JP4204270B2 - Ｄｄｒ型ゼオライト膜の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法に係り、更に詳しくは、工業的にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゼオライトは、触媒、触媒担体、吸着材等として利用されており、また、金属やセラミックスからなる多孔質基体上に成膜されたゼオライト積層複合体は、ゼオライトの分子篩作用を利用し、ガス分離膜や浸透気化膜に用いられるようになってきている。このような状況に伴い、種々の多孔質基体を用いたゼオライト複合体及びその製造方法が提案されている。
【０００３】
ゼオライトは、その結晶構造により、ＬＴＡ、ＭＦＩ、ＭＯＲ、ＡＦＩ、ＦＥＲ、ＦＡＵ、ＤＤＲといった数多くの種類が存在する。これらの中でＤＤＲ（Ｄｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒ）は、主成分がシリカからなる結晶であり、その細孔は酸素８員環を含む多面体によって形成されているとともに、酸素８員環の細孔径は４．４×３．６オングストロームであることが知られている（W. M. Meier, D. H. Olson, Ch. Baerlocher, Atlas of zeolite structure types, Elsevier(1996)参照。）。
【０００４】
このような構造上の特徴を有するＤＤＲ型ゼオライトは、ゼオライトの中では比較的細孔径が小さいものであり、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）といった低分子ガスの分子篩膜として適用できる可能性を有する。
【０００５】
ところで、このようなＤＤＲ型ゼオライトの製造方法に関しては、従来、極めて提案が少ない状況にある。粉末合成に対しては数例の提案がされているが、特に、膜の合成については提案例がない状況にある。このように少ない提案の一つである粉末合成の具体的な関連技術としては、例えば、M. J. den Exter, J. C. Jansen, H. van Bekkum, Studies in Surface Science and Catalysis vol.84, Ed. by J. Weitkamp et al., Elsevier (1994)1159-1166において、テトラメトキシシラン、１−アダマンタンアミン、エチレンジアミン等を原料として使用し、水熱合成によりＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造する方法によれば、１６０℃のオートクレーブを使用する水熱合成を２５日間もの長期間に渡って実施する必要があり、また、原料溶液を常時攪拌しておかなければならない等、簡便な方法とはいえない。
【０００７】
更に、この製造方法によっては結晶サイズが５〜２５μｍ程度である粉末状のＤＤＲ型ゼオライトしか得ることができず、従って、例えば石油化学工業等の産業分野において、ガス分離プロセス等を構成するために充分な膜厚を有する緻密な分離膜等を製造することはできない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、工業的なガス分離プロセス等にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０３〜０．４、水と前記シリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２０〜５００、更にエチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で５〜３２である原料溶液と、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末とを用いて、１３０〜２００℃で水熱合成することによりＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することを特徴とするＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明においては、原料溶液の、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０５〜０．２５、水とシリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２８〜２２０、更にエチレンジアミンと１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で８〜２４であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明においては、１−アダマンタンアミンをエチレンジアミンに溶解して１−アダマンタンアミン溶液を調製し、次いで、１−アダマンタンアミン溶液と、シリカを含むシリカゾル溶液とを混合して原料溶液調製することが好ましい。
【００１３】
本発明においては、原料溶液に、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させることが好ましく、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが好ましい。
【００１４】
また、本発明においては、多孔質基体上に、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させ、原料溶液と多孔質基体を接触させて、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが好ましい。
【００１５】
なお、本発明においては、多孔質基体上に形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚が、０．１〜５０μｍであることが好ましく、多孔質基体の形状が、板状、筒状、ハニカム形状、又は、複数の筒状管を一体化してなるモノリス形状のいずれかであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１７】
本発明は、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法であり、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０３〜０．４、水とシリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２０〜５００、更にエチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で５〜３２である原料溶液と、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末とを用いて、１３０〜２００℃で水熱合成することによりＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することを特徴とするＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法である。以下、その詳細について説明する。なお、以降、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（モル比率）については「１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比」と、水とシリカとの含有割合（モル比率）については「水／ＳｉＯ2比」と、エチレンジアミンと１−アダマンタンアミンとの含有割合（モル比率）については「エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比」と記す。
【００１８】
本発明では、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するための鋳型剤として１−アダマンタンアミンを用いる。まず、１−アダマンタンアミンとシリカゾル、水、エチレンジアミン、その他要すれば添加剤を使用して原料溶液を調製する。例えば、添加剤として微量のアルミン酸ナトリウムを使用すると、ＤＤＲ型ゼオライト膜を構成するＳｉの一部をＡｌで置換することもできる。このように置換することにより、形成されるＤＤＲ型ゼオライト膜に分離機能に加えて触媒作用等を付加することも可能である。原料溶液の調製に際して、本発明では、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及びエチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を厳密に調整する。
【００１９】
１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比を０．０３未満とした場合には、鋳型剤の１−アダマンタンアミンが不足してＤＤＲ型ゼオライト膜を形成し難くなるために好ましくない。一方、０．４超とした場合には、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することは可能ではあるが、１−アダマンタンアミンが鋳型剤として作用するためには充分な添加量であるとともに、高価な１−アダマンタンアミンをこれ以上多量に添加することは製造コスト面において好ましくない。
【００２０】
なお、製造コストを考慮しつつＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するといった観点からは、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比を０．０５〜０．２５とすることが好ましく、０．０５〜０．１２とすることが更に好ましい。
