JP7011119B2 - A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter. - Google Patents

A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter. Download PDF

Info

Publication number
JP7011119B2
JP7011119B2 JP2017045445A JP2017045445A JP7011119B2 JP 7011119 B2 JP7011119 B2 JP 7011119B2 JP 2017045445 A JP2017045445 A JP 2017045445A JP 2017045445 A JP2017045445 A JP 2017045445A JP 7011119 B2 JP7011119 B2 JP 7011119B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
monolith filter
skeleton
monolith
solution
filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017045445A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018134624A (en
Inventor
博義 水口
Original Assignee
株式会社 京都モノテック
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 京都モノテック filed Critical 株式会社 京都モノテック
Priority to JP2017045445A priority Critical patent/JP7011119B2/en
Publication of JP2018134624A publication Critical patent/JP2018134624A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7011119B2 publication Critical patent/JP7011119B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Description

本発明は、モノリスフィルタとそれを利用した固体分離装置、および、そのモノリスフィルタ製造方法に関する。 The present invention relates to a monolith filter, a solid separation device using the monolith filter, and a method for manufacturing the monolith filter.

シリカなどの無機材料から構成された、細孔を有する多孔性モノリスが知られている。当該モノリスは、クロマトグラフィー用分離カラム、酵素担体、触媒担体などに広く使用されている。このような多孔性モノリスの製造には、一般に、液相反応であるゾル-ゲル法が用いられる。
ゾル-ゲル法とは、分散媒に分散させた、加水分解性の官能基を有する無機低分子化合物を出発物質として、ゾル-ゲル反応、すなわち当該化合物の加水分解および重合(重縮合)により、典型的には酸化物の凝集体または重合体を得る方法を示す。
出発物質である無機低分子化合物は、例えば、テトラアルコキシシランに代表される金属アルコキシドおよび加水分解性の官能基を有する金属塩である。
A porous monolith having pores, which is composed of an inorganic material such as silica, is known. The monolith is widely used as a separation column for chromatography, an enzyme carrier, a catalyst carrier and the like. A sol-gel method, which is a liquid phase reaction, is generally used for producing such a porous monolith.
The sol-gel method uses a sol-gel reaction, that is, hydrolysis and polymerization (hypercondensation) of the compound, using an inorganic low molecular weight compound having a hydrolyzable functional group dispersed in a dispersion medium as a starting material. Typically, a method for obtaining an aggregate or a polymer of an oxide is shown.
The starting material, the inorganic low molecular weight compound, is, for example, a metal alkoxide typified by tetraalkoxysilane and a metal salt having a hydrolyzable functional group.

特許文献1には、孔径の大きな貫通孔と、貫通孔の壁面に形成されたより小さな孔径を有する細孔とを有し、当該貫通孔と骨格とが共連続構造を示す多孔性モノリスが開示されている。
このような階層的な多孔構造を有する多孔性モノリスによれば、例えば、高い分離能を維持しながらも圧力損失が小さいクロマトグラフィー用分離カラムが実現するなど、多孔性モノリスとして各種の用途に望まれる特性が実現する。階層的な多孔構造を有する多孔性モノリスは、例えば、相分離過程を併用したゾル-ゲル反応の進行によって得ることができる。
Patent Document 1 discloses a porous monolith having a through hole having a large pore diameter and a pore having a smaller pore diameter formed on the wall surface of the through hole, and the through hole and the skeleton exhibit a co-continuous structure. ing.
According to the porous monolith having such a hierarchical porous structure, for example, a separation column for chromatography having a small pressure loss while maintaining a high separation ability is realized, and it is desired for various uses as a porous monolith. The characteristics are realized. A porous monolith having a hierarchical porous structure can be obtained, for example, by proceeding with a sol-gel reaction in combination with a phase separation process.

特開平6-265534号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-265534

しかし、上記の多孔性モノリスでは、マイクロレベルの孔があり、ナノレベルのフィルターとしては、使用できなかった。
本発明の課題は、ナノレベルのモノリスフィルタとそれを利用した固体分離装置、および、そのモノリスフィルタ製造方法を提供することを目的とする。
However, the above-mentioned porous monolith has micro-level pores and cannot be used as a nano-level filter.
An object of the present invention is to provide a nano-level monolith filter, a solid separation device using the same, and a method for manufacturing the monolith filter.

上記課題を解決するため、メソ孔を有する骨格と、上記骨格間に存在するマクロ孔と、を含むモノリスフィルタであり、上記モノリスフィルタの表面の少なくとも一面は上記骨格で覆われているモノリスフィルタを用いる。
上記一面の骨格に存在するメソ孔を利用してナノレベルのフィルターを実現できる。
In order to solve the above problems, a monolith filter including a skeleton having mesopores and macropores existing between the skeletons, and at least one surface of the monolith filter is covered with the skeleton. Use.
A nano-level filter can be realized by utilizing the mesopores existing in the one-sided skeleton.

加水分解性の官能基を有する化合物を含む溶液を、容器に準備する工程と、ゾル-ゲル法による上記溶液の加水分解および重合ならびに相分離を進行させ、メソ孔が形成された骨格相と、溶液相とを有するゲルを形成する工程と、上記形成したゲルを乾燥して、上記骨格相を骨格とし、上記骨格にメソ孔を形成し、上記溶液相をマクロ孔とし、上記容器を接する面は上記骨格で覆われるように形成する工程と、を有するモノリスのフィルターの製造方法を用いる。 A step of preparing a solution containing a compound having a hydrolyzable functional group in a container, and a skeletal phase in which mesopores were formed by proceeding with hydrolysis, polymerization and phase separation of the solution by the sol-gel method. A step of forming a gel having a solution phase, and drying the formed gel to form a mesopore in the skeleton, the solution phase as a macropore, and a surface in contact with the container. Uses the process of forming a monolithic filter having the above-mentioned step of forming so as to be covered with a skeleton.

