JPS59302A - 分離装置 - 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】 本発明は、浸透気化法による液体状混合物の分離および
／または濃縮のための装置に関し、特に新規な効率の良
い分離装置の構造に関するものである。

従来、逆浸透法や限外濾過法による溶質−溶液の膜分離
法においては、膜界面での濃度分極やゲル層の形成によ
って、膜本米の分離性能が低下することがわかっており
、その防止のために、分離装置の構造を工夫したり、ゲ
ル層を除去するための様々な方法が考えられたりしてお
り、実用化されているものもある。浸透気化分離法にお
いては、濃度分極が発生しているということや、その解
消方法については、はとんど報告されていない。しかし
、浸透気化分離法においても、分離系が液−液混合系と
はいえ、例えば、混合物中の成分の組成比がかなり偏っ
ている場合において、膜の分離性能が秀れ、かつ少ない
方の成分の透過速度が大きいと、膜境界面？ζおいて該
透過成分の濃度が減少して、逆浸透法の場合に発生する
ようなａ度分極層が膜境界面に形成される。特に、浸透
気化分離法において、均質膜を用いて混合物の各成分の
１１４％への溶解性の差で分離するような場合では、膜
境界面で形成される濃度分極層のために、膜の分断性能
の大幅な低下と、透過速度の誠少を招く原因となる。し
かしｌＳがら、今まで浸透気化分給法において、上記の
よう／Ｓ譲度分極層の形成を防ぐための装置については
、はとんど７Ｊｌされていない。

不発明者らは、上記の麹点より、実用に十分供し得る有
用な浸透気化分離用装置について神々検討した結果、本
発明に到達した。

本発明の目的は、液体状混合物より、高選択的に有価成
分を分離、あるいは嬉縮する浸透気化法において、高効
率の分離装置を提供することであり、特に混合物中の低
濃Ｉｋの成分を選択的に透過させる場合において非常に
好適とｉｌる。実用性のある分離装置を提供することに
ある。

不発明の分離装置について説明すると、不発明の分離装
置゛は、少なくとも２種類の成分からなる液体状混合物
を、浸透気化法により分離する装置において、供給側の
流路内に乱流発生手段を有することを特徴とする分離装
置である。

そして、本発明の分離方法は、特に液体状混合物中の低
置度の成分を、効率よく選択的に膜を透過させ除去する
用途に非常に有用となる。

本発明の分離装置について、さらに詳細に説明する。本
発明の分離装置は、供給液流路内にと流を発生させて、
該流路内の供給液濃度を均一にすることにより、分１１
Ｍ膜の性能を十分に保持し、かつ、分離膜の単位面積当
りの濃縮効率も高くすることができるもので、非常に実
用性のあるものとなる。本発明のような血流発生手段を
設けない場合、供給液の流速をかなり大きくシフＪいと
、流路中の供給液は層流、となるため、分離膜境界面で
の流速は非常に小さくなって、濃度分極が形成されるの
で膜の見かけの分離性能が低下する。また、供給液の流
速を、乱流が生ずるようになるまで太きくしていくと、
脱出分離性能は保持されるが、供給液の分離装置内の滞
溜時間が短くなり、分離膜の単位面積当りの濃縮効率が
低下するという欠点が生ずる。

本発明における血流発生手段とは、特に形状や大きさの
制限はなめ−が、供給液の流速が小さくても十分の乱流
を発生することができ、かつ供給液の流路の容積空隙率
をできるだけ大きくできるものが好ましい。供給液の流
速が小さく、流路の容積空隙率が大きい場合には、供給
液の分離装置内の滞溜時間が長くなるため、分曲ト膜の
単位面積当りの濃縮効率が大きくなり、実用性のある分
離装置となる。

