JP7163951B2 - Zeolite membrane composite - Google Patents
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Description
本発明は、ゼオライト膜複合体に関し、さらに詳しくは、複数の成分からなる気体混合物から特定の成分を分離するために用いるゼオライト膜複合体であって、ゼオライト膜が、特定の物理化学的性質を有するゼオライトを含み、無機多孔質支持体上に形成されてなるゼオライト膜複合体、該ゼオライト膜複合体を分離手段として用いる気体混合物の分離または濃縮方法に関するものである。 The present invention relates to zeolite membrane composites, and more particularly to zeolite membrane composites used to separate a specific component from a multicomponent gas mixture, wherein the zeolite membrane exhibits specific physicochemical properties. and a zeolite membrane composite formed on an inorganic porous support, and a method for separating or concentrating a gas mixture using the zeolite membrane composite as a separation means.
ガス分離・精製法には、膜分離法、吸着分離法、吸収分離法、蒸留分離法、深冷分離法があるが、膜分離法は、ガス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、膜を透過するガスの速度差によって分離する手法である。膜分離法は、他のガス分離・精製法に比べて取り扱いも容易で設備規模も比較的小さいため低コスト・省エネルギーで目的とするガスの分離や濃縮を行うことができる。 Gas separation and purification methods include membrane separation, adsorption separation, absorption separation, distillation separation, and cryogenic separation. This is a method of separating by the difference in the velocity of the gas permeating the membrane, using the pressure difference as the driving energy. The membrane separation method is easier to handle than other gas separation/purification methods, and the scale of equipment is relatively small.
膜によるガス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った。
近年、これらの問題を解決すべく耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性が良好な種々の無機膜が提案されてきている。その中でもゼオライトは、サブナノメートルの規則的な細孔を有しているため、分子ふるいとしての働きをもつので選択的に特定の分子を透過でき、高分離性能を示すことが期待されている。
As a gas separation method using a membrane, a method using a polymer membrane has been proposed since the 1970s. However, while polymer membranes are characterized by their excellent workability, they have the problem of being degraded by heat, chemicals, and pressure, resulting in reduced performance.
In recent years, in order to solve these problems, various inorganic films having good chemical resistance, oxidation resistance, heat stability and pressure resistance have been proposed. Among them, zeolite has regular pores of sub-nanometer size, so it works as a molecular sieve, so it can selectively permeate specific molecules, and is expected to exhibit high separation performance.
具体的な混合ガスの膜分離の例としては、火力発電所や石油化学工業などから排出されるガスの分離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の分離などがある。用い得るガス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。 Specific examples of membrane separation of mixed gases include carbon dioxide and nitrogen, carbon dioxide and methane, hydrogen and hydrocarbons, hydrogen and oxygen, hydrogen and Separation of carbon dioxide, nitrogen and oxygen, paraffins and olefins, etc. Zeolite membranes such as A-type membranes, FAU membranes, MFI membranes, SAPO-34 membranes and DDR membranes are known as usable zeolite membranes for gas separation.
A型ゼオライト膜は、水分の影響を受けやすく、結晶間隙のない膜にすることが難しく、分離性能は高くない。FAU膜はゼオライトの細孔が0.6~0.8nmであり、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る。この膜は、ゼオライト細孔への吸着特性を持つ分子と持たない分子の分離、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、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。 The A-type zeolite membrane is easily affected by moisture, it is difficult to make a membrane without crystal gaps, and the separation performance is not high. The FAU membrane has zeolite pores of 0.6 to 0.8 nm, which are large enough for two gas molecules to enter the zeolite pores. This membrane is suitable for the separation of molecules with and without zeolite pore adsorption properties, such as the separation of carbon dioxide and nitrogen. However, non-adsorptive molecules are difficult to separate, and the scope of application is narrow. The pore diameter of the MFI membrane is 0.55 nm, and the pores are rather large for separating gas molecules, and the separation performance is not high.
また、天然ガスの精製プラントや、生ごみなどをメタン発酵させてバイオガスを発生させるプラントでは、二酸化炭素とメタンの分離が望まれているが、これらを良好に分離するゼオライト膜としてはゼオライトの分子ふるい機能を利用した、DDR(特許文献1)、SAPO-34(非特許文献1)、SSZ-13(非特許文献2)が性能のよい膜として知られている。 In addition, separation of carbon dioxide and methane is desired in natural gas refining plants and plants that generate biogas by methane fermentation of kitchen waste. DDR (Patent Document 1), SAPO-34 (Non-Patent Document 1), and SSZ-13 (Non-Patent Document 2) are known as films with good performance, which utilize a molecular sieve function.
しかしながら、DDR(特許文献1)は、分離性能は良好であるが、ゼオライトの構造が二次元であるために、二酸化炭素のパーミエンス(Permeance、「透過度」ともいう)が低い。また、三次元構造であるCHA型のアルミノホスフェートであるSAPO-34(非特許文献1)は、分離性能やパーミエンスが良好だが、水存在下での性能が悪化する。 However, DDR (Patent Document 1) has good separation performance, but has a low carbon dioxide permeance (also referred to as "permeability") because the zeolite structure is two-dimensional. SAPO-34 (Non-Patent Document 1), which is a CHA-type aluminophosphate having a three-dimensional structure, has good separation performance and permeance, but deteriorates in the presence of water.
また、化学プラントでは、混合ガスに水分が含まれる場合が多く、水共存下で性能が悪化して実用には耐えない場合がある。同じくSUS支持体の膜であるCHA型のアルミノシリケートであるSSZ-13(非特許文献2)は、ゼオライト膜に非ゼオライト細孔(欠陥)が共存するために分離能が不十分で、二酸化炭素のパーミエンスも充分ではなかった。このように実用に耐えうる気体混合物用の分離膜は知られていなかった。 In addition, in chemical plants, mixed gas often contains moisture, and in some cases the performance deteriorates in the coexistence of water, making it unusable for practical use. SSZ-13 (Non-Patent Document 2), which is a CHA-type aluminosilicate that is also a SUS support membrane, has insufficient separation performance due to the coexistence of non-zeolite pores (defects) in the zeolite membrane, and carbon dioxide was not sufficient. Such separation membranes for gaseous mixtures that can withstand practical use have not been known.
本発明は、かかる従来技術の問題が解決された、耐水性に優れ、気体混合物の分離に優れた特性を持つゼオライト膜複合体の提供を課題とするものである。 An object of the present invention is to provide a zeolite membrane composite having excellent water resistance and excellent properties in separating gas mixtures, in which the problems of the prior art are solved.
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、水熱合成により多孔質支持体上にゼオライト膜を形成する際に、特定の組成の反応混合物を用いれば、支持体上に結晶化するゼオライトの結晶配向性が向上し、有機化合物と水の混合物の分離において、実用上十分な処理量と分離膜性能を両立する緻密なゼオライト膜が形成することを見出し、先に提案した(国際公開第2010/098473号パンフレット、特開2011-121040号公報、特開2011-121045号公報、特開2011-121854号公報)。本発明者らは、さらに検討を重ねた結果、これらのゼオライト膜複合体にある種の金属を含有させることにより、気体混合物の分離性能に優れ、処理量の大きな膜分離手段となり得ることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above problems, when a zeolite membrane is formed on a porous support by hydrothermal synthesis, if a reaction mixture with a specific composition is used, We found that the crystal orientation of the crystallized zeolite is improved, and in the separation of a mixture of organic compounds and water, a dense zeolite membrane is formed that achieves both a practically sufficient throughput and separation membrane performance. (International Publication No. 2010/098473 pamphlet, JP-A-2011-121040, JP-A-2011-121045, JP-A-2011-121854). As a result of further studies, the present inventors have found that by incorporating a certain kind of metal into these zeolite membrane composites, they can provide membrane separation means with excellent gas mixture separation performance and large throughput. have arrived at the present invention.
即ち、本発明の要旨は、下記の(1)~(11)に存する。
(1)複数の成分からなる気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離するために用いるゼオライト膜複合体であって、Alを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含有するCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含むゼオライト膜が、無機多孔質支持体上に形成されてなることを特徴とするゼオライト膜複合体。
(2)2価以上の金属が、Mg、Fe、Ga、La、Cr、Zr、SnおよびTiである、(1)に記載のゼオライト膜複合体。
(3)ゼオライトのSiO2/Al2O3モル比が、6以上100以下である、(1)または(2)に記載のゼオライト膜複合体。
(4)ゼオライト膜が、膜表面にX線を照射して得たX線回折パターンにおいて、2θ=17.9°付近のピーク強度が、2θ=20.8°付近のピーク強度の0.5倍以上の値
を有するものである、(1)ないし(3)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
(5)ゼオライト膜が、膜表面にX線を照射して得たX線回折パターンにおいて、2θ=9.6°付近のピーク強度が、2θ=20.8°付近のピーク強度の2.0倍以上の値を
有するものである、(1)ないし(4)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
(6)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透過量が0L/(m2・h)以上900L/(m2・h)以下である、(1)ないし(5)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
(7)ゼオライト膜が、アルカリ源として少なくともカリウム(K)を含む水熱合成用の反応混合物を用いて形成されたものである、(1)ないし(6)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
(8)CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含むゼオライト膜が無機多孔質支持体上に形成されてなるゼオライト膜複合体を、Alを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のイオンを含む水溶液に接触させることにより得られたものである、(1)ないし(7)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
(9)複数の成分からなる気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離するために用いるゼオライト膜複合体であって、CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含むゼオライト膜が無機多孔質支持体上に形成されてなるゼオライト膜複合体を、Alを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のイオンを含む水溶液に接触させることにより得られたものであることを特徴とするゼオライト膜複合体。
(10)(1)ないし(9)のいずれかに記載のゼオライト膜複合体に、複数の成分からなる気体混合物を接触させ、該気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離する、または、透過性の高い成分を透過させて分離することにより透過性の低い成分を濃縮することを特徴とする気体混合物の分離または濃縮方法。
(11)気体混合物が、二酸化炭素、水素、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、一酸化窒素及び水よりなる群から選ばれる少なくとも1種の成分を含むものである、(10)に記載の方法。
That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (11).
(1) A zeolite membrane composite used for permeating and separating highly permeable components from a gas mixture consisting of a plurality of components, at least one selected from the group consisting of divalent or higher metals excluding Al A zeolite membrane composite comprising a zeolite membrane containing a CHA-type aluminosilicate zeolite containing a seed metal and formed on an inorganic porous support.
(2) The zeolite membrane composite according to (1), wherein the divalent or higher metals are Mg, Fe, Ga, La, Cr, Zr, Sn and Ti.
(3) The zeolite membrane composite according to (1) or (2), wherein the zeolite has a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 6 or more and 100 or less.
(4) In the X-ray diffraction pattern obtained by irradiating the surface of the zeolite membrane with X-rays, the peak intensity near 2θ = 17.9° is 0.5 of the peak intensity near 2θ = 20.8°. The zeolite membrane composite according to any one of (1) to (3), which has a value more than double.
(5) In the X-ray diffraction pattern obtained by irradiating the surface of the zeolite membrane with X-rays, the peak intensity near 2θ = 9.6° is 2.0 of the peak intensity near 2θ = 20.8°. The zeolite membrane composite according to any one of (1) to (4), which has a value more than double.
(6) The zeolite membrane composite has an air permeation rate of 0 L/(m 2 h) or more and 900 L/(m 2 h) or less when connected to a vacuum line with an absolute pressure of 5 kPa, (1) to ( The zeolite membrane composite according to any one of 5).
(7) The zeolite membrane composite according to any one of (1) to (6), wherein the zeolite membrane is formed using a reaction mixture for hydrothermal synthesis containing at least potassium (K) as an alkali source. body.
(8) A zeolite membrane composite, in which a zeolite membrane containing a CHA-type aluminosilicate zeolite is formed on an inorganic porous support, is coated with at least one selected from the group consisting of divalent or higher metals excluding Al. The zeolite membrane composite according to any one of (1) to (7), which is obtained by contacting with an aqueous solution containing metal ions.
(9) A zeolite membrane composite used for permeating and separating a highly permeable component from a gas mixture consisting of a plurality of components, wherein the zeolite membrane containing CHA-type aluminosilicate zeolite is inorganic porous support It is obtained by contacting the zeolite membrane composite formed on the body with an aqueous solution containing ions of at least one metal selected from the group consisting of divalent or higher metals excluding Al. A zeolite membrane composite characterized by:
(10) The zeolite membrane composite according to any one of (1) to (9) is brought into contact with a gas mixture composed of a plurality of components, and a highly permeable component is permeated and separated from the gas mixture. Alternatively, a method for separating or concentrating a gaseous mixture, characterized in that a component with low permeability is concentrated by permeating and separating a component with high permeability.
(11) the gas mixture contains carbon dioxide, hydrogen, oxygen, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, normal butane, isobutane, 1-butene, 2-butene, isobutene, sulfur hexafluoride, helium, monoxide The method according to (10), which contains at least one component selected from the group consisting of carbon, nitric oxide and water.
本発明によれば、耐薬品性、耐熱安定性、耐酸化性、耐圧性に優れ、気体の透過量が多く、高い分離係数、湿熱安定性の高い、気体混合物の分離に優れた特性を持つゼオライト膜複合体を提供することができる。また、本発明のゼオライト膜複合体を気体混合物の分離手段として用いることにより、小規模な設備、省エネルギー、低コストで高性能に気体の分離を実施できる。 According to the present invention, it has excellent chemical resistance, heat stability, oxidation resistance, pressure resistance, a large amount of gas permeation, a high separation factor, high wet heat stability, and excellent separation of gas mixtures. A zeolite membrane composite can be provided. In addition, by using the zeolite membrane composite of the present invention as means for separating gas mixtures, gas separation can be carried out with high performance with small-scale equipment, energy saving, and low cost.
また、本発明によれば、気体混合物から透過性の大きい気体を透過させ、透過性の小さい気体は濃縮されることにより、透過性の大きい気体を系外に分離し、透過性の小さい気体を濃縮・回収することで目的気体を気体混合物から高純度で分離することができる。 Further, according to the present invention, a highly permeable gas is permeated from the gas mixture, and a less permeable gas is concentrated, thereby separating the highly permeable gas from the system and removing the less permeable gas. By concentrating and recovering, the target gas can be separated from the gas mixture with high purity.
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。なお、本明細書において、「ゼオライト膜が、無機多孔質支持体上に形成されてなるゼオライト膜複合体」を「「無機多孔質支持体-ゼオライト膜複合体」と、「無機多孔質支持体-ゼオライト膜複合体」を「ゼオライト膜複合体」または「膜複合体」と、「無機多孔質支持体」を「多孔質支持体」または「支持体」と、「CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト」を「CHA型ゼオライト」と略称することがある。 Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in more detail, but the description of the constituent elements described below is an example of the 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 present specification, "zeolite membrane composite formed on an inorganic porous support" is referred to as "inorganic porous support-zeolite membrane composite" and "inorganic porous support - "zeolite membrane composite" as "zeolite membrane composite" or "membrane composite", "inorganic porous support" as "porous support" or "support", and "CHA-type aluminosilicate zeolite" ” may be abbreviated as “CHA-type zeolite”.
<多孔質支持体-ゼオライト膜複合体>
本発明のゼオライト膜複合体は、複数の成分からなる気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離するために用いるゼオライト膜複合体であって、Alを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含有するCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含むゼオライト膜が、無機多孔質支持体上に形成されてなることに特徴をもつものである。
<Porous support-zeolite membrane composite>
The zeolite membrane composite of the present invention is a zeolite membrane composite used for permeating and separating highly permeable components from a gas mixture consisting of a plurality of components, and is composed of a divalent or higher metal excluding Al. It is characterized in that a zeolite membrane containing a CHA-type aluminosilicate zeolite containing at least one metal selected from the group is formed on an inorganic porous support.
