JP2005305342A - Preparation method for alumina separation membrane - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a preparation method for an alumina separation membrane which comprises α-alumina having micropores with an average pore diameter of 50 nm or less or has a main skeletal structure consisting of α-alumina. <P>SOLUTION: The alumina separation membrane comprises 80-99% aluminum component derived from α-alumina fine particles and 1-20% aluminum component derived from an α-alumina precursor substance (e.g. γ-alumina) and is prepared by preparing an unbaked substance containing the α-alumina fine particles with an average particle size of 10-200 nm and the α-alumina precursor substance and baking the unbaked substance at 900-1,200°C. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微細孔を有するセラミック多孔質体からなる分離膜の製造方法に関するものである。より詳細には、本発明は、限外濾過、精密濾過、ガス分離、触媒担体などに好適のアルミナ分離膜、好ましくは、耐熱性、耐食性などに優れたα‐アルミナ分離膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a separation membrane comprising a ceramic porous body having fine pores. More specifically, the present invention relates to a method for producing an alumina separation membrane suitable for ultrafiltration, microfiltration, gas separation, catalyst support, etc., preferably an α-alumina separation membrane having excellent heat resistance, corrosion resistance, etc. It is.

アルミナ(酸化アルミニウム)は、耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性に優れたセラミックスであり、その多孔質体は、フィルタや触媒担体など多用途に使用されている。ここで、アルミナには、α、γ、δ、η、θ型など数種の結晶型が存在し、アルミナの耐熱性、耐食性などの物性はその結晶型に応じて異なっている。これらのアルミナの結晶型の中では、α型が熱的に最も安定な結晶型であり、酸・アルカリに対する耐食性も他の結晶型に比べ優れている。なお、γ型やθ型などのα型以外の結晶型は、α型の中間相であるため、遷移アルミナ、又は中間アルミナと呼ばれている。   Alumina (aluminum oxide) is a ceramic excellent in heat resistance, chemical resistance, and wear resistance, and its porous body is used for various purposes such as filters and catalyst carriers. Here, alumina has several crystal types such as α, γ, δ, η, and θ types, and physical properties such as heat resistance and corrosion resistance of alumina differ depending on the crystal types. Among these crystal types of alumina, the α type is the most thermally stable crystal type, and the corrosion resistance against acid and alkali is superior to other crystal types. Note that crystal types other than α-type, such as γ-type and θ-type, are α-type intermediate phases and are therefore called transition alumina or intermediate alumina.

α‐アルミナからなる分離膜又は多孔質体を作製する方法としては、主に、アルミナ粒子を焼結させる方法(例えば、特許文献1参照)、アルミナスラリー又はアルミナゾルを焼成する方法(例えば、特許文献2参照)などが知られている。   As a method for producing a separation membrane or porous body made of α-alumina, mainly, a method of sintering alumina particles (for example, see Patent Document 1), a method of firing an alumina slurry or an alumina sol (for example, Patent Document) 2) is known.

特許文献1においては、微小のα‐アルミナ粉末を0.01重量%以上〜40重量%以下の範囲で含有する水酸化アルミニウム又は遷移アルミナの成形体を、空気中又は不活性ガス雰囲気中で一次加熱し、ハロゲンガス、又はハロゲン含有ガスの存在下で2次加熱することにより、気孔率が高く(50体積%以上)、細孔径分布が狭いα‐アルミナ多孔質凝集焼結体が得られている。   In Patent Document 1, a molded body of aluminum hydroxide or transition alumina containing fine α-alumina powder in the range of 0.01 wt% to 40 wt% is primary in air or an inert gas atmosphere. By heating and secondary heating in the presence of a halogen gas or a halogen-containing gas, an α-alumina porous coagulated sintered body having a high porosity (50% by volume or more) and a narrow pore size distribution is obtained. Yes.

特許文献2においては、α‐アルミナ等の種結晶を好ましくは0.4質量%〜0.8質量%添加した酸化アルミニウム水和物ゲルを支持体上に成膜し、続いて乾燥、焼成することによって、50nm以下の平均孔径を有するα‐アルミナ分離膜が作製されている。   In Patent Document 2, an aluminum oxide hydrate gel to which a seed crystal such as α-alumina is preferably added in an amount of 0.4 to 0.8% by mass is formed on a support, followed by drying and baking. As a result, an α-alumina separation membrane having an average pore diameter of 50 nm or less has been produced.

特開平11−2470777号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-2470777 米国特許第4968426号明細書US Pat. No. 4,968,426

アルミナ多孔質体を、分離膜として、限外濾過、精密濾過及びガス分離において使用する場合、その膜は、ナノメーター(nm)レベル、好ましくは50nm以下の平均孔径、及び十分な気孔率を有することが要求される。また、アルミナ分離膜の材質は、上述のように耐熱性、耐食性の観点から、α‐アルミナであることが望ましい。例えば、遷移アルミナの一形態であるγ‐アルミナは、アルミナ多孔質体の材質として一般に使用されているが、α‐アルミナに比べ、耐アルカリ性、耐水蒸気性などが低いという問題を有している。また、γ‐アルミナは、600℃以上の高温領域においては、θ‐アルミナ、α‐アルミナなどへ転移するため、耐熱性にも問題を有している。したがって、α‐アルミナからなり、かつ平均孔径50nm以下の細孔を有するアルミナ分離膜が望まれるが、その作製方法には多くの問題を有している。   When an alumina porous body is used as a separation membrane in ultrafiltration, microfiltration and gas separation, the membrane has a nanometer (nm) level, preferably an average pore size of 50 nm or less, and sufficient porosity. Is required. The material of the alumina separation membrane is preferably α-alumina from the viewpoint of heat resistance and corrosion resistance as described above. For example, γ-alumina, which is one form of transition alumina, is generally used as a material for porous alumina, but has problems such as low alkali resistance and water vapor resistance compared to α-alumina. . Further, γ-alumina has a problem in heat resistance because it transitions to θ-alumina, α-alumina, etc. in a high temperature region of 600 ° C. or higher. Therefore, an alumina separation membrane made of α-alumina and having pores with an average pore diameter of 50 nm or less is desired, but its production method has many problems.

α‐アルミナ分離膜を作製する方法として、例えば、α‐アルミナ粒子のみを焼結させる場合、分離膜の孔径は原料であるα‐アルミナ粒子の粒径に依存することになるが、平均孔径が50nm以下の分離膜が得られるほど粒径が小さいα‐アルミナ粒子が得られていないため、α‐アルミナ粒子の焼結方法では、限外濾過等に使用可能な50nm以下の平均孔径を有する分離膜を得ることはできない。また、α‐アルミナ粒子を焼結させるためには、焼成温度を高温(1200℃<〜1500℃)にする必要があり、加熱処理装置の耐熱性及びコストにも問題が生ずる。   As a method for producing an α-alumina separation membrane, for example, when only α-alumina particles are sintered, the pore size of the separation membrane depends on the particle size of the raw α-alumina particles, but the average pore size is Since α-alumina particles having a particle size that is small enough to obtain a separation membrane of 50 nm or less are not obtained, the α-alumina particle sintering method has an average pore size of 50 nm or less that can be used for ultrafiltration and the like. A film cannot be obtained. Further, in order to sinter the α-alumina particles, it is necessary to set the firing temperature to a high temperature (1200 ° C. <˜1500 ° C.), which causes problems in heat resistance and cost of the heat treatment apparatus.

