(57)【要約】油等の低揮発性の液体から、遊離水、エマルジョン水、又は溶解水を除去するための方法及び装置が示されている。この低揮発性の液体は、関連の流体流を半透過膜に接触させることによって除去がなされる。この膜によって、分離室は、その中に流体の流れが供給される供給側と、そこから水が除去される透過側とに分割される。この室の透過側は、真空の存在を通して、又はスイープガスの利用によって、水が低分圧に保持されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
油を脱水するための方法であって、
ａ）無欠陥、高密度、且つ無孔質の膜の片側を、油と、遊離水、エマルジョン水、又は溶解水とを含む液体流と接触させるステップであって、前記膜によって分離室が、その中に前記液体流が供給される供給側と、そこから前記水が引出される透過側とに分割されるようにされており、
１）前記の無欠陥、高密度、且つ無孔質の膜は、無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層が多孔質支持体上に支持されている中空繊維の複合材であり、
２）前記差別層及び前記多孔質支持体は、天然ポリマーである、ステップと、
ｂ）前記水が、蒸気として前記供給側から前記透過側に前記差別ポリマー層を通して「溶液流延」によって選択的に透過されるように、前記水に関する分圧差を保持するステップと、
ｃ）透過された前記水蒸気をスイープガス流又は真空を用いて前記透過側から除去するステップと、
ｄ）前記油が液相で前記透過側に透過するのを防止するステップと、
ｅ）前記膜の前記供給側から前記の脱水された油を除去するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
低揮発性の液体を脱水するための方法であって、
ａ）無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜の片側を、少なくとも水と低揮発性の液体とを含む液体流と接触させるステップであって、前記膜によって分離室が、その中に液体流が供給される供給側と、そこから前記水が引出される透過側とに分割されるようにされており、
１）前記の無欠陥、高密度、且つ無孔質の膜は、無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層が多孔質支持体上に支持されている中空繊維の複合材であり、
２）前記差別層及び前記多孔質支持体は、天然ポリマーである、ステップと、
ｂ）前記水が前記供給側から前記透過側に前記膜を通して透過されて、且つ前記の低揮発性の液体が液圧輸送によって前記透過側に透過されないように、水に関する分圧差を保持するステップと、
ｃ）透過された前記水を前記透過側から除去するステップと、
ｄ）前記膜の前記供給側から前記の脱水された液体を除去するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項３】
油を脱水するための方法であって、
ａ）無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜の片側を、少なくとも水及び油を含む液体流と接触させるステップであって、
ｂ）前記水は、前記油中の遊離水、エマルジョン水、又は溶解水であり、
ｃ）前記膜によって分離室が、その中に前記液体流が供給される供給側と、そこから前記水が引出される透過側とに分割されるようにされている、ステップと、
ｄ）前記水が前記供給側から前記透過側に前記膜を通して透過されて、且つ前記油が液圧輸送によって前記透過側に透過されないように、水に関する分圧差を保持するステップと、
ｅ）透過された前記水を前記透過側から除去するステップと、
ｆ）前記膜の前記供給側から前記の脱水された油を除去するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項４】
前記の低揮発性の液体は、油であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記の低揮発性の液体は、水の標準沸点より高い標準沸点を有する液体として規定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記の低揮発性の液体の中に、溶解、遊離、又は乳化された形態で、若しくは別個の相として水が存在することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、高密度、無孔質、且つ自立した層で構成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維の一体部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記中空繊維内に支持構造体として同時に形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板の一体部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、名目上、前記平板内に支持構造体として同時に形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維の複合部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記中空繊維内に支持構造体と異なる時に形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板の複合部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記平板内に支持構造体と異なる時に形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１４】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維内に支持構造体を含んでおり、前記中空繊維は、中空部内面又は外面のいずれか一方の上に高密度、且つ無孔質の層を有していることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１５】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板内に支持構造体を含んでおり、前記平板は、高密度、且つ無孔質の層をその片側に有していることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１６】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維内に支持構造体を含んでおり、前記中空繊維は、その中空部内面及び外面の両方の上に高密度、且つ無孔質の層を有していることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板内に支持構造体を含んでおり、前記平板は、その両側に高密度、且つ無孔質の層を有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の繊維上に高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記の低揮発性の液体は、前記の高密度、且つ無孔質の層を備えている側に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１９】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記油は、前記の高密度、且つ無孔質の層を備えていない側に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２０】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記油は、前記繊維の外側に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２１】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記油は、前記繊維の内側上に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２２】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記繊維は、螺旋状に巻かれていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２３】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記平板は、螺旋状に巻かれていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２４】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記平板は、スペーサによって離間されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項２５】
前記液体流は、よく混合されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２６】
前記液体流は、よく混合されていないことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法は、別システムにインラインされており、それにより、前記の低揮発性の液体流全体のうちの少なくとも一部が前記方法を通して連続的に供給されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、別システム内で「腎臓ループ（kidney-loop）型」として機能しており、それにより、前記の低揮発性の液体流全体のうちの一部が貯蔵装置から前記方法を通して連続的に供給されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２９】