【００２１】
水／ＳｉＯ2比を２０未満とした場合には、原料溶液のＳｉＯ2濃度が高すぎるために緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが困難となるために好ましくなく、一方、５００超とした場合には、原料溶液のＳｉＯ2濃度が低すぎるためにＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができなくなるために好ましくない。なお、緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するといった観点からは、水／ＳｉＯ2比を２８〜２２０とすることが好ましく、２８〜１２０とすることが更に好ましい。
【００２２】
１−アダマンタンアミンは常温で固体の化合物であり、原料溶液の調製に際してはこれを完全に溶解して均一とすることが困難な場合もある。１−アダマンタンアミンが溶け残った状態の原料溶液を用いた場合には、均一な結晶サイズ、膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが困難となる場合もある。従って、エチレンジアミンを添加して原料溶液を調製することにより、１−アダマンタンアミンを容易に溶解することが可能となり、均一な結晶サイズ、膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。
【００２３】
エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を５未満とした場合には、１−アダマンタンアミンを溶かし易くするための量としては不充分であり、３２超とした場合には、反応に寄与しないエチレンジアミンが過剰となり製造コストがかかるために好ましくない。なお、１−アダマンタンアミンを容易に溶解し、かつ、均一な結晶サイズ、膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造するといった観点からは、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を８〜２４とすることが好ましく、１０〜１６とすることが更に好ましい。
【００２４】
また、本発明においては、１−アダマンタンアミンを予めエチレンジアミンに溶解することにより１−アダマンタンアミン溶液を調製する。このように調製した１−アダマンタンアミン溶液と、シリカを含むシリカゾル溶液とを混合して調製した原料溶液を用いることが、より簡便かつ完全に１−アダマンタンアミンを溶解し、均一な結晶サイズ、膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能となるために好ましい。なお、シリカゾル溶液は、微粉末状シリカを水に溶解すること、又は、アルコキシドを加水分解することにより調製することができるが、シリカゾル市販品のシリカ濃度を調整して用いることもできる。
【００２５】
本発明では、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造に際してＤＤＲ型ゼオライト粉末を使用するが、調製した原料溶液にＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散することが好ましい。このＤＤＲ型ゼオライト粉末は種結晶となり得るものであり、これを核として結晶が成長する。このため、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成が速められ、また、緻密化が容易となる。原料溶液にＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させる方法としては、一般的な攪拌方法を採用すればよいが、超音波処理等の方法を採用してもよく、均一に分散させることにより、より緻密で均一な膜厚のＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができる。
【００２６】
種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させた原料溶液を適当な容器、例えば耐圧容器等に、膜を形成するための適当な支持材とともに入れて水熱合成することにより、ＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能である。
【００２７】
本発明においては、水熱合成に際しての温度条件を１３０〜２００℃とすることが必要であり、１４０〜１８０℃とすることが好ましく、１５０〜１６０℃とすることが特に好ましい。１３０℃未満で水熱合成を行った場合には、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成し難く、一方、２００℃超で水熱合成を行った場合には、異相のＤＯＨ相が形成されてしまう。
【００２８】
また、水熱合成に際しての処理時間は、１〜１０日間であればよい。従って、本発明によれば、従来のＤＤＲ型ゼオライトの製造方法と比較しても極めて短時間で、また、自立膜として充分な膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。なお、形成されるＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚は０．１〜５０μｍであればよく、更には１〜２５μｍであることが好ましい。
【００２９】
また、本発明においては、水熱合成に際してＤＤＲ型ゼオライト膜が形成される支持材として多孔質基体を使用することにより、この多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することも可能である。多孔質基体は、三次元的に連続した多数の細孔を有するものであり、このため気体の透過性を有する。ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成する側における多孔質基体の細孔径は、０．００３〜１０μｍが好ましい。細孔径が０．００３μｍ以下では気体が透過する時の抵抗が大きくなり過ぎ、また、１０μｍを超えるとＤＤＲ型ゼオライト膜に欠陥が生じ易くなるためである。なお、本発明においては、アルミナ、ジルコニア、若しくはムライト等を始めとするセラミックス、又はガラス、ゼオライト、粘土、金属、若しくは炭素等を原材料とする多孔質基体を好適に用いることができる。細孔径と強度の面から、アルミナ質の多孔質基体が好ましい。更に、多孔質基体の形状としては、板状、筒状、ハニカム形状、又は、複数の筒状管を一体化してなるモノリス形状等を好適例として挙げることができる。なお、本発明にいう「モノリス形状」とは、複数の筒状管を配置し一体化してなるものであって、軸方向に複数の連通孔を有し、その断面が例えば蓮根状になっているものをいう。
【００３０】
一方、本発明においては、原料溶液に、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させることに代えて、予め多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させておき、このＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させた多孔質基体と原料溶液を接触させ、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することも、均一な膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができるために好ましい。
【００３１】
ここで、「多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させる」とは、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を多孔質基体のＤＤＲ型ゼオライト膜が形成されるべき表面上に接して配されている状態とすることであり、強固に接着されている必要はない。更に、「多孔質基体と原料溶液を接触させる」とは、種結晶となるＤＤＲゼオライト粉末が配されている多孔質基体の表面と、原料溶液とを接触させることをいう。従って、ＤＤＲゼオライト粉末と原料溶液が実質的に接触することとなる。また、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を多孔質基体上に付着させるためには、例えば、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を水に分散させ、適当な濃度の分散液を調製し、この適当な量を多孔質基体のＤＤＲ型ゼオライト膜が形成されるべき面に塗布すればよい。塗布方法としては、滴下法、ディップ法、スピンコート法、印刷法等を目的に応じて選択できる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（ＤＤＲ型ゼオライト粉末（種結晶）の製造）
M. J. den Exter, J. C. Jansen, H. van Bekkum, Studies in Surface Science and Catalysis vol.84, Ed. by J. Weitkamp et al., Elsevier(1994)1159-1166に記載のＤＤＲ型ゼオライトを製造する方法に従って、粒径が約１００μｍであるＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造した。これを５μｍ以下の微粉末に粉砕し種結晶として使用した。
