成果報告書詳細
管理番号20120000000475
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業/先導研究/次世代分離プロセス用カーボン膜モジュールの研究開発
公開日2012/6/8
報告書年度2009 - 2011
委託先名NOK株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約件名:平成21年度?平成23 年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業/先導研究 「次世代分離プロセス用カーボン膜モジュールの研究開発」

本研究では酢酸やイソプロパノール(IPA)のような基幹有機物質を分離ターゲットとし、(a)高性能カーボン膜の開発、(b)膜モジュール製造技術の開発、(c)膜モジュールの性能評価、(d)膜分離プロセス設計手法の開発の4つの研究項目について研究開発を実施した。
(a)高性能カーボン膜の開発では、水/IPA分離系について、カーボン膜の炭化条件の最適化を行った結果、浸透気化分離法による75℃におけるIPA水溶液の分離試験において膜の最終目標値(水の透過速度P = 1.0×10-6 (mol/m2 s Pa)、水/IPAの理想分離係数α= 5000)を上回る透過性能(水の透過速度P = 1.1×10-6 (mol/m2 s Pa)、水/IPAの理想分離係数α> 100000)を達成することができた。水/酢酸分離系に対しては、膜中へのNaなどの金属カチオンの導入が有効であり、細孔径が0.4 nmから0.3 nmに縮小し、かつ膜が親水化したことで分離性能が大きく向上することを見出した。金属カチオン種や導入量、炭化条件の最適化の結果、75℃における酢酸水溶液の浸透気化分離試験において、最大で水の透過速度P = 6.9×10-7 (mol/m2 s Pa)、水/酢酸の理想分離係数α = 10000以上を得ることができた。(b)膜モジュール製造技術の開発では、まずIPAや酢酸に耐性を持つ構成部材(シール剤、ケース材、Oリング)の開発を実施した。2000時間の耐久試験の結果、シール剤としてIPA用7種、酢酸用2種(共に100℃)、ケース材として、IPA用3種種(100℃)、酢酸用3種(120℃)の候補材料を得た。また、これらシール剤とケース材の候補材料の組合せ試験において、100℃、2000時間以上の接着耐久性を確認できた。Oリングについては、IPA用5種、酢酸用4種(共に80℃)の候補を得ることができた。次に、カーボン膜製造技術について、バッチ法によるカーボン膜の製造能力向上を検討した結果、当初より60%の製造能力向上を図ることができた。さらに、バッチ法の一部の工程を連続製造に置換したロール製造検討を実施し省人化を図った結果、当初に比べて75%の製造能力が向上した。また、ロール法によるIPA用カーボン膜製造を実施し、最終目標を上回る性能をもつカーボン膜を得ることができた。上記で得られたシール剤およびケース材とバッチ法およびロール法で得られたカーボン膜を用いて、0.1 m2級および1 m2級のカーボン膜モジュールを試作した。(c)膜モジュールの性能評価では、水およびIPAの単ガスおよび混合ガスの透過試験、さらに浸透気化分離法試験を実施した。単ガスではモジュール最終目標:P = 7.5 × 10-7 mol/m2 s Pa、α = 2500を達成することができた。また、膜モジュール内流動解析の結果、中空糸膜を高密度に充填した場合には、膜表面の濃度分極とモジュール断面の半径方向における濃度分布の双方が性能に大きく影響することが明らかとなった。(d)膜分離プロセス設計手法の開発では、開発カーボン膜を用いたIPAおよび酢酸の精製プロセスをシミュレーションし、蒸留法に比較した省エネルギー性を評価した。2塔式連続の膜プロセスでは約90%以上の省エネルギーが可能である見通しを得た。また、開発膜の性能向上に合わせてシミュレーションプログラムによる再検討を行った結果、蒸留法と同じ分離度を達成する事ができるシンプルな膜1段分離プロセスが可能であることが分かった。
英文要約Title: Development of carbon membrane modules for extended application to membrane separation processes (FY2009-2011) Final Report.

In this research project, the following technologies will be developed, 1) development of high-performance and long-lifetime carbon membranes for purification of organic solvents such as acetic acid and isopropanol (IPA), 2) development of fabrication technique of carbon membrane modules, 3) performance evaluation of carbon membrane modules, and 4) process design of membrane separation systems.
1) The preparation conditions of carbon membranes such as carbonization conditions for IPA dehydration were optimized to improve the separation performances. It was revealed that the carbon membrane prepared by the pyrolysis of the precursor membrane at 600 ºC for 1 h showed the best performance when dehydrating IPA aqueous solution at 75 ºC. The H2O permeance of this carbon membrane was larger than 1.1×10-6 (mol/m2 s Pa) and the ideal separation factor was over 100000. The optimization of preparation methods for acetic acid dehydration was examined by control of pore size and surface property using the cation-introduced carbon membranes. Finally, we have achieved the high H2O permeance (P = 6.9×10-7 (mol/m2 s Pa)) and the high ideal separation factor (α > 10000) for the dehydration of acetic acid by pervaporation at 75 ºC.
2) To obtain chemical-resistant materials, we conducted a durability test under acetic acid or IPA at 100 ºC. Finally, some durable materials, adhesives and O-rings were found to be stable in acetic acid or IPA more than 2000 hours. We have studied to improve our production capacity of hollow fibers using NOK’s spinning equipment and a large winding instrument for continuous manufacture of hollow fibers. We have achieved a 75% increase of production capacity by improving each production step of hollow fibers. We carried out trial manufacture of modules, which have 0.1 or 1 m2 membrane area, using durable materials and carbon hollow fibers produced by the spinning equipment and the large winding instrument.
3) We remodeled our evaluation instrument and installed new module evaluation instrument for the measurement of separation performances of carbon membrane modules. As a result, it enabled to measure the permeances (P) and the ideal separation factors (α) of carbon membrane modules. We have achieved targeted values of both the H2O single gas permeance (P = 7.5×10-7 mol/m2 s Pa) and separation factor (α = 2500), which means gas permeances ratio of H2O/IPA.
4) Process simulation was carried out for separating vapor systems of H2O/IPA or H2O/acetic acid by means of carbon membranes. Energy requirements were evaluated and compared with that of distillation methods. Two membrane columns process with serial fed can purify IPA or acetic acid with the energy requirement of less than 10% of the distillation. A simple one stage process with more energy efficiency can be designed using high separation performance membranes developed finally.
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