JP2018130715A - 複合シリカ膜およびその製造方法 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
【解決手段】 平均細孔径1〜10nmの貫通孔を有するシリカを主成分とする多孔質層にOH基を生成させ、次いでシリル化イオン液体を含む溶液を導入し、OH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によってイオン液体の構造がシリカ層に固定化することによって、イオン液体膜の特徴を発揮しつつも、かつ取扱い性に優れ、液漏れ耐久性を向上させた分離膜を提供する。
【選択図】なし
Description
また特許文献2では、シリカ膜の細孔径を約0.45nmに制御することによって、水素(H2:0.29nm)は透過させるが、分子サイズのより大きな六フッ化硫黄(SF6:0.55nm)は殆ど透過させない分離膜を報告している。
1〜10nmの貫通孔を有するシリカを主成分とする多孔質層は、ゾル−ゲル法により一般的に形成させることができる。シリカ層は薄いほど膜透過性が向上するが、耐久性の観点から0.1〜3μmの範囲が好ましい。
マクロ孔で形成された多孔質基材としては、300℃以上の耐熱性を持つものが好ましく、α−アルミナ、ジルコニア、ムライト、酸化チタン、シリカ等のセラミック材料で構成された多孔質セラミック基材、およびステンレス多孔質体などの多孔質金属基材が利用できる。多孔質基材の形状は、平板状、円筒型状、モノリス状など、利用目的に応じて選ぶことができる。尚、熱膨張を緩和させるため、マクロ孔で形成された多孔質基材とシリカを主成分とする多孔質層との間に、中間層を設けても良い。
イオン液体を固定化する前の状態で、25℃における窒素透過で8×10−6mol/(m2・s・Pa)以上、1〜10nmの細孔経由のガス透過が95%以上、10nm以上の細孔経由のガス透過が1%以下である状態が望ましい。
イオン液体のカチオンには、現在ガス分離性能が確認できているものとして、イミダゾリウム系イオン液体が挙げられる。その他、ホスホニウム系(リン系)、アンモニウム系も候補になると思われる。
イオン液体のアニオンには、現在ガス分離性能が確認できているものとして、塩化物イオン(Cl−)とビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2N)が挙げられる。塩化物イオンはシリル化イオン液体を有機合成した際のカウンターアニオンで、これをアニオン交換により各種アニオンへと変えていく。その他、可能性のあるものとしては、水酸化物イオン(OH−)、テトラフルオロホウ酸(BF4 −)、ヘキサフルオロリン酸(PF6 −)、トリフルオロメタンスルホン酸(CF3SO3 −)、ジシアナミド((CN)2N−)、チオシアネート(SCN−)、フェノキシドイオン(C6H5O−)、イミダゾレート(C3N2H3 −)、が候補になると思われる。
(イオン液体の導入方法1)
まずシリル化イオン液体と触媒(酸またはアルカリ)を混合し、その後加熱により触媒を除去することで、あらかじめある程度シリカネットワークが形成したシリル化イオン液体を調製する。このイオン液体中にOH基を有したシリカを主成分とする多孔質層を浸漬させる、あるいはOH基を有したシリカを主成分とする多孔質層にイオン液体を塗布することにより、イオン液体をシリカ細孔内に導入する。送液ポンプ等でイオン液体をシリカ多孔質層内に強制的に導入しても良い。イオン液体導入後加熱処理を行い、OH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によって、イオン液体の構造をシリカ層に固定化させる。
(イオン液体の導入方法2)
シリル化イオン液体と触媒(酸またはアルカリ)と溶媒を混合した溶液に、OH基を有したシリカを主成分とする多孔質層を浸漬させ、密閉容器中で加熱する。加熱によりOH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によって、イオン液体の構造をシリカ層に固定化させる。その後、膜表面付着液を除去し、再度加熱することにより残存している溶媒と触媒を気化し、除去する。
ここで用いる溶媒としては、シリル化イオン液体が溶解可能なもの、かつ後述の触媒も溶解可能なものから選択する。一般的にメタノール、エタノール、アセトニトリルが利用されるが、他の候補としては、プロパノール、テトラヒドロフラン、アセトンも候補となる。
またここで用いる触媒としては、加熱除去可能な塩酸あるいはアンモニア水が利用できる。使用するイオン液体により、酸あるいはアルカリのどちらを用いるかを選択する。
(複合膜原料)
1〜10nmの貫通孔を有するシリカを主成分とする多孔質層として、図2に示すSEM写真にその断面構造が代表される、市販のナノセラミック多孔質基材(イーセップ株式会社製eSep−nanoA)を用いた。シリカ多孔質層の厚みは約500nmであり、下層はマクロ孔で形成されたα−アルミナ多孔質基材により支持されている構造を有する。外形は直径12mm、内径9mm、長さ40cmの円筒型であった。
細孔径分布を測定する定法であるナノパームポロメトリーにより評価した結果、25℃における窒素透過で1×10−5mol/(m2・s・Pa)以上、1〜10nmの細孔経由のガス透過が95%以上、10nm以上の細孔経由のガス透過が1%以下であった。
(シリカ層へのOH基の生成)
上記イオン液体を固定化する前の複合膜を膜モジュールに取付け、円筒状の膜の外側に、25℃で湿度50%以上の空気を1分間以上導入した。その際、円筒状の膜の内側を減圧し、水蒸気を強制的に膜細孔内部に導入した。膜細孔内に水蒸気が残存した状態で6時間以上保持し、シリカ層へのOH基生成を促進した。
