(57)【要約】  混合流体が、セラミックフィルタの第１の端面から第２の端面へと流れる往路を通過した後、折り返し、第２の端面から第１の端面へと流れる復路を通過する通過過程を少なくとも一度経るよう、複数の流路を、セラミックフィルタを構成する多孔質体の少なくとも一方の端面における集水セルが並ぶ列に接した状態で列に沿うように配置した流路区分手段を用いて、往路及び復路を含む複数のゾーンに区分し、目的の透過物質を、分離膜を透過させた後に回収するセラミックフィルタの使用方法。ポンプやヒータの小型化及び消費エネルギーやコストの低減を可能としたセラミックフィルタの使用方法及びセラミックフィルタ装置を提供する。
2014119742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端面から第２の端面まで貫通し、列をなして形成された複数の流路が設けられるとともに外周面を有する柱状の多孔質体と、前記複数の流路の少なくとも一部の内壁面に配設された分離膜と、を具備し、前記複数の流路の中の一部の前記流路は、前記第１の端面及び前記第２の端面における開口が目封止部材によって封止された集水セルであり、更に、前記集水セルが外部空間と連通するように前記多孔質体の前記外周面に開口する集水スリットが設けられ、前記多孔質体の端面において、前記集水セルが、少なくとも一の列を形成するように並ぶセラミックフィルタを用いて混合流体から目的の透過物質を分離する際に、
流路区分手段を、前記多孔質体の少なくとも一方の前記端面における前記集水セルが並ぶ列に接した状態で前記列に沿うように配置し、前記混合流体が、前記セラミックフィルタの前記第１の端面から前記第２の端面へと流れる往路を通過した後、折り返し、前記第２の端面から前記第１の端面へと流れる復路を通過する通過過程を少なくとも一度経るよう、前記複数の流路を、前記流路区分手段を用いて前記往路及び前記復路を含む複数のゾーンに区分し、
前記目的の透過物質を、前記分離膜を透過させた後に回収するセラミックフィルタの使用方法。
【請求項２】
前記セラミックフィルタの収納されたケーシングの内部を、減圧手段を用いて減圧する請求項１に記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項３】
前記混合流体が前記往路又は前記復路にそれぞれ流入する手前で、前記混合流体を加熱する請求項１又は２に記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項４】
前記流路区分手段として、少なくとも流入側端面に、前記混合流体を前記流路区分を越えて侵入させないシール手段を配設する請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項５】
前記流路区分手段として、前記第１の端面及び前記第２の端面に、前記シール手段を配設する請求項４に記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項６】
前記シール手段の幅が、前記集水セルが並ぶ列の幅の０．５〜１．５倍である請求項５に記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項７】
前記折り返しの回数が１〜５回である請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項８】
前記分離膜が、アルコールを含有する有機溶媒から前記アルコールを分離することができる膜である請求項１〜７のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項９】
前記分離膜が、有機官能基を有するハイブリッドシリカ膜である請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。
【請求項１０】
第１の端面から第２の端面まで貫通し、列をなして形成された複数の流路が設けられるとともに外周面を有する柱状の多孔質体と、前記複数の流路の少なくとも一部の内壁面に配設された分離膜と、を具備し、前記複数の流路の中の一部の前記流路は、前記第１の端面及び前記第２の端面における開口が目封止部材によって封止された集水セルであり、更に、前記集水セルが外部空間と連通するように前記多孔質体の前記外周面に開口する集水スリットが設けられたセラミックフィルタと、
前記セラミックフィルタを収納すると共に、混合流体を前記セラミックフィルタへと導入する導入路、処理途中の前記混合流体を折り返し前記セラミックフィルタへと再導入する中間路、及び処理後流体を前記セラミックフィルタより排出する排出路を形成するケーシングと、を備え、
前記複数の流路は、前記混合流体が、前記第１の端面から前記第２の端面へと流れる往路と、折り返し、前記第２の端面から前記第１の端面へと流れる復路と、を少なくとも一組有し、
前記多孔質体の端面において、前記集水セルが、少なくとも一の列を形成するように並び、
流路区分手段が、前記多孔質体の少なくとも一方の前記端面における前記集水セルが並ぶ列に接した状態で前記列に沿うように配置され、前記流路区分手段によって前記往路及び復路が区分されるフィルタ装置。
【請求項１１】
前記ケーシングは、前記ケーシングの内部の圧力を制御することで、目的の透過物質の分離を促進する減圧手段を有する請求項１０に記載のフィルタ装置。
【請求項１２】
前記往路又は前記復路にそれぞれ流入する手前で前記混合流体を加熱する複数の加熱手段を有する請求項１０又は１１に記載のフィルタ装置。
【請求項１３】
前記複数の流路は、前記往路及び前記復路を含む複数のゾーンに区分されており、
前記複数のゾーンは、前記第１の端面及び前記第２の端面に配設された前記流路区分手段によって形成されたものである請求項１０〜１２のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項１４】
前記流路区分手段が、前記第１の端面及び前記第２の端面に配設されたシール手段である請求項１０〜１３のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項１５】
前記シール手段の幅が、前記集水セルが並ぶ列の幅の０．５〜１．５倍である請求項１４に記載のフィルタ装置。
【請求項１６】
前記折り返しの回数が１〜５回である請求項１０〜１５のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項１７】
