JP2003071258A - 多孔質基板 - Google Patents

多孔質基板

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JP2003071258A
JP2003071258A JP2001269301A JP2001269301A JP2003071258A JP 2003071258 A JP2003071258 A JP 2003071258A JP 2001269301 A JP2001269301 A JP 2001269301A JP 2001269301 A JP2001269301 A JP 2001269301A JP 2003071258 A JP2003071258 A JP 2003071258A
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JP
Japan
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porous substrate
porous
particles
separation membrane
film
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JP2001269301A
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English (en)
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Yukifumi Imaizumi
幸文 今泉
Kenji Suzuki
健司 鈴木
Hideo Uemoto
英雄 上本
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Coorstek KK
Original Assignee
Toshiba Ceramics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】膜厚が薄くともピンホール等のない膜部が形成
できる気体分離膜用の多孔質基板を提供するものであ
る。 【解決手段】混合ガスから特定のガスを選択的に透過さ
せる気体分離膜に用いられる膜部を支持する多孔質基板
であって、この多孔質基板は多孔質セラミックスあるい
は多孔質ガラスからなり、その表面粗さがRaで膜部の
厚さの値の1/10以下であることを特徴とする多孔質
基板である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は多孔質基板に係わ
り、特に気体分離膜に用いられる膜部を支持する多孔質
基板に関する。
【0002】
【従来の技術】水素混合ガスから高純度の水素ガスを分
離し回収する手段として、水素を選択的に透過させるP
d系金属膜を使用する方法が既に実用化されている。P
d及びその合金膜が示す水素選択透過現象は、水素混合
ガス中の水素分子がPd膜に吸着されて原子状態にな
り、さらに、イオン化し膜の反対側に拡散して再結合
し、再び水素分子になるために起こるとされている。水
素の透過量は次式(1)に示されるように膜厚tに反比
例するためPd系膜の膜厚tが薄くなれば水素の透過量
Qを大きくすることができる。
【0003】
【数1】 ここで、A、Bは定数、△Pは圧力差、Tは絶対温度、
Rはガス定数である。
【0004】このように膜厚を薄くすることは、水素透
過量を大きくするのに有効であるだけでなく、高価なP
d材料を減らすことからも好ましい。しかしながら、P
d等の金属膜を単独で薄くするには、その強度の関係か
ら限界があり、そのためにこれまでにPd系金属膜を保
持するための次のような様々な多孔質基板が検討されて
きた。金属製の多孔質基板で基板材料からPd膜への金
属拡散を防止するために表面層を酸化させたもの、柱状
構造膜を中間層として取り入れたもの(特開平10−2
97906号)、多孔質基板の平均細孔径と水素分離膜
の厚みを最適化したもの(特開2000−317282
号)、複数の水素流通孔を有する金属補強板を重ねた金
属多孔質支持体に関するもの(特開平9−255306
号)等の検討がされたが、いずれも十分な効果が得られ
なかった。
【0005】また、シリカやゼオライトからなるCO
分離膜についても同様に膜の厚みを薄くすることによっ
て気体の透過量が多くなる。
【0006】また、水素分離膜やCO分離膜等の気体
分離膜は、分離機構が異なっていても、気体の透過量は
