５３とを相互に積層してなるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
まず上記従来例１においてはガスの分離手段として多孔性の透過膜を使用するものであるが、透過膜を袋状にしてその外側から原料ガスを透過せしめ、袋の内側から目的ガスを排出するものなので、外側の圧力の大きさによっては図７（ハ）において破線に示すように萎められてしまうので耐圧性に問題があり、原料ガスの入口圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2Ｇを超える条件下では使用することができなかった。
【０００８】
次に上記従来例２においては平板状の気体分離セルを積層し、その積層方向に透過気体取出し口を設けるものであるため、また、この透過気体取出し口の部分はその形状に自由度がないために全体として箱形に形成せざるを得ず、例えばこの装置を気体の流通配管の途中においてこの配管に沿わせて（同軸上に）設置するというような要請には応じ難いものであった。また、箱形状とすることは耐圧的にも不利であった。
【０００９】
また、従来例３においても構造上箱形状にせざるを得ず、耐圧性に問題があった。
【００１０】
一方、中空糸式膜分離方法にあっては、中空糸の素材を検討することである程度の耐熱性は満足させることができるが、高圧に対しては中空糸が押しつぶされてしまうために耐圧性能の向上には難があった。
【００１１】
さらに、従来は耐圧及び耐熱の両性質を十分に満足させる流体分離装置はいまだ提案されるに至っていない。
【００１２】
本発明に先立ち、発明者らは導電性微粒子を結合させた不透水性の多孔性膜とその表面に設けられた触媒を担持する反応層とからなる電極・隔膜組立体（特公平１−２４８６８）およびこの電極・隔膜組立体を利用した水素精製装置（特開昭６４−８３５０１）を提案したが、前記導電性多孔性膜またはこれと前記反応層との組み合わせによる分離膜が気・液または気・気分離に極めて有効であることに着目し研究を進めたところ、耐圧、耐熱および耐久性に高い性能を示すものであることを確認した。
【００１３】
そこで本発明は上記のような問題点を解決するために発明されたものであり、微粒子を結合させた不透水性の多孔性膜を、またはそれとその表面に設けられた流体分離膜を利用して、耐圧、耐熱性に優れた多孔性流体透過シート積層体及び混合流体分離装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の多孔性流体透過シート積層体は、微粒子が結合されてなり、口径８００Å以下の孔を有する多孔性の流体透過シートを、積層面ごとに交互に相対する一方向に開口を有する流体通路を設けて積層し、その内の一の方向の流体通路にあっては上記開口とは反対側において当該開口とは直角の方向に開口を有する上記流体通路に原料流体を分配させる分配通路を設けてなることを特徴とするものである。
【００１５】
また、微粒子が結合されてなり、口径８００Å以下の孔を有する多孔性の流体透過シートを、積層面ごとに交互に相対する一方向に開口を有する流体通路を設けて積層し、その内の一の方向の流体通路にあっては上記開口とは反対側において当該開口とは直角の方向に開口を有する上記流体通路に原料流体を分配させる分配通路を設けてなり、なおかつ、この一の流体通路の表面には当該流体透過シートを形成する微粒子と異なる性質を持つ流体透過膜を結合させたことをも特徴とするものである。
【００１６】
さらにこの発明の混合流体の分離装置は、上記いずれかの特徴を有する多孔性流体透過シート積層体を円筒形の圧力容器に封入するとともに、相対する２方向に開口する流体通路のそれぞれが異なる空間を形成するよう所望位置に隔壁を設け、上記多孔性流体透過シート積層体において、分配通路の開口には原料流体導入口を、流体通路のそれぞれの開口に排出口を設け、なおかつ上記２つの排出口をほぼ同軸上において相対する方向に開口せしめたことを特徴とするものである。
【００１７】
【作用】
本発明は上記のように構成したので、多孔性流体透過シートが耐熱性であるとともに、積層する多孔性流体透過シートのそれぞれのサイズを適宜変更することにより積層体の断面形状を収納する容器の形状に捕らわれず自由に形成可能であることに加えて、積層して形成する流体通路はきわめて微細な断面からなるものであり、１０ｋｇ／ｃｍ2を超える高圧下においても流体通路が押しつぶされる心配がないので、原料混合流体が高温高圧のものであっても、機能が損なわれることなく、目的の流体を高精度に分離させることが可能な混合流体分離装置を提供することができる。
