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Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
法に従って行われてよい。
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TO4(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。
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。
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
0−5〜1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。
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。
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。
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。
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。
ち4面体TO4(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。
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。
として本発明を例証する。
は、Corning社(参照:“Vycor”793
0)に由来した。
SiO296%;B2O33%;Al2O30.4%;
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:1SiO2;0.
004Na2O;0.18TPA2O;19.2H
2O;4C2H5OH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)。
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。
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。
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。
に記載した膜で行った。
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。
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)。
である。
る。
写真である。
示す顕微鏡写真である。
写真である。
示す顕微鏡写真である。
Claims (17)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【請求項16】 生成ゼオライトが、4面体TO4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。 - 【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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