JPH0478413A - 混合気体の分離装置および分離方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は混合気体から特定成分のガスを分離し、能動移
送する混合気体の分離装置および分離方法に関する。

［従来の技術］ 混合気体の特定成分を特定の分離膜により分離する方法
は、工業プロセスとしての地位を確保しつ）ある。

こうした混合気体の分離膜には、ガラス、アルミナ等の
無機物、ポリイミド、ポリスルホシ等の有機高分子の多
孔質膜が知られている。

また、該分離膜として無機または有機の多孔質支持体と
これに保持された液体を用いるν為わゆる液体膜も知ら
れている。こうした液体膜は材料選択の幅が広く、かつ
、分離する気体に対して高い選択性が得られるため気体
分離膜として有望視されている。例えば、酸素と窒素の
混合ガスから酸素を分離する液体膜として、コバルトジ
ヒスチジン錯体の多価アルコール溶液をポリエチレン等
の多孔質支持体で保持した液体膜が提案されてし）る（
特開平１−２４２１２４号公報）。

［発明が解決しようとする課題］ 前記液体膜による物質の分離は、物質のケミカルボテン
シャルの差により分離するもので、通常は原料ガス側（
処理前）の圧力が透過ガス側（処理後）の圧力より低く
なるため、工業的規模で行うには原料ガス側を昇圧する
か、透過ガス側を減圧する必要がある。一方、生体膜に
よる物質の分離は、ケミカルポテンシャルに逆らって物
質を輸送する能動輸送ができるので注目されている。

このように混合ガスの分離と能動輸送の工業的規模の実
現に大きな期待が持たれている。特に、地球温暖化防止
対策の一環として廃ガス中の炭酸ガスを分離補集するた
め、その分離技術が注目されている。

本発明の目的は、混合気体、特に炭酸ガスの分離および
能動輸送の工業的規模での実現を可能とする混合気体の
分離装置、および該分離装置を用いた分離方法を提供す
ることにある。

［１１題を解決するための手段］ 前記目的を達成する本発明の要旨は、次のとおりである
。

（１）多孔質支持体と該支持体に液体が保持されて成る
液体膜と、該膜により分画された原料ガス室と透過ガス
室を有し、前記液体膜の原料ガス室側の膜表面層の温度
より透過ガス室側の膜表面層の温度を高くできる加熱手
段を備えていることを特徴とする混合気体の分離装置。

（２）多孔質支持体と該支持体に液体が保持されて成る
液体膜と、該膜により分画された原料ガス室と透過ガス
室を有し、前記ガス室に分離すべきガスを含む原料ガス
を入れ、前記液体膜の透過ガス室側の膜表面層の温度を
原料ガス室側の膜表面層の温度に対して高低し、前記原
料ガスの特定成分を分離することを特徴とする混合気体
の分離方法。

前記液体膜の多孔質支持体としては、無機質材料または
有機高分子材料が用いられる。特に、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ
化ビニリデン、ポリ酢酸ビニルあるいはアセチルセルロ
ース等の有機高分子材料が好ましい、これらの多孔質体
は通気孔を有する補強部材、例えば多数の孔を穿けた金
属板、金網、またはプラスチック製網等で補強したもの
が特に好ましい。

前記、多孔質支持体によって保持される液体としては、
炭酸ガスを分離するに当たっては、モノエタノールアミ
ン、ジェタノールアミン等のアルカノールアミン類、ま
たは炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ金属の
炭酸塩を含む溶液が適用できる。また、炭酸ガス以外の
気体、例えば、酸素はコバルト錯体水溶液とくにフルオ
ミン溶液が、Ｉ（、Ｓの分離にはに２ＣＯ，水溶液、ア
ルカノールアミン水溶液等の溶液が選定される。

上記溶液の濃度としては、１０〜８０重量％、好ましく
は１０〜５０重量％が用いられる。

前記加熱手段として透過ガス室側の液体膜表面にヒータ
を設けて加熱する。該ヒータのエネルギーとして夜間余
剰電力あるいは太陽光発電々力を利用することができる
。特に、前記液体膜の透過ガス室側の表面に光が照射で
きる光透過窓を設け、太陽光を熱エネルギーとして利用
するのが好ましい。

なお、前記ヒータは多孔質支持体の補強部材と兼用でき
る材料で構成するのがよい。

また、本発明においては、分離されたガスを能動輸送す
るために、液体膜の透過ガス室側を太陽光等のエネルギ
ーで加熱して透過ガス室側の膜材料と透過ガスの相互作
用を低下させる。

