DE112022000724T5

DE112022000724T5 - Zeolithmembrankomplex, Trenneinrichtung, Membranreaktor und Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes

Info

Publication number: DE112022000724T5
Application number: DE112022000724.9T
Authority: DE
Inventors: Koh KOBAYASHI; Makoto Miyahara; Kenichi Noda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-11-16
Also published as: US20230373799A1; WO2022190793A1; CN116847924A; JPWO2022190793A1

Abstract

Ein Zeolithmembrankomplex enthält einen porösen Träger und eine Zeolithmembran, die auf dem Träger gebildet wird und aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut ist. In einem Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung einer Oberfläche der Zeolithmembran erhalten wird, sind eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 0,8-fache der Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise einen Zeolithmembrankomplex bereitzustellen, der eine Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zeolithmembrankomplex, eine Trenneinrichtung, einen Membranreaktor und ein Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes.
[HINWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG]
Die vorliegende Anmeldung genießt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-38089 , die am 10. März 2021 eingereicht wurde, deren Inhalt hier durch diese Bezugnahme in vollem Umfang enthalten ist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Zeolithe mit verschiedenen Strukturen sind gut bekannt und einer von ihnen ist der Zeolith vom ETL-Typ. In US-Patent Nr. 4 581 211 (Dokument 1), „Synthesis, properties, and catalytic behavior of zeolite EU-12“ von Abraham Araya und fünf anderen (ZEOLITES, 1992, Bd. 12, Seiten 24 - 31) (Dokument 2) und „EU-12: A Small-Pore, High-Silica Zeolite Containing Sinusoidal Eight-Ring Channels“ von Juna Bae und vier anderen (Angew. Chem. Int. Ausg., 2016, Bd. 55, Seiten 7369 - 7373) (Dokument 3) wird ein Verfahren zur Synthese von Zeolithkristallpulver vom ETL-Typ (EU-12) durch hydrothermale Synthese offenbart.
Wenn der Erfinder der vorliegenden Anmeldung eine Ausgangsmateriallösung für die Synthese von EU-12 verwendet, um eine Zeolithmembran auf einem Träger zu bilden, weist die erhaltene Zeolithmembran vom ETL-Typ eine geringe Dichte auf und die gewünschte Trennleistung kann nicht erzielt werden. Daher ist ein Zeolithmembrankomplex mit einer Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte erforderlich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zeolithmembrankomplex und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zeolithmembrankomplex bereitzustellen, der eine Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte aufweist.
Der Zeolithmembrankomplex gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen porösen Träger und eine auf dem Träger gebildete Zeolithmembran und die aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut ist. In dem Zeolithmembrankomplex ist in einem Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung einer Oberfläche der Zeolithmembran erhalten wurde, eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 0,8-fache der Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Zeolithmembrankomplex mit einer Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte bereitzustellen.
Vorzugsweise ist im Röntgenbeugungsmuster eine Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und eine Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt.
Vorzugsweise ist in der Zeolithmembran das Molverhältnis von Silizium/Aluminium nicht weniger als 3.
Vorzugsweise ist die CF₄-Gaspermeanz in der Zeolithmembran nicht höher als 10 nMol/m²·s·Pa.
Die vorliegende Erfindung ist auch für eine Trenneinrichtung bestimmt. Die Trenneinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält den vorstehend beschriebenen Zeolithmembrankomplex und ein Zuführungsteil zum Zuführen einer gemischten Substanz, die eine Vielzahl von Arten von Gasen oder Flüssigkeiten enthält, zu dem Zeolithmembrankomplex. In der Trenneinrichtung trennt der Zeolithmembrankomplex eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in der gemischten Substanz von anderen Substanzen, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex durchdringen kann.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auch für einen Membranreaktor vorgesehen. Der Membranreaktor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält den vorstehend beschriebenen Zeolithmembrankomplex, einen Katalysator zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion eines Ausgangsmaterials, einen Reaktor, der den Zeolithmembrankomplex und den Katalysator enthält, und ein Zuführungsteil zum Zuführen des Ausgangsmaterials in den Reaktor. In dem Membranreaktor trennt der Zeolithmembrankomplex eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in einer gemischten Substanz von anderen Substanzen, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex durchdringen kann, und die gemischte Substanz enthält eine Produktsubstanz, die durch eine chemische Reaktion des Ausgangsmaterials unter Vorliegen des Katalysators erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes. Das Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet a) die Ablagerung von Impfkristallen, die aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut sind, auf einem porösen Träger und b) die Bildung einer Zeolithmembran auf dem Träger durch Eintauchen des Trägers in eine Ausgangsmateriallösung und Durchführung einer hydrothermalen Synthese, um Zeolith vom ETL-Typ aus den Impfkristallen wachsen zu lassen. Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes beträgt in der Ausgangsmateriallösung das Molverhältnis von Silizium/Aluminium 10 bis 100, das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium 15 bis 100 und das Molverhältnis von Wasser/Aluminium 2000 bis 10000.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Einzelnen deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Querschnittsansicht eines Zeolithmembrankomplexes;
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Zeolithmembrankomplexes vergrößert zeigt;
3 ist eine Ansicht, die ein Röntgenbeugungsmuster zeigt, das von einer Oberfläche einer Zeolithmembran erhalten wurde;
4 ist eine REM-Aufnahme, die die Oberfläche der Zeolithmembran zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Herstellung des Zeolithmembrankomplexes zeigt;
6 ist ein Diagramm, das eine Trenneinrichtung zeigt; und
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Fluss zum Trennen einer gemischten Substanz zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zeolithmembrankomplex 1 zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Zeolithmembrankomplexes 1 vergrößert zeigt. Der Zeolithmembrankomplex 1 enthält einen porösen Träger 11 und eine Zeolithmembran 12, die auf dem Träger 11 ausgebildet ist. Eine Zeolithmembran wird zumindest durch die Bildung von Zeolith auf einer Oberfläche des Trägers 11 in einer Membranform erhalten und enthält keine Membran, die durch einfaches Dispergieren von Zeolithteilchen in einer organischen Membran erhalten wird. In 1 ist die Zeolithmembran 12 durch eine dicke Linie dargestellt. In 2 ist die Zeolithmembran 12 schraffiert. Außerdem ist in 2 die Dicke der Zeolithmembran 12 größer dargestellt als sie tatsächlich ist.
Der Träger 11 ist ein poröses Bauteil, das von Gas und Flüssigkeit durchdrungen werden kann. In dem in 1 gezeigten Beispielsfall ist der Träger 11 ein monolithischer Träger mit einem integral und kontinuierlich geformten säulenförmigen Hauptkörper mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 111, die sich in einer Längsrichtung erstrecken (d.h. eine linke und rechte Richtung in 1). In dem in 1 dargestellten Beispielsfall weist der Träger 11 eine im Wesentlichen säulenartige Form auf. Ein Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung jedes der Durchgangslöcher 111 (d.h. der Zellen) ist beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig. In 1 ist der Durchmesser jedes Durchgangslochs 111 größer als der tatsächliche Durchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher 111 ist kleiner als die tatsächliche Anzahl. Die Zeolithmembran 12 ist auf einer inneren Oberfläche jedes Durchgangslochs 111 ausgebildet, die im Wesentlichen die gesamte innere Oberfläche des Durchgangslochs 111 bedeckt.
Die Länge des Trägers 11 (d.h. die Länge in der linken und rechten Richtung von 1) beträgt z.B. 10 cm bis 200 cm. Der Außendurchmesser des Trägers 11 beträgt z.B. 0,5 cm bis 30 cm. Der Abstand zwischen den Mittelachsen benachbarter Durchgangslöcher 111 beträgt z.B. 0,3 mm bis 10 mm. Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des Trägers 11 beträgt beispielsweise 0,1 µm bis 5,0 µm und vorzugsweise 0,2 µm bis 2,0 µm. Weiterhin kann die Form des Trägers 11 beispielsweise wabenförmig, plattenförmig, röhrenförmig, zylindrisch, säulenförmig, polygonal prismatisch oder dergleichen sein. Wenn der Träger 11 eine röhrenförmige oder zylindrische Form aufweist, beträgt die Dicke des Trägers 11 beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm.
Als Material für den Träger 11 können verschiedene Materialien (z.B. Keramik oder ein Metall) verwendet werden, sofern diese Materialien eine chemische Stabilität bei der Bildung der Zeolithmembranen 12 auf ihrer Oberfläche gewährleisten. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird der Träger 11 aus einem keramischen Sinterkörper gebildet. Beispiele für den keramischen Sinterkörper, der als Material für den Träger 11 ausgewählt wird, sind Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Yttriumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und dergleichen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform enthält der Träger 11 mindestens eine Art von Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Mullit.