【００３４】
（実施例１）
フッ素樹脂製の１００ｍｌ広口瓶に１．８０ｇのエチレンジアミン（和光純薬工業(株)製）を入れた後、０．５７ｇの１−アダマンタンアミン（片山化学工業(株)製）を加え、１−アダマンタンアミンの沈殿が残らないように溶解した。別のビーカーに７３．４５ｇの水を入れ、３．０ｇの３０質量％シリカゾル（スノーテックスＳ、日産化学(株)製）を加えて軽く攪拌した後、これをエチレンジアミンと１−アダマンタンアミンを混ぜておいた広口瓶に加えて強く振り混ぜ、原料溶液を調製した。このとき、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比は０．２５、水／ＳｉＯ2比は２８０、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比は８であった。
【００３５】
原料溶液を入れた広口瓶をシェーカーにセットし、５００ｒｐｍで更に１時間振り混ぜた。次いで、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末の０．１ｍｇを種結晶として添加し、６５℃に保ちながら５分間に渡って超音波処理することにより分散させた。その後、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させた原料溶液を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器に移し、成膜用の支持台となる直径３５ｍｍφ×厚さ１０ｍｍのフッ素樹脂製の円盤を容器の底に沈め、１６０℃で５日間、加熱処理（水熱合成）を行った。加熱処理後、フッ素樹脂製の円盤を取り出したところ、この円盤上に自立膜が形成されていた。この膜を円盤から剥離し、水洗、乾燥した後、大気中、電気炉で０．１℃／ｍｉｎの速度で８００℃まで昇温して４時間保持後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。
【００３６】
次に、得られた膜の結晶相をＸ線回折で調べることにより結晶相の評価を行ったところ、ＤＤＲ型ゼオライトの回折ピークのみが検出された。また、これを電子顕微鏡で観察したところ、厚さが７５μｍ、多結晶からなる膜であることが判明し、ＤＤＲ型ゼオライトの自立膜であることを確認できた。
【００３７】
なお、Ｘ線回折における「ＤＤＲ型ゼオライトの回折ピーク」とは、International Center for Diffraction Data (ICDD) 「Powder Diffraction File」に示されるＤｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒに対応するＮｏ．３８−６５１、又は４１−５７１に記載される回折ピークである。また、ゼオライトの結晶相は、Ｘ線回折において、２０〜３０゜（ＣｕＫα）の領域にかけてブロードなハローのみで明確なピークを確認できない場合を非晶質、僅かでもＤＤＲ型ゼオライトのピークが認められた場合を結晶化途上、また、ＤＤＲ型ゼオライトを示すピークが明瞭に認められ、ハローがない場合を完全結晶として評価した。
【００３８】
（実施例２〜１２、比較例１〜３）
原料溶液の組成比、熱処理条件を変えること以外は、実施例１と同様の操作を行い、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。得られた膜の評価は、実施例１の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及び、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表１に示す。
【００３９】
（比較例４）
種結晶であるＤＤＲ型ゼオライト粉末を用いないこと以外は、実施例１と同様の操作を行い、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、ＤＤＲ型ゼオライト粉末が生成したが、ＤＤＲ型ゼオライト膜は形成されなかった（表１）。なお、表１においては、種結晶（ＤＤＲ型ゼオライト粉末）を用いた場合を「有」、種結晶を用いなかった場合を「無」と表記した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
（実施例１３）
１．５０ｇのエチレンジアミン、０．４７ｇの１−アダマンタンアミン、２．５０ｇの３０質量％シリカゾル、４８．７０ｇの水を用いること以外は、実施例１と同様の操作を行い、原料溶液を調製した。このとき、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比は０．２５、水／ＳｉＯ2比は２２０、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比は８であった。
【００４２】
多孔質基体として、平均細孔径が０．６μｍであるアルミナ多孔体（日本碍子(株)製）を、直径１５ｍｍφ×厚さ１．５ｍｍの円盤状に加工した多孔質基体を用意した。この多孔質基体に、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末を種結晶とし、これを水に加えて濃度が１ｍｇ／ｍｌの分散液を調製し、これを多孔質基体の片面に一滴塗布した。この多孔質基体を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に垂直に立て、原料溶液に水没させた状態とした。この耐圧容器を内温１５０℃に調整した振とう装置付き乾燥機に入れ、耐圧容器を毎分９０回振とうした状態で５日間、加熱処理（水熱合成）を行った。加熱処理後、多孔質基体を取り出したところ、この多孔質基体上に膜が形成されていた。この多孔質基体を水洗、乾燥した後、大気中、電気炉で８００℃まで０．１℃／ｍｉｎの速度で昇温して４時間保持後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。
【００４３】
次に、得られた多孔質基体上の膜の結晶相をＸ線回折で調べることにより結晶相の評価を行ったところ、ＤＤＲ型ゼオライトと多孔質基体の回折ピークが検出され、ＤＤＲ型ゼオライト膜であることが分かった。また、これを電子顕微鏡で観察したところ、厚さが１０μｍの緻密な膜が多孔質基体上に形成されていることが判明し、ＤＤＲ型ゼオライト膜を多孔質基体上に形成可能であることを確認できた。なお、図１、２は実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真であり、図１は膜の断面、図２は膜の表面における結晶構造を示す。
【００４４】
（実施例１４〜２６）
原料溶液の組成比、熱処理条件を変えること以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。形成された膜の評価は、実施例１３の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及び、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】
（実施例２７）
耐圧容器の振とうを行わないこと以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、膜厚が５μｍのＤＤＲ型ゼオライト膜が多孔質基体上に形成されていることが判明した。
【００４７】
（実施例２８）
ＤＤＲ型ゼオライト粉末を含む分散液を多孔質基体の片面に塗布せず、実施例１の場合と同様の操作により原料溶液に種結晶を分散させて用いること以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、膜厚が８μｍのＤＤＲ型ゼオライト膜が多孔質基体上に形成されていることが判明した。
【００４８】
（実施例２９〜３６）
表３に示す組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）となるように各原料を混合して原料溶液を調製した。また、多孔質基体として、平均細孔径が０．６μｍであるアルミナ多孔体（日本碍子(株)製）を、円筒状に加工したもの（外径１７ｍｍφ・内径１２ｍｍφ×長さ４０ｍｍ）を用意した。また、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末を種結晶とし、これを水に加えて濃度が１ｍｇ／ｍｌの分散液を調製し、この分散液に多孔質基体をディッピングした後、８０℃で乾燥して、多孔質基体の表面にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させた。
【００４９】
この多孔質基体を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に垂直に立てて原料溶液に水没させた状態とし、原料溶液を多孔質基体の細孔内に含浸させるための減圧脱泡処理を行った。次いで、表３に示す熱処理条件で水熱合成を実施して、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成した。形成された膜の評価は、実施例１３の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表３に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
（ガス透過試験▲１▼）
