JP2010194438A - Method of removing moisture from liquid - Google Patents

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Toshiaki Tsuru
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Kaori Okahana
香緒理 岡鼻
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of removing moisture, by which moisture can be suitably selectively removed even from a liquid having a small molecule size, e.g., EtOH. <P>SOLUTION: An inorganic material film 10 is used in which a ratio of He gas permeation flow rate F<SB>He</SB>to SF<SB>6</SB>gas permeation flow rate F<SB>SF6</SB>, namely, F<SB>He</SB>/F<SB>SF6</SB>, is 100-10,000 and in which the SF<SB>6</SB>gas permeation flow rate F<SB>SF6</SB>is 1×10<SP>-11</SP>to 1×10<SP>-8</SP>mol/(m<SP>2</SP>Pa sec). This method is effective particularly in the case where the liquid has a molecule size of ≥0.36 nm such as ethanol and isopropyl alcohol. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、無機材質膜を用いて液体から水分を除去する方法に関する。   The present invention relates to a method for removing moisture from a liquid using an inorganic material film.

膜を利用して、例えば有機系の液体などの水以外の液体から、その中に含まれる水分を除去する技術が検討されている。
このような技術は、例えば、リチウムイオン二次電池の電解液の水分除去;工業用エタノール、メタノールの脱水;潤滑油の水分除去;軽油、重油の水分除去;変圧器に用いられる絶縁オイルの水分除去;ガラス基板の間に真空封入される液晶の水分除去;などへの利用が期待され、微量の水分をも除去できることが求められている。
A technique for removing moisture contained in a liquid other than water such as an organic liquid by using a film has been studied.
Such technologies include, for example, water removal from electrolytes of lithium ion secondary batteries; dehydration of industrial ethanol and methanol; water removal from lubricating oils; water removal from light oils and heavy oils; water from insulating oils used in transformers. It is expected to be used for removal; moisture removal of liquid crystal sealed in a vacuum between glass substrates; and it is required to be able to remove a minute amount of moisture.

無機材質膜を利用して、有機系の液体から水分を除去する技術として、例えば、非特許文献1には、直径1nm以下の細孔を備え、分子篩機能を有するシリカ−ジルコニア膜を用いて、エタノール(以下、EtOHという。)と水の混合液、イソプルピルアルコール(以下、IPAという。)と水の混合液から、それぞれ水を選択的に分離して除去しようとする技術が記載されている。
なお、HO、He、CO、N、CHOH、EtOH、IPAなどの代表的な分子について、分子サイズ(分子直径)を表1に記した。
As a technique for removing moisture from an organic liquid using an inorganic material film, for example, Non-Patent Document 1 uses a silica-zirconia film having pores having a diameter of 1 nm or less and having a molecular sieve function, A technique for selectively separating and removing water from a mixed solution of ethanol (hereinafter referred to as EtOH) and water and a mixed solution of isopropyl alcohol (hereinafter referred to as IPA) and water is described. Yes.
Table 1 shows the molecular size (molecular diameter) of typical molecules such as H 2 O, He, CO 2 , N 2 , CH 3 OH, EtOH, and IPA.

Figure 2010194438
Figure 2010194438

表1に記載の分子サイズは以下の参考文献からの引用値であり、参考文献1および3では、kinetic diameter、参考文献2では、Lennard-Jones potential におけるLennard-Jones potential diameter σの数値である。
[参考文献1]
“Material science of membranes for gas and vapor separation”edited by Yu. Yampolskii, I.Pinnau & B.D. Freeman, P.6, (2006), John Wiley & Sons Ltd.
[参考文献2]
“Molecular theory of gases and liquids”, Joseph O. Hirschfelder, Charles F. Curtiss, R.Byron Bird. John Wiley & Sons, Inc. (1954) P.1212-1214
[参考文献3]
“ On the combination of different transport mechanisms for the simulation of steady-state mass transfer through composite systems using H2/SF6 permeation through stainless steel supported silicalite-1 membranes as a model system”M. Hanebutha, R. Dittmeyera, G.T. P. Mabandeb and W. Schwiegerb, Catalysis Today、Volume 104, Issues 2-4, 30 June 2005, Pages 352-359
The molecular sizes listed in Table 1 are quoted values from the following references, which are the kinetic diameters in References 1 and 3, and the numerical values of Lennard-Jones potential diameter σ at Lennard-Jones potential in References 2.
[Reference 1]
“Material science of membranes for gas and vapor separation” edited by Yu. Yampolskii, I. Pinnau & BD Freeman, P.6, (2006), John Wiley & Sons Ltd.
[Reference 2]
“Molecular theory of gases and liquids”, Joseph O. Hirschfelder, Charles F. Curtiss, R. Byron Bird. John Wiley & Sons, Inc. (1954) P.1212-1214
[Reference 3]
“On the combination of different transport mechanisms for the simulation of steady-state mass transfer through composite systems using H 2 / SF 6 permeation through stainless steel supported silicalite-1 membranes as a model system” M. Hanebutha, R. Dittmeyera, GTP Mabandeb and W. Schwiegerb, Catalysis Today, Volume 104, Issues 2-4, 30 June 2005, Pages 352-359

J.Yangら,Pervaporation characteristics of aqueous-organic solutions with microporous SiO2-ZrO2 membranes:Experimental study on separation mechanism”,Journal of membrane science vol.284, P.205-213 (2006)J. Yang et al., Pervaporation characteristics of aqueous-organic solutions with microporous SiO2-ZrO2 membranes: Experimental study on separation mechanism ”, Journal of membrane science vol.284, P.205-213 (2006)

しかしながら、非特許文献1に記載された技術では、分子サイズ(分子直径)が0.464nm程度であるIPAと分子サイズが0.265nmである水との混合液(以下、IPA/水という場合もある。)からの水分除去の場合には、シリカ−ジルコニア膜を透過するIPA量を低く抑える一方で、水分を選択的に透過させることができるものの、分子サイズが0.431nm程度であるEtOHと水との混合液(以下、EtOH/水という場合もある。)からの水分除去の場合には、シリカ−ジルコニア膜を透過するEtOH量を十分には抑制できず、水分の透過選択性が低下した。   However, in the technique described in Non-Patent Document 1, a mixed solution of IPA having a molecular size (molecular diameter) of about 0.464 nm and water having a molecular size of 0.265 nm (hereinafter also referred to as IPA / water). In the case of removing the water from (2), EtOH having a molecular size of about 0.431 nm can be selectively permeated while keeping the amount of IPA permeating the silica-zirconia membrane low. In the case of removing water from a mixed solution with water (hereinafter sometimes referred to as EtOH / water), the amount of EtOH that permeates the silica-zirconia membrane cannot be sufficiently suppressed, and the moisture permeation selectivity is lowered. did.

具体的には、非特許文献1の図6に示されているように、例えば、IPA濃度が60%のIPA/水からの水分除去では、IPAの膜透過量は約2mol/m・hrと低い値に抑えられているが、EtOH濃度が60%のEtOH/水からの水分除去では、EtOHの膜透過量は約22mol/m・hrと大きくなり、液体の分子サイズがわずかに小さくなって水の分子サイズにやや近づいただけで、水分を選択的に透過させることが困難になっている。
膜を利用して液体中の水分を除去する際には、水分の透過量が大きいことに加えて、液体を極力、透過させない膜を用いることが望ましい。そのような膜によれば、液体が例えば複数種の液体からなる混合液体である場合でも、その液体組成の変化を低く抑えつつ、水分を選択的に除去することができる。
Specifically, as shown in FIG. 6 of Non-Patent Document 1, for example, when removing moisture from IPA / water having an IPA concentration of 60%, the membrane permeation amount of IPA is about 2 mol / m 2 · hr. However, when water is removed from EtOH / water with an EtOH concentration of 60%, the amount of EtOH permeated through the membrane increases to about 22 mol / m 2 · hr, and the liquid molecular size is slightly smaller. It becomes difficult to selectively permeate moisture only by getting close to the molecular size of water.
When removing moisture in a liquid using a membrane, it is desirable to use a membrane that does not allow liquid to penetrate as much as possible in addition to the large amount of moisture permeated. According to such a film, even when the liquid is, for example, a mixed liquid composed of a plurality of types of liquids, moisture can be selectively removed while keeping the change in the liquid composition low.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えばEtOHのように分子サイズの小さな液体からも、水分を良好に選択除去できる水分除去方法の提供を課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a moisture removal method capable of satisfactorily selectively removing moisture even from a liquid having a small molecular size such as EtOH.