しかし、液体膜の透過側の膜面に太陽光を照射すること
によって透過側の温度を上昇させても、その熱は熱伝導
により原料ガス室側へ伝達され膜内の温度分布は経時的
に均一化し、それに伴って分離ガスの能動輸送能力は低
下する。これを防止する方法としては、熱エネルギーと
して太陽光を用いる場合、太陽光の照射を断続的に行う
ことによって温度差を付与すことで、解決することがで
きる。

また、熱エネルギーが光以外のものでも、液体膜の両面
に温度差を周期的に付与することによって本発明の目的
を達成することができる。

第１図は本発明の一実施態様を示すものである。

液体！ｌ！］の透過ガス側に熱エネルギーとしての太陽
光を照射できる光透過窓２が形成されている。

該光を断続照射することによって、液体膜で分離された
分離ガスを透過ガス室側へ能動輸送することができる。

また、第４図の模式図に示すように、液体膜に光吸収剤
９を分散させ、局部加熱が効率的に行なわれるようにし
て太陽等の光エネルギーを光照射側表面層に吸収させる
ことにより能動輸送の効率をアップすることができる。

［作用］ 本発明の作用を第２〜４図により説明する。

まずはじめに、通常のケミカルポテンシャルの差に基ず
く輸送（受動輸送）のメカニズムを説明する。

第２図で液体膜１の輸送成分Ａの供給側の圧力を（ＰＡ
）ｓ、供給側の濃度を（ＣＡ）ｓとすると、両者の間に
は一般に次式（１）の関係が成り立つ。

（ＰＡ）ｆｉ　＝　（Ｈ）ｆｉ　Ｘ　（ＣＡ）ｇ　　・
・・・・・（１）ここで、（ＨＬは両者を関係付ける係
数である。

（ＰＡ）ｉ、（ＣＡ）ｓの値が小さい場合にはこれらの
影響をあまり受けず定数として扱うことができる。

また、定数として扱えない場合でも一般には正の値で、
（ｐＡ）ｇが増加すると（ＣＡ）ｓも増加する。

同様に、輸送成分Ａの透過側の圧力を（ＦＡ）Ｔとし透
過側の濃度を（ＣＡ）、ｒとすると、両者の間には次式
（２）の関係が成り立つ。

（ＰＡ）Ｔ　＝　（Ｈ）ｒ　Ｘ　（ＣＡＲＴ　　・・・
・・・（２）ここで、液体膜の材料および温度が同じ場
合は（Ｈ）ｇ　＝　（Ｈ）Ｔ と考えて大きな誤りはない。

そこで、（ＣＡ）ｓ〉（ＣＡ）Ｔの場合には、物質Ａは
濃度差により液体！ＩＩＩを介して供給側から透過側へ
移行する。即ち、物質Ａの膜分離が行われる。

しかし、前記の関係により（ＰＡ）、≧（ＰＡ）Ｔが常
に存在する。即ち、物質Ａの透過側の圧力（ＰＡ）Ｔは
、供給側の圧力（ＦＡ）Ｓを超えることはない。

ところで、（Ｈ）の大きさは温度により変動する。気体
の液体に対する溶解度は温度が高くなると小さくなる。

従って、（Ｈ）は温度が高くなると大きくなり、供給側
の圧力（ＰＡ）ｓよりも透過側の圧力（ＰＡ）Ｔを高く
することが可能となる。

第３図において、供給側および透過側では、それぞれ前
記式（１）および式（２）の関係が成立することは第２
図の場合と同様である。

いま、液体膜１の透過側の表面層温度を供給側の表面層
温度より高くすると、 （Ｈ）、＜　（Ｈ）Ｔ　　　　・・・・　（３）となり
、 （ＰＡ）Ｓ　　＜　（ｐＡ）、　　　　　・・・・　（
４）が可能となる。

第４図は、既述のように液体膜１の表面に光吸収剤９を
分散させ、能動輸送の効率の向上を図るものであるが、
前記式（３）および式（４）が同様に成立する。

［実施例］ 本発明を混合ガス中の炭酸ガスの分離例を用いて、詳細
に説明する。

〔実施例１〕 第１図は、本発明の一実施例の膜分醍装置の断面図であ
る。

液体膜ｌにより二つに分画される原料ガス（供給ガス）
室３、透過ガス室４からなる。原料ガス室３、透過ガス
室４にはガス供給用のダクト５とガス排出用のダクト６
および弁７，８が設けられている。また、透過ガス室４
を構成する壁画の部には液体膜の透過ガス室４側の面に
光照射するためのガラス製光透過窓２が設けられる。

