CN102427872A

CN102427872A - 陶瓷渗透汽化膜以及陶瓷蒸汽透过膜

Info

Publication number: CN102427872A
Application number: CN2010800216684A
Authority: CN
Inventors: 寺西慎; 铃木秀之; 坂下俊; 矶村学
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: CA2761080A1; US8465648B2; US20120074061A1; CN102427872B; BRPI1013068A2; EP2433703B1; CA2761080C; JPWO2010134514A1; WO2010134514A1; EP2433703A1; EP2433703A4; JP5599785B2

Abstract

提供一种水透过速度大、分离系数也高的陶瓷渗透汽化膜以及陶瓷蒸汽透过膜，其中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4。

Description

陶瓷渗透汽化膜以及陶瓷蒸汽透过膜

技术领域

本发明涉及一种陶瓷制整体型渗透汽化膜以及蒸汽透过膜。

背景技术

近年来，为了从多种成分的混合物(混合流体)中仅选择性地回收特定成分，使用的是陶瓷制过滤器。较之于有机高分子制过滤器，陶瓷制过滤器的机械强度、耐久性、耐腐蚀性等优异，因此，在水处理、排气处理、以及医药和食品领域等广泛的领域中，用于除去液体或气体中的悬浊物质、细菌、粉尘等，甚为理想。

此种陶瓷制过滤器(称为陶瓷过滤器)中，为了在确保分离性能的同时提高水透过性能，必须增大膜面积(分离膜的面积)，为此，整体型(或蜂窝型)的出现受到期待。较之于管道型，整体型过滤器具有不易折断、成本低等优势。整体型过滤器，在多数情况下，外形为圆柱形，具备多孔支撑体，其内部有形成于轴方向的多个平行流路(称为元件)，进一步，在形成元件的内壁面上形成孔径小于该多孔支撑体的分离膜。

作为已公开传统的整体型(或蜂窝型)陶瓷过滤器的现有文献，可列举如专利文献1～5。

专利文献1公开的陶瓷蜂窝过滤器，通过在多孔支撑体(多孔基材)较长方向设置裂缝状间隙部，可增加从多孔支撑体中心旁边元件的透过量。该陶瓷蜂窝过滤器，若将整体型过滤器大型化，从多孔支撑体中心部旁边元件所透过的透过流体，往多孔支撑体外部流出时，受到很大流动抵抗力，与实际所形成的过滤膜的面积相比，分离能力(过滤处理能力)低下，因此，该陶瓷蜂窝过滤器提议的目的是为了提高该分离能力。

专利文献2公开的陶瓷蜂窝过滤器，是在形成于筒状多孔体较长方向的多个平行通道的内壁面上，形成孔径小于多孔体孔径的过滤膜的同时，为了增加从多孔体中心附近元件的通水量，在多孔体的较长方向设置了排出流路，且与排出流路连通的集水元件的边缘端部用密封材料密封。

专利文献3公开的陶瓷蜂窝过滤器，为了不形成液体滞留，仅在规定的空间内配置孔密封材料(孔堵塞部件)。若使用该陶瓷蜂窝过滤器，可以有效防止透过流体(过滤流体)在内部滞留，因此可以供给洗净度较高的透过流体。

专利文献4公开的横流型的过滤装置，在集水元件之间的过滤元件设置多个(3通道以上)过滤元件构造体(陶瓷过滤器)，其压力损失小，是适用于微滤、超滤、反渗透、气体分离、渗透汽化等各种用途的过滤装置。

专利文献5公开的陶瓷过滤器，呈现出过滤元件与集水元件的一边始终邻接的构造，是一种在超滤、微滤用途中，水的透过量大、反洗效率高的过滤器。

现有技术

专利文献

专利文献1：日本专利特开平6-99039号公报

专利文献2：日本专利特开2000-153117号公报

专利文献3：日本专利第3868391号说明书

专利文献4：日本专利特公平6-016819号公报

专利文献5：日本专利实公平4-892号公报

发明内容

但是，上述现有文献涉及的技术，均存在如下所述的各种问题。

专利文献1的陶瓷蜂窝过滤器，由于其构造，可能会引起烧结时或安装于外壳时的破损、从而引起密封不良。另外，专利文献2公开的陶瓷蜂窝过滤器，尽管用于微滤法分离方法时，具有优异的分离能力，但在透过分离成分为气体，透过速度快于为液体时，因为压力损失增大，单位时间的透过流量减少，所以作为渗透汽化(Pervaporation)或蒸汽透过(Vapor permeation)的用途时，不能称为非常适宜。

专利文献3公开的陶瓷蜂窝过滤器，透过分离成分为液体时具有特别优良的分离能力，但透过分离成分为气体，因为透过速度快于液体时，导致压力损失增大，单位时间的透过流量减少。此外，专利文献4公开的过滤装置，尽管用作微滤法的分离方法时，具有优异的分离能力，但若用于渗透汽化法的分离方法，存在压力损失增大、透过速度下降的问题，分离系数也小。即，专利文献3、4公开的这些技术，作为渗透汽化或蒸汽透过的用途，不能称为很适宜。此外，专利文献5的陶瓷过滤器，没有作为渗透汽化用途所使用，其作为渗透汽化法的分离方法使用时的分离能力未知。

本发明鉴于此种情况，其目的是提供一种透过速度快、分离系数也高的渗透汽化膜和蒸汽透过膜。经不断研究后结果发现，提出一种具有过滤元件和集水元件的整体型的，相对于其过滤元件和集水元件的长度，排出流路开口长度的总和所占比例在10％以上的陶瓷过滤器，或者，与过滤元件和集水元件邻接形态的陶瓷过滤器，据此，该课题被解决，从而完成了本发明。

即，首先，通过本发明，可提供一种陶瓷渗透汽化膜，其具备多孔体和分离膜，多孔体有两个端面和外周面，设有贯穿一个端面至另一个端面排成列的的多个过滤元件，贯穿一个端面至另一个端面排成列的的同时两个端面的开口被封闭的多个集水元件，以及该集水元件连通于外部空间而设置的排出流路，分离膜配置于多孔体过滤元件的内壁面上，相对于过滤元件的长度，与集水元件的流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上。(称为本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜)。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向平行的排出流路的开口长度总和所占比例优选在15％以上，特别优选在20％以上。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，形成多个所述排出流路，相对于过滤元件的长度，集水元件的流路方向邻接的多个排出流路之间的最长间隔所占比例优选80％以下。该排出流路之间的最长间隔所占比例优选45％以下，更优选40％以下，特别优选30％以下。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，基于陶瓷渗透汽化膜的机械强度方面考虑，所述排出流路的开口长度总和的比例上限为40％。另外，相对于过滤元件的长度，1个排出流路的开口长度所占比例，同样基于陶瓷渗透汽化膜的机械强度方面考虑，优选10％以下。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n优选为1～4。本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜的优选形态兼具后述的本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜的特征。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，2列集水元件之间的过滤元件的列数优选为3以下。这也是与后述的本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜的特征的兼备之处。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜中，2列所述集水元件之间的过滤元件的列数为2，优选过滤元件与集水元件总是保持邻接。这也是与后述的本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜的特征的兼备之处。

