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JP2026018298A - 二酸化炭素直接空気回収用モジュールおよび二酸化炭素直接空気回収装置 - Google Patents

二酸化炭素直接空気回収用モジュールおよび二酸化炭素直接空気回収装置

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JP2026018298A
JP2026018298A JP2024119569A JP2024119569A JP2026018298A JP 2026018298 A JP2026018298 A JP 2026018298A JP 2024119569 A JP2024119569 A JP 2024119569A JP 2024119569 A JP2024119569 A JP 2024119569A JP 2026018298 A JP2026018298 A JP 2026018298A
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Original Assignee
3M Innovative Properties Co
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Abstract

【課題】二酸化炭素直接空気回収に使用可能であり、効率改善と費用抑制とを実現できる、二酸化炭素直接空気回収用モジュールを提供する。
【解決手段】二酸化炭素直接空気回収用モジュールは、熱溶着可能な材料で構成された2枚のシート11、12により形成された袋部13を有し、袋部13の周囲が熱溶着されていることで袋部13が構成されており、2枚のシート11、12の少なくとも一方はマイクロポーラスフィルムである。ここで、マイクロポーラスフィルムとは、熱可塑性ポリマーで構成され、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有し、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が、0.05μm以上10μm未満であるフィルムをいう。
【選択図】図1

Description

本願発明は、二酸化炭素直接空気回収用モジュールおよび二酸化炭素直接空気回収装置に関する。
特許文献1(特表2010-532710号)には、燃焼排ガスから二酸化炭素を回収する技術として「吸着物質を含む中空糸と、中空糸内部に配置された内腔と、前記内腔と前記吸収物質との間の流体連通を防止するための、前記内腔を覆うバリア層とを含む、吸着繊維。」が記載されている。
特表2010-532710号
本開示の一実施態様にかかる二酸化炭素直接空気回収用モジュール(以下、DACモジュール)は、熱溶着可能な材料で構成された2枚のシートにより形成された袋部を有し、袋部の周囲が熱溶着されていることで袋部が構成されており、2枚のシートの少なくとも一方はマイクロポーラスフィルムであり、マイクロポーラスフィルムは、熱可塑性ポリマーで構成され、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有し、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が、0.05μm以上10μm未満であるフィルムをいう。
本開示の第1実施形態にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。 本開示の第1実施形態にかかる例示的なDACモジュールの概略平面図である。 本開示の第1実施形態の第1変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。 本開示の第1実施形態の第1変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略平面図である。 本開示の第1実施形態の第2変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。 本開示の第1実施形態の第3変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。 本開示の第1実施形態の第4変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。 本開示の第2実施形態にかかる例示的なDACモジュールのx-y平面における概略断面図である。 本開示の第2実施形態にかかる例示的なDACモジュールのy-z平面における概略断面図である。 本開示の第2実施形態にかかる例示的な二酸化炭素直接空気回収装置(以下、DAC装置)のx-y平面における概略断面図である。 本開示の第2実施形態の第1変形例にかかる例示的なDAC装置のy-z平面における概略断面図である。 本開示の第3実施形態にかかる例示的なDACモジュールのx-y平面における概略断面図である。 本開示の第3実施形態にかかる例示的なDACモジュールのy-z平面における概略断面図である。 本開示の第3実施形態にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。 本開示の第3実施形態の第1変形例にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。 本開示の第4実施形態にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。 本開示の第4実施形態にかかる例示的なDAC装置のy-z平面における概略断面図である。 本開示の第5実施形態にかかる例示的なDAC装置の概略断面図である。 試験例で得られた破過曲線である。 試験例で得られた放出曲線である。
地球温暖化対策の一環として、発生源からの排気ガスや大気中の二酸化炭素を回収する技術が望まれている。中でも、大気中の二酸化炭素を直接回収する技術は、「二酸化炭素直接空気回収」(DAC:Direct Air Capture)と呼ばれる。二酸化炭素直接空気回収は、発生源における排気ガスからの二酸化炭素回収と比較して、実施場所の制約が少なく、処理されるガス中の二酸化炭素濃度が低く(例えば、500ppm未満)、かつ、動作温度が低い(例えば、110℃未満)という特徴がある。かかる特徴に適合した、二酸化炭素直接空気回収技術の開発、改善が必要とされている。
本開示は、かかる課題に鑑みて構成されたものであり、二酸化炭素直接空気回収に使用可能であり、効率改善と費用抑制とを実現できる、二酸化炭素直接空気回収用モジュールを提供することを課題とする。
本発明者は、かかる課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
二酸化炭素直接空気回収では、相対的に低温な環境下で二酸化炭素を吸収し、想定的に高温な環境下で二酸化炭素を放出する、二酸化炭素吸収剤(CO2absorbent)が用いられる。
従来の二酸化炭素直接空気回収技術(例えば、Kikkawa et al., ACS Environ. Au 2022, 2, 354-362)では、溶媒中の二酸化炭素吸収剤が用いられてきたが、二酸化炭素を放出させるために溶媒を含めて加熱する必要があり、エネルギー効率に改善の余地があった。
多孔質の部材に二酸化炭素吸収剤を担持させることも考えられる。しかしながら、かかる態様では、二酸化炭素のキャリアガスと二酸化炭素吸収剤を接触させる上で拡散が律速段階となる。このため、ガス交換(二酸化炭素の吸収と放出)の速度に改善の余地がある。
マイクロポーラスフィルムは、液体を透過せずにガスを透過するフィルムである。かかるマイクロポーラスフィルムに二酸化炭素吸収剤を担持させることで、二酸化炭素直接空気回収用のモジュールを構成することができる。かかるモジュールでは、マイクロポーラスフィルムを一方の面から他方の面へと横断するようにガスを通流させることで、二酸化炭素吸収剤とガスとの接触を促進でき、ガス交換(二酸化炭素の吸収と放出)を効率化できる。マイクロポーラスフィルムは全面に略均一に細孔を有するため、フィルムの細孔壁面を含む全表面積は、一般的な不織布などと比較して大きい。マイクロポーラスフィルム自体に略均一に二酸化炭素吸収剤を担持させることで、極めて効率的かつ効果的なガス交換(二酸化炭素の吸収と放出)が実現できる。モジュールは大量の溶媒を含まないため、二酸化炭素を放出させる際の加熱量を低減でき、よりエネルギー効率のよい二酸化炭素直接空気回収も実現できる。また、マイクロポーラスフィルムは、安価かつ熱溶着可能であるため、袋状のモジュールを低コストで容易に製造できるというメリットもある。
マイクロポーラスフィルムを用いた袋状のモジュールにおいて、二酸化炭素吸収剤を担持させることは必須ではない。マイクロポーラスフィルムは、液体を透過せずにガスを透過する。かかる特性を利用して、溶液状態の二酸化炭素吸収剤と組み合わせ、二酸化炭素直接空気回収に使用することができる。かかる構成でも、ガスと二酸化炭素吸収剤との効率的な接触が実現でき、かつ、袋状のモジュールを低コストで容易に製造できるというメリットが得られる。
なお、上記は本開示が完成されるまでの経緯と発想をあくまで便宜的に説明するものであり、本開示の内容、特に特許請求の範囲の限定解釈に用いられるべきものではない。
<用語>
本開示において、「熱溶着」とは、樹脂等からなる2つの対象物それぞれの表面の少なくとも一部を加熱により溶融させ、圧力を適用することで、2つの対象物を結合することをいう。熱溶着には、ヒートシール、超音波、高周波、インパルスシーラーやレーザーによる接合が用いられうる。部位に応じて、気密な(接合部分を通じたガス漏れのない)熱溶着が選択されうる。
本開示において、「熱溶着可能」とは、熱溶着により接着可能であることをいい、具体的には例えば、120℃以上300℃以下の温度で熱溶着が可能であることをいう。なお、熱溶着に用いられる温度は、材料により異なる。120℃以上250℃以下、あるいは130℃以上200℃以下の温度で熱溶着が可能である場合に熱溶着可能としてもよい。
本開示において、「シート」および「フィルム」は実質的に同義であり、薄くて平らな可撓性の部材をいう。「シート」および「フィルム」の厚みは、1μm超1000μm未満であってもよいし、5μm超800μm未満であってもよいし、10μm超600μm未満であってもよいし、15μm超400μm未満であってもよいし、20μm超200μm未満であってもよいし、25μm超150μm未満であってもよい。
本開示において、「ガス透過性」とは、ISO 5636-5:2003(ガーレー試験機法)に基づく透気度が500秒/100cc未満であることをいう。
本開示において、「二酸化炭素直接空気回収用モジュール」とは、モジュールが二酸化炭素直接空気回収(DAC)への使用に適していることをいう。よって、モジュールが他の二酸化炭素回収用途(例えば、発生源における回収)に使用されるとしても、当該モジュールが二酸化炭素直接空気回収(DAC)への使用に適していれば、「二酸化炭素直接空気回収用モジュール」に該当する。
<第1実施形態>
[モジュール構成]
図1は、本開示の第1実施形態にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。図2は、本開示の第1実施形態にかかる例示的なDACモジュールの概略平面図である。
図1、図2に示すように、DACモジュール100は、それぞれ熱溶着可能な材料で構成された、第1シート11及び第2シート12を有する。袋部13の周囲において、第1シート11及び第2シート12が熱溶着されることで、袋部13が構成される。第1シート11及び第2シート12が熱溶着された部分は、溶着部14を構成している。図1において、第1シート11及び第2シート12は、それぞれ1枚(単層)として示されているが、2枚以上(複層)であってもよい。第1シート11及び第2シート12は気密に熱溶着されることが好ましく、溶着部14は気密な溶着部であることが好ましい。
袋部13は、少なくとも三方が溶着により封止されることで、内部に供給されたガス等の流体が一定程度保持できる構造を有する。袋部13の形状は、矩形、多角形、楕円形、円形、不定形等、特に限定されない。袋部13は、エンベロープ(封筒)状の形状を有するエンベロープ部であってもよい。
図2に示すように、袋部13は全周が封止されていてもよい。この場合、DACモジュール100の使用時において、袋部13に流体出入口(図示せず)が設けられ、例えば、袋部13へのガス供給ないし袋部13からのガス取り出しが行われてもよい。1個のDACモジュール100につき1個の流体出入口が設けられてもよいし、複数の流体出入口が設けられてもよい。後者では、袋部13内における流体の流れを均一化しやすくなる。
DACモジュール100の端部に流体通流管が取り付けられ、流体通流管に設けられて袋部13の内部に開口する流体出入口を通じて、袋部13の内部へと流体が供給され、あるいは袋部13の内部から流体が取り出されてもよい。1個の流体通流管が複数のDACモジュールにより共有されてもよい。かかる構成では、袋部13内部での圧力損失が緩和される。
第1シート11及び第2シート12のうち、少なくともいずれか一方は、マイクロポーラスフィルム(以下、MPF)である。MPFは、熱可塑性ポリマーで構成され、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有し、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が、0.05μm以上10μm未満であるフィルムである。
