(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液膜保有コンタクタであって、
穿孔された中央管と、
第１の端部及び第２の端部の両方が開放されている、第１の管腔を各々が有する複数の第１の中空繊維膜を含む第１の膜マットと、
第１の端部及び第２の端部の両方が開放されている、第２の管腔を各々が有する複数の第２の中空繊維膜を含む第２の膜マットとを含み、
前記第１の膜マットと前記第２の膜マットとが前記中央管に交互に巻き付けられ、前記第１の中空繊維膜の前記第１端部が、前記第２の中空繊維膜の前記第２端部を第１の距離だけ超えて延在し、前記第２の中空繊維膜の前記第１端部が前記第１の中空繊維膜の前記第２端部を第２の距離だけ超えて延在し、前記コンタクタが、さらに、
前記第１の膜マット及び第２の膜マットを前記穿孔された中央管に取り付ける第１の管シート及び第２の管シートを含み、前記第１の中空繊維膜の前記第１端部が前記第１の管シートにて開放されており、前記第２の中空繊維膜の前記第１端部が前記第２の管シートにて開放されており、前記コンタクタが、さらに、
前記第１の膜マット及び第２の膜マットを前記穿孔された中央管に取り付ける第３の管シート及び第４の管シートを含み、前記第２の中空繊維膜の前記第２端部が前記第１の管シートと前記第３の管シートの間にあり、前記第１の中空繊維膜の前記第２端部が前記第２の管シートと前記第４の管シートとの間にあり、
前記第１の中空繊維膜が、前記第１の管シートと前記第３の管シートとの間にて非多孔質であり、且つ、前記第２の中空繊維膜が、前記第２の管シートと前記第４の管シートとの間にて非多孔質であり、前記コンタクタが、さらに、
前記第１の膜マット及び第２の膜マットを取り囲み、且つ、前記管シートの全てに対してシールされているシェルを含み、
前記シェルが、前記第１の管シートと前記第４の管シートとの間に、前記第２の中空繊維膜の前記第２端部に連通する第１のポートを有し、
前記シェルが、前記第２の管シートと前記第３の管シートとの間に、前記第１の中空繊維膜の前記第２端部に連通する第２のポートを有し、前記コンタクタがさらに、
前記穿孔された中央管に連通する第３のポート、及び、前記第１の中空繊維膜の前記第１端部に連通する第４のポートを有する第１の端部キャップと、
前記穿孔された中央管に連通する第５のポート、及び、前記第２の中空繊維膜の前記第１端部に連通する第６のポートを有する第２の端部キャップとを含む、液膜保有コンタクタ。
【請求項２】
前記穿孔された中央管が、前記第３の管シートと前記第４の管シートとの間に複数の穿孔を有する請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項３】
さらに液体保有コンタクタの中央に配置されるバフルを含む、請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項４】
前記第１の管シート及び前記第１の端部キャップが第１のヘッドスペースを画成している請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項５】
前記第１のヘッドスペースが、前記第４ポートが前記第１の中空繊維膜の前記第１端部に連通することを可能にするように適合されている、請求項４に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項６】
前記第２の管シートと前記第２の端部キャップとが第２のヘッドスペースを画成している請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項７】
前記第２のヘッドスペースが、前記第６ポートが前記第２の中空繊維膜の前記第１端部に連通することを可能にするように適合されている、請求項６に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項８】
前記第１の管シートと前記第３の管シートとが第３のヘッドスペースを画成する請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項９】
前記第３のヘッドスペースが、前記第１ポートが前記第１の中空繊維膜の前記第２端部に連通することを可能にするように適合されている、請求項８に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項１０】
前記第２の管シートと前記第４の管シートとが第４のヘッドスペースを画成する請求項１に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項１１】
前記第４のヘッドスペースが、前記第２ポートが前記第２の中空繊維膜の前記第２端部に連通することを可能にするように適合されている、請求項１０に記載の液膜保有コンタクタ。
【請求項１２】
液膜保有コンタクタを製造するための方法であって、
穿孔された中央管を準備するステップと；
閉鎖されている第１の端部及び開放されている第２の端部を有する、第１の管腔を有する複数の第１の中空繊維膜を含む第１の膜マットを準備するステップと；
前記第１の中空繊維膜を、少なくとも第１の管シートと第３の管シートとの間の距離にわたって非多孔質にするステップと、
閉鎖されている第１の端部及び開放されている第２の端部を有する、第２の管腔を有する複数の第２の中空繊維膜を含む第２の膜マットを準備するステップと；
前記第２の中空繊維膜を、少なくとも第２の管シートと第４の管シートとの間の距離にわたって非多孔質にするステップと；
