DE10055611A1 - Membrane for use in pervaporation or vapor permeation, comprises material-permeable support material and separation-active layer - Google Patents
Membrane for use in pervaporation or vapor permeation, comprises material-permeable support material and separation-active layerInfo
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Abstract
Description
Beansprucht werden Zeolithmembrane, ein Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung der Zeolithmembrane.Zeolite membranes, a process for their production and the Use of the zeolite membrane.
Ein in industriellen Verfahren häufig vorkommendes Problem ist die Stofftrennung, insbesondere die Trennung Mischungen aus Flüssigkeiten oder Gasen. Klassische Trennverfahren, wie z. B. Destillation, Extraktion oder Adsorption, sind relativ aufwendig. Insbesondere zur Gasseparation werden Trennverfahren unter Verwendung von Membranen eingesetzt. Zurzeit werden häufig organische Membranen eingesetzt, obwohl diese nur begrenzt einsetzbar sind, da ihre chemische, mechanische und thermische Stabilität begrenzt ist.A common problem in industrial processes is material separation, in particular the separation of mixtures of liquids or gases. Classical Separation processes such as B. distillation, extraction or adsorption are relatively expensive. Separation processes using membranes are used in particular for gas separation used. Organic membranes are currently frequently used, although these are only limited can be used because their chemical, mechanical and thermal stability is limited.
In jüngerer Zeit sind keramische Materialien, die sich als Membran einsetzen lassen, entwickelt worden, die eine ausreichende Stabilität in Bezug auf chemische, mechanische oder thermische Einflüsse aufweisen. Damit diese Membrane zur Gasseparation eingesetzt werden können, müssen sie eine definierte maximale Porengröße aufweisen.Ceramic materials that can be used as membranes have recently been developed that have adequate stability in terms of chemical, mechanical or thermal Have influences. So that these membranes can be used for gas separation, they must have a defined maximum pore size.
Materialien mit definierten maximalen Porengrößen sind unter anderem Zeolithe. Je nach Zusammensetzung und/oder Herstellungsverfahren lassen sich Alumosilikate bzw. Zeolithe herstellen, die eine bestimmte Porengröße aufweisen. Dadurch, dass Zeolithe eine definierte Porengröße aufweisen, eignen sie sich zur Trennung von Verbindungen bzw. Molekülen, weshalb solche Verbindungen häufig auch Molekularsiebe genannt werden. Durch Kombination von Zeolithen mit anorganischen Membranen lassen sich Zeolithmembranen herstellen, die zur Trennung von bestimmten Gasgemischen geeignet sind.Materials with defined maximum pore sizes include zeolites. Depending on The composition and / or manufacturing process can be aluminosilicates or zeolites produce that have a certain pore size. Because zeolites have a defined Have pore size, they are suitable for the separation of compounds or molecules, which is why such compounds are often called molecular sieves. By combination Zeolites with inorganic membranes can be used to produce zeolite membranes Separation of certain gas mixtures are suitable.
Es sind bereits zahlreiche Versuche zur Herstellung und Verwendung von Kombinationen aus Membranen und Zeolithen beschrieben worden. Üblicherweise erfolgt die Herstellung solcher kombinierter Membranen nach einem Verfahren, bei welchem auf eine anorganische Membran durch Hydrothermalsynthese in einer Kristallisationslösung nach heterogener Keimbildung eine Zeolithschicht auf die Membran aufkristallisiert wird. There are already numerous attempts to manufacture and use combinations Membranes and zeolites have been described. Such is usually produced Combined membranes by a method in which an inorganic membrane by hydrothermal synthesis in a crystallization solution after heterogeneous nucleation Zeolite layer is crystallized on the membrane.
Für die Trennung von Gemischen aus n-Butan und iso-Butan werden als Kriterium für eine gute Membranqualität Trennfaktoren von < 10 bei 100 kPa und 200°C für Silikalit-1- und ZSM-5- Membrane angegeben. Eine auf einen planaren α-Al2O3-Träger aufkristallisierte Silikalit-1- Membran zeigte einen Trennfaktor von 11 (Vroon, Keizer, Burggraaf, Verweij; J. Membr. Sci. 144 (1998) 65-76). Ähnlich gute Ergebnisse erzielten Giroir-Fendler et al., Stud. Surf. Sci. Catal. 111 (1996) 127 und Kusakabe et al. J. Membr. Sci. 116 (1996) 39, an tubularen α-Al2O3- Trägern.For the separation of mixtures of n-butane and isobutane, separation criteria of <10 at 100 kPa and 200 ° C for silicalite-1 and ZSM-5 membranes are given as the criterion for good membrane quality. A silicalite-1 membrane crystallized onto a planar α-Al 2 O 3 support showed a separation factor of 11 (Vroon, Keizer, Burggraaf, Verweij; J. Membr. Sci. 144 (1998) 65-76). Giroir-Fendler et al., Stud. Surf achieved similarly good results. Sci. Catal. 111 (1996) 127 and Kusakabe et al. J. Membr. Sci. 116 (1996) 39, on tubular α-Al 2 O 3 supports.
In geringem Umfang werden solche Membrane schon kommerziell vertrieben. So beschreibt die Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. in der europäischen Patentanmeldung EP 0659469 die Erzeugung von Zeolith-A-Membranen durch Kristallisation von Zeolithen auf einen porösen Träger, vorzugsweise einen Aluminiumoxid-Träger. Bei der pervaporativen Trennung von Gemischen aus Ethanol und Wasser werden mit dieser Membran bei 105°C Trennfaktoren größer 10000 bei einer Flussrate von ca. 4 kg/m2.h.bar erreicht.Such membranes are already being sold commercially to a small extent. Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., for example, in European patent application EP 0659469 describes the production of zeolite A membranes by crystallizing zeolites on a porous support, preferably an alumina support. In the pervaporative separation of mixtures of ethanol and water, this membrane achieves separation factors greater than 10,000 at 105 ° C at a flow rate of approx. 4 kg / m 2 .h.bar.
Durchgesetzt hat sich die industrielle Verwendung solcher Membrane aber bisher noch nicht, da trotz akzeptabler Trennleistungen die Herstellung solcher Membrane zeit- und kostenintensiv ist. Dies liegt insbesondere daran, dass die Anzahl der synthesebedingten Membrandefekte nur dadurch minimiert werden kann, dass der Herstellungsprozess, also das Aufkristallisieren mehrfach wiederholt wird. Dies führt außerdem zu einer Erhöhung der Membrandicke, damit zu einer Verminderung der Flussraten bei der Stofftrennung und somit wird die Verwendung dieser Membrane in Separationsverfahren uneffektiver.However, the industrial use of such membranes has not yet prevailed because Despite acceptable separation performance, the manufacture of such membranes is time and cost intensive is. This is due in particular to the fact that the number of membrane defects due to synthesis only can be minimized by the fact that the manufacturing process, ie the crystallization is repeated several times. This also leads to an increase in membrane thickness a decrease in flow rates in material separation and thus the use of this Membrane ineffective in separation processes.
In neuerer Zeit wird versucht, Zeolithmembrane innerhalb einer keramischen Schicht zu synthetisieren. So beschrieben Hoffmann et al. auf der 12. Deutschen Zeolith-Tagung 2000 auf einem Poster das ein neues Verfahren getestet wurde, mit welchem es gelingen sollte, eine Zeolithmembran in den Poren eines porösen Trägers zu synthetisieren. Bei diesem Verfahren wird eine Zeolithsyntheselösung in den Träger infiltriert und erst danach erfolgt eine hydrothermale Behandlung der Probe. Es wurden keine weiteren Angaben über die Herstellungsparameter gemacht. Es konnte auch nicht der Nachweis erbracht werden, dass die so hergestellten Membrane für die Separation von Flüssigkeiten oder Gasen geeignet sind. In recent times, attempts have been made to place zeolite membranes within a ceramic layer synthesize. Hoffmann et al. at the 12th German Zeolite Conference in 2000 a poster that tested a new process that should work, one To synthesize zeolite membrane in the pores of a porous support. With this procedure a zeolite synthesis solution is infiltrated into the carrier and only then does one take place hydrothermal treatment of the sample. No further information was given about the Manufacturing parameters made. It was also not possible to prove that the membranes thus produced are suitable for the separation of liquids or gases.
Moueddeb et al. (eingereicht bei J. Membr. Sci.) beschreiben ebenso wie die PCT-Anmeldung WO 95/29751 die Herstellung einer Zeolithmembran in den Poren eines zylindrischen Trägers auf Aluminiumoxid-Basis. Die Überprüfung ergibt, dass es möglich ist, eine nahezu defektfreie Zeolithmembran in den Poren eines zylindrischen Trägers auf Aluminiumoxid-Basis herzustellen.Moueddeb et al. (submitted to J. Membr. Sci.) as well as the PCT application WO 95/29751 the production of a zeolite membrane in the pores of a cylindrical support based on aluminum oxide. The review shows that it is possible to have an almost defect-free one To manufacture zeolite membrane in the pores of a cylindrical support based on aluminum oxide.
Die beschriebenen Methoden zur Herstellung von Zeolithmembranen haben den Nachteil, dass sie zu Zeolithmembranen führen, die mechanisch nur sehr gering belastbar sind. Zudem ist die Herstellung solcher Zeolithmembrane relativ aufwendig und damit teuer, weshalb ein industrieller Einsatz solcher Membrane, z. B. zur Gasseparation, bis jetzt noch nicht erfolgt.The methods described for the production of zeolite membranes have the disadvantage that they lead to zeolite membranes that are mechanically very weak. In addition, the Production of such zeolite membrane is relatively complex and therefore expensive, which is why industrial use of such membranes, e.g. B. for gas separation, has not yet taken place.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Zeolithmembran, die relativ unempfindlich gegen mechanische Belastungen ist und einfach und günstig herzustellen ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.The object of the present invention was therefore to provide a zeolite membrane that is relatively is insensitive to mechanical loads and is simple and inexpensive to manufacture, and to provide a process for their production.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch Einbringen einer Kristallisationslösung in ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und anschließende Kristallisation einer trennaktiven Schicht in dem Trägermaterial eine keramische Membran erhalten werden kann, die verbesserte Eigenschaften bezüglich mechanischer und chemischer Stabilität aufweist, als herkömmliche Membranen, wobei die Eigenschaften unter anderem von der verwendeten Kristallisationslösung und damit z. B. vom hergestellten Zeolith-Typen abhängig sind.Surprisingly, it was found that by introducing a crystallization solution into a permeable carrier material and subsequent crystallization of a separating layer in a ceramic membrane can be obtained from the carrier material, which improved Features mechanical and chemical stability than conventional Membranes, the properties of which include the crystallization solution used and thus z. B. depend on the types of zeolite produced.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Membran, die ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und eine trennaktive Schicht aufweist, nach Anspruch 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membran zumindest eine trennaktive Schicht in dem stoffdurchlässigen Trägermaterial aufweist.The present invention therefore relates to a membrane which is permeable to material Carrier material and a release-active layer according to claim 1, which thereby is characterized in that the membrane has at least one separation-active layer in the has permeable carrier material.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Membran mit zumindest einer trennaktiven Schicht in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial nach Anspruch 2, die durch Einbringen einer Kristallisationslösung, welche die zur Synthese der trennaktiven Schicht notwendigen Komponenten aufweist, in ein Trägermaterial, wobei die in den Poren des Trägermaterial vorhandenen Gase von der Kristallisalionslösung aus dem Trägermaterial verdrängt werden, und anschließende Kristallisation der trennaktiven Schicht im Trägermaterial erhältlich ist.The present invention also relates to a membrane with at least one separating active layer in a permeable carrier material according to claim 2, which by Introduction of a crystallization solution which is used for the synthesis of the separation-active layer has necessary components, in a carrier material, the in the pores of the Gases present from the crystallization solution from the carrier material are displaced, and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material is available.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Verfahren zur Herstellung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial eine trennaktive Schicht synthetisiert wird.The present invention also relates to a method for producing a Membrane according to at least one of claims 1 to 21, which is characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Abtrennung von Verbindungen oder Molekülen, die eine durchschnittliche Größe von kleiner 10 nm aufweisen.The present invention also relates to the use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of compounds or molecules, which have an average size of less than 10 nm.
