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WO2024038722A1 - スパイラル型膜エレメント及び膜分離装置 - Google Patents

スパイラル型膜エレメント及び膜分離装置 Download PDF

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Publication number
WO2024038722A1
WO2024038722A1 PCT/JP2023/026162 JP2023026162W WO2024038722A1 WO 2024038722 A1 WO2024038722 A1 WO 2024038722A1 JP 2023026162 W JP2023026162 W JP 2023026162W WO 2024038722 A1 WO2024038722 A1 WO 2024038722A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spiral
membrane element
space
fluid
separation
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/026162
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
慎 片桐
吉宏 中村
Original Assignee
日東電工株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日東電工株式会社 filed Critical 日東電工株式会社
Priority to JP2024541463A priority Critical patent/JPWO2024038722A1/ja
Priority to CN202380052967.1A priority patent/CN119522132A/zh
Priority to EP23854759.0A priority patent/EP4574247A1/en
Publication of WO2024038722A1 publication Critical patent/WO2024038722A1/ja

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B01D63/103—Details relating to membrane envelopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D2053/221—Devices

Definitions

  • the present invention relates to a spiral membrane element and a membrane separation device.
  • Membrane separation methods have been developed as a method for separating acidic gases from mixed gases containing acidic gases such as carbon dioxide. Membrane separation methods can efficiently separate acidic gases while reducing operating costs, compared to absorption methods in which acidic gases contained in a gas mixture are absorbed by an absorbent and separated.
  • a spiral membrane element is used in the membrane separation method.
  • the spiral-wound membrane element includes a central tube and a separation membrane wrapped around the central tube.
  • the permeate fluid that has passed through the separation membrane is guided into the interior of the central tube through an opening formed in the central tube.
  • Permeate fluid collected through the opening in the central tube travels inside the central tube and is directed to the exterior of the spiral-wound membrane element.
  • Patent Document 1 discloses an example of a conventional spiral-wound membrane element.
  • the present invention central tube, a separation membrane wrapped around the central tube and separating the feed fluid into a permeate fluid and a non-permeate fluid; a supply space and a permeation space separated by the separation membrane;
  • a spiral membrane element comprising: The permeation space provides a spiral-wound membrane element that communicates with an external space of the spiral-wound membrane element via an outer peripheral surface of the spiral-wound membrane element.
  • the present invention central tube, a separation membrane wrapped around the central tube and separating the feed fluid into a permeate fluid and a non-permeate fluid; a supply space and a permeation space separated by the separation membrane;
  • a spiral membrane element comprising: A spiral-wound membrane element is provided, in which the permeate fluid is sent from the permeation space to an external space of the spiral-wound membrane element through an outer peripheral surface of the spiral-wound membrane element.
  • the present invention The above spiral membrane element, a casing that houses the spiral membrane element; Provided is a membrane separation device equipped with the following.
  • a new spiral membrane element suitable for efficiently recovering permeated fluid can be provided.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a spiral-wound membrane element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a spiral-wound membrane element.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a separation membrane included in a spiral membrane element. It is a figure for explaining the manufacturing method of a spiral type membrane element. It is a figure for explaining the manufacturing method of a spiral type membrane element. It is a schematic sectional view showing an example of a membrane separation device. It is a schematic sectional view showing another example of a membrane separation device.
  • the spiral-wound membrane element includes: central tube, a separation membrane wrapped around the central tube and separating the feed fluid into a permeate fluid and a non-permeate fluid; a supply space and a permeation space separated by the separation membrane; A spiral membrane element comprising: The permeation space communicates with the external space of the spiral-wound membrane element via the outer peripheral surface of the spiral-wound membrane element.
  • the spiral-wound membrane element according to the second aspect of the present invention includes: central tube, a separation membrane wrapped around the central tube and separating the feed fluid into a permeate fluid and a non-permeate fluid; a supply space and a permeation space separated by the separation membrane; A spiral membrane element comprising: The permeate fluid is sent from the permeate space to the external space of the spiral-wound membrane element through the outer peripheral surface of the spiral-wound membrane element.
  • the spiral-wound membrane element according to the first or second aspect further includes a first channel material that constitutes the outer circumferential surface and through which the permeate fluid can pass.
  • the spiral-wound membrane element according to the third aspect further includes a permeation spacer disposed in the permeation space, and the permeation spacer is connected to the first channel material.
  • the spiral-wound membrane element according to the fourth aspect includes a second channel connected to the permeation spacer and wound around the central tube on a side closer to the central tube than the separation membrane. Further materials are provided.
  • the spiral-wound membrane element according to any one of the first to fifth aspects further includes a supply spacer disposed in the supply space, and the supply spacer is divided into two. surrounded by the folded separation membrane.
  • the central tube has an opening that communicates the inside and outside of the central tube.
  • the transmission space communicates with the interior of the central tube through the opening.
  • the spiral-wound membrane element according to the seventh aspect sends a part of the permeate fluid from the permeate space to the external space through the outer circumferential surface, and transmits a part of the permeate fluid through the opening. The remaining permeate fluid is sent from the permeate space to the interior of the central tube.
  • the spiral-wound membrane element according to any one of the first to eighth aspects is used to separate carbon dioxide from a gas mixture containing carbon dioxide and nitrogen.
  • the membrane separation device includes: A spiral membrane element according to any one of the first to ninth aspects, a casing that houses the spiral membrane element; Equipped with
  • the casing is configured to discharge the permeate fluid sent from the permeation space through the outer peripheral surface of the spiral membrane element to the outside. permeate outlet.
  • the membrane separation device is arranged around the spiral-wound membrane element, and includes the outer circumferential surface of the spiral-wound membrane element and the inner circumferential surface of the casing.
  • the apparatus further includes a first seal part that prevents the supply fluid from flowing into the space between the apparatus and the apparatus.
  • the membrane separation device according to any one of the tenth to twelfth aspects is arranged around the spiral-wound membrane element, and the outer circumferential surface of the spiral-wound membrane element and the The device further includes a second seal portion that prevents the non-permeable fluid from flowing into the space between the casing and the inner circumferential surface of the casing.
  • the separation membrane element 10 includes a central tube 21 and a laminate 22 having a separation membrane 12.
  • the laminate 22 is wrapped around the central tube 21 and arranged around the central tube 21 .
  • the separation membrane 12 is wrapped around the central tube 21.
  • the separation membrane 12 can separate the feed fluid S into a permeate fluid S1 and a non-permeate fluid S2.
  • the separation membrane element 10 further includes a supply space (supply fluid flow path) and a permeation space (permeation fluid flow path) separated by the separation membrane 12.
  • the supply space and the permeation space are formed inside the stacked body 22.
  • the above-mentioned permeation space communicates with the external space 30 of the separation membrane element 10 via the outer peripheral surface 10s of the separation membrane element 10.
  • the separation membrane element 10 can send the permeate fluid S1 from the permeate space to the external space 30 through the above-mentioned outer peripheral surface 10s.
  • the supply fluid S is supplied into the separation membrane element 10 from one end surface of the stacked body 22, and flows through the supply space parallel to the longitudinal direction of the central tube 21.
  • the feed fluid S is separated by the separation membrane 12 to generate a permeate fluid S1 and a non-permeate fluid S2.
  • the permeate fluid S1 is discharged from the permeate space to the external space 30 through the outer peripheral surface 10s of the separation membrane element 10.
  • a portion of the permeate fluid S1 may be guided to the outside through the central pipe 21.
  • the non-permeable fluid S2 is discharged to the outside of the separation membrane element 10 from the other end surface of the stacked body 22.
  • 10 s of outer peripheral surfaces mean the outer peripheral surface of the separation membrane element 10 in the cross section perpendicular
  • the feed fluid S to be treated by the separation membrane element 10 may be a gas or a liquid.
  • the feed fluid S is a gas mixture comprising an acid gas, in particular a gas mixture comprising carbon dioxide and nitrogen.
  • the laminate 22 has a plurality of separation membrane units U.
  • Each separation membrane unit U is wound around the central tube 21.
  • the number of separation membrane units U in the stacked body 22 is not particularly limited, and is, for example, 2 to 40.
  • Each separation membrane unit U has a structure 11 composed of a separation membrane 12 and a supply spacer 13, and a permeation spacer 14.
  • the supply spacer 13 and the transmission spacer 14 are shown by broken lines.
  • the separation membrane unit U the separation membrane 12 is folded in two, and the ends thereof are joined to have a cylindrical structure.
  • the inside of this cylindrical structure corresponds to a supply space
  • the outside of the cylindrical structure corresponds to a permeation space.
  • thermal fusion heat sealing, ultrasonic welding, etc.
  • the ends of the separation membrane 12 may be joined using an adhesive layer 26 containing an adhesive.
  • the supply spacer 13 is arranged in the supply space. Specifically, the supply spacer 13 is surrounded by the separation membrane 12 folded in two to ensure a space as a supply fluid flow path.
  • the permeation spacer 14 is arranged in the permeation space and is laminated on the separation membrane 12 (specifically, the structure 11 composed of the separation membrane 12 and the supply spacer 13). In the laminate 22, a plurality of structures 11 and a plurality of transparent spacers 14 are alternately stacked.
  • the permeation spacer 14 secures a space between the two structures 11 as a permeation fluid flow path.
  • the two structures 11 that are adjacent to each other with the permeation spacer 14 in between are located near one end surface of the laminate 22 to which the supply fluid S is supplied (for example, near the end surface of the laminate 22 on the back side of the paper in FIG. 2).
