JP6123921B2 - Zeolite membrane composite for gas separation and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、ガス分離用ゼオライト膜複合体に関し、さらに詳しくは、複数の気体成分からなる気体混合物から特定の気体成分を分離するガス分離用のゼオライト膜複合体であって、ゼオライト膜が、特定のゼオライト結晶相を含み、セラミックス支持体上に形成されてなるガス分離用ゼオライト膜複合体、該ゼオライト膜複合体をガス分離手段として用いるガス分離方法に関するものである。 The present invention relates to a zeolite membrane composite for gas separation. More specifically, the present invention relates to a zeolite membrane composite for gas separation that separates a specific gas component from a gas mixture composed of a plurality of gas components. The present invention relates to a zeolite membrane composite for gas separation that is formed on a ceramic support and includes the zeolite crystal phase, and a gas separation method that uses the zeolite membrane composite as a gas separation means.
ガス分離・精製法には、膜分離法、吸着分離法、吸収分離法、蒸留分離法、深冷分離法があるが、膜分離法は、ガス分離の途中での相変化を殆ど伴わず、圧力差を駆動エネルギーとして、膜を透過するガスの速度差によって分離する手法である。膜分離法は、他のガス分離・精製法に比べて取り扱いも容易で設備規模も比較的小さいため低コスト・省エネルギーで目的とするガスの分離や濃縮をおこなうことができる。 Gas separation / purification methods include membrane separation methods, adsorption separation methods, absorption separation methods, distillation separation methods, and cryogenic separation methods, but membrane separation methods involve little phase change during gas separation, This is a technique in which the pressure difference is used as driving energy to separate the gas by the difference in velocity of the gas passing through the membrane. The membrane separation method is easy to handle and relatively small in scale as compared with other gas separation / purification methods, so that the target gas can be separated and concentrated at low cost and energy saving.
膜によるガス分離の方法としては、1970年代から高分子膜を用いた方法が提案されている。しかし、高分子膜は加工性に優れる特徴をもつ一方で、熱や化学物質、圧力により劣化して性能が低下することが問題であった。
近年、これらの問題を解決すべく耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性が良好な種々の無機膜が提案されてきている。その中でもゼオライトは、サブナノメートルの規則的な細孔を有しているため、分子ふるいとしての働きをもつので選択的に特定の分子を透過でき、高分離性能を示すことが期待されている。
As a gas separation method using a membrane, a method using a polymer membrane has been proposed since the 1970s. However, while the polymer film has the characteristics of excellent processability, it has been a problem that the performance deteriorates due to deterioration due to heat, chemicals, and pressure.
In recent years, various inorganic films having good chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, and pressure resistance have been proposed in order to solve these problems. Among these, zeolite has regular sub-nanometer pores, and therefore functions as a molecular sieve, so that it can selectively pass specific molecules and is expected to exhibit high separation performance.
具体的な混合ガスの膜分離の例としては、火力発電所や石油化学工業などから排出されるガスの分離で二酸化炭素と窒素、二酸化炭素とメタン、水素と炭化水素、水素と酸素、水素と二酸化炭素、窒素と酸素、パラフィンとオレフィンの分離などがある。用い得るガス分離用ゼオライト膜としては、A型膜、FAU膜、MFI膜、SAPO−34膜、DDR膜などのゼオライト膜が知られている。 Specific examples of membrane separation of mixed gas include carbon dioxide and nitrogen, carbon dioxide and methane, hydrogen and hydrocarbons, hydrogen and oxygen, hydrogen and gas separation from thermal power plants and petrochemical industries. There are carbon dioxide, nitrogen and oxygen, paraffin and olefin separation. Known zeolite membranes for gas separation include zeolite membranes such as A-type membranes, FAU membranes, MFI membranes, SAPO-34 membranes, and DDR membranes.
A型ゼオライト膜は、水分の影響を受けやすく、結晶間隙のない膜にすることが難しく、分離性能は高くない。FAU膜はゼオライトの細孔が0.6〜0.8nmであり、気体分子2個分がゼオライト細孔内に入りうる大きさである。この膜は、ゼオライト細孔への吸着特性を持つ分子と持たない分子の分離、例えば二酸化炭素と窒素の分離に向いている。しかし、吸着性のない分子は分離しにくく、適用範囲が狭い。MFI膜の細孔径は0.55nmであり、気体分子の分離には細孔がやや大きく分離性能も高くない。 The A-type zeolite membrane is easily affected by moisture, and it is difficult to form a membrane without crystal gaps, and the separation performance is not high. The FAU membrane has a zeolite pore size of 0.6 to 0.8 nm, and is a size that allows two gas molecules to enter the zeolite pores. This membrane is suitable for separation of molecules having adsorption characteristics into zeolite pores and molecules having no adsorption properties, for example, separation of carbon dioxide and nitrogen. However, non-adsorbing molecules are difficult to separate and have a narrow application range. The pore diameter of the MFI membrane is 0.55 nm, and the pores are somewhat large for separating gas molecules, and the separation performance is not high.
また、天然ガスの精製プラントや、生ごみなどをメタン発酵させてバイオガスを発生させるプラントでは、二酸化炭素とメタンの分離が望まれているが、これらを良好に分離するゼオライト膜としてはゼオライトの分子ふるい機能を利用した、DDR(特許文献1)、SAPO−34(非特許文献1)、SSZ−13(非特許文献2)が性能のよい膜として知られている。 In addition, separation of carbon dioxide and methane is desired in natural gas refining plants and plants that biogas are produced by methane fermentation of raw garbage. DDR (Patent Document 1), SAPO-34 (Non-Patent Document 1), and SSZ-13 (Non-Patent Document 2) using a molecular sieving function are known as high-performance films.
しかしながら、DDR(特許文献1)は、分離性能は良好であるが、ゼオライトの構造が二次元であるために、二酸化炭素のパーミエンス(Permeance、「透過度」ともいう)が低い。また、三次元構造であるCHA型のアルミノホスフェートであるSAPO−34(非特許文献1)は、分離性能やパーミエンスが良好だが、水存在下での性能が悪化する。 However, DDR (Patent Document 1) has good separation performance, but has a low carbon dioxide permeance (also referred to as “permeance”) due to the two-dimensional structure of the zeolite. Further, SAPO-34 (Non-Patent Document 1), which is a CHA-type aluminophosphate having a three-dimensional structure, has good separation performance and permeance, but performance in the presence of water deteriorates.
また、化学プラントでは、混合ガスに水分が含まれる場合が多く、水共存下で性能が悪化して実用には耐えない場合がある。同じくSUS支持体の膜であるCHA型のアルミノシリケートであるSSZ−13(非特許文献2)は、ゼオライト膜に非ゼオライト細孔(欠陥)が共存するために分離能が不十分で、二酸化炭素のパーミエンスも充分ではなかった。このように実用に耐えうる気体混合物用の分離膜は知られていなかった。 Moreover, in a chemical plant, the mixed gas often contains water, and the performance deteriorates in the presence of water, which may not be practical. Similarly, the CHA type aluminosilicate SSZ-13 (Non-patent Document 2), which is also a SUS support membrane, has insufficient separation ability due to the coexistence of non-zeolite pores (defects) in the zeolite membrane. The permeance was not enough. Thus, a separation membrane for a gas mixture that can withstand practical use has not been known.
本発明は、かかる従来技術の問題が解決された、耐水性に優れ、気体混合物の分離に優れた特性を持つガス分離用ゼオライト膜複合体の提供を課題とするものである。 An object of the present invention is to provide a zeolite membrane composite for gas separation that has solved the problems of the prior art, has excellent water resistance, and has excellent characteristics for separating a gas mixture.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ある種の物性をもつゼオライト膜複合体が、実用上十分な処理量と分離処理性能を両立するゼオライト膜複合体になることを見出し、先に提案した(特願2010−043366号明細書)。本発明者らは、さらに検討を重ねた結果、これらのゼオライト膜複合体が、気体混合物の分離に優れた特性を持つことを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a zeolite membrane composite having certain physical properties becomes a zeolite membrane composite having both a practically sufficient processing amount and separation treatment performance. And previously proposed (Japanese Patent Application No. 2010-043366). As a result of further studies, the present inventors have found that these zeolite membrane composites have excellent characteristics for separation of gas mixtures, and have reached the present invention.
即ち、本発明の要旨は、下記の(1)〜(6)に存する。
(1)セラミックス支持体上にゼオライト膜を有するゼオライト膜複合体であって、ゼオライト膜複合体を大気圧下におき、ゼオライト膜複合体の内側を5kPaの真空ラインに接続したときの空気透過量が700L/(m2・h)以下であり、ゼオライト膜が、SiとAlの酸化物を主成分とするCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含み、該ゼオライトのSiO 2 /Al 2 O 3 モル比が12以上10万以下であり、粒子径が30nm以上であることを特徴とする、ガス分離用のゼオライト膜複合体。
(2)二酸化炭素を、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合のパーミエンスが、1×10 −9 以上である、(1)に記載のガス分離用のゼオライト膜複合体。
(3)該ゼオライト膜の厚さが20μm以下である、(1)または(2)に記載のガス分離用のゼオライト膜複合体。
(4)(1)〜(3)のいずれかに記載のガス分離用のゼオライト膜複合体の製造方法であって、セラミックス支持体を、Si元素源及びAl元素源を含む水熱合成用の反応混合物中に入れて、水熱合成により該支持体表面にゼオライトを膜状に結晶化させることを特徴とする、ガス分離用ゼオライト膜複合体の製造方法。
(5)Si元素源及びAl元素源の比が、SiO2/Al2O3モル比で5以上10万以下である、(4)に記載のガス分離用ゼオライト膜複合体の製造方法。
(6)水性反応混合物にアルカリ源としてカリウムまたはナトリウムを含む、(4)又は(5)に記載のガス分離用ゼオライト膜複合体の製造方法。
That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (6).
(1) A zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a ceramic support, the air permeability when the zeolite membrane composite is placed under atmospheric pressure and the inside of the zeolite membrane composite is connected to a 5 kPa vacuum line Is 700 L / (m 2 · h) or less, and the zeolite membrane contains a CHA-type aluminosilicate zeolite mainly composed of an oxide of Si and Al , and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite Is a zeolite membrane composite for gas separation, characterized by having a particle size of 12 to 100,000 and a particle size of 30 nm or more .
(2) The zeolite membrane composite for gas separation according to (1), wherein the permeance when carbon dioxide is permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa is 1 × 10 −9 or more.
(3) The zeolite membrane composite for gas separation according to (1) or (2), wherein the zeolite membrane has a thickness of 20 μm or less.
(4) A method for producing a zeolite membrane composite for gas separation according to any one of (1) to (3), wherein the ceramic support is used for hydrothermal synthesis including a Si element source and an Al element source. A method for producing a zeolite membrane composite for gas separation, which is put in a reaction mixture and crystallizes zeolite in a membrane form on the surface of the support by hydrothermal synthesis.
(5) The method for producing a zeolite membrane composite for gas separation according to (4), wherein the ratio of the Si element source and the Al element source is 5 to 100,000 in terms of a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio.
(6) The method for producing a zeolite membrane composite for gas separation according to (4) or (5), wherein the aqueous reaction mixture contains potassium or sodium as an alkali source.
本発明によれば、耐薬品性、耐熱安定性、耐酸化性、耐圧性に優れ、気体の透過量が多く、高い分離係数、湿熱安定性の高い、気体混合物の分離に優れた特性を持つゼオライト
膜複合体を提供することができる。また、本発明のゼオライト膜複合体をガス分離手段として用いることにより、小規模な設備、省エネルギー、低コストで高性能に気体の分離を実施できる。
According to the present invention, it has excellent chemical resistance, heat stability, oxidation resistance, pressure resistance, a large amount of gas permeation, high separation coefficient, high wet heat stability, and excellent characteristics for separation of gas mixtures. A zeolite membrane composite can be provided. Further, by using the zeolite membrane composite of the present invention as a gas separation means, gas separation can be performed with high performance with small scale equipment, energy saving and low cost.
また、本発明によれば、気体の混合物から透過性の大きい気体を透過させ、透過性の小さい気体は濃縮されることにより、透過性の大きい気体を系外に分離し、透過性の小さい気体を濃縮・回収することで目的気体を気体混合物から高純度で分離することができる。 Further, according to the present invention, a gas having a high permeability is allowed to permeate from a gas mixture, and the gas having a low permeability is concentrated to separate the gas having a high permeability out of the system. The target gas can be separated from the gas mixture with high purity by concentrating and recovering.
以下、本発明の実施の形態について更に詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本発明のガス分離用ゼオライト膜複合体は、複数の気体成分からなる気体混合物から、透過性の高い気体成分を透過して分離するガス分離用のゼオライト膜複合体であって、該ゼオライト膜が、CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含み、セラミックス支持体上に形成されてなることに特徴を有するものである。なお、本明細書において、「セラミックス支持体」を単に「支持体」と略称することがある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the description of the constituent elements described below is an example of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents. Various modifications can be made within the scope of the gist.
The zeolite membrane composite for gas separation of the present invention is a zeolite membrane composite for gas separation that permeates and separates a gas component having a high permeability from a gas mixture composed of a plurality of gas components, the zeolite membrane comprising: It includes a CHA-type aluminosilicate zeolite and is formed on a ceramic support. In the present specification, the “ceramic support” may be simply abbreviated as “support”.
(ガス分離用ゼオライト膜複合体)
本発明において、ゼオライト膜複合体は、上記のとおり、複数の気体成分からなる気体混合物から、透過性の高い気体成分を透過して分離する膜分離手段として用いられるものである。気体成分、分離方法、分離性能などは、ゼオライト膜複合体の詳細を説明した後に、ガス分離および分離性能の項において説明する。
(Zeolite membrane composite for gas separation)
In the present invention, the zeolite membrane composite is used as a membrane separation means for permeating and separating a highly permeable gas component from a gas mixture composed of a plurality of gas components as described above. The gas component, separation method, separation performance, and the like will be described in the section of gas separation and separation performance after the details of the zeolite membrane composite.
(ゼオライト膜)
本発明において、ゼオライト膜を構成する成分としては、ゼオライト以外にシリカ、アルミナなどの無機バインダー、ポリマーなどの有機物、あるいはゼオライト表面を修飾するシリル化剤などを必要に応じ含んでいてもよい。
ゼオライト膜は、一部アモルファス成分などが含有されていてもよいが、好ましくは実質的にゼオライトのみで構成されるゼオライト膜である。
(Zeolite membrane)
In the present invention, as a component constituting the zeolite membrane, in addition to zeolite, an inorganic binder such as silica and alumina, an organic substance such as a polymer, a silylating agent for modifying the zeolite surface, and the like may be included as necessary.
The zeolite membrane may partially contain an amorphous component or the like, but is preferably a zeolite membrane composed substantially only of zeolite.
ゼオライト膜の厚さは特に限定されないが、通常0.1μm以上、好ましくは0.6μm以上、より好ましくは1.0μm以上である。また、通常100μm以下、好ましくは60μm以下、より好ましくは20μm以下の範囲である。膜厚が大きすぎると透過量が低下する傾向があり、小さすぎると選択性が低下したり、膜強度が低下する傾向がある。
ゼオライト膜を形成するゼオライトの粒子径は特に限定されないが、小さすぎると粒界が大きくなるなどして透過選択性などを低下させる傾向がある。それ故、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上であり、上限は膜の厚さ以下である。さらに、ゼオライトの粒子径が膜の厚さと同じである場合がより好ましい。ゼオライトの粒子径が膜の厚さと同じであるとき、ゼオライトの粒界が最も小さくなる。後に述べる水熱合成で得られたゼオライト膜は、ゼオライトの粒子径と膜の厚さが同じになる場合があるので好ましい。
The thickness of the zeolite membrane is not particularly limited, but is usually 0.1 μm or more, preferably 0.6 μm or more, more preferably 1.0 μm or more. Moreover, it is the range of 100 micrometers or less normally, Preferably it is 60 micrometers or less, More preferably, it is 20 micrometers or less. If the film thickness is too large, the amount of permeation tends to decrease. If it is too small, the selectivity tends to decrease or the film strength tends to decrease.
The particle diameter of the zeolite forming the zeolite membrane is not particularly limited, but if it is too small, there is a tendency to decrease permeation selectivity and the like by increasing the grain boundary. Therefore, it is usually 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and the upper limit is the film thickness or less. Furthermore, the case where the particle diameter of zeolite is the same as the thickness of the membrane is more preferable. When the zeolite particle size is the same as the membrane thickness, the zeolite grain boundary is smallest. Zeolite membranes obtained by hydrothermal synthesis described later are preferred because the zeolite particle size and membrane thickness may be the same.
ゼオライト膜の形状は特に限定されず、管状、中空糸状、モノリス型、ハニカム型など
あらゆる形状を採用できる。また大きさも特に限定されず、例えば、管状の場合は、通常長さ2cm以上200cm以下、内径0.5cm以上2cm以下、厚さ0.5mm以上4mm以下が実用的で好ましい。
The shape of the zeolite membrane is not particularly limited, and any shape such as a tubular shape, a hollow fiber shape, a monolith type, and a honeycomb type can be adopted. Also, the size is not particularly limited. For example, in the case of a tubular shape, a length of 2 cm to 200 cm, an inner diameter of 0.5 cm to 2 cm, and a thickness of 0.5 mm to 4 mm are practical and preferable.
