JP2014202237A - セラミックス多孔質体のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼオライト膜を用いたセラミックス多孔質体でのシール性能を有し且つ安価なセラミックス多孔質体のシール構造、およびその製造方法を提供する。【解決手段】分離装置１０、３０に適用されたシール構造は、表面がゼオライト膜（分離膜）１４によりコーティングされたアルミナ多孔質体（セラミックス多孔質体）１２の被シール部１２ａおよび１２ｂをシール材２０で覆うシール構造であって、そのアルミナ多孔質体１２の被シール部１２ａおよび１２ｂを覆うシール材２０を、２０μｍ以上の厚みとしたことから、極めて薄い厚みの少量のシール材２０によって耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られるので、安価なセラミックス多孔質体のシール構造が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に分離膜が積層されたセラミックス多孔質体のシール構造、およびそのシール構造を備える分離装置に関し、特に、シール膜厚を低下させても高い気密性および耐久性が得られるようにする技術に関する。

一般に、表面に分離膜が積層されたセラミックス多孔質体を用いた分離装置では、たとえば、外周が閉じられた管形状のアルミナ等のセラミックス多孔質体の表面に、分離膜としてゼオライト膜が担持されることで構成されている。そして、このセラミックス多孔質体は、緻密なセラミックス製或いは金属製の液・ガス不透過性の配管部品と接続された状態で使用され、分離された液或いはガスをその配管部品を通して導出させる。

上記液或いはガスの分離は、熱を加えた状態で行なわれることが多いが、３００℃以下の比較的低温で行なわれる場合は、耐熱性の樹脂であるポリイミド樹脂をフィラーと共に溶剤に溶解したシール用ペーストや、フッ素ゴム熱収縮チューブおよびテフロン（登録商標）製熱収縮チューブを用いて、上記セラミックス多孔質体の前記配管部品に隣接した被シール部分をシール材で覆うことにより、多孔質のセラミックス多孔質体を通る漏れが封止される。たとえば、特許文献１および特許文献２に記載されたシール構造体がそれである。

特開２０００−１０９６９０号公報 特開２００７−０４６７５５号公報

ところで、ゼオライト膜を分離膜として用いるセラミックス多孔質体を備える分離装置は、たとえば、石油化学プラントにおいて生成される有機溶剤中から水分を分離することにも適用されている。ゼオライトは、膜化することによりその骨格構造から分子篩の機能が得られるが、６００℃前後でその骨格構造が変化して分子篩としての機能を失う性質があるため、６００℃よりも低い温度で使用される。このような用途では、ゼオライト膜だけでなくシール構造体は有機溶剤に対する耐久性が求められている。特に、シール構造体に関しては、有機溶剤に対する耐久性だけでなく、安価で実用性の高いシール構造体であることが望まれている。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、ゼオライト膜を用いたセラミックス多孔質体でのシール性能を有し且つ安価なセラミックス多孔質体のシール構造を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、セラミックス多孔質体の配管部品との接続部分に用いるシール材料として、有機溶剤や酸・アルカリ溶剤に対する耐久性の高いパーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを溶剤に溶解させたスラリーを作製し、そのスラリーをセラミックス多孔質体の配管部品との接続部分にコーティングし且つ加熱することで、スラリーを固化させたシール材セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うようにしたシール構造を構成すると、数十ミクロン程度に膜厚を薄くしても耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られるという新たな事実を見いだした。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、（ａ）表面が分離膜によりコーティングされたセラミックス多孔質体の被シール部分をシール材で覆うセラミックス多孔質体のシール構造であって、該セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うシール材を、２０μｍ以上の厚みとしたことにある。

このように構成されたセラミックス多孔質体のシール構造によれば、セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うシール材が２０μｍ以上の厚みとされていることから、極めて薄い厚みの少量のシール材によって耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られるので、安価なセラミックス多孔質体のシール構造が得られる。

ここで、好適には、前記シール材は、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを溶剤に溶解させたスラリーを塗布し加熱して溶剤を除去することにより、前記セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うように層状に固着させたものである。このようにすれば、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマーは有機溶剤や酸・アルカリ溶剤に対する耐久性の高い性質があるので、耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られる。

また、好適には、前記セラミックス多孔質体は、平均粒径が１０μｍ以下の細孔を有するものである。このようにすれば、平均粒径が１０μｍ以下という比較的大きな細孔径を有するセラミックス多孔質体が用いられても、耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られる。

