JP7240756B2 - Gas separation membrane containing different types of zeolite and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、MWW型ゼオライト及びDDR型ゼオライトを含む気体分離膜及びこれの製造方法に関し、
具体的には、MWW型ゼオライトにDDRゼオライトがエピタキシャル成長されたか、またはDDRゼオライトにMWW型ゼオライトがエピタキシャル成長されたものを含む気体分離膜またはその製造方法に関する。
The present invention relates to a gas separation membrane containing MWW-type zeolite and DDR-type zeolite and a method for producing the same,
Specifically, it relates to a gas separation membrane comprising MWW zeolite epitaxially grown with DDR zeolite or DDR zeolite epitaxially grown with MWW zeolite, or a method for producing the same.
ゼオライトは、メタノールのガソリン転換や煤煙の脱窒などのための触媒であって、SiO4とAlO4 -の四面体が幾何学的な形態で結合して規則的な三次元骨格構造を有するアルミナ-シリカの結晶分子体で、前記四面体は酸素を互いに共有して連結され、骨格は溝(channel)を有し、さらに互いに連結されている空洞(cavity)を有するという特徴がある。このような特徴によって、ゼオライトはイオン交換性に優れているため、触媒、吸着剤、分子体、イオン交換剤、分離膜などの様々な用途で用いられている。 Zeolite is a catalyst for conversion of methanol to gasoline, denitrification of soot, etc., and is alumina having a regular three-dimensional framework structure in which tetrahedra of SiO 4 and AlO 4 − are combined in a geometric form. - It is a crystalline molecular body of silica, characterized in that the tetrahedrons are connected by sharing oxygen, the skeleton has channels, and the cavities are connected to each other. Due to these characteristics, zeolites have excellent ion exchange properties, and are used in various applications such as catalysts, adsorbents, molecular bodies, ion exchange agents, and separation membranes.
従来のゼオライト分離膜の場合、分離膜を製作する際、必然的に生成されるゼオライト固有の気孔のサイズよりも大きい欠陥によって、分離性能が大きく低下し、これによって高性能の分離膜の製作が難しかった。 In the case of conventional zeolite separation membranes, defects larger than the pore size inherent to zeolite, which are inevitably generated during the production of separation membranes, greatly reduce the separation performance, making it difficult to produce high-performance separation membranes. was difficult.
よって、ゼオライト固有の気孔のサイズよりも大きい欠陥を埋めて分離性能に優れている分離膜に対する開発が求められている。 Therefore, there is a demand for the development of a separation membrane that fills defects larger than the pore size inherent to zeolite and has excellent separation performance.
本発明が解決しようとする課題は、異種のゼオライトが互いに交互にエピタキシャル成長された気体分離膜及びこれの製造方法を提供することある。具体的に、本発明は、MWW型ゼオライトからDDR型ゼオライトがエピタキシャル成長されるか、または、DDR型ゼオライトからMWW型ゼオライトがエピタキシャル成長された気体分離膜を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas separation membrane in which different kinds of zeolites are alternately epitaxially grown, and a method of manufacturing the same. Specifically, the present invention provides a gas separation membrane in which DDR type zeolite is epitaxially grown from MWW type zeolite or MWW type zeolite is epitaxially grown from DDR type zeolite.
本発明は、1つ以上のMWW型ゼオライトと1つ以上のDDR型ゼオライトとを含み、前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとは互いに交互に備えられ、前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとの中の少なくともいずれか1つ以上は、エピタキシャル成長(epitaxial growth)されるものを含むMWW/DDR型気体分離膜を提供する。 The present invention includes one or more MWW-type zeolite and one or more DDR-type zeolite, wherein the MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite are alternately provided, and the MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite are provided alternately. provides MWW/DDR type gas separation membranes, including those that are epitaxially grown.
また、本発明は、第1の構造誘導剤及び第1の原料を含む第1のゼオライト前駆体溶液を用いて水熱合成法で製造した複数の第1のゼオライト粒子を支持体上に備えて、第1のゼオライトを形成する第1のゼオライト形成ステップ;及び
第2の構造誘導剤及び第2の原料を含む第2のゼオライト前駆体溶液を用いて水熱合成法で前記第1のゼオライト上に第2のゼオライトを成長させる第2のゼオライト形成ステップ;を含み、
前記第1または第2の原料は、それぞれSi及びAlの中の少なくともいずれか1つ以上を含み、
前記第1のゼオライトは、前記支持体上に複数の粒子の形態で備えられ、前記第2のゼオライトは、前記第1のゼオライト上でエピタキシャル成長(epitaxial growth)されるものを含む気体分離膜の製造方法を提供する。
Further, the present invention provides a plurality of first zeolite particles produced by a hydrothermal synthesis method using a first zeolite precursor solution containing a first structure-inducing agent and a first raw material on a support. , a first zeolite forming step to form a first zeolite; and a second zeolite precursor solution comprising a second structure directing agent and a second raw material on the first zeolite in a hydrothermal method. a second zeolite forming step of growing the second zeolite to
The first or second raw material contains at least one or more of Si and Al, respectively,
The first zeolite is provided in the form of a plurality of particles on the support, and the second zeolite is epitaxially grown on the first zeolite. provide a way.
本発明に係る気体分離膜は、MWW型ゼオライトとDDR型ゼオライトとの構造的連続性を利用して異種のゼオライトが互いにエピタキシャル成長された気体分離膜は優れた分離効能を有することができる。 The gas separation membrane according to the present invention, in which different types of zeolites are epitaxially grown using the structural continuity of MWW-type zeolite and DDR-type zeolite, can have excellent separation efficiency.
以下、本発明をより具体的に説明するために、本発明に係る好ましい実施例を、添付の図面を参照してより詳しく説明する。しかしながら、本発明は、ここにおいて説明される実施例に限定されるものではなく、他の形態に具体化されることもできる。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to explain the present invention more specifically. This invention may, however, be embodied in other forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
ゼオライト分離膜は、微細気孔のサイズが一定で、分子体の役割を行うことができる。ゼオライト分離膜を分離工程に適用する場合、既存の分離工程で使用されていたエネルギーを低減することができると期待されている。現在まで253のゼオライト構造が提示されているが、それにもかかわらず、少数のゼオライト(例;MFI、FAU、CHA、DDR、MOR、LTA)構造が分離膜に合成された。 The zeolite separation membrane has a uniform size of micropores and can act as a molecular body. When the zeolite separation membrane is applied to the separation process, it is expected that the energy used in the existing separation process can be reduced. Although 253 zeolite structures have been proposed to date, a few zeolite (eg MFI, FAU, CHA, DDR, MOR, LTA) structures have nevertheless been synthesized for separation membranes.
分離膜の合成時、均一のシード層を形成した後、2次成長を通じて分離膜を合成する方法を主に使用しているが、大体シード層と2次成長で育った分離膜の構造が同一な構造からなっていた。 When synthesizing the separation membrane, the method of synthesizing the separation membrane through secondary growth after forming a uniform seed layer is mainly used. It consisted of a structure
DDR型ゼオライトは、気孔のサイズが約0.36x0.44nm2で、CO2(0.33nm)を分子体の役割を通じて選択的に分離することができる。しかしながら、DDR型ゼオライトは、シード粒子を合成することが難しく、再現性が低くて、分離膜のシード層の形成が難しく、連続的なDDR型ゼオライト分離膜の合成を提示したケースが非常に少ない。 DDR-type zeolite has a pore size of about 0.36×0.44 nm 2 and can selectively separate CO 2 (0.33 nm) through the role of molecular bodies. However, DDR-type zeolite is difficult to synthesize seed particles, has low reproducibility, and is difficult to form a seed layer of a separation membrane. .
また、MWW型ゼオライトは、板形粒子で、c-方向に配向される際、6membered ring(MR)気孔(0.28nm)を垂直に通過しなければならないため、水素選択的分離膜として提示された。だが、6MR気孔方向に配向された分離膜の形成が難しく、連続的な分離膜の形成及び分離性能については報告されたことがない。 In addition, the MWW-type zeolite is a plate-shaped particle, and when oriented in the c-direction, it must pass vertically through 6-membered ring (MR) pores (0.28 nm), so it is proposed as a hydrogen selective separation membrane. rice field. However, it is difficult to form a separation membrane oriented in the 6MR pore direction, and there has been no report on the formation and separation performance of a continuous separation membrane.
本発明は、1つ以上のMWW型ゼオライトと1つ以上のDDR型ゼオライトとを含み、
前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとは、互いに交互に備えられ、前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとの中の少なくともいずれか1つ以上は、エピタキシャル成長(epitaxial growth)されるものを含むMWW/DDR構造気体分離膜を提供する。
The present invention comprises one or more MWW-type zeolites and one or more DDR-type zeolites,
The MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite are provided alternately, and at least one of the MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite is epitaxially grown. A /DDR structural gas separation membrane is provided.
前記MWW/DDR構造は、MWW型ゼオライトとDDR型ゼオライトとが相互成長したものであって、1つ以上のMWW型ゼオライトに1つ以上のDDR型ゼオライトがエピタキシャル成長されたものか、または、1つ以上のDDR型ゼオライトに1つ以上のMWW型ゼオライトがエピタキシャル成長されたものを意味する。 The MWW/DDR structure is a structure in which MWW-type zeolite and DDR-type zeolite are intergrown, and one or more MWW-type zeolites are epitaxially grown with one or more DDR-type zeolites, or one One or more MWW type zeolites are epitaxially grown on the above DDR type zeolite.
一例として、本発明の気体分離膜は、前記MWW型ゼオライト及びDDR型ゼオライトが独立して層(layer)を形成し、交互に繰り返して備えられることができ、前記気体分離膜の厚さは0.1~50μm、0.1~30μm、0.5~10μm、または0.5~3μmであり得る。 For example, in the gas separation membrane of the present invention, the MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite independently form layers and are alternately and repeatedly provided, and the thickness of the gas separation membrane is 0. .1-50 μm, 0.1-30 μm, 0.5-10 μm, or 0.5-3 μm.
一例として、前記MWW型ゼオライト上にDDR型ゼオライトが第1の条件で水熱合成法でエピタキシャル成長されて備えられるか、または、前記DDR型ゼオライト上にMWW型ゼオライトが第2の条件で水熱合成法でエピタキシャル成長されて備えられることができる。 As an example, DDR type zeolite is epitaxially grown on the MWW type zeolite by a hydrothermal synthesis method under a first condition, or MWW type zeolite is hydrothermally synthesized on the DDR type zeolite under a second condition. can be provided epitaxially grown by the method.
前記第1の条件は、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~160℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~10日間、水熱合成することを含み、前記第2の条件は、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~150℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~11日間、水熱合成することを含むことができる。 The first condition is a temperature of 100° C. to 200° C., 100° C. to 180° C., 120° C. to 160° C., or 130° C. to 160° C. for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or comprising hydrothermally synthesizing for 1 day to 10 days, wherein the second condition is 100° C. to 200° C., 100° C. to 180° C., 120° C. to 160° C., or 130° C. to 150° C. at a temperature of 0 .5 to 15 days, 1 to 15 days, or 1 to 11 days of hydrothermal synthesis.