液体膜１はアセチルセルロース系多孔質膜（気孔率６０
％）にモノエタノールアミンの１２重量％水溶液を含浸
した有効面積２００ｃｍ２のシートが用いられている。

室温において、原料ガス室３に炭酸ガス濃度１２容量％
、酸素濃度２容凰％、残部窒素からなる組成の混合ガス
を流通させ、透過ガス室４には同一組成のガスを満たし
て弁７閉、弁８開の状態で光透過窓２の表面から１０ｃ
ｍの位置に設けた４００Ｗタングステンランプを２０秒
間点灯した。

点灯中に弁８を経て排出されたガスと、消灯後直ちに弁
７を開いて透過ガス室４に前記原料ガスを供給ｆ摸する
ことにより得たガスを捕取したところ、炭酸ガス濃實５
２容量％のガス　５．７ｍｅ得た。

再び弁７を閉じ、前記の消灯４０秒後にランプを再度点
灯し、前記と同一操作を繰返して、炭酸ガス濃度５２容
量％、体積５．７ｍＡの同一組成のガスを得た。

前記の点灯−消灯と、それに伴う弁７，８の開閉操作と
を繰返すことにより、はぼ同じ組成と体積の高炭酸ガス
濃度のガスが得られた。

〔実施例２〕 第５図は本発明の他の実施例である分離装置の断面図で
ある。

液体膜ｌに近接して光透過窓２を配置した点が第１図と
異なる。

原料ガス室３にはガス供給用のダクト５とガス排出用の
ダクト６が設けられ、また、光透過窓２には透過ガスの
排出用のダクト６が設けられる。

液体膜としては実施例１と同じアセチルセルロース系多
孔質膜（気孔率６０％）にモノエタノールアミンの１２
重量％水溶液を含浸した有効面積２００ｃｍ２のシート
を装着した。

さらに、実施例１と同様に、室温において原料ガス室３
に炭酸ガス濃度１２容量％、酸素濃度２容量％５残Ｉ！
ｉＳ窒素の組成を有する混合ガスを流通させ、光透過窓
２の表面から１０ｃｍの位置に設けた４００Ｗタングス
テンランプを２０秒間点灯した。点灯中に、光透過窓２
に設けた透過ガス排出用ダクト６を経て排出されたガス
を捕取したところ炭酸ガス濃度９５容量％、体積５ｍ６
であった。

２０秒後に再び２０秒間ランプを点灯し、同一操作を繰
返して、炭酸ガス濃度９５容鳳％、体積５ｍｌの同一組
成、同一体積のガスを得た。

前記タングステンランプの点灯−消灯を繰り返すことに
より、はぼ同じ高炭酸ガス濃度のガスが得られた。

〔実施例３〕 光源として前記タングステンランプに代えて、太陽光を
用いて分離操作を行なった６分離膜、分離装置および供
給した原料ガス組成は実施例２と同様とした。

晴天の太ｆｌｉ＋南中時近くの太陽光を光透過窓２より
ほぼ直角に７５秒間照射して、炭酸ガス濃度９３容量％
、体積５．１ｍＮの高炭酸ガス濃度のガスを得た。

７５秒間の照射と３０秒間の非照射を繰返したところ、
照射時には前記とほぼ同じ炭酸ガス濃度のガスが得られ
た。

〔実施例４） モノエタノールアミンの１２１量％水溶液に炭炭素粉末
３１量％を分散させたものをアセチルセルロース系多孔
質膜（気孔率６０％）に含浸して得た有効面積２００ｃ
ｍ”のシートを液体膜とし、分離装置および供給した原
料ガス組成は実施例３と同様とした。

晴天の太陽南中時近くの太陽光を光透過窓２よりほぼ直
角に５０秒照射して、炭酸ガス濃度９４容量％、体積５
．１ｍｊ！の高炭酸ガス濃度のガスを得た。

５０秒間の照射と３０秒間の非照射を繰返し、照射時に
は前記とほぼ同じ高炭酸ガス濃度と体積のガスが得られ
た。

〔実施例５〕 液体膜としてポリプロピレン系多孔質膜（気孔率７０％
、膜厚０．１５ｎｎｍ）をメタノールで親水化処理し、
ジェタノールアミンの２０重量％水溶液を含浸した有効
面積２００　ｃ　ｍ”のシートを、第５図に示す分離装
置に装着した。

