JP2017148754A - Hydrogen gas separation material, its manufacturing method, manufacturing method of hydrogen-containing gas using hydrogen gas separation material and membrane reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素ガス分離材とその製造方法、並びに、水素ガス分離材の利用に関する。 The present invention relates to a hydrogen gas separator, a method for producing the same, and use of the hydrogen gas separator.
高炉内で鉄鉱石を還元し、銑鉄を製造する工程では、多量の高炉ガス(BFG:Blast Furnace Gas)が排出される。BFGは、典型的には、H2:4vol%、N2:52vol%、CO:22vol%、CO2:22vol%の組成を有し、僅かな水素しか含まず、多量の窒素を含んでいる。そのため、BFGを有効利用することは困難であり、通常、廃棄されるか、燃焼に用いられている。 In the process of reducing iron ore in the blast furnace and producing pig iron, a large amount of Blast Furnace Gas (BFG) is discharged. BFG typically, H 2: 4vol%, N 2: 52vol%, CO: 22vol%, CO 2: having the composition of 22 vol%, contains only a small hydrogen, contains a large amount of nitrogen . Therefore, it is difficult to effectively use BFG, and it is usually discarded or used for combustion.
一方、低濃度の水素を含むガスから、高濃度の水素を含むガスを分離する方法として、優れた水素選択透過性を有するアモルファスのシリカ膜を利用する方法が知られている。このようなシリカ膜を利用してBFGを有効利用することが望まれるが、シリカ膜をBFGの水性ガスシフトによる水素の生成と濃縮に適用しようとすると、シリカ膜の低い耐水蒸気性が課題となる。 On the other hand, as a method for separating a gas containing a high concentration of hydrogen from a gas containing a low concentration of hydrogen, a method using an amorphous silica film having excellent hydrogen selective permeability is known. Although it is desired to use BFG effectively by using such a silica membrane, when the silica membrane is applied to hydrogen generation and concentration by water gas shift of BFG, the low water vapor resistance of the silica membrane becomes a problem. .
シリカ膜の中でも、テトラメトキシシラン(TMOS)やヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)をシリカ源として用いるシリカ膜は、比較的高い耐水蒸気性を有する。 Among silica films, a silica film using tetramethoxysilane (TMOS) or hexamethyldisiloxane (HMDSO) as a silica source has a relatively high water vapor resistance.
耐水蒸気性を有するシリカ膜に関し、特許文献1は、多孔質基材にシリカ膜を形成した後、酸素と反応させて、シリカ膜を安定化させることを提案している。
Regarding a silica film having water vapor resistance,
特許文献2は、シリカ膜の欠陥を抑制するために、シリカ膜の原料ガスを加圧しながら基材に供給することを提案している。原料ガスには、液状有機ケイ素化合物に窒素などをバブリングさせて、有機ケイ素化合物を気化させたものが用いられている。
特許文献3は、シリカ膜の品質を安定化させるために、ケイ素化合物を基材に蒸着させる第1蒸着ステップと、その後、別のケイ素化合物を更に蒸着させる第2ステップとで、シリカ膜を形成することを提案している。 In Patent Document 3, in order to stabilize the quality of the silica film, a silica film is formed by a first vapor deposition step in which a silicon compound is vapor-deposited on a substrate and a second step in which another silicon compound is further vapor-deposited thereafter. Propose to do.
しかし、従来の耐水蒸気性を持たせたシリカ膜は、水素透過率が低く、実用的な水素精製と濃縮処理に適用することは困難であった。 However, the conventional silica membrane with water vapor resistance has low hydrogen permeability, and it has been difficult to apply it to practical hydrogen purification and concentration treatment.
BFGのような排ガスから高濃度水素を含むガスを分離する手法として、水性ガスシフト反応によりBFGを変性して水素濃度を高め、その後、PSA(Pressure Swing Adsorption)法により窒素や二酸化炭素を分離することも考えられる。しかし、PSA法は、付加価値の高い高純度ガスを小規模もしくは中規模で製造する際には適するものの、水素以外の不純物を比較的多く含む廉価ガスを製造するにはコストがかかりすぎ、不向きである。 As a method of separating gas containing high-concentration hydrogen from exhaust gas such as BFG, hydrogen concentration is increased by modifying BFG by water gas shift reaction, and then nitrogen and carbon dioxide are separated by PSA (Pressure Swing Adsorption) method. Is also possible. However, although the PSA method is suitable for producing high-value-added high-purity gas on a small or medium scale, it is too expensive to produce a low-cost gas containing a relatively large amount of impurities other than hydrogen. It is.
廉価ガスは、例えば50vol%以上90vol%以下の濃度で水素を含むガス(以下、中間純度水素ガスと称する)であり、工業的に十分な利用価値がある。例えば、高炉内で鉄鉱石を還元する際に使用する還元ガスは、高純度の水素ガスである必要がなく、中間純度水素ガスを用いることができる。 The inexpensive gas is, for example, a gas containing hydrogen at a concentration of 50 vol% or more and 90 vol% or less (hereinafter referred to as intermediate purity hydrogen gas), and has industrially sufficient utility value. For example, the reducing gas used when reducing iron ore in a blast furnace does not need to be high-purity hydrogen gas, and intermediate-purity hydrogen gas can be used.
特許文献1〜3が提案するようなシリカ膜についても、水素選択性が高く、高純度の水素ガスを製造することは可能であるが、水素透過率が低いため、工業的に水素含有ガスを製造するには適さない。特に、高炉から大量に排出されるBFGから、中間純度水素ガスを製造することは非常に困難である。
As for the silica membranes proposed in
本発明の一局面は、多孔質基材と、前記多孔質基材に支持されたシリカ膜と、を具備し、前記シリカ膜の300℃での水素透過率が、1.0×10-6mol/m2・s・Pa以上、かつ窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)が、45以上である、水素ガス分離材に関する。 One aspect of the present invention includes a porous substrate and a silica film supported by the porous substrate, and the hydrogen permeability at 300 ° C. of the silica film is 1.0 × 10 −6. The present invention relates to a hydrogen gas separation material having mol / m 2 · s · Pa or more and hydrogen gas selectivity to nitrogen gas (H 2 / N 2 ) of 45 or more.
上記水素ガス分離材は、高い耐水蒸気性を有する。よって、5vol%以上の水蒸気を含むサンプルガスを用い、前記シリカ膜の温度を300℃に、供給側圧力を300kPaに、透過側圧力を100kPaに設定した耐水蒸気試験では、水素ガス分離材の48時間後の水素透過率の低下率を、例えば33%以下に抑制することができる。 The hydrogen gas separation material has high water vapor resistance. Therefore, in a water vapor resistance test in which a sample gas containing 5 vol% or more of water vapor is used, the temperature of the silica membrane is set to 300 ° C., the supply side pressure is set to 300 kPa, and the permeation side pressure is set to 100 kPa, The decrease rate of the hydrogen permeability after time can be suppressed to 33% or less, for example.
