JPH09173800A - ガラス質細孔による担持ゼオライト膜の生成方法及 び得られたゼオライト膜 - Google Patents

ガラス質細孔による担持ゼオライト膜の生成方法及 び得られたゼオライト膜

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JPH09173800A JP8357440A JP35744096A JPH09173800A JP H09173800 A JPH09173800 A JP H09173800A JP 8357440 A JP8357440 A JP 8357440A JP 35744096 A JP35744096 A JP 35744096A JP H09173800 A JPH09173800 A JP H09173800A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】経済的に有益な連続方法によって分子を分離す
ることができるゼオライト膜を提供する。 【解決手段】 本発明による、ガラス質細孔による担持
ゼオライト膜の生成方法は、ガラス質細孔担体の表面に
主として局在するゼオライトの連続層からなる複合膜の
調製方法において、連続的に、前記細孔担体の内面及び
外面のシリカの部分加水分解を行う少なくとも一つの工
程と、ゼオライトの結晶化を行う工程とを備えることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス質細孔によ
る担持ゼオライトの膜の生成方法、及び得られた膜に関
する。
【0002】ゼオライトは、選択的吸着によるその分離
性能あるいはその触媒性能に対して使用される。しかし
ながら、粉体状ゼオライト上における分離は、不連続方
法である。ゼオライト膜により、経済的に有益な連続方
法によって分子を分離する手段が提供される。
【0003】
【従来技術及び解決すべき課題】いくつかのゼオライト
膜生成方法が、既に記載されていた。これら膜は、多孔
担体上及び/又は多孔担体中、あるいは非多孔担体上で
のゼオライト薄膜の結晶化により、しばしば調製され
る。2つの場合が考えられる。
【0004】第一の場合には、担体はゼオライトの前駆
ゲル中に浸漬され、全体がゼオライトの結晶化を行うた
めに水熱条件に付される。例えば、日本特許出願公開J
P−A−60/129119には、アルミナ担体の表面
上に結晶化したゼオライト薄膜で構成される膜が記載さ
れている。米国特許US−A−5100596では、膜
は、非細孔面でのモレキュラーシーブの結晶化及び該面
からの薄膜の分離により得られる。ヨーロッパ特許EP
−A−481660では、担持ゼオライト膜に関して、
ゼオライトの層は、担体に直接接合される。ゼオライト
の結晶化の前に、担体は、表面にケイ酸のオリゴマーの
生成を導くためのケイ酸源を含む溶液又は懸濁液との接
触に付される。日本特許出願公開JP−A−06/32
1530には、合成温度が結晶化の間上昇される、複合
膜の生成方法が記載されている。
【0005】第二の場合には、担体はコロイド溶液との
接触に付され、次いで該溶液から分離され、次いで吸着
された溶液を原料としてゼオライトの結晶化を行うため
に、飽和水蒸気中に置かれる。国際特許出願WO−A−
93/17781には、多孔担体に担持された水性又は
アルコール性コロイド溶液の飽和水蒸気への暴露による
ゼオライトの膜の生成方法が記載されている。
【0006】複合膜においては、担体へのゼオライトの
接着は良好でなければならない。従って、ゼオライトの
薄膜は担体に直接接合されねばならない。反応性の増加
のために担体の表面を処理することは、時として明らか
に必要である。反応性は、例えば外部反応体による、担