実施例１で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜を用いてガス透過試験を行った。図３は、ガス透過試験に使用するガス透過試験装置の構成を説明する模式図であり、ジルコニア製の測定管１（内径１５ｍｍφ）の先端部に、形状加工したＤＤＲ型ゼオライト膜２を取り付け、これを管状炉３の炉芯管４（内径２５ｍｍφ）に入れ、測定管１の内側に内径６ｍｍφの石英管５をＤＤＲ型ゼオライト膜２の近傍まで通して三重管構造とした状態を示している。測定管１の外側（炉芯管４の内側）には、室温にて窒素ガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）でバブリングさせ、オルト、パラ、メタの各異性体を等モル混合したキシレンを試験ガスとして導入し、測定管１の内側の石英管５にはＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを回収するための窒素ガス（スイープガス、５０ｍｌ／ｍｉｎ）を流した。この状態で管状炉３を試験温度（１００℃）に昇温し、１時間以上放置して定常状態とした。ＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを含む回収ガスを分取し、ガスクロマトグラフにて分析を行い、キシレンガスの透過率（ｎｍｏｌ・ｍ-2・ｓ-1・Ｐａ-1）を評価した。
【００５２】
また、キシレン以外に、メタン（ＣＨ4）及び二酸化炭素（ＣＯ2）を用いて透過試験を行った。これらの試験ガスは常温で気体であるため、炉芯管４のガス導入口１３へ直接導入した。試験結果を表４、図４に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
（混合ガス透過試験）
実施例１で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜について、図３に示すガス透過試験装置１０を使用し、前述の「ガス透過試験▲１▼」と同様の操作により、メタン（ＣＨ4）、エチルメルカプタン（Ｃ2Ｈ5ＳＨ）、ジメチルサルファイド（（ＣＨ3）2Ｓ）、ターシャリーブチルメルカプタン（（ＣＨ3）3ＣＳＨ）の４種類の混合ガス（主成分はメタンで、他の成分は１０００ｐｐｍの混合ガス）の透過試験を行った。なお、試験温度は２００℃とした。試験結果を表５、図５に示す。
【００５５】
【表５】
【００５６】
（ガス透過試験▲２▼）
実施例２９で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜について、前述の「ガス透過試験▲１▼」の場合と同様に、図３に示すガス透過試験装置を使用してガス透過試験を行った。アルミナ製の測定管１（外径１７ｍｍφ、内径１３ｍｍφ）の先端部に、一方の開口端部をアルミナ板で塞いだ円筒形状のＤＤＲ型ゼオライト膜２を取り付けた。これを管状炉３の炉芯管４（内径２５ｍｍφ）に入れ、測定管１の内側に外径６ｍｍφ内径４ｍｍφの石英管５をＤＤＲ型ゼオライト膜２の内部まで通して三重管構造とした。測定管１の外側（炉芯管４の内側）には、メタンと二酸化炭素を等モル混合した試験ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）をガス導入口１３から導入し、測定管１の内側の石英管５にはＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを回収するためのヘリウムガス（スイープガス、２００ｍｌ／ｍｉｎ）を流した。この状態で管状炉３を試験温度（１００℃）に昇温し、１時間以上放置して定常状態とした。ＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを含む回収ガスを分取し、ガスクロマトグラフにて分析を行い、メタンと二酸化炭素の透過率（ｎｍｏｌ・ｍ-2・ｓ-1・Ｐａ-1）を評価するとともに、分離係数（二酸化炭素／メタン）を求めた。この結果、二酸化炭素／メタンの分離係数は９０であった。
【００５７】
（考察）
表１〜３に示す結果から明らかな通り、原料溶液の組成を、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比に関しては０．０３〜０．４の範囲内、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比に関しては５〜３２の範囲内に調整すると、自立膜として充分な厚みを有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能であると判明した。なお、水／ＳｉＯ2比に関しても２０〜５００の範囲内とすれば、ＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。また、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成できることも分かった。
【００５８】
水熱合成に際しての熱処理の条件に関しても、温度については１３０〜２００℃、時間については１０日以内という短期間で、充分な膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。
【００５９】
また、表３に示す結果から明らかな通り、多孔質基体の形状を円筒状とした場合であっても、この表面上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができることが分かる。更に、このＤＤＲ型ゼオライト膜は、二酸化炭素／メタン混合ガスについて優れた分離能（二酸化炭素／メタンの分離係数＝９０）を示すものであることが判明した。
【００６０】
また、表４と図４に示す結果から明らかな通り、キシレンはＤＤＲ型ゼオライト膜をほとんど透過しなかったが、二酸化炭素及びメタンは透過し、二酸化炭素はメタンの約２０倍の透過率を示すことが判明した。これは、ＤＤＲ型ゼオライト膜の細孔径と、試験ガスの分子径とに依存すると考えられる。
【００６１】
更に、表５と図５に示す結果から明らかな通り、混合ガスを構成するガスの内、比較的分子径の小さいメタン、エチルメルカプタンに比して、比較的分子径の大きいジメチルサルファイド、ターシャリーブチルメルカプタンの透過率が小さいことが判明した。即ち、得られたＤＤＲ型ゼオライト膜は、ジメチルサルファイドやターシャリーブチルメルカプタンと、メタンとの分離能が優れるため、例えばジメチルサルファイドとメタンとの混合ガス、又はターシャリーブチルメルカプタンとメタンとの混合ガス等の分離に用いることが可能であると考えられる。
【００６２】
従って、上記ガス透過試験及び混合ガス透過試験の結果から、本発明の製造方法により製造したＤＤＲ型ゼオライト膜の分子篩作用、及びその有用性を確認することができた。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法によれば、鋳型剤である１−アダマンタンアミンを始めとする各原料を所定の組成比率とした原料溶液、及び、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を用いて水熱合成するため、工業的なガス分離プロセス等にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造することが可能である。なお、本発明の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト膜は、例えば、石油化学工業において触媒等と組み合わせることにより、種々の物質分離に用いられる分離膜やメンブレンリアクターとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の断面の電子顕微鏡写真である。
【図２】 実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の表面の電子顕微鏡写真である。
【図３】 ガス透過試験▲１▼、▲２▼に使用するガス透過試験装置の構成を説明する模式図である。
【図４】 ガス透過試験▲１▼における透過ガスの透過率を示す棒グラフである。
【図５】 混合ガス透過試験における透過ガスの透過率を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１…測定管、２…ＤＤＲ型ゼオライト膜、３…管状炉、４…炉芯管、５…石英管、６…キシレン、１０…ガス透過試験装置、１１…バブラー、１２…バルブ、１３…ガス導入口。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法に係り、更に詳しくは、工業的にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゼオライトは、触媒、触媒担体、吸着材等として利用されており、また、金属やセラミックスからなる多孔質基体上に成膜されたゼオライト積層複合体は、ゼオライトの分子篩作用を利用し、ガス分離膜や浸透気化膜に用いられるようになってきている。このような状況に伴い、種々の多孔質基体を用いたゼオライト複合体及びその製造方法が提案されている。
【０００３】
ゼオライトは、その結晶構造により、ＬＴＡ、ＭＦＩ、ＭＯＲ、ＡＦＩ、ＦＥＲ、ＦＡＵ、ＤＤＲといった数多くの種類が存在する。これらの中でＤＤＲ（Ｄｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒ）は、主成分がシリカからなる結晶であり、その細孔は酸素８員環を含む多面体によって形成されているとともに、酸素８員環の細孔径は４．４×３．６オングストロームであることが知られている（W. M. Meier, D. H. Olson, Ch. Baerlocher, Atlas of zeolite structure types, Elsevier(1996)参照。）。
【０００４】
