JPH0679171A - Carbon-modified zeolite - Google Patents

Carbon-modified zeolite

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JPH0679171A
JPH0679171A JP4046229A JP4622992A JPH0679171A JP H0679171 A JPH0679171 A JP H0679171A JP 4046229 A JP4046229 A JP 4046229A JP 4622992 A JP4622992 A JP 4622992A JP H0679171 A JPH0679171 A JP H0679171A
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阪田祐作
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茂也 林
Narimitsu Kasaoka
笠岡成光
Ichiro Funada
船田一郎
Kenji Yasuoka
安岡憲二
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Abstract

PURPOSE:To provide a carbon-modified zeolite with improved adsorption characteristics, especially adsorption characteristics when each constitutional gas component is separated from air. CONSTITUTION:Carbon is carried on the surface of fine pores of zeolite and the carbon is formed by pyrolysis of a hydrocarbon species formed by plasma treatment of a hydrocarbon. In general, it is preferable that the amt. of a modified carbon is at most 3% of the weight of dried zeolite and as a zeolite for a raw material, a zeolite with a fine pore diameter of about 5Angstrom or larger is suitable. In addition, the amt. of modified carbon and the adsorption speed are adjustable by changing only plasma treating time and they are usable as adsorbents and catalysts with various surface characteristics. As the amt. of adsorption of nitrogen with a large molecular diameter and Ar with a small molecular diameter are increased and the amt. of adsorption of oxygen with an intermediate molecular diameter between them are little changed by this treatment, oxygen in air can be separated with high selectivity from nitrogen and Ar by utilizing this characteristics.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、吸着特性、特に空気よ
り各構成ガス成分を分離する際の吸着特性が大幅に改善
された炭素修飾ゼオライトに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon-modified zeolite having a significantly improved adsorption property, particularly when separating each constituent gas component from air.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまでに、空気からその主な構成成分
である窒素(N2 )、酸素(O2 )、アルゴン(Ar)
を分離して回収するための方法が種々検討され、最近で
は、従来より広く使用されてきた深冷精溜分離法に代わ
って吸着法が利用されるようになってきている。そし
て、このような吸着法において使用される吸着剤として
は、吸着容量が大きく、しかも選択性に優れたものであ
ることが要求され、分子サイズが似通ったN2 (3.75
Å)、O2 (3.54Å) 、Ar(3.3 Å) を精度良く分離
するのに適した構造を有する吸着剤として最も一般的な
ものがゼオライトである。このゼオライトは、均一な細
孔径を有する吸着剤であって、合成ゼオライトはモレキ
ュラーシーブとして知られており、炭化水素の分離等に
も用いられている。
2. Description of the Related Art Heretofore, from air, nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and argon (Ar), which are the main constituents, have been used.
Various methods for separating and recovering bromine have been investigated, and in recent years, an adsorption method has come to be used in place of the cryogenic rectification separation method which has been widely used conventionally. The adsorbent used in such an adsorption method is required to have a large adsorption capacity and excellent selectivity, and N 2 (3.75
Zeolite is the most common adsorbent having a structure suitable for separating O (3.54 Å), Ar (3.3 Å), and O 2 (3.54 Å) with high accuracy. This zeolite is an adsorbent having a uniform pore size, and synthetic zeolite is known as molecular sieve and is also used for separating hydrocarbons.

【0003】このようなゼオライトの構造的な特徴とし
ては、(1) 一般的にA型、X型、Y型と称される狭義の
ゼオライトは、珪素(Si)やアルミニウム(Al)、
酸素(O)を主成分とし、結晶構造中の正4価のSi、
正3価のAl、負2価のOの電荷の不均衡から生じる負
電荷を帯びたイオン座を、電気的中性を保つために、N
aやK、Caなどの陽イオン性の金属イオンで交換した
化学構造をしていること、(2) ゼオライトの細孔は、構
成原子・イオンの結晶構造に起因するものであるから、
狭い入口につながった広い内部空洞の繰り返しからなる
カゴ型、一定孔径の筒状であるチャンネル型、あるいは
両型細孔が2次元、3次元的に組み合わさった一定形状
を備えた規則性の高い細孔を持っていること等が挙げら
れる。
The structural characteristics of such zeolites are as follows: (1) Zeolites in a narrow sense generally called A type, X type and Y type are silicon (Si) and aluminum (Al),
Oxygen (O) as a main component, positive tetravalent Si in the crystal structure,
In order to maintain the electrical neutrality of the negatively charged ion locus resulting from the charge imbalance of positive trivalent Al and negative divalent O,
It has a chemical structure that is exchanged with a cationic metal ion such as a, K, or Ca. (2) Since the pores of zeolite are due to the crystal structure of constituent atoms and ions,
Highly regular with a basket type consisting of repeated wide internal cavities connected to a narrow inlet, a channel type that is a cylindrical shape with a constant pore size, or a constant shape in which both types of pores are combined two-dimensionally and three-dimensionally. For example, it has pores.