前記分離膜が、アルコールを含有する有機溶媒から前記アルコールを分離することができる膜である請求項１０〜１６のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項１８】
前記分離膜が、有機官能基を有するハイブリッドシリカ膜である請求項１０〜１７のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項１９】
前記中間路の容積が、流路容積の５〜５０％である請求項１０〜１８のいずれかに記載のフィルタ装置。
【請求項２０】
前記排出路が、前記導入路に対して、前記セラミックフィルタを挟んで反対側に位置する請求項１０〜１９のいずれかに記載のフィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックフィルタの使用方法及びセラミックフィルタを備えたフィルタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多成分の混合物から特定の成分のみを選択的に分離回収するために、セラミック製のフィルタが用いられている。セラミック製のフィルタは、有機高分子製のフィルタと比較して、機械的強度、耐久性、耐食性等に優れるため、石油化学分野や天然ガスプラント、あるいは医薬や食品分野等の広範な分野において、液体やガスの混合物を分子レベルで分離する分離膜として、好ましく適用される。【０００３】
このようなセラミック製のフィルタ（セラミックフィルタという）において、分離性能を確保しつつ、透過性能を向上させるには、有効膜面積（被処理流体が接触する分離膜の面積）を大きくすることが必要であり、そのために、フィルタ形状は、モノリス型（ないしはハニカム型）を呈することが望ましい。モノリス型のフィルタは、チューブ型のものに比して、折れ難く、シールが容易、コンパクトにできる、低コスト化が図れる等の優位性がある。モノリス型のフィルタとは、多くの場合、外形が円柱形であり、その軸方向に形成された多数の平行な流路（セルともいう）を内部に有する多孔質支持体を具備し、更に、その多孔質支持体に比して孔径の小さな分離膜が、セルを形成する内壁面に形成されたものである。【０００４】
従来のモノリス型（ないしはハニカム型）のセラミックフィルタを開示した先行文献として、例えば特許文献１を挙げることができる。また、そのようなフィルタを用いた流体の分離方法を開示した先行文献として、例えば特許文献２を挙げることができる。【０００５】
また、内部を流れる流体の流速を速くすることにより分離性能を向上させようとするフィルタ（膜容器）が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００８／０５６８０３号
【特許文献２】再表２０１０−０７０９９２号公報
【特許文献３】特開２０１２−６１４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示されるような高い揮発性を有する物質を分離する方法においては、分離性能をより向上させるために、処理対象である混合流体を予め加熱するという手段が用いられている。一般に、供給流体の流量が低いと流速の低下につながり、濾過時間が長くなることで流路（セル）内で分極が起こって分離性能の低下につながる。なお、分極の主な原因は、（１）分離膜を透過した透過物質の気化熱による、セル内を流れる流体の内外温度差（中央部と分離膜付近との温度差）、および（２）分離膜を透過物質が透過することによる、セル内を流れる流体中の「透過物質の濃度」の内外濃度差（中央部と分離膜付近との濃度差）である。即ち、流速が低下すると、接触界面において、局所的に温度および濃度が低下することによって、フィルタが本来の性能を発揮できなくなる。よって、フィルタの分離性能を低下させないためには、セル内を混合して分極を解消させる必要がある。しかし、一般的にセル内で乱流を生じさせるためには、フィルタの断面積に応じた高い流量、すなわち高い流速を確保する必要があり、そのために、高能力のポンプが求められ、ポンプの大型化や、ポンプの運転に要するエネルギーやコストの増加を招くという問題があった。具体的には、円管内流動においてレイノルズ数Ｒｅ（＝Ｄｕρ／μ）４０００以上が必要であり、特に内径Ｄが小さなモノリス型のフィルタでは高い流速ｕが必要となる。ここで、Ｄはセルの内径、ｕは平均流速、ρは流体の密度、μは流体の粘度を示す。【０００８】
また、従来の分離方法においては、処理対象である混合流体は、フィルタの流入側端面から流出側端面へと一方向にのみ流され、濾過される。しかしながら、上述したような、フィルタの断面積に応じた高い流量の流体を濾過させる場合には、濾過過程中での流体の温度低下が生じやすい。そのため、処理流体に予め十分に熱を加える必要があり、大型ヒータの設置や、ヒータの運転に要するエネルギーやコストの増加を招くという問題があった。【０００９】
これに対し、特許文献３に記載の膜容器は、流体の流路を膜容器内で折り返すことにより、被処理流体の流速を速くしようとするものである。そして、これにより、分離性能を高めようとしている。しかし、特許文献３に記載の膜容器では、流体の折り返しのために用いられる円形の折返部が、膜容器本体の端面に配置されている。そのため、膜容器端面における、折返部が配置される部分は、流体が流入して膜に接することができず、流体の処理量（有効膜面積）が少なくなるという問題があった。【００１０】
本発明の課題は、高い処理量を維持しつつ、高い分離性能を実現した、セラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、セラミックフィルタの流路を、流路区分手段によって往路と復路とに区切り、混合流体を同一のフィルタ内で一度以上往復通過させると共に、当該流路区分手段が集水スリットの目封止部の上に配設されるようにした。そして本発明者らは、これにより、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置が提供される。なお、ここで「集水」とは、膜を透過した液体および／又は蒸気を収集することを意味し、その対象は「水」に限定されるものではなく、膜を透過した物質であればよい。膜を透過した物質としては、例えば、水、水蒸気、水素、窒素、二酸化炭素、アルコール、有機溶媒、有機分子などが挙げられる。【００１２】