前記中央管の周囲に、前記第１の膜マット及び前記第２の膜マットを、交互の層として、前記第１の中空繊維膜の前記第１端部が前記第２の中空繊維膜の前記第２端部を第１の距離だけ超えて延在し、且つ、前記第２の中空繊維膜の前記第１端部が前記第１の中空繊維膜の前記第２端部を第２の距離だけ超えて延在するように巻き付けるステップと；
前記第１の膜マット及び前記第２の膜マットに前記中央管へのポッティングを施し、それにより、前記第３の管シート及び前記第４の管シートを形成するステップと；
これによりカートリッジを形成するステップと；
第１のポート及び第２のポートを有するシェルを設けるステップと；
前記カートリッジを前記シェル内に配置するステップと；
前記シェルを第１の端部にて前記第３の管シートに対して回転させるステップと；
ポッティング材料を前記第１ポートに挿入し、前記ポッティング材料が重力により前記シェルの端部に押し出されるステップと；
前記ポッティング材料が硬化されるまで前記シェルを安定化させ、それにより、第１の管シートを前記シェルの端部に形成するステップと；
前記第１の中空繊維膜の前記第１端部を前記第１の管シートにて開放するステップと；
境界流体及びポッティング材料を、前記第１ポートを通して前記第１の管シートの上部に挿入し、重力により前記境界流体が前記ポッティング材料より下に押し出されるステップと；
前記ポッティング材料が硬化されるまで前記シェルを安定化させ、それにより、前記第３の管シートを前記シェルにシールするステップと；
前記境界流体を排出させるステップと；
前記シェルを第２の端部にて前記第４の管シートに対して回転させるステップと；
ポッティング材料を前記第２ポートに挿入し、前記ポッティング材料が重力により前記シェルの端部に押し出されるステップと；
前記ポッティング材料が硬化されるまで前記シェルを安定化させ、それにより、第２の管シートを前記シェルの端部に形成するステップと；
前記第２の中空繊維膜の前記第１端部を前記第２の管シートにて開放するステップと；
境界流体及びポッティング材料を、前記第２ポートを通して前記第２の管シートの上部に挿入し、前記境界流体が重力により前記ポッティング材料より下に押し出されるステップと；
前記ポッティング材料が硬化されるまで前記シェルを安定化させ、それにより、前記第４の管シートを前記シェルにシールするステップと；
前記境界流体を排出するステップと；
第１の端部キャップ及び第２の端部キャップを設けるステップと；
前記端部キャップを前記シェルに取り付けるステップとを含む方法。
【請求項１３】
前記第１の膜マット及び前記第２の膜マットのセクションを非多孔質にする前記ステップが、前記膜マットの外面を溶融することを含む、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１４】
前記第１の中空繊維膜及び第２の中空繊維膜の前記第１端部を開放する前記ステップが、前記端部を機械加工して開放することを含む、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１５】
境界流体及びポッティング材料を、前記第１ポートを通して前記第１の管シートの上部に挿入する前記ステップが、第１の量の境界流体を、前記第２の中空繊維膜の前記第２端部が前記第１の管シートと前記第３の管シートとの間にあり、且つ前記第１の中空繊維膜の前記非多孔質の距離が前記第１の管シートと前記第３の管シートとの間に延在する位置に挿入するステップを含む、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１６】
境界流体の前記第１の量が、マーキングを有する上昇管を通して決定される、請求項１５に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１７】
境界流体及びポッティング材料を、前記第２ポートを通して前記第２の管シートの上部に挿入する前記ステップが、第２の量の境界流体を、前記第１の中空繊維膜の前記第２端部が前記第２の管シートと前記第４の管シートとの間にあり、且つ前記第２の中空繊維膜の前記非多孔質の距離が少なくとも前記第２の管シートと前記第４の管シートとの間に延在する位置に挿入するステップを含む、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１８】
境界流体の前記第２の量が、マーキングを有する上昇管を通して決定される、請求項１７に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項１９】
前記第１の管シートと前記第３の管シートとが、前記第１のポートが前記第２の中空繊維膜の前記第２端部に連通することを可能にするように適合されている第３のヘッドスペースを画成する、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項２０】
前記第２の管シートと前記第４の管シートとが、前記第２のポートが前記第１の中空繊維膜の前記第２端部に連通することを可能にするように適合されている第４のヘッドスペースを画成する、請求項１２に記載の液膜保有コンタクタを製造する方法。
【請求項２１】