前記方法は、別システムにオフラインで機能しており、前記の低揮発性の液体は、貯蔵装置から前記方法を通して供給されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３０】
前記供給は、前記半透過膜の面に平行に流れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３１】
前記供給は、前記半透過膜の面に垂直に流れることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３２】
前記透過側の前記流れは、前記半透過膜の前記面に平行であることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記透過側の前記流れは、前記半透過膜の前記面に垂直であることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記透過側の前記流れは、前記半透過膜の前記面に平行であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記透過側の前記流れは、前記半透過膜の前記面に垂直であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記供給は、前記中空繊維に平行に流れることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項３７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記透過側の前記流れは、前記中空繊維に平行であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項３８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記透過側の前記流れは、前記中空繊維に垂直であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項３９】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記供給は、前記中空繊維に垂直に流れることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４０】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記供給は、前記平板に平行であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４１】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記透過側の前記流れは、前記平板に平行であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４２】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記透過側の前記流れは、前記平板に垂直であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４３】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に少なくとも1の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記供給は、前記平板に垂直に流れることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４４】
前記供給側の前記流れ及び前記透過側の前記流れは、向流であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４５】
前記供給側の前記流れ及び前記透過側の前記流れは、並流であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４６】
前記供給側の前記流れ及び前記透過側の前記流れは、交差流であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４７】
前記供給側の前記流れ及び前記透過側の前記流れは、放射状交差流であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質の支持構造体を含んでおり、前記多孔質支持構造体は、前記の低揮発性の液体によって湿潤されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項４９】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質の支持構造体を含んでおり、前記多孔質支持構造体は、前記の低揮発性の液体によって湿潤されるように処理されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５０】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質の支持構造体を含んでおり、前記多孔質支持構造体は、前記の低揮発性の液体によって湿潤されないことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５１】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質の支持構造体を含んでおり、前記多孔質支持構造体は、前記の低揮発性の液体によって湿潤されないように処理されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５２】
前記透過側は、前記供給側の圧力よりも高い圧力であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５３】
前記透過側は、前記供給側の圧力と同じ圧力、又は前記供給側の圧力よりも低い圧力であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５４】
前記透過側を通るガス又は液体のスイープが存在することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５５】
前記透過側を通るスイープガスが存在しており、前記スイープガスは、アルゴン、メタン、窒素、空気、二酸化炭素、ヘリウム、水素、又はそれらを任意に混合したものから成る群より選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５６】
前記透過側を通るスイープガスが存在しており、前記スイープガスは、前記の低揮発性の液体よりも水に対してより低い活性を有していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記無孔質の層は、天然ポリマーであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、高密度、且つ多孔質の支持体を含んでおり、前記の高密度且つ多孔質の支持体は、天然ポリマーであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５９】
前記多孔質支持体は、セラミックであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６０】
前記多孔質支持体は、ガラスであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６１】
前記多孔質支持体は、無機ポリマーであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６２】
前記の低揮発性の液体は、前記半透過膜と接触する前にフィルタリングされることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６３】
前記半透過膜は、複数の中空繊維で構成されており、前記中空繊維は、マットに織込まれていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６４】
前記液体流は、前記膜と接触する前に加熱されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６５】
均一構成の前記半透過膜は、一体式に形成されたスキンを有する高密度、無孔質、且つ自立の支持層で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６６】
前記の無孔質、且つ半透過性の膜は、前記支持構造体の少なくとも片側に一体式に形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６７】
油を脱水するための装置であって、
ａ）流体を含んでいる容器と、
ｂ）前記容器の内部を少なくとも1の供給側空間及び1の透過側空間に分割する、前記容器内に挿入された無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜と、
ｃ）前記供給側空間への少なくとも1の流入口と、
ｄ）前記供給側空間からの少なくとも1の流出口と、
ｅ）前記透過側空間からの少なくとも1の流出口とを有することを特徴とする装置。
【請求項６８】
前記の流体を含んでいる容器は、加熱されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
更に、前記の無孔質、且つ半透過性の膜を支持するように、多孔質支持体を有することを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７０】
