JP2016028812A - Hydrogen separator and hydrogen separation method - Google Patents
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Description
本発明は、分子篩膜を用いた水素分離装置及び水素分離方法に関する。特に、太陽光を利用した水分解反応によって製造された水素及び酸素を含む混合ガスから水素を分離する技術に関する。 The present invention relates to a hydrogen separator using a molecular sieve membrane and a hydrogen separation method. In particular, the present invention relates to a technique for separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen produced by a water splitting reaction using sunlight.
近年、光触媒と太陽エネルギーとを用いて水を分解し水素や酸素を製造する技術が注目されている。ここで、光触媒を用いた光水分解反応においては、系内に水素と酸素とが同時に発生する場合があり、この場合は発生した水素と酸素とを分離する必要がある。例えば、光触媒の水分解による水素製造プロセスにおいて、分子篩膜等の分離膜を用いて、水素と酸素とを分離する技術が提案されている(非特許文献1、2)。
In recent years, attention has been focused on a technique for producing hydrogen and oxygen by decomposing water using a photocatalyst and solar energy. Here, in the photohydrolysis reaction using a photocatalyst, hydrogen and oxygen may be generated simultaneously in the system. In this case, it is necessary to separate the generated hydrogen and oxygen. For example, in a hydrogen production process by water splitting of a photocatalyst, techniques for separating hydrogen and oxygen using a separation membrane such as a molecular sieve membrane have been proposed (Non-Patent
非特許文献1、2に開示されているように、光触媒反応器と分離膜モジュールとを組み合わせた場合、分離膜モジュール内において、水素と酸素との反応によって爆発が生じ易いという問題がある。この問題に対しては、例えば、不活性な希釈ガスを用いて分離膜モジュール内の水素濃度及び酸素濃度を爆発範囲外の組成に制御することで対処可能である。しかしながら、希釈ガスを用いた場合、分離膜モジュールが大型化するとともに、高濃度の水素及び酸素を得るためには、当該希釈ガスと水素及び/又は酸素との分離処理がさらに必要となり、プロセスが複雑化してしまう。また、希釈ガスによって水素濃度及び酸素濃度が低下するため、水素及び酸素を多量に分離回収したい場合、分離効率が悪くなる。
As disclosed in
そこで、本発明は、分子篩膜を用いて水素を効率的に分離可能であり、水素と酸素との反応による爆発の発生を防止可能な、水素分離装置及び水素分離方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has an object to provide a hydrogen separation apparatus and a hydrogen separation method that can efficiently separate hydrogen using a molecular sieve membrane and can prevent an explosion due to a reaction between hydrogen and oxygen. To do.
本発明者らは、光触媒の水分解反応によって水中に発生した水素及び酸素を含む混合ガスを、当該水中にて直接分離処理することで、希釈ガスを用いることなく水素と酸素との反応による爆発を防止することを着想した。鋭意研究を進めた結果、分子篩膜を水中に浸漬して空間を区画した上で、分子篩の効果及びガスの分圧差を駆動力として、分子篩膜の一方の空間から他方の空間へと水素を選択的に透過させることで、水中の水素と酸素とを直接分離可能であることを知見した。 The present inventors directly separated the mixed gas containing hydrogen and oxygen generated in the water by the water splitting reaction of the photocatalyst in the water, so that the explosion caused by the reaction of hydrogen and oxygen without using a dilution gas. Inspired to prevent. As a result of diligent research, hydrogen was selected from one space of the molecular sieve membrane to the other using the molecular sieve membrane as a driving force after partitioning the space by immersing the molecular sieve membrane in water. It was found that hydrogen and oxygen in water can be directly separated by permeation.
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものである。すなわち、
第1の本発明は、光触媒の水分解により発生する水素及び酸素を含む混合ガスから水素を分離する水素分離装置であって、多孔質基体と前記多孔質基体の少なくとも一面側に形成された分子篩膜とを有する水素分離体と、前記水素分離体と接続されており、前記水素分離体を介して前記混合ガスから分離される水素を回収するための回収口、及び水素以外のガスを排出するための排出口を有し、かつ、前記水素分離体を収納する収納体と、を備え、前記収納体内に水又は含水液(以下、「水等」という。)が充填されている場合に、前記水素分離体は、前記水素分離体の一面側が前記水等と接触する位置に収納されており、前記水素分離体は、前記水等の中に存在する前記混合ガスから前記水素を分離することを特徴とする、水素分離装置である。
The present invention has been completed based on the above findings. That is,
A first aspect of the present invention is a hydrogen separation apparatus for separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen generated by water splitting of a photocatalyst, comprising a porous substrate and a molecular sieve formed on at least one side of the porous substrate. A hydrogen separator having a membrane, connected to the hydrogen separator, a recovery port for recovering hydrogen separated from the mixed gas through the hydrogen separator, and a gas other than hydrogen is discharged. And a storage body that stores the hydrogen separator, and the storage body is filled with water or a water-containing liquid (hereinafter referred to as “water etc.”). The hydrogen separator is housed in a position where one side of the hydrogen separator contacts the water or the like, and the hydrogen separator separates the hydrogen from the mixed gas existing in the water or the like. With hydrogen separator That.
本発明において、「光触媒」とは、太陽光を用いて水を水素及び酸素に分解する触媒をいい、粒子、成型体のいずれでもよく、成型体はバインダーを含んでもよい。またこれらの混合物であってもよい。 In the present invention, the “photocatalyst” refers to a catalyst that decomposes water into hydrogen and oxygen using sunlight, and may be either a particle or a molded body, and the molded body may contain a binder. A mixture thereof may also be used.
「水素及び酸素を含む混合ガス」とは、光触媒の水分解により発生し得る水素及び酸素を少なくとも含んだガスをいい、水素及び酸素以外に、さらに水蒸気等の他のガスが含まれていてもよい。 The “mixed gas containing hydrogen and oxygen” refers to a gas containing at least hydrogen and oxygen that can be generated by water splitting of the photocatalyst. In addition to hydrogen and oxygen, other gas such as water vapor may be included. Good.
「多孔質基体」とは、外側面(外壁)及び内側面(内壁)を有するとともに多孔質材料により形成された支持体をいう。すなわち、外側の空間と内側空間とを多孔質材料によって区画可能とした支持体である。支持体の形状は特に限定はなく、管状のもの、筒状のもの、平板状のもの、角柱状の孔が多数存在するハニカム状のものやモノリスなどの多孔質支持体を例示できる。 “Porous substrate” refers to a support having an outer side surface (outer wall) and an inner side surface (inner wall) and formed of a porous material. That is, it is a support that can partition the outer space and the inner space with a porous material. The shape of the support is not particularly limited, and examples thereof include a tubular support, a cylindrical support, a flat support, a honeycomb support having a large number of prismatic holes, and a porous support such as a monolith.
「分子篩膜」とは、分子篩能によって分子を選択的に透過させる膜をいい、本発明においては、酸素よりも水素の透過度が大きな膜をいう。 “Molecular sieve membrane” refers to a membrane that selectively allows molecules to permeate through molecular sieving ability. In the present invention, it refers to a membrane having a higher hydrogen permeability than oxygen.
「多孔質基体の少なくとも一面側に形成された分子篩膜」とは、分子篩膜が多孔質基体の外壁表面、内壁表面、或いはこれらの双方に設けられていることを意味する。 “Molecular sieve membrane formed on at least one side of the porous substrate” means that the molecular sieve membrane is provided on the outer wall surface, the inner wall surface, or both of the porous substrate.
「混合ガスから分離された水素を回収するための回収口」とは、水素分離体によって分離された水素を回収するために収納体に設けられた開口をいう。なお、本発明においては、水素分離体を透過した水素以外の微量のガス(酸素や水蒸気等)も当該回収口から回収され得る。 The “recovery port for recovering hydrogen separated from the mixed gas” refers to an opening provided in the storage body for recovering hydrogen separated by the hydrogen separator. In the present invention, a small amount of gas (oxygen, water vapor, etc.) other than hydrogen that has permeated the hydrogen separator can also be recovered from the recovery port.
「水素以外のガスを排出するための排出口」とは、水素分離体によって分離されなかった酸素等のガスを排出するための排出口をいう。なお、本発明においては、混合ガスから水素を100%分離回収することが困難な場合、水素分離体によって分離されなかった水素も当該排出口から排出され得る。その場合、水素を含む酸素濃度の高い排ガスが爆発範囲に入る場合には、窒素等の不活性ガスで希釈して回避する方法等により、爆発を回避することができる。 The “exhaust port for discharging gas other than hydrogen” refers to an exhaust port for discharging gas such as oxygen that has not been separated by the hydrogen separator. In the present invention, when it is difficult to separate and recover 100% of hydrogen from the mixed gas, hydrogen that has not been separated by the hydrogen separator can also be discharged from the discharge port. In that case, when exhaust gas having a high oxygen concentration containing hydrogen enters the explosion range, the explosion can be avoided by a method of avoiding by diluting with an inert gas such as nitrogen.
「収納体内には水又は含水液(以下、「水等」という。)が充填され」とは、収納体内の水等の流れが静的である形態の他、収納体内に水等が流通すること等によって水等の流れが動的である形態をも含む概念である。 “The storage body is filled with water or a water-containing liquid (hereinafter referred to as“ water ”)” means that water or the like circulates in the storage body in addition to a static flow of water or the like in the storage body. This is a concept including a form in which the flow of water or the like is dynamic.
「含水液」とは、水以外に可溶成分が溶解したもの、或いは、水以外に何らかの不溶成分が存在するもののいずれをも含む概念であり、例えば、電解質等の可溶成分が溶解した水溶液や光触媒以外の不溶成分が存在する水等が挙げられる。 "Water-containing liquid" is a concept that includes both those in which soluble components other than water are dissolved or those in which some insoluble components exist in addition to water. For example, aqueous solutions in which soluble components such as electrolytes are dissolved And water in which insoluble components other than the photocatalyst are present.