其次，根据本发明，可提供一种陶瓷渗透汽化膜，其具备多孔体和分离膜。多孔体具有两个端面和外周面，设有贯穿一个端面至另一个端面排成列的多个过滤元件，贯穿一个端面至另一个端面排成列的同时两个端面的开口被封闭的多个集水元件，以及集水元件与外部空间相连通而设的排出流路。分离膜设置于多孔体的过滤元件的内壁面上。过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4(称为本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜)。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，2列集水元件之间过滤元件的列数优选3以下。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，2列所述集水元件之间的过滤元件的列数为2，优选过滤元件与集水元件始终邻接。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，过滤元件的长度优选300mm以上、1500mm以下。更优选过滤元件的长度为500mm以上、1500mm以下。特别优选过滤元件的长度为500mm以上、1000mm以下。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜中，作为集水元件以及过滤元件的截面形状，可采用圆形、四角形、六角形、八角形等任意形状。本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，过滤元件的截面形状优选为圆形。(过滤或集水)元件的截面形状是指，具有两个端面和外周面的多孔体中，与连接两个端面的方向(也称为元件的长度方向)相垂直的截面所显示的(过滤或集水)元件形状。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件的流路方向平行的排出流路的开口长度的总和所占比例优选为10％以上。本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜的优选形态兼具已述的本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜的特征。即，第2陶瓷渗透汽化膜的优选形态等同于第1陶瓷渗透汽化膜的优选形态。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向平行的排出流路的开口长度总和所占比例优选在20％以上。它也兼具已述的本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜的特征。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中，形成多个排出流路，相对于过滤元件的长度，集水元件流路方向相邻的多个排出流路之间的最长间隔所占比例优选在80％以下。该排出流路之间的最长间隔所占比例更优选在45％以下，进一步优选在40％以下，特别优选在30％以下。这也是与已述的本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜的特征的兼备之处。

其次，根据本发明，可提供一种脱水方法，使用上述任意一个本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜，从水溶液、或水与有机溶剂的混相液中，以蒸汽形态除去水分(称为本发明涉及的第1脱水方法)。可举例如，以(质量比)水浓度1％～99％的水溶液、或水与有机溶剂的混相液为脱水对象。本发明涉及的第1脱水方法的具体例子是，从甲醇水溶液、乙醇水溶液等醇的水溶液、或醋酸等羧酸、丙酮等的酮类、乙胺等胺类中，通过渗透汽化法除去水(水分)的，水溶液的脱水方法。

其次，根据本发明，可提供一种陶瓷蒸汽透过膜，其具备多孔体和分离膜，多孔体具有两个端面和外周面，设有贯穿一个端面至另一个端面排成列的的多个过滤元件，贯穿一个端面至另一个端面排成列的同时两个端面的开口被封闭的多个集水元件，以及该集水元件与外部空间连通而设置的排出流路，分离膜配置于多孔体的过滤元件的内壁面上，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上(称为本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜)。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例优选在15％以上，特别优选在20％以上。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，所述形成多个排出流路，相对于过滤元件的长度，集水元件流路方向相邻的多个排出流路之间的最长间隔所占比例优选在80％以下。该排出流路之间的最长间隔所占比例更优选在45％以下，进一步优选在40％以下，特别优选在30％以下。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，从陶瓷蒸汽透过膜的机械强度方面考虑，所述排出流路的开口长度的总和所占比例上限为40％。此外，相对于过滤元件的长度，1个排出流路的开口长度所占比例，同样从陶瓷蒸汽透过膜的机械强度方面考虑，优选在10％以下。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n优选为1～4。本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜的优选形态兼具后述的本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜的特征。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，2列集水元件之间的过滤元件的列数优选在3以下。这也是与后述的本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜的特征的兼备之处。

本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，优选2列所述集水元件之间的过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。这也是与后述的本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜的特征的兼备之处。

其次，根据本发明，可提供一种陶瓷蒸汽透过膜，其具备多孔体和分离膜，多孔体具有两个端面和外周面，设有贯穿一个端面至另一个端面排成列的的多个过滤元件，贯穿一个端面至另一个端面排成列的同时两个端面的开口被封闭的多个集水元件，以及该集水元件与外部空间连通而设置的排出流路，分离膜配置于多孔体的过滤元件的内壁面上，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4(称为本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜)。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，2列集水元件之间的过滤元件的列数优选在3以下。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，优选2列所述集水元件之间的过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，过滤元件的长度优选为300mm以上、1500mm以下。更优选过滤元件的长度为500mm以上、1500mm以下。特别优选过滤元件的长度为500mm以上、1000mm以下。

本发明涉及的本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，作为集水元件以及过滤元件的截面形状，可采用圆形、四角形、六角形、八角形等任意形状。本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，过滤元件的截面形状优选圆形。(过滤或集水)元件的截面形状是指，具有两个端面和外周面的多孔体中，与连接两个端面的方向(也称为元件的长度方向)相垂直的截面所显示的(过滤或集水)元件的形状。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例优选在10％以上。本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜的优选形态兼具已述的本发明涉及的本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜的特征。即，第2陶瓷蒸汽透过膜的优选形态等同于第1陶瓷蒸汽透过膜的优选形态。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例优选在20％以上。这也是与已述的本发明涉及的本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜的特征的兼备之处。

本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜中，形成多个排出流路，相对于过滤元件的长度，集水元件流路方向相邻的多个排出流路之间的最长间隔所占比例优选在80％以下。该排出流路之间的最长间隔所占比例更优选在45％以下，进一步优选在40％以下，特别优选在30％以下。这也是与已述的本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜的特征的兼备之处。

其次，根据本发明，可提供一种脱水方法，使用上述任意一个本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜，从水与有机溶剂的混合气体中以蒸汽形态除去水分(称为本发明涉及的第2脱水方法)。可举例如，以(质量比)水浓度1％～99％的水与有机溶剂的混合气体为脱水对象。本发明涉及的第2脱水方法的具体例子是，从含有甲醇、乙醇等醇、或醋酸等羧酸、或丙酮等酮类、或乙胺等胺类，与水(水蒸汽)的混合气体中，通过蒸汽透过法除去水(水分)的，混合气体的脱水方法。

