JP6436207B2 - Method for separating or concentrating gas, and method for producing high oxygen concentration mixed gas - Google Patents
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Description
本発明は、ゼオライト分離膜を用いて、複数の気体成分を含有する混合気体から、透過
性の高い物質を透過して分離し、透過性の低い物質を濃縮する、気体の分離または濃縮方
法に関する。
The present invention relates to a gas separation or concentration method that uses a zeolite separation membrane to separate a highly permeable substance by permeating and separating a highly permeable substance from a mixed gas containing a plurality of gas components. .
気体の分離・濃縮の方法には、膜分離法、吸着分離法、吸収分離法、蒸留分離法、深冷
分離法等があるが、膜分離法は、分離の途中での相変化を殆ど伴わず、圧力差を駆動エネ
ルギーとして、膜を透過する気体の速度差によって分離する手法である。吸着・吸収によ
る分離は吸着・吸収した気体を脱離する工程が必要でありバッチ処理となるため、連続プ
ロセスにするには複数のユニットが必要となるが、膜分離法は連続的に分離が可能であり
設備規模も比較的小さくすることができる。蒸留・深冷分離法は連続処理が可能であるが
分離に相変化を伴い大量のエネルギーが必要となる。しかしながら、膜分離法では圧力差
を駆動力とした省エネルギーな分離が可能である。
Gas separation / concentration methods include membrane separation method, adsorption separation method, absorption separation method, distillation separation method, cryogenic separation method, etc., but membrane separation method is almost accompanied by phase change during the separation. First, the pressure difference is used as driving energy, and the separation is performed by the difference in velocity of the gas passing through the membrane. Separation by adsorption / absorption requires a process of desorbing the adsorbed / absorbed gas and is a batch process, so multiple units are required to make a continuous process. This is possible and the equipment scale can be made relatively small. Distillation and cryogenic separation methods can be processed continuously, but a large amount of energy is required with the phase change in the separation. However, in the membrane separation method, energy-saving separation using a pressure difference as a driving force is possible.
膜による気体分離の方法としては、1970年代から高分子膜を用いた方法が提案され
ている。しかし、高分子膜は加工性に優れる特徴をもつ一方で、熱や化学物質、圧力によ
り劣化して性能が低下することが問題であり、使用できる条件範囲としては十分でなかっ
た。
これらの問題を解決すべく耐薬品性、耐酸化性、耐熱性、耐圧性が良好な無機膜が提案
されてきている。無機膜としてはPd膜、複合酸化物膜などの緻密膜やシリカ膜、ゼオラ
イト膜等の多孔質膜がある。緻密膜では溶解拡散を原理とする分離であるが、多孔質膜で
は分子ふるい、吸着性を利用する分離であり、膜に溶解しない成分同士でも分離対象とす
ることができる。その中でもゼオライト膜は結晶性を有し、サブナノメートルの規則的な
細孔を持つため、細孔径が均一であり分子ふるい効果が高く、分離性能に優れている。ま
た組成を変えることなどで吸着性の制御も期待できる。さらに結晶性であるためにアモル
ファスな形態であるシリカ膜等と比較して安定性にも優れている。
As a gas separation method using a membrane, a method using a polymer membrane has been proposed since the 1970s. However, while the polymer film has the characteristics of excellent processability, it has a problem that the performance deteriorates due to deterioration due to heat, chemical substances, and pressure, and the usable condition range is not sufficient.
In order to solve these problems, inorganic films having good chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance, and pressure resistance have been proposed. Examples of inorganic films include dense films such as Pd films and composite oxide films, and porous films such as silica films and zeolite films. In the case of a dense membrane, separation is based on the principle of dissolution and diffusion. However, in the case of a porous membrane, separation is performed using molecular sieving and adsorptivity, and components that do not dissolve in the membrane can be separated. Among them, the zeolite membrane has crystallinity and has regular sub-nanometer pores, so the pore diameter is uniform, the molecular sieving effect is high, and the separation performance is excellent. Adsorption control can also be expected by changing the composition. Furthermore, since it is crystalline, it is excellent in stability as compared with an amorphous silica film or the like.
気体分離用ゼオライト膜としては、A型膜、FAU膜、MFI膜、SAPO−34膜、
DDR膜などのゼオライト膜が知られている。具体的な混合気体の膜分離の例としては、
気体状の化石資源の分離や火力発電所や石油化学工業などから排出される気体の分離など
で二酸化炭素と窒素、二酸化炭素とメタン、水素と炭化水素、水素と酸素、水素と二酸化
炭素、窒素と酸素、パラフィンとオレフィン、ヘリウムとメタンなどの分離などがある。
用い得るゼオライト膜の中で、A型ゼオライト膜は水蒸気安定性に乏しく、また結晶間
隙のない膜にすることが難しいため結晶間隙を通過する気体が多く存在し分離性能は十分
でない。FAU膜はゼオライトの細孔が0.6〜0.8nmであり、水素などの小さな気
体分子2個分がゼオライト細孔内に入りうる大きさであり、上述した気体分離の多くの場
合で分子ふるい効果は期待できない。この膜は、ゼオライト細孔への吸着特性をもつ分子
ともたない分子の分離、例えば二酸化炭素と窒素の分離に向いている。しかし、吸着性の
ない分子は分離しにくく、適用範囲が狭い。MFI膜の細孔径は0.55nmであり、こ
れもFAU膜同様に気体分子の分離には細孔がやや大きく分離性能も高くない。
細孔径が小さく、小さな気体の分離に適した膜としてDDR(特許文献1)、SAPO
−34(非特許文献1)、SSZ−13(非特許文献2)が知られている。また本発明者
らがこれらの膜の課題である透過性、耐水性、分離性に優れたゼオライト膜複合体とそれ
によるガス分離方法を見出し先に提案している(特許文献2)。
As the zeolite membrane for gas separation, A-type membrane, FAU membrane, MFI membrane, SAPO-34 membrane,
Zeolite membranes such as DDR membranes are known. As an example of membrane separation of a specific mixed gas,
Carbon dioxide and nitrogen, carbon dioxide and methane, hydrogen and hydrocarbons, hydrogen and oxygen, hydrogen and carbon dioxide, nitrogen in the separation of gaseous fossil resources, gas discharged from thermal power plants and petrochemical industries, etc. And oxygen, paraffin and olefin, helium and methane, etc.
Among the zeolite membranes that can be used, the A-type zeolite membrane has poor water vapor stability, and it is difficult to form a membrane without crystal gaps, so that there are many gases passing through the crystal gaps, and the separation performance is not sufficient. The FAU membrane has a zeolite pore size of 0.6 to 0.8 nm, and has a size that allows two small gas molecules such as hydrogen to enter the zeolite pores. No sifting effect can be expected. This membrane is suitable for the separation of molecules that do not have adsorption properties into zeolite pores, for example, separation of carbon dioxide and nitrogen. However, non-adsorbing molecules are difficult to separate and have a narrow application range. The pore diameter of the MFI membrane is 0.55 nm, and this also has a slightly large pore for separating gas molecules, as in the FAU membrane, and the separation performance is not high.
DDR (Patent Document 1), SAPO as a membrane having a small pore size and suitable for separation of small gases
-34 (Non-Patent Document 1) and SSZ-13 (Non-Patent Document 2) are known. Further, the present inventors have proposed a zeolite membrane composite having excellent permeability, water resistance, and separation properties and a gas separation method using the zeolite membrane, which are problems of these membranes (Patent Document 2).
これらの膜の細孔径としては、International Zeolite Ass
ociation(IZA)が定める結晶学的なチャネル直径でDDRが3.6×4.4
ÅでありSAPO−34、SSZ−13の結晶構造であるCHAでは3.8×3.8Åで
ある。一方、分離が期待される気体のkinetic直径としては例えばヘリウム分子は
2.6Å、酸素分子は3.5Å、窒素分子は3.6Åであり、これらはDDR、CHA膜
の細孔径の長径よりも小さい(kinetic直径(kinetic diameter):Laurence W M
cKeen, Film Properties of Plastics and Elastomers Third Edition,Elsevier,2012)
。
The pore size of these membranes is International Zeolite Ass.
The crystallographic channel diameter defined by the association (IZA), and the DDR is 3.6 × 4.4.
In CHA which is a crystal structure of SAPO-34 and SSZ-13, it is 3.8 × 3.8 mm. On the other hand, the kinetic diameters of gases expected to be separated are, for example, 2.6 ヘ リ ウ ム for helium molecules, 3.5 は for oxygen molecules, and 3.6 窒 素 for nitrogen molecules. Small (kinetic diameter: Laurence WM
cKeen, Film Properties of Plastics and Elastomers Third Edition, Elsevier, 2012)
.
このような細孔サイズと分子サイズの関係にある気体混合物を分離・濃縮する場合には
気体分子がいずれも膜を透過することができるため、分子の大きさの序列や拡散速度によ
る分離はできるものも分子ふるい効果が機能せず分離性能としては十分でなかった。
本発明は、かかる従来技術の問題が解決された、様々なkinetic直径の小さな気
体を高い分離性で分離することができ、特に4Å以下のような気体が含まれる気体混合物
の分離または濃縮方法を提供することを課題とするものである。
また、本発明は、分離または濃縮方法を利用することで、高酸素濃度の混合気体の製造
方法を提供することを課題とするものである。
When separating and concentrating a gas mixture that has such a relationship between pore size and molecular size, any gas molecule can permeate the membrane, so separation by molecular size order and diffusion rate is possible. Also, the molecular sieving effect did not work, and the separation performance was not sufficient.
The present invention provides a method for separating or concentrating a gas mixture containing a gas having a size of 4 mm or less, in which various small kinetic diameter gases can be separated with high separability. The issue is to provide.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a mixed gas having a high oxygen concentration by utilizing a separation or concentration method.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ある種の物性をもつゼオラ
イト膜複合体が、気体混合物の分離に優れた特性を持つことを見出し、本発明に到達した
。
即ち、本発明の要旨は、次の(1)〜(15)に存する。
(1) 複数の気体成分を含有する混合気体を分離膜に接触させて、該混合気体のうち透
過性の高い成分を透過させることにより、該混合気体から該透過性の高い成分を分離する
、または、該混合気体から透過性の高い成分を透過させることにより、透過性の低い成分
を濃縮する気体の分離または濃縮方法であって、 該分離膜が、無機多孔質支持体上に形
成されたゼオライト膜であり、該ゼオライト膜は、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼ
オライトを含み、該ゼオライト膜表面のSiO2/Al2O3モル比が25以上であるこ
とを特徴とする、気体の分離または濃縮方法。
(2) 該混合気体が、酸素を含有する混合気体であり、該混合気体から酸素を分離する
、または、該混合気体から酸素を透過させる(1)に記載の気体の分離または濃縮方法。
(3) 該混合気体が、メタン及びヘリウムを含有する混合気体であり、該混合気体から
、ヘリウムを分離する、または、該混合気体からヘリウムを透過させる、請求項(1)に
記載の気体の分離または濃縮方法。
(4) 該混合気体が、二酸化炭素及び窒素を含有する混合気体であり、該混合気体から
、二酸化炭素を分離する、または、該混合気体から二酸化炭素を透過させる、(1) に
記載の気体の分離または濃縮方法。
(5) 該ゼオライト膜は、水熱合成によりゼオライトを形成した後、Si化合物を含
む溶液中で処理して得られたものである、(1)〜(4)のいずれかに記載の気体の分離
または濃縮方法。
(6) 天然ガスを分離膜に接触させて、天然ガスのうち透過性の高い成分を透過させる
ことにより、天然ガスから該透過性の高い成分を分離する、または、天然ガスから透過性
の高い成分を透過させることにより、透過性の低い成分を濃縮する天然ガスの分離または
濃縮方法であって、該分離膜が、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜であり、
該ゼオライト膜は、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオライトを含み、該ゼオライト
膜表面のSiO2/Al2O3モル比が25以上であることを特徴とする、天然ガスの分
離または濃縮方法。
(7) 該透過性の高い成分がヘリウムである、(6)に記載の天然ガスの分離または濃
縮方法。
(8) 燃焼気体を分離膜に接触させて、燃焼気体のうち透過性の高い成分を透過させる
ことにより、燃焼気体から該透過性の高い成分を分離する、または、燃焼気体から透過性
の高い成分を透過させることにより、透過性の低い成分を濃縮する燃焼気体の分離または
濃縮方法であって、
該分離膜が、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜であり、該ゼオライト膜は
、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオライトを含み、該ゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比が25以上であることを特徴とする、燃焼気体の分離または濃縮方法
。
(9) 該透過性の高い成分が二酸化炭素である、(8)に記載の天然ガスの分離または
濃縮方法。
(10)酸素を含有する混合気体を分離膜に接触させることにより、高酸素濃度の混合気
体を製造する方法であって、該分離膜が、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜
であり、該ゼオライト膜は、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオライトを含み、該ゼ
オライト膜表面のSiO2/Al2O3モル比が25以上であることを特徴とする、高酸
素濃度混合気体の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a zeolite membrane composite having certain physical properties has excellent characteristics for separating a gas mixture, and reached the present invention.
That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (15).
(1) A gas mixture containing a plurality of gas components is brought into contact with a separation membrane, and the highly permeable component is separated from the mixed gas by allowing a highly permeable component to pass through the mixed gas. Alternatively, a gas separation or concentration method for condensing a low-permeability component by permeating a high-permeability component from the mixed gas, wherein the separation membrane is formed on an inorganic porous support. A zeolite membrane, wherein the zeolite membrane contains a zeolite having a pore structure of an oxygen 8-membered ring or less, and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio on the surface of the zeolite membrane is 25 or more, Gas separation or concentration method.
(2) The gas separation or concentration method according to (1), wherein the mixed gas is a mixed gas containing oxygen, and oxygen is separated from the mixed gas or oxygen is permeated from the mixed gas.
(3) The gas mixture according to (1), wherein the gas mixture is a gas mixture containing methane and helium, and helium is separated from the gas mixture, or helium is permeated from the gas mixture. Separation or concentration method.
(4) The gas according to (1), wherein the mixed gas is a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen, and carbon dioxide is separated from the mixed gas or carbon dioxide is permeated from the mixed gas. Separation or concentration method.
(5) The zeolite membrane according to any one of (1) to (4), which is obtained by forming a zeolite by hydrothermal synthesis and then treating it in a solution containing an Si compound. Separation or concentration method.
(6) The natural gas is brought into contact with the separation membrane, and the highly permeable component of the natural gas is permeated to separate the highly permeable component from the natural gas, or the highly permeable component from the natural gas. A natural gas separation or concentration method for concentrating a low-permeability component by permeating the component, wherein the separation membrane is a zeolite membrane formed on an inorganic porous support,
The zeolite membrane contains a zeolite having a pore structure with an oxygen 8-membered ring or less, and the surface of the zeolite membrane has a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 25 or more. Concentration method.
(7) The natural gas separation or concentration method according to (6), wherein the highly permeable component is helium.
(8) By separating the highly permeable component from the combustion gas by bringing the combustion gas into contact with the separation membrane and permeating the highly permeable component of the combustion gas, or having a high permeability from the combustion gas. A method for separating or concentrating a combustion gas that concentrates a component with low permeability by permeating the component,
The separation membrane is a zeolite membrane formed on an inorganic porous support, and the zeolite membrane contains a zeolite having a pore structure having an oxygen 8-membered ring or less, and SiO 2 on the surface of the zeolite membrane.
A method for separating or concentrating combustion gas, wherein the / Al 2 O 3 molar ratio is 25 or more.
(9) The natural gas separation or concentration method according to (8), wherein the highly permeable component is carbon dioxide.
(10) A method for producing a mixed gas having a high oxygen concentration by bringing a mixed gas containing oxygen into contact with a separation membrane, wherein the separation membrane is a zeolite membrane formed on an inorganic porous support. And the zeolite membrane contains a zeolite having a pore structure of an oxygen 8-membered ring or less, and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane surface is 25 or more. A method for producing a mixed gas.
本発明により、複数の成分からなる気体から透過性の高い成分と透過性の低い成分の透
過度の差を大きくすることができ、特に成分の少なくとも一つにkinetic直径が4
Å以下の成分を含む気体においても、透過性の高い成分の分離、または透過性の高い成分
を透過させることによる透過性の低い成分の濃縮を高い分離性能で行うことが可能となる
。
According to the present invention, a difference in permeability between a highly permeable component and a low permeable component can be increased from a gas composed of a plurality of components. In particular, at least one of the components has a kinetic diameter of 4.
Even in a gas containing the following components, separation of highly permeable components or concentration of low permeable components by permeating highly permeable components can be performed with high separation performance.
以下、本発明の実施の形態について更に詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の
説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではな
く、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本発明の気体の分離または濃縮方法は、複数の気体成分を含有する混合気体を分離膜に
接触させて、該混合気体のうち透過性の高い成分を透過させることにより、該混合気体か
ら該透過性の高い成分を分離する、または、該混合気体から透過性の高い成分を透過させ
ることにより、透過性の低い成分を濃縮する気体の分離または濃縮方法であって、該分離
膜が、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜であり、該ゼオライト膜は、酸素8
員環以下の細孔構造を有するゼオライトを含み、該ゼオライト膜表面のSiO2/Al2
O3モル比が25以上であることを特徴とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the description of the constituent elements described below is an example of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents. Various modifications can be made within the scope of the gist.
In the gas separation or concentration method of the present invention, a mixed gas containing a plurality of gas components is brought into contact with a separation membrane, and a highly permeable component of the mixed gas is allowed to permeate from the mixed gas. A gas separation or concentration method for concentrating a low-permeability component by separating a high-permeability component or by allowing a high-permeability component to permeate from the mixed gas, wherein the separation membrane is inorganic porous Zeolite membrane formed on a porous support, the zeolite
Including a zeolite having a pore structure of a member ring or less, and SiO 2 / Al 2 on the surface of the zeolite membrane
The O 3 molar ratio is 25 or more.
以下に、先ず、本発明の特徴となる、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜に
ついて説明する。
なお、本明細書において、無機多孔質支持体と、その上に形成されたゼオライト膜を「
ゼオライト膜複合体」と言う場合があり、これを「膜複合体」と略称することがある。ま
た、「無機多孔質支持体」を「多孔質支持体」または「支持体」と略称することがある。
First, the zeolite membrane formed on the inorganic porous support, which is a feature of the present invention, will be described.
In this specification, the inorganic porous support and the zeolite membrane formed thereon are referred to as “
Sometimes referred to as “zeolite membrane composite”, which may be abbreviated as “membrane composite”. In addition, the “inorganic porous support” may be abbreviated as “porous support” or “support”.
<多孔質支持体>
本発明において、多孔質支持体としては、その表面などにゼオライトを膜状に結晶化で
きるような化学的安定性があり、無機の多孔質よりなる支持体(無機多孔質支持体)であ
れば如何なるものであってもよい。例えば、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムラ
イト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結
体(セラッミクス支持体)、鉄、ブロンズ、ステンレス等の焼結金属や、ガラス、カーボ
ン成型体などが挙げられる。
<Porous support>
In the present invention, the porous support has a chemical stability that allows the zeolite to be crystallized into a film on the surface thereof, and is a support made of an inorganic porous material (inorganic porous support). It can be anything. For example, sintered ceramics (ceramics support) such as silica, α-alumina, γ-alumina, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide, sintered metals such as iron, bronze, and stainless steel, glass And carbon moldings.
これら多孔質支持体の中で、基本的成分あるいはその大部分が無機の非金属物質から構
成されている固体材料であるセラミックスを焼結したものを含む無機多孔質支持体(セラ
ミックス支持体)が好ましい。この支持体を用いれば、その一部がゼオライト膜合成中に
ゼオライト化することで界面の密着性を高める効果がある。
具体的には、例えば、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、
チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などを含むセラミックス焼結体(セラミック
ス支持体)が挙げられる。それらの中で、アルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも
1種を含む無機多孔質支持体が好ましい。これらの支持体を用いれば、部分的なゼオライ
ト化が容易であるため、支持体とゼオライトの結合が強固になり緻密で分離性能の高い膜
が形成されやすくなる。
Among these porous supports, there are inorganic porous supports (ceramic supports) including sintered ceramics, which are solid materials whose basic components or most of them are composed of inorganic nonmetallic substances. preferable. If this support is used, a part of the support is zeoliticized during the synthesis of the zeolite membrane, thereby improving the adhesion at the interface.
