DE112017001786T5

DE112017001786T5 - Monolithische Trennmembranstruktur

Info

Publication number: DE112017001786T5
Application number: DE112017001786.6T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Furukawa; Kei Tanaka; Aya MIURA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-12-13
Also published as: JP7097294B2; WO2017169304A1; CN108883375A; JPWO2017169304A1; US11511236B2; US20190001280A1

Abstract

In einer monolithischen Trennmembranstruktur (100) ist der Innendurchmesser (C1) von Filtrationszellen (24) größer als oder gleich 1,0 mm bis kleiner als oder gleich 2,0 mm, die Trennwanddicke (D1) einer monolithischen Basis (10) zwischen benachbarten Filtrationszellen (24) ist größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm und die Dicke (E1) der Zwischenschicht (20) ist größer als oder gleich 20 µm bis kleiner als 100 µm.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithische Trennmembranstruktur.
STAND DER TECHNIK
Bezüglich einer typischen monolithischen Trennmembranstruktur, die mit einer monolithischen Basis versehen ist, die eine Mehrzahl von Zellen, eine Zwischenschicht, die auf einer Innenoberfläche jeder Zelle ausgebildet ist, und eine Trennmembran umfasst, die auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht ausgebildet ist, wurde eine Technik zum Hemmen einer Verminderung der Festigkeit der monolithischen Trennmembranstruktur, die nach einer Hochtemperatur-Alkaliverarbeitung resultiert, durch Festlegen der Beziehung der Dicke der Zwischenschicht und der Trennwanddicke des Substrats zwischen zwei Zellen vorgeschlagen (vgl. das Patentdokument 1). Im Patentdokument 1 ist die Dicke der Zwischenschicht vorzugsweise größer als oder gleich 100 µm und kleiner als oder gleich 500 µm, und die Trennwanddicke des Substrats ist vorzugsweise größer als oder gleich 0,51 mm und kleiner als oder gleich 1,55 mm.
In diesem Zusammenhang offenbart das Patentdokument 2, dass die Trennwanddicke vorzugsweise größer als oder gleich 0,2 mm ist, um eine starke Verformung der monolithischen Basis als Ergebnis des Brennens während der Herstellung zu unterdrücken, die zu einem Verschluss von Zellen führt.
Dokumentenliste
Patentdokumente

[Patentdokument 1] Veröffentlichte PCT-Anmeldung 2012/128218
[Patentdokument 2] Beschreibung des japanischen Patents Nr. 5599785

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Eine weitere Verminderung des Gewichts und/oder Zunahme der Kompaktheit der monolithischen Trennmembranstruktur kann als Reaktion auf eine Verwendung der monolithischen Trennmembranstruktur gewünscht sein.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Situation vorgeschlagen und hat die Aufgabe, eine monolithische Trennmembranstruktur bereitzustellen, die eine Verminderung des Gewichts und/oder eine Zunahme der Kompaktheit ermöglicht, während das Permeationsvermögen aufrechterhalten wird.
Lösung des Problems
Die monolithische Trennmembranstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine monolithische Basis, eine Zwischenschicht und eine Trennmembran. Die monolithische Basis weist eine Mehrzahl von Filtrationszellen auf, die sich von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken. Die Zwischenschicht ist auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen ausgebildet. Die Trennmembran ist auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht ausgebildet. Der Innendurchmesser der Mehrzahl von jeweiligen Filtrationszellen ohne die Zwischenschicht und die Trennmembran ist größer als oder gleich 1,0 mm bis kleiner als oder gleich 2,0 mm. Die Trennwanddicke ohne die Zwischenschicht und die Trennmembran des kürzesten Abschnitts von zwei benachbarten Filtrationszellen der Mehrzahl von Filtrationszellen ist größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,2 mm. Die Dicke der Zwischenschicht ist größer als oder gleich 20 µm bis weniger als 100 µm.
Effekt der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung einer monolithischen Trennmembranstruktur, die eine Verminderung des Gewichts und/oder eine Zunahme der Kompaktheit ermöglicht, während das Permeationsvermögen aufrechterhalten wird.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine monolithische Trennmembranstruktur zeigt.
2 zeigt eine Draufsicht einer ersten Endfläche.
3 ist eine Schnittansicht entlang A-A in der 2.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration des Einströmens einer Vorstufenlösung für die Trennmembran während eines Herstellungsverfahrens zeigt.

