JP2015174066A - Separation membrane for treating acidic gas-containing gas and manufacturing method of separation membrane for treating acidic gas-containing gas - Google Patents

Separation membrane for treating acidic gas-containing gas and manufacturing method of separation membrane for treating acidic gas-containing gas Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separation membrane for treating acidic gas-containing gas which optimizes a middle layer disposed on a support and, thereby, can efficiently obtain methane gas from digestion gas containing acidic gas such as carbon dioxide and methane gas.SOLUTION: A separation membrane for treating acidic gas-containing gas includes: an inorganic porous support; an intermediate layer which contains a silica fine particle connection body formed on the surface of the inorganic porous support; and a separation layer which contains a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure formed on the intermediate layer. The silica fine particle connection body is a single structure obtained by sintering reaction of colloidal silica and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is a composite structure obtained by sol-gel reaction of tetra-alkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane.

Description

本発明は、例えば、生ごみ等を生物学的処理することによって得られる酸性ガス及びメタンガスを含有する消化ガスを有効利用するためのものであり、特に、消化ガスに含まれる酸性ガス又はメタンガスを分離する酸性ガス含有ガス処理用分離膜、及びその製造方法に関する。   The present invention is for effectively using digestive gas containing, for example, acid gas and methane gas obtained by biological treatment of garbage and the like, and in particular, acid gas or methane gas contained in digestion gas. The present invention relates to a separation membrane for acid gas-containing gas treatment to be separated and a method for producing the same.

生ごみ等を生物学的処理すると、酸性ガス(二酸化炭素、硫化水素等)と可燃性ガス(メタンガス等)とが混合した消化ガスが発生する。この消化ガスは、そのままの状態でも燃焼可能であるため、例えば、火力発電等の燃料に使用できるが、最近ではエネルギーの有効利用の観点から、消化ガスから可燃成分であるメタンガスを取り出し、これを都市ガスの原料としたり、燃料電池に使用する水素の原料に利用されている。   When the garbage is biologically treated, digestive gas in which acid gas (carbon dioxide, hydrogen sulfide, etc.) and flammable gas (methane gas, etc.) are mixed is generated. Since this digestion gas can be combusted as it is, it can be used as a fuel for thermal power generation, for example. Recently, from the viewpoint of effective use of energy, methane gas, which is a combustible component, is extracted from the digestion gas, and this is used. It is used as a raw material for city gas and as a raw material for hydrogen used in fuel cells.

従来、消化ガス等の混合ガスからメタンガスを分離する技術として、分離膜を二段に配置し、各段の分離膜に混合ガスを通過させることにより、混合ガス中のメタンガス以外のガスを段階的に分離してメタンガスの濃度を高めるメタン濃縮装置があった(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1のメタン濃縮装置は、混合ガスからメタンガスより分子径の小さい気体Aを分離するものであるが、分離膜として、気体Aとメタンとの透過係数比A/メタンが5以上且つ気体Aの透過率が1×10−9(mol・m−2・s−1・Pa−1)以上の特性を有する無機多孔質膜を使用している。このような分離膜を使用することで、メタン濃度が高いガスを高収率で回収できるとされている。 Conventionally, as a technique for separating methane gas from mixed gas such as digestion gas, separation membranes are arranged in two stages, and gas other than methane gas in the mixed gas is stepped by passing the mixed gas through the separation membrane of each stage. There is a methane concentrator that separates the methane gas and increases the concentration of methane gas (see, for example, Patent Document 1). The methane concentrator of Patent Document 1 separates a gas A having a molecular diameter smaller than that of methane gas from a mixed gas. However, as a separation membrane, the permeability coefficient ratio A / methane between gas A and methane is 5 or more and gas A transmittance is using an inorganic porous membrane having a 1 × 10 -9 (mol · m -2 · s -1 · Pa -1) or more properties. It is said that by using such a separation membrane, a gas having a high methane concentration can be recovered in a high yield.

混合ガスから高濃度のメタンガスを得るにあたっては、混合ガスから二酸化炭素を分離すれば、混合ガス中のメタンガスの濃度が相対的に高まることになるため、結果として高濃度のメタンガスを得ることが可能となる。混合ガスから二酸化炭素を分離する技術として、環状のシロキサン結合によって形成された複数の細孔を有する非晶質酸化物からなる分離膜において、Siの側鎖に塩基性を有する窒素(N)とシリコン(Si)とを含有する官能基を結合させたものを使用したガス分離フィルタがあった(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2のガス分離フィルタによれば、二酸化炭素等の酸性ガスが狭い細孔内を効率よく通過するため、分離性能を高めることができるとされている。   In obtaining high-concentration methane gas from the mixed gas, if carbon dioxide is separated from the mixed gas, the concentration of methane gas in the mixed gas will be relatively increased, and as a result, high-concentrated methane gas can be obtained. It becomes. As a technique for separating carbon dioxide from a mixed gas, in a separation membrane made of an amorphous oxide having a plurality of pores formed by cyclic siloxane bonds, nitrogen (N) having basicity in the side chain of Si and There has been a gas separation filter using a functional group containing silicon (Si) combined (for example, see Patent Document 2). According to the gas separation filter of Patent Document 2, acidic gas such as carbon dioxide efficiently passes through narrow pores, so that separation performance can be improved.

特開2008−260739号公報JP 2008-260739 A 特開2000−279773号公報JP 2000-279773 A

分離膜を使用して混合ガス中のメタンガスを濃縮するためには、混合ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく透過させることが可能な分離膜を開発する必要がある。この点、特許文献1のメタン濃縮装置は、メタンガスより分子径の小さい気体Aを分離する分離膜を使用しており、気体Aには二酸化炭素も含まれる。そして、同文献の実施例によれば、二酸化炭素とメタンとの透過係数比CO/CHとして、3.3〜20の値が示されている。しかしながら、この程度の透過係数比ではメタンガスのロスが大きく、特許文献1のように分離膜を二段に構成し、さらに非透過ガスを再循環させる等の複雑な装置構成としなければ、実用レベルでメタンガスの濃縮を十分に行うことは困難であった。 In order to concentrate the methane gas in the mixed gas using the separation membrane, it is necessary to develop a separation membrane capable of efficiently transmitting carbon dioxide contained in the mixed gas. In this regard, the methane concentrator of Patent Document 1 uses a separation membrane that separates the gas A having a molecular diameter smaller than that of methane gas, and the gas A includes carbon dioxide. Then, according to an embodiment of the document, as permeability coefficient ratio CO 2 / CH 4 of carbon dioxide and methane, the value of 3.3 to 20 is shown. However, at such a permeation coefficient ratio, the loss of methane gas is large, and if a complicated apparatus configuration such as a separation membrane having two stages as in Patent Document 1 and recirculation of non-permeate gas is used, it is a practical level. However, it was difficult to concentrate methane gas sufficiently.

特許文献2のガス分離フィルタは、分離膜の表面に塩基性を有する窒素(N)とシリコン(Si)とを含有する官能基を導入することにより、二酸化炭素の分離性能を高めようとするものである。十分な二酸化炭素の分離性能を発揮させるためには、分離膜の表面に十分な数の官能基を導入しつつ、均一な膜を形成することが重要となる。しかしながら、特許文献2の分離膜は、原材料の分子構造(反応サイトの数)によって導入可能な官能基の数が決まるものであり、分離膜自体の改良のみで二酸化炭素の分離性能を向上させることには限界がある。また、分離膜に導入される官能基の数が多くなると、その分子構造中に立体障害が生じ易くなり、均一な膜形成に悪影響を及ぼす虞がある。   The gas separation filter of Patent Document 2 intends to improve the carbon dioxide separation performance by introducing a functional group containing basic nitrogen (N) and silicon (Si) on the surface of the separation membrane. It is. In order to exhibit sufficient carbon dioxide separation performance, it is important to form a uniform membrane while introducing a sufficient number of functional groups on the surface of the separation membrane. However, in the separation membrane of Patent Document 2, the number of functional groups that can be introduced is determined by the molecular structure of the raw material (the number of reaction sites), and the carbon dioxide separation performance is improved only by improving the separation membrane itself. Has its limits. In addition, when the number of functional groups introduced into the separation membrane increases, steric hindrance is likely to occur in the molecular structure, which may adversely affect uniform membrane formation.

また、特許文献1及び特許文献2において使用される分離膜は、支持体に液状(ゾル状)の分離膜形成材料を塗布し、これを熱処理して作製されるものである。ここで、支持体への分離膜の成膜性を向上させるため、支持体には予め中間層が設けられている。この場合、中間層は、分離膜の構成材料及び支持体との関係を十分に考慮し、中間層形成材料や支持体への目付量を適切に選択することが重要となる。しかしながら、特許文献1及び特許文献2においては、中間層形成材料を分離膜の構成材料を考慮して選択するという技術思想は見られず、さらに、支持体への目付量についても検討されていない。   In addition, the separation membrane used in Patent Document 1 and Patent Document 2 is prepared by applying a liquid (sol-like) separation film forming material to a support and heat-treating it. Here, in order to improve the film-forming property of the separation membrane on the support, an intermediate layer is provided in advance on the support. In this case, it is important for the intermediate layer to properly select the weight of the intermediate layer forming material and the support in consideration of the relationship between the constituent material of the separation membrane and the support. However, in Patent Document 1 and Patent Document 2, the technical idea of selecting the intermediate layer forming material in consideration of the constituent material of the separation membrane is not seen, and the basis weight on the support is not examined. .

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、支持体に設ける中間層を最適化するとともに、二酸化炭素等の酸性ガスとメタンガスとを含有する消化ガスからメタンガスを効率よく得ることが可能な酸性ガス含有ガス処理用分離膜、及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to efficiently obtain methane gas from digestion gas containing acidic gas such as carbon dioxide and methane gas while optimizing the intermediate layer provided on the support. It is an object of the present invention to provide a separation membrane for treating acidic gas-containing gas and a method for producing the same.

