特許 7097294 モノリス型分離膜構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-29

(45)【発行日】2022-07-07

(54)【発明の名称】モノリス型分離膜構造体

(51)【国際特許分類】

   B01D 63/06 20060101AFI20220630BHJP

   B01D 69/10 20060101ALI20220630BHJP

   B01D 69/12 20060101ALI20220630BHJP

   C04B 38/06 20060101ALI20220630BHJP

   C04B 41/89 20060101ALI20220630BHJP

【ＦＩ】

B01D63/06

B01D69/10

B01D69/12

C04B38/06 D

C04B41/89 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018508583

(86)(22)【出願日】2017-02-21

(86)【国際出願番号】 JP2017006382

(87)【国際公開番号】W WO2017169304

(87)【国際公開日】2017-10-05

【審査請求日】2019-10-23

【審判番号】

【審判請求日】2021-01-12

(31)【優先権主張番号】P 2016071754

(32)【優先日】2016-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】古川 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】田中 啓

(72)【発明者】

【氏名】三浦 綾

【合議体】

【審判長】原 賢一

【審判官】山田 倍司

【審判官】金 公彦

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／１３４５１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／００１９７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２６９９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１２８２１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／１４７２７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１０－５３２２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－４６２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１２４４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２０３９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２６２１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１０４７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－００５０２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

B01D 63/06

B01D 69/04

B01D 69/10

B01D 69/12

C04B 38/06

C04B 41/89

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス多孔質体からなるモノリス型分離膜構造体であって、
第１端面から第２端面までそれぞれ連なる複数の濾過セルを有するモノリス型基材と、
前記濾過セルの内表面に形成される中間層と、
前記中間層の内表面に形成される分離膜と、
を備え、
前記複数の濾過セルそれぞれの前記中間層及び前記分離膜を含まない内径は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、
前記複数の濾過セルのうち隣接する２つの濾過セル間におけるモノリス型基材の最短部分の隔壁厚みは、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であり、
前記中間層の厚みは、２０μｍ以上１００μｍ未満である、
モノリス型分離膜構造体。

【請求項2】

前記モノリス型基材は、前記第１端面から前記第２端面までそれぞれ連なり、両端部が封止された複数の集水セルを有し、
前記複数の濾過セルは、前記第１端面を平面視した場合に、所定方向に沿って並んだ２本以上の濾過セルをそれぞれ含む複数の濾過セル列を形成し、
前記複数の集水セルは、前記第１端面を平面視した場合に、前記所定方向に沿って並んだ２本以上の集水セルをそれぞれ含む複数の集水セル列を形成しており、
前記複数の集水セル列のうち２列の集水セル列の間には、前記複数の濾過セル列のうち２列以上９列以下の濾過セル列が配置されている、
請求項１に記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項3】

前記モノリス型基材は、前記複数の集水セル列をそれぞれ貫く複数の排出流路を有し、
前記複数の排出流路それぞれは、前記モノリス型基材の外周面に開口する開口部を含み、
前記モノリス型基材の軸心を中心とする周方向における前記開口部の幅は、前記集水セルの内径の１０％以上８０％以下である、
請求項１又は２に記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項4】

前記モノリス型基材の長手方向における前記開口部の長さは、前記長手方向における前記モノリス型基材の全長の３．３％以上４０％以下である、
請求項３に記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項5】

前記モノリス型基材の外壁厚みは、前記隔壁厚みの１０倍以上３０倍以下である、
請求項１乃至４のいずれかに記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項6】

アイソスタティック強度が２０ＭＰａ以上である、
請求項１乃至５のいずれかに記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項7】

単位体積当たりにおける前記複数の分離膜の面積は、１ｍ^２／Ｌ以上である、
請求項１乃至６のいずれかに記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項8】

単位重量当たりにおける前記複数の分離膜の面積は、０．５ｍ^２／ｋｇ以上である、
請求項１乃至７のいずれかに記載のモノリス型分離膜構造体。

【請求項9】

セラミックス多孔質体からなるモノリス型分離膜構造体の製造方法であって、
平均粒径が５μｍ以上４０μｍ未満の骨材粒子を用いてモノリス型の成形体を形成する工程と、
前記成形体を焼成することによって、第１端面から第２端面までそれぞれ連なる複数の濾過セルを有するモノリス型基材を形成する工程と、
前記濾過セルの内表面に中間層を形成する工程と、
前記中間層の内表面に分離膜を形成する工程と、
を備え、
前記モノリス型基材において、前記複数の濾過セルそれぞれの前記中間層及び前記分離膜を含まない内径は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記複数の濾過セル間におけるモノリス型基材の最短部分の隔壁厚みは、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であり、前記中間層の厚みは、２０μｍ以上１００μｍ未満である、
モノリス型分離膜構造体の製造方法。

【請求項10】

焼成された前記モノリス型基材の前記第１端面に切削加工を施すことによって、排出流路用の切り欠きを形成する工程と、
前記切り欠きに目封止部材を充填する工程と、
前記目封止部材を焼成する工程と、
を備える請求項９に記載のモノリス型分離膜構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モノリス型分離膜構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数のセルを有するモノリス型基材と、各セルの内表面に形成される中間層と、中間層の内表面に形成される分離膜とを備えるモノリス型分離膜構造体において、中間層の厚みと２セル間の基材の隔壁厚みとの相互関係を規定することによって、高温アルカリ処理後におけるモノリス型分離膜構造体の強度低下を抑制する手法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、中間層の厚みは１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、基材の隔壁厚みは０．５１ｍｍ以上１．５５ｍｍ以下が好ましいとされている。

【0003】

また、特許文献２では、製造する際の焼成によってモノリス型基材が大きく変形してセルが閉じてしまうことを抑えるには、隔壁厚みは０．２ｍｍ以上が好ましいとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１２／１２８２１８号

【文献】特許第５５９９７８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、モノリス型分離膜構造体の用途によっては、モノリス型分離膜構造体のさらなるコンパクト化又は／及び軽量化が望まれる場合がある。

【0006】

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、透過性能を維持しつつコンパクト化又は／及び軽量化可能なモノリス型分離膜構造体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るモノリス型分離膜構造体は、モノリス型基材と、中間層と、分離膜とを備える。モノリス型基材は、第１端面から第２端面まで連なる複数の濾過セルを有する。中間層は、濾過セルの内表面に形成される。分離膜は、中間層の内表面に形成される。複数の濾過セルそれぞれの中間層及び分離膜を含まない内径は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。複数の濾過セルのうち隣接する２つの濾過セルどうしの最短部分の、中間層及び分離膜を含まない隔壁厚みは、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満である。中間層の厚みは、２０μｍ以上１００μｍ未満である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、透過性能を維持しつつコンパクト化又は／及び軽量化可能なモノリス型分離膜構造体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】モノリス型分離膜構造体の斜視図

