JPH10501733A - 物質移動方法および装置 - Google Patents
物質移動方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、第１流体、好ましくは気相、例えば燃焼煙道ガスと第２流体、好ましくは液相との間で物質を移動させる方法に関し、気体含有ポアを有する中空繊維の形態の多孔性（半透過性）膜、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、テフロン）膜の外側表面と第１流体を接触させ、その膜の内側表面と第２流体を接触させる。有用な膜は、例えば、少なくとも０.５０の空隙率（ε）、例えば少なくとも３ｃｍ／ｓの物質移動係数、および空隙率εが０.８０より小さい場合は１.４／εを越えず、また、空隙率εが０.８０であるか、それより大きい場合は１.３／εを越えない屈曲係数を有することにより特徴付けられる。また、膜は、中空チューブ状部材の形態で配置され、膜の物質移動係数は、気相の物質移動係数の少なくとも１０分の１である。本発明は、開口入口端部を有するチューブ状導管を有する上述の物質移動のための装置にも関し、導管の壁の少なくとも一部分は、複数の中空チューブ状部材を有して成り、この部材は、気相が流れることができる間隙を間に有するアレイを規定する。本発明は更に吸収または脱着プロセスに関し、多孔性膜、例えば上述の特徴を有する膜を利用し、例外的に小さい、処理する気体の単位立方メートル当たり膜面積が必要である。
Description
【発明の詳細な説明】
物質移動方法および装置
本発明は、物質の移動（または輸送）、即ち、１またはそれ以上の物質（また
は基質）を第１流体のフロー（または流れ）から第２流体のフローに移動させる
ことを達成するための方法に関し、流体の少なくとも一方は気体の相（用語「気
体」は蒸気を含む）であり、他の流体は液体の相である。より詳しくは、本発明
は、そのような第１流体と第２流体との間における物質移動の方法に関し、その
方法は、第１流体を少なくとも一部分が１またはそれ以上の多孔性膜（メンブレ
ン）を有して成る１またはそれ以上の中空チューブ状部材の外側表面と接触させ
ること、および第２流体をその中空チューブ状部材の内側表面と接触させること
を含んで成る。
また、本発明は、第１流体から第２流体への物質移動を達成するために適当で
ある装置に関する。
背景
中空繊維（ファイバー）膜は、壁が半透膜として機能する毛細管である。中空
繊維膜は広範囲の分離問題をカバーし、適当な膜特性を有する特定の膜がぞれぞ
れの問題に最も適当である。特定の用途に最適な膜を確定するために、膜の特性
を確立する必要がある。以下の説明から明らかになるように、そのようなキャラ
クタリゼーション（特性決定）方法は、特定の分離のメカニズムにより異なる場
合がある。
第１流体から第２流体への物質移動を達成するために使用する膜は、膜が本質
的に非選択性であるという点で膜プロセスでは変わっている。移動する種の選択
は、第１流体および第２流体を慎重に選択することにより行う。更に、種または
成分の膜を通過する輸送（物質輸送）は、一般的に、与えられた中空繊維の内側
と外側との間のその成分の濃度勾配（圧力勾配）により駆動される拡散および／
または化学的吸収により駆動される拡散である。
通常の膜プロセス、例えば逆浸透、限外濾過、精密濾過、透析、ガス分離、パ
ーベーパレーション（浸透気化法）等に使用する中空繊維の製造は、従来技術（
例えば、米国特許第３,８９９,３０９号、米国特許第４,２９３,４１８号、米国
特許第４,４３０,２１９号、米国特許第４,６９０,８７３号、米国特許第４,７
１７,３９４号、米国特許第４,７５８,３４１号、米国特許第４,７８１,８３４
号、米国特許第４,９１１,８４６号、米国特許第４,９６１,７６０号、米国特許
第５,０２６,４７９号、ヨーロッパ特許公開第０４４６９４７号、カバッソ，ア
イ（Cabasso，I）らの「ホロー・ファイバー・メンブレンズ(Hollow Fibre membr
anes)」、カークーオスマー（Kirk-Othmer）：エンサイクロペディア・オブ・ケ
ミカル・テクノロジー（Encycl．of Chem．Tech.）第１２巻、第３版、４９２〜
５１７頁(１９８０年)）において周知である。
中空繊維膜の製造において、重要な物理的パラメーターは、中空繊維の直径、
膜の壁厚(肉厚)、ポア（孔）寸法および空隙率（porosity）であると一般的に考
えられる。
中空繊維の基本的な壁のモルホロジー（morphology、形態）は、所望の流体力
学的透過性および所望の機械的特性を達成するように選択されてきた。圧力駆動
プロセス、例えば逆浸透、限外濾過、精密濾過、ガス分離等のための膜特性のキ
ーとなる事項は、膜の流体力学的透過性（即ち、伝達的透過性）および拒絶特性
であった。そのような用途に適当な中空繊維膜のキャラクタリゼーションは、従
来技術において十分に説明されている（例えばケスティング，アール・イー（Ke
sting，R．E.）の「シンセティック・ポリメリック・メンブレンズ(Synthetic
Polymeric Membranes)」、マックグロー−ヒル・ブック社(McGraw-Hill Book Co
mpany)、１９７１年；ムルダー，エム（Mulder，M）の「ベーシック・プリンシ
パルズ・オブ・メンブレン・テクノロジー(Basic principles of membrane tech
nology)」、クルーワー・アカデミック出版社(Kluwer Academic Publ.)、ドード
レクト(Dordrect)、１９９１年）。一般的に、膜の厚さ、ポア寸法および空隙率
のような構造的パラメーターは、適当な方法により直接測定される流体力学的透
過性定数に組み込まれる。流体力学的透過性のそのような測定は、分子カットオ
フ値のような保持特性と組み合わせて用いる場合、膜の輸送特性を特定する。
気体含有ポアを有する中空繊維膜を介する物質輸送を取り扱う場合、同じ観点
により適当な膜の選択をガイドされてきた。従って、例えば、ヨーロッパ特許第
０３７４８７３号は、吸収／脱着のための中空繊維膜の使用を開示しており、膜
を選択するために流体力学的透過性が特定化されている。
発明の簡単な説明
本発明に基づけば、２つの流体のフローの間で物質移動を達成する膜の適性の
特徴付けに関して、上述のパラメーターのセットは、最も適当なパラメーターの
セットではないことが見いだされた。これは、気相および／または膜内に律速抵
抗（controlling resistance）が存在する、気体含有ポア（gas-containing por
es）を有する膜を介して気体と液体との間で大きい物質移動速度の拡散的輸送を
取り扱う場合に特にそうである。本発明によれば、気体ともう１つの流体との間
における物質移動に関して驚くべき大きい物質移動速度を示す気体含有ポアを有
する膜は、小さい屈曲係数（tortuosity factor）を有する膜、特に屈曲係数／
空隙率関係がτ＝１／εに近くなる膜であることが見いだされた。本明細書の詳
細な説明から明らかなように、この発見は、中空繊維膜の物質移動プロセスおよ
び装置を設計するために決定的な基準に関する新たな知見をもたらすものであり
、
それにより、これまでより遥かに高い効率を有するプロセスおよび装置がもたら
される。
１つの要旨において、本発明は、流体の少なくとも一方が気相である、第１流
体のフローと第２流体のフローとの間における物質移動の方法に関し、この方法
は、膜のポアが気体含有性である１またはそれ以上の中空繊維の形態の１または
それ以上の多孔性膜の外側表面と第１流体を接触させること、および該膜の内側
表面と第２流体を接触させることを含んで成り、該膜の最大ポア（pore、細孔）
寸法は２つの流体の直接混合を防止するようなものであり、膜は少なくとも０.
５０の空隙率（ε、porosity）を有し、膜の物質移動係数（mass transfer coef
ficient）は少なくとも３ｃｍ／ｓであり、本明細書にて定義する膜の屈曲係数
（tortuosity factor）は、εが０.８０より小さい場合は、多くとも１.４／ε
であり、εが０.８０またはそれより大きい場合は、多くとも１.３／εである。
問題とする物質移動に関する膜の物質移動係数は、問題とするプロセスにおけ
る物質移動に関する膜の可能性の尺度である；この物質移動係数は、以下に詳細
に説明して定義する。問題とする物質移動に関する物質移動フィルム（境膜）係
数（mass transfer film coefficient）は、問題とする２つの流体の間で生じる
物質移動の尺度である；理解されるように、流体の一方は他方の流体より小さい
物質移動フィルム係数を有し、従って、物質移動における限定要因となるであろ
う。先に述べたことは、膜が限定要因とならない場合（即ち、膜の物質移動係数
が限定的な流体の物質移動フィルム係数に等しいか、あるいはそれより大きい場
合）、あるいは中程度までしか限定的でない場合、本発明により今や可能となり
、現実のものとなる好ましい状況は、勿論、膜が殆ど限定的影響を有さないか、
あるいは全く有さない状況となるように膜を選択または適合させるということで
ある。本発明の利用の以下の説明から明らかなように、中空繊維膜が限定的影響
を殆どまたは全く持たない場合に、物質移動プロセスおよび装置を設計するこの
可能性は、極めて効率的かつ速い物質移動速度のプロセスをもたらすが、このよ
う
な種類のものは、これまで経済性を満たして現実化されたことはない。
本発明の原理を用いて得られる極めて高い効率に関するかぎは、１／εに近い
τにより屈曲係数により表される特別の屈曲「法則」である。多孔性材料の屈曲
係数を以下に詳細に説明する。この屈曲係数は材料の幾何学的構造に依存し、ま
た、自体材料の製造方法に影響される。後述の比較例から判るように、上述の屈
曲係数の考察に基づく中空繊維膜の選択は、従来技術のパラメーターのセットを
用いて選択されるであろうもの以外の他の材料の選択となり、また、従来技術の
パラメーターのセットを使用するより遥かに効率の良い膜材料を選択することに
なる。
以下の理論的な説明から理解されるように、屈曲係数は材料の空隙率と相関を
有し、これが、材料の全体積に対する材料の自由体積またはポア体積の割合とし
て定義され、周知の物理的測定方法、例えばＮ2吸着／脱着により測定される空
隙率εが０．８０であるか、それより大きい場合、屈曲係数が多くとも１.３／
εである必要があるという基準の背景である。
中空繊維は、一般的に中空のチューブ状部材と考えることができると理解され
る。従って、以下において、用語「中空チューブ状部材」は、中空繊維およびい
ずれの断面をも有する他のいずれの中空のチューブ状物（例えば以下に説明する
中空チャンバー）をも含む。
より広い要旨では、本発明は、流体の一方が気相であり、他方が液相である、
第１流体のフローと第２流体のフローとの間で物質を移動させるための方法に関
し、この方法は、複数の中空チューブ状部材の外側表面と第１流体を接触させる
こと（この中空のチューブ状部材の少なくとも一部分、好ましくは実質的に全部
は気体含有ポアを有する多孔性膜を有して成る）、および該中空チューブ状部材
の内側表面と第２流体を接触させることを含んで成り、該膜の最大ポア寸法は２
つの流体の直接混合を防止するようなものであり、膜の壁モルホロジーは、問題
とする物質移動に関する膜の物質移動係数が気相の物質移動係数の少なくとも１
０分の１であるように適合させ、中空チューブ状部材は、相互に平行または相互
に角度を付けて配置され、複数のチューブ状部材はその間で間隙部分を規定し、
その間隙部分を通って第１流体がチューブ状部材の長手方向に対して横断方向で
移動する。
更に別の要旨において、本発明は、気相のフローと液相のフローとの間で物質
を移動させるための装置に関し、この装置は、開口した入口端部を有するチュー
ブ状導管（tubular conduit）を有して成り、チューブ状導管の壁の少なくとも
一部分は中空チューブ状部材の少なくとも１つの気体透過性アレイ（array、配
列部または配置部）を有して成り、中空チューブ状部材の壁の少なくとも一部分
、好ましくは実質的に全部は、気体含有ポアを有する多孔性膜を有して成り、膜
の最大ポア寸法は気相および液相の直接的混合を防止するようなものであり、複
数の中空チューブ状部材はその間で間隙を有する少なくとも１つのアレイを規定
して気体の流れを可能にする。
本発明をもたらす多孔質膜による物質移動に適当なパラメーターおよび膜を利
用する適当な設計の重要性に関する新たな知見により、特定の物質移動操作に必
要な小さい膜面積を用いて物質移動方法も設計できる。
従って、もう１つの要旨では、本発明は、流体の一方が気相であり、他の相が
液相である第１流体のフローと第２流体のフローとの間で物質を移動させる方法
に関し、気体含有ポアを有する中空繊維の形態の複数の多孔性膜の外側表面と第
１流体を接触させ、該膜の内側表面と第２流体を接触させ、該膜の最大ポア寸法
は２つの流体の直接的混合を防止するようなものであり、この方法は、気相また
は液相からある成分を除去する吸収（気相の場合）または脱着（液相の場合）方
法であり、Ｃ1／Ｃ2（Ｃ1は問題とする成分の気体中の入口濃度であり、Ｃ2は問
題とする成分の気体中の出口濃度）が２０に等しいか、それより大きい場合につ
いて、各Ｃ*が多くとも０.０５・Ｃである時には、単位秒当たりに処理される気
相の立方メートル当たりに必要な膜面積Ａm／Ｇは多くとも２００ｍ2／（ｍ3／
ｓ）か、多くとも２００ｍ2／（ｍ3／ｓ）であり、あるいは各Ｃ*が０．０５・
Ｃより大きい時には、単位秒当たりに処理される気相の立方メートル当たりに必
要な膜面積Ａm／Ｇは多くとも５００ｍ2／（ｍ3／ｓ）である。
理論的セクション
ある種が膜を通過する場合、気体含有ポアを通過する時の種ｉの定常状態流束
（フラックス）は、分圧差の結果として、以下の関係により特徴付けられる：
（式中、Ｊは膜を通過する定常状態流束（モル／（ｍ2・秒）で測定される）、
よび膜／流体相２境界における種ｉの濃度（例えばモル／ｍ3）である。）ｋ値
は、個々の相における物質移動係数（例えばｍ／ｓ）である。Ｋi,oは次式（２
）により与えられる総括物質移動係数である：
（式中、ｋi,1およびｋi,2は、それぞれ流体相１および２における種ｉの物質移
動係数であり、ｋi,mは種ｉの固有の膜の物質移動係数である。）
常套の装置における液体側の抵抗により律速される接触プロセス（例えば水ま
たは血液内へのＯ2の吸収）の場合では、一般的に、液相における物質移動に対
する抵抗は非常に大きいので、流体相の直接的な混合を防止するための基本的な
要件を満たす既知の殆どの微細な多孔質の膜（microporous membrane）を用いる
ことができるが、総括的な物質移動速度に対する寄与はそれほどではない。
しかしながら、本発明の方法に基づく多くの適用は気相を液相と接触させるこ
とを含むが、この場合、液相の抵抗は実質的に無視し得、物質移動は気相の抵抗
により支配される。そのような大きい移動速度の適用の場合、膜における物質移
動抵抗は、製造プロセスにおいて膜の壁のモルホロジーが適当にコントロールさ
れていないなら、総括の移動速度を制限することがある。
膜を通過する気相種ｉの輸送は、文献（例えば、カーベリー，ジェー・ジェー
（Carberry，J.J.）とヴァルマ，エイ（Varma，A）の「ケミカル・リアクション
・アンド・リアクター・エンジニアリング（Chemical reaction and reactoreng
ineering）」、マーセル・デッカー社（Marcel Dekker Inc.）、ニューヨーク、
１９８７年；メイソン，イー・エイ（Mason，E.A.）とマリノーカス，エー・ピ
ー（Malinaukas，A.P.）の「ガス・トランスポート・イン・ポーラス・メディア
：ザ・ダスティ・ガス・モデル(Gas transport in porous media：The dusty ga
s model)」、エルスヴィアー・サイエンス出版社(Elsevier Science Publ．B.V.