上記課題を解決するための本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜の特徴構成は、
無機多孔質支持体と、
前記無機多孔質支持体の表面に形成されるシリカ微粒子結合体を含む中間層と、
前記中間層の上に形成される炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を含む分離層と、
を備えたことにある。
The characteristic structure of the separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to the present invention for solving the above problems is as follows.
An inorganic porous support;
An intermediate layer comprising a silica fine particle conjugate formed on the surface of the inorganic porous support;
A separation layer comprising a hydrocarbon group-containing polysiloxane network formed on the intermediate layer;
It is in having.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、中間層に含まれるシリカ微粒子結合体と、分離層に含まれる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体とは、同じ系統の材料であって分子構造が類似しているため、シリカ微粒子結合体及び炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、互いに対して高い親和性を有している。従って、無機多孔質支持体の表面に中間層を形成し、その上に分離層を形成すると、中間層と分離層との間で界面剥離やひび割れ等が発生せず、両者は強固に密着し、安定な酸性ガス含有ガス処理用分離膜を構成することができる。この酸性ガス含有ガス処理用分離膜に、二酸化炭素等の酸性ガスとメタンガスとを含有する消化ガスを通過させると、消化ガス中の二酸化炭素が選択的に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の表面に誘引され、そのまま分離膜を透過することになる。その結果、消化ガス中のメタンガス成分が濃縮され、高濃度のメタンガスを効率的に得ることができる。   According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, the silica fine particle combination contained in the intermediate layer and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure contained in the separation layer are materials of the same system. Since the molecular structures are similar, the silica fine particle conjugate and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network have high affinity for each other. Therefore, when an intermediate layer is formed on the surface of the inorganic porous support and a separation layer is formed thereon, no interfacial delamination or cracking occurs between the intermediate layer and the separation layer, and the two adhere firmly. A stable separation membrane for acid gas-containing gas treatment can be configured. When a digestion gas containing an acid gas such as carbon dioxide and methane gas is passed through the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas, carbon dioxide in the digestion gas is selectively converted into a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure. It is attracted to the surface and passes through the separation membrane as it is. As a result, the methane gas component in the digestion gas is concentrated, and a high concentration of methane gas can be obtained efficiently.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記シリカ微粒子結合体は、コロイダルシリカの焼結反応によって得られる単一構造体であり、
前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランのゾル−ゲル反応によって得られる複合構造体であることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The silica fine particle combination is a single structure obtained by a sintering reaction of colloidal silica,
The hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is preferably a composite structure obtained by a sol-gel reaction of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、中間層を形成するシリカ微粒子結合体は、コロイダルシリカを原料としており、焼結反応により単一構造体を形成している。この単一構造体は、コロイダルシリカ由来の安定した構造を有しているため、無機多孔質支持体を安定化することができる。その結果、分離層を形成するときに無機多孔質支持体の表面に塗布する分離層形成材料(ゾル)が無機多孔質支持体の内部に過度に染み込むことを抑制することができる。また、分離層を形成する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、テトラアルコキシシランと、炭化水素基含有トリアルコキシシランとを原料としており、これらをゾル−ゲル反応させて複合構造体を形成している。この複合構造体は、テトラアルコキシシラン由来の安定した構造と、炭化水素基含有トリアルコキシシラン由来の高い二酸化炭素親和性とを併せ持った特性を有している。従って、この複合構造体に消化ガスを通過させると、二酸化炭素が選択的に誘引され、消化ガス中のメタンガス成分の濃縮を効率的に行うことが可能となる。   According to the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of this configuration, the silica fine particle combination forming the intermediate layer uses colloidal silica as a raw material, and forms a single structure by a sintering reaction. Since this single structure has a stable structure derived from colloidal silica, the inorganic porous support can be stabilized. As a result, the separation layer forming material (sol) applied to the surface of the inorganic porous support when forming the separation layer can be prevented from excessively penetrating into the inorganic porous support. The hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure forming the separation layer is made from tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane as raw materials, and these are subjected to sol-gel reaction to form a composite structure. ing. This composite structure has a characteristic that combines a stable structure derived from tetraalkoxysilane and a high affinity for carbon dioxide derived from a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. Therefore, when digestion gas is allowed to pass through the composite structure, carbon dioxide is selectively attracted, and the methane gas component in the digestion gas can be efficiently concentrated.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記テトラアルコキシシランは、テトラメトキシシラン又はテトラエトキシシランであり、
前記炭化水素基含有トリアルコキシシランは、トリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものであることが好ましい。
In the separation membrane for acid gas containing gas treatment according to the present invention,
The tetraalkoxysilane is tetramethoxysilane or tetraethoxysilane,
The hydrocarbon group-containing trialkoxysilane is preferably one in which an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or a phenyl group is bonded to the Si atom of trimethoxysilane or triethoxysilane.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、テトラアルコキシシラン、及び炭化水素基含有トリアルコキシシランとして上記の有意な組み合わせを選択しているため、安定した構造と高い二酸化炭素親和性とを併せ持った複合構造体を効率よく得ることができる。この複合構造体をコロイダルシリカ由来の単一構造体と組み合わせた酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、二酸化炭素又はメタンガスの分離性能に優れ、且つ高い信頼性を備えたものとして利用され得る。   According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, since the significant combination is selected as tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, a stable structure and high carbon dioxide affinity Thus, a composite structure having both can be efficiently obtained. An acid gas-containing gas treatment separation membrane in which this composite structure is combined with a single structure derived from colloidal silica can be used as one having excellent carbon dioxide or methane gas separation performance and high reliability.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記分離層に、酸性ガスと親和性を有する金属塩を添加してあることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
It is preferable that a metal salt having an affinity for acidic gas is added to the separation layer.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、分離層に、酸性ガス(二酸化炭素も含む)と親和性を有する金属塩を添加することにより、分離膜の二酸化炭素に対する親和性を相乗的に高めることができる。   According to the separation membrane for treatment of acid gas containing gas of this configuration, the affinity of the separation membrane for carbon dioxide is synergistically added to the separation layer by adding a metal salt having affinity for acid gas (including carbon dioxide). Can be enhanced.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記金属塩は、Li、Na、K、Mg、Ca、Ni、Fe、及びAlからなる群から選択される少なくとも一種の金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、ホウ酸塩、又はリン酸塩であることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The metal salt is an acetate, nitrate, carbonate, borate, or phosphate of at least one metal selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Ni, Fe, and Al. Preferably there is.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、酸性ガス(二酸化炭素も含む)と親和性を有する金属塩として上記の有意な金属塩を選択しているため、この分離膜に消化ガスを通過させると、消化ガス中の二酸化炭素が確実に誘引され、二酸化炭素が選択的に分離膜を透過する。その結果、消化ガス中のメタンガス成分が濃縮され、高濃度のメタンガスを得ることができる。   According to the separation membrane for treatment of acid gas containing gas of this configuration, the above significant metal salt is selected as the metal salt having affinity with acid gas (including carbon dioxide). When carbon dioxide is passed, carbon dioxide in the digestion gas is surely attracted, and carbon dioxide selectively permeates the separation membrane. As a result, the methane gas component in the digestion gas is concentrated, and a high concentration methane gas can be obtained.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記中間層の目付量は、0.1〜3.0mg/cmであり、
前記分離層の目付量は、0.1〜4.0mg/cmであることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The basis weight of the intermediate layer is 0.1 to 3.0 mg / cm 2 ,
The basis weight of the separation layer is preferably 0.1 to 4.0 mg / cm 2 .

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、中間層及び分離層の目付量を上記の適切な範囲に設定してあるため、中間層による分離膜の安定化と、分離層による二酸化炭素又はメタンガスの優れた分離性能とを高い次元で両立させることができる。   According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, the basis weight of the intermediate layer and the separation layer is set in the above-mentioned appropriate range, so that the separation membrane is stabilized by the intermediate layer and the dioxide dioxide by the separation layer. Excellent separation performance of carbon or methane gas can be achieved at a high level.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記無機多孔質支持体は、4〜200nmの微細孔を有することが好ましい。
In the separation membrane for acid gas containing gas treatment according to the present invention,
The inorganic porous support preferably has fine pores of 4 to 200 nm.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、無機多孔質支持体が上記の適切なサイズの微細孔を有しているため、安定した中間層を形成させ易く、分離層の分離性能が損なわれない分離膜を構成することができる。   According to the separation membrane for gas treatment containing an acidic gas of this configuration, since the inorganic porous support has fine pores of the appropriate size, it is easy to form a stable intermediate layer, and the separation performance of the separation layer It is possible to constitute a separation membrane that is not impaired.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記無機多孔質支持体の表面から深さ方向に前記テトラアルコキシシラン又は前記炭化水素基含有トリアルコキシシランが染み込む距離は、50μm以下であることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The distance that the tetraalkoxysilane or the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane soaks in the depth direction from the surface of the inorganic porous support is preferably 50 μm or less.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、無機多孔質支持体の内部へのテトラアルコキシシラン又は炭化水素基含有トリアルコキシシランの染み込み量が抑えられているため、無機多孔質支持体の微細孔が過度に塞がれることがない。従って、この分離膜に消化ガスを通過させた場合、ガス通過量(消化ガスの処理量)を維持することができる。また、無機多孔質支持体に塗布する中間層及び分離層の形成材料(ゾル)の塗布量を低減することができるため、分離膜の製造コストの削減にも寄与し得る。   According to the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of this configuration, since the penetration amount of tetraalkoxysilane or hydrocarbon group-containing trialkoxysilane into the inorganic porous support is suppressed, the inorganic porous support The micropores are not clogged excessively. Therefore, when the digestion gas is passed through the separation membrane, the gas passage amount (digestion gas processing amount) can be maintained. In addition, the amount of the intermediate layer and separation layer forming material (sol) applied to the inorganic porous support can be reduced, which can contribute to the reduction of the manufacturing cost of the separation membrane.

上記課題を解決するための本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法の特徴構成は、
(a)コロイダルシリカ、及び有機溶媒を混合した第一混合液、並びにテトラアルコキシシラン、炭化水素基含有トリアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒を混合した第二混合液を調整する準備工程と、
(b)前記第一混合液を無機多孔質支持体の表面に塗布する第一塗布工程と、
(c)前記第一塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、当該無機多孔質支持体の表面にシリカ微粒子結合体を含む中間層を形成する中間層形成工程と、
(d)前記第二混合液を前記中間層の上に塗布する第二塗布工程と、
(e)前記第二塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、前記中間層の上に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を含む分離層を形成する分離層形成工程と、
を包含することにある。
In order to solve the above-mentioned problems, the characteristic configuration of the method for producing a separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to the present invention is
(A) A preparatory step of preparing a first mixed liquid in which colloidal silica and an organic solvent are mixed, and a second mixed liquid in which tetraalkoxysilane, hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, acid catalyst, water, and organic solvent are mixed. When,
(B) a first coating step of coating the first mixed liquid on the surface of the inorganic porous support;
(C) An intermediate layer forming step of heat-treating the inorganic porous support after the first application step and forming an intermediate layer containing a silica fine particle combination on the surface of the inorganic porous support;
(D) a second coating step of coating the second mixed solution on the intermediate layer;
(E) a separation layer forming step of heat-treating the inorganic porous support having undergone the second coating step to form a separation layer containing a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure on the intermediate layer;
It is to include.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法によれば、中間層に含まれるシリカ微粒子結合体と、分離層に含まれる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体とが互いに対して高い親和性を有しているため、第一塗布工程及び中間層形成工程によって無機多孔質支持体の表面に中間層を形成し、さらに第二塗布工程及び分離層形成工程によって中間層の上に分離層を形成すると、中間層と分離層との間で界面剥離やひび割れ等が発生せず、両者は強固に密着し、安定な酸性ガス含有ガス処理用分離膜を構成することができる。この酸性ガス含有ガス処理用分離膜に、二酸化炭素等の酸性ガスとメタンガスとを含有する消化ガスを通過させると、消化ガス中の二酸化炭素が選択的に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の表面に誘引され、そのまま分離膜を透過することになる。その結果、消化ガス中のメタンガス成分が濃縮され、高濃度のメタンガスを効率的に得ることができる。   According to the method for producing a separation membrane for acid gas-containing gas processing of this configuration, the silica fine particle conjugate contained in the intermediate layer and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network contained in the separation layer have a high affinity for each other. Therefore, the intermediate layer is formed on the surface of the inorganic porous support by the first coating step and the intermediate layer forming step, and the separation layer is formed on the intermediate layer by the second coating step and the separation layer forming step. When the film is formed, interfacial peeling or cracking does not occur between the intermediate layer and the separation layer, and both are firmly adhered to each other, and a stable separation membrane for acid gas-containing gas treatment can be constituted. When a digestion gas containing an acid gas such as carbon dioxide and methane gas is passed through the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas, carbon dioxide in the digestion gas is selectively converted into a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure. It is attracted to the surface and passes through the separation membrane as it is. As a result, the methane gas component in the digestion gas is concentrated, and a high concentration of methane gas can be obtained efficiently.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法において、
前記第一塗布工程及び前記中間層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復することが好ましい。
In the method for producing an acid gas-containing separation membrane for gas treatment according to the present invention,
The first coating step and the intermediate layer forming step are preferably repeated a plurality of times with both steps as a set.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法によれば、第一塗布工程及び中間層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復することで、より強固で安定した中間層を形成することができる。   According to the method for producing a separation membrane for acid gas-containing gas processing of this configuration, a stronger and more stable intermediate layer is formed by repeating the first coating step and the intermediate layer forming step multiple times with both steps as a set. can do.

本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法において、
前記第二塗布工程及び前記分離層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復することが好ましい。
In the method for producing an acid gas-containing separation membrane for gas treatment according to the present invention,
The second coating step and the separation layer forming step are preferably repeated a plurality of times with both steps as a set.

本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法によれば、第二塗布工程及び分離層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復することで、より強固で分離性能が高い分離層を形成することができる。   According to the manufacturing method of the separation membrane for acid gas-containing gas processing of this configuration, the second coating step and the separation layer forming step are repeated multiple times with both steps as a set, so that the separation layer is stronger and has higher separation performance. Can be formed.

図1は、分離性能確認試験に使用した気体透過速度測定装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas permeation rate measuring apparatus used in a separation performance confirmation test.

以下、本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜、及び酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法に関する実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下に説明する構成に限定されることを意図しない。   Hereinafter, the embodiment regarding the manufacturing method of the separation membrane for acidic gas containing gas processing concerning this invention and the separation membrane for acidic gas containing gas processing is described. However, the present invention is not intended to be limited to the configuration described below.

<酸性ガス含有ガス処理用分離膜>
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、例えば、生ごみ等を生物学的処理することによって得られる消化ガスを処理するためのものである。消化ガスは、酸性ガス(二酸化炭素を主成分とし、その他に硫化水素等を含む)とメタンガスとを含有する混合ガスであるが、本明細書では、消化ガスを二酸化炭素とメタンガスとを含有する混合ガスとして取り扱う。従って、以後の説明では、酸性ガスとして二酸化炭素を例に挙げて説明し、酸性ガス含有ガス処理用分離膜については、便宜上、二酸化炭素を選択的に誘引する二酸化炭素分離膜として説明する。ただし、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、メタンガスを選択的に誘引するメタンガス分離膜として構成することも可能であり、さらには、二酸化炭素とメタンガスとを同時に分離可能な二酸化炭素/メタンガス分離膜とすることも可能である。以後、酸性ガス含有ガス処理用分離膜を、単純に「分離膜」と称する場合がある。
<Separation membrane for acid gas containing gas treatment>
The acidic gas-containing gas treatment separation membrane of the present invention is for treating digestion gas obtained by biological treatment of, for example, garbage. Digestion gas is a mixed gas containing acid gas (mainly carbon dioxide and hydrogen sulfide etc.) and methane gas. In this specification, digestion gas contains carbon dioxide and methane gas. Handle as a mixed gas. Accordingly, in the following description, carbon dioxide is taken as an example of the acidic gas, and the acidic gas-containing gas processing separation membrane is described as a carbon dioxide separation membrane that selectively attracts carbon dioxide for convenience. However, the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of the present invention can also be configured as a methane gas separation membrane that selectively attracts methane gas, and moreover, carbon dioxide / methane that can simultaneously separate carbon dioxide and methane gas. A methane gas separation membrane can also be used. Hereinafter, the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas may be simply referred to as “separation membrane”.

酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、ベースとなる無機多孔質支持体の上に中間層を形成し、さらにその上に分離層を形成することにより構成される。無機多孔質支持体の材質としては、例えば、シリカ系セラミックス、シリカ系ガラス、アルミナ系セラミックス、ステンレス、チタン、銀等が挙げられる。無機多孔質支持体の構造は、ガスが流入する流入部と、ガスが流出する流出部とが設けられたものとする。例えば、ガス流入部を無機多孔質支持体に設けられた開口部とし、ガス流出部を無機多孔質支持体の外表面とすることができるが、これとは反対に、ガス流入部を無機多孔質支持体の外表面とし、ガス流出部を無機多孔質支持体に設けられた開口部とすることも可能である。無機多孔質支持体の外表面には無数の微細孔が形成されているため、外表面全体からガスが通流し得る。無機多孔質体の構成例としては、内部にガス流路が設けられた円筒構造、円管構造、スパイラル構造、内部に複雑に入り組んだ連続通路が形成されたモノリス構造等が挙げられる。また、無機多孔質材料で構成される中実の平板体やバルク体を用意し、その一部を刳り抜いてガス流路を形成することで、無機多孔質支持体を構成しても構わない。無機多孔質支持体の微細孔のサイズは、4〜200nmとすることが好ましい。中間層は、無機多孔質支持体の表面を安定化させ、分離層を形成し易くするために設けられる。例えば、微細孔のサイズが比較的大きい無機多孔質支持体の表面に後述する分離層の形成材料を含む混合液(ゾル)を直接塗布すると、混合液が微細孔の内部に過剰に浸透して無機多孔質支持体の表面に留まらず、分離層の成膜が難しくなることがある。そこで、無機多孔質支持体の表面に中間層を設けておくことで、微細孔の入口が中間層によって狭められ、混合液の塗布が容易になる。また、中間層によって無機多孔質支持体の表面が均等化されるため、分離層の剥離やひび割れを抑制することができる。以下、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、二酸化炭素又はメタンガスを分離する機能を有する中間層及び分離層について説明する。   The separation membrane for acid gas-containing gas treatment is constituted by forming an intermediate layer on an inorganic porous support serving as a base, and further forming a separation layer thereon. Examples of the material for the inorganic porous support include silica-based ceramics, silica-based glass, alumina-based ceramics, stainless steel, titanium, and silver. The inorganic porous support has a structure in which an inflow portion into which gas flows and an outflow portion from which gas flows out are provided. For example, the gas inflow portion can be an opening provided in the inorganic porous support, and the gas outflow portion can be the outer surface of the inorganic porous support. It is also possible to use the outer surface of the porous support and the gas outflow part as an opening provided in the inorganic porous support. Since innumerable micropores are formed on the outer surface of the inorganic porous support, gas can flow from the entire outer surface. Examples of the configuration of the inorganic porous material include a cylindrical structure in which a gas flow path is provided, a circular pipe structure, a spiral structure, and a monolith structure in which continuous passages intricately formed are formed. Further, an inorganic porous support may be configured by preparing a solid flat plate or a bulk body made of an inorganic porous material and forming a gas flow path by hollowing out a part thereof. . The fine pore size of the inorganic porous support is preferably 4 to 200 nm. The intermediate layer is provided in order to stabilize the surface of the inorganic porous support and facilitate formation of the separation layer. For example, when a liquid mixture (sol) containing a material for forming a separation layer, which will be described later, is directly applied to the surface of an inorganic porous support having a relatively large micropore size, the liquid mixture penetrates excessively into the micropores. In addition to the surface of the inorganic porous support, it may be difficult to form a separation layer. Therefore, by providing an intermediate layer on the surface of the inorganic porous support, the entrance of the micropores is narrowed by the intermediate layer, and the application of the mixed liquid becomes easy. Moreover, since the surface of the inorganic porous support is equalized by the intermediate layer, separation and cracking of the separation layer can be suppressed. Hereinafter, an intermediate layer and a separation layer having a function of separating carbon dioxide or methane gas in the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of the present invention will be described.

〔中間層〕
中間層は、シラン化合物を含むように構成される。本実施形態の中間層は、シリカ微粒子結合体を含む。シリカ微粒子結合体は、コロイダルシリカの焼結反応によって得られる。
[Middle layer]
The intermediate layer is configured to include a silane compound. The intermediate layer of the present embodiment includes a silica fine particle combined body. The silica fine particle bonded body is obtained by a sintering reaction of colloidal silica.

コロイダルシリカは、ケイ酸(SiO)を主成分とするシリカ微粒子(シリカゾル)を溶媒に分散させたものである。シリカ微粒子の粒子径は、通常10〜300nm程度に調整される。シリカ微粒子を分散させる溶媒は、水、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、ジメチルアセトアミド、酢酸エチル、トルエン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等が挙げられる。このようなコロイダルシリカとして、例えば、日産化学工業株式会社から販売されているコロイダルシリカ「スノーテックス(登録商標)」シリーズを使用することができる。 Colloidal silica is obtained by dispersing silica fine particles (silica sol) mainly composed of silicic acid (SiO 2 ) in a solvent. The particle diameter of the silica fine particles is usually adjusted to about 10 to 300 nm. Examples of the solvent in which the silica fine particles are dispersed include water, methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, dimethylacetamide, ethyl acetate, toluene, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone. As such colloidal silica, for example, colloidal silica “Snowtex (registered trademark)” series sold by Nissan Chemical Industries, Ltd. can be used.

コロイダルシリカを加熱すると、シリカ微粒子の分散媒が蒸発してシリカ微粒子が表面接触し、さらに加熱を行うとシリカ微粒子どうしが表面で融着する(焼結反応)。これにより、シリカ微粒子が三次元的に連なったシリカ微粒子結合体が得られる。シリカ微粒子結合体は、シリカ微粒子どうしの表面融着による連続構造と、シリカ微粒子間の空間による多孔質構造とを備えている。従って、シリカ微粒子結合体は、ケイ酸を主成分とした不定形の無機多孔質体を形成している。以下、シリカ微粒子結合体を、後述の複合ポリシロキサン網目構造体と区別するため「単一構造体」と称する。   When colloidal silica is heated, the dispersion medium of silica fine particles evaporates and the silica fine particles come into surface contact, and when further heated, the silica fine particles are fused on the surface (sintering reaction). Thereby, a silica fine particle combination in which silica fine particles are three-dimensionally connected is obtained. The silica fine particle bonded body has a continuous structure by surface fusion of silica fine particles and a porous structure by a space between silica fine particles. Therefore, the silica fine particle bonded body forms an amorphous inorganic porous body mainly composed of silicic acid. Hereinafter, the silica fine particle combination is referred to as a “single structure” in order to distinguish it from a composite polysiloxane network structure described later.

〔分離層〕
分離層は、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を含む。そして、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランのゾル−ゲル反応によって得られる。
(Separation layer)
The separation layer includes a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure. The hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is obtained by a sol-gel reaction of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane.

テトラアルコキシシランは、下記の式(1)で表される四官能性アルコキシシランである。   Tetraalkoxysilane is a tetrafunctional alkoxysilane represented by the following formula (1).

Figure 2015174066
Figure 2015174066

好ましいテトラアルコキシシランは、式(1)において、R〜Rが同一のメチル基であるテトラメトキシシラン(TMOS)又は同一のエチル基であるテトラエトキシシラン(TEOS)である。 A preferred tetraalkoxysilane in formula (1) is tetramethoxysilane (TMOS) in which R 1 to R 4 are the same methyl group or tetraethoxysilane (TEOS) in which the same ethyl group is used.

炭化水素基を含有する炭化水素基含有トリアルコキシシランは、下記の式(2)で表される三官能性アルコキシシランである。   The hydrocarbon group-containing trialkoxysilane containing a hydrocarbon group is a trifunctional alkoxysilane represented by the following formula (2).

Figure 2015174066
Figure 2015174066

好ましい炭化水素基含有トリアルコキシシランは、式(2)において、R〜Rが同一のメチル基であるトリメトキシシラン又は同一のエチル基であるトリエトキシシランのSi原子に炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものである。例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシランが挙げられる。 A preferred hydrocarbon group-containing trialkoxysilane is represented by the formula (2), in which R 6 to R 8 are trimethoxysilane having the same methyl group or triethoxysilane having the same ethyl group to the Si atom of 1 to 6 carbon atoms. In which an alkyl group or a phenyl group is bonded. For example, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, pentyltrimethoxysilane, pentyltriethoxy Examples include silane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, and phenyltriethoxysilane.

式(1)の四官能性アルコキシシランと、式(2)の三官能性アルコキシシランとをゾル−ゲル反応させると、例えば、下記の式(3)で表される複合ポリシロキサン網目構造体が得られる。以下、複合ポリシロキサン網目構造体を「複合構造体」と称する。   When a tetrafunctional alkoxysilane of the formula (1) and a trifunctional alkoxysilane of the formula (2) are subjected to a sol-gel reaction, for example, a composite polysiloxane network structure represented by the following formula (3) is obtained. can get. Hereinafter, the composite polysiloxane network structure is referred to as “composite structure”.

Figure 2015174066
Figure 2015174066

式(3)の複合構造体は、ポリシロキサンネットワーク構造中に炭化水素基Rが存在しており、ある種の有機−無機複合体を形成している。 In the composite structure of the formula (3), the hydrocarbon group R 5 is present in the polysiloxane network structure, and forms a certain organic-inorganic composite.

ここで、式(2)の三官能性アルコキシシランは、Rの違いにより特性が異なる。例えば、メチルトリメトキシシラン又はメチルトリエトキシシラン(炭化水素基の炭素数が1のもの)は主に二酸化炭素に対して親和性を有し、トリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数2〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したもの(炭化水素基の炭素数が2〜6のもの)は主にメタンガスに対して親和性を有する。そして、式(1)の四官能性アルコキシシランと、式(2)の三官能性アルコキシシランとの反応から、式(3)の複合構造体を合成するにあたり、四官能性アルコキシシラン(これをAとする)と、三官能性アルコキシシラン(これをBとする)とを最適な配合比率に設定すると、二酸化炭素又はメタンガスの分離性能に優れた分離膜を形成することが可能となる。そのような適切な配合比率はA/Bがモル比で1/9〜9/1であり、好ましい配合比率はA/Bがモル比で3/7〜7/3であり、より好ましい配合比率はA/Bがモル比で4/6〜6/4である。このような配合比率とすれば、安定した構造と高い二酸化炭素親和性とを併せ持った複合構造体を効率よく得ることができる。 Here, the trifunctional alkoxysilane of the formula (2) has different characteristics due to the difference in R 5 . For example, methyltrimethoxysilane or methyltriethoxysilane (having a hydrocarbon group with 1 carbon atom) has an affinity mainly for carbon dioxide, and the number of carbon atoms in the Si atom of trimethoxysilane or triethoxysilane Those having 2 to 6 alkyl groups or phenyl groups bonded thereto (hydrocarbon groups having 2 to 6 carbon atoms) mainly have affinity for methane gas. In synthesizing the composite structure of the formula (3) from the reaction between the tetrafunctional alkoxysilane of the formula (1) and the trifunctional alkoxysilane of the formula (2), a tetrafunctional alkoxysilane (this A) and a trifunctional alkoxysilane (referred to as B) are set to an optimum blending ratio, whereby a separation membrane having excellent carbon dioxide or methane gas separation performance can be formed. Such an appropriate blending ratio is 1/9 to 9/1 in terms of A / B molar ratio, and a preferred blending ratio is 3/7 to 7/3 in terms of A / B molar ratio, more preferable blending ratio A / B is 4/6 to 6/4 in molar ratio. With such a blending ratio, a composite structure having both a stable structure and high carbon dioxide affinity can be obtained efficiently.