【図2】第１端面の平面図

【図3】図２のＡ－Ａ断面図

【図4】製造過程のうち分離膜の前駆体溶液を流入する状態の一例を示す模式図

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【0011】

以下の説明において、「モノリス」とは、長手方向に貫通した複数のセルを有する形状を意味し、ハニカムを含む概念である。

【0012】

（モノリス型分離膜構造体１００の構成）
図１は、モノリス型分離膜構造体１００の斜視図である。図２は、第１端面１１Ｓの平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。

【0013】

（構造の概要）
図１～３に示されるモノリス型分離膜構造体１００は、セラミックス多孔質体から成り、かつ両端面１１Ｓ，１１Ｔ及び外周面１１Ｕを有するモノリス型基材１０を具備する。モノリス型基材１０の外形は円柱形である。モノリス型基材１０は、複数の濾過セル２４と、複数の集水セル２５とを備える。複数の濾過セル２４は、一方の端面１１Ｓから他方の端面１１Ｔまで貫通し（図１において概ね横方向に）列をなして形成されている。複数の集水セル２５は、一方の端面１１Ｓから他方の端面１１Ｔまで貫通し（図１において概ね横方向に）列をなして形成されている。

【0014】

モノリス型分離膜構造体１００では、濾過セル２４と集水セル２５の断面形状は円形である。濾過セル２４は、両端面１１Ｓ，１１Ｔに開口している。集水セル２５は、両端面１１Ｓ，１１Ｔの開口が目封止部１２，１３で封止され、集水セル２５が外部空間と連通するように、排出流路２６が設けられている。又、断面形状が円形である濾過セル２４の内壁面には、中間層２０と分離膜３０が配設されている。

【0015】

モノリス型分離膜構造体１００では、連通した複数の集水セル２５の列２５Ｌ毎に、両端面１１Ｓ，１１Ｔの近傍に、排出流路２６が２つ形成されている。モノリス型分離膜構造体１００において、集水セル２５は５列あり、排出流路２６は、その列毎に、複数の集水セル２５どうしを連通させ、且つ、モノリス型基材１０の外周面１１Ｕに開口している。図１～３では、モノリス型分離膜構造体１００内に集水セル列２５Ｌが５列存在するため、モノリス型分離膜構造体１００における排出流路２６の数は、両端合わせて１０である。

【0016】

以上のような構成とすることによって、濾過セル２４内に流入する混合流体（液体混合物や気体混合物）と濾過セル２４を透過した成分を効率よく分離することができる。より具体的には、濾過セル２４の内表面の分離膜３０を透過した透過成分は、中間層２０を透過して、モノリス型基材１０の隔壁内部を構成する多孔質体内を順次通過して外壁面１１Ｕより排出されるが、より内側の濾過セル２４ほど隔壁（多孔質体）内を長距離に渡って透過する必要がある。そこで、集水セル２５および排出流路２６を設けることにより、本来濾過セル２４間の隔壁内を延々と通過するところ、圧力損失の少ない集水セル２５および排出流路２６を通過して容易に外部に排出することが可能である。

【0017】

モノリス型分離膜構造体１００は、混合流体がモノリス型基材１０の両端面１１Ｓ，１１Ｔの多孔質体部分から直接流入し、所定の濾過セル２４の内壁面に形成された分離膜３０で分離されることなく流出することを防止するために、混合流体が流入するモノリス型基材１０の両端面１１Ｓ，１１Ｔの多孔質体を覆うようにシール部１４，１５を備える。なお、分離膜３０が配設された濾過セル２４の両端はシール部１４，１５に連なって開口している。複数の濾過セル２４それぞれの内表面には、中間層２０と分離膜３０が順次形成されている。

【0018】

（各構造の最適な構成）
モノリス型基材１０は、円柱状に形成される。長手方向におけるモノリス型基材１０の長さは１００～２０００ｍｍとすることができる。モノリス型基材１０の直径は３０～２２０ｍｍとすることができる。モノリス型基材１０は、楕円柱や多角柱であってもよい。

【0019】

濾過セル２４の中間層２０及び分離膜３０を含まない内径Ｃ１は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。内径Ｃ１を２．０ｍｍ以下とすることによって、濾過セル２４を高密度化して分離膜３０の総表面積を大きくしてモノリス型分離膜構造体１００をコンパクト化又は／及び軽量化することができる。総表面積を大きくするといった観点からは、内径Ｃ１が小さいほど濾過セル２４を高密度化できるため良いが、中間層２０の成膜時にスラリー詰まりが生じることがあるため、実質的に１．０ｍｍ以上とすることができる。製造においてスラリー詰まりを生じさせ難く、かつ総表面積を大きくできるといった観点から、内径Ｃ１は、１．１０ｍｍ以上１．８５ｍｍ以下であることがより好ましい。

【0020】

隣接する２本の濾過セル２４どうしの最短部分の、中間層２０及び分離膜３０を含まない隔壁厚みＤ１は、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満である。モノリス型基材１０の隔壁厚みＤ１を０．２ｍｍ未満とすることによって、濾過セル２４を高密度化して分離膜３０の総表面積を大きくすることができる。総表面積を大きくするといった観点からは、隔壁厚みＤ１が小さいほど濾過セル２４を高密度化できるため良いが、小さすぎると強度が不足して、製造時又は／及び使用時にモノリス型基材１０の内壁構造が崩れることがあるため、実質的に０．０５ｍｍ以上とすることができる。モノリス型基材１０の内壁構造が崩れ難く、かつ総表面積を大きくできるといった観点から、隔壁厚みＤ１は、０．１０ｍｍ以上０．１８ｍｍ以下であることがより好ましい。

【0021】

なお、本実施形態では、隣接する濾過セル２４間の全箇所において隔壁厚みＤ１が統一されているが、複数種の隔壁厚みＤ１が存在していてもよい。複数種の隔壁厚みＤ１が存在する場合、全箇所のうち３３％以上の箇所において隔壁厚みＤ１が０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であることが好ましい。

【0022】

複数の濾過セル２４のうち最外周に位置する濾過セル２４と外周面１１Ｕとの最短部分の、中間層２０及び分離膜３０を含まない厚み（外壁厚みＤ２）は、濾過セル２４どうしの隔壁厚みＤ１の１０倍以上３０倍以下であることが好ましい。外壁厚みＤ２を隔壁厚みＤ１の１０倍以上とすることによって、装置への組み付け等で受ける外力に対し、十分な強度を維持することができる。一方で、外壁厚みＤ２を無為に大きくすると、コンパクト化又は／及び軽量化の効果が相殺されてしまうため、外壁厚みＤ２を隔壁厚みＤ１の３０倍以下とすることが好ましい。なお、組み付け等による外力に耐えるといった観点から、モノリス型分離膜構造体１００の長手方向における圧縮強度は５ＭＰａ以上であることが好ましい。

