JP2914972B2 - Carbon film and method for producing the same - Google Patents

Carbon film and method for producing the same

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JP2914972B2
JP2914972B2 JP62321124A JP32112487A JP2914972B2 JP 2914972 B2 JP2914972 B2 JP 2914972B2 JP 62321124 A JP62321124 A JP 62321124A JP 32112487 A JP32112487 A JP 32112487A JP 2914972 B2 JP2914972 B2 JP 2914972B2
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ダビツド・ローゼン
シユロモ・サグー
ジヤコブ・コレシユ
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SUTEETO OBU ISURAERU ATOMITSUKU ENAAJI KOMITSUSHON ZA
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SUTEETO OBU ISURAERU ATOMITSUKU ENAAJI KOMITSUSHON ZA
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスの分離に使用できる炭素膜の製造に関す
る。膜は上限孔サイズの非常に鮮明なカットオフを有
し、これは一定の膜に対して有効孔サイズの10%台、好
ましくは5%の上限孔サイズであることができる。従っ
てかかる膜は分子サイズの約10%まで相互にサイズの異
なる種々のガス種の分離に好適である。 方法は膜材料の前処理の一つであり、予め定められた
速度での熱分解、続く活性化または孔サイズを変化させ
るための処理である。 分離法のために膜を使用することは数十年も前から知
られている。かかる分離法は薄膜を通る異なる成分の選
択透過に基づいていた。多くの方法において、分離は混
合物中の種々の成分種のサイズの差による透過選択によ
っていた。第一の方法はコロイド状種の分離のためおよ
び液体から他の懸濁した小さいサイズの粒子の分離のた
め使用された。第一の種類の膜の中では、かなり大きな
そして不均質な孔直径(>10Å)を有する膜を挙げるこ
とができる。これは分離されるべき種の非常に大なるサ
イズの差を有する混合物の分離には満足できるものであ
った。後に開発されたのは汽水のスイートニングのため
使用される逆浸透膜に関する。平行して電気透析に基づ
いた分離法のためイオン交換膜が使用された。 重要な開発の中で、小さいモジュールで非常に大きな
全面的な膜表面積を生ぜしめる中空繊維膜をあげること
ができる。これはまたかかるモジュールの端の密封容易
の可能性も提供する。 それ以後の開発は、非常に薄く密なそして高度に選択
性の膜を付与した粗い孔の厚い支持体を有する非対称膜
の発明に関し、薄い膜は実際の分離法のために使用さ
れ、一方粗い支持体は要求される機械的強度を提供す
る。ガス混合物からの一定のガス(類)の分離のための
従来の方法は、種々の構成成分の化学的または物理的性
質における差異に基づいている。 化学的方法は構成成分の除去のため一定の化学薬品を
使用する循環法を含む。例えば天然ガスからの硫化水素
の除去がある。これは微粉砕徹の床を含む反応器を一回
の運転で使用する鉄スポンジ法で行なうことができ、硫
化鉄廃物を残す。別の方法は天然ガス精製中に有機アン
モニウム塩が得られる環式アミン法があり、これはアミ
ンを循環させるように熱分解しなければならない。最も
普通の物理的分離方法の中には、分別蒸留に基づいた方
法がある。最も普通なのは空気からの窒素および酸素の
分離である。大規模(約1000t/日)では多段極低温法が
エネルギーの観点から経済的である。小規模では他の方
法がより経済的である。またガス混合物の種々の成分の
異なる吸着性に基づいた吸着法も使用される。かかる方
法はカラム配置で多段循環法として有利に行われる。使
用後吸着剤は再循環のため再生しなければならず、これ
は低圧でまたは加熱によって行なうことができる。種々
な分離法が特別なゼオライト又は炭素分子篩の使用に基
づいている。 本発明は相互からガス種を分離するのに使用するため
の新規な炭素膜に関する。本発明は更に、かかる方法に
よって行われるとき何時でも相互からガス種を分離する
方法に関する。 炭素膜は熱分解を受ける好適なプリカーサー材料から
作られ、熱分解処理後ポアーホール(pore−hole)また
はクラツクを有しない。 透過性は分子寸法の開放孔系の形成に起因し、この孔
は予め定められた所望の上限サイズで鮮明なカットオフ
を有する。この観点において、小サイズのものである分
子は炭素膜を通過することができ、一方孔サイズより大
きいサイズを有するガス分子は膜を通過することができ
ない。従って膜の選択性は、サイズが通過しなければな
らない分子状ガス種のサイズと排除されるべき分子状ガ
ス種のサイズの間にある本質的に均一な孔を設けること
によって決る。 「孔」なる語は与えられたサイズの一定の孔を規定す
るものとして解すべきでなく、むしろ透過性ガスの通路
に沿って瓶首を有する孔系であり、これが透過性および
選択性を決定する。かかる絞り(constriction)の有効
サイズが本質的に均一であるとき、高度の選択性が得ら
れる。「孔サイズ」なる語は、かかる膜を通過するかま
たは通過を阻止される何れかのガスの分子のサイズのカ
ツトオフ値を示す作用原理として使用する。 膜の材料は炭素であり、これは約3500℃まで溶融せ
ず、有機溶媒に不溶性である固体黒色材料であり、それ
は少なくとも70重量%の炭素(元素)を含有し、縮合芳
香族環の高分子量重合体であると思われる。「膜」なる