上記容器に接する面に、骨格を形成し、ナノレベルのモノリスフィルタを実現できる。 A skeleton can be formed on the surface in contact with the container to realize a nano-level monolith filter.

本発明によれば、ナノレベルのフィルターおよびその製造方法を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a nano-level filter and a method for producing the same can be provided.

(a)実施の形態のモノリスフィルタ100の内部断面図、(b)実施の形態のモノリスフィルタ100の表面を示す断面図(A) Internal cross-sectional view of the monolith filter 100 of the embodiment, (b) Cross-sectional view showing the surface of the monolith filter 100 of the embodiment. (a)~(b)実施の形態のモノリスフィルタの製造方法を説明する断面図、(c)実施の形態のモノリスフィルタ100をカラム9にいれた断面図(A)-(b) Cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the monolith filter of the embodiment, (c) Cross-sectional view of the monolith filter 100 of the embodiment put in the column 9. (a)~(b)モノリスフィルタ100の使用方法を説明する断面図(A)-(b) Cross-sectional view illustrating how to use the monolith filter 100. (a)~(b)モノリスフィルタ100の別の使用方法を説明する断面図(A)-(b) Cross-sectional view illustrating another method of using the monolith filter 100. 実施例の有機モノリスの断面SEMの図Cross-sectional SEM diagram of the organic monolith of the example

<構成>
図1(a)にモノリスフィルタ100の内部の断面図を示す。骨格10と第1開口11がある。また、第1開口11へ繋がる凹み部15がある。骨格10は、モノリスフィルタ100の全体にわたって分布する。
<Structure>
FIG. 1A shows a cross-sectional view of the inside of the monolith filter 100. There is a skeleton 10 and a first opening 11. Further, there is a recessed portion 15 connected to the first opening 11. The skeleton 10 is distributed throughout the monolith filter 100.

図1(b)は、モノリスフィルタ100の表面を含む断面図である。表面21は、骨格10で覆われている。表面21の一面は骨格10のみが好ましいが、原則、1面全部を覆う必要がある。一部無ければ、そこからナノレベルの粒子が通過してしまう。
骨格10は、モノリスフィルタ100の表面に少なくとも1層存在する。この1層は、50nm以上、マイクロレベルの厚みである。
FIG. 1B is a cross-sectional view including the surface of the monolith filter 100. The surface 21 is covered with the skeleton 10. Only the skeleton 10 is preferable for one surface of the surface 21, but in principle, it is necessary to cover the entire surface. Without some, nano-level particles will pass through them.
The skeleton 10 is present in at least one layer on the surface of the monolith filter 100. This one layer has a thickness of 50 nm or more and a micro level.

第1開口11はマクロ孔である。骨格10には、図示しないが、第2開口12であるメソ孔がある。メソ孔を骨格10の内部の全体に連続的にある。
「マクロ孔」とは、IUPACによる提唱に従い、孔径(細孔径)が50nm以上の細孔を意味し、「メソ孔」とはマクロ孔とミクロ孔(孔径が2nm未満の細孔)との中間、すなわち孔径が2nm以上50nm未満の範囲にある細孔を意味する。
The first opening 11 is a macro hole. The skeleton 10 has a mesopore, which is a second opening 12, although not shown. Mesopores are continuous throughout the interior of the skeleton 10.
The "macropore" means a pore having a pore diameter (pore diameter) of 50 nm or more according to the proposal by IUPAC, and the "mesopore" means an intermediate between a macropore and a micropore (a pore having a pore diameter of less than 2 nm). That is, it means pores having a pore diameter in the range of 2 nm or more and less than 50 nm.

細孔の孔径および平均孔径は、予想される当該孔径および平均孔径の大きさに基づいて選択される一般的な細孔分布測定、例えば、マクロ孔について水銀圧入法による細孔分布測定、メソ孔について窒素ガス吸着法による細孔分布測定により、求めることができる。
モノリスとは骨格10と空隙(第1開口11)をそれぞれ連続に有する一塊の多孔体のことを言い、構造上の特徴からカラムや触媒の固定化担体として応用可能な機能性材料である。
The pore diameter and average pore diameter are selected based on the expected pore diameter and average pore size size, for example, a general pore distribution measurement by a mercury intrusion method for macropores, a mesopore. Can be obtained by measuring the pore distribution by the nitrogen gas adsorption method.
The monolith refers to a mass of porous body having a skeleton 10 and a void (first opening 11) in succession, and is a functional material that can be applied as an immobilization carrier for a column or a catalyst due to its structural characteristics.

<概略製法>
概略の製法は以下である。加水分解性の官能基を有する化合物を含む溶液を、容器に準備する工程と、ゾル-ゲル法による上記溶液の加水分解および重合ならびに相分離を進行させ、メソ孔が形成された骨格相と、溶液相とを有するゲルを形成する工程と、上記形成したゲルを乾燥して、上記骨格相を骨格10とし、上記骨格10にメソ孔(第2開口12)を形成し、上記溶液相をマクロ孔(第1開口11)とし、上記容器を接する面は上記骨格10で覆われるように形成する工程と、を有するモノリスのフィルター100の製造方法である。
<Outline manufacturing method>
The outline manufacturing method is as follows. A step of preparing a solution containing a compound having a hydrolyzable functional group in a container, and a skeletal phase in which mesopores were formed by proceeding with hydrolysis, polymerization and phase separation of the solution by the sol-gel method. The step of forming a gel having a solution phase and the formed gel are dried to make the skeleton phase the skeleton 10, a mesopore (second opening 12) is formed in the skeleton 10, and the solution phase is macroscopic. It is a method for manufacturing a monolith filter 100 having a hole (first opening 11) and a step of forming the surface in contact with the container so as to be covered with the skeleton 10.