前記の無孔質、且つ半透過性の膜は、前記多孔質支持体の少なくとも片側に一体式に形成されたスキンを有することを特徴とする請求項６９に記載の装置。
【請求項７１】
前記の無孔質、且つ半透過性の膜は、天然ポリマーであることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７２】
前記多孔質支持体は、天然ポリマーであることを特徴とする請求項６９に記載の装置。
【請求項７３】
前記多孔質支持体は、セラミックであることを特徴とする請求項６９に記載の装置。
【請求項７４】
更に、前記透過側空間にスイープガス流入口を有することを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７５】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、高密度、無孔質、且つ自立の層で構成されていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７６】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維の一体部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記中空繊維内に支持構造体として同時に形成されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項７９】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板の一体部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、名目上、前記平板内に支持構造体として同時に形成されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８０】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維の複合部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記中空繊維内に支持構造体と異なる時に形成されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８１】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板の複合部分として高密度、且つ無孔質の層を含んでおり、前記の高密度、且つ無孔質の層は、前記平板内に支持構造体と異なる時に形成されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８２】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、中空繊維内に支持構造体を含んでおり、前記中空繊維は、中空部内面又は外面の少なくとも一方の上に高密度、且つ無孔質の層を有していることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８３】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、平板内に支持構造体を含んでおり、前記平板は、高密度、且つ無孔質の層を少なくともいずれか一方の側に有していることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８４】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記の低揮発性の液体は、前記の高密度且つ無孔質の層を備えた側、若しくは前記の高密度且つ無孔質の層を備えていない側のうちの一方に供給されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８５】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記油は、前記繊維の内側又は外側のうちの一方に供給されることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８６】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の中空繊維上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記繊維は、螺旋状に巻かれていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８７】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記平板は、螺旋状に巻かれていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【請求項８８】
前記の無欠陥、無孔質、且つ半透過性の膜は、多孔質又は無孔質の平板上に1以上の高密度、且つ無孔質の層で構成されており、前記平板は、スペーサによって離間されていることを特徴とする請求項６７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に給油及び液圧の産業に関し、特に、油から、より一般的には低揮発性の液体から、遊離水、エマルジョン水、又は溶解水を除去するために用いられる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
給油及び液圧のシステムには油が用いられている。そのようなシステム、システムの構成要素、及びシステムの動作に関して、水の存在が油に有害な影響を及ぼすことは広く認識されている。給油及び液圧のシステムに水が混入してしまうと、腐食、油の酸化、化学的な損耗及び裂傷、ベアリング疲れ寿命の減少、並びに潤滑性の損失が生じてしまうことは公知である。これらの有害な影響は、遊離、乳化、若しくは溶解された形態で存在する水に直接的に起因するものであると考えられる。
【０００３】
それゆえに、給油及び液圧のシステムの最適な性能を提供するように、油から水を除去することに多大な努力が尽くされてきた。水の混入を除去するために用いられてきた装置及びシステムには、沈降タンク又は沈降槽、遠心分離機、吸水性フィルタ、及び真空油脱水清浄機が含まれる。しかしながら、これらは、以下で説明されるように、水の除去能力、動作の容易性、資本コスト、若しくは動作コストのいずれかに大きな制限を有している。
【０００４】
沈降タンクは、密度及び重力沈下の差異に基づいて油から大量の「遊離」水を除去する。「遊離」水を効果的に除去するのに、沈降タンクは多大な滞留時間及び非常に大量の床面積を必要とする。しかしながら、それらは、油と水のエマルジョンの分離に対して効果的でなく、溶解水の除去は不可能である。
【０００５】
遠心分離機は、実質的に重力を増大させる遠心力を液体に加えることによって、油からの水の重力沈降を加速する。遠心分離機は、油から遊離水を除去するのにも効果的である。しかしながら、これらの遠心分離機は、一般的に高価であり、油と水のエマルジョンを分離する能力が制限されている。それらは、油から溶解水を除去することはできない。
【０００６】
吸水性フィルタは、油から水を吸収する特別な濾材を用いている。水が吸収されると、この濾材が膨張して、流れが制限されて、フィルタを横切る圧力低下が上昇する。この圧力低下が所定のレベルに到達すると、吸水性フィルタが除去されて、廃棄されて、新規のフィルタが取付けられる。これらの吸水性フィルタは、遊離水を除去するのに効果的であるが、油から乳化又は溶解された水を除去する能力に限界を有している。更に、吸水性フィルタは、水に対して収容限界を有している。それゆえに、一度、フィルタが飽和してしまうとそれらを交換する必要がある。従って、通常、それらは、微量の水が存在する場合の適用だけに用いられる。水の濃度がより高い場合の適用では、吸水性フィルタを連続的に交換し続ける費用が非常に高くなってしまう。
【０００７】
種々の真空油脱水清浄機が、油脱水のために利用されてきた。これらは、一般的に、油から乾燥した空気への水分の物質移動の原理、真空蒸留の原理、若しくはその2つの組合わせに基づいて動作する。
【０００８】
真空油脱水では、水の沸点を引下げるために真空が適用される。例えば、1013mm H2O（29.92"Hg）の気圧（標準的な大気圧）では、水の沸点が100°C（212°F）であるのに対して、100mm H2O（概ね26"Hgの真空）での沸点は50°C（122°F）に過ぎない。油の温度に関して充分な真空を適用することによって、油中の水が、油から低圧空気（真空）中に蒸発して、従って、油脱水される。
【０００９】
真空ポンプによって真空にされている接触容器の中に油を流すことが、これを達成する典型的な手段である。与えられた容器内での水の気化速度を最小化するように、表面積／容積の比が大きくなっていることが好ましい。これは、構造化された充填材、無作為の充填材、カスケーディング・プレート、及び回転盤の上に油を流すことにより、若しくは真空蒸留及び接触器の分野で公知のその他の方法を用いることにより達成することが可能である。通常、油は、接触器の上から進入して、重力により充填材上を下方向に流れて、非常に薄い膜の中に広がる。この油は、容器の底部に集められて、オイル・ポンプを用いて排出される必要がある。これらの例として、特許文献１及び特許文献２があげられる。必要な真空度を減少させるように、油に熱が加えられてもよい。
【００１０】
水の沸点を下げるために、且つ水の除去速度を増大させるように、真空が適用される。更に、水の除去速度を増大させるように、熱が加えられてもよい。しかしながら、過度の熱及び／又は真空が適用されないように、非常に注意する必要がある。なぜならば、温度及び／又は真空度が、油の中の非常に低分子量の炭化水素の沸点を下回るレベルに増大されて、それらの炭化水素も同様に次々と気化されてしまうからである。同様にして水よりも沸点が低いあらゆる液体が、除去されることを理解されたい。これは、適用によっては、望ましいことである可能性もあれば、望ましくないことである可能性もある。
