JP7079708B2 - Thermal synthetic crystal film manufacturing equipment and thermal synthetic crystal film manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、熱により結晶化が誘発されて形成される熱合成結晶膜、例えばゼオライト膜を効率的に製造することができる熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法に関する。 The present invention relates to a thermosynthetic crystal membrane manufacturing apparatus and a thermosynthetic crystal membrane manufacturing method capable of efficiently producing a thermosynthetic crystal membrane formed by inducing crystallization by heat, for example, a zeolite membrane.

現在の分離技術の分野において、様々な物質を含有する液体または気体の流体から所要の物質を分子レベルで分離するための技術の開発が求められるようになっている。 In the current field of separation technology, there is a need to develop a technique for separating a required substance from a liquid or gaseous fluid containing various substances at the molecular level.

そのうちの一つとして、分子サイズの細孔を有する結晶性分離膜を利用した様々な混合流体の分離操作の技術がすでに知られている。 As one of them, a technique for separating various mixed fluids using a crystalline separation membrane having molecular-sized pores is already known.

結晶性分離膜が形成される対象として、多孔質セラミックス基材が一般的に知られている。結晶性分離膜は、このような基材上にわたって、有機または無機のあらゆる結晶化材料から結晶を析出させかつ膜成長させ、緻密に薄膜化したものを指す。 Porous ceramic substrates are generally known as objects on which a crystalline separation membrane is formed. A crystalline separation film refers to a finely thinned film obtained by precipitating crystals from any organic or inorganic crystallization material and growing the film on such a substrate.

このような結晶性分離膜は、熱により促進される結晶化の膜である熱合成結晶膜と称されてもよいものであり、このような熱合成結晶膜として最も一般的なものとしては、水熱合成法により形成されるゼオライト膜が知られている。 Such a crystalline separation membrane may be referred to as a hydrothermally synthesized crystal membrane which is a heat-promoted crystallization membrane, and the most common such hydrothermally synthesized crystal membrane is Zeolite membranes formed by hydrothermal synthesis are known.

ゼオライト膜を製造するには、ゼオライト中のケイ素源となる材料、例えば、シリカと、アルミニウム源となる材料、例えば、アルミナのそれぞれを所定の割合で水等の液体媒体に加えてスラリーとし、これに適宜ゼオライトのチャネル鋳型となる所定の有機化合物を加えて製膜用の反応液とし、これに上記の基材を浸漬し、反応容器ごと加熱・熟成することにより所望のゼオライト膜を基材上に形成する。製膜後の基材は適宜、水洗・乾燥・焼成を順次行うことにより、様々な物質を含有する液体または気体の流体から所要の物質を分子レベルで分離できるゼオライト膜を得ることができる。 In order to produce a zeolite membrane, a silicon source material in zeolite, for example silica, and an aluminum source material, for example, alumina are added in a predetermined ratio to a liquid medium such as water to form a slurry. A predetermined organic compound that serves as a channel template for zeolite is appropriately added to a reaction solution for film formation, and the above substrate is dipped in the reaction solution, and the reaction vessel is heated and aged to obtain a desired zeolite film on the substrate. Form to. The substrate after film formation is appropriately washed with water, dried, and fired to obtain a zeolite membrane capable of separating a required substance from a liquid or gaseous fluid containing various substances at the molecular level.

こうしたゼオライト膜等の結晶膜の構造は、反応液の組成、加熱温度、加熱時間、有機化合物の種類等によって任意に選択することができ、水熱合成に用いられる製造装置としては、例えば、特許文献1~2に記載されたものが知られている。 The structure of such a crystal membrane such as a zeolite membrane can be arbitrarily selected depending on the composition of the reaction solution, the heating temperature, the heating time, the type of the organic compound, etc., and as a manufacturing apparatus used for hydrothermal synthesis, for example, a patent. Those described in Documents 1 and 2 are known.

特許文献1に記載された製造装置では、膜形成のための合成液が収容される合成容器内に管状支持体(管状の基材)を固定する固定冶具を備えている。該固定冶具は管状の基材を内側から支持する複数の支持部を有している。この装置では、合成容器の側壁部を円筒状とし、複数の基材を仮想円上でそれぞれ等間隔になるように配置している。 The manufacturing apparatus described in Patent Document 1 includes a fixing jig for fixing a tubular support (tubular base material) in a synthetic container in which a synthetic liquid for forming a membrane is housed. The fixing jig has a plurality of supports for supporting the tubular substrate from the inside. In this device, the side wall portion of the synthetic container has a cylindrical shape, and a plurality of base materials are arranged on a virtual circle at equal intervals.

特許文献2に記載された製造装置は、基本的構成は特許文献1に記載されたものと同じであるが、互いに平行な2つの平坦面を有する反応容器内において、複数本の支持体(基材)を平坦面に平行に配置する構成となっているため、装置の全体形状が上面視で一方向に長い形状になっている。 The manufacturing apparatus described in Patent Document 2 has the same basic configuration as that described in Patent Document 1, but has a plurality of supports (bases) in a reaction vessel having two flat surfaces parallel to each other. Since the material) is arranged parallel to the flat surface, the overall shape of the device is long in one direction when viewed from above.

しかしながら、特許文献1に記載された装置では、合成容器を恒温器内に収容し、合成容器を介して合成容器内の合成液を加熱する態様を取っている。そのため、合成容器の中心付近に置かれた基材への伝熱が悪くなり、基材の外周面での均質な結晶性分離膜の形成が困難になることが考えられる。 However, in the apparatus described in Patent Document 1, the synthetic container is housed in a thermostat, and the synthetic liquid in the synthetic container is heated via the synthetic container. Therefore, it is considered that heat transfer to the base material placed near the center of the synthetic container becomes poor, and it becomes difficult to form a homogeneous crystalline separation film on the outer peripheral surface of the base material.