「水等が充填されている場合に、水素分離体の一面側が水等と接触する位置に収納され」とは、言い換えれば、収納体内に水素分離体が収納され、且つ、収納体内に水等が充填された場合に、収納された水素分離体の内壁又は外壁に充填された水等が接触することを意味する。すなわち、水素分離装置として稼働させる前の状態(収納体内に水等が充填されていない状態)であったとしても、水素分離装置の稼働時に水素分離体が水等に接触するように構成されたものであれば、第1の本発明に含まれる。 “When one side of the hydrogen separator is in contact with water when it is filled with water”, in other words, the hydrogen separator is stored in the storage body, and the water etc. is stored in the storage body. Means that the water or the like filled in the inner wall or outer wall of the stored hydrogen separator comes into contact. That is, the hydrogen separator is configured to come into contact with water or the like when the hydrogen separator is in operation even when it is in a state before being operated as a hydrogen separator (a state in which the storage body is not filled with water or the like). Anything is included in the first aspect of the present invention.
「接触」とは、充填された水等の液面に水素分離体の一面側を接触させる形態の他、充填された水等の液中に水素分離体を浸漬させる形態(水素分離体に水等が含浸される形態)をも含む概念である。 “Contact” means not only a form in which one side of the hydrogen separator is brought into contact with a liquid surface such as filled water, but also a form in which the hydrogen separator is immersed in a liquid such as filled water (water is contained in the hydrogen separator). And the like).
第2の本発明は、光触媒の水分解により発生し得る水素及び酸素を含む混合ガスから水素を分離する装置であって、多孔質基体と多孔質基体の外側又は内側に形成された分子篩膜とを有する、水素分離体、及び、混合ガスから分離された水素を回収するための回収口と水素以外のガスを排出するための排出口とを有し、かつ水素分離体を収納し得る、収納体、を備え、該収納体内には水又は含水液(以下、「水等」という。)が充填され、前記水等の中に前記混合ガスが存在しており、前記水素分離体の少なくとも一部が前記水等の中に含浸され、前記水素分離体を介して前記水等から前記回収口へと水素を分離可能としたことを特徴とする、水素分離装置である。 A second aspect of the present invention is an apparatus for separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen that can be generated by water splitting of a photocatalyst, comprising a porous substrate and a molecular sieve membrane formed outside or inside the porous substrate. A hydrogen separator, and a storage port for recovering hydrogen separated from the mixed gas and a discharge port for discharging a gas other than hydrogen, and storing the hydrogen separator The container is filled with water or a water-containing liquid (hereinafter referred to as “water etc.”), the mixed gas is present in the water etc., and at least one of the hydrogen separators. The hydrogen separator is characterized in that a part is impregnated in the water or the like, and hydrogen can be separated from the water or the like to the recovery port via the hydrogen separator.
「多孔質基体の外側又は内側に形成された分子篩膜」とは、分子篩膜が多孔質基体の外壁表面、内壁表面、或いはこれらの双方に設けられていることを意味する。 “Molecular sieve membrane formed outside or inside the porous substrate” means that the molecular sieve membrane is provided on the outer wall surface, the inner wall surface, or both of the porous substrate.
「水素分離体の少なくとも一部が水等の中に含浸され」とは、充填された水等の液中に水素分離体の少なくとも一部が浸漬されていることを意味する。 “At least a part of the hydrogen separator is impregnated in water or the like” means that at least a part of the hydrogen separator is immersed in a liquid such as water.
第1又は第2の本発明において、収納体が回収口及び排出口に加えてさらに導入口を備えていてもよい。また、収納体は、太陽光を透過しやすい材質のものであることが好ましい。 In the first or second aspect of the present invention, the storage body may further include an introduction port in addition to the recovery port and the discharge port. The storage body is preferably made of a material that easily transmits sunlight.
第1又は第2の本発明において、収納体が温度制御器を備えていてもよい。 In the first or second aspect of the present invention, the storage body may include a temperature controller.
第1又は第2の本発明において、分子篩膜が、ゼオライト膜、シリカ膜、及び炭素膜のいずれか又はその組み合わせであることが好ましい。 In the first or second aspect of the present invention, the molecular sieve membrane is preferably any one of a zeolite membrane, a silica membrane, and a carbon membrane, or a combination thereof.
前記ゼオライト膜、シリカ膜、及び炭素膜は、開口径を制御させるための処理、及び/又は、疎水性を付与するための処理がなされていてもよい。 The zeolite membrane, silica membrane, and carbon membrane may be subjected to a treatment for controlling the opening diameter and / or a treatment for imparting hydrophobicity.
第1又は第2の本発明において、分子篩膜がゼオライト膜である場合、当該ゼオライト膜の細孔を形成する結晶ゼオライトの骨格が酸素8員環以下の環であることが好ましい。 In the first or second aspect of the present invention, when the molecular sieve membrane is a zeolite membrane, the crystalline zeolite skeleton forming the pores of the zeolite membrane is preferably a ring having an oxygen 8-membered ring or less.
第1又は第2の本発明において、分子篩膜がゼオライト膜である場合、当該ゼオライト膜がCHA型ゼオライトを含むことが好ましい。 In the first or second aspect of the present invention, when the molecular sieve membrane is a zeolite membrane, the zeolite membrane preferably contains CHA-type zeolite.
第3の本発明は、分子篩膜により仕切られた分子篩膜の一方の空間と他方の空間とのうち、一方の面側の空間内に水素及び酸素を含む混合ガスを水等の中で供給するとともに、分子篩膜の一方の空間より他方の空間へ混合ガス中の水素を選択的に透過させて混合ガスから水素を直接分離することを特徴とする水素分離方法である。 3rd this invention supplies the mixed gas containing hydrogen and oxygen in the space of one surface side in one space of the molecular sieve membrane partitioned off by the molecular sieve membrane, and the other space in water etc. In addition, the hydrogen separation method is characterized in that hydrogen in the mixed gas is selectively permeated from one space of the molecular sieve membrane to the other space to directly separate the hydrogen from the mixed gas.
本発明においては、分子篩の効果と水素の分圧差による駆動力とによって、分子篩膜の一方の空間より他方の空間へ混合ガス中の水素を選択的に透過させることができる。ここで、「一方の空間」及び「他方の空間」とは、分子篩膜で仕切られた一方側と他方側のそれぞれの空間を意味する。例えば、分子篩膜が筒型のような閉じた系の時に、分子篩膜により閉じられた内側の空間を「一方の空間」とした場合、分子篩膜の外側の空間が「他方の空間」に相当する。 In the present invention, hydrogen in the mixed gas can be selectively permeated from one space of the molecular sieve membrane to the other space by the effect of the molecular sieve and the driving force due to the partial pressure difference of hydrogen. Here, “one space” and “the other space” mean spaces on one side and the other side partitioned by a molecular sieve membrane. For example, when the inner space closed by the molecular sieve membrane is “one space” when the molecular sieve membrane is a closed system such as a cylinder, the outer space of the molecular sieve membrane corresponds to the “other space” .
第3の本発明は、10℃以上、100℃以下の水等中で水素を分離することが好ましい。 In the third aspect of the present invention, it is preferable to separate hydrogen in water at 10 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.
本発明に係る水素分離装置及び水素分離方法によれば、水中において分子篩膜を用いて水素を効率的に分離可能であり、水素と酸素との反応による爆発の発生を防止可能である。 According to the hydrogen separator and the hydrogen separation method of the present invention, hydrogen can be efficiently separated in water using a molecular sieve membrane, and the occurrence of an explosion due to the reaction between hydrogen and oxygen can be prevented.
1.水素分離方法
図1に示すように、本発明に係る水素分離方法は、分子篩膜により仕切られた当該分子篩膜の一方の空間(空間A)と他方の空間(空間B)とのうち、一方の空間(空間A)内に水素及び酸素を含む混合ガスを水等の中へ供給するとともに、水素の分圧差を駆動力として、分子篩膜の一方の空間(空間A)より他方の空間(空間B)へ混合ガス中の水素を選択的に透過させて混合ガスから水素を直接分離することを特徴とする。
1. Hydrogen Separation Method As shown in FIG. 1, the hydrogen separation method according to the present invention includes one of the space (space A) and the other space (space B) of the molecular sieve membrane partitioned by the molecular sieve membrane. A mixed gas containing hydrogen and oxygen is supplied into the space (space A) into water or the like, and the partial pressure difference of hydrogen is used as a driving force to drive one space (space A) to the other space (space B). ) To selectively separate hydrogen from the mixed gas by selectively permeating hydrogen in the mixed gas.
ここで「分圧差」 とは、空間Aと空間Bとの間におけるガスの圧力差をいう。 Here, the “partial pressure difference” refers to a gas pressure difference between the space A and the space B.
空間Aには水等が充填されており、ここに水素及び酸素を含む混合ガスが供給される。水素及び酸素は光触媒を用いた水分解反応により発生したものである。混合ガスには、水素及び酸素の他に、水蒸気等が含まれていてもよい。 The space A is filled with water or the like, and a mixed gas containing hydrogen and oxygen is supplied thereto. Hydrogen and oxygen are generated by a water splitting reaction using a photocatalyst. The mixed gas may contain water vapor and the like in addition to hydrogen and oxygen.
例えば、空間A内の水に光触媒を分散させ、或いは、空間A内の水に光触媒成形体を浸漬し、光触媒に光を照射することによって光触媒による水分解反応を生じさせて空間A内に水素及び酸素を発生させることにより、水素及び酸素を含む混合ガスを水等の中へ供給することができる。 For example, the photocatalyst is dispersed in the water in the space A, or the photocatalyst molded body is immersed in the water in the space A, and the photocatalyst is irradiated with light to cause a water splitting reaction by the photocatalyst to generate hydrogen in the space A. By generating oxygen and oxygen, a mixed gas containing hydrogen and oxygen can be supplied into water or the like.
