JPWO2007119286A1 - 脱水方法、脱水装置及び膜型反応装置 - Google Patents
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Abstract
Description
膜支援型メンブレンリアクタの開発、三井造船技報、2003年2月、No.178、115−120 Y. Cui et al., Zeolite T membrane: preparation, characterization, pervaporation of water/organic liquid mixtures and acid stability, Journalof Membrane Science, 2004, 236, 17-27 L. Casado et al., Preparation, characterization and pervaporation performance of mordenite membranes, Journal of Membrane Science, 2003, 216, 135-147
本発明の脱水方法は、水を含有する混合物(以下、単に「混合物」ということがある)から、分離膜により水を選択的に分離する脱水方法であって、分離膜がDDR型ゼオライト膜であり、混合物を、DDR型ゼオライト膜の一方の面に接触させ、DDR型ゼオライト膜の他方の面側を減圧し、水を選択的に透過させて分離するものである。つまり、分離膜を使用した脱水方法であって、水が選択的に分離膜を透過するものである。本発明において、分離膜として使用するDDR(Deca−Dodecasil 3R)型ゼオライトは、主成分がシリカからなる結晶であり、その細孔は酸素8員環を含む多面体によって形成されているとともに、酸素8員環の細孔径は4.4×3.6オングストロームであることが知られている(W. M. Meier, D. H. Olson, Ch. Baerlocher, Atlas of zeolite structure types, Elsevier(1996)参照。)。また、DDR型ゼオライト膜は、主成分がシリカ(シリカ/アルミナ(モル比率)が200以上)であるため、耐酸性に優れている。耐酸性に関しては、上記A型ゼオライトは、アルミナの含有率が高い(シリカ/アルミナ(モル比率)が約2)ために耐酸性が低く、T型ゼオライトは、A型と比較するとシリカの含有率が若干高いものの、シリカ/アルミナ(モル比率)が6〜8と低いため耐酸性が低くなっている。また、MOR型ゼオライトは、シリカ含有率が更に高いが、シリカ/アルミナ(モル比率)が40以下程度であるため耐酸性としては十分ではない。
上述した本発明の脱水方法は、以下に説明する本発明の脱水装置を使用して実施することが好ましい。本発明の脱水装置は、多孔質基体、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜、並びに、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜の一方の面側の空間(供給側空間)と他方の面側の空間(透過側空間)とに区画された容器本体を、有する分離用容器と、分離用容器の透過側空間を減圧し得る減圧装置とを備えるもの、あるいは分離用容器の供給側空間を加圧し得る加圧装置とを備えるもの、あるいは減圧装置と加圧装置とを共に備えるものである。また、供給側空間からDDR型ゼオライト膜を透過して透過側空間に移動してきた物質を捕集し得る捕集器を更に備えることが好ましい。以下、本発明の脱水装置について説明する。
本発明の脱水装置に使用する分離用容器は、上述のように、多孔質基体と、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜と、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜の一方の面側の空間(供給側空間)と他方の面側の空間(透過透過側空間)とに区画される容器本体と、を備えるものである。容器本体には、上述のように供給側空間と透過側空間とが形成され、これら2つの空間の境界部分の少なくとも一部にDDR型ゼオライト膜が、その一方の面が供給側空間に面し、他方の面が透過側空間に面するように配設されている。そして、供給側空間に混合物を入れたときに、DDR型ゼオライト膜の一の面全体が混合物と接触していることが好ましく、分離操作が終了するまで、DDR型ゼオライト膜の一の面全体が混合物と接触している状態が維持されることが好ましい。