Die erfindungsgemäßen Membrane haben den Vorteil, dass Sie je nach Verwendungszweck deutlich haltbarer sind als bis jetzt zur Verfügung stehende Membrane mit ähnlichen Eigenschaften wie die der erfindungsgemäßen Membrane.The membrane according to the invention has the advantage that, depending on the intended use are significantly more durable than the membranes available so far with similar ones Properties like those of the membrane according to the invention.
Die erfindungsgemäßen Membrane haben außerdem den Vorteil, dass als Trägermaterialien, in welche die Schicht aus trennaktiven Kristallen eingebracht wird, preiswerte Materialien verwendet werden können.The membrane according to the invention also has the advantage that, as carrier materials, in which the layer of separation-active crystals is introduced, inexpensive materials can be used.
Die erfindungsgemäßen Membrane zeichnen sich zusätzlich durch hervorragende Trenneigenschaften aus. Da die trennaktive Schicht sehr dünn ist, weist die erfindungsgemäße Membran trotz hoher Selektivität der Trennung einen großen Permeatfluss auf. Das gute Trennverhalten wird außerdem auch dadurch erzielt, dass die trennaktive Kristallschicht an ihren Kristallkorngrenzen so dicht ist, dass keine ungewollten Stoffdurchgänge möglich sind.The membrane of the invention is also characterized by excellent Separation properties. Since the separation-active layer is very thin, the layer according to the invention has Membrane has a large permeate flow despite the high selectivity of the separation. The good Separation behavior is also achieved in that the separation-active crystal layer on its Crystal grain boundaries is so dense that no unwanted material passages are possible.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Membran ist der, dass die Membran je nach verwendetem Trägermaterial flexibel und biegbar ist, ohne dass die guten Trenneigenschaften verloren gehen. Besonders vorteilhaft ist außerdem, dass die erfindungsgemäße Membran nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr preiswert auch in großen Flächen hergestellt werden kann. Another advantage of the membrane according to the invention is that the membrane depends on The backing material used is flexible and bendable without the good separating properties get lost. It is also particularly advantageous that the membrane according to the invention the method according to the invention can also be produced very inexpensively in large areas can.
Das Herstellverfahren für die erfindungsgemäßen Membrane ist einfach und wirtschaftlich, da es keinen besonderen technischen Aufwand erfordert.The manufacturing process for the membrane according to the invention is simple and economical since it does not require any special technical effort.
Die erfindungsgemäße Membran wird im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass die Membran auf diese Ausführungsarten beschränkt sein soll.The membrane according to the invention is described below by way of example, without the Membrane should be limited to these designs.
Die erfindungsgemäße Membran, die ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und zumindest eine trennaktive Schicht aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran zumindest eine trennaktive Schicht in dem stoffdurchlässigen Trägermaterial aufweist.The membrane according to the invention, which is a permeable carrier material and at least one separating active layer, is characterized in that the membrane at least one separating active layer in the permeable carrier material.
Erfindungsgemäße Membranen mit zumindest einer trennaktiven Schicht in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial sind durch Einbringen einer Kristallisationslösung, welche die zur Synthese der trennaktiven Schicht notwendigen Komponenten aufweist, in ein Trägermaterial, wobei die in den Poren des Trägermaterial vorhandenen Gase von der Kristallisationslösung aus dem Trägermaterial verdrängt werden, und anschließende Kristallisation der trennaktiven Schicht im Trägermaterial erhältlich.Membranes according to the invention with at least one separation-active layer in one permeable carrier material are by introducing a crystallization solution, which the has components necessary for the synthesis of the separation-active layer, in one Support material, the gases present in the pores of the support material from the Crystallization solution are displaced from the carrier material, and subsequent Crystallization of the separation-active layer available in the carrier material.
Unter einer Membran wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Werkstoff verstanden, der zur Trennung von Stoffen geeignet ist und somit für Teilchen bis zu einer bestimmten Größe durchlässig und für größere Teilchen undurchlässig ist.In the context of the present invention, a membrane is understood to mean a material which is suitable for separating substances and thus for particles up to a certain size permeable and impermeable to larger particles.
Unter trennaktiver Schicht wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Schicht verstanden, an welcher die eigentliche Stofftrennung stattfindet. Die maximale Porengröße der trennaktiven Schicht bestimmt deshalb die Größe der Teilchen, für welche die Membran gerade noch durchlässig ist.For the purposes of the present invention, the separating layer is understood to mean the layer which the actual material separation takes place. The maximum pore size of the separation active Layer therefore determines the size of the particles for which the membrane just barely is permeable.
Das in der erfindungsgemäßen Membran vorhandene stoffdurchlässige Trägermaterial kann Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien umfassen. Vorzugsweise weist das stoffdurchlässige Trägermaterial Gewebe, Vliese, Sinterpulver oder Sinterfasern aus Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien auf. Ebenso kann das stoffdurchlässige Trägermaterial Gewebe oder Vliese aus Kohlenstoffgewebe aufweisen. Das stoffdurchlässige Trägermaterial kann auch ein Material sein, welches selbst als Mikrofiltrationsmembran, Ultrafiltrationsmembran, Nanofiltrationsmembran oder Gasseparationsmembran verwendet werden kann. Es sind also auch solche Materialkombination als Trägermaterial verwendbar, bei welchen eine Mikro-, Nano- und/oder Ultrafiltrationsmembran als Schicht auf und/oder in einen Träger oder in und/oder auf eine Mikro-, Nano- und/oder Ultrafiltrationsmembran aufgebracht wurde.The permeable carrier material present in the membrane according to the invention can Metal, glass, ceramic or a combination of these materials. Preferably points the permeable carrier material is woven fabric, fleeces, sinter powder or sinter fibers made of metal, Glass, ceramics or a combination of these materials. Likewise, the permeable Carrier material have woven or non-woven fabrics made of carbon fabric. The permeable The carrier material can also be a material which itself acts as a microfiltration membrane, Ultrafiltration membrane, nanofiltration membrane or gas separation membrane used can be. Such a combination of materials can also be used as the carrier material, at which a micro, nano and / or ultrafiltration membrane as a layer on and / or in one Carrier or applied in and / or on a micro, nano and / or ultrafiltration membrane has been.
Die Herstellung solcher Materialien bzw. Materialkombinationen wird z. B. in den PCT- Anmeldungen WO 96/00198, WO 99/15262 oder WO 99/15272 beschrieben. All diese Materialien basieren auf Verbundwerkstoffen, die ein anorganisches bzw. keramisches Material aufgebracht auf und in einen porösen Träger aufweisen. Die erfindungsgemäße Membran kann als Trägermaterial sowohl die nachfolgend beschriebenen Verbundwerkstoffe als auch die diesen zu Grunde liegenden Träger aufweisen.The production of such materials or material combinations is, for. B. in the PCT Applications WO 96/00198, WO 99/15262 or WO 99/15272 are described. All these Materials are based on composite materials that are an inorganic or ceramic material applied to and in a porous support. The membrane according to the invention can Both the composite materials described below and the latter as the carrier material have underlying carrier.
Die Verbundwerkstoffe weisen als Basis zumindest einen durchbrochenen und stoffdurchlässigen Träger auf. Auf zumindest einer Seite des Trägers und im Inneren des Trägers weist der Träger zumindest eine anorganische Komponente auf, die im Wesentlichen zumindest eine Verbindung aus einem Metall, einem Halbmetall oder einem Mischmetall mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe aufweist. Unter dem Inneren eines Trägers werden in die Hohlräume oder Poren in einem Träger verstanden.The composite materials have at least one openwork and permeable carrier. On at least one side of the carrier and inside the Carrier, the carrier has at least one inorganic component that is essentially at least one compound made of a metal, a semimetal or a mixed metal has at least one element of the 3rd to 7th main group. Under the inside of a carrier are understood in the cavities or pores in a carrier.
Die Verbundwerkstoffe können durch Aufbringen einer Suspension, die zumindest eine, eine Verbindung zumindest eines Metalls, eines Halbmetalls oder eines Mischmetalls mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe aufweisende, anorganische Komponente und ein Sol aufweist, auf eine durchbrochenen und stoffdurchlässigen Träger, und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die zumindest eine anorganische Komponente aufweisende Suspension auf oder im oder auf und im Träger verfestigt wird, erhalten werden.The composite materials can be applied by applying a suspension, the at least one Connection of at least one metal, a semi-metal or a mixed metal with at least an element of the 3rd to 7th main group, inorganic component and a sol has, on an openwork and permeable support, and by at least one-time heating, in which the at least one inorganic component Suspension on or in or on and solidified in the carrier can be obtained.
Die Verbundwerkstoffe können aber auch durch Gasphasenabscheidung, Imprägnation oder Copräcipitation erhalten werden. The composite materials can also by vapor deposition, impregnation or Coprecipitation can be obtained.
