JP6687075B2 - Carbon dioxide separation method - 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, a zeolite membrane composite for gas separation that separates a specific gas component from a gas mixture composed of a plurality of gas components, wherein the zeolite membrane is The present invention relates to a zeolite membrane composite for gas separation, which is formed on a ceramic support and contains the zeolite crystal phase, and a gas separation method using 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。 The gas separation / purification method includes a membrane separation method, an adsorption separation method, an absorption separation method, a distillation separation method, and a cryogenic separation method, but the membrane separation method hardly involves a phase change during the gas separation, In this method, the pressure difference is used as the driving energy, and the gas is separated by the speed difference of the gas passing through the membrane. The membrane separation method is easier to handle than other gas separation / purification methods and has a relatively small facility scale, so that the target gas separation or concentration can be performed 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 a feature of being excellent in processability, it has been a problem that performance is deteriorated due to deterioration due to heat, chemical substances and pressure.
In recent years, various inorganic films having good chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance stability, and pressure resistance have been proposed to solve these problems. Among them, since zeolite has regular sub-nanometer pores, it has a function as a molecular sieve, so that it can selectively permeate 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。 Examples of concrete membrane separation of mixed gas include carbon dioxide and nitrogen, carbon dioxide and methane, hydrogen and hydrocarbon, hydrogen and oxygen, and hydrogen and hydrogen in the separation of gases discharged from thermal power plants and petrochemical industries. Separation of carbon dioxide, nitrogen and oxygen, paraffin and olefin, etc. Zeolite membranes such as A-type membranes, FAU membranes, MFI membranes, SAPO-34 membranes and DDR membranes are known as usable zeolite membranes for gas separation.
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, it is difficult to form a membrane having no crystal gap, and the separation performance is not high. The FAU membrane has zeolite pores of 0.6 to 0.8 nm, and has a size such that two gas molecules can enter the zeolite pores. This membrane is suitable for the separation of molecules having adsorption properties to zeolite pores and those not having them, for example, separation of carbon dioxide and nitrogen. However, molecules that have no adsorptivity are difficult to separate, and the application range is narrow. The pore size of the MFI membrane is 0.55 nm, and the pores are rather 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。 Further, in a natural gas refining plant and a plant for biogas generation by methane fermentation of food waste, etc., separation of carbon dioxide and methane is desired, but as a zeolite membrane for separating these well, zeolite of DDR (Patent Document 1), SAPO-34 (Non-Patent Document 1), and SSZ-13 (Non-Patent Document 2) that utilize the molecular sieving function are known as high-performance membranes.
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 a good separation performance, but has a low carbon dioxide permeance (also referred to as “permeability”) because the structure of the zeolite is two-dimensional. 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 its 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。 Further, in a chemical plant, the mixed gas often contains water, and the performance deteriorates in the coexistence of water, and it 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 presence of non-zeolite pores (defects) in the zeolite membrane, and thus carbon dioxide. The permeance of 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。 It is an object of the present invention to provide a zeolite membrane composite for gas separation, which is excellent in water resistance and has excellent characteristics in separating a gas mixture, in which the problems of the prior art are solved.
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 problems, the present inventors have found that a zeolite membrane composite having certain physical properties becomes a zeolite membrane composite that has both a practically sufficient treatment amount and separation treatment performance. And proposed it (Japanese Patent Application No. 2010-043366). As a result of further studies, the present inventors have found that these zeolite membrane composites have excellent properties for separating a gas mixture, and arrived at the present invention.
即ち、本発明の要旨は、下記の(1)〜(7)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ガス分離方法であって、該ゼオライト膜を構成するゼオライトがCHA型アルミノ珪酸塩であり、該CHA型アルミノ珪酸塩のSiO2/Al2O3モル比が12以上、10万以下であり、該ゼオライト膜複合体を、ガス分離温度以上の温度で前記透過性の高い気体成分下で乾燥させる前処理を行った後に、該分離を行うことを特徴とする、ガス分離方法。
(2)ゼオライト膜複合体が、二酸化炭素ガスを、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合のパーミエンスが1×10−9mol・(m2・s・Pa)−1以上である、(1)に記載のガス分離方法。
(3)ゼオライト膜複合体が、メタンガスを、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合のパーミエンスが1×10−7mol・(m2・s・Pa)−1以下である、(1)又は(2)に記載のガス分離方法。
(4)ゼオライト膜複合体が、二酸化炭素とメタンの混合ガスを、温度50℃、差圧0.098MPaで透過させた場合の分離係数が2以上である、(1)〜(3)のいずれかに記載のガス分離方法。
(5)前記前処理として前記乾燥及び使用する供給ガスによるパージ処理を行う、(1)〜(4)のいずれかに記載のガス分離方法。
(6) 前記乾燥の際、前記ゼオライト膜複合体の透過側を大気圧とする、(1)〜(5)のいずれかに記載のガス分離方法。
(7) 前記分離において、供給側のガスと透過側のガスの差圧が0.02〜20MPaである、(1)〜(6)のいずれかに記載のガス分離方法。
That is, the gist of the present invention lies in the following (1) to (7).
(1) A gas separation method in which a gas mixture composed of a plurality of gas components is brought into contact with a zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a ceramic support, and a highly permeable gas component is permeated and separated from the gas mixture. The zeolite constituting the zeolite membrane is a CHA-type aluminosilicate, and the CH 2 Aluminosilicate has a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 12 or more and 100,000 or less. A method for gas separation, characterized in that the separation is carried out after a pretreatment of drying the above under a gas component having a high permeability at a temperature equal to or higher than the gas separation temperature.
(2) The zeolite membrane composite has a permeance of 1 × 10 −9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 or more when carbon dioxide gas is permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa. The gas separation method according to (1).
(3) The zeolite membrane composite has a permeance of 1 × 10 −7 mol · (m 2 · s · Pa) −1 or less when methane gas is transmitted at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa. The gas separation method according to (1) or (2).
(4) Any one of (1) to (3), in which the zeolite membrane composite has a separation coefficient of 2 or more when a mixed gas of carbon dioxide and methane is permeated at a temperature of 50 ° C. and a differential pressure of 0.098 MPa. The gas separation method described in 1.
(5) The gas separation method according to any one of (1) to (4), wherein as the pretreatment, the drying and the purge treatment with the supply gas used are performed.
(6) The gas separation method according to any one of (1) to (5), wherein the permeation side of the zeolite membrane composite is at atmospheric pressure during the drying.
(7) The gas separation method according to any one of (1) to (6), wherein in the separation, the pressure difference between the gas on the supply side and the gas on the permeation side is 0.02 to 20 MPa.