このような構造上の特徴を有するＤＤＲ型ゼオライトは、ゼオライトの中では比較的細孔径が小さいものであり、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）といった低分子ガスの分子篩膜として適用できる可能性を有する。
【０００５】
ところで、このようなＤＤＲ型ゼオライトの製造方法に関しては、従来、極めて提案が少ない状況にある。粉末合成に対しては数例の提案がされているが、特に、膜の合成については提案例がない状況にある。このように少ない提案の一つである粉末合成の具体的な関連技術としては、例えば、M. J. den Exter, J. C. Jansen, H. van Bekkum, Studies in Surface Science and Catalysis vol.84, Ed. by J. Weitkamp et al., Elsevier (1994)1159-1166において、テトラメトキシシラン、１−アダマンタンアミン、エチレンジアミン等を原料として使用し、水熱合成によりＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造する方法によれば、１６０℃のオートクレーブを使用する水熱合成を２５日間もの長期間に渡って実施する必要があり、また、原料溶液を常時攪拌しておかなければならない等、簡便な方法とはいえない。
【０００７】
更に、この製造方法によっては結晶サイズが５〜２５μｍ程度である粉末状のＤＤＲ型ゼオライトしか得ることができず、従って、例えば石油化学工業等の産業分野において、ガス分離プロセス等を構成するために充分な膜厚を有する緻密な分離膜等を製造することはできない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、工業的なガス分離プロセス等にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０３〜０．４、水と前記シリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２０〜５００、更にエチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で５〜３２である原料溶液と、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末とを用いて、１３０〜２００℃で水熱合成することによりＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することを特徴とするＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明においては、原料溶液の、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０５〜０．２５、水とシリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２８〜２２０、更にエチレンジアミンと１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で８〜２４であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明においては、１−アダマンタンアミンをエチレンジアミンに溶解して１−アダマンタンアミン溶液を調製し、次いで、１−アダマンタンアミン溶液と、シリカを含むシリカゾル溶液とを混合して原料溶液調製することが好ましい。
【００１３】
本発明においては、原料溶液に、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させることが好ましく、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが好ましい。
【００１４】
また、本発明においては、多孔質基体上に、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させ、原料溶液と多孔質基体を接触させて、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが好ましい。
【００１５】
なお、本発明においては、多孔質基体上に形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚が、０．１〜５０μｍであることが好ましく、多孔質基体の形状が、板状、筒状、ハニカム形状、又は、複数の筒状管を一体化してなるモノリス形状のいずれかであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１７】
本発明は、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法であり、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０３〜０．４、水とシリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２０〜５００、更にエチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で５〜３２である原料溶液と、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末とを用いて、１３０〜２００℃で水熱合成することによりＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することを特徴とするＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法である。以下、その詳細について説明する。なお、以降、１−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（モル比率）については「１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比」と、水とシリカとの含有割合（モル比率）については「水／ＳｉＯ2比」と、エチレンジアミンと１−アダマンタンアミンとの含有割合（モル比率）については「エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比」と記す。
【００１８】
本発明では、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するための鋳型剤として１−アダマンタンアミンを用いる。まず、１−アダマンタンアミンとシリカゾル、水、エチレンジアミン、その他要すれば添加剤を使用して原料溶液を調製する。例えば、添加剤として微量のアルミン酸ナトリウムを使用すると、ＤＤＲ型ゼオライト膜を構成するＳｉの一部をＡｌで置換することもできる。このように置換することにより、形成されるＤＤＲ型ゼオライト膜に分離機能に加えて触媒作用等を付加することも可能である。原料溶液の調製に際して、本発明では、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及びエチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を厳密に調整する。
【００１９】
１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比を０．０３未満とした場合には、鋳型剤の１−アダマンタンアミンが不足してＤＤＲ型ゼオライト膜を形成し難くなるために好ましくない。一方、０．４超とした場合には、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することは可能ではあるが、１−アダマンタンアミンが鋳型剤として作用するためには充分な添加量であるとともに、高価な１−アダマンタンアミンをこれ以上多量に添加することは製造コスト面において好ましくない。
【００２０】
なお、製造コストを考慮しつつＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するといった観点からは、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比を０．０５〜０．２５とすることが好ましく、０．０５〜０．１２とすることが更に好ましい。
【００２１】
水／ＳｉＯ2比を２０未満とした場合には、原料溶液のＳｉＯ2濃度が高すぎるために緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することが困難となるために好ましくなく、一方、５００超とした場合には、原料溶液のＳｉＯ2濃度が低すぎるためにＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができなくなるために好ましくない。なお、緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成するといった観点からは、水／ＳｉＯ2比を２８〜２２０とすることが好ましく、２８〜１２０とすることが更に好ましい。
【００２２】
１−アダマンタンアミンは常温で固体の化合物であり、原料溶液の調製に際してはこれを完全に溶解して均一とすることが困難な場合もある。１−アダマンタンアミンが溶け残った状態の原料溶液を用いた場合には、均一な結晶サイズ、膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが困難となる場合もある。従って、エチレンジアミンを添加して原料溶液を調製することにより、１−アダマンタンアミンを容易に溶解することが可能となり、均一な結晶サイズ、膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。