ほとんどその膜厚に依存する。それ故、膜厚をできるだ
け薄くすることが望まれており、従来の多孔質基板で
は、基板となる多孔体の細孔径を制御しているが、その
粗さを十分に制御できないため、この基板に表面粗さ
(凹凸)が存在し、膜厚が数μm以下ではピンホール等
のない膜部を形成することは不可能であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで、膜厚が薄くと
もピンホール等のない膜部が形成できる気体分離膜用の
多孔質基板が要望されていた。本発明は上述した事情を
考慮してなされたもので、膜厚が薄くともピンホール等
のない膜部が形成できる気体分離膜用の多孔質基板を提
供することを目的とする。
【0008】本発明者らは上記課題に鑑み、膜厚と多孔
質基板の関係について基板の孔径のみではなく、基板の
表面粗さについても鋭意検討し、基板の孔径と表面粗さ
をコントロールすることで薄くてもピンホール等のない
無欠陥の膜部ができることを見出した。本発明はかかる
知見に基づくものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の1つの態様によれば、混合ガスから特定の
ガスを選択的に透過させる気体分離膜に用いられる膜部
を支持する多孔質基板であって、この多孔質基板は多孔
質セラミックスあるいは多孔質ガラスからなり、その表
面粗さがRaで前記膜部の厚さの値の1/10以下であ
ることを特徴とする多孔質基板が提供される。これによ
り、気体分離膜の膜部を薄くしてもピンホール等のない
気体分離膜を製造できる。
【0010】好適な一例では、上記多孔質基板は、その
表面を構成する粒子が球状の均一粒子からなり、その平
均粒子径が0.5μm以下の単一粒子で構成され、か
つ、前記表面が研磨された状態である。また、他の好適
な一例では、上記多孔質基板は、数μm以下の表面構成
粒子の粒間を、その粒間より小さい球状粒子で埋めた複
合球状粒子で構成された表面を有する。これにより、表
面粗さがRaで膜部の厚さの値の1/10以下である多
孔質板を製造できる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明に係わる多孔質基板の一実
施の形態について図面を参照し水素分離膜に用いた例で
説明する。
【0012】図1は本発明に係わる多孔質基板を用いた
水素分離膜の概念図である。
【0013】図1に示すように、気体分離膜、例えば、
水素分離膜1は、本発明に係わる多孔質基板2と、この
多孔質基板2の表面2cに形成された膜部、例えば、水
素透過性の膜部3とからなっている。
【0014】上記多孔質基板2は、多孔質セラミックス
または多孔質ガラス、例えば、アルミナからなり、基部
層2aと、この基部層2a上に形成された第1層2bか
らなっている。
【0015】基部層2aは、例えば、♯60以下のアル
ミナ造粒粉を焼成して形成される平均粒径が約20μm
の球状均一アルミナ粒子で形成され、多数に気孔を有し
平板状をなしている。
【0016】また、第1層2bは、例えば、平均粒径が
約0.5μm以下の球状アルミナで形成され、多数の気
孔を有している。この平均粒径が0.5μmを超える
と、平坦な表面を得ることができず、表面に薄く蒸着さ
れた膜部にはピンホールが生じるため、膜部を薄くする
ことができない。
【0017】さらに、第1層2bの表面2cは、表面粗
さが、Raで膜部3の厚さの値の1/10以下、例え
ば、約0.5μmになっている。この厚さの値の1/1
0を超えると、表面に薄く蒸着された膜部にはピンホー
ルが生じるため、膜部を薄くすることができない。
【0018】上記膜部3は、例えば、厚さが約5μmの
Pd膜からなり、第1層2bの表面2cに蒸着されてい
る。
【0019】次に本発明に係わる多孔質基板の製造方法
について、図3に示す製造フロー図に従って説明する。
【0020】所定平均粒径の球状アルミナをPVA(ポ
リビニルアルコール)で造粒し、♯60以下の造粒粉を
製造する(ST1)。
【0021】この造粒粉を金型プレスで成形し、例え
ば、平板形状の成形体を製造する(ST2)。
【0022】この成形体を所定の温度、時間、例えば、
1300℃で2時間焼成し、基部層を製造する(ST
3)。
【0023】得られた焼成体(基部層)の表面に上記同
様の所定平均粒径の球状アルミナを所定重量比含むPV
Aの分散スラリを塗布する(ST4)。
【0024】分散スラリに分散されたアルミナ粒子は、
基部層の造粒粉間の凹部に流れ込み、基部層の表面に存
