JP2010094601A - 吸着部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス導入流路とガス排出流路間に挿入される吸着剤を均質に配することができ、これにより、ガスを吸着剤全体に対して均一に流すことができ、吸着剤の利用効率の向上を図る。
【解決手段】第１吸着部材１０Ａは、ガス導入流路２２ａのうち、隣接するガス排出流路２２ｂと対向する面を第１面３２ａとし、ガス排出流路２２ｂのうち、隣接するガス導入流路２２ａの第１面３２ａと対向する面を第２面３２ｂとしたとき、第１面３２ａと第２面３２ｂ間の最短距離ｄ１が一定で、第１面３２ａと第２面３２ｂとの間に挿入された吸着剤層１４の厚さｄ２が一定とされている。さらに、第１面３２ａから吸着剤層１４までの距離ｄａと第２面３２ｂから吸着剤層１４までの距離ｄｂがそれぞれ一定となっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、互いに平行に延在する多数のガス導入流路と多数のガス排出流路との間に吸着剤層を挿入してなる吸着部材に関する。

従来の吸着部材は、例えば特許文献１に示すように、入口側端面が開口とされ、出口側端面が封止された多数の入口側中空チューブと、入口側端面が封止され、出口側端面が開口とされた多数の出口側中空チューブを吸着剤に差し込んで構成されている。入口側中空チューブ及び出口側中空チューブの各壁は多孔質となっている。

従って、この吸着部材に供給された処理前のガスは、入口側第１中空チューブに流入し、該入口側中空チューブの多孔質壁を通って吸着剤に供給され、処理後のガスは出口側中空チューブの多孔質壁と出口側中空チューブを通じて排出される。

国際公開第９９／０２１６４４号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載の技術において、ガスの流れは、図１８に示すように、圧損が最も低い経路、入口側中空チューブ１００ａの多孔質壁と出口側中空チューブ１００ｂの多孔質壁との間の最短経路（Ａで示す経路）をとることになり、Ｂで示す曲線となるような経路は通らない。従って、ガスは吸着剤１０２全体を均一に流れるわけではないため、吸着剤１０２の性能が１００％引き出されることはない。

さらに、特許文献１記載の中空チューブは、プラスチック製の中空糸膜が現実的な選択と考えられるが、その柔らかさのために、図１９に示すように、隣接する入口側中空チューブ１００ａと出口側中空チューブ１００ｂと間の距離にばらつきが生じ（距離Ｌａと距離Ｌｂで異なる）、吸着剤１０２の不均質さが発生するおそれがある。

また、吸着剤の単位体積当たりの処理能力が大きい場合には、（ガスの流入経路の体積）／（吸着剤の体積）を大きくすることがよい。そこで、特許文献１では、中空チューブの本数を増やすことになるが、中空チューブの本数が増すにつれて、吸着剤を充填する（あるいは吸着剤に中空チューブを挿入する）こと自体、手間がかかるようになり、コストアップの要因となる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ガス導入流路とガス排出流路間に挿入される吸着剤を均質に配することができ、これにより、ガスを吸着剤全体に対して均一に流すことができ、吸着剤の利用効率の向上を図ることができる吸着部材を提供することを目的とする。

本発明に係る吸着部材は、それぞれ多孔体壁で区画された多数のガス導入流路と、それぞれ多孔体壁で区画された多数のガス排出流路と、前記ガス導入流路と前記ガス排出流路の間に挿入された吸着剤層もしくは前記ガス導入流路の表面に形成された吸着剤層もしくは前記ガス排出流路の表面に形成された吸着剤層のうち少なくとも一つを有する吸着部材であって、前記ガス導入流路と前記ガス排出流路がそれぞれ平行に配置され、前記ガス導入流路と前記ガス排出流路の横断面の形状が多角形であり、前記ガス導入流路のうち、隣接する前記ガス排出流路と対向する面を第１面とし、前記ガス排出流路のうち、隣接する前記ガス導入流路の前記第１面と対向する面を第２面としたとき、前記第１面と前記第２面間の最短距離が一定で、前記第１面と前記第２面との間に挿入された前記吸着剤層もしくは前記ガス導入流路の表面に形成された吸着剤層もしくは前記ガス排出流路の表面に形成された吸着剤層の厚さが一定であることを特徴とする。なお、前記一定とは、変動幅が±５０％以下である。

これにより、ガス導入流路とガス排出流路間に挿入される吸着剤を均質に配することができ、ガスを吸着剤全体に対して均一に流すことができる。これは、吸着剤の利用効率の向上につながり、吸着部材自体の小型化、該吸着部材を用いた設備のコンパクト化を図ることができる。