本発明において、ゼオライト膜複合体は、上記のとおり、複数の成分からなる気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離する膜分離手段として用いられるものである。
気体成分、分離方法、分離性能などの気体混合物の分離または濃縮方法に係る事項は、ゼオライト膜複合体の詳細を説明した後に説明する。
In the present invention, as described above, the zeolite membrane composite is used as a membrane separation means for permeating and separating highly permeable components from a gas mixture consisting of a plurality of components.
Matters relating to the method of separating or concentrating a gas mixture, such as gas components, separation method, separation performance, etc., will be described after the details of the zeolite membrane composite are described.
(ゼオライト膜)
本発明において、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物、あるいはゼオライト表面を修飾するシリル化剤などを必要に応じ含んでいてもよい。
ゼオライト膜は、一部アモルファス成分などが含有されていてもよいが、好ましくは実質的にゼオライトのみで構成されるゼオライト膜である。
(zeolite membrane)
In the present invention, the components constituting the zeolite membrane may optionally contain inorganic binders such as silica and alumina, organic substances such as polymers, and silylating agents for modifying the zeolite surface, in addition to zeolite.
The zeolite membrane may partially contain an amorphous component or the like, but is preferably a zeolite membrane substantially composed of zeolite alone.
ゼオライト膜の厚さは特に限定されないが、通常0.1μm以上、好ましくは0.6μm以上、より好ましくは1.0μm以上である。また、通常100μm以下、好ましくは60μm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、膜強度が低下する傾向がある。 Although the thickness of the zeolite membrane is not particularly limited, it is usually 0.1 μm or more, preferably 0.6 μm or more, and more preferably 1.0 μm or more. Also, it is usually 100 μm or less, preferably 60 μm or less, more preferably 20 μm or less. If the film thickness is too large, the permeation amount tends to decrease, and if it is too small, the selectivity tends to decrease and the film strength tends to decrease.
ゼオライト膜を形成す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。それ故、通常30nm以上、好ましくは50nm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より好ましい。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好ましい。 The particle size of the zeolite forming the zeolite membrane is not particularly limited, but if it is too small, the grain boundary tends to become large and the permeation selectivity tends to decrease. Therefore, it is usually 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and the upper limit is not more than the thickness of the film. Furthermore, it is more preferable if the particle size of the zeolite is the same as the thickness of the membrane. The zeolite grain boundaries are the smallest when the zeolite particle size is the same as the film thickness. A zeolite membrane obtained by hydrothermal synthesis, which will be described later, is preferable because the zeolite particle size and membrane thickness may be the same.
ゼオライト膜の形状(膜複合体としたときの形状)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0.5mm以上4mm以下が実用的で好ましい。 The shape of the zeolite membrane (the shape of the membrane composite) is not particularly limited, and any shape such as tubular, hollow fiber, monolithic, honeycomb and the like can be adopted. The size is also not particularly limited, and for example, in the case of a tubular shape, it is practical and preferable to have a length of 2 cm or more and 200 cm or less, an inner diameter of 0.05 cm or more and 2 cm or less, and a thickness of 0.5 mm or more and 4 mm or less.
本発明において、ゼオライト膜は、Alを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含有する。2価以上の金属としては、例えば、Mg、Fe、Ga、La、Cr、Zr、Sn、Ti等が挙げられる。これらの中で、Mg、Fe、La、Cr、Zrが好ましい。ゼオライト膜に含有するこれら金属元素は、上記のとおり、1種であっても良く、任意の組合せによる複数種であってもよい。 In the present invention, the zeolite membrane contains at least one metal selected from the group consisting of divalent or higher valent metals excluding Al. Examples of divalent or higher metals include Mg, Fe, Ga, La, Cr, Zr, Sn, and Ti. Among these, Mg, Fe, La, Cr and Zr are preferred. As described above, these metal elements contained in the zeolite membrane may be of one type, or may be of a plurality of types in any combination.
これら金属元素は、イオン交換もしくは酸化物としてゼオライトに含有されている、またはゼオライトの骨格の一部に置換されているものと考えられる。 It is believed that these metal elements are contained in the zeolite as ion-exchanged or oxides, or are substituted as part of the zeolite skeleton.
この金属元素の含有量は、走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)や、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析、X線光電子分光法(XPS)等で測定することができる。SEM-EDXでは化学分析によって、金属元素含有量の値が得られている試料で検量線を作成して、定量することが望ましい。ICPではゼオライト膜部分をフッ酸などで溶解させて測定することができる。XPSでは膜表面の金属含有量を測定することができる。 The content of this metal element can be measured by scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), or the like. can. In SEM-EDX, it is desirable to quantify by preparing a calibration curve using samples whose metal element content values have been obtained by chemical analysis. ICP can be measured by dissolving the zeolite membrane portion with hydrofluoric acid or the like. XPS can measure the metal content of the film surface.
これら金属元素を含有させることにより、細孔内に金属元素が存在する場合は、その存在位置や金属原子のサイズに応じてゼオライト膜の有効細孔サイズが変化すると考えられる。金属元素の含有量が増加すると、細孔サイズの変化も大きくなるが、この細孔サイズは分離する成分の分子サイズによって好適な値が決まる。そのため、分離する成分によって好適な金属元素の含有量が異なる。わずかに金属元素を含有するだけでも、その量に応じて分離性能は少なからず影響を受けることとなるが、目標とする成分分離性能がわずかな量で達成できる場合には、金属元素量は非常に少なくても良い。また分離する成分分子がどれも非常に小さなサイズ等、目標の分離性能の達成のために細孔サイズを大幅に小さくする必要がある場合には、金属元素含有量は多い方が良い傾向がある。ただし、金属元素含有量が大きすぎる場合には細孔が閉塞して、ガスの透過が起こりにくくなる傾向がある。 By including these metal elements, if the metal elements are present in the pores, it is thought that the effective pore size of the zeolite membrane changes according to the position of the presence and the size of the metal atoms. As the metal element content increases, the change in pore size also increases, and the preferred value of this pore size is determined by the molecular size of the component to be separated. Therefore, the suitable metal element content differs depending on the component to be separated. Even if a small amount of metal element is contained, the separation performance will be affected not a little depending on the amount, but if the target component separation performance can be achieved with a small amount, the amount of metal element less is better. In addition, when it is necessary to greatly reduce the pore size in order to achieve the target separation performance, such as when the component molecules to be separated are all very small, the higher the metal element content, the better. . However, if the metal element content is too large, the pores tend to be clogged, making it difficult for gas to permeate.
またイオン化傾向の小さい金属元素などでは酸化物となって、細孔外に存在することも可能である。細孔外に存在する場合、その存在箇所が膜欠陥であれば、膜欠陥を埋める作用を及ぼし、分離性能向上につながると考えられる。膜の欠陥が多い場合には金属元素の含有量は多い方が好ましく、欠陥が少ない膜の場合では含有量は少なくても良い。細孔外の金属元素が多すぎる場合には細孔入口を塞ぎ透過度が低下する可能性がある。 In addition, a metal element with a low ionization tendency can become an oxide and exist outside the pores. When it is present outside the pores, if the location of its presence is a membrane defect, it is thought that it acts to fill the membrane defect, leading to an improvement in separation performance. When the film has many defects, the content of the metal element is preferably large, and when the film has few defects, the content may be small. If there are too many metal elements outside the pores, the entrances to the pores may be blocked and the permeability may decrease.
あるいは金属元素がゼオライト骨格に取り込まれた場合には、金属元素種の原子径によって、細孔径はわずかに影響を受ける。原子径が大きな金属元素を取り込んだ場合には細孔径は大きくなる傾向があり、原子径が小さな金属元素を取り込んだ場合には細孔径は小さくなる傾向がある。この場合においても、分離する成分の分子サイズによって、好適な細孔サイズが存在するので、好適なサイズになるような金属量を骨格に取り入れることが望ましい。 Alternatively, when a metal element is incorporated into the zeolite framework, the pore size is slightly affected by the atomic diameter of the metal element species. When a metal element with a large atomic diameter is taken in, the pore size tends to be large, and when a metal element with a small atomic diameter is taken in, the pore size tends to be small. Also in this case, there is a suitable pore size depending on the molecular size of the component to be separated, so it is desirable to incorporate an amount of metal into the skeleton that will result in a suitable size.
さらに、金属元素がいずれの状態で存在しても、金属元素と分離する成分分子が相互作用する場合がある。例えば、ゼオライト細孔内が金属元素の存在によって極性の高い場になれば、水蒸気のような極性分子は吸着が起こりやすくなり、透過量が高くなる傾向がある。このように各分子が金属元素との相互作用する場合には、ゼオライト膜への吸着性が異なることから透過量に影響することがある。金属元素量は、少なすぎると吸着能を十分高めることができず、多すぎる場合や金属元素と成分分子の組み合わせによっては吸着能が高くなりすぎ、分子が細孔内で留まり膜を透過しない場合がある。 Furthermore, regardless of the state of the metal element, the component molecules that separate from the metal element may interact with each other. For example, if the inside of the zeolite pores becomes a highly polar field due to the presence of a metal element, polar molecules such as water vapor are likely to be adsorbed, and the amount of permeation tends to increase. When each molecule interacts with a metal element in this manner, the amount of permeation may be affected due to the difference in adsorption to the zeolite membrane. If the amount of the metal element is too small, the adsorption capacity cannot be sufficiently increased, and if it is too large, or depending on the combination of the metal element and the component molecules, the adsorption capacity becomes too high, and the molecules remain in the pores and do not permeate the membrane. There is
上記の理由により、分離する成分やゼオライト膜の欠陥の多少によって、好適な金属元素の含有量が変わる。そのため金属元素の含有量は特に限定されないが、Alに対するAlを除く2価以上の金属のモル比(2価以上の金属/Alモル比)で、通常0.0002以上、好ましくは0.0004以上、より好ましくは0.001以上、さらに好ましくは0.003以上、さらに好ましくは0.006以上、さらに好ましくは0.01以上である。上限は、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは10以下、さらに好ましくは5以下、さらに好ましくは1以下である。 For the above reasons, the preferred content of the metal element varies depending on the component to be separated and the amount of defects in the zeolite membrane. Therefore, the content of the metal element is not particularly limited, but the molar ratio of the divalent or higher metal excluding Al to Al (bivalent or higher metal/Al molar ratio) is usually 0.0002 or more, preferably 0.0004 or more. , more preferably 0.001 or more, still more preferably 0.003 or more, still more preferably 0.006 or more, still more preferably 0.01 or more. The upper limit is usually 20 or less, preferably 15 or less, more preferably 10 or less, still more preferably 5 or less, and even more preferably 1 or less.
XPSで測定される表面の組成を基準とする場合には、Alや金属元素の偏在によって好適な値が全体組成と異なる傾向がある。2価以上の金属/Alモル比で、通常0.0003以上、好ましくは0.0006以上、よりに好ましくは0.002以上、さらに好ましくは0.005以上、さらに好ましくは0.009以上、さらに好ましくは0.02以上である。上限は、通常30以下、好ましくは23以下、より好ましくは15以下、さらに好ましくは8以下、より好ましくは2以下である。 When the composition of the surface measured by XPS is used as a reference, the preferred value tends to differ from the overall composition due to uneven distribution of Al and metal elements. Divalent or higher metal / Al molar ratio is usually 0.0003 or more, preferably 0.0006 or more, more preferably 0.002 or more, still more preferably 0.005 or more, still more preferably 0.009 or more, and further Preferably it is 0.02 or more. The upper limit is usually 30 or less, preferably 23 or less, more preferably 15 or less, still more preferably 8 or less, more preferably 2 or less.
なお、「2価以上の金属/Alモル比」は、Alに対するAlを除く2価以上の金属の合計量のモル比である。 In addition, the "divalent or higher metal/Al molar ratio" is the molar ratio of the total amount of the divalent or higher metal excluding Al to Al.
(ゼオライト)
本発明において、ゼオライト膜を構成するゼオライトはCHA型アルミノ珪酸塩である。アルミノ珪酸塩は、SiとAlの酸化物を主成分とするものであり、本発明の効果を損なわない限り、それ以外の元素が含まれていてもよい。
(zeolite)
In the present invention, the zeolite constituting the zeolite membrane is CHA-type aluminosilicate. The aluminosilicate is mainly composed of oxides of Si and Al, and may contain other elements as long as the effects of the present invention are not impaired.
ゼオライトの有効細孔径、極性は、酸処理、シリル化などによっても制御することが可能である。有効細孔径を制御することによって、分離性能を向上させることも可能である。 The effective pore size and polarity of zeolite can also be controlled by acid treatment, silylation, and the like. Separation performance can also be improved by controlling the effective pore size.
酸処理を行うことによって、条件によるが、通常骨格に導入された金属の少なくとも一部が骨格から脱離し、また、細孔内に存在する金属イオンはH+に交換される傾向がある。金属が骨格から脱離した場合には金属量の減少によって、極性が低下する効果がある。
また、脱離した金属の原子径に応じて細孔サイズが変化する場合がある。細孔内の金属イオンがH+に交換された場合も同様に、交換された金属の原子径と極性の大小によって、細孔サイズと細孔内の極性を変えることができる。
Depending on the conditions, the acid treatment tends to cause at least part of the metal introduced into the skeleton to be desorbed from the skeleton, and the metal ions present in the pores to be exchanged with H + . When the metal is detached from the framework, the amount of metal decreases, which has the effect of lowering the polarity.
Moreover, the pore size may change depending on the atomic diameter of the detached metal. Similarly, when the metal ions in the pores are exchanged with H + , the pore size and the polarity in the pores can be changed depending on the atomic diameter and polarity of the exchanged metal.
シリル化によっても、ゼオライトの有効細孔径を小さくすることが可能である。外表面の末端シラノールをシリル化し、さらに、シリル化層を積層することによって、一般的にゼオライトの外表面に面した細孔の有効細孔径は小さくなる。 Silylation can also reduce the effective pore size of zeolites. By silylating the terminal silanols on the outer surface and laminating a silylated layer, the effective pore diameter of the pores facing the outer surface of the zeolite generally becomes smaller.
本発明において、アルミノ珪酸塩のSiO2/Al2O3モル比は特に限定されないが、通常6以上、好ましくは10以上、より好ましくは20以上、さらに好ましくは30以上、さらに好ましくは32以上、さらに好ましくは35以上、特に好ましくは40以上である。上限は、通常Alが不純物程度の量であり、SiO2/Al2O3モル比としては、通常500以下、好ましくは100以下、より好ましくは90以下、さらに好ましくは80以下、さらに好ましくは65以下、特に好ましくは48以下である。SiO2/Al2O3モル比が前記下限未満ではゼオライト膜の緻密性が低下する場合があり、また耐久性が低下する傾向がある。
SiO2/Al2O3モル比は、後に述べる水熱合成の反応条件により調整することができる。
In the present invention, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the aluminosilicate is not particularly limited. More preferably 35 or more, particularly preferably 40 or more. The upper limit is usually about the amount of Al as an impurity, and the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is usually 500 or less, preferably 100 or less, more preferably 90 or less, even more preferably 80 or less, further preferably 65. 48 or less is particularly preferable. If the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is less than the above lower limit, the density of the zeolite membrane may decrease, and durability tends to decrease.