(ゼオライト)
本発明において、ゼオライト膜を構成するゼオライトはCHA型アルミノ珪酸塩である。
本発明において用いられるアルミノ珪酸塩は、SiとAlの酸化物を主成分とするものであり、本発明の効果を損なわない限り、それ以外の元素が含まれていてもよい。
本発明において用いられるアルミノ珪酸塩のSiO2/Al2O3モル比は 、特に限
定されるものではないが、通常5以上、好ましくは8以上、より好ましくは10以上、さらに好ましくは12以上である。上限は、通常Alが不純物程度の量であり、SiO2/Al2O3モル比としては10万以下である。SiO2/Al2O3モル比が前記下限未満ではゼオライト膜の緻密性が低下する場合があり、また耐久性が低下する傾向がある。SiO2/Al2O3モル比は、後に述べる水熱合成の反応条件により調整することができる。
なお、SiO2/Al2O3モル比は、走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDX)により得られた数値である。数ミクロンの膜のみの情報を得るために通常はX線の加速電圧を10kVで測定する。
(Zeolite)
In the present invention, the zeolite constituting the zeolite membrane is a CHA type aluminosilicate.
The aluminosilicate used in the present invention is mainly composed of Si and Al oxides, and may contain other elements as long as the effects of the present invention are not impaired.
The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the aluminosilicate used in the present invention is not particularly limited, but is usually 5 or more, preferably 8 or more, more preferably 10 or more, still more preferably 12 or more. is there. The upper limit is usually an amount of Al as an impurity, and the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is 100,000 or less. When the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is less than the lower limit, the denseness of the zeolite membrane may be lowered, and the durability tends to be lowered. The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio can be adjusted by the reaction conditions of hydrothermal synthesis described later.
Incidentally, SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio, a scanning electron microscope - is a value obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX). In order to obtain information on only a film of several microns, the X-ray acceleration voltage is usually measured at 10 kV.
(CHA型ゼオライト)
本発明において、CHA型ゼオライトとは、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードでCHA構造のものを示す。天然に産出
するチャバサイトと同等の結晶構造を有するゼオライトである。CHA型ゼオライトは0.38×0.38nmの径を有する酸素8員環からなる3次元細孔を有することを特徴とする構造をとり、その構造はX線回折データにより特徴付けられる。
(CHA type zeolite)
In the present invention, the CHA-type zeolite is a code that defines the structure of zeolite defined by the International Zeolite Association (IZA) and indicates a CHA structure. It is a zeolite having a crystal structure equivalent to that of naturally occurring chabasite. The CHA-type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores composed of oxygen 8-membered rings having a diameter of 0.38 × 0.38 nm, and the structure is characterized by X-ray diffraction data.
CHA型ゼオライトのフレームワーク密度(T/nm3)は14.5である。また、SiO2/Al2O3モル比は上記と同様である。
ここで、フレームワーク密度(T/nm3)とは、ゼオライトのnm3(1000Å3)あたりの、骨格を構成する酸素以外の元素(T元素)の数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まるものである。なお、フレームワーク密度とゼオライトの構造との関係はATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2001 ELSEVIERに示されている。
The framework density (T / nm 3 ) of the CHA-type zeolite is 14.5. The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is the same as described above.
Here, the framework density (T / nm 3 ) means the number of elements (T element) other than oxygen constituting the skeleton per nm 3 (1000 3 3 ) of the zeolite, and this value is the structure of the zeolite. It is determined by. The relationship between framework density and zeolite structure is shown in ATLAS OF ZEOLITE FRAMEWORK TYPES Fifth Revised Edition 2001 ELSEVIER.
(セラミックス支持体)
セラミックス支持体は、その表面などにゼオライトを膜状に結晶化できるような化学的安定性がある多孔質の無機物質であれば如何なるものであってもよい。具体的には、例えば、シリカ、α−アルミナ、γ−アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体などが挙げられる。
(Ceramic support)
The ceramic support may be any porous inorganic substance having chemical stability that can crystallize zeolite in the form of a film on the surface thereof. Specific examples include ceramic sintered bodies such as silica, α-alumina, γ-alumina, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, and silicon carbide.
セラミックス支持体は、その一部がゼオライト膜合成中にゼオライト化することで界面の密着性を高める効果がある。
さらに、アルミナ、シリカ、ムライトのうち少なくとも1種を含むセラミックス支持体は、支持体の部分的なゼオライト化が容易であるため、支持体とゼオライトの結合が強固になり緻密で分離性能の高い膜が形成されやすくなるのでより好ましい。
The ceramic support has an effect of enhancing the adhesion at the interface by partly converting into a zeolite during synthesis of the zeolite membrane.
Furthermore, since the ceramic support containing at least one of alumina, silica, and mullite is easy to partially zeolitize the support, the bond between the support and the zeolite becomes strong and the membrane is dense and has high separation performance. Is more preferable because it becomes easier to form.
支持体の形状は、気体混合物や液体混合物を有効に分離できるものであれば特に制限されず、具体的には、例えば、平板状、管状のもの、または円筒状、円柱状や角柱状の孔が多数存在するハニカム状のものやモノリスなどが挙げられる。
本発明において、セラミックス支持体の表面などにゼオライト膜を形成、好ましくはゼオライトを膜状に結晶化させる。
The shape of the support is not particularly limited as long as it can effectively separate a gas mixture or a liquid mixture. Specifically, for example, a flat plate shape, a tubular shape, a cylindrical shape, a cylindrical shape, or a prismatic shape is used. There are honeycomb-shaped materials and monoliths with a large number of.
In the present invention, a zeolite membrane is formed on the surface of the ceramic support, preferably the zeolite is crystallized into a membrane.
支持体が有する平均細孔径は特に制限されないが、細孔径が制御されているものが好ましく、通常0.02μm以上、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上であり、通常20μm以下、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。細孔径が小さすぎると透過量が小さくなる傾向があり、大きすぎると支持体自体の強度が不十分になったり、緻密なゼオライト膜が形成されにくくなる傾向がある。 The average pore diameter of the support is not particularly limited, but those having a controlled pore diameter are preferred, usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and usually 20 μm or less. , Preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the pore diameter is too small, the amount of permeation tends to be small, and if it is too large, the strength of the support itself is insufficient or a dense zeolite membrane tends to be difficult to form.
支持体の表面は滑らかであることが好ましく、必要に応じて表面をやすり等で研磨してもよい。なお、支持体の表面とはゼオライト膜を形成させる支持体の表面部分を意味し、表面であればそれぞれの形状のどこの表面であってもよく、複数の面であっても良い。例えば円筒管の支持体の場合には外側の表面でも内側の表面でもよく、場合によっては外側と内側の両方の表面であってよい。
また、支持体の細孔径は特に制限されず、また特に制御する必要は無いが、気孔率は、通常20%以上60%以下であることが好ましい。気孔率は、気体や液体を分離する際の透過流量を左右し、前記下限未満では透過物の拡散を阻害する傾向があり、前記上限超過では支持体の強度が低下する傾向がある。
The surface of the support is preferably smooth, and the surface may be polished with a file or the like as necessary. The surface of the support means a surface portion of the support on which the zeolite membrane is formed, and may be any surface of each shape as long as it is a surface, or may be a plurality of surfaces. For example, in the case of a cylindrical tube support, it may be the outer surface or the inner surface, and in some cases both the outer and inner surfaces.
Further, the pore diameter of the support is not particularly limited and need not be particularly controlled, but the porosity is usually preferably 20% or more and 60% or less. The porosity affects the permeation flow rate when separating the gas or liquid, and if it is less than the lower limit, it tends to inhibit the diffusion of the permeate, and if it exceeds the upper limit, the strength of the support tends to decrease.
(ゼオライト膜複合体)
ゼオライト膜複合体とは、支持体の表面などにゼオライトが膜状に固着しているものであり、場合によっては、ゼオライトの一部が、支持体の内部にまで固着している状態のものが好ましい。
ゼオライト膜複合体としては、支持体の表面などにゼオライトを水熱合成により膜状に結晶化させたものが好ましい。
(Zeolite membrane composite)
A zeolite membrane composite is one in which zeolite is fixed in the form of a film on the surface of the support, and in some cases, a part of the zeolite is fixed to the inside of the support. preferable.
As the zeolite membrane composite, a zeolite membrane crystallized into a membrane by hydrothermal synthesis on the surface of the support is preferable.
ゼオライト膜の支持体上の位置は特に限定されず、管状の支持体を用いる場合、外表面にゼオライト膜をつけてもよいし、内表面につけてもよく、さらに適用する系によっては両面につけてもよい。また、支持体の表面に積層させてもよいし、支持体の表面層の細孔内を埋めるように結晶化させてもよい。この場合、結晶化した膜層の内部に亀裂や連続した微細孔が無いことが重要であり、いわゆる緻密な膜を形成させることが分離性を向上することになる。 The position of the zeolite membrane on the support is not particularly limited, and when a tubular support is used, the zeolite membrane may be attached to the outer surface, the inner surface, or both sides depending on the system to be applied. Also good. Further, it may be laminated on the surface of the support, or crystallized so as to fill the pores of the surface layer of the support. In this case, it is important that there are no cracks or continuous micropores inside the crystallized film layer, and forming a so-called dense film improves the separability.
本発明において、ゼオライト膜複合体は、X線回折のパターンにおいて、2θ=17.9°付近のピークの強度が2θ=20.8°付近のピークの強度の0.5倍以上の大きさ
であることが好ましい。
ここで、ピークの強度とは、測定値からバックグラウンドの値を引いたものをさす。(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)で表
されるピーク強度比(以下これを「ピーク強度比A」 ということがある。)でいえば、
通常0.5以上、好ましくは0.8以上である。上限は特に限定されないが、通常1000以下である。
In the present invention, the zeolite membrane composite has an X-ray diffraction pattern in which the intensity of the peak near 2θ = 17.9 ° is not less than 0.5 times the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °. Preferably there is.
Here, the peak intensity refers to a value obtained by subtracting the background value from the measured value. The peak intensity ratio represented by (the intensity of the peak around 2θ = 17.9 °) / (the intensity of the peak around 2θ = 20.8 °) (hereinafter this may be referred to as “peak intensity ratio A”). Speaking of
Usually 0.5 or more, preferably 0.8 or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 or less.
また、本発明においてゼオライト膜複合体は、X線回折のパターンにおいて、2θ=9.6°付近のピークの強度が2θ=20.8°付近のピークの強度の4倍以上の大きさで
あることが好ましい。
(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)で
表されるピーク強度比(以下これを「ピーク強度比B」ということがある。)でいえば、通常4以上、好ましくは6以上、より好ましくは8以上、特に好ましくは10以上である。上限は特に限定されないが、通常1000以下である。
In the present invention, the zeolite membrane composite has an X-ray diffraction pattern in which the intensity of the peak near 2θ = 9.6 ° is at least four times the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °. It is preferable.
Peak intensity ratio represented by (Intensity of peak near 2θ = 9.6 °) / (Intensity of peak near 2θ = 20.8 °) (hereinafter this may be referred to as “peak intensity ratio B”) In other words, it is usually 4 or more, preferably 6 or more, more preferably 8 or more, and particularly preferably 10 or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 or less.
ここでいう、X線回折パターンとはゼオライトが主として付着している側の表面にCuKαを線源とするX線を照射して、走査軸をθ/2θとして得るものである。測定するサンプルの形状としては、膜複合体のゼオライトが主として付着している側の表面にX線が照射できるような形状なら何でもよく、膜複合体の特徴をよく表すものとして、作成した膜複合体そのままのもの、あるいは装置によって制約される適切な大きさに切断したものが好ましい。 Here, the X-ray diffraction pattern is obtained by irradiating the surface on which zeolite is mainly attached with X-rays using CuKα as a radiation source to obtain a scanning axis of θ / 2θ. The shape of the sample to be measured may be any shape that can irradiate X-rays on the surface of the membrane composite on which the zeolite is mainly attached. The body itself or the one cut into an appropriate size restricted by the apparatus is preferable.
ここでいうX線回折パターンは、ゼオライト膜複合体の表面が曲面である場合には自動可変スリットを用いて照射幅を固定して測定してもかまわない。自動可変スリットを用いた場合のX線回折パターンとは、可変→固定スリット補正を実施したパターンを指す。
ここで、2θ=17.9°付近のピークとは基材に由来しないピークのうち17.9°±0.6°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
The X-ray diffraction pattern here may be measured by fixing the irradiation width using an automatic variable slit when the surface of the zeolite membrane composite is a curved surface. An X-ray diffraction pattern using an automatic variable slit refers to a pattern subjected to variable → fixed slit correction.
Here, the peak in the vicinity of 2θ = 17.9 ° refers to the maximum of the peaks present in the range of 17.9 ° ± 0.6 ° among the peaks not derived from the base material.
2θ=20.8°付近のピークとは基材に由来しないピークのうち20.8°±0.6°の範囲に存在するピークで最大のものを指す。
2θ=9.6°付近のピークとは基材に由来しないピークのうち9.6°±0.6°の範囲に存在するピークのうち最大のものを指す。
X線回折パターンで2θ=9.6°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を
The peak in the vicinity of 2θ = 20.8 ° refers to the maximum peak in the range of 20.8 ° ± 0.6 ° among peaks not derived from the substrate.
The peak in the vicinity of 2θ = 9.6 ° refers to the maximum of the peaks present in the range of 9.6 ° ± 0.6 ° among the peaks not derived from the base material.
According to X-ray diffraction pattern, the peak near 2θ = 9.6 ° is a collection of SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(1,0,0)の面に由来するピークである。
また、X線回折パターンで2θ=17.9°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を
(No. 166), it is a peak derived from the plane having an index of (1, 0, 0) in the CHA structure.
In addition, the peak near 2θ = 17.9 ° in the X-ray diffraction pattern shows the space group in the rhombohedral setting according to COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER.
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(1,1,1)の面に由来するピークである。
X線回折パターンで2θ=20.8°付近のピークはCOLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによればrhombohedral settingで空間群を
(No. 166) is a peak derived from the (1,1,1) index in the CHA structure.
According to X-ray diffraction pattern, the peak near 2θ = 20.8 ° is a collection of SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIER
(No.166)とした時にCHA構造において指数が(2,0,−1)の面に由来するピークである。
(1,0,0)面由来のピークの強度と(2,0,−1)の面に由来のピーク強度の典型的な比(ピーク強度比B)は、COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによれば2.5である。
(No. 166) is a peak derived from the (2, 0, -1) index in the CHA structure.
The typical ratio (peak intensity ratio B) of the peak intensity derived from the (1, 0, 0) plane and the peak intensity derived from the (2, 0, -1) plane (peak intensity ratio B) is COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE According to Third Revised Edition 1996 ELSEVIER, it is 2.5.
そのため、この比が4以上であるということは、例えば、CHA構造をrhombohedral settingとした場合の(1,0,0)面が膜複合体の表面と平行に近い向きになるようにゼオライト結晶が配向して成長していることを意味すると考えられる。ゼオライト膜複合体においてゼオライト結晶が配向して成長することは分離性能の高い緻密な膜が出来るという点で有利である。 Therefore, when this ratio is 4 or more, for example, the zeolite crystal is oriented so that the (1,0,0) plane when the CHA structure is a rhombohedral setting is oriented almost parallel to the surface of the membrane composite. It is thought that it means growing in an oriented manner. Orientation and growth of zeolite crystals in the zeolite membrane composite is advantageous in that a dense membrane with high separation performance can be formed.
(1,1,1)面由来のピークの強度と(2,0,−1)の面に由来のピーク強度の典型的な比(ピーク強度比A)は、COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE Third Revised Edition 1996 ELSEVIERによれば0.3である。
そのため、この比が0.5以上であるということは、例えば、CHA構造をrhombohedral settingとした場合の(1,1,1)面が膜複合体の表面と平行に近い向きになるようにゼオライト結晶が配向して成長していることを意味すると考えられる。ゼオライト膜複合体においてゼオライト結晶が配向して成長することは分離性能の高い緻密な膜が出来るという点で有利である。
The typical ratio (peak intensity ratio A) of the peak intensity derived from the (1, 1, 1) plane and the peak intensity derived from the (2, 0, -1) plane (peak intensity ratio A) is COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE According to Third Revised Edition 1996 ELSEVIER, it is 0.3.
Therefore, this ratio of 0.5 or more means, for example, that the (1, 1, 1) plane when the CHA structure is a rhombohedral setting is oriented so that the orientation is almost parallel to the surface of the membrane composite. It is thought to mean that the crystals are oriented and growing. Orientation and growth of zeolite crystals in the zeolite membrane composite is advantageous in that a dense membrane with high separation performance can be formed.
このように、ピーク強度比A、Bのいずれかが、上記した特定の範囲の値であるということは、ゼオライト結晶が配向して成長し、分離性能の高い緻密な膜が形成されていることを示すものである。
CHA型ゼオライト結晶が配向して成長している緻密なゼオライト膜は、次に述べる通り、ゼオライト膜を水熱合成法により形成する際に、例えば、特定の有機テンプレートを用い、水性反応混合液中にK+イオンを共存させることにより達成することができる。
As described above, the fact that any one of the peak intensity ratios A and B is a value in the above-mentioned specific range means that the zeolite crystals are oriented and grow, and a dense membrane with high separation performance is formed. Is shown.