二酸化炭素又はメタンガスの選択性を高めるためには、原料の一つである式(2)の三官能性アルコキシシラン(B)について、その組成を調整することも有効となる。例えば、二酸化炭素に対する選択性(親和性)を高める場合は、三官能性アルコキシシラン中に含まれるメチルトリメトキシシラン又はメチルトリエトキシシランの含有量を多くし、メタンガスに対する選択性(親和性)を高める場合は、三官能性アルコキシシラン中に含まれるトリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数2〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものの含有量を多くする。すなわち、四官能性アルコキシシラン(A)と三官能性アルコキシシラン(B)との配合比率(A/B)を上記の適切な範囲に設定した上で、三官能性アルコキシシラン(B)のうち、メチルトリメトキシシラン又はメチルトリエトキシシラン(これをB1とする)と、トリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数2〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したもの(これをB2とする)との配合比率(B1/B2)を最適化する。そのような三官能性アルコキシシラン(B)における適切な配合比率はB1/B2がモル比で1/9〜9/1であり、好ましい配合比率はB1/B2がモル比で3/7〜7/3であり、より好ましい配合比率はB1/B2がモル比で4/6〜6/4である。   In order to increase the selectivity of carbon dioxide or methane gas, it is also effective to adjust the composition of the trifunctional alkoxysilane (B) of the formula (2) that is one of the raw materials. For example, when increasing the selectivity (affinity) for carbon dioxide, increase the content of methyltrimethoxysilane or methyltriethoxysilane in the trifunctional alkoxysilane to increase the selectivity (affinity) for methane gas. In the case of increasing the content, the content of the trimethoxysilane or triethoxysilane contained in the trifunctional alkoxysilane having a C2-6 alkyl group or phenyl group bonded to the Si atom is increased. That is, after setting the blending ratio (A / B) of the tetrafunctional alkoxysilane (A) and the trifunctional alkoxysilane (B) to the above appropriate range, the trifunctional alkoxysilane (B) , Methyltrimethoxysilane or methyltriethoxysilane (referred to as B1), and a trimethoxysilane or triethoxysilane Si atom bonded to an alkyl group or phenyl group having 2 to 6 carbon atoms (this is referred to as B2) )) And the mixing ratio (B1 / B2) is optimized. In such a trifunctional alkoxysilane (B), an appropriate blending ratio of B1 / B2 is 1/9 to 9/1 by molar ratio, and a preferable blending ratio is 3/7 to 7 by mole ratio of B1 / B2. / 3, and a more preferable blending ratio is 4/6 to 6/4 in terms of a molar ratio of B1 / B2.

二酸化炭素又はメタンガスの分離性能をさらに高めるためには、上記式(3)の複合構造体に二酸化炭素と親和性を有する金属塩を添加(ドープ)することが好ましい。金属塩としては、Li、Na、K、Mg、Ca、Ni、Fe、及びAlからなる群から選択される少なくとも一種の金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、ホウ酸塩、又はリン酸塩が挙げられる。これらのうち、酢酸マグネシウム又は硝酸マグネシウムが好ましい。酢酸マグネシウム等を初めとする上記金属塩は、二酸化炭素との親和性が良好であるため、二酸化炭素の分離効率向上に有効となる。また、ポリシロキサンネットワーク構造中に含まれる炭化水素基R(特に、Rがメチル基の場合)との相乗効果により、高い効率で二酸化炭素を分離することが可能となる。金属塩を添加する方法は、例えば、複合構造体を、金属塩を含む水溶液に浸漬し、複合構造体の内部に金属塩を単独又は他の物質とともに含浸させる含浸法により行われる。 In order to further enhance the separation performance of carbon dioxide or methane gas, it is preferable to add (dope) a metal salt having affinity for carbon dioxide to the composite structure of the above formula (3). The metal salt includes acetate, nitrate, carbonate, borate, or phosphate of at least one metal selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Ni, Fe, and Al. Can be mentioned. Of these, magnesium acetate or magnesium nitrate is preferred. The metal salts such as magnesium acetate are effective in improving the carbon dioxide separation efficiency because of their good affinity with carbon dioxide. Further, due to the synergistic effect with the hydrocarbon group R 5 (particularly when R 5 is a methyl group) contained in the polysiloxane network structure, it becomes possible to separate carbon dioxide with high efficiency. The method of adding the metal salt is performed, for example, by an impregnation method in which the composite structure is immersed in an aqueous solution containing the metal salt, and the metal salt is impregnated alone or with other substances inside the composite structure.

<酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法>
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、以下の工程(a)〜(e)を実施することにより製造される。以下、各工程について詳細に説明する。
<Method for producing separation membrane for treatment of acid gas-containing gas>
The separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of the present invention is produced by performing the following steps (a) to (e). Hereinafter, each step will be described in detail.

(a)準備工程
準備工程として、コロイダルシリカ、及び有機溶媒を混合した第一混合液(シリカゾル)を調製する。第一混合液は、次工程の「第一塗布工程」において使用されるものである。第一混合液は、シリカ微粒子の濃度(シリカ固形分濃度)が1〜10重量%に調製されることが好ましく、より好ましくは2〜7重量%、さらに好ましくは3〜5%に調製される。シリカ固形分濃度が1重量%未満の場合、混合液のコーティング回数(工程数)が増加して生産効率が低下する。また、混合液の粘度が小さくなるため塗布時に液垂れ等の問題が発生する。シリカ固形分濃度が10%を超える場合、混合液の粘度が大きくなるため均一な塗膜の形成が困難となり、緻密で均一な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ベンゼン、トルエン等が使用される。これらのうち、メタノール又はエタノールが好ましい。
(A) Preparatory process As a preparatory process, the 1st liquid mixture (silica sol) which mixed colloidal silica and the organic solvent is prepared. The first liquid mixture is used in the “first coating step” of the next step. The first mixed liquid is preferably prepared so that the concentration of silica fine particles (silica solid content concentration) is 1 to 10% by weight, more preferably 2 to 7% by weight, and further preferably 3 to 5%. . When the silica solid content concentration is less than 1% by weight, the number of coating times (number of steps) of the mixed solution increases and the production efficiency decreases. In addition, since the viscosity of the liquid mixture becomes small, problems such as liquid dripping occur during application. When the silica solid content concentration exceeds 10%, the viscosity of the mixed solution increases, so that it is difficult to form a uniform coating film, and it becomes difficult to obtain a dense and uniform separation membrane. As the organic solvent, for example, methanol, ethanol, propanol, butanol, benzene, toluene and the like are used. Of these, methanol or ethanol is preferred.

準備工程では、さらに、テトラアルコキシシラン、炭化水素基含有トリアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒を混合した第二混合液を調製する。第二混合液は、後述の「第二塗布工程」において使用されるものである。テトラアルコキシシラン、炭化水素基含有トリアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒の夫々の配合量は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランの合計量1モルに対して、酸触媒0.005〜0.1モル、水0.5〜10モル、有機溶媒5〜60モルに調整することが好ましい。酸触媒の配合量が0.005モルより少ない場合、加水分解速度が小さくなり、分離膜の製造に要する時間が長くなる。酸触媒の配合量が0.1モルより多い場合、加水分解速度が過大となり、均一な分離膜が得られ難くなる。水の配合量が0.5モルより少ない場合、加水分解速度が小さくなり、後述のゾル−ゲル反応が十分に進行しない。水の配合量が10モルより多い場合、加水分解速度が過大となり、細孔径が肥大化するため緻密な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒の配合量が5モルより少ない場合、第二混合液の濃度が高くなり、緻密で均一な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒の配合量が60モルより多い場合、第二混合液の濃度が低くなり、混合液のコーティング回数(工程数)が増加して生産効率が低下する。酸触媒としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸等が使用される。これらのうち、硝酸又は塩酸が好ましい。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ベンゼン、トルエン等が使用される。これらのうち、メタノール又はエタノールが好ましい。第二混合液を調製する際、二酸化炭素と親和性を有する金属塩を配合することも可能である。金属塩の配合量は、上記の配合条件の場合、0.01〜0.3モルに調整される。二酸化炭素と親和性を有する金属塩としては、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。   In the preparation step, a second mixed liquid is further prepared by mixing tetraalkoxysilane, hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, acid catalyst, water, and organic solvent. A 2nd liquid mixture is used in the below-mentioned "2nd application | coating process." The compounding amounts of tetraalkoxysilane, hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, acid catalyst, water, and organic solvent are 0 for the total amount of 1 mol of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. It is preferable to adjust to 0.005 to 0.1 mol, water 0.5 to 10 mol, and organic solvent 5 to 60 mol. When the compounding amount of the acid catalyst is less than 0.005 mol, the hydrolysis rate becomes low and the time required for producing the separation membrane becomes long. When the compounding amount of the acid catalyst is more than 0.1 mol, the hydrolysis rate becomes excessive, and it becomes difficult to obtain a uniform separation membrane. When the amount of water is less than 0.5 mol, the hydrolysis rate is low, and the sol-gel reaction described below does not proceed sufficiently. When the amount of water is more than 10 mol, the hydrolysis rate becomes excessive, and the pore size is enlarged, so that it is difficult to obtain a dense separation membrane. When the blending amount of the organic solvent is less than 5 mol, the concentration of the second mixed solution becomes high, and it becomes difficult to obtain a dense and uniform separation membrane. When the blending amount of the organic solvent is more than 60 mol, the concentration of the second mixed solution is lowered, the number of coating times (number of steps) of the mixed solution is increased, and the production efficiency is lowered. As the acid catalyst, for example, nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid and the like are used. Of these, nitric acid or hydrochloric acid is preferred. As the organic solvent, for example, methanol, ethanol, propanol, butanol, benzene, toluene and the like are used. Of these, methanol or ethanol is preferred. When preparing the second mixed solution, a metal salt having an affinity for carbon dioxide can be blended. The compounding amount of the metal salt is adjusted to 0.01 to 0.3 mol in the above compounding conditions. As the metal salt having an affinity for carbon dioxide, those described in the above item “Separation membrane for treatment of acid gas-containing gas” can be used.

第二混合液中においては、先ず、テトラアルコキシシランが加水分解及び重縮合を繰り返すゾル−ゲル反応が進行する。テトラアルコキシシランは、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。例えば、テトラアルコキシシランの一例としてテトラエトキシシラン(TEOS)を使用した場合、ゾル−ゲル反応は下記のスキーム1のように進行すると考えられる。なお、このスキーム1は、ゾル−ゲル反応の進行を表す一つのモデルであり、実際の分子構造をそのまま反映しているとは限らない。

Figure 2015174066
スキーム1によれば、初めに、テトラエトキシシランの一部のエトキシ基が加水分解され、脱アルコール化することによりシラノール基が生成する。また、テトラエトキシシランの一部のエトキシ基は加水分解されず、そのまま残存し得る。次いで、一部のシラノール基が近傍のシラノール基と会合し、脱水することにより重縮合する。その結果、シラノール基又はエトキシ基が残存したシロキサン骨格が形成される。上記の加水分解反応、及び脱水・重縮合反応は混合液系内で略均等に進行するため、シラノール基又はエトキシ基はシロキサン骨格中に略均等に分散した状態で存在する。金属塩を添加する場合は、ゾル−ゲル反応時にポリシロキサンに取り込まれた金属塩もポリシロキサン結合中に略均等に分散すると考えられる。この段階では、シロキサンの分子量はそれほど大きいものではなく、ポリマーよりもむしろオリゴマーの状態にある。従って、シラノール基又はエトキシ基含有シロキサンオリゴマーは、有機溶媒を含む第二混合液に溶解した状態にある。 In the second mixed solution, first, a sol-gel reaction in which tetraalkoxysilane repeats hydrolysis and polycondensation proceeds. As the tetraalkoxysilane, those described in the above-mentioned item “Separation membrane for treatment of acid gas-containing gas” can be used. For example, when tetraethoxysilane (TEOS) is used as an example of tetraalkoxysilane, the sol-gel reaction is considered to proceed as shown in Scheme 1 below. This scheme 1 is one model representing the progress of the sol-gel reaction, and does not always reflect the actual molecular structure as it is.
Figure 2015174066
According to Scheme 1, first, a part of ethoxy groups of tetraethoxysilane are hydrolyzed and dealcoholized to produce silanol groups. Further, some ethoxy groups of tetraethoxysilane are not hydrolyzed and can remain as they are. Next, some silanol groups associate with neighboring silanol groups and are polycondensed by dehydration. As a result, a siloxane skeleton in which silanol groups or ethoxy groups remain is formed. Since the hydrolysis reaction and the dehydration / polycondensation reaction proceed substantially evenly in the mixed liquid system, silanol groups or ethoxy groups exist in a state of being dispersed substantially evenly in the siloxane skeleton. When a metal salt is added, it is considered that the metal salt taken into the polysiloxane during the sol-gel reaction is also dispersed substantially uniformly in the polysiloxane bond. At this stage, the molecular weight of the siloxane is not very high and is in an oligomer rather than a polymer. Therefore, the silanol group or ethoxy group-containing siloxane oligomer is in a state of being dissolved in the second mixed liquid containing the organic solvent.