本说明书中，本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜与本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜合并简称为本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜。本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜与本发明涉及的第2陶瓷蒸汽透过膜一并简称为本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜。本发明涉及的第1脱水方法与本发明涉及的第2脱水方法一并简称为本发明涉及的脱水方法。此外，本说明书中，有时将过滤元件和集水元件两者并称为元件。

本发明涉及的(第1和第2)陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的(第1和第2)陶瓷蒸汽透过膜中，多孔体的外形呈现为近柱状体，形成有贯穿一个端面至另一端面的过滤元件和集水元件，因此，实质上过滤元件和集水元件的长度等于多孔体的长度(轴长)。即，集水元件的长度等于过滤元件的长度。本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的第1陶瓷蒸汽透过膜中，相对于集水元件的长度，与过滤元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例也在10％以上。如上所述，由于集水元件的两个端面的开口被封闭，所以集水元件的长度中也包含了该封闭部分(孔密封部件)。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，排出流路使集水元件与外部空间连通。排出流路(集水缝隙)使排成列的多个集水元件相连通，并且通过多孔体外周面开口，使多个集水元件与外部空间连通。相对于过滤元件的长度，与过滤元件流路方向相平行的排出流路的开口长度的总和所占比例在10％以上，因此该排出流路成为薄(细)的空间，成为裂缝状的缝隙。位于多孔体外周面的开口，其实就是裂缝。本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，形成多个排出流路意思是，将相连通的多个集水元件作为1个空间时，每个该空间内形成多个排出流路。换言之，排出流路的数量是各个连通的多个集水元件所设置的排出流路的数量。本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜的优选形态中，排出流路使排成列的多个集水元件之间相连通，而与其它列的集水元件不连通。因此，存在形成多列的多个集水元件时，每列形成有多个排出流路。排出流路的数目，对于所有(集水元件的)列，优选数目均相同。另一方面，存在多个排出流路时，各个开口长度可以全部为相同的长度，各排出流路的开口长度也可以不同。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，称为渗透汽化膜，是用于渗透汽化用途的陶瓷过滤器。此外，本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜，称为蒸汽透过膜，是用于蒸汽透过用途的陶瓷过滤器。本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，具有两个端面和外周面的多孔体，外形呈近柱状体。其外形从易于套管的角度考虑优选圆柱形，但也可以为四角柱形等。此种外形的多孔体内，具备贯穿一个端面至另一个端面的排成列的多个过滤元件和多个集水元件。此外，多孔体的过滤元件的内壁面上配置有分离膜。即，本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜，均可称为整体型的过滤器。配置有分离膜的过滤元件的内壁面是指，形成过滤元件的多孔体的(内部的)表面、隔壁(隔着元件的壁(多孔体本身))的表面。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，例如，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1时，过滤元件列与集水元件列可以交互配置。例如，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为2时，相对2列过滤元件有1列集水元件，这种情况下，2列集水元件间可配置2列过滤元件。此种m/n为1或2时，过滤元件与集水元件可始终相互邻接配置。所以，例如，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为3时，对于3列过滤元件有1列集水元件，换言之，集水元件的列间可配置3列过滤元件。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，所有过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4时，2列集水元件之间的(集水元件列之间的)过滤元件的列数可部分超过4。优选的形态是2列集水元件之间过滤元件的列数全为1～4，更优选的形态是2列集水元件之间的过滤元件的列数全为1～3。

原本，过滤元件位于外周面一侧、会发生部分不位于2列集水元件之间的情况。本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，所以过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4时，该部分中集水元件与外周面之间的过滤元件的列数也可超过4，但这部分中，集水元件与外周面之间的过滤元件的列数优选为1～4。

另外，如上所述，由于过滤元件位于外周面一侧、会发生部分不位于2列集水元件之间的情况，所有过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、与2列集水元件之间的过滤元件的列数之间不一定总存在一定关系。例如，如上所述，集水元件列之间设置3列过滤元件时，以集水元件，过滤元件，过滤元件，过滤元件为组合时，所有过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为3，但考虑过滤元件下一个的集水元件时，m/n有可能不到3，若考虑在集水元件另一侧设置过滤元件时，m/n可能会超过3。本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜的形态可有多种考虑，但本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜需要所有过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4，其优选形态是2列集水元件之间的过滤元件的列数均为1～4，更优选形态是2列集水元件之间的过滤元件的列数均为1～3。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，过滤元件与集水元件的直径优选在5mm以下，特别优选1～3mm。直径不到1mm时，因变形可能会造成元件封闭。另一方面，超过5mm时，分离膜的膜面积会变小。元件的直径意思是相当于元件的截面形状的圆的面积的直径。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜和本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜中，元件间的壁厚优选在1.5mm以下，特别优选0.2～1.5mm。壁厚不足0.2mm时，制备时的热处理(烧结)可能会引起大的变形而使通道封闭。另一方面，超过1.5mm时，由于压力损失的增大而水透过速度变慢，每1根陶瓷渗透汽化膜(或本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜)的分离性能下降。元件间的壁厚指的是，元件与元件之间壁(多孔体)的厚度，是元件与元件之间的最短距离。

其次，就本发明的效果，以陶瓷渗透汽化膜为例进行说明。渗透汽化膜与蒸汽透过法(Vapor permeation)的差异在于供给的被分离混合流体(混合物)为液体(渗透汽化法)还是气体(蒸汽透过法)，透过分离成分为气体这一点是共通的，两者的分离机理也可以说相同。因此，以下所示的本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的效果，对于本发明涉及的陶瓷蒸汽透过膜也可同样能得到。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上，优选在20％以上，因此即使透过分离成分为气体，也可以抑制单位时间的透过流量减少。即，可高效进行分离，因此经济性优异。排出流路的开口长度总和所占比例不到10％时，压力损失的降低并不充分，会减少透过分离成分的单位时间透过流量。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜，在其优选形态中，形成多个排出流路，相对于过滤元件的长度，集水元件流路方向相邻的多个排出流路之间的最长间隔所占比例在45％以下，所以特别容易得到上述效果。即，即使透过分离成分为气体，也可以减少压力损失，可进一步抑制单位时间透过流量的降低。

本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜(本发明涉及的第1陶瓷渗透汽化膜的优选形态、以及本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜)，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4，优选2列集水元件之间的过滤元件的列数在3以下，更优选2列集水元件之间的过滤元件的列数为2、过滤元件与集水元件总是保持邻接，因此在渗透汽化(Pervaporation)用途中，水的透过速度快，分离系数也高。即，是一种优异的渗透汽化膜。

得到这些效果有以下理由。即，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4时，较之于m/n超过4，过滤元件与集水元件更接近。2列集水元件之间的过滤元件的列数为2、过滤元件与集水元件总是保持邻接时，较之于m/n超过4，过滤元件与集水元件更加接近。此种本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，较之于现有的(m/n超过4)渗透汽化膜，单位膜面积的水透过速度变快，结果每1根陶瓷渗透汽化膜的水透过流量也变大。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，较之于现有的过滤器，用作渗透汽化用途优异，因为渗透汽化法的情况下，较之于微滤法、超滤法、气体分离法、反渗透法，受到过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n的影响更大。