前記MWW型ゼオライトは、Si:Alのモル比の基準値が100:0~10または100:1~10であることができる。 The MWW-type zeolite may have a standard Si:Al molar ratio of 100:0-10 or 100:1-10.
前記DDR型ゼオライトは、Si:Alのモル比の基準値が100:0~10または100:0~1であることができる。 The DDR-type zeolite may have a standard Si:Al molar ratio of 100:0-10 or 100:0-1.
本発明に係る気体分離膜は、上記したように、異種のゼオライトが交互に相互成長された構造を有し、前記異種のゼオライトが互いにエピタキシャル成長されたことを特徴とするので、気体混合物から二酸化炭素の気体(CO2)を分離する気体分離効率を、既存の分離膜に比べ、さらに向上することができる。 As described above, the gas separation membrane according to the present invention has a structure in which different types of zeolites are alternately and mutually grown, and the different types of zeolites are epitaxially grown with each other. gas (CO 2 ) can be further improved compared to existing separation membranes.
また、本発明の気体分離膜は、図1の(a)に示すように、前記MWW型ゼオライト上にDDR型ゼオライトが第1の方向Xに備えられている場合、前記MWW型ゼオライトは、複数のMWW型ゼオライト粒子の集団からなり、前記MWW型ゼオライト粒子は、前記第1の方向に平行する平均長さT1が10nm~1μm、100nm~1μm、10nm~800nm、20nm~500nm、10nm~100nm、または50nm~100nmである。 Further, in the gas separation membrane of the present invention, when the DDR type zeolite is provided on the MWW type zeolite in the first direction X as shown in (a) of FIG. The MWW-type zeolite particles have an average length T1 parallel to the first direction of 10 nm to 1 μm, 100 nm to 1 μm, 10 nm to 800 nm, 20 nm to 500 nm, 10 nm to 100 nm, or 50 nm to 100 nm.
また、図1の(b)に示すように、前記DDR型ゼオライト上にMWW型ゼオライトが第1の方向Xに備えられる場合、前記DDR型ゼオライトは、複数のDDR型ゼオライト粒子の集団からなり、前記DDR型ゼオライト粒子は、前記第1の方向に平行する平均長さT2が0.1μm~10μm、0.1μm~5μm、0.5μm~5μm、1μm~5μm、0.5μm~3μm、または0.1μm~1μmであるものを含むことができる。 Further, as shown in (b) of FIG. 1, when the MWW-type zeolite is provided on the DDR-type zeolite in the first direction X, the DDR-type zeolite is composed of a group of a plurality of DDR-type zeolite particles, The DDR type zeolite particles have an average length T2 parallel to the first direction of 0.1 μm to 10 μm, 0.1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 5 μm, 1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 3 μm, or 0 .1 μm to 1 μm.
さらに、図1の(c)に示すように、前記複数のMWW型ゼオライト粒子が多層(multi-layer)に積層されて第1のゼオライトを形成することができ、図1の(d)に示すように、前記複数のDDR型ゼオライト粒子が多層(multi-layer)に積層されて第1のゼオライトを形成することができる。 Further, as shown in FIG. 1(c), the plurality of MWW-type zeolite particles can be multi-layered to form a first zeolite, as shown in FIG. 1(d). As such, the plurality of DDR-type zeolite particles may be stacked in a multi-layer to form a first zeolite.
前記MWW型ゼオライト粒子または前記DDR型ゼオライト粒子は、第1のゼオライト粒子で第2のゼオライトを形成するためのシードの役割をすることができる。 The MWW-type zeolite particles or the DDR-type zeolite particles can serve as seeds for forming a second zeolite with the first zeolite particles.
また、本発明は、図2に示すように、第1の構造誘導剤及び第1の原料を含む第1のゼオライト前駆体溶液を用いて、水熱合成法で製造した複数の第1のゼオライト粒子を支持体上に備えて、第1のゼオライトを形成する第1のゼオライト形成ステップ;及び第2の構造誘導剤及び第2の原料を含む第2のゼオライト前駆体溶液を用いて、水熱合成法で、前記第1のゼオライト上に第2のゼオライトを成長させる第2のゼオライト形成ステップ;を含み、前記第1または第2の原料は、それぞれSi及びAlの中の少なくともいずれか1つ以上を含み、前記第1のゼオライトは、前記支持体上に複数の粒子の形態で備えられ、前記第2のゼオライトは、前記第1のゼオライト上でエピタキシャル成長(epitaxial growth)されるものを含む気体分離膜の製造方法を提供する。 In addition, as shown in FIG. 2, the present invention provides a plurality of first zeolites produced by a hydrothermal synthesis method using a first zeolite precursor solution containing a first structure-inducing agent and a first raw material. hydrothermally using a first zeolite forming step of providing particles on a support to form a first zeolite; and a second zeolite precursor solution comprising a second structure directing agent and a second raw material; a second zeolite forming step of growing a second zeolite on said first zeolite, wherein said first or second source material is at least one of Si and Al, respectively; said first zeolite is provided on said support in the form of a plurality of particles, and said second zeolite is epitaxially grown on said first zeolite. A method for manufacturing a separation membrane is provided.
さらに、本発明に係る気体分離膜の製造方法は、図3に示すように、前記第1のゼオライト形成ステップ及び前記第2のゼオライト形成ステップの間に、前記第1のゼオライト形成ステップの複数の第1のゼオライト粒子の少なくとも一部を覆うバッファー部を形成するバッファー部形成ステップを含むことができる。 Furthermore, in the method for producing a gas separation membrane according to the present invention, as shown in FIG. 3, between the first zeolite forming step and the second zeolite forming step, a plurality of A buffer portion forming step of forming a buffer portion covering at least a portion of the first zeolite particles can be included.
前記バッファー部形成ステップは、前記第1のゼオライトとバッファー部前駆体溶液を用いて、水熱合成法で、前記第1のゼオライトの複数の粒子上に第2のゼオライトを成長させることができる。 The buffer portion forming step can grow a second zeolite on the plurality of particles of the first zeolite by a hydrothermal synthesis method using the first zeolite and a buffer portion precursor solution.
前記バッファー部形成ステップは省略可能である。前記バッファー部形成ステップによって、互いに異なる構造からなる第1及び第2のゼオライトの間の界面が、エピタキシャル成長して備えられるようにすることによって、構造的な安全性をより向上することができる。 The buffer portion forming step can be omitted. Through the step of forming the buffer portion, an interface between the first and second zeolites having different structures is epitaxially grown, thereby further improving structural safety.
前記第1または第2の原料は、それぞれSi及びAlの中の少なくともいずれか1つ以上を含む。 Each of the first and second raw materials contains at least one of Si and Al.
前記Siを含む原料は、シリカ(SiO2)、モノマーシリカ(monomeric silica)、ヒュームドシリカ(fumed silica)及びコロイドシリカの中のいずれか1つ以上を含むことができる。 The raw material containing Si may include at least one of silica (SiO 2 ), monomeric silica, fumed silica, and colloidal silica.
前記Alを含む原料は、酸化アルミニウム塩を含むことができ、具体的に、Alを含む原料は、NaAl2O3であり得る。 The Al-containing material may include an aluminum oxide salt, and specifically, the Al-containing material may be NaAl 2 O 3 .
具体的に、第1または第2のゼオライト前駆体溶液がMWW型ゼオライトを成長させるための溶液である場合、前記第1または第2の原料はSi及びAlを含み、前記第1または第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:10~500:500~20000、または100:1~10:10~500:500~20000を含むことができる。 Specifically, when the first or second zeolite precursor solution is a solution for growing MWW-type zeolite, the first or second raw material contains Si and Al, and the first or second zeolite precursor solution contains Si and Al. The molar concentration ratio of the zeolite precursor solution is Si:Al:structuring agent:solvent=100:0-10:10-500:500-20000, or 100:1-10:10-500:500-20000. can contain.
また、第1または第2のゼオライト前駆体溶液がDDR型ゼオライトを成長させるための溶液である場合、前記第1または第2の原料はSi, Alを含み、前記第1または第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:1~200:500~20000、または100:0~1:1~200:500~20000であり得る。 Further, when the first or second zeolite precursor solution is a solution for growing DDR type zeolite, the first or second raw material contains Si, Al, and the first or second zeolite precursor solution is The molar concentration ratio of the body solution can be Si:Al:structuring agent:solvent=100:0-10:1-200:500-20000, or 100:0-1:1-200:500-20000 .
前記溶媒は、蒸留水、脱イオン水、またはエタノールを含むことができる。 The solvent can include distilled water, deionized water, or ethanol.
前記第1及び第2の構造誘導剤は、独立して、ヘキサメチレンイミン(Hexamethyleneimine、HMI)、ピぺリジン(Piperidine)、アダマンチルアミン(1-adamantylamine)、エチレンジアミン(ethylenediamine)、メチルトロピニウム塩、1-TMAdaOH(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide)、TMAdaBr(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide)、TMAdaF(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride)、TMAdaCl(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride)、TMAdaI(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide)、TEAOH(tetraethylammonium hydroxide)、TEABr(tetraethylammonium bromide)、TEAF(tetraethylammonium fluoride)、TEACl(tetraethylammonium chloride)、TEAI(tetraethylammonium iodide)、ジプロピルアミン(dipropylamine)、及びシクロへキシルアミン(cyclohexylamine)の中のいずれか1つ以上を含む。 The first and second structure directing agents are independently hexamethyleneimine (HMI), piperidine, adamantylamine (1-adamantylamine), ethylenediamine, methyltropinium salts, 1-TMAdaOH (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantyl), TMAdaCl(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride)、TMAdaI(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide)、TEAOH(tetraethylammonium hydroxide)、TEABr(tetraethylammonium bromide)、TEAF(tetraethylammonium fluoride)、 TEACl (tetraethylammonium chloride), TEAI (tetraethylammonium iodide), dipropylamine, and cyclohexylamine.
前記メチルトロピニウム塩は、メチルトロピニウムアイオダイド(methyltropinium
iodide)、メチルトロピニウムフルオライド(methyltropinium fluoride)、メチルトロピニウムクロライド(methyltropinium chloride)、メチルトロピニウムブロマイド(methyltropinium bromide)、及びメチルトロピニウムハイドロキサイド(methyltropinium hydroxide)で構成された群から選択される1種以上を含む。
The methyltropinium salt is methyltropinium iodide.
iodide), methyltropinium fluoride, methyltropinium chloride, methyltropinium bromide, and methyltropinium hydroxide including one or more
具体的に、第1及び第2の構造誘導剤のうちMWW型ゼオライトを成長させるための構造誘導剤は、ヘキサメチレンイミン(Hexamethyleneimine、HMI)、ピぺリジン(Piperidine)、TMAdaOH(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide)、TMAdaBr(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide)、TMAdaF(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride)、TMAdaCl(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride)、及びTMAdaI(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide)の中のいずれか1つ以上であり得る。 Specifically, among the first and second structure inducers, the structure inducer for growing MWW-type zeolite is hexamethyleneimine (HMI), piperidine, TMAdaOH (N, N, N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide) (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride) trimethyl-1-adamantylammonium chloride), and TMAdaI (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide).
