(57)【要約】【課題】分離層を透過した透過流体の回収効率を高めた小型の流体分離フィルタ及び流体分離モジュールを提供する。【解決手段】セラミック多孔質体からなる平板状支持体４の主面５ａ及び対向主面５ｂに分離層６ａ、６ｂを設けた複数の流体隔壁１と、該流体隔壁１間に設けられた複数のスペーサ２と、該スペーサ２と流体隔壁１とで形成される流体の主流路３ａと、隣接する２つの主流路３ａを連結するための副流路３ｂと、前記平板状支持体４の内部に前記分離層６を透過した透過流体が流れる透過流体流路と、該透過流体が前記平板状支持体４の側面７から吐出する吐出部を具備することを特徴とする。【選択図】図１
2004033981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けた複数の流体隔壁と、該流体隔壁間に設けられた複数のスペーサと、該スペーサと流体隔壁とで形成される流体の主流路と、隣接する２つの主流路を連結するための副流路と、前記平板状支持体の内部に前記分離層を透過した透過流体が流れる透過流体流路と、該透過流体が前記平板状支持体の側面から吐出する吐出部を具備することを特徴とする流体分離フィルタ。
【請求項２】
前記吐出部の面積が、全側面の総面積の５０％以上であることを特徴とする請求項１記載の流体分離フィルタ。
【請求項３】
前記平板状支持体の主面及び対向主面が多角形で、且つ前記透過流体流路が前記多角形の辺の長さ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の流体分離フィルタ。
【請求項４】
前記平板状支持体の主面及び対向主面が円形で、且つ前記透過流体流路が前記円形の半径以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の流体分離フィルタ。
【請求項５】
前記主流路が櫛型形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項６】
前記スペーサの相対密度が９８％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項７】
前記スペーサが多孔質体からなり、前記流体の流路を形成する前記スペーサの表面に分離層が設けられてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項８】
前記スペーサの厚みが０．２〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項９】
前記平板状支持体の厚みが０．２〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項１０】
前記平板状支持体の気孔率が、表面部よりも内部で大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項１１】
前記平板状支持体の平均細孔径が、表面部よりも内部で大きいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の流体分離フィルタ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の流体分離フィルタと、該流体分離フィルタを保持するための容器と、前記流体分離フィルタを容器内で支持するとともに流体と該流体から分離された透過流体とが混合しないように設けられた隔離体と、該流体分離フィルタに流体を供給するための流体導入口と、前記流体分離フィルタを通過して外部に排出するための排出口と、透過流体を回収するための取出口とを具備することを特徴とする流体分離モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガスからのＣＯ２回収などに代表される特定のガスを濃縮するプラント、混合溶剤からの特定物質の濃縮するプラント、アルコールからの脱水を行うプラント、水の純度を高める水処理プラントや淡水化プラント、工場排ガスや発電所から酸素や二酸化炭素等の特定ガスの分離を行う装置、食品関係又は医療関係の分離装置、水素ガスと酸素ガスを燃料として発電する燃料電池の酸素分離層や水素分離層、半導体製造装置から排出されるＰＦＣ分離装置、露光装置で使われる希ガス回収装置として好適に使用できる流体分離フィルタ及び流体分離モジュールに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、各種の流体が混合された混合流体から特定流体だけを濾過分離するフィルタを始め、触媒担持体や電解隔壁等として多孔質体が用いられているが、安全かつ簡便なことからその適用範囲が拡がり、多孔質体を用いた特定の流体の分離濃縮技術は各種燃焼機関をはじめ、濃縮プラント、水処理プラント、食品工業や医療用機器の流体分離、燃料電池、更には廃棄物処理等の様々な分野において注目されている。
