(57)【要約】【課題】水蒸気分離装置に用いられるガス分離体の分離性能を高めるとともに、信頼性を向上させる。【解決手段】水蒸気分離装置に用いられるガス分離体は、第１の面と、第２の面と、第１の面から第２の面に通じる細孔と、を有し、細孔を介して水蒸気の透過が可能な多孔質基材と、第１の面の上に設けられた、親水性の多孔質中間層と、多孔質中間層の上に設けられた、ガスから水蒸気を分離するためのゼオライト膜と、を具備する。多孔質中間層の一部は、多孔質基材に侵入しており、ゼオライト膜の一部は、多孔質中間層に侵入している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気分離装置に用いられるガス分離体において、
第１の面と、第２の面と、前記第１の面から前記第２の面に通じる細孔と、を有し、前記細孔を介して水蒸気の透過が可能な多孔質基材と、
前記第１の面の上に設けられた、親水性の多孔質中間層と、
前記多孔質中間層の上に設けられた、前記水蒸気を含むガスから前記水蒸気を分離するためのゼオライト膜と、
を具備し、
前記多孔質中間層の一部は、前記多孔質基材に侵入しており、
前記ゼオライト膜の一部は、前記多孔質中間層に侵入している、ガス分離体。
【請求項２】
前記ガスの温度は、２０℃以上３００℃以下である、請求項１に記載のガス分離体。
【請求項３】
前記多孔質基材は、シリコン、シリカ、ガラス、アルミナ、チタニア、ムライト、セラミックス、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、カーボン、グラファイト、ポリエチレンテレフタレート、フッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、及び液晶ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、請求項１又は請求項２に記載のガス分離体。
【請求項４】
前記多孔質基材の体積気孔率は、２０％以上８０％以下であり、
前記多孔質基材の平均細孔径は、０．０１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項５】
前記多孔質基材の目付量は、３０ｇ／ｍ２以上１５０ｇ／ｍ２以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項６】
前記多孔質基材の厚さは、３０μｍ以上１．５ｍｍ以下である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項７】
前記多孔質基材の熱膨張係数は、１×１０−７／Ｋ以上１×１０−５／Ｋ以下である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項８】
厚さ方向における前記多孔質基材の断面において、前記多孔質基材の表面の凹部の平均深さは０．０５μｍ以上５０μｍ以下であり、前記凹部の平均幅は１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項９】
前記多孔質中間層は、無機材料及び有機材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む物質を有し、
前記無機材料は、酸化物、窒化物、炭化物、水酸化物、ケイ酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも一つの無機化合物を含み、
前記無機化合物は、アルミニウム、シリコン、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、
前記有機材料は、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、及びポリエーテルサルフォンからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機化合物を含む、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１０】
前記多孔質中間層は、ベーマイト及び擬ベーマイトからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む物質を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１１】
前記多孔質中間層は、シリカと有機架橋基とを含むポリシルセスキオキサン、チタニア、ホスホン酸、及び有機架橋基を含むホスホン酸からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む物質を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１２】
前記物質は、粒子状、繊維状、数珠状、繊維のバンドル状、及び板状からなる群より選ばれる少なくとも一つの形状を有する、請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１３】
前記多孔質中間層の厚さは、１０ｎｍ以上２０μｍ以下である、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１４】
前記多孔質中間層は、多層膜である、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１５】
前記ゼオライト膜は、シリカ、シリケート、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、及びシリコアルミノシリケートからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む無機化合物を有する、請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１６】
前記ゼオライト膜は、ＭＦＩ型、ＦＡＵ型、ＭＯＲ型、ＭＥＬ型、ＦＥＲ型、ＢＥＡ型、ＣＨＡ型、ＡＦＩ型、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ゼオライトベータ、及びＤＤＲからなる群より選ばれる少なくとも一つの構造を有する、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１７】
前記ゼオライト膜の厚さは、１００ｎｍ以上１０μｍ以下である、請求項１ないし請求項１６のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１８】
前記多孔質基材への前記多孔質中間層の一部の平均侵入深さは、０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１ないし請求項１７のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項１９】
