JPH0341205B2

JPH0341205B2 -

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Publication number: JPH0341205B2
Application number: JP58205782A
Authority: JP
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1991-06-21
Also published as: JPS6099311A

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野）本発明は相溶性のある液体混合物を、液・膜界
面にマイクロ波を印加して分離する膜分離方法に
使用する分離装置に関するものである。（従来技術とその問題点）一般に相溶性のある液体混合物の各々の成分を
分離するには困難が伴なう。従来最も一般的に行
なわれている工業的分離方法は蒸留である。しか
し蒸留法は成分間の沸点差が大きく共沸混合物を
形成せず、且つ熱に対して安定な系でないと適用
できない。又適用できる場合でも、蒸留には大量の熱エネ
ルギが必要であり、よりエネルギ消費の少ない分
離方法が求められている。これに応え得る可能性を有する分離方法が膜分
離法である。このような観点から、従来より液体
混合物の膜分離は種々試みられてきた。これらのうち、比較的普遍的な方法は、逆浸透
法および浸透気化法である。逆浸透法は海水の淡
水化等に実用化されている方法で、溶質である塩
（イオン）は不透過性で理想的には溶媒のみを透
過する半透膜を用い、溶液／透過液間に生ずる浸
透圧以上の圧力を溶液側に加えて、溶媒を透過さ
せ、分離する方法である。この原理は液体混合物についても適用できるは
ずで、液体混合物の分離に逆浸透を適用した試み
も多い。しかし相溶性のある液体混合物では分子
サイズ、化学的性質等類似している場合が多いた
め、必ずしも分離性はよくない。又溶液／透過液
間の浸透圧を無視できず、濃縮限界が存在する。
通常の操作圧では10〜15％程度が限界となり、液
体混合物への逆浸透の適用は、特殊な場合を除い
て現状では有用でない。浸透気化法は膜の片面を分離さるべき液体混合
物に接触させ、他の一面を減圧とするか、キヤリ
アガスと接触させた系よりなる。実際の分離は、成分液体の膜への溶解度の差、
膜内の拡散速度の差に基づいて行なわれる。原理
的には逆浸透のような限界はないと考えられ、液
体混合物の分離には有望とみられている。しかし上述の分離過程からもわかるように、化
学的・物理的性質のい類似した液体の組合せの場
合には、膜の材質、構成などに工夫が必要であ
り、現在までに浸透気化法を実用した例はほとん
どない。これらの普遍的方法とは異なつた膜分離法が最
近発表された。これは、新聞発表があつたのみで詳細は不明で
あるが、第１図に示すような構成により、高周波
振動を利用して、エタノール水溶液から、エタノ
ールを分離できるといわれている。第１図について説明すると、１は分離されるべ
きエタノール水溶液、２は炭酸カリウム又は乳酸
カリウム水溶液、３は透過したエタノール、４は
多孔芯テフロン膜、５はテフロン膜の表面をラジ
カル化処理して導電性をもたせたラジアル化テフ
ロン膜、６はフツ化ビニリデン膜である。第１図においてラジカル化テフロン膜５に電極
７，７′を通じて100〜1000KHzの高周波電流をか
けて、フツ化ビニリデン膜６の表面にマイクロ波
振動を起こさせ、このマイクロ波振動エネルギに
よつて会合したエタノール分子の中心に水を抱い
た構造のエタノール包接化合物と、その周囲の水
との間の結合が切れ、エタノール包接化合物のみ
を膜４，５，６を経て、液２中に取出し、更にテ
フロン膜１０を経て透過液３として取出すといわ
れている。電極８，９間には直流電圧を印加する
ことによつて透過を促進することができるとい
う。しかしこの方法に関する具体的記載は見当ら
ず、関連技術と思われる特許公開公報特開昭58−