  • one transparent spacer 14 is arranged between the two structures 11.
  • a plurality of transmission spacers 14 may be arranged in a stacked manner between the two structures 11.
  • the shape of the central tube 21 is typically cylindrical, particularly cylindrical.
  • the central pipe 21 can collect a part of the permeated fluid S1 that has passed through each separation membrane 12 and guide it to the outside of the separation membrane element 10.
  • the center tube 21 is provided with an opening 21h that communicates the inside and outside of the center tube 21. Thereby, the transmission space communicates with the inside of the central tube 21 through the opening 21h.
  • the opening 21h is, for example, a through hole formed in the wall surface of the central tube 21.
  • the central tube 21 is provided with a plurality of openings 21h at predetermined intervals along the direction in which the central tube 21 extends.
  • the number of rows of the plurality of openings 21h provided along the direction in which the central tube 21 extends is not particularly limited, and is, for example, one or two.
  • the central tube 21 may be provided with two rows of a plurality of openings 21h facing each other.
  • the outer diameter of the central tube 21 is, for example, 10 to 100 mm, preferably 12 to 50 mm.
  • the separation membrane element 10 further includes a first channel material 15 that constitutes its outer peripheral surface 10s. Specifically, the first channel material 15 is wound around the center tube 21 outside the laminate 22 so as to surround the laminate 22 . The permeable spacer 14 included in the laminate 22 is connected to the first channel material 15 . On the other hand, in the separation membrane element 10, the supply spacer 13 and the first channel material 15 are not connected to each other.
  • the first channel material 15 is configured to allow the permeate fluid S1 to pass therethrough.
  • the first channel material 15 has an opening (gap), through which the permeated fluid S1 can be sent from the permeated space to the external space 30.
  • the separation membrane element 10 of this embodiment can send the permeate fluid S1 from the permeate space to the external space 30, for example, through the first channel material 15 that constitutes the outer peripheral surface 10s.
  • the permeation space communicates with the external space 30 via the first channel material 15 that constitutes the outer peripheral surface 10s.
  • the separation membrane element 10 further includes a second channel material 16.
  • the second channel material 16 is located between the center tube 21 and the laminate 22, and is wound around the center tube 21 on the side closer to the center tube 21 than the laminate 22 (and separation membrane 12).
  • the second channel material 16 secures a space between the laminate 22 and the central tube 21 as a permeate fluid channel.
  • the second channel material 16 is connected to the permeable spacer 14 included in the laminate 22 .
  • the second channel material 16 is in contact with the opening 21h of the central tube 21. Thereby, a part of the permeated fluid S1 can flow into the center tube 21 from the second channel material 16 through the opening 21h.
  • Examples of the supply spacer 13, permeation spacer 14, first channel material 15, and second channel material 16 include nets, meshes, wire fabrics, fiber fabrics, nonwoven fabrics, grooved sheets, corrugated sheets, and the like.
  • Materials for these spacers 13 and 14 and channel materials 15 and 16 include, for example, polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polyamide, polyphenylene sulfide (PPS), and ethylene-chlorotrifluoride.
  • Examples include resin materials such as fluoroethylene copolymer (ECTFE), epoxy resin, and urethane resin; natural polymers; rubber; and metals.
  • the thicknesses of the spacers 13 and 14 and the channel materials 15 and 16 are not particularly limited, and are, for example, 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the aperture ratios of the spacers 13 and 14 and the channel materials 15 and 16 are not particularly limited, and are, for example, 10% to 80%.
  • the aperture ratio of the spacer (or channel material) can be determined by the following method. First, a spacer (or channel material) to be measured is placed on a film, and the surface of the spacer is observed using a scanning electron microscope (SEM). From the obtained electron microscope image, the area C1 of the surface of the spacer and the area C2 (area of the gap formed in the spacer) where the film can be confirmed through the spacer are calculated by image processing. The ratio of the area C2 to the area C1 can be specified as the aperture ratio.
  • the structure and material of the permeation spacer 14 are typically the same as those of the first channel material 15 and the second channel material 16. However, these structures and materials may be different from each other.
  • end face members may be arranged on both sides of the laminate 22 in order to protect the end faces of the laminate 22 and prevent the laminate 22 from expanding telescopically.
  • the separation membrane 12 includes, for example, the separation functional layer 1, the porous support 3 that supports the separation functional layer 1, and the separation membrane 12 disposed between the separation functional layer 1 and the porous support 3. It has an intermediate layer 2.
  • the intermediate layer 2 is in direct contact with each of the separation functional layer 1 and the porous support 3.
  • the separation membrane 12 does not need to include the intermediate layer 2.
  • the separation functional layer 1 is, for example, a layer that can preferentially transmit an acidic gas contained in a mixed gas. It is preferable that the separation functional layer 1 contains resin. Examples of the resin contained in the separation functional layer 1 include polyether block amide resin, polyamide resin, polyether resin, polyimide resin, polyetherimide resin, cellulose acetate resin, silicone resin, fluororesin, and polyurethane resin.
  • the separation functional layer 1 preferably contains a polyimide resin or a cellulose acetate resin, and more preferably contains a cellulose acetate resin.
  • Separation functional layer 1 preferably consists essentially of resin. As used herein, "consisting essentially of” means to the exclusion of other components that alter the essential characteristics of the mentioned material, e.g. 95 wt% or more, even 99 wt% or more of the material It means that it is composed of.
  • the thickness of the separation functional layer 1 is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 25 ⁇ m or less, and more preferably 15 ⁇ m or less.
  • the thickness of the separation functional layer 1 may be 0.05 ⁇ m or more, or 0.1 ⁇ m or more.
  • the intermediate layer 2 includes, for example, a resin and may further include nanoparticles dispersed in the resin (matrix).
  • the nanoparticles may be spaced apart from each other within the matrix or may be partially aggregated.
  • the material of the matrix is not particularly limited, and examples include silicone resins such as polydimethylsiloxane; fluororesins such as polytetrafluoroethylene; epoxy resins such as polyethylene oxide; polyimide resins; polysulfone resins; polytrimethylsilylpropyne, polydiphenylacetylene Examples include polyacetylene resins such as; polyolefin resins such as polymethylpentene.
  • the matrix includes a silicone resin.
  • the nanoparticles may contain an inorganic material or an organic material.
  • inorganic materials contained in nanoparticles include silica, titania, and alumina.
  • the nanoparticles include silica.
  • the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, less than 50 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m or less, and more preferably 30 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness of the intermediate layer 2 is not particularly limited, and is, for example, 1 ⁇ m.
  • the intermediate layer 2 is, for example, a layer having a thickness of less than 50 ⁇ m.
  • the porous support 3 supports the separation functional layer 1 via the intermediate layer 2.
  • the porous support 3 include nonwoven fabric; porous polytetrafluoroethylene; aromatic polyamide fiber; porous metal; sintered metal; porous ceramic; porous polyester; porous nylon; activated carbon fiber; latex silicone; silicone rubber; permeable material containing at least one selected from the group consisting of polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyetheretherketone, polyacrylonitrile, polyimide, and polyphenylene oxide.
  • the porous support 3 may be a combination of two or more of these.
  • the porous support 3 has an average pore diameter of, for example, 0.01 to 0.4 ⁇ m.
  • the thickness of the porous support 3 is not particularly limited, and is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 50 ⁇ m or more.
  • the thickness of the porous support 3 is, for example, 300 ⁇ m or less, preferably 200 ⁇ m or less, and more preferably 150 ⁇ m or less.
  • FIGS. 4A and 4B An example of a method for manufacturing the separation membrane element 10 will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • the separation membrane 12 is folded in two so that the separation functional layer 1 of the separation membrane 12 is located on the inside.
  • a supply spacer 13 is placed between the separation membrane 12 folded in two.
  • the ends of the separation membrane 12 are joined so that the separation membrane 12 has a cylindrical structure.
  • a structure 11 composed of the separation membrane 12 and the supply spacer 13 is obtained.
  • the ends of the separation membrane 12 are joined using, for example, thermal fusion.
  • an adhesive 26a may be applied to join the ends. At this point, the adhesive 26a may be in an uncured state or may be cured.
  • a permeable spacer 14 is placed on top of the separation membrane 12. Further, adhesive 27a is applied to two opposing sides of the outer peripheral portion of the transmission spacer 14. Thereby, a separation membrane unit U is obtained. The adhesive 27a is in an uncured state at this point. Note that a plurality of permeable spacers 14 (in particular, two permeable spacers 14) may be stacked and arranged on the separation membrane 12. That is, the separation membrane unit U may have a plurality of permeation spacers 14.
  • the channel material 17 includes, for example, a first portion 17a that is directly wound around the central tube 21, a second portion 17b that is laminated with the separation membrane unit U, and a second portion 17b that is connected to the second portion 17b and is connected to the central tube from the second portion 17b. It has a third portion 17c extending on the opposite side from 21.
  • the first portion 17a of the channel material 17 corresponds to the second channel material 16 described above
  • the second portion 17b corresponds to the permeation spacer 14
  • the third portion 17c corresponds to the first channel material 15.
  • the plurality of separation membrane units U are arranged in a stepwise manner on the second portion 17b of the channel material 17.
  • the number of multiple separation membrane units U is not particularly limited, and is, for example, 2 to 40. Note that the separation membrane unit U located at the uppermost position does not need to have the permeation spacer 14.
  • the first portion 17a of the channel material 17 is wrapped around the central tube 21, and the plurality of separation membrane units U are further wrapped around the central tube 21.