本発明で用いられる光触媒の種類は特に限定されるものではなく、水分解反応を生じさせ得る光触媒であればいずれも適用可能である。光触媒として、例えば、二酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウム、硫化カドミウム、二酸化ジルコニウム、α−Fe2O3、K4Nb6O17、Rb4Nb6O17、K2Rb2Nb6O17、Pb1−xK2xNbO6(0<x<1)等の半導体や、これらに助触媒として、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム等の金属、NiOx、RuOx、RhOx等を担持させたものを挙げることができる。また、光触媒は2種類以上を組み合わせて用いてもよい。同様に、助触媒もまた、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 The kind of photocatalyst used in the present invention is not particularly limited, and any photocatalyst that can cause a water splitting reaction is applicable. As a photocatalyst, for example, titanium dioxide, strontium titanate, barium titanate, sodium titanate, cadmium sulfide, zirconium dioxide, α-Fe 2 O 3 , K 4 Nb 6 O 17 , Rb 4 Nb 6 O 17 , K 2 Rb Semiconductors such as 2 Nb 6 O 17 , Pb 1-x K 2x NbO 6 (0 <x <1), and as a co-catalyst, metals such as platinum, palladium, rhodium, ruthenium, NiO x , RuO x , RhO There may be mentioned those carrying x and the like. Moreover, you may use a photocatalyst in combination of 2 or more types. Similarly, two or more promoters may be used in combination.
分子篩膜は空間Aの水等と接触しており、水等中に供給された水素及び酸素を含む混合ガスのうち、水素は分子篩膜を介して、水素の分圧差を駆動力として、空間Bへと容易に透過する一方で、酸素等はその大きさゆえ分子篩膜を透過し難く空間Aに留まる。これにより、水等中の混合ガスから、水素を選択的に直接分離することができる。 The molecular sieve membrane is in contact with water or the like in the space A, and among the mixed gas containing hydrogen and oxygen supplied into the water or the like, the hydrogen passes through the molecular sieve membrane and the space B While oxygen easily permeates, oxygen or the like is difficult to permeate the molecular sieve membrane because of its size, and remains in the space A. Thereby, hydrogen can be selectively separated directly from a mixed gas in water or the like.
駆動力である水素の分圧差は、例えば、空間Aのガスを加圧し、空間Bを大気圧又は減圧にする、若しくはスイープガスを流す方法、並びに、空間Aのガスを常圧とし、空間Bを減圧するかスイープガスを流す方法等によって生じさせることができる。空間Bにスイープガスを流すと、空間B内の水素濃度を低下させることができるので、空間Aの気体の圧力が常圧であっても水素の分圧差を確保することができる。 The partial pressure difference of hydrogen as a driving force is, for example, a method of pressurizing the gas in the space A and setting the space B to atmospheric pressure or reduced pressure, or flowing a sweep gas, and the gas in the space A as normal pressure. Can be generated by a method of reducing the pressure or flowing a sweep gas. When the sweep gas is allowed to flow into the space B, the hydrogen concentration in the space B can be reduced, so that even if the gas pressure in the space A is normal pressure, a hydrogen partial pressure difference can be ensured.
この場合の分子篩膜については、分子篩能によって分子を選択的に透過させる膜をいい、本発明においては、酸素よりも水素の透過度が大きな膜であればよい。詳しくは後述する。 In this case, the molecular sieving membrane refers to a membrane that selectively permeates molecules by molecular sieving ability. In the present invention, any membrane that has a hydrogen permeability higher than oxygen may be used. Details will be described later.
上記の水素分離方法においては、水等と共に充填される光触媒に太陽光を照射し、水素と酸素とを発生させつつ、水素分離を行うとよい。この場合の水等の温度は、下限が好ましくは10℃以上、より好ましくは40℃以上であり、上限が好ましくは100℃以下、より好ましくは95℃以下である。水等の温度を10℃以上、100℃以下とすることにより、凍結や水蒸気等の影響が少なく、水素をより効率的に分離することができる。また、効率的に水素分離を行うために、水温調節機器等の温度制御器により温度管理を行うことが好ましい。 In the above hydrogen separation method, it is preferable to perform the hydrogen separation while irradiating the photocatalyst filled with water or the like with sunlight to generate hydrogen and oxygen. In this case, the lower limit of the temperature of water or the like is preferably 10 ° C or higher, more preferably 40 ° C or higher, and the upper limit is preferably 100 ° C or lower, more preferably 95 ° C or lower. By setting the temperature of water or the like to 10 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, there is little influence of freezing or water vapor, and hydrogen can be separated more efficiently. In order to perform hydrogen separation efficiently, it is preferable to perform temperature management with a temperature controller such as a water temperature adjusting device.
水素分離方法における圧力は、駆動力としての水素の分圧差が得られれば特に制限されないが、空間Aの気体の圧力の下限は、通常大気圧以上、好ましくは0.11MPa以上、より好ましくは0.12MPa、さらに好ましくは0.15MPaであり、一方、上限は、通常5MPa以下、好ましくは4MPa以下、より好ましくは3MPa、さらに好ましくは1MPa以下である。他方、透過側の空間Bの圧力の下限は、通常0MPa以上、好ましくは0.00001MPa以上、より好ましくは0.0001MPa以上、さらに好ましくは0.001MPa以上であり、一方、上限は、通常5MPa以下、好ましくは4MPa以下、より好ましくは3MPa、さらに好ましくは1MPa以下である。また、空間Aと空間Bとのガスの分圧差は、通常制限されないが、下限は、通常0.001MPa以上、好ましくは0.002MPa以上、より好ましくは0.005MPa以上、さらに好ましくは0.01MPa以上であり、一方、上限は、通常5MPa以下、好ましくは4MPa以下、より好ましくは3MPa、さらに好ましくは1MPa以下である。なお、本発明において圧力(Pa)は特に断りのない限り、絶対圧をさす。 The pressure in the hydrogen separation method is not particularly limited as long as a partial pressure difference of hydrogen as a driving force is obtained, but the lower limit of the gas pressure in the space A is usually at least atmospheric pressure, preferably at least 0.11 MPa, more preferably 0. .12 MPa, more preferably 0.15 MPa, while the upper limit is usually 5 MPa or less, preferably 4 MPa or less, more preferably 3 MPa, and even more preferably 1 MPa or less. On the other hand, the lower limit of the pressure in the space B on the permeate side is usually 0 MPa or more, preferably 0.00001 MPa or more, more preferably 0.0001 MPa or more, and further preferably 0.001 MPa or more, while the upper limit is usually 5 MPa or less. The pressure is preferably 4 MPa or less, more preferably 3 MPa, and still more preferably 1 MPa or less. Further, the partial pressure difference of the gas between the space A and the space B is not usually limited, but the lower limit is usually 0.001 MPa or more, preferably 0.002 MPa or more, more preferably 0.005 MPa or more, and further preferably 0.01 MPa. On the other hand, the upper limit is usually 5 MPa or less, preferably 4 MPa or less, more preferably 3 MPa, and still more preferably 1 MPa or less. In the present invention, the pressure (Pa) is an absolute pressure unless otherwise specified.
空間Bにスイープガスを流す場合には、空間Bの水素分圧が空間Aの水素分圧より低くできればよい。或いは、上述したように、スイープガスを流す代わりに減圧にしてもよい。 When the sweep gas is allowed to flow into the space B, the hydrogen partial pressure in the space B only needs to be lower than the hydrogen partial pressure in the space A. Alternatively, as described above, the pressure may be reduced instead of flowing the sweep gas.
水素分離方法における空間Aの光水分解から発生する水素及び酸素の発生速度は、光水分解触媒と膜の性能に依存するため、特に制限はない。 The generation rate of hydrogen and oxygen generated from the photohydrolysis of the space A in the hydrogen separation method is not particularly limited because it depends on the performance of the photohydrolysis catalyst and the membrane.
このように本発明に係る水素分離方法は、光触媒の水分解反応によって水等中に供給された水素及び酸素を、水等中にて直接分離処理するものである。ここで、水等中に存在する水素及び酸素は、乾燥雰囲気(例えば空気中等)に存在する場合よりも、爆発の可能性が小さい。すなわち、本発明に係る水素分離方法によれば、水等中にて分子篩膜を用いて水素を効率的に分離することができ、希釈ガスを用いることなく、水素と酸素との反応による爆発を防止することもできる。 As described above, the hydrogen separation method according to the present invention directly separates hydrogen and oxygen supplied into water or the like by water splitting reaction of the photocatalyst in water or the like. Here, hydrogen and oxygen present in water or the like are less likely to explode than when present in a dry atmosphere (for example, in the air). That is, according to the hydrogen separation method of the present invention, hydrogen can be efficiently separated using a molecular sieve membrane in water or the like, and an explosion caused by the reaction between hydrogen and oxygen can be performed without using a dilution gas. It can also be prevented.
2.水素分離装置
上述した水素分離方法を実施可能な水素分離装置について説明する。本発明に係る水素分離装置は、水等中にて水素を適切に分離可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。
2. Hydrogen separation device A hydrogen separation device capable of implementing the above-described hydrogen separation method will be described. The form of the hydrogen separator according to the present invention is not particularly limited as long as hydrogen can be appropriately separated in water or the like.
2.1.水素分離装置100
図2は、一実施形態に係る本発明の水素分離装置100の縦断面を概略的に示す図である。図2に示すように、水素分離装置100は、光触媒の水分解により発生し得る水素及び酸素を含む混合ガス1から水素を分離する装置であって、多孔質基体11と当該多孔質基体11の外側に形成された分子篩膜12とを有する、水素分離体10、及び混合ガス1から分離された水素を回収するための回収口21と水素以外のガスを排出するための排出口22とを有し、かつ水素分離体10を収納し得る、収納体20、を備え、収納体20には水等5が供給又は充填され、水等5の中に混合ガス1が存在しており、水素分離体10の少なくとも一部が水等5の中に含浸され、水素分離体10を介して水等5から回収口21へと水素を分離可能としたことを特徴とする。
2.1.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a longitudinal section of the
2.1.1.水素分離体10
図3(A)、(B)に、水素分離体10の一例を示す。図3(A)が水素分離体10の外観を概略的に示す図であり、図3(B)が図3(A)のIIIB−IIIB断面を概略的に示す図である。図3に示すように、水素分離体10は、中空部の一端(上端)が開口とされるとともに他端(下端)が閉じられた略円筒状の多孔質基体11と、当該多孔質基体11の外側(外壁表面)に形成された分子篩膜12とを有している。
2.1.1.
