JP2002097083A - Porous material and composite material - Google Patents

Porous material and composite material

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JP2002097083A
JP2002097083A JP2000285591A JP2000285591A JP2002097083A JP 2002097083 A JP2002097083 A JP 2002097083A JP 2000285591 A JP2000285591 A JP 2000285591A JP 2000285591 A JP2000285591 A JP 2000285591A JP 2002097083 A JP2002097083 A JP 2002097083A
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porous body
film
porous
oxygen
heat treatment
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Toru Nagai
徹 永井
Hitoshi Donomae
等 堂野前
Wataru Ito
伊藤  渉
Tadashi Sakon
正 佐近
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Nippon Steel Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite material of a mixed conductor compact membrane and a porous material which can be manufactured easily and has good oxygen permeability in an industrial selective filtration and separation process of oxygen by an oxide ion mixed conductor and a hydrocarbon partial oxidation process. SOLUTION: The porous material of this invention consists of a porcelain component which is a mixed conductor oxide having the composition formula: AFexO(3-δ) of which A is selected from Ba, Sr and Ca, x is in the range of 0.98<=x<=1.02 and δ satisfies charge neutralized conditions. By setting the highest heat treatment temperature during the porous material manufacturing higher than the highest treatment temperature in the compact membrane manufacturing process, porosity deterioration of the porous material in the membrane manufacturing process can be prevented and a composite material with high oxygen permeability can be easily manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素の工業的選択
透過・分離プロセス、あるいは炭化水素の部分酸化用隔
膜リアクターなどに応用される、酸化物イオン混合伝導
体の緻密質連続膜と多孔質体を主要な構成要素とする複
合材料と、その複合材料に好適な多孔質体に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dense continuous membrane of an oxide ion mixed conductor and a porous membrane applied to an industrial selective permeation / separation process of oxygen or a membrane reactor for partial oxidation of hydrocarbons. The present invention relates to a composite material having a body as a main component and a porous body suitable for the composite material.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、イオン伝導材料を薄膜化し、これ
を用いて工業的に特定成分の分離や精製を行うプロセス
は、著しく進歩・発展している。中でも、大気などの混
合気体から、酸素を選択的に透過させて分離・精製する
プロセスは、医学用途のための小規模な酸素ポンプか
ら、大規模な気体発生・精製プラントにまで適用が期待
されている。また最近では、イオン伝導材料の隔膜で酸
素混合気体と炭化水素ガスとを隔絶し、酸素を選択的に
透過させて炭化水素を部分酸化させる方法、いわゆる隔
膜リアクターとしての使用も検討されている。
2. Description of the Related Art In recent years, a process of thinning an ion conductive material and industrially separating or purifying a specific component using the thin film has been remarkably advanced and developed. Above all, the process of separating and purifying oxygen by selectively permeating oxygen from air and other gas mixtures is expected to be applied from small-scale oxygen pumps for medical use to large-scale gas generation and purification plants. ing. Recently, a method of isolating an oxygen mixed gas and a hydrocarbon gas with a membrane made of an ion conductive material and selectively oxidizing oxygen to partially oxidize hydrocarbons, that is, use as a so-called membrane reactor has been studied.

【0003】この目的に利用できる酸化物イオン伝導性
のセラミックス材料としては、酸素イオンのみを伝える
酸化物イオン伝導体と、酸素イオンと電子または正孔を
同時に伝える酸化物イオン混合伝導体が知られている。
中でも酸化物イオン混合伝導体は、材料自体が電子また
は正孔を伝えることができるため、酸素イオンの移動を
持続させるために必要な電荷の補償を、外部電流回路の
形成をしなくても行えるので、酸素分離の用途には、よ
り好適であると考えられている。即ち、酸化物イオン混
合伝導体によって酸素分離を行うためには、この混合伝
導体の両側の酸素ポテンシャルを異なるようにするだけ
でよく、酸素分圧の高い側から低い側に向かって酸素の
みが混合伝導体を透過し、それ以外のガス成分は混合伝
導体を透過できず、酸素の選択的な透過・分離が行え
る。
As an oxide ion conductive ceramic material that can be used for this purpose, an oxide ion conductor that transmits only oxygen ions and a mixed oxide ion conductor that simultaneously transmits oxygen ions and electrons or holes are known. ing.
Among them, oxide-ion mixed conductors can conduct electrons or holes by themselves, so that the charge necessary to maintain the movement of oxygen ions can be compensated without forming an external current circuit. Therefore, it is considered to be more suitable for oxygen separation applications. That is, in order to perform oxygen separation by the oxide ion mixed conductor, it is only necessary to make the oxygen potentials on both sides of the mixed conductor different, and only oxygen is supplied from the higher oxygen partial pressure side to the lower oxygen partial pressure side. Other gas components cannot permeate through the mixed conductor and pass through the mixed conductor, so that selective permeation and separation of oxygen can be performed.

【0004】ところで、酸素が混合伝導体を透過すると
きに律速となる素過程は、混合伝導体の厚さを薄くして
行くにつれて、混合伝導体中の拡散が律速(拡散律速)
から、混合伝導体の表面における気相との酸素交換が律
速(表面反応律速)へと変化する。従って、同一組成の
混合伝導体材料を用いた場合であっても、表面反応律速
になってしまうまでの範囲では、厚さを薄ければ薄くす
るほど酸素の透過量を大きくすることができる。このた
め実際に酸素分離を行う方法としては、酸化物イオン混
合伝導体を単体のバルクとして用いるのではなくて、こ
れを薄膜として多孔質体上に形成・複合化することの方
が有効と考えられている(寺岡ほか、日本セラミックス
協会学術論文誌、vol.97、No.4、pp467-72、1989年)。
この複合材料の機械的強度は多孔質体部によって確保さ
れており、多孔質体は支持体としての機能を果たしてい
る。また原料ガスから酸素を選択的に透過・分離する役
割は薄膜部分が担っている。
By the way, in the elementary process which becomes rate-limiting when oxygen passes through the mixed conductor, diffusion in the mixed conductor is rate-limiting (diffusion-limited) as the thickness of the mixed conductor is reduced.
Thus, the oxygen exchange with the gas phase at the surface of the mixed conductor changes to a rate-determining (surface reaction-determining). Therefore, even when the mixed conductor materials having the same composition are used, as long as the surface reaction is limited, the thinner the thickness, the larger the amount of oxygen permeation can be. For this reason, it is considered more effective to actually separate oxygen than to use a mixed oxide ion conductor as a single bulk and to form and composite it as a thin film on a porous body. (Teraoka et al., Journal of the Ceramic Society of Japan, vol.97, No.4, pp467-72, 1989).
The mechanical strength of the composite material is ensured by the porous body portion, and the porous body functions as a support. The role of selectively permeating and separating oxygen from the source gas is played by the thin film portion.

【0005】このガスの選択分離の役を果たすために、
薄膜部分には高い酸素イオン伝導性を有する混合伝導体
材料が緻密質かつ気密な薄膜として形成されている必要
がある。ここでいう緻密質とは、膜部分の密度が理論密
度に対して94%程度以上であることを指している。ま
た気密であるとは、膜を通じてのガスのリークが起きな
いか、実用上無視できる程度であることを示す。気密な
混合伝導体薄膜を得るためには、膜が緻密質であること
が必要条件である。しかし後述するように、膜が緻密質
であってもガスのリークが生じてしまい、気密にならな
い場合があるので注意を要する。
[0005] In order to fulfill the role of selective separation of this gas,
A mixed conductor material having high oxygen ion conductivity needs to be formed as a dense and airtight thin film in the thin film portion. Here, the denseness means that the density of the film portion is about 94% or more of the theoretical density. Further, being airtight means that no gas leaks through the film or that it is practically negligible. In order to obtain an airtight mixed conductor thin film, it is a necessary condition that the film is dense. However, as described later, care must be taken because even if the film is dense, gas leakage may occur and the film may not be airtight.