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 resistance stability, oxidation resistance, pressure resistance, a large amount of gas permeation, a high separation coefficient, high wet heat stability, and excellent gas separation characteristics. A zeolite membrane composite can be provided. Moreover, by using the zeolite membrane composite of the present invention as a gas separation means, it is possible to perform high-performance gas separation 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 with a high permeability is permeated from a mixture of gases, and a gas with a low permeability is concentrated, so that the gas with a high permeability is separated out of the system, and a gas with a low permeability is obtained. 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, the embodiments of the present invention will be described in more detail, but the description of the constituents described below is an example of the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents. Various modifications can be implemented within the scope of the gist.
The gas separation zeolite membrane composite of the present invention is a gas separation zeolite membrane composite for separating a gas component having high permeability from a gas mixture composed of a plurality of gas components, wherein the zeolite membrane is , CHA-type aluminosilicate zeolite, and is formed on a ceramic support. In the present specification, the “ceramic support” may be simply referred to 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 components, separation method, separation performance, etc. will be described in the section of gas separation and separation performance after the details of the zeolite membrane composite are described.
(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, the components constituting the zeolite membrane may optionally contain, in addition to zeolite, an inorganic binder such as silica or alumina, an organic substance such as a polymer, or a silylating agent that modifies the surface of the zeolite.
The zeolite membrane may partially contain an amorphous component, but is preferably a zeolite membrane composed substantially of only 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. Further, it is usually 100 μm or less, preferably 60 μm or less, and more preferably 20 μm or less. If the film thickness is too large, the permeation amount tends to decrease, and if it is too small, the selectivity or the film strength tends to decrease.
The particle size of the zeolite forming the zeolite membrane is not particularly limited, but if it is too small, the grain boundaries become large and the permeation selectivity tends to be lowered. 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. Further, it is more preferable that the particle size of zeolite is the same as the thickness of the membrane. When the particle size of the zeolite is the same as the thickness of the membrane, the grain boundary of the zeolite is the smallest. The zeolite membrane obtained by hydrothermal synthesis described later is preferable because the particle diameter of the zeolite and the 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 tubular shape, hollow fiber shape, monolith type, and honeycomb type can be adopted. The size is not particularly limited, and for example, in the case of a tubular shape, a length of 2 cm or more and 200 cm or less, an inner diameter of 0.5 cm or more and 2 cm or less, and a thickness of 0.5 mm or more and 4 mm or less 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 CHA-type aluminosilicate.
The aluminosilicate used in the present invention mainly contains oxides of Si and Al, 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 Al in the amount of impurities, 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 decrease, and the durability tends to decrease. 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). The X-ray accelerating voltage is usually measured at 10 kV in order to obtain information on only a few micron film.
(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 International Zeolite Association (IZA) and has a CHA structure. It is a zeolite having a crystal structure similar to that of naturally occurring chabazite. The CHA-type zeolite has a structure characterized by having three-dimensional pores composed of 8-membered oxygen 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 CHA-type zeolite is 14.5. The SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio is the same as 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 Å 3 ) of the zeolite, and this value is the structure of the zeolite. It is decided 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 such that zeolite can be crystallized into a film on the surface thereof. Specific examples thereof include ceramics 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。
A part of the ceramic support has the effect of increasing the adhesiveness of the interface by forming a zeolite during the synthesis of the zeolite membrane.
Further, a ceramic support containing at least one of alumina, silica, and mullite is a membrane that is dense and has high separation performance because the support and zeolite are strongly bonded to each other because the support can be partially made into zeolite. Are more likely to be formed, which is more preferable.
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, and specifically, for example, flat plate, tubular, or cylindrical, columnar or prismatic holes. There are many honeycomb-shaped ones and monoliths.
In the present invention, a zeolite film is formed on the surface of the ceramic support or the like, and preferably zeolite is crystallized into a film.
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 size of the support is not particularly limited, but those having a controlled pore size are preferable, usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, usually 20 μm or less. , Preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the pore size is too small, the permeation amount tends to be small, and if it is too large, the strength of the support itself tends to be 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, if necessary. The surface of the support means the surface portion of the support on which the zeolite film is formed, and any surface of each shape may be used as long as it is a surface, and a plurality of surfaces may be used. For example, in the case of a cylindrical tube support, it may be an outer surface or an inner surface, and in some cases both outer and inner surfaces.
The pore size of the support is not particularly limited and it is not necessary to control it, but the porosity is usually preferably 20% or more and 60% or less. The porosity influences the permeation flow rate when separating gas or liquid, and when it is less than the lower limit, it tends to hinder the diffusion of permeate, and when 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)
Zeolite membrane composite is one in which zeolite is adhered in a film form on the surface of the support, and in some cases, a part of the zeolite is adhered to the inside of the support. preferable.
As the zeolite membrane composite, one obtained by crystallizing zeolite on the surface of a support or the like into a film by hydrothermal synthesis 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, it may be attached to the outer surface of the zeolite membrane, may be attached to the inner surface, or may be attached to both sides depending on the system to be applied. Good. Further, it may be laminated on the surface of the support, or may be 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 fine pores inside the crystallized film layer, and formation of 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 intensity of a peak near 2θ = 17.9 ° of 0.5 times or more of an intensity of a peak near 2θ = 20.8 ° in an X-ray diffraction pattern. Preferably there is.
Here, the peak intensity means the value obtained by subtracting the background value from the measured value. A peak intensity ratio represented by (intensity of peak near 2θ = 17.9 °) / (peak intensity near 2θ = 20.8 °) (hereinafter, this may be referred to as “peak intensity ratio A”). Therefore, it is usually 0.5 or more, preferably 0.8 or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually 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 X-ray diffraction pattern of the present invention, the intensity of the peak around 2θ = 9.6 ° is 4 times or more the intensity of the peak around 2θ = 20.8 ° in the X-ray diffraction pattern. It is preferable.
A peak intensity ratio represented by (intensity of peak near 2θ = 9.6 °) / (peak intensity near 2θ = 20.8 °) (hereinafter, this may be referred to as “peak intensity ratio B”). Therefore, it is usually 4 or more, preferably 6 or more, more preferably 8 or more, and particularly preferably 10 or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually 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 the side where zeolite is mainly attached with X-rays using CuKα as a radiation source, and obtaining the scanning axis as θ / 2θ. The shape of the sample to be measured may be any shape as long as the surface of the membrane composite on which zeolite is mainly attached can be irradiated with X-rays. The body itself or a piece cut into an appropriate size restricted by the device 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 referred to herein 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. The X-ray diffraction pattern when the automatic variable slit is used refers to a pattern in which the variable → fixed slit correction is performed.
Here, the peak around 2θ = 17.9 ° refers to the maximum of the peaks that do not originate from the base material and exist in the range of 17.9 ° ± 0.6 °.