FIGS. 3A and 3B show an example of the
多孔質基体11は、分子篩膜12を支持する支持体として機能する。多孔質基体11を構成する材料は特に限定されるものではなく、ガラス、セラミックス、金属、カーボン成型体、又は樹脂等の種々の材料を適用可能である。セラミックス支持体の場合は、その表面等にゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性がある多孔質の無機物質であればいかなるものであってもよい。具体的には、例えば、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体等が挙げられる。
The
なかでも、それらの中で、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライトが好ましい。これらが好ましい理由としては、多孔質基体11に、分子篩膜12が密着性高く支持されるからである。
Of these, silica, α-alumina, γ-alumina, and mullite are preferable. The reason why these are preferable is that the
本発明において、多孔質基体11それ自体は分子篩能を有する必要はない。多孔質基体11には、外壁側から内壁側に向かって連通する細かな気孔(空孔、空隙)が設けられている。気孔を有する多孔質基体11は公知のものを用いることができる。
In the present invention, the
多孔質基体11の気孔率の下限は、通常20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは30%以上であり、一方、上限は、通常80%以下、好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下である。また、多孔質基体11の平均細孔径の下限は、通常0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上であり、一方、上限は20μm以下、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。このような気孔を有する多孔質基体11であれば、十分な強度を有して分子篩膜12を適切に支持することができ、また、分子篩膜12を透過した水素を内壁側に適切に十分な速度で透過可能である。なお、多孔質基体11の気孔率や平均細孔径は、水銀圧入法、及び断面の走査電子顕微鏡(SEM)観察等によって容易に特定可能である。気孔率は、真比重を用いて、体積と質量から計算することもできる。
The lower limit of the porosity of the
なかでも、シリカ膜を分子篩膜12として製膜する際の多孔質基体11は、一面から他面に亘る貫通細孔の開口の最大径の下限は、通常1nm以上であり、好ましくは1.5nm以上である。一方、上限は通常10nm以下であり、好ましくは8nm以下である。また、一面から他面に亘る貫通部が全て同一の細孔径を有していてもよく、例えば、特開2005−270887号公報に記載のように、部分的又は段階的に異なる細孔径を有するものを用いてもよい。
Among these, the lower limit of the maximum diameter of the opening of the through-hole from one surface to the other surface of the
分子篩膜12は、多孔質基体11の外側(外表面)に形成される薄い層である。分子篩膜12は、適切に分子篩能を発揮できれば、その形態は特に限定されるものではない。
The
本発明においては、分子篩膜12が、ゼオライト膜、シリカ膜、及び炭素膜のいずれか、又はその組み合わせであることが好ましい。これらは、酸素よりも水素の透過度が大きいため、水素及び酸素を含む混合ガスから効率的に水素を分離する膜として適切に機能し得る。
In the present invention, the
ここで、分子篩膜12としてゼオライト膜を用いる場合、ゼオライトはアルミノケイ酸塩であることが好ましいが、膜の性能を大きく損なわない限りAlの代わりにGa、Fe、B、Ti、Zr、Sn、Zn等の金属元素を用いてもよく、Alと共にGa、Fe、B、Ti、Zr、Sn、Zn、P等の元素を含んでいてもよい。また、ゼオライト膜の細孔を形成する結晶ゼオライトの骨格が酸素8員環以下の環であることが好ましく、ゼオライトの構造としては、例えばAEI、AFG、ANA、CHA、DDR、EAB、ERI、ESV、FAR、FRA、GIS、ITE、KFI、LEV、LIO、LOS、LTA、LTN、MAR、PAU、RHO、RTH、SOD、STI、TOL、UFI等が挙げられる。これらのうち、AEI、CHA、DDR、ERI、KFI、LEV、PAU、RHO、RTH、SOD、LTA、UFI型ゼオライトにより構成される膜を用いることが好ましく、CHA、DDR、RHO、SOD型ゼオライトにより構成される膜を用いることがより好ましい。なかでも、CHA型ゼオライトにより構成される膜を用いることが、水素及び酸素を含む混合ガスからより効率的に水素を分離する点で、特に好ましい。
Here, when a zeolite membrane is used as the
なお、本明細書において、酸素n員環を有するゼオライトのnの値は、ゼオライト骨格とT元素(骨格を構成する酸素以外の元素)で構成される細孔の中で最も酸素元素の数が大きいものをさす。また、ゼオライトの構造は、上記のとおり、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードで示す。 In the present specification, the value of n of the zeolite having an oxygen n-membered ring is such that the number of oxygen elements is the largest among the pores composed of the zeolite skeleton and the T element (elements other than oxygen constituting the skeleton). Point to something big. Moreover, the structure of a zeolite is shown by the code | symbol which prescribes | regulates the structure of the zeolite which International Zeolite Association (IZA) defines as above-mentioned.
また、分子篩膜12は、開口径をより効果的に制御するための処理がされていてもよく、疎水性を向上するための処理がされていてもよい(例えば、国際公開第2013/125661号パンフレット記載のシリル化処理等を参照)。このようなゼオライト膜を用いた場合、水素をより効率的に分離することができる。また、CHA型ゼオライトは、高シリカゼオライトの膜を合成可能であるため、ゼオライトの中で相対的に疎水性であり、本発明のように分子篩膜12を水中に浸漬する場合に好適である。すなわち、分子篩膜12が疎水性である場合、水等5と接触しても効率的に気体を透過させることが可能であり、かつ水等5中で劣化し難く、長期に亘って分子篩能を維持することができる。
Further, the
なお、ゼオライト膜を合成する場合、必要に応じて有機テンプレート(構造規定剤)を用いることができるが、通常は目的とするゼオライト構造を作製可能なテンプレートであれば特に制限はなく、テンプレートなしで合成可能であれば用いなくてもよい。 In addition, when synthesizing a zeolite membrane, an organic template (structure directing agent) can be used as necessary. However, there is no particular limitation as long as it is a template capable of producing a target zeolite structure. If synthesis is possible, it may not be used.
分子篩膜12としてシリカ膜を用いる場合、シリカ膜中のシリカ含有量は、本発明の効果を著しく損なわない限り、特に制限はないが、例えば、酸化ケイ素組成において、ケイ素を含む、全ての陽性元素に対するケイ素の割合が、通常50mol%以上である。
When a silica film is used as the
シリカ膜は、ゾルゲル法やCVD法、ポリマープレカーサー法等により多孔質基体11上に製膜される。ゾルゲル法では、多孔質基体11上で、金属アルコキシドと水とを反応させて加水分解と脱水縮合からゲルを形成し、シリカ膜を製膜することができる。また、対向拡散CVD法では、例えば、多孔質の筒状基体の場合、内側に酸素を、外側にシリカ源を流通させて、基体細孔内に非晶質シリカ層を蒸着させてシリカ膜を製膜することができる。また、ポリマープリカーサー法では、アルコキシシランやポリシラザン等のシリカ前駆体を多孔質基体11に塗膜した後、熱処理を行ってシリカ膜を製膜することができる。
The silica film is formed on the
また、分子篩膜12として炭素膜を用いる場合、炭素膜前駆体溶液を多孔質基体11上にディップコート(浸漬塗布)し、600〜800℃程度で熱処理し、乾燥して炭素膜とする。前記炭素膜前駆体としては、例えば、芳香族ポリイミド、ポリピロロン、ポリフルフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、フェノール樹脂、リグニン誘導体、木タール、竹タール等が挙げられる。また溶媒としては、テトラヒドロフラン、アセトン、メタノール、エタノール、N−メチルピロリドン等の有機溶剤を好適に使用することができる。
When a carbon film is used as the
分子篩膜12の膜厚は、特に限定されないが、ゼオライト膜では、通常0.01μm〜30μm、好ましくは0.01μm〜20μm、さらに好ましくは0.01μm〜10μmであり、シリカ膜では、単層からなる膜でも、2層以上からなる膜でもよく、その厚さは、通常1nm〜10μm、好ましくは1nm〜5μm、さらに好ましくは1nm〜1μmであり、炭素膜では、通常0.05μm〜5mm、好ましくは0.1μm〜2.5mm、さらに好ましくは0.1μm〜500μmであるが、膜性能を大きく損なわない限り膜厚は薄いことが好ましい。なお、膜厚は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて、測定することができる。
The film thickness of the
多孔質基体11の表面に分子篩膜12を形成する方法としては特に限定されるものではない。例えば、(1)多孔質基体11の表面に、分子篩膜12を構成し得る物質をバインダー等で固着させる方法、(2)分子篩膜12を構成し得る物質を分散させたスラリー又は溶液に多孔質基体11を含浸させて、多孔質基体11表面に当該物質を固着させる方法、(3)多孔質基体11の表面において、分子篩膜12を構成し得る物質(特に、ゼオライト)を膜状に結晶化させる方法等が挙げられる(例えば、国際公開第2013/125660号パンフレット等を参照)。
The method for forming the
水素分離体10は一端が開口とされ、他端が閉じられている。他端については、上述した分子篩膜12によって閉じられていてもよい。
The
2.1.2.収納体20
収納体20は、混合ガス1から分離された水素を回収するための回収口21と、水素以外のガスを排出するための排出口22と、を有し、かつ上述した水素分離体10を収納し得る。また、水素分離体10を収納した状態において、水素分離体10の開口が収納体20の回収口21へと接続されており、水素分離体10によって選択的に分離された水素を、回収口21を介して回収可能である。一方で、収納体20には、回収口21とは別に水素分離体10よりも外側に排出口22が設けられており、当該排出口22から、水素分離体10を透過しなかった気体(酸素等)が排出される。
2.1.2.