【００１８】
【実施例】
以下図面に基づき本発明に係る多孔性流体透過シート積層体を使用した混合流体分離装置の実施例について詳説する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１は、本発明の装置の混合流体分離装置を示すもので、図中１はガス分離装置本体である。ガス分離装置本体１は筒状体２、蓋体３及びそれぞれに設けられた原料流体導入口４、排出口５および分離ガス排出口６によって圧力容器として形成されている。
【００２０】
すなわち、原料ガス導入口４から導入された高温高圧の原料ガスは、図２に示すように分離装置本体内で、所望ガスが単離されて分離ガス排出口６から排出し、分離後の残りの混合ガスは排出口５から排出されるようになっている。
【００２１】
図３は分離装置本体の断面図である。筒状体２の内部には多孔性ガス透過シート積層体７が装填され、所望位置において固定手段８により固定されている。当該積層体７は筒状体２内部のデッドスペースをなくし、かつ原料ガスが流通する空間１２を確保するために、図では８角形に形成されているが、製造上可能な限りにおいて断面を円形に近付けることが望ましい。図３（ロ）はガスの通路を概念的に表したものである。９は同図（ハ）において原料ガス通路１０をそれと直角方向に連絡する連絡路であり、導入口４から導入された原料ガスを各原料ガス通路１０に分配する役目を有している。図において当該連絡路９は導入口４の反対側に貫通しており、この反対側の空間を経て原料ガスが筒状体２と多孔性ガス透過シート積層体７との間に形成される空間全域に充満し、当該空間の圧力を全域において一定させる働きをも持つものである。
【００２２】
この多孔性ガス透過シート１４は導電性とガス透過性を有するもので、第４図に示すようにガス透過層１６とガス透過膜１７とから形成されている。
【００２３】
この多孔性ガス透過シート１４はガス透過膜１７が原料ガスに接するようにコーティングされている。多孔性ガス透過シート１４のガス透過層１６は導電性を有する微粒子が結合されている多孔質の層である。このガス透過層１６に形成されている孔は、気体分離の場合には口径０．５μｍ以下、好ましくは８００Å以下の連続した孔であることが望ましい。孔の径が０．５μｍをこえると気体状態の分子だけでなく、液体状態の分子をも透過し得るものとなり、気液分離機能が低下する不都合を生じる。また、ガス透過層１６の空孔率は４０％〜８０％であることが望ましい。
【００２４】
ガス透過層１６の空孔率が８０％を越えると得られるガス透過シート１４の耐水圧強度が不十分となり、また空孔率が４０％未満になると、ガス透過速度が低下して分離ガスを効率よく放出できなくなるので、いずれの場合も好ましくない。
【００２５】
このガス透過層１６を形成する導電性微粒子の材料には、鉄、ニッケル、銀、銅等の金属、無定形炭素、黒鉛等の炭素、導電性酸化チタン、ホウ素化合物［ランタンボライド（ＬａＢ6），チタンボライド（ＴｉＢ2）］等の導電性セラミックス等、種々の材料を用いることができる。その中でも炭素（カーボン）は優れた撥水性と耐食性を有し、得られるガス透過シート１４が長寿命で、かつ良好な耐薬品性を有するものとなるので好ましく用いられる。
【００２６】
ここで用いられる導電性微粒子としては、粒径０．１μｍ以下のものが好適である。粒径が０．１μｍを越えると、ガス透過層１６に口径の大きな孔が形成される不都合を生じる。
【００２７】
ガス透過層１６をなすこれら導電性微粒子は、バインダーを介して、あるいは焼結等により結合されている。この実施例のガス透過シート１４のガス透過層１６にあっては、バインダーとしての有機高分子化合物によって導電性微粒子が結合されている。
【００２８】
このガス透過層１６の導電性微粒子を結合する有機高分子化合物には、フッ素樹脂、ケイ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等種々の合成樹脂材料を利用することができる。中でも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオテイド、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂、その中でも特にＰＴＦＥは、酸にもアルカリにも侵されない優れた耐食性を有すると共に優れた撥水性を有し、得られるガス透過シート１４が長寿命でかつ耐薬品性を有するものとなるので、好ましく用いられる。また、ＰＴＦＥにＦＥＰ等の２種以上の合成樹脂材料が混合されたものも好適に用いられる。