本発明の別の局面は、上記水素ガス分離材の製造方法であって、前記多孔質基材が有する細孔と連通する第1空間に、前記シリカ膜の原料であるシリカ源を1mol/m3以下の濃度で供給し、前記シリカ源を加熱して、前記シリカ膜を形成する工程を有する、水素ガス分離材の製造方法に関する。 Another aspect of the present invention is a method for producing the hydrogen gas separation material, wherein a silica source, which is a raw material for the silica membrane, is added at 1 mol / m in a first space communicating with pores of the porous base material. The present invention relates to a method for producing a hydrogen gas separation material, which includes a step of supplying the silica source at a concentration of 3 or less and heating the silica source to form the silica membrane.
本発明の更に別の局面は、(i)一酸化炭素を含む原料ガスを、水蒸気と反応させて、変性ガスを得る工程と、(ii)上記水素ガス分離材を用いて、前記変性ガスから、水素濃度が高められた水素含有ガスを分離する工程と、を有する、水素含有ガスの製造方法に関する。 Still another aspect of the present invention includes (i) a step of reacting a raw material gas containing carbon monoxide with water vapor to obtain a modified gas, and (ii) using the hydrogen gas separation material, from the modified gas. And a step of separating the hydrogen-containing gas with an increased hydrogen concentration.
本発明の更に別の局面は、上記水素ガス分離材と、触媒と、を含む、膜反応器に関し、更に、上記膜反応器を用いて、一酸化炭素を含む原料ガスを水蒸気と反応させて変性ガスを得るとともに、前記変性ガスから水素濃度が高められた水素含有ガスを分離する、水素含有ガスの製造方法に関する。 Still another aspect of the present invention relates to a membrane reactor including the hydrogen gas separator and a catalyst, and further using the membrane reactor to react a raw material gas containing carbon monoxide with water vapor. The present invention relates to a method for producing a hydrogen-containing gas, which obtains a modified gas and separates a hydrogen-containing gas with an increased hydrogen concentration from the modified gas.
本発明に係る水素ガス分離材によれば、低コストで、効率的に、BFGのような原料ガスから、有益な水素含有ガス(特に中間純度水素ガス)を分離することができる。また、本発明に係る水素ガス分離材の製造方法によれば、シリカ膜に高い水素透過性と耐水蒸気性とを併せ持たせることができる。よって、上記水素ガス分離材を用いることで、高い水素透過性と耐水蒸気性とを兼ね備えた設備を構築することができる。さらに、このような設備を要する水性ガスシフト反応を利用して水素濃度の高められた水素含有ガスを効率的に製造することができる。 According to the hydrogen gas separator according to the present invention, it is possible to efficiently separate a useful hydrogen-containing gas (especially intermediate purity hydrogen gas) from a raw material gas such as BFG at low cost. Moreover, according to the method for producing a hydrogen gas separator according to the present invention, the silica membrane can have both high hydrogen permeability and water vapor resistance. Therefore, by using the hydrogen gas separating material, it is possible to construct equipment having both high hydrogen permeability and water vapor resistance. Furthermore, a hydrogen-containing gas with an increased hydrogen concentration can be efficiently produced using a water gas shift reaction requiring such equipment.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiments do not limit the present invention.
(水素ガス分離材)
図1に、本発明の実施形態に係る水素ガス分離材の一例の構造を示す。
水素ガス分離材10は、多孔質基材11と、多孔質基材11に支持されたシリカ膜12と、を具備する。典型的には、多孔質基材11は、多孔質支持体11aと、多孔質支持体11aに支持された中間層11bと、を具備する。中間層11bは、多孔質支持体11aよりも小さな細孔を有する。シリカ膜12は、中間層11bを介して、多孔質支持体11aに支持される。多孔質基材11は、例えば、第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する。図示例では、多孔質支持体11aの第1表面側に中間層11bが形成され、中間層11bの主として細孔中にシリカ膜12が支持されている。
(Hydrogen gas separator)
FIG. 1 shows an exemplary structure of a hydrogen gas separator according to an embodiment of the present invention.
The hydrogen
多孔質基材11は、水素ガス分離材10の形状を定め、シリカ膜12の強度を補強するとともに、水素ガス分離材10に供給されるガスを、シリカ膜12に、できるだけ均一に拡散させる作用を有する。多孔質基材11の形状は、水素ガス分離材10の形状に応じて任意に選択され、例えばシート状、ハニカム状、筒状、蛇腹状などである。
The
多孔質支持体11aの材質としては、特に限定されないが、α−アルミナ、γ−アルミナ、シリカ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタニア、ゼオライトなどを用いることができる。これらの中でも、安価で熱的に安定なα−アルミナを用いることが好ましい。
The material of the
多孔質支持体11aが有する細孔のサイズは比較的大きく、多孔質支持体11aの平均細孔径は、700nm以下であることが好ましく、20nm〜200nmであることがより好ましい。なお、多孔質支持体11aが2層以上の複層構造を有する非対称基材である場合、外側の細孔径が上記範囲内であることが好ましい。これにより、適度な厚さのシリカ膜を形成しやすくなる。なお、多孔質支持体11aの細孔が小さすぎると、十分な厚さのシリカ膜を形成することが困難になる。
The pore size of the
なお、平均細孔径とは、JIS K3832に準拠したバブルポイント試験法、JIS R1655に準拠した水銀圧入法、JIS Z8830に準拠したガス吸着法などにより測定される体積基準の細孔径分布におけるメディアン径である。多孔質支持体11aの細孔径分布は、バブルポイント試験法または水銀圧入法で測定することが望ましい。
The average pore diameter is a median diameter in a volume-based pore diameter distribution measured by a bubble point test method based on JIS K3832, a mercury intrusion method based on JIS R1655, a gas adsorption method based on JIS Z8830, and the like. is there. The pore size distribution of the
中間層11bは、多孔質支持体11aに比べて細孔のサイズが小さく、水素を選択的に透過させるシリカ膜12を形成するのに適した下地層となる。中間層11bは、例えばメソポーラスな構造を有する。中間層11bの平均細孔径は、10nm以下であることが好ましく、例えば4nm〜8nmであることがより好ましい。中間層11bを介してシリカ膜12を多孔質支持体11aに支持させることで、シリカ膜12の形成が容易になるとともに、シリカ膜12の剥離や劣化が抑制される。
The
中間層11bは、多孔質支持体11aの表面に、ゾル−ゲル法を利用して形成することができる。例えば、アルミニウムアルコキシドを原料とするベーマイトゾルを、多孔質支持体11aにディップコーティングし、乾燥後、400℃〜900℃で焼成することにより、γ−アルミナで形成された中間層11bを得ることができる。
The
シリカ膜12は、水素を選択的に透過させる必要から、平均細孔径が0.4nm以下であることが好ましく、0.3nm〜0.35nmであることがより好ましい。ただし、高炉で大量に生成するBFGのような原料ガスから、効率的に、水素濃度を高めた水素含有ガス(特に中間純度水素ガス)を分離する観点からは、シリカ膜12の水素透過率を相当に高く設計する必要があり、細孔径を可能な範囲で大きくするとともに、膜厚を薄くすることが望ましい。その結果として、具体的には、シリカ膜12の水素透過率は、1.0×10-6mol/m2・s・Pa以上とする必要があり、1.5×10-6mol/m2・s・Pa以上とすることが好ましい。一方、窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)は、45以上であれば十分であり、100以上であれば更に効率的に水素ガスを分離することができる。
The
ここで、水素透過率とは、想定される水素ガス分離材の使用温度での数値であり、例えば200℃〜400℃での水素透過率が上記範囲内であればよく、指標としては、特に300℃での水素透過率が上記範囲内であることが望ましい。また、水素ガス分離材の水素透過率は、実際に水素ガス分離材として使用される前の初期値に比べ、使用開始後の初期段階で一定程度は低下する。ここでは、水素透過率の初期値が、上記範囲内であればよい。 Here, the hydrogen permeability is a numerical value at an assumed use temperature of the hydrogen gas separator, and for example, the hydrogen permeability at 200 ° C. to 400 ° C. may be within the above range. It is desirable that the hydrogen permeability at 300 ° C. be within the above range. In addition, the hydrogen permeability of the hydrogen gas separator is reduced to a certain extent at the initial stage after the start of use, compared to the initial value before actually being used as the hydrogen gas separator. Here, the initial value of the hydrogen permeability may be within the above range.