【０００３】
このような多孔質体として、従来は高分子膜が使用されてきたが、近年は耐熱性、耐薬品性に優れたセラミック分離層が注目されている。特に、最近はオンサイトでガス処理を行なうことが多いため、小型のセラミック分離モジュールが求められている。
【０００４】
従来、セラミック分離モジュールには、有機高分子膜などにおいて一般的に使われている中空糸をセラミックスに応用したものが多く用いられていた。このような中空糸構造のフィルタは、チューブ状のセラミック支持体の表面に耐食性、耐熱性を有する分離層を形成し、これを多数束ねたものであり、例えば、特開平１１−１５６１６７号公報に記載されている。
【０００５】
しかし、特開平１１−１５６１６７号公報に記載された中空糸構造は、チューブ状のセラミック支持体の径を小さくすると強度が低くなって、ハンドリング時に破壊されやすいと共に、高効率の高圧領域で使用が困難であり、また、支持体同士が密着して流路を確保するのが難しく、小型化を図るのが困難であるいという問題があった。
【０００６】
そこで、図６に示すように、分離層３２を主面及び対向主面に形成したセラミック平板３１を、スペーサ３４を挟んで積層し、セラミック平板３１間に流体の流路を設けるため、総流路長を大きくして小型化を図った流体分離フィルタが、特開平２−１９８６１１号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−１９８６１１号公報に記載された平板状支持体構造の流体分離フィルタでは、分離層３２を透過した流体成分が、各セラミック平板３１の内部を、長い距離にわたって移動し、各段毎に取出口部材３５に達した後、通気孔３６から一ヶ所に集められた後に回収されるため、回収効率が非常に悪いという問題があり、実用化を阻んでいた。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、分離層を透過した透過流体の回収効率を高めた小型の流体分離フィルタ及び流体分離モジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質セラミックスからなる平板状支持体の表面に設けられた分離層を透過した透過流体を、平板状支持体の側面から吐出させることによって、平板状支持体内の通過距離を短くし、透過流体の回収効率を顕著に高めることができるという知見に基づき、回収効率を高めた小型の流体分離フィルタを実現したものである。
【００１０】
即ち、本発明の流体分離フィルタは、セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けた複数の流体隔壁と、該流体隔壁間に設けられた複数のスペーサと、該スペーサと流体隔壁とで形成される流体の主流路と、隣接する２つの主流路を連結するための副流路と、前記平板状支持体の内部に前記分離層を透過した透過流体が流れる透過流体流路と、該透過流体が前記平板状支持体の側面から吐出する吐出部を具備することを特徴とする。
【００１１】
特に、前記吐出部の面積が、全側面の総面積の５０％以上であることが好ましい。これにより、流体の分離効率をより高めることができる。
【００１２】
また、前記平板状支持体の主面及び対向主面が多角形で、且つ前記透過流体流路が前記多角形の辺の長さ以下であること、又は、前記平板状支持体の主面及び対向主面が円形で、且つ前記透過流体流路が前記円形の半径以下であることが好ましい。これにより、透過効率を律速する透過流体の走行距離を短くでき、透過速度をより高めることができる。
【００１３】
さらに、前記主流路が櫛型形状であることが好ましい。これにより、主流滞留炉内でガスの流れがよどむいわゆるデッドスペースを抑制でき、効率的に特定ガスを供給ガスから透過させることができる。
【００１４】
さらにまた、前記スペーサの相対密度が９８％以上であることが好ましい。これにより、スペーサからのガスの抜けを防止できる。
