JP2023151632A - Zeolite membrane composite - Google Patents

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JP2023151632A JP2022061355A JP2022061355A JP2023151632A JP 2023151632 A JP2023151632 A JP 2023151632A JP 2022061355 A JP2022061355 A JP 2022061355A JP 2022061355 A JP2022061355 A JP 2022061355A JP 2023151632 A JP2023151632 A JP 2023151632A
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悠介 堀田
Yusuke Hotta
幹夫 林
Mikio Hayashi
智久 菊地
Tomohisa Kikuchi
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)

Abstract

To provide a zeolite membrane composite, even when the zeolite membrane composite made long, enabling separation and recovery of desired gas from mixed gas without reducing permeation capacity of the gas to be separated.SOLUTION: Provided is a zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a porous support, with a tubular structure, in which a sodium/silicon (mole ratio) in the zeolite membrane is 0.20 or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ゼオライト膜複合体に関する。詳しくは、混合ガスから特定の成分を分離するためのゼオライト複合膜に関する。特に好ましくは長尺のゼオライト複合膜に関する。 The present invention relates to a zeolite membrane composite. Specifically, the present invention relates to a zeolite composite membrane for separating specific components from a mixed gas. Particularly preferred is a long zeolite composite membrane.

近年、気体(ガス)の混合物の分離方法として、高分子膜やゼオライト膜などの膜を用いた膜分離、濃縮方法が提案されている。これらの方法のうち、高分子分離膜は加工性に優れる特徴をもつが、燃焼性を有する点に課題がある。一方、ゼオライト膜等の無機膜は、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性が良好であることから、種々の無機膜が提案されている。
その中でも、ゼオライト膜はサブナノメートルの規則的な細孔を有し、分子ふるいとしての機能をもつため、選択的に特定の分子を透過させることができるばかりでなく、広い温度範囲での分離、濃縮が可能な高耐久性分離膜として期待されている。このようなゼオライト膜は、通常、無機材料よりなる支持体上に膜状にゼオライトを形成させたゼオライト膜複合体として用いられる。
In recent years, membrane separation and concentration methods using membranes such as polymer membranes and zeolite membranes have been proposed as methods for separating gas mixtures. Among these methods, polymer separation membranes are characterized by excellent processability, but have a problem in that they are flammable. On the other hand, various inorganic membranes such as zeolite membranes have been proposed because they have good chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, and pressure resistance.
Among these, zeolite membranes have regular subnanometer pores and function as molecular sieves, so they not only allow specific molecules to permeate selectively, but also allow separation over a wide temperature range. It is expected to be a highly durable separation membrane capable of concentration. Such a zeolite membrane is usually used as a zeolite membrane composite in which zeolite is formed in the form of a membrane on a support made of an inorganic material.

本発明のアンモニアガスの窒素ガスからの分離に関しても膜分離の適用、例えば、工業的に重要なプロセスの一つであるハーバー・ボッシュ法によるアンモニア製造プロセスへの膜分離の適用が近年期待されている。ハーバー・ボッシュ法のプロセスの特徴としては、このアンモニア生成反応が平衡反応であり、熱力学的には高圧、低温条件下での反応が好ましいとされるが、触媒反応速度を確保するために、一般に高圧、高温の製造条件が強いられる点が挙げられる。また、生成する混合ガス中には未反応の水素ガスと窒素ガスとがアンモニアガスと共存するために、生成物となるアンモニアガスを生成混合ガスから回収する工程では、-20℃~-5℃程度に混合ガスを冷却してアンモニアを凝縮分離する必要がある。一方、精製工程時の冷却凝縮分離法を、無機膜を用いた分離方法に代替して効率的に高濃度のアンモニアガスを回収するプロセスが提案されている(特許文献1、2)。 The application of membrane separation to the separation of ammonia gas from nitrogen gas according to the present invention, for example, the application of membrane separation to the ammonia production process using the Haber-Bosch method, which is one of the industrially important processes, has recently been expected. There is. A characteristic of the Haber-Bosch process is that this ammonia production reaction is an equilibrium reaction, and thermodynamically it is said that reaction under high pressure and low temperature conditions is preferable, but in order to ensure the catalytic reaction rate, Generally, high pressure and high temperature manufacturing conditions are required. In addition, since unreacted hydrogen gas and nitrogen gas coexist with ammonia gas in the generated mixed gas, the process of recovering ammonia gas, which is a product, from the generated mixed gas requires a temperature range of -20°C to -5°C. It is necessary to cool the mixed gas to a certain degree to condense and separate ammonia. On the other hand, a process has been proposed in which a cooling condensation separation method during the purification process is replaced with a separation method using an inorganic membrane to efficiently recover high-concentration ammonia gas (Patent Documents 1 and 2).

特許文献1では、気体分離膜を用いて未精製アンモニアから水素を分離する第1分離工程と、別の気体分離膜を用いて、第1分離工程後の未精製アンモニアからアンモニアを分離する第2分離工程とを含む膜分離工程が開示されている。この方法は、水素ガス、窒素ガスおよびアンモニアガスの混合ガスからアンモニアガスを、少なくとも2段で分離する煩雑なプロセスとなるばかりでなく、経済性のあるプロセスとするためには、1段目の分離膜により透過したアンモニアガスを含有する高濃度の水素混合ガス、ならびに透過しなかった窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスからアンモニアガスを分離する工程が必須となる。ここで、2段目の膜の窒素ガスとアンモニアガスの分離ではアンモニアガスの透過度は十分でなく、膜面積が大きくなる恐れもある。
また、特許文献2で提案されている酸素8員環を有する特定のゼオライトを用いてアンモニアガスと水素ガスおよび/または窒素ガスの混合ガスからアンモニアガスを分離する手法は、工業プロセスに適用できる有効な手法と成り得る。しかしながら、特許文献2で提案されているゼオライトの細孔径を利用した分子篩作用によるアンモニアの分離方法ではアンモニアガスと窒素ガスのパーミエンス比(理想分離係数)は、14程度であり、その透過性能は十分とは必ずしも言い難い。
Patent Document 1 discloses a first separation step in which hydrogen is separated from unpurified ammonia using a gas separation membrane, and a second separation step in which ammonia is separated from unpurified ammonia after the first separation step using another gas separation membrane. A membrane separation process is disclosed that includes a separation process. This method is not only a complicated process in which ammonia gas is separated from a mixed gas of hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia gas in at least two stages, but in order to make the process economical, it is necessary to separate the ammonia gas in the first stage. It is essential to separate ammonia gas from the highly concentrated hydrogen mixed gas containing ammonia gas that has permeated through the separation membrane and from the mixed gas of nitrogen gas and ammonia gas that has not permeated. Here, in the separation of nitrogen gas and ammonia gas by the second-stage membrane, the permeability of ammonia gas is not sufficient, and there is a possibility that the membrane area becomes large.
In addition, the method of separating ammonia gas from a mixed gas of ammonia gas, hydrogen gas, and/or nitrogen gas using a specific zeolite having an eight-membered oxygen ring proposed in Patent Document 2 is an effective method that can be applied to industrial processes. This can be a useful method. However, in the ammonia separation method using molecular sieve action using the pore size of zeolite proposed in Patent Document 2, the permeance ratio (ideal separation coefficient) between ammonia gas and nitrogen gas is about 14, and its permeation performance is sufficient. That is not necessarily true.

これらの問題を解決すべく特許文献3には、ゼオライト膜を用いて、少なくとも、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスと、を含有する混合ガスからアンモニアガスを選択的に透過させてアンモニアを分離する方法であって、前記混合ガス中のアンモニアガス濃度が1.0体積%以上である、アンモニアの分離方法が提案され、ゼオライト膜を構成するゼオライトとして、RHO型ゼオライトまたはMFI型ゼオライトが好ましい旨、開示されている。 In order to solve these problems, Patent Document 3 discloses that a zeolite membrane is used to selectively permeate ammonia gas from a mixed gas containing at least ammonia gas, hydrogen gas, and nitrogen gas. An ammonia separation method is proposed in which the ammonia gas concentration in the mixed gas is 1.0% by volume or more, and the zeolite constituting the zeolite membrane is preferably RHO type zeolite or MFI type zeolite. This has been disclosed.

特開2008-247654号公報JP2008-247654A 特開2014-058433号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-058433 国際公開2018/230737パンフレットInternational publication 2018/230737 pamphlet

上記特許文献3に開示される手法によれば、少なくともアンモニアガスと窒素ガスを含有する混合ガス(以下、単に「混合ガス」と記載することがある。)からアンモニアガスを効率的に分離回収することが可能である。この手法を利用してさらに効率的にアンモニアガスを分離回収する手法としては、無機材料よりなる支持体上に膜状にゼオライトを形成させたゼオライト膜複合体を管状構造とし、該管状構造を長尺化して、混合ガスとの接触面積を大きくすることによって、混合ガスからアンモニアガスをより効率的に分離回収する手法が考えられる。
しかしながら、ゼオライト膜複合体を長尺化することによって、窒素の透過量が増大し、その結果としてアンモニアガスの分離能力、すなわち窒素とアンモニアの透過性能の差が小さくなることが判明した。この原因を調査したところ、長尺化したゼオライト膜複合体の両端部又は少なくとも両端の一方の端部において窒素の透過量が増大することで、複合体全体としてのアンモニア分離能が大きく低下していることがわかった。
そこで、本発明の課題は、ゼオライト膜複合体を長尺化した場合であっても、アンモニアガスに代表されるゼオライト複合膜のガス分離能力を落とすことなく、混合ガスからの特定のガスの分離回収を可能とするゼオライト膜複合体を提供することにある。
以下の説明においては、ガス分離回収の典型例としてアンモニアと窒素の分離回収を例に説明するが、もちろん他のガスなどの分離回収にも本発明を適用できる。
According to the method disclosed in Patent Document 3, ammonia gas is efficiently separated and recovered from a mixed gas containing at least ammonia gas and nitrogen gas (hereinafter sometimes simply referred to as "mixed gas"). Is possible. In order to more efficiently separate and recover ammonia gas using this method, a zeolite membrane composite in which zeolite is formed in the form of a membrane on a support made of an inorganic material is formed into a tubular structure, and the tubular structure is extended into a long tube. A possible method is to separate and recover ammonia gas from the mixed gas more efficiently by increasing the area of contact with the mixed gas.
However, it has been found that by increasing the length of the zeolite membrane composite, the amount of nitrogen permeation increases, and as a result, the ammonia gas separation ability, that is, the difference in the permeation performance between nitrogen and ammonia becomes smaller. When we investigated the cause of this, we found that the amount of nitrogen permeation increased at both ends of the elongated zeolite membrane composite, or at least at one end of both ends, resulting in a significant decrease in the ammonia separation ability of the composite as a whole. I found out that there is.
Therefore, an object of the present invention is to separate a specific gas from a mixed gas without reducing the gas separation ability of the zeolite composite membrane, typified by ammonia gas, even when the zeolite membrane composite is lengthened. The object of the present invention is to provide a zeolite membrane composite that can be recovered.
In the following description, the separation and recovery of ammonia and nitrogen will be explained as a typical example of gas separation and recovery, but the present invention can of course be applied to the separation and recovery of other gases.

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、その原因が組成の乱れに起因し、例えば熱負荷時に組成の違いによりミクロな破壊が起こってしまうなどの理由が推定されること、それをSi/Alのモル比が一定の範囲内にあることで確認できることを知見し、特定のゼオライト膜複合体により上記課題を解決し得ることを見出し、本発明に到達した。なお、前述の通り、この組成による乱れによる損傷という原理から考えると、アンモニアの分離のみならず、メタノールの分離、例えばCO、CO、Hなどを原料としてメタノールを合成しメタノールを分離する場合や、天然ガスやランドフィルガスのような、CO、CO、N等とCHの混合ガスからメタンを分離する際にも、同様の課題が発生し、本発明により解決しうる。
即ち、本発明の要旨は、次の[1]~[12]に存する。
The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above problem, and have found that the cause of the problem is due to disordered composition, for example, micro-destruction occurs due to the difference in composition during heat load. We have found that this can be confirmed by ensuring that the Si/Al molar ratio is within a certain range, and have discovered that the above problem can be solved by a specific zeolite membrane composite, leading to the present invention. As mentioned above, considering the principle of damage caused by disturbances due to composition, it is possible to separate not only ammonia but also methanol, for example, when methanol is synthesized from raw materials such as CO, CO 2 , H 2 and methanol is separated. A similar problem occurs when separating methane from a mixed gas of CO, CO2 , N2, etc. and CH4 , such as natural gas or landfill gas, and can be solved by the present invention.
That is, the gist of the present invention resides in the following [1] to [12].

[1]多孔質支持体上にゼオライト膜を有するゼオライト膜複合体であって、管状構造を有し、下記に示す部位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、20%以内の範囲で一致していることを特徴とするゼオライト膜複合体。
部位(A):ゼオライト膜複合体の管の長さ方向の中心から両側に4cmの幅の部分
部位(B):ゼオライト膜複合体の管の一方の端部から8~12cmの部分
部位(B’):ゼオライト膜複合体の管の他方の端部から8~12cmの部分
[2]前記管状構造の管の長さが40cm以上である上記[1]に記載のゼオライト膜複合体。
[3]前記管状構造の管の長さが100cm以上である上記[1]に記載のゼオライト膜複合体。
[4]前記ゼオライトが、CHA型、FAU型、MFI型、LTA型又はRHO型のいずれかである上記[1]~[3]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[5]前記ゼオライトが、CHA型、MFI型、LTA型又はRHO型のいずれかである上記[1]~[3]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[6]前記ゼオライトが、MFI型又はRHO型のいずれかである上記[1]~[3]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[7]前記ゼオライトが、MFI型である上記[1]~[3]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[8]前記部位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、18%以内の範囲で一致している上記[1]~[7]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[9]前記位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、15%以内の範囲で一致している上記[1]~[7]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体。
[10]上記[1]~[9]のいずれかに記載のゼオライト膜複合体の製造方法であって、水熱合成用原料混合物のケイ素に対する水のモル比が45以上300以下であることを特徴とするゼオライト膜複合体の製造方法。
[11]ケイ素に対する水のモル比が60以上200以下である上記[10]に記載のゼオライト膜複合体の製造方法。
[12]ケイ素に対する水のモル比が70以上150以下である上記[10]又は[11]に記載のゼオライト膜複合体の製造方法。
[1] A zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a porous support, which has a tubular structure and has a Si/Al ratio in site (B) relative to the Si/Al ratio in site (A) shown below. and the ratio of Si/Al in the part (B') to the ratio of Si/Al in the part (A) are the same within a range of 20%.
Area (A): A partial area with a width of 4 cm on both sides from the longitudinal center of the zeolite membrane composite tube. Area (B): A partial area with a width of 8 to 12 cm from one end of the zeolite membrane composite tube (B). '): 8 to 12 cm from the other end of the tube of the zeolite membrane composite [2] The zeolite membrane composite according to the above [1], wherein the length of the tube of the tubular structure is 40 cm or more.
[3] The zeolite membrane composite according to the above [1], wherein the tube of the tubular structure has a length of 100 cm or more.
[4] The zeolite membrane composite according to any one of [1] to [3] above, wherein the zeolite is of any one of CHA type, FAU type, MFI type, LTA type, or RHO type.
[5] The zeolite membrane composite according to any one of [1] to [3] above, wherein the zeolite is of the CHA type, MFI type, LTA type, or RHO type.
[6] The zeolite membrane composite according to any one of [1] to [3] above, wherein the zeolite is either an MFI type or an RHO type.
[7] The zeolite membrane composite according to any one of [1] to [3] above, wherein the zeolite is an MFI type.
[8] The ratio of Si/Al in the site (B) to the Si/Al ratio in the site (A) and the Si/Al ratio in the site (B') to the Si/Al ratio in the site (A) are , the zeolite membrane composite according to any one of [1] to [7] above, in which the zeolite membrane composite matches within a range of 18%.
[9] The ratio of Si/Al in the site (B) to the Si/Al ratio in the site (A) and the Si/Al ratio in the site (B') to the Si/Al ratio in the site (A) are , the zeolite membrane composite according to any one of [1] to [7] above, wherein the zeolite membrane composite matches within a range of 15%.
[10] The method for producing a zeolite membrane composite according to any one of [1] to [9] above, wherein the molar ratio of water to silicon in the raw material mixture for hydrothermal synthesis is 45 or more and 300 or less. A method for producing a characteristic zeolite membrane composite.
[11] The method for producing a zeolite membrane composite according to the above [10], wherein the molar ratio of water to silicon is 60 or more and 200 or less.
[12] The method for producing a zeolite membrane composite according to [10] or [11] above, wherein the molar ratio of water to silicon is 70 or more and 150 or less.

本発明によれば、ゼオライト膜複合体を長尺化した場合であっても、アンモニアガスに代表されるガスの分離能力を低下させることなく、混合ガスからのガスの分離回収を可能とするゼオライト膜複合体を提供することができる。 According to the present invention, even when the zeolite membrane composite is lengthened, the zeolite enables separation and recovery of gas from a mixed gas without reducing the separation ability of gases represented by ammonia gas. A membrane complex can be provided.

本発明のゼオライト膜複合体の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a zeolite membrane composite of the present invention. 本発明のゼオライト膜複合体の断面構造を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a zeolite membrane composite of the present invention. アンモニアガスの分離試験装置を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an ammonia gas separation test device. 実施例1で製造したゼオライト膜複合体の模式図である。1 is a schematic diagram of a zeolite membrane composite produced in Example 1. FIG. SEM-EDS測定のサンプルの状態を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the state of a sample in SEM-EDS measurement.

以下、本発明の実施の形態について更に詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
なお、本明細書におけるゼオライトとは、International Zeolite Association(IZA、以下「IZA」と記載する。)が定めるゼオライトである。その構造はX線回折データにより特徴付けられる。また、本明細書において、「ゼオライト膜が多孔質支持体上に形成されてなる多孔質支持体-ゼオライト膜複合体」を、単に「ゼオライト膜複合体」と称することがある。また、「多孔質支持体」を単に「支持体」と略称し、「アルミノ珪酸塩のゼオライト」を単に「ゼオライト」と略称することがある。更に、本明細書において、「水素ガス」、「窒素ガス」ならびに「アンモニアガス」を、それぞれ、単に「水素」、「窒素」、「アンモニア」と称することがある。一方、本発明でのアンモニア分離とは、アンモニアガスを含有する混合ガスからより高濃度のアンモニアガスを含有する混合ガスを得ることを意味する。
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in more detail, but the explanation of the constituent elements described below is an example of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents. Various modifications can be made within the scope of the gist.
Note that the zeolite in this specification is a zeolite defined by the International Zeolite Association (IZA, hereinafter referred to as "IZA"). Its structure is characterized by X-ray diffraction data. Furthermore, in this specification, "a porous support-zeolite membrane composite in which a zeolite membrane is formed on a porous support" is sometimes simply referred to as a "zeolite membrane composite." Further, the "porous support" is sometimes simply referred to as "support", and the "aluminosilicate zeolite" is sometimes simply referred to as "zeolite". Furthermore, in this specification, "hydrogen gas,""nitrogengas," and "ammonia gas" may be simply referred to as "hydrogen,""nitrogen," and "ammonia," respectively. On the other hand, ammonia separation in the present invention means obtaining a mixed gas containing higher concentration of ammonia gas from a mixed gas containing ammonia gas.

[ゼオライト膜複合体]
本発明のゼオライト膜複合体とは、多孔質支持体上にゼオライト膜を有し、好ましくは結晶化して固着しているものであり、ゼオライトの一部が、支持体の内部にまで固着している状態のものを含む。
ゼオライト膜複合体としては、例えば、多孔質支持体の表面などにゼオライトを水熱合成により膜状に結晶化させたものが好ましい。
[Zeolite membrane composite]
The zeolite membrane composite of the present invention has a zeolite membrane on a porous support, preferably crystallized and fixed, and a part of the zeolite is fixed to the inside of the support. Including those in the current state.
The zeolite membrane composite is preferably one in which zeolite is crystallized into a membrane on the surface of a porous support by hydrothermal synthesis.

ゼオライト膜の多孔質支持体上の位置は特に限定されず、管状の支持体の外表面にゼオライト膜を形成してもよいし、内表面に形成してもよく、さらに適用する系によっては両面に形成してもよい。また、支持体の表面に積層させて形成してもよいし、支持体の表面層の細孔内を埋めるように結晶化させてもよい。この場合、結晶化した膜層の内部に亀裂や連続した微細孔が無いことが重要であり、いわゆる緻密な膜を形成させることが、分離性の向上の面で好ましい。 The position of the zeolite membrane on the porous support is not particularly limited, and the zeolite membrane may be formed on the outer surface or the inner surface of the tubular support, and depending on the system to be applied, it may be formed on both sides. It may be formed into Further, it may be formed by laminating it on the surface of the support, or it may be crystallized so as to fill the pores of the surface layer of the support. In this case, it is important that there are no cracks or continuous micropores inside the crystallized membrane layer, and it is preferable to form a so-called dense membrane in terms of improving separation performance.

本発明のゼオライト膜複合体について、図1及び図2を用いて詳細に説明する。図1は本発明のゼオライト膜複合体を示す模式図であり、図2はゼオライト膜複合体の断面を示す模式図である。本発明のゼオライト膜複合体10は、図1に示すように管状構造(以下、単に「管」と記載することがある。)を有しており、定義上管の長さは28cmが必要であるが管の長さは40cm以上であることが好ましい。
また、本発明のゼオライト膜複合体は、図2に示すような断面構造を有しており、多孔質支持体101上にゼオライト膜103を有している。また、管は中心に空隙部102を有している。なお、図2の断面構造は、多孔質支持体101の外表面にゼオライト膜103を有する態様を示しているが、多孔質支持体10の内表面にゼオライト膜を有していてもよいし、多孔質支持体の外表面及び内表面の両面にゼオライト膜を有していてもよい。
図1において、管の長さ方向の中心11から4cm、すなわち中心11から左右の方向に±2cm(右側をプラス、左側をマイナス)の幅の部分が部位(A)(図1中の12)である。また、一方の端部から8~12cmの部分が部位(B)(図1中の13)であり、他の端部から8~12cmの部分が部位(B’)(図1中の13’)である。
The zeolite membrane composite of the present invention will be explained in detail using FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram showing a zeolite membrane composite of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of the zeolite membrane composite. The zeolite membrane composite 10 of the present invention has a tubular structure (hereinafter sometimes simply referred to as a "tube") as shown in FIG. 1, and by definition, the length of the tube must be 28 cm. However, it is preferable that the length of the tube is 40 cm or more.
Further, the zeolite membrane composite of the present invention has a cross-sectional structure as shown in FIG. 2, and has a zeolite membrane 103 on a porous support 101. The tube also has a cavity 102 in the center. Note that the cross-sectional structure in FIG. 2 shows an embodiment in which the porous support 101 has a zeolite membrane 103 on the outer surface, but the porous support 10 may have a zeolite membrane on the inner surface, The porous support may have a zeolite membrane on both the outer and inner surfaces.
In Fig. 1, the part (A) is 4 cm from the center 11 in the longitudinal direction of the tube, that is, the width of ±2 cm in the left and right directions from the center 11 (plus on the right side, minus on the left side) (12 in Fig. 1). It is. Also, the part 8 to 12 cm from one end is part (B) (13 in Figure 1), and the part 8 to 12 cm from the other end is part (B') (13' in Figure 1). ).

本発明では、上述のように、管の長さは40cm以上であることが好ましい。管の長さは長いほど、1本あたりの混合ガスの分離処理量を多くすることができるために、設備コストを低減することができる。以上の観点から、管の長さは80cm以上であることが好ましく、100cm以上であることがより好ましく、120cm以上であることがさらに好ましい。
上限値については、特に制限はないが、使用時の振動等により折れやすい等の問題が生じるのを防ぐことができることから、500cm以下が好ましく、300cm以下がより好ましく、200cm以下がさらに好ましい。
In the present invention, as mentioned above, the length of the tube is preferably 40 cm or more. The longer the length of the pipe, the greater the amount of mixed gas that can be separated and processed per pipe, and therefore the equipment cost can be reduced. From the above viewpoint, the length of the tube is preferably 80 cm or more, more preferably 100 cm or more, and even more preferably 120 cm or more.
The upper limit is not particularly limited, but it is preferably 500 cm or less, more preferably 300 cm or less, and even more preferably 200 cm or less, since this can prevent problems such as easy breakage due to vibrations during use.

管の内径は通常0.1cm以上、好ましく0.2cm以上、より好ましくは0.3cm以上、特に好ましくは0.4cm以上であり、通常2cm以下、好ましくは1.5cm以下、より好ましくは1.2cm以下、特に好ましくは1.0cm以下である。外径は、通常0.2cm以上、好ましくは0.3cm以上、より好ましくは0.6cm以上、特に好ましくは1.0cm以上であり、通常2.5cm以下、好ましくは1.7cm以下、より好ましくは1.3cm以下である。
管の内径及び外径がそれぞれ上記上限値以下であれば、アンモニア等の分離に伴う設備のサイズを小さくすることができ、経済的に有利になる。
The inner diameter of the tube is usually 0.1 cm or more, preferably 0.2 cm or more, more preferably 0.3 cm or more, particularly preferably 0.4 cm or more, and usually 2 cm or less, preferably 1.5 cm or less, more preferably 1. It is 2 cm or less, particularly preferably 1.0 cm or less. The outer diameter is usually 0.2 cm or more, preferably 0.3 cm or more, more preferably 0.6 cm or more, particularly preferably 1.0 cm or more, and usually 2.5 cm or less, preferably 1.7 cm or less, more preferably is 1.3 cm or less.
If the inner diameter and outer diameter of the tube are each below the above upper limit values, the size of the equipment associated with the separation of ammonia etc. can be reduced, which is economically advantageous.

本発明のゼオライト膜複合体は、部位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が20%以内の範囲で一致していることを特徴とする。なお、部位(A)、部位(B)及び部位(B’)については、上述のとおりである。
本発明のゼオライト膜複合体は、管状構造を有し、長尺である場合であっても、管の部位にかかわらず、全体で同様のSi/Al比を有することが重要であり、具体的には、中央部(部位(A))と端部(部位(B)及び部位(B’))でのSi/Alの比の変動幅が20%以内であるとよい。好ましくは18%以内であり、さらに好ましくは15%以内である。なお、変動幅が20%以下とは、端部のSi/Al比が中央部のSi/Al比に対して、80~120%の値を示すことと同義である。
The zeolite membrane composite of the present invention has a Si/Al ratio in the site (B) to the Si/Al ratio in the site (A), and a Si/Al ratio in the site (B') to the Si/Al ratio in the site (A). /Al ratios are matched within a range of 20%. Note that the site (A), site (B), and site (B') are as described above.
The zeolite membrane composite of the present invention has a tubular structure, and even if it is long, it is important that it has a similar Si/Al ratio throughout regardless of the location of the tube. For this purpose, it is preferable that the fluctuation width of the Si/Al ratio at the center (site (A)) and at the ends (sites (B) and (B')) be within 20%. It is preferably within 18%, more preferably within 15%. Note that the range of variation of 20% or less is synonymous with the Si/Al ratio at the ends exhibiting a value of 80 to 120% of the Si/Al ratio at the center.

<多孔質支持体>
本発明において用いられる多孔質支持体は、表面にゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性を有することが好ましい。好適な多孔質支持体としては、ポリスルフォン、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、フッ化ビニリデン、ポリエーテルスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどのガス透過性の多孔質高分子;シリカ、α-アルミナ、γ-アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体;鉄、ブロンズ、ステンレス等の焼結金属やメッシュ状の成形体;ガラス、カーボン成型体などの無機多孔質が挙げられる。なかでも、高温領域でのアンモニア分離用の多孔質支持体としては、該支持体の高温時の機械強度、耐変形性、熱安定性、耐反応性が優れる理由から、セラミックス焼結体や金属焼結体、ガラス、カーボン成型体などの無機多孔質支持体が好ましい。
無機多孔質支持体は、基本的成分あるいはその大部分が無機の非金属物質から構成されている固体材料であるセラミックスを焼結したものが好ましい。
<Porous support>
The porous support used in the present invention preferably has chemical stability that allows zeolite to be crystallized in the form of a film on the surface. Suitable porous supports include gas permeable porous polymers such as polysulfone, cellulose acetate, aromatic polyamides, vinylidene fluoride, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyimide, etc. ; Ceramic sintered bodies such as silica, α-alumina, γ-alumina, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide; Sintered metals and mesh-shaped bodies such as iron, bronze, and stainless steel; Glass, Examples include inorganic porous materials such as carbon molded bodies. Among these, porous supports for ammonia separation in high-temperature ranges include ceramic sintered bodies and metals because of their excellent mechanical strength, deformation resistance, thermal stability, and reaction resistance at high temperatures. Inorganic porous supports such as sintered bodies, glass, and molded carbon bodies are preferred.
The inorganic porous support is preferably one obtained by sintering ceramics, which is a solid material whose basic component or most of it is composed of an inorganic nonmetallic substance.

好ましいセラミックス焼結体としては、上述の通り、α-アルミナ、γ-アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などを含むセラミックス焼結体が挙げられるが、これらは単独の焼結体であってもよく、複数のものを混合して焼結したものであってもよい。これらセラミックス焼結体は、その表面の一部がゼオライト膜合成中にゼオライト化することがあるため、これにより、多孔質支持体とゼオライト膜との密着性が高くなるため、ゼオライト膜複合体の耐久性を向上させることができる。
特に、アルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも1種を含む無機多孔質支持体は、無機多孔質支持体の部分的なゼオライト化が容易であるため、無機多孔質支持体とゼオライトの結合が強固になり、緻密で分離性能の高いゼオライト膜が形成されやすくなるのでより好ましい。
As mentioned above, preferred ceramic sintered bodies include ceramic sintered bodies containing α-alumina, γ-alumina, silica, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide, etc. The sintered body may be a sintered body, or a mixture of a plurality of sintered bodies may be used. A part of the surface of these ceramic sintered bodies may turn into zeolite during zeolite membrane synthesis, which increases the adhesion between the porous support and the zeolite membrane, resulting in the formation of a zeolite membrane composite. Durability can be improved.
In particular, an inorganic porous support containing at least one of alumina, silica, and mullite can easily be partially converted into zeolite, so that the bond between the inorganic porous support and zeolite is strong. This is more preferable because it facilitates the formation of a dense zeolite membrane with high separation performance.