As described below, a dense zeolite membrane in which CHA-type zeolite crystals are grown in an orientated state is formed in an aqueous reaction mixture using, for example, a specific organic template when the zeolite membrane is formed by a hydrothermal synthesis method. This can be achieved by allowing a K + ion to coexist with.
(ゼオライト膜の製造方法)
本発明において、ゼオライト膜の製造方法は、ゼオライトを含む膜が形成可能な方法であれば特に制限されず、例えば、(1)支持体上にゼオライトを膜状に結晶化させる方法、(2)支持体にゼオライトを無機バインダー、あるいは有機バインダーなどで固着させる方法、(3)ゼオライトを分散させたポリマーを固着させる方法、(4)ゼオライトのスラリーを支持体に含浸させ、場合によっては吸引させることによりゼオライトを支持体に固着させる方法などの何れの方法も用いることができる。
(Method for producing zeolite membrane)
In the present invention, the method for producing a zeolite membrane is not particularly limited as long as it can form a membrane containing zeolite. For example, (1) a method for crystallizing zeolite in a film form on a support, (2) A method of fixing zeolite to the support with an inorganic binder or an organic binder, (3) a method of fixing a polymer in which zeolite is dispersed, and (4) impregnating the support with a zeolite slurry, and optionally sucking the support. Any method such as a method for fixing zeolite to a support by the above method can be used.
これらの中で、セラミックス支持体にゼオライトを膜状に結晶化させる方法が特に好ましい。結晶化の方法に特に制限はないが、支持体を、ゼオライト製造に用いる水熱合成用の反応混合物(以下これを「水性反応混合物」ということがある。)中に入れて、直接水熱合成することで支持体表面などにゼオライトを結晶化させる方法が好ましい。
具体的には、例えば、組成を調整して均一化した水性反応混合物を、支持体を内部に緩やかに固定した、オートクレーブなどの耐熱耐圧容器に入れて密閉して、一定時間加熱すればよい。
Among these, a method of crystallizing zeolite on a ceramic support in a film form is particularly preferable. There is no particular limitation on the method of crystallization, but the support is placed in a reaction mixture for hydrothermal synthesis used for zeolite production (hereinafter sometimes referred to as an “aqueous reaction mixture”) and directly hydrothermal synthesis is performed. Thus, a method of crystallizing zeolite on the surface of the support is preferred.
Specifically, for example, an aqueous reaction mixture that has been homogenized by adjusting the composition may be sealed in a heat and pressure resistant container such as an autoclave in which a support is gently fixed, and heated for a certain period of time.
水性反応混合物としては、Si元素源、Al元素源、(必要に応じて)有機テンプレート、および水を含み、さらに必要に応じアルカリ源を含むものが好ましい。
水性反応混合物に用いるSi元素源としては、例えば、無定形シリカ、コロイダルシリカ、シリカゲル、ケイ酸ナトリウム、無定形アルミのシリケートゲル、テトラエトキシシラン(TEOS)、トリメチルエトキシシラン等を用いることができる。
The aqueous reaction mixture preferably contains an Si element source, an Al element source, an organic template (if necessary), and water, and further an alkali source as necessary.
Examples of the Si element source used in the aqueous reaction mixture include amorphous silica, colloidal silica, silica gel, sodium silicate, amorphous aluminum silicate gel, tetraethoxysilane (TEOS), trimethylethoxysilane, and the like.
Al元素源としては、例えば、アルミン酸ナトリウム、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウム、無定形アルミノシリケートゲル等を用
いることができる。なお、Al元素源以外に他の元素源、例えばGa、Fe、B、Ti、Zr、Sn、Znなどの元素源を含んでいてもよい。
ゼオライトの結晶化において、必要に応じて有機テンプレート(構造規定剤)を用いることができるが、有機テンプレートを用いて合成したものが好ましい。有機テンプレートを用いて合成することにより、結晶化したゼオライトのアルミニウム原子に対するケイ素原子の割合が高くなり、結晶性が向上する。
As the Al element source, for example, sodium aluminate, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum oxide, amorphous aluminosilicate gel, or the like can be used. In addition to the Al element source, other element sources, for example, element sources such as Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, and Zn may be included.
In crystallization of zeolite, an organic template (structure directing agent) can be used as necessary, but those synthesized using an organic template are preferred. By synthesizing using an organic template, the ratio of silicon atoms to aluminum atoms of crystallized zeolite is increased, and crystallinity is improved.
有機テンプレートとしては、所望のゼオライト膜を形成しうるものであれば種類は問わず、如何なるものであってもよい。また、テンプレートは1種類でも、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
有機テンプレートとしては、通常、アミン類、4級アンモニウム塩類が用いられる。例えば、米国特許第4544538号明細書、米国特許公開第2008/0075656号明細書に記載の有機テンプレートが好ましいものとして挙げられる。
The organic template may be any type as long as it can form a desired zeolite membrane. Further, one type of template or a combination of two or more types may be used.
As the organic template, amines and quaternary ammonium salts are usually used. For example, organic templates described in U.S. Pat. No. 4,544,538 and U.S. Patent Publication No. 2008/0075656 are preferred.
具体的には、例えば、1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオン、3−キナクリジナールから誘導されるカチオン、3−exo−アミノノルボルネンから誘導されるカチオン等の脂環式アミンから誘導されるカチオンが挙がられる。これらの中で、1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオンがより好ましい。
1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオンを有機テンプレートとしたとき、緻密な膜を形成しうるCHA型ゼオライトが結晶化する。
Specific examples include cations derived from alicyclic amines such as cations derived from 1-adamantanamine, cations derived from 3-quinacridinal, and cations derived from 3-exo-aminonorbornene. It is. Among these, a cation derived from 1-adamantanamine is more preferable.
When a cation derived from 1-adamantanamine is used as an organic template, CHA-type zeolite capable of forming a dense film is crystallized.
1−アダマンタンアミンから誘導されるカチオンのうち、N,N,N−トリアルキル−1−アダマンタンアンモニウムカチオンがさらに好ましい。N,N,N−トリアルキル−1−アダマンタンアンモニウムカチオンの3つのアルキル基は、通常、それぞれ独立したアルキル基であり、好ましくは低級アルキル基、より好ましくはメチル基である。それらの中で最も好ましい化合物は、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウムカチオンである。 Of the cations derived from 1-adamantanamine, the N, N, N-trialkyl-1-adamantanammonium cation is more preferred. The three alkyl groups of the N, N, N-trialkyl-1-adamantanammonium cation are usually independent alkyl groups, preferably a lower alkyl group, more preferably a methyl group. The most preferred compound among them is the N, N, N-trimethyl-1-adamantanammonium cation.
このようなカチオンは、CHA型ゼオライトの形成に害を及ぼさないアニオンを伴う。このようなアニオンを代表するものには、Cl−、Br−、I−などのハロゲンイオンや水酸化物イオン、酢酸塩、硫酸塩、およびカルボン酸塩が含まれる。これらの中で、水酸化物イオンが特に好適に用いられる。
また、その他の有機テンプレートとしては、N,N,N−トリアルキルベンジルアンモニウムカチオンも用いることができる。この場合もアルキル基は、それぞれ独立したアルキル基であり、好ましくは低級アルキル基、より好ましくはメチル基である。それらの中で、最も好ましい化合物は、N,N,N−トリメチルベンジルアンモニウムカチオンである。
Such cations are accompanied by anions that do not harm the formation of CHA-type zeolite. Representative examples of such anions include halogen ions such as Cl − , Br − and I − , hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Of these, hydroxide ions are particularly preferably used.
In addition, as another organic template, N, N, N-trialkylbenzylammonium cation can also be used. Also in this case, the alkyl group is an independent alkyl group, preferably a lower alkyl group, more preferably a methyl group. Among them, the most preferred compound is N, N, N-trimethylbenzylammonium cation.
また、このカチオンが伴うアニオンは上記と同様である。
水性反応混合物に用いるアルカリ源としては、有機テンプレートのカウンターアニオンの水酸化物イオン、NaOH、KOHなどのアルカリ金属水酸化物、Ca(OH)2などのアルカリ土類金属水酸化物などを用いることができる。
アルカリの種類は特に限定されず、通常Na、K、Li、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr、Ba、好ましくはNa、K、より好ましくはKである。また、アルカリは2種類以上を併用してもよく、具体的には、NaとK、あるいはLiとKを併用するのが好ましい。
The anion accompanied by this cation is the same as described above.
As an alkali source used in the aqueous reaction mixture, a hydroxide ion of a counter anion of an organic template, an alkali metal hydroxide such as NaOH or KOH, or an alkaline earth metal hydroxide such as Ca (OH) 2 is used. Can do.
The type of alkali is not particularly limited, and is usually Na, K, Li, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba, preferably Na, K, more preferably K. Two or more kinds of alkalis may be used in combination, and specifically, Na and K or Li and K are preferably used in combination.
水性反応混合物中のSi元素源とAl元素源の比は、通常、それぞれの元素の酸化物のモル比、すなわちSiO2/Al2O3モル比として表わす。
SiO2/Al2O3比は特に限定されないが、通常5以上、好ましくは8以上、より好ましくは10以上、更に好ましくは15以上である。また、通常10万以下である。
SiO2/Al2O3比がこの範囲にあるとき、緻密な膜を形成しうるCHA型アルミ
ノ珪酸塩のゼオライトを結晶化させることができる。
The ratio of Si element source to Al element source in the aqueous reaction mixture is usually expressed as the molar ratio of the oxides of the respective elements, that is, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio.
The SiO 2 / Al 2 O 3 ratio is not particularly limited, but is usually 5 or more, preferably 8 or more, more preferably 10 or more, and further preferably 15 or more. Moreover, it is usually 100,000 or less.
When the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio is in this range, a CHA-type aluminosilicate zeolite capable of forming a dense film can be crystallized.
水性反応混合物中のシリカ源と有機テンプレートの比は、SiO2に対する有機テンプレートのモル比(有機テンプレート/SiO2比)で、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上であり、通常1以下、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.2以下である。この範囲にあるとき緻密なゼオライト膜が生成しうることに加えて、生成したゼオライトが耐酸性に強くAlが脱離しにくい。また、この条件において、特に緻密で耐酸性のCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを形成させることができる。 The ratio of the silica source and an organic template in the aqueous reaction mixture, the molar ratio of the organic template for SiO 2 (organic template / SiO 2 ratio) is usually 0.005 or higher, preferably at least 0.01, more preferably 0. 02 or more, usually 1 or less, preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less. In addition to being able to produce a dense zeolite membrane when in this range, the produced zeolite is highly acid resistant and Al is not easily desorbed. Also, under this condition, a particularly dense and acid-resistant CHA-type aluminosilicate zeolite can be formed.
Si元素源とアルカリ源の比は、M(2/n)O/SiO2(ここで、Mはアルカリ金属またはアルカリ土類金属を示し、nはその価数1または2を示す。)モル比で、通常0.02以上、好ましくは0.04以上、より好ましくは0.05以上であり、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下である。
CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜を形成する際、アルカリ金属の中でカリウム(K)が含まれる場合がより緻密で結晶性の高い膜を生成させるという点で好ましい。その場合のKと、Kを含むすべてのアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属とのモル比は、通常0.01以上、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.3以上であり、上限は通常1以下である。
The ratio of the Si element source to the alkali source is M (2 / n) 2 O / SiO 2 (where M represents an alkali metal or alkaline earth metal, and n represents the
When forming a CHA type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable that potassium (K) is contained in the alkali metal in terms of producing a denser and higher crystalline membrane. In this case, the molar ratio of K to all alkali metals and / or alkaline earth metals containing K is usually 0.01 or more, preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, and the upper limit. Is usually 1 or less.
水性反応混合物中へのKの添加は、前記のとおり、rhombohedral settingで空間群を As described above, the addition of K to the aqueous reaction mixture is performed by changing the space group in the rhombohedral setting.
(No.166)とした時に、CHA構造において指数が(1,0,0)の面に由来するピークである2θ=9.6°付近のピーク強度と(2,0,−1)の面に由来するピークである2θ=20.8°付近のピーク強度の比(ピーク強度比B)、または、(1,1,1)の面に由来するピークである2θ=17.9°付近のピーク強度と(2,0,−1)の面に由来するピークである2θ=20.8°付近のピーク強度の比(ピーク強度比A)を大きくする傾向がある。 (No. 166), the peak intensity in the vicinity of 2θ = 9.6 °, which is a peak derived from the (1, 0, 0) index surface in the CHA structure, and the (2, 0, −1) surface The peak intensity ratio in the vicinity of 2θ = 20.8 ° (peak intensity ratio B), which is a peak derived from the above, or the peak derived from the plane of (1,1,1), in the vicinity of 2θ = 17.9 ° There is a tendency to increase the ratio between the peak intensity and the peak intensity in the vicinity of 2θ = 20.8 ° (peak intensity ratio A), which is a peak derived from the (2, 0, −1) plane.
Si元素源と水の比は、SiO2に対する水のモル比(H2O/SiO2モル比)で、通常10以上、好ましくは30以上、より好ましくは40以上、特に好ましくは50以上であり、通常1000以下、好ましくは500以下、より好ましくは200以下、特に好ましくは150以下である。
水性反応混合物中の物質のモル比がこれらの範囲にあるとき、緻密なゼオライト膜が生成しうる。水の量は緻密なゼオライト膜の生成においてとくに重要であり、粉末合成法の一般的な条件よりも水がシリカに対して多い条件のほうが細かい結晶が生成して緻密な膜ができやすい傾向にある。
The ratio of Si element source to water is the molar ratio of water to SiO 2 (H 2 O / SiO 2 molar ratio), which is usually 10 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and particularly preferably 50 or more. Usually, it is 1000 or less, preferably 500 or less, more preferably 200 or less, and particularly preferably 150 or less.
When the molar ratio of materials in the aqueous reaction mixture is in these ranges, a dense zeolite membrane can be formed. The amount of water is particularly important in the formation of a dense zeolite membrane, and finer crystals are more likely to form and form a dense membrane when the amount of water is greater than that of the general powder synthesis method. is there.
一般的に、粉末のCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを合成する際の水の量は、H2O/SiO2モル比で、15〜50程度である。H2O/SiO2モル比が高い(50以上1000以下)、すなわち水が多い条件にすることにより、支持体の表面などにCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトが緻密な膜状に結晶化した分離性能の高いゼオライト膜複合体を得ることができる。 Generally, the amount of water when synthesizing powdered CHA-type aluminosilicate zeolite is about 15 to 50 in terms of H 2 O / SiO 2 molar ratio. Separation in which a CHA-type aluminosilicate zeolite crystallizes into a dense membrane on the surface of the support, etc., under the condition that the H 2 O / SiO 2 molar ratio is high (50 to 1000), that is, a lot of water. A high performance zeolite membrane composite can be obtained.
さらに、水熱合成に際して、必ずしも反応系内に種結晶を存在させる必要は無いが、種
結晶を加えることで、支持体上にゼオライトの結晶化を促進できる。種結晶を加える方法としては特に限定されず、粉末のゼオライトの合成時のように、水性反応混合物中に種結晶を加える方法や、支持体上に種結晶を付着させておく方法などを用いることができる。ゼオライト膜複合体を製造する場合は、支持体上に種結晶を付着させておくことが好ましい。支持体上に予め種結晶を付着させておくことで緻密で分離性能良好なゼオライト膜が生成しやすくなる。
Further, in the hydrothermal synthesis, it is not always necessary to have a seed crystal in the reaction system, but the crystallization of zeolite can be promoted on the support by adding the seed crystal. The method of adding the seed crystal is not particularly limited, and a method of adding the seed crystal to the aqueous reaction mixture or the method of attaching the seed crystal on the support as in the synthesis of the powdered zeolite is used. Can do. When producing a zeolite membrane composite, it is preferable to attach a seed crystal on the support. By attaching a seed crystal in advance to the support, a dense zeolite membrane with good separation performance can be easily formed.
使用する種結晶としては、結晶化を促進するゼオライトであれば種類は問わないが、効率よく結晶化させるためには形成するゼオライト膜と同じ結晶型であることが好ましい。CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜を形成する場合は、CHA型ゼオライトの種結晶を用いることが好ましい。
種結晶の粒子径は小さいほうが望ましく、必要に応じて粉砕して用いても良い。粒径は、通常0.5nm以上、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上であり、通常5μm以下、好ましくは、3μm以下、より好ましくは2μm以下である。
The seed crystal to be used is not limited as long as it is a zeolite that promotes crystallization, but it is preferably the same crystal type as the zeolite membrane to be formed for efficient crystallization. When a CHA type aluminosilicate zeolite membrane is formed, it is preferable to use a seed crystal of CHA type zeolite.
It is desirable that the seed crystal has a small particle size, and it may be used after pulverization if necessary. The particle size is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, and is usually 5 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less.
支持体上に種結晶を付着させる方法は特に限定されず、例えば、種結晶を水などの溶媒に分散させてその分散液に支持体を浸けて表面に種結晶を付着させるディップ法や、種結晶を水などの溶媒と混合してスラリー状にしたものを支持体上に塗りこむ方法などを用いることができる。種結晶の付着量を制御し、再現性良く膜複合体を製造するにはディップ法が望ましい。 The method for attaching the seed crystal on the support is not particularly limited. For example, a dip method in which the seed crystal is dispersed in a solvent such as water and the support is immersed in the dispersion to attach the seed crystal to the surface, For example, a method of applying a slurry obtained by mixing crystals with a solvent such as water onto a support can be used. The dip method is desirable for controlling the amount of seed crystals attached and producing a membrane composite with good reproducibility.