【００１５】
また、前記スペーサが多孔質体からなり、前記流体流路を形成する前記スペーサの表面に分離層が設けられてなることが好ましい。これにより、複数の成分を含む流体から特性成分がスペーサに設けられた分離層を透過して分離され、分離フィルタの外部に吐出され、フィルタの効率をさらに一層高めることができる。
【００１６】
さらに、前記スペーサの厚みが０．２〜２０ｍｍであることが好ましい。これにより、機械的強度を有したまま一定以上の単位体積当たりの分離層面積を確保し、かつ透過流体が多孔質内をスムーズに移動でき透過流体の回収が行える。
【００１７】
さらにまた、前記平板状支持体の厚みが０．２〜２０ｍｍであることが好ましい。これにより、流体分離フィルタのより小型化に寄与でき、さらに平板状支持体内を流れる透過流体の十分な経路を確保できる。
【００１８】
また、前記平板状支持体の気孔率が、表面部よりも内部で大きいことが好ましい。これにより、透過した流体の多孔質内での圧力損失が小さくなり透過量を多く取れることができる。
【００１９】
さらに、前記平板状支持体の平均気孔径が、表面部よりも内部で大きいことが好ましい。これにより、透過流体の透過量を減らすことなく平板支持体表面上にコートされる分離層の成膜性が向上し分離特性が向上することができる。
【００２０】
また、本発明の流体分離モジュールは、上記の流体分離フィルタと、該流体分離フィルタを保持するための容器と、前記流体分離フィルタを容器内で支持するとともに流体と該流体から分離された透過流体とが混合しないように設けられた隔離体と、該流体分離フィルタに流体を供給するための流体導入口と、前記流体分離フィルタを通過して外部に排出するための排出口と、透過流体を回収するための取出口とを具備することを特徴とするものであり、これにより、混合流体から選択的に特定の流体成分を分離透過させる分離層をシステムとして使用することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。
【００２２】
本発明の流体分離フィルタは、図１に示すように、セラミック多孔質体からなる複数の流体隔壁１がスペーサ２と交互に積層され、流体が流れる流路３が形成されている。
【００２３】
流路３は、図１のａ−ａ′部の断面図である図２に示したように、流体隔壁１とスペーサ２とで構成された主流路３ａと、隣接する２つの主流路３ａ間を連結するための副流路３ｂで構成される。主流路３ａは、流体隔壁１間に複数設けられ、お互いに略平行となっている。また、副流路３ｂは、流体隔壁１に設けられた連通孔として形成されている。流体は、図２の中の矢印で示したように、主流路３ａと副流路３ｂを交互に流れる。
【００２４】
流体隔壁１は、平板状支持体４と、平板状支持体４の主面５ａに設けられた分離層６ａと、対向主面５ｂに設けられた分離層６ｂとから構成され、分離層６ａ、６ｂは流体の主流路３ａを形成し、流体隔壁１の一部には副流路３ｂとなる連通孔が設けられている。
【００２５】
また、流体隔壁１の断面図である図３に示したように、平板状支持体４の内部４ａには、気孔が連なって形成された透過流体流路が設けられ、側面７の少なくとも一部には透過流体の吐出する吐出部が設けられている。
【００２６】
流路３を流れる流体の成分の一部は、図３の矢印で示したように、分離層６ａ、６ｂを透過すると平板状支持体４の表面部４ｂから内部４ａへ浸透し、内部４ａに設けられた透過流体流路を通って側面７に達する。そして、透過流体が側面７から吐出する。
【００２７】
本発明によれば、上述のように、流体分離フィルタが流体隔壁１と、スペーサ２と、主流路３ａと、副流路３ｂと、透過流体流路と、吐出部とを具備することが重要である。
【００２８】
本発明の流体分離フィルタは平板構造であるため、中空糸構造に比べて、セラミック多孔質体中を移動する距離が長い。従って、透過流体の移動距離を短縮して透過効率を高めるため、透過流体を平板状支持体４の側面７から吐出させることが重要である。側面７から透過流体を吐出させると、透過流体流路が短縮でき、透過流量を増加させ、透過効率を高めることが可能となる。
【００２９】
平板状支持体４の主面５ａ及び対向主面５ｂが他の多角形である場合、透過流体流路が多角形の辺の長さ以下であることが好ましい。例えば、図１のように平板状支持体４が四角柱（直方体）の場合、主面５ａ及び対向主面５ｂの形状が長方形で透過流体が４方向（４側面）に吐出することが可能であり、六角柱（８面体）の場合、主面５ａ及び対向主面５ｂの形状が６角形で、６方向（６側面）からの吐出が可能であり、吐出した透過流体を捕集する。