本発明の一実施例である、表面に分離膜が積層されたセラミックス多孔質体を備える水分分離装置の構成の要部を説明する概略図である。 図１の水分分離装置の製造工程の要部を説明する工程図である。 本発明の他の実施例である、表面に分離膜が積層されたセラミックス多孔質体を備える水分分離装置の構成の要部を説明する概略図である。 図３の水分分離装置の製造工程の要部を説明する工程図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例が適用された分離装置１０の要部を説明する図である。分離装置１０は、たとえば円筒状に成形されたアルミナ質セラミックスから成るセラミックス多孔質体１２と、そのセラミックス多孔質体１２の外表面に積層されたゼオライト膜１４と、たとえば緻密なアルミナ焼結体から不透過性に構成されて、セラミックス多孔質体１２の一端部に嵌め入れられてその一端部を閉じる閉塞部材１６と、たとえば緻密なアルミナ焼結体或いは金属から不透過性に構成されて、セラミックス多孔質体１２の他端部に嵌め入れられてその他端部と接続される導出管部材１８と、セラミックス多孔質体１２の閉塞部材１６および導出管部材１８に隣接する被シール部１２ａおよび１２ｂに固着されてそこに露出する細孔を封止するためにそれらの表面上に２０μｍ以上に積層されたシール材２０とを備えている。

上記セラミックス多孔質体１２は、たとえば外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ程度の円筒であってその外周面に固着されたゼオライト膜１４の支持体として機能し、ゼオライト膜１４と共に２層構造の積層分離膜を構成している。アルミナセラミックスは、高い耐熱性を有すると同時に、ゼオライト膜との間で高い密着性を有する性質がある。上記シール材２０は、たとえばゼオライト膜１４を通過しない有機溶媒が管状のセラミックス多孔質体１２内の空間へ浸入することを阻止するためのものであり、セラミックス多孔質体１２のうちの閉塞部材１６および導出管部材１８に隣接する被シール部１２ａおよび１２ｂに開口する細孔を閉じて気密および液密にシールするものであり、耐酸性、耐アルカリ性に対する耐久性の高いパーフルオロエーテル系フッ素エラストマーが好適に用いられる。

以上のように構成された分離装置１０は、たとえば、石油化学プラントにおいて生成される有機溶剤中に設置され、その有機溶剤中の水分をゼオライト膜１４を通して分離して導出管部材１６を通して排出することにより、有機溶剤中の水分を除去するものである。

図２は、上記水分分離装置１０の製造工程の要部を説明する図である。図２において、先ず、アルミナ多孔質体１２、閉塞部材１６、および導出管部材１８が用意される。アルミナ多孔質体１２は、たとえば、平均粒径が３μｍ程度のα−アルミナからなるアルミナ粉末１００重量部、メチルセルローズなどのバインダー２重量部、および水２０重量部が混合且つ混練され、真空押出成形機を用いて成形した成形体を乾燥し、１４５０℃で焼成したものである。このようにして用意されたアルミナ多孔質体１２は、たとえば１０μｍ以下、好適には１μｍ程度の平均細孔径と３５体積％程度の気孔率とを有する多孔質である。また、閉塞部材１６および導出管部材１８は、緻密なセラミックス製或いは金属製の不透過性を有する物質であり、たとえば市販の高純度アルミナ質セラミックス（Ａｌ2Ｏ3：９６〜９９．９重量％）である。

次いで、図２のゼオライト形成工程Ｐ１では、円筒状のアルミナ多孔質体１２の外周面に、水熱法を用いてゼオライト膜１４が形成される。このゼオライト膜１４の細孔径は用途に応じて形成されるが、たとえばアルミナ多孔質体１２の細孔径よりも１／５００〜１／２０００である。組立工程Ｐ２では、ゼオライト膜１４が外周面に形成された円筒状のアルミナ多孔質体１２に、閉塞部材１６および導出管部材１８が組み付けられる。そして、シール材塗着工程Ｐ３では、市販のパーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを市販の希釈剤を用いて希釈してスラリーとし、そのスラリーにアルミナ多孔質体１２の閉塞部材１６および導出管部材１８に隣接する被シール部１２ａおよび１２ｂをそれぞれ浸漬してその外周面に塗布した後に加熱することにより希釈剤を除去することで、シール材２０が固着される。図１はこの状態を示している。なお、スラリーは、その付着を防止するマスキングを利用して、必要な部位に選択的に塗布される。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例１と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図３は、本発明の他の実施例が適用された分離装置３０の要部を説明する図である。分離装置３０は、そのアルミナ多孔質体１２の外周面に固着されたゼオライト膜１４とシール材２０とが重なっていない点で相違し、その他は同様に構成されている。

