JP3391622B2 - 気体分離膜の製造方法 - Google Patents

気体分離膜の製造方法

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JP3391622B2 JP4081696A JP4081696A JP3391622B2 JP 3391622 B2 JP3391622 B2 JP 3391622B2 JP 4081696 A JP4081696 A JP 4081696A JP 4081696 A JP4081696 A JP 4081696A JP 3391622 B2 JP3391622 B2 JP 3391622B2
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gas separation
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哲夫 矢澤
孝治 蔵岡
孝明 大西
和男 長田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体分離膜の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、気体分離膜としては、強酸性、若
しくは、強アルカリ性条件下で、ゼオライトを水熱合成
した後、薄膜状に成形し気体分離膜として用いる、もし
くは、多孔質ガラス用材料を支持体上に塗布して薄膜状
に固化させ、気体分離膜に形成することが行われてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の気体分
離膜のうち、ゼオライトを薄膜状に成形する技術につい
ては、水熱合成には、高価な設備を必要としたり、高温
高圧の高いエネルギー供給を必要とすること等から、非
常に高価な合成方法と言わざるを得なかったまた、得ら
れるゼオライトの結晶個々には、細かい径を有する均一
な「細孔」が形成されるものの、ゼオライトが多結晶状
態で得られるため、たとえその細孔の孔径が適正なもの
でかつ大きさの揃った均一なものであったとしても、結
晶粒子どうしの間に、前記細孔よりも大きく不均一な
「空隙」が生じるので、全体としては、緻密な細孔を均
一に有する気体分離膜にはならず、気体分離用の分子ふ
るいとして用いるような高度な分離能(細孔の特性)を
必要とする用途には不適切なものとならざるを得なかっ
た。また、多孔質ガラス材料を薄膜状に形成するには、
細かい径を有する均一な細孔が形成されにくく、やは
り、細孔の特性が高度に必要となる用途には適用するこ
とが困難であった。特に、前記多孔質ガラス用材料を支
持体上に塗布して薄膜状に固化させる技術にあっては、
前記支持体の表面状態によっては、形成された薄膜にピ
ンホールやクラックが生じやすく、たとえ均一な細孔が
形成できたとしても、やはり、全体として均一でない
「ムラのある」多孔質膜にならざるを得ないという実情
があった。
【0004】従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑
み、より細孔の孔径を均一に形成し、、高い特性を有す
気体分離膜を容易に製造する方法を提供することにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の特徴構成は、水及び触媒量の酸を含むアルコ
キシシラン類溶液で、水とアルコキシシラン類とのモル
比率(H2 O/Si)が4以下で、しかも、pH1〜
2.5の主材に、アンモニウムイオン、ホスホニウムイ
オン、アミン類から選ばれる少なくとも一種からなるテ
ンプレート剤を加えた無機材料組成物を、無機多孔質支
持体上に塗布、乾燥して非結晶性塗膜を形成する塗膜形
成工程、及び、前記非結晶性塗膜を前記加水分解による
結晶化をさせない低温かつ常圧の条件下で加熱処理する
加熱工程を行うことにあり、その作用・効果は以下の通
りである。
【0006】〔作用効果〕 酸触媒を含有するアルコキシシラン類は、縮重合するこ
とにより、アモルファス状の酸化ケイ素(SiO2)(以
下シリカと略称する)を生成する。このシリカは、水と
アルコキシシラン類とのモル比率(H2 O/Si) が小
さい場合には、鎖状の高分子となると考えられている。
そこで本発明者らは、テンプレート剤を添加した状態
で、前記アルコキシシラン類溶液を、含水量が低く、重
合速度の遅い条件下で縮重合させると、鎖状のシリカ
が、前記テンプレート剤の周囲に集合し、アモルファス
状でかつ鎖状の高分子となり、前記テンプレート剤によ
り規格化された細孔となるのではないか、と考え、種々
の反応条件を検討したところ、前記無機材料組成物のp
Hが1〜2.5であれば、前記アルコキシシラン類の縮
重合速度が低く、緻密にゲル化することから、水とアル
コキシシラン類とのモル比率(H2 O/Si) が4以下
