DE112017001639T5

DE112017001639T5 - Monolithische Basis und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112017001639T5
Application number: DE112017001639.8T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Furukawa; Ryotaro Yoshimura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2018-12-20
Also published as: JP6998858B2; WO2017169363A1; US20190002350A1; CN108883997B; JPWO2017169363A1; US10737982B2; CN108883997A

Abstract

Eine monolithische Basis (10) ist ein poröser Aluminiumoxidkörper, der Poren umfasst und aus Aluminiumoxidteilchen als Aggregat und einer Oxidphase als Bindungsmaterial ausgebildet ist. Die Aluminiumoxidteilchen umfassen mikroskopische Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als oder gleich 0,5 µm und kleiner als oder gleich 5 µm und grobe Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als 5 µm. Die Anzahl von mikroskopische Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, ist größer als oder gleich 50 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithische Basis und ein Herstellungsverfahren dafür.
STAND DER TECHNIK
Bezüglich einer typischen monolithischen Struktur, die mit einer monolithischen Basis versehen ist, die eine Mehrzahl von Filtrationszellen und eine Trennmembran umfasst, die auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen ausgebildet ist, wurde eine Technik zum Hemmen von nachteiligen Effekten auf die Festigkeit, die aus der Hochtemperaturalkaliverarbeitung resultieren, durch geeignetes Bereitstellen einer Dicke für die Trennschicht und einer Trennwanddicke zwischen zwei Filtrationszellen vorgeschlagen (es wird auf das Patentdokument 1 Bezug genommen).
Dokumentenliste
Patentdokument
[Patentdokument 1] Veröffentlichte PCT-Anmeldung 2012/128218
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Gemäß dem Verfahren, das im Patentdokument 1 offenbart ist, kann die strukturelle Festigkeit der monolithischen Basis durch eine strukturelle Maßnahme des Erhöhens der Trennwanddicke der Basis zwischen zwei Filtrationszellen in einer monolithischen Struktur erhöht werden. Es ist jedoch manchmal der Fall, dass eine Verminderung des Gewichts und/oder eine Zunahme der Kompaktheit im Hinblick auf eine Anwendung der monolithischen Struktur erwünscht ist, und im Hinblick auf die Erhöhung der Festigkeit der Struktur ohne Erhöhen der Trennwanddicke besteht ein Bedarf zur Erhöhung der Festigkeit des Materials selbst, das die monolithische Basis bildet.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Situation vorgeschlagen und hat die Aufgabe, eine monolithische Basis, die eine hervorragende Festigkeit aufweist, und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Lösung des Problems
Die monolithische Basis gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein poröser Aluminiumoxidkörper, der Poren umfasst und der aus Aluminiumoxidteilchen als Aggregat und einer Oxidphase als Bindungsmaterial ausgebildet ist. Die Aluminiumoxidteilchen umfassen mikroskopische Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als oder gleich 0,5 µm und kleiner als oder gleich 5 µm und grobe Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als 5 µm. Die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, ist größer als oder gleich 50 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen.
Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung einer monolithischen Basis, die eine hervorragende Festigkeit aufweist, und eines Verfahrens zu deren Herstellung.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine monolithische Trennmembranstruktur zeigt.
2 zeigt eine Draufsicht einer ersten Endfläche der monolithischen Trennmembranstruktur.
3 ist eine Schnittansicht entlang A-A in der 2.
4 ist ein SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Querschnittsbild einer monolithischen Basis gemäß Beispiel 1.
5 ist ein SEM-Querschnittsbild einer monolithischen Basis gemäß Beispiel 5.
6 ist ein SEM-Querschnittsbild einer monolithischen Basis gemäß Beispiel 6.
7 ist ein SEM-Querschnittsbild einer monolithischen Basis gemäß Vergleichsbeispiel 1.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als nächstes werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung der Figuren werden dieselben oder entsprechende Abschnitte mit denselben oder entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung und das Verhältnis der jeweiligen Abmessungen oder dergleichen kann sich von den tatsächlichen Abmessungen unterscheiden. Daher sollten die tatsächlichen Abmessungen oder dergleichen durch eine Bezugnahme auf die folgende Beschreibung bestimmt werden. Ferner ist es selbstverständlich, dass die Verhältnisse oder die Beziehungen von Abmessungen, die in den jeweiligen Figuren verwendet werden, unterschiedlich sein können.
In den folgenden Ausführungsformen steht der Begriff „monolithisch“ für ein Konzept, das eine Form bezeichnet, die eine Mehrzahl von Durchgangslöchern umfasst, die in der Längsrichtung ausgebildet sind, und umfasst eine Wabenform.
Überblick über die Struktur
Die monolithische Trennmembranstruktur 100 wird zweckmäßig auf die Trennung von Wasser von einem Gemisch aus Alkohol und Wasser angewandt. Wie es in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist die monolithische Trennmembranstruktur 100 aus einem keramischen porösen Körper ausgebildet und ist mit einer monolithischen Basis 10 versehen, welche die beiden Endflächen 11S, 11T und eine Außenumfangsfläche 11U aufweist. Die Außenform der monolithischen Basis 10 ist zylindrisch. Die monolithische Basis 10 umfasst eine Mehrzahl von Filtrationszellen 24 und eine Mehrzahl von Wassersammelzellen 25. Die Mehrzahl von Filtrationszellen 24 tritt von einer Endfläche 11S zu der anderen Endfläche 11T hindurch und ist in einer Reihe im Allgemeinen in der Querrichtung in der 1 ausgebildet. Die Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 tritt von einer Endfläche 11S zu der anderen Endfläche 11T hindurch und ist in einer Reihe im Allgemeinen in der Querrichtung in der 1 ausgebildet.
Die Querschnittsform der Filtrationszellen 24 und der Wassersammelzellen 25 in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 ist kreisförmig. Die Filtrationszellen 24 sind auf beiden Endflächen 11S, 11T geöffnet. Die Öffnung der beiden Endflächen 11S, 11T in den Wassersammelzellen 25 ist mit einem Verschlusselement 12, 13 verschlossen, und ein Abgabekanal 26 ist so bereitgestellt, dass die Wassersammelzellen 25 mit einem Außenraum in Verbindung stehen. Ferner sind eine Zwischenschicht 20 und eine Trennmembran 30 auf einer Innenwandfläche der Filtrationszellen 24 angeordnet, die eine kreisförmige Querschnittsform aufweisen.
Die monolithische Trennmembranstruktur 100 bildet zwei Abgabekanäle 26 in der Nähe der beiden Endflächen 11S, 11T für jede Reihe (nachstehend als „Wassersammelzellreihe“ bezeichnet) 25L der Mehrzahl von Wassersammelzellen 25. Es gibt 5 Wassersammelzellreihen 25L in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 und bei jeder Reihe verbindet der Abgabekanal 26 die Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 und ist auf einer Außenumfangsfläche 11U der monolithischen Basis 10 geöffnet.
In den 1 bis 3 beträgt die Anzahl von Abgabekanälen 26 in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 an beiden Enden 10, da 5 Wassersammelzellreihen 25L in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 vorliegen.
Der vorstehende Aufbau ermöglicht eine effiziente Trennung einer Komponente, die durch die Filtrationszellen 24 hindurchgetreten ist, von einem Mischfluid (Fluidgemisch oder gasförmiges Gemisch), das in die Filtrationszellen 24 strömt. Insbesondere strömt eine Permationskomponente, die durch die Trennmembran 30 der Innenoberfläche der Filtrationszellen 24 hindurchgetreten ist und die durch die Zwischenschicht 20 hindurchgetreten ist, dann nacheinander in den porösen Körper, der den Trennwandinnenabschnitt der monolithischen Basis 10 bildet, und wird von der äußeren Trennwand 11U abgegeben. Die Länge der Permeationsdistanz, die in der Trennwand (dem porösen Körper) zurückgelegt werden muss, nimmt jedoch proportional zu einer Innenposition für eine Filtrationszelle 24 zu. Diesbezüglich ermöglicht die Bereitstellung der Wassersammelzellen 25 und der Abgabekanäle 26 eine kontinuierliche Strömung in der Trennwand zwischen bestehenden Filtrationszellen 24 und erleichtert eine Abgabe mit einem geringen Druckverlust durch die Abgabekanäle 26 und die Wassersammelzellen 25 in einen Außenraum.