前記多孔質中間層への前記ゼオライト膜の一部の平均侵入深さは、１ｎｍ以上１μｍ以下である、請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項２０】
前記ガスは、
水素、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、１−ブテン、２−ブテン、エタノール、プロパノール、アンモニア、及び硫化水素からなる群より選択される少なくとも一つを含む気体をさらに含む、請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項２１】
前記気体に対する前記水蒸気の分離率は、２以上１０００００以下である、請求項２０に記載のガス分離体。
【請求項２２】
前記ガス分離体における前記水蒸気の透過速度は、４０ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ以上である、請求項１ないし請求項２１のいずれか一項に記載のガス分離体。
【請求項２３】
請求項１ないし請求項２２のいずれか一項に記載のガス分離体を具備し、
前記ゼオライト膜は、前記ガスが流れる第１の空間に面し、
前記多孔質基材は、第２のガスが流れる第２の空間に面し、
前記ガス分離体は、前記第１の空間と前記第２の空間とを仕切る、水蒸気分離装置。
【請求項２４】
前記第２の空間中の水蒸気の分圧を前記第１の空間中の水蒸気の分圧よりも低くする圧力調整部をさらに具備する、請求項２３に記載の水蒸気分離装置。
【請求項２５】
前記圧力調整部は、前記第１の空間に送る前記ガスの流量又は前記第２の空間に送る前記第２のガスの流量を調整する流量調整器を有する、請求項２４に記載の水蒸気分離装置。
【請求項２６】
前記圧力調整部は、前記第２の空間の圧力を前記第１の空間の圧力よりも低くする減圧器又は前記第１の空間の圧力を前記第２の空間よりも高くする加圧器を有する、請求項２５に記載の水蒸気分離装置。
【請求項２７】
前記圧力調整部は、前記第１の空間の圧力又は前記第２の空間の圧力を調整して前記第１の空間の圧力及び前記第２の空間の圧力を同じに調整する、請求項２５に記載の水蒸気分離装置。
【請求項２８】
前記圧力調整部は、前記第１のガス及び前記第２のガスが互いに逆行又は直交して流れるように、前記第１の空間における前記第１のガスの流れ方向又は前記第２の空間における前記第２のガスの流れ方向を調整するための送風機を有する、請求項２４ないし請求項２７のいずれか一項に記載の水蒸気分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガス分離体及び水蒸気分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空調や工業用プラント等で発生する複合ガスは、所望のガスではない水蒸気を大量に含むことが多く、水蒸気のみを分離するために蒸留や、水の凝縮を利用した分離、ゼオライトや活性炭、アルミナのような吸着材による吸着分離が行われている。水蒸気が発生する環境は多種多様で、それに応じて分離する際の温度条件も例えば２０℃から３００℃以上の広範な温度域に渡る。従って、室温だけでなく、高温でも水蒸気を低エネルギー・高効率に分離する技術の開発が進められている。
【０００３】
水の凝縮現象を利用した方式は、凝縮温度までガスの温度を下げる必要があるため、水蒸気分離後、所望の温度まで再加熱が必要となり、エネルギー効率が悪い。また吸着剤を用いた方式は、温度をほとんど変化させずに水蒸気のみを除去できるが、水蒸気を吸着材が飽和するまで吸着後、高温加熱により吸着した水蒸気を脱着し、吸着材を再生させる必要があるため、全体的な省エネルギー効果は水の凝縮を利用して方式より優れるが、連続分離方式には劣る。
【０００４】
現行の水蒸気分離方式に代わる省エネルギーで低コストの手法として、再生処理を必要としないガス分離体を用いた連続分離方式が検討されている。ガス分離体を用いた水蒸気分離装置の構造としては、例えばナフィオンのような親水性透過膜や、ポリイミドやフッ素樹脂等を用いた２枚の水蒸気透過性膜間に塩化リチウム水溶液等の液体吸収剤を充填したガス分離体を、水蒸気を多く含んだガスが流れる第１の空間とガス分離体を透過した水蒸気が流れる第２の空間との間に配置した構造が挙げられ、第１の空間のガスと液体吸収剤との間で水蒸気透過性膜を介して水蒸気の授受が行われる。高分子を用いた水蒸気透過性膜は自立膜として薄膜化でき、成形性に優れ、モジュールにした際にコンパクトにできるが、セラミックスのような無機分離膜と比較して、耐熱性・耐有機溶媒性が低く、二酸化炭素存在下での可塑化の危険性がある。また、単位面積あたりの水蒸気透過速度は遅いため、膜面積を増やすことで所望の水蒸気透過量を達成している。無機分離膜としては、自立膜だけでなく、多孔質基材の上に設けられ、ガス分離性能を有するセラミックス膜が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平１０−５０２６０９号公報
【特許文献２】特表２００５−５２８１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、水蒸気分離装置に用いられるガス分離体の分離性能を高めるとともに、信頼性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
水蒸気分離装置に用いられる実施形態のガス分離体は、第１の面と、第２の面と、第１の面から第２の面に通じる細孔と、を有し、細孔を介して水蒸気の透過が可能な多孔質基材と、第１の面の上に設けられた、親水性の多孔質中間層と、多孔質中間層の上に設けられた、水蒸気を含むガスから水蒸気を分離するためのゼオライト膜と、を有するガス分離体を具備する。多孔質中間層の一部は、多孔質基材に侵入しており、ゼオライト膜の一部は、多孔質中間層に侵入している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】水蒸気分離装置の構成例を示す図である。
【図２】水蒸気分離装置の他の構成例を示す図である。
【図３】ガス分離体の構造例を示す断面模式図である。
【図４】ガス分離体の部分断面模式図である。
【図５】ガス分離体の部分断面模式図である。
【図６】ガス分離体の断面のＳＥＭ像の一例を示す図である。
【図７】濃度の測定位置を含むＳＥＭ観察像の一例を示す図である。
【図８】各測定位置における各元素の濃度測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等
の方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。また、以下の説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されない。