【００１１】
物質移動に基づくシステムは、同様の接触容器を用いている。しかしながら、水を除去するのに蒸留に依存しているのではなく、むしろ、乾燥した空気又は気体が、下方向に流される油を横切って向流的に上方向に連続的に通過するようにされている。油の中の水分子は、相対的により乾燥している空気中に濃度勾配を介して移動する。次に、真空ポンプ又は送風機によって、湿り気のある空気が接触器から引出されて大気に排出される。油は、水の気化させるための水の沸点より高く加熱する必要はない。それゆえに、物質移動に基づくシステムを用いた水の除去の場合には、真空蒸留システムの場合よりも少量の加熱及び／又は真空度が用いられ得る。
【００１２】
真空蒸留システム及び物質移動システムは、遊離水、エマルジョン水、及び溶解水の除去こそするものの、それらは、広範な利用を妨げる複数の欠陥を有している。両システムでは、容器内部に液面制御が用いられており、それにより油の液面が低くなり過ぎて、オイル・ポンプが干上がってしまうことがないようにされている。更に、液面制御は、油の液面が高くなり過ぎて、真空容器が油で満杯にされないようにも機能する。これは、容器の水の除去効率を減少若しくは除去してしまう可能性があり、更には、容器が油で完全に満たされて真空ポンプの中に溢れてしまう事態を引起こしてしまう可能性さえある。
【００１３】
油の内部で水が気化されるので、真空清浄機は、更に、容器内のフォーミング（foaming）を受ける。この気泡は、油よりも低い比重を有しており、液面制御の機能不全及び清浄機の性能低下を生じる可能性がある。
【００１４】
清浄機は、ヒータ、制御装置、ポンプ等が利用される性質上、非常に複雑な部品から成る装置である。更に、用いられる充填材の種類、油の粘性、及び気流速度によって、接触容器を通る流速が制限されてしまう。このために、通常、流量に比べて非常に大きな容器が用いられる結果になる。必要なオイル・ポンプ、真空ポンプ、ヒータ、制御装置、電子パネル及び電気接続機器を全て実装すると、システムは、非常に大きくて且つ高価なものになってしまう。おまけに、これらのシステムの複雑性及び構成要素の数が原因で、通常、保守及び運転の費用が非常に高いものになってしまう。
【００１５】
油から遊離水、エマルジョン水、若しくは溶解水を除去するその能力に起因して、真空油脱水清浄機が、油から水を除去するための好適な方法になっている。しかしながら、真空油脱水清浄機に付随する欠陥のせいで、これらの清浄機は、広く利用されることが妨げられており、且つ／又は、多くの給油若しくは液圧のシステム上で非実用的なものになってしまっている。それらの非常に大きなサイズ及び費用の原因で、それら清浄機は、非移動式で固定式の適用に制限されてしまい、移動式の装置上での利用が非実用的になっている。
【００１６】
通常、非常に大きく高価な給油又は液圧のシステムでない限り、資本コストが高いので、それらが1システムに取外せない方法で取付けられることはない。その代わりに、1つが1周期の時間の間、1つの機械又は貯蔵槽上の油を清浄するのに利用されて、次にそれが別の機械に移動される等とすることによって、それらは複数のシステムにより共有される。しかしながら、この方法で清浄機が用いられる場合、清浄機に接続されていない機械の中の油に水が混入されてしまう。この油は、清浄機がそれらに再度、取付けられて、再度、油脱水されるまで水が混入されたままである。従って、当業者は、油から水を除去するためのより良い方法を探し続けている。本出願者は、自分達の試みを膜に基づくシステムに対して方向付けた。
【００１７】
膜に基づくシステムは、有機システムから水を除去するのに用いられている。しかしながら、この目的のために用いられる膜に孔又は欠陥が存在していると、透過側への油の液圧透過が生じてしまうことに留意されたい。この状況によって、油の損失が生じる。更に、非揮発性の油が膜の透過側を覆って、膜が汚損されたり、水の透過効率が減少されたりしてしまう。
【００１８】
Taylorの特許文献３には、炭化水素又はハロゲン化炭化水素の気体又は液体の脱水が開示されている。この方法は、銅アンモニア法再生セルロース膜に基づいている。銅アンモニア法再生セルロース膜は、当業者には、相互に接続された通路又は孔の構造を有するものとして公知である（特許文献４参照）。更に、これらの膜は、平均が30Åの10乃至90Å程度の孔の分布を有するとされている（特許文献４、特許文献５参照）。この銅アンモニア法再生セルロースを介して液体有機相から水を分離するための機構は、透析法の機構である。透過する化学種は、液体のように膜を透過する。この膜は孔を有しているので、それを通した液圧式透過が可能である。水溶性の化学種も同様にその膜を通って透過し得る。このことは、油が常に水への有限の溶解性を有していることから、油の脱水においてその有用性を排除してしまう。
【００１９】
例え、Taylorが油の脱水に対して満足していたとしても、Taylorの構造は、それ自体で欠陥を生じてしまう。再生セルロース膜の分子構造は、水分の存在によって保持されている。親水性の膜から水分が除去されると、孔は、膜の収縮及び亀裂を生じ得る大きな毛管ストレス（capillary stress）を受ける。膜は種々の大きさの孔を有しているので、乾燥の際に形成された毛管ストレスによって、膜の微細構造の到るところでストレス差を受ける。このストレス差は、膜に亀裂若しくは「欠陥」を生じることが知られている。そのような膜が閉鎖システムの脱水に用いられる場合、最終的には膜中の水分が奪い取られてしまう。これによって、上述のように亀裂若しくは「欠陥」が生じる。そして、これらの「欠陥」は、膜を通る油の液圧輸送を生じてしまう。
【００２０】
特許文献６には、エチレングリコールの脱水のための浸透気化方法が開示されている。このエチレングリコールは、完全に水混和性であり、分離される混合物が完全に混和性である浸透気化法の適用の特性である。用いられているスルホン化ポリエチレン樹脂膜は、非常に大量のエチレングリコールの透過を可能にしてしまっている。当業者には、エチレングリコールのそのような量の透過は、差別層（discerning layer）の中に存在する欠陥（下記の定義を参照されたい）を通しての液圧透過に起因するものであることが明白であろう。この発明は、無欠陥の差別層を必要としていない。なぜならば、非水相の損失が許容可能であるからである。このことは、給油及び液圧システム内の油には当てはまらない。
【００２１】
Friesenの特許文献７には、浸透気化方法を介して供給液体混合物から一成分を除去するための方法が開示されている。Friesenらの特許におけるスイープ流は、除去されない供給流の一成分で構成されており、蒸気としてモジュールに導入されている。第5コラムの第8行乃至第13行で、Friesenらは、この方法をゴマ油及びコーン油等の油の脱水に用いることが可能であると主張している。しかしながら、この特許で提供されている例では、Friesenらは、ゴマ油及びコーン油よりも非常に高揮発性の有機化合物の脱水に関する性能データしか提供していない。具体的には、Friesenは、アセトン、トルエン、及びエタノールの脱水に関する例を提供している。従って、Friesenは、この種の油を脱水するための無欠陥の無孔質膜の必要性を認識しておらず、且つ教示していない。更に、当業者は、ゴマ油若しくはコーン油の蒸気から成るスイープ流の実現可能性についても疑問を呈するであろう。
【００２２】
特許文献８には、エチレングリコールを脱水するための膜蒸留技法が開示されている。この方法は、多孔質膜を用いている。これは、多孔質の支持体が水に浸かって、流体が液圧透過する可能性があるので、油の脱水に対しては魅力的ではない。
【００２３】
特許文献９には、種々の液体を脱水する目的で概ね無欠陥のゼオライト膜が開示されている。第4コラムの第12行乃至第15行に記されているように、ゼオライト膜を用いて、一方の液体だけがゼオライト膜を通過可能である任意の2液体を分離することが可能であるので、このゼオライト膜の利用は装置の機能に重要な意味を持っている。ゼオライト膜は、分子篩としても知られており、且つ酸素原子を通して結ばれたケイ素／酸素の四面体から形成されるチャネルのネットワークを含有するゼオライト型の材料を用いている。第2コラム、第46行乃至第49行には、この材料が「概ね無欠陥の」ものである必要があることが、「概ね」の程度、若しくは「欠陥」の黙示的な意味を定義せずに示されている。そのような膜は、ここ以降で説明する欠陥の存在によって透過側への油の液圧透過を生じてしまうので、油の脱水に用いることができない。
【００２４】
本発明に関連して、本願を通して用いられる以下の用語は、下記に定義される意味を伝えることを企図している。
【００２５】
（定義）
本願で用いられている「欠陥」は、低揮発性の液体が膜を通って液圧透過することを可能にするのに充分な大きさである、膜を通る孔を示している。
【００２６】
それゆえに、「無欠陥」は、物質が膜を通って通過して溶液拡散するのを制限しているのではなく、液体が膜を通って液圧透過することを可能にするのに充分な大きさである孔を有していない膜であることを示している。油の液圧透過は、油の分子の大きさと同じ、若しくはそれより大きい直径の恒久的な孔（即ち、ピン・ホール）が膜中に存在するときに生じる可能性がある。油分子の分子の大きさは、5乃至10オングストロームより大きいことが予想されるが、しかしながら、油は種々の分子サイズの成分から構成されているので、正確な値は、脱水しようとしている個々の油の化学的な構成に依存する。即ち、無欠陥の膜は、油分子の分子サイズよりも小さい直径の孔を有するものに限定される。
【００２７】
