[发明专利]CO2促进输送膜及其制造方法以及CO2分离方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化碳(CO₂)的分离中使用的CO₂促进输送膜，特别涉及将在氢制造工艺等中作为副产物产生的二氧化碳以相对于氢而言高的选择比率进行分离的CO₂促进输送膜，还涉及该CO₂促进输送膜的制造方法、使用了该CO₂促进输送膜的CO₂分离方法及装置。

背景技术

在氢制造工艺中，需要将在制造氢的过程中作为副产物产生的CO₂从氢气中分离除去。

现有的氢制造厂、氨制造厂等大规模工厂的脱碳酸工艺中使用的化学吸收法中，为了分离CO₂，需要巨大的CO₂吸收塔及CO₂吸收液的再生塔，在CO₂吸收液的再生工序中，为了对吸收了CO₂的液体进行加热而从吸收液中除去CO₂以使其能够再使用，需要大量的蒸汽，因此浪费了无用的能量。

另外，近年来作为全球变暖的对策，期待不产生CO₂的天然能源的普及，但天然能源在成本方面的问题较大，因此从火电站、炼铁厂等的排气中分离并回收CO₂并埋入地下或海里的、被称为CCS(Carbon dioxide Capture and Storage，二氧化碳捕捉与贮存)的方法受到关注。眼下，对于CCS而言，也是以化学吸收法的应用为前提的，在该情况下，为了分离并回收来自火电站的CO₂，不仅需要大规模的CO₂分离设备，而且需要投入大量的蒸汽。

与此相对，使用了膜分离法的CO₂分离回收工艺中，将分压差作为驱动能源，利用透过膜的气体的速度差来进行分离，其能够将要分离的气体所具有的压力用作能源，并且也不伴随相变，从而期待作为节能工艺。

气体分离膜根据膜材料的不同而大致分为有机膜和无机膜。有机膜与无机膜相比，具有廉价且成形性优异的优点。气体分离中使用的有机膜一般为利用相转换法制作的高分子膜，分离原理基于利用气体在膜材料中的溶解性、及气体在膜内的扩散速度的不同来将气体分离的溶解-扩散机制。

溶解-扩散机制的思路是：气体首先溶解于高分子膜的膜表面，然后该溶解的分子沿高分子膜中的高分子链间隙扩散。将气体成分A的透过系数设为P_A、将溶解度系数设为S_A、将扩散系数设为D_A时，P_A＝S_A×D_A的关系式成立。理想的分离系数α_A/B取成分A与成分B的透过系数之比，并以α_A/B＝P_A/P_B的形式表示，因此α_A/B＝(S_A/S_B)/(D_A/D_B)。此处，S_A/S_B被称为溶解度选择性、D_A/D_B被称为扩散选择性。

分子直径越小则扩散系数越大，并且一般而言在气体分离中，扩散选择性的作用大于溶解度选择性的作用，因此难以在分子直径不同的多个气体成分中抑制分子直径小的气体透过从而选择性地使分子直径大的气体透过。

因此，特别是从包含H₂和CO₂的混合气体中相对于在气体分子中分子直径最小的H₂具有高选择性地将CO₂分离的CO₂选择透过膜的制作是极其困难的，耐受在氢制造厂等的脱碳酸工艺中的实用化的在100℃以上的高温下发挥功能的CO₂选择透过膜的制作是更困难的。