Der Träger 11 kann ein anorganisches Bindemittel enthalten. Als anorganisches Bindemittel kann mindestens eines von Titandioxid, Mullit, leicht sinterbarem Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Glasfritte, einem Tonmineral und leicht sinterbarem Cordierit verwendet werden.
Der durchschnittliche Porendurchmesser des Trägers 11 beträgt z.B. 0,01 µm bis 70 µm, vorzugsweise 0,05 µm bis 25 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, beträgt 0,01 µm bis 1 µm, vorzugsweise 0,05 µm bis 0,5 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser kann z.B. unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters, eines Perm-Porometers oder eines Nano-Perm-Porometers gemessen werden. Was die Porendurchmesserverteilung des gesamten Trägers 11 einschließlich seiner Oberfläche und seines Inneren betrifft, so beträgt D5 beispielsweise 0,01 µm bis 50 µm, D50 beispielsweise 0,05 µm bis 70 µm und D95 beispielsweise 0,1 µm bis 2000 µm. Die Porosität des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, beträgt z.B. 20 % bis 60 %.
Der Träger 11 weist beispielsweise eine mehrschichtige Struktur auf, bei der eine Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen durchschnittlichen Porendurchmessern in einer Dickenrichtung geschichtet sind. Der durchschnittliche Porendurchmesser und der Sinterkorndurchmesser in einer Oberflächenschicht, die die Oberfläche enthält, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet wird, sind kleiner als in anderen Schichten der Oberflächenschicht. Der durchschnittliche Porendurchmesser in der Oberflächenschicht des Trägers 11 beträgt z.B. 0,01 µm bis 1 µm und vorzugsweise 0,05 µm bis 0,5 µm. Wenn der Träger 11 eine mehrschichtige Struktur aufweist, können die Materialien für die jeweiligen Schichten die vorstehend beschriebenen sein. Die Materialien für die Vielzahl von Schichten, die die mehrschichtige Struktur bilden, können gleich oder unterschiedlich sein.
Die Zeolithmembran 12 ist eine poröse Membran mit Mikroporen. Die Zeolithmembran 12 kann als Trennmembran zum Trennen einer bestimmten Substanz von einer gemischten Substanz, die eine Vielzahl von Substanztypen enthält, verwendet werden, indem eine molekulare Siebfunktion verwendet wird. Im Vergleich zu der bestimmten Substanz ist es für jede der anderen Substanzen schwieriger, die Zeolithmembran 12 zu durchdringen. Mit anderen Worten, die Permeanz jeder anderen Substanz durch die Zeolithmembran 12 ist weniger als die der vorstehend beschriebenen bestimmten Substanz.
Die Dicke der Zeolithmembran 12 beträgt zum Beispiel 0,05 µm bis 30 µm. Die Dicke der Zeolithmembran 12 ist vorzugsweise nicht größer als 10 µm, bevorzugter nicht größer als 5 µm und weiter bevorzugt nicht größer als 3 µm. Wenn die Dicke der Zeolithmembran 12 verringert wird, erhöht sich die Permeanz für eine später beschriebene hochpermeable Substanz. Die Dicke der Zeolithmembran 12 ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 µm und bevorzugter nicht kleiner als 0,5 µm. Wenn die Dicke der Zeolithmembran 12 erhöht wird, steigt die Trennleistung. Die Oberflächenrauhigkeit (Ra) der Zeolithmembran 12 beträgt beispielsweise 5 µm oder weniger, vorzugsweise 2 µm oder weniger, bevorzugter 1 µm oder weniger und weiter bevorzugt 0,5 µm oder weniger.
Der Korndurchmesser der Zeolithkörner, aus denen die Zeolithmembran 12 aufgebaut ist, beträgt zum Beispiel 0,01 µm bis 20 µm, vorzugsweise 0,05 µm bis 10 µm und bevorzugter 0,1 µm bis 5 µm. Der Korndurchmesser der Zeolithkörner wird ermittelt, indem eine Oberfläche der Zeolithmembran 12 mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit einer 3000-fachen Vergrößerung betrachtet wird, die jeweiligen Korndurchmesser (arithmetische Mittelwerte der kurzen und langen Durchmesser) von zwanzig beliebigen Zeolithkörnern ermittelt werden und ein arithmetisches Mittel der erhaltenen Korndurchmesser der zwanzig Zeolithkörner gebildet wird.
Die Zeolithmembran 12 ist aus Zeolith mit einer Struktur vom ETL-Typ aufgebaut. Mit anderen Worten, die Zeolithmembran 12 ist aus Zeolith mit dem Strukturcode „ETL“ aufgebaut, der von der International Zeolite Association vergeben wird. Ein später beschriebenes Röntgenbeugungsmuster in 3, das von der Oberfläche der Zeolithmembran 12 erhalten wurde, stimmt in den Positionen der Peaks mit einem Röntgenbeugungsmuster überein, das von der Struktur des Zeoliths vom ETL-Typ angenommen wird. Die Zeolithmembran 12 ist typischerweise nur aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut, aber je nach Herstellungsverfahren oder dergleichen kann jede andere Substanz als der Zeolith vom ETL-Typ in der Zeolithmembran 12 in geringem Umfang (z.B. 1 Massenprozent oder weniger) enthalten sein.
Die maximale Anzahl der Ringglieder des Zeoliths vom ETL-Typ beträgt 8 und hier wird das arithmetische Mittel der kurzen und langen Durchmesser der Poren mit 8 Ringgliedern als durchschnittlicher Porendurchmesser definiert. Die 8-gliedrige Ringpore bezieht sich auf eine Mikropore, in der die Anzahl der Sauerstoffatome in dem Teil, in dem die Sauerstoffatome und die später beschriebenen T-Atome unter Bildung einer Ringstruktur verbunden sind, 8 beträgt. Der Zeolith vom ETL-Typ weist drei Arten von 8-gliedrigen Ringporen auf, deren jeweilige Porendurchmesser 0,27 nm x 0,50 nm, 0,28 nm x 0,46 nm und 0,33 nm x 0,48 nm betragen und der durchschnittliche Porendurchmesser 0,39 nm beträgt. Der durchschnittliche Porendurchmesser der Zeolithmembran 12 ist kleiner als der des Trägers 11 in der Nähe der Oberfläche, auf der die Zeolithmembran 12 gebildet ist.
Ein Beispiel für einen Zeolith vom ETL-Typ, aus dem die Zeolithmembran 12 aufgebaut ist, ist ein Aluminosilikat-Zeolith, bei dem die Atome (T-Atome), die sich jeweils im Zentrum eines den Zeolith bildenden Sauerstoff-Tetraeders (TO₄) befinden, aus Silizium (Si) und Aluminium (Al) bestehen. Einige der T-Atome können durch jedes andere Element (Gallium, Titan, Vanadium, Eisen, Zink, Zinn oder dergleichen) ersetzt werden. Die ermöglicht die Änderung des Porendurchmessers oder der Adsorptionseigenschaften.
In der Zeolithmembran 12 ist das Molverhältnis von Silizium/Aluminium (ein Wert, der sich aus der Division der Anzahl der Mole von Siliziumatomen durch die Anzahl der Mole von Aluminiumatomen ergibt, und dasselbe gilt für die folgenden) vorzugsweise nicht niedriger als 3, bevorzugter nicht niedriger als 5 und weiter bevorzugt nicht niedriger als 10. Dies verbessert die Hitzebeständigkeit und die Säurebeständigkeit der Zeolithmembran 12. Die Obergrenze des Molverhältnisses von Silizium/Aluminium ist nicht besonders begrenzt, liegt aber beispielsweise bei 100 000. Das Molverhältnis von Silizium/Aluminium kann mittels EDS (energiedispersive Röntgenspektroskopie) gemessen werden. Durch Einstellen des Mischungsverhältnisses in einer später beschriebenen Ausgangsmateriallösung oder dergleichen kann das Molverhältnis von Silizium/Aluminium in der Zeolithmembran 12 eingestellt werden (das Gleiche gilt für das Verhältnis aller anderen Elemente). Selbstverständlich ist der Zeolith vom ETL-Typ nicht auf den Aluminosilikat-Typ beschränkt.