語は、材料の薄い層またはシートを示す。それはまたチ
ユーブ状の形であることもでき、その直径および壁の厚
さが重要なジメンジヨンを規定する。 本発明の膜は約2〜500μ、好ましくは約1〜100μ、
より好ましくは約5〜約30μの厚さのものである。チユ
ーブ状膜は直径約5〜1000μを有し、壁の厚さ1〜約30
0μを有する。 出発材料としては広い範囲にわたる種々の炭素含有非
溶融性材料、例えば再生セルロース、カプロフアン(Cu
prophan)セルロース、セルロース、熱硬化性重合体お
よびアクリル樹脂も使用できる。 熱分解温度は250℃から1500℃までの広い範囲、好ま
しくは約400℃から約900℃の範囲で変化する。予め定め
られた加熱速度、例えば約1℃/分〜約10℃/分を使用
する。 高加熱速度ではピンホールを形成することがあり、顕
微鏡的クラツクを形成することさえある。これは膜の選
択性を低下させ、極端な場合、意図する目的に対して膜
を無用にすることができる。 熱分解は出発材料として使用した材料のゆっくりとし
た分解を生ぜしめ、材料の形態および寸法を熱分解中本
質的に変えることなく保持し残す。 分離されるべきガス種は数オングストローム台の有効
サイズを有するので、予め定められた価、一般に2Å〜
10Åの範囲、特に2.5Å〜6Åの範囲での孔サイズの鮮
明な上限カツトオフを有する膜を作ることが必須であ
る。 所望の孔サイズの炭素膜の製造のため、本発明の方法
においては、膜形状寸法を設定した有機プリカーサーの
シート又はチユーブ状膜を使用し、熱分解工程で与えら
れた形状寸法を維持させる。 プリカーサー材料は熱分解中溶融または軟化を受けて
はならない。熱分解(炭化)速度はクラツク又はピンホ
ールの形成を阻止するような低速度であるべく選択す
る。 熱分解を行なう雰囲気は、許容サイズよりも大なるピ
ンホールまたは孔を生ぜしめる膜材料の望ましからぬ燃
焼を防止するように制御する。 熱分解は不活性雰囲気下で行なうのが有利である。か
かる熱分解に好適な媒体はアルゴン、二酸化炭素等の如
き不活性ガスである。 加熱速度は出発膜材料の種類にもよって広い範囲で変
えることができる。それは一般に1℃/分〜約10℃/分
の速度である。これより遅い又は早い加熱速度を用いて
もよい。 膜材料は熱分解中形成される孔系の増強された均一性
を与えるため一定の薬品での前処理を受けると有利にで
きる。 これらの中にはアンモニウムクロライドの如きアンモ
ニウム塩、塩素、臭素、弗素、難燃剤材料、塩化水素、
臭化水素、酸素、空気をあげることができる。 透過性は従来の手段で測定し、結果はバレル(Barre
r)単位で示す。 膜が熱分解後一定のサイズを有するとき、高温で加熱
の如き一定の継続処理によって孔の有効サイズを拡大
し、それらの均一性を保持させることができる。かかる
拡大は例えば膜に約15分間400℃で空気流を受けさせて
行なうことができ、約3Å〜6Åの孔サイズの増大を生
ぜしめることができる。 形成された膜の透過性は一定の対のガスについて測定
し、透過性の比はかかるガスに対する膜の選択性を与え
る。 熱分解に続いて高温で酸素中または酸素含有雰囲気中
で形成された膜を酸化する。次いで形成された膜を予め
定められた時間高温で水素雰囲気に曝露する。一定の実
験では膜材料に塩化アンモニウムを散布し、周囲圧力で
二酸化炭素雰囲気下熱分解を行ない、高温で酸素又は酸
素雰囲気中で酸化した後、周囲圧力下高温で水素に曝露
し、水素下で冷却し、空気に曝露して行なった。 熱分解は約200℃で既に開始し、そして一定の状況の
下では150℃またはそれより低い温度で既に本発明の熱
分解工程を行なうことができる。 熱分解後、一般に周囲温度と約200℃の温度で長時間
空気に膜を曝露することが有利である。 一般にこの後更に別の工程、一般に400〜800℃の範囲
の高温で膜を減圧に曝露することを行なうのが有利であ
る。かかる減圧処理の代わりに、高温で不活性ガスで膜
をパージすることができる。 熱分解後、膜を酸素を含む酸化性雰囲気中で約10分〜
約16時間200〜800℃で加熱するとき、これは孔サイズの
増大をもたらす。形成される膜は高度に均一な孔を有
し、それらの上限は相互から約5〜10%より多く異なら
ない。孔サイズの上限を有する膜は類似の寸法を有する
ガス種の分離を可能にし、孔サイズの均一上限範囲は分
離されるべきガス分子のサイズ間にあることは勿論であ
る。水素中で約15分〜12時間600℃〜2000℃の温度での
加熱は焼結により孔サイズを低下させる。 初期加熱工程−熱分解−は不活性雰囲気、例えば不活
性ガス、二酸化炭素等の中で行なう。空気または酸素の
雰囲気中で熱分解の一部を行い、不活性雰囲気または減
圧下に熱分解を行なうこともできる。 更に膜に、減圧中で約200℃〜約1000℃の範囲の温度
で脱ガス工程を受けさせるとよい。 又膜を約1〜2時間、1〜1000Torrの圧力で約500〜
約1000℃の範囲の温度で水素で処理して不動態化するこ
とができる。 又膜に約15分〜約4時間450〜1200℃の温度で有機物
質の蒸気曝露を受けさせ、孔中に炭素の付着を生ぜし
め、膜の透過性および選択性を変性させることができ
る。 参考例 1 周囲温度から800℃まで1分について1℃の一定加熱
速度で温度プログラムしたオーブン中で、純粋アルゴン
の存在下にセルロース膜を熱分解した。次いで少なくと
も16時間空気に曝露し、次に0.5時間800℃で脱気した。
300バレルの水素透過度および現存する装置によって測
定するには低すぎるメタン透過度を有する炭素分子篩膜
を得た。即ちそのメタンに対する透過度は0.25バレルよ
り小さかった。これは水素−メタン混合物物理に対する
この膜の選択性が300/0.25=1200より大であることを意
味する。 参考例 2 実験を参考例1におけると同じに行なった。但し最高
熱分解温度および脱気は600℃で行なった。形成された
炭素膜の酸素および窒素に対する透過度はそれぞれ98お
よび8.2バレルであった。従って酸素/窒素混合物を分