【0023】

図２に示すように、第１端面１１Ｓを平面視した場合、複数の濾過セル２４は、複数の濾過セル列２４Ｌを形成している。複数の濾過セル列２４Ｌそれぞれは、長手方向に直交する短手方向（所定方向の一例）に沿って並べられた２本以上の濾過セル２４を含む。本実施形態では、２８列の濾過セル列２４Ｌが形成されており、各列に７本～２９本の濾過セル２４が並んでいるが、濾過セル列２４Ｌの列数や各列に含まれる濾過セル２４の本数は適宜変更可能である。

【0024】

図３に示すように、集水セル２５は、モノリス型基材１０の長手方向に沿って形成される。集水セル２５の両端部は、第１目封止１２と第２目封止１３によって封止されており、第１シール部１４と第２シール部１５に開口しない。集水セル２５の内表面には、中間層２０と分離膜３０が形成されていない。

【0025】

集水セル２５の内径Ｃ２は、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とすることができる。総表面積を大きくするといった観点からは、内径Ｃ２は小さいほど濾過セル２４を高密度化できるため良いが、透過分離成分の透過抵抗を低減するといった観点からは、内径Ｃ２は大きいほど良いため、モノリス型分離膜構造体１００の使用条件によって適宜選択される。なお、製造の容易さといった観点からは、内径Ｃ２は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。内径Ｃ２は、濾過セル２４の中間層２０及び分離膜３０を含まない内径Ｃ１と同じであってもよいし異なっていてもよい。

【0026】

隣接する濾過セル２４と集水セル２５の最短部分の、中間層２０及び分離膜３０を含まない隔壁厚みＤ３は、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満とすることができる。隔壁厚みＤ３を０．２ｍｍ未満とすることによって、総表面積を大きくすることができる。総表面積を大きくするといった観点からは、隔壁厚みＤ３が小さいほど濾過セル２４を高密度化できるため良いが、小さすぎると強度が不足して、製造時又は／及び使用時にモノリス型基材１０の内壁構造が崩れることがあるため、実質的に０．０５ｍｍ以上とすることができる。モノリス型基材１０の内壁構造が崩れ難く、かつ総表面積を大きくできるといった観点から、隔壁厚みＤ３は、０．１ｍｍ以上０．１８ｍｍ以下であることがより好ましい。また、図示しないが、隣接する集水セル２５どうしの間隔も０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満とすることができ、０．１ｍｍ以上０．１８ｍｍ以下であることがより好ましい。

【0027】

なお、本実施形態では、隣接する濾過セル２４と集水セル２５の間の全箇所において隔壁厚みＤ３が統一されているが、複数種の隔壁厚みＤ３が存在していてもよい。複数種の隔壁厚みＤ３が存在する場合、全箇所のうち３３％以上の箇所において隔壁厚みＤ３が０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であることが好ましい。

【0028】

図２に示すように、第１端面１１Ｓを平面視した場合、複数の集水セル２５は、複数の集水セル列２５Ｌを形成している。複数の集水セル列２５Ｌそれぞれには、短手方向（所定方向の一例）に沿って並べられた２本以上の集水セル２５を含む。本実施形態では、５列の集水セル列２５Ｌが互いに離れた位置に配置されており、各列に２２本～２９本の集水セル２５が並んでいるが、集水セル列２５Ｌの位置及び列数や各列に含まれる集水セル２５の本数は適宜変更可能である。

【0029】

２列の集水セル列２５Ｌの間には、４列又は５列の濾過セル列２４Ｌが配置されている。すなわち、１列の集水セル列２５Ｌの両側には、４列又は５列の濾過セル列２４Ｌが配置されている。２列の集水セル列２５Ｌの間に配置される濾過セル列２４Ｌの列数（集水セル列間濾過セル列数）は、２列以上９列以下であることが好ましい。集水セル列間濾過セル列数を９列以下とすることによって、集水セル列２５Ｌの間に位置する濾過セル２４のうち、最も内側に位置する濾過セル２４から集水セル２５へ至るまでの透過成分の流れる距離を短くすることができる。

【0030】

ここで、透過成分の流れが律速することを抑制できるといった観点からは、集水セル列間濾過セル列数は少ないほどよいが、少なくすることによって相対的に集水セル２５の数が増え、濾過セル２４の数が減って分離膜３０の総表面積を減ずることになる。分離膜３０の総表面積を所定量より減らし過ぎないといった観点からは、集水セル列間濾過セル列数を２列以上とすることが好ましい。なお、濾過セル２４から集水セル２５へいたるまでの透過成分の圧力損失を低減し、かつ分離膜３０の総表面積を高く維持するといった観点から、集水セル列間濾過セル列数は、４列以上６列以下であることが特に好ましい。

【0031】

図１に示すように、排出流路２６は、外周面１１Ｕに開口する開口部２６ａを有する。モノリス型基材１０の軸心ＡＸを中心とする周方向における開口部２６ａの幅Ｗ１は、集水セル２５の内径Ｃ２の１０％以上８０％以下とすることができ、開口部２６ａの面積を大きくして透過成分の圧力損失を低減するといった観点から内径Ｃ２の１６％以上、製造における切削加工が容易であるといった観点から５０％以下であることが好ましい。

【0032】

モノリス型基材１０の長手方向における２本の開口部２６ａの長さＬ１の総和（すなわち、Ｌ１＋Ｌ１）は、長手方向におけるモノリス型基材１０の全長Ｌ２の３．３％以上４０％以下とすることができ、開口部２６ａの面積を大きくして透過成分の圧力損失を低減するといった観点から全長Ｌ２の９％以上が好ましく、モノリス型分離膜構造体１００の機械的強度の観点から１７％以下であることが好ましい。これによって、集水セル２５に集められた透過成分（流体）の圧力損失を低減することができるため、透過成分の透過速度を向上させることができる。

【0033】

なお、ここで開口部２６ａは両端部のうち一方のみに配置されていてもよく、または両端部に加えて長手方向の途中に穿設されていてもよい。透過成分が均等に排出されるといった観点からは、少なくとも両端部に配置されていることが好ましい。また、複数の開口部が設置される場合、各々の開口長さは等しくてもよく、異なっていてもよい。なお、排出流路２６の本数、形状及び位置は、全集水セル列２５Ｌにおいて同じでもよく、異なっていてもよい。

【0034】

第１目封止１２と第２目封止１３は、全ての集水セル２５に配置される。各集水セル２５の両端部には第１目封止１２と第２目封止１３が対向して配置される。第１目封止１２と第２目封止１３は、多孔質材料によって構成することができる。第１目封止１２と第２目封止１３の充填深さは、５～２０ｍｍ程度とすることができる。