)、１９８３年）から得ることができ、多孔質媒体における拡散のモデルにより
表現される。固有の膜の物質移動係数は式（３）として定義される：
（式中、ｔは中空繊維の壁厚さ（例えば、ｍ）、εはポアにより占められる全体
積の割合として表した膜の空隙率（即ち、膜の空隙空間の割合）、τは屈曲係数
、Ｄi,comb（例えば、ｍ2／ｓ）は２成分拡散係数およびクヌーセン（Knudsen）
拡
散係数からボザンケット内挿式(Bozanquet interpolation equation)（式(４)）
により組み合わされる擬２成分拡散係数（pseudo binary diffusion coefficien
t）である：
（式中、Ｄi（例えばｍ2／ｓ）は気体における種ｉの２成分拡散係数（標準的な
参考文献のテーブルから得られる）、Ｄi,k（例えばｍ2／ｓ）はクヌーセン拡散
係数である。）Ｄi,kは、拡散散乱（diffuse scattering）を用いて長く真っ直
ぐな円形ポアに関する関係から得られる(メイソン（Mason）、１９８３年)：
（式中、ｒpは膜の平均ポア半径（例えば、ｍ）、Ｒは普遍ガス定数（例えば（
ｋｇ・ｍ2／（ｓ2・モル・Ｋ））、Ｔは絶対温度（例えば、Ｋ）、Ｍiは種ｉの
分子量である。）
式（５）において使用すべきポア寸法ｒpは、膜を横切る拡散に関する正規化
した（平均の）ポア半径である。このポア寸法は、膜製造者により通常提供され
るものであり、ケルビン−ラプラス（Kelvin-Laplace）式（ケスティング（Kest
ing）、１９７１年；ムルダー（Mulder）１９９１年等）に基づいて周知のバブ
ルポイント法（bubblepoint method）により測定できる。保持量測定（retentio
n mesurement）により求められる公称ポア半径は、最小ポア寸法になって、膜に
わたる平均ポア寸法にならないので、適当ではないことを理解すべきである。
膜にわたる平均ポア寸法を測定するために、全てのポアをぬらすことができる
液体（例えばメタノール、イソプロパノール等）と接触させて膜を膜セルに配置
する。流れのための平均ポア寸法、最大ポア寸法およびポア寸法分布は、図２５
に示すように、乾燥膜の場合のガスフラックス対圧力特性（ドライ・フロー・カ
ーブ、dry flow curve）およびぬらせた膜の場合のガスフラックス対圧力特性（
ウェット・フロー・カーブ、wet flow curve）を測定することにより求めること
ができる。ぬれた膜を通るガスの透過は、最初最も大きなポアを通過して起こる
。最大ポア寸法は、図２５に示すように、最初の気泡が膜を通過する時の圧力に
て測定される。同様に、最小ポア寸法は、ウェット・フロー・カーブがドライ・
フロー・カーブに達する時に測定される。本明細書において使用する平均ポア寸
法は、ウェット・フロー・カーブがドライ・フロー・カーブの半分に達した時の
圧力にて求められる。
本発明の説明において多孔性膜を特徴付けるのに使用する屈曲係数τは、希釈
ＳＯ2を含む標準ガス混合物を問題とする繊維の内側に供給して、他の流体が０.
５Ｍ亜硫酸ナトリウム溶液（ＳＯ2がこれと反応して溶液中でＨＳＯ3 -イオンを
生成する）である場合に測定される値である。双方の流体相は周辺温度にある（
Ｔ＝２９３±５Ｋ）。
式（１）〜（５）により与えられる関係をｉ＝ＳＯ2の場合に適用する。これ
らの条件下で、液側の抵抗１／Ｋi,2の値は、液相（亜硫酸ナトリウム溶液）の
十分に高い亜硫酸塩の含有量の場合には無視でき、従って、式（２）は式（６）
のように変形される：
ｋso2,1の値は、繊維内の層流について周知のグレーツ−レベック（Graetz-Le
veque）の解（式（７）、例えば、ウォン，ケー・エル（Wang K.L.）とカスラー
，
イー・エル（Cussler，E.L.）の「バッフルド・メンブレン・モデュールズ・メイ
ド・ウィズ・ホロー・ファイバー・ファブリック(Baffled membrane modules ma
de with hollow fibre fabric)」、ジャーナル・メンブレン・サイエンス（J．Me
mb．Sci.）、８５(３)号、２６５〜２７９頁、１９９３年；ウィックラマシンゲ
，エス・アール（Wickramasinghe，S.R.）、シメンス，エム・ジェー（Semmens
，M.J.）およびカスラー，イー・エル（Cussler，E.L）の「ベター・ホロー・フ
ァイバー・コンタクターズ(Better hollow fiber contactors)」、ジャーナル・
メンブレーン・サイエンス、６２号、３７１〜３８８頁、１９９１年）を使用し
て算出できる：
（式中、Ｄso2は、気体中のＳＯ2の２成分拡散係数、ｄfibreは問題とする中空
繊維の内径(直径)、Ｖavは中空繊維内の気体の平均気体速度（気体流量（例えば
、ｍ3／ｓ）を断面積（π／４・(ｄfibre)2）で割って得られる）、１は中空繊維
膜の有効長さ（注封部分（potting）を除く）である。）
総括物質移動係数ＫSO2,oは式（８）の関係から算出する：
は中空繊維から出る気体中の測定ＳＯ2濃度である。）Ｇは、中空繊維の内側に
供給される標準気体の気体流量、ｄfibreは繊維内径、１は中空繊維の有効長さ
である。
Ｋso2,oおよびｋso2,1の値を求めて、問題とする特定の中空繊維についてｋso 2,m
を式（６）を算出し、次に、式（３）から屈曲係数τを算出する。
このように、上記に基づいて、所定の中空繊維膜について、本発明の説明にお
いて使用する膜パラメーターを測定または算出できる。
発明の詳細な説明
本発明の説明において用いる中空チューブ状部材、特に中空繊維は、種々の断
面形状、例えば正方形、矩形または実質的な矩形、楕円形（長円形）または実質
的な長円形、超楕円形（super elliptic、例えば細長い長円形）または実質的な
超楕円形、円形または実質的な円形、多角形または実質的な多角形のいずれであ
ってもよく、あるいは断面は不規則な形状であってよい。中空繊維は、断面が円
形または実質的に円形であるのが一般的に好ましい。好ましくは、長いチャンバ
ーの断面形状は矩形である。個々のチャンバーの断面は、チャンバーのアレイを
通じて好ましくは実質的に同じである。円形以外の他の断面の場合、ｄfibreは
水力直径（hydraulic diameter）により評価する。
本明細書および請求の範囲において、「膜の表面」およびそれに類似する表現
は、膜表面の少なくとも一部分を意味することを意図する。従って、例えば本発
明の重要な態様（後述）において、外側膜表面から内側膜表面を封止するために
、中空繊維膜を注封材料内で「注封する」（potted）。この場合、外側膜表面の
一部分のみに第１流体がアクセスできることは明らかである。同じ考え方が「チ
ャンバーの表面」およびそれに類似する表現にも当てはまる。
先に説明したように、本発明の１つの要旨は、少なくとも一方の流体が気相で
ある、第１流体のフローと第２流体のフローとの間で物質を移動させる方法に関
し、膜のポアが気体を含有している、１またはそれ以上の中空繊維の形態の１ま
たはそれ以上の多孔性膜の外側表面と第１流体を接触させ、第２流体をそのよう
な膜の内側表面と接触させることを含んで成り、そのような膜の最大ポア寸法は
、２つの流体の直接的な混合を防止するようなものであり、膜は、少なくとも０
.５０の空隙率（ε）を有し、膜の物質移動係数は少なくとも３ｃｍ／ｓであり
、本明細書にて定義される膜の屈曲係数は、空隙率εが０.８０より小さい時、
１.４／εを越えず、空隙率εが０.８０であるか、それより大きい時は、１.３
／εを越えない。
中空繊維は、通常３ｍｍを越えない、例えば２ｍｍを越えない外径（直径）を
有する。１．５ｍｍを越えない、例えば１ｍｍを越えない外径がしばしば適当で
ある。本発明の多くの用途では、０.８ｍｍを越えない外径が好ましく、最も重
要であると考えられる範囲は、０.２〜０.８ｍｍ、特に０.３〜０.７ｍｍ、例え
ば０.４〜０.６ｍｍである。
十分な機械的強度の要件と効率的な輸送特性の要件との間に合理的な妥協点が
存在することが理解されよう。これに基づくと、繊維の外径と厚さの割合は、２
〜２０、例えば５〜１５、好ましくは１０〜１５である。
中空繊維の壁厚さ（または肉厚、wall thickness）に関して、３００μｍを越
えない壁厚さが通常、本発明の方法の多くの用途に適当である。とりわけ、２０
０μｍを越えない壁厚さ、例えば５〜２００μｍの範囲（例えば１０〜２００μ
ｍの範囲）、より特に２０〜２００μｍ、例えば２０〜１５０μｍの壁厚さを有
する繊維が通常好ましい。特に好ましい厚さは、２０〜１００μｍ、例えば２０
〜８０μｍ、特に２０〜６０μｍである。
先に説明したように、中空繊維膜の空隙率は、重要なパラメーターであり（上
記参照）、一般的に空隙率は少なくとも０.３０であるのが好ましい。しかしな
がら、少なくとも０.５０、より好ましくは０.５０〜０.９０の範囲、例えば０.
６０〜０.９０、特に０.６５〜０.９０の範囲の空隙率により一般的に最良の結
果がもたらされる。例えば中空繊維の材料の物理的強度を前提として、０.７０
〜０.９０の範囲の空隙率、例えば０.７５〜０.９０の空隙率がしばしば望まし
い範囲である。
先に定義したような屈曲係数に関して、理論的限界である１／εに近い値が好
ましく、例えば１．３／ε、より好ましくは１．２／εを越えない、更に好まし
くは１．１／εを越えない値が好ましい。非常に望ましい範囲は、１／ε〜１．
１／εである。
式（３）により与えられる膜の物質移動係数は、膜の物質移動能力を特徴付け
る重要なパラメーターである。１／εにできる限り近い屈曲係数が、新たな展望
を開くような極めて優れた特性をもたらすという発見に鑑みると、この本質的な
基準を満足する中空繊維の特定の種に対する物質移動能は、主として、また、多
くの場合には専ら壁のモルホロジーファクター（ε2／ｔ、wall morphology fac
tor）により決まると考えることができる。比較例２における種々のパラメータ
ーの組み合わせの解析から理解できるように、割合（ε2／ｔ）は、通常少なく
とも３ｍｍ-1であり、現実的な機械的強度の制限およびできる限り大きいモルホ
ロジーファクターの要請とを一緒に考慮すると、好ましくは３〜１００ｍｍ-1、
例えば１０〜８０ｍｍ-1、特に１０〜５０ｍｍ-1の範囲である。
物質移動係数は少なくとも１ｃｍ／ｓ、例えば少なくとも２ｃｍ／ｓ、特に少
なくとも３ｃｍ／ｓ、例えば３〜１００ｃｍ／ｓであり、本発明の特に好ましい
態様では物質移動係数は１０〜８０ｃｍ／ｓ、例えば１０〜５０ｃｍ／ｓ、特に
１０〜３０ｃｍ／ｓである。
中空繊維の最大ポア寸法は、一般的に、２つの相の直接的な混合を防止するよ
うなものである。しかしながら、膜を横切る平均ポア半径は、クヌーセン拡散の
影響を最小限にするために、小さ過ぎてはならない。現実的であると考えられる
平均ポア寸法の最も広い範囲は、０.０１μｍ〜３.００μｍ（バブルポイント法
により測定）であるが、３.００μｍより小さい平均ポア寸法および０.０１μｍ
より大きい平均ポア寸法が非常に好ましく、この理由故に、平均ポア寸法は通常
０.１〜１.５μｍ、より好ましくは０.２μｍ〜１μｍであり、０.３μｍ〜０.