また、第1及び第2の構造誘導剤のうちDDR型ゼオライトを成長させるための構造誘導剤は、メチルトロピニウム塩、アダマンチルアミン(1-adamantylamine)、及びエチレンジアミン(ethylenediamine)の中のいずれか1つ以上であり得る。 Further, the structure-inducing agent for growing DDR-type zeolite among the first and second structure-inducing agents is any one of methyltropinium salt, adamantylamine (1-adamantylamine), and ethylenediamine can be one or more.
前記支持体は、α-アルミナ、γ-アルミナ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルフォン、ポリイミド、シリカ、グラス、ムライト(mullite)、ジルコニア(zirconia)、チタニア(titania)、イットリア(yttria)、セリア(ceria)、バナジア(vanadia)、シリコン、ステンレススチール、カーボン、カルシウム酸化物、及びリン酸化物の中のいずれか1つ以上を含む。 The support includes α-alumina, γ-alumina, polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, polysulfone, polyimide, silica, glass, mullite, zirconia, titania, yttria. , ceria, vanadia, silicon, stainless steel, carbon, calcium oxide, and phosphorous oxide.
前記第1のゼオライト形成ステップは、第1の構造誘導剤及び第1の原料を含む第1のゼオライト前駆体溶液を用いて、水熱合成法で製造した複数の第1のゼオライト粒子を前記支持体上に備えて、第1のゼオライトを形成するステップである。 The first zeolite forming step uses a first zeolite precursor solution containing a first structure-inducing agent and a first raw material to support the plurality of first zeolite particles produced by a hydrothermal synthesis method. Forming the first zeolite in preparation on the body.
前記第1のゼオライト形成ステップは、下記のように、2つのステップで構成されることができる:
(1)前記第1のゼオライト前駆体溶液を用いて、第1の条件または第2の条件で水熱合成法で複数の第1のゼオライト粒子を形成する第1のゼオライト粒子形成ステップ;及び
(2)前記形成されている複数の第1のゼオライト粒子を含む懸濁液を用いて、支持体に前記第1のゼオライト粒子を蒸着させる第1のゼオライト形成ステップを含むことができる。
Said first zeolite formation step can consist of two steps, as follows:
(1) A first zeolite particle forming step of forming a plurality of first zeolite particles by a hydrothermal synthesis method under a first condition or a second condition using the first zeolite precursor solution; and ( 2) can include a first zeolite forming step of depositing said first zeolite particles on a support using a suspension comprising said forming plurality of first zeolite particles.
前記第1のゼオライト前駆体溶液がMWW型ゼオライト粒子を形成するための溶液である場合、前記第1の原料はSi及びAlを含み、前記第1のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:10~500:500~20000、または100:1~10:10~500:500~20000を含む。具体的に、MWW型ゼオライト粒子を形成するための第1のゼオライト前駆体溶液は、Si:Na:Al:構造誘導剤:溶媒=100:10~100:0~10:10~500:500~20000、または100:10~100:1~10:10~500:500~20000の割合で混合された溶液であり得る。 When the first zeolite precursor solution is a solution for forming MWW-type zeolite particles, the first raw material contains Si and Al, and the molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is Si:Al:structure inducer:solvent=100:0-10:10-500:500-20000 or 100:1-10:10-500:500-20000. Specifically, the first zeolite precursor solution for forming the MWW-type zeolite particles is Si:Na:Al:structure inducer:solvent=100:10-100:0-10:10-500:500- 20000, or a solution mixed in a ratio of 100:10-100:1-10:10-500:500-20000.
また、前記第1のゼオライト前駆体溶液がDDR型ゼオライト粒子を形成するための溶液である場合、前記第1の原料はSi, Alを含み、前記第1のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:1~200:500~20000、または100:0~1:1~200:500~20000を含む。具体的に、DDR型ゼオライト粒子を形成するための第1のゼオライト前駆体溶液は、SiO2:Na:Al:構造誘導剤:溶媒=100:10~100:0~10:1~200:500~20000、または100:10~100:0~1:1~200:500~20000の割合で含むことができる。 Further, when the first zeolite precursor solution is a solution for forming DDR type zeolite particles, the first raw material contains Si and Al, and the molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is includes Si:Al:structure directing agent:solvent=100:0-10:1-200:500-20000 or 100:0-1:1-200:500-20000. Specifically, the first zeolite precursor solution for forming the DDR-type zeolite particles is SiO 2 :Na:Al:structuring agent:solvent=100:10-100:0-10:1-200:500 to 20000, or 100:10 to 100:0 to 1:1 to 200:500 to 20000.
前記第1の条件は、DDR型ゼオライトの粒子を形成する条件であって、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~160℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~10日間、水熱合成することを含み、前記第2の条件は、MWW型ゼオライトの粒子を形成する条件であって、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~150℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~11日間、水熱合成することを含む。 The first condition is a condition for forming DDR type zeolite particles, and the temperature is 100° C. to 200° C., 100° C. to 180° C., 120° C. to 160° C., or 130° C. to 160° C. including hydrothermal synthesis for 5 to 15 days, 1 to 15 days, or 1 to 10 days, wherein the second conditions are conditions for forming MWW-type zeolite particles, and Hydrothermal synthesis at a temperature of 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C, or 130°C to 150°C for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or 1 day to 11 days Including.
前記第1のゼオライト粒子形成ステップは、水熱合成後に12~40時間の間、0.5~1.5℃/minの上昇速度で、450~550℃の温度で、加熱してか焼(calcination)するステップをさらに行うことができる。 The first zeolite particle formation step is heating and calcination ( Further steps of calcination can be performed.
また、前記第1のゼオライト形成ステップは、前記製造された複数の第1のゼオライト粒子と無水トルエン、エタノール及び蒸留水の中のいずれか1つ以上を含む溶媒を混合した懸濁液を用いて、支持体上に複数の第1のゼオライト粒子を1つ以上の層で蒸着させて第1のゼオライトを形成することができる。 In addition, the first zeolite forming step uses a suspension obtained by mixing a plurality of the manufactured first zeolite particles with a solvent containing at least one of anhydrous toluene, ethanol, and distilled water. A plurality of first zeolite particles can be deposited in one or more layers on a support to form the first zeolite.
前記のような条件において第1のゼオライトを形成する場合、図1の(a)のように、前記支持体S上に第1の方向に平行する平均長さT1が10nm~1μm、100nm~1μm、10nm~800nm、20nm~500nm、10nm~100nm、または50nm~100nmである複数の第1のゼオライト粒子100を形成して、第1のゼオライトを形成することができ、前記第1のゼオライト粒子100は、MWW型ゼオライト粒子であり得る。また、図1の(c)のように、前記支持体S上に前記複数の第1のゼオライト粒子100が多層(multi-layer)に積層されて、第1のゼオライトを形成することができる。
When forming the first zeolite under the conditions as described above, as shown in FIG. , 10 nm to 800 nm, 20 nm to 500 nm, 10 nm to 100 nm, or 50 nm to 100 nm, can be formed to form a first zeolite, said
または、図1の(b)のように、前記支持体S上に第1の方向Xに平行する平均長さT2が0.1μm~10μm、0.1μm~5μm、0.5μm~5μm、1μm~5μm、0.5μm~3μm、または0.1μm~1μmである第1のゼオライト粒子100を形成して、第1のゼオライトを形成することができ、前記第1のゼオライト粒子100は、DDR型ゼオライト粒子であり得る。また、図1の(d)のように、前記支持体S上に前記複数の第1のゼオライト粒子100が多層(multi-layer)に積層されて、第1のゼオライトを形成することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 1(b), the average length T2 parallel to the first direction X on the support S is 0.1 μm to 10 μm, 0.1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 5 μm, 1 μm.
前記第1のゼオライト粒子は、第2のゼオライトを形成するためのシードの役割をすることができる。 The first zeolite particles can act as seeds for forming the second zeolite.
前記第1のゼオライトの厚さは、0.1~10μm、0.5~10μm、0.1~1μm、または1~10μmであることができ、第1のゼオライトがMWW型ゼオライトである場合の第1のゼオライトの厚さは、0.1~1μmであり、第1のゼオライトがDDR型ゼオライトである場合の第1のゼオライトの厚さは、1~10μmであり得る。 The thickness of the first zeolite can be 0.1 to 10 μm, 0.5 to 10 μm, 0.1 to 1 μm, or 1 to 10 μm. The thickness of the first zeolite is 0.1-1 μm, and when the first zeolite is a DDR type zeolite, the thickness of the first zeolite can be 1-10 μm.
前記のような厚さで第1のゼオライトを形成する場合は、第1のゼオライト粒子と連続する結晶相を形成するよう、第2のゼオライトを成長させることができる。 When forming the first zeolite with such a thickness, the second zeolite can be grown to form a continuous crystalline phase with the first zeolite particles.
前記第1のゼオライト形成ステップは、水熱合成後に12~40時間の間、0.2~1.0℃/minの上昇速度で、400~500℃の温度で、加熱してか焼するステップをさらに行うことができる。 The first zeolite forming step is heating and calcining at a temperature of 400-500° C. at a rate of increase of 0.2-1.0° C./min for 12-40 hours after hydrothermal synthesis. can be further done.
前記のようなか焼する過程を通じて、第1のゼオライトは、多孔性支持層との結合力が増大されることができ、安定した第1のゼオライトを形成することができる。 Through the calcination process as described above, the first zeolite may have increased bonding strength with the porous support layer, and may form a stable first zeolite.
前記バッファー部形成ステップは、第1のゼオライトの複数の第1のゼオライト粒子と連続する結晶相を形成するよう、第2のゼオライトがエピタキシャル成長され、第2のゼオライトを3次元に成長させるための前駆体の役割をする。 The step of forming the buffer portion comprises epitaxially growing the second zeolite so as to form a continuous crystal phase with the plurality of first zeolite particles of the first zeolite, and forming a precursor for three-dimensionally growing the second zeolite. act as a body.
前記バッファー部形成ステップにおいて、前記第1及び第2のゼオライトは、互いに異なる種類のゼオライトからなり、前記バッファー部前駆体溶液によって形成されたゼオライト構造は、前記第2のゼオライト構造と同一に形成することができる。 In the buffer portion forming step, the first and second zeolites are different types of zeolites, and the zeolite structure formed by the buffer portion precursor solution is the same as the second zeolite structure. be able to.