<詳細な製法>
モノリスフィルタ100は、容器中で、シリカを主成分とする反応溶液の相分離を伴うゾル-ゲル転移を起こさせることにより得られる。ゾル-ゲル反応に用いられるゲル形成を起こす網目成分の前駆体としては、金属アルコキシド、錯体、金属塩、有機修飾金属アルコキシド、有機架橋金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解生成物、部分重合生成物である多量体を用いることができる。水ガラスほかケイ酸塩水溶液のpHを変化させることによるゾル-ゲル転移も、同様に利用することができる。
<Detailed manufacturing method>
The monolith filter 100 is obtained by causing a sol-gel transition with phase separation of a reaction solution containing silica as a main component in a container. Precursors of gel-forming network components used in sol-gel reactions include metal alkoxides, complexes, metal salts, organically modified metal alkoxides, organic crosslinked metal alkoxides, and their partial hydrolysis products and partial polymerization products. Can be used as a multimer. The sol-gel transition by changing the pH of water glass or other silicate aqueous solution can also be used in the same manner.

ここで、容器表面は、反応溶液の反対の性質の表面が必要である。つまり、反応溶液が疎水性なら、容器表面は親水性の必要がある。図2(a)、図2(b)の容器30の断面図で説明する。
図2(a)の容器30において、上記溶液31のゾル-ゲル反応を起こす。その後、乾燥により固体化し、図2(b)のモノリスフィルタ100となる。
Here, the surface of the vessel needs to be a surface of the opposite nature of the reaction solution. That is, if the reaction solution is hydrophobic, the surface of the container needs to be hydrophilic. 2 (a) and 2 (b) will be described with reference to the cross-sectional view of the container 30.
In the container 30 of FIG. 2A, the sol-gel reaction of the solution 31 is caused. After that, it solidifies by drying and becomes the monolith filter 100 of FIG. 2 (b).

この時、モノリスフィルタ100の表面21は、容器30の表面と逆の性質のため、はじかれ、図2(c)のように、表面21の全体に骨格10が形成される。
骨格10が形成されるには、反応溶液と容器表面とが反対の性質が必要である。つまり、反応溶液が、容器表面で規制されず、変位できることが必要である。上記のように疎水性と親水性でもよいし、有機系反応溶液と無機系のガラス容器でもよい。反応溶液と容器表面とが同じ性質の場合、反応溶液が規制され、骨格10ができない、または、薄くなってしまう。
At this time, the surface 21 of the monolith filter 100 is repelled due to the opposite property to the surface of the container 30, and the skeleton 10 is formed on the entire surface 21 as shown in FIG. 2 (c).
In order for the skeleton 10 to be formed, the reaction solution and the surface of the container must have opposite properties. That is, it is necessary that the reaction solution is not regulated on the surface of the container and can be displaced. As described above, it may be hydrophobic and hydrophilic, or it may be an organic reaction solution and an inorganic glass container. If the reaction solution and the surface of the container have the same properties, the reaction solution is restricted and the skeleton 10 cannot be formed or becomes thin.

容器30と触れないモノリスフィルタ100の表面21は、空気とのみ触れる。空気は自由空間であるので、結果、モノリスフィルタ100の表面21には骨格10はできない。
図2(c)は、形成されたモノリスフィルタ100をカラム9にいれた断面図である。カラム9の入口10から溶液を入れ、モノリスフィルタ100を通過させることで、溶液中の数ナノ以上の粒子を取り除く。
The surface 21 of the monolith filter 100 that does not come into contact with the container 30 comes into contact with air only. Since air is a free space, as a result, the skeleton 10 cannot be formed on the surface 21 of the monolith filter 100.
FIG. 2C is a cross-sectional view of the formed monolith filter 100 in the column 9. A solution is introduced from the inlet 10 of the column 9 and passed through a monolith filter 100 to remove particles of several nanometers or more in the solution.

骨格10で覆われた表面は、フィルターとして使用するため、少なくとも1面必要である。モノリスフィルタ100は、その骨格10にある第2開口12により、ナノレベル以上の粒子を除去できる。
さらに、具体的には、モノリスフィルタ100は、容器中で、水溶性高分子、熱分解する化合物を酸性水溶液に溶かし、それに加水分解性の官能基を有する金属化合物を添加して加水分解反応を行う。生成物が固化した後、次いで湿澗状態のゲルを加熱することにより、ゲル調製時にあらかじめ溶解させておいた低分子化合物を熱分解させる。次いで乾燥し加熱して製造されることが好ましい。
At least one surface covered with the skeleton 10 is required for use as a filter. The monolith filter 100 can remove particles at the nano level or higher by the second opening 12 in the skeleton 10.
Further, specifically, in the monolith filter 100, a water-soluble polymer and a thermally decomposable compound are dissolved in an acidic aqueous solution in a container, and a metal compound having a hydrolyzable functional group is added thereto to carry out a hydrolysis reaction. conduct. After the product has solidified, the wet gel is then heated to thermally decompose the small molecule compounds previously dissolved during gel preparation. Then, it is preferably produced by drying and heating.