【0035】

第１シール部１４は、第１端面１１Ｓの全面と外周面１１Ｕの一部を覆う。第１シール部１４は、混合流体が第１端面１１Ｓに浸潤することを抑制する。第１シール部１４は、濾過セル２４の流入口を塞がないように形成される。第１シール部１４は、第１目封止１２を覆う。第１シール部１４を構成する材料としては、ガラスや金属、ゴム、樹脂などを用いることができ、モノリス型基材１０の熱膨張係数との整合性を考慮するとガラスが好適である。

【0036】

第２シール部１５は、第２端面１１Ｔの全面と外周面１１Ｕの一部を覆う。第２シール部１５は、混合流体が第２端面１１Ｔに浸潤することを抑制する。第２シール部１５は、濾過セル２４の流出口を塞がないように形成される。第２シール部１５は、第２目封止１３を覆う。第２シール部１５は、第１シール部１４と同様の材料によって構成することができる。

【0037】

（モノリス型基材１０）
次に、モノリス型基材１０について説明する。

【0038】

モノリス型基材１０は、骨材と結合材を含有する。骨材としては、アルミナ、炭化珪素、チタニア、ムライト、セルベン、及びコージェライトなどを用いることができる。結合材は、骨材成分より低い温度で溶融し、骨材同士を連結させる無機酸化物材料のことである。結合材としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属等を含むアルミナ、シリカ系の無機酸化物材料を用いることができる。

【0039】

モノリス型基材１０における骨材の含有率は、６０体積％以上８０体積％以下とすることができ、６５体積％以上７５体積％以下が好ましい。骨材の含有率は、アルキメデス法によって測定することができる。

【0040】

結合材としての酸化物材料は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方と、ケイ素（Ｓｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）とを含むガラス材料である。アルカリ金属としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）及びリチウム（Ｌｉ）のうち少なくとも１つを用いることができる。酸化物材料は、アルカリ金属をアルカリ金属酸化物として含んでいてもよい。アルカリ土類金属としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びバリウム（Ｂａ）のうち少なくとも１つを用いることができる。酸化物材料は、アルカリ土類金属をアルカリ土類金属酸化物として含んでいてもよい。酸化物材料は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の両方を含むことが好ましい。酸化物材料は、ＳｉをＳｉＯ₂として含んでいてもよい。酸化物材料は、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃として含んでいてもよい。

【0041】

モノリス型基材１０における酸化物材料の含有率は、２０体積％以上４０体積％以下とすることができ、２５体積％以上３５体積％以下が好ましい。酸化物材料の含有率酸化物材料の含有率は、アルキメデス法によって測定することもできる。

【0042】

モノリス型基材１０の気孔率は特に制限されるものではないが、２５％～５０％とすることができ、３０％～４５％であることが好ましい。モノリス型基材１０の気孔率は、水銀圧入法によって測定することができる。

【0043】

モノリス型基材１０の平均細孔径は特に制限されるものではないが、０．１μｍ～５０μｍとすることができ、中間層２０を成膜しやすいといった観点から１μｍ～１０μｍであることがより好ましい。

【0044】

（中間層２０）
中間層２０は、濾過セル２４の内表面に形成される。中間層２０は、筒状に形成される。

【0045】

中間層２０は、骨材と結合材を含有する。骨材としては、アルミナ、チタニア、ムライト、セルベン、及びコージェライトなどを用いることができる。結合材は、骨材成分が焼結しない温度で焼結固化する無機成分のことである。結合材としては、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、及び易焼結性コージェライトなどを用いることができる。

【0046】

中間層２０における無機固形分（骨材＋結合材）中の結合材割合は、５質量％以上４２質量％以下とすることができ、中間層２０が高強度であるいった観点から２８質量％以上４２質量％以下が好ましく、３０質量％以上４２質量％以下がより好ましい。

【0047】

本実施形態に係る中間層２０は、図３に示すように、第１中間層２１と第２中間層２２を有する。第１中間層２１は、モノリス型基材１０の濾過セル２４の内表面に形成される。第２中間層２２は、第１中間層２１の内表面に形成される。第２中間層２２の平均細孔径は、第１中間層２１の平均細孔径よりも小さいことが好ましい。例えば、第１中間層２１の平均細孔径が１μｍ程度である場合には、第２中間層２２の平均細孔径は０．１μｍ程度とすることができる。

【0048】

なお、中間層２０は、第１中間層２１と第２中間層２２の二層構造に限らず、一様な平均細孔径を有する１つの中間層によって構成される単層構造であってもよいし、分離膜３０に近いほど小さな平均細孔径を有する３以上の中間層によって構成される多層構造であってもよい。

【0049】

中間層２０の厚みＥ１は、２０μｍ以上１００μｍ未満である。中間層２０の厚みＥ１を１００μｍ未満とすることによって、分離膜３０の表面積を大きくすることができる。表面積を大きくするといった観点からは、中間層２０の厚みＥ１は小さいほどよく、１００μｍ未満であることが望ましいが、小さすぎると中間層２０の表面が十分平滑化されず、欠陥が発生しやすくなるため、実質的には２０μｍ以上とすることができる。なお、欠陥による不良の発生頻度を抑制しながら分離膜３０の表面積をできるだけ大きくするといった観点から、中間層２０の厚みＥ１は、４０μｍ以上８０μｍ未満であることがより好ましい。

【0050】

（分離膜３０）
分離膜３０は、中間層２０の内表面に形成される。分離膜３０は、筒状に形成される。分離膜３０は、混合流体に含まれる透過分離成分を透過させる。モノリス型分離膜構造体１００の分離機能は、分離膜３０によって発揮される。分離膜３０の平均細孔径は、要求される濾過性能及び分離性能に基づいて適宜決定することができる。例えば、分離膜３０の平均細孔径は、例えば０．０００３μｍ（０．３ｎｍ）～１．０μｍとすることができるが特に制限されるものではない。分離膜３０の平均細孔径は、ＡＳＴＭ Ｆ３１６に記載のエアフロー法により測定することができる。

【0051】

分離膜３０としては、公知のＭＦ（精密濾過）膜、ＵＦ（限外濾過）膜、ガス分離膜、浸透気化膜、或いは蒸気透過膜などを用いることができる。具体的に、分離膜３０としては、セラミック膜（例えば、特開平３－２６７１２９号公報、特開２００８－２４６３０４号公報参照）、一酸化炭素分離膜（例えば、特許第４００６１０７号公報参照）、ヘリウム分離膜（例えば、特許第３９５３８３３号公報参照）、水素分離膜（例えば、特許第３９３３９０７号公報参照）、炭素膜（例えば、特開２００３－２８６０１８号公報参照）、ゼオライト膜（例えば、特開２００４－６６１８８号公報参照）、シリカ膜（例えば、国際公開第２００８／０５０８１２号パンフレット参照）、有機無機ハイブリッドシリカ膜（特開２０１３－２０３６１８号公報）、ｐ－トリル基含有シリカ膜（特開２０１３－２２６５４１号公報）などが挙げられる。