本発明における血流発生手段としては、血流発生手段自
体が能動的に流路中の液を乱流状態とすることができる
ものと、乱流発生手段によって供給液の流れをコントロ
ールすることにより、乱流状態を作り出すものとがある
。能動的に流路中に回流状態を作り出す乱流発生手段の
代表的な例としては、プロペラやスクリューのような攪
拌機、循環式ポンプ、超音波発振器や熱源等を、分離装
置の供給液流、路内に設置するものである。例えば、第
１図は本発明の一例を示す説明図であり、供給側流路に
撹拌機１４を設けＣある。１３は分離装置壁、２は分離
膜、４は供給液である。攪拌機１４は第２図のように主
に分離膜２と並行した方間に供給液を押出すように回転
するものであってもよい。第３図は供給液流路中に循環
式ポンプ２５を設置した例を示す。循環式ポンプ２５は
供給液流路から供給液４を吸い込み、所定の噴出速度で
液を噴出させて供給液流路内に循環流すなわち活流を発
生させるものである。

また、第４図は供給液流路中に超音波発振板２３を設置
した例を示し、第５図は熱源２４を設置した例を示す。

上記のような乱流発生手段の設置個数、大きさとか乱流
発生の能力は、分離装置の大きさとか分離対象の液体状
混合物の性賀や利成比によつ′Ｃ１好蜘ｌＳものを選択
すればよい。

供給液の流れをコントロールすることによって乱流状態
を作り出すものとしては、グラスウールやロックウール
のような不定形の充填物、網状やネット状に編んだ無機
物または高分子化置物の織物を充填すること、表面に凸
凹のある無機物または高分子化合物成形品の充填物、ビ
ーズ８ボール。

多孔体や不定形固体等のような無機物または高分子化合
物からｌよる充填物や、充填塔の充填材として用いられ
るようなラシヒリングやレッシングリング等の充填物、
分離装置内壁自体を凸凹に成型しておくとか、ジャマ板
の設置や分離装置内壁自体にらせん状の流路を設ける等
の手段がある。このような例として第６図〜第１４図を
示す。第６図は供給側流路にグラスウール１９を充填し
た例、第７図は供給側流路にポリテトラフルオロエチレ
ンのネット２０を充填した例、第８図は分離装置内壁１
３にジャマ板１５を設けた例、第９図は分離装置内壁１
３にドーム状突起１６を設けた例、第１０図は凹凸を付
した分離装置内壁１７とした例、第１１図は分離装置内
壁１３にらせん状流路１８を設けた例、第１２図は供給
側流路に流線形の変流具２１を設けた例、第１３図はポ
リエチレンの連球状の成形品２２を充填した例、第１４
図は供給側流路にガラスピーズ３を充填した例を示す概
略説明図である。なお、第６図〜第１４図において、ｌ
は分離装置本体、２は分離膜、４は供給液である。また
、乱流発生手段としては、上記のような手段を単独で、
あるいは２つ以上の手段を同時に併用することができる
。

さらに、本発明において、上記のような乱流発生具を用
い、分離装置の構造が下記のような条件である場合には
、特に好適なものとなる。

ｕ＋＋　３０％〈供給側流路の空隙率（−■）Ｌの値ｆ
”　０．０ＦＩ　ｃｔｎ　’　未満であると、膜と膜の
間の距離、あるいは膜と分離装置の内壁との間の距離が
大きくなるため、本発明のような乱流発生手段を用いて
も、供給側流路内の液体状混合物の濃度を均一にするこ
とが困難となる。また、Ｌの値がｌＱＣｍ’　　以上と
なると、膜と膜の間、あるいは膜と分離装置の内壁との
間の距離が小さくなり、乱流発生手段を設けることが困
難となるし、供給液の分離装置内での滞溜時間が短かく
なるため、膜の単位面積当りの濃縮効率は低下する。ま
た、Ｌの値は少なくとも３０％であることが必要である
。Ｌの価が３０π以下では、濃縮効率が低下するし、流
路内での圧力損失が太きくなるため、液を供給するのに
大きなエネルギーが必要と／よるので実用的には不利と
なる。上記の構造の分離装置に、泥流発生手段を設けた
場合、特に好適なものとなる。

中でも、乱流発生手段として、ビーズ、ボール多孔体や
不定形固体等の充填物を用いる場合は、あらゆる型式の
分離セルに通用できること、価格が安いことから、特に
有効なものとなる。上記のような充填物は、下記のよう
な条件で充填することが好ましい。

