JP2019042681A - Separation membrane for treating acid gas-containing gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸性ガス含有ガスから酸性ガスを分離する酸性ガス含有ガス処理用分離膜に関する。 The present invention relates to an acid gas-containing gas treatment separation membrane for separating an acid gas from an acid gas-containing gas.
工業分野、医療分野、食品分野等において、高濃度のガスを得るための技術開発が盛んに行われている。例えば、工場や発電所から排出される排ガスには窒素と二酸化炭素とが含まれているが、この排ガスから二酸化炭素を選択的に分離できれば、処理ガスの利用価値が高まり、地球温暖化対策にも寄与できる。また、空気中には酸素が約20%含有されているが、空気から酸素を選択的に分離できれば、多くのエネルギーを消費する水の電気分解等の方法に依らなくても大量の酸素を効率的に得ることが可能となる。そこで、従来から、混合ガスから特定のガスを選択的に分離するガス分離膜に関する研究開発が行われてきた。 In the industrial field, the medical field, the food field, and the like, technological development for obtaining high-concentration gas is actively performed. For example, the exhaust gas discharged from factories and power plants contains nitrogen and carbon dioxide. If carbon dioxide can be selectively separated from this exhaust gas, the utility value of the treated gas will increase, and it will be a countermeasure against global warming. Can also contribute. In addition, air contains about 20% oxygen, but if oxygen can be selectively separated from air, a large amount of oxygen can be efficiently used without depending on methods such as electrolysis of water that consumes a lot of energy. Can be obtained. Therefore, research and development have been conventionally conducted on gas separation membranes that selectively separate a specific gas from a mixed gas.
ガス分離層の代表的な成膜法として、金属アルコキシドを原料としたゾル−ゲル法による膜形成法がある(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1の多孔質複合体は、シリコンアルコキシドを含む懸濁液(ゾル)を多孔質支持体に塗布し、これを乾燥及び焼成して多孔質支持体の表面にシリカ粒子(ゲル)を形成するものである。 As a typical film forming method of the gas separation layer, there is a film forming method by a sol-gel method using a metal alkoxide as a raw material (see, for example, Patent Document 1). In the porous composite of Patent Document 1, a suspension (sol) containing silicon alkoxide is applied to a porous support and dried and fired to form silica particles (gel) on the surface of the porous support. To do.
また、ガス分離層を原料ガスの気相反応(CVD法)で成膜する方法も知られている(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2のガス分離材は、α−アルミナ多孔質体の表面にガス分離層を形成するにあたり、シリカ前駆体ガスの存在下で酸素ガスをα−アルミナ多孔質体に通気し、当該α−アルミナ多孔質体を加熱してガス分離層としてのシリカ膜を形成するものである。 A method of forming a gas separation layer by a gas phase reaction (CVD method) of a source gas is also known (see, for example, Patent Document 2). In forming a gas separation layer on the surface of an α-alumina porous body, the gas separation material of Patent Document 2 vents oxygen gas through the α-alumina porous body in the presence of a silica precursor gas, The alumina porous body is heated to form a silica film as a gas separation layer.
ガス分離性能及びガス処理量に優れたガス分離膜を得るためには、適切な構造を備えた無機多孔質支持体を選択するとともに、当該無機多孔質支持体へのガス分離層の成膜法を工夫する必要がある。この点に関し、特許文献1のゾル−ゲル法を利用して得られるガス分離膜は、いわゆるディッピング法で製造されるため大掛かりな製造装置が不要であり、比較的簡単に実施できるものであるが、原料液を塗布する際に無機多孔質支持体に原料液が過剰に浸透し、その結果、無機多孔質支持体の細孔が閉塞してガス分離膜としての処理能力(ガス透過流量)が劣ることがあった。 In order to obtain a gas separation membrane having excellent gas separation performance and gas throughput, an inorganic porous support having an appropriate structure is selected, and a method for forming a gas separation layer on the inorganic porous support is selected. It is necessary to devise. In this regard, the gas separation membrane obtained by using the sol-gel method of Patent Document 1 is manufactured by a so-called dipping method, so that a large-scale manufacturing apparatus is unnecessary and can be implemented relatively easily. When the raw material liquid is applied, the raw material liquid permeates excessively into the inorganic porous support, and as a result, the pores of the inorganic porous support are clogged, resulting in a processing capability (gas permeation flow rate) as a gas separation membrane. It was inferior.
特許文献2のガス分離材は、CVD法によりガス分離膜を形成しているため、原料ガスが無機多孔質支持体の細孔の奥まで浸透し、その結果、通気度が低下する虞があった。また、CVD法では、原料ガスの反応場となる無機多孔質支持体の長さが一定以上になると、原料ガスの流入部から離れた位置での気相反応(成膜)が困難となる。そのような場合、無機多孔質支持体全体に均一な膜を形成することができず、ガス分離膜としての処理性能(ガス分離能)が不十分となることがあった。 Since the gas separation material of Patent Document 2 forms a gas separation membrane by the CVD method, the raw material gas may penetrate deep into the pores of the inorganic porous support, resulting in a decrease in air permeability. It was. Further, in the CVD method, when the length of the inorganic porous support serving as a reaction field of the source gas becomes a certain length or more, a gas phase reaction (film formation) at a position away from the inflow portion of the source gas becomes difficult. In such a case, a uniform membrane cannot be formed on the entire inorganic porous support, and the processing performance (gas separation capability) as a gas separation membrane may be insufficient.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガス分離性能及びガス処理量に優れた酸性ガス含有ガス処理用分離膜を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said problem, and it aims at providing the separation membrane for acidic gas containing gas processing excellent in gas separation performance and gas throughput.
上記課題を解決するための本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜の特徴構成は、
酸性ガス含有ガスから酸性ガスを分離する酸性ガス含有ガス処理用分離膜であって、
細孔径が互いに異なる複数の無機多孔質層を有する支持体と、
前記酸性ガスと親和性を有する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体と、
を備え、
前記支持体は、表面側に前記複数の無機多孔質層の中で細孔径が最小となる第一層が配置されており、当該第一層の細孔に前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体が中間層及び分離層として導入されていることにある。
The characteristic structure of the separation membrane for acid gas-containing gas treatment according to the present invention for solving the above problems is as follows:
An acid gas-containing gas treatment separation membrane for separating an acid gas from an acid gas-containing gas,
A support having a plurality of inorganic porous layers having different pore diameters;
A hydrocarbon group-containing polysiloxane network having an affinity for the acid gas;
With
In the support, a first layer having a minimum pore diameter among the plurality of inorganic porous layers is disposed on the surface side, and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is formed in the pores of the first layer. The body is introduced as an intermediate layer and a separation layer.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、ベースとなる支持体として、細孔径が互いに異なる複数の無機多孔質層を有するものを使用し、表面側に複数の無機多孔質層の中で細孔径が最小となる第一層を配置することで、支持体に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を導入する際に、その原材料となるシランアルコキシド溶液が支持体に過剰に浸透することがない。その結果、生成した酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、十分な通気性が確保され、処理能力(ガス透過流量)が高いものとなる。また、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、支持体の表面側の第一層の細孔に中間層及び分離層として導入されるため、処理対象の酸性ガス含有ガスが炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体と効率よく接触する。その結果、酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、優れた処理性能(ガス分離能)を発揮することができる。 According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, a support having a plurality of inorganic porous layers having different pore diameters is used as a base, and a plurality of inorganic porous layers are formed on the surface side. When the hydrocarbon layer-containing polysiloxane network structure is introduced into the support by disposing the first layer having the smallest pore diameter, the raw material silane alkoxide solution permeates the support excessively. There is nothing. As a result, the generated separation membrane for acid gas-containing gas treatment has sufficient air permeability and high treatment capacity (gas permeation flow rate). Further, since the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is introduced into the pores of the first layer on the surface side of the support as an intermediate layer and a separation layer, the acidic gas-containing gas to be treated is a hydrocarbon group-containing polysiloxane. Efficient contact with the siloxane network. As a result, the acidic gas-containing gas treatment separation membrane can exhibit excellent treatment performance (gas separation ability).