ここで、水溶性高分子は、理論的には適当な濃度の水溶液と成し得る水溶性有機高分子であって、加水分解性の官能基を有する金属化合物によって生成するアルコールを含む反応系中に均一に溶解し得るものであれば良いが、具体的には高分子金属塩であるポリスチレンスルホン酸のナトリウム塩またはカリウム塩、高分子酸であって解離してポリアニオンとなるポリアクリル酸、高分子塩基であって水溶液中でポリカチオンを生ずるポリアリルアミンおよびポリエチレンイミン、あるいは中性高分子であって主鎖にエーテル結合を持つポリエチレンオキシド、側鎖にカルボニル基を有するポリビニルピロリドン等が好適である。また、有機高分子に代えてホルムアミド、多価アルコール、界面活性剤を用いてもよく、その場合多価アルコールとしてはグリセリンが、界面活性剤としてはポリオキシエチレンアルキルエーテル類が最適である。 Here, the water-soluble polymer is a water-soluble organic polymer that can theoretically form an aqueous solution having an appropriate concentration, and is contained in a reaction system containing an alcohol produced by a metal compound having a hydrolyzable functional group. Any substance may be used as long as it can be uniformly dissolved in, but specifically, a sodium salt or a potassium salt of polystyrene sulfonic acid, which is a high molecular weight metal salt, or a polyacrylic acid, which is a high molecular acid and dissociates into a polyanion, is high. Suitable are polyallylamine and polyethyleneimine which are molecular bases and generate polycations in an aqueous solution, polyethylene oxide which is a neutral polymer and has an ether bond in the main chain, and polyvinylpyrrolidone which has a carbonyl group in the side chain. .. Further, a formamide, a polyhydric alcohol, or a surfactant may be used instead of the organic polymer. In that case, glycerin is most suitable as the polyhydric alcohol, and polyoxyethylene alkyl ethers are most suitable as the surfactant.

加水分解性の官能基を有する金属化合物としては、金属アルコキシド又はそのオリゴマーを用いることができ、これらのものは例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基の炭素数の少ないものが好ましい。また、その金属としては、最終的に形成される酸化物の金属、例えばSi、Ti、Zr、Alが使用される。この金属としては1種又は2種以上であっても良い。一方オリゴマーとしてはアルコールに均一に溶解分散できるものであればよく、具体的には10量体程度まで使用できる。 As the metal compound having a hydrolyzable functional group, a metal alkoxide or an oligomer thereof can be used, and for example, those having a small number of carbon atoms such as a methoxy group, an ethoxy group and a propoxy group are preferable. Further, as the metal, a metal of an oxide finally formed, for example, Si, Ti, Zr, Al is used. The metal may be one kind or two or more kinds. On the other hand, the oligomer may be any oligomer that can be uniformly dissolved and dispersed in alcohol, and specifically, it can be used up to about a dimer.

また、酸性水溶液としては、通常塩酸、硝酸等の鉱酸0.001モル濃度以上のもの、あるいは酢酸、ギ酸等の有機酸0.01モル濃度以上のものが好ましい。
相分離・ゲル化にあたっては、溶液を室温40~80℃で0.5~24時間保存する。ことにより達成できる。相分離・ゲル化は、当初透明な溶液が白濁してシリカ相と水相との相分離を生じついにゲル化する過程を経る。この相分離・ゲル化で水溶性高分子は分散状態にありそれらの沈殿は実質的に生じない。
The acidic aqueous solution is usually preferably one having a concentration of 0.001 mol or more of a mineral acid such as hydrochloric acid or nitric acid, or one having a concentration of 0.01 mol or more of an organic acid such as acetic acid or formic acid.
For phase separation and gelation, the solution is stored at room temperature of 40 to 80 ° C. for 0.5 to 24 hours. It can be achieved by. Phase separation / gelation is a process in which an initially transparent solution becomes cloudy, phase separation between the silica phase and the aqueous phase occurs, and finally gelation occurs. Due to this phase separation and gelation, the water-soluble polymers are in a dispersed state and their precipitation does not occur substantially.

あらかじめ共存させる熱分解性の化合物の具体的な例としては、尿素あるいはヘキサメチレンテトラミン、ホルムアミド、N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド等の有機アミド類を利用できるが、加熱後の溶媒のpH値が重要な条件であるので、熱分解後に溶媒を塩基性にする化合物であれば特に制限はない。 Specific examples of the thermally decomposable compound to be coexisted in advance include urea or hexamethylenetetramine, formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide and the like. However, since the pH value of the solvent after heating is an important condition, there is no particular limitation as long as it is a compound that makes the solvent basic after thermal decomposition.

共存させる熱分解性化合物は、化合物の種類にもよるが、例えば尿素の場合には、反応溶液10gに対し、0.05~0.8g、好ましくは0.1~0.7gである。また、加熱温度は、例えば尿素の場合には40~200℃で、加熱後の溶媒のpH値は、6.0~12.0が好ましい。また、熱分解によってフッ化水素酸のようにシリカを溶解する性質のある化合物を生じるものも、同様に利用できる。 The amount of the thermally decomposable compound to be coexistent depends on the type of the compound, but in the case of urea, for example, it is 0.05 to 0.8 g, preferably 0.1 to 0.7 g, based on 10 g of the reaction solution. The heating temperature is, for example, 40 to 200 ° C. in the case of urea, and the pH value of the solvent after heating is preferably 6.0 to 12.0. Further, compounds having a property of dissolving silica, such as hydrofluoric acid, which are produced by thermal decomposition can be similarly used.

モノリスフィルタ100は、メソポアを有しても焼成して消失させてはいけない。焼成温度が、例えば、600度以上となると、メソポア細孔径,細孔容積はそれぞれ大きく減少してしまうのでよくない。
<使用方法>
図3(a)、図3(b)でモノリスフィルタ100の使用方法を説明する。
Even if the monolith filter 100 has a mesopore, it must not be fired to disappear. When the calcination temperature is, for example, 600 degrees or more, the mesopore pore diameter and the pore volume are greatly reduced, which is not good.
<How to use>
A method of using the monolith filter 100 will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).

図3(a)は、パイプ状のカラム19にモノリスフィルタ100を固定したものである。入口10から溶液を入れ、遠心分離装置にかけるなどする。溶液は出口15から取り出される。溶液は、モノリスフィルタ100を通過する時に、数ナノの径の粒子が除去される。 FIG. 3A shows a monolith filter 100 fixed to a pipe-shaped column 19. The solution is put in from the inlet 10 and put on a centrifuge. The solution is withdrawn from outlet 15. When the solution passes through the monolith filter 100, particles having a diameter of several nanometers are removed.