The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio can be adjusted by the reaction conditions for hydrothermal synthesis, which will be described later.
なお、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。数ミクロンの膜のみの情報を得るために通常はX線の加速電圧を10kVで測定する。 The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is a numerical value obtained by scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). The X-ray acceleration voltage is usually measured at 10 kV in order to obtain information only on films of a few microns.
(CHA型ゼオライト)
本発明において、CHA型ゼオライトとは、International Zeolite Association(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。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0.38×0.38nm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。
(CHA-type zeolite)
In the present invention, the CHA-type zeolite is a code that defines the structure of zeolite defined by the International Zeolite Association (IZA) and has a CHA structure. It is a zeolite with a crystal structure similar to that of naturally occurring chabazite. CHA-type zeolites have a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of eight-membered oxygen rings with diameters of 0.38×0.38 nm, 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/nm3)は14.5である。また、SiO2/Al2O3モル比は上記と同様である。
ここで、フレームワーク密度(T/nm3)とは、ゼオライトのnm3(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ものである。なお、フレームワーク密度とゼオライトの構造との関係はATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2001 ELSEVIERに示されている。
The framework density (T/nm3) of CHA-type zeolite is 14.5. Also, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is the same as above.
Here, the framework density (T/nm 3 ) means the number of elements (T elements) other than oxygen constituting the framework per nm 3 (1000 Å 3) of zeolite, and this value depends on the structure of the zeolite. It is decided. The relationship between framework density and zeolite structure is shown in ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2001 ELSEVIER.
(無機多孔質支持体)
無機多孔質支持体は、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る多孔質の無機物質であれば如何なるものであってもよい。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、炭化珪素などのセラミックス焼結体、鉄、ブロンズ、ステンレスなどの焼結金属や、ガラス、カーボン成型体などが挙げられる。
(Inorganic porous support)
The inorganic porous support may be any porous inorganic material having chemical stability such that zeolite can be crystallized into a film on its surface. Specifically, for example, ceramic sintered bodies such as silica, α-alumina, γ-alumina, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide, sintered metals such as iron, bronze and stainless steel, and glass , carbon moldings, and the like.
無機多孔質支持体の中で、セラミックス焼結体は、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。
さらに、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は、支持体の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のでより好ましい。
Among the inorganic porous supports, the ceramic sintered body has the effect of increasing the adhesiveness of the interface by partly converting to zeolite during the synthesis of the zeolite membrane.
Furthermore, since the inorganic porous support containing at least one of alumina, silica, and mullite is easy to partially convert to zeolite, the bond between the support and zeolite is strong, resulting in a dense separation performance. It is more preferable because a high film can be easily formed.
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、無機多孔質支持体の表面などにゼオライト膜を形成、好ましくはゼオライトを膜状に結晶化させる。
The shape of the support is not particularly limited as long as the gas mixture can be effectively separated. honeycombs and monoliths.
In the present invention, a zeolite membrane is formed on the surface of an inorganic porous support or the like, preferably the zeolite is crystallized into a membrane.
支持体が有する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く、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。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ったり、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 of the support is not particularly limited, but the pore diameter is preferably controlled and is usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and usually 20 μm or less. , preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the pore size is too small, the permeation amount tends to be small, and if it is too large, the strength of the support itself tends to be insufficient, and it tends to be difficult to form a dense zeolite membrane.
支持体の表面は滑らかであることが好ましく、必要に応じて表面をやすり等で研磨してもよい。なお、支持体の表面とはゼオライト膜を形成させる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良い。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 surface of the support is preferably smooth, and if necessary, the surface may be polished with a file or the like. In addition, the surface of the support means the surface portion of the support on which the zeolite membrane is formed. For example, in the case of a cylindrical tube support, it may be the outer surface, the inner surface, or in some cases both the outer and inner surfaces.
また、支持体の気孔率は特に制限されず、また特に制御する必要は無いが、気孔率は、通常20%以上60%以下であることが好ましい。気孔率は、気体や液体を分離する際の透過流量を左右し、前記下限未満では透過物の拡散を阻害する傾向があり、前記上限超過では支持体の強度が低下する傾向がある。 The porosity of the support is not particularly limited and need not be particularly controlled, but the porosity is preferably 20% or more and 60% or less. The porosity affects the permeation flow rate during separation of gas and liquid. If the porosity is less than the lower limit, diffusion of the permeate tends to be inhibited, and if the porosity exceeds the upper limit, the strength of the support tends to decrease.
(ゼオライト膜複合体)
ゼオライト膜複合体とは、支持体の表面などにゼオライトが膜状に固着しているものであり、場合によっては、ゼオライトの一部が、支持体の内部にまで固着している状態のものが好ましい。
(Zeolite membrane composite)
A zeolite membrane composite is a membrane in which zeolite is adhered to the surface of a support or the like, and in some cases, a part of the zeolite is adhered to the inside of the support. preferable.
ゼオライト膜複合体としては、例えば、支持体の表面などにゼオライトを水熱合成により膜状に結晶化させたものが好ましい。 As the zeolite membrane composite, for example, one obtained by crystallizing zeolite in the form of a membrane on the surface of a support or the like by hydrothermal synthesis is preferable.
ゼオライト膜の支持体上の位置は特に限定されず、管状の支持体を用いる場合、外表面にゼオライト膜をつけてもよいし、内表面につけてもよく、さらに適用する系によっては両面につけてもよい。また、支持体の表面に積層させてもよいし、支持体の表面層の細孔内を埋めるように結晶化させてもよい。この場合、結晶化した膜層の内部に亀裂や連続した微細孔が無いことが重要であり、いわゆる緻密な膜を形成させることが分離性を向上することになる。 The position of the zeolite membrane on the support is not particularly limited, and when a tubular support is used, the zeolite membrane may be attached to the outer surface, the inner surface, or both sides depending on the application system. good too. Moreover, it may be laminated on the surface of the support, or may be crystallized so as to fill the pores of the surface layer of the support. In this case, it is important that there are no cracks or continuous micropores inside the crystallized film layer, and formation of a so-called dense film improves separation.
本発明におけるゼオライト膜複合体は、膜表面にX線を照射して得た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倍以上であることが好ましい。 In the zeolite membrane composite of the present invention, in the X-ray diffraction pattern obtained by irradiating the membrane surface with X-rays, the intensity of the peak near 2θ = 17.9 ° is the intensity of the peak near 20.8 ° is preferably 0.5 times or more.
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、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.8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 the measured value minus the background value. (Intensity of peak near 2θ = 17.9°)/(Intensity of peak near 2θ = 20.8°) peak intensity ratio (hereinafter sometimes referred to as “peak intensity ratio A”) In other words, it is preferably 0.5 or more, more preferably 0.8 or more. Although the upper limit is not particularly limited, it is usually 1000 or less.
また、本発明においてゼオライト膜複合体は、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2.0倍以上の大きさであることが好ましい。 In addition, in the zeolite membrane composite in the present invention, in the X-ray diffraction pattern, the intensity of the peak near 2θ = 9.6° is 2.0 times or more the intensity of the peak near 2θ = 20.8°. is preferably
(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、好ましくは2.0以上、より好ましくは2.5以上、より好ましくは3以上、さらに好ましくは4以上、さらに好ましくは6以上、さらに好ましくは8以上、特に好ましくは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。 (Intensity of peak near 2θ = 9.6°)/(Intensity of peak near 2θ = 20.8°) Peak intensity ratio (hereinafter sometimes referred to as “peak intensity ratio B”) In other words, it is preferably 2.0 or more, more preferably 2.5 or more, more preferably 3 or more, still more preferably 4 or more, still more preferably 6 or more, still more preferably 8 or more, and particularly preferably 10 or more. . Although the upper limit is not particularly limited, it is usually 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CuKα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、作成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 referred to here is obtained by irradiating the surface on the side where the zeolite is mainly adhered with X-rays from CuKα as a radiation source, with the scanning axis set to θ/2θ. The shape of the sample to be measured can be anything as long as the surface of the membrane composite on which the zeolite is mainly attached can be irradiated with X-rays. Whole bodies or cut to appropriate sizes as constrained by equipment are preferred.
ここでいう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。 When the surface of the zeolite membrane composite is curved, the X-ray diffraction pattern referred to here may be measured by fixing the irradiation width using an automatically variable slit. The X-ray diffraction pattern in the case of using an automatically variable slit refers to a pattern subjected to variable→fixed slit correction.
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 peak near 2θ=17.9° refers to the maximum peak present in the range of 17.9°±0.6° among the peaks not derived from the substrate.
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。 The peak near 2θ=20.8° refers to the largest peak present in the range of 20.8°±0.6° among the peaks not derived from the substrate.
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。 The peak near 2θ=9.6° refers to the largest peak present in the range of 9.6°±0.6° among the peaks not derived from the base material.
X線回折パターンで2θ=9.6°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を According to COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER, the peak near 2θ = 9.6° in the X-ray diffraction pattern is 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。 (No. 166), this is a peak derived from a plane with an index of (1, 0, 0) in the CHA structure.
また、X線回折パターンで2θ=17.9°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を Also, according to COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER, the peak near 2θ = 17.9° in the X-ray diffraction pattern is rhombohedral 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。 (No. 166), this is a peak derived from a plane with an index of (1, 1, 1) in the CHA structure.
X線回折パターンで2θ=20.8°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を According to COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER, the peak near 2θ = 20.8° in the X-ray diffraction pattern is rhombohedral 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。 (No. 166), this is a peak derived from a plane with an index of (2, 0, −1) in the CHA structure.
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B)は、非特許文献2によれば2未満である。
A typical ratio (peak intensity ratio B) of the peak intensity derived from the (1,0,0) plane and the peak intensity derived from the (2,0,-1) plane in the zeolite membrane of CHA-type aluminosilicate is , which is less than 2 according to
そのため、この比が2.0以上であるということは、例えば、CHA構造をrhombohedral setting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, when this ratio is 2.0 or more, for example, when the CHA structure is rhombohedral setting, the (1,0,0) plane of the zeolite is oriented nearly parallel to the surface of the membrane composite. This is considered to mean that the crystals are oriented and growing. Oriented growth of zeolite crystals in the zeolite membrane composite is advantageous in that a dense membrane with high separation performance can be formed.
(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。
A 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 is 0 according to
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rhombohedral 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。 Therefore, when this ratio is 0.5 or more, for example, when the CHA structure is rhombohedral setting, the (1,1,1) plane of the zeolite is oriented nearly parallel to the surface of the membrane composite. This is considered to mean that the crystals are oriented and growing. Oriented 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。 Thus, the fact that one of the peak intensity ratios A and B is a value within the above-described specific range means that the zeolite crystals are oriented and grow, and a dense membrane with high separation performance is formed. is shown.
ここで、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。 Here, the larger the peak intensity ratios A and B, the stronger the degree of orientation, and generally, the stronger the degree of orientation, the denser the film is formed. In general, the stronger the orientation, the higher the separation performance. However, depending on the mixture to be separated, the optimum degree of orientation for high separation performance differs. It is desirable to select and use membrane composites.
CHA型ゼオライト結晶が配向して成長している緻密なゼオライト膜は、次に述べる通り、ゼオライト膜を水熱合成法により形成する際に、例えば、特定の有機テンプレートを用い、水性反応混合液中にK+イオンを共存させることにより達成することができる。 A dense zeolite membrane in which CHA-type zeolite crystals are oriented and grown is produced by, for example, using a specific organic template in an aqueous reaction mixture when forming a zeolite membrane by a hydrothermal synthesis method, as described below. can be achieved by allowing K + ions to coexist.
<ゼオライト膜複合体の製造方法>
本発明において、ゼオライト膜の製造方法は、上記した特定のゼオライト膜が形成可能な方法であれば特に制限されず、例えば、(1)支持体上にCHA型ゼオライトを膜状に結晶化させる方法、(2)支持体にCHA型ゼオライトを無機バインダー、あるいは有機バインダーなどで固着させる方法、(3)CHA型ゼオライトを分散させたポリマーを固着させる方法、(4)CHA型ゼオライトのスラリーを支持体に含浸させ、場合によっては吸引させることによりゼオライトを支持体に固着させる方法などにより製造されたゼオライト膜複合体に、後処理により特定の金属元素を含有させる方法、または、ゼオライトを水熱合成する際に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。)へ特定の金属元素を含有させておく方法などの何れの方法も用いることができる。
<Method for producing zeolite membrane composite>
In the present invention, the method for producing a zeolite membrane is not particularly limited as long as it is a method capable of forming the specific zeolite membrane described above. (2) a method of fixing CHA-type zeolite to a support with an inorganic binder or an organic binder; (3) a method of fixing a polymer in which CHA-type zeolite is dispersed; A method of adding a specific metal element to the zeolite membrane composite produced by, for example, a method of fixing the zeolite to a support by impregnating the zeolite with the zeolite and optionally aspirating the zeolite to the support, or hydrothermally synthesizing the zeolite. In some cases, any method such as a method of adding a specific metal element to a reaction mixture for hydrothermal synthesis (hereinafter sometimes referred to as "aqueous reaction mixture") can be used.
これらの中で、無機多孔質支持体にゼオライトを膜状に結晶化させ、後処理により金属元素を含有させる方法が特に好ましい。
結晶化の方法に特に制限はないが、支持体を、ゼオライト製造に用いる水熱合成用の反応混合物中に入れて、直接水熱合成することで支持体表面などにゼオライトを結晶化させる方法が好ましい。
Among these, the method of crystallizing zeolite in the form of a film on an inorganic porous support and adding a metal element by post-treatment is particularly preferred.
Although the method of crystallization is not particularly limited, a method of crystallizing zeolite on the surface of the support by directly hydrothermally synthesizing the support in a reaction mixture for hydrothermal synthesis used for zeolite production is available. preferable.
具体的には、例えば、組成を調整して均一化した水性反応混合物を、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、一定時間加熱すればよい。 Specifically, for example, an aqueous reaction mixture whose composition has been adjusted and homogenized may be placed in a heat-resistant and pressure-resistant container such as an autoclave in which a support is loosely fixed, sealed, and heated for a certain period of 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。 The aqueous reaction mixture preferably contains an elemental Si source, an elemental Al source, an alkalinity source, water, and optionally an organic template.
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。 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。 As the Al element source, for example, sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum oxide, amorphous aluminosilicate gel and the like can be used.
アルカリ源として用いるアルカリの種類は特に限定されず、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、また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も用いることができる。 The type of alkali used as the alkali source is not particularly limited, and alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, and hydroxide ions of counter anions of organic templates can also be used.
金属水酸化物の金属種は、通常Na、K、Li、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr、Ba、好ましくはNa、K、より好ましくはKである。また、金属水酸化物の金属種は2種類以上を併用してもよく、具体的には、NaとK、あるいはLiとKを併用するのが好ましい。 The metal species of metal hydroxides are usually Na, K, Li, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba, preferably Na, K, more preferably K. Moreover, two or more kinds of metal species of the metal hydroxide may be used in combination, and specifically, it is preferable to use Na and K or Li and K together.
具体的には、アルカリ源としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム等のアルカリ土類金属水酸化物等を用いることができる。 Specifically, examples of alkali sources include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, rubidium hydroxide, and cesium hydroxide; calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and strontium hydroxide. , alkaline earth metal hydroxides such as barium hydroxide and the like can be used.
