JPH07265672A - ガス分離膜およびその製造法 - Google Patents

ガス分離膜およびその製造法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐薬品性および耐熱性を有する無機膜であっ
て、これを二酸化炭素の分離などに用いた場合、有機膜
と同程度の分離性能を示すものを提供する。 【構成】 シリカ源としてのテトラ低級アルコキシシラ
ン、アルミナ源、アルカリ金属源および結晶化剤として
のテトラプロピルアンモニウム塩を用いた水性混合物を
無機多孔質基質と共に耐圧容器中に封入し、160〜200℃
の水熱合成温度に保持して、無機多孔質基質上にZSM-5
である合成ゼオライト層を形成させてガス分離膜を製造
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス分離膜およびその
製造法に関する。更に詳しくは、二酸化炭素分離用など
に有効に用いられるガス分離膜およびその製造法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、大気中の二酸化炭素濃度の増加に
よる地球の温暖化が問題となっており、そのための排出
量の総量規制が検討されている。二酸化炭素の排出量を
削減するためには、排ガス中からの二酸化炭素の吸着あ
るいは吸収、分離、除去を行う必要があるが、操作の容
易さ、ランニングコスト等の面からは、膜分離による除
去方法が最も好ましい。
【0003】現在のところ、二酸化炭素分離膜としては
有機膜が用いられており、その分離性能(CO2/N2)は40〜
60程度、また透過速度は2×10-8モル/m2・秒・Pa程度で
あるといわれている。しかしながら、有機膜は耐薬品
性、耐熱性等に乏しく、また膜が汚染された際の再生が
困難であるなどの欠点を有している。
【0004】こうした欠点を克服させるためには、無機
膜を用いればよいが、無機膜では有機膜程の分離性能は
得られず、例えばメチルトリエトキシシラン、水、エタ
ノールの混合溶液に少量の硝酸を加え、加水分解および
縮重合反応させて得られる重合物をα-アルミナ多孔質
管外表面上に200〜300℃で担持させた薄膜を用いての二
酸化炭素についての分離性能(CO2/N2)は15.3、また透過
速度は8×10-7m3(STP)/m2・秒・KPa(3.6×10-8モル/m2
・秒・Pa)程度であるとされている(化学工学会年会研究
発表講演要旨集第55巻第575頁、1990年)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、耐薬
品性および耐熱性を有する無機膜であって、これを二酸
化炭素の分離などに用いた場合、有機膜と同程度の分離
性能を示すものを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】かかる本発明の目的は、
無機多孔質基質上にZSM-5である合成ゼオライト層を形
成させたガス分離膜によって達成される。
【0007】このようなガス分離膜は、シリカ源として
のテトラ低級アルコキシシラン、アルミナ源、アルカリ
金属源および結晶化剤としてのテトラプロピルアンモニ
ウム塩を用いた水性混合物を無機多孔質基質と共に耐圧
容器中に封入し、160〜200℃の水熱合成温度に保持し
て、無機多孔質基質上にZSM-5である合成ゼオライト層
を形成させることにより製造される。
【0008】無機多孔質基質としては、一般に多孔質の
セラミックス、例えばAl2O3、Y2O3、MgO、SiO2、Si
3N4、ZrO2等、好ましくは多孔質Al2O3が中空糸状、板状
などの形状で用いられ、これらは約0.1〜10μm、好まし
くは約0.1〜2μmの平均細孔径を有している。これらの
無機多孔質基質は、下記の水性混合物よりなる合成母液
と共に耐圧容器内に封入され、水熱合成条件が適用され
る。
【0009】合成母液を形成する水性混合物(ゾルある
いはゲル)は、シリカ源、アルミナ源、アルカリ金属
源、結晶化剤および水よりなる。シリカ源としてのテト
ラ低級アルコキシシランとしては、テトラメトキシシラ
ン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラ
ン、テトラn-ブトキシシラン等が用いられ、好ましくは
テトラエトキシシランが用いられて、これが加水分解さ
れてSiO2を形成させる。アルミナ源としては、アルミン
酸ナトリウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、
アルミナ粉末等が用いられ、一般にはアルミン酸ナトリ
ウムが用いられて、この場合にはアルカリ金属源を兼ね
ることもできる。アルカリ金属源としては、水酸化ナト
リウム、水酸化カリウムが一般に用いられる。また、結
晶化剤(構造規制剤)としては、テトラプロピルアンモニ
ウム塩、一般にはテトラプロピルアンモニウムブロマイ
ドが用いられる。
【0010】これらの各成分および水よりなる合成母液
は、次のような組成比(モル比)の水性混合物として一般
に用いられる。 SiO2/Al2O3=約30〜1000(好ましくは約60〜400) Na2O/SiO2=約0.1〜1.0(好ましくは約0.2〜0.5) 結晶化剤/SiO2=約0.05〜0.5(好ましくは約0.05〜0.2) H2O/SiO2=約70〜400(好ましくは約80〜300)
【0011】これらの各成分を含む合成母液(水性混合
物)の調製は、例えば次のような方法で行うことができ
る。 (1)硝酸、塩酸等の酸触媒を存在させた水溶液中にテト
ラ低級アルコキシシランを加えて撹拌し、加水分解反応
を行い、SiO2ゾルを形成させる。 (2)この加水分解反応液に、アルカリ金属源を含む水溶