体の表面へのケイ酸のオリゴマーの形成によって増加さ
れることもある。従って、これらオリゴマーの担体への
結合は当然弱く、その分配は均一ではない。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス質細孔
による担持ゼオライトの膜の調製方法に関する。本方法
は、ゼオライトの結晶化工程の前に、担体の内面及び外
面のシリカの部分加水分解工程を備える。本発明はこの
方法によって得られる膜にも関する。
【0008】得られた膜は、該膜が有利には連続分離方
法において使用され得るように、確かな品質を有する。
担体の内面及び外面のシリカの部分加水分解が、当初シ
リカより反応性であるシラノール基あるいはシリカゲル
の生成を導くようである。ガラス質担体からのホウ素の
抽出により、ケイ素がより利用しやすい表面を生じるこ
とも考えられる。ゼオライトの担体への接着は、それだ
け益々優れたものになる。さらに、このようにして生成
されたシラノール基あるいはシリカゲルは、担体の表面
に化学的に結合される。従って、該シラノール基あるい
は該シリカゲルを原料として結晶化されたゼオライト
は、担体に直接接合される。その結果、ゼオライトの層
の厚みは、一定でありかつ薄いものであり得る。
【0009】ゼオライトの層は、担体の外面に主として
局在する。実際に、該担体は、ゼオライトの結晶体を含
むために非常に小さい直径の細孔を有する。
【0010】本発明は、図1〜図6と関連して、より詳
細に下記に説明される: ・図1は、担体の表面の加水分解の実験装置を模式的に
表し、また ・図2〜図6は、出発ガラス質細孔表面(図2)と、2
つの異なる拡大形態でのゼオライト膜の表面(図3及び
図4)と、2つの異なる拡大形態での同ゼオライト膜の
断面(図5及び図6)とを示す顕微鏡写真である。
【0011】本発明は、ガラス質細孔担体の表面に主と
して局在するゼオライトの連続層からなる複合膜の調製
方法を提案するものであり、該方法は、連続的に、前記
ガラス質細孔担体の内面及び外面のシリカの部分加水分
解を行う少なくとも一つの工程と、ゼオライトの結晶化
を行う工程とを備える。
【0012】より詳細には、本発明は、直径1〜100
nmの細孔を有し、かつ全細孔容積の部分5%以上を有
するガラス質細孔担体の表面に主として局在するゼオラ
イトの連続層によって構成される複合膜の調製方法を提
案し、該方法は、連続的に、 ・前記細孔担体の内面及び外面のシリカの部分加水分解
を行う工程(a)、 ・加水分解された担体が、温度120℃未満で乾燥さ
れ、次いで1つ又は複数の骨格元素源とゼオライトの結
晶化の他の補助剤とを含む溶液、ゾル又はゲルとの接触
に付される工程(b)、 ・ゼオライトが、温度50〜300℃で1時間〜15日
間、前記担体を加熱することにより結晶化されて、膜を
生じる工程(c)、 ・生成された膜が冷却され、次いで洗浄されて、1つ又
は複数の骨格前記元素源の少なくとも一部及び/又はゼ
オライトの結晶化の前記補助剤を除去するようにし、次
いで前記洗浄された膜が、乾燥される工程(d)、及び ・このようにして得られた膜が、温度300〜800℃
で焼成され、次いで前記焼成膜が、室温まで冷却される
工程(e)を備えることを特徴とする調製方法である。
【0013】より詳細には、本発明の方法においては、
担体は、直径1〜100nm、好ましくは2〜10nm
の細孔を有し、かつ全細孔容積の部分5%以上、好まし
くは25%以上を有するガラス質細孔により構成され
る。Corning社から登録商標Vycor 793
0で市販されている、平均直径4nmの細孔を有するガ
ラス質細孔担体が、適切な例である。
【0014】あらゆる形状が担体に適し得る。形状は平