【００２９】
このように有機高分子化合物を用いて導電性微粒子を結合する場合、有機高分子化合物の添加量は、有機高分子化合物にＰＴＦＥ、導電性微粒子にカーボンブラックを用いた場合を例にとると、通常、それらの合計量に対する重量比でＰＴＦＥが１０％〜６０％程度とされる。有機高分子化合物の添加量が６０％を越えると、形成されるガス透過層１６の電気抵抗が大きくなるうえ、ガス透過層１６のガス透過性が悪化する。添加量が１０％未満になると導電性微粒子の結合が不十分になり、ガス透過層１６の強度が低下する。
【００３０】
このガス透過層１６は、厚さ２ｍｍ程度以下に形成されることが望ましい。このガス透過層１６の厚さが２ｍｍを越えると、ガス透過層１６のガス透過速度が低下する不都合が生ずる。また、このガス透過層１６の厚さが０．３ｍｍ未満になると、ガス透過層１６の強度が低下する不都合が生じる場合がある。ただし、製造条件によっては０．１ｍｍ以下でも十分な強度を有するガス透過層１６を得ることが可能である。
【００３１】
なお、図ではガス透過層１６の表面にガス透過膜１７を形成する微粒子が結合するように示されているが、全体として膜を形成していればよく、このガス透過膜１７の素材となる高分子化合物等の微粒子を溶媒に溶解して塗布したり、あるいはガス透過層１６とは別途に予め膜を形成したものを張り合せるものとしても良い。
【００３２】
ガス透過膜１７をなす微粒子は、ゼオライトまたはイオン交換樹脂その他の有機物が使用され、分離せしめる流体の種類や除湿作用など用途によって適宜選択され、また粒径も決定される。
【００３３】
このようにして得られたガス透過シート１４を所望形状に形成し、各ガス透過シート１４の一の面に一方のみを端面まで延長させた微細溝２０と、溝の端面に到達したのとは反対の部分において全ての溝を連絡する連絡溝２１を有するものであって、この連絡溝２１は少なくとも一方がガス透過シート端面に到達しているものと、２種類の溝形式をそれぞれ有する２種類のガス透過シート、すなわち連絡溝を有するもの１４ａ、及び連絡溝のないもの１４ｂを形成する（図５）。微細溝２０の並設間隔および、連絡溝２１の幅は、所望するガス分離能力により適宜設定される。
【００３４】
そして、これら２種類のガス透過シート１４ａ，ｂを溝を平行にかつ溝がシート端面に到達している側が相対するようにして溝側と溝のない側とをそれぞれ合わせて積層し接着することにより、多孔性ガス透過シート積層体７を形成する。
【００３５】
柔軟性のあるガス透過シート１４を接着積層するものであるので、積層体の形状は至って自由度の高いものとすることができる。
【００３６】
ガス分離装置本体１は、このように形成された多孔性流体透過シート積層体７を積層体７に設けた溝のうち上記連絡溝２１の開放部が原料ガス導入口を向くようにして筒状体２に挿入し、筒状体２の分離ガス排出側の端部において筒状体２と多孔性流体透過シート積層体７との隙間を埋めるように充填剤を充填し、筒状体２の他方の端部においてはガスの通路を確保しながら充填剤を充填し積層体７を筒状体２に固定する。上記充填剤は、筒状体２ないにおいて原料ガスと分離ガスとの流通空間を仕切る役目も果たすものであるので、気密性の高い素材を選択することが肝心である。この場合に、充填剤に代えてＯリングを利用すると積層体７の交換等にも対応可能である。
【００３７】
そして、それぞれ排出口５，６を形成した蓋体３を筒状体２の両端に固定して圧力容器を形成する。
【００３８】
［作用］
次に、本発明のガス分離装置の作用を、図６において混合ガスから特定のガスを分離する場合を用いて説明する。
【００３９】
まず、本体１の原料ガス導入口４より原料の混合ガスを導入すると、混合ガスは本体内に充満するとともに、連絡路９を通って管状ガス通路１０内に分配される。分子の小さい目的ガス１９はのガス透過膜１７とガス透過層１６を通過して、分離ガス排出側の空間１３に排出され、排出口６より外部へ単離または濃縮されたガスとして搬出される。
【００４０】
このとき、原料の混合ガス中に含まれていた目的ガス以外１９のガス成分１８（例えば、窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガス等）は、排出口５より排出される。
【００４１】
ここで、本発明のガス分解装置の作用として重要なことは、多孔性流体透過シート１４の耐熱性および、積層体７の耐圧性が非常に高いために高温高圧の原料ガスの分離が可能であるということである。
【００４２】