本発明において用いられる多孔質支持体は、その表面(以下「多孔質支持体表面」ともいう。)において、多孔質支持体上に形成されるゼオライトを結晶化させる作用を有することが好ましい。
また、上記多孔質支持体表面は、細孔径が制御されていることが好ましい。多孔質支持体表面付近における多孔質支持体の平均細孔径は、通常0.02μm以上、好ましくは0.05μm以上、さらに好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.15μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上であり、とりわけ好ましくは0.7μm以上、最も好ましくは1.0μm以上であり、通常20μm以下、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは5μm以下特に好ましくは2μm以下である。このような範囲の細孔径を有する多孔質支持体を使用することにより、アンモニアの透過選択性を向上させる緻密なゼオライト膜を形成させることができる。
なお、多孔質支持体の表面は滑らかであることが好ましく、必要に応じて表面をやすり等で研磨してもよい。
The porous support used in the present invention preferably has an effect on its surface (hereinafter also referred to as "porous support surface") to crystallize the zeolite formed on the porous support.
Moreover, it is preferable that the pore diameter of the surface of the porous support is controlled. The average pore diameter of the porous support near the surface of the porous support is usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.15 μm or more, and even more preferably 0. It is .5 μm or more, particularly preferably 0.7 μm or more, most preferably 1.0 μm or more, and usually 20 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, particularly preferably 2 μm or less. By using a porous support having a pore size within such a range, a dense zeolite membrane that improves ammonia permselectivity can be formed.
Note that the surface of the porous support is preferably smooth, and if necessary, the surface may be polished with a file or the like.

本発明において用いられる多孔質支持体の、多孔質支持体表面付近以外の部分の細孔径は制限されるものではなく、また特に制御される必要は無いが、その他の部分の気孔率は通常20%以上、より好ましくは30%以上、通常60%以下、好ましくは50%以下である。多孔質支持体表面付近以外の部分の気孔率は、気体や液体を分離する際の透過流量を左右し、上記下限以上であることにより透過物が拡散しやすくなる傾向があり、上記上限値以下では多孔質支持体の強度が低下するのを防ぎやすくなる傾向がある。また透過流量を制御する方法として、気孔率の異なる多孔質体を層状に組み合わせた多孔質支持体を用いてもよい。 The pore diameter of the porous support used in the present invention in areas other than the vicinity of the surface of the porous support is not limited and does not need to be particularly controlled, but the porosity of the other areas is usually 20. % or more, more preferably 30% or more, usually 60% or less, preferably 50% or less. The porosity of the part other than the vicinity of the surface of the porous support affects the permeation flow rate when separating gases and liquids, and if it is above the above lower limit, the permeate will tend to diffuse more easily, and if it is below the above upper limit. This tends to make it easier to prevent the strength of the porous support from decreasing. In addition, as a method of controlling the permeation flow rate, a porous support in which porous bodies having different porosities are combined in a layered manner may be used.

本発明において用いられる多孔質支持体の形状は管状である。管状の多孔質支持体の長さは、上述のゼオライト膜複合体の長さを担保できるものであればよい。したがって、多孔質支持体の管の長さは、前述のゼオライト膜複合体と同様に、40cm以上であることが好ましく、80cm以上であることがより好ましく、100cm以上であることがさらに好ましく、120cm以上であることが特に好ましい。また、500cm以下が好ましく、300cm以下がより好ましく、200cm以下がさらに好ましい。上記上限値以下であると、上述のように、使用時の振動等により折れやすい等の問題がなく、また、ゼオライト膜複合体の製造を簡略化できる。 The shape of the porous support used in the present invention is tubular. The length of the tubular porous support may be any length that can ensure the length of the above-mentioned zeolite membrane composite. Therefore, the length of the tube of the porous support is preferably 40 cm or more, more preferably 80 cm or more, even more preferably 100 cm or more, and even more preferably 120 cm or more, similar to the above-mentioned zeolite membrane composite. It is particularly preferable that it is above. Further, the length is preferably 500 cm or less, more preferably 300 cm or less, and even more preferably 200 cm or less. When it is below the above upper limit, as mentioned above, there will be no problems such as easy breakage due to vibration during use, etc., and the production of the zeolite membrane composite can be simplified.

管状の多孔質支持体の内径についても、上述のゼオライト膜複合体の内径及び外形を担保し得るものであればよく、通常0.1cm以上、好ましく0.2cm以上、より好ましくは0.3cm以上、特に好ましくは0.4cm以上であり、通常2cm以下、好ましくは1.5cm以下、より好ましくは1.2cm以下、特に好ましくは1.0cm以下である。外径は、通常0.2cm以上、好ましくは0.3cm以上、より好ましくは0.6cm以上、特に好ましくは1.0cm以上であり、通常2.5cm以下、好ましくは1.7cm以下、より好ましくは1.3cm以下である。
管状の多孔質支持体の肉厚は、通常0.1mm以上、好ましくは0.3mm以上、より好ましくは0.5mm以上、さらに好ましくは0.7mm以上、さらに好ましくは1.0mm以上、特に好ましくは1.2mm以上であり、通常4mm以下、好ましくは3mm以下、より好ましくは2mm以下である。
管状の多孔質支持体の内径、外径及び肉厚がそれぞれ、上記下限値以上であれば、支持体の強度を向上させて折れにくくすることができる。また、管状の支持体の内径及び外径がそれぞれ上記上限値以下であれば、アンモニアの分離に伴う設備のサイズを小さくすることができるために、経済的に有利になりうる。また、管状の支持体の肉厚が上記上限値以下であれば、透過性能が向上する傾向がある。
The inner diameter of the tubular porous support may be any diameter as long as it can maintain the inner diameter and outer shape of the zeolite membrane composite described above, and is usually 0.1 cm or more, preferably 0.2 cm or more, and more preferably 0.3 cm or more. , particularly preferably 0.4 cm or more, usually 2 cm or less, preferably 1.5 cm or less, more preferably 1.2 cm or less, particularly preferably 1.0 cm or less. The outer diameter is usually 0.2 cm or more, preferably 0.3 cm or more, more preferably 0.6 cm or more, particularly preferably 1.0 cm or more, and usually 2.5 cm or less, preferably 1.7 cm or less, more preferably is 1.3 cm or less.
The wall thickness of the tubular porous support is usually 0.1 mm or more, preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, even more preferably 0.7 mm or more, still more preferably 1.0 mm or more, and particularly preferably is 1.2 mm or more, and usually 4 mm or less, preferably 3 mm or less, and more preferably 2 mm or less.
If the inner diameter, outer diameter, and wall thickness of the tubular porous support are each greater than or equal to the above lower limit values, the strength of the support can be improved and the support can be made less likely to break. Further, if the inner diameter and outer diameter of the tubular support are each equal to or less than the above-mentioned upper limit values, it may be economically advantageous because the size of the equipment for separating ammonia can be reduced. Furthermore, if the thickness of the tubular support is equal to or less than the above upper limit, the permeation performance tends to improve.

多孔質支持体の30℃における熱膨張率に対する300℃における熱膨張率の変化率は、その絶対値として、0.25%以下、好ましくは0.20%以下、更に好ましくは0.15%以下、とりわけ好ましくは0.10%以下、最も好ましくは0.05%以下である。
すなわち、多孔質支持体の30℃における熱膨張率に対する300℃における熱膨張率の変化率は、±0.25%以内であり、好ましくは±0.20%以内、更に好ましくは±0.15%以内、とりわけ好ましくは±0.10%以内、最も好ましくは±0.05%以内である。
また、多孔質支持体の30℃の熱膨張率に対する400℃の熱膨張率の変化率は、その絶対値として、通常0.30%以下、好ましくは0.25%以下、更に好ましくは、0.20%以下、とりわけ好ましくは0.15%以下、最も好ましくは0.10%以下である。
すなわち、多孔質支持体の30℃の熱膨張率に対する400℃の熱膨張率の変化率は、±0.30%以内、好ましくは±0.25%以内、更に好ましくは、±0.20%以内、とりわけ好ましくは±0.15%以内、最も好ましくは±0.10%以内である。このような低い熱膨張率を示す多孔質支持体上に成膜したゼオライト膜複合体は、例えば、200℃を超える温度条件下で、更には300℃を超える温度条件下でも、アンモニアと窒素を少なくとも含む複数の成分からなる混合ガスからアンモニアを透過させる目的で該複合体を昇温した際に、多孔質支持体の熱膨張(収縮)に追従してゼオライト膜の亀裂が発生しにくいため、高温条件下でも安定してアンモニアを高い透過度で効率的に透過側に分離することができる。
The rate of change in the coefficient of thermal expansion at 300°C relative to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is, as an absolute value, 0.25% or less, preferably 0.20% or less, more preferably 0.15% or less. , particularly preferably 0.10% or less, most preferably 0.05% or less.
That is, the rate of change in the coefficient of thermal expansion at 300°C with respect to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is within ±0.25%, preferably within ±0.20%, more preferably ±0.15. %, particularly preferably within ±0.10%, most preferably within ±0.05%.
Further, the rate of change in the coefficient of thermal expansion at 400°C relative to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is usually 0.30% or less, preferably 0.25% or less, more preferably 0. .20% or less, particularly preferably 0.15% or less, most preferably 0.10% or less.
That is, the rate of change in the coefficient of thermal expansion at 400°C with respect to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is within ±0.30%, preferably within ±0.25%, and more preferably within ±0.20%. It is particularly preferably within ±0.15%, most preferably within ±0.10%. A zeolite membrane composite film formed on a porous support exhibiting such a low coefficient of thermal expansion can absorb ammonia and nitrogen, for example, at temperatures exceeding 200°C, and even at temperatures exceeding 300°C. When the temperature of the composite is raised for the purpose of permeating ammonia from a mixed gas consisting of at least a plurality of components, cracks in the zeolite membrane are less likely to occur following the thermal expansion (contraction) of the porous support. Ammonia can be stably separated into the permeate side with high permeability even under high temperature conditions.

また、多孔質支持体の30℃の熱膨張率に対する300℃の熱膨張率の変化率に対する、30℃の熱膨張率に対する400℃における該熱膨張率の変化率は、その比として絶対値で、通常120%以下、好ましくは115%以下、更に好ましくは110%以下、とりわけ好ましくは105%以下、最も好ましくは103%以下である。このような特定の温度間の特定の熱膨張率比を示す多孔質支持体上に成膜したゼオライト膜複合体は、例えば、アンモニア製造において反応器内で不均質な発熱が起こった際にも、局所的な多孔質支持体の熱膨張(収縮)に追従したゼオライト膜の亀裂の発生を抑制できるため、高温条件下でも安定してアンモニアを高い透過度で効率的に透過側に分離することができる。 In addition, the rate of change in the coefficient of thermal expansion at 400°C with respect to the coefficient of thermal expansion at 30°C with respect to the rate of change in the coefficient of thermal expansion at 300°C with respect to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is expressed as an absolute value as a ratio. , usually 120% or less, preferably 115% or less, more preferably 110% or less, particularly preferably 105% or less, and most preferably 103% or less. A zeolite membrane composite film formed on a porous support that exhibits a specific thermal expansion coefficient ratio between specific temperatures can be used, for example, even when heterogeneous heat generation occurs in a reactor during ammonia production. , it is possible to suppress the occurrence of cracks in the zeolite membrane that follows the local thermal expansion (contraction) of the porous support, so that ammonia can be stably and efficiently separated to the permeate side with high permeability even under high temperature conditions. I can do it.

(熱膨張率の変化率の測定方法)
本発明において、多孔質支持体の30℃の熱膨張率に対する所定温度における熱膨張率の変化率は、以下の条件下での昇温XRD測定法により30℃及び所定温度で測定した結晶格子定数を求め、下記式(1)により求めることができる。
(Method of measuring rate of change in coefficient of thermal expansion)
In the present invention, the rate of change in the coefficient of thermal expansion at a predetermined temperature with respect to the coefficient of thermal expansion at 30°C of the porous support is the crystal lattice constant measured at 30°C and a predetermined temperature by temperature-rising XRD measurement method under the following conditions. can be calculated using the following formula (1).

(昇温XRD測定装置仕様)
(Temperature rising XRD measuring device specifications)

(測定条件)
(Measurement condition)

測定雰囲気:大気
昇温条件 :20℃/min
測定方法 :測定温度で5分間保持後にXRD測定を実施する。
測定データには、可変スリットを用いて固定スリット補正を行う。
熱膨張率の変化率=(所定温度で測定した結晶格子定数)÷(30℃で測定した結晶格子定数)-1・・・(1)
Measurement atmosphere: atmospheric temperature rising conditions: 20°C/min
Measurement method: Perform XRD measurement after holding at the measurement temperature for 5 minutes.
Fixed slit correction is performed on the measurement data using a variable slit.
Rate of change in thermal expansion coefficient = (crystal lattice constant measured at a given temperature) ÷ (crystal lattice constant measured at 30°C) -1... (1)

<ゼオライト>
本発明において、ゼオライト膜を構成するゼオライトはアルミノ珪酸塩であることが好ましい。アルミノ珪酸塩は、SiとAlの酸化物を主成分とするものであり、本発明の効果を損なわない限り、それ以外の元素が含まれていてもよい。本発明のゼオライト中に含まれるカチオン種としては、ゼオライトのイオン交換サイトに配位しやすいカチオン種が望ましく、例えば、周期律表の第1族、第2族、第8族、第9族、第10族、第11族、及び、第12族の元素群から選ばれるカチオン種、NH 、ならびにこれらの二種以上のカチオン種であり、より好ましくは、周期律表の第1族、第2族の元素群から選ばれるカチオン種、NH 、ならびにこれらの二種以上のカチオン種である。
<zeolite>
In the present invention, the zeolite constituting the zeolite membrane is preferably an aluminosilicate. The aluminosilicate is mainly composed of oxides of Si and Al, and may contain other elements as long as the effects of the present invention are not impaired. The cationic species contained in the zeolite of the present invention is preferably a cationic species that easily coordinates to the ion exchange site of the zeolite, such as those belonging to Group 1, Group 2, Group 8, Group 9 of the periodic table, A cationic species selected from the element groups of Groups 10, 11, and 12, NH 4 + , and two or more of these cationic species, more preferably cationic species from Group 1 of the periodic table, These include cationic species selected from the Group 2 element group, NH 4 + , and two or more of these cationic species.

アルミノ珪酸塩のSiO/Alモル比は、特段の制限はないが、通常6以上、好ましくは7以上、より好ましくは8以上であり、一方、通常500以下、好ましくは100以下、より好ましくは80以下、さらに好ましくは50以下、とりわけ好ましくは45以下、さらに好ましくは30以下、最も好ましくは25以下である。このような特定の領域のSiO/Alモル比のゼオライトを使用することにより、ゼオライト膜の緻密性ならびに耐化学反応性や耐熱性等の耐久性を向上させることができる。
また、アンモニアと窒素を少なくとも含む複数の成分からなる混合ガスからアンモニアを透過させる分離性能の観点からは、Al元素などに起因する酸点がアンモニアの吸着サイトになる理由から、ゼオライトの構造を維持しやすい範囲でより多くのAlを含有するゼオライトを用いることが好ましく、上記のSiO/Alモル比を示すゼオライトを使用することにより、アンモニアを高い透過度で高選択的に分離することができる。
なお、ゼオライトのSiO/Alモル比は、後に述べる水熱合成の反応条件により調整することができる。
The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the aluminosilicate is not particularly limited, but is usually 6 or more, preferably 7 or more, more preferably 8 or more, while usually 500 or less, preferably 100 or less, It is more preferably 80 or less, still more preferably 50 or less, particularly preferably 45 or less, even more preferably 30 or less, and most preferably 25 or less. By using a zeolite having a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio in such a specific range, the denseness of the zeolite membrane and the durability such as chemical reaction resistance and heat resistance can be improved.
In addition, from the perspective of separation performance for permeating ammonia from a mixed gas consisting of multiple components containing at least ammonia and nitrogen, the structure of zeolite is maintained because acid points caused by Al elements become adsorption sites for ammonia. It is preferable to use a zeolite containing as much Al as possible, and by using a zeolite that exhibits the above SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio, ammonia can be separated highly selectively with high permeability. be able to.
Note that the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite can be adjusted by the reaction conditions of hydrothermal synthesis described later.

本明細書において、SiO/Alモル比は、走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)により決定される数値である。この場合、厚さ数ミクロンのゼオライト膜のみの情報を得るために、通常はX線の加速電圧を10kVとして測定が行われる。 In this specification, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is a value determined by scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). In this case, in order to obtain information only on the zeolite membrane with a thickness of several microns, measurements are usually performed with the X-ray acceleration voltage set at 10 kV.

(本発明におけるゼオライト複合膜中のSi原子とAl原子の比)
本発明のゼオライト複合膜は、前述のように長尺化した際の複合膜全体での分離能力の低下が、その一端での分離能力が著しく低下してしまうことに起因することを見出し、その目安としてSi原子とAl原子の比が、ゼオライト複合膜の全体にわたって一定の値になっていることで判別できることを見出したものである。具体的には、以下の部位において、それぞれのSi原子とAl原子の比を測定し、部位Aすなわち中央部分に対し、端部になる部位B、部位B’がともに部位Aでの値に対する変動幅が20%以内、より好ましくは18%以内、さらに好ましくは16%以内、最も好ましくは15%以内となっていることである。
部位(A):ゼオライト膜複合体の管の長さ方向の中心から両側に4cmの幅の部分
部位(B):ゼオライト膜複合体の管の一方の端部から8~12cmの部分
部位(B’):ゼオライト膜複合体の管の他方の端部から8~12cmの部分
(Ratio of Si atoms to Al atoms in the zeolite composite membrane of the present invention)
The zeolite composite membrane of the present invention has been developed by discovering that the decrease in separation capacity of the entire composite membrane when lengthened as described above is due to a significant decrease in separation capacity at one end of the membrane. It has been discovered that, as a guideline, the ratio of Si atoms to Al atoms can be determined by having a constant value throughout the zeolite composite membrane. Specifically, we measured the ratio of Si atoms to Al atoms in each of the following parts, and compared the ratio of Si atoms to Al atoms in part A, that is, the central part, in parts B and B', which are the ends, both compared to the value in part A. The width is preferably within 20%, more preferably within 18%, even more preferably within 16%, and most preferably within 15%.
Area (A): A partial area with a width of 4 cm on both sides from the longitudinal center of the zeolite membrane composite tube. Area (B): A partial area with a width of 8 to 12 cm from one end of the zeolite membrane composite tube (B). '): 8 to 12 cm from the other end of the zeolite membrane composite tube

上記比が長尺管にしたときの分離能力と相関がある理由は定かではないが、のちに示す比較例で、大きく組成がずれた部分でアンモニアの透過能力は変化がないのに対し、窒素の透過率が大きく上昇したことから、組成の差による温度等の衝撃を受けた時に傷ができて、窒素も通してしまうような状況になることを、この組成の比で判別できると考えられる。
なお、Si/Alの比の変動幅が20%以内とは、端部のSi/Al比が中央部のSi/Al比に対して、80~120%の値を示すことと同義である。
It is not clear why the above ratio is correlated with the separation ability when a long tube is used, but in the comparative example shown later, the ammonia permeation ability remains unchanged in the part where the composition differs greatly, while the nitrogen Since the transmittance of the material increased significantly, it is thought that this ratio of composition can be used to determine whether scratches occur when exposed to shocks such as temperature due to the difference in composition, and nitrogen also passes through. .
Note that the range of fluctuation of the Si/Al ratio within 20% is synonymous with the Si/Al ratio at the ends exhibiting a value of 80 to 120% of the Si/Al ratio at the center.

本発明で使用するゼオライトの構造としては、IZAが規定するコードで表すと、例えば、ABW、ACO、AEI、AEN、AFI、AFT、AFX、ANA、ATN、ATT、ATV、AWO、AWW、BIK、CHA、DDR、DFT、EAB、EPI、ERI、ESV、FAU、GIS、GOO、ITE、JBW、KFI、LEV、LTA、MER、MON、MTF、OWE、PAU、PHI、RHO、RTE、RWR、SAS、SAT、SAV、SIV、TSC、UFI、VNI、YUG、AEL、AFO、AHT、DAC、FER、HEU、IMF、ITH、MEL、MFS、MWW、OBW、RRO、SFG、STI、SZR、TER、TON、TUN、WEI、MFI、MON、PAU、PHI、MOR等が挙げられる。 The structure of the zeolite used in the present invention is represented by the codes specified by IZA, for example, ABW, ACO, AEI, AEN, AFI, AFT, AFX, ANA, ATN, ATT, ATV, AWO, AWW, BIK, CHA, DDR, DFT, EAB, EPI, ERI, ESV, FAU, GIS, GOO, ITE, JBW, KFI, LEV, LTA, MER, MON, MTF, OWE, PAU, PHI, RHO, RTE, RWR, SAS, SAT, SAV, SIV, TSC, UFI, VNI, YUG, AEL, AFO, AHT, DAC, FER, HEU, IMF, ITH, MEL, MFS, MWW, OBW, RRO, SFG, STI, SZR, TER, TON, Examples include TUN, WEI, MFI, MON, PAU, PHI, MOR, etc.

その中でもフレームワーク密度が18.0T/nm以下であるゼオライトが好ましく、より好ましくはCHA、FAU、MFI、LTA、RHOであり、さらに好ましくは、MFI、RHOである。フレームワーク密度が低いゼオライトを使用することでアンモニアを含む混合ガス中にアンモニア以外の透過成分が存在する場合、それらの透過成分が透過する際の抵抗を小さくすることができ、アンモニアの透過量を大きくしやすくなる。 Among them, zeolites having a framework density of 18.0 T/nm 3 or less are preferred, more preferably CHA, FAU, MFI, LTA, and RHO, and still more preferably MFI and RHO. By using zeolite with a low framework density, when there are permeate components other than ammonia in a mixed gas containing ammonia, the resistance when those permeate components permeate can be reduced, and the amount of permeation of ammonia can be reduced. It becomes easier to make it bigger.

ここでフレームワーク密度(単位:T/nm)とは、ゼオライトの単位体積(1nm)当たりに存在するT原子(ゼオライトの骨格を構成する原子のうち、酸素以外の原子)の個数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まるものである。なお、フレームワーク密度とゼオライトとの構造の関係は、ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2007 ELSEVIERに示されている。 Here, the framework density (unit: T/nm 3 ) means the number of T atoms (atoms other than oxygen among the atoms constituting the zeolite skeleton) that exist per unit volume (1 nm 3 ) of the zeolite. However, this value is determined by the structure of the zeolite. Note that the relationship between the framework density and the structure of zeolite is shown in ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2007 ELSEVIER.

本発明におけるアンモニアと窒素との膜分離においてはアンモニアのゼオライトへの吸着を利用し、ゼオライト細孔内でのアンモニアのホッピング機構に基づくアンモニアの分離を特徴とする。したがって、特に限定はされないが、アンモニアの分子径に近い細孔径を有するゼオライトの方がアンモニア分離選択性が向上しやすいため、好ましい場合がある。以上の観点からすると、ゼオライトの構造としては酸素8員環細孔を有するものが好ましい。
一方、酸素8員環よりも大きなサイズの細孔ではアンモニアの透過度が高くなる点で好ましいが、窒素との分離性能が低くなる場合がある。しかしながら、酸素8員環よりも大きなサイズの細孔を有するゼオライトを使用する際にも、前記のSiO/Alモル比を低下させたゼオライトを使用すると、Alサイトに吸着したアンモニアによりゼオライト膜の細孔径が制御されるために、アンモニアを高い透過度で高選択的に分離することができる。
The membrane separation of ammonia and nitrogen in the present invention utilizes adsorption of ammonia to zeolite, and is characterized by separation of ammonia based on a hopping mechanism of ammonia within zeolite pores. Therefore, although not particularly limited, a zeolite having a pore diameter close to the molecular diameter of ammonia may be preferable because the selectivity for ammonia separation tends to improve. From the above viewpoint, it is preferable that the zeolite has a structure having eight-membered oxygen ring pores.
On the other hand, pores with a size larger than the 8-membered oxygen ring are preferable because they increase ammonia permeability, but may result in poor nitrogen separation performance. However, even when using a zeolite with pores larger than the 8-membered oxygen ring, if a zeolite with a reduced SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is used, the ammonia adsorbed on the Al sites Since the pore size of the zeolite membrane is controlled, ammonia can be separated highly selectively with high permeability.

したがって、膜分離に用いるゼオライトの有効細孔径は、アンモニアが吸着したゼオライト膜の細孔径に大きく影響を与えるため、重要な設計因子の一つとなる。ゼオライトの有効細孔径は、ゼオライトに導入する金属種やイオン交換、酸処理、シリル化処理などによっても制御することが可能である。また、その他の手法で有効細孔径を制御することによって、分離性能を向上させることも可能である。
例えば、ゼオライト骨格に導入する金属種の原子径によって、ゼオライトの細孔径はわずかに影響を受ける。ケイ素よりも原子径が小さな金属、具体的には、例えばホウ素(B)等を導入した場合には細孔径は小さくなり、ケイ素よりも大きな原子径の金属、具体的には、例えばスズ(Sn)等を導入した場合には細孔径は大きくなる。また、酸処理によって、ゼオライト骨格に導入されている金属を脱離させることによって、細孔径が影響される場合がある。
Therefore, the effective pore diameter of the zeolite used for membrane separation is one of the important design factors since it greatly influences the pore diameter of the zeolite membrane on which ammonia is adsorbed. The effective pore diameter of zeolite can also be controlled by the metal species introduced into the zeolite, ion exchange, acid treatment, silylation treatment, etc. It is also possible to improve the separation performance by controlling the effective pore diameter using other techniques.
For example, the pore size of the zeolite is slightly influenced by the atomic diameter of the metal species introduced into the zeolite skeleton. When a metal with an atomic diameter smaller than silicon, specifically, for example, boron (B), is introduced, the pore diameter becomes smaller, and when a metal with an atomic diameter larger than silicon, specifically, for example, tin (Sn ) etc., the pore diameter becomes larger. Furthermore, the pore diameter may be affected by removing metals introduced into the zeolite skeleton through acid treatment.

また、イオン交換により、ゼオライト中のイオンをイオン半径の大きな1価のイオンで交換した場合には、有効細孔径は小さくなり、一方イオン半径の小さな1価のイオンでイオン交換した場合には有効細孔径は、ゼオライト構造がもつ細孔径に近い値となる。
さらに、シリル化処理によっても、ゼオライトの有効細孔径を小さくすることが可能である。例えば、ゼオライト膜の外表面の末端シラノールをシリル化し、さらに、シリル化層を積層することによって、ゼオライトの外表面に面した細孔の有効細孔径は小さくなる。
In addition, when ions in zeolite are exchanged with monovalent ions with a large ionic radius, the effective pore diameter becomes smaller, whereas when ions are exchanged with monovalent ions with a small ionic radius, the effective pore size becomes smaller. The pore diameter is close to the pore diameter of the zeolite structure.
Furthermore, the effective pore diameter of zeolite can also be reduced by silylation treatment. For example, by silylating the terminal silanol on the outer surface of the zeolite membrane and further laminating a silylated layer, the effective pore diameter of the pores facing the outer surface of the zeolite becomes smaller.

本発明で用いられるゼオライト膜複合体の分離機能は、特に限定されないが、ゼオライトの表面物性の制御により、気体分子のゼオライト膜への親和性や吸着性を制御することにより発現する。すなわち、ゼオライトの極性を制御することによりアンモニアのゼオライトへの吸着性を制御して、透過させやすくすることができる。
例えば、窒素原子を存在させてゼオライトの極性を制御することによりアンモニアのゼオライトへの親和性を制御して、透過させやすくすることもできる。
Although the separation function of the zeolite membrane composite used in the present invention is not particularly limited, it is expressed by controlling the surface properties of the zeolite to control the affinity and adsorption of gas molecules to the zeolite membrane. That is, by controlling the polarity of the zeolite, the adsorption of ammonia to the zeolite can be controlled, thereby making it easier to permeate ammonia.
For example, the affinity of ammonia to the zeolite can be controlled by controlling the polarity of the zeolite by the presence of a nitrogen atom, thereby making it easier to permeate ammonia.

また、ゼオライト骨格のSi原子をAl原子で置換することにより極性を大きくすることが可能であり、これにより、アンモニアのような極性の大きい気体分子を積極的にゼオライト細孔に吸着、透過させることができる。また、Ga、Fe、B、Ti、Zr、Sn、ZnなどのAl原子源以外の他の原子源を水熱合成の水性反応混合物に添加して、得られるゼオライトの極性を制御することも可能である。
このほか、イオン交換によって、ゼオライトの細孔径だけでなく、分子の吸着性能を制御して、透過速度をコントロールすることもできる。
In addition, it is possible to increase the polarity by replacing Si atoms in the zeolite skeleton with Al atoms, which allows highly polar gas molecules such as ammonia to be actively adsorbed and permeated into the zeolite pores. Can be done. It is also possible to control the polarity of the resulting zeolite by adding other atomic sources other than the Al atomic source, such as Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, and Zn, to the aqueous reaction mixture for hydrothermal synthesis. It is.
In addition, through ion exchange, it is possible to control not only the pore size of the zeolite but also its ability to adsorb molecules, thereby controlling the permeation rate.

