JP6748104B2 - 結晶性シリカ膜複合体およびその製造方法、並びに流体分離方法 - Google Patents
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Description
C6H11CH3(メチルシクロヘキサン)⇔C6H5CH3(トルエン)+3H2
の可逆反応を利用して、水素を有機ハイドライド(メチルシクロヘキサン)として輸送することをいう。有機ハイドライドの脱水素反応を行うと、水素(第1成分)と芳香族化合物(第2成分)とを含む混合流体が生成する。結晶性シリカ膜複合体を用いることで、混合流体から芳香族化合物(トルエン)を除去し、第1成分である水素を濃縮することができる。高温低圧の条件下では、メチルシクロヘキサンからの脱水素反応が優勢となり、低温高圧の条件下では、トルエンの水素化反応(水素添加反応)が優勢となる。脱水素で生成するトルエンは、再び水素添加され、有機ハイドライドとしてリサイクル利用される。
まず、(i)第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材を準備する工程と、(ii)第1表面に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末(以下、種結晶粉末)を塗布する工程と、を含む。Si−CHAを多孔質基材の表面に緻密な状態で生成させ、緻密なSi−CHA膜を形成するには、液相側ではなく、多孔質基材の表面で優先的に結晶を成長させる必要がある。そのためには、水熱合成を行う前に、多孔質基材の表面に、予め調製しておいた種結晶粉末を付着させることが重要である。種結晶粉末は、第1表面および第2表面の少なくとも一方に塗布すればよい。
(種結晶粉末の調製)
種結晶粉末として用いるSi−CHA粉末の製造方法は、特に限定されないが、例えば、以下の方法によりSi−CHA粉末を合成することができる。まず、SDA(好ましくはTMAdaOH)と、加水分解性基を有するケイ素化合物(好ましくはオルトケイ酸テトラエチル)とを混合し、十分に撹拌して混合物(反応溶液)を調製する。次に、混合物を加熱して固体状になるまで水分を蒸発させる。次に、固形物に、HFを添加して、固形物を中和する。その後、固形物の水分量を調節して、水性懸濁液を調製する。
(1)水性懸濁液に含まれるSDAとケイ素原子とのモル比(SDA/Si比)は、0.5〜3の範囲内であることが好ましく、0.5〜2.5の範囲内であることが更に好ましく、1.1〜1.5の範囲内であることが特に好ましい。SDA/Si比を0.5以上とすることで、十分量のSDAが供給され、種結晶の結晶性を高めることができる。SDA/Si比は、3を超えてもよいが、SDAが過剰になるだけである。SDA/Si比を3以下とすることで、製造コストの増加を抑制することができる。
ここで、平均粒子径とは、体積基準の粒度分布におけるメディアン径であり、例えばレーザ回折式の粒度分布測定装置により測定することができる。以下、同様である。
次に、ピュアシリカ膜を形成する際に用いる水性懸濁液を得るには、まず、シリカ材料とSDAとの複合物を調製する。シリカ材料は非晶質でもよく、結晶性でもよい。
水性懸濁液は、シリカ材料とSDAの複合物に、水、HFおよび、必要に応じて追加のSDAを添加することにより調製される。ここで、水性懸濁液には、水含有量が比較的少ないスラリー状もしくはペースト状の湿潤組成物から、水含有量が十分に多い液体(分散液)までを広く含むものとする。
水性懸濁液に、種結晶粉末が塗布された多孔質基材を浸漬し、水熱合成を行うことにより、多孔質基材の表面にSi−CHA膜を形成することができる。Si−CHAの水熱合成は、通常、150〜200℃で進行するが、ここでは80〜150℃、更には80〜130℃でも進行する。合成時間は、例えば24〜168時間であり、24〜72時間で完了するように条件を制御することが望ましい。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
工程(i)
第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材として、平均細孔径0.1μm、外径10mm、内径7mmのアルミナ製チューブ(日本碍子(株)製、以下、アルミナ基材)を用いた。アルミナ基材は、100mmの長さに切断した後、超純水で煮沸洗浄後、乾燥して用いた。アルミナ基材の外周面は第1表面に、内周面は第2表面に対応する。
以下の要領で合成したCHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末(種結晶粉末)を、アルミナ基材の外周面(第1表面)の中央の幅50mmの部分に、ラビング(擦り込み)法を用いて塗布した。
ここでは、非特許文献3(M.J.Diaz-Cabanas et.al., Chemical Comunications, Royal Society of Chemistry,1881(1998))に記載されている方法に準じて、Si−CHA粉末を合成した。まず、フッ素樹脂製の100mLの容器に、30.2gのTMAdaOH水溶液(TMAdaOH含有量24.9質量%、セイケム社(SACHEM, Inc.)製)を入れ、15.0gのオルトケイ酸テトラエチル(和光純薬(株)製)を加え、一晩撹拌させた。その後、反応溶液を加熱し、固体状になるまで水分を蒸発させた。濃縮後の固形物に、1.5gのHF(46.9質量%、和光純薬(株)製)を少しずつ加えて、固形物を中和した。その後、水分量を調節して、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.5/0.5/3(モル比)となる固体状の前駆体を調製した。