具体的に、前記バッファー部形成ステップは、アダマンチルアミン:エチレンジアミン:ヒュームドシリカ(fumed silica):溶媒が1~20:100~200:100:1000~20000のモル濃度で混合されたバッファー部前駆体溶液を用いて、水熱合成法で、バッファー部を備えることができる。さらに具体的に、前記第1のゼオライト上にバッファー部前駆体溶液を用いて、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~160℃の温度で、1日~5日、または1日~3日間、水熱合成法で、第1のゼオライト上にバッファー部を形成することができる。 Specifically, the buffer part forming step is a buffer part precursor in which adamantylamine:ethylenediamine:fumed silica:solvent is mixed at a molar concentration of 1-20:100-200:100:1000-20000. A solution can be used to provide the buffer portion in a hydrothermal synthesis method. More specifically, 1 A buffer portion can be formed on the first zeolite by a hydrothermal synthesis method for 1 to 5 days, or 1 to 3 days.
前記バッファー部形成ステップは、前記のような条件の水熱合成法で、バッファー部を形成することにより、第1のゼオライト粒子からエピタキシャル(epitaxial)に第2のゼオライト粒子を形成することができる。 In the step of forming the buffer portion, the second zeolite particles can be epitaxially formed from the first zeolite particles by forming the buffer portion by the hydrothermal synthesis method under the conditions described above.
前記バッファー部形成ステップは、水熱合成後に12~40時間の間、0.2~0.5℃/minの上昇速度で、450~550℃の温度で、加熱してか焼するステップをさらに行うことができる。 The buffer part forming step further includes a step of heating and calcining at a temperature of 450 to 550 ° C. at a rate of increase of 0.2 to 0.5 ° C./min for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis. It can be carried out.
上記したように、か焼する過程を通じて製造された第2のゼオライト粒子は、熱的に活性化することができ、第2のゼオライト粒子は、安定して第1のゼオライトと強い結合力を有することができる。 As described above, the second zeolite particles produced through the calcination process can be thermally activated, and the second zeolite particles stably have a strong bonding force with the first zeolite. be able to.
前記第2のゼオライト形成ステップは、第2の構造誘導剤及び第2の原料を含む第2のゼオライト前駆体溶液を用いて、第1の条件または第2の条件で、水熱合成法で、前記第1のゼオライト上に第2のゼオライトを成長させるステップである。 The second zeolite forming step is a hydrothermal synthesis method using a second zeolite precursor solution containing a second structure-inducing agent and a second raw material under the first condition or the second condition, growing a second zeolite on the first zeolite;
前記第2のゼオライト前駆体溶液がMWW型ゼオライトを形成するための溶液である場合、前記第2の原料はSi及びAlを含み、前記第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:10~500:500~20000、または100:1~10:10~500:500~20000を含む。具体的に、MWW型ゼオライトを形成するための第2のゼオライト前駆体溶液は、Si:Na:Al:構造誘導剤:溶媒=100:10~100:0~10:10~500:500~20000、または100:10~100:1~10:10~500:500~20000の割合で混合された溶液であり得る。 When the second zeolite precursor solution is a solution for forming MWW-type zeolite, the second raw material contains Si and Al, and the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is Si :Al:structure inducer:solvent=100:0-10:10-500:500-20000 or 100:1-10:10-500:500-20000. Specifically, the second zeolite precursor solution for forming the MWW-type zeolite is Si:Na:Al:structuring agent:solvent=100:10-100:0-10:10-500:500-20000 , or a solution mixed in a ratio of 100:10-100:1-10:10-500:500-20000.
また、前記第2のゼオライト前駆体溶液がDDR型ゼオライトを形成するための溶液である場合、前記第2の原料はSi, Alを含み、前記第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:1~200:500~20000、または100:0~1:1~200:500~20000を含む。具体的に、DDR型ゼオライトを形成するための第2のゼオライト前駆体溶液は、Si:Na:Al:構造誘導剤:溶媒=100:10~100:0~10:1~200:500~20000、または100:10~100:0~1:1~200:500~20000の割合で含むことができる。 Further, when the second zeolite precursor solution is a solution for forming DDR type zeolite, the second raw material contains Si and Al, and the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is , Si:Al:structure inducer:solvent=100:0-10:1-200:500-20000, or 100:0-1:1-200:500-20000. Specifically, the second zeolite precursor solution for forming the DDR-type zeolite is Si:Na:Al:structuring agent:solvent=100:10-100:0-10:1-200:500-20000 , or in a ratio of 100:10-100:0-1:1-200:500-20000.
前記第2のゼオライト前駆体溶液において、構造誘導剤は、前記メチルトロピニウム塩であることができ、上記したように、メチルトロピニウム塩を含む第2のゼオライト前駆体溶液を用いて、水熱合成法で、連続的な面の方向性を有するように、第2のゼオライトを成長させることができる。 In the second zeolite precursor solution, the structure directing agent can be the methyltropinium salt, and as described above, using the second zeolite precursor solution containing the methyltropinium salt, hydrothermal Synthetically, the second zeolite can be grown with a continuous face orientation.
具体的に、図1に示すように、前記支持体S上に形成されている複数の第1のゼオライト粒子100から第2のゼオライトが成長されながら1つの面を形成して第2のゼオライト層200を形成することができ、図1の(a)のように、前記複数の第1のゼオライト粒子100がMWW型ゼオライト粒子である場合、第2のゼオライト層200は、DDR型ゼオライトで形成されることができ、図1の(c)のように、前記複数の第1のゼオライト粒子100が多層(multi-layer)に積層された第1のゼオライト上に第2のゼオライト層200を形成することができる。
Specifically, as shown in FIG. 1, a second zeolite layer is formed by forming one surface while growing a second zeolite from a plurality of
または、図1の(b)のように、前記複数の第1のゼオライト粒子100はDDR型ゼオライト粒子である場合、第2のゼオライト層200はMWW型ゼオライトで形成されることができ、図1の(d)のように、前記複数の第1のゼオライト粒子100が多層(multi-layer)に積層された第1のゼオライト上に第2のゼオライト層200を形成することができる。
Alternatively, if the plurality of
前記第1の条件は、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~160℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~10日の間、水熱合成することを含み、前記第2の条件は、100℃~200℃、100℃~180℃、120℃~160℃、または130℃~150℃の温度で、0.5日~15日、1日~15日、または1日~11日の間、水熱合成することを含む。 The first condition is a temperature of 100° C. to 200° C., 100° C. to 180° C., 120° C. to 160° C., or 130° C. to 160° C. for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or hydrothermally for 1 day to 10 days, wherein said second conditions are at a temperature of 100°C to 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C, or 130°C to 150°C , 0.5-15 days, 1-15 days, or 1-11 days.
前記第2のゼオライト形成ステップの後に、700~1200℃の温度で、10秒~5分間、急速熱処理するステップをさらに含むことができる。 After the second zeolite forming step, the step of rapid heat treatment at a temperature of 700-1200° C. for 10 seconds to 5 minutes may be further included.
上記したように、急速熱処理するステップを通じて、ゼオライトは縮小され、支持体は膨張しながら、ゼオライト内にクラック(crack)の幅が縮んで、気体透過選択性を向上することができる。 As described above, through the rapid heat treatment step, the zeolite is shrunk, the support is expanded, and the width of cracks in the zeolite is reduced, thereby improving the gas permeation selectivity.
以下、本発明の実施例を記載する。しかしながら、下記実施例は、本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明の権利範囲が下記実施例によって制限されるものではない。 Examples of the present invention are described below. However, the following examples are merely preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.
[実施例]
本発明の実施例1-2及び比較例1-11のゼオライトを下記のように合成し、その結果を下記の表1にまとめた。
[Example]
The zeolites of Examples 1-2 of the present invention and Comparative Examples 1-11 were synthesized as follows, and the results are summarized in Table 1 below.
MWW型ゼオライト粒子の合成
まず、NaOH(98% pellet、Sigma-Aldrich)及びナトリウムアルミン酸塩(NaAlO2、Sigma-Aldrich)をプラスチック瓶に入った脱イオン水(DI)に添加した。次いで、ヘキサメチレンイミン(hexamethyleneimine、HMI、97% Sigma-Aldrich)を前記混合物に添加した。前記溶液にヒュームドシリカ(CAB-O-SIL M-5、Cabot Corporation)を攪拌しながらゆっくり添加した。前記混合物の最終質量組成は、1 SiO2:0.1 NaOH:0.03 NaAlO2:0.8 HMI:13.1 H2Oである。前記混合物をシェーカーを用いて終夜激しく混合して、テフロンライナーに移し、ライナーをステンレス-スチールオートクレーブ(stainless-steel autoclave)に入れた。前記オートクレーブは、135℃に予熱されているオーブンに移し、40rpmで回転させながら、11日間行った。11日後、オートクレーブを水道水で冷却して急冷させた。そうしてから、生成されたMCM-22(P)は、5回遠心分離及び洗浄を繰り返して回収した。回収された粒子をか焼炉(furnace)で200mL/minの気流下で、1℃/minの昇温速度で、550℃で、12時間か焼して、MCM-22粒子を製造した。
Synthesis of MWW-type zeolite particles
First, NaOH (98% pellet, Sigma-Aldrich) and sodium aluminate (NaAlO 2 , Sigma-Aldrich) were added to deionized water (DI) in a plastic bottle. Hexamethyleneimine (HMI, 97% Sigma-Aldrich) was then added to the mixture. Fumed silica (CAB-O-SIL M-5, Cabot Corporation) was slowly added to the solution with stirring. The final mass composition of the mixture is 1 SiO2 :0.1 NaOH:0.03 NaAlO2 :0.8 HMI:13.1 H2O . The mixture was vigorously mixed overnight using a shaker, transferred to a Teflon liner, and the liner placed in a stainless-steel autoclave. The autoclave was transferred to an oven preheated to 135° C. and rotated at 40 rpm for 11 days. After 11 days, the autoclave was quenched with tap water. After doing so, the MCM-22(P) produced was recovered by repeating centrifugation and washing five times. The collected particles were calcined in a calcining furnace under an air flow of 200 mL/min at a heating rate of 1° C./min at 550° C. for 12 hours to produce MCM-22 particles.
MCM-22シード層の形成
約0.05gのか焼されたMCM-22粒子を、40mLの無水トルエンに添加して、種子懸濁液を製造した。この懸濁液をカバーグラスの間に挟んで、テフロンホルダーを用いて垂直に配置されているα-Al2O3ディスクを、乾燥されたガラス反応器に順次に配置した。その後、ガラス反応器をパラフィルムで密封して超音波処理(UC-10P、JEIO Tech、South Korea)を約20分間行った。超音波処理を行った後、α-Al2O3ディスクは回収し、新鮮なトルエンで少しの間洗浄した。生成されたMCM-22シード層は、200mL/minの気流下で、0.5℃/minの昇温速度で、450℃で、12時間か焼された。この際、製造されたMCM-22シード層は、Layer M(比較例1)という。
Formation of MCM-22 seed layer
About 0.05 g of calcined MCM-22 particles were added to 40 mL of anhydrous toluene to produce a seed suspension. With this suspension sandwiched between coverslips, the α-Al 2 O 3 discs oriented vertically using a Teflon holder were sequentially placed in a dried glass reactor. After that, the glass reactor was sealed with parafilm and subjected to ultrasonic treatment (UC-10P, JEIO Tech, South Korea) for about 20 minutes. After sonication, the α-Al 2 O 3 discs were recovered and washed briefly with fresh toluene. The resulting MCM-22 seed layer was calcined at 450° C. for 12 hours with a heating rate of 0.5° C./min under an air flow of 200 mL/min. At this time, the manufactured MCM-22 seed layer is referred to as Layer M (Comparative Example 1).