95502〜95520号公報にも実施例の記述はなく、構
成内容は不明である。（発明の構成）本発明は液体混合物の膜による分離において、
液・膜界面に容易に且つ効率よくマイクロ波を印
加することの可能な液体分離装置を提供するもの
である。即ちマイクロ波は波長がcmからmmのオー
ダーとなるため、いわゆる電波としての性質を有
し、通常の電線によつては伝播し得ず、又通常の
電極によつては電場を印加できない。従つてこれを膜・液界面に印加するためには、
特殊な導波路を設け、印加空間の形状、膜の配置
を工夫しなければならない。本発明はマイクロ波
を膜分離に適用するに適した導波路、印加空間、
膜の配置を提供するものである。以下第２図に示す本発明の一実施例について説
明する。６１は同軸ケーブル状構造体、６２，６３は
夫々中心導体および外導体で、これにマイクロ波
発信機６４よりマイクロ波を印加すれば該構造体
内をマイクロ波が伝播し得る。６５はポリ四フツ化エチレン多孔体チユーブで
ある。マイクロ波帯域における誘電正接の小さい
即ち損失の小さい材質の材料からなる膜ならばポ
リ四フツ化エチレンでなくてもよく、特に誘電正
接約300×10^-4以下の材料は膜材料として適して
いる。本実施例では上記チユーブを中心導体６２を中
心として同軸状に配置してある。６６は気密性を
保つための端末構造物である。分離されるべき液
体混合物は貯槽５１よりポンプ５２によつてポリ
四フツ化エチレン多孔体チユーブ６５の内部を通
り、再び貯槽５１へと循環される。５５は窒素ガ
スボンベで、キヤリヤーガスとして用いる窒素ガ
スは本例ではコールドトラツプ５４によつて水分
を除いた後、同軸ケーブル状構造体６１内に送入
され、外部導体６３とポリ四フツ化エチレン多孔
体チユーブ６５との間の空間を通過し、コールド
トラツプ５４へと導かれる。キヤリヤーガスとし
ては分離されるべき液体混合物の各成分と反応し
ない不活性ガスであれば窒素ガスに限定されるも
のではない。又膜として多孔体を使用しない場合
はキヤリヤーガスを用いる代りに、減圧としても
よい。このような構成の系においてマイクロ波を供給
した場合、マイクロ波は構造体６１の長さ方向に
伝播し、これに伴なう電場は中心導体面と外部導
体面に直交する面内にある。このためマイクロ波
の進行方向に平行に置かれた膜による損失は殆ん
どなく、これに接した分離されるべき液体の進行
方向に平行な面内には表面電流がマイクロ波の波
長とほぼ等しい周期であらわれる。液体が完全な
導体と見なせる場合は、この表面電流のロスは非
常に小さいが、通常の液体ではこの部分での吸収
が起こる。マイクロ波はこの他液体の誘電緩和に
よる損失があるが、これも表面で大きく、深部へ
行くに従つて減少する。このように吸収が起るの
は、表面近傍の領域であるので、膜による液体分
離という目的にとつては、膜・液界面附近での吸
収は大きいが分離にとつては有効でない液体深部
での吸収は小さく、マイクロ波のエネルギを有効
に膜分離に利用できる。このような状況からわか
るように膜として微細な径の中空糸を用いて、こ
れらを多数本束状にしてマイクロ波の進行方向に
平行に配置して、中空糸の内部又は外部の一方に
分離すべき液体を流し、他の部分にキヤリヤーガ
スを流したり或はこれを減圧にすれば、液−膜接
触界面が多くなるので、マイクロ波の利用効率が
よくなる。以下に本法による液体分離の実施例を述べる。実施例１膜として孔径0.1μｍ、膜厚0.5mm、管径15mm、
長さ17cmのポリ四フツ化エチレン多孔膜チユーブ
を用い、周波数500MHzのマイクロ波を照射して
被分離液約４％エタノール水溶液を７ml／minの
流速で循環させ、窒素ガスを0.5／minの流速
で流した。実施例２周波数5GHzのマイクロ波を用いる以外は、実
施例１と同じ条件で液体分離を行なつた。比較例１マイクロ波は照射しない他は、実施例１と同じ
条件で液体分離を行なつた。前記実施例１、２及び比較例１より得られた結
果をまとめて下表に示す。

