JP6417355B2 - Monolith type separation membrane structure - Google Patents

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Description

本発明は、モノリス型分離膜構造体に関する。   The present invention relates to a monolithic separation membrane structure.

複数の濾過セルを有する支持体と各濾過セルの内表面に形成される分離膜とを備えるモノリス型分離膜構造体が知られている。モノリス型分離膜構造体では、各濾過セルを流される混合流体のうち分離膜を透過可能な成分(以下、「透過成分」という。)を支持体の流出面(例えば、側面)から流出させることができる。   A monolithic separation membrane structure including a support having a plurality of filtration cells and a separation membrane formed on the inner surface of each filtration cell is known. In the monolith type separation membrane structure, a component that can permeate the separation membrane (hereinafter referred to as “permeation component”) out of the mixed fluid flowing through each filtration cell is caused to flow out from the outflow surface (eg, side surface) of the support. Can do.

従来、モノリス型分離膜構造体では、全ての分離膜の膜厚を均一にするための様々な手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in the monolith type separation membrane structure, various methods for making the thicknesses of all the separation membranes uniform have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2000−288324号公報JP 2000-288324 A

ところで、分離膜を透過して支持体の内部を通過する透過成分の圧力損失は、濾過セルが流出面に近いほど小さいため、分離膜を透過する透過成分の透過量は、濾過セルが流出面に近いほど多くなる。そのため、流出面に近い濾過セルに設けられた分離膜の膜寿命は、流出面から遠い濾過セルに設けられた分離膜の膜寿命に比べて短くなりやすい。そこで、濾過セルと流出面との距離に関わらず、各分離膜における透過成分の透過量差を低減させたいという要請がある。   By the way, the pressure loss of the permeable component that passes through the separation membrane and passes through the inside of the support is smaller as the filtration cell is closer to the outflow surface. The closer you are, the more. Therefore, the membrane life of the separation membrane provided in the filtration cell close to the outflow surface tends to be shorter than the membrane life of the separation membrane provided in the filtration cell far from the outflow surface. Therefore, there is a demand to reduce the difference in permeation amount of permeation components in each separation membrane regardless of the distance between the filtration cell and the outflow surface.

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、各分離膜における透過成分の透過量差を低減可能なモノリス型分離膜構造体を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, and it aims at providing the monolith type | mold separation membrane structure which can reduce the permeation | transmission amount difference of the permeable component in each separation membrane.

本発明に係るモノリス型分離膜構造体は、混合流体から透過成分を分離する。モノリス型分離膜構造体は、支持体と、第1分離膜と、第2分離膜とを備える。支持体は、第1端面から第2端面までそれぞれ連なる第1及び第2濾過セルと、透過成分が流出する流出面とを有する。第1分離膜は、第1濾過セルの内表面に形成される。第2分離膜は、第2濾過セルの内表面に形成される。第1濾過セルは、第2濾過セルよりも流出面に近い。第1分離膜の第1膜厚は、第2分離膜の第2膜厚よりも厚い。   The monolith type separation membrane structure according to the present invention separates the permeated component from the mixed fluid. The monolithic separation membrane structure includes a support, a first separation membrane, and a second separation membrane. The support has first and second filtration cells that are continuous from the first end surface to the second end surface, and an outflow surface from which a permeated component flows out. The first separation membrane is formed on the inner surface of the first filtration cell. The second separation membrane is formed on the inner surface of the second filtration cell. The first filtration cell is closer to the outflow surface than the second filtration cell. The first film thickness of the first separation membrane is thicker than the second film thickness of the second separation film.

本発明によれば、各分離膜における透過成分の透過量差を低減可能なモノリス型分離膜構造体を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the monolith type separation membrane structure which can reduce the permeation | transmission amount difference of the permeation | transmission component in each separation membrane can be provided.

モノリス型分離膜構造体の斜視図Perspective view of monolithic separation membrane structure モノリス型分離膜構造体の平面図Plan view of monolithic separation membrane structure 図2のA−A断面図AA sectional view of FIG. 図2の部分拡大図Partial enlarged view of FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one.

(モノリス型分離膜構造体10の構成)
図1は、モノリス型分離膜構造体10の斜視図である。図2は、モノリス型分離膜構造体10の平面図である。図3は、図2のA−A断面図である。モノリス型分離膜構造体10は、支持体20、第1シール部21、第2シール部22及び分離膜23を備える。
(Configuration of monolith type separation membrane structure 10)
FIG. 1 is a perspective view of a monolith type separation membrane structure 10. FIG. 2 is a plan view of the monolithic separation membrane structure 10. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The monolithic separation membrane structure 10 includes a support 20, a first seal portion 21, a second seal portion 22, and a separation membrane 23.

支持体20は、濾過対象の混合流体(混合液体又は混合気体)を流通させるための複数の濾過セルCLを有するモノリス形状に形成される。「モノリス形状」とは、長手方向に形成された複数の連通孔を有する形状を意味し、ハニカム形状を含む概念である。   The support 20 is formed in a monolith shape having a plurality of filtration cells CL for circulating a mixed fluid (mixed liquid or mixed gas) to be filtered. The “monolith shape” means a shape having a plurality of communication holes formed in the longitudinal direction, and is a concept including a honeycomb shape.

支持体20の長さは特に制限されないが、例えば150mm〜2000mmとすることができる。支持体20の直径は特に制限されないが、例えば30mm〜220mmとすることができる。   Although the length in particular of the support body 20 is not restrict | limited, For example, it can be 150 mm-2000 mm. Although the diameter in particular of the support body 20 is not restrict | limited, For example, it can be set as 30 mm-220 mm.

支持体20は、第1端面S1、第2端面S2及び側面S3を有する。第1端面S1は、第2端面S2の反対に設けられる。側面S3は、第1端面S1と第2端面S2に連なる。各濾過セルCLは、第1端面S1から第2端面S2まで支持体20を貫通している。各濾過セルCLは、支持体20の長手方向に延びる。本実施形態において、各濾過セルCLの断面は円形であるが、円形に限られるものではなく三角形以上の多角形であってもよい。なお、側面S3は、各濾過セルCLに流される混合流体のうち分離膜23を透過する成分(以下、「透過成分」という。)が支持体20から外部に流出する「流出面」の一例である。   The support 20 has a first end surface S1, a second end surface S2, and a side surface S3. The first end surface S1 is provided opposite to the second end surface S2. The side surface S3 is continuous with the first end surface S1 and the second end surface S2. Each filtration cell CL penetrates the support 20 from the first end surface S1 to the second end surface S2. Each filtration cell CL extends in the longitudinal direction of the support 20. In the present embodiment, the cross section of each filtration cell CL is circular, but is not limited to a circular shape, and may be a polygon more than a triangle. The side surface S3 is an example of an “outflow surface” in which a component that permeates the separation membrane 23 (hereinafter referred to as “permeation component”) out of the mixed fluid that flows to each filtration cell CL flows out from the support 20 to the outside. is there.

本実施形態において、支持体20は、図2に示すように、基材20aと中間層20bと表層20cを有する。   In this embodiment, the support body 20 has the base material 20a, the intermediate | middle layer 20b, and the surface layer 20c, as shown in FIG.

基材20aは、多孔質材料によって構成される。多孔質材料としては、例えば、セラミックス焼結体、金属、有機高分子、ガラス、或いはカーボンなどを用いることができる。セラミックス焼結体としては、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化ケイ素、炭化ケイ素などが挙げられる。金属としては、アルミニウム、鉄、ブロンズ、銀、ステンレスなどが挙げられる。有機高分子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリイミドなどが挙げられる。   The base material 20a is made of a porous material. As the porous material, for example, a ceramic sintered body, metal, organic polymer, glass, or carbon can be used. Examples of the ceramic sintered body include alumina, silica, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, and silicon carbide. Examples of the metal include aluminum, iron, bronze, silver, and stainless steel. Examples of the organic polymer include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polysulfone, and polyimide.