そして、本発明において、前記多角形は、三角形、四角形、六角形、八角形のいずれか、もしくはこれらの形状の組み合わせであってもよい。

また、前記吸着剤層を構成する材料が、前記多孔体壁の一部又は全部に浸透していてもよい。あるいは、前記多孔体壁と前記吸着剤層とが一体化していてもよい。あるいは、前記多孔体壁が多孔の吸着剤層で構成されていてもよい。

これらの場合、多数のガス導入流路と、多数のガス排出流路を一体的に成形して構成することができるため、特許文献１のように、中空糸が多数並べられているところに吸着剤層を充填したり、吸着剤層の中に多数の中空糸を挿入していく等の面倒な作業を回避することができる。

以上説明したように、本発明に係る吸着部材によれば、ガス導入流路とガス排出流路間に挿入される吸着剤を均質に配することができ、これにより、ガスを吸着剤全体に対して均一に流すことができ、吸着剤の利用効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る吸着部材の実施の形態例を図１〜図１７を参照しながら説明する。

先ず、第１の実施の形態に係る吸着部材（以下、第１吸着部材１０Ａと記す）は、図１に示すように、全体として直方体状や円柱状等の柱状の形状を有する多孔体の構造体１２と、該構造体１２内に挿入された吸着剤層１４（図４参照）とを有する。

構造体１２は、吸着処理前のガス（以下、未処理ガスと記す）が流入する流入端面１６と、この第１吸着部材１０Ａにて吸着処理がなされた後のガスが流出する流出端面１８と、流入端面１６から流出端面１８まで延びる隔壁２０（図２Ａ〜図３Ｂ参照）と、隔壁２０により仕切られ、流入端面１６から第１吸着部材１０Ａの軸方向に沿って形成されたガス導入流路２２ａと、流出端面１８から第１吸着部材１０Ａの軸方向に沿って形成されたガス排出流路２２ｂとを有する。

また、流入端面１６では、図２Ａ、図３Ａ又は図３Ｂに示すように、それぞれガス排出流路２２ｂの端面が封止されて、複数のガス導入流路２２ａの開口によって市松模様又は桂馬飛びの模様（日本の将棋の駒の１つである桂馬の動きに従って開口が配置された模様である。もちろん、チェスのナイトの動きに従って配置された模様でもよい。以下、桂馬飛びの模様と呼ぶ。）を呈するように、これら複数のガス導入流路２２ａが配された形態となされ、同様に、流出端面１８では、図２Ｂ、図３Ｂ又は図３Ａに示すように、それぞれガス導入流路２２ａの端面が封止されて、複数のガス排出流路２２ｂの開口によって市松模様又は桂馬飛びの模様を呈するように、これら複数のガス排出流路２２ｂが配された形態となされている。

さらに、第１吸着部材１０Ａの横断面（第１吸着部材１０Ａの軸方向と直交する方向に沿って切った断面。以下、このように呼ぶ。）を見たとき、第１吸着部材１０Ａの最外周を除けば、図４に示すように、製造等に起因する歪みを除けば、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂは共に四角形（例えば正方形）を有する。ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間の隔壁２０は、多孔体２４にて構成され、特に、隔壁２０の幅方向中央部分に吸着剤層１４が挿入されている。従って、隔壁２０は多孔体２４、吸着剤層１４、多孔体２４の３層構造とされている。

作り方としては、多孔体２４のみで構成されたハニカム構造体（ここでの「ハニカム」は正六角形に限定されるのではなく、四角形や八角形等の多角形を示す。以下、このように呼ぶ。）を押し出し成形・焼成した後、吸着剤層１４を間隙に注入・充填すればよい。目封じはこの工程の中で適宜施せばよく、例えば、吸着剤層１４を充填した後に、吸着剤層１４を充填した間隙の両端も含めて必要な部位に目封じを施して乾燥させる方法を取ることができる。なお、図４において、交点部分２５は目封じを施してもよいし、吸着剤層１４を充填してもよい。

また、この第１吸着部材１０Ａの横断面の構造は図５Ａや図５Ｂに示すものでもよい。すなわち、第１吸着部材１０Ａの最外周を除けば、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂは、製造等に起因する歪みを除けば、共に四角形（例えば正方形）を有する。ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間の隔壁２０は、多孔体２４にて構成され、図５Ａでは、ガス導入流路２２ａ側の表面に吸着剤層１４が形成され、図５Ｂでは、ガス排出流路２２ｂ側の表面に吸着剤層１４が形成されている。