本発明の水分除去方法は、無機材質膜を利用して、例えば、EtOH、IPAなどの液体から、この液体中に含まれる水分を選択的に除去する方法である。
一般に、膜の細孔サイズは、細孔サイズが数nmよりも大きい場合には、例えばKelvinのキャピラリ凝縮式(例えば特開昭62−33521号公報など参照。)により決定することができ、その値から膜の特性を判断することができる。しかしながら、上記非特許文献1などにも記載されているように、細孔サイズが1nm未満の場合は、この方法では細孔サイズを正確には判断できない。そのため、従来、1nmより小さな細孔サイズの膜については、大きさが既知である気体分子を実際に透過させ、その透過流量を比較するなどの間接的な方法により膜の特性を判断するしかなかった。
このような事情を背景として、本発明者は鋭意検討した結果、ある膜が例えばEtOHなどの分子サイズの小さな液体からも、水分を良好に選択除去できる特性を有するか否かついては、膜のHeガス透過流量FHeとSF(六フッ化硫黄)ガス透過流量FSF6とに着目し、これを指標とすることによって、判断できることを見出し、本発明を完成するに至った。Heの分子サイズは0.26nmであり、水の分子サイズ0.265nmに近いため、Heガス透過流量FHeは水分透過量の指標になり、また、SFの分子サイズは0.550nmであり、分子サイズが0.431nmのEtOHや、0.464nmのIPAなどの液体と近いため、SFガス透過流量FSF6は液体透過量の指標になるものと考えられる。なお、SFは常温下で気体である。
The moisture removal method of the present invention is a method for selectively removing moisture contained in a liquid such as EtOH or IPA using an inorganic material film.
In general, when the pore size is larger than several nanometers, the pore size of the membrane can be determined by, for example, Kelvin's capillary condensation equation (see, for example, JP-A-62-33521). The film characteristics can be judged from the values. However, as described in Non-Patent Document 1 and the like, when the pore size is less than 1 nm, this method cannot accurately determine the pore size. Therefore, for membranes with a pore size smaller than 1 nm, conventionally, it is only possible to judge the characteristics of the membrane by an indirect method such as actually transmitting gas molecules of known size and comparing the permeation flow rate. It was.
Against this background, as a result of intensive studies, the present inventor has determined that a certain film has a characteristic that can selectively remove moisture even from a liquid having a small molecular size such as EtOH. Focusing on the gas permeation flow rate F He and SF 6 (sulfur hexafluoride) gas permeation flow rate F SF6 , it was found that this can be used as an index, and the present invention has been completed. Since the molecular size of He is 0.26 nm and the molecular size of water is close to 0.265 nm, the He gas permeation flow rate F He is an indicator of the amount of water permeation, and the molecular size of SF 6 is 0.550 nm. Since it is close to liquids such as EtOH having a molecular size of 0.431 nm and IPA having 0.464 nm, the SF 6 gas permeation flow rate F SF6 is considered to be an index of the liquid permeation amount. SF 6 is a gas at normal temperature.

本発明の液体からの水分除去方法は、無機材質膜を用いて液体から水分を除去する方法であって、前記無機材質膜は、Heガス透過流量FHeとSFガス透過流量FSF6との比:FHe/FSF6が100〜10000であるとともに、SFガス透過流量FSF6が、1×10−11〜1×10−8mol/(m・Pa・sec)である。
前記液体の分子サイズは、0.36nm以上であることが好ましい。
前記液体がエタノールおよび/またはイソプロピルアルコールであると、非常に効果的に水分除去できる。
前記無機材質膜は、シリカ膜またはシリカ−ジルコニア膜を具備して構成されていることが好ましい。
The method for removing moisture from a liquid according to the present invention is a method for removing moisture from a liquid by using an inorganic material film, and the inorganic material film is formed of a He gas permeation flow rate F He and a SF 6 gas permeation flow rate F SF6 . Ratio: F He / F SF6 is 100 to 10,000, and SF 6 gas permeation flow rate F SF6 is 1 × 10 −11 to 1 × 10 −8 mol / (m 2 · Pa · sec).
The molecular size of the liquid is preferably 0.36 nm or more.
When the liquid is ethanol and / or isopropyl alcohol, water can be removed very effectively.
The inorganic material film preferably includes a silica film or a silica-zirconia film.

本発明によれば、例えばEtOHのように分子サイズの小さな液体からも、水分を非常に良好に選択除去できる。   According to the present invention, moisture can be selected and removed very well even from a liquid having a small molecular size such as EtOH.

無機材質膜の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of an inorganic material film | membrane. シリカ膜を模式的に示す図である。It is a figure which shows a silica membrane typically. ガス透過流量測定装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of a gas permeation | transmission flow rate measuring apparatus. パーベーパレーション測定装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of a pervaporation measuring apparatus. ガス透過流量の測定結果を、透過分子サイズに対して、プロットしたグラフである。It is the graph which plotted the measurement result of the gas permeation | transmission flow volume with respect to the permeation | transmission molecule | numerator size.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の液体からの水分除去方法では、下記の条件(1)と条件(2)とを満足する無機材質膜を用いる。
条件(1):Heガス透過流量FHeとSFガス透過流量FSF6との比:FHe/FSF6が100〜10000である。より好ましくは、300〜1500である。
条件(2):SFガス透過流量FSF6が1×10−11〜1×10−8mol/(m・Pa・sec)である。より好ましくは、1×10−10〜1×10−8mol/(m・Pa・sec)である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the method of removing moisture from the liquid of the present invention, an inorganic material film that satisfies the following conditions (1) and (2) is used.
Condition (1): Ratio of He gas permeation flow rate F He to SF 6 gas permeation flow rate F SF6 : F He / F SF6 is 100 to 10,000. More preferably, it is 300-1500.
Condition (2): SF 6 gas permeation flow rate F SF6 is 1 × 10 −11 to 1 × 10 −8 mol / (m 2 · Pa · sec). More preferably, it is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −8 mol / (m 2 · Pa · sec).

このような無機材質膜を用いて、膜の一方の面側(一次側)に処理対象の液体を供給することにより、特に液体中の水分が無機材質膜を選択透過し、水分を他方の面側(二次側)から除去することができる。   By using such an inorganic material film and supplying the liquid to be treated to one side (primary side) of the film, in particular, moisture in the liquid selectively permeates the inorganic material film and allows moisture to pass through the other side. Can be removed from the side (secondary side).

なお、上記条件(1)および(2)における各ガス透過流量は、測定温度200℃における値である。仮に常温などの低温下でガス透過流量を測定した場合には、無機材質膜の細孔表面と液体や水分の分子との間に相互作用が生じ、透過現象と細孔サイズとの関連付けが複雑になってしまう。よって、このような相互作用を無視できる程度に抑えるために、200℃の高温下での測定値を採用した。また、測定時のガス供給圧力は、0.1〜0.4MPaの範囲で、圧力を上げていきながら、透過流量が圧力に比例することを確認して、単位圧力での気体透過流量での値、「mol/(m・Pa・sec)」へ換算した。 In addition, each gas permeation | transmission flow rate in the said conditions (1) and (2) is a value in the measurement temperature of 200 degreeC. If the gas permeation flow rate is measured at a low temperature such as room temperature, an interaction occurs between the pore surface of the inorganic material film and the molecules of liquid or moisture, and the association between the permeation phenomenon and the pore size is complicated. Become. Therefore, in order to suppress such an interaction to a negligible level, a measured value at a high temperature of 200 ° C. was adopted. The gas supply pressure at the time of measurement is in the range of 0.1 to 0.4 MPa. While increasing the pressure, confirm that the permeate flow rate is proportional to the pressure, and at the gas permeate flow rate at unit pressure. The value was converted to “mol / (m 2 · Pa · sec)”.

本発明の水分除去方法で処理対象とする液体は、常温常圧下で液体であるものであればいかなるものでもよい。具体的には、EtOH(分子サイズ:0.431nm)、IPA(分子サイズ:0.464nm)、メタノール(分子サイズ:0.367nm)、2−ブタノール(分子サイズ:0.464nm)などのアルコールや、アセトン(分子サイズ:0.467nm)などの有機液体を例示でき、これらのうちの1種または2種以上からなる混合液体から、水分除去することができる。さらに、液体としては、軽油、重油、潤滑油、絶縁オイルなどの油類;リチウムイオン二次電池の電解液;液晶なども例示できる。
なお、EtOH、IPA、メタノール、アセトンの分子サイズは、上述の参考文献2から引用した数値であり、Lennard-Jones potential におけるLennard-Jones potential diameter σの値を[nm]単位で記載した。
The liquid to be treated by the water removal method of the present invention may be any liquid as long as it is liquid at normal temperature and pressure. Specifically, alcohols such as EtOH (molecular size: 0.431 nm), IPA (molecular size: 0.464 nm), methanol (molecular size: 0.367 nm), 2-butanol (molecular size: 0.464 nm), etc. An organic liquid such as acetone (molecular size: 0.467 nm) can be exemplified, and water can be removed from a mixed liquid composed of one or more of them. Furthermore, examples of the liquid include oils such as light oil, heavy oil, lubricating oil, and insulating oil; lithium-ion secondary battery electrolyte; and liquid crystal.
In addition, the molecular size of EtOH, IPA, methanol, and acetone is the numerical value quoted from the above-mentioned reference 2, and the value of Lennard-Jones potential diameter σ in the Lennard-Jones potential is described in [nm] units.