<ゼオライト膜>
本発明におけるゼオライト膜とは、ゼオライトにより構成される膜状物のことであり、好ましくは、多孔質支持体の表面にゼオライトを結晶化させて形成されたものである。膜を構成する成分として、ゼオライト以外にシリカ、アルミナなどの無機バインダー、ポリマーなどの有機物、あるいはゼオライト表面を修飾するシリル化剤などを必要に応じて含んでいてもよい。
本発明で用いられるゼオライト膜に含まれる好ましいゼオライトは上述の通りであるが、ゼオライト膜に含まれるゼオライトは1種でもよいし、複数種含まれていてもよい。また、ANA、GIS、MERのような混相で生成しやすいゼオライトや、結晶以外にもアモルファス成分などが含有されていてもよい。
<Zeolite membrane>
The zeolite membrane in the present invention refers to a membrane-like material composed of zeolite, and is preferably formed by crystallizing zeolite on the surface of a porous support. In addition to zeolite, the membrane may optionally contain an inorganic binder such as silica or alumina, an organic substance such as a polymer, or a silylation agent that modifies the zeolite surface.
The preferred zeolite contained in the zeolite membrane used in the present invention is as described above, but the zeolite membrane may contain one type of zeolite or multiple types of zeolite. In addition, zeolites such as ANA, GIS, and MER, which are easily generated in a mixed phase, and amorphous components other than crystals may be contained.

ゼオライト膜複合体を構成するゼオライト及び多孔質支持体には特段の制限はなく、上述のゼオライト及び多孔質支持体を任意で組み合わせて使用することが好ましいが、これらのなかでも、特に好ましいゼオライトと多孔質支持体の組み合わせは、具体的には、MFI型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、RHO型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、DDR型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、AFI型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、CHA型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、AEI型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体が挙げられ、好ましくは、CHA型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、MFI型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、RHO型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、より好ましくは、MFI型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体、RHO型ゼオライト-多孔質アルミナ支持体である。 There are no particular restrictions on the zeolite and porous support that constitute the zeolite membrane composite, and it is preferable to use any combination of the above-mentioned zeolite and porous support, but among these, particularly preferred zeolites and porous supports are Specifically, the combinations of porous supports include MFI type zeolite-porous alumina support, RHO type zeolite-porous alumina support, DDR type zeolite-porous alumina support, AFI type zeolite-porous alumina support. Supports include CHA type zeolite-porous alumina support, AEI type zeolite-porous alumina support, preferably CHA type zeolite-porous alumina support, MFI type zeolite-porous alumina support, RHO Type zeolite-porous alumina support, more preferably MFI type zeolite-porous alumina support, RHO type zeolite-porous alumina support.

(アルカリ金属とアルミニウムのモル比)
本発明においては、SEM-EDS(走査型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分析)測定により決定されるゼオライト膜断面に含まれるアルカリ金属原子の含有量を特定の範囲に制御すると、アンモニアと窒素を少なくとも含む複数の成分からなる混合ガスから、アンモニアを分離する際のアンモニア透過度が向上する傾向がある。そのため、必要に応じてアルカリ金属原子の含有量を制御するのは好ましい態様の一つである。
このようにゼオライト膜断面に、必要に応じて、アルカリ金属原子を存在させる場合のアルカリ金属原子としては、Li、Na、K、Rb、Cs、ならびにこれらの二種以上の金属原子が例示され、これらの中では、Li、Na、Csが好ましく、アンモニアの分離性能が優れ、且つ汎用のアルカリ金属である理由から、Naがより好ましい。
なお、SEM-EDSの測定条件は以下の通りである。
(Molar ratio of alkali metal and aluminum)
In the present invention, when the content of alkali metal atoms contained in the cross section of the zeolite membrane determined by SEM-EDS (scanning electron microscope energy dispersive X-ray analysis) is controlled within a specific range, ammonia and nitrogen can be reduced at least Ammonia permeability tends to improve when ammonia is separated from a mixed gas consisting of a plurality of components. Therefore, one of the preferred embodiments is to control the content of alkali metal atoms as necessary.
Examples of alkali metal atoms in the case where alkali metal atoms are present in the cross section of the zeolite membrane as necessary include Li, Na, K, Rb, Cs, and metal atoms of two or more of these. Among these, Li, Na, and Cs are preferred, and Na is more preferred because it has excellent ammonia separation performance and is a general-purpose alkali metal.
Note that the measurement conditions for SEM-EDS are as follows.

(測定条件)
(SEM-EDS測定)
装置:FE-SEM(日本電子JSM-7900F)
EDS(Oxford ULTim MAX)
条件:5kV(照射電流500pA、高真空モード)
観察倍率:5000倍、10000倍、20000倍
(Measurement condition)
(SEM-EDS measurement)
Equipment: FE-SEM (JEOL JSM-7900F)
EDS (Oxford ULTIM MAX)
Conditions: 5kV (irradiation current 500pA, high vacuum mode)
Observation magnification: 5000x, 10000x, 20000x

(SEM-EDS測定のための観察範囲)
20000倍で像を取得し、図5(実施例で実際に使用した一例を転用)に示すように膜部分を囲い、上記の条件で120秒間測定を実施し、Si/Al比、Na/Al比を算出する。
(Observation range for SEM-EDS measurement)
An image was acquired at a magnification of 20,000 times, the membrane part was enclosed as shown in Figure 5 (an example actually used in the example was reused), and measurements were performed for 120 seconds under the above conditions to determine the Si/Al ratio, Na/Al Calculate the ratio.

(原子濃度の算出)
各元素の原子数濃度の算出は、AZtec(Oxford Instruments)のソフトを使用した。Si/Al比の算出は、Siの原子数濃度をAlの原子数濃度で除算して算出した。Na/Si比の算出は、Naの原子数濃度をSiの原子数濃度で除算して算出する。
(Calculation of atomic concentration)
The atomic concentration of each element was calculated using software from AZtec (Oxford Instruments). The Si/Al ratio was calculated by dividing the Si atomic concentration by the Al atomic concentration. The Na/Si ratio is calculated by dividing the Na atomic concentration by the Si atomic concentration.

アルカリ金属原子は、ゼオライト膜を構成するゼオライト中のAlサイトのイオン対としてカチオンの形態で存在し、通常、後述するように、合成されたゼオライト膜のイオン交換処理によりゼオライト中に導入される。必要に応じて、ゼオライト膜表面にアルカリ金属原子を存在させる場合のアルカリ金属原子、特に好適なナトリウム原子の含有量は、ゼオライト膜表面のAl原子に対して、モル比で、2.0以下であることが好ましく、1.8以下であることがより好ましく、1.5以下であることがさらに好ましく、1.0以下であることが特に好ましい。下限値については、特に制限はないが、0.01以上が好ましく、0.05以上であることがより好ましく、0.1以上であることがさらに好ましい。
アルカリ金属原子の含有量を、上記の範囲に制御すると、アンモニアの分離選択性を高めたまま、アンモニアの透過度を向上させることができる傾向があり、好ましい。
なお、ゼオライト膜中のAl原子に対するアルカリ金属原子のモル比は、後述するように、ゼオライトのイオン交換処理時のイオンの交換量を調整することにより制御することができる。
Alkali metal atoms exist in the form of cations as ion pairs of Al sites in the zeolite constituting the zeolite membrane, and are usually introduced into the zeolite by ion exchange treatment of the synthesized zeolite membrane, as described below. If necessary, when alkali metal atoms are present on the zeolite membrane surface, the content of alkali metal atoms, particularly preferably sodium atoms, is 2.0 or less in molar ratio to Al atoms on the zeolite membrane surface. It is preferably at most 1.8, more preferably at most 1.5, even more preferably at most 1.0. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and even more preferably 0.1 or more.
Controlling the alkali metal atom content within the above range tends to improve ammonia permeability while increasing ammonia separation selectivity, which is preferable.
Note that the molar ratio of alkali metal atoms to Al atoms in the zeolite membrane can be controlled by adjusting the amount of ions exchanged during the ion exchange treatment of the zeolite, as described later.

本発明においては、未だ詳らかではなく特に限定はされないが、アンモニアのゼオライトへの吸着を利用して膜分離に用いるゼオライトの有効細孔径を制御するとともに、ゼオライト細孔内でのアンモニアのホッピング機構に基づいてアンモニアを分離することを特徴とする。このようにゼオライトへのアンモニアの吸着/脱離が伴う細孔内ホッピング機構を主に活用してアンモニアの分離を行う本発明においては、先ずはアンモニアを含む供給混合ガス中のアンモニアとゼオライト膜表面との吸着親和性を、該混合ガス中に含まれるその他の水素や窒素等のガスよりも如何に高めるかが重要な設計因子となる。この視点から、Al原子をゼオライト膜表面により多く存在させるとゼオライト膜表面の極性が変化し、供給ガス中のアンモニアとの吸着親和性が高まるためにアンモニア分離性能が向上する。また、本発明においては、ゼオライト膜表面のAl原子の含有量は、ゼオライト膜を構成するゼオライトのSiO/Al比やゼオライト膜形成後のアルミニウム塩処理等により制御されるが、特に後者のアルミニウム塩処理は、ゼオライト膜表面に存在する微細な欠陥を封止する効果もあり、ゼオライト膜の緻密性ならびに耐化学反応性や耐熱性等の耐久性を向上させることができると共に、本発明の課題の一つであるゼオライト膜の高温時の分離熱安定性の向上に大きく貢献する。 In the present invention, although the details are not yet clear and there are no particular limitations, the effective pore diameter of the zeolite used for membrane separation is controlled by utilizing the adsorption of ammonia to the zeolite, and the hopping mechanism of ammonia within the zeolite pores is controlled. It is characterized by separating ammonia based on In the present invention, which mainly utilizes the pore hopping mechanism that involves adsorption/desorption of ammonia onto zeolite to separate ammonia, first, the ammonia in the supplied mixed gas containing ammonia and the surface of the zeolite membrane are separated. An important design factor is how to increase the adsorption affinity with the mixed gas compared to other gases such as hydrogen and nitrogen contained in the mixed gas. From this point of view, when more Al atoms are present on the zeolite membrane surface, the polarity of the zeolite membrane surface changes, and the adsorption affinity with ammonia in the supplied gas increases, so that the ammonia separation performance improves. In addition, in the present invention, the content of Al atoms on the surface of the zeolite membrane is controlled by the SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of the zeolite constituting the zeolite membrane, the aluminum salt treatment after the zeolite membrane is formed, etc. The latter aluminum salt treatment has the effect of sealing minute defects existing on the surface of the zeolite membrane, improving the denseness of the zeolite membrane and durability such as chemical reaction resistance and heat resistance. This greatly contributes to improving the separation thermal stability of zeolite membranes at high temperatures, which is one of the challenges of the invention.

アンモニアと窒素を少なくとも含む混合ガスからのアンモニア分離選択性は、ゼオライト細孔内のAlサイトへのアンモニアの吸着によるブロッキング効果により向上する。
一般に、アンモニアのAlサイトへの吸着力が高いために、透過性能(透過度)が損なわれる傾向にある。本発明では、アルカリ金属原子を、ゼオライト膜を構成するゼオライト中のAlサイトのイオン対としてカチオンの形態で特定量存在させることで、Alサイトへのアンモニアの吸着量を制御することができ、一方、アルカリ金属カチオンのサイズによりアンモニアの分離選択性を保持することができる。これらの機構により、アンモニア分離選択性を保持したまま、透過性能を高めることができる。すなわち、ゼオライト中のAl原子に対するナトリウム等のアルカリ金属原子の含有量を、モル比で2.0以下に制御することが好ましい。また、ゼオライト中のAl原子に対するアルカリ金属原子の含有量が0.01以上であることが好ましい。
The selectivity for separating ammonia from a mixed gas containing at least ammonia and nitrogen is improved due to the blocking effect caused by adsorption of ammonia to Al sites within the zeolite pores.
Generally, since the adsorption power of ammonia to Al sites is high, permeation performance (permeability) tends to be impaired. In the present invention, by allowing a specific amount of alkali metal atoms to exist in the form of cations as ion pairs at Al sites in the zeolite constituting the zeolite membrane, the amount of ammonia adsorbed to the Al sites can be controlled; , the separation selectivity of ammonia can be maintained depending on the size of the alkali metal cation. These mechanisms make it possible to improve permeation performance while maintaining ammonia separation selectivity. That is, it is preferable to control the content of alkali metal atoms such as sodium to Al atoms in the zeolite to a molar ratio of 2.0 or less. Further, it is preferable that the content of alkali metal atoms to Al atoms in the zeolite is 0.01 or more.

(アルカリ金属とケイ素のモル比)
本発明においては、SEM-EDSにより決定されるゼオライト膜断面に含まれるアルカリ金属原子の含有量を特定の範囲に制御すると、アンモニアと窒素を含む複数の成分からなる混合ガスからアンモニアを分離する際のアンモニア透過度が向上する傾向がある。そのため、必要に応じてそれらの含有量を制御するのは好ましい態様の一つである。
このようにゼオライト膜断面に、必要に応じて、アルカリ金属原子を存在させる場合のアルカリ金属原子としては、Li、Na、K、Rb、Cs、ならびにこれらの二種以上の金属原子が例示され、これらの中では、Li、Na、Csが好ましく、アンモニアの分離性能が優れ、且つ汎用のアルカリ金属である理由から、Naがより好ましい。
なお、測定条件は(アルカリ金属とアルミニウムのモル比)の欄に記載の通りである。
(Molar ratio of alkali metal and silicon)
In the present invention, when the content of alkali metal atoms contained in the cross section of the zeolite membrane determined by SEM-EDS is controlled within a specific range, it is possible to separate ammonia from a mixed gas consisting of multiple components including ammonia and nitrogen. ammonia permeability tends to improve. Therefore, it is one of the preferred embodiments to control their content as necessary.
Examples of alkali metal atoms in the case where alkali metal atoms are present in the cross section of the zeolite membrane as necessary include Li, Na, K, Rb, Cs, and metal atoms of two or more of these. Among these, Li, Na, and Cs are preferred, and Na is more preferred because it has excellent ammonia separation performance and is a general-purpose alkali metal.
Note that the measurement conditions are as described in the column (molar ratio of alkali metal and aluminum).

ゼオライト膜表面にアルカリ金属原子を存在させる場合のアルカリ金属原子、好ましくはナトリウムの含有量は、ゼオライト膜表面のケイ素(Si原子)に対して、モル比で0.20以下であり、0.18以下であることが好ましく、0.16以下であることがより好ましく、0.14以下でることがさらに好ましい。下限値については、特に制限はないが、0.001以上であることが好ましく、0.005以上であることがより好ましく、0.01以上であることがさらに好ましい。
アルカリ金属原子の含有量を、上記の範囲に制御すると、アンモニアの分離選択性を高めたまま、アンモニアの透過度を向上させることができる傾向があり、好ましい。
なお、ゼオライト膜中のSi原子に対するアルカリ金属原子のモル比は、後述するように、ゼオライトのイオン交換処理時のイオンの交換量やゼオライト製造時の水分量を調整することにより制御することができる。
When alkali metal atoms are present on the zeolite membrane surface, the content of alkali metal atoms, preferably sodium, is 0.20 or less in molar ratio to silicon (Si atoms) on the zeolite membrane surface, and 0.18 It is preferably at most 0.16, more preferably at most 0.14, even more preferably at most 0.14. There is no particular restriction on the lower limit, but it is preferably 0.001 or more, more preferably 0.005 or more, and even more preferably 0.01 or more.
Controlling the alkali metal atom content within the above range tends to improve ammonia permeability while increasing ammonia separation selectivity, which is preferable.
Note that the molar ratio of alkali metal atoms to Si atoms in the zeolite membrane can be controlled by adjusting the amount of ions exchanged during ion exchange treatment of zeolite and the amount of water during zeolite production, as described below. .

(ゼオライト膜表面に含まれる窒素原子の含有量)
本実施形態においては、上記のゼオライト膜表面のアルカリ金属原子の含有量を制御するとともに、必要に応じて、XPS測定により決定されるゼオライト膜表面に含まれる窒素原子の含有量を特定の領域に制御すると、混合ガスからアンモニアを分離する際の分離選択性が著しく向上する傾向があるため、ゼオライト膜表面にアルカリ金属原子と窒素原子とを共存させ、それらの含有量を適切に制御するのが好ましい。
このようにゼオライト膜表面に窒素原子を存在させる場合、その窒素原子の含有量は、ゼオライト膜表面のAl原子に対して、モル比で、通常、0.01以上、好ましくは、0.05以上、より好ましくは、0.10以上であり、更に好ましくは0.20以上、特に好ましくは0.30以上、とりわけ好ましくは0.50以上であり、その上限は、ゼオライト膜に含まれるゼオライト中の窒素原子を含むカチオン種の構造や必要に応じてゼオライト膜の硝酸塩処理を行う際に残留する硝酸イオン量に依存するために特に制限されないが、通常4以下、好ましくは、3以下、より好ましくは、1以下である。
このような特定の窒素原子/Al原子比の表面組成を有するゼオライトを使用すると、ゼオライト膜の緻密性ならびに耐化学反応性や耐熱性等の耐久性を向上させることができると共に、アンモニアと水素および/または窒素を含む複数の成分からなる混合ガスからアンモニアを高選択的に分離することができるため、好ましい。
なお、上記の上限ならびに下限の記載値は有効数字範囲内で有効とするものである。すなわち、上限4以下とは4.5未満を、一方0.01以上とは0.005以上を意味する。
(Content of nitrogen atoms contained in the zeolite membrane surface)
In this embodiment, the content of alkali metal atoms on the surface of the zeolite membrane is controlled, and if necessary, the content of nitrogen atoms contained in the surface of the zeolite membrane determined by XPS measurement is adjusted to a specific region. If controlled, the separation selectivity when separating ammonia from a mixed gas tends to be significantly improved. preferable.
When nitrogen atoms are present on the zeolite membrane surface in this way, the content of the nitrogen atoms is usually 0.01 or more, preferably 0.05 or more in molar ratio to the Al atoms on the zeolite membrane surface. , more preferably 0.10 or more, still more preferably 0.20 or more, particularly preferably 0.30 or more, especially preferably 0.50 or more, and the upper limit is Although it is not particularly limited as it depends on the structure of the cationic species containing nitrogen atoms and the amount of nitrate ions remaining when nitrate treatment of the zeolite membrane is performed as necessary, it is usually 4 or less, preferably 3 or less, more preferably , is less than or equal to 1.
By using a zeolite having a surface composition with such a specific nitrogen atom/Al atomic ratio, it is possible to improve the denseness of the zeolite membrane and the durability such as chemical reaction resistance and heat resistance. This is preferable because ammonia can be separated with high selectivity from a mixed gas consisting of a plurality of components including/or nitrogen.
Note that the above upper and lower limits are valid within the range of significant figures. That is, the upper limit of 4 or less means less than 4.5, and the upper limit of 0.01 or more means 0.005 or more.

本発明においてゼオライト膜に窒素原子を含有させる際の窒素原子は、後述するゼオライト中に含まれるアンモニウムイオン(NH )やメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アニリン、メチルアニリン、ベンジルアミン、ならびにメチルベンジルアミン、ヘキサメチレンジアミン、N,N-ジイソプロピルエチルアミン、N,N,N-トリメチル-1-アダマンタンアミン、ピリジン、ならびにピペリジン等の炭素数1~20の有機アミンがプロトン化されたカチオン種由来の窒素原子、ゼオライト膜を製造する際に窒素原子を含有する有機テンプレート(構造規定剤)を使用した際の有機テンプレート由来の窒素原子、後述する必要に応じて実施するゼオライト膜の硝酸塩処理時に残留する硝酸イオン由来の窒素原子等である。 In the present invention, the nitrogen atoms used to contain nitrogen atoms in the zeolite membrane include ammonium ions (NH 4 + ) contained in the zeolite, methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, ethylenediamine, dimethylethylenediamine, which will be described later. , tetramethylethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetraamine, aniline, methylaniline, benzylamine, as well as methylbenzylamine, hexamethylenediamine, N,N-diisopropylethylamine, N,N,N-trimethyl-1-adamantanamine, pyridine , and nitrogen atoms derived from cationic species in which organic amines having 1 to 20 carbon atoms such as piperidine are protonated. These include nitrogen atoms derived from the template, nitrogen atoms derived from nitrate ions remaining during the nitrate treatment of the zeolite membrane, which will be described later as necessary.

(ゼオライト膜の厚さ)
本発明において用いられるゼオライト膜の厚さは、特に制限されるものではないが、通常、0.1μm以上であり、好ましくは0.3μm以上、より好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは0.7μm以上、さらに好ましくは1.0μm以上、特に好ましくは1.5μm以上である。また通常100μm以下であり、好ましくは60μm以下、より好ましくは20μm以下、さらに好ましくは15μm以下、さらに好ましくは10μm以下、特に好ましくは5μm以下の範囲である。ゼオライト膜の厚さが上記下限値以上であれば、欠陥が生じにくく、分離性能が良好になる傾向がある。また、ゼオライト膜の厚さが上記上限値以下であれば、透過性能が向上する傾向があり、さらには、高温領域において、昇温によりゼオライト膜に亀裂が発生しにくくなるために高温時の透過選択性の低下を抑制できる傾向がある。
(Thickness of zeolite membrane)
The thickness of the zeolite membrane used in the present invention is not particularly limited, but is usually 0.1 μm or more, preferably 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and still more preferably 0.1 μm or more. The thickness is 7 μm or more, more preferably 1.0 μm or more, particularly preferably 1.5 μm or more. Further, it is usually 100 μm or less, preferably 60 μm or less, more preferably 20 μm or less, still more preferably 15 μm or less, even more preferably 10 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less. If the thickness of the zeolite membrane is equal to or greater than the above lower limit, defects will be less likely to occur and separation performance will tend to be good. In addition, if the thickness of the zeolite membrane is below the above upper limit, the permeation performance tends to improve.Furthermore, in the high temperature range, the zeolite membrane is less likely to crack due to temperature rise, so the permeation performance at high temperatures is less likely to occur. There is a tendency to suppress a decrease in selectivity.

ゼオライト膜を形成するゼオライトの平均一次粒子径は特に限定されないが、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上であり、その上限は膜の厚さ以下である。ゼオライトの平均一次粒子径が上記下限値以上であれば、ゼオライトの粒界を小さくすることができるために良好な透過選択性を得ることができる。従って、ゼオライトの平均一次粒子径がゼオライト膜の厚さと同じである場合が最も好ましい。この場合、ゼオライトの粒界を最も小さくすることができる。後に述べる水熱合成で得られるゼオライト膜は、ゼオライトの粒子径と膜の厚さが同じになる場合があるので好ましい。
なお、本発明においては、平均一次粒子径は、本発明のゼオライト膜複合体の表面、あるいは破断面を走査型電子顕微鏡による観察において、任意に選択した30個以上の粒子について一次粒子径を測定し、平均値として求められる。
The average primary particle diameter of the zeolite forming the zeolite membrane is not particularly limited, but is usually 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and the upper limit is the thickness of the membrane or less. If the average primary particle diameter of the zeolite is equal to or larger than the above lower limit, the grain boundaries of the zeolite can be made small and good permeation selectivity can be obtained. Therefore, it is most preferable that the average primary particle diameter of the zeolite is the same as the thickness of the zeolite membrane. In this case, the grain boundaries of the zeolite can be made the smallest. A zeolite membrane obtained by hydrothermal synthesis, which will be described later, is preferable because the zeolite particle diameter and membrane thickness may be the same.
In the present invention, the average primary particle diameter is determined by measuring the primary particle diameter of 30 or more arbitrarily selected particles when observing the surface or fracture surface of the zeolite membrane composite of the present invention using a scanning electron microscope. and is calculated as the average value.

<ゼオライト膜複合体の製造方法>
本発明において、ゼオライト膜複合体の製造方法は、上記したゼオライト膜を多孔質支持体上に形成可能な方法であれば特に制限されず、公知の方法により製造することができる。例えば、(1)支持体上にゼオライトを膜状に結晶化させる方法、(2)支持体にゼオライトを無機バインダーあるいは有機バインダーなどで固着させる方法、(3)ゼオライトを分散させたポリマーを支持体に固着させる方法、(4)ゼオライトのスラリーを支持体に含浸させ、場合によっては吸引することによりゼオライトを支持体に固着させる方法、などの何れの方法も用いることができる。
<Method for manufacturing zeolite membrane composite>
In the present invention, the method for producing the zeolite membrane composite is not particularly limited as long as the above-described zeolite membrane can be formed on a porous support, and any known method can be used. For example, (1) a method in which zeolite is crystallized in the form of a film on a support, (2) a method in which zeolite is fixed to a support with an inorganic binder or an organic binder, and (3) a method in which a polymer in which zeolite is dispersed is used as a support. (4) A method in which the zeolite is fixed to the support by impregnating the support with a slurry of zeolite and, if necessary, suctioning the zeolite.

これらの中で、多孔質支持体にゼオライトを膜状に結晶化させる方法が特に好ましい。結晶化の方法に特に制限はないが、多孔質支持体を、ゼオライト製造に用いる水熱合成用の反応混合物(以下これを「水性反応混合物」ということがある。)中に入れて、直接水熱合成することで多孔質支持体表面などにゼオライトを結晶化させる方法が好ましい。
この場合、ゼオライト膜複合体は、例えば、組成を調整して均一化した水性反応混合物を、内部に多孔質支持体を入れたオートクレーブなどの耐熱耐圧容器に入れて密閉し、一定時間加熱することにより製造することができる。
Among these, a method in which zeolite is crystallized into a membrane on a porous support is particularly preferred. There are no particular restrictions on the crystallization method, but the porous support is placed in a reaction mixture for hydrothermal synthesis (hereinafter sometimes referred to as "aqueous reaction mixture") used for zeolite production, and then directly exposed to water. A method in which zeolite is crystallized on the surface of a porous support by thermal synthesis is preferred.
In this case, the zeolite membrane composite can be produced by, for example, placing an aqueous reaction mixture whose composition has been adjusted and homogenized into a heat-resistant and pressure-resistant container such as an autoclave containing a porous support inside, and then heating it for a certain period of time. It can be manufactured by

水性反応混合物は、Si原子源、Al原子源、アルカリ源および水を含み、さらに必要に応じて有機テンプレート(構造規定剤)を含むものである。
ゼオライト膜複合体の製造方法について、特に好適な例である、RHO型ゼオライト膜複合体ならびにMFI型ゼオライト膜複合体の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明のゼオライト膜及び該製造方法はこれに限定されるものではない。
The aqueous reaction mixture contains a Si atom source, an Al atom source, an alkali source, and water, and further contains an organic template (structure directing agent) if necessary.
Regarding the manufacturing method of the zeolite membrane composite, the manufacturing method of the RHO type zeolite membrane composite and the MFI type zeolite membrane composite, which are particularly preferred examples, will be explained in detail. Note that the zeolite membrane and the manufacturing method of the present invention are not limited thereto.

本発明のゼオライト膜複合体の製造方法においては、水熱合成用原料混合物のケイ素に対する水のモル比が45以上300以下であることが肝要である。ケイ素に対する水のモル比がこの範囲であると、長尺のゼオライト膜複合体においても、Si/Alの比を中央部と端部で変動することを抑制しやすくなる。
以上の観点から、ケイ素に対する水のモル比が60以上200以下であることが好ましく、70以上150以下であることがさらに好ましい。
In the method for producing a zeolite membrane composite of the present invention, it is important that the molar ratio of water to silicon in the raw material mixture for hydrothermal synthesis is 45 or more and 300 or less. When the molar ratio of water to silicon is within this range, even in a long zeolite membrane composite, fluctuations in the Si/Al ratio between the center and the ends can be easily suppressed.
From the above viewpoint, the molar ratio of water to silicon is preferably 60 or more and 200 or less, and more preferably 70 or more and 150 or less.

(RHO型ゼオライト膜)
本発明において用いられるRHO型ゼオライトとは、IZAが定めるゼオライトの構造を規定するコードでRHO構造のものを示す。RHO型ゼオライトは3.6×3.6Åの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
本発明において用いられるRHO型ゼオライトのフレームワーク密度は、14.1(単位:T/nm)である。
(RHO type zeolite membrane)
The RHO type zeolite used in the present invention refers to a zeolite having an RHO structure, which is a code defined by IZA that defines the structure of zeolite. RHO type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of eight-membered oxygen rings with a diameter of 3.6 x 3.6 Å, and its structure is characterized by X-ray diffraction data.
The framework density of the RHO type zeolite used in the present invention is 14.1 (unit: T/nm 3 ).

(MFI型ゼオライト膜)
本発明において用いられるMFI型ゼオライトとは、IZAが定めるゼオライトの構造を規定するコードでMFI構造のものを示す。MFI型ゼオライトは5.1×5.5Åあるいは5.3×5.6Åの径を有する酸素10員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
本発明において用いられるMFI型ゼオライトのフレームワーク密度は、17.9(単位:T/nm)である。
(MFI type zeolite membrane)
The MFI type zeolite used in the present invention refers to a zeolite having an MFI structure, which is a code defined by IZA that defines the structure of zeolite. MFI type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of 10-membered oxygen rings with a diameter of 5.1 x 5.5 Å or 5.3 x 5.6 Å, and its structure can be determined by X-ray diffraction. Characterized by data.
The framework density of the MFI type zeolite used in the present invention is 17.9 (unit: T/nm 3 ).