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 durch dieselben oder entsprechende 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 unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung bestimmt werden. Ferner ist es selbstverständlich, dass die Verhältnisse oder die Beziehungen von Abmessungen, die in 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 Zellen umfasst, die in der Längsrichtung hindurchtreten, und umfasst eine Wabenform.
Aufbau der monolithischen Trennmembranstruktur 100
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine monolithische Trennmembranstruktur 100 zeigt. Die 2 ist eine Draufsicht einer ersten Endfläche 11S. Die 3 zeigt eine Schnittansicht der Linie A-A von 2.
Überblick über die Struktur
Die monolithische Trennmembranstruktur 100, die in 1 bis 3 gezeigt ist, ist ein keramischer poröser Körper und ist mit einer monolithischen Basis 10 versehen, die zwei 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 ist so in einer Reihe ausgebildet (im Allgemeinen in der Querrichtung in der 1), dass sie von einer Endfläche 11S zu der anderen Endfläche 11T hindurchtreten. Die Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 ist so in einer Reihe ausgebildet (im Allgemeinen in der Querrichtung in der 1), dass sie von einer Endfläche 11S zu der anderen Endfläche 11T hindurchtreten.
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 von 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 25L der Mehrzahl von in Verbindung stehenden Wassersammelzellen 25. Es liegen 5 Reihen von Wassersammelzellen 25 in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 vor und bei jeder Reihe verbindet der Abgabekanal 26 die Mehrzahl von Wassersammelzellen 25 und öffnet sich zu einer Außenumfangsfläche 11U der monolithischen Basis 10. In den 1 bis 3 beträgt, da 5 Reihen von Wassersammelzellreihen 25L in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 vorliegen, die Anzahl von Abgabekanälen 26 in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 an beiden Enden 10.
Der vorstehend genannte 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 tritt eine Permeationskomponente, die durch die Trennmembran 30 der Innenoberfläche der Filtrationszellen 24 hindurchtritt, durch die Zwischenschicht 20 hindurch, strömt nachfolgend in den porösen Körper, der den Innenabschnitt der Trennwand der monolithischen Basis 10 bildet, und wird von der äußeren Trennwand 11U abgegeben. Die Länge der Permeationsdistanz, die in der Trennwand (poröser Körper) zurückgelegt werden muss, nimmt jedoch proportional zu einer inneren Position für eine Filtrationszelle 24 zu. Diesbezüglich ermöglicht die Bereitstellung von Wandsammelzellen 25 und der Abgabekanäle 26 eine kontinuierliche Strömung in der Trennwand zwischen bestehenden Filtrationszellen 24 und erleichtert die Abgabe zu einem Außenraum durch die Abgabekanäle 26 und die Wassersammelzellen 25 mit einem geringen Druckverlust.
Ein Mischfluid in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 strömt direkt von dem porösen Abschnitt von beiden Endflächen 11S, 11T der monolithischen Basis 10. Daher sind Versiegelungsabschnitte 14, 15 so bereitgestellt, dass sie den porösen Körper von beiden Endflächen 11S, 11T der monolithischen Basis 10 bedecken, in der das Mischfluid strömt, um eine Abgabe ohne Trennung durch die Trennmembran 30 zu verhindern, die auf einer Innenwandfläche von 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 aufeinanderfolgende Ausbildung der Zwischenschicht 20 und der Trennmembran 30.
Optimaler Aufbau für die jeweiligen 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.
Der Innendurchmesser C1 der Filtrationszellen 24 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 ist größer als oder gleich 1,0 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm. Ein Aufbau, bei dem der Innendurchmesser C1 so ausgebildet ist, dass er weniger als oder gleich 2,0 mm beträgt, ermöglicht eine Verdichtung der Filtrationszellen 24, eine Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 und daher eine Verminderung des Gewichts und/oder eine Zunahme der Kompaktheit der monolithischen Trennmembranstruktur 100. Im Hinblick auf die Erhöhung der Gesamtoberfläche kann, obwohl eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 ermöglicht wird, wenn der Innendurchmesser C1 vermindert wird, da eine Aufschlämmungsblockierung während der Filmbildung der Zwischenschicht 20 resultieren kann, der tatsächliche Durchmesser so ausgebildet werden, dass er größer als oder gleich 1,0 mm ist. Im Hinblick darauf, dass die Gesamtoberfläche erhöht werden kann, während eine Aufschlämmungsblockierung während der Herstellung gehemmt wird, ist der Innendurchmesser C1 vorzugsweise größer als oder gleich 1,10 mm und kleiner als oder gleich 1,85 mm.
Die Trennwanddicke D1 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 des kürzesten Abschnitts von zwei benachbarten Filtrationszellen 24 ist größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,2 mm. Ein Aufbau, bei dem die Trennwanddicke D1 der monolithischen Basis 10 so ausgebildet ist, dass sie weniger als 0,2 mm beträgt, ermöglicht eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 und eine Zunahme der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30. Im Hinblick auf die Erhöhung der Gesamtoberfläche kann, obwohl eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 ermöglicht wird, wenn die Trennwanddicke D1 vermindert wird, da die Festigkeit unzureichend ist, wenn die Dicke zu gering ist, und die Innenwandstruktur der monolithischen Basis 10 während der Herstellung und/oder des Gebrauchs zusammenfallen wird, die tatsächliche Dicke so ausgebildet werden, dass sie größer als oder gleich 0,05 mm ist. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche, während ein Zusammenfallen der Innenwandstruktur der monolithischen Basis 10 gehemmt wird, ist die Trennwanddicke D1 vorzugsweise größer als oder gleich 0,10 mm oder kleiner als oder gleich 0,18 mm.
In der vorliegenden Ausführungsform kann, obwohl alle Position zwischen benachbarten Filtrationszellen 24 mit einer einheitlichen Trennwanddicke D1 ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Typen der Trennwanddicke D1 vorliegen. Bei einem Aufbau, bei dem eine Mehrzahl von Typen der Trennwanddicke D1 vorliegt, ist es bevorzugt, dass die Trennwanddicke D1 größer als oder gleich 33 % von Positionen der Gesamtzahl aller Positionen größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm ist.
Die Dicke (Außenwanddicke D2) des kürzesten Abschnitts der Außenumfangsfläche 11U und der Filtrationszellen 24, die auf dem äußersten Umfang der Mehrzahl von Filtrationszellen 24 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 positioniert sind, ist vorzugsweise größer als oder gleich dem 10-fachen und kleiner als oder gleich dem 30-fachen der Trennwanddicke D1 der Filtrationszellen 24. Ein Aufbau, bei dem die Außenwanddicke D2 größer als oder gleich dem 10-fachen der Trennwanddicke D1 ist, ermöglicht ein ausreichender Aufrechterhalten der Festigkeit bezüglich einer äußeren Kraft, die während des Zusammenbaus zu einer Vorrichtung oder dergleichen ausgeübt wird. Wenn andererseits die Außenwanddicke D2 beliebig erhöht wird, wird der Effekt des Erhöhens der Kompaktheit und/oder des Verminderns des Gewichts aufgehoben, und daher ist es bevorzugt, dass die Außenwanddicke D2 kleiner als oder gleich dem 30-fachen der Trennwanddicke D1 ist. Im Hinblick auf den Widerstand gegen eine äußere Kraft während des Zusammenbaus oder dergleichen ist die Verdichtungsfestigkeit in der Längsrichtung der monolithischen Trennmembranstruktur 100 vorzugsweise größer als oder gleich 5 MPa.
Wie es in der 2 gezeigt ist, wenn die erste Endfläche 11S in der Draufsicht betrachtet wird, bildet 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 (Beispiel für eine vorgegebene Richtung), die orthogonal zur Längsrichtung ist, ausgerichtet sind. 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 Reihen der Filtrationszellreihen 24L kann jedoch in einer geeigneten Weise variiert werden.
Wie es in der 3 gezeigt ist, sind die Wassersammelzellen 25 entlang der Längsrichtung der monolithischen Basis 10 ausgebildet. Beide Endflächen der Wassersammelzellen 25 sind durch das erste Verschlusselement 12 und das zweite Verschlusselement 13 verschlossen und sind dadurch nicht auf dem ersten Versiegelungsabschnitt 14 und dem zweiten Versiegelungsabschnitt 15 geöffnet. Die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 sind nicht auf einer Innenoberfläche der Wassersammelzelle 25 ausgebildet.
Der Innendurchmesser C2 der Wassersammelzellen 25 kann so ausgebildet sein, dass er größer als oder gleich 0,5 mm und kleiner als oder gleich 3,0 mm ist. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche kann, obwohl eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 ermöglicht wird, wenn der Innendurchmesser C2 vermindert wird, im Hinblick auf eine Verminderung des Permeationswiderstands einer Permeationstrennkomponente, da das Leistungsvermögen des Innendurchmessers C2 mit zunehmender Größe zunimmt, C2 in einer geeigneten Weise als Reaktion auf die Nutzungsbedingungen der monolithischen Trennmembranstruktur 100 ausgewählt werden. Im Hinblick auf das Erleichtern der Herstellung ist der Innendurchmesser C2 vorzugsweise größer als oder gleich 1,0 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm. Der Innendurchmesser C2 kann mit dem Innendurchmesser C1 der Filtrationszellen 24 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 identisch oder davon verschieden sein.
Die Trennwanddicke D3 ohne die Zwischenschicht 20 und die Trennmembran 30 des kürzesten Abschnitts von benachbarten Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 ist 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 Vergrößerung der Gesamtoberfläche. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche kann, obwohl eine Verdichtung der Filtrationszellen 24 ermöglicht wird, wenn die Trennwanddicke D3 vermindert wird, da die Festigkeit unzureichend sein wird, wenn der Durchmesser zu gering ist, und die monolithische Basis 10 während der Herstellung und/oder dem Gebrauch zusammenfallen wird, der tatsächliche Durchmesser größer als oder gleich 0,05 mm sein. Im Hinblick darauf, dass die Gesamtoberfläche vergrößert werden kann, während ein Zusammenfallen der Innenwandstruktur der monolithischen Basis 10 gehemmt wird, ist die Trennwanddicke D3 vorzugsweise größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 0,18 mm. Ferner 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.
In der vorliegenden Ausführungsform kann, obwohl alle Positionen zwischen benachbarten Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 mit einer einheitlichen Trennwanddicke D3 ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Typen von Trennwanddicken D3 vorliegen. Bei einem Aufbau, bei dem eine Mehrzahl von Typen von Trennwanddicken D3 vorliegt, ist es bevorzugt, dass die Trennwanddicke D3 größer als oder gleich 33 % von Positionen der Gesamtzahl aller Positionen größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm ist.
Wie es in der 2 gezeigt ist, bildet, wenn die ersten Endfläche 11S in der Draufsicht betrachtet wird, 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 (Beispiel für eine vorgegebene Richtung) ausgerichtet sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind 5 Reihen von Wassersammelzellreihen 25L an gegenseitig getrennten Positionen angeordnet und obwohl die 22 bis 29 Wassersammelzellen 25 in jeder Reihe ausgerichtet sind, kann die Anzahl von Wassersammelzellen 25 in jeder Reihe oder die Anzahl der Reihen der Wassersammelzellreihen 25L in einer geeigneten Weise variiert werden.
4 oder 5 Reihen von Filtrationszellreihen 24L sind zwischen 2 Reihen von Wassersammelzellreihen 25L angeordnet. D.h., 4 oder 5 Reihen von Filtrationszellreihen 24L sind auf beiden Seiten einer Reihe der Wassersammelzellreihen 25L angeordnet. Die Anzahl der Reihen von Filtrationszellreihen 24L, die zwischen 2 Reihen von Wassersammelzellreihen 25L angeordnet sind („Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen“), ist vorzugsweise größer als oder gleich 2 Reihen oder kleiner als oder gleich 9 Reihen. Ein Aufbau, bei dem die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen weniger als oder gleich 9 ist, ermöglicht eine Verminderung der Strömungsdistanz einer Permeationskomponente von einer Filtrationszelle 24, die sich an einer innersten Position zu einer Wassersammelzelle 25 der Filtrationszellen 24 befindet, die zwischen den Wassersammelzellreihen 25L angeordnet sind.
In diesem Zusammenhang ist es im Hinblick auf das Hemmen eines geschwindigkeitsbegrenzenden Strömens einer Permeationskomponente umso besser, je kleiner die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen ist. Da jedoch die Anzahl von Wassersammelzellen 25 relativ erhöht wird, wenn diese Anzahl vermindert wird, wird die Anzahl von Filtrationszellen 24 dadurch vermindert und die Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 wird vermindert. Im Hinblick auf das Vermeiden einer übermäßigen Verminderung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 um mehr als ein vorgegebenes Ausmaß ist es bevorzugt, dass die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen größer als oder gleich 2 Reihen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen größer als oder gleich 4 Reihen und kleiner als oder gleich 6 Reihen ist, und zwar im Hinblick auf die Verminderung des Druckverlusts in Bezug auf die Beziehung zu einer Permeationskomponente von einer Filtrationszelle 24, bis eine Wassersammelzelle 25 erreicht wird, und auf das Aufrechterhalten einer großen Gesamtoberfläche für die Trennmembran 30.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfassen die Abgabekanäle 26 eine Öffnung 26a, die auf der Außenumfangsfläche 11U geöffnet ist. Die Breite W1 der Öffnung 26a in einer Umfangsrichtung um ein axiales Zentrum AX der monolithischen Basis 10 kann größer als oder gleich 10 % und kleiner als oder gleich 80 % des Innendurchmessers einer Wassersammelzelle 25 sein, und sie ist vorzugsweise größer als oder gleich 16 % im Hinblick auf die Vergrößerung der Oberfläche der Öffnung 26a und das Vermindern des Druckverlusts bezüglich einer Permeationskomponente und kleiner als oder gleich 50 % im Hinblick auf das Erleichtern von Schneid- bzw. Bearbeitungsvorgängen während der Herstellung.
Die Gesamtsumme der Länge L1 (d.h., L1 + L1) der zwei Öffnungen 26a in der Längsrichtung der monolithischen Basis 10 kann größer als oder gleich 3,3 % und kleiner als oder gleich 40 % der Gesamtlänge der monolithischen Basis 10 in der Längsrichtung sein und ist im Hinblick auf eine Vergrößerung der Oberfläche der Öffnung 26a und eine Verminderung des Druckverlusts bezüglich einer Permeationskomponente vorzugsweise größer als oder gleich 9 % der Gesamtlänge L2, und ist im Hinblick auf die mechanische Festigkeit der monolithischen Trennmembranstruktur 100 vorzugsweise kleiner als oder gleich 17 %. Auf diese Weise kann die Permeationsrate einer Permeationskomponente erhöht werden, da es möglich ist, den Druckverlust bezüglich einer Permeationskomponente (Fluid), die sich in den Wassersammelzellen 25 ansammelt, zu vermindern.
In diesem Zusammenhang kann die Öffnung 26a nur an einer der Endflächen bereitgestellt werden oder sie kann durch Bohren entlang der Längsrichtung zusätzlich zu beiden Endflächen bereitgestellt werden. Im Hinblick auf eine einheitliche Abgabe der Permeationskomponente ist eine Bereitstellung mindestens an beiden Endflächen bevorzugt. Wenn eine Mehrzahl von Öffnungen bereitgestellt wird, kann jede Öffnungslänge identisch oder unterschiedlich sein. Die Anzahl, die Form und die Position der Abgabekanäle 26 kann in allen Wassersammelzellreihen 25L identisch oder 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 einem gegenüberliegenden Aufbau 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 unterdrückt das Eindringen eines Mischfluids in die erste Endfläche 11S. Der erste Versiegelungsabschnitt 14 ist so ausgebildet, dass die Einströmöffnung der Filtrationszellen 24 nicht blockiert ist. 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 ein 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 unterdrückt das Eindringen eines Mischfluids in die zweite Endfläche 11T. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 ist so ausgebildet, dass die Einströmöffnung der Filtrationszellen 24 nicht blockiert ist. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 bedeckt das zweite Verschlusselement 13. Der zweite Versiegelungsabschnitt 15 kann aus dem gleichen Material ausgebildet werden, das den ersten Versiegelungsabschnitt 14 bildet.
Monolithische Basis 10
Als nächstes wird die monolithische Basis 10 beschrieben.