Die monolithische Trennmembranstruktur 100 ist mit Versiegelungsabschnitten 14, 15 zum Bedecken des porösen Körpers der beiden Endflächen 11S, 11T der monolithischen Basis 10 versehen, in die das Mischfluid strömt, um zu verhindern, dass ein Mischfluid direkt von dem porösen Abschnitt der beiden Endflächen 11S, 11T der monolithischen Basis 10 einströmt und abgegeben wird, ohne durch die Trennmembran 30 getrennt zu werden, die auf einer Innenwandfläche der vorgegebenen Filtrationszellen 24 ausgebildet ist. Beide Enden der Filtrationszellen 24, die mit der Trennmembran 30 versehen sind, sind mit den Versiegelungsabschnitten 14, 15 verbunden und auf diesen geöffnet. Die Innenoberflächen der Mehrzahl von jeweiligen Filtrationszellen 24 umfassen die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30, die aufeinander folgend gebildet worden sind.
Aufbau für jeweilige Strukturen
Die monolithische Basis 10 ist in einer zylindrischen Form ausgebildet. Die Länge der monolithischen Basis 10 in der Längsrichtung kann 100 bis 2000 mm betragen. Der Durchmesser der monolithischen Basis 10 kann 30 bis 220 mm betragen. Die monolithische Basis 10 kann auch ein elliptischer Zylinder oder ein polygonales Prisma sein.
Obwohl es bezüglich der Trennwanddicke D1 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 des kürzesten Abschnitts zwischen zwei benachbarten Filtrationszellen 24 keine spezielle Beschränkung gibt, kann sie größer als oder gleich 0,05 mm bis kleiner als oder gleich 0,8 mm sein, und sie ist vorzugsweise größer als oder gleich 0,05 mm bis kleiner als 0,2 mm. Ein Aufbau, bei dem die Trennwanddicke D1 zwischen zwei Filtrationszellen 24 weniger als 0,2 mm beträgt, ermöglicht eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 und eine Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 und erhöht daher die Kompaktheit und/oder vermindert das Gewicht. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 kann, obwohl eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 ermöglicht wird, wenn die Trennwanddicke D1 vermindert wird, da die Festigkeit unzureichend sein wird, wenn die Dicke zu gering ist und die Trennwandstruktur der monolithischen Basis 10 während der Herstellung und/oder des Gebrauchs zusammenfallen kann, die tatsächliche Dicke größer als oder gleich 0,05 mm betragen. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche, während das Zusammenfallen der Trennwandstruktur der monolithischen Basis 10 verhindert wird, ist die Trennwanddicke D1 von zwei Filtrationszellen 24 vorzugsweise größer als oder gleich 0,10 mm und kleiner als oder gleich 0,18 mm. In der vorliegenden Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Typen der Trennwanddicke D1 vorliegen, obwohl alle Positionen zwischen zwei benachbarten Filtrationszellen 24 mit einer einheitlichen Trennwanddicke D1 ausgebildet sind.
Wie es in der 2 gezeigt ist, bildet dann, wenn die erste Endfläche 11S in der Draufsicht betrachtet wird, die Mehrzahl von Filtrationszellen 24 eine Mehrzahl von Filtrationszellreihen 24L. Die Mehrzahl von jeweiligen Filtrationszellreihen 24L umfasst zwei oder mehr Filtrationszellen 24, die entlang einer Querrichtung ausgerichtet sind (Beispiel für eine vorgegebene Richtung), die orthogonal zur Längsrichtung ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind 28 Filtrationszellreihen 24L ausgebildet, die 7 bis 29 Filtrationszellen 24 in jeder Reihe ausrichten. Die Anzahl von Filtrationszellen 24 in jeder Reihe oder die Anzahl der Filtrationszellreihen 24L kann jedoch zweckmäßig variiert werden.
Obwohl es bezüglich der Trennwanddicke D3 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 des kürzesten Abschnitts von benachbarten Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 keine spezielle Beschränkung gibt, kann sie größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,8 mm sein, und sie ist vorzugsweise größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,2 mm. Ein Aufbau, bei dem die Trennwanddicke D3 weniger als 0,2 mm beträgt, ermöglicht eine Zunahme der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 kann, obwohl eine Verminderung der Trennwanddicke D3 aufgrund der resultierenden Verdichtung der Filtrationszellen 24 bevorzugt ist, da die Festigkeit unzureichend sein wird, wenn die Dicke zu gering ist, und die Trennwandstruktur der monolithischen Basis 10 während der Herstellung und/oder des Gebrauchs zusammenfallen kann, die tatsächliche Dicke größer als oder gleich 0,05 mm sein. Im Hinblick darauf, dass die Gesamtoberfläche vergrößert werden kann, während ein Zusammenfallen der Trennwandstruktur der monolithischen Basis 10 verhindert wird, ist die Trennwanddicke D3 vorzugsweise größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 0,18 mm. Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform, obwohl alle Positionen zwischen benachbarten Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 mit einer einheitlichen Trennwanddicke D3 ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Typen der Trennwanddicke D3 vorliegen. Darüber hinaus kann, obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, der Abstand zwischen benachbarten Wassersammelzellen 25 größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm und mehr bevorzugt größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 0,18 mm sein.
Wie es in der 2 gezeigt ist, wenn die erste Endfläche 11S in der Draufsicht betrachtet wird, bildet die Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 eine Mehrzahl von Wassersammelzellreihen 25L. Die Mehrzahl von jeweiligen Wassersammelzellreihen 25L umfasst zwei oder mehr Wassersammelzellen 25, die entlang einer Querrichtung ausgerichtet sind (Beispiel für eine vorgegebene Richtung). In der vorliegenden Ausführungsform sind 5 Wassersammelzellreihen 25L an gegenseitig getrennten Positionen angeordnet, und obwohl 22 bis 29 Wassersammelzellen 25 in jeder Reihe ausgerichtet sind, kann die Anzahl von Wassersammelzellen 25, die in jeder Reihe enthalten sind, oder die Anzahl oder die Position der Wassersammelzellreihen 25L zweckmäßig variiert werden.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfassen die Abgabekanäle 26 eine Öffnung 26a, die auf der Außenumfangsfläche 11U geöffnet ist. Die Öffnung 26a kann an nur einer von beiden Endflächen der monolithischen Basis 10 gebohrt werden, oder sie kann durch Bohren entlang der Längsrichtung zusätzlich zu beiden Endflächen der monolithischen Basis 10 gebohrt werden. Im Hinblick auf eine einheitliche Abgabe der Permationskomponente ist die Öffnung 26a vorzugsweise an mindestens beiden Endflächen bereitgestellt. Die Anzahl, die Form und die Position der Abgabekanäle 26 können identisch sein oder können in allen Wassersammelzellreihen 25L verschieden sein.
Das erste Verschlusselement 12 und das zweite Verschlusselement 13 sind in allen Wassersammelzellen 25 angeordnet. Das erste Verschlusselement 12 und das zweite Verschlusselement 13 sind in einer gegenüberliegenden Konfiguration an beiden Endflächen jeder Wassersammelzelle 25 angeordnet. Das erste Verschlusselement 12 und das zweite Verschlusselement 13 können aus einem porösen Material ausgebildet sein. Die Fülltiefe des ersten Verschlusselements 12 und des zweiten Verschlusselements 13 kann etwa 5 bis 20 mm betragen.
Der erste Versiegelungsabschnitt 14 bedeckt einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 11U und die gesamte Oberfläche der ersten Endfläche 11S. Der erste Versiegelungsabschnitt 14 verhindert das Eindringen eines Mischfluids in die erste Endfläche 11S. Der erste Versiegelungsabschnitt 14 ist so ausgebildet, dass die Einströmöffnung der Filtrationszellen 24 nicht blockiert wird. Der erste Versiegelungsabschnitt 14 bedeckt das erste Verschlusselement 12. Das Material, das den ersten Versiegelungsabschnitt 14 bildet, umfasst Glas oder Metall, Kautschuk, Harz oder dergleichen, wobei Glas im Hinblick auf dessen Übereinstimmung mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der monolithischen Basis 10 bevorzugt ist.
Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 bedeckt einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 11U und die gesamte Oberfläche der zweiten Endfläche 11T. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 verhindert das Eindringen eines Mischfluids in die zweite Endfläche 11T. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 ist so ausgebildet, dass die Einströmöffnung der Filtrationszellen 24 nicht blockiert wird. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 bedeckt das zweite Verschlusselement 13. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 kann aus dem gleichen Material ausgebildet sein, das den ersten Versiegelungsabschnitt 14 bildet.
Monolithische Basis 10
Die monolithische Basis 10 ist ein poröser Aluminiumoxidkörper, der Poren umfasst, und ist aus Aluminiumoxidteilchen als Aggregat und einer Oxidphase als Bindungsmaterial ausgebildet.
Aggregat
Die Aluminiumoxidteilchen, die als Aggregat verwendet werden, sind als Aggregat von Ausgangsmaterialien (Aggregatteilchen) mit einem eingestellten Teilchendurchmesser geeignet, die leicht erhältlich sind und die Bildung eines stabilen Tons einhergehend mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit ermöglichen. Obwohl es bezüglich des Volumenanteils des Aggregats an dem Gesamtvolumen des Bindungsmaterials und des Aggregats keine spezielle Beschränkung gibt, kann er z.B. größer als oder gleich 65 Volumen-% und kleiner als oder gleich 85 Vol.-% sein. Der Volumenanteil des Aggregats ist vorzugsweise größer als oder gleich 70 Volumen-% und kleiner als oder gleich 80 Vol.-%. Ein Aufbau, bei dem der Volumenanteil des Aggregats größer als oder gleich 70 Volumen-% ist, ermöglicht eine Verminderung von Defekten, wie z.B. Brennrissen oder dergleichen, durch Unterdrücken einer Kontraktion während des Brennens (Brennschrumpfung). Ein Aufbau, bei dem der Volumenanteil des Aggregats kleiner als oder gleich 80 Volumen-% ist, ermöglicht die Verbesserung einer ausreichenden Festigkeit zwischen dem Bindungsmaterial und den Aggregatteilchen. Der Gehaltanteil von Aluminiumoxidteilchen kann mit dem Archimedes-Verfahren gemessen werden.
In diesem Zusammenhang ist die 4 ein Beispiel eines Querschnitt-SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Bilds der monolithischen Basis 10. Das SEM-Querschnittsbild in der 4 zeigt die Aluminiumoxidteilchen (Aggregat) hellgrau, die Oxidphase (Bindungsmaterial) dunkelgrau und die Poren (Löcher) schwarz.
Wie es in der 4 gezeigt ist, umfassen die Aluminiumoxidteilchen mikroskopische Aluminiumoxidteilchen und grobe Aluminiumoxidteilchen. In der vorliegenden Ausführungsform steht „mikroskopisches Aluminiumoxiteilchen“ für ein Aluminiumoxidteilchen, das einen Teilchendurchmesser von größer als oder gleich 0,5 µm und kleiner als oder gleich 5 µm aufweist. „Grobes Aluminiumoxidteilchen“ steht für ein Aluminiumoxidteilchen, das einen Teilchendurchmesser von größer als 5 µm aufweist. Es wird davon ausgegangen, dass der Durchmesser des Aluminiumoxidteilchens für die jeweiligen Aggregatteilchen in dem SEM-Querschnittsbild des porösen Aluminiumoxidkörpers einen kreisförmigen Aufbau aufweist, und es handelt sich um einen Durchmesser, der auf der Basis dieser Oberfläche berechnet wird. In der folgenden Beschreibung können sowohl die mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen als auch die groben Aluminiumoxidteilchen zusammen als Aluminiumoxidteilchen bezeichnet werden.
Wie es in der 4 gezeigt ist, sind ein Teil aller mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und ein Teil aller groben Aluminiumoxidteilchen in der Oxidphase eingekapselt. D.h., die Oberfläche von jeweiligen mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen eines Teils der gesamten mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen ist durch die Oxidphase bedeckt und die Oberfläche von jeweiligen groben Aluminiumoxidteilchen eines Teils der gesamten groben Aluminiumoxidteilchen ist durch die Oxidphase bedeckt. In der vorliegenden Ausführungsform bedeuten die Ausdrücke „in der Oxidphase eingekapselt“ und „durch die Oxidphase bedeckt“ in Bezug auf die Aluminiumoxidteilchen, dass mehr als oder gleich 50 % der Oberfläche der Aluminiumoxidteilchen mit der Oxidphase in Kontakt sind. Daher ist ein Aufbau, bei dem ein Teil von mehr als 50 % der Oberfläche eines Aluminiumoxidteilchens an eine Pore angrenzt, ein Aufbau, der nicht durch die Oxidphase bedeckt ist. In dem SEM-Querschnittsbild kann dann, wenn die Länge der Kontaktoberfläche, die mit einem Oxid in Kontakt ist, bezogen auf die Länge eines Außenumfangs eines Aluminiumoxidteilchens größer als oder gleich die Hälfte ist, festgelegt werden, dass mehr als oder gleich 50 % der Oberfläche des Aluminiumoxidteilchens mit der Oxidphase in Kontakt sind.
Die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, ist größer als oder gleich 50 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen. Auf diese Weise kann die Festigkeit der monolithischen Basis 10 beträchtlich erhöht werden. Obwohl der Grund für die Festigkeitszunahme als Ergebnis des Vorliegens einer großen Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen in der Oxidphase unklar ist, ist es im Allgemeinen der Fall, dass sich Risse in einer Oxidphase mit einer geringen Festigkeit erstrecken, wenn ein Riss als Ergebnis des Ausübens einer Belastung auf den porösen Aluminiumoxidkörper, der die Basis bildet, erzeugt wird. In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, dass die Festigkeit aufgrund des Unterdrückens einer solchen Rissausbreitung in der Oxidphase als Ergebnis des Vorliegens von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen in der Oxidphase erhöht ist. Es ist bevorzugt, dass die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, größer als oder gleich 60 % und kleiner als oder gleich 95 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen ist. Es sollte beachtet werden, dass es im Hinblick auf ein effektiveres Unterdrücken einer Rissausbreitung bevorzugt ist, dass die mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, durch eine größere Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen als eine Anzahl von vergleichsweise größeren Teilchen ausgebildet sind. Die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, kann durch Zählen der Anzahl in einem SEM-Querschnittsbild von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen erhalten werden, von denen mehr als oder gleich 50 % einen kontinuierlichen Kontakt mit der Oxidphase aufweisen.
Obwohl es bezüglich der Anzahl von groben Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, der gesamten groben Aluminiumoxidteilchen keine spezielle Beschränkung gibt, kann sie weniger als oder gleich 30 % der Gesamtzahl der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen betragen. Im Gegensatz zu den mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, da die groben Aluminiumoxidteilchen vorwiegend als Aggregat wirken, das den porösen Aluminiumoxidkörper stützt, der die monolithische Basis bildet, ist eine Konfiguration, bei der eine Ausrichtung auf das Bindungsmaterial (Oxidphase) vorliegt, um dadurch eine definierte Verbindungsoberfläche mit den angrenzenden mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen zu unterstützen, im Wesentlichen ausreichend, ohne dass ein Einkapseln in der Oxidphase erforderlich ist. Der Anteil der Oxidphase nimmt zu, wenn die Anzahl von groben Aluminiumoxidteilchen, die auf die Oxidphase gerichtet sind, zunimmt. Umgekehrt wird dieses Merkmal zu einer Ursache von Defekten, wie z.B. Brennrissen, als Ergebnis der Zunahme der Kontraktion (Zersplittern) während des Brennens. Es ist bevorzugt, dass die Anzahl von groben Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, kleiner als oder gleich 15 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen ist. Die Anzahl von groben Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, kann durch Zählen der Anzahl von groben Aluminiumoxidteilchen in einem SEM-Querschnittsbild, von denen mehr als oder gleich 50 % kontinuierlich mit der Oxidphase in Kontakt sind, erhalten werden.