８μｍもまだ良好である。非常に望ましい範囲は０.４〜０.６μｍ、例えば約０
.５μｍである。このようなポア寸法より大きい場合、クヌーセン拡散の相対的
な影響は約１０％以下である。最大ポア寸法と最小ポア寸法との間の直径割合は
、通常１０を越えない、好ましくは約５を越えない、より好ましくは約３を越え
ない。
繊維の物質移動性能、必要な液体の気体に対する割合および湿潤または流体相
混合に関する考察から、繊維の長さと繊維の内径（直径）との間の割合は、通常
１０００〜１０００００、好ましくは２０００〜３５０００、より好ましくは５
０００〜２００００である。
妥当なパラメーターのセットにおいて最も重要なパラメーターを組み合わせる
と、以下のような最も好ましい組み合わせに到り、これは、非常に興味ある中空
膜繊維をもたらす：
繊維の外径（直径）は０.３〜０.７ｍｍ、特に０.４〜０.６ｍｍであり、繊維
の長さと繊維の内径（直径）との間の割合は２０００〜３５０００、特に５００
０〜２００００であり、膜の厚さは２０〜５０μｍ、特に約３０μｍであり、ポ
ア寸法は０．２〜０．６μｍであり、空隙率は少なくとも０.７０、特に０.７５
〜０.９０であり、屈曲係数は１／ε、〜１.４／ε特に１／ε、〜１.３／ε、
好ましくは１／ε、〜１.２／ε、より好ましくは１／ε、〜１.１／εである。
上述の開示から明らかなように、本発明において使用する中空繊維が説明する
ような要件に適合できるには、好ましいと考えられる材料の種類に幾らかの制限
が生じる。
最も適切な材料は、一般的にポリマー、無機物およびセラミックの種々の種類
から見いだされる。以下の種類のポリマーが適当である：ポリオレフィン、例え
ばポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリメチルペンテン；ポリ（ハロゲン化
オレフィン）、例えばポリテトラフルオロエチレン；ポリビニリデンフルオライ
ド；ポリアミド；ポリイミド；ポリスルホン；ポリアクリロニトリル；ポリエス
テル；およびポリフェニレンオキサイド。この点に関して、ポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＦＥ）が有望な材料である（以下の実験セクション参照）。
中空繊維膜を用いて非常に大きい物質移動能力を得ることができるが、上述の
基準を適合する他の種類のチューブ状部材、例えばチャンバー（chamber）も、
既に先に示したような顕著な有効性の可能性をもたらす。しかしながら、屈曲係
数が１／εであるか、それに近い本発明により規定される高性能中空繊維膜によ
り提供される可能性を十分に利用するために、本発明は、中空チューブ状部材、
例えば中空膜繊維を有する装置のための特定のデザイン（設計または構造）原則
を提供し、この原則は、従来可能であったより効果的かつ有利な物質移動を得る
ための決定的な基準に関する本発明による新たな知見に基づく。しかしながら、
これらの利点がもたらされるのは、上述の基準に適合する膜を組み合わせた物質
移動装置に限定されるものではない。
次に、これらのデザイン原則を詳細に説明する。
以下の特徴は、大きい移動速度の用途、例えば本発明により可能になると考え
られる大きい物質移動の数多くの工業的用途のための物質移動装置に一般的に重
要な特徴である：
１）２つの別々の流体を扱うために、モジュール（module）は、少なくとも２
つの入口および２つの出口コネクションを有することができる必要がある。
２）モジュールは、中空繊維の長手方向に対して横断方向で第１流体のフロー
（流れ）を可能にする必要がある。
３）大部分の目的の場合、大きい物質移動速度を確保して、それにより、所定
の用途に必要である全膜面積を最小限にするために、モジュールは、第１流体の
フローの大きい間隙速度（interstitial velocity）を可能にする必要がある。
４）エネルギー消費を最小限にするために、モジュールは短い気体滞留時間を
可能にする必要がある。
５）工業的用途に対して大きいガス処理量能力を確保して、それにより装着す
るモジュールのコストを最小限にするために、モジュールは、単一のモジュール
内に大きい膜面積を詰め込むことを可能にする必要がある。
６）モジュールは、繊維の間の均等な間隔および繊維本体の機械的安定性を確
保することにより、チャンネリング（channelling）および迂回（バイパス化）
を最小限にする必要がある。
７）モジュールは、工業的規模の用途に容易に製造できる必要がある。
別の要旨において、本発明は、流体の一方、好ましくは第１流体が気相であり
、
他方が液相である、第１流体のフローと第２流体のフローとの間で物質を移動さ
せる方法に関し、この方法は、複数の中空チューブ状部材（中空チューブ状部材
の壁の少なくとも一部分は、気体含有ポアを有する多孔性膜である）の外側表面
と第１流体を接触させ、そのような中空チューブ状部材の内側表面と第２流体を
接触させることを含んで成り、該膜の最大ポア寸法は、２つの流体の直接的な混
合を防止するようなものであり、膜の壁モルホロジーは、問題とする物質移動に
関する膜の物質移動係数が気相の物質移動係数の少なくとも１０分の１であり、
中空チューブ状部材は、相互に平行に、あるいは相互に角度を付けて配置され、
複数のチューブ状部材は、それらの間で間隙を規定し、第１流体は、中空チュー
ブ状部材の長手方向に対して横断方向でこの間隙を通過して移動する。
更に別の要旨において、本発明は、気相のフローと液相のフローとの間で物質
を移動するための装置に関し、この装置は、開口入口端部を有するチューブ状導
管（またはダクト部、conduit）を有して成り、このチューブ状導管の壁の少な
くとも一部分は、複数の中空チューブ状部材を有して成り、この中空チューブ状
部材の壁の少なくとも一部分は、気体含有ポアを有する多孔性膜を有して成り、
膜の最大ポア寸法は、気相および液相の直接混合を防止するようなものであり、
複数の中空チューブ状部材は、気体の流れを可能にする、部材間の間隙を有する
少なくとも１つのアレイを規定する。
問題とする物質移動に関する膜の物質移動係数は、関係する物質移動フィルム
係数の少なくとも１０分の１、例えば５分の１であるのが好ましく、本発明の特
に好ましい態様では、問題とする物質移動に関する膜の物質移動係数は、関係す
る物質移動フィルム係数の少なくとも半分であり、最も有利には、物質移動フィ
ルム係数に等しいか、あるいはそれより大きい。従って、本発明によって非常に
魅力的かつ現実的となる範囲は、問題とする物質移動に関する膜の物質移動係数
が関係する物質移動フィルム係数の０．５〜５倍、例えば０．５〜２倍である場
合である。
中空チューブ状部材のアレイにわたる（例えばアレイを通過する場合の）気体
圧力の降下は、好ましくは４０００Ｐａを越えない、例えば３０００Ｐａを越え
ない、特に２０００Ｐａを越えない。本発明の好ましい態様では、この気体圧力
降下は、１５００Ｐａを越えない、またはより良くは１０００Ｐａを越えない、
好ましくは５００Ｐａを越えず、これは、先に限定した屈曲係数の基準に合致す
る中空繊維膜を使用する場合に、十分に現実的なものである。
上述の態様の全てにおいて、第１流体がチューブ状部材、例えば中空繊維の長
手方向に対して横断方向で、特にチューブ状部材の長手方向に対して実質的に垂
直な方向で流れるフローパターンとなるのが非常に好ましいが、これは、それに
よって第１流体と第２流体との間で最も効率的な物質移動が生じるからである。
実際、複数の中空チューブ状部材を通常使用し、このチューブ状部材は、相互に
平行に、または相互に角度を形成するように配置され、この複数がチューブ状部
材の間の間隙で第１流体が通過するアレイを規定する。この「アレイ(array)」
は、チューブ状部材が全て相互に平行であり、第１流体が通過する空間がチュー
ブ状部材を相互から空間を隔てて保持することにより形成されるような、比較的
密に詰まった構造であってよいが、大部分の実用的な用途において、アレイにお
けるチューブ状部材の体積的な充填割合は比較的ゆるい充填であり、例えば体積
で０.０２〜０.８であり、これは、体積基準で０.９８〜０.２の第１流体が通過
する空隙空間に対応する。
本発明の多くのシステムにおいて、非常に小さい体積の充填を使用するが、そ
れでも非常に大きい物質移動速度（体積基準）が保持される。これは、本発明の
基準に基づいて選択される膜の非常に有効かつ「速い（fast）」性質故に可能と
なったものである。非常に小さい体積で充填したシステムにおいてこの性質を利
用すると、既知のいずれの物質移動装置よりも大きい気体速度で物質移動プロセ
スを、より小さい圧力降下（損失）で、非常により小さく非常にコンパクトな装
置を使用して、操作することが可能となる。
本発明の最も重要な態様の１つにおいて、中空のチューブ状部材は中空繊維で
ある。従って、以下、中空チューブ状部材の例を中空繊維とする。特に、中空繊
維により例証する本発明の装置および方法は、中空繊維だけでなくチューブ状部
材の全ての可能な種類を包含することを意図し、それらの壁の少なくとも一部分
は多孔質膜により構成されている。
これらの態様における繊維アレイの繊維の体積が占める充填割合は、体積基準
で０.０２〜０.２、好ましくは０.０３〜０.１５、より好ましくは０.０３〜０.
１である。これは、それぞれ、０.８〜０.９８、０.８５〜０.９７、０.９〜０.
９７の空隙割合に対応する。
他方では、より大きい充填割合が望ましいプロセスが存在する。この例は、空
間的な制限があるプロセス、およびより大きい充填率およびより小さい空塔速度
を使用するプロセスである。そのような目的のため、体積基準で０.２〜０.８の
繊維アレイにおける繊維の比較的密な体積充填割合を使用でき、例えば０.３〜
０.７（例えば０.４〜０.６５）であってよい。
体積充填割合は、繊維アレイの全体にわたり実質的に一定であってよいが、他
の重要な態様では体積充填割合は、繊維アレイにわたって変化する。第１流体の
流れの方向で体積充填割合が増え、それにより、増加した量の第２流体による物
質移動に第１流体が関係して有利となる場合がある；これは、平衡状態が第１流
体からある成分を完全に除去するのに特に有利でない場合に好ましい場合がある
。他方では、第１流体の流れの方向で体積充填割合が減少するのが有利な場合が
ある、即ち、大きい推進力(driving force)のために生じる大きいフラックスの
ために最初の幾つかの層を通過することにより第２流体が飽和し得る場合である
。
好ましい実用的な態様では、複数の繊維の中空繊維が繊維の層として配置され
、
この場合、各層の繊維は相互に実質的に平衡であり、相互からある距離で配置さ
れている。これの１つの特別な例は、繊維層が縦糸および横糸繊維を有するクロ
ス（布）を構成する場合であるが、これは、繊維の均等な分布に有利である。層
における繊維の方向は、隣の層の繊維の方向に対して９０〜０°の角度、例えば
９０〜１０°または９０〜２０°を規定してよいが、非常にしばしば直角である
。通常、これらの層は、相互に重ねて相互に接触している。層における繊維の方
向は、通常、隣の層の繊維の方向に対して９０〜１０°の角度を規定し、その角
度のために、層が相互に完全に平行である場合に生じるよりコンパクトな充填と
は対照的に、層の間で空間が形成される。層における繊維の方向は、隣の層の繊
維の方向に対して９０〜２０°の角度を規定し、多くの場合、隣の層の繊維の方
向に対して９０〜３０°の角度である。
層の繊維の方向と隣の層の繊維の方向との間で規定される角度は、第１流体の
流れの方向で減少してよく、それにより、隣の層の密度が前者の層より高くなる
。これは、例えば、後で説明するように、繊維を穿孔または多孔性チューブの回
りに巻き付けて繊維ボディを形成する場合に利用できる。そのような場合、要す
れば、繊維長さを一定に保持してよく、角度の減少が直径の増加を補償する。し
かしながら、層の繊維の方向と隣の層の繊維の方向との間で規定される角度を第
１流体のフローの方向で実質的に一定に保持することも可能であり、これは、円
形の繊維のアレイの外側の層の繊維が内側の層より長いことを意味する。最後に
、角度は第１流体のフローの方向で減少してよく、それにより、第１流体のフロ
ーの方向で体積充填割合が増加する。
本発明の方法（および複数の繊維に対して第１流体の横断方向、特に垂直なフ
ローが望ましい他の多くの単位操作）を実施するモジュールの非常に重要な態様
において、複数の中空繊維を穿孔部またはポア（開口）またはメッシュまたはネ
ット構造部を有する表面に複数の中空繊維を配置し、繊維アレイの長手方向に対
して横断方向で、第１流体がその構造部を通って流れる。
本発明の基準を満たす中空繊維膜の顕著な効率および「速さ(fastness)」のた
めに、第１流体の導管の内側のアレイ内に繊維を配置することが現実的となり、
それにより、導管内の第１流体は繊維アレイを通過するが、繊維の端部が導管の
外で延び、繊維の入口端部および出口端部はそれぞれ入口および出口プレナム（
plelnum、前室部）とつながる。この場合、導管の断面積は繊維アレイの部位に
よって実質的に変化せず、その結果、繊維に対する空塔速度は、繊維アレイの上
流および下流の空塔速度と実質的に同じである。換言すれば、上述の基準を満た
す繊維の非常に大きい物質移動可能性を上手に利用する例である。そのような配
置は従来技術において示されている（ヨーロッパ特許公開第０３７４８７３号参
照）が、その可能性を含む実用的な利用は、本発明の選択基準に合致する極めて
効率的な中空繊維膜を使用する場合にのみ、小さい圧力降下を伴って可能となる
と考えられる。
本発明の好ましい態様では、本発明の装置のチューブ状導管の壁または壁の少