此外，m/n影响大的一个原因是，渗透汽化法中，以供给液的蒸汽压与透过侧的压力之间的差压为驱动力而引起透过，因此，较之于微滤等，可以较小(膜间的)差压进行运转。(1)式是求成分i(例如水)的透过速度的膜透过基本式。如该(1)式所示，透过速度由膜的入口压力与出口压力之差(差压)而决定，因此，较之于微滤等，在相对差压小的渗透汽化法中，差压的下降对于透过速度影响很大。如果使过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4，优选2列集水元件之间的过滤元件的列数在3以下，更优选2列集水元件之间的过滤元件的列数为2、过滤元件与集水元件总是保持邻接时，可抑制差压的减少。

[数1]

J_i＝P_i×(X_i1·γ_i·p_i ⁰-X_i2·p₁)

＝P_i×(pi1-pi2) …(1)

J_i：成分i的透过速度 (kg/m²·h)

P_eri：成分i的透过系数 (kg/m²·h·Pa)

X_i1：成分i的供给侧的摩尔分率 (-)

X_i2：成分i的透过侧的摩尔分率 (-)

γ_i：成分i的活度系数 (-)

p_i ⁰：成分i的饱和蒸汽压 (Pa)

p₁：透过侧压力 (Pa)

p_i1：成分i的膜的入口压力 (Pa)

p_i2：成分i的膜的出口压力 (Pa)

第2个原因是，渗透汽化法下，透过流体为气体，通过在透过侧减压进行分离，但通过减压，透过流体的体积流速增加，由于其增加，处理时(透过陶瓷渗透汽化膜)的压力损失较之于微滤法等变大。(2)式是成分为水时求透过速度的膜透过基本式，(3)式是成分为乙醇时求透过速度的膜透过基本式。(4)式是通过(入口的)设定压力p_设定与膜的(入口出口的)压力损失ΔP求出膜的出口压力p2的计算式，(5)式是基于达西定律的显示差压变化的计算式，(6)式是基于利于理想气体的状态方程式求体积流速的计算式。如这些计算式推导，透过流体(例如水和乙醇)在减压下根据(6)式而膨胀、体积流速增大，根据(5)式，膜的压力损失增大。此外，由于该压力损失增大，膜透过的基本式中膜的有效差压((2)式和(3)式中的括弧项)减少，透过速度下降。

[数2]

J_水＝P_er水×(p_水1-X_水p2) …(2)

[数3]

J_乙醇＝P_er乙醇×(p_乙醇1-X _乙醇p2) …(3)

[数4]

p2＝P_设定+ΔP …(4)

[数5]

ΔP＝βu_s+αu_s ² …(5)

α：透过抵抗二次补正项(Pa·s²/m²)

β：多孔体的透过抵抗(Pa·s/m)

[数6]

u_s＝(J_水+J_乙醇)RT/Mp2 …(6)

u_s：体积流速(m/S)

例如，本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，当2列集水元件之间的过滤元件的列数为2、过滤元件与集水元件总是保持邻接时，较之于集水元件列间设置5列过滤元件，渗透汽化处理中，水透过速度可提升至2倍左右。此外，2列集水元件之间的过滤元件列数为3时，较之于2列集水元件列间设置5列过滤元件，渗透汽化处理中，水透过速度可提升至1.67倍。

与此相对，如表1所示，例如使用专利文献4记载的细孔径为数100nm左右的微滤膜，对水施加1atm的压力，令液体水透过时，当2列集水元件间的过滤元件列数为2、过滤元件和集水元件一直邻接时，较之于2列集水元件列间设置5列过滤元件，仅能提升30％左右。此外，2列集水元件间的过滤元件的列数为3时，较之于2列集水元件列间设置5列过滤元件，仅能提升15％左右。即，渗透汽化处理中的透过速度，较之于微滤处理中的水透过速度，由于受到过滤元件与集水元件的配置影响很大，因此本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜中，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4，优选2列集水元件间的过滤元件列数为2、过滤元件和集水元件始终邻接的方式起到了效果。

[表1]

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜，其优选形态中，过滤元件的长度在300mm以上、1500mm以下，因此每1根的水透过量[kg/h]大。存在水透过量[kg/h]＝水透过速度[kg/m²·h]×过滤膜的面积[m²]的关系。透过速度也称为通量、透过通量。过滤元件的长度不足300mm时，膜面积减少，每1根的水透过量[kg/h]也减少。过滤元件的长度超过1500mm时，由于渗透汽化处理中蒸发的透过液的汽化热而温度下降、水透过速度下降，相对于长度比例，每1根的水过量不会变大(快)。

本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜，其优选形态中，由于过滤元件的截面形状为圆形，因此难以产生微细的裂纹，分离系数高。过滤元件的截面形状为多角形时，较之于圆形，角的部分容易产生裂纹，分离系数可能下降。

本发明涉及的第1脱水方法，是使用单位膜面积的水透过速度快、分离系数高的本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜，从水溶液、或水与有机溶剂的混相液中以蒸汽形态除去水分，因此可实现通过较少根数(膜面积)的陶瓷渗透汽化膜有效除去大量水分(水量)。

附图说明

[图1A]图1A是显示本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的一个实施方式的图，是部分切割的侧视图。

[图1B]图1B是显示图1A中A-A’截面的截面图。

[图1C]图1C是放大了图1B中过滤元件周边的放大截面图。

[图2]图2是本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的另一实施方式的显示图，是与图1B对应的截面图。

[图3]图3是本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的又一实施方式的显示图，是与图1B和图2对应的截面图。

[图4]图4是本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的又一实施方式的显示图，是放大显示端面的图。

[图5]图5是本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的又一实施方式的显示图，是放大显示端面的图。

[图6A]图6A是显示本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的陶瓷过滤器的一例的图，是显示了其端面的图。

[图6B]图6B是进一步放大显示图6A中2列集水元件之间的图。

[图7]图7是显示本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜制备过程中设置分离膜的工序中，流入前躯体溶液状态的一例的图。