The
水素分離装置100の稼働時、収納体20には水等5が充填されており、水素分離体10を収納した状態において、水素分離体10の少なくとも一部が水等5に含浸された状態となる。ここで、水等5には光触媒の水分解反応によって生じた混合ガス1が含まれており、混合ガス1は水等5の中で水素分離体10まで到達し得る。水素分離体10に到達した混合ガス1のうち、水素は分子篩膜12を容易に透過して水素分離体10の内側に選択的に透過する一方、水素以外のガス(酸素等)は、分子篩膜12を透過し難く、依然として水等5の中に存在し、排出口22から系外へと排出される。この際の駆動力は、水等5側と水素分離体10側の水素の分圧差である。酸素等の、水素よりも動的分子径の大きい分子は透過速度が遅いため分子篩膜12を透過し難い。
When the
2.2.水素分離装置200
図4に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置200の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置200は、収納体20に充填された水等5の中に光触媒成形体30が設けられている点で、水素分離装置100とは異なる。
2.2.
FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of a
光触媒成形体30は、基材上に少なくとも光触媒層を有する板状或いはシート状の成形体である。このような光触媒成形体30は、後述する光触媒粒子40を用いる場合よりも、収納体20内に容易に保持することができる。また、光触媒の交換・回収作業を行うことを想定した場合、或いは、製造の効率化の観点から、光触媒をあらかじめ固定化しておいた方が、作業が簡便となる。図4に示すように、水素分離装置200においては、光触媒成形体30に光を照射することで、光触媒成形体30と接触する水等5が分解され、水等5内に水素及び酸素を含む混合ガスを供給することができる。なお、収納体20は、少なくとも光触媒成形体30へと光を照射可能に構成されている。例えば、光触媒成形体30と対向する壁面に光照射窓(透明窓)を備えた収納体20とすることで、当該窓から光触媒成形体30へと光を照射することができ、光触媒による水分解反応を生じさせることができる。
The photocatalyst molded
また図4には示されていないが、反射鏡を用いることで、光触媒成形体30に十分な太陽光を照射することも可能である。
Although not shown in FIG. 4, it is possible to irradiate the photocatalyst molded
2.3.水素分離装置300
図5に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置300の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置300は、収納体20に充填された水等5に、光触媒粒子40を含んでいる点で、水素分離装置100とは異なる。
2.3.
FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of a
水素分離装置300においては、収納体20内に光触媒粒子40を含む水等5が充填されている。この場合、光触媒粒子40に光を照射することで、光触媒粒子40と接触している水等5が分解され、水等中に水素及び酸素を含む混合ガスを供給することができる。なお、この形態にあっては、光触媒粒子40を水中に均一に分散させるため、収納体20内に攪拌手段が設けられていてもよい。また、収納体20は、多方向から光を取り込み可能に構成されていることが好ましい。例えば、複数の光照射窓(透明窓)を備えた収納体20とすることで、当該複数の窓から光を照射することができ、光触媒による水分解反応を促進することができる。
In the
2.4.水素分離装置400
図6に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置400の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置400は、収納体20と収納体20’とが接続され、収納体20’内で光触媒による水分解反応を生じさせ、水分解反応によって生じた水素及び酸素を含む混合ガス1を水等5とともに収納体20の導入口23へと供給可能としている点で、水素分離装置100とは異なる。
2.4.
FIG. 6 shows a longitudinal sectional view of a
このように、本発明では、光触媒による水分解反応と、水素分離体による水素の分離回収とを別々の収納体内で行ってもよい。ただし、この場合は、水素と酸素との反応による爆発を防止するため、収納体間を水等の液体で満たす等の爆発危険を回避する工夫が必要である。 Thus, in this invention, you may perform the water splitting reaction by a photocatalyst, and the isolation | separation collection | recovery of hydrogen by a hydrogen separator in a separate storage body. However, in this case, in order to prevent an explosion due to a reaction between hydrogen and oxygen, it is necessary to devise a technique for avoiding an explosion risk such as filling the space between the storage bodies with a liquid such as water.
2.5.水素分離装置500
図7に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置500の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置500は、収納体20の排出口22から排出された酸素等が配管内を流通して導入口23から収納体20へと再び導入されるように構成している点で、水素分離装置100とは異なる。
2.5.
FIG. 7 shows a longitudinal sectional view of a
本発明では、水分解反応によって発生した水素の全てを水素分離体10にて分離することが困難な場合があり、排出口22から一部の水素が排出されてしまう。水素分離装置500によれば、排出された水素を再度収納体20内に戻すことができるため、水素の回収率を向上させることができる。
In the present invention, it may be difficult to separate all of the hydrogen generated by the water splitting reaction with the
なお、図7中には示されていないが、水素分離装置500は、収納体20のいずれかの箇所に、収納体20中の圧力を調整できるパージ口を設置することもできる。圧力調整可能なパージ口を収納体20に設置することにより、収納体20中の酸素濃度を調整し、分子篩膜12の水素の透過を有利にすることができると共に、収納体20内の圧力調整も可能となる。
Although not shown in FIG. 7, the
2.6.水素分離装置600
図8に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置600の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置600は、収納体20の外側に温度制御器50が備えられている点で、水素分離装置100とは異なる。
2.6.
FIG. 8 shows a longitudinal sectional view of a
水素分離装置600によれば収納体20の外側に温度制御器50が備えられているので、当該温度制御器50によって収納体20の内部の水等5の温度を調節することができる。上述したように、10℃以上、100℃以下の水等5で水素分離を行うことで、分子篩膜12の性質に応じた最適温度で水素をより効率的に分離することができる。なお、温度制御器50は収納体20の内側に備えられていてもよい。
According to the
2.7.水素分離装置700
図9に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置700の縦断面図を示す。図中、水素分離装置100と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置700は、水素分離体10の内側に混合ガス1を含む水等5が充填され、水素分離体10の内側から外側へと水素を選択的に分離可能としている点で、水素分離装置100とは異なる。
2.7.
FIG. 9 shows a longitudinal sectional view of a
水素分離装置700において、水素分離体10は一端及び他端の双方が開口とされており、収納体20に設けられた導入口23及び排出口22が、それぞれ水素分離体10の一端及び他端に接続されている。また、収納体20には導入口23や排出口22の他に、水素分離体10の外側に回収口21が設けられている。水素分離装置700においては、水素分離体10の内側に混合ガス1を含む水等5を流通させることで、分子篩膜12を介して水素分離体10の外側へと水素を選択的に透過させることができ、回収口21を介して水素を分離回収可能である。
In the
2.8.水素分離装置800
図10に他の実施形態に係る本発明の水素分離装置800の縦断面図を示す。図中、水素分離装置200と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。水素分離装置800は、水素分離体10が平板状で収納体20内の水面を覆うように設置されている点、側管24が設置されている点で水素分離装置200とは異なる。
2.8.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a
水素分離体10は、多孔質支持体11及び分子篩膜12が平板状とされ、収納体20に接合されている。また、爆発回避を目的として、収納体20と分子篩膜12との間に空間を生じさせないために、側管24に充填された水柱6により、収納体20中の水面の高さが制御可能である。
In the
光触媒成形体30は、水素分離装置200にて説明したような成形体であるが、光触媒成形体30に替えて水素分離装置300で使用される光触媒粒子40を用いることもできる。また、水素分離装置400のように、光触媒による水分解の収納体20’と、発生した水素を分離する収納体20とが、別々の収納体として接続設置されていてもよい。さらに、水素分離装置600のように収納体20の外部又は内部に温度制御器50を備えていてもよい。また、水素分離装置200のように反射鏡を用いることで、光触媒に十分な太陽光を照射することも可能である。水素及び酸素は、浮力により収納体20の水面に集まるため、水素及び酸素のガス分離をより効率的に行うことができる。
The
以上の通り、水素分離装置100〜800によれば、上述した水素分離方法を適切に実施可能であり、水等の中にて分子篩膜を用いて水素を効率的に分離することができ、希釈ガスを用いることなく、水素と酸素との反応による爆発を防止することもできる。
As described above, according to the
なお、上述の説明では、収納体20内に光触媒や水等5が充填される形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、例えば、収納体20内に海水を供給又は充填することも可能である。
In the above description, the form in which the
また、上述の説明では、収納体20内に一つの水素分離体10が備えられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。収納体20内に複数の水素分離体10を設けることも可能である。複数の水素分離体10を設けることで、水素の分離効率及び回収率を向上させることができる。
In the above description, the embodiment in which one
また、上述の説明では、水素分離体として略円筒状或いは平板状の水素分離体10が備えられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。水素分離体10は、液中の混合ガスから水素を分離可能であればその形態は特に限定されるものではなく、図1に示したように空間Aと空間Bとを区画可能な形態であれば、どのような形態であってもよい。
Moreover, in the above description, although the form provided with the substantially cylindrical or flat-plate-shaped
また、上述の説明では、水素分離体10において、多孔質基体11の外側(外壁表面)に分子篩膜12が備えられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。水素分離体10において、多孔質基体11の内側(内壁面)に、或いは、内側及び外側の双方に分子篩膜12が備えられていてもよい。
In the above description, the
また、上述の説明では、水素分離装置100〜800をそれぞれ個別に説明したが、本発明は水素分離装置100〜800に備えられる各構成を組み合わせたものであってもよい。
In the above description, the
また、上述の水素分離装置100〜800では、「収納体内に既に水等が充填された状態にある水素分離装置」について説明し、また、上述の水素分離装置100〜700では、水素分離体が水等に「含浸」された形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。「収納体内に水等が充填される前」において、収納体の適切な位置に水素分離体を設置することにより、収納体内に水等が充填された場合に、水素分離体を介して水等中の混合ガスから水素を分離することができる。また、充填された水等に水素分離体を「含浸」させずに、単に「接触」させるだけであっても、水素分離体を介して水等中の混合ガスから水素を分離することができる。水素分離体を水等に「接触」させる形態としては、水素分離装置800のように、水等の水面(液面)に水素分離体の一面側を接触させる形態が挙げられる。
Further, in the
この観点から、本願の課題を解決でき、且つ、本発明特有の効果を奏する水素分離装置として、以下の水素分離装置900(不図示)を挙げることもできる。すなわち、水素分離装置900は、光触媒の水分解により発生する水素及び酸素を含む混合ガス1から水素を分離する水素分離装置であって、多孔質基体11と多孔質基体11の少なくとも一面側に形成された分子篩膜12とを有する水素分離体10と、水素分離体10と接続されており、水素分離体10を介して混合ガス1から分離される水素を回収するための回収口21、及び水素以外のガスを排出するための排出口22を有し、かつ、水素分離体10を収納する収納体20と、を備え、収納体20内に水又は含水液(水等5)が充填されている場合に、水素分離体10は、水素分離体10の一面側が水等5と接触する位置に収納されており、水素分離体10は、水等5の中に存在する混合ガス1から水素を分離することを特徴とする。水素分離装置900に備えられる各部材の詳細については上述した通りであり、ここでは説明を省略する。
From this point of view, the following hydrogen separation device 900 (not shown) can be cited as a hydrogen separation device that can solve the problems of the present application and exhibit the effects specific to the present invention. That is, the hydrogen separator 900 is a hydrogen separator that separates hydrogen from the
尚、水素分離装置900に、上記した水素分離装置100〜800に係る構成を適宜組み合わせることもできる。 In addition, the structure which concerns on the above-mentioned hydrogen separator 100-800 can also be combined with the hydrogen separator 900 suitably.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not restrict | limited by a following example, unless the summary is exceeded.
