JP2009208047A - Mfi型ゼオライト膜配設体、及びガス分離方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多孔質基体と、多孔質基体の表面に配設されたMFI型ゼオライト膜とを備え、MFI型ゼオライト膜が、カリウムを骨格に有し、MFI型ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比が、50〜300であるMFI型ゼオライト膜配設体。
【選択図】なし
Description
本発明のMFI型ゼオライト膜配設体は、多孔質基体と、多孔質基体の表面に配設されたMFI型ゼオライト膜とを備え、MFI型ゼオライト膜が、カリウムを骨格に有し、MFI型ゼオライト膜のSiO2(シリカ)/Al2O3(アルミナ)モル比が、50〜300である。ここで、ゼオライトは、結晶性アルミノケイ酸塩の骨格構造を有する物質の総称であり、分子レベルの微小かつ均一な網目構造を備えている。二酸化ケイ素からなる骨格を基本とするが、一部のケイ素をアルミニウムに置き換えることができる。この場合、結晶格子全体が負に帯電することになるため、骨格にカチオンを配置することで電荷のバランスを取る。ゼオライトにはLTA、MFI、MOR、FER、FAU、DDRといった数多くの種類が存在する。これらの中でMFIは酸素8員環を含む多面体によって形成され、その構造内にストレートチャンネルとジグザグチャンネルと呼ばれる2種類の細孔を有していることが知られている。ゼオライトは、その特異な吸着特性や分子篩特性から、吸着剤や触媒などに工業的に広く用いられている。また、近年、金属やセラミックスからなる多孔質基材上に成膜されたゼオライト膜がガスや液体の分離に用いられるようになってきている。以下、各構成要素について詳細に説明する。
また、MFI型ゼオライト膜は、SiO2/Al2O3モル比(シリカ/アルミナ(モル比))が、50〜300であり、80〜200であることが好ましく、100〜150であることが更に好ましい。ここで、「SiO2/Al2O3モル比」とは、MFI型ゼオライト膜中に含有されるシリカの量(モル)を、MFI型ゼオライト膜中に含有されるアルミナの量(モル)で除した値である。また、MFI型ゼオライト膜中に含有されるシリカの量(モル)及びアルミナの量(モル)は、X線エネルギー分析装置(Energy dispersive spectroscopy:EDS)を用いて分析した値である。上記、シリカ/アルミナ(モル比)が、50より小さいと欠陥の無いMFI型ゼオライト膜が形成され難くなることがあり、300より大きいと、六フッ化硫黄及び四フッ化炭素を選択的に透過させる機能が低下することがある。
本発明のMFI型ゼオライト膜配設体は、MFI型ゼオライト膜が多孔質基体の表面に配設されたものであるが、MFI型ゼオライト膜が多孔質基体表面に配設されることにより、MFI型ゼオライト膜を薄膜としても、多孔質基体に支えられてその形状を維持し破損等を防止することが可能となる。多孔質基体は、その表面にMFI型ゼオライト膜を形成することができれば特に限定されるものではなく、その材質、形状及び大きさは用途等に合わせて適宜決定することができる。多孔質基体を構成する材料としては、アルミナ、ムライト、ジルコニア等のセラミックス、ステンレス等の金属、MFI型ゼオライト等を挙げることができる。これらの中でも、多孔質基体の作製の容易さ、及び入手の容易さの点から、アルミナが好ましい。アルミナとしては、平均粒径0.001〜30μmのアルミナ粒子を原料として成形、焼結させたものが好ましい。多孔質基体の形状としては、棒状、ペレット状、平板状、チューブ状(円筒状、断面多角形の管状等)、モノリス形状、ハニカム形状等いずれの形状でもよい。
本発明のMFI型ゼオライト膜配設体の製造方法は、シリカ、水、構造規定剤、カリウム源、及びアルミニウム源を含有する原料ゾルを、耐圧容器内に入れ、多孔質基体を原料ゾルに浸漬し、原料ゾル及び多孔質基体が入った耐圧容器を加熱して(水熱合成して)多孔質基体表面にMFI型ゼオライト膜を形成する製造方法であることが好ましい。