特許文献2では、装置形状が一方向に長い形状になっており、伝熱面積を稼ぐことができるが、装置が複雑である、また、基材形状に制約がある、等の問題を抱えている。 In Patent Document 2, the device shape is long in one direction, and a heat transfer area can be obtained, but there are problems such as the device being complicated and the base material shape being restricted. There is.

また、上記の特許文献1および2をも含めた従来の製造装置では、反応容器の外周側から合成液を介して基材を加熱する構成となっているため、容器壁面が最も高温になる。このため、熱により誘発される結晶膜の形成が、反応容器の内壁と基材上との競争になり、結果として、基材上での膜形成のための養分が不足し、歩留まりが低下したり、大過剰の合成液が必要になったりする等の問題がある。 Further, in the conventional manufacturing apparatus including the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, since the base material is heated from the outer peripheral side of the reaction vessel via the synthetic liquid, the wall surface of the vessel becomes the highest temperature. For this reason, heat-induced formation of the crystal film becomes a competition between the inner wall of the reaction vessel and the substrate, and as a result, nutrients for film formation on the substrate are insufficient and the yield is lowered. There are also problems such as the need for a large excess of synthetic solution.

特開2015-85238号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-85238 国際公開第2006/132237号International Publication No. 2006/132237

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、均質な熱合成結晶膜を効率的に製造することができる熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat-synthesizing crystal film manufacturing apparatus and a heat-synthesizing crystal film manufacturing method capable of efficiently manufacturing a homogeneous heat-synthesizing crystal film. do.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、基材上に優先的に結晶化を誘導するための熱を供給することができれば、簡単な構成で均質な熱合成結晶膜を効率的に製造することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors can obtain a homogeneous thermosynthetic crystal film with a simple structure if heat for inducing crystallization preferentially can be supplied on the substrate. It has been found that it can be efficiently produced, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の熱合成結晶膜製造装置は、膜前駆体を含有する反応液を収容し、かつ、熱により誘発される熱合成結晶膜の形成反応場となる反応容器と、該反応容器内の反応液を該反応容器の周囲から加熱する加熱手段と、該反応容器内に配置され、その表面上に成膜がなされる基材を支持する支持体とを備え、該支持体の内部に伝熱経路が形成されており、反応容器の外部から該伝熱経路を介して支持体を加熱することができるようになっていることを特徴とするものである。 That is, the heat synthetic crystal film manufacturing apparatus of the present invention contains a reaction liquid containing a film precursor and serves as a reaction field for forming a heat-induced heat synthetic crystal film, and the inside of the reaction container. A heating means for heating the reaction solution of the above from the periphery of the reaction vessel, and a support arranged in the reaction vessel and supporting a base material on which a film is formed on the surface thereof are provided, and inside the support. It is characterized in that a heat transfer path is formed so that the support can be heated from the outside of the reaction vessel via the heat transfer path.

このような熱合成結晶膜製造装置において、前記支持体内に伝熱経路として機能するヒータが埋設されていることが好ましい。 In such a heat-synthesized crystal film manufacturing apparatus, it is preferable that a heater that functions as a heat transfer path is embedded in the support.

また、このような熱合成結晶膜製造装置において、前記支持体は、伝熱経路として機能する中空構造を有し、該中空構造に熱媒体が侵入するようになっていることが好ましい。このような熱媒体としては、シリコーンオイル、低温溶融塩、空気、不活性ガス等が例示される。 Further, in such a heat synthetic crystal film manufacturing apparatus, it is preferable that the support has a hollow structure that functions as a heat transfer path so that a heat medium can penetrate into the hollow structure. Examples of such a heat medium include silicone oil, low temperature molten salt, air, and an inert gas.

さらに、上記のそれぞれの熱合成結晶膜製造装置において、前記反応容器中の反応液の温度を測定する反応液温度測定手段と、前記支持体の温度を測定する支持体温度測定手段とを備えていることが好ましい。 Further, in each of the above-mentioned thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus, a reaction liquid temperature measuring means for measuring the temperature of the reaction liquid in the reaction vessel and a support temperature measuring means for measuring the temperature of the support are provided. It is preferable to have.

また、この熱合成結晶膜製造装置において、前記反応液温度測定手段から反応液の温度測定値を入力し、かつ、前記支持体温度測定手段から支持体の温度測定値を入力し、これらの温度測定値に基づき、支持体の温度が反応液の温度より+2~10℃高くなるように、前記加熱手段および/または支持体の温度を制御する制御手段を備えていることが好ましい。 Further, in this thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus, the temperature measurement value of the reaction solution is input from the reaction liquid temperature measuring means, and the temperature measurement value of the support is input from the support temperature measuring means, and these temperatures are input. Based on the measured values, it is preferable to provide the heating means and / or the control means for controlling the temperature of the support so that the temperature of the support is + 2 to 10 ° C. higher than the temperature of the reaction solution.

また、本発明の熱合成結晶膜製造方法は、結晶膜の前駆体を含有する反応液と、結晶膜がその表面上に形成されることになる基材とが接触している状態において、結晶化を誘発する熱が基材に供給されることにより結晶化が進行する熱合成結晶膜製造方法であり、該基材を支持している支持体を介して結晶化を誘発する熱を該基材上に供給するものである。 Further, in the method for producing a thermally synthetic crystal film of the present invention, a reaction solution containing a precursor of a crystal film and a substrate on which the crystal film is to be formed are in contact with each other, the crystals are crystallized. It is a method for producing a thermally synthetic crystal film in which crystallization proceeds by supplying heat for inducing crystallization to a base material, and the heat for inducing crystallization is applied to the base material via a support supporting the base material. It is supplied on the material.