【００１０】
図１は、水蒸気分離装置の構成例を示す図である。図１に示す水蒸気分離装置１は、対象空間内に存在する、水蒸気を含む空気等の対象ガスから水蒸気を分離し、対象空間内の水蒸気濃度を低下させることができる。対象ガスの温度は、例えば２０℃以上３００℃以下、さらには１００℃以上３００℃以下である。
【００１１】
図１に示す水蒸気分離装置１は、水蒸気を含む第１のガスが流れる空間Ｓ１を構成する分離室２と、乾燥空気等の気体を含む第２のガスが流れる空間Ｓ２を構成する透過室３と、分離室２と透過室３とを接続する接続路４と、接続路４内に配置され、分離室２と透過室３との間を仕切り第１のガスから水蒸気を分離するガス分離体５と、空間Ｓ１内の水蒸気の分圧を調整する圧力調整部６と、空間Ｓ２内の水蒸気の分圧を調整する圧力調整部７と、を具備する。圧力調整部６及び圧力調整部７の少なくとも一つは、必ずしも設けられなくてもよい。
【００１２】
分離室２は吸入口８Ａと吐出口９Ａとを有する。吸入口８Ａは、配管１０を介して圧力調整部６に接続され、圧力調整部６を介して第１のガスが送られる。第１のガスは、例えば水蒸気濃度の低減が必要な部屋、装置内部、工場内部（密閉空間等）、保管庫、貯蔵庫等の対象空間（図示せず）から分離室２に導入される。水蒸気濃度が低減された第１のガスは、吐出口９Ａ及び配管１３を介して対象空間に返送される。
【００１３】
透過室３は吸入口８Ｂと吐出口９Ｂとを有する。吸入口８Ｂは、配管１１を介して圧力調整部７に接続され、圧力調整部７を介して第２のガスが送られる。第２のガスの水蒸気分圧は、第１のガスの水蒸気分圧よりも低くてもよい。これにより、空間Ｓ１と空間Ｓ２の間の水蒸気分圧差を大きくすることができる。第１のガスから分離された水蒸気（透過室３に透過したガス）は、第２のガスと共に吐出口９Ｂ及び配管１５を介して大気中に放出されるか、必要に応じて回収される。
【００１４】
圧力調整部６及び圧力調整部７は、空間Ｓ２の水蒸気の分圧を空間Ｓ１の水蒸気の分圧よりも低くする。これにより、空間Ｓ１中の水蒸気を対象ガスから分離してガス分離体５を介して空間Ｓ２に透過させることができる。
【００１５】
圧力調整部６、圧力調整部７はそれぞれ送風機６１、送風機７１を有する。送風機６１は、空間Ｓ１中の第１のガスの流れ方向や速度を調整する。送風機７１は、空間Ｓ２中の第２のガスの流れ方向や速度を調整する。送風機６１及び送風機７１により、空間Ｓ１の水蒸気の分圧と空間Ｓ２の水蒸気の分圧とをそれぞれ調整することができる。第１のガス及び第２のガスは、例えば互いに逆並行又は直交して流れるように調整される。第１のガス及び第２のガスは互いに接触しないように流れることが好ましい。
【００１６】
圧力調整部６、圧力調整部７はそれぞれ流量調整器６２、流量調整器７２をさらに有する。流量調整器６２は、空間Ｓ１に送る第１のガスの流量を調整する。流量調整器７２は、空間Ｓ２に送る第２のガスの流量を調整する。流量調整器６２及び流量調整器７２により、空間Ｓ１の水蒸気の分圧と空間Ｓ２の水蒸気の分圧とをそれぞれ調整することができる。なお、空間Ｓ１の圧力と空間Ｓ２の圧力を同じにしつつ第１のガス及び第２のガスの少なくとも一つの流量を調整してもよい。
【００１７】
圧力調整部６及び圧力調整部７の構成は、図１に示す構成に限定されない。水蒸気分離装置の他の構成例について図２を参照して説明する。なお、図１に示す水蒸気分離装置１と同一の構成要素については、図１の説明を適宜援用することができる。
【００１８】
図２は、水蒸気分離装置の他の構成例を示す図である。図２に示すように、圧力調整部６、圧力調整部７はそれぞれ加圧器６３、減圧器７３をさらに有していてもよい。加圧器６３は、空間Ｓ１の圧力を空間Ｓ２の圧力よりも高くする。加圧器６３としては、例えばコンプレッサ等が挙げられる。減圧器７３は、空間Ｓ２の圧力を空間Ｓ１の圧力よりも低くする。減圧器７３としては、例えば減圧ポンプ等が挙げられる。加圧器６３は、流量調整器６２を介して配管１０に接続され、流量調整器７２は、配管１５を介して透過室３に接続される。加圧器６３及び減圧器７３により、空間Ｓ１の水蒸気の分圧と空間Ｓ２の水蒸気の分圧とをそれぞれ調整することができる。なお、図１に示す構成に加え、加圧器６３及び減圧器７３の少なくとも一つを設けてもよい。また、図２に示す構成に加え、送風機６１及び送風機７１の少なくとも一つを設けてもよい。
【００１９】
次に、ガス分離体５について、図３を参照して説明する。図３はガス分離体５の構造例を示す断面模式図である。図３に示すガス分離体５は、多孔質基材５１と、多孔質基材５１の上に設けられた親水性の多孔質中間層５２と、多孔質中間層５２の上に設けられたゼオライト膜５３と、を有する。
【００２０】
多孔質基材５１は、面５１ａと、面５１ａの反対側の面５１ｂと、面５１ａから面５１ｂに通じ且つ水蒸気の透過が可能な複数の細孔（図示せず）とを有する。面５１ｂは、空間Ｓ２に面する。
【００２１】
多孔質基材５１の構成材料は、特に限定されず、多孔質中間層５２やゼオライト膜５３を支持する機能を維持し得ると共に、水蒸気の通過を妨げない材料からなるものであればよい。多孔質基材５１の構成材料としては、例えば酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物等のセラミックス材料、樹脂材料、炭素材料、金属材料等が挙げられる。多孔質基材５１の構成材料は疎水性・親水性に限定されず、例えば疎水性を有する場合、水蒸気の透過速度を向上させることができる。
【００２２】
多孔質基材５１は、例えばシリコン、シリカ、ガラス、アルミナ、チタニア、ムライト、セラミックス、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、カーボン、グラファイト、ポリエチレンテレフタレート、フッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、及び液晶ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。また、複数の上記材料の混合物を含んでいてもよい。多孔質基材５１は、例えば多孔質セラミックス、有機多孔質体、カーボン繊維成形体、合成繊維や天然繊維の成形体（紙を含む）や不織布等で構成されてもよい。
【００２３】
多孔質基材５１が厚過ぎると水蒸気透過速度が遅くなり、ガス分離性能が低下するだけでなく、熱伝導性が低下するために、第１のガスから水蒸気を分離する際の熱交換にロスが生じやすくなる。薄過ぎるとハンドリングの際にたわみ等の変形が生じ、多孔質中間層５２及びゼオライト膜５３に亀裂等の欠陥が生じるだけでなく、破損するおそれがある。よって、多孔質基材５１の厚さは、３０μｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましく、７０μｍ以上３００μｍ以下であることがさらに好ましい。多孔質基材５１の全体形状は、特に限定されず、水蒸気分離装置１の構成に応じてディスク状（円柱状）や直方体状等の各種形状を適用することができる。