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記支持体において、前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、前記第一層以外の層の細孔には導入されていないことが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
In the support, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is preferably not introduced into the pores of layers other than the first layer.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、第一層以外の層の細孔には導入されていないことで、支持体の表面付近のみに留まっているため、処理対象の酸性ガス含有ガスが炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体と接触した後は、速やかに無機多孔質支持体を通って外部に排出される。その結果、酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、優れたガス透過流量とガス分離能とを両立することができる。 According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is not introduced into the pores of the layers other than the first layer, so that only near the surface of the support. Therefore, after the acidic gas-containing gas to be treated comes into contact with the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure, it is quickly discharged outside through the inorganic porous support. As a result, the acidic gas-containing gas treatment separation membrane can achieve both excellent gas permeation flow rate and gas separation ability.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記支持体において、前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、前記第一層の細孔の開口位置より内側に導入されていることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
In the support, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is preferably introduced inward from the opening positions of the pores of the first layer.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、第一層の細孔の開口位置より内側に導入されていることで、中間層及び分離層は当該細孔の内部に完全に納まる。従って、支持体への炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の導入量が最小限であっても、酸性ガス含有ガスは略全ての炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体と接触しながら細孔を通過し、最大限の処理効率を実現することが可能となる。 According to the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of this configuration, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is introduced inside the opening positions of the pores of the first layer, so that the intermediate layer and the separation layer Completely fits inside the pore. Therefore, even if the introduction amount of the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure to the support is minimal, the acid gas-containing gas does not form pores while being in contact with almost all the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure. It is possible to achieve maximum processing efficiency.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記支持体において、前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、炭化水素基含有トリアルコキシシランとテトラアルコキシシランとの反応物として構成されていることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
In the support, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is preferably configured as a reaction product of a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane and tetraalkoxysilane.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の原材料として適切なアルコキシシランを使用しているため、酸性ガスの分離能に優れたガス分離膜となる。 According to the separation membrane for acid gas-containing gas treatment of this configuration, since an appropriate alkoxysilane is used as a raw material for the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure, a gas separation membrane having excellent acid gas separation performance and Become.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記支持体において、前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、前記酸性ガスと親和性を有する金属塩を含むことが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
In the support, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure preferably includes a metal salt having an affinity for the acidic gas.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、酸性ガス含有ガスに含まれる酸性ガスが金属塩に誘引されるため、ガス分離膜の分離能をさらに高めることができる。 According to the separation membrane for treating an acidic gas-containing gas of this configuration, the acidic gas contained in the acidic gas-containing gas is attracted to the metal salt, so that the separation performance of the gas separation membrane can be further enhanced.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記第一層の細孔径は、120〜200nmであることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The pore diameter of the first layer is preferably 120 to 200 nm.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、第一層の細孔径が120〜200nmであることにより、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の原材料となるシランアルコキシド溶液は支持体の表面付近に留まり、その結果、薄くて均一な炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体からなる中間層及び分離層として支持体に形成される。このような酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、ガス分離能がさらに高まったものとなる。 According to the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of this configuration, when the pore diameter of the first layer is 120 to 200 nm, the silane alkoxide solution serving as the raw material of the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is It remains in the vicinity of the surface, and as a result, a thin and uniform hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is formed on the support as an intermediate layer and a separation layer. Such an acid gas-containing gas treatment separation membrane has a further improved gas separation ability.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記第一層の下方に位置する層の細孔径は、1〜1.7μmであることが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The pore diameter of the layer positioned below the first layer is preferably 1 to 1.7 μm.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、第一層の下方に位置する層の細孔径が1〜1.7μmであることにより、ガス分離膜のガス透過流量をより高く維持することができる。また、第一層の下方に位置する層の細孔径が第一層の細孔径より十分に大きいため、処理対象の酸性ガス含有ガスを通気させたときの圧損が小さく、酸性ガス含有ガス処理用分離膜の長寿命化につながる。 According to the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of this configuration, the gas permeation flow rate of the gas separation membrane is kept higher by the pore diameter of the layer located below the first layer being 1 to 1.7 μm. be able to. Moreover, since the pore diameter of the layer located below the first layer is sufficiently larger than the pore diameter of the first layer, the pressure loss when the acid gas-containing gas to be treated is vented is small, and the gas for gas treatment This will increase the life of the separation membrane.
本発明に係る酸性ガス含有ガス処理用分離膜において、
前記支持体は、50mm以上の有効長を有することが好ましい。
In the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention,
The support preferably has an effective length of 50 mm or more.
本構成の酸性ガス含有ガス処理用分離膜によれば、支持体の有効長が50mm以上であっても、支持体全体の表面付近に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体が均一に導入される。その結果、酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、優れたガス透過流量とガス分離能とを両立することができる。 According to the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of this configuration, even if the effective length of the support is 50 mm or more, the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is uniformly introduced near the entire surface of the support. . As a result, the acidic gas-containing gas treatment separation membrane can achieve both excellent gas permeation flow rate and gas separation ability.
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、酸性ガスとメタンガス及び/又は窒素ガスとを含有する混合ガス(以下、「酸性ガス含有ガス」と称する場合がある。)を処理対象とするものであるが、本明細書では、酸性ガスとメタンガスとの混合ガスを例に挙げて説明する。ここで、酸性ガスとは、水に溶解したときに酸性を示すガスであり、二酸化炭素や硫化水素等が例示される。本明細書では、特に、酸性ガスとして二酸化炭素を想定し、以降の説明を行う。従って、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜として説明する。ただし、メタンガスを分離するメタンガス分離膜、窒素ガスを分離する窒素ガス分離膜、あるいは二酸化炭素とメタンガス及び/又は窒素ガスとを同時に分離可能な二酸化炭素/(メタンガス及び/又は窒素ガス)分離膜として構成することも可能である。以後、酸性ガス含有ガス処理用分離膜を、単純に「分離膜」と称する場合がある。なお、本発明は、以下に説明する構成に限定されることを意図しない。 The separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of the present invention uses a mixed gas containing acid gas and methane gas and / or nitrogen gas (hereinafter sometimes referred to as “acid gas-containing gas”) as a treatment target. However, in this specification, a mixed gas of acid gas and methane gas will be described as an example. Here, the acidic gas is a gas that shows acidity when dissolved in water, and examples thereof include carbon dioxide and hydrogen sulfide. In the present specification, carbon dioxide is assumed as the acidic gas, and the following description will be given. Accordingly, the acidic gas-containing gas treatment separation membrane of the present invention will be described as a carbon dioxide separation membrane for separating carbon dioxide. However, as a methane gas separation membrane for separating methane gas, a nitrogen gas separation membrane for separating nitrogen gas, or a carbon dioxide / (methane gas and / or nitrogen gas) separation membrane capable of simultaneously separating carbon dioxide and methane gas and / or nitrogen gas. It is also possible to configure. Hereinafter, the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas may be simply referred to as “separation membrane”. Note that the present invention is not intended to be limited to the configurations described below.
<酸性ガス含有ガス処理用分離膜>
図1は、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の模式図である。図1(a)は、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の全体を示し、図1(b)は、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の断面の一部を示している。酸性ガス含有ガス処理用分離膜100は、ベースとなる無機多孔質支持体10と、酸性ガスと親和性を有する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20とを備えている。
<Separation membrane for acid gas containing gas treatment>
FIG. 1 is a schematic diagram of an acid gas-containing gas
〔無機多孔質支持体〕
無機多孔質支持体10は、細孔径が互いに異なる複数の無機多孔質層から構成されている。図1には、表面側に位置する第一層11と、第一層11の下方に位置する第二層12とを含む無機多孔質支持体10が示されている。なお、図1(b)に示す第一層11及び第二層12のサイズは、説明の便宜のため誇張して示してあり、実際の構造物の縮尺をそのまま反映したものではない。本発明で使用する無機多孔質支持体10は、少なくとも二層構造を有するものであればよい。第一層11の細孔径(図中のD1)は、ナノオーダーに設定され、120〜200nmが好ましい。第一層11の厚み(図中のA1)は、10〜80μmが好ましい。第一層11の細孔径及び厚みが上記の範囲であれば、無機多孔質支持体10を作製する際に、後述する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20の原材料となるシランアルコキシド溶液が無機多孔質支持体10の表面付近に留まり、薄くて均一な中間層及び分離層を備えた酸性ガス含有ガス処理用分離膜100を得ることができる。第二層12の細孔径(図中のD2)は、ミクロンオーダーに設定され、1〜1.7μmが好ましい。第二層12の厚み(図中のA2)は、1〜2mmが好ましい。第二層12の細孔径及び厚みが上記の範囲であれば、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100のガス透過流量を大きく維持することができる。また、第二層12の細孔径は、第一層11の細孔径より十分に大きいため、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100に処理対象の酸性ガス含有ガスを通気させたときの圧損を小さくすることができ、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の長寿命化につながる。
[Inorganic porous support]
The inorganic
無機多孔質支持体10の第一層11及び第二層12は、例えば、シリカ系セラミックス、シリカ系ガラス、アルミナ系セラミックス、ステンレス、チタン、銀等の材料で構成される。これらのうち、アルミナ系セラミックスは、耐熱性に優れ、加工が容易であり、コスト的にも比較的安価であるため、無機多孔質支持体10の材料として適している。無機多孔質支持体10には、ガスが流入する流入部と、ガスが流出する流出部とが設けられる。例えば、ガス流入部は無機多孔質支持体の外表面10aであり、ガス流出部は無機多孔質支持体の一端側に設けられた開口部10bである。無機多孔質支持体10の一端側に設けられた開口部10bをガス流入部とし、無機多孔質支持体10の外表面10aをガス流出部とすることも可能である。無機多孔質支持体10の外表面10aには無数の細孔11aが形成されており、当該細孔11aを介して無機多孔質支持体10の外部と内部との間でガスが通流することができる。ここで、無機多孔質支持体10の外表面10aのうち、ガスが通流可能な部位の管軸方向の長さを有効長とすると、無機多孔質支持体10の有効長は、50mm以上に設定することが好ましい。
The first layer 11 and the
無機多孔質支持体10の構成例としては、内部にガス流路が設けられた円筒構造、円管構造、チューブラー構造、スパイラル構造、一本のエレメントにレンコンの穴のように多数の流路が設けられたモノリス構造、内部に複雑に入り組んだ連続孔が形成された連通構造、多孔質体を柱形に成形した中実多孔質構造、多孔質体を筒形に成形した中空多孔質構造、ハニカム構造体を管状に並べたハニカム構造などが挙げられる。また、無機多孔質材料で構成される中実の平板体やバルク体を用意し、その一部を刳り抜いてガス流路を形成することで、無機多孔質支持体10を構成することも可能である。
Examples of the configuration of the inorganic
〔炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体〕
炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20は、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部において、中間層21及び分離層22を形成している。ここで、中間層21及び分離層22は、夫々が必ずしも層状の形態で存在するものとは限らない。例えば、第一層11の細孔11aの内部において、中間層21及び分離層22が略均等に混ざり合っている状態や、中間層21又は分離層22の一方が他方よりも多く存在し、一方の層中に他方が点在しているような状態も、本明細書では中間層21及び分離層22として取り扱う。
[Hydrocarbon group-containing polysiloxane network]
The hydrocarbon group-containing
炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20は、図1(b)に示すように、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの開口位置より内側に導入されているが、第二層12の細孔12aには導入されていない。すなわち、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20は、無機多孔質支持体10のうち第一層11の内部のみで中間層21及び分離層22として形成されている。このような酸性ガス含有ガス処理用分離膜100は、無機多孔質支持体10への炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20の導入量を最小限としながら、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100に酸性ガス含有ガスを通過させると、酸性ガス含有ガスは第一層11において略全ての炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20と接触しながら細孔11aを通過し、第一層11で酸性ガスが分離された後のガスがさらに第二層12の細孔12aを通過することで、最大限の処理効率を実現することができる。また、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜100では、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20が無機多孔質支持体10の表面付近のみに留まっているため、処理対象の酸性ガス含有ガスが炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20と接触した後は、速やかに無機多孔質支持体10を通って外部に排出される。その結果、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100は、優れたガス透過流量とガス分離能とを両立することができる。以下、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20を構成する中間層21及び分離層22について説明する。
The hydrocarbon group-containing
中間層21は、主に、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内表面を安定化させ、後述の分離層22を導入し易くするために設けられる。例えば、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aのサイズが比較的大きい場合、当該無機多孔質支持体10の表面に分離層22の形成材料を含む混合液(ゾル)を直接塗布すると、混合液が細孔11aの内部に過剰に浸透して無機多孔質支持体10の表面近傍に留まらず、成膜が難しくなることがある。そこで、無機多孔質支持体10に中間層21を設けておくことで、細孔11aの入口が中間層21によって狭められ、混合液の塗布が容易になる。また、中間層21によって無機多孔質支持体10の細孔11aの内表面が均等化されるため、その後に導入する分離層22の剥離やひび割れを抑制することができる。
The
中間層21は、シラン化合物を含むように構成される。本実施形態の中間層21は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランのゾル−ゲル反応によって得られる。
The
テトラアルコキシシランは、下記の式(1)で表される四官能性アルコキシシランである。 Tetraalkoxysilane is a tetrafunctional alkoxysilane represented by the following formula (1).