種結晶を分散させる溶媒は特に限定されないが、特に水が好ましい。分散させる種結晶の量は特に限定されず、分散液の全重量に対して、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは0.5重量%以上である。また、通常20重量%以下、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは3重量%以下である。 The solvent for dispersing the seed crystal is not particularly limited, but water is particularly preferable. The amount of seed crystals to be dispersed is not particularly limited, and is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 0.5% by weight or more with respect to the total weight of the dispersion. Moreover, it is 20 weight% or less normally, Preferably it is 10 weight% or less, More preferably, it is 5 weight% or less, More preferably, it is 3 weight% or less.
分散させる種結晶の量が少なすぎると、支持体上に付着する種結晶の量が少ないため、水熱合成時に支持体表面に部分的にゼオライトが生成しない箇所ができ、欠陥のある膜となる可能性がある。分散液中の種結晶の量が多すぎると、ディップ法によって支持体上に付着する種結晶の量がほぼ一定となるため、種結晶の無駄が多くなりコスト面で不利である。 If the amount of seed crystals to be dispersed is too small, the amount of seed crystals adhering to the support is small, so that a portion of the support surface where no zeolite is generated is formed during hydrothermal synthesis, resulting in a defective film. there is a possibility. If the amount of seed crystals in the dispersion is too large, the amount of seed crystals adhering to the support by the dipping method becomes almost constant, which is disadvantageous in terms of cost because the seed crystals are wasted.
支持体にディップ法あるいはスラリーの塗りこみによって種結晶を付着させ、乾燥した後にゼオライト膜の形成を行うことが望ましい。
支持体上に予め付着させておく種結晶の重量は特に限定されず、基材1m2あたりの重量で、通常0.01g以上、好ましくは0.05g以上、より好ましくは0.1g以上であり、通常100g以下、好ましくは50g以下、より好ましくは10g以下、更に好ましくは8g以下である。
It is desirable to deposit the seed crystal on the support by dipping or slurry coating, and after drying, form a zeolite membrane.
The weight of the seed crystal to be deposited in advance on the support is not particularly limited, and is usually 0.01 g or more, preferably 0.05 g or more, more preferably 0.1 g or more, per 1 m 2 of the base material. Usually, it is 100 g or less, preferably 50 g or less, more preferably 10 g or less, still more preferably 8 g or less.
種結晶の量が下限未満の場合には、結晶ができにくくなり、膜の成長が不十分になる場合や、膜の成長が不均一になったりする傾向がある。また、種結晶の量が上限を超える場合には、表面の凹凸が種結晶によって増長されたり、支持体表面から落ちた種結晶によって自発核が成長しやすくなって支持体上の膜成長が阻害されたりする場合がある。何れの場合も、緻密なゼオライト膜が生成しにくくなる傾向となる。 When the amount of the seed crystal is less than the lower limit, it becomes difficult to form a crystal, and there is a tendency that the film growth becomes insufficient or the film growth becomes uneven. Also, if the amount of seed crystal exceeds the upper limit, surface irregularities are increased by the seed crystal, or spontaneous nuclei are likely to grow due to the seed crystal falling from the support surface, thereby inhibiting film growth on the support. May be. In either case, it tends to be difficult to form a dense zeolite membrane.
水熱合成により支持体上にゼオライト膜を形成する場合、支持体の固定化方法に特に制限はなく、縦置き、横置きなどあらゆる形態をとることができる。この場合、静置法でゼオライト膜を形成させてもよいし、水性反応混合物を攪拌させてゼオライト膜を形成させてもよい。
ゼオライト膜を形成させる際の温度は特に限定されないが、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、更に好ましくは150℃以上であり、通常200℃以下、好ましくは190℃以下、さらに好ましくは180℃以下である。反応温度が低すぎると、ゼオライトが結晶化し難くなることがある。また、反応温度が高すぎると、本発明におけるゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。
When a zeolite membrane is formed on a support by hydrothermal synthesis, there are no particular limitations on the method for immobilizing the support, and it can take any form such as vertical or horizontal placement. In this case, the zeolite membrane may be formed by a stationary method, or the aqueous reaction mixture may be stirred to form a zeolite membrane.
The temperature at which the zeolite membrane is formed is not particularly limited, but is usually 100 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, usually 200 ° C. or lower, preferably 190 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. It is as follows. If the reaction temperature is too low, the zeolite may be difficult to crystallize. If the reaction temperature is too high, a zeolite of a type different from the zeolite in the present invention may be easily generated.
加熱時間は特に限定されないが、通常1時間以上、好ましくは5時間以上、更に好ましくは10時間以上であり、通常10日間以下、好ましくは5日以下、より好ましくは3日以下、さらに好ましくは2日以下である。反応時間が短すぎるとゼオライトが結晶化し難くなることがある。反応時間が長すぎると、本発明におけるゼオライトとは異なるタイプのゼオライトが生成し易くなることがある。 The heating time is not particularly limited, but is usually 1 hour or more, preferably 5 hours or more, more preferably 10 hours or more, and usually 10 days or less, preferably 5 days or less, more preferably 3 days or less, and even more preferably 2 Less than a day. If the reaction time is too short, the zeolite may be difficult to crystallize. If the reaction time is too long, a zeolite of a type different from the zeolite in the present invention may be easily generated.
ゼオライト膜形成時の圧力は特に限定されず、密閉容器中に入れた水性反応混合物を、この温度範囲に加熱したときに生じる自生圧力で十分である。さらに必要に応じて、窒素などの不活性ガスを加えても差し支えない。
水熱合成により得られたゼオライト膜複合体は、水洗した後に、加熱処理して、乾燥させる。ここで、加熱処理とは、熱をかけてゼオライト膜複合体を乾燥又はテンプレートを使用した場合にテンプレートを焼成することを意味する。
The pressure at the time of forming the zeolite membrane is not particularly limited, and the self-generated pressure generated when the aqueous reaction mixture placed in the closed vessel is heated to this temperature range is sufficient. If necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
The zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heated and dried. Here, the heat treatment means that the template is fired when heat is applied to dry the zeolite membrane composite or the template is used.
加熱処理の温度は、乾燥を目的とする場合は、通常50℃以上、好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、通常200℃以下、好ましくは150℃以下である。加熱処理の温度はテンプレートの焼成を目的とする場合通常350℃以上、好ましくは400℃以上、より好ましくは430℃以上、更に好ましくは450℃以上であり、通常900℃以下、好ましくは850℃以下、さらに好ましくは800℃以下、特に好ましくは750℃以下である。 In the case of drying, the temperature of the heat treatment is usually 50 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, usually 200 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower. The temperature of the heat treatment is usually 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 430 ° C. or higher, more preferably 450 ° C. or higher, and usually 900 ° C. or lower, preferably 850 ° C. or lower, for the purpose of firing the template. More preferably, it is 800 ° C. or less, and particularly preferably 750 ° C. or less.
加熱時間は、ゼオライト膜が十分に乾燥、またはテンプレートが焼成する時間であれば特に限定されず、好ましくは0.5時間以上、より好ましくは1時間以上である。上限は特に限定されず、通常200時間以内、好ましくは150時間以内、より好ましくは100時間以内である。
水熱合成を有機テンプレートの存在下で行った場合、得られたゼオライト膜複合体を、水洗した後に、例えば、加熱処理や抽出などにより、好ましくは加熱処理、すなわち焼成により有機テンプレートを取り除くことが適当である。
The heating time is not particularly limited as long as the zeolite membrane is sufficiently dried or the template is calcined, and is preferably 0.5 hours or more, more preferably 1 hour or more. The upper limit is not particularly limited, and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, and more preferably within 100 hours.
When hydrothermal synthesis is performed in the presence of an organic template, the obtained zeolite membrane composite can be washed with water, and then the organic template can be removed by, for example, heat treatment or extraction, preferably by heat treatment, that is, baking. Is appropriate.
焼成温度が低すぎると有機テンプレートが残っている割合が多くなる傾向があり、ゼオライトの細孔が少なく、そのために分離濃縮の際のガスの透過量が減少する場合がある。焼成温度が高すぎると支持体とゼオライトの熱膨張率の差が大きくなるためゼオライト膜に亀裂が生じやすくなる可能性があり、ゼオライト膜の緻密性が失われ分離性能が低くなることがある。 If the calcination temperature is too low, the proportion of the remaining organic template tends to increase, and the pores of the zeolite are small, so that the amount of gas permeation during separation and concentration may decrease. If the calcination temperature is too high, the difference in the coefficient of thermal expansion between the support and the zeolite becomes large, so that the zeolite membrane may be easily cracked, and the denseness of the zeolite membrane may be lost and the separation performance may be lowered.
焼成時間は、昇温速度や降温速度により変動するが、有機テンプレートが十分に取り除かれる時間であれば特に限定されず、好ましくは1時間以上、より好ましくは5時間以上である。上限は特に限定されず、例えば、通常200時間以内、好ましくは150時間以内、より好ましくは100時間以内、特に好ましくは24時間以内である。焼成は空気雰囲気で行えばよいが、酸素を付加した雰囲気で行ってもよい。 The firing time varies depending on the temperature rising rate or the temperature falling rate, but is not particularly limited as long as the organic template is sufficiently removed, and is preferably 1 hour or longer, more preferably 5 hours or longer. The upper limit is not particularly limited, and is, for example, usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably within 100 hours, and particularly preferably within 24 hours. Firing may be performed in an air atmosphere, but may be performed in an atmosphere to which oxygen is added.
焼成の際の昇温速度は、支持体とゼオライトの熱膨張率の差がゼオライト膜に亀裂を生じさせることを少なくするために、なるべく遅くすることが望ましい。昇温速度は、通常5℃/分以下、好ましくは2℃/分以下、さらに好ましくは1℃/分以下、特に好ましくは0.5℃/分以下である。通常、作業性を考慮し0.1℃/分以上である。
また、焼成後の降温速度もゼオライト膜に亀裂が生じることを避けるためにコントロールする必要がある。昇温速度と同様、遅ければ遅いほど望ましい。降温速度は、通常5℃/分以下、好ましくは2℃/分以下、さらに好ましくは1℃/分以下、特に好ましくは0.5℃/分以下である。通常、作業性を考慮し0.1℃/分以上である。
It is desirable that the rate of temperature increase during firing be as slow as possible in order to reduce the difference in the thermal expansion coefficient between the support and the zeolite from causing cracks in the zeolite membrane. The temperature rising rate is usually 5 ° C./min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, and particularly preferably 0.5 ° C./min or less. Usually, it is 0.1 ° C./min or more in consideration of workability.
Moreover, it is necessary to control the temperature drop rate after firing in order to avoid cracks in the zeolite membrane. Similar to the rate of temperature increase, the slower the better. The temperature lowering rate is usually 5 ° C./min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, and particularly preferably 0.5 ° C./min or less. Usually, it is 0.1 ° C./min or more in consideration of workability.
ゼオライト膜は、必要に応じてイオン交換しても良い。イオン交換は、テンプレートを用いて合成した場合は、通常、テンプレートを除去した後に行う。イオン交換するイオンとしては、プロトン、Na+、K+、Li+などのアルカリ金属イオン、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+などのアルカリ土類金属イオン、Fe、Cu、Zn、Agなどの遷移金属のイオンなどが挙げられる。これらの中で、プロトン、Na+、K+、Li+などのアルカリ金属イオンが好ましい。 The zeolite membrane may be ion exchanged as necessary. In the case of synthesizing using a template, ion exchange is usually performed after removing the template. Examples of ions to be ion-exchanged include protons, alkali metal ions such as Na + , K + and Li + , alkaline earth metal ions such as Ca 2+ , Mg 2+ , Sr 2+ and Ba 2+ , Fe, Cu, Zn, Ag and the like. And transition metal ions. Among these, alkali metal ions such as proton, Na + , K + , and Li + are preferable.
イオン交換は、焼成後(テンプレートを使用した場合など)のゼオライト膜を、NH4NO3、NaNO3などアンモニウム塩あるいは交換するイオンを含む水溶液、場合によっては塩酸などの酸で、通常、室温から100℃の温度で処理後、水洗する方法などにより行えばよい。さらに、必要に応じて200℃〜500℃で焼成してもよい。
加熱処理後のゼオライト膜複合体の空気透過量は、通常1400L/(m2・h)以下、好ましくは1000L/(m2・h)以下、より好ましくは700L/(m2・h)以下、より好ましくは600L/(m2・h)以下、さらに好ましくは500L/(m2・h)以下、特に好ましくは300L/(m2・h)以下、もっとも好ましくは200L/(m2・h)である。透過量の下限は特に限定されないが、通常0.01L/(m2・h)以上、好ましくは0.1L/(m2・h)以上、より好ましくは1L/(m2・h)以上である。
In ion exchange, the zeolite membrane after calcination (such as when a template is used) is replaced with an ammonium salt such as NH 4 NO 3 or NaNO 3 or an aqueous solution containing ions to be exchanged, and in some cases an acid such as hydrochloric acid. What is necessary is just to perform by the method of washing with water etc. after processing at the temperature of 100 degreeC. Furthermore, you may bake at 200 to 500 degreeC as needed.
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after the heat treatment is usually 1400 L / (m 2 · h) or less, preferably 1000 L / (m 2 · h) or less, more preferably 700 L / (m 2 · h) or less, More preferably 600 L / (m 2 · h) or less, further preferably 500 L / (m 2 · h) or less, particularly preferably 300 L / (m 2 · h) or less, and most preferably 200 L / (m 2 · h). It is. In lower limit of the transmission amount is not particularly limited, it is generally 0.01L / (m 2 · h) or more, preferably 0.1L / (m 2 · h) or more, more preferably 1L / (m 2 · h) or higher is there.
ここで、空気透過量とは、実施例の項で詳述するとおり、ゼオライト膜複合体を大気圧下におき、ゼオライト膜複合体の内側を5kPaの真空ラインに接続した時の空気の透過量[L/(m2・h)]である。
かくして製造されるゼオライト膜複合体は、優れた特性をもつものであり、本発明におけるガス分離用の膜分離手段として好適に用いることができる。
Here, the air permeation amount is the amount of air permeation when the zeolite membrane composite is placed under atmospheric pressure and the inside of the zeolite membrane composite is connected to a 5 kPa vacuum line, as described in detail in the Examples section. [L / (m 2 · h)].
The zeolite membrane composite thus produced has excellent characteristics and can be suitably used as a membrane separation means for gas separation in the present invention.
(ガス分離)
本発明のガス分離方法は、上記ゼオライト膜複合体に、複数の気体成分からなる気体混合物を接触させ、該気体混合物から、透過性の高い気体成分を透過して分離することに特徴を有するものである。
本発明におけるゼオライト膜の分離機能の一つは、分子ふるいとしての分離であり、用いるゼオライトの有効細孔径以上の大きさを有する気体分子とそれ以下の気体分子とを好適に分離することができる。
(Gas separation)
The gas separation method of the present invention is characterized in that a gas mixture composed of a plurality of gas components is brought into contact with the zeolite membrane composite, and a highly permeable gas component is permeated and separated from the gas mixture. It is.
One of the separation functions of the zeolite membrane in the present invention is separation as a molecular sieve, and gas molecules having a size larger than the effective pore diameter of the zeolite used can be suitably separated from gas molecules smaller than that. .
従って、本発明における透過性の高い気体成分とは、CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト結晶相の細孔を通過しやすい気体分子からなる気体成分であり、分子径が概ね0.38nm程度より小さい気体分子からなる気体成分が好ましい。
ゼオライトの有効細孔径は導入する金属種やイオン交換、酸処理、シリル化などによって制御することが可能である。有効細孔径を制御することによって、分離性能を向上させることも可能である。
Therefore, the highly permeable gas component in the present invention is a gas component composed of gas molecules that easily pass through the pores of the zeolite crystal phase of CHA-type aluminosilicate, and a gas having a molecular diameter smaller than about 0.38 nm. A gaseous component consisting of molecules is preferred.
The effective pore size of zeolite can be controlled by the metal species to be introduced, ion exchange, acid treatment, silylation, and the like. It is also possible to improve the separation performance by controlling the effective pore diameter.
ゼオライト骨格に導入する金属種の原子径によって、細孔径はわずかに影響を受ける。ケイ素よりも原子径が小さな金属、具体的には例えばホウ素(B)等を導入した場合には細孔径は小さくなり、ケイ素よりも大きな原子径の金属、具体的には例えばスズ(Sn)等を導入した場合には細孔径は大きくなる。
また酸処理によって、導入されている金属を骨格から脱離することによって、細孔径が
影響される場合がある。
The pore size is slightly affected by the atomic size of the metal species introduced into the zeolite framework. When a metal having a smaller atomic diameter than silicon, specifically boron (B), for example, is introduced, the pore diameter becomes smaller, and a metal having an atomic diameter larger than silicon, specifically tin (Sn), etc. When is introduced, the pore diameter becomes large.
Further, the pore diameter may be affected by removing the introduced metal from the skeleton by acid treatment.