無機材質膜のFHe/FSF6が条件(1)の下限値未満では、水分の選択透過性が低く、水分と液体とを十分には分離することができない。一方、上限値を超える膜は、膜の製造自体が実質的に困難である。
また、たとえFHe/FSF6が条件(1)の範囲内であっても、FSF6が条件(2)の下限値未満では、液体の透過を抑制できるものの、水分の透過も抑制され、実用性に欠ける。また、FHe/FSF6が条件(1)の範囲内であっても、FSF6が条件(2)の上限値をを超えると、液体の透過が多すぎて、やはり実用的ではない。
When the F He / F SF6 of the inorganic material film is less than the lower limit value of the condition (1), the moisture selective permeability is low, and the moisture and the liquid cannot be sufficiently separated. On the other hand, the film itself exceeding the upper limit is substantially difficult to manufacture.
Further, even in a range F He / F SF6 condition of (1), is less than the lower limit of F SF6 condition (2), but can suppress permeation of liquid, moisture permeation is suppressed, practical Lack of sex. Even if F He / F SF6 is within the range of the condition (1), if F SF6 exceeds the upper limit value of the condition (2), the liquid permeates too much, which is not practical.

このように無機材質膜のFHeとFSF6とを指標とすることによって、液体を用意して実際に無機材質膜による水分除去を行わなくても、その無機材質膜が分子サイズの小さなEtOH、IPAなどの液体からも水分を良好に選択除去できるものであるか否かついて、判断できる。これは、Heの分子サイズは0.26nmであり、水の分子サイズ0.265nmに近いため、FHeが水分透過量の指標になり、また、SFの分子サイズは0.550nmであり、分子サイズが0.431nmのEtOHや、0.464nmのIPAなどの液体と近いため、FSF6が液体透過量の指標になるためと考えられる。よって、このような指標を採用することによって、液体からの水分除去の挙動を適切に判断できるものと考えられる。 In this way, by using F He and F SF6 of the inorganic material film as indexes, even if liquid is prepared and water is not actually removed by the inorganic material film, the inorganic material film has a small molecular size of EtOH, It can be determined whether or not moisture can be selectively removed from a liquid such as IPA. This is because the molecular size of He is 0.26 nm and the molecular size of water is close to 0.265 nm, so that F He is an indicator of the amount of water permeation, and the molecular size of SF 6 is 0.550 nm. molecular size EtOH or 0.431Nm, closer and liquids such as IPA in 0.464Nm, presumably because F SF6 is an index of the liquid permeation amount. Therefore, it is considered that the behavior of removing moisture from the liquid can be appropriately determined by adopting such an index.

本発明で用いられる無機材質膜としては、上記条件(1)および(2)を満足するものであれば、その材質、形態などに制限はないが、例えば、図1に示すように、セラミック基材などの多孔質基材11上に、シリカコロイドゾル、ジルコニアコロイドゾル、チタニアコロイドゾルから選ばれる1種以上のコロイドゾルを透過膜原料としてホットコーティングによりコーティング後、焼成し、厚みの薄いアモルファスな分子篩機能層である透過膜12を形成させた複合膜の形態の無機材質膜10が好適に例示できる。   The inorganic material film used in the present invention is not limited in material and form as long as the above conditions (1) and (2) are satisfied. For example, as shown in FIG. An amorphous molecular sieve having a thin thickness is coated on a porous substrate 11 such as a material by hot coating using at least one colloidal sol selected from silica colloidal sol, zirconia colloidal sol, and titania colloidal sol as a permeable membrane material, followed by baking. A suitable example is an inorganic material film 10 in the form of a composite film on which a permeable film 12 as a functional layer is formed.

このような無機材質膜10の一例として、管状のセラミック基材上に、アモルファスなシリカ膜からなる透過膜12が形成された複合膜を例に挙げて、その製造方法を説明する。
まず、セラミック基材として、例えばα−アルミナ多孔質管を用意し、このセラミック基材の外周面上に、α−アルミナ粒子をいわゆるデポジット(deposit)して、セラミック基材の外周面を平滑にするとともに、外周面に形成されている比較的大きな細孔を封止する。具体的には、シリカコロイドゾルをバインダーとしてα−アルミナ粒子をセラミック基材の外周面上にコーティングし、例えば450〜550℃で加熱、焼成する。これによって、次の工程で透過膜原料のコロイドゾルをこの上にコーティングした際のピンホール欠陥も防止できる。
As an example of such an inorganic material film 10, a manufacturing method thereof will be described by taking a composite film in which a permeable film 12 made of an amorphous silica film is formed on a tubular ceramic base material.
First, for example, an α-alumina porous tube is prepared as a ceramic substrate, and α-alumina particles are deposited on the outer peripheral surface of the ceramic substrate to make the outer peripheral surface of the ceramic substrate smooth. In addition, relatively large pores formed on the outer peripheral surface are sealed. Specifically, α-alumina particles are coated on the outer peripheral surface of the ceramic base material using silica colloid sol as a binder, and heated and fired at, for example, 450 to 550 ° C. This can also prevent pinhole defects when a permeable membrane material colloidal sol is coated thereon in the next step.

セラミック基材としては、その細孔径が数百nm〜数十μm程度、より好適には数μmであるものを使用する。これは、用いるα−アルミナ粒子の大きさにもよるが、このアルミナ粒子と、同程度の細孔サイズを有するものを用いることによって、細孔を粒子で埋めて、基材表面を平滑化しやすいためである。また、肉厚は、0.1〜5mm程度のものが好ましい。
α−アルミナ粒子としては、粒子径が0.2〜2.0μmのものを用いることが好ましく、粒径の異なる複数種の粒子を用いると、セラミック基材を平滑にしやすいので、その点で好ましい。
As the ceramic substrate, those having a pore diameter of about several hundred nm to several tens of μm, more preferably several μm are used. This depends on the size of the α-alumina particles to be used, but it is easy to smooth the substrate surface by filling the pores with particles by using particles having the same pore size as the alumina particles. Because. The wall thickness is preferably about 0.1 to 5 mm.
As the α-alumina particles, those having a particle size of 0.2 to 2.0 μm are preferably used, and using a plurality of types of particles having different particle sizes is preferable in that respect because it is easy to smooth the ceramic substrate. .

ついで、このセラミック基材をあらかじめ170〜190℃に加熱しておく。そして、加熱されたセラミック基材に透過膜原料であるシリカコロイドゾルを接触させて、ゾル中の溶媒を瞬間的に蒸発させる。そして、これを焼成することにより、ゾルの縮合が完結し、細孔が形成されたシリカ膜を形成することができる。   Next, this ceramic substrate is heated to 170 to 190 ° C. in advance. Then, the colloidal silica sol as the permeable membrane material is brought into contact with the heated ceramic substrate, and the solvent in the sol is instantaneously evaporated. Then, by baking this, the condensation of the sol is completed, and a silica film in which pores are formed can be formed.

シリカコロイドゾルは、例えば、シリカの原料であるテトラエトキシシランをエタノールに溶かし、酸触媒として塩酸あるいは硝酸を加えて、溶液のpHを1〜3付近として50〜100℃、1〜24時間の条件で加水分解、縮合を行う方法により調製できる。   For example, silica colloidal sol is prepared by dissolving tetraethoxysilane, which is a raw material of silica, in ethanol, adding hydrochloric acid or nitric acid as an acid catalyst, and adjusting the pH of the solution to around 1 to 3 at 50 to 100 ° C. for 1 to 24 hours. Can be prepared by a method of hydrolysis and condensation.

このようにあらかじめ加熱されたセラミック基材に透過膜原料であるシリカコロイドゾルを接触させて、ゾル中の溶媒を瞬間的に蒸発させるコーティング方法、すなわち、ホットコーティングによれば、きわめて薄い膜を容易に形成することができる。また、このようなホットコーティングの後には焼成するが、その後さらに、ホットコーティングして焼成することを適宜繰り返すと、膜厚を大きくすることができる。
条件(1)および(2)の条件の無機材質膜を形成するためには、ホットコーティング−焼成の工程を繰り返し、合計で2〜10回行うことが好ましい。また、このように繰り返すことにより、最終的には10〜300nm程度の膜厚のシリカ膜を形成することができる。
In this way, an extremely thin film can be easily formed by contacting the colloidal silica sol, which is the raw material of the permeable membrane, with the preheated ceramic substrate and evaporating the solvent in the sol instantaneously. Can be formed. Moreover, although baking is performed after such hot coating, the film thickness can be increased by repeating the subsequent hot coating and baking appropriately.
In order to form the inorganic material film under the conditions (1) and (2), it is preferable to repeat the hot coating-firing step and perform it 2 to 10 times in total. Moreover, by repeating in this way, a silica film having a thickness of about 10 to 300 nm can be finally formed.