【0006】さて、この酸素分離用複合材料の緻密質薄
膜部には、高い酸素イオン伝導性を有する混合伝導体材
料が必要であり、ペロブスカイト型結晶構造を有するい
くつかのセラミックス、例えば特開昭56−92103
号公報に開示されている[LaxSr(1-x)]CoO3-α(xは0.1
〜0.9、αは0〜0.5の範囲)、あるいは特開昭61-21717
号公報に開示されている[La(1-x)Srx][Co(1-y)Fey]O
(3-δ) (xは0.1〜1.0、yは0.05〜1.0、δは0.5〜0の
範囲)などの磁器組成物が有力な候補材料として知られ
ている。
In the dense thin film portion of the composite material for oxygen separation, a mixed conductor material having high oxygen ion conductivity is required, and some ceramics having a perovskite type crystal structure, such as those disclosed in 56-92103
[La x Sr (1-x) ] CoO 3-α (x is 0.1
0.9, α is in the range of 0 to 0.5) or JP-A-61-21717.
[La (1-x) Sr x ] [Co (1-y) Fe y ] O
Porcelain compositions such as (3-δ) (x ranges from 0.1 to 1.0, y ranges from 0.05 to 1.0, and δ ranges from 0.5 to 0) are known as potential candidate materials.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、これら
先行技術で開示されている(La0.2Sr0.8)CoO3-αの組成
で円盤状の焼結体を作製したところ、1200℃の焼成で相
対密度が94%を越える厚さ1mmの緻密な試料を得ることが
できた。またこの試料の750℃での酸素透過速度を評価
したところ、0.4cc/cm2・minの性能を示し、緻密質薄膜
材料として有望なことを追確認した。ところが、やはり
先行技術が開示している混合伝導体材料SrFeO(3-δ)
で焼結体の作製を試みたところ、前述の組成と同様に12
00℃の焼成温度で94%を越える密度の緻密体が得られた
が、焼結体の表面には微細なクラックが数多く認められ
た。またこの試料の750℃での酸素透過速度は0.3cc/cm2
・minであったが、クラックに由来すると考えられる大
きなガスのリークも認められた。さらにこのSrFeO
(3-δ) について製造条件を変えて試料作成を試みたが
気密な試料を得ることはできず、この材料を酸素分離用
の緻密質薄膜として用いるのは困難であった。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors prepared a disc-shaped sintered body with the composition of (La 0.2 Sr 0.8 ) CoO 3-α disclosed in these prior arts. By sintering, a dense sample with a relative density exceeding 94% and a thickness of 1 mm could be obtained. When the oxygen permeation rate of this sample at 750 ° C. was evaluated, it showed a performance of 0.4 cc / cm 2 · min, and it was confirmed that it was promising as a dense thin film material. However, the mixed conductor material SrFeO (3-δ) also disclosed in the prior art
Attempts were made to produce a sintered body at
At a sintering temperature of 00 ° C., a dense body having a density exceeding 94% was obtained, but many fine cracks were observed on the surface of the sintered body. The oxygen transmission rate of this sample at 750 ° C. was 0.3 cc / cm 2
-Although it was min, a large gas leak, which is considered to be derived from cracks, was also observed. Furthermore, this SrFeO
An attempt was made to prepare a sample for (3-δ) by changing the manufacturing conditions, but an airtight sample could not be obtained, and it was difficult to use this material as a dense thin film for oxygen separation.

【0008】一方、酸素分離用複合材料の多孔質支持体
を形成する材料の条件については、前述の寺岡の論文で
以下の3つが挙げられている: 1)酸化物イオン混合
伝導体膜との密着性が良好なこと、 2)酸化物イオン
混合伝導体膜と反応しないか、反応したとしても生成物
が酸素透過能を低下させないこと、 3)酸化物イオン
混合伝導体膜と熱膨張係数がほぼ等しいこと。これらの
条件はいずれも、混合伝導体膜が健全に多孔質体上に形
成できるために不可欠である。
On the other hand, the conditions of the material for forming the porous support of the composite material for oxygen separation include the following three conditions in the above-mentioned Teraoka article: Good adhesion; 2) not reacting with the oxide ion mixed conductor membrane, or even if it reacts, the product does not decrease the oxygen permeability; 3) the oxide ion mixed conductor membrane and the thermal expansion coefficient Almost equal. All of these conditions are indispensable for the mixed conductor film to be formed on the porous body in a sound manner.

【0009】しかし、これら1)〜3)の条件を同時に
満たす材料を見出すことは、容易ではない。まず3)の
条件に関連し、酸化物イオン混合伝導体膜の有力な候補
である前述のCo含有ペロブスカイトは、酸化物として異
例に大きな線熱膨張係数を有するという問題がある。例
えば特開平9−235121号公報に開示されている(L
a0.2Sr0.8)(Co0.8Fe0.2)O(3-δ) と(La0.2Sr0.8)(Co
0.4Fe 0.4Cu0.2)O(3-δ)の室温から800℃での平均の線
熱膨張係数は、それぞれ約26、約20ppm/℃であるが、こ
れに対して線熱膨張係数が大きいことで知られている酸
化物のマグネシアですら13.4ppm/℃であり(Y.S. Toulo
ukian et al., Thermophysical Properties of Matter
vol. 13, IFI/Plenum)、大きくかけ離れた値である。
However, it is not easy to find a material that satisfies the conditions 1) to 3) at the same time. First, in connection with the condition 3), the above-mentioned Co-containing perovskite, which is a promising candidate for an oxide ion mixed conductor film, has a problem that it has an unusually large linear thermal expansion coefficient as an oxide. For example, it is disclosed in JP-A-9-235121 (L
a 0.2 Sr 0.8 ) (Co 0.8 Fe 0.2 ) O (3-δ) and (La 0.2 Sr 0.8 ) (Co
0.4 Fe 0.4 Cu 0.2 ) O (3-δ) has an average linear thermal expansion coefficient from room temperature to 800 ° C of about 26 and about 20 ppm / ° C, respectively. Even the oxide magnesia known in the art is 13.4 ppm / ° C (YS Toulo
ukian et al., Thermophysical Properties of Matter
vol. 13, IFI / Plenum).

【0010】またペロブスカイト型酸化物は他の酸化物
材料との共存性が低く、上記2)の条件も材料の選択に
大きな制限を与える。例えば、代表的な酸化物材料であ
るアルミナやジルコニアなどを多孔質体とし、この上に
(La1-xSrx)CoO(3-δ) などを薄膜として焼結しようと
すると、ペロブスカイト中のアルカリ土類元素が引き抜
かれて膜が分解してしまったり、ペロブスカイト中に多
孔質体からカチオンが固溶して酸素透過速度が大きく低
下する問題を生じる。
In addition, the perovskite oxide has low coexistence with other oxide materials, and the condition 2) also greatly restricts the choice of material. For example, a typical oxide material such as alumina or zirconia is used as a porous body, and
When sintering (La 1-x Sr x ) CoO (3-δ) or the like as a thin film, the alkaline earth element in the perovskite is pulled out and the film is decomposed, or the porous material enters the perovskite from the porous body. There is a problem that the cation forms a solid solution and the oxygen permeation rate is greatly reduced.

【0011】このような問題を回避するために、寺岡ら
は上記の論文において、イオン混合伝導体膜と同一の磁
器組成物で多孔質体を作製することを提案しており、別
の文献(寺岡ほか、日本セラミックス協会学術論文誌、
vol.97、No.5、pp533-38、1989年)においては、多孔質
体と混合伝導体膜が共に(La0.6Sr0.4)CoO(3-δ) であ
る複合体を試作している。
In order to avoid such a problem, Teraoka et al. Proposed in the above-mentioned paper to produce a porous body with the same porcelain composition as the ion-mixed conductor film, and another literature ( Teraoka et al., The Ceramic Society of Japan
vol. 97, No. 5, pp. 533-38, 1989 ) , a composite in which both the porous body and the mixed conductor film are (La 0.6 Sr 0.4 ) CoO (3-δ) is being prototyped.