イオン交換により、イオン半径の大きな1価のイオンで交換した場合には、有効細孔径は小さくなる方向となり、一方イオン半径の小さな1価のイオンで交換した場合には有効細孔径は、CHA構造がもつ細孔径に近い値となる。またカルシウムのような2価のイオンの場合にも交換サイトの位置によっては、有効細孔径がCHA構造がもつ細孔径に近い値となる。 When exchanging with monovalent ions having a large ion radius by ion exchange, the effective pore diameter becomes smaller, whereas when exchanging with monovalent ions having a small ion radius, the effective pore diameter is CHA structure. It becomes a value close to the pore diameter of. Also in the case of divalent ions such as calcium, depending on the position of the exchange site, the effective pore size is close to the pore size of the CHA structure.
シリル化によっても、ゼオライトの有効細孔径を小さくすることが可能である。外表面の末端シラノールをシリル化し、さらに、シリル化層を積層することによって、ゼオライトの外表面に面した細孔の有効細孔径は小さくなる。
また、本発明のゼオライト複合膜のもうひとつの分離機能は、ゼオライトの表面物性の制御により気体分子のゼオライト膜への吸着性を制御することである。すなわち、ゼオライトの極性を制御することによりゼオライトへの吸着性の大きな分子を透過させやすくすることもできる。
Silylation can also reduce the effective pore size of zeolite. By silylated the terminal silanol on the outer surface and further laminating the silylated layer, the effective pore diameter of the pores facing the outer surface of the zeolite is reduced.
Further, another separation function of the zeolite composite membrane of the present invention is to control the adsorptivity of gas molecules to the zeolite membrane by controlling the surface physical properties of the zeolite. That is, by controlling the polarity of the zeolite, it is possible to facilitate the passage of molecules having a high adsorptivity to the zeolite.
ゼオライト骨格のSiをAlで置換することにより極性を大きくすることが可能であり、これにより、極性の大きい気体分子を積極的にゼオライト細孔に吸着、透過させることができる。また、Alの置換量が減少すると極性の小さいゼオライト膜となり、極性の小さい気体分子を透過させるに有利となる。
またGa、Fe、B、Ti、Zr、Sn、ZnをAl元素源以外に他の元素源にいれて、極性を制御することも可能である。
It is possible to increase the polarity by substituting Si of the zeolite skeleton with Al, and thereby, gas molecules having a large polarity can be actively adsorbed and permeated into the zeolite pores. Further, when the amount of Al substitution is reduced, a zeolite membrane having a small polarity is obtained, which is advantageous for allowing gas molecules having a small polarity to permeate.
It is also possible to control the polarity by putting Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, Zn into another element source in addition to the Al element source.
このほか、イオン交換によって、分子の吸着性能や、ゼオライト細孔径の制御を制御し、透過性能をコントロールすることもできる。
本発明において、望ましい気体混合物としては、二酸化炭素、水素、酸素、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、イソブタン、1−ブテン、2-ブテン、イソブテン、六フッ化硫黄、ヘリウム、一酸化炭素、一酸化窒素、水な
どから選ばれる少なくとも1種の成分を含むものが挙げられる。前記ガスを含む気体混合物の成分のうち、パーミエンスの高い気体成分は、ゼオライト膜複合体を透過し分離され、パーミエンスの低い気体成分は供給ガス側に濃縮される。
In addition, the permeation performance can be controlled by controlling the adsorption performance of the molecules and the pore diameter of the zeolite by ion exchange.
In the present invention, preferred gas mixtures include carbon dioxide, hydrogen, oxygen, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene, normal butane, isobutane, 1-butene, 2-butene, isobutene, sulfur hexafluoride, helium. , Carbon monoxide, nitric oxide, water and the like, containing at least one component selected. Among the components of the gas mixture containing the gas, a gas component having a high permeance passes through the zeolite membrane composite and is separated, and a gas component having a low permeance is concentrated on the supply gas side.
さらに気体混合物としては、上記成分の少なくとも2種の成分を含むものがより好ましい。この場合、2種の成分としては、パーミエンスの高い成分とパーミエンスの低い成分の組合せが好ましい。
ガス分離の条件は、対象とするガス種や組成、膜の性能により異なるが、温度は、通常0〜300℃、好ましくは室温〜200℃、より好ましくは室温〜150℃である。
Furthermore, as a gas mixture, what contains at least 2 types of component of the said component is more preferable. In this case, the two components are preferably a combination of a component having a high permeance and a component having a low permeance.
Although the conditions for gas separation vary depending on the target gas species and composition, and the performance of the membrane, the temperature is usually 0 to 300 ° C, preferably room temperature to 200 ° C, more preferably room temperature to 150 ° C.
供給ガスの圧力は、分離対象のガスが高圧であればそのままの圧力でもよく、適宜圧力を減圧調整して所望の圧力にして用いても良い。分離対象のガスが、分離に用いる圧力より低い場合は、圧縮機などで増圧して用いることができる。
供給ガスの圧力は特に制限されないが、通常大気圧若しくは大気圧より大きく、好ましくは0.1MPa以上、より好ましくは、0.11MPa以上である。また、通常上限値は20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは1MPa以下である。
The pressure of the supply gas may be the same as long as the gas to be separated is high, or may be used by adjusting the pressure appropriately to a desired pressure. When the gas to be separated is lower than the pressure used for separation, the pressure can be increased with a compressor or the like.
The pressure of the supply gas is not particularly limited, but is usually atmospheric pressure or larger than atmospheric pressure, preferably 0.1 MPa or more, more preferably 0.11 MPa or more. The upper limit is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 1 MPa or less.
供給側のガスと透過側のガスの差圧は特に制限されないが、通常20MPa以下、好ましくは10MPa以下、より好ましくは5MPa以下、更に好ましくは1MPa以下である。また通常0.001MPa以上、好ましくは0.01MPa以上、より好ましくは0.02MPa以上である。
ここで差圧とは、当該ガスの供給側の分圧と透過側の分圧の差をいう。尚、本発明にお
ける圧力[Pa]は、特に断りのない限り、絶対圧を指す。
The differential pressure between the gas on the supply side and the gas on the permeate side is not particularly limited, but is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 5 MPa or less, and even more preferably 1 MPa or less. Moreover, it is 0.001 MPa or more normally, Preferably it is 0.01 MPa or more, More preferably, it is 0.02 MPa or more.
Here, the differential pressure refers to the difference between the partial pressure on the gas supply side and the partial pressure on the permeation side. The pressure [Pa] in the present invention refers to an absolute pressure unless otherwise specified.
供給ガスの流速は、透過するガスの減少を補うことが可能である程度の流速で、また供給ガスにおいて透過性の小さなガスの膜のごく近傍における濃度とガス全体における濃度が一致するように、ガスを混合できるだけの流速であればよく、分離ユニットの管径、膜の分離性能にもよるが、通常0.5mm/sec以上、この好ましくは1mm/sec以上であり、上限は特に制限なく、通常、1m/sec以下、好ましくは0.5m/sec以下である。 The flow rate of the supply gas is a flow rate that can compensate for the decrease in the permeated gas, and the concentration in the vicinity of the membrane of the gas having a small permeability in the supply gas matches the concentration in the entire gas. However, it is usually 0.5 mm / sec or more, preferably 1 mm / sec or more, and the upper limit is not particularly limited. 1 m / sec or less, preferably 0.5 m / sec or less.
本発明の分離方法において、スイープガスを用いてもよい。スイープガスを用いた方法とは、透過側に供給ガスとは異なる種類のガスを流し、膜を透過したガスを回収するものである。
スイープガスの圧力は、通常大気圧であるが特に制限はなく、好ましくは20MPa以下、より好ましくは10MPa以下、更に好ましくは1MPa以下であり、下限は、好ましくは0.09MPa以上、より好ましくは、0.1MPa以上である。場合によっては、減圧にして用いても良い。
In the separation method of the present invention, a sweep gas may be used. In the method using the sweep gas, a gas different from the supply gas is allowed to flow on the permeate side, and the gas that has permeated the membrane is recovered.
The pressure of the sweep gas is usually atmospheric pressure, but is not particularly limited, preferably 20 MPa or less, more preferably 10 MPa or less, still more preferably 1 MPa or less, and the lower limit is preferably 0.09 MPa or more, more preferably, It is 0.1 MPa or more. In some cases, the pressure may be reduced.
スイープガスの流速は、特に制限はないが、通常10−7mol/(m2・s)以上104mol/(m2・s)以下である。
ガス分離に用いる装置は、特に限定されないが、通常はモジュールにして用いる。膜モジュールは、例えば、図1及び2に示したような装置でもよいし、され「ガス分離・精製技術」(株)東レリサーチセンター2007年発行22頁に例示されている膜モジュールを用いてもよい。
The flow rate of the sweep gas is not particularly limited, but is usually 10 −7 mol / (m 2 · s) or more and 10 4 mol / (m 2 · s) or less.
Although the apparatus used for gas separation is not specifically limited, Usually, it uses as a module. The membrane module may be, for example, an apparatus as shown in FIGS. 1 and 2, or may be a membrane module exemplified in “Gas Separation / Purification Technology”, page 22 of the Toray Research Center 2007 issue. Good.
(分離性能)
本発明におけるゼオライト膜複合体は、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れかつ、高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れた性能を持つ。特に無機ガス、低級炭化水素の分離に優れた分離性能を示す。
ここでいう高い透過性能とは、十分な処理量を示し、例えば、膜を透過する気体成分のパーミエンス(Permeance)[mol・(m2・s・Pa)−1]が、例えば二酸化炭素を、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合、通常1×10−9以上、好ましくは5×10−8以上、より好ましくは1×10−7以上であり、上限は特に限定されず、通常1×10−4以下である。
(Separation performance)
The zeolite membrane composite in the present invention is excellent in chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, and pressure resistance, exhibits high permeation performance and separation performance, and has excellent performance. In particular, it exhibits excellent separation performance for separating inorganic gases and lower hydrocarbons.
The high permeation performance here indicates a sufficient throughput, for example, the permeance (Permeance) [mol · (m 2 · s · Pa) −1 ] of the gas component that permeates the membrane, for example, carbon dioxide, When permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa, it is usually 1 × 10 −9 or more, preferably 5 × 10 −8 or more, more preferably 1 × 10 −7 or more, and the upper limit is not particularly limited. Usually, it is 1 × 10 −4 or less.
また、パーミエンス[mol・(m2・s・Pa)−1]は、例えばメタンを同様の条件で透過させた場合、通常1×10−7以下、好ましくは1×10−8以下、より好ましくは5×10−9以下であり、理想的にはパーミエンスは0であるが、実用上10−10〜10−14程度以上のオーダーとなる場合がある。
ここで、パーミエンス(Permeance)とは、透過する物質量を、膜面積と時間と透過する物質の供給側と透過側の分圧差の積で割ったものであり、単位は、[mol・(m2・s・Pa)−1]であり、実施例の項において述べる方法により算出される値である。「透過度」ともいうことがある。
Further, permeance [mol · (m 2 · s · Pa) −1 ] is usually 1 × 10 −7 or less, preferably 1 × 10 −8 or less, more preferably when methane is permeated under the same conditions. Is 5 × 10 −9 or less, and ideally the permeance is 0, but may be practically on the order of 10 −10 to 10 −14 or more.
Here, the permeance is obtained by dividing the amount of the permeating substance by the product of the membrane area, time, and the partial pressure difference between the permeating substance supply side and the permeating side, and the unit is [mol · (m 2 · s · Pa) −1 ], which is a value calculated by the method described in the example section. Sometimes referred to as “transmittance”.
また、ゼオライト膜の選択性は分離係数により表される。分離係数は膜分離で一般的に用いられる選択性を表す指標であり、実施例の項において述べる方法により算出される値である。
分離係数は、例えば、二酸化炭素とメタンの体積比1:1の混合ガスを、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合、通常2以上、好ましくは10以上、より好ましくは30以上、特に好ましくは50以上である。分離係数の上限は完全に二酸化炭素しか透過しない場合でありその場合は無限大となるが、実用上、分離係数は10万程度以下と
なる場合がある。
The selectivity of the zeolite membrane is expressed by a separation factor. The separation coefficient is an index representing selectivity generally used in membrane separation, and is a value calculated by the method described in the section of the examples.
The separation factor is, for example, usually 2 or more, preferably 10 or more, more preferably 30 or more when a mixed gas of carbon dioxide and methane in a volume ratio of 1: 1 is permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa. Especially preferably, it is 50 or more. The upper limit of the separation factor is a case where only carbon dioxide permeates. In that case, the separation factor is infinite, but in practice, the separation factor may be about 100,000 or less.
本発明のガス分離用ゼオライト膜複合体は、上記のとおり、耐薬品性、耐酸化性、耐熱安定性、耐圧性に優れかつ、高い透過性能、分離性能を発揮し、耐久性に優れるものであり、例えば次のようなガス分離技術として特に好適に用いることができる。
二酸化炭素分離技術としては、天然ガスからの二酸化炭素の除去、生活系廃棄物などの有機物の埋め立てにより発生するランドファィルガス(メタン約60%、二酸化炭素40%、微量の窒素、水蒸気含有)からの二酸化炭素除去等が挙げられる。
As described above, the zeolite membrane composite for gas separation of the present invention is excellent in chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, pressure resistance, exhibits high permeation performance, separation performance, and is excellent in durability. For example, it can be particularly suitably used as the following gas separation technique.
Carbon dioxide separation technology includes the removal of carbon dioxide from natural gas and landfill gas (approximately 60% methane, 40% carbon dioxide, trace amounts of nitrogen and water vapor) generated by landfilling organic matter such as domestic waste. Removal of carbon dioxide and the like.
水素分離技術としては、石油精製工業における水素回収、化学工業の各種反応プロセスにおける水素回収・精製(水素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素等の混合物)、燃料電池用の高純度水素の製造などがある。燃料電池用の水素製造は、メタンの水蒸気改質反応により得られ、H2、CO、CH4、H2Oの混合ガスから水素の分離が必要とされている。 Hydrogen separation technologies include hydrogen recovery in the petroleum refining industry, hydrogen recovery and purification in various reaction processes in the chemical industry (mixtures of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons, etc.), and production of high-purity hydrogen for fuel cells. and so on. Hydrogen production for fuel cells is obtained by a steam reforming reaction of methane, and it is necessary to separate hydrogen from a mixed gas of H 2 , CO, CH 4 , and H 2 O.
そのほか、酸素分離技術として、空気からの酸素富化ガスの製造(医療用、燃焼用酸素富化空気など)、窒素分離技術として空気からの窒素素富化ガスの製造(防爆用、酸化防止など)、水蒸気分離(精密機械等の脱湿)、溶存ガス分離(水、有機液体からの脱気)、有機ガス分離(石油精製工業、石油化学工業における有機ガス分離、オレフィン、パラフィンの分離)などが挙げられる。 In addition, as oxygen separation technology, production of oxygen-enriched gas from air (medical and combustion oxygen-enriched air, etc.), as nitrogen separation technology, production of nitrogen-rich gas from air (explosion-proof, antioxidant, etc.) ), Water vapor separation (dehumidification of precision machinery, etc.), dissolved gas separation (deaeration from water and organic liquids), organic gas separation (organic gas separation in the oil refining industry and petrochemical industry, separation of olefins and paraffins), etc. Is mentioned.
以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例において、ゼオライト膜の物性及び分離性能は、次の方法で測定した。また以下、「CHA型珪酸塩のゼオライト」を単に「CHA型ゼオライト」と呼ぶ。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to a following example, unless the summary is exceeded. In the following examples, the physical properties and separation performance of the zeolite membrane were measured by the following methods. Hereinafter, “CHA-type silicate zeolite” is simply referred to as “CHA-type zeolite”.
(1)X線回折(XRD)
XRD測定は以下の条件に基づき行った。
・装置名:オランダPANalytical社製X’PertPro MPD
・光学系仕様 入射側:封入式X線管球(CuKα)
Soller Slit (0.04rad)
Divergence Slit (Valiable Slit)
試料台:XYZステージ
受光側:半導体アレイ検出器(X’ Celerator)
Ni−filter
Soller Slit (0.04rad)
ゴニオメーター半径:240mm
・測定条件 X線出力(CuKα):45kV、40mA
走査軸:θ/2θ
走査範囲(2θ):5.0−70.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
計数時間:99.7sec
自動可変スリット(Automatic−DS):1mm(照射幅)
横発散マスク:10mm(照射幅)
なお、X線は円筒管の軸方向に対して垂直な方向に照射した。またX線は、できるだけノイズ等がはいらないように、試料台においた円筒管状の膜複合体と、試料台表面に平行な面とが接する2つのラインのうち、試料台表面に接するラインではなく、試料台表面よ
り上部にあるもう一方のライン上に主にあたるようにした。
(1) X-ray diffraction (XRD)
XRD measurement was performed based on the following conditions.
