JPH01503282A - 浸透蒸溜法およびその半透性バリヤー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 浸透蒸溜法およびその半透性バリヤー 技術分野 本発明は浸透蒸溜による液体の濃縮およびそれに好適な疎水性の多孔性のバリヤ ーもしくは膜に関する。

背景技術 膜蒸溜は膜を介して溶液から揮発性物質を蒸発させ次いで濃縮する方法である。

膜蒸溜では、ポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）　、ポリテトラフルオロ エチレン（テフロン）またはポリプロピレンのような疎水性（非湿潤性）膜の両 側に２種類の液体が接している。膜蒸溜の推進力はこれら２種類の溶液間（すな わち膜の２つの表面の間）の温度差から生じる蒸気圧勾配である。

水は膜の高温側の溶液−膜界面で蒸発し、膜を通って膜の低温側へと輸送される 。用途によっては、水蒸気圧力は膜の低温側へ到達した時点で濃縮あるいは廃棄 される。

蒸発面に熱を連続的に供給して、蒸発の潜熱を提供しなければならない。その逆 は濃縮表面で当て嵌まる。

上記のように、膜蒸溜の推進力は異なる温度の２種類の溶液から生じる蒸気圧の 差である。この蒸気圧の差は下記のアントイン（Ａｎｔｏｉｎｅ）の式によって 表される。

但し、ｐ−水蒸気圧（ｍｍ）Ｉｇ）、 Ｔ−液体温度（’Ｃ）である。

膜孔径が浸透分子の平均自由分子行程より小さい場合には、分子は互いに衝突す るよりも頻繁に細孔壁と衝突すると仮定することができる。このことはクヌード セン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）の流系として表され、蒸気フラックスの式は次のように 示される。

但し、Ｎ−蒸気フラックス（ｇ・モル７２７秒）、ｒ−膜孔径（ｍ）、 ε−膜膜孔孔度０）、 Ｒ−万有ガス定数（Ｊ１モル／Ｋ）、 Ｔ−平均温度（Ｋ）、 Ｍ−蒸気分子量（ｋｇ／ｇ・モル）、 ΔＰ−膜間圧降下（Ｐａ）、 ｇ−膜孔孔長さくｍ）。

膜を通る蒸気フラックスは膜厚みに反比例するので、薄い膜を用いるのが有利で ある。しかしながら、熱交換特性とそれによる膜を通る有効温度勾配は厚みと共 に変化する。考慮しなければならない膜を通る２種類の熱の流れ、すなわち （１）　膜の一方からの溶媒の蒸発と他方での濃縮に関連した熱の流れＱ。（キ ロジュール／ｄ／秒）および（１１）熱交換器として作用する膜中の損失による 熱の流れＱＬとがある。

膜の熱効率は次のように表わすことができる。

ＱｏはＮに比例し且つｒＤＪに反比例する。

Ｑ、もｒｌｌＪに反比例する。

クヌードセン（Ｋｎｕｄｓｅｎ）フラックス蒸溜の場合には、この効率は所定の 壁温差についての膜の厚みから独立である。

Δ”Ｗ””２Ｗ−ＴＩＷ　（下記の第２図を参照されたい）。

膜孔径が浸透分子の平均自由行程よりずっと大きな場合には、分子は細孔壁に衝 突するよりも頻繁に互いに衝突し、遷移現象が異なる。これはボアズイーユの流 系として表わされ、粘性流の理論の基礎となっているものであり、流れに伴う圧 降下は流体内の剪断応力から生じる。

ボアズイーユ流の蒸気フラックスの式は次式によって表わされる。

但し、η−−気粘度、 ＰｌおよびＰｏ−蒸溜物の蒸気圧および留出物の蒸気圧、 Ｎ％ｒ、、ＲおよびＴは上記定義の通りである。

膜特性Ｃ２も膜形状の関数である。

また、効率は所定の壁温度差について膜の厚みから独立である。

いずれの場合にも、蒸気フラックスＮは所定の膜材料および構造によって変わり 、これらの値の（Ｔ　Ｗ−ＴＩＷ）のみが 両側の剪断速度、および 膜の伝導度によってＴ１およびＴ２に関係付けられている。