図４は、上記水分分離装置３０の製造工程の要部を説明する図である。図４において、先ず、前述の組み立て工程Ｐ２と同様に、組立工程Ｐ１１において、円筒状のアルミナ多孔質体１２に、閉塞部材１６および導出管部材１８が組み付けられる。次いで、シール材塗着工程Ｐ１２では、前述のシール材塗着工程Ｐ３と同様に、市販のパーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを市販の希釈剤を用いて希釈してスラリーとし、そのスラリーにアルミナ多孔質体１２の閉塞部材１６および導出管部材１８に隣接する被シール部１２ａおよび１２ｂをそれぞれ浸漬してその外周面に塗布した後に加熱することにより希釈剤を除去することで、シール材２０が固着される。本実施例でも、スラリーは、その付着を防止するマスキングを利用して、必要な部位に選択的に塗布される。そして、ゼオライト形成工程Ｐ１３では、円筒状のアルミナ多孔質体１２の外周面に、水熱法を用いてゼオライト膜１４が形成される。このゼオライト形成工程Ｐ１３により形成されるゼオライト膜１４は、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマー樹脂の上には付着しないので、本実施例の分離装置３０において、アルミナ多孔質体１２の外周面に固着されたゼオライト膜１４とシール材２０とが重なっていない。

[リークテスト]
次に、シール材２０の厚みとそのシール機能との関係を調べるために本発明者が行なった実験を説明する。以下に示すように作製した１６種類のテストピースNo.1〜No.16について、以下に説明するリークテスト条件を用いてリークテストを行なった。

（テストピースの作製）
先ず、０．７４ｎｍ、０．２μｍ、１μｍ、１０μｍという４種類の平均細孔径を表面に有する円筒状のアルミナ多孔質体に対して、それぞれ４種類のコーティング厚みとなるように、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマー（信越化学工業株式会社製ＳＩＦＥＬ２６６２）を１，３ビス（トリフルオロメチル）ベンゼン（和光純薬工業株式会社製）に異なる濃度で希釈した４種類のスラリー中に１０秒間浸漬した後で、大気雰囲気中で２５０℃で加熱して固着させた。このスラリーの浸漬は、リークテストが十分に可能な長さである３ｃｍだけ局部的に行なわれ、その部分にシール材が固着された。このようにして作製した合計１６種類のテストピースNo.1〜No.16において、光学顕微鏡および電子顕微鏡を用いてシール材の厚みを測定した。なお、平均細孔径が０．７４ｎｍであるテストピースNo.1〜No.4には、表面にＹ型ゼオライト膜が形成されたアルミナ多孔質体が用いられ、平均細孔径が０．２μｍ、１μｍ、１０μｍであるテストピースNo.5〜No.16には、表面にＹ型ゼオライト膜が形成されないアルミナ多孔質体が用いられている。

（リークテスト）
密閉容器内を０.３ＭＰａの窒素（Ｎ2）雰囲気とし、テストピースのうちのシール材が固着された部分をその密閉容器内に収容して、大気圧であるテストピース内へ流入する窒素のリーク量（Ｌ／ｍｉｎ）を、リークガス体積流量計を用いて測定した。

表１、表２、表３、表４は、リークテストの結果をそれぞれ示している。表１は、表面の細孔径が０．７４ｎｍであるゼオライト膜付アルミナ多孔質体に４種類の厚みのシール材が固着されたテストピースNo.1〜No.4について、リークテスト結果をそれぞれ示している。表2は、表面の細孔径が０．２μｍであるアルミナ多孔質体に４種類の厚みのシール材が固着されたテストピースNo.5〜No.8について、リークテスト結果をそれぞれ示している。表３は、表面の細孔径が１μｍであるアルミナ多孔質体に４種類の厚みのシール材が固着されたテストピースNo.9〜No.12について、リークテスト結果をそれぞれ示している。表４は、表面の細孔径が１０μｍであるアルミナ多孔質体に４種類の厚みのシール材が固着されたテストピースNo.13〜No.16について、リークテスト結果をそれぞれ示している。