離するためのその選択性は98/8.2=12であった。 参考例 3 実験を参考例1におけると同じに行なった、但し最高
熱分解および脱気温度は400℃にした。酸素および窒素
に対する形成された炭素膜の透過性はそれぞれ56および
5.1バレルであった。従ってその酸素/窒素混合物を分
離するための選択性は56/5.1=11であった。 参考例 4 セルロース膜に下記処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末で散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオープン中で、周囲圧力で
二酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 1時間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、水素の存
在下に室温まで冷却した。 形成された膜の酸素および窒素に対する透過性はそれ
ぞれ12.6および0.85バレルであった。従って酸素/窒素
混合物を分離するためのその選択性は14.8であった。 参考例 5 参考例4の膜に下記の追加処理を受けさせた。 4. 少なくとも16時間室温で空気に曝した; 5. 再び30分間620℃で水素に曝露した。 形成された炭素膜の酸素および窒素に対する透過性は
それぞれ59および4.8バレルであった。従ってこのガス
組合せに対するその選択性は11.6であった。 実施例 1 セルロース膜に下記処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末で散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の加熱速
度で温度プログラムしたオープン中で、周囲圧力で二酸
化炭素の存在下熱分解した; 3. 1時間200℃で酸素中で酸化した; 4. 1時間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、室温まで
水素の存在下に冷却した; 5. 少なくとも16時間室温で空気に曝露した。 形成された膜の酸素および窒素に対する透過性はそれ
ぞれ49および4.9バレルであった。従ってこのガス組合
せに対するその選択性は10であった。 実施例 2 実施例1の膜に更に次の処理をした: 6. 200℃での1時間脱気をした。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ115および16.
7であった。相当する選択性は6.8であった。 実施例 3 セルロース膜に次の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で、周囲圧力で
二酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 3時間180℃で酸素中で酸化した; 4. 1時間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、水素の存
在下室温まで冷却した; 5. 室温で少なくとも16時間空気に曝露した。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ61および5.5
バレルであり、相当する選択性は11であった。 実施例 4 実施例3の膜に更に次の処理をした: 6. 600℃での脱気をした。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ117および21
バレルであった。相当する選択性は5.6であった。 実施例 5 セルロース膜に下記の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末で散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で、周囲圧力で
二酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 1時間180℃で酸素中で酸化した; 4. 15分間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、水素の存
在下室温まで冷却し、次いで水素をポンプで排除した; 5. 工程3および4を2回繰り返した(工程3の最初の
時間は1時間の代わりに16時間に延長した); 6. 膜を少なくとも16時間空気に曝露した。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ68および7バ
レルであった。相当する選択性は9.6であった。 実施例 6 実施例5の膜に更に次の処理をした: 7. 1時間200℃で脱気をした。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ300および50
バレルであった。相当する選択性は6であった。 実施例 7 セルロース膜に次の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 室温から620℃まで1分について1℃の一定加熱速
度で温度プログラムしたオーブン中で、周囲圧力で二酸
化炭素の存在下に熱分解した; 3. 16時間180℃で酸素中で酸化した; 4. 10分間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、水素の存
在下に室温まで冷却し、次いで水素をポンプで排除し
た; 5. 工程3および4を2回繰り返した; 6. 膜を少なくとも16時間周囲空気に曝露した。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ106および13.
7バレルであった。相当する選択性は7.7であった。 実施例 8 実施例7の膜に更に次の処理をした: 7. 1時間200℃で脱気した。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ361および51.