［１］  第１の端面から第２の端面まで貫通し、列をなして形成された複数の流路が設けられるとともに外周面を有する柱状の多孔質体と、前記複数の流路の少なくとも一部の内壁面に配設された分離膜と、を具備し、前記複数の流路の中の一部の前記流路は、前記第１の端面及び前記第２の端面における開口が目封止部材によって封止された集水セルであり、更に、前記集水セルが外部空間と連通するように前記多孔質体の前記外周面に開口する集水スリットが設けられ、前記多孔質体の端面において、前記集水セルが、少なくとも一の列を形成するように並ぶセラミックフィルタを用いて混合流体から目的の透過物質を分離する際に、流路区分手段を、前記多孔質体の少なくとも一方の前記端面における前記集水セルが並ぶ列に接した状態で前記列に沿うように配置し、前記混合流体が、前記セラミックフィルタの前記第１の端面から前記第２の端面へと流れる往路を通過した後、折り返し、前記第２の端面から前記第１の端面へと流れる復路を通過する通過過程を少なくとも一度経るよう、前記複数の流路を、前記流路区分手段を用いて前記往路及び前記復路を含む複数のゾーンに区分し、前記目的の透過物質を、前記分離膜を透過させた後に回収するセラミックフィルタの使用方法。【００１３】
［２］  前記セラミックフィルタの収納されたケーシングの内部を、減圧手段を用いて減圧する［１］に記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１４】
［３］  前記混合流体が前記往路又は前記復路にそれぞれ流入する手前で、前記混合流体を加熱する［１］又は［２］に記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１５】
［４］  前記流路区分手段として、少なくとも流入側端面に、前記混合流体を前記流路区分を越えて侵入させないシール手段を配設する［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１６】
［５］  前記流路区分手段として、前記第１の端面及び前記第２の端面に、前記シール手段を配設する［４］に記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１７】
［６］  前記シール手段の幅が、前記集水セルが並ぶ列の幅の０．５〜１．５倍である［５］に記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１８】
［７］  前記折り返しの回数が１〜５回である［１］〜［６］のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。【００１９】
［８］  前記分離膜が、アルコールを含有する有機溶媒から前記アルコールを分離することができる膜である［１］〜［７］のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。【００２０】
［９］  前記分離膜が、有機官能基を有するハイブリッドシリカ膜である［１］〜［８］のいずれかに記載のセラミックフィルタの使用方法。【００２１】
［１０］  第１の端面から第２の端面まで貫通し、列をなして形成された複数の流路が設けられるとともに外周面を有する柱状の多孔質体と、前記複数の流路の少なくとも一部の内壁面に配設された分離膜と、を具備し、前記複数の流路の中の一部の前記流路は、前記第１の端面及び前記第２の端面における開口が目封止部材によって封止された集水セルであり、更に、前記集水セルが外部空間と連通するように前記多孔質体の前記外周面に開口する集水スリットが設けられたセラミックフィルタと、前記セラミックフィルタを収納すると共に、混合流体を前記セラミックフィルタへと導入する導入路、処理途中の前記混合流体を折り返し前記セラミックフィルタへと再導入する中間路、及び処理後流体を前記セラミックフィルタより排出する排出路を形成するケーシングと、を備え、前記複数の流路は、前記混合流体が、前記第１の端面から前記第２の端面へと流れる往路と、折り返し、前記第２の端面から前記第１の端面へと流れる復路と、を少なくとも一組有し、前記多孔質体の端面において、前記集水セルが、少なくとも一の列を形成するように並び、流路区分手段が、前記多孔質体の少なくとも一方の前記端面における前記集水セルが並ぶ列に接した状態で前記列に沿うように配置され、前記流路区分手段によって前記往路及び復路が区分されるフィルタ装置。【００２２】
［１１］  前記ケーシングは、前記ケーシングの内部の圧力を制御することで、目的の透過物質の分離を促進する減圧手段を有する［１０］に記載のフィルタ装置。【００２３】
［１２］  前記往路又は前記復路にそれぞれ流入する手前で前記混合流体を加熱する複数の加熱手段を有する［１０］又は［１１］に記載のフィルタ装置。【００２４】
［１３］  前記複数の流路は、前記往路及び前記復路を含む複数のゾーンに区分されており、前記複数のゾーンは、前記第１の端面及び前記第２の端面に配設された前記流路区分手段によって形成されたものである［１０］〜［１２］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００２５】
［１４］  前記流路区分手段が、前記第１の端面及び前記第２の端面に配設された前記シール手段である［１０］〜［１３］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００２６】
［１５］  前記シール手段の幅が、前記集水セルが並ぶ列の幅の０．５〜１．５倍である［１４］に記載のフィルタ装置。【００２７】
［１６］  前記折り返しの回数が１〜５回である［１０］〜［１５］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００２８】
［１７］  前記分離膜が、アルコールを含有する有機溶媒から前記アルコールを分離することができる膜である［１０］〜［１６］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００２９】
［１８］  前記分離膜が、有機官能基を有するハイブリッドシリカ膜である［１０］〜［１７］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００３０】
［１９］  前記中間路の容積が、流路容積の５〜５０％である［１０］〜［１８］のいずれかに記載のフィルタ装置。【００３１】
