JPS6351923A - 凝縮性ガス成分の凝縮分離用セラミツク膜構造体およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、凝縮性ガス成分の凝縮分離用セラミック膜構
造体およびその製造法に関する。

（従来技術〕 凝縮性ガス成分の凝縮分離は、多孔質膜の微細孔内にて
凝縮性ガス成分を毛管凝縮させて同ガス成分を非（難）
凝縮性ガス成分から分離させるもので、近年種々研究さ
れている。その−例として、刊行物化学装置第６１頁〜
第６５頁（１９８５年１）月号：工業調査会発行）に示
されているように、セラミック製の多孔質管の外表面に
微細孔を有するシリカゲル薄膜、アルミナゲル薄膜を担
持させた構造体を用いて空気中の水分の分離除去、アル
コールの分離濃縮を行っている例がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記刊行物にはかかる構造体を工業的規模で
利用する具体的手段が全く示されておらず、その具体的
手段の提案が望まれる。本発明は従来公知のセラＥ　７
クハニ力ム構造体に着目し、同構造体に上記刊行物に示
された構造体と同様の分！機能を付与することにより工
業的に有利な凝縮分離用セラミック膜構造体を提供しよ
うとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の第１の発明は、多数の連続細孔を有する多孔質
隔壁にて区画され一端側が開口する多数の第１の孔と同
一端側が閉塞する多数の第２の孔とを互に並列的に備え
たセラミックハニカム構造体であり、当該構造体はいず
れかの孔の閉塞部に流体入出孔を有するとともに、前記
各隔壁のいずれかの孔側内周に凝縮性ガス成分を凝縮さ
せる多数の連続微細孔を有するセラミック薄膜を備え、
かつ前記第１の孔と第２の孔とは少くとも部分的に共通
の隔壁にて区隔されていることを特徴とする凝縮性ガス
成分の凝縮分離用セラミック膜構造体にある。

また、本発明の第２の発明はかかるセラミック膜構造体
の製造法であり、当該製造法は多数の連続細孔を有する
多孔質隔壁にて区画された多数の貫通孔を互に並列的に
備えたセラミックハニカム構造体を基礎構造体とし、同
構造体の前記各貫通孔における所定の各貫通孔の少（と
も一端側を閉塞して少（とも部分的に共通の隔壁にて区
画された一端側が開口する多数の第１の孔と同一端側が
閉塞する多数の第２の孔とを形成し、凝縮性ガス成分を
凝縮させる多数の連続微細孔を有するセラミック薄膜の
形成用スラリーをいずれかの孔の開口端から内部に侵入
させ、同孔の内壁に前記セラミック薄膜を形成すること
を特徴とするものである。

本発明において、基礎構造体はセラミック原料の微粉に
有機バインダー、可塑剤を加えて混練してなる調合物を
多数のスリットを備えたダイスから押出し、かつこれを
焼成してなるセラミックハニカム構造体であり、セラミ
ック原料としてはアルミナ、シリカ、ムライト、コージ
ェライト等が採用される。かかるセラミックハニカム構
造体は多数の連続細孔を有する多孔質隔壁にて区画され
た多数の貫通孔を互に並列的に備えており、貫通孔の断
面形状は三角形、四角形、その他の多角形、円形、楕円
形等適宜の形状を呈している。なお、多孔質隔壁の細孔
の平均孔径は好ましくは０．２μｍ〜５μｍである。

本発明に係るセラミック膜構造体はかかるセラミックハ
ニカム構造体における各貫通孔を第１の孔と第２の孔の
２種類に区分してなるもので、第１の孔は少くともその
一端側が開口されその他端側は開口または閉塞されてい
る。また、第２の孔は少くともその一端側が閉塞されそ
の他端側は閉塞または開口されている。第１の孔と第２
の孔とは少くとも部分的に共通の隔壁にて区画されてい
る。また、かかるセラミック膜構造体はいずれかの孔の
閉塞部に流体入出孔を有するとともに、各隔壁のいずれ
かの孔側内周に多数の連続微細孔を有するセラミックｉ
１ｍを備えている。セラミック薄膜は凝縮性ガス成分を
凝縮させる多数の連続微細孔を有するもので、好ましく
はアルミニウムアルコラートまたはアルミニウムキレー
トを加水分解して得たアルミナゾルにて形成され、その
微細孔の平均孔径が１００Ａ以下であり、かつ膜厚が５
μｍ〜１００μｍであることが好ましい。セラミック薄
膜形成材料は、セラミックハニカム構造体のいずれかの
孔の開口から侵入されてその内壁に付着され、適宜の処
理例えばケイ酸塩水溶液に浸漬、次いで高温水蒸気中で
の水蒸気処理に付されて薄膜に形成される。なお、セラ
ミック薄膜はＰＶＤ、ＣＶＤ等によって形成してもよい
。