【0004】しかしながら、表面が処理されていないゼ
オライトは、吸着特性及び分離特性が充分なものではな
く、このため、今日までに、ゼオライトが有する上述の
構造的な特徴を利用して、ゼオライトの吸着特性や分離
特性を制御し、改質や改善を図るための技術が種々開発
されてきている。既に知られているゼオライトの改質技
術としては、上記(1) の「イオン交換性」を基礎とする
イオン交換法や、上記(2) の「一定形状の細孔構造」に
着目した化学蒸着法(CVD)等があり、これらの従来
技術は、いずれも細孔内に進入し吸着しようとする各分
子の大きさと形状の違いに基づく「分子篩い効果」を利
用し、ゼオライトの細孔入口径を機械的に、又、物理的
に縮小あるいは制限することによって吸着特性を改質し
ようとするものである。
However, zeolites whose surfaces have not been treated do not have sufficient adsorption and separation characteristics. Therefore, to date, the above-mentioned structural characteristics of zeolites have been utilized to adsorb zeolites. Various techniques have been developed for controlling the characteristics and separation characteristics to improve and improve the characteristics. Already known zeolite reforming technologies are the ion exchange method based on the above (1) "ion exchangeability" and chemical vapor deposition focusing on the "constant shape pore structure" of (2) above. Method (CVD), etc., all of these conventional techniques utilize the “molecular sieving effect” based on the difference in the size and shape of each molecule that enters and adsorbs into the pores, and It is intended to modify adsorption properties by mechanically or physically reducing or limiting the diameter.

【0005】例えば、ゼオライトが有する上記(1) の特
徴を利用して、空気中のガス成分の吸着特性を高める方
法には、M.Iwamoto, et al: J. Phys. Chem., 88, 4195
頁、(1984年)があり、この方法において使用されるゼ
オライトでは、交換するイオンの大きさを変えることに
よって細孔径を拡大することが可能である。しかし、細
孔径を大きくした場合には、大きな分子も小さい分子も
共に細孔内への拡散および進入が容易になり、吸着剤と
しての選択性が低下するという問題点がある。逆に、こ
の方法による処理を施してゼオライトの細孔径を縮小し
た場合には、分子径が大きく本来吸着しにくい成分が、
益々吸着しにくくなるだけでなく、易吸着性の小さい分
子成分の吸着も制限を受け、その結果、各成分の吸着容
量が減少してしまうという欠陥を避けることができな
い。
For example, a method for enhancing the adsorption characteristics of gas components in the air by utilizing the above-mentioned characteristic (1) of zeolite is described in M. Iwamoto, et al: J. Phys. Chem., 88, 4195.
Page (1984), it is possible to enlarge the pore size in the zeolite used in this method by changing the size of the exchanged ions. However, when the pore size is increased, both large molecules and small molecules are easily diffused and penetrated into the pores, and there is a problem that the selectivity as an adsorbent is lowered. On the contrary, when the pore size of zeolite is reduced by performing the treatment by this method, the component having a large molecular diameter and originally difficult to be adsorbed,
Not only does it become more difficult to adsorb, but also the adsorption of molecular components with low adsorbability is limited, and as a result, the adsorption capacity of each component decreases, which is inevitable.

【0006】又、上記(2) の特徴を利用して、空気を構
成するガス成分の吸着性を高める方法としては、例え
ば、M. Niwa, et al: CHEMISTRY LETTER, 411 頁、(19
89年)があり、この中には、Si化学蒸着法による処理
を行ったゼオライトを用いた場合の、N2 及びO2 の吸
着容量の変化が報告されている。しかしながら、このよ
うなゼオライトでは、処理によりゼオライト表面の細孔
径が縮小し、ガスの分子が細孔内に進入しにくくなり吸
着容量が低下するという欠点がある。
[0006] Further, as a method for enhancing the adsorptivity of gas constituents of air by utilizing the characteristic of (2), for example, M. Niwa, et al: CHEMISTRY LETTER, p. 411, (19
1989), in which a change in adsorption capacity of N 2 and O 2 when a zeolite treated by the Si chemical vapor deposition method is used is reported. However, such a zeolite has a drawback that the pore size on the surface of the zeolite is reduced by the treatment, gas molecules are less likely to enter the pores, and the adsorption capacity is reduced.

【0007】更に、空気からN2 とO2 を分離する際
に、吸着容量差による分離効果が大きいPSA(Pressu
re Swing Adsorption,圧力変動吸着)操作を用いて、N
2 の吸着容量を増加させ、逆にO2 の吸着容量を減少さ
せることも検討されてきているが、従来の物理的な細孔
径制御方法によるゼオライトを用いたのでは、選択的に
分子を吸着させることが困難であり、特に分子サイズが
最も小さいArの吸着特性を改善することができなかっ
た。
Further, when separating N 2 and O 2 from air, PSA (Pressu
re Swing Adsorption)
Increasing the second adsorption capacity, but have been also studied to reduce the adsorption capacity of the O 2 Conversely, than with zeolite according to conventional physical pore diameter control method, selectively adsorb molecules It was difficult to achieve this, and it was not possible to improve the adsorption characteristics of Ar, which has the smallest molecular size.