Obwohl es bezüglich des 50 %-Durchmessers (nachstehend als „D_g50“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenteilchendurchmesserverteilung der Aluminiumoxidteilchen, welche die Basis bilden, keine spezielle Beschränkung gibt, kann er größer als oder gleich 5 µm bis kleiner als oder gleich 40 µm sein. D_g50 ist der sogenannte Mediandurchmesser. D_g50 ist vorzugsweise größer als oder gleich 10 µm bis kleiner als oder gleich 25 µm und mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 20 µm.
Wenn der 50 %-Durchmesser 10^z µm beträgt, ist der 10 %-Durchmesser (nachstehend als „D_g10“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenteilchendurchmesserverteilung der Aluminiumoxidteilchen vorzugsweise kleiner als oder gleich 10^(z-0,2) µm. Ferner ist, wenn der D_g50 als 10^z µm ausgebildet ist, der 90 %-Durchmesser (nachstehend als „D_g90“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenteilchendurchmesserverteilung der Basisteilchen vorzugsweise größer als oder gleich 10^(z+0.2) µm. Daher ist es bevorzugt, dass die Korngrößenverteilung D_g10 ≦ 10^(z-0,2) µm und D_g90 ≧ 10^(z+0,2) µm erfüllt, d.h., dass eine breite Korngrößenverteilung vorliegt.
Die kumulative Volumenteilchendurchmesserverteilung der Basisteilchen kann durch Berechnen des Durchmessers auf der Basis der Oberfläche unter der Annahme einer kreisförmigen Konfiguration für alle Basisteilchen, die in einem SEM-Querschnittsbild mit einer beliebigen Oberfläche enthalten sind, gemessen werden. Insbesondere werden die Poren, die Aluminiumoxidteilchen und die Oxidphase durch die Verwendung einer ternären Wert-Verarbeitung unter Verwendung einer Bildanalyse eines SEM-Querschnittsbilds in einem 200 x 200 µm-Bereich unterschieden. Die Oberfläche wird in Bezug auf jedes unterschiedene Aluminiumoxidteilchen gemessen, um dadurch die Berechnung des Durchmessers jedes Aluminiumoxidteilchens durch eine Kreisformnäherung zu ermöglichen. Eine Bildanalyse kann z.B. durch die Verwendung einer Anwendungssoftware (Image-ProPlus (Handelsbezeichnung)) durchgeführt werden, die für eine Bildanalyse verwendet wird und die von MEDIA CYBERNETICS Inc. hergestellt wird.
Bindungsmaterial
Die Oxidphase, die als Bindungsmaterial verwendet wird, ist ein Glasmaterial, das Silizium (Si) und Aluminium (AI) und mindestens eines von einem Alkalimetall und einem Erdalkalimetall umfasst. Die Oxidphase umfasst vorzugsweise sowohl ein Alkalimetall als auch ein Erdalkalimetall. Das Alkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Natrium (Na), Kalium (K) und Lithium (Li). Die Oxidphase kann ein Alkalimetall als Alkalimetalloxid enthalten. Das Erdalkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba). Die Oxidphase kann ein Erdalkalimetall als Erdalkalimetalloxid enthalten. Die Oxidphase kann Si als SiO₂ enthalten. Die Oxidphase kann AI als Al₂O₃ enthalten.
Der Gehaltanteil von Si in der Oxidphase kann gemäß einer SiO₂-Umrechnung größer als oder gleich 50 Massen-% und kleiner als oder gleich 90 Massen-% sein. Der Gesamtgehaltanteil des Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls in der Oxidphase ist gemäß einer Oxidumrechnung vorzugsweise größer als oder gleich 9 Massen-% und kleiner als oder gleich 15 Massen-%. Auf diese Weise kann der eutektische Punkt der Oxidphase vermindert werden, die Benetzbarkeit in Bezug auf die Aluminiumoxidteilchen kann verbessert werden und das Eindringen zwischen Aluminiumoxidteilchen wird erleichtert. Daher neigen die mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen dazu, durch die Oxidphase eingekapselt zu werden. Als Ergebnis wird die Festigkeit der monolithischen Basis 10 beträchtlich erhöht, da eine große Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen in der Oxidphase zusätzlich zu der ausgeprägten Kontraktion zwischen Aluminiumoxidteilchen eingekapselt werden kann. Ferner kann, da der eutektische Punkt vermindert ist, die Brenntemperatur für die monolithische Basis 10 vermindert werden und die erforderliche Energie während des Brennvorgangs kann vermindert werden.
Obwohl es bezüglich des Gehaltanteils von AI in der Oxidphase keine spezielle Beschränkung gibt, kann er gemäß einer Al₂O₃-Umrechnung größer als oder gleich 0,1 Massen-% und kleiner als oder gleich 41 Massen-% sein. Im Hinblick auf das Vermindern des eutektischen Punkts der Oxidphase ist der Gehaltanteil von Al in der Oxidphase gemäß einer Al₂O₃-Umrechnung vorzugsweise größer als oder gleich 5 Massen-% und kleiner als oder gleich 25 Massen-%.
Das Gewicht der monolithischen Basis 10 kann durch Vermindern des spezifischen Gewichts der Oxidphase mit einem Aufbau vermindert werden, bei dem der Gehaltanteil von Si in der Oxidphase größer als der Gehaltanteil von Al ist. Obwohl es bezüglich des spezifischen Gewichts der Oxidphase keine spezielle Beschränkung gibt, kann es z.B. größer als oder gleich 1 g/cm³ und kleiner als oder gleich 3 g/cm³ sein, und das Erhöhen des Gehaltanteils von Si ermöglicht eine Verminderung von deren spezifischem Gewicht. Das spezifische Gewicht der Oxidphase kann auf der Basis des Gehaltanteils der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen berechnet und mit dem Archimedes-Verfahren gemessen werden. Der Gehaltanteil der jeweiligen Elemente in der Oxidphase kann durch Eluieren nur der Oxidphase von der monolithischen Basis 10 unter Verwendung eines Fluorwasserstoffsäureverfahrens und Quantifizieren der resultierenden Lösung durch die Verwendung eines induktiv gekoppeltes Plasma-Atomemissionsspektrometers (ICP-AES) gemessen werden.
Obwohl es keine spezielle Beschränkung bezüglich des Gehaltanteils der Oxidphase in der monolithischen Basis 10 gibt, kann er größer als oder gleich 15 Volumen-% und kleiner als oder gleich 40 Volumen-% sein. Der Gehaltanteil der Oxidphase ist im Hinblick auf die Erhöhung der Festigkeit durch Einkapseln von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und die Kontraktion der groben Aluminiumoxidteilchen vorzugsweise größer als oder gleich 22 Volumen-% und vorzugsweise kleiner als oder gleich 38 Volumen-% im Hinblick auf das Vermindern von Defekten, wie z.B. Brennrissen, durch Unterdrücken einer Kontraktion (Zersplittern) während des Brennens. Der Gehaltanteil der Oxidphase kann durch Quantifizieren in Bezug auf den belegten Oberflächenanteil der Oxidphase in dem SEM-Querschnittsbild gemessen werden.
Poren
Obwohl es bezüglich der Porosität der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung gibt, kann sie größer als oder gleich 20 % und kleiner als oder gleich 60 % sein. Wenn der Druckverlust während des Durchgangs einer Flüssigkeit, welche die Trennmembran 30 durchdrungen hat und dann durch den porösen Aluminiumoxidkörper hindurchtritt, der die monolithische Basis 10 bildet, berücksichtigt wird, ist es bevorzugt, dass die Porosität größer als oder gleich 30 % ist. Ferner beträgt der Wert im Hinblick auf das Aufrechterhalten einer hohen Festigkeit in Bezug auf den porösen Aluminiumoxidkörper, der die monolithische Basis bildet, vorzugsweise weniger als oder gleich 45 %. Die Porosität kann mit einem Quecksilber-Einpressverfahren gemessen werden.