Specifically, for example, silica, α-alumina, γ-alumina, mullite, zirconia,
Examples thereof include a ceramic sintered body (ceramic support) containing titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide, and the like. Among them, an inorganic porous support containing at least one of alumina, silica, and mullite is preferable. When these supports are used, partial zeolitization is easy, so that the bond between the support and the zeolite becomes strong, and a dense membrane with high separation performance is easily formed.
多孔質支持体の形状は、気体混合物を有効に分離できるものであれば特に制限されず、
具体的には、例えば、平板状、管状のもの、または円筒状、円柱状や角柱状の孔が多数存
在するハニカム状のものやモノリスなどが挙げられる。
本発明において、かかる多孔質支持体上、すなわち支持体の表面などにゼオライトを膜
状に形成させる。支持体の表面は、支持体の形状に応じて、どの表面であってもよく、複
数の面であってもよい。例えば、円筒管の支持体の場合には外側の表面でも内側の表面で
もよく、場合によっては外側と内側の両方の表面であってよい。
The shape of the porous support is not particularly limited as long as it can effectively separate the gas mixture,
Specifically, for example, a flat plate shape, a tubular shape, a honeycomb shape having a large number of cylindrical, columnar, or prismatic holes, a monolith, and the like can be given.
In the present invention, zeolite is formed into a film on such a porous support, that is, on the surface of the support. The surface of the support may be any surface or a plurality of surfaces depending on the shape of the support. For example, in the case of a cylindrical tube support, it may be the outer surface or the inner surface, and in some cases both the outer and inner surfaces.
多孔質支持体表面の平均細孔径は特に制限されないが、細孔径が制御されているものが
好ましい。支持体表面の平均細孔径は、通常0.02μm以上、好ましくは0.05μm
以上、より好ましくは0.1μm以上であり、通常20μm以下、好ましくは10μm以
下、より好ましくは5μm以下である。平均細孔径が小さすぎると透過量が小さくなる傾
向があり、大きすぎると支持体自体の強度が不十分になり、支持体表面の細孔の割合が増
えて緻密なゼオライト膜が形成されにくくなる傾向がある。
The average pore diameter on the surface of the porous support is not particularly limited, but those having a controlled pore diameter are preferred. The average pore diameter on the support surface is usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm.
Above, more preferably 0.1 μm or more, usually 20 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the average pore diameter is too small, the amount of permeation tends to be small, and if it is too large, the strength of the support itself is insufficient, and the proportion of pores on the surface of the support increases, making it difficult to form a dense zeolite membrane. Tend.
多孔質支持体の平均厚さ(肉厚)は、通常0.1mm以上、好ましくは0.3mm以上
、より好ましくは0.5mm以上であり、通常7mm以下、好ましくは5mm以下、より
好ましくは3mm以下である。支持体はゼオライト膜に機械的強度を与える目的で使用し
ているが、支持体の平均厚さが薄すぎるとゼオライト膜複合体が十分な強度を持たずゼオ
ライト膜複合体が衝撃や振動等に弱くなる傾向がある。支持体の平均厚さが厚すぎると透
過した物質の拡散が悪くなり透過度が低くなる傾向がある。
The average thickness (wall thickness) of the porous support is usually 0.1 mm or more, preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, usually 7 mm or less, preferably 5 mm or less, more preferably 3 mm. It is as follows. The support is used to give mechanical strength to the zeolite membrane, but if the average thickness of the support is too thin, the zeolite membrane composite will not have sufficient strength and There is a tendency to weaken. If the average thickness of the support is too thick, the diffusion of the permeated material tends to be poor and the permeability tends to be low.
多孔質支持体の気孔率は、通常20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは3
0%以上であり、通常70%以下、好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下で
ある。支持体の気孔率は、気体を分離する際の透過流量を左右し、下限未満では透過物の
拡散を阻害する傾向があり、上限を超えると支持体の強度が低下する傾向がある。
多孔質支持体は、必要に応じて表面をやすり等で研磨してもよい。なお、多孔質支持体
の表面とはゼオライトを結晶化させる無機多孔質支持体の表面部分を意味し、表面であれ
ばそれぞれの形状のどこの表面であってもよく、複数の面であってもよい。例えば円筒管
の支持体の場合には外側の表面でも内側の表面でもよく、場合によっては外側と内側の両
方の表面であってもよい。
The porosity of the porous support is usually 20% or more, preferably 25% or more, more preferably 3
It is 0% or more, usually 70% or less, preferably 60% or less, more preferably 50% or less. The porosity of the support influences the permeation flow rate when the gas is separated, and if it is less than the lower limit, it tends to inhibit the diffusion of the permeate, and if it exceeds the upper limit, the strength of the support tends to decrease.
The surface of the porous support may be polished with a file or the like as necessary. The surface of the porous support means the surface portion of the inorganic porous support that crystallizes the zeolite, and any surface of each shape may be used as long as the surface is a plurality of surfaces. Also good. For example, in the case of a cylindrical tube support, it may be the outer surface or the inner surface, and in some cases both the outer and inner surfaces.
<ゼオライト膜複合体>
本発明において、上記多孔質支持体上にゼオライト膜を形成させて、ゼオライト膜複合
体を得る。
ゼオライト膜を構成する成分としては、ゼオライト以外にシリカ、アルミナなどの無機
バインダー、ポリマーなどの有機化合物、あるいは下記詳述するようなゼオライト表面を
修飾するSi化合物またはその反応物などを必要に応じ含んでいてもよい。また、本発明
におけるゼオライト膜は、一部アモルファス成分などを含んでいてもよいが、実質的にゼ
オライトのみで構成されるゼオライト膜が好ましい。
<Zeolite membrane composite>
In the present invention, a zeolite membrane is formed on the porous support to obtain a zeolite membrane composite.
In addition to zeolite, the components constituting the zeolite membrane include inorganic binders such as silica and alumina, organic compounds such as polymers, Si compounds that modify the zeolite surface as detailed below, or reactants thereof as necessary. You may go out. In addition, the zeolite membrane in the present invention may partially contain an amorphous component or the like, but a zeolite membrane substantially consisting only of zeolite is preferable.
ゼオライト膜の厚さは特に制限されないが、通常0.1μm以上、好ましくは0.6μ
m以上、より好ましくは1.0μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは60μ
m以下、より好ましくは20μm以下の範囲である。膜厚が大きすぎると透過量が低下す
る傾向があり、小さすぎると選択性が低下したり、膜強度が低下したりする傾向がある。
ゼオライトの粒子径は特に限定されないが、小さすぎると粒界が大きくなるなどして透
過選択性などを低下させる傾向がある。それゆえ、通常30nm以上、好ましくは50n
m以上、より好ましくは100nm以上であり、上限は膜の厚さ以下である。さらに、ゼ
オライトの粒子径が膜の厚さと同じである場合が特に好ましい。ゼオライトの粒子径が膜
の厚さと同じであるとき、ゼオライトの粒界が最も小さくなる。後に述べる水熱合成で得
られたゼオライト膜は、ゼオライトの粒子径と膜の厚さが同じになる場合があるので特に
好ましい。
The thickness of the zeolite membrane is not particularly limited, but is usually 0.1 μm or more, preferably 0.6 μm.
m or more, more preferably 1.0 μm or more, usually 100 μm or less, preferably 60 μm.
m or less, more preferably in the range of 20 μm or less. If the film thickness is too large, the amount of permeation tends to decrease, and if it is too small, the selectivity tends to decrease or the film strength tends to decrease.
The particle diameter of the zeolite is not particularly limited, but if it is too small, the grain boundary tends to increase, and the permeation selectivity tends to decrease. Therefore, usually 30 nm or more, preferably 50 n
m or more, more preferably 100 nm or more, and the upper limit is less than the thickness of the film. Furthermore, it is particularly preferred that the zeolite particle size is the same as the membrane thickness. When the zeolite particle size is the same as the membrane thickness, the zeolite grain boundary is smallest. Zeolite membranes obtained by hydrothermal synthesis described later are particularly preferred because the zeolite particle size and membrane thickness may be the same.
ゼオライト膜複合体の形状は特に限定されず、管状、中空糸状、モノリス型、ハニカム
型などあらゆる形状を採用できる。また大きさも特に限定されず、例えば、管状の場合は
、通常長さ2cm以上200cm以下、内径0.05cm以上2cm以下、厚さ0.5m
m以上4mm以下が実用的で好ましい。
ゼオライト膜の分離機能の一つは、分子ふるいとしての分離であり、用いるゼオライト
の有効細孔径以上の大きさを有する気体分子とそれ以下の気体とを好適に分離することが
できる。なお分離に供される分子に上限はないが、分子の大きさは、通常100Å程度以
下である。
The shape of the zeolite membrane composite is not particularly limited, and any shape such as a tubular shape, a hollow fiber shape, a monolith type, and a honeycomb type can be adopted. Also, the size is not particularly limited. For example, in the case of a tubular shape, the length is usually 2 cm to 200 cm, the inner diameter is 0.05 cm to 2 cm, and the thickness is 0.5 m.
m to 4 mm is practical and preferable.
One of the separation functions of the zeolite membrane is separation as a molecular sieve, and gas molecules having a size greater than or equal to the effective pore diameter of the zeolite to be used can be suitably separated. There is no upper limit to the molecules used for separation, but the size of the molecules is usually about 100 mm or less.
本発明において、ゼオライト膜表面のSiO2/Al2O3モル比(以下これを、「膜
表面のSAR」と称することがある。)が25以上であることを特徴とする。
尚、ゼオライトとしては、アルミノ珪酸塩であるものが好ましい。
ゼオライト膜表面のSiO2/Al2O3モル比は、X線光電子分光法(XPS)のよ
り得られる数値である。XPSは膜表面の情報を得る分析法であり、この分析法により、
膜表面のSARを求めることができる。
In the present invention, the molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 on the zeolite membrane surface (hereinafter sometimes referred to as “SAR on the membrane surface”) is 25 or more.
The zeolite is preferably an aluminosilicate.
The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio on the zeolite membrane surface is a numerical value obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS is an analysis method for obtaining information on the film surface.
The SAR on the film surface can be determined.
ゼオライト 膜表面のSiO2/Al2O3モル比は、25以上であればよく、より好
ましくは28以上、さらに好ましくは30以上、よりさらに好ましくは32以上、特に好
ましくは50以上、最も好ましくは80以上であり、また、好ましくは3000以下、よ
り好ましくは2000以下、さらに好ましくは1000以下、特に好ましくは500以下
、最も好ましくは300以下である。ゼオライト 膜表面のSiO2/Al2O3モル比
が25以上であることにより膜表面の膜表面の細孔径が狭小化しており分離性能が向上す
ると考えられる。また、膜表面のSARが上限以下であることにより、吸着性の点で、透
過度が小さくならないというメリットがある。
The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio on the zeolite membrane surface may be 25 or more, more preferably 28 or more, still more preferably 30 or more, still more preferably 32 or more, particularly preferably 50 or more, and most preferably 80 or more, preferably 3000 or less, more preferably 2000 or less, further preferably 1000 or less, particularly preferably 500 or less, and most preferably 300 or less. It is considered that when the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio on the zeolite membrane surface is 25 or more, the pore diameter of the membrane surface on the membrane surface is narrowed and the separation performance is improved. Further, since the SAR on the film surface is not more than the upper limit, there is an advantage that the permeability is not reduced in terms of adsorptivity.
ゼオライト膜自体のSiO2/Al2O3モル比は、好ましくは5以上、より好ましく
は8以上、さらに好ましくは10以上、特に好ましくは12以上であり、好ましくは20
00以下、より好ましくは1000以下、さらに好ましくは500以下、さらに好ましく
は100以下、特に好ましくは50以下である。膜自体のSARが下限以上であることに
より耐久性が向上する傾向があり、上限以下であることにより、吸着性の点で透過度が小
さくならないというメリットがある。
The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane itself is preferably 5 or more, more preferably 8 or more, still more preferably 10 or more, particularly preferably 12 or more, preferably 20
00 or less, more preferably 1000 or less, further preferably 500 or less, further preferably 100 or less, and particularly preferably 50 or less. When the SAR of the membrane itself is equal to or higher than the lower limit, durability tends to be improved. When the SAR is equal to or lower than the upper limit, there is an advantage that the permeability is not reduced in terms of adsorptivity.
ゼオライト膜自体のSiO2/Al2O3モル比は、走査型電子顕微鏡−エネルギー分
散型X線分光法(SEM−EDX)により得られた数値である。SEM−EDXにおいて
、X線の加速電圧を10kV程度として測定することにより、数ミクロンの膜のみの情報
を得ることができる。ゼオライト膜は均一に形成されているので、この測定により、膜自
体のSARを求めることができる。
The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane itself is a numerical value obtained by scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). In SEM-EDX, information of only a film of several microns can be obtained by measuring the acceleration voltage of X-rays at about 10 kV. Since the zeolite membrane is uniformly formed, the SAR of the membrane itself can be obtained by this measurement.
また、本発明において、膜表面のSARは膜自体のSARより20以上大きい値である
ことが好ましいが、この値(膜表面のSARから膜自体のSARを差し引いた値)は、よ
り好ましくは22以上、さらに好ましくは25以上、特に好ましくは30以上である。ま
た、この値の上限は特に限定されないが、通常1000以下、好ましくは700以下、よ
り好ましくは500以下、特に好ましくは400以下である。
In the present invention, the SAR on the film surface is preferably 20 or more larger than the SAR on the film itself, but this value (a value obtained by subtracting the SAR on the film itself from the SAR on the film surface) is more preferably 22 Above, more preferably 25 or more, particularly preferably 30 or more. The upper limit of this value is not particularly limited, but is usually 1000 or less, preferably 700 or less, more preferably 500 or less, and particularly preferably 400 or less.
上記値(膜表面のSARから膜自体のSARを差し引いた値)が20以上であることに
より、膜表面の細孔径が狭小化しており分離性能が向上すると考えられる。
ゼオライト膜を構成する主たるゼオライトは、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオ
ライトを含むものが好ましく、酸素6〜8員環の細孔構造を有するゼオライトを含むもの
がより好ましい。
When the above value (the value obtained by subtracting the SAR of the membrane itself from the SAR of the membrane surface) is 20 or more, it is considered that the pore diameter on the membrane surface is narrowed and the separation performance is improved.
The main zeolite constituting the zeolite membrane preferably contains a zeolite having a pore structure with an oxygen 8-membered ring or less, and more preferably contains a zeolite having a pore structure with an oxygen 6- to 8-membered ring.
ここでいう酸素n員環を有するゼオライトのnの値は、ゼオライト骨格を形成する酸素
とT元素(骨格を構成する酸素以外の元素)で構成される細孔の中で最も酸素の数が大き
いものを示す。例えば、MOR型ゼオライトのように酸素12員環と8員環の細孔が存在
する場合は、酸素12員環のゼオライトとみなす。
Here, the value of n of the zeolite having an oxygen n-membered ring has the largest number of oxygen in the pores composed of oxygen forming the zeolite skeleton and T element (element other than oxygen constituting the skeleton). Show things. For example, when there are 12-membered and 8-membered pores of oxygen, such as MOR type zeolite, it is regarded as a 12-membered ring zeolite.
酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオライトとしては、例えば、AEI、AFG、A
NA、BRE、CAS、CDO、CHA、DDR、DOH、EAB、EPI、ERI、E
SV、FAR、FRA、GIS、GIU、GOO、ITE、KFI、LEV、LIO、L
OS、LTN、MAR、MEP、MER、MEL、MON、MSO、MTF、MTN、N
ON、PAU、PHI、RHO、RTE、RTH、RUT、SGT、SOD、TOL、T
SC、UFI、VNI、YUGなどが挙げられる。
Examples of the zeolite having a pore structure having an oxygen 8-membered ring or less include AEI, AFG, A
NA, BRE, CAS, CDO, CHA, DDR, DOH, EAB, EPI, ERI, E
SV, FAR, FRA, GIS, GIU, GOO, ITE, KFI, LEV, LIO, L
OS, LTN, MAR, MEP, MER, MEL, MON, MSO, MTF, MTN, N
ON, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, RUT, SGT, SOD, TOL, T
SC, UFI, VNI, YUG and the like.
酸素6〜8員環構造を有するゼオライトとしては、例えば、AEI、AFG、ANA、
CHA、EAB、ERI、ESV、FAR、FRA、GIS、ITE、KFI、LEV、
LIO、LOS、LTN、MAR、PAU、RHO、RTH、SOD、TOL、UFIな
どが挙げられる。
なお、本明細書において、ゼオライトの構造は、上記のとおり、International Zeolit
e Association(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードで示す。
Examples of the zeolite having an oxygen 6-8 membered ring structure include AEI, AFG, ANA,
CHA, EAB, ERI, ESV, FAR, FRA, GIS, ITE, KFI, LEV,
LIO, LOS, LTN, MAR, PAU, RHO, RTH, SOD, TOL, UFI and the like can be mentioned.
In the present specification, the structure of the zeolite is as described above, International Zeolit
It is indicated by a code that defines the structure of zeolite specified by e Association (IZA).
酸素n員環構造はゼオライトの細孔のサイズを決定するものであり、酸素6員環よりも
小さいゼオライトではH2O分子のKinetic直径よりも細孔径が小さくなるため透
過度が小さくなり実用的でない場合がある。また、酸素8員環構造よりも大きい場合は細
孔径が大きくなり、サイズの小さな気体成分では分離性能が低下することがあり、用途が
限定的になる場合がある。
The oxygen n-membered ring structure determines the pore size of the zeolite, and in zeolites smaller than the oxygen 6-membered ring, the pore diameter is smaller than the kinetic diameter of the H 2 O molecule, so the permeability is reduced and practical. It may not be. In addition, when it is larger than the oxygen 8-membered ring structure, the pore diameter becomes large, and a gas component having a small size may lower the separation performance, which may limit the application.
ゼオライトのフレームワーク密度(T/1000Å3)は特に制限されないが、通常1
7以下、好ましくは16以下、より好ましくは15.5以下、特に好ましくは15以下で
あり、通常10以上、好ましくは11以上、より好ましくは12以上である。
フレームワーク密度とは、ゼオライトの1000Å3あたりの、骨格を構成する酸素以
外の元素(T元素)の数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まる。なおフレー
ムワーク密度とゼオライトとの構造の関係はATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth R
evised Edition 2001 ELSEVIERに示されている。
The framework density of the zeolite (T / 1000 3 ) is not particularly limited, but is usually 1
It is 7 or less, preferably 16 or less, more preferably 15.5 or less, particularly preferably 15 or less, usually 10 or more, preferably 11 or more, more preferably 12 or more.
The framework density means the number of elements (T element) other than oxygen constituting the framework per 1000 3 of the zeolite, and this value is determined by the structure of the zeolite. The relationship between the framework density and the structure of zeolite is ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth R
Shown in evised Edition 2001 ELSEVIER.
本発明において、好ましいゼオライトの構造は、AEI、AFG、CHA、EAB、E
RI、ESV、FAR、FRA、GIS、ITE、KFI、LEV、LIO、LOS、L
TN、MAR、PAU、RHO、RTH、SOD、TOL、UFIであり、より好ましい
構造は、AEI、CHA、ERI、KFI、LEV、PAU、RHO、RTH、UFIで
あり、さらに好ましい構造は、CHA、LEVであり、最も好ましい構造はCHAである
。
In the present invention, preferred zeolite structures are AEI, AFG, CHA, EAB, E
RI, ESV, FAR, FRA, GIS, ITE, KFI, LEV, LIO, LOS, L
TN, MAR, PAU, RHO, RTH, SOD, TOL, UFI, more preferable structures are AEI, CHA, ERI, KFI, LEV, PAU, RHO, RTH, UFI, and more preferable structures are CHA, LEV and the most preferred structure is CHA.