-Device name: X'PertPro MPD manufactured by PANalytical, the Netherlands
Optical system specifications Incident side: Enclosed X-ray tube (CuKα)
Soller Slit (0.04 rad)
Divergence Slit (Variable Slit)
Sample stage: XYZ stage
Light receiving side: Semiconductor array detector (X 'Celerator)
Ni-filter
Soller Slit (0.04 rad)
Goniometer radius: 240mm
Measurement conditions X-ray output (CuKα): 45 kV, 40 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Scanning range (2θ): 5.0-70.0 °
Measurement mode: Continuous
Reading width: 0.05 °
Counting time: 99.7 sec
Automatic variable slit (Automatic-DS): 1 mm (irradiation width)
Lateral divergence mask: 10 mm (irradiation width)
X-rays were irradiated in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical tube. Also, the X-ray is not a line in contact with the surface of the sample table out of two lines where the cylindrical tubular membrane composite placed on the sample table and a surface parallel to the surface of the sample table are in contact with each other so that noise is not required as much as possible. The main line was placed on the other line above the surface of the sample table.
また、照射幅を自動可変スリットによって1mmに固定して測定し、Materials Data, Inc.のXRD解析ソフトJADE 7.5.2(日本語版)を用いて可変ス
リット→固定スリット変換を行ってXRDパターンを得た。
(2)SEM−EDX
・装置名:SEM:FE−SEM Hitachi:S−4800
EDX:EDAX Genesis
・加速電圧:10kV
倍率5000倍での視野全面(25μm×18μm)を走査し、X線定量分析を行った。
In addition, the irradiation width is fixed to 1 mm with an automatic variable slit and measured, and then XRD analysis software JADE 7.5.2 (Japanese version) of Materials Data, Inc. is used to perform variable slit → fixed slit conversion to XRD. Got a pattern.
(2) SEM-EDX
-Device name: SEM: FE-SEM Hitachi: S-4800
EDX: EDAX Genesis
・ Acceleration voltage: 10 kV
The entire field of view (25 μm × 18 μm) at a magnification of 5000 was scanned, and X-ray quantitative analysis was performed.
(3)SEM
SEM測定は以下の条件に基づき行った。
・装置名:SEM:FE−SEM Hitachi:S−4100
・加速電圧:10kV
(3) SEM
The SEM measurement was performed based on the following conditions.
Device name: SEM: FE-SEM Hitachi: S-4100
・ Acceleration voltage: 10 kV
(4)空気透過量
大気圧下で、ゼオライト膜複合体の一端を封止し、他端を、気密性を保持した状態で5kPaの真空ラインに接続して、真空ラインとゼオライト膜複合体の間に設置したマスフローメーターでゼオライト膜複合体を透過した空気の流量を測定し、空気透過量[L/(
m2・h)]とした。マスフローメーターとしてはKOFLOC社製8300、N2ガス
用、最大流量500ml/min(20℃、1気圧換算)を用いた。KOFLOC社製8
300においてマスフローメーターの表示が10ml/min(20℃、1気圧換算)以
下であるときはLintec社製MM−2100M、Airガス用、最大流量20ml/
min(0℃、1気圧換算)を用いて測定した。
(4) Air permeation amount At atmospheric pressure, one end of the zeolite membrane composite is sealed, and the other end is connected to a 5 kPa vacuum line while maintaining airtightness. The flow rate of air that permeated the zeolite membrane composite was measured with a mass flow meter installed in between, and the air permeation amount [L / (
m 2 · h)]. As the mass flow meter, 8300 manufactured by KOFLOC, for N 2 gas, maximum flow rate 500 ml / min (20 ° C., converted to 1 atm) was used. 8 made by KOFLOC
In 300, when the mass flow meter display is 10 ml / min or less (20 ° C., converted to 1 atm), Lintec MM-2100M, for Air gas,
It measured using min (0 degreeC, 1 atmosphere conversion).
(5)単成分ガス透過試験
単成分ガス透過試験は、図1、または図2に模式的に示す装置を用いて、以下のとおり行った。用いた試料ガスは、二酸化炭素(純度99.9%、高圧ガス工業社製)、メタン(純度99.999%、ジャパンファインプロダクツ製)、水素(純度99.99%以上、HORIBA STEC製水素発生器OPGU−2200より発生)、窒素(純度99.99%、東邦酸素工業製)、ヘリウム(純度99.99、ジャパンヘリウムセンター製)
である。
(5) Single-component gas permeation test The single-component gas permeation test was performed as follows using the apparatus schematically shown in FIG. 1 or FIG. The sample gases used were carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by High Pressure Gas Industries), methane (purity 99.999%, manufactured by Japan Fine Products), hydrogen (purity 99.99% or higher, HORIBA STEC hydrogen generation) Generated from the reactor OPGU-2200), nitrogen (purity 99.99%, manufactured by Toho Oxygen Industry), helium (purity 99.99, manufactured by Japan Helium Center)
It is.
図1において、円筒形のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納された状態で恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料ガスの温度調整が可能なように、温度制御装置が付設されている。
円筒形のゼオライト膜複合体1の一端は、円柱状のエンドピン3で密封されている。他端は接続部4で接続され、接続部4の他端は、耐圧容器2と接続されている。円筒形のゼオライト膜複合体の内側と、透過ガス8を排出する配管11が、接続部4を介して接続されており、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。耐圧容器2には、試料ガスの供給側の圧力を測る圧力計5が接続されている。各接続部は気密性よく接続されている。
In FIG. 1, a cylindrical
One end of the cylindrical
図2において、円筒形のゼオライト膜複合体1は、ステンレス製の耐圧容器2に格納された状態で、恒温槽(図示せず)に設置されている。恒温槽には、試料ガスの温度調整が可能なように、温度制御装置が付設されている。
円筒形のゼオライト膜複合体1の一端は、円形のエンドピン3で密封されている。他端は、接続部4で接続され、接続部4の他端は耐圧容器2と接続されている。円筒形のゼオライト膜複合体の内側と透過ガス8を排出する配管11が、接続部4を介して接続されて
おり、配管11は、耐圧容器2の外側に伸びている。また、ゼオライト膜複合体1には、配管11を経由して、スイープガス9を供給する配管12が挿入されている。さらに、耐圧容器2には、試料ガスの供給側の圧力を測る圧力計5、供給側の圧力を調整する背圧弁6が接続されている。各接続部は気密性よく接続されている。
In FIG. 2, a cylindrical
One end of the cylindrical
図1の装置において、単成分ガス透過試験を行う場合は、試料ガス(供給ガス7)を、一定の圧力で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供給し、ゼオライト膜複合体を透過した透過ガス8を、配管11に接続されている流量計(図示せず)にて測定する。
図2の装置において、単成分ガス透過試験を行う場合は試料ガス(供給ガス7)を、一定の流量で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供給し、背圧弁6により供給側の圧力を一定とする。配管11から排出される排出ガスの流量を測定する。
In the apparatus of FIG. 1, when performing a single component gas permeation test, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the
In the apparatus shown in FIG. 2, when a single component gas permeation test is performed, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the
さらに具体的には、水分や空気などの成分を除去するため、測定温度以上での乾燥、及び、排気若しくは使用する供給ガスによるパージ処理をした後、試料温度及びゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧を一定として、透過ガス流量が安定したのちに、ゼオライト膜複合体1を透過した試料ガス(透過ガス8)の流量を測定し、ガスのパーミエンス[mol・(m2・s・Pa)−1]を算出する。パーミエンスを計算する際の圧力は、供給ガスの供給側と透過側の圧力差(差圧)を用いる。
More specifically, in order to remove components such as moisture and air, the sample temperature and the supply gas of the
上記測定結果に基づき、理想分離係数αを下記式(1)により算出する。
α=(Q1/Q2)/(P1/P2) (1)
〔式(1)中、Q1およびQ2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol・(m2・s)−1]を示し、P1およびP2は、それぞれ、供給ガスである透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの圧力[Pa]を示す。〕
Based on the measurement result, the ideal separation coefficient α is calculated by the following equation (1).
α = (Q 1 / Q 2 ) / (P 1 / P 2 ) (1)
Wherein (1), Q 1 and Q 2, respectively, the amount of transmission of high permeability gas and low permeability gas indicates [mol · (m 2 · s ) -1],
(6)混合ガス透過試験
ゼオライト膜複合体の混合ガス透過試験は、図2に模式的に示す装置を用いて、以下のとおり行った。用いた試料ガスは、二酸化炭素(純度99.9%、高圧ガス工業社製)、メタン(純度99.999%、ジャパンファインプロダクツ製)、水素(純度99.99%以上、HORIBA STEC製水素発生器OPGU−2200より発生)、窒素(9
9.99%、東邦酸素工業製)である。流量制御機器を用いて所定の割合で混合したガスを供給した。
(6) Mixed gas permeation test The mixed gas permeation test of the zeolite membrane composite was performed as follows using the apparatus schematically shown in FIG. The sample gases used were carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by High Pressure Gas Industries), methane (purity 99.999%, manufactured by Japan Fine Products), hydrogen (purity 99.99% or higher, HORIBA STEC hydrogen generation) Generated from OPGU-2200), nitrogen (9
9.99%, manufactured by Toho Oxygen Industry). A gas mixed at a predetermined ratio was supplied using a flow rate control device.
混合ガス透過試験に用いる図2の装置の具体的な構成は上述の通りである。
図2の装置において、試料ガス(供給ガス7)を、一定の流量で耐圧容器2とゼオライト膜複合体1の間に供給し、背圧弁6により供給側の圧力を一定とする。配管11から排出される排出ガスの流量を測定するとともに、排出ガスを分取してガスクロマトグラフによる成分分析を行う。スイープガスを使用する場合はスイープガス9を配管12から、ゼオライト膜複合体1の内側に流し、配管11から排出される排出ガス(スイープガス9の排出ガス及び同伴された透過ガス8)の流量を測定するとともに、排出ガスを分取してガスクロマトグラフによる成分分析を行う。
The specific configuration of the apparatus of FIG. 2 used for the mixed gas permeation test is as described above.
In the apparatus of FIG. 2, the sample gas (supply gas 7) is supplied between the pressure-
このときの、ゼオライト膜複合体1を透過した各成分ガスの流速を、上記のとおり測定し、ガスの透過量[mol・(m2・s)−1]を算出する。
上記測定結果に基づき、分離係数α’を下記式(2)により算出する。
α’=(Q’1/Q’2)/(P’1/P’2) (2)
〔式(2)中、Q’1およびQ’2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの透過量[mol・(m2・s)−1]を示し、P’1およびP’2は、それぞれ、供給ガス中の透過性の高いガスおよび透過性の低いガスの分圧[Pa]を示す。〕
At this time, the flow velocity of each component gas that has permeated the
Based on the measurement result, the separation coefficient α ′ is calculated by the following formula (2).
α ′ = (Q ′ 1 / Q ′ 2 ) / (P ′ 1 / P ′ 2 ) (2)
[In the formula (2), Q ′ 1 and Q ′ 2 represent the permeation amount [mol · (m 2 · s) −1 ] of a highly permeable gas and a low permeable gas, respectively, and P ′ 1 And P ′ 2 indicate the partial pressure [Pa] of the highly permeable gas and the low permeable gas in the supply gas, respectively. ]
また分離性能を表す指標としてパーミエンス比を用いる場合もある。パーミエンス比は透過性の低いガスのパーミエンスに対する透過性の高いガスのパーミエンスの比率であり、下記式(3)により算出する。
パーミエンス比=パーミエンス1/パーミエンス2 (3)
〔式(3)中、パーミエンス1およびパーミエンス2は、それぞれ、透過性の高いガスおよび透過性の低いガスのパーミエンス[mol・(m2・s・Pa)−1]を示す。〕
In addition, a permeance ratio may be used as an index representing separation performance. The permeance ratio is a ratio of gas permeance with high permeability to gas permeance with low permeability, and is calculated by the following equation (3).
Permeance ratio = Permeance 1 / Permeance 2 (3)
[In formula (3), permeance 1 and permeance 2 show the permeance [mol · (m 2 · s · Pa) −1 ] of a gas with high permeability and a gas with low permeability, respectively. ]
混合ガス透過試験におけるパーミエンスは、供給側のガスの各成分の分圧と、透過側のガスの各成分の分圧との差を圧力差として、各ガスの面積当たり、時間当たりの透過量を圧力差で割ることで算出される。具体的には下記式(4)により算出することができる。パーミエンス=Q/(P(供給)−P(透過))
〔式(4)中、Qは算出しようとするガス成分の透過量[mol・(m2・s)−1]を示し、P(供給)およびP(透過)は、それぞれ供給ガス中の算出しようとするガスの分圧[Pa]、および透過ガス中の算出しようとするガスの分圧[Pa]を示す。〕
混合ガス透過試験における各ガス成分の透過量は、全体の透過量を流量計にて測定し、また透過ガスのガス組成をガスクロマトグラフィーで測定して、全体の透過量と組成から算出した。
The permeance in the mixed gas permeation test is the difference between the partial pressure of each component of the gas on the supply side and the partial pressure of each component of the gas on the permeation side, and the permeation amount per hour per area of each gas. Calculated by dividing by pressure difference. Specifically, it can be calculated by the following formula (4). Permeance = Q / (P (supply)-P (transmission))
[In Formula (4), Q indicates the permeation amount [mol · (m 2 · s) −1 ] of the gas component to be calculated, and P (supply) and P (permeation) are calculated in the supplied gas, respectively. The partial pressure [Pa] of the gas to be calculated and the partial pressure [Pa] of the gas to be calculated in the permeated gas are shown. ]
The permeation amount of each gas component in the mixed gas permeation test was calculated from the total permeation amount and composition by measuring the total permeation amount with a flow meter and measuring the gas composition of the permeated gas with gas chromatography.
(実施例1)
(1)CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライト膜複合体の作製
セラミックス支持体上にCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを直接水熱合成することによりセラミックス支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
Example 1
(1) Preparation of CHA-type aluminosilicate zeolite membrane composite A ceramic support-CHA-type zeolite membrane composite was prepared by hydrothermal synthesis of CHA-type aluminosilicate zeolite directly on a ceramic support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
1mol/L−NaOH水溶液10.5g、1mol/L−KOH水溶液7.0g、水100.6gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O353.5質量%含有、アルドリッチ社製)0.88gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これに有機テンプレートとして、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアンモニウムヒドロキシド(以下これを「TMADAOH」と称する。)水溶液(TMADAOH25質量%含有、セイケム社製)2.36gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック−40)10.5gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。 A mixture of 10.5 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution and 7.0 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution and 100.6 g of water was mixed with aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich). 88 g was added, stirred and dissolved to obtain a transparent solution. As an organic template, 2.36 g of an aqueous solution of N, N, N-trimethyl-1-adamantanammonium hydroxide (hereinafter referred to as “TMADAOH”) (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem Corp.) is added, and further colloidal. 10.5 g of silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred for 2 hours to obtain an aqueous reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.066/0.15/0.1/100/0.04、SiO2/Al2O3=15である。
セラミックス支持体としては、ニッカトー社製のムライトチューブPM(外径12mm、内径9mm)を80mmの長さに切断した後、超音波洗浄機で洗浄したのち乾燥させたものを用いた。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.066 / 0.15 / 0.1 / 100 / 0.04,
As the ceramic support, a mullite tube PM (outer diameter: 12 mm, inner diameter: 9 mm) manufactured by Nikkato Co., Ltd. was cut to a length of 80 mm, washed with an ultrasonic cleaner and dried.
種結晶として、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.1/0.06/40/0.07のゲル組成(モル比)で、160℃、2日間水熱合成して結晶化させたものを、ろ過、水洗、乾燥して得られたCHA型ゼオライトを用いた。種結晶の粒径は0.3〜3μm程度であった。
この種結晶を約1質量%水中に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で5時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約0.9g/m2であった。
As a seed crystal, the gel composition (molar ratio) of SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.033 / 0.1 / 0.06 / 40 / 0.07, A CHA-type zeolite obtained by hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 2 days and crystallizing was filtered, washed with water and dried. The seed crystal grain size was about 0.3 to 3 μm.
The support was immersed in a dispersion of the seed crystal in about 1% by mass of water for a predetermined time, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more to attach the seed crystal. The mass of the attached seed crystal was about 0.9 g / m 2 .
種結晶を付着させた支持体を、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、160℃で48時間、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に支持体−ゼオライ
ト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、100℃で5時間以上乾燥させた。
この膜複合体を、空気中、電気炉で、550℃、10時間焼成した。このときの昇温速度と降温速度はともに0.5℃/分とした。焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は154g/m2であった。
The support to which the seed crystal was attached was immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the aqueous reaction mixture in the vertical direction, and the autoclave was sealed, and allowed to stand at 160 ° C. for 48 hours. And heated under autogenous pressure. After the elapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out of the reaction mixture after being allowed to cool, washed, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more.
This membrane composite was baked in an electric furnace at 550 ° C. for 10 hours in air. At this time, the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease were both 0.5 ° C./min. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support, which was obtained from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 154 g / m 2 .
SEM測定から求めた膜厚は約15μmであった。また、焼成後の空気透過量は50L/(m2・h)であった。
生成したゼオライト膜のXRDパターンを図3のa)に示す。図中の*は支持体由来のピークである。XRD測定からCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。
粉末のCHA型ゼオライト(米国特許第4544538号明細書においてSSZ−13と一般に呼称されるゼオライト、以下これを「SSZ−13」と称する。)のXRDパターンを図3のb)に示す。
The film thickness obtained from SEM measurement was about 15 μm. Moreover, the air permeation amount after firing was 50 L / (m 2 · h).
The XRD pattern of the produced zeolite membrane is shown in FIG. * In the figure is a peak derived from the support. From XRD measurement, it was found that CHA-type zeolite was produced.