液を加える。 (3)アルミナ源を含む水溶液に、結晶化剤を含む水溶液
を加えて撹拌する。 (4)上記(2)で調製した液に(3)で調製した液を加え、室
温下で約6〜24時間撹拌する。
【0012】合成母液を構成する水性混合物は、前記無
機多孔質基質と共に、テフロン製内筒を有するオートク
レーブなどの耐圧容器中に封入して、例えばオーブンな
どで全体を均一に加熱し、160〜200℃の水熱合成温度に
約24〜60時間程度保持することにより、無機多孔質基質
上にZSM-5である合成ゼオライトを形成させることがで
きる。
【0013】このようにして得られる合成ゼオライト薄
膜を形成させた無機多孔質基質は、中空糸膜モジュール
化あるいは板状膜などの状態で、二酸化炭素の分離膜な
どとして有効に用いられる。二酸化炭素分離膜として用
いられた場合、室温条件下においてその分離性能(CO2/N
2)は53〜56、また透過速度は1.0〜1.7×10-7モル/m2
秒・Pa程度と高く、有機膜と比較しても、分離性能は同
程度であり、その上透過速度に至っては約5〜8.5倍程度
高くなっている。更に、前述の無機膜と比較しても、分
離性能で約3.5倍程度、透過速度でも1.3〜2.1倍程度高
くなっている。
【0014】
【発明の効果】耐薬品性および耐熱性にすぐれた無機膜
として、無機多孔質基質上にZSM-5である合成ゼオライ
ト薄膜を形成させたものを用いると、有機膜と比較して
分離性能は同程度であり、その上透過速度が著しく改善
された二酸化炭素分離膜が得られる。この二酸化炭素分
離膜は、各種混合ガスからの二酸化炭素の有効な分離を
可能とさせる。
【0015】このようなZSM-5である合成ゼオライト薄
膜を形成させたガス分離膜の製造において、水熱合成に
用いられる水性混合物のシリカ源としてテトラ低級アル
コキシシランを用いた場合にのみ分離性能のよいガス分
離膜が得られ、シリカ源としてコロイダルシリカやけい
酸ナトリウム(水ガラスを含む)を用いた場合には、無機
多孔質基質上に合成ゼオライト薄膜は形成されるもの
の、分離性能の低いガス分離膜しか形成させない。
【0016】
【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。
【0017】実施例 テトラエトキシシランに少量の水を加え、硝酸の存在下
に加水分解を行う。この加水分解溶液に、水酸化ナトリ
ウム水溶液を加えて撹拌する。これに、アルミン酸ナト
リウム水溶液とテトラプロピルアンモニウムブロマイド
(TPABr)水溶液の混合物水溶液を加え、室温条件下で12
時間撹拌する。用いられた水性混合物からなる合成母液
の酸化物換算によるモル比は、次の如くである。 SiO2/Al2O3=102 Na2O/SiO2=0.23 TPABr/SiO2=0.10 H2O/SiO2=200
【0018】このようにして調製された合成母液を、ア
ルミナ中空糸(平均細孔径約1μm、外径約2mm、内径約
1.6mm)と共にオートクレーブ中に封入し、オートクレー
ブをオーブンに入れ、180℃の温度に36時間保持して、
水熱合成を行った。アルミナ中空糸膜上には、ZSM-5か
らなる合成ゼオライト層が形成されていることが、SEM
観察およびX線回析測定の結果から確認された。
【0019】この合成ゼオライト層を形成させたアルミ
ナ中空糸について、透過上流側と下流側との圧力差を0.
05MPaとし、20℃または30℃におけるCO2およびN2の純ガ
ス透過速度を測定し、その値からCO2分離性能を算出し
た。得られた結果は、次の表1に示される。 表1 ガス透過速度(モル/m2・秒・Pa) 分離性能 測定温度 CO2 N2 (CO2/N2) 20℃ 1.13×10-7 2.01×10-9 56.2 30℃ 1.68×10-7 3.19×10-9 52.7
【0020】更に、この合成ゼオライト層形成アルミナ
中空糸について、H2およびO2の30℃における純ガス透過
速度を測定し、それぞれ4.20×10-9モル/m2・秒・Paお
よび4.00×10-9モル/m2・秒・Paの値を得た。また、CO2
/H2分離性能は40.0、CO2/O2分離性能は42.0と高い分離
性能を示した。これらの結果から、本発明のガス分離膜
を用いることで、各種混合ガスからCO2を有効に分離す
ることができることが確認された。
【0021】比較例1〜2 実施例において、SiO2として同モル比となる量の水ガラ
ス(比較例1)またはコロイダルシリカ(比較例2)が用い
られた。得られた合成ゼオライト層を形成させたアルミ
ナ中空糸について、その分離性能を測定すると、次の表
2に示されるような結果が得られた。 表2 CO2透過速度 比較例 測定温度 (モル/m2・秒・Pa) 分離性能 1 20℃ 1.76×10-8 13.4 30℃ 2.00×10-8 11.8 2 20℃ 6.21×10-9 18.2 30℃ 5.58×10-9 15.8

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無機多孔質基質上にZSM-5である合成ゼ
    オライト層を形成せしめてなるガス分離膜。
  2. 【請求項2】 シリカ源としてのテトラ低級アルコキシ
    シラン、アルミナ源、アルカリ金属源および結晶化剤と
    してのテトラプロピルアンモニウム塩を用いた水性混合
    物を無機多孔質基質と共に耐圧容器中に封入し、160〜2
    00℃の水熱合成温度に保持して、無機多孔質基質上にZS
    M-5である合成ゼオライト層を形成させることを特徴と
    するガス分離膜の製造法。
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