モノリスフィルタ100は、円柱状であり、一方の面が骨格10で覆われ、他方の面がマクロ孔(第1開口11)が連続した層である。モノリスフィルタ100は、シート状でもよい。一方の面が骨格10で覆われ、他方の面が、マクロ孔(第1開口11)が連続した層であればよい。 The monolith filter 100 has a columnar shape, one surface of which is covered with the skeleton 10, and the other surface of which is a layer in which macropores (first opening 11) are continuous. The monolith filter 100 may be in the form of a sheet. One surface may be covered with the skeleton 10, and the other surface may be a layer in which macropores (first openings 11) are continuous.

図3(b)は、パイプ状、又は、円柱状のモノリスフィルタ100をカラム19にセットしたものである。入口10からパイプ状のモノリスフィルタ100の内部へ溶液を入れ込む。溶液は、モノリスフィルタ100の内部の第1開口11を低い抵抗で流れ、かつ、モノリスフィルタ100の外側面に存在する第2開口12から外へ放出される。溶液から数ナノの粒子を除去できる。 FIG. 3B shows a pipe-shaped or columnar monolith filter 100 set in the column 19. The solution is put into the inside of the pipe-shaped monolith filter 100 from the inlet 10. The solution flows through the first opening 11 inside the monolith filter 100 with low resistance and is discharged to the outside from the second opening 12 existing on the outer surface of the monolith filter 100. A few nano particles can be removed from the solution.

なお、入口10の部分のモノリスフィルタ100は、骨格10が無いようにしておくのが好ましい。図4(a)、図4(b)の断面図で別の利用方法を説明する。 It is preferable that the monolith filter 100 at the entrance 10 does not have the skeleton 10. Another usage method will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. 4 (a) and 4 (b).

別の利用方法として、多孔質体41上に上記モノリスフィルタ100を設ける。モノリスフィルタ100は、別途、シート状に形成する。
つまり、溶液状態の上記溶液31のゾル-ゲル反応を、平面で起こす。平面の表面は、上記のように、溶液と逆の性質を有する。結果、表面が骨格10で覆われたシート状のモノリスフィルタ100ができる。
As another method of use, the monolith filter 100 is provided on the porous body 41. The monolith filter 100 is separately formed into a sheet shape.
That is, the sol-gel reaction of the solution 31 in a solution state is caused in a plane. The flat surface has the opposite properties of the solution, as described above. As a result, a sheet-shaped monolith filter 100 whose surface is covered with the skeleton 10 is formed.

そのシート状のモノリスフィルタ100を多孔質体41上に配置する。多孔質体41は、モノリスフィルタ100を支える骨格で、マイクロレベル以上の連続した孔を有する。この配置したものを、図4(b)に示すように、固体分離装置50aにセットする。このことで、図3(a)のように、固体分離装置50aが完成する。モノリスフィルタ100の骨格10でナノレベルのフィルタとなる。 The sheet-shaped monolith filter 100 is arranged on the porous body 41. The porous body 41 is a skeleton that supports the monolith filter 100, and has continuous pores at the micro level or higher. This arrangement is set in the solid-state separator 50a as shown in FIG. 4 (b). This completes the solid separation device 50a as shown in FIG. 3A. The skeleton 10 of the monolith filter 100 is a nano-level filter.

水溶性高分子であるポリエチレンオキシド(アルドリッチ製 商品番号85,645-2)0.80gおよび尿素0.90gを0.01規定酢酸水溶液10gに溶解し、この溶液にテトラメトキシシラン4mlをかくはん下で加えて、加水分解反応を行った。数分かくはんしたのち、得られた透明溶液を内径6ミリメートルのガラスチューブ内に注入し40℃の恒温漕中に保持したところ約30分後に固化した。 0.80 g of polyethylene oxide (Product No. 85,645-2 manufactured by Aldrich) and 0.90 g of urea, which are water-soluble polymers, are dissolved in 10 g of a 0.01 specified acetic acid aqueous solution, and 4 ml of tetramethoxysilane is stirred in this solution. In addition, a hydrolysis reaction was carried out. After stirring for several minutes, the obtained transparent solution was poured into a glass tube having an inner diameter of 6 mm and kept in a constant temperature bath at 40 ° C., and solidified after about 30 minutes.

固化した試料をさらに数時間熟成させ、密閉条件下で80℃に2時間保った。この処理の後、ゲルを40℃で3日間乾燥し、100℃/hの昇温速度で800℃まで加熱し、直径4.5mmの棒状の無機系多孔質体を得た。
得られた多孔質体中には中心孔径3.5μm(=3500nm)程度の揃った貫通孔が3次元網目状に絡み合った構造で存在していることが確かめられた。そして、その貫通孔の内壁に直径9nm程度の細孔が多数存在していることが、窒素吸着測定によって確かめられた。
The solidified sample was aged for a further few hours and kept at 80 ° C. for 2 hours under closed conditions. After this treatment, the gel was dried at 40 ° C. for 3 days and heated to 800 ° C. at a heating rate of 100 ° C./h to obtain a rod-shaped inorganic porous body having a diameter of 4.5 mm.
It was confirmed that in the obtained porous body, through holes having a central hole diameter of about 3.5 μm (= 3500 nm) were entwined in a three-dimensional network. Then, it was confirmed by nitrogen adsorption measurement that a large number of pores having a diameter of about 9 nm existed on the inner wall of the through hole.