これら図４〜５Ｂに示す構造は、互いを禁ずるものではないので、図４と図５Ａ、図５Ａと図５Ｂ、図４と図５Ｂ、図４〜図５Ｂの全てを併せ持つ構造であってもよい。

図５Ａや図５Ｂに示す構造の第１吸着部材１０Ａの作り方としては、多孔体２４のみで構成されたハニカム構造体を押し出し成形・焼成した後、吸着剤層１４をそれが形成される流路に流し込んで、その粘性で一定厚みの層を形成させた後に乾燥させる操作を、所定の厚みになるまで繰り返して吸着剤層１４を形成し、その後、必要な部位に目封じを施して乾燥させる方法を取ることができる。

この第１吸着部材１０Ａは、図４を例にとって説明すれば、ガス導入流路２２ａのうち、隣接するガス排出流路２２ｂと対向する面を第１面３２ａとし、ガス排出流路２２ｂのうち、隣接するガス導入流路２２ａの第１面３２ａと対向する面を第２面３２ｂとしたとき、第１面３２ａと第２面３２ｂ間の距離ｄ１が一定で、第１面３２ａと第２面３２ｂとの間に挿入された吸着剤層１４の厚さｄ２が一定とされている。特に、この第１吸着部材１０Ａでは、第１面３２ａから吸着剤層１４までの距離ｄａと第２面３２ｂから吸着剤層１４までの距離ｄｂがそれぞれ一定となっている。図５Ａ及び図５Ｂに示す例においても、第１面３２ａと第２面３２ｂ間の距離ｄ１が一定で、第１面３２ａと第２面３２ｂとの間に挿入された吸着剤層１４の厚さｄ２が一定とされている。なお、ここで「一定」とは変動幅が±５０％以下であることを示す。

隔壁２０を構成する多孔体２４の材料としては、酸化物又は炭化物又は窒化物あるいはこれらの混合物であって、酸素、炭素、窒素以外の構成元素として、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、マンガン、鉄、アルミニウム、ケイ素のうち、少なくとも１種類を含む無機材料を使用することができる。

吸着剤層１４としては、例えば、吸着するガスに応じて、天然ゼオライトや人工ゼオライト、活性炭やモレキュラーシービングカーボン、アルミナ類、アミン類、ＭＯＦ類等を用いることができる。

この第１吸着部材１０Ａにおいては、上述のように、第１面３２ａと第２面３２ｂ間の距離ｄ１が一定で、第１面３２ａと第２面３２ｂとの間に挿入された吸着剤層１４の厚さｄ２が一定とされているため、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間に挿入される吸着剤層１４を均質に配することができる。従って、１つのガス導入流路２２ａに着目した場合、該ガス導入流路２２ａに隣接する４つのガス排出流路２２ｂまでの距離はいずれもほぼ同じになり、未処理ガスはほぼ均等に隣接する４つのガス排出流路２２ｂに流通することになる。これは、全てのガス導入流路２２ａにおいても同じであり、未処理ガスを吸着剤層１４全体に対して均一に流すことができる。これは、吸着剤層１４の利用効率の向上につながり、第１吸着部材１０Ａ自体の小型化、該第１吸着部材１０Ａを用いた設備のコンパクト化を図ることができる。

次に、第２の実施の形態に係る吸着部材（以下、第２吸着部材１０Ｂと記す）は、上述した第１吸着部材１０Ａとほぼ同じ構成を有するが、多孔体２４全体に吸着剤（吸着剤層１４を構成する材料）を浸透させた点で異なる。なお、図示を省略する。

第２吸着部材１０Ｂの製造方法は、例えば以下のような方法を採用することができる。すなわち、ハニカム構造体１２を押し出し成形・焼成・目封じした後、吸着剤を多孔体２４を通じて流通させる。このようにすれば、隔壁２０全体に吸着剤を行き渡らせることができる。この吸着剤の流通には、吸引とすることも圧入とすることもできる。その後、吸着剤の特性に応じた条件で熱処理することにより、隔壁２０と吸着剤層１４とが一体化された１つの第２吸着部材１０Ｂが完成する。

この第２吸着部材１０Ｂにおいても、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間に挿入される吸着剤層１４を均質に配することができる。

次に、第３の実施の形態に係る吸着部材（以下、第３吸着部材１０Ｃと記す）について図６を参照しながら説明する。

第３吸着部材１０Ｃは、図６に示すように、上述した第１吸着部材１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、多孔体２４の材料と吸着剤層１４の材料とを混合させた材料で構造体１２の隔壁２０を構成した点で異なる。多孔体２４と吸着剤層１４とを一体化させた点で、上述した第１吸着部材１０Ａ及び第２吸着部材と同様である。この場合、隔壁２０は、多孔体２４の材料と吸着剤層１４の材料が均一に分散された形態となるため、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間に挿入される吸着剤層１４を均質に配することができる。