ここで、本発明において、CHA型のゼオライトとは、International Zeolite Associ
ation(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードでCHA構造のものを示す。こ
れは、天然に産出するチャバサイトと同等の結晶構造を有するゼオライトである。CHA
型ゼオライトは3.8×3.8Åの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有するこ
とを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
Here, in the present invention, the CHA-type zeolite is the International Zeolite Associ
A code that defines the structure of zeolite defined by ation (IZA) indicates a CHA structure. This is a zeolite having a crystal structure equivalent to that of naturally occurring chabazite. CHA
Type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores composed of oxygen 8-membered rings having a diameter of 3.8 × 3.8 mm, and the structure is characterized by X-ray diffraction data.
CHA型ゼオライトのフレームワーク密度(T/1000Å3)は14.5である。ま
た、SiO2/Al2O3モル比は上記と同様である。
本発明において、ゼオライト膜複合体は、ゼオライト膜がCHA型ゼオライトを含む場
合、X線回折のパターンにおいて、2θ=17.9°付近のピークの強度が2θ=20.
8°付近のピークの強度の0.5倍以上の大きさであることが好ましい。
The framework density (T / 1000Å3) of the CHA-type zeolite is 14.5. The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is the same as described above.
In the present invention, when the zeolite membrane contains CHA-type zeolite, the zeolite membrane composite has a peak intensity around 2θ = 17.9 ° of 2θ = 20.0 in the X-ray diffraction pattern.
The size is preferably 0.5 times or more the peak intensity around 8 °.
ここで、ピークの強度とは、測定値からバックグラウンドの値を引いたものをさす。(
2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)で表
されるピーク強度比(以下これを「ピーク強度比A」ということがある。)でいえば、通
常0.5以上、好ましくは1以上、より好ましくは1.2以上、特に好ましくは1.5以
上である。上限は特に限定されないが、通常1000以下である。
Here, the peak intensity refers to a value obtained by subtracting the background value from the measured value. (
The peak intensity ratio represented by 2) = 17.9 [deg.] Peak intensity / (2 [theta] = 20.8 [deg.] Peak intensity) (hereinafter sometimes referred to as "peak intensity ratio A"). In other words, it is usually 0.5 or more, preferably 1 or more, more preferably 1.2 or more, and particularly preferably 1.5 or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 or less.
また、ゼオライト膜複合体は、ゼオライト膜がCHA型ゼオライトを含む場合、X線回
折のパターンにおいて、2θ=9.6°付近のピークの強度が2θ=20.8°付近のピ
ークの強度の2倍以上の大きさであることが好ましい。
(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)で
表されるピーク強度比(以下これを「ピーク強度比B」ということがある。)でいえば、
通常2以上、好ましくは2.5以上、より好ましくは3以上、より好ましくは4以上、さ
らに好ましくは6以上、特に好ましくは8以上、もっとも好ましくは10以上である。上
限は特に限定されないが、通常1000以下である。
When the zeolite membrane contains CHA-type zeolite, the intensity of the peak near 2θ = 9.6 ° is 2 of the peak intensity around 2θ = 20.8 ° in the X-ray diffraction pattern. The size is preferably twice or more.
Peak intensity ratio represented by (Intensity of peak near 2θ = 9.6 °) / (Intensity of peak near 2θ = 20.8 °) (hereinafter, this may be referred to as “peak intensity ratio B”) Speaking of
Usually, it is 2 or more, preferably 2.5 or more, more preferably 3 or more, more preferably 4 or more, still more preferably 6 or more, particularly preferably 8 or more, and most preferably 10 or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 or less.
ここでいう、X線回折パターンとは、ゼオライトが主として付着している側の表面にC
uKαを線源とするX線を照射して、走査軸をθ/2θとして得るものである。測定する
サンプルの形状としては、膜複合体のゼオライトが主として付着している側の表面にX線
が照射できるような形状なら何でもよく、膜複合体の特徴をよく表すものとして、作製し
た膜複合体そのままのもの、あるいは装置によって制約される適切な大きさに切断したも
のが好ましい。
The X-ray diffraction pattern here refers to the surface on the side where the zeolite is mainly attached.
X-rays with uKα as a radiation source are irradiated to obtain a scanning axis of θ / 2θ. The shape of the sample to be measured may be any shape that can irradiate the surface of the membrane composite to which the zeolite is mainly attached, with X-ray irradiation. The body itself or the one cut into an appropriate size restricted by the apparatus is preferable.
ここで、X線回折パターンは、ゼオライト膜複合体の表面が曲面である場合には自動可
変スリットを用いて照射幅を固定して測定してもかまわない。自動可変スリットを用いた
場合のX線回折パターンとは、可変→固定スリット補正を実施したパターンを指す。
ここで、2θ=17.9°付近のピークとは、基材に由来しないピークのうち17.9
°±0.6°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
Here, the X-ray diffraction pattern may be measured by fixing the irradiation width using an automatic variable slit when the surface of the zeolite membrane composite is a curved surface. An X-ray diffraction pattern using an automatic variable slit refers to a pattern subjected to variable → fixed slit correction.
Here, the peak near 2θ = 17.9 ° is 17.9 out of the peaks not derived from the base material.
It refers to the largest peak in the range of ° ± 0.6 °.
2θ=20.8°付近のピークとは、基材に由来しないピークのうち20.8°±0.
6°の範囲に存在するピークで最大のものを指す。
2θ=9.6°付近のピークとは、基材に由来しないピークのうち9.6°±0.6°
の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
X線回折パターンで2θ=9.6°付近のピークは、COLLECTION OF SIMULATED XRD PO
WDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER(以下これを、「非
特許文献1」ということがある。)によればrhombohedral settingで空間群を
The peak in the vicinity of 2θ = 20.8 ° is 20.8 ° ± 0.
It refers to the largest peak in the range of 6 °.
The peak near 2θ = 9.6 ° is 9.6 ° ± 0.6 ° among peaks not derived from the substrate.
The largest peak in the range of.
The peak near 2θ = 9.6 ° in the X-ray diffraction pattern is COLLECTION OF SIMULATED XRD PO
According to WDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER (hereinafter sometimes referred to as “Non-Patent Document 1”)
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(1,0,0)の面に由来するピ
ークである。
また、X線回折パターンで2θ=17.9°付近のピークは、非特許文献1によればrh
ombohedral settingで空間群を
(No. 166), it is a peak derived from the plane having an index of (1, 0, 0) in the CHA structure.
Further, in the X-ray diffraction pattern, the peak around 2θ = 17.9 ° is rh according to Non-Patent Document 1.
Space group with ombohedral setting
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(1,1,1)の面に由来するピ
ークである。
X線回折パターンで2θ=20.8°付近のピークは、非特許文献1によればrhombohe
dral settingで空間群を
(No. 166) is a peak derived from the (1,1,1) index in the CHA structure.
According to non-patent document 1, the peak around 2θ = 20.8 ° in the X-ray diffraction pattern is rhombohe.
The space group by dral setting
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(2,0,−1)の面に由来する
ピークである。
CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜における(1,0,0)面由来のピークの強度
の(2,0,−1)の面に由来のピーク強度の典型的な比(ピーク強度比B)は、Halil
Kalipcilar et al., "Synthesis and Separation Performance of SSZ-13 Zeolite Membr
anes on Tubular Supports", Chem. Mater. 2002, 14, 3458-3464(以下これを、「非特
許文献2」ということがある。)よれば2未満である。
(No. 166) is a peak derived from the (2, 0, -1) index in the CHA structure.
The typical ratio (peak intensity ratio B) of the peak intensity derived from the (2, 0, -1) plane of the peak intensity derived from the (1, 0, 0) plane in the CHA type aluminosilicate zeolite membrane is , Halil
Kalipcilar et al., "Synthesis and Separation Performance of SSZ-13 Zeolite Membr
According to anes on Tubular Supports ", Chem. Mater. 2002, 14, 3458-3464 (hereinafter, this may be referred to as"
それゆえ、この比が2以上であるということは、例えば、CHA構造をhombohedral se
ttingとした場合の(1,0,0)面が膜複合体の表面と平行に近い向きになるようにゼ
オライト結晶が配向して成長していることを意味すると考えられる。ゼオライト膜複合体
においてゼオライト結晶が配向して成長することは分離性能の高い緻密な膜が出来るとい
う点で有利である。
Therefore, if this ratio is 2 or more, for example, the CHA structure is converted into a hombohedral se
This is considered to mean that the zeolite crystal is oriented and grown so that the (1,0,0) plane in the case of tting is oriented almost parallel to the surface of the membrane composite. Orientation and growth of zeolite crystals in the zeolite membrane composite is advantageous in that a dense membrane with high separation performance can be formed.
CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜における(1,1,1)面由来のピークの強度
と(2,0,−1)の面に由来のピーク強度の典型的な比(ピーク強度比A)は、非特許
文献2によれば0.5未満である。
そのため、この比が0.5以上であるということは、例えば、CHA構造をrhombohedr
al settingとした場合の(1,1,1)面が膜複合体の表面と平行に近い向きになるよう
にゼオライト結晶が配向して成長していることを意味すると考えられる。ゼオライト膜複
合体においてゼオライト結晶が配向して成長することは分離性能の高い緻密な膜が出来る
という点で有利である。
The typical ratio (peak intensity ratio A) of the peak intensity derived from the (1, 1, 1) plane and the peak intensity derived from the (2, 0, -1) plane in the CHA type aluminosilicate zeolite membrane is According to
Therefore, if this ratio is 0.5 or more, for example, the CHA structure is converted to rhombohedr.
This is considered to mean that the zeolite crystals are oriented and grown so that the (1, 1, 1) plane in the al setting is oriented almost parallel to the surface of the membrane composite. Orientation and growth of zeolite crystals in the zeolite membrane composite is advantageous in that a dense membrane with high separation performance can be formed.
このように、ピーク強度比A、Bのいずれかが、上記した特定の範囲の値であるという
ことは、ゼオライト結晶が配向して成長し、分離性能の高い緻密な膜が形成されているこ
とを示すものである。
ピーク強度比A、Bはその値が大きいほど配向の程度が強いことを示し、一般的に配向
の程度が強いほど緻密な膜が形成されていることを示す。一般的には配向が強いほど分離
性能が高い傾向があるが、分離対象の混合物によっては分離性能が高くなる最適な配向の
程度は異なるので分離対象の混合物によって適宜、配向の程度が最適なゼオライト膜複合
体を選択して使用することが望ましい。
As described above, the fact that any one of the peak intensity ratios A and B is a value in the above-mentioned specific range means that the zeolite crystals are oriented and grow, and a dense membrane with high separation performance is formed. Is shown.
The peak intensity ratios A and B indicate that the larger the value, the stronger the degree of orientation, and generally the stronger the degree of orientation, the more dense the film is formed. In general, the stronger the orientation, the higher the separation performance tends to be. However, the optimum degree of orientation in which the separation performance becomes higher differs depending on the mixture to be separated. It is desirable to select and use the membrane complex.
<ゼオライト膜複合体の製造方法>
本発明において、多孔質支持体−ゼオライト膜複合体の製造方法は特に限定されないが
、例えば、水熱合成により、無機多孔質支持体上にゼオライトを形成させた後、Si化合
物を含む溶液中で浸漬などの処理をする方法が好ましい。
具体的には、例えば、ゼオライト膜複合体は、組成を調整して均一化した水熱合成用の
反応混合物(以下これを「水性反応混合物」ということがある。)を、多孔質支持体を内
部に緩やかに固定した、オートクレーブなどの耐熱耐圧容器に入れて密閉して、一定時間
加熱することにより調製できる。
<Method for producing zeolite membrane composite>
In the present invention, the method for producing the porous support-zeolite membrane composite is not particularly limited. For example, after the zeolite is formed on the inorganic porous support by hydrothermal synthesis, the solution is contained in a solution containing the Si compound. A method of treatment such as immersion is preferred.
Specifically, for example, a zeolite membrane composite is prepared by mixing a reaction mixture for hydrothermal synthesis (hereinafter sometimes referred to as an “aqueous reaction mixture”) having a uniform composition and a porous support. It can be prepared by placing in a heat-resistant pressure-resistant container such as an autoclave, which is gently fixed inside, and sealing and heating for a certain time.
水性反応混合物としては、Si元素源、Al元素源、アルカリ源、および水を含み、さ
らに必要に応じて有機テンプレートを含むものが好ましい。
水性反応混合物に用いるSi元素源としては、例えば、無定形シリカ、コロイダルシリ
カ、シリカゲル、ケイ酸ナトリウム、無定形アルミのシリケートゲル、テトラエトキシシ
ラン(TEOS)、トリメチルエトキシシラン等を用いることができる。
The aqueous reaction mixture preferably contains an Si element source, an Al element source, an alkali source, and water, and further contains an organic template as necessary.
Examples of the Si element source used in the aqueous reaction mixture include amorphous silica, colloidal silica, silica gel, sodium silicate, amorphous aluminum silicate gel, tetraethoxysilane (TEOS), trimethylethoxysilane, and the like.
Al元素源としては、例えば、アルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウム、硫酸アル
ミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム、無定形アルミノシリケートゲル等を用
いることができる。なお、Al元素源以外に他の元素源、例えばGa、Fe、B、Ti、
Zr、Sn、Znなどの元素源を含んでいてもよい。
ゼオライトの結晶化において、必要に応じて有機テンプレート(構造規定剤)を用いる
ことができるが、有機テンプレートを用いて合成したものが好ましい。有機テンプレート
を用いて合成することにより、結晶化したゼオライトのアルミニウム原子に対するケイ素
原子の割合が高くなり、耐酸性、耐水蒸気性が向上する。
As the Al element source, for example, sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum oxide, amorphous aluminosilicate gel, or the like can be used. In addition to the Al element source, other element sources such as Ga, Fe, B, Ti,
An element source such as Zr, Sn, or Zn may be included.
In crystallization of zeolite, an organic template (structure directing agent) can be used as necessary, but those synthesized using an organic template are preferred. By synthesizing using an organic template, the ratio of silicon atoms to aluminum atoms of crystallized zeolite is increased, and acid resistance and water vapor resistance are improved.
有機テンプレートとしては、所望のゼオライト膜を形成し得るものであれば種類は問わ
ず、如何なるものであってもよい。また、テンプレートは1種類でも、2種類以上を組み
合わせて使用してもよい。
ゼオライトがCHA型の場合、有機テンプレートとしては、通常、アミン類、4級アン
モニウム塩が用いられる。例えば、米国特許第4544538号明細書、米国特許公開第
2008/0075656号明細書に記載の有機テンプレートが好ましいものとして挙げ
られる。
The organic template may be any type as long as it can form a desired zeolite membrane. Further, one type of template or a combination of two or more types may be used.
When the zeolite is of the CHA type, amines and quaternary ammonium salts are usually used as the organic template. For example, organic templates described in U.S. Pat. No. 4,544,538 and U.S. Patent Publication No. 2008/0075656 are preferred.
具体的には、例えば、1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオン、3−キナクリ
ジナールから誘導されるカチオン、3−exo−アミノノルボルネンから誘導されるカチ
オン等の脂環式アミンから誘導されるカチオンが挙げられる。これらの中で、1−アダマ
ンタンアミンから誘導されるカチオンがより好ましい。1−アダマンタンアミンから誘導
されるカチオンを有機テンプレートとしたとき、緻密な膜を形成し得るCHA型ゼオライ
トが結晶化する。緻密な膜となることにより、分離性能が高いCHA型ゼオライトが得ら
れる。
Specific examples include cations derived from alicyclic amines such as cations derived from 1-adamantanamine, cations derived from 3-quinacridinal, and cations derived from 3-exo-aminonorbornene. It is done. Among these, a cation derived from 1-adamantanamine is more preferable. When a cation derived from 1-adamantanamine is used as an organic template, CHA-type zeolite capable of forming a dense film is crystallized. By forming a dense membrane, a CHA-type zeolite with high separation performance can be obtained.
1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオンのうち、N,N,N−トリアルキル−
1−アダマンタンアンモニウムカチオンがさらに好ましい。N,N,N−トリアルキル−
1−アダマンタンアンモニウムカチオンの3つのアルキル基は、通常、それぞれ独立した
アルキル基であり、好ましくは低級アルキル基、より好ましくはメチル基である。それら
の中で最も好ましい化合物は、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウム
カチオンである。
Of the cations derived from 1-adamantanamine, N, N, N-trialkyl-
The 1-adamantanammonium cation is more preferred. N, N, N-trialkyl-
The three alkyl groups of the 1-adamantanammonium cation are usually independent alkyl groups, preferably a lower alkyl group, more preferably a methyl group. The most preferred compound among them is the N, N, N-trimethyl-1-adamantanammonium cation.
このようなカチオンは、CHA型ゼオライトの形成に害を及ぼさないアニオンを伴う。
このようなアニオンを代表するものには、Cl−、Br−、I−などのハロゲンイオンや
水酸化物イオン、酢酸塩、硫酸塩、およびカルボン酸塩が含まれる。これらの中で、水酸
化物イオンが特に好適に用いられる。
その他の有機テンプレートとしては、N,N,N−トリアルキルベンジルアンモニウム
カチオンも用いることができる。この場合もアルキル基は、それぞれ独立したアルキル基
であり、好ましくは低級アルキル基、より好ましくはメチル基である。それらの中で、最
も好ましい化合物は、N,N,N−トリメチルベンジルアンモニウムカチオンである。ま
た、このカチオンが伴うアニオンは上記と同様である。
Such cations are accompanied by anions that do not harm the formation of CHA-type zeolite.
Representative examples of such anions include halogen ions such as Cl − , Br − and I − , hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Of these, hydroxide ions are particularly preferably used.
As another organic template, N, N, N-trialkylbenzylammonium cation can also be used. Also in this case, the alkyl group is an independent alkyl group, preferably a lower alkyl group, more preferably a methyl group. Among them, the most preferred compound is N, N, N-trimethylbenzylammonium cation. The anion accompanied by this cation is the same as described above.
水性反応混合物に用いるアルカリ源としては、有機テンプレートのカウンターアニオン
の水酸化物イオン、NaOH、KOHなどのアルカリ金属水酸化物、Ca(OH)2など
のアルカリ土類金属水酸化物などを用いることができる。アルカリの種類は特に限定され
ず、通常、Na、K、Li、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr、Baなどが用いられる。こ
れらの中で、Li、Na、Kが好ましく、Kがより好ましい。また、アルカリは2種類以
上を併用してもよく、具体的には、NaとK、LiとK を併用するのが好ましい。
As the alkali source used in the aqueous reaction mixture, a hydroxide ion of a counter anion of an organic template, an alkali metal hydroxide such as NaOH or KOH, or an alkaline earth metal hydroxide such as Ca (OH) 2 is used. Can do. The type of alkali is not particularly limited, and Na, K, Li, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba and the like are usually used. Among these, Li, Na, and K are preferable, and K is more preferable. In addition, two or more alkalis may be used in combination, and specifically, Na and K, and Li and
水性反応混合物中のSi元素源とAl元素源の比は、通常、それぞれの元素の酸化物の
モル比、すなわちSiO2/Al2O3モル比として表わす。SiO2/Al2O3モル
比は特に限定されないが、通常5以上、好ましくは8以上、より好ましくは10以上、更
に好ましくは15以上である。また、通常10000以下、好ましくは1000以下、よ
り好ましくは300以下、更に好ましくは100以下である。
The ratio of Si element source to Al element source in the aqueous reaction mixture is usually expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, that is, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio. The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is not particularly limited, but is usually 5 or more, preferably 8 or more, more preferably 10 or more, and further preferably 15 or more. Further, it is usually 10,000 or less, preferably 1000 or less, more preferably 300 or less, and still more preferably 100 or less.