(全体として)
なお、モノリスフィルタ100としてのモノリスは、上記シリカモノリスだけでなく、各種金属元素の無機モノリスも使用できる。
有機モノリス(高分子モノリス、ポリマーモノリス)も利用できる。たとえば、アクリル樹脂が水/アルコール混合溶媒に特異的に溶解することを利用し、ポリマー溶液からの相分離によるモノリスの作製する方法が利用できる。具体的には、ポリ メタクリル酸メチル樹脂(PMMA)を水とエタノール(エタノール80vol%)混合溶媒中で加熱溶解し、その溶液を冷却することでサブミクロンサイズの骨格10を有するモノリスを得ることができる。その他、いろいろな有機モノリスを利用できる。
(as a whole)
As the monolith as the monolith filter 100, not only the above silica monolith but also inorganic monoliths of various metal elements can be used.
Organic monoliths (polymer monoliths, polymer monoliths) can also be used. For example, a method of producing a monolith by phase separation from a polymer solution can be used by utilizing the fact that the acrylic resin is specifically dissolved in a water / alcohol mixed solvent. Specifically, polymethyl methacrylate resin (PMMA) can be dissolved by heating in a mixed solvent of water and ethanol (ethanol 80 vol%), and the solution can be cooled to obtain a monolith having a submicron-sized skeleton 10. can. In addition, various organic monoliths can be used.

モノリスフィルタ100の表面に骨格10が形成できれば利用できる。なお、有機モノリスの場合、原料、添加物により、疎水性、親水性が変化する。しかし、上記シリカモノリスと異なり、どちらの性質であっても、骨格10で覆われた表面層を形成しやすい。これは、有機モノリスの場合、シリカモノリスと異なり、有機骨格を有するため、容器に規制されず、表面21が変位でき、骨格10ができるためと思われる。 It can be used if the skeleton 10 can be formed on the surface of the monolith filter 100. In the case of organic monoliths, the hydrophobicity and hydrophilicity change depending on the raw materials and additives. However, unlike the silica monolith described above, it is easy to form a surface layer covered with the skeleton 10 regardless of the properties. This is probably because the organic monolith has an organic skeleton unlike the silica monolith, so that the surface 21 can be displaced and the skeleton 10 is formed without being restricted by the container.

有機モノリスは、無機モノリスと異なり、柔軟性があり、カラムへのセットも容易である。さらに、また、有機モノリスと無機モノリスとを混合したモノリスも用いることができる。溶液段階で混合することで形成できる。
以下に有機モノリスの実施例を示す。
Unlike inorganic monoliths, organic monoliths are flexible and easy to set on columns. Furthermore, a monolith in which an organic monolith and an inorganic monolith are mixed can also be used. It can be formed by mixing at the solution stage.
Examples of organic monoliths are shown below.

有機モノリスの実施例Examples of organic monoliths

トリエチレングリコール15mlと1,3,5-トリメチルベンゼン1.5mlとベンジルアルコール1.5mlと1M塩酸2.5mlを混合し、ここにブロックコポリマーF127(EO106PO70EO106)1.5gとレゾルシノール1.1gを加えよく攪拌し均一な溶液を作製する。ここにホルムアミド(37%)1.5mlを加え攪拌する。得られた溶液をガラス容器にいれ、60℃・48時間保持することによりマクロ細孔とメソ細孔を有するポリマーモノリスを作製した。作製したポリマーモノリスのマクロ細孔径は2μm、メソ細孔径は5nmであった。得られたポリマーモノリスの表面のうち、ガラスに接した部分のSEM写真を図5に示す。厚さ3μm程度の骨格層が均一に形成できている。この骨格層にはマクロ細孔はなく、5nmのメソ細孔のみが存在する。15 ml of triethylene glycol, 1.5 ml of 1,3,5-trimethylbenzene, 1.5 ml of benzyl alcohol and 2.5 ml of 1M hydrochloric acid are mixed, and 1.5 g of block copolymer F127 (EO 106 PO 70 EO 106 ) and resorcinol are mixed therein. Add 1.1 g and stir well to make a uniform solution. Add 1.5 ml of formamide (37%) to this and stir. The obtained solution was placed in a glass container and held at 60 ° C. for 48 hours to prepare a polymer monolith having macropores and mesopores. The macropore diameter of the produced polymer monolith was 2 μm, and the mesopore diameter was 5 nm. FIG. 5 shows an SEM photograph of the portion of the surface of the obtained polymer monolith in contact with the glass. A skeleton layer having a thickness of about 3 μm can be uniformly formed. There are no macropores in this skeletal layer, only mesopores of 5 nm.

本発明のモノリスフィルタとその製造方法によれば、ナノレベルのフィルターを提供できる。各種溶液から、ナノレベルの粒子を除去できる。例えば、バイオ関連の溶液の精製などに使用できる。 According to the monolith filter of the present invention and the method for producing the same, a nano-level filter can be provided. Nano-level particles can be removed from various solutions. For example, it can be used for purification of bio-related solutions.

9,19…カラム、10…骨格,11…第1開口、12…第2開口、15…出口、21…表面、30…容器、31…溶液、40~80…室温、41…多孔質体、50a…固体分離装置、100…モノリスフィルタ,フィルター。9, 19 ... column, 10 ... skeleton, 11 ... first opening, 12 ... second opening, 15 ... outlet, 21 ... surface, 30 ... container, 31 ... solution, 40-80 ... room temperature, 41 ... porous body, 50a ... Solid separator, 100 ... Monolith filter, filter.