水性反応混合物に用いるアルカリ源として、次に述べる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を用いることができる。有機テンプレートはアルカリ源としての役割もある一方、アルカリ源とならない場合でも構造規定材の役割を有する。 As the alkalinity source used in the aqueous reaction mixture, the hydroxide ion of the counter anion of the organic template described below can be used. While the organic template serves as an alkali source, it also serves as a structure directing material even when it does not serve as an alkali source.
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、結晶性が向上する。 In the crystallization of zeolite, an organic template (structure-directing agent) can be used as necessary, but one synthesized using an organic template is preferred. Synthesis using an organic template increases the ratio of silicon atoms to aluminum atoms in the crystallized zeolite, improving crystallinity.
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うるものであれば
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。
有機テンプレートとしては、通常、アミン類、4級アンモニウム塩類が用いられる。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。
Any kind of organic template may be used as long as it can form a desired zeolite membrane. Also, one type of template may be used, or two or more types may be used in combination.
As organic templates, amines and quaternary ammonium salts are usually used. For example, organic templates described in US Pat. No. 4,544,538 and US 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がられる。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、緻密な膜を形成しうるCHA型ゼオライトが結晶化する。 Specific examples include cations derived from alicyclic amines such as cations derived from 1-adamantaneamine, cations derived from 3-quinaclidinal, and cations derived from 3-exo-aminonorbornene. be Among these, cations derived from 1-adamantanamine are more preferred. When a cation derived from 1-adamantaneamine is used as an organic template, a CHA-type zeolite capable of forming a dense membrane is crystallized.
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。 Among the cations derived from 1-adamantaneamine, N,N,N-trialkyl-1-adamantanammonium cations are more preferred. The three alkyl groups of the N,N,N-trialkyl-1-adamantane ammonium cation are usually independent alkyl groups, preferably lower alkyl groups, more preferably methyl groups. The most preferred compound among them is the N,N,N-trimethyl-1-adamantane ammonium 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。 Such cations are accompanied by anions that do not interfere with the formation of CHA-type zeolites. Representatives of such anions include halogen ions such as Cl-, Br-, I-, hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Among these, hydroxide ions are particularly preferably used.
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。 N,N,N-trialkylbenzylammonium cations can also be used as other organic templates. Also in this case, the alkyl groups are each independent alkyl groups, preferably lower alkyl groups, more preferably methyl groups. Among them, the most preferred compound is the N,N,N-trimethylbenzylammonium cation. Also, the anion accompanying this cation is the same as described above.
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。 The ratio of the Si elemental source to the Al elemental source in the aqueous reaction mixture is usually expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, ie, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio.
このSiO2/Al2O3比は、上記したSiO2/Al2O3比をもつゼオライトが形成可能な比であれば特に限定されないが、通常5以上、好ましくは20以上、より好ましくは30以上、さらに好ましくは40以上、特に好ましくは50以上である。また上限は、通常500以下、好ましくは200以下、より好ましくは150以下、さらに好ましくは100以下である。SiO2/Al2O3比がこの範囲にあるとき、緻密な膜を形成しうるCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを結晶化させることができる。 The SiO 2 /Al 2 O 3 ratio is not particularly limited as long as the zeolite having the above SiO 2 /Al 2 O 3 ratio can be formed, but is usually 5 or more, preferably 20 or more, more preferably 30. above, more preferably 40 or more, and particularly preferably 50 or more. The upper limit is usually 500 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less, and even more preferably 100 or less. When the SiO 2 /Al 2 O 3 ratio is within this range, a CHA-type aluminosilicate zeolite capable of forming a dense film can be crystallized.
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。この範囲にあるとき緻密なゼオライト膜が生成しうることに加えて、生成したゼオライトが耐酸性に強くAlが脱離しにくい。また、この条件において、特に緻密で耐酸性のCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを形成させることができる。 The ratio of the silica source to the organic template in the aqueous reaction mixture is generally 0.005 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.01 or more, in terms of the molar ratio of organic template to SiO2 (organic template/ SiO2 ratio). 02 or more, and usually 1 or less, preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less. In addition to being able to form a dense zeolite film within this range, the formed zeolite has strong acid resistance and Al is difficult to detach. Under these conditions, a particularly dense and acid-resistant CHA-type aluminosilicate zeolite can be formed.
Si元素源とアルカリ源の比は、M2O/SiO2(ここで、Mはアルカリ金属を示す。)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。 The ratio of the Si element source to the alkali source is usually 0.02 or more, preferably 0.04 or more, more preferably 0.04 or more, in terms of M 2 O/SiO 2 (where M represents an alkali metal) molar ratio. 05 or more, and usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less.
CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜を形成する際、アルカリ金属の中でカリウム(K)が含まれる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、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.3以上であり、上限は通常1以下である。 When forming a CHA-type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable to include potassium (K) among the alkali metals in order to form a more dense and highly crystalline membrane. In that case, the molar ratio between K and all alkali metals and/or alkaline earth metals containing K is usually 0.01 or more, preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, and the upper limit is is usually less than or equal to 1.
本発明の好ましい態様で構成された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 The addition of K into the aqueous reaction mixture constructed in accordance with the preferred embodiment of the present invention, as described above, reduces the space group to
(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 near 2θ = 9.6 °, which is the peak derived from the (1, 0, 0) plane in the CHA structure, and the (2, 0, -1) plane Ratio of peak intensity near 2θ = 20.8°, which is a peak derived from (peak intensity ratio B), or near 2θ = 17.9°, which is a peak derived from the (1,1,1) plane There is a tendency to increase the ratio (peak intensity ratio A) between the peak intensity and the peak intensity near 2θ=20.8°, which is the peak derived from the (2, 0, −1) plane.
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。 The ratio of the Si element source to water is usually 10 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and particularly preferably 50 or more, in terms of the molar ratio of water to SiO 2 (H 2 O/SiO 2 molar ratio). , is usually 1000 or less, preferably 500 or less, more preferably 200 or less, and particularly preferably 150 or less.
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うる。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。 Dense zeolite membranes can be produced when the molar ratios of the substances in the aqueous reaction mixture are within these ranges. The amount of water is particularly important in the formation of a dense zeolite film, and a dense film tends to be formed more easily under conditions in which the amount of water is greater than the general conditions of the powder synthesis method.
一般的に、粉末のCHA型アルミノ珪酸塩の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、支持体の表面などにCHA型アルミノ珪酸塩の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。 In general, the amount of water when synthesizing powdery CHA-type aluminosilicate zeolite is about 15 to 50 in H 2 O/SiO 2 molar ratio. A high H 2 O/SiO 2 molar ratio (50 or more and 1000 or less), i.e., a condition with a large amount of water, allows separation in which the CHA-type aluminosilicate zeolite is crystallized into a dense film on the surface of the support or the like. A zeolite membrane composite with high performance can be obtained.
水熱合成に際して、水性反応混合物に前記金属元素源(イオン源)を含有させておくことにより、ゼオライト膜形成時と同時に前記金属をゼオライト膜に含有させることができる。これにより、上記金属元素が高分散したゼオライト膜を得ることができる。 In the hydrothermal synthesis, by including the metal element source (ion source) in the aqueous reaction mixture, the metal can be included in the zeolite membrane at the same time as the zeolite membrane is formed. Thereby, a zeolite membrane in which the metal element is highly dispersed can be obtained.
用い得る金属元素源化合物(金属イオン源化合物)としては、例えば、前記金属元素の硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、リン酸塩、水酸化物、塩化物、錯体等が挙げられる。これらの中で、硝酸塩、硫酸塩、錯体が好ましい。なお本明細書において、金属元素源化合物と金属イオン源化合物とは同義である。 Examples of usable metal element source compounds (metal ion source compounds) include nitrates, sulfates, acetates, phosphates, hydroxides, chlorides and complexes of the above metal elements. Among these, nitrates, sulfates and complexes are preferred. In this specification, the term "metal element source compound" and "metal ion source compound" are synonymous.
水性反応混合物の金属元素源化合物の含有量は、Siに対してモル比で、通常0.001以上、好ましくは0.005以上、より好ましくは0.01以上であり、また通常0.3以下、好ましくは0.2以下、より好ましくは0.1以下である。 The content of the metal element source compound in the aqueous reaction mixture is usually 0.001 or more, preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, and usually 0.3 or less in molar ratio to Si. , preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less.
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。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。 Furthermore, in the hydrothermal synthesis, it is not always necessary to have seed crystals present in the reaction system, but the addition of seed crystals can promote the crystallization of zeolite on the support. The method of adding seed crystals is not particularly limited, and a method of adding seed crystals to an aqueous reaction mixture as in the synthesis of powdered zeolite, a method of adhering seed crystals on a support, or the like can be used. can be done. When producing a zeolite membrane composite, it is preferable to attach seed crystals to the support. By adhering seed crystals to the support in advance, a dense zeolite membrane with good separation performance can be easily formed.
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型アルミノ珪酸塩の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。 The seed crystals to be used may be of any type as long as they are zeolite that promotes crystallization. However, in order to achieve efficient crystallization, the seed crystals are preferably of the same crystal type as the zeolite membrane to be formed. When forming a CHA-type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable to use seed crystals of CHA-type zeolite.
種結晶の粒子径は小さいほうが望ましく、必要に応じて粉砕して用いても良い。粒径は、通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上であり、通常5μm以下、好ましくは、3μm以下、より好ましくは2μm以下である。 It is desirable that the seed crystals have a smaller particle size, and if necessary, they may be pulverized before use. The particle size is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, and usually 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less.
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表面に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、再現性良く膜複合体を製造するにはディップ法が望ましい。 The method of depositing seed crystals on the support is not particularly limited. For example, a dipping method in which seed crystals are dispersed in a solvent such as water, the support is immersed in the dispersion, and the seed crystals are deposited on the surface; A method of mixing seed crystals with a solvent such as water to form a slurry and applying the slurry onto a support can be used. The dipping 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、アルカリ性水溶液が好ましい。アルカリ性水溶液の種類は特に限定されないが、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液が好ましい。またこれらのアルカリ種は混合されていてもよい。アルカリ濃度は特に限定されず、通常0.0001mol%以上、好ましくは0.0002mol%以上、より好ましくは0.001mol%以上、さらに好ましくは0.002mol%以上である。また、通常1mol%以下、好ましくは0.8mol%以下、より好ましくは0.5mol%以下、さらに好ましくは0.2mol%以下である。 A solvent for dispersing the seed crystals is not particularly limited, but water and an alkaline aqueous solution are particularly preferable. Although the type of alkaline aqueous solution is not particularly limited, sodium hydroxide aqueous solution and potassium hydroxide aqueous solution are preferable. Also, these alkaline species may be mixed. The alkali concentration is not particularly limited, and is usually 0.0001 mol % or more, preferably 0.0002 mol % or more, more preferably 0.001 mol % or more, and still more preferably 0.002 mol % or more. Also, it is usually 1 mol % or less, preferably 0.8 mol % or less, more preferably 0.5 mol % or less, and still more preferably 0.2 mol % 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表面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。分散液中の種結晶の量が多すぎると、ディップ法によって支持体上に付着する種結晶の量がほぼ一定となるため、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, resulting in areas where zeolite is not formed partially on the surface of the support during hydrothermal synthesis, resulting in defective membranes. there is a possibility. If the amount of seed crystals in the dispersion is too large, the amount of seed crystals adhering to the support by the dipping method becomes almost constant, resulting in a large amount of waste of the seed crystals, which is 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。 It is desirable to attach seed crystals to the support by dipping or applying a slurry, and after drying, form the zeolite membrane.
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。 The amount of seed crystals deposited in advance on the support is not particularly limited, and is usually 0.01 g or more, preferably 0.05 g or more, and more preferably 0.1 g or more per 1 m 2 of substrate. , usually 100 g or less, preferably 50 g or less, more preferably 10 g or less, still more preferably 8 g or less.
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、支持体表面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。 If the amount of seed crystals is less than the lower limit, it becomes difficult to form crystals, which tends to result in insufficient film growth or non-uniform film growth. In addition, if the amount of seed crystals exceeds the upper limit, the seed crystals increase the unevenness of the surface, and the seed crystals that have fallen from the surface of the support facilitate the growth of spontaneous nuclei, hindering film growth on the support. It may be done. 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。 When a zeolite membrane is formed on a support by hydrothermal synthesis, there is no particular limitation on the method of immobilizing the support, and any configuration such as vertical placement or horizontal placement can be employed. In this case, the zeolite membrane may be formed by a static method, or the aqueous reaction mixture may be stirred to form the zeolite membrane.
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、さらに好ましくは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。 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, and usually 200°C or lower, preferably 190°C or lower, and more preferably 180°C. It is below. If the reaction temperature is too low, it may become difficult to crystallize the zeolite. Also, if the reaction temperature is too high, zeolite of a type different from the zeolite of the present invention may be likely to be produced.
加熱(反応)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日間以下、より好ましくは3日間以下、さらに好ましくは2日間以下である。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、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。 The heating (reaction) time is not particularly limited, but is usually 1 hour or longer, preferably 5 hours or longer, more preferably 10 hours or longer, and is usually 10 days or shorter, preferably 5 days or shorter, more preferably 3 days or shorter, and more preferably 3 days or shorter. It is preferably two days or less. If the reaction time is too short, it may become difficult to crystallize the zeolite. If the reaction time is too long, a zeolite of a different type from the zeolite of the present invention may tend to form.
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、窒素などの不活性ガスを加えても差し支えない。 The pressure during the formation of the zeolite membrane is not particularly limited, and the autogenous pressure generated when the aqueous reaction mixture placed in the closed container is heated to this temperature range is sufficient. Furthermore, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
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 zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heat-treated and dried. Here, the heat treatment means drying the zeolite membrane composite by applying heat or calcining the template when the template is used.
加熱処理の温度は、乾燥を目的とする場合は、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。テンプレートの焼成を目的とする場合は、通常350℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは430℃以上、更に好ましくは450℃以上であり、通常900℃以下、好ましくは850℃以下、さらに好ましくは800℃以下、特に好ましくは750℃以下である。 The temperature of the heat treatment is usually 50° C. or higher, preferably 80° C. or higher, more preferably 100° C. or higher, and usually 200° C. or lower, preferably 150° C. or lower for the purpose of drying. When the purpose is to bake a template, the temperature is usually 350°C or higher, preferably 400°C or higher, more preferably 430°C or higher, still more preferably 450°C or higher, and usually 900°C or lower, preferably 850°C or lower, more preferably 850°C or lower. is 800° C. or lower, particularly preferably 750° C. or lower.
加熱処理の時間は、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100時間以内である。 The heat treatment time is not particularly limited as long as the zeolite membrane is sufficiently dried or the template is baked, and is preferably 0.5 hours or longer, more preferably 1 hour or longer. The upper limit is not particularly limited, and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably within 100 hours.
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。 When hydrothermal synthesis is carried out in the presence of an organic template, the organic template can be removed by, for example, heat treatment or extraction, preferably heat treatment, that is, calcination, after washing the obtained zeolite membrane composite with water. Appropriate.
焼成温度が低すぎると、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・濃縮の際のガスの透過量が減少する場合がある。焼成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。 If the calcination temperature is too low, the organic template tends to remain in a large proportion, and the zeolite has few pores, which may reduce the amount of gas permeation during separation and concentration. If the sintering temperature is too high, the difference in thermal expansion coefficient between the support and the zeolite will increase, which may make the zeolite membrane more susceptible to cracking, resulting in the zeolite membrane losing its compactness and lowering the separation performance. .