次に、第４の実施の形態に係る吸着部材（以下、第４吸着部材１０Ｄと記す）について図７を参照しながら説明する。

第４吸着部材１０Ｄは、図７に示すように、上述した第１吸着部材１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、構造体１２の隔壁２０自体を多孔の吸着剤層１４で構成した点で異なる。この場合、隔壁２０自体が、吸着剤層１４であることから、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂ間に挿入される吸着剤層１４を均質に配することができる。

上述の例では、例えば図４〜図５Ｂに示すように、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂの横断面形状を共に四角形（例えば正方形）としたが、その他、三角形、四角形、六角形、八角形のいずれか、もしくはこれらの形状の組み合わせでも構わない。図８では、ガス導入流路２２ａとガス排出流路２２ｂの横断面形状を共に三角形（例えば正三角形）にした場合を示し、図９では、ガス導入流路２２ａの横断面形状を三角形とし、ガス排出流路２２ｂの横断面形状を六角形にした場合を示す。また、図１０では、ガス導入流路２２ａの横断面形状を八角形とし、ガス排出流路２２ｂの横断面形状を四角形にした場合を示す。その他、様々な形態が考えられる。

次に、第１吸着部材１０Ａ〜第４吸着部材１０Ｄでは、処理する流体が隔壁２０を全量通過する特性を有する。そこで、圧損低減を図る目的で、図１１に示すように、第１吸着部材１０Ａ〜第４吸着部材１０Ｄの構造体１２と同様の構成を有する１つのモデル構造体４０を作り、セル４２の面積ｓと隔壁４４の厚みｔとの比率の好ましい範囲を検討し、その範囲を見い出した。以下、それについて説明する。

先ず、図１１に示すモデル構造体４０の圧損は、以下の２つの抵抗Ｐ１及びＰ２に起因すると考えられる。
Ｐ１：処理する流体が流路４６内を流れる際の流路抵抗
Ｐ２：処理する流体が隔壁４４を通過する際の抵抗

抵抗Ｐ１及びＰ２は、セル４２の面積ｓと隔壁４４の厚みｔを使って、経験的に以下のように表現することができる。

ここに、
Ｖ：モデル構造体１つ当たりの処理ガス量（ｍ³／ｓｅｃ）
Ｓ：モデル構造体１つ当たりの横断面積（ｍ²）
Ｌ：流路の長さ（ｍ）
ｒ：流路の圧損に係る係数（ｋＰａ／ｍ／ｓｅｃ・ｍ）
ｓ：セルの断面積（ｍ²）
ｔ：隔壁の厚み（ｍ）
ｘ：セルの断面積の平方根と隔壁の厚みとの比（√ｓ＝ｘｔ）
ηＧ：処理する流体の粘度（Ｐａ・ｓｅｃ）
ηＷ：基準となる流体（水）の粘度（Ｐａ・ｓｅｃ）
Ｒ：基準となる流体（水）の抵抗率（ｋＰａ・ｓｅｃ／ｍ²）

従って、下記式に示す抵抗Ｐ１及びＰ２の和がモデル構造体の圧損となる。

ここに、ｆ₁（ｘ）、ｆ₂（ｘ）、ａ₁、ａ₂は以下の通りである。

上述したｆ₁（ｘ）、ｆ₂（ｘ）は、図１２に示すような関数であるため、ｘが小さい場合（すなわち、セル４２の断面積ｓに対して隔壁４４の厚みｔが大きい場合）には、ｆ₁（ｘ）、ｆ₂（ｘ）のいずれも値が大きくなる。これは、システム上、消費エネルギーが大きくなり、不利である。

一方、ｘが大きくなるにつれてｆ₁（ｘ）が単調に減少するのに対し、ｆ₂（ｘ）はある時点から増加に転じる。このため、ａ₂がａ₁に比して小さければ、Ｐ１＋Ｐ２は、ｆ₂（ｘ）の挙動をあまり受けないから、ｘが大きくなっても、あまり増加しないのに対し、ａ₂がａ₁に比して大きければ、Ｐ１＋Ｐ２はｆ₂（ｘ）の挙動に引っ張られ、これにより、ｘが大きくなるにつれて増加することになる。