Die monolithische Basis 10 enthält ein Aggregat und ein Bindungsmaterial. Das Aggregat umfasst die Verwendung von Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Titanoxid, Mullit, Tongut, Cordierit oder dergleichen. Das Bindungsmaterial ist ein anorganisches Oxidmaterial, das bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als die Aggregatkomponente und verbindet das Aggregat. Das Bindungsmaterial umfasst die Verwendung von Aluminiumoxid oder eines anorganischen Oxidmaterials auf Siliziumoxidbasis, das Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder dergleichen enthält.
Der Gehaltanteil des Aggregats in der monolithischen Basis 10 kann größer als oder gleich 60 Volumen-% und kleiner als oder gleich 80 Volumen-% sein, und ist vorzugsweise größer als oder gleich 65 Volumen-% und kleiner als oder gleich 75 Volumen-%. Der Gehaltanteil des Aggregats kann mit dem Archimedes-Verfahren gemessen werden.
Das Oxidmaterial, das als das Bindungsmaterial verwendet wird, ist ein Glasmaterial, das mindestens eines von einem Alkalimetall oder einem Erdalkalimetall, Silizium (Si) und Aluminium (Al) umfasst. Das Alkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Natrium (Na), Kalium (K) und Lithium (Li). Das Oxidmaterial kann ein Alkalimetall als Alkalimetalloxid enthalten. Das Erdalkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba). Das Oxidmaterial kann ein Erdalkalimetall als Erdalkalimetalloxid enthalten. Das Oxidmaterial umfasst vorzugsweise sowohl ein Alkalimetall als auch ein Erdalkalimetall. Das Oxidmaterial kann Si als SiO₂ enthalten. Das Oxidmaterial kann Al als Al₂O₃ enthalten.
Der Gehaltanteil des Oxidmaterials in der monolithischen Basis 10 kann größer als oder gleich 20 Vol.-% und kleiner als oder gleich 40 Vol.-% sein und ist vorzugsweise größer als oder gleich 25 Vol.-% und kleiner als oder gleich 35 Vol.-%. Der Gehaltanteil des Oxidenthaltenden Materials kann mit dem Archimedes-Verfahren gemessen werden.
Obwohl bezüglich der Porosität der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung besteht, kann sie größer als oder gleich 25 % und kleiner als oder gleich 50 % sein und sie beträgt vorzugsweise 30 % bis 45 %. Die Porosität der monolithischen Basis 10 kann mit einem Quecksilber-Einpressverfahren gemessen werden.
Obwohl bezüglich des durchschnittlichen Porendurchmessers der monolithischen Basis 10 keine spezielle Beschränkung besteht, kann sie 0,1 µm bis 50 µm betragen und im Hinblick auf das Erleichtern einer Membranbildung der Zwischenschicht 20 beträgt sie vorzugsweise 1 µm bis 10 µm.
Zwischenschicht 20
Die Zwischenschicht 20 wird auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen 24 gebildet. Die Zwischenschicht 20 weist einen röhrenförmigen Aufbau auf.
Die Zwischenschicht 20 enthält das Aggregat und ein Bindungsmaterial. Das Aggregat umfasst die Verwendung von Aluminiumoxid, Titanoxid, Mullit, Tongut, Cordierit oder dergleichen. Das Bindungsmaterial ist eine anorganische Komponente, die einer Sinterverfestigung bei einer Temperatur unterliegt, bei der die Aggregatkomponente nicht sintert. Das Bindungsmaterial umfasst die Verwendung von sinterfähigem Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Glasfritte, Tonmineralien, sinterfähigem Cordierit oder dergleichen.
Der Anteil des Bindungsmaterials in dem anorganischen festen Abschnitt (Aggregat + Bindungsmaterial) in der Zwischenschicht 20 kann größer als oder gleich 5 Massen-% und kleiner als oder gleich 42 Massen-% sein. Im Hinblick darauf, dass der Zwischenschicht 20 eine hohe Festigkeit verliehen wird, ist ein Wert von größer als oder gleich 28 Massen-% und kleiner als oder gleich 42 Massen-% bevorzugt, und größer als oder gleich 30 Massen-% und kleiner als oder gleich 42 Massen-% ist mehr bevorzugt.
Wie es in der 3 gezeigt ist, umfasst die Zwischenschicht 20 in der vorliegenden Ausführungsform eine erste Zwischenschicht 21 und eine zweite Zwischenschicht 22. Die erste Zwischenschicht 21 ist auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen 24 der monolithischen Basis 10 ausgebildet. Die zweite Zwischenschicht 22 ist auf einer Innenoberfläche der ersten Zwischenschicht 21 ausgebildet. Der durchschnittliche Porendurchmesser der zweiten Zwischenschicht 22 ist vorzugsweise kleiner als der durchschnittliche Porendurchmesser der ersten Zwischenschicht 21. Beispielsweise kann bei einem Aufbau, bei dem der durchschnittliche Porendurchmesser der ersten Zwischenschicht 21 1 µm beträgt, der durchschnittliche Porendurchmesser der zweiten Zwischenschicht 22 0,1 µm betragen.
Die Zwischenschicht 20 ist nicht auf eine Doppelschichtstruktur beschränkt, die aus der ersten Zwischenschicht 21 und der zweiten Zwischenschicht 22 ausgebildet ist, und kann eine Einschichtstruktur aufweisen, die aus einer Zwischenschicht mit einem einheitlichen durchschnittlichen Porendurchmesser ausgebildet ist, oder eine Mehrschichtstruktur, die aus drei oder mehr Zwischenschichten mit kleineren durchschnittlichen Porendurchmessern bei einer Annäherung an die Trennmembran 30 ausgebildet ist.
Die Dicke E1 der Zwischenschicht 20 ist größer als oder gleich 20 µm und kleiner als 100 µm. Ein Aufbau, bei dem die Dicke E1 der Zwischenschicht 20 weniger als 100 µm beträgt, ermöglicht die Vergrößerung der Oberfläche der Trennmembran 30. Im Hinblick auf die Vergrößerung der Oberfläche sind geringere Dicken E1 für die Zwischenschicht 20 vorteilhaft. Obwohl ein Wert von weniger als 100 µm erwünscht ist, verursacht ein übermäßig kleiner Wert eine unzureichende Glätte in der Oberfläche der Zwischenschicht 20 und eine Neigung zu Defekten. Daher kann in der Praxis der Wert größer als oder gleich 20 µm sein. Es sollte beachtet werden, dass im Hinblick auf die Maximierung der Zunahme der Oberfläche der Trennmembran 30, während die Häufigkeit von Fehlern aufgrund von Defekten vermindert wird, die Dicke E1 der Zwischenschicht 20 vorzugsweise größer als oder gleich 40 µm und kleiner als 80 µm ist.
Trennmembran 30
Die Trennmembran 30 ist auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht 20 ausgebildet. Die Trennmembran 30 ist röhrenförmig aufgebaut. Die Trennmembran 30 ermöglicht eine Permeation einer Permeationstrennkomponente, die in dem Mischfluid enthalten ist. Die Trennfunktion der monolithischen Trennmembranstruktur 100 zeigt sich in Bezug auf die Trennmembran 30. Der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennmembran 30 kann auf der Basis einer erforderlichen Filtrationsfunktion und Trennfunktion in einer geeigneten Weise festgelegt werden. Beispielsweise kann der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennmembran 30 0,0003 µm (0,3 nm) bis 1,0 µm betragen. Diesbezüglich gibt es jedoch keine spezielle Beschränkung. Der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennmembran 30 kann mit einem Luftstromverfahren gemessen werden, wie es in ASTM F316 offenbart ist.
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.
Der Innendurchmesser E2 der Trennmembran 30 kann größer als oder gleich 0,8 mm oder kleiner als oder gleich 1,96 mm sein. Im Hinblick auf das Erleichtern des Strömens eines Mischfluids, das der Gegenstand der Trennung ist, und auf die Vergrößerung der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 ist der Innendurchmesser E2 vorzugsweise größer als oder gleich 1,2 mm und kleiner als oder gleich 1,8 mm. Der Innendurchmesser E2 ist der maximale Innendurchmesser der Trennmembran 30. Ein Aufbau, der die Summe der Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 in jeder Filtrationszelle 24 einbezieht, ist die „Membranoberfläche“ der monolithischen Trennmembranstruktur 100.
Wie es vorstehend angegeben worden ist, ist in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Innendurchmesser C1 der Filtrationszelle 24 größer als oder gleich 1,0 mm oder kleiner als oder gleich 2,0 mm, die Trennwanddicke D1 zwischen benachbarten Filtrationszellen 24 ist größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm und die Dicke E1 der Zwischenschicht 20 ist größer als oder gleich 20 µm und kleiner als 100 µm. Daher kann, da es möglich ist, die Gesamtoberfläche der Trennmembran 30 zu vergrößern, die Oberfläche der Trennmembran 30 pro Einheitsvolumen der monolithischen Trennmembranstruktur 100 größer als oder gleich 1 m²/L sein und die Oberfläche der Trennmembran 30 pro Einheitsgewicht der monolithischen Trennmembranstruktur 100 kann größer als oder gleich 0,5 m²/kg sein. Als Ergebnis kann die Kompaktheit erhöht werden und/oder das Gewicht der monolithischen Trennmembranstruktur 100 kann vermindert werden, während das Permeationsvermögen der monolithischen Trennmembranstruktur 100 aufrechterhalten wird.
Verfahren zur Herstellung der monolithischen Trennmembranstruktur 100
Zuerst werden die Ausgangsmaterialien für die monolithische Basis 10 z.B. mit einem Vakuumextruder extrusionsgeformt, so dass ein monolithischer Grünkörper mit Filtrationszellen 24 und Wassersammelzellen 25 erhalten wird. Das Ausgangsmaterial für die monolithische Basis 10 umfasst z.B. einen Ton, der durch Zusetzen von Wasser, eines organischen Bindemittels, wie z.B. Methylcellulose, zu Aggregatteilchen und einem anorganischen Bindungsmaterial und dann Kneten hergestellt wird. Die Aggregatteilchen umfassen insbesondere die geeignete Verwendung mindestens eines Keramikmaterials, das aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Mullit, Tongut und Cordierit, ausgewählt ist.
Dabei kann der durchschnittliche Teilchendurchmesser der verwendeten Aggregatteilchen größer als oder gleich 5 µm und kleiner als 40 µm sein. Bei einem Aufbau mit mehr als 40 µm kann dann, wenn eine monolithische Basis 10 mit der geringen Trennwanddicke der vorliegenden Erfindung extrudiert wird, der Ton die Extrusionsdüse blockieren. Andererseits kann bei einem Aufbau mit weniger als oder gleich 5 µm die Struktur der monolithischen Basis 10 aufgrund der unzureichenden Materialfestigkeit nicht aufrechterhalten werden. Es sollte beachtet werden, dass im Hinblick auf das Ermöglichen eines hervorragenden Extrusionsformens der monolithischen Basis 10 mit der geringen Trennwanddicke in der vorliegenden Erfindung die durchschnittliche Teilchengröße der Aggregatteilchen mehr bevorzugt größer als oder gleich 10 µm und kleiner als oder gleich 25 µm ist.
Das Oxidmaterial, das als das anorganische Bindungsmaterial verwendet wird, ist ein Glasmaterial, das mindestens eines von einem Alkalimetall und einem Erdalkalimetall sowie Silizium (Si) und Aluminium (AI) enthält. Das Alkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Natrium (Na), Kalium (K) und Lithium (Li). Das Erdalkalimetall umfasst die Verwendung von mindestens einem von Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba). Das Oxidmaterial umfasst vorzugsweise sowohl ein Alkalimetall als auch ein Erdalkalimetall. Das Oxidmaterial kann Si als SiO₂ enthalten. Das Oxidmaterial kann Al als Al₂O₃ umfassen. Insbesondere kann ein natürliches Ausgangsmaterial, wie z.B. Kaolin, Talk, Feldspat, Dolomit, Ton und Siliziumoxidsand verwendet werden, ein industrielles Material, wie z.B. Tonerde, Siliziumoxid und Calciumcarbonat, kann verwendet werden, oder ein Gemisch solcher Materialien kann verwendet werden.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des verwendeten anorganischen Bindungsmaterials kann größer als oder gleich 0,1 µm und kleiner als oder gleich 10 µm sein. Bei einem Aufbau von weniger als oder gleich 10 µm kann eine monolithische Basis 10 mit einer hohen Festigkeit bereitgestellt werden, die während des Brennens zum Schmelzen neigt und/oder eine starke Dispersion zwischen Aggregatteilchen zeigt. Im Hinblick auf das Ermöglichen einer starken Dispersion zwischen Aggregatteilchen kann, obwohl kleinere durchschnittliche Teilchendurchmesser des anorganischen Bindemittels vorteilhaft sind, da eine Tendenz für einen Kostenanstieg einhergehend mit feineren Ausgangsmaterialien vorliegt, der Teilchendurchmesser größer als oder gleich 0,1 µm sein. Im Hinblick auf die Verwendung zusammen mit Aggregatteilchen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer als oder gleich 10 µm und kleiner als oder gleich 25 µm aufweisen, ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser des anorganischen Bindungsmaterials mehr bevorzugt größer als oder gleich 0,5 µm und kleiner als oder gleich 5 µm.
Dann wird der resultierende monolithische Grünkörper z.B. bei 900 bis 1600 °C gebrannt, so dass eine monolithische Basis erhalten wird, und ein Abgabekanal 26 wird so ausgebildet, dass er eine Verbindung von einer Position der Außenumfangsfläche durch die Wassersammelzelle 25 zu einer anderen Position herstellt. Dadurch wird eine monolithische Basis erhalten, in welcher der Abgabekanal 26 ausgebildet ist. Der Schneidvorgang für den Abgabekanal kann durch Schneiden mit einer Bandsäge oder einer Trennscheibeneinrichtung, einer Drahtsäge oder dergleichen durchgeführt werden, die mit einem Diamantschleifmittel versehen ist, während eine Laserreferenz auf beide Endflächen angewandt wird, bei denen der Abgabekanal 26 ausgebildet wird. Während des Schneidvorgangs kann eine Reibung und/oder 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 einer Reibung zwischen der monolithischen Basis und dem Schneidwerkzeug vermindert wird.
Die Breite W1 des Abgabekanals 26 kann durch Auswählen einer Dicke für ein Schneidwerkzeug, wie z.B. eine Bandsäge oder eine Trennscheibeneinrichtung, eine Drahtsäge oder dergleichen, in einer geeigneten Weise eingestellt werden, und dann wird die Dicke durch Subtrahieren der Schneidzugabe für die Zielbreite W1 eingestellt. Beispielsweise wenn die Zielbreite W1 für den Abgabekanal 26 0,8 mm beträgt, kann eine Diamantscheibe ausgewählt werden, die eine Dicke von 0,6 mm abzüglich der Schneidzugabe aufweist. Im Hinblick auf die Erleichterung des Schneidvorgangs beträgt die Breite W1 mehr bevorzugt weniger als oder gleich 50 % des Innendurchmessers C2 der Wassersammelzelle 25, die den Abgabekanal 26 bildet. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass dann, wenn das Verhältnis der Breite W1 zu dem Innendurchmesser C2 groß ist, die Trennwand zwischen den Filtrationszellen 24 und den Wassersammelzellen 26 zusammenfallen kann.
Eine geeignete Länge L1 für den Abgabekanal 26 kann zum Schneiden des Abgabekanals 26 durch Einstellen der Distanz des Schnitts, der in der Längsrichtung verläuft, bereitgestellt werden. Die Schneidgeschwindigkeit für diesen Schnitt wird unter Berücksichtigung der Festigkeit der monolithischen Basis, der resultierenden Wärme oder dergleichen in einer geeigneten Weise ausgewählt und sie kann 0,1 bis 50 mm/s betragen. Ein Wert von kleiner als oder gleich 0,1 mm/s ist nicht bevorzugt, da die Schneidzeit übermäßig lang wird, und ein Wert von größer als oder gleich 50 mm/s ist nicht bevorzugt, da auf die monolithische Basis eine übermäßige Dehnung ausgeübt wird, was zu einem Zusammenfallen führen kann. Im Hinblick auf das Vermeiden einer Verminderung der Lebensdauer des Schneidwerkzeugs und das Erleichtern des Verarbeitungsvorgangs beträgt die Schneidgeschwindigkeit vorzugsweise 0,5 bis 10 mm/s.
Abhängig von dem verwendeten Schneidwerkzeug ist die Schneidoberfläche des Abgabekanals 26 nicht linear und insbesondere wenn eine Trennscheibeneinrichtung verwendet wird, kann der innere Abschnitt fächerförmig sein. Bei diesem Aufbau ist die Öffnungslänge, die auf der Außenumfangsfläche 11U ausgebildet, als die Länge L1 der Öffnung 26a bereitgestellt. Ferner wird eine geeignete Abgabe einer Permeationskomponente durch Bohren des Abgabekanals durch die Verwendung eines Bohrers, einer Oberfräse, einer Wasserschneideinrichtung oder dergleichen in einen Körperabschnitt, der von beiden Endflächen verschieden ist, bereitgestellt.
Als nächstes wird in die resultierende monolithische Basis ein Verschlussmaterial in der Form einer Aufschlämmung, die den Abgabekanal 26 füllt, von beiden Endflächen der Wassersammelzellen gefüllt, die durch Schneiden des Abgabekanals gebildet werden, wodurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis erhalten wird.
Insbesondere wird ein Film (Maskierung), wie z.B. aus Polyester oder dergleichen, auf beide Endflächen der monolithischen Basis aufgebracht, und ein Loch wird in den Film 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 dann durch Ausüben eines Drucks von z.B. 200 kg durch die Verwendung eines Luftzylinders oder dergleichen gefüllt, um dadurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis zu erhalten. 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. Eine Zwischenschichtaufschlämmung wird zuerst hergestellt, um die Zwischenschicht 20 zu bilden (Filmbildung). Die Zwischenschichtaufschlämmung kann durch Zusetzen von 400 Massenteilen Wasser zu 100 Massenteilen eines keramischen Ausgangsmaterials, wie z.B. Aluminiumoxid, Mullit, Titanoxid, Cordierit oder dergleichen, das einen gewünschten Teilchendurchmesser (z.B. einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 µm bis 5 µm) aufweist, hergestellt werden.