なくとも一部分は複数の中空繊維からできている。それにより、中空繊維または
その少なくとも一部分を第１流体、即ち、気相に対して露出させることが可能で
ある。典型的には、チューブ状導管の壁は、他の部材、例えば繊維の間で所望の
距離を保持する手段（例えば穿孔または多孔性またはメッシュまたはネット構造
物）および導管の他の部材に対して取り付け状態でアレイを保持する手段も有す
るが、これらの手段は、繊維の間の間隙で気体が流れることができるようにする
必要がある。
従って、幾つかの重要な構成で繊維アレイを上に配置する穿孔または多孔性ま
たはメッシュまたはネット構造物の表面は、第１流体用の導管、例えばチューブ
の表面または壁の一部分であってよい。従って、そのような繊維モジュールの重
要な態様では、表面は、チューブ状の穿孔または多孔性流体導管の表面であり、
中空繊維の各層は、そのチューブ状表面に螺旋状に巻き付けられる。
多くの工業的用途に非常に実用的な重要性を有する構成の態様では、導管は開
口端部を有するチューブ状導管であってよい。チューブ状導管は、多くの実用的
な態様では入口端部に対向する端部にて閉鎖または実質的に閉鎖され、その結果
、第１流体の流れは、導管から繊維のアレイを通過して横断方向に流れざるを得
ないようになる。導管の壁または少なくともその一部分は、複数の繊維を有して
成る。本発明の好ましい態様では、チューブ状導管の壁は、穿孔もしくは多孔性
またはネットもしくはメッシュ構造のチューブ状構造物により更に構成され、そ
の上または中に繊維が配置されるか、あるいは繊維アレイ自体の自立性チューブ
状内側表面により構成される。
バイパスおよびチャンネルの発生を避けて、また、全体として繊維アレイの全
領域の最適な利用を確保するために、繊維アレイを通過する第１流体の横断方向
の流量を制御して、チューブ状導管の軸方向において繊維アレイの長さに沿って
実質的に一定となるようにする。この制御は、繊維アレイの軸方向長さに沿って
繊維アレイを横切る圧力差をコントロールすることにより実施できる。このコン
トロールした圧力差は、種々の方法で得ることができる。その１つは、圧力差を
モニターしてオンラインの加圧または真空制御システムで一定に維持することを
含むが、より簡単で好ましい方法は、軸方向で導管の表面の透過性を変えること
および／またはチューブ状導管において第１流体が流れる断面積を補足的に変え
ることであり、その結果、実質的に一定の圧力差が保持される。後者の可能性に
関連して、好適な構成は、チューブ状導管で第１流体が流れる断面積の変化を、
チューブ状導管の内側で軸方向に延びる断面積制御ボディ（または手段）により
達成する態様である。チューブ状導管が実質的に円形の断面を有する場合、断面
積制御ボディは放物面の回転体のソリッド・ボディ（solid body、または中実体
）であるのが適当である。別法またはそれに加えて、繊維アレイを横断方向に通
過した後に第１流体が流れる断面積を変えることにより、例えば繊維アレイを横
断方向に通過した後で第１流体を排出する外部導管の内側ディメンジョンを変え
る
ことにより、コントロールされた圧力差が助長される。
従って、コントロールするために、外部導管の断面積をその出口端部に向かっ
て軸方向で増加させ、チューブ状導管の断面積をその入口端部から離れて内側導
管の軸方向で減らす。
種々の工業的用途の場合、例えば煙道ガスの清浄化の場合、非常に大量のガス
を第１流体として処理する必要があり、従って、繊維アレイが非常に大きくなる
、例えば２ｍまでの直径、例えば４ｍまで、好ましくは６ｍまで、例えば８ｍま
で、特に１０ｍまでまたはそれ以上となる。そのような場合、繊維アレイは、相
互に隣接して配置される幾つかの繊維アレイエレメントにより構成するのが実際
的であり、各エレメントにそれ自身の液体入口および出口プレナムを設ける。こ
のようにすると、繊維アレイエレメントは、実際の輸送および取付装置に適合す
る寸法に製造でき、また、配送できる。製造を合理化するために、繊維アレイエ
レメントまたはそのセットを同じ外側構成および／または同じ内側構成にするこ
とができる。繊維アレイエレメントに適当な構成は、チューブのセクション（ま
たは一部分）であるが、非常に大きいチューブ状の構成の場合は、円筒状面のセ
クションである繊維アレイエレメントからチューブを構成するのが通常好ましく
、軸方向縁に沿って相互に隣接して配置すると、そのような多数のエレメントが
一体となってチューブのセクションを構成する。
繊維アレイを有するチューブ状導管の軸方向長さとチューブ状導管の内径（直
径）の割合は、好ましくは８を越えないが、これは、１０〜２０ｍ／ｓのオーダ
ーの煙道ガスチャンネル内の典型的な空塔気体速度を約１／２ｍ／ｓの繊維アレ
イを通過する横断方向の空塔気体速度まで落とすのに適当である。もし、煙道ガ
スチャンネル内の同じ典型的な煙道ガス速度に基づいて上述の導管の内側に取り
付けた繊維アレイ（inside-conduit mounted fiber array）において同様の横断
方向空塔気体速度を達成する必要があるなら、チャンネルの直径は約５.６倍に
なり、これは殆ど実現不可能である。上記に対応して、繊維アレイを有するチュ
ーブ状導管の軸方向長さとチューブ状導管の入口直径の割合が４を越えないのが
、約１ｍ／ｓの繊維アレイを通過する横断方向空塔気体速度を達成するのに適当
であり、この速度は、上述の他の構成では直径を４倍大きくする必要がある。繊
維アレイを有するチューブ状導管の軸方向長さとチューブ状導管の入口直径の他
の重要な割合は２を越えない、また、１を越えないことである。
チューブ状構造は、横断方向流れの方向で重ねた複数の繊維アレイを使用する
ことにより、必要なまたは複雑な物質移動操作に容易に適合させることができ、
それぞれのアレイは、自身の液体入口および出口を有し、これらのアレイには、
第１流体が重ねられたアレイを横断方向に通過する際に同じまたは異なるガスを
選択的に吸収するように同じまたは異なる液体が供給される。このようにして、
個々の汚染物質を選択的に除去する（例えば、吸収剤１によりＨＣｌを除去し、
吸収剤２によりＳＯ2を除去し、吸収剤２によりＮＯxを除去し、吸収剤４により
ＣＯ2を除去する等）ためにエレメントを直列に配置することができ、個々の汚
染物質を必要なように回収するために引き続いて行う個々の吸収剤の処理が簡単
になる。従って、第１セクションの吸収剤はＨＣｌおよびＮＯ2を吸収するため
の水であってよく、第２セクションの吸収剤はＳＯ2を選択的に吸収するために
８．２より低いｐＨのアルカリ亜硫酸塩またはクエン酸塩溶液であってよく、第
３セクションでは、ＮＯの選択的吸収および残留ＳＯ2の除去のためにＨ2Ｏ2、
Ｉ2、Ｆｅ(II)ＥＤＴＡ、ＢｒＯ3 -、Ｃｌ2等のような酸化性または還元性反応物
質を含む吸収剤を使用してよく、第４吸収剤は、ＣＯ2等の選択的吸収のために
水酸化物またはアミン溶液であってよい。
そのようなプロセスの利点は、望ましくない成分による種々の吸着剤の汚染無
しに、単一の装置において複数の成分の選択的吸収ができることである。代わり
に、前の段階において汚染成分を除去してよい。これにより、吸収剤の追加の処
理が容易になる。
繊維アレイの重なりは、実際には種々の方法で実施できる。例えば、各エレメ
ントは２またはそれ以上の重ねたアレイを含んでよく、それぞれのアレイは自身
の入口および出口プレナムを有する；あるいは各エレメントは、唯一のアレイを
含んでよく、アレイの重なりは、上述のようにエレメントを重ねることにより達
成する。
繊維アレイは３０〜５００の繊維層、例えば５０〜３００の繊維層を有して成
ってよい。煙道ガスの浄化に関する繊維ボディに関連して、繊維アレイは５０〜
２００の繊維層、例えば５０〜１００の繊維層を有して成るのがしばしばであり
、プロセスに必要なガスの滞留時間に適合する。
上述の態様の全てにおいて、繊維アレイの繊維は本明細書において説明する屈
曲特性を示す繊維から選択される。
一般的原則として、本発明に基づいて選択される中空繊維の特有の可能性を利
用して、各アレイが最大で１５００Ｐａ、好ましくは最大で１０００Ｐａ、より
好ましくは最大で５００Ｐａの気体圧力降下をもたらす充填度となるようにする
のが好ましい。しかしながら、最大で４０００Ｐａ、例えば最大で３０００Ｐａ
または最大で２０００Ｐａの圧力降下となる充填度であっても、中空繊維を利用
できる。
大量の煙道ガス、例えば石炭燃焼発電所からの煙道ガスを浄化するために提案
されるモジュール構造の非常に重要な実用的態様において、煙道ガスを輸送する
導管は、穿孔または多孔性面を構成してよく、その上に上述のように複数の繊維
を配置する。直径が１０ｍと大きい場合がある、円形断面の煙道ガスダクトの実
用的な態様において、提案されるモジュール構造は図７〜１２に示すように構成
でき、この場合、幾つかのモジュールセクション（３）が平行に配置されて、大
量の煙道ガスを処理するようになっている。これらの大きいモジュールセクショ
ンの製造を容易にするために、モジュールセクション（３）は、図９に示すよう
に、モジュールセグメント（Ｓ）に更にセグメント化してよい。そのようなセグ
メント（Ｓ）は、それぞれ上述の方法により、個々のプロセス用途のために第１
流体および第２流体を処理するように、製造することができる。そのように製造
された各セグメントは、簡単に機械的に組み立てることができ、モジュールセク
ション（３）が提供される。
繊維アレイにおいて、繊維は両端において注封材料内に「注封」するのが適当
であり、内腔側をシェル側から封止する。繊維の注封は、いずれの適当な方法で
も実施でき、そのような方法は当該分野において周知であり（例えば米国特許第
３,４２２,００８号、米国特許第３,３３９,３４１号、米国特許第３,４４２,３
８９号、米国特許第３,４５５,４６０号、米国特許第３,６９０,４６５号、米国
特許第４,２０７,１９２号、米国特許第５,２６４,１７１号、ＥＰ（ヨーロッパ
特許公開）−Ａ１−０５６２５２０号）、これらは全てこの引用により本明細書
に組み込まれる。
注封材料は一般的に液体形態であり、液体状態にあるときは一般的に低粘度で
あり、液体ポリマーが固化する時に少し発熱する。低粘度であることにより、繊
維の間に液体注封配合物が浸透するのが促進される。液体注封配合物が硬化して
固化する時、低発熱性により繊維の溶融が防止される。更に、注封配合物はモジ
ュールの熱安定性および化学的安定性を低下させてはならない。
注封材料は有機物であっても、無機物であっても、それらの混合物であっても
よい。適当な注封材料は、周知であり、米国特許第４,３６９,６０５号および第
３,４２２,０８８号に記載されており、これらは引用により本明細書に組み込ま
れる。
繊維端部は常套の方法で切断し、繊維アレイにおいて開口繊維端部を露出させ
て、第２流体用の出口および入口を有するようにする。
他方、上述のチューブ状構造は自体新規であり、その明らかな利点および気体
速度および圧力差の制御に関する融通性の観点において、この新規な構造は、使
用する繊維がその屈曲係数特性に関する本発明の原理に基づいて選択された繊維
であるか否か、あるいは繊維が物質移動操作に適当であるが、重要な屈曲係数の
特徴を有しないようなものであるか否かに拘わらず、本発明の要旨を構成する。
上述のように、横断流れの方向で重ねた複数の繊維アレイを利用することにより
、追加の利点が現れる。
中空繊維のアレイを平膜アレイ、例えば１またはそれ以上の平坦な膜により構
成される１またはそれ以上の領域を有する長尺チャンバーのアレイ（この場合、
チャンバーは可能な範囲まで中空繊維アレイの場合と同様に類似する操作条件を
提供するように構成されるのが適当である）に交換する場合、同様の方法で、先
に説明した構造の特徴を利用できる。平膜は、中空繊維膜に非常に特有である利
点の全部を提供することはできないであろうが、上述の構造の原理の利点は非常
に重要であり、本発明の要旨として平膜モジュールと共にこの原理を使用するこ
とを組み合わせることは十分に意味がある。
従って、本発明の態様において、中空チューブ状部材は相互に実質的に平行に
長手方向に配置された長尺チャンバーであり、チャンバーの長尺表面は、少なく
とも１つの領域を有し、この領域は、気体含有ポアを有する少なくとも１つの多
孔性膜により構成される。
本発明の好ましい態様において、この中空チューブ状部材のディメンジョンは
、一般的に、中空繊維のディメンジョンとは異なる。
従って、該第１流体が通過するチャンバーのアレイの空隙割合は、体積基準で
０.２〜０.９８であるのが好ましいが、中空繊維アレイの場合より一般的に小さ
い。好ましい場合、体積基準で０.２〜０.８、特に０.２〜０.６、例えば体積基
準で０.３〜０.５または０.２〜０.４の空隙割合となるようにチャンバーを配置
するのが有利である。
空隙割合は、個々のチャンバーの間の距離および個々のチャンバーのディメン
ジョンの関数である。
個々のチャンバーの間の距離は、チャンバーアレイにわたって実質的に同じで
あるのが好ましい。しかしながら、ある場合では、アレイの面にわたる第１流体
、例えば気相の圧力差を補償するために、アレイにわたってチャンバーの間の距
離が変わるようにアレイを構成するのが有利な場合がある。しかしながら、補償
は、異なる寸法および／または形状を有するチャンバーを使用することにより達
成することもできる。
アレイにおける個々のチャンバー間の距離は、２５ｍｍ以下であるのが好まし
く、例えば１０ｍｍ以下、特に０.１ｍｍ〜８ｍｍ、例えば０.５ｍｍ〜４ｍｍま
たは２ｍｍ〜６ｍｍである。
第１流体が移動する方向に対して横断方向であり、チャンバーの長手方向ディ
メンジョンに垂直である方向における、チャンバーの最大断面ディメンジョンは
