JP5951415B2 - モノリス型分離膜構造体の強度検査方法 - Google Patents
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Description
造体の強度検査方法。
体の強度検査方法。
載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
[11] 前記分離膜は、平均細孔径が0.01〜1.0μmである前記[1]〜[10]のいずれかに記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
本発明のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法は、長手方向の一方の端面から他方の端面まで多孔質の隔壁によって区画形成されたセルを複数個有するモノリス基材のセルの内壁面に分離膜が成膜されたモノリス型分離膜構造体のセル内に液体を導入し、液体を加圧することによりモノリス型分離膜構造体を加圧して強度を検査する方法である。所定圧まで加圧して、その圧力まで耐える強度を有するか検査する。
レイノルズ数(−)=セル内での液体線速(m/s)×セル径(m)×液体密度(kg/m3)/液体粘度(Pa・s)
セル内での液体線速(m/s)=液体流速(m3/s)/全セルの合計断面積(m2)
図1に、強度検査の対象となるモノリス型分離膜構造体1の一実施形態を示す。モノリス型分離膜構造体1は、モノリス型の基材30(モノリス基材)と、分離膜33とを備える(本明細書では、基材30を、モノリス型多孔質体9(または、単に多孔質体9)ともいう。)。「モノリス型の基材(モノリス基材)」とは、長手方向の一方の端面2aから他方の端面2bまで複数のセルが形成された形状あるいはハニカム状の基材を言う。
基材30の材質としては、強度や化学的安定性の観点から、アルミナ、シリカ、コージェライト、ムライト、チタニア、ジルコニア、炭化珪素等のセラミックス材料からなるものが好ましい。基材30の気孔率は、当該基材の強度と透過性の観点から10〜60%程度とすることが好ましい。また、多孔質基材の平均細孔径は、0.005〜5μm程度とすることが好ましい。
分離膜33は、複数の細孔が形成され、その平均細孔径が多孔質体9(基材30)に比して小さく、セル4内の壁面(隔壁3の表面)に配置されたものである。
分離膜構造体1は、複数種類が混合した流体から一部の成分を分離することができる。分離膜構造体1のセル4内に流入した被処理流体は、分離膜33を透過して処理済流体となって基材30の外周面6から基材30外に排出される。
(基材)
次に、分離膜構造体1の製造方法について説明する。最初に、多孔質体の原料を成形する。例えば、真空押出成形機を用い、押出成形する。
(ゼオライト膜)
次に、セル4の内壁面4s上に、分離膜33を形成する。分離膜33としてゼオライト膜を配設する場合について説明する。
次に、セル4の内壁面4s上に、分離膜33としてシリカ膜を配設する場合について説明する。シリカ膜となる前駆体溶液(シリカゾル液)は、テトラエトシキシランを硝酸の存在下で加水分解してゾル液とし、エタノールで希釈することで調製することができる。また、エタノールで希釈する代わりに、水で希釈することも可能である。そして、多孔質体9の上方から、シリカ膜となる前駆体溶液(シリカゾル液)を流し込み、セル4を通過させ、あるいは、一般的なディッピングによって、前駆体溶液を、セル4の内壁面4sに付着させる。その後、100℃/時にて昇温し、500℃で1時間保持した後、100℃/時で降温する。このような流し込み、乾燥、昇温、降温の操作を3〜5回繰り返すことによって、シリカ膜を配設することができる。以上により、分離膜33がシリカ膜である分離膜構造体1が得られる。
次に、セル4の内壁面4s上に、分離膜33として炭素膜を配設する場合について説明する。この場合、ディップコート、浸漬法、スピンコート、スプレーコーティング等の手段によって、炭素膜となる前駆体溶液を多孔質体9の表面に接触をさせ、成膜すればよい。フェノ一ル樹脂、メラミン樹脂、ユリヤ樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、又はセルロース系樹脂等、あるいは、それら樹脂の前駆体物質を、メタノール、アセトン、テトラヒドロフラン、NMP、トルエン等の有機溶媒や水等に混合、溶解させれば、前駆体溶液を得ることができる。前駆体溶液を成膜する際には、それに含まれる樹脂の種類に応じて、適切な熱処理を施してもよい。こうして得られた、前駆体膜を炭化して、炭素膜を得る。