また、特許文献1の方法によれば、気孔率が高いα‐アルミナ多孔質凝集焼結体が得られているが、平均孔径が50nm以下の焼結体は得られていない。また、その製造方法においては、焼成雰囲気が異なる条件下での2段階加熱処理が必要であり、その処理が面倒である。さらに、その加熱処理の一条件においては、腐食性のハロゲンガス又はハロゲン含有ガスを含有する雰囲気下で加熱処理を行うため、その加熱処理装置は、高熱のハロゲンガス等に対する腐食耐性を有する必要があり、またガス漏洩防止策等を施す必要もあり、当然にその設備は高価になる。さらに、製造環境上、ハロゲンガス等の有毒ガスの使用を避けたほうがよいことは言うまでもない。   Further, according to the method of Patent Document 1, an α-alumina porous aggregated sintered body having a high porosity is obtained, but a sintered body having an average pore diameter of 50 nm or less has not been obtained. In addition, the manufacturing method requires two-step heat treatment under different firing atmospheres, which is troublesome. Furthermore, since the heat treatment is performed in an atmosphere containing a corrosive halogen gas or a halogen-containing gas under one condition of the heat treatment, the heat treatment apparatus needs to have corrosion resistance against a high-heat halogen gas or the like. In addition, it is necessary to take measures to prevent gas leakage, and the equipment is naturally expensive. Furthermore, it goes without saying that it is better to avoid the use of toxic gases such as halogen gas in the manufacturing environment.

別の方法として、α‐アルミナ前駆物質を焼成してα‐アルミナ分離膜を作製する方法もあるが、この方法では、α‐アルミナ前駆物質からα‐アルミナへの転移過程において、その格子定数が大幅に変化するため、膜はクラック等の損傷を負いやすい。また、複合膜の形態でしか作製できず、支持体の存在が必須である。   As another method, there is a method of firing an α-alumina precursor to produce an α-alumina separation membrane. In this method, the lattice constant is changed during the transition process from α-alumina precursor to α-alumina. Since the film changes greatly, the film is liable to be damaged such as cracks. Moreover, it can be produced only in the form of a composite membrane, and the presence of a support is essential.

例えば、特許文献2の方法によれば、50nm以下の平均孔径を有するα‐アルミナ分離膜が得られている。しかしながら、主原料としてベーマイト等のアルミナゾルを使用しているため、クラックの発生及び大きな孔の成長に留意する必要があり、その方法には多くの制約がある。例えば、特許文献2には、加熱工程においては、細心の注意を払い、時間をかけて段階的に温度上昇させなければならないこと、また、成膜工程においては、層の厚さを5μm以上にするとクラックが発生しやすくなること、5μm以上の膜にするためには、成膜・乾燥・焼成工程を繰り返して膜厚を厚くしなければならないこと、及びクラック発生を防止するためには1μmの膜を積み重ねることが好ましいこと、などが記載されている。さらに、特許文献2の方法においては、支持体を必要とする複合膜の形態でしか作製できず、単一膜の形態では作製できない。   For example, according to the method of Patent Document 2, an α-alumina separation membrane having an average pore diameter of 50 nm or less is obtained. However, since alumina sol such as boehmite is used as the main raw material, it is necessary to pay attention to the generation of cracks and the growth of large pores, and the method has many limitations. For example, in Patent Document 2, it is necessary to pay close attention in the heating process and gradually increase the temperature over time, and in the film forming process, the thickness of the layer is set to 5 μm or more. Then, cracks are likely to occur, and in order to make a film of 5 μm or more, the film formation, drying, and firing steps must be repeated to increase the film thickness, and in order to prevent cracks, 1 μm is required. It is described that it is preferable to stack the films. Furthermore, in the method of Patent Document 2, it can be produced only in the form of a composite membrane that requires a support, and cannot be produced in the form of a single membrane.

従って、本発明の第一の観点においては、耐熱性、耐食性及び耐水蒸気性を備え、かつ微細孔を有するセラミック多孔質体ないし分離膜を、簡易な工程かつ比較的穏やかな条件で製造する方法を提供することを目的とする。さらに、本発明の第二の観点においては、均一な微細孔を有する分離膜を簡易な工程で環境的負担の少ない仕方で製造することを目的とする。   Therefore, in the first aspect of the present invention, a method for producing a ceramic porous body or separation membrane having heat resistance, corrosion resistance and water vapor resistance and having fine pores in a simple process and relatively mild conditions. The purpose is to provide. Furthermore, in the second aspect of the present invention, an object is to produce a separation membrane having uniform fine pores by a simple process in a manner with less environmental burden.

本発明者は、α‐アルミナ微粒子と、α‐アルミナ前駆物質とを含有する焼成前物質を作製し、焼成前物質を比較的低温で焼成することで、α‐アルミナからなる又はα‐アルミナを主骨格とする微細孔アルミナ分離膜、好ましくはα‐アルミナからなる平均孔径50nm以下のα‐アルミナ分離膜を作製できることを見出した。   The present inventor made a pre-firing material containing α-alumina fine particles and an α-alumina precursor, and calcined the pre-firing material at a relatively low temperature, thereby forming α-alumina or α-alumina. It has been found that a microporous alumina separation membrane having a main skeleton, preferably an α-alumina separation membrane made of α-alumina and having an average pore diameter of 50 nm or less can be produced.

本発明の第一視点の基本構成においては、アルミニウム成分総量に対して、α‐アルミナ微粒子からのアルミニウム成分が80%〜99%、及びα‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が1%〜20%となるように、平均粒子径が10nm〜200nmであるα‐アルミナ微粒子と、α‐アルミナ前駆物質とを含有する焼成前物質を作製する工程、及び分離膜焼成前物質を900℃〜1200℃で焼成する工程を含むアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the basic configuration of the first aspect of the present invention, the aluminum component from the α-alumina fine particles is 80% to 99% and the aluminum component from the α-alumina precursor is 1% to 20% with respect to the total amount of the aluminum component. A step of preparing a pre-firing material containing α-alumina fine particles having an average particle size of 10 nm to 200 nm and an α-alumina precursor, and a separation membrane pre-firing material at 900 ° C. to 1200 ° C. Provided is a method for producing an alumina separation membrane including a step of firing.

上記基本構成の第一形態においては、焼成前物質を、1000℃〜1200℃で、α‐アルミナ前駆物質がα‐アルミナに転移する十分な時間、焼成するアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the first form of the above basic configuration, there is provided a method for producing an alumina separation membrane in which a pre-firing material is fired at 1000 ° C. to 1200 ° C. for a sufficient time for the α-alumina precursor to transfer to α-alumina.

上記基本構成の第二形態においては、α‐アルミナ微粒子の平均粒子径が10nm〜100nmであるアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the second form of the basic configuration, there is provided a method for producing an alumina separation membrane in which the average particle diameter of α-alumina fine particles is 10 nm to 100 nm.

上記基本構成の第三形態においては、焼成前物質におけるアルミニウム成分は、α‐アルミナ微粒子からのアルミニウム成分が90%〜95%、及びα‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が5%〜10%であるアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the third form of the basic configuration, the aluminum component in the pre-firing material is 90% to 95% aluminum component from the α-alumina fine particles, and 5% to 10% aluminum component from the α-alumina precursor. A method for producing an alumina separation membrane is provided.

上記基本構成の第四形態においては、α‐アルミナ前駆物質はγ‐アルミナ粒子であるアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the fourth form of the basic configuration, an α-alumina precursor is provided as a method for producing an alumina separation membrane in which γ-alumina particles are used.

上記基本構成の第五形態においては、α‐アルミナ前駆物質はベーマイトであるアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the fifth aspect of the basic configuration, there is provided a method for producing an alumina separation membrane in which the α-alumina precursor is boehmite.

上記基本構成の第六形態においては、焼成前物質を多孔質支持体又は多孔質積層体上に成膜してから焼成するアルミナ分離膜の製造方法を提供する。   In the sixth aspect of the basic configuration, there is provided a method for producing an alumina separation membrane in which a material before firing is formed on a porous support or porous laminate and then fired.