【0012】この他の酸素分離に関する公開特許や論文
において、多孔質体材料は、上記の条件の1)〜3)を
満たすものならばいかなるものでも良いとされている場
合が多い。しかしながら、多孔質体上に混合伝導体の緻
密質膜を形成して複合材料まで作製している例は少な
く、特開平8−276112号公報のように複合材料の
試作を行っている場合でも、多孔質体はやはり混合伝導
体の緻密質膜と同一組成としている。このように従来技
術においての多孔質体は、求められる厳しい条件を満た
すために、事実上、混合伝導体膜と同じ組成とせざるを
得ない状況にあった。
In other published patents and articles on oxygen separation, it is often said that any porous material may be used as long as it satisfies the above conditions 1) to 3). However, there are few examples in which a dense film of a mixed conductor is formed on a porous body to produce a composite material, and even when a composite material is prototyped as disclosed in JP-A-8-276112, The porous body has the same composition as the dense film of the mixed conductor. As described above, the porous body in the prior art had to be practically forced to have the same composition as the mixed conductor film in order to satisfy the required severe conditions.

【0013】一方、多孔質体が混合伝導体膜と同一材料
で形成されている複合材料においては、優れた特性の複
合材料が得られる製造条件の範囲は狭く、この範囲を外
れた条件で製造した複合材料では、これによって分離し
た酸素に原料のガスが混入して純度が低下する、あるい
は酸素分離速度が低下するなどの問題が生じてしまう。
On the other hand, in the case of a composite material in which the porous body is formed of the same material as the mixed conductor film, the range of manufacturing conditions for obtaining a composite material having excellent characteristics is narrow, and the manufacturing conditions are out of this range. In such a composite material, a problem such as a decrease in purity due to the mixing of the raw material gas with the separated oxygen or a reduction in the oxygen separation rate occurs.

【0014】製造方法の工夫で複合材料の特性を向上で
きるものとしては、特開平3−37174号公報に示さ
れているように、膜の焼成前に酸による処理を行う方法
が知られている。しかしこの方法によっても、酸処理と
いう余分な工程を必要とし、場合によっては酸処理と熱
処理を繰り返す必要があるなどの問題がある。
As a method of improving the characteristics of a composite material by devising a manufacturing method, there is known a method of performing a treatment with an acid before firing a film, as disclosed in JP-A-3-37174. . However, this method also has a problem that an extra step of acid treatment is required, and in some cases, it is necessary to repeat acid treatment and heat treatment.

【0015】このように従来技術には、酸素分離速度の
高い複合材料を製造するのは困難であったり、製造でき
たとしてもその製造条件の範囲が極めて狭いものとなっ
たり、余分な工程を必要とするなどの問題があった。
As described above, according to the prior art, it is difficult to produce a composite material having a high oxygen separation rate, or even if it can be produced, the range of the production conditions becomes extremely narrow, or extra steps are required. There were problems such as need.

【0016】本発明はこのような問題を解決するために
成されたものであり、本発明の目的は、酸素分離用、あ
るいは隔膜リアクター用に用いられる混合伝導体の緻密
質膜と多孔質支持体の複合材料において、多孔質体を緻
密質膜と同一の材料で形成する従来技術では避けられな
かった、酸素の透過速度の高い複合材料の製造が困難と
いう問題、製造可能なプロセス条件の範囲が極めて狭い
などの問題の解決方法を提供することである。
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a mixed conductor having a dense membrane and a porous support for use in oxygen separation or a diaphragm reactor. In the composite material of the body, the problem that it was difficult to produce a composite material having a high oxygen permeation rate, which was inevitable with the conventional technology in which the porous body was formed of the same material as the dense membrane, and the range of process conditions that can be produced The problem is to provide a solution to such a problem that is extremely narrow.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために以下の発明態様を見い出した。 (1) 下記の(式1)で表される混合伝導性酸化物を
含んで成ることを特徴とする多孔質体。 AFexO (3-δ) (ただし0.98≦x≦1.02、AはBa、Sr、Caの中から選ばれる1種または複数種類の 元素の組み合わせ、δは電荷中性条件を満たすように決まる値)・・・(式1)
Means for Solving the Problems The present inventors have found the following aspects of the invention in order to solve the above problems. (1) A porous body comprising a mixed conductive oxide represented by the following (formula 1). AFe x O (3-δ) (where 0.98 ≦ x ≦ 1.02, A is a combination of one or more elements selected from Ba, Sr, and Ca, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition ) ... (Equation 1)

【0018】(2)混合伝導性多孔質酸化物を有して成
る多孔質体部と、その多孔質体の上に形成された混合伝
導性酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成さ
れており、多孔質体部が(1)の多孔質体で構成されて
いることを特徴とする複合材料。
(2) A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight and dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body. And a porous material portion comprising the porous material according to (1).

【0019】(3)混合伝導性多孔質酸化物を有して成
る多孔質体部と、その多孔質体の上に形成された混合伝
導性酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成さ
れており、多孔質体部の最高熱処理温度が、緻密質連続
層の最高熱処理温度よりも高温であることを特徴とする
複合材料。
(3) A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight and dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body. Wherein the maximum heat treatment temperature of the porous body is higher than the maximum heat treatment temperature of the dense continuous layer.

【0020】(4)混合伝導性多孔質酸化物を有して成
る多孔質体部と、その多孔質体の上に形成された混合伝
導性酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成さ
れており、多孔質体部が(1)の多孔質体で構成されて
おり、かつ多孔質体部の最高熱処理温度が、緻密質連続
層の最高熱処理温度よりも高温であることを特徴とする
複合材料。
(4) A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body. Wherein the porous body portion is made of the porous body of (1) and the maximum heat treatment temperature of the porous body portion is higher than the maximum heat treatment temperature of the dense continuous layer. Characteristic composite material.

【0021】(5)緻密質連続層が、多孔質体部とは異
なる組成の混合伝導性酸化物材料で構成されていること
を特徴とする(3)または(4)に記載の複合材料。
(5) The composite material according to (3) or (4), wherein the dense continuous layer is composed of a mixed conductive oxide material having a composition different from that of the porous body.