【００３０】
また、平板状支持体４が円柱の場合、平板状支持体４の主面５ａ及び対向主面５ｂの形状が円である場合、透過流体流路が前記円形の半径以下であることが好ましい。このような構成にすることで、主面が多角形であっても円形であっても、いずれの場合でも透過流体が側面７に至るまでの透過流体流路を短くし、回収効率を高めるのに寄与することができる。
【００３１】
また、全側面７の総面積に対する透過流体が吐出する側面７の面積の比率を高めることによって、透過効率を容易に高めることができる。即ち、全側面７の総面積（Ｓａｌｌ）に対する透過流体が吐出する側面７の部位の面積（Ｓｆ）の比Ｓｆ／Ｓａｌｌを５０％以上、特に７０％以上、更には９０％以上にすることが好ましい。さらに、平板状支持体４の固定やその他の理由で側面７の一部が使用できない場合もあるが、比Ｓｆ／Ｓａｌｌは１００％又は１００％に近いのが良い。
【００３２】
平板状支持体４は、流体の主流路３ａを形成し、複数の成分からなる流体と接しており、その一部の成分が分離層６を透過した透過流体は平板状支持体４の内部を流れるため、透過量を増やし、透過速度を高める上では、平板状支持体４内部の気孔率が、表面部４ｂ、即ち主面５ａ及び対向主面５ｂ付近での気孔率よりも大きいことが好ましい。
【００３３】
具体的には、平板状支持体４全体の平均としての気孔率は、透過ガスが平板状支持体４中を透過しやすくするため、１５％以上、特に２０％以上、更には２５％以上であることが望ましく、さらには、平板状支持体４の強度を確保し、ハウジングなどへ組み立てる際に、平板状支持体４が破損したり、操作中に平板状支持体４を構成する粒子が脱粒することを防止するためには、平板状支持体４の気孔率が６０％以下、特に５０％以下、更には４０％以下であることが望ましい。
【００３４】
また、平板状支持体４の内部４ａの気孔率は、流体隔壁１の強度を確保し、ハウジングなどへ組み立てる際の破損、操作中に平板状支持体４を構成する粒子が脱粒すること等、支持体として機械強度の低下を抑制しつつ大きな透過係数を実現するため、上限が６０％、特に５５％、更には５０％であることが好ましい。また、透過流体が十分な透過流体流路を確保し、より高い透過効率を得るためには、平板状支持体４の気孔率の下限を２０％、特に２５％、更には３０％にすることが好ましい。
【００３５】
平板状支持体４の表面部４ｂは、分離層を透過した流体の一部の成分からなる透過流体を効率良く透過させるとともに、１ｎｍ程度の細孔径を有する分離層を表面に形成するため、これらの分離層６にピンホールや欠陥が発生しないように、表面部４ｂの気孔率及び平均気孔径を制御するのが良い。具体的には、気孔率が８〜３０％、特に１０〜２５％、更には１２〜２０％、平均気孔径が０．０５μｍ〜１μｍ、特に０．１μｍ〜０．８μｍ、更には０．１〜０．５μｍを例示できる。
【００３６】
平板状支持体４の内部４ａは、気孔が連なって透過流体経路を形成し、透過流体がスムーズに流れる。従って、多孔質である平板状支持体４の内部４ａにおける透過流体の圧力損失を小さくし、高い透過速度を実現するためには、内部４ａの気孔率及び平均気孔径を表面部４ｂよりも大きくすることが好ましい。
【００３７】
平板状支持体４の厚みは、透過流体流路の断面積を大きくして透過流体量を増かさせるため、下限を０．２ｍｍ、特に０．４ｍｍ、更には０．６ｍｍであることが好ましく、単位体積当たりの流体分離フィルタに含まれる分離層６の面積を大きくし、流路３の総延長を大きくしつつ小型化を図るため、上限を２０ｍｍ、特に１５ｍｍ、更には１０ｍｍであることが好ましい。
【００３８】
平板状支持体４の材料としては、α−アルミナや安定化ジルコニアを主成分とするセラミックスやシリカ系ガラス（分相ガラス）、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等を用いることができるものの、耐熱性が高いこと、容易に作製できること、及び低コストの点でα−アルミナを主成分とするセラミックスが良い。
【００３９】