本発明の熱合成結晶膜製造装置では、支持体の内部に伝熱経路が形成されており、反応容器の外部から該伝熱経路を介して支持体を加熱することができるようになっており、また、本発明の熱合成結晶膜製造方法では、基材を支持している支持体を介して結晶化を誘発する熱をこの基材に供給するようになっている。 In the heat-synthesizing crystal film manufacturing apparatus of the present invention, a heat transfer path is formed inside the support, and the support can be heated from the outside of the reaction vessel via the heat transfer path. Further, in the method for producing a thermally synthetic crystal film of the present invention, heat for inducing crystallization is supplied to the substrate via a support supporting the substrate.

したがって、本発明の熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法によれば、基材表面における優先的な急速加熱を実現することができ、基材の表面上の均質な合成膜の製造を効率的に行うことができる。本発明が有するこのような構成は、基材の長尺化/大型化にも容易に対応することが可能である。 Therefore, according to the heat-synthesizing crystal film manufacturing apparatus and the heat-synthesizing crystal film manufacturing method of the present invention, preferential rapid heating on the surface of the base material can be realized, and a homogeneous synthetic film on the surface of the base material can be manufactured. Can be done efficiently. Such a configuration possessed by the present invention can easily cope with an increase in length / size of a base material.

さらに、上記のような本発明の熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法では、結晶性分離膜について「歩留まり向上」、「合成時間の短縮」、「製膜溶液の使用量低減」、「製造コストの大幅低減」の全てを実現することが可能である。 Further, in the heat-synthesizing crystal film manufacturing apparatus and the heat-synthesizing crystal film manufacturing method of the present invention as described above, the crystalline separation film is "improved in yield", "shortened in synthesis time", and "reduced in the amount of film-forming solution used". , It is possible to realize all of "significant reduction of manufacturing cost".

本発明に関する熱合成結晶膜製造装置(1)を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the heat synthetic crystal film manufacturing apparatus (1) which concerns on this invention. 反応容器(2)内に配置された支持体(3)と、この支持体(3)に支持された基材(4)とを拡大して示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the support (3) arranged in the reaction vessel (2), and the base material (4) supported by this support (3) in an enlarged manner. 各支持体(3)の配置に関して例示する概略図である。It is the schematic which illustrates the arrangement of each support (3). 反応容器の上側に支持体が配置されるようにした場合を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the case where the support is arranged on the upper side of a reaction vessel. 実施例に用いられる熱合成結晶膜製造装置を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus used in an Example. LTA型ゼオライト膜を製造する実施例における熱合成結晶膜製造装置内の反応溶液の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the reaction solution in the thermosynthetic crystal membrane manufacturing apparatus in the Example which manufactures an LTA type zeolite membrane. CHA型ゼオライト膜を製造する実施例における熱合成結晶膜製造装置内の反応溶液の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the reaction solution in the thermosynthetic crystal membrane manufacturing apparatus in the Example which manufactures a CHA type zeolite membrane.

1 熱合成結晶膜製造装置
2 反応容器
3 支持体
4 基材
5 伝熱経路
6 阻害層
1 Thermal synthetic crystal film manufacturing equipment 2 Reaction vessel 3 Support 4 Base material 5 Heat transfer path 6 Inhibition layer

以下、本発明の熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the heat-synthesized crystal film manufacturing apparatus and the heat-synthesized crystal film manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明に関する熱合成結晶膜製造装置(1)を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a heat-synthesized crystal film manufacturing apparatus (1) according to the present invention.

本発明の熱合成結晶膜製造装置(1)は、熱合成結晶膜を合成するための反応容器(2)を備えている。 The heat-synthesized crystal film manufacturing apparatus (1) of the present invention includes a reaction vessel (2) for synthesizing a heat-synthesized crystal film.

反応容器(2)には、熱合成結晶膜の前駆体を含有する反応液が収容される。また、図1においては図示を省略しているが、反応容器(2)の周囲から反応容器内部に充填された反応液を加熱するための加熱手段が設けられる。 The reaction vessel (2) contains a reaction solution containing a precursor of a heat-synthesized crystal film. Further, although not shown in FIG. 1, a heating means for heating the reaction solution filled in the reaction vessel from the periphery of the reaction vessel (2) is provided.

さらに、反応容器(2)の内部には、支持体(3)が配置されるようになっており、支持体(3)は、基材(4)を支持・固定する。支持体(3)に支持・固定される基材(4)は、反応容器(2)に充填された反応液と直接的に接触しており、熱により反応液に含有される膜前駆体から膜形成反応が生じると、基材表面上に製膜がなされる。 Further, a support (3) is arranged inside the reaction vessel (2), and the support (3) supports and fixes the base material (4). The base material (4) supported and fixed to the support (3) is in direct contact with the reaction solution filled in the reaction vessel (2), and is formed from the membrane precursor contained in the reaction solution by heat. When the film forming reaction occurs, a film is formed on the surface of the substrate.

図2は、反応容器(2)内に配置された支持体(3)と、この支持体(3)に支持された基材(4)とを拡大して示す拡大図である。 FIG. 2 is an enlarged view showing an enlarged support (3) arranged in the reaction vessel (2) and a base material (4) supported by the support (3).

支持体(3)の内部には、支持体(3)の表面に向けて熱を伝えることのできる伝熱経路(5)が形成されている。この伝熱経路(5)には、図2に示すように、反応容器(2)の外部から熱が供給されるようになっている。このため、反応容器(2)から供給される熱は、伝熱経路(5)を介して支持体(3)の表面に供給される。 Inside the support (3), a heat transfer path (5) capable of transferring heat toward the surface of the support (3) is formed. As shown in FIG. 2, heat is supplied to the heat transfer path (5) from the outside of the reaction vessel (2). Therefore, the heat supplied from the reaction vessel (2) is supplied to the surface of the support (3) via the heat transfer path (5).

