JP3362451B2 - 合成ゼオライト薄膜の形成方法 - Google Patents

合成ゼオライト薄膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、合成ゼオライト薄膜の
形成方法に関する。更に詳しくは、セラミックス多孔質
基質上への合成ゼオライト薄膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】モルデナイト、アナルサイム、ZSM-5等
の各種ゼオライトは、耐熱温度が焼結温度よりはるかに
低いため、焼結法によってはセラミックス多孔質基質上
に接合させることができない。また、バインダーや接着
剤を用いて、セラミックス多孔質基質上にゼオライトを
接着させる方法もあるが、バインダーや接着剤の存在に
よるゼオライト層の性能低下やバインダーや接着剤の耐
熱温度以上の温度では使用できないなどの欠点がみられ
る。
【0003】そのため、セラミックス多孔質基質上に直
接合成ゼオライト層を形成させることが必要であり、例
えば特開平3-123,641号公報には、水分を極度に減らし
たペンタシル型ゼオライトの合成液を、表面が高温でよ
く溶融したセラミックスフォームに担持させ、例えば12
0℃という低温で結晶化して、セラミックスフォームの
流路構造を構造体として二次的に修飾した細孔構造にし
て、セラミックスフォームに合成ゼオライト層を形成さ
せる方法が記載されている。
【0004】セラミックス多孔質基質上に合成ゼオライ
ト層を形成させたものを、流体の分離膜やセンサとして
用いる場合には、合成ゼオライト層の膜厚の薄い方がい
いが、上記特許公開公報記載の方法で形成された合成ゼ
オライト層の膜厚は約10μmであると述べられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、セラ
ミックス多孔質基質上に直接合成ゼオライト層を形成さ
せる方法であって、ゼオライト層の膜厚をより薄くする
ことのできる合成ゼオライト薄膜の形成方法を提供する
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】かかる本発明の目的は、
SiO2源、Al2O3源、アルカリ金属の酸化物源および水よ
りなる合成母液中にセラミックス多孔質基質を浸漬した
後、耐圧容器中に封入し、2〜5℃/分の昇温速度で水熱
合成温度迄昇温させ、160〜200℃の水熱合成温度に保持
して、セラミックス多孔質基質上へ膜厚2〜5μmの合成
ゼオライト薄膜を形成させることにより達成される。
【0007】セラミックス多孔質基質としては、Al
2O3、Y2O3、MgO、SiO2、Si3N4、ZrO2等の少なくとも一
種の粒子を分散させた高分子物質の有機溶媒溶液を用
い、それを乾湿式法により基板状または中空糸状に成形
した後焼成して得られる、孔径が約0.1〜8μm、好まし
くは約0.2〜2μmのものが一般に用いられる。
【0008】こうしたセラミックス多孔質基質は、SiO2
源、Al2O3源、アルカリ金属酸化物源および水、好まし
くはこれらに更に結晶化剤を添加した合成母液中に浸漬
させた後、耐圧容器中に封入し、160〜200℃の水熱合成
温度に保持される。
【0009】シリカ源としては、シリカゾル、けい酸ナ
トリウム水溶液(水ガラスの水溶液を含む)、シリカ粉
末、けい酸など任意のものを用いることができるが、好
ましくはシリカゾル、けい酸ナトリウム水溶液が用いら
れる。
【0010】アルミナ源としては、アルミン酸ナトリウ
ムに由来するAl2O3が好んで用いられる。更に、アルカ
リ金属酸化物源としては、ナトリウム、カリウム、カル
シウム、マグネシウムなどの酸化物が用いられ、シリカ
源として水ガラスNa2O・nSiO2などが、またアルミナ源
としてアルミン酸ナトリウムNa2O・Al2O3が用いられた
場合には、アルカリ金属酸化物源を兼ねることができ
る。なお、これらの金属酸化物は、水酸化物の形で添加
することもできる。
【0011】以上の各必須成分よりなる合成母液中に
は、テンプレート剤(構造規制剤)とも呼ばれている結晶
化剤を加えることもでき、これはSiO2/Al2O3比や合成温
度などと共に、ゼオライトの結晶構造に大きく寄与する
因子の一つを構成している。かかる結晶化剤としては、
テトラ低級アルキルアンモニウムハライド、ベンジルト
リメチルアンモニウムハライドなどによって代表される
第4級アンモニウムハライドまたは対応する水酸化物な
どが一般に用いられる。
【0012】合成母液は、一般に次のようなモル比(カ
ッコ内は好ましいモル比)で、ゲルを生成させない溶液
として用いられ、 SiO2/Al2O3=50〜110(80〜100) 金属酸化物/SiO2=0.1〜0.8(0.3〜0.7) H2O/SiO2=50〜250(55〜200) 結晶化剤/SiO2=0〜0.5 その際、金属酸化物/SiO2および結晶化剤/SiO2の各モル
比を適宜選択することにより、モルデナイト、アナルサ
イムまたはZSM-5である合成ゼオライトを生成させる。
【0013】このような合成母液中へのセラミックス多