前記穿孔された中央管、前記第１の膜マット、前記第２の膜マット、前記第１の管シート、前記第２の管シート、前記第３の管シートおよび前記第４の管シートが一緒になって、カートリッジを規定する、請求項１に記載の液膜保有コンタクタであって、前記第１の膜マットおよび第２の膜マットが、前記穿孔された中央管に巻き付けられ、前記第３の管シートおよび前記第４の管シートが、前記第１の膜マットおよび前記第２の膜マットを前記穿孔された中央管に取り付ける、液膜保有コンタクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、液膜保有コンタクタ（contained liquid membrane）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜コンタクタは多くの目的のために用いられ得る。これらの目的は、限定はしないが、混入ガスを液体から除去すること、液体の脱泡、液体の濾過、及び、ガスを液体に加えることを含む。膜コンタクタは、多くの異なる用途で用いられることが知られている。例えば、膜コンタクタは、印刷用インクから混入ガスを除去することに用いられ得る。膜コンタクタの現在の設計は、幾つかの用途には有効であるが、工業生産可能な液膜保有装置をもたらすことを可能にはしていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
安定した液膜は、長年にわたり、膜開発者の関心事であった。なぜなら、液膜の、促進輸送構造における非常に高い選択能力が証明されているからである。しかし、安定した液膜を生成することは、常に、達成し難い目標であった。安定性に関する問題を解決するために、液膜保有コンタクタのコンセプトが数年前に提示されたが、周知の再現可能な保有液膜の有効厚さを有する膜装置を製造することは非常に困難であることが証明されていた。膜の安定性を長期間にわたって保証することが可能であるならば、液膜がより有効に用いられることが可能であろう。
【０００４】
液膜保有コンタクタは、液膜がかなり長期間にわたり安定して保有されることを可能にするであろう。従って、工業生産可能な液膜保有コンタクタ、及びその製造方法が必要である。本発明にて提示される装置の概念は、保有された安定な液膜を低い製造コストで作製することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
液膜保有コンタクタは、穿孔された中央管と、各々が第１の端部及び第２の端部を有し、且つ前記端部の両方が開放されている複数の第１の中空繊維膜を含む第１のマットと、各々が第１の端部及び第２の端部を有し、且つ前記端部の両方が開放されている複数の第２の中空繊維膜を含む第２のマットと、第１の管シートと、第２の管シートと、第３の管シートと、第４の管シートと、シェルと、端部キャップとを含む。前記第１の中空繊維膜の第１端部は、前記第２の中空繊維膜の第２端部を、第１の距離だけ超えて延在する。前記第２の中空繊維膜の第１端部は、前記第１の中空繊維膜の第２端部を、第２の距離だけ超えて延在する。前記管シートは、第１の膜マット及び第２の膜マットを、穿孔された中央管に取り付ける。第１の中空繊維膜の第１端部は第１の管シートにて開放されており、第２の中空繊維膜の第１端部は第２の管シートにて開放されている。第１の中空繊維膜の第２端部は、第２の管シートと第４の管シートとの間にあり、第２の中空繊維膜の第２端部は、第１の管シートと第３の管シートとの間にある。第１の中空繊維膜の外面は、第１の管シートと第３の管シートとの間にて非多孔質であり、第２の中空繊維膜の外面は、第２の管シートと第４の管シートとの間にて非多孔質である。シェルは、第１のマット及び第２のマットを取り囲み、且つ、管シートの全てに対してシールされている。シェルは、第２の中空繊維膜の第２端部に連通する第１の管シートと第３の管シートとの間に、第１のポートを有する。シェルは、第１の中空繊維膜の第２端部に連通する、第２の管シートと第４の管シートとの間に、第２のポートを有する。第１の端部キャップは、前記穿孔された中央管に連通する第３のポートと、第１の中空繊維膜の第１端部に連通する第４のポートとを有する。第２の端部キャップは、前記穿孔された中央管に連通する第５のポートと、第２の中空繊維膜の第１端部に連通する第６のポートとを有する。
【０００６】
本発明を例示するために、現在好ましい形態を図示する。しかし、本発明が、図示された詳細な配置及び手段に限定されないことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の概略断面図である。
【図２】図１の膜マットが、穿孔された中央管の周囲に交互に巻かれている様子を示す斜視図である。
【図３】図１の実施形態に示されているカートリッジの長手方向の断面図である。
【図４】境界流体及びポッティング材料をポートに挿入するステップの一実施形態の部分断面図であり、重力により境界流体がポッティング材料より下に押し出されて第３の管シート又は第４の管シートを形成する様子を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面（図中、類似の番号は類似の要素を示す）を参照すると、図１に、液膜保有コンタクタ１０の一実施形態が示されている。液膜保有コンタクタ１０は、図１に示されているように、４つの基本的な構成要素、すなわち、カートリッジ６８（図２及び図３参照）、シェル４６、第１の端部キャップ５２、第２の端部キャップ６０を含む。
【０００９】
図２及び図３を参照すると、カートリッジ６８は、穿孔された中央管１２、第１の膜マット１４、第２の膜マット２４、第３の管シート４２、及び第４の管シート４４を含み得る。第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、穿孔された中央管１２の周囲に巻き付けられ得る。第３の管シート４２及び第４の管シート４４は、第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４を穿孔された中央管１２に取り付け得る。