Die Verbundwerkstoffe können für Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten durchlässig sein, insbesondere für Teilchen mit einer Größe von kleiner 10 nm. Die Zwischenräume in den Verbundwerkstoffen können Poren, Maschen, Löcher, Kristallgitterzwischenräume oder Hohlräume sein. Der Träger kann zumindest ein Material, ausgewählt aus Kohlenstoff, Metallen, Legierungen, Glas, Keramiken, Mineralien, Kunststoffen, amorphen Substanzen, Naturprodukten, Verbundstoffen oder aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, aufweisen. Die Träger, welche die vorgenannten Materialien aufweisen können, können durch eine chemische, thermische oder einer mechanische Behandlungsmethode oder einer Kombination der Behandlungsmethoden modifiziert worden sein. Vorzugsweise weisen die Verbundwerkstoffe einen Träger, der zumindest ein Metall, eine Naturfaser oder einen Kunststoff aufweist auf, der nach zumindest einer mechanischen Verformungstechnik bzw. Behandlungsmethode, wie z. B. Ziehen, Stauchen, Walken, Walzen, Recken oder Schmieden modifiziert wurde. Ganz besonders bevorzugt weisen die Verbundwerkstoffe zumindest einen Träger, der zumindest verwobene, verklebte, verfilzte oder keramisch gebundene Fasern, oder zumindest gesinterte oder verklebte Formkörper, Kugeln oder Partikel aufweist, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann ein perforierter Träger verwendet werden. Stoffdurchlässige Träger können auch solche sein, die durch Laserbehandlung oder Ionenstrahlbehandlung stoffdurchlässig werden oder gemacht worden sind.The composite materials can be permeable to gases, solids or liquids, especially for particles with a size of less than 10 nm. The spaces in the Composites can include pores, meshes, holes, crystal lattice spaces or Be cavities. The carrier can have at least one material selected from carbon, Metals, alloys, glass, ceramics, minerals, plastics, amorphous substances, Natural products, composite materials or at least a combination of these materials, exhibit. The carriers, which can have the aforementioned materials, can be made by a chemical, thermal or mechanical treatment method or one Combination of treatment methods have been modified. Preferably, the Composites a carrier that is at least a metal, a natural fiber or a Has plastic which, according to at least one mechanical deformation technique or Treatment method, such as B. drawing, upsetting, milling, rolling, stretching or forging was modified. The composite materials very particularly preferably have at least one Carrier, the at least interwoven, glued, matted or ceramic-bound fibers, or has at least sintered or bonded shaped bodies, balls or particles. In a another preferred embodiment, a perforated carrier can be used. Permeable carriers can also be those that are produced by laser treatment or Ion beam treatment become permeable or have been made.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Träger Fasern aus zumindest einem Material, ausgewählt aus Kohlenstoff, Metallen, Legierungen, Keramiken, Glas, Mineralien, Kunststoffen, amorphen Substanzen, Verbundstoffen und Naturprodukten oder Fasern aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, wie z. B. Asbest, Glasfasern, Steinwollfasern, Kohlefasern, Metalldrähte, Stahldrähte, Polyamidfasern, Kokosfasern, beschichtete Fasern, aufweist. Vorzugsweise werden Träger verwendet, die zumindest verwobene Fasern aus Metall oder Legierungen aufweisen. Als Fasern aus Metall können auch Drähte dienen. Ganz besonders bevorzugt weisen die Verbundwerkstoffe einen Träger auf, der zumindest ein Gewebe aus Stahl oder Edelstahl, wie z. B. aus Stahldrähten, Stahlfasern, Edelstahldrähten oder Edelstahlfasern durch Weben hergestellte Gewebe, aufweist, welche vorzugsweise eine Maschenweite von 5 bis 500 µm, besonders bevorzugt Maschenweiten von 50 bis 500 µm und ganz besonders bevorzugt Maschenweiten von 70 bis 120 µm, aufweisen. It can be advantageous if the carrier fibers are selected from at least one material Carbon, metals, alloys, ceramics, glass, minerals, plastics, amorphous Substances, composites and natural products or fibers from at least one combination these materials, such as B. asbestos, glass fibers, rock wool fibers, carbon fibers, metal wires, Steel wires, polyamide fibers, coconut fibers, coated fibers. Preferably be Carrier used, which have at least woven fibers made of metal or alloys. As Metal fibers can also serve as wires. The very particularly preferably have Composites on a carrier, such as at least a steel or stainless steel mesh z. B. from steel wires, steel fibers, stainless steel wires or stainless steel fibers by weaving manufactured fabric, which preferably has a mesh size of 5 to 500 microns, particularly preferred mesh sizes of 50 to 500 microns and very particularly preferred Mesh sizes of 70 to 120 microns have.
Der Träger der Verbundwerkstoffe kann aber auch zumindest ein Streckmetall mit einer Porengröße von 5 bis 500 µm aufweisen. Erfindungsgemäß kann der Träger aber auch zumindest ein körniges, gesintertes Metall, ein gesintertes Glas oder ein Metallvlies mit einer Porenweite von 0,1 µm bis 500 µm, vorzugsweise von 3 bis 60 µm, aufweisen.The carrier of the composite materials can also have at least one expanded metal with a Have pore sizes of 5 to 500 microns. According to the invention, however, the carrier can also at least one granular, sintered metal, a sintered glass or a metal fleece with a Pore size from 0.1 microns to 500 microns, preferably from 3 to 60 microns.
Die Verbundwerkstoffe weisen vorzugsweise einen Träger auf, der zumindest Aluminium, Silicium, Kobalt, Mangan, Zink, Vanadium, Molybdän, Indium, Blei, Wismut, Silber, Gold, Nickel, Kupfer, Eisen, Titan, Platin, Edelstahl, Stahl, Messing, eine Legierung aus diesen Materialien oder ein mit Au, Ag, Pb, Ti, Ni, Cr, Pt, Pd, Rh, Ru und/oder Ti beschichtetes Material aufweist.The composite materials preferably have a carrier which contains at least aluminum, Silicon, cobalt, manganese, zinc, vanadium, molybdenum, indium, lead, bismuth, silver, gold, Nickel, copper, iron, titanium, platinum, stainless steel, steel, brass, an alloy of these Materials or one coated with Au, Ag, Pb, Ti, Ni, Cr, Pt, Pd, Rh, Ru and / or Ti Has material.
Die in den Verbundwerkstoffen vorhandene anorganische Komponente kann zumindest eine Verbindung aus zumindest einem Metall, Halbmetall oder Mischmetall mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe des Periodensystems oder zumindest eine Mischung dieser Verbindungen aufweisen. Dabei können die Verbindungen der Metalle, Halbmetalle oder Mischmetalle zumindest Elemente der Nebengruppenelemente und der 3. bis 5. Hauptgruppe oder zumindest Elemente der Nebengruppenelemente oder der 3. bis 5. Hauptgruppe aufweisen, wobei diese Verbindungen eine Korngröße von 0,001 bis 25 µm aufweisen. Vorzugsweise weist die anorganische Komponente zumindest eine Verbindung eines Elementes der 3. bis 8. Nebengruppe oder zumindest eines Elementes der 3. bis 5. Hauptgruppe mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge, Si, C, Ga, Al oder B oder zumindest eine Verbindung eines Elementes der 3. bis 8. Nebengruppe und zumindest eines Elementes der 3. bis 5. Hauptgruppe mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge, Si, C, Ga, Al oder B oder eine Mischung dieser Verbindungen auf. Besonders bevorzugt weist die anorganische Komponente zumindest eine Verbindung zumindest eines der Elemente Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Sb oder Bi mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, C, Si, Ge oder Ga, wie z. B. TiO2, Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, BC, SiC, Fe3O4, SiN, SiP, Nitride, Sulfate, Phosphite, Silicide, Spinelle oder Yttriumaluminiumgranat, oder eines dieser der Elemente selbst auf. Die anorganische Komponente kann auch Alumosilicate, Aluminiumphospate, Zeolithe oder partiell ausgetauschte Zeolithe, wie z. B. ZSM-5, Na-ZSM-5 oder Fe-ZSM-5 oder amorphe mikroporöse Mischoxide, die bis zu 20% nicht hydrolisierbare organische Verbindungen enthalten können, wie z. B. Vanadinoxid-Siliziumoxid-Glas oder Aluminiumoxid-Siliciumoxid-Methylsiliciumsesquioxid- Gläser, aufweisen.The inorganic component present in the composite materials can have at least one compound of at least one metal, semimetal or mixed metal with at least one element from the 3rd to 7th main group of the periodic table or at least a mixture of these compounds. The compounds of the metals, semimetals or mixed metals can have at least elements of the subgroup elements and the 3rd to 5th main group or at least elements of the subgroup elements or the 3rd to 5th main group, these compounds having a grain size of 0.001 to 25 µm. The inorganic component preferably has at least one compound of an element of the 3rd to 8th subgroup or at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge , Si, C, Ga, Al or B or at least one connection of an element of the 3rd to 8th subgroup and at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As , P, N, Ge, Si, C, Ga, Al or B or a mixture of these compounds. The inorganic component particularly preferably has at least one compound of at least one of the elements Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge , Sn, Pb, Sb or Bi with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, C, Si, Ge or Ga, such as. B. TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , BC, SiC, Fe 3 O 4 , SiN, SiP, nitrides, sulfates, phosphites, silicides, spinels or yttrium aluminum garnet, or one of these Elements themselves. The inorganic component can also be aluminosilicates, aluminum phosphates, zeolites or partially exchanged zeolites, such as, for. B. ZSM-5, Na-ZSM-5 or Fe-ZSM-5 or amorphous microporous mixed oxides, which can contain up to 20% non-hydrolyzable organic compounds, such as. B. vanadium oxide-silica glass or alumina-silica-methyl-silicon sesquioxide glasses.
Vorzugsweise liegt zumindest eine anorganische Komponente in einer Korngrößenfraktion mit einer Korngröße von 1 bis 250 nm oder mit einer Korngröße von 260 bis 10000 nm vor.At least one inorganic component is preferably present in a grain size fraction a grain size of 1 to 250 nm or with a grain size of 260 to 10000 nm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die verwendeten Verbundwerkstoffe zumindest zwei Korngrößenfraktionen von zumindest einer anorganischen Komponente aufweisen. Das Korngrößenverhältnis der Korngrößenfraktionen im Verbundwerkstoff beträgt von 1 : 1 bis 1 : 10000, vorzugsweise von 1 : 1 bis 1 : 100. Das Mengenverhältnis der Korngrößenfraktionen in dem Verbundwerkstoff kann vorzugsweise von 0,01 zu 1 bis 1 zu 0,01 betragen.It can be advantageous if the composite materials used have at least two Have grain size fractions of at least one inorganic component. The Grain size ratio of the grain size fractions in the composite material is from 1: 1 to 1: 10000, preferably from 1: 1 to 1: 100. The quantitative ratio of the grain size fractions in the composite material can preferably be from 0.01 to 1 to 1 to 0.01.
Die Stoffdurchlässigkeit der Verbundwerkstoffe kann durch die Korngröße der verwendeten anorganischen Komponente auf Teilchen mit einer bestimmten maximalen Größe begrenzt werden.The permeability of the composite materials can be determined by the grain size of the inorganic component limited to particles of a certain maximum size become.
Die zumindest eine anorganische Komponente aufweisende Suspension, mit welcher die Verbundwerkstoffe erhalten werden können, kann zumindest eine Flüssigkeit, ausgewählt aus Wasser, Alkohol und Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten aufweisen.The suspension having at least one inorganic component, with which the Composites can be obtained, at least one liquid selected from Have water, alcohol and acid or a combination of these liquids.