同様に、窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)(以下、水素選択性)とは、想定される水素ガス分離材の使用温度での数値であり、例えば200℃〜400℃での水素選択性が上記範囲内であればよく、指標としては、特に300℃での水素選択性が上記範囲内であることが望ましい。なお、水素ガス分離材の水素選択性は、実際に水素ガス分離材として使用される前後において大きく変化しない。ここでは、水素選択性の初期値が、上記範囲内であればよい。 Similarly, hydrogen gas selectivity (H 2 / N 2 ) (hereinafter referred to as hydrogen selectivity) with respect to nitrogen gas is a numerical value at an assumed use temperature of the hydrogen gas separator, for example, 200 ° C. to 400 ° C. As long as the hydrogen selectivity at is within the above range, it is desirable that the hydrogen selectivity at 300 ° C. be within the above range. Note that the hydrogen selectivity of the hydrogen gas separator does not change significantly before and after the hydrogen gas separator is actually used. Here, the initial value of hydrogen selectivity should just be in the said range.
原料ガスが、BFGのように一酸化炭素を含む場合、水素ガス分離材10を用いて水素ガスを濃縮する前に、一酸化炭素を水蒸気と反応させて変性することが望ましい。これにより、原料ガスよりも高濃度で水素ガスを含む変性ガスを得ることができる。BFGの変性ガスから、中間純度水素ガスを分離する場合、選択性が45以上であれば、例えば、70vol%以上の水素を含む水素含有ガスを分離することも可能である。
When the raw material gas contains carbon monoxide like BFG, it is desirable to modify the carbon monoxide by reacting with water vapor before concentrating the hydrogen gas using the
一酸化炭素を水蒸気と反応させる反応は、水性ガスシフト反応と称される。水性ガスシフト反応を経て生成する変性ガスには、多量の水蒸気が含まれている。よって、変性ガスから水素ガス分離材10を用いて中間純度水素ガスを分離する場合、シリカ膜12が優れた耐水蒸気性を有することが望まれる。
The reaction of reacting carbon monoxide with water vapor is called a water gas shift reaction. The modified gas produced through the water gas shift reaction contains a large amount of water vapor. Therefore, when the intermediate purity hydrogen gas is separated from the denatured gas using the
シリカ膜12の耐水蒸気性は、水素ガス分離材10を水蒸気に暴露したときの、水素透過率の低下から評価することができる。シリカ膜12の水素透過率は、水蒸気に暴露され始めてから48時間程度は低下するが、その後、水素透過率の低下は飽和する。所定の耐水蒸気試験において、48時間後の水素透過率が十分であれば、その後、水素透過率がほとんど低下することはないと考えられる。経験上の知見では、所定の耐水蒸気試験において、48時間後の水素透過率の低下が33%以下であれば、十分に実用的な耐水蒸気性を有している。ただし、耐水蒸気性は、高いほど望ましく、48時間後の水素透過率の低下をさらに抑制することで、水素ガス分離材10の性能をより高めることができる。
The water vapor resistance of the
耐水蒸気試験において、48時間後の300℃での水素透過率は、0.7×10-6mol/m2・s・Pa以上であることが望ましく、1.0×10-6mol/m2・s・Pa以上であることが更に望ましい。使用開始後の初期段階で水素透過率が低下する場合でも、その後の300℃での水素透過率が0.7×10-6mol/m2・s・Pa以上、更には1.0×10-6mol/m2・s・Pa以上を維持できれば、十分に実用化の対象になり得る。このとき、窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)は、初期値より低下してもよいが、45以上を維持することが望ましい。 In the water vapor resistance test, the hydrogen permeability at 300 ° C. after 48 hours is preferably 0.7 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more, and 1.0 × 10 −6 mol / m. More preferably, it is 2 · s · Pa or more. Even when the hydrogen permeability decreases in the initial stage after the start of use, the hydrogen permeability at 300 ° C. after that is 0.7 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more, and further 1.0 × 10 If it can maintain -6 mol / m 2 · s · Pa or more, it can be a target for practical use. At this time, the selectivity (H 2 / N 2 ) of the hydrogen gas with respect to the nitrogen gas may be lower than the initial value, but it is desirable to maintain 45 or more.
耐水蒸気試験において、96時間後の300℃での水素透過率は、0.6×10-6mol/m2・s・Pa以上、更には0.8×10-6mol/m2・s・Pa以上を維持することが望ましい。48時間経過後は、水素透過率はほとんど低下しないが、耐水蒸気試験を開始してから96時間経過後の300℃での水素透過率が、48時間経過時から更に10%程度低下することは、許容できると考えられる。ただし、このときも、窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)は、45以上を維持することが望ましい。 In the water vapor resistance test, the hydrogen permeability at 300 ° C. after 96 hours is 0.6 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more, and further 0.8 × 10 −6 mol / m 2 · s. -It is desirable to maintain Pa or higher. After 48 hours, the hydrogen permeability hardly decreases, but the hydrogen permeability at 300 ° C. after 96 hours from the start of the water vapor resistance test is further reduced by about 10% after 48 hours. Is considered acceptable. However, also at this time, it is desirable that the selectivity (H 2 / N 2 ) of the hydrogen gas with respect to the nitrogen gas is maintained at 45 or more.
図2は、筒状の水素ガス分離材10の一例の外観を示している。
多孔質基材11は、筒状体であり、外周面および内周面を有するとともに、外周面と内周面とを連通させる細孔を有している。シリカ膜12が、筒状体の外周側に支持される場合は、外周面が第1表面21であり、内周面が第2表面22である。この場合、原料ガスもしくは変性ガスは、筒状体の中空に供給され、シリカ膜12を透過した中間濃度水素ガスが筒状体の外周面から放出される。一方、シリカ膜12が、筒状体の内周側に支持されている場合、内周面が第1表面21であり、外周面が第2表面22である。この場合、原料ガスもしくは変性ガスは、筒状体の外周面から供給され、シリカ膜12を透過した中間純度水素ガスが筒状体の内周面から放出される。
FIG. 2 shows the appearance of an example of the cylindrical
The
(水素ガス分離材の製造方法)
図3を参照しながら説明する。図3は、対向拡散CVD法の原理を説明するための概念図である。
水素ガス分離材10は、多孔質基材11が有する細孔と連通する第1空間31に、シリカ膜の原料であるシリカ源32を1mol/m3以下、好ましくは0.85mol/m3以下の濃度で供給し、シリカ源32を高温(好ましくは200℃〜700℃)で加熱して、シリカ膜12を形成する工程を有する、製造方法により製造することができる。
(Method for producing hydrogen gas separator)
This will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of the counter diffusion CVD method.