で、かつ、pH1〜2.5の無機材料組成物を、低温か
つ常圧の条件下で加熱処理することによって、均一な孔
径を多数有する非結晶状態の多孔質構造を得られるとい
う新知見を得た。
【0007】本発明は、前記新知見に基づき成されたも
のであって、前記多孔質構造を得るには、前記無機材料
組成物を、無機多孔質支持体上に塗布、乾燥して非結晶
性塗膜を形成する塗膜形成工程、及び、前記非結晶性塗
膜を前記加水分解による結晶化をさせないような低温か
つ常圧の温和な条件下で加熱処理する加熱工程を行うだ
けの簡単な方法で、均一な孔径を多数有する非結晶状態
の多孔質膜を低エネルギーで合成できるようになった。
そのため、従来は、利用できなかったような、例えば、
気体分離用の分子ふるいとしての利用できる多孔質膜を
安価に提供する事が出来た。
【0008】尚、前記テンプレート剤としては、テトラ
n−ブチルアンモニウムイオン((n−C4 9)4 + )
、テトラn−プロピルアンモニウムイオン((n−C3
7)4 + ) 、テトラエチルアンモニウムイオン((C2
5)4 + ) 、テトラメチルアンモニウムイオン((CH
3)4 + ) 、n−プロピルトリメチルアンモニウムイオ
ン((n−C3 7)( CH3)3 + )、ベンジルトリメチ
ルアンモニウムイオン((C7 7)( CH3)3 + ) 、テ
トラn−ブチルホスホニウムイオン((n−C4 9)4
+ ) 、ベンジルトリフェニルホスホニウムイオン((C7
7)( C6 5)3 + )、1,4−ジメチル−1,4−
ジアゾビシクロ(2、2、2)オクタン、ピロリジン、
n−プロピルアミン(n−C3 7 NH2)、メチルキヌ
クリジン、であると前記鎖状のシリカを集合させた状態
で、さらにそのシリカを加水分解して縮重合させるのに
好都合であるとともに、加熱処理により容易にシリカか
ら除去されるので、そのテンプレート剤の大きさに規定
される均一な径の細孔を多数形成できる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。まず、表1に示す無機材料組成物1を調整する。
この無機材料組成物を多孔質支持体の外表面にディップ
コーティングし、乾燥して塗膜を形成する(塗膜形成工
程)。得られた塗膜は、乾燥の後、焼成(加熱工程)
し、気体分離膜に形成する。同様に、無機材料組成物2
〜5についても塗膜形成工程、加熱工程を行い、気体分
離膜を形成した。尚、塗膜形成工程、加熱工程は交互に
3工程繰り返して行った。
【0010】
【表1】 但し、TEOS:テトラエトキシシラン TMOS:テトラメトキシシラン TPABr:臭化テトラプロピルアンモニウム TEABr:臭化テトラエチルアンモニウム TBABr:臭化テトラブチルアンモニウム TMABr:臭化テトラメチルアンモニウム であり、各数値はアルコキシシランに対するモル比であ
る。
【0011】〔無機材料組成物の調整〕 アルコキシシラン、エタノール、水、塩酸を表1の組成
比で混合、さらに1時間攪拌することによりゾル状の組
成物を得る事が出来る。これに、所定量のテンプレート
剤を加え、大気中室温で2時間攪拌して無機材料組成物
とする。
【0012】〔塗膜形成工程〕 多孔質支持体としては、平均細孔径200nmの多孔質
アルミナチューブを用いる。前記無機材料組成物に前記
多孔質支持体を浸漬しておき、前記無機材料組成物の攪
拌混合条件下、0.5mm/秒の速度で引き上げて前記
多孔質支持体表面に前記無機材料組成物を塗布する(デ
ィップコーティング)。これを、室温で1時間乾燥し
て、塗膜とする。この操作は6回繰り返して1工程とす
る。
【0013】〔加熱工程〕 乾燥して得られた塗膜は150℃に昇温後2時間加熱す
ることにより、ガラス状の気体分離膜として得られる。
【0014】〔別実施形態〕 上述の実施の形態では、テンプレート剤として、TPA
Br、TEABr、TBABr、TMABrを用いた
が、n−プロピルトリメチルアンモニウムイオン((n−
3 7)( CH3)3 + )、 ベンジルトリメチルアン
モニウムイオン((C7 7)( CH3)3 + ) 、テトラn
−ブチルホスホニウムイオン((n−C4 9)4 + ) 、
ベンジルトリフェニルホスホニウムイオン((C7 7)(
6 5)3 + )、1,4−ジメチル−1,4−ジアゾ
ビシクロ(2、2、2)オクタン、ピロリジン、n−プ
ロピルアミン(n−C3 7 NH2)、メチルキヌクリジ
ン、等を用いることもでき、テンプレート剤がカチオン
として働くものである場合は、ハロゲン化物、水酸化物
等の形態で用いる事が出来る。要するに、アンモニウム
イオン、ホスホニウムイオン、アミン類から選ばれる少
なくとも一種からなる要素を備えたものであれば良い。
また、アルコキシシラン類としては、TEOS、TMO
S以外に、テトラプロポキシシラン( Si( OC3 7)
4)、テトラブトキシシラン( Si( OC4 9)4)等を用