【００２４】
多孔質基材５１の体積気孔率（多孔質基材５１内の細孔の体積率）が低過ぎると、単位体積中のガス流路が減るため、分離効率の低下要因となり、また高過ぎると、機械的強度を維持できなくなる。よって、多孔質基材５１の体積気孔率は、２０％以上８０％以下であることが好ましく、３０％以上７０％以下であることがより好ましい。多孔質基材５１の体積気孔率は水銀圧入法により測定した値により表される。
【００２５】
多孔質基材５１の平均細孔径が大き過ぎると多孔質中間層５２に陥没・亀裂が生じて分離性能を悪化させ、小さ過ぎると水蒸気の透過速度が低下する要因となる。よって、多孔質基材５１の平均細孔径は、０．０１μｍ（１０ｎｍ）以上１００μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ（１００ｎｍ）以上５０μｍ以下であることがより好ましく、０．１μｍ以上２０μｍ以下であることがさらに好ましい。多孔質基材５１の平均細孔径は、水銀圧入法により測定した値により表される。
【００２６】
多孔質基材５１の表面凹凸は、その表面に形成される多孔質中間層５２を薄く平滑に形成するために非常に重要であり、凹部は小さければ小さい方が好ましいが、小さくなるほど製造コストが大幅に上昇する。凹部は以下のように定義される。ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により厚さ方向における多孔質基材５１の断面において、多孔質基材５１と多孔質中間層５２の界面付近を観察する。多孔質基材５１の凹部の基材の上端からの深さを凹部の深さと定義し、窪みを挟んで隣接する上端間の距離を凹部の幅と定義したときに、平均深さは０．０５μｍ（５０ｎｍ）以上５０μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。平均幅は０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。平均深さ及び平均幅は、１０箇所の凹部の深さ及び幅の平均値である。
【００２７】
多孔質基材５１の密度は目付量（ｇ／ｍ２）により定義され、目付量が少な過ぎると平均細孔径が大きくなる傾向があり、多過ぎると密度が高くなり、透過抵抗が上昇してしまう。よって、目付量は、３０ｇ／ｍ２以上１５０ｇ／ｍ２以下であることが好ましく、５０ｇ／ｍ２以上１２０ｇ／ｍ２以下であることがより好ましく、７０ｇ／ｍ２以上１００ｇ／ｍ２以下であることがさらに好ましい。目付量は、単位面積（通常は１ｍ２）あたりの重量を測定することにより求められる。
【００２８】
多孔質基材５１は、多孔質中間層５２やゼオライト膜５３との熱膨張係数差が大き過ぎると、昇温及び降温時に界面で変形・亀裂が生じやすくなるため、できる限り差が小さくなるような組み合わせが求められる。よって、多孔質基材５１の熱膨張係数は、１×１０−７／Ｋ以上１×１０−５／Ｋ以下であることが好ましく、５×１０−７／Ｋ以上５０×１０−６／Ｋ以下であることがより好ましく、１×１０−６／Ｋ以上５０×１０−６／Ｋ以下であることがさらに好ましい。
【００２９】
多孔質基材５１の形状は特に限定されないが、例えば板状、円筒状、波形状、フィルタ状、ハニカム状であることが好ましく、板状、フィルタ状であることがさらに好ましい。
【００３０】
多孔質中間層５２は、面５１ａの上に設けられている。多孔質中間層５２が薄過ぎると、多孔質中間層５２の表面の平滑性が低下してゼオライト膜５３を成膜しにくくなり、厚過ぎると透過抵抗が増大するだけでなく、多孔質中間層５２の内部で亀裂が発生し、剥離の要因となる。よって、多孔質中間層５２の平均厚さは、５ｎｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３１】
多孔質中間層５２の平均厚さは、以下のようにして測定される。ガス分離体５から無作為に多孔質中間層５２内の６点を選択する。選択した各点の断面を、断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察して観察像を得る。観察像の層内に厚さ方向に直線を引き、層の上面及び下面と交わる２点の距離が最短となる長さを求める。１視野について３箇所以上で、上面及び下面と交わる２点間の最短距離を求めて平均値を算出する。選択した６点の各視野で、２点間の最短距離の平均値を求め、これらの値の平均値を多孔質中間層５２の平均厚さとする。
【００３２】
多孔質中間層５２は、例えば無機材料及び有機材料からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。なお、多孔質中間層５２は、上記物質を有する多層膜により構成されてもよい。
【００３３】
無機材料は、例えば酸化物、窒化物、炭化物、水酸化物、ケイ酸塩、炭酸塩、及びリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも一つの無機化合物を含む。無機化合物は、例えばアルミニウム、シリコン、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。
【００３４】
有機材料は、例えばセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、及びポリエーテルサルフォンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む物質を有する。
【００３５】
多孔質中間層５２がアルミニウムを含む場合、ベーマイト及び擬ベーマイトからなる群から選ばれる少なくとも一つを含む。擬ベーマイトは、ベーマイトと結晶構造の一部が異なるアルミナ水和物を含む材料である。ベーマイト及び擬ベーマイトは、表面や結晶の層間にＯＨ基が多く存在するため、水蒸気を吸着・保持しやすく、例えばガスが透過する連続した細孔に水蒸気が溜まれば水蒸気で細孔を狭める又は閉塞するような、いわゆるウェットシール構造が形成され、ガス分離に対し、有利に働く。
【００３６】
多孔質中間層５２がシリコンを含む場合、シリカ、オルガノシリカ、有機架橋基を含む架橋ポリシルセスキオキサンからなる群から選ばれる少なくとも一つを含む。多孔質中間層５２がリンを含む場合、オルガノホスホン酸、有機架橋基を含む架橋ホスホン酸からなる群から選ばれる少なくとも一つを含む。いずれの材料においても様々な有機架橋基を選択することができるため構造全体の親水／疎水性を制御しやすく、例えばヒドロシリル基のような親水性基を導入すれば、別途親水化処理することなくガスが透過する細孔壁面を親水性にすることが可能となる。
【００３７】