7バレルであった。相当する選択性は7であった。 参考例 6 セルロース膜に次の処理工程を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で、周囲圧力で
二酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 620℃でCO2ガス相を純粋アルゴンで置換し、温度を
1℃/分の同じ一定速度で900℃まで上昇させ、次いで
膜を室温まで冷却した。それは酸素に対して透過性を有
していなかった。このため、この膜は小さい分子種、例
えば水素を膜の他側に通過させることができた。 参考例 7 参考例6の膜に更に次の処理を更に行なった。 4. 7時間300℃で酸素で酸化した。 形成されたO2およびN2の透過性はそれぞれ850および1
95バレルであった。相当する選択性は4.4であった。 参考例 8 参考例7の膜に更に次の処理をした。 5. 7時間300℃で酸素で酸化した。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ1913および78
6であった。相当する選択性は2.4であった。 実施例 9 セルロース膜に下記の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から620℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で周囲圧力で二
酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 16時間180℃で酸素中で酸化した; 4. 15分間620℃で周囲圧力で水素に曝露し、水素の存
在下に室温まで冷却し、次いで水素をポンプで排除し
た; 5. 工程3および4を2回繰り返した。最後の水素化工
程は800℃で1時間であった。 形成されたO2およびN2透過性はそれぞれ700および212
バレルであった。相当する選択性は3.3であった。本実
施例は、化学蒸着が使用される次の実施例の参考として
供するために作った。 実施例 10 実施例9の膜を更に20分間720℃でメタンの化学蒸着
によって処理した。形成されたO2およびN2透過性はそれ
ぞれ147および19.1バレルであった。相当する選択性は
7.7であった。この結果を実施例7の結果と比較する
と、化学蒸着処理は酸素の透過性の低下を生ぜしめ、窒
素に対する選択性の増大を生ぜしめた。 参考例 9 セルロース膜に次の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から700℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で周囲圧力で二
酸化炭素の存在下熱分解した; 3. 300℃で1時間脱ガスした。 形成されたH2およびAr透過性はそれぞれ520および0.5
バレルであった。相当する選択性は1040であった。 参考例 10 セルロース膜に次の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から650℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で周囲圧力で二
酸化炭素の存在下熱分解した; 3. 2時間500℃で水素と二酸化炭素の1:1混合物中で活
性化した。 形成されたO2およびAr透過性はそれぞれ122および13
バレルであった。相当する選択性は9.4であった。形成
されたH2およびAr透過性はそれぞれ2340および23バレル
であった。相当する選択性は180であった。形成されたH
eおよびAr透過性はそれぞれ724および13バレルであっ
た。相当する選択性は55.7であった。 参考例 11 参考例10の膜に更に次の処理をした。 4. 30分600℃で水素で更に水素化した。 形成されたO2およびAr透過性はそれぞれ285および40
バレルであった。相当する選択性は7.1であった。 参考例 12 セルロース膜に次の処理を受けさせた。 1. 塩化アンモニウム粉末を散布した; 2. 周囲温度から750℃まで1分について1℃の一定加
熱速度で温度プログラムしたオーブン中で周囲圧力で二
酸化炭素の存在下に熱分解した; 3. 2時間500℃で水素と二酸化炭素の1:1混合物中で活
性化した。 形成されたO2およびAr透過性はそれぞれ23および3.3
バレルであった。相当する選択性は7.0であった。 SF6は前述した実施例の全てにおいて透過しなかっ
た。
The present invention relates to the production of carbon membranes that can be used for gas separation. The membrane has a very sharp cutoff of the upper pore size, which can be on the order of 10% of the effective pore size, preferably 5%, for a given membrane. Accordingly, such membranes are suitable for the separation of various gas species that differ in size from one another up to about 10% of the molecular size. The method is one of the pretreatments of the membrane material, pyrolysis at a predetermined rate, followed by activation or treatment to change the pore size. The use of membranes for separation methods has been known for decades. Such separation methods were based on the selective permeation of different components through the membrane. In many methods, separation has been by permeation selection due to differences in the size of the various component species in the mixture. The first method was used for the separation of colloidal species and for the separation of other suspended small size particles from liquids. Among the first type of membranes, mention may be made of membranes having rather large and heterogeneous pore diameters (> 10 °). This was satisfactory for separating mixtures having very large size differences of the species to be separated. Later developed was a reverse osmosis membrane used for sweetening brackish water. In parallel, ion exchange membranes were used for separation methods based on electrodialysis. Among important developments are hollow fiber membranes, which produce very large overall membrane surface areas in small modules. This also offers the possibility of easy sealing of the ends of such modules. Subsequent developments relate to the invention of an asymmetric membrane with a thick, porous support that provided a very thin, dense and highly selective membrane, where thin membranes were used for practical separation methods, while coarse membranes were used. The support provides the required mechanical strength. Conventional methods for the separation of a gas (s) from a gas mixture are based on differences in the chemical or physical properties of various components. Chemical methods include cyclic methods that use certain chemicals to remove components. For example, removal of hydrogen sulfide from natural gas. This can be done in an iron sponge process using a reactor containing a bed of finely pulverized in a single run, leaving iron sulfide waste. Another method is the cyclic amine method, where organic ammonium salts are obtained during natural gas purification, which must be pyrolyzed to recycle the amine. Among the most common physical separation methods are those based on fractional distillation. The most common is the separation of nitrogen and oxygen from air. On a large scale (about 1000 t / day), the multi-stage cryogenic method is economical from an energy point of view. Other methods are more economical on a small scale. Adsorption methods based on the different adsorption properties of the various components of the gas mixture are also used. Such a method is advantageously performed as a multistage circulation method in a column arrangement. After use, the adsorbent must be regenerated for recycling, which can be done at low pressure or by heating. Various separation methods are based on the use of special zeolites or carbon molecular sieves. The present invention relates to novel carbon membranes for use in separating gaseous species from each other. The invention further relates to a method for separating gaseous species from each other whenever performed by such a method. The carbon membrane is made from a suitable precursor material that undergoes pyrolysis and has no pore-holes or cracks after pyrolysis. The permeability is due to the formation of an open pore system of molecular size, which pores have a sharp cutoff at a predetermined desired upper limit size. In this regard, molecules that are of a small size can pass through the carbon membrane, while gas molecules having a size larger than the pore size cannot pass through the membrane. Thus, the selectivity of the membrane is determined by providing essentially uniform pores whose size is between the size of the molecular gas species that must pass through and the size of the molecular gas species to be excluded. The term "hole" should not be interpreted as defining a fixed hole of a given size, but rather a hole system having a bottle neck along the path of the permeable gas, which determines permeability and selectivity. I do. A high degree of selectivity is obtained when the effective size of such a restriction is essentially uniform. The term "pore size" is used as the principle of action to indicate the cut-off value of the size of the molecule of any gas that passes through or is blocked from passing through such a membrane. The material of the membrane is carbon, which is a solid black material that does not melt up to about 3500 ° C. and is insoluble in organic solvents, it contains at least 70% by weight of carbon (element) and has a high content of fused aromatic rings. It appears to be a high molecular weight polymer. The term "film" refers to a thin layer or sheet of material. It can also be tube-shaped, the diameter and wall thickness of which define a dimension. The membrane of the present invention is about 2-500μ, preferably about 1-100μ,
More preferably, it is about 5 to about 30 microns thick. The tube-like membrane has a diameter of about 5 to 1000 microns and a wall thickness of 1 to about 30.