(CHA型ゼオライト膜)
本発明において用いられるCHA型ゼオライトとは、IZAが定めるゼオライトの構造を規定するコードでCHA構造のものを示す。CHA型ゼオライトは3.8×3.8Åの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
本発明において用いられるCHA型ゼオライトのフレームワーク密度は、14.5(単位:T/nm)である。
(CHA type zeolite membrane)
The CHA type zeolite used in the present invention refers to a zeolite having a CHA structure, which is a code defined by IZA that defines the structure of zeolite. CHA type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of eight-membered oxygen rings with a diameter of 3.8×3.8 Å, and its structure is characterized by X-ray diffraction data.
The framework density of the CHA type zeolite used in the present invention is 14.5 (unit: T/nm 3 ).

(FAU型ゼオライト膜)
本発明において用いられるFAU型ゼオライトとは、IZAが定めるゼオライトの構造を規定するコードでFAU構造のものを示す。FAU型ゼオライトは7.4×7.4Åの径を有する酸素6員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
本発明において用いられるFAU型ゼオライトのフレームワーク密度は、12.7(単位:T/nm)である。
(FAU type zeolite membrane)
The FAU type zeolite used in the present invention refers to a zeolite having an FAU structure, which is a code defined by IZA that defines the structure of zeolite. FAU type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of six-membered oxygen rings with a diameter of 7.4 x 7.4 Å, and its structure is characterized by X-ray diffraction data.
The framework density of the FAU type zeolite used in the present invention is 12.7 (unit: T/nm 3 ).

(LTA型ゼオライト膜)
本発明において用いられるLTA型ゼオライトとは、IZAが定めるゼオライトの構造を規定するコードでLTA構造のものを示す。LTA型ゼオライトは4.1×4.1Åの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
本発明において用いられるLTA型ゼオライトのフレームワーク密度は、12.9(単位:T/nm)である。
(LTA type zeolite membrane)
The LTA type zeolite used in the present invention refers to a zeolite having an LTA structure, which is a code defined by IZA that defines the structure of zeolite. LTA type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores consisting of eight-membered oxygen rings with a diameter of 4.1×4.1 Å, and its structure is characterized by X-ray diffraction data.
The framework density of the LTA type zeolite used in the present invention is 12.9 (unit: T/nm 3 ).

<<RHO型ゼオライト膜の製造方法>>
(ケイ素原子源)
水性反応混合物に用いるケイ素(Si)原子源としては特に限定されないが、例えば、アルミノシリケートゼオライト、ヒュームドシリカ、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、珪酸メチル、珪酸エチル、トリメチルエトキシシラン等のシリコンアルコキシド、テトラエチルオルトシリケート、アルミノシリケートゲルなどが挙げられ、好ましくは、アルミノシリケートゼオライト、ヒュームドシリカ、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、珪酸メチル、珪酸エチル、シリコンアルコキシド、アルミノシリケートゲルが挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
<<Production method of RHO type zeolite membrane>>
(silicon atom source)
The silicon (Si) atom source used in the aqueous reaction mixture is not particularly limited, but includes silicones such as aluminosilicate zeolite, fumed silica, colloidal silica, amorphous silica, sodium silicate, methyl silicate, ethyl silicate, and trimethylethoxysilane. Examples include alkoxide, tetraethylorthosilicate, aluminosilicate gel, etc., and preferred examples include aluminosilicate zeolite, fumed silica, colloidal silica, amorphous silica, sodium silicate, methyl silicate, ethyl silicate, silicon alkoxide, and aluminosilicate gel. . These may be used alone or in combination of two or more.

(アルミニウム原子源)
多孔質支持体-RHO型ゼオライト膜複合体の製造に用いられるアルミニウム(Al)原子源は、特に限定されないが、アルミノシリケートゼオライト、アモルファスの水酸化アルミニウム、ギブサイト構造を持つ水酸化アルミニウム、バイヤーライト構造を持つ水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシド、アルミノシリケートゲルなどが挙げられ、アルミノシリケートゼオライト、アモルファスの水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシド、アルミノシリケートゲルが好ましく、アルミノシリケートゼオライト、アモルファスの水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、アルミノシリケートゲルが特に好ましい。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
アルミノシリケートゼオライトは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。アルミノシリケートゼオライトをAl原子源として用いる場合には、全Al原子源の50質量%以上、特に70~100質量%、とりわけ90~100質量%を上述のアルミノシリケートゼオライトとすることが好ましい。また、アルミノシリケートゼオライトをSi原子源として用いる場合には、全Si原子源の50質量%以上、特に70~100質量%、とりわけ90~100質量%を上述のアルミノシリケートゼオライトとすることが好ましい。アルミノシリケートゼオライトの割合がこの範囲にあるときRHO型ゼオライト膜のSi原子/Al原子モル比が高くなり、耐酸性、耐水性に優れた適用範囲の広いゼオライト膜となる。
(Aluminum atomic source)
The aluminum (Al) atom source used for producing the porous support-RHO type zeolite membrane composite is not particularly limited, but includes aluminosilicate zeolite, amorphous aluminum hydroxide, aluminum hydroxide with a gibbsite structure, and bayerite structure. Aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum oxide, sodium aluminate, boehmite, pseudoboehmite, aluminum alkoxide, aluminosilicate gel etc., aluminosilicate zeolite, amorphous aluminum hydroxide, sodium aluminate, boehmite , pseudoboehmite, aluminum alkoxide, and aluminosilicate gel are preferred, and aluminosilicate zeolite, amorphous aluminum hydroxide, sodium aluminate, and aluminosilicate gel are particularly preferred. These may be used alone or in combination of two or more.
Aluminosilicate zeolites may be used alone or in combination of two or more. When an aluminosilicate zeolite is used as an Al atom source, it is preferable that the above-mentioned aluminosilicate zeolite accounts for 50% by mass or more, particularly 70 to 100% by mass, particularly 90 to 100% by mass, of the total Al atom source. Further, when an aluminosilicate zeolite is used as a Si atom source, it is preferable that the above-mentioned aluminosilicate zeolite accounts for 50% by mass or more, particularly 70 to 100% by mass, particularly 90 to 100% by mass, of the total Si atom source. When the ratio of the aluminosilicate zeolite is within this range, the Si atom/Al atom molar ratio of the RHO type zeolite membrane becomes high, resulting in a zeolite membrane with excellent acid resistance and water resistance and a wide range of applications.

(Al原子/Si原子比)
種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するAl原子源(前述のアルミノシリケートゼオライトおよび、そのほかのAl原子源を含む。)の使用量(Al原子/Si原子比)の好ましい範囲は、通常0.01以上、好ましくは0.02以上、より好ましくは0.04以上であり、さらに好ましくは0.06以上であり、通常1.0以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.2以下、さらに好ましくは0.1以下である。この使用量の範囲に制御することによりゼオライト中の窒素原子やアルカリ金属元素の含有量を本発明の好ましい範囲に制御しやすくなる。また、Al原子/Si原子比率を大きくするためには、アルミニウム原子源に対するケイ素原子源の使用量を少なくすればよく、一方、当該比率を小さくするためには、アルミニウム原子源に対するケイ素原子源の使用量を増やせばよい。
なお、Al原子/Si原子比が1.0超であると、得られたRHO型ゼオライト膜の耐水性、耐酸性が低く、ゼオライト膜としての用途が限定されることがある。一方、Al原子/Si原子比が0.01よりも小さいと、RHO型ゼオライト膜が得られにくくなることがある。
また、水性反応混合物には、ケイ素原子源、アルミニウム原子源以外に他の原子源、例えばガリウム(Ga)、鉄(Fe)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)などの原子源を含んでいてもよい。
(Al atom/Si atomic ratio)
The preferred range of the amount (Al atoms/Si atomic ratio) of the Al atom source (including the aforementioned aluminosilicate zeolite and other Al atom sources) relative to the silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is , usually 0.01 or more, preferably 0.02 or more, more preferably 0.04 or more, even more preferably 0.06 or more, usually 1.0 or less, preferably 0.5 or less, more preferably It is 0.2 or less, more preferably 0.1 or less. By controlling the amount to be used within this range, it becomes easier to control the content of nitrogen atoms and alkali metal elements in the zeolite within the preferred range of the present invention. In addition, in order to increase the Al atom/Si atomic ratio, it is sufficient to reduce the amount of silicon atomic source used relative to the aluminum atomic source; on the other hand, in order to reduce the ratio, Just increase the amount you use.
Note that if the Al atom/Si atomic ratio exceeds 1.0, the resulting RHO type zeolite membrane may have low water resistance and acid resistance, and its use as a zeolite membrane may be limited. On the other hand, if the Al atom/Si atomic ratio is smaller than 0.01, it may become difficult to obtain an RHO type zeolite membrane.
In addition to the silicon atom source and aluminum atom source, other atom sources such as gallium (Ga), iron (Fe), boron (B), titanium (Ti), zirconium (Zr), tin ( Sn), zinc (Zn), and other atomic sources may be included.

(アルカリ源)
アルカリ源として用いるアルカリの種類は特に限定されずアルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物を用いることができる。
これら金属水酸化物の金属種は通常ナトリウム(Na)、カリウム(K)、リチウム(Li)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、好ましくはNa、K、Csであり、より好ましくはNa、Csである。また、金属酸化物の金属種は2種類以上を併用してもよく、具体的には、NaとCsを併用するのが好ましい。
(alkali source)
The type of alkali used as the alkali source is not particularly limited, and alkali metal hydroxides and alkaline earth metal hydroxides can be used.
The metal species of these metal hydroxides are usually sodium (Na), potassium (K), lithium (Li), rubidium (Rb), cesium (Cs), calcium (Ca), magnesium (Mg), strontium (Sr), Barium (Ba), preferably Na, K, and Cs, more preferably Na and Cs. Moreover, two or more types of metal species of the metal oxide may be used in combination, and specifically, it is preferable to use Na and Cs in combination.

金属水酸化物としては、具体的には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム等のアルカリ土類金属水酸化物等を用いることができる。 Specific examples of metal hydroxides include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, rubidium hydroxide, and cesium hydroxide; calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and water. Alkaline earth metal hydroxides such as strontium oxide and barium hydroxide can be used.

また、水性反応混合物に用いるアルカリ源として、次に述べる有機テンプレートのカウンターアニオンの水酸化物イオンを用いることができる。
なお、本発明に係るゼオライトの結晶化において、有機テンプレート(構造規定剤)は、必ずしも必要とされるものではないが、各構造に応じた種類の有機テンプレートを用いることにより、結晶化したゼオライトのアルミニウム原子に対するケイ素原子の割合が高くなり、結晶性が向上することから、有機テンプレートを用いることが好ましい。
Further, as an alkali source used in the aqueous reaction mixture, a hydroxide ion, which is a counter anion of an organic template described below, can be used.
Note that in the crystallization of zeolite according to the present invention, an organic template (structure directing agent) is not necessarily required, but by using a type of organic template according to each structure, the crystallized zeolite can be It is preferable to use an organic template because it increases the ratio of silicon atoms to aluminum atoms and improves crystallinity.

(有機テンプレート)
有機テンプレートとしては、所望のゼオライト膜を形成しうるものであれば種類は問わず、如何なるものであってもよい。また、テンプレートは1種類でも、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
反応に適する有機テンプレートの種類は合成するゼオライト構造によって異なり、有機テンプレートは所望のゼオライト構造が得られるものを使用すればよい。具体的には、例えば、RHO構造であれば、18-クラウン-6-エーテル等を使用してもよい。
有機テンプレートがカチオンの場合には、ゼオライトの形成に害を及ぼさないアニオンを伴う。このようなアニオンを代表するものには、Cl、Br、Iなどのハロゲンイオンや水酸化物イオン、酢酸塩、硫酸塩、およびカルボン酸塩が含まれる。これらの中で、水酸化物イオンが特に好適に用いられ、水酸化物イオンの場合には上記のようにアルカリ源として機能する。
(organic template)
The organic template may be of any type as long as it can form the desired zeolite membrane. Further, one type of template or a combination of two or more types may be used.
The type of organic template suitable for the reaction varies depending on the zeolite structure to be synthesized, and any organic template that can provide the desired zeolite structure may be used. Specifically, for example, in the case of RHO structure, 18-crown-6-ether or the like may be used.
If the organic template is a cation, it is accompanied by an anion that does not harm the formation of the zeolite. Representative examples of such anions include halogen ions such as Cl - , Br - and I - , hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Among these, hydroxide ions are particularly preferably used, and in the case of hydroxide ions, they function as an alkali source as described above.

水性反応混合物中のSi原子源と有機テンプレートの比は、SiOに対する有機テンプレートのモル比(有機テンプレート/SiO比)で、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上、さらに好ましくは0.05以上、特に好ましくは0.08以上、最も好ましくは0.1以上であり、通常1以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.4以下、さらに好ましくは0.35以下、特に好ましくは0.30以下、最も好ましくは0.25以下である。水性反応混合物の有機テンプレート/SiO比がこの範囲にあるとき、緻密なゼオライト膜が生成し得ることに加えて、耐酸性に優れ、Al原子が脱離しにくいゼオライトが得られる。また、この条件において、特に緻密で耐酸性に優れたRHO型のアルミノ珪酸塩のゼオライトを形成させることができる。 The ratio of the Si atom source to the organic template in the aqueous reaction mixture is the molar ratio of the organic template to SiO 2 (organic template/SiO 2 ratio), which is usually 0.005 or more, preferably 0.01 or more, and more preferably 0. .02 or more, more preferably 0.05 or more, particularly preferably 0.08 or more, most preferably 0.1 or more, and usually 1 or less, preferably 0.5 or less, more preferably 0.4 or less, and It is preferably 0.35 or less, particularly preferably 0.30 or less, and most preferably 0.25 or less. When the organic template/SiO 2 ratio of the aqueous reaction mixture is within this range, not only can a dense zeolite film be produced, but also a zeolite with excellent acid resistance and from which Al atoms are difficult to desorb can be obtained. Further, under these conditions, it is possible to form a particularly dense RHO type aluminosilicate zeolite with excellent acid resistance.

アルカリ金属原子源は、その適当量を使用することにより、アルミニウムに後述の有機構造規定剤が好適な状態に配位しやすくなるため、結晶構造を作りやすくできる。アルカリ金属原子源(R)と、種結晶以外の水熱合成用原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)とのモル比(R/Si原子)は、通常0.1以上、好ましくは0.15以上、より好ましくは0.20以上、さらに好ましくは0.25以上、とりわけ好ましくは、0.30以上、特に好ましくは0.35以上であり、通常2.0以下、好ましくは1.5以下、より好ましくは1.0以下、さらに好ましくは0.8以下、特に好ましくは0.6以下、最も好ましくは0.5以下である。
アルカリ金属原子源のケイ素に対するモル比(R/Si原子)が上記上限値よりも大きいと、生成したゼオライトが溶解しやすく、ゼオライトが得られなかったり収率が著しく低くなったりする場合がある。R/Si原子が上記下限値よりも小さいと、原料のAl原子源やSi原子源が十分に溶解せず、均一な水熱合成用原料混合物が得られず、RHO型ゼオライトが生成しにくくなる場合がある。
By using an appropriate amount of the alkali metal atom source, it becomes easier to coordinate the organic structure directing agent described below to aluminum in a suitable state, thereby making it easier to form a crystal structure. The molar ratio (R/Si atom) between the alkali metal atom source (R) and the silicon (Si atom) contained in the raw material mixture for hydrothermal synthesis other than the seed crystal is usually 0.1 or more, preferably 0.15. Above, more preferably 0.20 or more, still more preferably 0.25 or more, particularly preferably 0.30 or more, particularly preferably 0.35 or more, and usually 2.0 or less, preferably 1.5 or less, It is more preferably 1.0 or less, further preferably 0.8 or less, particularly preferably 0.6 or less, and most preferably 0.5 or less.
If the molar ratio of the alkali metal atom source to silicon (R/Si atom) is larger than the above upper limit, the generated zeolite will be easily dissolved, and the zeolite may not be obtained or the yield may be extremely low. If the R/Si atom is smaller than the above lower limit, the raw material Al atom source and Si atom source will not be sufficiently dissolved, a uniform raw material mixture for hydrothermal synthesis will not be obtained, and RHO type zeolite will be difficult to produce. There are cases.

(水の量)
水熱合成用原料混合物中の水の量は、通常の水熱合成に比較して多いことが好ましい。水の量が多いことで、部位(A)、部位(B)及び部位(B’)におけるSi/Al(モル比)が、いずれも0.2以下としやすくなる。具体的には、種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するモル比で45以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましく、60以上であることがさらに好ましい。
水の量の上限値については、種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するモル比で300以下であることが好ましく、200以下であることがより好ましく、150以下であることがさらに好ましい。上記上限よりも大きいと、反応混合物が希薄すぎて、欠陥のない緻密な膜ができにくくなることがある。
(amount of water)
It is preferable that the amount of water in the raw material mixture for hydrothermal synthesis is larger than that for normal hydrothermal synthesis. When the amount of water is large, the Si/Al (molar ratio) in site (A), site (B), and site (B') can all be easily set to 0.2 or less. Specifically, the molar ratio to silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is preferably 45 or more, more preferably 50 or more, and even more preferably 60 or more.
Regarding the upper limit of the amount of water, the molar ratio to silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is preferably 300 or less, more preferably 200 or less, and 150 or less. More preferred. If it is larger than the above upper limit, the reaction mixture may be too dilute and it may be difficult to form a dense film without defects.

(種結晶)
本発明において、「ゼオライト」製造原料(原料化合物)の一成分として種結晶を用いてもよい。
水熱合成に際して、必ずしも反応系内に種結晶を存在させる必要は無いが、種結晶を存在させることで、多孔質支持体上でのゼオライトの結晶化を促進できる。反応系内に種結晶を存在させる方法としては特に限定されず、粉末のゼオライトの合成時のように、水性反応混合物中に種結晶を加える方法や、多孔質支持体上に種結晶を付着させておく方法などを用いることができるが、本発明では、多孔質支持体上に種結晶を付着させておくことが好ましい。支持体上に予め種結晶を付着させておくことで緻密で分離性能の高いゼオライト膜が生成しやすくなる。
使用する種結晶としては、結晶化を促進するゼオライトであれば種類は問わないが、効率よく結晶化させるためには、形成するゼオライト膜と同じ結晶型であることが好ましい。例えば、RHO型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜を形成する場合は、RHO型ゼオライトの種結晶を用いることが好ましい。
(seed crystal)
In the present invention, seed crystals may be used as a component of the "zeolite" manufacturing raw material (raw material compound).
Although it is not necessarily necessary to have a seed crystal in the reaction system during hydrothermal synthesis, the presence of a seed crystal can promote crystallization of the zeolite on the porous support. The method of making seed crystals exist in the reaction system is not particularly limited, and may include adding seed crystals to an aqueous reaction mixture as in the synthesis of powdered zeolite, or attaching seed crystals to a porous support. In the present invention, it is preferable to attach seed crystals to the porous support. By attaching seed crystals to the support in advance, it becomes easier to produce a dense zeolite membrane with high separation performance.
The seed crystal to be used may be of any type as long as it is a zeolite that promotes crystallization, but in order to achieve efficient crystallization, it is preferably of the same crystal type as the zeolite membrane to be formed. For example, when forming a zeolite film of RHO type aluminosilicate, it is preferable to use seed crystals of RHO type zeolite.

種結晶の粒子径は多孔質支持体の細孔径に近いことが望ましく、必要に応じて粉砕して用いても良い。粒径は、通常20nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上、さらに好ましくは0.15μm以上、特に好ましくは0.5μm以上、最も好ましくは0.7μm以上であり、通常5μm以下、好ましくは、3μm以下、より好ましくは2μm以下、特に好ましくは1.5μm以下である。
多孔質支持体の細孔径によっては種結晶の粒子径が小さいほうが望ましい場合があり、必要に応じて粉砕して用いても良い。種結晶の粒径は、通常5nm以上、好ましくは10nm以上、より好ましくは20nm以上であり、通常5μm以下、好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下である。
It is desirable that the particle size of the seed crystal is close to the pore size of the porous support, and it may be pulverized and used if necessary. The particle size is usually 20 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, even more preferably 0.15 μm or more, particularly preferably 0.5 μm or more, most preferably 0.7 μm or more, and usually 5 μm or less, preferably is 3 μm or less, more preferably 2 μm or less, particularly preferably 1.5 μm or less.
Depending on the pore size of the porous support, it may be desirable for the seed crystal to have a smaller particle size, and the seed crystal may be pulverized and used if necessary. The particle size of the seed crystal is usually 5 nm or more, preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more, and usually 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less.

多孔質支持体上に種結晶を付着させる方法は特に限定されず、例えば、種結晶を水などの溶媒に分散させてその分散液に多孔質支持体を浸けて表面に種結晶を付着させるディップ法や、種結晶を水などの溶媒に分散させてその分散液に一端を封止した支持体を浸漬したのちに支持体を他端から吸引することで多孔質支持体表面に強固に種結晶を付着させる吸引法や種結晶を水などの溶媒と混合してスラリー状にしたものを支持体上に塗りこむ方法などを用いることができる。種結晶の付着量を制御し、再現性良くゼオライト膜を製造するにはディップ法および吸引法が望ましく、種結晶を多孔質支持体に密着させる点ではスラリー上の種結晶を塗りこむ方法および吸引法が望ましい。また、種結晶を多孔質支持体に密着させる目的および/または過剰な種結晶を取り除く目的で、ディップ法や吸引法に続きラテックス手袋を着用した指などで種結晶が付着した支持体をこすって押し込むことも好適に行われる。 The method of attaching the seed crystals onto the porous support is not particularly limited, and for example, a dip method in which the seed crystals are dispersed in a solvent such as water and the porous support is immersed in the dispersion to attach the seed crystals to the surface. Seed crystals are firmly attached to the surface of a porous support by dispersing seed crystals in a solvent such as water, immersing a support with one end sealed in the dispersion, and then sucking the support from the other end. A suction method in which seed crystals are deposited, a method in which a slurry made by mixing seed crystals with a solvent such as water and the like are applied onto a support can be used. In order to control the amount of seed crystals attached and to produce a zeolite membrane with good reproducibility, the dipping method and suction method are desirable.In order to bring the seed crystals into close contact with the porous support, the method of spreading the seed crystals on a slurry and the suction method are preferable. Law is preferable. In addition, in order to bring the seed crystals into close contact with the porous support and/or to remove excess seed crystals, following the dipping method or suction method, the support with the seed crystals attached may be rubbed with a finger wearing a latex glove. Pushing is also preferably carried out.

種結晶を分散させる溶媒は特に限定されないが、特に水、アルカリ性水溶液が好ましい。アルカリ性水溶液の種類は特に限定されないが、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液が好ましい。またこれらのアルカリ種は混合されていてもよい。アルカリ性水溶液のアルカリ濃度は特に限定されず、通常0.0001mol%以上、好ましくは0.0002mol%以上、より好ましくは0.001mol%以上、さらに好ましくは0.002mol%以上である。また、通常1mol%以下、好ましくは0.8mol%以下、より好ましくは0.5mol%以下、さらに好ましくは0.2mol%以下である。 The solvent in which the seed crystals are dispersed is not particularly limited, but water and an alkaline aqueous solution are particularly preferred. The type of alkaline aqueous solution is not particularly limited, but a sodium hydroxide aqueous solution and a potassium hydroxide aqueous solution are preferred. Moreover, these alkali species may be mixed. The alkaline concentration of the alkaline aqueous solution is not particularly limited, and is usually at least 0.0001 mol%, preferably at least 0.0002 mol%, more preferably at least 0.001 mol%, even more preferably at least 0.002 mol%. Moreover, it is usually 1 mol% or less, preferably 0.8 mol% or less, more preferably 0.5 mol% or less, and still more preferably 0.2 mol% or less.

分散させる種結晶の量は特に限定されず、分散液の全重量に対して、通常0.05質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1質量%以上、特に好ましくは2質量%以上、最も好ましくは3質量%以上である。また、通常20質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは4質量%以下である。
分散させる種結晶の量が少なすぎると、多孔質支持体上に付着する種結晶の量が少ないため、水熱合成時に多孔質支持体上に部分的にゼオライトが生成しない箇所ができ、欠陥のある膜となる可能性がある。一方で、例えば、ディップ法によって多孔質支持体上に付着する種結晶の量は分散液中の種結晶の量がある程度以上でほぼ一定となるため、分散液中の種結晶の量が多すぎると、種結晶の無駄が多くなりコスト面で不利である。
The amount of seed crystals to be dispersed is not particularly limited, and is usually 0.05% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and even more preferably 0.5% by mass or more based on the total weight of the dispersion. is 1% by mass or more, particularly preferably 2% by mass or more, most preferably 3% by mass or more. Further, it is usually 20% by mass or less, preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and even more preferably 4% by mass or less.
If the amount of seed crystals to be dispersed is too small, the amount of seed crystals that will adhere to the porous support will be small, resulting in areas on the porous support where no zeolite will be formed during hydrothermal synthesis, leading to defects. There is a possibility that it will become a certain film. On the other hand, for example, the amount of seed crystals deposited on a porous support by the dipping method becomes almost constant as long as the amount of seed crystals in the dispersion exceeds a certain level; therefore, the amount of seed crystals in the dispersion is too large. This increases the waste of seed crystals, which is disadvantageous in terms of cost.

多孔質支持体にディップ法、吸引法あるいはスラリーの塗りこみによって種結晶を付着させたのち、乾燥した後にゼオライト膜の形成を行うことが望ましい。乾燥温度は通常50℃以上、好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは180℃以下、より好ましくは150℃以下である。乾燥時間は十分に乾燥していれば制限はないが通常10分以上、好ましくは30分以上である。一方、上限は特に指定しないが、経済的な観点から通常5時間以下である。
乾燥後の種結晶付着支持体に対し、種結晶を支持体に密着させる目的および/または過剰な種結晶を取り除く目的で、ラテックス手袋を着用した指などで種結晶が付着した支持体をこすって押し込むことも好適に行われる。
It is desirable to form a zeolite membrane after seed crystals are attached to a porous support by a dipping method, a suction method, or by applying a slurry, and then dried. The drying temperature is usually 50°C or higher, preferably 80°C or higher, more preferably 100°C or higher, and usually 200°C or lower, preferably 180°C or lower, more preferably 150°C or lower. The drying time is not limited as long as it is sufficiently dry, but it is usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more. On the other hand, although no particular upper limit is specified, it is usually 5 hours or less from an economical point of view.
After drying, the seed crystal-attached support is rubbed with a finger wearing a latex glove in order to make the seed crystal adhere to the support and/or to remove excess seed crystals. Pushing is also preferably carried out.

多孔質支持体上に予め付着させておく種結晶の量は特に限定されず、多孔質支持体の膜形成面1mあたりの質量で、通常0.1g以上、好ましくは0.3g以上、より好ましくは0.5g以上、さらに好ましくは0.8g以上、最も好ましくは1.0g以上であり、通常100g以下、好ましくは50g以下、より好ましくは10g以下、更に好ましくは8g以下、最も好ましくは5g以下である。
種結晶の付着量が上記下限値以上であると、結晶が形成されやすく、膜の成長が十分になり、また膜の成長が均一になる傾向がある。また、種結晶の量が上記上限値以下であると、表面の凹凸が種結晶によって増長されることがなく、支持体から落ちた種結晶によって自発核が成長しやすくなって支持体上の膜成長が阻害されたりすることがない。したがって、上記範囲であると、緻密なゼオライト膜が生成する傾向となる。
The amount of seed crystals deposited on the porous support in advance is not particularly limited, and is usually 0.1 g or more, preferably 0.3 g or more, or more, based on the mass per 1 m 2 of the film formation surface of the porous support. Preferably 0.5 g or more, more preferably 0.8 g or more, most preferably 1.0 g or more, and usually 100 g or less, preferably 50 g or less, more preferably 10 g or less, still more preferably 8 g or less, and most preferably 5 g. It is as follows.
When the amount of attached seed crystals is equal to or greater than the above lower limit, crystals are likely to be formed, the film will grow sufficiently, and the film will tend to grow uniformly. In addition, if the amount of seed crystals is below the above upper limit, the unevenness of the surface will not be increased by the seed crystals, and the seed crystals that have fallen from the support will facilitate the growth of spontaneous nuclei, which will cause the film on the support to grow. Growth is not inhibited. Therefore, within the above range, a dense zeolite film tends to be produced.

(水熱合成)
水熱合成により多孔質支持体上にゼオライト膜を形成する場合、多孔質支持体の固定化方法に特に制限はなく、縦置き、横置きなどあらゆる形態をとることができる。この場合、静置法でゼオライト膜を形成させてもよいし、水性反応混合物の攪拌下にゼオライト膜を形成させてもよい。
水熱合成は、上記のようにして種結晶を担持した多孔質支持体と、調製された水熱合成用混合物ないしはこれを熟成して得られる水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧力下、又は結晶化を阻害しない程度の気体加圧下で、撹拌下、又は、容器を回転ないしは揺動させながら、或いは静置状態で、所定温度を保持することにより行われる。静置状態での水熱合成が、支持体上の種結晶からの結晶成長を阻害しないという点で望ましい。
(hydrothermal synthesis)
When a zeolite membrane is formed on a porous support by hydrothermal synthesis, there is no particular restriction on the method of immobilizing the porous support, and it can take any form such as vertical or horizontal placement. In this case, the zeolite membrane may be formed by a standing method, or the zeolite membrane may be formed while stirring the aqueous reaction mixture.
In hydrothermal synthesis, the porous support supporting the seed crystal as described above and the prepared mixture for hydrothermal synthesis or the aqueous gel obtained by aging it are placed in a pressure-resistant container, and the mixture is heated under self-generated pressure. Alternatively, it may be carried out by maintaining a predetermined temperature under a gas pressure that does not inhibit crystallization, with stirring, while rotating or rocking the container, or in a stationary state. Hydrothermal synthesis under static conditions is desirable in that it does not inhibit crystal growth from seed crystals on a support.