上記物質は、例えば繊維状、数珠状、繊維のバンドル状、及び板状からなる群より選ばれる少なくとも一つの形状を有する。なお、異なる形状を有する複数の上記物質の混合物又は積層体でもよい。
【００３８】
多孔質中間層５２は、例えば浸漬法、ディップコート法、ドクターブレード法、スピンキャスト法、スプレー法、ダイコート法、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法、又はスパッタリングにより形成される。
【００３９】
ゼオライト膜５３は、例えば結晶性ゼオライトを含んでおり、ゼオライトを多孔質中間層５２の表面に結晶成長させる及び成膜することにより形成される多結晶膜である。水蒸気は、ケルビンの毛管凝縮理論により凝縮されてゼオライト膜５３の細孔を埋めることにより、ウェットシール構造を形成する。ウェットシール構造により水蒸気を吸着して空間Ｓ２中に移動させることができる。また、ウェットシール構造は、水蒸気を除く気体の透過を抑制する。すなわち、ウェットシール構造により、水が透過しやすく、水蒸気を除く気体が透過しにくい構造を有するゼオライト膜５３を実現することができる。
【００４０】
ゼオライト膜５３は、例えば多孔質中間層５２の表面に塗布したゼオライト種晶をゼオライト原料溶液に浸漬しながら水熱合成を行い、種晶の一部溶解後、再結晶化することにより緻密・薄膜化される。ゼオライト種晶を必ずしも原料溶液に浸漬しなくてもよい。例えば、ゼオライト種晶とアルカリと水とからなる前駆体ゲルを塗布し、前駆体ゲル層が塗布された多孔質基材５１を水蒸気存在下で加熱処理を行うことによりゼオライト膜５３を形成することができる。
【００４１】
ゼオライト種晶は骨格構造にシリコンを含むシリカ、シリケート、アルミノケイ酸、又は骨格構造にアルミニウムを含むアルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェートから構成されることが好ましい。すなわち、ゼオライト膜５３は、シリカ、シリケート、アルミノシリケート、アルミノホスフェート、及びシリコアルミノシリケートからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む無機化合物を有することが好ましい。
【００４２】
ゼオライト膜５３の構造としては、ＩＺＡ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｚｅｏｌｉｔｅ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）が定めるコードにより表される、ＬＴＡ，ＦＥＲ，ＭＦＩ、ＦＡＵ，ＤＤＲ，ＮＳＩ，ＡＣＯ、ＡＥＩ、ＡＥＬ、ＡＥＴ、ＡＦＧ、ＡＦＩ、ＡＦＮ、ＡＦＲ、ＡＦＳ、ＡＦＴ、ＡＦＸ、ＡＦＹ、ＡＳＴ、ＡＴＮ、ＡＴＯ、ＡＴＳ、ＡＴＴ、ＡＷＷ、ＢＥＡ、ＢＥＣ、ＢＯＧ、ＢＰＨ、ＢＲＥ、ＣＡＮ、ＣＧＦ、ＣＧＳ、ＣＨＡ、ＣＯＮ、ＣＺＰ、ＤＦＯ、ＤＦＴ、ＤＯＮ、ＥＡＢ、ＥＤＩ、ＥＭＴ、ＥＯＮ、ＥＲＩ、ＥＳＶ、ＥＴＲ、ＥＺＴ、ＦＡＲ、ＦＲＡ、ＧＩＳ、ＧＩＵ、ＧＭＥ、ＨＥＵ、ＩＦＲ、ＩＳＶ、ＩＴＥ、ＩＷＲ、ＩＷＶ、ＩＷＷ、ＫＦＩ、ＬＥＶ、ＬＩＯ、ＬＯＳ、ＭＡＲ、ＭＡＺ、ＭＥＩ、ＭＥＲ、ＭＯＲ、ＭＯＺ、ＭＳＥ、ＭＷＷ、ＮＡＢ、ＯＢＷ、ＯＦＦ、ＯＳＯ、ＯＷＥ、ＰＡＵ、ＰＨＩ、ＲＨＯ、ＲＳＮ、ＲＴＥ、ＲＴＨ、ＳＡＯ、ＳＡＳ、ＳＡＴ、ＳＡＶ、ＳＢＥ、ＳＢＳ、ＳＢＴ、ＳＦＦ、ＳＦＯ、ＳＩＶ、ＳＯＤ、ＳＯＳ、ＳＴＦ、ＳＴＩ、ＳＴＴ、ＴＥＲ、ＴＯＬ、ＴＳＣ、ＵＦＩ、ＵＯＺ、ＵＳＩ、ＵＴＬ、ＶＦＩ、ＶＮＩ、ＶＳＶ、−ＷＥＮ、ＺＯＮ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ゼオライトベータ、又はＤＤＲが挙げられるが、ゼオライト膜５３は中でも、耐久性の点から、ＭＦＩ型、ＦＡＵ型、ＭＯＲ型、ＭＥＬ型、ＦＥＲ型、ＢＥＡ型、ＣＨＡ型、ＡＦＩ型、ＡＮＡ型、ＳＯＤ型、ＧＩＳ型、ＧＭＥ型、ＥＭＴ型、ＯＦＦ型、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ゼオライトベータ、又はＤＤＲであることが好ましく、特に、ＭＦＩ型、ＦＡＵ型、ＭＯＲ型、ＭＥＬ型、ＦＥＲ型、ＢＥＡ型、ＣＨＡ型、ＡＦＩ型、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、ゼオライトベータ、又はＤＤＲであることが好ましい。
【００４３】
ゼオライト種晶は骨格構成元素であるアルミニウム、シリコン、リンの他に、イオン交換可能な元素として、水素（プロトン）、アルカリ金属元素（具体的にはリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、又はアルカリ土類金属元素（マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、又はバリウム（Ｂａ））を含むことが好ましく、水素（プロトン）、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａがより好ましい。また、アルカリ金属、アルカリ土類金属は２種類以上を含有してもよい。
【００４４】
ゼオライト膜５３の成膜方法は特に限定されず、例えばオートクレーブを用いた一般的なバッチ方式の水熱合成法により形成されてもよい。また多孔質中間層５２上にゼオライト種晶とアルカリと水を含んだ前駆体ゲルを塗布後、水蒸気存在下で加熱処理してもよい。このとき前駆体ゲル中の種晶は微小な塊として存在し、結晶成長時の基点になるため、種晶がない場合と比較して結晶化をより進めることができる。ゼオライト種晶を含まなくてもゼオライト膜を形成することができるが、ゼオライト種晶を含んだ場合と比較して、膜成長が遅く、クラックが残存しやすくなるため、同等の分離性能を得るためには、より厚膜化する必要がある。
【００４５】
ゼオライト膜５３は、空間Ｓ１に面する面５３ａと、多孔質中間層５２と接する面５３ｂとを有している。ゼオライト膜５３は、結晶構造内にオングストロームオーダーからナノメートルオーダーの細孔、また数十ｎｍから数十μｍサイズのゼオライト粒子間に空間（図示せず）を有しており、これらの細孔及び空間の少なくとも一部は面５３ｂから面５３ａに通じている。このため、特定のサイズ以下の分子のみを通過させる、いわゆる「分子ふるい効果」を有する材料として知られている。本材料はこの分子ふるい効果を利用して、蒸留塔でのアルコール分離や天然ガス中のＣＯ２分離等にも用いることができる。ゼオライト膜５３は、繊維状・粒状アルミナの無機分離膜のように、多結晶膜であるため、粒界を利用して対象物を分離することもできる。
【００４６】
ゼオライト膜５３内に設けられた空間は、後に詳述するように、例えばウェットシール構造を形成して水蒸気の移動経路を構成する。水蒸気が細孔内を面５３ｂから面５３ａ又は面５３ａから面５３ｂに向けて移動することによって、対象ガスから水蒸気が分離される。微細孔のウェットシール構造は必要に応じて形成され、場合によっては細孔が完全にウェットシールで閉塞せずとも細孔を狭めるだけでも水蒸気等を分離することもできる。