【0008】上述の如く、従来技術の細孔処理が施され
たゼオライトでは、処理による吸着容量の低下を避ける
ことができないために、このようなゼオライトを用いて
吸着分離装置を設計する場合、吸着容量の低下を補うた
めに、吸着塔の容積を大きくしたり、使用する吸着剤の
量を増加させたり、吸着容量の低下を償えるまで吸着塔
温度を下げたりする等の、複雑でコストのかかる仕様を
とる必要があった。
[0008] As described above, since the prior art pore-treated zeolite cannot avoid the reduction of the adsorption capacity due to the treatment, when the adsorption separation device is designed using such zeolite, the adsorption In order to compensate for the decrease in capacity, the volume of the adsorption tower is increased, the amount of adsorbent used is increased, and the temperature of the adsorption tower is lowered until the decrease in adsorption capacity is compensated. It was necessary to take such specifications.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
における問題点を解決し、吸着特性、特に空気分離吸着
特性が大幅に改善されたゼオライトを提供することを課
題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems in the prior art and to provide a zeolite having significantly improved adsorption characteristics, particularly air separation adsorption characteristics.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の炭素修飾ゼオラ
イトは、ゼオライトの細孔表面に、炭素が担持されたも
のであって、上記炭素が、炭化水素プラズマ処理により
生成した炭化水素種を熱分解することにより生成された
ものであることを特徴とする。即ち、本発明の炭素修飾
ゼオライトは、ゼオライトを炭化水素雰囲気下でプラズ
マ処理して細孔に炭化水素種を付着させ、これに熱を加
えて分解し炭化させ、細孔表面に炭素を生成させること
により得られたものであり、その製造においては、炭化
水素プラズマ処理工程と熱分解処理工程の二つの工程が
含まれる。
The carbon-modified zeolite of the present invention is one in which carbon is supported on the surface of the pores of the zeolite, and the carbon heats the hydrocarbon species produced by the hydrocarbon plasma treatment. It is characterized by being generated by decomposing. That is, in the carbon-modified zeolite of the present invention, the zeolite is plasma-treated in a hydrocarbon atmosphere to attach a hydrocarbon species to the pores, and heat is applied to the zeolite to decompose and carbonize it to generate carbon on the pore surface. It is obtained by the above, and the production thereof includes two steps of a hydrocarbon plasma treatment step and a pyrolysis treatment step.

【0011】まず、本発明の炭素修飾ゼオライトを製造
するための第1の処理工程では、ゼオライトを炭化水素
プラズマで処理して、細孔表面の親水性が抑制されたゼ
オライトを製造するが、この処理工程では、真空ポンプ
により減圧状態となった反応室の内部に炭化水素を導入
し、この状態においてプラズマ発生装置によりプラズマ
を発生させてゼオライト表面を処理する。尚、本発明で
は、ゼオライトの細孔表面に生成する炭化水素種が特に
限定されず、一般的な炭化水素プラズマ処理に使用され
ている炭化水素が種々利用でき、例えばn−ヘキサン
(n−C6 14)やベンゼン(C6 6 )、シクロヘキ
サン(C6 12)等が挙げられる。そして、このような
第1の炭化水素プラズマ処理工程により、結晶構造的に
構成されるゼオライトのミクロ細孔の表面は、プラズマ
状態から生成する炭化水素種で被覆され、これによっ
て、化学的な表面相互作用力を変化させる効果と、細孔
入口表面を炭化水素種で被覆して入口径を縮小させる物
理的な分子篩い効果(進入制限)が付与される。
First, in the first treatment step for producing the carbon-modified zeolite of the present invention, the zeolite is treated with hydrocarbon plasma to produce a zeolite in which the hydrophilicity of the pore surface is suppressed. In the treatment step, hydrocarbons are introduced into the reaction chamber whose pressure has been reduced by a vacuum pump, and in this state, plasma is generated by the plasma generator to treat the zeolite surface. In the present invention, the hydrocarbon species generated on the pore surface of the zeolite is not particularly limited, and various hydrocarbons used for general hydrocarbon plasma treatment can be used, for example, n-hexane (n-C 6 H 14) and benzene (C 6 H 6), cyclohexane (C 6 H 12), and the like. Then, by such a first hydrocarbon plasma treatment step, the surface of the micropores of the zeolite structurally structured is coated with the hydrocarbon species generated from the plasma state, whereby the chemical surface An effect of changing the interaction force and a physical molecular sieving effect (invasion restriction) of coating the entrance surface of the pores with a hydrocarbon species to reduce the entrance diameter are provided.

【0012】次に、第2の熱分解処理工程では、炭化水
素プラズマ処理後の疎水性ゼオライトを加熱処理するこ
とにより、ゼオライト表面に生成し付着した炭化水素種
を炭化させ、ゼオライトの細孔表面に炭素を担持させる
が、この熱分解の際の雰囲気条件としては、窒素気流中
又は減圧下が一般的である。尚、昇温させる際、室温か
ら一定速度(例えば1〜2℃/min)で比較的ゆっくりと
昇温させ、ゼオライトの結晶構造が破壊されることな
く、かつプラズマから生成した炭化水素の熱分解が効果
的に起こる温度(例えば600℃)まで加熱し、その温
度で熱分解を完結させるに充分な時間保持することが好
ましい。
Next, in the second thermal decomposition treatment step, the hydrophobic zeolite after the hydrocarbon plasma treatment is heat treated to carbonize the hydrocarbon species generated and adhered to the zeolite surface, and the zeolite pore surface. The carbon is supported on, but the atmosphere conditions for this thermal decomposition are generally in a nitrogen stream or under reduced pressure. In addition, when the temperature is raised, the temperature is raised relatively slowly from room temperature at a constant rate (for example, 1 to 2 ° C./min) so that the crystal structure of zeolite is not destroyed and the pyrolysis of hydrocarbons generated from plasma is performed. It is preferable to heat to a temperature at which effectively occurs (for example, 600 ° C.) and hold at that temperature for a time sufficient to complete the thermal decomposition.