Der erfindungsgemäß als Trägermaterial verwendbare stoffdurchlässige Verbundwerkstoff kann eine aufgebrachte Schicht aus Verbindungen aus der Gruppe der Zeolithe, der amorphen Mischmetalloxide, der Silikalite, Alumosilikate, Aluminiumphosphate, der partiell ausgetauschten Zeolithe oder einer Mischung aus Verbindungen dieser Gruppe aufweisen. Ganz besonders bevorzugt kann als stoffdurchlässiges Trägermaterial ein Material verwendet werden, welches durch Aufbringen einer Suspension aus Zeolith-Partikeln in einem Sol oder einem Zeolith-Partikel aufweisendem Sol auf einen porsösen Träger und anschließendes Verfestigen erhalten wird. Solche Zeolith aufweisenden Trägermaterialien, die auch auf andere Weise erhalten werden können, weisen vorzugsweise dieselbe Zeolithverbindung auf, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in dem Trägermaterial synthetisiert werden soll. Auf diese Weise kann eine größere trennaktive Oberfläche erhalten werden, da die trennaktive Schicht nicht nur zwischen den Poren des Trägermaterials vorhanden ist sondern auch das Trägermaterial selbst teilweise trennaktiv ist.The permeable composite material which can be used according to the invention as a carrier material can an applied layer of compounds from the group of zeolites, the amorphous Mixed metal oxides, the silicalites, aluminosilicates, aluminum phosphates, the partial exchanged zeolites or a mixture of compounds of this group. All a material can particularly preferably be used as the permeable carrier material, which by applying a suspension of zeolite particles in a sol or a Sol containing zeolite particles on a porous support and subsequent solidification is obtained. Such zeolite-containing carrier materials, which also in other ways can be obtained, preferably have the same zeolite compound by the the inventive method is to be synthesized in the carrier material. In this way a larger release-active surface can be obtained since the release-active layer not only is present between the pores of the support material but also the support material itself is partially active.
Der Verbundwerkstoff weist eine mittlere Porengröße von kleiner 2000 nm, vorzugsweise von kleiner 500 nm und ganz besonders bevorzugt von kleiner 10 nm auf. Die mittlere Porengröße ist im Sinne der Erfindung definiert als das arithmetische Mittel der durch Quecksilberporösimetrie bestimmten Porengrößenverteilung. Die maximale Porengröße ist im Sinne der Erfindung so definiert, dass der Verbundwerkstoff nur für Teilchen von einer Größe die kleiner als die maximale Porengröße ist durchlässig ist.The composite material has an average pore size of less than 2000 nm, preferably of less than 500 nm and very particularly preferably less than 10 nm. The average pore size is defined in the sense of the invention as the arithmetic mean of the Mercury porosimetry determined pore size distribution. The maximum pore size is in The meaning of the invention is defined in such a way that the composite material is only for particles of one size which is permeable smaller than the maximum pore size.
Der Verbundwerkstoff kann zumindest eine katalytisch aktive Komponente aufweisen. Die katalytisch aktive Komponente kann mit der anorganischen Komponente identisch sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die anorganische Komponente an der Oberfläche katalytisch aktive Zentren aufweist.The composite material can have at least one catalytically active component. The The catalytically active component can be identical to the inorganic component. this applies especially when the inorganic component is catalytically active on the surface Centers.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff als katalytisch aktive Komponente zumindest ein anorganisches Material, zumindest ein Metall oder zumindest eine metallorganische Verbindung auf, an deren Oberfläche sich katalytisch aktive Zentren befinden. Der Verbundwerkstoff kann als katalytische Komponente auch ein Zeolith, wie z. B. ZSM-5, Fe-ZSM-5, Silikalit oder ein amorphes mikroporöses Mischoxid, wie sie z. B. in DE 195 45 042 und/oder DE 195 06 843 beschrieben werden, wie z. B. Vanadinoxid-Siliziumoxid-Glas oder Aluminiumoxid- Siliciumoxid-Methylsiliciumsesquioxid-Gläser, aufweisen.The composite material preferably has at least one as a catalytically active component inorganic material, at least one metal or at least one organometallic compound on whose surface there are catalytically active centers. The composite can as a catalytic component, a zeolite, such as. B. ZSM-5, Fe-ZSM-5, silicalite or a Amorphous microporous mixed oxide, such as z. B. in DE 195 45 042 and / or DE 195 06 843 are described, such as. B. vanadium oxide-silicon oxide glass or aluminum oxide Silicon oxide-methyl silicon sesquioxide glasses.
Der Verbundwerkstoff kann als katalytisch aktive Komponente aber auch zumindest ein Oxid zumindest eines der Elemente Mo, Sn, Zn, V, Mn, Fe, Co, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Ru, Re, Cr, W, Nb, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Gd, Ga, In, Tl, Ag, Cu, Li, K, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al und Si aufweisen.As a catalytically active component, however, the composite material can also have at least one oxide at least one of the elements Mo, Sn, Zn, V, Mn, Fe, Co, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Ru, Re, Cr, W, Nb, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Gd, Ga, In, Tl, Ag, Cu, Li, K, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al and Si exhibit.
Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn der als Trägermaterial verwendete Verbundwerkstoff als katalytisch aktive Komponente zumindest eine Metallverbindung, ausgewählt aus den Verbindungen der Metalle Bi, Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Os, Re, Cu, Fe, Ni, Pd und Co, oder zumindest ein Metall, ausgewählt aus den Metallen Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Os, Re, Fe, Cu, Ni, Pd und Co, aufweist.It can also be advantageous if the composite material used as the carrier material as a catalytically active component, at least one metal compound selected from the Compounds of the metals Bi, Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Os, Re, Cu, Fe, Ni, Pd and Co, or at least one metal selected from the metals Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Os, Re, Fe, Cu, Ni, Pd and Co.
Der in der erfindungsgemäßen Membran als Trägermaterial verwendete Verbundwerkstoff ist vorzugsweise ohne Zerstörung des Verbundwerkstoffes, biegbar bzw. flexibel ausgeführt. Vorzugsweise ist der Verbundwerkstoff auf einen kleinsten Radius von bis zu 2 cm biegbar.The composite material used as the carrier material in the membrane according to the invention is preferably carried out without destroying the composite, bendable or flexible. The composite material can preferably be bent to a minimum radius of up to 2 cm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das stoffdurchlässige Trägermaterial eine homogene Porösität aufweist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn das stoffdurchlässige Trägermaterial eine inhomogene Porösität aufweist. Besonders bevorzugt weist das stoffdurchlässige Trägermaterial Bereiche mit größerer und Bereiche mit kleinerer Porösität auf. Ganz besonders bevorzugt ist das Trägermaterial schichtartig aus Bereichen mit größerer und Bereichen mit kleinerer Porösität aufgebaut. Die Porösität beim Übergang von einer Schicht zur nächsten Schicht nimmt vorzugsweise zu oder ab, sodass ein Porösitätsgradient im Trägermaterial vorhanden ist. Unter einem Stoff, der eine homogene Porösität im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist, wird eine Stoff verstanden, der an den Stellen, an denen er Poren aufweist, Poren gleicher oder nahezu gleicher Größe aufweist. Ein erfindungsgemäßes Trägermaterial, welches aus einem Drahtnetz mit aufgebrachter Keramik besteht wird dann als Trägermaterial mit homogener Porösität verstanden, wenn die Keramik Poren mit einer im wesentlichen gleichen Porengröße aufweist. Ein erfindungsgemäßes Trägermaterial, welches aus einem Drahtnetz mit einer aufgebrachten Keramik, wobei einseitig auf die Keramik eine weitere Keramik mit anderer Zusammensetzung aufgebracht wurde, weist eine inhomogene Porösität im Sinne der vorliegenden Erfindung auf, wenn die beiden Keramiken unterschiedliche Porengrößen aufweisen.It can be advantageous if the permeable carrier material has a homogeneous porosity having. It can also be advantageous if the permeable carrier material is a has inhomogeneous porosity. The permeable carrier material particularly preferably has Areas with larger and areas with smaller porosity. Is very particularly preferred the carrier material in layers from areas with larger and areas with smaller Porosity built up. The porosity decreases during the transition from one layer to the next layer preferably up or down, so that a porosity gradient is present in the carrier material. Under a substance that has a homogeneous porosity in the sense of the present invention understood a substance which, at the places where it has pores, pores of the same or has almost the same size. A carrier material according to the invention, which consists of a Wire mesh with applied ceramic is then used as a carrier material with a more homogeneous Porosity understood when the ceramic has pores with a substantially same pore size having. A carrier material according to the invention, which consists of a wire mesh with a applied ceramics, one ceramic on the other side with another ceramic Composition has been applied, has an inhomogeneous porosity in the sense of present invention if the two ceramics have different pore sizes exhibit.
Die Poren der trennaktiven Schicht in der erfindungsgemäßen Membran weisen vorzugsweise eine maximale Porenweite von kleiner 10 nm, besonders bevorzugt kleiner 1 nm auf. Vorzugsweise weist die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke auf, die der maximalen Dicke des Trägers entspricht. Besonders bevorzugt weist die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke auf, die 1/10 bis 1/100.000, ganz besonders bevorzugt 1/100 bis 1/10.000 der Dicke des Trägers entspricht. Übliche Schichtdicken für die trennaktive Schicht liegen im Bereich von 1 bis 10 µm. Es ist aber auch möglich dünnere oder dickere trennaktive Schichten herzustellen, wobei die Schichtdicke durch die Dicke der Schicht des Trägers, in welcher die trennaktive Schicht synthetisiert werden soll, vorgegeben werden kann.The pores of the separation-active layer in the membrane according to the invention preferably have a maximum pore size of less than 10 nm, particularly preferably less than 1 nm. The separating-active layer preferably has a thickness in the forward direction that the corresponds to the maximum thickness of the carrier. The separating layer particularly preferably has The direction of transmission has a thickness that is 1/10 to 1 / 100,000, very particularly preferably 1/100 to 1 / 10,000 corresponds to the thickness of the carrier. Usual layer thicknesses for the release-active layer are in the range of 1 to 10 µm. However, it is also possible to use thinner or thicker separating agents Produce layers, the layer thickness being determined by the thickness of the layer of the carrier, in which the separation-active layer is to be synthesized can be specified.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die trennaktive Schicht kristallin ist. Vorzugsweise weist die trennaktive Schicht zumindest eine Verbindung auf, die Molekularsiebeigenschaften aufweist. Besonders bevorzugt weist die trennaktive Schicht zumindest eine kristalline Verbindung aus einem natürlichen oder synthetischem Zeolith, einem Alumosilikat, einem Alumophosphat und/oder einem Metallalumophosphat auf. Ganz besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Membran eine trennaktive Schicht auf, die zumindest eine Verbindung aus den Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, den Metallalumophosphaten, den Metallalumino-phosphosilikaten oder Mischungen dieser Verbindungen umfasst.It can be advantageous if the separation-active layer is crystalline. Preferably, the separating active layer at least one compound that has molecular sieve properties. The separation-active layer particularly preferably has at least one crystalline compound a natural or synthetic zeolite, an aluminosilicate, an aluminophosphate and / or a metal aluminophosphate. Most preferably, the membrane according to the invention has a separating layer which comprises at least one compound the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the Metallalumophosphaten, the Metallalumino-phosphosilikaten or mixtures of these Connections includes.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass durch Austausch eines Teils des Aluminiums aber auch des Siliziums aus den vorgenannten Verbindungen durch andere Elemente weitere trennaktive Verbindungen erhalten werden können, die andere Trenneigenschaften aufweisen. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen. Für Silizium und/oder Aluminium können in den genannten Verbindungen auch die Elemente Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P und/oder V vorhanden sein.The person skilled in the art can see that by replacing part of the aluminum but also the Silicon from the aforementioned compounds by other elements further separation-active Compounds can be obtained which have other separation properties. This Compounds often have the same structure as the original disconnect-active ones Compounds, however, have different lattice constants and therefore different pore sizes. For Silicon and / or aluminum can also contain the elements Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P and / or V may be present.
Vorzugsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Membran die trennaktive Schicht in der äußersten Schicht im Inneren des Trägermaterials angeordnet. Besonders bevorzugt ist die trennaktive Schicht in den äußersten Schichten aller Seiten eines Trägermaterials im Inneren angeordnet. Werden bei den erfindungsgemäßen Membranen als Trägermaterial Nano-, Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen verwendet, so befindet sich die trennaktive Schicht vorzugsweise in der die Nano-, Mikro- oder Ultrafiltrationsvermögen begründenden Schicht dieser Membranen, die üblicherweise die äußerste Schicht einer Membran darstellt.In a membrane according to the invention, the separation-active layer is preferably in the outermost layer arranged in the interior of the carrier material. The is particularly preferred separating layer in the outermost layers of all sides of a carrier material inside arranged. Are nano-, micro- or ultrafiltration membranes, the separating layer is located preferably in the layer establishing the nano, micro or ultrafiltration capacity of these membranes, which is usually the outermost layer of a membrane.
Die erfindungsgemäße Membran kann je nach verwendetem Trägermaterial flexibel sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Membran ohne Verlust der Trenneigenschaften auf einen kleinsten Radius von 5 cm biegbar sein.The membrane according to the invention can be flexible depending on the carrier material used. In particular, the membrane according to the invention can have no loss of separation properties be bendable to a minimum radius of 5 cm.
Im folgenden wird die Herstellung einer erfindungsgemäßen Membran beispielhaft beschrieben, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Ausführungsform beschränkt sein soll.The production of a membrane according to the invention is described below by way of example. without the method according to the invention being restricted to this embodiment.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial eine trennaktive Schicht synthetisiert wird. Als Trägermaterial können die vorstehend beschriebenen Trägermaterialien, Verbundwerkstoffe oder üblicherweise als keramische Membranen verwendeten Materialien eingesetzt werden. Vorzugsweise werden flexible stoffdurchlässige Materialien als Trägermaterialien eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden bis auf einen kleinsten Radius von 2 cm biegbare Trägermaterialien eingesetzt. Das stoffdurchlässige Trägermaterial weist außerdem vorzugsweise eine mittlere Porenweite von kleiner 2000 nm, vorzugsweise kleiner 500 nm und ganz besonders bevorzugt kleiner 100 nm auf.The method according to the invention is characterized in that in a permeable material Carrier material is a separating active layer is synthesized. As a carrier material, the Carrier materials, composites described above or usually as ceramic membranes used materials are used. Preferably be flexible permeable materials used as carrier materials. Most notably backing materials which are flexible down to a minimum radius of 2 cm are preferred used. The permeable carrier material also preferably has a medium one Pore size of less than 2000 nm, preferably less than 500 nm and very particularly preferred less than 100 nm.
Erfindungsgemäß wird in dem Trägermaterial eine trennaktive Schicht aus Kristallen aus zumindest einer Verbindung ausgewählt aus den Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM- 11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, den Metallalumophosphaten, den Metallaluminophospho-silikaten oder Mischungen dieser Verbindungen synthetisiert. Es können nicht nur die genannten Verbindungen sondern auch Verbindungen, die durch Austausch insbesondere von Al und/oder Si in diesen Verbindungen durch die Elemente Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P und/oder V erhalten werden können, als trennaktive Schicht im Trägermaterial synthetisiert werden. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen.According to the invention, a separation-active layer of crystals is formed in the carrier material at least one compound selected from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM- 11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, den Aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the Metal aluminophosphosilicate or mixtures of these compounds synthesized. It can not only the connections mentioned but also connections created by exchange in particular of Al and / or Si in these compounds by the elements Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P and / or V can be obtained as a separating layer be synthesized in the carrier material. These connections often have the same structure like the original active disconnects, but have different lattice constants and therefore other pore sizes.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Membran dadurch, dass die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zuführen (Infiltrieren) einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in das Trägermaterial und anschließende Kristallisation hergestellt wird. Ganz besonders bevorzugt wird die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zuführen (Infiltrieren) einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in die äußere Schicht des Trägermaterials und anschließende Kristallisation hergestellt. Das Zuführen der Kristallisationslösung erfolgt vorzugsweise so, dass die Kristallisationslösung das in den Poren des Trägermaterials vorhandene Gas, üblicherweise Luft, beim Eindringen ersetzt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass in einer Schicht des Trägermaterials nach der Kristallisation alle Poren durch die trennaktive Schicht gefüllt sind. Die üblicherweise ohne diese Maßnahme hergestellten Membrane weisen häufig Lufteinschlüsse während des Herstellungsprozesses der trennaktiven Schicht auf, die bei der späteren Verwendung der Membran Fehlstellen, also Poren mit einem zu großen Durchmesser, darstellen, so dass die Selektivität solcher Membrane verschlechtert wird. Bei diesen Verfahren hat das in den Poren vorhandene Gas nicht ausreichend Gelegenheit aus den Poren auszutreten.According to the invention, the membrane is produced by the separation-active layer or a precursor of the separation-active layer by supplying (infiltrating) one Crystallization solution which has the components for the synthesis of the separation-active layer, is produced in the carrier material and subsequent crystallization. Most notably the separation-active layer or a precursor of the separation-active layer is preferred by Feeding (infiltrating) a crystallization solution which contains the components for the synthesis of the has separation-active layer, in the outer layer of the carrier material and subsequent Crystallization produced. The crystallization solution is preferably fed in such a way that the crystallization solution, the gas present in the pores of the carrier material, usually Air, replaced when penetrating. This measure ensures that in one layer of Support material after the crystallization all the pores are filled by the separation-active layer. The Membranes usually produced without this measure often have air pockets during the manufacturing process of the release-active layer, which in the later Use of the membrane imperfections, i.e. pores with too large a diameter, represent, so that the selectivity of such membrane is deteriorated. With these procedures the gas present in the pores does not have sufficient opportunity to emerge from the pores.
Das Zuführen der Kristallisationslösung erfolgt vorzugsweise durch Aufsprühen oder Auftropfen der Kristallisationslösung auf das Trägermaterial. Dadurch wird erreicht, dass nicht die gesamte Oberfläche des Trägermaterials gleichzeitig mit der Kristallisationslösung benetzt wird und somit das in den Poren vorhandene Gas entweichen kann. Das Eindringen der Kristallisationslösung in das Trägermaterial erfolgt vorzugsweise durch einfache Kapillarkräfte, welche die Lösung in die Poren saugen. Es kann vorteilhaft sein, wenn auf der Gegenseite des Trägermaterials ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die Kristallisationslösung beschleunigt in das Trägermaterial gesaugt wird.The crystallization solution is preferably supplied by spraying or Drip the crystallization solution onto the support material. It does that the entire surface of the carrier material is simultaneously wetted with the crystallization solution is and thus the gas present in the pores can escape. The intrusion of the Crystallization solution in the carrier material is preferably carried out by simple capillary forces, which suck the solution into the pores. It can be advantageous if on the opposite side of the A negative pressure is generated so that the crystallization solution accelerates in the carrier material is sucked.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, die Eindringtiefe der Kristallisationslösung in das Trägermaterial zu kontrollieren. So kann z. B. durch Einstellen der Viskosität der Kristallisationslösung die Eindringtiefe der Kristallisationslösung in das Trägermaterial beeinflusst werden.In the method according to the invention, it can be advantageous to determine the depth of penetration Control crystallization solution in the carrier material. So z. B. by adjusting the Viscosity of the crystallization solution the penetration depth of the crystallization solution into the Carrier material can be influenced.
Die Eindringtiefe der Kristallisationslösung kann insbesondere aber auch dadurch beeinflusst werden, dass ein besonders geeignetes Trägermaterial verwendet wird. So kann es vorteilhaft sein, wenn das Trägermaterial eine Schicht aufweist, z. B. eine Ultrafiltrationsschicht, welche nicht für alle in der Kristallisationslösung vorhandenen Komponenten durchlässig ist. Auf dieser Ultrafiltrationsschicht weist das Trägermaterial als äußerste Schicht eine weitere Schicht auf, welche für alle Komponenten der Kristallisationslösung durchlässig ist, wie z. B. eine Mikrofiltrationsschicht. Bei der Verwendung eines solchen Trägermaterials wird die Kristallisationslösung mit allen Komponenten nur in die äußere Schicht eindringen. Durch anschließende z. B. hydrothermale Behandlung mit oder ohne anschließende Calzinierung wird eine Membran erhalten, welche die trennaktive Schicht nur in der äußeren Schicht des Trägermaterials aufweist.However, the penetration depth of the crystallization solution can also be influenced in particular that a particularly suitable carrier material is used. So it can be beneficial be if the carrier material has a layer, e.g. B. an ultrafiltration layer, which is not permeable to all components present in the crystallization solution. On this Ultrafiltration layer, the carrier material has a further layer as the outermost layer, which is permeable to all components of the crystallization solution, such as. Legs Microfiltration layer. When using such a carrier material, the Crystallization solution with all components only penetrate into the outer layer. By subsequent z. B. hydrothermal treatment with or without subsequent calcination receive a membrane that the separating layer only in the outer layer of the Has carrier material.
Ebenso ist es möglich durch die Verwendung von Trägermaterialien, die Schichten mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, wie z. B. hydrophilierte oder hydrophobierte Schichten aufweisen, einzusetzen. Die Herstellung, von Trägermaterialien, welche hydrophobierte Schichten aufweisen, ist z. B. in WO 99/62624 beschrieben. Solche Schichten können z. B. durch Zugabe von siliziumorganischen Verbindungen, wie z. B. Silanen, zum Sol während der Herstellung der Schicht hergestellt werden.It is also possible through the use of carrier materials with layers different chemical properties, such as B. hydrophilized or hydrophobized Have layers to use. The manufacture of substrates, which Have hydrophobized layers, z. B. described in WO 99/62624. Such layers can e.g. B. by adding organosilicon compounds, such as. B. silanes, for sol be made during the manufacture of the layer.