SiO2/Al2O3モル比がこの範囲内にあるときゼオライト膜が緻密に生成し・BR
>A分離性能が高い膜となる。更に生成したゼオライトに適度にAl原子が存在するため、
Alに対して吸着性を示す気体成分では分離能が向上する。またAlがこの範囲にある場
合には耐酸性、耐水蒸気が高いゼオライト膜が得られる。
水性反応混合物中のシリカ源と有機テンプレートの比は、SiO2に対する有機テンプ
レートのモル比(有機テンプレート/SiO2モル比)で、通常0.005以上、好まし
くは0.01以上、より好ましくは0.02以上であり、通常1以下、好ましくは0.4
以下、より好ましくは0.2以下である。
When the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is within this range, a zeolite membrane is densely formed.
> A High separation performance. Furthermore, since there are moderately Al atoms in the produced zeolite,
Separation is improved with a gas component that exhibits adsorptivity to Al. When Al is within this range, a zeolite membrane having high acid resistance and high water vapor resistance can be obtained.
The ratio of the silica source and an organic template in the aqueous reaction mixture, the molar ratio of the organic template for SiO 2 (organic template / SiO 2 molar ratio), usually 0.005 or higher, preferably at least 0.01, more preferably 0 0.02 or more, usually 1 or less, preferably 0.4
Below, more preferably 0.2 or less.
有機テンプレート/SiO2モル比が上記範囲にあるとき、緻密なゼオライト膜が生成
し得ることに加えて、生成したゼオライトが耐酸性、耐水蒸気性に強くなる。
Si元素源とアルカリ源の比は、M(2/n)O/SiO2(ここで、Mはアルカリ金
属またはアルカリ土類金属を示し、nはその価数1または2を示す。)モル比で、通常0
.02以上、好ましくは0.04以上、より好ましくは0.05以上であり、通常0.5
以下、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下である。
When the organic template / SiO 2 molar ratio is in the above range, in addition to being able to produce a dense zeolite membrane, the produced zeolite has strong acid resistance and water vapor resistance.
The ratio of the Si element source to the alkali source is M (2 / n) 2 O / SiO 2 (where M represents an alkali metal or alkaline earth metal, and n represents the valence 1 or 2). So usually 0
. 02 or more, preferably 0.04 or more, more preferably 0.05 or more, usually 0.5
Hereinafter, it is preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less.
CHA型ゼオライト膜を形成する場合、アルカリ金属の中でKを含む場合がより緻密で
結晶性の高い膜を生成させるという点で好ましい。その場合のKと、Kを含むすべてのア
ルカリ金属および/またはアルカリ土類金属とのモル比は、通常0.01以上1以下、好
ましくは0.1以上1以下、さらに好ましくは0.3以上1以下である。
水性反応混合物中へのKの添加は、前記のとおり、rhombohedral settingで空間群を
In the case of forming a CHA-type zeolite membrane, it is preferable that K is contained in the alkali metal because a denser and highly crystalline membrane is formed. In this case, the molar ratio of K to all alkali metals and / or alkaline earth metals containing K is usually 0.01 or more and 1 or less, preferably 0.1 or more and 1 or less, more preferably 0.3 or more. 1 or less.
As described above, the addition of K to the aqueous reaction mixture is performed by changing the space group in the rhombohedral setting.
(No.166)とした時に、CHA構造において指数が(1,0,0)の面に由来する
ピークである2θ=9.6°付近のピーク強度と(2,0,−1)の面に由来するピーク
である2θ=20.8°付近のピーク強度の比(ピーク強度比B)、または、(1,1,
1)の面に由来するピークである2θ=17.9°付近のピーク強度と(2,0,−1)
の面に由来するピークである2θ=20.8°付近のピーク強度の比(ピーク強度比A)
を大きくする傾向がある。
(No. 166), the peak intensity in the vicinity of 2θ = 9.6 °, which is a peak derived from the (1, 0, 0) index surface in the CHA structure, and the (2, 0, −1) surface The peak intensity ratio in the vicinity of 2θ = 20.8 ° (peak intensity ratio B), or (1,1,1)
The peak intensity in the vicinity of 2θ = 17.9 ° which is a peak derived from the surface of 1) and (2, 0, −1)
Of peak intensity around 2θ = 20.8 ° which is a peak derived from the surface of the surface (peak intensity ratio A)
Tends to increase.
Si元素源と水の比は、SiO2に対する水のモル比(H2O/SiO2モル比)で、
通常10以上、好ましくは30以上、より好ましくは40以上、特に好ましくは50以上
であり、通常1000以下、好ましくは500以下、より好ましくは200以下、特に好
ましくは150以下である。
水性反応混合物中の物質のモル比がこれらの範囲にあるとき、緻密なゼオライト膜が生
成し得る。水の量は緻密なゼオライト膜の生成においてとくに重要であり、粉末合成法の
一般的な条件よりも水がシリカに対して多い条件のほうが緻密な膜ができやすい傾向にあ
る。
The ratio of Si element source to water is the molar ratio of water to SiO 2 (H 2 O / SiO 2 molar ratio),
Usually 10 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, particularly preferably 50 or more, and usually 1000 or less, preferably 500 or less, more preferably 200 or less, particularly preferably 150 or less.
When the molar ratio of materials in the aqueous reaction mixture is in these ranges, a dense zeolite membrane can be formed. The amount of water is particularly important in the formation of a dense zeolite membrane, and a denser membrane tends to be formed more easily under conditions where the amount of water is greater than that of the general powder synthesis method.
一般的に、粉末のCHA型ゼオライトを合成する際の水の量は、H2O/SiO2モル
比で、15〜50程度である。H2O/SiO2モル比が高い(50以上1000以下)
、すなわち水が多い条件にすることにより、支持体上にCHA型ゼオライトが緻密な膜状
に結晶化した分離性能の高いゼオライト膜複合体を得ることができる。
さらに、水熱合成に際して、必ずしも反応系内に種結晶を存在させる必要は無いが、種
結晶を加えることで、支持体上にゼオライトの結晶化を促進できる。種結晶を加える方法
としては特に限定されず、粉末のゼオライトの合成時のように、水性反応混合物中に種結
晶を加える方法や、支持体上に種結晶を付着させておく方法などを用いることができる。
In general, the amount of water in the synthesis of powdered CHA-type zeolite is about 15 to 50 in terms of H 2 O / SiO 2 molar ratio. H 2 O / SiO 2 molar ratio is high (50 or more and 1000 or less)
That is, by making the conditions rich in water, it is possible to obtain a zeolite membrane composite with high separation performance in which CHA-type zeolite is crystallized into a dense membrane on the support.
Further, in the hydrothermal synthesis, it is not always necessary to have a seed crystal in the reaction system, but the crystallization of zeolite can be promoted on the support by adding the seed crystal. The method of adding the seed crystal is not particularly limited, and a method of adding the seed crystal to the aqueous reaction mixture or the method of attaching the seed crystal on the support as in the synthesis of the powdered zeolite is used. Can do.
ゼオライト膜複合体を製造する場合は、支持体上に種結晶を付着させておくことが好ま
しい。支持体上に予め種結晶を付着させておくことで緻密で分離性能良好なゼオライト膜
が生成しやすくなる。
使用する種結晶としては、結晶化を促進するゼオライトであれば種類は問わないが、効
率よく結晶化させるためには形成するゼオライト膜と同じ結晶型であることが好ましい。
CHA型ゼオライト膜を形成する場合は、CHA型ゼオライトの種結晶を用いることが好
ましい。
When producing a zeolite membrane composite, it is preferable to attach a seed crystal on the support. By attaching a seed crystal in advance to the support, a dense zeolite membrane with good separation performance can be easily formed.
The seed crystal to be used is not limited as long as it is a zeolite that promotes crystallization, but it is preferably the same crystal type as the zeolite membrane to be formed for efficient crystallization.
When forming a CHA type zeolite membrane, it is preferable to use seed crystals of CHA type zeolite.
種結晶の粒子径は、通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2n
m以上であり、通常20μm以下、好ましくは15μm以下、より好ましくは10μm以
下である。
支持体上に種結晶を付着させる方法は特に限定されず、例えば、種結晶を水などの溶媒
に分散させてその分散液に支持体を浸けて種結晶を付着させるディップ法や、種結晶を水
などの溶媒と混合してスラリー状にしたものを支持体上に塗りこむ方法などを用いること
ができる。種結晶の付着量を制御し、再現性よく膜複合体を製造するにはディップ法が望
ましい。
The particle diameter of the seed crystal is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2n.
m or more, usually 20 μm or less, preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less.
The method for attaching the seed crystal on the support is not particularly limited. For example, a dip method in which the seed crystal is dispersed in a solvent such as water and the support is immersed in the dispersion to attach the seed crystal, or a seed crystal is attached. For example, a method in which a slurry mixed with a solvent such as water is coated on a support can be used. The dip method is desirable for controlling the amount of seed crystals attached and producing a membrane composite with good reproducibility.
種結晶を分散させる溶媒は特に限定されないが、特に水が好ましい。
分散させる種結晶の量は特に限定されず、分散液の全質量に対して、通常0.01質量
%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上であり、通常2
0質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、さらに好まし
くは4質量%以下、とくに好ましくは3質量%以下である。
The solvent for dispersing the seed crystal is not particularly limited, but water is particularly preferable.
The amount of the seed crystal to be dispersed is not particularly limited, and is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% by mass or more, based on the total mass of the dispersion. Usually 2
It is 0% by mass or less, preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, further preferably 4% by mass or less, and particularly preferably 3% by mass or less.
分散させる種結晶の量が少なすぎると、支持体上に付着する種結晶の量が少ないため、
水熱合成時に支持体上に部分的にゼオライトが生成しない箇所ができ、欠陥のある膜とな
る可能性がある。ディップ法によって支持体上に付着する種結晶の量は分散液中の種結晶
の量がある程度以上でほぼ一定となるため、分散液中の種結晶の量が多すぎると、種結晶
の無駄が多くなりコスト面で不利である。
If the amount of seed crystals to be dispersed is too small, the amount of seed crystals adhering to the support is small.
There may be a portion where zeolite is not partially formed on the support during hydrothermal synthesis, resulting in a defective membrane. The amount of seed crystals adhering to the support by the dip method becomes almost constant when the amount of seed crystals in the dispersion is higher than a certain level, so if the amount of seed crystals in the dispersion is too large, the seed crystals are wasted. It is more disadvantageous in terms of cost.
支持体にディップ法あるいはスラリーの塗りこみによって種結晶を付着させ、乾燥した
後にゼオライト膜の形成を行うことが望ましい。
支持体上に予め付着させておく種結晶の量は特に限定されず、基材1m2あたりの質量
で、通常0.01g以上、好ましくは0.05g以上、より好ましくは0.1g以上であ
り、通常100g以下、好ましくは50g以下、より好ましくは10g以下、更に好まし
くは8g以下である。
It is desirable to deposit the seed crystal on the support by dipping or slurry coating, and after drying, form a zeolite membrane.
The amount of the seed crystal to be preliminarily deposited on the support is not particularly limited, and is usually 0.01 g or more, preferably 0.05 g or more, more preferably 0.1 g or more, by mass per 1
種結晶の量が下限未満の場合には、結晶ができにくくなり、膜の成長が不十分になる場
合や、膜の成長が不均一になったりする傾向がある。また、種結晶の量が上限を超える場
合には、表面の凹凸が種結晶によって増長されたり、支持体から落ちた種結晶によって自
発核が成長しやすくなって支持体上の膜成長が阻害されたりする場合がある。何れの場合
も、緻密なゼオライト膜が生成しにくくなる傾向となる。
When the amount of the seed crystal is less than the lower limit, it becomes difficult to form a crystal, and there is a tendency that the film growth becomes insufficient or the film growth becomes uneven. In addition, when the amount of the seed crystal exceeds the upper limit, surface irregularities are increased by the seed crystal, or spontaneous nuclei are likely to grow due to the seed crystal falling from the support, thereby inhibiting film growth on the support. Sometimes. In either case, it tends to be difficult to form a dense zeolite membrane.
水熱合成により支持体上にゼオライト膜を形成する場合、支持体の固定化方法に特に制
限はなく、縦置き、横置きなどあらゆる形態をとることができる。この場合、静置法でゼ
オライト膜を形成させてもよいし、水性反応混合物を攪拌させてゼオライト膜を形成させ
てもよい。
ゼオライト膜を形成させる際の温度は特に限定されないが、通常100℃以上、好まし
くは120℃以上、更に好ましくは150℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは
190℃以下、さらに好ましくは180℃以下である。反応温度が低すぎると、ゼオライ
トが結晶化し難くなることがある。また、反応温度が高すぎると、本発明におけるゼオラ
イトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
When a zeolite membrane is formed on a support by hydrothermal synthesis, there are no particular limitations on the method for immobilizing the support, and it can take any form such as vertical or horizontal placement. In this case, the zeolite membrane may be formed by a stationary method, or the aqueous reaction mixture may be stirred to form a zeolite membrane.
The temperature at which the zeolite membrane is formed is not particularly limited, but is usually 100 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, usually 200 ° C. or lower, preferably 190 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. It is as follows. If the reaction temperature is too low, the zeolite may be difficult to crystallize. If the reaction temperature is too high, a zeolite of a type different from the zeolite in the present invention may be easily generated.
加熱時間は特に限定されないが、通常1時間以上、好ましくは5時間以上、更に好まし
くは10時間以上であり、通常10日間以下、好ましくは5日以下、より好ましくは3日
以下、さらに好ましくは2日以下である。反応時間が短すぎるとゼオライトが結晶化し難
くなることがある。反応時間が長すぎると、求めるゼオライトとは異なるタイプのゼオラ
イトが生成し易くなることがある。
The heating time is not particularly limited, but is usually 1 hour or more, preferably 5 hours or more, more preferably 10 hours or more, and usually 10 days or less, preferably 5 days or less, more preferably 3 days or less, and even more preferably 2 Less than a day. If the reaction time is too short, the zeolite may be difficult to crystallize. If the reaction time is too long, a zeolite of a type different from the desired zeolite may be easily generated.
ゼオライト膜形成時の圧力は特に限定されず、密閉容器中に入れた水性反応混合物を、
この温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒素
などの不活性気体を加えても差し支えない。
水熱合成により得られたゼオライト膜複合体は、水洗した後に、加熱処理して、乾燥さ
せる。ここで、加熱処理とは、熱をかけてゼオライト膜複合体を乾燥又はテンプレートを
使用した場合にテンプレートを焼成することを意味する。
The pressure at the time of forming the zeolite membrane is not particularly limited, and the aqueous reaction mixture placed in a sealed container is
The self-generated pressure that occurs when heated to this temperature range is sufficient. Further, an inert gas such as nitrogen may be added as necessary.
The zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heated and dried. Here, the heat treatment means that the template is fired when heat is applied to dry the zeolite membrane composite or the template is used.
加熱処理の温度は、乾燥を目的とする場合、通常50℃以上、好ましくは80℃以上、
より好ましくは100℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは150℃以下である
。また、テンプレートの焼成を目的とする場合、通常350℃以上、好ましくは400℃
以上、より好ましくは430℃以上、さらに好ましくは480℃以上であり、通常900
℃以下、好ましくは850℃以下、より好ましくは800℃以下、さらに好ましくは75
0℃以下である。
The temperature of the heat treatment is usually 50 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher when drying is intended.
More preferably, it is 100 degreeC or more, and is 200 degrees C or less normally, Preferably it is 150 degrees C or less. Moreover, when aiming at baking of a template, it is usually 350 degreeC or more, Preferably it is 400 degreeC
Or more, more preferably 430 ° C. or more, further preferably 480 ° C. or more, and usually 900
° C or lower, preferably 850 ° C or lower, more preferably 800 ° C or lower, still more preferably 75
0 ° C. or lower.
テンプレートの焼成を目的とする場合には、加熱処理の温度が低すぎると有機テンプレ
ートが残っている割合が多くなる傾向があり、ゼオライトの細孔が少なく、そのために分
離・濃縮の際の透過流束が減少する可能性がある。加熱処理温度が高すぎると支持体とゼ
オライトの熱膨張率の差が大きくなるためゼオライト膜に亀裂が生じやすくなる可能性が
あり、ゼオライト膜の緻密性が失われ分離性能が低くなることがある。
When firing the template, if the temperature of the heat treatment is too low, the proportion of the remaining organic template tends to increase, and the zeolite has fewer pores. The bundle may be reduced. If the heat treatment temperature is too high, the difference in coefficient of thermal expansion between the support and the zeolite becomes large, so the zeolite membrane may be easily cracked, and the denseness of the zeolite membrane may be lost, resulting in poor separation performance. .
加熱時間は、ゼオライト膜が十分に乾燥、またはテンプレートが焼成する時間であれば
特に限定されず、好ましくは0.5時間以上、より好ましくは1時間以上である。上限は
特に限定されず、通常200時間以内、好ましくは150時間以内、より好ましくは10
0時間以内である。テンプレートの焼成を目的とする場合の加熱処理は空気雰囲気で行え
ばよいが、N2などの不活性気体や酸素を付加した雰囲気で行ってもよい。
The heating time is not particularly limited as long as the zeolite membrane is sufficiently dried or the template is calcined, and is preferably 0.5 hours or more, more preferably 1 hour or more. The upper limit is not particularly limited and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably 10 hours.
Within 0 hours. The heat treatment for the purpose of firing the template may be performed in an air atmosphere, but may be performed in an atmosphere to which an inert gas such as N 2 or oxygen is added.
水熱合成を有機テンプレートの存在下で行った場合、得られたゼオライト膜複合体を、
水洗した後に、例えば、加熱処理や抽出などにより、好ましくは加熱処理、すなわち焼成
により有機テンプレートを取り除くことが適当である。
テンプレートの焼成を目的とする加熱処理の際の昇温速度は、支持体とゼオライトの熱
膨張率の差がゼオライト膜に亀裂を生じさせることを少なくするために、なるべく遅くす
ることが望ましい。昇温速度は、通常5℃/分以下、好ましくは2℃/分以下、さらに好
ましくは1℃/分以下、特に好ましくは0.5℃/分以下である。通常、作業性を考慮し
0.1℃/分以上である。
When hydrothermal synthesis is performed in the presence of an organic template, the resulting zeolite membrane composite is
After washing with water, it is appropriate to remove the organic template, for example, by heat treatment or extraction, preferably by heat treatment, that is, baking.
It is desirable that the temperature increase rate during the heat treatment for firing the template is as slow as possible in order to reduce the difference in the thermal expansion coefficient between the support and the zeolite from causing cracks in the zeolite membrane. The temperature rising rate is usually 5 ° C./min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, and particularly preferably 0.5 ° C./min or less. Usually, it is 0.1 ° C./min or more in consideration of workability.
また、焼成後の降温速度もゼオライト膜に亀裂が生じることを避けるためにコントロー
ルする必要がある。昇温速度と同様、遅ければ遅いほど望ましい。降温速度は、通常5℃
/分以下、好ましくは2℃/分以下、より好ましくは1℃/分以下、特に好ましくは0.
5℃/分以下である。通常、作業性を考慮し0.1℃/分以上である。
ゼオライト膜は、必要に応じてイオン交換してもよい。イオン交換は、テンプレートを
用いて合成した場合は、通常、テンプレートを除去した後に行う。イオン交換するイオン
としては、プロトン、Na+、K+、Li+などのアルカリ金属イオン、Ca2+、Mg
2+、Sr2+、Ba2+などの第2族元素イオン、Fe、Cu、Znなどの遷移金属の
イオンなどが挙げられる。これらの中で、プロトン、Na+、K+、Li+などのアルカ
リ金属イオンが好ましい。
Moreover, it is necessary to control the temperature drop rate after firing in order to avoid cracks in the zeolite membrane. Similar to the rate of temperature increase, the slower the better. The cooling rate is usually 5 ° C
/ Min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, particularly preferably 0.