次に、シロキサンオリゴマーと炭化水素基含有トリアルコキシシランとの反応が開始する。炭化水素基含有トリアルコキシシランは、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。例えば、炭化水素基含有トリアルコキシシランの一例としてメチルトリエトキシシランを使用した場合、反応は下記のスキーム2のように進行すると考えられる。なお、このスキーム2は、反応の進行を表す一つのモデルであり、実際の分子構造をそのまま反映しているとは限らない。

Figure 2015174066
スキーム2によれば、シロキサンオリゴマーのシラノール基又はエトキシ基と、メチルトリエトキシシランのエトキシ基とが反応し、脱アルコール化することによりポリシロキサン結合が生成する。ここで、シロキサンオリゴマーのシラノール基又はエトキシ基は、上述のようにシロキサン骨格中に略均等に分散しているため、シロキサンオリゴマーのシラノール基又はエトキシ基とメチルトリエトキシシランのエトキシ基との反応(脱アルコール化)も略均等に進行すると考えられる。その結果、生成したポリシロキサン結合中にはメチルトリエトキシシラン由来のシロキサン結合が略均等に生成し、従って、メチルトリエトキシシラン由来のエチル基もポリシロキサン結合中に略均等に存在する。金属塩を添加する場合は、ゾル−ゲル反応時にポリシロキサンに取り込まれた金属塩もポリシロキサン結合中に略均等に分散すると考えられる。 Next, the reaction between the siloxane oligomer and the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane starts. As the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, those described in the item “Separation membrane for gas treatment containing acid gas” described above can be used. For example, when methyltriethoxysilane is used as an example of a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, the reaction is considered to proceed as shown in Scheme 2 below. Note that Scheme 2 is a model representing the progress of the reaction, and does not necessarily reflect the actual molecular structure as it is.
Figure 2015174066
According to Scheme 2, the silanol group or ethoxy group of the siloxane oligomer reacts with the ethoxy group of methyltriethoxysilane, and the dealcoholization is performed to form a polysiloxane bond. Here, since the silanol group or ethoxy group of the siloxane oligomer is dispersed almost uniformly in the siloxane skeleton as described above, the reaction between the silanol group or ethoxy group of the siloxane oligomer and the ethoxy group of methyltriethoxysilane ( (Dealcoholization) is also considered to proceed substantially evenly. As a result, siloxane bonds derived from methyltriethoxysilane are formed almost evenly in the generated polysiloxane bond, and therefore, ethyl groups derived from methyltriethoxysilane are also present almost uniformly in the polysiloxane bond. When a metal salt is added, it is considered that the metal salt taken into the polysiloxane during the sol-gel reaction is also dispersed substantially uniformly in the polysiloxane bond.

第二混合液の調製においては、酸触媒を複数回に分けて混合したり、加水分解し易い炭化水素基含有トリアルコキシシランを最後に混合する等の工夫を行うことが好ましい。例えば、混合液のpHが常に0.8〜2.5の範囲に収まるように、組成を調製する。この場合、第二混合液のpHが大きく変動しないため、炭化水素基含有トリアルコキシシランの加水分解が急激に進行せず、安定した状態でゾル−ゲル反応を進行させることができる。   In the preparation of the second mixed solution, it is preferable to devise such as mixing the acid catalyst in a plurality of times, or mixing the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane which is easily hydrolyzed at the end. For example, the composition is prepared so that the pH of the mixed solution always falls within the range of 0.8 to 2.5. In this case, since the pH of the second mixed liquid does not vary greatly, hydrolysis of the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane does not proceed rapidly, and the sol-gel reaction can proceed in a stable state.

(b)第一塗布工程
第一塗布工程として、準備工程で得られた第一混合液(シリカ微粒子のコロイド溶液又は懸濁液)を無機多孔質支持体に塗布する。無機多孔質支持体に第一混合液を塗布する方法は、例えば、ディッピング法(内部浸漬法)、スプレー法、スピン法等が挙げられる。これらのうち、ディッピング法は、無機多孔質支持体の表面に混合液を均等且つ容易に塗布できるため、好ましい塗布方法である。ディッピング法の具体的な手順について説明する。
先ず、管状の無機多孔質支持体を用意する。無機多孔質支持体を立直状態として上方の開口部から第一混合液を注入し、下方の開口部から排出させる。これにより、無機多孔質支持体の内部表面に第一混合液が付着する。次いで、無機多孔質支持体を乾燥させる。乾燥条件は、25〜40℃で0.5〜3時間とすることが好ましい。乾燥時間が0.5時間未満では十分な乾燥ができず、3時間を超えても乾燥状態は殆ど変化しない。乾燥が終わると、無機多孔質支持体の内部表面(一部の微細孔の内面を含む)にシリカ微粒子が付着したものが得られる。なお、無機多孔質支持体への第一混合液の注入を複数回繰り返すことにより、無機多孔質支持体へのシリカ微粒子の付着量を増加させることができる。また、一連の手順を繰り返すことで、無機多孔質支持体に第一混合液を均一に塗布することができるため、最終的に得られる酸性ガス含有ガス処理用分離膜をより安定させることができる。
(B) 1st application | coating process As a 1st application | coating process, the 1st liquid mixture (the colloidal solution or suspension of a silica particle) obtained at the preparation process is apply | coated to an inorganic porous support body. Examples of the method of applying the first mixed liquid to the inorganic porous support include a dipping method (internal dipping method), a spray method, and a spin method. Among these, the dipping method is a preferable coating method because the mixed solution can be uniformly and easily applied to the surface of the inorganic porous support. A specific procedure of the dipping method will be described.
First, a tubular inorganic porous support is prepared. The inorganic porous support is placed in an upright state, and the first mixed liquid is injected from the upper opening and discharged from the lower opening. Thereby, a 1st liquid mixture adheres to the internal surface of an inorganic porous support body. Next, the inorganic porous support is dried. The drying conditions are preferably 25 to 40 ° C. and 0.5 to 3 hours. If the drying time is less than 0.5 hours, sufficient drying cannot be performed, and the drying state hardly changes even if the drying time exceeds 3 hours. When the drying is finished, a product in which silica fine particles are adhered to the inner surface (including the inner surfaces of some of the fine pores) of the inorganic porous support is obtained. In addition, the amount of silica fine particles attached to the inorganic porous support can be increased by repeating the injection of the first mixed liquid into the inorganic porous support a plurality of times. Moreover, since the first mixed liquid can be uniformly applied to the inorganic porous support by repeating a series of procedures, the finally obtained separation membrane for treatment of acid gas-containing gas can be further stabilized. .

(c)中間層形成工程
中間層形成工程として、第一塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、当該無機多孔質支持体の表面にシリカ微粒子結合体を形成する。熱処理は、例えば、焼成器等の加熱手段が用いられる。熱処理の具体的な手順について説明する。
先ず、無機多孔質支持体を後述の熱処理温度に達するまで昇温する。昇温時間は、1〜24時間が好ましい。昇温時間が1時間より短いと急激な温度変化により均一な膜が得られ難く、24時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。昇温後、一定時間で熱処理(焼成)を行う。熱処理温度は、25〜600℃が好ましく、25〜500℃がより好ましい。熱処理温度が25℃より低いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、600℃より高いと高温の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理時間は、0.5〜10時間が好ましく、5〜7時間がより好ましい。熱処理時間が0.5時間より短いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、10時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理が終わったら、無機多孔質支持体を室温まで冷却する。冷却時間は、5〜10時間が好ましい。冷却時間が5時間より短いと急激な温度変化により膜に亀裂や剥離が発生する虞があり、10時間より長いと膜が劣化する虞がある。冷却後の無機多孔質支持体の内部表面(一部の微細孔の内面を含む)には中間層が形成される。中間層は、目付量が0.1〜3.0mg/cmに調整され、好ましくは0.3〜1.5mg/cmに調整される。なお、「中間層形成工程」の後、上述した「第一塗布工程」に戻り、第一塗布工程と中間層形成工程とをセットとして、これを複数回繰り返すと、無機多孔質支持体の表面に、より緻密で且つ均一な膜質の中間層を形成することができる。
(C) Intermediate layer forming step As the intermediate layer forming step, the inorganic porous support after the completion of the first coating step is heat-treated to form a silica fine particle bonded body on the surface of the inorganic porous support. For the heat treatment, for example, a heating means such as a calciner is used. A specific procedure for the heat treatment will be described.
First, the inorganic porous support is heated up to a heat treatment temperature described later. The temperature raising time is preferably 1 to 24 hours. If the temperature rising time is shorter than 1 hour, it is difficult to obtain a uniform film due to a rapid temperature change, and if it is longer than 24 hours, the film may be deteriorated by heating for a long time. After the temperature rise, heat treatment (firing) is performed for a certain time. The heat treatment temperature is preferably 25 to 600 ° C, and more preferably 25 to 500 ° C. If the heat treatment temperature is lower than 25 ° C., sufficient heat treatment cannot be performed, and thus a dense film cannot be obtained. If the heat treatment temperature is higher than 600 ° C., the film may be deteriorated by heating at a high temperature. The heat treatment time is preferably 0.5 to 10 hours, and more preferably 5 to 7 hours. If the heat treatment time is shorter than 0.5 hours, sufficient heat treatment cannot be performed, so that a dense film cannot be obtained. If the heat treatment time is longer than 10 hours, the film may be deteriorated by heating for a long time. After the heat treatment is finished, the inorganic porous support is cooled to room temperature. The cooling time is preferably 5 to 10 hours. If the cooling time is shorter than 5 hours, the film may be cracked or peeled off due to a rapid temperature change, and if it is longer than 10 hours, the film may be deteriorated. An intermediate layer is formed on the inner surface (including the inner surfaces of some of the micropores) of the inorganic porous support after cooling. The mid layer has a basis weight adjusted to 0.1 to 3.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 1.5 mg / cm 2 . After the “intermediate layer forming step”, the process returns to the “first applying step” described above, and the first applying step and the intermediate layer forming step are repeated as a set. In addition, an intermediate layer having a denser and uniform film quality can be formed.

(d)第二塗布工程
第二塗布工程として、中間層形成工程によって中間層が形成された無機多孔質支持体に第二混合液(炭化水素基含有ポリシロキサン微粒子のコロイド溶液又は懸濁液)を塗布する。第二塗布工程で塗布される第二混合液は、中間層を介して無機多孔質支持体に塗布されるため、無機多孔質支持体への第二混合液の染み込み量(無機多孔質支持体の表面から深さ方向にテトラアルコキシシラン又は炭化水素基含有トリアルコキシシランが染み込む距離)を50μm以下に抑えることができる。従って、無機多孔質支持体の微細孔が過度に塞がれることがなく、後述の分離層形成工程により完成した酸性ガス含有ガス処理用分離膜に消化ガスを通過させた場合、ガス通過量(消化ガスの処理量)を維持することができる。また、無機多孔質支持体に塗布する中間層及び分離層の形成材料(ゾル)の塗布量を低減することができるため、酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造コストの削減にも寄与し得る。第二混合液を塗布する方法及び条件は、第一塗布工程と同様である。第二塗布工程においても、無機多孔質支持体への第二混合液の注入を複数回繰り返すことにより、無機多孔質支持体への炭化水素基含有ポリシロキサン微粒子の付着量を増加させることができる。また、一連の手順を繰り返すことで、無機多孔質支持体に第二混合液を均一に塗布することができるため、最終的に得られる酸性ガス含有ガス処理用分離膜の分離性能をより向上させることができる。
(D) Second coating step As the second coating step, a second mixed solution (a colloidal solution or suspension of hydrocarbon group-containing polysiloxane fine particles) is formed on the inorganic porous support on which the intermediate layer has been formed by the intermediate layer forming step. Apply. Since the 2nd liquid mixture apply | coated at a 2nd application | coating process is apply | coated to an inorganic porous support body via an intermediate | middle layer, the amount of permeation of the 2nd liquid mixture to an inorganic porous support body (inorganic porous support body) Distance from which the tetraalkoxysilane or hydrocarbon group-containing trialkoxysilane permeates in the depth direction from the surface of the substrate can be suppressed to 50 μm or less. Accordingly, the fine pores of the inorganic porous support are not excessively blocked, and when the digestion gas is passed through the separation membrane for acid gas-containing gas treatment completed by the separation layer forming step described later, Digestion gas throughput) can be maintained. In addition, since the amount of the intermediate layer and separation layer forming material (sol) applied to the inorganic porous support can be reduced, the production cost of the separation membrane for acid gas-containing gas treatment can be reduced. . The method and conditions for applying the second mixed solution are the same as in the first application step. Also in the second coating step, the amount of the hydrocarbon group-containing polysiloxane fine particles attached to the inorganic porous support can be increased by repeating the injection of the second mixed liquid into the inorganic porous support a plurality of times. . Moreover, since the second mixed liquid can be uniformly applied to the inorganic porous support by repeating a series of procedures, the separation performance of the finally obtained separation membrane for treatment of acid gas-containing gas is further improved. be able to.