、好ましくは２０ｍｍ以下、例えば０.１〜５ｍｍ、特に０.３〜３ｍｍ、例えば
０.３〜１.５ｍｍまたは０.５〜３ｍｍである。
流体が移動する方向に対して平行であり、チャンバーの長手方向ディメンジョ
ンに垂直である方向における、チャンバーの最大断面ディメンジョンは、２５ｃ
ｍを越えない、例えば１０ｃｍを越えない、特に１〜１０ｃｍ、例えば１〜６ｃ
ｍまたは４〜１０ｃｍである。
好ましい態様では、長尺チャンバーは、図１３および図１４に示すように配置
する。水平方向矢印は、第１流体が移動する方向を示し、２つの垂直方向矢印は
第２流体が移動する方向を示す。図面では膜面を明らかに示していないが、１ま
たはそれ以上の膜面は、第１流体が移動する方向に平行に各側に配置するのが好
ましい。拡大部分は、チャンバーおよび出口プレナムを示す。
チャンバーの硬質アレイを得るために、特に個々のチャンバー面の大部分を可
撓性の平坦な膜から構成する場合、個々のチャンバーまたは隣接するチャンバー
を補助構造物により支持してよい。
従って、好ましい態様では、チャンバーは、その対向する面の間の距離をコン
トロールするために、穿孔した、多孔性の、メッシュまたはネット状構造物を有
して成る。硬質性は、穿孔部もしくはポアを有する面またはメッシュまたはネッ
ト状構造物、例えば図１０に示すようなものの上にチャンバーのアレイを配置す
ることにより得ることもできる。しかしながら、その構造物は、チャンバーの長
手方向に対して横断方向に第１が通過して流れることができるように構成する必
要がある。特に、穿孔した、多孔性の、メッシュのまたはネット状構造の面は第
１流体用の導管の壁の一部分である。
好ましい態様において、チャンバーのアレイは、中空繊維アレイの上述の配置
と同様に配置される。これは、重なりアレイに特に当てはまる。中空繊維アレイ
の周囲の第１流体用の導管の構造に関する上述の原理は、長尺のチャンバーのア
レイにも当てはまる。従って、導管セクションは、チャンバーアレイにより構成
される。
上述のように、本明細書に規定する基準に基づいて中空膜繊維を選択する場合
、
吸収プロセスには、処理する気相の単位立法メートル当たり非常に小さい膜面積
が必要であり、これまでに見られなかった吸収の効率が達成できる。
気体混合物から液体内に化学反応によりある気体成分を吸収する吸収プロセス
において、気体ストリームＧ（ｍ3／ｓ）を処理するのに必要な膜面積Ａmは、式
（９）により規定される：
Ａm／Ｇ＝ｌｎ（（Ｃ1−Ｃ* 1）／（Ｃ2−Ｃ* 2））／Ｋo （９）
（式中、問題としている成分のＣ1およびＣ2は、それぞれ入口および出口気体相
濃度、Ｃ* 1およびＣ* 2は、それぞれ気体入口および出口における液相の問題とし
ている気体成分の平衡濃度、Ｋoは式（２）により規定される総括物質移動係数
である。）本発明の方法を適用して少なくとも９５％の吸収効率（Ｃ1／Ｃ2が２
０に等しいか、それより大きい）を達成する場合、処理する気体の単位ｍ3／ｓ
当たりに必要な膜面積は、各Ｃ*が０.０５Ｃを越えない場合は、多くて２００ｍ2
／（ｍ3／ｓ）と容易に小さくすることができ、あるいは各Ｃ*が０.０５より大
きい場合は、多くて５００ｍ2／（ｍ3／ｓ）と小さくできる。従って、実的な処
理するガスの単位ｍ3／ｓ当たりの膜面積は、各Ｃ*が０.０５・Ｃを越えない場合
は１００ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えない、または各Ｃ*が０.０５・Ｃより大きい場合
は３００ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えない、または各Ｃ*が０.０５・Ｃを越えない場合
は７５ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えない、または各Ｃ*が０.０５・Ｃより大きい場合は
１５０ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えない、また、各Ｃ*が０.０５・Ｃを越えない場合は
５０ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えない、または各Ｃ*が０.０５・Ｃより大きい場合は１
００ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越ないというように更に小さく、あるいは上述の基準に十
分に適合し、適当な装置に配置された中空繊維膜は、各Ｃ*が０.０５・Ｃを越え
ない場合は１０〜３０ｍ2／（ｍ3／ｓ）と小さく、または各Ｃ*が０.０５・Ｃよ
り大きい場合は３０〜９０ｍ2／(ｍ3／ｓ)と小さい。
従って、もう１つの要旨において、本発明は、流体の一方が気相であり、他の
相が液相である、第１流体のフローと第２流体のフローとの間で物質を移動させ
るプロセスに関し、気体を含むポアを有する中空繊維の形態の複数の多孔性膜の
外側表面と第１流体を接触させ、該膜の内側表面と第２流体を接触させ、該膜の
最大ポア寸法は２つの流体の直接の混合を防止するような寸法であり、プロセス
は、気相または液相からある成分を除去するそれぞれ吸収または脱着プロセスで
あり、本明細書の式（９）を引用して単位秒当たりに処理する気相の単位立法メ
ートル当たりに必要な膜面積Ａm／Ｇは、Ｃ1／Ｃ2（Ｃ1は問題としてる成分の気
体中の入口濃度、Ｃ2は問題としている成分の気体中の出口濃度）が２０に等し
いか、それより大きい場合、各Ｃ*が０.０５・Ｃを越えない時は２００ｍ2／(ｍ3
／ｓ)を越えない、または各Ｃ*が０.０５・Ｃより大きい時は５００ｍ2７／(ｍ3
／ｓ)を越えない。
特に、本発明は、繊維が相互に平行にまたは相互に角度を形成するように配置
された上述のプロセスに関し、複数の繊維は繊維アレイを規定し、その中を第１
流体は中空繊維の長手方向に対して横断方向で繊維の間の間隙で移動して繊維ア
レイを通過し、該繊維アレイの圧力降下は、１５００Ｐａを越えない、例えば１
０００Ｐａを越えない、特に５００Ｐａを越えない。ある場合では、特に脱着プ
ロセスでは、この圧力降下は、より大きくてもよく、例えば４０００Ｐａまでで
よく、例えば３０００Ｐａまたは２０００Ｐａまでであってよい。
本発明の方法は、第１流体が気体で、第２流体が液体である用途に特に適当で
ある。その良い例は、（化学反応を伴う）吸収による煙道ガスからのＳＯ2の亜
硫酸塩溶液内への除去である。
先に既に説明したように、本発明の方法は、第１流体が気体で、第２流体が気
体混合物の１またはそれ以上の成分を吸収できる溶液であるシステムに特に適当
であり、これに関連して、問題としている溶液は、気体混合物中の成分と化学反
応を起こす試薬を含んでよい。先に示したように、この方法を適当に適用できる
気体混合物は、燃焼煙道ガス、即ち、燃焼可能物質、例えば化石燃料（石炭、コ
ークス、油、バイオマス等）の燃焼、または廃物（例えば紙、木材、プラスチッ
ク等を含む産業または家庭からの廃物）の燃焼／焼成により生じる煙道ガス；生
物燃料のガス化からの煙道ガスまたはいずれかの産業的排ガスである。
そのような燃焼プロセスは、相当なレベルの環境的に望ましくないガス、例え
ばＳＯ2、ＮＯx（通常、主としてＮＯおよびＮＯ2の混合物）、ＨＣｌ、ＨＦ、
ＳＯ3、ＣＯ2または他の気体性生成物を含む気体混合物を発生するが、これらは
酸生成ガスであるか、それを含み、この方法は、例えば第２流体として酸生成ガ
スと反応できる塩基性溶液、例えばアルカリ金属水酸化物、アルカリ炭酸塩、ア
ルカリ金属クエン酸塩等の塩基の水溶液を用いて、燃焼排ガス（例えば煙道ガス
）７からそのような種類のものを除去するのに特に適当である。
ＳＯ2の除去の場合、適当な吸収流体（第２流体）は、既に示したように、ア
ルカリ金属亜硫酸塩の水溶液、特に０.３〜１.５Ｍ、例えば０.５〜１Ｍの溶液
である。そのような溶液のｐＨを調節することにより、例えばｐＨを下げること
により、他の種、例えばＣＯ2の吸収に関して溶液の選択性を調節することが可
能である。
同様に、産業排ガスから酸性媒体、例えば希釈鉱酸（例えば硫酸）内に塩基性
気体、例えばアンモニアを除去することが明らかに可能である。
本発明の方法の適用において、多孔性膜のポアは、中空繊維膜が機能するメカ
ニズムの性質故に、一般的に気体含有性である。しかしながら、ポアに存在する
気体とは別に、ある用途の場合いは膜のポア内に、膜を横切って輸送される１ま
たはそれ以上の成分と反応できる種を導入する、および／または移動する種の化
学的変態（または転化）を促進できる触媒を導入する可能性が存在することが明
らかである。
同様に、中空繊維の表面に触媒を積層または被覆してよいことも明らかである
。
従って、気体混合物からＮＯを除去するプロセスにおいて、水性媒体内へのＮ
Ｏの溶解度が小さいために、より大きい溶解度を有するＮＯ2にＮＯを予め酸化
することが望ましくなる。この目的のために、遷移金属（Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｆｅ等）または遷移金属酸化物（ＣｕＯ、Ｃｏ3
Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、Ｖ2Ｏ5、Ｖ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3）のよう
な酸化触媒をＮＯのＮＯ2への酸化を触媒するために膜に積層または含浸してよ
い。触媒酸化の次に、適当な吸収剤、例えば水、アルカリ亜硫酸塩溶液等内に生
成したＮＯ2の吸収が起こる。
プロセスが化石燃料を燃やす発電所からの煙道ガスからＳＯ2を除去する特定
の場合、本発明の方法により、９５％の除去効率を達成するために必要な膜面積
は多くて２００ｍ2／ＭＷｅとなり、本発明の原理を効率的に利用することによ
り達成される必要な現実的な膜面積は多くて１００ｍ2／ＭＷｅまたはそれより
良好、例えば多くて７５ｍ2または好ましくは５０ｍ2／ＭＷｅ、あるいは１０〜
３０ｍ2／ＭＷｅに低下し、出願人が知る限りでは、これまでにこのような効率
は達成されたことがない。
上述の態様において、式（９）に関連する性能の基準は、多くの場合、上述の
中空繊維アレイおよび平膜アレイを用いることにより達成できる。
一般的に、屈曲特性に適合する中空膜繊維を使用する本発明の方法は、液相か
ら気相への１またはそれ以上の気体または揮発性成分の移動（ストリッピング）
を含むいずれの種類のプロセスにも適当である。その例は、液体混合物から気体
へのＳＯ2、ＳＯ3、ＮＯx、ＨＣｌ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、アルコール、ハロゲン化炭
化水素等の輸送である。
例えば、溶液の沸点以下の温度にて感熱性化合物を含む溶液から気相内に水を
ストリップすることができることが考えられる。このようにすると、感熱性化合
物または組成物、例えば果汁、芳香性化合物、酵素、蛋白質、脂質、糖類、薬品
、ポリマー等を熱的に劣化（変性）することなく濃縮できる。
接触装置の効率的な操作のために、温度は、一般的に溶液が許容できる限り高
い必要があり、例えば２５〜７５℃である。
感熱性化合物または組成物の化学的劣化を避けるために、Ｎ2、Ａｒ、Ｈｅ、
ＣＯ2のような不活性ストリッピングガスを使用することがしばしば好ましい。
そのような用途に効率的な物質移動装置は、本発明により特定される中空繊維
を使用することにより提供される。しかしながら、大部分の既知のモジュール構
造は、気相の飽和を避けることができるほどに十分に小さい気体滞留時間を提供
できない。従って、そのような物質移動装置の効率は、しばしばモジュール構造
により制限される。実施例２ではこれらの考察を示している。
更に、膜物質移動プロセスは、発酵液(fermentation broth、発酵培地)からの
エタノールの連続除去、例えばノンアルコールビールの製造に、あるいは工業エ
タノールの生物学的製造の連続プロセスにおいて使用できることが考えられる。
従って、糖、デンプンおよびバイオマス（木材、公共廃水等）の発酵によるエ
タノールの製造は、一般的にエタノールにより抑制される、即ち、製造速度は、
エタノール濃度により制限され、発酵の間に減少する。発酵は、あるエタノール
濃度で停止することは周知であり、それ故に、エタノールの連続回収によりこの
抑制を除去する努力がなされてきた。本発明の物質移動方法およびモジュール構
造を使用して、これを達成し、製品回収に消費されるエネルギーを最小限にでき
る。このプロセスは、図１〜２に示している。
発酵装置の内容物、即ち、基質溶液（炭素および窒素源、ミネラル等）および
エタノール産生微生物（例えば酵母等）を含む発酵液を、場合により加熱器にお
いて加熱した後に、本発明の物質移動装置に第２流体として連続的に供給する。
Ｎ2、ＣＯ2、ＨｅまたはＡｒのような不活性気体を第２流体として膜の他の側で
モジュールに流す。エタノールおよび幾らかの水が第２流体から蒸発して膜を通
って第１流体（不活性ガス）内に透過物として拡散する。この透過物は、凝縮に
より回収され、不活性ガスストリームは接触装置に再循環される。不活性ガスは
、発酵装置内において（例えばエタノールおよび基質の酸化的劣化（または変性
）を避けるために）嫌気性条件を保持するために使用する。非揮発性成分、例え
ば基質および微生物は蒸発せず、減少した水および微生物により消費された基質
成分を補給した後、発酵装置にリサイクルされる。
分離は、使用する実際の微生物に依存する発酵温度に近い温度で実施される。
酵母（サッカロミケス・セレビシアエ（Saccharomyces Cerevisiae）、サッカラ