ここで、本発明において、α‐アルミナ前駆物質とは、遷移アルミナ及びアルミナゾルのことをいう。遷移アルミナとは、加熱処理によってα‐アルミニウムに転移する中間的なアルミニウム化合物を意味する。すなわち、γ‐アルミナ、θ‐アルミナなどのα‐アルミナ以外の酸化アルミニウムを意味し、また水酸化アルミニウムなどのアルミナの前段階物質も含めることとする。また、アルミナゾルとは、酸化アルミニウム水和物、ベーマイト、水酸化アルミニウム水和物などと呼ばれている非晶質性のアルミナやアルミナ水和物、又はアルミナの前段階物質のコロイド状ものをいう。   Here, in the present invention, α-alumina precursor refers to transition alumina and alumina sol. The transition alumina means an intermediate aluminum compound that is transformed into α-aluminum by heat treatment. That is, it means an aluminum oxide other than α-alumina such as γ-alumina and θ-alumina, and includes a precursor material of alumina such as aluminum hydroxide. Alumina sol refers to amorphous alumina or alumina hydrate called aluminum oxide hydrate, boehmite, aluminum hydroxide hydrate or the like, or a colloidal form of a precursor substance of alumina. .

上記基本構成及び第一〜第六の各形態のアルミナ分離膜の製造方法によって、本発明の第一及び第二の観点による目的を達成することができるのは、α‐アルミナ前駆物質が、焼成の際に、バインダーのような焼結助剤として作用しているためと考察される。以下に、その考察に基づく機構について詳述する。   The objectives according to the first and second aspects of the present invention can be achieved by the above-described basic structure and the method for producing an alumina separation membrane of each of the first to sixth aspects. In this case, it is considered that it acts as a sintering aid such as a binder. The mechanism based on the consideration will be described in detail below.

上記基本構成及び第一形態のような温度領域においては、α‐アルミナ粒子は固相状態のままであるが、α‐アルミナ前駆物質は液相(溶融)状態になっているものと考えられる。そのような状態の場合、液相状態のα‐アルミナ前駆物質は、α‐アルミナ粒子間に移動し、粒子間のネック部分を形成し、α‐アルミナ粒子同士を結合させているものと考えられる。また、それにより、液相状態のα‐アルミナ前駆物質がα‐アルミナ粒子間の空間(隙間)を埋めることになり、作成される細孔の孔径を縮小化させているものと考えられる。   In the temperature range as in the basic configuration and the first embodiment, the α-alumina particles remain in a solid state, but the α-alumina precursor is considered to be in a liquid phase (molten) state. In such a state, it is considered that the α-alumina precursor in the liquid phase moves between the α-alumina particles, forms a neck portion between the particles, and binds the α-alumina particles to each other. . In addition, it is considered that the α-alumina precursor in the liquid phase fills the space (gap) between the α-alumina particles, thereby reducing the pore diameter of the created pores.

また、液相状態のα‐アルミナ前駆物質は、α‐アルミナに近接することになるため、α‐アルミナ粒子が種結晶のように作用し、低温であっても容易にα‐アルミナに転移されると推察される。さらに、α‐アルミナ前駆物質がα‐アルミナ粒子を焼結させるため、α‐アルミナ粒子を焼結させるための条件、すなわち、α‐アルミナ粒子が液相状態になるまで加熱する必要がなくなり、上記基本構成及び第一形態のような比較的低温でα‐アルミナ粒子を焼結させることができたものと考えられる。   In addition, α-alumina precursors in the liquid phase are close to α-alumina, so that α-alumina particles act like seed crystals and are easily transferred to α-alumina even at low temperatures. It is guessed. Furthermore, since the α-alumina precursor sinters the α-alumina particles, it is not necessary to heat the α-alumina particles until the α-alumina particles are in a liquid phase. It is considered that the α-alumina particles could be sintered at a relatively low temperature as in the basic configuration and the first form.

α‐アルミナ前駆物質が焼結助剤として作用しているとする考察の正当性は、上記基本構成及び第三形態において、α‐アルミナ粒子を主原料、α‐アルミナ前駆物質を副原料として用いることが好適な条件であることによっても、裏付けられているもの考えられる。さらに、上記基本構成及び第二形態において、粒径の小さいα‐アルミナ微粒子の使用によっても、作成される細孔の孔径を小さくし、焼成温度を低温にする効果が得られているものと考えられる。   The correctness of the consideration that the α-alumina precursor acts as a sintering aid is that α-alumina particles are used as the main raw material and α-alumina precursor as the auxiliary raw material in the basic configuration and the third embodiment. This is also supported by the fact that this is a preferable condition. Furthermore, in the above basic configuration and the second embodiment, the use of α-alumina fine particles having a small particle diameter is considered to have the effect of reducing the pore diameter of the created pores and lowering the firing temperature. It is done.

本発明の上記基本構成及び第一〜第六の各形態によれば、耐熱性、耐アルカリ性、耐水蒸気性等に優れたα‐アルミナからなる分離膜、又はα‐アルミナを主骨格とする分離膜を得ることができる。また、精密濾過、限外濾過、ガス分離などに適した、平均孔径2nm〜50nmの微細孔、及び少なくとも20%以上の気孔率を有するアルミナ分離膜を得ることができる。   According to the basic configuration and the first to sixth embodiments of the present invention, a separation membrane made of α-alumina excellent in heat resistance, alkali resistance, water vapor resistance, etc., or separation having α-alumina as the main skeleton A membrane can be obtained. In addition, an alumina separation membrane suitable for microfiltration, ultrafiltration, gas separation, etc., having fine pores with an average pore diameter of 2 nm to 50 nm and a porosity of at least 20% or more can be obtained.

また、上記基本構成及び第一〜第六の各形態によれば、α‐アルミナ粒子を主原料としているため、転移による格子定数変化の影響を減少させることができ、クラック等の損傷が無い、又は非常に少ないα‐アルミナ分離膜、又はα‐アルミナを主骨格とするアルミナ分離膜を簡易な方法で製造することができる。   Moreover, according to the basic configuration and each of the first to sixth embodiments, α-alumina particles are used as the main raw material, so that the influence of change in lattice constant due to transition can be reduced, and there is no damage such as cracks. Alternatively, very few α-alumina separation membranes or alumina separation membranes having α-alumina as the main skeleton can be produced by a simple method.

さらに、上記基本構成及び第一〜第六の各形態によれば、α‐アルミナ粒子のみを焼結させる場合、通常、1200℃より高温で加熱する必要があるが、900℃〜1200℃という比較的穏やかな条件でα‐アルミナ分離膜を得ることができる。また、空気雰囲気下で、かつ1回の焼成工程で、アルミナ分離膜を作製することができるので、工程の複雑化、及び原料費、設備費等のコスト上昇を避けることができる。   Furthermore, according to the basic configuration and the first to sixth embodiments, when only the α-alumina particles are sintered, it is usually necessary to heat at a temperature higher than 1200 ° C, but the comparison is 900 ° C to 1200 ° C. An α-alumina separation membrane can be obtained under moderate conditions. Moreover, since an alumina separation membrane can be produced in an air atmosphere and in a single firing step, it is possible to avoid complication of the process and an increase in costs such as raw material costs and equipment costs.

さらに、上記基本構成及び第一〜第六の各形態によれば、単一膜又は複合膜のいずれの形態であっても作製することができ、目的・用途に応じた形態のα‐アルミナ分離膜、又はα‐アルミナを主骨格とするアルミナ分離膜を製造することができる。   Furthermore, according to the basic configuration and each of the first to sixth embodiments, it can be produced in any form of a single membrane or a composite membrane, and α-alumina separation in a form according to the purpose / use A membrane or an alumina separation membrane having α-alumina as a main skeleton can be produced.

