JP6038688B2 - セラミック膜複合体の製造方法 - Google Patents
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本発明のセラミック膜複合体の製造方法の一の実施形態は、図1に示すように、セラミック膜前駆体作製工程Aと、熱処理工程Bとを備えたものである。図1は、本発明のセラミック膜複合体の製造方法の一の実施形態を説明するための模式図である。セラミック膜前駆体作製工程Aは、流体の流路となる一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2が形成された筒状の多孔質基材10のセル2の表面に、セラミック膜成形用の前駆体ゾルを塗布して、セラミック膜前駆体25を形成する工程である。熱処理工程Bは、セラミック膜前駆体25を熱処理して、多孔質基材10のセル2の表面にセラミック膜26を形成する工程である。熱処理工程Bにおいては、セル2の表面にセラミック膜前駆体25が形成された多孔質基材10を、セラミック膜前駆体25とともに加熱して、セラミック膜26を形成することが好ましい。このように構成することによって、一方の端面11から他方の端面12まで延びる複数のセル2が形成された筒状の多孔質基材10と、多孔質基材10のセル2の表面に配設されたセラミック膜26と、を備えたセラミック膜複合体100を製造することができる。
セラミック膜前駆体作製工程Aは、これまでに説明したように、セル形成領域よりも開口部の大きさが大きな液排出口20aを有する前駆体ゾル貯留用容器20を用いて行われる。前駆体ゾル貯留用容器20を、多孔質基材10の一方の端面11側に配設する際には、液排出口20aが、多孔質基材10の一方の端面11のセル形成領域をカバーするようにすることが好ましい。これにより、多孔質基材10の一方の端面11に向けて自由落下した前駆体ゾル21の着地位置が、少なくともセル形成領域を含むこととなり、一方の端面11に開口した全てのセル2内に、均等に前駆体ゾル21を流入させることができる。
熱処理工程Bは、セラミック膜前駆体作製工程Aによって形成されたセラミック膜前駆体を熱処理して、多孔質基材のセルの表面にセラミック膜を形成する工程である。即ち、熱処理工程Bにより、セラミック膜前駆体が熱処理されることにより、セラミック膜となる。このようにして、本実施形態のセラミック膜複合体の製造方法によれば、多孔質基材と、その多孔質基材のセルの表面に配設されたセラミック膜と、を備えたセラミック膜複合体を製造することができる。
本実施形態のセラミック膜複合体の製造方法は、これまでに説明したセラミック膜前駆体作製工程A及び熱処理工程B以外のその他の工程を更に備えたものであってもよい。即ち、従来公知のセラミック膜複合体の製造方法において行われる、セラミック膜前駆体作製工程A及び熱処理工程B以外のその他の工程を必要に応じて適宜行うことができる。その他の工程としては、パーベーパレーション試験を実施して、膜性能の初期状態を変更する、前処理工程等を挙げることができる。
実施例1においては、セラミック膜がシリカ膜であるシリカ膜複合体を製造した。シリカ膜複合体を作製する多孔質基材として、一方の端面の直径が90mmの円筒状の多孔質基材を用意した。多孔質基材のセルの延びる方向の長さは、100mmであった。多孔質基材には、一方の端面から他方の端面まで延びる618個のセルが形成されている。セルの直径は、1.6mmであった。なお、多孔質基材のセルの延びる方向に垂直な断面における、セルの形状は円形であった。「セルの直径」とは、多孔質基材のセルの延びる方向に垂直な断面における、多孔質基材に穿孔された円形の空隙部分(セル)の直径(すなわち、開口部の直径)のことである。多孔質基材の一方の端面におけるセルの総開口面積は、1243mm2であった。表1に、「多孔質基材の一方の端面の直径(mm)」、「多孔質基材のセルの延びる方向の長さ(mm)」、「セルの数(個)」、「セルの直径(mm)」、及び「セルの総開口面積(mm2)」を示す。