Die Zwischenschichtaufschlämmung kann das Zusetzen eines anorganischen Membranbindungsmaterials umfassen, um die Filmfestigkeit nach dem Sintern zu erhöhen. Das anorganische Membranbindungsmaterial kann die Verwendung von Ton, Kaolin, eines Titanoxidsols, eines Siliziumoxidsols, Glasfritte oder dergleichen umfassen. Die Zugabemenge des anorganischen Membranbindungsmaterials beträgt im Hinblick auf die Filmfestigkeit vorzugsweise 5 bis 42 Massenteile. Die Zwischenschichtaufschlämmung wird auf einer Innenwandfläche der Filtrationszellen 24 aufgebracht (durch die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie z.B. in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 61-238315 offenbart ist) und nach dem Trocknen wird die Zwischenschicht 20 durch Sintern z.B. bei 900 bis 1050 °C gebildet.
Die Zwischenschicht 20 kann zu einem Film als eine separate Mehrzahl von Schichten, wie z.B. der Zwischenschicht 21 und der Zwischenschicht 22, durch die Verwendung einer Mehrzahl von Typen von Aufschlämmung, bei denen der durchschnittliche Teilchendurchmesser variiert, ausgebildet werden. Bei einem solchen Aufbau kann die Mehrzahl von Schichten der Zwischenschicht 20 z.B. wie in der monolithischen Trennmembranstruktur 100 der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Wenn Filme für eine Mehrzahl von Schichten in der Zwischenschicht 20 gebildet werden, können der Filmbildungsvorgang und der Brennvorgang in Bezug auf jede Zwischenschicht durchgeführt werden, oder nach dem Wiederholen einer Mehrzahl von Filmbildungsvorgängen kann ein integrierter Brennschritt durchgeführt werden. Der Effekt der Unebenheit in der Oberfläche der monolithischen Basis kann durch die Zwischenschicht 20 als Ergebnis des Bereitstellens der Trennmembran 30 auf der Zwischenschicht 20 vermindert werden. Als Ergebnis kann selbst dann, wenn die Trennmembran 30 als dünner Film gebildet wird, das Auftreten von Defekten vermindert werden. D.h., es kann eine monolithische Trennmembranstruktur 100 erhalten werden, die einen hohen Fluss, niedrige Kosten und eine hohe Leistung aufweist.
Nach dem Aufbringen einer Glasausgangsmaterialaufschlämmung durch eine Sprühzerstäubung oder ein Bürsten auf eine Endfläche der resultierenden monolithischen Basis mit der darauf aufgebrachten Zwischenschicht kann ein Grünkörper für den ersten und den zweiten Versiegelungsabschnitt 14, 15 durch Brennen z.B. bei 800 bis 1000 °C gebildet werden. Die Glasausgangsmaterialaufschlämmung kann z.B. durch Mischen eines organischen Bindemittels und von Wasser in eine Glasfritte eingestellt werden. Obwohl ein Aufbau beschrieben worden ist, in dem das Material für den ersten und zweiten Versiegelungsabschnitt 14 und 15 Glas ist, kann, solange der erste und der zweite Versiegelungsabschnitt 14 und 15 einen Durchgang des Trennfluids verhindern, das von dem Abgabekanal 26 nach dem Trennen von dem Mischfluid abgegeben wird, bei dem es sich um den Gegenstand des Trennverfahrens handelt, 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 den zweiten Versiegelungsabschnitt 14 und 15 während der Bildung der Zwischenschicht 20 gebildet werden.
Als nächstes wird eine 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 eine Anforderung zur Bildung eines dünneren Films besteht, um den Druckverlust zu vermindern, bevorzugt, ferner eine Basisschicht zwischen der Zwischenschicht 20 und der Trennschicht 30 bereitzustellen. Beispielsweise ist es bezüglich der Zwischenschicht 20 bevorzugt, dass ein Titanoxidsol durch eine Hydrolyse von Titanisopropoxid in der Gegenwart von Salpetersäure erhalten wird, mit Wasser zur Herstellung eines Basisschichtsols verdünnt wird und dann, nachdem das hergestellte Basisschichtsol auf die Innenwandoberfläche einer vorgegebenen Zelle der mit der Zwischenschicht versehenen monolithischen Basis geflossen ist, eine Wärmebehandlung z.B. bei 400 bis 500 °C zur Bildung eines Films der Basisschicht durchgeführt wird.
Wenn die Trennmembran 30 eine Siliziumoxidmembran ist, kann eine Vorstufenlösung (Siliziumoxidsol) als ein Sol durch eine Hydrolyse einer organischen Silanverbindung in der Gegenwart von Salpetersäure und dann Verdünnen z.B. mit einem organischen Lösungsmittel wie z.B. Ethanol oder dergleichen hergestellt werden. Ferner kann Wasser zum Verdünnen als Ersatz für das organische Lösungsmittel verwendet werden. Darüber hinaus kann, wie es z.B. in der 4 gezeigt ist, die Außenumfangsfläche 11U der monolithischen Basis 10 mit einer darauf ausgebildeten Basisschicht mit einem Maskierungsband 71 versiegelt werden, die erste Endfläche 11S kann an dem unteren Ende des Weithalstrichters (nicht gezeigt) angebracht werden, so dass ein Einströmen der Vorstufenlösung 70 (Siliziumoxidsol) von oberhalb der monolithischen Basis 10, so dass die Siliziumoxidmembran gebildet wird, und eine Permeation durch die Oberfläche (Basisschicht) der Filtrationszelle 24 ermöglicht wird. Ansonsten kann die Vorstufenlösung 70 auf der Oberfläche (Basisschicht) der Filtrationszelle 24 durch ein allgemeines Tauchverfahren abgeschieden werden. Dann wird nach dem Erhöhen der Temperatur um 100 °C/Stunde und z.B. Aufrechterhalten einer Temperatur von 350 bis 500 °C für eine Stunde die Temperatur um 100 °C/Stunde gesenkt. Eine Siliziumoxidmembran wird durch 1 bis 5 Wiederholungen dieses Typs des Verfahrens des Einströmens, Trocknens, der Temperaturerhöhung und der Temperatursenkung bereitgestellt. Wie es vorstehend diskutiert worden ist, wird eine monolithische Trennmembranstruktur erhalten, bei der die Trennmembran 30 eine Siliziumoxidmembran ist.
Wie es vorstehend diskutiert worden ist, kann das Verfahren des Bildens der Trennmembran 30 die Verwendung eines geeigneten Verfahrens als Reaktion auf den Typ der Trennmembran 30 umfassen. In der vorliegenden Beschreibung basiert das Herstellungsverfahren für die Trennmembran 30 auf denjenigen Verfahren, die in den vorstehend genannten Veröffentlichungen offenbart worden sind.
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 können jedoch weggelassen werden und bei einem solchen Aufbau kann bei der monolithischen Trennmembranstruktur 100 auch der Abgabekanal 26 weggelassen werden.
Obwohl alle Innendurchmesser C1 der Filtrationszellen 24 identisch ausgebildet sind, besteht diesbezüglich keine Beschränkung. Obwohl alle Innendurchmesser C2 der Wassersammelzellen 25 identisch ausgebildet sind, besteht diesbezüglich keine Beschränkung.
Die jeweiligen ersten und zweiten Versiegelungsabschnitte 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 Trennmembranstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht durch die folgenden Beispiele beschränkt.
Herstellung der Beispiele Nr. 1 bis Nr. 3 und 5 bis 11
Eine monolithische Trennmembranstruktur gemäß den Beispielen Nr. 1 bis Nr. 3 und Nr. 5 bis Nr. 11 wurde in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt.
Zuerst wurden 70 Volumen-% Aluminiumoxidteilchen (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 12 µm 30 Volumen-% eines anorganischen Bindungsmaterial zugesetzt, dann wurden gegebenenfalls ferner ein Formhilfsmittel, wie z.B. ein organisches Bindemittel oder dergleichen, und ein Porenbildner zugesetzt, und es wurde gemischt und getrocknet. Dann wurde ein Ton durch Zusetzen von Wasser und eines oberflächenaktiven Mittels und Mischen und Kneten hergestellt. Das verwendete anorganische Bindungsmaterial umfasste SiO₂, wie z.B. Talk, Kaolin, Talk, Feldspat, Ton oder dergleichen (70 Massen-%), Al₂O₃ (16 Massen-%), Erdalkalimetalle und Alkalimetalle (11 Massen-%), und wurde in einer geeigneten Weise gemischt, so dass die gewünschten Gehaltanteile erreicht wurden.
Als nächstes wurde der Ton extrusionsgeformt, wodurch ein monolithischer Grünkörper gebildet wurde, der eine Mehrzahl von Zellen aufweist. Der resultierende Grünkörper wurde gebrannt (1250 °C, 1 Stunde), wodurch eine monolithische Basis erhalten wurde. Nach dem Brennen wies die Größe der monolithischen Basis eine Breite von 63 mmφ und eine Länge von 300 mm auf.
Als nächstes wurde ein Schnitt unter Verwendung einer Diamanttrennscheibeneinrichtung entlang der Wassersammelzellreihe jeweils auf beiden Endflächen der monolithischen Basis erzeugt. Dabei änderte eine Einstellung der Distanz des Schneidens in der Längsrichtung und der Dicke der Diamantscheibe die Summe der Länge der Breite der Öffnung des Abgabekanals, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Position des Anordnens des Schnitts so variiert wurde, dass die Reihenanzahl von Filtrationszellreihen, die zwischen zwei Reihen von Wassersammelzellreihen angeordnet sind („Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen“), derart ist, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Als nächstes wurde eine Polyesterfolie an beide Endflächen der monolithischen Basis geklebt und ein Loch wurde bezüglich einer Laserbestrahlung auf einem Abschnitt gebohrt, welcher der Wassersammelzellreihe entspricht.
Dann wurden beide Endflächen der monolithischen Basis in ein Verschlussmaterial gepresst, das in einer Aufschlämmungskonfiguration vorliegt. Das Verschlussmaterial wurde durch Zusetzen eines Glasbindungsmaterials zu einer Hauptkomponente eines Aluminiumoxidaggregats gebildet und dann wurden Wasser und ein Bindemittel zugesetzt und gemischt.
Die monolithische Basis, die mit dem Verschlussmaterial gefüllt war, wurde gebrannt (950 °C, eine Stunde), wodurch eine Verschlussmaterial-gefüllte monolithische Basis erhalten wurde.
Die Summe der Öffnungslänge und der Öffnungsbreite des Abgabekanals, der sich auf einer Außenumfangsfläche des Hauptkörpers öffnet, die Außenwanddicke, die Trennwanddicke und der Innendurchmesser der Filtrationszellen sind in der Tabelle 1 gezeigt. Der Innendurchmesser der Wassersammelzellen, die Trennwanddicke zwischen Wassersammelzellen und die Trennwanddicke zwischen den Filtrationszellen und den Wassersammelzellen waren mit denjenigen der Filtrationszellen identisch.
Als nächstes wurden 14 Massenteile eines anorganischen Bindungsmaterials 100 Massenteilen Aluminiumoxidteilchen (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,3 µm zugesetzt, und dann wurden ferner Wasser, ein Dispergiermittel und ein Verdickungsmittel zugesetzt und gemischt, so dass eine erste Zwischenschichtaufschlämmung hergestellt wurde. Die Aufschlämmung wurde gemäß einem Filtrationsfilmbildungsverfahren verwendet, das in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 63-66566 offenbart ist, wodurch die Aufschlämmung an der Innenumfangsfläche der Durchgangslöcher für die Filtrationszellen aufgebracht wurde. Danach wurde eine erste Zwischenschicht durch Brennen (950 °C, 1 Stunde) in einem elektrischen Ofen in einer Luftatmosphäre gebildet. Das anorganische Bindungsmaterial umfasst ein Glasausgangsmaterial, das SiO₂ (77 mol-%), ZrO₂ (10 mol-%), LiO₂ (3,5 mol-%), Na₂O (4 mol-%), K₂O (4 mol-%), CoO (0,7 mol-%) und MgO (0,8 mol-%) enthält und das bei 1600 °C geschmolzen, einheitlich gemacht und dann gekühlt und pulverisiert wird, so dass es einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 µm aufweist.
Als nächstes wurden 20 Massenteile eines anorganischen Bindungsmaterials 100 Massenteilen Titanoxidteilchen (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,3 µm zugesetzt und mit einem organischen Bindemittel, einem pH-Einstellmittel und einem oberflächenaktiven Mittel gemischt, so dass dadurch eine zweite Zwischenschichtaufschlämmung hergestellt wurde.
Dann wurde ein Grünkörper für die zweite Zwischenschicht durch Abscheiden der zweiten Zwischenschichtaufschlämmung auf einer Innenoberfläche der ersten Zwischenschicht mittels eines Filtrationsverfahrens hergestellt.
Als nächstes wurde die zweite Zwischenschicht durch Brennen (950 °C, 1 Stunde) des Grünkörpers für die zweite Zwischenschicht gebildet.
Dann wurde nach der Verwendung einer Sprühzerstäubung zum Aufbringen der Glasausgangsmaterialaufschlämmung auf eine Endfläche der monolithischen Basis mit der darauf aufgebrachten Zwischenschicht ein Versiegelungsabschnitt auf der Endfläche durch Brennen (950 °C, 1 Stunde) gebildet.
Als nächstes wurde ein Titanoxidsol durch eine Hydrolyse von Titanisopropoxid in der Gegenwart von Salpetersäure hergestellt und mit Wasser verdünnt, wodurch eine dritte Zwischen (Basisschicht)-Aufschlämmung hergestellt wurde.
Als nächstes wurde nach dem Verteilen der dritten Zwischenaufschlämmung auf einer Innenoberfläche der zweiten Zwischenschicht eine dritte Zwischenschicht durch eine Wärmebehandlung (425 °C, 1 Stunde) gebildet.
Die Gesamtdicke der ersten Zwischenschicht, der zweiten Zwischenschicht und der dritten Zwischenschicht (nachstehend als „Zwischenschicht“ bezeichnet) ist in der Tabelle 1 gezeigt.
Als nächstes wurde ein Siliziumoxidsol durch eine Hydrolyse von p-Tolyltrimethoxysilan in der Gegenwart von Salpetersäure erhalten und mit Ethanol verdünnt, wodurch eine Trennmembran-Vorstufenlösung hergestellt wurde.
Als nächstes wurde nach dem Verteilen der Trennmembran-Vorstufenlösung auf einer Innenoberfläche der dritten Zwischenschicht die Trennmembran durch eine Wärmebehandlung (400 °C, 1 Stunde) gebildet.
Herstellung der Beispiele 4 und 12
In den Beispielen 4 und 12 wurde eine monolithische Trennmembranstruktur mit den gleichen Schritten wie denjenigen hergestellt, die für die Beispiele 1 bis 3 und 5 bis 11 verwendet worden sind, mit der Ausnahme, dass in dem Herstellungsverfahren der monolithischen Basis (1) 40 Volumen-% eines anorganischen Bindungsmaterial 60 Volumen-% Aluminiumoxidteilchen (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 12 µm zugesetzt wurden, (2) ein anorganisches Bindungsmaterial, das SiO₂, wie z.B. Talk, Kaolin, Talk, Feldspat, Ton oder dergleichen (14 Massen-%), Al₂O₃ (80 Massen-%), Erdalkalimetalle und Alkalimetalle (3 Massen-%) umfasste, verwendet und in einer geeigneten Weise gemischt wurde, so dass der Zielgehaltanteil erreicht wurde, und (3) die Brennbedingungen 1525 °C und eine Stunde betrugen.
Wie es vorstehend diskutiert worden ist, wurde eine monolithische Trennmembranstruktur gemäß den Beispielen 1 bis 12 hergestellt. Die Oberfläche der Trennmembran pro Einheitsvolumen der monolithischen Trennmembranstruktur und die Oberfläche der Trennmembran pro Einheitsgewicht der monolithischen Trennmembranstruktur sind in der Tabelle 1 gezeigt.
Herstellung des Vergleichsbeispiels 1
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde eine monolithische Trennmembranstruktur mit den gleichen Schritten wie denjenigen hergestellt, die für die Beispiele 1 bis 12 verwendet worden sind, mit der Ausnahme, dass in dem Herstellungsverfahren des Tons 20 Volumen-% eines anorganischen Bindungsmaterials 80 Volumen-% Aluminiumoxidteilchen (Aggregat) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 80 µm zugesetzt wurden und während des Extrusionsformens der Innendurchmesser der Filtrationszellen, die Trennwanddicke und die Dicke der Zwischenschicht erhöht wurden, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Herstellung des Vergleichsbeispiels 2
Im Vergleichsbeispiel 2 wurde, da der Innendurchmesser während des Extrusionsformens auf 0,9 mm eingestellt wurde, um die Anzahl von Filtrationszellen zu erhöhen, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, die Zwischenschichtaufschlämmung während der Bildung der Zwischenschicht in dem inneren Abschnitt der Filtrationszelle blockiert und daher konnte eine Zwischenschicht nicht gebildet werden.
Herstellung des Vergleichsbeispiels 3
Im Vergleichsbeispiel 3 konnte, da die Trennwanddicke auf 0,04 mm eingestellt wurde, die monolithische Basis aufgrund einer unzureichenden Festigkeit, die aus einer zu geringen Trennwanddicke resultierte, nicht gebildet werden, und eine monolithische Struktur konnte nicht aufrechterhalten werden.
Herstellung des Vergleichsbeispiels 4
Im Vergleichsbeispiel 4 wurde eine monolithische Trennmembranstruktur mit den gleichen Schritten wie denjenigen hergestellt, die für die Beispiele 1 bis 12 verwendet worden sind, mit der Ausnahme, dass die Dicke der Zwischenschicht vermindert worden ist, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Ethanolpermeationstest
Die monolithische Trennmembranstruktur gemäß den Beispielen 1 bis 12 und den Vergleichsbeispielen 1 und 4 wurde zu einer Trennvorrichtung zusammengebaut und der Druck am Außenumfang der monolithischen Trennmembranstruktur wurde auf 45 Torr vermindert, während das Fließen eines Mischfluids aus einem organischen Lösungsmittel (n-Octan: 33 Volumen-%, p-Xylol: 33 Volumen-%) und Ethanol (33 Volumen-%) in eine Filtrationszelle auf einer Innenseite der Trennmembran bewirkt wurde.
Ethanol, das aus der Öffnung des Abgabekanals nach dem Hindurchtreten durch die Trennmembran floss, wurde gesammelt. Die Ethanolpermeationsrate wurde auf der Basis der Trennverarbeitungszeit und der Masse des gesammelten Ethanols berechnet und die Permeationskonzentration des gesammelten Ethanols wurde gemessen.
Test der isostatischen Festigkeit
Die isostatische Festigkeit der monolithischen Trennmembranstruktur wurde bezüglich der Beispiele 1 bis 12 und der Vergleichsbeispiele 1 und 4 gemäß dem Messverfahren für die isostatische Bruchfestigkeit gemessen, das in JASO Standard M505-87 vorgeschrieben ist, bei dem es sich um einen Kraftfahrzeugstandard handelt, der von der Japan Society of Automotive Engineers veröffentlicht wird. Die isostatische Festigkeit ist die Bruchfestigkeit, die durch Ausüben eines hydrostatischen Drucks in Wasser gemessen wird.