「無孔質」は、油分子の分子サイズ（上述のように5乃至10オングストロームよりも大きいことが予想されるが、脱水される油の個々の種類に完全に依存する）を下回らない恒久的な孔（従来的に細孔と呼ばれる）を含んでいない膜を示している。
【００２８】
本明細書で用いられるような、無欠陥の膜は、必然的に無孔質であるが、本明細書で用いられるような無孔質の膜は、必ずしも無欠陥ではない。理論上は、無孔質の膜は、無欠陥（即ち、上述した無欠陥）である。これは、無欠陥の膜が、同一の材料から作られた高密度膜のように、同一のガス透過率／選択性を有することを意味している。しかしながら、実際には、これは当てはまらない。例えば、Pinnau及びKoros（非特許文献１参照）、並びにPesek（非特許文献２参照）は、無欠陥のガス分離膜を、選択透過性が75%乃至85%である高密度膜を有する膜として定義した。85%の選択透過性を有する膜が、油の液圧透過を可能にする非常に多数の孔を含み得ることを示すことは可能である。
【００２９】
無視し得る抵抗の下部構造によって支持されるポリスルホンの選択層で構成される膜を考える。ポリスルホンは、35°Cで、酸素透過性1.4 barrer（膜ハンドブック参照）及びO2/N2の選択性5.6を有する。ポリスルホンの選択層の厚さが700Åであるとする。この厚さは、市販されている膜に対する標準的な厚さである。従って、この選択層の透過は、酸素に対して20GPU、窒素に対しては3.57GPUになる。Pinnau及びKoros（1992年）によれば、このポリスルホン膜は、O2/N2の選択性が高密度膜の85%（又は、この事例の場合4.76）である場合に、無欠陥とみなしている。本発明の定義によれば、明らかにこの膜は欠陥を含んでいる。欠陥が充分に小さい場合、この欠陥を通る流れは、Knudsen拡散で支配される。欠陥が大きい場合、この欠陥を通る流れは対流的（又は粘性）になり、Hagen‐Poisuilleの法則に従う。下記の表には、1平方メートルのポリスルホン・モジュールに対してO2/N2の選択性4.76を生じる種々の大きさの欠陥の数が図示されている。
【００３０】
【表１】
2005501168.tif 000002
【００３１】
【表２】
2005501168.tif 000003
【００３２】
上記の表に記載されている欠陥の平均の大きさは、欠陥を通して油が液圧透過するのに充分大きく、油脱水モジュールを商業的に利用不可能にしている。しかしながら、ガスの分離等の適用の場合には、欠陥の存在は、単に分離の効率を減少させるだけであり、このモジュールは市販に耐え得るものである。
【００３３】
理論的には、無孔質の膜は、無欠陥（即ち、上述したように無欠陥）である。しかしながら、実際には、これは当てはまらない。当業者によって、実行及び認識がされているように、無孔質であるとみなされる膜は、（そのガス選択性を高密度膜の固有の選択性から85%までに減少させてまうのに概ね充分な）所定の値に達する液圧透過を可能にしてしまうものであるが、それでもなお無孔質の膜とみなされる。従って、そのような膜は、実際には非常に小さくて且つ非常に多数の孔を有している。「無孔質」の膜の中に許容可能な実際の孔の数は、孔の大きさと、膜によって分離される物質の特性とに関連している。ここで用いたように、無欠陥の膜とは、当技術分野で従来的に用いられている用語のように無孔質なのではなく、上記で規定したように無孔質である、無孔質の膜を示している。本発明を首尾よく実行するために、膜は、ここで定義した用語のように「無孔質」及び「無欠陥」である必要がある。
【００３４】
「油」は、低揮発性の化学的材料を示すのに用いられる。通常、油は、種々の分子量及び分子構造から成る多数の成分を混合して有している。
【００３５】
「半透過」は、所定の物質の透過を可能にする一方で、他の物質の輸送を妨害する膜を示している。そのような膜は、差別膜としても呼ばれている。
【００３６】
「湿潤」は、液体が面上に広がることを示している。
【００３７】
「汚損」は、膜の多孔質構造が油で充填されてしまうこと、若しくは膜のスイープ側が油で覆われてしまうこと等のように、望ましくない作用を介して物質の移動に抵抗を付加することを示している。
【００３８】
【特許文献１】
Koslow の米国特許第4,604,109号
【特許文献２】
Lundquist他の米国特許第5,133,880号
【特許文献３】
Taylorの米国特許第4,857,081号
【特許文献４】
Isuge他の米国特許第3,888,771号
【特許文献５】
Sengbuschの米国特許第5,192,440号
【特許文献６】
Pasternak他の米国特許第5,182,022号
【特許文献７】
Friesenの米国特許第5,464,540号
【特許文献８】
Zhouの米国特許第5,552,023号
【特許文献９】
Bratton他の米国特許第6,001,257号
【特許文献１０】
米国特許第4,230,463号
【特許文献１１】
1998年、Clausiの米国特許第4,902,422号
【非特許文献１】
1999年、J. Applied Polymer Science誌 第46号、第1195頁乃至第1204頁の、Pinnau, I. 及びKoros, W.による「Gas-Permeation Properties of Asymmetric Polycarbonate, Polyestercarbonate, and Fluorinated Polyimide Membranes Prepared by the Generalized Dry-Wet Phase Inversion Process」
【非特許文献２】
1993年、オースティンのTexas大学に提出されたPesek, S.による学術論文「Aqueous Quenched Asymmetric Polysulfone Flat Sheet and Hollow Fiber Membranes Prepared by Dry/Wet Phase Separation」
【非特許文献３】
1992年にVan Nostrand Reinhold社により出版された「Membrane Handbook」の第3頁乃至第15頁
【非特許文献４】
1995年の「Handbook of Industrial Membranes First Edition」の第56頁乃至第61頁
【非特許文献５】
1998年にオースティンのTexas大学に提出されたClausi, N. による学術論文「Formation and Characterization of Asymmetric Polyimide Hollow Fiber Membranes for Gas Separation」
【非特許文献６】
1981年、J. Membr. Sci.誌第8号、第233頁乃至第245頁の、Henis, J. 及びTripodi, M. による「Composite Hollow Fiber Membranes for Gas Separation: The Resistance Model Approach」
【非特許文献７】
1994年にオースティンのTexas大学に提出されたPfromm, P. H. による学術論文「Gas transport properties and aging of thin and thick films made from amorphous glassy polymers」
【発明の開示】
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、油若しくはその他の低揮発性の液体から遊離水、エマルジョン水、又は溶解水を除去するための方法に基づく膜を提供する。この方法は、固定装置上での固定式方法と同様に、可動装置上で装置の動作中及び移動中に用いることが可能である。この方法は動作が単純であると同時に当の装置が小さく緻密であり、それによりあらゆる大きさのシステムに対して実用的であり、且つ費用効率が高い。
【００４０】
更に、本発明は、それを通して液体が液圧透過することを禁止する無欠陥の差別層又は膜を提供し、それにより差別層を通した輸送を行う透過を制限する。更に、この発明は、差別層を通って透過する蒸気の除去を提供する。従って、本発明は、油から遊離水、エマルジョン水、及び溶解水をより効果的に分離するための装置及び方法を提供する。
【００４１】
特に、この発明は、油から選択的に水を除去するように、無孔質で無欠陥の膜を利用する方法に関する。詳述すると、この方法は、油を半透過膜の片側（「供給側」）に接触させることによって、関連する油の流れから水を除去するステップで構成される。この膜によって、分離室が、その中に油が供給される供給側と、そこから水が除去される透過側とに分割される。透過側は、真空の存在を通して、若しくはスイープガスを用いることによって、水の低分圧が保持される。油中の水は、溶解された形態であってもよいし、若しくは別個の相として、乳化、分散、又は「遊離」の形態のいずれかであってもよい。この膜材料は、油と化学反応しない場合に、若しくは油と接触することによって大きさ、強度、透過性、及び選択性等の物理的特性が悪影響を及ぼされない場合に、油と化学的に適合する。
【００４２】
従って、本発明の目的の１つは、従来式の油脱水の技法の欠点を克服して、これらの制限を克服する油脱水のための方法を提供することである。
【００４３】
本発明の別の目的は、油から遊離水、エマルジョン水、又は溶解水を除去する油脱水機を提供することである。
【００４４】
本発明の更なる目的は、動作が単純な油脱水機を提供することである。
【００４５】
本発明の更なる目的は、非常に小さく緻密な油脱水機を提供することである。
【００４６】
本発明の更なる目的は、費用効率の高い油脱水機を提供することである。
【００４７】
本発明の更なる目的は、小さいシステム上でも大きいシステム上でも実用的な油脱水機を提供することである。
【００４８】
本発明の更なる目的は、移動式の装置上で動作中及び移動中に用いることが可能な油脱水機を提供することである。
【００４９】