焼成時間は、昇温速度や降温速度により変動するが、有機テンプレートが十分に取り除かれる時間であれば特に限定されず、好ましくは1時間以上、より好ましくは5時間以上である。上限は特に限定されず、例えば、通常200時間以内、好ましくは150時間以内、より好ましくは100時間以内、特に好ましくは24時間以内である。焼成は空気雰囲気で行えばよいが、酸素を付加した雰囲気で行ってもよい。 The firing time varies depending on the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease, but is not particularly limited as long as the organic template is sufficiently removed, and is preferably 1 hour or longer, more preferably 5 hours or longer. The upper limit is not particularly limited, and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably within 100 hours, particularly preferably within 24 hours. Firing may be performed in an air atmosphere, but may be performed in an oxygen-added atmosphere.
焼成の際の昇温速度は、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。 It is desirable that the rate of temperature rise during firing be as slow as possible in order to reduce cracking of the zeolite membrane due to the difference in thermal expansion coefficient between the support and the zeolite. The heating 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、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。 Also, the cooling rate after firing must be controlled to avoid cracks in the zeolite membrane. As with the heating rate, the slower the better. The temperature drop 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.
次に、得られたゼオライト膜に後処理を施して前記のとおり金属を含有させる。後処理の方法としては、金属元素源化合物(金属イオン源化合物)が含まれる溶液に膜複合体が接触し得る方法であれば特に限定されないが、例えば、金属元素源化合物が含まれる溶液に膜複合体を浸漬する方法、金属元素源化合物が含まれる溶液を膜複合体にスプレーする方法や滴下する方法などが挙げられる。 The resulting zeolite membrane is then post-treated to contain metals as described above. The post-treatment method is not particularly limited as long as the membrane composite can be brought into contact with the solution containing the metal element source compound (metal ion source compound). Examples include a method of immersing the composite, a method of spraying or dropping a solution containing the metal element source compound onto the membrane composite, and the like.
金属元素源化合物としては、例えば、前記金属元素の硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、リン酸塩、塩化物、金属錯体等が挙げられ、好ましくは硝酸塩、硫酸塩、塩化物である。 Examples of the metal element source compound include nitrates, sulfates, acetates, phosphates, chlorides and metal complexes of the above metal elements, and preferably nitrates, sulfates and chlorides.
これら金属元素源化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組合せで併用してもよい。 One of these metal element source compounds may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination.
浸漬やスプレー、滴下溶液中の金属元素源化合物の濃度は、通常0.01モル/L以上、好ましくは0.03モル/L以上、より好ましくは0.05モル/L以上であり、また通常5モル/L以下、好ましくは3モル/L以下、より好ましくは1モル/L以下である。
化合物の濃度が低すぎると、分離性能向上の効果が小さくなり、濃度が高すぎると、細孔が閉塞して透過させたい成分の透過量が小さくなる傾向がある。
The concentration of the metal element source compound in the immersion, spraying, or dropping solution is usually 0.01 mol/L or more, preferably 0.03 mol/L or more, more preferably 0.05 mol/L or more, and usually It is 5 mol/L or less, preferably 3 mol/L or less, more preferably 1 mol/L or less.
If the concentration of the compound is too low, the effect of improving the separation performance becomes small, and if the concentration is too high, the pores tend to be clogged and the permeation amount of the component to be permeated tends to be small.
金属元素源化合物が含まれる溶液に膜複合体を浸漬する場合、温度は特に限定されないが、通常0℃以上、好ましくは20℃以上、さらに好ましくは50℃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。 When the membrane composite is immersed in the solution containing the metal element source compound, the temperature is not particularly limited, but is usually 0°C or higher, preferably 20°C or higher, more preferably 50°C or higher, and usually 200°C or lower, preferably 200°C or higher. is 190° C. or less, more preferably 180° C. or less.
圧力は特に限定されず、開放系の容器で大気圧下で実施してもよいし、密閉容器中に入れて、この温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力下で実施してもよい。密閉容器の場合には、さらに必要に応じて、窒素などの不活性ガスを加えても差し支えない。 The pressure is not particularly limited, and it may be carried out in an open container under atmospheric pressure, or may be carried out in a sealed container under the autogenous pressure generated when heated to this temperature range. In the case of a closed container, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
浸漬した後、水洗してから通常30℃~120℃の温度で乾燥しても良いし、洗浄しない状態で乾燥してもよい。また必要に応じて乾燥後に焼成してもよい。 After the immersion, it may be washed with water and then dried at a temperature of 30° C. to 120° C., or it may be dried without washing. Moreover, you may bake after drying as needed.
金属元素源化合物が含まれる溶液を膜複合体にスプレーや滴下する場合、温度は特に限定されないが、通常0℃以上、好ましくは5℃以上、さらに好ましくは10℃以上であり、通常100℃以下、好ましくは90℃以下、さらに好ましくは80℃以下である。 When the solution containing the metal element source compound is sprayed or dropped onto the membrane composite, the temperature is not particularly limited, but is usually 0° C. or higher, preferably 5° C. or higher, more preferably 10° C. or higher, and usually 100° C. or lower. , preferably 90° C. or lower, more preferably 80° C. or lower.
圧力は特に限定されず、通常大気圧下で行うが、ゼオライト膜複合体の内側を減圧の状態にして行ってもよい。 The pressure is not particularly limited, and the reaction is usually carried out under atmospheric pressure, but the inside of the zeolite membrane composite may be reduced in pressure.
スプレーや滴下は、通常、ゼオライト膜が、金属元素源化合物が含まれる溶液量が細孔容積量を超えて、表面が濡れる程度まで行うことができ、処理後、通常30℃~120℃の温度で乾燥する。また必要に応じて乾燥後に焼成してもよい。 Spraying or dripping can be performed until the surface of the zeolite membrane is wetted by the amount of the solution containing the metal element source compound exceeding the pore volume. Dry with Moreover, you may bake after drying as needed.
乾燥後の焼成の温度は、通常200℃以上、好ましくは250℃以上、より好ましくは300℃以上であり、通常550℃以下、好ましくは525℃以下、より好ましくは500℃以下である。 The firing temperature after drying is usually 200° C. or higher, preferably 250° C. or higher, more preferably 300° C. or higher, and usually 550° C. or lower, preferably 525° C. or lower, more preferably 500° C. or lower.
焼成時間は、硝酸イオン等のアニオンが部分的にあるいは完全に除去され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100時間以内である。 The baking time is not particularly limited as long as the anions such as nitrate ions are partially or completely removed, and is preferably 0.5 hours or longer, more preferably 1 hour or longer. The upper limit is not particularly limited, and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably within 100 hours.
焼成の際の昇温速度は、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。 It is desirable that the rate of temperature rise during firing be as slow as possible in order to reduce cracking of the zeolite membrane due to the difference in thermal expansion coefficient between the support and the zeolite. The heating 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、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。 Also, the cooling rate after firing must be controlled to avoid cracks in the zeolite membrane. As with the heating rate, the slower the better. The temperature drop 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.
乾燥又は焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は、通常1300L/(m2・h)以下、好ましくは900L/(m2・h)以下、より好ましくは600L/(m2・h)以下、より好ましくは500L/(m2・h)以下、さらに好ましくは400L/(m2・h)以下、特に好ましくは250L/(m2・h)以下、もっとも好ましくは150L/(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0L/(m2・h)以上、好ましくは0.01L/(m2・h)以上、より好ましくは0.1L/(m2・h)以上、さらに好ましくは1L/(m2・h)以上である。 The air permeation amount of the zeolite membrane composite after drying or firing is usually 1300 L/(m 2 ·h) or less, preferably 900 L/(m 2 ·h) or less, more preferably 600 L/(m 2 ·h) or less. , more preferably 500 L/(m 2 h) or less, still more preferably 400 L/(m 2 h) or less, particularly preferably 250 L/(m 2 h) or less, most preferably 150 L/(m 2 h) ) below. The lower limit of the permeation amount is not particularly limited, but is usually 0 L/(m 2 ·h) or more, preferably 0.01 L/(m 2 ·h) or more, more preferably 0.1 L/(m 2 ·h) or more, More preferably, it is 1 L/(m 2 ·h) or more.
ここで、空気透過量とは、実施例の項で詳述するとおり、ゼオライト膜複合体を大気圧下におき、ゼオライト膜複合体の内側を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。 Here, the amount of air permeation is the amount of air permeation when the zeolite membrane composite is placed under atmospheric pressure and the inside of the zeolite membrane composite is connected to a vacuum line of 5 kPa, as described in detail in the section of Examples. [L/(m 2 ·h)].
空気透過量はガス透過量に繋がる数値である。空気透過量が多いものは気体成分の透過量も多くなり、空気透過量が多すぎるものは分離が低くなる傾向にある。本発明のゼオライト膜は、空気透過量が適度に多く、かつ十分に高い分離性能をもつものであり、気体の分離性能に好適な性能を持つものである。 The amount of air permeation is a numerical value linked to the amount of gas permeation. When the amount of air permeation is large, the amount of permeation of gaseous components also increases, and when the amount of air permeation is too large, the separation tends to be low. The zeolite membrane of the present invention has a moderately high air permeation rate and sufficiently high separation performance, and has performance suitable for gas separation performance.
かくして製造されるゼオライト膜複合体は、優れた特性をもつものであり、本発明における気体混合物の膜分離手段として好適に用いることができる。 The zeolite membrane composite thus produced has excellent properties and can be suitably used as a means for membrane separation of gas mixtures in the present invention.
<気体混合物の分離または濃縮方法>
(気体の分離)
本発明の分離または濃縮方法は、上記ゼオライト膜複合体に、複数の成分からなる気体混合物を接触させ、該気体混合物から、透過性の高い成分を透過して分離する、または、透過性の高い成分を透過させて分離することにより透過性の低い成分を濃縮することに特徴をもつものである。本発明における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、それ以下の気体分子とを好適に分離することができる。
<Method for separating or concentrating gas mixture>
(Gas separation)
In the separation or concentration method of the present invention, a gas mixture composed of a plurality of components is brought into contact with the zeolite membrane composite, and a highly permeable component is permeated and separated from the gas mixture, or a highly permeable It is characterized by allowing the components to permeate and separating them, thereby concentrating the components with low permeability. One of the separation functions of the zeolite membrane in the present invention is separation as a molecular sieve, and it is possible to suitably separate gas molecules having a size equal to or larger than the effective pore size of the zeolite used and gas molecules smaller than that. can.
従って、本発明における透過性の高い気体成分とは、CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト結晶相の細孔を通過しやすい気体分子からなる気体成分であり、分子径が概ね0.38nm程度より小さい気体分子からなる気体成分が好ましい。 Therefore, the highly permeable gas component in the present invention is a gas component composed of gas molecules that easily pass through the pores of the zeolite crystal phase of the CHA-type aluminosilicate, and has a molecular diameter smaller than about 0.38 nm. Molecular gas components are preferred.
ここで、本発明において、分離対象となる気体混合物としては、常温常圧で気体(ガス)であるものに限られず、常温常圧で液体であって気化することにより気体混合物となり得るものも含まれる。気化させた気体混合物を分離対象物とする方法は、ベーパーパーミエーション法(蒸気透過法)と呼ばれる分離または濃縮方法であり、本発明の方法におけるひとつの実施形態である。この方法は、例えば、有機化合物と水との混合物の分離または濃縮に特に好適である。この場合、通常水がゼオライト膜に対する透過性が高いので、混合物から水が分離され、有機化合物は元の混合物中で濃縮される。 Here, in the present invention, the gas mixture to be separated is not limited to a gas (gas) at normal temperature and normal pressure, but also includes those that are liquid at normal temperature and normal pressure and can become a gas mixture by vaporization. be A method of using a vaporized gas mixture as a separation target is a separation or concentration method called a vapor permeation method (vapor permeation method), which is one embodiment of the method of the present invention. This method is particularly suitable, for example, for separating or concentrating mixtures of organic compounds and water. In this case, water is separated from the mixture and the organic compounds are concentrated in the original mixture, since water is usually highly permeable to the zeolite membrane.
本発明において、分離対象となる気体混合物としては、上記のとおり、常温常圧で気体である気体混合物、気化させることにより気体混合物となり得るものであれば特に限定されない。
分離対象物として望ましい気体混合物としては、例えば、二酸化炭素、水素、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。前記ガスを含む気体混合物の成分のうち、パーミエンスの高い成分は、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成分は供給ガス側に濃縮される。
In the present invention, as described above, the gas mixture to be separated is not particularly limited as long as it is a gas mixture at normal temperature and normal pressure, or can be converted into a gas mixture by vaporization.
Gas mixtures desirable as objects to be separated include, for example, carbon dioxide, hydrogen, oxygen, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, normal butane, isobutane, 1-butene, 2-butene, isobutene, and sulfur hexafluoride. , helium, carbon monoxide, nitrogen monoxide, and water. Among the components of the gas mixture containing the gas, components with high permeance permeate the zeolite membrane composite and are separated, and components with low permeance are concentrated on the feed gas side.
さらに気体混合物としては、上記成分の少なくとも2種の成分を含むものがより好ましい。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。 Furthermore, the gas mixture more preferably contains at least two of the above components. In this case, the two components are preferably a combination of a high permeance component and a low permeance component.
気体の分離条件は、対象とする気体成分の種類や組成、膜の性能により異なるが、温度は、通常0~300℃、好ましくは室温~200℃、より好ましくは室温~150℃である。 The gas separation conditions vary depending on the type and composition of the target gas component and membrane performance, but the temperature is usually 0 to 300°C, preferably room temperature to 200°C, more preferably room temperature to 150°C.
供給ガスの圧力は、分離対象の気体成分が高圧であればそのままの圧力でもよく、適宜圧力を減圧調整して所望の圧力にして用いても良い。分離対象の気体成分が、分離に用いる圧力より低い場合は、圧縮機などで増圧して用いることができる。 As for the pressure of the supply gas, if the gas component to be separated is at a high pressure, the pressure may be left as it is, or the pressure may be appropriately reduced and adjusted to a desired pressure. When the pressure of the gas component to be separated is lower than the pressure used for separation, the pressure can be increased using a compressor or the like.
供給ガスの圧力は特に制限されないが、通常大気圧若しくは大気圧より大きく、好ましくは0.1MPa以上、より好ましくは0.11MPa以上である。また、通常上限値は20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは1MPa以下である。 Although the pressure of the supplied gas is not particularly limited, it is usually atmospheric pressure or higher than atmospheric pressure, preferably 0.1 MPa or higher, more preferably 0.11 MPa or higher. Also, the upper limit is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 1 MPa or less.
供給側の気体成分と透過側の気体成分の差圧は特に制限されないが、通常20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは5MPa以下、更に好ましくは1MPa以下である。また、通常0.001MPa以上、好ましくは0.01MPa以上、より好ましくは0.02MPa以上である。 Although the differential pressure between the gas component on the supply side and the gas component on the permeation side is not particularly limited, it is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 5 MPa or less, and still more preferably 1 MPa or less. Moreover, it is usually 0.001 MPa or more, preferably 0.01 MPa or more, and more preferably 0.02 MPa or more.
ここで、差圧とは、当該ガスの供給側の分圧と透過側の分圧の差をいう。また、圧力[Pa]は、特に断りのない限り、絶対圧を指す。 Here, the differential pressure means the difference between the partial pressure of the gas on the supply side and the partial pressure on the permeate side. In addition, the pressure [Pa] refers to absolute pressure unless otherwise specified.