図1に示すように、捕集器14は、分離用容器1の減圧用ノズル10と、減圧用配管16により繋がり、さらに減圧用配管16により減圧装置15とも繋がっていることが好ましい。このように構成することにより、分離操作を行うときには、減圧装置15を作動させて、減圧用配管16を通じて捕集器14内を減圧し、更に捕集器14及び減圧用配管16を通じて分離用容器1の内筒6内(透過側空間22)を所定の圧力まで減圧することができる。ただし、供給側空間21が大気圧以上に加圧されていて、透過側空間22を減圧する必要がない場合は、減圧装置15はなくてもよく、さらに、膜透過物質32を捕集する必要がない場合は、捕集器14および保冷管17はなくてもよい。
上記分離用容器の内筒内(透過側空間22)を減圧するための減圧装置15は、特に限定されず、透過側空間22を所定の圧力以下に減圧することができればよい。ここで、減圧には膜透過物質32の透過側空間22での分圧を低下させることも含む。また、透過側空間22の圧力を調節するために、圧力制御器を減圧装置15と捕集器14との間の減圧用配管16に設置することが好ましいが、捕集器14に設置したり、捕集器14と分離用容器1との間の減圧用配管16に設置したり、分離用容器1に設置したりしてもよい。
本発明の膜型反応装置は、多孔質基体、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜、並びに、多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜の一方の面側の空間(反応側空間)と他方の面側の空間(透過側空間)とに区画された反応器本体を、有する反応器と、反応器の透過側空間を減圧し得る減圧装置とを備えるもの、あるいは反応器の反応側空間を加圧し得る加圧装置とを備えるもの、あるいは減圧装置と加圧装置とを共に備えるものである。また、透過側空間を減圧して反応側空間からDDR型ゼオライト膜を透過して減圧側空間に移動してきた物質を捕集し得る捕集器を更に備えることが好ましい。
(DDR型ゼオライト膜の作製)
(1)成膜ゾルの調製:
フッ素樹脂製の100ml広口瓶に6.21gのエチレンジアミン(和光純薬工業社製)を入れた後、0.98gの1−アダマンタンアミン(アルドリッチ社製)を加え、1−アダマンタンアミンの沈殿が残らないように溶解した。別のビーカーに53.87gの水を入れ、22.00gの30質量%シリカゾル(スノーテックスS、日産化学社製)を加えて軽く撹拌した後、これをエチレンジアミンと1−アダマンタンアミンを混ぜておいた広口瓶に加えて強く振り混ぜた。その後、その広口瓶をシェーカーにセットし、500rpmでさらに1時間振り混ぜ、原料溶液とした。このとき、1−アダマンタンアミン/シリカ比は0.0589、水/シリカ比は0.94、エチレンジアミン/1−アダマンタンアミン比は16であった。
成膜用の多孔質基体となる直径12mmφ×長さ40mmの多孔質アルミナチューブにDDR型ゼオライト微粉末を塗布し、内容積100mlのフッ素樹脂製内筒付きステンレス製耐圧容器内に配置した。その後、原料溶液を耐圧容器に注ぎ、150℃で16時間、加熱処理(水熱合成)を行った。加熱処理後、この基体表面にDDR型ゼオライト膜が形成されていた。水洗、乾燥した後、大気中、電気炉で0.1℃/minの速度で750℃まで昇温して4時間保持後、1℃/minの速度で室温まで冷却した。
図1に示すような、蓋部5と、容量500mLの有底円筒状の有底筒状容器4とを有する容器本体3の、蓋部5に温度計8と冷却管7とを差し込んだ。そして、上記、DDR型ゼオライト膜2を成膜した多孔質基体47の端部にガラス製の内筒底部13を取り付け、他方の端部に内筒(ガラス管)6を接続し、ガラス管6と減圧用配管16とをステンレス製のユニオン10で接続した。内筒底部13側が容器本体3内に入るようにしてガラス管6をゴム栓11に差し込んだ状態で蓋部5(容器本体3)に配設した。混合物を撹拌できるように、マクネティックスターラー用の撹拌子9を容器本体3内に入れた。
図1に示すような、分離装置100を作製した。すなわち、得られた分離用容器1を、図に示すように、熱媒33を入れた熱媒用容器12内に入れ、温度制御可能にした。熱媒33としては、水を使用した。そして、図1に示すように、捕集器14と減圧装置15とを準備し、分離用容器1のガラス管6と減圧用配管16とをステンレス製のユニオン10で接続し、捕集器14とを減圧用配管16で繋ぎ、捕集器14と減圧装置15とを減圧用配管16でつないだ。捕集器14としては、大倉理研社製のトラップを使用し、減圧装置15としては、油回転真空ポンプ(G20DA)を使用した。また、捕集器14は、流入してくる膜透過物質の蒸気を冷却して捕集するため、冷媒である液体窒素35を入れた有底円筒状の保冷管17内に配置した。
図1に示すように、エタノール90体積%水溶液(混合物31)を上記分離用容器1の有底筒状容器4内(供給側空間21)に入れた。次に、混合物31を撹拌子9で撹拌しながら、混合物31が75℃になるように熱媒33により加熱し、内筒6内(透過側空間22)を10Pa以下に減圧した。そして、捕集器14により膜透過物質32を捕集した。得られた膜透過物質は、以下の方法により分析した。得られた分析結果を表1に示す。表1において、「透過量」の欄は膜透過物質の全量を示し、「分離係数」の欄は(透過物質のA成分濃度/透過物質のB成分濃度)/(混合物のA成分濃度/混合物のB成分濃度)を示す。