  • the separation membrane unit U located at the uppermost position is stacked on the second portion 17b of the channel material 17.
  • the third portion 17c of the channel material 17 is wrapped around the central tube 21 so as to surround the plurality of separation membrane units U.
  • the number of turns of the first portion 17a and the third portion 17c is not particularly limited, and is, for example, 1 to 15, preferably 2 to 10.
  • the adhesive 27a is cured, so that the two adjacent structures 11 are joined to each other via the permeable spacer 14. Thereby, an assembly including the central tube 21 and the laminate 22 is obtained.
  • the permeate fluid S1 is sent from the permeation space to the external space 30 through the outer peripheral surface 10s of the separation membrane element 10.
  • the separation membrane element 10 sends a part of the permeate fluid S1 from the permeate space to the external space 30 through the outer peripheral surface 10s, and also sends a part of the permeate fluid S1 from the permeate space to the inside of the center pipe 21 through the opening 21h of the center pipe 21.
  • the remaining permeate fluid S1 can be sent. That is, in the separation membrane element 10 of this embodiment, both the outer circumferential surface 10s and the central pipe 21 function as an outlet for the permeated fluid S1.
  • the permeated fluid S1 in the permeation space can flow out from the outlet which has a short moving distance between the outer circumferential surface 10s and the central pipe 21.
  • the moving distance of the permeated fluid S1 within the permeation space is shorter than that of the conventional spiral type membrane element, and it is suitable for suppressing pressure loss. That is, the separation membrane element 10 of this embodiment is suitable for efficiently recovering the permeate fluid S1.
  • the method of operating the separation membrane element 10 of this embodiment includes, for example, a method of operating the external space 30 adjacent to the outer circumferential surface 10s and the inside of the central tube 21 under reduced pressure (depressurization method), and a method of operating the separation membrane element 10 by pressurizing the supply
  • a method (pressurization method) of supplying the fluid S to the supply space can be adopted.
  • the separation membrane element 10 of this embodiment there is also a method (sweep method) in which the sweep fluid is supplied to the permeation space from either the outer circumferential surface 10s or the central pipe 21, and the permeate fluid S1 is taken out from the other side together with the sweep fluid.
  • the sweep fluid include a sweep gas such as air and argon gas.
  • the pressure reduction method and the sweep method can adjust the pressure difference between the supply fluid S and the permeate fluid S1 to be smaller than the pressurization method, and are suitable for the method of operating the separation membrane element 10 of this embodiment.
  • a separation membrane element with respect to the permeation rate T1 (GPU) of carbon dioxide from the flat membrane separation membrane 12 when the flat membrane separation membrane 12 is operated by a reduced pressure method using carbon dioxide as a supply fluid As an example, a separation membrane element with respect to the permeation rate T1 (GPU) of carbon dioxide from the flat membrane separation membrane 12 when the flat membrane separation membrane 12 is operated by a reduced pressure method using carbon dioxide as a supply fluid.
  • the ratio R of the permeation rate T2 (GPU) of carbon dioxide from the separation membrane element 10 when the membrane element 10 is operated by a reduced pressure method is, for example, 85% or more, 90% or more, 95% or more, 97% or more, and even It is preferable that it is 99% or more.
  • the feed fluid supplied to the flat membrane-like separation membrane 12 or separation membrane element 10 has a temperature of 23 ° C. and a pressure of 0.1 MPa. .
  • a vacuum pump is used to reduce the pressure of the space in which the permeate fluid is obtained to about 10 kPa or less.
  • GPU means 10 ⁇ 6 ⁇ cm 3 (STP)/(sec ⁇ cm 2 ⁇ cmHg).
  • cm 3 (STP) means the volume of carbon dioxide at 1 atmosphere and 0°C.
  • Applications of the separation membrane element 10 of this embodiment include applications for processing gas, particularly applications for separating acidic gas from a mixed gas containing acidic gas.
  • the mixed acidic gas include carbon dioxide, hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, sulfur oxides (SOx), hydrogen cyanide, and nitrogen oxides (NOx), with carbon dioxide being preferred.
  • the mixed gas contains gases other than acidic gas.
  • gases include, for example, nonpolar gases such as hydrogen and nitrogen, and inert gases such as helium, with nitrogen being preferred.
  • the separation membrane element 10 of this embodiment is suitable for use in separating carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen.
  • the use of the separation membrane element 10 is not limited to the use of separating acidic gas from the above-mentioned mixed gas.
  • the membrane separation apparatus 100 of this embodiment includes the above-described separation membrane element 10 and a casing 40 that accommodates the separation membrane element 10.
  • the separation membrane element 10 is configured to be detachable from the casing 40, for example.
  • the casing 40 for example, a known high pressure vessel can be used.
  • the casing 40 has a casing body 41, a first end plate 42, and a second end plate 43.
  • the casing body 41 has, for example, a cylindrical shape or a rectangular tube shape, and is made of a material having sufficient pressure resistance.
  • the first end plate 42 is attached to one end of the casing body 41 and closes the end.
  • the second end plate 43 is attached to the other end of the casing body 41 and closes the end.
  • the casing 40 has ports 41a, 42a, 43a and 43b. These ports are ports for communicating the inside and outside of the casing 40.
  • the port 41a is provided in the casing body 41 and functions as a permeate fluid outlet for discharging the permeate fluid S1 sent from the permeation space through the outer peripheral surface 10s of the separation membrane element 10 to the outside of the casing 40.
  • the number of ports 41a may be one, or two or more.
  • the port 42a is provided on the first end plate 42 and functions as a supply fluid inlet for supplying the supply fluid S into the inside of the casing 40.
  • the number of ports 42a may be one, or two or more.
  • the port 43a is provided on the second end plate 43 and functions as a non-permeable fluid outlet for discharging the non-permeable fluid S2 to the outside of the casing 40.
  • the number of ports 43a may be one, or two or more.
  • the port 43b is provided on the second end plate 43 and connected to the center tube 21.
  • the port 43b functions as a permeate fluid outlet for discharging the permeate fluid S1 sent from the permeate space to the inside of the central tube 21 to the outside of the casing 40.
  • Each port 41a, 42a, 43a, and 43b may be a simple opening, or may be a nozzle-shaped opening as shown in FIG.
  • the membrane separation apparatus 100 further includes a first seal part 45 and a second seal part 46 arranged around the separation membrane element 10.
  • the first seal portion 45 is disposed at the upstream end of the separation membrane element 10, and supplies the supply fluid S to the space 50 between the outer circumferential surface 10s of the separation membrane element 10 and the inner circumferential surface 40s of the casing 40. It is possible to prevent the inflow.
  • the second seal portion 46 is disposed at the downstream end of the separation membrane element 10 and can prevent the non-permeable fluid S2 from flowing into the space 50 described above.
  • the entrance and exit of the space 50 is closed by the first seal part 45 and the second seal part 46.
  • the space 50 is sealed by the first seal part 45 and the second seal part 46. Note that the space 50 corresponds to the external space 30 described above.
  • first seal part 45 and the second seal part 46 a seal with a U-shaped cross section (U packing), an O-ring seal, etc. can be used.
  • the membrane separation device 100 can be operated, for example, by the following method. First, the supply fluid S is supplied into the casing 40 through the port 42a. The supply fluid S is supplied into the supply space of the separation membrane element 10 and moves through the supply space in the longitudinal direction of the central tube 21 . At this time, the supply fluid S contacts one surface of the separation membrane 12. Next, with the supply fluid S in contact with one surface of the separation membrane 12, the pressure in the permeation space adjacent to the other surface of the separation membrane 12 is reduced. Specifically, the permeation space can be depressurized by depressurizing the space 50 through the port 41a and depressurizing the inside of the central tube 21 through the port 43b.
  • the supply fluid S permeates through the separation membrane 12, and the permeation fluid S1 is supplied to the permeation space.
  • a part of the permeate fluid S1 (the permeate fluid S1 supplied to a position relatively close to the outer circumferential surface 10s) is sent from the permeate space to the space 50 through the outer circumferential surface 10s.
  • This permeate fluid S1 is discharged to the outside of the membrane separator 100 through the port 41a.
  • the remaining permeate fluid S1 permeate fluid S1 supplied relatively close to the center tube 21
  • This permeate fluid S1 is discharged to the outside of the membrane separator 100 through the port 43b.
  • the feed fluid S (non-permeate fluid S2) processed by the separation membrane element 10 is discharged from the supply space of the separation membrane element 10, and is discharged to the outside of the membrane separation apparatus 100 through the port 43a.
  • the method of operating the membrane separator 100 is not limited to the above-mentioned depressurization method, and may also use a pressurization method in which pressurized supply fluid S is supplied inside the casing 40 or a sweep method in which a sweep fluid is used. can.
  • the sweep fluid can be supplied from either the port 41a or the port 43b, and the permeate fluid S1 can be taken out together with the sweep fluid from the other port.
  • the sweep fluid passes through the center tube 21 and is sent to the permeation space of the separation membrane element 10.
  • the sweep fluid and the permeate fluid S1 are mixed in the permeate space to obtain a mixed fluid.
  • the mixed fluid is sent from the permeation space to the space 50 through the outer circumferential surface 10s of the separation membrane element 10, and is further discharged to the outside of the membrane separation apparatus 100 through the port 41a.
  • the pressure reduction method and the sweep method can adjust the pressure difference between the supply fluid S and the permeate fluid S1 to be smaller than the pressurization method. Therefore, according to the pressure reduction method or the sweep method, for example, there is a tendency that leakage of the supply fluid S into the space 50 from the gap between the first seal portion 45 and the separation membrane element 10 can be sufficiently suppressed.