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 around 2θ = 20.8 ° refers to the maximum peak existing in the range of 20.8 ° ± 0.6 ° among the peaks not derived from the base material.
The peak near 2θ = 9.6 ° refers to the maximum of the peaks not in the base material and existing in the range of 9.6 ° ± 0.6 °.
In the X-ray diffraction pattern, the peak near 2θ = 9.6 ° is the rhombohedral setting according to the 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) is a peak derived from the plane with the 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 plane of which the index is (1,1,1) in the CHA structure.
In the X-ray diffraction pattern, the peak around 2θ = 20.8 ° is a rhombohedral setting according to the 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。
When the number is (No. 166), it is a peak derived from the plane of which the index is (2,0, -1) in the CHA structure.
A 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 is the COLLECTION OF SIMULATED XRD POWDER PATTERNS FOR ZEOLITE. Third Revised Edition 1996 ELSEVIER says 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, when the CHA structure is set to the rhombohedral setting, the zeolite crystal is oriented so that the (1,0,0) plane is parallel to the surface of the membrane complex. It is considered to mean that they are oriented and growing. Oriented 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) between the peak intensity derived from the (1,1,1) plane and the peak intensity derived from the (2,0, -1) plane is the peak intensity ratio A, which is the 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 that, for example, when the CHA structure is rhombohedral setting, the (1,1,1) plane is oriented so as to be parallel to the surface of the membrane complex. It is considered that the crystals are oriented and grown. Oriented 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, that either 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 grown, and a dense membrane having high separation performance is formed. Is shown.
A dense zeolite film in which CHA-type zeolite crystals are oriented and grown is, for example, when a zeolite film is formed by a hydrothermal synthesis method using a specific organic template in an aqueous reaction mixture as described below. Can be achieved by coexisting K + ions.
(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 manufacturing zeolite membrane)
In the present invention, the method for producing a zeolite membrane is not particularly limited as long as it is a method capable of forming a membrane containing zeolite. For example, (1) a method of crystallizing zeolite in a membrane form on a support, (2) Method of fixing zeolite to the support with an inorganic binder or organic binder, (3) method of fixing a polymer in which zeolite is dispersed, (4) impregnating the support with a slurry of zeolite, and in some cases suctioning Any method such as a method of fixing zeolite to a support by means of 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, the method of crystallizing zeolite on the ceramic support in a film form is particularly preferable. The crystallization method is not particularly limited, but the support is put in a reaction mixture for hydrothermal synthesis used for zeolite production (hereinafter, this may be referred to as an “aqueous reaction mixture”), and direct hydrothermal synthesis is performed. By doing so, a method of crystallizing the zeolite on the surface of the support or the like is preferable.
Specifically, for example, the aqueous reaction mixture whose composition has been adjusted and homogenized may be placed in a heat-resistant pressure-resistant container such as an autoclave in which a support is gently fixed inside, hermetically sealed, 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 a Si element source, an Al element source, an organic template (if necessary), and water, and further contains an alkali source if necessary.
As the Si element source used in the aqueous reaction mixture, for example, amorphous silica, colloidal silica, silica gel, sodium silicate, amorphous aluminum silicate gel, tetraethoxysilane (TEOS), trimethylethoxysilane, etc. can be used.
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 and the like can be used. In addition to the Al element source, other element sources such as Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, and Zn may be included.
In the crystallization of zeolite, an organic template (structure directing agent) can be used if necessary, but those synthesized using the organic template are preferable. By synthesizing using an organic template, the ratio of silicon atoms to aluminum atoms of crystallized zeolite is increased, and the 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 of any type as long as it can form a desired zeolite membrane. The template may be used alone or in combination of two or more.
As the organic template, amines and quaternary ammonium salts are usually used. For example, the organic templates described in US Pat. No. 4,544,538 and US 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 1-adamantanamine, cations derived from 3-quinacridinal, cations derived from alicyclic amines such as cations derived from 3-exo-aminonorbornene. Be done. Among these, the cation derived from 1-adamantanamine is more preferable.
When a cation derived from 1-adamantanamine is used as an organic template, a 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。 Among the cations derived from 1-adamantanamine, the N, N, N-trialkyl-1-adamantanammonium cation is more preferable. The three alkyl groups of the N, N, N-trialkyl-1-adamantanammonium cation are usually independent alkyl groups, preferably lower alkyl groups, and more preferably methyl groups. 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 zeolites. Representatives of such anions include halogen ions such as Cl − , Br − , and I − , hydroxide ions, acetates, sulfates, and carboxylates. Of these, hydroxide ion is particularly preferably used.
Further, as another organic template, N, N, N-trialkylbenzylammonium cation can also be used. Also in this case, the alkyl groups are each independently an alkyl group, preferably a lower alkyl group, and 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 above.
As the alkali source used in the aqueous reaction mixture, hydroxide ion of counter anion of organic template, alkali metal hydroxide such as NaOH and KOH, alkaline earth metal hydroxide such as Ca (OH) 2 should be used. You can
The type of alkali is not particularly limited, and is usually Na, K, Li, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr, Ba, preferably Na, K, and more preferably K. Further, two or more kinds of alkali may be used in combination, and specifically, it is preferable to use Na and K or Li and K 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 the Si element source and the Al element source in the aqueous reaction mixture is usually expressed as the molar ratio of 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, still more preferably 15 or more. It is usually 100,000 or less.
When the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio is in this range, the 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. It is 02 or more, usually 1 or less, preferably 0.4 or less, and more preferably 0.2 or less. Within this range, in addition to the possibility that a dense zeolite film can be formed, the formed zeolite has strong acid resistance and Al is difficult to desorb. Under these conditions, 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) O / SiO 2 (where M represents an alkali metal or an alkaline earth metal, and n represents the valence of 1 or 2). It is usually 0.02 or more, preferably 0.04 or more, more preferably 0.05 or more, and usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less.
When forming a CHA-type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable that potassium (K) is contained in the alkali metal from the viewpoint of producing a denser and highly crystalline membrane. In that case, the molar ratio of K to all the 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 Addition of K to the aqueous reaction mixture was carried out in the rhombohedral setting with space groups as described above.
(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), in the CHA structure, the peak intensity near 2θ = 9.6 °, which is the peak derived from the plane of (1,0,0), and the plane of (2,0, −1) The peak intensity ratio (peak intensity ratio B) near 2θ = 20.8 °, which is the peak derived from, or the peak intensity near the 2θ = 17.9 °, which is the peak derived from the (1,1,1) plane. There is a tendency to increase the ratio (peak intensity ratio A) between the peak intensity and the peak intensity near 2θ = 20.8 °, 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 the Si element source to water is a molar ratio of water to SiO 2 (H 2 O / SiO 2 molar ratio) of usually 10 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and particularly preferably 50 or more. It is usually 1000 or less, preferably 500 or less, more preferably 200 or less, and particularly preferably 150 or less.