以下の要領で、シリカ材料とSDAとの複合物を調製し、これにHFおよび水を加えて水性懸濁液を調製した。
フッ素樹脂製の100mLの容器に、48.4gのTMAdaOH水溶液(TMAdaOH含有量24.9質量%、セイケム社(SACHEM, Inc.)製)を入れ、Si元素源である15.0gのオルトケイ酸テトラエチル(和光純薬(株)製)を加え、一晩撹拌させた。その後、反応溶液を加熱し、固体状になるまで水分を蒸発させ、濃縮させた固形物を得た。得られた固形物に、上記種結晶粉末を0.43mg添加し、シリカ材料とSDAとの複合物を得た。このとき、シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、種結晶粉末に含まれるSi原子数の割合は0.01%であった。
上記複合物に、3.04gのHF(HF含有量46.9質量%、和光純薬(株)製)を少しずつ加えて、固形物を中和した。その後、水分量を調節して、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.8/0.8/5.7(モル比)となる水性懸濁液を調製した。
次に、水性懸濁液に、第1表面に第1種結晶粉末が塗布されたアルミナ基材を浸漬し、静置状態で、150℃で72時間加熱して水熱合成を行い、第1表面でシリカ膜を成長させた。その後、シリカ膜を含む膜生成物を超純水で洗浄、乾燥し、空気雰囲気下で、500℃で焼成してシリカ膜複合体を得た。焼成時の昇温および降温速度は0.5℃/分とし、保持時間は120時間とした。
HFで中和する前の固形物に0.43mgの種結晶粉末を添加しなかったこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、比較例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
水熱合成の温度を80℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
水性懸濁液の組成を、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.8/0.8/28.5、水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
実施例2と同様に作製したシリカ膜複合体を、液状のオルトケイ酸テトラメチル(TMOS)を入れた開口容器とともに、密閉容器内に収容し、シリカ膜複合体とTMOSを80℃で2時間加熱した。このとき、シリカ膜はTMOSの蒸気に曝露され、結晶粒界にTMOS由来のシリカが生成すると考えられる。
HFで中和する前の固形物に4.3mgの種結晶粉末を添加したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
実施例1〜6、比較例1、2の膜生成物について、X線回折装置(RINT2000、(株)リガク製)および走査型電子顕微鏡(SU9000、日立ハイテク(株)製)を用いて構造を評価した。
X線回折測定では、実施例1〜6および比較例1(比較例2以外)の膜生成物の回折パターンがCHA型トポロジーと一致していることを確認した。主要ピークの相対強度を評価したところ、(100)/(2−10)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=20.7°付近のピーク強度)、(100)/(10−1)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=12.9°付近のピーク強度)、(100)/(111)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=18.0°付近のピーク強度)などは、種結晶粉末と同程度の相対強度を示した。以上より、実施例1〜6および比較例1の膜生成物は、結晶性シリカ膜であり、ランダムオリエンテーションを有するSi−CHA膜を含むことが判明した。
比較例1、実施例1〜4の膜生成物を破砕し、表面および断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図3(a)に、比較例1の膜生成物の表面のSEM像を示す。また、図3(b)〜(e)に、それぞれ実施例1、2、3、4の膜生成物の表面のSEM像を示す。図3(f)は、種結晶粉末を塗布した直後のアルミナ基材表面のSEM像である。
実施例1の膜生成物(結晶性シリカ膜)の断面をEDXにより評価したところ、膜表面から2μm程度までがケイ素と酸素のみから構成されたSi−CHA膜であり、その下地層では、シリカと多孔質基材との複合層が形成されていることを確認した。図4Aに、実施例1の膜生成物の断面のSEM像を示す。図4Bには、実施例1の膜生成物の断面構造の概念図を示す。一方、実施例2のシリカ膜の厚さは4μm程度であり、膜表面から3μm程度までがSi−CHA膜であった。以上より、水熱合成の温度を下げることで、Si−CHA膜の厚さを大きくできることが判明した。これは、水熱合成に伴う多孔質基材の溶解が抑制され、複合層の厚みが小さくなるためと考えられる。