5 ° C./min or less. Usually, it is 0.1 ° C./min or more in consideration of workability.
The zeolite membrane may be ion exchanged as necessary. In the case of synthesizing using a template, ion exchange is usually performed after removing the template. Examples of ions to be ion-exchanged include alkali metal ions such as proton, Na + , K + and Li + , Ca 2+ and Mg
Examples include
イオン交換は、焼成後(テンプレートを使用した場合など)のゼオライト膜を、NH4
NO3、NaNO3などアンモニウム塩あるいは交換するイオンを含む水溶液、場合によ
っては塩酸などの酸で、通常、室温から100℃の温度で処理後、水洗する方法などによ
り行えばよい。さらに、必要に応じて200℃〜500℃で焼成してもよい。
かくして得られる多孔質支持体−ゼオライト膜複合体(加熱処理後のゼオライト膜複合
体)の空気透過量[L/(m2・h)]は、通常1400L/(m2・h)以下、好まし
くは1000L/(m2・h)以下、より好ましくは700L/(m2・h)以下、より
好ましくは600L/(m2・h)以下、さらに好ましくは500L/(m2・h)以下
、特に好ましくは300L/(m2・h)以下、もっとも好ましくは200L/(m2・
h)以下である。透過量の下限は特に限定されないが、通常0.01L/(m2・h)以
上、好ましくは0.1L/(m2・h)以上、より好ましくは1L/(m2・h)以上で
ある。
For ion exchange, the zeolite membrane after calcination (such as when using a template) is replaced with NH 4
An aqueous solution containing an ammonium salt such as NO 3 or NaNO 3 or an ion to be exchanged, or an acid such as hydrochloric acid in some cases, is usually treated at a temperature of room temperature to 100 ° C. and then washed with water. Furthermore, you may bake at 200 to 500 degreeC as needed.
The air permeation [L / (m 2 · h)] of the porous support-zeolite membrane composite (zeolite membrane composite after heat treatment) thus obtained is usually 1400 L / (m 2 · h) or less, preferably Is 1000 L / (m 2 · h) or less, more preferably 700 L / (m 2 · h) or less, more preferably 600 L / (m 2 · h) or less, more preferably 500 L / (m 2 · h) or less, particularly preferably 300L / (m 2 · h) or less, most preferably 200L / (m 2 ·
h) The following. In lower limit of the transmission amount is not particularly limited, it is generally 0.01L / (m 2 · h) or more, preferably 0.1L / (m 2 · h) or more, more preferably 1L / (m 2 · h) or higher is there.
ここで、空気透過量とは、後述するとおり、ゼオライト膜複合体を絶対圧5kPaの真
空ラインに接続した時の空気の透過量[L/(m2・h)]である。
続いて、ゼオライト膜複合体を、Si原子を1原子以上含む化合物である、Si化合物
を含む液体で浸漬等の処理をする。これにより、ゼオライト膜表面がSi化合物により修
飾されて、上記した特定の物理化学的性質を有するものとすることができる。例えば、ゼ
オライト膜表面にSi層を形成することにより、ゼオライトが本来もつ細孔径よりも小さ
い開口径となり、分離性能が向上させることができると考えられる。また、ゼオライト膜
表面をSi化合物により修飾することで膜表面に存在する微細な欠陥をふさぐ効果が副次
的に得られることがある。
Here, the air permeation amount is the air permeation amount [L / (m 2 · h)] when the zeolite membrane composite is connected to a vacuum line having an absolute pressure of 5 kPa, as will be described later.
Subsequently, the zeolite membrane composite is subjected to a treatment such as immersion with a liquid containing a Si compound, which is a compound containing one or more Si atoms. Thereby, the zeolite membrane surface can be modified with the Si compound to have the specific physicochemical properties described above. For example, by forming a Si layer on the zeolite membrane surface, it is considered that the opening diameter is smaller than the pore diameter inherent in zeolite, and the separation performance can be improved. In addition, by modifying the zeolite membrane surface with a Si compound, an effect of closing fine defects existing on the membrane surface may be obtained as a secondary effect.
この表面処理に用いる液体は、表面処理の条件下でゼオライト膜複合体が処理可能な状
態のものであれば特に制限されず、Si化合物に溶媒を加えた溶液であってもよく、溶媒
を加えない液体であってもよく、ゾルまたはゲルであってもよい。ここで、溶媒は、水で
あっても有機溶媒であってもよい。また、沸点以上の温度では、加圧下で液状となってい
るものも溶媒に含まれる。この場合の圧力は、自生圧でも加圧でもよい。さらに、表面処
理用の液体には、少なくともSi化合物を含んでいればよく、その他の元素源(化合物)
として、例えばAl化合物を含んでいてもよい。
The liquid used for the surface treatment is not particularly limited as long as the zeolite membrane composite can be treated under the surface treatment conditions, and may be a solution obtained by adding a solvent to the Si compound. It may be a liquid, not a sol or a gel. Here, the solvent may be water or an organic solvent. In addition, solvents that are liquid under pressure at temperatures above the boiling point are also included in the solvent. The pressure in this case may be an autogenous pressure or a pressurization. Furthermore, it is sufficient that the liquid for surface treatment contains at least a Si compound, and other element sources (compounds).
For example, an Al compound may be included.
Si化合物としては、例えば、メチルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリエ
トキシシラン、1,1,3,3−テトラメトキシ−1,3−ジメチルプロパンジシロキサンな
どのアルキルアルコキシシラン、ヘキサメチルジシロキサンなどのシロキサンを有する有
機ケイ素化合物、ヘキサメチルジシラザンのようなシラザンを有する有機ケイ素化合物、
テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどのシリケート、メチルシリケートオリ
ゴマー、エチルシリケートオリゴマーなどのシリケートオリゴマー、無定形シリカ、ヒュ
ームドシリカ、コロイダルシリカ、シリカゲル、ケイ酸ナトリウム、シリカゾルなどを用
いることができる。
Examples of the Si compound include methyltriethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, alkylalkoxysilanes such as 1,1,3,3-tetramethoxy-1,3-dimethylpropanedisiloxane, hexamethyldisiloxane, and the like. An organosilicon compound having a siloxane, an organosilicon compound having a silazane such as hexamethyldisilazane,
Silicates such as tetramethoxysilane and tetraethoxysilane, silicate oligomers such as methyl silicate oligomer and ethyl silicate oligomer, amorphous silica, fumed silica, colloidal silica, silica gel, sodium silicate, silica sol and the like can be used.
これらの中で、反応性の面でシリケートまたはシリケートオリゴマーが好ましく、テト
ラエトキシシラン、メチルシリケートオリゴマーが特に好ましい。
これらのSi化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合せて使用して
もよい。
処理の方法としては液に浸漬し、浸漬した液の中でSi化合物との化学的な結合を形成
させてもよいし、浸漬した後にゼオライト膜を液から出して表面にSi化合物が付着した
状態で化学的な結合を形成してもよいし、浸漬中、浸漬後の両方で化学的な結合の形成を
してもよい。
Among these, silicates or silicate oligomers are preferable in terms of reactivity, and tetraethoxysilane and methyl silicate oligomers are particularly preferable.
These Si compounds may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
As a treatment method, it may be immersed in a liquid and may form a chemical bond with the Si compound in the immersed liquid, or after the immersion, the zeolite membrane is taken out of the liquid and the Si compound is attached to the surface. The chemical bond may be formed by the above, or the chemical bond may be formed both during and after the immersion.
先ず、溶媒として水を用いる場合について説明する。
水を溶媒として用いる場合、溶液の温度は、通常20℃以上、好ましくは60℃以上、
より好ましくは80℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは150℃以下、より好
ましくは130℃以下である。温度が低すぎると、Si化合物と膜表面およびSi化合物
間で行われる脱水縮合反応、加水分解反応の進行が不十分でSi化合物による修飾が十分
に行われず膜表面の親水性が十分に向上しないことがある。温度が高すぎると、ゼオライ
トが一部水中に溶出してゼオライト膜が壊れる可能性がある。
First, the case where water is used as a solvent will be described.
When water is used as a solvent, the temperature of the solution is usually 20 ° C. or higher, preferably 60 ° C. or higher.
More preferably, it is 80 degreeC or more, Usually, 200 degrees C or less, Preferably it is 150 degrees C or less, More preferably, it is 130 degrees C or less. If the temperature is too low, the progress of the dehydration condensation reaction and hydrolysis reaction performed between the Si compound and the film surface and the Si compound is insufficient, and the modification with the Si compound is not performed sufficiently, and the hydrophilicity of the film surface is not sufficiently improved. Sometimes. If the temperature is too high, a part of the zeolite may elute in water and the zeolite membrane may be broken.
浸漬時間は、通常1時間以上、好ましくは4時間以上、より好ましくは8時間以上であ
り、通常100時間以下、好ましくは50時間以下、より好ましくは24時間以下である
。浸漬時間が短すぎると、膜表面の変化が十分に進行せず、十分な効果が得られないこと
がある。浸漬時間が長すぎると、ゼオライトが一部水中に溶出してゼオライトが壊れる可
能性がある。
The immersion time is usually 1 hour or longer, preferably 4 hours or longer, more preferably 8 hours or longer, and is usually 100 hours or shorter, preferably 50 hours or shorter, more preferably 24 hours or shorter. If the immersion time is too short, the change of the film surface does not proceed sufficiently and a sufficient effect may not be obtained. If the soaking time is too long, the zeolite may partially dissolve in water and break the zeolite.
表面処理時の圧力は特に限定されず、大気圧あるいは、密閉容器中に入れた処理溶液を
、上記温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒
素などの不活性気体を加えても差し支えない。
溶液中のSi化合物の含有量は、Si化合物のモル濃度として、通常0.01質量%以
上、好ましくは0.1質量%以上であり、通常20質量%以下、好ましくは10質量%以
下、より好ましくは5質量%以下である。また、Si元素の場合の濃度としては、通常0
.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上で
あり、通常10質量%以下、好ましくは5質量%以下、より好ましくは2質量%以下であ
る。
The pressure during the surface treatment is not particularly limited, and the atmospheric pressure or the self-generated pressure generated when the treatment solution placed in the sealed container is heated to the above temperature range is sufficient. Further, an inert gas such as nitrogen may be added as necessary.
The content of the Si compound in the solution is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, and usually 20% by mass or less, preferably 10% by mass or less, as the molar concentration of the Si compound. Preferably it is 5 mass% or less. The concentration in the case of Si element is usually 0.
. It is 01 mass% or more, preferably 0.05 mass% or more, more preferably 0.1 mass% or more, and is usually 10 mass% or less, preferably 5 mass% or less, more preferably 2 mass% or less.
溶液中には、ゼオライト表面OH基とSi化合物、Si化合物間の脱水縮合反応、アル
コキシ基の加水分解反応の触媒として、酸または塩基を存在させることが好ましい。従っ
て、溶液のpHは、通常0〜12、好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜8程度
であればよい。
水中に例えば、NaOH、KOH、アミン等の塩基性物質を添加することで微量のOH
−1イオンを積極的に存在させてもよく、その場合、水溶液中のOH−1イオン濃度は、
通常0.01mol/l以下、より好ましくは0.005mol/l以下であり、通常0
.0001mol/l以上、好ましくは0.0005mol/l以上、より好ましくは0
.001mol/l以上である。水中にOH−1イオンが存在することによって、存在し
ない場合よりも短時間で同等の効果を得ることが可能になる。水中のOH−1イオン濃度
が高すぎると、ゼオライト膜が溶解して破壊されやすくなり処理時間の厳密なコントロー
ルが必要となる。
It is preferable that an acid or a base is present in the solution as a catalyst for the zeolite surface OH group and the Si compound, a dehydration condensation reaction between the Si compounds, and an alkoxy group hydrolysis reaction. Accordingly, the pH of the solution may be generally 0 to 12, preferably 0.5 to 10, more preferably about 1 to 8.
For example, by adding a basic substance such as NaOH, KOH, or amine to water, a small amount of OH
-1 ions may be actively present, in which case the OH -1 ion concentration in the aqueous solution is
Usually 0.01 mol / l or less, more preferably 0.005 mol / l or less, usually 0
. 0001 mol / l or more, preferably 0.0005 mol / l or more, more preferably 0
. 001 mol / l or more. The presence of OH-1 ions in water makes it possible to obtain the same effect in a shorter time than when it does not exist. If the OH -1 ion concentration in water is too high, the zeolite membrane is easily dissolved and broken, and strict control of the treatment time is required.
水溶液中に存在させる酸としては、例えば、カルボン酸、スルホン酸などの有機酸や、
硫酸、燐酸などの無機酸等が挙げられる。これらの中で、特にカルボン酸、無機酸が好ま
しい。
カルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、マロン酸、マレ
イン酸、フタル酸、乳酸、クエン酸、アクリル酸などが好ましく、ギ酸、酢酸、乳酸がよ
り好ましく、酢酸が特に好ましい。無機酸としては、例えば、硫酸、硝酸、燐酸、塩酸な
どが好ましく、硫酸、硝酸、燐酸がより好ましい。
Examples of the acid present in the aqueous solution include organic acids such as carboxylic acid and sulfonic acid,
Examples thereof include inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid. Among these, carboxylic acid and inorganic acid are particularly preferable.
As the carboxylic acid, for example, formic acid, acetic acid, propionic acid, oxalic acid, malonic acid, maleic acid, phthalic acid, lactic acid, citric acid, acrylic acid and the like are preferable, formic acid, acetic acid and lactic acid are more preferable, and acetic acid is particularly preferable. . As the inorganic acid, for example, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid and the like are preferable, and sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid are more preferable.
水溶液中の酸性物質の濃度は、好ましくは0.01mol/l以上、より好ましくは0
.05mol/l以上であり、さらに好ましくは10mol/l以下、特に好ましくは1
mol/l以下である。
また、H+濃度は、通常1×10−10mol/l以上、好ましくは1×10−8mo
l/l以上、より好ましくは1×10−7mol/l以上、特に好ましくは1×10−5
mol/l以上であり、通常10mol/l以下、好ましくは5mol/l以下、より好
ましくは1mol/l以下である。
The concentration of the acidic substance in the aqueous solution is preferably 0.01 mol / l or more, more preferably 0.
. 05 mol / l or more, more preferably 10 mol / l or less, particularly preferably 1
mol / l or less.
The H + concentration is usually 1 × 10 −10 mol / l or more, preferably 1 × 10 −8 mo.
l / l or more, more preferably 1 × 10 −7 mol / l or more, particularly preferably 1 × 10 −5.
It is mol / l or more, usually 10 mol / l or less, preferably 5 mol / l or less, more preferably 1 mol / l or less.
H+濃度が上記の範囲となるように塩基性物質を共存させてもよい。塩基性物質として
は、例えば、NaOH、KOH、アミン等が挙げられる。
次に有機溶媒を用いる浸漬処理について説明する。
この場合、溶液の温度は、通常20℃以上、好ましくは60℃以上、より好ましくは8
0℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは150℃以下、より好ましくは110℃
以下である。温度が低すぎると、Si化合物と膜表面およびSi化合物間で行われる脱水
縮合反応、加水分解反応の進行が不十分でSi化合物による修飾が十分に行われず分離性
能が十分に向上しないことがある。温度が高すぎるとゼオライト膜が壊れる可能性がある
。
A basic substance may coexist so that the H + concentration falls within the above range. Examples of the basic substance include NaOH, KOH, amine and the like.
Next, the immersion treatment using an organic solvent will be described.
In this case, the temperature of the solution is usually 20 ° C. or higher, preferably 60 ° C. or higher, more preferably 8 ° C.
0 ° C. or higher, usually 200 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower, more preferably 110 ° C.
It is as follows. If the temperature is too low, the progress of the dehydration condensation reaction and hydrolysis reaction performed between the Si compound and the membrane surface and the Si compound is insufficient, and the modification with the Si compound is not performed sufficiently, and the separation performance may not be sufficiently improved. . If the temperature is too high, the zeolite membrane may be broken.
浸漬時間は、通常0.5時間以上、好ましくは1時間以上、より好ましくは3時間以上
であり、通常50時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下であ
る。浸漬時間が短すぎると、膜表面の変化が十分に進行せず、十分な効果が得られないこ
とがある。浸漬時間が長すぎると、ゼオライトが一部水中に溶出してゼオライトが壊れる
可能性がある。
The immersion time is usually 0.5 hours or longer, preferably 1 hour or longer, more preferably 3 hours or longer, and usually 50 hours or shorter, preferably 24 hours or shorter, more preferably 10 hours or shorter. If the immersion time is too short, the change of the film surface does not proceed sufficiently and a sufficient effect may not be obtained. If the soaking time is too long, the zeolite may partially dissolve in water and break the zeolite.
表面処理時の圧力は特に限定されず、必要に応じて還流条件下で大気圧行うことが出来
る。あるいは必要に応じて密閉容器中に入れた処理溶液を、上記温度範囲に加熱したとき
に生じる自生圧力下で処理を行ってもよい。さらに必要に応じて、窒素などの不活性気体
加えても差し支えない。
用い得る有機溶媒としては、例えば、トルエン、ヘキサン等の非極性溶媒、アニソール
、イソプロピルアルコール等のアルコール溶媒、および、アセトンなどの極性溶媒が挙げ
られる。これらの中で、トルエン、イソプロピルアルコールが特に好ましい。これらの有
機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合せて用いてもよい。
The pressure during the surface treatment is not particularly limited, and atmospheric pressure can be performed under reflux conditions as necessary. Or you may process under the self-generated pressure which arises when the processing solution put into the airtight container was heated to the said temperature range as needed. Further, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
Examples of the organic solvent that can be used include nonpolar solvents such as toluene and hexane, alcohol solvents such as anisole and isopropyl alcohol, and polar solvents such as acetone. Of these, toluene and isopropyl alcohol are particularly preferable. These organic solvents may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
さらに、有機溶媒を用いる場合には、水を系内に添加してもよい。添加し得る水の濃度
は、通常0.001質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.2
質量%以上であり、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量
%以下である。
溶液中のSi化合物の含有量は、Si元素濃度として、通常0.01質量%以上、好ま
しくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、通常10質量%以
下、好ましくは5質量%以下、より好ましくは2質量%以下である。また、Al化合物の
含有量は、Al元素濃度として、通常0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以
上、より好ましくは0.1質量%以上であり、通常10質量%以下、好ましくは5質量%
以下、より好ましくは1質量%以下である。
Further, when an organic solvent is used, water may be added into the system. The concentration of water that can be added is usually 0.001% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.2% by mass.
It is 5 mass% or less, and is 5 mass% or less normally, Preferably it is 3 mass% or less, More preferably, it is 2 mass% or less.
The content of the Si compound in the solution is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and usually 10% by mass or less, as the Si element concentration. Preferably it is 5 mass% or less, More preferably, it is 2 mass% or less. The content of the Al compound is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and usually 10% by mass or less, preferably as Al element concentration. Is 5% by mass
Hereinafter, it is more preferably 1% by mass or less.
表面処理においては、Si化合物を少なくとも含む液体に浸漬し、その後加熱を行って
処理することもできる。この場合には溶媒を加えずに処理することも出来る。特に、Si
化合物としてシリケートオリゴマーを用いる場合には、溶媒をさらに加えなくてもよい。
溶媒をさらに加えない場合においてもその他の元素源(化合物)として、例えばAl化合
物を含んでいてもよい。
In the surface treatment, the surface treatment can be performed by immersing in a liquid containing at least an Si compound and then heating. In this case, it can also process without adding a solvent. In particular, Si
When a silicate oligomer is used as the compound, it is not necessary to add a solvent.
Even when the solvent is not further added, as another element source (compound), for example, an Al compound may be included.