本発明の更なる目的及び利点は、本明細書の一部を形成する付随の図面（類似の参照文字は、複数の図面内での対応する部分を示している）の参照と共に、以下の説明及び付随の請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
付随の図面で図示されており、且つ以下の記述で説明されている特定の装置及び方法は、付随の請求項によって規定される発明の概念の例示的な実施例であることを理解されたい。それゆえに、本明細書で開示されているそれら実施例に関する特定の寸法及びその他の物理的特性は、請求項に特に別の記載をしている場合を除き、制限を課すものとみなしてはならない。
【００５１】
本発明の好適実施例を説明する前に、非特許文献３及び非特許文献４の全文を本明細書の一部とする。
【００５２】
本発明によれば、広範な種類の低揮発性の液体から水又はその他の高揮発性溶媒を差別的に除去する有用性を備えた装置及び方法が提供される。低揮発性の液体は、水の標準沸点（100°C）よりも高い標準沸点を有する液体として定義される。従って、水は高揮発性の液体として分類される。純粋状態で低揮発性を示し得る成分が、混合状態で非理想的に振舞う可能性があることを認識する必要がある。これによって、純粋成分の揮発性から予想されるものよりも、混合物からの成分の方が、より大きな見掛けの蒸発速度となる可能性がある。好適には、本発明は、油からの水の分離に関するものである。
【００５３】
より具体的には、油を脱水する方法は、以下のステップ：無孔質、無欠陥、且つ半透過性の膜を少なくとも油及び水を含んでいる液体流と接触させるステップであって、前記膜によって分離室が、その中に供給液体混合物が供給される供給側と、そこから水が引出される透過側とに分割されている、ステップと；前記膜を通して水が差別的に前記供給側から前記透過側に透過されるように水に対して部分的な化学ポテンシャル勾配を保持するステップと；及び前記膜の前記透過側から透過された水を除去するステップと；前記膜の前記供給側から油を除去するステップとで構成される。用語「化学ポテンシャル勾配」は、「活性勾配」若しくは「分圧勾配」としても呼ばれる。この用語「分圧勾配」は、透過側の水蒸気圧と、油中の水の濃度に対応する平衡水蒸気圧との差を意味することを理解されたい。
【００５４】
油を脱水するための装置は、少なくとも無孔質、半透過性、且つ無欠陥の膜を含む容器であって、前記膜は、前記容器の内部を少なくとも1の供給側空間及び1の透過空間に分割するように前記容器内に挿入されている、容器と；前記供給空間への少なくとも1の流入口と；前記供給空間からの少なくとも1の流出口と；及び前記透過空間からの少なくとも1の流出口とで構成されている。そのような装置によって、油と水の混合物が前記流入口を流れて半透過膜の少なくとも一方の側に接触すること；水が前記膜を通って前記供給側から前記透過側に差別的に透過するように、水に関する化学ポテンシャル勾配を保持すること；透過した水を前記流出口を通して前記透過側から除去すること；及び前記膜の前記供給側から脱水された油を前記流出口を通して除去することが可能にされる。
【００５５】
この膜は、分離のための適切な面が提供される限り、任意の形式若しくは形状であってよい。これの従来的な例には、自立膜、中空繊維、複合シート、及び複合中空繊維が含まれる。この中空繊維膜は、繊維が互いに概ね平行になるように、構成される（potted）か若しくは別の方法で配置される。複合中空繊維膜又は中空繊維膜の繊維は、螺旋状に巻かれるか、若しくは撚られてよい。或いは、この繊維が更にマットに織込まれてよい。平坦な繊維シート若しくは繊維マットで構成される膜の場合、これらのシート若しくはマットが、螺旋状に巻かれてよい。更に、スペーサによってこれらのシート若しくはマットが分離されてよい。
【００５６】
用いられる膜は、少なくとも部分的には、薄く、無欠陥で、高密度で、且つ無孔質の差別層（用語「差別層」は、「スキン」としても呼ばれ得る）及び支持体で作られている。一代替実施例では、この差別層は自立しているが、しかしながら、このことは、本発明の実行に必須ではない。当業者には、高密度、且つ無孔質の差別層が、該差別層中に欠陥を有し得ることは明らかであろう。そのような差別層が気体又は液体から成る混合物を分離するのに用いられる場合、これらの欠陥を通しての無差別的な輸送が生じてしまう可能性がある。そのような差別層が気体の混合物を分離するのに用いられる場合、この差別層を通しての輸送が「溶液拡散」によって生じるのに対して、欠陥を通しての輸送は、Knudsen拡散によって生じる。これは、特許文献５で実証されている。液体の混合物を分離するのに、欠陥を含むそのような差別層が用いられる場合、これらの欠陥を通しての無差別的な液圧透過が生じてしまう。これらの欠陥を通しての液圧透過は、膜の透過側への液体の透過を生じる。適用によっては、そのような無差別的な輸送が許容されるが、別の使用ではそれは許容されない。
【００５７】
無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層の一例として、溶液流延法による高密度膜があげられる。これらの膜は、当業者には非常によく知られている。市販に耐え得る脱水速度を有する無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層は、溶液流延法によって作ることが可能であり、それにより、膜は、所望の脱水速度を可能にすることに関して充分に薄い厚さを備える。潜在的な欠陥は、溶液流延法によるポリマーの複数の被膜、及び中間の架橋結合のステップによって除去することが可能である。
【００５８】
油の脱水の特定の例では、透過側への油の液圧透過によって、システムからの油の損失が生じて、脱水機を市販に耐えないものにしてしまい、且つ膜の透過側の汚損を生じてしまう。差別層が透過側上に支持されている場合、液圧透過された油が多孔質の支持体を充填して、水の輸送に抵抗を所与することによって膜を汚損してしまう。更に、油は蒸発する可能性が極めて少なく、例え、蒸発したとしても欠陥を通した液圧透過の速度よりも速くないので、欠陥の存在によって、膜が不可逆的に汚損されて、且つ脱水速度が減少されてしまう。更に、膜が完全に無欠陥でない場合、水分を取去るように透過側で用いられるスイープが膜を通過して、「清浄な」油の中に混入してしまう。これによって、油の中に気泡が生成されてしまうので望ましくない。
【００５９】
そのような無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層を通しての輸送機構は、「溶液拡散」を介したものである。当業者には、用語「溶液拡散」は、透過化学種の差別層の中への拡散、その後の差別層を通しての拡散、並びにその後の差別層の透過面上への脱離を意味するものとして理解されたい。油及び水が膜の供給側の液体相の中に存在するのに対して、透過化学種は、差別層の透過面から蒸気若しくは気体の相へと取除かれる。差別層が何らかの欠陥を有している場合、差別層を通した液圧透過が生じて、それにより液体の透過側への輸送が生じる。上述したように、この状況によって、膜の汚損、及びシステムからの油の損失が生じて、これら両方が製品を市販に耐えないものにしてしまう。
【００６０】
当業者は、浸透気化法とは、完全に混和している溶液の混合物を、高密度、且つ無孔質の差別層を通して分離することを意味していることを理解するであろう。また、浸透気化法とは、成分が差別層を通って有限の速度で透過されて、透過側で蒸気として取除かれることを意味していることも理解されたい。更に、浸透気化法の脱水に関しては、欠陥を有する差別層の場合に、非水相の透過側への液圧輸送によって最悪の事態がもたらされるわけではない。これは、なぜならば、非水相が高い蒸気圧を有しており、蒸発が容易だからである。このことは、エチレングリコールのように、水と混ぜると純粋な成分と比較して非常に予想外の振る舞いを示し得る低揮発性の液体に対しても当てはまる。
【００６１】
精密濾過、限外濾過、及び透析に対して用いられるような多孔質の膜は、低揮発性の流体が孔に透過して膜を汚損してしまうので不適切である。
【００６２】
適切な膜としては、支持構造体の一方又は両方の面上に非常に高密度の差別層又はスキンを備えている高密度、且つ無孔質のポリマー膜又は非対称の膜が含まれる。高密度、且つ無孔質の膜は、「位相反転」若しくは「溶液流延」のいずれかによって作成される。位相反転の場合、ポリマー−溶媒−非溶媒システムは、溶媒の蒸発、溶媒の抽出、若しくはシステム内への非溶媒の導入によって沈殿を強制する。位相反転によって、対称的である可能性も非対称的である可能性もあり、また、高密度、且つ無孔質のポリマー領域を有している可能性も有していない可能性もある、不均一、多孔質のポリマー・マトリクスが生じる。高密度、且つ無孔質の差別層は、溶媒−非溶媒システム及び沈殿システムを適切に選択して相分離することによって形成することが可能である。溶液流延の場合、適切なポリマー溶媒システムによって、ゲル化、及びその後の乾燥が可能にされている。溶液流延ポリマーは、通常、多孔質、且つ均一の膜ではない。両方の場合とも、高密度、且つ無孔質の膜を別の支持構造体上に形成することが可能である。両方の方法によって形成されたこの高密度、且つ無孔質の差別層は、欠陥を有する可能性がある（特許文献１０参照）。更に、欠陥を除去するようにこれらの差別層を後処理するための方法は、Henis及びTripodiによって概ね報告されている（非特許文献６参照）。これらの欠陥を減少させるためのこれらの方法には、欠陥を有する膜を全ての欠陥が除去されるまで繰返し成膜するステップが含まれる。第2の被膜は、最初の層と同じポリマーに基づくものであってもよいし、若しくは別のポリマーに基づくものであってもよい。無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層は、充分に厚い均一のポリマー膜を溶液流延することによって形成され得る。更に、Pfrommによって極薄、無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層が形成され得ることも実証されている（非特許文献７参照）。