いる事が出来、加水分解により縮重合してシリカを生成
可能な材料であれば良い。また、アルコキシシランと、
ジルコニウム、アルミニウム、チタニウムのアルコキシ
ド等の金属アルコキシドを混合したものでもよい。ま
た、水とアルコキシシラン類とのモル比(H2 O:S
i) は、特に1〜4が望ましく、この様な条件下では、
前記シリカは、フラクタル次元の低い鎖状の高分子にな
りやすい。さらに、このような条件下で酸触媒として
は、塩酸、硝酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、パラトルエ
ンスルホン酸等が利用できるが、塩酸が特に望ましく、
先の無機材料組成物のpHを1〜2.5にする添加量で
ある場合に、特に重合速度を遅く出来る。
【0015】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。先の実施
の形態によって得られた気体分離膜を用いて窒素ガスと
炭酸ガスとの分離性能、及び、窒素ガスとヘリウムガス
との分離性能を測定したところ、表2のようになった。
【0016】
【表2】 但し、α(ガス1/ガス2)は、各温度において気体分
離膜を透過する純ガス1の透過速度P1と純ガス2の透
過速度P2の比である。
【0017】また、表2に用いたガス透過速度P1,P
2は、各温度において表3に示す値を示す。
【0018】
【表3】
【0019】表2より、本発明の気体分離膜は、高温に
おいても窒素に対して高い炭酸ガス分離性を示し、ナノ
メーターオーダーの孔径に制御された均質な多孔質構造
が得られているものと考えられる。また、表3より、十
分なガス透過量が得られる事も分かり、気体分離膜とし
て十分高い性能を発揮する事が証明できた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蔵岡 孝治 大阪府池田市緑丘1丁目8番31号 工業 技術院 大阪工業技術研究所内 (72)発明者 大西 孝明 茨城県竜ケ崎市向陽台5丁目6番 株式 会社クボタ 基盤技術研究所内 (72)発明者 長田 和男 茨城県竜ケ崎市向陽台5丁目6番 株式 会社クボタ 基盤技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−221836(JP,A) 特開 昭62−227421(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 61/00 - 71/82 B01D 53/22 C01B 33/113 - 33/193 C03B 8/02 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】及び触媒量の酸を含むアルコキシシラ
    ン類溶液で、水とアルコキシシラン類とのモル比率(H
    2 O/Si) が4以下で、しかも、pH1〜2.5の
    材に、アンモニウムイオン、ホスホニウムイオン、アミ
    ン類から選ばれる少なくとも一種からなるテンプレート
    剤を加えた無機材料組成物を、無機多孔質支持体上に塗
    布、乾燥して非結晶性塗膜を形成する塗膜形成工程、及
    び、前記非結晶性塗膜を前記加水分解による結晶化をさ
    せない低温かつ常圧の条件下で加熱処理する加熱工程を
    行う気体分離膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記テンプレート剤が、 テトラn−ブチルアンモニウムイオン((n−C4 9)4
    + ) 、 テトラn−プロピルアンモニウムイオン((n−C3 7)
    4 + ) 、 テトラエチルアンモニウムイオン((C2 5)4 + ) 、 テトラメチルアンモニウムイオン((CH3)4 + ) 、 n−プロピルトリメチルアンモニウムイオン((n−C3
    7)( CH3)3 + )、 ベンジルトリメチルアンモニウムイオン((C7 7)( C
    3)3 + ) 、 テトラn−ブチルホスホニウムイオン((n−C4 9)4
    + ) 、 ベンジルトリフェニルホスホニウムイオン((C7 7)(
    6 5)3 + )、 1,4−ジメチル−1,4−ジアゾビシクロ(2、2、
    2)オクタン、 ピロリジン、 n−プロピルアミン(n−C3 7 NH2)、 メチルキヌクリジン、 の少なくとも一種のものである請求項1記載の気体分離
    の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記無機材料組成物における酸が塩酸で
    あり、その添加量が水1に対して1/105 〜1/10
    である請求項1〜のいずれかに記載の気体分離膜の製
    造方法。
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