分離層６は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌの少なくとも１種を含むことが好ましい。これらは、酸化物として分離層６を形成する。これらのうち、アルコキシド状態では反応性が低く局所的な反応を進むことが抑制でき、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのネットワークを組むことで１ｎｍ以下の細孔径の作製が容易である観点からＳｉが更に良い。
【００４０】
その際の流体によって平板状支持体４が加圧されていることが好ましい。このように平板状支持体４に圧力が加わると透過速度が高まり、更に透過効率を高めることが可能となる。具体的には、気体の場合、１．５ａｔｍ以上、特に２ａｔｍ以上、更には３ａｔｍ以上であることが好ましい。
【００４１】
また、平板状支持体４は薄いため、機械的損傷を防止するため、平板状支持体４の主面５ａに加わる圧力と、対向主面５ｂに加わる圧力が略同一であることが好ましい。即ち、主面５ａの接する流体の圧力が、対向主面５ｂと接する流体の圧力と略同一であれば良い。このように、平板状支持体４の上下面から均等な圧力によって支えられるため、特別の応力の発生を防止でき、クラックや破壊を防止することができる。
【００４２】
スペーサ２は、密封性を高めるため９８％以上、特に９９％以上であることが好ましい。これにより、流路３の供給ガスが流体分離層フィルターから漏れ出すことを防ぐことが出来る。
【００４３】
また、スペーサ２の厚みは０．２〜２０ｍｍ、特に０．５〜１５ｍｍ、更には１〜１０ｍｍが好ましい。スペーサ２は流路を形成するとともに、その厚みをこのような範囲に設定することで、流体と分離層６との接触面積を大きくし、透過流体の回収効率を高め、且つ流体分離フィルタとしてクラックの発生防止に寄与することができる。
【００４４】
スペーサ２は、耐食性を高めるため、所望のセラミックスを用いるのが良い。例えば、アルミナや安定化ジルコニアを主成分とするセラミックス、シリカ系ガラス（分相ガラス）、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等を好適に用いることができる。これらのうち、耐熱性、製造の容易性、低コストの点でα−アルミナを主成分とするセラミックスが良い。
【００４５】
また、積層体を形成するため、平板状支持体４との密着性を高め、クラックや剥離の発生を効果的に防止するように、スペーサ２を平板状支持体４と略同一の材料で構成することが好ましい。
【００４６】
本発明によれば、流体分離フィルタの使用環境や要求特性によって、スペーサ２に関して２通りの材料設計を行うことができる。即ち、第一に強度等の機械的信頼性や流体分離の信頼性が要求される場合であり、第二にフィルタとして高特性が要求される場合である。
【００４７】
機械的信頼性や流体分離の信頼性が要求される第一の場合、スペーサ２の密度を９８％以上、特に９９％以上にすることが好ましい。このようにスペーサ２に緻密なセラミックスを用いると、流体分離フィルタの骨格が高強度、高靭性、高耐衝撃性等のような機械的信頼性の高い緻密セラミックスで構成されるため、壁面及び内部４ａに比較的多孔質のセラミックスを用いても流体分離フィルタの機械的信頼性を高めることができ、また、流体がスペーサ２を透過してスペーサ２の側面から吐出するのを防止でき、流体分離の信頼性を高めることができる。
【００４８】
フィルタとしての高特性が要求される第二の場合、スペーサ２の少なくとも流体と接する部位に分離層６を設けることが好ましい。平板状支持体４に加えてスペーサ２を通して流体分離を行うことができる。平板状支持体４で分離された透過流体は平板状支持体４の内部の比較的長い距離を移動するが、スペーサ２で分離された透過流体は、スペーサ２の厚み分の短距離を移動するだけなので分離効率が高く、その結果、スペーサ２に設けられた分離層６の面積にもよるが、さらに１０〜２００％もの分離効率を高めることができる。
【００４９】
流体は、平板状支持体４の表面に設けられた分離層３と接していれば良く、その流れる方向、流量、或いは流速には特に制限がない。しかし、特定の成分を効率良く透過させるため、流路のあらゆる部位において流体が流動し、常に新鮮な流体が供給されることが好ましい。
【００５０】
また、平板状支持体４は薄いため、機械的損傷を防止するため、平板状支持体４の主面５ａに加わる圧力と、対向主面５ｂに加わる圧力が略同一であることが好ましい。即ち、主面５ａの接する流体の圧力が、対向主面５ｂと接する流体の圧力と略同一であれば良い。このように、平板状支持体４の主面５ａ及び対向主面５ｂの上下面から均等な圧力によって支えられるため、平板状支持体４に加わる応力を低く抑えることができ、クラックや破壊を防止することができる。