原料ゾル中の、カリウム源に由来するカリウムの含有量は、K/Siが0.21〜0.30であることが好ましく、0.25〜0.29であることが更に好ましい。原料ゾル中のK/Siが0.21より少ない、或いは、K/Siが0.30より多いと欠陥が無いMFI型ゼオライト膜が形成され難くなることがある。更に、カリウム含有量が上記範囲であるとともに、原料ゾル中のSiO2/Al2O3モル比が30〜100であることが好ましく40〜80であることが更に好ましい。原料ゾル中のSiO2/Al2O3モル比が30より小さいと、欠陥が無いMFI型ゼオライト膜が形成され難くなることがあり、100より大きいと、六フッ化硫黄及び四フッ化炭素を選択的に透過し難くなることがある。ここで、カリウム源とは、カリウムを含有する化合物のことであり、例えば、水酸化カリウム、塩化カリウム等を挙げることができる。これらの中でも水酸化カリウムが好ましい。
本発明のMFI型ゼオライト膜配設体の製造に用いる多孔質基体は、上記本発明のMFI型ゼオライト膜配設体においてMFI型ゼオライト膜を支持するために使用する多孔質基体と同様である。
多孔質基体と原料ゾルとを耐圧容器内に入れる。このとき、多孔質基体が、原料ゾルに浸漬されるように配置する。その後、耐圧容器内を加熱して耐圧容器内の水を水蒸気とし、水熱合成により多孔質基体表面にMFI型ゼオライト膜を形成する。尚、水熱合成により得られたMFI型ゼオライト膜は、構造規定剤を含むものである。そのため、最終的にMFI型ゼオライト膜を得るために、その後に、加熱処理を行うことが好ましい。
水熱合成により多孔質基体表面にMFI型ゼオライト膜を形成した後には、MFI型ゼオライト膜が形成された多孔質基体を、水を使用して煮沸洗浄することが好ましい。これにより、MFI型ゼオライト膜上に余分なゼオライト結晶が析出することを防止することができる。洗浄時間は、特に限定されないが、0.5〜3時間の洗浄を1〜5回繰り返すことが好ましい。洗浄の後は、60〜120℃で、4〜48時間乾燥させることが好ましい。
本発明のガス分離方法は、上記本発明のMFI型ゼオライト膜配設体を用いて、SF6及びCF4からなる群から選択される少なくとも1種を含有する混合ガスから、当該含有される成分(分離対象成分)を透過分離するガス分離方法である。
(原料ゾルの調製)
10%テトラプロピアンモニウムヒドロキシド(TPAOH)水溶液(和光純薬工業(株)製)、蒸留水、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)(和光純薬工業(株)製)、硫酸アルミニウム(14〜18水和物)(和光純薬工業(株)製)、30質量%シリカゾル(スノーテックスS、日産化学(株)製)、4N水酸化カリウム水溶液(和光純薬工業(株)製)、及び4N水酸化ナトリウム水溶液(和光純薬工業(株)製)の各原料を表1に示す組成となるように混合し、卓上シェーカーを用いて室温で60分間撹拌して原料ゾルを調製した。
次いで、フッ素樹脂内筒付ステンレス製100ml耐圧容器中に、調製した原料ゾルを入れ、この中に多孔質基材を浸漬し、オーブン中、180℃、8時間反応させることにより多孔質基材の表面に、構造規定剤を含有するMFI型ゼオライト膜を成膜した。構造規定剤を含有するMFI型ゼオライト膜が形成された多孔質基材を電気炉に入れ、550℃まで昇温した後、4時間保持してテトラプロピルアンモニウム(TPA)を除去することにより、MFI型ゼオライト膜を形成し、MFI型ゼオライト膜配設体を得た。得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及び「K/Alモル比」を以下の方法で測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、以下に示す透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。
窒素、四フッ化炭素、及び六フッ化硫黄を含有する混合ガスの透過分離試験を、図1に示すガス分離装置を用いてWicke−Kallenbach法にて実施する。約15体積%の四フッ化炭素と約15体積%の六フッ化硫黄の混合ガスを窒素ガスをキャリアーガスとして、外管12内に供給し、MFI型ゼオライト膜の片側(供給側)の面に接触させるとともに、MFI型ゼオライト膜の反対の面側(透過側)に透過してきたガスを、Heガスでスイープして回収し、ガスクロマトグラフィーで分析する。
合成した膜のシリカ/アルミナ(モル比)はX線エネルギー分析装置(Energy dispersive spectroscopy:EDS)を用いて測定する。EDSによるシリカ/アルミナ(モル比)の測定は、MFI型ゼオライト膜の断面全体をスキャンすることにより実施する。