反応容器(2)内において、結晶膜の前駆体を含有する反応液と、基材(4)とが直接的に接触している状態において、図2に示すように、結晶化を誘発する熱が伝熱経路(5)を介して支持体(3)の表面から供給されると、この熱供給により、基材(4)の表面には、望みとする結晶化が進行する(図2中、(7)で表示)。 As shown in FIG. 2, heat that induces crystallization in the reaction vessel (2) in a state where the reaction solution containing the precursor of the crystal film and the substrate (4) are in direct contact with each other. Is supplied from the surface of the support (3) via the heat transfer path (5), and this heat supply causes the desired crystallization to proceed on the surface of the substrate (4) (in FIG. 2). , (Displayed in (7)).

以上に概略的に説明した本発明によれば、基材(4)を支持する支持体(3)自体から基材(4)に向けて熱が供給されて、基材(4)の表面近傍が反応容器内中で最も温度が高くなり、基材(4)の表面上で優先的な結晶膜形成が生じる。 According to the present invention schematically described above, heat is supplied from the support (3) itself supporting the base material (4) toward the base material (4), and the vicinity of the surface of the base material (4) is provided. Is the hottest in the reaction vessel, and preferential crystal film formation occurs on the surface of the substrate (4).

これにより反応容器(2)の内壁が反応容器中で最も高温であるためにこの内壁上での結晶膜形成に養分が取られ、肝腎の基材(4)上の製膜のための養分不足になるという従来技術が抱えていた問題が解消される。 As a result, since the inner wall of the reaction vessel (2) has the highest temperature in the reaction vessel, nutrients are taken up for the formation of the crystal film on the inner wall, and the nutrient shortage for the membrane formation on the hepato-renal substrate (4). The problem that the conventional technique of becoming becomes is solved.

ここで、本発明にいう熱合成結晶膜とは、一般的に、熱合成により基材上に結晶を析出させかつこれを成長させ、または基材上に付着させておいた種結晶に基づいて成長させることにより得られる結晶膜を意味し、基材上に緻密な膜が形成されることになる。 Here, the heat-synthesized crystal film referred to in the present invention is generally based on a seed crystal in which crystals are precipitated on a substrate by thermal synthesis and grown or adhered on the substrate. It means a crystal film obtained by growing, and a dense film is formed on the substrate.

本発明では、熱により誘発されて基材上に結晶膜が熱合成により形成されるものであり、このような手法によるものとして典型的な例としては、ゼオライトの水熱合成が挙げられる。 In the present invention, a crystal film is formed on a substrate by heat synthesis induced by heat, and a typical example of such a method is hydrothermal synthesis of zeolite.

しかし、熱により膜形成が誘発されることを原理とするものであれば、いかなる膜にも適用できると考えられ、したがって、本発明は、水熱法にて合成するゼオライト、金属有機構造体(多孔性配位高分子)、金属酸化物等の結晶膜にも適用でき、水熱法のような過酷な条件に至らないような条件下の熱合成法にも適用できる。例えば、金属有機構造体の結晶膜などは、一般にアルコールなどの溶媒を用いて室温で調製可能であるが、本製造装置を用い、基材を支持する支持体を加熱することで、結晶膜の形成反応が促進され、基材の表面上で優先的な結晶膜形成を生じさせることができる。 However, it is considered that it can be applied to any film as long as it is based on the principle that film formation is induced by heat. Therefore, the present invention is a zeolite or metal-organic framework synthesized by a hydrothermal method. It can also be applied to crystal films such as porous coordination polymers) and metal oxides, and can also be applied to hydrothermal synthesis methods under conditions that do not lead to harsh conditions such as the hydrothermal method. For example, a crystal film of a metal organic structure can generally be prepared at room temperature using a solvent such as alcohol, but by using this manufacturing apparatus and heating a support that supports a base material, the crystal film can be prepared. The formation reaction is promoted, and preferential crystal film formation can be caused on the surface of the substrate.

熱合成結晶膜の形成に用いられる基材としては、高温、高圧等の熱合成条件に耐えられる等の条件を満たす素材のものであれば如何なるものであってもよいが、例えば、典型的な例として、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア(イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの安定化ジルコニアも含む。)、コージェライト、チタニアなどのセラミックス類や、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンなどの金属の焼結体、あるいは、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの窒化物および炭化物等、が挙げられる。 The base material used for forming the thermosynthetic crystal film may be any material as long as it can withstand thermal synthesis conditions such as high temperature and high pressure, but is typical, for example. Examples include ceramics such as silica, alumina, mulite, zirconia (including stabilized zirconia such as yttria-stabilized zirconia (YSZ)), corderite, titania, and metals such as stainless steel, copper, aluminum, and titanium. Examples thereof include a sintered body, and nitrides and carbides such as silicon nitride and silicon carbide.

本発明によれば、上記のように支持体(3)内には、伝熱経路(5)が形成されている。このような伝熱経路(5)は、要するに、支持体(3)の表面に放熱する熱を供給するものであればよい。 According to the present invention, the heat transfer path (5) is formed in the support (3) as described above. In short, such a heat transfer path (5) may be any as long as it supplies heat radiated to the surface of the support (3).

このような伝熱経路(5)としては、例えば、支持体(3)内にヒータが埋設されており、このようなヒータが伝熱経路(5)として機能している形態が想定され得る。 As such a heat transfer path (5), for example, a heater is embedded in the support (3), and a form in which such a heater functions as the heat transfer path (5) can be assumed.

あるいは、支持体(3)内に中空構造が形成されており、この中空構造に所定の熱媒体が侵入するようになっているような形態も考えられる。 Alternatively, it is conceivable that a hollow structure is formed in the support (3), and a predetermined heat medium penetrates into the hollow structure.

このような熱媒体としては、液体または気体の流体媒体が想定され、具体的には、シリコーンオイル、低温溶融塩(イオン液体など)が想定される。 As such a heat medium, a liquid or gas fluid medium is assumed, and specifically, a silicone oil or a low-temperature molten salt (ionic liquid or the like) is assumed.

支持体(3)は、それ自体で伝熱性を有しかつ熱合成反応の条件に耐える耐熱性および機械的強度を有する素材から形成されるべきものであり、例えば、SUSが挙げられる。 The support (3) should be formed of a material having heat transferability by itself and having heat resistance and mechanical strength to withstand the conditions of a heat synthesis reaction, and examples thereof include SUS.