【００５１】
主流路３ａは、特に制限はないものの、流体と分離層６とが広範な範囲で接触し、且つよどみがなく新鮮な流体が分離層６に供給されることが好ましい。そのため、主流路３ａを図４（ａ）のように単純構造にしても良いが、（ｂ）に示すような櫛型形状にすることが望ましい。このように、流路の距離を伸ばし、全ての流体を強制的に流すことにより、流路に大きなよどみの発生するのを防止し、分離層６に新鮮な流体を常時供給でき、その結果、分離効率をさらに高めるのに効果がある。
【００５２】
以上のような構成を有する流体分離フィルタは、高い耐圧性を有する特徴があり、高圧で用いられる天然ガスからのＣＯ２分離や石油コンビナート等の石油化学プロセスに、また単位体積当たりに占める膜面積が高いという特徴を有しているため、流体分離フィルタを設置する面積を大きく取れない用途、具体的には半導体製造ラインに使われるＰＦＣ分離装置、露光装置に使われる希ガス分離装置に使われる分離装置として好適に使用することができる。
【００５３】
次に、流体分離フィルタの製造方法について説明する。
【００５４】
まず、平板状支持体４を作製するため、所望の原料粉末を混合し、成形する。成形方法としては、プレス成形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧成形等の公知の成形手段を使用でき、コストと基板の反りを考慮すると粉末圧延法で作製することが望ましい。得られた成形体を焼成し、焼結体を得た。
【００５５】
本発明によれば、気孔率及び平均細孔径が、表面部４ｂよりも内部４ａで大きくなるように、平板状支持体４の厚みを好適に調整し、かつ成型温度、湿度の調整を行うと良い。
【００５６】
次に、分離層６を作製する。分離層６は、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、スパッタ法などによって作製できるが、製造の容易さでゾルゲル法が好ましい。以下に、ゾルゲル法を用いた場合、特にＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌの元素のうちＳｉを含む分離層６の製造方法を取り上げて説明する。
【００５７】
分離層６の原料としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン及びテトラプロポキシシラン等のシリコンアルコキシドを用意する。
【００５８】
この原料を用いて、まず、前駆体ゾルを作製する。即ち、シリコンアルコキシドをアルコール等の溶媒に溶解させ、水を加えて加水分解する。
【００５９】
得られた前駆体ゾルを平板状支持体４の表面に塗布し、その後、焼成して分離層６を形成することができる。焼成は、大気中、３５０〜７００℃、特に４００〜６００℃で熱処理することによりゲル内でＳｉ−Ｏのシロキサン結合が進行し、強固な膜となるとともに、前記有機官能基が熱処理により分解、除去され細孔を生成する。
【００６０】
焼成温度及び焼成時間に関しては、分離層６の平均細孔径の大きさによって異なるが、ガス分離の場合には、平均細孔径が０．２〜１．３ｎｍ、特に０．３〜１．０ｎｍ、さらには０．４〜０．８ｎｍとなるように上記の焼成条件を調整することが好ましく、これによって分離特性の高い膜の作製ができる。
【００６１】
また、焼成においては、分離層６が、平板状支持体４との界面に反応生成物を生じることがないように焼成条件を制御することが好ましい。具体的には４００〜８００℃の温度、好ましくは４５０〜６００℃の焼成温度で行なう。平板状支持体４の表面に層状に被覆され、平滑な表面を形成することが望ましい。
【００６２】
焼成温度及び焼成時間に関しては、分離層６の平均細孔径の大きさによって異なるが、ガス分離フィルタの場合、平均細孔径が０．２〜１．３ｎｍ、特に０．３〜１．０ｎｍ、更には０．４〜０．８ｎｍとなるように上記の焼成条件を調整することが好ましい。例えば、水素ガスを他のガスから分離するためには０．２５〜０．６ｎｍ、ＣＯ２とＣＨ４とを分離するためには０．３〜０．８ｎｍ、Ｎ２ガスとＣＦ４ガスとを分離するためには０．３５〜１．０ｎｍの平均細孔径に設定するのがよく、これによって分離特性を高めることができる。
【００６３】