  • the combinations of ports provided in the casing 40 are not limited to those described above.
  • the membrane separator 110 shown in FIG. 6 has the same configuration as the membrane separator 100, except that it has a port 42b provided in the first end plate 42 instead of the port 43b described above. Therefore, common elements between the membrane separation apparatus 100 described above and the membrane separation apparatus 110 of the modified example are given the same reference numerals, and their descriptions may be omitted. That is, the description regarding each embodiment can be mutually applied unless there is a technical contradiction. Furthermore, the embodiments may be combined with each other unless technically inconsistent.
  • the port 42b is provided on the first end plate 42 and connected to the central tube 21.
  • the port 42b functions as a permeate fluid outlet for discharging the permeate fluid S1 sent from the permeation space to the inside of the central tube 21 to the outside of the casing 40.
  • the permeate fluid S1 sent into the center pipe 21 moves in the opposite direction to the direction in which the feed fluid S moves inside the separation membrane element 10.
  • the membrane separation device 110 is a countercurrent flow type membrane separation device.
  • the flow rate of the permeated fluid S1 sent into the center pipe 21 is normally higher upstream of the separation membrane element 10 than downstream of the separation membrane element 10 (outlet side of the feed fluid S). side (the inlet side of the supply fluid S).
  • the permeate fluid S1 sent into the center tube 21 near the upstream side of the separation membrane element 10 is immediately discharged from the port 42b.
  • the membrane separator 110 can be said to be suitable for reducing the pressure loss caused by the permeate fluid S1 moving inside the central pipe 21.
  • the membrane separation system of this embodiment includes, for example, the above-described membrane separation device 100 and a pressure reduction device.
  • the membrane separation system may include a membrane separation device 110 instead of the membrane separation device 100.
  • the membrane separation system includes, for example, two pressure reduction devices.
  • One of the two pressure reducing devices can reduce the pressure in the space 50 through the port 41a of the membrane separation device 100, and the other can reduce the pressure inside the central tube 21 through the port 43b.
  • one pressure reducing device may be configured to reduce the pressure inside both the space 50 and the center pipe 21.
  • a specific example of the pressure reducing device is a vacuum device such as a vacuum pump.
  • the membrane separation system may include a plurality of membrane separation devices 100, and the plurality of membrane separation devices 100 may be connected to each other in series or in parallel.
  • a plurality of membrane separators 100 are connected in series means that the feed fluid S (non-permeate fluid S2) discharged from the port 43a of the membrane separator 100 in the previous stage is transferred to the membrane separator 100 in the latter stage.
  • a plurality of membrane separation devices 100 are connected in parallel to each other means that a plurality of membrane separation devices 100 are connected to each other so that the supply fluid S is sent to each port 42a of the plurality of membrane separation devices 100.
  • means a configuration that is The number of membrane separation devices 100 in the membrane separation system is not particularly limited, and is, for example, 2 to 5.
  • the membrane separation system may include an additional membrane separation device that further processes the permeate fluid S1 discharged from the membrane separation device 100.
  • the additional membrane separation device one having the same configuration as the membrane separation device 100 can be used.
  • Example 1 [Preparation of separation membrane] First, a coating liquid containing a silicone resin and a polyurethane resin at a weight ratio of 9:1 was prepared. The coating liquid contained water as a solvent. Next, a coating film was obtained by applying the coating liquid onto a porous support by a gravure coating method. As the porous support, a UF membrane (ultrafiltration membrane) RS-50 (a laminate of a PVDF porous layer and a PET nonwoven fabric) manufactured by Nitto Denko Corporation was used. A separation functional layer was formed by drying the obtained coating film. Thereby, a separation membrane was obtained.
  • a UF membrane ultrafiltration membrane
  • RS-50 a laminate of a PVDF porous layer and a PET nonwoven fabric
  • the spiral-wound membrane element of Example 1 was produced using the central tube and the above separation membrane by the method described with reference to FIGS. 4A and 4B. Note that #1000E manufactured by KB Seiren Co., Ltd. was used as the permeation spacer, the first channel material, and the second channel material. As the supply spacer, 34 mil manufactured by Tokyo Ink Co., Ltd. was used.
  • a separation membrane unit was produced by stacking and arranging two permeation spacers on a separation membrane.
  • the spiral-wound membrane element of Example 1 the permeation space communicated with the external space via its outer peripheral surface.
  • Comparative example 1 A spiral-wound membrane element of Comparative Example 1 was produced by the same method as in Example 1, except that a configuration was adopted in which the permeate fluid was sent to the outside only through the central pipe. In the spiral-wound membrane element of Comparative Example 1, the permeation space did not communicate with the external space through its outer peripheral surface, and the structure was the same as that of a conventional spiral-wound membrane element.
  • the carbon dioxide permeation rate T1 (GPU) in a flat membrane state was measured.
  • the permeation rate T1 was measured by the following method using a differential pressure gas permeability measuring device (GTR-31AHND manufactured by GTR Tech).
  • GTR-31AHND differential pressure gas permeability measuring device manufactured by GTR Tech.
  • the separation membrane was set in a metal cell in the form of a flat membrane, and sealed with an O-ring to prevent leakage.
  • the membrane area of the separation membrane was 3.14 cm 2 .
  • a feed fluid carbon dioxide
  • was injected into the metal cell so that the feed fluid came into contact with the main surface of the separation membrane on the separation functional layer side.
  • the feed fluid injected into the metal cell had a temperature of 23° C.
  • the permeation rate T1 of carbon dioxide was calculated based on the composition of the obtained permeate fluid, the weight of the permeate fluid, and the like.
  • the composition of the permeated fluid was measured using gas chromatography (G2700T manufactured by Yanaco Technical Sciences).
  • the permeation rate T2 was measured by the following method. First, a feed fluid (carbon dioxide) was supplied to the feed fluid channel of the spiral membrane element. The feed fluid had a temperature of 23° C. and a pressure of 0.1 MPa. Next, using a vacuum pump, the pressure inside the central tube and the external space adjacent to the outer peripheral surface of the spiral membrane element was reduced to about 10 kPa or less. This resulted in a permeate fluid. Carbon dioxide permeation rate T2 was calculated based on the obtained flow rate of the permeated fluid. Note that the flow rate of the permeated fluid was measured using a soap film flowmeter (manufactured by HORIBA).
  • the separation membrane element of Example 1 in which the permeation space communicated with the external space via the outer peripheral surface, had a higher ratio R than that of the comparative example. From these results, it can be seen that the spiral membrane element of this embodiment suppresses a decrease in the permeation rate of the permeate fluid from the separation membrane, and is suitable for efficiently recovering the permeate fluid.
  • the spiral-wound membrane element of this embodiment is suitable for separating acidic gas from a mixed gas containing acidic gas.
  • the spiral-wound membrane element of this embodiment is suitable for separating carbon dioxide from off-gas of chemical plants or thermal power generation.