When the molar ratio of the substances in the aqueous reaction mixture is in these ranges, a dense zeolite membrane can be formed. The amount of water is particularly important for the formation of a dense zeolite membrane, and finer crystals tend to be formed more easily under conditions where the amount of water is greater than that of silica, as compared to the general conditions for powder synthesis, and a dense membrane is more likely to be formed. 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 powdery CHA-type aluminosilicate zeolite is about 15 to 50 in terms of H 2 O / SiO 2 molar ratio. Separation of CHA-type aluminosilicate zeolite crystallized into a dense film on the surface of a support by setting a high H 2 O / SiO 2 molar ratio (50 or more and 1000 or less), that is, a condition in which there is a large amount of water. A highly efficient 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。 Furthermore, during hydrothermal synthesis, seed crystals do not necessarily have to be present in the reaction system, but by adding seed crystals, crystallization of zeolite on the support can be promoted. The method of adding the seed crystal is not particularly limited, and a method of adding the seed crystal to the aqueous reaction mixture, a method of depositing the seed crystal on the support, or the like, as in the synthesis of powdered zeolite, is used. You can In the case of producing a zeolite membrane composite, it is preferable to attach seed crystals on the support. By pre-attaching the seed crystal on the support, a dense zeolite membrane having good separation performance can be easily produced.
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 may be of any kind 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 forming a CHA-type aluminosilicate zeolite membrane, it is preferable to use a CHA-type zeolite seed crystal.
The seed crystal preferably has a small particle size, and may be crushed and used as necessary. The particle size is usually 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, and 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 to the support is not particularly limited, and for example, a dipping 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, or a seed It is possible to use a method in which crystals are mixed with a solvent such as water to form a slurry, and the slurry is applied onto a support. The dip method is desirable in order to control the amount of seed crystals attached and to produce 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, based on the total weight of the dispersion liquid. Further, it is usually 20% by weight or less, preferably 10% by weight or less, more preferably 5% by weight or less, still more preferably 3% by 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 there will be spots where zeolite is not partially formed on the support surface 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 attached to the support becomes almost constant by the dipping method, and the seed crystals are wasted, which is disadvantageous in terms of cost.
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 that a seed crystal be attached to the support by a dipping method or slurry coating and then dried to form a zeolite membrane.
The weight of the seed crystal to be attached 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 substrate. It is usually 100 g or less, preferably 50 g or less, more preferably 10 g or less, and further 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。 If the amount of seed crystals is less than the lower limit, it becomes difficult to form crystals, and the film growth tends to be insufficient or the film growth tends to be non-uniform. Also, when the amount of seed crystals exceeds the upper limit, surface irregularities are increased by the seed crystals, and spontaneous crystals easily grow due to seed crystals falling from the support surface, which hinders film growth on the support. There is a case to be. In any 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 the zeolite membrane is formed on the support by hydrothermal synthesis, the method of immobilizing the support is not particularly limited, and any form such as vertical installation or horizontal installation can be used. In this case, the zeolite membrane may be formed by a static method, or the aqueous reaction mixture may be stirred to form the zeolite membrane.
The temperature for forming the zeolite membrane 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 the following. 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 that of the zeolite of the present invention may be easily produced.
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 longer, preferably 5 hours or longer, more preferably 10 hours or longer, usually 10 days or shorter, preferably 5 days or shorter, more preferably 3 days or shorter, further preferably 2 hours. It is 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 that of the zeolite of the present invention may be easily produced.
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 for forming the zeolite membrane is not particularly limited, and the autogenous pressure generated when the aqueous reaction mixture placed in the closed container is heated to this temperature range is sufficient. Further, if necessary, an inert gas such as nitrogen may be added.
The zeolite membrane composite obtained by hydrothermal synthesis is washed with water, then heat-treated and dried. Here, the heat treatment means to apply heat to dry the zeolite membrane composite or to calcine the template when 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。 For the purpose 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, still more preferably 450 ° C. or higher, and usually 900 ° C. or lower, preferably 850 ° C. or lower when the template is to be baked. The temperature is more preferably 800 ° C or lower, particularly preferably 750 ° C or lower.
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 hour or longer, more preferably 1 hour or longer. The upper limit is not particularly limited and is usually within 200 hours, preferably within 150 hours, more preferably within 100 hours.
When the hydrothermal synthesis is carried out in the presence of an organic template, the obtained zeolite membrane composite is washed with water, for example, by heat treatment or extraction, preferably heat treatment, that is, the organic template can be removed by firing. 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 organic template remaining tends to increase, and the zeolite has few pores, which may reduce the amount of gas permeation during separation and concentration. 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, the denseness of the zeolite membrane may be lost, and the separation performance may be deteriorated.
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 raising rate and the temperature lowering rate, but is not particularly limited as long as the organic template is sufficiently removed, and is preferably 1 hour or more, more preferably 5 hours or more. The upper limit is not particularly limited and is, for example, usually 200 hours or less, preferably 150 hours or less, more preferably 100 hours or less, and particularly preferably 24 hours or less. The 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 rise during firing be as slow as possible in order to reduce the occurrence of cracks in the zeolite membrane due to the difference in coefficient of thermal expansion between the support and the zeolite. The rate of temperature rise is usually 5 ° C./min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, particularly preferably 0.5 ° C./min or less. Usually, it is 0.1 ° C./min or more in consideration of workability.
Further, it is necessary to control the temperature lowering rate after firing to prevent the zeolite membrane from cracking. As with the heating rate, the slower the more desirable. The rate of temperature decrease is usually 5 ° C./min or less, preferably 2 ° C./min or less, more preferably 1 ° C./min or less, 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 if necessary. When the ion exchange is performed using a template, the ion exchange is usually performed after removing the template. 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 and Ag. And transition metal ions of the above. Among these, alkali metal ions such as protons, 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。
The ion exchange is carried out by heating the zeolite membrane after firing (when using a template, etc.) with an ammonium salt such as NH 4 NO 3 , NaNO 3 or an aqueous solution containing ions to be exchanged, and in some cases an acid such as hydrochloric acid, from room temperature. The treatment may be carried out at a temperature of 100 ° C. and then washed with water. Furthermore, you may bake at 200 degreeC-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, most preferably 200 L / (m 2 · h). 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 air permeation amount 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, as described in detail in the section of Examples. [L / (m 2 · h)].
The zeolite membrane composite thus produced has excellent properties and can be suitably used as the 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 the zeolite membrane composite is brought into contact with a gas mixture composed of a plurality of gas components, and a gas component having high permeability is separated from the gas mixture. Is.