Typischerweise enthält die Zeolithmembran 12 ein Alkalimetall. In der Zeolithmembran 12 beträgt das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium vorzugsweise 0,01 bis 1 und bevorzugter 0,1 bis 1. Dies kann die Struktur des Zeoliths vom ETL-Typ stabilisieren. Wenn die Zeolithmembran 12 eine Vielzahl von Arten von Alkalimetallen enthält, ist das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium ein Molverhältnis der Summe aller in der Zeolithmembran 12 enthaltenen Alkalimetalle zu Aluminium. Das Alkalimetall ist z.B. Rubidium (Rb) oder Natrium (Na). Die Zeolithmembran 12 kann sowohl Rubidium als auch Natrium enthalten. Die Zeolithmembran 12 kann jedes andere Alkalimetall wie Kalium (K), Cäsium (Cs) oder dergleichen enthalten. Weiterhin können einige oder alle Kationen durch Protonen (H⁺), Ammoniumionen (NH₄ ⁺) oder dergleichen durch lonenaustausch oder dergleichen ersetzt werden.
Ein Beispiel für eine Zeolithmembran 12 wird unter Verwendung einer organischen Substanz hergestellt, die als strukturgebendes Mittel (im Folgenden auch „SDA“ genannt) bezeichnet wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass das SDA nach der Bildung der Zeolithmembran 12 fast oder vollständig entfernt wird. In der Zeolithmembran 12 werden dadurch in geeigneter Weise Poren erhalten. Als SDA kann zum Beispiel Tetramethylammoniumhydroxid oder dergleichen verwendet werden. Die Zeolithmembran 12 kann auch ohne die Verwendung von SDA hergestellt werden.
In der Zeolithmembran 12 ist die CF₄-Gaspermeanz vorzugsweise nicht höher als 10 nMol/m²·s·Pa, bevorzugter nicht höher als 5 nMol/m²·s·Pa und weiter bevorzugt nicht höher als 1 nMol/m²·s·Pa. Da das CF₄-Gas die Zeolithmembran 12 kaum durchdringt, kann man also sagen, dass die Zeolithmembran 12 eine hohe Dichte aufweist. Obwohl die CF₄-Gaspermeanz in der Zeolithmembran 12 gemessen wird, die in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform kein SDA enthält, kann die Zeolithmembran 12 bei der Messung der CF₄-Gaspermeanz das SDA enthalten, da das CF₄-Gas die Poren des Zeoliths vom ETL-Typ im Prinzip nicht durchdringen kann.
3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Röntgenbeugungsmusters zeigt, das durch Röntgenbestrahlung der Oberfläche der Zeolithmembran 12 erhalten wurde. Als Röntgenbeugungsmuster wird ein Muster verwendet, das durch Bestrahlung der Oberfläche der Zeolithmembran 12 mit CuKα-Strahlung als Strahlungsquelle aus einer Röntgenbeugungseinrichtung erhalten wurde, von der das SDA, wie später beschrieben, fast oder vollständig entfernt wurde. Da die Intensitäten einiger Peaks unterschiedlich sind, kann die Zeolithmembran 12, von der das SDA nicht entfernt wurde, nicht zur Gewinnung des Röntgenbeugungsmusters verwendet werden. Wie bereits beschrieben, stimmt das von der Zeolithmembran 12 erhaltene Röntgenbeugungsmuster in den Positionen der Peaks mit dem Röntgenbeugungsmuster überein, das von der Struktur des Zeoliths vom ETL-Typ angenommen wird.
Im Röntgenbeugungsmuster der Zeolithmembran 12 ist die Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 0,8-fache der Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Der Peak, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, ist ein Peak, der in einem Bereich von 2θ = 9,9° ± 0,2° liegt und von der (002)-Ebene des Zeoliths vom ETL-Typ abgeleitet ist. Der Peak, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, ist ein Peak, der im Bereich von 2θ = 19,8° ± 0,2° liegt und von der (004)-Ebene davon abgeleitet ist. Der Peak in der Nähe von 2θ = 7,9° ist ein Peak, der in einem Bereich von 2θ = 7,9° ± 0,2° liegt und von der (021)-Ebene abgeleitet ist.
Daher sind in der Zeolithmembran 12 die Intensität des von der (002)-Ebene des Zeoliths vom ETL-Typ abgeleiteten Peaks und die Intensität des von dessen (004)-Ebene abgeleiteten Peaks relativ hoch, und die Zeolithmembran 12 ist eine orientierte Membran, bei der die c-Achse der Bestandteilskörner in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Membranoberfläche orientiert ist. Da die Kristallorientierungen der Zeolithkörner in der Zeolithmembran 12 ausgerichtet sind, können die Zeolithkörner leichter im Wesentlichen planar aneinander gebunden werden. Daher ist es in der Zeolithmembran 12, wie im REM-Bild von 4 gezeigt, schwierig, eine Lücke zwischen benachbarten Zeolithkörnern zu bilden, und die Dichte wird erhöht. Infolgedessen wird in dem Zeolithmembrankomplex 1 eine hohe Trennleistung erzielt.
Im Röntgenbeugungsmuster ist die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils vorzugsweise nicht weniger als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, und bevorzugter nicht weniger als das 3,0-fache. Dadurch wird die Dichte der Zeolithmembran 12 weiter erhöht. In dem in 3 dargestellten Beispielsfall ist die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, höher als die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und ist unter allen Peaks am höchsten. Die Obergrenze des Intensitätsverhältnisses dieser Peaks ist nicht besonders begrenzt, sondern liegt beispielsweise darin, dass die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht höher als das 1000-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, ist. Weiterhin wird angenommen, dass die Peakintensität eine Höhe des Röntgenbeugungsmusters mit Ausnahme einer Bodenlinie, d.h. einer Hintergrundrauschkomponente, verwendet. Die Bodenlinie im Röntgenbeugungsmuster kann z.B. durch das Sonneveld-Visser-Verfahren oder ein Spline-Interpolationsverfahren ermittelt werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 ein beispielhafter Ablauf der Herstellung des Zeolithmembrankomplexes 1 beschrieben. Bei der Herstellung des Zeolithmembrankomplexes 1 werden zunächst Impfkristalle hergestellt, die für die Herstellung der Zeolithmembran 12 verwendet werden sollen (Schritt S11). Beispielsweise wird Zeolithpulver vom ETL-Typ durch hydrothermale Synthese hergestellt und die Impfkristalle werden aus dem Zeolithpulver gewonnen. Das Zeolithpulver vom ETL-Typ kann durch ein beliebiges oder bekanntes Herstellungsverfahren synthetisiert werden (z.B. das Verfahren, das im vorstehend beschriebenen Dokument 1, Dokument 2 oder Dokument 3 offenbart ist). Das Zeolithpulver selbst kann als Impfkristalle verwendet werden oder durch Pulverisierung oder dergleichen verarbeitet werden, um die Impfkristalle zu erhalten. Als Impfkristalle können Zeolith vom ETL-Typ, die SDA enthalten, oder Zeolith vom ETL-Typ, die kein SDA enthalten, verwendet werden. Der Zeolith vom ETL-Typ, der kein SDA enthält, kann typischerweise durch Synthese unter Verwendung des SDA und anschließendes Brennen oder dergleichen zur Entfernung des SDA erhalten werden.
Anschließend wird ein poröser Träger 11 in eine Dispersionsflüssigkeit getaucht, in der die Impfkristalle dispergiert sind, und die Impfkristalle werden dadurch auf dem Träger 11 abgelagert (Schritt S12). Alternativ wird die Dispersionsflüssigkeit, in der die Impfkristalle dispergiert sind, mit einem Abschnitt auf dem Träger 11 in Kontakt gebracht, in dem die Zeolithmembran 12 gebildet werden soll, und die Impfkristalle werden dadurch auf dem Träger 11 abgelagert. Auf diese Weise wird ein Träger mit abgelagerten Impfkristallen hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird beispielsweise die Konzentration der Impfkristalle in der Dispersionsflüssigkeit oder dergleichen so eingestellt, dass in dem Abschnitt des Trägers 11, auf dem die Zeolithmembran 12 gebildet werden soll, die Masse der abzulagernden Impfkristalle pro Flächeneinheit nicht kleiner als ein vorgegebener Wert sein sollte. Die Impfkristalle können auch nach einem anderen Verfahren auf den Träger 11 aufgebracht werden.