次に、以上のようにして作製されたモノリス型分離膜構造体1の強度検査装置について、図3A〜図3Cを参照しつつ、説明する。分離膜構造体1の一方の端面2aと他方の端面2bを覆い、セル4に液体を供給、セル4から液体を排出する流路部47(図4A参照)が設けられた端面シール用治具11と、液体を加圧する加圧装置12(図5参照)と、を備える強度検査装置10を、強度検査に用いることができる。
本発明のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法は、モノリス型分離膜構造体のセル内に液体を導入し、液体を加圧することによりモノリス型分離膜構造体を加圧して強度を検査する方法である。図3A〜図3Cを用いて強度検査方法について説明するが、本発明の強度検査方法は、図3A〜図3Cに示す強度検査装置を用いる場合に限定されるものではない。
本発明のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法では、強度検査対象が液体を多量に透過させる膜である場合には、モノリス型分離膜構造体1の分離膜33上に剥離可能な防液層を形成し、その後にセル4内に液体を導入して強度を検査することができる。具体的には、防液層として剥離可能なゴム層を強度検査前に分離膜33の表面に一層追加した状態で強度検査を実施することが好ましい。仮に液体(水等)を多量に透過させる膜であっても、ゴム層で液体の透過を防止することができるようになるため、分離膜33に損傷を与えることなく、容易に強度検査を実施することができる。
モノリス基材30を作製し、そのセル4内に分離膜33を形成した。まず、基材30の作製について説明する。
アルミナ粒子(骨材粒子)に無機結合材(焼結助剤)を添加し、更に、水、分散剤、及び増粘剤を加えて混合し混練することにより坏土を調製した。得られた坏土を押出成形し、その後焼成することにより、モノリス基材30を作製した。
(DDR型ゼオライト膜の形成)
分離膜33としてDDR型ゼオライト膜をセル4の内壁面4s上に形成した。
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、または特開2004−083375号公報に記載のDDR型ゼオライトを製造する方法を基に、DDR型ゼオライト結晶粉末を製造し、これをそのまま、または必要に応じて粉砕して種結晶として使用した。
(1)で作製した種結晶分散液をイオン交換水またはエタノールで希釈し、種結晶濃度0.001〜0.36質量%(スラリー中の固形分濃度)になるように調整し、種付け用スラリー液(スラリー)とした。多孔質体9の上部から種付け用スラリー液を流し込みセル内を通過させ、内壁面4sに種結晶を付着させた。
フッ素樹脂製の広口瓶にエチレンジアミン(和光純薬工業製)を入れた後、1−アダマンタンアミン(アルドリッチ製)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。別の容器にコロイダルシリカ(スノーテックスS,日産化学製)とイオン交換水を入れ軽く攪拌した後、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。原料溶液の各成分のモル比は1−アダマンタンアミン/SiO2=0.016、水/SiO2=21である。その後、原料溶液を入れた広口瓶をホモジナイザーにセットし、1時間攪拌した。フッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に(2)でDDR粒子を付着させた多孔質体9を配置し、調合した原料溶液を入れ、140℃にて50時間、加熱処理(水熱合成)を行った。
被覆できた膜を電気炉で大気中または酸素雰囲気下にて450または500℃で50時間加熱し、細孔内の1−アダマンタンアミンを燃焼除去した。
(炭素膜の形成)
分離膜33として炭素膜をセル4の内壁面4s上に形成した。フェノ一ル樹脂の有機溶媒に混合、溶解させ、前駆体溶液を得た。ディップコーティングによって、炭素膜となる前駆体溶液を多孔質体9の表面に接触をさせ、成膜した。その後、300℃、1時間の熱処理を行い炭素膜の前駆体であるポリイミド樹脂を表面に配設した。そして、得られたポリイミド樹脂層配設基材を、非酸化雰囲気下600℃、5時間の条件で熱処理し炭素膜を得た。
(シリカ膜の形成)
次に、分離膜33としてシリカ膜をセル4の内壁面4s上に形成した。シリカ膜となる前駆体溶液(シリカゾル液)は、テトラエトシキシランを硝酸の存在下で加水分解してゾル液とし、エタノールで希釈することで調製した。多孔質体9の上方から、シリカ膜となる前駆体溶液(シリカゾル液)を流し込み、セル4を通過させ、前駆体溶液を、セル4の内壁面4sに付着させた。その後、100℃/時にて昇温し、500℃で1時間保持した後、100℃/時で降温した。このような流し込み、乾燥、昇温、降温の操作を3〜5回繰り返すことによって、シリカ膜を配設した。