One of the separation functions of the zeolite membrane in the present invention is separation as a molecular sieve, which can preferably separate gas molecules having a size larger than the effective pore diameter of the zeolite used and 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 the CHA-type aluminosilicate, and has 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 kind of metal 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 size.
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 an atomic diameter smaller than silicon, specifically, boron (B) or the like is introduced, the pore diameter becomes small, and a metal having an atomic diameter larger than silicon, specifically tin (Sn) or the like is used. When introducing, the pore diameter becomes large.
In addition, the pore size may be affected by desorbing the introduced metal from the skeleton by the 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。 By the ion exchange, when exchanged with monovalent ions having a large ionic radius, the effective pore size tends to decrease, whereas when exchanged with monovalent ions having a small ionic radius, the effective pore size becomes CHA structure. The value is close to the pore size of. Also in the case of divalent ions such as calcium, the effective pore diameter becomes a value close to the pore diameter of the CHA structure depending on the position of the exchange site.
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。
The effective pore size of zeolite can also be reduced by silylation. By silencing the terminal silanols on the outer surface and further stacking a silylated layer, the effective pore size of the pores facing the outer surface of the zeolite is reduced.
Another separating 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 properties of the zeolite. That is, by controlling the polarity of the zeolite, it is possible to facilitate the permeation of molecules having large 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 Al for Si in the zeolite skeleton, and thereby, gas molecules with large polarity can be positively adsorbed and permeated into the zeolite pores. Further, when the substitution amount of Al decreases, a zeolite film having a small polarity is formed, which is advantageous for allowing gas molecules having a small polarity to permeate.
Further, Ga, Fe, B, Ti, Zr, Sn, and Zn may be added to an element source other than the Al element source to control the polarity.
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 molecules and the zeolite pore size 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, and helium. , Those containing at least one component selected from carbon monoxide, nitric oxide, water and the like. Among the components of the gas mixture containing the gas, the gas component having a high permeance passes through the zeolite membrane composite and is separated, and the 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。
Further, the gas mixture more preferably contains at least two kinds of the above components. In this case, a combination of a component having high permeance and a component having low permeance is preferable as the two kinds of components.
The conditions for gas separation vary depending on the target gas species and composition, and the performance of the membrane, but the temperature is usually 0 to 300 ° C, preferably room temperature to 200 ° C, and 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 pressure as long as the gas to be separated is high pressure, or may be adjusted to a desired pressure by appropriately reducing the pressure. When the gas to be separated is lower than the pressure used for the separation, it can be used after being pressurized by a compressor or the like.
The pressure of the supply gas is not particularly limited, but is usually atmospheric pressure or higher than atmospheric pressure, preferably 0.1 MPa or more, and 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 pressure difference between the gas on the supply side and the gas on the permeation side is not particularly limited, but is usually 20 MPa or less, preferably 10 MPa or less, more preferably 5 MPa or less, further preferably 1 MPa or less. Further, it is usually 0.001 MPa or more, preferably 0.01 MPa or more, more preferably 0.02 MPa or more.
Here, the differential pressure means the difference between the partial pressure on the supply side and the partial pressure on the permeation side of the gas. The pressure [Pa] in the present invention refers to 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 feed gas should be such that it can compensate for the decrease in the gas that permeates, and that the concentration of the gas having low permeability in the feed gas in the immediate vicinity of the membrane matches the concentration of the gas as a whole. The flow rate is such that it can be mixed, and it depends on the tube diameter of the separation unit and the separation performance of the membrane, but is usually 0.5 mm / sec or more, preferably 1 mm / sec or more, and the upper limit is not particularly limited. It is 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。
A sweep gas may be used in the separation method of the present invention. The method using a sweep gas is a method in which a gas of a type different from the supply gas is caused 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, further 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.
The device used for gas separation is not particularly limited, but is usually used as a module. The membrane module may be, for example, the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, or may be the membrane module illustrated in “Gas Separation / Purification Technology” Toray Research Center Co., Ltd., 2007, page 22. 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 of the present invention has excellent chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, and pressure resistance, exhibits high permeation performance and separation performance, and has excellent durability. In particular, it shows excellent separation performance for separating inorganic gas and lower hydrocarbons.
The high permeation performance referred to here indicates a sufficient amount of treatment, and for example, permeance (mol · (m 2 · s · Pa) −1 ] of a gas component that permeates the membrane is, 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 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 the permeance is ideally 0, but it may be on the order of 10 −10 to 10 −14 or more in practical use.
Here, the permeance is obtained by dividing the amount of permeating substance by the product of the membrane area and time and the partial pressure difference between the supplying side and the permeating side of the permeating substance, 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 "transparency".
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。
Further, the selectivity of the zeolite membrane is represented by the separation coefficient. The separation coefficient is an index generally used in membrane separation and represents the selectivity, and is a value calculated by the method described in the section of Examples.
The separation coefficient 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. , Particularly preferably 50 or more. The upper limit of the separation coefficient is that when only carbon dioxide is completely permeated and in that case it is infinite, but in practice, the separation coefficient 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。
Zeolite membrane composite for gas separation of the present invention is, as described above, excellent in chemical resistance, oxidation resistance, heat stability, pressure resistance, high permeation performance, separation performance, and excellent durability. , And can be used particularly preferably as the following gas separation technology.
Carbon dioxide separation technology includes the removal of carbon dioxide from natural gas and landfill gas (approximately 60% methane, 40% carbon dioxide, traces of nitrogen and water vapor) generated by landfilling organic substances such as domestic waste. Carbon dioxide removal 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 technology includes hydrogen recovery in the petroleum refining industry, hydrogen recovery and refining in various reaction processes in the chemical industry (mixture 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 use, combustion-enriched oxygen, etc.), nitrogen separation technology production of nitrogen-rich gas from air (explosion-proof, oxidation prevention, etc.) ), Water vapor separation (dehumidification of precision machinery, etc.), dissolved gas separation (degassing from water and organic liquids), organic gas separation (organic gas separation in petroleum refining industry, 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。
(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。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as the gist thereof is not exceeded. In the following examples, the physical properties and separation performance of the zeolite membrane were measured by the following methods. Hereinafter, the "CHA type silicate zeolite" is simply referred to as "CHA type zeolite".
(1) X-ray diffraction (XRD)
The XRD measurement was performed under the following conditions.