【表】次に他の実施例について説明する。第３図にお
いて、２１はマイクロ波の伝播空間として働く導
体に囲まれた空間、２４はマイクロ波の発信機、
２３は導波管である。２４で発信されたマイクロ
波はアンテナ２２を経て、導波管内を進行し、開
口部２７からマイクロ波伝播空間２１内に放射さ
れる。２５は誘電体よりなる容器でマイクロ波伝
播空間２１の内部に設置され、その内部には中空
状のポリ四フツ化エチレン多孔膜チユーブ２６を
配置する。分離すべき液体混合物は貯槽５１より
ポンプ５２によりポリ四フツ化エチレン多孔膜チ
ユーブ２６内を通つて再び貯槽５１へと循環され
る。キヤリヤーガスとして用いられる窒素ガスは
配管５３を経て容器２５内に送入され、ポリ四フ
ツ化エチレン多孔膜チユーブ２６の外面と接触し
つゝ進行した後、コールドトラツプ５４へと導か
れる。ポリ四フツ化エチレン多孔膜チユーブ２６
を透過してくる透過物はキヤリヤーガスと共に容
器２５、マイクロ波伝播空間２１の外部に運び出
され、コールドトラツプ５４においてキヤリヤー
ガスから分離される。上例では膜としてポリ四フ
ツ化エチレン多孔膜チユーブを用いたがマイクロ
波帯域における誘電正接の小さい、即ち損失の小
さい材質から成る膜なら、ポリ四フツ化エチレン
でなくてもよく、特に誘電正接約300×10^-4以下
の材料は膜材料として適している。多孔体でない膜を使用する場合にはキヤリヤー
ガスを用いる代りに減圧としてもよい。又キヤリ
ヤーガスは分離されるべき液体混合物の各成分と
反応しない不活性ガスならば窒素ガスに限定され
るものではない。このような構成の系において、上述の如くマイ
クロ波をマイクロ波伝播空間２１内に放射する
と、容器２５及び膜２６は誘電体より成るためマ
イクロ波をほとんど吸収しないが、液体混合物に
は吸収され液体成分を活性化する。従つてこの状
態では、液体成分の活性化の差異によつて、特定
成分が他の成分に比べて膜を透過する割合が大き
くなり、透過速度、分離の効率が向上する。液体中でのマイクロ波の吸収による減衰のため
液・膜界面附近での吸収が大きく内部に向かうに
従つてマイクロ波は減衰してゆく。膜分離におい
ては実質的に分離に有効なのは液・膜界面の限ら
れた範囲であるから、上述のような構成で、液・
膜界面で最大の吸収を示すというのはマイクロ波
の利用効率の面で有利である。尚上述の説明よりわかるように、マイクロ波の
進行路上に薄い液・膜界面層を設けることはマイ
クロ波の利用効率を改善するうえに更に有効であ
る。これは例えば微細な径を有する中空糸状の膜を
多数本束状にして中空糸の内部又は外部の一方に
分離すべき液体を流し、他の部分にキヤリヤーガ
スを流したり、或はこれを減圧とする方法、又は
平面状の膜を層状に積層し、膜の片面に液体を流
し、他の片面にキヤリヤーガスを流したり、或は
減圧とすることにより実現できる。これらの例を
以下に説明する。第４図は第３図の容器２５の内部を液体の進行
方向に直角な面の概念的な断面図を示す。容器２
５内に微細径の中空状膜３１を充てんしたもの
で、下半分は省略してある。このような構成にお
いて中空状膜の内部に分離すべき液体を流し、外
部にキヤリヤーガスを流すか又は減圧にする。又
内部と外部とを逆にしてもよい。第５図は両端を密封して袋状とした膜４１をの
り巻状にして容器２５内に配置したものの、断面
図で膜の片面側の空間４２にキヤリヤーガスを流
すか減圧とし、他の面側の空間４３に分離すべき
液体を流すものである。この場合も、空間４２と
４３とを逆に用いてもよい。又図には示さないが、のり巻状にせず平面状の
まま空間を残しつゝ積層し、交互にキヤリヤーガ
ス又は減圧の部分と液体を流す部分とを設けるこ
ともできる。以下にこの方式による液体分離の実施例を述べ
る。実施例３第３図に示す構成の装置を用い、膜として孔径
0.1μｍ、膜厚0.5mm、管径15mm、長さ19cmのポリ
四フツ化エチレン多孔膜チユーブを用い、周波数
2.45GHzのマイクロ波を照射して、被分離液約４
％エタノール水溶液を14ml／minの流速で循環さ
せ、窒素ガスを１ml／minの流速で流した。容器
としては長さ30cm、内径2.2cmのガラス管を使用
した。比較例２マイクロ波は照射しない他は、実施例３と同じ
条件で液体分離を行なつた。前記実施例３及び比較例２より得られた結果を
まとめて次表に示す。