支持体(3)自体の形状は、支持体(3)から基材(4)の表面に熱が供給され得るようになっていれば、また、基材(4)がいかなる形状を有するかによって任意に選択されてよい。 The shape of the support (3) itself depends on the shape of the base material (4) as long as heat can be supplied from the support (3) to the surface of the base material (4). It may be arbitrarily selected.

例えば、基材の形態として、管状または円盤状のものを使用してよい。 For example, as the form of the base material, a tubular or disc-shaped one may be used.

図1および2では、基材(4)が管状である場合を示しており、この場合、この管状の基材(4)を内側から支持するように支持体(3)も管状の形態を有している。 FIGS. 1 and 2 show a case where the base material (4) is tubular, and in this case, the support (3) also has a tubular shape so as to support the tubular base material (4) from the inside. is doing.

あるいは、円盤状の基材上に熱合成結晶膜を形成するのであれば、支持体も、円盤状の基材を載置するべく平坦面を有する構造とし、平坦面の内部に伝熱経路が形成されているものが選択されることになる。 Alternatively, if a thermosynthetic crystal film is formed on a disk-shaped substrate, the support also has a structure having a flat surface for mounting the disk-shaped substrate, and a heat transfer path is provided inside the flat surface. What is formed will be selected.

支持体(3)への基材(4)の設置および装着について、図1および2に示すように、基材(4)が管状の形態を有している場合、基材内に反応液が侵入しにくくなるように、事前に片端を封止した基材を支持体に被せるようにすることが想定される。封止されていない場合は、溶融ガラスや熱収縮チューブ等で封止することができる。 Regarding the installation and mounting of the base material (4) on the support (3), as shown in FIGS. 1 and 2, when the base material (4) has a tubular shape, the reaction solution is contained in the base material. It is envisioned that the support will be covered with a base material that has been sealed at one end in advance so that it will not easily penetrate. If it is not sealed, it can be sealed with molten glass, a heat-shrinkable tube, or the like.

支持体(3)が図1および2に示すような管状の形態を有する場合、その長さは、基材(4)の寸法に応じて任意に選択されてよいが、例えば、0.01~1.2m程度のものが想定される。支持体(3)が管状の形態を有するのであれば、その肉厚は、任意に選択されてよいが、例えば、1~2mmが望ましい。1mm未満であれば、強度不足による曲がり・折れという問題が発生する可能性があり、2mm超であれば、基材サイズに制約が生じるという問題が生じ得るからである。 When the support (3) has a tubular shape as shown in FIGS. 1 and 2, the length thereof may be arbitrarily selected depending on the dimensions of the base material (4), and is, for example, 0.01 to. The one of about 1.2m is assumed. If the support (3) has a tubular shape, its wall thickness may be arbitrarily selected, but is preferably 1 to 2 mm, for example. If it is less than 1 mm, there may be a problem of bending / breaking due to insufficient strength, and if it is more than 2 mm, there may be a problem that the size of the base material is restricted.

ここで、支持体(3)と基材(4)との間の隙間は、基材(4)への伝熱性を考慮して極力小さくする必要がある一方、逆に小さくし過ぎると出し入れが困難になり、さらには、支持体(3)の熱膨張によって基材(4)の破損が想定される。このため、両間の隙間は、0.5~1mmが望ましいものと考えられる。 Here, the gap between the support (3) and the base material (4) needs to be made as small as possible in consideration of the heat transfer property to the base material (4), but conversely, if it is made too small, it will be taken in and out. Further, it becomes difficult, and it is assumed that the base material (4) is damaged due to the thermal expansion of the support (3). Therefore, it is considered desirable that the gap between the two is 0.5 to 1 mm.

上記のように支持体(3)を介して基材(4)の表面上に結晶膜形成を誘発する熱が供給されることにより結晶化が進行するが、反応容器(2)内の反応液の全体も加熱する必要がある。 As described above, crystallization proceeds by supplying heat for inducing crystal film formation onto the surface of the substrate (4) via the support (3), but the reaction solution in the reaction vessel (2) The whole of is also needed to be heated.

このため、反応容器(2)自体は、恒温槽やヒータを具備したジャケット(加熱手段)等に収容される。 Therefore, the reaction vessel (2) itself is housed in a constant temperature bath, a jacket (heating means) provided with a heater, or the like.

また、反応容器内(2)には、複数の支持体およびこの支持体に支持された基材が、それぞれ平行になるように設置されることが想定される。 Further, it is assumed that a plurality of supports and a base material supported by the supports are installed in the reaction vessel (2) so as to be parallel to each other.

各支持体(3)の配置に関しては、外部加熱の均一性を考慮すれば、図3の(a)および(b)に示すように配置することが好ましいと考えられる。 Regarding the arrangement of each support (3), it is considered preferable to arrange them as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) in consideration of the uniformity of external heating.

しかしながら、反応容器(2)の形状は特に限定されるものではなく、反応容器(2)内の反応液の熱状態を均一にすることができるものであればよい。 However, the shape of the reaction vessel (2) is not particularly limited as long as it can make the thermal state of the reaction solution in the reaction vessel (2) uniform.

また、支持体(3)が中空構造を有しており、かつこの中空構造中に、シリコーンオイルや低温溶融塩等の熱媒を供給して支持体(3)を介した伝熱を行なう場合、効率的に加熱を行うため中空構造中に残る空気は脱気により極力除去されるべきものである。あるいは、このように上記のような熱媒を用いる場合には、空気を巻き込むことなく支持体の中空構造内に熱媒を侵入させることができるように、図4に示すように、反応容器の上側に支持体が配置されるようにしてもよい。 Further, when the support (3) has a hollow structure and a heat medium such as silicone oil or a low-temperature molten salt is supplied into the hollow structure to transfer heat through the support (3). In order to heat efficiently, the air remaining in the hollow structure should be removed as much as possible by degassing. Alternatively, when the heat medium as described above is used as described above, as shown in FIG. 4, the reaction vessel is provided so that the heat medium can penetrate into the hollow structure of the support without entraining air. The support may be arranged on the upper side.