【００１０】
穿孔された中央管１２は、膜マット１４及び膜マット２４を所望のように支持するための十分な機械的強度を有する任意の材料からつくられ得る。穿孔された中央管１２は、ポリマー材料、金属、又は複合材料からつくられ得る。穿孔された中央管１２は、任意のポリオレフィン、例えばポリエチレンからつくられ得る。穿孔された中央管１２は複数の穿孔７０を含み得る。穿孔７０は、穿孔された中央管１２の任意の長さにわたって延在し得る。この長さは、限定はしないが、第３の管シート４２と第４の管シート４４との間の長さを含む（図１及び図３を参照）。穿孔７０が第３の管シート４２と第４の管シート４４との間の長さにわたってのみ延在することにより、第３の管シート４２及び第４の管シート４４がシェル４６に、穿孔された中央管１２内にポッティング材料が入ることなくシールされることが可能にされ得る。穿孔された中央管１２は、穿孔された中央管１２の２つの両端に通じるチャネルを有する。これらの２つの両端は、穿孔された中央管１２を差し込むための周方向の螺旋溝を含み得る。液膜保有コンタクタ１０は、穿孔された中央管１２が差し込まれても、又は差し込まれなくても動作され得る。
【００１１】
第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、中空繊維膜マットである。第１の膜マット１４と第２の膜マット２４とは、類似の、又は異なる中空繊維膜マットであり得る。第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、各々、異なる別々の目的の達成を促進するように適合され得る。これらの目的の例は、ガス分離、粒子濾過、又は熱交換を含むがこれらに限定されない。第１膜マット１４と第２膜マット２４とは、以下にさらに詳細に論じるように、これらの膜の構成材料、有孔率範囲、ガーレー数範囲、細孔径範囲などに関して異なり得る。本明細書は、本発明を、便宜上、２つの異なる膜マットのみに関して説明するが、本発明が２つの膜マットを有することに限定されることはなく、他の構造、例えば、３つ以上の異なる膜マットも含まれる。
【００１２】
第１の膜マット１４は、複数の第１の中空繊維膜１６を含み得る。第１の膜マット１４は任意の厚さを有し得る。すなわち、単一層の第１の中空繊維膜１６、又は、複数層の第１の中空繊維膜１６が重ねて配置される。第１の膜マット１４は疎水性又は親水性であり得る。また、第１の膜マット１４は、流体からの脱泡を容易にするように適合され得る。或いは、第１の膜マット１４は、流体の精密濾過又は限外濾過を容易にするように適合され得る。また、第１の膜マット１４は、ガス、液体、又は粒子を流体に加えることを容易にするようにも適合され得る。第１の膜マット１４は、当分野で公知のプロセスを用いて構成され得る。一般に、中空繊維マット構造において、中空繊維膜は、編まれ、又は織られてマットに形成される。
【００１３】
第１の中空繊維膜１６は、約５μｍ〜約１０００μｍの範囲の壁厚、約１０％〜約８０％の範囲の有孔率、約１秒／１０ｃｃ〜約２０００秒／１０ｃｃの範囲のガーレー数を有し得る。ガーレー数とは、１２．２インチ（３１ｃｍ）水柱の圧力下で１０ｃｃの空気が１平方インチ（６．４ｃｍ2）の製品を通過するために必要な秒数である。さらに、第１の中空繊維膜１６は、任意の平均孔径を有し得る。例えば、第１の中空繊維膜１６は、約１０ナノメートル〜約２０００ナノメートルの範囲の平均孔径を有し得る。第１の中空繊維膜１６は、任意の材料、例えば、ポリマーであり得る。ポリマーは、例えば、任意の合成ポリマー、セルロース、又は合成変性セルロースであり得る。合成ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ（イソブチレン）、ポリ（メチルぺンテン）、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、エチレンビニルアルコール、フッ素化ポリオレフィン、これらのポリマーのコポリマー、並びに、これらのポリマーの混合物を含むがこれらのポリマーに限定されない。第１の中空繊維膜１６はポリオレフィンからつくられ得る。第１の中空繊維膜１６は、ガス透過に適した疎水性の中空繊維膜であり得る。或いは、第１の中空繊維膜１６は、粒子の精密濾過又は限外濾過に適した親水性膜であり得る。第１の中空繊維膜１６は、多孔質の、又は非多孔質の皮又はコーティングを含み得る。第１の中空繊維膜１６は非多孔質であり得るか、又は、第１の中空繊維膜１６の外面は、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間にてシールされ得る。外皮で被覆された疎水性中空繊維膜が、例えば、ドイツ国、ヴッパータール（wuppertal）のメンブラナ社（membrana GmbH）から、オキシプラス（OXYPLUS）（登録商標）の商標名で市販されている。
【００１４】
第２の膜マット２４は、複数の第２の中空繊維膜２６を含み得る。第２の膜マット２４は任意の厚さを有し得る。すなわち、単一層の第２の中空繊維膜２６、又は、複数層の第２の中空繊維膜２６が重ねて配置される。第２の膜マット２４は疎水性又は親水性であり得る。また、第２の膜マット２４は、精密濾過又は限外濾過を容易にするように適合され得る。或いは、第２の膜マット２４は、液体からの脱泡を容易にするように適合され得る。また、第２の膜マット２４は、ガス、液体、又は粒子を流体に加えることを容易にするようにも適合され得る。第２の膜マット２４は、当分野で公知のプロセスを用いて構成され得る。一般に、中空繊維マット構造において、中空繊維膜は、編まれ、又は織られてマットに形成される。