【0022】(6)混合伝導性多孔質酸化物を有して成
る多孔質体部と、その多孔質体の上に形成された混合伝
導性酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成さ
れており、多孔質体部が(1)の多孔質体で構成されて
いる複合材料の製造方法であって、多孔質体部を1200℃
以上1400℃以下の範囲の最高熱処理温度で熱処理し、緻
密質連続層を多孔質体部の最高熱処理温度よりも20℃以
上低い最高熱処理温度で熱処理することを特徴とする複
合材料の製造方法。
(6) A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body. The method for producing a composite material, wherein the porous body portion is constituted by the porous body of (1), wherein the porous body portion is formed at 1200 ° C.
A method for producing a composite material, comprising: performing heat treatment at a maximum heat treatment temperature in the range of 1400 ° C. or less, and heat treating the dense continuous layer at a maximum heat treatment temperature that is at least 20 ° C. lower than the maximum heat treatment temperature of the porous body.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】発明者は、まず多孔質体を緻密質
膜と同一の材料で形成する従来技術の問題点について検
討した。当該複合材料において、ガスリークのない混合
伝導体膜を焼結法などで形成するためには、膜の形成時
の最高熱処理温度を膜材料が緻密化するのに必要な温度
以上に設定し、十分密度の高い膜を形成する必要があ
る。ここで膜と多孔質体が同一組成の場合、両者の焼結
性が同じであるために、膜の形成過程において多孔質体
の緻密化も同時に起きてしまうことを見出した。この多
孔質体の気孔率の低下によって、多孔質体の中のガスの
透過速度が低下し、複合材料の酸素分離速度の低下の問
題が生じる。また多孔質体の気孔率の低下を避けるため
に、膜形成での最高熱処理温度を低下させたり熱処理時
間を短くしたりすると、膜が十分に緻密化せず、膜の多
孔質体への密着も不十分となり、酸素分離過程での供給
ガスのリークの問題が生じることもわかった。さらに発
明者らは、これらの問題を解決する手段を検討する中
で、複合材料を構成する個々の材料の高温での安定性に
着目した。そして多孔質体に用いる材料が、膜を構成す
る材料の緻密化に必要な温度よりも高温にさらしても分
解したりせずに安定であるならば、膜材料の緻密化温度
よりも高い温度で多孔質体製造の最高熱処理温度を設定
でき、緻密質膜形成過程においても多孔質体の気孔率は
変化せず、酸素透過速度が高い複合材料を容易に得るこ
とができるのに気がついた。また、Coを含有するペロブ
スカイト型の混合導電体は、緻密化に必要な温度よりも
さらに高温にさらした場合には材料の分解が起きやす
く、多孔質体に用いる場合でもその焼成温度を膜材料の
緻密化温度よりもあまり高くできないことがわかった。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The inventor first studied the problems of the prior art in which a porous body was formed of the same material as a dense film. In the composite material, in order to form a mixed conductor film without gas leak by a sintering method or the like, the maximum heat treatment temperature at the time of forming the film is set to a temperature equal to or higher than a temperature necessary for densifying the film material, and It is necessary to form a dense film. Here, it has been found that when the film and the porous body have the same composition, the sinterability is the same, so that the porous body is also densified in the process of forming the film. Due to the decrease in the porosity of the porous body, the permeation rate of the gas in the porous body is reduced, which causes a problem of a reduction in the oxygen separation rate of the composite material. Also, if the maximum heat treatment temperature during film formation is reduced or the heat treatment time is shortened to avoid a decrease in the porosity of the porous body, the film will not be sufficiently densified and the film will adhere to the porous body. Was also insufficient, and it was found that a problem of leakage of the supply gas during the oxygen separation process occurred. Furthermore, the present inventors have paid attention to the high-temperature stability of each of the materials constituting the composite material while studying means for solving these problems. If the material used for the porous body is stable without being decomposed even when exposed to a temperature higher than the temperature required for densification of the material constituting the film, a temperature higher than the densification temperature of the film material It was found that the maximum heat treatment temperature for the production of the porous body could be set, the porosity of the porous body did not change during the dense film formation process, and a composite material having a high oxygen permeation rate could be easily obtained. In addition, the perovskite-type mixed conductor containing Co is liable to be decomposed when exposed to a temperature higher than the temperature required for densification. It was found that the densification temperature could not be too high.

【0024】一方、発明者らはこの検討の中で、SrFexO
(3-δ)などのBサイトがFeのみで構成されているペロブ
スカイト型の混合伝導体は、緻密化温度が1200℃程度で
あるのに対し、1200℃よりもずっと高温、例えば1350℃
程度の高温下においても分解などの問題を生じず安定で
あることを見出した。そして緻密化温度よりも高い温度
域で多孔質体の製造を行っても、支持体として十分な気
孔率を有する多孔質体を作製できることを確認した。
On the other hand, the present inventors considered that SrFe x O
The perovskite-type mixed conductor in which the B site such as (3-δ) is composed only of Fe has a densification temperature of about 1200 ° C., but is much higher than 1200 ° C., for example, 1350 ° C.
It has been found that even at a high temperature of about a certain level, problems such as decomposition do not occur and the composition is stable. Then, it was confirmed that a porous body having a sufficient porosity as a support could be produced even when the porous body was manufactured in a temperature range higher than the densification temperature.

【0025】また前述の通り、例えばSrFexO (3-δ)
緻密体を作製するとクラックが発生しやすく、分離膜と
して使用するのに気密性や機械的強度の点で十分な物を
得ることが困難であったのに対し、SrFexO (3-δ)で作
製した多孔質支持体は十分な機械的強度を有しているこ
とがわかった。さらにこれらの多孔質支持体として優れ
た特性は、SrFexO (3-δ)のSrをほかのアルカリ土類元
素で置換した、式AFexO(3-δ) (ただし0.98≦x≦1.0
2、AはBa、Sr、Caの中から選ばれる1種または複数種類
の元素の組み合わせ、δは電荷中性条件を満たすように
決まる値)で表される材料においても同様に確認され
た。また、この多孔質支持体に、例えば金属Agなどの異
相を少量含んでも同様の支持体特性が得られた。
As described above, when a dense body is made of, for example, SrFe x O (3-δ) , cracks are likely to occur, and a material having sufficient airtightness and mechanical strength for use as a separation membrane is obtained. While it was difficult, the porous support made of SrFe x O (3-δ) was found to have sufficient mechanical strength. Furthermore, these porous supports have excellent properties as described in the formula AFe x O (3-δ) wherein Sr of SrFe x O (3-δ) is replaced with another alkaline earth element (where 0.98 ≦ x ≦ 1.0
2, A was also confirmed in a material represented by the following formula: A is a combination of one or more elements selected from Ba, Sr, and Ca, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. Similar porous support properties were obtained even when the porous support contained a small amount of a heterogeneous phase such as metal Ag.

【0026】一方、このAFexO (3-δ) の多孔質支持体
上に同じ材料で緻密質膜を形成して複合体を作製した場
合、SrFexO (3-δ)のバルク焼結体作製の結果から予測
されるとおり、気密でガスリークのない膜を形成するこ
とはできなかった。これに対し、(La0.2Sr0.8)CoO3-α
などの気密なバルク焼結体が作製できる組成でAFexO (
3-δ) 多孔質支持体上に緻密質膜を形成した場合、ガ
スリークの無い優れた酸素分離用複合体が得られた。
On the other hand, this AFexO(3-δ) Porous support
When a dense film is formed of the same material on the
If SrFexO(3-δ)From the results of bulk sintered body fabrication
Forming a gas-tight and gas-leak-free film
And could not. In contrast, (La0.2Sr0.8) CoO3-α
AFe with a composition that can produce an airtight bulk sintered body such asxO(
3-δ) When a dense membrane is formed on a porous support,
An excellent composite for oxygen separation without sleeks was obtained.

【0027】すなわち、酸素分離や隔膜リアクター用の
複合材料を作製する上で、多孔質体の材料は下記の条件
を満たす必要があるが、本発明の提供する多孔質体はこ
れら全てを満足していることを確認した: 1)緻密膜
よりも高温での熱処理が可能。 2)酸化物イオン混合
伝導体膜との密着性が良好。 3)酸化物イオン混合伝
導体膜と反応しないか、反応したとしても生成物が酸素
透過能を低下させない。 4)酸化物イオン混合伝導体
膜と熱膨張係数がほぼ等しい。
That is, in preparing a composite material for oxygen separation or a membrane reactor, the material of the porous body must satisfy the following conditions, but the porous body provided by the present invention satisfies all of these conditions. It was confirmed that: 1) Heat treatment at a higher temperature than the dense film is possible. 2) Good adhesion to oxide ion mixed conductor film. 3) It does not react with the oxide ion mixed conductor membrane, or even if it reacts, the product does not decrease the oxygen permeability. 4) The thermal expansion coefficient is almost equal to that of the oxide ion mixed conductor film.

【0028】本発明の提供する多孔質体は(式1) AF
exO (3-δ) で表される混合伝導性酸化物で構成され、
一般にその結晶構造はペロブスカイト型である。このペ
ロブスカイト型構造のAサイト(アニオンが12個配位す
るサイト)はBa、Sr、Caの中の1種類の元素で構成して
も良いし、またはこれらの内の複数種類を組み合わせて
用いても良い。一方、ペロブスカイト型構造のBサイト
(アニオンが6個配位するサイト)はFeで構成されるこ
とを特徴としている。これら構成元素には不純物元素が
含まれる場合もあるが、その許容範囲は2mol%以下程度
である。またxの範囲を0.98≦x≦1.02に限定するのは、
xの値が上記の範囲を外れると多孔質体の強度が低下し
たり、熱膨張係数が変化したりする問題を生じるためで
ある。
The porous material provided by the present invention is represented by the following formula (1): AF
It is composed of a mixed conductive oxide represented by e x O (3-δ) ,
Generally, the crystal structure is a perovskite type. The A site (site to which 12 anions coordinate) of the perovskite structure may be composed of one kind of element among Ba, Sr, and Ca, or may be used by combining plural kinds of these elements. Is also good. On the other hand, the B site of the perovskite structure (the site where six anions are coordinated) is characterized by being composed of Fe. These constituent elements may include impurity elements, but the allowable range is about 2 mol% or less. Also, limiting the range of x to 0.98 ≦ x ≦ 1.02 is
If the value of x is out of the above range, the strength of the porous body is reduced and the thermal expansion coefficient is changed.