分析装置:HP社製ガスクロマトグラフ、商品名:HP6890
分析方法:ガスクロマトグラフィー、検出器:TCD
混合物組成、分離操作温度を表1に示すように変えること以外は、実施例1と同じ操作を行い、DDR型ゼオライト膜による混合物の透過性能を調べた。得られた結果を表1に示す。
(分離操作2)
実施例1に示したエタノール90体積%水溶液での分離操作を実施した後、実施例4に示した酢酸68質量%水溶液での分離操作を実施したDDR型ゼオライト膜において、再度、実施例1に示した操作方法に従いエタノール90体積%水溶液の分離操作を実施した。これにより、DDR型ゼオライト膜の耐酸性を評価した。得られた結果を表2に示す。
(分離操作3)
実施例1と同様に作製したDDR型ゼオライト膜を用いて分離操作をおこなった。図2は、分離操作に使用するガス分離試験装置50の構成を説明する模式図であり、アルミナ製の測定管51(内径15mmφ)に、DDR型ゼオライト膜52を取り付け、先端をアルミナ蓋56で塞ぎ、これを管状炉の炉芯管54(内径25mmφ)に入れ、測定管51の内側に内径6mmφの石英管55をDDR型ゼオライト膜52の先端近傍まで通して三重管構造とした状態を示している。測定管51の外側(DDR型ゼオライト膜の供給側空間)には、供給ガスとして25℃での水の飽和蒸気を二酸化炭素と共に100ml/minで導入した。DDR型ゼオライト膜の温度は管状炉53により加熱して60℃に保ち、測定管51の内側(DDR型ゼオライト膜の透過側空間)の石英管55にはDDR型ゼオライト膜52を透過した膜透過物質の分圧を低下させるためのHeガス(スイープガス、100ml/min)を流した。DDR型ゼオライト膜52を透過した水を含有するガスを分取し、ガスクロマトグラフにて分析し、水の透過係数(mol/m2/Pa/s)を評価した。水の透過係数は3.48×10−7(mol/m2/Pa/s)であった。さらに、供給ガスとして25℃でのメタノールの飽和蒸気を二酸化炭素と共に導入した。上記水の場合と同様にして、メタノールの透過係数を評価した。このとき、メタノールの透過係数は2.00×10−8(mol/m2/Pa/s)であった。これらの透過係数を用いると、水/メタノールの理想分離係数は17.4となった。ここで理想分離係数とは単成分の透過係数の比である。分離操作方法、供給濃度、温度が異なるため、単純に比較はできないが、実施例2と同様に、メタノールよりも水がDDR型ゼオライト膜を透過しやすい特性を示した。
Claims (8)
- 水を含有する混合物から、分離膜により水を選択的に分離する脱水方法であって、前記分離膜がDDR型ゼオライト膜であり、前記混合物を、前記DDR型ゼオライト膜の一方の面に接触させ、前記混合物を接触させた前記DDR型ゼオライト膜の面側(供給側空間)と、前記DDR型ゼオライト膜の他方の面側(透過側空間)とに圧力差を生じさせ、水を選択的に透過させて分離する脱水方法。
- 前記混合物が有機化合物を含有する溶液である請求項1に記載の脱水方法。
- 前記混合物が有機化合物を含有する気体である請求項1に記載の脱水方法。
- 前記混合物が有機化合物を含有する超臨界ガスである請求項1に記載の脱水方法。
- 多孔質基体、前記多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜、並びに、前記多孔質基体の表面に配設された前記DDR型ゼオライト膜の一方の面側の空間(供給側空間)と他方の面側の空間(透過側空間)とに区画された容器本体を、有する分離用容器と、前記分離用容器の前記透過側空間を減圧し得る減圧装置及び/又は前記分離用容器の前記供給側空間を加圧し得る加圧装置と、を備える脱水装置。
- 前記供給側空間から前記DDR型ゼオライト膜を透過して前記透過側空間に移動してきた物質を捕集し得る捕集器を更に備える請求項5に記載の脱水装置。
- 多孔質基体、前記多孔質基体の表面に配設されたDDR型ゼオライト膜、並びに、前記多孔質基体の表面に配設された前記DDR型ゼオライト膜の一方の面側の空間(反応側空間)と他方の面側の空間(透過側空間)とに区画された反応器本体を、有する反応器と、前記反応器の前記透過側空間を減圧し得る減圧装置及び/又は前記反応器の前記反応側空間を加圧し得る加圧装置と、を備える膜型反応装置。
- 前記反応側空間から前記DDR型ゼオライト膜を透過して前記透過側空間に移動してきた物質を捕集し得る捕集器を更に備える請求項7に記載の膜型反応装置。
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