Ｆの価がｌＸｌ０’　未１萬では、流路の空隙率が小さ
くなりすぎて圧力損失が太きくなるし、Ｆの値がＦ＋Ｘ
１０　　’以上では、充填個数が少なくなって、流路の
空隙率が大きくなるため、泥流発生効果が失くなってし
まう−また、Ｓの値は少なくとも５Ｃａｌ　’であるこ
とが必要で、該数値が５ＣＩＡ　’以下では、流路の空
隙率が大きくなりすぎ、膜の単位面積当りの濃縮効率は
低下する。上記の条件で充填物を充填すれば、高効率の
分離装置を得ることが可能となる。

本発明の泥流発生手段の材質としては、特に制限はない
が、ガラスや陶磁器のようなセラミックス、カーボンや
シリコンのような無機材料１．ポリアミド、ポリエチレ
ン、ポリテトラフルオロエチレンやシリコン樹脂時の高
分子化合物１ステンレス、真ちゅうやアルミニウム等の
金属材料等があり、それらの単独、あるいは２種以上の
異った材質のものを、分離対象の液体状混合物の性質を
考慮して、膓亘用いることができる。

次に、本発明の浸透気化分離法を説明すると、膜の供給
側と透過側の成分の化学ポテンシャルの差によって物質
を透過させる場合において、混合物成分の膜透過性の差
を利用する方法であって、具体的には、膜を介して供給
側を少なくとも２神知の成分を有する液体状混合物と接
触させ、透過室の方に透過してくる成分を速やかに膜表
面から取り除くことにより、該混合物を分離、および／
または濃縮するものである。透過室の条件としては、大
気圧以下の減圧としたり、加熱したり、キャリアーガス
を流したりすることにより、膜の分離性能を保持するこ
とができる０また、透過成分が水分であり、かつ透過量
かでυ量の場合は、透過側は大気中に開放し、自然対流
によって透過成分を除去することも可能である。

そして、本発明が適用できる分離膜の形状は、特に限定
されず、平膜状、円筒状や中空繊維状のものを使用する
ことができ、分離すべき対象等を考慮して選択すること
ができる。

本発明の分離装置に使用する分離膜は、特に限疋されな
いが、分離性能が秀れているものほど効果的な結果が得
られる。実際上、実用性のある分離膜としては、分離係
数が５以上であることが必要で、好ましくは１０以上の
ものである。例えば、水−有機化合物混合系の分離にお
いては、不出願人らが特公昭！’１１−４１０３＋１号
、特公昭５２−２９９８８号、特願昭Ｆ＋５−１０９８
９０号、特願昭５ｆｉ−１１４６８４号、特願昭ｆｉ６
−９６５００号、あるいは特願昭５６−１１６１Ｆ１２
号により提案した膜が非常に好適となる。

不発明の分離装置が、供給液の非常に小さな流速におい
ても膜の分離性能を保持することができるのは、渥流発
生手段の設置により、供給液の速度ベクトルが膜面と平
行方向ばかりでなく、膜面の垂面方間にも発生すること
ができること、乱流発生手段の近傍での供給液の流速は
、平均流速よりも大きくなるということ等の効果により
、膜境界面での濃度分極を抑制することができるからと
考えられる。本発明の分離装置は、分離膜の性能會十分
に発揮させ、かつ冒効率の分離装置を提供することがで
き、工業的にも非常に有用なものである。

本発明における、分離膜の単位面積とは、流路長１　ｃ
、ｎｒ当りの有効膜面積のことであり、供給側流路の単
位容積とは、乱流発生手段を設けない場合の流路長１　
ｃｍ当りの流路の容積であり、充填物１個当りの相当体
積とは、ａ　Ｘ　Ｘ　（充填物の平均２乗半径）３によ
って計算された体積のことを言う、。

以下、実施例にて、本発明についてさらに詳細に説明す
る。

実施例１〜６ 分離膜は次のようにして製造したものを用いた。

ＳＯ箪皿％のエチレンと２０重量％のメタクリＩＩ／酸
メチルの共重合体を、ケン化および中和（中和度−３３
モル％）シて得た一ＣＯＯＨ，及び−Ｃ００Ｎａ基を有
するエチレン系共重合体を４０車景％含む加熱して薄膜
を形成させ、原反とする。次いで、該原反を遊離の三酸
化イオウを１２％含む発煙硫酸にて３５℃で１０分間処
理して、濃硫酸、希硫酸、水の順に洗浄し、続いて３１
車量にの水酸化カリウム水溶液にて６０℃で加水分解、
および中和を行ない、さらに水洗、乾燥し、スルホン基
の含有量が２．７Ｆｌ！Ｊ当量／グラムの膜とする。