面状、すなわち、円板状、薄片状等であってよい。さら
に形状は、筒状又は螺旋状形態であってもよい。
【0015】担体のシリカの部分加水分解は、担体と飽
和水蒸気とを接触に付すことにより行われる。担体は、
内面及び外面にシリカのゲルを形成するために、温度1
00〜500℃、好ましくは100〜250℃で1時間
〜8日間、好ましくは1時間〜24時間、適切な装置内
に置かれる。適切な装置例が図1に表される。該装置
は、ポリテトラフルオロエチレンで被覆したオートクレ
ーブ(1)と、液体水(4)と平衡である蒸気相(5)
中に担体(3)を維持することが可能な同じくポリテト
ラフルオロエチレン製の円筒部材(2)とを備える。例
えば酸性又は塩基性である、塩酸又はアンモニアのよう
な揮発性補助剤は、加水分解の過程を促進するために、
水蒸気に添加されてよい。担体を含む装置は、室温に冷
却される。担体は、温度120℃未満で1〜24時間、
好ましくは60℃で2時間乾燥されて、次いで室温に冷
却される。
【0016】加水分解は、担体と、純水、あるいは例え
ば塩酸又はアンモニアを含む酸性又は塩基性水溶液、あ
るいはさらにアミン例えばプロピルアミン又はトリエチ
ルアミンとを接触に付すことにより行われる。この場
合、担体は、溶液中に温度20〜250℃で1時間〜8
日間浸漬される。場合による冷却後、担体は、水溶液か
ら取出されて、温度120℃未満で1〜24時間乾燥さ
れて、次いで室温に冷却される。
【0017】ゼオライトの層の水熱結晶化は、2つの方
法に従って行われてよい。
【0018】第一方法においては、ゼオライトは、ポリ
テトラフルオロエチレンで被覆されたオートクレーブ内
に含まれる、溶液、ゾル又はゲル中に浸漬された加水分
解済担体を、温度50〜300℃、好ましくは100〜
130℃で1時間〜15日、好ましくは3時間〜3日間
加熱することにより結晶化される。溶液、ゾル又はゲル
は、ゼオライトの1つ又は複数の骨格元素源と、ゼオラ
イトの結晶化の他の補助剤とを含む。骨格元素源は、4
面体TO(ここで、Tは、Si、Al、B、Ga、G
e及びPから選ばれる少なくとも一つの元素である)を
生じ得るものであり、例えばテトラエトキシシランのケ
イ素に対しては、好ましくはアルコキシドである。しか
しながら、酸化物及び硝酸塩も適する。
【0019】ゼオライトの結晶化の補助剤は、酸又は塩
基、及び/又は無機塩及び/もしくは有機塩、及び/又
は骨格の仕込原料の動態化剤(agents mobi
lisateurs)、構造化剤及びイオン交換剤とし
て本質的に役立つ非解離分子により構成される。フッ化
物イオン又は水酸化物イオンは、例えば水酸化ナトリウ
ム及びフッ化水素酸形態で導入される主要動態化剤であ
る。種々の無機又は有機構造化剤が適し得る。すなわ
ち、水和カチオン(ナトリウム・イオン又はカリウム・
イオン)、イオン対(アンモニウム・イオン又はホスホ
ニウム・イオン、及びこれらに対応するアニオン)、あ
るいは中性分子(アミン、アルコール又はエーテル)で
ある。結晶化の補助剤として、ほとんどの場合、水酸化
テトラプロピルアンモニウム又は臭化テトラプロピルア
ンモニウム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム、ア
ンモニア、フッ化水素酸が用いられ、エーテルとして、
クラウン・エーテルが用いられる。
【0020】第二方法においては、加水分解された担体
は、上記のように1つ又は複数の骨格元素源及び結晶化
の他の補助剤を含む溶液、ゾル又はゲルで含浸される。
含浸法は、好ましくは担体を液体(溶液、ゾル又はゲ
ル)中に浸漬することによるが、他の方法が用いられて
もよく、例えば細孔担体の表面への液体の担持がある。
含浸は、温度20〜200℃で1分〜72時間、圧力1