水熱合成によりゼオライト膜を形成させる際の反応温度は特に限定されず、目的のゼオライト構造の膜を得るために適した温度であればよいが、通常100℃以上、好ましくは110℃以上、更に好ましくは120℃以上、とりわけ好ましくは130℃以上であり、特に好ましくは140℃以上であり、最も好ましくは150℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは190℃以下、より好ましくは180℃以下、さらに好ましくは170℃以下である。反応温度が低すぎると、ゼオライトが結晶化し難くなることがある。また、反応温度が高すぎると、目的とするゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
水熱合成によりゼオライト膜を形成させる際の加熱(反応)時間は特に限定されず、目的のゼオライト構造の膜を得るために適した時間であればよいが、通常3時間以上、好ましくは8時間以上、更に好ましくは12時間以上であり、とりわけ好ましくは15時間以上であり、通常10日以下、好ましくは5日以下、より好ましくは3日以下、さらに好ましくは2日以下、とりわけ好ましくは1.5日以下である。反応時間が短すぎるとゼオライトが結晶化し難くなることがある。反応時間が長すぎると、目的とするゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
The reaction temperature when forming a zeolite membrane by hydrothermal synthesis is not particularly limited and may be any temperature suitable for obtaining a membrane with the desired zeolite structure, but is usually 100°C or higher, preferably 110°C or higher, and The temperature is preferably 120°C or higher, particularly preferably 130°C or higher, particularly preferably 140°C or higher, most preferably 150°C or higher, and usually 200°C or lower, preferably 190°C or lower, more preferably 180°C or lower. , more preferably 170°C or lower. If the reaction temperature is too low, the zeolite may be difficult to crystallize. Furthermore, if the reaction temperature is too high, a type of zeolite different from the desired zeolite may be likely to be produced.
The heating (reaction) time when forming a zeolite membrane by hydrothermal synthesis is not particularly limited, and may be any time suitable for obtaining a membrane with the desired zeolite structure, but is usually 3 hours or more, preferably 8 hours. Above, more preferably 12 hours or more, particularly preferably 15 hours or more, usually 10 days or less, preferably 5 days or less, more preferably 3 days or less, still more preferably 2 days or less, particularly preferably 1. 5 days or less. If the reaction time is too short, the zeolite may become difficult to crystallize. If the reaction time is too long, a type of zeolite different from the desired zeolite may be likely to be produced.

水熱合成時の圧力は特に限定されず、密閉容器中に入れた水性反応混合物を、上記の温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒素などの不活性ガスを加えても差し支えない。 The pressure during hydrothermal synthesis is not particularly limited, and the autogenous pressure generated when the aqueous reaction mixture placed in a closed container is heated to the above temperature range is sufficient. Furthermore, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.

水熱合成を複数回繰り返すことでゼオライト膜の緻密性を向上させることも可能である。水熱合成を複数回繰り返す場合には1回目の水熱合成で得られたゼオライト膜複合体を水洗して加熱乾燥したのちに、新たに用意した水性反応混合物に再び浸漬して水熱合成を行えばよい。1回目の水熱合成後得られたゼオライト膜複合体は必ずしも水洗や乾燥を行う必要はないが、水洗し乾燥することで水性反応混合物の組成を意図した組成に保つことができる。複数回合成する場合の合成回数は通常2回以上であり通常10回以下、好ましくは5回以下、より好ましくは3回以下である。水洗は、1回でも複数回繰り返してもよい。 It is also possible to improve the compactness of the zeolite membrane by repeating hydrothermal synthesis multiple times. When repeating hydrothermal synthesis multiple times, the zeolite membrane composite obtained from the first hydrothermal synthesis is washed with water, heated and dried, and then immersed again in a newly prepared aqueous reaction mixture to perform hydrothermal synthesis. Just go. The zeolite membrane composite obtained after the first hydrothermal synthesis does not necessarily need to be washed with water or dried, but by washing with water and drying, the composition of the aqueous reaction mixture can be maintained at the intended composition. In the case of multiple synthesis, the number of synthesis is usually 2 or more and usually 10 or less, preferably 5 or less, and more preferably 3 or less. Washing with water may be repeated once or multiple times.

(水洗、加熱処理、乾燥)
水熱合成により得られたゼオライト膜複合体は、水洗した後に、加熱処理して、乾燥させる。ここで、加熱処理とは、熱をかけてゼオライト膜複合体を乾燥させ、また、有機テンプレートを使用した場合に該有機テンプレートを焼成して除去することを意味する。
加熱処理の温度は、乾燥を目的とする場合は、通常50℃以上、好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、通常200℃以下、好ましくは150℃以下である。加熱処理の温度は、有機テンプレートの焼成除去を目的とする場合は、通常250℃以上、好ましくは300℃以上、より好ましくは350℃以上、更に好ましくは400℃以上であり、通常800℃以下、好ましくは600℃以下、さらに好ましくは550℃以下、特に好ましくは500℃以下である。
有機テンプレートの焼成除去を目的とする場合には、加熱処理の温度が低すぎると有機テンプレートの残留割合が多くなる傾向があり、ゼオライトの細孔が少なくなって、そのためにアンモニアの分離に使用した際の透過量が減少する可能性がある。加熱処理温度が高すぎると支持体とゼオライトの熱膨張率の差が大きくなるため、ゼオライト膜に亀裂が生じやすくなる可能性があり、ゼオライト膜の緻密性が失われて分離性能が低くなることがある。
(Water washing, heat treatment, drying)
The zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heated and dried. Here, heat treatment means applying heat to dry the zeolite membrane composite, and when an organic template is used, baking and removing the organic template.
When the purpose of the heat treatment is drying, the temperature of the heat treatment is usually 50°C or higher, preferably 80°C or higher, more preferably 100°C or higher, and usually 200°C or lower, preferably 150°C or lower. The temperature of the heat treatment is usually 250°C or higher, preferably 300°C or higher, more preferably 350°C or higher, still more preferably 400°C or higher, and usually 800°C or lower, when the purpose is to remove the organic template by firing. The temperature is preferably 600°C or lower, more preferably 550°C or lower, particularly preferably 500°C or lower.
When the purpose is to remove the organic template by firing, if the temperature of the heat treatment is too low, the residual proportion of the organic template tends to increase, and the pores of the zeolite decrease, which makes it difficult to use for the separation of ammonia. The amount of permeation may be reduced. If the heat treatment temperature is too high, the difference in the coefficient of thermal expansion between the support and the zeolite will increase, which may cause the zeolite membrane to crack easily, causing the zeolite membrane to lose its compactness and reduce its separation performance. There is.

加熱処理の時間は、ゼオライト膜が十分に乾燥され、また有機テンプレートが焼成除去される時間であれば特に限定されず、乾燥を目的とする場合は、好ましくは0.5時間以上、より好ましくは1時間以上であり、有機テンプレートの焼成除去を目的とする場合は、昇温速度や降温速度によっても変動するが、好ましくは1時間以上、より好ましくは5時間以上である。加熱時間の上限は特に限定されず、通常200時間以下、好ましくは150時間以下、より好ましくは100時間以下である。
テンプレートの焼成を目的とする場合の加熱処理は空気雰囲気で行えばよいが、窒素などの不活性ガスや酸素を付加した雰囲気で行ってもよい。
The time of the heat treatment is not particularly limited as long as the zeolite membrane is sufficiently dried and the organic template is removed by firing. If the purpose is drying, it is preferably 0.5 hours or more, more preferably If the purpose is to remove the organic template by firing, the heating time is preferably 1 hour or more, more preferably 5 hours or more, although it varies depending on the temperature increase rate and temperature fall rate. The upper limit of the heating time is not particularly limited, and is usually 200 hours or less, preferably 150 hours or less, and more preferably 100 hours or less.
The heat treatment for the purpose of firing the template may be performed in an air atmosphere, but may also be performed in an atmosphere to which an inert gas such as nitrogen or oxygen is added.

水熱合成を有機テンプレートの存在下で行った場合、得られたゼオライト膜複合体を、水洗した後に、例えば、加熱処理や抽出などにより、好ましくは上記の加熱処理、すなわち焼成により有機テンプレートを取り除くことが適当である。
有機テンプレートの焼成除去を目的とする加熱処理の際の昇温速度は、多孔質支持体とゼオライトの熱膨張率の差に起因してゼオライト膜に亀裂を生じさせることを防止するために、なるべく遅くすることが望ましい。昇温速度は、通常5℃/分以下、好ましくは2℃/分以下、より好ましくは1℃/分以下、さらに好ましくは0.5℃/分以下、特に好ましくは0.3℃/分以下である。昇温速度の下限は、通常、作業性を考慮して0.1℃/分以上である。
また、有機テンプレートの焼成除去を目的とする加熱処理においては、加熱処理後の降温速度もゼオライト膜に亀裂が生じることを避けるためにコントロールする必要があり、降温速度も昇温速度と同様、遅ければ遅いほど望ましい。降温速度は、通常5℃/分以下、好ましくは2℃/分以下、より好ましくは1℃/分以下、さらに好ましくは0.5℃/分以下、特に好ましくは0.3℃/分以下である。降温速度の下限は、通常、作業性を考慮して0.1℃/分以上である。
When hydrothermal synthesis is performed in the presence of an organic template, the resulting zeolite membrane composite is washed with water, and then the organic template is removed, for example, by heat treatment or extraction, preferably by the above-mentioned heat treatment, i.e., calcination. That is appropriate.
The temperature increase rate during heat treatment for the purpose of baking and removing the organic template should be kept as low as possible in order to prevent cracks from forming in the zeolite membrane due to the difference in thermal expansion coefficient between the porous support and the zeolite. It is preferable to slow down. The temperature increase rate is usually 5°C/min or less, preferably 2°C/min or less, more preferably 1°C/min or less, even more preferably 0.5°C/min or less, particularly preferably 0.3°C/min or less. It is. The lower limit of the temperature increase rate is usually 0.1° C./min or more in consideration of workability.
In addition, in heat treatment for the purpose of firing and removing the organic template, the rate of temperature drop after the heat treatment must be controlled to avoid cracks in the zeolite membrane, and the rate of temperature decrease, like the rate of temperature increase, must be slow. The later the better. The temperature decreasing rate is usually 5°C/min or less, preferably 2°C/min or less, more preferably 1°C/min or less, even more preferably 0.5°C/min or less, particularly preferably 0.3°C/min or less. be. The lower limit of the temperature decreasing rate is usually 0.1° C./min or more in consideration of workability.

<<MFI型ゼオライト膜の製造方法>>
(ケイ素原子源)
水性反応混合物に用いるケイ素(Si)原子源としては、上述のRHO型ゼオライトで記載したものが挙げられ、中でも、好ましくは、ヒュームドシリカ、コロイダルシリカ、無定型シリカ、珪酸ナトリウム、珪酸メチル、珪酸エチル、シリコンアルコキシド、アルミノシリケートゲルが挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
Si原子源は、Si原子源に対する他の原料の使用量がそれぞれ前述ないしは後述の好適範囲となるように用いられる。
<<Production method of MFI type zeolite membrane>>
(silicon atom source)
The silicon (Si) atom source used in the aqueous reaction mixture includes those described for the above-mentioned RHO type zeolite, and among them, preferably fumed silica, colloidal silica, amorphous silica, sodium silicate, methyl silicate, silicic acid Examples include ethyl, silicon alkoxide, and aluminosilicate gel. These may be used alone or in combination of two or more.
The Si atom source is used such that the amounts of other raw materials relative to the Si atom source fall within the preferred ranges described above or below.

(アルミニウム原子源)
多孔質支持体-MFI型ゼオライト膜複合体の製造に用いられるアルミニウム(Al)原子源は、特に限定されず、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様のものが挙げられる。これらのうち、アモルファスの水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、ベーマイト、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシド、アルミノシリケートゲルが好ましく、アモルファスの水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、アルミノシリケートゲルが特に好ましい。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
(Aluminum atomic source)
The aluminum (Al) atom source used for producing the porous support-MFI type zeolite membrane composite is not particularly limited, and examples include those similar to those described for the RHO type zeolite above. Among these, amorphous aluminum hydroxide, sodium aluminate, boehmite, pseudoboehmite, aluminum alkoxide, and aluminosilicate gel are preferred, and amorphous aluminum hydroxide, sodium aluminate, and aluminosilicate gel are particularly preferred. These may be used alone or in combination of two or more.

(Al原子/Si原子比)
種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するアルミニウム原子源(前述のアルミノシリケートゼオライトおよび、そのほかのアルミニウム原子源を含む。)の使用量(Al原子/Si原子比)の好ましい範囲は、モル比として、通常0.001以上、好ましくは0.002以上、より好ましくは0.003以上であり、さらに好ましくは0.004以上であり、通常1.0以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.2以下、さらに好ましくは0.1以下である。この使用量の範囲に制御することによりゼオライト中の窒素原子やアルカリ金属元素の含有量を本発明の好ましい範囲に制御しやすくなる。Al原子/Si原子比率を大きくするためには、アルミニウム原子源に対するケイ素原子源の使用量を少なくすればよく、一方、当該比率を小さくするためには、アルミニウム原子源に対するケイ素原子源の使用量を増やせばよい。
なお、水性反応混合物には、Si原子源、Al原子源以外に他の原子源、例えばGa、Fe、B、Ti、Zr、Sn、Znなどの原子源を含んでいてもよい。
(Al atom/Si atomic ratio)
The preferred range of the amount (Al atoms/Si atomic ratio) of the aluminum atom source (including the aforementioned aluminosilicate zeolite and other aluminum atom sources) relative to the silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is , the molar ratio is usually 0.001 or more, preferably 0.002 or more, more preferably 0.003 or more, even more preferably 0.004 or more, and usually 1.0 or less, preferably 0.5 or less. , more preferably 0.2 or less, still more preferably 0.1 or less. By controlling the usage amount within this range, it becomes easier to control the content of nitrogen atoms and alkali metal elements in the zeolite to the preferred range of the present invention. In order to increase the Al atom/Si atomic ratio, it is sufficient to reduce the amount of silicon atomic source used relative to the aluminum atomic source; on the other hand, to reduce the ratio, the amount of silicon atomic source used relative to the aluminum atomic source may be All you have to do is increase it.
Note that the aqueous reaction mixture may contain other atomic sources other than the Si atomic source and the Al atomic source, such as Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, and Zn.

(アルカリ源)
アルカリ源として用いるアルカリの種類は特に限定されずアルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物を用いることができ、具体的には、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様のものが挙げられる。
また、水性反応混合物に用いるアルカリ源として、次に述べる有機テンプレートのカウンターアニオンの水酸化物イオンを用いることができる。
なお、本発明に係るゼオライトの結晶化において、有機テンプレートは、必ずしも必要とされるものではないが、各構造に応じた種類の有機テンプレート(構造規定剤)を用いることにより、結晶化したゼオライトのアルミニウム原子に対するケイ素原子の割合が高くなり、結晶性が向上することから、有機テンプレートを用いることが好ましい。
(alkali source)
The type of alkali used as the alkali source is not particularly limited, and alkali metal hydroxides and alkaline earth metal hydroxides can be used. Specifically, those similar to those described for the above-mentioned RHO type zeolite are used. Can be mentioned.
Further, as an alkali source used in the aqueous reaction mixture, a hydroxide ion, which is a counter anion of an organic template described below, can be used.
Note that in the crystallization of zeolite according to the present invention, an organic template is not necessarily required, but by using a type of organic template (structure directing agent) according to each structure, the crystallized zeolite can be It is preferable to use an organic template because it increases the ratio of silicon atoms to aluminum atoms and improves crystallinity.

(有機テンプレート)
有機テンプレートとしては、所望のゼオライト膜を形成しうるものであれば種類は問わず、如何なるものであってもよい。また、テンプレートは1種類でも、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
反応に適する有機テンプレートの種類は合成するゼオライト構造によって異なり、有機テンプレートは所望のゼオライト構造が得られるものを使用すればよい。具体的には、例えば、MFI構造であればテトラプロピルアンモニウムヒドロキシド等を使用してもよい。
有機テンプレートがカチオンの場合には、ゼオライトの形成に害を及ぼさないアニオンを伴う。このようなアニオンを代表するものには、Cl、Br、Iなどのハロゲンイオンや水酸化物イオン、酢酸塩、硫酸塩、およびカルボン酸塩が含まれる。これらの中で、水酸化物イオンが特に好適に用いられ、水酸化物イオンの場合には上記のようにアルカリ源として機能する。
(organic template)
The organic template may be of any type as long as it can form the desired zeolite membrane. Further, one type of template or a combination of two or more types may be used.
The type of organic template suitable for the reaction varies depending on the zeolite structure to be synthesized, and any organic template that can provide the desired zeolite structure may be used. Specifically, for example, if it has an MFI structure, tetrapropylammonium hydroxide or the like may be used.
If the organic template is a cation, it is accompanied by an anion that does not harm the formation of the zeolite. Representative examples of such anions include halogen ions such as Cl - , Br - and I - , hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Among these, hydroxide ions are particularly preferably used, and in the case of hydroxide ions, they function as an alkali source as described above.

水性反応混合物中のSi原子源と有機テンプレートの比は、SiOに対する有機テンプレートのモル比(有機テンプレート/SiO比)で、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上、とりわけ好ましくは0.05以上、特に好ましくは0.1以上であり、通常1以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.3以下、とりわけ好ましくは0.25以下、特に好ましくは0.2以下である。水性反応混合物の有機テンプレート/SiO比がこの範囲にあるとき、緻密なゼオライト膜が生成し得ることに加えて、耐酸性に優れ、Alが脱離しにくいゼオライトが得られる。また、この条件において、特に緻密で耐酸性に優れたMFI型のアルミノ珪酸塩のゼオライトを形成させることができる。 The ratio of the Si atom source to the organic template in the aqueous reaction mixture is the molar ratio of the organic template to SiO 2 (organic template/SiO 2 ratio), which is usually 0.005 or more, preferably 0.01 or more, and more preferably 0. 0.02 or more, particularly preferably 0.05 or more, particularly preferably 0.1 or more, usually 1 or less, preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less, particularly preferably 0.25 or less, especially Preferably it is 0.2 or less. When the organic template/SiO 2 ratio of the aqueous reaction mixture is within this range, not only can a dense zeolite film be produced, but also a zeolite with excellent acid resistance and from which Al is hardly desorbed can be obtained. Further, under these conditions, it is possible to form an MFI type aluminosilicate zeolite which is particularly dense and has excellent acid resistance.

アルカリ金属原子源は、その適当量を使用することにより、アルミニウムに後述の有機構造規定剤が好適な状態に配位しやすくなるため、結晶構造を作りやすくできる。アルカリ金属原子源(R)と、種結晶以外の水熱合成用原料混合物に含まれるケイ素(Si)とのモル比R/Siは、通常0.01以上、好ましくは0.02以上、より好ましくは0.03以上、さらに好ましくは0.04以上、特に好ましくは0.05以上であり、通常1.0以下、好ましくは0.6以下、より好ましくは0.4以下、さらに好ましくは0.2以下、特に好ましくは0.1以下である。 By using an appropriate amount of the alkali metal atom source, it becomes easier to coordinate the organic structure directing agent described below to aluminum in a suitable state, thereby making it easier to form a crystal structure. The molar ratio R/Si of the alkali metal atom source (R) and silicon (Si) contained in the raw material mixture for hydrothermal synthesis other than the seed crystal is usually 0.01 or more, preferably 0.02 or more, more preferably is 0.03 or more, more preferably 0.04 or more, particularly preferably 0.05 or more, and usually 1.0 or less, preferably 0.6 or less, more preferably 0.4 or less, still more preferably 0. 2 or less, particularly preferably 0.1 or less.

アルカリ金属原子源のケイ素に対するモル比(R/Si)が上記上限値よりも大きいと、生成したゼオライトが溶解しやすく、ゼオライトが得られなかったり収率が著しく低くなったりする場合がある。R/Siが上記下限値よりも小さいと、原料のAl原子源やSi原子源が十分に溶解せず、均一な水熱合成用原料混合物が得られず、MFI型ゼオライトが生成しにくくなる場合がある。 If the molar ratio of the alkali metal atom source to silicon (R/Si) is larger than the above upper limit, the produced zeolite will be easily dissolved, and the zeolite may not be obtained or the yield may be extremely low. If R/Si is smaller than the above lower limit, the raw material Al atom source and Si atom source will not be sufficiently dissolved, a uniform raw material mixture for hydrothermal synthesis will not be obtained, and MFI type zeolite will be difficult to produce. There is.

(水の量)
水熱合成用原料混合物中の水の量は、通常の水熱合成に比較して多いことが好ましい。水の量が多いことで、部位(A)、部位(B)及び部位(B’)におけるSi/Al(モル比)を、いずれも0.2以下としやすくなる。具体的には、種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するモル比で45以上であることが好ましく、60以上であることがより好ましく、70以上であることがさらに好ましい。
水の量の上限値については、種結晶以外の原料混合物に含まれるケイ素(Si原子)に対するモル比で300以下であることが好ましく、200以下であることがより好ましく、150以下であることがさらに好ましい。上記上限よりも大きいと、反応混合物が希薄すぎて、欠陥のない緻密な膜ができにくくなることがある。
(amount of water)
It is preferable that the amount of water in the raw material mixture for hydrothermal synthesis is larger than that for normal hydrothermal synthesis. A large amount of water makes it easier to keep the Si/Al (molar ratio) in site (A), site (B), and site (B') all at 0.2 or less. Specifically, the molar ratio to silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is preferably 45 or more, more preferably 60 or more, and even more preferably 70 or more.
Regarding the upper limit of the amount of water, the molar ratio to silicon (Si atoms) contained in the raw material mixture other than the seed crystal is preferably 300 or less, more preferably 200 or less, and 150 or less. More preferred. If it is larger than the above upper limit, the reaction mixture may be too dilute and it may be difficult to form a dense film without defects.

(種結晶)
本発明において、「ゼオライト」製造原料(原料化合物)の一成分として種結晶を用いてもよい。種結晶については、前述のRHO型ゼオライトで記載したのと同様であり、MFI型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜を形成する場合は、MFI型ゼオライトの種結晶を用いることが好ましい。
種結晶の粒子径は支持体の細孔径に近いことが望ましく、必要に応じて粉砕して用いても良い。粒径は、通常1nm以上、好ましくは10nm以上、より好ましくは50nm以上、さらに好ましくは0.1μm以上、特に好ましくは0.5μm以上、とりわけ好ましくは0.7μm以上であり、最も好ましくは1μm以上であり、通常5μm以下、好ましくは、3μm以下、より好ましくは2μm以下、最も好ましくは1.5μm以下、特に好ましくは1.2μm以下である。
支持体の細孔径によっては種結晶の粒子径が小さいほうが望ましい場合があり、必要に応じて粉砕して用いてもよい。種結晶の粒径は、通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上であり、通常5μm以下、好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下である。
(seed crystal)
In the present invention, seed crystals may be used as a component of the "zeolite" manufacturing raw material (raw material compound). The seed crystal is the same as that described for the above-mentioned RHO type zeolite, and when forming an MFI type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable to use an MFI type zeolite seed crystal.
It is desirable that the particle size of the seed crystal is close to the pore size of the support, and if necessary, it may be pulverized before use. The particle size is usually 1 nm or more, preferably 10 nm or more, more preferably 50 nm or more, even more preferably 0.1 μm or more, particularly preferably 0.5 μm or more, particularly preferably 0.7 μm or more, and most preferably 1 μm or more. It is usually 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less, most preferably 1.5 μm or less, particularly preferably 1.2 μm or less.
Depending on the pore size of the support, it may be desirable for the particle size of the seed crystal to be small, and the seed crystal may be pulverized and used if necessary. The particle size of the seed crystal is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, and usually 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less.

支持体上に種結晶を付着させる方法については、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様である。また、種結晶を分散させる溶媒および濃度についても、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様である。さらに、ラテックス手袋を着用した指などで種結晶が付着した支持体をこすって押し込むこと、多孔質支持体上に予め付着させておく種結晶の量、水熱合成により多孔質支持体上にゼオライト膜を形成する場合の支持体の固定化方法についても、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様である。 The method for depositing seed crystals on the support is the same as that described for the RHO type zeolite described above. Further, the solvent and concentration in which the seed crystals are dispersed are also the same as those described for the above-mentioned RHO type zeolite. Furthermore, by rubbing and pushing the support with seed crystals attached with a finger wearing a latex glove, by applying the amount of seed crystals deposited on the porous support in advance, and by hydrothermal synthesis, the zeolite was added to the porous support. The method for immobilizing the support when forming a membrane is also the same as that described for the above-mentioned RHO type zeolite.

(水熱合成)
水熱合成によりゼオライト膜を形成させる際の反応温度は特に限定されず、目的のゼオライト構造の膜を得るために適した温度であればよいが、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、更に好ましくは130℃以上、とりわけ好ましくは140℃以上、特に好ましくは150℃以上、最も好ましくは160℃以上であり、通常210℃以下、好ましくは200℃以下、さらに好ましくは190℃以下、特に好ましくは180℃以下である。反応温度が低すぎると、ゼオライトが結晶化し難くなることがある。また、反応温度が高すぎると、目的とするゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
水熱合成によりゼオライト膜を形成させる際の加熱(反応)時間は特に限定されず、目的のゼオライト構造の膜を得るために適した時間であればよいが、通常1時間以上、好ましくは5時間以上、更に好ましくは10時間以上であり、通常10日間以下、好ましくは5日以下、より好ましくは3日以下、さらに好ましくは2日以下、とりわけ好ましくは1日以下である。反応時間が短すぎるとゼオライトが結晶化し難くなることがある。反応時間が長すぎると、目的とするゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
(hydrothermal synthesis)
The reaction temperature when forming a zeolite membrane by hydrothermal synthesis is not particularly limited and may be any temperature suitable for obtaining a membrane with the desired zeolite structure, but is usually 100°C or higher, preferably 120°C or higher, and The temperature is preferably 130°C or higher, particularly preferably 140°C or higher, particularly preferably 150°C or higher, most preferably 160°C or higher, and usually 210°C or lower, preferably 200°C or lower, even more preferably 190°C or lower, particularly preferably The temperature is 180°C or less. If the reaction temperature is too low, the zeolite may be difficult to crystallize. Furthermore, if the reaction temperature is too high, a type of zeolite different from the desired zeolite may be likely to be produced.
The heating (reaction) time when forming a zeolite membrane by hydrothermal synthesis is not particularly limited, and may be any time suitable for obtaining a membrane with the desired zeolite structure, but is usually at least 1 hour, preferably 5 hours. Above, more preferably 10 hours or more, usually 10 days or less, preferably 5 days or less, more preferably 3 days or less, still more preferably 2 days or less, particularly preferably 1 day or less. If the reaction time is too short, the zeolite may become difficult to crystallize. If the reaction time is too long, a type of zeolite different from the desired zeolite may be likely to be produced.

水熱合成時の圧力は特に限定されず、密閉容器中に入れた水性反応混合物を、上記の温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒素などの不活性ガスを加えても差し支えない。
なお、水熱合成を複数回繰り返すことでゼオライト膜の緻密性を向上させる手法については、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様である。
The pressure during hydrothermal synthesis is not particularly limited, and the autogenous pressure generated when the aqueous reaction mixture placed in a closed container is heated to the above temperature range is sufficient. Furthermore, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
Note that the method for improving the compactness of the zeolite membrane by repeating hydrothermal synthesis multiple times is the same as that described for the above-mentioned RHO type zeolite.

(水洗、加熱処理、乾燥)
水熱合成により得られたゼオライト膜複合体は、水洗した後に、加熱処理して、乾燥させる。ここで、加熱処理とは、熱をかけてゼオライト膜複合体を乾燥させ、また、有機テンプレートを使用した場合に該有機テンプレートを焼成して除去することを意味する。
加熱処理の温度は、乾燥を目的とする場合は、通常50℃以上、好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、通常200℃以下、好ましくは150℃以下である。加熱処理の温度は、有機テンプレートの焼成除去を目的とする場合は、通常350℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは450℃以上、更に好ましくは500℃以上であり、通常900℃以下、好ましくは800℃以下、さらに好ましくは700℃以下、特に好ましくは600℃以下である。
(Water washing, heat treatment, drying)
The zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heated and dried. Here, heat treatment means applying heat to dry the zeolite membrane composite, or, when an organic template is used, baking and removing the organic template.
When the purpose of the heat treatment is drying, the temperature of the heat treatment is usually 50°C or higher, preferably 80°C or higher, more preferably 100°C or higher, and usually 200°C or lower, preferably 150°C or lower. The temperature of the heat treatment is usually 350°C or higher, preferably 400°C or higher, more preferably 450°C or higher, even more preferably 500°C or higher, and usually 900°C or lower, when the purpose is to remove the organic template by firing. The temperature is preferably 800°C or lower, more preferably 700°C or lower, particularly preferably 600°C or lower.

有機テンプレートの焼成除去を目的とする場合には、加熱処理の温度が低すぎると有機テンプレートの残留割合が多くなる傾向があり、ゼオライトの細孔が少なくなって、そのためにアンモニアの分離に使用した際の透過量が減少する可能性がある。加熱処理温度が高すぎると支持体とゼオライトの熱膨張率の差が大きくなるため、ゼオライト膜に亀裂が生じやすくなる可能性があり、ゼオライト膜の緻密性が失われて分離性能が低くなることがある。有機テンプレートとして、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシドを使用する場合は、この加熱処理温度を調整することにより、ゼオライト中の窒素原子の含有量を制御することができる。
なお、加熱処理の時間、雰囲気、昇温速度、降温速度については、上述のRHO型ゼオライトで記載したものと同様である。
When the purpose is to remove the organic template by firing, if the heat treatment temperature is too low, the residual proportion of the organic template tends to increase, and the pores of the zeolite decrease, which makes it difficult to use for ammonia separation. The amount of permeation may be reduced. If the heat treatment temperature is too high, the difference in the coefficient of thermal expansion between the support and the zeolite will increase, which may cause the zeolite membrane to crack easily, causing the zeolite membrane to lose its compactness and reduce its separation performance. There is. When using tetrapropylammonium hydroxide as the organic template, the content of nitrogen atoms in the zeolite can be controlled by adjusting the heat treatment temperature.
The heat treatment time, atmosphere, temperature increase rate, and temperature decrease rate are the same as those described for the above-mentioned RHO type zeolite.