Obwohl es bezüglich des 50 %-Durchmessers (nachstehend als „D_p50“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenporendurchmesserverteilung der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung gibt, kann er größer als oder gleich 1 µm bis kleiner als oder gleich 10 µm sein. Der D_p50 des Porendurchmessers ist vorzugsweise größer als oder gleich 2 µm bis kleiner als oder gleich 6 µm. Der D_p50 des Porendurchmessers ist der sogenannte Mediandurchmesser.
Obwohl es bezüglich des 10 %-Durchmessers (nachstehend als „D_p10“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenporendurchmesserverteilung der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung gibt, wenn der D_p50 als 10^y µm festgelegt ist, beträgt er vorzugsweise weniger als oder gleich 10^(y+0,5) µm. Obwohl es bezüglich des 90 %-Durchmessers (nachstehend als „D_p90“ bezeichnet) in der kumulativen Volumenporendurchmesserverteilung der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung gibt, wenn der D_p50 als 10^y µm festgelegt ist, ist er vorzugsweise größer als oder gleich 10^(y-0,5) µm. Daher ist es bevorzugt, dass der Porendurchmesser der monolithischen Basis 10 D_p10 ≦ 10^(y+0,5) µm und D_p90 ≧ 10^(y-0,5) µm genügt. Dieses Merkmal bedeutet, dass der Porendurchmesser von 80 % der Gesamtzahl von Poren eine Porendurchmesserverteilung aufweist, die innerhalb des Bereichs von 10^(y±0,5) µm liegt, d.h., es liegt eine scharfe Porendurchmesserverteilung vor. Eine scharfe Porendurchmesserverteilung bedeutet, dass es eine geringe Anzahl von feinen Poren oder groben Poren relativ zu dem D_p50 gibt. Eine geringe Anzahl ist bevorzugt, da kleine feine Poren den Druckverlust einer Flüssigkeit nicht effektiv vermindern können. Andererseits ist eine geringe Anzahl von großen groben Poren bevorzugt, da die Basisporen durch das Eindringen einer Zwischenschichtaufschlämmung in einen inneren Abschnitt der Basis während der Filmbildung der Zwischenschicht auf der monolithischen Basis blockiert werden.
Die kumulative Volumenporendurchmesserverteilung der monolithischen Basis 10 kann mit einem Quecksilber-Einpressverfahren gemessen werden.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Trennmembranstruktur 100
Zuerst wird ein Aluminiumoxidpulver als Basisausgangsmaterial hergestellt. Das Aluminiumoxidpulver ist ein Aluminiumoxidpulver, das einen D_g50 von größer als oder gleich 5 µm bis kleiner als oder gleich 40 µm aufweist, und wenn der D_g50 10^z µm beträgt, ist der D_g10 kleiner als oder gleich 10^(z-0,2) µm und der D_g90 ist größer als oder gleich 10^(z+0,2) µm. Die Verwendung eines Aluminiumoxidpulvers, das diesen Typ einer breiten Korngrößenverteilung aufweist, ermöglicht gleichzeitig das Bereitstellen von groben Aluminiumoxidteilchen, die eine feste Basis bilden, und einer großen Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, welche die Festigkeit der Oxidphase erhöhen.
Als nächstes wird eine Oxidphase als das Bindungsmaterial hergestellt. Die Oxidphase enthält Si und Al und mindestens eines von einem Alkalimetall und einem Erdalkalimetall. Der Gehaltanteil des Si in der Oxidphase kann gemäß einer SiO₂-Umrechnung größer als oder gleich 50 Massen-% und kleiner als oder gleich 90 Massen-% sein. Der Gesamtgehaltanteil eines Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls in der Oxidphase ist gemäß einer Oxid-Umrechnung vorzugsweise größer als oder gleich 9 Massen-% und kleiner als oder gleich 15 Massen-%. Der Gehaltanteil von Al in der Oxidphase ist gemäß einer Al₂O₃-Umrechnung vorzugsweise größer als oder gleich 0,1 Massen-% und kleiner als oder gleich 41 Massen-%.
Als nächstes werden die Aluminiumoxidteilchen und die Oxidphase gewogen. Dabei werden die Massen so berechnet, dass der Anteil der Oxidphase bezogen auf die Gesamtmenge der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen größer als oder gleich 22 Volumen-% und kleiner als oder gleich 38 Volumen-% ist. Beispielsweise wenn das Abwiegen so durchgeführt wird, dass das Volumenverhältnis der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen einen Wert von 78:22 aufweist, kann in dem Fall, dass das spezifische Gewicht der Oxidphase 1 g/cm³ beträgt und das spezifische Gewicht der Aluminiumoxidteilchen 4 g/cm³ beträgt, das Abwiegen so durchgeführt werden, dass das Massenverhältnis der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen einen Wert von 93,4:6,6 aufweist. Ferner kann z.B. dann, wenn das Abwiegen so durchgeführt wird, dass das Volumenverhältnis der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen einen Wert von 62:38 aufweist, in dem Fall, dass das spezifische Gewicht der Oxidphase 3 g/cm³ beträgt und das spezifische Gewicht der Aluminiumoxidteilchen 4 g/cm³ beträgt, das Abwiegen so durchgeführt werden, dass das Massenverhältnis der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen einen Wert von 69:32 aufweist. D.h., das Abwiegen kann so durchgeführt werden, dass die Masse der Oxidphase bezogen auf die Gesamtmasse der Oxidphase und der Aluminiumoxidteilchen gemäß einer Oxid-Umrechnung größer als oder gleich 6,6 Massen-% und kleiner als oder gleich 32 Massen-% ist.
Als nächstes wird ein Ton durch Zusetzen von Wasser, eines Dispergiermittels und eines organischen Bindemittels, wie z.B. Methylcellulose, zu der Oxidphase und den Aluminiumoxidteilchen, die abgewogen worden sind, und dann Kneten hergestellt. Wenn es erwünscht ist, die Porosität der monolithischen Basis zu erhöhen, wird ein Porenbildner zugesetzt.
Dann wird der hergestellte Ton z.B. mittels eines Vakuumextruders extrusionsgeformt, so dass ein Grünkörper für die monolithische Basis erhalten wird, der eine Mehrzahl von Filtrationszellen 24 und eine Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 aufweist.
Dann wird der Grünkörper für die monolithische Basis z.B. bei 900 bis 1600 °C gebrannt, so dass eine monolithische Basis erhalten wird, und ein Einschnitt für den Abgabekanal wird so ausgebildet, dass er eine Verbindung von einer Position der Außenumfangsfläche durch die Wassersammelzelle 25 zu einer anderen Position herstellt. Der Einschnitt für den Abgabekanal kann mit einer Bandsäge oder einer Trennscheibeneinrichtung, einer Drahtsäge oder dergleichen ausgebildet werden, die mit einem Diamantschleifmittel versehen ist, während eine Laserreferenz auf beide Endflächen angewandt wird, an denen der Abgabekanal 26 ausgebildet wird. Während des Schneidvorgangs können die Reibung und/oder die Wärmeerzeugung durch die Verwendung eines Lösungsmittels, wie z.B. Wasser oder dergleichen, vermindert werden, da die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs als Ergebnis der Wärmeerzeugung und/oder eines Verlusts des Diamantschleifmittels aufgrund von Reibung zwischen der monolithischen Basis und dem Schneidwerkzeug vermindert wird.
Als nächstes wird in der resultierenden monolithischen Basis ein Verschlussmaterial in der Form einer Aufschlämmung in einen Raum gefüllt, der den Abgabekanal 26 erreicht, und zwar von beiden Endflächen der Wassersammelzellen, die durch Schneiden des Abgabekanals gebildet worden sind, wodurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis erhalten wird. Insbesondere wird ein Film (Maskierung), wie z.B. ein Polyester oder dergleichen, auf beide Endflächen der monolithischen Basis aufgebracht, und in den Film wird ein Loch mittels einer Laserbestrahlung oder dergleichen an dem Abschnitt gebohrt, der dem Abgabekanal 26 entspricht.
Dann wird die Endfläche der monolithischen Basis mit dem darauf aufgebrachten Film in einen Behälter gepresst, der mit dem Verschlussmaterial (Aufschlämmung) gefüllt ist, und wird durch Ausüben eines Drucks von z.B. 200 kg mittels eines Luftzylinders oder dergleichen eingefüllt, wodurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis erhalten wird. Die Verschlussmaterial-gefüllte gebrannte monolithische Basis wird z.B. bei 900 bis 1400 °C gebrannt, wodurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis erhalten wird.