熱可塑性ポリマーとしては、ポリオレフィン、縮合ポリマー、酸化ポリマーが含まれる。ポリオレフィンには、例えば、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリビニル含有ポリマー、ブタジエン含有ポリマー、アクリレート含有ポリマー等が含まれる。縮合ポリマーには、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリスルホン等が含まれる。酸化ポリマーには、例えば、ポリフェニレンオキシド等が含まれる。熱可塑性ポリマーには、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリエステル、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)等も含まれる。
MPFとしては、例えば、3M製のマイクロポーラスフィルム(スリーエムジャパンイノベーション株式会社、品川、日本)を用いることができる。3M製のマイクロポーラスフィルムは、ポリプロピレン及び有機フィラーで構成された多孔質フィルムであり、互いに連通した0.3μm以下の微細孔によるマイクロスポンジ構造により、防水性と透湿性が両立されている。3M製のマイクロポーラスフィルムを参考にすれば、MPFは、厚みを30-50μm、JIS P8113による引張強度を、原反長手方向で5-10N/cm、原反幅方向で5-10N/cm、JIS P8113による引張伸度を、原反長手方向で200-400%、原反幅方向で200-400%、JIS P8117による透気度を20-400秒/100cc、JIS L1099による透湿度を5000-20000g/m・24hrとすることができる。
MPFおよびその製造方法の詳細については、例えば、特開平1-101340号公報(対応米国特許第4867881号)に詳細に記載されており、その記載内容は引用により本願明細書に組み込まれる。同文献に開示されるMPFは、連続孔の網状組織を与えるように隣接セルが通路によって連結されている多数のセルを有する熱可塑性ポリマー構造物からなる微孔性物品である。該セルは繊維状、レース状、または半連続状の境界によって包まれた空隙空間からなり、かつ楕円体状の形状である。該構造物は少なくとも一方向に配向(延伸)されている。
MPFは、熱可塑性ポリマー及び相溶性液体を含む均質溶液から熱的に液-液相分離を誘発することにより形成された熱可塑性ポリマー構造物からなる微孔性物品であってもよい。該構造物は、連続孔の網状組織を与えるように隣接するセルが通路によって連結されている多数のセルを有し、該セルは繊維状、レース状、または半連続状の境界によって含まれた空隙空間からなり、かつ楕円体状の形状であってもよい。該構造物は、少なくとも一方向に配向(延伸)されていてもよい。配向(延伸)は、相溶性液体の少なくとも実質的部分を除去する前に行われてもよいし、除去した後に行われてもよい。
相溶性液体は熱可塑性ポリマーの溶融温度より高い温度に加熱されたときに熱可塑性ポリマーとの溶液を形成することができる材料であって、かつ、冷却したときに液-固相分離ではなく液-液相分離によってポリマーから相分離する材料である。この液体の、ポリマーとの相溶性は透明な均質溶液を生成するようにポリマーと液体を加熱することによって測定することができる。ポリマーと液体の溶液がどの液体濃度でも生成できない場合には、その液体はそのポリマーと共に使用するのに不適である。実際、使用される液体は室温では固体であるがポリマーの溶融温度では液体である化合物でもよい。具体的液体の、与えられたポリマーに対する操作性は絶対的確実性をもつて予測することができない。しかしながら、或る種のガイドラインは記述することができる。無極性ポリマーのためには、同じような室温溶解度パラメーターを有する無極性有機液体が溶液温度で一般に有効である。同様に、極性有機液体は極性ポリマーに対して一般に有効である。複数のブレンドまたはポリマーを使用する場合に有効な液体は使用されるポリマーのそれぞれのための相溶性液体であるものである。ポリマーがスチレン-ブタジエンのようなブロックコポリマーである場合には、選択される液体はポリマーブロックの各タイプと相溶性でなければならない。2種類以上の液体のブレンドも、選択されたポリマーがポリマー溶融温度で液体ブレンド中に可溶性であって、かつ生成された溶液が冷却時に液-液相分離によって分離する限り、相溶性液体として使用することができる。
脂肪族および芳香族の酸、脂肪族、芳香族、および環状のアルコール、アルデヒド、第一および第二アミン、芳香族およびエトキシル化アミン、ジアミン、アミド、エステル、およびジエステル、エーテル、ケント、および種々の炭化水素およびヘテロ環などを含む、様々なタイプの有機化合物が相溶性液体として有効であることが判明している。選択されたポリマーがポリプロピレンである場合には、フタル酸ジブチルのようなエステルやジベンジルエーテルのようなエーテルが相溶性液体として有効である。高密度ポリエチレンがポリマーである場合には、メチルノニルケトンのような脂肪族ケトンやフタル酸ジオクチルのようなエステルが相溶性液体として有効である。低密度ポリエチレンと共に使用するための相溶性液体はデカン酸やオレイン酸のような脂肪族酸や、デシルアルコールのような第一アルコールなどである。選択されたポリマーがナイロン11である場合には、プロピレンカーボネートやエチレンカーボネートやテトラメチレンスルホンのようなエステルが相溶性液体として有効である。選択されたポリマーがポリメチルメタクリレートである場合には、有効な相溶性液体は1,4-ブタンジオール、ラウリン酸などである。ポリマーポリフェニレンオキシドと共に使用するための相溶性液体は例えばタロウアミンである。
MPFは、構成材料となるポリマーの真密度の10~90%の見かけ密度を有しうる。
MPFのASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径は、0.05μm以上10μm未満であってもよく、0.1μm以上5μm未満であってもよく、0.15μm以上2μm未満であってもよく、0.2μm以上1μm未満であってもよい。
MPFが、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有することは、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が0.05μm以上であることにより確認することができる。すなわち、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が0.05μm以上であれば、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有するといえる。
MPFには、不織布は含まれない。なお、不織布は、一般に、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が10μm以上である。
MPFのガス透過性は、例えば、ISO 5636-5:2003(ガーレー試験機法)に基づく透気抵抗度が、20秒/100mL超500秒/100mL未満である。該透気度は、50秒/100mL超450秒/100mL未満、80秒/100mL超400秒/100mL未満、90秒/100mL超300秒/100mL未満であってもよい。
MPFは、他の材料の塗布(付着)、インビビション(吸収)、含浸等によって改質されてもよい。かかる改質は、相溶性液体を除去する前に行われてもよいし、後に行われてもよい。なお、相溶性液体の除去は、溶剤抽出、揮発化等の公知の方法により行われうる。二酸化炭素吸収剤は、細孔内部に残留する相溶性液体中に溶解ないし分散していてもよいし、相溶性液体が除去された細孔の内壁に液体として付着していてもよい。
塗布(付着)、インビビション(吸収)、含浸等の改質により、MPFは、二酸化炭素吸収剤を有してもよく、MPFの細孔内部に二酸化炭素吸収剤を有してもよい。MPFは、その全面に亘って二酸化炭素吸収剤を有してもよい。
二酸化炭素吸収剤としては、例えば、アミン系の吸収剤を用いることができる。二酸化炭素直接空気回収では、相対的に低温な環境下で二酸化炭素を吸収し、想定的に高温な環境下で二酸化炭素を放出するという操作を行うため、アミン系の吸収剤としてはなるべく低温で二酸化炭素を放出し、かつ、その温度での揮発量が少ない、すなわち、蒸気圧の低いものを好適に用いることができる。具体的には例えば、モノエタノールアミン、1-(2-ヒドロキシエチル)ピペラジンや多官能アミン(例えば、ヘキサメチレンジアミン、ジヘキシルアミン、ジオクチルアミン、トリヘキシルアミン、ペンタエチレンヘキサミン(PEHA)、ヘキサエチレンヘプタミン(HEHA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、ポリエチレンイミン(エポミンSP-003、SP-006、SP-012、SP-018、SP-200、HM-2000、P-1000、P-3000、いずれも日本触媒株式会社製))、疎水性のフェニル基を有するアルキルアミン(例えば、ベンジルアミン、フェネチルアミン、4-メトキシベンジルアミン、4メトキシトリフルオロベンジルアミン)、アミノシクロヘキシル基を有するジアミン(具体的には例えば、イソフォロンジアミン[IPDA:3-(アミノメチル)-3,5,5-トリメチルキクロヘキシルアミン]、4,4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)(MBMCHA)、trans-1,2-ジアミノシクロヘキサン、1,3-シクロヘキサンジアミン、trans-1,4-ジアミノシクロヘキサン)、などがあげられる。
アミンの二酸化炭素の吸収性能を高める補助剤や酸化劣化を軽減するための添加物をブレンドしても良い。このような補助剤として、ポリエチレングリコール、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、2-(2-アミノエチルアミノ)エタノール、アミノメチルプロパノール、など、劣化防止剤として、3,3’-ジチオジプロピオン酸などがあげられる。
金属有機構造体(MOF:Metal Organic Framework)を二酸化炭素吸収剤としてもよい。この場合、MPFを製造する際に、材料(熱可塑性ポリマー及び相溶性液体を含む溶液)にMOFが添加されうる。
MPFが二酸化炭素吸収剤を有する場合において、二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる方法は、特に限定されず、上述したように、塗布(付着)、インビビション(吸収)、含浸等によるMPFの改質に加え、MPF製造時の材料への二酸化炭素吸収剤の添加等が含まれる。
なお、ある物質が二酸化炭素を吸収することで別の物質に化学変化し、当該別の物質が二酸化炭素を放出することで元の物質に戻る場合には、当該変化の前後の物質を併せて「二酸化炭素吸収剤」と呼称する。
MPFの改質に用いられた二酸化炭素吸収剤は、MPFが有する、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔の壁表面に分布しうる。この場合、MPFの一方の主面から他方の主面へと貫通するように二酸化炭素を含むガスを通流させることで、二酸化炭素を含むガスを効率的に二酸化炭素吸収剤に接触させ、二酸化炭素を吸収させることができる。また、MPFの一方の主面から他方の主面へと貫通するようにキャリアガスを通流させつつ温度を上昇させることで、二酸化炭素濃度の低い新鮮なキャリアガスを効率的に二酸化炭素吸収剤へ接触させることができ、二酸化炭素を効率的にキャリアガスへと放出させ、取り出すことができる。
第1シート11及び第2シート12のうち、他方は、上述したMPFと同様なMPFであってもよいし、上述したMPFとは異なる熱可塑性ポリマーフィルム、例えば、ガス透過性を有しない熱可塑性ポリマーフィルム(例えば、ポリオレフィンフィルムFLJ-386(スリーエムジャパンプロダクツ製)、DIFARENB1130TA(DIC株式会社製)、パイレンフィルムCTシリーズ(東洋紡株式会社製)、無延伸ポリプロピレンフィルムFCMN(フラムラ化学株式会社製、無延伸プロピレンフィルムCP-GLC(アールエム東セロ株式会社製))であってもよいし、アルミニウム層を有する熱可塑性ポリマーフィルム(例えば、トレファンNOシリーズ(東レフィルム加工株式会社製)、PTP包装材チャイルドプルーフやトーヤルロータス(ともに東洋アルミニウム製)、ALT-PP(株式会社カナエ製)、など)であってもよい。
袋部13へガスが供給される場合、袋部13の内部は陽圧となり、袋部13に設けられた流体の出入口(図示せず)を通じて袋部13の内部へと供給されたガスは、MPFを通過(横断)して、袋部13の外部へと流出する。袋部13から流体の出入口を通じてガスが取り出される場合、袋部13の内部は陰圧となり、袋部13の外部にあるガスが、MPFを通過(横断)して袋部13の内部へと流入する。
後述する変形例のように、DACモジュールは、袋部13の内部および外部において流体が通流しやくするためのスペーサ層を備えてもよい。スペーサ層は、第1シート11及び第2シート12のいずれか一方と一体的に単一部材として構成されてもよいし、第1シート11及び第2シート12とは分離した別個の部材であってもよい。