【００１５】
第２の中空繊維膜２６は、約５μｍ〜約１０００μｍの範囲の壁厚、約１０％〜約８０％の範囲の有孔率、約１秒／１０ｃｃ〜約２０００秒／１０ｃｃの範囲のガーレー数を有し得る。さらに、第２の中空繊維膜２６は、任意の平均孔径を有し得る。例えば、第２の中空繊維膜２６は、約１０ナノメートル〜約２０００ナノメートルの範囲の平均孔径を有し得る。第２の中空繊維膜２６は、任意の材料、例えば、先に記載したポリマーであり得る。第２の中空繊維膜２６は、ポリオレフィンからつくられ得る。第２の中空繊維膜２６は、粒子の精密濾過又は限外濾過に適した親水性の中空繊維膜であり得る。或いは、第２の中空繊維膜２６は、ガス透過に適した疎水性の中空繊維膜であり得る。第２の中空繊維膜２６は、多孔質若しくは非多孔質の皮、又はコーティングを含み得る。第２の中空繊維膜２６は非多孔質であり得るか、又は、第２の中空繊維膜２６の外面は、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間にてシールされ得る。親水性の中空繊維膜が、例えば、ドイツ国、ヴッパータール（wuppertal）のメンブラナ社（membrana GmbH）から、ミクロＰＥＳ（Micro PES）（登録商標）、ウルトラＰＥＳ（UltraPES）（登録商標）の商標名で市販されている。
【００１６】
概して、第１の中空繊維膜１６の各々は第１の管腔１８を有することができ、第２の中空繊維膜２６の各々は第２の管腔２８を有し得る。
【００１７】
第１の中空繊維膜１６は、第１の端部２０及び第２の端部２２を有することができ、これらの端部の両方が開放されている。第２の中空繊維膜２６は、第１の端部３０及び第２の端部３２を有することができ、これらの端部の両方が開放されている。第１の中空繊維膜１６の第１端部２０は、第１の管シート３８の外壁に配置され得る。第１の中空繊維膜１６の第１端部２０は、第１の管シート３８の製造中にポッティング材料が第１の中空繊維膜１６内に入ることを防止するために、最初は閉鎖されていてよいが、後に、第１の管シート３８にて機械加工されて開放され得る。第２の中空繊維膜２６の第１端部３０は、第２の管シート４０の外壁に配置され得る。第２の中空繊維膜２６の第１端部３０は、第２の管シート４０の製造中にポッティング材料が第２の中空繊維膜２６内に入ることを防止するために、最初は閉鎖されていてよいが、後に第２の管シート４０にて機械加工されて開放され得る。第２端部２２及び３２は、最初から開放されていてよい。なぜなら、これらの第２端部は、第１端部２０及び３０のように製造中にポッティングに露出されることがないからである。図１に示されているように、第１の中空繊維膜１６の第２端部２２は、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間にあってよく、第２の中空繊維膜２６の第２端部３２は、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間にあってよい。図１に示されているように、第１の中空繊維膜１６は、非多孔質であってよく、又は、第１の中空繊維膜１６の外面が第１の管シート３８と第３の管シート４２との間でシールされていてもよい。同時に、第２の中空繊維膜２６は、非多孔質であってよく、又は、第２の中空繊維膜２６の外面が第２の管シート４０と第４の管シート４４との間でシールされていてもよい。膜１６及び膜２６の外面は、管シートの間にて、任意の方法によりシールされ得る。この方法は、限定はしないが、膜１６及び膜２６を、シール状態、又は非多孔質にするために溶融することを含む。第１の中空繊維膜１６が、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間にて非多孔質であることが、第１のポート４８が第２の中空繊維膜２６の第２の端部３２のみに連通することを可能にする。第２の中空繊維膜２６が、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間にて非多孔質であることが、第２のポート５０が第１の中空繊維膜１６の第２の端部２２のみに連通することを可能にする。
【００１８】
第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、リーフマット、ループ状マット、テープマット及びこれらのマットの組合せから成る群から選択され得る。リーフマットとは、本文中に用いられる場合、中空繊維膜のシートがマットの長さに対して垂直に配置されたマットのことである。ループマットとは、本文中に用いられる場合、中空繊維膜の折り畳まれたシートがマットの長さに垂直に配置されたマットのことである。或いは、ループマットは、非常に長い繊維膜の単一のストランドが繰り返し折り畳まれたマットであり得る。テープマットとは、本文中に用いられる場合、マットの長さに対して平行に配置された中空繊維膜のシートのことである。
【００１９】
４つの管シート３８，４０，４２及び４４が、液膜保有コンタクタ１０内に含まれ得る。第１の管シート３８は、穿孔された中央管１２の一端の付近に配置されることができ、第２の管シート４０は、穿孔された中央管１２の他端付近に配置され得る（図１及び図３〜図４参照）。第３の管シート４２は、第１の管シート３８より内側に配置されることができ、第２の中空繊維膜２６の第２端部３２は、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間にあり得る。第４の管シート４４は、第２の管シート４０よりも内側に配置されることができ、第１の中空繊維膜１６の第２端部２２は、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間にあり得る。