いずれの場合にも、厚みが減少すると伝導度が増加し、それによりΔＴ−Ｔ　− Ｔ　と比較して６７ｗの相対値が減少する。

このため、膜蒸溜は薄膜に関連した受容し得ないほどの熱損失と厚膜の低膜係数 に関連した受容し得ないほど低いフラックスとの間で膜厚みを選択するときには トレイド・オフ（ｔｒａｄｅ　ｏｆＴ）が必要な工程である。

発明の開示 本発明の目的は、膜蒸溜に関連した問題点を実質的に解決するバリヤーまたは膜 を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、浸透蒸溜の方法および手段を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、蒸気状態の溶媒を低浸透圧の溶液から疎水性の多孔 性バリヤーを通して高浸透圧の溶液中へ移行することによる浸透蒸溜法によって 稀薄溶液を濃縮する方法および手段を提供することである。

更にもう一つの本発明の目的は、浸透蒸溜法による低浸透圧の稀薄溶液を濃縮す るのに好適な装置を提供することである。

これらおよび他の本発明の目的を下記の本発明の開示によって明らかにする。

本発明の一つの観点によれば、浸透蒸溜の方法による溶液を濃縮する疎水性の半 透性（ｓｅｍｉｐｅｒｍｅａｂｌｅ）バリヤーが提供され、このバリヤーは高熱 伝導性材料で厚みが５０ミクロン未満（好ましくは２０ミクロン未満、更に好ま しくは１０ミクロン未満）であり、最小細孔度がバリヤー表面積の５０％であり 、細孔寸法がフラックスが細孔半径（クヌードセン）または細孔半径の二乗（ボ アズイーユ）に比例するようになっている半透性マトリックスからなることを特 徴とする。

本発明のもう一つの観点によれば、浸透蒸溜の方法であって、上記バリヤーに接 する２種類の流体間の浸透圧の差をその推進力として有する本明細書記載の疎水 性の半透性拡散バリヤーを用いて低浸透圧を有する流体を濃縮する方法により低 浸透圧の稀薄溶液を濃縮するのに好適なシステムが提供される。

本発明のもう一つの観点によれば、第一の流体を本文記載の種類の半透性バリヤ ーの一方の側に接触させ、同時に第二の流体であって第一の流体よりも高い浸透 圧を有する流体を膜の反対側に接触させ、上記第一の流体からの溶媒が浸透圧勾 配の影響によって蒸気状態で半透性バリヤーを通って第二の流体へ移行して第一 の流体を濃縮することによる第一の流体を濃縮するための浸透蒸溜法が提供され る。

膜蒸溜は溶液から揮発性物質を蒸発させ、次いで濃縮する方法である。蒸発およ び濃縮表面は近接しており、微細孔膜によって隔離されている。２種類の液体表 面の隔離には、蒸気とガスのみが膜の細孔を透過することが必要である。膜を通 る蒸気の輸送のだめの推進力は膜の両側の温度差である。

浸透蒸溜、すなわち本発明の方法または系、は膜蒸溜とは異なる。浸透蒸溜の推 進力は膜の両側の液体間の浸透圧の差に関連した蒸気圧の差である。

図面の簡単な説明 本発明を図面に関して更に説明するが、第１図はクヌードセン拡散およびボアズ イーユ流領域をグラフに表わしたものであり、 第２図および第３図は、それぞれ膜蒸溜および浸透蒸溜での温度分布を表わした ものである。