上述の説明では、水分を選択的に透過する透過膜12として、シリカ膜を例示したが、その他にも、例えば、シリカ−ジルコニア膜、ジルコニア膜、チタニア膜なども好適に例示できる。
例えば、シリカ−ジルコニア膜を形成する場合には、ジルコニアの原料であるテトラブトキシジルコニアを同様にエタノールに溶かし、酸触媒として塩酸あるいは硝酸を加えて、溶液のpHを1〜3付近として、加水分解、縮合を行い、ジルコニアコロイドゾルを得る。そして、別途上述の方法などで調製したシリカコロイドゾルとこれを混合する。ついで、得られたシリカ−ジルコニアコロイドゾルを用いて、上述のホットコーティングと焼成とを適宜繰り返すことにより、シリカ−ジルコニア膜を形成することができる。
なお、シリカ−ジルコニアコロイドゾルは、テトラエトキシシランとテトラブトキシジルコニアをエタノールに同時に加えながら、上述のように酸触媒として塩酸あるいは硝酸を加えて、溶液のpHを1〜3付近に調整し、加水分解、縮合する方法でも調製できる。
In the above description, the silica film is exemplified as the permeable membrane 12 that selectively permeates moisture, but other examples include a silica-zirconia film, a zirconia film, a titania film, and the like.
For example, in the case of forming a silica-zirconia film, tetrabutoxyzirconia, which is a raw material of zirconia, is similarly dissolved in ethanol, and hydrochloric acid or nitric acid is added as an acid catalyst so that the pH of the solution is around 1 to 3. , Condensation is performed to obtain a zirconia colloidal sol. Then, this is mixed with a silica colloidal sol separately prepared by the method described above. Next, using the obtained silica-zirconia colloidal sol, a silica-zirconia film can be formed by appropriately repeating the above hot coating and baking.
The silica-zirconia colloidal sol is prepared by adding hydrochloric acid or nitric acid as an acid catalyst as described above while simultaneously adding tetraethoxysilane and tetrabutoxyzirconia to ethanol, and adjusting the pH of the solution to around 1 to 3. It can also be prepared by a method of decomposing and condensing.

また、ジルコニア膜、チタニア膜を形成する場合にも、これらに対応するコロイドゾル、すなわち、ジルコニアコロイドゾル、チタニアコロイドゾルなどを透過膜原料として用いて、シリカ膜の場合と同様にして膜形成すればよい。
さらに、上述の説明では、管状の多孔質基材11上にシリカ膜などの透過膜12が形成された複合膜を例示したが、多孔質基材11を備えない膜でもよいし、管状でなくてもよい。しかしながら、上述したように、多孔質基材11を備えた複合膜であれば、製造が容易である。また、強度(耐圧性)にも優れるため、液体からの水分除去に際して無機材質膜10を液体中に浸し、加圧条件下にて液体を供給し、一方の面側を減圧に吸引して、大きな圧力差の下で水分除去することもできる。また、粘性の高い、例えば液晶などの液体においては、室温よりも温度を上げて粘性を低下させた上で、大きな圧力差のもとで、水分を除去することもできる。
Further, when forming a zirconia film or a titania film, a colloidal sol corresponding to these, that is, using a zirconia colloidal sol, a titania colloidal sol or the like as a permeable membrane material, can be formed in the same manner as the case of a silica film Good.
Furthermore, in the above description, the composite membrane in which the permeable membrane 12 such as a silica membrane is formed on the tubular porous substrate 11 is exemplified. However, the membrane may not be provided with the porous substrate 11 and may not be tubular. May be. However, as described above, the composite film provided with the porous substrate 11 is easy to manufacture. Moreover, since it is excellent also in strength (pressure resistance), the inorganic material film 10 is immersed in the liquid when removing water from the liquid, the liquid is supplied under a pressurized condition, and one surface side is sucked to a reduced pressure, It is possible to remove moisture under a large pressure difference. In addition, in a liquid having high viscosity, such as liquid crystal, moisture can be removed under a large pressure difference after the temperature is lowered from room temperature to lower the viscosity.

このような無機材質膜10の製造においては、形成される無機材質膜10の特性は使用されたコロイドゾル中のコロイド粒子径や、コーティング方法、焼成温度、焼成時間の影響を受ける。
上記条件(1)および(2)を兼ね備えた無機材質膜10を製造するための好適なコロイド粒子径は10〜20nmの範囲である。また、コロイド粒子径をこのような範囲とするためには、上述した加水分解時におけるテトラエトキシシランなどの膜原料化合物:水:硝酸などの酸触媒の質量比率は、例えば、7.5〜10:100:0.5の範囲とすることが好適である。
また、焼成温度は好ましくは300〜600℃、より好ましくは400〜500℃の範囲であり、焼成時間は30分間〜数日間の範囲で適宜設定する。
In the production of such an inorganic material film 10, the properties of the formed inorganic material film 10 are affected by the colloidal particle diameter in the used colloidal sol, the coating method, the firing temperature, and the firing time.
A suitable colloid particle diameter for producing the inorganic material film 10 having the above conditions (1) and (2) is in the range of 10 to 20 nm. In order to set the colloidal particle diameter in such a range, the mass ratio of the acid catalyst such as film raw material compound such as tetraethoxysilane: water: nitric acid at the time of hydrolysis described above is, for example, 7.5 to 10 : 100: 0.5 is preferable.
The firing temperature is preferably in the range of 300 to 600 ° C, more preferably 400 to 500 ° C, and the firing time is appropriately set in the range of 30 minutes to several days.

こうして形成された無機材質膜10においては、図2にシリカ膜を模式的に例示して説明するが、膜を構成する粒子、すなわちこの例ではシリカ粒子P同士の間隔Aが適切に制御され、この間隔Aを水分やHeは透過できるものの、EtOH、IPAなどの溶液やSFはほとんど通過できないようにされていると考えられる。そのため、このような無機材質膜10は、上記条件(1)および(2)を満たし、その結果、EtOHのように分子サイズの小さな液体からも、水分を非常に良好に選択除去できると考えられる。また、このように分子サイズの小さなEtOHであっても、その中に含まれる水分を効果的に除去できるため、分子サイズがEtOHよりも大きな各種液体からも、当然同様に、水分を除去できる。
通常、シリカ粒子Pの内部においては、図2に示すように、−Si-O-Si−のネットワークが形成されており、水分や、Heは透過できるが、EtOH、IPAなどの分子は、透過できない。したがって、水分と、液体分子との篩い分けにおいては、前述のように、間隔Aを制御することが重要である。
Inorganic material film 10 thus formed is a silica film will be exemplified schematically in Figure 2, particles constituting the film, i.e. silica particles P S distance A between in this example is controlled appropriately Although it is possible for moisture and He to permeate the gap A, it is considered that a solution such as EtOH and IPA and SF 6 are hardly allowed to pass. Therefore, such an inorganic material film 10 satisfies the above conditions (1) and (2), and as a result, it is considered that moisture can be selectively removed even from a liquid having a small molecular size such as EtOH. . In addition, even EtOH having a small molecular size can effectively remove the water contained therein, so that the water can naturally be removed from various liquids having a molecular size larger than that of EtOH.
Usually, in the interior of the silica particles P S, as shown in FIG. 2, -Si-O-Si- network is formed, water and, although He is permeable, EtOH, molecules such as IPA is Cannot penetrate. Therefore, as described above, it is important to control the interval A in sieving between moisture and liquid molecules.

次に、無機材質膜10のガス透過流量を測定する方法と、無機材質膜10を用いて液体から水分を除去し、その際の水分透過量と液体透過量とを測定する方法について説明する。
図3は、ガス透過流量測定装置20の好適な一例を示すものであって、管状の無機材質膜10について、Heガス透過流量FHe、SFガス透過流量FSF6などのガス透過流量を測定するものである。
このガス透過流量測定装置20は、無機材質膜10とこの無機材質膜10に供給されるガスとを加熱するためのヒータ21を備えている。このヒータ21は筒状であって、その一方の端部21aには、ガスボンベシリンダ22からのガスをヒータ21内に導入するためのガス導入管23が接続されている。他方の端部21b側には、ヒータ21内に配置された無機材質膜10を透過しなかったガスが排出されるガス排気管24が接続されているとともに、ヒータ21内に配置された無機材質膜10を透過したガスが排出される透過ガス排出管25が備えられている。また、ヒータ21には、無機材質膜10内の温度を測定する熱電対26aを備えた温度コントローラ26が接続され、25〜300℃の温度範囲において、無機材質膜10のガス透過流量を測定できるようになっている。
Next, a method for measuring the gas permeation flow rate of the inorganic material film 10 and a method for removing moisture from the liquid using the inorganic material film 10 and measuring the water permeation amount and the liquid permeation amount at that time will be described.
FIG. 3 shows a preferred example of the gas permeation flow rate measuring device 20, and measures gas permeation flow rates such as He gas permeation flow rate F He and SF 6 gas permeation flow rate F SF6 for the tubular inorganic material film 10. To do.
The gas permeation flow rate measuring device 20 includes a heater 21 for heating the inorganic material film 10 and the gas supplied to the inorganic material film 10. The heater 21 has a cylindrical shape, and a gas introduction pipe 23 for introducing the gas from the gas cylinder 22 into the heater 21 is connected to one end 21a thereof. A gas exhaust pipe 24 through which gas that has not permeated through the inorganic material film 10 disposed in the heater 21 is connected to the other end 21 b side, and an inorganic material disposed in the heater 21. A permeated gas discharge pipe 25 through which the gas that has permeated the membrane 10 is discharged is provided. The heater 21 is connected to a temperature controller 26 provided with a thermocouple 26a for measuring the temperature in the inorganic material film 10, and the gas permeation flow rate of the inorganic material film 10 can be measured in a temperature range of 25 to 300 ° C. It is like that.