好ましいテトラアルコキシシランは、式(1)において、R1〜R4が同一のメチル基であるテトラメトキシシラン(TMOS)又は同一のエチル基であるテトラエトキシシラン(TEOS)である。 A preferred tetraalkoxysilane in formula (1) is tetramethoxysilane (TMOS) in which R 1 to R 4 are the same methyl group or tetraethoxysilane (TEOS) in which the same ethyl group is used.
炭化水素基を含有する炭化水素基含有トリアルコキシシランは、下記の式(2)で表される三官能性アルコキシシランである。 The hydrocarbon group-containing trialkoxysilane containing a hydrocarbon group is a trifunctional alkoxysilane represented by the following formula (2).
好ましい炭化水素基含有トリアルコキシシランは、式(2)において、R6〜R8が同一のメチル基であるトリメトキシシラン又は同一のエチル基であるトリエトキシシランのSi原子に炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものである。例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシランが挙げられる。 A preferred hydrocarbon group-containing trialkoxysilane is represented by the formula (2), in which R 6 to R 8 are trimethoxysilane having the same methyl group or triethoxysilane having the same ethyl group to the Si atom of 1 to 6 carbon atoms. In which an alkyl group or a phenyl group is bonded. For example, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, pentyltrimethoxysilane, pentyltriethoxy Examples include silane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, and phenyltriethoxysilane.
式(1)のテトラアルコキシシランと、式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランとをゾル−ゲル反応させると、例えば、下記の式(3)で表される分子構造を有する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体が得られる。 When a tetraalkoxysilane of the formula (1) and a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane of the formula (2) are subjected to a sol-gel reaction, for example, a hydrocarbon group having a molecular structure represented by the following formula (3) A containing polysiloxane network structure is obtained.
式(3)の炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の原材料の一つである式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランは、R5の違いにより特性が異なる。例えば、メチルトリメトキシシラン又はメチルトリエトキシシラン(炭化水素基の炭素数が1のもの)は主に二酸化炭素に対して親和性を有し、トリメトキシシラン又はトリエトキシシランのSi原子に炭素数2〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したもの(炭化水素基の炭素数が2〜6のもの)は主にメタンガスに対して親和性を有する。そして、式(1)のテトラアルコキシシランと、式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランとの反応から、式(3)の炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を合成するにあたり、テトラアルコキシシラン(これをAとする)と、炭化水素基含有トリアルコキシシラン(これをBとする)とを最適な配合比率に設定すると、二酸化炭素又はメタンガスの分離性能に優れた分離膜を形成することが可能となる。 The hydrocarbon group-containing trialkoxysilane of formula (2), which is one of the raw materials of the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure of formula (3), has different characteristics depending on the difference in R 5 . For example, methyltrimethoxysilane or methyltriethoxysilane (having a hydrocarbon group with 1 carbon atom) has an affinity mainly for carbon dioxide, and the number of carbon atoms in the Si atom of trimethoxysilane or triethoxysilane Those having 2 to 6 alkyl groups or phenyl groups bonded thereto (hydrocarbon groups having 2 to 6 carbon atoms) mainly have affinity for methane gas. In synthesizing the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure of the formula (3) from the reaction between the tetraalkoxysilane of the formula (1) and the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane of the formula (2), the tetraalkoxy is synthesized. When silane (referred to as A) and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane (referred to as B) are set to an optimum blending ratio, a separation membrane excellent in carbon dioxide or methane gas separation performance is formed. Is possible.
細孔11aに中間層21を導入するにあたっては、テトラアルコキシシラン(A1)と炭化水素基含有トリアルコキシシラン(B1)との配合比率(A1/B1)が重量比で30/70〜99.9/0.1、好ましくは60/40〜99.9/0.1となるように、式(1)のテトラアルコキシシランと、式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランとを配合する。この場合、中間層21は、炭化水素基含有トリアルコキシシランに由来する炭化水素基を含有するため、一般的な網目構造体よりも柔軟性を有するものとなり、テトラアルコキシシランによってある程度の剛性を維持しながら、全体の柔軟性やフレキシブル性を向上させることができる。その結果、中間層21が安定化し、後述する分離層22の成膜性が良好なものとなる。式(3)の炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、ポリシロキサンネットワーク構造中に炭化水素基R5が存在しており、ある種の有機−無機複合体を形成している。なお、中間層21は、後述の分離層22と同様に炭化水素基を含むため、二酸化炭素を選択的に誘引する能力も有している。
In introducing the
分離層22は、主に、二酸化炭素とメタンガス及び/又は窒素ガスとを含む混合ガスから、二酸化炭素を選択的に誘引して分離する機能を有する。分離層22は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランのゾル−ゲル反応によって得られる。
The
テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランは、中間層21の導入に使用する上述の式(1)で表されるテトラアルコキシシラン、及び式(2)で表される炭化水素基含有トリアルコキシシランと同様のものを使用できる。好ましいテトラアルコキシシランは、中間層と同様であり、式(1)において、R1〜R4が同一のメチル基であるテトラメトキシシラン(TMOS)又は同一のエチル基であるテトラエトキシシラン(TEOS)である。好ましい炭化水素基含有トリアルコキシシランについても、中間層21と同様であり、式(2)において、R6〜R8が同一のメチル基であるトリメトキシシラン又は同一のエチル基であるトリエトキシシランのSi原子に炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基が結合したものである。
The tetraalkoxysilane and the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane are the tetraalkoxysilane represented by the above formula (1) and the hydrocarbon group-containing trialkoxy represented by the formula (2) used for introducing the
分離層22においても、式(1)のテトラアルコキシシランと、式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランとをゾル−ゲル反応させることにより、前述した式(3)で表される分子構造を有する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体が得られる。細孔11aに分離層22を導入するにあたっては、テトラアルコキシシラン(A2)と炭化水素基含有トリアルコキシシラン(B2)との配合比率(A2/B2)が重量比で0/100〜70/30、好ましくは40/60〜70/30となるように、式(1)のテトラアルコキシシランと、式(2)の炭化水素基含有トリアルコキシシランとを配合する。さらに、中間層21及び分離層22の導入に際しては、中間層導入時の上記配合比率(A1/B1)が分離層導入時の上記配合比率(A2/B2)より大きくなるように、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランを配合する。この場合、分離層22の方が中間層21よりも炭化水素基含有トリアルコキシシランに由来する炭化水素基を多く含有するため、混合ガス中の酸性ガスが選択的に分離層22に誘引され、混合ガスからの酸性ガスの分離を効率よく行うことができる。
Also in the
上記式(3)の炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体には、二酸化炭素と親和性を有する金属塩を添加することが好ましい。これにより、分離層22に上記金属塩が含まれることとなり、分離膜22の分離性能をさらに高めることができる。なお、金属塩は、中間層21に添加することも勿論可能である。金属塩としては、Li、Na、K、Cs、Mg、Ca、Ni、Fe、及びAlからなる群から選択される少なくとも一種の金属の酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、ホウ酸塩、又はリン酸塩が挙げられる。これらのうち、硝酸マグネシウム又は酢酸マグネシウムが好ましい。硝酸マグネシウム等を初めとする上記金属塩は、二酸化炭素との親和性が良好であるため、二酸化炭素の分離効率向上に有効となる。炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20への金属塩の添加は、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の原材料に金属塩を予め混合しておくことが簡便であるが、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20を導入した無機多孔質支持体10を、金属塩を含む水溶液に浸漬し、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体20の内部に金属塩を単独又は他の物質とともに含浸させる含浸法により行うことも可能である。
It is preferable to add a metal salt having an affinity for carbon dioxide to the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure of the above formula (3). Thereby, the said metal salt is contained in the
<酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法>
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜100は、以下の工程(a)〜(e)によって製造される。
<Method for producing separation membrane for treatment of acid gas-containing gas>
The acidic gas-containing gas
(a)準備工程
準備工程として、テトラアルコキシシラン(A1)と炭化水素基含有トリアルコキシシラン(B1)との配合比率(A1/B1)が重量比で30/70〜99.9/0.1に調整されたアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒を混合した第一混合液を調製する。第一混合液は、次工程の「第一塗布工程」において使用されるものである。アルコキシシラン(テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシラン)、酸触媒、水、並びに有機溶媒の夫々の配合量は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランの合計量1モルに対して、酸触媒0.001〜0.1モル、水0.5〜60モル、有機溶媒5〜60モルに調整することが好ましい。酸触媒の配合量が0.001モルより少ない場合、加水分解速度が小さくなり、分離膜の製造に要する時間が長くなる。酸触媒の配合量が0.1モルより多い場合、加水分解速度が過大となり、均一な分離膜が得られ難くなる。水の配合量が0.5モルより少ない場合、加水分解反応を伴うゾルーゲル反応生成物が十分に成長しない。水の配合量が60モルより多い場合、成膜性が悪化する。有機溶媒の配合量が5モルより少ない場合、第一混合液の濃度が高くなり、緻密で均一な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒の配合量が60モルより多い場合、第一混合液の濃度が低くなり、混合液のコーティング回数(工程数)が増加して生産効率が低下する。酸触媒としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸等が使用される。これらのうち、硝酸又は塩酸が好ましい。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ベンゼン、トルエン等が使用される。これらのうち、メタノール又はエタノールが好ましい。