【００６３】
通常、当業者は、無欠陥、高密度、無孔質、且つ均一のポリマー膜を通しての気体の輸送特性を、ポリマーの固有特性と考えるであろう（Clausi, 1998年）。ポリマーの固有特性は、例えば、差別層の厚さに依存しない。そのような差別層が気体の混合物を分離するのに用いられており、且つこの層が、自立している膜、又は差別層と比較して無視し得る輸送抵抗を備えた支持体上の複合材のいずれかである場合、それらの特定条件下での特定の混合物の透過性の比も同様に、ポリマーの固有特性である。この比は、特定の気体成分に対するポリマーの固有選択性と呼ばれる。
【００６４】
高密度、且つ無孔質の差別層が、気体の個々の組合わせに対して「固有の」選択性を示さない場合、この差別層は欠陥を有している可能性がある。これは、なぜならば、欠陥によって、分離しようとしている成分の無差別的な輸送が可能にされてしまうからである。この技法は、多孔質の支持体による流れの抵抗が無視可能である場合に、差別層内の欠陥の存在を決定するように、当業者によって従来的に用いられている（特許文献１１参照）。この技法は、差別層の形成機構とは無関係に、欠陥の存在又は非存在を決定するのに用いることが可能である。差別層が無欠陥であることが検証されてしまえば、この層は、気体又は液体の無差別的な輸送を不可能にするものであり、液体透過の場合には、透過化学種が、蒸気として膜から脱離される。
【００６５】
薄く、高密度で、且つ無孔質の差別層は、別個の層であってもよい。また、ほぼ同じ時間に形成されてもよいし、支持構造体と一体式であってもよい。支持構造体と同一材料で構成されていてもよいし、又は異なる材料で複合式に構成されてよい。複合膜は、支持構造体に取付けられた高密度層を有している。この高密度で無孔質の差別層は、後で別個のステップで形成されてもよい。これらの複合膜、複合繊維、若しくは複合シートは、多孔質又は無孔質であってよい。このシートは、平坦であるのが好ましいが、このことは本発明を実施するのに必須ではない。これらの繊維、膜、若しくはシートは、供給空間を透過空間から分離するように1以上の面に構成（potted）されてよい。そのような膜内の差別層は、多孔質の有機又は無機のポリマー、セラミック、又はガラスで構成され得る支持体と同一であってもよいし、又は異なっていてもよい。好適実施例は、支持体の一方若しくは両方の面上の、薄く、高密度で、且つ無孔質のポリマー差別層を備えた複合シート若しくは複合中空繊維である。対称的又は非対称的な膜の場合には、液体がいずれの側でも膜と接触し得るが、好適実施例は、供給側上の境界層を最小化するものである。
【００６６】
高密度で無孔質の層又はスキンは、膜の一体部分であってもよいし、少なくとも名目上、支持構造体と同時に形成されてよい。しかしながら、本発明は、高密度で無孔質の層の、支持構造体との同時形成に制限されるものではない。更に、本発明は、高密度で無孔質の層を、膜の構成要素（複合材の一部とも呼ばれる）として形成することによっても実施可能である。この高密度で無孔質の層は、支持構造体と別の時間に形成することが可能である。この場合、高密度で無孔質の層は、後で支持構造体に取付けられる。
【００６７】
この支持構造体は、多孔質であってもよいし、若しくは無孔質であってもよい。この高密度で無孔質のスキン、若しくは支持構造体は、天然ポリマーである。高密度で無孔質のスキン、若しくは支持構造体は、無機又は有機のポリマーである。このポリマーは、線状ポリマー、分岐ポリマー、サイクロリニアポリマー（cyclolinear polymer）、梯子状ポリマー、サイクロマトリックスポリマー（cyclomatrix polymer）、コポリマー、ターポリマー、グラフトポリマー、若しくはそれらを混合したものである。
【００６８】
低揮発性の液体は、多孔質の支持構造体を湿潤させ得る。代替的に、多孔質の支持構造体が、低揮発性の液体によってこの構造体が湿潤されないように処理されてもよい。しかしながら、これは本発明を実施するために必須ではない。本発明は、多孔質の支持構造体が低揮発性の液体で湿潤されない場合においても、実施可能である。更に、本発明は、多孔質の支持構造体が低揮発性の液体によって湿潤されないように処理された場合にも実施可能である。好適には、この多孔質の支持構造体は、低揮発性の液体によって構造が湿潤されない種類のものである。
【００６９】
膜が高密度で無孔質の層又はスキンで片側だけに構成される場合、この高密度で無孔質の層内に欠陥が存在することによって、上述したように油の通過を生じてしまう可能性がある。油がこの膜を液圧透過する場合には、水よりも遅い速度で蒸発するか、若しくは全く蒸発しないと考えられるので、従って、この膜は汚損されて、且つ脱水速度が低下してしまう。従って、好適実施例は、無欠陥、高密度、且つ無孔質の差別層又はスキンを多孔質支持構造体の片側若しくは両側に有しているものである。油が差別層内の欠陥を通って液圧透過しないように、無欠陥、高密度、及び無孔質の差別層を有していることが必要である。多孔質の構造体の両側に無欠陥、高密度、及び無孔質の差別層を有する利点は、油の液圧透過の可能性が更に減少されることである。
【００７０】
中空繊維の場合、供給は、繊維の外側、若しくは繊維中空部内の膜に接触し得る。好適実施例は、より低い動作圧降下を提供するように、液体が外側に供給されるものである。
【００７１】
差別層又はスキンは、高密度で無孔質のこの層によって大量の油の輸送が不可能にされるものであれば、供給と化学的に適合する任意の系統のポリマーで構成されてよい。差別層又はスキンが油と化学的に適合するのは、それが油と化学反応しない場合、若しくは油との接触によって大きさ、強度、透過性、及び選択性等の物理的特性が悪影響を及ぼされない場合である。この高密度で、無孔質の層は、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレア、ポリエーテル−アミド、アモルファステフロン（登録商標）、ポリオルガノシラン、アルキルセルロース、及びポリオレフィン等（但し、これらだけに制限されるわけではない）を含むポリマーで構成されてよい。
【００７２】
液体は、膜と向流、並流、交差流、若しくは放射状交差流の構成で接触するようにされてよい。この流れは、流れのいずれか一方、若しくは両方（即ち、供給と透過）がよく混合されていてもよいし、又は混合されてなくてもよい。また、この流れは、いずれの流れも、そのようになっていなくてもよい。供給流は、好適にはよく混合されている。
【００７３】
低揮発性の液体（例えば、油）及び水を含んでいる液体の流れが、膜の無欠陥、高密度、且つ無孔質の層と接触するように容器中に供給され得る。しかしながら、本発明の動作は、この液体を容器中に供給して、高密度で無孔質の層と接触させることだけに制限されるものではない。本発明は、液体を容器中に供給して、高密度で無孔質の層又はスキンのない側の膜と接触させることによっても実施され得る。
【００７４】
透過側の水の分圧は、真空を適用することによって、若しくは二酸化炭素、アルゴン、水素、ヘリウム、窒素、メタン、又は好ましくは空気等の低い水蒸気分圧のスイープガスを用いることによって、減少させることが可能である。スイープを含む透過の流れは、好適には向流、交差流、若しくは放射状交差流の形態である。透過圧は、供給圧と等しくてもよいし、それより小さくてもよい。
【００７５】
代替的に、透過圧は、供給圧よりも大きくてもよい。透過圧が供給圧より大きい一例としては、スイープガスによって透過が除去される場合等があげられる。このスイープガスは、容器の透過側の圧力が容器の供給側の圧力よりも大きくなるように、脱水された圧縮空気又は窒素で構成されてよい。この筋書きでは、通常、供給から除去される高揮発性の活性は、透過側よりも供給側で局所的に大きくなる。
【００７６】
油脱水に基づく膜と共に、入ってくる流体のフィルタリングを行うことが好ましい。フィルタリングは、流れの中に混入している粒子状物質又は自由水を除去するのに用いられる。当技術分野で公知の、流体をフィルタリングするための技法がいずれも適切である。これによって、この流れの中に混入している粒子状物質による差別層の破壊を防止することが可能にされる。
【００７７】
本好適実施例では、膜は、多孔質の支持構造体の片側又は両側に高密度、無欠陥、且つ無孔質の差別層を備えた中空繊維で構成されている。本好適実施例では、供給側の境界層が最小化されている。更に、本好適実施例では、供給側を横切る圧力降下が最小化されている。透過された水は、真空又はスイープによって透過側から引出される。この水は、蒸気又は気体の相になっている。スイープは、気体若しくは液体の形態でをとり得る。更に、スイープは、低揮発性の液体よりも水に対してより低い活性を有し得る。
【００７８】
この装置は、真空清浄機及びその他の従来式脱水機が用いられている状況で適用され得る。この装置又は方法は、油脱水機が1台の装置の一部の貯蔵器に接続されている「腎臓ループ（kidney-loop）型」のシステム内で油を処理するのに用いられ得る。油は、処理貯蔵器から引出されて、脱水機を通して処理されてから貯蔵器に戻される。この油脱水器は、メインシステムの動作中又はメインシステムの停止中に、連続的に又は断続的に作動されてよい。更に、この装置は、貯蔵器内の流体を処理するために「オフライン式」に用いられてよい。この貯蔵器は、作動装置のいずれの部分にも接続されずに、流体を調整するように機能する。
【００７９】
従来式の適用に加えて、この装置は「インライン式」に用いられてもよい。供給空間及び透過空間が高密度で無孔質の障壁によって分離されているので、この装置は、供給及び透過が異なる圧力になるように動作させることが可能である。従って、この装置は、油を、その油を内部で用いるシステムの圧力であるように動作させることが可能である。それゆえに、これによって、本発明の好適実施例である、そのような装置及び方法を「インライン式」に用いる可能性が開拓される。従来式のオフライン式若しくは腎臓ループ型のシステムの必要性が減少又は除去され得る。本発明をインライン式、及びシステム圧力で利用可能にすることによって、その小型化及び軽量化が可能にされ、且つほとんど全ての液圧又は給油の装置に対して有用であるようにされる。更に、付加的な電源、ポンプ及び制御が不要であるので、固定式又は移動式の装置上で用いることが可能である。