Dann wird eine Zwischenschicht 20 als Basis für die Trennmembran 30 auf einer Innenwandfläche der Filtrationszellen 24 der Verschlussmaterial-gefüllten monolithischen Basis gebildet. Zuerst wird eine Zwischenschichtaufschlämmung zur Bildung der Zwischenschicht 20 hergestellt (Filmbildung). Die Zwischenschichtaufschlämmung kann durch Zusetzen von 400 Massenteilen Wasser zu 100 Massenteilen eines keramischen Ausgangsmaterials mit einem gewünschten Teilchendurchmesser (z.B. einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 µm bis 5 µm) hergestellt werden. Dann kann der Zwischenschichtaufschlämmung ein anorganisches Membranbindungsmaterial zugesetzt werden, um die Membranfestigkeit nach dem Sintern zu erhöhen. Das anorganische Membranbindungsmaterial kann die Verwendung von Ton, Kaolin, eines Titanoxidsols, eines Siliziumoxidsols, einer Glasfritte oder dergleichen umfassen. Die Zugabemenge des anorganischen Membranbindungsmaterials beträgt im Hinblick auf die Filmfestigkeit vorzugsweise 5 bis 42 Massenteile.
Die Zwischenschichtaufschlämmung wird auf eine Innenwandfläche der Filtrationszellen 24 aufgebracht und nach dem Trocknen wird die Zwischenschicht 20 durch Sintern z.B. bei 900 bis 1050 °C gebildet. Die Zwischenschicht 20 kann als eine Mehrzahl von separaten Schichten, wie z.B. der Zwischenschicht 21 und der Zwischenschicht 22, durch die Verwendung einer Mehrzahl von Typen der Aufschlämmung, bei denen der durchschnittliche Teilchendurchmesser variiert wird, zu einem Film ausgebildet werden. In einer Konfiguration, bei der die Zwischenschicht 20 zu einer Mehrzahl von Schichten ausgebildet wird, können der Filmbildungsvorgang und der Brennvorgang in Bezug auf jede Zwischenschicht durchgeführt werden, oder nach dem Wiederholen einer Mehrzahl von Filmbildungsvorgängen kann ein integrierter Brennvorgang durchgeführt werden.
Als nächstes kann nach dem Aufbringen einer Glasausgangsmaterialaufschlämmung durch eine Sprühzerstäubung oder ein Bürsten auf eine Endfläche der resultierenden monolithischen Basis mit der daran angebrachten Zwischenschicht ein Grünkörper für den ersten und zweiten Versiegelungsabschnitt 14, 15 durch Brennen z.B. bei 800 bis 1000 °C gebildet werden. Eine Glasausgangsmaterialaufschlämmung kann durch Mischen eines organischen Bindemittels und Wasser in eine Glasfritte eingestellt werden. Obwohl ein Aufbau beschrieben worden ist, bei dem das Material für den ersten und zweiten Versiegelungsabschnitt 14 und 15 Glas ist, kann, solange der erste und zweite Versiegelungsabschnitt 14 und 15 den Durchgang des Trennfluids, das von dem Abgabekanal 26 nach der Abtrennung von dem Mischfluid, das der Gegenstand des Trennvorgangs ist, abgegeben wird, z.B. ein Silikonharz oder ein Teflon (eingetragene Marke)-Harz oder dergleichen verwendet werden. Bei einem Aufbau, bei dem die Zwischenschicht 20 eine Mehrschichtstruktur aufweist, kann ein Grünkörper für den ersten und zweiten Versiegelungsabschnitt 14 und 15 während der Bildung der Zwischenschicht 20 gebildet werden.
Als nächstes wird die Trennmembran 30 auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht 20 gebildet. In diesem Zusammenhang ist es dann, wenn der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennmembran 30 weniger als 1 nm beträgt, und wenn ein dünnerer Film gebildet werden muss, um den Druckverlust zu vermindern, bevorzugt, ferner eine Basisschicht zwischen der Zwischenschicht 20 und der Trennmembran 30 auszubilden. Beispielsweise ist es bevorzugt, dass auf der Oberseite der Zwischenschicht 20 ein Titanoxidsol durch Hydrolyse von Titanisopropoxid in der Gegenwart von Salpetersäure erhalten wird, mit Wasser verdünnt wird, um ein Basisschichtsol herzustellen, und dann, nachdem das hergestellte Basisschichtsol auf die Innenwandoberfläche einer vorgegebenen Zelle der monolithischen Basis, die mit der Zwischenschicht versehen ist, geflossen ist, eine Wärmebehandlung z.B. bei 400 bis 500 °C zur Bildung eines Basisschichtfilms durchgeführt wird. Das Verfahren zur Bildung der Trennmembran 30 kann ein geeignetes Verfahren sein, das von dem Typ der Trennmembran abhängt.
Die Trennmembran 30 kann eine bekannte MF (Mikrofiltrations)-Membran, UF (Ultrafiltrations)-Membran, Gastrennmembran, Pervaporationsmembran oder dampfdurchlässige Membran oder dergleichen nutzen. Insbesondere umfasst die Trennmembran 30 die Verwendung einer Keramikmembran (z.B. wird auf die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 3-267129 und die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2008-246304 Bezug genommen), einer Kohlenmonoxid-Trennmembran (z.B. wird auf das japanische Patent Nr. 4006107 Bezug genommen), einer Helium-Trennmembran (z.B. wird auf das japanische Patent Nr. 3953833 Bezug genommen), einer Wasserstoff-Trennmembran (z.B. wird auf das japanische Patent Nr. 3933907 Bezug genommen), einer Kohlenstoffmembran (z.B. wird auf die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2003-286018 Bezug genommen), einer Zeolithmembran (z.B. wird auf die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-66188 Bezug genommen), einer Siliziumoxid-Membran (z.B. wird auf die Beschreibung der veröffentlichten PCT-Anmeldung 2008/050812 Bezug genommen), einer organisch-anorganischen Hybrid-Siliziumoxidmembran (z.B. wird auf die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2013-203618 Bezug genommen) und von p-Tolylgruppe-enthaltendem Siliziumoxid (z.B. wird auf die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2013-226541 Bezug genommen) oder dergleichen. Das Verfahren zur Bildung der Trennmembran 30 kann ein geeignetes Verfahren sein, das von dem Typ der Trennmembran abhängt.
Weitere Ausführungsformen
Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifizierungen sind innerhalb eines Umfangs möglich, der nicht vom Wesen der Erfindung abweicht.
Die monolithische Trennmembranstruktur 100 wurde mit Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 versehen. Die Wassersammelzellen 25 können jedoch weggelassen werden und in einer solchen Konfiguration kann bei der monolithischen Trennmembranstruktur 100 auch der Abgabekanal 26 weggelassen werden.
Obwohl alle Innendurchmesser der Filtrationszellen 24 gleich ausgebildet sind, gibt es diesbezüglich keine Beschränkung. Obwohl alle Innendurchmesser der Wassersammelzellen 25 gleich ausgebildet sind, gibt es diesbezüglich keine Beschränkung.
Der jeweilige erste und zweite Versiegelungsabschnitt 14, 15 wurden so ausgebildet, dass sie einen Abschnitt der Außenumfangsfläche 11U bedecken. Die Außenumfangsfläche 11U muss jedoch nicht bedeckt sein.
Beispiele
Nachstehend werden Beispiele für eine monolithische Basis (poröser Aluminiumoxidkörper) gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist dadurch jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
Herstellung der Beispiele Nr. 1 bis Nr. 9 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2
Eine monolithische Basis gemäß den Beispielen Nr. 1 bis Nr. 9 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt.
Zuerst wurden das Bindungsmaterial und das Aggregat abgewogen, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, dann wurde ein Ton durch Zusetzen von Wasser, eines Dispergiermittels und eines Verdickungsmittels und gegebenenfalls zusätzlich eines Porenbildners zu dem Bindungsmaterial und dem Aggregat, die abgewogen worden sind, und Kneten hergestellt.