【表】実施例４第３図に示す構成の装置を用い、容器２５を第
４図に示す構成で行なつた。使用した容器は実施
例３と同じで、膜として孔径0.1μｍ、膜厚0.5mm、
管径１mm、長さ19cmのポリ四フツ化エチレン多孔
膜チユーブ28本を束ね、周波数2.45GHzのマイク
ロ波を照射して、膜内部に被分離液約４％エタノ
ール水溶液を14ml／minの流速で循環させ、窒素
ガスを１ml／minの流速で流した。比較例３マイクロ波は照射しない他は、実施例４と同じ
条件で液体分離を行なつた。前記実施例４及び比較例３より得られた結果を
まとめて次表に示す。

【表】（発明の効果）本発明によれば、従来の如き複雑な膜構造は不
要となり、既に技術的にい実績のあるマイクロ波
発信機を用いて、液・膜界面近傍に効率よくマイ
クロ波を供給できるので、マイクロ波を用いた液
体分離の効率を向上させることができ、且つ操作
性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液体混合物の膜分離法を示す説
明図、第２図は本発明の一実施例についての説明
図、第３図は他の実施例についての説明図、第４
図は第３図の容器２５の内部の液体の進行方向に
直角な面の概念的な断面図、第５図は第３図の容
器２５の内部に両端を密封して袋状とした膜をの
り巻状に配置した断面図である。１……エタノール水溶液、２……炭酸カリウム
又は乳酸カリウム水溶液、３……透過したエタノ
ール、４……多孔芯テフロン膜、５……ラジカル
化テフロン膜、６……フツ化ビニリデン膜、７，
７′，８，９……電極、１０……テフロン膜、２
１……マイクロ波の伝播空間として働く導体に囲
まれた空間、２２……アンテナ、２３……導波
管、２４……マイクロ波発信機、２５……誘電体
よりなる容器、２６……ポリ四フツ化エチレン多
孔膜チユーブ、２７……開口部、３１……微細径
の中空状膜、４１……両端を密封して袋状とした
膜、４２……膜の片面側の空間、４３……他の面
側の空間、５１……貯槽、５２……ポンプ、５３
……配管、５４……コールドトラツプ、５５……
窒素ガスボンベ、６１……同軸ケーブル状構造
体、６２……中心導体、６３……外部導体、６４
……マイクロ波発信機、６５……ポリ四フツ化エ
チレン多孔体チユーブ、６６……端末構造物。

Claims

【特許請求の範囲】

１マイクロ波電磁場を印加する部分と、該電磁
場内に液相と気相とを区画する如く設けた膜と、
該膜を通して気相側に透過してくる液相成分を冷
却する部分とからなる装置であつて、前記マイク
ロ波電磁場を印加する部分が、同軸状に設けられ
た外部導体と中心（内部）導体とから構成され、
前記二つの導体の間にマイクロ波電磁場を印加す
るものであるか又は、マイロク波を放射する部分
と放射されたマイクロ波の伝播空間として働く導
体に囲まれた空間とを有するものであることを特
徴とする液体分離装置。