−5〜1気圧下に行われてよい。例えば、含浸は、室
温で2時間、大気圧下に行われてよい。次いで担体は、
溶液、ゾル又はゲルから分離され、次いで該担体は、ゼ
オライトを結晶化するために、温度50〜300℃、好
ましくは100〜130℃で、1時間〜15日間、好ま
しくは3時間〜5日間、飽和水蒸気との接触に付され
る。
【0021】溶液の使用を含む第二方法は、好ましくは
第一方法に用いられる。飽和水蒸気での暴露による水熱
合成によって、反応性媒質の容積の制限が可能になり、
その結果、例えば塩基性媒質である、攻撃的な反応性媒
質の場合における担体の攻撃を制限することが可能にな
る。MFI型ゼオライトの前駆溶液の場合には、塩基性
でありかつ構造化剤に富む媒質によって、よりいっそう
均一な構造を有する球状形態の小結晶の形成が可能にな
る。他方においては、ゼオライト結晶の増加は、担体の
外面のレベルでもっぱら起こる。従って、担体の細孔
は、ゼオライトの結晶を含むために、非常に小さいもの
である。担体の細孔容積内に導入された反応体は、ゼオ
ライト結晶の増加の補充に寄与する。
【0022】このように、2つの方法の一方又は他方に
従って生成された膜は、室温に冷却され、場合によって
は反応性媒質から分離され、次いで洗浄されて、過剰の
骨格元素源の少なくとも一部及び/又はゼオライトの結
晶化の補助剤を除去するようにする。この洗浄は、好ま
しくは蒸留水を用いて行われる。次いで膜は、好ましく
は60℃で、2〜24時間乾燥されて、室温に冷却され
る。
【0023】冷却、反応媒質の場合による分離、洗浄及
び生成された膜の乾燥に次ぐゼオライト層の水熱結晶化
は、必要回数だけ繰り返されてよい。
【0024】次いで膜は、温度300〜800℃、好ま
しくは400〜600℃で徐々に上昇させて焼成され
る。この温度上昇は、連続的にあるいは段階的に5〜5
0時間行われてよい。次いで焼成温度は、この値で10
分〜24時間維持される。次いで膜は、室温まで徐々に
冷却される。冷却は、連続的にあるいは段階的に1〜2
4時間行われてよい。
【0025】この方法は、あらゆるゼオライト、すなわ
ち4面体TO(T=Si、Al、B、Ga、Ge及び
/又はP)の連結から生じる三次元骨格を有する構造に
よって特徴付けられるあらゆる結晶化固体に適用されて
よく、各酸素原子は、2つの四面体と、分子サイズの孔
路及び空洞とに共通している。IUPAC分類法によ
る、FAU、GME、MOR、OFF、MFI、ME
L、FER、LTA及びCHAにより示される構造型
は、適切な例である。
【0026】この方法もまた8面体TO(T=Ti、
Mn及び/又はMo)の連結から生じるあらゆる固体、
例えばチタンシリケート、並びにMCM−41型の中間
細孔固体に適用されてよい。
【0027】
【発明の実施の形態】次の実施例は、限定されないもの
として本発明を例証する。
【0028】[実施の形態1]使用したガラス質担体
は、Corning社(参照:“Vycor”793
0)に由来した。
【0029】その特徴は、次の通りであった:化学組成
SiO96%;B3%;Al0.4%;
アルカリ(痕跡)及びヒ素(痕跡);平均細孔直径:4
nm。担体を、蒸留水10gを含む、PTFE(ポリテ
トラフルオロエチレン)で被覆したオートクレーブ(図
1)内に置き、PTFE製の円筒部材を使って、水を除
いて維持した。オートクレーブを170℃で19時間加
熱した。これらの条件下で、飽和水蒸気は、担体の表面
の化学反応性を増加させる効果を有した。担体を含んだ
オートクレーブを、室温に冷却した。次いで担体を、シ
リカゲルを入れた乾燥器内で60℃で2時間乾燥し室温
に冷却して、重さを計った。その重量は1.2305g
であった。次いで担体を、モル組成:1SiO;0.