【００４７】
ゼオライト膜５３は薄過ぎると、クラックやピンホールが残存して水蒸気を含んだ対象ガスから水蒸気を分離できず、厚過ぎると分子ふるい及びウェットシール構造により水蒸気を分離する箇所が増えるため分離率は上がるが、透過抵抗が増えるため水蒸気の透過速度は減少してしまう。よって、ゼオライト膜５３の平均厚さは０．１μｍ（１００ｎｍ）以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ（５００ｎｍ）以上５μｍ以下であることがより好ましく、０．５μｍ以上２μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４８】
ゼオライト膜５３の平均厚さは以下のようにして測定するものとする。ガス分離体５から無作為にゼオライト膜５３内の６点を選択する。選択した各点の断面を、断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察して観察像を得る。観察像の膜内に厚さ方向に直線を引き、膜の上面及び下面と交わる２点の距離が最短となる長さを求める。１視野について３箇所以上で、上面及び下面と交わる２点間の最短距離を求めて平均値を算出する。選択した６点の各視野で、２点間の最短距離の平均値を求め、これらの値の平均値をゼオライト膜５３の平均厚さとする。
【００４９】
ゼオライト膜５３の平均細孔径は、０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらには０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、ゼオライト膜５３内にウェットシール構造が形成されやすくなると共に、分離対象ガスの適度な透過流量を確保することができる。ゼオライト膜５３の平均細孔径は、物理ガス吸着法のＢＪＨ（Ｂａｒｒｅｔｔ，Ｊｏｙｎｅｒ，Ｈａｌｌｅｎｄｅｒ）法により評価することができる。
【００５０】
ゼオライト膜５３は、耐熱性や耐有機溶媒性、二酸化炭素への耐可塑性に優れ、高温での分離に有用な候補材料であるが、多結晶膜であるため、ピンホールやクラックが発生しやすい。これらを抑制するためにゼオライト膜を厚くすると透過速度が減少する。ゼオライト膜を実用化するためには分離率を悪化させる欠陥の抑制と、透過速度向上のための薄膜化との両立を必要とする。
【００５１】
例えば、アルミナ焼結体からなるセラミックス多孔体等の多孔質基材５１上にゼオライト膜５３を直接成膜する場合、製造プロセス上、多孔質基材５１がチューブ状に限定され、機械的強度を維持するために１ｍｍ以下に薄くすることができず、高分子膜と比較してモジュールが大きくなる。多孔質基材５１は、ガス分離膜をその表面に成膜するために重要な表面平滑性や気孔率、平均細孔径を制御する必要があり、非常に高コストである。
【００５２】
広範温度域に適用しながら、厚み等の形状自由度が高く、コンパクトな水蒸気分離装置を製造するためには、高分子膜並みの特性を有する多孔質基材５１上にゼオライト膜５３を成膜することが好ましい。セラミックス多孔体に代わる耐熱性基材としては、例えば多孔質カーボンや金属メッシュ、耐熱性高分子樹脂が挙げられる。上記した多孔質基材は疎水性・撥水性であり、上面に形成する分離膜の性質によっては界面で剥離してしまい、膜として維持させることが困難である。
【００５３】
これに対し、ガス分離体５は、多孔質基材５１とゼオライト膜５３との間に多孔質中間層５２を設け、多孔質中間層５２及びゼオライト膜５３と多孔質基材５１が一部相互に侵入する構造を有する。図３において、多孔質中間層５２の一部は、多孔質基材５１に侵入しており、ゼオライト膜５３の一部は、多孔質中間層５２に侵入している。
【００５４】
図４及び図５は、ガス分離体５の部分断面模式図である。ガス分離体５において、図４及び図５に示すように多孔質中間層５２の一部５２ｘは、多孔質基材５１の細孔５４の内壁５４ａに沿って侵入することで、多孔質中間層５２による親水性の付与及び多孔質基材５１の表面平滑性を向上させるだけでなく、ゼオライト膜５３の厚膜化を抑制しつつ多孔質基材５１と多孔質中間層５２とのアンカー効果を高めることができる。また、第１のガスから水蒸気を分離する際に、図５に示すように多孔質中間層５２の一部５２ｘに沿ってウェットシール層５５が形成されることにより細孔５４を狭めることができる。なお、ウェットシール層５５により細孔５４が閉塞されてもよい。多孔質中間層５２の多孔質基材５１への侵入深さが小さ過ぎると剥離抑制効果が不十分であり、大き過ぎると透過抵抗が増大し、透過速度の減少を招く。多孔質中間層５２の多孔質基材５１への平均侵入深さは０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上１μｍ以下であることがより好ましく、０．１μｍ以上１μｍ以下であることがさらに好ましい。多孔質基材５１への多孔質中間層５２の侵入深さは、例えば多孔質中間層５２の成膜時間に応じて変化する。
【００５５】
ゼオライト膜５３の一部は、例えば多孔質中間層５２の細孔の内壁に沿って侵入する。ゼオライト膜５３の一部を多孔質中間層５２に侵入させることにより、ゼオライト膜５３の厚膜化を抑制しつつ多孔質中間層５２とゼオライト膜５３とのアンカー効果を高め、多孔質中間層５２からのゼオライト膜５３の剥離を抑制することができる。ゼオライト膜５３の多孔質中間層５２に対する侵入深さが小さ過ぎると剥離抑制効果が不十分であり、大き過ぎると透過抵抗が増大し、透過速度の減少を招く。よって、ゼオライト膜５３の多孔質中間層５２への平均侵入深さは１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。ゼオライト膜５３の多孔質中間層５２への侵入深さは、例えばゼオライト種晶の塗布量やゼオライト膜の成膜時間に応じて変化する。
【００５６】
多孔質基材５１への多孔質中間層５２の平均侵入深さ及び多孔質中間層５２へのゼオライト膜５３の平均侵入深さは、以下のように算出される。ガス分離体５から無作為にゼオライト膜５３の一部を含む６箇所を選択する。選択した各箇所の断面を、ＳＥＭにより加速電圧１０ｋＶで測定して観察像を得る。図６は、ガス分離体５の断面のＳＥＭ像の一例を示す図である。
【００５７】
次に、観察像において、多孔質基材５１からゼオライト膜５３まで厚さ方向に直線を引き、一定間隔ごとに６点以上、多孔質基材５１を構成する主元素Ｍ１の濃度（原子％）、多孔質中間層５２を構成する主元素Ｍ２の濃度（原子％）、ゼオライト膜５３を構成する主元素Ｍ３の濃度（原子％）をＳＥＭ−ＥＤＳ（ＳＥＭ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ：ＥＤＳ）を用いて測定する。主元素Ｍ１は、多孔質基材５１中で最も高い濃度の元素である。主元素Ｍ２は、多孔質中間層５２中で最も高い濃度の元素である。主元素Ｍ３は、ゼオライト膜５３中で最も高い濃度の元素である。主元素Ｍ１乃至Ｍ３は互いに異なることが多いが、重複する場合は重複しない組み合わせになるように二番目に高い濃度の元素を選択する。