・ Device name: X'PertPro MPD manufactured by PANalytical in the Netherlands
・ Optical system input side: Enclosed X-ray tube (CuKα)
Soller Slit (0.04 rad)
Diversity Slit (Variable Slit)
Sample stand: XYZ stage
Light receiving side: Semiconductor array detector (X'Celerator)
Ni-filter
Soller Slit (0.04 rad)
Goniometer radius: 240 mm
・ Measurement conditions X-ray output (CuKα): 45 kV, 40 mA
Scanning axis: θ / 2θ
Scanning range (2θ): 5.0-70.0 °
Measurement mode: Continueous
Read width: 0.05 °
Counting time: 99.7 sec
Automatic variable slit (Automatic-DS): 1 mm (irradiation width)
Lateral divergence mask: 10 mm (irradiation width)
The X-rays were applied in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical tube. In order to reduce noise as much as possible, the X-ray is not the line that touches the surface of the sample stand, out of the two lines where the cylindrical tubular membrane composite on the sample stand and the plane parallel to the surface of the sample stand touch. , So that it mainly hits 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 was fixed to 1 mm by an automatic variable slit and measured, and then measured by Materials Data, Inc. The XRD pattern was obtained by performing variable slit → fixed slit conversion using the XRD analysis software JADE 7.5.2 (Japanese version).
(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
(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8300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。
(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) Air permeation amount Under atmospheric pressure, one end of the zeolite membrane composite is sealed, and the other end is connected to a vacuum line of 5 kPa while maintaining airtightness, and the vacuum line and the zeolite membrane composite are connected. The flow rate of the air that passed through the zeolite membrane composite was measured with a mass flow meter installed between them, and the result was taken as the air permeation rate [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., 1 atmospheric pressure conversion) was used. When the mass flow meter displayed on the KOFLOC 8300 is less than 10 ml / min (20 ° C., 1 atm), Lintec MM-2100M for Air gas,
(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 gas used was carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by High Pressure Gas Industry Co., Ltd.), methane (purity 99.999%, manufactured by Japan Fine Products), hydrogen (purity 99.99% or more, HORIBA STEC hydrogen generation). Generated from OPGU-2200), nitrogen (purity 99.99%, manufactured by Toho Oxygen Industry Co., Ltd.), and helium (purity 99.99, manufactured by Japan Helium Center).
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。
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. 1, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) while being stored in a pressure
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a
In FIG. 2, a cylindrical zeolite membrane composite 1 is installed in a thermostatic chamber (not shown) in a state of being stored in a pressure
One end of the cylindrical zeolite membrane composite 1 is sealed with a
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。
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。
When performing a single component gas permeation test in the apparatus of FIG. 1, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the pressure
When performing a single component gas permeation test in the apparatus of FIG. 2, a sample gas (supply gas 7) is supplied between the
More specifically, in order to remove components such as water and air, the sample temperature and the supply gas of the zeolite membrane composite 1 are subjected to drying at a measurement temperature or higher and exhaust or purging with a supply gas to be used. After the pressure difference between the 7 side and 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。〕
(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(99.99%、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。
Based on the above measurement results, the ideal separation coefficient α is calculated by the following formula (1).
α = (Q 1 / Q 2 ) / (P 1 / P 2 ) (1)
[In the formula (1), Q 1 and Q 2 represent the permeation amounts [mol · (m 2 · s) −1 ] of the gas with high permeability and the gas with low permeability, respectively, and P 1 and P 2 Indicate the pressures [Pa] of the gas having high permeability and the gas having low permeability, which are supply gases, respectively. ]
(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 gas used was carbon dioxide (purity 99.9%, manufactured by High Pressure Gas Industry Co., Ltd.), methane (purity 99.999%, manufactured by Japan Fine Products), hydrogen (purity 99.99% or more, HORIBA STEC hydrogen generation). Generated from OPGU-2200), nitrogen (99.99%, manufactured by Toho Oxygen Industrial Co., Ltd.). A mixed gas was supplied at a predetermined ratio 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 at a constant flow rate 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。〕
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。〕
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 flow velocity of each component gas that has permeated the zeolite membrane composite 1 at this time is measured as described above, and the gas permeation amount [mol · (m 2 · s) −1 ] is calculated.
Based on the above 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 amounts [mol · (m 2 · s) −1 ] of the gas having high permeability and the gas having low permeability, respectively, and P ′ 1 And P ′ 2 represent the partial pressures [Pa] of the highly permeable gas and the less permeable gas in the feed gas, respectively. ]
Further, the permeance ratio may be used as an index indicating the separation performance. The permeance ratio is the ratio of the permeance of the gas with high permeability to the permeance of the gas with low permeability, and is calculated by the following formula (3).
Permeance ratio = Permeance 1 / Permeance 2 (3)
[In the formula (3), permeance 1 and permeance 2 represent permeance [mol · (m 2 · s · Pa) −1 ] of a gas having high permeability and a gas having low permeability, respectively. ]
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 as the pressure difference. It is calculated by dividing by the pressure difference. Specifically, it can be calculated by the following formula (4). Permeance = Q / (P (supply) -P (transmission))
[In the formula (4), Q represents 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 supply gas, respectively. The partial pressure [Pa] of the gas to be obtained 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 the gas composition of the permeation gas by 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 directly hydrothermally synthesizing CHA-type aluminosilicate zeolite on the ceramic support.
The 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。 1 mol / L-NaOH aqueous solution 10.5g, 1mol / L-KOH aqueous solution 7.0 g, aluminum hydroxide to a mixture of water 100.6g (Al 2 O 3 53.5 mass% containing, Aldrich) 0. 88 g was added and stirred to dissolve to obtain a transparent solution. To this, 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 Sechem) was added, and further colloidal. 10.5 g of silica (Snowtec-40 manufactured by Nissan Chemical Co., 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 (
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, a 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 filtering, washing with water and drying a crystallized product obtained by hydrothermal synthesis at 160 ° C. for 2 days was used. The grain size of the seed crystal was about 0.3 to 3 μm.
The support was immersed in a dispersion of this seed crystal in water of about 1% by mass 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 adhered was vertically dipped in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the above-mentioned aqueous reaction mixture, and the autoclave was sealed and left standing at 160 ° C for 48 hours. And heated under autogenous pressure. After a lapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out from the reaction mixture after being left to cool, washed and dried at 100 ° C. for 5 hours or more.
This membrane composite was fired in air in an electric furnace at 550 ° C. for 10 hours. The rate of temperature rise and the rate of temperature decrease at this time were both 0.5 ° C./min. The mass of the CHA-type zeolite crystallized on the support was 154 g / m 2 , which was determined from the difference between the mass of the membrane composite after firing and the mass of the support.
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. 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. It was found from the XRD measurement that CHA-type zeolite was produced.
An XRD pattern of powdered CHA-type zeolite (a zeolite generally referred to as SSZ-13 in US Pat. No. 4,544,538, hereinafter referred to as "SSZ-13") is shown in FIG. 3b).
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。
From FIG. 3, it can be seen that the XRD pattern of the produced zeolite membrane has a significantly higher peak intensity near 2θ = 17.9 ° than the XRD pattern of SSZ-13, which is a powdered CHA-type zeolite.