2次及び3次成長を通じた異種フィルムの形成
前記MCM-22シード層は、さらに、2次水熱合成成長にさらされた。まず、最終ゾルのモル組成は、1-アダマンチルアミン(1-adamantylamine、97%、Sigma-Aldrich):エチレンジアミン(ethylenediamine、99%、Sigma-Aldrich):ヒュームドシリカ(CAB-O_Sil、M5):H2Oが9:150:100:4000の合成溶液を製造した。その次に、MCM-22シード層がコーティングされた面をテフロンホルダーを用いて、傾いた角度で下方に向けるようにして、テフロンライナーに位置させた。前記合成溶液をステンレス-スチールオートクレーブにあるテフロンライナーに注いだ。前記オートクレーブは、160℃に予熱されているオーブンに移し、反応を1日、2日、または3日間行った後、水道水で冷却して急冷させた。回収されたMCM-22シード層を脱イオン水で広範囲に洗浄し、か焼炉(furnace)で200mL/minの気流下で、0.5℃/minの昇温速度で、550℃で、12時間か焼した。この際、回収されたα-Al2O3ディスクは、MD_xd(比較例2-4)と示され、ここにおいて、MはMCM-22シード層、DはDDRゼオライト、xは水熱反応時間(1日、2日、または3日)を意味する。
Formation of heterogeneous films through secondary and tertiary growth
The MCM-22 seed layer was further subjected to a secondary hydrothermal synthetic growth. First, the molar composition of the final sol is 1-adamantylamine (1-adamantylamine, 97%, Sigma-Aldrich): ethylenediamine (99%, Sigma-Aldrich): fumed silica (CAB-O_Sil, M5): H A synthetic solution of 9:150:100:4000 2 O was prepared. The side coated with the MCM-22 seed layer was then placed on the Teflon liner with the Teflon holder facing downwards at an oblique angle. The synthesis solution was poured into a Teflon liner in a stainless-steel autoclave. The autoclave was transferred to an oven preheated to 160° C. and allowed to react for 1, 2, or 3 days and then quenched with tap water. The recovered MCM-22 seed layer was washed extensively with deionized water, and was heated at 550° C. for 12 hours at a heating rate of 0.5° C./min under an air flow of 200 mL/min in a furnace. Time calcined. At this time, the recovered α-Al 2 O 3 disk is indicated as MD_xd (Comparative Example 2-4), where M is the MCM-22 seed layer, D is the DDR zeolite, x is the hydrothermal reaction time ( 1 day, 2 days, or 3 days).
か焼されたMD層は、ZSM-58(DDR型ゼオライト)の合成を許容する合成前駆体を用いて相互成長された。か焼されたMD層をメチルトロピニウムアイオダイド(methyltropinium iodide、MTI)が含まれている合成前駆体溶液に入れて、水熱合成を進行することによって、連続的な面外方向性を有する疏水性のDDRゼオライト分離膜を3次元に成長させた。具体的に、シリカソースの役割をするLUDOX HS-40(40wt% suspension in H2O、Sigma-Aldrich)とメチルトロピニウムアイオダイド(methyltropinium iodide)をともに脱イオン水に添加した。このように準備した前駆体溶液を攪拌機を利用して1時間くらい混合した。さらに、NaOHを入れた後に、終夜攪拌機を利用してよく混合した。このようにして準備した合成前駆体溶液のモル組成は、100 SiO2:25MTI:30 NaOH:4000 H2Oである。このようにして準備した前駆体溶液にか焼されたMD層が形成されているアルファアルミナディスクを入れた後に、130℃に予熱されているオーブンで、時間を変えながら(5日または10日)水熱合成を行った後、反応が完了すると、水道水で急冷させた。収得した分離膜は、脱イオン水に漬した後、100℃のオーブンで、終夜乾燥させた。その結果、生成物である分離膜は、MDZ_xd(比較例5-6)と示し、ここにおいて、MはMCM-22、DはDDR、Z:ZSM-58を示し、xは3次成長のための時間水熱合成の反応時間(日)を示す。 The calcined MD layers were intergrown using synthetic precursors that allow the synthesis of ZSM-58 (DDR-type zeolite). The calcined MD layer is placed in a synthesis precursor solution containing methyltropinium iodide (MTI) to proceed with hydrothermal synthesis to form a hydrothermal fluid with continuous out-of-plane orientation. DDR zeolite separation membranes of different polarities were grown in three dimensions. Specifically, both LUDOX HS-40 (40 wt% suspension in H 2 O, Sigma-Aldrich) acting as a silica source and methyltropinium iodide were added to deionized water. The precursor solution thus prepared was mixed using a stirrer for about 1 hour. Further, after adding NaOH, the mixture was well mixed overnight using a stirrer. The molar composition of the synthetic precursor solution thus prepared is 100 SiO2 :25 MTI:30 NaOH:4000 H2O . After putting the alpha-alumina disk having the calcined MD layer into the precursor solution prepared in this way, it was placed in an oven preheated to 130° C. for varying times (5 days or 10 days). After hydrothermal synthesis, when the reaction was completed, it was quenched with tap water. The obtained separation membrane was immersed in deionized water and then dried overnight in an oven at 100°C. As a result, the product separation membrane is denoted as MDZ_xd (Comparative Example 5-6), where M is MCM-22, D is DDR, Z: ZSM-58, and x is for tertiary growth. time indicates the reaction time (days) of hydrothermal synthesis.
欠陥構造を制御するために、文献に報告された通り、急速熱処理工程(Rapid Thermal Processing、RTP)を使用して製造された分離膜(MDZ_5d、MDZ_10d)を処理した。具体的に、製造された分離膜を200mL/minのアルゴン気体の流れ下で、石英チューブに入れ、予熱されている炉(furnace、名目上約1000℃)を速やかに分離膜の方に移動させた。1分後、炉(furnace)は分離膜から遠くなった。RTP処理した分離膜とRTP処理していない分離膜ともに、200mL/minの気流下で、0.5℃/minの昇温速度で、550℃で、12時間さらにか焼した。RTP処理MDZ分離膜は、MDZ_xd_RC(実施例1-2)と示し、ここにおいて、RCのRは急速熱処理、Cは後続する既存のか焼を意味する。逆に、RTP処理をしていない分離膜は、MDZ_xd_C(比較例7-8)と示す。 To control the defect structures, the fabricated separation membranes (MDZ_5d, MDZ_10d) were processed using Rapid Thermal Processing (RTP) as reported in the literature. Specifically, the prepared separation membrane was placed in a quartz tube under an argon gas flow of 200 mL/min, and a preheated furnace (nominal about 1000° C.) was rapidly moved toward the separation membrane. rice field. After 1 minute, the furnace was far from the separator. Both the RTP-treated separation membrane and the non-RTP-treated separation membrane were further calcined at 550° C. for 12 hours at a heating rate of 0.5° C./min under an air flow of 200 mL/min. The RTP treated MDZ separation membrane is denoted MDZ_xd_RC (Examples 1-2), where R in RC denotes rapid thermal processing and C denotes subsequent pre-existing calcination. Conversely, the separation membrane without RTP treatment is indicated as MDZ_xd_C (Comparative Example 7-8).
また、DDR/MWWの異種エピタキシャル(heteroepitaxial)成長に対する構造的互換性を評価するために、MCM-22シード層は、MFI型ゼオライトの2次水熱成長にさらされた。MFIゼオライト合成ゾルのモル組成は、40 SiO2(テトラエチルオルトシリケート、TEOS、Sigma-Aldrich):9 テトラプロピルアンモニウムハイドロキサイド(1.0M in H2O、Sigma-Aldrich):9500 脱イオン水:160 エタノールである。前記合成ゾルを、前記述べたように、MCM-22シード層が配置されているテフロンライニングされたオートクレーブに注いだ。オートクレーブを175℃に予熱されているオーブンに入れて、1日、3日及び5日間、反応を行った。回収されたMCM-22シード層を脱イオン水で洗浄して、200mL/minの気流下で、0.5℃/minの昇温速度で、550℃で、12時間さらにか焼した。便宜上、収得した層は、MM_xd(比較例9-11)と示し、ここにおいて、M及びMは、それぞれ、MCM-22及びMFIゼオライトを示し、xは水熱合成反応時間(それぞれ、1日、3日、または5日)を示す。 The MCM-22 seed layer was also subjected to secondary hydrothermal growth of MFI-type zeolite to evaluate its structural compatibility for DDR/MWW heteroepitaxial growth. The molar composition of the MFI zeolite synthesis sol is 40 SiO 2 (tetraethyl orthosilicate, TEOS, Sigma-Aldrich): 9 tetrapropylammonium hydroxide (1.0 M in H 2 O, Sigma-Aldrich): 9500 deionized water: 160 ethanol. The synthetic sol was poured into a Teflon-lined autoclave in which an MCM-22 seed layer was placed, as described above. The autoclave was placed in an oven preheated to 175° C. and the reaction was carried out for 1 day, 3 days and 5 days. The recovered MCM-22 seed layer was washed with deionized water and further calcined at 550° C. for 12 hours at a heating rate of 0.5° C./min under an air flow of 200 mL/min. For convenience, the layers obtained are designated MM_xd (Comparative Examples 9-11), where M and M denote MCM-22 and MFI zeolites, respectively, and x is the hydrothermal synthesis reaction time (1 day, respectively, 3 days or 5 days).
[実験例]
分離膜の特性
図4の(a)は、大きいab-basal平面を有するディスク型MCM-22粒子が、超音波処理支援方法を使用して、多孔性支持体に均一に蒸着され、連続的で稠密なシード層を構成したことを示す。特に、支持体の表面と平行するab平面を有するMCM-22粒子の数が著しく増加すると、まず、平面外部方向(この場合、c軸はメンブレン表面に垂直の方向に整列)に合成されることを示唆した。このc-面外方向(c-out of plane)は、図4の(f)の当該X線回折法(XRD)測定によって確認された。図4の(b)をみると、DDRゼオライトの合成を許容する前駆体とともに、シード層の後続成長によって、DDRの粒子が若干成長した。これによって、MCM-22粒子の丸い形態は、六角形の隅を有する鋭い形態に変わり、このことは、MWW型ゼオライトの単位細胞に沿って異種エピタキシャル成長(heteroepitaxial growth)したことを意味する。
[Experimental example]
Separation membrane characteristics
FIG. 4(a) Disk-shaped MCM-22 particles with large ab-basal planes were uniformly deposited on a porous support using a sonication-assisted method to form a continuous, dense seed layer. indicates that you have configured In particular, a significant increase in the number of MCM-22 particles with a-b planes parallel to the surface of the support is first synthesized in the planar out-of-plane direction (where the c-axis is aligned perpendicular to the membrane surface). suggested. This c-out of plane direction was confirmed by the relevant X-ray diffraction (XRD) measurements in FIG. 4(f). See FIG. 4(b), with the precursor allowing the synthesis of DDR zeolite, the subsequent growth of the seed layer resulted in some grain growth of DDR. Thereby, the round morphology of MCM-22 particles changed to sharp morphology with hexagonal corners, which means heteroepitaxial growth along the unit cell of MWW-type zeolite.