【0052】

分離膜３０の内径Ｅ２は、０．８ｍｍ以上１．９６ｍｍ以下とすることができる。分離対象である混合流体を流通させやすく、かつ分離膜３０の総評面積を大きくできるといった観点から、内径Ｅ２は、１．２ｍｍ以上１．８ｍｍ以下であることが好ましい。内径Ｅ２は、分離膜３０の最大内径である。各濾過セル２４中の分離膜３０の総表面積を合算したものがモノリス型分離膜構造体１００の「膜面積」である。

【0053】

以上のように、本実施形態に係るモノリス型分離膜構造体１００では、濾過セル２４の内径Ｃ１が１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、隣接する濾過セル２４どうしの隔壁厚みＤ１が０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であり、中間層２０の厚みＥ１が２０μｍ以上１００μｍ未満である。従って、分離膜３０の総表面積を大きくすることができるため、モノリス型分離膜構造体１００の単位体積当たりにおける分離膜３０の面積を１ｍ²／Ｌ以上とし、モノリス型分離膜構造体１００の単位重量当たりにおける分離膜３０の面積を０．５ｍ²／ｋｇ以上とすることができる。その結果、モノリス型分離膜構造体１００の透過性能を維持しながらモノリス型分離膜構造体１００をコンパクト化又は／及び軽量化することができる。

【0054】

（モノリス型分離膜構造体１００の製造方法）
最初に、モノリス型基材１０の原料を、例えば、真空押出成形機を用い、押出成形して、濾過セル２４と集水セル２５を有するモノリス型の成形体を得る。モノリス型基材１０の原料としては、例えば、骨材粒子と無機結合材に、メチルセルロース等の有機バインダ、分散材及び水を加えて混練して調製した坏土を挙げることが出来る。骨材粒子として、具体的には、アルミナ、炭化珪素、ムライト、セルベン、及びコージェライトからなる群より選択される少なくとも一のセラミック材料を好適に用いることが出来る。

【0055】

この際、用いられる骨材粒子の平均粒径は５μｍ以上、４０μｍ未満とすることができる。４０μｍより大きい場合は、本発明のように隔壁厚みの薄いモノリス型基材１０を押出成形する際に、口金に坏土が詰まって成形できなることがあるためである。一方、５μｍ以下の場合は、材料強度が不足してモノリス型基材１０の構造を維持できなくなることがあるためである。なお、本発明の隔壁厚みの薄いモノリス型基材１０をより好適に押出成形できるといった観点からは、骨材粒子の平均粒径は１０μｍ以上、２５μｍ以下であることがより好ましい。

【0056】

また、無機結合材としての酸化物材料は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の少なくとも一方と、ケイ素（Ｓｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）とを含むガラス材料である。アルカリ金属としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）及びリチウム（Ｌｉ）のうち少なくとも１つを用いることができる。アルカリ土類金属としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びバリウム（Ｂａ）のうち少なくとも１つを用いることができる。酸化物材料は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の両方を含むことが好ましい。酸化物材料は、ＳｉをＳｉＯ₂として含んでいてもよい。酸化物材料は、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃として含んでいてもよい。具体的には、カオリン、タルク、長石、ドロマイト、粘土、珪砂等の天然原料を用いてもよいし、電融アルミナ、シリカ、炭酸カルシム等の工業原料を用いてもよく、これらを混合して用いても良い。

【0057】

また、用いられる無機結合材の平均粒径は、０．１μｍ以上、１０μｍ以下とすることができる。１０μｍ以下であると、焼成で溶融しやすい又は／及び骨材粒子間に高分散して高強度なモノリス型基材１０を提供できる。より骨材粒子間に高分散できると言った観点から、無機結合材の平均粒径は小さいほうがよいが、原料が細かいほどコスト高となる傾向であるため、実質的に０．１μｍ以上とすることができる。なお、上述した平均粒径が１０μｍ以上、２５μｍ以下である骨材粒子と共に用いるといった観点からは、無機結合材の平均粒径は０．５μｍ以上、５μｍ以下であることがより好ましい。

【0058】

そして、得られたモノリス型の成形体を、例えば、９００～１６００℃で焼成してモノリス型基材を得、その外周面の一の部位から集水セル２５を貫通して他の部位まで連通する排出流路２６を形成して、排出流路２６が形成されたモノリス型基材を得る。排出流路用の切り欠きは、例えば、排出流路２６を形成すべき両端面にレーザー照準を当てながら、ダイヤモンド砥粒を施したバンドソーやディスクカッター、ワイヤーソー等を用いて切削することによって形成することが出来る。当該切削時は、モノリス型基材と切削加工具の摩擦によって、ダイヤモンド砥粒が脱粒する又は／及び熱が発生することで切削加工具の寿命を短くするため、水等の溶媒を使って摩擦又は／及び熱を軽減させることができる。

【0059】

排出流路２６の幅Ｗ１を好適なものとするために、バンドソーやディスクカッター、ワイヤーソー等の切削工具の厚みを選択することができ、その際、狙いとする幅Ｗ１に対して切り代分を減じた厚みとすることができる。例えば、排出流路２６の幅Ｗ１として０．８ｍｍを狙いとする場合は、切り代分を減じた０．６ｍｍの厚みを持つダイヤモンドディスクを選択することができる。なお、幅Ｗ１は、切削加工が容易であるといった観点から、当該排出流路２６を形成する集水セル２５の内径Ｃ２の５０％以下であることがより好ましい。内径Ｃ２に対して幅Ｗ１の割合が大きいと、レーザー照準の精度や、切削時の加工精度によって濾過セル２４と集水セル２５間の隔壁を突き破ってしまうことがあるためである。

【0060】

排出流路２６の切削に当っては、長手方向に切り進む距離を調整することで、好適な排出流路２６の長さＬ１を選択することができる。切り進む切削速度は、モノリス型基材の強度や発生する摩擦熱などを考慮して適宜選択されるが、０．１～５０ｍｍ／ｓｅｃとすることができる。０．１ｍｍ／ｓｅｃ以下であると切削時間がかかり過ぎるために好ましくなく、５０ｍｍ／ｓｅｃ以上であるとモノリス型基材に過度に応力がかかって破損させることがあるために好ましくない。加工具の寿命を短くすること無く、かつ容易に加工できるといった観点から、切削速度は０．５～１０ｍｍ／ｓｅｃであることがより好ましい。

【0061】

なお、用いる切削加工具によっては、排水流路２６の切削面は直線ではなく、特にディスクカッターを用いた場合は、内部で扇状になることがあるが、この場合は、外周面１１Ｕに形成された開口長さを開口部２６ａの長さＬ１とする。さらに、透過成分の排出を好適なものとするために、両端部以外の胴体部にドリル、リューター、ウォーターカッター等を用いて排出流路を穿設することもできる。