In der Tabelle 1 wurde eine Konfiguration, die selbst beim Ausüben von 20 MPa nicht brach, als „○ (gut)“ bewertet, wohingegen eine Konfiguration, die bei mehr als oder gleich 5 MPa und weniger als 20 MPa brach, als △„(akzeptabel)“ bewertet wurde. Tabelle 1

	Filtrationszelle			Anzahl der Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen	Außenwand		Abgabekanal		Trennmembrangröße
	Innendurchmesser (ohne Zwischenschicht, Trennmembran)	Trennwanddicke	Zwischenschichtdicke		Dicke	Außenwanddicke/Innenwanddicke	Öffnungsbreite	Gesamte Öffnungslänge	Durchmesser ∅	Länge L
	mm	mm	µm	Reihen	mm	-fach	mm	mm	mm	mm
Beispiel 1	1,85	0,15	70	4	1,5	10	0,8	24	63	300
Beispiel 2	1,85	0,15	90	6	1,5	10	0,8	24	63	300
Beispiel 3	1,10	0,05	20	4	1,5	30	0,3	24	63	300
Beispiel 4	2,00	0,19	95	4	1,5	8	0,8	24	63	300
Beispiel 5	1,85	0,15	70	2	1,5	10	0,8	20	63	300
Beispiel 6	1,85	0,15	70	9	1,5	10	0,8	50	63	300
Beispiel 7	1,85	0,15	70	1	1,5	10	0,8	24	63	300
Beispiel 8	1,85	0,15	70	10	1,5	10	0,8	60	63	300
Beispiel 9	1,85	0,15	70	4	1,5	10	0,2	9	63	300
Beispiel 10	1,85	0,15	70	4	0,9	6	0,8	24	63	300
Beispiel 11	1,85	0,15	70	4	6	40	0,8	24	63	300
Beispiel 12	2,00	0,19	95	4	6	40	0,8	24	63	300
Vergleichsbeispiel 1	2,2	0,8	170	4	4	5	0,8	24	63	300
Vergleichsbeispiel 2	0,9	0,15	-	-	-	-	-	-	-	-
Vergleichsbeispiel 3	1,85	0,04	-	-	-	-	-	-	-	-
Vergleichsbeispiel 4	1,85	0,15	15	4	1,5	10	0,8	24	63	300