【0013】上述のプラズマ処理と熱分解処理とを組み
合わせて実施することにより得られる本発明の炭素修飾
ゼオライトは、表面での吸着相互作用を制御する化学的
な改質がなされたものであって、細孔入口径を物理的に
制御した従来のゼオライト、例えば、ベンゼンやブタン
等の炭化水素ガスの燃焼により生成する「すす」状の炭
素で細孔を修飾したものや、フェノール樹脂粉末のアセ
トン溶液を含浸させた後に熱分解させて細孔を修飾した
ものと比べて、吸着特性が優れている。
The carbon-modified zeolite of the present invention obtained by performing the above-mentioned plasma treatment and thermal decomposition treatment in combination is chemically modified to control the adsorption interaction on the surface. , A conventional zeolite whose pore inlet diameter is physically controlled, for example, one whose pores are modified with "soot" -like carbon produced by combustion of a hydrocarbon gas such as benzene or butane, or acetone of phenol resin powder The adsorption properties are superior to those obtained by impregnating the solution and then thermally decomposing it to modify the pores.

【0014】本発明の炭素修飾ゼオライトが優れた吸着
特性を示す原因としては、ゼオライト細孔内外表面への
微量炭素の担持により、ゼオライト表面の四重極子モー
メントが強化され、窒素吸着力が増加し、酸素吸着力が
減少する相乗効果が挙げられ、これに、炭素部分へのア
ルゴン吸着が促進する効果が加わっている。ところが、
本発明の炭素修飾ゼオライトでは、修飾炭素の量が多過
ぎると、物理的な分子篩い効果が影響を受け、窒素、酸
素、アルゴンに対する吸着特性がそれぞれ低下する。本
発明においては、吸着分離に適した修飾炭素は、少ない
量でも充分であり、一般には乾燥ゼオライト質量の3重
量%以下であることが好ましく、特に0.1〜2.5重
量%の範囲が好ましい。尚、本発明では、熱分解により
炭化されて担持される修飾炭素量を調整する際、プラズ
マ処理時間を変えるだけで良いので、簡単に種々の表面
特性を有する炭素修飾ゼオライトを得ることができると
いう利点がある。
The reason why the carbon-modified zeolite of the present invention exhibits excellent adsorption characteristics is that the quadrupole moment on the surface of the zeolite is strengthened by supporting a small amount of carbon on the inner and outer surfaces of the zeolite pores, and the nitrogen adsorption force is increased. , And the synergistic effect of reducing the oxygen adsorption power, and the effect of promoting the adsorption of argon on the carbon portion is added to this. However,
In the carbon-modified zeolite of the present invention, if the amount of modified carbon is too large, the physical molecular sieving effect is affected, and the adsorption characteristics for nitrogen, oxygen and argon are reduced. In the present invention, a small amount of modified carbon suitable for adsorptive separation is sufficient, and generally, it is preferably 3% by weight or less of the dry zeolite mass, and particularly preferably in the range of 0.1 to 2.5% by weight. preferable. In the present invention, when adjusting the amount of modified carbon that is carbonized and supported by thermal decomposition, it is only necessary to change the plasma treatment time, so that it is possible to easily obtain carbon-modified zeolite having various surface characteristics. There are advantages.

【0015】前述の処理により得られた本発明の炭素修
飾ゼオライトを用いた実験により、本発明では、空気成
分中で分子サイズが最も大きいN2 と最も小さいAr
の、室温付近での吸着容量がそれぞれ1.5倍と約2倍
に増加し、分子サイズがN2 とArの中間であるO2
吸着容量はあまり影響を受けないことが確認された。従
って、処理を行う前のX型ゼオライトの場合には、30
℃における吸着容量序列はCO2 >CH4 >N2 >O2
>Arであるが、プラズマ処理と熱分解処理とが実施さ
れた本発明の炭素修飾ゼオライトでは、N2 とArの吸
着容量が増加し、O2 の吸着容量は大きく変化しないの
で、N2 とO2 との吸着容量の差が拡大し、空気中のO
2 をN2 とArとから分離する際の特性が改善される。
この場合においてCO2 とCH4 の吸着容量はほとんど
影響を受けない。又、本発明では、ゼオライト細孔に炭
素修飾が施されることにより、ゼオライト細孔内への各
ガスの拡散進入速度が変化し、吸着分離剤としての特性
が改善できるので、このような特性を有する本発明の炭
素修飾ゼオライトは、PSA分離装置の吸着剤として非
常に適している。
According to the experiment using the carbon-modified zeolite of the present invention obtained by the above-mentioned treatment, in the present invention, N 2 having the largest molecular size and Ar having the smallest molecular size in the air component are used.
It was confirmed that the adsorption capacities near room temperature increased 1.5 times and about 2 times, respectively, and the adsorption capacity of O 2 having a molecular size intermediate between N 2 and Ar was not significantly affected. Therefore, in the case of the X-type zeolite before the treatment,
The order of adsorption capacities at ° C is CO 2 > CH 4 > N 2 > O 2
> Is a Ar, with the carbon modified zeolites of the present invention to a plasma treatment and thermal decomposition treatment has been performed, the adsorption capacity of N 2 and Ar is increased, since the adsorption capacity of the O 2 does not change significantly, and N 2 The difference in adsorption capacity with O 2 expands, and the O
The properties in separating 2 from N 2 and Ar are improved.
In this case, the adsorption capacities of CO 2 and CH 4 are hardly affected. Further, in the present invention, by modifying the zeolite pores with carbon, the diffusion and penetration rate of each gas into the zeolite pores changes, and the characteristics as an adsorption separator can be improved. The carbon-modified zeolite of the present invention having is very suitable as an adsorbent for a PSA separator.