透過側の圧力は特に制限されないが、通常10MPa以下、好ましくは5MPa以下、より好ましくは1MPa以下、さらに好ましくは0.5MPa以下である。下限値は特に制限なく、0MPa以上であればよい。0MPaとした時に、透過性の低いガス中の透過性の大きい気体の濃度を最も低い状態となるまで分離することができる。透過側ガスを高い圧力のまま使用する用途があれば、透過側圧力は高く設定すればよい。 Although the pressure on the permeation side is not particularly limited, it is usually 10 MPa or less, preferably 5 MPa or less, more preferably 1 MPa or less, and still more preferably 0.5 MPa or less. The lower limit is not particularly limited, and may be 0 MPa or higher. When the pressure is set to 0 MPa, the gas with high permeability can be separated from the gas with low permeability to the lowest concentration. If there is an application that uses the permeation side gas at a high pressure, the permeation side pressure should be set high.
供給ガスの流速は、透過する気体の減少を補うことが可能である程度の流速で、また供給ガスにおいて、透過性の小さな気体の膜のごく近傍における濃度と、気体全体における濃度が一致するように、気体を混合できるだけの流速であればよい。具体的には、分離ユニットの管径、膜の分離性能にもよるが、例えば、通常0.5mm/sec以上、この好ましくは1mm/sec以上であり、上限は特に制限されないが、通常1m/sec以下、好ましくは0.5m/sec以下である。 The flow rate of the feed gas is selected to compensate for the reduction in gas permeation, and in the feed gas so that the concentration of the less permeable gas in the immediate vicinity of the membrane matches the concentration in the bulk of the gas. , so long as the flow rate is sufficient to mix the gases. Specifically, depending on the tube diameter of the separation unit and the separation performance of the membrane, for example, it is usually 0.5 mm / sec or more, preferably 1 mm / sec or more, and the upper limit is not particularly limited, but usually 1 m / sec or less, preferably 0.5 m/sec or less.
本発明の分離または濃縮方法において、スイープガスを用いてもよい。スイープガスを用いた方法とは、透過側に供給ガスとは異なる種類の気体を流し、膜を透過した気体を回収するものである。
スイープガスの圧力は、通常大気圧であるが特に制限はなく、好ましくは20MPa以下、より好ましくは10MPa以下、更に好ましくは1MPa以下であり、下限は、好ましくは0.09MPa以上、より好ましくは0.1MPa以上である。場合によっては、減圧にして用いても良い。
A sweep gas may be used in the separation or concentration method of the present invention. The method using a sweep gas is a method in which a different kind of gas from the supply gas is flowed to the permeate side, and the gas that has permeated the membrane is recovered.
The pressure of the sweep gas is usually atmospheric pressure, but is not particularly limited. .1 MPa or more. Depending on the case, it may be used under reduced pressure.
スイープガスの流速は、特に制限はないが、通常10-7mol/(m2・s)以上104mol/(m2・s)以下である。 The flow rate of the sweep gas is not particularly limited, but is usually 10 -7 mol/(m 2 ·s) or more and 104 mol/(m 2 ·s) or less.
気体混合物の分離に用いる装置は、特に限定されないが、通常はモジュール(分離膜モジュール)にして用いるのが好ましい。常温常圧で気体である気体混合物を分離対象とする場合の分離膜モジュールは、例えば、図1及び2に模式的に示したような装置でもよいし、「ガス分離・精製技術」(株)東レリサーチセンター2007年発行22頁に例示されている膜モジュールを用いてもよい。図1及び2の装置における気体混合物の分離については、実施例の項において説明する。 Although the device used for separating the gas mixture is not particularly limited, it is usually preferable to use it as a module (separation membrane module). The separation membrane module for separating a gaseous mixture that is a gas at normal temperature and normal pressure may be, for example, the device schematically shown in FIGS. A membrane module exemplified in Toray Research Center, 2007, page 22 may be used. The separation of gas mixtures in the apparatus of Figures 1 and 2 is described in the Examples section.
また、ベーパーパーミエーション法は、上記のとおり、液体の混合物を気化させてから分離膜に導入する分離・濃縮方法であるため、蒸留装置と組み合わせて使用することや、より高温、高圧での分離に用いることができる。またベーパーパーミエーション法は、液体の混合物を気化させてから分離膜に導入することから、供給液中に含まれる不純物や、液体状態では会合体やオリゴマーを形成する物質が膜に与える影響を低減することができる。本発明のゼオライト膜複合体は、ベーパーパーミエーション法に対しても好適に用いることができる。 In addition, as described above, the vapor permeation method is a separation/concentration method in which a liquid mixture is vaporized and then introduced into a separation membrane, so it can be used in combination with a distillation apparatus, or can be used for separation at higher temperatures and pressures. can be used for In addition, the vapor permeation method reduces the influence of impurities contained in the feed liquid and substances that form aggregates and oligomers in the liquid state on the membrane because the liquid mixture is vaporized before being introduced into the separation membrane. can do. The zeolite membrane composite of the present invention can also be suitably used for the vapor permeation method.
ベーパーパーミエーション法で高温での分離を行う場合、一般的に温度が高いほど、また混合物中の透過性の低い成分の濃度が高いほど、例えば有機化合物と水との混合物の場合、有機化合物の濃度が高いほど分離性能が低下するが、本発明のゼオライト膜複合体は、高温でも、混合物中の透過性の低い成分の濃度が高い場合でも高い分離性能を発現することができる。そして通常、ベーパーパーミエーション法は、液体混合物を気化させてから分離するため、より過酷な条件での分離が必要とされ、ゼオライト膜複合体の耐久性も要求される。本発明のゼオライト膜複合体は、高温条件下でも分離が可能な耐久性を有しているのでベーパーパーミエーション法に好適である。 When separation is performed at high temperature by the vapor permeation method, the higher the temperature and the higher the concentration of the low-permeability component in the mixture, the higher the concentration of the organic compound. The higher the concentration, the lower the separation performance, but the zeolite membrane composite of the present invention can exhibit high separation performance even at high temperatures and even when the concentration of the low-permeability component in the mixture is high. In the vapor permeation method, a liquid mixture is usually vaporized and then separated, so separation under more severe conditions is required, and durability of the zeolite membrane composite is also required. The zeolite membrane composite of the present invention is suitable for the vapor permeation method because it has durability that enables separation even under high temperature conditions.
ベーパーパーミエーション法による気体混合物の分離に用いる装置は、特に限定されないが、通常はモジュール(分離膜モジュール)にして用いるのが好ましい。分離膜モジュールは、例えば、図3に模式的に示したような装置でもよい。 Although the device used for separating the gas mixture by the vapor permeation method is not particularly limited, it is usually preferable to use it in the form of a module (separation membrane module). The separation membrane module may be, for example, a device as schematically shown in FIG.
図3において、被分離液13は送液ポンプ14によって気化器15に所定流量で送られ、気化器15での加熱により全量が気化され、被分離ガスとなる。被分離ガスは恒温槽16内のゼオライト膜複合体モジュール17に導入され、ゼオライト膜複合体の外側に供給される。ゼオライト膜複合体モジュール17は、ゼオライト膜複合体を筐体中に納めたものである。ゼオライト膜複合体は真空ポンプ21によって内側が減圧される。被分離ガスとの圧力差は、通常約1気圧程度である。内側の圧力は、図示はしないがピラニーゲージで測定することができる。この圧力差によって被分離ガス中、透過物質の水がゼオライト膜複合体を透過する。透過した物質は透過液捕集用トラップ19で捕集される。一方、被分離ガス中の透過しなかった成分は、被分離液回収用トラップ18で液化、捕集される。
In FIG. 3, a liquid 13 to be separated is sent to a
(分離性能)
本発明におけるゼオライト膜複合体は、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れかつ、高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れた性能を持つ。特に無機ガス、低級炭化水素の分離に優れた分離性能を示す。
(separation performance)
The zeolite membrane composite in the present invention is excellent in chemical resistance, oxidation resistance, heat stability and pressure resistance, exhibits high permeation performance and separation performance, and has excellent durability. In particular, it exhibits excellent separation performance for separation of inorganic gases and lower hydrocarbons.
ここでいう高い透過性能とは、十分な処理量を示し、例えば、膜を透過する気体成分のパーミエンス(Permeance)[mol・(m2・s・Pa)-1]が、例えば二酸化炭素を、温度50℃、差圧0.1MPaで透過させた場合、通常1×10-9以上、好ましくは5×10-8以上、より好ましくは1×10-7以上であり、上限は特に限定されず、通常1×10-4以下である。 The high permeation performance referred to here indicates a sufficient throughput. When permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.1 MPa, it is usually 1 × 10 -9 or more, preferably 5 × 10 -8 or more, more preferably 1 × 10 -7 or more, and the upper limit is not particularly limited. , usually less than 1×10 −4 .
また、パーミエンス[mol・(m2・s・Pa)-1]は、例えばメタンを同様の条件で透過させた場合、通常2×10-7以下、好ましく1×10-8以下、より好ましくは5×10-9以下であり、理想的にはパーミエンスは0であるが、実用上10-10~10-14程度以上のオーダーとなる場合がある。 In addition, the permeance [mol·(m 2 ·s·Pa) −1 ] is usually 2×10 −7 or less, preferably 1×10 −8 or less, more preferably 1×10 −8 or less, when methane is permeated under the same conditions, It is 5×10 −9 or less, and ideally the permeance is 0, but in practice it may be on the order of 10 −10 to 10 −14 or more.
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]であり、実施例の項において述べる方法により算出される値である。 Here, permeance (also referred to as "permeability") is the amount of permeating substance divided by the product of the membrane area, time, and the partial pressure difference between the feed side and the permeate side of the permeating substance, The unit is [mol·(m 2 ·s·Pa) −1 ], and is a value calculated by the method described in the Examples section.
また、ゼオライト膜の選択性は理想分離係数、分離係数により表される。理想分離係数、分離係数は膜分離で一般的に用いられる選択性を表す指標であり、実施例の項において述べる方法により算出される値である。 Also, the selectivity of a zeolite membrane is represented by an ideal separation factor and a separation factor. The ideal separation factor and the separation factor are indices of selectivity commonly used in membrane separation, and are values calculated by the method described in the Examples section.
理想分離係数は、例えば、二酸化炭素とメタンを温度50℃、差圧0.1MPaで透過させた場合、通常10以上、好ましくは20以上、より好ましくは30以上、さらに好ましくは40以上、特に好ましくは50以上である。理想分離係数の上限は完全に二酸化炭素しか透過しない場合でありその場合は無限大となるが、実用上、分離係数は10万程度以下となる場合がある。 For example, when carbon dioxide and methane are permeated at a temperature of 50° C. and a differential pressure of 0.1 MPa, the ideal separation factor is usually 10 or more, preferably 20 or more, more preferably 30 or more, still more preferably 40 or more, and particularly preferably is 50 or more. The upper limit of the ideal separation factor is the case where only carbon dioxide is completely permeated, and in that case the separation factor is infinite, but in practice the separation factor may be about 100,000 or less.
分離係数は、1:1のモル比で2つの成分を混合した場合には、通常、理想分離係数と同程度となる。例えば、二酸化炭素とメタンの体積比1:1の混合ガスを、温度50℃、差圧0.1MPaで透過させた場合、理想分離係数と同じく、通常10以上、好ましくは20以上、より好ましくは30以上、さらに好ましくは40以上、特に好ましくは50以上である。分離係数の上限は完全に二酸化炭素しか透過しない場合でありその場合は無限大となるが、実用上、分離係数は10万程度以下となる場合がある。 The separation factor is typically comparable to the ideal separation factor when the two components are mixed in a 1:1 molar ratio. For example, when a mixed gas of carbon dioxide and methane at a volume ratio of 1:1 is permeated at a temperature of 50° C. and a differential pressure of 0.1 MPa, it is usually 10 or more, preferably 20 or more, more preferably 20 or more, like the ideal separation factor. It is 30 or more, more preferably 40 or more, and particularly preferably 50 or more. The upper limit of the separation factor is the case where only carbon dioxide is completely permeated, and in that case the separation factor is infinite, but in practice, the separation factor may be about 100,000 or less.
本発明のゼオライト膜複合体は、上記のとおり、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れかつ、高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れるものであり、例えば次のようなガス分離技術として特に好適に用いることができる。 As described above, the zeolite membrane composite of the present invention has excellent chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, and pressure resistance, exhibits high permeation performance and separation performance, and has excellent durability. It can be particularly suitably used as the following gas separation technology.
二酸化炭素分離技術としては、天然ガスからの二酸化炭素の除去、生活系廃棄物などの有機物の埋め立てにより発生するランドファィルガス(メタン約60%、二酸化炭素40%、微量の窒素、水蒸気含有)からの二酸化炭素除去等が挙げられる。 Carbon dioxide separation technology includes removing carbon dioxide from natural gas, and separating landfill gas (approximately 60% methane, 40% carbon dioxide, containing trace amounts of nitrogen and water vapor) generated by landfilling organic matter such as household waste. carbon dioxide removal and the like.
水素分離技術としては、石油精製工業における水素回収、化学工業の各種反応プロセスにおける水素回収・精製(水素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素等の混合物)、燃料電池用の高純度水素の製造などがある。燃料電池用の水素製造は、メタンの水蒸気改質反応により得られ、H2、CO、CH4、H2Oの混合ガスから水素の分離が必要とされている。 Hydrogen separation technology includes hydrogen recovery in the petroleum refining industry, hydrogen recovery and refining (mixtures of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons, etc.) in various reaction processes in the chemical industry, and production of high-purity hydrogen for fuel cells. and so on. Hydrogen production for fuel cells is obtained by the steam reforming reaction of methane, requiring the separation of hydrogen from a gas mixture of H2 , CO, CH4 , H2O .
そのほか、酸素分離技術として、空気からの酸素富化ガスの製造(医療用、燃焼用酸素富化空気など)、窒素分離技術として空気からの窒素素富化ガスの製造(防爆用、酸化防止など)、水蒸気分離(精密機械等の脱湿)、溶存ガス分離(水、有機液体からの脱気)、有機ガス分離(石油精製工業、石油化学工業における有機ガス分離、オレフィン、パラフィンの分離)などが挙げられる。 In addition, as oxygen separation technology, production of oxygen-enriched gas from air (medical use, oxygen-enriched air for combustion, etc.), production of nitrogen enriched gas from air (explosion-proof, anti-oxidation, etc.) as nitrogen separation technology ), water vapor separation (dehumidification of precision machinery, etc.), dissolved gas separation (water, degassing from organic liquids), organic gas separation (organic gas separation in petroleum refining industry, petrochemical industry, olefin, paraffin separation), etc. is mentioned.
以下、実験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、以下の実験例(調製例又は実施例)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験例(調製例又は実施例)の値または実験例(調製例又は実施例)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 in more detail based on experimental examples, but the present invention is not limited to the following experimental examples as long as the gist thereof is not exceeded. Various production conditions and values of evaluation results in the following Experimental Examples (Preparation Examples or Examples) have the meaning of preferred values for the upper limit or lower limit in the embodiments of the present invention, and the preferred range is The range may be defined by a combination of the upper limit or lower limit and the values in the following Experimental Examples (Preparation Examples or Examples) or values between Experimental Examples (Preparation Examples or Examples).
また、以下の実験例において、ゼオライト膜の物性及び分離性能は、特に明記しない限り次の方法で測定した。
(1)X線回折(XRD)
XRD測定は以下の条件に基づき行った。
・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 Slit)
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)
In the following experimental examples, the physical properties and separation performance of zeolite membranes were measured by the following methods unless otherwise specified.