004NaO;0.18TPAO;19.2H
O;4COHの溶液中に2時間浸漬した。該溶
液を、テトラエトキシシランに水酸化ナトリウムとテト
ラプロピルアンモニウムとの水溶液を添加することによ
って調製した。二相の混合物を、アルコキシドを加水分
解するために、室温で20時間撹拌下に付した。担体を
溶液から取出した。これらの条件下で、担体の重量は
0.33gだけ増加した。溶液を含む担体を、飽和水蒸
気中に100℃で96時間置いた。担体を含むオートク
レーブを室温に冷却した。担体を蒸留水で洗浄し、次い
でシリカゲルを入れた乾燥器内で60℃で2時間乾燥し
室温に冷却した。先行組成と同じ組成の溶液によって、
該担体の2回目の処理を2時間行った。この場合、混和
した溶液の重量は、0.31gであった。ゼオライトの
2回目の結晶化を、飽和水蒸気中、100℃で120時
間行った。膜を含むオートクレーブを、室温に冷却し
た。膜を蒸留水で洗浄し、シリカゲルを入れた乾燥器内
で60℃で一晩乾燥し室温に冷却し、500℃で6時間
焼成し、次いで室温に冷却した(加熱速度:0.5℃/
分、冷却速度:1℃/分)。X線回折図形により、MF
I型ゼオライトによる、2つの面の一方の表面の完全な
被覆が明らかになった。電子走査鏡検の写真は、球状形
態の小結晶の存在を示した。該結晶は、担体に接合した
目の細かい層を形成した。この層は表面を共有し、従っ
て該層は、担体に直接接合した(図2)。
【0030】(TPAにより塞がれたゼオライトの孔
路の)焼成工程の前では、膜はメタンに気密であった。
このことは、ゼオライトの結晶間の空間が存在しないこ
とを示した。
【0031】[実施例2(比較)]ゼオライトの結晶化
の前には担体が化学反応性の増加を何ら受けなかった点
を除いて、操作方法は、実施例1に記載したものと同様
に行った。ゼオライトは、外面には何ら結晶しなかっ
た。
【0032】[実施例3]加水分解を、170℃で19
時間、蒸留水20g中に浸漬した担体の水熱加熱により
行った点を除いて、操作方法は、実施例1に記載したも
のと同様に行った。ゼオライトの層は、単一工程で結晶
化した。
【0033】[実施例4]ガス透過の測定を、実施例1
に記載した膜で行った。
【0034】500℃で6時間焼成した膜を、ガスに気
密なエポキシ樹脂を用いて、穿孔した金属円板に密着さ
せた。全体を、ガス透過装置内に置いた。
【0035】膜の純粋ガスに対する透過性の結果と、対
応する選択性とを、各々表1及び表2に記載した。膜の
透過性及び選択性の結果を、50/50混合物の2つの
型に対して記載した(表3)。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
【表3】
【図面の簡単な説明】
【図1】 担体の表面の加水分解の実験的装置の模式図
である。
【図2】 出発ガラス質細孔表面を示す顕微鏡写真であ
る。
【図3】 ゼオライト膜の表面の拡大形態を示す顕微鏡
写真である。
【図4】 ゼオライト膜の表面のもう1つの拡大形態を
示す顕微鏡写真である。
【図5】 ゼオライト膜の断面の拡大形態を示す顕微鏡
写真である。
【図6】 ゼオライト膜の断面のもう1つの拡大形態を
示す顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナン ル ドレド フランス国 リードシャイム リュ デ ピレネ 8 (72)発明者 ジャン ルイ グット フランス国 ミュルーズ リュ ベルヴュ ブラン スタット 59 (72)発明者 アラン メチヴィエ フランス国 リイル マルメゾン リュ ルヴァス ール 1 (72)発明者 クリスチャン ストレシェール フランス国 リイル マルメゾン リュ マセナ 10

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス質細孔担体の表面に主として局在
    するゼオライトの連続層からなる複合膜の調製方法にお
    いて、連続的に、前記細孔担体の内面及び外面のシリカ
    の部分加水分解を行う少なくとも一つの工程と、ゼオラ
    イトの結晶化を行う工程とを備えることを特徴とする調
    製方法。
  2. 【請求項2】 連続的に、 ・直径1〜100nmの細孔を有し、かつ全細孔容積部
    分を5%以上有する前記ガラス質細孔担体の内面及び外