【0062】

次いで、得られたモノリス型基材における、排出流路用の切り欠きが形成された集水セルの両端面から、排出流路２６に達するまでの空間内に目封止部材を充填する。

【0063】

具体的には、モノリス型基材の両端面にポリエステル等のフィルム（マスキング）を添付し、排出流路２６に対応する部分にレーザー照射等によりフィルムに穴を穿設する。その後に、モノリス型基材のフィルムを添付した端面を、目封止部材（スラリー）が満たされた容器内に押し付け、更に、エアシリンダ等で、例えば、２００ｋｇで加圧して充填する。そして、得られた目封止部材充填未焼成モノリス型基材を、例えば、９００～１４００℃で焼成して目封止部材充填モノリス型基材を得る。

【0064】

そして、目封止部材充填モノリス型基材の濾過セル２４の内壁面に、分離膜３０の下地となる中間層２０を形成する。中間層２０を形成する（成膜する）ためには、先ず中間層用スラリーを調製する。中間層用スラリーは、所望の粒径の（例えば、平均粒径１～５μｍの）、アルミナ、ムライト、チタニア、コージェライト等のセラミックス原料１００質量部に、４００質量部の水を加えて調製することが出来る。

【0065】

また、この中間層スラリーには、焼結後の膜強度を上げるために膜用無機結合材を添加してもよい。膜用無機結合材は、粘土、カオリン、チタニアゾル、シリカゾル、ガラスフリット等を用いることが出来る。膜用無機結合材の添加量は、膜強度の点から５～４２質量部であることが好ましい。この中間層用スラリーを（例えば特開昭６１－２３８３１５号公報において開示されている装置を用いて）、濾過セル２４の内壁面に付着させ、乾燥した後、例えば、９００～１０５０℃で焼結させることで中間層２０を成膜することが出来る。

【0066】

中間層２０は、平均粒径を変えた複数の種類のスラリーを用いて中間層２１と中間層２２のように複数層に分けて成膜することも出来、そうすれば、本発明のモノリス型分離膜構造体１００のように、例えば複数層の中間層２０を有するものとすることが出来る。複数層の中間層２０を成膜する場合は、成膜工程と焼成工程を中間層毎に実施してもよいし、複数の成膜工程を繰り返した後に、一体として焼成してもよい。中間層２０の上に分離膜３０を配設することによって、モノリス型基材の表面の凹凸の影響を中間膜２０によって減少させることが出来る。その結果、分離膜３０を薄膜としても、欠陥を少なくすることが可能である。即ち、高フラックス、低コスト、高分離能を有するモノリス型分離膜構造体１００を得ることが出来る。

【0067】

次に、得られた中間層付モノリス型基材の端面に、ガラス原料スラリーをスプレー噴霧や刷毛で塗布した後、例えば、８００～１０００℃で焼成することで、第１及び第２シール部１４，１５の成形体を形成する。ガラス原料スラリーは、例えば、ガラスフリットに水と有機バインダを混合することによって調製する。以上、第１及び第２シール部１４，１５の材料がガラスである場合を述べたが、第１及び第２シール部１４，１５は、分離対象である混合流体と分離後に排出流路２６から排出される分離流体を通さないものであればよく、例えばシリコン樹脂やテフロン（登録商標）樹脂等を用いてもよい。なお、中間層２０を複層構造とする場合には、中間層２０の形成途中に第１及び第２シール部１４，１５の成形体を形成してもよい。

【0068】

次に、中間層２０内表面に分離膜３０を形成する。ここで、分離膜３０の平均細孔径が１ｎｍよりも小さく、圧力損失低減のためにより薄膜化が必要な場合は、中間層２０と分離膜３０の間にさらに下地層を配設することが好ましい。例えば、中間層２０の上に、チタンイソプロポキシドを硝酸の存在下で加水分解してチタニアゾル液を得、水で希釈して下地層用ゾルを調製し、調製した下地層用ゾルを、中間層付モノリス型基材の所定のセルの内壁面に流通した後、例えば、４００～５００℃で熱処理することによって、下地層を成膜しておくことが望ましい。

【0069】

分離膜３０がシリカ膜である場合、前駆体溶液（シリカゾル液）は、有機シラン化合物を硝酸の存在下で加水分解してゾル液とし、例えば、エタノール等の有機溶媒で希釈することで調製することが出来る。また、有機溶媒で希釈する代わりに、水で希釈することも可能である。そして、例えば、図４に示されるように、下地層が形成されたモノリス型基材１０の外周面１１Ｕを、マスキングテープ７１でシールし、図示しない広口ロート下端に第１端面１１Ｓを固定し、モノリス型基材１０の上方から、シリカ膜となる前駆体溶液７０（シリカゾル液）を流し込み、濾過セル２４の表面（下地層）を通過させ、あるいは、一般的なディッピングによって、前駆体溶液７０を、濾過セル２４の表面（下地層）に付着させる。その後、１００℃／時にて昇温し、例えば、３５０～５００℃で１時間保持した後、１００℃／時で降温する。このような流し込み、乾燥、昇温、降温の操作を１～５回繰り返すことによって、シリカ膜を配設することが出来る。以上により、分離膜３０がシリカ膜であるモノリス型分離膜構造体が得られる。

【0070】

分離膜３０の形成方法としては、以上のように分離膜３０の種類に応じた適切な方法を用いればよい。本明細書では、上述した各公報に記載された分離膜３０の作製方法を引用する。

【0071】

（その他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0072】

モノリス型分離膜構造体１００は、濾過セル２４と集水セル２５を備えることとしたが、集水セル２５を備えていなくてもよい。この場合、モノリス型分離膜構造体１００は、排出流路２６を備えていなくてもよい。

【0073】

濾過セル２４の内径Ｃ１は全て等しいこととしたがこれに限られるものではない。集水セル２５の内径Ｃ２は全て等しいこととしたがこれに限られるものではない。

【0074】

第１及び第２シール部１４，１５それぞれは、外周面１１Ｕの一部を覆っていることとしたが、外周面１１Ｕを覆っていなくてもよい。

【実施例】

【0075】

以下において本発明に係るモノリス型分離膜構造体の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

【0076】

（実施例１～３、５～１１の作製）
以下のようにして、実施例１～３、５～１１に係るモノリス型分離膜構造体を作製した。

【0077】

まず、平均粒径１２μｍのアルミナ粒子（骨材）７０体積％に対して無機結合材３０体積％を添加し、更に必要に応じて有機バインダ等の成形助剤や造孔剤を添加して乾式混合した後、水、界面活性剤を加えて混合し混練することにより坏土を調製した。無機結合材としては、平均粒径が１～５μｍであるタルク、カオリン、長石、粘土等をＳｉＯ₂（７０質量％）、Ａｌ₂Ｏ₃（１６質量％）、アルカリ土類金属およびアルカリ金属（１１質量％）が狙いの含有率となるように適宜混合したものを用いた。