孔質基質の浸漬は、約10〜50℃、好ましくは約20〜35℃
の温度で約0.5〜10分間程度行われる。セラミックス多
孔質基質がセラミックス多孔質中空糸の場合などには、
予めこの合成母液を細孔内に含浸させておくこともで
き、その場合には、多孔質中空糸の内、外壁面に合成ゼ
オライト層を形成させることができる。
【0014】浸漬後、耐圧容器中に封入し、水熱合成温
度迄昇温させ、160〜200℃の水熱合成温度に約24〜60時
間保持して水熱合成を行い、セラミックス多孔質基質上
に合成ゼオライト薄膜を形成させるが、その際の昇温速
度として2〜5℃/分の範囲が選択される。これ以上の昇
温速度では、セラミックス多孔質基質上に良好に接合さ
れた合成ゼオライト薄膜を形成させることができず、一
方これ以下では昇温速度が遅すぎて実用的ではない。
【0015】
【発明の効果】セラミックス多孔質基質上に、ゼオライ
ト合成母液を用いて水熱合成により合成ゼオライト薄膜
を形成させるに際し、水熱合成温度への昇温速度を選択
することにより、多孔質基質上への接合性にすぐれしか
も膜厚が約2〜5μmという薄い合成ゼオライト薄膜を形
成させることができる。
【0016】
【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。
【0017】実施例1 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウム溶液(水ガラス)を、また結晶化剤とし
て(n-C3H7)4NBrをそれぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒100 Na2O/SiO2=0.48 (n-C3H7)4NBr/SiO2≒0.1 H2O/SiO2=150 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0018】調製されたこの合成母液中に、平均孔径約
6μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約1分間浸漬し、
そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オーブン中に
入れ、2℃/分の昇温速度で180℃迄昇温させ、この温度
に36時間保持して水熱合成を行った。
【0019】実施例2 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウム溶液(水ガラス)を、また結晶化剤とし
て(n-C3H7)4NBrをそれぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒80 Na2O/SiO2=0.49 (n-C3H7)4NBr/SiO2≒0.1 H2O/SiO2=120 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0020】 調製されたこの合成母液中に、平均孔径
約1μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約3分間浸漬
し、そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オーブン
中に入れ、2℃/分の昇温速度で180℃迄昇温させ、
この温度に36時間保持して水熱合成を行った。
【0021】実施例3 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウム溶液(水ガラス)を、また結晶化剤とし
て(n-C3H7)4NBrをそれぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒60 Na2O/SiO2=0.50 (n-C3H7)4NBr/SiO2≒0.1 H2O/SiO2=200 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0022】 調製されたこの合成母液中に、平均孔径
約0.2μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約5分間
浸漬し、そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オー
ブン中に入れ、2℃/分の昇温速度で180℃迄昇温さ
せ、この温度に36時間保持して水熱合成を行った。
【0023】以上の各実施例では、アルミナ多孔質基板
上に膜厚3〜5μmのZSM-5(X線回折測定による)からなる
合成ゼオライト層が形成されており、生成ゼオライトは
SEM観察ではアルミナ多孔質基板と結合されており、良
好に接着されていることが確認された。
【0024】実施例4 一端を封止したセラミックス多孔質中空糸(平均細孔径1
μm)の他端側から、ローラポンプを用いて、実施例2で
用いられたものと同じ合成母液を供給し、中空糸細孔内
に合成母液を含浸させた。次いで、中空糸の両端を開放
した後、同じ合成母液中に浸漬した。以下、実施例1と