Has 0μ. Starting materials include a wide variety of non-melting materials containing carbon, such as regenerated cellulose, caprophane (Cu
prophan) Cellulose, cellulose, thermoset polymers and acrylics can also be used. The pyrolysis temperature varies over a wide range from 250 ° C to 1500 ° C, preferably from about 400 ° C to about 900 ° C. A predetermined heating rate is used, for example, from about 1 ° C / min to about 10 ° C / min. At high heating rates, pinholes can form and even microscopic cracks can form. This reduces the selectivity of the membrane and, in extreme cases, can render the membrane useless for its intended purpose. Pyrolysis causes a slow decomposition of the material used as the starting material, leaving the morphology and dimensions of the material essentially unchanged during pyrolysis. Since the gas species to be separated has an effective size on the order of a few Angstroms, it has a predetermined value, generally 2Å-
It is essential to produce a membrane with a sharp upper cut-off of the pore size in the range of 10 °, especially 2.5 ° to 6 °. In order to produce a carbon film having a desired pore size, the method of the present invention uses a sheet or tube-like film of an organic precursor in which the film shape is set, and maintains the shape and size given in the pyrolysis step. The precursor material must not undergo melting or softening during pyrolysis. The pyrolysis (carbonization) rate is chosen to be low enough to prevent crack or pinhole formation. The atmosphere in which the pyrolysis is performed is controlled to prevent unwanted burning of the membrane material that creates pinholes or holes larger than the allowable size. The pyrolysis is advantageously carried out under an inert atmosphere. Suitable media for such pyrolysis are inert gases such as argon, carbon dioxide and the like. The heating rate can vary over a wide range depending on the type of starting membrane material. It is generally at a rate of 1 ° C / min to about 10 ° C / min. Slower or faster heating rates may be used. The membrane material can be advantageously subjected to a pretreatment with certain chemicals to provide enhanced uniformity of the pore system formed during pyrolysis. Among these are ammonium salts such as ammonium chloride, chlorine, bromine, fluorine, flame retardant materials, hydrogen chloride,
Can include hydrogen bromide, oxygen and air. Permeability was measured by conventional means and the results were measured using a Barre
r) Shown in units. When the membranes have a certain size after pyrolysis, certain continuous treatments such as heating at elevated temperatures can increase the effective size of the pores and maintain their uniformity. Such expansion can be effected, for example, by subjecting the membrane to a stream of air at 400 ° C. for about 15 minutes, which can result in a pore size increase of about 3 ° to 6 °. The permeability of the formed membrane is measured for a given pair of gases, and the ratio of permeability provides the selectivity of the membrane for such gases. Following the thermal decomposition, the film formed at high temperature in oxygen or an oxygen-containing atmosphere is oxidized. Next, the formed film is exposed to a hydrogen atmosphere at a high temperature for a predetermined time. In certain experiments, the membrane material was sprayed with ammonium chloride, pyrolyzed in a carbon dioxide atmosphere at ambient pressure, oxidized in oxygen or oxygen atmosphere at high temperature, exposed to hydrogen at ambient temperature and high temperature, and exposed to hydrogen under hydrogen. Performed by cooling and exposing to air. Pyrolysis already starts at about 200 ° C. and under certain circumstances the pyrolysis step of the present invention can already be carried out at 150 ° C. or lower. After pyrolysis, it is advantageous to expose the membrane to air for an extended period of time, generally at ambient temperature and at a temperature of about 200 ° C. Advantageously, this is generally followed by a further step, in which the membrane is exposed to reduced pressure, generally at an elevated temperature in the range from 400 to 800 ° C. Instead of such a vacuum treatment, the membrane can be purged with an inert gas at a high temperature. After thermal decomposition, the film is heated for about 10 minutes in an oxidizing atmosphere containing oxygen.