Hydrogen
シリカ源32は、気化もしくは霧化させたシリカ源32を含む混合ガスとして第1空間に供給すればよい。混合ガスは、例えば、シリカ源32と不活性ガスと含む。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムなどの希ガス、窒素などを用いることができる。このとき、第1空間に供給されるシリカ源32の濃度が、1mol/m3以下、好ましくは0.85mol/m3以下になるように制御することが好ましい。これにより、シリカ膜12が確実に成長してシリカ膜12の欠陥の生成が抑制される一方で、膜厚が薄くなり、水素透過率の向上が可能となる。よって、緻密で、耐水蒸気性に優れ、かつ高い水素透過率を有するシリカ膜12が形成され易くなる。
The
多孔質基材11が、第1表面21および第2表面22を有し、かつ第1表面21と第2表面22とが細孔で連通している場合、第1空間31を第1表面21で細孔と連通させることにより、第1表面21側の中間層11bの細孔内にシリカ膜12を形成することができる。このとき、図示しないが、中間層11bの細孔の内壁だけでなく、第1表面21側の最表面にもシリカ膜12が積層するように形成される場合がある。
When the
一方、第2表面22で細孔と連通する第2空間33には、酸素、オゾンなどの酸化剤34を供給することが望ましい。酸化剤34には、例えば、オゾンもしくは酸素100%の純ガスを用いてもよく、酸素および/またはオゾンを含む混合ガスを用いてもよい。混合ガスにおける酸素および/またはオゾンの濃度は、例えば20vol%〜60vol%であればよい。混合ガスに含まれる酸素およびオゾン以外のガスとしては、不活性ガスが好ましい。混合ガスとして乾燥空気を用いてもよい。
On the other hand, it is desirable to supply an
高温下、好ましくは200℃〜700℃で、更に好ましくは400℃〜700℃で、第1表面21側から細孔に導入されるシリカ源32と、第2表面22側から細孔に導入される酸化剤34とを接触させることにより、シリカ源32の熱分解もしくは酸化反応が進行し、シリカ膜12が形成される。このような化学蒸着法(CVD法)は、対向拡散CVD法と称される。
At a high temperature, preferably 200 ° C. to 700 ° C., more preferably 400 ° C. to 700 ° C., the
対向拡散CVD法では、シリカ膜12の膜厚は、シリカ源の濃度に依存すると考えられる。第1空間31に供給されるシリカ源32の濃度を、1mol/m3以下の低濃度に制御する場合、シリカ膜の膜厚が薄くなり、高い水素透過率が得られる。しかしながら、高い蒸気圧を有するシリカ源を用いる場合は、シリカ源の供給量を制御することが難しく、均質なシリカ膜の形成が困難となる。精密な供給量制御には、通常使われているバブリング法ではなく、ポンプ等を適用することが望ましい。
In the counter diffusion CVD method, the thickness of the
シリカ源は、酸素と反応してシリカを生成するケイ素化合物であればよいが、気化もしくは霧化させることが容易なケイ素化合物を用いることが望ましい。具体的には、ケイ素化合物として、テトラアルコキシシラン(テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシシラン(TEOS)など)、トリアルコキシシラン(メチルトリメトキシシラン、n−オクチルトリエトキシシラン、n−デシルトリメトキシシランなど)、ジアルコキシシラン(ジフェニルジエトキシシランなど)、モノアルコキシシラン、四塩化ケイ素、シラン(SiH4)、ジシロキサン(ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)など)を挙げることができる。中でも、耐水蒸気性に優れたシリカ膜が得られる点で、TMOSおよびヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)を用いることが望ましく、特にHMDSOはシリカ膜を薄膜化しやすく、高い水素透過率が得られやすい点で好ましい。 The silica source may be any silicon compound that reacts with oxygen to produce silica, but it is desirable to use a silicon compound that can be easily vaporized or atomized. Specifically, as a silicon compound, tetraalkoxysilane (tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), etc.), trialkoxysilane (methyltrimethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-decyltrimethoxy) Silane, etc.), dialkoxysilane (diphenyldiethoxysilane, etc.), monoalkoxysilane, silicon tetrachloride, silane (SiH 4 ), disiloxane (hexamethyldisiloxane (HMDSO), etc.). Among these, it is desirable to use TMOS and hexamethyldisiloxane (HMDSO) in that a silica film having excellent water vapor resistance can be obtained. In particular, HMDSO can easily make a silica film thin and can easily obtain a high hydrogen permeability. Is preferable.
図4に、水素ガス分離材10を製造する際に使用する製造装置の一例の構成図を示す。
ここでは、対向拡散CVD法により、筒状体である多孔質基材11のより外周面側に、シリカ膜12を形成する場合について説明する。
In FIG. 4, the block diagram of an example of the manufacturing apparatus used when manufacturing the hydrogen
Here, the case where the
製造装置40は、筒状体である多孔質基材11の内周面(第2表面22)で囲まれた第2空間33に酸化剤(酸素、オゾン、空気など)を供給し、外周面(第1表面21)で多孔質基材11の細孔と連通する第1空間31にシリカ源を供給できるように構成されている。図4に示されるように、多孔質基材11は、第1空間31を内包する筒状チャンバ41内に、酸化剤流路(第2空間33)の一部を形成するように収容されている。酸化剤流路には、酸化剤が導入され、第1空間31にはシリカ源が導入される。
The
酸化剤流路は、多孔質基材11と、多孔質基材11の一端に第1連結部材42aを介して連結されたパイプ状の第1管路43aと、多孔質基材11の他端に第2連結部材42bを介して連結されたパイプ状の第2管路43bと、で形成されている。第1管路43aは、酸化剤流路の上流側に位置し、筒状チャンバ41の外部に備えられたマスフローコントローラー44を介して酸化剤供給部45に連通している。第2管路43bは、酸化剤流路の下流側に位置し、第1排ガスを外部に放出する第1出口46に連通している。第1排ガスには、シリカ源との反応に消費されなかった酸化剤の他に、シリカ源の反応により生成する副生物などが含まれる。第1排ガスは、例えば、第1トラップ47を介して副生物を除去した後、外気に開放される。
The oxidant flow path includes the
筒状チャンバ41内の第1空間31(すなわち第2空間33を内包する酸化剤流路の周囲)は、シリカ源の流路となっている。よって、筒状チャンバ41は、シリカ源の流路の上流側に、シリカ源導入口48を具備し、下流側に、第2排ガスを外部に放出する第2出口49を具備する。第2排ガスには、シリカ膜の生成に使用されなかったシリカ源が含まれている。未使用のシリカ源は、第2出口49に連通する第2トラップ50で回収される。
The
シリカ源導入口48は、キャブレター51を具備することが好ましい。キャブレター51を用いることで、例えば液状のシリカ源とともに、不活性ガスを、シリカ源導入口48から第1空間31内に噴射もしくはスプレーすることができる。キャブレターの代わりに、単に加熱用ヒータを設置して用いることもできる。これにより、シリカ源は、気化もしくは霧化され、不活性ガスとシリカ源との混合ガスが生成する。図示例では、キャブレター51が、マスフローコントローラー52を介して不活性ガス供給部53に連通しているとともに、送液用マイクロポンプ54を介してシリカ源供給部55にも連通している。
The silica
送液用マイクロポンプ54は、シリカ源の供給量を十分に厳密に制御しながらキャブレター51に移送することができる。送液用マイクロポンプ54は、第1空間31に供給されるシリカ源の濃度を、1mol/m3以下、好ましくは0.85mol/m3以下になるように制御する上で、重要な役割を果たす。送液用マイクロポンプ54の種類は、特に限定されないが、例えば容積移送式が好適である。具体的には、ダイヤフラム型またはプランジャー型の往復ポンプ、ギヤポンプ、ネジポンプなどの回転ポンプやシリンジポンプなどを用いることができる。特に、シリンジポンプを用いる場合は低流量でも脈動が小さく、供給量の制御がより精密にできる。