膜の緻密性を評価する指標として、プローブガスのパーミアンス比が用いられる。緻密な膜構造を有し、ガス分子が結晶粒界を透過しにくい場合、ガス分子のパーミアンス比は、分子量比の平方根の逆数(クヌーセン(Knudsen)係数比)よりも大きな値になる。水素と六フッ化硫黄の場合、Knudsen係数比は8.54であり、この値を上回るほど緻密性の高い膜となる。
プローブガスには、水素、二酸化炭素、窒素、メタン、六フッ化硫黄を用いた。得られたパーミアンスおよびパーミアンス比(H2/SF6およびCO2/N2)を表1に示す。
実施例1および参考例3の膜生成物について、耐水蒸気性を評価した。パーミアンス測定を終了した膜生成物を具備する上記装置内を150℃に昇温し、膜生成物を水/アルゴン=90:10(モル比)の混合ガスに5時間曝露させた。このとき、ガス供給量を総量で5mmol/min、供給側圧力を0.2MPa、透過側圧力を0.1MPa(大気圧)とした。水蒸気曝露後、再度、40℃におけるパーミアンス比:H2/CO2を測定し、ガス透過性能の変化を評価した。結果を表2に示す。
実施例1および実施例5のSi−CHA膜について、メチルシクロヘキサンの脱水素反応で生じる水素/トルエン混合ガスからの水素分離を想定した試験を実施した。試験には、図5に示した装置100を用いた。テストガスとしては、ポンプ172を介して、液体トルエンを気化器173に供給し、200℃で気化させた。その際、気化器173に水素ラインから水素を導入し、水素/トルエン=98/2(モル比)の混合ガスとしてチャンバ130に供給した。水素/トルエン比はトルエン供給量により制御した。測定温度は120℃、ガス供給量は総量で40mmol/min、供給側圧力は0.3MPa、透過側圧力は0.1MPa(大気圧)とした。透過側のガス流量を、石鹸膜流量計160で測定するとともに、ガスクロマトグラフィー190で水素/トルエンの濃度比を測定した。水素/トルエン分離試験の結果を表3に示す。
実施例6のSi−CHA膜について、二酸化炭素/メタン混合ガスからの二酸化炭素分離試験を実施した。試験は、上記の水素/トルエン分離試験と同様に、図5に示した装置100を用いて分離試験を実施した。テストガスとしては、二酸化炭素およびメタンラインから各ガスを導入し、二酸化炭素/メタン=50/50(モル比)の混合ガスとしてチャンバ130に供給した。測定温度は室温(26℃)、ガス供給量は総量で134mmol/min、供給側圧力は0.2〜0.5MPa、透過側圧力は0.1MPa(大気圧)とした。透過側のガス流量を、石鹸膜流量計160で測定するとともに、ガスクロマトグラフィー190で二酸化炭素/メタンの濃度比を測定した。二酸化炭素/メタン混合ガスの分離試験の結果を表4に示す。
実施例1の工程(ii)で調製したSi−CHA粉末のプロピレンおよびプロパンの吸着等温線を測定した。また、Si−CHA膜のプロピレンおよびプロパンのパーミアンスを測定した。
マイクロトラック・ベル(株)製の高精度ガス吸着量測定装置(BELSORPmax)を用いて、プロパンとプロピレンの吸着等温線を測定した。平衡判断条件は500秒間の圧力変化が0.3%未満とした。Si−CHA粉末を用いたときの結果を図6(a)に、参考例3に係るCHA型アルミノシリケート粉末を用いた場合の結果を図6(b)に示す。
実施例5で作製したシリカ膜複合体について、表1の場合と同様の条件で、プロピレンおよびプロパンのパーミアンスを測定した。結果を表5に示す。プロピレンはプロパンよりも3.8倍高いパーミアンスを示した。CHA型ピュアシリカはプロピレンを吸着しやすいため、プロパンよりもパーミアンスが高くなったと考えられる。吸着選択性を考慮すると、プロピレン/プロパンの分離性能は、シリカ膜の緻密性を向上させることで更に改善できると考えられる。
エタノール含有量90体積%の水溶液と、イソプロパノール含有量90質量%の水溶液を用いて、浸透気化分離(パーベーパレーション)による脱水試験を実施した。
まず、脱水試験を行う装置について、その概略を示す図7を参照しながら説明する。装置200は、アルコールと水との混合溶液201を収容するチャンバ230と、チャンバ230の開口を密閉する封口体231と、チャンバ230内の混合溶液201の液面に対して垂直に浸漬される筒状のシリカ膜複合体10と、シリカ膜複合体10の液中に位置する一端を塞ぐ蓋体210と、シリカ膜複合体10の他端に連結されて封口体231を貫通する筒体220と、シリカ膜複合体10の中空から筒体内220に導入された蒸気が導入されるパイプ260と、パイプ260から導入される蒸気を冷却するコールドトラップ270と、コールドトラップ270とパイプ260を介して、筒体220内とシリカ膜複合体10の中空内を減圧するポンプ280と、を具備する。チャンバ230の周囲には、チャンバ230内の溶液の温度を制御する加熱装置240が設けられている。混合溶液201中には、温度センサ250が浸漬されており、温度センサ250は加熱装置240と連絡している。
Claims (16)
- 多孔質基材と、
前記多孔質基材の表面に形成された結晶性ピュアシリカ膜と、を具備し、