1.実験装置
図11に実施例にて使用した実験装置を概略的に示す。
1. Experimental Apparatus FIG. 11 schematically shows an experimental apparatus used in the examples.
導入口、回収口及び排出口を有する収納体を用意した。また、多孔質基体の表面に分子篩膜が形成され、一端が開き、他端が閉じられた略円筒状の水素分離体を用意した。分子篩膜としてはCHA型ゼオライト膜(三菱化学社製)を用いた。 A storage body having an introduction port, a recovery port, and a discharge port was prepared. Further, a substantially cylindrical hydrogen separator having a molecular sieve membrane formed on the surface of the porous substrate, one end opened and the other end closed was prepared. A CHA zeolite membrane (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used as the molecular sieve membrane.
用意した収納体内に水素分離体を収納した。収納に際しては、水素分離体の開口と収納体の回収口とを接続し固定した。 The hydrogen separator was stored in the prepared storage body. During storage, the opening of the hydrogen separator and the recovery port of the storage body were connected and fixed.
光触媒から発生する水素及び酸素を模擬するために、収納体の導入口に供給ガスを供給する配管を接続し、外部からガスを供給可能とした。収納体内において配管の先端は焼結フィルターに接続され、収納体内で水バブリングができるように構成した。 In order to simulate hydrogen and oxygen generated from the photocatalyst, a pipe for supplying a supply gas was connected to the inlet of the storage body so that the gas could be supplied from the outside. The tip of the pipe in the container was connected to a sintered filter so that water bubbling was possible in the container.
収納体の排出口に、配管及び冷却管を接続し、水素分離体を透過しなかったガスを排出可能とした。 A pipe and a cooling pipe were connected to the outlet of the storage body so that the gas that did not permeate the hydrogen separator could be discharged.
また、収納体の外側には温度制御器(ヒーター)を設置し、収納体内を温度調節できるように構成した。 In addition, a temperature controller (heater) was installed outside the storage body so that the temperature of the storage body could be adjusted.
2.実験方法
(実施例1)
収納体内に水を充填し、外部からガスを供給し、水素分離体内にスイープガスを流すことにより、水中における当該ガスに対して分子篩膜によるガス透過実験を行った。
2. Experimental method (Example 1)
A gas permeation experiment using a molecular sieve membrane was performed on the gas in water by filling the container with water, supplying gas from the outside, and flowing a sweep gas into the hydrogen separator.
水素及び酸素を含む混合ガスからの水素の分離を模擬するために、動的分子径が水素に近いヘリウム、及び動的分子径が酸素とほぼ同等である窒素を用いた(動的分子径:水素 0.29nm、ヘリウム 0.26nm、酸素 0.35nm、窒素 0.36nm)。 In order to simulate the separation of hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen, helium having a dynamic molecular diameter close to that of hydrogen and nitrogen having a dynamic molecular diameter substantially equal to that of oxygen were used (dynamic molecular diameter: (Hydrogen 0.29 nm, helium 0.26 nm, oxygen 0.35 nm, nitrogen 0.36 nm).
<水素分離体>
水素分離体として、CHA型ゼオライト膜が、セラミックス支持体外側に、水熱合成により形成されたCHA型ゼオライト膜複合体を用いた。
<Hydrogen separator>
As the hydrogen separator, a CHA-type zeolite membrane composite in which a CHA-type zeolite membrane was formed on the outside of the ceramic support by hydrothermal synthesis was used.
<CHA型ゼオライト膜複合体1の合成方法>
セラミックス支持体上にCHA型ゼオライトを直接水熱合成することにより、セラミックス支持体−CHA型ゼオライト膜複合体1を作製した。
<Synthesis Method of CHA Type
A ceramic support-CHA type
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。 A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
<水性反応混合物の合成>
1mol/L−NaOH水溶液(キシダ化学社製)10.5g、1mol/L−KOH水溶液(キシダ化学社製)7.0g、脱塩水100.6gを混合したものに、水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5質量%含有、アルドリッチ社製)0.88gを加えた後に、撹拌して、透明溶液とした。これに有機テンプレートとして、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウムヒドロキシド(以下これを「TMADAOH」と称する。)水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)2.36gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテックス40)10.5gを加えてから、2時間撹拌し、水性反応混合物とした。
<Synthesis of aqueous reaction mixture>
A mixture of 10.5 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), 7.0 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and 100.6 g of demineralized water is mixed with aluminum hydroxide (Al 2 O ( 33.5% by mass, manufactured by Aldrich) 0.88 g was added, followed by stirring to obtain a transparent solution. As an organic template, 2.36 g of an aqueous solution of N, N, N-trimethyl-1-adamantanammonium hydroxide (hereinafter referred to as “TMADAOH”) (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) was added, and After adding 10.5 g of colloidal silica (
この水性反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.066/0.15/0.1/100/0.04、SiO2/Al2O3=15である。 The composition (molar ratio) of this aqueous reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.066 / 0.15 / 0.1 / 100 / 0.04, a SiO 2 / Al 2 O 3 = 15.
セラミックス支持体としては、ニッカトー社製のムライトチューブPM(外径12mm、内径9mm)を80mmの長さに切断した後、超音波洗浄機で水洗浄し、乾燥させたものを用いた。
As a ceramic support, a mullite tube PM (
種結晶として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.1/0.06/40/0.07のゲル組成(モル比)で、160℃、2日間水熱合成して結晶化させた後に、濾過、水洗、乾燥して得られたCHA型ゼオライトを用いた。この種結晶を約1質量%水中に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で5時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約1g/m2であった。 As a seed crystal, the gel composition (molar ratio) of SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.033 / 0.1 / 0.06 / 40 / 0.07, A CHA-type zeolite obtained by hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 2 days for crystallization, followed by filtration, washing with water and drying was used. The support was immersed in a dispersion of the seed crystal in about 1% by mass of water for a predetermined time, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more to attach the seed crystal. The mass of the attached seed crystal was about 1 g / m 2 .
種結晶を付着させた支持体を、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、160℃で48時間、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に支持体−ゼオライト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、100℃で5時間以上乾燥させた。 The support to which the seed crystal was attached was immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the aqueous reaction mixture in the vertical direction, and the autoclave was sealed, and allowed to stand at 160 ° C. for 48 hours. And heated under autogenous pressure. After the elapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out of the reaction mixture after being allowed to cool, washed, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more.
この膜複合体を、空気中、ヤマト科学社製電気炉で、550℃、10時間焼成した。このときの昇温速度と降温速度はともに0.5℃/分とした。焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は132g/m2であった。 This membrane composite was baked in air at 550 ° C. for 10 hours in an electric furnace manufactured by Yamato Scientific. At this time, the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease were both 0.5 ° C./min. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 132 g / m 2 .
<ガス透過実験>
収納体とCHA型ゼオライト膜複合体1の間に水を充填し、ヘリウム、又は窒素について、それぞれ単成分ガス透過実験を行った。ヘリウム、又は窒素の収納体内に供給する流量は100sccm、スイープガスのアルゴンは50sccmとした。温度調整は、収納体の外側に温度調整可能なヒーターを設置することにより行った。
<Gas permeation experiment>
Water was filled between the storage body and the CHA-type
スイープガス中に同伴されるヘリウム、又は窒素の透過量は、氷で冷却して水蒸気をトラップしたのちに、0n−lineガスクロマトグラフィ―(アジレント・テクノロジー社製)で定量した。結果を下記表1に示す。 The permeation amount of helium or nitrogen entrained in the sweep gas was quantified by 0n-line gas chromatography (manufactured by Agilent Technologies) after cooling with ice and trapping water vapor. The results are shown in Table 1 below.
(参考例1)
供給ガス(二酸化炭素:78sccm、スイープガスのアルゴン70sccm)を120℃で1時間流通させ、CHA型ゼオライト膜複合体1を乾燥させた。
(Reference Example 1)
Supply gas (carbon dioxide: 78 sccm, sweep gas argon 70 sccm) was passed at 120 ° C. for 1 hour to dry the CHA-type
収納体とCHA型ゼオライト膜複合体1の間に水を充填せずに、ヘリウム、又は窒素について、それぞれ単成分ガス透過実験を行った。ヘリウム、又は窒素の収納体内に供給する流量は50sccmであり、スイープガスのアルゴンは70sccmとした。
A single component gas permeation experiment was performed for helium or nitrogen without filling water between the housing and the CHA-type
スイープガス中に同伴されるヘリウム、又は窒素の透過量は、ガスフローメーター(ブルックスインスツルメント社製)、及び0n−lineガスクロマトグラフィ―(アジレント・テクノロジー社製)で定量した。結果を下記表1に示す。 The permeation amount of helium or nitrogen entrained in the sweep gas was quantified with a gas flow meter (manufactured by Brooks Instruments) and 0n-line gas chromatography (manufactured by Agilent Technologies). The results are shown in Table 1 below.