ミケス・カールスベルゲンシス（Saccharamyces Carlsbergensis）等）およびチ
モモナス（Zymomonas）属のバクテリアに基づく発酵は約３０℃の最適発酵温度
であり、発酵により約４０℃までの温度となる。発酵は発熱プロセスであり、こ
れらの微生物の感温性は、発酵の間に冷却を用いる必要がある場合があることを
意味する。これは、困難であり、特に温暖な気候においてはコストを要する。提
案されるプロセスでは、膜接触装置における蒸発により第１流体を冷却する。
発酵温度は、嫌気性好熱性細菌、例えばクロストリジウム・テルモセルム（Cl
ostridium Thermocellum）、クロストリジウム・テルモヒドロスルフリクム（Cl
ostridium Thermohydrosulfuricum）、クロストリジウム・テルモサッカロリチ
カム（Clostridium Thermosaccharolyticum）、テルモアン−アエロビウム・ブ
ロッキイ（Thermoan-aerobium Brockii）、テルモバクテロイデス・アセトエチ
リクス（Thermobacteroides Acetoethylicus）、テルモアナロバクテル・エタノ
リカス（Thermoanarobacter Ethanolicus）等の場合、５５〜６９℃である。外
部加熱装置、例えばヒートポンプを有する装置（熱吸収部分は例えば別の装置か
らの廃熱部分に接続されている）またはソーラーセルを外部熱供給源として使用
できる。
最大エタノール濃度は、酵母およびチモモナス菌株の場合は一般的に１０ｗ／
ｗ％であり、ある種の嫌気性好熱性細菌の場合はわずか０.５〜１.０ｗ／ｗ％と
低い。最適なｐＨは酵母およびチモモナス菌株の場合は４〜７.５である。
回収されるエタノールの濃度は、フィード中のエタノール濃度の関数である、
ポアの口における気−液平衡に対応する。一般的に、透過物の濃度のフィード中
の平均バルク濃度に対する割合（比）として定義される濃縮係数（concentratio
n factor）は、濃度を重量％で測定する場合、１〜８の範囲にある。
また、分離（または分別、fractionation）のために重ね膜アレイを使用する
ことも可能である。従って、透過物の更なる分離／精製のための塔を形成するた
めに、重ね膜アレイ（膜を基礎とする蒸留塔）を上述のエタノールストリッピン
グと組み合わせて適用できる。
上述の発酵プロセスからの基質溶液を第１膜アレイに供給し、そこで、不活性
ストリッピングガスと接触させる。透過物を含む不活性ガスを液体フィードと熱
交換して、次に、凝縮装置に送り、そこで透過物を凝縮させる。そのような膜を
基礎とするカラムを図３に示す。エタノールに富む凝縮物を、出口不活性ストリ
ッピングガスとの熱交換および第２加熱装置における加熱の後で、次の膜アレイ
に送る。第２段階からの液体フィード保持液（retenate）を第１段階にリサイク
ルする。このようにして、複数の膜セクションが、ｎ平衡段階を有する、膜を基
礎とするストリッピングカラムを形成する。
液体側のエタノールの最大限に可能な濃度に関して幾つかの制限が存在する。
０.２μｍの公称（平均）ポア寸法（最大ポア寸法は約０．６μｍ）の場合、最
大エタノール濃度は約４０〜５０ｗ／ｗ％であり、これは、７５％の透過物濃度
となる。従って、後の段階でより小さいポア寸法を用いることが有利な場合があ
る。
最後の段階で使用する膜は、液体自動車燃料用の純粋エタノール（９９.９５
％）を製造するために非多孔性のパーベーパレーション（pervaporation）膜で
あってよい。
同様に、膜ストリッパーを常套の蒸留塔および／またはパーベーパレーション
装置と組み合わせてよい。
図面の説明
図１は、発酵液体からエタノールを連続的に回収するための上述のプロセスを
示す。不活性ガス、例えばＣＯ2を本発明の物質移動装置に第１流体として供給
する。発酵装置の内容物、即ち、エタノール含有基質溶液およびエタノール産生
微生物を第２流体として、第１流体との熱交換の後に、物質移動装置に連続的に
供給する。エタノールおよびいくらかの水が第２流体から蒸発し、膜を通過して
第１流体（不活性ガス）内に透過物として拡散する。透過物は、凝縮により回収
され、発酵装置から第２流体が入って来る。非揮発性成分、例えば基質および微
生物は、水および基質を補給した後に、発酵装置にリサイクルされる。
図２は、第１流体を加熱する手段を導入した以外は、図１に示すプロセスと類
似するプロセスを示す。
図３は、本発明に基づいて膜アレイを重ねることにより形成する、図１および
２のプロセス用の膜を基礎とするカラムの構成を示す。上述の発酵プロセスから
の基質溶液は、第１膜アレイに供給され、そこで、不活性ストリッピングガスと
接触する。透過物を含む不活性ガスは液体フィードと熱交換され、次に、凝縮装
置に送られ、そこで、透過物は凝縮される。エタノールに富む凝縮物は、第２膜
アレイから出てくるストリッピングガスと熱交換して、第２加熱装置にて加熱さ
れた後に、次のアレイに送られる。第２アレイからの液体フィード保持液は第１
膜アレイに戻される。
図４は、本発明のチューブ状中空繊維アレイエレメント１を示す。開口部３を
穿孔した例えばステンレススチールのチューブ２上に、上述の平行に巻き付けら
れた中空繊維、好ましくはポリテトラフルオロエチレン繊維の層４および４’を
示す。先に説明したように、実用的な態様において、非常に多数の層を用いるこ
とが理解されよう。チューブの穿孔部３は、通常、繊維のアレイの空隙に対応す
るが、これは、穿孔部を通過する流体は、繊維アレイを通過する場合と実質的に
同じチューブの面を通過するガス線速度にさらされることを意味する。また、チ
ューブは、例えば多孔質ＳｉＣまたは他のいずれの適当な材料でできていてもよ
い。繊維は、チューブの長手方向軸に対して約４５°の角度でチューブ上に巻き
付けられているが、これは、２つの層が、約９０°の角度で例えば５において交
差することを意味する。チューブの両端において、繊維の端部がフランジ１０お
よび１０’においてそれぞれて露出している。繊維は、フランジ、例えばエポキ
シもしくはポリプロピレンまたは上述の膜材料のいずれかのフランジを繊維層の
周囲でキャスティング可能な形態でキャスティング（「注封」）して、繊維の開
口端部６を露出させるように切断することによりフランジ内に配置されている。
流体、例えばアルカリ溶液を１３および１３’において繊維層内に供給して、１
４および１４’から出るようにする。気体、例えば化石燃料の燃焼による煙道ガ
スをチューブの内部に矢印Ａにより示すように供給し、矢印Ｂにより示すように
繊維層４および４’に対して実質的に垂直かつ横断方向にチューブ２の開口表面
から出し、それにより、非常に効率的な気体／液体接触を確保する。気体は、適
当に設計さ
れたボルート（volute、うず形室）に集めるのが好ましく、これが気体を更に処
理するために、あるいはスタックに排出する。
図５は、中空繊維の重なり層を示し、この場合、図示するように、２つの異な
る流体（ＡおよびＢ）を繊維の内腔を通して導くことができ、他方、垂直な矢印
で示すように、気体のフローを上方から繊維の長手方向に対して垂直に繊維を通
過して横断方向に送ることができる。
図６は、中空膜繊維の織ったアレイを使用する以外は、図５に示すものの１つ
に類似する状態のものを示す。
図７は、入口端部１２を有する透過性、例えば穿孔したチューブ状導管１を有
して成る、上述の新しいタイプのチューブ状構造を示し、この場合、穴のない壁
により構成されるボディ（solid-walled body）２が導管に入るガスの流れの断
面積を調節し、それにより、入口マニホールド５とつながっている液体入口４お
よび出口マニホールド８とつながっている液体出口６を有する膜アレイエレメン
ト３の中空膜アレイを通過するガスの横断方向流れ（曲がった矢印で示す）につ
いてのガスの均一な分布または圧力差を確保するのに寄与する。膜アレイを横断
方向に通過した気体は、壁９が図示するようにガスの流れの断面積を調節するこ
とにより膜アレイ要素にわたる均一なガス圧力差をもたらすようなディメンジョ
ンになっているガス導管７内で集められる。大量の煙道ガス、例えば石炭火力発
電所からのものを浄化する設計の非常に実際的な態様において、円形の煙道ガス
のダクトの場合、導管は１０ｍと大きくてよい。図面は、また、大量の煙道ガス
を処理するために、複数のモジュールセクション３をどのように配置できるのか
ということも示す。
図８は、図７の装置の断面であり、個々のモジュールセグメントＳを示す。
図９〜１２は、図７および８に示す装置の詳細を示す。図９は、製造および輸
送を容易にするために、モジュールセクション３が、どのようにモジュールセグ
メントＳに更にセグメント化できるのかを示す。この図面は、液体入口４および
出口５も示す。図１０は、そのようなモジュールセグメントＳを示す。切除部分
は、セグメントにおいて繊維Ｆがどのように配置されているかを示す。図１１は
、図１０のモジュールセグメントの断面（Ａ−Ａ）を示す。図１２は、中空繊維
アレイのために図１１を拡大したものであり、繊維の端部は液体プレナム１０に
て集まり、繊維Ｆは注封されて、繊維が間をガスが通過する間隙Ｉを有するよう
になっている。
図１３〜１６は、チューブ状導管の軸方向に対して横断方向に配置された本発
明のチャンバーアレイを有するチューブ状導管１を示す。図１３は、水平方向矢
印により示されるように、チャンバーの長手方向に対して横断方向でチャンバー
の間の間隙におけるガスフローを示す。垂直方向矢印は、液体入口４内への、ま
た液体出口６からの液体の流れ方向を示す。図１３の一部分の拡大図は、個々の
チャンバーならびにガス（第１流体−水平矢印）および液体（第２流体−垂直矢
印）の方向を示す。図１４は、間に間隙Ｉを有するチャンバーＦのアレイを示す
。図１５は、ガス用の導管の内側に配置されたチャンバーアレイの側面図を示し
、チャンバーの端部は導管から外に延び出て、入口端部および出口端部は、それ
ぞれ、入口および出口プレナム１０とつながっている。ガスおよび液体の流れの
方向は、それぞれ水平方向および垂直方向矢印により示される。図１６は、図１
５の導管の端面を示す。
図１７は、単一の繊維の物質移動係数および屈曲係数を測定するための実験装
置の配置を示す。
図１８は、膜の物質移動係数および屈曲係数を測定するための実験装置の配置
を示す。
図１９は、図１８の実験装置に使用するテストセルの側面図である。
図２０は、図１９の装置に使用するテストセルの端面図である。
図２１は、幾つかの膜材料の屈曲係数−空隙率関係を示す。
図２２は、２つの中空繊維について、除去されるＳＯ2の割合の実験結果を滞
留時間の関数として示す。
図２３は、繊維長さおよびガス速度の関数として、水のマスフラックス（物質
流束）の実験結果およびシュミレーション結果を示す。
図２４は、繊維長さおよびガス速度の関数として、気相の相対飽和度のシュミ
レーション結果を示す。
図２５は、バブルポイント法による平均ポア寸法の測定を示す。
実験セクション膜のキャラクタリゼーション
以下の表１は、５つの異なる平坦フィルム膜（３〜７）および２つの異なる中
空繊維膜（８〜９）について後で説明する試験において得られた結果を示す。こ
の表は、２つのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜についての文献デー
タも含むが、これは、液体充填ポアを介する酢酸のキシレンまたはメチルイソブ
チルケトンへの抽出に関して、プラサド（Prasad）、キアニ（Kiani）、ブヘイ
ブ（Bhave）およびサーカー（Sirkar）（ジャーナル・オブ・メンブレン・サイ
エンス（Journal of Membrane Science）２６号、７９〜９７頁、１９８６年)）
により測定された屈曲係数について測定されたものである。
この中空繊維は、図１７に示す実験装置で試験した。長さ１０４〜１７３ｍｍ
の問題とする中空繊維をエポキシ樹脂によりチューブ継手に取り付けてガスの流
れへのコネクションを形成した。中空繊維およびコネクションを１Ｍの亜硫酸ナ
トリウム溶液を含む閉じた撹拌槽内に配置した。希釈ＳＯ2（Ｎ2中１７１０ｐｐ
ｍ ｖ／ｖ）を含む標準ガス混合物を繊維の内腔に供給した。ガスの流れおよび
有効中空繊維長さを調節して物理的および化学的飽和現象の影響を避けた。相を
安定させて膜にわたって（隔てて）圧力平衡に到達させた。２つの相は周囲温度
（２９３°Ｋ）であった。更に、無視可能な液体側抵抗の仮定を撹拌速度を大き
くすることにより高いガス流量にてチェックした。ＳＯ2分析装置（ハートマン
−ブラウンＵＶ−アナライザー(Hartmann-Braun UV Analyzer)）を３点検量法に
より小さいガス流量に対して検量した。次に、種々のガス流量にて入口および出
口濃度を測定することによりＳＯ2フラックスを測定した。内径に基づいて有効
膜面積を算出した。ガス流量を測定し、セッケンバブルフローメーターにより初
めに検量してあるマスフローコントローラーにより制御した。膜の物質移動係数
ｋmおよび屈曲係数を式（１）〜（８）から算出できた。
類似の方法を使用して表１に示す平膜の屈曲係数の測定した。
これらの測定のために実験室において用いた実験装置を図１８に示す。膜を図
１９および２０に示す試験セル（テストセル）の２つのフレームの間に配置した
。各フレームは高さ１ｍｍ、幅５ｍｍおよび長さ８０ｍｍ（有効膜面積１２ｃｍ2
）の３つのフローチャンネルを有した。試験セルを温度制御した２４℃のウォ
ーターバスに配置した。１Ｍの亜硫酸ナトリウム水溶液を「液体イン」と記した
部分から試験セルに供給した。ＳＯ2分析装置（ハートマン−ブラウンＵＶ−ア