基材20aは、無機結合材を含んでいてもよい。無機結合材としては、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも一つを用いることができる。   The base material 20a may contain an inorganic binder. As the inorganic binder, at least one of titania, mullite, easily sinterable alumina, silica, glass frit, clay mineral, and easily sinterable cordierite can be used.

基材20aの平均細孔径は、例えば5μm〜25μmとすることができる。基材20aの平均細孔径は、水銀ポロシメーターによって測定できる。基材20aの気孔率は、例えば25%〜50%とすることができる。基材20aを構成する多孔質材料の平均粒径は、例えば5μm〜100μmとすることができる。本実施形態において、「平均粒径」とは、SEM(Scanning Electron Microscope)を用いた断面微構造観察によって測定される30個の測定対象粒子の最大直径を算術平均した値である。   The average pore diameter of the base material 20a can be set to, for example, 5 μm to 25 μm. The average pore diameter of the substrate 20a can be measured with a mercury porosimeter. The porosity of the base material 20a can be set to 25% to 50%, for example. The average particle diameter of the porous material constituting the substrate 20a can be set to 5 μm to 100 μm, for example. In the present embodiment, the “average particle diameter” is a value obtained by arithmetically averaging the maximum diameters of 30 measurement target particles measured by cross-sectional microstructure observation using SEM (Scanning Electron Microscope).

中間層20bは、基材20a上に形成される。中間層20bは、基材20aに用いることのできる上記多孔質材料によって構成することができる。中間層20bの平均細孔径は、基材20aの平均細孔径より小さくてもよく、例えば0.005μm〜5μmとすることができる。中間層20bの平均細孔径は、パームポロメーターによって測定することができる。中間層20bの気孔率は、例えば20%〜60%とすることができる。中間層20bの厚みは、例えば1μm〜300μmとすることができる。   The intermediate layer 20b is formed on the base material 20a. The intermediate layer 20b can be composed of the porous material that can be used for the base material 20a. The average pore diameter of the intermediate layer 20b may be smaller than the average pore diameter of the substrate 20a, and may be, for example, 0.005 μm to 5 μm. The average pore diameter of the intermediate layer 20b can be measured with a palm porometer. The porosity of the intermediate layer 20b can be set to, for example, 20% to 60%. The thickness of the intermediate layer 20b can be set to 1 μm to 300 μm, for example.

表層20cは、中間層20b上に形成される。表層20cは、基材20aに用いることのできる上記多孔質材料によって構成することができる。表層20cの平均細孔径は、中間層20bの平均細孔径より小さくてもよく、例えば0.001μm〜2μmとすることができる。表層20cの平均細孔径は、パームポロメーターによって測定することができる。表層20cの気孔率は、例えば20%〜60%とすることができる。表層20cの厚みは、例えば1μm〜50μmとすることができる。   The surface layer 20c is formed on the intermediate layer 20b. The surface layer 20c can be comprised with the said porous material which can be used for the base material 20a. The average pore diameter of the surface layer 20c may be smaller than the average pore diameter of the intermediate layer 20b, and may be, for example, 0.001 μm to 2 μm. The average pore diameter of the surface layer 20c can be measured with a palm porometer. The porosity of the surface layer 20c can be set to, for example, 20% to 60%. The thickness of the surface layer 20c can be set to 1 μm to 50 μm, for example.

第1シール部21は、第1端面S1の略全面と側面S3の一部とを覆う。第1シール部21は、混合流体が支持体20の第1端面S1に浸潤することを抑制する。第1シール部21を構成する材料としては、ガラスや金属などを用いることができ、支持体20の熱膨張係数との整合性を考慮するとガラスが好適である。   The first seal portion 21 covers substantially the entire first end surface S1 and part of the side surface S3. The first seal portion 21 suppresses the mixed fluid from infiltrating the first end surface S <b> 1 of the support 20. As a material constituting the first seal portion 21, glass, metal, or the like can be used, and glass is suitable in consideration of consistency with the thermal expansion coefficient of the support 20.

第2シール部22は、第2端面S2の略全面と側面S3の一部とを覆う。第2シール部22は、混合流体が支持体20の第2端面S2に浸潤することを抑制する。第2シール部22を構成する材料としては、ガラスや金属などを用いることができ、支持体20の熱膨張係数との整合性を考慮するとガラスが好適である。   The second seal portion 22 covers substantially the entire second end surface S2 and a part of the side surface S3. The second seal portion 22 suppresses the mixed fluid from infiltrating the second end surface S <b> 2 of the support 20. As a material constituting the second seal portion 22, glass, metal, or the like can be used, and glass is suitable in consideration of consistency with the thermal expansion coefficient of the support 20.

分離膜23は、支持体20に形成された各濾過セルCLの内表面に形成される。分離膜23は、筒状に形成される。分離膜23の厚みは、分離膜23を構成する材料種によって任意に設定することができる。分離膜23は、マイクロサイズの細孔を有していてもよいし、ナノサイズの細孔を有していてもよい。   The separation membrane 23 is formed on the inner surface of each filtration cell CL formed on the support 20. The separation membrane 23 is formed in a cylindrical shape. The thickness of the separation membrane 23 can be arbitrarily set depending on the material type constituting the separation membrane 23. The separation membrane 23 may have micro-sized pores or nano-sized pores.

分離膜23を構成する材料としては、無機材料や金属などを用いることができる。分離膜23の無機材料としては、セラミックス焼結体、ゼオライト、炭素及びシリカなどが挙げられる。分離膜23を構成するセラミックス焼結体としては、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化ケイ素、炭化ケイ素などが挙げられる。セラミックス焼結体は、無機結合材を含んでいてもよい。無機結合材としては、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも一つを用いることができる。分離膜23を構成するゼオライトの結晶構造は特に限られるものではなく、例えばLTA、MFI、MOR、FER、FAU、DDR、CHA、BEAなどを用いることができる。分離膜23がDDR型ゼオライト膜である場合には、二酸化炭素を選択的に分離するためのガス分離膜として好適に用いることができる。分離膜23を構成する金属材料としては、パラジウムなどが挙げられる。   As a material constituting the separation membrane 23, an inorganic material, a metal, or the like can be used. Examples of the inorganic material for the separation membrane 23 include ceramic sintered bodies, zeolite, carbon, and silica. Examples of the ceramic sintered body constituting the separation membrane 23 include alumina, silica, mullite, zirconia, titania, yttria, silicon nitride, silicon carbide, and the like. The ceramic sintered body may contain an inorganic binder. As the inorganic binder, at least one of titania, mullite, easily sinterable alumina, silica, glass frit, clay mineral, and easily sinterable cordierite can be used. The crystal structure of the zeolite constituting the separation membrane 23 is not particularly limited, and for example, LTA, MFI, MOR, FER, FAU, DDR, CHA, BEA and the like can be used. When the separation membrane 23 is a DDR type zeolite membrane, it can be suitably used as a gas separation membrane for selectively separating carbon dioxide. Examples of the metal material constituting the separation membrane 23 include palladium.