MWWゼオライト及びDDRゼオライトは、結晶構造が異なるものの、MWWゼオライトのab平面でDDRゼオライトの異種エピタキシャル成長は、見かけによると、c軸に沿って形成されたものと見える。図5をみると、MWW及びDDR型ゼオライトの間の構造的互換性は、c軸に沿って形成されており、このことにより、異種エピタキシャル成長がなされたものと見える。図6をみると、いい感じの異種エピタキシャル成長にもかかわらず、2次成長の程度が明確ではなく、異種エピタキシャル成長が難しかったことが分かり、2次成長時間が1日から3日に増加することによって、鋭い六角形の形態が単調に増加することを確認した。しかしながら、2次成長時間が増加したMD_xdの六角形平面から垂直に成長したプレート(plate)のさらなる成長により、2日間水熱合成したMD_2dがMD層を形成するための最適の時間として選択された。その理由は、形成されたMD_1dとMD_3dとの間の中間であるためである。また、図7をみると、MD_2d層で明確な形態学的変化は観察されなかったが、延長された成長は、求めていない新しい結晶の成長を招いた。この新しい結晶は、DDR型ゼオライトと競争的に成長するものと知られており、SGT型ゼオライトである可能性が高い。 Although MWW and DDR zeolites have different crystal structures, the heteroepitaxial growth of DDR zeolite on the ab plane of MWW zeolite is apparently formed along the c-axis. Looking at FIG. 5, structural compatibility between the MWW and DDR type zeolites is formed along the c-axis, which appears to result in heteroepitaxial growth. Referring to FIG. 6, although the heterogeneous epitaxial growth looks good, the extent of the secondary growth is not clear, and the heterogeneous epitaxial growth is difficult. , confirmed that the sharp hexagonal morphology increases monotonically. However, due to the further growth of vertically grown plates from hexagonal planes in MD_xd with increased secondary growth time, 2 days hydrothermally synthesized MD_2d was selected as the optimal time to form MD layers. . The reason is that it is halfway between formed MD_1d and MD_3d. Also, looking at FIG. 7, no clear morphological changes were observed in the MD_2d layer, but the prolonged growth resulted in the growth of unwanted new crystals. These new crystals are known to grow competitively with DDR-type zeolite, and are highly likely to be SGT-type zeolite.
図8をみると、MD_2d層の構造的特性を調べた結果、Le Bail構造分析法は、MWW及びDDR型ゼオライトの組合を基盤として、MD_2d層のXRDパターンを合わせるために用いられた。結果をみると、MD_2d層が主にDDR型ゼオライトで構成されることを確認した。しかしながら、Le Bail構造分析法は、先に述べたSGTゼオライト上で発生する追加のXRDピークを説明することができなかった。また、超音波処理を通じて、MD_2d層から粒子を分離して、透過電子顕微鏡(TEM)によって分析した結果、図8の(b)に示すように、鋭い隅のある粒子が明確に確認されており、これはディスクのMCM-22蒸着物から成長したことを確認した。図8の(c)は、図8の(b)で観察された鋭い隅の領域での高解像度透過電子顕微鏡(HR-TEM)のイメージであり、データは高速フーリエ変換(fast Fourier transformation、FFT)によって行われ、その結果は、図8の(d)に示した。FFTパターンとともにMWW型ゼオライトの[001]領域軸で発生し、DDR型ゼオライト(白い矢印)に属する可能性のある追加パターンが観察された。これは、図8の(d)に挿入されているイメージのように、MWW及びDDRゼオライトの[001]領域軸に対するシミュレーションされたFFTパターンによって提供されている。 Referring to FIG. 8, the structural properties of the MD_2d layer were investigated, and the Le Bail structural analysis method was used to match the XRD pattern of the MD_2d layer based on the combination of MWW and DDR type zeolites. The results confirmed that the MD_2d layer was mainly composed of DDR type zeolite. However, the Le Bail structural analysis method could not explain the additional XRD peaks occurring on the SGT zeolites mentioned earlier. Also, the particles were separated from the MD_2d layer through sonication and analyzed by transmission electron microscopy (TEM). As a result, particles with sharp corners were clearly identified, as shown in FIG. 8(b). , confirming that it was grown from the MCM-22 deposition of the disk. FIG. 8(c) is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of the sharp corner region observed in FIG. 8(b); ), and the results are shown in FIG. 8(d). Along with the FFT pattern, an additional pattern was observed that occurred in the [001] domain axis of the MWW-type zeolite and might belong to the DDR-type zeolite (white arrow). This is provided by the simulated FFT patterns for the [001] domain axis of the MWW and DDR zeolites, as in the image inserted in FIG. 8(d).
図4の(b)及び図6において、ディスクのようなMCM-22蒸着物の六角形成長は、MD_2d層の走査電子顕微鏡(SEM)のイメージから推論することができるが、これに相応するDDRゼオライト成長は、図4の(f)に示されたXRDパターンで観察されており、図8の(d)の透過電子顕微鏡(TEM)分析は、またMD_2d層の形成に対する異種エピタキシャル成長(DDR/MWW)を示す。図4の(c)及び図9の(a-b)をみると、ZSM-58ゼオライト(DDR型ゼオライト)の合成を許容する前駆体を用いたMD_2d層の後続水熱成長は、明確にMDZ_5d(Zは、3次成長に用いられたZSM-58ゼオライトを示す)で一部相互成長された(intergrown)層につながっており、図4の(d-e)と図9の(c-d)をみると、さらに、MDZ_10dで連続的な分離膜につながった。しかしながら、白い矢印で示すように、MDZ_5dで相互成長されなかった部分を容易に見つけることができる。また、ZSM-58ゼオライトの比率は、図4の(f)及び図10に示すように、XRDピーク強度の増加で裏付けられており、成長期間が5日から10日に増加することによって増加した。 In FIGS. 4b and 6, the hexagonal growth of disk-like MCM-22 deposits can be inferred from scanning electron microscope (SEM) images of the MD_2d layer, which corresponds to the DDR Zeolite growth was observed in the XRD pattern shown in FIG. 4(f), and transmission electron microscopy (TEM) analysis in FIG. 8(d) also showed heteroepitaxial growth (DDR/MWW ). 4(c) and 9(a-b), subsequent hydrothermal growth of the MD_2d layer using a precursor that allows the synthesis of ZSM-58 zeolite (DDR-type zeolite) clearly leads to MDZ_5d (Z indicates the ZSM-58 zeolite used for tertiary growth) leading to partially intergrown layers, FIGS. 4(de) and 9(cd). ) further led to a continuous separation membrane at MDZ_10d. However, it is easy to find the parts that were not intergrown in MDZ_5d, as indicated by the white arrows. Also, the proportion of ZSM-58 zeolites was evidenced by an increase in XRD peak intensity, as shown in FIGS. .
図9及び図10をみると、高速熱処理過程(RTP)を経た分離膜(MDZ_10d_RC)の粒子と結晶相の形態は、ゆっくりか焼された比較例8(MDZ_10d_C)の形態と区別がつかなかった。興味深いところに、MDZ_10Dの(003)平面に該当するXRDピークの強度が大きく増加し、一部のc-面外方向が形成されていることを示した。図4の(f)及び図7は、このc-面外方向が既にMD層に存在しており、MCM-22シード層(layer_M)で2次成長時間が増加するにつれ、量が段々増加したことを明確に示している。図6をみると、このようなc-面外方向は、MCM-22シード層を構成するディスク状のMCM-22粒子と鋭い隅のある六角形板への成長で発生すると予想することができる。 9 and 10, the morphology of the particles and crystal phases of the separation membrane (MDZ_10d_RC) subjected to the rapid thermal process (RTP) was indistinguishable from that of the slowly calcined Comparative Example 8 (MDZ_10d_C). . Interestingly, the intensity of the XRD peak corresponding to the (003) plane of MDZ_10D increased significantly, indicating the formation of some c-out-of-plane orientation. Figures 4f and 7 show that this c-out-of-plane direction was already present in the MD layer and increased in amount with increasing secondary growth time in the MCM-22 seed layer (layer_M). clearly shows that Looking at FIG. 6, such an out-of-plane c-plane orientation can be expected to occur in the disc-shaped MCM-22 grains that make up the MCM-22 seed layer and the growth into hexagonal plates with sharp corners. .
図10において、MD_2d層の5日から10日までの追加水熱成長は、MD_2dでc-面外方向を維持しながら、c-面外方向の成長が好ましい。この方向性成長は、ZSM-58ゼオライトの合成を許容する前駆体の存在下で、六角板からのエピタキシャル成長を示す。特に、MDZ_10dに対する結晶学的選好方向(crystallographic preferred orientation、CPO)指数は、7.6±3.9で、高いものと推定されるので、面外方向でc軸の明確な整列を見せる。
In FIG. 10, additional hydrothermal growth of the MD_2d layer from
異種エピタキシャル成長を確認するために、シリカライト-1(silicalite-1、すなわち、シリカのみで構成されているMFI型ゼオライト)を誘導する合成前駆体を用いて、MCM-22シード層に2次成長を行った。MFIゼオライトは、テトラプロピルアンモニウム(TPA)陽イオンがある時、容易に形成されるものと知られているが、図11をみると、生成された層は、連続的ではなく、蒸着されたMCM-22粒子の間の隙間を埋めることに困難があることが分かる。このことを通じて、異種エピタキシャル成長基盤の分離膜を形成するためには、2つの類型のゼオライトの間に構造的類似性または互換性が必要であることが分かる。図5をみると、DDR型ゼオライトの六角リング構造(6-MR)は、MDZ_10dの異種分離膜でc-軸に垂直な平面に位置することを示す。よって、優先的に、c-面外指向異種分離膜(すなわち、MDZ_10d)は、面外方向に相当な数の6-MR気孔を有していた。これによって、前記分離膜は、CO2からH2を分離するために、6-MR孔の分子体能力を評価することに使用できる良いプラットフォームである。 To confirm the heteroepitaxial growth, secondary growth was performed on the MCM-22 seed layer using a synthetic precursor that induces silicalite-1 (ie, MFI-type zeolite composed only of silica). gone. MFI zeolites are known to form easily in the presence of tetrapropylammonium (TPA) cations, but from FIG. It can be seen that there is difficulty in filling the gaps between the -22 particles. Through this, it can be seen that structural similarity or compatibility between the two types of zeolites is necessary to form a heterogeneous epitaxial growth-based separation membrane. FIG. 5 shows that the hexagonal ring structure (6-MR) of DDR-type zeolite is located in the plane perpendicular to the c-axis in the heterogeneous separation membrane of MDZ_10d. Thus, preferentially, the c-out-of-plane oriented heteroseparation membrane (ie, MDZ_10d) possessed a significant number of 6-MR pores in the out-of-plane direction. This makes the separation membrane a good platform that can be used to assess the molecular capacity of 6-MR pores to separate H 2 from CO 2 .