(A) Preparatory process As a preparatory process, the compounding ratio (A1 / B1) of tetraalkoxysilane (A1) and hydrocarbon group containing trialkoxysilane (B1) is 30 / 70-99.9 / 0.1 by weight ratio. A first mixed solution is prepared by mixing the alkoxysilane, acid catalyst, water, and organic solvent prepared in the above step. The first liquid mixture is used in the “first coating step” of the next step. Each compounding amount of alkoxysilane (tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane), acid catalyst, water, and organic solvent is based on 1 mol of the total amount of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. The acid catalyst is preferably adjusted to 0.001 to 0.1 mol, water 0.5 to 60 mol, and organic solvent 5 to 60 mol. When the compounding amount of the acid catalyst is less than 0.001 mol, the hydrolysis rate becomes low and the time required for producing the separation membrane becomes long. When the compounding amount of the acid catalyst is more than 0.1 mol, the hydrolysis rate becomes excessive, and it becomes difficult to obtain a uniform separation membrane. When the amount of water is less than 0.5 mol, a sol-gel reaction product accompanied by a hydrolysis reaction does not grow sufficiently. When the amount of water is more than 60 mol, the film formability is deteriorated. When the blending amount of the organic solvent is less than 5 mol, the concentration of the first mixed solution becomes high and it becomes difficult to obtain a dense and uniform separation membrane. When the blending amount of the organic solvent is more than 60 mol, the concentration of the first mixed solution is lowered, the number of coating times (number of steps) of the mixed solution is increased, and the production efficiency is lowered. As the acid catalyst, for example, nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid and the like are used. Of these, nitric acid or hydrochloric acid is preferred. As the organic solvent, for example, methanol, ethanol, propanol, butanol, benzene, toluene and the like are used. Of these, methanol or ethanol is preferred.
第一混合液を調製すると、先ず、テトラアルコキシシランが加水分解及び重縮合を繰り返すゾル−ゲル反応が開始する。テトラアルコキシシランは、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。例えば、テトラアルコキシシランの一例としてテトラエトキシシラン(TEOS)を使用した場合、ゾル−ゲル反応は下記のスキーム1のように進行すると考えられる。なお、このスキーム1は、ゾル−ゲル反応の進行を表す一つのモデルであり、実際の分子構造をそのまま反映しているとは限らない。 When the first mixed solution is prepared, first, a sol-gel reaction in which tetraalkoxysilane repeats hydrolysis and polycondensation starts. As the tetraalkoxysilane, those described in the above-mentioned item “Separation membrane for treatment of acid gas-containing gas” can be used. For example, when tetraethoxysilane (TEOS) is used as an example of tetraalkoxysilane, the sol-gel reaction is considered to proceed as shown in Scheme 1 below. This scheme 1 is one model representing the progress of the sol-gel reaction, and does not always reflect the actual molecular structure as it is.
次に、シロキサンオリゴマーと炭化水素基含有トリアルコキシシランとの反応が開始する。炭化水素基含有トリアルコキシシランは、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。例えば、炭化水素基含有トリアルコキシシランの一例としてメチルトリエトキシシランを使用した場合、反応は下記のスキーム2のように進行すると考えられる。なお、このスキーム2は、反応の進行を表す一つのモデルであり、実際の分子構造をそのまま反映しているとは限らない。 Next, the reaction between the siloxane oligomer and the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane starts. As the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, those described in the item “Separation membrane for gas treatment containing acid gas” described above can be used. For example, when methyltriethoxysilane is used as an example of a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane, the reaction is considered to proceed as shown in Scheme 2 below. Note that Scheme 2 is a model representing the progress of the reaction, and does not necessarily reflect the actual molecular structure as it is.
準備工程では、上記の第一混合液とは別に、テトラアルコキシシラン(A2)と炭化水素基含有トリアルコキシシラン(B2)との配合比率(A2/B2)が重量比で0/100〜70/30に調整されたアルコキシシラン、酸触媒、水、及び有機溶媒を混合した第二混合液をさらに調製する。第二混合液は、後述の「第二塗布工程」において使用されるものである。アルコキシシラン(テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシラン)、酸触媒、水、並びに有機溶媒の夫々の配合量は、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランの合計量1モルに対して、酸触媒0.005〜0.1モル、水0.017〜3モル、有機溶媒5〜60モルに調整することが好ましい。酸触媒の配合量が0.005モルより少ない場合、加水分解速度が小さくなり、分離膜の製造に要する時間が長くなる。酸触媒の配合量が0.1モルより多い場合、加水分解速度が過大となり、均一な分離膜が得られ難くなる。水の配合量は、第一混合液よりも少なく設定されるが、水の配合量が0.017モルより少ない場合、加水分解速度が小さくなり、後述のゾル−ゲル反応が十分に進行しない。水の配合量が3モルより多い場合、緻密で均一な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒の配合量が5モルより少ない場合、第二混合液の濃度が高くなり、緻密で均一な分離膜が得られ難くなる。有機溶媒の配合量が60モルより多い場合、第二混合液の濃度が低くなり、混合液のコーティング回数(工程数)が増加して生産効率が低下する。酸触媒及び有機溶媒は、第一混合液と同様のものを使用することができる。第二混合液を調製する際、二酸化炭素と親和性を有する金属塩を配合することも可能である。金属塩の配合量は、上記の配合条件の場合、0.01〜0.3モルに調整される。二酸化炭素と親和性を有する金属塩としては、上述の「酸性ガス含有ガス処理用分離膜」の項目で説明したものを使用することができる。金属塩を添加する場合は、ゾル−ゲル反応時にポリシロキサンに取り込まれた金属塩はポリシロキサン結合中に略均等に分散すると考えられる。 In the preparation step, the blending ratio (A2 / B2) of the tetraalkoxysilane (A2) and the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane (B2) is 0/100 to 70 / weight ratio in addition to the first mixed liquid. A second mixed solution obtained by mixing alkoxysilane adjusted to 30 with an acid catalyst, water, and an organic solvent is further prepared. A 2nd liquid mixture is used in the below-mentioned "2nd application | coating process." Each compounding amount of alkoxysilane (tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane), acid catalyst, water, and organic solvent is based on 1 mol of the total amount of tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. The acid catalyst is preferably adjusted to 0.005 to 0.1 mol, water 0.017 to 3 mol, and organic solvent 5 to 60 mol. When the compounding amount of the acid catalyst is less than 0.005 mol, the hydrolysis rate becomes low and the time required for producing the separation membrane becomes long. When the compounding amount of the acid catalyst is more than 0.1 mol, the hydrolysis rate becomes excessive, and it becomes difficult to obtain a uniform separation membrane. The blending amount of water is set to be smaller than that of the first mixed solution, but when the blending amount of water is less than 0.017 mol, the hydrolysis rate becomes small and the sol-gel reaction described later does not proceed sufficiently. When the amount of water is more than 3 mol, it becomes difficult to obtain a dense and uniform separation membrane. When the blending amount of the organic solvent is less than 5 mol, the concentration of the second mixed solution becomes high and it becomes difficult to obtain a dense and uniform separation membrane. When the blending amount of the organic solvent is more than 60 mol, the concentration of the second mixed solution is lowered, the number of coating times (number of steps) of the mixed solution is increased, and the production efficiency is lowered. As the acid catalyst and the organic solvent, those similar to the first mixed liquid can be used. When preparing the second mixed solution, a metal salt having an affinity for carbon dioxide can be blended. The compounding amount of the metal salt is adjusted to 0.01 to 0.3 mol in the above compounding conditions. As the metal salt having an affinity for carbon dioxide, those described in the above item “Separation membrane for treatment of acid gas-containing gas” can be used. When a metal salt is added, it is considered that the metal salt taken into the polysiloxane during the sol-gel reaction is dispersed substantially evenly in the polysiloxane bond.