【0016】尚、本発明の炭素修飾ゼオライトを製造す
るのに用いられるゼオライトとしては、モレキュラシー
ブ5Aと公称されるCa−A型ゼオライト(細孔径約5
Å)よりも細孔入口径が大きいゼオライトが好ましく、
モレキュラシーブ5Aよりも小さな入口径を有するA型
ゼオライトは、プラズマ処理による炭化水素種が表面に
担持されにくいためにあまり好ましくない。
As the zeolite used for producing the carbon-modified zeolite of the present invention, molecular sieve 5A is nominally Ca-A type zeolite (pore size is about 5).
Zeolite with a larger pore inlet diameter than Å) is preferable,
Type A zeolite having an inlet diameter smaller than that of the molecular sieve 5A is not so preferable because hydrocarbon species due to plasma treatment are not easily supported on the surface.

【0017】上述の工程により得られた本発明の炭素修
飾ゼオライトは、特に空気を構成成分(ガス)に分離す
る際の吸着特性が優れたものであり、この炭素修飾ゼオ
ライトを用いて空気の吸着分離を行う際には、従来より
使用されてきた装置の分離塔の内部に炭素修飾ゼオライ
トを充填して、従来の吸着分離方法に従って構成成分を
吸着捕集することができる。本発明の炭素修飾ゼオライ
トは、従来の表面処理ゼオライトでは分離が困難であっ
たN2 とO2 とを簡単に、しかも高い選択性で分離する
ことができるだけでなく、N2 、O2 、Arの他に、C
2 やCH4 等のガスを吸着させて分離することもで
き、種々の混合ガスの分離にも使用可能である。
The carbon-modified zeolite of the present invention obtained by the above-mentioned steps has excellent adsorption characteristics particularly when air is separated into constituent components (gas). Adsorption of air using this carbon-modified zeolite When the separation is carried out, the carbon-modified zeolite is filled in the separation column of the apparatus which has been conventionally used, and the constituent components can be adsorbed and collected according to the conventional adsorption separation method. The carbon-modified zeolite of the present invention can not only easily separate N 2 and O 2 which were difficult to be separated by the conventional surface-treated zeolite, but also with high selectivity, and also can remove N 2 , O 2 , Ar Besides, C
Gases such as O 2 and CH 4 can be adsorbed and separated, and can also be used for separation of various mixed gases.

【0018】[0018]

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を更に具体的に
説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 実施例1 担体ゼオライトとして、市販X型ゼオライト(MS13
X)を使用し、これをn−ヘキサンのプラズマ(約1To
rr; 発信周波数 13.56 MHz; 出力約30W)中で5.5時
間処理した後、N2 気流中、600 ℃で1時間熱分解し、
本発明の炭素修飾ゼオライトを得た。この場合における
担体乾燥質量を基準とした増加質量は、0.8 wt%であっ
た。 実施例2 プラズマ処理時間が19時間である以外は実施例1と同
様にして、担体乾燥質量を基準とした増加質量が 2.7wt
%の、本発明の炭素修飾ゼオライトを得た。尚、上記の
実施例1及び2の吸着剤は、プラズマ処理時間の違いに
より修飾炭素の量が異なるが、上記の熱処理条件下では
いずれも担体ゼオライトの結晶構造は破壊されずに残っ
ていた。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto. Example 1 Commercially available X-type zeolite (MS13
X) is used, and this is a plasma of n-hexane (about 1 To
rr; oscillation frequency 13.56 MHz; output approx. 30 W), and then pyrolyzed for 1 hour at 600 ° C. in N 2 stream,
A carbon-modified zeolite of the present invention was obtained. The increased mass based on the dry mass of the carrier in this case was 0.8 wt%. Example 2 In the same manner as in Example 1 except that the plasma treatment time was 19 hours, the increase in mass based on the dry mass of the carrier was 2.7 wt.
% Carbon-modified zeolite of the invention was obtained. The adsorbents of Examples 1 and 2 differed in the amount of modified carbon due to the difference in plasma treatment time, but under the above heat treatment conditions, the crystal structure of the carrier zeolite remained without being destroyed.

【0019】比較例1 実施例1に記載されるX型ゼオライトを処理せずに使用
した。 比較例2 実施例1と同様のX型ゼオライトを、フェノール樹脂の
アセトン溶液に含浸させ、室温にて風乾した後、減圧下
で600 ℃、1時間熱分解した。 比較例3 実施例1と同様のX型ゼオライトを使用し、これを実施
例1と同様のプラズマ中で5.5時間処理したのみで、
熱分解処理は行わなかった。
Comparative Example 1 The X-zeolite described in Example 1 was used without treatment. Comparative Example 2 The same X-type zeolite as in Example 1 was impregnated with an acetone solution of a phenol resin, air-dried at room temperature, and then pyrolyzed at 600 ° C. for 1 hour under reduced pressure. Comparative Example 3 The same X-type zeolite as in Example 1 was used, and this was treated in the same plasma as in Example 1 for 5.5 hours.
No thermal decomposition treatment was performed.