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Abstract

本発明は、透過流体を効率的に回収することに適した新たなスパイラル型膜エレメントを提供する。本発明のスパイラル型膜エレメント１０は、中心管２１と、中心管２１に巻き付けられ、供給流体Ｓを透過流体Ｓ１と非透過流体Ｓ２とに分離する分離膜１２と、分離膜１２によって隔てられた供給空間及び透過空間と、を備える。透過空間は、スパイラル型膜エレメント１０の外周面１０ｓを介して、スパイラル型膜エレメント１０の外部空間３０と連通している。

Description

スパイラル型膜エレメント及び膜分離装置
　本発明は、スパイラル型膜エレメント及び膜分離装置に関する。
　二酸化炭素などの酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離する方法として、膜分離法が開発されている。膜分離法は、混合気体に含まれる酸性ガスを吸収剤に吸収させて分離する吸収法と比べて、運転コストを抑えながら酸性ガスを効率的に分離することができる。
　膜分離法には、例えば、スパイラル型膜エレメントが用いられる。スパイラル型膜エレメントは、中心管と、中心管に巻き付けられた分離膜とを備えている。従来のスパイラル型膜エレメントにおいて、分離膜を透過した透過流体は、中心管に形成された開口部を通じて、中心管の内部に導かれる。中心管の開口部を通じて集められた透過流体は、中心管の内部を移動して、スパイラル型膜エレメントの外部に送られる。特許文献１は、従来のスパイラル型膜エレメントの一例を開示している。
特開２０１５－０２４３７２号公報
　透過流体を効率的に回収することに適した新たなスパイラル型膜エレメントが求められている。
　本発明は、
　中心管と、
　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
　前記透過空間は、前記スパイラル型膜エレメントの外周面を介して、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間と連通している、スパイラル型膜エレメントを提供する。
　さらに本発明は、
　中心管と、
　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
　前記スパイラル型膜エレメントの外周面を通じて、前記透過空間から、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間に前記透過流体を送る、スパイラル型膜エレメントを提供する。
　さらに本発明は、
　上記のスパイラル型膜エレメントと、
　前記スパイラル型膜エレメントを収納するケーシングと、
を備えた、膜分離装置を提供する。
　本発明によれば、透過流体を効率的に回収することに適した新たなスパイラル型膜エレメントを提供できる。
本発明の一実施形態にかかるスパイラル型膜エレメントを模式的に示す展開斜視図である。 スパイラル型膜エレメントの概略断面図である。 スパイラル型膜エレメントが備える分離膜の概略断面図である。 スパイラル型膜エレメントの製造方法を説明するための図である。 スパイラル型膜エレメントの製造方法を説明するための図である。 膜分離装置の一例を示す概略断面図である。 膜分離装置の別の例を示す概略断面図である。
　本発明の第１態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、
　中心管と、
　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
　前記透過空間は、前記スパイラル型膜エレメントの外周面を介して、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間と連通している。
　本発明の第２態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、
　中心管と、
　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
　前記スパイラル型膜エレメントの外周面を通じて、前記透過空間から、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間に前記透過流体を送る。
　本発明の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、前記外周面を構成し、前記透過流体が通過可能な第１流路材をさらに備える。
　本発明の第４態様において、例えば、第３態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、前記透過空間に配置された透過スペーサをさらに備え、前記透過スペーサが前記第１流路材に接続されている。
　本発明の第５態様において、例えば、第４態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、前記透過スペーサに接続され、前記分離膜よりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられている第２流路材をさらに備える。
　本発明の第６態様において、例えば、第１～第５態様のいずれか１つにかかるスパイラル型膜エレメントは、前記供給空間に配置された供給スペーサをさらに備え、前記供給スペーサは、２つに折り畳まれた前記分離膜に囲まれている。
　本発明の第７態様において、例えば、第１～第６態様のいずれか１つにかかるスパイラル型膜エレメントでは、前記中心管は、前記中心管の内部と外部とを連通させる開口部を有し、前記透過空間は、前記開口部を通じて、前記中心管の前記内部と連通している。
　本発明の第８態様において、例えば、第７態様にかかるスパイラル型膜エレメントは、前記外周面を通じて、前記透過空間から前記外部空間に一部の前記透過流体を送るとともに、前記開口部を通じて、前記透過空間から前記中心管の前記内部に残りの前記透過流体を送る。
　本発明の第９態様において、例えば、第１～第８態様のいずれか１つにかかるスパイラル型膜エレメントは、二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離するために用いられる。
　本発明の第１０態様にかかる膜分離装置は、
　第１～第９態様のいずれか１つにかかるスパイラル型膜エレメントと、
　前記スパイラル型膜エレメントを収納するケーシングと、
を備える。
　本発明の第１１態様において、例えば、第１０態様にかかる膜分離装置では、前記ケーシングは、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面を通じて前記透過空間から送られた前記透過流体を外部に排出するための透過流体出口を有する。
　本発明の第１２態様において、例えば、第１０又は第１１態様にかかる膜分離装置は、前記スパイラル型膜エレメントの周囲に配置され、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面と前記ケーシングの内周面との間の空間に前記供給流体が流入することを防ぐ第１シール部をさらに備える。
　本発明の第１３態様において、例えば、第１０～第１２態様のいずれか１つにかかる膜分離装置は、前記スパイラル型膜エレメントの周囲に配置され、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面と前記ケーシングの内周面との間の空間に前記非透過流体が流入することを防ぐ第２シール部をさらに備える。
　以下、本発明の詳細を説明するが、以下の説明は、本発明を特定の実施形態に制限する趣旨ではない。
＜スパイラル型膜エレメントの実施形態＞
　図１及び２は、本実施形態にかかるスパイラル型膜エレメント１０（以下、「分離膜エレメント１０」と称する）を示している。分離膜エレメント１０は、中心管２１と、分離膜１２を有する積層体２２とを備えている。積層体２２は、中心管２１に巻き付けられ、中心管２１の周囲に配置されている。言い換えると、分離膜１２が中心管２１に巻き付けられている。分離膜１２は、供給流体Ｓを透過流体Ｓ１と非透過流体Ｓ２とに分離することができる。
　分離膜エレメント１０は、分離膜１２によって隔てられた供給空間（供給流体流路）及び透過空間（透過流体流路）をさらに有する。供給空間及び透過空間は、積層体２２の内部に形成されている。本実施形態の分離膜エレメント１０では、上記の透過空間は、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓを介して、分離膜エレメント１０の外部空間３０と連通している。分離膜エレメント１０は、上記の外周面１０ｓを通じて、透過空間から外部空間３０に透過流体Ｓ１を送ることができる。
　詳細には、分離膜エレメント１０の運転時において、供給流体Ｓは、積層体２２の一方の端面から分離膜エレメント１０の内部に供給され、中心管２１の長手方向に平行に供給空間を流れる。分離膜１２によって供給流体Ｓが分離されて透過流体Ｓ１と非透過流体Ｓ２とが生成される。透過流体Ｓ１は、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓを通じて、透過空間から外部空間３０に排出される。ただし、透過流体Ｓ１の一部は、中心管２１を通じて外部に導かれてもよい。非透過流体Ｓ２は、積層体２２の他方の端面から分離膜エレメント１０の外部に排出される。なお、本明細書において、外周面１０ｓは、中心管２１の長手方向に垂直な断面における分離膜エレメント１０の外周面を意味する。
　分離膜エレメント１０によって処理されるべき供給流体Ｓは、気体であってもよく、液体であってもよい。一例として、供給流体Ｓは、酸性ガスを含む混合気体、特に二酸化炭素及び窒素を含む混合気体、である。
　図２に示すとおり、積層体２２は、複数の分離膜ユニットＵを有する。各分離膜ユニットＵが中心管２１に巻き付けられている。積層体２２における分離膜ユニットＵの数は、特に限定されず、例えば２～４０である。
　各分離膜ユニットＵは、分離膜１２及び供給スペーサ１３で構成された構造体１１と、透過スペーサ１４とを有する。なお、図２では、供給スペーサ１３及び透過スペーサ１４が破線で示されている。分離膜ユニットＵにおいて、分離膜１２は、２つに折り畳まれ、筒状の構造を有するようにその端部が接合されている。積層体２２において、この筒状の構造の内部が供給空間に相当し、筒状の構造の外部が透過空間に相当する。分離膜１２の端部の接合には、例えば、熱融着（ヒートシール、超音波ウェルダーなど）を利用することができる。ただし、図２に示すように、接着剤を含む接着剤層２６を利用して、分離膜１２の端部が接合されていてもよい。
　供給スペーサ１３は、供給空間に配置されている。詳細には、供給スペーサ１３は、２つに折り畳まれた分離膜１２に囲まれており、供給流体流路としての空間を確保している。