FIG. 3 b) shows the XRD pattern of powdered CHA-type zeolite (zeolite generally referred to as SSZ-13 in US Pat. No. 4,544,538, hereinafter referred to as “SSZ-13”).
図3から、生成したゼオライト膜のXRDパターンは、粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ−13のXRDパターンにくらべ2θ=17.9°付近のピークの強度が顕著に大きいことがわかる。
粉末のCHA型ゼオライトであるSSZ−13の(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=0.2に対し、生成したゼオライト膜
の(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)
=3.5であり、rhombohedral settingにおける(1,1,1)面
への配向が推測された。
また、短冊状に切断したゼオライト膜複合体をSEMで観測した結果、表面に結晶が緻密に生成していた。
また、SEM−EDXにより測定した、ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は17であった。
FIG. 3 shows that the XRD pattern of the produced zeolite membrane has a significantly higher peak intensity around 2θ = 17.9 ° than the XRD pattern of SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite.
For the powdered CHA-type zeolite SSZ-13 (peak intensity around 2θ = 17.9 °) / (peak intensity around 2θ = 20.8 °) = 0.2, (Intensity of peak near 2θ = 17.9 °) / (Intensity of peak near 2θ = 20.8 °)
= 3.5, and orientation to the (1,1,1) plane in rhombohedral setting was estimated.
Moreover, as a result of observing the zeolite membrane composite cut into strips by SEM, crystals were densely formed on the surface.
Was also measured by SEM-EDX, SiO 2 / Al 2
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体の単成分ガス透過性を、図1の装置を用いて検討した。評価したガスは二酸化炭素、メタンである。
ゼオライト膜複合体1を、予め140℃、200Paで真空乾燥の前処理をした後、温度を50℃とした。次いで、供給ガス7を、耐圧容器2とゼオライト膜複合体1との円筒の間に導入して、圧力を0.1994MPaに保ち、ゼオライト膜複合体1の円筒の内側を0.1013MPa(大気圧)として、40分以上放置し、温度、供給ガス側の圧力、透過ガス速度を定常状態とした。
(2) Single-component gas permeability test The single-component gas permeability of the CHA-type zeolite membrane composite produced above was examined using the apparatus shown in FIG. The evaluated gases are carbon dioxide and methane.
The
このとき、ゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧は、0.098MPaであった。
その結果、供給ガスとして、二酸化炭素を用いた際のパーミエンスは3.47×10−7mol・(m2・s・Pa)−1、メタンを用いた際のパーミエンスは3.9×10−9mol・(m2・s・Pa)−1であった。また、二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは89であった。
At this time, the differential pressure between the
As a result, the permeance when carbon dioxide was used as the supply gas was 3.47 × 10 −7 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , and the permeance when methane was used was 3.9 × 10 − 9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 . The ideal separation factor α of carbon dioxide and methane was 89.
(3)混合ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体の混合ガス透過性を、図2の装置を用いて検討した。
供給ガスには流量調整機器で二酸化炭素49体積%、メタン51体積%に調整した混合ガスを使用した。上記混合ガスを供給ガス7として、耐圧容器2とゼオライト膜複合体1との円筒の間に12mmol/minの流量で導入して、供給ガス圧力を0.1994MPaに保ち、スイープガス(窒素ガス)を4.5mmol/min(0.05mol/(
m2・s)流した。この状態で、ゼオライト膜複合体1を140℃として乾燥(前処理)したのち、50℃とし、40分以上放置して、温度、供給ガス側の圧力、透過したガス速度を定常状態とした。
(3) Mixed gas permeation test The mixed gas permeability of the CHA-type zeolite membrane composite produced above was examined using the apparatus shown in FIG.
As the supply gas, a mixed gas adjusted to 49% by volume of carbon dioxide and 51% by volume of methane with a flow rate adjusting device was used. The mixed gas is used as the
m 2 · s). In this state, the
ゼオライト膜複合体1の円筒の内側は0.107MPaであり、二酸化炭素およびメタンの、供給ガス7側の分圧は、それぞれ、0.0977MPaおよび0.102MPaである。
二酸化炭素の透過量は14.4mmol・(m2・s)−1、メタンの透過量は0.205mmol・(m2・s)−1であった。また、二酸化炭素とメタンの分離係数α’は73であった。
The inside of the cylinder of the
The permeation amount of carbon dioxide was 14.4 mmol · (m 2 · s) −1 , and the permeation amount of methane was 0.205 mmol · (m 2 · s) −1 . The separation factor α ′ of carbon dioxide and methane was 73.
(実施例2)
(1)CHA型ゼオライト膜複合体の作製
セラミックス支持体上にCHA型ゼオライトを直接水熱合成することによりセラミックス支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
(Example 2)
(1) Production of CHA-type zeolite membrane composite A ceramic support-CHA-type zeolite membrane composite was produced by directly hydrothermally synthesizing CHA-type zeolite on a ceramic support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
1mol/L−NaOH水溶液3.5g、1mol/L−KOH水溶液7g、水107.4gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O353.5質量%含有、アルドリッチ社製)0.44gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これに有機テンプレートとして、TMADAOH水溶液(TMADAOH25質量%含有、セイケム社製)2.37gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック−40)10.5gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。 To a mixture of 3.5 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution, 7 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution and 107.4 g of water, 0.44 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich) was added. In addition, the mixture was stirred and dissolved to obtain a transparent solution. To this, 2.37 g of TMADAOH aqueous solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seychem) was added as an organic template, and 10.5 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was further added, followed by stirring for 2 hours. A mixture was obtained.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.033/0.05/0.1/100/0.04、SiO2/Al2O3=30である。
上記反応混合物を用い、焼成温度を450℃とした以外は、実施例1と同様にして、CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.033 / 0.05 / 0.1 / 100 / 0.04, SiO 2 / Al 2 O 3 = 30.
A CHA-type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reaction mixture was used and the calcination temperature was 450 ° C.
支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの質量は154g/m2であった。また、焼成後の空気の透過量は50L/(m2・h)であった。
XRD測定からCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。また、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=1.2であ
り、rhombohedral settingにおける(1,1,1)面への配向が推
測された。
The mass of the CHA type zeolite crystallized on the support was 154 g / m 2 . Further, the permeation amount of air after firing was 50 L / (m 2 · h).
From XRD measurement, it was found that CHA-type zeolite was produced. Further, (the intensity of the peak near 2θ = 17.9 °) / (the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °) = 1.2, and the orientation to the (1,1,1) plane in the rhombohedral setting Was guessed.
また、短冊状に切断したCHA型ゼオライト膜複合体をSEMで観測した結果、表面に結晶が緻密に生成していた。
また、SEM−EDXにより測定した、ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は22であった。
Moreover, as a result of observing the CHA-type zeolite membrane composite cut into strips with an SEM, crystals were densely formed on the surface.
Was also measured by SEM-EDX, SiO 2 / Al 2
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、単成分ガス透過試験を行った。評価したガスは二酸化炭素、メタンである。
二酸化炭素のパーミエンスは3.50×10−7mol・(m2・s・Pa)−1、メタンのパーミエンスは2.46×10−9mol・(m2・s・Pa)−1、二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは142であった。
(2) Single component gas permeation test A single component gas permeation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the CHA-type zeolite membrane composite prepared above was used. The evaluated gases are carbon dioxide and methane.
The permeance of carbon dioxide is 3.50 × 10 −7 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , the permeance of methane is 2.46 × 10 −9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , dioxide The ideal separation factor α between carbon and methane was 142.
(3)混合ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、混合ガス透過試験を行った。
二酸化炭素の透過量は16.5mmol・(m2・s)−1、メタンの透過量は0.132mmol・(m2・s)−1、二酸化炭素とメタンの分離係数α’は130であった。
(3) Mixed gas permeation test A mixed gas permeation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the CHA-type zeolite membrane composite produced above was used.
The permeation amount of carbon dioxide was 16.5 mmol · (m 2 · s) −1 , the permeation amount of methane was 0.132 mmol · (m 2 · s) −1 , and the separation factor α ′ of carbon dioxide and methane was 130. It was.
(実施例3)
焼成温度を500℃とした以外は、実施例2と同様にして作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いて、供給ガスの圧力を0.2975MPaとした以外は、実施例2と同様にして、混合ガス透過試験を行った。評価したガスは二酸化炭素、メタンである。
二酸化炭素の透過量は25.0mmol・(m2・s)−1、メタンの透過量は0.191mmol・(m2・s)−1、二酸化炭素とメタンの分離係数α’は136であった。
(Example 3)
Except that the firing temperature was 500 ° C., using the CHA-type zeolite membrane composite produced in the same manner as in Example 2, except that the pressure of the supply gas was 0.2975 MPa, the same as in Example 2, A mixed gas permeation test was performed. The evaluated gases are carbon dioxide and methane.
The permeation amount of carbon dioxide was 25.0 mmol · (m 2 · s) −1 , the permeation amount of methane was 0.191 mmol · (m 2 · s) −1 , and the separation factor α ′ of carbon dioxide and methane was 136. It was.
(実施例4)
(1)単成分ガス透過試験
焼成温度を500℃とした以外は、実施例2と同様にして作成したCHA型ゼオライト膜複合体の単ガス成分透過性を、図2の装置を用いて評価した。評価したガスは二酸化炭素、メタン、水素、窒素、ヘリウムである。
Example 4
(1) Single-component gas permeation test The single-gas component permeability of the CHA-type zeolite membrane composite prepared in the same manner as in Example 2 was evaluated using the apparatus shown in FIG. . The gases evaluated are carbon dioxide, methane, hydrogen, nitrogen and helium.
ゼオライト膜複合体を、140℃で、供給ガス7としてHeを、耐圧容器2とゼオライト膜複合体1との円筒の間に導入して、圧力を0.400MPaに保ち、ゼオライト膜複合体1の円筒の内側を0.100MPa(大気圧)として、120分間乾燥し、前処理した。
その後、供給側の圧力を0.200MPaとし、供給ガスを各評価ガスに変更した。このとき、ゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧は、0.100MPaであった。
The zeolite membrane composite was introduced at 140 ° C. and He as the
Thereafter, the pressure on the supply side was set to 0.200 MPa, and the supply gas was changed to each evaluation gas. At this time, the differential pressure between the
その後、温度を50℃とし、温度が安定した後に供給ガスを各評価ガスに変更した。このとき、ゼオライト膜複合体1の供給ガス7側と透過ガス8側の差圧は、0.100MPaであった。
このようにして得られた各ガスのパーミエンスを表1に示す。50℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは783、水素とメタンの理想分離係数αは264、窒素とメタンの理想分離係数αは48であり、また140℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは171、水素とメタンの理想分離係数αは94、窒素とメタンの理想分離係数αは12であった。
Thereafter, the temperature was set to 50 ° C., and after the temperature was stabilized, the supply gas was changed to each evaluation gas. At this time, the differential pressure between the
Table 1 shows the permeance of each gas thus obtained. The ideal separation factor α between carbon dioxide and methane at 50 ° C is 783, the ideal separation factor α between hydrogen and methane is 264, the ideal separation factor α between nitrogen and methane is 48, and the ideal separation factor α between nitrogen and methane is 48 ° C. The ideal separation factor α was 171, the ideal separation factor α for hydrogen and methane was 94, and the ideal separation factor α for nitrogen and methane was 12.
上記で作成したCHA型ゼオライト膜複合体の混合ガス透過性を、図2の装置を用いて検討した。具体的には以下の混合ガス透過試験1〜4を実施した。乾燥(前処理)は単ガス透過試験と同様にして行った。
(2)混合ガス透過試験1
供給ガスとして流量調整機器で二酸化炭素75体積%、メタン25体積%に調整した混合ガスを使用した。図2の耐圧容器とゼオライト膜複合体1との円筒の間に40、24、8mmol/minの流量で導入して、供給ガス圧力を0.300MPaとした。二酸化炭素、およびメタンの分圧は、それぞれ0.225MPaおよび0.0750MPaである。またゼオライト膜複合体1の円筒の内側は0.100MPaである。
The mixed gas permeability of the CHA-type zeolite membrane composite prepared above was examined using the apparatus shown in FIG. Specifically, the following mixed
(2) Mixed
A mixed gas adjusted to 75% by volume of carbon dioxide and 25% by volume of methane with a flow rate adjusting device was used as the supply gas. Introduced between the pressure vessel of FIG. 2 and the cylinder of the
二酸化炭素、メタンの透過量、また二酸化炭素とメタンの分離係数を表2に示す。総流量が少ない条件では分離係数が小さくなった。流量が小さい場合には供給ガスの混合が十分なされずに膜の外側のごく近傍のメタン濃度が高くなっているためと思われる。 Table 2 shows the permeation amount of carbon dioxide and methane, and the separation factor of carbon dioxide and methane. The separation factor was smaller under conditions where the total flow rate was low. This is probably because when the flow rate is small, the supply gas is not sufficiently mixed and the concentration of methane in the vicinity of the outside of the membrane is high.
(3)混合ガス透過試験2
供給ガスには流量調整機器で水素28体積%、メタン72体積%に調整した混合ガスを使用した。恒温槽を50℃とし、図2の耐圧容器とゼオライト膜複合体1との円筒の間に45、27、9mmol/minの流量で導入して、供給ガス圧力を0.300MPaとした。水素、およびメタンの供給ガス7側の分圧は、それぞれ、0.112MPaおよび
0.288MPaである。またゼオライト膜複合体1の円筒の内側は0.100MPaである。
(3) Mixed
As the supply gas, a mixed gas adjusted to 28% by volume of hydrogen and 72% by volume of methane by a flow rate adjusting device was used. The temperature chamber was set to 50 ° C., and the gas was introduced at a flow rate of 45, 27, and 9 mmol / min between the cylinder of the pressure-resistant vessel and the
水素、メタンの透過量、及び水素とメタンの分離係数を表3に示す。総流量が少ない条件では分離係数が小さくなった。流量が小さい場合には供給ガスの混合が十分なされずに膜の外側のごく近傍のメタン濃度が高くなっているためと思われる。 Table 3 shows the permeation amount of hydrogen and methane, and the separation factor of hydrogen and methane. The separation factor was smaller under conditions where the total flow rate was low. This is probably because when the flow rate is small, the supply gas is not sufficiently mixed and the concentration of methane in the vicinity of the outside of the membrane is high.
(4)混合ガス透過試験3
供給ガスには窒素55%、一酸化炭素30%、水素15%の標準ガスを使用した。恒温槽を50℃とし、図2の耐圧容器とゼオライト膜複合体1との円筒の間に27mmol/minの流量で導入して、供給ガス圧力を0.300MPaとした。
窒素、一酸化炭素、メタンの供給ガス7側の分圧は、それぞれ、0.166MPa、0.0900MPaおよび0.0440MPaである。またゼオライト膜複合体1の円筒の内側は0.100MPaである。
(4) Mixed
The feed gas was a standard gas of 55% nitrogen, 30% carbon monoxide, and 15% hydrogen. The temperature chamber was set to 50 ° C., and the pressure was supplied between the pressure vessel of FIG. 2 and the
The partial pressures on the
窒素、一酸化炭素、水素の透過量はそれぞれ2.1mmol・(m2・s)−1、3.8mmol・(m2・s)−1、2.9mmol・(m2・s)−1であり、一酸化炭素と窒素、水素と窒素の分離係数α’はそれぞれ1.4と2.1であり、パーミエンス比は1.6と3.4であった。
Nitrogen, carbon monoxide, permeation amount of hydrogen is respectively 2.1mmol · (m 2 · s) -1, 3.8mmol · (
(5)混合ガス透過試験4
供給ガスには空気を使用した。恒温槽は50℃とし、図2の耐圧容器とゼオライト膜複合体1との円筒の間に27mmol/minの流量で導入して、供給ガス圧力を0.300MPaとした。
窒素、酸素の透過量はそれぞれ5.2mmol・(m2・s)−1、1.9mmol・(m2・s)−1、であり、酸素と窒素の分離係数α’は1.4、パーミエンス比は1.6であった。結果を表5に示す。
(5) Mixed
Air was used as the supply gas. The constant temperature bath was set to 50 ° C., and the gas was introduced between the pressure vessel of FIG. 2 and the
The permeation amounts of nitrogen and oxygen are 5.2 mmol · (m 2 · s) −1 , 1.9 mmol · (m 2 · s) −1 , respectively, and the separation coefficient α ′ of oxygen and nitrogen is 1.4, The permeance ratio was 1.6. The results are shown in Table 5.
(実施例5)
(1)CHA型ゼオライト膜複合体の作製
水熱合成用の反応混合物として、以下のものを調製し、焼成温度を500℃とした以外は実施例1と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は1mol/L−KOH水溶液14.0gと水104.0gを混合したものに水酸化リチウム一水和物0.29gと水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5重量%含有、アルドリッチ社製)1.33gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これにTMADAOH水溶液(TMADAOH25重量%含有、セイケム社製)2.37gを加え、さらにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック−40)10.5gを加えて2時間撹拌して調製した。
(Example 5)
(1) Production of CHA-type zeolite membrane composite As the reaction mixture for hydrothermal synthesis, the following was prepared, and the inorganic porous support-CHA type was the same as in Example 1 except that the firing temperature was 500 ° C. A zeolite membrane composite was prepared.