Als nächstes wurde ein Grünkörper für die monolithische Basis, der eine Mehrzahl von Filtrationszellen und eine Mehrzahl von Wassersammelzellen aufweist, durch Extrusionsformen des hergestellten Tons gebildet.
Eine monolithische Basis wurde durch Brennen des Grünkörpers für die monolithische Basis für 2 Stunden bei einer Brenntemperatur gemäß der Tabelle 1 hergestellt.
Querschnittsuntersuchung der monolithischen Basis
Ein SEM-Querschnittsbild (Rückstreuelektronenbild, JSM-5410, hergestellt von JEOL Ltd.) der monolithischen Basis wurde zum Berechnen des Prozentsatzes von Aluminiumoxid-Mikroteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, bezogen auf die gesamten Aluminiumoxidteilchen verwendet.
Ferner wurde der Gehaltanteil (Volumen-%) der Oxidphase unter Verwendung des SEM-Querschnittsbilds berechnet. Der Gehaltanteil (Volumen-%) der Oxidphase wurde in Bezug auf den Anteil der belegten Oberfläche (Oberflächen-%) der Oxidphase in dem SEM-Querschnittsbild berechnet. Die Messergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
Quantifizierung der jeweiligen Elemente in der Oxidphase
Die monolithische Basis wurde mit Fluorwasserstoffsäure behandelt und die eluierte Oxidphase wurde mittels eines induktiv gekoppeltes Plasma-Atomemissionsspektrometers (ULTIMA2, hergestellt von Horiba Ltd.) quantifiziert. Der resultierende Gehaltanteil jedes Elements ist in der Tabelle 1 gezeigt.
Porosität und Porendurchmesserverteilung der monolithischen Basis
Die Porosität und die Porendurchmesserverteilung (D_p50, D_p10, D_p90) der monolithischen Basis in den Beispielen 1 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde mit einem Quecksilber-Einpressverfahren gemessen. Die Messergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
Festigkeit der monolithischen Basis
Die 4-Punkt-Festigkeit der monolithischen Basis in den Beispielen 1 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde gemäß JIS R 1601 gemessen.
Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, war es verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 (Beispiel des Standes der Technik) schwierig, die Kompaktheit zu erhöhen und/oder das Gewicht zu vermindern, da die Membranoberfläche der monolithischen Basis vermindert wurde, wenn versucht wurde, eine größere Membranoberfläche zu realisieren, und die Festigkeit als Struktur wurde durch Erhöhen der Trennwanddicke erhöht. Ferner war es nicht möglich, die Trennwanddicke zu vermindern, da eine Tendenz dahingehend bestand, dass die Extrusionsdüse blockierte, wenn ein Formen unter Verwendung eines groben Aluminiumoxidaggregats durchgeführt wurde, selbst wenn die Trennwanddicke unter Verwendung desselben Ausgangsmaterials vermindert wurde. Im Gegensatz dazu wies das Vergleichsbeispiel 2 eine geringe Trennwanddicke auf und bildete Filtrationszellen unter Verwendung einer hoch verdichteten Basis, die eine große Membranoberfläche aufwies, und zwar durch die Verwendung eines Aggregats, das einen geringen durchschnittlichen Teilchendurchmesser (D_g50) aufweist. Die strukturelle Festigkeit konnte jedoch verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 nicht aufrechterhalten werden, da die Trennwanddicke weniger als oder gleich 1/5 beträgt.
Andererseits war bei den Beispielen 1 bis 9 die Festigkeit des Materials (poröser Aluminiumoxidkörper) selbst, das die monolithische Basis bildet, erhöht, da der Prozentsatz der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, als Ergebnis der Verwendung eines Aggregatpulvers, das eine breite Korngrößenverteilung aufweist, größer als oder gleich 50 % ist. Als Ergebnis konnten die Beispiele 1 bis 9 die strukturelle Festigkeit der monolithischen Basis selbst dann aufrechterhalten, wenn die Trennwanddicke verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 vermindert wurde. Wie es in der 4 bis 6 gezeigt ist, war in den Beispielen 1 bis 9 eine große Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, einbezogen, und die Anteile sind in der Tabelle 1 gezeigt. Obwohl der Grund für die Zunahme der Festigkeit aufgrund der Gegenwart einer großen Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen in der Oxidphase unklar ist, wird davon ausgegangen, dass die Festigkeit aufgrund einer Unterdrückung einer Rissausbreitung in der Oxidphase durch diese mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen erhöht wird.
Ferner ist, obwohl die Tabelle 1 die chemische Zusammensetzung in der Oxidphase in den Beispielen 1 bis 6 zeigt, ersichtlich, dass die Einstellung des Gehaltanteils des Erdalkalimetalls und/oder des Alkalimetalls eine Verminderung des eutektischen Punkts und eine Erhöhung der Benetzbarkeit bewirkte sowie das Einkapseln der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen durch die Oxidphase erleichterte. Andererseits enthalten die Vergleichsbeispiele 1 und 2 eine unzureichende Menge eines Erdalkalimetalls und/oder eines Alkalimetalls und konnten daher den eutektischen Punkt nicht ausreichend vermindern. Daher musste die Brenntemperatur erhöht werden und folglich wurde die während des Brennens erforderliche Energie erhöht.
Ferner war der Gehaltanteil von SiO₂ in der Oxidphase der Beispiele 1 bis 6 in einer geeigneten Weise angepasst, so dass dadurch eine Verminderung des spezifischen Gewichts der Oxidphase und eine Verminderung des Gewichts der monolithischen Basis ermöglicht wurden.
Es sollte ferner beachtet werden, dass, obwohl im Beispiel 2 die Oxidphase verglichen mit dem Beispiel 1 vermindert war, ersichtlich ist, dass eine ausreichende Festigkeit verliehen wird, solange diese innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegt. In der gleichen Weise wurde in dem Beispiel 3 der Druckverlust des resultierenden porösen Aluminiumoxidkörpers durch Erhöhen des Anteils (Porosität) von Poren durch die Verwendung eines Porenbildners vermindert. Gleichzeitig wird, obwohl die Oberfläche des Kontakts zwischen Aluminiumoxidteilchen und Poren durch die entsprechende Zunahme der Poren erhöht wird, der Anteil von Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, vermindert. Es wird jedoch eine ausreichende Festigkeit verliehen, solange dieser innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung liegt. Die Sintereigenschaften und die Festigkeit im Beispiel 4 wurden als Ergebnis des Erhöhens des Erdalkalimetalls und/oder des Alkalimetalls in der Oxidphase durch Zusetzen von CaO weiter verbessert. Im Beispiel 5 wurden die mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, erhöht, und eine weitere Erhöhung der Festigkeit wurde durch Erhöhen der Oxidphase selbst ermöglicht.
Ferner ist verglichen mit dem Beispiel 1, obwohl im Beispiel 6 die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen vermindert war, ersichtlich, dass eine ausreichende Festigkeit verliehen wurde, solange sie innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung liegt.
Ferner konnte verglichen mit dem Beispiel 2, obwohl im Beispiel 7 die Oxidphase weiter vermindert war, eine ausreichende Festigkeit aufrechterhalten werden, da eine Verminderung des eutektischen Punkts und eine Erhöhung der Benetzbarkeit durch eine ausreichende Einstellung des Gehaltanteils des Erdalkalimetalls und/oder des Alkalimetalls ermöglicht wurden, und da der Anteil der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, selbst bei einer verminderten Menge der Oxidphase innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung lag.
Ferner konnte verglichen mit dem Beispiel 2, da im Beispiel 8 der Gehaltanteil des Erdalkalimetalls und/oder des Alkalimetalls vermindert war, der eutektische Punkt nicht ausreichend vermindert werden. Da die Brenntemperatur dieselbe war, ist ersichtlich, dass eine ausreichende Festigkeit verliehen wurde, solange sie innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung lag, obwohl die resultierende Benetzbarkeit der Oxidphase nicht erhöht war und der Anteil der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt waren, vermindert war. Obwohl im Beispiel 8 eine Verminderung des Gehaltanteils von SiO₂ vorlag, ist ersichtlich, dass das spezifische Gewicht der Oxidphase bei einem relativ kleinen Wert aufrechterhalten werden konnte, solange es innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung liegt.