また、反応容器(2)は、その外周側から加熱手段により加熱されるものであるため、従来の課題の通り、反応容器(2)の内壁から結晶化が生じるおそれもある。このような結晶析出を防ぐため、反応容器(2)の内壁側には、PTFEなどの伝熱の阻害層(6)を形成させておくのもよい。 Further, since the reaction vessel (2) is heated from the outer peripheral side thereof by the heating means, crystallization may occur from the inner wall of the reaction vessel (2) as in the conventional problem. In order to prevent such crystal precipitation, a heat transfer inhibitory layer (6) such as PTFE may be formed on the inner wall side of the reaction vessel (2).

反応容器(2)に充填される反応液は、結晶化の元となる前駆体を含有している。 The reaction solution filled in the reaction vessel (2) contains a precursor that is a source of crystallization.

例えば、典型例としてのゼオライト膜の形成の場合、反応容器(2)に充填される反応液は、アルミナ、シリカの原料となる前駆体(アルミン酸ナトリウムやコロイド状シリカなど)を含有する水性スラリーであり、各前駆体の含有率は、目的ゼオライト膜に合わせて、適宜選択されてよい。水量も適宜選択される。 For example, in the case of forming a zeolite membrane as a typical example, the reaction solution filled in the reaction vessel (2) is an aqueous slurry containing alumina and a precursor (sodium aluminate, colloidal silica, etc.) as a raw material for silica. Therefore, the content of each precursor may be appropriately selected according to the target zeolite membrane. The amount of water is also selected as appropriate.

上記の構成の熱合成結晶膜製造装置(1)は、さらに、反応容器(2)内の温度を測定する熱電対(反応液温度測定手段)と、支持体の温度を測定する熱電対(支持体温度測定手段)とをそれぞれ備えていることが好ましい(それぞれ図示を省略する)。 The thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus (1) having the above configuration further includes a thermocouple (reaction liquid temperature measuring means) for measuring the temperature inside the reaction vessel (2) and a thermocouple (support) for measuring the temperature of the support. It is preferable to have (body temperature measuring means) and (not shown).

このような熱電対をそれぞれ備えていることにより、反応液と支持体(3)の部分のそれぞれの温度を把握することができ、これらにより各場所の温度管理を行うことができる。 By providing each of such thermocouples, the temperatures of the reaction solution and the portion of the support (3) can be grasped, and the temperature of each place can be controlled by these.

さらに、本発明の熱合成結晶膜製造装置(1)において、反応液の温度を測定する熱電対からの温度測定値を入力し、かつ、支持体(3)の温度を測定する熱電対からの温度測定値を入力し、これらの温度測定値に基づき、反応容器(2)の温度および/または支持体(3)の温度を制御する制御手段(図示を省略する)を備えていることがより好ましい。このようにすれば、自動的に反応溶液の温度と支持体の温度とを制御管理することができる。 Further, in the thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus (1) of the present invention, a temperature measurement value from a thermocouple for measuring the temperature of the reaction solution is input, and the temperature is measured from the thermocouple for measuring the temperature of the support (3). It is more likely that a control means (not shown) for inputting temperature measurement values and controlling the temperature of the reaction vessel (2) and / or the temperature of the support (3) based on these temperature measurement values is provided. preferable. By doing so, the temperature of the reaction solution and the temperature of the support can be automatically controlled and controlled.

具体的には、基材(4)上での結晶成長を促し、かつ、均一かつ緻密な構造の薄膜を得るためには、支持体(3)の温度は、反応液の温度より+2~10℃程度高めに設定する必要があると考えられるが、上記のような制御手段を有する構成とすれば、より確実に上記の温度範囲内に制御管理することができる。 Specifically, in order to promote crystal growth on the substrate (4) and obtain a thin film having a uniform and dense structure, the temperature of the support (3) is +2 to 10 higher than the temperature of the reaction solution. It is considered necessary to set the temperature higher by about ° C., but if the configuration has the above-mentioned control means, the control and management can be performed more reliably within the above-mentioned temperature range.

以上に説明した本発明の熱合成結晶膜製造装置および熱合成結晶膜製造方法により、基材表面における優先的な急速加熱を実現することができ、基材の表面上の均質な合成膜の製造を効率的に行うことができる。 By the heat-synthesizing crystal film manufacturing apparatus and the heat-synthesizing crystal film manufacturing method of the present invention described above, preferential rapid heating on the surface of the base material can be realized, and a homogeneous synthetic film on the surface of the base material can be manufactured. Can be done efficiently.

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。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例)
図5に示されるような円筒状の熱合成結晶膜製造装置を準備し、本発明の効果を確認した。合成装置の材質はSUS316を使用し、円筒容器の寸法は直径100mm、長さ350mm、肉厚3mmとした。円筒容器内部にはA~Eの箇所に5本の中空金属支柱(支持体の一例)を配置し、中心に1本、それを取り囲むようにして、さらに4本を均等に配置した。中空金属支柱の寸法は、直径11mm、肉厚1.5mm、長さ300mmとした。結晶膜を熱合成する基材には、外径16mm、内径12mm、長さ300mmである中空状の多孔質アルミナチューブを使用した。中空金属支柱A~Eに、予め種結晶を塗布した多孔質アルミナチューブを設置し、結晶膜の前駆体を含む反応溶液を加えて密閉した。所定温度に設定された強制対流式の空気恒温槽内にて、所定時間の熱合成にて熱合成結晶膜を得た。
(Example)
A cylindrical thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus as shown in FIG. 5 was prepared, and the effect of the present invention was confirmed. The material of the synthesizer was SUS316, and the dimensions of the cylindrical container were 100 mm in diameter, 350 mm in length, and 3 mm in wall thickness. Inside the cylindrical container, five hollow metal columns (an example of a support) were placed at points A to E, one in the center, and four more were evenly arranged so as to surround it. The dimensions of the hollow metal column were 11 mm in diameter, 1.5 mm in wall thickness, and 300 mm in length. A hollow porous alumina tube having an outer diameter of 16 mm, an inner diameter of 12 mm, and a length of 300 mm was used as the base material for thermally synthesizing the crystal film. Porous alumina tubes coated with seed crystals in advance were placed on the hollow metal columns A to E, and a reaction solution containing a precursor of a crystal film was added and sealed. A heat-synthesized crystal film was obtained by heat synthesis for a predetermined time in a forced convection type air constant temperature bath set to a predetermined temperature.