The liquid-feeding micropump 54 can be transferred to the
筒状チャンバ41の周囲には、ヒータ56が設置されている。ヒータ56により、筒状チャンバ41を介して、第1空間31内の温度を所望の温度に制御することができる。第1空間31へのシリカ源の導入は、多孔質基材11の温度が所望の温度、好ましくは200℃〜700℃、更に好ましくは400℃〜700℃から選択される任意の温度範囲内で安定化した条件下で行われることが望ましい。第2空間33に酸化剤(例えば空気)を流通させている状態で、多孔質基材11の温度が上記温度範囲内で安定化してから、シリカ源を第1空間31に導入することが望ましい。
A
第2空間33への酸化剤の流通下、シリカ源を第1空間31に導入してから、シリカ源の導入を停止するまでの時間が、シリカ膜の製膜時間となる。製膜時間は、所望の水素透過率が達成されるように適宜設定すればよく、特に限定されない。成膜時間は、例えば3分〜60分程度であればよい。一般に、製膜時間が長くなるほど、シリカ膜が厚くなり、水素透過率が低くなる傾向がある。
The time from when the silica source is introduced into the
なお、図4の例に限らず、筒状チャンバの第1空間に酸化剤を流通させ、多孔質基材の中空部である第2空間にシリカ源を流通させてもよい。 In addition to the example of FIG. 4, the oxidizing agent may be circulated in the first space of the cylindrical chamber, and the silica source may be circulated in the second space that is the hollow portion of the porous substrate.
<水素透過率の測定方法>
次に、水素透過率の測定方法について説明する。
水素ガス透過率は、次式:QH2=A/{(P1−P2)・S・t}から算出することができる。ここで、QH2は水素ガス透過率(mol/m2・s・Pa)、Aは水素透過量(mol)、P1はガス供給側の圧力(Pa)、P2はガス透過側の圧力(Pa)、Sはシリカ膜の見かけの面積(m2)、tは透過量がAであるときの測定時間(秒)をそれぞれ表す。
<Measurement method of hydrogen permeability>
Next, a method for measuring the hydrogen permeability will be described.
The hydrogen gas permeability can be calculated from the following formula: QH 2 = A / {(P1-P2) · S · t}. Here, QH 2 is the hydrogen gas permeability (mol / m 2 · s · Pa), A is the hydrogen permeability (mol),
水素ガス透過率の測定には、水素ガス分離材として、第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有し、第1表面側にシリカ膜が支持されているサンプルを用いる。サンプルは、第1表面で細孔と連通する第1空間と、第2表面で細孔と連通する第2空間とが形成されるように、測定装置に設置される。このとき、第1空間と第2空間とは、見かけ上、水素ガス分離材により隔絶された状態になる。この状態で、第2空間に、水素と単ガスで供給する。このとき、第1空間と第2空間との差圧は、300kPaに制御すればよい。そして、水素ガス分離材を所定温度(例えば300℃〜600℃)で安定化させた後、水素ガス分離材(シリカ膜)を単位時間(1秒)あたりに透過する水素透過量(mol)を測定する。この透過量を、シリカ膜の見かけの面積と、第1空間と第2空間との差圧で除することで、水素透過率QH2(mol/m2・s・Pa)が得られる。なお、水素ガス分離材が筒状体であり、その外周面にシリカ膜が形成されている場合、シリカ膜の見かけの面積は、当該外周面の面積と見なすことができる。 In the measurement of hydrogen gas permeability, the hydrogen gas separator has a first surface and a second surface, and has pores that allow the first surface and the second surface to communicate, and a silica film on the first surface side. Use a sample in which is supported. The sample is placed in the measurement device so that a first space communicating with the pores on the first surface and a second space communicating with the pores on the second surface are formed. At this time, the first space and the second space are apparently separated by the hydrogen gas separator. In this state, hydrogen and single gas are supplied to the second space. At this time, the differential pressure between the first space and the second space may be controlled to 300 kPa. Then, after stabilizing the hydrogen gas separator at a predetermined temperature (for example, 300 ° C. to 600 ° C.), the hydrogen permeation amount (mol) permeating the hydrogen gas separator (silica membrane) per unit time (1 second) is set. taking measurement. By dividing this permeation amount by the apparent area of the silica membrane and the differential pressure between the first space and the second space, the hydrogen permeability QH 2 (mol / m 2 · s · Pa) can be obtained. When the hydrogen gas separation material is a cylindrical body and a silica film is formed on the outer peripheral surface thereof, the apparent area of the silica film can be regarded as the area of the outer peripheral surface.
<水素選択性の測定方法>
次に、水素選択性αは、水素透過率QH2と同様にして、窒素透過率QN2を求め、窒素透過率QN2に対する水素透過率QH2の比率(α=QH2/QN2)として算出することができる。
<Method for measuring hydrogen selectivity>
Next, the hydrogen-selective alpha, in the same manner as in hydrogen permeability QH 2, the nitrogen permeability QN 2 calculated, as a ratio of hydrogen permeability QH 2 to nitrogen permeability QN 2 (α = QH 2 / QN 2) Can be calculated.
<耐水蒸気試験>
次に、耐水蒸気試験の詳細について説明する。
耐水蒸気試験は、一例として、所定のサンプルガスを用い、シリカ膜12の温度を300℃、供給側圧力を300kPa、透過側圧力を100kPaに設定して行うことができる。サンプルガスの99vol%以上は、窒素、アルゴンおよび水蒸気で占められており、水蒸気を5vol%以上含む。一例として、窒素、アルゴンおよび水蒸気を体積比で54:25:50を含むガスを使用すればよい。ここで、供給側圧力とは、水素ガス分離材に供給されるサンプルガスの圧力であり、シリカ膜の近傍では、サンプルガスの温度は300℃に制御される。一方、透過側圧力とは、水素ガス分離材10を透過した透過ガスの圧力である。
<Water vapor resistance test>
Next, details of the water vapor resistance test will be described.