特に内部４ａの気孔率及び平均細孔径を表面部４ｂよりも大きくするため、焼成温度での保持時間を短くする。
【００６４】
なお、分離層６は、平板状支持体４の主面５ａ及び対向主面５ｂに被着形成するが、分離層６の厚みが０．０１〜５μｍ、特に０．１〜４μｍ、さらには０．５〜３μｍとなるようにゾルの粒径を調整する。
【００６５】
なお、平板状支持体４と分離層６との間に中間層を設け、分離層６の密着性を高めることができる。中間層にはチタニア、ジルコニア、アルミナ等を用いることができ、そのため、原料としてはこれらのアルコキシドを準備すれば良い。
【００６６】
スペーサ２は平板状支持体４を仕切るために用いられスペーサ２からガス漏れが発生しないように緻密体である必要がある。スペーサ２は平板支持体４同士間に設置され平板支持体と熱膨張係数が近いことが好ましい。これにより、耐熱性の高い流体分離層モジュールとなる。
【００６７】
このようにして作製された平板状支持体４をスペーサ２と交互に積み重ねることによって積層体が作製される。積層される平板状支持体４とスペーサ２の枚数は必要とする膜面積によって変化する。また積層させた積層体の両端部には緻密体の平板を設ける。この平板は熱膨張係数をスペーサ２と近い材質を選ぶことが好ましい。具体的にはスペーサ２がアルミナの場合はアルミナを用いる。また、平板状支持体４とスペーサ２、スペーサ２と両端の緻密体との接続にはアルミナと熱膨張係数の近いガラスペーストを用いたガラス接合が好ましい。これにより全ての部材をセラミック性とすることが出来、耐熱性、耐食性に優れた流体分離フィルタを作製できる。
【００６８】
本発明の流体分離モジュールは、図５に示したように、上記の流体分離フィルタ２１が容器２２の内部に複数配置され、容器２２の内部に流体を供給するための流体導入口２３と、流体分離フィルタ２１を通過した流体を外部に排出するための排出口２４と、透過流体を回収するための取出口２５とを備えている。
【００６９】
複数の成分を有する流体、例えばＨ２とＣＯ２の混合ガスが、流体導入口２３から容器２２へ導入され、流体が流体分離フィルタ２１と接し、流体の一部が流体分離フィルタ２１の表面に設けられた分離層を透過し、流体分離フィルタ２１内の分離層を透過した透過流体は側面２７に移動し、取出口２５から取り出される。
【００７０】
上記の構成を有する本発明の流体分離モジュールは、高い耐圧性を有する特徴があり、高圧で用いられる天然ガスからのＣＯ２分離や石油コンビナート等の石油化学プロセス等にも好適に用いることができる。また、透過、非透過のどちらのガスも回収が可能となる。
【００７１】
【実施例】
まず、平板状支持体を作製した。即ち、純度９９．９％、平均粒径０．１μｍのアルミナ粉末、ジルコニア粉末、ガラス粉末、窒化珪素粉末及び炭化珪素粉末に対し、それぞれ所望の有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を添加、混合し、粉末圧延法にてテープを成形した後、焼成して肉厚０．８ｍｍ、縦１５０ｍｍ、横５０ｍｍの焼結体からなる平板状支持体を作製した。なお、この平板状支持体を加工して表１の厚みに調整するとともに、その表面は、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ以下となるように研磨した。
【００７２】
得られた焼結体の気孔率及び平均細孔径を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察から測定した。
【００７３】
次に、分離層を作製した。原料として、チタニウムテトライソプロポキシド（ＴＴＰ）、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラプロポキシジルコニウム（ＴＰＺ）、アルミニウムセカンダリーブトキシド（ＡＳＢＤ）を準備した。
【００７４】
上記の原料を用いて、ゾルゲル法により支持体上に分離層を作製した。即ち、ＴＴＰ、ＴＥＯＳ、ＴＰＺ及びＡＳＢＤの原料を単独で用いる場合、これら金属アルコキシド１モルに対して、水１モル及びＨＣｌを含むエタノール溶液を添加、混合した。また、複数の原料を用いる場合、ＴＥＯＳ１モルに対して、水１モルおよびＨＣｌを含むエタノール溶液を添加、混合して部分加水分解ゾルを作製し、これに他の金属アルコキシドのエタノール溶液を金属アルコキシドが１モルとなるように添加し、窒素気流下で攪拌し、複合アルコキシドを作製した。