[图8]图8是显示渗透汽化试验(实施例)中使用的分离装置构成的图。

[图9]图9是显示实施例中，分离系数为1～13的透过气体中求出水浓度，该透过气体中的水浓度与分离系数关系的图表。

符号说明

1，11，21，41：陶瓷渗透汽化膜

2：(一个)端面

3：(另一)端面

4，104，204，304：过滤元件

5，105，205，305：集水元件

6：外周面

7：排出流路

8：孔密封部件

9：多孔体

31：分离膜

32：中间层

33：中间层

34：中间层

35：支撑体

42：罐体

43：乙醇水溶液

44：冷却阱装置

45：真空泵

70：前躯体溶液

71：胶带

L：过滤元件的长度(集水元件的长度、多孔体的轴长)

d1：排出流路的开口长度

d2～d7：过滤元件流路方向相邻的多个排出流路之间的间隔

具体实施方式

以下适当参考附图对本发明涉及的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明涉及的范围内，可根据本领域技术人员知识，进行各种变更、修正和改良。例如，附图显示的虽然是适合的本发明涉及的实施方式，但本发明并不限制于附图所表示的方式或附图所示的信息。在实施本发明或验证的基础上，也可适用与本说明书中记述的相同的方法或相当的方法，适合的方法如下所述。例如，以下举例陶瓷渗透汽化膜进行说明，除了分离的混合流体(混合物)的供给并非是液体(渗透汽化法)而是气体(蒸汽渗透法)这点之外，以下的实施方式也相当于陶瓷蒸汽透过膜的实施方式，这样理应被理解。

首先，对于本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的实施方式之一，针对其构造、形状进行说明。

图1A～图1C所示的陶瓷渗透汽化膜1，具备多孔体9，多孔体9含有两个端面2、3以及外周面6的。多孔体9的外形为圆柱形，设有贯穿一个端面2至另一端面3(图1A中大致横向)排成列的多个过滤元件4，和贯穿于一个端面2至另一端面3(图1A中大致横向)排成列的多个集水元件5。陶瓷渗透汽化膜1中，过滤元件4与集水元件5的截面形状为圆形。此外，过滤元件4的两个端面的开口是开放的(保持开口)，但集水元件5的两个端面的开口被孔密封部件8封闭，为连通集水元件5与外部空间而设有排出流路7。此外，截面形状为圆形的过滤元件4的内壁面上配置有分离膜31。

陶瓷渗透汽化膜1中，排出流路7，位于两个端面2、3附近，每连通着的多个集水元件5，各形成1个。陶瓷渗透汽化膜1中，集水元件有3列，排出流路7在每列中使多个集水元件5相连通，并且开口于多孔体9的外周面6。如前所述，因为排出流路7的数量为每个连通的多个集水元件5所设置的排出流路7的数量，所以陶瓷渗透汽化膜1中的排出流路7的数量不是6，而是2。

陶瓷渗透汽化膜1中，相对于集水元件5的长度L，与集水元件5的流路方向相平行的排出流路7的开口长度总和2×d1所占比例在10％以上。另一方面，相对于集水元件5的长度L，集水元件5流路方向相邻的2个排出流路7之间的最宽间隔d2所占比例未到45％以下。

陶瓷渗透汽化膜1中，2列集水元件5之间的过滤元件4的列数为2，过滤元件4与集水元件5总是保持邻接。陶瓷渗透汽化膜1中，过滤元件4的列数m为7，集水元件5的列数n为3，两项比m/n为2.3。另外，陶瓷渗透汽化膜1中的过滤元件4的长度L(参照图1B)在300～1500mm范围内。此外，本说明书中，相同符号L为相同长度，表示集水元件的长度和过滤元件的长度。

多孔体9由10μm等级的颗粒构成的支撑体35、和1μm等级的平均气孔直径的第1中间层34、0.1μm等级的平均气孔直径的第2中间层33、和0.01μm等级的平均气孔直径的第3中间层32构成。此外，在中间层32的表面(即，这是过滤元件4的内壁面)配置有分离膜31(参照图1C)。另外，本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，中间层至少有1层即可，但位于分离膜下层的中间层的平均气孔直径优选为0.005～1μm。小于0.005μm时，压力损失变大，水透过速度降低，超过1μm时强度变小，作为陶瓷渗透汽化膜其长期可靠性下降。

多孔体9的平均气孔直径优选为5～25μm，更优选6～20μm，特别优选8～16μm。多孔体的平均气孔直径不足5μm时，以分离膜分离的透过分离成分的多孔体的透过速度显著变慢，有时单位时间的透过流量会减少。另一方面，超过25μm时，分离膜不能均匀成膜，有时分离性能差。平均气孔直径可通过水银压入法测定。

分离膜31优选气体分离膜。作为气体分离膜并无特别限定，可根据分离的气体种类适当选择公知的一氧化碳分离膜、氦分离膜、氢分离膜、碳膜、DDR型沸石膜、二氧化硅膜等。作为分离膜，可列举如日本专利第4006107号公报记载的一氧化碳分离膜、日本专利第3953833号公报记载的氦分离膜、日本专利第3933907号公报记载的氢分离膜、日本特开2003-286018号公报记载的碳膜、日本特开2004-66188号公报记载的DDR型沸石膜、国际公开第2008/050812号手册记载的二氧化硅膜等。

孔密封部件8优选含有骨料颗粒、无机结合材料、粘结剂、增粘剂以及保水剂。孔密封部件8可以由与多孔体9相同的材料形成。孔密封部件8的粗细以可排出形成多孔体9与分离膜31之间的中间层32～34时使用的，中间层用浆料所含的水分的程度为宜。具体的，孔密封部件8的气孔率优选为25～50％。孔密封部件8的气孔率超过50％时，形成中间层所使用的中间层用浆料所含的固体成份会通过孔密封部件8。另一方面，孔密封部件8的气孔率不到20％时，中间层成膜所使用的中间膜用浆料所含的水分难以排出。孔密封部件8的长度为从端面至排出流路7为止的长度，通常为10～20mm左右。

虽然没有图示，但本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜中，含有透过分离成分的混合流体从陶瓷渗透汽化膜端面的多孔体部分直接流入，为了防止未被形成于规定的过滤元件内壁面的分离膜分离而流出，优选进一步设置可覆盖陶瓷渗透汽化膜的混合流体流入端面侧的多孔体的密封部。密封部可在混合流体流入一侧的端面涂布釉料后烧结而成。

接着，对于本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的其他实施方式，就与上述实施方式相异之处进行说明。

图2所示的陶瓷渗透汽化膜11中，排出流路7的数量为(并非9)3，排出流路7的开口长度的总和为3×d1。(从陶瓷渗透汽化膜1)所加的排出流路7的位置在圆柱形陶瓷渗透汽化膜(多孔体)中轴方向的中央附近。陶瓷渗透汽化膜11中，相对于集水元件5的长度L，集水元件5流路方向相邻的多个排出流路7之间的最长间隔d3或d4均在45％以下。