When heating at 200-800 ° C. for about 16 hours, this results in an increase in pore size. The films formed have highly uniform pores and their upper limits do not differ from each other by more than about 5-10%. Membranes with an upper limit on pore size allow for separation of gas species having similar dimensions, of course, with a uniform upper limit on the pore size being between the sizes of the gas molecules to be separated. Heating at a temperature of 600 ° C. to 2000 ° C. in hydrogen for about 15 minutes to 12 hours reduces the pore size by sintering. The initial heating step-thermal decomposition-is performed in an inert atmosphere, for example, an inert gas, carbon dioxide or the like. Part of the thermal decomposition may be performed in an atmosphere of air or oxygen, and the thermal decomposition may be performed in an inert atmosphere or under reduced pressure. Further, the membrane may be subjected to a degassing step at a temperature in the range of about 200 ° C to about 1000 ° C under reduced pressure. Also, the film is kept for about 1-2 hours at a pressure of 1-1000 Torr for about 500-
It can be passivated by treatment with hydrogen at a temperature in the range of about 1000 ° C. The membrane can also be exposed to vapors of organic materials at a temperature of 450-1200 ° C. for about 15 minutes to about 4 hours, causing carbon deposition in the pores and modifying the permeability and selectivity of the membrane. Reference Example 1 A cellulose membrane was pyrolyzed in the presence of pure argon in an oven temperature programmed from ambient temperature to 800 ° C for 1 minute at a constant heating rate of 1 ° C. It was then exposed to air for at least 16 hours and then degassed at 800 ° C. for 0.5 hours.
A carbon molecular sieve membrane having a hydrogen permeability of 300 barrels and a methane permeability too low to be measured by existing equipment was obtained. That is, its permeability to methane was less than 0.25 barrels. This means that the selectivity of this membrane for hydrogen-methane mixture physics is greater than 300 / 0.25 = 1200. Reference Example 2 The experiment was performed as in Reference Example 1. However, the maximum pyrolysis temperature and degassing were performed at 600 ° C. The permeability of the formed carbon membrane to oxygen and nitrogen was 98 and 8.2 barrels, respectively. Thus, its selectivity for separating an oxygen / nitrogen mixture was 98 / 8.2 = 12. Reference Example 3 The experiment was performed as in Reference Example 1, except that the maximum pyrolysis and degassing temperature was 400 ° C. The permeability of the formed carbon membrane for oxygen and nitrogen is 56 and 56, respectively.
5.1 barrels. Therefore, the selectivity for separating the oxygen / nitrogen mixture was 56 / 5.1 = 11. Reference Example 4 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed with ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed open from ambient temperature to 620 ° C. for 1 minute at a constant heating rate of 1 ° C .; Exposure to hydrogen at ambient pressure at 620 ° C. for a time and cooling to room temperature in the presence of hydrogen. The permeability of the formed membrane to oxygen and nitrogen was 12.6 and 0.85 barrels, respectively. Thus, its selectivity for separating an oxygen / nitrogen mixture was 14.8. Reference Example 5 The film of Reference Example 4 was subjected to the following additional treatment. 4. Exposed to air at room temperature for at least 16 hours; 5. Exposed again to hydrogen at 620 ° C. for 30 minutes. The permeability of the formed carbon membrane to oxygen and nitrogen was 59 and 4.8 barrels, respectively. Therefore, its selectivity for this gas combination was 11.6. Example 1 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed with ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed open from ambient temperature to 620 ° C for 1 minute at a heating rate of 1 ° C; 3. 200 for 1 hour 4. Oxidation in oxygen at 0 ° C .; 4. Exposure to hydrogen at ambient pressure at 620 ° C. for 1 hour and cooling in the presence of hydrogen to room temperature; 5. Exposure to air at room temperature for at least 16 hours. The permeability of the formed membrane to oxygen and nitrogen was 49 and 4.9 barrels, respectively. Therefore, its selectivity for this gas combination was 10. Example 2 The membrane of Example 1 was further treated as follows: 6. Degassed at 200 ° C. for 1 hour. O 2 and N 2, respectively permeability 115 and 16 are formed.
It was 7. The corresponding selectivity was 6.8. Example 3 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed from ambient temperature to 620 ° C. for 1 minute in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C. at ambient pressure in the presence of carbon dioxide; 3.3 Oxidation in oxygen at 180 ° C. for time; 4. Exposure to hydrogen at 620 ° C. for 1 hour at ambient pressure and cooling to room temperature in the presence of hydrogen; 5. Exposure to air at room temperature for at least 16 hours. Each formed O 2 and N 2 permeability 61 and 5.5
Barrel, with a corresponding selectivity of 11. Example 4 The membrane of Example 3 was further treated as follows: 6. Degassed at 600 ° C. The O 2 and N 2 permeability formed were 117 and 21 respectively.
