JP2020032325A - 金属有機構造体層を有する選択性複合ガス透過膜およびその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ガス選択性を有する金属有機構造体粒子層の両側にガス透過膜が配置された選択性ガス透過膜と、
金属有機構造体粒子を分散媒に分散した分散液をガス透過膜上に塗布し、分散媒を蒸発させて除去することによって金属有機構造体粒子層の上に新たなガス透過膜を積層することを特徴とする、ガス選択性を有する金属有機構造体粒子層の両側にガス透過膜が配置された選択性ガス透過膜の作製方法を提供するものである。
金属は少なくとも2つ以上の配位子が配位し、錯体を形成可能なもので、例えば、Mg, Al, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Ag, Yb,などの金属であり、
配位子はMOFの骨格を示す有機化合物で、ポリアミン(エチレンジアミンなど)、複素環式化合物(イミダゾール、ピラゾールなど)、アルデヒド、カルボン酸(テレフタル酸など)、スルホン酸、ビピリジン、有機リン化合物、チオール、あるいは前述のうち複数の配位子を有した化合物などである。上述の金属と配位子の組合せは無数にある。
Mn2(dobpdc) ※dobpdc = 4,4’-dioxidobiphenyl-3,3’-dicarboxylate
混合ガス中からのCO2吸着除去
Znと4-(1H-pyrazol-4-yl)pyridine,1,3,5-benzendicarboxylic acid
混合ガス中からのCH4吸着除去
ZIF-90 (Znと2-imidazolecarbaldehyde)
CO2とCH4の分離(CO2透過)
Zn2(bim)4 ※bim = benzimidazole
H2とCO2の分離(H2透過)
Zn3Cu(bdc)3(Pyen) ※bdc = benzendicarboxylic acid
※Pyen = 5-methyl-4-oxo-1,4-dihydro-pyridine-3-carbaldehyde
D2とH2の分離(D2透過)
Cu(bipy)2(CF3SO3)2 ※bipy = 2,2’-bipyridine
D2とH2の分離(D2透過)
Fe2(dobdc) ※dobdc = 2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate
アルカン、アルケン、アルキンの分離(エタン/エチレン/アセチレンなど)
Cu3(btc)2 ※btc = 1,3,5-benzenetricarboxylate
アルカン、アルケン、アルキンの分離
シリコンラバー
ブタジエン
ポリイソブテン
天然ラバー
ナイロン
ポリスルホン
ポリアラミド
酢酸セルロース
ポリエチレン
ポリエステル
ポリイミド
セラミック膜(アルミナ、チタニア、等)
ゼオライト膜
天然ガス井では、採掘されるCH4の中にCO2が混在している場合も多く、CO2の分離除去ニーズがある。CH4/CO2混合ガスからCO2をよりよく透過する膜として、ポリジメチルシロキサンなどのシリコンラバー膜が知られている。また、CH4/CO2混合ガスからのCO2を選択的に分離回収できるMOFとして、Cu(bim)2がある。本発明は、これらを複合して選択性ガス透過膜を成し、シリコンラバー膜を単独で用いた場合より分離性能の良い分離膜を実現する。
テレフタル酸30 mgと硝酸銅(II)三水和物30 mgを、4mlのジメチルホルムアミドと4 mlのアセトニトリルの混合液に攪拌しながら加えた後、恒温槽に入れて40℃で24h静置し、その後遠心分離を行って、平均粒子径約100nmのCu(bim)2粒子50mgを得た。
ガス分離膜上へのMOF粒子積層
作製したCu(bim)2粒子をメタノール中に15mg/Lの濃度で分散させた。このCu(bim)2分散液を、CO2の選択的分離が可能なシリコンラバー膜の一種であるポリジメチルシロキサン膜(膜厚15μm)の120℃に加温された表面上に滴下し、メタノールが蒸発することによってCu(bim)2粒子をポリジメチルシロキサン膜上に厚み1μmで積層させた。
ポリジメチルシロキサン原液(東レ・ダウコーニング社:Silpot 184W/C)を、メタノール中に分散させた。混合割合は重量比でポリシロキサン:分散液=30:70とした。この分散液に硬化剤を、重量比でポリシロキサン:硬化剤=100:10の割合で混合し、1時間攪拌し続けた。この混合液を上述のMOF粒子を積層した基材表面に、混合液を基材上へ滴下することにより塗布し、100℃で60分の熱風乾燥により表面でシリコンラバーを硬化重合した。その後、再度混合溶液を塗布し、100℃で60分熱風乾燥により基材と強固に結合し、かつピンホールの無い、膜厚500nmのシリコンラバー膜を作製した。