【0020】そして、上記の実施例1及び2と、比較例
1〜3の吸着剤について、平衡吸着容量の評価を行っ
た。この評価においては、従来より知られている容量法
を用い、平衡圧約 2800Torr 以下におけるN2 (動力学
径:3.75Å)、O2 (3.54Å)、Ar(3.3 Å)、n−
ブタン(4.3 Å)、i−ブタン(5.0 Å)の気相吸着等
温線(30℃)を測定し、得られた等温線をLangmuir式
により定式化した。表1には、上記各吸着剤の吸着容量
の代表値として 1200Torr におけるN2 、O2 、Ar、
n−ブタンとi−ブタンの値をまとめた。
Then, the equilibrium adsorption capacities of the adsorbents of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated. In this evaluation, the conventionally known capacitance method is used, and N 2 (dynamic diameter: 3.75Å), O 2 (3.54Å), Ar (3.3 Å), n− at equilibrium pressure of about 2800 Torr or less.
The gas phase adsorption isotherms (30 ° C.) of butane (4.3 Å) and i-butane (5.0 Å) were measured, and the obtained isotherms were formulated by the Langmuir equation. Table 1 shows N 2 , O 2 , Ar at 1200 Torr as typical values of the adsorption capacities of the above adsorbents.
The values of n-butane and i-butane are summarized.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】表1に示される実験結果から、本発明の炭
素修飾ゼオライト(実施例1及び2)は、処理を行う前
の担体ゼオライト(比較例1)と比べてN2 とArの吸
着量が増加しており、N2 とO2 の吸着容量差が大きく
なっている。特に実施例1の吸着剤にあっては、N2
びO2 の吸着量が比較例1のものと比べてそれぞれ、約
1.6倍、1.2倍に増加し、容量差も拡大しており、
吸着特性が大きく改善されている。又、ブタン類の吸着
量についても若干、増加している。
From the experimental results shown in Table 1, the carbon-modified zeolite of the present invention (Examples 1 and 2) has a higher adsorption amount of N 2 and Ar than the carrier zeolite before the treatment (Comparative Example 1). It is increasing, and the difference in adsorption capacity between N 2 and O 2 is increasing. In particular, in the adsorbent of Example 1, the adsorption amounts of N 2 and O 2 were increased by about 1.6 times and 1.2 times, respectively, as compared with those of Comparative Example 1, and the capacity difference was also enlarged. And
The adsorption properties are greatly improved. Also, the amount of butanes adsorbed is slightly increased.

【0023】これに対して、フェノール樹脂炭素担持処
理によって炭素を多く担持させた試料(比較例2)で
は、処理を行う前の担体ゼオライト(比較例1)よりも
2 とO2 との吸着容量差が大きくなるが、吸着量がい
ずれも低下している。又、比較例2の吸着剤では、n−
ブタンとi−ブタンの吸着量が共に比較例1の2/3程
度にまで減少しており、吸着特性の改善効果が見られな
い。又、プラズマ処理が施された比較例3の吸着剤で
は、N2 とO2 の吸着量の相対比が大きくなるが、絶対
量が著しく低下するために、分離性能が劣化したものと
なる。このように、本発明の炭素修飾ゼオライト(実施
例1及び2)は、N2 とO2の吸着量の相対比が大き
く、しかも吸着量の絶対値が大きいので、N2 とO2
高精度で効率良く分離することが可能な吸着剤であるこ
とが示された。
On the other hand, in the sample in which a large amount of carbon was supported by the phenol resin carbon supporting treatment (Comparative Example 2), adsorption of N 2 and O 2 was higher than that of the carrier zeolite before the treatment (Comparative Example 1). The capacity difference increases, but the adsorption amount decreases. Further, in the adsorbent of Comparative Example 2, n-
Both the adsorption amounts of butane and i-butane were reduced to about 2/3 of those of Comparative Example 1, and the effect of improving the adsorption characteristics was not observed. Further, in the adsorbent of Comparative Example 3 which was subjected to the plasma treatment, the relative ratio of the adsorption amounts of N 2 and O 2 was large, but the absolute amount was remarkably lowered, and the separation performance was deteriorated. Thus, the carbon modified zeolites of the present invention (Examples 1 and 2) is greater adsorption amount of the relative ratio of the N 2 and O 2 is, moreover since the absolute value of the adsorption amount, the high the N 2 and O 2 It was shown to be an adsorbent that can be separated with high accuracy and efficiency.

【0024】更に、実施例1と、比較例1及び3の吸着
剤を用いて、30℃におけるN2 とO2 の吸着容量と平
衡吸着圧との関係を調べた。この結果を図1に示す。図
1に示される曲線より、炭化水素プラズマ処理が施こさ
れた比較例3の吸着剤では、比較例1の吸着剤に比べて
2 の吸着容量もO2 の吸着容量も約1/2以下にまで
減少することがわかる。これに対して、この比較例3の
吸着剤を熱処理することにより得られた本発明の炭素修
飾ゼオライト(実施例1)では、N2の吸着容量もO2
の吸着容量も増加しており、特にN2 においては顕著な
改善効果が見られる。
Further, using the adsorbents of Example 1 and Comparative Examples 1 and 3, the relationship between the adsorption capacity of N 2 and O 2 at 30 ° C. and the equilibrium adsorption pressure was investigated. The result is shown in FIG. From the curve shown in FIG. 1, in the adsorbent of Comparative Example 3 which was subjected to the hydrocarbon plasma treatment, both the N 2 adsorption capacity and the O 2 adsorption capacity of the adsorbent of Comparative Example 1 were about 1/2. It can be seen that it decreases to below. On the other hand, in the carbon-modified zeolite of the present invention (Example 1) obtained by heat-treating the adsorbent of Comparative Example 3, the N 2 adsorption capacity was also O 2.
Adsorption capacity of also increased, remarkable improvement is observed in particular N 2.