なお、第一混合液及び第二混合液を調製するにあたっては、第一混合液調製時の上記配合比率(A1/B1)が第二混合液調製時の上記配合比率(A2/B2)より大きくなるように、テトラアルコキシシラン及び炭化水素基含有トリアルコキシシランを配合する。このような配合とすれば、最終的に得られる分離膜は、分離層の方が中間層よりも炭化水素基含有トリアルコキシシランに由来する炭化水素基を多く含有することになるため、酸性ガスの分離性能と成膜性とのバランスが良好なものとなる。 In preparing the first mixed liquid and the second mixed liquid, the blending ratio (A1 / B1) at the time of preparing the first mixed liquid is larger than the blending ratio (A2 / B2) at the time of preparing the second mixed liquid. Thus, tetraalkoxysilane and hydrocarbon group-containing trialkoxysilane are blended. With such a composition, the separation membrane finally obtained contains more hydrocarbon groups derived from the hydrocarbon group-containing trialkoxysilane in the separation layer than in the intermediate layer. The balance between the separation performance and the film formability is good.
第二混合液の反応は、上述のスキーム1及びスキーム2と同様である。第二混合液中で進行する加水分解反応を「第二加水分解反応」とする。ここで、第一加水分解反応と第二加水分解反応とを比較すると、第一混合液に含まれる水の量は第二混合液に含まれる水の量より多く設定されているため、第一加水分解反応は第二の加水分解反応より加水分解速度が大きいものとなる。加水分解速度が大きくなると、ゾル−ゲル反応によって得られる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体の高分子化が進行し、無機多孔質支持体10の細孔11aの内表面を安定化させることができる。
The reaction of the second mixed solution is the same as in the above-described scheme 1 and scheme 2. The hydrolysis reaction that proceeds in the second mixed solution is referred to as “second hydrolysis reaction”. Here, when the first hydrolysis reaction and the second hydrolysis reaction are compared, the amount of water contained in the first mixed solution is set to be greater than the amount of water contained in the second mixed solution. The hydrolysis reaction has a higher hydrolysis rate than the second hydrolysis reaction. When the hydrolysis rate increases, the polymerization of the hydrocarbon group-containing polysiloxane network obtained by the sol-gel reaction proceeds, and the inner surface of the
以上のように準備工程が行われるが、第一混合液の調製においては、水を複数回に分けて混合することが好ましい。この場合、第一加水分解反応を確実に進行させることができるため、無機多孔質支持体10の細孔11aの内表面をより安定化させることができる。また、第一混合液及び第二混合液の調製においては、酸触媒を複数回に分けて混合したり、加水分解し易い炭化水素基含有トリアルコキシシランを最後に混合する等の工夫を行うことが好ましい。例えば、混合液のpHが常に0.8〜2.5の範囲に収まるように、組成を調製する。この場合、混合液のpHが大きく変動しないため、炭化水素基含有トリアルコキシシランの加水分解が急激に進行せず、安定した状態でゾル−ゲル反応を進行させることができる。さらに、第一混合液の調製に使用する水の量をW1とし、第二混合液の調製に使用する水の量をW2としたとき、両者の比率(W1/W2)は、モル換算で10〜20に設定されることが好ましい。この場合、中間21層がより安定化し、分離層22のガス選択性及びガス透過性を向上させることができる。
Although the preparation step is performed as described above, in the preparation of the first mixed solution, it is preferable to mix water in a plurality of times. In this case, since a 1st hydrolysis reaction can be advanced reliably, the inner surface of the
(b)第一塗布工程
第一塗布工程として、準備工程で得られた第一混合液(微細化されたポリシロキサン網目構造体の懸濁液)を無機多孔質支持体10に塗布する。無機多孔質支持体10に第一混合液を塗布する方法は、例えば、ディッピング法、スプレー法、スピン法等が挙げられる。これらのうち、ディッピング法は、無機多孔質支持体10の外表面10aに混合液を均等且つ容易に塗布できるため、好ましい塗布方法である。ディッピング法の具体的な手順について説明する。
先ず、無機多孔質支持体10を第一混合液に浸漬する。浸漬時間は、無機多孔質支持体10に第一混合液が十分に付着するように5秒〜10分とすることが好ましい。浸漬時間が5秒より短いと十分な膜厚にならず、10分を超えると膜厚が大きくなり過ぎてしまう。次いで、第一混合液から無機多孔質支持体10を引き上げる。引き上げ速度は、0.1〜7mm/秒とすることが好ましい。引き上げ速度が0.1mm/秒より遅くなると十分な膜厚にならず、7mm/秒より速いと膜厚が大きくなり過ぎてしまう。次いで、引き上げた無機多孔質支持体10を乾燥させる。乾燥条件は、15〜40℃で0.5〜3時間とすることが好ましい。乾燥時間が0.5時間未満では十分な乾燥ができず、3時間を超えても乾燥状態は殆ど変化しない。乾燥が終わると、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部に微細化されたポリシロキサン網目構造体が付着したものが得られる。なお、無機多孔質支持体10の浸漬、引き上げ、乾燥の一連の手順を複数回繰り返すことにより、無機多孔質支持体10への微細化されたポリシロキサン網目構造体の付着量を増加させることができる。また、一連の手順を繰り返すことで、無機多孔質支持体10に第一混合液を均一に塗布することができるため、最終的に得られる酸性ガス含有ガス処理用分離膜100をより安定させることができる。
(B) First Application Step As the first application step, the first mixed liquid (suspension of the refined polysiloxane network structure) obtained in the preparation step is applied to the inorganic
First, the inorganic
(c)中間層形成工程
中間層形成工程として、第一塗布工程が完了した無機多孔質支持体10を熱処理し、当該無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部に微細化されたポリシロキサン網目構造体を固着又は融着させて炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を主材とした中間層21を形成する。熱処理は、例えば、焼成器等の加熱手段が用いられる。熱処理の具体的な手順について説明する。
先ず、無機多孔質支持体10を後述の熱処理温度に達するまで昇温する。昇温時間は、1〜24時間が好ましい。昇温時間が1時間より短いと急激な温度変化により均一な膜が得られ難く、24時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。昇温後、一定時間で熱処理(焼成)を行う。熱処理温度は、30〜300℃が好ましく、50〜200℃がより好ましい。熱処理温度が30℃より低いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、300℃より高いと高温の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理時間は、0.5〜6時間が好ましい。熱処理時間が0.5時間より短いと十分な熱処理を行えないため緻密な膜が得られず、6時間より長いと長時間の加熱により膜が劣化する虞がある。熱処理が終わったら、無機多孔質支持体10を室温まで冷却する。冷却時間は、5〜10時間が好ましい。冷却時間が5時間より短いと急激な温度変化により膜に亀裂や剥離が発生する虞があり、10時間より長いと膜が劣化する虞がある。冷却後の無機多孔質支持体の第一層11の細孔11aの内部には中間層21が形成される。ここで、中間層21の目付量は、1〜20g/m2に調整されることが好ましい。目付量が1g/m2未満の場合、中間層21が不足するため分離層22を安定化させることができない。目付量が20g/m2を超える場合、中間層21が過剰となるため細孔11aが閉塞する虞がある。なお、「中間層形成工程」の後、上述した「第一塗布工程」に戻り、第一塗布工程と中間層形成工程とをセットとして、これを複数回繰り返すと、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部に、より緻密で且つ均一な膜質の中間層21を形成することができる。
中間層21に含まれる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、炭化水素基含有トリアルコキシシランに由来する炭化水素基を含有するため、一般的な網目構造体よりも柔軟性を有するものとなる。このため、中間層21は、テトラアルコキシシランによってある程度の剛性を維持しながら、全体の柔軟性やフレキシブル性が向上したものとなる。中間層21の柔軟性が向上すると、中間層21の成膜性が向上する。これにより、中間層21のひび割れや剥がれが防止され、無機多孔質支持体10への分離層22の原材料液の浸み込み量が低減される。なお、中間層21は、炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体中に含まれる炭化水素基が酸性ガスを誘引するため、分離層22と同様に酸性ガスの分離性能もある程度有するものとなる。
(C) Intermediate layer forming step As the intermediate layer forming step, the inorganic
First, the inorganic
Since the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure contained in the
(d)第二塗布工程
第二塗布工程として、中間層形成工程によって中間層21が形成された無機多孔質支持体10に第二混合液(微細化されたポリシロキサン網目構造体の懸濁液)を塗布する。第二塗布工程で塗布される第二混合液は、中間層21を介して無機多孔質支持体10に塗布されるため、無機多孔質支持体10への第二混合液の過剰な浸み込みを抑えることができる。従って、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aが過度に塞がれることがなく、後述の分離層形成工程により完成した酸性ガス含有ガス処理用分離膜100に混合ガスを通過させた場合、ガス通過量(混合ガスの処理量)を維持することができる。また、無機多孔質支持体10に塗布する中間層21及び分離層22の形成材料(ゾル)の塗布量を低減することができるため、酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の製造コストの削減にも寄与し得る。第二混合液を塗布する方法及び条件は、第一塗布工程と同様である。第二塗布工程においても、第二混合液への無機多孔質支持体10の浸漬、引き上げ、乾燥の一連の手順を複数回繰り返すことにより、無機多孔質支持体10への微細化されたポリシロキサン網目構造体の付着量を増加させることができる。また、一連の手順を繰り返すことで、無機多孔質支持体10に第二混合液を均一に塗布することができるため、最終的に得られる酸性ガス含有ガス処理用分離膜100の分離性能をより向上させることができる。
(D) Second coating step As the second coating step, a second mixed liquid (a suspension of a refined polysiloxane network structure) is formed on the inorganic
(e)分離層形成工程
分離層形成工程として、第二塗布工程が完了した無機多孔質支持体10を熱処理し、当該無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部に微細化されたポリシロキサン網目構造体を固着又は融着させて炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を主材とした分離層22を形成する。熱処理の方法及び条件は、中間層形成工程と同様である。分離層22の目付量は、0.2〜1.5g/m2に調整されることが好ましい。目付量が0.2g/m2未満の場合、分離層22が不足するため十分なガス分離性能が得られない。目付量が1.5g/m2を超える場合、ガス透過率が低下する虞がある。なお、「分離層形成工程」の後、上述した「第二塗布工程」に戻り、第二塗布工程と分離層形成工程とをセットとして、これを複数回繰り返すと、無機多孔質支持体10の第一層11の細孔11aの内部に、より緻密で且つ均一な膜質の分離層22を形成することができる。
(E) Separation layer forming step As the separation layer forming step, the inorganic
以上の工程(a)〜(e)を実施することにより、第一層11の細孔11aの内部に中間層21及び分離層22が導入された本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜100が完成する。中間層21及び分離層22に夫々含まれる炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体は、テトラアルコキシシランと炭化水素基含有トリアルコキシシランとの配合比率が異なるのみで、同じ系統の材料で構成されたものであるから、互いに対して高い親和性を有している。従って、中間層21と分離層22との間で界面剥離やひび割れ等が発生せず、両者は強固に密着し、安定な酸性ガス含有ガス処理用分離膜100を構成することができる。
By carrying out the above steps (a) to (e), the