天然ガス井におけるCO2分離を想定し、入口ガス組成をCH4:60 vol%、CO2:40 vol %とした。上述の選択性ガス透過膜をアルミ製ハウジングに装着して膜モジュールとし、入口ガスを25℃、6L/minで流し、膜を透過したガスの組成をガスクロマトグラフィーにより検出したところ、膜透過ガスはCH4:23.7 vol %、CO2:76.3 vol %であった。
MOF粒子の形状がシート状であると、MOF粒子層が緻密となりガス選択透過性が高まることを述べた。ここでは実施例1で述べたCu(bim)2粒子について、粒子形状を一辺がμmオーダー、厚みがnmオーダーのシート状にした場合の実施例を示す。
テレフタル酸30 mgを、2mlのジメチルホルムアミドと1 mlのアセトニトリルの混合液に加え、直径10mmのガラス試験管に注いだ。この溶液上に、1mlのジメチルホルムアミドと1 mlのアセトニトリルの混合液を、この混合液が上層を形成するように静かに加えた。更にその溶液上に、硝酸銅(II)三水和物30 mgを溶かした1mlのジメチルホルムアミドと2 mlのアセトニトリルの混合液を、この混合液が上層を形成するように静かに加えた。すなわち、試験管内の溶液は下層から順に、テレフタル酸溶液層、中間層、硝酸銅溶液層の三層構造になっている。この試験管を恒温槽に入れて40℃で24h静置し、その後遠心分離を行って、平均粒子径2μmの層状Cu(bim)2粒子50mgを得た。さらに、この粒子を超音波細動により剥離し、一辺平均約2μm、平均厚み10 nmのシート状Cu(bim)2粒子50mgを得た。
実施例1と同様の手順で作製を行った。
天然ガス井におけるCO2分離を想定し、入口ガス組成をCH4:60 vol%、CO2:40 vol %とした。上述の選択性ガス透過膜をアルミ製ハウジングに装着して膜モジュールとし、入口ガスを25℃、6L/minで流し、膜を透過したガスの組成をガスクロマトグラフィーにより検出したところ、膜透過ガスはCH4:17.9 vol %、CO2:82.1 vol %であり、実施例1の非シート状Cu(bim)2粒子を用いた場合に比してより高いCO2分離性能を持つ選択性ガス透過膜となった。
上述の実施のほかにも、本発明は、例えばH2/N2混合ガスからのH2分離回収への利用が可能である。C1化学の分野では、アンモニアの原料であるH2の確保が重要であり、H2分離回収ニーズがある。ハーバー法によるアンモニア合成時の未反応ガスであるH2/N2混合ガスからH2を分離回収可能な膜としてポリスルホン膜やポリアラミド膜が知られており、またH2/N2混合ガスからH2を分離可能なMOFとして、Zn(min)2がある。本発明は、これらを複合して選択性ガス透過膜を成し、ポリスルホン膜を単独で用いた場合より分離性能の良い分離膜を実現する。
CO2、H2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、H2Oなどが混合したガスの分離
⇒純燃料、化成品原料ガスの製造
C2H6、C2H4、C2H2などのアルカン、アルケン、アルキンの分離
⇒現在主流の蒸留塔プロセスに変わる低コスト分離法
H2S、NOx、SOx、N2、O2、CO、CO2などが混合したガスの分離
⇒HeやArの回収
Claims (8)
- ガス選択性を有する金属有機構造体粒子層の両側にガス透過膜が密着して配置された選択性ガス透過膜。
- ガス透過膜の少なくとも一方が、有機高分子膜であることを特徴とする請求項1に記載の選択性ガス透過膜。
- ガス透過膜の少なくとも一方が、シリコンラバー、ブタジエンラバー、ポリイソブテン、天然ラバー、ナイロン、ポリスルホン、ポリアラミド、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミドのいずれかの膜であることを特徴とする請求項2に記載の選択性ガス透過膜。
- 金属有機構造体粒子層が、一方のガス透過膜面に金属有機構造体粒子の分散液を層状に形成した後、分散媒が蒸発することで形成された層であることを特徴とする請求項1、2ないし3のいずれかに記載の選択性ガス透過膜。
- 金属有機構造体粒子層が金属有機構造体のシート状粒子で形成されていることを特徴とする請求項1、2、3ないし4のいずれかに記載の選択性ガス透過膜。
- 金属有機構造体粒子を分散媒に分散した分散液をガス透過膜上に層状に形成し、分散媒を蒸発させて除去することによって金属有機構造体粒子層の上に新たなガス透過膜を積層することを特徴とする、ガス選択性を有する金属有機構造体粒子層の両側にガス透過膜が配置された選択性ガス透過膜の作製方法。
- 金属有機構造体粒子層の上にガス透過膜として有機高分子膜を形成することを特徴とする、請求項6に記載の選択性ガス透過膜の作製方法。
- 金属有機構造体粒子層とガス透過膜が、少なくとも2種のガス成分を含む混合ガスから少なくとも1種の同一ガス成分を他の成分に比べて優先的に透過することを特徴とする請求項1、2、3、4ないし5のいずれかに記載の選択性ガス透過膜。
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