［２０］  前記排出路が、前記導入路に対して、前記セラミックフィルタを挟んで反対側に位置する［１０］〜［１９］のいずれかに記載のフィルタ装置。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置においては、セラミックフィルタの流路を複数のゾーンに区分している。そのため、これら本発明は、従来のセラミックフィルタの使用方法のような、セラミックフィルタ全体を使って一方向にのみ通過させる場合と比べて、混合流体が流入する端面の断面積が小さくなり、相対的にセル内の流速が早くなって高い混合状態（レイノルズ数）を得ることができる。よって、本発明においては、混合流体の供給量が同じであってもより高い流速を得ることができ、分離性能が低下し難いため、処理流体を送り出すポンプの小型化と共に、ポンプの稼働に要するエネルギー量の低減も可能である。また、本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置においては、流路区分手段を、多孔質体の少なくとも一方の端面における「集水セルが並ぶ列」に接した状態で当該「列」に沿うように配置している。そして、流路区分手段によって往路及び復路が区分されている。そのため、往路及び復路を区分する際に、流路区分手段によって、往路及び復路（流路の開口部）が塞がれることがない。これにより、流路区分手段を多孔質体の端面に配置することによる、流体の処理量（有効膜面積）の低下を防止することができる。また、本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置においては、流体が折り返される部分（中間路）において、往路セル内で分極を起こした流体が撹拌される。これにより、少なくとも中間路において分極を解消した流体を復路に流入させることができ、分離性能が向上する。前記撹拌の効果は、特に混合流体の供給量が少ない場合に有効である。具体的には、流路を多数のゾーンに区分して流速を高めても、レイノルズ数が４０００に達しない場合は、セル内が乱流に達せず分極を十分解消することができないが、本発明では、前記中間路内で流速に関係なく強制的に撹拌して分極を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明のフィルタ装置の一実施形態を示す模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すフィルタ装置を矢印Ａ方向から見た模式図である。
【図１Ｃ】流路区分手段が、セラミックフィルタの端面の「集水セルが並ぶ列」に、接した状態で列に沿うように配置された状態を模式的に示す平面図である。
【図２Ａ】従来のフィルタ装置を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示すフィルタ装置を矢印Ｂ方向から見た模式図である。
【図３Ａ】本発明のフィルタ装置の他の実施形態を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示すフィルタ装置を矢印Ｃ方向から見た模式図である。
【図４Ａ】本発明のフィルタ装置の更に他の実施形態を示す模式図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すフィルタ装置を矢印Ｄ方向から見た模式図である。
【図５Ａ】本発明のフィルタ装置の更に他の実施形態を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すフィルタ装置を矢印Ｅ方向から見た模式図である。
【図６】従来のフィルタ装置の一実施形態を示す模式図である。
【図７】モノリス型のフィルタの一実施形態を示す図であり、一部を切り出した模式的斜視図である。
【図８】図７に示す濾過セル近傍を表した拡大断面図である。
【図９Ａ】本発明のフィルタ装置の更に他の実施形態を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示すフィルタ装置を矢印Ｆ方向から見た模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００３５】
本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置において用いられるセラミックフィルタとしては、従来公知のものを用いることができるが、例えば図７に示すような、モノリス型のセラミックフィルタ１を用いることが好ましい。当該技術分野において、モノリス型とは、柱状体の内部に蓮根のように複数の流路が存在する構造を指す。
【００３６】
図７に示されるモノリス型のセラミックフィルタ１は、第１の端面２、第２の端面３、及び外周面６を有する多孔質体９を具備する。多孔質体９は、その外形が円柱状であり、第１の端面２から第２の端面３まで貫通し並行に列をなして形成された複数の流路４が設けられている。流路４の両端面の開口は開放されているが、その一部については、両端面の開口が目封止部材８で封止されている。両端面の開口の開放された流路４は、その内壁面に分離膜３１が配設されており、濾過セル４ａとして機能する。又、両端面の開口が目封止部材８によって封止された流路４は、その内壁面に分離膜３１が配設されていなくてもよく、集水セル４ｂとして機能する。目封止部材８は、多孔質体９と同じ材料で形成することが出来る。また、セラミックフィルタ１の端面において、目封止部材８が、少なくとも一の列（集水セル（目封止部材）が並ぶ列８ａ）を形成するように並んでいる。
【００３７】
外周面６には、集水セル４ｂが外部空間と連通するように集水スリット７が設けられている。集水スリット７を設けることで、多孔質体９内を混合流体１０が通過する際の圧力損失の増加やそれに伴う透過量の低下を防止することができる。その場合、目封止部材８の長さは、集水スリット７に達するまでの長さであればよい。すなわち、混合流体１０は、濾過セル４ａに入ったのち、その一部の透過物質が分離膜３１を選択的に透過し、集水スリット７或いは多孔質体９を通ってセラミックフィルタ１の外部へと放出されることによって分離される仕組みとなっている。また、図示されていないが、第１の端面２又は第２の端面３を、例えばガラスシールや金属シールによってシールすることが好ましい。これにより、混合流体１０が濾過セル４ａへと流入する際に、第１の端面２又は第２の端面３から多孔質体９の内部に侵入し、そこで分離膜３１を通過した通過流体と混ざることを防止することができる。混合流体１０が、多孔質体９の内部に侵入する端面が、流入側端面となる。