表1に示す結果から、分子篩膜を用いて、水中にて、ガス透過実験を行った場合、窒素よりもヘリウムの方が、透過量が大きくなることが分かる。また、ヘリウムと窒素との透過量比より、水中での分離(実施例1)は、水中ではない分離(参考例1)と同等の分離性能を示すことが分かる。 From the results shown in Table 1, it can be seen that when a gas permeation experiment is performed in water using a molecular sieve membrane, the permeation amount of helium is greater than that of nitrogen. Further, it can be seen from the permeation ratio between helium and nitrogen that the separation in water (Example 1) shows the same separation performance as the separation not in water (Reference Example 1).
また、温度制御器(ヒーター)によって水を50℃から80℃に加熱した場合、分離性能を維持しつつ透過量が増大することが分かる。 Moreover, when water is heated from 50 degreeC to 80 degreeC with a temperature controller (heater), it turns out that permeation | transmission amount increases, maintaining separation performance.
(実施例2)
実施例1と同様に、収納体内に水を充填し、外部からガスを供給し、水素分離体内にスイープガスを流すことにより、水中における当該ガスに対して分子篩膜によるガス透過実験を行った。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a gas permeation experiment using a molecular sieve membrane was performed on the gas in water by filling the storage body with water, supplying gas from the outside, and flowing a sweep gas into the hydrogen separator.
また、混合ガスを用いてのガス分離実験も行った。水素及び酸素を含む混合ガスからの水素の分離を模擬するために、水素及び窒素を含む混合ガスを用いた。窒素は、酸素と比べて、コンバージョンファクター及び動的分子径がほぼ同等であるので、酸素の代わりに窒素を用いた(コンバージョンファクター:酸素:0.99、窒素:1.00、動的分子径:酸素 0.35nm、窒素 0.36nm)。なお、水素と窒素との混合ガスは、2:1の流量比になるように、2種類のマスフローコントローラー(ブルックスインスツルメント社製)を用いて、収納体内に供給した。 In addition, gas separation experiments using mixed gas were also conducted. In order to simulate the separation of hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen, a mixed gas containing hydrogen and nitrogen was used. Since nitrogen has almost the same conversion factor and dynamic molecular diameter as oxygen, nitrogen was used instead of oxygen (conversion factor: oxygen: 0.99, nitrogen: 1.00, dynamic molecular diameter : Oxygen 0.35 nm, nitrogen 0.36 nm). The mixed gas of hydrogen and nitrogen was supplied into the storage body using two kinds of mass flow controllers (Brooks Instrument Co., Ltd.) so that the flow rate ratio was 2: 1.
<水素分離体>
水素分離体として、CHA型ゼオライト膜が、セラミックス支持体外側に、水熱合成により形成されたCHA型ゼオライト膜複合体2を用いた。
<Hydrogen separator>
As the hydrogen separator, a CHA-type zeolite membrane composite 2 in which a CHA-type zeolite membrane was formed on the outside of the ceramic support by hydrothermal synthesis was used.
<CHA型ゼオライト膜複合体2の合成方法>
セラミックス支持体上にCHA型ゼオライトを直接水熱合成することにより、セラミックス支持体−CHA型ゼオライト膜複合体2を作製した。
<Synthesis Method of CHA Type Zeolite Membrane Composite 2>
A ceramic support-CHA type zeolite membrane composite 2 was prepared by directly hydrothermally synthesizing CHA type zeolite on the ceramic support.
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。 A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
<水性反応混合物の合成>
1mol/L−NaOH水溶液(キシダ化学社製)1.4g、1mol/L−KOH水溶液(キシダ化学社製)5.8g、脱塩水114gを混合したものに、水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5質量%含有、アルドリッチ社製)0.20gを加えた後に、撹拌して、透明溶液とした。これに有機テンプレートとして、TMADAOH水溶液(TMADAOH 25質量%含有、セイケム社製)2.4gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテックス40)10.8gを加えてから、1時間撹拌し、水性反応混合物とした。
<Synthesis of aqueous reaction mixture>
Aluminum hydroxide (Al 2 O 3 53) mixed with 1.4 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), 5.8 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and 114 g of demineralized water. 0.5 mass% (manufactured by Aldrich Co.) was added, and then stirred to obtain a transparent solution. As an organic template, 2.4 g of TMADAOH aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) was added, and 10.8 g of colloidal silica (
この水性反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.014/0.02/0.08/100/0.04、SiO2/Al2O3=70である。 The composition (molar ratio) of this aqueous reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.014 / 0.02 / 0.08 / 100 / 0.04, a SiO 2 / Al 2 O 3 = 70.
セラミックス支持体としては、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を80mmの長さに切断した後、超音波洗浄機にて水洗浄後、乾燥させたものを用いた。
As the ceramic support, a porous alumina tube (
種結晶として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.1/0.06/40/0.07のゲル組成(モル比)で、160℃、2日間水熱合成して結晶化させた後に、濾過、水洗、乾燥して得られたCHA型ゼオライトを用いた。この種結晶を約1質量%水中に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、140℃で1時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約1g/m2であった。 As a seed crystal, the gel composition (molar ratio) of SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.033 / 0.1 / 0.06 / 40 / 0.07, A CHA-type zeolite obtained by hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 2 days for crystallization, followed by filtration, washing with water and drying was used. The support was immersed in a dispersion of the seed crystal in about 1% by mass of water for a predetermined time, and then dried at 140 ° C. for 1 hour or longer to attach the seed crystal. The mass of the attached seed crystal was about 1 g / m 2 .
種結晶を付着させた支持体を、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、180℃で18時間、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に支持体−ゼオライト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、120℃で1時間以上乾燥させた。 The support to which the seed crystals were attached was immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the aqueous reaction mixture in the vertical direction, and the autoclave was sealed, and left standing at 180 ° C. for 18 hours. And heated under autogenous pressure. After the elapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out of the reaction mixture after being allowed to cool, washed, and dried at 120 ° C. for 1 hour or longer.
この膜複合体を、空気中、ヤマト科学社製電気炉で、500℃、14時間焼成した。このときの昇温速度と降温速度はともに0.5℃/分とした。焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は80g/m2であった。 This membrane composite was baked in the air at 500 ° C. for 14 hours in an electric furnace manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. At this time, the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease were both 0.5 ° C./min. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 80 g / m 2 .
<ガス透過実験>
収納体とCHA型ゼオライト膜複合体2の間に水を充填し、水素、又は窒素について、それぞれ単成分ガス透過実験を行った。収納体内に供給する流量は100sccm、スイープガスのアルゴンは50sccmとした。温度調整は、収納体の外側に温度調整可能なヒーターを設置することにより行った。
<Gas permeation experiment>
Water was filled between the storage body and the CHA-type zeolite membrane composite 2, and a single component gas permeation experiment was conducted for hydrogen or nitrogen, respectively. The flow rate supplied into the container was 100 sccm, and the sweep gas argon was 50 sccm. The temperature adjustment was performed by installing a heater capable of adjusting the temperature outside the housing.
スイープガス中に同伴される水素、又は窒素の透過量は、氷で冷却して水蒸気をトラップしたのちに、0n−lineガスクロマトグラフィ―(アジレント・テクノロジー社製)で定量した。結果を下記表2に示す。 The permeation amount of hydrogen or nitrogen entrained in the sweep gas was quantified by 0n-line gas chromatography (manufactured by Agilent Technologies) after cooling with ice and trapping water vapor. The results are shown in Table 2 below.
<ガス分離実験>
収納体とCHA型ゼオライト膜複合体2の間に水を充填し、水素/窒素=2/1の混合ガスについて、ガス分離実験を行った。収納体内に供給する流量は100sccm、スイープガスのアルゴンは50sccmとした。温度調整は、収納体の外側に温度調整可能なヒーターを設置することにより行った。
<Gas separation experiment>
Water was filled between the storage body and the CHA-type zeolite membrane composite 2, and a gas separation experiment was performed on a mixed gas of hydrogen / nitrogen = 2/1. The flow rate supplied into the container was 100 sccm, and the sweep gas argon was 50 sccm. The temperature adjustment was performed by installing a heater capable of adjusting the temperature outside the housing.
スイープガス中に同伴される水素及び窒素の透過量と分離係数は、氷で冷却して水蒸気をトラップしたのちに、0n−lineガスクロマトグラフィ―(アジレント・テクノロジー社製)で定量した。結果を下記表3に示す。 The permeation amount and separation factor of hydrogen and nitrogen entrained in the sweep gas were determined by 0n-line gas chromatography (manufactured by Agilent Technologies) after cooling with ice and trapping water vapor. The results are shown in Table 3 below.
(参考例2)
供給ガス(二酸化炭素:78sccm、スイープガスのアルゴン70sccm)を120℃で1時間流通させ、CHA型ゼオライト膜複合体2を乾燥させた。
(Reference Example 2)
Supply gas (carbon dioxide: 78 sccm, sweep gas argon 70 sccm) was passed at 120 ° C. for 1 hour to dry the CHA-type zeolite membrane composite 2.
収納体とCHA型ゼオライト膜複合体2の間に水を充填せずに、水素、又は窒素の単成分ガス透過実験、並びに水素/窒素=2/1の混合ガスのガス分離実験を行った。収納体内に供給する流量は50sccmであり、スイープガスのアルゴンは70sccmとした。 Without filling water between the housing and the CHA-type zeolite membrane composite 2, a hydrogen or nitrogen single component gas permeation experiment and a gas separation experiment of a mixed gas of hydrogen / nitrogen = 2/1 were conducted. The flow rate supplied into the container was 50 sccm, and the argon of the sweep gas was 70 sccm.