　透過スペーサ１４は、透過空間に配置されており、分離膜１２（詳細には、分離膜１２及び供給スペーサ１３で構成された構造体１１）に積層されている。積層体２２において、複数の構造体１１と複数の透過スペーサ１４とが交互に積層されている。透過スペーサ１４は、２つの構造体１１の間に透過流体流路としての空間を確保している。透過スペーサ１４を介して隣接している２つの構造体１１は、供給流体Ｓが供給される積層体２２の一方の端面付近（例えば、図２の紙面奥側の積層体２２の端面付近）と、非透過流体Ｓ２が排出される積層体２２の他方の端面付近（例えば、図２の紙面手前側の積層体２２の端面付近）とにおいて、互いに接合されている。なお、図２の例では、２つの構造体１１の間に１つの透過スペーサ１４が配置されている。ただし、２つの構造体１１の間には、複数の透過スペーサ１４（特に２つの透過スペーサ１４）が積層された状態で配置されていてもよい。
　図２に示すように、中心管２１の形状は、典型的には、筒状、特に円筒状、である。中心管２１は、例えば、各分離膜１２を透過した透過流体Ｓ１の一部を集めて分離膜エレメント１０の外部に導くことができる。中心管２１には、中心管２１の内部と外部とを連通させる開口部２１ｈが設けられている。これにより、透過空間が、開口部２１ｈを通じて、中心管２１の内部と連通している。開口部２１ｈは、例えば、中心管２１の壁面に形成された貫通孔である。詳細には、中心管２１には、中心管２１が延びる方向に沿って複数の開口部２１ｈが所定間隔で設けられている。中心管２１が延びる方向に沿って設けられた複数の開口部２１ｈの列の数は、特に限定されず、例えば１又は２である。中心管２１には、複数の開口部２１ｈの２つの列が互いに対向するように設けられていてもよい。中心管２１の外径は、例えば１０～１００ｍｍであり、好ましくは１２～５０ｍｍである。
　分離膜エレメント１０は、その外周面１０ｓを構成する第１流路材１５をさらに備える。詳細には、第１流路材１５は、積層体２２を取り囲むように、積層体２２よりも外側で中心管２１に巻き付けられている。積層体２２に含まれる透過スペーサ１４は、第１流路材１５に接続されている。一方、分離膜エレメント１０において、供給スペーサ１３と第１流路材１５とは、互いに接続していない。
　第１流路材１５は、透過流体Ｓ１が通過可能に構成されている。一例として、第１流路材１５は、開口（隙間）を有しており、当該開口を通じて、透過空間から外部空間３０に透過流体Ｓ１を送ることができる。このように、本実施形態の分離膜エレメント１０は、例えば、外周面１０ｓを構成する第１流路材１５を通じて、透過空間から外部空間３０に透過流体Ｓ１を送ることができる。この分離膜エレメント１０において、透過空間は、外周面１０ｓを構成する第１流路材１５を介して、外部空間３０と連通している。
　分離膜エレメント１０は、第２流路材１６をさらに備えている。第２流路材１６は、中心管２１と積層体２２との間に位置し、積層体２２（及び分離膜１２）よりも中心管２１側で中心管２１に巻き付けられている。第２流路材１６は、積層体２２と中心管２１との間に透過流体流路としての空間を確保している。第２流路材１６は、積層体２２に含まれる透過スペーサ１４に接続されている。第２流路材１６は、中心管２１の開口部２１ｈに接している。これにより、透過流体Ｓ１の一部は、開口部２１ｈを通じて、第２流路材１６から中心管２１の内部に流入することができる。
　供給スペーサ１３、透過スペーサ１４、第１流路材１５、及び第２流路材１６としては、例えば、ネット、メッシュ、線材織物、繊維織物、不織布、溝付きシート、波形シートなどが挙げられる。これらのスペーサ１３及び１４、並びに、流路材１５及び１６の材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料；天然高分子；ゴム；金属などが挙げられる。
　スペーサ１３及び１４、並びに、流路材１５及び１６の厚さは、特に限定されず、例えば１００μｍ～２０００μｍである。スペーサ１３及び１４、並びに、流路材１５及び１６の開口率は、特に限定されず、例えば１０％～８０％である。スペーサ（又は流路材）の開口率は、次の方法によって特定できる。まず、測定対象のスペーサ（又は流路材）をフィルムの上に配置し、スペーサの表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。得られた電子顕微鏡像から、画像処理によって、スペーサの表面の面積Ｃ１と、スペーサを通じてフィルムが確認できる面積Ｃ２（スペーサに形成された隙間の面積）とを算出する。面積Ｃ１に対する面積Ｃ２の比率を開口率として特定できる。
　なお、透過スペーサ１４の構造や材料は、典型的には、第１流路材１５や第２流路材１６と同じである。ただし、これらの構造及び材料は、互いに異なっていてもよい。
　分離膜エレメント１０において、積層体２２の端面を保護するとともに、積層体２２がテレスコピック状に伸張することを防止するために、積層体２２の両側に端面部材が配置されていてもよい。
［分離膜］
　図３に示すとおり、分離膜１２は、例えば、分離機能層１、分離機能層１を支持する多孔性支持体３、及び、分離機能層１と多孔性支持体３との間に配置されている中間層２を備えている。中間層２は、例えば、分離機能層１及び多孔性支持体３のそれぞれに直接接している。ただし、分離膜１２は、中間層２を備えていなくてもよい。
（分離機能層）
　分離機能層１は、例えば、混合気体に含まれる酸性ガスを優先的に透過させることができる層である。分離機能層１は、樹脂を含むことが好ましい。分離機能層１に含まれる樹脂としては、例えば、ポリエーテルブロックアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、酢酸セルロース樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂及びポリウレタン樹脂が挙げられる。分離機能層１は、ポリイミド樹脂又は酢酸セルロース樹脂を含むことが好ましく、酢酸セルロース樹脂を含むことがより好ましい。分離機能層１は、好ましくは、実質的に樹脂からなる。本明細書において、「実質的に～からなる」は、言及された材料の本質的特徴を変更する他の成分を排除することを意味し、例えば９５ｗｔ％以上、さらには９９ｗｔ％以上が当該材料により構成されていることを意味する。
　分離機能層１の厚さは、例えば５０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下であり、より好ましくは１５μｍ以下である。分離機能層１の厚さは、０．０５μｍ以上であってもよく、０．１μｍ以上であってもよい。
（中間層）
　中間層２は、例えば、樹脂を含み、樹脂（マトリクス）に分散したナノ粒子をさらに含んでいてもよい。ナノ粒子は、マトリクス内で互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。マトリクスの材料は、特に限定されず、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂；ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂；ポリエチレンオキシドなどのエポキシ樹脂；ポリイミド樹脂；ポリスルホン樹脂；ポリトリメチルシリルプロピン、ポリジフェニルアセチレンなどのポリアセチレン樹脂；ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。マトリクスは、シリコーン樹脂を含むことが好ましい。
　ナノ粒子は、無機材料を含んでいてもよく、有機材料を含んでいてもよい。ナノ粒子に含まれる無機材料としては、例えば、シリカ、チタニア及びアルミナが挙げられる。ナノ粒子は、シリカを含むことが好ましい。
　中間層２の厚さは、特に限定されず、例えば５０μｍ未満であり、好ましくは４０μｍ以下であり、より好ましくは３０μｍ以下である。中間層２の厚さの下限値は、特に限定されず、例えば１μｍである。中間層２は、例えば、５０μｍ未満の厚さを有する層である。
（多孔性支持体）
　多孔性支持体３は、中間層２を介して分離機能層１を支持する。多孔性支持体３としては、例えば、不織布；多孔質ポリテトラフルオロエチレン；芳香族ポリアミド繊維；多孔質金属；焼結金属；多孔質セラミック；多孔質ポリエステル；多孔質ナイロン；活性化炭素繊維；ラテックス；シリコーン；シリコーンゴム；ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド及びポリフェニレンオキシドからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む透過性（多孔質）ポリマー；連続気泡又は独立気泡を有する金属発泡体；連続気泡又は独立気泡を有するポリマー発泡体；シリカ；多孔質ガラス；メッシュスクリーンなどが挙げられる。多孔性支持体３は、これらのうちの２種以上を組み合わせたものであってもよい。
　多孔性支持体３は、例えば０．０１～０．４μｍの平均孔径を有する。多孔性支持体３の厚さは、特に限定されず、例えば１０μｍ以上であり、好ましくは２０μｍ以上であり、より好ましくは５０μｍ以上である。多孔性支持体３の厚さは、例えば３００μｍ以下であり、好ましくは２００μｍ以下であり、より好ましくは１５０μｍ以下である。
［スパイラル型膜エレメントの製造方法］
　図４Ａ及び４Ｂを参照して分離膜エレメント１０の製造方法の一例を説明する。まず、図４Ａに示すように、分離膜１２の分離機能層１が内側に位置するように、分離膜１２を２つに折り畳む。２つに折り畳まれた分離膜１２の間に供給スペーサ１３を配置する。分離膜１２が筒状の構造を有するように、分離膜１２の端部を接合する。これにより、分離膜１２及び供給スペーサ１３で構成された構造体１１が得られる。上述のとおり、分離膜１２の端部の接合には、例えば、熱融着を利用する。ただし、図４Ａに示すように、端部の接合のために、接着剤２６ａが塗布されてもよい。この時点において、接着剤２６ａは、未硬化の状態であってもよく、硬化していてもよい。
　次に、分離膜１２の上に透過スペーサ１４を配置する。さらに、透過スペーサ１４の外周部における互いに対向する２辺に接着剤２７ａを塗布する。これにより、分離膜ユニットＵが得られる。接着剤２７ａは、この時点では、未硬化の状態である。なお、分離膜１２の上には、複数の透過スペーサ１４（特に２つの透過スペーサ１４）を積層して配置してもよい。すなわち、分離膜ユニットＵは、複数の透過スペーサ１４を有していてもよい。
　次に、図４Ｂに示すように、中心管２１、流路材１７、及び複数の分離膜ユニットＵを準備する。流路材１７は、例えば、中心管２１に直接巻き付けられる第１部分１７ａ、分離膜ユニットＵと積層される第２部分１７ｂ、及び、第２部分１７ｂに接続され、第２部分１７ｂから中心管２１とは反対側に延びる第３部分１７ｃを有する。流路材１７の第１部分１７ａが上述の第２流路材１６に相当し、第２部分１７ｂが透過スペーサ１４に相当し、第３部分１７ｃが第１流路材１５に相当する。複数の分離膜ユニットＵは、流路材１７の第２部分１７ｂの上において、階段状に配置される。複数の分離膜ユニットＵの数は、特に限定されず、例えば２～４０である。なお、最も上方に位置する分離膜ユニットＵは、透過スペーサ１４を有していなくてもよい。
　次に、中心管２１に、流路材１７の第１部分１７ａを巻き付け、さらに、複数の分離膜ユニットＵを巻き付ける。このとき、最も上方に位置していた分離膜ユニットＵは、流路材１７の第２部分１７ｂと積層される。次に、複数の分離膜ユニットＵを取り囲むように、流路材１７の第３部分１７ｃを中心管２１に巻き付ける。第１部分１７ａや第３部分１７ｃの巻き数は、特に限定されず、例えば１～１５であり、好ましくは２～１０である。