【００３８】
図７に示すセラミックフィルタ１において、流路４の断面形状は円形となっているが、本発明に係るセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置においては、流路４の断面形状を任意の多角形としてもよい。
【００３９】
図８は、図７に示す濾過セル４ａ近傍を拡大して表した拡大断面図である。図８に示すように、多孔質体９は、支持体３５と、支持体３５の上に重ねられた平均気孔径の異なる１層以上の層からなる中間層３６とで構成される。そして、濾過セル４ａにおいては、中間層３６の表面に分離膜３１が配設されている。中間層３６を形成する層の数や、各層における平均気孔径は、分離性能を鑑み、処理流体の性質や用途に応じて適宜選択することができる。
【００４０】
分離膜３１は、混合ガスや混合液体等を含む混合流体を分離可能なものであれば特に限定されるものではなく、公知の炭素膜、ゼオライト膜、シリカ膜等、分離する流体の種類に応じて適宣選択すればよい。なお、アルコールを含有する有機溶媒からアルコールを分離する場合は、これらの中でも、有機官能基を有するハイブリッドシリカ膜であることが好ましい。前記有機官能基としては、炭素数が２〜８であることが好ましく、分離したいアルコールの種類によって適宜選択することができる。さらに、前記有機官能基は、鎖状のアルキル基でもよく、環状のアリール基であってもよい。分離するアルコールがエタノールである場合は、選択率が高いといった観点からオクチル基、フェニル基、トリル基が特に好ましい。
【００４１】
次に、本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置について説明する。上述したように、本発明は、多孔質体と、複数の流路の少なくとも一部の内壁面に配設された分離膜と、を具備したセラミックフィルタを用いて混合流体から目的の透過物質を分離する際に用いられる方法及び装置である。多孔質体は、第１の端面から第２の端面まで貫通し、列をなして形成された複数の流路が設けられた柱状の構造体である。本発明のセラミックフィルタの使用方法は、本発明のフィルタ装置を用いる方法であることが好ましい。図１Ａ〜図１Ｃ、図３Ａ〜図５Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂは、本発明のフィルタ装置の各実施形態を示す模式図であり、図２Ａ、図２Ｂ及び図６は、従来のフィルタ装置の一実施形態を示す模式図である。図１Ａなどにおいては、セラミックフィルタ１内に形成されている集水セル４ｂ及び目封止部材８が模式的に示されている。また、図１Ｃにおいては、流路区分手段１５によって、隠れている集水セル（目封止部材）が並ぶ列８ａの配置が、便宜上、表現されている。
【００４２】
例えば図７に示すようなモノリス型のセラミックフィルタ１を本発明において用いる際には、図１Ａ、図１Ｂ等に示すように、セラミックフィルタ１をケーシング１２に収納し、フィルタ装置１１ａ〜１１ｆとして利用することが好ましい。ケーシング１２は、セラミックフィルタ１を収納すると共に、混合流体１０をセラミックフィルタ１へと導入する導入路１６ａ、処理途中の混合流体１０を折り返しセラミックフィルタ１へと再導入する中間路１６ｂ、及び処理後流体３０をセラミックフィルタ１より排出する排出路１６ｃを形成する。また、ケーシング１２は、後述する加熱手段１３の配置場所及び減圧手段の接続場所（減圧口１４）としても機能する。
【００４３】
図６に示すように、従来の流体分離方法においては、処理対象である混合流体１０は、セラミックフィルタ１の流入側端面である第１の端面２から流出側端面である第２の端面３へと一方向にのみ流され、濾過される。一方で、本発明のフィルタ装置においては、図１Ａ、図１Ｂ等に示すように、混合流体１０が、セラミックフィルタ１の第１の端面２から第２の端面３へと流れる往路５ａを通過した後、折り返し、第２の端面３から第１の端面２へと流れる復路５ｂを通過する通過過程を、少なくとも一度経る構成となっている。すなわち、このような通過過程は、例えば図１Ａ、図３Ａ、及び図５Ａに示すように、１往復でもよく、図４Ａに示すように２往復でもよく、またそれ以上でもよい。尚、図３Ａに示されるフィルタ装置１１ｃは、２つの導入路１６ａから混合流体１０が流入して、それぞれの流体が折り返すため、折り返し回数は１回であるが、流体が２方向から合流して撹拌されるため、撹拌効果が大きい。また、本発明のフィルタ装置は、往路５ａと当該往路５ａと対になる復路５ｂとを少なくとも一組有していればよい。例えば、図９Ａ、図９Ｂに示すように１往復半、２往復半といった通過過程を有するように、導入路１６ａと排出路１６ｃとがセラミックフィルタ１のそれぞれ異なる端面に形成された構成としてもよい。なお、１．５往復以上の通過過程を有するフィルタ装置においては、それらの通過過程を途中で不連続とすることで互いに独立する複数の通過ルートを設け、それぞれ異なる流体を濾過するために用いてもよい。すなわち、単一のフィルタ装置が複数の濾過システムを同時に兼ね備えるような構成としてもよい。折り返しの回数（中間路の数）が１〜５回（箇所）であることが好ましく、２〜４回であることが更に好ましい。１回より少ないと、分離性能が低下することがある。５回より多いと、構造が複雑になり、製造し難くなることがある。
【００４４】
このような通過過程を実現するために、複数の流路４は、流路区分手段１５によって、往路５ａ及び復路５ｂを含む複数のゾーンに区分されている。これら複数のゾーンは、第１の端面２及び／又は第２の端面３に適宜配設された流路区分手段１５によって形成することができる。流路区分手段１５によって流路を区分する際には、図１Ａ等に示されるように、流路区分手段１５上にケーシング１２が配設され、当該ケーシング１２によって、セラミックフィルタ１内に流入する流体及びセラミックフィルタ１から流出した流体の流通経路（導入路、中間路、排出路）が形成されていることが好ましい。なお、導入路、中間路及び排出路は、それぞれ、ケーシング１２のなかの、流路区分手段１５上に配置された部分、流路区分手段１５上に配置されていない部分、又はこれらの両方によって形成されていることが好ましい。流路区分手段１５上にケーシング１２が配設される際には、ケーシング１２は、流路区分手段１５に接するとともに流路区分手段１５に沿って配置されることが好ましい。