多孔質基材の一方の端面の直径(mm)、セルの数(個)、セルの直径(mm)、及び前駆体ゾルの使用量(mL)を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様の方法によってシリカ膜複合体を製造した。実施例1と同様の方法により、得られたシリカ膜複合体のセルの真空度の測定を行った。結果を表1に示す。なお、実施例2〜5にて得られた各シリカ膜複合体については、セルの延びる方向に垂直な断面における、当該断面の中心を通過する一の方向において、以下の箇所にてセルの真空度の測定を行った。実施例2にて得られたシリカ膜複合体においては、最外周のセルと、この最外周のセルの隣のセルから数えて3の倍数個のセルについて、合計8個のセルについてセルの真空度の測定を行った。実施例3においては、最外周のセルと、この最外周のセルの隣のセルから数えて3の倍数個のセルについて、合計6個のセルについてセルの真空度の測定を行った。実施例4においては、最外周のセルと、この最外周のセルの隣のセルから数えて2の倍数個のセルについて、合計5個のセルについてセルの真空度の測定を行った。実施例5においては、上記一の方向の7個の全てセルについてセルの真空度の測定を行った。
比較例1〜5においては、図3A〜図3Dに示すような、天地反転によるセラミック膜前駆体作製工程Aを行わず、図17に示すような方法によってシリカ膜前駆体を形成した。即ち、比較例1〜5においては、図17に示すように、容器120に貯留した前駆体ゾル121を、多孔質基材110の上部から流し込み、多孔質基材110のセル112内を通過させることによって行った。また、比較例1〜5における、「多孔質基材の一方の端面の直径(mm)」、「多孔質基材のセルの延びる方向の長さ(mm)」、「セルの数(個)」、「セルの直径(mm)」、及び「セルの総開口面積(mm2)」、及び「シリカ膜の面積(m2)」を表2に示す。また、「開口面積比」、及び「前駆体ゾルの使用量(mL)」を表2に示す。比較例1〜5にて得られたシリカ膜複合体のセルの真空度の測定を行った。結果を表2に示す。なお、実施例1と比較例1、実施例2と比較例2、実施例3と比較例3、実施例4と比較例4、及び実施例5と比較例5のそれぞれにおいて、各セルの真空度の測定方法は同じである。
表1及び表2に示すように、実施例1〜5のシリカ膜複合体の製造方法においては、セルの真空度の測定において、全て良好な結果を得ることができた。また、実施例1〜5のシリカ膜複合体の製造方法においては、反転後の堆積結果も全て良好なものであった。一方、比較例1〜3のシリカ膜複合体の製造方法においては、セルの真空度の測定において、セルの真空度を維持することができず、セルの表面全域にシリカ膜を形成することができなった。即ち、従来のシリカ膜複合体の製造方法のような、前駆体ゾルを、多孔質基材の上部から流し込む方法では、前駆体ゾルの流れ込むセルにムラが生じやすく、セルの表面全域にシリカ膜を形成するためには、より多くの量の前駆体ゾルが必要となる。本発明のセラミック膜複合体の製造方法によれば、シリカ膜成形用の前駆体ゾルの量が少なくとも、多孔質基材の全てのセルの表面に良好にシリカ膜を形成できることが分かった。
実施例6〜11においては、多孔質基材の一方の端面の直径(mm)、及びセルの数(個)が、表3及び表4に示すような多孔質基材を用い、実施例1と同様の方法によって、シリカ膜複合体を製造した。実施例6〜11においては、前駆体ゾルの使用量(mL)を、表3及び表4に示すように変更した。
実施例9〜11のシリカ膜複合体(セラミック膜複合体)のセル内に、温度70℃のE10ガソリンを流通させ、多孔質基材の側面から、−75kPa(ゲージ圧)の真空度で減圧する。そして、多孔質基材の側面からの透過蒸気を、液体窒素にて冷却したトラップにて捕集した。捕集した透過蒸気の液化物の質量と、透過蒸気の液化物をガスクロマトグラフィーにて分析した結果から、透過蒸気のエタノール濃度(体積%)、エタノール透過量(kg/m2・h)を求めた。「E10ガソリン」とは、エタノールを10%混ぜたガソリンのことである。