    面のシリカの部分加水分解を行う工程(a)、 ・加水分解された担体が、温度120℃未満で乾燥さ
    れ、次いで1つ又は複数の骨格元素源とゼオライトの結
    晶化の他の補助剤とを含む溶液、ゾル又はゲルとの接触
    に付される工程(b)、 ・ゼオライトが、温度50〜300℃で1時間〜15日
    間、前記担体を加熱することにより結晶化されて、膜を
    生じる工程(c)、 ・生成された膜が冷却され、次いで洗浄されて、1つ又
    は複数の骨格前記元素源の少なくとも一部及び/又はゼ
    オライトの結晶化の前記補助剤を除去するようにし、次
    いで前記洗浄された膜が、乾燥される工程(d)、及び ・このようにして得られた膜が、温度300〜800℃
    で焼成され、次いで前記焼成膜が、室温まで冷却される
    工程(e)を備えることを特徴とする、請求項1による
    方法。
  3. 【請求項3】 ガラス質担体が、直径2〜10nmの細
    孔を有し、その全細孔容積部分が25%以上である、請
    求項2による方法。
  4. 【請求項4】 加水分解が、前記担体と飽和水蒸気とを
    温度100〜500℃で1時間〜8日間、接触に付すこ
    とにより行われる、請求項2及び3による方法。
  5. 【請求項5】 前記飽和水蒸気が、塩酸及びアンモニア
    から好ましくは選ばれる酸性補助剤又は塩基性補助剤と
    混合される、請求項4による方法。
  6. 【請求項6】 工程(a)の加水分解が、前記担体と純
    水とを温度20〜250℃で1時間〜8日間、接触に付
    すことにより行われる、請求項2又は3による方法。
  7. 【請求項7】 前記純水が、塩酸、アンモニア及びアミ
    ン、例えばプロピルアミン又はトリエチルアミンから好
    ましくは選ばれる酸性補助剤又は塩基性補助剤と混合さ
    れる、請求項6による方法。
  8. 【請求項8】 工程(b)において、加水分解された担
    体が、1つ又は複数の骨格元素源とゼオライトの結晶化
    の他の補助剤とを含む溶液との接触に付される、請求項
    2〜7による方法。
  9. 【請求項9】 工程(c)において、ゼオライトが、前
    記溶液、前記ゾル又は前記ゲル中に浸漬された前記担体
    を3時間〜3日間、加熱することにより結晶化される、
    請求項2〜8のいずれか1項による方法。
  10. 【請求項10】 工程(e)において、前記担体が、前
    記溶液、前記ゾル又は前記ゲルから分離され、次いでゼ
    オライトを結晶化するために、該担体が、飽和水蒸気と
    3時間〜5日間、接触に付される、請求項2〜8のいず
    れか1項による方法。
  11. 【請求項11】 工程(c)において、温度が100〜
    130℃であることを特徴とする、請求項2〜10のい
    ずれか1項による方法。
  12. 【請求項12】 工程(d)において、洗浄が蒸留水で
    行われる、請求項2〜11のいずれか1項による方法。
  13. 【請求項13】 工程(d)後に生成された前記膜につ
    いて、工程(b)(c)及び(d)の操作を少なくとも
    1回繰り返す、請求項2〜12による方法。
  14. 【請求項14】 工程(e)において、膜が、焼成温度
    400〜600℃で5〜50時間、温度の漸次上昇によ
    り焼成され、前記膜が、前記焼成温度に10分〜24時
    間維持されて、次いで前記焼成膜が、1〜24時間徐々
    に室温まで冷却される、請求項2〜13による方法。
  15. 【請求項15】 請求項1〜14に記載された方法によ
    り得られる膜。
  16. 【請求項16】 生成ゼオライトが、4面体TOの連
    結により生じ、該連結において、Tが、Si、Al、
    B、Ga、Ge及びPから選ばれる少なくとも一つの元
    素である、請求項15による膜。
  17. 【請求項17】 生成ゼオライトが、FAU、GME、
    MOR、OFF、MFI、MEL、FER、LTA及び
    CHAから選ばれる構造型である、請求項15又は16
    による膜。
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