Claims (9)

メソ孔を有する骨格と、
上記骨格間に存在するマクロ孔と、を含むモノリスフィルタであり、
上記モノリスフィルタの表面の少なくとも一面は上記骨格で覆われているモノリスフィルタであり、
前記一面は、溶液が通過する面であるモノリスフィルタであり、
前記一面には、前記マクロ孔がなく、メソ孔があり、
モノリスだけからなる固体分離用のモノリスフィルタ。
A skeleton with mesopores and
A monolith filter containing macropores existing between the skeletons.
At least one surface of the monolith filter is a monolith filter covered with the skeleton.
The one side is a monolith filter, which is the side through which the solution passes.
On the one side, there is a meso hole without the macro hole, and there is a meso hole.
A monolith filter for solid separation consisting only of monoliths.
上記表面の一面は、上記骨格のみで形成されている請求項1に記載のモノリスフィルタ。The monolith filter according to claim 1, wherein one surface of the surface is formed only of the skeleton. メソ孔を有する骨格と、
上記骨格間に存在するマクロ孔と、を含むモノリスフィルタであり、
上記モノリスフィルタの表面の少なくとも一面は上記骨格で覆われているモノリスフィルタであり、
前記モノリスフィルタは円柱状であり、その側面が前記骨格で覆われ、その内部は、マクロ孔が連続して存在するモノリスフィルタであり、
前記一面には、前記マクロ孔がなく、メソ孔があり、
前記一面は、溶液が通過する面であり、
モノリスだけならなる固体分離用のモノリスフィルタ。
A skeleton with mesopores and
A monolith filter containing macropores existing between the skeletons.
At least one surface of the monolith filter is a monolith filter covered with the skeleton.
The monolith filter has a columnar shape, its side surface is covered with the skeleton, and the inside thereof is a monolith filter in which macropores are continuously present.
On the one side, there is a meso hole without the macro hole, and there is a meso hole.
The one side is the side through which the solution passes.
A monolith filter for solid separation that is only a monolith.
メソ孔を有する骨格と、
上記骨格間に存在するマクロ孔と、を含むモノリスフィルタであり、
上記モノリスフィルタの表面の少なくとも一面は上記骨格で覆われているモノリスフィルタであり、
前記モノリスフィルタはシート状であり、一方面が前記骨格で覆われ、他方の面は、マクロ孔が連続して存在するモノリスフィルタであり、
前記一面には、前記マクロ孔がなく、メソ孔があり
前記一面は、溶液が通過する面であり、
モノリスだけからなる固体分離用のモノリスフィルタ。
A skeleton with mesopores and
A monolith filter containing macropores existing between the skeletons.
At least one surface of the monolith filter is a monolith filter covered with the skeleton.
The monolith filter is in the form of a sheet, one surface of which is covered with the skeleton, and the other surface is a monolith filter in which macropores are continuously present.
There is a meso hole on the one side without the macro hole.
The one side is the side through which the solution passes.
A monolith filter for solid separation consisting only of monoliths.
前記請求項1~4のいずれか1項に記載のモノリスフィルタ前記一面を、前記溶液を通過面とする固体分離装置。A solid-state separation device in which one surface of the monolith filter according to any one of claims 1 to 4 is used as a passing surface for the solution . 前記請求項1~4のいずれか1項に記載のモノリスフィルタを多孔質体と積層した固体分離装置。A solid separation device in which the monolith filter according to any one of claims 1 to 4 is laminated with a porous body. メソ孔を有する骨格と、
上記骨格間に存在するマクロ孔と、を含むモノリスフィルタであり、
上記モノリスフィルタの表面の少なくとも一面は上記骨格で覆われているモノリスフィルタと、
前記モノリスフィルタが配置されたパイプ状のカラムと、を有し、
溶液が、前記モノリスフィルタの前記一面を通過面とする固体分離装置であり、
前記モノリスフィルタの内部は、マクロ孔が連続して存在し、
前記モノリスフィルタの他方の面は、マクロ孔が連続して存在する固体分離装置であり、前記一面は、溶液が通過する面であり、前記一面には、前記マクロ孔がなく、メソ孔がある固体分離装置。
A skeleton with mesopores and
A monolith filter containing macropores existing between the skeletons.
At least one surface of the monolith filter is covered with the skeleton.
It has a pipe-shaped column in which the monolith filter is arranged, and has.
The solution is a solid separation device having the one side of the monolith filter as a passing surface.
Inside the monolith filter, macro holes are continuously present, and
The other surface of the monolith filter is a solid separation device in which macropores are continuously present, one surface is a surface through which a solution passes, and the one surface does not have the macropores but has mesopores. Solid separation device.
上記表面の一面は、上記骨格のみで形成されている請求項7に記載の固体分離装置。The solid separation device according to claim 7, wherein one surface of the surface is formed only of the skeleton. 加水分解性の官能基を有する化合物を含む溶液を、容器に準備する工程と、
ゾルーゲル法による上記溶液の加水分解および重合ならびに相分離を進行させ、メソ孔が形成された骨格相と、溶液相とを有するゲルを形成する工程と、
上記形成したゲルを乾燥して、上記骨格相を骨格とし、上記骨格にメソ孔を形成し、上記溶液相をマクロ孔とし、上記容器と接する面は上記骨格で覆われるように形成する工程と、を有するモノリスフィルタの製造方法であり、
前記容器と前記溶液とは、1方が疎水性、他方が親水性であり、
前記面は、前記マクロ孔がなく、メソ孔があり、固体分離用のモノリスフィルタの製造方法。
The step of preparing a solution containing a compound having a hydrolyzable functional group in a container, and
A step of advancing hydrolysis and polymerization of the above solution by the sol-gel method and phase separation to form a gel having a skeletal phase in which mesopores are formed and a solution phase.
A step of drying the formed gel to form the skeletal phase as a skeleton, forming mesopores in the skeleton, macropores in the solution phase, and forming the surface in contact with the container so as to be covered with the skeleton. Is a manufacturing method of a monolith filter having,
One of the container and the solution is hydrophobic and the other is hydrophilic.
The surface does not have the macropores but has mesopores, and is a method for manufacturing a monolith filter for solid separation.
JP2017045445A 2017-02-21 2017-02-21 A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter. Active JP7011119B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017045445A JP7011119B2 (en) 2017-02-21 2017-02-21 A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017045445A JP7011119B2 (en) 2017-02-21 2017-02-21 A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018134624A JP2018134624A (en) 2018-08-30
JP7011119B2 true JP7011119B2 (en) 2022-02-10

Family

ID=63365156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017045445A Active JP7011119B2 (en) 2017-02-21 2017-02-21 A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter.