(e)分離層形成工程
分離層形成工程として、第二塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、当該無機多孔質支持体の表面に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を形成する。熱処理の具体的な手順について説明する。
先ず、無機多孔質支持体を後述の熱処理温度に達するまで昇温する。昇温時間は、1〜24時間が好ましい。昇温時間が1時間より短いと急激な温度変化により均一な膜が得られ難く、24時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。昇温後、一定時間で熱処理(焼成)を行う。熱処理温度は、25〜300℃が好ましく、25〜150℃がより好ましい。熱処理温度が25℃より低いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、300℃より高いと高温の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理時間は、0.5〜10時間が好ましく、5〜7時間がより好ましい。熱処理時間が0.5時間より短いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、10時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理が終わったら、無機多孔質支持体を室温まで冷却する。冷却時間は、5〜10時間が好ましい。冷却時間が5時間より短いと急激な温度変化により膜に亀裂や剥離が発生する虞があり、10時間より長いと膜が劣化する虞がある。冷却後の無機多孔質支持体の表面(一部の微細孔の内面を含む)には分離層が形成される。分離層は、目付量が0.1〜4.0mg/cmに調整され、好ましくは0.5〜2.0mg/cmに調整される。なお、「分離層形成工程」の後、上述した「第二塗布工程」に戻り、第二塗布工程と分離層形成工程とをセットとして、これを複数回繰り返すと、無機多孔質支持体の表面に、より緻密で且つ均一な膜質の分離層を形成することができる。
(E) Separation layer formation step As the separation layer formation step, the inorganic porous support after the second coating step is heat-treated to form a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure on the surface of the inorganic porous support. . A specific procedure for the heat treatment will be described.
First, the inorganic porous support is heated up to a heat treatment temperature described later. The temperature raising time is preferably 1 to 24 hours. If the temperature rising time is shorter than 1 hour, it is difficult to obtain a uniform film due to a rapid temperature change, and if it is longer than 24 hours, the film may be deteriorated by heating for a long time. After the temperature rise, heat treatment (firing) is performed for a certain time. The heat treatment temperature is preferably 25 to 300 ° C, and more preferably 25 to 150 ° C. If the heat treatment temperature is lower than 25 ° C., sufficient heat treatment cannot be performed, so that a dense film cannot be obtained. If the heat treatment temperature is higher than 300 ° C., the film may be deteriorated by heating at a high temperature. The heat treatment time is preferably 0.5 to 10 hours, and more preferably 5 to 7 hours. If the heat treatment time is shorter than 0.5 hours, sufficient heat treatment cannot be performed, so that a dense film cannot be obtained. If the heat treatment time is longer than 10 hours, the film may be deteriorated by heating for a long time. After the heat treatment is finished, the inorganic porous support is cooled to room temperature. The cooling time is preferably 5 to 10 hours. If the cooling time is shorter than 5 hours, the film may be cracked or peeled off due to a rapid temperature change, and if it is longer than 10 hours, the film may be deteriorated. A separation layer is formed on the surface of the inorganic porous support after cooling (including the inner surfaces of some of the micropores). The separation layer, the basis weight is adjusted to 0.1~4.0mg / cm 2, it is preferably adjusted to 0.5-2.0 mg / cm 2. After the “separation layer forming step”, the process returns to the “second application step” described above, and when the second coating step and the separation layer forming step are repeated as a set, the surface of the inorganic porous support is obtained. In addition, it is possible to form a separation layer having a finer and more uniform film quality.

以上の工程(a)〜(e)を実施することにより、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜が製造される。この分離膜は、ベースとなる無機多孔質支持体に、特定のガス(本実施形態の場合、二酸化炭素)を誘引するサイト(メチル基)を有する分離層が形成されたものである。分離層は、中間層を介して無機多孔質支持体の表面に形成されている。ここで、中間層に含まれるシリカ微粒子結合体と、分離層に含まれる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体とは、同じ系統の材料であって分子構造が類似しているため、シリカ微粒子結合体及び炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、互いに対して高い親和性を有している。従って、中間層と分離層との間で界面剥離やひび割れ等が発生せず、両者は強固に密着し、安定な酸性ガス含有ガス処理用分離膜を構成することができる。この酸性ガス含有ガス処理用分離膜に、二酸化炭素等の酸性ガスとメタンガスとを含有する消化ガスを通過させると、消化ガス中の二酸化炭素が選択的に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の表面に誘引され、そのまま分離膜を透過することになる。その結果、消化ガス中のメタンガス成分が濃縮され、高濃度のメタンガスを効率的に得ることができる。濃縮されたメタンガスは、都市ガスの原料や、燃料電池に使用する水素の原料に利用することができる。なお、分離層がメタンガスを誘引するサイト(エチル基以上の炭素数を有する炭化水素基)を有する場合は、二酸化炭素とメタンガスとを含む消化ガスを通過させると、ガス誘引層にメタンガスが選択的に誘引され、メタンガスは細孔をそのまま透過する。従って、この場合は、分離膜を透過したメタンガスを回収し、これを都市ガスの原料や、燃料電池に使用する水素の原料に利用することができる。   By carrying out the above steps (a) to (e), the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of the present invention is produced. In this separation membrane, a separation layer having a site (methyl group) that attracts a specific gas (carbon dioxide in this embodiment) is formed on an inorganic porous support as a base. The separation layer is formed on the surface of the inorganic porous support via the intermediate layer. Here, the silica fine particle combination contained in the intermediate layer and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure contained in the separation layer are materials of the same family and have similar molecular structures. The body and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network have high affinity for each other. Therefore, interface peeling or cracking does not occur between the intermediate layer and the separation layer, and both are firmly adhered to each other, and a stable separation membrane for acid gas-containing gas treatment can be constituted. When a digestion gas containing an acid gas such as carbon dioxide and methane gas is passed through the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas, carbon dioxide in the digestion gas is selectively converted into a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure. It is attracted to the surface and passes through the separation membrane as it is. As a result, the methane gas component in the digestion gas is concentrated, and a high concentration of methane gas can be obtained efficiently. The concentrated methane gas can be used as a raw material for city gas and a raw material for hydrogen used in fuel cells. In addition, when the separation layer has a site that attracts methane gas (hydrocarbon group having an ethyl group or more carbon number), when the digestion gas containing carbon dioxide and methane gas is passed, methane gas is selectively used in the gas induction layer. The methane gas permeates through the pores as it is. Therefore, in this case, methane gas that has permeated through the separation membrane can be recovered and used as a raw material for city gas or a raw material for hydrogen used in a fuel cell.

以下、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜に関する実施例について説明する。   Hereinafter, the Example regarding the separation membrane for acidic gas containing gas processing of this invention is described.

<分離膜の作製>
上述の実施形態で説明した「酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法」に従って、分離膜である二酸化炭素分離膜を作製した。実施例において、中間層の形成に使用するコロイダルシリカとして日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ「スノーテックス(登録商標)」シリーズ(詳細は、各実施例の説明を参照)を使用し、有機溶媒として2−プロパノール(和光純薬工業株式会社製 試薬特級 99.5%)を使用した。また、全ての実施例及び比較例に共通で、テトラアルコキシシランとしてテトラエトキシシラン(信越化学工業株式会社製 信越シリコーンLS−2430)を使用し、炭化水素基含有トリアルコキシシランとしてメチルトリエトキシシラン(信越化学工業株式会社製 信越シリコーンLS−1890)を使用し、酸触媒として硝酸(和光純薬工業株式会社製 試薬特級 69.5%)を使用し、有機溶媒としてエタノール(和光純薬工業株式会社製 試薬特級 99.5%)を使用した。実施例1〜4及び比較例1及び2で使用した原材料の配合を表1に示す。
<Preparation of separation membrane>
A carbon dioxide separation membrane as a separation membrane was produced according to the “method for producing a separation membrane for treatment of acid gas-containing gas” described in the above embodiment. In the examples, colloidal silica “Snowtex (registered trademark)” series manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. (for details, refer to the description of each example) is used as the colloidal silica used for forming the intermediate layer, and an organic solvent. 2-propanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd. reagent special grade 99.5%) was used. Further, common to all Examples and Comparative Examples, tetraethoxysilane (Shin-Etsu Chemical LS-2430 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is used as tetraalkoxysilane, and methyltriethoxysilane (hydrocarbon group-containing trialkoxysilane ( Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Shin-Etsu Silicone LS-1890) is used, nitric acid (reagent grade 69.5%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is used as the acid catalyst, and ethanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is used as the organic solvent. Reagent special grade 99.5%) was used. Table 1 shows the composition of the raw materials used in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.

Figure 2015174066
Figure 2015174066

〔実施例1〕
分離膜の作製に先立ち、中間層形成用シリカゾル(第一混合液)及び分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を準備した。表1の配合に従って、コロイダルシリカ、2−プロパノールの混合液を2時間攪拌することにより、中間層形成用シリカゾルを調製した。コロイダルシリカは、日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス(登録商標)OXS)を使用した。また、表1の配合に従って、水、硝酸、エタノールの混合液を30分間攪拌し、次いでテトラエトキシシランを添加して1時間攪拌し、次いでメチルトリエトキシシランを添加して2.5時間攪拌し、次いで酢酸マグネシウム六水和物を添加して2時間攪拌することにより、分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を調製した。
上記のように調製した中間層形成用シリカゾル及び分離層形成用アルコキシド溶液を無機多孔質支持体に塗布し、中間層及び分離層を備える二酸化炭素分離膜を作製した。無機多孔質支持体として、日本ガイシ株式会社製のセラミックフィルター「セフィルト(登録商標)」(φ3−37穴、分画分子量1万)を使用した。この無機多孔質支持体は、モノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体である。先ず、無機多孔質支持体の内部表面に中間層形成用シリカゾルをディッピング法(内部浸漬法)によって塗布した。具体的には、無機多孔質支持体の上部にシリコーンチューブを接続し、チューブの一部をクリップで狭持した。チューブに中間層形成用シリカゾル200gを流し込んだ後、クリップを外して中間層形成用シリカゾルを無機多孔質支持体に注入し、無機多孔質支持体の内部表面に付着させた。無機多孔質支持体への中間層形成用シリカゾルの注入は2回行った。室温で1時間放置後、この一連の作業を2回繰り返し、焼成器で熱処理を行った。熱処理条件は、室温(25℃)から500℃まで5時間かけて加熱し、500℃で2時間保持し、25℃まで5時間かけて冷却した。上記の作業(内部コーティング)は1回のみ実施し、無機多孔質支持体の内部表面に中間層を形成した。中間層のコーティング量は175mgであり、目付量は0.63mg/cmであった。次に、中間層を形成した無機多孔質支持体の内部表面に分離層形成用アルコキシド溶液をディッピング法(内部浸漬法)によって塗布した。ディッピング法は、中間層の場合と同様に実施した。分離層の熱処理条件は、室温(25℃)から150℃まで5時間かけて加熱し、150℃で2時間保持し、25℃まで5時間かけて冷却した。上記の作業(コーティング)を4回繰り返し、中間層の上に分離層を形成した。分離層のコーティング量は383mgであり、目付量は1.37mg/cmであった。以上により、実施例1の分離膜を完成させた。実施例1の分離膜について、SEM−EDSによるSiの成分分析より、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量(無機多孔質支持体の表面から深さ方向にテトラアルコキシシラン又は炭化水素基含有トリアルコキシシランが染み込む距離)を求めたところ、10μmであった。
[Example 1]
Prior to the production of the separation membrane, an intermediate layer forming silica sol (first mixed solution) and a separating layer forming alkoxide solution (second mixed solution) were prepared. In accordance with the composition shown in Table 1, a silica sol for forming an intermediate layer was prepared by stirring a mixed liquid of colloidal silica and 2-propanol for 2 hours. As the colloidal silica, colloidal silica (trade name: Snowtex (registered trademark) OXS) manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. was used. Also, according to the formulation shown in Table 1, a mixture of water, nitric acid and ethanol was stirred for 30 minutes, then tetraethoxysilane was added and stirred for 1 hour, then methyltriethoxysilane was added and stirred for 2.5 hours. Then, magnesium acetate hexahydrate was added and stirred for 2 hours to prepare a separation layer forming alkoxide solution (second mixed solution).
The silica sol for forming an intermediate layer and the alkoxide solution for forming a separation layer prepared as described above were applied to an inorganic porous support to produce a carbon dioxide separation membrane having an intermediate layer and a separation layer. As an inorganic porous support, a ceramic filter “Cefilt (registered trademark)” (φ3-37 hole, molecular weight cut off 10,000) manufactured by NGK Corporation was used. This inorganic porous support is an alumina-based ceramic tubular body having a monolith structure. First, a silica sol for forming an intermediate layer was applied to the inner surface of the inorganic porous support by a dipping method (internal dipping method). Specifically, a silicone tube was connected to the top of the inorganic porous support, and a part of the tube was held between clips. After 200 g of the intermediate layer forming silica sol was poured into the tube, the clip was removed, and the intermediate layer forming silica sol was injected into the inorganic porous support to adhere to the inner surface of the inorganic porous support. Injection of the silica sol for forming the intermediate layer into the inorganic porous support was performed twice. After standing at room temperature for 1 hour, this series of operations was repeated twice, and heat treatment was performed in a calciner. The heat treatment was performed by heating from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. over 5 hours, holding at 500 ° C. for 2 hours, and cooling to 25 ° C. over 5 hours. The above operation (inner coating) was performed only once, and an intermediate layer was formed on the inner surface of the inorganic porous support. The coating amount of the intermediate layer was 175 mg, and the basis weight was 0.63 mg / cm 2 . Next, an alkoxide solution for forming a separation layer was applied to the inner surface of the inorganic porous support having the intermediate layer formed thereon by a dipping method (internal dipping method). The dipping method was performed in the same manner as in the intermediate layer. The heat treatment conditions for the separation layer were heating from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. over 5 hours, holding at 150 ° C. for 2 hours, and cooling to 25 ° C. over 5 hours. The above operation (coating) was repeated 4 times to form a separation layer on the intermediate layer. The coating amount of the separation layer was 383 mg, and the basis weight was 1.37 mg / cm 2 . Thus, the separation membrane of Example 1 was completed. For the separation membrane of Example 1, from the component analysis of Si by SEM-EDS, the penetration amount of the alkoxide solution into the tubular body (tetraalkoxysilane or hydrocarbon group-containing trialkoxy in the depth direction from the surface of the inorganic porous support) The distance by which silane soaked was 10 μm.