実施例9〜11のシリカ膜複合体(セラミック膜複合体)のセル内に、温度50℃のベンゼン/シクロヘキサンの混合液体[ベンゼン:シクロヘキサン=50:50(質量比)]を流通させ、多孔質基材の側面から、−95kPa(ゲージ圧)の真空度で減圧する。そして、多孔質基材の側面からの透過蒸気を、液体窒素にて冷却したトラップにて捕集した。捕集した透過蒸気の液化物の質量と、透過蒸気の液化物をガスクロマトグラフィーにて分析した結果から、透過蒸気のベンゼン濃度(質量%)、ベンゼン透過量(kg/m2・h)を求めた。
表3及び表4に示すように、筒内ゾル高さが2cm以上の実施例7、8、10及び11においては、反転後の堆積結果がAであった。即ち、多孔質基材の一方の端面上に均等に前駆体ゾルが溜まっていることが確認できた。実施例6及び9においては、前駆体ゾルの使用量が、実施例7、8、10及び11と比較して少なかったため、前駆体ゾルの液面が均等になるまでには至らなかった。但し、実施例6及び9においても、多孔質基材の一方の端面全域に、前駆体ゾルを自由落下させることは可能であった。本発明のセラミック膜複合体の製造方法においては、多孔質基材の一方の端面の面積をScm2とした場合に、前駆体ゾルの使用量が2SmL以上である場合に、より良好な製膜を行うことが可能であることが分かった。E10ガソリンのパーベーパレーション試験の結果から分かるように、実施例9〜11のシリカ膜複合体は、エタノールを良好に分離又は濃縮することが可能なものであった。特に、前駆体ゾルの使用量が2SmL以上となる実施例10及び11のシリカ膜複合体は、透過蒸気のエタノール濃度(体積%)が高く、より良好に分離又は濃縮することが可能なものであった。また、ベンゼン/シクロヘキサンのパーベーパレーション試験の結果から分かるように、実施例9〜11のシリカ膜複合体は、ベンゼンも良好に分離又は濃縮することが可能なものであった。
実施例12〜14においては、多孔質基材の一方の端面の直径(mm)、及びセルの数(個)が、表5に示すような多孔質基材を用い、表5に示すような「反転速度(m/秒)」で天地反転を行った以外は、実施例1と同様の方法でシリカ膜複合体を製造した。実施例12〜14における、「多孔質基材の一方の端面の直径(mm)」、「多孔質基材のセルの延びる方向の長さ(mm)」、「セルの数(個)」、「セルの直径(mm)」、及び「セルの総開口面積(mm2)」、及び「シリカ膜の面積(m2)」を、表5に示す。また、実施例12〜14における、「前駆体ゾルの使用量(mL)」、及び「筒内ゾル高さ(cm)」を表5に示す。実施例12〜14においては、多孔質基材の一方の端面の面積をScm2とした場合の、前駆体ゾルの使用量は、2SmLである。
表5に示すように、実施例12及び13においては、反転後の堆積結果がAであった。即ち、多孔質基材の一方の端面上に均等に前駆体ゾルが溜まっていることが確認できた。実施例14に示すように反転速度が遅い場合には、自由落下した前駆体ゾルの液面が均等になるには至らなかった。
実施例15〜18においては、多孔質基材の一方の端面の直径(mm)、及びセルの数(個)が、表6に示すような多孔質基材を用い、実施例1と同様の方法でシリカ膜複合体を製造した。なお、実施例15〜18においては、表6に示すような「ゾル濃度(質量%)」及び「粘度(mPa・s)」の前駆体ゾルを用いて、セラミック膜前駆体作製工程Aを行った。実施例15〜18における、「多孔質基材の一方の端面の直径(mm)」、「多孔質基材のセルの延びる方向の長さ(mm)」、「セルの数(個)」、「セルの直径(mm)」、及び「セルの総開口面積(mm2)」、及び「シリカ膜の面積(m2)」を、表6に示す。また、実施例15〜18における、「前駆体ゾルの使用量(mL)」、及び「筒内ゾル高さ(cm)」を、表6に示す。実施例15〜18においては、多孔質基材の一方の端面の面積をScm2とした場合の、前駆体ゾルの使用量は、2SmLである。