(1) X-ray diffraction (XRD)
XRD measurement was performed under the following conditions.
・ Apparatus name: X'PertPro MPD manufactured by PANalytical in the Netherlands
・Optical system specifications Incident side: Sealed X-ray tube (CuKα)
Soller Slit (0.04rad)
Divergence Slit (Variable Slit)
Sample stand: XYZ stage
Light receiving side: Semiconductor array detector (X' Celerator)
Ni-filter
Soller Slit (0.04rad)
Goniometer radius: 240mm
・Measurement conditions X-ray output (CuKα): 45 kV, 40 mA
Scan axis: θ/2θ
Scanning range (2θ): 5.0-70.0°
Measurement mode: Continuous
Read 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はいらないように、試料台においた円筒管状の膜複合体と、試料台表面に平行な面とが接する2つのラインのうち、試料台表面に接するラインではなく、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・BR>Bトによって1mmに固定して測定し、MaterialsData, 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。
The X-rays were applied in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical tube. In addition, in order to avoid noise as much as possible, X-rays are used instead of the two lines where the cylindrical tubular membrane composite placed on the sample stage and the surface parallel to the surface of the sample stage are in contact with each other. , mainly on the other line above the surface of the sample stage.
In addition, the irradiation width was fixed at 1 mm by an automatic variable slit, and measured, and the variable slit → fixed slit conversion was performed using the XRD analysis software JADE 7.5.2 (Japanese version) of MaterialsData, Inc. was performed to obtain the XRD pattern.
(2)SEM-EDX
・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。
(2) SEM-EDX
・Device name: SEM: FE-SEM Hitachi: S-4800
EDX: EDAX Genesis
・Acceleration voltage: 10 kV
X-ray quantitative analysis was performed by scanning the entire field of view (25 μm×18 μm) at a magnification of 5000 times.
(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(10V)併用
・分光系:パルスエネルギー 187.85eV@ワイドスペクトル
58.70eV@ナロースペクトル(Na1s、Al2p、Si2p、K2p、S2p)
29.35eV@ワイドスペクトル(C1s、O1s、Si2p)
・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)
(3) XPS measurement XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) measurement of the zeolite membrane surface was performed under the following conditions.
・ Device name:
・X-ray source: monochromatic Al-Kα, output 16kV-34W (X-ray generation area 170μmφ)
・Electrification neutralization: electron gun (5 μA), ion gun (10 V) combined ・Spectroscopic system: pulse energy 187.85 eV @ wide spectrum
58.70 eV @ narrow spectrum (Na1s, Al2p, Si2p, K2p, S2p)
29.35 eV @ wide spectrum (C1s, O1s, Si2p)
・Measurement area: spot irradiation (irradiation area <340 μmφ)
・Extraction angle: 45° (from the surface)
(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5kPa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ガス用、最大流量500ml/min(20℃、1気圧換算)を用いた。KOFLOC社製8300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ガス用、最大流量20ml/min(0℃、1気圧換算)を用いて測定した。
(4) Air permeation amount Under atmospheric pressure, one end of the zeolite membrane composite is sealed, the other end is connected to a 5 kPa vacuum line while maintaining airtightness, and the vacuum line and the zeolite membrane composite are separated. The flow rate of the air that permeated the zeolite membrane composite was measured with a mass flow meter installed between them, and it was taken as the air permeation amount [L/(m 2 ·h)]. As a mass flow meter, 8300 manufactured by KOFLOC, for N2 gas, with a maximum flow rate of 500 ml/min (20° C., converted to 1 atm) was used. When the mass flow meter display of KOFLOC 8300 is 10ml/min (20°C, 1 atmosphere conversion) or less, Lintec MM-2100M for Air gas, maximum flow rate 20ml/min (0°C, 1 atmosphere conversion) was measured using
(5)単成分ガス透過試験
単成分ガス透過試験は、図1に模式的に示す装置を用いて、以下のとおり行った。用いた試料ガスは、二酸化炭素(純度99.9%、高圧ガス工業社製)、メタン(純度99.999%、ジャパンファインプロダクツ社製)、水素(純度99.99%以上、HORIBASTEC社製水素発生器OPGU-2200より発生)、窒素(純度99.99%、東邦酸素工業社製)、ヘリウム(純度99.99、ジャパンヘリウムセンター社製)である。
(5) Single-component gas permeation test A single-component gas permeation test was performed using an apparatus schematically shown in Fig. 1 as follows. The sample gases used were carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by Koatsu Gas Kogyo Co., Ltd.), methane (purity 99.999%, manufactured by Japan Fine Products), hydrogen (purity 99.99% or higher, hydrogen manufactured by HORIBASTEC). generated from generator OPGU-2200), nitrogen (99.99% purity, manufactured by Toho Sanso Kogyo Co., Ltd.), and helium (99.99 purity, manufactured by Japan Helium Center Co., Ltd.).
図1において、円筒形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、試料ガス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。
In FIG. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is placed in a constant temperature bath (not shown) while being housed in a pressure-
円筒形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。円筒形のゼオライト膜複合体の内側と、透過ガス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に通ずるいずれかの箇所には、試料ガス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
図1の装置において、単成分ガス透過試験を行う場合は、試料ガス(供給ガス7)を、一定の圧力で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供給し、ゼオライト膜複合体を透過した透過ガス8を、配管11に接続されている流量計(図示せず)にて測定する。
In the apparatus of FIG. 1, when performing a single component gas permeation test, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the
なお、図2に模式的に示す装置においても、次のとおりガス透過試験を行うことができる。
図2において、円筒形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、試料ガス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。
The gas permeation test can also be performed with the apparatus schematically shown in FIG. 2 as follows.
In FIG. 2, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is placed in a constant temperature bath (not shown) while being housed in a pressure-
円筒形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。円筒形のゼオライト膜複合体の内側と透過ガス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、スイープガス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、試料ガス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
図2の装置において、ガス透過試験を行う場合は、試料ガス(供給ガス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して、配管11から排出される排出ガスの流量を測定する。
In the apparatus of FIG. 2, when performing a gas permeation test, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the
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ガス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の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧を一定として、透過ガス流量が安定したのちに、ゼオライト膜複合体1を透過した試料ガス(透過ガス8)の流量を測定し、ガスのパーミエンス[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、供給ガスの供給側と透過側の圧力差(差圧)を用いる。
More specifically, in order to remove components such as moisture and air, after drying at a measurement temperature or higher and purging with exhaust or the supply gas used, the sample temperature and the supply gas of the zeolite membrane composite 1 After the differential pressure between the 7 side and the permeating
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、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol・(m2・s)-1]を示し、P1およびP2は、それぞれ、供給ガスである透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの圧力[Pa]を示す。〕
Based on the above measurement results, the ideal separation factor α is calculated by the following formula (1).
α=(Q1/Q2)/(P1/P2) (1)
[In formula (1), Q1 and Q2 represent the permeation amount [mol·(m 2 ·s) −1 ] of a gas with high permeability and a gas with low permeability, respectively, and P1 and P2 are, respectively, The pressure [Pa] of the highly permeable gas and the less permeable gas as the supply gas is shown. ]
また混合ガスの分離において、分離係数α’を求める場合は下記式(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、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol・(m2・s)-1]を示し、P’1およびP’2は、それぞれ、供給ガスである透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの圧力[Pa]を示す。〕
In the separation of the mixed gas, the separation factor α' is calculated by the following formula (2).
α'=(Q'1/Q'2)/(P'1/P'2) (2)
[In formula (2), Q′1 and Q′2 represent the permeation amount of a gas with high permeability and a gas with low permeability [mol·(m 2 ·s) −1 ], and P′1 and P′2 indicate the pressure [Pa] of the highly permeable gas and the less permeable gas, respectively, which are the supply gases. ]
(調製例1)
無機多孔質支持体上にCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを直接水熱合成することにより無機多孔質支持体-CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
1mol/L-NaOH水溶液44.1g、1mol/L-KOH水溶液29.0g、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)2.52gを加え、さらに水591gを加えて攪拌し、水酸化アルミニウムを溶解させた。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」と称する。)水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)13.5g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)60.0gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。
(Preparation Example 1)
An inorganic porous support-CHA-type zeolite membrane composite was produced by directly hydrothermally synthesizing a CHA-type aluminosilicate zeolite on an inorganic porous support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
To 44.1 g of 1 mol/L-NaOH aqueous solution and 29.0 g of 1 mol/L-KOH aqueous solution, 2.52 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich) was added, and 591 g of water was added. In addition, the mixture was stirred to dissolve the aluminum hydroxide. To this, 13.5 g of an aqueous solution of N,N,N-trimethyl-1-adamantane ammonium hydroxide (hereinafter referred to as "TMADAOH") (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem) was added as an organic template, and further 60.0 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred for 2 hours to form an aqueous reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.11/0.073/100/0.04、SiO2/Al2O3=30である。 The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/KOH/H 2 O/TMADAOH=1/0.033/0.11/0.073/100/0.04, SiO 2 /Al 2 O 3 =30.
無機多孔質支持体としては、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を400mmの長さに切断した後、圧空で切断時に生じた粉末を除去したものを使用した。 As the inorganic porous support, a porous alumina tube (outer diameter: 12 mm, inner diameter: 9 mm) was cut into a length of 400 mm, and powder generated during the cutting was removed by compressed air.
支持体上には水熱合成に先立ち、種結晶を付着させた。上記の方法と同様の方法によりSiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.1/0.06/40/0.07のゲル組成で160℃、2日間水熱合成して結晶化させた粒径0.5μm程度のCHA型ゼオライトを種結晶として用いた。 Seed crystals were deposited on the support prior to hydrothermal synthesis. 160 with a gel composition of SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/KOH/H 2 O/TMADAOH=1/0.033/0.1/0.06/40/0.07 by a method similar to the above method. CHA-type zeolite having a grain size of about 0.5 μm crystallized by hydrothermal synthesis at ℃ for 2 days was used as a seed crystal.
この種結晶を脱塩水に約0.3質量%に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で4時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。 The seed crystals were dispersed in desalted water to a concentration of about 0.3% by mass, and the support was immersed for a predetermined time and then dried at 100° C. for 4 hours or more to attach the seed crystals.
種結晶を付着させた支持体を2本、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(800ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、160℃で48時間、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に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4時間以上乾燥させた。 Two supports with attached seed crystals were vertically immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (800 ml) containing the above aqueous reaction mixture, the autoclave was sealed, and the mixture was allowed to stand at 160° C. for 48 hours. It was heated under autogenous pressure while standing. After a predetermined period of time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then taken out from the reaction mixture, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or more.
この膜複合体を、それぞれ200mmにカットした後、空気中、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の平均値は196g/m2であった。また、焼成後の空気透過量は81L/(m2・h)であった。 This membrane composite was cut into pieces of 200 mm each, and then fired in an electric furnace at 500° C. for 5 hours in the air. The average mass of 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 was 196 g/m 2 . Moreover, the air permeation amount after firing was 81 L/(m 2 ·h).
生成したゼオライト膜のXRDパターンを図4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。
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5に示す。
FIG. 4 shows the XRD pattern of the produced zeolite membrane. * in the figure indicates a peak derived from the support. It was found from the XRD measurement that CHA-type zeolite was produced.
The XRD pattern of powdered CHA-type zeolite (zeolite commonly referred to as SSZ-13 in US Pat. No. 4,544,538, hereinafter referred to as "SSZ-13") is shown in FIG.
図4から、生成したゼオライト膜のXRDパターンは、粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ-13のXRDパターン(図5)にくらべ2θ=17.9°付近のピークの強度が顕著に大きいことがわかる。
粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ-13の(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=0.2に対し、生成したゼオライト膜の(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=1.2であり、rhombohedral settingにおける(1,1,1)面への配向が推測された。
From FIG. 4, it can be seen that the XRD pattern of the produced zeolite membrane has a significantly higher peak intensity near 2θ=17.9° than the XRD pattern (FIG. 5) of SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite. .
For SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite, (intensity of peak near 2θ = 17.9°) / (intensity of peak near 2θ = 20.8°) = 0.2, the produced zeolite membrane (Peak intensity near 2θ = 17.9°)/(Peak intensity near 2θ = 20.8°) = 1.2. was done.
また、SEM-EDXにより測定した、ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は34であった。 The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane was 34 as measured by SEM-EDX.
(実施例1)
調製例1で得られた膜複合体を40mmにカットし、水35gに硝酸鉄(III)9水和物14.1gを溶かした約0.9Mの硝酸鉄水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 1)
The membrane composite obtained in Preparation Example 1 was cut into 40 mm pieces, and Teflon (registered trademark) containing about 0.9 M iron nitrate aqueous solution in which 14.1 g of iron (III) nitrate nonahydrate was dissolved in 35 g of water. It was placed in an inner cylinder (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or more.
XPSにより測定した、ゼオライト膜表面のFe/Alモル比は0.17であった。 The Fe/Al molar ratio of the zeolite membrane surface measured by XPS was 0.17.
硝酸鉄水溶液で処理した上記のCHA型ゼオライト膜複合体を用いて、単成分ガス透過試験を行った。評価したガスは二酸化炭素、メタン、水素、窒素、ヘリウムである。 A single-component gas permeation test was performed using the above CHA-type zeolite membrane composite treated with an aqueous iron nitrate solution. Gases evaluated are carbon dioxide, methane, hydrogen, nitrogen and helium.
まず、前処理として、ゼオライト膜複合体を、140℃で、供給ガス7としてCO2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、圧力を約0.16MPaに保ち、ゼオライト膜複合体1の円筒の内側を0.098MPa(大気圧)として、70分間以上乾燥し、CO2の透過量が変化しないことを確認した。
First, as a pretreatment, the zeolite membrane composite was introduced at 140 ° C. with CO 2 as the
その後、供給側の圧力を0.20MPaとし、供給ガスを各評価ガスに変更した。このとき、ゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧は、0.1MPaであった。
After that, the pressure on the supply side was set to 0.20 MPa, and the supply gas was changed to each evaluation gas. At this time, the differential pressure between the
その後、温度を50℃とし、温度が安定した後に供給ガスを各評価ガスに変更した。このとき、ゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧は、0.1MPaであった。
After that, the temperature was set to 50° C., and after the temperature was stabilized, the supplied gas was changed to each evaluation gas. At this time, the differential pressure between the
このようにして得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表1に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表2に示した。 Table 1 shows the permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 2 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(例1:透過試験例)
調製例1で得られた膜複合体を40mmにカットし、硝酸鉄水溶液で処理せずに用いた以外は実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表1に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表2に示した。
(Example 1: Permeation test example)
A single-component gas permeation test was performed in the same manner as in Example 1, except that the membrane composite obtained in Preparation Example 1 was cut into 40 mm pieces and used without being treated with an aqueous iron nitrate solution. Table 1 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 2 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
表1と2の結果のとおり、硝酸鉄水溶液の処理により、CO2/CH4、H2/CH4、CO2/N2の各分離係数の十分な上昇が確認できた。 As shown in Tables 1 and 2, it was confirmed that the treatment with the iron nitrate aqueous solution sufficiently increased the separation factors of CO 2 /CH 4 , H 2 /CH 4 and CO 2 /N 2 .