以下に本発明の詳細について説明する。本発明のアルミナ分離膜の製造方法においては、α‐アルミナ粒子を主原料として使用する。α‐アルミナ粒子は、平均粒子径が10nm〜200nm、好ましくは10nm〜150nm、さらに好ましくは10nm〜100nmのものを使用する。アルミナ粒子の平均粒子径は、アルミナ分離膜の目的とする孔径に応じて選択することができ、一般に、α‐アルミナの平均粒子径を小さくすれば、作製されるアルミナ分離膜の孔径も小さくなる傾向がある。また、一般に、α‐アルミナの平均粒子径を小さくすれば、焼結温度を低温化させることができる傾向がある。α‐アルミナ粒子の粒径分布は、平均粒子径を中心とした狭い分布であることが好ましい。例えば、α‐アルミナ粒子の孔径分布曲線において、その半値幅は、好ましくは平均粒子径の約3〜4倍以下であり、さらに好ましくは平均粒子径の約2倍以下である。   Details of the present invention will be described below. In the method for producing an alumina separation membrane of the present invention, α-alumina particles are used as a main raw material. The α-alumina particles having an average particle diameter of 10 nm to 200 nm, preferably 10 nm to 150 nm, and more preferably 10 nm to 100 nm are used. The average particle size of the alumina particles can be selected according to the intended pore size of the alumina separation membrane. Generally, if the average particle size of α-alumina is reduced, the pore size of the produced alumina separation membrane is also reduced. Tend. In general, if the average particle diameter of α-alumina is reduced, the sintering temperature tends to be lowered. The particle size distribution of the α-alumina particles is preferably a narrow distribution centering on the average particle size. For example, in the pore size distribution curve of α-alumina particles, the half width is preferably about 3 to 4 times or less of the average particle size, and more preferably about 2 or less times the average particle size.

本発明のアルミナ分離膜の製造方法においては、α‐アルミナ前駆物質を副原料として使用する。α‐アルミナ前駆物質とは、遷移アルミナ粒子及びアルミナゾルを意味する。   In the method for producing an alumina separation membrane of the present invention, an α-alumina precursor is used as an auxiliary material. The α-alumina precursor means transition alumina particles and alumina sol.

遷移アルミナには、α‐アルミナ以外のアルミナ、すなわちα‐アルミナの中間相の結晶型として一般に知られているγ‐、δ‐、η‐、θ‐、κ‐、ρ‐及びχ‐アルミナを、及びこれらアルミナの前段階物質である水酸化アルミニウムを使用することができる。本発明において使用する遷移アルミナの形態は粒子状であることが好ましく、その結晶型は入手容易性などの観点からγ‐アルミナであることが好ましい。遷移アルミナ粒子の平均粒子径は、200nm以下であれば使用可能であるが、平均粒子径が小さくなるほど易焼結性となるため、100nm以下であることが好ましい。また、その粒径分布は、一定の温度で一様に焼結させるために、平均粒子径を中心とした狭い分布であることが好ましい。例えば、遷移アルミナ粒子の孔径分布曲線において、その半値幅は、好ましくは平均粒子径の約3〜4倍以下であり、さらに好ましくは平均粒子径の約2倍以下である。   Transition aluminas include aluminas other than α-alumina, that is, γ-, δ-, η-, θ-, κ-, ρ- and χ-alumina, which are generally known as the crystal forms of the intermediate phase of α-alumina. , And aluminum hydroxide, a precursor material of these aluminas. The form of the transition alumina used in the present invention is preferably particulate, and the crystal form thereof is preferably γ-alumina from the viewpoint of availability. The average particle diameter of the transition alumina particles can be used if it is 200 nm or less. However, since the sinterability becomes easier as the average particle diameter becomes smaller, it is preferably 100 nm or less. The particle size distribution is preferably a narrow distribution centered on the average particle size in order to uniformly sinter at a constant temperature. For example, in the pore size distribution curve of transition alumina particles, the half width is preferably about 3 to 4 times or less of the average particle size, and more preferably about 2 or less times the average particle size.

アルミナゾルには、酸化アルミニウム水和物Al・nHO、ベーマイトAlO(OH)、水酸化アルミニウム水和物Al(OH)・nHOなどと呼ばれている、非晶質アルミナやアルミナ水和物、又はアルミナの前段階物質のコロイド状のものを使用することができる。本発明において使用するアルミナゾルは、収縮率の観点からベーマイトであることが好ましい。アルミナゾルの平均粒子径は、200nm以下であれば使用可能であるが、平均粒子径が小さくなるほど易焼結性となるため、100nm以下であることが好ましい。また、その粒径分布は、一定の温度で一様に焼結させるために、平均粒子径を中心とした狭い分布であることが好ましい。例えば、α‐アルミナ前駆物質の孔径分布曲線を作成すれば、その半値幅は、好ましくは平均粒子径の約3〜4倍以下であり、さらに好ましくは平均粒子径の約2倍以下である。 As the alumina sol, amorphous alumina called aluminum oxide hydrate Al 2 O 3 · nH 2 O, boehmite AlO (OH), aluminum hydroxide hydrate Al (OH) 3 · nH 2 O, etc. Or a hydrated alumina, or a colloidal material of a pre-stage material of alumina can be used. The alumina sol used in the present invention is preferably boehmite from the viewpoint of shrinkage. The average particle size of the alumina sol can be used as long as it is 200 nm or less. However, since the sinterability becomes easier as the average particle size becomes smaller, it is preferably 100 nm or less. The particle size distribution is preferably a narrow distribution centered on the average particle size in order to uniformly sinter at a constant temperature. For example, if a pore size distribution curve of an α-alumina precursor is prepared, the half width is preferably about 3 to 4 times or less of the average particle size, and more preferably about 2 or less times the average particle size.

遷移アルミナ粒子とアルミナゾルの比較において、例えば、γ‐アルミナ粒子とベーマイトを比較すると、一般に、γ‐アルミナのほうが安価であり、固形性(粉末状)であるため、取り扱いが容易であるが、ベーマイトのほうは成形性が良い。また、α‐アルミナ前駆物質がα‐アルミナへ転移する際には格子に歪みが生ずるが、アルミナゾルは骨格が完全に形成されていないため、遷移アルミナよりはアルミナゾルのほうがα‐アルミナへ転移しやすい。遷移アルミナ粒子とアルミナゾルのどちらの形態を使用するかは、目的等状況に応じて選択することができる。また、両者を同時に(混合して)使用することも可能である。   In comparison between transition alumina particles and alumina sol, for example, when comparing γ-alumina particles and boehmite, γ-alumina is generally cheaper and solid (powdered), so it is easier to handle, but boehmite The formability is better. In addition, when α-alumina precursor is transferred to α-alumina, the lattice is distorted, but since alumina sol is not completely skeleton formed, alumina sol is easier to transfer to α-alumina than transition alumina. . Whether to use transition alumina particles or alumina sol can be selected according to the situation such as the purpose. It is also possible to use both at the same time (mixed).