【0025】次に、前記の実施例1及び2と、比較例1
〜3の吸着剤について、乾燥空気〔N2 (78.1%)-O2 (2
1.0%)-Ar(0.9%)〕を用いて、吸着質−PSAと未吸着
質−PSAの両方式でPSA空気分離実験を行い、分離
成績を評価した。この実験には、吸着剤容積が33cm
3 の単塔・減圧式PSA装置を使用し、標準的な操作サ
イクルでの成績を測定した。得られた実験結果を先の表
1に併記した。
Next, the above-mentioned Examples 1 and 2 and Comparative Example 1
~ 3 adsorbent, dry air [N 2 (78.1%)-O 2 (2
1.0%)-Ar (0.9%)] was used to perform a PSA air separation experiment using both adsorbate-PSA and non-adsorbate-PSA systems, and the separation results were evaluated. For this experiment, the adsorbent volume was 33 cm
The performance in a standard operation cycle was measured using 3 single-column, pressure-reducing PSA devices. The experimental results obtained are also shown in Table 1 above.

【0026】表1に示される代表的PSA成績の結果か
ら、本発明の炭素修飾ゼオライト(実施例1及び2)
は、処理を行う前の担体ゼオライト(比較例1)と比べ
て吸着質−PSAにおいて改良された吸着特性を示し、
優れたN2 濃縮成績が認められた。特に、本発明では、
プラズマ処理時間を長くすることによって炭素担持量を
多くした試料(実施例2)の場合であっても分離成績が
向上している。これに対し、フェノール樹脂炭素担持処
理を行った比較例2の吸着剤及び、炭化水素プラズマ処
理を行った比較例3の吸着剤は、どちらも担体ゼオライ
ト(比較例1)よりも分離成績が低下しており、吸着特
性の改善が見られなかった。
From the results of the representative PSA results shown in Table 1, the carbon-modified zeolite of the present invention (Examples 1 and 2)
Shows improved adsorption properties in adsorbate-PSA as compared to the pre-treated support zeolite (Comparative Example 1),
Excellent N 2 concentration results were observed. In particular, in the present invention,
The separation performance is improved even in the case of the sample in which the amount of supported carbon is increased by prolonging the plasma treatment time (Example 2). On the other hand, both the adsorbent of Comparative Example 2 which was subjected to the treatment of supporting phenolic resin carbon and the adsorbent of Comparative Example 3 which was subjected to the hydrocarbon plasma treatment had lower separation performance than the carrier zeolite (Comparative Example 1). However, no improvement in adsorption characteristics was observed.

【0027】実施例3:修飾炭素量と吸着容量との関係 実施例1に記載されるプラズマ処理時間を調整すること
により、実施例1に記載される方法に従って、修飾炭素
量が 0.1wt%、0.8 wt%、2.3 wt%、2.7 wt%である4
種類の吸着剤を調製した。そして、この4種類の吸着剤
の他に、出発原料のゼオライト(未処理品)を加え、合
計5種類の吸着剤について、修飾炭素量と吸着容量との
関係を調べた。この場合において、吸着容量の測定は容
量法によって行い、30℃、平衡吸着圧1900Torrにおけ
る、N2 、O2 、Arの吸着容量を測定した。この実験
により得られた結果を以下の表2に示す。
Example 3: Relation between modified carbon amount and adsorption capacity By adjusting the plasma treatment time described in Example 1, the modified carbon amount was 0.1 wt% according to the method described in Example 1, 0.8 wt%, 2.3 wt%, 2.7 wt% 4
Different types of adsorbents were prepared. Then, in addition to these four kinds of adsorbents, starting material zeolite (untreated product) was added, and the relationship between the modified carbon amount and the adsorption capacity was investigated for a total of five kinds of adsorbents. In this case, the adsorption capacity was measured by the capacitance method, and the adsorption capacities of N 2 , O 2 and Ar at 30 ° C. and an equilibrium adsorption pressure of 1900 Torr were measured. The results obtained from this experiment are shown in Table 2 below.

【0028】[0028]

【表2】 [Table 2]

【0029】表2に示される実験結果から、修飾炭素量
が 0.1〜 2.3wt%である炭素修飾ゼオライトの、N2
びArに対する吸着容量は、未処理のゼオライトの吸着
容量の約1.4倍〜約2.3倍であるが、O2 の吸着容
量に関しては大きく変化せず、これにより吸着分離特性
が改善されることがわかった。又、表2には、修飾炭素
量が 2.3wt%を越えると、N2 、O2 及びArに対する
吸着容量が急激に低下し始めることも示されている。
From the experimental results shown in Table 2, the adsorption capacity of carbon-modified zeolite having a modified carbon content of 0.1 to 2.3 wt% for N 2 and Ar is about 1.4 times the adsorption capacity of untreated zeolite. Although it was about 2.3 times, it was found that the adsorption capacity of O 2 did not change significantly, and thereby the adsorption separation characteristics were improved. It is also shown in Table 2 that when the amount of modified carbon exceeds 2.3 wt%, the adsorption capacities for N 2 , O 2 and Ar start to decrease sharply.