Tabelle 1 (Fortsetzung)

	Trennmembranoberfläche		Ethanolpermeationsleistung		Festigkeitstest
	Pro Einheitsvolumen	Pro Einheitsgewicht	Permeationsrate	Permeationskonzentration	Festigkeitstest
	m²/L	m²/kg	kg/Stunde	Vol.-%	Bewertung
Beispiel 1	1,04	1,06	2,7	85	○
Beispiel 2	1,10	1,06	2,6	82	○
Beispiel 3	1,97	2,57	4,3	78	○
Beispiel 4	0,92	0,67	2,4	93	○
Beispiel 5	0,87	0,89	2,2	83	○
Beispiel 6	1,17	1,20	2,0	63	○
Beispiel 7	0,65	0,66	1,7	83	○
Beispiel 8	1,20	1,23	1,6	53	○
Beispiel 9	1,04	1,06	2,1	84	○
Beispiel 10	1,11	1,23	2,8	86	△
Beispiel 11	0,75	0,57	1,6	84	○
Beispiel 12	0,66	0,36	1,3	89	○
Vergleichsbeispiel 1	0,40	0,23	0,84	72	○
Vergleichsbeispiel 2	-	-	-	-	-
Vergleichsbeispiel 3	-	-	-	-	-
Vergleichsbeispiel 4	1,1	1,4	1,6	33	○

Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, waren die Trennmembranoberfläche pro Einheitsgewicht und die Trennmembranoberfläche pro Einheitsvolumen in den Beispielen 1 bis 12 verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 (Beispiel des Standes der Technik) erhöht. Dieses Merkmal ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Gesamtoberfläche der Trennmembran erhöht war, da der Innendurchmesser der Filtrationszellen gleich oder weniger als 2,0 mm betrug, und zwar im Gegensatz zu dem herkömmlichen Wert von 2,2 mm, die Trennwanddicke auf weniger als 0,2 mm vermindert war, und zwar im Gegensatz zu dem herkömmlichen Wert von 0,8 mm, und die Dicke der Zwischenschicht auf weniger als 100 µm vermindert war, und zwar im Gegensatz zu dem herkömmlichen Wert von 170 µm.
Im Hinblick auf die Erhöhung der Trennmembranoberfläche sind kleine Werte bezüglich des Innendurchmessers der Filtrationszellen, der Trennwanddicke und der Zwischenschichtdicke bevorzugt. Daher wurde verglichen mit dem Beispiel 1, da das Beispiel 3 eine Innendurchmesserverminderung von 1,85 auf 1,10, eine Trennwanddickenverminderung von 0,15 mm auf 0,05 mm und eine Dickenverminderung in der Zwischenschicht von 70 µm auf 20 µm aufwies, eine starke Vergrößerung der Trennmembranoberfläche ermöglicht und die Permeationsrate konnte erhöht werden. Es sollte beachtet werden, dass im Beispiel 3, da der Innendurchmesser der Wassersammelzellen gleichzeitig auf 1,10 mm vermindert wurde, die Öffnungsbreite von 0,8 mm auf 0,3 mm vermindert wurde, um die Bearbeitung des Abgabekanals zu erleichtern.
Andererseits treten Defekte auf, wenn der Innendurchmesser der Filtrationszellen, die Trennwanddicke und die Zwischenschicht übermäßig vermindert werden. Wenn der Innendurchmesser der Filtrationszelle auf 0,9 mm vermindert wurde, wie dies im Vergleichsbeispiel 2 der Fall ist, konnte eine Zwischenschicht nicht gebildet werden, da die Zwischenschichtaufschlämmung in einem inneren Abschnitt der Filtrationszellen während der Filmbildung der Zwischenschicht blockiert wurde. Wenn die Trennwanddicke auf 0,04 mm eingestellt wurde, wie dies im Vergleichsbeispiel 3 der Fall ist, konnte die monolithische Basis während des Extrusionsformens als Ergebnis einer übermäßig dünnen Innenwand nicht gebildet werden, was eine unzureichende Festigkeit verursacht und dazu führt, dass eine monolithische Struktur nicht aufrechterhalten wird. Wenn die Zwischenschichtdicke auf 15 µm eingestellt wurde, wie dies im Vergleichsbeispiel 4 der Fall ist, traten, da die Filtrationszelloberfläche nicht ausreichend geglättet werden konnte und/oder da Abschnitte der Oberfläche vorlagen, die nicht bedeckt werden konnten, Defekte in der Trennmembran auf, die auf diesen Abschnitten ausgebildet war, und eine Konzentrierung war nahezu unmöglich (es lag dieselbe Konzentration wie in dem ursprünglichen Mischfluid vor).
In den Beispielen 1 bis 12 war die Ethanolpermeationskonzentration verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 4 erhöht. Dieses Merkmal ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Defekte in der Trennmembran durch Glätten der Oberfläche aufgrund des Aufrechterhaltens der Dicke der Zwischenschicht verhindert wurden.
Im Beispiel 4 kann selbst dann, wenn die jeweiligen Werte für den Innendurchmesser der Filtrationszellen, die Trennwanddicke, die Dicke der Zwischenschicht und der Materialdichte in Bezug auf die Membranoberfläche in den nachteiligsten Zustand gebracht werden, das erforderliche Permeationsvermögen aufrechterhalten werden, solange die Werte innerhalb des gestalteten Bereichs der vorliegenden Anmeldung liegen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wurde bestätigt, dass das Permeationsvermögen einer monolithischen Trennmembranstruktur aufrechterhalten werden kann, während eine Zunahme der Kompaktheit und/oder eine Verminderung des Gewichts durch einen Aufbau ermöglicht werden kann oder können, bei dem die Trennwanddicke größer als oder gleich 0,05 mm und kleiner als 0,2 mm ist, die Dicke der Zwischenschicht größer als oder gleich 20 µm und kleiner als 100 µm ist und der Innendurchmesser des Durchgangslochs einer Filtrationszelle größer als oder gleich 1,0 mm oder kleiner als oder gleich 2,0 mm ist.
Als nächstes wird die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen beschrieben.
Im Beispiel 6 konnte die Permeationsrate für Ethanol verglichen mit dem Beispiel 8 stärker erhöht werden. Dieses Merkmal ist auf die Verminderung des Druckverlusts durch einen Aufbau zurückzuführen, bei dem die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen weniger als oder gleich 9 betrug, wodurch die Distanz für die Permeation in die Trennwand durch Ethanol, der auf der Trennmembranoberfläche abgetrennt wurde, vermindert wurde. Im Hinblick auf die Verminderung des Druckverlusts wurde, da kleinere Werte für die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen vorteilhaft sind, im Beispiel 1 eine weitere Erhöhung der Permeationsrate ermöglicht.
Wenn andererseits die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen vermindert wird, wird die Anzahl von Wassersammelzellen relativ erhöht, da die Anzahl der Wassersammelzellreihen erhöht wird und daher die Oberfläche der Trennmembran aufgrund der Verminderung der Anzahl von Filtrationszellen vermindert wird. Folglich war im Beispiel 5 die Permeationsrate vermindert, und zwar trotz der Tatsache, dass die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen kleiner war als im Beispiel 1. Dieses Merkmal ist auf den stärkeren Effekt einer Verminderung der Membranoberfläche verglichen mit dem Effekt einer Verminderung des Druckverlusts zurückzuführen.
Da ferner die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen im Beispiel 7 1 betrug, war die Permeationsrate aufgrund der Verminderung der Membranoberfläche, die aus der starken Verminderung der Anzahl der Filtrationszellen resultierte, vermindert. Aufgrund des vorstehenden Ergebnisses ist ersichtlich, dass es besonders bevorzugt ist, wenn die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen größer als oder gleich 4 Reihen und kleiner als oder gleich 6 Reihen ist, und zwar im Hinblick auf die Verminderung des Druckverlusts während der Ethanolpermeation und auf das Aufrechterhalten einer großen Oberfläche für die Trennmembran.
Als nächstes wird die Summe der Schlitzöffnungsbreite und der Schlitzöffnungslänge beschrieben. Im Beispiel 9 war die Ethanolpermeationsrate verglichen mit dem Beispiel 1 vermindert. Dieses Merkmal ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Ethanol, der durch die Wassersammelzellreihe hindurchgetreten war, als Ergebnis einer kleinen Schlitzöffnungsbreite und Schlitzöffnungslänge einem Druckverlust in der Schlitzöffnung unterlag. Es sollte beachtet werden, dass im Beispiel 6 und im Beispiel 8 die Anzahl von Filtrationszellreihen zwischen Wassersammelzellreihen groß war und eine größere Menge der Permeationskomponente durch eine Reihe einer Wassersammelreihe konzentriert wurde. Daher wurde der Druckverlust durch Vergrößern der Öffnungslänge vermindert. Folglich ist ersichtlich, dass die Schlitzöffnungsbreite vorzugsweise größer als oder gleich 10 % des Innendurchmessers der Wassersammelzelle ist und die Summe der Schlitzöffnungslänge vorzugsweise größer als oder gleich 3,3 % der Gesamtlänge der monolithischen Basis ist.
Als nächstes wird die Außenwanddicke beschrieben. Im Beispiel 10 wies die Außenwanddicke einen niedrigen Wert von 0,9 mm auf (das 6-fache der Trennwanddicke). Daher zeigen die Ergebnisse des Festigkeitstests, dass die Struktur bei weniger als 20 MPa zusammenfiel, obwohl die Ethanolpermeationsrate verglichen mit dem Beispiel 1 aufgrund einer Zunahme der Membranoberfläche erhöht war. Andererseits war im Beispiel 11, da die Außenwanddicke einen hohen Wert von 6 mm (das 40-fache der Trennwanddicke) aufwies, die Ethanolpermeationsrate als Ergebnis der relativen Verminderung der Membranoberfläche vermindert. Ferner betrug im Beispiel 12, da eine weitere Zunahme der Außenwanddicke zusätzlich dazu vorlag, dass die jeweiligen Werte des Innendurchmessers der Filtrationszellen, der Trennwanddicke, der Dicke der Zwischenschicht und der Materialdichte in Bezug auf die Membranoberfläche auf den nachteiligsten Zustand eingestellt waren, die Membranoberfläche pro Einheitsgewicht weniger als oder gleich 0,5 m²/kg, was zu einer starken Verminderung der Permeationsrate führte. Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung wurde bestätigt, dass die Außenwanddicke vorzugsweise größer als oder gleich das 10-fache und kleiner als oder gleich das 30-fache der Trennwanddicke ist.
Bezugszeichenliste