スイープガス中に同伴される水素、又は窒素の透過量は、ガスフローメーター(ブルックスインスツルメント社製)、及び0n−lineガスクロマトグラフィ―(アジレント・テクノロジー社製)で定量した。分離係数は、0n−lineガスクロマトグラフィ―で定量した。結果を下記表2又は3に示す。 The permeation amount of hydrogen or nitrogen entrained in the sweep gas was quantified with a gas flow meter (manufactured by Brooks Instruments) and 0n-line gas chromatography (manufactured by Agilent Technologies). The separation factor was quantified by 0n-line gas chromatography. The results are shown in Table 2 or 3 below.
表2に示す結果から、分子篩膜を用いて、水中にて、ガス透過実験を行った場合、窒素よりも水素の方が、透過量が大きくなることが分かる。また、水素と窒素との透過量比より、水中での分離(実施例2)は、水中ではない分離(参考例2)と、ほぼ同等の分離性能を示すことが分かる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that when a gas permeation experiment is performed in water using a molecular sieve membrane, the permeation amount of hydrogen is larger than that of nitrogen. Moreover, it can be seen from the permeation ratio between hydrogen and nitrogen that the separation in water (Example 2) shows substantially the same separation performance as the separation not in water (Reference Example 2).
また、温度制御器(ヒーター)によって水を50℃から80℃に加熱した場合、実施例2でも、実施例1と同様に、分離性能を維持しつつ透過量が増大することが分かる。 In addition, when water is heated from 50 ° C. to 80 ° C. by a temperature controller (heater), it can be seen that in Example 2, the permeation amount increases while maintaining the separation performance as in Example 1.
また、表3に示す結果から、分子篩膜を用いて、水中にて、水素/窒素=2/1の混合ガスのガス分離実験を行った場合、水中での分離(実施例2)は、水中ではない分離(参考例2)と、ほぼ同等の分離性能を示すことが分かる。なお、表2の透過量比よりも表3の分離係数が大きい理由は、混合ガスにおける水素の分圧が、単成分ガスの場合の分圧と異なるからである。 Further, from the results shown in Table 3, when a gas separation experiment of a mixed gas of hydrogen / nitrogen = 2/1 was performed in water using a molecular sieve membrane, separation in water (Example 2) It can be seen that the separation performance is not substantially the same as that of the separation (Reference Example 2). The reason why the separation factor in Table 3 is larger than the permeation ratio in Table 2 is that the partial pressure of hydrogen in the mixed gas is different from the partial pressure in the case of a single component gas.
以上の結果から、分子篩膜により仕切られた分子篩膜の一方の空間と他方の空間とのうち、一方の空間内に水素及び酸素を含む混合ガスを水中で供給するとともに、分子篩膜の一方の空間より他方の空間へ混合ガス中の水素を選択的に透過させて混合ガスから水素を直接分離することが可能といえる。また、水中にて水素及び酸素の分離を行うことで、水素と酸素との反応による爆発を回避可能である。 From the above results, among one space and the other space of the molecular sieve membrane partitioned by the molecular sieve membrane, a mixed gas containing hydrogen and oxygen is supplied in one space in water, and one space of the molecular sieve membrane is provided. It can be said that hydrogen in the mixed gas can be selectively permeated into the other space to directly separate the hydrogen from the mixed gas. Further, by separating hydrogen and oxygen in water, it is possible to avoid an explosion due to a reaction between hydrogen and oxygen.
本発明は、光触媒による水分解反応プロセスにおいて、水素及び酸素を含む混合ガスから水素を安全に分離する技術として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a technique for safely separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen in a water splitting reaction process using a photocatalyst.
1 混合ガス
5 水等
6 水柱
10 水素分離体
11 多孔質基体
12 分子篩膜
20 収納体
21 回収口
22 排出口
23 導入口
24 側管
30 光触媒成形体
40 光触媒粒子
50 温度制御器
100〜900 水素分離装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
多孔質基体と前記多孔質基体の少なくとも一面側に形成された分子篩膜とを有する水素分離体と、
前記水素分離体と接続されており、前記水素分離体を介して前記混合ガスから分離される水素を回収するための回収口、及び水素以外のガスを排出するための排出口を有し、かつ、前記水素分離体を収納する収納体と、
を備え、
前記収納体内に水又は含水液(以下、「水等」という。)が充填されている場合に、前記水素分離体は、前記水素分離体の一面側が前記水等と接触する位置に収納されており、
前記水素分離体は、前記水等の中に存在する前記混合ガスから前記水素を分離する
ことを特徴とする水素分離装置。 A hydrogen separator for separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen generated by water splitting of a photocatalyst,
A hydrogen separator having a porous substrate and a molecular sieve membrane formed on at least one side of the porous substrate;
Connected to the hydrogen separator, having a recovery port for recovering hydrogen separated from the mixed gas through the hydrogen separator, and a discharge port for discharging gas other than hydrogen, and A storage body for storing the hydrogen separator;
With
When the storage body is filled with water or a water-containing liquid (hereinafter referred to as “water etc.”), the hydrogen separator is stored in a position where one side of the hydrogen separator contacts the water or the like. And
The hydrogen separator separates the hydrogen from the mixed gas existing in the water or the like.
多孔質基体と前記多孔質基体の外側又は内側に形成された分子篩膜とを有する、水素分離体、及び、
前記混合ガスから分離された水素を回収するための回収口と水素以外のガスを排出するための排出口とを有し、かつ前記水素分離体を収納し得る、収納体、
を備え、
前記収納体内には水又は含水液(以下、「水等」という。)が充填され、
前記水等の中に前記混合ガスが存在しており、
前記水素分離体の少なくとも一部が前記水等の中に含浸され、
前記水素分離体を介して前記水等から前記回収口へと水素を分離可能としたことを特徴とする、
水素分離装置。 An apparatus for separating hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and oxygen that can be generated by water splitting of a photocatalyst,
A hydrogen separator comprising a porous substrate and a molecular sieve membrane formed outside or inside the porous substrate; and
A storage body having a recovery port for recovering hydrogen separated from the mixed gas and a discharge port for discharging a gas other than hydrogen, and capable of storing the hydrogen separator;
With
The container is filled with water or a water-containing liquid (hereinafter referred to as “water etc.”),
The mixed gas exists in the water or the like,
At least a part of the hydrogen separator is impregnated in the water or the like;
The hydrogen can be separated from the water or the like to the recovery port via the hydrogen separator,
Hydrogen separator.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018202413A (en) * | 2017-06-01 | 2018-12-27 | 三菱ケミカル株式会社 | Hydrogen separation device and hydrogen separation method |
KR20190108685A (en) * | 2018-03-15 | 2019-09-25 | 서울대학교산학협력단 | Device and system for gas separation and method for gas separation using the same |
JP2020200812A (en) * | 2019-06-13 | 2020-12-17 | 三菱パワー株式会社 | Combined plant |
WO2023276612A1 (en) * | 2021-06-28 | 2023-01-05 | Jfeスチール株式会社 | Method for highly purifying condensable product in membrane reactor |
WO2023140335A1 (en) * | 2022-01-20 | 2023-07-27 | 三菱ケミカル株式会社 | Composite separation structure |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0769602A (en) * | 1993-09-02 | 1995-03-14 | Nkk Corp | Method for photolyzing water |
JPH08257376A (en) * | 1995-03-28 | 1996-10-08 | Ngk Insulators Ltd | Method for restoring and stabilizing hydrogen gas transmission capacity of hydrogen separation membrane and hydrogen separator using the same |
JP2004035356A (en) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | Method and apparatus for producing hydrogen |
JP2010201304A (en) * | 2009-03-02 | 2010-09-16 | Ngk Insulators Ltd | Hydrogen separator and method of operating the same |
WO2013021509A1 (en) * | 2011-08-11 | 2013-02-14 | トヨタ自動車株式会社 | Hydrogen generating device and method for using same |
WO2013125660A1 (en) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 三菱化学株式会社 | Zeolite membrane complex |
JP2013226533A (en) * | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Chemicals Corp | Zeolite membrane composite |
-
2015
- 2015-07-17 JP JP2015143412A patent/JP2016028812A/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0769602A (en) * | 1993-09-02 | 1995-03-14 | Nkk Corp | Method for photolyzing water |
JPH08257376A (en) * | 1995-03-28 | 1996-10-08 | Ngk Insulators Ltd | Method for restoring and stabilizing hydrogen gas transmission capacity of hydrogen separation membrane and hydrogen separator using the same |
JP2004035356A (en) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | Method and apparatus for producing hydrogen |
JP2010201304A (en) * | 2009-03-02 | 2010-09-16 | Ngk Insulators Ltd | Hydrogen separator and method of operating the same |
WO2013021509A1 (en) * | 2011-08-11 | 2013-02-14 | トヨタ自動車株式会社 | Hydrogen generating device and method for using same |
WO2013125660A1 (en) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 三菱化学株式会社 | Zeolite membrane complex |
JP2013226533A (en) * | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Chemicals Corp | Zeolite membrane composite |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018202413A (en) * | 2017-06-01 | 2018-12-27 | 三菱ケミカル株式会社 | Hydrogen separation device and hydrogen separation method |
JP7164324B2 (en) | 2017-06-01 | 2022-11-01 | 三菱ケミカル株式会社 | Hydrogen separator and hydrogen separation method |
KR20190108685A (en) * | 2018-03-15 | 2019-09-25 | 서울대학교산학협력단 | Device and system for gas separation and method for gas separation using the same |
KR102066026B1 (en) * | 2018-03-15 | 2020-01-14 | 서울대학교산학협력단 | Device and system for gas separation and method for gas separation using the same |
JP2020200812A (en) * | 2019-06-13 | 2020-12-17 | 三菱パワー株式会社 | Combined plant |
JP7351648B2 (en) | 2019-06-13 | 2023-09-27 | 三菱重工業株式会社 | complex plant |
WO2023276612A1 (en) * | 2021-06-28 | 2023-01-05 | Jfeスチール株式会社 | Method for highly purifying condensable product in membrane reactor |
JP7435553B2 (en) | 2021-06-28 | 2024-02-21 | Jfeスチール株式会社 | Method for high purification of condensable products in membrane reactors |
WO2023140335A1 (en) * | 2022-01-20 | 2023-07-27 | 三菱ケミカル株式会社 | Composite separation structure |
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