【0029】本発明の提供する多孔質体において、気孔
率は好ましくは20%以上80%以下、より好ましくは40%
以上、60%以下の範囲である。この多孔質体の気孔率の
範囲は、酸素分離過程で多孔質体部がガス透過の抵抗と
ならぬ条件と、複合材料の機械的強度が健全に保たれる
条件から決定される。多孔質体の気孔率は、{100 -相
対かさ密度(%)}によって計算されるが、この相対かさ
密度は、多孔質体のかさ密度を理論密度で除したもので
ある。多孔質体のかさ密度は、円盤や円柱、あるいは板
といった単純形状の多孔質体の場合、多孔質体の外形サ
イズを測定して体積を求め、重量を除すことによって簡
便に求められる。
In the porous body provided by the present invention, the porosity is preferably 20% or more and 80% or less, more preferably 40% or less.
The range is at least 60%. The range of the porosity of the porous body is determined by the conditions under which the porous body does not become a gas permeation resistance during the oxygen separation process and the conditions under which the mechanical strength of the composite material is kept healthy. The porosity of the porous body is calculated by {100-relative bulk density (%)}, and the relative bulk density is obtained by dividing the bulk density of the porous body by the theoretical density. In the case of a porous body having a simple shape such as a disk, a cylinder, or a plate, the bulk density of the porous body can be easily obtained by measuring the outer size of the porous body, obtaining the volume, and dividing the weight.

【0030】多孔質体の気孔率は、多孔質体の製造にお
いて酸化物原料と共に混合する樹脂の量と種類、成形条
件、さらには多孔質体製造での最高熱処理温度などによ
って変化させることができる。即ち、混合する樹脂量を
増やしたり、成型時の圧力を低くしたり、多孔質体の最
高熱処理温度を低めに設定することにより、多孔質体の
気孔率を高めることができる。
The porosity of the porous body can be changed by the amount and type of the resin mixed with the oxide raw material in the production of the porous body, the molding conditions, the maximum heat treatment temperature in the production of the porous body, and the like. . That is, the porosity of the porous body can be increased by increasing the amount of the resin to be mixed, reducing the pressure during molding, or setting the maximum heat treatment temperature of the porous body to be lower.

【0031】この多孔質体の上に形成する膜部の混合伝
導体の緻密質連続膜の厚さは、10μm以上、1mm以下の範
囲が好ましい。緻密質膜の厚みをこれより厚くすると、
複合材料によって分離できる酸素量が低下する問題を生
じる。また厚みをこの範囲を外れて薄くすると、ガスリ
ークのない緻密質膜を形成するのが困難になると共に、
膜の強度が低下して壊れやすくなり、複合材料を酸素分
離に使用している最中に気体の選択性が低下するなどの
問題を生じる。
The thickness of the dense continuous film of the mixed conductor of the film portion formed on the porous body is preferably in the range of 10 μm or more and 1 mm or less. If the thickness of the dense membrane is made thicker than this,
There is a problem that the amount of oxygen that can be separated by the composite material is reduced. If the thickness is reduced outside this range, it becomes difficult to form a dense film without gas leak,
The strength of the membrane is reduced and the membrane is fragile, causing problems such as a decrease in gas selectivity during use of the composite material for oxygen separation.

【0032】緻密質膜を形成する際の最高熱処理温度よ
りも、多孔質体製造時の最高熱処理温度を高く設定する
ことは、本発明のポイントの一つである。具体的には、
多孔質体の製造での最高熱処理温度は、緻密質膜の製造
での最高熱処理温度よりも少なくとも20℃以上、好まし
くは50℃以上、高温である必要がある。また緻密質膜の
密度を十分に高めて気密性を確保するために、膜形成の
最高熱処理温度は膜材料の緻密化温度、即ちその材料の
相対密度を例えば94%以上にするのに必要な焼成温度程
度とする必要がある。
It is one of the points of the present invention to set the maximum heat treatment temperature for producing a porous body higher than the maximum heat treatment temperature for forming a dense film. In particular,
The maximum heat treatment temperature in the production of the porous body needs to be at least 20 ° C. or more, preferably 50 ° C. or more, higher than the maximum heat treatment temperature in the production of the dense film. In addition, in order to sufficiently increase the density of the dense film and secure airtightness, the maximum heat treatment temperature for film formation is required to make the film material densification temperature, that is, the relative density of the material, for example, 94% or more. It is necessary to set it at about the firing temperature.

【0033】本発明の提供する多孔質体と組み合わせ
て、気密で緻密質な連続層を形成するのに適する膜材料
としては、例えば[LaxA(1-x)][Co(1-y)Fey]zO3-α(Aは
Ba、Sr、Caの中から選ばれる1種または複数種類の元素
の組み合わせ、0.7≦x≦1.0、0≦y≦1.0、0.98≦z≦1.0
2、αは電荷中性条件を満たすように決まる値)、ある
いは[Ln1-aAa][CoxFeyBzB'z']O (3-δ) (LnはYまたは
ランタノイド元素から選ばれる1種または2種以上の元
素の組み合わせ、AはBa、Sr、Caの中から選ばれる1種
または2種以上の元素の組み合わせ、BはNb、Taの中か
ら選ばれる1種または2種の元素の組み合わせ、B'はC
u、Ni、Zn、Li、Mgの中から選ばれる1種または2種以
上の元素の組み合わせ、0.8≦a≦1、0≦x、0≦y、0<z≦
0.5、0≦z'≦0.2、0.98≦x+y+z+z'≦1.02、δは電荷中
性条件を満たすように決まる値)などをあげることがで
きる。
As a film material suitable for forming an airtight and dense continuous layer in combination with the porous material provided by the present invention, for example, [La x A (1-x) ] [Co (1-y) ) Fe y ] z O 3-α (A is
Ba, Sr, a combination of one or more elements selected from Ca, 0.7 ≦ x ≦ 1.0, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0.98 ≦ z ≦ 1.0
2, α is a value determined to satisfy the charge neutrality condition), or [Ln 1-a A a ] [Co x Fe y B z B 'z' ] O (3-δ) (Ln is Y or lanthanoid element A is a combination of one or more elements selected from A, A is a combination of one or more elements selected from Ba, Sr, and Ca, B is one or a combination selected from Nb and Ta A combination of two elements, B 'is C
u, Ni, Zn, Li, a combination of one or more elements selected from Mg, 0.8 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ x, 0 ≦ y, 0 <z ≦
0.5, 0 ≦ z ′ ≦ 0.2, 0.98 ≦ x + y + z + z ′ ≦ 1.02, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition).

【0034】膜部にはこの気密で緻密質な膜の他に、膜
の表面、あるいは膜と多孔質体の界面に形成された金属
や酸化物の多孔質の触媒層を含んでも良い。この多孔質
触媒層は、緻密質膜の表面での気相と固相の間の酸素・
酸素イオン交換反応速度を向上させるために有効であ
る。また本発明においては、この複合体の強度を補強す
ることを目的として、多孔質体部と膜部の他に、補強体
を設けても良い。
In addition to the airtight and dense film, the film portion may include a porous catalyst layer of metal or oxide formed on the surface of the film or at the interface between the film and the porous body. This porous catalyst layer is composed of oxygen and oxygen between the gas phase and the solid phase on the surface of the dense membrane.
It is effective for improving the oxygen ion exchange reaction rate. Further, in the present invention, for the purpose of reinforcing the strength of the composite, a reinforcing body may be provided in addition to the porous body and the membrane.