そこで、ｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を、具体的な実験データに基づき調べた。その結果を図１３〜図１７に示す。図１３は、隔壁４４の平均気孔径が５μｍの場合を示し、図１４は、隔壁４４の平均気孔径が７．５μｍの場合を示し、図１５は、隔壁４４の平均気孔径が１０μｍの場合を示す。また、図１６は、隔壁４４の平均気孔径が２０μｍの場合を示し、図１７は、隔壁４４の平均気孔径が３０μｍの場合を示す。

これら図１３〜図１７から、Ｐ１＋Ｐ２を小さくできる好ましいｘの範囲を導いた（表１〜表３参照）

なお、本発明に係る吸着部材は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

第１吸着部材の構成を示す斜視図である。 図２Ａは第１吸着部材の流入端面の一例を一部省略して示す図であり、図２Ｂは第１吸着部材の流出端面の一例を一部省略して示す図である。 図３Ａは第１吸着部材の流入端面（又は流出端面）の他の例を一部省略して示す図であり、図３Ｂは第１吸着部材の流出端面（又は流入端面）の他の例を一部省略して示す図である。 第１吸着部材の横断面を一部省略して示す図である。 第１吸着部材の横断面の他の例を一部省略して示す図であり、図５Ａはガス導入流路側の表面に吸着剤層が形成された例を示し、図５Ｂはガス排出流路側の表面に吸着剤層が形成された例を示す。 第３吸着部材の横断面を一部省略して示す図である。 第４吸着部材の横断面を一部省略して示す図である。 ガス導入流路及びガス排出流路の各断面形状の他の例を示す図である。 ガス導入流路及びガス排出流路の各断面形状のさらに他の例を示す図である。 ガス導入流路及びガス排出流路の各断面形状のさらに他の例を示す図である。 第１吸着部材〜第４吸着部材のモデル構造体を一部省略して示す斜視図である。 関数ｆ₁（ｘ）、ｆ₂（ｘ）の特性を示すグラフである。 隔壁の平均気孔径が５μｍの場合におけるｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を示すグラフである。 隔壁の平均気孔径が７．５μｍの場合におけるｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を示すグラフである。 隔壁の平均気孔径が１０μｍの場合におけるｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を示すグラフである。 隔壁の平均気孔径が２０μｍの場合におけるｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を示すグラフである。 隔壁の平均気孔径が３０μｍの場合におけるｘの変化に対するＰ１＋Ｐ２の挙動を示すグラフである。 従来例での不均一なガスの流れによる影響を説明するための図である。 従来例での吸着剤の不均質な状態を説明するための図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｄ…第１吸着部材〜第４吸着部材
１２…構造体 １４…吸着剤層
１６…流入端面 １８…流出端面
２０…隔壁 ２２ａ…ガス導入流路
２２ｂ…ガス排出流路 ２４…多孔体

Claims (7)

1. それぞれ多孔体壁で区画された多数のガス導入流路と、
   それぞれ多孔体壁で区画された多数のガス排出流路と、
   前記ガス導入流路と前記ガス排出流路の間に挿入された吸着剤層もしくは前記ガス導入流路の表面に形成された吸着剤層もしくは前記ガス排出流路の表面に形成された吸着剤層のうち少なくとも一つを有する吸着部材であって、
   前記ガス導入流路と前記ガス排出流路がそれぞれ平行に配置され、
   前記ガス導入流路と前記ガス排出流路の横断面の形状が多角形であり、
   前記ガス導入流路のうち、隣接する前記ガス排出流路と対向する面を第１面とし、前記ガス排出流路のうち、隣接する前記ガス導入流路の前記第１面と対向する面を第２面としたとき、
   前記第１面と前記第２面間の距離が一定で、
   前記第１面と前記第２面との間に挿入された前記吸着剤層もしくは前記第１面又は前記第２面の表面に形成された前記吸着剤層の厚さが一定であることを特徴とする吸着部材。
2. 請求項１記載の吸着部材において、
   前記一定とは、変動幅が±５０％以下であることを特徴とする吸着部材。
3. 請求項１又は２記載の吸着部材において、
   前記多角形は、三角形、四角形、六角形、八角形のいずれか、もしくはこれらの形状の組み合わせであることを特徴とする吸着部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の吸着部材において、
   前記吸着剤層を構成する材料が、前記多孔体壁の一部又は全部に浸透していることを特徴とする吸着部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸着部材において、
   前記多孔体壁と前記吸着剤層とが化学的に結合して一体化していることを特徴とする吸着部材。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の吸着部材において、
   前記多孔体壁が多孔の吸着剤層で構成されていることを特徴とする吸着部材。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の吸着部材において、
   前記多孔体壁が吸着剤を含む多孔材料で構成されていることを特徴とする吸着部材。

Images