表6に示すように、実施例15〜18においては、反転後の堆積結果がAであった。即ち、前駆体ゾルの粘度が1.0〜20mPa・sの場合には、多孔質基材の一方の端面上に均等に前駆体ゾルが溜まっていることが確認できた。
実施例19〜22においては、多孔質基材の一方の端面の直径(mm)、及びセルの数(個)が、表7に示すような多孔質基材を用い、表7に示すような前駆体ゾルを使用した以外は、実施例1と同様の方法でセラミック膜複合体を製造した。表7の「ゾル種類」の欄に、実施例19〜22にて使用した前駆体ゾルの種類を示す。
表7に示すように、実施例19〜22にて使用したいずれの前駆体ゾルであっても、良好にセラミック膜を形成することができた。即ち、本発明のセラミック膜複合体の製造方法は、シリカ膜、チタニア膜、及びジルコニア膜等の各種のセラミック膜を備えたセラミック膜複合体を製造する方法として好適に用いることができることが分かった。
Claims (7)
- 流体の流路となる一方の端面から他方の端面まで延びる複数のセルが形成された筒状の多孔質基材の前記セルの表面に、セラミック膜成形用の前駆体ゾルを塗布して、セラミック膜前駆体を形成するセラミック膜前駆体作製工程と、
前記セラミック膜前駆体を熱処理して、前記多孔質基材の前記セルの表面にセラミック膜を形成する熱処理工程と、を備え、
前記セラミック膜前駆体作製工程が、前記多孔質基材の前記一方の端面における前記セルが形成されている領域よりも開口部の大きさが大きな液排出口を有する前駆体ゾル貯留用容器を、前記多孔質基材の前記一方の端面側に配設し、前記前駆体ゾルが貯留された前記前駆体ゾル貯留用容器を前記一方の端面側に配置した前記多孔質基材を、前記一方の端面が下方となり且つ前記多孔質基材のセルの延びる方向が鉛直方向となるように配置した状態から、前記セルの延びる方向上の1点を回転中心として、前記多孔質基材の前記一方の端面と前記他方の端面との天地が反転するように180°回転させて、前記前駆体ゾル貯留用容器に貯留された前記前駆体ゾルを、前記液排出口全域から前記多孔質基材の前記一方の端面に向けて自由落下させることにより、前記セラミック膜前駆体を形成するセラミック膜複合体の製造方法であって、
前記前駆体ゾル貯留用容器内に貯留した前記前駆体ゾルに対する慣性力と向心力とが釣り合うような状態で、前記多孔質基材と、前記一方の端面側に配置した前記前駆体ゾル貯蔵用容器を180°回転させ、回転後に、前記多孔質基材を保持することで、前記前駆体ゾル貯留用容器の底面に押し付けられていた前記前駆体ゾルを、前記多孔質基材の前記一方の端面に向けて自由落下させる、セラミック膜複合体の製造方法。 - 前記回転中心から、前記前駆体ゾル貯留用容器に溜まった液面までの長さをa(m)とした場合に、前記多孔質基材を前記天地が反転するように180°回転させる際の前記前駆体ゾル液面部位の速度が√(9.8a)m/秒以上である請求項1に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
- 前記前駆体ゾル貯留用容器に貯留される前記前駆体ゾルの量が、前記多孔質基材の前記一方の端面の面積をScm2とした場合に、2SmL以上である請求項1又は2に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
- 前記多孔質基材の前記一方の端面における外径が50mm以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
- 前記前駆体ゾルの粘度が、1.0〜20mPa・sである請求項1〜4のいずれか一項に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
- 前記セラミック膜が、シリカ膜である請求項1〜5のいずれか一項に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
- 前記シリカ膜が、p−トリル基を含有するシリカ膜である請求項6に記載のセラミック膜複合体の製造方法。
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