Durch die Verwendung solcher Schichten kann, je nach Eigenschaft der Kristallisationslösung, die Eindringtiefe der Kristallisationslösung gesteuert werden. Handelt es sich z. B. um eine wässrige Kristallisationslösung, so kann z. B. ein Trägermaterial eingesetzt werden, welches eine äußere Schicht aufweist, die hydrophile Eigenschaften besitzt und eine Schicht unter dieser äußeren Schicht, die hydrophobe Eigenschaften aufweist. Beim Zuführen der wässrigen Kristallisationslösung wird diese überwiegend nur die Poren der hydrophilen Schicht ausfüllen. Bei der anschließenden Kristallisation und Calzinierung wird die trennaktive Schicht nur in der äußersten Schicht entstehen. Durch die Vorgabe der Dicke der hydrophilen Schicht lässt sich die maximale Dicke der trennaktiven Schicht einstellen. By using such layers, depending on the properties of the crystallization solution, the penetration depth of the crystallization solution can be controlled. Is it z. B. a aqueous crystallization solution, e.g. B. a carrier material can be used, which a has outer layer which has hydrophilic properties and a layer below this outer layer, which has hydrophobic properties. When feeding the aqueous Crystallization solution will mostly only fill the pores of the hydrophilic layer. In the subsequent crystallization and calcination, the separation-active layer is only in the outermost layer arise. By specifying the thickness of the hydrophilic layer, the Set the maximum thickness of the active layer.
Auf entsprechende Art und Weise lassen sich Membrane konstruieren, die auf bestimmten Seiten eine bestimmte Durchlässigkeit bzw. Trenneigenschaft aufweisen.Corresponding membranes can be constructed in a corresponding manner Pages have a certain permeability or separation property.
Das so vorbehandelte Trägermaterial mit der darin vorhandenen Kristallisationslösung wird zum Kristallisieren vorzugsweise in einen Autoklaven gegeben, in welchem das Trägermaterial mit weiterer Kristallisationslösung in Kontakt gebracht wird. Vorzugsweise wird nur die Seite des Trägermaterials in Kontakt mit der Kristallisationslösung gebracht, welcher zuvor durch Aufsprühen oder Auftropfen Kristallisationslösung zugeführt wurde. Ist einem Trägermaterial von allen Seiten Kristallisationslösung zugeführt worden, so kann es vorteilhaft sein, das Trägermaterial in die Kristallisationslösung zu tauchen. Üblicherweise wird als Kristallisationslösung dieselbe eingesetzt, welche dem Trägermaterial schon durch Aufsprühen oder Auftropfen zugeführt wurde. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine von der zugeführten Kristallisationslösung verschiedene Kristallisationslösung in dem Autoklaven einzusetzen. Durch die Verwendung einer Kristallisationslösung mit einer geringeren Konzentration als die der beim Zuführen bzw. Aufsprühen verwendeten Kristallisationslösung kann im Autoklaven eine geringere Kristallisationsneigung an der Trägeroberfläche erreicht werden. Als weiteren Vorteil erhält man eine Kostenreduktion durch die Verwendung der verdünnten Kristallisationslösung. Die Verwendung von reinem Wasser ist nicht vorteilhaft, da die Synthese der trennaktiven Schicht im Trägermaterial bei der Verwendung von reinem Wasser im Autoklaven nicht so vollständig in den Poren des Trägermaterials gelingt, dass eine fehlerfreie trennaktive Schicht erhalten wird.The carrier material pretreated in this way with the crystallization solution present therein becomes Crystallization is preferably placed in an autoclave in which the carrier material further crystallization solution is brought into contact. Preferably only the side of the Carrier material brought into contact with the crystallization solution, which previously by Spraying or dripping crystallization solution was supplied. Is a carrier material Crystallization solution has been supplied from all sides, so it can be advantageous that Immerse the carrier material in the crystallization solution. Usually as Crystallization solution used the same, which the support material already by spraying or dripping was applied. But it can also be advantageous to use one of the supplied Crystallization solution to use different crystallization solution in the autoclave. By the use of a crystallization solution with a lower concentration than that of the The crystallization solution used can be supplied or sprayed on in an autoclave lower tendency to crystallize can be achieved on the carrier surface. Another advantage a cost reduction is obtained by using the diluted crystallization solution. The use of pure water is not advantageous because the synthesis of the separation active Layer in the carrier material when using pure water in the autoclave is not so Completely in the pores of the carrier material that a flawless separation-active layer succeeds is obtained.
Die Kristallisation kann auf dem Fachmann bekannte Weise z. B. hydrothermal bei einer Temperatur von 70 bis 400°C und einem Druck von 0,3 bis 200 bar durchgeführt werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Kristallisation hydrothermal bei einer Temperatur von 100 bis 250°C und einem Druck von 0,5 bis 40 bar. Es kann vorteilhaft sein, die Kristallisation mittels eines Temperaturprogrammes zu unterstützen. Vorzugsweise erfolgt das Erwärmen auf die Behandlungstemperatur mit einer Aufheizrate von 1 bis 100 K/h, vorzugsweise von 5 bis 25 K/h. Zur Kristallisation wird das Trägermaterial, welchem die Kristallisationslösung zugeführt wurde, für 12 bis 72 Stunden, ganz besonders bevorzugt 18 bis 36 Stunden bei der Behandlungstemperatur von vorzugsweise 170 bis 250°C belassen. Es sind aber auch alle anderen Verfahren zur Kristallisation der oben genannten als trennaktive Schicht zu verwendenden Verbindungen möglich.The crystallization can, for. B. hydrothermally at a Temperature of 70 to 400 ° C and a pressure of 0.3 to 200 bar can be carried out. The crystallization is particularly preferably carried out hydrothermally at a temperature of 100 to 250 ° C and a pressure of 0.5 to 40 bar. It may be advantageous to use the crystallization to support a temperature program. The heating is preferably carried out on the Treatment temperature with a heating rate of 1 to 100 K / h, preferably from 5 to 25 K / h. For the crystallization, the carrier material to which the crystallization solution is fed was, for 12 to 72 hours, most preferably 18 to 36 hours at Leave treatment temperature of preferably 170 to 250 ° C. But they are all too other methods for crystallizing the above as a separation-active layer connections possible.
Es kann vorteilhaft sein, nach der Behandlung des Trägermaterials mit der Kristallisationslösung, die erhaltene Membran zu calzinieren. Das Calzinieren erfolgt vorzugsweise unter Gegenwart von Sauerstoff, z. B. Luftsauerstoff bei einer Temperatur von größer 300°C, vorzugsweise von größer 500°C, für eine Zeit von 12 bis 120 Stunden, vorzugsweise für einen Zeitraum von 24 bis 36 Stunden. Besonders bevorzugt erfolgt das Calzinieren bei einem Temperaturbereich von 340 bis 450°C für eine Zeit von 60 bis 120 Stunden. Um thermische Spannungen beim Calzinieren zu vermeiden, kann es außerdem vorteilhaft sein, die zu calzinierende Membran mit einer Aufheizrate von 0,1 bis 1 K/min, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 K/min auf die Calzinierungstemperatur zu bringen. Ebenso vorteilhaft kann es sein, die calzinierte Membran mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 1 K/min, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 K/min von der Calzinierungstemperatur auf Raumtemperatur abzukühlen. Durch das Calzinieren werden evtl. in den Kristallisationslösungen und damit im Trägermaterial vorhandene organische Verbindungen, wie z. B. Kristallisationshilfsmittel wie Tetrapropylammoniumverbindungen (TPA-Verbindungen) wie z. B. TPAOH oder TPABr, umgesetzt bzw. verbrannt und aus der Membran vertrieben. Des Weiteren wird das Kristallgefüge in der trennaktiven Schicht durch das Calzinieren stabilisiert.It can be advantageous, after the treatment of the carrier material with the Crystallization solution to calcine the membrane obtained. The calcination takes place preferably in the presence of oxygen, e.g. B. atmospheric oxygen at a temperature of greater than 300 ° C, preferably greater than 500 ° C, for a period of 12 to 120 hours, preferably for a period of 24 to 36 hours. This is particularly preferably done Calcine at a temperature range of 340 to 450 ° C for a time of 60 to 120 Hours. To avoid thermal stresses when calcining, it can also be advantageous to heat the membrane to be calcined at a heating rate of 0.1 to 1 K / min, preferably bring from 0.2 to 0.5 K / min to the calcination temperature. As well It can be advantageous to cool the calcined membrane at a cooling rate of 0.1 to 1 K / min. preferably from 0.2 to 0.5 K / min from the calcination temperature to room temperature cool. The calcination may result in the crystallization solutions and thus in the Carrier material existing organic compounds such. B. crystallization aids such as Tetrapropylammoniumverbindungen (TPA compounds) such as. B. TPAOH or TPABr, implemented or burned and expelled from the membrane. Furthermore, it will Crystal structure in the separating layer stabilized by the calcination.
Es muss jedoch beachtet werden, dass bei der Verwendung von Trägermaterialien, die Kohlenstoff oder Naturfasern aufweisen, diese durch das Calzinieren ebenfalls aus dem Trägermaterial durch Verbrennung bzw. Zersetzung ganz oder teilweise entfernt werden. Sollen diese Fasern im Trägermaterial erhalten bleiben, so ist es vorteilhaft, wenn Kristallisationslösungen eingesetzt werden, bei denen ein Calzinieren der Membran nicht notwendig ist, weil sie z. B. keine Kristallisationshilfsmittel aufweisen.However, it must be noted that when using carrier materials, the Have carbon or natural fibers, these also from the calcination All or part of the carrier material can be removed by combustion or decomposition. Should these fibers are retained in the carrier material, it is advantageous if Crystallization solutions are used in which the membrane is not calcined is necessary because z. B. have no crystallization aids.
Die Kristallisationslösung weist vorzugsweise zumindest eine Siliziumverbindung, eine Aluminiumverbindung oder eine Phosphorverbindung oder eine Mischung einer oder mehrerer dieser Verbindungen auf. Die Kristallisationslösung weist besonders bevorzugt zumindest ein Silikat, ein Aluminat oder Phosphat oder eine Mischung einer oder mehrerer dieser Verbindungen auf. Vorzugsweise weist die Kristallisationslösung ein Silicium zu Aluminium Verhältnis von 1 bis unendlich auf.The crystallization solution preferably has at least one silicon compound, one Aluminum compound or a phosphorus compound or a mixture of one or more of these connections. The crystallization solution particularly preferably has at least one Silicate, an aluminate or phosphate or a mixture of one or more of these Connections. The crystallization solution preferably has a silicon to aluminum Ratio from 1 to infinity.