【００８０】
次に、図面（類似の番号は、類似の要素を示している）を参照すると、図１は、半透過膜１８の平板の実施例である。この膜１８は、無孔質で無欠陥の差別層又はスキン２２と、支持構造体２４とを含んでいる。この差別層又はスキン２２は、支持構造体２４の片側若しくは両側に設けられる。
【００８１】
図１３乃至図１４を参照すると、半透過膜１８の修正実施例が図示されており、そこでは、差別層又はスキン２２が、膜の技術分野で公知の手法によって支持構造体２４と一体式に形成されている。前と同様に、差別層又はスキン２２は、支持構造体２４の片側又は両側に存在していてよい。
【００８２】
図２では、2つの平板状半透過膜１８が、複数の供給路スペーサ３４によって離間されている。このスペーサ３４は、充填用化合物を含む当技術分野で公知の種々の材料で作成又は形成されてよい。各膜１８は、スキン２２及び支持構造体２４を有している。供給流及び透過流が混合するのを防止するように構成された透過収集スペーサ２５が、膜１８とスペーサ３４との間に挿入されている。膜１８は、供給路スペーサ３４によって離間されている。
【００８３】
図３に図示されているのは、半透過膜２０の中空繊維の実施例である。この実施例では、中空繊維膜２０は、差別層２２及び支持構造体２４を含んでいる。この差別層は、繊維の内側又は外側の一方にあってもよいし、若しくは両方にあってもよい。
【００８４】
図１５乃至図１６を参照すると、中空繊維膜２０の修正実施例が図示されており、そこでは、差別層又はスキン２２が、膜の技術分野で公知の手法によって支持構造体２４と一体式に形成されている。前と同様に、差別層又はスキン２２は、支持構造体２４の片側又は両側に設けられていてよい。
【００８５】
図４−Ａには、マット３０に織込まれた複数の中空繊維半透過膜２０が図示されている。製織技術又は繊維技術の観点から言えば、この中空繊維膜２０が、従来的にマット３０の横糸を構成している。複数の充填材２８が、中空繊維膜２０をマットに織込むのに用いられている。この充填材２８は、マット又は繊維を織込むのに従来的に用いられる。
【００８６】
図４−ＡのＢ−Ｂ線に沿っての断面図が図４−Ｂに図示されている。図４−Ｂに用いられている参照番号は、以前に識別されたものと同一の要素を示している。繊維を損傷しないものであれば、中空繊維のマットを生成するのに任意の種類の製織処理が用いられてよい。
【００８７】
図４−Ｃには、マット３０が螺旋状に巻かれているのが図示されている。以下で詳述されるように、通常、充填化合物３５等の供給路スペーサ３４が、マット３０の端部に近接して適用されて、中空繊維２０の間の空間が充填される。
【００８８】
図４−Ｄでは、2つの中空繊維半透過膜２０が螺旋状に巻かれて「ロープ」３２を形成している。
【００８９】
図５では、平板状半透過膜１８が、公知の螺旋状巻きの構成及び技法を用いて螺旋状に巻かれており、それにより螺旋状に巻かれた構成部材内に供給空間及び透過空間が設けられている。膜１８を螺旋状に巻く前に、供給路スペーサ３４が差別層２２上に配置される。1より多い平板状半透過膜２０が、同時に螺旋状に巻かれてよい。通常、複数の平板状半透過膜１８が、互いに水平方向に配置される。これらの膜１８は、スペーサ３４で離間されてもよいし、離間されなくてもよい。次に、水平方向に配置された複数の平板膜２０で構成される組立体が、芯材６０（用いる場合）に対して螺旋状に巻かれる。通常、この螺旋は、より緊密に巻かれて、供給路スペーサ３４は、透過収集スペーサ２５に接触する。
【００９０】
図６には、真空透過型の本発明が、図示されている。油が膜１８と効果的に接触するように、水を含む供給４０が、膜分離装置の容器４２の供給側に導入される。膜２０と接触する前に、所望に応じて供給４０が加熱されてよい。脱水された低揮発性の液体は、容器４２から排出４４で除去される。透過４６は、真空ポンプ４８を用いて引出される。この供給４０は、所望に応じて、膜２０と平行方向、垂直方向、又はそれらを任意に組合わせた方向に流れてよい。透過４６も同様に、膜２０に対して平行方向、垂直方向、又はそれらを任意に組合わせた方向に流れてよい。所望に応じて、容器４２は加熱されてよい。
【００９１】
明らかに、容器４２は、所望する供給４０の流速、所望する動作圧降下、及び除去される水の量に対して適切な大きさにされる必要がある。透過４６は、交差流の構成で図示されているが、供給４０及び透過４６は、互いに関して向流、並流、又は放射状交差流で流れてもよい。
【００９２】
スイープガス型は、膜２０の透過側にスイープ流体５０のための流入口が設けられている図７及び図８に図示されている。この供給流は、フィルタ５２を用いて図８に図示されるようにフィルタリングされてもよい。
【００９３】
図９、図１０、図１１、及び図１２では、中空繊維２０の中空部側の流体が、充填化合物３４によって外側の流体から分離されている。図１１では、穿孔された芯材６０によって油が退出している。この穿孔された芯材６０は、穿孔部６４及び流出口６８を有するハウジング６２を備えた従来式の有孔芯材である。穿孔部は、複数の穿孔６６を有する。流出口６８は、容器４２の排出４４と連通している。穿孔は、任意の適切な大きさ又は構成であってよい。低揮発性の液体は、ハウジング６２及び穿孔部６４上を流れて、穿孔６６を通ってハウジング６２に進入して、且つ流出口６８を通って穿孔された芯材６０を退出する。
【００９４】
給油の油の他にも、この装置及び方法は、植物油、食品用油、シリコーン、若しくはその他の低揮発性の流体のように、その他の流体の脱水に用いることが可能である。
【００９５】
本明細書の上記中で用いられている用語及び表現は、制限のためでなく説明のために用いたものであり、そのような用語及び表現を用いることによって、図示及び説明されている種々の特性又はそれら特性の一部を除外することを企図したものではない。本発明の範囲は、付随の請求項によってのみ規定及び制限されることを認識されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、本発明で用いられている膜構成の斜視図である。
【図２】図２は、本発明に対して有用な膜の修正実施例の斜視図である。
【図３】図３は、本発明に対して有用な膜の更なる修正実施例の斜視図である。
【図４−Ａ】図４−Ａは、マットに織込まれた、図３に図示されているような複数の中空繊維膜の平面図である。
【図４−Ｂ】図４−Ｂは、図４−Ａの切断線Ｂ−Ｂに沿いに矢印方向にとられた断面図である。
【図４−Ｃ】図４−Ｃは、図４−Ｂに図示されているマットが螺旋状に巻かれた後の模式図である。
【図４−Ｄ】図４−Ｄは、図３に図示されているような2つの中空の半透過繊維膜構成が螺旋状に巻かれた後の斜視図である。
【図５】図５は、図１に図示されている構成が螺旋状に巻かれた後の模式図である。
【図６】図６は、水が真空ポンプによって除去されている、本発明を実施する例示的な膜分離方法の模式図である。
【図７】図７は、水がスイープガス流によって除去されている、図６に図示されている分離方法の修正実施例の模式図である。
【図８】図８は、上流のフィルタによって膜が供給流中の混入物から保護されている、図６に図示されている分離方法の更なる修正実施例の模式図である。
【図９】図９は、繊維の孔の中を供給が流れている、本発明の構成を実施する中空膜繊維装置の立面図である。
【図１０】図１０は、繊維の外側を供給が流れている、本発明の構成を実施する中空膜繊維装置の立面図である。
【図１１】図１１は、繊維の外側を供給が流れており、退出する油の向流に水が除去されている、本発明の構成を実施する中空繊維膜装置の立面図である。油は、穿孔された芯材を用いて引出されている。
【図１２】図１２は、水がスイープガスによって除去されている、本発明の構成を実施する中空繊維膜装置の立面図である。
【図１３】図１３は、膜が一体式に形成されたスキンを有している、図１に図示されている構成の修正実施例の斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３に図示されている構成の部分端面立面図である。
【図１５】図１５は、膜が一体式に形成されたスキンを有している、図３に図示されている構成の修正実施例の斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５に図示されている構成の部分端面立面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−Ａ】
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【図４−Ｂ】
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【図４−Ｃ】
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【図４−Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2005501168.tif 000021
【図１６】
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【国際公開パンフレット】
2005501168.tif 000023
2005501168.tif 000024
2005501168.tif 000025
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【国際調査報告】
2005501168.tif 000076