【0035】本発明による多孔質体の製造は、セラミッ
クス多孔体を製造するために通常用いられる方法が使用
可能である。その方法の一つとして、必要な元素を含む
酸化物を原料とし、これを焼成する方法がある。また原
料として、酸化物の他に塩類、たとえば炭酸塩、硝酸
塩、硫酸塩などの無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩などの
有機酸塩、塩化物、臭化物ヨウ化物などのハロゲン化
物、あるいは水酸化物、オキシハロゲン化物を用い、こ
れらを所定の割合で混合して、焼成する方法がある。ま
た上記塩の内で、水に可溶なものを所定の割合で水に溶
解して蒸発乾燥する方法、あるいはフリーズドライ法や
スプレードライ法によって乾燥した後、焼成する方法、
水に可溶な塩を水に溶解した後、アンモニア水などのア
ルカリ性溶液を添加して、水酸化物の沈殿とし焼成する
共沈法、あるいは原料に金属アルコキシドを用い、これ
を加水分解してゲルを得て、焼成するゾルゲル法なども
適用可能である。
For the production of the porous body according to the present invention, a method usually used for producing a porous ceramic body can be used. As one of the methods, there is a method in which an oxide containing a necessary element is used as a raw material and is fired. As a raw material, in addition to oxides, salts such as inorganic salts such as carbonates, nitrates and sulfates, organic acid salts such as acetates and oxalates, halides such as chloride and bromide iodide, or water There is a method of using an oxide and an oxyhalide, mixing these at a predetermined ratio, and firing. In addition, among the above salts, a method of dissolving in water at a predetermined ratio and dissolving in water at a predetermined ratio and evaporating and drying, or a method of drying by freeze drying or spray drying and then firing,
After dissolving a water-soluble salt in water, an alkaline solution such as aqueous ammonia is added, and a hydroxide is precipitated and calcined, or a coprecipitation method is used. A sol-gel method of obtaining and firing a gel is also applicable.

【0036】多孔質体の焼成は、仮焼と、本焼成(焼
結)の2回に分けるのが一般的である。仮焼温度範囲
は、400〜1000℃の範囲で、数時間から十数時間程度行
うのが通常である。この仮焼粉をそのまま成形して本焼
成を行っても良いし、仮焼粉にポリビニルアルコール
(PVA)などの樹脂を混合して成形、本焼成しても良
い。一方、通常は本焼成の温度が多孔質体製造での最高
熱処理温度となるが、本発明の提供する多孔質体の本焼
成温度は700〜1450℃、好ましくは1000〜1350℃の範囲
である。また本焼成には通常、数時間以上を要する。本
焼成の雰囲気は、一般には大気中で十分であるが、必要
に応じて制御雰囲気下で焼成しても良い。また多孔質体
の成形の手段としては、通常のバルクセラミックスの製
造と同様に仮焼粉や混合粉をダイスに詰めて、加圧、成
型してもよいし、泥漿鋳込み法や、押し出し成型法など
を用いても良い。
The sintering of the porous body is generally divided into two steps: calcination and main sintering (sintering). The calcination temperature is usually in the range of 400 to 1000 ° C. for several hours to several tens of hours. The calcined powder may be molded as it is, and the main baking may be performed. Alternatively, the calcined powder may be mixed with a resin such as polyvinyl alcohol (PVA), and then molded and calcined. On the other hand, the temperature of the main firing is usually the highest heat treatment temperature in the production of the porous body, but the main firing temperature of the porous body provided by the present invention is 700 to 1450 ° C, preferably 1000 to 1350 ° C. . Further, the firing usually requires several hours or more. The atmosphere for the main firing is generally sufficient in the air, but may be fired in a controlled atmosphere if necessary. As a method of forming the porous body, calcined powder or mixed powder may be packed in a die and pressed and molded in the same manner as in the production of ordinary bulk ceramics. Or the like may be used.

【0037】一方、緻密質連続膜は、セラミックス膜を
製造するために通常用いられる方法により作製できる。
真空蒸着法などのPVDや CVDといった、いわゆる薄膜形
成手法によって成膜しても良いが、より経済的には、多
孔質体の上にスラリー状にした原料粉や仮焼粉を塗布
し、焼成する方法が好ましい。この緻密質膜焼成の温度
が、通常は膜製造での最高熱処理温度となるが、これは
膜がガスリークを起こさないように緻密化すると共に、
この焼成過程で多孔質体の気孔率が大きく低下すること
のない条件を選択する必要がある。このため緻密質膜の
焼成温度は、膜を構成する材料の緻密化温度程度が望ま
しく、なおかつ多孔質体部の最高熱処理温度よりも20℃
以上、より好ましくは50℃以上低い温度とする必要があ
る。この緻密質膜の焼成には、通常で数時間を要する。
On the other hand, the dense continuous film can be produced by a method usually used for producing a ceramic film.
The film may be formed by a so-called thin film formation method such as PVD or CVD such as a vacuum evaporation method, but more economically, a raw material powder or a calcined powder in a slurry state is applied on a porous body and fired. Is preferred. The temperature of this dense film firing is usually the maximum heat treatment temperature in film production, but this is to densify the film so that gas leak does not occur,
It is necessary to select conditions under which the porosity of the porous body does not significantly decrease during the firing process. Therefore, the firing temperature of the dense film is desirably about the densification temperature of the material constituting the film, and is 20 ° C. higher than the maximum heat treatment temperature of the porous body.
As described above, it is more preferable that the temperature be lower by 50 ° C. or more. It usually takes several hours to fire this dense film.

【0038】上記のプロセスで形成した複合材料によっ
て、酸素を含有する混合気体から酸素の選択的透過・分
離を行うためには、複合材料の両面の酸素ポテンシャル
が異なるようにすればよい。たとえば大気から酸素を分
離するためには、原料大気側を加圧するか、酸素の取り
出し側を減圧してやればよい。この酸素分離の操業温度
は、500〜1000℃、好ましくは650〜950℃の範囲であ
る。
In order to selectively permeate and separate oxygen from the oxygen-containing gas mixture by the composite material formed by the above process, the oxygen potential on both surfaces of the composite material may be made different. For example, in order to separate oxygen from the atmosphere, it is only necessary to pressurize the raw material air side or reduce the pressure on the oxygen extraction side. The operating temperature of this oxygen separation is in the range of 500-1000C, preferably 650-950C.

【0039】このように、本発明の多孔質体と複合材料
は、純酸素、あるいは酸素富化空気の製造装置などに応
用できる。またさらに、酸素分離以外の用途、特に酸化
反応が関与する化学反応装置にも利用できる。たとえ
ば、メタンより一酸化炭素と水素からなる合成ガスを製
造するメタンの部分酸化反応の反応装置に利用する。従
来は、メタンと酸素の混合ガスを出発原料として触媒反
応によって合成ガスを得る反応装置が用いられてきた。
本発明の混合伝導性セラミックスを用いる反応装置で
は、たとえば、空気(ないし酸素を含む混合ガス)とメ
タンを混合伝導性セラミックスで隔てて別々に流し、メ
タンを流している側のセラミックス表面にRhなどの合成
ガス製造用触媒を配置する。セラミックスを加熱するこ
とで酸素のみが酸素分離と同様の原理で透過し、続いて
メタン側のセラミックス表面でメタンと反応して合成ガ
スを生成する。したがって、従来の方法の様に酸素を前
もって製造する必要が無いし、原料ガスが混入しないの
で効率良く合成ガスが得られると共に、連続して反応が
起こり製造装置が単純になるなどの大きな効果がある。
またメタンの部分酸化以外にも、オレフィン形成のため
の炭化水素の部分酸化、エタンの部分酸化、芳香族化合
物の置換など、酸化反応が関与するあらゆる反応装置に
利用できる。
As described above, the porous body and the composite material of the present invention can be applied to an apparatus for producing pure oxygen or oxygen-enriched air. Further, the present invention can be used for applications other than oxygen separation, particularly for a chemical reaction device involving an oxidation reaction. For example, it is used for a reactor for a partial oxidation reaction of methane, which produces a synthesis gas composed of carbon monoxide and hydrogen from methane. Conventionally, a reaction apparatus for obtaining a synthesis gas by a catalytic reaction using a mixed gas of methane and oxygen as a starting material has been used.
In the reactor using the mixed conductive ceramics of the present invention, for example, air (or a mixed gas containing oxygen) and methane are separately flowed through the mixed conductive ceramics, and Rh or the like is applied to the ceramic surface on the side where the methane is flowing. Is disposed. By heating the ceramic, only oxygen permeates according to the same principle as oxygen separation, and subsequently reacts with methane on the ceramic surface on the methane side to generate synthesis gas. Therefore, unlike the conventional method, there is no need to produce oxygen in advance, and since the raw material gas is not mixed, a synthesis gas can be obtained efficiently, and a large effect such as a continuous reaction and a simplified production apparatus can be obtained. is there.
In addition to the partial oxidation of methane, the present invention can be used in any reaction apparatus involving an oxidation reaction, such as partial oxidation of hydrocarbons to form olefins, partial oxidation of ethane, and substitution of aromatic compounds.