在する凹部は全て塞がれる状態になる。
【0025】この分散スラリが塗布された焼成体を所定
の温度、時間、例えば、1200℃で2時間焼成し、基
部層上に第1層を形成する(ST5)。
【0026】第1層の表面に存在するアルミナ粒子は、
ST3の成形体の焼成温度より100℃ほど低い温度で
焼成されているため、結合力が弱い。
【0027】この第1層の表面を研磨布等により研磨す
る(削り落とす)(ST6)。
【0028】ST5で第1層の表面に焼結されたアルミ
ナ粒子は、その結合力が弱いため、研磨によって表面は
平坦に研磨される。
【0029】さらに、研磨後の焼成体を所定の温度、時
間、例えば、1300℃で2時間焼成する(ST7)。
【0030】このような製造工程を経て、表面が球状の
均一粒子で形成され表面粗さがRaで膜部の厚さの値の
1/10以下である多孔質板を製造することができる。
【0031】次に他の実施形態について説明する。
【0032】図2は本発明に係わる他の実施形態の多孔
質基板を用いた水素分離膜の概念図である。
【0033】図2に示すように、水素気体分離膜11
は、本実施形態の多孔質基板12と、この多孔質基板1
2の表面12cに形成された水素透過性の膜部13とか
らなっている。
【0034】上記多孔質基板12は、アルミナからな
り、基部層12aと、この基部層12a上に形成された
第1層12bと、この第1層12b上に形成された第2
層12dとからなっている。
【0035】基部層12aは、上述した実施形態の基部
層と同様の構造をなしている。
【0036】第1層12bは、その表面が上述した実施
形態のST5で焼成さてたと同じ状態(ST6の研磨工
程前の状態)にあり、平均粒径が約0.5μm以下の球
状アルミナで形成されているが、表面粗さがRaで膜部
13の厚さの値の1/10以下、例えば、約0.5μm
にはなっていない。
【0037】また、第2層12dは、平均粒径が0.0
1μm程度のアルミナ微細粒子からなっており、基部層
12aの表面の粒子間の凹部を塞ぐように形成され、表
面12cは複合球状粒子で構成されている。この複合球
状粒子構成により、表面12dの表面粗さがRaで膜部
13の厚さの値の1/10以下、例えば、約0.5μm
になっている。
【0038】さらに、本実施形態の多孔質基板の製造方
法について、図4に示す製造工程フロー図に従って説明
する。
【0039】上述した実施形態の製造方法におけるST
1乃至ST5と同様の工程により、基部層上に平均粒径
が約0.5μm以下の球状アルミナからなる第1層で形
成された焼成体が製造される(ST11〜ST15)。
【0040】さらに、この焼成体の第1層の表面に、P
VAに平均粒径が0.01μm程度の微細なアルミナ球
状粒子をスラリ分散させたスラリを、塗布する(ST1
6)。
【0041】スラリが塗布された焼成体を所定の温度、
時間、例えば、1000℃で2時間焼成する(ST1
7)。
【0042】このような製造工程を経て、表面が微細な
球状の均一粒子で形成され表面粗さがRaで膜部の厚さ
の値の1/10以下である多孔質板を製造することがで
きる。
【0043】従って、上述した各実施形態で説明したよ
うに、本発明に係わる多孔質板は、表面粗さがRaで膜
部の厚さの値の1/10以下であり、これを用いれば、
水素気体分離膜の膜部を薄くしてもピンホール等のない
水素気体分離膜を製造することができる。
【0044】なお、上述した各実施形態においては、水
素分離膜に用いた例で説明したが、本発明に係わる多孔
質基板は、CO分離膜その他のガス分離膜用として使
用できる。
【0045】
【実施例】(実施例) 平均粒子径0.5μmの住友化
学社製の球状アルミナ(スミコランダム)をPVAで造
粒し、♯60以下の造粒粉を得た。この造粒粉を金型プ
レスで成形し、外径30mm、厚さ3mmの成形体を作
製した。この成形体大気中1300℃で2時間焼成し多
孔質基板を得た。この多孔質基板の表面は造粒粉より成
形されているため、表面には多数の数μmを越える凹凸
が存在する。この多孔質基板表面に上記の球状アルミナ
を10重量%含む(PVA2重量%)分散スラリーを塗
布する。分散されたアルミナ粒子は造粒粉間の凹部に流
れ込み、多孔質基板表面に存在した凹部は全て塞がれた
状態になる。このまま、大気中1200℃で2時間焼成
する。多孔質基板表面に存在するアルミナ粒子は基板の
焼成温度より100℃ほど低い温度で焼成されているた
め、結合力が弱い。従って、この表面粒子を研磨布等を
用いて削き落とす(研磨する)と、光沢を帯びて表面が