【００２３】
エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を５未満とした場合には、１−アダマンタンアミンを溶かし易くするための量としては不充分であり、３２超とした場合には、反応に寄与しないエチレンジアミンが過剰となり製造コストがかかるために好ましくない。なお、１−アダマンタンアミンを容易に溶解し、かつ、均一な結晶サイズ、膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造するといった観点からは、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比を８〜２４とすることが好ましく、１０〜１６とすることが更に好ましい。
【００２４】
また、本発明においては、１−アダマンタンアミンを予めエチレンジアミンに溶解することにより１−アダマンタンアミン溶液を調製する。このように調製した１−アダマンタンアミン溶液と、シリカを含むシリカゾル溶液とを混合して調製した原料溶液を用いることが、より簡便かつ完全に１−アダマンタンアミンを溶解し、均一な結晶サイズ、膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能となるために好ましい。なお、シリカゾル溶液は、微粉末状シリカを水に溶解すること、又は、アルコキシドを加水分解することにより調製することができるが、シリカゾル市販品のシリカ濃度を調整して用いることもできる。
【００２５】
本発明では、ＤＤＲ型ゼオライト膜の製造に際してＤＤＲ型ゼオライト粉末を使用するが、調製した原料溶液にＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散することが好ましい。このＤＤＲ型ゼオライト粉末は種結晶となり得るものであり、これを核として結晶が成長する。このため、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成が速められ、また、緻密化が容易となる。原料溶液にＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させる方法としては、一般的な攪拌方法を採用すればよいが、超音波処理等の方法を採用してもよく、均一に分散させることにより、より緻密で均一な膜厚のＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができる。
【００２６】
種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させた原料溶液を適当な容器、例えば耐圧容器等に、膜を形成するための適当な支持材とともに入れて水熱合成することにより、ＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能である。
【００２７】
本発明においては、水熱合成に際しての温度条件を１３０〜２００℃とすることが必要であり、１４０〜１８０℃とすることが好ましく、１５０〜１６０℃とすることが特に好ましい。１３０℃未満で水熱合成を行った場合には、ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成し難く、一方、２００℃超で水熱合成を行った場合には、異相のＤＯＨ相が形成されてしまう。
【００２８】
また、水熱合成に際しての処理時間は、１〜１０日間であればよい。従って、本発明によれば、従来のＤＤＲ型ゼオライトの製造方法と比較しても極めて短時間で、また、自立膜として充分な膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。なお、形成されるＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚は０．１〜５０μｍであればよく、更には１〜２５μｍであることが好ましい。
【００２９】
また、本発明においては、水熱合成に際してＤＤＲ型ゼオライト膜が形成される支持材として多孔質基体を使用することにより、この多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することも可能である。多孔質基体は、三次元的に連続した多数の細孔を有するものであり、このため気体の透過性を有する。ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成する側における多孔質基体の細孔径は、０．００３〜１０μｍが好ましい。細孔径が０．００３μｍ以下では気体が透過する時の抵抗が大きくなり過ぎ、また、１０μｍを超えるとＤＤＲ型ゼオライト膜に欠陥が生じ易くなるためである。なお、本発明においては、アルミナ、ジルコニア、若しくはムライト等を始めとするセラミックス、又はガラス、ゼオライト、粘土、金属、若しくは炭素等を原材料とする多孔質基体を好適に用いることができる。細孔径と強度の面から、アルミナ質の多孔質基体が好ましい。更に、多孔質基体の形状としては、板状、筒状、ハニカム形状、又は、複数の筒状管を一体化してなるモノリス形状等を好適例として挙げることができる。なお、本発明にいう「モノリス形状」とは、複数の筒状管を配置し一体化してなるものであって、軸方向に複数の連通孔を有し、その断面が例えば蓮根状になっているものをいう。
【００３０】
一方、本発明においては、原料溶液に、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させることに代えて、予め多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させておき、このＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させた多孔質基体と原料溶液を接触させ、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することも、均一な膜厚を有する緻密なＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができるために好ましい。
【００３１】
ここで、「多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させる」とは、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を多孔質基体のＤＤＲ型ゼオライト膜が形成されるべき表面上に接して配されている状態とすることであり、強固に接着されている必要はない。更に、「多孔質基体と原料溶液を接触させる」とは、種結晶となるＤＤＲゼオライト粉末が配されている多孔質基体の表面と、原料溶液とを接触させることをいう。従って、ＤＤＲゼオライト粉末と原料溶液が実質的に接触することとなる。また、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を多孔質基体上に付着させるためには、例えば、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を水に分散させ、適当な濃度の分散液を調製し、この適当な量を多孔質基体のＤＤＲ型ゼオライト膜が形成されるべき面に塗布すればよい。塗布方法としては、滴下法、ディップ法、スピンコート法、印刷法等を目的に応じて選択できる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（ＤＤＲ型ゼオライト粉末（種結晶）の製造）
M. J. den Exter, J. C. Jansen, H. van Bekkum, Studies in Surface Science and Catalysis vol.84, Ed. by J. Weitkamp et al., Elsevier(1994)1159-1166に記載のＤＤＲ型ゼオライトを製造する方法に従って、粒径が約１００μｍであるＤＤＲ型ゼオライト粉末を製造した。これを５μｍ以下の微粉末に粉砕し種結晶として使用した。
【００３４】
（実施例１）
フッ素樹脂製の１００ｍｌ広口瓶に１．８０ｇのエチレンジアミン（和光純薬工業(株)製）を入れた後、０．５７ｇの１−アダマンタンアミン（片山化学工業(株)製）を加え、１−アダマンタンアミンの沈殿が残らないように溶解した。別のビーカーに７３．４５ｇの水を入れ、３．０ｇの３０質量％シリカゾル（スノーテックスＳ、日産化学(株)製）を加えて軽く攪拌した後、これをエチレンジアミンと１−アダマンタンアミンを混ぜておいた広口瓶に加えて強く振り混ぜ、原料溶液を調製した。このとき、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比は０．２５、水／ＳｉＯ2比は２８０、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比は８であった。
【００３５】
原料溶液を入れた広口瓶をシェーカーにセットし、５００ｒｐｍで更に１時間振り混ぜた。次いで、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末の０．１ｍｇを種結晶として添加し、６５℃に保ちながら５分間に渡って超音波処理することにより分散させた。その後、ＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させた原料溶液を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器に移し、成膜用の支持台となる直径３５ｍｍφ×厚さ１０ｍｍのフッ素樹脂製の円盤を容器の底に沈め、１６０℃で５日間、加熱処理（水熱合成）を行った。加熱処理後、フッ素樹脂製の円盤を取り出したところ、この円盤上に自立膜が形成されていた。この膜を円盤から剥離し、水洗、乾燥した後、大気中、電気炉で０．１℃／ｍｉｎの速度で８００℃まで昇温して４時間保持後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。