Die Kristallisationslösungen können ein oder mehrere Kristallisationshilfsmittel aufweisen. Als solche Kristallisationshilfsmittel eignen sich z. B. Tetraallkylammonium-Verbindungen, wie z. B. Tetrapropylammoniumhydroxid oder -bromid (TPAOH oder TPABr), (Me4N)2O, Et4NOH, (Pr4N)2O, oder Kronenether (18-crown-6, 15-crown-5), Tetraethylorthosilikat oder Cetyltrimethylammonium-verbindungen wie (CTMA)2O. Diese Produkte können als Kristallisationshilfsmittel verwendet werden, sie werden jedoch üblicherweise im Anschluss an die Synthese durch Abbrennen in Luft bei 500-600°C entfernt.The crystallization solutions can have one or more crystallization aids. As such crystallization aids are, for. B. Tetraallkylammonium compounds such. B. tetrapropylammonium hydroxide or bromide (TPAOH or TPABr), (Me 4 N) 2 O, Et 4 NOH, (Pr 4 N) 2 O, or crown ether (18-crown-6, 15-crown-5), tetraethyl orthosilicate or Cetyltrimethylammonium compounds such as (CTMA) 2 O. These products can be used as crystallization aids, but are usually removed after the synthesis by burning in air at 500-600 ° C.
Üblicherweise weist die erfindungsgemäße Kristallisationslösung Wasser auf. Bei der Herstellung der Kristallisationslösungen kann der molare Anteil an Wasser variiert werden, wobei darauf zu achten ist, dass die Kristallisationslösung flüssig bleibt, dass heißt das eine Gelbildung vermieden werden sollte und dass eine Mindestkonzentration in der Kristallisationslösung nicht unterschritten wird, da ansonsten keine Kristallisation stattfinden würde. Es kann in bestimmten Fällen notwendig oder vorteilhaft sein, das Wasser gegen andere Verbindungen auszutauschen. So wird die Synthese von Silicasodalit statt in Wasser in der Gegenwart von Ethylenglykol durchgeführt.The crystallization solution according to the invention usually has water. In the The molar proportion of water can be varied when preparing the crystallization solutions, care must be taken to ensure that the crystallization solution remains liquid, i.e. one thing Gel formation should be avoided and that a minimum concentration in the Crystallization solution is not fallen below, otherwise no crystallization take place would. In certain cases it may be necessary or advantageous to use the water against others Exchange connections. So the synthesis of silica sodalite instead of in water in the In the presence of ethylene glycol.
In der nachfolgenden Tabelle sind beispielhaft typische Zusammensetzungen von Kristallisationslösungen und die Art bzw. Struktur der trennaktiven Verbindung, welche aus dieser Kristallisationslösung synthetisiert werden kann, angegeben. Bei den angegebenen Zusammensetzungen handelt es sich nur um eine beispielhafte Auswahl, da auch trotz Abweichung von den angegebenen Zusammensetzungen die genannten Verbindungen erhalten werden können. Je nach gewünschtem Zeolith-Typen kann die Zusammensetzung der Kristallisationslösung mehr oder weniger variabel sein. So kann der Zeolith des Typs ZSM-5 auch dann erhalten werden, wenn Abweichungen in der Zusammensetzung der Kristallisationslösung an einem Bestandteil, insbesondere an Siliziumdioxid von 100% oder mehr vorliegen. Der Zeolith-Typ NaA hingegen wird nur dann erhalten, wenn die Abweichungen von der Idealzusammensetzung der Kristallisationslösung gering sind. Für den Zeolith-A und den ZSM-5 Typen sind jeweils zwei verschiedene mögliche Zusammensetzungen angegeben.The following table shows typical compositions of Crystallization solutions and the type or structure of the separation-active compound which this crystallization solution can be synthesized. At the specified Compositions are only an exemplary selection, because despite Deviation from the specified compositions receive the compounds mentioned can be. Depending on the type of zeolite desired, the composition of the Crystallization solution to be more or less variable. So the zeolite of the type ZSM-5 can also be obtained if there are deviations in the composition of the Crystallization solution on a component, in particular on silicon dioxide of 100% or more available. The zeolite type NaA, on the other hand, is only obtained if the Deviations from the ideal composition of the crystallization solution are small. For the Zeolite-A and the ZSM-5 types are each two different possible compositions specified.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass durch Ersatz eines Teils der verwendeten Elemente, insbesondere der Ersatz des Aluminiums aber auch des Siliziums durch andere Elemente weitere trennaktive Verbindungen erhalten werden können, die andere Trenneigenschaften aufweisen. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen. Zudem können durch den Ersatz des Aluminiums oder Siliziums durch andere Elemente, wie z. B. Übergangsmetallelemente katalytische Eigenschaften erzeugt werden. Eine ausführliche Abhandlung über Zeolithe, deren Synthese sowie deren Modifikation findet man z. B. in J. Weitkamp and L. Puppe, "catalysis and zeolites: fundamentals and applications", Springer- Verlag, Berlin, 1999. Dieser Abhandlung sind auch weitere mögliche Zusammensetzungen für Kristallisationslösungen, sowie Syntheseparameter, zugeschnitten auf bestimmte Zusammensetzungen, zu entnehmen. The skilled person can see that by replacing part of the elements used, in particular the replacement of aluminum but also silicon by other elements separation-active compounds can be obtained which have other separation properties. These compounds often have the same structure as the original separation active ones Compounds, however, have different lattice constants and therefore different pore sizes. moreover can by replacing the aluminum or silicon with other elements such. B. Transition metal elements catalytic properties are generated. A detailed one Treatise on zeolites, their synthesis and their modification can be found e.g. B. in J. Weitkamp and L. Puppe, "catalysis and zeolites: fundamentals and applications", Springer- Verlag, Berlin, 1999. This treatise also includes other possible compositions for Crystallization solutions, as well as synthesis parameters, tailored to certain Compositions.
Grundsätzlich sind alle einschlägig bekannten, für die Herstellung von Zeolithen verwendeten Zusammensetzungen geeignet. So führt z. B. auch eine Zusammensetzung von 2 Teilen SiO2 zu 2 Teilen Na2O zu einem Teil Al2O3 und zu 120 Teilen Wasser zu einem Zeolithen des A-Typs und eine Zusammensetzung von 10 Teilen SiO2 zu 14 Teilen Na2O zu einem Teil Al2O3 zu 840 Teilen Wasser zur einem Zeolithen des X-Typs. Um auf die gewünschten Porengröße zu kommen, sind selbstverständlich viele Arten von Zeolithen, z. B. vom ZSM-5-Typ, A-Typ, X- Typ, Y-Typ usw., geeignet. Die erfindungsgemäß erreichbaren Porengrößen der trennaktiven Schicht können, abhängig von der für die trennaktive Schicht gewählten Verbindung, von 0,26 nm × 0,57 nm (Mordenit) über 0,53 nm × 0,56 nm (ZSM-5) und 0,76 nm × 0,64 nm (Zeolith Beta) bis zu 1,6 nm bis 10,0 nm (mesoporöse Alumosilikate) betragen. Basically, all relevant known compositions used for the production of zeolites are suitable. So z. B. also a composition of 2 parts of SiO 2 to 2 parts of Na 2 O to one part of Al 2 O 3 and 120 parts of water to an A-type zeolite and a composition of 10 parts of SiO 2 to 14 parts of Na 2 O. one part of Al 2 O 3 to 840 parts of water to form an X-type zeolite. In order to achieve the desired pore size, there are of course many types of zeolites, e.g. B. of the ZSM-5 type, A type, X type, Y type, etc., suitable. The pore sizes of the separating layer which can be achieved according to the invention can, depending on the compound selected for the separating layer, be from 0.26 nm × 0.57 nm (mordenite) to 0.53 nm × 0.56 nm (ZSM-5) and 0, 76 nm × 0.64 nm (zeolite beta) up to 1.6 nm to 10.0 nm (mesoporous aluminosilicates).
Durch die Variation der Zusammensetzung, insbesondere des Silizium zu Aluminium Verhältnisses lassen sich Porengröße und Eigenschaften der Verbindungen ebenfalls beeinflussen. Ein hohes Si/Al-Verhältnis, häufig auch als Modul bezeichnet, führt häufig dazu, dass der Zeolith hydrophobe Eigenschaften aufweist.By varying the composition, especially the silicon to aluminum The ratio of pore size and properties of the compounds can also be compared influence. A high Si / Al ratio, often referred to as a module, often leads to that the zeolite has hydrophobic properties.
Die Auswahl des jeweils am besten geeigneten Zeolith-Typs oder der am besten geeigneten trennaktiven Verbindung, wie z. B. mikroporöses Silikat, mikroporöses Phosphat oder mikroporöses amorphes oder kristallines Mischmetalloxid, richtet sich nach der gewünschten Porengröße und nach dem Trennproblem selbst.The selection of the most suitable type of zeolite or the most suitable disconnectively active connection, such as. B. microporous silicate, microporous phosphate or microporous amorphous or crystalline mixed metal oxide, depends on the desired Pore size and after the separation problem itself.
Die erfindungsgemäße Membran kann in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Verbindungen oder Molekülen als Trennmembran eingesetzt werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Membran in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Verbindungen oder Molekülen mit gleichem Molekulargewicht und unterschiedlicher Struktur, wie z. B. in Verfahren zur Trennung von n-Butan und iso-Butan, als Trennmembran eingesetzt werden. Ebenso kann die Membran als Trennmembran in Verfahren zur Abtrennung von Teilchen, Partikeln, Verbindungen oder Molekülen eingesetzt werden, die eine durchschnittliche Größe von kleiner 10 nm aufweisen.The membrane according to the invention can be used in processes for separating mixtures Compounds or molecules can be used as a separation membrane. In particular, the membrane according to the invention in processes for separating mixtures of compounds or Molecules with the same molecular weight and different structure, such as. B. in Process for the separation of n-butane and isobutane can be used as the separation membrane. The membrane can also be used as a separation membrane in processes for separating particles, Particles, compounds or molecules are used that are of average size of less than 10 nm.
Die erfindungsgemäße Membran ist außerdem geeignet zum Einsatz als Trennmembran in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Molelkülen oder Verbindungen gleichen Molekulargewichts aber unterschiedlichem Adsorptionsverhalten an Zeolithporenwänden. Bei diesem Verfahren wird das unterschiedliche Adsorptionsverhalten der zu trennenden Verbindungen oder Moleküle in der trennaktiven Schicht, die in diesem Fall vorzugsweise zumindest eine zeolithische Verbindung aufweist, zur Trennung ausgenutzt.The membrane according to the invention is also suitable for use as a separation membrane in Processes for the separation of mixtures from Molelkülen or compounds are the same Molecular weight but different adsorption behavior on zeolite pore walls. at This process is the different adsorption behavior of those to be separated Compounds or molecules in the release-active layer, which in this case are preferred has at least one zeolitic connection, used for separation.