For example, the water vapor resistance test can be performed using a predetermined sample gas, setting the temperature of the
耐水蒸気試験では、水素ガス分離材として、第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有し、第1表面側にシリカ膜が支持されているサンプルを用いる。サンプルは、第1表面で細孔と連通する第1空間と、第2表面で細孔と連通する第2空間とが形成されるように、水素透過率の測定に用いるのと同様の測定装置に設置される。この状態で、第2空間に、サンプルガスを供給する。一方、第1空間には、アルゴンを流通させる。このとき、第1空間と第2空間との差圧は、200kPaに制御すればよい。そして、所定時間経過後、水素ガス分離材の水素透過率を測定し、初期値に対する低下率を算出する。 In the water vapor resistance test, the hydrogen gas separation material has a first surface and a second surface, and has pores that allow the first surface and the second surface to communicate, and a silica membrane is supported on the first surface side. Use the sample. The sample is a measurement device similar to that used for measuring the hydrogen permeability so that a first space communicating with the pores on the first surface and a second space communicating with the pores on the second surface are formed. Installed. In this state, sample gas is supplied to the second space. On the other hand, argon is circulated in the first space. At this time, the differential pressure between the first space and the second space may be controlled to 200 kPa. Then, after a predetermined time has elapsed, the hydrogen permeability of the hydrogen gas separation material is measured, and the reduction rate relative to the initial value is calculated.
(水素含有ガスの製造方法)
次に、上記水素ガス分離材を用いて、水素含有ガスを製造する方法について説明する。ここでは、主として、BFGを原料に用い、中間純度水素ガスを製造する場合について説明するが、原料ガスはBFGに限定されるものではない。生産物である水素含有ガスにおける水素濃度も特に限定されない。本発明に係る水素含有ガスの製造方法は、原料ガスにおける水素濃度を、例えば50vol%〜99vol%に高めることができる方法をすべて包含する。
(Method for producing hydrogen-containing gas)
Next, a method for producing a hydrogen-containing gas using the hydrogen gas separator will be described. Here, a case where intermediate purity hydrogen gas is produced using BFG as a raw material will be mainly described, but the raw material gas is not limited to BFG. The hydrogen concentration in the hydrogen-containing gas that is the product is not particularly limited. The method for producing a hydrogen-containing gas according to the present invention includes all methods capable of increasing the hydrogen concentration in the raw material gas to, for example, 50 vol% to 99 vol%.
(i)変性ガスの製造
図5は、水素含有ガスの製造方法を実施するための装置の一例の構成図である。まず、BFGのような一酸化炭素を含む原料ガスを、水蒸気と反応させることにより、一酸化炭素の少なくとも一部を、水素と二酸化炭素に変換する。このような反応は、
式(1): CO + H2O → H2 + CO2
で表され、水性ガスシフト反応と称される。水性ガスシフト反応により、一酸化炭素濃度が低減され、水素濃度が高められた生成ガスは、変性ガスと称される。水性ガスシフト反応は、内部を高温かつ高圧に制御し得る反応塔57を用いて実施することができる。
(I) Production of modified gas FIG. 5 is a configuration diagram of an example of an apparatus for carrying out a method for producing a hydrogen-containing gas. First, at least a part of carbon monoxide is converted into hydrogen and carbon dioxide by reacting a raw material gas containing carbon monoxide such as BFG with water vapor. Such a reaction
Equation (1): CO + H 2 O →
And is referred to as a water gas shift reaction. The product gas in which the carbon monoxide concentration is reduced and the hydrogen concentration is increased by the water gas shift reaction is referred to as a modified gas. The water gas shift reaction can be carried out using a
水性ガスシフト反応で生成する変性ガスは、例えば3vol%以上の水素を含んでいることが望ましく、10vol%以上の水素を含んでいることが更に望ましい。水素濃度がこの範囲の変性ガスからは、中間純度水素ガスを効率よく製造することができる。一方、上記水素濃度の変性ガスを製造する観点からは、原料ガスが、例えば3vol%以上の一酸化炭素を含んでいることが望ましく、10vol%の一酸化炭素を含んでいることが更に望ましい。 The modified gas produced by the water gas shift reaction preferably contains, for example, 3 vol% or more of hydrogen, and more preferably contains 10 vol% or more of hydrogen. An intermediate purity hydrogen gas can be efficiently produced from a modified gas having a hydrogen concentration in this range. On the other hand, from the viewpoint of producing the modified gas having the above hydrogen concentration, the raw material gas preferably contains 3 vol% or more of carbon monoxide, for example, and more preferably contains 10 vol% of carbon monoxide.
水性ガスシフト反応は、原料ガスを水蒸気と混合し、得られた混合ガスを、式(1)の反応を促進する成分を含む触媒を備えた反応塔に導入し、例えば150℃〜500℃、好ましくは200℃〜400℃の温度に加熱することで進行する。 In the water gas shift reaction, the raw material gas is mixed with water vapor, and the obtained mixed gas is introduced into a reaction tower including a catalyst containing a component that promotes the reaction of the formula (1), for example, 150 ° C. to 500 ° C., preferably Proceeds by heating to a temperature of 200 ° C to 400 ° C.
触媒は、特に限定されないが、α−アルミナ、γ−アルミナなどの担体に、金属種を担持させた材料が好ましく用いられる。金属種としては、式(1)の反応を促進する作用が大きいロジウム(Rh)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)などが、1種または複数種を組み合わせて用いられる。 The catalyst is not particularly limited, but a material in which a metal species is supported on a carrier such as α-alumina or γ-alumina is preferably used. As the metal species, rhodium (Rh), copper (Cu), zinc (Zn), or the like, which has a large effect of promoting the reaction of the formula (1), is used alone or in combination.