It was a barrel. The corresponding selectivity was 5.6. Example 5 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed with ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in an oven programmed from ambient temperature to 620 ° C. for 1 minute at a constant heating rate of 1 ° C .; 4. Oxidation in oxygen at 180 ° C. for time; 4. Expose to hydrogen at ambient pressure at 620 ° C. for 15 minutes, cool to room temperature in the presence of hydrogen, then pump off hydrogen; 5. Repeat steps 3 and 4 for 2 (The first time of step 3 was extended to 16 hours instead of 1 hour); 6. The membrane was exposed to air for at least 16 hours. The O 2 and N 2 permeability formed were 68 and 7 barrels, respectively. The corresponding selectivity was 9.6. Example 6 The membrane of Example 5 was further treated as follows: 7. Degassed at 200 ° C. for 1 hour. O 2 and N 2 permeability formed are 300 and 50 respectively
It was a barrel. The corresponding selectivity was 6. Example 7 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in room temperature to 620 ° C. for 1 minute in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C. at ambient pressure in the presence of carbon dioxide; 3. 16 hours 4. Oxidation in oxygen at 180 ° C .; 4. Expose to hydrogen at 620 ° C. at ambient pressure for 10 minutes, cool to room temperature in the presence of hydrogen, then pump off hydrogen; 5. Repeat steps 3 and 4 for 2 6. Membranes were exposed to ambient air for at least 16 hours. O 2 and N 2, respectively permeability 106 and 13 are formed.
7 barrels. The corresponding selectivity was 7.7. Example 8 The membrane of Example 7 was further treated as follows: 7. Degassed at 200 ° C. for 1 hour. O 2 and N 2, respectively permeability 361 and 51 are formed.
7 barrels. The corresponding selectivity was 7. Reference Example 6 A cellulose membrane was subjected to the following processing steps. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed from ambient temperature to 620 ° C in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C per minute at ambient pressure in the presence of carbon dioxide; At 0 ° C., the CO 2 gas phase was replaced with pure argon, the temperature was raised to 900 ° C. at the same constant rate of 1 ° C./min, and the membrane was then cooled to room temperature. It was not permeable to oxygen. This membrane allowed small molecular species, such as hydrogen, to pass through to the other side of the membrane. Reference Example 7 The film of Reference Example 6 was further subjected to the following treatment. 4. Oxidized with oxygen at 300 ° C for 7 hours. The permeability of O 2 and N 2 formed is 850 and 1 respectively
95 barrels. The corresponding selectivity was 4.4. Reference Example 8 The film of Reference Example 7 was further subjected to the following treatment. 5. Oxidized with oxygen at 300 ° C. for 7 hours. The O 2 and N 2 permeability formed were 1913 and 78, respectively.
It was 6. The corresponding selectivity was 2.4. Example 9 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C. per minute from ambient temperature to 620 ° C .; 3. 16 hours 4. Oxidation in oxygen at 180 ° C .; 4. Expose to hydrogen at 620 ° C. at ambient pressure for 15 minutes, cool to room temperature in the presence of hydrogen, then pump off hydrogen; 5. Repeat steps 3 and 4 for 2 Repeated times. The last hydrogenation step was at 800 ° C. for 1 hour. The O 2 and N 2 permeability formed are 700 and 212, respectively.
It was a barrel. The corresponding selectivity was 3.3. This example was made to serve as a reference for the next example in which chemical vapor deposition was used. Example 10 The film of Example 9 was treated for another 20 minutes at 720 ° C. by chemical vapor deposition of methane. The O 2 and N 2 permeability formed were 147 and 19.1 barrels, respectively. The equivalent selectivity is
It was 7.7. Comparing this result with that of Example 7, the chemical vapor deposition treatment resulted in a decrease in oxygen permeability and an increase in selectivity for nitrogen. Reference Example 9 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven from ambient temperature to 700 ° C for 1 minute at a constant heating rate of 1 ° C; Degas for 1 hour. The H 2 and Ar permeability formed were 520 and 0.5, respectively.
It was a barrel. The corresponding selectivity was 1040. Reference Example 10 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. Sprayed ammonium chloride powder; 2. Pyrolyzed in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven from ambient temperature to 650 ° C. for 1 minute at a constant heating rate of 1 ° C .; Activated at 1 ° C. in a 1: 1 mixture of hydrogen and carbon dioxide. The O 2 and Ar permeability formed are 122 and 13 respectively.
It was a barrel. The corresponding selectivity was 9.4. The H 2 and Ar permeability formed were 2340 and 23 barrels, respectively. The corresponding selectivity was 180. H formed
e and Ar permeability were 724 and 13 barrels, respectively. The corresponding selectivity was 55.7. Reference Example 11 The film of Reference Example 10 was further subjected to the following treatment. 4. Further hydrogenation with hydrogen at 600 ° C. for 30 minutes. O 2 and Ar permeability formed were 285 and 40 respectively
It was a barrel. The corresponding selectivity was 7.1. Reference Example 12 A cellulose membrane was subjected to the following treatment. 1. sprayed with ammonium chloride powder; 2. pyrolyzed from ambient temperature to 750 ° C. in the presence of carbon dioxide at ambient pressure in a temperature programmed oven at a constant heating rate of 1 ° C. for 1 minute; Activated at 500 ° C. in a 1: 1 mixture of hydrogen and carbon dioxide. O 2 and Ar permeability formed were 23 and 3.3, respectively.
It was a barrel. The corresponding selectivity was 7.0. SF 6 did not transmit in all of the above-described examples.