Der Träger 11, auf dem die Impfkristalle abgelagert werden, wird in eine Ausgangsmateriallösung getaucht. Die Ausgangsmateriallösung wird hergestellt, indem beispielsweise eine Siliziumquelle, eine Aluminiumquelle, eine Alkalimetallquelle, das SDA oder dergleichen in Wasser, das als Lösungsmittel dient, aufgelöst oder dispergiert wird. Bei der Siliziumquelle handelt es sich beispielsweise um kolloidales Siliziumdioxid, pyrogenes Siliziumdioxid, Natriumsilikat, Siliziumalkoxid, Wasserglas oder dergleichen. Die Aluminiumquelle ist z.B. Aluminiumhydroxid, Natriumaluminat, Aluminiumalkoxid oder dergleichen. Die Alkalimetallquelle enthält z.B. eine Rubidiumquelle, eine Natriumquelle oder dergleichen und kann sowohl die Rubidiumquelle als auch die Natriumquelle enthalten. Weiterhin kann die Alkalimetallquelle eine Verbindung enthalten, die ein anderes Alkalimetall als Rubidium oder Natrium enthält. Die Rubidiumquelle ist z.B. Rubidiumhydroxid, Rubidiumchlorid oder dergleichen. Die Natriumquelle ist z.B. Natriumhydroxid, Natriumchlorid oder dergleichen. Das SDA ist z.B. Tetramethylammoniumhydroxid, Cholinchlorid oder dergleichen.
In der Ausgangsmateriallösung beträgt das Molverhältnis von Silizium/Aluminium 10 bis 100, vorzugsweise 10 bis 75 und bevorzugter 15 bis 50. Das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium (das Molverhältnis der gesamten in der Ausgangsmateriallösung enthaltenen Alkalimetalle zu Aluminium) beträgt 15 bis 100, vorzugsweise 15 bis 80 und bevorzugter 20 bis 70. Das Molverhältnis Wasser/Aluminium beträgt 2000 bis 10000, vorzugsweise 2500 bis 10000 und bevorzugter 3000 bis 8000. Das Molverhältnis von SDA/Aluminium beträgt beispielsweise 2 bis 100, vorzugsweise 3 bis 70 und bevorzugter 3 bis 50. Die Ausgangsmateriallösung darf kein SDA enthalten. Jedes andere Rohmaterial kann in die Ausgangsmateriallösung gemischt werden und jede andere Substanz als Wasser kann als Lösungsmittel für die Ausgangsmateriallösung verwendet werden.
Nach dem Eintauchen des Trägers 11 in die Ausgangsmateriallösung wird der Zeolith vom ETL-Typ durch die hydrothermale Synthese veranlasst, aus den Impfkristallen auf dem Träger 11 als Keime zu wachsen, um dadurch die Zeolithmembranen vom ETL-Typ 12 auf dem Träger 11 zu bilden (Schritt S13). Die Temperatur bei der hydrothermalen Synthese beträgt vorzugsweise 110 bis 230°C. Die Zeit für die hydrothermale Synthese beträgt vorzugsweise 5 bis 100 Stunden. Da die Zeit für die hydrothermale Synthese kürzer wird, können die Produktionskosten des Zeolithmembrankomplexes 1 vermindert werden.
Nach Abschluss der hydrothermalen Synthese werden der Träger 11 und die Zeolithmembran 12 mit reinem Wasser gewaschen. Der Träger 11 und die Zeolithmembran 12 werden nach dem Waschen bei z.B. 100°C getrocknet. Nach dem Trocknen des Trägers 11 und der Zeolithmembran 12 wird eine Wärmebehandlung der Zeolithmembran 12 unter einer oxidierenden Gasatmosphäre durchgeführt, um dadurch das SDA in der Zeolithmembran 12 zu verbrennen und zu entfernen (Schritt S14). Dies führt zur Bildung von durchgehenden Mikroporen in der Zeolithmembran 12. Vorzugsweise wird das SDA fast oder vollständig entfernt. Die Erhitzungstemperatur bei der Entfernung des SDA beträgt z.B. 400 bis 1000°C. Die Erhitzungszeit beträgt z.B. 1 bis 100 Stunden. Die oxidierende Gasatmosphäre ist eine sauerstoffhaltige Atmosphäre, wie Luft. Durch das vorstehend beschriebene Verfahren wird die dichte Zeolithmembran 12 gebildet und der vorstehend beschriebene Zeolithmembrankomplex 1 mit hoher Trennleistung wird hergestellt.
An der Zeolithmembran 12 kann nach Bedarf ein lonenaustausch durchgeführt werden. Als auszutauschende Ionen können Protonen, Ammoniumionen, Alkalimetallionen wie Na⁺, K⁺, Li⁺ oder dergleichen, Erdalkalimetallionen wie Ca²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ oder dergleichen und Übergangsmetallionen wie Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ag⁺ oder dergleichen verwendet werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 die Trennung der gemischten Substanz unter Verwendung des Zeolithmembrankomplexes 1 beschrieben. 6 ist eine Ansicht, die eine Trenneinrichtung 2 zeigt. 7 ist ein Flussdiagramm, das einen Fluss zur Trennung der gemischten Substanz durch die Trenneinrichtung 2 zeigt.
In der Trenneinrichtung 2 wird eine gemischte Substanz, die eine Vielzahl von Arten von Fluiden (d.h. Gase oder Flüssigkeiten) enthält, dem Zeolithmembrankomplex 1 zugeführt, und eine Substanz mit hoher Permeabilität (im Folgenden auch als „hochpermeable Substanz“ bezeichnet) in der gemischten Substanz wird veranlasst, den Zeolithmembrankomplex 1 zu durchdringen, um dadurch von der gemischten Substanz getrennt zu werden. Die Abtrennung in der Trenneinrichtung 2 kann beispielsweise durchgeführt werden, um eine hochpermeable Substanz aus einer gemischten Substanz zu extrahieren oder um eine Substanz mit geringer Permeabilität (im Folgenden auch als „niedrigpermeable Substanz“ bezeichnet) zu konzentrieren.
Bei der gemischten Substanz (d.h. dem gemischten Fluid) kann es sich um ein gemischtes Gas handeln, das eine Vielzahl von Arten von Gasen enthält, um eine gemischte Flüssigkeit, die eine Vielzahl von Arten von Flüssigkeiten enthält, oder um ein Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenfluid, das sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit enthält.
Die gemischte Substanz enthält mindestens eine Art von z.B. Wasserstoff (H₂), Helium (He), Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoffoxid, Ammoniak (NH₃), Schwefeloxid, Schwefelwasserstoff (H₂S), Schwefelfluorid, Quecksilber (Hg), Arsin (AsH₃), Cyanwasserstoff (HCN), Carbonylsulfid (COS), C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe, organische Säuren, Alkohol, Mercaptane, Ester, Ether, Keton und Aldehyd. Bei der vorstehend beschriebenen hochpermeablen Substanz handelt es sich um mindestens eine Art von z.B. H₂, He, N₂, O₂, CO₂, NH₃ und H₂O und vorzugsweise H₂O.
Das Stickoxid ist eine Verbindung aus Stickstoff und Sauerstoff. Das vorstehend beschriebene Stickoxid ist zum Beispiel ein Gas namens NOx, wie Stickstoffoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂), Distickstoffoxid (auch als Distickstoffmonoxid bezeichnet) (N₂O), Distickstofftrioxid (N₂O₃), Distickstofftetroxid (N₂O₄), Distickstoffpentoxid (N₂O₅) oder dergleichen.
Das Schwefeloxid ist eine Verbindung aus Schwefel und Sauerstoff. Das vorstehend beschriebene Schwefeloxid ist zum Beispiel ein Gas namens SOx, wie Schwefeldioxid (SO₂), Schwefeltrioxid (SO₃) oder dergleichen.
Das Schwefelfluorid ist eine Verbindung aus Fluor und Schwefel. Das vorstehend beschriebene Schwefelfluorid ist z.B. Schwefeldifluorid (F-S-S-F, S=SF₂), Schwefeldifluorid (SF₂), Schwefeltetrafluorid (SF₄), Schwefelhexafluorid (SF₆), Schwefeldekafluorid (S₂F₁₀) oder dergleichen.