本実施形態では、DACモジュールを低コストで容易に製造できる。MPFを面的に通過させることで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となり、効率的な二酸化炭素の吸収と放出も可能となる。
本実施形態において、MPFに二酸化炭素吸収剤を含有させた場合には、更に、溶媒(水等)の加熱に必要なエネルギーが低減されると共に、MPF内をガスが通過することで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となり、効率的な二酸化炭素の吸収と放出が可能となる。
[第1変形例]
図3は、本開示の第1実施形態の第1変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。図4は、本開示の第1実施形態の第1変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略平面図である。
図3に示すように、第2変形例のDACモジュール100Aは、第1実施形態のDACモジュール100において、袋部13に流体出入口17が配置され、流体出入口17に流体通流管18が挿入されている。流体出入口17及び流体通流管18以外の構成は、第1実施形態のDACモジュール100と同様であるので、共通する要素については同一の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。
流体出入口17は、袋部13の外部から内部へと流体を供給し、あるいは、袋部13の内部から外部へと流体を取り出すことができるように構成されている。より具体的には例えば、流体出入口17は、溶着部14に配置された開口部とすることができる。流体出入口17は、袋部13において第1シート11ないし第2シート12を断面方向に貫通するように配置された開口部であってもよい。
流体通流管18は、例えば、熱溶着可能な材料(熱可塑性ポリマー等)で構成されたチューブとすることができる。流体通流管18を熱溶着可能な材料で構成すると、流体通流管18を熱溶着により容易かつ低コストに袋部13へと固定することができる。流体通流管18と袋部13(第1シート11及び第2シート12)とは、気密に熱溶着されていることが好ましい。
流体通流管18は、両端が開口しており、一端19が袋部13の内部に配置され、他端が袋部13の外部に配置されている。かかる構成では、流体通流管18を通じて、袋部13の外部から内部へと流体を供給し、あるいは、袋部13の内部から外部へと流体を取り出すことができる。
例えば、袋部と流体通流管とが一体化されている場合において、流体通流管の開口部を流体出入口としてもよい。
図3、4に示す例では、流体出入口17に流体通流管18が挿入されているが、流体通流管18は必須ではない。流体出入口17(ないし、流体出入口17に挿入された流体通流管18)は複数設けられてもよい。流体通流管18は袋部13の内部において、複数の開口部を有していてもよい。
[第2変形例]
図5は、本開示の第1実施形態の第2変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。
図5に示すように、第2変形例のDACモジュール200は、第1実施形態のDACモジュール100において、第1シート11と第2シート12との間、袋部13の内部に、第1スペーサ層15を備えている。第1スペーサ層15以外の構成は、第1実施形態のDACモジュール100と同様であるので、共通する要素については同一の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。
第1スペーサ層15は、袋部13の内部に、第1シート11及び第2シート12と平行に、第1シート11及び第2シート12と隣接して配置されている。第1スペーサ層15は、第1シート11と第2シート12とを離間させ、流体の流路を形成し、袋部13の内壁がもたらす抵抗を軽減することで、袋部13の内部における流体の通流を容易にする。第1スペーサ層15と、第1シート11及び第2シート12の少なくともいずれか一方とは、一体的に形成された単一部材であってもよい。
第1スペーサ層15は、熱可塑性樹脂で構成され、第1シート11及び第2シート12の少なくともいずれか一方に対し、熱溶着により固定されていてもよい。
第1スペーサ層15は、メカニカルファスナ(面ファスナ)、不織布、ネット(網状部材)等により構成されうる。スペーサ層の厚みは、例えば、0.01mm超5mm未満、0.1mm超3mm未満、0.2mm超2mm未満等とすることができる。
メカニカルファスナとしては、任意の公知ないし非公知の構成を採用することができる。フック材とフック材との組み合わせからなるデュアルフック式のメカニカルファスナであってもよいし、フック材とループ材との組み合わせからなるフック・アンド・ループ式のメカニカルファスナであってもよく、単一のフック材(メカニカルフック)ないしループ材(メカニカルループ)のみを用いてもよい。本実施形態は、メカニカルファスナを、袋部13の内部における流体に対する摩擦抵抗を軽減するためのスペーサ層として流用するものであり、2つの部材を結合するメカニカルファスナとしての機能は実質的に使用されない。
メカニカルファスナの一部又は全体が熱可塑性樹脂で構成されてもよい。好適な熱可塑性樹脂としては、限定されるものではないが、ポリオレフィン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、フッ素化ポリマー、塩素化ポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリビニルアセテート、ビニルアセテートのコポリマー、例えばポリエチレン-co-ポリビニルアルコール等、ポリホスファゼン、ポリビニルエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルアルコール、及びポリカーボネートが挙げられる。
メカニカルファスナ層は、基材の上にフック材ないしループ材が設けられた「ファスニングテープ」として構成されうる。基材は、ガス透過性を有しない構成であってもよいし、ガス透過性を有する構成であってもよい。
基材に適当な材料としては、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレン-ポリエチレンブロックコポリマー、ポリエステル、塩化ビニル、ポリアセテート、ポリアミド、木綿等を挙げることができる。これらの材料は、単独で使用してもよく、あるいは2種類もしくはそれ以上を組み合わせて使用してもよく、また、これらの材料は、シート又はフィルム状の成形体であってもよく、あるいは織布、不織布、編織布等の形態であってもよい。特に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレン-ポリエチレン共重合体あるいはその混合物は、適度な柔軟性があり、低コストであるので、使い捨ておむつの用途に好適である。フック材にあわせて、それと同一もしくは類似のポリプロピレン樹脂とポリエチレン樹脂の混合物からなる成形体から基材を構成するのが最も好適である。
フック材の形成に適当な材料としては、以下に列挙するものに限定されるわけではないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレン-ポリエチレンブロックコポリマー、ポリエステル、塩化ビニル、ポリアセテート、ポリアミド、エラストマー等の樹脂材料を挙げることができる。特に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレン-ポリエチレン共重合体、ポリエステル、エラストマーあるいはその混合物が本発明の実施に好適である。
フック材は、通常、支持体上に多数個のフックが一体的に結合せしめられた構造を有している。フックは、支持体の上に秩序的に配列されていてもよく、無秩序に配列されていてもよい。ここで、支持体に対するフックの一体的結合は、いろいろな形態を包含することができ、例えば、支持体との同時成形による一体化、支持体に対する埋め込みあるいは植え付け、接着剤による接合などを挙げることができる。支持体との同時成形による一体化が最も好適である。フックの形状は、対をなすフック材のフックあるいはループ材のループに絡み合って所期の締結を可能とする限りに特に限定されないというものの、この技術分野において多用されているように、マッシュルーム形、かぎ形、ピン形あるいはそれに類する突起体の形状であることが好ましい。フック材は、例えば、特表平6-500486号公報、特表平8-508910号公報などに記載の方法によって製造することができる。
フック材において、フックを支持する支持体の厚さは、0.02~0.5mm、あるいは0.04~0.13mmの範囲にあってもよい。フックの高さは、所望とするフック材の種類、支持体の厚さ及びその他のファクターに応じて広い範囲で変更することができる。フックの高さ(換言すると、ステムの高さと、もしもあれば、ステムの先端に形成されたヘッドの厚さの合計)は、通常、できる限りに小さくかつ均一であるように調整されていることが好ましい。フックの高さは、通常、その基部から測定して約0.1~1.3mmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは、約0.2~0.5mmの範囲である。
フックは、通常、1cm当たり約60~1,600フックの分布密度で支持体上に配列されていることが好ましく、さらに好ましくは、1cm当たり約125~700フックの分布密度である。また、フックのステムは、支持体と隣接する部分(基部)の直径が約0.1~0.6mmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、約0.1~0.3mmの範囲である。フックのヘッドは、任意の形状及びサイズとすることができる。
フック材を基材に取り付けて使用する場合、いろいろな固定手段を使用してフック材を取り付けることができる。適当な固定手段としては、例えば、グルー、熱融着、超音波加熱等による接着、一体成形、縫製、ステープラーによる機械的固定などを挙げることができる。
ループ材は、通常、基材と、その少なくとも片面に設けられたループとから構成される。ここで、ループとは、それがフック材との係合機能を有する限りにおいて特に限定されるものではなく、したがって、ループ体そのものであってもよく、さもなければ、織布、不織布などのループ保有材料であってもよい。必要ならば、これらのループを組み合わせて使用してもよく、あるいは積層体の形で使用してもよい。積層体は、例えば、上述のようなループをプラスチックフィルム等にラミネートすることによって形成することができる。また、ループ材は、適宜起毛、エンボス、印刷、染色等の加工がなされていてもよい。
ループは、常法に従っていろいろな材料から構成することができる。繊維材料は、所望とするループの形状に応じて、例えば織布、不織布、編み物、その他の形で使用することができる。また、繊維の束がループ状となるように、フィルム上に繊維を部分的に接着したようなものも、ループとして有利に使用することができる。
下記の任意の参照(その全てが本明細書に組込まれる)に記載された、任意のループ係合材料、装置、デバイス、製造方法、使用方法が、本明細書に記載された任意の実施形態に使用され得る:米国特許第8,777,919号、同第4,699,622号、同第4,894,060号、同第5,077,870号、同第5,312,387号、同第5,344,691号、同第5,399,219号、同第5,487,809号、同第5,537,722号、同第5,554,146号、同第5,705,013号、同第5,759,317号、同第5,851,205号、同第5,957,908号、同第5,985,081号、同第6,030,373号、同第6,051,094号、同第6,075,179号、同第6,190,758号、同第6,406,468号、同第6,544,245号、同第6,575,953号、同第7,032,278号、同第7,125,400号、同第7,361,246号、同第7,371,302号、同第7,517,572号、同第7,578,812号、同第7,658,813号、同第3,471,903号、同第4,120,718号、同第4,223,067号、同第4,216,257号、同第4,391,687号、同第4,322,875号、同第4,415,615号、同第4,454,183号、同第4,563,388号、同第3,353,663号、同第3,408,705号、同第4,977,003号、同第4,679,851号、同第4,819,309号、同第4,776,636号、同第5,308,428号、同第5,135,598号、同第4,910,062号、同第4,887,339号、同第4,985,488号、同第5,679,302号、同第4,894,060号、同第5,145,929号、同第5,908,695号、同第5,024,880号、同第5,852,855号、同第5,040,275号、同第5,149,573号,同第4,290,832号、同第5,453,319号、同第5,614,232号、同第5,691,027号、同第5,713,111号、同第5,671,512号、同第5,625,929号、同第5,671,511号、同第5,851,663号、同第5,654,487号、同第5,602,221号、同第5,598,610号、同第5,691,021号、同第7,879,441号、同第8,277,922号、同第6,470,540号、同第6,076,238号、同第6,592,800号、同第6,630,239号、同第6,588,074号、同第7,217,455号、同第7,703,179号、同第6,874,777号、同第7,140,774号、及び米国特許出願公開第2004/0010217号。