焼成前物質におけるα‐アルミナ粒子とα‐アルミナ前駆物質の混合割合については、アルミニウム成分総量に対して、α‐アルミナ粒子からのアルミニウム成分が80%〜99%、及びα‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が1%〜20%となるようにする。また、好ましくは、α‐アルミナ粒子からのアルミニウム成分が90%〜95%、及びα‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が5%〜10%となるようにする。例えば、γ‐アルミナ粒子を使用する場合、α‐アルミナとγ‐アルミナの分子量は同じであるので、その添加量は、α‐アルミナ粒子とγ‐アルミナ粒子の合計質量に対して、α‐アルミナ粒子が80質量%〜99質量%、γ‐アルミナ粒子が1質量%〜20質量%となるようにする。また、例えば、ベーマイトAlO(OH)を使用する場合、α‐アルミナ粒子とベーマイトでは、分子量も一分子中に含まれるアルミニウム原子数も異なるため、α‐アルミナ粒子とベーマイトのアルミニウム成分の合計モル数に対して、α‐アルミナ粒子からのアルミニウム成分が80mol%〜99mol%、ベーマイトからのアルミニウム成分が1mol%〜20mol%となるようにする。   Regarding the mixing ratio of the α-alumina particles and the α-alumina precursor in the pre-firing material, the aluminum component from the α-alumina particles is 80% to 99% with respect to the total amount of the aluminum component, and from the α-alumina precursor. The aluminum component is adjusted to 1% to 20%. Preferably, the aluminum component from the α-alumina particles is 90% to 95%, and the aluminum component from the α-alumina precursor is 5% to 10%. For example, when γ-alumina particles are used, the molecular weight of α-alumina and γ-alumina is the same, so the amount added is α-alumina relative to the total mass of α-alumina particles and γ-alumina particles. The particles are 80% to 99% by mass, and the γ-alumina particles are 1% to 20% by mass. Also, for example, when boehmite AlO (OH) is used, the total number of moles of α-alumina particles and the aluminum component of boehmite is different because α-alumina particles and boehmite have different molecular weights and different numbers of aluminum atoms in one molecule. On the other hand, the aluminum component from the α-alumina particles is 80 mol% to 99 mol%, and the aluminum component from boehmite is 1 mol% to 20 mol%.

α‐アルミナ粒子と、α‐アルミナ前駆物質とを含有する焼成前物質は、単一膜又は複合膜のいずれの形態でも可能であり、目的に応じた形状・サイズに成形することができる。図1に本発明のアルミナ分離膜の構成の概略図を示す。図1(A)は、プレス成型の場合など、本発明のアルミナ分離膜のみからなる単一膜の構成を示し、図1(B)は、本発明のアルミナ分離膜を支持体(又は中間層)上に形成した複合膜の構成を示す。   The pre-firing material containing the α-alumina particles and the α-alumina precursor can be in the form of a single film or a composite film, and can be formed into a shape and size according to the purpose. FIG. 1 shows a schematic diagram of the configuration of the alumina separation membrane of the present invention. FIG. 1A shows the structure of a single membrane consisting only of the alumina separation membrane of the present invention, such as in the case of press molding, and FIG. 1B shows the support (or intermediate layer) of the alumina separation membrane of the present invention. ) The composition of the composite film formed above is shown.

単一膜の形態にする場合、α‐アルミナ粒子とα‐アルミナ前駆物質の混合物にバインダーを添加、混合して成形する。成形方法は、押出し成型、プレス成型など、焼成前物質を成形できる方法であればいずれの方法でも使用することができる。膜の形状は、円筒形、ペレット形など様々な形状に成形可能であり、そのサイズも特に限定されるものではない。ここで使用するバインダーは、通常使用されるものであればいずれのものでも使用することができる。   In the case of a single film, a binder is added to a mixture of α-alumina particles and α-alumina precursor and mixed to form. As the molding method, any method can be used as long as it can mold the material before firing, such as extrusion molding and press molding. The shape of the film can be formed into various shapes such as a cylindrical shape and a pellet shape, and the size is not particularly limited. Any binder can be used as long as it is usually used.

また、複合膜の形態にする場合、例えばスラリーコーティングする場合では、α‐アルミナ粒子とα‐アルミナ前駆物質の混合物に、溶媒、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーなどを添加、混合してスラリー状の焼成前物質を作製する。ここで使用する溶媒は、水、又はアルコール、キシレンなどの有機溶媒など、多孔質体の作製に使用できるものであればいずれの溶媒でも使用することができ、取り扱いやすさ、目的とする粘度、分散性等に応じて適宜選択することができる。分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダー、及びその他の添加剤も目的とする粘度、pH、孔径、膜厚等、必要に応じて、適宜添加することができ、多孔質体の作製に使用できるものであればいずれのものでも使用することができる。   In the case of forming a composite film, for example, in the case of slurry coating, a solvent, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, a binder, etc. are added to and mixed with a mixture of α-alumina particles and α-alumina precursor. To prepare a slurry-like pre-fired material. As the solvent used here, any solvent can be used as long as it can be used for producing a porous body, such as water, or an organic solvent such as alcohol or xylene. It can select suitably according to dispersibility etc. Dispersants, pH adjusters, plasticizers, binders, and other additives can also be added as needed, such as the desired viscosity, pH, pore size, film thickness, etc., and used for the production of porous materials Any one can be used.

焼成前物質のスラリーをコーティングする支持体としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア等のセラミックス多孔質体、またはこれらの混合物から形成された多孔質体等を使用することができるが、熱膨張係数の観点からすれば、支持体はシリカ及びアルミナからなることが好ましい。また、支持体として用いるセラミック多孔質体は、一般に気孔率が約20%〜60%、好ましくは30〜40%であり、平均孔径が約60nm〜1000nm、好ましくは60nm〜200nmの均一な細孔を有するものが好ましい。支持体の形状は、一般に中空糸膜であることが好ましいが、フィルム状、シート状などいずれの形状であってもかまわない。また、支持体は、中間層を有する積層構造にすることもできる。   As the support for coating the slurry of the material before firing, a ceramic porous body such as alumina, silica, zirconia, or a porous body formed from a mixture thereof can be used. Therefore, the support is preferably made of silica and alumina. Further, the ceramic porous body used as the support generally has a porosity of about 20% to 60%, preferably 30 to 40%, and uniform pores having an average pore diameter of about 60 nm to 1000 nm, preferably 60 nm to 200 nm. Those having the following are preferred. The shape of the support is generally preferably a hollow fiber membrane, but may be any shape such as a film shape or a sheet shape. In addition, the support can have a laminated structure having an intermediate layer.

本発明においては、焼成前物質を、800℃〜1400℃の温度範囲で焼成することができる。しかしながら、得られるアルミナ分離膜の孔径及び気孔率、または加熱装置の耐熱性を考慮すれば、本発明の焼成前物質は、900℃〜1200℃の温度で焼成することが好ましい。焼成雰囲気は、不活性ガス雰囲気下、空気雰囲気下、ハロゲン含有ガス存在雰囲気下など、いずれの雰囲気下でも行うことができ、特に限定されるものではない。また、焼成時間は、α‐アルミナ前駆物質のα‐アルミナへの転移度、分離膜の孔径・気孔率、分離膜への負担、製造コストなどを考慮して適宜選択することができる。   In the present invention, the pre-firing material can be fired at a temperature range of 800 ° C to 1400 ° C. However, considering the pore size and porosity of the resulting alumina separation membrane, or the heat resistance of the heating device, the pre-fired material of the present invention is preferably fired at a temperature of 900 ° C to 1200 ° C. The firing atmosphere can be performed in any atmosphere such as an inert gas atmosphere, an air atmosphere, or a halogen-containing gas presence atmosphere, and is not particularly limited. The firing time can be appropriately selected in consideration of the degree of transition of the α-alumina precursor to α-alumina, the pore size / porosity of the separation membrane, the burden on the separation membrane, the manufacturing cost, and the like.

本発明によって製造されるアルミナ分離膜は、添加したα‐アルミナ前駆物質が完全にα化したα‐アルミナ分離膜として得られる場合と、完全にα化せず遷移アルミナが残存したα‐アルミナを主骨格とするアルミナ分離膜として得られる場合とがある。   The alumina separation membrane produced according to the present invention includes an α-alumina separation membrane in which the added α-alumina precursor is obtained as an α-alumina separation membrane that is completely α-ized, It may be obtained as an alumina separation membrane having a main skeleton.