完成した酸性ガス含有ガス処理用分離膜100に、二酸化炭素等の酸性ガスとメタンガスとを含有する混合ガスを通過させると、分離層22の方が中間層21よりも炭化水素基含有トリアルコキシシランに由来する炭化水素基を多く含有しているため、混合ガス中の酸性ガスが選択的に分離層に誘引され、そのまま分離膜を透過する。その結果、混合ガス中のメタンガス成分が濃縮され、高濃度のメタンガスを効率的に得ることができる。濃縮されたメタンガスは、都市ガスの原料や、燃料電池に使用する水素の原料に利用することができる。なお、分離層がメタンガスを誘引するサイト(エチル基以上の炭素数を有する炭化水素基)を有する場合は、二酸化炭素とメタンガスとを含む混合ガスを通過させると、分離層にメタンガスが選択的に誘引され、メタンガスは細孔をそのまま透過する。従って、この場合は、分離膜を透過したメタンガスを回収し、これを都市ガスの原料や、燃料電池に使用する水素の原料に利用することができる。
When a mixed gas containing an acidic gas such as carbon dioxide and methane gas is passed through the completed
無機多孔質支持体として、細孔径が互いに異なる複数の無機多孔質層を有するアルミナ系セラミックス管状体(チューブラー構造体)を使用した(後述の表2に示す試験例1〜6)。アルミナ系セラミックス管状体に中間層形成用アルコキシド溶液(第一混合液)及び分離層形成用アルコキシド溶液を塗布して最外層である第一層の細孔内に炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体を導入した。中間層及び分離層の原材料は、テトラアルコキシシランとしてテトラエトキシシラン(信越化学工業株式会社製 信越シリコーンLS−2430)、炭化水素基含有トリアルコキシシランとしてメチルトリエトキシシラン(信越化学工業株式会社製 信越シリコーンLS−1890)、酸触媒として硝酸(和光純薬工業株式会社製 試薬特級 69.5%)、有機溶媒としてエタノール(和光純薬工業株式会社製 試薬特級 99.5%)を夫々使用した。 As the inorganic porous support, an alumina ceramic tubular body (tubular structure) having a plurality of inorganic porous layers having different pore diameters was used (Test Examples 1 to 6 shown in Table 2 described later). Applying an alkoxide solution for forming an intermediate layer (first mixed solution) and an alkoxide solution for forming a separation layer to an alumina-based ceramic tubular body, and a hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure in the pores of the first layer, which is the outermost layer Was introduced. The raw materials of the intermediate layer and the separation layer are tetraethoxysilane (Shin-Etsu Chemical LS-2430, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) as tetraalkoxysilane, and methyltriethoxysilane (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Shin-Etsu Chemical) as a hydrocarbon group-containing trialkoxysilane. Silicone LS-1890), nitric acid (reagent special grade 69.5%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as an acid catalyst, and ethanol (reagent special grade 99.5%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used as an organic solvent.
<第一混合液の調製>
硝酸0.007g、エタノール36.31g、水35.47gの混合液を30分間攪拌し、次いでテトラエトキシシラン8.21gを添加して2時間攪拌することにより、中間層形成用アルコキシド溶液(第一混合液)のベース液を作製した。ベース液のpHは3.85であった。ベース液に含まれる各成分のモル濃度比率は、テトラエトキシシランを1とした場合、硝酸が0.003、エタノールが20、水が50である。このベース液40gにメチルトリエトキシシランを添加し、これを2.5時間攪拌して中間層形成用アルコキシド液(第一混合液)を調製した。メチルトリエトキシシランの添加量(含有量)は、第一混合液に含まれるすべてのアルコキシシラン中のメチルトリエトキシシランの割合が0.5〜60重量%となるように設定した。従って、テトラエトキシシラン(A1)とメチルトリエトキシシラン(B1)との配合比率(A1/B1)は、重量比で40/60〜99.5/0.5となる。
<Preparation of the first mixture>
A mixed solution of 0.007 g of nitric acid, 36.31 g of ethanol and 35.47 g of water was stirred for 30 minutes, and then 8.21 g of tetraethoxysilane was added and stirred for 2 hours, whereby an alkoxide solution for forming an intermediate layer (first A base solution of (mixed solution) was prepared. The pH of the base solution was 3.85. The molar concentration ratio of each component contained in the base solution is 0.003 for nitric acid, 20 for ethanol, and 50 for water, assuming that tetraethoxysilane is 1. Methyltriethoxysilane was added to 40 g of this base solution, and this was stirred for 2.5 hours to prepare an alkoxide solution for forming an intermediate layer (first mixed solution). The addition amount (content) of methyltriethoxysilane was set such that the ratio of methyltriethoxysilane in all alkoxysilanes contained in the first mixed solution was 0.5 to 60% by weight. Therefore, the blending ratio (A1 / B1) of tetraethoxysilane (A1) and methyltriethoxysilane (B1) is 40/60 to 99.5 / 0.5 by weight.
<第二混合液の調製>
硝酸0.04g、エタノール63.16g、水2.47gの混合液を30分間攪拌し、次いでテトラエトキシシラン8.57gを添加して1時間攪拌し、次いでメチルトリエトキシシラン4.89gを添加して2.5時間攪拌し、次いで硝酸マグネシウム六水和物0.88gを添加して2時間攪拌することにより、分離層形成用アルコキシド溶液(第二混合液)を調製した。第二混合液のpHは1.59であった。第二混合液に含まれる各成分のモル濃度比率は、テトラエトキシシラン及びメチルトリエトキシシランの合計配合量を1とした場合、硝酸が0.01、エタノールが20、水が2、硝酸マグネシウム六水和物が0.05である。第二混合液に含まれるすべてのアルコキシシラン中のメチルトリエトキシシランの割合は、すべて一定の36重量%に設定した。従って、テトラエトキシシラン(A2)とメチルトリエトキシシラン(B2)との配合比率(A2/B2)は、重量比で64/36となる。
<Preparation of second mixed solution>
A mixed solution of 0.04 g of nitric acid, 63.16 g of ethanol and 2.47 g of water was stirred for 30 minutes, then 8.57 g of tetraethoxysilane was added and stirred for 1 hour, and then 4.89 g of methyltriethoxysilane was added. Then, 0.88 g of magnesium nitrate hexahydrate was added and the mixture was stirred for 2 hours to prepare an alkoxide solution for forming a separation layer (second mixed solution). The pH of the second mixed solution was 1.59. The molar concentration ratio of each component contained in the second liquid mixture is 0.01 for nitric acid, 20 for ethanol, 2 for water, 6 for magnesium nitrate, assuming that the total amount of tetraethoxysilane and methyltriethoxysilane is 1. Hydrate is 0.05. The proportion of methyltriethoxysilane in all alkoxysilanes contained in the second mixed solution was set to a constant 36% by weight. Therefore, the blending ratio (A2 / B2) of tetraethoxysilane (A2) and methyltriethoxysilane (B2) is 64/36 in weight ratio.
<中間層及び分離層の形成>
アルミナ系セラミックス管状体(有効長:800mm又は150mm)の表面に第一混合液をディッピング法によって塗布した。ディッピング法の引き上げ速度は5mm/sとし、引き上げ後は室温で1時間乾燥させた。第一混合液の塗布及び乾燥を2回繰り返した後、焼成器で熱処理を行った。熱処理条件は、室温(25℃)から150℃まで5時間かけて加熱し、150℃で2時間保持し、25℃まで5時間かけて冷却した。上記の作業(コーティング)を3回繰り返し、管状体の第一層の細孔に中間層を導入した。次に、中間層を導入した管状体に第二混合液をディッピング法によって塗布した。ディッピング法の引き上げ速度は1mm/sとし、引き上げ後は室温で1時間乾燥させた。第二混合液の塗布及び乾燥を2回繰り返した後、焼成器で熱処理を行った。熱処理条件は、室温(25℃)から150℃まで5時間かけて加熱し、150℃で2時間保持し、25℃まで5時間かけて冷却した。上記の作業(コーティング)を2回繰り返し、管状体の第一層の細孔にさらに分離層を導入した。上記の層形成工程において、各試験例の分離膜における中間層及び分離層はいずれも成膜性に問題はなかった。
<Formation of intermediate layer and separation layer>
The first mixed liquid was applied to the surface of an alumina-based ceramic tubular body (effective length: 800 mm or 150 mm) by a dipping method. The lifting speed of the dipping method was 5 mm / s, and after the lifting, the film was dried at room temperature for 1 hour. After the application and drying of the first mixed solution was repeated twice, heat treatment was performed in a calciner. The heat treatment was performed by heating from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. over 5 hours, holding at 150 ° C. for 2 hours, and cooling to 25 ° C. over 5 hours. The above operation (coating) was repeated three times to introduce an intermediate layer into the pores of the first layer of the tubular body. Next, the 2nd liquid mixture was apply | coated by the dipping method to the tubular body which introduce | transduced the intermediate | middle layer. The lifting speed of the dipping method was 1 mm / s, and after the lifting, the film was dried at room temperature for 1 hour. After the application and drying of the second mixed solution was repeated twice, heat treatment was performed in a calciner. The heat treatment was performed by heating from room temperature (25 ° C.) to 150 ° C. over 5 hours, holding at 150 ° C. for 2 hours, and cooling to 25 ° C. over 5 hours. The above operation (coating) was repeated twice, and a separation layer was further introduced into the pores of the first layer of the tubular body. In the above layer formation step, the intermediate layer and the separation layer in the separation membrane of each test example had no problem in film formability.