〔発明の作用・効果〕

かかる構成のセラミック１ｌｆｆ　ｆｌ構造体おいては
、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとが混合する被処理ガスを
第１または第２の孔の開口端から供給するとともにいず
れかの孔の閉塞部もしくはいずれかの孔の開口部から吸
引すれば、同被処理ガスの少くとも一部がセラミック薄
膜および隔壁を通過しようとする。この際、被処理ガス
中の凝縮性ガスがセラミック薄膜の微細孔内にて凝縮す
るとともに同微細孔の一端にて気化し、凝縮性ガスはこ
の状態を順次繰返してセラミック薄膜および隔壁を通過
する。被処理ガス中の非凝縮性ガスは凝縮性ガスの凝縮
物により微細孔の通過を抑制され、第１の孔と第２の孔
からは前記両ガスの濃度が大きく相違する２種類の処理
ガスが流出する。

ところで、かかる構成のセラミック膜構造体においては
、セラミックハニカム構造体を基礎構造体として同構造
体の多数の隔壁に凝縮性ガスの分離機能を持たせたもの
であるから、分離機能を有する隔壁の単位容積当りの有
効面積が極めて高い。

また、各隔壁は全て一体的に結合しているため、各隔壁
を構成する多数の部材を一体化する手段を要せずかつ強
度的にも極めて強い。従って、かかるセラミック膜構造
体は凝縮性ガスの凝縮分離用構造体として工業的に極め
て有利である。

一方、かかるセラミック膜構造体はセラミックハニカム
構造体の作製、同構造体の貫通孔における所定の開口端
部の閉塞、所定の隔壁内周へのセラミック薄膜の形成付
与という手段により製造されるため、特別に難しい手段
を用いることなく容易に製造することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明するに、第
１図には本発明の第１実施例に係るセラミック膜構造体
を採用した除湿装置が示されている。当該除湿装置は本
体ケースｌｌ内にセラミック膜構造体２０を収容してな
るもので、上下一対の支持部材１２．１３を介してケー
ス１）内に支持されている。ケース１）は流入口１）ａ
と２つの流出口１）ｂ、ｌｌｃを備えていて、未処理の
空気が流入口１）ａを通して供給され、かつ第１流出口
１）ｂ側から図示しない吸引手段にて吸引されて凝縮性
ガス成分である水蒸気が選択的に、同流出口１）ｂから
流出するとともに、水蒸気含有量の低下したいわゆる除
湿された空気が第２流出口１）Ｃから流出する。

しかして、セラミック膜構造体２０は第２図および第３
図に示すように、多孔質隔壁にて区画された多数の貫通
孔を互に並列的に備えたセラミノクハニカム構造体を基
礎構造体２１とするもので、基礎構造体２１（以下単に
構造体という）の各貫通孔は断面四角形を呈し、構造体
２１の長手方向へ互に並列的に延びている。かかる構造
体２１はセラミック原料の微粉例えばアルミナ、シリカ
、ムライト、コージェライト等に有機バインダー、可塑
剤を加えて混練してなる調合物を通常のセラミック多孔
質の形成と同様の条件で押出し成形、焼成して得られる
もので、各貫通孔を区画する多数の隔壁２１ａは多数の
連続細孔を有する多孔質隔壁である。第４図にはかかる
隔壁２１ａと後述するセラミック薄膜２４の断面を超拡
大した局部断面が示されているが、隔壁２１ａの細孔２
１ｂの平均孔径は好ましくは０．２μｍ〜５μｍである
。平均孔径が０．２μｍ以上であれば被処理ガスのガス
拡散の妨害とはならず、また平均孔径が５μｍ以下であ
ればセラミック薄膜の形成時運膜内でのクランク、ピン
ホール等の発生が防止され、かつ均一な膜厚の形成が可
能になる。なお、隔壁２１ａの厚みは任意であるが、強
度上および加工上１ｍ程度であることが好ましい。