The reaction mixture for hydrothermal synthesis was a mixture of 14.0 g of 1 mol / L-KOH aqueous solution and 104.0 g of water, 0.29 g of lithium hydroxide monohydrate and aluminum hydroxide (Al 2 O 3 53.5 wt. 1.33 g (manufactured by Aldrich Co., Ltd.) was added and stirred to dissolve to obtain a transparent solution. To this was added 2.37 g of a TMADAOH aqueous solution (containing 25% by weight of TMADAOH, manufactured by Sechem Co.), and further 10.5 g of colloidal silica (Snowtech-40 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added and stirred for 2 hours to prepare.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/LiOH/KOH/H2O/TMADAOH=1/0.1/0.1/0.2/100/0.04、SiO2/Al2O3=10である。
焼成後のゼオライト膜複合体の重量と支持体の重量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの重量は120g/m2であった。
焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は147L/(m2・h)であった。
生成した膜のXRDを測定したところCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / LiOH / KOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.1 / 0.1 / 0.2 / 100 / 0.04, SiO 2 / Al 2 O 3 = 10.
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the weight of the calcined zeolite membrane composite and the weight of the support, was 120 g / m 2 .
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after calcination was 147 L / (m 2 · h).
When XRD of the produced membrane was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced.
XRDパターンから、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°
付近のピークの強度)=0.8であり、種結晶に用いた粉末のCHA型ゼオライトのXRDに比べ2θ=17.9°付近のピークの強度が顕著に大きく、rhombohedral settingにおける(1,1,1)面への配向が推測された。
短冊状に切断した無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体をSEMで観測した結果、表面に結晶が緻密に生成していた。
また、SEM−EDXにより測定した、ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は19であった。
From the XRD pattern, (peak intensity around 2θ = 17.9 °) / (2θ = 20.8 °)
The intensity of the peak in the vicinity of 2θ = 17.9 ° is significantly higher than the XRD of the powdered CHA-type zeolite used for the seed crystal, which is (1,1) in the rhombohedral setting. 1) Orientation to the plane was estimated.
As a result of observing the inorganic porous support-CHA-type zeolite membrane composite cut into strips by SEM, crystals were densely formed on the surface.
Further, the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite membrane measured by SEM-EDX was 19.
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、単成分ガス透過試験を行った。評価したガスは二酸化炭素、メタンである。
二酸化炭素のパーミエンスは7.13×10−7mol・(m2・s・Pa)−1、メタンのパーミエンスは6.07×10−9mol・(m2・s・Pa)−1、二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは117であった。
(2) Single component gas permeation test A single component gas permeation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the CHA-type zeolite membrane composite prepared above was used. The evaluated gases are carbon dioxide and methane.
The permeance of carbon dioxide is 7.13 × 10 −7 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , the permeance of methane is 6.07 × 10 −9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , dioxide The ideal separation factor α between carbon and methane was 117.
(実施例6)
(1)CHA型ゼオライト膜複合体の作製
水熱合成用の反応混合物として、以下のものを調製して、160℃静置状態、自生圧力下での加熱時間を5日間、焼成温度を500℃とした以外は実施例1と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
(Example 6)
(1) Production of CHA-type zeolite membrane composite As the reaction mixture for hydrothermal synthesis, the following was prepared, the standing time at 160 ° C., the heating time under autogenous pressure was 5 days, and the firing temperature was 500 ° C. An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was produced in the same manner as in Example 1 except that.
水熱合成用の反応混合物は1mol/L−NaOH水溶液15.0gと水75.0gを混合したものに水酸化アルミニウム(Al2O3 53.5重量%含有、アルドリッチ社製)0.71gを加えて撹拌し溶解させ、透明溶液とした。これにTMADAOH水溶液(TMADAOH25重量%含有、セイケム社製)25.3gを加え、さらにヒュームドシリカ(日本アエロジル社製 アエロジル200)9.0gと水10.0gを混合したものを加えて2時間撹拌して調製した。 The reaction mixture for hydrothermal synthesis is a mixture of 15.0 g of 1 mol / L-NaOH aqueous solution and 75.0 g of water, and 0.71 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by weight of Al 2 O 3 , manufactured by Aldrich). In addition, it was stirred and dissolved to obtain a transparent solution. To this was added 25.3 g of a TMADAOH aqueous solution (containing 25% by weight of TMADAOH, manufactured by Sechem Co.), and a mixture of 9.0 g of fumed silica (Aerosil 200 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) and 10.0 g of water was added and stirred for 2 hours. Prepared.
この反応混合物の組成(モル比)は、SiO2/Al2O3/NaOH/H2O/TMADAOH=1/0.025/0.1/44/0.2、SiO2/Al2O3=40である。
焼成後のゼオライト膜複合体の重量と支持体の重量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの重量は330g/m2であった。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture was SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.025 / 0.1 / 44 / 0.2, SiO 2 / Al 2 O 3 = 40.
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the weight of the zeolite membrane composite after calcination and the weight of the support, was 330 g / m 2 .
焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は67L/(m2・h)であった。
生成した膜のXRDを測定したところCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。 XRDパターンにおいて、(2θ=9.6°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=1.5、2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ
=20.8°付近のピークの強度)=0.3であった。このように、生成した膜のXRD
ピークに特異な強度を示すものはなかった。これから例えば、生成した膜がrhombohedral settingにおける(1,0,0)面、(1,1,1)面のいずれに
も配向していないことが推測される。
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after calcination was 67 L / (m 2 · h).
When XRD of the produced membrane was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced. In the XRD pattern, (peak intensity around 2θ = 9.6 °) / (peak intensity around 2θ = 20.8 °) = 1.5, peak intensity around 2θ = 17.9 °) / ( 2θ
= Intensity of peak around 20.8 °) = 0.3. Thus, the XRD of the produced film
None of the peaks showed a specific intensity. From this, for example, it is presumed that the generated film is not oriented in any of the (1, 0, 0) plane and the (1, 1, 1) plane in rhombohedral setting.
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、単成分ガス透過試験を行った。
二酸化炭素のパーミエンスは9.29×10−7mol・(m2・s・Pa)−1、メタンのパーミエンスは1.27×10−9mol・(m2・s・Pa)−1、二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは7.3であった。
(2) Single component gas permeation test A single component gas permeation test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the CHA-type zeolite membrane composite prepared above was used.
The permeance of carbon dioxide is 9.29 × 10 −7 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , and the permeance of methane is 1.27 × 10 −9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , dioxide The ideal separation factor α between carbon and methane was 7.3.
(実施例7)
セラミックス支持体として、80mmの長さの多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を使用し、焼成温度を500℃とした以外は実施例2と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を作製した。
焼成後のゼオライト膜複合体の重量と支持体の重量の差から求めた、支持体上に結晶化したCHA型ゼオライトの重量は157g/m2であった。
(Example 7)
Inorganic porous support-CHA-type zeolite as in Example 2 except that a 80 mm long porous alumina tube (
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support, determined from the difference between the weight of the zeolite membrane composite after calcination and the weight of the support, was 157 g / m 2 .
焼成後のゼオライト膜複合体の空気透過量は81.7L/(m2・min)であった。
生成した膜のXRDを測定したところCHA型ゼオライトが生成していることがわかった。XRDパターンにおいて、XRDパターンから、(2θ=17.9°付近のピークの強度)/(2θ=20.8°付近のピークの強度)=2.0であり、種結晶に用いた粉末
のCHA型ゼオライトのXRDに比べ2θ=17.9°付近のピークの強度が顕著に大きく、rhombohedral settingにおける(1,1,1)面への配向が推測された。
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after calcination was 81.7 L / (m 2 · min).
When XRD of the produced membrane was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced. In the XRD pattern, from the XRD pattern, (the intensity of the peak near 2θ = 17.9 °) / (the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °) = 2.0, and the CHA of the powder used for the seed crystal Compared with XRD of type zeolite, the intensity of the peak in the vicinity of 2θ = 17.9 ° was remarkably large, and the orientation to the (1,1,1) plane in the rhombohedral setting was estimated.
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したCHA型ゼオライト膜複合体を用いて、単成分ガス透過試験を行った。前処理として、ゼオライト膜複合体を、140℃で、供給ガス7としてCO2を、耐圧容器2とゼオライト膜複合体1との円筒の間に導入して、圧力を0.200MPaに保ち、ゼオライト膜複合体1の円筒の内側を0.098MPa(大気圧)として、70分間乾燥した。それ以外は実施例4と同様にして、単成分ガス透過試験を行った。評価したガスは
二酸化炭素、メタン、水素、窒素、ヘリウムである。
(2) Single-component gas permeation test A single-component gas permeation test was conducted using the CHA-type zeolite membrane composite produced above. As a pretreatment, the zeolite membrane composite is introduced at 140 ° C. and
このようにして得られた各ガスのパーミエンスを表6に示す。50℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは368、水素とメタンの理想分離係数αは130、窒素とメタンの理想分離係数αは21であり、また140℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは54、水素とメタンの理想分離係数αは41、窒素とメタンの理想分離係数αは5であった。 Table 6 shows the permeance of each gas thus obtained. The ideal separation factor α of carbon dioxide and methane at 50 ° C is 368, the ideal separation factor α of hydrogen and methane is 130, the ideal separation factor α of nitrogen and methane is 21, and the ideal separation factor α of carbon dioxide and methane at 140 ° C The ideal separation factor α was 54, the ideal separation factor α between hydrogen and methane was 41, and the ideal separation factor α between nitrogen and methane was 5.
(比較例1)
セラミックス支持体上にMFI型ゼオライトを直接水熱合成することによりセラミックス支持体−MFI型ゼオライト膜複合体を作製した。
水熱合成用の反応混合物は次のとおり調製した。
水118gに有機テンプレートとして、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド(以下これを「TPAOH」と称する。)水溶液(TPAOH 40質量%含有、セイケム社製)4.1gを加え、さらにテトラエトキシシラン(以下これを「TEOS」と称する。)9.9gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。
(Comparative Example 1)
A ceramic support-MFI type zeolite membrane composite was produced by hydrothermal synthesis of MFI type zeolite directly on the ceramic support.
A reaction mixture for hydrothermal synthesis was prepared as follows.
To 118 g of water, 4.1 g of an aqueous solution of tetrapropylammonium hydroxide (hereinafter referred to as “TPAOH”) (containing 40% by mass of TPAOH, manufactured by Sechem Co.) was added as an organic template, and tetraethoxysilane (hereinafter referred to as “ 9.9 g) was added and stirred for 2 hours to give an aqueous reaction mixture.
この反応混合物の組成(モル比)は、TEOS/TPAOH/H2O=1/0.17/140である。
セラミックス支持体としては、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm)を80mmの長さに切断した後、超音波洗浄機で洗浄したのち乾燥させたものを用いた。
種結晶として、SiO2/NaOH/TPAOH/H2O=1/0.1/0.1/40
のゲル組成(モル比)で、160℃、1日間水熱合成して結晶化させたものを、ろ過、水洗、乾燥して得られたMFI型ゼオライトを用いた。
The composition (molar ratio) of this reaction mixture is TEOS / TPAOH / H 2 O = 1 / 0.17 / 140.
As the ceramic support, a porous alumina tube (
As seed crystals, SiO 2 / NaOH / TPAOH / H 2 O = 1 / 0.1 / 0.1 / 40
The MFI-type zeolite obtained by hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 1 day and crystallizing with a gel composition (molar ratio) was filtered, washed with water and dried.
この種結晶を約1質量%水中に分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で5時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は約1.6g/m2であった。
種結晶を付着させた支持体を、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、160℃で48時間
、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後、放冷した後に支持体−ゼオライト膜複合体を反応混合物から取り出し、洗浄後、100℃で5時間以上乾燥させた。
この膜複合体を、空気中、電気炉で、450℃、32時間焼成した。このときの昇温速度と降温速度はともに0.5℃/分とした。焼成後の膜複合体の質量と支持体の質量の差から求めた、支持体上に結晶化したMFI型ゼオライトの質量は85g/m2であった。
XRD測定からMFI型ゼオライトが生成していることがわかった。
The support was immersed in a dispersion of the seed crystal in about 1% by mass of water for a predetermined time, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more to attach the seed crystal. The mass of the attached seed crystal was about 1.6 g / m 2 .
The support to which the seed crystal was attached was immersed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the aqueous reaction mixture in the vertical direction, and the autoclave was sealed, and allowed to stand at 160 ° C. for 48 hours. And heated under autogenous pressure. After the elapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out of the reaction mixture after being allowed to cool, washed, and then dried at 100 ° C. for 5 hours or more.
This membrane composite was baked in an electric furnace at 450 ° C. for 32 hours in air. At this time, the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease were both 0.5 ° C./min. The mass of the MFI zeolite crystallized on the support, which was determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support, was 85 g / m 2 .
From XRD measurement, it was found that MFI type zeolite was produced.
(2)単成分ガス透過試験
上記で作製したMFI型ゼオライト膜複合体を用いた以外は、実施例7と同様にして、単成分ガス透過試験を行った。評価したガスは二酸化炭素、メタン、水素、窒素、ヘリウムである。
(2) Single component gas permeation test A single component gas permeation test was conducted in the same manner as in Example 7 except that the MFI type zeolite membrane composite produced above was used. The gases evaluated are carbon dioxide, methane, hydrogen, nitrogen and helium.
このようにして得られた各ガスのパーミエンスを表7に示す。50℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは1.2、水素とメタンの理想分離係数αは1.0、窒素とメタンの理想分離係数αは0.5であり、また140℃での二酸化炭素とメタンの理想分離係数αは0.7、水素とメタンの理想分離係数αは1.2、窒素とメタンの理想分離係数αは0.5であった。 Table 7 shows the permeance of each gas thus obtained. The ideal separation factor α of carbon dioxide and methane at 50 ° C is 1.2, the ideal separation factor α of hydrogen and methane is 1.0, the ideal separation factor α of nitrogen and methane is 0.5, and at 140 ° C The ideal separation factor α of carbon dioxide and methane was 0.7, the ideal separation factor α of hydrogen and methane was 1.2, and the ideal separation factor α of nitrogen and methane was 0.5.
実施例1〜7の通り、CHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含み、セラミックス支持体上に形成されたゼオライト膜を用いて、ガスの透過性評価を行うと、ガスによって、透過性が異なることがわかる。混合ガスを用いた場合には透過性の高いガスが膜を透過し、透過性の低いガスが膜を通らずに濃縮し、透過性の大きい気体を系外に分離し、透過性の小さい気体を濃縮・回収することで目的気体を気体混合物から高純度で分離することができた。 As in Examples 1 to 7, when a gas permeability evaluation is performed using a zeolite membrane containing a CHA-type aluminosilicate zeolite and formed on a ceramic support, the permeability may differ depending on the gas. Recognize. When mixed gas is used, highly permeable gas permeates the membrane, and less permeable gas concentrates without passing through the membrane, separating highly permeable gas out of the system, and having low permeable gas. The target gas could be separated from the gas mixture with high purity by concentrating and recovering the gas.
一方、MFI型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含み、セラミックス支持体上に形成されたゼオライト膜を用いて、ガスの透過性評価を行うと、ガスの透過係性はガスによらず、ほぼ一様となった。MFI膜では細孔径に対して、評価したガスの分子径がいずれも小さいために形状選択的な分離ができないと考えられる。 On the other hand, when the gas permeability was evaluated using a zeolite membrane containing MFI type aluminosilicate and formed on a ceramic support, the gas permeability was almost uniform regardless of the gas. became. In the MFI membrane, it is considered that shape-selective separation is impossible because the molecular diameter of the gas evaluated is smaller than the pore diameter.
本発明は産業上の任意の分野に使用可能であるが、例えば、ガス分離を必要とする化学工業プラント、天然ガスの精製プラント、生ゴミなどからバイオガスを発生させるプラント等における気体混合物の分離に特に好適に使用することができる。 The present invention can be used in any industrial field. For example, separation of a gas mixture in a chemical industrial plant that requires gas separation, a natural gas refining plant, a plant that generates biogas from raw garbage, and the like. It can be particularly preferably used.
1:ゼオライト膜複合体
2:耐圧容器
3:エンドピン
4:接続部
5:圧力計
6:背圧弁
7:供給ガス
8:透過ガス
9:スイープガス
10:排出ガス
11:透過ガス排出用配管
12:スイープガス導入用配管
1: Zeolite membrane composite 2: Pressure-resistant container 3: End pin 4: Connection part 5: Pressure gauge 6: Back pressure valve 7: Supply gas 8: Permeate gas 9: Sweep gas 10: Exhaust gas 11: Permeate gas exhaust pipe 12: Sweep gas introduction piping
Claims (6)
ゼオライト膜が、SiとAlの酸化物を主成分とするCHA型アルミノ珪酸塩のゼオライトを含み、
該ゼオライトのSiO 2 /Al 2 O 3 モル比が12以上10万以下であり、粒子径が30nm以上であることを特徴とする、ガス分離用のゼオライト膜複合体。 A zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a ceramic support, the air permeability when the zeolite membrane composite is placed under atmospheric pressure and the inside of the zeolite membrane composite is connected to a vacuum line of 5 kPa is 700 L / (M 2 · h) or less,
The zeolite membrane includes a CHA-type aluminosilicate zeolite mainly composed of oxides of Si and Al ,
A zeolite membrane composite for gas separation, wherein the zeolite has a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 12 or more and 100,000 or less and a particle diameter of 30 nm or more .
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