［実験例１］
図１に示したガス分離装置を試作して、水から溶解気体を分離した。原料水の温度は８０°Ｃ、圧力は１０ｋｇ／ｃｍ2であった。
【００４３】
この実験に用いられた多孔性流体透過シート積層体７の仕様は以下の通りである。
【００４４】
多孔性流体透過シート１４の構造：
両面にそれぞれ相対方向に開口する溝を設けた厚さ１．０ｍｍのガス透
過層１６のみで構成。
【００４５】
0003546366.tif 000002
このような多孔性流体透過シート１４を１０層積層して多孔性流体透過シート積層体としたものを使用し装置を運転したところ、分離ガス排出口６から溶解気体が得られた。
【００４６】
なお、このとき分離ガス排出口を約０．５ｋｇ／ｃｍ2 減圧するとより高効率に気液分離ができる。
【００４７】
＜実施例２＞
反応層１７としてイオン交換樹脂層を原料ガス供給側の面に厚さ１μｍで結合させた。使用したイオン交換樹脂は、液体ナフィオン１１７（商品名：アルドリッチ社製）が好適である。これを２００°Ｃで３０分間焼成してガス透過層１６に結合せしめた。
【００４８】
このような多孔性流体透過シート１４を１０層積層して多孔性流体透過シート積層体としたものを使用し装置を運転したところ、１２０°Ｃ、１２ｋｇ／ｃｍ2 の圧縮空気を原料ガスに対し、分離ガス排出口６から露点が−４０°Ｃの空気が得られた。
上記実施例においては、流体の通路を管状に形成したが、積層体７全体の強度を確保したり、あるいは製造上の都合により、管状でない方が都合が良い場合がある。例えば、微細管状通路が網目状に交錯したものであったり、必ず特定の方向に流体が流れるように指向性を持たせることができれば溝を形成せずに多孔性流体透過シート１４の積層の際にネット等を介在させるものであっても良い。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、多孔性流体透過シートが耐熱性であるとともに、積層する多孔性流体透過シートのそれぞれのサイズを適宜変更することにより積層体の断面形状を収納する容器の形状に捕らわれず自由に形成可能であることに加えて、積層して形成する流体通路はきわめて微細な断面からなるものであり、１０ｋｇ／ｃｍ2 を超える高圧下においても流体通路が押しつぶされる心配がないので、原料混合流体が高温高圧のものであっても、機能が損なわれることなく、目的の流体を高精度に分離させることが可能な混合流体分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の混合流体分離装置の一実施例を示す斜視図である。
【図２】その縦断面図である。
【図３】その横断面図である。（イ）は原料流体導入口部分Ａ−Ａにおける断面図であり、（ロ）は（イ）の概念図である。（ハ）は本体洞部Ｂ−Ｂにおける断面概念図である。
【図４】多孔性流体透過シートの要部断面概念図である。
【図５】多孔性流体透過シートの積層状態を示す概念図である。
【図６】この発明の混合流体分離装置の作用を説明する概念図である。
【図７】従来例１を説明する概念図である。（イ）は全体の断面図、（ロ）は分離膜袋体、（ハ）は高圧下における分離袋体の変形を説明する概念図である。
【図８】従来例２の説明図である。
【図９】従来例３の説明図である。
【符号の説明】
１  ガス分離装置本体
２  筒状体
３  蓋体
４  原料ガス導入口
５  排出口
６  分離ガス排出口
７  多孔性ガス透過シート積層体
８  固定手段
９  連絡路
１０  原料ガス通路
１１  分離ガス通路
１２  原料ガス排出空間
１３  分離ガス排出空間
１４  多孔性ガス透過シート
１５  金属網
１６  ガス透過層
１７  ガス透過膜
１８  原料ガス
１９  目的ガス
２０  微細溝
２１  連絡溝
３１  ハウジング
３２  気体分離膜
３３  集合空間
３４  原料ガス導入口
３５，３６  排出口
４０  気体分離セル
４１  通気性部材
４２  気体分離膜
４３  通気孔
４４  透過気体取出し口
５０  積層式膜分離装置
５１，５３  流体用スペーサ
５２  分離膜
【図１】
0003546366.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003546366.tif 000009
【図８】
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【図９】
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