<分離膜の分析>
上記の工程により形成した分離膜について、核磁気共鳴吸収測定装置(NMR)により、中間層及び分離層の組成を求めた。本実施例では、管状体に形成された二層の中間層、及び一層の分離層の夫々について、29Si NMR法による構造解析を行った。そして、T単位(三官能性)及びQ単位(四官能性)のケミカルシフトをプロットしたチャートから、各層に含まれるメチルトリエトキシシラン(MTES)及びテトラエトキシシラン(TEOS)の比率(モル比)を算出した。分析結果を下記の表1に示す。
<Analysis of separation membrane>
About the separation membrane formed by said process, the composition of the intermediate | middle layer and the separation layer was calculated | required with the nuclear magnetic resonance absorption measuring apparatus (NMR). In this example, structural analysis by 29 Si NMR method was performed for each of the two intermediate layers formed in the tubular body and the single separated layer. And from the chart which plotted the chemical shift of T unit (trifunctional) and Q unit (tetrafunctional), the ratio (molar ratio) of methyltriethoxysilane (MTES) and tetraethoxysilane (TEOS) contained in each layer Was calculated. The analysis results are shown in Table 1 below.
表1では、Q単位のうちQ4(Siloxane)のピーク面積を1として規格化し、Q3(Free silanols)、Q2(Geminal silanols)、T3(Tridental structure)、及びT2(Bidental structure)のピーク面積を夫々算出している。そして、T単位の合計面積と全面積との比率〔(T2+T3)/(T2+T3+Q2+Q3+Q4)〕をメチルトリエトキシシランの比率(モル比)とし、Q単位の合計面積と全面積との比率〔(Q2+Q3+Q4)/(T2+T3+Q2+Q3+Q4)〕をテトラエトキシシランの比率(モル比)としている。表1によれば、NMRにより求められたテトラエトキシシラン及びメチルトリエトキシシランの比率(測定比)は仕込み比と略一致していた。すなわち、第一混合液及び第二混合液の組成が、そのまま中間層及び分離層の組成に反映されることが確認された。 In Table 1, the peak area of Q4 (Siloxane) in the Q unit is normalized as 1, and the peak areas of Q3 (Free silanols), Q2 (Geminal silanols), T3 (Traditional structure), and T2 (Bidental structure) are respectively shown. Calculated. The ratio of the total area of T units to the total area [(T2 + T3) / (T2 + T3 + Q2 + Q3 + Q4)] is the methyltriethoxysilane ratio (molar ratio), and the ratio of the total area of Q units to the total area [(Q2 + Q3 + Q4) / (T2 + T3 + Q2 + Q3 + Q4)] is the tetraethoxysilane ratio (molar ratio). According to Table 1, the ratio (measurement ratio) of tetraethoxysilane and methyltriethoxysilane determined by NMR was substantially the same as the preparation ratio. That is, it was confirmed that the compositions of the first mixed solution and the second mixed solution are reflected as they are in the compositions of the intermediate layer and the separation layer.
<分離性能確認試験>
上記の手順により作製した各分離膜について、二酸化炭素の分離性能に関する確認試験を行った。この確認試験では、分離膜に窒素を透過させたときの気体透過速度〔P(N2)〕、及び同じ分離膜に二酸化炭素を透過させたときの気体透過速度〔P(CO2)〕を測定した。ここで、窒素の気体分子径は3.64Åであり、二酸化炭素の気体分子径は3.3Åである。このため、窒素よりも気体分子径が小さい二酸化炭素は分離膜を透過し易い。従って、このような気体によって異なる性質を利用し、さらに膜の構成を適切に設定すれば、二酸化炭素を含有する混合ガスから二酸化炭素を分離することが可能となる。なお、この確認試験では、分離膜にメタンガスを透過させたときの気体透過速度〔P(CH3)〕の測定は行っていないが、メタンガスの気体分子径(3.8Å)は窒素の気体分子径(3.64Å)よりも若干大きいため、本発明の分離膜によって二酸化炭素と窒素との分離が可能であることが確認できれば、二酸化炭素とメタンガスとの分離も可能であると推定される。
<Separation performance confirmation test>
Each separation membrane produced by the above procedure was subjected to a confirmation test regarding carbon dioxide separation performance. In this confirmation test, the gas permeation rate [P (N 2 )] when nitrogen was permeated through the separation membrane and the gas permeation rate [P (CO 2 )] when carbon dioxide was permeated through the same separation membrane were determined. It was measured. Here, the gas molecular diameter of nitrogen is 3.64 cm, and the gas molecular diameter of carbon dioxide is 3.3 cm. For this reason, carbon dioxide having a gas molecular diameter smaller than that of nitrogen easily passes through the separation membrane. Therefore, carbon dioxide can be separated from a mixed gas containing carbon dioxide by utilizing properties different depending on such gas and further appropriately setting the configuration of the membrane. In this confirmation test, the measurement of the gas permeation rate [P (CH 3 )] when methane gas permeated through the separation membrane was not performed, but the gas molecule diameter of methane gas (3.8 cm) was the gas molecule of nitrogen. Since it is slightly larger than the diameter (3.64 mm), if it can be confirmed that carbon dioxide and nitrogen can be separated by the separation membrane of the present invention, it is estimated that carbon dioxide and methane gas can also be separated.
図2は、分離性能確認試験に使用した気体透過速度測定装置200の概略構成図である。気体透過速度測定装置200は、ガスシリンダー1、圧力ゲージ2、チャンバー3、及び質量流量計4を備える。分離膜100は、チャンバー3の内部に設置される。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the gas permeation
測定ガスである二酸化炭素又は窒素をガスシリンダー1に予め充填しておく。ここでは、二酸化炭素をガスシリンダー1に充填したものとして説明する。ガスシリンダー1から排出された二酸化炭素は、圧力ゲージ2によって圧力が調整され、下流側のチャンバー3に供給される。本確認試験では、二酸化炭素の供給圧を室温で0.1MPaに調整した。管状体である分離膜100は、一端(先端側)100aが封止され、他端(基端側)100bに耐熱ガラス管5が接続される。耐熱ガラス管5は、コーニング社製のパイレックス(登録商標)管(外径8mm、内径6mm、長さ10mm)を使用した。ただし、耐熱ガラス管5の一端側は、分離膜100(内径7mm)に内挿できるように、外径が7mm以下に縮径加工されている。分離膜100と耐熱ガラス管5との接続箇所は、接着剤(セメダイン株式会社製の接着剤「セメダイン(登録商標)C」)で接着し、さらにエポキシ樹脂(ナガセケムテックス株式会社製の二液性エポキシ系接着剤「AV138」及び「HV998」)によってシールした。チャンバー3が二酸化炭素で充満されると、二酸化炭素は管状体である分離膜100の表面から管内に透過し、耐熱ガラス管5を通過して質量流量計4に流入する。質量流量計4には、コフロック社製の熱式質量流量計(マスフローメーター「5410」)を使用した。測定条件は、流量レンジを10mL/分、フルスケール(FS)最大流量に対する精度は±1%(20℃)とした。質量流量計4で測定した二酸化炭素の流量〔mL/min〕から、二酸化炭素の気体透過速度P(CO2)[m3/m2・s(秒)・Pa]を算出した。窒素についても上記と同様の手順により気体透過速度P(N2)[m3/m2・s(秒)・Pa]を算出した。そして、二酸化炭素の気体透過速度P(CO2)と窒素の気体透過速度P(N2)との比率である透過速度比α(CO2/N2)から二酸化炭素の分離性能を評価した。試験例1〜6の分離膜に使用した支持体の構造(各層の細孔径及び厚み、有効長)、並びに、試験例1〜6の分離膜の透過速度及び透過速度比を下記の表2に示す。
Carbon dioxide or nitrogen, which is a measurement gas, is filled in the gas cylinder 1 in advance. Here, it demonstrates as what filled the gas cylinder 1 with the carbon dioxide. The pressure of the carbon dioxide discharged from the gas cylinder 1 is adjusted by the pressure gauge 2 and supplied to the chamber 3 on the downstream side. In this confirmation test, the supply pressure of carbon dioxide was adjusted to 0.1 MPa at room temperature. The
試験例1〜6の分離膜は、何れも二酸化炭素と窒素との混合ガスから二酸化炭素を選択的に分離する能力を有していた。特に、第一層の細孔径が120nmである試験例1及び4の分離膜は、二酸化炭素の気体透過速度P(CO2)及び透過速度比α(CO2/N2)が非常に大きくなり、非常に優れたガス分離性能及びガス処理量を示すものであった。第一層の細孔径が150nmである試験例2及び5の分離膜についても、二酸化炭素の気体透過速度P(CO2)及び透過速度比α(CO2/N2)は十分なものであり、優れたガス分離性能及びガス処理量を示すものであった。三層構造を有する試験例3及び6の分離膜は、第一層の細孔径が比較的小さく、第二層及び第三層の細孔径が比較的大きく設定されており、他の試験例の分離膜と比較すると二酸化炭素の気体透過速度P(CO2)は若干劣るものであったが、それでも実用的なガス分離性能及びガス処理量を示すものであった。なお、本発明者らによる追加試験によれば、分離膜が有意なガス分離性能及びガス処理量を示す範囲として、無機多孔質支持体における第一層の細孔径を200nm迄拡大できることを確認している(データ省略)。また、分離膜の有効長について、同一の細孔径を有する支持体どうしの比較(試験例1と4、試験例2と5、試験例3と6)では明確な傾向は見られず、分離性能確認試験を行った有効長150〜800mmの範囲では、一定以上の二酸化炭素分離能を有することが確認された。なお、本発明者らによる追加試験によれば、一定以上の二酸化炭素分離能を有する分離膜の無機多孔質支持体の有効長の下限値は50mmであることを確認している(データ省略)。 The separation membranes of Test Examples 1 to 6 all had the ability to selectively separate carbon dioxide from a mixed gas of carbon dioxide and nitrogen. In particular, in the separation membranes of Test Examples 1 and 4 in which the pore diameter of the first layer is 120 nm, the gas permeation rate P (CO 2 ) of carbon dioxide and the permeation rate ratio α (CO 2 / N 2 ) become very large. It showed very good gas separation performance and gas throughput. Also for the separation membranes of Test Examples 2 and 5 in which the pore size of the first layer is 150 nm, the gas permeation rate P (CO 2 ) of carbon dioxide and the permeation rate ratio α (CO 2 / N 2 ) are sufficient. Excellent gas separation performance and gas throughput were exhibited. In the separation membranes of Test Examples 3 and 6 having a three-layer structure, the pore size of the first layer is set to be relatively small, and the pore sizes of the second layer and the third layer are set to be relatively large. Compared to the separation membrane, the gas permeation rate P (CO 2 ) of carbon dioxide was slightly inferior, but still showed practical gas separation performance and gas throughput. In addition, according to an additional test by the present inventors, it was confirmed that the pore diameter of the first layer in the inorganic porous support can be expanded to 200 nm as a range in which the separation membrane exhibits significant gas separation performance and gas throughput. (Data omitted). In addition, regarding the effective length of the separation membrane, no clear tendency was observed in the comparison between the supports having the same pore diameter (Test Examples 1 and 4, Test Examples 2 and 5, Test Examples 3 and 6), and the separation performance In the range of the effective length of 150 to 800 mm in which the confirmation test was performed, it was confirmed that the carbon dioxide separation ability was above a certain level. In addition, according to the additional test by the present inventors, it has been confirmed that the lower limit of the effective length of the inorganic porous support of the separation membrane having a carbon dioxide separation ability of a certain level or more is 50 mm (data not shown). .