前記ピュアシリカ膜が、CHA型結晶構造を有し、
前記ピュアシリカ膜の膜表面から2μmまでがケイ素と酸素のみから構成され、
H2とSF6とのパーミアンス比:H2/SF6が、10を超える、結晶性シリカ膜複合体。 - CO2とN2とのパーミアンス比:CO2/N2が、2を超える、請求項1に記載の結晶性シリカ膜複合体。
- H2のパーミアンスが、5×10-7mol/m2・s・Paを超え、かつ1×10-5mol/m2・s・Pa未満である、請求項1または2に記載の結晶性シリカ膜複合体。
- 前記ピュアシリカ膜の厚さが、10μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。
- 前記多孔質基材の材質が、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、チタニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ステンレス鋼、銅、アルミニウムおよびチタンよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。
- 前記多孔質基材が、第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有し、前記第1表面および前記第2表面から選択される少なくとも一方に、前記ピュアシリカ膜が形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。
- (i)第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材を準備する工程と、
(ii)前記第1表面および前記第2表面から選択される少なくとも一方に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を塗布する工程と、
(iii)水、シリカ材料、有機構造規定剤およびフッ化水素酸を含む水性懸濁液を調製する工程と、
(iv)前記水性懸濁液に、前記多孔質基材の前記結晶性シリカ粉末が塗布された前記表面を接触させ、前記表面に、水熱合成により、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカ膜を成長させる工程と、を含み、
前記シリカ材料が、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を含む、結晶性シリカ膜複合体の製造方法。 - 前記シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、前記CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末に含まれるSi原子数の割合が、0.01〜50%である、請求項7に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。
- 前記有機構造規定剤が、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアミン水酸化物を含む、請求項7または8に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。
- 工程(iv)で成長させた前記結晶性ピュアシリカ膜を焼成して、前記構造規定剤を除去した後、前記結晶性ピュアシリカ膜を、揮発性ケイ素化合物の蒸気に暴露して、前記結晶性ピュアシリカ膜と前記揮発性ケイ素化合物とを反応させる、請求項7〜9のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。
- 請求項6に記載の結晶性シリカ膜複合体を用いて混合流体から特定成分を分離する流体分離方法であって、
(i)前記第1表面および前記第2表面の一方で前記細孔と連通する第1空間に、前記ピュアシリカ膜に対するパーミアンスが互いに異なる第1成分と第2成分とを含む混合流体を供給する工程と、
(ii)前記第1表面および前記第2表面の他方で前記細孔と連通する第2空間から、前記シリカ膜を透過した透過流体を回収し、前記第1空間から非透過流体を回収する工程と、を有する、流体分離方法。 - 前記第1成分が、水素または二酸化炭素であり、
前記第2成分が、メタン、一酸化炭素、窒素およびC2以上の炭化水素よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。 - 前記第1成分が、水素であり、
前記第2成分が、トルエンおよびメチルシクロヘキサンよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。 - 前記第1成分が、プロピレンであり、
前記第2成分が、プロパンである、請求項11に記載の流体分離方法。 - 前記第1成分が、水であり、
前記第2成分が、酢酸である、請求項11に記載の流体分離方法。 - 前記第1成分が、水であり、
前記第2成分が、エタノール、2−プロパノールおよび2−メチル−1−プロパノールよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。
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