非常に整った高平坦な多孔質基板が得られる。この研磨
作業後、再度1200℃、あるいは1300℃で再焼成
させて多孔質基板を得た。
【0046】上記多孔質基板の表面粗さを原子間力顕微
鏡で測定したところRaは0.13μmであった。
【0047】本基板上にPd膜を真空蒸着し、膜厚5μ
mの水素分離膜を試作したところ、実用膜として十分な
性能を得た。
【0048】(比較例) 平均粒子径0.5μmの住友
化学社製の球状アルミナ(スミコランダム)をPVAで
造粒し、♯60以下の造粒粉を得た。この造粒粉を金型
プレスで成形し、外径30mm、厚み3mmの成形体を
作製した。この成形体を大気中1300℃で2時間焼成
し多孔質基板を得た。上記多孔質基板の平均細孔径を測
定したところ0.2μmであった。本基板上にPd膜を
真空蒸着し、膜厚5μmの水素分離膜を試作したとこ
ろ、ピンホールが発生し、実用膜としての性能を得られ
なかった。
【0049】
【発明の効果】本発明に係わる多孔質基板によれば、膜
厚が薄くともピンホール等のない膜部が形成できる気体
分離膜用の多孔質基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる多孔質基板を水素分離膜に用い
た実施形態を示す概念図。
【図2】本発明に係わる多孔質基板を水素分離膜に用い
た他の実施形態を示す概念図。
【図3】本発明に係わる多孔質基板の実施形態の製造フ
ロー図。
【図4】本発明に係わる多孔質基板の他の実施形態の製
造フロー図。
【符号の説明】
1 水素気体分離膜 2 多孔質基板 2a 基部層 2b 第1層 2c 表面 3 水素透過性膜 11 水素気体分離膜 12 多孔質基板 12a 基部層 12b 第1層 12c 表面 12d 第2層 13 水素透過性膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上本 英雄 神奈川県秦野市曽屋30番地 東芝セラミッ クス株式会社開発研究所内 Fターム(参考) 4D006 GA41 MA03 MA09 MC02X MC03X MC04X NA31 NA39 NA45 NA46 PA01 PB18 PB66 4G019 FA11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 混合ガスから特定のガスを選択的に透過
    させる気体分離膜に用いられる膜部を支持する多孔質基
    板であって、この多孔質基板は多孔質セラミックスある
    いは多孔質ガラスからなり、その表面粗さがRaで前記
    膜部の厚さの値の1/10以下であることを特徴とする
    多孔質基板。
  2. 【請求項2】 上記多孔質基板は、その表面を構成する
    粒子が球状の均一粒子からなり、その平均粒子径が0.
    5μm以下の単一粒子で構成され、かつ、前記表面が研
    磨された状態であることを特徴とする請求項1に記載の
    多孔質基板。
  3. 【請求項3】 上記多孔質基板は、数μm以下の表面構
    成粒子の粒間を、その粒間より小さい球状粒子で埋めた
    複合球状粒子で構成された表面を有することを特徴とす
    る請求項1に記載の多孔質基板。
JP2001269301A 2001-09-05 2001-09-05 多孔質基板 Pending JP2003071258A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005087356A1 (ja) * 2004-03-17 2005-09-22 Bussan Nanotech Research Institute, Inc. 分離膜
JP2006239679A (ja) * 2005-02-04 2006-09-14 Ngk Insulators Ltd 水素分離体及びその製造方法
JP2009125632A (ja) * 2007-11-21 2009-06-11 Ngk Insulators Ltd ガス分離体及びその製造方法
ES2326573A1 (es) * 2006-11-24 2009-10-14 Ortronic Technology, S.L. Sistema de climatizacion de edificios.
WO2010096988A1 (zh) * 2009-02-26 2010-09-02 南京工业大学 一种制备负载型钯或钯合金膜的方法

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