　中心管２１に分離膜ユニットＵが巻き付けられたのち、接着剤２７ａが硬化することによって、透過スペーサ１４を介して隣接する２つの構造体１１が互いに接合される。これにより、中心管２１及び積層体２２を含む組立体が得られる。
［スパイラル型膜エレメントの特性］
　スパイラル型膜エレメントでは、供給流体の圧力と透過流体の圧力との差（圧力差）を駆動力として、分離膜による供給流体の膜分離が進行する。そのため、スパイラル型膜エレメント内で圧力損失が生じると、上記の圧力差が減少し、分離膜からの透過流体の透過速度が低下する。特に、本発明者らの検討によると、中心管のみを通じて透過流体を外部に送る従来のスパイラル型膜エレメントでは、透過空間内での透過流体の移動距離が長く、圧力損失が大きい傾向がある。
　本実施形態の分離膜エレメント１０では、その運転時に、透過流体Ｓ１が、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓを通じて、透過空間から外部空間３０に送られる。詳細には、分離膜エレメント１０は、外周面１０ｓを通じて、透過空間から外部空間３０に一部の透過流体Ｓ１を送るとともに、中心管２１の開口部２１ｈを通じて、透過空間から中心管２１の内部に残りの透過流体Ｓ１を送ることができる。すなわち、本実施形態の分離膜エレメント１０において、外周面１０ｓ及び中心管２１の両方が透過流体Ｓ１の出口として機能する。透過空間内の透過流体Ｓ１は、外周面１０ｓ及び中心管２１のうち、移動距離が短い出口から流出することができる。このように、本実施形態の分離膜エレメント１０では、従来のスパイラル型膜エレメントに比べて、透過空間内での透過流体Ｓ１の移動距離が短く、圧力損失を抑制することに適している。すなわち、本実施形態の分離膜エレメント１０は、透過流体Ｓ１を効率的に回収することに適している。
　本実施形態の分離膜エレメント１０の運転方法としては、例えば、外周面１０ｓに隣接する外部空間３０と、中心管２１の内部とを減圧して運転する方法（減圧法）や、加圧した供給流体Ｓを供給空間に供給する方法（加圧法）を採用することができる。本実施形態の分離膜エレメント１０では、外周面１０ｓ及び中心管２１のうちのいずれか一方から透過空間にスイープ流体を供給して、他方からスイープ流体とともに透過流体Ｓ１を取り出す方法（スイープ法）も利用可能である。スイープ流体としては、空気やアルゴンガスなどのスイープガスが挙げられる。特に、減圧法やスイープ法は、加圧法に比べて、供給流体Ｓと透過流体Ｓ１との圧力差を小さく調整でき、本実施形態の分離膜エレメント１０の運転方法に適している。
　一例として、二酸化炭素を供給流体として用いて、平膜状の分離膜１２を減圧法で運転した場合における平膜状の分離膜１２からの二酸化炭素の透過速度Ｔ１（ＧＰＵ）に対する、分離膜エレメント１０を減圧法で運転した場合における分離膜エレメント１０からの二酸化炭素の透過速度Ｔ２（ＧＰＵ）の比率Ｒは、例えば８５％以上であり、９０％以上、９５％以上、９７％以上、さらには９９％以上であることが好ましい。
　透過速度Ｔ１及びＴ２を特定するための減圧法の運転において、平膜状の分離膜１２又は分離膜エレメント１０に供給される供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．１ＭＰａである。減圧法では、真空ポンプを用いて、透過流体が得られる空間を１０ｋＰａ程度以下まで減圧する。なお、ＧＰＵは、１０-6・cm3(STP)/(sec・cm2・cmHg)を意味する。cm3(STP)は、１気圧、０℃での二酸化炭素の体積を意味する。
［スパイラル型膜エレメントの用途］
　本実施形態の分離膜エレメント１０の用途としては、気体を処理する用途、特に酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離する用途、が挙げられる。混合気体の酸性ガスとしては、二酸化炭素、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、シアン化水素、窒素酸化物（ＮＯｘ）などが挙げられ、好ましくは二酸化炭素である。混合気体は、酸性ガス以外の他のガスを含んでいる。他のガスとしては、例えば、水素、窒素などの非極性ガス、及び、ヘリウムなどの不活性ガスが挙げられ、好ましくは窒素である。特に、本実施形態の分離膜エレメント１０は、二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離する用途に適している。ただし、分離膜エレメント１０の用途は、上記の混合気体から酸性ガスを分離する用途に限定されない。
＜膜分離装置の実施形態＞
　図５に示すとおり、本実施形態の膜分離装置１００は、上述の分離膜エレメント１０と、分離膜エレメント１０を収容するケーシング４０とを備える。分離膜エレメント１０は、例えば、ケーシング４０に対して着脱可能に構成されている。ケーシング４０としては、例えば、公知の高圧ベッセルを用いることができる。
　ケーシング４０は、ケーシング本体４１、第１端板４２及び第２端板４３を有する。ケーシング本体４１は、例えば、円筒形状又は角筒形状を有し、十分な耐圧性を有する材料で作られている。第１端板４２は、ケーシング本体４１の一方の端部に取り付けられており、当該端部を閉じている。第２端板４３は、ケーシング本体４１の他方の端部に取り付けられており、当該端部を閉じている。
　ケーシング４０は、ポート４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４３ｂを有する。これらのポートは、ケーシング４０の内部と外部とを連通するためのポートである。ポート４１ａは、ケーシング本体４１に設けられており、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓを通じて透過空間から送られた透過流体Ｓ１をケーシング４０の外部に排出するための透過流体出口として機能する。ポート４１ａの数は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
　ポート４２ａは、第１端板４２に設けられており、ケーシング４０の内部に供給流体Ｓを供給するための供給流体入口として機能する。ポート４２ａの数は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
　ポート４３ａは、第２端板４３に設けられており、ケーシング４０の外部に非透過流体Ｓ２を排出するための非透過流体出口として機能する。ポート４３ａの数は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。
　ポート４３ｂは、第２端板４３に設けられており、中心管２１と接続されている。ポート４３ｂは、透過空間から中心管２１の内部に送られた透過流体Ｓ１をケーシング４０の外部に排出するための透過流体出口として機能する。
　各ポート４１ａ、４２ａ、４３ａ及び４３ｂは、単なる開口であってもよく、図５に示すようなノズル状の開口であってもよい。
　膜分離装置１００は、分離膜エレメント１０の周囲に配置された第１シール部４５及び第２シール部４６をさらに備える。第１シール部４５は、分離膜エレメント１０の上流側の端部に配置されており、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓとケーシング４０の内周面４０ｓとの間の空間５０に供給流体Ｓが流入することを防ぐことができる。第２シール部４６は、分離膜エレメント１０の下流側の端部に配置されており、上記の空間５０に非透過流体Ｓ２が流入することを防ぐことができる。膜分離装置１００では、第１シール部４５及び第２シール部４６によって、空間５０の出入口が塞がれている。言い換えると、第１シール部４５及び第２シール部４６によって、空間５０が封止されている。なお、空間５０は、上述の外部空間３０に相当する。
　第１シール部４５及び第２シール部４６としては、断面がＵ形状のシール（Ｕパッキン）、Ｏリングシールなどを用いることができる。
　膜分離装置１００は、例えば、次の方法によって運転することができる。まず、ポート４２ａを通じて、ケーシング４０の内部に供給流体Ｓを供給する。供給流体Ｓは、分離膜エレメント１０の供給空間内に供給され、中心管２１の長手方向に供給空間を移動する。このとき、供給流体Ｓは、分離膜１２の一方の面に接触する。次に、分離膜１２の一方の面に供給流体Ｓを接触させた状態で、分離膜１２の他方の面に隣接する透過空間を減圧する。詳細には、ポート４１ａを通じて空間５０を減圧するとともに、ポート４３ｂを通じて中心管２１の内部を減圧することによって、透過空間を減圧することができる。
　透過空間を減圧することによって、供給流体Ｓが分離膜１２を透過し、透過流体Ｓ１が透過空間に供給される。一部の透過流体Ｓ１（外周面１０ｓに比較的近い位置に供給された透過流体Ｓ１）は、外周面１０ｓを通じて、透過空間から空間５０に送られる。この透過流体Ｓ１は、ポート４１ａを通じて、膜分離装置１００の外部に排出される。残りの透過流体Ｓ１（中心管２１に比較的近い位置に供給された透過流体Ｓ１）は、中心管２１の開口部２１ｈを通じて、透過空間から中心管２１の内部に送られる。この透過流体Ｓ１は、ポート４３ｂを通じて、膜分離装置１００の外部に排出される。
　分離膜エレメント１０によって処理された供給流体Ｓ（非透過流体Ｓ２）は、分離膜エレメント１０の供給空間から排出され、ポート４３ａを通じて、膜分離装置１００の外部に排出される。
　なお、膜分離装置１００の運転方法は、上述の減圧法に限定されず、加圧した供給流体Ｓをケーシング４０の内部に供給する加圧法や、スイープ流体を利用するスイープ法を利用することもできる。スイープ法では、ポート４１ａ及びポート４３ｂのうちのいずれか一方からスイープ流体を供給して、他方からスイープ流体とともに透過流体Ｓ１を取り出すことができる。一例として、ポート４３ｂからスイープ流体を供給した場合、スイープ流体は、中心管２１の内部を通過し、分離膜エレメント１０の透過空間に送られる。透過空間でスイープ流体と透過流体Ｓ１とが混合され、混合流体が得られる。混合流体は、分離膜エレメント１０の外周面１０ｓを通じて、透過空間から空間５０に送られ、さらに、ポート４１ａを通じて、膜分離装置１００の外部に排出される。
　上述のとおり、減圧法やスイープ法は、加圧法に比べて、供給流体Ｓと透過流体Ｓ１との圧力差を小さく調整できる。そのため、減圧法やスイープ法によれば、例えば、供給流体Ｓが、第１シール部４５と分離膜エレメント１０との間の隙間などから空間５０に漏れることを十分に抑制できる傾向がある。
［膜分離装置の変形例］
　膜分離装置１００において、ケーシング４０に設けられた各ポートの組み合わせは、上述のものに限定されない。図６に示す膜分離装置１１０は、上記のポート４３ｂに代えて、第１端板４２に設けられたポート４２ｂを有していることを除き、膜分離装置１００と同じ構成を有する。したがって、上述の膜分離装置１００と変形例の膜分離装置１１０とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