以下、実施例として、LTAゼオライト膜、CHA型ゼオライト膜を熱合成したときの、調製方法および詳細な評価方法を示す。 Hereinafter, as an example, a preparation method and a detailed evaluation method when the LTA zeolite membrane and the CHA-type zeolite membrane are thermally synthesized will be shown.

LTA型ゼオライト膜の調製は、非特許文献1(JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS 14 (1995) 206-208)に記載の手法に準じて、100℃(6h)の熱合成を実施した。分離性能の評価は、10%水-90%エタノール混合溶液を用いた浸透気化分離(パーベーパーレーション)を75℃にて実施した。処理能力を意味する透過流束(単位時間・単位面積当たりの透過量)と、選択性を意味する分離係数(透過液の水濃度/透過液のアルコール濃度)/(供給液の水濃度/供給液のアルコール濃度))を求めた。なお、水濃度の測定は、ガスクロマトグラフ(島津製作所)を用いた。 The LTA-type zeolite membrane was prepared by heat synthesis at 100 ° C. (6 h) according to the method described in Non-Patent Document 1 (JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS 14 (1995) 206-208). The evaluation of the separation performance was carried out by osmotic vaporization separation (perversion) using a mixed solution of 10% water-90% ethanol at 75 ° C. Permeation flux (permeation amount per unit time / unit area), which means processing capacity, and separation coefficient (water concentration of permeate / alcohol concentration of permeate) / (water concentration of supply liquid / supply), which means selectivity. The alcohol concentration of the liquid)) was determined. A gas chromatograph (Shimadzu Corporation) was used to measure the water concentration.

CHA型ゼオライト膜の調製は、特許文献3(特許第6373381号)に記載の手法に準じて、160℃(24h)の熱合成を実施した。分離性能の評価は、50%二酸化炭素-50%メタン混合ガスを、40℃かつ圧力差3気圧で膜透過させ、そのときの各成分の透過度(単位面積・単位時間・単位圧力差当たりの透過量)および透過度比を算出した。なお、二酸化炭素およびメタンの濃度の測定は、ガスクロマトグラフ(島津製作所)を用いた。 The CHA-type zeolite membrane was prepared by heat synthesis at 160 ° C. (24 hours) according to the method described in Patent Document 3 (Patent No. 6373381). The separation performance was evaluated by allowing a 50% carbon dioxide-50% methane mixed gas to permeate the membrane at 40 ° C and a pressure difference of 3 atm, and the permeability of each component at that time (per unit area, unit time, unit pressure difference). Permeation amount) and transmittance ratio were calculated. A gas chromatograph (Shimadzu Corporation) was used to measure the concentrations of carbon dioxide and methane.

(LTA型ゼオライト膜の製造)
下記の表1において、本発明の熱合成結晶膜製造装置の各ポジションA~Eで調製したLTA型ゼオライト膜の分離性能について示す。
(Manufacturing of LTA type zeolite membrane)
Table 1 below shows the separation performance of the LTA-type zeolite membrane prepared at each position A to E of the heat-synthesized crystal membrane manufacturing apparatus of the present invention.

Figure 0007079708000001
Figure 0007079708000001

本実施例1におけるように中空金属支柱を設置して合成したゼオライト膜は、ポジションに関わらず、分離性能が均一であり(表1中の最右欄の「分離係数」を参照)、合成の歩留まりが良好であることが分かった。 The zeolite membrane synthesized by installing the hollow metal support as in the first embodiment has uniform separation performance regardless of the position (see “separation coefficient” in the rightmost column in Table 1), and is synthesized. It turned out that the yield was good.

表1には、比較例1として、中空金属支柱の代わりに、伝熱経路を持たない中実テフロン(登録商標)を設置したものも示す。分離性能が不均一であり、特に、容器中心部(ポジションC)の分離性能が著しく低下していることがわかった。 Table 1 also shows, as Comparative Example 1, a solid Teflon (registered trademark) having no heat transfer path installed in place of the hollow metal support. It was found that the separation performance was non-uniform, and in particular, the separation performance at the center of the container (position C) was significantly reduced.

図6は、熱合成結晶膜製造装置内の反応溶液の温度変化を示す。合成開始とともに反応溶液の内部温度は上昇していくが、伝熱経路を持たない中実テフロン(登録商標)を設置した場合(図6中の○印)には、容器の中心部と周辺部では温度差が大きいことがわかる。比較例1において、均質なゼオライト膜を得ることができなかった要因は、この温度ムラにあると考えられる。一方、本発明に従う、中空金属支柱を設置した場合(図6中□印)には、温度ムラが小さく、設定温度の到達時間が短いことがわかった。容器内の温度ムラなく急速加熱された結果、不純物の生成や膜の成長不足が発生しにくくなり、高品質なゼオライト膜が得られたと考えられる。 FIG. 6 shows the temperature change of the reaction solution in the thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus. The internal temperature of the reaction solution rises as the synthesis starts, but when a solid Teflon (registered trademark) that does not have a heat transfer path is installed (marked with a circle in FIG. 6), the central and peripheral parts of the container are installed. Then, it can be seen that the temperature difference is large. It is considered that the reason why the homogeneous zeolite membrane could not be obtained in Comparative Example 1 is this temperature unevenness. On the other hand, it was found that when the hollow metal support column was installed according to the present invention (marked with □ in FIG. 6), the temperature unevenness was small and the time to reach the set temperature was short. As a result of rapid heating without uneven temperature in the container, it is considered that the formation of impurities and insufficient growth of the membrane are less likely to occur, and a high-quality zeolite membrane is obtained.