本実施例のセラミック膜構造体２０においては、構造体
２１における各貫通孔の両端を千鳥状に閉塞してなるも
ので、各貫通孔を多数の両端開口孔２ＩＣと両端閉塞孔
２１ｄとに区画している。これら両孔２１Ｃ，２１ｄは
本発明における第１゜第２の孔にそれぞれ相当するもの
で、閉塞孔２１ｄの両端を閉塞している閉塞部材２２ａ
、２２ｂは隔壁２１ａと同様の材質でその外側に釉薬を
施してなり、気密的に密閉している。かかる閉塞部材２
２ａには同様の材質からなる流体入出パイプ２３が植設
されている。互に隣合う開口孔２１Ｃと閉塞孔２１ｄと
はそれらの一辺を共通の隔壁２１ａにて区画されている
。また、各開口孔２１Ｃを構成する隔壁２１ａの内周に
セラミック薄膜２４が担持されている。

セラミックｉ膜２４は凝縮性ガス成分を凝縮させる多数
の連続微細孔２４ａを有するもので、微細孔２４ａの平
均孔径が１００Ａ以下でありかつその膜厚が５μｍ〜１
００μｍである。本実施例においては、空気中の水蒸気
の凝縮効果、透過速度等を考慮して微細孔の平均孔径が
１ＯＡ、膜厚が１０μｍに調製されている。かかるセラ
ミック薄膜２４はアルミニウムイソプロポキシド、アル
ミニウムー２−ブチレート等のアルミニウムアルコラー
ト、アルミニウムトリス（エチルアセトアセテート）、
エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレー
ト等のアルミニウムキレートを加水分解して得たアルミ
ナゾルを用いて形成されるもので、同アルミナゾル中に
構造体２１を浸漬してこれを各開口孔２１ｃ内に導入し
、隔壁２１ａの同開口孔２１ｃ側内周に担持させる。そ
の後、ケイ酸ナトリウム水溶液で処理しさらに高温水蒸
気で処理することによりセラミック薄膜２４が形成され
る０本実施例においては、水１００ｇに対し５ｇのアル
ミニウムイソプロポキシドを８０〜９０℃に保持した水
中に添加し、アルミニウムイソプロポキシドを加水分解
した。これに０．６ｍｊ！の濃硝酸を加え、８０〜９０
°Ｃに２４時間保持し、解膠してアルミナゾルを得た。

このアルミナゾルに構造体２１を５分間浸漬した後、０
．１モル／１のけい酸ナトリウム水溶液に１時間浸漬し
、１００℃の水蒸気中において１時間保持した後９０℃
の熱水中に１分間浸漬しアルカリを洗浄除去した。

かかる構成のセラミック膜構造体２０を採用した除湿装
置においては、ケース１）の流入口１）ａ側から未処理
空気を所定の流速で供給し、かつ第１流出口１）ｂ側か
ら真空ポンプにより吸引する。これにより、供給された
空気はセラミック膜構造体２０における各開口孔２１ｃ
の下端から同開口孔２１ｃ内に流入、その一部が同開口
孔２１Ｃの上端を通してケース１）の第２流出口１）Ｃ
から流出し、凝縮ガス成分である水蒸気が選択的に各セ
ラＣ−／り薄膜２４および隔壁２１ａを透過し各流体入
出パイプ２３を通して第１流出口１）ｂから流出する。

第４図には空気がセラミック薄膜２４および隔壁２１ａ
を透過する際の模型図が示されており、同図の矢印で示
すように空気がセラミック薄膜２４を透過しようとする
と、空気中の水蒸気が微細孔２４ａ内にて凝縮して同化
２４ａ内を隔壁２１ａ側へ移動し、隔壁２１ａの細孔２
１ｂに達する。細孔２１ｂに達した凝縮水分Ｈは同細孔
２１ｂ内に気化して隔壁２１ａを透過し、閉塞孔２１ｄ
内に流入する。この際、凝縮した水分は微細孔２４ａの
多くの部分を閉塞するため空気は同孔２４ａをほとんど
透過しない。これにより、空気中の水蒸気（湿気）が分
離され、第２流出口１）ｃからは除湿された空気が流出
しかつ第１流出口１）ｂからは水蒸気が流出する。