(調製例2)
無機多孔質支持体上にCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを直接水熱合成することにより無機多孔質支持体-CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
1mol/L-NaOH水溶液12.0g、1mol/L-KOH水溶液8.0g、水115g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)0.306g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」と称する。)水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)2.7g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)12.0gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。
(Preparation Example 2)
An inorganic porous support-CHA-type zeolite membrane composite was produced by directly hydrothermally synthesizing a CHA-type aluminosilicate zeolite on an inorganic porous support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
0.306 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich) was added to a mixture of 12.0 g of 1 mol/L aqueous NaOH solution, 8.0 g of 1 mol/L aqueous KOH solution, and 115 g of water. It was added and dissolved by stirring to obtain a clear solution. To this, 2.7 g of an aqueous solution of N,N,N-trimethyl-1-adamantane ammonium hydroxide (hereinafter referred to as "TMADAOH") (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem) was added as an organic template, and further 12.0 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred for 2 hours to form an aqueous reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.01/0.15/0.1/100/0.04、SiO2/Al2O3=100である。 The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/KOH/H 2 O/TMADAOH=1/0.01/0.15/0.1/100/0.04, SiO 2 /Al 2 O 3 =100.
無機多孔質支持体としては、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を80mmの長さに切断した後、超音波洗浄機で洗浄したのち乾燥させたものを用いた。 As the inorganic porous support, a porous alumina tube (outer diameter: 12 mm, inner diameter: 9 mm) was cut into a length of 80 mm, washed with an ultrasonic cleaner, and then dried.
種結晶として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.066/0.15/0.1/100/0.04のゲル組成(モル比)で、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)存在条件で160℃、2日間水熱合成して生成した沈澱物を、ろ過、水洗、乾燥して得られたCHA型ゼオライトを用いた。種結晶の粒径は2~4μm程度であった。
As seed crystals, a gel composition (molar ratio) of SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/KOH/H 2 O/TMADAOH = 1/0.066/0.15/0.1/100/0.04, A CHA-type zeolite was used which was obtained by filtering, washing and drying a precipitate produced by hydrothermal synthesis at 160° C. for 2 days in the presence of a porous alumina tube (
この種結晶をNaOHが0.33質量%、KOHが0.31質量%のアルカリ水溶液に約1質量%に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で4時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。乾燥後の質量増加は9.9g/m2であった。 The seed crystals were dispersed in an alkaline aqueous solution containing 0.33% by mass of NaOH and 0.31% by mass of KOH to a concentration of about 1% by mass. It was dried and seed crystals were attached. The weight gain after drying was 9.9 g/m 2 .
種結晶を付着させた支持体を、上記水性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、160℃で48時間、静置状態で、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4時間以上乾燥させた。 The support to which the seed crystals were attached was vertically immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the above aqueous reaction mixture, the autoclave was sealed, and the mixture was allowed to stand at 160°C for 48 hours. and heated under autogenous pressure. After a predetermined period of time, the support-zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the reaction mixture, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or longer.
この膜複合体を、空気中、電気炉で、500℃、10時間焼成した。このときの昇温速度と降温速度はともに0.5℃/分とした。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122g/m2であった。また、焼成後の空気透過量は570L/(m2・h)であった。 This membrane composite was calcined in air in an electric furnace at 500° C. for 10 hours. At this time, both the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease were set to 0.5° C./min. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support was 122 g/m 2 , which was calculated from the difference between the mass of the membrane composite after sintering and the mass of the support. Moreover, the air permeation amount after firing was 570 L/(m 2 ·h).
生成したゼオライト膜のXRDパターンを図6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)=3.4、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=0.34であった。図5の粉末のCHA型ゼオライトのXRDパターンと比べて、調製例2で得られたゼオライト膜のXRDパターンは(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)は同程度にあるのに対して(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)は高く、rhombohedral settingにおける(1,0,0)面への配向が推測された。 FIG. 6 shows the XRD pattern of the produced zeolite membrane. * in the figure indicates a peak derived from the support. It was found from the XRD measurement that CHA-type zeolite was produced. Also, (intensity of peak near 2θ = 9.6°)/(intensity of peak near 2θ = 20.8°) = 3.4, (intensity of peak near 2θ = 17.9°)/(2θ = The intensity of the peak near 20.8°) was 0.34. Compared with the XRD pattern of the powdered CHA-type zeolite in FIG. ) are about the same, while (intensity of the peak near 2θ = 9.6°)/(intensity of the peak near 2θ = 20.8°) is higher. 0,0) orientation was assumed.
またSEM-EDXにより測定した、ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は40.2であった。 The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane measured by SEM-EDX was 40.2.
(実施例2)
調製例2で得られた膜複合体を30mmにカットし、水25gに硝酸鉄(III)9水和物2.12gを溶かした0.2Mの硝酸鉄水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、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水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 2)
The membrane composite obtained in Preparation Example 2 was cut to 30 mm, and a 0.2 M iron nitrate solution containing 2.12 g of iron (III) nitrate nonahydrate dissolved in 25 g of water was placed in a Teflon (registered trademark) It was placed in an inner cylinder (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After a predetermined time had elapsed, the support-zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or more.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表3に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表4に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was performed. Table 3 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 4 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(例2:透過試験例)
調製例2で得られた膜複合体を40mmにカットし、硝酸鉄水溶液で処理せずに用いた以外は実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表3に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表4に示した。
(Example 2: Permeation test example)
A single-component gas permeation test was performed in the same manner as in Example 1, except that the membrane composite obtained in Preparation Example 2 was cut into 40 mm pieces and used without being treated with an aqueous iron nitrate solution. Table 3 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 4 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
表3と4の結果のとおり、SiO2/Al2O3モル比が40.2であるようなアルミニウムの少ないゼオライト膜複合体でも硝酸鉄水溶液の処理による十分な分離係数の上昇が確認できた。 As shown in Tables 3 and 4, it was confirmed that even a zeolite membrane composite with a low aluminum content, such as a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 40.2, was sufficiently increased in separation factor by treatment with an aqueous iron nitrate solution. .
(調製例3)
無機多孔質支持体上にCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを直接水熱合成することにより無機多孔質支持体-CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
1mol/L-NaOH水溶液60.1g、1mol/L-KOH水溶液40.0g、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)5.03gを加え、さらに水574gを加えて攪拌し、水酸化アルミニウムを溶解させた。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」と称する。)水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)13.5g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)60.1gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。
(Preparation Example 3)
An inorganic porous support-CHA-type zeolite membrane composite was produced by directly hydrothermally synthesizing a CHA-type aluminosilicate zeolite on an inorganic porous support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
To 60.1 g of 1 mol/L-NaOH aqueous solution and 40.0 g of 1 mol/L-KOH aqueous solution, 5.03 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich) was added, and further 574 g of water was added. In addition, the mixture was stirred to dissolve the aluminum hydroxide. To this, 13.5 g of an aqueous solution of N,N,N-trimethyl-1-adamantane ammonium hydroxide (hereinafter referred to as "TMADAOH") (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem) was added as an organic template, and further 60.1 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred for 2 hours to form an aqueous reaction mixture.
水性反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.066/0.15/0.1/100/0.04、SiO2/Al2O3=15である。 The composition (molar ratio) of the aqueous reaction mixture was SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/KOH/H 2 O/TMADAOH=1/0.066/0.15/0.1/100/0.04, SiO 2 /Al 2 O 3 =15.
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の平均値は116g/m2であった。また、焼成後の空気透過量は120L/(m2・h)であった。 The average mass of 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 was 116 g/m 2 . Moreover, the air permeation amount after firing was 120 L/(m 2 ·h).
生成したゼオライト膜のXRDパターンを図7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。
図7から、生成したゼオライト膜のXRDパターンは、粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ-13のXRDパターン(図5)にくらべ2θ=17.9°付近のピークの強度が顕著に大きいことがわかる。
The XRD pattern of the produced zeolite membrane is shown in FIG. * in the figure indicates a peak derived from the support. It was found from the XRD measurement that CHA-type zeolite was produced.
From FIG. 7, it can be seen that the XRD pattern of the produced zeolite membrane has a significantly higher peak intensity near 2θ=17.9° compared to the XRD pattern (FIG. 5) of SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite. .
粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ-13の(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20. 8°付近のピークの強度)=5.7に対し、生成したゼオライト膜の(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=6.4であり、rhombohedral settingにおける(1,0,0)面、(1,1,1)面への配向が推測された。 For SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite, (intensity of peak near 2θ = 9.6°) / (intensity of peak near 2θ = 20.8°) = 5.7, the resulting zeolite membrane (Intensity of peak near 2θ = 17.9°)/(Intensity of peak near 2θ = 20.8°) = 6.4. , 1) orientation to the plane was inferred.
(実施例3)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、水31.2gに硝酸ランタン6水和物15.2gを溶かした約1Mの硝酸ランタン水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 3)
The membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut to 40 mm, and an inner cylinder made of Teflon (registered trademark) was filled with an approximately 1 M lanthanum nitrate aqueous solution in which 15.2 g of lanthanum nitrate hexahydrate was dissolved in 31.2 g of water. (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or longer.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was conducted. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例4)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、水29.3gに硝酸クロム9水和物14.0gを溶かした約1Mの硝酸クロム水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 4)
The membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut to 40 mm, and an inner cylinder made of Teflon (registered trademark) was filled with an approximately 1 M chromium nitrate aqueous solution in which 14.0 g of chromium nitrate nonahydrate was dissolved in 29.3 g of water. (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or longer.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was performed. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例5)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、水33.9gに硝酸ジルコニル2水和物9.6gを溶かした約1Mの硝酸ジルコニル水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 5)
The membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut to 40 mm, and an inner cylinder made of Teflon (registered trademark) was filled with an approximately 1 M zirconyl nitrate aqueous solution in which 9.6 g of zirconyl nitrate dihydrate was dissolved in 33.9 g of water. (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or longer.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was conducted. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例6)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、水31.2gに硝酸マグネシウム6水和物8.9gを溶かした約1Mの硝酸マグネシウム水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 6)
The membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut into 40 mm pieces, and an inner cylinder made of Teflon (registered trademark) containing about 1 M magnesium nitrate aqueous solution in which 8.9 g of magnesium nitrate hexahydrate was dissolved in 31.2 g of water. (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or more.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was conducted. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例7)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、水30.0gに硝酸ガリウム8水和物14.0gを溶かした約1Mの硝酸ガリウム水溶液が入ったテフロン(登録商標)製内筒(100ml)に入れた。オートクレーブを密閉し、100℃で1時間、静置状態、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後にゼオライト膜複合体を水溶液から取り出し、洗浄後、100℃で4時間以上乾燥させた。
(Example 7)
The membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut to 40 mm, and an inner cylinder made of Teflon (registered trademark) was filled with an approximately 1 M gallium nitrate aqueous solution in which 14.0 g of gallium nitrate octahydrate was dissolved in 30.0 g of water. (100 ml). The autoclave was sealed and heated to 100° C. for 1 hour under static and autogenous pressure. After the lapse of a predetermined time, the zeolite membrane composite was allowed to cool, then removed from the aqueous solution, washed, and dried at 100° C. for 4 hours or longer.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was conducted. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例8)
実施例3で得た約1Mの硝酸ランタン水溶液で処理した膜を洗浄、乾燥後に300℃で4時間焼成した。
(Example 8)
The film treated with about 1 M lanthanum nitrate aqueous solution obtained in Example 3 was washed, dried and then calcined at 300° C. for 4 hours.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was conducted. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例9)
実施例6で得た約1Mの硝酸マグネシウム水溶液で処理した膜を洗浄、乾燥後に300℃で4時間焼成した。
(Example 9)
The film treated with about 1 M magnesium nitrate aqueous solution obtained in Example 6 was washed, dried and then calcined at 300° C. for 4 hours.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was performed. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(実施例10)
実施例7で得た約1Mの硝酸ガリウム水溶液で処理した膜を洗浄、乾燥後に300℃で4時間焼成した。
(Example 10)
The film treated with about 1 M gallium nitrate aqueous solution obtained in Example 7 was washed, dried and then calcined at 300° C. for 4 hours.
その後、実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。 Then, in the same manner as in Example 1, a single-component gas permeation test was performed. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
(例3:透過試験例)
調製例3で得られた膜複合体を40mmにカットし、硝酸金属塩水溶液で処理せずに用いた以外は実施例1と同様に、単成分ガス透過試験を行った。得られた50℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表5に、140℃における各ガスのパーミエンスと分離係数を表6に示した。
(Example 3: Permeation test example)
A single-component gas permeation test was performed in the same manner as in Example 1, except that the membrane composite obtained in Preparation Example 3 was cut into 40 mm pieces and used without being treated with an aqueous metal nitrate solution. Table 5 shows the obtained permeance and separation factor of each gas at 50°C, and Table 6 shows the permeance and separation factor of each gas at 140°C.
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、化学工業プラント、天然ガスの精製プラント、生ゴミなどからバイオガスを発生させるプラント等の気体混合物(ガス)の分離が必要とされる分野において、また例えば、化学工業プラント、発酵プラント、精密電子部品工場、電池製造工場等の含水有機化合物から水を分離し、有機化合物の回収などが必要とされる分野において、特に好適に使用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in any industrial field, for example, chemical industry plants, natural gas refining plants, plants that generate biogas from garbage, etc., where separation of gas mixtures (gases) is required. particularly suitable in fields where it is necessary to separate water from hydrous organic compounds and recover organic compounds, such as chemical industry plants, fermentation plants, precision electronic parts factories, battery manufacturing factories, etc. can be used.
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:供給ガス
8:透過ガス
9:スイープガス
10:排出ガス
11:透過ガス排出用配管
12:スイープガス導入用配管
13:被分離液
14:送液ポンプ
15:気化器
16:恒温槽
17:ゼオライト膜複合体モジュール
18:被分離液回収用トラップ
19:透過液捕集用トラップ
20:コールドトラップ
21:真空ポンプ
1: Zeolite membrane composite 2: Pressure vessel 3: End pin 4: Connection part 5: Pressure gauge 6: Back pressure valve 7: Supply gas 8: Permeated gas 9: Sweep gas 10: Exhaust gas 11: Permeated gas discharge pipe 12: Sweep gas introduction pipe 13: Liquid to be separated 14: Liquid sending pump 15: Vaporizer 16: Thermostatic bath 17: Zeolite membrane composite module 18: Trap for collecting liquid to be separated 19: Trap for collecting permeated liquid 20: Cold trap 21: Vacuum pump
Claims (7)
該無機多孔質支持体がセラミックス焼結体であり、
前記ゼオライト膜を構成するゼオライトがCHA型アルミノ珪酸塩であり、
無機多孔質支持体上に空気透過量が1300L/(m2・h)以下である該ゼオライト膜を形成し、該ゼオライト膜にAlを除く2価以上の金属よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を、
金属元素源化合物の濃度が0.05~3モル/Lである溶液に無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜(膜複合体)を浸漬する、
該溶液を膜複合体にスプレーする、
または該溶液を膜複合体に滴下することにより含有させることを特徴とする、金属含有多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の製造方法。 A method for producing a porous support-zeolite membrane composite having a zeolite membrane containing a divalent or higher metal excluding Al on an inorganic porous support,
The inorganic porous support is a ceramic sintered body,
The zeolite constituting the zeolite membrane is a CHA-type aluminosilicate,
forming the zeolite membrane having an air permeation rate of 1300 L/(m 2 ·h) or less on an inorganic porous support; of metals,
immersing a zeolite membrane (membrane composite) formed on an inorganic porous support in a solution having a metal element source compound concentration of 0.05 to 3 mol/L;
spraying the solution onto the membrane composite;
Alternatively, a method for producing a metal-containing porous support-zeolite membrane composite, characterized in that the solution is added dropwise to the membrane composite.
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