【００２０】
４つの管シート３８，４０，４２及び４４は断面が円筒状であり、膜マット１４及び２４を支持するための、及び、動作中にこれらの膜マットに加えられる圧力に耐えるための十分な厚さを有する。管シート３８，４０，４２及び４４は、熱可塑性材料又は熱硬化性材料であり得る任意の材料（例えば、ポッティング材料）から構成され得る。例示的な熱可塑性ポッティング材料は、限定はしないが、ポリエチレンを含む。例示的な熱硬化性ポッティング材料は、限定はしないが、エポキシ樹脂を含む。
【００２１】
管シート３８，４０，４２及び４４は、膜マット１４及び２４を所定位置に保持するために、且つ、液膜保有コンタクタ１０を仕切るために機能する。第１の管シート３８及び第１の端部キャップ５２は、液膜保有コンタクタ１０を、第４ポート５６を第１の中空繊維膜１６の第１端部２０に連通させるために第１のヘッドスペース５８を形成するように仕切り得る。第２の管シート４０及び第２の端部キャップ６０は、液膜保有コンタクタ１０を、第６ポート６４を第２の中空繊維膜２６の第１端部３０に連通させるために第２のヘッドスペース６６を形成するように仕切り得る。第１の管シート３８及び第３の管シート４２は、液膜保有コンタクタ１０を、第１ポート４８を第２の中空繊維膜２６の第２端部３２に連通させるために第３のヘッドスペース７６を形成するように仕切り得る。第２の管シート４０及び第４の管シート４４は、液膜保有コンタクタを、第２ポート５０を第１の中空繊維膜１６の第２端部２２に連通させるために第４のヘッドスペース７８を形成するように仕切り得る。
【００２２】
第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４が、穿孔された中央管１２の周囲に巻き付けられ得る。第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、穿孔された中央管１２の周囲に、限定はしないが交互の配置を含む任意の配置で巻かれ得る（図１及び図２参照）。第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４は、穿孔された中央管１２の周囲に、第１の中空繊維膜１６の第１端部２０が第２の中空繊維膜２６の第２端部３２を第１の距離３４だけ超えて延在し得るように巻き付けられ得る。同様に、第１の膜マット及び第２の膜マットは、穿孔された中央管１２の周囲に、第２の中空繊維膜２６の第１の端部３０が、第１の中空繊維膜１６の第２端部２２を第２の距離３６だけ超えて延在するように巻き付けられ得る。第１の距離３４と第２の距離３６とは等しくてよいが、等しい必要はない。第１の距離３４は、第２の中空繊維膜２６の第１端部３０を第１の管シート３８と第３の管シート４２との間に配置するように十分に長く延在し得る。第２の距離３６は、第１の中空繊維膜１６の第１端部２０を第２の管シート４０と第４の管シート４４との間に配置するように十分に長く延在し得る。
【００２３】
膜マット３０及び膜マット３２の巻かれた層の間に間隔を維持して、膜マット全面にわたる流体が均等に分布されることを促進するために、スペーサが用いられ得る。
【００２４】
バフル７２又は複数のバフル７２が、液膜保有コンタクタ１０内に配置され得る。バフル７２は、液膜保有コンタクタ１０の様々な領域への流れ又はフローの向きを変更するためのものであり得る。バフル７２は、液膜保有コンタクタ１０の中央に配置され得る（図１参照）。
【００２５】
図１を参照すると、シェル４６がカートリッジ６８を取り囲み得る。シェル４６は、２つのポート、すなわち、第１のポート４８及び第２のポート５０を含み得る。シェル４６は、任意の材料からつくられ得る。例えば、シェル１４は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンコポリマーテトラフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、フッ素化エチレンポリマー（ＦＥＰ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、金属、又は複合材料からつくられ得る。シェル４６は、任意の長さ、直径又は寸法を有し得る。シェル４６にはその両端にフランジが付され得る。例えば、シェル４６の両端に、フランジが外向きに付され得る。
【００２６】
第１ポート４８がシェル４６に含まれ得る。第１ポート４８は、シェル４６における、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間のいずれの位置にも配置され得る。第１ポート４８は、第２の中空繊維膜２６の端部３２に連通するためにあり得る。第１ポート４８は、第２の中空繊維膜２６の第２端部３２に、第３のヘッドスペース７６を介して連通し得る。第１ポート４８は、一般に、ポート、ノズル、フィッティング（取付け部）、又は他の開口部であり得る。
【００２７】
第２ポート５０がシェル４６に含まれ得る。第２ポート５０は、シェル４６における、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間のいずれの位置にも配置され得る。第２ポート５０は、第１の中空繊維膜１６の第２端部２２に連通するためにあり得る。第２ポート５０は、第１の中空繊維膜１６の第２端部２２と、第４のヘッドスペース７８を介して連通し得る。第２ポート５０は、一般に、ポート、ノズル、フィッティング、又は他の開口部であり得る。