【0040】[0040]

【実施例】以下に本発明の実施例を説明するが、これは
あくまで例示の目的のためのものであり、本発明の請求
範囲は、この内容に限定されるものではない。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below, but they are for the purpose of illustration only, and the scope of the present invention is not limited to these contents.

【0041】(実施例1)本実施例は、発明の提供する
多孔質体の特性が成膜後でも劣化しないことを確認する
ため、多孔質体を作製した後、緻密質膜を形成するとき
と同様の温度で更に熱処理し、処理前後の気孔率を比較
した。試料の原料としてはCaCO3, SrCO3,BaCO3, Fe2O3,
Co3O4を用い、それぞれ所要量を秤量した後、イソプロ
ピルアルコールを分散媒として、ジルコニアボールと共
に24時間ボールミル混合を行った。得られたスラリーを
乾燥、解砕し、MgO製の角さやに詰め、大気中で850℃12
時間仮焼を行った。得られた仮焼粉に30wt%のPVAを添加
し、ボールミルにて2時間、混合・粉砕を行った。得ら
れた混合粉を12mmφのダイスに詰めて錠剤状に一軸成形
し、さらに氷嚢に詰めて、CIP成形を行った。得られた
成形体をMgO製の角さや内にて、450℃で5時間脱脂を
し、さらに各焼成温度で5時間焼成を行った。得られた
焼結体から厚さ1mmの円盤状の多孔質体を切り出し、気
孔率を測定した。さらにこの基板に対し1200℃5時間の
熱処理を行い、再び気孔率を評価した。この熱処理は緻
密質膜の形成とほぼ同条件であり、薄膜の形成プロセス
での多孔質体の変化を確認することができる。
(Example 1) In this example, in order to confirm that the characteristics of the porous body provided by the present invention do not deteriorate even after film formation, a porous body was manufactured and then a dense film was formed. Further heat treatment was carried out at the same temperature as in Example 1 and the porosity before and after the treatment was compared. The raw materials for the sample were CaCO 3 , SrCO 3 , BaCO 3 , Fe 2 O 3 ,
After weighing each required amount using Co 3 O 4 , ball mill mixing was performed for 24 hours together with zirconia balls using isopropyl alcohol as a dispersion medium. The obtained slurry is dried and crushed, packed in MgO square pods, and 850 ° C.
Time calcination was performed. 30% by weight of PVA was added to the obtained calcined powder, and mixed and pulverized in a ball mill for 2 hours. The obtained mixed powder was packed in a 12 mmφ die, uniaxially formed into a tablet shape, and further packed in an ice bag to perform CIP molding. The obtained molded body was degreased at 450 ° C. for 5 hours in a square pod made of MgO, and further fired at each firing temperature for 5 hours. A disk-shaped porous body having a thickness of 1 mm was cut out from the obtained sintered body, and the porosity was measured. Further, the substrate was subjected to a heat treatment at 1200 ° C. for 5 hours, and the porosity was evaluated again. This heat treatment is performed under substantially the same conditions as the formation of the dense film, and changes in the porous body during the thin film formation process can be confirmed.

【0042】試料の組成、多孔質体を作製した際の焼成
温度、焼成後と熱処理後の気孔率をそれぞれ表1に示し
た。焼成後と熱処理後で、気孔率が共に20%よりも大き
い値とならないものは、多孔質体としては不適当である
と判断されるが、本発明の範囲内の材料はこの条件をク
リアーしていることが確認された。
Table 1 shows the composition of the sample, the firing temperature when the porous body was prepared, and the porosity after firing and after the heat treatment. A material having a porosity of less than 20% after firing and heat treatment is considered to be unsuitable as a porous body, but materials within the scope of the present invention satisfy this condition. It was confirmed that.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】(実施例2)本実施例では、実際に複合材
料を作製し、その特性確認を行った。まず実施例1と同
様の方法により、厚さ1mmの円盤状多孔質体を作製し
た。一方、実施例1と同様の方法(Laの原料としてはLa
2O3を使用)で仮焼粉を作成し、これを溶媒に分散させ
てスラリーとし、上記多孔質体の片面に塗布・乾燥し、
大気中にて5時間の焼成を行った。この塗布と焼き付け
の工程を3回繰り返して緻密質の混合伝導性セラミック
ス薄膜を形成し、複合材料を得た。形成された薄膜の厚
さは、薄膜が理論密度まで緻密化していると仮定して、
薄膜形成前後での試料の重量変化、試料形状より求めた
薄膜面積、さらに理論密度によって計算で求めた。また
複合材料のいくつかについては、薄膜部分を除去して膜
部形成後の多孔質体の気孔率を評価し、本発明の範囲内
の複合材料では、多孔質体の気孔率はいずれも20%以
上80%以下の範囲内に保たれていることを確認した。
Example 2 In this example, a composite material was actually manufactured and its characteristics were confirmed. First, a disc-shaped porous body having a thickness of 1 mm was produced in the same manner as in Example 1. On the other hand, the same method as in Example 1 (La
2 O 3 ) to prepare a calcined powder, disperse this in a solvent to form a slurry, apply and dry on one side of the porous body,
The firing was performed in the atmosphere for 5 hours. This coating and baking process was repeated three times to form a dense mixed conductive ceramics thin film, thereby obtaining a composite material. The thickness of the formed thin film, assuming that the thin film is dense to theoretical density,
The change in weight of the sample before and after the formation of the thin film, the area of the thin film obtained from the sample shape, and the theoretical density were calculated. For some of the composite materials, the porosity of the porous body after the formation of the film portion was evaluated by removing the thin film portion. In the case of the composite materials within the scope of the present invention, the porosity of each of the porous bodies was 20%. % Was maintained in the range of 80% or less.

【0045】得られた複合材料の酸素透過速度を評価す
るために、試料をAl2O3管の先端に接着して、外側は空
気にさらし、内側を減圧した。減圧側の酸素分圧を測定
し、試料を通じての酸素透過がない場合の分圧値との差
を元に、酸素透過速度を求めた。試料温度は750℃とし
た。測定値は、単位表面積当たり、一分間当たりの透過
酸素の、標準状態での体積で表示してあり、単位はcc/c
m2・minである。試料を通してのガスのリークの有無
は、外側を空気とヘリウムの混合ガスに変え、ヘリウム
リークディテクターを用いて調べた。その結果、本発明
の実施例として示した複合材料にガスリークは認められ
ず、多孔質体上に形成した膜は気密であることを確認し
た。
In order to evaluate the oxygen permeation rate of the obtained composite material, the sample was adhered to the tip of an Al 2 O 3 tube, the outside was exposed to air, and the inside was depressurized. The oxygen partial pressure on the reduced pressure side was measured, and the oxygen permeation rate was determined based on the difference from the partial pressure value when there was no oxygen permeation through the sample. The sample temperature was 750 ° C. The measured value is expressed as the volume of permeated oxygen per unit surface area per minute in the standard state, and the unit is cc / c.
m 2 · min. The presence or absence of gas leakage through the sample was examined using a helium leak detector, changing the outside to a mixed gas of air and helium. As a result, no gas leak was observed in the composite material shown as an example of the present invention, and it was confirmed that the film formed on the porous body was airtight.