While the powder CHA-type zeolite SSZ-13 (peak intensity around 2θ = 17.9 °) / (peak intensity around 2θ = 20.8 °) = 0.2, (Peak intensity near 2θ = 17.9 °) / (Peak intensity near 2θ = 20.8 °) = 3.5, and the orientation to the (1,1,1) plane in rhombohedral setting is estimated. Was done.
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。
(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。
As a result of SEM observation of the zeolite membrane composite cut into strips, crystals were densely formed on the surface.
Was also measured by SEM-EDX, SiO 2 / Al 2
(2) Single Component Gas Permeation Test The single component gas permeability of the CHA-type zeolite membrane composite prepared above was examined using the apparatus shown in FIG. The evaluated gases are carbon dioxide and methane.
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。
The zeolite membrane composite 1 was pretreated by vacuum drying at 140 ° C. and 200 Pa in advance, and then the temperature was adjusted to 50 ° C. Then, the supply gas 7 is introduced between 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 supply gas 7 side and 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 −. It was 9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 . The ideal separation coefficient α between 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 prepared 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 introduced as a supply gas 7 between 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 zeolite membrane composite 1 is 0.107 MPa, and the partial pressures of carbon dioxide and methane on the side of the supply gas 7 are 0.0977 MPa and 0.102 MPa, respectively.
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 coefficient 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) Preparation of CHA-type Zeolite Membrane Composite A ceramic support-CHA-type zeolite membrane composite was prepared by directly hydrothermally synthesizing CHA-type zeolite on the ceramic support.
The 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). The solution was stirred and dissolved to give a transparent solution. As an organic template, 2.37 g of an aqueous TMADAOH solution (containing 25% by mass of TMADAOH, manufactured by Seichem Co.) was added, and further 10.5 g of colloidal silica (Snowtec-40 manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was added and stirred for 2 hours to carry out an aqueous reaction. It was a mixture.
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 is 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 firing 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 . The air permeation amount after firing was 50 L / (m 2 · h).
It was found from the XRD measurement that CHA-type zeolite was produced. Further, (peak intensity near 2θ = 17.9 °) / (peak intensity near 2θ = 20.8 °) = 1.2, and orientation to the (1,1,1) plane in rhombohedral setting. Was inferred.
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。
In addition, 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 coefficient 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 performed in the same manner as in Example 1 except that the CHA-type zeolite membrane composite prepared 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 coefficient 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)
Using a CHA-type zeolite membrane composite produced in the same manner as in Example 2 except that the firing temperature was 500 ° C., and except that the pressure of the supply gas was 0.2975 MPa, A mixed gas permeation test was conducted. 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 coefficient α ′ between 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 except that the firing temperature was 500 ° C was evaluated using the apparatus shown in Fig. 2. . 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. with He as a feed gas 7 between the
After that, 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 supply gas 7 side and 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。
After that, the temperature was set to 50 ° C., and after the temperature became stable, the supply gas was changed to each evaluation gas. At this time, the differential pressure between the supply gas 7 side and the
The permeance of each gas thus obtained is shown in Table 1. The ideal separation coefficient α of carbon dioxide and methane at 50 ° C is 783, the ideal separation coefficient α of hydrogen and methane is 264, the ideal separation coefficient α of nitrogen and methane is 48, and the ideal separation coefficient α of carbon dioxide and methane at 140 ° C is The ideal separation coefficient α was 171, the ideal separation coefficient α of hydrogen and methane was 94, and the ideal separation coefficient α of 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 of FIG. Specifically, the following mixed gas permeation tests 1 to 4 were performed. Drying (pretreatment) was performed in the same manner as the single gas permeation test.
(2) Mixed gas permeation test 1
As the supply gas, a mixed gas adjusted to 75% by volume of carbon dioxide and 25% by volume of methane by a flow rate adjusting device was used. It was introduced at a flow rate of 40, 24, 8 mmol / min between the pressure vessel and the cylinder of the zeolite membrane composite 1 of FIG. 2, and the supply gas pressure was 0.300 MPa. The partial pressures of carbon dioxide and methane are 0.225 MPa and 0.0750 MPa, respectively. The inside of the cylinder of the zeolite membrane composite 1 is 0.100 MPa.
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 coefficient of carbon dioxide and methane. The separation factor was small under the condition that the total flow rate was small. It is considered that when the flow rate is small, the mixing of the feed gas is not sufficient and the methane concentration in the immediate 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 constant temperature bath was set to 50 ° C., and the gas was introduced between the pressure vessel of FIG. 2 and the cylinder of the zeolite membrane composite 1 at the flow rates of 45, 27 and 9 mmol / min, and the supply gas pressure was set to 0.300 MPa. The partial pressures of hydrogen and methane on the supply gas 7 side are 0.112 MPa and 0.288 MPa, respectively. The inside of the cylinder of the zeolite membrane composite 1 is 0.100 MPa.
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 coefficient of hydrogen and methane. The separation factor was small under the condition that the total flow rate was small. It is considered that when the flow rate is small, the mixing of the feed gas is not sufficient and the methane concentration in the immediate 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
A standard gas containing 55% nitrogen, 30% carbon monoxide, and 15% hydrogen was used as the supply gas. The temperature of the constant temperature bath was 50 ° C., and the gas was introduced between the pressure vessel of FIG. 2 and the cylinder of the zeolite membrane composite 1 at a flow rate of 27 mmol / min, and the supply gas pressure was 0.300 MPa.
The partial pressures of nitrogen, carbon monoxide, and methane on the supply gas 7 side are 0.166 MPa, 0.0900 MPa, and 0.0440 MPa, respectively. The inside of the cylinder of the zeolite membrane composite 1 is 0.100 MPa.
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 gas permeation test 4
Air was used as the supply gas. The temperature of the constant temperature bath was 50 ° C., and the gas was introduced between the pressure vessel of FIG. 2 and the cylinder of the zeolite membrane composite 1 at a flow rate of 27 mmol / min, and the supply gas pressure was 0.300 MPa.
The permeation amounts of nitrogen and oxygen are 5.2 mmol · (m 2 · s) −1 and 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) Preparation of CHA-type Zeolite Membrane Composite Inorganic porous support-CHA-type as in Example 1 except that the following reaction mixture was prepared for hydrothermal synthesis and 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 a 1 mol / L-KOH aqueous solution and 104.0 g of water, 0.29 g of lithium hydroxide monohydrate and 53.5 wt% of aluminum hydroxide (Al 2 O 3 5 ). %, 1.33 g (manufactured by Aldrich Co.) was added and stirred to dissolve to obtain a transparent solution. To this, 2.37 g of an aqueous TMADAOH solution (containing 25% by weight of TMADAOH, manufactured by Seichem Co.) was added, and further 10.5 g of colloidal silica (Snowtec-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。
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,
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support was 120 g / m 2 , which was determined from the difference between the weight of the zeolite membrane composite after firing and the weight of the support.