(ii)水素含有ガスの分離
反応塔で生成した変性ガスは、冷却塔58で冷却され、余分な水蒸気が除去される。その後、水分が除去された変性ガスは、水素ガス分離塔59に導入される。水素ガス分離塔59には、水素ガス分離材10が充填されている。水分が除去された変性ガスは、水素ガス分離材10の第2表面に連通する第2空間33に導入され、第2表面から多孔質基材の細孔内を拡散する。その後、変性ガスの一部は、水素を選択的に透過させるシリカ膜を透過して、第1表面から第1空間31に放出される。一方、第1表面から放出されなかった変性ガスの残部は、第2空間33から回収される。
(Ii) Separation of hydrogen-containing gas The modified gas produced in the reaction tower is cooled in the
(iii)膜反応器
水性ガスシフト反応を行う反応塔57と水素ガス分離塔59の2つの機能を有する反応分離塔60を具備する装置を用いてもよい。反応分離塔60は、水素ガス分離材を素材に用いた膜反応器61を具備している。図6は、膜反応器61を具備する反応分離塔60の一例の構成図である。
(Iii) Membrane reactor An apparatus including a
図7は、膜反応器61の一例の構造を示す概念図である。膜反応器61は、水素ガス分離材10と、その第2表面22(すなわち多孔質基材11のシリカ膜12を具備しない側の表面)に担持された触媒71と、具備する。触媒71は、式(1)の反応(すなわち一酸化炭素と水蒸気との反応)を促進する成分を含めばよい。よって、ロジウム(Rh)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)などが、1種または複数種を組み合わせて用いられる。ここでは、触媒71を担持させる担体として、水素ガス分離材10を構成する多孔質基材11の第2表面22側を利用することができる。
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the structure of an example of the
膜反応器61を形成する水素ガス分離材10の第2表面22に連通する第2空間33には、変性ガスではなく、原料ガスを水蒸気との混合ガスがダイレクトに導入される。混合ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気の一部は、多孔質基材11の第2表面22側に担持された触媒71の作用により、水素と二酸化炭素に変換され、原料ガスおよび水蒸気の残部とともに多孔質基材11の細孔内を拡散する。そのため、シリカ膜12は、ダイレクトに水蒸気に暴露されることになる。その後、膜反応器61の内部で生成した変性ガスの一部は、水素を選択的に透過させるシリカ膜12を透過して、第1表面21から第1空間31に放出される。一方、第1表面21から放出されなかった変性ガスの残部および水蒸気は、第2空間33から回収される。
In the
シリカ膜12が水蒸気にダイレクトに暴露される膜反応器61では、シリカ膜12の耐水蒸気性を高めることが重要である。この点、シリカ膜の水素透過率が低くなりやすい一方で耐水蒸気性の点では優位なシリカ源を用いて高い水素透過率を実現するには、シリカ源を1mol/m3以下、好ましくは0.85mol/m3以下の濃度で第1空間に供給して製造することが必要である。このようなシリカ膜は、緻密で、欠陥が少ないことから、耐水蒸気性に優れており、かつ高い水素透過率を有するため、膜反応器61に適用するのに適している。
In the
変性ガスから分離された目標生成物である水素含有ガスは、50vol%以上の水素を含めば十分に産業上の利用価値があるが、上記方法によれば、例えば70vol%以上の水素を含む水素含有ガスを安定供給することが可能である。 The hydrogen-containing gas that is the target product separated from the denatured gas is sufficiently industrially useful if it contains 50 vol% or more of hydrogen, but according to the above method, for example, hydrogen containing 70 vol% or more of hydrogen. It is possible to stably supply the contained gas.
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、以下の実施例は本発明を限定するものではない。
《実施例1》
(i)水素ガス分離材の作製
多孔質支持体として、内径4mm、外径6mm、長さ70mmのα−アルミナ製の筒状体を準備した。多孔質支持体の細孔径は150nmと700nmの2層構造であり、外周面が150nmで構成されるものを使用した。多孔質支持体の外周面に、対向拡散CVD法により、γ−アルミナ製の中間層を形成した。中間層の平均細孔径は4nmであり、中間層の厚さは2.5μmであった。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, a following example does not limit this invention.
Example 1
(I) Production of Hydrogen Gas Separation Material An α-alumina cylindrical body having an inner diameter of 4 mm, an outer diameter of 6 mm, and a length of 70 mm was prepared as a porous support. The porous support had a two-layer structure having a pore diameter of 150 nm and 700 nm and an outer peripheral surface of 150 nm. An intermediate layer made of γ-alumina was formed on the outer peripheral surface of the porous support by counter diffusion CVD. The average pore diameter of the intermediate layer was 4 nm, and the thickness of the intermediate layer was 2.5 μm.
(ii)シリカ膜の作製
図4に示すような装置を用い、多孔質基材の外周面側(中間層側)に、対向拡散CVD法により、アモルファスシリカ膜を形成した。まず、多孔質基材の中空部(第2空間)に、窒素と酸素との混合ガス(窒素流量200mL/min、酸素流量20mL/min)を導入した。一方、筒状チャンバ内の温度(すなわち多孔質基材の温度)を600℃で安定化させた後、筒状チャンバの第1空間に、シリカ源であるHMDSOの蒸気と窒素との混合ガスを導入した。第1空間におけるHMDSOの濃度は、0.72mol/m3になるように制御した。この制御は、Wプランジャー型の送液用マイクロポンプにより行った。製膜時間は5分間とした。
(Ii) Production of Silica Film Using an apparatus as shown in FIG. 4, an amorphous silica film was formed on the outer peripheral surface side (intermediate layer side) of the porous substrate by counter diffusion CVD. First, a mixed gas of nitrogen and oxygen (nitrogen flow rate 200 mL / min,
[評価]
(i)ガス透過率および水素選択性の測定
作製したシリカ膜の300℃〜600℃における水素透過率および窒素透過率をそれぞれ測定し、水素透過率の窒素透過率に対する比率(H2/N2)を水素選択性として算出した。水素透過率および窒素透過率の測定は、図4に示されるシリカ膜の製造装置を利用して行った。すなわち、筒状チャンバ内の温度を所定温度に制御しつつ、水素ガス分離材の中空部である第2空間に、ガス供給源からMFCを介して所定流量の水素ガスまたは窒素ガスを供給した。このとき、水素ガス分離材の外周側(第1空間)と内周側(第2空間)との差圧は300kPaに制御した。なお、シリカ膜の見かけの面積は、筒状体である多孔質基材の外周面の面積と見なすことができ、13.2cm2であった。
水素透過率QH2、窒素透過率QN2、水素選択性αの結果を、表1および図8に示す。
[Evaluation]
(I) Measurement of gas permeability and hydrogen selectivity The hydrogen permeability and nitrogen permeability at 300 ° C. to 600 ° C. of the produced silica membrane were measured, respectively, and the ratio of hydrogen permeability to nitrogen permeability (H 2 / N 2 ) Was calculated as hydrogen selectivity. The hydrogen permeability and the nitrogen permeability were measured using a silica membrane production apparatus shown in FIG. That is, while controlling the temperature in the cylindrical chamber to a predetermined temperature, hydrogen gas or nitrogen gas at a predetermined flow rate was supplied from the gas supply source to the second space, which is a hollow portion of the hydrogen gas separator, through the MFC. At this time, the differential pressure between the outer peripheral side (first space) and the inner peripheral side (second space) of the hydrogen gas separation material was controlled to 300 kPa. The apparent area of the silica film can be regarded as the area of the outer peripheral surface of the porous base material that is a cylindrical body, and was 13.2 cm 2 .
The results of hydrogen permeability QH 2 , nitrogen permeability QN 2 , and hydrogen selectivity α are shown in Table 1 and FIG.
(ii)耐水蒸気試験
水素ガス分離材の温度を300℃に維持し、第2空間に、30vol%の水蒸気と70vol%の窒素との混合ガスを300kPaの圧力で供給した。一方、第1空間にアルゴンガスをスイープさせることにより、第1空間(ガス透過側)の圧力を100kPaに維持した。混合ガスの供給開始(試験開始)後、48時間経過するまで、所定時間が経過する毎に、水素ガス透過材の水素透過率を測定した。結果を図9に示す。図9より、試験開始後48時間以内に、水素透過率が一定程度は低下するが、低下率は33%程度で飽和することが理解できる。
(Ii) Water vapor resistance test The temperature of the hydrogen gas separator was maintained at 300 ° C, and a mixed gas of 30 vol% water vapor and 70 vol% nitrogen was supplied to the second space at a pressure of 300 kPa. On the other hand, the pressure of the first space (gas permeation side) was maintained at 100 kPa by sweeping argon gas into the first space. The hydrogen permeability of the hydrogen gas permeable material was measured every time a predetermined time passed until 48 hours passed after starting the supply of the mixed gas (starting the test). The results are shown in FIG. From FIG. 9, it can be understood that within 48 hours after the start of the test, the hydrogen permeability decreases to a certain degree, but the decrease rate is saturated at about 33%.