<<イオン交換>>
合成されたゼオライト膜は、必要に応じてイオン交換してもよい。ゼオライトの熱膨張特性、アンモニアの分離熱安定性は、ゼオライト中のカチオン種により大きく影響を受けるため、本イオン交換が重要な制御法となる。また、後述するように、用いるカチオン種によりゼオライト膜のアンモニアの透過性能および/または分離性能が向上する場合がある。すなわち、本発明で用いるカチオン種は、上記のゼオライトの熱膨張特性、アンモニアの分離熱安定性を確保しながら、アンモニアの透過性能と分離性能を加味して適宜選定される。
<<Ion exchange>>
The synthesized zeolite membrane may be ion-exchanged if necessary. Since the thermal expansion characteristics of zeolite and the separation thermal stability of ammonia are greatly affected by the cation species in zeolite, this ion exchange is an important control method. Furthermore, as described below, the ammonia permeation performance and/or separation performance of the zeolite membrane may be improved depending on the cation species used. That is, the cationic species used in the present invention is appropriately selected in consideration of the ammonia permeability and separation performance while ensuring the thermal expansion characteristics of the zeolite and the thermal stability of ammonia separation.

イオン交換は、有機テンプレートを用いてゼオライト膜を合成した場合は、通常、有機テンプレートを除去した後に行う。イオン交換するイオンとしては、本発明においては、ゼオライト膜表面の窒素含有量を増やすために、NH やメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アニリン、メチルアニリン、ベンジルアミン、メチルベンジルアミン、ヘキサメチレンジアミン、N,N-ジイソプロピルエチルアミン、N,N,N-トリメチル-1-アダマンタンアミン、ピリジン、ピペリジン等の炭素数1~20の有機アミンがプロトン化されたカチオン種のいずれかが好ましく、その他、プロトン、Na、K、Li、Rb、Csなどのアルカリ金属イオン、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+などのアルカリ土類金属イオン、ならびにFe、Cu、Zn、Ga、Laなどの遷移金属のイオンなどを共存させてもよい。
これらの中では、プロトン、NH 、Na、Li、Cs、Feイオン、Gaイオン、Laイオンが好ましい。これらのイオンは、ゼオライト中に複数種混在していてもよく、上記のゼオライトの熱膨張特性とアンモニア透過性能のバランスをとる上で、上記イオンを混在させる手法は好適に採用される。このようにイオン交換するカチオン種ならびにそれらの量を制御する事で、ゼオライトのアンモニア親和性ならびにゼオライト細孔内の有効細孔径を制御することが可能となり、アンモニアの透過選択性を上げ、かつアンモニアの透過速度も向上させることができる。これらの中でアンモニアの透過選択性を上げるイオン種としては、NH やメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アニリン、メチルアニリン、ベンジルアミン、メチルベンジルアミン、ヘキサメチレンジアミン、N,N-ジイソプロピルエチルアミン、N,N,N-トリメチル-1-アダマンタンアミン、ピリジン、ならびにピペリジン等の炭素数1~20の有機アミンがプロトン化されたカチオン種が好ましく、その中では、NH や炭素数1~6の有機アミンのような分子サイズの小さなアミンがプロトン化されたカチオン種が上記の理由からより好ましく、その中でも特にNH が好ましい。
一方、アンモニアの透過速度を向上させるイオン種としては、プロトン、Na、Li、Cs、Feイオン、Gaイオン、Laイオンが好ましく、Na、Li、Csイオンが特に好ましく、Naイオンを共存させるのが最も好ましい。本発明においては、このように窒素原子を含有するイオン種を必須とするイオンの交換量を調整することにより、ゼオライト膜中のAl原子に対する窒素原子のモル比を制御することができる。
When a zeolite membrane is synthesized using an organic template, ion exchange is usually performed after removing the organic template. In the present invention, in order to increase the nitrogen content on the surface of the zeolite membrane, ions to be ion-exchanged include NH 4 + , methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, ethylenediamine, dimethylethylenediamine, and tetramethylethylenediamine. , diethylenetriamine, triethylenetetraamine, aniline, methylaniline, benzylamine, methylbenzylamine, hexamethylenediamine, N,N-diisopropylethylamine, N,N,N-trimethyl-1-adamantanamine, pyridine, piperidine, etc. Any of the cation species in which several 1 to 20 organic amines are protonated is preferable, and in addition, protons, alkali metal ions such as Na + , K + , Li + , Rb + , Cs + , Ca 2+ , Mg 2+ , Alkaline earth metal ions such as Sr 2+ and Ba 2+ and transition metal ions such as Fe, Cu, Zn, Ga, and La may coexist.
Among these, protons, NH 4 + , Na + , Li + , Cs + , Fe ions, Ga ions, and La ions are preferred. A plurality of these ions may be mixed in the zeolite, and the method of mixing the ions is preferably adopted in order to balance the thermal expansion characteristics and ammonia permeation performance of the zeolite. By controlling the cation species to be ion-exchanged and their amounts, it is possible to control the ammonia affinity of the zeolite and the effective pore diameter within the zeolite pores, increasing ammonia permselectivity and The permeation rate can also be improved. Among these, the ionic species that increase the permselectivity of ammonia include NH 4 + , methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, ethylenediamine, dimethylethylenediamine, tetramethylethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetraamine, Organic amines having 1 to 20 carbon atoms such as aniline, methylaniline, benzylamine, methylbenzylamine, hexamethylene diamine, N,N-diisopropylethylamine, N,N,N-trimethyl-1-adamantanamine, pyridine, and piperidine. Preferably, cationic species in which amines with small molecular sizes such as NH 4 + and organic amines having 1 to 6 carbon atoms are protonated are preferred for the above-mentioned reasons; Among them, NH 4 + is particularly preferred.
On the other hand, the ion species that improve the permeation rate of ammonia are preferably protons, Na + , Li + , Cs + , Fe ions, Ga ions, and La ions, particularly preferably Na + , Li + , and Cs + ions, and Na It is most preferable to coexist with + ions. In the present invention, the molar ratio of nitrogen atoms to Al atoms in the zeolite membrane can be controlled by adjusting the amount of exchange of ions that require ion species containing nitrogen atoms.

なお、本発明のゼオライト中にNaイオンを含有させる場合、その含有量は、ゼオライト中のAl原子に対して、モル比で、通常、0.01以上、好ましくは、0.02以上、より好ましくは、0.03以上であり、更に好ましくは0.04以上であり、特に好ましくは0.05以上である。一方、上限値については、特に限定されないが、通常0.10モル当量以下、好ましくは0.070モル当量以下、より好ましくは0.065モル当量以下、更に好ましくは、0.060モル当量以下、特に好ましくは、055モル当量以下である。このような特定の領域のNa/Al原子比のゼオライトを使用することにより、アンモニアと水素および/または窒素を含む複数の成分からなる混合ガスからアンモニアを高い透過度で分離することができる。 In addition, when Na + ions are contained in the zeolite of the present invention, the content thereof is usually 0.01 or more, preferably 0.02 or more, or more, in molar ratio to Al atoms in the zeolite. Preferably it is 0.03 or more, more preferably 0.04 or more, particularly preferably 0.05 or more. On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is usually 0.10 molar equivalent or less, preferably 0.070 molar equivalent or less, more preferably 0.065 molar equivalent or less, still more preferably 0.060 molar equivalent or less, Particularly preferably, the amount is 0.055 molar equivalent or less. By using a zeolite having such a specific range of Na + /Al atomic ratio, ammonia can be separated with high permeability from a mixed gas consisting of ammonia and a plurality of components including hydrogen and/or nitrogen.

イオン交換は、焼成後(有機テンプレートを使用した場合など)のゼオライト膜を、イオン交換する上記カチオンの硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、有機酸塩、水酸化物ならびにClやBrのハロゲン塩、場合によっては塩酸などの酸で、通常、室温から100℃の温度で処理後、水洗、あるいは40℃から100℃のお湯で湯洗する方法などにより行えばよい。イオン交換処理に用いる溶媒は、上記イオン交換する塩が溶解すれば水であっても有機溶媒であってもよく、処理する塩の濃度は通常10mol/L以下、下限は、0.1mol/L以上、好ましくは、0.5mol/L以上、より好ましくは、1mol/L以上である。これらの処理条件は、用いる塩、溶媒種に応じて適宜設定すればよい。塩酸などの酸を用いる場合は、酸がゼオライトの結晶構造を破壊するため、通常は処理する酸の濃度を5mol/L以下とし、温度や時間を適宜設定すればよい。また、イオン交換処理は繰り返し処理を行うことによりイオン交換率が高くなるため、イオン交換処理の回数は特に限定されることはなく、目的とする効果が得られるまで処理を繰り返してよい。さらに、イオン交換されたゼオライト膜は、イオン交換処理後にイオン交換処理原料由来の残存物がゼオライト細孔内に存在するとガスの透過性を妨げるため、必要に応じて200~500℃で焼成することにより、イオン交換処理後の残存物を除去してもよい。 Ion exchange involves ion-exchanging the zeolite membrane after calcination (such as when an organic template is used) with nitrates, sulfates, phosphates, organic acid salts, and hydroxides of the above cations, as well as halogen salts of Cl and Br, Depending on the case, it may be treated with an acid such as hydrochloric acid, usually at a temperature of room temperature to 100°C, and then washed with water or with hot water of 40°C to 100°C. The solvent used for the ion exchange treatment may be water or an organic solvent as long as the salt to be ion exchanged is dissolved, and the concentration of the salt to be treated is usually 10 mol/L or less, and the lower limit is 0.1 mol/L. The amount is preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 1 mol/L or more. These processing conditions may be appropriately set depending on the salt and solvent type used. When using an acid such as hydrochloric acid, the acid destroys the crystal structure of the zeolite, so the concentration of the acid to be treated is usually 5 mol/L or less, and the temperature and time may be set appropriately. Further, since the ion exchange rate increases by repeating the ion exchange treatment, the number of times the ion exchange treatment is performed is not particularly limited, and the treatment may be repeated until the desired effect is obtained. Furthermore, the ion-exchanged zeolite membrane should be calcined at 200 to 500°C as necessary, since if residues from the ion-exchange raw materials exist in the zeolite pores after the ion-exchange treatment, this will impede gas permeability. The residue after the ion exchange treatment may be removed by.

<<硝酸塩処理>>
本発明のゼオライト膜複合体においては、ゼオライト膜中の窒素原子の含有量を調整する方法として、硝酸塩処理を併用することが好ましいため、以下、硝酸塩処理について説明する。
<<Nitrate treatment>>
In the zeolite membrane composite of the present invention, as a method for adjusting the content of nitrogen atoms in the zeolite membrane, it is preferable to use nitrate treatment in combination, so nitrate treatment will be explained below.

本発明においては、合成されたゼオライト膜は、必要に応じて硝酸塩処理を施しても良い。硝酸塩処理は、有機テンプレートを含む状態でも、焼成により有機テンプレートを除去した後に実施しても構わない。硝酸塩処理は、ゼオライト膜複合体を、例えば硝酸塩を含む溶液に浸漬して行う。これにより、膜表面に存在する微細な欠陥を硝酸塩がふさぐ効果が得られるために好ましい場合がある。
更に、硝酸塩がゼオライト細孔に存在する場合はゼオライト膜のアンモニアとの親和性を向上させる効果があり、アンモニアの透過性を向上させる手法として好適に採用される。硝酸塩処理に用いる溶媒は、塩が溶解すれば水であっても有機溶媒であってもよく、用いる硝酸塩に制限はないが、例えば、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸バリウム、硝酸アルミニウム、硝酸ガリウム、硝酸インジウム、硝酸鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸銅、硝酸亜鉛などが挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
これらの中では、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸バリウム、硝酸アルミニウム、硝酸ガリウム、硝酸インジウム、その中でも硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸バリウム、硝酸アルミニウムがより好ましく、特に硝酸アルミニウムがゼオライト膜表面に存在する微細な欠陥をふさぐ効果が顕著でアンモニアの分離性能が高まる理由から好ましい。
In the present invention, the synthesized zeolite membrane may be subjected to nitrate treatment if necessary. The nitrate treatment may be performed in a state where the organic template is included or after the organic template is removed by firing. The nitrate treatment is performed by, for example, immersing the zeolite membrane composite in a solution containing nitrate. This may be preferable because the nitrate has the effect of blocking minute defects present on the film surface.
Furthermore, when nitrate exists in the zeolite pores, it has the effect of improving the affinity of the zeolite membrane with ammonia, and is suitably employed as a method for improving ammonia permeability. The solvent used for nitrate treatment may be water or an organic solvent as long as the salt is dissolved, and there are no restrictions on the nitrate used, but examples include magnesium nitrate, calcium nitrate, barium nitrate, aluminum nitrate, gallium nitrate, Examples include indium nitrate, iron nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, copper nitrate, and zinc nitrate. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, magnesium nitrate, calcium nitrate, barium nitrate, aluminum nitrate, gallium nitrate, indium nitrate, and among these, magnesium nitrate, calcium nitrate, barium nitrate, and aluminum nitrate are more preferable, and especially aluminum nitrate is present on the surface of the zeolite membrane. It is preferable because it has a remarkable effect of blocking minute defects and improves the ammonia separation performance.

硝酸塩の濃度は通常10mol/L以下であり、下限は、0.1mol/L以上、好ましくは、0.5mol/L以上、より好ましくは、1mol/L以上である。処理温度は通常、室温から150℃以下であり、処理は10分から48時間程度行えばよく、これらの処理条件は、用いる硝酸塩、溶媒種に応じて適宜設定すればよい。硝酸塩処理後のゼオライト膜は、水洗を行ってもよく、水洗を繰り返すことによってゼオライト膜の窒素原子含有量を好ましい範囲に調整することができる。 The concentration of nitrate is usually 10 mol/L or less, and the lower limit is 0.1 mol/L or more, preferably 0.5 mol/L or more, more preferably 1 mol/L or more. The treatment temperature is usually from room temperature to 150° C. or less, and the treatment may be carried out for about 10 minutes to 48 hours, and these treatment conditions may be appropriately set depending on the nitrate used and the type of solvent. The zeolite membrane after the nitrate treatment may be washed with water, and by repeating water washing, the nitrogen atom content of the zeolite membrane can be adjusted to a preferable range.

<<アルミニウム塩処理>>
本発明のゼオライト膜複合体は、必要に応じてアルミニウム塩処理を施してもよい。アルミニウム塩処理は、有機テンプレートを含む状態でも、焼成により有機テンプレートを除去した後に実施しても構わない。アルミニウム塩処理は、ゼオライト膜複合体を、例えばアルミ塩を含む溶液に浸漬して行う。これにより、膜表面に存在する微細な欠陥をアルミニウム塩がふさぐ効果が得られることがある。更に、アルミニウム塩がゼオライト細孔に存在する場合はアンモニアガスを引き寄せる効果があり、アンモニアガスの透過性を向上させる手法として好適に採用される。
アルミニウム塩処理に用いる溶媒は、塩が溶解すれば水であっても有機溶媒であってもよく、用いるアルミ塩に制限はないが、例えば、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、リン酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、炭酸アルミニウム、水酸化アルミニウムなどが挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
<<Aluminum salt treatment>>
The zeolite membrane composite of the present invention may be subjected to aluminum salt treatment if necessary. The aluminum salt treatment may be performed in a state where the organic template is included or after the organic template is removed by firing. The aluminum salt treatment is performed by immersing the zeolite membrane composite in a solution containing aluminum salt, for example. As a result, the aluminum salt may have the effect of blocking minute defects present on the film surface. Furthermore, when an aluminum salt exists in the zeolite pores, it has the effect of attracting ammonia gas, and is suitably employed as a method for improving the permeability of ammonia gas.
The solvent used for the aluminum salt treatment may be water or an organic solvent as long as the salt is dissolved, and there are no restrictions on the aluminum salt used, but examples include aluminum nitrate, aluminum sulfate, aluminum chloride, aluminum phosphate, Examples include aluminum acetate, aluminum carbonate, and aluminum hydroxide. These may be used alone or in combination of two or more.

アルミニウム塩の濃度は通常10mol/L以下であり、下限は、0.1mol/L以上、好ましくは、0.5mol/L以上、より好ましくは、1mol/L以上である。処理温度は通常、室温から150℃以下であり、処理は10分から48時間程度行えばよく、これらの処理条件は、用いるアルミニウム塩、溶媒種に応じて適宜設定すればよい。
アルミニウム塩処理後のゼオライト膜は、水洗を行ってもよく、水洗を繰り返すことによってゼオライト膜のAl原子含有量を調整することができる。本発明のSi原子/Al原子比率を大きくするためには、処理するアルミニウム塩の濃度や処理量を減らしたり、アルミニウム塩処理後の水洗の回数を増やすことが好ましく、一方、当該比率を小さくするためには、処理するアルミニウム塩の濃度や処理量を増やしたり、アルミニウム塩処理後の水洗の回数を減らすことが好ましい。
The concentration of the aluminum salt is usually 10 mol/L or less, and the lower limit is 0.1 mol/L or more, preferably 0.5 mol/L or more, and more preferably 1 mol/L or more. The treatment temperature is usually from room temperature to 150° C. or less, and the treatment may be carried out for about 10 minutes to 48 hours, and these treatment conditions may be appropriately set depending on the aluminum salt and solvent type used.
The zeolite membrane after the aluminum salt treatment may be washed with water, and the Al atom content of the zeolite membrane can be adjusted by repeating water washing. In order to increase the Si atom/Al atom ratio of the present invention, it is preferable to reduce the concentration and amount of aluminum salt to be treated or increase the number of times of washing with water after aluminum salt treatment. In order to achieve this, it is preferable to increase the concentration and amount of aluminum salt to be treated, or to reduce the number of times of washing with water after aluminum salt treatment.

(シリル化処理)
本発明のゼオライト膜複合体は、必要に応じてシリル化処理を施してもよい。シリル化処理は、ゼオライト膜複合体を、例えばSi化合物を含む溶液に浸漬して行う。これにより、ゼオライト膜表面がSi化合物により修飾されて、特定の物理化学的性質を有するものとすることができる。例えば、ゼオライト膜表面にSi-OHを多く含む層を確実に形成することで膜表面の極性が向上し、極性分子の分離性能を向上させることができる。
また、ゼオライト膜表面をSi化合物により修飾することで膜表面に存在する微細な欠陥をふさぐ効果が得られることがある。更に、シリル化処理によりゼオライトの細孔径の制御が可能であり、該処理を行うことでアンモニアの透過選択性を向上させる手法も好適に採用される。
(Silylation treatment)
The zeolite membrane composite of the present invention may be subjected to silylation treatment if necessary. The silylation treatment is performed by immersing the zeolite membrane composite in, for example, a solution containing a Si compound. Thereby, the surface of the zeolite membrane can be modified with the Si compound to have specific physicochemical properties. For example, by reliably forming a layer containing a large amount of Si--OH on the surface of a zeolite membrane, the polarity of the membrane surface can be improved and the separation performance of polar molecules can be improved.
Furthermore, by modifying the zeolite membrane surface with a Si compound, the effect of closing minute defects present on the membrane surface may be obtained. Furthermore, the pore diameter of the zeolite can be controlled by silylation treatment, and a method of improving ammonia permeation selectivity by performing this treatment is also suitably employed.

シリル化処理に用いる溶媒は、水であっても有機溶媒であってもよい。また溶液は酸性、塩基性であってもよく、この場合には酸、塩基によってシリル化反応が触媒される。用いるシリル化剤に制限はないが、アルコキシシランが好ましい。処理温度は通常、室温から150℃以下であり、処理は10分から30時間程度行えばよく、これらの処理条件は、用いるシリル化剤、溶媒種に応じて適宜設定すればよい。 The solvent used in the silylation treatment may be water or an organic solvent. Further, the solution may be acidic or basic, and in this case, the silylation reaction is catalyzed by the acid or base. Although there are no restrictions on the silylating agent used, alkoxysilanes are preferred. The treatment temperature is usually from room temperature to 150° C. or less, and the treatment may be carried out for about 10 minutes to 30 hours, and these treatment conditions may be appropriately set depending on the silylating agent and solvent type used.

<<ゼオライト膜表面に含まれる窒素原子の含有量>>
本発明においては、本発明のゼオライト膜表面に含まれる窒素原子の含有量は、上記のように、ゼオライト膜に含まれるゼオライト中の窒素原子を含むカチオン種を選定してゼオライトのAl原子/Si原子比を調整する方法、イオン交換法によるイオン交換量を調整して窒素原子の含有量を調整する方法、必要に応じてゼオライト膜を製造する際に窒素原子を含有する有機テンプレート(構造規定剤)を使用してその添加量や有機テンプレートを焼成除去する際の加熱温度や加熱する時間を調整する方法、ゼオライト膜を硝酸塩で処理する方法、硝酸処理をしたゼオライト膜を水洗する際の水洗回数を調整する方法、ならびにこれらの方法を適宜組み合わせることにより制御することができる。
<<Content of nitrogen atoms contained in the zeolite membrane surface>>
In the present invention, the content of nitrogen atoms contained in the surface of the zeolite membrane of the present invention is determined by selecting the cation species containing nitrogen atoms in the zeolite contained in the zeolite membrane, as described above. A method of adjusting the atomic ratio, a method of adjusting the amount of ion exchange by the ion exchange method to adjust the content of nitrogen atoms, and an organic template containing nitrogen atoms (structure directing agent) when manufacturing a zeolite membrane as necessary. ), how to adjust the amount added, the heating temperature and heating time when removing the organic template by firing, the method to treat the zeolite membrane with nitrate, the number of times to wash the zeolite membrane treated with nitric acid with water. It can be controlled by adjusting methods and by appropriately combining these methods.

<<ゼオライト膜複合体の表面に含まれるAl原子の含有量>>
本発明のゼオライト膜複合体の表面に含まれるAl原子の含有量は、上記のように、ゼオライト膜に含まれるゼオライト中のAl原子/Si原子比を調整する方法、ゼオライト膜をアルミニウム塩で処理する方法、アルミニウム塩処理をしたゼオライト膜を水洗する際の水洗回数を調整する方法、ならびにこれらの方法を適宜組み合わせることにより制御することができる。
<<Content of Al atoms contained in the surface of the zeolite membrane composite>>
The content of Al atoms contained in the surface of the zeolite membrane composite of the present invention can be determined by adjusting the Al atom/Si atomic ratio in the zeolite contained in the zeolite membrane, or by treating the zeolite membrane with an aluminum salt, as described above. It can be controlled by a method of adjusting the number of times of water washing when washing a zeolite membrane treated with an aluminum salt, and by appropriately combining these methods.

<<ゼオライト膜複合体の表面に含まれるアルカリ金属元素の含有量>>
本発明のゼオライト膜複合体の表面に含まれるアルカリ金属元素の含有量は、上記のように、ゼオライト膜に含まれるゼオライト中のAl原子/Si原子比を調整する方法、イオン交換法によるイオン交換量を調整してアルカリ金属元素の含有量を調整する方法、ゼオライト膜を水洗する際の水洗回数を調整する方法、ならびにこれらの方法を適宜組み合わせることにより制御することができる。
このようにして製造されるゼオライト膜複合体は、優れた特性をもつものであり、本発明における混合ガスからのアンモニアの膜分離手段として好適に用いることができる。
<<Content of alkali metal elements contained in the surface of the zeolite membrane composite>>
The content of alkali metal elements contained in the surface of the zeolite membrane composite of the present invention can be determined by adjusting the Al atom/Si atomic ratio in the zeolite contained in the zeolite membrane, or by ion exchange using the ion exchange method. It can be controlled by adjusting the content of the alkali metal element by adjusting the amount, by adjusting the number of times the zeolite membrane is washed with water, and by appropriately combining these methods.
The zeolite membrane composite produced in this manner has excellent properties and can be suitably used as a membrane separation means for ammonia from a mixed gas in the present invention.

<アンモニアの分離方法>
本発明のゼオライト膜複合体は、少なくとも窒素ガスとアンモニアガスを含有する混合ガスから、アンモニアを選択的に透過させて分離することができる。
このような本発明のゼオライト膜複合体を用いるアンモニアの分離方法は、少なくとも、アンモニアと、窒素と、さらには水素とを含む混合ガスからアンモニアを効率的に分離する際に効果的に用いることができるため、このような混合ガスが得られるアンモニアの製造方法と組み合わせて使用することが効果的である。
すなわち、水素と窒素からアンモニアを製造する第一工程、および第一工程で得られるアンモニアを分離する第二工程を含む、アンモニアの製造方法が好ましい態様である。さらには、上記第一工程および上記第二工程が一つの反応器内で進行する、アンモニアの製造方法も本発明を適用した好ましい態様の一つである。第一工程および第二工程が一つの反応器内で進行するとは、第一工程および第二工程が同時に進行するということである。つまり、本発明の一実施形態では、容器内で水素ガスと窒素ガスからアンモニアガスを製造し、該容器内において、製造されたアンモニアガスを含む混合ガスからアンモニアを分離しながらアンモニアを効率良く製造する方法である。
<Ammonia separation method>
The zeolite membrane composite of the present invention can selectively permeate and separate ammonia from a mixed gas containing at least nitrogen gas and ammonia gas.
Such an ammonia separation method using the zeolite membrane composite of the present invention can be effectively used to efficiently separate ammonia from a mixed gas containing at least ammonia, nitrogen, and even hydrogen. Therefore, it is effective to use it in combination with an ammonia production method that produces such a mixed gas.
That is, a preferred embodiment is a method for producing ammonia that includes a first step of producing ammonia from hydrogen and nitrogen, and a second step of separating ammonia obtained in the first step. Furthermore, a method for producing ammonia in which the first step and the second step proceed in one reactor is also one of the preferred embodiments to which the present invention is applied. The first step and the second step proceeding in one reactor means that the first step and the second step proceed simultaneously. That is, in one embodiment of the present invention, ammonia gas is produced from hydrogen gas and nitrogen gas in a container, and ammonia is efficiently produced in the container while separating ammonia from a mixed gas containing the produced ammonia gas. This is the way to do it.

アンモニアの工業製造方法としては、特段の制限はないが、ハーバー・ボッシュ法が挙げられる。この方法においては、基本的には酸化鉄を触媒とし、300℃~500℃、10~40MPaという高温高圧下で、窒素及び水素ガスを触媒上で反応させてアンモニアを生成させ、反応器出口ガス中に含まれる生成アンモニアを冷却して凝縮分離して製品として回収する一方、未反応の窒素及び水素ガスは分離され原料ガスとしてリサイクルされるプロセスが採用されている。また、ハーバー・ボッシュ法の改良方法として、より低圧条件下でアンモニアが製造可能なRu系担持触媒が1980年代に開発され、上記ハーバー・ボッシュプロセスと組み合わせたプロセスも工業化されているが、その基本製造プロセスは100年に亘り変わっていない。このように、一般にアンモニア製造工業触媒は鉄系触媒とRu系触媒に大別される。アンモニア製造時に用いる原料ガスのモル比は、理論比となる水素/窒素=3が好ましいが、Ru系触媒では水素による触媒被毒が起こりやすいために、このモル比を下げた製造条件が好ましく用いられる。この点を考慮すると、特に制限はされないが、本発明に係るアンモニア分離技術と組み合わせるアンモニア製造触媒プロセスとしては、後述するアンモニア分離における供給ガス中に含有される水素ガス/窒素ガスの好ましい体積比に近づくため、Ru系触媒を用いるプロセスが好ましく、この組み合わせにより、生成するアンモニア分離において水素の透過量を低減することができる。 Although there are no particular restrictions on the industrial production method of ammonia, the Haber-Bosch method may be mentioned. In this method, iron oxide is basically used as a catalyst, and nitrogen and hydrogen gas are reacted on the catalyst at 300°C to 500°C and 10 to 40 MPa to generate ammonia, and the reactor outlet gas is A process is adopted in which the produced ammonia contained therein is cooled, condensed and separated, and recovered as a product, while unreacted nitrogen and hydrogen gas are separated and recycled as raw material gas. Additionally, as an improved method of the Haber-Bosch process, a Ru-based supported catalyst that can produce ammonia under lower pressure conditions was developed in the 1980s, and a process that combines the Haber-Bosch process described above has also been industrialized, but its basics The manufacturing process has remained unchanged for 100 years. As described above, industrial catalysts for ammonia production are generally classified into iron-based catalysts and Ru-based catalysts. The molar ratio of the raw material gas used during ammonia production is preferably a theoretical ratio of hydrogen/nitrogen = 3, but since Ru-based catalysts are likely to be poisoned by hydrogen, production conditions that lower this molar ratio are preferably used. It will be done. Considering this point, although not particularly limited, the ammonia production catalytic process in combination with the ammonia separation technology according to the present invention is based on the preferred volume ratio of hydrogen gas/nitrogen gas contained in the feed gas in ammonia separation described below. Therefore, a process using a Ru-based catalyst is preferable, and this combination makes it possible to reduce the amount of permeation of hydrogen in the separation of produced ammonia.