表１乃至表４から明らかなように、シール材のコーティング厚みが２０μｍ以上であれば、アルミナ多孔質体の表面の細孔径に拘わらず、リークがないことが示されている。このような厚みは、従来のコーティング厚みに比較して１／１０に相当し、高価なパーフルオロエーテル系フッ素エラストマーの使用量が少なくなって分離装置１０或いは分離装置３０の価格が大幅に低減される。ここで、リークなしの判定は、リークガス体積流量計の検出限界値である０．１ｍＬ／ｍｉｎ以下であることを示している。

[耐酸・耐アルカリテスト]
次に、本発明者は、酢酸５０ｍｏｌ％水溶液が充填されたオートクレープ内で前記テストピースを１５０℃で２時間浸漬した後、前記リークテストを実施した。また、本発明者は、水酸化ナトリウム１ｍｏｌ％水溶液が充填されたオートクレープ内で前記テストピースを１８０℃で５時間浸漬した後、前記リークテストを実施した。これらのリークテストにおいても、シール材のコーティング厚みが２０μｍ以上であるテストサンプルにおいては、いずれもリークは見られなかった。

上述のように、本実施例の分離装置１０、３０に適用されたシール構造は、表面がゼオライト膜（分離膜）１４によりコーティングされたアルミナ多孔質体（セラミックス多孔質体）１２の被シール部１２ａおよび１２ｂをシール材２０で覆うシール構造であって、そのアルミナ多孔質体１２の被シール部１２ａおよび１２ｂを覆うシール材２０を、２０μｍ以上の厚みとしたことから、極めて薄い厚みの少量のシール材２０によって耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られるので、安価なセラミックス多孔質体のシール構造が得られる。すなわち、分離装置１０、３０が安価となる。

また、本実施例のシール材２０は、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを溶剤に溶解させたスラリーを塗布しそのスラリーを加熱して溶剤を除去することにより、アルミナ多孔質体１２の被シール部分１２ａ、１２ｂを覆うように層状に固着させたものであることから、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマーは有機溶剤や酸・アルカリ溶剤に対する耐久性の高い性質があるので、耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造すなわち分離装置１０、３０が得られる。

また、本実施例のアルミナ多孔質体１２は、平均粒径が１０μｍ以下の細孔を有するものであるので、平均粒径が１０μｍ以下という比較的大きな細孔径を有するセラミックス多孔質体１２が用いられても、耐酸性、耐アルカリ性が高く耐久性に優れたシール構造が得られる。

以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。

例えば、前述の実施例において、ゼオライト膜１４の担体として機能するアルミナ多孔質体１２は、アルミナ以外の材質からなるセラミックス多孔質体であってもよい。

また、前述の実施例では、アルミナ多孔質体１２は円筒状に成形されたものであったが、四角形など多角形断面の管状であってもよい。また、アルミナ多孔質体１２の一端部に設けられた閉塞部材１６は、板状の緻密なセラミックスであってもよい。また、その閉塞部材１６に替えて、ゼオライト膜１４が層状に固着された他の円筒状のアルミナ多孔質体１２が連結されていてもよい。

また、前述の実施例のシール材２０には、必要に応じて、アルミナ粉などの充填材が含まれていてもよい。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

１０、３０：分離装置
１２：アルミナ多孔質体（セラミックス多孔質体）
１２ａ、１２ｂ：被シール部
１４：ゼオライト膜（分離膜）
２０：シール材

Claims (3)

1. 表面が分離膜によりコーティングされたセラミックス多孔質体の被シール部分をシール材で覆うセラミックス多孔質体のシール構造であって、
   該セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うシール材を、２０μｍ以上の厚みとしたことを特徴とするセラミックス多孔質体のシール構造。
2. 前記シール材は、パーフルオロエーテル系フッ素エラストマーを溶剤に溶解させたスラリーを塗布し加熱して溶剤を除去することにより、前記セラミックス多孔質体の被シール部分を覆うように層状に固着されたものであることを特徴とする請求項１のセラミックス多孔質体のシール構造。
3. 前記セラミックス多孔質体は、平均粒径が１０μｍ以下の細孔を有するものであることを特徴とする請求項１または２のセラミックス多孔質体のシール構造。

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