ガス導入管23の途中には、ガスボンベシリンダ22からヒータ21内に供給されるガスの流量を制御するマスフローコントローラなどの流量コントローラ27と、圧力を制御する圧力制御弁28とが備えられ、0.1〜0.4MPaのガス供給圧力範囲において、ガス透過流量を測定できるようになっている。
透過ガス排出管25の下流端は石鹸膜流量計などのガス流量計29に導入され、無機材質膜10を透過したガスの透過流量が測定されるようになっている。
なお、図3中、符号Pは圧力計、Sはストップバルブ、Nはニードルバルブ、Cは三方コックである。
In the middle of the gas introduction pipe 23, a flow rate controller 27 such as a mass flow controller for controlling the flow rate of gas supplied from the gas cylinder 22 into the heater 21 and a pressure control valve 28 for controlling the pressure are provided. The gas permeation flow rate can be measured in a gas supply pressure range of 1 to 0.4 MPa.
The downstream end of the permeate gas discharge pipe 25 is introduced into a gas flow meter 29 such as a soap film flow meter, and the permeate flow rate of the gas that has passed through the inorganic material film 10 is measured.
In FIG. 3, P is a pressure gauge, S is a stop valve, N is a needle valve, and C is a three-way cock.

このガス透過流量測定装置20を使用して、ガス透過流量を測定する場合には、まず、一方の端部が封止され、他方の端部が開放されている管状の無機材質膜10を用意し、これをヒータ21内に配置する。ついで、開放されている側の端部に透過ガス排出管25の上流端を接続する。そして、ヒータ21を所定の温度(この例では200℃)まで加熱するとともに、ガスボンベシリンダ22を開き、流量コントローラと圧力制御弁27とを調整し、ガスボンベシリンダ22内のガスを所定のガス供給圧力(この例では0.1〜0.4MPa)でヒータ21内に導入する。
すると、ヒータ21内に導入されたガスのうち、無機材質膜10の外周側から内周側へと透過したガスが石鹸膜流量計へと導かれ、ガス透過流量を測定することができる。
In the case of measuring the gas permeation flow rate using this gas permeation flow rate measuring device 20, first, a tubular inorganic material film 10 having one end sealed and the other end open is prepared. This is disposed in the heater 21. Next, the upstream end of the permeate gas discharge pipe 25 is connected to the open end. The heater 21 is heated to a predetermined temperature (200 ° C. in this example), the gas cylinder 22 is opened, the flow controller and the pressure control valve 27 are adjusted, and the gas in the gas cylinder 22 is supplied to a predetermined gas supply pressure. (In this example, 0.1 to 0.4 MPa) is introduced into the heater 21.
Then, the gas which permeate | transmitted from the outer peripheral side of the inorganic material film | membrane 10 to the inner peripheral side among the gas introduce | transduced in the heater 21 is guide | induced to a soap film | membrane flowmeter, and a gas permeation | transmission flow rate can be measured.

図4は、無機材質膜10を用いて液体から水分を除去する場合に好適に使用されるパーベーパレーション(pervaporation)測定装置30の一例を示すものであって、管状の無機材質膜10を用いて液体から水分を除去する際に使用されるものである。
この測定装置30は、水分除去の対象である液体が投入されるガラス容器31を具備している。ガラス容器31は、両端側の連結部で連通され、互いに通液可能な第1筒部31aと第2筒部31bとを備えている。第1筒部31aには攪拌モータ32aを備えた攪拌翼32が挿入配置されているとともにヒータ33が設けられ、第1筒部31a内の液体を攪拌しながら、加熱できるようになっている。ヒータ33には、液温を測定する熱電対33bを備えた温度コントローラ33aが接続されている。一方、第2筒部31b内には無機材質膜10が配置されるようになっている。また、無機材質膜10の内周側には、下流端に真空ポンプなどの減圧手段34が接続された減圧配管35の上流端が接続治具36により接続され、真空ポンプを作動させることによって、無機材質膜10の内周側の圧力を外周側よりも低くできるようになっている。また、減圧配管35の途中には、液体窒素などの冷媒を備えたコールドトラップ37がこの例では2つ直列に配置され、無機材質膜10を透過した水分や液体がここで冷却され、凝縮固体として捕集されるようになっている。
FIG. 4 shows an example of a pervaporation measuring device 30 that is preferably used when water is removed from a liquid using the inorganic material film 10, and the tubular inorganic material film 10 is used. It is used when removing moisture from the liquid.
The measuring device 30 includes a glass container 31 into which a liquid that is a target for moisture removal is charged. The glass container 31 includes a first cylindrical portion 31a and a second cylindrical portion 31b that are communicated with each other at both end side coupling portions and are capable of passing each other. A stirring blade 32 having a stirring motor 32a is inserted and disposed in the first cylinder portion 31a, and a heater 33 is provided so that the liquid in the first cylinder portion 31a can be heated while being stirred. The heater 33 is connected to a temperature controller 33a having a thermocouple 33b for measuring the liquid temperature. On the other hand, the inorganic material film 10 is arranged in the second cylindrical portion 31b. Further, on the inner peripheral side of the inorganic material film 10, the upstream end of the decompression pipe 35 having a decompression means 34 such as a vacuum pump connected to the downstream end is connected by a connecting jig 36, and the vacuum pump is operated, The pressure on the inner peripheral side of the inorganic material film 10 can be made lower than that on the outer peripheral side. In the middle of the decompression pipe 35, two cold traps 37 having a refrigerant such as liquid nitrogen are arranged in series in this example, and moisture and liquid that have permeated through the inorganic material film 10 are cooled and condensed solids. It is supposed to be collected as.

この測定装置30を使用して液体から水分を除去し、その際の無機材質膜10の水分透過量(水蒸気透過量)と液体透過量(液体蒸気透過量)とを測定する場合には、まず、管状の無機材質膜10を第2筒部31b内に配置するとともに、接続治具36を無機材質膜10の内周側に挿入する。ついで、ガラス容器31内に液体を投入し、攪拌モータ32aにより攪拌翼32を500〜1000rpmの回転速度で作動させるとともに、ヒータ33により液体の温度(フィード温度)を室温もしくは30〜60℃程度に加熱する。ここで攪拌翼32による攪拌は、無機材質膜10に供給される液体に流れを持たせる目的と、ガラス容器31内の液温を均一にする目的のために行う。また、液体を上記温度範囲で加熱する目的は、溶存している水分を拡散しやすくするためであり、また、液体が高粘性液体である場合にはその粘度を下げて、液体を無機材質膜10に供給しやすくするためでもある。なお、このような攪拌条件下では、水分透過量と液体透過量は攪拌翼32の回転速度に依存しないことを確認している。
そして、真空ポンプを作動させて、無機材質膜10の内周側を減圧する。すると、無機材質膜10の内周側と外周側との圧力差により、液体および水分は無機材質膜10の外周側(一次側)から内周側(二次側)に透過し、コールドトラップ37に捕集される。ついで、捕集された凝縮固体を室温に戻して液体とし、この液体の組成をガスクロマトグラフにより分析することにより、無機材質膜10の水分透過量と液体透過量とを求めることができる。なお、図4中符号Pは、圧力計である。
When the moisture is removed from the liquid using the measuring device 30 and the moisture permeation amount (water vapor permeation amount) and liquid permeation amount (liquid vapor permeation amount) of the inorganic material film 10 at that time are measured, The tubular inorganic material film 10 is disposed in the second cylindrical portion 31b, and the connection jig 36 is inserted on the inner peripheral side of the inorganic material film 10. Next, a liquid is put into the glass container 31 and the stirring blade 32 is operated at a rotational speed of 500 to 1000 rpm by the stirring motor 32a, and the temperature (feed temperature) of the liquid is set to room temperature or about 30 to 60 ° C. by the heater 33. Heat. Here, the stirring by the stirring blade 32 is performed for the purpose of giving a flow to the liquid supplied to the inorganic material film 10 and the purpose of making the liquid temperature in the glass container 31 uniform. The purpose of heating the liquid in the above temperature range is to facilitate the diffusion of dissolved water. If the liquid is a highly viscous liquid, the viscosity is lowered and the liquid is made of an inorganic material film. This is also for facilitating the supply to 10. It has been confirmed that under such a stirring condition, the moisture permeation amount and the liquid permeation amount do not depend on the rotational speed of the stirring blade 32.
And a vacuum pump is operated and the inner peripheral side of the inorganic material film | membrane 10 is pressure-reduced. Then, due to the pressure difference between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the inorganic material film 10, the liquid and moisture permeate from the outer peripheral side (primary side) to the inner peripheral side (secondary side) of the inorganic material film 10, and the cold trap 37. To be collected. Subsequently, the collected condensed solid is returned to room temperature to form a liquid, and the composition of the liquid is analyzed by a gas chromatograph, whereby the moisture permeation amount and the liquid permeation amount of the inorganic material film 10 can be obtained. In addition, the code | symbol P in FIG. 4 is a pressure gauge.