Die C1- bis C8-Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe mit nicht weniger als 1 und nicht mehr als 8 Kohlenstoffatomen. Bei den C3- bis C8-Kohlenwasserstoffen kann es sich um eine geradkettige Verbindung, eine Seitenkettenverbindung und eine Ringverbindung handeln. Außerdem können die C2- bis C8-Kohlenwasserstoffe entweder gesättigte Kohlenwasserstoffe (d.h. ohne Doppel- oder Dreifachbindung im Molekül) oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe (d.h. mit einer Doppel- und/oder Dreifachbindung im Molekül) sein. Zu den C1- bis C4-Kohlenwasserstoffen gehören z.B. Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Ethylen (C₂H₄), Propan (C₃H₈), Propylen (C₃H₆), Normalbutan (CH₃(CH₂)₂CH₃), Isobutan (CH(CH₃)₃), 1-Buten (CH₂=CHCH₂CH₃), 2-Buten (CH₃CH=CHCH₃) oder Isobuten (CH₂=C(CH₃)₂).
Die vorstehend beschriebene organische Säure ist Carbonsäure, Sulfonsäure oder dergleichen. Die Carbonsäure ist zum Beispiel Ameisensäure (CH₂O₂), Essigsäure (C₂H₄O₂), Oxalsäure (C₂H₄O₄), Acrylsäure (C₃H₄O₂), Benzoesäure (C₆H₅COOH) oder dergleichen. Die Sulfonsäure ist z.B. Ethansulfonsäure (C₂H₆O₃S) oder dergleichen. Die organische Säure kann entweder eine Kettenverbindung oder eine Ringverbindung sein.
Der vorstehend beschriebene Alkohol ist z.B. Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₅OH), Isopropanol (2-Propanol) (CH₃CH(OH)CH₃), Ethylenglykol (CH₂(OH)CH₂(OH)), Butanol (C₄H₉OH) oder dergleichen.
Bei den Mercaptanen handelt es sich um eine organische Verbindung mit hydriertem Schwefel (SH) am Ende und um eine Substanz, die auch als Thiol oder Thioalkohol bezeichnet wird. Die vorstehend beschriebenen Mercaptane sind zum Beispiel Methylmercaptan (CH₃SH), Ethylmercaptan (C₂H₅SH), 1-Propanthiol (C₃H₇SH) oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Ester ist z.B. Ameisensäureester, Essigsäureester oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Ether ist z.B. Dimethylether ((CH₃)₂O), Methylethylether (C₂H₅OCH₃), Diethylether ((C₂H₅)₂O) oder dergleichen.
Das vorstehend beschriebene Keton ist z.B. Aceton ((CH₃)₂CO), Methylethylketon (C₂H₅COCH₃), Diethylketon ((C₂H₅)₂CO) oder dergleichen.
Der vorstehend beschriebene Aldehyd ist z.B. Acetaldehyd (CH₃CHO), Propionaldehyd (C₂H₅CHO), Butanal (Butylaldehyd) (C₃H₇CHO) oder dergleichen.
In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass es sich bei der durch die Trenneinrichtung 2 zu trennenden gemischten Substanz um eine gemischte Flüssigkeit handelt, die eine Vielzahl von Flüssigkeitstypen enthält.
Die Trenneinrichtung 2 enthält den Zeolithmembrankomplex 1, Dichtungsteile 21, ein Gehäuse 22, zwei Dichtungsbauteile 23, ein Zuführungsteil 26, ein erstes Sammelteil 27 und ein zweites Sammelteil 28. Der Zeolithmembrankomplex 1, die Dichtungsteile 21 und die Dichtungsbauteile 23 befinden sich im Inneren des Gehäuses 22. Das Zuführungsteil 26, das erste Sammelteil 27 und das zweite Sammelteil 28 sind außerhalb des Gehäuses 22 angeordnet und mit dem Gehäuse 22 verbunden.
Bei den Dichtungsteilen 21 handelt es sich um Bauteile, die an beiden Endabschnitten in Längsrichtung (d.h. in der linken und rechten Richtung von 6) des Trägers 11 angebracht sind und beide Endoberflächen in Längsrichtung des Trägers 11 sowie äußere Oberflächen in der Nähe der Endoberflächen abdecken und abdichten. Die Dichtungsteile 21 verhindern das Zu- und Abfließen einer Flüssigkeit von den beiden Endoberflächen des Trägers 11. Das Dichtungsteil 21 ist z.B. ein plattenförmiges Bauteil aus Glas oder Harz. Das Material und die Form des Dichtungsteils 21 können je nach Bedarf geändert werden. Da das Dichtungsteil 21 mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist, die mit der Vielzahl von Durchgangslöchern 111 des Trägers 11 übereinstimmen, werden die beiden Enden jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 in Längsrichtung nicht von den Dichtungsteilen 21 abgedeckt. Daher kann die Flüssigkeit oder dergleichen von beiden Enden des Durchgangslochs 111 in dieses hinein und aus diesem heraus fließen.
Die Form des Gehäuses 22 ist nicht besonders begrenzt, es kann jedoch beispielsweise ein rohrförmiges Bauteil mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form sein. Das Gehäuse 22 besteht zum Beispiel aus rostfreiem Stahl oder Kohlenstoffstahl. Die Längsrichtung des Gehäuses 22 ist im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Zeolithmembrankomplexes 1. An einem Endabschnitt auf einer Seite in Längsrichtung des Gehäuses 22 (d.h. einem Endabschnitt auf der linken Seite in 6) ist eine Zufuhröffnung 221 vorgesehen, und an einem anderen Endabschnitt auf der anderen Seite ist eine erste Abluftöffnung 222 vorgesehen. Eine zweite Abluftöffnung 223 befindet sich an einer Seitenoberfläche des Gehäuses 22. Das Zuführungsteil 26 ist mit der Zufuhröffnung 221 verbunden. Das erste Sammelteil 27 ist mit der ersten Abluftöffnung 222 verbunden. Das zweite Sammelteil 28 ist mit der zweiten Abluftöffnung 223 verbunden. Der Innenraum des Gehäuses 22 ist ein geschlossener Raum, der von dem das Gehäuse 22 umgebenden Raum isoliert ist.
Die zwei Dichtungsbauteile 23 sind über den gesamten Umfang zwischen einer äußeren Oberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 und einer inneren Oberfläche des Gehäuses 22 in der Nähe der beiden Endabschnitte des Zeolithmembrankomplexes 1 in Längsrichtung angeordnet. Jedes der Dichtungsbauteile 23 ist ein im Wesentlichen ringförmiges Bauteil, das aus einem Material besteht, das von der Flüssigkeit nicht durchdrungen werden kann. Bei dem Dichtungsbauteil 23 handelt es sich beispielsweise um einen O-Ring, der aus einem flexiblen Harz besteht. Die Dichtungsbauteile 23 stehen in engem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 22 um deren gesamten Umfang herum. Im Beispielfall von 6 stehen die Dichtungsbauteile 23 in engem Kontakt mit den äußeren Oberflächen der Dichtungsteile 21 und indirekt in engem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1, wobei die Dichtungsteile 21 dazwischen liegen. Die Abschnitte zwischen den Dichtungsbauteilen 23 und der äußeren Oberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 sowie zwischen den Dichtungsbauteilen 23 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 22 sind abgedichtet, so dass ein Durchtritt der Flüssigkeit durch diese Abschnitte weitgehend oder vollständig unmöglich ist.
Das Zuführungsteil 26 führt die gemischte Flüssigkeit durch die Zufuhröffnung 221 in den Innenraum des Gehäuses 22. Das Zuführungsteil 26 enthält beispielsweise eine Pumpe zum Pumpen der gemischten Flüssigkeit in Richtung des Gehäuses 22. Die Pumpe enthält ein Temperaturregulierungsteil und ein Druckregulierungsteil, die die Temperatur bzw. den Druck der gemischten Flüssigkeit, die dem Gehäuse 22 zugeführt werden soll, regulieren. Das erste Sammelteil 27 enthält z.B. einen Vorratsbehälter zum Speichern der aus dem Gehäuse 22 ausgetretenen Flüssigkeit oder eine Pumpe zum Transportieren der Flüssigkeit. Das zweite Sammelteil 28 enthält beispielsweise eine Vakuumpumpe zum Dekomprimieren eines Raums außerhalb der äußeren Oberfläche des Zeolithmembrankomplexes 1 im Inneren des Gehäuses 22 (in anderen Worten eines Raums, der zwischen den beiden Dichtungsbauteilen 23 liegt) und eine Flüssigstickstofffalle zum Kühlen und Verflüssigen des Gases, das den Zeolithmembrankomplex 1 durchdringt, während es verdampft.