(各分離膜23の膜厚)
次に、各分離膜23の膜厚について説明する。図4は、図2の部分拡大図である。以下の説明では、図4に示すように、流出面の一例である側面S3に隣接する濾過セルCLを「第1濾過セルCL1」と称し、第1濾過セルCL1の内側に隣接する濾過セルCLを「第2濾過セルCL2」と称する。また、第1濾過セルCL1の内表面に形成される分離膜23を「第1分離膜231」と称し、第2濾過セルCL2の内表面に形成される分離膜23を「第2分離膜232」と称する。
(Thickness of each separation membrane 23)
Next, the thickness of each separation membrane 23 will be described. FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. In the following description, as shown in FIG. 4, the filtration cell CL adjacent to the side surface S3 which is an example of the outflow surface is referred to as “first filtration cell CL1”, and the filtration cell CL adjacent to the inside of the first filtration cell CL1. Is referred to as “second filtration cell CL2”. Further, the separation membrane 23 formed on the inner surface of the first filtration cell CL1 is referred to as “first separation membrane 231”, and the separation membrane 23 formed on the inner surface of the second filtration cell CL2 is referred to as “second separation membrane 232”. ".

第1分離膜231の第1膜厚t1は、第2分離膜232の第2膜厚t2よりも厚い。第1膜厚t1及び第2膜厚t2それぞれは特に制限されるものではなく、分離膜23を構成する材料種によって任意に設定することができる。第1膜厚t1及び第2膜厚t2それぞれは、混合流体に含まれる透過成分の透過量の確保を考慮すると、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましい。第1膜厚t1に対する第2膜厚t2の比(t2/t1)は特に制限されるものではなく、0.83以下とすることができる。すなわち、第1膜厚t1は、第2膜厚t2の1.2倍以上とすることができる。第1膜厚t1は、第2膜厚t2の1.5倍以上であることが好ましく、2.0倍以上であることがより好ましい。   The first film thickness t1 of the first separation film 231 is thicker than the second film thickness t2 of the second separation film 232. Each of the first film thickness t1 and the second film thickness t2 is not particularly limited, and can be arbitrarily set depending on the material type constituting the separation film 23. Each of the first film thickness t1 and the second film thickness t2 is preferably 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less, in consideration of securing the transmission amount of the transmission component contained in the mixed fluid. The ratio (t2 / t1) of the second film thickness t2 to the first film thickness t1 is not particularly limited and can be 0.83 or less. That is, the first film thickness t1 can be 1.2 times or more the second film thickness t2. The first film thickness t1 is preferably 1.5 times or more, more preferably 2.0 times or more of the second film thickness t2.

ここで、第1濾過セルCL1は、第2濾過セルCL2に比べて、透過成分の流出面である側面S3に近いため、第1濾過セルCL1を透過して支持体20の内部を通過する透過成分の圧力損失は、第2濾過セルCL2を透過して支持体20の内部を通過する透過成分の圧力損失よりも小さい。従って、第1分離膜231を透過する透過成分の透過量は、第2分離膜232を透過する透過成分の透過量よりも多くなりやすい。そこで、本実施形態では、第1分離膜231の膜厚t1を第2分離膜232の第2膜厚t2よりも厚くすることによって、第1分離膜231を透過する透過成分の透過量を敢えて少なくされている。これによって、第1分離膜231と第2分離膜232における透過成分の透過量差が低減されるため、第1分離膜231と第2分離膜232の膜寿命差を抑えることができる。   Here, since the first filtration cell CL1 is closer to the side surface S3 that is the outflow surface of the permeated component than the second filtration cell CL2, the first filtration cell CL1 passes through the first filtration cell CL1 and passes through the inside of the support 20. The pressure loss of the component is smaller than the pressure loss of the permeated component that passes through the inside of the support 20 through the second filtration cell CL2. Therefore, the permeation amount of the permeation component that permeates the first separation membrane 231 tends to be larger than the permeation amount of the permeation component that permeates the second separation membrane 232. Therefore, in the present embodiment, by making the film thickness t1 of the first separation membrane 231 thicker than the second film thickness t2 of the second separation membrane 232, the amount of transmission of the permeable component that passes through the first separation membrane 231 is intentionally made. It has been reduced. As a result, the difference in permeation amount of the permeation component between the first separation membrane 231 and the second separation membrane 232 is reduced, so that the difference in membrane lifetime between the first separation membrane 231 and the second separation membrane 232 can be suppressed.

なお、本実施形態において、分離膜23の膜厚とは、濾過セルCLの一端から20mm内側の位置で測定される膜厚と、濾過セルCLの他端から20mm内側の位置で測定される膜厚と、濾過セルCLの中央で測定される膜厚との算術平均値を意味する。   In the present embodiment, the film thickness of the separation membrane 23 is a film thickness measured at a position 20 mm inside from one end of the filtration cell CL and a film measured at a position 20 mm inside from the other end of the filtration cell CL. It means the arithmetic average value of the thickness and the thickness measured at the center of the filtration cell CL.

第1分離膜231と支持体20の側面S3との第1間隔s1は、第2分離膜232と支持体20の側面S3との第2間隔s2よりも短い。また、上述のとおり、第1分離膜231の第1膜厚t1は、第2分離膜232の第2膜厚t2よりも厚い。第1間隔s1、第2間隔s2、第1膜厚t1及び第2膜厚t2の間には、以下の関係式(1)が成立することが好ましい。   The first interval s1 between the first separation membrane 231 and the side surface S3 of the support 20 is shorter than the second interval s2 between the second separation membrane 232 and the side surface S3 of the support 20. Further, as described above, the first film thickness t1 of the first separation film 231 is thicker than the second film thickness t2 of the second separation film 232. The following relational expression (1) is preferably established among the first interval s1, the second interval s2, the first film thickness t1, and the second film thickness t2.

A×t1+B×s1=A×t2+B×s2 ・・・(1)     A * t1 + B * s1 = A * t2 + B * s2 (1)

また、関係式(1)から以下の関係式(2)が導かれる。   Further, the following relational expression (2) is derived from the relational expression (1).

A(t1−t2)=B(s2−s1) ・・・(2)     A (t1-t2) = B (s2-s1) (2)

また、関係式(2)から以下の関係式(3)が導かれる。   Further, the following relational expression (3) is derived from the relational expression (2).

A/B=(s2−s1)/(t1−t2) ・・・(3)     A / B = (s2-s1) / (t1-t2) (3)

関係式(1)において、“A”は分離膜23(第1分離膜231及び第2分離膜232)の抵抗係数である。分離膜23の抵抗係数Aは、分離膜23における単位時間当たりの水の透過量の逆数である。分離膜23における単位時間当たりの水の透過量は、モノリス型分離膜構造体10の各濾過セルCLに水(水温25℃)を供給して、分離膜23の入口圧力と出口圧力との差圧を1kgf/mとしたときの水の透過量を単位時間当たりに換算することによって得られる。 In the relational expression (1), “A” is the resistance coefficient of the separation membrane 23 (the first separation membrane 231 and the second separation membrane 232). The resistance coefficient A of the separation membrane 23 is the reciprocal of the permeation amount of water per unit time in the separation membrane 23. The permeation amount of water per unit time in the separation membrane 23 is such that water (water temperature 25 ° C.) is supplied to each filtration cell CL of the monolith type separation membrane structure 10, and the difference between the inlet pressure and the outlet pressure of the separation membrane 23. It can be obtained by converting the amount of water permeation per unit time when the pressure is 1 kgf / m 2 .

なお、分離膜23の抵抗係数Aの値は、分離膜23における透過成分の拡散態様によって変動しうる。透過成分の拡散態様は、一般的に分離膜23の細孔径が小さくなるに従って、順にバルク拡散、クヌーセン拡散、表面拡散、活性化拡散、固相拡散へと変化することが分かっている。   Note that the value of the resistance coefficient A of the separation membrane 23 may vary depending on the diffusion mode of the permeable component in the separation membrane 23. It has been found that the diffusion mode of the permeation component generally changes to bulk diffusion, Knudsen diffusion, surface diffusion, activation diffusion, and solid phase diffusion in order as the pore diameter of the separation membrane 23 decreases.