Ferner war die Brenntemperatur erhöht, da im Beispiel 9 der Gehaltanteil des Erdalkalimetalls und/oder des Alkalimetalls weiter vermindert worden ist, und da angenommen wird, dass der eutektische Punkt nicht weiter vermindert werden konnte. Als Ergebnis ist ersichtlich, dass die Festigkeit erhöht war, da die Benetzbarkeit erhöht war und der Anteil von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, ausreichend aufrechterhalten wurde. Da jedoch eine Verminderung des Gehaltanteils von SiO₂ vorlag, wies das spezifische Gewicht der Oxidphase einen großen Wert auf.
Da ferner die Porendurchmesserverteilung in den Beispielen 1 bis 6 und 9 die in der Tabelle 1 gezeigte scharfe Porendurchmesserverteilung war, war, solange sie innerhalb des Bereichs der vorliegenden Anmeldung liegt, der Druckverlust effektiv vermindert, und wenn die Zwischenschicht auf der monolithischen Basis gebildet wurde, wurden die Basisporen als Ergebnis des Eindringens der Zwischenschichtaufschlämmung in den inneren Abschnitt der Basis nicht blockiert. Da andererseits im Beispiel 7 die Menge der Oxidphase gering war, konnten die feinen mikroskopischen Poren, die in den Lücken der mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen ausgebildet waren, nicht ausreichend vermindert werden. Ferner war es im Beispiel 7 nicht ausreichend möglich, die groben Poren durch Vermindern des Anteils einer effektiven Verbindung zwischen den groben Aluminiumoxidteilchen ausreichend zu vermindern, und zwar aufgrund der Tatsache, dass eine ähnlich geringe Menge der Oxidphase vorlag. Darüber hinaus drang im Beispiel 8, da eine ausreichende Zunahme der Benetzbarkeit der Oxidphase nicht ermöglicht wurde, die Oxidphase nicht in die Räume zwischen die mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen ein und die feinen mikroskopischen Poren konnten nicht ausreichend vermindert werden.
Bezugszeichenliste

100: MONOLITHISCHE TRENNMEMBRANSTRUKTUR
10: MONOLITHISCHE BASIS
11S: ERSTE ENDFLÄCHE
11T: ZWEITE ENDFLÄCHE
11U: SEITENFLÄCHE
12: ERSTES VERSCHLUSSELEMENT
13: ZWEITES VERSCHLUSSELEMENT
14: ERSTER VERSIEGELUNGSABSCHNITT
15: ZWEITER VERSIEGELUNGSABSCHNITT
20: ZWISCHENSCHICHT
21: ERSTE ZWISCHENSCHICHT
22: ZWEITE ZWISCHENSCHICHT
24: FILTRATIONSZELLE
25: WASSERSAMMELZELLE
24L: FILTRATIONSZELLREIHE
25L: WASSERSAMMELZELLREIHE
26: ABGABEKANAL
26a: ÖFFNUNG

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3267129 [0056]
JP 2008246304 [0056]
JP 4006107 [0056]
JP 3953833 [0056]
JP 3933907 [0056]
JP 2003286018 [0056]
JP 200466188 [0056]
JP 2013203618 [0056]
JP 2013226541 [0056]

Claims

Monolithische Basis, die Poren umfasst und aus Aluminiumoxidteilchen als Aggregat und einer Oxidphase als Bindungsmaterial ausgebildet ist, wobei die Aluminiumoxidteilchen mikroskopische Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als oder gleich 0,5 µm und kleiner als oder gleich 5 µm und grobe Aluminiumoxidteilchen mit einem Teilchendurchmesser größer als 5 µm umfassen, die Anzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen, die in der Oxidphase eingekapselt sind, größer als oder gleich 50 % der Gesamtzahl von mikroskopischen Aluminiumoxidteilchen und groben Aluminiumoxidteilchen ist.
Monolithische Basis nach Anspruch 1, bei der die Oxidphase Si und Al und mindestens eines von einem Erdalkalimetall und einem Alkalimetall umfasst.
Monolithische Basis nach Anspruch 2, bei der die Oxidphase sowohl ein Erdalkalimetall als auch ein Alkalimetall umfasst.
Monolithische Basis nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welcher der Gehaltanteil der Oxidphase größer als oder gleich 22 Volumen-% und kleiner als oder gleich 38 Volumen-% ist.
Monolithische Basis nach einem von Anspruch 2 bis Anspruch 4, bei welcher der Gehaltanteil von Si in der Oxidphase gemäß einer SiO₂-Umrechnung größer als oder gleich 50 Massen-% und kleiner als oder gleich 90 Massen-% ist, und der Gesamtgehaltanteil eines Alkalimetalls und eines Erdalkalimetalls in der Oxidphase gemäß einer Oxid-Umrechnung größer als oder gleich 9 Massen-% und kleiner als oder gleich 15 Massen-% ist.
Monolithische Basis nach Anspruch 5, bei der das spezifische Gewicht der Oxidphase größer als oder gleich 1 g/cm³ und kleiner als oder gleich 3 g/cm³ ist.
Monolithische Basis nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 6, umfassend: eine Mehrzahl von Filtrationszellen, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, wobei die Trennwanddicke zwischen zwei benachbarten Durchgangslöchern der Mehrzahl von Filtrationszellen größer als oder gleich 0,05 mm bis kleiner als oder gleich 0,20 mm ist.
Monolithische Basis nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 7, bei der die Porosität der Poren in einem Querschnitt größer als oder gleich 30 % bis kleiner als oder gleich 45 % ist.
Monolithische Basis nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 8, bei der D_p50 der Poren größer als oder gleich 2 µm bis kleiner als oder gleich 6 µm ist.
Monolithische Basis nach Anspruch 9, bei der dann, wenn D_p50 der Poren 10^y µm ist, D_p10 der Poren kleiner als oder gleich 10^(y+0,5) µm ist, und dann, wenn D_p50 der Poren 10^y µm ist, D_p90 der Poren größer als oder gleich 10^(y-0,5) µm ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Basis, umfassend: Bilden eines Grünkörpers für eine monolithische Basis mit einer Mehrzahl von Poren, der aus einem Oxidphase-Ausgangsmaterialpulver als Bindungsmaterial und einem Aluminiumoxidteilchenpulver als Aggregat ausgebildet ist, und Brennen des Grünkörpers, wobei D_g50 des Aluminiumoxidteilchenpulvers größer als oder gleich 5 µm bis kleiner als oder gleich 40 µm ist, D_g10 des Aluminiumoxidteilchenpulvers kleiner als oder gleich 10^(z-0,2) µm ist, wenn D_g50 des Aluminiumoxidteilchenpulvers 10^z µm ist, und D_g90 des Aluminiumoxidteilchenpulvers größer als oder gleich 10^(z+0,2) µm ist, wenn D_g50 des Aluminiumoxidteilchenpulvers 10^z µm ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Basis nach Anspruch 11, bei dem die Oxidphase Si und Al und mindestens eines von einem Erdalkalimetall und einem Alkalimetall umfasst, und der Gehaltanteil der Oxidphase gemäß einer Oxid-Umrechnung größer als oder gleich 6,6 Massen-% und kleiner als oder gleich 32 Massen-% ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Basis nach Anspruch 12, bei dem der Gehaltanteil von Si in der Oxidphase gemäß einer SiO₂-Umrechnung größer als oder gleich 50 Massen-% und kleiner als oder gleich 90 Massen-% ist, und der Gehaltanteil eines Alkalimetalls und eines Erdalkalimetalls in der Oxidphase gemäß einer Oxid-Umrechnung größer als oder gleich 9 Massen-% und kleiner als oder gleich 15 Massen-% ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Basis nach einem von Anspruch 11 bis Anspruch 13, bei dem die Brenntemperatur in dem Schritt des Brennens des Grünkörpers größer als oder gleich 1100 °C und kleiner als oder gleich 1400 °C ist.