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。 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。
The air permeation amount of the zeolite membrane composite after firing was 147 L / (m 2 · h).
When the XRD of the produced film was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced. From the XRD pattern, (the intensity of the peak near 2θ = 17.9 °) / (the intensity of the peak near 2θ = 20.8 °) = 0.8, and the XRD of the powdered CHA-type zeolite used as the seed crystal. The intensity of the peak around 2θ = 17.9 ° was remarkably larger than that of the above, and the orientation to the (1,1,1) plane in the rhombohedral setting was estimated.
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。
(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。
As a result of observing the inorganic porous support-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) 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.
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。
(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。
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 coefficient α between carbon and methane was 117.
(Example 6)
(1) Preparation of CHA-type zeolite membrane composite As a reaction mixture for hydrothermal synthesis, the following were prepared, and the heating temperature was kept at 160 ° C. under autogenous pressure for 5 days, and the firing temperature was 500 ° C. An inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite was prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.
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 was a mixture of 15.0 g of a 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). The solution was stirred and dissolved to give a transparent solution. To this, 25.3 g of an aqueous solution of TMADAOH (containing 25% by weight of TMADAOH, manufactured by Seichem Co.) was added, and further, 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. Was 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 of the reaction mixture (molar ratio), SiO 2 / Al 2 O 3 / NaOH / H 2 O / TMADAOH = 1 / 0.025 / 0.1 / 44 / 0.2,
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support, which was determined from the difference between the weight of the zeolite membrane composite after firing 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 rate of the zeolite membrane composite after firing was 67 L / (m 2 · h).
When the XRD of the produced film was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced. In the XRD pattern, (intensity of peak near 2θ = 9.6 °) / (intensity of peak near 2θ = 20.8 °) = 1.5, intensity of peak near 2θ = 17.9 °) / ( The intensity of the peak near 2θ = 20.8 °) was 0.3. Thus, none of the produced films showed a specific intensity for the XRD peak. From this, it can be inferred that, for example, the formed film is not oriented on either the (1,0,0) plane or the (1,1,1) plane in the 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 , the permeance of methane is 1.27 × 10 −9 mol · (m 2 · s · Pa) −1 , dioxide. The ideal separation coefficient 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)
As the ceramic support, an inorganic porous support-CHA type zeolite was used in the same manner as in Example 2 except that a porous alumina tube having a length of 80 mm (
The weight of the CHA-type zeolite crystallized on the support, which was determined from the difference between the weight of the zeolite membrane composite after firing 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 firing was 81.7 L / (m 2 · min).
When the XRD of the produced film was measured, it was found that CHA-type zeolite was produced. In the XRD pattern, from the XRD pattern, (peak intensity near 2θ = 17.9 °) / (peak intensity near 2θ = 20.8 °) = 2.0, and CHA of the powder used for the seed crystal was obtained. The intensity of the peak around 2θ = 17.9 ° was remarkably large as compared with the XRD of the type zeolite, 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 performed using the CHA-type zeolite membrane composite prepared above. As a pretreatment, the zeolite membrane composite was introduced at 140 ° C. into the cylinder between the
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 coefficient α of carbon dioxide and methane at 50 ° C is 368, the ideal separation coefficient α of hydrogen and methane is 130, the ideal separation coefficient α of nitrogen and methane is 21, and the ideal separation coefficient α of carbon dioxide and methane at 140 ° C is The ideal separation coefficient α was 54, the ideal separation coefficient α of hydrogen and methane was 41, and the ideal separation coefficient α of 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 prepared by directly hydrothermally synthesizing MFI type zeolite on the ceramic support.
The 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) was added as an organic template, and tetraethoxysilane (hereinafter referred to as " TEOS ".) 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 ceramics support, a porous alumina tube (
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。
The support was immersed in a dispersion of this seed crystal in water of about 1% by mass 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 adhered was vertically dipped in a Teflon (registered trademark) inner cylinder (200 ml) containing the above-mentioned aqueous reaction mixture, and the autoclave was sealed and left standing at 160 ° C for 48 hours. And heated under autogenous pressure. After a lapse of a predetermined time, the support-zeolite membrane composite was taken out from the reaction mixture after being left to cool, washed and dried at 100 ° C. for 5 hours or more.
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。
(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。
The membrane composite was fired in air in an electric furnace at 450 ° C. for 32 hours. The rate of temperature rise and the rate of temperature decrease at this time were both 0.5 ° C./min. The mass of the MFI-type zeolite crystallized on the support was 85 g / m 2 , which was determined from the difference between the mass of the membrane composite after calcination and the mass of the support.
From the XRD measurement, it was found that MFI type zeolite was produced.
(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 prepared 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。 The permeance of each gas thus obtained is shown in Table 7. The ideal separation factor α for carbon dioxide and methane at 50 ° C is 1.2, the ideal separation factor α for hydrogen and methane is 1.0, the ideal separation factor α for nitrogen and methane is 0.5, and at 140 ° C The ideal separation coefficient α between carbon dioxide and methane was 0.7, the ideal separation coefficient α between hydrogen and methane was 1.2, and the ideal separation coefficient α between 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 gas permeability may differ depending on the gas. Recognize. When mixed gas is used, gas with high permeability permeates the membrane, gas with low permeability concentrates without passing through the membrane, gas with high permeability is separated from the system, and gas with low permeability is used. It was possible to separate the target gas with high purity from the gas mixture by concentrating and recovering.
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 is evaluated using a zeolite membrane containing MFI-type aluminosilicate zeolite and formed on a ceramic support, the gas permeability is almost uniform regardless of the gas. became. It is considered that the MFI membrane cannot be subjected to shape-selective separation because the evaluated gas molecular diameters are all 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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in any industrial fields, for example, separation of a gas mixture in a chemical industry plant that requires gas separation, a natural gas refining plant, a plant that generates biogas from garbage, etc. Can be used particularly preferably.
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
Claims (7)
該ゼオライト膜を構成するゼオライトがCHA型アルミノ珪酸塩であり、
該ゼオライト膜複合体を、二酸化炭素による処理を行った後に、該分離を行うことを特徴とする二酸化炭素の分離方法。 A method for separating carbon dioxide in which a gas mixture containing carbon dioxide and methane is brought into contact with a zeolite membrane composite having a zeolite membrane on a ceramic support, and carbon dioxide is permeated and separated from the gas mixture,
The zeolite constituting the zeolite membrane is CHA-type aluminosilicate ,
A method for separating carbon dioxide, which comprises subjecting the zeolite membrane composite to a treatment with carbon dioxide and then performing the separation.
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