ところで、本実施例のセラミック膜構造体２０は従来公
知のセラミックハニカム構造体２１を基礎構造体とする
もので、同構造体２１の多数の隔壁２１ａに空気中の水
分の凝縮分離機能を持たせたものである。従って、分離
機能を有する隔壁２１ａの構造体２１単位容積当りの有
効面積が大きく、また各隔壁２１ａを構成する多数の部
材を一体化する手段を要せずかつ強度的にも極めて高く
、凝縮分離用構造体として工業的に極めて有利である。

また、本実施例のセラミック膜構造体２０においては、
セラミックハニカム構造体の通宝の作製条件により押出
し成形し、例えば押出し用の坏土と同一素地にて同構造
体２１における各貫通孔の所定両端開口部を閉塞し流体
入出パイプ２３を植設し、その後焼成して構造体２１を
作製するか、または押出成形、焼成して構造体２１を作
製し、次いで同構造体２１における各貫通孔の所定の両
端開口部を閉塞してもよい。また、得られた構造体２１
には各開口孔２１ｃの開口端からアルミナゾルを付与し
て同開口孔２１ｃの内周にセラミック薄膜２４を担持し
て形成される。従って、かかる製造法によれば特別に難
しい手段、煩雑な手段を用いることがないため、セラミ
ック膜構造体２０を容易に製造することができる。

第５図および第６図には本発明の第２実施例に係るセラ
ミック膜構造体３０の一部が示されている。当該セラミ
ック膜構造体３０においても、第１実施例の基礎構造体
２１と同様のセラミックハニカム構造体を基礎構造体３
１とするもので、第１実施例のセラミック膜構造体２０
との相違点は下記の点にある。すなわち、当該セラミッ
ク膜構造体３０においては、第１実施例のセラミック膜
構造体２０の閉塞孔２１ｄに対応する第２の孔３１ｄは
一端のみが閉塞部材３２ａにて閉塞されているのみで、
これに応じて開口孔２１ｃに対応する第１の孔３１ｃに
おいては一端が開口しかつ他端が閉塞部材３２ｂにて閉
塞されている。なお、かかるセラミック膜構造体３０に
おいては、第１の孔３１Ｃを構成する隔壁３１ａ内周に
セラミック薄膜３４が担持され、かつ第２の孔３１ｄの
一端を閉塞する閉塞部材３２ａに流体入出パイプ３３が
植設されていて、第２の孔３１ｄの他端ＵＩＪから空気
を供給するとともに、第２の流出口１）Ｃから吸引し、
第１の孔３１ｃを真空下に保持する。これにより、空気
中の水蒸気は隔５ｉ　３１　ａおよびセラミック薄膜３
４によって選択的に透過して、第１の孔３１Ｃをとおっ
て第２の流出口ｌＩＣから流出しかつ水茎気の含有量が
低下したいわゆる除湿された空気が第１流出口１）ｂか
ら流出３乙。な、１；、空ｒ−（の供給をｉ％、Ｌ　４
ト入出バイノ’３３から行っても、同様に水蒸気の含有
量が低下した除湿空気が、第２の孔３１ｄの他端側から
得られる。

また、第１の孔３１Ｃの内側にあるセラミック薄膜３４
が、第２の孔３１ｄの内側にあっても同様の効果が期待
できる。

なお、上記した第１実施例のセラミック膜構造体２０に
おいては、閉塞孔２１ｄの一端側の閉塞部材２２ａにの
み流体入出パイプ２３を植設しているが、同閉塞孔２１
ｄの他端側の閉塞部材２２ｂにもこれと同様の流体入出
パイプを植設し、開口孔２１Ｃを流通する空気を閉塞孔
２１ｄの両端側から吸引するようにしてもよい。

また、上記した第１．第２実施例のセラミック膜構造体
２０．３０においては、各閉塞部材２２ａ、２２ｂ、３
２ａ、３２ｂは釉薬処理等奄して気密的に閉塞する機能
を持たせているが、各閉塞部材として隔壁２１ａ、３１
ａ、または隔壁２１ａ、３１ａおよびセラミック薄膜２
４．３４一体の材料を採用して通気性を持たせてもよい
。これらの場合には、各閉塞部材５通して孔内空気を直
接吸引することができ、流体入出パイプ２３．３３の採
用を省略することができるし、また閉塞部材、流体入出
パイプ（流体入出孔）における凝縮性ガス成分の選択的
透過機能も期待できる。