焼成後の本発明のアルミナ分離膜に残存する遷移アルミナの量は、焼成温度、焼成時間、遷移アルミナとアルミナゾルのいずれを使用するか、α‐アルミナ前駆物質の粒径など、様々な因子の影響を受ける。例えば、α‐アルミナ前駆物質としてγ‐アルミナ粒子を使用した場合、1200℃2時間の加熱で、完全にα化したアルミナ分離膜を得ることができるが、900℃2時間の加熱では、完全にα化させることはできない。また、例えば、平均粒子径の小さいα‐アルミナ粒子とベーマイトを使用した場合、1000℃2時間の加熱で完全にα化させることができる。   The amount of transition alumina remaining in the alumina separation membrane of the present invention after firing is affected by various factors such as firing temperature, firing time, whether to use transition alumina or alumina sol, and the particle size of α-alumina precursor. Receive. For example, when γ-alumina particles are used as the α-alumina precursor, a completely α-ized alumina separation membrane can be obtained by heating at 1200 ° C. for 2 hours, but completely at 900 ° C. for 2 hours. It cannot be alpha. For example, when α-alumina particles having small average particle diameter and boehmite are used, the α-alumina particles can be completely α-ized by heating at 1000 ° C. for 2 hours.

α‐アルミナ前駆物質をα‐アルミナに転移させやすくする条件としては、焼成温度を高くすること、焼成時間を長くすること、α‐アルミナ粒子、遷移アルミナ粒子及びアルミナゾルの粒径を小さくすること、及び遷移アルミナ粒子ではなくアルミナゾルを使用すること、が考えられる。完全にα化したα‐アルミナ分離膜を得るためには、焼成温度を1000℃以上にすること好ましく、1100℃以上にすることがより好ましい。また、完全にα化させる焼成時間は、他の因子の影響を大きく受けるため一義的には定められないが、900℃〜1200℃で焼成する場合、少なくとも1時間、好ましくは2時間以上の焼成時間が必要である。   Conditions for facilitating the transfer of α-alumina precursor to α-alumina include increasing the firing temperature, increasing the firing time, reducing the particle size of α-alumina particles, transition alumina particles and alumina sol, And the use of alumina sol instead of transition alumina particles. In order to obtain a completely α-α-alumina separation membrane, the firing temperature is preferably 1000 ° C. or higher, more preferably 1100 ° C. or higher. The firing time for complete alpha conversion is not uniquely determined because it is greatly influenced by other factors. However, when firing at 900 ° C. to 1200 ° C., the firing time is at least 1 hour, preferably 2 hours or more. I need time.

遷移アルミナが焼成後に分離膜内に残存する場合、α‐アルミナ前駆物質は、α‐アルミナに転移せずに遷移アルミナとして残存するか、もしくは一部がα‐アルミナに転移することなる。また、α‐アルミナ前駆物質は、焼成前の結晶型で残存せず、焼成によってα型以外の他の結晶型に転移している場合もある。例えば、α‐アルミナ前駆物質としてγ‐アルミナを使用する場合、焼成後の遷移アルミナは、γ型として残存している場合もあれば、γ型とα型の中間相であるθ型に転移している場合もある。なお、アルミナゾルを使用した場合、アルミナゾルは数百度に加熱されると、脱水されて遷移アルミナとなるため、焼成後はアルミナゾルの形態では存在しない。また、アルミナ分離膜に残存する遷移アルミナ量は、α‐アルミナ前駆物質の添加量以下であることは言うまでも無い。   When the transition alumina remains in the separation membrane after firing, the α-alumina precursor remains as transition alumina without being transferred to α-alumina, or a part thereof is transferred to α-alumina. In some cases, the α-alumina precursor does not remain in the crystal form before firing, and has been transferred to another crystal form other than the α form by firing. For example, when γ-alumina is used as the α-alumina precursor, the transition alumina after firing may remain as γ type, or may transition to θ type, which is an intermediate phase between γ type and α type. Sometimes it is. When alumina sol is used, it is not present in the form of alumina sol after firing because it is dehydrated to transition alumina when heated to several hundred degrees. Needless to say, the amount of transition alumina remaining in the alumina separation membrane is less than the amount of α-alumina precursor added.

焼成後に得られるアルミナ分離膜の平均孔径は、完全にα化する場合であっても、または遷移アルミナが残存する場合であっても、2nm〜100nmであり、好ましい態様においては、2nm〜50nmである。また、焼成後のアルミナ多孔質体の気孔率は、約20%〜60%であり、好ましい態様においては、約30%〜40%である。さらに、細孔の孔径分布は狭く、孔径分布曲線において、その半値幅は、好ましくは約30nm〜40nm以下であり、さらに好ましくは20nm以下である。   The average pore diameter of the alumina separation membrane obtained after firing is 2 nm to 100 nm, even when completely alphatized or when transition alumina remains, and in a preferred embodiment it is 2 nm to 50 nm. is there. Moreover, the porosity of the alumina porous body after firing is about 20% to 60%, and in a preferred embodiment, it is about 30% to 40%. Furthermore, the pore size distribution of the pores is narrow, and in the pore size distribution curve, the half width is preferably about 30 nm to 40 nm or less, more preferably 20 nm or less.

以下に本発明の実施例を記載する。実施例において、アルミナ分離膜の気孔率及び孔径分布は、水銀ポロシメータ(AutoporeIII、島津製)を使用して測定、算出した。孔径分布が水銀ポロシメータの測定下限6nm以下である場合は、窒素吸着法(AMS8000、大倉理研製)及びナノパームポロメータ(TNF−W、西華産業製)を使用して細孔径分布を測定した。窒素透過流束は、図2に示すガス透過試験装置を使用して測定、算出した。焼成後のアルミナ分離膜の結晶相の同定は、X線回折線を測定して(RAD−RVB、RIGAKU製)行った。アルミナ分離膜の構造観察は、走査電子顕微鏡(SEM)(S−3200N、日立製)を使用し、倍率40,000倍で行った。真比重の測定は、全自動真密度測定装置(ペンタピクノメータ、ガンダクロム製)を使用して測定した。スラリーの粒度分布の測定は、濃厚系粒径アナライザー(FPAR−1000、大塚電子製)を使用して測定した。   Examples of the present invention will be described below. In the examples, the porosity and pore size distribution of the alumina separation membrane were measured and calculated using a mercury porosimeter (Autopore III, manufactured by Shimadzu Corp.). When the pore size distribution was 6 nm or less of the measurement limit of the mercury porosimeter, the pore size distribution was measured using a nitrogen adsorption method (AMS8000, manufactured by Okura Riken) and a nano palm porometer (TNF-W, manufactured by Seika Sangyo). . The nitrogen permeation flux was measured and calculated using the gas permeation test apparatus shown in FIG. The crystal phase of the alumina separation membrane after firing was identified by measuring an X-ray diffraction line (RAD-RVB, manufactured by RIGAKU). The structure of the alumina separation membrane was observed using a scanning electron microscope (SEM) (S-3200N, manufactured by Hitachi) at a magnification of 40,000. The true specific gravity was measured using a fully automatic true density measuring device (pentapycnometer, manufactured by Gandachrome). The particle size distribution of the slurry was measured using a concentrated particle size analyzer (FPAR-1000, manufactured by Otsuka Electronics).