(CHA型ゼオライト膜の製造)
下記の表2において、本発明の熱合成結晶膜製造装置の各ポジションA~Eで調製したCHA型ゼオライト膜の分離性能を示す。
(Manufacturing of CHA type zeolite membrane)
Table 2 below shows the separation performance of the CHA-type zeolite membrane prepared at each position A to E of the heat-synthesized crystal membrane manufacturing apparatus of the present invention.

Figure 0007079708000002
Figure 0007079708000002

こちらも上記のLTA型ゼオライト膜の場合と同様に、中空金属支柱を設置した場合(実施例2)、生成されるCHA型ゼオライト膜の分離性能は均質であり、合成の歩留まりも良好であった。反対に、中実テフロン(登録商標)支柱を設置した比較例2では、CHA型ゼオライト膜は、調製されたポジションA~Eで分離性能が異なっており不均質であった。 Similar to the case of the above-mentioned LTA-type zeolite membrane, when the hollow metal strut was installed (Example 2), the separation performance of the generated CHA-type zeolite membrane was homogeneous, and the yield of synthesis was also good. .. On the contrary, in Comparative Example 2 in which the solid Teflon (registered trademark) strut was installed, the CHA-type zeolite membrane was inhomogeneous because the separation performance was different between the prepared positions A to E.

図7は、熱合成結晶膜製造装置内の反応溶液の温度変化を示す。こちらも同様に、中実テフロン(登録商標)を設置した場合(図7中○印)にうは、装置内部の温度ムラが大きく、設定温度への到達時間が長くなることがわかった。 FIG. 7 shows the temperature change of the reaction solution in the thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus. Similarly, when solid Teflon (registered trademark) was installed (marked with a circle in FIG. 7), it was found that the temperature unevenness inside the device was large and the time to reach the set temperature was long.

Claims (4)

膜前駆体を含有する反応液を収容し、かつ、熱により誘発される熱合成結晶膜の形成反応場となる反応容器と、
該反応容器内の反応液を該反応容器の周囲から加熱する加熱手段と、
該反応容器内に配置され、その表面上に成膜がなされる中空状の基材を内側から支持する支持体と
を備えた、熱合成結晶膜製造装置であって、
該支持体は、伝熱経路として機能する中空構造を有し、該中空構造に熱媒体が侵入することにより反応容器の外部から該伝熱経路を介して支持体を加熱することができるようになっており、
該反応容器の内壁側には、伝熱の阻害層が形成されていることを特徴とする熱合成結晶膜製造装置。
A reaction vessel that contains a reaction solution containing a membrane precursor and serves as a reaction field for forming a heat-induced heat-induced crystalline crystal film.
A heating means for heating the reaction solution in the reaction vessel from around the reaction vessel, and
A thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus provided with a support arranged in the reaction vessel and supporting a hollow base material on the surface of which a film is formed from the inside .
The support has a hollow structure that functions as a heat transfer path, and the support can be heated from the outside of the reaction vessel via the heat transfer path by invading the hollow structure. It has become
A heat synthetic crystal film manufacturing apparatus characterized in that a heat transfer inhibitory layer is formed on the inner wall side of the reaction vessel .
前記反応容器中の反応液の温度を測定する反応液温度測定手段と、前記支持体の温度を測定する支持体温度測定手段とを備えている、請求項1に記載の熱合成結晶膜製造装置。 The thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus according to claim 1 , further comprising a reaction liquid temperature measuring means for measuring the temperature of the reaction liquid in the reaction vessel and a support temperature measuring means for measuring the temperature of the support. .. 前記反応液温度測定手段から反応液の温度測定値を入力し、かつ、前記支持体温度測定手段から支持体の温度測定値を入力し、これらの温度測定値に基づき、支持体の温度が反応液の温度より+2~10℃高くなるように、前記加熱手段および/または支持体の温度を制御する制御手段を備えている、請求項に記載の熱合成結晶膜製造装置。 The temperature measurement value of the reaction solution is input from the reaction liquid temperature measuring means, and the temperature measurement value of the support is input from the support temperature measuring means, and the temperature of the support reacts based on these temperature measurement values. The thermosynthetic crystal film manufacturing apparatus according to claim 2 , further comprising a control means for controlling the temperature of the heating means and / or the support so as to be higher than the temperature of the liquid by +2 to 10 ° C. 結晶膜の前駆体を含有する反応液と、結晶膜が形成されることになる中空状の基材とが接触している状態において、結晶化を誘発する熱が該基材に供給されることにより結晶化が進行する熱合成結晶膜製造方法であって、
該反応液は、内壁側に伝熱の阻害層が形成された反応容器内に収容され、該反応容器の周囲から加熱され、
該基材を支持している中空状の支持体を介して結晶化を誘発する熱を該基材上に供給する、熱合成結晶膜製造方法。
In a state where the reaction solution containing the precursor of the crystal film and the hollow base material on which the crystal film is to be formed are in contact with each other, heat for inducing crystallization is supplied to the base material. This is a method for producing a hydrothermally synthesized crystal film in which crystallization progresses.
The reaction solution is housed in a reaction vessel in which a heat transfer inhibitory layer is formed on the inner wall side, and is heated from the periphery of the reaction vessel.
A method for producing a hydrothermal synthetic crystal film, wherein heat for inducing crystallization is supplied onto the substrate through a hollow support that supports the substrate.
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