同様に処理した。
【0025】その結果、セラミックス多孔質中空糸の
内、外壁面に、それぞれ膜厚約3μmのZSM-5からなる合
成ゼオライト層が、良好に接着されていることが確認さ
れた。
【0026】実施例5 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウムを、また結晶化剤として(C2H5)4NBrを
それぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒60 Na2O/SiO2=0.52 (C2H5)4NBr/SiO2≒0.1 H2O/SiO2=120 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0027】調製されたこの合成母液中に、平均孔径約
1μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約5分間浸漬し、
そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オーブン中に
入れ、2℃/分の昇温速度で170℃迄昇温させ、この温度
に48時間保持して水熱合成を行った。
【0028】実施例6 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウム溶液(水ガラス)を、また結晶化剤とし
て(n-C4H9)4NBrをそれぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒90 Na2O/SiO2=0.46 (n-C4H9)4NBr/SiO2≒0.1 H2O/SiO2=150 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0029】 調製されたこの合成母液中に、平均孔径
約1μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約5分間浸漬
し、そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オーブン
中に入れ、2℃/分の昇温速度で170℃迄昇温させ、
この温度に48時間保持して水熱合成を行った。
【0030】実施例5〜6では、アルミナ多孔質基板上
に膜厚4〜5μmのモルデナイト(X線回折測定による)か
らなる合成ゼオライト層が形成されており、生成ゼオラ
イトはSEM観察ではアルミナ多孔質基板と結合されてお
り、良好に接着されていることが確認された。
【0031】実施例7 Al2O3源としてアルミン酸ナトリウムを、SiO2源として
けい酸ナトリウム溶液(水ガラス)をそれぞれ用い、 SiO2/Al2O3≒80 Na2O/SiO2=0.48 H2O/SiO2=120 の組成比の合成母液を調製した。この合成母液中には、
ゾルやゲルの生成はみられなかった。
【0032】 調製されたこの合成母液中に、平均孔径
約0.2μmのアルミナ多孔質基板を室温下で約10分
間浸漬し、そのまま耐圧容器中に封入した。それを、オ
ーブン中に入れ、2℃/分の昇温速度で170℃迄昇温
させ、この温度に48時間保持して水熱合成を行った。
【0033】その結果、アルミナ多孔質基板上に膜厚2
μmのアナルサイム(X線回折測定による)からなる合成
ゼオライト層が形成されており、生成ゼオライトはSEM
観察ではアルミナ多孔質基板と結合されており、良好に
接着されていることが確認された。
【0034】実施例8 実施例2において、昇温速度を5℃/分に変更した。その
結果、アルミナ多孔質基板上に膜厚3μmのZSM-5(X線回
折測定による)からなる合成ゼオライト層が形成されて
おり、生成ゼオライトはSEM観察ではアルミナ多孔質基
板と結合されており、良好に接着されていることが確認
された。
【0035】比較例 実施例1において、昇温速度を10℃/分に変更したとこ
ろ、アルミナ多孔質基板上に形成された、ZSM-5からな
る合成ゼオライト層は、膜厚が10μmでしかもその層を
手で擦るとゼオライトが剥れ落ちてしまい、接着性は十
分ではなかった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 39/00 - 39/54 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiO2源、Al2O3源、アルカリ金属酸化物
    および水よりなる合成母液中にセラミックス多孔質基
    質を浸漬した後、耐圧容器中に封入し、2〜5℃/分の昇
    温速度で水熱合成温度迄昇温させ、160〜200℃の水熱合
    成温度に保持することを特徴とするセラミックス多孔質
    基質上への膜厚2〜5μmの合成ゼオライト薄膜の形成方
    法。
  2. 【請求項2】 予め細孔内に合成母液を含浸させたセラ
    ミックス多孔質基質が用いられる請求項1記載の合成ゼ
    オライト薄膜の形成方法。
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