〔実施例2〕
中間層形成用シリカゾル(第一混合液)及び分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を準備し、これらを無機多孔質支持体であるモノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体に塗布及び熱処理し、実施例2の中間層及び分離層を備える二酸化炭素分離膜を作製した。
表1の配合に従って、実施例1と同様の手順で、実施例2で使用する中間層形成用シリカゾル及び分離層形成用アルコキシド溶液を調製した。コロイダルシリカは、日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス(登録商標)OXS)を使用した。さらに、実施例1と同様の作製手順及び作製条件により、中間層のコーティング作業を1回、分離層のコーティング作業を4回実施し、実施例2の分離膜を完成させた。実施例2の分離膜は、中間層のコーティング量が145mg、目付量が0.52mg/cmであり、分離層のコーティング量が371mg、目付量が1.33mg/cmであった。また、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量は13μmであった。
[Example 2]
An intermediate layer forming silica sol (first mixed solution) and a separating layer forming alkoxide solution (second mixed solution) are prepared, and these are applied and heat-treated on an alumina ceramic tubular body having a monolith structure as an inorganic porous support. And the carbon dioxide separation membrane provided with the intermediate | middle layer and separation layer of Example 2 was produced.
According to the formulation shown in Table 1, the intermediate layer forming silica sol and the separation layer forming alkoxide solution used in Example 2 were prepared in the same procedure as in Example 1. As the colloidal silica, colloidal silica (trade name: Snowtex (registered trademark) OXS) manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. was used. Further, the intermediate layer coating operation was performed once and the separation layer coating operation was performed four times according to the same production procedure and production conditions as in Example 1 to complete the separation membrane of Example 2. In the separation membrane of Example 2, the coating amount of the intermediate layer was 145 mg, the basis weight was 0.52 mg / cm 2 , the coating amount of the separation layer was 371 mg, and the basis weight was 1.33 mg / cm 2 . The amount of the alkoxide solution soaked into the tubular body was 13 μm.

〔実施例3〕
中間層形成用シリカゾル(第一混合液)及び分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を準備し、これらを無機多孔質支持体であるモノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体に塗布及び熱処理し、実施例3の中間層及び分離層を備える二酸化炭素分離膜を作製した。
表1の配合に従って、実施例1と同様の手順で、実施例3で使用する中間層形成用シリカゾル及び分離層形成用アルコキシド溶液を調製した。コロイダルシリカは、日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ(商品名:IPA−ST)を使用した。さらに、実施例1と同様の作製手順及び作製条件により、中間層のコーティング作業を2回、分離層のコーティング作業を4回実施し、実施例3の分離膜を完成させた。実施例3の分離膜は、中間層のコーティング量が149mg、目付量が0.53mg/cmであり、分離層のコーティング量が419mg、目付量が1.50mg/cmであった。また、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量は25μmであった。
Example 3
An intermediate layer forming silica sol (first mixed solution) and a separating layer forming alkoxide solution (second mixed solution) are prepared, and these are applied and heat-treated on an alumina ceramic tubular body having a monolith structure as an inorganic porous support. And the carbon dioxide separation membrane provided with the intermediate | middle layer and separation layer of Example 3 was produced.
According to the formulation shown in Table 1, an intermediate layer forming silica sol and a separating layer forming alkoxide solution used in Example 3 were prepared in the same procedure as in Example 1. As the colloidal silica, colloidal silica (trade name: IPA-ST) manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. was used. Further, the intermediate layer coating operation was performed twice and the separation layer coating operation was performed four times according to the same manufacturing procedure and manufacturing conditions as in Example 1 to complete the separation membrane of Example 3. The separation membrane of Example 3 had an intermediate layer coating amount of 149 mg and a basis weight of 0.53 mg / cm 2 , a separation layer coating amount of 419 mg and a basis weight of 1.50 mg / cm 2 . The amount of the alkoxide solution soaked into the tubular body was 25 μm.

〔実施例4〕
中間層形成用シリカゾル(第一混合液)及び分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を準備し、これらを無機多孔質支持体であるモノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体に塗布及び熱処理し、実施例4の中間層及び分離層を備える二酸化炭素分離膜を作製した。
表1の配合に従って、実施例1と同様の手順で、実施例4で使用する中間層形成用シリカゾル及び分離層形成用アルコキシド溶液を調製した。コロイダルシリカは、日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ(商品名:IPA−ST−UP)を使用した。さらに、実施例1と同様の作製手順及び作製条件により、中間層のコーティング作業を2回、分離層のコーティング作業を4回実施し、実施例4の分離膜を完成させた。実施例4の分離膜は、中間層のコーティング量が151mg、目付量が0.54mg/cmであり、分離層のコーティング量が427mg、目付量が1.53mg/cmであった。また、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量は28μmであった。
Example 4
An intermediate layer forming silica sol (first mixed solution) and a separating layer forming alkoxide solution (second mixed solution) are prepared, and these are applied and heat-treated on an alumina ceramic tubular body having a monolith structure as an inorganic porous support. And the carbon dioxide separation membrane provided with the intermediate | middle layer and separation layer of Example 4 was produced.
In accordance with the formulation shown in Table 1, the intermediate layer forming silica sol and the separation layer forming alkoxide solution used in Example 4 were prepared in the same procedure as in Example 1. As the colloidal silica, colloidal silica (trade name: IPA-ST-UP) manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd. was used. Further, the intermediate layer coating operation was performed twice and the separation layer coating operation was performed four times according to the same manufacturing procedure and manufacturing conditions as in Example 1 to complete the separation membrane of Example 4. The separation membrane of Example 4 had an intermediate layer coating amount of 151 mg and a basis weight of 0.54 mg / cm 2 , a separation layer coating amount of 427 mg and a basis weight of 1.53 mg / cm 2 . The amount of the alkoxide solution soaked into the tubular body was 28 μm.

〔比較例1〕
分離層形成用アルコキシド溶液を準備し、これを無機多孔質支持体であるモノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体に塗布及び熱処理し、比較例1の二酸化炭素分離膜を作製した。比較例1は、中間層を有さない分離膜である。
表1の配合に従って、水、硝酸、エタノールの混合液を30分間攪拌し、次いでテトラエトキシシランを添加して1時間攪拌し、次いでメチルトリエトキシシランを添加して2.5時間攪拌し、次いで酢酸マグネシウム六水和物を添加して2時間攪拌することにより、分離層形成用アルコキシド溶液を調製した。
無機多孔質支持体の内部表面に分離層形成用アルコキシド溶液をディッピング法(内部浸漬法)によって塗布した。ディッピング法は、実施例1における分離層の場合と同様に実施した。分離層の熱処理条件は、室温(25℃)から150℃まで5時間かけて加熱し、150℃で2時間保持し、25℃まで5時間かけて冷却した。上記の作業(コーティング)を8回繰り返して無機多孔質支持体の内部表面に分離層を形成し、比較例1の分離膜を完成させた。比較例1の分離膜は、中間層を有しておらず、分離層のコーティング量が655mgであり、目付量が2.35mg/cmであった。また、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量は156μmであり、実施例1〜4と比べて染み込み量が大きいものであった。
[Comparative Example 1]
An alkoxide solution for forming a separation layer was prepared, and this was applied and heat-treated on an alumina-based ceramic tubular body having a monolith structure that was an inorganic porous support to produce a carbon dioxide separation membrane of Comparative Example 1. Comparative Example 1 is a separation membrane having no intermediate layer.
According to the formulation of Table 1, a mixture of water, nitric acid and ethanol was stirred for 30 minutes, then tetraethoxysilane was added and stirred for 1 hour, then methyltriethoxysilane was added and stirred for 2.5 hours, Magnesium acetate hexahydrate was added and stirred for 2 hours to prepare a separation layer forming alkoxide solution.
The separation layer forming alkoxide solution was applied to the inner surface of the inorganic porous support by a dipping method (internal dipping method). The dipping method was performed in the same manner as in the case of the separation layer in Example 1. The heat treatment conditions for the separation layer were heating from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. over 5 hours, holding at 150 ° C. for 2 hours, and cooling to 25 ° C. over 5 hours. The above operation (coating) was repeated 8 times to form a separation layer on the inner surface of the inorganic porous support to complete the separation membrane of Comparative Example 1. The separation membrane of Comparative Example 1 did not have an intermediate layer, the coating amount of the separation layer was 655 mg, and the basis weight was 2.35 mg / cm 2 . Moreover, the penetration amount of the alkoxide solution to the tubular body was 156 μm, and the penetration amount was larger than those in Examples 1 to 4.

〔比較例2〕
分離層形成用アルコキシド溶液を準備し、これを無機多孔質支持体であるモノリス構造を有するアルミナ系セラミックス管状体に塗布及び熱処理し、比較例2の二酸化炭素分離膜を作製した。比較例2は、中間層を有さない分離膜である。
表1の配合に従って、比較例1と同様の手順で、比較例2で使用する分離層形成用アルコキシド溶液を調製した。さらに、比較例1と同様の作製手順及び作製条件により、比較例2の分離膜を完成させた。比較例2の分離膜は、中間層を有しておらず、分離層のコーティング量が736mgであり、目付量が2.64mg/cmであった。また、管状体へのアルコキシド溶液の染み込み量は123μmであり、実施例1〜4と比べて染み込み量が大きいものであった。
[Comparative Example 2]
An alkoxide solution for forming a separation layer was prepared, and this was applied to an alumina-based ceramic tubular body having a monolith structure as an inorganic porous support and heat-treated to prepare a carbon dioxide separation membrane of Comparative Example 2. Comparative Example 2 is a separation membrane that does not have an intermediate layer.
According to the formulation shown in Table 1, the separation layer forming alkoxide solution used in Comparative Example 2 was prepared in the same procedure as Comparative Example 1. Further, the separation membrane of Comparative Example 2 was completed by the same production procedure and production conditions as Comparative Example 1. The separation membrane of Comparative Example 2 did not have an intermediate layer, the coating amount of the separation layer was 736 mg, and the basis weight was 2.64 mg / cm 2 . Moreover, the penetration amount of the alkoxide solution to the tubular body was 123 μm, and the penetration amount was larger than in Examples 1 to 4.

<分離性能確認試験>
実施例1〜4及び比較例1及び2の分離膜について、二酸化炭素の分離性能に関する確認試験を行った。この確認試験では、分離膜に二酸化炭素を透過させたときの気体透過速度〔P(CO)〕、及び同じ分離膜に窒素を透過させたときの気体透過速度〔P(N)〕を測定した。ここで、窒素の気体分子径は3.64Åであり、二酸化炭素の気体分子径は3.3Åである。このため、窒素よりも気体分子径が小さい二酸化炭素は分離膜を透過し易い。従って、このような気体によって異なる性質を利用し、さらに膜の構成を適切に設定すれば、二酸化炭素を含有する消化ガスから二酸化炭素を分離することが可能となる。
<Separation performance confirmation test>
About the separation membrane of Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2, the confirmation test regarding the separation performance of a carbon dioxide was done. In this confirmation test, the gas permeation rate [P (CO 2 )] when carbon dioxide permeates the separation membrane and the gas permeation rate [P (N 2 )] when nitrogen permeates the same separation membrane. It was measured. Here, the gas molecular diameter of nitrogen is 3.64 cm, and the gas molecular diameter of carbon dioxide is 3.3 cm. For this reason, carbon dioxide having a gas molecular diameter smaller than that of nitrogen easily passes through the separation membrane. Therefore, carbon dioxide can be separated from digestion gas containing carbon dioxide by utilizing different properties depending on such gas and further appropriately setting the structure of the membrane.