不織布としては、任意の公知ないし非公知の構成を採用することができる。不織布は、熱可塑性繊維で構成され、第1シート11及び第2シート12の少なくともいずれか一方に対し、熱溶着により固定されていてもよい。
不織布は、約12g/m以上の坪量を有してもよい。一実施態様において、不織布層の坪量は、約15g/m~約260g/m、約20g/m~約230g/m、約25g/m~約200g/m、約30g/m~約150g/m、約35g/m~約130g/m、約40g/m~約130g/m、約50g/m~約130g/m、約55g/m~約130g/m、約60g/m~約130g/m、又は約70g/m~約130g/mである。坪量は、10cm×10cmのサンプルの重量から計算される。
いくつかの実施形態では、不織布は不織布基材を含む。不織布基材は、不織布又は不織布ウェブを製造するための一般的に知られているプロセスのいずれかによって製造された不織布又は不織布ウェブであり得る。本開示において「不織布」とは、不規則に及び/又は一方向に、マット状に組み込まれているが、ニット布地のように識別可能な性質ではない、個々の繊維又はフィラメントの構造を有する布地を指す。
不織布又は不織布ウェブは、メルトブローンプロセス、スパンボンドプロセス、スパンレースプロセス、結合カードウェブプロセス、エアレイイングプロセス、及びウェットレイイングプロセスなどの、様々なプロセスで形成することができる。いくつかの実施形態では、不織布層は、例えば、少なくとも1つのメルトブローン不織布の層及び少なくとも1つのスパンボンド不織布の層、又は不織布材料の任意の他の好適な組み合わせを有する、多層の不織布材料を含む。
有用な不織布層を提供する繊維材料は、天然繊維(例えば、木質繊維又は綿繊維)、合成繊維(例えば、熱可塑性繊維)、又は天然繊維と合成繊維との組み合わせで作製することができる。
熱可塑性繊維を形成するための例示的材料としては、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、エチレンコポリマー、プロピレンコポリマー、ブチレンコポリマー、並びにこれらのポリマーのコポリマー及びブレンド)、ポリエステル、及びポリアミドが挙げられる。
不織布層を構成する不織布基材は、任意の好適な熱可塑性ポリマー材料製の繊維又はフィラメントから形成することができる。好適なポリマー材料としては、限定されるものではないが、ポリオレフィン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、フッ素化ポリマー、塩素化ポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリビニルアセテート、ビニルアセテートのコポリマー、例えばポリエチレン-co-ポリビニルアルコール等、ポリホスファゼン、ポリビニルエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルアルコール、及びポリカーボネートが挙げられる。
好適なポリオレフィンとしては、限定されるものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1-ブテン、エチレンとプロピレンとのコポリマー、αオレフィンコポリマー(例えば、エチレン又はプロピレンの、1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテン、及び1-デセンとのコポリマー等)、ポリエチレン-co-1-ブテン及びポリエチレン-co-1-ブテン-co-1-ヘキセンが挙げられる。
繊維としては、例えば、ある熱可塑性材料のコア及び別の熱可塑性材料のシースを有する、多成分繊維であってもよい。シースは、コアよりも低い温度で溶融してもよく、繊維のマットがシース溶融物に曝露されると、繊維間に部分的にランダムな結合を提供する。異なる融点を有する単成分繊維の組み合わせもまた、この目的に有用であり得る。
いくつかの実施形態では、本開示による不織布層に有用な不織布又は不織布ウェブは、少なくとも部分的に弾性である。弾性繊維を作製するためのポリマーの例としては、ABAブロックコポリマー、ポリウレタンエラストマー、ポリオレフィンエラストマー(例えば、メタロセンポリオレフィンエラストマー)、オレフィンブロックコポリマー、ポリアミドエラストマー、エチレン酢酸ビニルエラストマー、及びポリエステルエラストマーなどの、熱可塑性エラストマーが挙げられる。ABAブロックコポリマーエラストマーは、概ね、Aブロックがポリスチレン系であり、Bブロックが共役ジエン(例えば、低級アルキレンジエン)から調製される、エラストマーである。Aブロックは、主に置換(例えば、アルキル化)若しくは非置換スチレン系部分(例えば、ポリスチレン、ポリ(アルファメチルスチレン)、又はポリ(t-ブチルスチレン))から概ね形成され、1モル当たり約4,000~50,000グラムの数平均分子量を有する。Bブロックは概ね、置換又は非置換であり得る共役ジエン(例えば、イソプレン、1,3-ブタジエン、又はエチレン-ブチレンモノマー)から主に形成され、1モル当たり約5,000~500,000グラムの数平均分子量を有する。Aブロック及びBブロックは、例えば、線状、放射状、又は星形構成で構成されてもよい。ABAブロックコポリマーは、複数のAブロック及び/又はBブロックを含有してもよく、これらのブロックは同一の又は異なるモノマーから製造されてもよい。典型的なブロックコポリマーは、Aブロックが同一であっても異なっていてもよい線状ABAブロックコポリマーであるか、又は、Aブロックで主に停止する4つ以上のブロックを有するブロックコポリマーである。マルチブロックコポリマーは、例えば、より粘着性のあるエラストマーフィルムセグメントを形成する傾向がある、ある特定の割合のABジブロックコポリマーを含有してもよい。他の弾性的ポリマーを、ブロックコポリマーエラストマーとブレンドすることができ、様々な弾性的ポリマーを、様々な程度の弾性特性を有するようにブレンドしてもよい。数多くのタイプの熱可塑性エラストマーが市販されており、BASF(Florham Park,N.J.)から、「STYROFLEX(商標)」の商品名で市販されているもの、Kraton(商標)Polymers(Houston,Tex.)から「KRATON(商標)」の商品名で市販されているもの、Dow Chemical(Midland,Mich.)から「PELLETHANE(商標)」、「INFUSE(商標)」、「VERSIFY(商標)」、又は「NORDEL(商標)」の商品名で市販されているもの、DSM(Heerlen,Netherlands)から「ARNITEL(商標)」の商品名で市販されているもの、E.I.duPont de Nemours and Company(Wilmington,Del.)から「HYTREL(商標)」の商品名で市販されているもの、ExxonMobil(Irving,Tex.)から「VISTAMAXX(商標)」の商品名で市販されているもの、その他のものを挙げることができる。
例えば、不織布ウェブは、カード、エアレイド、ウェットレイド、スパンレース、スパンボンド、電界紡糸、又はメルトスパン若しくはメルトブローン等のメルトブロー法、又はこれらの組み合わせによって製造することができる。不織布ウェブのいずれかは、熱可塑性ポリマーの種類、形状、及び/又は厚さが異なる単一のタイプの繊維又は2種以上の繊維から作られてもよく、単一繊維タイプ又は複数の繊維タイプのうちの少なくとも1つはそれぞれ、上記のような多成分繊維であってもよい。
短繊維もまた、ウェブ中に存在し得る。短繊維の存在により、概ね、メルトブローンマイクロファイバーのみのウェブよりも、よりロフト(嵩)が高く、より低密度のウェブがもたらされる。よりロフトが高いウェブは、不織布層における界面又は不織布層自体のバルクで凝集力が低下し、1つ以上の粘着剤層からの分離がより容易になり得る。
不織布層は、任意選択的に、1層以上のスクリムを更に含み得る。例えば、不織布層の主表面のいずれか又は両方が、それぞれ任意選択的に、スクリム層を更に含み得る。スクリムは、典型的には、繊維から製造される織布又は不織布の補強材であり、不織布物品に含まれ、強度をもたらす。好適なスクリム材料としては、限定されるものではないが、ナイロン、ポリエステル、繊維ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。スクリムの平均厚さは様々であってもよい。スクリムの層は、任意選択的に、不織布基材に結合されてもよい。各種の接着剤を用い、スクリムを不織布基材に結合することができる。あるいは、スクリムは、不織布に熱結合されてもよい。
有用な不織布層は、特定の用途にとって望まれる任意の好適な有効繊維直径(EFD)を有し得る。本開示において「有効繊維直径」とは、1気圧及び室温での空気が、指定された厚さ及びの面速度(5.3cm/秒)でウェブサンプルを通され、対応する圧力低下が測定される、空気透過試験に基づく、繊維ウェブ内の繊維の見かけの直径である。測定された圧力低下に基づいて、有効繊維直径は、Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particulates, Institution of Mechanical Engineers, London Proceedings,1B(1952)に記載されているように計算される。いくつかの実施形態において、不織布基材の繊維は、約0.1μm~約125μm、約1μm~約75μm、約2μm~約50μm、又は約4μm~約35μm、約4μm~約25μm、約4μm~約20μm、約4μm~約15μm、約4μm~約10μm、約4μm~約8μm、又は約6μmの有効繊維直径を有する。例えば、スパンボンド不織布層は、典型的には、約35μm以下の有効繊維直径を有するが、エアレイド不織布層は、100μm程度でより大きい有効繊維直径を有し得る。
不織布層のロフト(嵩)は、ソリディティで評価することができる。ソリディティは、不織布繊維ウェブのバルク密度の測定値を、ウェブの固体部分を構成する材料の密度で割ることによって求める。ウェブのバルク密度は、最初にウェブの(例えば、10cm×10cmの切片の)重量を測定することによって決定することができる。ウェブの重量の測定値をウェブの面積で割ることでウェブの基本重量が得られ、g/m単位で表される。ウェブの厚さは、直径135mmのウェブのディスクを(例えば、ダイカットによって)得て、直径100mmの230gの重りをウェブ上の中央に置いてウェブ厚さを測定することによって、測定することができる。ウェブのバルク密度は、ウェブの基本重量をウェブの厚さで割ることによって決定され、g/mで表される。次に、不織布繊維ウェブのバルク密度を、ウェブの固体フィラメントを含む材料(例えば、ポリマー)の密度で割ることによって、ソリディティが決定される。バルクポリマーの密度は、供給業者が材料密度を特定していない場合、標準的手段によって測定することができる。
ロフトは、100%からソリディティを引いた値として報告される(例えば、7%のソリディティは、93%のロフトに等しい)。より高いロフトはパターンエンボス加工される不織布層において特に有利である。というのは、熱エネルギー及び/又は圧力の適用中に、比較的容易に、粘着剤が空隙容積全体に浸潤して流れることができるからである。いくつかの実施形態において、エンボスパターン加工プロセスで高ロフト不織布層を結合して、必要な凹部のアレイを作製することができる。
不織布層のソリディティは、約2.0%超~12.0%未満(すなわち、約98.0%未満~88.0%超のロフトの)とすることができる。いくつかの実施形態において、不織布層のソリディティは、約5.0%~約7.5%、約5.5%~約7.0%、又は約6%~約6.5%とすることができる。
ネットとしては、例えば、目開き30μm以上2000μm以下である、樹脂ネット及びモノフィラメントメッシュ(モノフィラメントが網状に編成されたもの)から選択されるネット状の支持体を用いることができる。ネットの形状により流体の流路が変わることから、ネットの単位格子の形状は、目的に応じて、例えば、正方形、長方形、菱形、平行四辺形等の形状から選択して用いられる。充分な通気性と引っ張り応力に対する耐伸張性を有するものであれば、不織布、織布、編物なども使用することができる。
ネットの材質としては、たとえば、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリスチレン、PPS、PES、PEEK、PI、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート(PCT)、ポリテトロフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ塩化ビニリデン等の樹脂が挙げられ、さらには、セラミックス、金属、ガラス等無機材料を使用してもよい。樹脂や無機材料からなる繊維、モノフィラメント、コードなどを用いてなる不織布、織布、編物等も使用されうる。複数材料が組み合わせて用いられてもよい。
ネットの成型法は任意であるが、製造法の簡易性及び目開きの均一性の観点から押出し成型により得られた樹脂ネットが好適に用いられ得る。押し出し成型ネットは、市販品としても入手可能であり、例えば、delstar社製ナルテックス、ネトロンネット等の汎用
の市販ネットを用いてもよい。
ネットは、1層構造でもよいし、2層以上の積層構造であってもよい。例えば、不織布、織布又はネットからなる層を複数積層した構造であってもよい。