图3所示的陶瓷渗透汽化膜21中，排出流路7的数量为(并非12)4，排出流路7的开口长度的总和为4×d1。陶瓷渗透汽化膜21中，相对于集水元件5的长度L，集水元件5流路方向相邻的多个排出流路7之间的最长间隔d5～d7均在45％以下。(从陶瓷渗透汽化膜1)所加的2个排出流路7的位置在圆柱形陶瓷渗透汽化膜(多孔体)中轴方向的间隔大致相等的位置。d6稍长，大致为d6＞d5＝d7。

如上所述，陶瓷渗透汽化膜1中，2列集水元件5之间的过滤元件4的列数为2，但图5所示的实施方式中，2列集水元件305之间的过滤元件304的列数为3。这样，集水元件和过滤元件的列(列数)，通过观察陶瓷渗透汽化膜的端面(或截面)，较容易理解。另外，图6A和图6B所示的实施方式中，2列集水元件205之间的过滤元件204的列数均为5。此时，存在许多不与集水元件205邻接的过滤元件204，这种方式不包含于本发明涉及的第2陶瓷渗透汽化膜中。

如上所述，陶瓷渗透汽化膜1中，过滤元件4与集水元件5的截面形状为圆形，但图4所示的实施方式中，过滤元件104的截面形状为七角形，集水元件105的截面形状为八角形(或四角呈圆弧的四角形)。图5所示的实施方式中，过滤元件304的截面形状为圆形，集水元件305的截面形状为八角形(或四角呈圆弧的四角形)。图6所示的实施方式中，过滤元件204的截面形状为六角形或七角形，集水元件205的截面形状为八角形(或四角呈圆弧的四角形)。

接着，对于本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的使用方法，以使用图1A～图1C所示的陶瓷渗透汽化膜1，从乙醇水溶液中分离水(水蒸汽)为例进行说明。

此时，一边对外部空间进行减压，一边使乙醇水溶液(混合流体)从过滤元件4的一个端面2的开口流入。流入的乙醇水溶液中，非透过分离成分(非透过流体)的乙醇直接通过过滤元件4，从另一端面3的开口部分流出。另一方面，透过分离成分(透过流体)的水(水蒸汽)则从设置于过滤元件4内壁面的分离膜31过滤(透过)至多孔体9的内部后，或从外周面6流出，或流入集水元件5，经由排出流路7流出(图1A中，箭头表示透过分离成分的水蒸汽的流向)。

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，通过此种方法分离时，优选满足下式(7)的关系。

ΔP/(P₁-P₂)≤0.5 …(7)

((7)式中，ΔP表示未设置分离膜的集水元件和排出流路的压力损失的合计值，P₁表示混合流体(例如，乙醇水溶液)的压力，P₂表示外部空间的压力。)

满足(7)式的关系时，本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，即使透过分离成分为气体，也可以抑制单位时间的透过流量的减少。为了进一步抑制单位时间透过流量的减少，更优选ΔP/(P₁-P₂)在0.3以下，特别优选在0.2以下。

此处，未设置分离膜的过滤元件的压力损失、以及排出流路的压力损失，可以通过计算算出。进一步，P₁-P₂(即，运转膜间差压)，可通过外部空间的减压程度进行调整。此外，压力损失的影响，通常在混合流体的单位时间的透过流量在1.0kg/m²h以上时变得更大。因此，使用本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜时，在混合流体的单位时间透过流量在5kg/m²h以上时可发挥特别优异的效果。

接着，说明本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜的制备方法。首先，将多孔体的原料，使用例如真空挤压成型机挤压成型，得到具有过滤元件和集水元件的整体型的未烧结支撑体。作为多孔体的原料，可列举如，在骨料颗粒和无机结合材料中，加入甲基纤维素等有机粘结剂、分散材料和水，混炼配制出的粘土。作为骨料颗粒，具体适合使用的是从氧化铝、莫来石、陶瓷粉碎物(Scherben)、以及堇青石构成的群组中选出的至少一种陶瓷材料。此外，作为无机结合材料，具体适合使用的是从氧化铝、二氧化硅、氧化锆、玻璃熔块、长石、以及堇青石构成的群组中选出的至少一种材料。

此外，在得到的未烧结支撑体上，形成从外周面的一个部位贯穿集水元件，连通至其他部位的排出流路，得到带有排出流路的未烧结支撑体。排出流路可通过以下方法形成，例如，未烧结支撑体形成时，在应该形成排出流路的外周面施加沟槽，用砥石等划破，然后通过锐角的器具穿透集水元件而形成。作为将最终成品的陶瓷渗透汽化膜设置于净水设备等时，用于在端部设置隔离透过分离成分与混合流体的密封部的部位时，排出流路优选保持在25mm左右。

接着，在得到的带有排出流路的未烧结支撑体中，从形成了排出流路的集水元件的两个端面，到达排出流路为止的空间内，填充入浆料状态的孔密封材料，得到孔密封材料填充未烧结支撑体。具体的，在带有排出流路的未烧结支撑体的两个端面附上聚酯等的膜(屏蔽)，在对应特定过滤元件的部分钻孔。然后，在添附了带有排出流路的未烧结支撑体的膜的端面，塞入装满孔密封材料(浆料)的容器内，进一步，通过气缸等，例如以200kg加压填充，可得到填充了孔密封材料的未烧结支撑体。此外，将得到的填充了孔密封材料的未烧结支撑体通过例如900～1400℃烧结，得到孔密封材料填充支撑体。

然后，在孔密封材料填充支撑体的过滤元件的内壁面上，优选形成作为分离膜基底的多个中间层。为了形成中间层(成膜)，首先需配制中间层用浆料。中间层用浆料可如下配制，在与未烧结支撑体相同材质的、期望粒径的(例如，平均粒径3.2μm的)氧化铝、莫来石、二氧化钛、堇青石等的陶瓷原料100质量份中，加入400质量份的水配制而成。此外，中间层浆料中也可添加用于提高烧结后的膜强度的膜用无机结合剂。膜用无机结合剂可使用粘土、高岭土、二氧化钛溶胶、二氧化硅溶胶、玻璃熔块等。膜用无机结合剂的添加量，基于膜强度方面考虑，优选5～20质量份。令中间层用浆料(例如使用日本特开昭61-238315号公报公开的装置)附着在过滤元件的内壁面，干燥后，例如以900～1050℃烧结，可使中间层成膜。中间层也可使用改变了平均粒径的多种浆料，分多层成膜，这样，如陶瓷渗透汽化膜1，可形成具有例如第1～第3的中间层。通过在中间层上设置分离膜，可通过中间膜减少多孔体表面凹凸的影响。其结果是，即使分离膜作为薄膜，也可减少作为陶瓷渗透汽化膜的缺陷。即，可以得到设置有高通量、低成本、具有高分离能力的分离膜的陶瓷渗透汽化膜。

