Microsoft PowerPoint - 2)RITECO2分離膜シンポジウム

膜分離技術の現状と将来展望

工学院大学工学部 環境エネルギー化学科

中尾真一

本日の内容

1．膜分離法概論 2．膜ろ過法の応用

3．膜によるガス分離法とその応用 4．今後の展開

本日の内容

1．膜分離法概論

2．膜ろ過法の応用

3．膜によるガス分離法とその応用 4．今後の展開

膜分離法の特徴-1 同一分離対象に対し膜の構造や素材を 変えることで膜透過速度を変えられる。 たんぱく質の混合物分離 水/エタノール混合液分離 膜細孔径制御で分離の程度変化 電荷で荷電/中性たんぱく質分離 水選択透過膜、エタノール選択透過膜 水素/CO₂分離 水素選択透過膜、CO₂選択透過膜

膜分離法の特徴-2 分離に際して相変化をともなわないため、 省エネルギー分離となる 海水淡水化 蒸発法 vs 逆浸透法 酸素/窒素分離 深冷分離 vs 膜分離

供給側 透過側

膜ろ過法

液相

液相

浸透気化法

液相

気相

ガス分離法

気相

気相

膜ろ過法 細孔径 （IUPAC1996 ） 操作圧力 （ゲージ圧） 精密ろ過法 （microfiltration：MF） 100 nm以上 200KPa以下 限外ろ過法 （ultrafiltration：UF） 2 - 100 nm 200kPa -500kPa ナノろ過法 （nanofiltration：NF） 2 nm以下 500kPa – 1.5MPa 逆浸透法 （reverse osmosis： RO） 浸透圧に抗し て圧力により 溶媒を透過さ せる膜ろ過法 4MPa以上 膜ろ過法で用いられる膜の細孔径と操作圧

本日の内容

1．膜分離法概論

2．膜ろ過法の応用

3．膜によるガス分離法とその応用 4．今後の展開

水処理分野 海水淡水化 RO膜利用 水道浄水処理 MF膜利用 下水、廃水処理 MBR、UF膜利用 プラント規模 国内：数万トン 海外：数十万トン

＜膜ろ過法によるフロー＞ ＜膜ろ過法によるフロー＞ 水道浄水プロセス ＜従来フロー＞ ＜従来フロー＞ 省スペース、処理水質が良い

●低コスト ●省スペース ●運転管理が容易 ●処理水水質が良い 特 長 ●膜分離活性汚泥法フロー 下水 ６時間 膜 脱窒槽 硝化槽 処理水 活性汚泥濃度 10,000mg/L 空気 標準活性汚泥法とMBR ●従来フロー 下水 脱窒槽 硝化槽 沈殿池 滅菌池 NaClO １５時間 返送汚泥 活性汚泥濃度 2,000mg/L 処理水 空気

MBRの概念図 原水 _処理水 膜エレメント 散気管 ブロワ 生物反応槽 活性汚泥濃度 活性汚泥濃度 （ （MLSS_MLSS）） 10 10～～20g/L20g/L _膜面洗浄散気 酸素供給

産業分野

本日の内容

1．膜分離法概論 2．膜ろ過法の応用

3．膜によるガス分離法とその応用

気体の膜透過機構 粘性流 λ<< d_p 分離しない ヌッセン拡散 λ> d_p 分子篩 分子径＝d_p MT 1 j  3.74 2 28 2 2/N H   α λ ：平均自由行程 d_p ：膜細孔径

気体の膜透過機構 凝縮流 気体凝縮による 細孔閉塞 凝縮気体透過 表面拡散 吸着気体の 拡散移動 溶解拡散 気体が膜中に 溶解、 拡散、 脱離

分子のサイズ CVDシリカ膜の透過特性 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 0.25 0.3 0.35 0.4 P e rm e a n c e [m o l m -2 s -1 P a -1 ] Kinetic diameter [nm] H 2 CO2 N2 CH4 膜の細孔径 500℃ P=1atm H₂ CO CH₄ 分子径 (nm) 0.25 0.30 0.35 0.40 N₂ He CO₂ 分子篩による気体の分離

高分子ガス分離膜

高分子ガス分離膜の応用 実用マーケットは小さい スケールメリットがない 小中規模オンサイト装置に適すが PSAと競合し負けた エンジニアリング開発がなかった ポリイミド膜、酢酸セルロース膜は市販 水素分離、窒素富化、除湿

本日の内容

1．膜分離法概論 2．膜ろ過法の応用

3．膜によるガス分離法とその応用

今後の展開 ・水問題への貢献 水道浄水、MBR、海水淡水化を 統合した水循環システム ・エネルギー問題への貢献 水素分離精製、膜反応器水素製造 CO₂回収 バイオマスエタノールの濃縮

1995年

水不足問題の現状と今後の予測

水不足問題の現状と今後の予測

出典：

出典：WMO and others 1996WMO and others 1996

20 ％ 以上： 深刻な水不足 ≧40% 40～20% 20～10% ≦10% 水不足率 ２０２５年には欧 米、中国全域を含 む水不足が予測 2025年

IISS(Integrated Intelligent Satellite System) 川 川 集中管理 集中管理 生活用水 生活用水 河川浄化 河川浄化 環境浄化 環境浄化 サテライト施設 サテライト施設 水質モニタ 水質モニタ 水質モニタ 水質モニタ 水質モニタ 水質モニタ 水循環利用 水循環利用