以下の実施例において使用した平均粒子径27nmのα‐アルミナ粒子のBET比表面積は35m・g−1であり、その粒径分布を図3に示す。また、平均粒子径100nmのα‐アルミナ粒子のBET比表面積は18.5m・g−1であり、その粒径分布を図4に示す。また、実施例において使用した平均粒子径33nmのγ‐アルミナ粒子のBET比表面積は50m・g−1であり、平均粒子径90nmのγ‐アルミナ粒子のBET比表面積は120m・g−1である。さらに、実施例において使用したベーマイトゾルの濃度は1mol・l−1、平均粒子径は20nm、乾燥・焼成後のBET比表面積は230m・g−1であり、その粒径分布測定結果を図5に示す。 The BET specific surface area of α-alumina particles having an average particle diameter of 27 nm used in the following examples is 35 m 2 · g −1 , and the particle size distribution is shown in FIG. Moreover, the BET specific surface area of the α-alumina particles having an average particle diameter of 100 nm is 18.5 m 2 · g −1 , and the particle size distribution is shown in FIG. The BET specific surface area of the γ-alumina particles having an average particle diameter of 33 nm used in the examples is 50 m 2 · g −1 , and the BET specific surface area of the γ-alumina particles having an average particle diameter of 90 nm is 120 m 2 · g −1. It is. Furthermore, the concentration of boehmite sol used in the examples is 1 mol·l −1 , the average particle size is 20 nm, and the BET specific surface area after drying and firing is 230 m 2 · g −1 . 5 shows.

実施例において使用した支持体は、平均孔径0.7μm、気孔率40%のα‐アルミナ基体上に、中間層として平均孔径0.06μm、気孔率40%、厚さ約100μmのα‐アルミナ層を製膜したものである(ノリタケ製NF膜)。   The support used in the examples was an α-alumina layer having an average pore diameter of 0.7 μm and a porosity of 40% on an α-alumina substrate as an intermediate layer having an average pore diameter of 0.06 μm, a porosity of 40% and a thickness of about 100 μm. (Noritake NF membrane).

平均粒子径27nmのα‐アルミナ微粒子と平均粒子径33nmのγ‐アルミナ微粒子を質量比95:5で湿式混合した後乾燥し、その後バインダーを添加・混合して焼成前物質を得た。300kg・cm−2の圧力の一軸プレスにより、直径20mm、厚さ2mmのペレットに成型し、相対密度の58%成型体にした。空気雰囲気下1200℃で2時間焼成したところ、平均孔径10nm、気孔率42%の完全にα‐アルミナ化した均一なα‐アルミナ膜を得ることができた。窒素透過流束は1.5×10−6mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 Α-alumina fine particles having an average particle diameter of 27 nm and γ-alumina fine particles having an average particle diameter of 33 nm were wet-mixed at a mass ratio of 95: 5 and dried, and then a binder was added and mixed to obtain a pre-firing material. The pellets were molded into pellets having a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm by uniaxial pressing at a pressure of 300 kg · cm −2 to form a molded article having a relative density of 58%. When calcined at 1200 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a completely α-aluminated uniform α-alumina film having an average pore diameter of 10 nm and a porosity of 42% could be obtained. The nitrogen permeation flux was 1.5 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

平均粒子径27nmのα‐アルミナ微粒子とベーマイトゾルを質量比90:10で混合したものに、水、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下900℃で2時間焼成したところ、γ‐アルミナが約5%残存した平均孔径4nm、気孔率40%の均一なアルミナ膜を得ることができた。窒素透過流束は4.0×10−6mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。得られた分離膜の孔径分布図を図6に、及びナノパームポロメータを用いた孔径分布の測定結果を図7に示す。図7によれば、孔径5nm以上の貫通孔は存在していないことが分かる。 Water, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, and a binder were added to and mixed with α-alumina fine particles having an average particle diameter of 27 nm and boehmite sol at a mass ratio of 90:10 to prepare an alumina slurry. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When calcined at 900 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform alumina film having an average pore diameter of 4 nm and a porosity of 40% in which about 5% of γ-alumina remained could be obtained. The nitrogen permeation flux was 4.0 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance. FIG. 6 shows a pore size distribution diagram of the obtained separation membrane, and FIG. 7 shows a measurement result of the pore size distribution using the nano palm porometer. According to FIG. 7, it can be seen that there are no through holes having a hole diameter of 5 nm or more.

平均粒子径27nmのα‐アルミナ微粒子と平均粒子径33nmのγ‐アルミナ微粒子を質量比95:5で混合したものに、水、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下1200℃で2時間焼成したところ、完全にα‐アルミナ化した平均孔径8nm、気孔率44%の均一なα‐アルミナ膜を得ることができた。作製したα‐アルミナ膜のSEM像を図8に、及び孔径分布図を図9に示す。窒素透過流束は6.8×10−6mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 To a mixture of α-alumina fine particles having an average particle size of 27 nm and γ-alumina fine particles having an average particle size of 33 nm in a mass ratio of 95: 5, water, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, and a binder are added and mixed. An alumina slurry was prepared. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When calcination was performed at 1200 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform α-alumina film having an average pore diameter of 8 nm and a porosity of 44% that was completely α-aluminated could be obtained. An SEM image of the produced α-alumina film is shown in FIG. 8, and a pore size distribution diagram is shown in FIG. The nitrogen permeation flux was 6.8 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

平均粒子径100nmのα‐アルミナ微粒子と平均粒子径33nmのγ‐アルミナ微粒子を質量比80:20で混合したものに、水、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下900℃で2時間焼成したところ、約10%がγ‐アルミナである平均孔径38nm、気孔率37%の均一なアルミナ膜を得ることができた。作製したアルミナ膜のSEM像を図10に、XRD測定結果を図11に、及び孔径分布図を図12に示す。窒素透過流束は9.8×10−6mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 To a mixture of α-alumina fine particles having an average particle size of 100 nm and γ-alumina fine particles having an average particle size of 33 nm at a mass ratio of 80:20, water, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, and a binder are added and mixed. An alumina slurry was prepared. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When calcined at 900 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform alumina film having an average pore diameter of 38 nm and a porosity of 37%, in which about 10% is γ-alumina, was obtained. FIG. 10 shows an SEM image of the produced alumina film, FIG. 11 shows an XRD measurement result, and FIG. 12 shows a pore size distribution diagram. The nitrogen permeation flux was 9.8 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

平均粒子径100nmのα‐アルミナ微粒子と平均粒子径90nmのγ‐アルミナ微粒子を質量比95:5で混合したものに、水、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。アルミナスラリーの粒径分布測定結果を図13に示す。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下1200℃で2時間焼成したところ、完全にα‐アルミナ化した平均孔径45nm、気孔率40%の均一なα‐アルミナ膜を得ることができた。作製したα‐アルミナ膜のSEM像を図14に、XRD測定結果を図15に、及び孔径分布図を図16に示す。窒素透過流束は1.2×10−5mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 To a mixture of α-alumina fine particles with an average particle size of 100 nm and γ-alumina fine particles with an average particle size of 90 nm at a mass ratio of 95: 5, add and mix water, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, and a binder. An alumina slurry was prepared. The particle size distribution measurement result of the alumina slurry is shown in FIG. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When calcined at 1200 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform α-alumina film having an average pore diameter of 45 nm and a porosity of 40% completely α-aluminated could be obtained. FIG. 14 shows an SEM image of the produced α-alumina film, FIG. 15 shows an XRD measurement result, and FIG. 16 shows a pore size distribution diagram. The nitrogen permeation flux was 1.2 × 10 −5 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

平均粒子径100nmのα‐アルミナ微粒子と平均粒子径33nmのγ‐アルミナ微粒子を質量比95:5で混合したものに、キシレン、分散剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下1000℃で2時間焼成したところ、平均孔径31nm、気孔率38%の均一なα‐アルミナ膜を得ることができた。窒素透過流束は9.1×10−5mol・m−2・−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 Alumina slurry is prepared by adding and mixing xylene, dispersant, plasticizer, and binder to a mixture of α-alumina fine particles with an average particle size of 100 nm and γ-alumina fine particles with an average particle size of 33 nm at a mass ratio of 95: 5. did. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When calcined at 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform α-alumina film having an average pore diameter of 31 nm and a porosity of 38% could be obtained. The nitrogen permeation flux was 9.1 × 10 −5 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

平均粒子径27nmのα‐アルミナ微粒子とベーマイトゾルを質量比90:10で混合したものに、水、分散剤、pH調整剤、可塑剤、バインダーを添加・混合してアルミナスラリーを作製した。作製したアルミナスラリーを支持体上にディップコーティングし、乾燥させた。空気雰囲気下1000℃で2時間焼成したところ、平均孔径9nmの均一なα‐アルミナ膜を得ることができた。窒素透過流束は6.0×10−6mol・m−2・s−1・Pa−1であり、十分なガス透過性能を有していた。 Water, a dispersant, a pH adjuster, a plasticizer, and a binder were added to and mixed with α-alumina fine particles having an average particle diameter of 27 nm and boehmite sol at a mass ratio of 90:10 to prepare an alumina slurry. The prepared alumina slurry was dip coated on a support and dried. When baked at 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, a uniform α-alumina film having an average pore diameter of 9 nm could be obtained. The nitrogen permeation flux was 6.0 × 10 −6 mol · m −2 · s −1 · Pa −1 and had sufficient gas permeation performance.