合成した膜のK/Al(モル比)はX線マイクロアナライザ(Electron Probe Micro−Analysis:EPMA)を用いて測定する。EPMAによるK/Al(モル比)の測定は、MFI型ゼオライト膜の断面全体をスキャンすることにより実施する。
合成した膜の「Na/Alモル比」はX線マイクロアナライザ(Electron Probe Micro−Analysis:EPMA)を用いて測定する。EPMAによる「Na/Alモル比」の測定は、MFI型ゼオライト膜の断面全体をスキャンすることにより実施する。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製した。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製した。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、200℃、100℃、及び50℃のそれぞれの温度において行った。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製した。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製した。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。また、上記方法によりNa/Al(モル比)を測定した。結果は以下の(考察)に示す。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製し、更に、80℃で塩化アンモニウム水溶液に含浸した後、500℃で焼成し、カチオンをナトリウムからプロトンに変換した後、更に80℃で塩化カリウム水溶液に含浸し、その後、水洗、乾燥することによりカチオンをカリウムに変換して、比較例3のMFI型ゼオライト膜配設体とした。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。
原料ゾルの組成を表1に示す組成にした以外は、実施例1と同様にしてMFI型ゼオライト膜配設体を作製した。実施例1の場合と同様に、得られたMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜について、シリカ/アルミナ(モル比)及びK/Al(モル比)を測定した。得られた結果を表2に示す。また、得られたMFI型ゼオライト膜配設体について、透過分離試験を行った。算出された分離係数を表2に示す。尚、透過分離試験は、50℃において行った。
実施例1〜3のMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜は、分離係数α(SF6/N2)及び分離係数α(CF4/N2)が、ともに1より大きく、SF6及びCF4がN2に対して選択的に膜を透過したことがわかる。また、実施例3のMFI型ゼオライト膜配設体のMFI型ゼオライト膜を用いて、透過温度と分離係数の関係を検討した結果、温度を上げるにつれてSF6及びCF4選択性が低下したことがわかる。従って透過温度としては100℃以下が好ましく、50℃付近が更に好ましいと考えられる。
Claims (4)
- 多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に配設されたMFI型ゼオライト膜とを備え、
前記MFI型ゼオライト膜が、カリウムを骨格に有し、
前記MFI型ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比が、50〜300であるMFI型ゼオライト膜配設体。 - 前記MFI型ゼオライト膜が、アルカリ源としてカリウムを含有するとともにSiO2/Al2O3モル比が30〜100の原料ゾルを、水熱合成して得られたものである請求項1に記載のMFI型ゼオライト膜配設体。
- 前記MFI型ゼオライト膜が、K/Siモル比が0.21〜0.30であるとともにSiO2/Al2O3モル比が30〜100の原料ゾルを、水熱合成して得られたものである請求項2に記載のMFI型ゼオライト膜配設体。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のMFI型ゼオライト膜配設体を用いて、SF6及びCF4からなる群から選択される少なくとも1種を含有する混合ガスから、当該含有される成分を透過分離するガス分離方法。
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