さらに、上記した第２実施例のセラミック膜構造体３０
においては各隔壁３１ａの第１の孔３１Ｃ側内周にセラ
ミック膜ｆ膜３４を担持させているが、同薄膜３４を各
隔壁３１ａの第２の孔３１ｄ側内周に担持させてもよい
。

さらにまた、上記実施例においては空気中の水分を凝縮
分離するためのセラミック膜構造体２０゜３０の例につ
いて示したが、これら各構造体２０゜３０におけるセラ
ミック薄膜２４．３４の微細孔の平均孔径を適切に設定
することにより、硫化水素、アンモニア等の無機ガス、
アルコール、アルデヒド、カルボン酸等の有機ガスを非
凝縮性ガス中から凝縮分離することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るセラミック膜構造体
を採用した除湿装置の概略構成図、第２図は同膜構造体
の拡大部分斜視図、第３図は第２図の縦断面図、第４図
は同構造体における隔壁部分の超広大断面図、第５図は
本発明の第２実施例に係るセラミック膜構造体の第２図
に対応する斜視図、第６図は同膜構造体の第３図に対応
する縦断面図である。 符号の説明 ２０．３０・・・セラミック膜構造体、２１．３１・・
・基礎構造体、２１ａ、３１ａ・・・隔壁、２１ｂ・・
・細孔、２１Ｃ，３１Ｃ・・・第１の孔、２１ｄ、３１
ｄ・・・第２の孔、２４．３４・・・セラミック薄膜、
２４ａ・・・微細孔。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の連続細孔を有する多孔質隔壁にて区画され
   一端側が開口する多数の第１の孔と同一端側が閉塞する
   多数の第２の孔とを互いに並列的に備えたセラミックハ
   ニカム構造体であり、当該構造体はいずれかの孔の閉塞
   部に流体入出孔を有するとともに、前記各隔壁のいずれ
   かの孔側内周に凝縮性ガス成分を凝縮させる多数の連続
   微細孔を有するセラミック薄膜を備え、かつ前記第１の
   孔と第２の孔とは少くとも部分的に共通の隔壁にて区隔
   されていることを特徴とする凝縮性ガス成分の凝縮分離
   用セラミック膜構造体。
2. （２）前記第１の孔の他端側が開口しているとともに、
   前記第２の孔の他端側が閉塞している特許請求の範囲第
   １項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
3. （３）前記第１の孔の他端側が閉塞しているとともに、
   前記第２の孔の他端側が開口している特許請求の範囲第
   １項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
4. （４）前記セラミック薄膜の微細孔の平均孔径が１００
   Å以下である特許請求の範囲第１項、第２項または第３
   項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
5. （５）前記セラミック薄膜の膜厚が５μｍ〜１００μｍ
   である特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第
   ４項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
6. （６）前記隔壁の細孔の平均孔径が０．２μｍ〜５μｍ
   である特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項
   または第５項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
7. （７）前記閉塞部が前記隔壁またはセラミック薄膜と同
   一の多孔質材料にて形成されている特許請求の範囲第１
   項、第２項、第３項、第４項、第５項または第６項に記
   載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
8. （８）前記閉塞部が非多孔質の気密性材料にて形成され
   かつ同閉塞部に流体入出パイプが植設されている特許請
   求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項また
   は第６項に記載の凝縮分離用セラミック膜構造体。
9. （９）多数の連続細孔を有する多孔質隔壁にて区画され
   た多数の貫通孔を互に並列的に備えたセラミックハニカ
   ム構造体を基礎構造体とし、同構造体の前記各貫通孔に
   おける所定の各貫通孔の少くとも一端側を閉塞して少く
   とも部分的に共通の隔壁にて区画された一端側が開口す
   る多数の第１の孔と同一端側が閉塞する多数の第２の孔
   とを形成し、凝縮性ガス成分を凝縮させる多数の連続微
   細孔を有するセラミック薄膜の形成用スラリーをいずれ
   かの孔の開口端から内部に侵入させ、同孔の内壁に前記
   セラミック薄膜を形成することを特徴とする凝縮性ガス
   成分の凝縮分離用セラミック膜構造体の製造法。
10. （１０）前記スラリーがアルミニウムアルコラートまた
    はアルミニウムキレートを加水分解して得たアルミナゾ
    ルである特許請求の範囲第９項に記載の凝縮分離用セラ
    ミック膜構造体の製造法。