図3に例示したようなガス透過流量測定装置20で測定されたHeガス透過流量FHeおよびSFガス透過流量FSF6が、上記条件(1)および(2)を満足する無機材質膜10によれば、図4に例示したようなパーベーパレーション測定装置30により液体から水分を除去した際に、その液体が例えばEtOHのように分子サイズの小さな液体であっても、無機材質膜10を透過する液体の量を低く抑え、一方、水分を選択的に透過させることができる。
具体的には、上記条件(1)および(2)を満足する無機材質膜10によれば、特に50℃(フィード温度)における液体透過量を3mol/(m・hr)以下にまで抑制できることが明らかになっている。
よって、このような無機材質膜10を用いた水分除去は、例えば、リチウムイオン二次電池の電解液の水分除去;工業用エタノール、メタノールの脱水;潤滑油の水分除去;軽油、重油中の水分除去;変圧器に用いられる絶縁オイルの水分除去;ガラス基板の間に真空封入される液晶の水分除去などへの利用が期待される。
The He gas permeation flow rate F He and the SF 6 gas permeation flow rate F SF6 measured by the gas permeation flow rate measuring apparatus 20 illustrated in FIG. 3 become the inorganic material film 10 satisfying the above conditions (1) and (2). According to this, when moisture is removed from the liquid by the pervaporation measuring apparatus 30 illustrated in FIG. 4, even if the liquid is a liquid having a small molecular size such as EtOH, the inorganic material film 10 is permeated. The amount of liquid to be kept can be kept low, while moisture can be selectively permeated.
Specifically, according to the inorganic material film 10 that satisfies the above conditions (1) and (2), the liquid permeation amount at 50 ° C. (feed temperature) can be suppressed to 3 mol / (m 2 · hr) or less. Has been revealed.
Therefore, water removal using such an inorganic material film 10 is, for example, water removal from the electrolyte of a lithium ion secondary battery; dehydration of industrial ethanol and methanol; water removal from lubricating oil; water in light oil and heavy oil Removal; Moisture removal of insulating oil used in transformers; utilization of liquid crystal sealed in vacuum between glass substrates is expected.

特に、このように液体透過量を低く抑制できると、処理対象の液体が混合液体である場合でも、その組成変化を極力抑えて、水分を除去することができる。よって、処理対象の液体が表示デバイスに用いられる液晶である場合、このような無機材質膜10による水分除去は非常に有効である。
すなわち、液晶を二枚のガラス基板の間に封入し、表示デバイスを製造する場合、封入はガラス基板の間を高真空とした条件下で行なわれるため、液晶からの水分除去は、水蒸気による気泡を除去するために不可欠である。液晶のように、高価な液体材料を多種類配合して用いる場合、特定成分が膜透過してしまうと、液晶の配合バランスが崩れ、液晶の損失にも繋がる。その点、条件(1)および(2)を満たす無機材質膜10は、分子サイズの小さな液体であっても、その透過量を抑えることができるため、液晶の水分除去にも大きな効果を発揮し、実用的である。
In particular, when the amount of liquid permeation can be suppressed in this way, even when the liquid to be processed is a mixed liquid, the composition change can be suppressed as much as possible, and moisture can be removed. Therefore, when the liquid to be processed is a liquid crystal used for a display device, such moisture removal by the inorganic material film 10 is very effective.
That is, when a liquid crystal is enclosed between two glass substrates to produce a display device, the encapsulation is performed under a high vacuum between the glass substrates. Is essential to eliminate. In the case of using a mixture of many kinds of expensive liquid materials such as liquid crystals, if a specific component permeates through the membrane, the liquid crystal blending balance is lost, leading to liquid crystal loss. In this respect, the inorganic material film 10 satisfying the conditions (1) and (2) can suppress the permeation amount even if it is a liquid having a small molecular size. Is practical.

また、後述の実施例でも示すように、このような無機材質膜10によれば、特に分子サイズが0.36nm以上の液体の透過を低く抑制することができる。よって、このような無機材質膜10を使用すると、分子サイズが0.36nm以上である液体からの水分の除去に特に優れた効果を発揮する。
分子サイズが0.36nm以上の液体分子としては、すでに例示した各種アルコールやアセトンの他、(CO (0.55nm)、CHCOOCH(0.51nm)、CHCOOC(0.52nm)を例示することができる。カッコ内は、分子直径の値である。ここに示した分子直径は、上述の参考文献2の1214頁より引用した値である。
In addition, as shown in the examples described later, according to such an inorganic material film 10, it is possible to suppress transmission of a liquid having a molecular size of 0.36 nm or more in particular. Therefore, when such an inorganic material film 10 is used, a particularly excellent effect is exhibited in removing moisture from a liquid having a molecular size of 0.36 nm or more.
Liquid molecules having a molecular size of 0.36 nm or more include (C 2 H 5 ) 2 O (0.55 nm), CH 3 COOCH 3 (0.51 nm), CH 3 COOC as well as various alcohols and acetone already exemplified. 2 H 5 (0.52 nm) can be exemplified. The value in parentheses is the molecular diameter value. The molecular diameter shown here is a value quoted from page 1214 of the above-mentioned Reference 2.

[実施例1]
(シリカ膜(Si−1膜)の作製)
(1)シリカコロイドゾルの調製
テトラエトキシシラン(TEOS)をシリカ源として使用し、以下の手順で、透過膜原料のシリカコロイドゾルを得た。
三角フラスコに、溶媒である水、酸触媒である希硝酸を加え、さらにそこへTEOSを加えた。この混合液を25℃で1時間、スターラーで攪拌しながら加水分解を行い、TEOS加水分解溶液を作製した。これをホットスターラーで、12時間、加熱攪拌(液温度:180℃)しながら、加水分解−縮合を行い、シリカコロイドゾルを作製した。
コロイド粒子の粒子径は、動的光散乱法(粒子にレーザー光を照射し、粒子がブラウン運動する速さを求め、その値をもとにして、粒子径を算出する方法)を用いて求めることができる。この測定により求めたコロイド粒子径は、10〜20nmの範囲であった。
(2)セラミック基材の準備
セラミック基材として、長さ70〜100mm、外径10mm、肉厚1mm、公称平均細孔径1μmのα‐アルミナ多孔質管を用いた。その両端に、外径8mmの軟質ガラス管をガラスフリット粉により連結させて、一端に連結された軟質ガラス管をバーナー炎で閉じた。このようにして一方の端部が封止されたセラミック基材を準備した。
ついで、セラミック基材の表面を平滑にするために、その外周面上に、シリカコロイドゾルをバインダーとして粒径の異なる2種類のα‐アルミナ微粒子(高純度アルミナ:住友化学工業;平均粒径1.84μmおよび0.2μm)をコーティングし、これを450〜550℃で焼成した。
(3)ホットコーティング、焼成
ついで、上記(1)で調製したシリカコロイドゾル(固形分濃度:2質量%)を、あらかじめ180℃に加熱されている上記(2)のセラミック基材上にホットコーティングし、450〜550℃で焼成する手順を繰り返し、ホットコーティング−焼成の工程を合計で4回行った。このようにしてセラミック基材上にシリカ膜(分子篩機能層である透過膜)が形成されたSi−1膜を作製した。また、形成されたシリカ膜の膜厚は、150nmであった。なお、膜厚は、複合膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察して求めた。
[Example 1]
(Preparation of silica film (Si-1 film))
(1) Preparation of silica colloidal sol Using tetraethoxysilane (TEOS) as a silica source, a silica colloidal sol as a permeable membrane raw material was obtained by the following procedure.
Water as a solvent and dilute nitric acid as an acid catalyst were added to an Erlenmeyer flask, and TEOS was further added thereto. This mixed solution was hydrolyzed while stirring with a stirrer at 25 ° C. for 1 hour to prepare a TEOS hydrolyzed solution. This was hydrolyzed and condensed with a hot stirrer for 12 hours while heating and stirring (liquid temperature: 180 ° C.) to prepare a silica colloid sol.
The particle size of the colloidal particles is obtained by using a dynamic light scattering method (a method in which the particle is irradiated with laser light to determine the speed at which the particles make Brownian motion, and the particle size is calculated based on the value). be able to. The colloidal particle size determined by this measurement was in the range of 10 to 20 nm.
(2) Preparation of Ceramic Base Material As the ceramic base material, an α-alumina porous tube having a length of 70 to 100 mm, an outer diameter of 10 mm, a wall thickness of 1 mm, and a nominal average pore diameter of 1 μm was used. A soft glass tube having an outer diameter of 8 mm was connected to both ends with glass frit powder, and the soft glass tube connected to one end was closed with a burner flame. In this way, a ceramic substrate with one end sealed was prepared.
Next, in order to smooth the surface of the ceramic substrate, two kinds of α-alumina fine particles having different particle diameters using silica colloid sol as a binder (high purity alumina: Sumitomo Chemical; average particle diameter 1) .84 μm and 0.2 μm) were coated and fired at 450-550 ° C.
(3) Hot coating and firing Next, the silica colloidal sol (solid content concentration: 2% by mass) prepared in the above (1) is hot coated on the ceramic substrate of the above (2) that has been heated to 180 ° C. in advance. The procedure of baking at 450 to 550 ° C. was repeated, and the hot coating-baking process was performed four times in total. In this way, an Si-1 film in which a silica film (a permeable film which is a molecular sieve functional layer) was formed on a ceramic substrate was produced. Moreover, the film thickness of the formed silica film was 150 nm. The film thickness was determined by observing the cross section of the composite film with a scanning electron microscope (SEM).