溶媒を加えずに表面処理を行う場合の浸漬温度は、通常1℃以上、好ましくは5℃以上
、より好ましくは10℃以上、特に好ましくは15℃以上であり、通常200℃以下、好
ましくは150℃以下、より好ましくは130℃以下、特に好ましくは100℃以下、最
も好ましくは80℃以下である。温度が低すぎると、Si化合物の流動性が低くなり、ゼ
オライト膜複合体表面に均一にSi化合物が付着せずに、修飾が部分的になることがある
。温度が高すぎると、Si化合物同士の反応が早く進行し、ゼオライト膜複合体表面への
付着、反応が十分進行しない場合がある。
When the surface treatment is performed without adding a solvent, the immersion temperature is usually 1 ° C. or higher, preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. or higher, particularly preferably 15 ° C. or higher, and usually 200 ° C. or lower, preferably 150 ° C. ° C or lower, more preferably 130 ° C or lower, particularly preferably 100 ° C or lower, most preferably 80 ° C or lower. If the temperature is too low, the fluidity of the Si compound becomes low, and the Si compound does not uniformly adhere to the surface of the zeolite membrane composite, and the modification may become partial. If the temperature is too high, the reaction between the Si compounds proceeds quickly, and the adhesion to the surface of the zeolite membrane composite and the reaction may not proceed sufficiently.
浸漬時間は、通常0.5秒以上、好ましくは1秒以上、より好ましくは2秒以上、特に
好ましくは3秒以上であり、通常10時間以下、好ましくは7時間以下、より好ましくは
5時間以下、さらに好ましくは3時間以下、特に好ましくは1時間以下である。
表面処理時の圧力は特に限定されず、大気圧、あるいは密閉容器中に入れた処理溶液を
、上記温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒
素などの不活性気体を加えても差し支えない。
The immersion time is usually 0.5 seconds or more, preferably 1 second or more, more preferably 2 seconds or more, particularly preferably 3 seconds or more, and usually 10 hours or less, preferably 7 hours or less, more preferably 5 hours or less. More preferably, it is 3 hours or less, particularly preferably 1 hour or less.
The pressure during the surface treatment is not particularly limited, and the atmospheric pressure or the self-generated pressure generated when the treatment solution placed in the sealed container is heated to the above temperature range is sufficient. Further, an inert gas such as nitrogen may be added as necessary.
Si化合物を含む液体に浸漬後に加熱処理をする場合には、ゼオライト膜複合体を、S
i化合物を含む液体に浸漬する際に、管状のゼオライト膜複合体の場合、下のみあるいは
上下をシリコンゴム栓やテフロン(登録商標)テープなどでふさぐことにより、支持体に
多量のSi化合物が浸透するのを妨げることが望ましい。ゼオライト膜の表面のみにSi
化合物を接触させ、支持体部分への浸透を防ぐことで、高い透過量を維持したまま、効率
的にゼオライト膜の表面を表面処理できる。
When heat treatment is performed after immersion in a liquid containing Si compound, the zeolite membrane composite is made of S
When a tubular zeolite membrane composite is immersed in a liquid containing an i compound, a large amount of the Si compound penetrates the support by covering only the bottom or top and bottom with a silicon rubber stopper or Teflon (registered trademark) tape. It is desirable to prevent it. Si only on the surface of the zeolite membrane
By contacting the compound and preventing penetration into the support portion, the surface of the zeolite membrane can be efficiently surface-treated while maintaining a high permeation amount.
浸漬後の加熱温度としては、通常30℃以上、好ましくは50℃以上、より好ましくは
70℃以上であり、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、より好ましくは200
℃以下、特に好ましくは150℃以下である。温度がこの範囲より低い場合にはゼオライ
ト膜表面のSi化合物による修飾が十分に固定化されない場合がある。温度がこの範囲よ
り高い場合にはSi化合物の沸点にもよるがSi化合物が表面から揮発し修飾が十分行わ
れなくなる場合がある。
The heating temperature after immersion is usually 30 ° C or higher, preferably 50 ° C or higher, more preferably 70 ° C or higher, and usually 300 ° C or lower, preferably 250 ° C or lower, more preferably 200 ° C.
C. or lower, particularly preferably 150 C or lower. When the temperature is lower than this range, the modification with the Si compound on the surface of the zeolite membrane may not be sufficiently immobilized. When the temperature is higher than this range, although depending on the boiling point of the Si compound, the Si compound volatilizes from the surface and the modification may not be performed sufficiently.
浸漬後に加熱する際には、加熱時間は通常30分以上、好ましくは1時間以上、より好
ましくは1.5時間以上、さらに好ましくは2時間以上であり、通常30時間以下、好ま
しくは25時間以下、より好ましくは20時間以下、さらに好ましくは15時間以下であ
る。時間がこの範囲より短い場合にはゼオライト膜表面のSi化合物による修飾が十分に
固定化されない場合がある。時間がこの範囲より長い場合には、Si化合物による修飾が
十分に固定化される以上に加熱することになりエネルギー的に不利である。
When heating after immersion, the heating time is usually 30 minutes or longer, preferably 1 hour or longer, more preferably 1.5 hours or longer, more preferably 2 hours or longer, usually 30 hours or shorter, preferably 25 hours or shorter. More preferably, it is 20 hours or less, More preferably, it is 15 hours or less. When the time is shorter than this range, the modification with the Si compound on the zeolite membrane surface may not be sufficiently immobilized. When the time is longer than this range, the modification with the Si compound is heated more than sufficiently fixed, which is disadvantageous in terms of energy.
浸漬後に加熱する際には、加熱する系内に水を共存させることが好ましい。水を共存さ
せることでシリケートオリゴマーなどに含まれるアルコキシシランの加水分解が進行しや
すくなり、ゼオライト膜表面の修飾が十分に行われやすくなる。
浸漬後の加熱は通常の乾燥機などで行うことも出来るし、密閉容器中に浸漬後の膜を入
れて加熱してもよい。密閉容器中に浸漬後の膜を入れる際には少量の水を膜に接触しない
ように共存させてもよい。
かくして製造されるゼオライト膜複合体は、上記のとおり優れた特性をもつものであり
、本発明の分離または濃縮方法における膜分離手段として好適に用いることができる。
When heating after immersion, it is preferable to coexist water in the heating system. By coexisting water, the hydrolysis of alkoxysilane contained in the silicate oligomer or the like is likely to proceed, and the surface of the zeolite membrane can be sufficiently modified.
The heating after the immersion can be performed with a normal dryer or the like, or the film after the immersion can be put in a sealed container and heated. When the immersed film is placed in a sealed container, a small amount of water may be allowed to coexist so as not to contact the film.
The zeolite membrane composite thus produced has excellent characteristics as described above, and can be suitably used as a membrane separation means in the separation or concentration method of the present invention.
<分離または濃縮方法>
本発明の分離または濃縮方法は、複数の気体成分を含有する混合気体を上記詳述した分
離膜に接触させて、該混合気体のうち透過性の高い成分を透過させることにより、該混合
気体から該透過性の高い成分を分離する、または、該混合気体から透過性の高い成分を透
過させることにより、透過性の低い成分を濃縮する。
<Separation or concentration method>
In the separation or concentration method of the present invention, a mixed gas containing a plurality of gas components is brought into contact with the separation membrane described in detail above, and a highly permeable component of the mixed gas is allowed to permeate from the mixed gas. The highly permeable component is concentrated by separating the highly permeable component or by allowing the highly permeable component to permeate from the mixed gas.
本発明の分離または濃縮方法において、ゼオライト膜を備えた無機多孔質支持体を介し
、支持体側又はゼオライト膜側の一方の側に複数の成分からなる複数の気体成分を含有す
る混合気体を接触させ、その逆側を混合気体が接触している側よりも低い圧力とすること
によって混合気体から、ゼオライト膜に透過性が高い成分(透過性が相対的に高い混合物
中の物質)を選択的に、すなわち透過物質の主成分として透過させる。これにより、混合
気体から透過性の高い物質を分離することができる。その結果、混合気体中の特定の成分
(透過性が相対的に低い混合気体中の物質)の濃度を高めることで、特定の成分を分離回
収、あるいは濃縮することができる。
In the separation or concentration method of the present invention, a mixed gas containing a plurality of gas components composed of a plurality of components is brought into contact with one side of the support side or the zeolite membrane side through an inorganic porous support provided with a zeolite membrane. By selectively setting the opposite side to a pressure lower than the side in contact with the mixed gas, the component having high permeability to the zeolite membrane (substance in the mixture having relatively high permeability) is selectively selected from the mixed gas. That is, it is permeated as the main component of the permeable substance. Thereby, a highly permeable substance can be separated from the mixed gas. As a result, the specific component can be separated and recovered or concentrated by increasing the concentration of the specific component (the substance in the mixed gas having relatively low permeability) in the mixed gas.
分離または濃縮の対象となる混合気体としては、本発明における多孔質支持体−ゼオラ
イト膜複合体によって、分離または濃縮が可能な混合気体であれば特に制限はない。
本発明の方法において、分離または濃縮の対象となる混合気体としては、例えば、二酸
化炭素、酸素、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタ
ン、イソブタン、1−ブテン、2-ブテン、イソブテン、六フッ化硫黄、ヘリウム、一酸
化炭素、一酸化窒素、水などから選ばれる少なくとも1種の成分を含むものが挙げられる
。これらの気体成分のうち、パーミエンスの高い気体成分は、ゼオライト膜複合体を透過
し分離され、パーミエンスの低い気体成分は供給気体側に濃縮される。
The mixed gas to be separated or concentrated is not particularly limited as long as it is a mixed gas that can be separated or concentrated by the porous support-zeolite membrane composite in the present invention.
In the method of the present invention, examples of the mixed gas to be separated or concentrated include carbon dioxide, oxygen, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, normal butane, isobutane, 1-butene, 2-butene, Examples include those containing at least one component selected from isobutene, sulfur hexafluoride, helium, carbon monoxide, nitrogen monoxide, water and the like. Among these gas components, the gas component with high permeance passes through the zeolite membrane complex and is separated, and the gas component with low permeance is concentrated on the supply gas side.
特に混合気体としては、kinetic直径が4Å以下の気体分子を少なくとも1種類
含有することが好ましい。本発明によれば、特に成分の少なくとも一つにkinetic
直径が4Å以下の成分を含む気体においても、透過性の高い成分の分離、または透過性の
高い成分を透過させることによる透過性の低い成分の濃縮を高い分離性能で行うことが可
能となる。
In particular, the mixed gas preferably contains at least one gas molecule having a kinetic diameter of 4 mm or less. According to the invention, in particular at least one of the components is kinetic
Even in a gas containing a component having a diameter of 4 mm or less, it is possible to perform separation of a component having high permeability or concentration of a component having low permeability by transmitting a component having high permeability with high separation performance.
混合気体としては、上記成分の少なくとも2種の成分を含む。この場合、2種の成分と
しては、パーミエンスの高い成分とパーミエンスの低い成分の組合せが好ましい。
ここで、パーミエンス(Permeance、「透過度」ともいう)とは透過する物質量を、膜
面積と時間と透過する物質の供給側と透過側の分圧差の積で割ったものであり、単位は、
[mol・(m2・s・Pa)−1]である。
The mixed gas includes at least two components of the above components. In this case, the two components are preferably a combination of a component having a high permeance and a component having a low permeance.
Here, permeance (also referred to as “permeance”) is obtained by dividing the amount of the permeated substance by the product of the membrane area, time, and the partial pressure difference between the permeating substance supply side and the permeating side. ,
[Mol · (m 2 · s · Pa) −1 ].
混合気体として具体的には、酸素を含有する混合気体、メタン及びヘリウムを含有する
混合気体、二酸化炭素及び窒素を含有する混合気体などが挙げられ、空気、天然ガス、燃
焼気体やコークスオーブンガス、ごみ埋め立て場から発生するランドファィルガスなどの
バイオガス、石油化学工業で生成、排出されるメタンの水蒸気改質ガスなどの分離または
濃縮に使用することができる。
Specific examples of the mixed gas include a mixed gas containing oxygen, a mixed gas containing methane and helium, a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen, air, natural gas, combustion gas, coke oven gas, It can be used for separation or concentration of biogas such as land file gas generated from a landfill, and steam reformed gas of methane produced and discharged in the petrochemical industry.
酸素を含有する混合気体を用いる場合は、該混合気体から酸素を分離する、または、該
混合気体から酸素を透過させるために使用されることが好ましい。酸素を含有する混合気
体としては空気などが挙げられる。
メタン及びヘリウムを含有する混合気体を用いる場合は、該混合気体から、ヘリウムを
分離する、または、該混合気体からヘリウムを透過させるために使用されることが好まし
い。メタン及びヘリウムを含有する混合気体としては、天然ガスなどが挙げられる。
When a mixed gas containing oxygen is used, it is preferably used to separate oxygen from the mixed gas or to allow oxygen to permeate from the mixed gas. Examples of the mixed gas containing oxygen include air.
When a mixed gas containing methane and helium is used, it is preferably used to separate helium from the mixed gas or to transmit helium from the mixed gas. Examples of the mixed gas containing methane and helium include natural gas.
二酸化炭素及び窒素を含有する混合気体を用いる場合は、該混合気体から、二酸化炭素
を分離する、または、該混合気体から二酸化炭素を透過させるために使用されることが好
ましい。二酸化炭素及び窒素を含有する混合気体としては、燃焼気体などが挙げられる。
本発明で用いるゼオライト膜に対して、酸素は高い透過性を有する。そのため、このゼ
オライト膜に酸素を含有する混合気体を接触させ分離させることにより、酸素を含有する
混合気体、例えば空気中の酸素濃度を高めることができ、高酸素濃度の混合気体を製造す
ることができる。
When a mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen is used, it is preferably used to separate carbon dioxide from the mixed gas or to allow carbon dioxide to permeate from the mixed gas. Examples of the mixed gas containing carbon dioxide and nitrogen include combustion gases.
Oxygen is highly permeable to the zeolite membrane used in the present invention. Therefore, by bringing the mixed gas containing oxygen into contact with the zeolite membrane and separating it, the oxygen-containing mixed gas, for example, the oxygen concentration in the air can be increased, and a high-oxygen-concentrated mixed gas can be produced. it can.
例えば、混合気体として空気を用いた場合、酸素濃度を30%以上、さらには35%以
上とすることが可能である。
また、本発明で用いるゼオライト膜に対して、ヘリウムは高い透過性を有する。そのた
め、このゼオライト膜に、例えばヘリウムやメタンを含有する天然ガスを接触させること
により、ヘリウムを分離することができる。
For example, when air is used as the mixed gas, the oxygen concentration can be 30% or more, and further 35% or more.
Moreover, helium has high permeability with respect to the zeolite membrane used in the present invention. Therefore, helium can be separated by contacting the zeolite membrane with, for example, natural gas containing helium or methane.
また、本発明で用いるゼオライト膜に対して、二酸化炭素は高い透過性を有する。その
ため、このゼオライト膜に、例えば二酸化炭素や窒素を含有する燃焼気体を接触させるこ
とにより、二酸化炭素を分離することができる。
これら混合気体の分離や濃縮の条件は、対象とする気体種や組成等に応じて、それ自体
既知の条件を採用すればよい。
In addition, carbon dioxide has high permeability with respect to the zeolite membrane used in the present invention. Therefore, carbon dioxide can be separated by bringing the zeolite membrane into contact with, for example, a combustion gas containing carbon dioxide or nitrogen.
The conditions for separating and concentrating these mixed gases may be those known per se according to the target gas species, composition, and the like.
混合気体の分離に用いるゼオライト膜複合体を有する分離膜モジュールの形態としては
、平膜型、スパイラル型、ホロウファーバー型、円筒型、ハニカム型等が考えられ、適用
対象に合わせて最適な形態が選ばれる。
その一つである円筒型分離膜モジュールを説明する。
図1において、円筒型のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納さ
れた状態で恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料気体の温度調整が可
能なように、温度制御装置が付設されている。
As a form of the separation membrane module having the zeolite membrane composite used for the separation of the mixed gas, a flat membrane type, a spiral type, a hollow fiber type, a cylindrical type, a honeycomb type, and the like can be considered, and an optimum form according to the application target is provided. To be elected.
One example is a cylindrical separation membrane module.
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a
円筒型のゼオライト膜複合体1の一端は、円柱状のエンドピン3で密封されている。他
端は接続部4で接続され、接続部4の他端は、耐圧容器2と接続されている。円筒型のゼ
オライト膜複合体の内側と、透過気体8を排出する配管11が、接続部4を介して接続さ
れており、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。耐圧容器2には、試料気体の供
給側の圧力を測る圧力計5が接続されている。各接続部は気密性よく接続されている。
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a cylindrical end pin 3. The other end is connected by a connecting portion 4, and the other end of the connecting portion 4 is connected to the
図1において、円筒型のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納さ
れた状態で、恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料気体の温度調整が
可能なように、温度制御装置が付設されている。
円筒型のゼオライト膜複合体1の一端は、円形のエンドピン3で密封されている。他端
は、接続部4で接続され、接続部4の他端は耐圧容器2と接続されている。円筒型のゼオ
ライト膜複合体1の内側と透過気体8を排出する配管11が、接続部4を介して接続され
ており、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。また、ゼオライト膜複合体1には
、配管11を経由して、スイープ気体9を供給する配管12が挿入されている。さらに、
耐圧容器2に通ずるいずれかの箇所には、試料気体(混合気体)の供給側の圧力を測る圧
力計5、供給側の圧力を調整する背圧弁6が接続されている。各接続部は気密性よく接続
されている。
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a circular end pin 3. The other end is connected by a connection portion 4, and the other end of the connection portion 4 is connected to the
A pressure gauge 5 that measures the pressure on the supply side of the sample gas (mixed gas) and a back pressure valve 6 that adjusts the pressure on the supply side are connected to any part that communicates with the
試料気体(供給気体7)を、一定の流量で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供
給し、背圧弁6により供給側の圧力を一定とする。気体は膜1の内外の分圧差に応じて膜
1を透過し、配管11を通じて排出される。
混合気体からの気体分離温度としては、0から500℃の範囲内で行なわれる。膜の分
離特性から考えると室温から100℃の範囲内が望ましい。
A sample gas (supply gas 7) is supplied between the
The gas separation temperature from the mixed gas is 0 to 500 ° C. Considering the separation characteristics of the membrane, the temperature is preferably within the range of room temperature to 100 ° C.
以下、実験例(実施例、比較例)に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明
はその要旨を越えない限り、以下の実験例により限定されるものではない。
なお、以下の実施例における各種の製造条件や評価結果の値は、本発明の実施態様にお
ける上限または下限の好ましい値としての意味をもつものであり、好ましい範囲は、前記
上限または下限の値と下記実施例の値または実施例同士の値との組合せで規定される範囲
であってもよい。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on experimental examples (Examples and Comparative Examples). However, the present invention is not limited to the following experimental examples unless it exceeds the gist.
In addition, the values of various production conditions and evaluation results in the following examples have meanings as preferable values of the upper limit or the lower limit in the embodiment of the present invention, and the preferable range is the value of the upper limit or the lower limit. It may be a range defined by a combination of values of the following examples or values of the examples.
<物性及び分離性能の測定>
以下の実験例において、物性や分離性能等の測定は、特に明記しない限り次のとおり行
った。
(1)X線回折(XRD)測定
ゼオライト膜のXRD測定を、以下の条件で行った。
・装置名:オランダPANalytical社製X’PertPro MPD
・光学系仕様 入射側:封入式X線管球(CuKα)
Soller Slit (0.04rad)
Divergence Slit (Valiable Sli
t)
試料台:XYZステージ
受光側:半導体アレイ検出器(X’ Celerator)
Ni−filter
Soller Slit (0.04rad)
ゴニオメーター半径:240mm
・測定条件 X線出力(CuKα):45kV、40mA
走査軸:θ/2θ
走査範囲(2θ):5.0−70.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
計数時間:99.7sec
自動可変スリット(Automatic−DS):1mm(照射幅)
横発散マスク:10mm(照射幅)
<Measurement of physical properties and separation performance>
In the following experimental examples, physical properties and separation performance were measured as follows unless otherwise specified.