関係式(1)において、“B”は支持体20の抵抗係数である。支持体20の抵抗係数Bは、支持体20における単位時間当たりの水の透過量の逆数である。支持体20における単位時間当たりの水の透過量は、モノリス型分離膜構造体10の各濾過セルCLに形成された分離膜23を除去した後、各濾過セルCLに水(水温25℃)を供給して、支持体20の入口圧力と出口圧力との差圧を1kgf/mとしたときの水の透過量を単位時間当たりに換算することによって得られる。分離膜23の除去方法は特に制限されないが、例えば、ドリル等の工具を用いて削り取る方法を用いることができる。 In the relational expression (1), “B” is the resistance coefficient of the support 20. The resistance coefficient B of the support 20 is the reciprocal of the permeation amount of water per unit time in the support 20. The permeation amount of water per unit time in the support 20 is determined by removing water (water temperature 25 ° C.) into each filtration cell CL after removing the separation membrane 23 formed in each filtration cell CL of the monolithic separation membrane structure 10. This is obtained by converting the permeation amount of water when the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the support 20 is 1 kgf / m 2 . Although the removal method in particular of the separation membrane 23 is not restrict | limited, For example, the method of scraping off using tools, such as a drill, can be used.

なお、支持体20の抵抗係数Bの値は、支持体20における透過成分の拡散態様によって変動しうる。透過成分の拡散態様は、一般的に分離膜23の細孔径が小さくなるに従って、順にバルク拡散、クヌーセン拡散、表面拡散、活性化拡散、固相拡散へと変化することが分かっている。   Note that the value of the resistance coefficient B of the support 20 can vary depending on the diffusion mode of the transmissive component in the support 20. It has been found that the diffusion mode of the permeation component generally changes to bulk diffusion, Knudsen diffusion, surface diffusion, activation diffusion, and solid phase diffusion in order as the pore diameter of the separation membrane 23 decreases.

第1間隔s1、第2間隔s2、第1膜厚t1及び第2膜厚t2の間に上記関係式(1)が成立する場合、第1分離膜231と第2分離膜232における透過成分の透過量を同程度に揃えることができるため、第1分離膜231と第2分離膜232の膜寿命差をより抑えることができる。   When the above relational expression (1) is established among the first interval s1, the second interval s2, the first film thickness t1, and the second film thickness t2, the transmission component of the first separation film 231 and the second separation film 232 Since the permeation amount can be made equal, the difference in membrane lifetime between the first separation membrane 231 and the second separation membrane 232 can be further suppressed.

以上、第1及び第2分離膜231,232の膜厚と側面S3からの間隔との相互関係について説明したが、上述した相互関係は、全ての分離膜23の間において成立しているものとする。   As described above, the mutual relationship between the film thickness of the first and second separation membranes 231 and 232 and the distance from the side surface S3 has been described, but the above-described mutual relationship is established among all the separation membranes 23. To do.

(分離膜構造体の製造方法)
モノリス型分離膜構造体10の製造方法について説明する。
(Method for producing separation membrane structure)
A method for manufacturing the monolithic separation membrane structure 10 will be described.

(1)支持体20の形成
まず、押出成形法、プレス成形法あるいは鋳込み成形法などを用いて、基材20aの原料を所望の形状に成形することによって基材20aの成形体を形成する。次に、基材20aの成形体を焼成(例えば、900℃〜1450℃)して基材20aを形成する。基材20aは、複数の濾過セルCLを形成するための複数の貫通孔を有する。
(1) Formation of Support 20 First, a molded body of the base 20a is formed by molding the raw material of the base 20a into a desired shape using an extrusion molding method, a press molding method, a casting molding method, or the like. Next, the molded body of the base material 20a is fired (for example, 900 ° C. to 1450 ° C.) to form the base material 20a. The base material 20a has a plurality of through holes for forming a plurality of filtration cells CL.

次に、所望の粒径のセラミックス原料を用いて中間層用スラリーを調製し、流下成膜法又は濾過成膜法によって、中間層用スラリーを基材20aの各貫通孔の内表面に付着させる。これによって、基材20aの内表面に中間層20bの成形体が成膜される。続いて、中間層20bの成形体を焼成(例えば、900℃〜1450℃)して中間層20bを形成する。   Next, an intermediate layer slurry is prepared using a ceramic raw material having a desired particle diameter, and the intermediate layer slurry is adhered to the inner surface of each through hole of the substrate 20a by a falling film formation method or a filtration film formation method. . As a result, a formed body of the intermediate layer 20b is formed on the inner surface of the substrate 20a. Subsequently, the molded body of the intermediate layer 20b is fired (for example, 900 ° C. to 1450 ° C.) to form the intermediate layer 20b.

次に、所望の粒径のセラミックス原料を用いて表層用スラリーを調製し、流下成膜法又は濾過成膜法によって、表層用スラリーを中間層20bの内表面に付着させる。これによって、中間層20bの内表面に表層20cの成形体が成膜される。続いて、表層20cの成形体を焼成(例えば、300℃〜1450℃)して表層20cを形成する。以上により、複数の濾過セルCLを有する支持体20が完成する。   Next, a surface layer slurry is prepared using a ceramic raw material having a desired particle diameter, and the surface layer slurry is adhered to the inner surface of the intermediate layer 20b by a falling film forming method or a filtration film forming method. Thereby, a molded body of the surface layer 20c is formed on the inner surface of the intermediate layer 20b. Subsequently, the molded body of the surface layer 20c is fired (for example, 300 ° C. to 1450 ° C.) to form the surface layer 20c. Thus, the support 20 having a plurality of filtration cells CL is completed.

(2)分離膜23の形成
表層20cの内表面に分離膜23を形成する。分離膜23は、膜種に応じた従来既知の手法で形成することができる。以下、分離膜23の形成手法の一例としてゼオライト膜、シリカ膜及び炭素膜それぞれの形成方法を順次説明する。
(2) Formation of separation membrane 23 The separation membrane 23 is formed on the inner surface of the surface layer 20c. The separation membrane 23 can be formed by a conventionally known method according to the type of membrane. Hereinafter, a method for forming each of the zeolite membrane, the silica membrane, and the carbon membrane will be sequentially described as an example of a method for forming the separation membrane 23.

・ゼオライト膜
まず、流下成膜法又は濾過成膜法によって、ゼオライト種結晶を含む種結晶溶液を各濾過セルCLの内表面に塗布する。
-Zeolite membrane First, a seed crystal solution containing a zeolite seed crystal is applied to the inner surface of each filtration cell CL by a falling film forming method or a filtration film forming method.

流下成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに種結晶溶液を均等に流下させた後、支持体20の中央(すなわち、支持体20の軸心)に近い位置の濾過セルCLの流入口を樹脂カバーなどで塞ぎ、支持体20の中央から離れた濾過セルCLにだけ種結晶溶液を再度流下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面にゼオライト種結晶を多量かつ厚く付着させることができる。   In the case of using the falling film forming method, the seed crystal solution is allowed to flow evenly through all the filtration cells CL, and then the filtration cell CL at a position close to the center of the support 20 (that is, the axis of the support 20). The inlet is closed with a resin cover or the like, and the seed crystal solution is allowed to flow again only to the filtration cell CL away from the center of the support 20. Thereby, a large amount and a large amount of zeolite seed crystals can be attached to the inner surface of the filtration cell CL near the side surface S3.