(Si−1膜の純ガス透過流量測定)
得られたSi−1膜のガス透過流量を図3に記したガス透過流量測定装置20を用いて測定した。ガスは、HeおよびSFの他、CO、N、Cの合計5種について行い、測定温度は200℃とし、ガス供給圧力は0.1〜0.4MPaとして、この範囲で圧力を上げながら、透過流量を測定し、測定値を単位圧力での値に換算した。
なお、各ガスの分子サイズはすでに表1に示したとおりである。また、その他のガスの分子サイズも参考のために表1に例示している。
測定された各ガス透過流量を図5および表2に示す。
表2中、()内の数値は、SFSF6を1とした場合のそれ以外のガスの透過流量の値である。
(Measurement of pure gas permeation flow rate of Si-1 film)
The gas permeation flow rate of the obtained Si-1 film was measured using the gas permeation flow rate measuring device 20 shown in FIG. In addition to He and SF 6 , the gas is measured for a total of five types of CO 2 , N 2 , and C 3 H 8 , the measurement temperature is 200 ° C., and the gas supply pressure is 0.1 to 0.4 MPa. The permeate flow rate was measured while increasing the pressure, and the measured value was converted to a value in unit pressure.
The molecular size of each gas is as already shown in Table 1. The molecular sizes of other gases are also exemplified in Table 1 for reference.
The measured gas permeation flow rates are shown in FIG.
In Table 2, the numerical values in parentheses are values of the permeation flow rates of other gases when SF SF6 is set to 1.

(Si−1膜の水分透過量および液体透過量測定)
また、得られたSi−1膜を用いて液体から水分を除去し、その際の水分透過量と液体透過量を図4のパーベーパレーション測定装置30により測定した。
液体としては、それぞれ微量の水分を含む有機溶媒(EtOH、IPA、2−ブタノール(2−BuOH))を用いた。これらの液体の組成、フィード温度を表2に示す。
そして、コールドトラップにより捕集された水分および液体の量をガスクロマトグラフにより分析し、水分透過量、すなわち水蒸気透過量FH2Oと、液体透過量、すなわち液体蒸気透過量Fsolとを求めた。結果を表2に示す。
(Measurement of water permeation and liquid permeation through Si-1 membrane)
Further, moisture was removed from the liquid using the obtained Si-1 film, and the moisture permeation amount and the liquid permeation amount at that time were measured by the pervaporation measuring device 30 of FIG.
As the liquid, organic solvents (EtOH, IPA, 2-butanol (2-BuOH)) each containing a small amount of water were used. Table 2 shows the composition and feed temperature of these liquids.
The amounts of water and liquid collected by the cold trap were analyzed by gas chromatography, and the water permeation amount, that is, the water vapor permeation amount F H2O, and the liquid permeation amount, that is, the liquid vapor permeation amount F sol were obtained. The results are shown in Table 2.

また、表3にはvapor permeanceとして、表2に記載された水蒸気透過量および液体蒸気透過量を測定温度(フィード温度:50℃)での液体および水蒸気の蒸気圧(Feed側の水蒸気圧Vfeed,H2O、溶液蒸気圧Vfeed,sol)で割り、mol/(m・sec・Pa)の単位に換算した値を示した。
そして、これらの値から、水蒸気透過流量FH2Oと液体蒸気透過流量Fsolとの比:FH2O/Fsolを求め、表3に水蒸気選択透過性として記載した。この比が1を超えると、水分が液体よりも選択的に透過することを意味する。この比が2以上であると、液体からの水分の選択除去能が優れていると判断できる。
Further, Table 3 shows vapor permeance, vapor permeation amount and liquid vapor permeation amount described in Table 2 as liquid and water vapor vapor pressure at the measurement temperature (feed temperature: 50 ° C.) (Feed side water vapor pressure V feed). , H 2 O 2 , solution vapor pressure V feed, sol ) and converted into units of mol / (m 2 · sec · Pa).
Then, from these values, the ratio of the water vapor permeation flow rate F H2O and the liquid vapor permeation flow rate F sol : F H2O / F sol was determined and listed in Table 3 as the water vapor selective permeability. If this ratio exceeds 1, it means that moisture permeates more selectively than liquid. When this ratio is 2 or more, it can be determined that the ability to selectively remove moisture from the liquid is excellent.

Figure 2010194438
Figure 2010194438

Figure 2010194438
Figure 2010194438

[実施例2および3]
(シリカ−ジルコニア膜(SZ−1膜、SZ−4膜)の作製)
(1)シリカ−ジルコニアコロイドゾルの調製
本実施例においては、加水分解反応速度の遅いTEOSを先に加水分解させ、その後、ジルコニウムテトラブトキシド(ZrTB) を投入し、加水分解させることで、加水分解反応速度が異なるアルコキシドから、透過膜原料であるシリカ−ジルコニアコロイドゾルを得た。
具体的なコロイドゾル調製方法を順に説明する。
なお、本実施例においては、Si/Zrの組成比が1:1となるようにした。
[Examples 2 and 3]
(Preparation of silica-zirconia film (SZ-1 film, SZ-4 film))
(1) Preparation of silica-zirconia colloidal sol In this example, TEOS having a slow hydrolysis reaction rate is hydrolyzed first, and then zirconium tetrabutoxide (ZrTB) is added and hydrolyzed to hydrolyze. Silica-zirconia colloidal sol as a raw material for the permeable membrane was obtained from alkoxides having different reaction rates.
A specific method for preparing a colloidal sol will be described in order.
In the present example, the composition ratio of Si / Zr was set to 1: 1.

[1]三角フラスコにTEOSを入れ、次いでエタノールを加えた後、水が入らないように蓋をしてTEOS混合溶液を作製した。
[2]試験管Aに、TEOSを加水分解するために必要な水を必要量だけピペットで採取し、この水の中に1N−塩酸(ピペットで数滴)を加えながら、十分に攪拌を行い、pH2〜3の加水分解用の水溶液を用意した。
[3][2]で用意したTEOS加水分解溶液を[1]に加えて、室温にて攪拌しながら、TEOSの加水分解を行った。
[4]三角フラスコに、エタノールと、ジルコニア−テトラブトキシド(ZrTB)を加えて、混合溶液を作り、これを上記[3]で調製したTEOS加水分解液へ加えた。
[5]試験管Bに、エタノール、ZrTBの加水分解に必要な水、1N−塩酸(ピペットで数滴)を混合し、ZrTB加水分解溶液を用意した。
[6]上記[4]の溶液に、上記[5]で調製した溶液を加えて十分に攪拌を行い、ZrTBの加水分解を行った。
[7]試験管Cに、水と1N−塩酸(ピペット数滴)を混合した溶液を用意した。この溶液は、縮重合用の酸触媒溶液である。
[8]上記[6]の溶液へ、[7]の酸触媒溶液を加えて、ヒータにて沸騰するまで加熱しながらその状態を10時間保持し、縮重合を行った。
[9]10時間経過したら、ヒータを切り、溶液が室温まで冷めるまで、攪拌を続けた。
以上のような手順で1.0質量%、2.0質量%の2種類のシリカ−ジルコニア(1:1)コロイドゾルを調製した。
得られたコロイドゾルのコロイド粒子径は、10〜20nmの範囲であった。
[1] TEOS was put in an Erlenmeyer flask, ethanol was added, and then a lid was placed so that water did not enter to prepare a TEOS mixed solution.
[2] Pipette the required amount of water required to hydrolyze TEOS into test tube A, and stir it thoroughly while adding 1N hydrochloric acid (a few drops with a pipette) to this water. A pH 2-3 aqueous solution for hydrolysis was prepared.
[3] The TEOS hydrolysis solution prepared in [2] was added to [1], and TEOS was hydrolyzed while stirring at room temperature.
[4] Ethanol and zirconia-tetrabutoxide (ZrTB) were added to an Erlenmeyer flask to make a mixed solution, which was added to the TEOS hydrolyzed solution prepared in [3] above.
[5] Ethanol, water necessary for hydrolysis of ZrTB, and 1N-hydrochloric acid (a few drops with a pipette) were mixed in test tube B to prepare a ZrTB hydrolysis solution.
[6] The solution prepared in [5] above was added to the solution in [4] above, and the mixture was sufficiently stirred to hydrolyze ZrTB.
[7] In the test tube C, a solution in which water and 1N hydrochloric acid (a few drops of pipette) were mixed was prepared. This solution is an acid catalyst solution for condensation polymerization.
[8] The acid catalyst solution of [7] was added to the solution of [6] above, and the state was maintained for 10 hours while heating with a heater until boiling, and condensation polymerization was performed.
[9] When 10 hours had elapsed, the heater was turned off and stirring was continued until the solution cooled to room temperature.
Two types of silica-zirconia (1: 1) colloidal sols of 1.0% by mass and 2.0% by mass were prepared by the procedure as described above.
The colloidal particle diameter of the obtained colloidal sol was in the range of 10 to 20 nm.