分離膜の全有効膜面積が２００Ｃｍで、Ｌ、Ｖ。

ＦとＳの値が表１に挙げであるような条件で、第１４図
のようにガラスピーズを充填した分離装置全、第１５図
の装置に接続した。そして、供給液側に９０重量％のエ
タノール水を１　ｃｍ　／　ｓｅｃの流速で供給し、透
過側を５μＨｇの真空度に保って、操作温度が４０℃の
条件で連続分離を行った。結果は表１に示すように、秀
れた分離係数と透過速度を実曳でき、分離膜の単位面積
当りのエタノール濃縮の効率も大きいことがＮ認された
。

※分離係数 分離係数は、下記の式により測定した値である。

水の透過量（９）を、単位膜面積（ｍ）、単位時間（ｈ
ｒ）に換所した値である。

エタノール濃縮率 ９０重量％エタノール水が、分離装置中で濃縮される程
度を示し、下記の式から算出する。

親水化処理したスルホン酸（−８０３Ｈ）型の膜を一定
量の塩化カルシウム（ＩＮ）水溶液中に入れて平衡とし
、その溶液中に生じた塩化水素をＯＩＮのカセイソーダ
水溶液（力価＝ｆ）で、指示薬としてフェノールフタレ
インを用いて滴定し、その値Ｘ（ｏｃ）を、カリウム塩
状態での乾燥時重量Ｗ（７）で割った値 １イ。・　ｆ−Ｘ ヌルホン基の含有量−□（ミリ当量／クラム）比較例１ 実施例１と同じ分離膜と分離装置を用諭て、供給側の流
路に乱流発生手段を設けずに連続分離を行った。その結
果、表１に示すように、本発明の乱流発生手段を用いた
場合と比べ、膜の分離性能、透過速度、およびエタノー
ル濃縮効率もかなり低いことがわかる。

表　　１

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１４図は本発明の分離装置の例を示すための
概略説明図、第１５図は第１４図のようにガラスピーズ
を充填した分離装置を組み込んだ連続分離装置を示す概
略説明図である。 ｌ：分離装置本体　　　２：分離膜 ３ニガラスビーズ　　　４：供給液 ５：恒温槽　　　　　　６：トラツプ ７：マノメーター　　　　８：ビラニー真空計９：真空
ポンプ　　　ｌＯ：供給液溜 １１：供給液送給ポンプ　１２：ａ縮液溜１３：分離装
置壁　　　１４：攪拌機 １５：ジャマ板　　　　１６：ドーム状突起】７：凸凹
を付した分離装置内壁 １８：らせん状流路　　１９ニゲラスウール２０：ポリ
テトラフルオロエチ？ンのネット２１：流線形の変流具
　２２：連球状の成型品２３：超音波発振板　　２４：
ヒーター２５：循環ポンプ 出願人　旭ダウ株式会社 代理人　豊　１）善　雄 壓４図 帛５図 帛６Ｎ 馬７図 弔８図 篤９図 帛１０図 市１１図 篤１２図 馬１３図 ４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　少なくとも２柿類の成分からなる液体状混合
   物を、浸透気化法により分離する装置において、供給液
   側の流路内に乱流発生手段を有することを特徴とする分
   離装置。
2. （２）　　分離装置の構造が、下記のような条件である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（ＩＩＪＩ記戦の分
   離装置。 （１〕０．０５ｃｍ−１＜分離膜の単位面積／供給側流
   路の単位容積＜１０ｃｍ−１（ｉｉ）３ｏ％く供給側流
   路の空隙率
3. （３）供給流路内に、下記の条件で充填物を充填するこ
   とを特徴とする特許請求の馳囲第１項または第（２）項
   記載の分離装置。