Ganz besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Membranen für den Einsatz als Trennmembran bei der Durchführung von Pervaporations- oder Dampfpermeations-Verfahren. Diese Verfahren werden z. B. bei der Trennung von Alkohol-Wasser-Gemischen, insbesondere von Ethanol-Wasser-Gemischen, eingesetzt. Bei der Pervaporation wird eine flüssiges Gemisch der Membran zugeführt und das Permeat verlässt die Membran auf der anderen Seite als Dampfphase. Bei der Dampfpermeation wird das zu trennende Gemisch der Membran bereits dampfförmig zugeführt. Die Trennung von Ethanol-Wasser-Gemischen mittels Pervaporation wird üblicherweise bei einer Temperatur von 70 bis 90°C durchgeführt, während die Trennung mittels der Dampfpermeation bei einer Temperatur von mehr als 100°C durchgeführt wird. Für diese Verfahren ist eine erfindungsgemäße Membran als Trennmembran besonders geeignet, da sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als Membranen auf Basis von organischen Polymeren.The membranes according to the invention are very particularly suitable for use as Separation membrane when performing pervaporation or vapor permeation processes. These methods are e.g. B. in the separation of alcohol-water mixtures, in particular of ethanol-water mixtures. Pervaporation is a liquid mixture fed to the membrane and the permeate leaves the membrane on the other side as Vapor phase. With vapor permeation, the mixture to be separated becomes the membrane supplied in vapor form. The separation of ethanol-water mixtures using pervaporation is usually carried out at a temperature of 70 to 90 ° C during the separation is carried out by means of vapor permeation at a temperature of more than 100 ° C. For this method is a membrane according to the invention particularly suitable as a separation membrane, because it has a higher temperature resistance than membranes based on organic Polymers.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Membran und die erfindungsgemäße Membran werden anhand der Figuren Fig. 1 bis Fig. 5 näher beschrieben, ohne dass die Erfindung auf die Ausführungsarten beschränkt sein soll.The inventive method for producing the membrane according to the invention and the membrane of the invention will be described with reference to FIGS. 1 to Fig. 5 in greater detail, without the invention being restricted to the embodiments.
Fig. 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des in Beispiel 1 behandelten Trägermaterials. Es sind Zeolithkristalle auf der Oberfläche des Trägermaterials zu erkennen, die trennaktive Schicht befindet sich aber in den Poren. Fig. 1 shows a scanning electron micrograph of the treated in Example 1 the carrier material. Zeolite crystals can be seen on the surface of the carrier material, but the separation-active layer is located in the pores.
Fig. 2 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des verwendeten Trägermaterials im unbehandelten Zustand. Fig. 2 shows a scanning electron micrograph of the support material used in the untreated state.
Fig. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Bruchflächen des unbehandelten Trägermaterials. Es ist deutlich zu erkennen, dass im Trägermaterial Poren vorhanden sind. Fig. 3 shows a scanning electron micrograph of the fracture surfaces of the untreated support material. It can be clearly seen that pores are present in the carrier material.
Fig. 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche des in Beispiel 1 behandelten Trägermaterials. Die in Fig. 3 erkennbaren Poren sind bei dieser Aufnahme nicht zu erkennen, da die Poren mit Zeolithkristallen gefüllt sind. FIG. 4 shows a scanning electron micrograph of a fracture surface of the carrier material treated in example 1. The pores which can be seen in FIG. 3 cannot be seen on this photograph, since the pores are filled with zeolite crystals.
Fig. 5 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm des Al2O3-Trägers (a), der Al2O3/MFI-Membran aus Beispiel 1(b) und die Referenzdaten für MFI (c). Ein Vergleich der in den Diagrammen b und c abgebildeten Beugungsmuster bestätigt, dass die Membran gemäß Beispiel 1 Zeolithe des MFI-Typs aufweist. Fig. 5 shows an X-ray diffraction pattern of the Al 2 O 3 support (a) of Al 2 O 3 / MFI membrane of Example 1 (b) and the reference data for MFI (c). A comparison of the diffraction patterns shown in diagrams b and c confirms that the membrane according to Example 1 has zeolites of the MFI type.
Es wurde eine Kristallisationslösung zur Synthese eines Zeolithen vom MFI-Typ hergestellt. Dazu wurden in 172 g destilliertem Wasser 3,2 g NaOH-Plätzchen und 64 g Tetrapropylammoniumbromid (TPABr) gelöst. Diese Lösung wurde mit 320 g kolloidalem Kieselsol (Carl Roth GmbH Co, Karlsruhe) vermischt und durch Rühren homogenisiert. Die so erhaltene Kristallisationslösung hatte die molare Zusammensetzung 100 SiO2 : 15 (TPA)2O : 5 Na2O : 1420 H2O. Diese Kristallisationslösung wurde langsam auf eine als Trägermaterial dienende flexible keramische Membran getropft. Als flexible, keramische Membran wurde ein nach WO 99/15262 hergestellter Verbundwerkstoff, der dadurch erhalten wurde, dass ein Sol aus 120 g Titantriisopropylat, 60 g Wasser, 100 g Salzsäure (25%-ig) und 280 g Aluminiumoxid (SC530SG, Fa. Alcoa, Deutschland) auf einen Träger aus einem Quadratmaschengewebe aus Edelstahl (Paul GmbH, Deutschland) mit einer Maschenweite von 150 µm aufgetragen wurde und bei 350°C für 10 Minuten verfestigt wurde, verwendet. Dieser planare, flexible, symmetrische α-Al2O3-Membran mit einem Durchmesser von 60 mm wurde durch das Auftropfen der Kristallisationslösung von dieser infiltriert.A crystallization solution for the synthesis of an MFI-type zeolite was prepared. For this purpose, 3.2 g of NaOH biscuits and 64 g of tetrapropylammonium bromide (TPABr) were dissolved in 172 g of distilled water. This solution was mixed with 320 g of colloidal silica sol (Carl Roth GmbH Co, Karlsruhe) and homogenized by stirring. The crystallization solution thus obtained had the molar composition SiO 2 100: 15 (TPA) 2 O: 5 Na 2 O: 1420 H 2 O. This crystallization solution was slowly added dropwise to a serving as the support material flexible ceramic membrane. A composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 μm and solidified at 350 ° C. for 10 minutes. This planar, flexible, symmetrical α-Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
Das infiltrierte Trägermaterial wurde im Autoklaven mit einer Halterung fixiert. Anschließend wurde soviel Kristallisationslösung in den Autoklaven gefüllt, dass das Trägermaterial vollständig von der Kristallisationslösung bedeckt war. Die hydrothermale Zeolithsynthese fand bei einer Temperatur von 175°C über einen Zeitraum von 17 Stunden statt. Im Anschluss an die Synthese wurde die Membran aus dem Autoklaven entnommen, mit destilliertem Wasser gewaschen und 24 Stunden bei 120°C getrocknet. Die getrocknete Membran wurde anschließend bei einer Temperatur von 540°C für 16 Stunden calziniert. Die Aufheizrate betrug von Raumtemperatur bis 250°C 1 Kmin-1, von 250°C bis 540°C 0,2 Kmin-1. Die Abkühlgeschwindigkeit betrug von 540°C bis 250°C 0,2 Kmin-1, von 250°C bis Raumtemperatur 1 Kmin-1.The infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Sufficient crystallization solution was then filled into the autoclave so that the carrier material was completely covered by the crystallization solution. The hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 175 ° C over a period of 17 hours. Following the synthesis, the membrane was removed from the autoclave, washed with distilled water and dried at 120 ° C. for 24 hours. The dried membrane was then calcined at a temperature of 540 ° C for 16 hours. The heating rate was 1 Kmin -1 from room temperature to 250 ° C, 0.2 Kmin -1 from 250 ° C to 540 ° C. The cooling rate was from 540 ° C to 250 ° C 0.2 Kmin -1 , from 250 ° C to room temperature 1 Kmin -1 .
Die Membran wurde rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Die Oberfläche war zum Teil mit dicht miteinander und mit der Oberfläche verwachsenen Zeolithkristallen bedeckt (Fig. 2). Die Ansicht der Bruchflächen zeigte die lückenlose Kristallisation der trennaktiven Schicht aus Zeolith innerhalb der Porenstruktur des Trägermaterials (Fig. 4). Mittels Röntgendiffraktometrie wurde nachgewiesen, dass es sich bei dem Kristallisationsprodukt ausschließlich um den Zeolith der Struktur MFI handelte (Fig. 5).The membrane was examined by scanning electron microscopy. The surface was partly covered with zeolite crystals that were closely intergrown with one another ( FIG. 2). The view of the fracture surfaces showed the complete crystallization of the separation-active layer made of zeolite within the pore structure of the carrier material ( FIG. 4). Using X-ray diffractometry, it was demonstrated that the crystallization product was exclusively the zeolite of the MFI structure ( FIG. 5).
Eine 22%-ige Natriumaluminat-Lösung in Wasser wird mit einer 34%-igen Lösung von Natriumsilikat in Wasser im Verhältnis 1 : 1 zu einer Kristallisationslösung gemischt. Diese Kristallisationslösung wurde langsam auf eine als Trägermaterial dienende flexible keramische Membran getropft. Als flexible, keramische Membran wurde ein nach WO 99/15262 hergestellter Verbundwerkstoff, der dadurch erhalten wurde, dass ein Sol aus 120 g Titantriisopropylat, 60 g Wasser, 100 g Salzsäure (25%-ig) und 280 g Aluminiumoxid (SC530SG, Fa. Alcoa, Deutschland) auf einen Träger aus einem Quadratmaschengewebe aus Edelstahl (Paul GmbH, Deutschland) mit einer Maschenweite von 150 µm aufgetragen wurde und bei 350°C für 10 Minuten verfestigt wurde, verwendet. Dieser planare, flexible, symmetrische α-Al2O3-Membran mit einem Durchmesser von 60 mm wurde durch das Auftropfen der Kristallisationslösung von dieser infiltriert.A 22% sodium aluminate solution in water is mixed with a 34% solution of sodium silicate in water in a 1: 1 ratio to a crystallization solution. This crystallization solution was slowly dripped onto a flexible ceramic membrane serving as a carrier material. A composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 μm and solidified at 350 ° C. for 10 minutes. This planar, flexible, symmetrical α-Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
Das infiltrierte Trägermaterial wurde im Autoklaven mit einer Halterung fixiert. Anschließend wurde soviel Kristallisationslösung in den Autoklaven gefüllt, dass das Trägermaterial vollständig von der Kristallisationslösung bedeckt war. Die hydrothermale Zeolithsynthese fand bei einer Temperatur von 170°C über einen Zeitraum von 17 Stunden statt. Im Anschluss an die Synthese wurde die Membran aus dem Autoklaven entnommen, mit destilliertem Wasser gewaschen und 2 Stunden bei 120°C getrocknet. Es wurde eine Membran erhalten, die als trennaktive Schicht eine Schicht der Verbindung Zeolith A aufweist.The infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Subsequently So much crystallization solution was filled in the autoclave that the carrier material was completely covered by the crystallization solution. The hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 170 ° C over a period of 17 hours. Following the Synthesis, the membrane was removed from the autoclave with distilled water washed and dried at 120 ° C for 2 hours. A membrane was obtained, which as separating active layer has a layer of the compound zeolite A.
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