Wenn die Trennung der gemischten Flüssigkeit durchgeführt wird, wird die vorstehend beschriebene Trenneinrichtung 2 hergestellt und der Zeolithmembrankomplex 1 wird dadurch hergestellt (7: Schritt S21). Anschließend wird über das Zuführungsteil 26 eine gemischte Flüssigkeit, die eine Vielzahl von Arten von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Permeabilitäten für die Zeolithmembran 12 enthält, in den Innenraum des Gehäuses 22 eingebracht. Die Hauptkomponente der gemischten Flüssigkeit ist beispielsweise Wasser (H₂O) und Ethanol (C₂H₅OH). Die gemischte Flüssigkeit kann auch andere Flüssigkeiten als Wasser oder Ethanol enthalten. Der Druck (d.h. der Zufuhrdruck) der gemischten Flüssigkeit, die vom Zuführungsteil 26 in den Innenraum des Gehäuses 22 zugeführt wird, beträgt beispielsweise 0,1 MPa bis 2 MPa und die Temperatur der gemischten Flüssigkeit beträgt beispielsweise 10°C bis 200°C.
Die gemischte Flüssigkeit, die aus dem Zuführungsteil 26 in das Gehäuse 22 zugeführt wird, wird vom linken Ende des Zeolithmembrankomplexes 1 in dieser Figur in das Innere jedes Durchgangslochs 111 des Trägers 11 geleitet, wie durch einen Pfeil 251 angezeigt. Eine hochpermeable Substanz, bei der es sich um eine Flüssigkeit mit hoher Permeabilität in der gemischten Flüssigkeit handelt, durchdringt die Zeolithmembran 12, die auf der inneren Oberfläche jedes Durchgangslochs 111 und des Trägers 11 ausgebildet ist, während sie verdampft, und wird aus der äußeren Oberfläche des Trägers 11 herausgeführt. Die hochpermeable Substanz (z.B. Wasser) wird dadurch von einer niedrigpermeablen Substanz, die eine Flüssigkeit mit geringer Permeabilität ist (z.B. Ethanol), in der gemischten Flüssigkeit getrennt (Schritt S22).
Das Gas (im Folgenden als „Permeatsubstanz“ bezeichnet), das aus der äußeren Oberfläche des Trägers 11 austritt, wird durch die zweite Auslassöffnung 223, wie durch einen Pfeil 253 angedeutet, zum zweiten Sammelteil 28 geleitet und gekühlt und vom zweiten Sammelteil 28 als Flüssigkeit gesammelt. Der Druck (d.h. der Permeatdruck) des vom zweiten Sammelteil 28 durch die zweite Abluftöffnung 223 zu sammelnden Gases beträgt z.B. etwa 50 Torr (etwa 6,67 kPa). In der Permeatsubstanz kann sowohl die niedrigpermeable Substanz, die die Zeolithmembran 12 durchdringt, als auch die vorstehend beschriebene hochpermeable Substanz enthalten sein.
Weiterhin tritt in der gemischten Flüssigkeit eine andere Flüssigkeit (im Folgenden als „Nicht-Permeat-Substanz“ bezeichnet) als die Substanz, die die Zeolithmembran 12 und den Träger 11 durchdrungen hat, durch jedes Durchgangsloch 111 des Trägers 11 von der linken Seite zur rechten Seite in dieser Figur hindurch und wird durch das erste Sammelteil 27 durch die erste Auslassöffnung 222 gesammelt, wie durch einen Pfeil 252 angezeigt. Der Druck der von dem ersten Sammelteil 27 durch die erste Auslassöffnung 222 zu sammelnden Flüssigkeit ist beispielsweise im Wesentlichen derselbe wie der Zufuhrdruck. Die nicht-permeierte Substanz kann sowohl eine hochpermeable Substanz, die die Zeolithmembran 12 nicht durchdrungen hat, als auch die vorstehend beschriebene niedrigpermeierende Substanz umfassen. Die vom ersten Sammelteil 27 gesammelte nicht-permeierte Substanz kann beispielsweise zum Zuführungsteil 26 zurückgeführt und erneut in das Gehäuse 22 geleitet werden.
Die in 6 gezeigte Trenneinrichtung 2 kann z.B. als Membranreaktor verwendet werden. In diesem Fall wird das Gehäuse 22 als Reaktor verwendet. Im Inneren des Gehäuses 22 befindet sich ein Katalysator zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion eines vom Zuführungsteil 26 zu liefernden Ausgangsmaterials. Der Katalysator ist beispielsweise zwischen der Zufuhröffnung 221 und der ersten Abluftöffnung 222 angeordnet. Vorzugsweise ist der Katalysator in der Nähe der Zeolithmembran 12 des Zeolithmembrankomplexes 1 angeordnet. Der Katalysator weist ein geeignetes Material und eine geeignete Form auf, die der Art des Ausgangsmaterials und der Art der chemischen Reaktion, die mit dem Ausgangsmaterial durchgeführt werden soll, entspricht. Das Ausgangsmaterial enthält eine Art von Substanz oder zwei oder mehr Arten von Substanzen. Der Membranreaktor kann weiterhin eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Reaktors (d.h. des Gehäuses 22) und des Ausgangsmaterials enthalten, um die chemische Reaktion des Ausgangsmaterials zu beschleunigen.
In der Trenneinrichtung 2, die als Membranreaktor verwendet wird, wird eine gemischte Substanz, die eine Produktsubstanz enthält, die durch die chemische Reaktion des Ausgangsmaterials unter Vorliegen des Katalysators erzeugt wird, der Zeolithmembran 12 in der gleichen Weise wie vorstehend zugeführt, und eine hochpermeable Substanz in der gemischten Substanz durchdringt die Zeolithmembran 12, um dadurch von anderen Substanzen mit einer geringeren Permeabilität als die der hochpermeablen Substanz getrennt zu werden. Bei der gemischten Substanz kann es sich zum Beispiel um ein Fluid handeln, das die Produktsubstanz und ein nicht umgesetztes Ausgangsmaterial enthält. Weiterhin kann die gemischte Substanz zwei oder mehr Arten von Produktsubstanzen enthalten. Bei der hochpermeablen Substanz kann es sich um die aus dem Ausgangsmaterial erzeugte Produktsubstanz oder um eine andere Substanz als die Produktsubstanz handeln. Vorzugsweise enthält die hochpermeable Substanz eine oder mehrere Arten von Produktsubstanzen.
In dem Fall, in dem die hochpermeable Substanz die aus dem Ausgangsmaterial erzeugte Produktsubstanz ist, wird die Produktsubstanz durch die Zeolithmembran 12 von anderen Substanzen getrennt und die Ausbeute der Produktsubstanz kann dadurch erhöht werden. In dem Fall, in dem die gemischte Substanz zwei oder mehr Arten von Produktsubstanzen enthält, können die zwei oder mehr Arten von Produktsubstanzen hochpermeable Substanzen sein, und einige Arten von Produktsubstanzen in den zwei oder mehr Arten von Produktsubstanzen können hochpermeable Substanzen sein.
Im Folgenden werden Beispiele für den Zeolithmembrankomplex beschrieben.
<Beispiele>
(Herstellung von Impfkristallen)
Als Aluminiumquelle, Siliziumquelle, Alkalimetallquelle und strukturgebendes Mittel (SDA) werden Aluminiumhydroxid, 30 % kolloidales Siliziumdioxid, Rubidiumhydroxid bzw. Tetramethylammoniumhydroxid in reinem Wasser gelöst und es wird eine Ausgangsmateriallösung mit einer Zusammensetzung im Molverhältnis 1 Al₂O₃ : 30 SiO₂ : 5 Rb₂O : 5 SDA : 1500 H₂O hergestellt. Diese Ausgangsmateriallösung wird bei 180°C 100 Stunden lang hydrothermal synthetisiert. Die durch die hydrothermale Synthese erhaltenen Kristalle werden gesammelt und ausreichend mit reinem Wasser gewaschen und anschließend bei 100°C vollständig getrocknet. Die Röntgenbeugungsanalyse hat ergeben, dass es sich bei den erhaltenen Kristallen um ETL-Kristalle handelt. Diese Kristalle werden in reinem Wasser auf eine Konzentration von 10 bis 20 Massenprozent gebracht und mit einer Kugelmühle pulverisiert, um so Impfkristalle zu erhalten.