【0078】

次に、坏土を押出成形して、多数のセルを有するモノリス型の成形体を作成した。得られた成形体を焼成（１２５０℃、１時間）してモノリス型基材を得た。焼成後のモノリス型基材のサイズは、直径６３ｍｍφ×長さ３００ｍｍであった。

【0079】

次に、モノリス型基材の両端面それぞれにおいて、集水セル列に沿ってダイヤモンドディスクカッターで切り込みを入れた。この際、ダイヤモンドディスクの厚みと長手方向に切り進む距離を調整することによって、表１に示すように排出流路の開口部の幅と長さの総和を変更した。なお、切り込みを入れる位置は、２列の集水セル列の間に配置される濾過セル列の列数（集水セル列間濾過セル列数）が表１に示すようになるように実施例ごとに変更した。

【0080】

次に、モノリス型基材の両端面にポリエステルフィルムを貼付し、集水セル列に対応する部分にレーザー照射によって孔を穿設した。

【0081】

次に、モノリス型基材の両端部をスラリー状態の目封止部材に押し付けた。目封止部材は、主成分のアルミナ骨材へガラス結合材を添加し、更に水とバインダを加えて混合したものを用いた。

【0082】

次に、目封止部材が充填されたモノリス型基材を焼成（９５０℃、１時間）して、目封止部材充填モノリス型基材を得た。

【0083】

濾過セルの内径、隔壁厚さ、外壁厚さ、本体部の外周面に開口する排出流路の開口幅および開口長さの総和は表１に示す通りであった。なお、集水セルの内径、集水セルどうしの隔壁厚さ、および濾過セルと集水セルの間の隔壁厚さは、濾過セルと同じであった。

【0084】

次に、平均粒径２．３μｍのアルミナ粒子（骨材）１００質量部に対して無機結合材１４質量部を添加し、更に水、分散材、及び増粘剤を加えて混合することにより第１中間層用スラリーを調製した。そのスラリーを用い、特公昭６３－６６５６６号公報に記載の濾過成膜法により、濾過セル用貫通孔の内周面にスラリーを付着させた。その後、大気雰囲気下、電気炉にて焼成（９５０℃、１時間）することによって、第１中間層を形成した。なお、無機結合材としては、ＳｉＯ₂（７７モル％）、ＺｒＯ₂（１０モル％）、ＬｉＯ₂（３．５モル％）、Ｎａ₂Ｏ（４モル％）、Ｋ₂Ｏ（４モル％）、ＣａＯ（０．７モル％）及びＭｇＯ（０．８モル％）を含有するガラス原料を、１６００℃で溶融して均一化し、これを冷却した後に平均粒径１μｍとなるように粉砕したものを用いた。

【0085】

次に、平均粒径０．３μｍのチタニア粒子（骨材）１００質量部に対して無機結合材２０質量部を添加し、有機バインダとｐＨ調整剤と界面活性剤などを混合して第２中間層用スラリーを調製した。

【0086】

次に、第２中間層用スラリーを第１中間層の内表面に濾過法で堆積させることによって、第２中間層の成形体を形成した。

【0087】

次に、第２中間層の成形体を焼成（９５０℃、１時間）することによって第２中間層を形成した。

【0088】

次に、中間層付モノリス型基材の端面に、ガラス原料スラリーをスプレー噴霧によって塗布した後、焼成（９５０℃、１時間）することによって、端面にシール部を形成した。

【0089】

次に、チタンイソプロポキシドを硝酸の存在下で加水分解してチタニアゾル液を得、水で希釈して第３中間層（下地層）用スラリーを調製した。

【0090】

次に、第３中間層用スラリーを第２中間層の内表面に流通した後、熱処理（４２５℃、１時間）することによって、第３中間層を形成した。

【0091】

第１中間層、第２中間層及び第３中間層（以下、「中間層」と総称する。）の合計厚みは表１に示す通りであった。

【0092】

次に、ｐ－トリルトリメトキシシランを硝酸の存在下で加水分解してシリカゾル液を得、エタノールで希釈して分離膜用前駆体溶液を調製した。

【0093】

次に、分離膜用前駆体溶液を第３中間層の内表面に流通した後、熱処理（４００℃、１時間）することによって、分離膜を形成した。

【0094】

（実施例４，１２の作製）
実施例４、１２では、モノリス基材の作製工程において、（１）平均粒径１２μｍのアルミナ粒子（骨材）６０体積％に対して無機結合材４０体積％を添加したこと、（２）無機結合材として、平均粒径が１～５μｍであるタルク、カオリン、長石、粘土等をＳｉＯ₂（１４質量％）、Ａｌ₂Ｏ₃（８０質量％）、アルカリ土類金属およびアルカリ金属（３質量％）が狙いの含有率となるように適宜混合したものを用いたこと、及び（３）焼成条件を１５２５℃、１時間としたこと、以外は実施例１～３、５～１１と同じ工程でモノリス型分離膜構造体を作製した。

【0095】

以上により、実施例１～１２に係るモノリス型分離膜構造体が完成した。モノリス型分離膜構造体の単位体積当たりにおける分離膜の面積、及びモノリス型分離膜構造体の単位重量当たりにおける分離膜の面積は表１に示す通りであった。

【0096】

（比較例１の作製）
比較例１では、坏土の調製において、平均粒径８０μｍのアルミナ粒子（骨材）８０体積％に対して無機結合材２０体積％を添加したこと、および押出成形において、濾過セルの内径、隔壁厚み及び中間層の厚みを表１に示すように大きくした以外は実施例１～１２と同じ工程にてモノリス型分離膜構造体を作製した。

【0097】

（比較例２の作製）
比較例２では、表１に示すように濾過セルの数を増やすために、押出成形において内径を０．９ｍｍに設定したところ、中間層の成膜において、中間層用スラリーが濾過セル内部に詰まってしまったため中間層を形成できなかった。

【0098】

（比較例３の作製）
比較例３では、隔壁厚みを０．０４ｍｍに設定したところ、押出成形において、隔壁厚みが薄すぎることによる強度不足でモノリス構造を維持できずモノリス型基材を形成できなかった。

【0099】

（比較例４の作製）
比較例４では、中間層の厚みを表１に示すように小さくした以外は実施例１～１２と同じ工程にてモノリス型分離膜構造体を作製した。

【0100】

（エタノール透過性試験）
実施例１～１２、比較例１，４のモノリス型分離膜構造体を分離装置に組み込み、有機溶媒（ｎ-オクタン：３３体積％、p-キシレン：３３体積％）とエタノール（３３体積％）の混合流体を分離膜の内側の濾過セルに流入させながら、モノリス型分離膜構造体の外周を４５Ｔｏｒｒに減圧した。

【0101】

そして、分離膜を透過して排出流路の開口部から流出するエタノールを回収して、回収したエタノールの質量及び分離処理時間に基づいてエタノールの透過速度を算出するとともに、回収したエタノールの透過濃度を測定した。