濾過成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに種結晶溶液を流し込む際に、側面S3側を急激に高い負圧(例えば、2.5×10−3MPa/S〜7.0×10−3MPa/S)に上昇させた後に通常負圧(例えば、6.5×10−4MPa/S〜2.0×10−3MPa/S)まで低下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面にゼオライト種結晶を多量かつ厚く付着させることができる。 In the case of using the filtration film formation method, when the seed crystal solution is poured into all the filtration cells CL, the side surface S3 side is rapidly increased in negative pressure (for example, 2.5 × 10 −3 MPa / S to 7.0). Usually negative pressure after raising × to 10 -3 MPa / S) (e.g., reduced to 6.5 × 10 -4 MPa / S~2.0 × 10 -3 MPa / S). Thereby, a large amount and a large amount of zeolite seed crystals can be attached to the inner surface of the filtration cell CL near the side surface S3.

次に、シリカ源、アルミナ源、有機テンプレート、アルカリ源及び水に窒素吸着性金属カチオン及び窒素吸着性金属錯体の少なくとも一方が添加された原料溶液の入った耐圧容器に支持体20を浸漬する。   Next, the support 20 is immersed in a pressure resistant container containing a raw material solution in which at least one of a nitrogen adsorbing metal cation and a nitrogen adsorbing metal complex is added to a silica source, an alumina source, an organic template, an alkali source, and water.

次に、耐圧容器を乾燥器に入れ、100〜200℃で1〜240時間ほど加熱処理(水熱合成)を行うことによって、各濾過セルCLの内表面にゼオライト膜を形成する。上述のとおり、側面S3に近い濾過セルCLの内表面にゼオライト種結晶が多量かつ厚く付着されているため、図4に示したように、側面S3に近い第1濾過セルCL1内の第1分離膜231の膜厚が、側面S3から離れた第2濾過セルCL2内の第2分離膜232の膜厚よりも厚くなる。   Next, the pressure-resistant container is put into a dryer, and a zeolite membrane is formed on the inner surface of each filtration cell CL by performing heat treatment (hydrothermal synthesis) at 100 to 200 ° C. for about 1 to 240 hours. As described above, since a large amount and a large amount of zeolite seed crystals are attached to the inner surface of the filtration cell CL near the side surface S3, as shown in FIG. 4, the first separation in the first filtration cell CL1 near the side surface S3. The film thickness of the film 231 is thicker than the film thickness of the second separation film 232 in the second filtration cell CL2 that is away from the side surface S3.

次に、ゼオライト膜が形成された支持体20を洗浄して、80〜100℃で乾燥する。なお、原料溶液中に有機テンプレートが含まれる場合には、支持体20を電気炉に入れ、大気中にて400〜800℃で1〜200時間ほど加熱することによって有機テンプレートを燃焼除去する。   Next, the support 20 on which the zeolite membrane is formed is washed and dried at 80 to 100 ° C. In addition, when an organic template is contained in a raw material solution, the support body 20 is put into an electric furnace, and the organic template is burned and removed by heating at 400 to 800 ° C. for about 1 to 200 hours in the atmosphere.

・シリカ膜
まず、テトラエトシキシランを硝酸の存在下で加水分解してゾル液とし、エタノール又は水で希釈することによって前駆体溶液(シリカゾル液)を調製する。
Silica film First, tetraethoxysilane is hydrolyzed in the presence of nitric acid to form a sol solution, and a precursor solution (silica sol solution) is prepared by diluting with ethanol or water.

次に、流下成膜法又は濾過成膜法によって、各濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を接触させる。   Next, the precursor solution is brought into contact with the inner surface of each filtration cell CL by a falling film formation method or a filtration film formation method.

流下成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに前駆体溶液を均等に流下させた後、支持体20の中央に近い位置の濾過セルCLの流入口を樹脂カバーなどで塞ぎ、支持体20の中央から離れた濾過セルCLにだけ前駆体溶液を再度流下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を厚く付着させることができる。   When using the falling film forming method, the precursor solution is allowed to flow evenly through all the filtration cells CL, and then the inlet of the filtration cell CL near the center of the support 20 is closed with a resin cover or the like. The precursor solution is allowed to flow again only to the filtration cell CL away from the center of the body 20. Thereby, the precursor solution can be thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL close to the side surface S3.

濾過成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに前駆体溶液を流し込む際に、側面S3側を急激に高い負圧(例えば、2.5×10−3MPa/S〜1.0×10−2MPa/S)に上昇させた後に通常負圧(例えば、7.5×10−4MPa/S〜3.5×10−3MPa/S)まで低下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を厚く付着させることができる。 When the filtration film forming method is used, when the precursor solution is poured into all the filtration cells CL, the side surface S3 side is rapidly increased in a negative pressure (for example, 2.5 × 10 −3 MPa / S to 1.0 After raising the pressure to x10 −2 MPa / S, the pressure is reduced to a normal negative pressure (for example, 7.5 × 10 −4 MPa / S to 3.5 × 10 −3 MPa / S). Thereby, the precursor solution can be thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL close to the side surface S3.

次に、100℃/hrにて400〜700℃まで昇温して1時間保持した後に100℃/hrで降温する。以上の工程を3〜5回繰り返すことによってシリカ膜を成膜する。上述のとおり、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液が厚く付着されているため、図4に示したように、側面S3に近い第1濾過セルCL1内の第1分離膜231の膜厚が、側面S3から離れた第2濾過セルCL2内の第2分離膜232の膜厚よりも厚くなる。   Next, the temperature is raised to 400 to 700 ° C. at 100 ° C./hr and held for 1 hour, and then the temperature is lowered at 100 ° C./hr. A silica film is formed by repeating the above steps 3 to 5 times. As described above, since the precursor solution is thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL near the side surface S3, as shown in FIG. 4, the first separation membrane 231 in the first filtration cell CL1 near the side surface S3. Is thicker than the thickness of the second separation membrane 232 in the second filtration cell CL2 away from the side surface S3.

・炭素膜
まず、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、セルロース系樹脂、又はこれらの前駆体物質を、窒素吸着性金属カチオン及び窒素吸着性金属錯体の少なくとも一方が添加されたメタノール、アセトン、テトラヒドロフラン、NMP、トルエン等の有機溶媒や水に溶解することによって前駆体溶液を調製する。
-Carbon film First, a thermosetting resin such as an epoxy resin or a polyimide resin, a thermoplastic resin such as polyethylene, a cellulosic resin, or a precursor material thereof, at least one of a nitrogen adsorbing metal cation and a nitrogen adsorbing metal complex A precursor solution is prepared by dissolving in an organic solvent such as methanol, acetone, tetrahydrofuran, NMP, toluene, or water to which is added.

次に、流下成膜法又は濾過成膜法によって、各濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を接触させる。   Next, the precursor solution is brought into contact with the inner surface of each filtration cell CL by a falling film formation method or a filtration film formation method.

流下成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに前駆体溶液を均等に流下させた後、支持体20の中央に近い位置の濾過セルCLの流入口を樹脂カバーなどで塞ぎ、支持体20の中央から離れた濾過セルCLにだけ前駆体溶液を再度流下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を厚く付着させることができる。   When using the falling film forming method, the precursor solution is allowed to flow evenly through all the filtration cells CL, and then the inlet of the filtration cell CL near the center of the support 20 is closed with a resin cover or the like. The precursor solution is allowed to flow again only to the filtration cell CL away from the center of the body 20. Thereby, the precursor solution can be thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL close to the side surface S3.