これにより、少なくとも流路区分手段１５上に配置された部分を含むケーシングの一部によって形成された流通経路（導入路１６ａ）を通って、流体がセラミックフィルタ１まで流れて来て、当該流体は、流路区分手段１５によって区分されたゾーン内に流入する。そして、その後、流体は、各ゾーン及び中間路を通って、最後に排出路を通って排出される。区分されるゾーンの数は、例えば図１Ａ、及び図５Ａに示すように、２つでもよく、図３Ａ、図４Ａ及び図９Ａに示すように、３つでもよく、またそれ以上でもよい。流路区分手段１５としては、第１の端面２及び第２の端面３の区分箇所からの流体の侵入を遮断するシール手段であれば特に限定されるものではないが、硬質ゴム、フッ素樹脂等の素材からなるパッキンやシール冶具を用いることが好ましい。シール手段（流路区分手段）の幅は、集水セルが並ぶ列の幅の０．５〜１．５倍であることが好ましく、０．７５〜１．２倍であることが更に好ましく、０．８〜１．０倍であることが特に好ましい。ここで、集水セルが並ぶ列の幅とは、集水セルに隣接する両側に配設された濾過セルの最短外周間距離である。集水セルが並ぶ列の幅との関係をこのような範囲にすることにより、パッキン（流路区分手段）によって「集水スリットに隣接するセルの開口部」が塞がれることを、防止することができる。０．５倍より薄いと、シールし難くなることがある。１．５倍より厚いと、開口している流路の開口部が、塞がれることがある。ここで、シール手段の幅とは、「シール手段の長手方向に直交する方向であって、シール手段を多孔質体の端面に配置した時に、当該端面に平行な方向」における長さである。
【００４５】
また、図１Ｃに示すように、流路区分手段１５は、多孔質体の少なくとも一方の端面における「集水セルが並ぶ列８ａ」に接した状態で「列に沿う」ように配置する。つまり流路区分手段１５は、セラミックフィルタ１の端面の「目封止部材によってシールされている」部分、すなわち流路の開口していない部分に沿って形成される。そのため、往路及び復路を区分する際に、流路区分手段によって、往路及び復路が塞がれることがない。これにより、流路区分手段を多孔質体の端面に配置することによる、流体の処理量（有効膜面積）の低下を防止することができる。また、流路区分手段１５は、「集水セルが並ぶ列」の上に配置できるように、直線状に伸びる形状であることが好ましい。
【００４６】
また、図２Ａ、図２Ｂに示す従来のフィルタ装置１１ｂは、フィルタ装置内で流体の流れが折り返すように形成されているが、流体の流れを折り返すような構造にするための流路区分手段が、円形（図２Ｂ参照）である。そのため、流路区分手段によって、端面に開口するセルの開口部を塞ぐことになり、塞がれたセルに被処理流体が流れ込むことができないために、有効膜面積が低下する。一方で、流路区分手段をセルを塞がないような幅にした場合は、シール手段に面する開口した濾過セルによってシール性が低下して、流体が流路区分手段を越えて侵入してしまい、所望の流速を得ることができない。また、流路の開口部を塞がないように、流路を、流路区分手段が配置される部分に形成しないようにした場合には、形成する流路の本数が減少することになるので、有効膜面積が低下する。尚、図２Ａに示される従来のフィルタ装置１１ｂは、流路区分手段１５が円形であることと、加熱手段１３がケーシング１２を取り囲むように配設されていることを除いて、図１Ａに示されるフィルタ装置１１ａと同様の構成である。
【００４７】
また、本発明のフィルタ装置１１ａ〜１１ｆの備えるケーシング１２は、流路区分手段１５と対応するかたちで、導入路１６ａ、中間路１６ｂ及び排出路１６ｃを形成している。導入路１６ａは、混合流体１０を往路５ａへと導入する部分である。中間路１６ｂは、処理途中の混合流体１０を折り返しセラミックフィルタ１へと再導入する部分である。排出路１６ｃは、セラミックフィルタ１より処理後流体３０を排出する部分である。排出路１６ｃは、導入路１６ａに対して、セラミックフィルタ１を挟んで反対側に位置することが好ましい。これにより、「加熱手段を用いた時に、温度が低下した処理後の流体によって、導入路１６ａを流れる流体の熱を奪われる」ことを、防止することができる。また、配管に接続したときに、占有する空間を小さくし易くなる。
【００４８】
一般に、供給流体の流量が低いと流速の低下につながり、濾過時間が長くなることで流路（セル）内で分極が起こって分離性能の低下につながる。なお、分極の主な原因は、被処理流体と分離膜との接触界面（即ち、セルの内周部分）における、（１）分離膜を透過した透過物質の気化熱による、セル内を流れる流体の内外温度差、および（２）分離膜を透過物質が透過することによる、セル内を流れる流体の「透過物質の濃度」の内外濃度差である。即ち、流速が低下すると、接触界面において、局所的に温度および濃度が低下することによって、フィルタが本来の性能を発揮できなくなる。よって、フィルタの分離性能を低下させないためには、セル内を混合して分極を解消させるためにフィルタの断面積に応じた高い流量、すなわち高い流速を確保する必要がある。そして、高い流速を確保することにより、乱流を生じさせて、供給流体の混合を十分に行い、分極を解消することが好ましい。本発明のフィルタ装置は、従来のフィルタ装置と比べ、濾過時に流体が通過する部分の断面積が小さいため、供給流体の流量が少量であっても高い流速を確保することができる。これにより、ポンプの小型化及びランニングコストの低下を実現することができる。また、本発明のセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置においては、流体が折り返される部分（中間路）において、流体が撹拌される。これにより、少なくとも中間路において分極を解消した流体を復路に流入させることができ、分離性能が向上する。中間路においては、流路から流出した流体が、折り返されて復路内に流入する前に、中間路内において、各セルから流出した流体が合流し、かつ流れ方向が異なるために、流体が与えられた流速に関係なく、強制的に撹拌（合流撹拌）されて、分極を解消することができる。このため、特に流体の供給量が低い条件、例えば、上記した流路を区分することによって流速を高めても、層流領域（レイノルズ数２１００以下）を抜け出せない条件であっても、分極した被処理流体を少なくとも中間路において均一な流体に戻すことができる。
【００４９】