実施例３と同様に、室温において原料ガス室３に炭酸ガ
ス濃度１２容量％、酸素濃度２容量％、残部は窒素の組
成ガスを流通させ、晴天の太陽南中時近くの太陽光を光
透過窓に直角に７５秒間照射して、炭酸ガス９７容量％
、体積　１４．４ｍｊ！の高炭酸ガス濃度のガスを得た
。

７５秒間の照射と３０秒間の非照射を繰返し、照射時に
は前記とほぼ同じ高炭酸ガス濃度のガスが得られた。

次に、本発明の混合気体の分離装置の他の具体例を第６
〜９図に示す。

第６図および第７図は、液体膜の補強部材１１゜１１′
としてポリプロピレン製の斜交網を用いた分離装置であ
る。

また、第８図は、透過ガス室側に補強部材１１として金
網を用い、それの一部をガス室より外部に出して放熱フ
ィンを兼ねたものである。これによって、液体膜ｌの透
過ガス室側表層部の温度制御が容易になるので、分離ガ
スの能動輸送効率を高めることができる。

さらにまた、第９図は、液体膜ｌの多孔質支持体として
、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系の高分子
多孔質膜を用いた場合を示す。

ＰＴＦＥ膜には水溶液を含浸できないので、２枚の液体
保持［１１３の中間に水溶液を保持できる空間を設ける
ことにより、液体膜を形成する。

［発明の効果］ 本発明によれば、分離ガスの能動輸送が可能な混合気体
の分離装置を提供することができる。特に、能動輸送の
エネルギーとして、太陽光、夜間余剰電力等のエネルギ
ーを用いることができるので極めて経済性が高い。

また、本発明の混合気体の分離装置は、特に炭酸ガスの
選択分離と能動輸送に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分離装置の模式断面図、第２〜４図は
分離現象の原理図、第５〜９図は本発明の他の分離装置
の模式断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多孔質支持体と該支持体に液体が保持されて成る液
   体膜と、該膜により分画された原料ガス室と透過ガス室
   を有し、前記液体膜の原料ガス室側の膜表面層の温度よ
   り透過ガス室側の膜表面層の温度を高くできる加熱手段
   を備えていることを特徴とする混合気体の分離装置。 ２、前記液体膜が、有機高分子材料から成る多孔質支持
   体と該支持体を補強する通気孔を有する補強部材を有す
   ることを特徴とする請求項第１項記載の混合気体の分離
   装置。 ３、前記加熱手段として透過ガス室側に発熱体を設けた
   ことを特徴とする請求項第１項記載の混合気体の分離装
   置。 ４、前記発熱体が前記補強部材を兼ねていることを特徴
   とする請求項第３項記載の混合気体の分離装置。 ５、前記加熱手段として前記液体膜の透過ガス室側の表
   面に光エネルギーを照射できるよう光透過性材料で形成
   された光透過窓を設けたことを特徴とする請求項第１項
   記載の混合気体の分離装置。 ６、前記液体膜の透過ガス室側の膜表層部に光吸収剤が
   含まれており、該表層部を加熱するための光エネルギー
   が照射できるよう透過ガス室側に光透過性材料で形成さ
   れた光透過窓が設けられていることを特徴とする請求項
   第１項記載の混合気体の分離装置。 ７、前記液体膜の多孔質支持体に保持されている液体が
   、アルカノールアミン溶液またはアルカリ金属の炭酸塩
   溶液から選ばれたものであることを特徴とする請求項第
   １項記載の混合気体の分離装置。 ８、多孔質支持体と該支持体に液体が保持されて成る液
   体膜と、該膜により分画された原料ガス室と透過ガス室
   を有し、前記ガス室に分離すべきガスを含む原料ガスを
   入れ、前記液体膜の透過ガス室側の膜表面層の温度を原
   料ガス室側の膜表面層の温度に対して高低し、前記原料
   ガスの特定成分を分離することを特徴とする混合気体の
   分離方法。 ９、前記液体膜の透過ガス室側の膜表面層の加熱を断続
   することを特徴とする請求項第８項記載の混合気体の分
   離方法。 １０、多孔質支持体と該支持体にアルカノールアミン溶
   液またはアルカリ金属の炭酸塩溶液から選ばれる液体が
   保持された液体膜と、該膜により分画された原料ガス室
   と透過ガス室を有し、前記ガス室に炭酸ガスを含む原料
   ガスを入れ、前記液体膜の透過ガス室側の膜表面層に太
   陽光を断続的に照射することにより原料ガス中の炭酸ガ
   スを分離することを特徴とする混合気体の分離方法。