上記で調製した円筒状の複合膜を3cmに切断し、カチオンがイミダゾリウム系のシリル化イオン液体を用い、その導入・固定化試験を行った。イオン液体のアニオンは、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2N)と塩化物イオン(Cl−)のいずれかを用いた。
イオン液体のアニオンとして、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2N)を用いて試験した。まずイオン液体と触媒としてアンモニア水および溶媒としてメタノールを混合した溶液を混合し、その後加熱により触媒および溶媒を除去することで、あらかじめある程度シリカネットワークが形成したシリル化イオン液体を調製した。このイオン液体中にOH基を有したシリカを主成分とする多孔質層を浸漬させ、イオン液体をシリカ細孔内に導入した。イオン液体導入後加熱処理を行い、OH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によって、イオン液体の構造をシリカ層に固定化させた。
イオン液体のアニオンとして、塩化物イオン(Cl−)を用いて試験した。 シリル化イオン液体と、触媒として塩酸および溶媒としてメタノールを混合した溶液に、OH基を有したシリカを主成分とする多孔質層を浸漬させ、密閉容器中で加熱した。加熱によりOH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によって、イオン液体の構造をシリカ層に固定化させた。その後、膜表面付着液を除去し、再度加熱することにより残存している溶媒と触媒を気化し、除去した。
図3に、上記の手順で製造した本発明の複合膜と、イオン液体原料のIRスペクトルを比較した。本発明の複合膜では、イオン液体原料からは観察されないSi‐O‐Si結合が観測されたことから、図1に示すようなシリカネットワークが形成されていると判断された。
本発明で調製した複合膜を、SUS316L製の膜モジュール(イーセップ株式会社製、eSepMM−Φ12−L30−SUS316L)に搭載し、ガス透過分離試験を行った。円筒形の膜の外側に混合ガスを供給し、円筒形の内側に透過する成分の流量および組成を分析した。
実施例1で合成した複合膜を用いて、CO2/H2透過分離試験を行った。透過分離試験の詳細条件を以下に示す。
・供給側圧力:120kPa
・膜透過側圧力:大気圧(スウィープガス方式)
・供給ガス組成:CO2(50%)/H2(50%)
・試験温度:20℃程度(室温)
上記試験の結果、実施例1で合成した複合膜は、分子サイズの小さい水素(0.29nm)の透過を抑制し、分子サイズの大きいCO2(0.33nm)を選択的に透過・除去する性能を有することを確認した。実施例1で合成した複合膜がCO2/H2分離性能で20倍以上の性能を示したのに対し、イオン液体を導入・固定化する前の状態では、CO2/H2分離性能で1以下であった。
以上のことから、本発明によるイオン液体構造の固定化・複合化によって、膜の取扱い性を損なうことなく、CO2の選択的透過分離特性を大幅に向上させることができることを確認した。
実施例1で合成した複合膜を用いて、トルエン/H2透過分離試験を行った。
透過分離試験の詳細条件を以下に示す。
・供給側圧力:120kPa
・膜透過側圧力:大気圧(スウィープガス方式)
・供給ガス組成:トルエン(25%)/H2(75%)
・試験温度:70℃
図4に、実施例1により合成した複合膜のトルエン/H2透過分離試験結果を示す。尚、図4の0minのプロットのみ、水素単独系での値である。透過分離試験の結果、サイズの小さな水素(0.29nm)は膜透過させず、サイズの大きなトルエン(約0.6nm)を選択的に膜透過させることができることを確認した。トルエン/H2の分離係数で10,000以上の分離選択性を発揮するなど、顕著な効果を確認した。
上記試験において、単にイオン液体を含浸させたものと比較すると、膜の質量減少は約35%から3%程度まで低減させることができた。このことから、本発明によるイオン液体構造の固定化・複合化によって、単純に多孔質基材にイオン液体を含浸させただけでは得ることのできない、取扱い性の向上と液漏れ耐久性の向上という、顕著な効果を確認することができた。
実施例2で合成した複合膜を用いて、メタノール/H2透過分離試験を行った。
透過分離試験の詳細条件を以下に示す。
・供給側圧力:100kPa
・膜透過側圧力:大気圧(スウィープガス方式)
・供給ガス組成:メタノール(15%)/H2(85%)
・試験温度:25℃
Claims (6)
- 平均細孔径1〜10nmの貫通孔を有するシリカを主成分とする多孔質層にOH基を生成させ、次いでシリル化イオン液体を含む溶液を導入し、OH基との化学反応により形成されるSi‐O‐Si結合によってイオン液体の構造がシリカ層に固定化されていることを特徴とする複合膜およびその製造方法。
- 1〜10nmの貫通孔を有するシリカを主成分とする多孔質層の厚みが0.1〜3μmであり、下層にマクロ孔で形成された多孔質基材により支持されていることを特徴とする、請求項1の複合膜およびその製造方法。
- シリル化イオン液体のカチオンがイミダゾリウム系イオン液体であることを特徴とする、請求項1、2の複合膜およびその製造方法。
- シリル化イオン液体のアニオンがビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド((CF3SO2)2N)であることを特徴とする、請求項1〜3の複合膜およびその製造方法。
- シリル化イオン液体のアニオンが塩化物イオン(Cl−)であることを特徴とする、請求項1〜3の複合膜およびその製造方法。
- 請求項1〜5の複合膜を用いた、ガス分離システム。
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