図1は、分離性能確認試験に使用した気体透過速度測定装置10の概略構成図である。気体透過速度測定装置10は、ガスシリンダー1、圧力ゲージ2、チャンバー3、及び質量流量計4を備える。分離膜5は、チャンバー3の内部に設置される。試験対象の分離膜5は、モノリス構造を有するアルミナ管の内部表面に中間層及び分離層を形成した管状体(実施例1〜4)、又は分離層のみを形成した管状体(比較例1及び2)である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas permeation rate measuring apparatus 10 used in a separation performance confirmation test. The gas transmission rate measuring device 10 includes a gas cylinder 1, a pressure gauge 2, a chamber 3, and a mass flow meter 4. The separation membrane 5 is installed inside the chamber 3. The separation membrane 5 to be tested is a tubular body (Examples 1 to 4) in which an intermediate layer and a separation layer are formed on the inner surface of an alumina tube having a monolith structure, or a tubular body in which only a separation layer is formed (Comparative Example 1 and 2).

測定ガスである二酸化炭素又は窒素をガスシリンダー1に予め充填しておく。ここでは、二酸化炭素をガスシリンダー1に充填したものとして説明する。ガスシリンダー1から排出された二酸化炭素は、圧力ゲージ2によって圧力が調整され、下流側のチャンバー3に供給される。本確認試験では、二酸化炭素の供給圧を室温で0.1MPaに調整した。管状体である分離膜5は、一端(先端側)5aが封止され、他端(基端側)5bから分離膜5の内部に二酸化炭素が流入可能に構成されている。分離膜5の一端5aは、エポキシ樹脂(ナガセケムテックス株式会社製の二液性エポキシ系接着剤「AV138」及び「HV998」)によって完全にシールされ、他端5bは上記エポキシ樹脂によって二酸化炭素の流入口を塞がないようにシールされている。さらに、分離膜5の一端5a及び他端5bにはOリング7が取り付けられ、分離膜5をチャンバー3の内部に固定している。チャンバー3には耐熱ガラス管6(コーニング社製のパイレックス(登録商標)管(外径8mm、内径6mm、長さ10mm))が接続され、分離膜5の内部から外部に排出されたガスは、耐熱ガラス管6を通って質量流量計4に導かれる。質量流量計4には、コフロック社製の熱式質量流量計(マスフローメーター「5410」)を使用した。測定条件は、流量レンジを500mL/分、フルスケール(FS)最大流量に対する精度は±1%(20℃)とした。質量流量計4で測定した二酸化炭素の流量〔mL/min〕から、二酸化炭素の気体透過速度〔P(CO)〕(m/(m×s(秒)×Pa))を算出した。窒素についても上記と同様の手順により気体透過速度〔P(N)〕(m/(m×s(秒)×Pa))を算出した。そして、二酸化炭素の気体透過速度〔P(CO)〕と窒素の気体透過速度〔P(N)〕との比率である透過速度比〔α(CO/N)〕から二酸化炭素の分離性能を評価した。分離性能確認試験の結果を表2に示す。 Carbon dioxide or nitrogen, which is a measurement gas, is filled in the gas cylinder 1 in advance. Here, it demonstrates as what filled the gas cylinder 1 with the carbon dioxide. The pressure of the carbon dioxide discharged from the gas cylinder 1 is adjusted by the pressure gauge 2 and supplied to the chamber 3 on the downstream side. In this confirmation test, the supply pressure of carbon dioxide was adjusted to 0.1 MPa at room temperature. The separation membrane 5 which is a tubular body is configured such that one end (front end side) 5a is sealed and carbon dioxide can flow into the inside of the separation membrane 5 from the other end (base end side) 5b. One end 5a of the separation membrane 5 is completely sealed by an epoxy resin (two-component epoxy adhesives “AV138” and “HV998” manufactured by Nagase ChemteX Corporation), and the other end 5b is made of carbon dioxide by the epoxy resin. Sealed so as not to block the inlet. Further, an O-ring 7 is attached to one end 5 a and the other end 5 b of the separation membrane 5, and the separation membrane 5 is fixed inside the chamber 3. A heat-resistant glass tube 6 (Pyrex (registered trademark) tube (external diameter: 8 mm, internal diameter: 6 mm, length: 10 mm) manufactured by Corning) is connected to the chamber 3, and the gas discharged from the inside of the separation membrane 5 to the outside is It is guided to the mass flow meter 4 through the heat resistant glass tube 6. As the mass flow meter 4, a thermal mass flow meter (mass flow meter “5410”) manufactured by Cofrock was used. The measurement conditions were a flow rate range of 500 mL / min and an accuracy with respect to the full-scale (FS) maximum flow rate of ± 1% (20 ° C.). From the flow rate [mL / min] of carbon dioxide measured with the mass flow meter 4, the gas permeation rate of carbon dioxide [P (CO 2 )] (m 3 / (m 2 × s (seconds) × Pa)) was calculated. . For nitrogen, the gas permeation rate [P (N 2 )] (m 3 / (m 2 × s (seconds) × Pa)) was calculated by the same procedure as described above. The carbon dioxide gas permeation rate [P (CO 2 )] and the nitrogen gas permeation rate [P (N 2 )] are compared with the permeation rate ratio [α (CO 2 / N 2 )]. Separation performance was evaluated. The results of the separation performance confirmation test are shown in Table 2.

Figure 2015174066
Figure 2015174066

表2に示されるように、実施例1〜4の中間層及び分離層を備える分離膜は、窒素に対する二酸化炭素の透過性が優れたものとなっていた。これに対し、中間層を設けずに分離層のみを備える比較例1及び2の分離膜は、窒素に対する二酸化炭素の透過性は十分ではなかった。実施例と比較例とを比べると、二酸化炭素と窒素との透過速度比において約3〜14倍の差が確認された。   As shown in Table 2, the separation membrane including the intermediate layer and the separation layer of Examples 1 to 4 had excellent carbon dioxide permeability to nitrogen. In contrast, the separation membranes of Comparative Examples 1 and 2 having only the separation layer without providing the intermediate layer did not have sufficient carbon dioxide permeability to nitrogen. When Examples and Comparative Examples were compared, a difference of about 3 to 14 times in the permeation rate ratio between carbon dioxide and nitrogen was confirmed.

以上より、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、少なくとも二酸化炭素の分離性能に優れたものであるため、生ごみ等を生物学的処理することによって得られる消化ガスから二酸化炭素を効率よく分離し、メタンガスを有用な濃度にまで濃縮し得ることが示唆された。   As mentioned above, since the separation membrane for gas treatment of an acid gas of the present invention is excellent in at least carbon dioxide separation performance, carbon dioxide is efficiently produced from digestion gas obtained by biological treatment of garbage etc. It was suggested that methane gas could be concentrated to useful concentrations by separating well.

本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜、及びその製造方法は、都市ガスの製造設備や、燃料電池への水素供給設備等において利用可能である。さらに、本発明は、工場や発電所から排出される排ガス、天然ガス、石油精製において副生するガス等を対象とすることも可能である。   The separation membrane for treatment of acid gas-containing gas and the method for producing the same of the present invention can be used in city gas production facilities, hydrogen supply facilities for fuel cells, and the like. Furthermore, the present invention can also be applied to exhaust gas, natural gas, gas by-produced in petroleum refining, etc. discharged from factories and power plants.

1 ガスシリンダー
2 圧力ゲージ
3 チャンバー
4 質量流量計
5 分離膜
6 耐熱ガラス管
7 Oリング
10 気体透過速度測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas cylinder 2 Pressure gauge 3 Chamber 4 Mass flow meter 5 Separation membrane 6 Heat-resistant glass tube 7 O-ring 10 Gas permeation rate measuring device

Claims (11)

無機多孔質支持体と、
前記無機多孔質支持体の表面に形成されるシリカ微粒子結合体を含む中間層と、
前記中間層の上に形成される炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を含む分離層と、
を備えた酸性ガス含有ガス処理用分離膜。
An inorganic porous support;
An intermediate layer comprising a silica fine particle conjugate formed on the surface of the inorganic porous support;
A separation layer comprising a hydrocarbon group-containing polysiloxane network formed on the intermediate layer;
An acid gas-containing separation membrane for gas treatment.
前記シリカ微粒子結合体は、コロイダルシリカの焼結反応によって得られる単一構造体であり、
前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランのゾル−ゲル反応によって得られる複合構造体である請求項1に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。
The silica fine particle combination is a single structure obtained by a sintering reaction of colloidal silica,
The separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to claim 1, wherein the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is a composite structure obtained by a sol-gel reaction of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. .
前記テトラアルコキシシランは、テトラメトキシシラン又はテトラエトキシシランであり、
前記炭化水素基含有トリアルコキシシランは、トリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものである請求項2に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。
The tetraalkoxysilane is tetramethoxysilane or tetraethoxysilane,
The said hydrocarbon group containing trialkoxysilane is a gas atom processing gas-containing gas treatment according to claim 2, wherein an alkyl group or phenyl group having 1 to 6 carbon atoms is bonded to Si atom of trimethoxysilane or triethoxysilane. Separation membrane.
前記分離層に、酸性ガスと親和性を有する金属塩を添加してある請求項1〜3の何れか一項に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。   The separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to any one of claims 1 to 3, wherein a metal salt having an affinity for acid gas is added to the separation layer. 前記金属塩は、Li、Na、K、Mg、Ca、Ni、Fe、及びAlからなる群から選択される少なくとも一種の金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、ホウ酸塩、又はリン酸塩である請求項4に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。   The metal salt is an acetate, nitrate, carbonate, borate, or phosphate of at least one metal selected from the group consisting of Li, Na, K, Mg, Ca, Ni, Fe, and Al. The separation membrane for acidic gas containing gas treatment according to claim 4. 前記中間層の目付量は、0.1〜3.0mg/cmであり、
前記分離層の目付量は、0.1〜4.0mg/cmである請求項1〜5の何れか一項に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。
The basis weight of the intermediate layer is 0.1 to 3.0 mg / cm 2 ,
The basis weight of the separating layer, acid gas-containing gas treating separation membrane according to any one of claims 1 to 5 is 0.1~4.0mg / cm 2.
前記無機多孔質支持体は、4〜200nmの微細孔を有する請求項1〜6の何れか一項に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。   The said inorganic porous support body is a separation membrane for acidic gas containing gas processing as described in any one of Claims 1-6 which has a 4-200 nm micropore. 前記無機多孔質支持体の表面から深さ方向に前記テトラアルコキシシラン又は前記炭化水素基含有トリアルコキシシランが染み込む距離は、50μm以下である請求項1〜7の何れか一項に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜。   The acidic gas according to any one of claims 1 to 7, wherein a distance that the tetraalkoxysilane or the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane penetrates in a depth direction from the surface of the inorganic porous support is 50 µm or less. Separation membrane for gas treatment. (a)コロイダルシリカ、及び有機溶媒を混合した第一混合液、並びにテトラアルコキシシラン、炭化水素基含有トリアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒を混合した第二混合液を調整する準備工程と、
(b)前記第一混合液を無機多孔質支持体の表面に塗布する第一塗布工程と、
(c)前記第一塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、当該無機多孔質支持体の表面にシリカ微粒子結合体を含む中間層を形成する中間層形成工程と、
(d)前記第二混合液を前記中間層の上に塗布する第二塗布工程と、
(e)前記第二塗布工程が完了した無機多孔質支持体を熱処理し、前記中間層の上に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を含む分離層を形成する分離層形成工程と、
を包含する酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法。
(A) A preparatory step of preparing a first mixed liquid in which colloidal silica and an organic solvent are mixed, and a second mixed liquid in which tetraalkoxysilane, hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, acid catalyst, water, and organic solvent are mixed. When,
(B) a first coating step of coating the first mixed liquid on the surface of the inorganic porous support;
(C) An intermediate layer forming step of heat-treating the inorganic porous support after the first application step and forming an intermediate layer containing a silica fine particle combination on the surface of the inorganic porous support;
(D) a second coating step of coating the second mixed solution on the intermediate layer;
(E) a separation layer forming step of heat-treating the inorganic porous support having undergone the second coating step to form a separation layer containing a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure on the intermediate layer;
The manufacturing method of the separation membrane for acidic gas containing gas processing including this.
前記第一塗布工程及び前記中間層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復する請求項9に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法。   The manufacturing method of the separation membrane for acidic gas containing gas treatment of Claim 9 which repeats said 1st application | coating process and said intermediate | middle layer formation process several times by setting both processes as a set. 前記第二塗布工程及び前記分離層形成工程を、両工程をセットとして複数回反復する請求項9又は10に記載の酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法。   The method for producing a separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to claim 9 or 10, wherein the second coating step and the separation layer forming step are repeated a plurality of times with both steps as a set.
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