汚水貯槽 汚水貯槽 地中 地中 土 手 土 手 牛・豚（家畜） 人 MBR _きれいな 水 きたない 川 きたない 川 糞尿 糞尿 汚水汚水 IISSの適用例（下水道未整備地域①住宅+農村部） 発電機 約50m3_/d 約50m3_/d 環境汚染改善 環境汚染改善

汚水貯槽 汚水貯槽 埋設タンク埋設タンク 地中 地中 MBR 処理水 MBR 処理水 NF/RO 処理水 NF/RO 処理水 汚水 汚水 MBR MBR NF/RONF/RO 風力発電 IISSの適用例（下水道未整備地域②住宅部） 水資源の確保 水資源の確保 太陽光発電 数百m3_/d 数百m3_/d

膜による水処理技術の問題点

CO

削減に貢献

今後の展開 ・水問題への貢献 水道浄水、MBR、海水淡水化、 水循環システム ・エネルギー問題への貢献 水素分離精製、膜反応器水素製造 CO₂回収 バイオマスエタノールの濃縮

高温ガス分離への期待 ー 無機ガス分離膜 ・セラミック膜 ゼオライト膜、ゾルゲル膜、CVD 膜 ・炭素膜 ・金属膜 パラジウム膜、非パラジウム系膜

TMOS/Oxygen system at 873 K deposition 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 1 1.5 2 2.5 3 P e rm e a n c e [m o l m -2 s -1 P a -1 ] 1000/T [K-1] 773 K 573 K 373 K H₂ N₂ Empty: as-made

Filled: exposure to air

Si O CH₃ CH₃ CH₃ CH₃ O O O TMOS (Si(OCH₃)₄)

メタンの水蒸気改質と膜反応器 CH₄ + H₂O 3H₂+CO ΔH = 206.2 [kJ/mol] CO + H₂O H₂+CO₂ ΔH = -41.2 [kJ/mol] CH₄ + H₂O Catalyst Conventional Reactor (CR) Reforming Temperature: >800℃ H2 H₂ H₂O H2O H₂ H₂ CO CH₄ CO CO H₂ H₂O _H 2O H₂ H₂ CO CO CO CO₂ CO₂ H₂O

Steam Reforming Water Gas Shift

CH₄ + H₂O H₂ H2 H2 H₂ H₂ H₂ CH₄ H₂O CO CO₂ Membrane Reactor (MR) Catalyst H₂ Permselective Membrane Reforming Temperature: < 600℃

＜実験条件＞ 反応圧力 0.1 MPa 透過側圧力 0.01 MPa CH₄ 1×10-6 _{mol s}-1 H₂O/CH₄ : 2.5 触媒 Ni / Ce_0.15Zr_0.85O₂ 転化率が80%になる ようにCH₄供給量を設定 反応時間 [h] メ タ ン 転 化 率 [% ] 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 HMDS(実験値) 平衡(計算値) 反応温度 500℃ HMDS膜を用いた水素の連続製造

自然エネルギー輸入の概念 火山で地熱発電 大河川で水力発電 海上で風力発電 電気で運ぶ 水素で運ぶ 有機ハイドライド で運ぶ 砂漠で太陽光発電 + 3H₂ シクロヘキサン/ベンゼン

自然エネルギーの 有機ハイドライド 製造・輸送・供給 システム + Dehydrogenation H₂ H₂ Storage _Storage

10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 TMOS PTMS DMDPS 透 過 率 [ m o l m -2 s -1 P a -1 ] Kinetic diameter [ nm ] H₂ O 2 N₂ CF₄ SF₆ 分子篩効果の発現 H₂/SF₆ 選択性 8,000以上 300℃ DMDPS DMDPS膜の性能膜の性能 Si OCH₃ OCH₃ OCH₃ H₃CO テトラメトキシシラン テトラメトキシシラン （ （TMOS_TMOS）） Si OCH₃ OCH₃ OCH₃ フェニルトリメトキシシラン フェニルトリメトキシシラン （ （PTMSPTMS）） Si OCH₃ OCH₃ ジメトキシジフェニルシラン ジメトキシジフェニルシラン （ （DMDPS_DMDPS））

Pt(2wt%)/Al₂O₃ 310 ℃ F_CH : 5-10×10-6 _{mol/s No carrier ＆ sweep} 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 C o n v er si o n [ -] Time [ h ] -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time [ h ] -1 0 1 2Time [ h ]3 4 5 6 7 -1 0 1 2 3 4 Time [ h ] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -1 0 1 2 3 4 R ea ct io n P re ss u re [ M P a ] Time [ h ] 0.99 0.992 0.994 0.996 0.998 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 H y d ro g en P u r it y [ -] Time [ h ] -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time [ h ] -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time [ h ] -1 0 1 2 3 4 Time [ h ] 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 -1 0 1 2 3 4 P ro d u ct io n ra te o f H 2 [ l m in -1 ] Time [ h ]

< 1_st day > < 2_nd day > < 3_rd day > < 7_th day > < 11_th day >

水素透過率0.7～1.0×106 _[mol/m2 _{s Pa] を維持}

今後の展望 ・膜の新しい応用分野の開拓 粒子分級 ー ナノテクノロジー支援 食料生産 ー 野菜工場水システム 非水系分離 ・膜透過理論の進展 ー 設計を可能に 分子シミュレーションの導入 流体シミュレーションの導入 ・膜エンジニアの育成 ー 更なる普及を

今後の展望 膜分離技術の地球温暖化防止への貢献 省エネ分離技術としての広範な普及 CO₂の分離回収 水素/CO₂ 窒素/CO₂

pre-/post-combustion

ご成長

ご清聴ありがとう ございました。