本発明の最良の実施法 浸透蒸溜の推進力は、式 で表わされるように、浸透圧の差（π２−π１）と関連した蒸気圧の差である。

液体内部の浸透圧が高くなれば、液体の表面の分圧は低くなる。膜の蒸発側の温 度は濃縮側の温度より低い。

すなわち、温度分布は逆転している。

温度分布が逆転しており且つ膜が熱交換器として作用するので、熱の移動は膜蒸 溜の方向とは逆方向である。

この場合の温度分布を第３図に示す。膜の熱効率は下式によって表わされる。

クヌードセンおよびボアズイーユのフラックスのいずれ場合においても、ｇが低 下すると効率は増加する。

この膜性では、効率を１より大きくすることが可能であり、これは推進力が実際 には熱源ではないので可能である。

浸透蒸溜の場合には、トレイド・オフは必要とせず、膜の厚みが減少するとフラ ックスおよび効率が共に増加する。伝導率が増加することによって６７ｗが減少 すると、温度分布が平坦になる。

浸透蒸溜では、膜中に温度勾配があり、この温度勾配は反対方向の浸透圧によっ て補足される。これは高溶質濃度の溶液を高温側での膜に関して低温側で膜に接 触することによって起こる。濃縮溶液の浸透圧はその常法の蒸気圧を低下する作 用があるので温度から生じる蒸気圧勾配は増大される。

浸透蒸溜の推進力は、膜蒸溜に比較して極めて小さな温度差であることができる 。浸透蒸溜では高々散文の温度差が普通であるが、膜蒸溜では５０℃程度の温度 差を有しても異常ではない。したがって、浸透蒸溜における推進力は、例えば膜 蒸溜の推進力の約２％のみであることがある。

クヌードセン流系では、フラックスは膜の細孔半径に比例する。しかしながら、 ボアズイーユ流系では、フラックス半径の二乗に比例し、すなわち半径を二倍に するとフラックスは四倍になる。

したがって、浸透蒸溜のための高フラツクス膜であって、浸透可能な細孔の寸法 （すなわち、蒸気の高フラツクスを通過させるが液体の通過を妨げるもの）がシ ュメーバー高さと呼ばれる係数によって限定されるものを開発することが可能で ある。

細孔度を０．１ミクロンから１關に増加すると、半径の比率は１０４となり、膜 抵抗に就いては、ポアズイ−ミクロンの厚みの膜を１０ミクロンの厚みの膜と比 較すると、別の７というファクターが得られる。この場合には、浸透性の比率は ７Ｘ１０８である。推進力が５０分の１であっても、膜を通るフラックスは膜蒸 溜による場合よりも浸透蒸溜による方が数桁大きくなるのである。

膜蒸溜における理想的膜は、熱損失を最少限にする膜であり、これには低伝導度 材料を使用する必要がある。

反対に、浸透蒸溜では、熱流は励起されるべきであり、したがって高伝導度材料 が必要である。

浸透蒸溜用の膜は相対的に開放性の多孔性構造を提供するような任意の方法によ って製造され、製織、編成、ドカン（Ｄｏｃａｎ）　（スパンバウンド（ｓｐｕ ｎｂｏｕｎｄ）　）法、プラズマ網目加工等の織物工業で通常の方法が挙げられ る。

製紙工業の乾式不織法および湿式不織法のような不織法も用いることができる。

細孔の大きさは、蒸気のみが細孔を通過することができ、液体は通過しないとい う要件に適合する実施可能な大きさにすることができる。ミリメートルの数分の −（例えば、０．　５ｍ１１１）の細孔の寸法も可能である。

膜はステンレススチールまたは銅のような伝導性の高く熱移動が容易な繊維から 作られる。好ましくは、バリヤーまたは膜の生地は約１０ミクロン程度の出来る かぎり薄くする。更に、バリヤーの生地は全体が疎水性とすべきである。金属ワ イヤーから作られたバリヤーの場合には、このワイヤーをテフロンに浸漬して製 織の前にコーティングする。

膜またはバリヤーはまた、ガス、例えば大気に対する副次的透過性をも有する。

本発明の浸透蒸溜バリヤーは極めて高いフラックスを有し、果物ジュース、ミル クまたはコーヒーの濃縮および海水から飲料水の回収のような多くの９斤で潜在 的な用途を有する。