中間路１６ｂの容積は、中間路１６ｂに面する濾過セル４ａの全容積（流路容積）の５〜５０％であることが好ましく、８〜３０％であることが更に好ましい。５％より小さいと、圧損が高くなることがある。５０％より大きいと、加熱手段を用いた場合に、熱が伝わり難くなることがある。流路容積とは、各流路の容積の合計のことである。流通経路に複数の中間路が形成されている場合には、個々の中間路１６ｂの容積（別言すれば、１つの中間路１６ｂの容積）が、上述した数値範囲を満たしていることが好ましい。
【００５０】
図６に示す従来のフィルタ装置１１は、混合流体１０がフィルタ１の第１の端面２からセラミックフィルタ１へと流入する手前で、混合流体１０を予め加熱する仕組みとなっている。そして、ケーシング１２の第１の端面２の手前部分に、加熱手段１３が備えられている。一方、本発明のフィルタ装置においては、例えば図１Ａ，図１Ｂ、図３Ａ〜図５Ｂに示すように、混合流体１０が往路５ａ又は復路５ｂにそれぞれ流入する手前で、混合流体１０を予め加熱する仕組みとなっていることが好ましい。すなわち、本発明のフィルタ装置１１ａ〜１１ｅは、往路５ａ又は復路５ｂにそれぞれ流入する手前で混合流体１０を加熱する複数の加熱手段１３を備えていることが好ましい。
【００５１】
加熱手段１３としては、混合流体１０に所望の熱を加えることが可能な手段であれば特に限定されるものではないが、電気ヒータ、熱交換器等を用いることが好ましい。加熱のタイミングとしては、混合流体１０が、必要とされる温度を有した状態で、セラミックフィルタ１へと導入される範囲においては特に限定されるものではないが、混合流体１０に加えられた熱が、混合流体１０がセラミックフィルタ１へと導入されるまでの間に逃げてしまうことでエネルギー効率の低下を招かぬよう、導入の直前に加熱を行うことが好ましい。また、加熱手段１３は、加熱予定の混合流体１０及び混合流体１０を導入するセラミックフィルタ１からなるべく近い場所に配設されることが好ましい。すなわち、加熱手段１３は、ケーシング１２の、導入路１６ａ及び中間路１６ｂをそれぞれ形成する部分の少なくとも一部に、セラミックフィルタ１の端面にできるだけ近づけて配設されることが好ましい。熱交換器等を用いる場合には、セラミックフィルタ１から離れたところに設置されていてもよい。その場合、熱交換器と導入路１６ａ及び中間路１６ｂとをつなぐ流体運搬手段は高断熱性材料からなることが好ましい。
【００５２】
混合流体１０に効率良く熱を伝えるため、ケーシング１２のうち、少なくとも加熱手段１３と混合流体１０とを介する部分は、高熱伝導材料１２ａによって形成することが好ましい。高熱伝導材料１２ａの例としては、カーボン、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。その中でも特にアルミニウムを用いることが、形状加工の容易性、高熱伝導性、高耐食性、軽重量性の観点から好ましい。一方で、ケーシング１２のうち、少なくとも混合流体１０と処理後流体３０とがすれ違う部分、すなわち、導入路１６ａと排出路１６ｃとを区分する部分は、混合流体１０に加えた熱が処理後流体３０側へと奪われることを防止するために、低熱伝導材料１２ｂによって形成することが好ましい。低熱伝導材料１２ｂの例としては、シリコーンゴム、フッ素樹脂、ガラス、空気又は真空を介した二重壁材料等が挙げられる。その中でも特に真空の二重壁材料を用いることが、形状加工の容易性、低熱伝導性、高耐食性の観点から好ましい。また、部品点数を減ずると言った観点から流路区分手段１５に用いられるシール手段と同一材料としてもよく、例えばシリコーンゴム、フッ素樹脂などが好ましい。なお、図１Ａ〜図６においては、便宜上低熱伝導材料１２ｂを二重線で示しているが、本発明の実際のフィルタ装置１１ａ〜１１ｅにおいて、低熱伝導材料１２ｂが二重構造に限定されないことは上述の通りである。
【００５３】
このように、本発明においては、セラミックフィルタ１へと流入する混合流体１０が常に加熱された状態となる場合には、分離性能を高く維持する上で好ましい。従来のフィルタ装置においては、大量の流体をまとめて加熱、導入しなくてはならないため、ポンプだけでなく、加熱手段であるヒータについても、大型化、コスト増が避けられなかった。本発明は、加熱手段を有する場合には、従来公知のセラミックフィルタを用いつつも、従来の濾過システムの有するこれらの課題をも克服したものである。
【００５４】
また、本発明においては、図１Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ及び図９Ａに示すように、セラミックフィルタ１の収納されたケーシング１２の内部を、減圧口１４を通じて、減圧手段を用いて減圧してもよい。ケーシング１２の内部を減圧することによって、セラミックフィルタ１の濾過セル４ａ側と、集水セル４ｂ側並びに外周壁側との間に圧力差を生じせしめ、分離膜を透過する目的の透過物質２０の分離を促進させ、回収を容易にするため好ましい。すなわち、本発明のフィルタ装置１１ａ〜１１ｅは、ケーシング１２の内部の圧力を制御することで、目的の透過物質２０の分離を促進する減圧手段を備えていてもよい。減圧手段は、ケーシング１２のセラミックフィルタ１を覆う部分の一部（減圧口１４）に配設されていることが好ましい。また、減圧手段としては、例えば真空ポンプ等の従来公知の手段を用いることができる。
【００５５】
更に、図示されていないが、従来、混合流体の分離性能を向上させるため、複数のセラミックフィルタを直列に配置し、混合流体を連続的に通過させることで濾過を行うという手法があった。このような手法を実施するためには、フィルタ装置そのものがかなり大がかりなものとなり、サイズや重量の観点から設置場所等に制約が生じる。さらに、複数のセラミックフィルタとそれに合わせたケーシング、加熱手段、及び減圧手段を必要とすることで部品点数が増加し、コストがかさむという問題があった。また、セラミックフィルタにおいて、混合流体が通過する流路と減圧されるケーシングの内部空間とのシール箇所１７が増えるほど、混合流体の系内からの漏れが生じて混合流体のロスが発生する、真空ポンプなどの減圧手段に悪影響を与える、或いは漏れた混合流体に引火するといったリスクも高くなる。従って、本発明は、上記のような複数のセラミックフィルタを用いた従来のフィルタ装置と比較しても、格段のメリットを有するものである。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００５７】
（実施例１）