《実施例2》
第1空間におけるHMDSOの濃度を、0.62mol/m3になるように制御し、製膜時間を3分間としたこと以外、実施例1と同様にシリカ膜を有する水素ガス分離材を作製し、同様に評価した。
Example 2
A hydrogen gas separator having a silica membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of HMDSO in the first space was controlled to be 0.62 mol / m 3 and the film formation time was 3 minutes. , Evaluated in the same way.
水素透過率QH2、窒素透過率QN2、水素選択性αの結果を、表2および図10に示す。この結果から、高い水素透過率および十分な水素選択性が得られたことが分かる。なお、耐水蒸気試験を行なったところ、48時間後の水素透過率は、初期値から実施例1と同程度低下した。 The results of hydrogen permeability QH 2 , nitrogen permeability QN 2 , and hydrogen selectivity α are shown in Table 2 and FIG. From this result, it can be seen that high hydrogen permeability and sufficient hydrogen selectivity were obtained. In addition, when the water vapor resistance test was conducted, the hydrogen permeability after 48 hours decreased from the initial value to the same extent as in Example 1.
《比較例1》
第1空間におけるHMDSOの濃度を、1.81mol/m3になるように制御し、製膜時間を120分間としたこと以外、実施例1と同様にシリカ膜を有する水素ガス分離材を作製し、同様に評価した。
<< Comparative Example 1 >>
A hydrogen gas separator having a silica membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the concentration of HMDSO in the first space was controlled to be 1.81 mol / m 3 and the film formation time was 120 minutes. , Evaluated in the same way.
ただし、HMDSOを送液用マイクロポンプとキャブレターを用いて第1空間に供給するのではなく、液状27℃のHMDSOに窒素をバブリングしてHMDSOを揮発させて供給した。HMDSOの濃度制御は、液状のHMDSOに導入する窒素の流量をマスフローコントローラーで制御することにより行った。 However, HMDSO was not supplied to the first space using a liquid-feeding micropump and a carburetor, but HMDSO was volatilized and supplied by bubbling nitrogen into liquid 27 ° C. HMDSO. The concentration control of HMDSO was performed by controlling the flow rate of nitrogen introduced into liquid HMDSO with a mass flow controller.
水素透過率QH2、窒素透過率QN2、水素選択性αの結果を、表3および図11に示す。この結果から、水素透過率が低く、実用に供することが難しいことが分かる。なお、耐水蒸気試験を行なったところ、48時間後の水素透過率は、初期値から実施例1と同程度低下した。 The results of hydrogen permeability QH 2 , nitrogen permeability QN 2 , and hydrogen selectivity α are shown in Table 3 and FIG. From this result, it can be seen that the hydrogen permeability is low and it is difficult to put it to practical use. In addition, when the water vapor resistance test was conducted, the hydrogen permeability after 48 hours decreased from the initial value to the same extent as in Example 1.
本発明に係る水素ガス分離材によれば、BFGのような原料ガスから、有益な水素含有ガス(特に中間純度水素ガス)を効率的に分離することができる。本発明に係る水素ガス分離材は、例えば製鉄所などのプラントに併設される水素ガス供給設備として工業上有益である。 According to the hydrogen gas separator according to the present invention, it is possible to efficiently separate a useful hydrogen-containing gas (especially intermediate purity hydrogen gas) from a source gas such as BFG. The hydrogen gas separation material according to the present invention is industrially useful as a hydrogen gas supply facility that is installed in a plant such as an ironworks.
10:水素ガス分離材、11:多孔質基材、11a:多孔質支持体、11b:中間層、12:シリカ膜、21:第1表面、22:第2表面、31:第1空間、32:シリカ源、33:第2空間、34:酸化剤、41:筒状チャンバ、42a:第1連結部材、42b:第2連結部材、43a:第1管路、43b:第2管路、44,52:マスフローコントローラー、45:酸化剤供給部、46:第1出口、47:第1トラップ、48:シリカ源導入口、49:第2出口、50:第2トラップ、51:キャブレター、53:不活性ガス供給部、54:送液用マイクロポンプ、55:シリカ源供給部、56:ヒータ、57:反応塔、58:冷却塔、59:水素ガス分離塔、60:反応分離塔、61:膜反応器、71:触媒 10: Hydrogen gas separator, 11: Porous substrate, 11a: Porous support, 11b: Intermediate layer, 12: Silica membrane, 21: First surface, 22: Second surface, 31: First space, 32 : Silica source, 33: second space, 34: oxidant, 41: cylindrical chamber, 42a: first connecting member, 42b: second connecting member, 43a: first conduit, 43b: second conduit, 44 , 52: Mass flow controller, 45: Oxidant supply unit, 46: First outlet, 47: First trap, 48: Silica source inlet, 49: Second outlet, 50: Second trap, 51: Carburetor, 53: Inert gas supply unit, 54: micropump for liquid feeding, 55: silica source supply unit, 56: heater, 57: reaction tower, 58: cooling tower, 59: hydrogen gas separation tower, 60: reaction separation tower, 61: Membrane reactor, 71: catalyst
Claims (17)
前記シリカ膜の300℃での水素透過率が、1.0×10-6mol/m2・s・Pa以上、かつ窒素ガスに対する水素ガスの選択性(H2/N2)が、45以上である、水素ガス分離材。 A porous substrate, and a silica film supported by the porous substrate,
The hydrogen permeability at 300 ° C. of the silica membrane is 1.0 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more, and the selectivity (H 2 / N 2 ) of hydrogen gas to nitrogen gas is 45 or more. A hydrogen gas separator.
前記シリカ膜が、前記第1表面側に支持されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素ガス分離材。 The porous substrate has a first surface and a second surface, and has pores for communicating the first surface with the second surface;
The hydrogen gas separator according to any one of claims 1 to 4, wherein the silica membrane is supported on the first surface side.
前記多孔質基材が有する細孔と連通する第1空間に、前記シリカ膜の原料であるシリカ源を1mol/m3以下の濃度で供給し、前記シリカ源を加熱して、前記シリカ膜を形成する工程を有する、水素ガス分離材の製造方法。 It is a manufacturing method of the hydrogen gas separation material according to claim 1,
A silica source, which is a raw material for the silica film, is supplied to the first space communicating with the pores of the porous substrate at a concentration of 1 mol / m 3 or less, and the silica source is heated to form the silica film. A method for producing a hydrogen gas separation material, comprising the step of forming.
前記第1空間が、前記第1表面で、前記細孔と連通している、請求項6に記載の水素ガス分離材の製造方法。 The porous substrate has a first surface and a second surface, and the first surface and the second surface communicate with each other through the pores,
The method for producing a hydrogen gas separation material according to claim 6, wherein the first space communicates with the pores on the first surface.
(ii)請求項1に記載の水素ガス分離材を用いて、前記変性ガスから、水素濃度が高められた水素含有ガスを分離する工程と、を有する、水素含有ガスの製造方法。 (I) reacting a raw material gas containing carbon monoxide with water vapor to obtain a modified gas;
(Ii) using the hydrogen gas separating material according to claim 1, separating the hydrogen-containing gas having an increased hydrogen concentration from the modified gas.
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