【0030】尚、本発明の炭素修飾ゼオライトの吸着特
性については、通常の昇温脱離法(TPD法)によって
吸着アンモニアの昇温脱離量を測定し、固体酸点の強度
分布の測定を行ったところ、図2に示されるような昇温
脱離曲線が得られた。その結果、固体酸点の強度分布に
おいては、強酸点と弱酸点を含めた全酸点の量的変化は
少ないが、高温領域で観察される強酸点が減少し、低温
領域で観察される弱酸点が増加することが認められる。
このことは、炭素による表面修飾が細孔内部に及んでい
ることを示唆している。このようなことから、本発明の
炭素修飾ゼオライトは、炭素と似た特性を有する表面を
兼ね備えており、固体酸の酸強度特性を制御した吸着分
離剤や触媒としても利用できる。
Regarding the adsorption characteristics of the carbon-modified zeolite of the present invention, the temperature programmed desorption amount of adsorbed ammonia was measured by the usual temperature programmed desorption method (TPD method) to measure the intensity distribution of solid acid points. As a result, a thermal desorption curve as shown in FIG. 2 was obtained. As a result, in the intensity distribution of the solid acid points, there is little quantitative change in the total acid points including the strong acid points and weak acid points, but the strong acid points observed in the high temperature region decrease, and the weak acid points observed in the low temperature region are reduced. It is observed that the points increase.
This suggests that the surface modification with carbon extends inside the pores. From the above, the carbon-modified zeolite of the present invention has a surface having characteristics similar to those of carbon and can be used as an adsorption / separation agent or a catalyst in which the acid strength characteristics of solid acid are controlled.

【0031】[0031]

【発明の効果】前述の如く、本発明の炭素修飾ゼオライ
トは、炭素修飾処理を行う前のゼオライトに比べて表面
吸着特性が改善されており、これを用いることによって
空気中の酸素を、窒素とアルゴンとから効率的に吸着分
離することができる。従って、これまでよりも吸着塔の
容積を小さくすることができ、使用する吸着剤の量も少
なくて済むので経済的である。更に本発明では、ゼオラ
イトの細孔表面に担持される修飾炭素の量を調整するこ
とにより、種々のガス成分に対する吸着容量及び吸着速
度が制御された吸着剤とすることもでき、特にPSAプ
ロセス用吸着剤として非常に適している。
As described above, the carbon-modified zeolite of the present invention has improved surface adsorption characteristics as compared with the zeolite before the carbon-modification treatment. By using this, oxygen in the air is converted to nitrogen. It can be efficiently adsorbed and separated from argon. Therefore, the volume of the adsorption tower can be made smaller than ever, and the amount of adsorbent used can be reduced, which is economical. Further, in the present invention, by adjusting the amount of modified carbon supported on the pore surface of zeolite, an adsorbent having controlled adsorption capacity and adsorption rate for various gas components can be obtained, particularly for PSA processes. Very suitable as an adsorbent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】N2 とO2 の吸着容量と平衡吸着圧との関係を
示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the adsorption capacity of N 2 and O 2 and the equilibrium adsorption pressure.

【図2】本発明の炭素修飾ゼオライト(実施例1及び
2)と、処理前の原料(比較例1)についての、吸着ア
ンモニアの昇温脱離曲線である。
FIG. 2 is a temperature programmed desorption curve of adsorbed ammonia for a carbon-modified zeolite of the present invention (Examples 1 and 2) and a raw material before treatment (Comparative Example 1).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 船田一郎 兵庫県神戸市須磨区友ケ丘7丁目126番地 北須磨団地163 (72)発明者 安岡憲二 京都府綴喜郡田辺町田辺沓脱30 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ichiro Funada 7-126 Tomokagaoka, Suma-ku, Kobe City, Hyogo Prefecture 163 Kitasuma housing complex 163 (72) Inventor Kenji Yasuoka Tanabe-cho, Tanabe-cho, Tsuzuki-gun, Kyoto 30

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ゼオライトの細孔表面に、炭素が担持さ
れたものであって、上記炭素が、炭化水素プラズマ処理
により生成した炭化水素種を熱分解することにより生成
されたものであることを特徴とする、炭素修飾ゼオライ
ト。
1. A zeolite having carbon supported on the surface of pores, wherein the carbon is produced by thermally decomposing a hydrocarbon species produced by a hydrocarbon plasma treatment. Characterized, carbon-modified zeolite.
JP4046229A 1992-01-31 1992-01-31 Carbon modified zeolite Expired - Lifetime JPH0685871B2 (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014200063A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-18 日立化成株式会社 Aluminum silicate complex, conductive material, conductive material for lithium ion secondary cell, composition for forming lithium ion secondary cell negative electrode, composition for forming lithium ion secondary cell positive electrode, negative electrode for lithium ion secondary cell, positive electrode for lithium ion secondary cell, and lithium ion secondary cell
JP2015017032A (en) * 2013-06-12 2015-01-29 日立化成株式会社 Aluminum silicate complex

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