本発明のアルミナ分離膜の製造方法によれば、固液分離、液体の脱気、ガス分離などに適した微細孔かつシャープな孔径分布を有し、クラック等の欠陥を有さず、シビアな条件において使用可能なα‐アルミナからなる又はα‐アルミナを主骨格とするアルミナ分離膜を、簡易な工程かつ穏やかな条件で作製することができる。   According to the method for producing an alumina separation membrane of the present invention, it has fine pores and a sharp pore size distribution suitable for solid-liquid separation, liquid degassing, gas separation, etc., has no defects such as cracks, and is severe. An alumina separation membrane comprising α-alumina that can be used under the conditions or having α-alumina as the main skeleton can be produced in a simple process and under mild conditions.

また、本発明を応用すれば、アルミナに限らず、焼結温度の異なる2種以上のセラミック材料の焼結にも利用することができる。   Further, if the present invention is applied, it can be used not only for alumina but also for sintering two or more ceramic materials having different sintering temperatures.

本発明の製造方法により作製されるアルミナ分離膜の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the alumina separation membrane produced by the manufacturing method of this invention. 窒素透過流速を測定するための窒素ガス透過試験装置の概略図である。It is the schematic of the nitrogen gas permeation | transmission test apparatus for measuring a nitrogen permeation | transmission flow rate. 実施例1、2、3及び7において使用した平均粒子径27nmのα‐アルミナ粒子の孔径分布図である。FIG. 3 is a pore size distribution diagram of α-alumina particles having an average particle size of 27 nm used in Examples 1, 2, 3, and 7. 実施例4、5及び6において使用した平均粒子径100nmのα‐アルミナ粒子の孔径分布図である。6 is a pore size distribution diagram of α-alumina particles having an average particle size of 100 nm used in Examples 4, 5 and 6. FIG. 実施例2及び7において使用したアルミナゾルの粒径分布図である。It is a particle size distribution map of the alumina sol used in Examples 2 and 7. 実施例2において作製したアルミナ分離膜の孔径分布図である。6 is a pore size distribution diagram of an alumina separation membrane produced in Example 2. FIG. 実施例2において作製したアルミナ分離膜のナノパームポロメータの測定結果である。It is a measurement result of the nano palm porometer of the alumina separation membrane produced in Example 2. FIG. 実施例3において作製したアルミナ分離膜のSEM像である。4 is an SEM image of an alumina separation membrane produced in Example 3. 実施例3において作製したアルミナ分離膜の孔径分布図である。6 is a pore size distribution diagram of an alumina separation membrane produced in Example 3. FIG. 実施例4において作製した本発明のアルミナ分離膜のSEM像である。4 is an SEM image of the alumina separation membrane of the present invention produced in Example 4. 実施例4において作製したアルミナ分離膜のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the alumina separation membrane produced in Example 4. 実施例4において作製したアルミナ分離膜の孔径分布図である。6 is a pore size distribution diagram of an alumina separation membrane produced in Example 4. FIG. 実施例5において作製したアルミナスラリーの粒径分布の測定結果である。10 is a measurement result of particle size distribution of an alumina slurry produced in Example 5. 実施例5において作製したアルミナ分離膜のSEM像である。6 is a SEM image of an alumina separation membrane produced in Example 5. 実施例5において作製したアルミナ分離膜のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the alumina separation membrane produced in Example 5. 実施例5において作製したアルミナ分離膜の孔径分布図である。6 is a pore size distribution diagram of an alumina separation membrane produced in Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…アルミナ分離膜
2…中間層
3…支持体層
4…膜モジュール
5…圧力計
6…バルブ
7…ガスボンベ
8…真空ポンプ
9…電気炉
10…ソープフィルムメーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Alumina separation membrane 2 ... Intermediate | middle layer 3 ... Support body layer 4 ... Membrane module 5 ... Pressure gauge 6 ... Valve 7 ... Gas cylinder 8 ... Vacuum pump 9 ... Electric furnace 10 ... Soap film meter

Claims (7)

アルミニウム成分総量に対して、α‐アルミナ微粒子からのアルミニウム成分が80%〜99%、及びα‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が1%〜20%となるように、平均粒子径が10nm〜200nmである前記α‐アルミナ微粒子と、前記α‐アルミナ前駆物質とを含有する焼成前物質を作製する工程、及び
前記焼成前物質を900℃〜1200℃で焼成する工程、
を含むことを特徴とするアルミナ分離膜の製造方法。
The average particle size is 10 nm to 200 nm so that the aluminum component from the α-alumina fine particles is 80% to 99% and the aluminum component from the α-alumina precursor is 1% to 20% with respect to the total amount of the aluminum component. A step of producing a pre-fired material containing the α-alumina fine particles and the α-alumina precursor, and a step of firing the pre-fired material at 900 ° C. to 1200 ° C.,
A process for producing an alumina separation membrane, comprising:
前記焼成前物質を、焼成温度1000℃〜1200℃で、前記α‐アルミナ前駆物質がα‐アルミナに転移する十分な時間をかけて焼成することを特徴とする請求項1記載のアルミナ分離膜の製造方法。   2. The alumina separation membrane according to claim 1, wherein the pre-fired material is fired at a firing temperature of 1000 ° C. to 1200 ° C. for a sufficient time for the α-alumina precursor to transfer to α-alumina. Production method. 前記α‐アルミナ微粒子の平均粒子径は10nm〜100nmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のアルミナ分離膜の製造方法。   The method for producing an alumina separation membrane according to claim 1 or 2, wherein the α-alumina fine particles have an average particle diameter of 10 nm to 100 nm. 前記焼成前物質におけるアルミニウム成分は、前記α‐アルミナ微粒子からのアルミニウム成分が90%〜95%、及び前記α‐アルミナ前駆物質からのアルミニウム成分が5%〜10%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルミナ分離膜の製造方法。   The aluminum component in the pre-fired material is 90% to 95% aluminum component from the α-alumina fine particles, and 5% to 10% aluminum component from the α-alumina precursor. Item 4. The method for producing an alumina separation membrane according to any one of Items 1 to 3. 前記α‐アルミナ前駆物質はγ‐アルミナ粒子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルミナ分離膜の製造方法。   The method for producing an alumina separation membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the α-alumina precursor is γ-alumina particles. 前記α‐アルミナ前駆物質はベーマイトであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルミナ分離膜の製造方法。   The method for producing an alumina separation membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the α-alumina precursor is boehmite. 前記焼成前物質を多孔質支持体又は多孔質積層体上に成膜してから焼成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミナ分離膜の製造方法。   The method for producing an alumina separation membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the material before firing is formed on a porous support or a porous laminate and then fired.
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