ナライザー）の読みが所望のＳＯ2濃度に達するまで、Ｎ2中２％の標準ガスをＮ2
により希釈することにより、窒素中１０００ｐｐｍｖのＳＯ2のガス混合物を混
合した。所望の濃度になった後、「気体イン」と記した位置からガスを試験セル
に供給した。ガスおよび液体の流れは、フィシャー−ポーター（Fischer-Porter
）
ロータメーターにより測定し、ニードルバルブにより制御した。ロータメーター
は、２つの異なるガスメーター（湿式および乾式）により実験において使用する
供給圧力（５.８ｂａｒｏ）にて初めに検量した。ガス流量は２.８〜１０.５リ
ットル（０℃、１気圧）／分の範囲で変えた。最大ガス流量において液体流量を
変えることにより各膜について無視可能な液体側抵抗の仮定をチェックした。測
定の間、液体流量を２０ｍｌ／分（Ｌ／Ｇ比が１.９〜７.１リットル／Ｎｍ3で
変化することになる）で一定に保持した。ＳＯ2フラックスおよび総括物質移動
係数を入口および出口ＳＯ2濃度を測定することにより求めた。同じタイプの相
互に重ねた１、２および３つの膜について種々のガス流量にて総括物質移動係数
およびＳＯ2フラックスを測定することにより膜の物質移動係数ｋmを求めた。膜
の間における界面抵抗は無視可能であり、また、気相の抵抗は膜の積み重ねによ
り影響されないことが統計的に示された。従って、全体抵抗（１／Ｋo）は、（
ｎ−１）／ｋm（ｎは重ねた膜の数）によって規則的に増加した。従って、膜の
物質移動係数は、式（９）から求めることができ、そして、屈曲係数は式
（３）から求めることができた：
幾つかの他の入手した膜も上述の方法で試験し、測定された屈曲係数は文献に
て報告されているデータと実質的に一致することが判った。
屈曲係数の文献にて報告されているデータおよび測定された屈曲係数の表１に
報告したデータは、空隙率の関数といして図２１にプロットして示す。ＰＴＦＥ
膜について報告されている文献データ（プラサドら、１９８６年）は、１／εの
屈曲係数／空隙率関係に近いことが判る。膜３についての屈曲係数／空隙率デー
タ（１.５３）、膜４、５および９についてのもの（それぞれ、１.５５、１.６
３および１.５２）、膜６についてのもの（２.６０）、膜７についてのもの（１
.８９）および膜８についてのもの（１.９９）は全て臨界値である１.４より大
きい。
比較実験例１
膜パラメーターの種々の組み合わせについて２９３.１５ＫにおけるＳＯ2につ
いての膜の物質移動係数の例を表２に示す。
繊維１および２（それぞれ表１の繊維８および９と同じ）は、マイクロダイン
・モジュールゲバウ（Microdyne Modulgebau）から市販されている中空繊維であ
る。繊維３は表１の膜１（ゴアテックス（Goretex）２）と同じ特徴を有する膜
材料の仮想的な繊維である。繊維４は、繊維３と同じ特徴の仮想的な繊維である
が、
平均ポア寸法は０．５μｍに増えている。繊維５は、繊維４と同じであるが、太
さが半分に減っている。繊維６および７は、同じ特徴を有する仮想的な繊維であ
り、屈曲係数に関しては、繊維６は理想的な幾何学的構造（τ＝１／ε）を有し
、他方、繊維７は本発明の範囲外である（τ＝１．６／ε）。繊維８および９は
ヨーロッパ特許公開（ＥＰ−Ａ）第０３５１５８４号に開示されたＰＴＦＥ繊維
であり、平均ポア寸法は最大ポア直径および１／εとして推定した屈曲係数につ
いての最小値から推定した。繊維８は、ヨーロッパ特許公開第０３５１５８４号
にて報告されているように、窒素Ｎ2に対する水力学透過性（hydraulic permeab
ility）が繊維９の約２倍であるが、判るように、繊維９の場合の（式（３）を
用いて）評価した膜の物質移動係数は、繊維８の場合の２.６倍大きく、これは
、比較例２において更に説明するように、拡散輸送プロセスの場合に水力学的透
過性の測定を適用できないことを明らかに示すものである。本発明の開示に続い
て、これは、所望の性質を有する繊維を製造するために、ヨーロッパ特許公開第
０３５１５８４号に開示された技術的事項をどのように適当に修正できるかを明
らかに示すものである。
繊維６の場合の仮想的な物質移動係数ｋmを繊維７のものと比較すると、τ＝
１／εの屈曲係数を有する繊維６は、τ＝１．６／εの屈曲係数を有する繊維７
と比較して５０％増加した膜物質移動係数を示し、従って、この増加は、屈曲係
数の違いだけから生じるものである。繊維５のデータは、屈曲係数が小さいこと
を前提に、非常に大きい膜物質移動係数（既知の繊維の１０倍大きい）をもたら
すには、適当な方法で壁のモルホロジーパラメーターをどのように組み合わせる
ことができるのかを示す。
以下に示すデータから判るように、そのように非常に大きい物質移動係数は、
投資コストおよび操作コストに関して、経済的側面から非常に重要である。
これらの非常に効率的な物質移動膜の利点を最適に利用するために、以下の表
３〜６に示すデータから判るように、適切なモジュール設計が重要である。
表３〜６は、いずれも外部直径０．５ｍｍを有し、表２に示すものと同様の膜
物質移動係数を有する多くの繊維を用いたモジュール構造のデータを示すが、膜
モルホロジーは記載していない。これらのモジュールは、異なる充填密度（０．
６および０．１）で織った中空繊維マットから構成している。表３および４は推
定した膜面積、繊維層の数、中空繊維に垂直な（ガスが流れるモジュール断面積
１ｍ2を基準とする）１ｍ／ｓの一定の空塔ガス速度において１５００ｐｐｍｖ
のＳＯ2を含む１ｍ3（２９３.１５Ｋ）／ｓのガスから９５％のＳＯ2を除去する
場合の圧力降下（大きい能力の吸収剤、例えば０．５Ｍの亜硫酸ナトリウム水溶
液を使用、考えられる全ての状況において液体側の物質移動抵抗は無視できると
仮定）を示す。また、表は、割合ｋm／ｋg（問題とする物質移動に関する膜の物
質移動係数／問題とする物質移動に関するより小さい移動フィルム係数を有する
流体（ＳＯ2）の問題とする物質移動に関する物質移動境膜係数）を示す。
表から判るように、必要な面積、繊維層の数およびガス側圧力降下は膜の物質
移動係数が増加するにつれて減少し、従って、本発明の原理を用いると、遥かに
効率的なプロセスとなる。また、表３および４の結果から、モジュールの充填密
度を減らすことにより、必要な全膜面積は増加するが、ガス側の圧力降下は明ら
かに減少する。
表５および６は、考えられる全ての条件において液体側の物質移動抵抗が無視
できるように非常に能力の大きい吸収剤を使用して、１ｍ2のモジュール断面積
のガス流量を変えることにより５００Ｐａの一定のガス側圧力降下とした場合の
表２に示す仮想的繊維を使用する別のモジュールデザインの場合のデータを示す
。膜の物質移動係数がより大きいと、より大きい空塔速度および／またはより小
さい膜面積で操作することが可能となる。表５および表６は、非常に効率的な物
質移動膜を用いると、膜面積を相当節約できることを示す。更に、膜の物質移動
係数が十分に大きく、液側の物質移動抵抗が無視できるという前提では、表６の
大きい空塔ガス速度は、そのような物質移動装置を既知の物質移動装置において
可能であるより大きいガス速度で操作できることを示す。
比較実験例２透過係数および拡散係数の測定によるキャラクタリゼーションの比較
水力学的透過率（hydraulic permeability）測定および拡散係数（diffusivit
y）測定は、拡散プロセスに適当な膜のキャラクタリゼーションに使用する場合
、異なる結果を与える場合がある。
例えば、平均ポア寸法が０.２μｍを有する微孔性膜は、水力学的透過率測定
による水力学的透過率Ｐ1および拡散係数測定により測定される拡散係数Ｄcomb1
を有する場合がある。空隙率を同じに維持して平均ポア寸法を２倍の０.４μｍ
にすると、透過係数は４倍（約４００％）増加するが、ＳＯ2の拡散フラックス
はわずかに約１５％増えるだけである。
この違いは、ポア寸法およびポア寸法分布が粘性および拡散流れに異なって影
響を与えるために生じる。
全粘性フラックスは、ｒp 2に比例する。従って、全粘性フラックスは最も大き
いポアによる寄与に支配される。
他方、拡散フラックスは、本明細書の式（４）〜（５）により示されるように
ｒpの０〜１乗に比例する。本発明の方法で使用するのに適当なポア寸法の広い
範囲について、ポア寸法の依存性は１より０に近い。
従って、透過率の測定値は、主たる輸送が拡散により起こるプロセスで使用す
る微孔性膜を特徴付けるのには適当でない場合がある。
実施例１亜硫酸ナトリウム水溶液へのＳＯ2の吸収（膜＋モジュール）
本発明の膜およびモジュールは燃焼の煙道ガスから亜硫酸ナトリウム溶液にＳ
Ｏ2を移動させるのに非常に適当である。短いガスの滞留時間を必要とする大き
い物質移動速度のプロセスの工業的規模のモジュールの例として、図７に示すモ
ジュールを引用する。
ＳＯ2除去についてガスの滞留時間の要件を発明者らの実験室にて検討した。
図２２は、２つの繊維（表１の繊維８および繊維９）についてのＳＯ2除去率対
ガス滞留時間を示す。図から判るように、高いＳＯ2除去効率のためには、非常
に短いガス−液体接触時間が必要であるだけに過ぎない。このガス−液体接触時
間は、他の膜についての実験で示されるように、膜の物質移動係数を大きくでき
るのであれば更に減らすことができる。従って、この用途に有効なモジュールは
短いガス滞留時間を提供する必要がある。これは、膜モジュールについての提案
した発明において達成できる。
実施例２感熱性化合物からの水の除去（膜およびモジュール）
溶液の沸点より低い温度において感熱性化合物を含む溶液からガス相内に水を
ストリップできる。それにより、果汁、芳香性化合物、酵素、タンパク質、脂質
、糖類、薬品、ポリマー等のような感熱性化合物を熱劣化（変性）させることな
く濃縮できる。
接触装置の効率的な操作のために、一般的に、温度は溶液が許容する範囲で高
い必要があり、例えば２５〜７５℃である。
化学的劣化（変性）を避けるために、不活性のストリッピングガス、例えばＮ2
、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ2を使用するのがしばしば好ましい。
そのような用途に効率的な物質移動装置は、本発明に基づいて特定される膜を
使用することにより提供される。しかしながら、大部分の既知のモジュール構造
は、気相の飽和を避けるほどに十分に小さいガス滞留時間を提供できない。従っ
て、そのような物質移動装置の効率は、図２３および図２４により示されるよう
にモジュールの設計により制限されるのがしばしばである。
図２３は、モジュール長さおよび空気速度の関数としての水のマスフラックス
のシュミレーションおよび実験の結果を示す。空気を市販の中空繊維（ポリプロ
ピレン製）の内腔に２６.５℃にて供給し、純水を４０.６℃にてシェル側に向流
で供給した。水の流れは、シェル側で分極現象が生じるのを避けるように十分に
大きく維持した。水のマスフラックスは、モジュールの外部の凝縮装置において
凝縮させて、凝縮物の重量を測定することにより求めた。
図２３に示すように、マスフラックスは短い繊維長さの領域で急激な減少を示
す。１０ｍ／ｓのように高いガス速度では、マスフラックスは最初の１０ｃｍ以
内で半分以下に減少する。より低いガス速度では、マスフラックスが５０％減少
するモジュール長さは僅かに数センチメートルである。マスフラックスの減少は
、図２４に示すように気相の飽和による物質移動の推進力（分圧差）の減少によ
り生じる。従って、この用途の効率的なモジュールは、短いガス滞留時間および
大きいガス速度を可能にする必要がある。これは、本発明の装置により提供され
る。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ
Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ
，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，
ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，
ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ
Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ
，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，
ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ
Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ
，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，
ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ
Ｓ，ＵＺ，ＶＮ
(72)発明者 ダム−ヨハンセン，キム
デンマーク、デーコー−3300フレデリクス
ベアク、スコウフォーエデンゲン25番
(72)発明者 ヨンソン，グンナー
デンマーク、デーコー−3500ベアレーセ、
ヘイエロフト・ベンゲ134番