気体分離膜の分離性能
図4の(c)及び図9の(a-b)に示す走査電子顕微鏡(SEM)によって観察された不連続性から予想した通り、図12をみると、MDZ_5d_C及びMDZ_5d_RCともに分子体能力を示さなかった。たとえ高速熱処理過程(RTP)が役立っていたが、分離性能の若干の増加を達成したMDZ_5dの相互成長の程度は分子体能力を確保するには充分ではなかった。図13の(a1, b1, c1)は、既存にか焼されていたMDZ_10d_Cが3組のガス(H2/CO2、CO2/N2、CO2/CH4)全部に対して劣悪な分離性能を示しており、これは明確な欠陥が存在するということを示す。図9の(d)において、走査電子顕微鏡(SEM)分解能で明白な膜連続性にもかかわらず、MDZ_10d_Cは非常に劣悪な透過選択能力を示し、これは合成されたフィルムまたは層のか焼方法の重要性を示す。対照的に、高速熱処理過程(RTP)を経た分離膜(すなわち、MDZ_10d_RC)は、特に3つのケース全部でCO2に対して相当に改善された透過選択性を示し、RTPが欠陥の程度の減少に寄与したことを示す。また、MDZ_10d_RCの6-MR気孔がH2の透過に大きく寄与すると予想されるにもかかわらず、これに相応するH2/CO2分離係数(SF)は、30℃で、約0.37(1未満)であり、125℃で、約0.97であった。また、最大H2/CO2SFは、200℃で、相変わらず約1.7で、非常に低かった。これは6-MR気孔の口径(最大サイズ0.28nm)が最大H2/CO2-分離に適合していなかったことを意味する。MDZ_10d_RCの構造的特性は、同種のDDR分離膜の構造的特性と類似しているため、MDZ_10d_RCのH2/CO2、CO2/N2、CO2/CH4分離性能は、DDR分離膜の性能と類似していたが、MDZ_10d_RC全般にかけて、はるかに低いCO2透過率を示した。より好ましい比較のために、図13の中間列及び右側列をみると、MDZ_10d_RC及び同種のDDR分離膜のH2/CO2、CO2/N2、CO2/CH4分離性能をともに示した。明確にMDZ_10d_RCのCO2透過率は、膜表面に垂直な方向である8-MRチャンネルがより多い同種のDDR分離膜と比較する際、類似な水準に減少した。したがって、DDRゼオライトの6-MR気孔は、H2/CO2分離に適合していないと推論することができるが、他の類型のゼオライト(sodaliteではない)の6-MR気孔を用いて、H2/CO2分離に対する分子フィルターリング能力を確認してみなければならない。特に、過酷な条件(高圧及び高温)でのH2/CO2分離は、水-ガス転換分離膜反応器を実現するにおいて重要なので、分離膜反応器の構成において壁の役割をすることができるゼオライト膜を通じた実験が必須である。上記の分離能力の結果は、8-MRまたは10-MRを有するゼオライトを後処理基盤の気孔のサイズ減少を通じて、優れたH2/CO2分離性能を達成することが妥当であることを示すと考えられる。実際の文献にも、気孔のサイズが縮んだMFIゼオライト分離膜が分離膜反応器に用いられており、分離膜反応器を通じて高いH2/CO2分離係数によって著しいH2回収及びCO2転換を得ることができた。また、図14のa1-a2をみると、2成分混合物供給物に水蒸気を添加すると、DDRゼオライトの水分吸着の程度が確実な温度である100℃未満の温度で、H2とCO2の透過度が減少した。対照的に、H2及びCO2の透過率は、100℃以上の温度で、水蒸気の存在によって変わらなかった。興味深いところに、透過率減少の程度は、H2及びCO2ともに200℃まで類似していた。よって、図14のa2の湿式条件で、当該H2/CO2分離係数は、図14のa1の乾式条件でのH2/CO2分離係数と類似していた。また、図14のb1-b2をみると、供給物の水蒸気は、特に、100℃未満で、CO2透過率を減少させながら、CO2/N2分離係数(SF)を増加させた。対照的に、図14のc1,c2をみると、減少された透過率は、CO2/CH4分離で、CH4よりCO2に対してより高く、これによって、当該CO2/CH4分離係数(SF)を湿っぽい条件で、約50℃まで減少させた。特に、水蒸気によって誘導されたCO2/N2及びCO2/CH4分離傾向は、報告された均一なDDR分離膜の傾向と非常に類似していた。主な相違点は、先に述べたMDZ_10d_RCでCO2透過率が低くなったことであり、これは明確にc-面外方向性を有するDDRゼオライトの相当の部分で発生する。図15を参照すると、湿式条件でより高いCO2/N2分離係数(SF)は、MDZ_10d_RC(図4の(e)の挿入イメージを参照)でケイ酸質DDRゼオライトの疏水性が原因であり得る。対照的に、MDZ_10d_Cの接触角の測定では、水滴が速やかに消えて、MDZ_10d_Cに多くの欠陥があることを確認した。
Separation Performance of Gas Separation Membranes As expected from the discontinuities observed by scanning electron microscopy (SEM) shown in FIGS. Neither showed molecular body ability. Although rapid thermal processing (RTP) was helpful, the degree of intergrowth of MDZ_5d, which achieved a slight increase in separation performance, was not sufficient to ensure molecular body capacity. (a1, b1, c1) of FIG. 13 show that the existing calcined MDZ_10d_C is inferior to all three sets of gases (H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 , CO 2 /CH 4 ). Separation performance is shown, which indicates the existence of clear defects. In Fig. 9(d), MDZ_10d_C exhibits very poor permselectivity despite the apparent film continuity at scanning electron microscope (SEM) resolution, which is due to the calcination method of the synthesized film or layer. Show importance. In contrast, the separation membranes that underwent rapid thermal processing (RTP) (i.e., MDZ_10d_RC) showed significantly improved permselectivity to CO2 , especially in all three cases, indicating that RTP was associated with a reduced degree of defects. indicates that it has contributed to Also, although the 6-MR pores of MDZ_10d_RC are expected to contribute significantly to H2 permeation, the corresponding H2 / CO2 separation factor (SF) at 30 °C is about 0.37 ( 1) and about 0.97 at 125°C. Also, the maximum H 2 /CO 2 SF at 200° C. was still very low, about 1.7. This means that the 6-MR pore diameter (maximum size 0.28 nm) was not adapted for maximum H 2 /CO 2 - separation. Since the structural properties of MDZ_10d_RC are similar to those of similar DDR separation membranes, the H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 , CO 2 /CH 4 separation performance of MDZ_10d_RC is similar to that of DDR separation membranes. Performance was similar, but showed much lower CO2 permeance over MDZ_10d_RC. For better comparison, looking at the middle and right columns of FIG. 13, both the H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 and CO 2 /CH 4 separation performances of MDZ_10d_RC and similar DDR separation membranes are shown. . Clearly, the CO 2 permeability of MDZ_10d_RC decreased to a similar level when compared to a similar DDR separation membrane with more 8-MR channels oriented perpendicular to the membrane surface. Therefore, it can be inferred that the 6-MR pore of DDR zeolites is not suitable for H 2 /CO 2 separation, whereas the 6-MR pore of other types of zeolites (not sodalite) can be used for H The molecular filtering ability for 2 /CO 2 separation must be confirmed. In particular, H 2 /CO 2 separation under harsh conditions (high pressure and high temperature) is important in realizing a water-gas shift separation membrane reactor, so it can play a role as a wall in the construction of a separation membrane reactor. Experiments through zeolite membranes are essential. The above separation performance results indicate that it is reasonable to post-treat zeolites with 8-MR or 10-MR to achieve superior H 2 /CO 2 separation performance through pore size reduction of the substrate. Conceivable. In the actual literature, MFI zeolite separation membranes with reduced pore size are also used in separation membrane reactors to achieve significant H2 recovery and CO2 conversion with high H2 / CO2 separation factor through the separation membrane reactors. I was able to get Also, looking at a1-a2 in FIG. 14, the addition of water vapor to the binary mixture feed increases the permeation of H 2 and CO 2 at temperatures below 100° C., the temperature at which the degree of moisture adsorption of DDR zeolites is assured. degree decreased. In contrast, the permeabilities of H2 and CO2 were unchanged by the presence of water vapor at temperatures above 100°C. Interestingly, the degree of transmittance decrease was similar up to 200°C for both H2 and CO2 . Therefore, the H 2 /CO 2 separation factor under the wet condition of a2 in FIG. 14 was similar to the H 2 /CO 2 separation factor under the dry condition of a1 in FIG. 14 . Also, looking at b1-b2 in FIG. 14, water vapor in the feed increased the CO 2 /N 2 separation factor (SF) while decreasing the CO 2 permeability, especially below 100°C. In contrast, looking at c1,c2 in FIG. 14, the reduced permeance is higher for CO2 than for CH4 in the CO2 / CH4 separation, thereby resulting in the CO2 / CH4 separation The modulus (SF) was reduced to about 50°C under damp conditions. In particular, the CO 2 /N 2 and CO 2 /CH 4 separation trends induced by water vapor were very similar to those of reported homogeneous DDR separation membranes. The main difference is the lower CO 2 permeability in the previously mentioned MDZ_10d_RC, which occurs in a substantial fraction of DDR zeolites with a distinct c-out-of-plane orientation. Referring to FIG. 15, the higher CO2 / N2 separation factor (SF) under wet conditions is attributed to the hydrophobicity of the siliceous DDR zeolite in MDZ_10d_RC (see inset image of FIG. 4(e)). obtain. In contrast, the contact angle measurement of MDZ_10d_C confirmed that the droplets disappeared quickly, confirming that MDZ_10d_C had many defects.