【００５８】
多孔質中間層５２内の主元素Ｍ２の平均濃度を１００％としたときに、多孔質基材５１の上端から多孔質基材５１の内部において主元素Ｍ２の濃度が多孔質中間層５２内の主元素Ｍ１の濃度の５０％になる点までの距離を多孔質基材５１への多孔質中間層５２の侵入深さと定義し、６箇所での侵入深さの平均値を平均侵入深さとする。
【００５９】
ゼオライト膜５３内の主元素Ｍ３の平均濃度を１００％としたときに、多孔質中間層５２の上端から多孔質中間層５２の内部において主元素Ｍ３の濃度がゼオライト膜５３内のＭ３濃度の５０％になる点までの距離を多孔質中間層５２へのゼオライト膜５３の侵入深さと定義し、６箇所での侵入深さの平均値を平均侵入深さとする。
【００６０】
図７は、濃度の測定位置を含むＳＥＭ観察像の一例を示す図であり、図８は、各測定位置における各元素の濃度測定の結果を示す図である。図７は、１〜２μｍ間隔で設定された９点の測定位置（測定位置１〜９）を示し、各々の測定位置でおよそ１μｍ２の面積になるように測定面積を決定する。図８から、多孔質基材５１内の測定位置７において主元素Ｍ２（Ａｌ）の濃度が多孔質中間層５２内の主元素Ｍ２の濃度の５０％以下になっていることがわかる。よって、多孔質基材５１への多孔質中間層５２の侵入深さは、５００ｎｍである。また、測定位置２において主元素Ｍ３（Ｓｉ）の濃度がゼオライト膜５３内の主元素Ｍ３の濃度の５０％以下になっていることがわかる。よって、多孔質中間層５２へのゼオライト膜５３の侵入深さは、２４０ｎｍである。
【００６１】
水蒸気分離装置において所望の透過物質は水蒸気であり、所望外の透過物質は特に限定されない。例えば、第１のガスは、水素、窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、１−ブテン、２−ブテン、エタノール、プロパノール、アンモニア、及び硫化水素からなる群より選択される少なくとも一つ以上を含む気体を含んでいてもよい。
【００６２】
水蒸気分離性能を評価する指標として、例えば水蒸気と空気の分離率や水蒸気のガス分離体に対する透過速度が挙げられる。水蒸気と空気の分離率αは式１に示す式を用いて算出される。また水蒸気透過速度Ｖ（ｇ／ｈｏｕｒ／ｍ２／ｋＰａ）は式２に示す式を用いて算出される。
【００６３】
水蒸気透過速度Ｖ＝ガス分離体５を透過した水蒸気量（ｇ）／（計測時間（ｈ）×膜面積（ｍ２）×水蒸気分圧（ｋＰａ））  （式１）
【００６４】
水蒸気／空気分離率α＝（ガス分離体５を透過した水蒸気のモル数／第２のガスの空気（酸素）のモル数）／（第１のガスの水蒸気のモル数／第１のガスの空気（酸素）のモル数）  （式２）
【００６５】
水蒸気分離装置において、所望の透過物質／所望外の透過物質の分離率は高ければ高いほど省エネルギー効果が高いが、分離率が高いほど透過速度が低下する傾向があるため、水蒸気透過速度Ｖとの兼ね合いから分離率αは２以上１０００００以下であることが好ましく、５以上５０００以下であることがより好ましく、１０以上５００以下であることがさらに好ましい。水蒸気透過速度Ｖは、４０ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ以上であることが好ましく、６０ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ以上であることがより好ましく、８０ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ以上であることがさらに好ましい。
【００６６】
第１のガスが第２のガスよりも高温である場合、第１のガスに含まれる熱（顕熱と潜熱）は、ガス分離体５を介して低湿に調整された第２のガスに移動する。第１のガスが第２のガスよりも低温である場合、第２のガスに含まれる熱は、ガス分離体５を介して第１のガスに移動する。このように、ガス分離体５は、第１のガスと第２のガスとの間で全熱を交換することもできる。
【００６７】
以上のように、実施形態の水蒸気分離装置は、２０℃から３００℃までの広範囲な温度域において、実用的な水蒸気分離性能を維持しつつ、空調やプラント等に応用可能な性能、強度、信頼性を得ることができる。
【実施例】
【００６８】
（実施例１）
多孔質基材である多孔質カーボンの表面に繊維状ベーマイト分散液（川研ファインケミカル社製アルミナゾル液Ｆ１０００（平均直径ｄ＝４ｎｍ、平均長さｌ＝１．４μｍ）)を吐出圧０．３ＭＰａ、スプレー時間２分でスプレーコートにより塗布し、４０℃で乾燥させた後、１５０℃で熱処理して、ベーマイトを含む繊維状無機物質からなる多孔質中間層を形成した。多孔質カーボンの仕様を表１に示す。
【００６９】
次に、種晶用の２質量％ＭＦＩゼオライト水溶液に上記多孔質中間層まで形成した多孔質基材を鉛直方向にディップコートし、風乾後、１００℃で乾燥させてゼオライト種晶を形成した。Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製４０％コロイダルシリカ、和光純薬社製水酸化ナトリウム、及び純水を２４時間攪拌混合した。得られたシリコン溶液に、和光純薬社製アルミン酸ナトリウム、和光純薬社製水酸化ナトリウム、及び純水を７時間撹拌混合したアルミニウム溶液を添加し、さらに１０分攪拌して、ゼオライト膜原料溶液を調製した。ゼオライト膜原料溶液の組成（モル比）は、Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２：ＮａＯＨ：Ｈ２Ｏ＝０．０１：１：０．５：１８０を満たす。
【００７０】
上記ゼオライト膜原料溶液を、フッ素樹脂ライニングされたオートクレーブ中に注ぎ、その中に上記ゼオライト種晶まで形成した多孔質基材を鉛直方向に浸漬し、自己発生圧力下１６０℃で４８時間水熱合成した。反応後、純水で超音波洗浄を行い、洗浄液がｐＨ＝７になるまで繰り返し洗浄した。洗浄後、１００℃で乾燥し、ガス分離体を作製した。ガス分離体の仕様を表２に示す。
【００７１】
ガス分離体の断面構造はＳＥＭ（ＪＥＯＬ社製  ＪＳＭ−７０００）により加速電圧１０ｋＶで測定した。各層における、主元素Ｍ１（Ｃ）、主元素Ｍ２（Ａｌ）、及び主元素Ｍ３（Ｓｉ）の濃度やその比率はＳＥＭ−ＥＤＳ（ＪＥＯＬ社製  ＪＳＭ−７００１Ｆ）により加速電圧１０ｋＶで測定した。表２に示すように、上記ガス分離体におけるゼオライト膜の厚さは２μｍ、多孔質中間層の厚さは５０ｎｍ、多孔質中間層の多孔質基材への侵入深さは５００ｎｍであり、ゼオライト膜の多孔質中間層への侵入深さは１００ｎｍであった。