第1スペーサ層15の形状、大きさは、袋部13の形状および大きさと略一致していてもよい。具体的には例えば、第1スペーサ層15の大きさは、第1シート11と第2シート12とを密着させた状態の袋部13の大きさに対し、平面視において、実質的に同一形状で、縦および横方向に1mm超10mm未満、2mm超8mm未満、3mm超7mm未満、小さくてもよい。かかる構成では、袋部13の内部に接するMPFの領域を最大限に有効利用できる。
第2変形例は、袋部13の内部における流体に対する摩擦抵抗を低減できる。例えば、袋部13の内部が陰圧となる場合、より具体的には例えば、MPFを通過した後のガスが袋部13の内部を通流する態様でDACモジュールが使用される場合に、特に好適である。具体的には例えば、後述する基本動作3において、第2変形例のDACモジュールを好適に用いることができる。
本変形例においても、第1変形例で説明したように、流体出入口17(ないし、流体出入口17に挿入された流体通流管18)を配置することができる。
[第3変形例]
図6は、本開示の第1実施形態の第3変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。
図6に示すように、第3変形例のDACモジュール300は、第1実施形態のDACモジュール100において、袋部13の外部に、第2スペーサ層16を備えている。図6において、第2スペーサ層16は、第1シート11に隣接するように配置されているが、第2スペーサ層16が第2シート12に隣接するように配置されてもよいし、第2スペーサ層16が第1シート11及び第2シート12の両方に隣接するように複数配置されてもよい。第2スペーサ層16以外の構成は、第1実施形態のDACモジュール100と同様であるので、共通する要素については同一の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。
第2スペーサ層16は、袋部13の外部に、第1シート11及び第2シート12と平行に配置されている。第2スペーサ層16に隣接する第1シート11(または第2シート12)と、袋部13の外部を介してこれに対向する面(DACモジュール200が巻回される場合には、袋部13の外部を介してこれに対向する第2シート12(または第1シート11))とを離間させ、袋部13の外壁(およびこれに対向する面)がもたらす抵抗を軽減することで、袋部13の外部における流体の通流を容易にする。第2スペーサ層16と、これに隣接する、第1シート11及び第2シート12の少なくともいずれか一方とは、一体的に形成された単一部材であってもよい。
第2スペーサ層16の形状、大きさは、第1シート11、第2シート12、あるいは袋部13の形状および大きさと略一致していてもよい。かかる構成では、袋部13の内部に接するMPFの領域を最大限に有効利用できる。
上記の他、第2スペーサ層16の構成は、第1スペーサ層15と同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
第3変形例は、袋部13の外部における流体に対する摩擦抵抗を低減できる。例えば、袋部13の内部が陽圧となる場合、より具体的には例えば、MPFを通過した後のガスが袋部13の外部を通流する態様でDACモジュールが使用される場合に、特に好適である。具体的には例えば、後述する基本動作1または2において、第3変形例のDACモジュール300を好適に用いることができる。
本変形例においても、第1変形例で説明したように、流体出入口17(ないし、流体出入口17に挿入された流体通流管18)を配置することができる。
[第4変形例]
図7は、本開示の第1実施形態の第4変形例にかかる例示的なDACモジュールの概略断面図である。
図7に示すように、第4変形例のDACモジュール400は、第1実施形態のDACモジュール100において、第1シート11と第2シート12との間、袋部13の内部に、第1スペーサ層15を備え、袋部13の外部に、第2スペーサ層16を備えている。第1スペーサ層15、第2スペーサ層16以外の構成は、第1実施形態のDACモジュール100と同様であるので、共通する要素については同一の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。第1スペーサ層15については、第2変形例と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。第2スペーサ層16については、第3変形例と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。
第4変形例は、袋部13の内部及び外部における流体に対する摩擦抵抗を低減できる。例えば、袋部13の内部が陰圧となる場合でも、陽圧となる場合でも、あるいはそれらを繰り返すような態様でDACモジュールが使用される場合でも、好適である。具体的には例えば、後述する基本動作1ないし3のいずれにおいても、第4変形例のDACモジュール400は好適に用いられうる。
本変形例においても、第1変形例で説明したように、流体出入口17(ないし、流体出入口17に挿入された流体通流管18)を配置することができる。
[基本動作1:液体の二酸化炭素吸収剤を使用する場合]
液体の二酸化炭素吸収剤として、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液が用いられる。
ガスから二酸化炭素を除去する場合、例えば、KOH水溶液が二酸化炭素を吸収するのに好適な温度条件で、DACモジュール100の袋部13の内部へとガス(相対的に高濃度の二酸化炭素を含むガス)が供給されると共に、KOH水溶液が袋部13の外部に通流される。ガスはMPFを通過して、袋部13の外部へと流出し、KOH水溶液と接触することで、ガス中の二酸化炭素がKOH水溶液に吸収される。その結果、相対的に低濃度の二酸化炭素を含むガスが装置から排出されることになる。二酸化炭素の吸収では、KOH水溶液とCOとの反応により、KCOが生成する。KCOをCa(OH)と反応させ、CaCOとKOHにし、その結果、COがCaCOとして固定されうる。
二酸化炭素を放出させる場合、CaCOの熱分解により、COが放出されうる。
水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いた二酸化炭素のDACの詳細については、例えば、国立研究開発法人科学技術振興機構低炭素社会戦略センター編『二酸化炭素のDirect Air Capture(DAC)法のコストと評価』(令和2年2月)が参照されうる。
なお、MPFは液体の水を実質的に透過させないので、KOH水溶液はMPFを通過せず、袋部13の内部に侵入しない。基本動作1に用いられる場合、MPFは水不透過性であることが好ましい。ISO15496に基づき、透湿性が10000~40000g/m・24hrの範囲にあると測定される場合、水不透過性であるということができる。
[基本動作2:二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合1(袋部内部が陽圧)]
上述の通り、塗工、含浸等の公知の方法により、IPDA等の二酸化炭素吸収剤がMPFに担持される。
ガスから二酸化炭素を除去する場合、例えば、二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素を吸収するのに好適な温度条件(例えば、相対的に低温)で、DACモジュール100の袋部13の内部へとガス(相対的に高濃度の二酸化炭素を含むガス)が供給される。ガスはMPFを通過して、袋部13の外部へと流出し、その際にMPFに担持された二酸化炭素吸収剤と接触することで、ガス中の二酸化炭素が二酸化炭素吸収剤に吸収される。その結果、相対的に低濃度の二酸化炭素を含むガスが袋部13の外部へと取り出されることになる。
逆に、二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素を放出させる場合、例えば、二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素を放出するのに好適な温度条件(例えば、相対的に高温)で、袋部13に設けられた流体の出入口(図示せず)を介して、DACモジュール100の袋部13の内部へとガス(相対的に低濃度の二酸化炭素を含むガス)が供給される。ガスはMPFを通過して、袋部13の外部へと流出し、その際にMPFに担持された二酸化炭素吸収剤と接触することで、二酸化炭素吸収剤中の二酸化炭素がガス中へと放出される。その結果、相対的に高濃度の二酸化炭素を含むガスが袋部13の外部へと取り出されることになる。
[基本動作3:二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合2(袋部内部が陰圧)]
二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合において、ガスの流れる方向は、上述の基本動作2とは逆向きでもよい。具体的には、ガスから二酸化炭素を除去する場合、例えば、二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素を吸収するのに好適な温度条件(例えば、相対的に低温)で、DACモジュール100の袋部13の外部へとガス(相対的に高濃度の二酸化炭素を含むガス)が供給され、袋部13に設けられた流体の出入口(図示せず)を介して、袋部13の内部からガスが吸引される。袋部13の外部のガスはMPFを通過して、袋部13の内部へと流入し、その際にMPFに担持された二酸化炭素吸収剤と接触することで、ガス中の二酸化炭素が二酸化炭素吸収剤に吸収される。その結果、相対的に低濃度の二酸化炭素を含むガスを、流体の出入口を介して、袋部13の内部から取り出すことができる。
二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素を放出させる場合、例えば、二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素を放出するのに好適な温度条件(例えば、相対的に高温)で、DACモジュール100の袋部13の外部へとガス(相対的に低濃度の二酸化炭素を含むガス)が供給され、袋部13に設けられた流体の出入口(図示せず)を介して、袋部13の内部からガスが吸引される。ガスはMPFを通過して、袋部13の内部へと流入し、その際にMPFに担持された二酸化炭素吸収剤と接触することで、二酸化炭素吸収剤中の二酸化炭素がガス中に放出される。その結果、相対的に高濃度の二酸化炭素を含むガスを、流体の出入口を介して、袋部13の内部から取り出すことができる。
[基本動作の変形例:二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合3]
基本動作の変形例では、ガスから二酸化炭素を除去する場合と、二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素を放出させる場合とで、ガスの流れる向きを逆向きにすることができる。具体的には例えば、ガスから二酸化炭素を除去する場合には、上記の基本動作2と同様とし、二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素を放出させる場合には、上記の基本動作3と同様とすることができる。あるいは例えば、ガスから二酸化炭素を除去する場合には、上記の基本動作3と同様とし、二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素を放出させる場合には、上記の基本動作2と同様とすることができる。
<第2実施形態>
[装置構成]
図8は、本開示の第2実施形態にかかる例示的なDACモジュールのx-y平面における概略断面図である。図9は、本開示の第2実施形態にかかる例示的なDACモジュールのy-z平面における概略断面図である。図10は、本開示の第2実施形態にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。
図8及び図9に示すように、第2実施形態のDACモジュール500は、それぞれ熱溶着可能な材料で構成された、第1シート21及び第2シート22を有する。第1シート21及び第2シート22は、袋部23の周囲において、第1シート21及び第2シート22が熱溶着されることで、袋部23が構成される。第1シート21及び第2シート22が熱溶着された部分は、溶着部24を構成している。
第1シート21、第2シート22、袋部23、溶着部24については、第1実施形態の第1シート11、第2シート12、袋部13、溶着部14と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。なお、本実施形態では、第1シート21及び第2シート22のうち少なくともいずれか一方を構成するMPFは、二酸化炭素吸収剤を有する。
第2実施形態のDACモジュール500は、y軸方向から見た形状はx軸方向(長手方向)延びる帯状(略直方体)であり、x軸方向の一方の端に流体流路28が取り付けられており、袋部23の内部空間と流体流路28とは、流体出入口27により連通されている。流体出入口27の形状は特に限定されず、例えば、流体流路28を筒状とし、流体流路28の壁面に所定間隔で形成された孔を流体出入口27としてもよい。流体流路28を熱可塑性ポリマー等の熱溶着可能な材料で構成し、第1シート21および第2シート22と、流体流路28とが、気密に熱溶着されていてもよい。第1実施形態の第1変形例のように、筒状の流体流通流管が、流体出入口から袋部23の内部へと挿入されていてもよい。