フロントページの続き (72)発明者 ダビツド・ローゼン イスラエル国アラド、カラニツト、スト リート7 (72)発明者 シユロモ・サグー イスラエル国ビアーシバ、モリアー、ス トリート 3 (72)発明者 ジヤコブ・コレシユ イスラエル国ビア‐シバ、オマー、ツエ ラ、ストリート 10 (56)参考文献 特開 昭64−26723(JP,A) 特開 昭63−4812(JP,A) 特開 昭60−179102(JP,A) 特開 昭60−202703(JP,A) 特開 昭61−222916(JP,A) 特開 昭61−222912(JP,A)Continuation of front page    (72) Inventor David Rosen               Arad, Karanit, strike in Israel               REIT 7 (72) Inventor Shiuromo Sago               Beiasiba, Mollier, Su               Treat 3 (72) Inventor Jakob Kolesyu               Beer-Shiba, Omagh, Tsue, Israel               La, Street 10                (56) References JP-A-64-26723 (JP, A)                 JP-A-63-4812 (JP, A)                 JP-A-60-179102 (JP, A)                 JP-A-60-202703 (JP, A)                 JP-A-61-222916 (JP, A)                 JP-A-61-222912 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.膜プリカーサーから2Åより大でかつ10Åより小さ
い孔サイズを有する分子篩炭素膜を製造する方法であっ
て、上記膜が所望の一定のガス種の通過を好ましくは許
容するように適合した有効な予め定められた孔サイズを
有し、一方上記ガスから分離されるべき他のガスに対す
る透過性が実質的に小さい分子篩炭素膜の製造法におい
て、プリカーサーの寸法形状を保持するためおよび炭素
収率を増大させるために適合した薬剤で膜プリカーサー
を前処理する工程を含み;一定温度まで不活性雰囲気中
で予め定められた加熱速度でプリカーサーの熱分解を行
い;高温で酸素中または酸素含有雰囲気中で形成された
膜を酸化し;形成された膜を予め定められた時間高温で
水素雰囲気に曝露することを特徴とする炭素膜の製造
法。 2.更に膜に減圧処理を受けさせる特許請求の範囲第1
項記載の製造法。 3.膜プリカーサーが2〜500μの厚さを有し、チユー
ブの形であるときには1〜300μmの壁厚および5〜100
0μの直径を有する非溶融性炭素含有材料である特許請
求の範囲第1項又は第2項記載の製造法。 4.加熱を1℃/分〜10℃/分の速度で行う特許請求の
範囲第1項〜第3項の何れかに記載の製造法。 5.既に熱分解された膜の孔サイズを酸素を含む酸化性
ガスの雰囲気中で10分〜16時間200〜800℃の温度で加熱
して増大させる特許請求の範囲第1項〜第4項の何れか
に記載の製造法。 6.孔サイズを、水素中で15分〜12時間600℃〜2000℃
の範囲の温度で焼結させることによって減少させる特許
請求の範囲第1項〜第4項の何れかに記載の製造法。 7.膜に、減圧中で200〜1000℃の範囲の温度で脱ガス
工程を受けさせる特許請求の範囲第1項〜第4項の何れ
かに記載の製造法。 8.膜を、1〜2時間、1〜1000Torrの圧力で500〜100
0℃の範囲の温度で水素で処理して不動態化する特許請
求の範囲第1項〜第4項の何れかに記載の製造法。 9.膜に、15分〜4時間450〜1200℃の温度で有機物質
の蒸気曝露を受けさせ、孔中に炭素の付着を生ぜしめ、
膜の透過性および選択性を変性させる特許請求の範囲第
1項〜第4項の何れかに記載の製造法。
(57) [Claims] A method for producing a molecular sieve carbon membrane having a pore size of greater than 2 ° and less than 10 ° from a membrane precursor, said membrane being an effective predefined, adapted to preferably allow the passage of a desired constant gaseous species. A method for producing a molecular sieve carbon membrane having a controlled pore size, while having substantially low permeability to other gases to be separated from the gas, to maintain the precursor dimensions and increase the carbon yield Pretreating the membrane precursor with a chemical adapted to perform thermal decomposition of the precursor at a predetermined heating rate in an inert atmosphere up to a certain temperature; formed at a high temperature in oxygen or an oxygen-containing atmosphere. Oxidizing the formed film; exposing the formed film to a hydrogen atmosphere at a high temperature for a predetermined time. 2. Claim 1 further comprising subjecting the membrane to a reduced pressure treatment.
The production method described in the section. 3. When the membrane precursor has a thickness of 2 to 500 μm and is in the form of a tube, a wall thickness of 1 to 300 μm and 5 to 100 μm
3. The method according to claim 1, wherein the non-melting carbon-containing material has a diameter of 0 .mu .. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the heating is performed at a rate of 1 ° C / min to 10 ° C / min. 5. 5. The method according to claim 1, wherein the pore size of the already pyrolyzed film is increased by heating at a temperature of 200 to 800 [deg.] C. for 10 minutes to 16 hours in an atmosphere of an oxidizing gas containing oxygen. The production method described in Crab. 6. Pore size in hydrogen at 600 ° C to 2000 ° C for 15 minutes to 12 hours
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature is reduced by sintering at a temperature in the range of: 7. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the membrane is subjected to a degassing step at a temperature in the range of 200 to 1000C under reduced pressure. 8. The membrane is kept for 1-2 hours at a pressure of 1-1000 Torr for 500-100
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the passivation is carried out by treating with hydrogen at a temperature in the range of 0 ° C. 9. Subjecting the membrane to vapor exposure of organic matter at a temperature of 450-1200 ° C. for 15 minutes to 4 hours, causing carbon deposition in the pores,
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the permeability and selectivity of the membrane are modified.
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