本発明のゼオライト膜複合体を用いたアンモニアの分離方法は、特定のゼオライト膜を用いて、アンモニアと水素および/または窒素を含む複数の成分からなる混合ガスを該ゼオライト膜に接触させ、該混合ガスから、アンモニアを選択的に透過させて分離するものである。
なお、上述の通り、本発明によれば、反応器内で水素ガスと窒素ガスからアンモニアガスを製造し、上記反応器内において、ゼオライト膜を用いて製造されたアンモニアガスを透過させながら効率よくアンモニアを製造・回収することができる。
A method for separating ammonia using the zeolite membrane composite of the present invention involves using a specific zeolite membrane to bring a mixed gas consisting of ammonia and a plurality of components including hydrogen and/or nitrogen into contact with the zeolite membrane, and then Ammonia is selectively permeated and separated from the gas.
As described above, according to the present invention, ammonia gas is produced from hydrogen gas and nitrogen gas in a reactor, and the ammonia gas produced using a zeolite membrane is permeated in the reactor and efficiently produced. Ammonia can be produced and recovered.

(混合ガス)
本発明において、混合ガスとは、少なくともアンモニアガスと窒素ガスを含有するガスであり、その他、水素ガスを含むことが好ましい。
(mixed gas)
In the present invention, the mixed gas is a gas containing at least ammonia gas and nitrogen gas, and preferably also contains hydrogen gas.

(混合ガス中のアンモニア濃度)
混合ガス中のアンモニア濃度については、特に限定されないが、アンモニアの透過速度の観点からは、アンモニアガス濃度は1.0体積%以上であることが好ましい。1.0体積%以上であると、アンモニアガスの透過速度が向上する。以上の観点から、供給ガス中のアンモニアガス濃度は、好ましくは2.0体積%以上、より好ましくは3.0体積%以上、特に好ましくは5.0体積%以上である。
一方、上限は、特に制限されないが、供給ガス中のアンモニアガス濃度が高いほど分離性能は向上するため、通常100体積%未満となるが、アンモニアを分離する必要性の理由から、一般には、80体積%以下、好ましくは、60体積%以下、より好ましくは、40体積%以下である。なお、供給ガス中のアンモニアの濃度は、供給ガスを採取し、その成分を分析し、アンモニアのモル分率をもって体積%と同じであるとみなす。他の気体の体積%も同様にモル分率をもって、体積%とみなす。
(Ammonia concentration in mixed gas)
The ammonia concentration in the mixed gas is not particularly limited, but from the viewpoint of ammonia permeation rate, the ammonia gas concentration is preferably 1.0% by volume or more. When the content is 1.0% by volume or more, the permeation rate of ammonia gas is improved. From the above viewpoint, the ammonia gas concentration in the supplied gas is preferably 2.0% by volume or more, more preferably 3.0% by volume or more, particularly preferably 5.0% by volume or more.
On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is usually less than 100% by volume because the higher the ammonia gas concentration in the supplied gas, the better the separation performance. It is vol.% or less, preferably 60 vol.% or less, more preferably 40 vol.% or less. Note that the concentration of ammonia in the supplied gas is determined by sampling the supplied gas, analyzing its components, and assuming that the molar fraction of ammonia is the same as the volume %. Volume % of other gases are similarly considered to be volume % based on their mole fractions.

また、アンモニア製造プロセスと組み合わせてアンモニアを分離する場合は、該製造プロセス条件で生成するアンモニア平衡濃度以下である。本発明を用いたアンモニアの分離技術は、公知の水素と、窒素と、アンモニアとの混合ガスから水素ガスおよび/または窒素ガスを選択的に透過させる方法に対して、供給ガスからアンモニアを分離するプロセスとなるため、高濃度のアンモニアを含む混合ガスからのアンモニア分離が有利である。
さらに、その後、必要に応じて膜を透過しなかった非透過側の混合ガスから水素ガスを回収する工程を採用する場合でも、アンモニアガス濃度が十分に下がった該混合ガスから水素を回収する設計となるため、公知の供給ガスから水素および/または窒素を分離してアンモニアの濃縮を行うプロセスでの上記の課題は生じにくい特徴がある。
なお、例えば、特許文献1に対しては、顕著にアンモニアの分離性能が向上し、且つ高温での操業時や長期操業時の分離安定性も高いといった特徴がある。
Furthermore, when ammonia is separated in combination with an ammonia production process, the ammonia equilibrium concentration produced under the production process conditions is lower than or equal to the equilibrium concentration of ammonia. The ammonia separation technology using the present invention separates ammonia from the feed gas, in contrast to the known method of selectively permeating hydrogen gas and/or nitrogen gas from a mixed gas of hydrogen, nitrogen, and ammonia. process, it is advantageous to separate ammonia from a mixed gas containing a high concentration of ammonia.
Furthermore, even if a process is adopted to recover hydrogen gas from the mixed gas on the non-permeable side that did not pass through the membrane as necessary, the design is designed to recover hydrogen from the mixed gas whose ammonia gas concentration has been sufficiently reduced. Therefore, the above-mentioned problem is unlikely to occur in the known process of separating hydrogen and/or nitrogen from a supply gas and concentrating ammonia.
Note that, for example, Patent Document 1 has the characteristics that the ammonia separation performance is significantly improved and the separation stability is also high during operation at high temperatures and during long-term operation.

アンモニア及び窒素を少なくとも含む混合ガス中のアンモニアガス濃度が特定量以上になるとゼオライト膜を透過するアンモニアの透過選択性が著しく向上する要因は、未だ詳らかではないが、該混合ガス中のアンモニアガス濃度を高めると、上記のアンモニアガスとゼオライトとの吸着平衡の理由からゼオライトへの吸着が起こりやすくなり、先ずアンモニアが細孔内に吸着されたゼオライト膜が生成する。このようにして生成したアンモニアが吸着したゼオライト膜は、ゼオライト膜内の細孔径を狭めるために、分子サイズの小さな水素の透過速度を低減することができる。この作用は、水素、窒素、アンモニアの分子サイズより細孔径が大きなゼオライトを用いても同様にゼオライト膜の細孔を狭めるため、水素の透過阻害が顕著に発現する。
一方、ゼオライト細孔内に吸着されたアンモニアは、膜内外の圧力差により細孔内でアンモニアの吸着/脱離によるホッピング移動を起こすことができ、この挙動によりアンモニアの選択的な分離が発現する。
The reason why the permeation selectivity of ammonia passing through a zeolite membrane increases significantly when the ammonia gas concentration in a mixed gas containing at least ammonia and nitrogen exceeds a certain amount is not yet clear, but the ammonia gas concentration in the mixed gas When the ammonia gas is increased, adsorption onto the zeolite becomes more likely to occur due to the above-mentioned adsorption equilibrium between ammonia gas and the zeolite, and a zeolite film in which ammonia is adsorbed within the pores is first formed. The zeolite membrane in which ammonia adsorbed in this manner narrows the pore diameter within the zeolite membrane, thereby reducing the permeation rate of hydrogen having a small molecular size. This effect similarly narrows the pores of the zeolite membrane even when a zeolite whose pore diameter is larger than the molecular size of hydrogen, nitrogen, or ammonia is used, so hydrogen permeation is significantly inhibited.
On the other hand, ammonia adsorbed within the zeolite pores can undergo hopping movement due to adsorption/desorption of ammonia within the pores due to the pressure difference between the inside and outside of the membrane, and this behavior results in selective separation of ammonia. .

すなわち、本発明は、先ずゼオライトへのアンモニアの吸着を積極的に行って、ゼオライト膜の細孔径を制御して、アンモニアの分離選択性を高めながら、一方、細孔内ではアンモニアの吸着/脱離によるホッピング移動を用いてアンモニアを選択的に透過させる技術となる。これに対して、特許文献2では、このようなアンモニア吸着ゼオライト膜はアンモニア透過において閉塞の原因となるため、このような吸着を起こらないゼオライトを設計し、ゼオライトの細孔径を利用した分子篩によりアンモニアを分離する技術を提案している点で大きく異なる。
また、特許文献1で提案されているようなシリカ膜では、アンモニアの吸着が起こりにくく、また、アンモニアが吸着されても熱安定性が低いために、本発明のような効果は発現しない。
That is, the present invention first actively adsorbs ammonia to zeolite, controls the pore diameter of the zeolite membrane, and increases the separation selectivity of ammonia. This is a technology that selectively transmits ammonia using hopping movement due to separation. On the other hand, in Patent Document 2, since such an ammonia-adsorbing zeolite membrane causes blockage during ammonia permeation, a zeolite that does not cause such adsorption is designed, and ammonia is removed using a molecular sieve that utilizes the pore size of the zeolite. They differ greatly in that they propose a technology to separate the two.
In addition, in the silica membrane proposed in Patent Document 1, adsorption of ammonia is difficult to occur, and even if ammonia is adsorbed, the thermal stability is low, so that the effect as in the present invention is not achieved.

一方、ゼオライトへのアンモニアの吸着/脱離が伴う細孔内ホッピング機構を主に活用してアンモニアの分離を行う本発明においては、アンモニア分離の際の温度は、使用するゼオライト膜の長期耐久性、ゼオライト膜のアンモニアの分離性能、ならびに、アンモニア製造設備と組み合わせる際のプロセス全体の製造エネルギー収支に大きく影響を与えるため、重要な設計因子の一つとなる。これらの視点からすると、本発明においては、アンモニア合成における生成ガスを分離する場合には、アンモニア分離の際の温度は、通常、アンモニアの合成温度と同じかそれ以下の温度であり、アンモニア分離の際の温度は、アンモニア分離を行う分離器内の温度、すなわち、分離に供する混合ガスの温度、分離されたアンモニアガスの温度である。また、分離膜の温度は分離器内の温度と略同じであるとみなすことができる。 On the other hand, in the present invention, in which ammonia is separated mainly by utilizing the pore hopping mechanism that involves adsorption/desorption of ammonia to zeolite, the temperature during ammonia separation is determined by the long-term durability of the zeolite membrane used. , is one of the important design factors because it greatly affects the ammonia separation performance of the zeolite membrane and the production energy balance of the entire process when combined with ammonia production equipment. From these viewpoints, in the present invention, when separating the product gas in ammonia synthesis, the temperature during ammonia separation is usually the same as or lower than the ammonia synthesis temperature, The temperature at this time is the temperature inside the separator that performs ammonia separation, that is, the temperature of the mixed gas subjected to separation and the temperature of separated ammonia gas. Further, the temperature of the separation membrane can be considered to be approximately the same as the temperature inside the separator.

アンモニアの製造プロセス設計からは合成温度と同じ温度で分離を行うと反応器にリサイクルする水素、窒素の昇温が不要となるため好ましい。このため、アンモニア分離の際の好ましい温度はアンモニア合成反応における反応温度にもよるが、通常500℃以下、好ましくは450℃以下、さらに好ましくは400℃以下である。
本発明のゼオライト膜を用いてこれらの温度条件下でアンモニアの分離を行うと、該ゼオライト膜は安定性が高いため、長期に亘り連続的な操業が可能となるばかりでなく、高いアンモニアの透過選択性が発現する。
From the viewpoint of ammonia manufacturing process design, it is preferable to perform separation at the same temperature as the synthesis temperature because it eliminates the need to raise the temperature of hydrogen and nitrogen that are recycled to the reactor. Therefore, the preferred temperature for ammonia separation depends on the reaction temperature in the ammonia synthesis reaction, but is usually 500°C or lower, preferably 450°C or lower, and more preferably 400°C or lower.
When ammonia is separated under these temperature conditions using the zeolite membrane of the present invention, since the zeolite membrane is highly stable, it not only enables continuous operation over a long period of time, but also allows for high ammonia permeation. Selectivity is expressed.

一方、その下限は通常50℃を超える温度、好ましくは100℃以上、より好ましくは150℃以上、特に好ましくは200℃以上、その中でも、好ましくは250℃以上、とりわけ好ましくは300℃以上である。これらの温度条件下でアンモニアの分離をおこなうと、ゼオライト細孔内に吸着されたアンモニアの脱離速度が向上し、その結果ゼオライト膜のアンモニア透過速度が向上する。
また、アンモニア製造プロセスとして、原料ガスのリサイクルを行う際には、水素、窒素の昇温にかかるエネルギーが低減されるために、より高温条件下でのアンモニア分離が好ましく、その観点からは、その下限は、好ましくは250℃以上、より好ましくは300℃以上である。
On the other hand, the lower limit is usually a temperature higher than 50°C, preferably 100°C or higher, more preferably 150°C or higher, particularly preferably 200°C or higher, particularly preferably 250°C or higher, particularly preferably 300°C or higher. When ammonia is separated under these temperature conditions, the rate of desorption of ammonia adsorbed within the zeolite pores increases, and as a result, the rate of ammonia permeation through the zeolite membrane increases.
In addition, when recycling raw material gas in the ammonia production process, it is preferable to separate ammonia under higher temperature conditions because the energy required to raise the temperature of hydrogen and nitrogen is reduced. The lower limit is preferably 250°C or higher, more preferably 300°C or higher.

混合ガス(供給ガス)は、アンモニア及び窒素を含有していればよく、アンモニアの合成を考慮すると、水素は含有されていることが好ましい。混合ガス中に含有される水素ガス/窒素ガスの体積比は、通常3以下、より好ましくは、2以下である。この体積比に調整することにより、アンモニア分離時の水素の透過量が低減され、アンモニアの分離選択性が向上する。
このような理由から、本発明のアンモニア分離プロセスの供給ガスをアンモニア製造プロセスから得る場合には、特に限定はされないが、原料ガス中の水素ガス/窒素ガスの体積比を低くしたRu系アンモニア製造触媒プロセスと組み合わせるのが好ましい。一方、その下限は、少なければ少ないほどアンモニア分離選択性が向上するため、特に限定されないが、通常0.2以上、好ましくは0.3以上、より好ましくは0.5以上である。
ここで、上限ならびに下限の記載値は有効数字の範囲内で有効とするもので、すなわち、上限3以下とは2.5以上3.5未満を、一方0.2以上とは0.15以上0.25未満を、1.0以上とは0.95以上1.05未満を意味する。
The mixed gas (supply gas) only needs to contain ammonia and nitrogen, and in consideration of the synthesis of ammonia, preferably contains hydrogen. The volume ratio of hydrogen gas/nitrogen gas contained in the mixed gas is usually 3 or less, more preferably 2 or less. By adjusting the volume ratio to this level, the amount of permeation of hydrogen during ammonia separation is reduced, and the ammonia separation selectivity is improved.
For these reasons, when the feed gas for the ammonia separation process of the present invention is obtained from an ammonia production process, Ru-based ammonia production in which the volume ratio of hydrogen gas/nitrogen gas in the raw material gas is lowered is possible, although there is no particular limitation. Preferably, it is combined with a catalytic process. On the other hand, the lower limit is not particularly limited because the smaller the value, the better the ammonia separation selectivity is, but it is usually 0.2 or more, preferably 0.3 or more, and more preferably 0.5 or more.
Here, the stated values of the upper and lower limits are valid within the range of significant figures, that is, the upper limit of 3 or less means 2.5 or more and less than 3.5, and 0.2 or more means 0.15 or more. Less than 0.25 means 1.0 or more means 0.95 or more and less than 1.05.

本発明において混合ガス(供給ガス)の圧力は、高圧であるほどゼオライト膜の分離性能が向上し、用いるゼオライト膜の面積を低減できるため、好ましい態様であるが、大気圧以上の圧力であれば特段制限はなく、適宜圧力を減圧調整して所望の圧力にして用いてもよい。分離対象のガスが、分離に用いる圧力より低い場合は、圧縮機などで増圧して用いることができる。
混合ガス(供給ガス)の圧力は、通常大気圧若しくは大気圧より大きく、好ましくは0.1MPa以上、より好ましくは0.2MPa以上である。また上限値は、通常20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは5MPa以下であって、3MPa以下であってもよい。
In the present invention, the higher the pressure of the mixed gas (supply gas), the better the separation performance of the zeolite membrane and the reduction of the area of the zeolite membrane used, so it is a preferable embodiment, but if the pressure is higher than atmospheric pressure. There is no particular restriction, and the pressure may be adjusted to a desired pressure by reducing the pressure as appropriate. If the pressure of the gas to be separated is lower than the pressure used for separation, it can be used after increasing the pressure with a compressor or the like.
The pressure of the mixed gas (supplied gas) is usually atmospheric pressure or higher than atmospheric pressure, preferably 0.1 MPa or more, more preferably 0.2 MPa or more. Moreover, the upper limit is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 5 MPa or less, and may be 3 MPa or less.

透過側の圧力は供給側のガスの圧力より低ければ特に限定されないが、通常10MPa以下、好ましくは5MPa以下、より好ましくは1MPa以下、さらに好ましくは0.5MPa以下であり、場合によっては大気圧以下の圧力まで低下させてもよい。供給ガス中のアンモニアの濃度が低い値となるまで分離する場合には、透過側は低い圧力であることが好ましく、大気圧以下の圧力まで低下させると、供給ガス中のアンモニアガス濃度がより低い濃度となるまでアンモニアを分離することが可能である。
供給側のガスと透過側のガスの差圧は特に制限されないが、通常20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは5MPa以下、さらに好ましくは1MPa以下である。また、通常0.001MPa以上、好ましくは0.01MPa以上、より好ましくは0.02MPa以上である。
ここで、差圧とは、当該ガスの供給側の分圧と透過側の分圧の差をいう。また、圧力[Pa]は、特に断りのない限り、絶対圧を指す。
The pressure on the permeation side is not particularly limited as long as it is lower than the gas pressure on the supply side, but it is usually 10 MPa or less, preferably 5 MPa or less, more preferably 1 MPa or less, even more preferably 0.5 MPa or less, and in some cases, atmospheric pressure or less. The pressure may be reduced to . When separating until the ammonia concentration in the feed gas reaches a low value, it is preferable that the pressure on the permeate side is low, and if the pressure is lowered to below atmospheric pressure, the ammonia gas concentration in the feed gas will be lower. It is possible to separate ammonia until the concentration is reached.
The pressure difference between the gas on the supply side and the gas on the permeation side is not particularly limited, but is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 5 MPa or less, even more preferably 1 MPa or less. Moreover, it is usually 0.001 MPa or more, preferably 0.01 MPa or more, and more preferably 0.02 MPa or more.
Here, the differential pressure refers to the difference between the partial pressure on the supply side and the partial pressure on the permeation side of the gas. Moreover, pressure [Pa] refers to absolute pressure unless otherwise specified.

混合ガス(供給ガス)の流速は、透過するガスの減少を補うことが可能な程度の流速で、また供給ガスにおいて透過性の小さなガスの膜のごく近傍における濃度とガス全体における濃度が一致するように、供給ガスを混合できるだけの流速であればよく、ゼオライト膜複合体の管径、膜の分離性能にもよるが、線速として通常0.001mm/sec以上、好ましくは0.01mm/sec以上、より好ましくは0.1mm/sec以上、その中でも、好ましくは0.5mm/sec以上、より好ましくは1mm/sec以上であり、上限は特に制限なく、通常1m/sec以下、好ましくは0.5m/sec以下である。 The flow rate of the mixed gas (supply gas) is such that it can compensate for the decrease in permeated gas, and the concentration of the gas with low permeability in the supply gas in the immediate vicinity of the membrane matches the concentration in the entire gas. The flow rate may be sufficient to mix the supplied gas, and the linear velocity is usually 0.001 mm/sec or more, preferably 0.01 mm/sec, although it depends on the tube diameter of the zeolite membrane composite and the separation performance of the membrane. Above, it is more preferably 0.1 mm/sec or more, particularly preferably 0.5 mm/sec or more, more preferably 1 mm/sec or more, and the upper limit is not particularly limited, but usually 1 m/sec or less, preferably 0.5 mm/sec or more. It is 5m/sec or less.

本発明のゼオライト膜複合体を用いた、混合ガスからのアンモニアの分離方法においては、スイープガスを用いてもよい。スイープガスとは、分離膜により透過されたアンモニアを効率よく回収するために供給するガスを意味し、分離透過前の供給ガス側に導入するガスではなく、分離膜の透過側に供給するガスである。つまり、スイープガスは、分離透過前の供給ガスとは別個に供給されるガスであって、透過側に供給ガスとは異なる種類のガスを流し、膜を透過したガスを回収するものである。本発明で用いるスイープガスとは、例えば、図3に示すライン342から供給されるガス39のことを言う。スイープガスの圧力は通常大気圧であるが、特に大気圧に制限されるものではなく、好ましくは20MPa以下、より好ましくは10MPa以下、さらに好ましくは1MPa以下であり、下限は、好ましくは0.09MPa以上、より好ましくは、0.1MPa以上である。場合によっては、減圧して用いてもよい。 In the method for separating ammonia from a mixed gas using the zeolite membrane composite of the present invention, a sweep gas may be used. Sweep gas refers to a gas supplied to efficiently recover ammonia permeated by a separation membrane, and is not a gas introduced to the supply gas side before separation and permeation, but a gas supplied to the permeation side of the separation membrane. be. In other words, the sweep gas is a gas that is supplied separately from the supply gas before separation and permeation, and is used to flow a different type of gas from the supply gas to the permeation side and recover the gas that has permeated through the membrane. The sweep gas used in the present invention refers to the gas 39 supplied from the line 342 shown in FIG. 3, for example. The pressure of the sweep gas is usually atmospheric pressure, but is not particularly limited to atmospheric pressure, and is preferably 20 MPa or less, more preferably 10 MPa or less, even more preferably 1 MPa or less, and the lower limit is preferably 0.09 MPa. More preferably, it is 0.1 MPa or more. Depending on the case, it may be used under reduced pressure.

スイープガスの流速は、特に制限はないが、線速として通常0.5mm/sec以上、好ましくは1mm/sec以上であり、上限は特に制限なく、通常1m/sec以下、好ましくは0.5m/sec以下である。 The flow rate of the sweep gas is not particularly limited, but the linear velocity is usually 0.5 mm/sec or more, preferably 1 mm/sec or more, and the upper limit is not particularly limited, and is usually 1 m/sec or less, preferably 0.5 m/sec. It is less than sec.

ガス分離に用いる装置は、特に限定されないが、通常はゼオライト膜複合体を膜モジュールにして用いる(以下、「ゼオライト膜複合体および/またはゼオライト膜複合体を用いた分離装置」を単に「膜モジュール」と称することがある)。膜モジュールは、例えば、図3に模式的に示したような装置でもよいし、例えば「ガス分離・精製技術」(株)東レリサーチセンター2007年発行22頁等に例示されている膜モジュールを用いてもよい。
図3の装置における混合ガスの分離操作については、実施例の項において説明する。
混合ガスからのアンモニアの膜分離を行う際には膜モジュールを多段にして用いてもよい。この場合、1段目の膜モジュールに分離を行うガスを供給して、膜を透過しなかった非透過側のガスをさらに2段目の膜モジュールに供給してもよいし、透過したガスを2段目の膜モジュールに供給してもよい。前者の方法では、非透過側の透過性の低い成分の濃度をさらに上げることができ、後者の方法では透過したガス中の透過性の高い成分の濃度をさらに上げることができる。また、これらの方法を組み合わせた方法も好適に使用できる。
多段に設けた膜モジュールで分離する場合には、後段の膜モジュールにガスを供給する際に、必要に応じて供給ガスの圧力を昇圧器などで調整してもよい。
The device used for gas separation is not particularly limited, but usually a zeolite membrane composite is used as a membrane module (hereinafter, "zeolite membrane composite and/or separation device using a zeolite membrane composite" will be simply referred to as "membrane module"). ). The membrane module may be, for example, a device as schematically shown in FIG. You can.
The operation of separating the mixed gas in the apparatus of FIG. 3 will be explained in the Examples section.
When performing membrane separation of ammonia from a mixed gas, membrane modules may be used in multiple stages. In this case, the gas for separation may be supplied to the first-stage membrane module, and the non-permeated gas that did not pass through the membrane may be further supplied to the second-stage membrane module, or the permeated gas may be supplied to the second-stage membrane module. It may also be supplied to the second stage membrane module. In the former method, the concentration of components with low permeability on the non-permeate side can be further increased, and in the latter method, the concentration of components with high permeability in the permeated gas can be further increased. Furthermore, a combination of these methods can also be suitably used.
In the case of separation using membrane modules provided in multiple stages, the pressure of the supplied gas may be adjusted using a booster or the like as necessary when supplying gas to the subsequent membrane module.

また、膜モジュールを多段で使用する場合には、各段に性能が異なる膜を設置してもよい。通常、膜の性能として、透過性能が高い膜では分離性能が低く、一方、分離性能が高い膜では透過性能が低い傾向がある。このため、分離あるいは濃縮したいガス成分が所定の濃度になるまで処理する際に、透過性が高い膜では、必要膜面積は小さくなる一方、透過性の低い成分も透過側へ透過しやすく、このため、透過側ガス中の透過性の高い成分の濃度が低くなる傾向がある。逆に、分離性能が高い膜では、透過性の低い成分の透過側への透過は起こりにくく、このため、透過側ガス中の透過性の高い成分の濃度は高いが、必要膜面積が大きくなる傾向がある。1種類の膜による分離では、必要膜面積と濃縮または分離目的ガスの透過、非透過量の関係は制御しにくいが、異なる性能の膜を使用することで、制御が容易になる。膜コストと分離・回収するガスの価格によって、最適な膜面積と濃縮、分離目的ガスの透過、非透過量の関係になるよう膜を設置し、全体としてのメリットを最大化できる。
例えば、1段の膜分離で、アンモニアが十分分離できない場合には、非透過側のガスをさらに数段の膜で分離することができる。また1段の膜分離で、膜のアンモニア/水素の分離が十分でなく、透過側にアンモニアと共に水素が多く含まれる場合には、透過ガスをアンモニアと水素の分離性能が高い膜で分離することもできる。
Furthermore, when using membrane modules in multiple stages, membranes with different performances may be installed in each stage. Generally, membranes with high permeability tend to have low separation performance, while membranes with high separation performance tend to have low permeation performance. For this reason, when processing gas components to be separated or concentrated to a predetermined concentration, a membrane with high permeability will require a smaller membrane area, while components with lower permeability will also more easily permeate to the permeate side. Therefore, the concentration of highly permeable components in the gas on the permeate side tends to be low. Conversely, in a membrane with high separation performance, it is difficult for components with low permeability to permeate to the permeate side, and therefore, although the concentration of components with high permeability in the gas on the permeate side is high, the required membrane area becomes large. Tend. In separation using one type of membrane, it is difficult to control the relationship between the required membrane area and the amount of permeation and non-permeation of the target gas for concentration or separation, but it becomes easier to control by using membranes with different performances. Depending on the membrane cost and the price of the gas to be separated and recovered, the membrane can be installed to achieve the optimal relationship between membrane area, concentration, permeation of the gas to be separated, and amount of non-permeation, thereby maximizing the overall benefits.
For example, if ammonia cannot be sufficiently separated by one stage of membrane separation, the gas on the non-permeate side can be further separated by several stages of membranes. In addition, if one-stage membrane separation does not sufficiently separate ammonia/hydrogen and the permeate side contains a large amount of hydrogen along with ammonia, the permeate gas should be separated using a membrane with high ammonia and hydrogen separation performance. You can also do it.

本発明で用いるゼオライト膜は、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れ、かつ、アンモニアの高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れた性能を持つ。
ここでいう高い透過性能とは、十分な処理量を示し、例えば、膜を透過する気体成分のパーミエンス(Permeance)[mol/(m・s・Pa)]が、例えばアンモニアを、温度200℃、差圧0.3MPaで透過させた場合、通常1×10-9以上、好ましくは5×10-9以上、より好ましくは1×10-8以上、さらに好ましくは2×10-8以上、とりわけ好ましくは5×10-8以上、特に好ましくは1×10-7以上、最も好ましくは2×10-7以上である。上限は特に限定されず、通常3×10-4以下である。
The zeolite membrane used in the present invention has excellent chemical resistance, oxidation resistance, thermal stability, and pressure resistance, and also exhibits high ammonia permeation performance and separation performance, and has excellent durability.
High permeation performance here refers to a sufficient throughput, for example, when the permeance [mol/(m 2 s Pa)] of a gas component permeating through the membrane is such that, for example, ammonia is , when permeated at a differential pressure of 0.3 MPa, usually 1 x 10 -9 or more, preferably 5 x 10 -9 or more, more preferably 1 x 10 -8 or more, even more preferably 2 x 10 -8 or more, especially It is preferably 5×10 −8 or more, particularly preferably 1×10 −7 or more, and most preferably 2×10 −7 or more. The upper limit is not particularly limited and is usually 3×10 −4 or less.

また、本発明で用いるゼオライト膜複合体のパーミエンス[mol/(m・s・Pa)]は、例えば窒素を同様の条件で透過させた場合、通常5×10-8以下、好ましくは3×10-8以下、より好ましくは1×10-8以下、とりわけ好ましくは5×10-9以下、最も好ましくは1×10-9以下であり、理想的にはパーミエンスは0であるが、実用上1×10-10~1×10-14程度のオーダーとなる場合がある。
ここで、パーミエンス(Permeance、「透過度」ともいう)とは、透過する物質量を、膜面積と時間と透過する物質の供給側と透過側の分圧差の積で割ったものであり、単位は、[mol/(m2・s・Pa)]であり、実施例の項において述べる方法により算出される値である。
Further, the permeance [mol/(m 2 s Pa)] of the zeolite membrane composite used in the present invention is usually 5×10 −8 or less, preferably 3× 10 -8 or less, more preferably 1 x 10 -8 or less, particularly preferably 5 x 10 -9 or less, most preferably 1 x 10 -9 or less, and ideally the permeance is 0, but in practice It may be on the order of 1×10 −10 to 1×10 −14 .
Here, permeance (also referred to as "permeability") is the amount of permeating substance divided by the product of the membrane area, time, and partial pressure difference between the supply side and permeation side of the permeating substance, and is expressed in units of is [mol/(m 2 ·s · Pa)], which is a value calculated by the method described in the Examples section.