【００７２】
上記ガス分離体を水蒸気分離装置として組み込んで、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。水蒸気分離装置に対する水蒸気透過速度を３５℃、相対湿度５５％の湿潤空気をガス分離体のゼオライト膜側に供給し、多孔質基材側に湿潤空気と同温の乾いた窒素ガスを供給したときに、ガス分離体を透過した水蒸気量（ｇ）は式１を用いて単位時間、単位面積当たりに換算した値とする。また水蒸気と対象外のガス、例えば空気との分離率は、ガス分離体を通過してくる酸素量から空気量を算出し、上記水蒸気量から式２を用いて算出した値とする。表３に示すように、α＝４、Ｖ＝６４（ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ）であった。ガス透過試験を複数回繰り返して実施しても、いずれも同様な結果が得られた。
【００７３】
また、湿潤空気の温度を１００℃、１５０℃と代えて水蒸気分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。表３に示すように、１００℃、５５％ではα＝１０、Ｖ＝１０５（ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ）、１５０℃、５５％ではα＝２４、Ｖ＝２４７（ｇ／ｈ／ｍ２／ｋＰａ）であった。ガス透過試験を複数回繰り返して実施しても、いずれも同様な結果が得られた。
【００７４】
（実施例２）
上記基材を多孔質ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に変更したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。また、多孔質ＰＰＳの仕様を表１に示す。
【００７５】
（実施例３）
上記基材を多孔質カーボンに、上記繊維状ベーマイト分散液のスプレー時間を３０秒に変更したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００７６】
（比較例１）
上記基材を多孔質カーボンに、上記繊維状ベーマイト分散液のスプレー時間を６分に変更したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００７７】
（実施例４）
上記基材を多孔質ＰＰＳに、上記繊維状ベーマイト分散液のスプレー時間を３０秒に変更したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００７８】
（比較例２）
上記基材を多孔質ＰＰＳに、上記繊維状ベーマイト分散液のスプレー時間を６分に変更したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００７９】
（実施例５）
多孔質カーボンを、上記繊維状ベーマイト分散液へディップコート（引き下げ、引上げ速度ともに２ｃｍ／ｍｉｎ、保持時間なし）することで表面にアルミナ膜を形成したこと以外は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８０】
（実施例６）
基材に多孔質カーボンの表面に３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）の５体積％トルエン溶液に１５時間浸漬し、シランカップリング処理を施すことでシリカ層を形成し、過剰分をトルエンで洗浄除去後、風乾、１００℃乾燥し、多孔質中間層を得た。得られた多孔質中間層からゼオライト膜を形成する過程は実施例１と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８１】
（実施例７）
上記基材を多孔質ＰＰＳにしたこと以外は実施例６と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８２】
（実施例８）
上記基材を多孔質カーボンに、ＡＰＴＥＳへの浸漬時間を５時間にしたこと以外は実施例６と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８３】
（比較例３）
上記基材を多孔質カーボンに、ＡＰＴＥＳへの浸漬時間を３０時間にしたこと以外は実施例６と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８４】
（実施例９）
上記基材を多孔質ＰＰＳに、ＡＰＴＥＳへの浸漬時間を５時間にしたこと以外は実施例６と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８５】
（比較例４）
上記基材を多孔質ＰＰＳに、ＡＰＴＥＳへの浸漬時間を３０時間にしたこと以外は実施例６と同様にガス分離体を形成し、分離率α、水蒸気透過速度Ｖを測定した。結果を表２及び表３に示す。
【００８６】
表３に示すように、実施例１ないし実施例９の水蒸気分離装置は、ゼオライト膜５３が剥離せずに、高い分離率α及び水蒸気透過速度Ｖを示している。これに対し、比較例１ないし比較例４の水蒸気分離装置では、ゼオライト膜５３が剥離し、分離率α及び水蒸気透過速度Ｖが測定できなかった。このことから比較例１ないし比較例４の水蒸気分離装置は、実施例１ないし実施例９の水蒸気分離装置よりもガス分離体の信頼性が低いことがわかる。なお、比較例１ないし比較例４における多孔質中間層及びゼオライト膜の厚さは、剥離後の残存部の厚さを測定することにより得られた参考値である。
【００８７】
【表１】
2019155342.tif 000003
【００８８】
【表２】
2019155342.tif 000004
【００８９】
【表３】
2019155342.tif 000005
【００９０】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１…水蒸気分離装置、２…分離室、３…透過室、４…接続路、５…ガス分離体、６…圧力調整部、７…圧力調整部、８Ａ…吸入口、８Ｂ…吸入口、９Ａ…吐出口、９Ｂ…吐出口、１０…配管、１１…配管、５１…多孔質基材、５１ａ…面、５１ｂ…面、５２…多孔質中間層、５２ｘ…多孔質中間層の一部、５３…ゼオライト膜、５３ａ…面、５３ｂ…面、５４…細孔、５４ａ…内壁、５５…ウェットシール層、６１…送風機、６２…流量調整器、６３…加圧器、７１…送風機、７２…流量調整器、７３…減圧器。
【図１】
2019155342.tif 000006
【図２】
2019155342.tif 000007
【図３】
2019155342.tif 000008
【図４】
2019155342.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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