【0046】多孔質体と緻密質薄膜の組成、多孔質体と
薄膜の焼成温度、薄膜の厚さ、および酸素透過速度の測
定値を表2に示す。これらの試験の結果、本発明の範囲
内の複合材料は、優れた酸素透過特性を示すことが確認
された。
Table 2 shows the compositions of the porous body and the dense thin film, the firing temperature of the porous body and the thin film, the thickness of the thin film, and the measured values of the oxygen transmission rate. As a result of these tests, it was confirmed that the composite materials within the scope of the present invention exhibited excellent oxygen permeation characteristics.

【0047】[0047]

【表2】 [Table 2]

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明によれば、酸化物イオン混合伝導
体による酸素の選択透過・分離プロセス、あるいは炭化
水素の部分酸化用隔膜リアクターなどの技術分野おい
て、優れた酸素透過特性を発揮すると同時に製造も容易
な、イオン混合伝導体の緻密質連続膜と多孔質体の複合
材料を得ることができる。本発明の提供する技術は、空
気からの酸素分離装置、あるいは隔膜リアクターの、高
性能化と低コスト化を達成することができる。
According to the present invention, excellent oxygen permeation characteristics can be exhibited in a technical field such as a selective permeation / separation process of oxygen using a mixed oxide ion conductor or a membrane reactor for partial oxidation of hydrocarbons. At the same time, it is possible to obtain a composite material of a dense continuous film of a mixed ion conductor and a porous material, which is easy to produce. The technology provided by the present invention can achieve high performance and low cost of an oxygen separation device from air or a membrane reactor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C01G 49/00 C01G 49/00 C C04B 35/495 C04B 41/85 C 35/64 35/00 J 41/85 35/64 C (72)発明者 伊藤 渉 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 佐近 正 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Fターム(参考) 4D006 GA41 MB04 MB15 MB16 MC03X NA46 NA63 PB17 PB62 PB68 4G002 AA08 AB01 AE05 4G019 FA11 GA02 GA04 4G030 AA08 AA09 AA10 AA27 BA02 BA03 CA09 GA27 GA33 GA35──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C01G 49/00 C01G 49/00 C C04B 35/495 C04B 41/85 C 35/64 35/00 J 41 / 85 35/64 C (72) Inventor Wataru Ito 20-1 Shintomi, Futtsu City Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Tadashi Sachika 20-1 Shintomi Futtsu City Nippon Steel Corporation Technology F term in the Development Division (reference) 4D006 GA41 MB04 MB15 MB16 MC03X NA46 NA63 PB17 PB62 PB68 4G002 AA08 AB01 AE05 4G019 FA11 GA02 GA04 4G030 AA08 AA09 AA10 AA27 BA02 BA03 CA09 GA27 GA33 GA35

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】式 AFex(3-δ) (但し、0.98≦x≦1.02、AはBa、Sr、C
aの中から選ばれた1種又は複数種類の元素の組み合わ
せ、δは電荷中性条件を満たすように決まる値)で表さ
れる混合伝導性酸化物を含んで成ることを特徴とする多
孔質体。
1. The formula AFe x O (3-δ) (where 0.98 ≦ x ≦ 1.02, where A is Ba, Sr, C
a combination of one or more elements selected from a, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition). body.
【請求項2】 混合伝導性多孔質酸化物を有して成る多
孔質体部と、前記多孔質体部上に形成された混合伝導性
酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成されて
おり、 前記多孔質体部が式 AFex(3-δ) (但し、0.98≦x≦1.02、AはBa、Sr、C
aの中から選ばれた1種又は複数種類の元素の組み合わ
せ、δは電荷中性条件を満たすように決まる値)で表さ
れる混合伝導性酸化物を含んで成る多孔質体で構成され
ていることを特徴とする複合材料。
2. A method according to claim 1, wherein the porous body has a mixed conductive porous oxide, and the film includes an airtight and dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body. Wherein the porous body portion has the formula AFe x O (3-δ) (where 0.98 ≦ x ≦ 1.02, where A is Ba, Sr, C
a is a combination of one or more elements selected from a, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition). A composite material.
【請求項3】 混合伝導性多孔質酸化物を有して成る多
孔質体部と、 前記多孔質体部上に形成された混合伝導性酸化物の気密
な緻密質連続層とを含む膜部から構成され、 前記多孔質体部の最高熱処理温度が、前記緻密質連続層
の最高熱処理温度よりも高温であることを特徴とする複
合材料。
3. A film portion comprising: a porous body portion having a mixed conductive porous oxide; and an airtight dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body portion. Wherein the maximum heat treatment temperature of the porous body is higher than the maximum heat treatment temperature of the dense continuous layer.
【請求項4】 混合伝導性多孔質酸化物を有して成る多
孔質体部と、 前記多孔質体部の上に形成された混合伝導性酸化物の気
密な緻密質連続層を含む膜部から構成され、 前記多孔質体部が式 AFex(3-δ) (但し、0.98≦x≦1.02、AはBa、Sr、C
aの中から選ばれた1種又は複数種類の元素の組み合わ
せ、δは電荷中性条件を満たすように決まる値)で表さ
れる混合伝導性酸化物を含んで成る多孔質体で構成され
ており、且つ前記多孔質体部の最高熱処理温度が、前記
緻密質連続層の最高熱処理温度よりも高温であることを
特徴とする複合材料。
4. A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight and dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body portion. Wherein the porous body portion has the formula AFe x O (3-δ) (where 0.98 ≦ x ≦ 1.02, A is Ba, Sr, C
a is a combination of one or more elements selected from a, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition). And a maximum heat treatment temperature of the porous body portion is higher than a maximum heat treatment temperature of the dense continuous layer.
【請求項5】 前記緻密質連続層が、前記多孔質体部と
は異なる組成の混合伝導性酸化物材料で構成されている
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の複合材料。
5. The composite material according to claim 3, wherein the dense continuous layer is made of a mixed conductive oxide material having a composition different from that of the porous body portion.
【請求項6】 混合伝導性多孔質酸化物を有して成る多
孔質体部と、前記多孔質体部上に形成された混合伝導性
酸化物の気密な緻密質連続層を含む膜部から構成されて
おり、 前記多孔質体部が式 AFex(3-δ) (但し、0.98≦x≦1.02、AはBa、Sr、C
aの中から選ばれた1種又は複数種類の元素の組み合わ
せ、δは電荷中性条件を満たすように決まる値)で表さ
れる混合伝導性酸化物を含んで成る多孔質体で構成され
ている複合材料の製造方法であって、 前記多孔質体部を1200℃以上1400℃以下の範囲
の最高熱処理温度で熱処理し、前記緻密質連続層を前記
多孔質体部の最高熱処理温度よりも20℃以上低い最高
熱処理温度で熱処理することを特徴とする複合材料の製
造方法。
6. A porous body portion having a mixed conductive porous oxide, and a film portion including an airtight and dense continuous layer of the mixed conductive oxide formed on the porous body portion. Wherein the porous body portion has the formula AFe x O (3-δ) (where 0.98 ≦ x ≦ 1.02, where A is Ba, Sr, C
a is a combination of one or more elements selected from a, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition). A method for producing a composite material, wherein the porous body portion is heat-treated at a maximum heat treatment temperature in a range of 1200 ° C. to 1400 ° C., and the dense continuous layer is heated at a temperature higher than the maximum heat treatment temperature of the porous body portion by 20 ° C. A method for producing a composite material, wherein the heat treatment is performed at a maximum heat treatment temperature lower by at least ℃.
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