　上述のとおり、ポート４２ｂは、第１端板４２に設けられており、中心管２１と接続されている。ポート４２ｂは、透過空間から中心管２１の内部に送られた透過流体Ｓ１をケーシング４０の外部に排出するための透過流体出口として機能する。
　膜分離装置１１０では、運転時において、中心管２１の内部に送られた透過流体Ｓ１は、供給流体Ｓが分離膜エレメント１０の内部を移動する方向とは反対方向に移動する。膜分離装置１１０は、向流（Countercurrent flow）型の膜分離装置である。膜分離装置１１０の運転時において、中心管２１の内部に送られる透過流体Ｓ１の流量は、通常、分離膜エレメント１０の下流側（供給流体Ｓの出口側）よりも、分離膜エレメント１０の上流側（供給流体Ｓの入口側）で大きい。膜分離装置１１０では、分離膜エレメント１０の上流付近で中心管２１の内部に送られた透過流体Ｓ１が、ポート４２ｂからただちに排出される。すなわち、膜分離装置１１０では、流量の大きい透過流体Ｓ１が中心管２１の内部を移動する距離が短い。そのため、膜分離装置１１０は、透過流体Ｓ１が中心管２１の内部を移動することに起因する圧力損失を低減することに適していると言える。
＜膜分離システムの実施形態＞
　本実施形態の膜分離システムは、例えば、上述の膜分離装置１００及び減圧装置を備える。膜分離システムは、膜分離装置１００に代えて、膜分離装置１１０を備えていてもよい。膜分離システムは、例えば、２つの減圧装置を備えている。２つの減圧装置のうちの一方が膜分離装置１００のポート４１ａを通じて空間５０を減圧し、他方がポート４３ｂを通じて中心管２１の内部を減圧することができる。ただし、膜分離システムにおいて、１つの減圧装置が空間５０及び中心管２１の内部の両方を減圧できるように構成されていてもよい。減圧装置の具体例は、真空ポンプなどの真空装置である。
　膜分離システムは、複数の膜分離装置１００を備えていてもよく、複数の膜分離装置１００が互いに直列又は並列に接続されていてもよい。本明細書において、「複数の膜分離装置１００が互いに直列に接続されている」とは、前段の膜分離装置１００のポート４３ａから排出された供給流体Ｓ（非透過流体Ｓ２）が後段の膜分離装置１００のポート４２ａに送られるように、複数の膜分離装置１００が互いに接続されている構成を意味する。「複数の膜分離装置１００が互いに並列に接続されている」とは、供給流体Ｓが複数の膜分離装置１００のそれぞれのポート４２ａに送られるように、複数の膜分離装置１００が互いに接続されている構成を意味する。膜分離システムにおける膜分離装置１００の数は、特に限定されず、例えば２～５である。
　膜分離システムは、膜分離装置１００から排出された透過流体Ｓ１をさらに処理する追加の膜分離装置を備えていてもよい。追加の膜分離装置としては、膜分離装置１００と同じ構成のものを利用することができる。
　以下に、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
［分離膜の作製］
　まず、シリコーン樹脂及びポリウレタン樹脂を９：１の重量比で含む塗布液を調製した。塗布液は、溶媒として水を含んでいた。次に、グラビアコート法によって、塗布液を多孔性支持体の上に塗布することによって塗布膜を得た。多孔性支持体としては、日東電工社製のＵＦ膜（限外ろ過膜）ＲＳ－５０（ＰＶＤＦ多孔質層とＰＥＴ不織布との積層体）を用いた。得られた塗布膜を乾燥させることによって、分離機能層を形成した。これにより、分離膜を得た。
［スパイラル型膜エレメントの作製］
　中心管及び上記の分離膜を用いて、図４Ａ及び４Ｂを参照して説明した方法によって実施例１のスパイラル型膜エレメントを作製した。なお、透過スペーサ、第１流路材及び第２流路材としては、ＫＢセーレン社製の＃１０００Ｅを用いた。供給スペーサとしては、東京インキ社製の３４ｍｉｌを用いた。実施例１では、分離膜の上に、２つの透過スペーサを積層して配置することによって、分離膜ユニットを作製した。実施例１のスパイラル型膜エレメントでは、その外周面を介して透過空間が外部空間と連通していた。
（比較例１）
　中心管のみを通じて透過流体を外部に送る構成を採用したことを除き、実施例１と同じ方法によって比較例１のスパイラル型膜エレメントを作製した。比較例１のスパイラル型膜エレメントでは、その外周面を介して透過空間が外部空間と連通しておらず、従来のスパイラル型膜エレメントの構造と同じであった。
［平膜状の分離膜の評価］
　スパイラル型膜エレメントに用いた分離膜について、平膜の状態での二酸化炭素の透過速度Ｔ１（ＧＰＵ）を測定した。透過速度Ｔ１の測定は、差圧式ガス透過率測定装置（ＧＴＲテック社製のＧＴＲ－３１ＡＨＮＤ）を用いて、以下の方法によって行った。まず、分離膜を平膜の状態で金属セル中にセットし、リークが発生しないようにＯリングでシールした。分離膜の膜面積は、３．１４ｃｍ2であった。次に、分離膜の分離機能層側の主面に供給流体が接触するように、金属セル内に供給流体（二酸化炭素）を注入した。金属セル内に注入された供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．１ＭＰａであった。次に、真空ポンプを用いて、分離膜の多孔性支持体側の主面に隣接する空間を１０ｋＰａ程度以下まで減圧した。これにより、分離膜の多孔性支持体側の主面から透過流体が得られた。得られた透過流体の組成、透過流体の重量などに基づいて、二酸化炭素の透過速度Ｔ１を算出した。なお、透過流体の組成などは、ガスクロマトグラフィー（ヤナコテクニカルサイエンス社製のＧ２７００Ｔ）を用いて測定した。
［スパイラル型膜エレメントの評価］
　次に、スパイラル型膜エレメントを減圧法で運転したときの二酸化炭素の透過速度Ｔ２（ＧＰＵ）を測定した。
　透過速度Ｔ２は、以下の方法によって測定した。まず、スパイラル型膜エレメントの供給流体流路に供給流体（二酸化炭素）を供給した。供給流体は、温度が２３℃であり、圧力が０．１ＭＰａであった。次に、真空ポンプを用いて、中心管内と、スパイラル型膜エレメントの外周面に隣接する外部空間とを１０ｋＰａ程度以下まで減圧した。これにより、透過流体が得られた。得られた透過流体の流量などに基づいて、二酸化炭素の透過速度Ｔ２を算出した。なお、透過流体の流量は、石鹸膜流量計（ＨＯＲＩＢＡ社製）を用いて測定した。
　透過速度Ｔ１に対する透過速度Ｔ２の比率Ｒを算出した。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１からわかるとおり、外周面を介して透過空間が外部空間と連通している実施例１の分離膜エレメントは、比較例と比べて、比率Ｒが高い値であった。この結果から、本実施形態のスパイラル型膜エレメントでは、分離膜からの透過流体の透過速度の低下が抑制されており、透過流体を効率的に回収することに適していることがわかる。
　本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、酸性ガスを含む混合気体から酸性ガスを分離することに適している。特に、本実施形態のスパイラル型膜エレメントは、化学プラント又は火力発電のオフガスから二酸化炭素を分離することに適している。
 

Claims (13)

  1. 　中心管と、
    　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
    　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
    を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
    　前記透過空間は、前記スパイラル型膜エレメントの外周面を介して、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間と連通している、スパイラル型膜エレメント。
  2. 　中心管と、
    　前記中心管に巻き付けられ、供給流体を透過流体と非透過流体とに分離する分離膜と、
    　前記分離膜によって隔てられた供給空間及び透過空間と、
    を備えた、スパイラル型膜エレメントであって、
    　前記スパイラル型膜エレメントの外周面を通じて、前記透過空間から、前記スパイラル型膜エレメントの外部空間に前記透過流体を送る、スパイラル型膜エレメント。
  3. 　前記外周面を構成し、前記透過流体が通過可能な第１流路材をさらに備えた、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
  4. 　前記透過空間に配置された透過スペーサをさらに備え、
    　前記透過スペーサが前記第１流路材に接続されている、請求項３に記載のスパイラル型膜エレメント。
  5. 　前記透過スペーサに接続され、前記分離膜よりも前記中心管側で前記中心管に巻き付けられている第２流路材をさらに備えた、請求項４に記載のスパイラル型膜エレメント。
  6. 　前記供給空間に配置された供給スペーサをさらに備え、
    　前記供給スペーサは、２つに折り畳まれた前記分離膜に囲まれている、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
  7. 　前記中心管は、前記中心管の内部と外部とを連通させる開口部を有し、
    　前記透過空間は、前記開口部を通じて、前記中心管の前記内部と連通している、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
  8. 　前記外周面を通じて、前記透過空間から前記外部空間に一部の前記透過流体を送るとともに、前記開口部を通じて、前記透過空間から前記中心管の前記内部に残りの前記透過流体を送る、請求項７に記載のスパイラル型膜エレメント。
  9. 　二酸化炭素及び窒素を含む混合気体から二酸化炭素を分離するために用いられる、請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメント。
  10. 　請求項１又は２に記載のスパイラル型膜エレメントと、
    　前記スパイラル型膜エレメントを収納するケーシングと、
    を備えた、膜分離装置。
  11. 　前記ケーシングは、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面を通じて前記透過空間から送られた前記透過流体を外部に排出するための透過流体出口を有する、請求項１０に記載の膜分離装置。
  12. 　前記スパイラル型膜エレメントの周囲に配置され、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面と前記ケーシングの内周面との間の空間に前記供給流体が流入することを防ぐ第１シール部をさらに備えた、請求項１０に記載の膜分離装置。
  13. 　前記スパイラル型膜エレメントの周囲に配置され、前記スパイラル型膜エレメントの前記外周面と前記ケーシングの内周面との間の空間に前記非透過流体が流入することを防ぐ第２シール部をさらに備えた、請求項１０に記載の膜分離装置。
     
     
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