(Herstellung der ETL-Membran)
Ein monolithischer poröser Aluminiumoxidträger wird mit einer Lösung in Kontakt gebracht, in der die vorstehend beschriebenen Impfkristalle dispergiert sind, und die Impfkristalle werden im Inneren der Zelle angebracht. Danach werden Aluminiumhydroxid, 30 % kolloidales Siliziumdioxid, Rubidiumhydroxid, Natriumhydroxid bzw. Tetramethylammoniumhydroxid als Aluminiumquelle, Siliziumquelle, Alkalimetallquelle und strukturgebendes Mittel (SDA) in reinem Wasser gelöst, und eine Ausgangsmateriallösung mit einer Zusammensetzung im Molverhältnis 1 Al₂O₃ : 30 SiO₂ : 15 Rb₂O : 6 Na₂O : 10 SDA : 3000 H₂O wird so hergestellt. Der Aluminiumoxidträger mit den darauf aufgebrachten Impfkristallen wird in diese Ausgangsmateriallösung getaucht und bei 180°C 15 Stunden lang hydrothermal synthetisiert. Nach der hydrothermalen Synthese wird eine auf dem Träger gebildete Zeolithmembran vom ETL-Typ (im Folgenden einfach als „ETL-Membran“ bezeichnet) ausreichend mit reinem Wasser gewaschen und anschließend bei 100°C vollständig getrocknet. Nach dem Trocknen wird gemessen, dass die N₂-Permeanz durch die ETL-Membran nicht mehr als 0,05 nMol/m²·s·Pa beträgt. Damit wird bestätigt, dass die ETL-Membran ein praktisches Maß an Dichtheit aufweist. Anschließend wird die ETL-Membran 20 Stunden lang bei 500°C einer Wärmebehandlung unterzogen, um das SDA zu verbrennen und zu entfernen und die Poren der ETL-Membran zu durchdringen. Die CF₄-Gaspermeanz der erhaltenen ETL-Membran wird so gemessen, dass sie nicht mehr als 10 nMol/m²·s·Pa beträgt. Außerdem ist das Molverhältnis von Silizium/Aluminium in der ETL-Membran, das durch EDS-Analyse gemessen wird, nicht kleiner als 3.
(Bewertung der ETL-Membran)
Durch Umwälzung einer 50 massenprozentigen wässrigen Ethanollösung, die durch eine Umwälzpumpe auf 50°C erwärmt wird, wird die wässrige Ethanollösung einem zufuhrseitigen Raum eines Trennbehälters (siehe Trenneinrichtung 2 in 6) zugeführt, der mit der ETL-Membran ausgestattet ist, und ein permeatseitiger Raum wird durch die Vakuumpumpe dekomprimiert, während der Druck darin durch einen Druckcontroller auf 50 Torr gesteuert wird, und dann wird Dampf, der die ETL-Membran und den Träger durchdringt, durch die Flüssigstickstofffalle gesammelt. Die Menge und die Konzentration der von der Flüssigstickstofffalle gesammelten Flüssigkeit werden gemessen, und die Wasserselektivität der ETL-Membran und der Wasserfluss werden erhalten. Die Wasserselektivität der ETL-Membran wird erhalten, indem die Wasserkonzentration (Massenprozent) in der gesammelten Flüssigkeit durch die Ethanolkonzentration (Massenprozent) in der gesammelten Flüssigkeit geteilt wird. Der Wasserfluss ergibt sich aus der Wassermenge in der gesammelten Flüssigkeit. Die Wasserselektivität der ETL-Membran beträgt 50 und der Wasserfluss beträgt 0,3 kg/m²·h. Die erhaltene ETL-Membran ist also eine Membran, die eine Wasserselektivität aufweist.
In einem Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung einer Membranoberfläche der ETL-Membran erhalten wurde, ist die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Weiterhin wird bei der Röntgenbeugungsanalyse eine von der Rigaku Corporation hergestellte Röntgenbeugungseinrichtung (Einrichtungsname: MiniFlex 600) verwendet und die Bedingungen sind, dass die Röhrenspannung 40 kV, der Röhrenstrom 15 mA, die Abtastgeschwindigkeit 0,5°/min und der Abtastschritt 0,02° beträgt. Weitere Bedingungen sind, dass der Divergenzspalt 1,25°, der Streuspalt 1,25°, der Empfangsspalt 0,3 mm, der einfallende Sonnenspalt 5,0° und der lichtempfangende Sonnenspalt 5,0° beträgt. Es wird kein Monochromator verwendet und als CuKβ-Strahlenfilter wird eine Nickelfolie mit einer Dicke von 0,015 mm eingesetzt.
In einem Fall, in dem die ETL-Membran unter Verwendung einer Ausgangsmateriallösung hergestellt wird, die so hergestellt wird, dass im Mischungsverhältnis der Rohmaterialien das Molverhältnis von Silizium/Aluminium 10 bis 100, das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium 15 bis 100 und das Molverhältnis von Wasser/Aluminium 2000 bis 10000 beträgt, sind in dem Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung der Membranoberfläche der ETL-Membran erhalten wird, die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 0,8-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Die erhaltene ETL-Membran ist eine Membran, die eine hohe Dichte und Wasserselektivität aufweist. Insbesondere wird bestätigt, dass die ETL-Membran, bei der die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht geringer als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, sind, eine höhere Dichte als die ETL-Membran aufweist, bei der die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht kleiner als das 0,8-fache und kleiner als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, sind.
<Vergleichsbeispiele>
(Herstellung von Impfkristallen)
Die Impfkristalle werden auf die gleiche Weise wie in den Beispielen hergestellt.
(Herstellung der ETL-Membran)
Ein monolithischer poröser Aluminiumoxidträger wird mit der Lösung, in der die vorstehend beschriebenen Impfkristalle dispergiert sind, in Kontakt gebracht, und die Impfkristalle werden im Inneren der Zelle angebracht. Die Ausgangsmateriallösung mit der gleichen Zusammensetzung wie bei der Herstellung der Impfkristalle wird hergestellt, und der Aluminiumoxidträger mit den darauf aufgebrachten Impfkristallen wird in diese Ausgangsmateriallösung eingetaucht und 15 Stunden lang bei 180°C hydrothermal synthetisiert. Nach der hydrothermalen Synthese wird die ETL-Membran ausreichend mit reinem Wasser gewaschen und anschließend bei 100°C vollständig getrocknet. Nach dem Trocknen wird die N_2-Permeanz durch die ETL-Membran gemessen, die nicht kleiner als 1 nMol/m²·s·Pa ist. Damit wird bestätigt, dass die ETL-Membran keine Dichtheit aufweist. Anschließend wird die ETL-Membran 20 Stunden lang bei 500°C wärmebehandelt, um das SDA zu verbrennen und zu entfernen und die Poren der ETL-Membran zu durchdringen. Die CF₄-Gaspermeanz der erhaltenen ETL-Membran wird mit mehr als 50 nMol/m²·s·Pa gemessen.
(Bewertung der ETL-Membran)
Durch Umwälzung einer 50 massenprozentigen wässrigen Ethanollösung, die durch die Umwälzpumpe auf 50°C erwärmt wird, wird die wässrige Ethanollösung in den zufuhrseitigen Raum des Behälters für die Trennung mit der ETL-Membran zugeführt, und wenn der permeatseitige Raum durch die Vakuumpumpe dekomprimiert wird, während der Druck darin durch den Druckcontroller auf 50 Torr gesteuert wird, durchdringt die wässrige Ethanollösung ungünstigerweise die ETL-Membran und den Träger, so wie sie ist. Somit ist die erhaltene ETL-Membran eine Membran, die eine geringe Dichte aufweist und keine Wasserselektivität aufweist.
Im Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung der Membranoberfläche der ETL-Membran erhalten wurde, sind die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils weniger als das 0,8-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt.
Wie vorstehend beschrieben, enthält der Zeolithmembrankomplex 1 den porösen Träger 11 und die auf dem Träger 11 gebildete Zeolithmembran 12 und ist aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut. Im Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung der Oberfläche der Zeolithmembran 12 erhalten wurde, sind die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 0,8-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Somit ist die Zeolithmembran 12 eine orientierte Membran, bei der die c-Achse der Bestandteilskörner in einer Richtung orientiert ist, die im Wesentlichen senkrecht zur Membranoberfläche steht, und die Dichte der Zeolithmembran 12 wird dadurch erhöht. Dadurch ist es möglich, den Zeolithmembrankomplex 1 mit der Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte einfach bereitzustellen.
Vorzugsweise sind im Röntgenbeugungsmuster die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht weniger als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt. Dadurch wird die Dichte der Zeolithmembran 12 weiter erhöht.