【００３６】
次に、得られた膜の結晶相をＸ線回折で調べることにより結晶相の評価を行ったところ、ＤＤＲ型ゼオライトの回折ピークのみが検出された。また、これを電子顕微鏡で観察したところ、厚さが７５μｍ、多結晶からなる膜であることが判明し、ＤＤＲ型ゼオライトの自立膜であることを確認できた。
【００３７】
なお、Ｘ線回折における「ＤＤＲ型ゼオライトの回折ピーク」とは、International Center for Diffraction Data (ICDD) 「Powder Diffraction File」に示されるＤｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒに対応するＮｏ．３８−６５１、又は４１−５７１に記載される回折ピークである。また、ゼオライトの結晶相は、Ｘ線回折において、２０〜３０゜（ＣｕＫα）の領域にかけてブロードなハローのみで明確なピークを確認できない場合を非晶質、僅かでもＤＤＲ型ゼオライトのピークが認められた場合を結晶化途上、また、ＤＤＲ型ゼオライトを示すピークが明瞭に認められ、ハローがない場合を完全結晶として評価した。
【００３８】
（実施例２〜１２、比較例１〜３）
原料溶液の組成比、熱処理条件を変えること以外は、実施例１と同様の操作を行い、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。得られた膜の評価は、実施例１の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及び、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表１に示す。
【００３９】
（比較例４）
種結晶であるＤＤＲ型ゼオライト粉末を用いないこと以外は、実施例１と同様の操作を行い、ＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、ＤＤＲ型ゼオライト粉末が生成したが、ＤＤＲ型ゼオライト膜は形成されなかった（表１）。なお、表１においては、種結晶（ＤＤＲ型ゼオライト粉末）を用いた場合を「有」、種結晶を用いなかった場合を「無」と表記した。
【００４０】
【表１】
（実施例１３）
１．５０ｇのエチレンジアミン、０．４７ｇの１−アダマンタンアミン、２．５０ｇの３０質量％シリカゾル、４８．７０ｇの水を用いること以外は、実施例１と同様の操作を行い、原料溶液を調製した。このとき、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比は０．２５、水／ＳｉＯ2比は２２０、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比は８であった。
【００４２】
多孔質基体として、平均細孔径が０．６μｍであるアルミナ多孔体（日本碍子(株)製）を、直径１５ｍｍφ×厚さ１．５ｍｍの円盤状に加工した多孔質基体を用意した。この多孔質基体に、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末を種結晶とし、これを水に加えて濃度が１ｍｇ／ｍｌの分散液を調製し、これを多孔質基体の片面に一滴塗布した。この多孔質基体を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に垂直に立て、原料溶液に水没させた状態とした。この耐圧容器を内温１５０℃に調整した振とう装置付き乾燥機に入れ、耐圧容器を毎分９０回振とうした状態で５日間、加熱処理（水熱合成）を行った。加熱処理後、多孔質基体を取り出したところ、この多孔質基体上に膜が形成されていた。この多孔質基体を水洗、乾燥した後、大気中、電気炉で８００℃まで０．１℃／ｍｉｎの速度で昇温して４時間保持後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。
【００４３】
次に、得られた多孔質基体上の膜の結晶相をＸ線回折で調べることにより結晶相の評価を行ったところ、ＤＤＲ型ゼオライトと多孔質基体の回折ピークが検出され、ＤＤＲ型ゼオライト膜であることが分かった。また、これを電子顕微鏡で観察したところ、厚さが１０μｍの緻密な膜が多孔質基体上に形成されていることが判明し、ＤＤＲ型ゼオライト膜を多孔質基体上に形成可能であることを確認できた。なお、図１、２は実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真であり、図１は膜の断面、図２は膜の表面における結晶構造を示す。
【００４４】
（実施例１４〜２６）
原料溶液の組成比、熱処理条件を変えること以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。形成された膜の評価は、実施例１３の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、及び、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表２に示す。
【００４５】
【表２】
（実施例２７）
耐圧容器の振とうを行わないこと以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、膜厚が５μｍのＤＤＲ型ゼオライト膜が多孔質基体上に形成されていることが判明した。
【００４７】
（実施例２８）
ＤＤＲ型ゼオライト粉末を含む分散液を多孔質基体の片面に塗布せず、実施例１の場合と同様の操作により原料溶液に種結晶を分散させて用いること以外は、実施例１３と同様の操作を行い、多孔質基体上へのＤＤＲ型ゼオライト膜の形成を試みた。その結果、膜厚が８μｍのＤＤＲ型ゼオライト膜が多孔質基体上に形成されていることが判明した。
【００４８】
（実施例２９〜３６）
表３に示す組成比（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比、水／ＳｉＯ2比、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比）となるように各原料を混合して原料溶液を調製した。また、多孔質基体として、平均細孔径が０．６μｍであるアルミナ多孔体（日本碍子(株)製）を、円筒状に加工したもの（外径１７ｍｍφ・内径１２ｍｍφ×長さ４０ｍｍ）を用意した。また、前述のＤＤＲ型ゼオライト粉末の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト粉末を種結晶とし、これを水に加えて濃度が１ｍｇ／ｍｌの分散液を調製し、この分散液に多孔質基体をディッピングした後、８０℃で乾燥して、多孔質基体の表面にＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させた。
【００４９】
この多孔質基体を、内容積１００ｍｌのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に垂直に立てて原料溶液に水没させた状態とし、原料溶液を多孔質基体の細孔内に含浸させるための減圧脱泡処理を行った。次いで、表３に示す熱処理条件で水熱合成を実施して、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成した。形成された膜の評価は、実施例１３の場合と同じくＸ線回折により行い、膜厚は電子顕微鏡での観察により測定した。原料溶液の組成比、熱処理条件（温度、時間）、及び形成されたＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚を表３に示す。
【００５０】
【表３】
（ガス透過試験▲１▼）
実施例１で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜を用いてガス透過試験を行った。図３は、ガス透過試験に使用するガス透過試験装置の構成を説明する模式図であり、ジルコニア製の測定管１（内径１５ｍｍφ）の先端部に、形状加工したＤＤＲ型ゼオライト膜２を取り付け、これを管状炉３の炉芯管４（内径２５ｍｍφ）に入れ、測定管１の内側に内径６ｍｍφの石英管５をＤＤＲ型ゼオライト膜２の近傍まで通して三重管構造とした状態を示している。測定管１の外側（炉芯管４の内側）には、室温にて窒素ガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）でバブリングさせ、オルト、パラ、メタの各異性体を等モル混合したキシレンを試験ガスとして導入し、測定管１の内側の石英管５にはＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを回収するための窒素ガス（スイープガス、５０ｍｌ／ｍｉｎ）を流した。この状態で管状炉３を試験温度（１００℃）に昇温し、１時間以上放置して定常状態とした。ＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを含む回収ガスを分取し、ガスクロマトグラフにて分析を行い、キシレンガスの透過率（ｎｍｏｌ・ｍ-2・ｓ-1・Ｐａ-1）を評価した。
【００５２】
また、キシレン以外に、メタン（ＣＨ4）及び二酸化炭素（ＣＯ2）を用いて透過試験を行った。これらの試験ガスは常温で気体であるため、炉芯管４のガス導入口１３へ直接導入した。試験結果を表４、図４に示す。