濾過成膜法を用いる場合には、全ての濾過セルCLに前駆体溶液を流し込む際に、側面S3側を急激に高い負圧(例えば、2.5×10−3MPa/S〜6.0×10−3MPa/S)に上昇させた後に通常負圧(例えば6.0×10−4MPa/S〜1.6×10−3MPa/S)まで低下させる。これによって、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液を厚く付着させることができる。 When the filtration film-forming method is used, when the precursor solution is poured into all the filtration cells CL, the side surface S3 side is suddenly exposed to a high negative pressure (for example, 2.5 × 10 −3 MPa / S to 6.0). × 10 -3 MPa / S) usually is lowered to a negative pressure (e.g. 6.0 × 10 -4 MPa / S~1.6 × 10 -3 MPa / S) after increased to. Thereby, the precursor solution can be thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL close to the side surface S3.

次に、前駆体溶液に含まれる樹脂の種類に応じた熱処理(例えば、500℃〜1000℃)を施すことによって炭素膜を成膜する。上述のとおり、側面S3に近い濾過セルCLの内表面に前駆体溶液が厚く付着されているため、図4に示したように、側面S3に近い第1濾過セルCL1内の第1分離膜231の膜厚が、側面S3から離れた第2濾過セルCL2内の第2分離膜232の膜厚よりも厚くなる。   Next, a carbon film is formed by performing a heat treatment (for example, 500 ° C. to 1000 ° C.) according to the type of resin contained in the precursor solution. As described above, since the precursor solution is thickly attached to the inner surface of the filtration cell CL near the side surface S3, as shown in FIG. 4, the first separation membrane 231 in the first filtration cell CL1 near the side surface S3. Is thicker than the thickness of the second separation membrane 232 in the second filtration cell CL2 away from the side surface S3.

(その他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of invention.

上記実施形態において、支持体20は、基材20a、中間層20b及び表層20cを有することとしたが、少なくとも基材20aを有していればよく、中間層20bと表層20cの少なくとも一方を有していなくてよい。支持体20が基材20aのみを有する場合には、分離膜23は基材20aの内表面上に形成される。   In the above-described embodiment, the support 20 includes the base material 20a, the intermediate layer 20b, and the surface layer 20c. You don't have to. When the support 20 has only the base material 20a, the separation membrane 23 is formed on the inner surface of the base material 20a.

上記実施形態において、モノリス型分離膜構造体10は、分離膜23の内表面上に積層された別の機能膜(例えば、吸着膜や保護膜)を備えていてもよい。機能膜としては、ゼオライト膜や炭素膜やシリカ膜などの無機膜、又は、ポリイミド膜やシリコーン膜などの有機膜を用いることができる。このような機能膜においても、上述した第1及び第2分離膜231,232の膜厚と側面S3からの間隔との相互関係が成立していることが好ましい。   In the above embodiment, the monolithic separation membrane structure 10 may include another functional membrane (for example, an adsorption membrane or a protective membrane) stacked on the inner surface of the separation membrane 23. As the functional film, an inorganic film such as a zeolite film, a carbon film, or a silica film, or an organic film such as a polyimide film or a silicone film can be used. Also in such a functional film, it is preferable that the correlation between the film thicknesses of the first and second separation films 231 and 232 and the distance from the side surface S3 is established.

上記実施形態では、第1及び第2分離膜231,232の膜厚と側面S3からの間隔との相互関係が、全ての分離膜23間で成立することとしたが、少なくとも2つ分離膜23間で上述した相互関係が成立していればよい。この場合であっても、当該2つ分離膜23の膜寿命差を抑えることができる。   In the above embodiment, the mutual relationship between the thicknesses of the first and second separation membranes 231 and 232 and the distance from the side surface S3 is established among all the separation membranes 23. However, at least two separation membranes 23 are used. It is only necessary that the above-described mutual relationship is established. Even in this case, the difference in membrane life between the two separation membranes 23 can be suppressed.

上記実施形態では、透過成分が支持体20から外部に流出する「流出面」の一例として側面を例に挙げて説明したが、分離膜構造体が、濾過セルと平行に形成され、かつ、両端部が封止された「集水セル」を有する場合には、側面だけでなく集水セルの内表面も「流出面」となる。さらに、集水セルが、側面S3に開口する排出流路に連なっている場合には、側面と集水セルの内表面だけでなく排出流路の内表面も「流出面」となる。このような集水セル及び排出流路を備える分離膜構造体の詳細は、例えば国際公開2014−050702号明細書に記載されている。   In the above-described embodiment, the side surface is described as an example of the “outflow surface” through which the permeation component flows out from the support 20, but the separation membrane structure is formed in parallel with the filtration cell and has both ends. When the portion has a “water collection cell” that is sealed, not only the side surface but also the inner surface of the water collection cell is an “outflow surface”. Further, in the case where the water collection cell is connected to the discharge channel opened to the side surface S3, not only the side surface and the inner surface of the water collection cell but also the inner surface of the discharge channel becomes the “outflow surface”. Details of such a separation membrane structure including a water collection cell and a discharge channel are described in, for example, International Publication No. 2014-050702.

以下において、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the examples described below.

(サンプルNo.1〜3の作製)
まず、平均粒径100μmのアルミナ粉末(骨材)100質量部に対してガラス粉末(無機結合材)20質量部を添加し、更に、水、分散剤、及び増粘剤を加えて混合し混練することにより坏土を調製した。得られた坏土を押出成形することによって、モノリス形状の基材の成形体を作製した。そして、基材の成形体を焼成(1250℃、2時間)した。
(Production of sample Nos. 1 to 3)
First, 20 parts by mass of glass powder (inorganic binder) is added to 100 parts by mass of alumina powder (aggregate) having an average particle size of 100 μm, and water, a dispersant, and a thickener are added and mixed to knead. A clay was prepared. The obtained kneaded material was extruded to produce a monolith-shaped substrate. And the molded object of the base material was baked (1250 degreeC, 2 hours).

次に、平均粒径50μmのアルミナ粉末100質量部に対してチタニア粉末14質量部を添加し、更に、水、分散剤、及び増粘剤を加えて混合することにより中間層用スラリーを調製した。次に、中間層用スラリーを流下法で基材の貫通孔の内表面に付着させることによって中間層の成形体を形成した。そして、大気雰囲気下、電気炉にて焼成(1250℃、1時間)して中間層を形成した。   Next, 14 parts by mass of titania powder was added to 100 parts by mass of alumina powder having an average particle size of 50 μm, and further, water, a dispersant, and a thickener were added and mixed to prepare a slurry for the intermediate layer. . Next, the intermediate layer slurry was adhered to the inner surface of the through-hole of the base material by a flow-down method to form an intermediate layer molded body. And it baked (1250 degreeC, 1 hour) with the electric furnace in air | atmosphere atmosphere, and formed the intermediate | middle layer.

次に、平均粒径0.6μmのアルミナ粉末100質量部に対してチタニア粉末14質量部を添加し、更に、水、分散剤、及び増粘剤を加えて混合することにより表層用スラリーを調製した。次に、表層用スラリーを流下法で中間層の内表面に付着させることによって表層の成形体を形成した。そして、大気雰囲気下、電気炉にて焼成(1250℃、1時間)して表層を形成した。   Next, 14 parts by mass of titania powder is added to 100 parts by mass of alumina powder having an average particle size of 0.6 μm, and further, water, a dispersant, and a thickener are added and mixed to prepare a slurry for the surface layer. did. Next, the surface layer molded body was formed by adhering the surface layer slurry to the inner surface of the intermediate layer by the flow-down method. And it baked (1250 degreeC, 1 hour) with the electric furnace in air | atmosphere atmosphere, and formed the surface layer.

以上によって、複数の濾過セルを有するモノリス形状の支持体が完成した。複数の濾過セルのうち支持体の側面に隣接する第1濾過セルと側面との第1間隔s1は、2mmであった。また、第1濾過セルの内側に隣接する第2濾過セルと側面との第2間隔s2は、2.5mmであった。   Thus, a monolithic support having a plurality of filtration cells was completed. The 1st space | interval s1 of the 1st filtration cell adjacent to the side surface of a support body among several filtration cells and a side surface was 2 mm. Moreover, the 2nd space | interval s2 of the 2nd filtration cell adjacent to the inner side of a 1st filtration cell and a side surface was 2.5 mm.