図16は、MDZ_10d_CとMDZ_10d_RCとの蛍光共焦点光学顕微鏡(Fluorescence confocal optical microscopy;FCOM)のイメージで、それぞれ図13をみると、それぞれCO2透過選択性は、MDZ_10d_Cは低く、MDZ_10d_RCは良いことが分かる。これによって、相応する欠陥の程度は、MDZ_10d_Cは高く、MDZ_10d_RCは低いと見ることができる。実際に測定される透過率に対する欠陥、特に亀裂の寄与は、欠陥のサイズ(幅)と数(密度)の結合された関数であるため、このような要素をともに考慮して、最終見かけ性能を理解しなければならない。また、様々な期間の間、分離膜を染色すると、欠陥構造に対する追加情報を提供する。MDZ_10d_Cの欠陥(主に亀裂)は、染色時間が増加するにつれ、染料分子によって段々漸進的に侵入した。特に、ゼオライト膜と多孔性支持体との間の界面に到達する一部の亀裂は、12時間の染料接触後にのみ視覚化された(図16のa2において、黄色の矢印で示す)。逆に、図16のc2, d2をみると、図16のc2において黄色の点線で示すように、MDZ_10d_RCには密度が高いか、または亀裂数が多かったが、界面に完全に伝播されることはなかった。図16のa3, b3をみると、MDZ_10d_C(24時間)の長期間の染色を通じて、境界面まで伝播されるより多くの亀裂を視覚化した。対照的に、12時間の染色後に検出されたMDZ_10d_RCの亀裂数と同一に維持され、より多くの染料分子が界面により近い領域に接近することができるが、分離膜の中間部分までのみ存在した(図16のc3において黄色の点線で示す)。最後に、60時間の染色後、界面に伝播されたMDZ_10d_Cの追加亀裂が観察されており、MDZ_10d_RCに存在するより多くの数または密度の亀裂が染料分子によって完全に接近された。 Figure 16 is a fluorescence confocal optical microscope (FCOM) image of MDZ_10d_C and MDZ_10d_RC . I understand. Thereby, the corresponding defect levels can be seen as high for MDZ_10d_C and low for MDZ_10d_RC. Since the contribution of defects, particularly cracks, to the actual measured transmittance is a coupled function of defect size (width) and number (density), such factors are considered together to estimate the final apparent performance. must understand. Also, staining the separation membrane for various periods of time provides additional information on the defect structure. The defects (mainly cracks) of MDZ_10d_C were progressively invaded by dye molecules as the staining time increased. In particular, some cracks reaching the interface between the zeolite membrane and the porous support were visible only after 12 hours of dye contact (indicated by yellow arrows in a2 of FIG. 16). Conversely, looking at c2 and d2 in Fig. 16, MDZ_10d_RC had a high density or a high number of cracks, as indicated by the yellow dotted line in c2 of Fig. 16, but they did not propagate completely to the interface. There was no. Looking at Figure 16 a3, b3, we visualized more cracks propagating to the interface through long-term staining of MDZ_10d_C (24 h). In contrast, the number of cracks in MDZ_10d_RC detected after 12 hours of staining remained the same, with more dye molecules able to access regions closer to the interface, but only up to the middle part of the separation membrane ( (indicated by the yellow dotted line in c3 of FIG. 16). Finally, after 60 hours of staining, additional cracks in MDZ_10d_C propagated to the interface were observed, with a greater number or density of cracks present in MDZ_10d_RC being fully approached by dye molecules.
図17及び図18をみると、時間を異なるようにした染色工程を通じて、MDZ_10d_Cに存在する亀裂の数とサイズが、MDZ_10d_RCに存在する亀裂の数とサイズより、それぞれ少なくて大きいことを確認した。蛍光共焦点光学顕微鏡イメージのイメージ処理過程は、欠陥数に対する追加確認を提供した。表2をみると、ピクセル基盤の領域比率(fraction)は、MDZ_10d_Cの場合は0.020、MDZ_10d_RCの場合は0.035を示した。前記イメージ処理過程が完了した後、図19に示すように、亀裂特徴がよく再構成された。亀裂密度の差にもかかわらず、分離膜の厚さによる亀裂の歪みは、表2に示すように、MDZ_10d_C及びMDZ_10d_RCともに約1.6であり、これは分離膜を透過する分子が同じように若干傾いた経路を沿うべきであることを意味する。図20をみると、MDZ_10d_Cの亀裂特性は同種のDDR分離膜の亀裂特性と似ていたが、MDZ_10d_RCは亀裂数がより多かった。同種のDDR分離膜が高いCO2透過選択性を示したことを考慮すると、MDZ_10d_Cの亀裂のサイズは分子体能力を確保するには明確に大きすぎた。現在、急速熱処理過程(RTP)は、多結晶ゼオライト分離膜で粒子を凝縮して、欠陥のサイズを效果的に縮めると知られているが、図16は、既存の遅いか焼前に急速熱処理過程(RTP)を行った際、より多くの数の小さな亀裂を生成しながら、構造誘導剤(SDA)の除去時に生成される応力(stress)を減らすことができるということを示す。要約すると、欠陥数がより多かったが、MDZ_10d_Cより優れた分離性能を示したMDZ_10d_RCは、欠陥のサイズを縮めることが、優れた分離性能を確保するためにより重要な要素であることが分かる。 17 and 18, it was confirmed that the number and size of cracks in MDZ_10d_C were smaller and larger than the number and size of cracks in MDZ_10d_RC through the dyeing process with different times. Image processing of the fluorescence confocal light microscopy images provided additional confirmation for the number of defects. Referring to Table 2, the pixel-based area fraction is 0.020 for MDZ_10d_C and 0.035 for MDZ_10d_RC. After the image processing process was completed, crack features were well reconstructed, as shown in FIG. Despite the difference in crack density, the crack strain due to the thickness of the separation membrane is about 1.6 for both MDZ_10d_C and MDZ_10d_RC, as shown in Table 2, which means that the molecules permeating the separation membrane are equally distributed. It means that you should follow a slightly sloping path. Looking at FIG. 20, the cracking characteristics of MDZ_10d_C were similar to those of similar DDR separators, but MDZ_10d_RC had a higher number of cracks. Considering that similar DDR separation membranes exhibited high CO2 permselectivity, the size of the cracks in MDZ_10d_C was clearly too large to ensure molecular body capacity. At present, rapid thermal processing (RTP) is known to condense particles in polycrystalline zeolite separation membranes and effectively reduce the size of defects. It shows that the stress generated upon removal of the structure directing agent (SDA) can be reduced while generating a greater number of small cracks when the process (RTP) is performed. In summary, MDZ_10d_RC, which had a higher number of defects but showed better isolation performance than MDZ_10d_C, shows that shrinking the defect size is a more important factor to ensure superior isolation performance.
Claims (16)
前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとは互いに交互に備えられ、前記MWW型ゼオライトと前記DDR型ゼオライトとの中の少なくともいずれか1つ以上は、エピタキシャル構造(epitaxial structure)を有するものを含むMWW/DDR型気体分離膜。 comprising one or more MWW-type zeolites and one or more DDR-type zeolites;
The MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite are provided alternately, and at least one of the MWW-type zeolite and the DDR-type zeolite has an epitaxial structure . /DDR type gas separation membrane.
前記DDR型ゼオライト上に、MWW型ゼオライトが、第1の方向に備えられる場合、前記DDR型ゼオライトは、複数のDDR型ゼオライト粒子の集団からなり、前記DDR型ゼオライト粒子は、前記第1の方向に平行する平均長さが0.1μm~10μmであるものを含む請求項1に記載の気体分離膜。 When the DDR type zeolite is provided on the MWW type zeolite in the first direction, the MWW type zeolite is composed of a group of a plurality of MWW type zeolite particles, and the MWW type zeolite particles are arranged in the first direction. has an average length of 10 nm to 1 μm parallel to
When the MWW-type zeolite is provided on the DDR-type zeolite in the first direction, the DDR-type zeolite is composed of a group of a plurality of DDR-type zeolite particles, and the DDR-type zeolite particles are arranged in the first direction. The gas separation membrane according to claim 1 , comprising one having an average length parallel to 0.1 μm to 10 μm.
第2の構造誘導剤及び第2の原料を含む第2のゼオライト前駆体溶液を用いて水熱合成法で前記MWW型ゼオライト上にDDR型ゼオライトを成長させるDDR型ゼオライト形成ステップ;を含み、
前記第1または第2の原料は、それぞれSi及びAlの中の少なくともいずれか1つ以上を含み、
前記MWW型ゼオライトは、前記支持体上に複数の粒子の形態で備えられ、前記DDR型ゼオライトは、前記MWW型ゼオライト上でエピタキシャル成長(epitaxial growth)されるものを含む気体分離膜の製造方法。 A plurality of first zeolite particles produced by a hydrothermal synthesis method using a first zeolite precursor solution containing a first structure-inducing agent and a first raw material are provided on a support to form an MWW-type zeolite. a step of forming a MWW-type zeolite; and growing a DDR-type zeolite on said MWW-type zeolite by hydrothermal synthesis using a second zeolite precursor solution containing a second structure directing agent and a second raw material. a zeolite forming step;
The first or second raw material contains at least one or more of Si and Al, respectively,
A method for producing a gas separation membrane, wherein the MWW-type zeolite is provided on the support in the form of a plurality of particles, and the DDR-type zeolite is epitaxially grown on the MWW-type zeolite.
前記第1のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:10~500:500~20000であり、
前記第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:1~200:500~20000である請求項7に記載の気体分離膜の製造方法。 The MWW-type zeolite has an average particle length of 10 nm to 1 μm,
The molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is Si:Al:structure inducer:solvent=100:0-10:10-500:500-20000,
8. The gas separation membrane according to claim 7 , wherein the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is Si:Al:structure inducer:solvent=100:0-10:1-200:500-20000. Production method.
前記第1のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:1~200:500~20000であり、
前記第2のゼオライト前駆体溶液のモル濃度の比率は、Si:Al:構造誘導剤:溶媒=100:0~10:10~500:500~20000である請求項7に記載の気体分離膜の製造方法。 The MWW-type zeolite has an average particle length of 0.1 μm to 10 μm,
The molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is Si:Al:structure inducer:solvent=100:0 to 10:1 to 200:500 to 20000,
8. The gas separation membrane according to claim 7 , wherein the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is Si:Al:structure inducer:solvent=100:0-10:10-500:500-20000. Production method.
前記MWW型ゼオライト形成ステップの複数の第1のゼオライト粒子の少なくとも一部を覆うバッファー部を形成させるバッファー部形成ステップをさらに含み、
前記バッファー部形成ステップは、アダマンチルアミン:エチレンジアミン:ヒュームドシリカ(fumed silica):溶媒が1~20:100~200:100:1000~20000のモル濃度で混合されたバッファー部前駆体溶液を用いて、水熱合成法で、前記MWW型ゼオライト上にバッファー部を備える請求項7に記載の気体分離膜の製造方法。 Between the MWW-type zeolite forming step and the DDR-type zeolite forming step,
further comprising a buffer portion forming step of forming a buffer portion covering at least a portion of the plurality of first zeolite particles in the MWW-type zeolite forming step;
The buffer part forming step is performed using a buffer part precursor solution in which adamantylamine:ethylenediamine:fumed silica:solvent is mixed at a molar concentration of 1-20:100-200:100:1000-20000. 8. The method for producing a gas separation membrane according to claim 7 , wherein a buffer portion is provided on the MWW-type zeolite by a hydrothermal synthesis method.
前記MWW型及びDDR型ゼオライトは、互いに異なる種類のゼオライトからなり、前記バッファー部前駆体溶液によって形成されているゼオライト構造は、前記DDR型ゼオライト構造と同一に形成される請求項12に記載の気体分離膜の製造方法。 In the buffer portion forming step,
13. The gas of claim 12 , wherein the MWW-type and DDR-type zeolites are different types of zeolites, and the zeolite structure formed by the buffer part precursor solution is the same as the DDR-type zeolite structure. A method for producing a separation membrane.
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