【００７５】
次に、得られた溶液に対し、水９．３モルとエタノールの混合溶液を添加し加水分解して、攪拌し、前駆体ゾルを作製した。次いで、平板状支持体の側面に栓をして、上記のゾルに含浸して６０秒間保持し、５ｍｍ／秒の速度で取り出し、室温で２時間乾燥してゾルをゲル化した後、大気中、５５０℃で焼成する工程を４回繰り返して支持体の外表面に分離層を被着形成した。
【００７６】
なお、分離層の作製に先立ち、所望により中間層を作製した。即ち、水１１０モルに対して、上記原料を添加して加水分解し、さらに硝酸を添加した後、１６時間煮沸攪拌して前駆体ゾルを作製した。次いで、分離層と同様の方法で中間層を被着形成した。
【００７７】
得られた試料に対して、ケルビンの毛管凝縮式を用いて細孔内に毛管凝縮する水の湿度と温度から分離層の平均細孔径を求めた。
【００７８】
また、分離層の膜厚を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した。
【００７９】
また、得られたフィルタ１８枚フィルタ間にスペーサを１７枚と端部フィルタ両側にスペーサを２枚、フィルタと同じ形状の緻密層の平板を両端スペーサ状にそれぞれ積層してそれぞれの層をガラスペースト（山村硝子社製ＹＢ５１９）を用いて接着封止した後、ガラス容器の内部に配置し、流体導入口、排出口、取出口を取り付け、図３に示したような流体分離モジュールを作製した。なお、吐出部の面積比が表１の側面比率になるように、側面の一部をガラスで封止した。また、Ｎｏ．１３は、図６のように取出口部材３５を設け、通気孔３６から回収する構造とした。
【００８０】
得られた流体分離モジュール内を２５０℃の温度に加熱すると共に、平板状支持体内側を大気開放として１００ｋＰａ（大気圧）にした状態で、平板状支持体外側に二酸化炭素２００ｋＰａ（２気圧）を２０ｌ／分の割合で流し、透過流体排出口で回収されるガスについて、透過流量を測定し、さらに、二酸化炭素ガスの透過量／（膜面積×差圧×時間）で表される透過率を算出した。また、上記と同様にしてメタンガスの透過率を求め、透過係数比α（二酸化炭素の透過率／メタンの透過率）を求めた。二酸化炭素の回収率は供給二酸化炭素流量に対しての透過分離された二酸化炭素流量の比で求めた。結果を表１に示した。
【００８１】
【表１】
2004033981.tif 000003
【００８２】
本発明の試料Ｎｏ．１〜４及び６〜２５は、ＣＯ２とＣＨ４との混合ガスのうち４６％以上のＣＯ２を回収することができた。
【００８３】
これに対して、
【００８４】
【発明の効果】
本発明は、セラミック多孔質体からなる平板状支持体の主面及び対向主面に分離層を設けてなる流体隔壁を複数積層し、該流体隔壁間に流体が流れる流路を形成してなる積層体を作製することにより、流体処理量が大きく高圧領域に好適な流体分離フィルタを実現することができる。
【００８５】
特に、スペーサに緻密なセラミックスを用いることによって、耐食性と機械的信頼性が更に高い流体分離フィルタを実現でき、また、スペーサに多孔質セラミックスを用いて、流体と接する部位に分離層を形成することによって、分離効率のより高い流体分離フィルタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体分離フィルタを示す概略斜視図である。
【図２】本発明の図１の流体分離フィルタのａ−ａ′部の概略断面図である。
【図３】本発明の流体分離フィルタの一部を示す概略断面図である。
【図４】本発明の流路の一例を示す概略断面図で、（ａ）は平板形状の場合、（ｂ）は櫛型形状の場合である。
【図５】本発明の流体分離モジュールを示す概略断面図である。
【図６】従来の流体分離フィルタを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・流体隔壁
２・・・スペーサ
３・・・流路
３ａ・・・主流路
３ｂ・・・副流路
４・・・平板状支持体
５ａ・・・主面
５ｂ・・・対向主面
６、６ａ、６ｂ・・・分離層
７・・・側面
【図１】
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【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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