下記は浸透蒸溜の一般的特徴の要約である。

ｍｉｘ：　クヌードセンおよびボアズイーユ流膜に対しては、フラックスは脱線 孔度に比例する。最少細孔度としては５０％が必要であるが、熱移動のための十 分な量の材料も必要である。浸透蒸溜膜の細孔度は膜蒸溜に用いられる膜の細孔 度より低くすることができる。

比例するかまたは細孔半径の二乗（ボアズイーユ）に比例する。理想的には、膜 強度とシニメーバー高さく水の高さで表わした入り口水圧）とに適合する出来る だけ大きな細孔が必要である。

！　水！、：　膜材料は網状化したフッ化または塩フッ化ポリマー、飽和の立体 特異的ポリオレフィンまたは水分塊収率が最少限であり且つ水との接触角が出来 るだけ大きなポリマーから選択される。

熱伝導度：　比伝導度は出来るだけ大きくなければならない。

機械的抵抗：　膜間の圧降下がないため、機械的抵抗は最低厚みに適合する実際 に必要な膜の粘着性によって制限される。

形状：　剪断速度は（温度局在化がないので）重要ではなく、形状は装置の表面 積／容積比によってのみ指定される。

浸透蒸溜と膜蒸溜との比較を下記の表−１に好都合にまとめる。

本発明を実施例および好ましい態様について記載してきたが、本発明は他の形状 で具体化しまたは発明の精神または本質的特徴から離反することなく他の方法で 実施し得ることが理解されるであろう。それ故、上記記載は総ての点において説 明のだめのものと考えるべきであり、制限的なものとは考えるべきではなく、意 味および範囲が等しい限り総ての変化も本発明に包含されるものとする。

浄書（内容に変更なし） ０　２０　４０　６０　ｍ　７Ｃ）０ 手続補正書（′ｊ５却 平成１年７月２Ｚ日圀

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．浸透蒸溜法によって溶液を濃縮するための半透性の疎水性バリヤーであり、 厚みが５０ミクロン未満、好ましくは２０ミクロン未満であり、最小細孔度がバ リヤー表面積の５０％であり、細孔寸法はフラックスが細孔半径（クヌードセン ）または細孔半径（ポアズィーユ）の二乗に比例するようになっている高熱伝導 性材料の半透性マトリックスからなることを特徴とするバリヤー。
2. ２．マトリックスが疎水性材料でコーティングされた高電導性繊維の網状構造か ら成る請求の範囲第１項に記載の半透性バリヤー。
3. ３．網状構造が、銅、ステンレススチールまたは他の熱電導性金属の微細なスト ランドからなる請求の範囲第２項に記載の半透性バリヤー。
4. ４．厚みが１０ミクロン未満である前記請求の範囲のいずれか１項に記載の半透 性バリヤー。
5. ５．浸透蒸溜法によって低浸透圧の稀薄溶液を濃縮するのに好適な系において、 請求の範囲第１項に記載の種類の半透性拡散バリヤーであって推進力として２種 類の流体の間の浸透圧の差を有する、低浸透圧の流体の濃縮を行うバリヤーを用 いる方法。
6. ６．第一の流体を請求の範囲第１項に記載の種類の半透性バリヤーの一方の側に 接触させ、同時に第二の流体であって第一の流体よりも高い浸透圧を有する流体 を膜の反対側に接触させ、上記第一の流体からの溶媒が浸透圧勾配の影響によっ て蒸気状態で半透性バリヤーを通って第二の流体へ移行して第一の流体を濃縮す ることを特徴とする第一の流体を濃縮するための浸透蒸溜法。
7. ７．希釈された第二の流体を逆浸透処理に付して、溶媒を分離し第二の流体を濃 縮してリサイクルに好適にする、請求の範囲第６項に記載の方法。
8. ８．果物ジュース、ミルクおよびコーヒーの濃縮、または海水から飲料水の回収 に用いられる、請求の範囲第６項または第７項に記載の方法。