【００５３】
【表４】
（混合ガス透過試験）
実施例１で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜について、図３に示すガス透過試験装置１０を使用し、前述の「ガス透過試験▲１▼」と同様の操作により、メタン（ＣＨ4）、エチルメルカプタン（Ｃ2Ｈ5ＳＨ）、ジメチルサルファイド（（ＣＨ3）2Ｓ）、ターシャリーブチルメルカプタン（（ＣＨ3）3ＣＳＨ）の４種類の混合ガス（主成分はメタンで、他の成分は１０００ｐｐｍの混合ガス）の透過試験を行った。なお、試験温度は２００℃とした。試験結果を表５、図５に示す。
【００５５】
【表５】
（ガス透過試験▲２▼）
実施例２９で作製したＤＤＲ型ゼオライト膜について、前述の「ガス透過試験▲１▼」の場合と同様に、図３に示すガス透過試験装置を使用してガス透過試験を行った。アルミナ製の測定管１（外径１７ｍｍφ、内径１３ｍｍφ）の先端部に、一方の開口端部をアルミナ板で塞いだ円筒形状のＤＤＲ型ゼオライト膜２を取り付けた。これを管状炉３の炉芯管４（内径２５ｍｍφ）に入れ、測定管１の内側に外径６ｍｍφ内径４ｍｍφの石英管５をＤＤＲ型ゼオライト膜２の内部まで通して三重管構造とした。測定管１の外側（炉芯管４の内側）には、メタンと二酸化炭素を等モル混合した試験ガス（１００ｍｌ／ｍｉｎ）をガス導入口１３から導入し、測定管１の内側の石英管５にはＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを回収するためのヘリウムガス（スイープガス、２００ｍｌ／ｍｉｎ）を流した。この状態で管状炉３を試験温度（１００℃）に昇温し、１時間以上放置して定常状態とした。ＤＤＲ型ゼオライト膜２を透過したガスを含む回収ガスを分取し、ガスクロマトグラフにて分析を行い、メタンと二酸化炭素の透過率（ｎｍｏｌ・ｍ-2・ｓ-1・Ｐａ-1）を評価するとともに、分離係数（二酸化炭素／メタン）を求めた。この結果、二酸化炭素／メタンの分離係数は９０であった。
【００５７】
（考察）
表１〜３に示す結果から明らかな通り、原料溶液の組成を、１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2比に関しては０．０３〜０．４の範囲内、エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン比に関しては５〜３２の範囲内に調整すると、自立膜として充分な厚みを有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することが可能であると判明した。なお、水／ＳｉＯ2比に関しても２０〜５００の範囲内とすれば、ＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。また、多孔質基体上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成できることも分かった。
【００５８】
水熱合成に際しての熱処理の条件に関しても、温度については１３０〜２００℃、時間については１０日以内という短期間で、充分な膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を製造することができる。
【００５９】
また、表３に示す結果から明らかな通り、多孔質基体の形状を円筒状とした場合であっても、この表面上にＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することができることが分かる。更に、このＤＤＲ型ゼオライト膜は、二酸化炭素／メタン混合ガスについて優れた分離能（二酸化炭素／メタンの分離係数＝９０）を示すものであることが判明した。
【００６０】
また、表４と図４に示す結果から明らかな通り、キシレンはＤＤＲ型ゼオライト膜をほとんど透過しなかったが、二酸化炭素及びメタンは透過し、二酸化炭素はメタンの約２０倍の透過率を示すことが判明した。これは、ＤＤＲ型ゼオライト膜の細孔径と、試験ガスの分子径とに依存すると考えられる。
【００６１】
更に、表５と図５に示す結果から明らかな通り、混合ガスを構成するガスの内、比較的分子径の小さいメタン、エチルメルカプタンに比して、比較的分子径の大きいジメチルサルファイド、ターシャリーブチルメルカプタンの透過率が小さいことが判明した。即ち、得られたＤＤＲ型ゼオライト膜は、ジメチルサルファイドやターシャリーブチルメルカプタンと、メタンとの分離能が優れるため、例えばジメチルサルファイドとメタンとの混合ガス、又はターシャリーブチルメルカプタンとメタンとの混合ガス等の分離に用いることが可能であると考えられる。
【００６２】
従って、上記ガス透過試験及び混合ガス透過試験の結果から、本発明の製造方法により製造したＤＤＲ型ゼオライト膜の分子篩作用、及びその有用性を確認することができた。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法によれば、鋳型剤である１−アダマンタンアミンを始めとする各原料を所定の組成比率とした原料溶液、及び、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末を用いて水熱合成するため、工業的なガス分離プロセス等にも好適に採用され得る膜厚を有するＤＤＲ型ゼオライト膜を簡便に、かつ、短期間で製造することが可能である。なお、本発明の製造方法により得られたＤＤＲ型ゼオライト膜は、例えば、石油化学工業において触媒等と組み合わせることにより、種々の物質分離に用いられる分離膜やメンブレンリアクターとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の断面の電子顕微鏡写真である。
【図２】 実施例１３において作製したＤＤＲ型ゼオライト膜の表面の電子顕微鏡写真である。
【図３】 ガス透過試験▲１▼、▲２▼に使用するガス透過試験装置の構成を説明する模式図である。
【図４】 ガス透過試験▲１▼における透過ガスの透過率を示す棒グラフである。
【図５】 混合ガス透過試験における透過ガスの透過率を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１…測定管、２…ＤＤＲ型ゼオライト膜、３…管状炉、４…炉芯管、５…石英管、６…キシレン、１０…ガス透過試験装置、１１…バブラー、１２…バルブ、１３…ガス導入口。
Claims (8)
- １−アダマンタンアミンとシリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０３〜０．４、水と前記シリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２０〜５００、更にエチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で５〜３２である原料溶液と、種結晶となるＤＤＲ型ゼオライト粉末とを用いて、１３０〜２００℃で水熱合成することによりＤＤＲ型ゼオライト膜を形成することを特徴とするＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 前記原料溶液の、前記１−アダマンタンアミンと前記シリカとの含有割合（１−アダマンタンアミン／ＳｉＯ2）がモル比率で０．０５〜０．２５、前記水と前記シリカとの含有割合（水／ＳｉＯ2）がモル比率で２８〜２２０、更に前記エチレンジアミンと前記１−アダマンタンアミンとの含有割合（エチレンジアミン／１−アダマンタンアミン）がモル比率で８〜２４である請求項１に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 前記１−アダマンタンアミンを前記エチレンジアミンに溶解して１−アダマンタンアミン溶液を調製し、次いで、前記１−アダマンタンアミン溶液と、前記シリカを含むシリカゾル溶液とを混合して前記原料溶液を調製する請求項１又は２に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 前記原料溶液に、前記ＤＤＲ型ゼオライト粉末を分散させる請求項１〜３のいずれか一項に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 多孔質基体上に前記ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成する請求項１〜４のいずれか一項に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 多孔質基体上に、前記ＤＤＲ型ゼオライト粉末を付着させ、前記原料溶液と前記多孔質基体を接触させて、前記多孔質基体上に前記ＤＤＲ型ゼオライト膜を形成する請求項１〜３のいずれか一項に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 前記多孔質基体上に形成された前記ＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚が、０．１〜５０μｍである請求項５又は６に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
- 前記多孔質基体の形状が、板状、筒状、ハニカム形状、又は、複数の筒状管を一体化してなるモノリス形状のいずれかである請求項５〜７のいずれか一項に記載のＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法。
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