<分離膜特性変化確認試験>
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、無機多孔質支持体に中間層及び分離層を順に形成することにより完成されるものであるが、各層の形成によって分離膜としての特性がどのように変化するかを把握しておくことは、多層構造を有する酸性ガス含有ガス処理用分離膜を設計する上で大変有用な情報となる。そこで、酸性ガス含有ガス処理用分離膜の作製途中段階において、分離膜の特性変化を確認するための試験を実施した。図3は、酸性ガス含有ガス処理用分離膜の作製途中段階における各特性の変化を示すグラフである。本試験では、無機多孔質支持体に、「酸性ガス含有ガス処理用分離膜の製造方法」の項目で説明した第一混合液を3回コーティングすることにより三層の中間層を形成し、次いで第二混合液を2回コーティングすることにより二層の分離層を形成した。このとき、各層形成直後の状態のものを供試体とし、各供試体の特性を段階的に計測した。計測項目は、(a)二酸化炭素及び窒素の透過速度、(b)二酸化炭素と窒素との透過速度比、(c)分離膜への各混合液の浸込量、及び(d)分離膜に対する各層の目付量とした。
<Separation membrane property change confirmation test>
The separation membrane for treatment of acid gas-containing gas according to the present invention is completed by sequentially forming an intermediate layer and a separation layer on an inorganic porous support, but how the properties as a separation membrane are determined by the formation of each layer. It is very useful information to design a separation membrane for acid gas-containing gas treatment having a multilayer structure. Therefore, a test for confirming the change in the characteristics of the separation membrane was performed in the middle of the production of the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas. FIG. 3 is a graph showing changes in each characteristic in the middle stage of production of the separation membrane for treatment of acid gas-containing gas. In this test, a three-layered intermediate layer was formed by coating the inorganic porous support three times with the first mixed solution described in the section “Method for producing separation membrane for gas treatment containing acid gas”, Two separated layers were formed by coating the second mixed solution twice. At this time, the specimen immediately after the formation of each layer was used as a specimen, and the characteristics of each specimen were measured stepwise. The measurement items are (a) carbon dioxide and nitrogen permeation rate, (b) carbon dioxide and nitrogen permeation rate ratio, (c) the amount of permeation of each liquid mixture into the separation membrane, and (d) the separation membrane. The basis weight of each layer was used.
(a)二酸化炭素及び窒素の透過速度は、図3(a)に示すように、層構造が増えるに連れて透過速度の低下が見られたが、二酸化炭素の透過速度の低下と比べて窒素の透過速度の低下の方が顕著となった。また、この傾向は、分離層の形成時だけでなく、中間層の形成時にも確認された。無機多孔質支持体に中間層及び分離層が形成された従来の多層構造を有する分離膜では、中間層の形成時における二酸化炭素の透過速度の低下と窒素の透過速度の低下とは略同程度となるが、本発明では意外なことに中間層の形成段階から明らかな差が認められた。すなわち、本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、分離層だけでなく中間層にもガス分離能が備わっていることが確認された。(b)二酸化炭素と窒素との透過速度比は、図3(b)に示すように、層構造が増えるに連れて透過速度比の上昇が見られ、特に分離層の二層目を形成することで、透過速度比が大きく上昇することが確認された。(c)分離膜への各混合液の浸込量は、図3(c)に示すように、層構造が増えるに連れて浸込量の低下が見られ、特に中間層の一層目を形成した後は、その後の混合液の浸み込みが大きく抑えられることが確認された。(d)分離膜に対する各層の目付量、図3(d)に示すように、中間層の一層目を形成した後は、その後の各層の目付量を大きく低減できることが確認された。 (A) As shown in FIG. 3 (a), the permeation rate of carbon dioxide and nitrogen decreased as the layer structure increased, but the nitrogen permeation rate decreased compared to the decrease in carbon dioxide permeation rate. The decrease in the permeation rate of the film became more remarkable. This tendency was confirmed not only when the separation layer was formed but also when the intermediate layer was formed. In a separation membrane having a conventional multilayer structure in which an intermediate layer and a separation layer are formed on an inorganic porous support, the decrease in the permeation rate of carbon dioxide and the decrease in the permeation rate of nitrogen during the formation of the intermediate layer are approximately the same. However, surprisingly, in the present invention, a clear difference was recognized from the formation stage of the intermediate layer. That is, it was confirmed that the separation membrane for gas treatment of an acid gas of the present invention has gas separation ability not only in the separation layer but also in the intermediate layer. (B) As shown in FIG. 3B, the transmission rate ratio between carbon dioxide and nitrogen increases as the layer structure increases. In particular, the second layer of the separation layer is formed. As a result, it was confirmed that the transmission speed ratio was greatly increased. (C) As shown in FIG. 3 (c), the amount of each mixed solution entering the separation membrane decreases as the layer structure increases. In particular, the first layer of the intermediate layer is formed. After that, it was confirmed that the penetration of the mixed liquid after that was greatly suppressed. (D) The basis weight of each layer relative to the separation membrane, as shown in FIG. 3D, it was confirmed that the basis weight of each subsequent layer can be greatly reduced after the formation of the first layer of the intermediate layer.
本発明の酸性ガス含有ガス処理用分離膜は、都市ガスの製造設備、燃料電池への水素供給設備、工場排ガスの浄化設備、及び液化炭酸ガス製造設備等において利用可能である。また、地球温暖化対策として検討されているCCSにおいても利用可能である。 The separation membrane for treatment of acid gas-containing gas of the present invention can be used in city gas production equipment, hydrogen supply equipment for fuel cells, factory exhaust gas purification equipment, liquefied carbon dioxide production equipment, and the like. It can also be used in CCS, which is being studied as a countermeasure against global warming.
1 ガスシリンダー
2 圧力ゲージ
3 チャンバー
4 質量流量計
5 耐熱ガラス管
100 分離膜
200 気体透過速度測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas cylinder 2 Pressure gauge 3
Claims (8)
細孔径が互いに異なる複数の無機多孔質層を有する支持体と、
前記酸性ガスと親和性を有する炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体と、
を備え、
前記支持体は、表面側に前記複数の無機多孔質層の中で細孔径が最小となる第一層が配置されており、当該第一層の細孔に前記炭化水素基含有ポリシロキサン網目構造体が中間層及び分離層として導入されている酸性ガス含有ガス処理用分離膜。 An acid gas-containing gas treatment separation membrane for separating an acid gas from an acid gas-containing gas,
A support having a plurality of inorganic porous layers having different pore diameters;
A hydrocarbon group-containing polysiloxane network having an affinity for the acid gas;
With
In the support, a first layer having a minimum pore diameter among the plurality of inorganic porous layers is disposed on the surface side, and the hydrocarbon group-containing polysiloxane network structure is formed in the pores of the first layer. Separation membrane for gas treatment with acid gas in which the body is introduced as an intermediate layer and a separation layer.
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JP2017169527A JP2019042681A (en) | 2017-09-04 | 2017-09-04 | Separation membrane for treating acid gas-containing gas |
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WO2021117361A1 (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 住友化学株式会社 | Separation membrane sheet, separation membrane element, separation membrane module, and separation device |
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2017
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