DACモジュール500は、更に、袋部23の外部に、通気性を向上させるためのスペーサ層26を備えている。スペーサ層26については、第1実施形態の第1変形例ないし第3変形例における、第2スペーサ層16と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。
図10に示すように、第2実施形態のDAC装置550は、z軸方向に延びる円筒状のハウジング30と、ハウジング30の内部に配置される、流体流路28をz軸方向に平行な中心軸として巻回されたDACモジュール500とを備えている。すなわち、図10に示す例において、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール500の長手方向(x軸方向)と直角(z軸方向)に延びるように形成されている。DACモジュール500の巻回軸(z軸方向)は、DACモジュール500の長手方向(x軸方向)と直角に延びる。
x-y断面において、ハウジング30の中心軸から径方向に、袋部23とスペーサ層26とが交互に配置される。その結果、袋部23に供給されたガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層26の配置された空間)に入り、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の外部へと排出される。あるいは、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の内部空間へと供給されたガスは、スペーサ層を経由し、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の内部空間に入り、流体出入口27を介して流体流路28へ流入する。流体流路28は、ハウジング30の壁を貫通しており、流体流路28へ流入したガスは、流体流路28を通じて、ハウジング30の外部へと排出されてもよい。
本実施形態において、長手方向がx軸方向ではなくz軸方向となるように、DACモジュールの縦横比が定められてもよい。
第2実施形態における動作方法は、上記の基本動作2(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合1)、基本動作3(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合2)及び/又はその変形例と同様とすることができる。
本実施形態でも、DACモジュールを低コストで容易に製造できる。スペーサ層により、袋部の外部における流体の摩擦抵抗が低減され、圧力損失を抑制できる。MPFが二酸化炭素吸収剤を含有するため、溶媒(水等)の加熱に必要なエネルギーが低減される。更に、MPF内をガスが通過することで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となる。その結果、効率的な二酸化炭素の吸収と放出が可能となる。
[第1変形例]
図11は、本開示の第2実施形態の第1変形例にかかる例示的なDAC装置のy-z平面における概略断面図である。第1変形例においても、DACモジュール500の構成は、長手方向がz軸方向となる点以外は、図8及び図9を参照して上述したのと同様の構成とすることができる。
第1変形例のDAC装置550Aは、円筒状のハウジング30が延びる方向をx軸方向とし、DACモジュール500のy軸方向の端部にある、x軸方向に延びる溶着部24を中心軸(巻回軸)として、DACモジュール500が巻回されて、ハウジング30の内部に格納されている。すなわち、図11に示す例において、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール500の長手方向(z軸方向)と平行に延びるように形成されている。DACモジュール500の巻回軸(x軸方向)は、DACモジュール500の長手方向(z軸方向)と直角に延びる。x軸方向を鉛直方向とするとき、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール500の鉛直下側に配置されてもよいし、DACモジュール500の鉛直上側に配置されてもよい。
y-z断面において、ハウジング30の中心軸から径方向に、袋部23とスペーサ層26とが交互に配置される。その結果、袋部23に供給されたガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層の配置された空間)に入り、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の外部へと排出される。あるいは、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の内部空間へと供給されたガスは、スペーサ層を経由し、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の内部空間に入り、流体出入口27を介して流体流路28へ流入する。流体流路28は、ハウジング30の壁を貫通しており、流体流路28へ流入したガスは、流体流路28を通じて、ハウジング30の外部へと排出されてもよい。
第2実施形態の第1変形例における動作方法についても、上記の基本動作2(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合1)、基本動作3(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合2)及び/又はその変形例と同様とすることができる。
本変形例において、長手方向がz軸方向ではなくx軸方向となるように、DACモジュールの縦横比が定められてもよい。
第2実施形態およびその変形例において、スペーサ層26は省略されてもよい。流体流路28及び出入口27が、巻回されたDACモジュールの最外部に位置してもよい。
本変形例でも、第2実施形態について上述したような効果を奏する。更に、本変形例では、袋部において、流体出入口からその反対側の端部までの距離を短くすることができ、袋部の内部にける圧力損失を低減できる。
<第3実施形態>
[装置構成]
図12は、本開示の第3実施形態にかかる例示的なDACモジュールのx-y平面における概略断面図である。図13は、本開示の第3実施形態にかかる例示的なDACモジュールのy-z平面における概略断面図である。図14は、本開示の第3実施形態にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。
図12及び図13に示すように、第3実施形態のDACモジュール600は、袋部23の内部に、通気性を向上させるためのスペーサ層25を備えている点以外は、第2実施形態のDACモジュールと同様の構成とすることができる。よって、対応する構成については、同一の名称及び符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態において、DACモジュール600の長手方向はx軸方向である。スペーサ層25については、第1実施形態の第1変形例ないし第3変形例における、第1スペーサ層15と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。なお、本実施形態でも、第1シート21及び第2シート22のうち少なくともいずれか一方を構成するMPFは、二酸化炭素吸収剤を有する。
図14に示すように、第3実施形態のDAC装置650は、z軸方向に延びる円筒状のハウジング30と、ハウジング30の内部に配置される、流体流路28をz軸方向に平行な中心軸として巻回されたDACモジュール600とを備えている。すなわち、図14に示す例において、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール600の長手方向(x軸方向)と直角(z軸方向)に延びるように形成されている。DACモジュール600の巻回軸(z軸方向)は、DACモジュール600の長手方向(x軸方向)と直角に延びる。
x-y断面において、ハウジング30の中心軸から径方向に、袋部23(およびその内部にあるスペーサ層25)とスペーサ層26とが交互に配置される。その結果、袋部23に供給されたガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層26の配置された空間)に入り、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の外部へと排出される。あるいは、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の内部空間へと供給されたガスは、スペーサ層26を経由し、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の内部空間(スペーサ層26の配置された空間)に入り、スペーサ層25および流体出入口27を介して流体流路28へ流入する。流体流路28は、ハウジング30の壁を貫通しており、流体流路28へ流入したガスは、流体流路28を通じて、ハウジング30の外部へと取り出されてもよい。
第3実施形態における動作方法は、上記の基本動作2(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合1)、基本動作3(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合2)及び/又はその変形例と同様とすることができる。
本実施形態において、長手方向がx軸方向ではなくz軸方向となるように、DACモジュールの縦横比が定められてもよい。
本実施形態でも、DACモジュールを低コストで容易に製造できる。スペーサ層により、袋部の内部及び外部における流体の摩擦抵抗が低減され、圧力損失を抑制できる。MPFが二酸化炭素吸収剤を含有するため、溶媒(水等)の加熱に必要なエネルギーが低減される。更に、MPF内をガスが通過することで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となる。その結果、効率的な二酸化炭素の吸収と放出が可能となる。
[第1変形例]
図15は、本開示の第3実施形態の第1変形例にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。第1変形例においても、DACモジュール600の構成は、長手方向がz軸方向となる点以外は、図12及び図13を参照して上述したのと同様の構成とすることができる。第1変形例のDAC装置650Aは、円筒状のハウジング30が延びる方向をx軸方向とし、DACモジュール600のy軸方向の端部にある、x軸方向に延びる溶着部24を中心軸(巻回軸)として、DACモジュール600が巻回されて、ハウジング30の内部に格納されている。すなわち、図15に示す例において、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール600の長手方向(z軸方向)と平行に延びるように形成されている。DACモジュール600の巻回軸(x軸方向)は、DACモジュール600の長手方向(z軸方向)と直角に延びる。x軸方向を鉛直方向とするとき、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール600の鉛直下側に配置されてもよいし、DACモジュール600の鉛直上側に配置されてもよい。
y-z断面において、ハウジング30の中心軸から径方向に、袋部23(およびその内部にあるスペーサ層25)とスペーサ層26とが交互に配置される。その結果、袋部23(およびその内部にあるスペーサ層25)に供給されたガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層26の配置された空間)に入り、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の外部へと排出される。あるいは、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の内部空間へと供給されたガスは、スペーサ層26を経由し、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の内部空間(スペーサ層25)に入り、流体出入口27を介して流体流路28へ流入する。流体流路28は、ハウジング30の壁を貫通しており、流体流路28へ流入したガスは、流体流路28を通じて、ハウジング30の外部へと排出されてもよい。
第3実施形態の第1変形例における動作方法についても、上記の基本動作2(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合1)、基本動作3(二酸化炭素吸収剤をMPFに担持させる場合2)及び/又はその変形例と同様とすることができる。
本変形例において、長手方向がz軸方向ではなくx軸方向となるように、DACモジュールの縦横比が定められてもよい。
本変形例でも、第3実施形態について上述したような効果を奏する。更に、本変形例では、袋部において、流体出入口からその反対側の端部までの距離を短くすることができ、袋部の内部にける圧力損失を低減できる。
第3実施形態およびその変形例において、スペーサ層26は省略されてもよい。流体流路28及び出入口27が、巻回されたDACモジュールの最外部に位置してもよい。
<第4実施形態>