次に、チタンのアルコキシドを硝酸の存在下で加水分解したゾル液をエタノールで希釈することによって前駆体溶液(チタニアゾル液)を調製した。次に、チタニアゾル液を流下法で各濾過セルの内表面に付着させることによってチタニア膜の成形体を形成した。この際、支持体の中央から離れた濾過セルにおけるチタニアゾル液の流下回数を多くすることによって、濾過セルが支持体の側面に近いほどチタニア膜の成形体の膜厚を厚くした。   Next, a precursor solution (titania sol solution) was prepared by diluting a sol solution obtained by hydrolyzing titanium alkoxide in the presence of nitric acid with ethanol. Next, a titania film formed body was formed by adhering a titania sol solution to the inner surface of each filtration cell by a flow-down method. At this time, by increasing the number of times the titania sol flowed down the filtration cell away from the center of the support, the thickness of the titania film molded body was increased as the filtration cell was closer to the side of the support.

次に、チタニア膜の成形体を焼成(400℃、1時間)することによって、分離膜としてのチタニア膜を形成した。支持体の側面に隣接する第1濾過セルに形成された第1チタニア膜の第1膜厚t1は、表1に示すとおりサンプルごとに異なっていた。第1濾過セルの内側に隣接する第2濾過セルに形成された第2チタニア膜の第2膜厚t2は、表1に示すとおり全サンプルで0.0001mmであった。   Next, the titania membrane was fired (400 ° C., 1 hour) to form a titania membrane as a separation membrane. As shown in Table 1, the first thickness t1 of the first titania film formed in the first filtration cell adjacent to the side surface of the support was different for each sample. As shown in Table 1, the second film thickness t2 of the second titania film formed in the second filtration cell adjacent to the inside of the first filtration cell was 0.0001 mm.

(サンプルNo.4〜6の作製)
チタニア膜に代えてアルミナ膜を分離膜として形成した以外は、サンプルNo.1〜3と同じ工程にてサンプルNo.4〜6の分離膜構造体を形成した。
(Production of sample Nos. 4 to 6)
Sample No. 5 was used except that an alumina membrane was formed as a separation membrane instead of the titania membrane. 1 to 3 in the same process. 4 to 6 separation membrane structures were formed.

サンプルNo.4〜6に係るアルミナ膜は、以下のようにして形成した。
まず、アルミのアルコキシドを硝酸の存在下で加水分解したゾル液をエタノールで希釈することによって前駆体溶液(アルミナゾル液)を調製した。次に、アルミナゾル液を流下法で各濾過セルの内表面に付着させることによってアルミナ膜の成形体を形成した。この際、支持体の中央から離れた濾過セルにおけるアルミナゾル液の流下回数を多くすることによって、濾過セルが支持体の側面に近いほどアルミナ膜の成形体の膜厚を厚くした。
Sample No. The alumina films according to 4 to 6 were formed as follows.
First, a precursor solution (alumina sol solution) was prepared by diluting a sol solution obtained by hydrolyzing an aluminum alkoxide in the presence of nitric acid with ethanol. Next, an alumina sol solution was deposited on the inner surface of each filtration cell by a flow-down method to form an alumina membrane compact. At this time, by increasing the number of times the alumina sol flowed down in the filtration cell away from the center of the support, the thickness of the alumina membrane compact was increased as the filtration cell was closer to the side of the support.

次に、アルミナ膜の成形体を焼成(400℃、1時間)することによって、分離膜としてのアルミナ膜を形成した。支持体の側面に隣接する第1濾過セルに形成された第1アルミナ膜の第1膜厚t1は、表1に示すとおりサンプルごとに異なっていた。第1濾過セルの内側に隣接する第2濾過セルに形成された第2アルミナ膜の第2膜厚t2は、表1に示すとおり全サンプルで0.0001mmであった。   Next, the alumina membrane formed body was fired (400 ° C., 1 hour) to form an alumina membrane as a separation membrane. As shown in Table 1, the first film thickness t1 of the first alumina film formed in the first filtration cell adjacent to the side surface of the support was different for each sample. As shown in Table 1, the second film thickness t2 of the second alumina film formed in the second filtration cell adjacent to the inside of the first filtration cell was 0.0001 mm for all samples.

(分離膜と支持体の抵抗係数の測定)
サンプルNo.1〜3に係るモノリス型分離膜構造体において、チタニア膜の入口圧力と出口圧力との差圧を1kgf/mとした状態で4320時間連続して各濾過セルに水(水温25℃)を供給した。水の供給開始時、チタニア膜における単位時間当たりの水の透過量は0.02m/hであった。従って、水の供給開始時におけるチタニア膜の抵抗係数A(単位時間当たりの水の透過量の逆数)は48であった。
(Measurement of resistance coefficient of separation membrane and support)
Sample No. In the monolithic separation membrane structure according to 1 to 3, water (water temperature 25 ° C.) is continuously supplied to each filtration cell for 4320 hours in a state where the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the titania membrane is 1 kgf / m 2. Supplied. At the start of water supply, the permeation amount of water per unit time in the titania membrane was 0.02 m / h. Therefore, the resistance coefficient A (reciprocal of the amount of permeated water per unit time) of the titania film at the start of water supply was 48.

そして、水を4320時間供給した後に、チタニア膜の抵抗係数Aの供給開始時からの減少率を評価した。表1では、抵抗係数Aの減少率が3%以上であったサンプルは“×”と評価され、抵抗係数Aの減少率が2%以上3%未満であったサンプルは“△”と評価され、抵抗係数Aの減少率が2%未満であったサンプルは“○”と評価されている。   And after supplying water for 4320 hours, the decreasing rate from the supply start time of the resistance coefficient A of a titania film | membrane was evaluated. In Table 1, samples whose resistance coefficient A decrease rate was 3% or more are evaluated as “x”, and samples whose resistance coefficient A decrease rate was 2% or more and less than 3% are evaluated as “Δ”. A sample having a decrease rate of the resistance coefficient A of less than 2% is evaluated as “◯”.

また、サンプルNo.4〜6に係るモノリス型分離膜構造体において、アルミナ膜の入口圧力と出口圧力との差圧が1kgf/mとなる条件で4320時間連続して各濾過セルに水(水温25℃)を供給した。水の供給開始時、アルミナ膜における単位時間当たりの水の透過量は0.004m/hであった。従って、水の供給開始時におけるアルミナ膜の抵抗係数A(単位時間当たりの水の透過量の逆数)は240であった。 Sample No. In the monolithic separation membrane structure according to 4 to 6, water (water temperature 25 ° C.) is continuously supplied to each filtration cell for 4320 hours under the condition that the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the alumina membrane is 1 kgf / m 2. Supplied. At the start of water supply, the permeation amount of water per unit time through the alumina membrane was 0.004 m / h. Therefore, the resistance coefficient A (reciprocal of the amount of permeated water per unit time) of the alumina film at the start of water supply was 240.

そして、水を4320時間供給した後に、アルミナ膜の抵抗係数Aの供給開始時からの減少率を評価した。表1では、抵抗係数Aの減少率が3%以上であったサンプルは“×”と評価され、抵抗係数Aの減少率が2%以上3%未満であったサンプルは“△”と評価され、抵抗係数Aの減少率が2%未満であったサンプルは“○”と評価されている。   And after supplying water for 4320 hours, the decreasing rate from the supply start time of the resistance coefficient A of an alumina film was evaluated. In Table 1, samples whose resistance coefficient A decrease rate was 3% or more are evaluated as “x”, and samples whose resistance coefficient A decrease rate was 2% or more and less than 3% are evaluated as “Δ”. A sample having a decrease rate of the resistance coefficient A of less than 2% is evaluated as “◯”.