(1) X-ray diffraction (XRD) measurement XRD measurement of the zeolite membrane was performed under the following conditions.
-Device name: X'PertPro MPD manufactured by PANalytical, the Netherlands
Optical system specifications Incident side: Enclosed X-ray tube (CuKα)
Soller Slit (0.04 rad)
Divergence Slit (Variable Sli
t)
Sample stage: XYZ stage
Light receiving side: Semiconductor array detector (X 'Celerator)
Ni-filter
Soller Slit (0.04 rad)
Goniometer radius: 240mm
Measurement conditions X-ray output (CuKα): 45 kV, 40 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Scanning range (2θ): 5.0-70.0 °
Measurement mode: Continuous
Reading width: 0.05 °
Counting time: 99.7 sec
Automatic variable slit (Automatic-DS): 1 mm (irradiation width)
Lateral divergence mask: 10 mm (irradiation width)
なお、X線は円筒管の軸方向に対して垂直な方向に照射した。またX線は、できるだけ
ノイズ等が入らないように、試料台においた円筒管状の膜複合体と、試料台表面と平行な
面とが接する2つのラインのうち、試料台表面ではなく、試料台表面より上部にあるもう
一方のライン上に主にあたるようにした。
また、照射幅を自動可変スリットによって1mmに固定して測定し、Material
s Data, Inc.のXRD解析ソフトJADE 7.5.2(日本語版)を用い
て可変スリット→固定スリット変換を行ってXRDパターンを得た。
X-rays were irradiated in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical tube. Also, X-rays are not the sample table surface, but the sample table surface, out of two lines where the cylindrical tubular membrane complex placed on the sample table and the surface parallel to the sample table surface are in contact with each other so that noise and the like do not enter as much as possible. It was made to hit mainly on the other line above the surface.
In addition, the irradiation width is fixed to 1 mm with an automatic variable slit, and measured.
s Data, Inc. XRD analysis software JADE 7.5.2 (Japanese version) was used to perform variable slit → fixed slit conversion to obtain an XRD pattern.
(2)SEM−EDX測定
ゼオライト膜のSEM−EDX測定を、以下の条件で行った。
・装置名:SEM:FE−SEM Hitachi:S−4800
EDX:EDAX Genesis
・加速電圧:10kV
倍率5000倍での視野全面(25μm×18μm)を走査し、X線定量分析を行った
。
このSEM−EDX測定により、生成したゼオラ・BR>Cト膜自体のSiO2/Al2O
3モル比を求めた。なお、SEM−EDX測定において、X線の照射エネルギーを10k
V程度とすることにより数ミクロンのゼオライト膜のみの情報を得ることができる。
(2) SEM-EDX measurement SEM-EDX measurement of the zeolite membrane was performed under the following conditions.
-Device name: SEM: FE-SEM Hitachi: S-4800
EDX: EDAX Genesis
・ Acceleration voltage: 10 kV
The entire field of view (25 μm × 18 μm) at a magnification of 5000 was scanned, and X-ray quantitative analysis was performed.
By this SEM-EDX measurement, the SiO 2 / Al 2 O of the generated Zeora · BR> C film itself
A 3 molar ratio was determined. In SEM-EDX measurement, X-ray irradiation energy is 10 k.
By setting it to about V, it is possible to obtain information on only a several micron zeolite membrane.
(3)XPS測定
ゼオライト膜表面のXPS(X線光電子分光法)測定を、以下の条件で行った。
・装置名:PHI社製 Quantum2000
・X線源:単色化Al−Kα、出力 16kV−34W(X線発生面積170μmφ)
・帯電中和:電子銃(5μA)、イオン銃(2V)併用
・分光系:パルスエネルギー 187.85eV@ワイドスペクトル
117.40eV@ナロースペクトル(Al2p)
29.35eV@ナロースペクトル(C1s,O1s,Si
2p)
・測定領域:スポット照射(照射面積<340μmφ)
・取り出し角:45°(表面より)
このXPS測定により、生成したゼオライト膜表面のSiO2/Al2O3モル比を求
めた。
(3) XPS measurement XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) measurement of the zeolite membrane surface was performed under the following conditions.
・ Device name: Quantum2000 manufactured by PHI
-X-ray source: Monochromatic Al-Kα, output 16 kV-34 W (X-ray generation area 170 μmφ)
・ Charge neutralization: Combined use of electron gun (5μA) and ion gun (2V) ・ Spectroscopic system: Pulse energy 187.85 eV @ Wide spectrum
117.40 eV @ narrow spectrum (Al2p)
29.35 eV @ narrow spectrum (C1s, O1s, Si
2p)
Measurement area: Spot irradiation (irradiation area <340 μmφ)
・ Extraction angle: 45 ° (from the surface)
By this XPS measurement, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio on the surface of the produced zeolite membrane was determined.
(4)空気透過量
大気圧下で、ゼオライト膜複合体の一端を封止し、他端を、気密性を保持した状態で5
kPaの真空ラインに接続して、真空ラインとゼオライト膜複合体の間に設置したマスフ
ローメーターでゼオライト膜複合体を透過した空気の流量を測定し、空気透過量[L/(
m2・h)]とした。マスフローメーターとしてはKOFLOC社製8300、N2気体
用、最大流量500ml/min(20℃、1気圧換算)を用いた。KOFLOC社製8
300においてマスフローメーターの表示が10ml/min(20℃、1気圧換算)以
下であるときはLintec社製MM−2100M、Air気体用、最大流量20ml/
min(0℃、1気圧換算)を用いて測定した。
(4) Air permeation amount At atmospheric pressure, one end of the zeolite membrane composite is sealed, and the other end is 5 with airtightness maintained.
Connected to a vacuum line of kPa, the mass flow meter installed between the vacuum line and the zeolite membrane composite was used to measure the flow rate of the air that permeated the zeolite membrane composite, and the air permeation amount [L / (
m 2 · h)]. As the mass flow meter, 8300 manufactured by KOFLOC, for N 2 gas, and a maximum flow rate of 500 ml / min (20 ° C., converted to 1 atm) were used. 8 made by KOFLOC
In 300, when the mass flow meter display is 10 ml / min or less (20 ° C., converted to 1 atm), Lintec MM-2100M, for Air gas,
It measured using min (0 degreeC, 1 atmosphere conversion).
(5)単成分気体透過評価
単成分気体透過試験は、図1に模式的に示す装置を用いて、以下のとおり行った。用い
た試料気体は、二酸化炭素(純度99.9%、高圧気体工業社製)、メタン(純度99.
999%、ジャパンファインプロダクツ製)、窒素(純度99.99%、東邦酸素工業製
)、ヘリウム(純度99.99、ジャパンヘリウムセンター製)である。
(5) Single component gas permeation evaluation The single component gas permeation test was performed as follows using the apparatus schematically shown in FIG. The sample gas used was carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by High Pressure Gas Industry Co., Ltd.), methane (purity 99.9%).
999%, manufactured by Japan Fine Products), nitrogen (purity 99.99%, manufactured by Toho Oxygen Industry), and helium (purity 99.99, manufactured by Japan Helium Center).
図1において、円筒型のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納さ
れた状態で恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料気体の温度調整が可
能なように、温度制御装置が付設されている。
円筒型のゼオライト膜複合体1の一端は、円柱状のエンドピン3で密封されている。他
端は接続部4で接続され、接続部4の他端は、耐圧容器2と接続されている。円筒型のゼ
オライト膜複合体の内側と、透過気体8を排出する配管11が、接続部4を介して接続さ
れており、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。耐圧容器2には、試料気体の供
給側の圧力を測る圧力計5が接続されている。各接続部は気密性よく接続されている。
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a cylindrical end pin 3. The other end is connected by a connecting portion 4, and the other end of the connecting portion 4 is connected to the
図1において、円筒型のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納さ
れた状態で、恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料気体の温度調整が
可能なように、温度制御装置が付設されている。
円筒型のゼオライト膜複合体1の一端は、円形のエンドピン3で密封されている。他端
は、接続部4で接続され、接続部4の他端は耐圧容器2と接続されている。円筒型のゼオ
ライト膜複合体1の内側と透過気体8を排出する配管11が、接続部4を介して接続され
ており、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。また、ゼオライト膜複合体1には
、配管11を経由して、スイープ気体9を供給する配管(スイープ気体導入用配管)12
が挿入されている。さらに、耐圧容器2に通ずるいずれかの箇所には、試料気体の供給側
の圧力を測る圧力計5、供給側の圧力を調整する背圧弁6が接続されている。各接続部は
気密性よく接続されている。
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a circular end pin 3. The other end is connected by a connection portion 4, and the other end of the connection portion 4 is connected to the
Has been inserted. Furthermore, a pressure gauge 5 for measuring the pressure on the supply side of the sample gas and a back pressure valve 6 for adjusting the pressure on the supply side are connected to any part that communicates with the
図1の装置において、単成分気体透過試験を行う場合は、試料気体(供給気体7)を、
一定の流量で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供給し、背圧弁6により供給側の
圧力を一定とする。配管11から排出される排出気体10の流量を測定する。
さらに具体的には、水分や空気などの成分を除去するため、測定温度以上での乾燥、及
び、排気若しくは使用する供給気体によるパージ処理をした後、試料温度及びゼオライト
膜複合体1の供給気体7側と透過気体8側の差圧を一定として、透過気体流量が安定した
のちに、ゼオライト膜複合体1を透過した試料気体(透過気体8)の流量を測定し、気体
のパーミエンス[mol・(m2・s・Pa)−1]を算出する。パーミエンスを計算す
る際の圧力は、供給気体の供給側と透過側の圧力差(差圧)を用いる。
In the apparatus of FIG. 1, when performing a single component gas permeation test, the sample gas (supply gas 7) is
The pressure is supplied between the
More specifically, in order to remove components such as moisture and air, the sample temperature and the supply gas of the zeolite membrane composite 1 are supplied after drying at a temperature higher than the measurement temperature and purging with a supply gas to be exhausted or used. The flow rate of the sample gas (permeate gas 8) permeated through the zeolite membrane composite 1 was measured after the permeate gas flow rate was stabilized with the differential pressure between the 7 side and the
上記測定結果に基づき、理想分離係数αを下記式(1)により算出する。
α=(Q1/Q2)/(P1/P2) (1)
〔式(1)中、Q1およびQ2は、それぞれ、透過性の高い気体および透過性の低い気体
の透過量[mol・(m2・s)−1]を示し、P1およびP2は、それぞれ、供給気体
である透過性の高い気体および透過性の低い気体の圧力[Pa]を示す。〕
Based on the measurement result, the ideal separation coefficient α is calculated by the following equation (1).
α = (Q1 / Q2) / (P1 / P2) (1)
[In Formula (1), Q1 and Q2 show the permeation | transmission amount [mol * (m < 2 > * s) <-1 >] of gas with high permeability and low permeability, respectively, and P1 and P2 are respectively The pressure [Pa] of gas with high permeability which is supply gas, and gas with low permeability is shown. ]
(6)混合気体透過試験
ゼオライト膜複合体の混合気体透過試験は、図1に模式的に示す装置を用いて、以下の
とおり行った。用いた試料気体は、圧縮空気である。
図1において、円筒型のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納さ
れた状態で、恒温槽(図示せず)に設置されている。高温槽には、試料気体の温度調整が
可能なように、温度制御装置が付設されている。
(6) Mixed gas permeation test The mixed gas permeation test of the zeolite membrane composite was performed as follows using the apparatus schematically shown in FIG. The sample gas used is compressed air.
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a
円筒型のゼオライト膜複合体1の一端は、円形のエンドピン3で密封されている。他端
は、接続部4で接続され、接続部4の他端は耐圧容器2と接続されている。円筒型のゼオ
ライト膜複合体の内側と透過気体8を排出する配管11が、接続部4を介して接続されて
おり、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。また、ゼオライト膜複合体1には、
配管11を経由して、スイープ気体9を供給する配管12が挿入されている。さらに、耐
圧容器2には、試料気体の供給側の圧力を測る圧力計5、供給側の圧力を調整する背圧弁
6が接続されている。各接続部は気密性よく接続されている。
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a circular end pin 3. The other end is connected by a connection portion 4, and the other end of the connection portion 4 is connected to the
A
図1の装置において、試料気体(供給気体7)を、一定の流量で耐圧容器2とゼオライ
ト膜複合体1の間に供給し、背圧弁6により供給側の圧力を一定とする。一方、スイープ
気体9を配管12から、ゼオライト膜複合体1の内側に流し、配管11から排出される排
出気体(スイープ気体9の排出気体及び同伴された透過気体8)の流量を測定するととも
に、排出気体を分取して気体クロマトグラフによる成分分析を行う。
In the apparatus of FIG. 1, the sample gas (supply gas 7) is supplied between the pressure-
このときの、ゼオライト膜複合体1を透過した各成分気体の流速を、上記のとおり測定
し、気体の透過量[mol・(m2・s)−1]を算出する。
上記測定結果に基づき、分離係数α’を下記式(2)により算出する。
α’=(Q’1/Q’2)/(P’1/P’2) (2)
〔式(2)中、Q’1およびQ’2は、それぞれ、透過性の高い気体および透過性の低い
気体の透過量[mol・(m2・s)−1]を示し、P’1およびP’2は、それぞれ、
供給気体中の透過性の高い気体および透過性の低い気体の分圧[Pa]を示す。〕
At this time, the flow velocity of each component gas that has passed through the zeolite membrane composite 1 is measured as described above, and the gas permeation [mol · (m 2 · s) −1 ] is calculated.
Based on the measurement result, the separation coefficient α ′ is calculated by the following formula (2).
α ′ = (Q′1 / Q′2) / (P′1 / P′2) (2)
[In the formula (2), Q′1 and Q′2 respectively represent the permeation amount [mol · (m 2 · s) −1 ] of a highly permeable gas and a low permeable gas, and P′1 And P′2 are
The partial pressure [Pa] of the highly permeable gas and the low permeable gas in the supply gas is shown. ]
(比較例1)
無機多孔質支持体とCHA型ゼオライト膜の膜複合体は、CHA型ゼオライトを無機多
孔質支持体上に直接水熱合成することで次のとおり作製した。
水熱合成用の反応混合物として、以下のものを調製した。
水酸化リチウム1水和物0.29gと1mol/L−KOH水溶液13.9gと水10
4.0gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5質量%含有、アル
ドリッチ社製)1.32gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これに有機テンプ
レートとして、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウムヒドロキシド(
以下これを「TMADAOH」という。)水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セ
イケム社製)2.35gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック
−40)10.4gを加えて2時間撹拌し、反応混合物とした。
(Comparative Example 1)
A membrane complex of an inorganic porous support and a CHA-type zeolite membrane was prepared as follows by directly hydrothermally synthesizing CHA-type zeolite on the inorganic porous support.
The following was prepared as a reaction mixture for hydrothermal synthesis.
Lithium hydroxide monohydrate 0.29 g, 1 mol / L-KOH aqueous solution 13.9 g and
To a mixture of 4.0 g, 1.32 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich) was added and dissolved by stirring to obtain a transparent solution. As an organic template, N, N, N-trimethyl-1-adamantanammonium hydroxide (
Hereinafter, this is referred to as “TMADAOH”. ) 2.35 g of an aqueous solution (25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) was added, and 10.4 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added and stirred for 2 hours to obtain a reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/LiOH/KOH/H2
O/TMADAOH=1/0.1/0.1/0.2/100/0.04、SiO2/Al
2O3=10である。
無機多孔質支持体としてアルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を80mmの
長さに切断し、超音波洗浄機で洗浄したのち乾燥させたものを用いた。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / LiOH / KOH /
O / TMADAOH = 1 / 0.1 / 0.1 / 0.2 / 100 / 0.04, SiO 2 / Al
2 O 3 = 10.
As the inorganic porous support, an alumina tube (
種結晶として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=
1/0.033/0.1/0.06/40/0.07のゲル組成(モル比)で160℃、
2日間水熱合成して結晶化させたCHA型ゼオライトを用いた。
この種結晶を1質量%水中に分散させた分散液に、上記支持体を所定時間浸漬した後、
100℃で5時間乾燥させて、種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は1.2g/
m2であった。
As seed crystals, SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH =
160 ° C. with a gel composition (molar ratio) of 1 / 0.033 / 0.1 / 0.06 / 40 / 0.07,
A CHA-type zeolite crystallized by hydrothermal synthesis for 2 days was used.
After immersing the support in a dispersion in which the seed crystal is dispersed in 1% by mass of water for a predetermined time,
The seed crystal was attached by drying at 100 ° C. for 5 hours. The mass of the attached seed crystal is 1.2 g /
It was m 2.
このように種結晶を付着させた支持体と、同様に種結晶を付着させた支持体2本の合計
3本を、上記反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向
に浸漬してオートクレーブを密閉し、静置状態で、160℃、48時間、自生圧力下で加
熱した。所定時間経過後、放冷した後に支持体−ゼオライト膜複合体を反応混合物から取
り出し、洗浄後100℃で2時間以上乾燥させた。
A total of three of the support to which the seed crystal was attached in this way and two supports to which the seed crystal was similarly attached was perpendicular to the Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the reaction mixture. The autoclave was sealed by dipping in the direction, and was heated in a stationary state at 160 ° C. for 48 hours under an autogenous pressure. After the elapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out of the reaction mixture after being allowed to cool, and dried at 100 ° C for 2 hours or more after washing.
テンプレート焼成前のゼオライトの膜複合体を電気炉で500℃、5時間焼成した。焼
成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼ
オライトの質量は145g/m2であった。
焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は177L/(m2・h)であった。
生成した膜のXRDを測定したところCHA型ゼオライトが生成していることがわかっ
た。
The zeolite membrane composite before template firing was fired in an electric furnace at 500 ° C. for 5 hours. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, which was determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 145 g / m 2 .
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after calcination was 177 L / (m 2 · h).
When XRD of the produced membrane was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced.
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は11.4であった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて50℃で単成分気体透過評価を行なった。前処理として、ゼオライト膜複合体を
、140℃で、供給気体7として二酸化炭素を、耐圧容器2とゼオライト膜複合体1との
円筒の間に導入して、二酸化炭素の透過量が安定するまで乾燥した。評価した気体は二酸
化炭素、メタン、窒素、ヘリウムである。
About this zeolite membrane composite, SiO 2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
The / Al 2 O 3 molar ratio was 11.4.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, single component gas permeation evaluation was performed at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. As pretreatment, the zeolite membrane composite is introduced at 140 ° C. and carbon dioxide as the supply gas 7 is introduced between the cylinders of the
このようにして得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエンス比、Heのパーミ
エンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は12、He/CH4パーミエンス
比は13であり、分離性能としては不十分であった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。空気を配管7から供給し、背圧が0.1
MPaとなるように背圧弁6を調整し、空気分離を行った。
得られた分離結果を表1に示す。分離後の酸素濃度は28%であり、分離前よりも酸素
濃度は高くなっているもののその濃度は十分でなかった。
Table 1 shows the CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance thus obtained. The CO 2 / N 2 permeance ratio was 12, and the He / CH 4 permeance ratio was 13, which was insufficient as separation performance.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. Air is supplied from the pipe 7, and the back pressure is 0.1.
The back pressure valve 6 was adjusted so as to be MPa, and air separation was performed.
The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after the separation was 28%, and although the oxygen concentration was higher than that before the separation, the concentration was not sufficient.
(比較例2)
加熱時間を24時間とした以外は比較例1と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオラ
イト膜複合体を作製した。付着した種結晶の質量は1.0g/m2であり、焼成後の膜複
合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの
質量は126g/m2であった。
(Comparative Example 2)
An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the heating time was 24 hours. The mass of the attached seed crystal is 1.0 g / m 2 , and the mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support obtained from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support is 126 g / m 2. It was m 2.
焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は155L/(m2・h)であった。
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は19.0であった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。このようにして得られたCO2/N2、He/C
H4のパーミエンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス
比は15、He/CH4パーミエンス比は16であり、分離性能としては不十分であった
。
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after calcination was 155 L / (m 2 · h).