まず、アルミナを骨材粒子として用い、モノリス型のセラミックフィルタを作製した。得られたセラミックフィルタは、外径が９０ｍｍ、長さが１００ｍｍの円柱状であった。セラミックフィルタの端面には、５００セルの流路が設けられ、各セルの直径は２．５ｍｍであった。また、セラミックフィルタには、３列の集水セル及び外周にこれらの開口部（集水スリット）を形成した。そして、セラミックフィルタの端面を、ガラスシールでシールした。得られたフィルタを、図１Ａに示すようなケーシングに組み込み、フィルタ装置を作製した。ケーシング材質はアルミニウムを使用し、低熱伝導材料は二重壁で内部を真空にした魔法瓶構造とした。流路区分手段１５（硬質ゴムにより形成されたパッキン（シール手段））は、多孔質体の一方の端面における「集水セル（目封止部材）が並ぶ列８ａ」に接した状態で「列に沿う」ように配置した（図１Ｃ参照）。【００５８】
作製したフィルタ装置を用いてエタノール、ノルマルオクタンおよびオルトキシレンの質量比１：１：１混合液（混合流体）の浸透気化分離試験を行った。試験条件として、ヒータ温度は７０℃、二次側真空圧力は５０Ｔｏｒｒ、液流量は３．７Ｌ／分に設定し、一定時間経過後に膜を透過した量をＦｌｕｘ（ｋｇ／ｍ２・ｈ）として計算した。また、透過した混合液中のＩＰＡ濃度を測定し、分離係数α（１／（１−エタノール透過濃度））を算出した。結果を表１に示す。【００５９】
【表１】
2014119742.tif 000003
【００６０】
（実施例２）
ケーシング構造を図３Ａに示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製し、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６１】
（実施例３）
ケーシング構造を図４Ａに示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製し、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６２】
（実施例４）
ケーシング構造を図５Ａに示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製し、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６３】
（実施例５）
ケーシング構造を図９Ａに示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製し、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６４】
（比較例１）
ケーシング構造を図６に示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製し、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６５】
（比較例２）
ケーシング構造を図２Ａに示すようなものとした他は、実施例１と同様の条件にてフィルタ装置を作製した。流路区分手段によって、多孔質体の一方の端面における、一部の流路の開口部が、塞がれていた。得られたフィルタ装置を用いて、混合液の浸透気化分離試験を行った。結果を表１に示す。【００６６】
表１に示された結果より、実施例１〜５のフィルタ装置は、比較例１，２のフィルタ装置と比べて、透過速度（Ｆｌｕｘ）、分離係数共に高い数値を示すことが分かった。特に、実施例３の結果から、混合流体を同一のセラミックフィルタ内で往復させる回数が多いほど、高い分離係数を示すことが確認された。なお、表１に示すとおり、折返し回数を増やして、流路を流れる液の流速（ｍ／ｓ）を高めた実施例３であっても、レイノルズ数は乱流領域（４０００以上）に達していない。比較例１においては、乱流を生じさせるためには１２０Ｌ／分といった膨大な液流量が必要である。このように、モノリス型フィルタの場合は、セルの直径が小さいために、乱流を生じさせるためには被処理流体の供給量を著しく大きくする必要があるが、本発明の使用方法およびフィルタ装置では、中間路１６にて「合流撹拌」することができるために、流体の供給量を大きくすること無く分極を解消することができ、ポンプの小型化や稼動に要するエネルギー量の低減が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るセラミックフィルタの使用方法及びフィルタ装置は、浸透気化法によって混合物から一部の成分を分離する手段として好適に利用される。
【符号の説明】
【００６８】
１：セラミックフィルタ、２：第１の端面、３：第２の端面、４：流路、４ａ：濾過セル、４ｂ：集水セル、５ａ：往路、５ｂ：復路、６：外周面、７：集水スリット、８：目封止部材、８ａ：集水セルが並ぶ列、９：多孔質体、１０：混合流体、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ：フィルタ装置、１２：ケーシング、１２ａ：高熱伝導材料、１２ｂ：低熱伝導材料、：１３：加熱手段、１４：減圧口、１５：流路区分手段、１６ａ：導入路、１６ｂ：中間路、１６ｃ：排出路、１７：シール箇所、２０：透過物質、３０：処理後流体、３１：分離膜、３５：支持体、３６：中間層。
【図１Ａ】
2014119742.tif 000004
【図１Ｂ】
2014119742.tif 000005
【図１Ｃ】
2014119742.tif 000006
【図２Ａ】
2014119742.tif 000007
【図２Ｂ】
2014119742.tif 000008
【図３Ａ】
2014119742.tif 000009
【図３Ｂ】
2014119742.tif 000010
【図４Ａ】
2014119742.tif 000011
【図４Ｂ】
2014119742.tif 000012
【図５Ａ】
2014119742.tif 000013
【図５Ｂ】
2014119742.tif 000014
【図６】
2014119742.tif 000015
【図７】
2014119742.tif 000016
【図８】
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【図９Ａ】
2014119742.tif 000018
【図９Ｂ】
2014119742.tif 000019
【国際調査報告】
2014119742.tif 000020
2014119742.tif 000021
2014119742.tif 000022
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