【００２８】
図１を参照すると、第１の端部キャップ５２及び第２の端部キャップ６０が示されている。第１の端部キャップ５２は、第３のポート５４及び第４のポート５６を含み得る。第３ポート５４は、穿孔された中央管１２と連通するためにあり得る。第４ポート５６は、第１の中空繊維膜１６の第１端部２０に連通するためにあり得る。第４ポート５６は、第１のヘッドスペース５８を介して第１の中空繊維膜１６の第１端部２０に連通し得る。第２の端部キャップ６０は、第５のポート６２及び第６のポート６４を含み得る。第５ポート６２は、穿孔された中央管１２に連通するためにあり得る。第６ポート６４は、第２の中空繊維膜２６の第１端部３０に連通するためにあり得る。第６ポート６４は、第２の中空繊維膜２６の第１端部３０と、第２のヘッドスペース６６を介して連通し得る。第３ポート５４、第４ポート５６、第５ポート６２及び第６ポート６４は、各々、一般に、ポート、ノズル、フィッティング、又は他の開口部であり得る。
【００２９】
当業者にすでに明らかであるように、ポートの配置は変更され得る。
【００３０】
装置の組立において、最初に、穿孔された中央管１２及び第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４を準備する。第１の膜マット１４は、最初は閉鎖されている第１端部２０、及び、開放されている第２端部２２を有し得る。第２の膜マット２４は、最初は閉鎖されている第１端部３０、及び、開放されている第２端部３２を有し得る。第１の中空繊維膜１６及び第２の中空繊維膜２６は、最初に非多孔質にされていてよく、又は、これらの膜１６及び２６の外面が特定の位置でシールされ得る。第１の中空繊維膜１６は、第３のヘッドスペース７６以上にわたって、すなわち、第１の管シート３８と第３の管シート４２との間の距離以上にわたって非多孔質であり得る。第２の中空繊維膜２６は、第４のヘッドスペース７８以上にわたって、すなわち、第２の管シート４０と第４の管シート４４との間の距離以上にわたって非多孔質であり得る。第１の中空繊維膜１６及び第２の中空繊維膜２６を非多孔質に形成してよく、又は、これらの膜の外側を、任意の手段によりシールさせてもよい。これらの手段には、限定はしないが、膜を加熱又は溶融することを含む。そして、第１の膜マット１４及び第２の膜マット２４を、穿孔された中央管１２の周囲に交互に巻き付け得る（図２参照）。膜マット１４と膜マット２４とは、第１の中空繊維膜１６の第１端部２０が第２の中空繊維膜２６の第２端部３２を第１の距離３４だけ超えて延在し、且つ、第２の中空繊維膜２６の第１端部３０が第１の中空繊維膜１６の第２端部２２を第２の距離３６だけ超えて延在するように巻き付けられ得る（図１〜図３参照）。次に、第３の管シート４２及び第４の管シート４４がポッティング材料により形成され得る。膜マット１４及び膜マット２４の巻き付けと、第３の管シート４２及び第４の管シート４４のポッティングステップとが同時に行われ得る。次いで、この構造物、すなわちカートリッジ６８（図３参照）はシェル４６内に配置され得る。次いで、第１の管シート３８を形成し、且つ第３の管シート４２をシェル４６にシールするために、又は、第２の管シート４０を形成し、且つ第４の管シート４４をシェル４６にシールするために、液膜保有コンタクタ１０をその端部の一つで回転させる。第１の管シート３８を形成し、且つ第３の管シート４２をシェル４６にシールするステップと、第２の管シート４０を形成し、且つ第４の管シート４４をシェル４６にシールするステップとの順序を逆にすることができることが理解されよう。このとき、第１の管シート３８は、最初にシェルを、その端部で第３の管シート４２に対して回転させることにより形成され得る。次いで、ポッティング材料を、第１ポート４８を通してシェル内に挿入する。次いでシェルを、ポッティング材料が硬化するまで安定化させ、それにより第１の管シート３８を形成する。次いで、第１の管シート３８を、機械加工又はカットすることができ、それにより、第１の中空繊維膜１６の第１端部２０を開放させる。次いで、境界流体８０及びポッティング材料８２を、第１ポート４８を通して第１の管シート３８の上部に挿入し得る（図４参照）。境界流体８０は、重力により境界流体がポッティング材料より下に押し下げられ得るように、ポッティング材料８２よりも密度が高くてよい。加えられる境界流体８０の量は、マーキング７４が付された上昇管（図４参照）により決定されることができる。次いで、液膜保有コンタクタ１０は、ポッティング材料が硬化し、それにより、第３の管シート４２がシェル４６にシールされて第３のヘッドスペース７６を形成するまで安定化され得る。次いで、境界流体８０は排出又は除去され得る。次いで、液膜保有コンタクタ１０は、その他端にて、第４の管シート４４に対して回転される。そして、第２の管シート４０が、ポッティング材料をシェル４６内に第２ポート５０を通して挿入することにより形成され得る。次いで、シェル４６は、ポッティング材料が硬化し、それにより第２の管シート４０を形成するまで安定化される。次いで、第２の管シート４０は、機械加工又はカットされることができ、それにより、第２の中空繊維膜２６の第１端部３０を開放させる。次いで、境界流体８０及びポッティング材料８２を、第２ポート５０を通して、第２の管シート４０の上部に挿入し得る。境界流体８０は、重力によりポッティング材料より下に押し出され得るように、ポッティング材料よりも密度が高くてよい。加えられる境界流体８０の量は、マーキング（表示部）７４が付された上昇管（図４参照）により決定されることができる。次いで、液膜保有コンタクタ１０は、ポッティング材料が硬化し、それにより第４の管シート４４がシェル４６にシールされ、又は取付けられて第４のヘッドスペース７８を形成するまで再び安定化され得る。次いで、境界流体は、再び排出又は除去され得る。最後に、第１の端部キャップ５２及び第２の端部キャップ６０をそれぞれのシェル端部に接合させることができ、それにより、第１のヘッドスペース５８を第１の管シート３８と端部キャップ５２との間に形成し、また、第２のヘッドスペース６６を、第２の管シート４０と端部キャップ６０との間に形成し得る。