また、サンプルNo.1〜6に係るモノリス型分離膜構造体において、各濾過セルに形成された分離膜(チタニア膜及びアルミナ膜)をドリルで削り取った後、支持体の入口圧力と出口圧力との差圧を1kgf/mとした状態で各濾過セルに水(水温25℃)を供給した。支持体における単位時間当たりの水の透過量は1.88m/hであった。従って、支持体の抵抗係数B(単位時間当たりの水の透過量の逆数)は0.5であった。 Sample No. In the monolithic separation membrane structure according to 1 to 6, after separating the separation membrane (titania membrane and alumina membrane) formed in each filtration cell with a drill, the differential pressure between the inlet pressure and the outlet pressure of the support is 1 kgf Water (water temperature 25 ° C.) was supplied to each filtration cell in a state of / m 2 . The permeation amount of water per unit time on the support was 1.88 m / h. Therefore, the resistance coefficient B of the support (reciprocal of the amount of permeated water per unit time) was 0.5.

Figure 0006417355
Figure 0006417355

支持体の側面に隣接する第1濾過セルに形成された第1チタニア膜の第1膜厚t1を、第1濾過セルの内側に隣接する第2濾過セルに形成された第2チタニア膜の第2膜厚t2よりも厚くしたサンプルNo.2,3では、第1膜厚t1を第2膜厚t2と同等としたサンプルNo.1よりも抵抗係数Aの減少率を低減させることができた。このことから、第1膜厚t1を第2膜厚t2よりも厚くすることによって、第1チタニア膜及び第2チタニア膜の膜寿命を長期化できることがわかった。   The first thickness t1 of the first titania membrane formed in the first filtration cell adjacent to the side surface of the support is changed to the second thickness of the second titania membrane formed in the second filtration cell adjacent to the inside of the first filtration cell. Sample No. 2 made thicker than film thickness t2. In Nos. 2 and 3, sample No. 1 in which the first film thickness t1 is equivalent to the second film thickness t2. The reduction rate of the resistance coefficient A can be reduced more than 1. From this, it was found that the film lifetimes of the first titania film and the second titania film can be prolonged by making the first film thickness t1 larger than the second film thickness t2.

同様に、支持体の側面に隣接する第1濾過セルに形成された第1アルミナ膜の第1膜厚t1を、第1濾過セルの内側に隣接する第2濾過セルに形成された第2アルミナ膜の第2膜厚t2よりも厚くしたサンプルNo.5,6では、第1膜厚t1を第2膜厚t2と同等としたサンプルNo.4よりも抵抗係数Aの減少率を低減させることができた。このことから、第1膜厚t1を第2膜厚t2よりも厚くすることによって、第1アルミナ膜及び第2アルミナ膜の膜寿命を長期化できることがわかった。   Similarly, the 1st film thickness t1 of the 1st alumina membrane formed in the 1st filtration cell adjacent to the side of a support is made into the 2nd alumina formed in the 2nd filtration cell adjacent to the inside of the 1st filtration cell. Sample No. which is thicker than the second film thickness t2 of the film. In Samples 5 and 6, sample Nos. 1 and 2 in which the first film thickness t1 was equivalent to the second film thickness t2. The reduction rate of the resistance coefficient A could be reduced more than 4. From this, it was found that the film lifetimes of the first alumina film and the second alumina film can be prolonged by making the first film thickness t1 larger than the second film thickness t2.

また、式(1):A×t1+B×s1=A×t2+B×s2が成立するサンプルNo.2では、式(1)が成立しないサンプルNo.3に比べて、抵抗係数Aの減少率をより低減させることができた。このことから、式(1)を成立させることによって、支持体の側面からの距離が異なるチタニア膜の膜寿命差を抑えられることがわかった。   In addition, sample No. in which Expression (1): A × t1 + B × s1 = A × t2 + B × s2 is established. 2, sample no. Compared with 3, the reduction rate of the resistance coefficient A could be further reduced. From this, it was found that by satisfying the formula (1), the difference in the film life of the titania films having different distances from the side surface of the support can be suppressed.

同様に、式(1)が成立するサンプルNo.5では、式(1)が成立しないサンプルNo.6に比べて、抵抗係数Aの減少率をより低減させることができた。このことから、式(1)を成立させることによって、支持体の側面からの距離が異なるアルミナ膜の膜寿命差を抑えられることがわかった。   Similarly, the sample No. In sample No. 5, the sample No. Compared to 6, the reduction rate of the resistance coefficient A could be further reduced. From this, it was found that by satisfying the formula (1), the difference in the film life of the alumina films having different distances from the side surface of the support can be suppressed.

10 分離膜構造体
20 支持体
S1 第1端面
S2 第2端面
S3 側面
20a 基材
20b 中間層
20c 表層
23 分離膜
231 第1分離膜
232 第2分離膜
CL 濾過セル
CL1 第1濾過セル
CL2 第2濾過セル
10 separation membrane structure 20 support S1 first end surface S2 second end surface S3 side surface 20a base material 20b intermediate layer 20c surface layer 23 separation membrane 231 first separation membrane 232 second separation membrane CL filtration cell CL1 first filtration cell CL2 second Filtration cell

Claims (2)

混合流体から透過成分を分離するためのモノリス型分離膜構造体であって、
第1端面から第2端面までそれぞれ連なる第1及び第2濾過セルと、前記透過成分が流出する流出面とを有する支持体と、
前記第1濾過セルの内表面に形成される第1分離膜と、
前記第2濾過セルの内表面に形成される第2分離膜と、
を備え、
前記第1濾過セルは、前記第2濾過セルよりも前記流出面に近く、
前記第1分離膜の第1膜厚は、前記第2分離膜の第2膜厚よりも厚く、
前記第1分離膜と前記流出面との第1間隔をs1とし、前記第2分離膜と前記流出面との第2間隔をs2とし、前記第1分離膜の前記第1膜厚をt1とし、前記第2分離膜の前記第2膜厚をt2とした場合、
A×t1+B×s1=A×t2+B×s2 ・・・式(1)
が成立する(ただし、前記式(1)において、Aは前記第1分離膜及び前記第2分離膜の抵抗係数であり、Bは前記支持体の抵抗係数である。)
モノリス型分離膜構造体。
A monolithic separation membrane structure for separating a permeate component from a mixed fluid,
A support body having first and second filtration cells each extending from the first end surface to the second end surface, and an outflow surface through which the permeate component flows out;
A first separation membrane formed on the inner surface of the first filtration cell;
A second separation membrane formed on the inner surface of the second filtration cell;
With
The first filtration cell is closer to the outflow surface than the second filtration cell;
The first thickness of the first separation membrane, rather thick than the second thickness of the second separation membrane,
A first interval between the first separation membrane and the outflow surface is s1, a second interval between the second separation membrane and the outflow surface is s2, and the first film thickness of the first separation membrane is t1. When the second film thickness of the second separation membrane is t2,
A * t1 + B * s1 = A * t2 + B * s2 Formula (1)
(Where, in Formula (1), A is a resistance coefficient of the first separation membrane and the second separation membrane, and B is a resistance coefficient of the support) .
Monolith type separation membrane structure.
前記第1膜厚は、前記第2膜厚の1.2倍以上である、
請求項1に記載のモノリス型分離膜構造体。
The first film thickness is 1.2 times or more of the second film thickness.
The monolith type separation membrane structure according to claim 1.
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