在中间层上，设置如二氧化硅膜(分离膜)时，在此之前，将异丙醇钛在硝酸存在下水解，得到二氧化钛溶胶液，用水稀释配制中间层用浆料，将配制的中间层用浆料，流经被密封的平均细孔径为0.1～0.5μm的孔密封材料填充支撑体的规定的通道的内壁面，然后进行500℃的热处理，从而使中间层成膜，较为理想。二氧化硅膜的前驱体溶液(二氧化硅溶胶液)，可将四乙氧基硅烷在硝酸存在下加水分解成溶胶液，通过乙醇稀释配制而成。另外，也可用水稀释来替代用乙醇稀释。另外，例如，如图7所示，将形成有中间层的多孔体9的外周面6，用胶带71密封，在未图示的宽口漏斗下端固定多孔体9，从多孔体9的上方流入二氧化硅膜的前驱体溶液70(二氧化硅溶胶液)，使其通过过滤元件4，或通过一般的浸渍，使前驱体溶液70附着在过滤元件的内壁面。然后，以100℃/小时升温，500℃保持1小时后，以100℃/小时降温。如此流入、干燥、升温、降温重复操作3～5次，可以配置成二氧化硅膜。通过上述方法，可得到分离膜为二氧化硅膜的陶瓷渗透汽化膜。

在中间层上设置的不是二氧化硅膜，而是例如碳膜(分离膜)时，可通过浸渍、旋涂、喷涂等方法，使碳膜的前驱体溶液与孔密封材料填充支撑体表面接触成膜。将酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、呋喃树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂等热固化性树脂、或聚乙烯等热塑性树脂、或纤维素系树脂等、或者这些树脂的前驱体物质与甲醇、丙酮、四氢呋喃、NMP、甲苯等有机溶剂或水等混合、溶解，可以得到前驱体溶液。将前驱体溶液成膜时，可根据其所含的树脂种类，进行适当的热处理。

实施例

以下根据实施例对本发明进行具体说明，但本发明并不限定于这些实施例。

(实施例1)外形为圆柱形，其外径为180mm、长度为1000mm(过滤元件和集水元件的长度也各自为1000mm)、截面形状为圆形的过滤元件的直径为2.5mm、截面形状为(四角呈圆弧的)四角形的集水元件中其四角形为2.5mm(长边)×2mm(短边)、过滤元件与集水元件之间的壁厚为0.95mm、过滤元件与过滤元件之间的壁厚为0.95mm的氧化铝制(骨料颗粒为氧化铝)整体型的陶瓷渗透汽化膜被使用。与集水元件流路方向相平行的排出流路开口长度为每个50mm、排出流路的数量为2、集水元件流路方向相邻的多个排水流路之间的最长间隔为840mm。因为排出流路的开口长度的总和为100mm(＝2×50mm)，所以相对于1000mm的过滤元件的长度为10％。因为排出流路之间的最长间隔为840mm，所以对于1000mm的过滤元件的长度为84％。另外，排出流路的开口与端面的距离为单侧30mm、合计(两侧)60mm(100mm+840mm+60mm＝1000mm)。该陶瓷渗透汽化膜中，中间层为2层、支撑体一侧的中间层的平均气孔直径为0.5μm、分离膜一侧的平均气孔直径为0.1μm。设置于中间层上的分离膜为酰亚胺系碳膜。过滤元件，集水元件均排成列，2列集水元件之间的过滤元件的列数为5，该数量固定。此外，整体的过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为5.6。

[渗透汽化(Pervaporation)试验]将1根上述的陶瓷渗透汽化膜(陶瓷渗透汽化膜41)安装在图8所示的分离装置内，用此进行试验。陶瓷渗透汽化膜41装入罐体42，陶瓷渗透汽化膜41的入口一侧(设置有分离膜的过滤元件一侧)的浓度为50质量％，流入温度为50℃的乙醇水溶液43，并重复上述操作。在此期间，在陶瓷渗透汽化膜41的出口一侧(集水元件一侧)，用未图示的真空泵45减压至10Torr。透过的蒸汽通过冷阱装置44，冷却后回收，测定其质量和浓度，同时，测定分离处理所要的时间。然后，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度。其结果与过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类、排出流路的数量、排出流路的截面形状(显示图)、(相对于过滤元件长度、与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度的总和所占比例、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例均如表2所示。

[每1根的水透过量]透过的蒸汽质量除以所需时间的值。

[单位膜面积的水透过速度]根据陶瓷渗透汽化膜的上述形状、尺寸，通过计算，求出分离膜的面积，再将每1根的水透过量除以分离膜的面积的值。

(实施例2～8、比较例1)排出流路的数量、排出流路的截面形状、(与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例中的任意1项以上有所改变的陶瓷渗透汽化膜被使用。除此之外，与实施例1同样地进行渗透汽化试验，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度。其结果与过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类、排出流路的数量、排出流路的截面形状(显示图)、(相对于过滤元件长度、与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度总和所占比例、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例均如表2所示。

(实施例9～16、比较例2)使用2列集水元件之间的过滤元件的列数为2(一定)、整体的过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为2.1的陶瓷渗透汽化膜，与实施例1～8、比较例1同样地进行渗透汽化试验，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度。其结果与过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类、排出流路的数量、排出流路的截面形状(显示图)、(相对于过滤元件长度、与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度总和所占比例、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例均如表2所示。

(实施例17～24、比较例3)使用2列集水元件之间的过滤元件的列数为3(一定)、整体的过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为3.2的陶瓷渗透汽化膜，与实施例1～8、比较例1同样地进行渗透汽化试验，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度。其结果与过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类、排出流路的数量、排出流路的截面形状(显示图)、(相对于过滤元件长度、与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度总和所占比例、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例均如表2所示。

[考察]根据表2所示的结果可知，相对于过滤元件的长度，与集水元件流路方向相平行的排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上时，单位膜面积的水透过速度变大。此外，相对于过滤元件的长度，集水元件流路方向相邻的多个排出流路之间的最长间隔所占比例在78％以下时，单位膜面积的水透过速度变大，在43％以下时单位膜面积的水透过速度更大(参照实施例2、4)，在27％以下时单位膜面积的水透过速度特别大(参照实施例3、5)。