【0102】

（アイソスタティック強度試験）
社団法人自動車技術会発行の自動車規格であるＪＡＳＯ規格Ｍ５０５－８７に規定されているアイソスタティック破壊強度の測定方法に従って、実施例１～１２、比較例１，４のモノリス型分離膜構造体のアイソスタティック強度を測定した。アイソスタティック強度とは、水中で静水圧をかけて測定した破壊強度である。

【0103】

表１では、２０ＭＰａを印加しても破壊されなかったものが“○（良）”と評価され、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満で破壊されたものが“△（可）”と評価されている。

【0104】

【表1】

【0105】

表１に示すように、実施例１～１２では、比較例１（従来例）と比較して、単位体積当たりの分離膜面積と単位重量当たりの分離膜面積を向上させることができた。これは、濾過セルの内径を従来の２．２ｍｍから２．０ｍｍ以下とすること、隔壁厚みを従来の０．８ｍｍから０．２ｍｍ未満と小さくすること、および中間層の厚みを従来の１７０μｍから１００μｍ未満とすることによって分離膜の総面積を大きくできたためである。

【0106】

分離膜面積を大きくするといった観点からは、濾過セルの内径、隔壁厚み、及び中間層厚みは小さいほうがよい。従って、実施例３では、実施例１に比べて、内径を１．８５ｍｍから１．１０ｍｍ、隔壁厚さを０．１５ｍｍから０．０５ｍｍ、中間層の厚みを７０μｍから２０μｍまで小さくしたため、分離膜面積を大幅に向上させることができ、透過速度を向上させることができた。なお、実施例３では、同時に集水セルの内径も１．１０ｍｍと小さくしたため、排出流路の加工を容易にするために、開口幅を０．８ｍｍから０．３ｍｍに小さくした。

【0107】

一方、濾過セルの内径、隔壁厚み、及び中間層をあまり小さくし過ぎると不具合が発生する。比較例２のように濾過セルの内径を０．９ｍｍまで小さくすると、中間層の成膜において、中間層用スラリーが濾過セル内部に詰まってしまったため中間層を形成できなかった。比較例３のように隔壁厚さを０．０４ｍｍとした場合は、押出成形において、内壁が薄すぎることによる強度不足でモノリス構造を維持できずモノリス型基材を形成できなかった。比較例４のように中間層厚みを１５μｍとした場合は、濾過セル表面を十分に平滑化できない、又は／及び表面を被覆できない部分が発生したため、その上に成膜した分離膜に欠陥が発生してほとんど濃縮できなかった（元の混合流体と同じ濃度であった）。

【0108】

また、実施例１～１２では、比較例４と比較してエタノールの透過濃度を高くすることができた。これは、中間層の厚みを確保して表面を平滑化することによって分離膜の欠陥を抑制できたためである。

【0109】

なお、実施例４は、濾過セルの内径、隔壁厚さ、中間層の厚みおよび材料密度それぞれが膜面積に対して最も不利な状況であっても、本願の設計範囲内であれば、必要な透過性能を維持できることを示している。

【0110】

以上より、隔壁厚さを０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満とし、中間層の厚みを２０μｍ以上１００μｍ未満とし、かつ、濾過セル用貫通孔の内径を１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることによって、モノリス型分離膜構造体の透過性能を維持しつつコンパクト化又は／及び軽量化可能であることを確認できた。

【0111】

次に、集水セル列間濾過セル列数について説明する。

【0112】

実施例６では、実施例８に比べてエタノールの透過速度をより向上させることができた。これは、集水セル列間濾過セル列数を９列以下とすることによって、分離膜表面で分離されたエタノールが隔壁内を透過する距離を短くすることで、圧力損失を低減できたためである。圧力損失を低減すると言った観点からは、集水セル列間濾過セル列数は小さいほどよいため、実施例１では、さらに透過速度が向上した。

【0113】

一方で、集水セル列間濾過セル列数を小さくすることは、集水セル列数を増やすことになるため、相対的に集水セルの数が増え、濾過セルの数が減って分離膜の表面積を減ずることになる。このため、実施例５では、集水セル列間濾過セル列数が実施例１よりも小さくなったにもかかわらず、透過速度は低下した。これは、圧力損失を低減できる効果よりも膜面積が減少する影響の方が大きくなったためである。

【0114】

さらに、実施例７では、集水セル列間濾過セル列数を１としたために、大幅に濾過セル数が減って膜面積が低下したため、透過速度が低下した。以上の結果より、エタノールが透過する際の圧力損失を低減し、かつ分離膜の表面積を高く維持するといった観点から、集水セル列間濾過セル列数は、４列以上６列以下であることが特に好ましいことが分かった。

【0115】

次に、スリット開口幅および開口長さの総和について説明する。実施例９では、実施例１に比べてエタノールの透過速度が低下している。これは、スリット開口幅とスリット開口長さが小さいために、集水セル列を透過してきたエタノールがスリット開口部で圧力損失を受けたためである。なお、実施例６および実施例８においては、集水セル列間濾過セル列数が大きく、１列の集水列に対してより多くの透過成分が集中するため、開口長さを大きくすることで圧力損失を低減させた。従って、スリット開口幅は、集水セルの内径の１０％以上が好ましく、スリット開口長さの総和は、モノリス型基材の全長の３．３％以上が好ましいことが分かった。

【0116】

次に、外壁厚みについて説明する。実施例１０では、外壁厚みが０．９ｍｍ（隔壁厚さの６倍）と薄いために、実施例１に比べて膜面積が増大してエタノールの透過速度が向上しているが、強度試験の結果、２０ＭＰａ未満で構造が破壊されてしまった。一方で、実施例１１では、外壁厚みを６ｍｍ（隔壁厚さの４０倍）と厚くしたために、相対的に膜面積が減少してエタノールの透過速度が低下してしまった。また、実施例１２では、濾過セルの内径、隔壁厚さ、中間層の厚みおよび材料密度それぞれが膜面積に対して最も不利な状況にある上に、さらに外壁厚みも厚くしてしまったために、単位重量当たりにおける膜面積が、０．５ｍ²／ｋｇ以下となり、透過速度が大幅に低下してしまった。以上より、外壁厚は隔壁厚さの１０倍以上３０倍以下が好ましいことを確認できた。

【符号の説明】

【0117】

１００ モノリス型分離膜構造体
１０ モノリス型基材
１１ 本体部
１１Ｓ 第１端面
１１Ｔ 第２端面
１１Ｕ 外周面
１２ 第１目封止
１３ 第２目封止
１４ 第１シール部
１５ 第２シール部
２０ 中間層
２１ 第１中間層
２２ 第２中間層
２４ 濾過セル
２４Ｌ 濾過セル列
２５ 集水セル
２５Ｌ 集水セル列
２６ 排出流路
２６ａ 開口部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】