(2)セラミック基材の準備
実施例1の(2)と同様にして、セラミック基材を得た。
(3)ホットコーティング、焼成
ついで、上記(1)で調製した2種のシリカ−ジルコニアコロイドゾル(固形分濃度1.0質量%および2.0質量%)をそれぞれ、あらかじめ180℃に加熱されている上記(2)のセラミック基材上にホットコーティングし、450〜550℃にて焼成した。この手順を繰り返し、ホットコーティング−焼成の工程を合計で4回行った。こうして、セラミック基材上にシリカ−ジルコニア膜(分子篩機能層である透過膜)が形成されたSZ−1膜、SZ−4膜を製造した。また、形成されたシリカ−ジルコニア膜の膜厚は200〜250nmであった。
実施例2および3で用いたコロイドゾルの固形分濃度は、実施例2では1.0質量%、実施例3では2.0質量%とした。また、得られたSZ−1膜、SZ−4膜におけるシリカ−ジルコニア膜の膜厚は表2に示したとおりである。
(2) Preparation of Ceramic Base Material A ceramic base material was obtained in the same manner as (2) of Example 1.
(3) Hot coating and baking Next, the two types of silica-zirconia colloidal sols (solid content concentration: 1.0% by mass and 2.0% by mass) prepared in the above (1) were each heated to 180 ° C. in advance. The above (2) ceramic substrate was hot-coated and baked at 450 to 550 ° C. This procedure was repeated, and the hot coating-firing process was performed four times in total. Thus, SZ-1 membrane and SZ-4 membrane in which a silica-zirconia membrane (a permeable membrane which is a molecular sieve functional layer) was formed on a ceramic substrate were produced. The formed silica-zirconia film had a thickness of 200 to 250 nm.
The solid content concentration of the colloidal sol used in Examples 2 and 3 was 1.0% by mass in Example 2, and 2.0% by mass in Example 3. Moreover, the film thickness of the silica-zirconia film in the obtained SZ-1 film and SZ-4 film is as shown in Table 2.

(SZ−1膜、SZ−4膜の純ガス透過流量測定)
実施例1と同様に実施した。ただし、Cについてはガス透過流量の測定を省略した。結果を図5、表2および3に示す。
(Measurement of pure gas permeation flow rate of SZ-1 membrane and SZ-4 membrane)
The same operation as in Example 1 was performed. However, measurement of the gas permeation flow rate was omitted for C 3 H 8 . The results are shown in FIG. 5 and Tables 2 and 3.

(SZ−1膜、SZ−4膜の水分透過量および液体透過量測定)
実施例1と同様に実施した。結果を表2および3に示す。
(Measurement of water permeation and liquid permeation through SZ-1 and SZ-4 membranes)
The same operation as in Example 1 was performed. The results are shown in Tables 2 and 3.

[比較例1]
(シリカ膜(Si−2膜)の作製)
実施例1と同様にして、シリカコロイドゾルを調製した。ただし、調製後、このゾルを室温で2週間放置して、シリカコロイドゾルのコロイド粒子径を20nmを超えるまで大きくした。
以降の工程は実施例1と同様にしてSi−2膜を作成し、この膜について同様の各種測定を行った。結果を図5、表2および3に示す。
[Comparative Example 1]
(Preparation of silica film (Si-2 film))
In the same manner as in Example 1, a silica colloid sol was prepared. However, after the preparation, this sol was allowed to stand at room temperature for 2 weeks to increase the colloidal particle diameter of the silica colloid sol until it exceeded 20 nm.
In the subsequent steps, a Si-2 film was prepared in the same manner as in Example 1, and various similar measurements were performed on this film. The results are shown in FIG. 5 and Tables 2 and 3.

[考察]
以上の結果から明らかなように、条件(1)および(2)を満たす無機材質膜を用いた各実施例では、FH2O/Fsolが10〜60となり、水分を非常に良好に選択除去できることが示された。
また、図5のグラフから、実施例1〜3では、液体の分子サイズが小さくなるにしたがって、ガス透過流量が大きくなっていることが理解できる。そして、その傾向は分子サイズ0.36nmを境にして顕著になる。よって、液体の分子サイズが0.36nm以上であると、その液体のガス透過流量をより効果的に抑制できると理解できる。
条件(1)および(2)を満たさない無機材質膜を用いた比較例1では、この例で透過させた5種の全ガスを多く透過し、FH2O/Fsolも小さい値であった。
また、非特許文献1に記載された膜を追試作製し、本明細書の実施例と同様にしてHe、SF、Nのガス透過流量を測定したところ、図5に示すようになり、条件(1)および(2)を満たさないものであった。
[Discussion]
As is clear from the above results, in each example using an inorganic material film satisfying the conditions (1) and (2), F H2O / F sol is 10 to 60, and moisture can be selectively removed very well. It has been shown.
From the graph of FIG. 5, it can be understood that in Examples 1 to 3, the gas permeation flow rate increases as the liquid molecular size decreases. And the tendency becomes remarkable with a molecular size of 0.36 nm as a boundary. Therefore, it can be understood that the gas permeation flow rate of the liquid can be more effectively suppressed when the molecular size of the liquid is 0.36 nm or more.
In Comparative Example 1 using an inorganic material film that does not satisfy the conditions (1) and (2), a large amount of all the five gases permeated in this example permeated, and F H2O / F sol was a small value.
In addition, when the film described in Non-Patent Document 1 was made on a trial basis and the gas permeation flow rates of He, SF 6 , and N 2 were measured in the same manner as in the examples of the present specification, it was as shown in FIG. Conditions (1) and (2) were not satisfied.

10 無機材質膜
11 多孔質基材
12 透過膜
シリカ粒子
A シリカ粒子間の間隔
20 ガス透過流量測定装置
21 ヒータ
21a ヒータの一方の端部
21b ヒータの他方の端部
22 ガスボンベシリンダ
23 ガス導入管
24 ガス排気管
25 透過ガス排気管
26 温度コントローラ
26a 熱伝対
27 流量コントローラ
28 圧力制御弁
29 ガス流量計
P 圧力計
S ストップバルブ
N ニードルバルブ
C 三方コック
30 パーベーパレーション測定装置
31 ガラス容器
31a ガラス容器の第1筒部
31b ガラス容器の第2筒部
32a 攪拌翼
32a 攪拌モータ
33 ヒータ
33a 温度コントローラ
33b 熱伝対
34 減圧手段
35 減圧配管
36 接続治具
37 コールドトラップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Inorganic material film | membrane 11 Porous base material 12 Permeation | transmission film | membrane P s silica particle A Spacing between silica particles 20 Gas permeation flow rate measuring device 21 Heater 21a One end portion 21b of heater The other end portion 22 of the heater Gas cylinder cylinder 23 Gas introduction Pipe 24 Gas exhaust pipe 25 Permeate gas exhaust pipe 26 Temperature controller 26a Thermocouple 27 Flow controller 28 Pressure control valve 29 Gas flow meter P Pressure gauge S Stop valve N Needle valve C Three-way cock 30 Pervaporation measuring device 31 Glass container 31a First cylindrical portion 31b of glass container Second cylindrical portion 32a of glass container Stirring blade 32a Stirring motor 33 Heater 33a Temperature controller 33b Thermocouple 34 Decompressing means 35 Depressurizing pipe 36 Connecting jig 37 Cold trap

Claims (4)

無機材質膜を用いて液体から水分を除去する方法であって、
前記無機材質膜は、Heガス透過流量FHeとSFガス透過流量FSF6との比:FHe/FSF6が100〜10000であるとともに、
SFガス透過流量FSF6が、1×10−11〜1×10−8mol/(m・Pa・sec)である、液体からの水分除去方法。
A method of removing moisture from a liquid using an inorganic material film,
The inorganic material film has a ratio of He gas permeation flow rate F He and SF 6 gas permeation flow rate F SF6 : F He / F SF6 is 100 to 10,000,
The method for removing moisture from a liquid, wherein the SF 6 gas permeation flow rate F SF6 is 1 × 10 −11 to 1 × 10 −8 mol / (m 2 · Pa · sec).
前記液体の分子サイズは、0.36nm以上である請求項1に記載の水分除去方法。   The water removal method according to claim 1, wherein the molecular size of the liquid is 0.36 nm or more. 前記液体は、エタノールおよび/またはイソプロピルアルコールである請求項2に記載の水分除去方法。   The water removal method according to claim 2, wherein the liquid is ethanol and / or isopropyl alcohol. 前記無機材質膜は、シリカ膜またはシリカ−ジルコニア膜を具備して構成されている請求項1ないし3のいずれかに記載の水分除去方法。   The water removal method according to any one of claims 1 to 3, wherein the inorganic material film includes a silica film or a silica-zirconia film.
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JP2016068082A (en) * 2014-09-29 2016-05-09 日本碍子株式会社 Separation performance evaluation method of zeolite membrane and production method of zeolite membrane structure

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