また、ゼオライト膜の選択性は理想分離係数、分離係数により表される。理想分離係数、分離係数は膜分離で一般的に用いられる選択性を表す指標であり、理想分離係数は実施例の項において述べる方法により、分離係数は下記の算出される値である。
分離係数αを求める場合は下記式により算出する。
α=(Q’1/Q’2)/(P’1/P’2)
〔上記式中、Q’1およびQ’2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol/(m・s・Pa)]を示し、P’1およびP’2は、それぞれ、供給ガス中の透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの分圧[Pa]を示す。〕
Further, the selectivity of a zeolite membrane is expressed by an ideal separation coefficient and a separation coefficient. The ideal separation coefficient and separation coefficient are indicators representing selectivity that are generally used in membrane separation, and the ideal separation coefficient is the value calculated below using the method described in the Examples section.
When determining the separation coefficient α, it is calculated using the following formula.
α=(Q'1/Q'2)/(P'1/P'2)
[In the above formula, Q'1 and Q'2 respectively represent the permeation amount [mol/(m 2 · s · Pa)] of a gas with high permeability and a gas with low permeability, and P'1 and P '2 indicates the partial pressure [Pa] of a highly permeable gas and a low permeable gas in the feed gas, respectively. ]

分離係数αは次のように求めることもできる。
α=(C’1/C’2)/(C1/C2)
〔上記式中、C’1およびC’2は、それぞれ、透過ガス中の透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの濃度[体積%]を示し、C1およびC2は、それぞれ、供給ガス中の透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの濃度[体積%]を示す。〕
The separation coefficient α can also be determined as follows.
α=(C'1/C'2)/(C1/C2)
[In the above formula, C'1 and C'2 respectively indicate the concentration [volume %] of a gas with high permeability and a gas with low permeability in the permeate gas, and C1 and C2 respectively It shows the concentration [volume %] of highly permeable gas and low permeable gas. ]

理想分離係数は、例えば、アンモニアと窒素を温度200℃、差圧0.3MPaで透過させた場合、通常15以上、好ましくは20以上、より好ましくは25以上、最も好ましくは30以上である。またアンモニアと水素を温度200℃、差圧0.3MPaで透過させた場合、通常2以上、好ましくは3以上、より好ましくは5以上、さらに好ましくは7以上、とりわけ好ましくは8以上、特に好ましくは10以上、最も好ましくは15以上である。理想分離係数の上限は完全にアンモニアしか透過しない場合でありその場合は無限大となるが、実用上、分離係数は10万程度以下となる場合がある。 For example, when ammonia and nitrogen are permeated at a temperature of 200° C. and a differential pressure of 0.3 MPa, the ideal separation coefficient is usually 15 or more, preferably 20 or more, more preferably 25 or more, and most preferably 30 or more. Furthermore, when ammonia and hydrogen are permeated at a temperature of 200°C and a differential pressure of 0.3 MPa, it is usually 2 or more, preferably 3 or more, more preferably 5 or more, still more preferably 7 or more, particularly preferably 8 or more, particularly preferably It is 10 or more, most preferably 15 or more. The upper limit of the ideal separation coefficient is when only ammonia passes through completely, in which case it becomes infinite, but in practice, the separation coefficient may be about 100,000 or less.

本発明で用いられるゼオライト膜の分離係数は、例えば、アンモニアと窒素の体積比1:1の混合ガスを、温度50℃、差圧0.1MPaで透過させた場合、通常2以上、好ましくは3以上、より好ましくは4以上、さらに好ましくは5以上である。分離係数の上限は完全にアンモニアしか透過しない場合でありその場合は無限大となるが、実用上、分離係数は10万程度以下となる場合がある。 The separation coefficient of the zeolite membrane used in the present invention is usually 2 or more, preferably 3 when a mixed gas of ammonia and nitrogen in a volume ratio of 1:1 is permeated at a temperature of 50°C and a differential pressure of 0.1 MPa. The number is preferably 4 or more, and even more preferably 5 or more. The upper limit of the separation coefficient is when only ammonia passes through completely, in which case it becomes infinite, but in practice, the separation coefficient may be about 100,000 or less.

本発明で用いられるゼオライト膜は、上記のとおり、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れ、かつ高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れるものであり、このようなゼオライト膜を用いる本発明のアンモニアの分離方法は、アンモニア合成の生成物からのアンモニアの分離に適用することができる。また、本発明のアンモニアの分離方法は、アンモニア合成反応器内にゼオライト膜を設け、反応器内で、アンモニアを選択的に透過させて分離することにより反応系内の水素ガスおよび窒素ガスとアンモニアガスとの平衡をずらし、高転化率で効率的にアンモニアを合成する膜反応器としても利用できる。 As mentioned above, the zeolite membrane used in the present invention has excellent chemical resistance, oxidation resistance, thermal stability, and pressure resistance, and also exhibits high permeability and separation performance, and has excellent durability. The ammonia separation method of the present invention using such a zeolite membrane can be applied to the separation of ammonia from ammonia synthesis products. Furthermore, in the ammonia separation method of the present invention, a zeolite membrane is provided in an ammonia synthesis reactor, and ammonia is selectively permeated and separated in the reactor, thereby separating ammonia from hydrogen gas and nitrogen gas in the reaction system. It can also be used as a membrane reactor to efficiently synthesize ammonia at a high conversion rate by shifting the equilibrium with gas.

以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。なお、以下の実施例における各種の製造条件や評価結果の値は、本発明の実施態様における上限または下限の好ましい値としての意味をもつものであり、好ましい範囲は、前記上限または下限の値と下記実施例の値または実施例同士の値との組合せで規定される範囲であってもよい。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to the following Examples unless the gist thereof is exceeded. In addition, the values of various manufacturing conditions and evaluation results in the following examples have the meaning as preferable upper or lower limits in the embodiments of the present invention, and the preferable ranges are different from the above-mentioned upper or lower limits. It may be a range defined by the values of the following examples or a combination of values of the examples.

<分離性能の測定>
(1)アンモニア分離試験
図3に模式的に示す装置において、以下のとおりアンモニア分離試験を行った。図3に示す装置において、供給ガスとしてアンモニアガス(NH)と、窒素ガス(N)と、を含む混合ガスを126SCCMの流量で耐圧容器32とゼオライト膜複合体31との間に供給し、背圧弁36により供給側のガスと膜内を透過したガスの圧力差が0.3MPaで一定になるように調整し、配管340から排出される排出ガスをマイクロガスクロマトグラフで分析し、透過ガスの濃度、及び流量を算出した。
なお、アンモニア分離試験においては、耐圧容器から、水分や空気などの成分を除去するため、測定温度以上での乾燥及び排気のために、使用する試料ガスによるパージ処理をした後、試料ガス温度及びゼオライト膜複合体の供給ガス側と透過ガス側の差圧を一定として、透過ガス流量が安定した後に、ゼオライト膜複合体を透過した試料ガス(透過ガス)の流量を測定し、ガスのパーミエンス[mol/(m2・s・Pa)]を算出した。パーミエンスを計算する際の圧力は、供給ガスの供給側と透過側の圧力差(差圧)を用いた。混合ガスの場合には分圧差を用いた。
また、この測定結果に基づいて、下記式(2)により理想分離係数α’を算出した。
α’=(Q1/Q2)/(P1/P2)・・・(2)
〔式(2)中、Q1およびQ2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol・(m・s)-1]を示し、P1およびP2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの、供給側と透過側の圧力差[Pa]を示す。〕
これは、各ガスのパーミエンスの比率を示しており、従って、各ガスのパーミエンスを算出し、その比率から求めることができる。
<Measurement of separation performance>
(1) Ammonia separation test In the apparatus schematically shown in FIG. 3, an ammonia separation test was conducted as follows. In the apparatus shown in FIG. 3, a mixed gas containing ammonia gas (NH 3 ) and nitrogen gas (N 2 ) is supplied between the pressure vessel 32 and the zeolite membrane composite 31 at a flow rate of 126 SCCM. The back pressure valve 36 is used to adjust the pressure difference between the gas on the supply side and the gas that has permeated through the membrane to be constant at 0.3 MPa, and the exhaust gas discharged from the piping 340 is analyzed using a micro gas chromatograph. The concentration and flow rate were calculated.
In addition, in the ammonia separation test, in order to remove components such as moisture and air from the pressure container, the sample gas temperature and After the permeate gas flow rate stabilizes by keeping the differential pressure between the supply gas side and the permeate gas side of the zeolite membrane composite constant, the flow rate of the sample gas (permeate gas) that has permeated through the zeolite membrane composite is measured, and the gas permeance [ mol/(m 2 ·s · Pa)] was calculated. For the pressure when calculating permeance, the pressure difference (differential pressure) between the supply side and the permeation side of the supply gas was used. In the case of mixed gases, the partial pressure difference was used.
Furthermore, based on this measurement result, the ideal separation coefficient α' was calculated using the following equation (2).
α'=(Q1/Q2)/(P1/P2)...(2)
[In formula (2), Q1 and Q2 represent the permeation amount [mol・(m 2・s) −1 ] of a gas with high permeability and a gas with low permeability, respectively, and P1 and P2 are respectively, The pressure difference [Pa] between the supply side and the permeation side of a gas with high permeability and a gas with low permeability is shown. ]
This indicates the ratio of permeance of each gas, and therefore, the permeance of each gas can be calculated and determined from the ratio.

(2)アンモニア分離試験サンプルの作製
実施例および比較例で合成したゼオライト膜複合体(図4参照)の下端から8~12cm(ゼオライト膜複合体1の部位B)、56~60cm(ゼオライト膜複合体1の部位A)、108~112cm(ゼオライト膜複合体1の部位B’)をダイヤモンドカッターで切り出しアンモニア分離評価用サンプルとした。なお、図4は実施例1で製造したゼオライト膜複合体の模式図である。
(2) Preparation of ammonia separation test sample 8 to 12 cm (part B of zeolite membrane composite 1) and 56 to 60 cm (zeolite membrane composite Part A) of body 1, 108 to 112 cm (part B' of zeolite membrane composite 1) was cut out with a diamond cutter and used as a sample for ammonia separation evaluation. Note that FIG. 4 is a schematic diagram of the zeolite membrane composite produced in Example 1.

実施例1
[MFI型ゼオライト膜複合体の製造]
(水熱合成用原料混合物)
93質量%水酸化ナトリウム(Wako社製、顆粒状)32.7g、脱塩水2739.8gを混合したものにアルミン酸ナトリウム(キシダ化学社製、Al-62.2質量%含有)5.3gを加えて50℃で30分間撹拌した。これにコロイダルシリカ(日産化学社製、スノーテックス40)238.5gを加えて、50℃で4時間撹拌し、水熱合成用原料混合物とした。この水熱合成用原料混合物の組成(モル比)はSiO/Al/NaOH/HO=1/0.020/0.54/100であった。
Example 1
[Manufacture of MFI type zeolite membrane composite]
(Raw material mixture for hydrothermal synthesis)
A mixture of 32.7 g of 93% by mass sodium hydroxide (manufactured by Wako, granules) and 2739.8 g of demineralized water was mixed with sodium aluminate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., containing 62.2% by mass of Al 2 O 3 )5. .3g was added and stirred at 50°C for 30 minutes. 238.5 g of colloidal silica (Snowtex 40, manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added to this and stirred at 50° C. for 4 hours to obtain a raw material mixture for hydrothermal synthesis. The composition (mole ratio) of this raw material mixture for hydrothermal synthesis was SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/H 2 O=1/0.020/0.54/100.

(多孔質支持体)
多孔質支持体としては、120cmの岩尾磁器工業社製のアルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を脱塩水で流通洗浄し、その後乾燥させたものを用いた。
(Porous support)
As the porous support, a 120 cm alumina tube (outer diameter 12 mm, inner diameter 9 mm) manufactured by Iwao Porcelain Industry Co., Ltd. was washed through circulation with demineralized water and then dried.

(種結晶分散液)
MFI型ゼオライトを乳鉢ですりつぶしたものを用意し、この種結晶濃度が0.1質量%となるように種結晶を分散させて、種結晶分散液を調製した。
(Seed crystal dispersion)
A seed crystal dispersion was prepared by preparing MFI type zeolite ground in a mortar and dispersing the seed crystals so that the seed crystal concentration was 0.1% by mass.

(ゼオライト膜複合体の製造)
真空ポンプで吸引した多孔質支持体を上述の種結晶分散液中に10秒間浸した後、室温で12時間乾燥させ、多孔質支持体に種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約0.04gであった。このような手法により、種結晶が付着した多孔質支持体を4本用意した。
種結晶を付着させた4本の多孔質支持体を、それぞれ上述の水熱合成用原料混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、恒温槽内で180℃まで3時間で昇温後、12時間静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、再度脱塩水を加えオートクレーブで120℃20時間加熱した。所定時間経過後、放冷した後に多孔質支持体―ゼオライト膜複合体を脱塩水から取り出し、100℃で3時間乾燥させて、MFI型ゼオライト膜複合体を得た。なお、多孔質支持体上に結晶化したMFI型ゼオライトの質量は1.3gであった。また、焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は4cm/分であった。
(Manufacture of zeolite membrane composite)
The porous support, which was sucked by a vacuum pump, was immersed in the above-mentioned seed crystal dispersion for 10 seconds, and then dried at room temperature for 12 hours to adhere the seed crystals to the porous support. The mass of the attached seed crystal was about 0.04 g. Using this method, four porous supports to which seed crystals were attached were prepared.
Four porous supports with seed crystals attached were immersed vertically into Teflon (registered trademark) inner cylinders each containing the above-mentioned raw material mixture for hydrothermal synthesis, the autoclave was sealed, and the autoclave was sealed and placed in a constant temperature bath. After raising the temperature to 180° C. in a chamber for 3 hours, the mixture was left standing for 12 hours and heated under autogenous pressure. After a predetermined period of time had elapsed, the porous support-zeolite membrane composite was taken out from the reaction mixture after being allowed to cool, and after washing, demineralized water was added again and the mixture was heated in an autoclave at 120° C. for 20 hours. After a predetermined period of time had elapsed, the porous support-zeolite membrane composite was allowed to cool and then taken out from the demineralized water and dried at 100° C. for 3 hours to obtain an MFI type zeolite membrane composite. The mass of the MFI type zeolite crystallized on the porous support was 1.3 g. Further, the air permeation rate of the zeolite membrane composite after firing was 4 cm 3 /min.

比較例1
[MFI型ゼオライト膜複合体の製造]
(水熱合成用原料混合物)
93質量%水酸化ナトリウム(Wako社製、顆粒状)77.6g、脱塩水2398.3gを混合したものにアルミン酸ナトリウム(キシダ化学社製、Al-62.2質量%含有)12.5gを加えて50℃で30分間撹拌した。これにコロイダルシリカ(日産化学社製、スノーテックス40)566.5gを加えて、50℃で4時間撹拌し、水熱合成用原料混合物とした。この水熱合成用原料混合物の組成(モル比)はSiO/Al/NaOH/HO=1/0.020/0.54/40であった。
Comparative example 1
[Manufacture of MFI type zeolite membrane composite]
(Raw material mixture for hydrothermal synthesis)
A mixture of 77.6 g of 93% by mass sodium hydroxide (manufactured by Wako, granular) and 2398.3 g of demineralized water was mixed with sodium aluminate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., containing 62.2% by mass of Al 2 O 3 )12 .5g was added and stirred at 50°C for 30 minutes. 566.5 g of colloidal silica (Snowtex 40, manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added to this, and the mixture was stirred at 50° C. for 4 hours to obtain a raw material mixture for hydrothermal synthesis. The composition (mole ratio) of this raw material mixture for hydrothermal synthesis was SiO 2 /Al 2 O 3 /NaOH/H 2 O=1/0.020/0.54/40.

(多孔質支持体)
多孔質支持体としては、120cmの岩尾磁器工業社製のアルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を脱塩水で流通洗浄し、その後乾燥させたものを用いた。
(Porous support)
As the porous support, a 120 cm alumina tube (outer diameter 12 mm, inner diameter 9 mm) manufactured by Iwao Porcelain Industry Co., Ltd. was washed through circulation with demineralized water and then dried.

(種結晶分散液)
MFI型ゼオライトを乳鉢ですりつぶしたものを用意し、この種結晶濃度が0.1質量%となるように種結晶を分散させて、種結晶分散液を調製した。
(Seed crystal dispersion)
A seed crystal dispersion was prepared by preparing MFI type zeolite ground in a mortar and dispersing the seed crystals so that the seed crystal concentration was 0.1% by mass.

(ゼオライト膜複合体の製造)
真空ポンプで吸引した多孔質支持体を上述の種結晶分散液中に10秒間浸した後、室温で12時間乾燥させ、多孔質支持体に種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約0.038gであった。このような手法により、種結晶が付着した多孔質支持体を4本用意した。
種結晶を付着させた4本の多孔質支持体を、それぞれ上述の水熱合成用原料混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、恒温槽内で180℃まで3時間で昇温後、14時間静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、再度脱塩水を加えオートクレーブで120℃20時間加熱した。所定時間経過後、放冷した後に多孔質支持体―ゼオライト膜複合体を脱塩水から取り出し、100℃で3時間乾燥させて、MFI型ゼオライト膜複合体2を得た。なお、多孔質支持体上に結晶化したMFI型ゼオライトの質量は0.77gであった。また、焼成後のゼオライト膜複合体2の50Torrにおける空気透過量は1cm/分であった。
(Manufacture of zeolite membrane composite)
The porous support, which was sucked by a vacuum pump, was immersed in the above-mentioned seed crystal dispersion for 10 seconds, and then dried at room temperature for 12 hours to adhere the seed crystals to the porous support. The mass of the attached seed crystal was about 0.038 g. Using this method, four porous supports with seed crystals attached were prepared.
Four porous supports with seed crystals attached were immersed vertically into Teflon (registered trademark) inner cylinders each containing the above-mentioned raw material mixture for hydrothermal synthesis, the autoclave was sealed, and the autoclave was sealed and placed in a constant temperature bath. The temperature was raised to 180°C in a vacuum chamber for 3 hours, and the mixture was left standing for 14 hours and heated under autogenous pressure. After a predetermined period of time had elapsed, the porous support-zeolite membrane composite was taken out from the reaction mixture after being allowed to cool, and after washing, demineralized water was added again and the mixture was heated in an autoclave at 120° C. for 20 hours. After a predetermined period of time had elapsed, the porous support-zeolite membrane composite was allowed to cool, then taken out from the demineralized water, and dried at 100° C. for 3 hours to obtain MFI type zeolite membrane composite 2. The mass of the MFI type zeolite crystallized on the porous support was 0.77 g. Further, the air permeation amount of the zeolite membrane composite 2 after firing at 50 Torr was 1 cm 3 /min.

(評価結果)
上記にて製造したMFI型ゼオライト膜複合体の温度を250℃とした条件下において、上述の方法により、アンモニア分離試験を行った。
なお、実験を簡易に行うため、混合ガスとして、9.5体積%NH/90.5体積%Nの混合ガスを使用した。得られた透過ガスのアンモニアの濃度とアンモニア/窒素(NH/N)のパーミエンス比を表1に示す。表1中、透過ガスのアンモニアの濃度は小数第一位を四捨五入した値である。
また、各部分の元素の比に関しては、後述する走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDS)、により、ケイ素/アルミニウム比及びナトリウム/ケイ素比を求め、それぞれ測定回数n=5回として、測定値の平均値を記載した。
(Evaluation results)
An ammonia separation test was conducted by the method described above under the condition that the temperature of the MFI type zeolite membrane composite manufactured above was 250°C.
In addition, in order to conduct the experiment simply, a mixed gas of 9.5 volume % NH 3 /90.5 volume % N 2 was used as the mixed gas. Table 1 shows the ammonia concentration and ammonia/nitrogen (NH 3 /N 2 ) permeance ratio of the obtained permeate gas. In Table 1, the ammonia concentration of the permeated gas is a value rounded to the first decimal place.
Regarding the ratio of elements in each part, the silicon/aluminum ratio and sodium/silicon ratio were determined using a scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), which will be described later, and the number of measurements n = The average value of the measured values is shown as 5 times.

(SEM-EDS分析サンプルの作製)
(前処理)
NH分離測定を実施した4cmのゼオライト膜複合体を5mm角の試験片となるようダイヤモンドカッターで切断し、さらに断面切削後、Ptを2nm蒸着し、観察を実施した。
装置:ブロードイオンビーム(日本電子 IB-19520CCP)
方法:支持体側をヤスリで削り、厚みを1mm以下とし、多孔質支持体側からイオンビームを加速電圧4kVで照射して、4時間断面切削を実施した。
(SEM-EDS測定)
装置:FE-SEM(日本電子JSM-7900F)
EDS(Oxford ULTim MAX)
条件:5kV(照射電流500 pA、高真空モード)
観察倍率:5000倍、10000倍、20000倍
(SEM-EDS測定のための観察範囲)
20000倍で像を取得し、図6に示すように膜部分を囲い、上記の条件で120秒間測定を実施しSi/Al比、Na/Al比を算出した。
(原子濃度の算出)
各元素の原子数濃度の算出は、AZtec(Oxford Instruments)のソフトを使用した。Si/Al比の算出は、Siの原子数濃度をAlの原子数濃度で除算して算出した。Na/Si比の算出は、Naの原子数濃度をSiの原子数濃度で除算して算出した。
(Preparation of SEM-EDS analysis sample)
(Preprocessing)
The 4 cm zeolite membrane composite on which the NH 3 separation measurement was performed was cut with a diamond cutter into a 5 mm square test piece, and after cutting the cross section, 2 nm of Pt was deposited and observed.
Equipment: Broad ion beam (JEOL IB-19520CCP)
Method: The support side was filed to a thickness of 1 mm or less, and cross-sectional cutting was carried out for 4 hours by irradiating the porous support side with an ion beam at an accelerating voltage of 4 kV.
(SEM-EDS measurement)
Equipment: FE-SEM (JEOL JSM-7900F)
EDS (Oxford ULTIM MAX)
Conditions: 5kV (irradiation current 500 pA, high vacuum mode)
Observation magnification: 5000x, 10000x, 20000x (observation range for SEM-EDS measurement)
An image was obtained at a magnification of 20,000 times, the membrane portion was enclosed as shown in FIG. 6, and measurement was performed for 120 seconds under the above conditions to calculate the Si/Al ratio and Na/Al ratio.
(Calculation of atomic concentration)
The atomic number concentration of each element was calculated using software from AZtec (Oxford Instruments). The Si/Al ratio was calculated by dividing the Si atomic concentration by the Al atomic concentration. The Na/Si ratio was calculated by dividing the Na atomic concentration by the Si atomic concentration.

本発明の実施例のゼオライト膜複合体は、どの部位でも高いアンモニアと窒素の分離能力を発揮し、どこでもアンモニアと窒素の比が100以上になっている。一方、従来の典型的な方法で製造された比較例1のゼオライト複合膜は、その一端(部位B)で著しく分離性能が低下している。これにより、比較例1のゼオライト複合膜は、長尺化して表面積を大きくして単位時間に通過させることができるガスの量を増やすことはできても、分離したガスには大量に窒素が混じってしまい、アンモニアを分離する能力としては大きく低下していることが判る。一方、本発明の、通常よりかなり水分を多くして製造した実施例1のゼオライト膜複合体は、1m以上の長尺であるにもかかわらず、どの部位でもアンモニアと窒素の透過率の差が100倍以上になっており、長尺化による絶対的な通過ガス量の多さと、高いアンモニアの分離能力を兼ね備えていることが判る。
この結果を組成との関係でみると、アンモニアと窒素の分離能力が著しく低下している部位では、Si/Alのモル比が中心に対して大きく異なっていることが判る。この組成の振れが何らかの原因となって、分離能力の低下を引き起こしたのだと考えられる。例えば熱負荷がかかった際に、この一端のみ組成が異なっていることにより、管の一端にミクロな損傷が生じて、窒素もアンモニアも通過してしまうようになったと考えられる。
この結果から、Si/Alの比の変動幅が20%を超えると、この分離能力の低下が生じることを示していると考えられる。
The zeolite membrane composite of the example of the present invention exhibits high ammonia and nitrogen separation ability at every site, and the ammonia:nitrogen ratio is 100 or more at every site. On the other hand, the zeolite composite membrane of Comparative Example 1, which was manufactured by a typical conventional method, has a significantly reduced separation performance at one end (site B). As a result, although the zeolite composite membrane of Comparative Example 1 can be lengthened to increase the surface area and increase the amount of gas that can pass per unit time, the separated gas contains a large amount of nitrogen. It can be seen that the ability to separate ammonia is greatly reduced. On the other hand, the zeolite membrane composite of Example 1 of the present invention, which was manufactured with a considerably higher water content than usual, showed no difference in ammonia and nitrogen permeability at any part, even though it was longer than 1 m. It is more than 100 times larger, which shows that the longer length allows for an absolutely larger amount of gas to pass through, as well as a higher ammonia separation ability.
Looking at this result in relation to the composition, it can be seen that the Si/Al molar ratio differs greatly from the center in the region where the ability to separate ammonia and nitrogen is significantly reduced. It is thought that this fluctuation in composition was somehow responsible for the decrease in separation ability. For example, it is thought that when a heat load is applied, the difference in composition at only one end of the tube causes microscopic damage to one end of the tube, allowing both nitrogen and ammonia to pass through.
This result is considered to indicate that when the fluctuation range of the Si/Al ratio exceeds 20%, the separation ability decreases.

10.ゼオライト膜複合体
11.管の長さ方向の中心
12.部位(A)
13.部位(B)
13’.部位(B’)
31.ゼオライト膜複合体
32.耐圧容器
33.エンドピン
34.接続部
35.圧力計
36.背圧弁
37.供給気体(混合気体)
38.透過気体
39.スイープガス
340.排出ガス
341.配管
342.配管
101.多孔質支持体
102.空隙部
103.ゼオライト膜
10. Zeolite membrane composite 11. Center of length of tube 12. Part (A)
13. Part (B)
13'. Part (B')
31. Zeolite membrane composite 32. Pressure-resistant container 33. End pin 34. Connection part 35. Pressure gauge 36. Back pressure valve 37. Supply gas (mixed gas)
38. Permeated gas39. Sweep gas 340. Exhaust gas 341. Piping 342. Piping 101. Porous support 102. Cavity part 103. zeolite membrane

Claims (12)

多孔質支持体上にゼオライト膜を有するゼオライト膜複合体であって、管状構造を有し、下記に示す部位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、20%以内の範囲で一致していることを特徴とするゼオライト膜複合体。
部位(A):ゼオライト膜複合体の管の長さ方向の中心から両側に4cmの幅の部分
部位(B):ゼオライト膜複合体の管の一方の端部から8~12cmの部分
部位(B’):ゼオライト膜複合体の管の他方の端部から8~12cmの部分
A zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a porous support, which has a tubular structure and has the following ratio of Si/Al in part (B) to the ratio of Si/Al in part (A) and A zeolite membrane composite characterized in that the Si/Al ratio in the site (B') matches the Si/Al ratio in the site (A) within 20%.
Area (A): A partial area with a width of 4 cm on both sides from the longitudinal center of the zeolite membrane composite tube. Area (B): A partial area with a width of 8 to 12 cm from one end of the zeolite membrane composite tube (B). '): 8 to 12 cm from the other end of the zeolite membrane composite tube
前記管状構造の管の長さが40cm以上である請求項1に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to claim 1, wherein the length of the tube of the tubular structure is 40 cm or more. 前記管状構造の管の長さが100cm以上である請求項1に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to claim 1, wherein the length of the tube of the tubular structure is 100 cm or more. 前記ゼオライトが、CHA型、FAU型、MFI型、LTA型、又はRHO型のいずれかである請求項1~3のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite is of the CHA type, FAU type, MFI type, LTA type, or RHO type. 前記ゼオライトが、CHA型、MFI型、LTA型、又はRHO型のいずれかである請求項1~3のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite is of the CHA type, MFI type, LTA type, or RHO type. 前記ゼオライトが、MFI型、又はRHO型のいずれかである請求項1~3のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite is either an MFI type or an RHO type. 前記ゼオライトが、MFI型である請求項1~3のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite is an MFI type. 前記部位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、18%以内の範囲で一致している請求項1~7のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The ratio of Si/Al in the site (B) to the Si/Al ratio in the site (A) and the Si/Al ratio in the site (B') to the Si/Al ratio in the site (A) are 18%. The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 7, wherein the zeolite membrane composites match within the range of . 前記位(A)におけるSi/Alの比に対する、部位(B)におけるSi/Alの比及び部位(A)におけるSi/Alの比に対する部位(B’)におけるSi/Alの比が、15%以内の範囲で一致している請求項1~7のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体。 The ratio of Si/Al in the site (B) to the ratio of Si/Al in the site (A), and the ratio of Si/Al in the site (B') to the ratio of Si/Al in the site (A) is 15%. The zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 7, wherein the zeolite membrane composites match within the range of . 請求項1~9のいずれか1項に記載のゼオライト膜複合体の製造方法であって、水熱合成用原料混合物のケイ素に対する水のモル比が45以上300以下であることを特徴とするゼオライト膜複合体の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane composite according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the molar ratio of water to silicon in the raw material mixture for hydrothermal synthesis is 45 or more and 300 or less. Method for producing membrane composite. ケイ素に対する水のモル比が60以上200以下である請求項10に記載のゼオライト膜複合体の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane composite according to claim 10, wherein the molar ratio of water to silicon is 60 or more and 200 or less. ケイ素に対する水のモル比が70以上150以下である請求項10又は11に記載のゼオライト膜複合体の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane composite according to claim 10 or 11, wherein the molar ratio of water to silicon is 70 or more and 150 or less.
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