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5599785 [0003]
JP 61238315 [0063]
JP 63066566 [0082]

Claims

Monolithische Trennmembranstruktur, umfassend: eine monolithische Basis mit einer Mehrzahl von Filtrationszellen, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, eine Zwischenschicht, die auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen ausgebildet ist, und eine Trennmembran, die auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser der Mehrzahl von jeweiligen Filtrationszellen ohne die Zwischenschicht und die Trennmembran größer als oder gleich 1,0 mm bis kleiner als oder gleich 2,0 mm ist, die Trennwanddicke des kürzesten Abschnitts der monolithischen Basis zwischen zwei benachbarten Filtrationszellen der Mehrzahl von Filtrationszellen größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,2 mm ist, und die Dicke der Zwischenschicht größer als oder gleich 20 µm bis weniger als 100 µm ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach Anspruch 1, bei der die monolithische Basis eine Mehrzahl von Wassersammelzellen umfasst, die sich jeweils von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche erstrecken und in denen beide Endflächen blockiert sind, die Mehrzahl von Filtrationszellen eine Mehrzahl von Filtrationszellreihen bildet, die jeweils 2 oder mehr Filtrationszellen umfassen, die entlang einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet sind, wenn die erste Endfläche in der Draufsicht betrachtet wird, die Mehrzahl von Wassersammelzellen eine Mehrzahl von Wassersammelzellreihen bildet, die jeweils 2 oder mehr Wassersammelzellen umfassen, die entlang der vorgegebenen Richtung ausgerichtet sind, wenn die erste Endfläche in der Draufsicht betrachtet wird, und mehr als oder gleich 2 Reihen oder weniger als oder gleich 9 Reihen von Filtrationszellreihen der Mehrzahl von Filtrationszellreihen zwischen zwei Reihen der Wassersammelzellreihen der Mehrzahl von Wassersammelzellreihen angeordnet sind.
Monolithische Trennmembranstruktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die monolithische Basis eine Mehrzahl von Abgabekanälen umfasst, die jeweils die Mehrzahl von Wassersammelzellreihen durchdringen, die Mehrzahl von jeweiligen Abgabekanälen eine Öffnung umfasst, die auf einer Außenumfangsfläche der monolithischen Basis geöffnet ist, und die Breite der Öffnung in einer Umfangsrichtung um ein axiales Zentrum der monolithischen Basis größer als oder gleich 10 % und kleiner als oder gleich 80 % des Innendurchmessers der Wassersammelzellen ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach Anspruch 3, bei der die Länge der Öffnung in der Längsrichtung der monolithischen Basis größer als oder gleich 3,3 % und kleiner als oder gleich 40 % der Gesamtlänge der monolithischen Basis in der Längsrichtung ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 4, bei der die Außenwanddicke der monolithischen Basis größer als oder gleich das 10-fache und kleiner als oder gleich das 30-fache der Trennwanddicke ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 5, bei der die isostatische Festigkeit größer als oder gleich 20 MPa ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 6, bei der die Oberfläche der Mehrzahl von Trennmembranen pro Einheitsvolumen größer als oder gleich 1 m²/L ist.
Monolithische Trennmembranstruktur nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 7, bei der die Oberfläche der Mehrzahl von Trennmembranen pro Einheitsgewicht größer als oder gleich 0,5 m²/kg ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Trennmembranstruktur, umfassend: Bilden eines monolithischen Grünkörpers unter Verwendung von Aggregatteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer als oder gleich 5 µm und kleiner als 40 µm, Brennen des Grünkörpers zur Bildung einer monolithischen Basis mit einer Mehrzahl von Filtrationszellen, die sich jeweils von einer ersten Endfläche zu einer zweiten Endfläche erstrecken, Bilden einer Zwischenschicht auf einer Innenoberfläche der Filtrationszellen, und Bilden einer Trennmembran auf einer Innenoberfläche der Zwischenschicht, wobei der Innendurchmesser der Mehrzahl von jeweiligen Filtrationszellen in der monolithischen Basis größer als oder gleich 1,0 mm bis kleiner als oder gleich 2,0 mm ist, die Trennwanddicke des kürzesten Abschnitts der monolithischen Basis zwischen der Mehrzahl von Filtrationszellen größer als oder gleich 0,05 mm bis weniger als 0,2 mm ist, und die Dicke der Zwischenschicht größer als oder gleich 20 µm bis weniger als 100 µm ist.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Trennmembranstruktur nach Anspruch 9, umfassend: Bilden eines Einschnitts für einen Abgabekanal durch Schneiden in die erste Endfläche der monolithischen Basis nach dem Brennen, Füllen eines Verschlussmaterials in den Einschnitt und Brennen des Verschlussmaterials.