直径Φ180mm−長さL1000mmのモノリス型分離膜構造体1(参考例1〜3、実施例1〜11)の強度検査方法を説明する。まず、モノリス型分離膜構造体1をハンドリフターにて吊り上げ、直径Φ180mm用の強度検査装置10の載置部16上に配置した。端面シール用治具11を左右両端部から押し込み、押し込み深さ位置決め用に予め配置したストッパー15で止まるまで移動させて、モノリス型分離膜構造体1を端面シール用治具11にて固定した。次に、治具回転用のハンドル(回転手段17)を回転させ、モノリス型分離膜構造体1を表1に記載の角度まで傾けた。なお、直径Φ30mm−長さL160mmのモノリス型分離膜構造体1(実施例12〜13)については、人力にて直径Φ30mm用の強度検査装置10の載置部16上に配置した。
レイノルズ数(−)=セル内での液体線速(m/s)×セル径(m)×液体密度(kg/m3)/液体粘度(Pa・s)
セル内での液体線速(m/s)=液体流速(m3/s)/全セルの合計断面積(m2)
(実施例14〜18)
(ゴム層の形成)
ゴム層(防液層)を形成したことによる分離膜への影響を以下のようにして調べた。ゴム層を形成するための原料として合成ゴムラテックス(合同ゴム社製)を使用した。まず、Φ30mmの基材の上部よりセル内部にのみラテックスを流下により流し込み、室温で12時間以上放置して乾燥させた。その後、Φ30mm基材の上下を反転させて再度セル内部にラテックスを流下させ、室温で12時間以上放置して乾燥させた。Φ180mmについても、同様の手法にてセル内部にのみラテックスを塗布した。流下したラテックスでセル内部が閉塞するのを防ぐために、ラテックス流下後に上部からセル内部をエアー吹きし、その後、2日放置した後、上下を反転させ、再度同様の流下、エアー吹き、放置を行ってセル内の膜上ゴム層を形成した(DDR膜、炭素膜、シリカ膜の3種に対して、同様の方法で実施)。乾燥後に、目視で各セルがゴム層で目詰まりしていないことを確認した。
Claims (11)
- 長手方向の一方の端面から他方の端面まで多孔質の隔壁によって区画形成されたセルを複数個有するモノリス基材の前記セルの内壁面に分離膜が成膜されたモノリス型分離膜構造体を横置きで強度検査装置にセットし、その後、70°〜110°回転させて縦置きとした後に、下側のセル開口部から前記セル内に液体を導入し、前記液体を加圧することにより前記モノリス型分離膜構造体を加圧して強度を検査するモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記液体の導入をレイノルズ数が2000以下となる流速で行う請求項1に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記液体が水を含む請求項1または2に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記モノリス型分離膜構造体の全長をL、直径をΦとしたとき、前記モノリス型分離膜構造体がL/Φ≧1である場合に用いられる請求項1〜3のいずれか1項に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記モノリス型分離膜構造体の前記分離膜上に剥離可能な防液層を形成し、その後に前記セル内に液体を導入して強度を検査する請求項1〜4のいずれか1項に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記防液層は、ゴムで形成されている請求項5に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記防液層は、ゴムラテックスを前記セルに流し込んで形成する請求項6に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記分離膜は、炭素膜またはシリカ膜である請求項1〜7のいずれか1項に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記分離膜は、ゼオライト膜である請求項1〜7のいずれか1項に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記ゼオライト膜は、DDR型ゼオライト膜である請求項9に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
- 前記分離膜は、平均細孔径が0.01〜1.0μmである請求項1〜10のいずれか1項に記載のモノリス型分離膜構造体の強度検査方法。
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