【００３１】
液膜保有コンタクタ１０の主要な用途の１つは、液膜保有分離モジュールとして用いられることであろう。液膜保有分離モジュールは、ガス供給又は液体供給の両方を処理するために用いられることができる。液体供給の場合には、保有される液膜相が２つの液相と混合しないように選択される。例えば、ガス分離プロセスにおいて、高選択透過性を有する液体を、シェルサイドに（第３ポート５４及び第５ポート６２を通して）保有液膜として用いることにより、１つのガス種が、供給ガス混合物から、非常に高い選択性により除去され得る。この除去は、ガス混合物を、第２ポート５０から第１の中空繊維膜１６を経由して第４ポート５６を通すことにより行われる。他方のガス相はスイープガスであり得る。すなわち、このガスは真空下で動作されて、分離のための駆動力を生成するために、第１ポート４８から第２の中空繊維膜２６を経由して第６ポート６４を通され得る。同様に、液体供給源に含まれる種が、第３ポート５４及び第５ポート６２を通る適切な液体を保有液膜として用いて高選択性により除去され得る。他方の液相はスイープ液であってよく、又は、前記種に反応して分離のための駆動力を増大させる反応性液体であり得る。膜液が蒸発し、又は流動相へと引き出されることによる膜液の損失の全ては自動的に補われる。何故なら、シェルサイドは、僅かに圧力が加えられた膜液源に、第３ポート５４又は第５ポート６２を介して、若しくはこれらのポートの両方を介して、連結された状態を維持され得るからである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
液膜保有コンタクタ１０は、ガス分離装置、液体分離装置、膜反応器、又はパーベーパレーション装置として動作されることができる。適用例は、空気中の酸素の濃縮、毒ガス種（例えば、硫化水素、アンモニア、二酸化硫黄及び窒素酸化物）を空気から除去すること、毒性有機物、例えばフェノールを水から除去すること、二酸化炭素をバイオガスから除去してバイオガスの燃焼値を増大させること、毒性金属を金属めっきタンクから分離すること、貴金属の回収、検出又は測定のために液体試料又はガス試料から特定の種を選択的に抽出することなどを含む。第１の中空繊維膜１６の組と第２の中空繊維膜２６の組（これらの２つの膜の組の間隙に液膜が保有される）は、類似であっても、又は、類似でなくともよい。これらの膜は、異なる形態、寸法、又は材料からつくられることができ、また、異なる特性及び機能性を有するようにつくられることが可能である。この結果、液膜保有コンタクタ１０の様々な用途の可能性は非常に高くなっている。
【００３３】
シェルサイド（第３ポート５４及び第５ポート６２を経由する）の相が移動相でもあるならば、液膜保有コンタクタ１０が、液膜保有コンタクタ以外の用途に用いられ得ることに留意することが重要である。液膜保有コンタクタ１０は、２つの機能を有する装置として用いられることもでき、これらの機能は、例えば、濾過と他の分離プロセスとの組合せであり、又は、物質移動と熱伝達との組合せである。さらに、異なる２つの寸法又はタイプを有する繊維を用いれば、任意の数の用途の組合せが可能にされ得る。
【００３４】
さらに別の用途は、液膜保有コンタクタ１０を、２つのガス流間での水分移動のために用いることである。例えば、もし、第２ポート５０と第４ポート５６とを通して、第１の中空繊維膜１６に、露点が比較的高い１つの空気流を流し、また、第１ポート４８と第６ポート６４とを通して、第２の中空繊維膜２６に、露点が比較的低い別の空気流を流すならば、これらの２つの露点の間の温度にて、シェルサイドに第３ポート５４と第５ポート６２とを通して水を、保有された液膜として供給することができるであろう。
【００３５】
本発明を、本発明の精神及び本質的な特性から逸脱せずに他の形態にて具体化することが可能である。従って、上記の明細書ではなく、本発明の範囲が示されている、添付の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  液膜保有コンタクタ
１２  穿孔された中央管
１４  第１の膜マット
１６  第１の中空繊維膜
２０  第１端部
２２  第２端部
２４  第２の膜マット
２６  第２の中空繊維膜
３０  第１端部
３２  第２端部
３８  第１の管シート
４０  第２の管シート
４２  第３の管シート
４４  第４の管シート
４６  シェル
４８  第１のポート
５０  第２のポート
５２  第１の端部キャップ
６０  第２の端部キャップ
６８  カートリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005174732.tif 000004
【図４】
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