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの流体が気相である、第１の流体のフローと第２の流体の フローとの間で物質を移動させる方法であって、少なくとも１つの中空繊維の形 態の少なくとも１つの多孔性膜（膜のポアは気体を含む）の外側表面と第１流体 を接触させること、および該膜の内側表面と第２流体を接触させることを含んで 成り、該膜の最大ポア寸法は２つの流体の直接混合を防止するようなものであり 、膜は、少なくとも０.５０の空隙率（ε）を有し、膜の物質移動係数は少なく とも３ｃｍ／ｓであり、明細書にて定義される膜の屈曲係数は、空隙率εが０. ８０より小さい場合は１.４／εを越えず、また、空隙率εが０.８０であるか、 それより大きい場合は１.３／εを越えない方法。 ２．中空膜の外側直径は１.５ｍｍを越えない請求の範囲１記載の方法。 ３．繊維の外側直径と膜厚さの割合は５〜１５の範囲である請求項２記載の方 法。 ４．膜厚さは２００μｍを越えない請求の範囲３記載の方法。 ５．膜厚さは２０〜８０μｍの範囲にある請求の範囲４記載の方法。 ６．膜の空隙率は０.６０〜０.９０の範囲にある請求の範囲５記載の方法。 ７．膜の空隙率は０.６５〜０.９０の範囲にある請求の範囲６記載の方法。 ８．膜の空隙率は０.７５〜０.９０の範囲にある請求の範囲７記載の方法。 ９．膜の平均ポア寸法は０.２〜１μｍの範囲にある請求項８記載の方法。 １０．膜の屈曲係数は１.３／εを越えない請求項１〜９のいずれかに記載の 方法。 １１．繊維の外側直径が０.３〜０.７ｍｍであり、膜厚さが２０〜５０μｍで あり、膜の平均ポア寸法が０.２〜０.６μｍの範囲にあり、膜の空隙率が少なく とも０.７０であり、また、膜の屈曲係数が１／ε〜１.３／εの範囲にある請求 項１〜１０のいずれかに記載の方法。 １２．膜は、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリメチルペンテンのよう なポリオレフィン、ポリビニリデンジフルオライドまたはポリテトラフルオロエ チレンのようなポリ（ハロゲン化オレフィン）、ポリアミド、ポリスルホン、ポ リイミド、ポリアクリロニトリル、ポリエステルおよびポリフェニレンオキサイ ドから選択されるポリマーから作られている請求の範囲１から１１のいずれかに 記載の方法。 １３．ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンのようなポリ（ハロゲン化オ レフィン）である請求の範囲１２記載の方法。 １４．流体の一方が気相であり、他方が液相である、第１流体のフローと第２ 流体のフローとの間で物質を移動させるための方法であって、複数の中空チュー ブ状部材（中空チューブ状部材の壁の少なくとも一部分は気体含有ポアを有する 多孔性膜を有して成る）の外側表面と第１流体を接触させること、および該中空 チューブ状部材の内側表面と第２流体を接触させることを含んで成り、該膜の最 大ポア寸法は２つの流体が直接混合するのを防止するような寸法であり、膜の壁 モルホロジーは、問題とする物質移動に関する膜の物質移動係数が気相の物質移 動係数の少なくとも１０分の１であり、中空チューブ状部材は、相互に平行にま たは角度を形成するように配置され、複数の中空チューブ状部材は、中空チュー ブ状部材の長手方向に対して横断方向に第１流体が通過して移動する間隙をその 間で規定する方法。 １５．中空チューブ状部材の実質的に全部の壁が気体含有ポアを有する多孔性 膜を有して成る請求の範囲１４記載の方法。 １６．中空チューブ状部材はアレイを規定し、中空チューブ状部材のアレイに わたる圧力降下は１５００Ｐａを越えない請求の範囲１４または１５記載の方法 。 １７．第１流体は気体であり、第２流体は液体である請求の範囲第１４〜１６ のいずれかに記載の方法。 １８．中空チューブ状部材は中空繊維である請求の範囲１４〜１７のいずれか に記載の方法。 １９．繊維アレイにおける繊維の体積充填割合は、体積基準で０.０２〜０.８ である請求の範囲１４〜１８のいずれかに記載の方法。 ２０．繊維アレイにおける繊維の体積充填割合は、体積基準で０.２〜０.８で ある請求の範囲１９記載の方法。 ２１．複数の繊維の中空繊維は、相互からある距離を隔てて相互に実質的に平 行である繊維層として配置される請求の範囲１４〜２０のいずれかに記載の方法 。 ２２．繊維層はウェブ（web）および糸を有するクロスを構成する請求の範囲 ２１記載の方法。 ２３．層の繊維の方向は、隣の層の繊維の方向に対して９０〜０°の角度を規 定する請求の範囲２１または２２記載の方法。 ２４．層は相互に重ねられて相互に接触し、層の繊維の方向は隣の層の繊維の 方向に対して９０〜１０°の角度を規定する請求の範囲２３記載の方法。 ２５．中空繊維のアレイは、繊維の長手方向に対して横断方向で第１流体が流 れて通過する穿孔部もしくはポアを有する表面またはメッシュもしくはネット構 造物を有する表面上に配置される請求の範囲１４〜２４のいずれかに記載の方法 。 ２６．穿孔もしくは多孔性またはメッシュもしくはネット構造の表面は、第１ 流体用の導管の表面である請求の範囲２５記載の方法。 ２７．チューブ状導管は、上に繊維が配置される穿孔もしくは多孔性またはメ ッシュもしくはネット構造のチューブ状導管により、あるいは繊維アレイ自体の 自立性チューブ状内部表面により構成される請求の範囲２６記載の方法。 ２８．繊維アレイを通過する第１流体の横断方向の流量を調節して、チューブ 状導管の軸方向で繊維アレイの長さに沿って流量が実質的に一定となるようにす る請求の範囲２７記載の方法。 ２９．繊維アレイを横断方向に通過した後の第１流体のフローの断面積を部分 的にまたは全体的に変化させることにより、コントロールした圧力差を得る請求 の範囲２８記載の方法。 ３０．繊維アレイを横断方向に通過した後の第１流体のフローの断面積の変化 は、繊維アレイを横断方向に通過した後に第１流体が通過して排出される外側導 管の内側ディメンジョンを変えることにより達成する請求の範囲２９記載の方法 。 ３１．チューブ状導管は、横断流れの方向で重ねられた複数の繊維アレイを有 し、それぞれのアレイは、自身の液体入口および出口を有し、第１流体が重ねら れたアレイを横断方向に通過する際、同じまたは異なる気体を選択的に吸収する ために、アレイには同じまたは異なる液体が供給される請求の範囲２５〜３０の いずれかに記載の方法。 ３２．各繊維アレイは３０〜５００の繊維層を有して成る請求の範囲２５〜３ １のいずれかに記載の方法。 ３３．中空繊維は、請求の範囲１〜１３おいて特定した特徴を有する繊維から 選択される請求の範囲１４〜３２のいずれかに記載の方法。 ３４．繊維アレイにおける繊維の体積充填割合は、体積基準で０.０２〜０.２ である請求の範囲３３記載の方法。 ３５．繊維は、請求の範囲１〜１３おいて特定した特徴を示し、繊維は、繊維 アレイを通って第１流体が導管において流れるように、第１流体用の導管の内側 でアレイに配置されている請求の範囲１４〜１７のいずれかに記載の方法。 ３６．中空チューブ状部材は、長手方向に相互に実質的に平行に配置された長 尺のチャンバーであり、チャンバーの長手方向表面は、気体含有ポアを有する少 なくとも１つの多孔性膜により構成された少なくとも１つの領域を有する請求の 範囲１４〜１６のいずれかに記載の方法。 ３７．該第１流体が通過するチャンバーのアレイの空隙割合は体積基準で０. ２〜０.８であり、第１流体が移動する方向に対して横断方向であり、かつ、チ ャンバーの長手ディメンジョンに対して垂直方向であるチャンバーの最大断面デ ィメンジョンは０.３〜５ｍｍであり、流体が移動する方向に平行、かつ、チャ ンバーの長手ディメンジョンに垂直な方向のチャンバーの最大断面ディメンジョ ンは１０ｃｍを越えない請求の範囲３６記載の方法。 ３８．チャンバーのアレイは、請求の範囲２５〜３１のいずれかにおいて中空 繊維アレイに対して特定した方法で配置されている請求の範囲３６または３７記 載の方法。 ３９．気相のフローと液相のフローとの間で物質を移動させる装置であって、 開口入口端部を有するチューブ状導管を有して成り、チューブ状導管の壁の少な くとも一部分は複数の中空チューブ状部材を有して成り、中空チューブ状部材の 壁の少なくとも一部分は気体含有ポアを有する多孔性膜を有して成り、膜の最大 ポア寸法は気相および液相の直接混合を防止するようになっており、複数の中空 チューブ状部材は、気体が通過できる部材の間の間隙を有する少なくとも１つの アレイを規定する装置。 ４０．出口端部を有する外側導管を有して成り、外側導管は、チューブ状部材 のアレイを横断方向に通過した後、気体が出口端部に向かって流れるようにチュ ーブ状導管の壁と外側壁により規定される断面領域を有する請求の範囲３９記載 の装置。 ４１．外側導管の断面積は、その出口端部に向かう軸方向で増加し、チューブ 状導管の断面積は入口端部から離れて内側導管の軸方向で減少する請求の範囲３ ９または４０記載の装置。 ４２．外側導管は、出口端部に対向する端部において閉鎖または実質的に閉鎖 され、チューブ状導管は入口端部に対向する端部において閉鎖または実質的に閉 鎖されている請求の範囲３９〜４１のいずれかに記載の装置。 ４３．チューブ状部材の１またはそれ以上のアレイは、相互に隣接して配置さ れる幾つかのアレイ要素により構成され、各要素には入口および出口プレナムが 設けられている請求の範囲３９〜４２のいずれかに記載の装置。 ４４．チューブ状部材のアレイ要素は、円筒状面のセクション（一部）であり 、幾つかのそのような要素は、軸方向エッジに沿って一緒に相互に隣接して配置 された場合、チューブセクション（一部）を構成する請求の範囲４３記載の装置 。 ４５．アレイを有するチューブ状導管の軸方向長さとチューブ状導管の入口直 径の割合は８を越えない請求の範囲３９〜４４のいずれかに記載の装置。 ４６．チューブ状部材の端部は導管の外側で延在し、チューブ状部材の入口端 部および出口端部は、それぞれ、入口および出口液体プレナムと連絡している請 求の範囲第４５記載の装置。 ４７．チューブ状導管の断面積と外側導管の断面積の和は、チューブ状部材の アレイの部位によって実質的に変わらず、それにより、チューブ状部材に対する 空塔気体速度は、アレイの上流および下流の空塔気体速度と実質的に同じである 請求の範囲３６〜４６のいずれかに記載の装置。 ４８．中空チューブ状部材は中空多孔性膜である請求の範囲３９〜４７のいず れかに記載の装置。 ４９．中空チューブ状部材は、気体含有ポアを有する少なくとも１つの多孔性 膜により構成される少なくとも１つの領域を有するチャンバーの長尺壁を有する 長尺チャンバーである請求の範囲３９〜４７のいずれかに記載の装置。 ５０．流体の一方が気相であり、他方が液相である、第１流体のフローと第２ 流体のフローとの間で物質を移動させるプロセスであって、気体含有ポアを有す る中空繊維の形態である複数の多孔性膜の外側表面と第１流体を接触させ、該膜 の内側表面と第２流体を接触させ、該膜の最大ポア寸法は２つの流体が直接混合 するのを防止するような寸法であり、プロセスは、気相または液相からある成分 を除去するそれぞれ吸収または脱着プロセスであり、明細書の式（９）を引用し て、Ｃ1／Ｃ2（Ｃ1は問題としている成分の気体中の入口濃度であり、Ｃ2は問題 としている成分の気体中の出口濃度である）が２０に等しいか、それより大きい 場合、単位秒当たりに扱う気相の単位立方メートル当たりに必要な膜面積Ａm／ Ｇが、各Ｃ*が０.０５・Ｃを越えない時には、２００ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えず、 各Ｃ*が０.０５・Ｃより大きい時には、５００ｍ2／(ｍ3／ｓ)を越えないプロセ ス。 ５１．繊維は相互に平行にまたは角度をなすように配置され、中空繊維の長手 方向に対して横断方向で第１流体が繊維の間の間隙を通過して移動する繊維アレ イを複数の繊維が規定し、該繊維アレイにわたる圧力降下が１５００Ｐａを越え ない請求の範囲５０記載のプロセス。 ５２．第１流体は気体であり、第２流体は液体である請求の範囲５０または５ １記載のプロセス。 ５３．第１流体は気体混合物であり、第２流体は気体混合物のある成分を吸収 できる溶液である請求の範囲５０〜５２のいずれかに記載のプロセス。 ５４．溶液は、該気体混合物のある成分との化学反応を起こす試薬を含む請求 の範囲５３記載のプロセス。 ５５．気体混合物は燃焼煙道ガス、生物燃料のガス化からの燃料ガスまたはい ずれかの産業的排ガスである請求の範囲５３または５４記載のプロセス。 ５６．煙道ガスは、化石燃料の燃焼により生成する煙道ガスである請求の範囲 ５５記載のプロセス。 ５７．吸収される気体の成分は、ＳＯ2、ＮＯx、ＨＣｌおよび他の酸性ガス（ 例えばＣＯ2、ＳＯ3およびＨＦ）から成る群から選択される請求の範囲５６記載 のプロセス。 ５８．気体のある成分はＳＯ2であり、第２流体は、塩基、例えばアルカリ金 属亜硫酸塩を含む請求の範囲５７記載のプロセス。 ５９．気体のある成分は、化石燃料を燃焼させる発電所からの煙道ガスからの ＳＯ2であり、９５％の除去効率を達成するために必要な膜面積は２００ｍ2／Ｍ Ｗｅを越えない請求の範囲５７記載のプロセス。 ６０．反応物質および／または触媒が、膜のポア内に存在するか、あるいは中 空繊維の表面に積層されている請求の範囲５０〜５９のいずれかに記載のプロセ ス。 ６１．複数の繊維は請求の範囲１４〜３８において規定するように配置されて いる請求の範囲５０〜６０のいずれかに記載のプロセス。 ６２．複数の繊維は、請求の範囲１〜１３において特定する性質を示す請求の 範囲５０〜６１のいずれかに記載のプロセス。 ６３．第１流体は気体であり、第２流体は、少なくとも１つの揮発性成分を気 体に移動させる液体である請求の範囲５０〜６２のいずれかに記載のプロセス。 ６４．反応容器は生化学反応器、例えば発酵装置であり、液体は基質および微 生物を含み、問題とする反応に関する微生物の活性は揮発性成分の除去により増 加する請求の範囲６３記載のプロセス。
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