[装置構成]
図16は、本開示の第4実施形態にかかる例示的なDAC装置のx-y平面における概略断面図である。図17は、本開示の第4実施形態にかかる例示的なDAC装置のy-z平面における概略断面図である。
第4実施形態におけるDACモジュール700は、後述する点を除き、第2実施形態のDACモジュール500と同様の構成とすることができる。よって、対応する構成については、同様の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。
図16及び図17に示すように、第4実施形態のDAC装置750は、z軸方向に延びる円筒状のハウジング40と、ハウジング40の内部に配置される、流体流路28の反対側に形成された溶着部14をz軸方向に平行な中心軸として巻回されたDACモジュール700とを備えている。図16では、1個のハウジング40の内部に3個のDACモジュール700が配置されているが、1個のハウジング40の内部に配置されるDACモジュール700の数は、1個でも、複数、すなわち2個以上でもよい。
図16に示す例において、流体流路28及び出入口27は、DACモジュール700の長手方向(x軸方向)と直角(z軸方向)に延びるように形成されている。DACモジュール700の巻回軸(z軸方向)は、DACモジュール700の長手方向(x軸方向)と直角に延びる。1個のハウジング40の内部に配置された複数のDACモジュール700が備える流体流路28は、互いに連通している。
x-y断面において、ハウジング30の中心軸から径方向に、袋部23とスペーサ層26とが交互に配置される。その結果、袋部23に供給されたガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層26の配置された空間)に入り、ハウジング30の流体出入口(図示せず)を通じてハウジング30の外部へと排出される。本実施形態において、MPF自体は二酸化炭素吸収剤を有しなくてもよい。
第3実施形態における動作方法は、上記の基本動作1(液体の二酸化炭素吸収剤を使用する場合)と同様とすることができる。図17を参照しつつより具体的に説明すれば、以下の通りである。
図17において、ガスの流れは破線の矢印で、液体の二酸化炭素吸収剤の流れは実線の矢印で示される。ガスはハウジング40の下面に配置されたガスの出入口41を通じて、流体流路28へと供給される。ガスは更に、出入口27を通じて、袋部23の内部空間へと供給される。その後、ガスは、第1シート21及び/又は第2シート22(を構成するMPF)を横断するように通って袋部23の外部空間(スペーサ層26の配置された空間)へと流出する。流出したガスは、DACモジュール700の上部に滞留し、DACモジュール700の袋部の外部を流下する、液体の二酸化炭素吸収剤中を泡等となって通過し、ハウジング40の上面に配置されたガスの出入口42を通じて、ハウジング40の外部へと排出される。
液体の二酸化炭素吸収剤は、ハウジング40の上面に配置された液体の出入口43を通じて、ハウジング40の内部へと供給される。液体の二酸化炭素吸収剤は、まず、最上段のDACモジュール700の上に滞留し、スペーサ層26を通過しながら徐々に流下し、中段および下段のDACモジュール700の上に滞留し、それぞれのスペーサ層26を通過しながら、ハウジング40の最下部の内部空間へと流れ落ちる。その後、液体の二酸化炭素吸収剤は、ハウジング40の下面に配置された液体の出入口44を通じて、ハウジング40の外部へと排出される。
ガス中の二酸化炭素を吸収させる場合、主としてガスが液体中を通過する際に、二酸化炭素が吸収剤に吸収される。MPFの細孔は、MPFの主面全体に略均一に分布するため、ガスも袋部を構成するMPFの全面から略均一に流出し、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能になる。
本実施形態において、流体流路28を巻回軸としてもよい。長手方向がx軸方向ではなくz軸方向となるように、DACモジュールの縦横比が定められてもよい。
本実施形態では、DACモジュールを低コストで容易に製造できる。MPFを面的に通過させることで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となり、効率的な二酸化炭素の吸収と放出も可能となる。
<第5実施形態>
[装置構成]
図18は、本開示の第5実施形態にかかる例示的なDAC装置の概略断面図である。
図18に示すように、DAC装置800は、複数のフィン51を有する熱交換器50と、フィン51の少なくとも一部の上に配置されたDACモジュール200とを備える。DACモジュール200は、後述する点を除き、第1実施形態の第1変形例にかかるDACモジュール200と同様の構成とすることができる。よって、対応する構成については、同様の名称及び符号を付して、詳細な説明を省略する。
複数のフィン51の一部の上にDACモジュール200が配設されてもよいし、複数のフィン51のそれぞれの上にDACモジュール200が配設されてもよい。
DACモジュール200において、第1シート11はMPFであり、第2シート12はアルミニウム層を有する熱可塑性ポリマーフィルムである。MPFは、二酸化炭素吸収剤を有する。DACモジュール200において、アルミニウム層の側がフィンを向くように配置されてもよい。アルミニウム層により、DACモジュール200(およびその内部のガス)と熱交換器50との熱交換が促進される。
熱交換器50は、公知の構成を採用できるので、詳細な説明を省略する。例えば、フィン51が設けられた壁部52の内側(図18における左側)には、流体である熱媒体を通流させる流路が形成されていてもよい。フィン及び壁部52は、典型的には、熱伝導率の高い金属等で構成されうる。
二酸化炭素を含むガス、あるいは二酸化炭素を受け取るためのガスは、流体流路(図示せず)と流体の出入口(図示せず)を介して袋部13に供給されうる。二酸化炭素を含むガス、あるいは二酸化炭素を受け取るためのガスは、袋部13の外部に供給され、MPFを介して袋部13の内部へと流入してもよい。特に後者の場合、袋部13の内部にスペーサ層が配置されると好適である。熱交換器50を用いて、DACモジュール200の温度を制御することにより、DACモジュール200における二酸化炭素の吸収及び放出を制御することができる。
本実施形態において、スペーサ層15は省略されてもよい。
本実施形態でも、DACモジュールを低コストで容易に製造できる。MPFが二酸化炭素吸収剤を含有するため、溶媒(水等)の加熱に必要なエネルギーが低減される。MPF内をガスが通過することで、二酸化炭素吸収剤とガスとの効率的な接触が可能となる。更に、放熱器により、DACモジュールの効率的な加熱及び冷却が可能となる。その結果、効率的な二酸化炭素の吸収と放出が可能となる。
以下、例示的実施形態を示す。
[項目1]
熱溶着可能な材料で構成された2枚のシートにより形成された袋部を有し、
前記袋部の周囲が熱溶着されていることで前記袋部が構成されており、
前記2枚のシートの少なくとも一方はマイクロポーラスフィルムであり、
前記マイクロポーラスフィルムは、
熱可塑性ポリマーで構成され、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有し、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が、0.05μm以上10μm未満であるフィルムをいう、
二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目2]
前記袋部の内部および/または外部において前記シートに隣接するように配置された、通気性を向上させるためのスペーサ層を備える、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目3]
前記袋部に流体の出入口が配置されている、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目4]
前記マイクロポーラスフィルムが、二酸化炭素吸収剤を有する、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目5]
前記2つのシートの両方が前記マイクロポーラスフィルムである、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目6]
前記2つのシートの他方がガス透過性を有しない熱可塑性ポリマーフィルムである、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目7]
前記2つのシートの他方がアルミニウム層を有する熱可塑性ポリマーフィルムである、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目8]
前記スペーサ層がメカニカルファスナにより構成される、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目9]
前記スペーサ層が不織布により構成される、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目10]
前記スペーサ層がネットにより構成される、項目1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
[項目11]
項目3に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュールと、
前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールを格納するハウジングと、を備え、
前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールは、前記袋部が帯状の形状を有し、
前記出入口は、前記帯状の形状の長手方向に直角ないし平行に延びるように形成され、
前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールは、前記長手方向に直角ないし平行に延びる軸の周りに巻かれている、
二酸化炭素直接空気回収装置。
[項目12]
複数のフィンを有する熱交換器と、
前記複数のフィンの少なくとも一部の上に配置された項目7に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュールとを備える、
二酸化炭素直接空気回収装置。
[項目13]
項目11または12に記載の二酸化炭素直接空気回収装置を用いて、
前記袋部にガスを供給し、あるいは前記袋部からガスを取り出すことで、マイクロポーラスフィルムを横断するようにガスを通流させ、
相対的に低温においてガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
相対的に高温において二酸化炭素吸収剤からガス中へと二酸化炭素を放出させる、方法。
[項目14]
前記マイクロポーラスフィルムが、細孔内部に二酸化炭素吸収剤を有する、項目13に記載の方法。
<実施例>
[調製例1:二酸化炭素吸収剤が含浸されたMPFの調製]
15.0のイソフォロンジアミン(IPDA)(富士フィルム和光純薬株式会社、大阪市中央区)を225mLのガラス瓶に量りとり、そこに85.0gのイソプロパノールを添加して撹拌機で5分間撹拌し、濃度15%の透明なIPDA溶液を得た。
マイクロポーラスフィルムWHJ EX3697-3(スリーエムジャパンプロダクツ製、フィルム厚:38μm、JIS P8117による透気度:28秒/100cc)は18cm幅、70cm長にカットした。ガラス板の上に汚れ防止のための台紙として厚み50μm、幅30cm、長さ100cmのポリエステルフィルムを敷き、その上に切り出したMPFを皺が入らないようにのせて粘着テープで固定した。スポイトを用いてMPFの上にIPDA溶液を滴下し、#8のマイヤーバーを用いてIPDA溶液を塗布した。IPDA溶液は塗布後直ちにMPF内部に吸収されてフィルムの反対側まで浸透し、いわゆる含浸した状態になった。IPDA溶液が含浸されたMPFは直ちにポリエステルフィルムの台紙から剥がされ、MPF表面が壁面に接触しないようにその端部を固定して吊り下げ、約3分間風乾させた。その後20cm幅、70cm長の段ボール板に粘着テープで固定し、その段ボール板を65℃に設定されたオーブン内に3分間静置し、イソプロパノールを完全に乾燥させた。二酸化炭素吸収剤(IPDA)の塗布量は4.1g/mだった。
[調製例2:DACモジュールの調製]
DACモジュールは複数の構成部材からなり、その四辺がヒートシールされた袋部を構成する。
調製例1の方法で作成した、二酸化炭素吸収剤(IPDA)が含浸されたMPFを、縦15cm、横28cmの長方形にカットしたものを3枚作成した。また、MPFにヒートシール可能なアルミ層付きフィルム(PET[16μm]/アルミニウム[7μm]/PP[40μm]の3層構造、株式会社カナエ、大阪市中央区)をMPFと同じサイズ(縦15cm、横28cm)の長方形にカットした。
厚み105μmのポリプロピレン不織布(エルタスP03020、エム・エーライフマテリアルズ株式会社、東京都中央区)を縦12cm、横24cmの長方形にカットし、袋部の内側に配置されるスペーサーとした。厚み370μm(ピン高さ275μm、ベースフィルム厚さ85μm)のメカニカルフック(1600DH:スリーエムジャパンプロダクツ株式会社、東京都品川区)を縦14cm、横20cmの長方形にカットし、袋部の外側に配置されるスペーサーとした。