(实施例25)使用外形为圆柱形，外径为180mm、长度为1000mm(过滤元件和集水元件的长度各自为1000mm)的过滤元件的直径为2.5mm，截面形状为(四角呈圆弧的)四角形的集水元件中的四角形为2.5mm(长边)×2mm(短边)，过滤元件与集水元件之间的壁厚为0.65mm，过滤元件与过滤元件之间的壁厚为0.65mm的氧化铝制(骨料颗粒为氧化铝)整体型的陶瓷渗透汽化膜。与集水元件流路方向相平行的排出流路开口长度为每个50mm，排出流路的数量为4，集水元件流路方向相邻的多个排水流路之间的最长间隔为430mm。由于排出流路的开口长度的总和为200mm(＝4×50mm)，因此对于1000mm的过滤元件的长度为20％。由于排出流路之间的最长间隔为430mm，因此对于1000mm的过滤元件的长度为43％。该陶瓷渗透汽化膜中，中间层为2层，支撑体一侧的中间层的平均气孔直径为0.5μm，分离膜一侧的中间层的平均气孔直径为0.1μm。设置于中间层上的分离膜为酰亚胺系碳膜。过滤元件，集水元件均成列排列，2列集水元件之间的过滤元件的列数为3，该数量是一定的。此外，整体的过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为3.2。

[渗透汽化(Pervaporation)试验]将1根上述的陶瓷渗透汽化膜(陶瓷渗透汽化膜41)安装在图8所示的分离装置内，用此进行试验。陶瓷渗透汽化膜41装入罐体42，陶瓷渗透汽化膜41的入口一侧(设置有分离膜的过滤元件一侧)的浓度为50质量％，流入温度为50℃的乙醇水溶液43，并重复上述操作。在此期间，在陶瓷渗透汽化膜41的出口一侧(集水元件一侧)，用未图示的真空泵45减压至50Torr。透过的蒸汽通过冷阱装置44，冷却后回收，测定其质量和浓度，同时，测定分离处理所要的时间。此外，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度、分离系数。过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类、排出流路的数量、排出流路的截面形状(显示图)、(相对于过滤元件长度、与集水元件流路方向相平行的)排出流路的开口长度总和所占比例、(相对于过滤元件的长度、集水元件流路方向相邻的多个)排出流路之间的最长间隔所占比例的结果均如表3所示。

[分离系数]以下式(8)求得的值。

分离系数＝((透过气体中水的浓度)/(透过气体中乙醇的浓度))/((供给液中水的浓度)/(供给液中乙醇的浓度)) …(8)

(实施例26～34、比较例4)过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、以及分类膜的种类中的任意1项以上有所改变的陶瓷渗透汽化膜被使用。除此以外，与实施例25同样地进行渗透汽化试验，求出每1根的水透过量、单位膜面积的水透过速度、分离系数。其结果与过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n、2列集水元件之间的过滤元件的列数、过滤元件的长度、过滤元件的截面形状、分离膜的种类均如表2所示。

[考察]根据表3所示的结果可知，过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4时(2列集水元件之间的过滤元件列数为1～3时)，单位膜面积的水透过速度变大。

另外，根据表3所示的结果可知，过滤元件的长度即使超过1500mm，较之于1500mm的情况，因为每1根的水透过量不会有太大变化，因此可知限制过滤元件的长度将更为理想。

上述实施例25～34的条件中，求出分离系数为1～13时的透过气体中水的浓度，其透过气体中水的浓度与分离系数的关系如图9所示。根据图9可知，要提高透过气体中水的浓度(大于80质量％)，需要使分离系数在4以上，分离系数不足3时，透过气体中水的浓度会急速下降。因此，分离系数优选在4以上(高)，这样，根据表3所示的结果，可知过滤元件的截面形状为圆形将更为理想。

产业上的可利用性

本发明涉及的陶瓷渗透汽化膜，适用于通过渗透汽化法从混合流体(混合物)中分离出部分成分的分离方法。

Claims

1.一种陶瓷渗透汽化膜，具备多孔体和分离膜；

所述多孔体具有两个端面和外周面，设有贯穿一个端面至另一个端面排成列的多个过滤元件，贯穿一个端面至另一个端面排成列的同时两个端面的开口被封闭的多个集水元件，以及使该集水元件与外部空间连通而设置的排出流路，

所述分离膜配置于所述多孔体的过滤元件的内壁面，

相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上。

2.如权利要求1记载的陶瓷渗透汽化膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在20％以上。

3.如权利要求1或2记载的陶瓷渗透汽化膜，形成多个所述排出流路，

相对于所述过滤元件的长度，所述集水元件的流路方向邻接的多个所述排出流路之间的最长间隔所占比例在45％以下。

4.如权利要求1～3任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，所述过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4。

5.如权利要求1～4任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数在3以下。

6.如权利要求1～5任意一项所述的陶瓷渗透汽化膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。

7.一种陶瓷渗透汽化膜，具备多孔体和分离膜；

所述分离膜配置于所述多孔体的过滤元件的内壁面，

过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4。

8.如权利要求7记载的陶瓷渗透汽化膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数在3以下。

9.如权利要求7或8记载的陶瓷渗透汽化膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。

10.如权利要求7～9任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，所述过滤元件的长度为300mm、1500mm以下。

11.如权利要求7～10任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，所述过滤元件的截面形状为圆形。

12.如权利要求7～11任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上。

13.如权利要求7～12任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在20％以上。

14.如权利要求7～13任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，形成多个所述排出流路，

相对于所述过滤元件的长度，所述集水元件的流路方向相邻的多个所述排出流路之间的最长间隔所占比例在45％以下。

15.一种脱水方法，使用权利要求7～11任意一项记载的陶瓷渗透汽化膜，从水溶液或水与有机溶剂的混相液中以蒸汽形态除去水分。

16.一种陶瓷蒸汽透过膜，具备多孔体和分离膜；

所述分离膜配置于所述多孔体的过滤元件的内壁面，

17.如权利要求16记载的陶瓷蒸汽透过膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在20％以上。

18.如权利要求16或17记载的陶瓷蒸汽透过膜，形成多个所述排出流路，

19.如权利要求16～18任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，所述过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4。

20.如权利要求16～19任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数在3以下。

21.如权利要求16～20任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。

22.一种陶瓷蒸汽透过膜，具备多孔体和分离膜；

所述分离膜配置于所述多孔体的过滤元件的内壁面，

过滤元件的列数m与集水元件的列数n之比m/n为1～4。

23.如权利要求22记载的陶瓷蒸汽透过膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数在3以下。

24.如权利要求22或23记载的陶瓷蒸汽透过膜，2列所述集水元件之间的所述过滤元件的列数为2，过滤元件与集水元件总是保持邻接。

25.如权利要求22～24任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，所述过滤元件的长度为300mm以上、1500mm以下。

26.如权利要求22～25任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，所述过滤元件的截面形状为圆形。

27.如权利要求22～26任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在10％以上。

28.如权利要求22～27任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，相对于所述过滤元件的长度，与所述集水元件流路方向相平行的所述排出流路的开口长度总和所占比例在20％以上。

29.如权利要求22～28任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，形成多个所述排出流路，

30.一种脱水方法，使用权利要求22～26任意一项记载的陶瓷蒸汽透过膜，从水与有机溶剂的混合气体中以蒸汽形态除去水分。