Vorzugsweise ist in der Zeolithmembran 12 das Molverhältnis von Silizium/Aluminium nicht kleiner als 3. Dies verbessert die Hitzebeständigkeit und die Säurebeständigkeit der Zeolithmembran 12. Vorzugsweise ist die CF₄-Gaspermeanz in der Zeolithmembran 12 nicht höher als 10 nMol/m²·s·Pa.
Das Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Zeolithmembrankomplexes 1 enthält einen Schritt der Ablagerung der aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebauten Impfkristalle auf dem porösen Träger 11 und einen Schritt der Bildung der Zeolithmembran 12 auf dem Träger 11 durch Eintauchen des Trägers 11 in die Ausgangsmateriallösung und Durchführung einer hydrothermalen Synthese, um den Zeolith vom ETL-Typ aus den Impfkristallen wachsen zu lassen. In der Ausgangsmateriallösung beträgt zudem das Molverhältnis von Silizium/Aluminium 10 bis 100, das Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium 15 bis 100 und das Molverhältnis von Wasser/Aluminium 2000 bis 10000. Dadurch ist es möglich, den Zeolithmembrankomplex 1 mit der Zeolithmembran vom ETL-Typ mit erhöhter Dichte einfach bereitzustellen.
Wie vorstehend beschrieben, enthält die Trenneinrichtung 2 den vorstehend beschriebenen Zeolithmembrankomplex 1 und das Zuführungsteil 26 zum Zuführen einer gemischten Substanz, die eine Vielzahl von Arten von Gasen oder Flüssigkeiten enthält, zu dem Zeolithmembrankomplex 1. Der Zeolithmembrankomplex 1 trennt eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in der gemischten Substanz von anderen Substanzen, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex 1 durchdringen kann. Dadurch ist es möglich, die hochpermeable Substanz effizient von anderen Substanzen zu trennen.
Wie vorstehend beschrieben, enthält der Membranreaktor den vorstehend beschriebenen Zeolithmembrankomplex 1, den Katalysator zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion eines Ausgangsmaterials, den Reaktor (das Gehäuse 22 im vorstehend beschriebenen Beispielfall), der den Zeolithmembrankomplex 1 und den Katalysator enthält, und das Zuführungsteil 26 zur Zuführung des Ausgangsmaterials zum Reaktor. Der Zeolithmembrankomplex 1 trennt eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in einer gemischten Substanz von anderen Substanzen, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex 1 durchdringen kann, wobei die gemischte Substanz eine Produktsubstanz enthält, die durch eine chemische Reaktion des Ausgangsmaterials unter Vorliegen des Katalysators erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die hochpermeable Substanz effizient von anderen Substanzen zu trennen.
An dem Zeolithmembrankomplex 1, der Trenneinrichtung 2, dem Membranreaktor und dem Verfahren zur Herstellung des Zeolithmembrankomplexes 1, die vorstehend beschrieben sind, können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden.
In der Zeolithmembran 12 kann das Molverhältnis von Silizium/Aluminium geringer als 3 sein. Wenn es kein Problem bei der Verwendung des Zeolithmembrankomplexes 1 gibt, kann die CF₄-Gaspermeanz in der Zeolithmembran 12 höher als 10 nMol/m²·s·Pa sein.
In dem Träger 11 mit einem oder mehreren Durchgangslöchern kann die Zeolithmembran 12 entweder auf einer der inneren Oberfläche(n) und der äußeren Oberfläche oder auf beiden, der inneren Oberfläche(n) und der äußeren Oberfläche, ausgebildet sein.
Der Zeolithmembrankomplex 1 kann nach jedem anderen als dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
Der Zeolithmembrankomplex 1 kann weiterhin eine Funktionsschicht oder eine Schutzschicht enthalten, die zusätzlich zu dem Träger 11 und der Zeolithmembran 12 auf die Zeolithmembran 12 laminiert ist. Eine solche Funktions- oder Schutzschicht kann eine anorganische Membran wie die Zeolithmembran, eine Siliziumdioxidmembran, eine Kohlenstoffmembran oder dergleichen oder eine organische Membran wie eine Polyimidmembran, eine Silikonmembran oder dergleichen sein. Außerdem kann der Funktionsschicht oder der Schutzschicht, die auf die Zeolithmembran 12 laminiert ist, eine Substanz zugesetzt werden, die leicht Wasser adsorbieren kann.
In der Trenneinrichtung 2 und dem Trennverfahren kann die Trennung der gemischten Substanz durch ein Dampfpermeationsverfahren, ein Umkehrosmoseverfahren, ein Gaspermeationsverfahren oder dergleichen durchgeführt werden, mit Ausnahme des in der vorstehenden Beschreibung beispielhaft dargestellten Pervaporationsverfahrens. Das Gleiche gilt für den Membranreaktor.
In der Trenneinrichtung 2 und dem Trennverfahren können auch andere als die in der vorstehenden Beschreibung beispielhaft dargestellten Substanzen aus dem Substanzgemisch abgetrennt werden. Das Gleiche gilt für den Membranreaktor.
Die Konfigurationen in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform und die Variationen können in geeigneter Weise kombiniert werden, sofern sie nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in jeder Hinsicht erläuternd und nicht einschränkend. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifizierungen und Variationen entwickelt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Der Zeolithmembrankomplex der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise als Dehydrierungsmembran verwendet werden und kann darüber hinaus in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, in denen Zeolith als Trennmembran für verschiedene Substanzen außer Wasser, als Adsorptionsmembran für verschiedene Substanzen oder dergleichen verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Zeolithmembrankomplex
11: Träger
12: Zeolithmembran
S11 bis S14, S21, S22: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 202138089 [0002]
US 4581211 [0003]

Claims

Zeolithmembrankomplex, umfassend: einen porösen Träger; und eine Zeolithmembran, die auf dem Träger gebildet ist und die aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut ist, wobei in einem Röntgenbeugungsmuster, das durch Röntgenbestrahlung einer Oberfläche der Zeolithmembran erhalten wird, eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und eine Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht niedriger als das 0,8-fache der Intensität eines Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, sind.
Zeolithmembrankomplex nach Anspruch 1, wobei in diesem Röntgenbeugungsmuster die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 9,9° vorliegt, und die Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 19,8° vorliegt, jeweils nicht niedriger als das 1,0-fache der Intensität des Peaks, der in der Nähe von 2θ = 7,9° vorliegt, ist.
Zeolithmembrankomplex nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Zeolithmembran das Molverhältnis von Silizium/Aluminium nicht niedriger als 3 ist.
Zeolithmembrankomplex nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Zeolithmembran die CF₄-Gaspermeanz nicht höher als 10 nMol/m²·s·Pa ist.
Trenneinrichtung, umfassend: den Zeolithmembrankomplex nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und ein Zuführungsteil zur Zuführung einer gemischten Substanz, die eine Vielzahl von Arten von Gasen oder Flüssigkeiten enthält, zu dem Zeolithmembrankomplex, wobei der Zeolithmembrankomplex eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in der gemischten Substanz von anderen Substanzen trennt, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex durchdringen kann.
Membranreaktor, umfassend: den Zeolithmembrankomplex nach einem der Ansprüche 1 bis 4; einen Katalysator zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion eines Ausgangsmaterials; einen Reaktor, der den Zeolithmembrankomplex und den Katalysator enthält; und ein Zuführungsteil für die Zuführung des Ausgangsmaterials zum Reaktor, wobei der Zeolithmembrankomplex eine hochpermeable Substanz mit einer hohen Permeabilität in einer gemischten Substanz von anderen Substanzen trennt, indem die hochpermeable Substanz den Zeolithmembrankomplex durchdringen kann, wobei die gemischte Substanz eine Produktsubstanz enthält, die durch eine chemische Reaktion des Ausgangsmaterials unter Vorliegen des Katalysators erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Zeolithmembrankomplexes, umfassend: a) Ablagerung von Impfkristallen, die aus Zeolith vom ETL-Typ aufgebaut sind, auf einem porösen Träger; und b) Bildung einer Zeolithmembran auf dem Träger durch Eintauchen des Trägers in eine Ausgangsmateriallösung und Durchführung einer hydrothermalen Synthese, um Zeolith vom ETL-Typ aus den Impfkristallen zu züchten, wobei in der Ausgangsmateriallösung ein Molverhältnis von Silizium/Aluminium 10 bis 100, ein Molverhältnis von Alkalimetall/Aluminium 15 bis 100 und ein Molverhältnis von Wasser/Aluminium 2000 bis 10000 ist.