外径4mmφのポリプロピレンチューブ(UPチューブ UPP-4×3、ウシオライティング株式会社、東京都中央区)を15cmの長さにカットし、流体通流管とした。外径15mmφのポリプロピレンチューブ(アラム株式会社、大阪市北区)を15cmの長さにカットし、袋部を巻き付けるコアとした。
ヒートシールにはシール幅10mmのインパルスシーラー(FA-300-10、富士インパルス株式会社、大阪府豊中市)を使用した。ヒートシール条件(温度、シール時間、等)はヒートシールするフィルムの厚みや枚数などで最適な条件を設定した。MPFを用いた袋の作成には通常vol.6(シール時間0.6秒)を用い、ヒートシールが不十分な場合にはvol.7(シール時間0.7秒)あるいはvol.8(シール時間0.8秒)の条件を用いた。
流体通流管を、アルミ層付きフィルムの横端から約3cm内側に、フィルムの横端と平行で、管の端部がフィルムの中央(上辺から7cm程度の位置)に来るように、粘着テープで仮止めした。チューブ端部と、ヒートシールフィルム上辺とを、それぞれヒートシールしてチューブをアルミ層付きフィルムに固定した。
ポリプロピレン不織布を、全体がアルミ層付きフィルムの上に載り、端部がチューブのすぐ内側に位置するように配置し、該端部をヒートシールしてアルミ層付きフィルムに固定した。
MPFを3枚重ねて、アルミ層付きフィルムに外周が一致するように重ね合わせ、左辺と下辺と右辺とをヒートシールで接着した。最後に上辺をヒートシールして袋部の密閉を完了した後、ヒートシールされた部分を3~5mm程度の幅だけ切除した。
袋部を水中に浸漬させて空気を供給し、袋部の主面全体からガスが泡状に流出することを視認することにより、流体通流管の周囲を含め、ヒートシール部分に実質的な漏れがないことを確認した。
メカニカルフックを、ピンがMPF側を向くように袋部に重ね合わせ、粘着テープでメカニカルフックの左端を袋部の左端に固定した。左端を粘着テープでコアに固定した後、袋をコアに巻きつけ、最外周の袋部末端が巻き戻らないように輪ゴムで固定した。
このロール状モジュールを直径38mmφのステンレス配管からなるハウジングに格納してDAC装置を完成した。
[調製例3:二酸化炭素吸収剤が塗布された不織布(比較例)の調製]
比較例として、坪量20g/mのスパンボンド不織布PMA020(エム・エーライフマテリアルズ株式会社製、東京都中央区)を使用した。実施例1と同様の方法でIPDA溶液をこの不織布に塗布、乾燥した。
[試験例1:二酸化炭素の吸収(DAC)]
作製したモジュールの二酸化炭素直接空気回収の性能は、純窒素ガスや濃度を規定した二酸化炭素及び窒素のブレンドガスを一定の流量でモジュールに通し、出てきたガスに含まれる二酸化炭素の濃度を測定することによって行った。二酸化炭素濃度の測定にはFT-IR分光光度計(iS50、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社、東京都港区)を用いた。ガス試料測定用のガスセルを設置し、150mL/分の流量で測定するガスをセルに導入した。二酸化炭素濃度は、事前に濃度既知の二酸化炭素及び窒素のブレンドガスによって作成した検量線を用いて計算した。
二酸化炭素の吸収は、室温で二酸化炭素及び窒素のブレンドガス(二酸化炭素濃度:1.0%)を室温でモジュールを通過させることによって実施した。作製したロール状モジュールをステンレスハウジングに導入して、両端にキャップを取り付け、6mmφのナイロン製チューブ配管と接続した。はじめの3分間は純窒素を導入し、ハウジング内および配管内の空気を窒素に置換した。その後ハウジングに導入するガスを、二酸化炭素及び窒素のブレンドガスに切り替え、150mL/分の流量でモジュールを通過させ、モジュール通過後のガスについて、二酸化炭素濃度を測定した。得られた破過曲線を図19(IPDA)に示す。
[試験例2:二酸化炭素の放出]
作製したロール状モジュールをステンレスハウジングに導入し、両端にキャップを取り付け、6mmφのナイロン製チューブ配管に接続した。一晩、モジュールに空気を通流させることで、モジュールを二酸化炭素で飽和させた。その後、最初の3分間は純窒素を導入し、配管内の空気を窒素に置換した。純窒素の流量は150mL/分のまま、このステンレスハウジングを70℃~75℃に設定した温水に浸漬することによって、モジュール全体の昇温を行い、モジュール通過後のガスについて、二酸化炭素濃度の測定を開始した。測定は20秒おき、4スキャン行い、これを3時間継続した。測定結果を図20(IPDA)に示す。
[試験例3:MBMCHAを二酸化炭素吸収剤とした場合]
二酸化炭素吸収剤として4,4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)[MBMCHA](東京化成工業株式会社、東京都中央区)を用いて濃度15%のMBMCHA溶液を作成し、調製例1と同様の方法でMPFに二酸化炭素吸収剤を塗布した。イソプロパノール乾燥後の二酸化炭素吸収剤の塗布量は4.6g/mだった。そのフィルムを用いて調製例2と同様の方法でロール状のモジュールを作成した。
試験例1及び2と同様の方法でこのロール状モジュールの二酸化炭素直接空気回収の性能を評価した。結果は図19(MBMCHA)と図20(MBMCHA)に示す。
[試験例4:TEPAを二酸化炭素吸収剤とした場合]
二酸化炭素吸収剤としてテトラエチレンペンタミン[TEPA](富士フィルム和光純薬株式会社、大阪市中央区)を用いて濃度15%のTEPA溶液を作成し、調製例1と同様の方法でMPFに二酸化炭素吸収剤を塗布した。イソプロパノール乾燥後の二酸化炭素吸収剤の塗布量は6.7g/mだった。そのフィルムを用いて調製例2と同様の方法でロール状のモジュールを作成した。
試験例1及び2と同様の方法でこのロール状モジュールの二酸化炭素直接空気回収の性能を評価した。結果は図19(TEPA)と図20(TEPA)に示す。
[試験例5:二酸化炭素吸収剤の保持性能]
調整例1で作成した、IPDAを含浸させたMPFと、厚み100μmのポリエステルフィルム(ルミラー#100-S10、東レ株式会社製、東京都中央区)とを、それぞれ10cm×10cmと11cm×11cmに切り取り、ポリエステルフィルム6枚と、MPF5枚とを交互に重ねた積層体を、厚み5mmの平らなアルミニウム板(ミスミ製、東京都千代田区)の上に置いた。最上部のポリエステルフィルムの上にガラス板を重ね、その上に1000gの重りを置いて加圧し、80℃のオーブン内に24時間静置した。その後、積層体を室温下で1時間冷却し、二酸化炭素吸収剤のポリエステルフィルムへの移動の程度を目視で確認した。ポリエステルフィルムの表面にはほとんど異物がなく、二酸化炭素吸収剤はほぼ全量がMPFに保持されていた。
調整例3で作成した、IPDAを塗布した不織布と、厚み100μmのポリエステルフィルム(ルミラー#100-S10、東レ株式会社製、東京都中央区)を、それぞれ10cm×10cmと11cm×11cmに切り取り、ポリエステルフィルム6枚と、MPF5枚とを交互に重ねた積層体を、厚み5mmの平らなアルミニウム板(ミスミ製、東京都千代田区)の上に置いた。最上部のポリエステルフィルムの上にガラス板を重ね、その上に1000gの重りを置いて加圧し、80℃のオーブン内に24時間静置した。その後、積層体を室温下で1時間冷却し、二酸化炭素吸収剤のポリエステルフィルムへの移動の程度を目視で確認した。ポリエステルフィルムの表面に白い転写物が確認された。白い転写物は、IPDAが空気中の二酸化炭素と反応して生成したカルバメートと考えられた。
[結果]
二酸化炭素吸収剤として、IPDA、MBMCHA、TEPAのいずれを用いた場合でも、得られたモジュールは、室温で二酸化炭素を吸収し、70℃~75℃で二酸化炭素を放出することができた。すなわち、得られたモジュールが、DACモジュールとして好適な特性を有していることが確認された。
MPFは、不織布と比較して、二酸化炭素吸収剤の保持性能が高い(滲出しにくい)ことが確認された。この点においても、MPFを利用したモジュールは、DACモジュールとして好適な特性を有していると理解された。ただし、実施例において二酸化炭素吸収剤の保持性能が高いことは、必須の効果ではない。
<備考>
本明細書において引用したすべての特許、特許出願及び公報、刊行物、並びに電子的に入手可能な資料の全開示が、参照により組み込まれる。本出願の開示内容と参照により本明細書に組み込まれたいずれかの文書の開示内容との間に何らかの矛盾が存在する場合には、本出願の開示内容が優先するものとする。上記の実施形態及び実施例は、理解の明確性のために示したものに過ぎない。それらから、いかなる不要な限定も理解されるべきではない。本開示は図示及び記載された細部そのものに限定されず、当業者に明白な変化形態は、特許請求の範囲および均等論によって定義される範囲内に含まれる。
すべての項目名は、読み手の便宜のためのものであり、そのように特定されない限り、項目名に続く本文の意味を限定するために使用されるべきはでない。
本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことが可能である。これらの実施形態及び他の実施形態は、特許請求の範囲および均等論によって定義される範囲内に含まれるものである。

Claims (14)

  1. 熱溶着可能な材料で構成された2枚のシートにより形成された袋部を有し、
    前記袋部の周囲が熱溶着されていることで前記袋部が構成されており、
    前記2枚のシートの少なくとも一方はマイクロポーラスフィルムであり、
    前記マイクロポーラスフィルムは、
    熱可塑性ポリマーで構成され、両側の主面を連結するように厚さ方向に連通した細孔を備えることでガス透過性を有し、ASTM F316-03(2019再承認版)に基づき測定される最大孔径が、0.05μm以上10μm未満であるフィルムをいう、
    二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  2. 前記袋部の内部および/または外部において前記シートに隣接するように配置された、通気性を向上させるためのスペーサ層を備える、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  3. 前記袋部に流体の出入口が配置されている、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  4. 前記マイクロポーラスフィルムが、二酸化炭素吸収剤を有する、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  5. 前記2つのシートの両方が前記マイクロポーラスフィルムである、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  6. 前記2つのシートの他方がガス透過性を有しない熱可塑性ポリマーフィルムである、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  7. 前記2つのシートの他方がアルミニウム層を有する熱可塑性ポリマーフィルムである、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  8. 前記スペーサ層がメカニカルファスナにより構成される、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  9. 前記スペーサ層が不織布により構成される、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  10. 前記スペーサ層がネットにより構成される、請求項1に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュール。
  11. 請求項3に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュールと、
    前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールを格納するハウジングと、を備え、
    前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールは、前記袋部が帯状の形状を有し、
    前記出入口は、前記帯状の形状の長手方向に直角ないし平行に延びるように形成され、
    前記二酸化炭素直接空気回収用モジュールは、前記長手方向に直角ないし平行に延びる軸の周りに巻かれている、
    二酸化炭素直接空気回収装置。
  12. 複数のフィンを有する熱交換器と、
    前記複数のフィンの少なくとも一部の上に配置された請求項7に記載の二酸化炭素直接空気回収用モジュールとを備える、
    二酸化炭素直接空気回収装置。
  13. 請求項11または12に記載の二酸化炭素直接空気回収装置を用いて、
    前記袋部にガスを供給し、あるいは前記袋部からガスを取り出すことで、マイクロポーラスフィルムを横断するようにガスを通流させ、
    相対的に低温においてガス中の二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させ、
    相対的に高温において二酸化炭素吸収剤からガス中へと二酸化炭素を放出させる、方法。
  14. 前記マイクロポーラスフィルムが、細孔内部に二酸化炭素吸収剤を有する、請求項13に記載の方法。
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