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7011119B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111359450B (en) * 2020-03-19 2022-02-22 海加尔(厦门)科技有限公司 Ceramic ultrafiltration membrane with efficient photocatalytic function and preparation method thereof
JPWO2022163832A1 (en) * 2021-01-29 2022-08-04

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005290032A (en) 2004-03-31 2005-10-20 Kazuki Nakanishi Method for producing hierarchical porous body containing meso pore having long range order
JP2007261882A (en) 2006-03-29 2007-10-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Mesoporous silicon carbide film and its producing method
JP2009265047A (en) 2008-04-30 2009-11-12 Kyoto Univ Solid-liquid contact device and separation medium by hierarchical porous body containing mesopore having long-range order
WO2010070992A1 (en) 2008-12-19 2010-06-24 日本碍子株式会社 Method for separating liquid mixture, and device for separating liquid mixture
JP2011225401A (en) 2010-04-20 2011-11-10 Nippon Chem Ind Co Ltd Phosphorous-containing mesoporous silica and preparation method therefor
CN102309957A (en) 2010-06-30 2012-01-11 中国石油化工股份有限公司 Preparation method of self-assembly porous material
JP2012071301A (en) 2010-09-03 2012-04-12 Roca Kk Filtration filter and method for manufacturing the same, and filtration device
JP2014148456A (en) 2013-01-13 2014-08-21 Kyoto Univ Macro-porous monoliths, method for producing the same, and use of the same
US20150306587A1 (en) 2012-11-21 2015-10-29 Agilent Technologies, Inc. Superficially Porous Hybrid Monoliths with Ordered Pores and Methods of Making and using same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3631353B2 (en) * 1996-06-27 2005-03-23 株式会社神戸製鋼所 Air purifier and deodorizing filter

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005290032A (en) 2004-03-31 2005-10-20 Kazuki Nakanishi Method for producing hierarchical porous body containing meso pore having long range order
JP2007261882A (en) 2006-03-29 2007-10-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Mesoporous silicon carbide film and its producing method
JP2009265047A (en) 2008-04-30 2009-11-12 Kyoto Univ Solid-liquid contact device and separation medium by hierarchical porous body containing mesopore having long-range order
WO2010070992A1 (en) 2008-12-19 2010-06-24 日本碍子株式会社 Method for separating liquid mixture, and device for separating liquid mixture
JP2011225401A (en) 2010-04-20 2011-11-10 Nippon Chem Ind Co Ltd Phosphorous-containing mesoporous silica and preparation method therefor
CN102309957A (en) 2010-06-30 2012-01-11 中国石油化工股份有限公司 Preparation method of self-assembly porous material
JP2012071301A (en) 2010-09-03 2012-04-12 Roca Kk Filtration filter and method for manufacturing the same, and filtration device
US20150306587A1 (en) 2012-11-21 2015-10-29 Agilent Technologies, Inc. Superficially Porous Hybrid Monoliths with Ordered Pores and Methods of Making and using same
JP2014148456A (en) 2013-01-13 2014-08-21 Kyoto Univ Macro-porous monoliths, method for producing the same, and use of the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018134624A (en) 2018-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mukai et al. Formation of monolithic silica gel microhoneycombs (SMHs) using pseudosteady state growth of microstructural ice crystals
US5624875A (en) Inorganic porous material and process for making same
Petkovich et al. Controlling macro-and mesostructures with hierarchical porosity through combined hard and soft templating
Nakanishi et al. Formation of hierarchical pore structure in silica gel
Nakanishi et al. Spontaneous formation of hierarchical macro− mesoporous ethane− silica monolith
Amatani et al. Monolithic periodic mesoporous silica with well-defined macropores
Wan et al. On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates
Wang et al. Creation of interior space, architecture of shell structure, and encapsulation of functional materials for mesoporous SiO2 spheres
Fletcher et al. Permeability of silica monoliths containing micro-and nano-pores
Inayat et al. Recent advances in the synthesis of hierarchically porous silica materials on the basis of porous glasses
Zhou et al. Synthesis of ordered cubic periodic mesoporous organosilicas with ultra-large pores
Nakanishi et al. Multiscale templating of siloxane gels via polymerization-induced phase separation
El-Safty et al. General and simple approach for control cage and cylindrical mesopores, and thermal/hydrothermal stable frameworks
US11707721B2 (en) Methods of making permeable aerogels
Nishihara et al. Preparation of monolithic SiO 2–Al 2 O 3 cryogels with inter-connected macropores through ice templating
JP7011119B2 (en) A monolith filter, a solid separation device using it, and a method for manufacturing the monolith filter.
Zhang et al. Water‐based freeze casting: Adjusting hydrophobic polymethylsiloxane for obtaining hierarchically ordered porous SiOC
Liu et al. Recent advances in the direct fabrication of millimeter-sized hierarchical porous materials
Krawiec et al. Tubular and rodlike ordered mesoporous silicon (oxy) carbide ceramics and their structural transformations
Ren et al. One-step fabrication of transparent hydrophobic silica aerogels via in situ surface modification in drying process
Kim et al. Honeycomb monolith-structured silica with highly ordered, three-dimensionally interconnected macroporous walls
Zhang et al. Emulsion-templated hierarchically porous silica beads using silica nanoparticles as building blocks
Wang et al. Silica aerogel membranes fabricated using removable nitrocellulose scaffolds
Hu et al. One-step synthesis of silica hollow particles in a W/O inverse emulsion
Long et al. Hierarchically bimodal mesoporous silica fibers as building units for silica monolith with trimodal porous architecture

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200207

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201216

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210119

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210209

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210622

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210721

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211130

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211217

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7011119

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150