About this zeolite membrane composite, SiO 2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
The / Al 2 O 3 molar ratio was 19.0.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The CO 2 / N 2 and He / C thus obtained
Table 1 shows the permeance ratio of H 4 and the permeance of He. Pamiensu ratio of CO2 / N2 is 15, the He / CH 4 Pamiensu ratio was 16, it was insufficient as a separation performance.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は27%であり、分離前よりも酸素濃度は高くなっているもののその濃度は十
分でなかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after the separation was 27%, and although the oxygen concentration was higher than that before the separation, the concentration was not sufficient.
(比較例3)
無機多孔支持体としてムライトチューブを使用した以外は比較例1と同様に無機多孔質
支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。付着した種結晶の質量は0.7g/m
2であり、焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化し
たCHA型ゼオライトの質量は140g/m2であった。
(Comparative Example 3)
An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that a mullite tube was used as the inorganic porous support. The mass of the attached seed crystal is 0.7 g / m
2 and the mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support was 140 g / m 2 .
このように得たゼオライト膜複合体を次のように表面処理した。テトラエトキシシラン
に、上部の端面には空気孔を設けた栓をし、下部の端面には孔のない栓をしたゼオライト
膜複合体を室温で5秒程度漬けて引き上げた。その後風乾し、さらに底に水約1gを入れ
たテフロン(登録商標)製内筒に治具を用いて垂直に立てていれオートクレーブを密閉し
、100℃で6時間加熱し、所定時間経過後、放冷した後でゼオライト膜複合体を取り出
し、さらに150℃で1h加熱処理した。
The zeolite membrane composite thus obtained was surface treated as follows. Tetraethoxysilane was plugged with a plug having an air hole on the upper end face and a plug having no hole on the lower end face, soaked at room temperature for about 5 seconds and pulled up. Then air-dried, and a Teflon (registered trademark) inner cylinder filled with about 1 g of water at the bottom, standing vertically using a jig, sealing the autoclave, heating at 100 ° C. for 6 hours, and after a predetermined time, After allowing to cool, the zeolite membrane composite was taken out and further heat-treated at 150 ° C. for 1 h.
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は23.0でありテトラエトキシシランで処理することで表面のSi
の割合が増加したため値が大きくなっていると考えられる。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例2と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は17、He
/CH4パーミエンス比は17であり、分離性能が向上している傾向にあるものの不十分
であった。
About this zeolite membrane composite, SiO 2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
/ Al 2 O 3 molar ratio is 23.0, and the surface Si is treated by treatment with tetraethoxysilane.
It is thought that the value has increased due to the increase in the ratio of.
Using the obtained inorganic porous support-CHA-type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 2
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. The CO 2 / N 2 permeance ratio is 17, He
The / CH 4 permeance ratio is 17, which is insufficient although the separation performance tends to be improved.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は27%であり、分離前よりも酸素濃度は高くなっているもののその濃度は十
分でなかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after the separation was 27%, and although the oxygen concentration was higher than that before the separation, the concentration was not sufficient.
(実施例1)
水熱合成用の反応混合物として、以下のものを調製した。
1mol/L−NaOH水溶液10.8gと1mol/L−KOH水溶液7.2gと水
103.3gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5質量%含有、
アルドリッチ社製)0.91gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これに有機テ
ンプレートとして、TMADAOH水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム
社製)2.43gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック−40
)10.8gを加えて2時間撹拌し、反応混合物とした。
Example 1
The following was prepared as a reaction mixture for hydrothermal synthesis.
A mixture of 10.8 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution, 7.2 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution and 103.3 g of water was added to aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 ,
0.91 g (manufactured by Aldrich) was added and dissolved by stirring to obtain a transparent solution. As an organic template, 2.443 g of TMADAOH aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) was added, and colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added.
10.8 g was added and stirred for 2 hours to obtain a reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2
O/TMADAOH=1/0.067/0.15/0.1/100/0.04、SiO2
/Al2O3=15である。
無機多孔質支持体として比較例1と同様のアルミナチューブを用いた。
種結晶 として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH
=1/0.033/0.1/0.06/20/0.07のゲル組成(モル比)で160℃
、2日間水熱合成して結晶化させたCHA型ゼオライトを用いた。 この種結晶を0.3
質量%水中に分散させた分散液に、上記支持体を所定時間浸漬した後、100℃で5時間
乾燥させて、種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は0.6g/m2であった。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2
O / TMADAOH = 1 / 0.067 / 0.15 / 0.1 / 100 / 0.04, SiO 2
/ Al 2 O 3 = 15.
The same alumina tube as in Comparative Example 1 was used as the inorganic porous support.
As seed crystals, SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH
= 160 ° C with a gel composition (molar ratio) of 1 / 0.033 / 0.1 / 0.06 / 20 / 0.07
A CHA-type zeolite crystallized by hydrothermal synthesis for 2 days was used. This seed crystal is 0.3
The support was immersed in a dispersion liquid dispersed in mass% water for a predetermined time, and then dried at 100 ° C. for 5 hours to attach seed crystals. The mass of the attached seed crystal was 0.6 g / m 2 .
このように種結晶を付着させた支持体を比較例2と同様に加熱、洗浄、乾燥した。焼成
後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオ
ライトの質量は125g/m2であった。焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は1
7L/(m2・h)であった。
Thus, the support body to which the seed crystal was adhered was heated, washed and dried in the same manner as in Comparative Example 2. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 125 g / m 2 . The air permeability of the zeolite membrane composite after firing is 1
It was 7 L / (m 2 · h).
このように得たゼオライト膜複合体を、次のように表面処理した。イソプロピルアルコ
ールにメチルシリケートオリゴマー(MKC(登録商標)シリケート、MS−51、三菱
化学社製)を30質量%で混合した溶液に、上部の端面には空気孔を設けた栓をし、下部
の端面には孔のない栓をしたゼオライト膜複合体を室温で5秒程度漬けて引き上げた。そ
の後風乾し、さらに底に水約1gを入れたテフロン(登録商標)製内筒に治具を用いて垂
直に立てていれオートクレーブを密閉し、100℃で6時間加熱し、所定時間経過後、放
冷した後でゼオライト膜複合体を取り出し、さらに150℃で1h加熱処理した。
The zeolite membrane composite thus obtained was surface treated as follows. A solution in which methyl silicate oligomer (MKC (registered trademark) silicate, MS-51, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) is mixed at 30% by mass with isopropyl alcohol is capped with an air hole on the upper end surface, and the lower end surface The zeolite membrane composite with plugs without holes was soaked at room temperature for about 5 seconds and pulled up. Then air-dried, and a Teflon (registered trademark) inner cylinder filled with about 1 g of water at the bottom, standing vertically using a jig, sealing the autoclave, heating at 100 ° C. for 6 hours, and after a predetermined time, After allowing to cool, the zeolite membrane composite was taken out and further heat-treated at 150 ° C. for 1 h.
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は69.0であった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は17、He
/CH4パーミエンス比は17であり、分離性能が向上している傾向にあるものの不十分
であった。
About this zeolite membrane composite, SiO2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
The / Al2O3 molar ratio was 69.0.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. The CO 2 / N 2 permeance ratio is 17, He
The / CH 4 permeance ratio is 17, which is insufficient although the separation performance tends to be improved.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は40%であり、比較例1、2および3と比べて高い濃度の酸素が得られるこ
とがわかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after separation was 40%, and it was found that a higher concentration of oxygen was obtained than in Comparative Examples 1, 2, and 3.
(実施例2)
比較例3と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作成した。付着し
た種結晶の質量は1.9g/m2であり、焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差か
ら求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は146g/m2であった。
このように得た膜複合体に実施例1同様に表面処理を実施した。
(Example 2)
In the same manner as in Comparative Example 3, an inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared. The mass of the attached seed crystal was 1.9 g / m 2 , and the mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, which was obtained from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 146 g / m 2. It was m 2.
The membrane composite thus obtained was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1.
このゼオライト膜複合体について、SEM−EDXにより測定したゼオライト膜自体の
SiO2/Al2O3モル比は33.6、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSi
O2/Al2O3モル比は200であり表面のSiの割合が高いことがわかる。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は35、He
/CH4パーミエンス比は145であり、高い分離性能の膜となっていることがわかった
。
With respect to this zeolite membrane composite, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane itself measured by SEM-EDX was 33.6, and the Si on the zeolite membrane surface measured by XPS
It can be seen that the O 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 200, and the ratio of Si on the surface is high.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. CO 2 / N 2 permeance ratio is 35, He
The / CH 4 permeance ratio was 145, indicating that the membrane had high separation performance.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は44%であり、比較例1、2および3と比べて高い濃度の酸素が得られるこ
とがわかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after separation was 44%, and it was found that a higher concentration of oxygen was obtained than in Comparative Examples 1, 2, and 3.
(実施例3)
種結晶の分散液の濃度を0.3質量%とした以外は比較例1と同様に無機多孔質支持体
−CHA型ゼオライト膜複合体を作成した。付着した種結晶の質量は0.5g/m2であ
り、焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCH
A型ゼオライトの質量は146g/m2であった。
Example 3
An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the concentration of the seed crystal dispersion was 0.3% by mass. The mass of the attached seed crystal was 0.5 g / m 2 , and the CH crystallized on the support was obtained from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support.
The mass of the A-type zeolite was 146 g / m 2 .
生成したゼオライト膜のXRDパターンを図2に示す。図中の「*」は支持体由来のピ
ークである。XRD測定からCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。また(
2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=2.
4、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度
)=5.9であった。
The XRD pattern of the produced zeolite membrane is shown in FIG. “*” In the figure is a peak derived from the support. From XRD measurement, it was found that CHA-type zeolite was produced. Also(
2θ = Intensity of peak around 9.6 °) / (Intensity of peak around 2θ = 20.8 °) = 2.
4. (Intensity of peak near 2θ = 17.9 °) / (Intensity of peak near 2θ = 20.8 °) = 5.9.
粉末のCHA型ゼオライト(米国特許第4544538号明細書においてSSZ−13
と一般に呼称されるゼオライト、以下これを「SSZ−13」と称する。)のXRDパタ
ーンを図3に示す。(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近の
ピークの強度)=0.91、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.
8°付近のピークの強度)=0.32であった。
Powdered CHA-type zeolite (SSZ-13 in US Pat. No. 4,544,538)
Zeolite, commonly referred to below as “SSZ-13”. The XRD pattern of) is shown in FIG. (Intensity of peak near 2θ = 9.6 °) / (Intensity of peak near 2θ = 20.8 °) = 0.91, (Intensity of peak near 2θ = 17.9 °) / (2θ = 20 .
The intensity of the peak in the vicinity of 8 °) = 0.32.
粉末のCHA型ゼオライトに比べて、実施例3で得られたゼオライト膜は(2θ=9.
6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)、(2θ=17.
9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)ともに高く、rhomb
ohedral settingにおける(1,0,0)面、(1,1,1)面への配向が推測された。
このように得た膜複合体にメチルシリケートオリゴマーの濃度を10質量%とした以外
は実施例1と同様に表面処理を実施した。
Compared with powdered CHA-type zeolite, the zeolite membrane obtained in Example 3 has (2θ = 9.
Intensity of peak around 6 °) / (Intensity of peak around 2θ = 20.8 °), (2θ = 17.7.
The intensity of the peak near 9 °) / (the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °) is high, rhomb
The orientation to the (1, 0, 0) plane and (1, 1, 1) plane in the ohedral setting was estimated.
The membrane composite thus obtained was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the methyl silicate oligomer was 10% by mass.
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は190であり表面のSiの割合が高いことがわかった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は26、He
/CH4パーミエンス比は26であり、高い分離性能の膜となっていることがわかった。
About this zeolite membrane composite, SiO 2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
/ Al 2 O 3 molar ratio was 190, and it was found that the ratio of Si on the surface was high.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. CO 2 / N 2 permeance ratio is 26, He
/ CH 4 Pamiensu ratio was 26, it was found to be a film of high separation performance.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は33%であり、比較例1、2および3と比べて高い濃度の酸素が得られるこ
とがわかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after separation was 33%, and it was found that a higher concentration of oxygen was obtained than in Comparative Examples 1, 2, and 3.
(実施例4)
オートクレーブを密閉し、自生圧力下で加熱する条件を180℃、18hとした以外は
実施例3と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作成した。付着した
種結晶の質量は0.5g/m2であり、焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から
求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は123g/m2であった。こ
のように得た膜複合体にメチルシリケートオリゴマーの濃度を25質量%とし、液温を4
0℃とした以外は実施例1と同様に表面処理を実施した。
(Example 4)
An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Example 3 except that the autoclave was sealed and the conditions for heating under autogenous pressure were 180 ° C. and 18 h. The mass of the attached seed crystal is 0.5 g / m 2 , and the mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support obtained from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support is 123 g / m 2. It was m 2. The membrane complex thus obtained was adjusted to a concentration of methyl silicate oligomer of 25% by mass and a liquid temperature of 4%.
Surface treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature was 0 ° C.
このゼオライト膜複合体について、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比は168であり表面のSiの割合が高いことがわかった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られたCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は42、He
/CH4パーミエンス比は180であり、高い分離性能の膜となっていることがわかった
。
About this zeolite membrane composite, SiO 2 on the zeolite membrane surface measured by XPS
/ Al 2 O 3 molar ratio was 168, indicating that the surface Si ratio was high.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. CO 2 / N 2 permeance ratio is 42, He
The / CH 4 permeance ratio was 180, indicating that the membrane had high separation performance.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は43%であり、比較例1、2および3と比べて高い濃度の酸素が得られるこ
とがわかった。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after the separation was 43%, and it was found that a higher concentration of oxygen was obtained than in Comparative Examples 1, 2, and 3.
(実施例5)
水熱合成用の反応混合物として、以下のものを調製した。
水酸化リチウム1水和物0.23gと1mol/L−KOH水溶液11.0gと水11
0gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5質量%含有、アルドリ
ッチ社製)0.89gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これに有機テンプレー
トとして、TMADAOH水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)2
.38gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック−40)7.0
5gを加えて2時間撹拌し、反応混合物とした。
(Example 5)
The following was prepared as a reaction mixture for hydrothermal synthesis.
Lithium hydroxide monohydrate 0.23 g, 1 mol / L-KOH aqueous solution 11.0 g and water 11
To a mixture of 0 g, 0.89 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al2O3, manufactured by Aldrich) was added and dissolved by stirring to obtain a transparent solution. As an organic template, TMADAOH aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) 2
. 38 g was added, and colloidal silica (Nissan Chemical Snow Tech-40) 7.0
5 g was added and stirred for 2 hours to obtain a reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/LiOH/KOH/H2O
/TMADAOH=1/0.1/0.12/0.23/150/0.06、SiO2/A
l2O3=10である。
その後、加熱時間を18時間とした以外は実施例1と同様に無機多孔質支持体−CHA
型ゼオライト膜複合体を作成した。付着した種結晶の質量は0.3g/m2であり、焼成
後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオ
ライトの質量は96g/m2であった。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / LiOH / KOH / H 2 O
/TMADAOH=1/0.1/0.12/0.23/150/0.06, SiO 2 / A
l 2 O 3 = 10.
Thereafter, inorganic porous support-CHA as in Example 1 except that the heating time was 18 hours.
Type zeolite membrane composite was prepared. The mass of the attached seed crystal is 0.3 g /
このように得た膜複合体にメチルシリケートオリゴマーの濃度を5質量%とし、希釈液
をアセトンとした以外は実施例1と同様に表面処理を実施した。
このゼオライト膜複合体について、SEM−EDXにより測定したゼオライト膜自体の
SiO2/Al2O3モル比は17.6、XPSにより測定したゼオライト膜表面のSi
O2/Al2O33モル比は76.2であり表面のSiの割合が高いことがわかる。
Surface treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the methyl silicate oligomer was 5% by mass and the diluent was acetone.
With respect to this zeolite membrane composite, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane itself measured by SEM-EDX was 17.6, and Si on the zeolite membrane surface measured by XPS
It can be seen that the O 2 / Al 2 O 3 3 molar ratio is 76.2 and the ratio of Si on the surface is high.
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて比較例1と同様に5
0℃で単成分気体透過評価を行なった。得られてCO2/N2、He/CH4のパーミエ
ンス比、Heのパーミエンスを表1に示す。CO2/N2のパーミエンス比は23、He
/CH4パーミエンス比は88であり、高い分離性能の膜となっていることがわかった。
得られた無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いて、図1に示した装置
を用いて、50℃で空気の分離評価を行なった。得られた分離結果を表1に示す。分離後
の酸素濃度は34%であり、比較例1、2および3と比べて高い濃度の酸素が得られるこ
とがわかった。
比較例1〜3、実施例1〜5の結果を表1に示す。
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, 5 as in Comparative Example 1
Single component gas permeation evaluation was performed at 0 ° C. The obtained CO 2 / N 2 , He / CH 4 permeance ratio, and He permeance are shown in Table 1. CO 2 / N 2 permeance ratio is 23, He
The / CH 4 permeance ratio was 88, indicating that the membrane had high separation performance.
Using the obtained inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite, air separation was evaluated at 50 ° C. using the apparatus shown in FIG. The obtained separation results are shown in Table 1. The oxygen concentration after separation was 34%, and it was found that a higher concentration of oxygen was obtained than in Comparative Examples 1, 2, and 3.
The results of Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 5 are shown in Table 1.
本発明は産業上の任意の分野に使用可能であるが、例えば、空気、天然ガス、燃焼気体や
コークスオーブンガス、ごみ埋め立て場から発生するランドファィルガスなどのバイオガ
ス、石油化学工業で生成、排出されるメタンの水蒸気改質ガスなどの分離または濃縮に使
用することができる。また、例えば、化学プラント、ゴミ処理場、自動車などの酸素を富
加した高酸素濃度の気体が必要とされている分野でも好適に使用できる。
The present invention can be used in any industrial field, for example, air, natural gas, combustion gas, coke oven gas, biogas such as land file gas generated from a landfill, generated in the petrochemical industry, It can be used for separation or concentration of the steam reformed gas of methane discharged. Also, for example, it can be suitably used in fields where oxygen-rich gas with a high oxygen concentration is required, such as chemical plants, garbage disposal plants, and automobiles.
1. ゼオライト膜複合体
2. 耐圧容器
3. エンドピン
4. 接続部
5. 圧力計
6. 背圧弁
7. 供給気体
8. 透過気体
9. スイープ気体
10. 排出気体
11. 配管
12. 配管
1. 1.
Claims (3)
を透過させることにより、該混合気体から該透過性の高い成分を分離する、または、該混
合気体から透過性の高い成分を透過させることにより、透過性の低い成分を濃縮する気体
の分離または濃縮に用いられる分離膜であって、
該透過性の高い成分が二酸化炭素であり、
該分離膜は無機多孔質支持体上にゼオライト膜を有するゼオライト膜複合体であり、
該ゼオライト膜は、酸素8員環以下の細孔構造を有するゼオライトを含み、
X線光電子分析法(XPS)により得られる数値である該ゼオライト膜表面のSiO2
/Al2O3モル比が50以上であることを特徴とする、分離膜。 A highly permeable component is separated from the mixed gas by contacting a mixed gas containing a plurality of gas components and transmitting a highly permeable component of the mixed gas, or from the mixed gas A separation membrane used for separation or concentration of a gas that concentrates a low-permeability component by permeating a high-permeability component,
The highly permeable component is carbon dioxide,
The separation membrane is a zeolite membrane composite having a zeolite membrane on an inorganic porous support,
The zeolite membrane includes a zeolite having a pore structure having an oxygen 8-membered ring or less,
SiO 2 on the zeolite membrane surface, which is a numerical value obtained by X-ray photoelectron analysis (XPS)
A separation membrane, wherein the molar ratio of / Al 2 O 3 is 50 or more.
。 The separation membrane according to claim 1 or 2, wherein the air permeation amount is 1400 L / (m 2 · h) or less.
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