JPWO2017081841A1 - Crystalline silica membrane composite, production method thereof, and fluid separation method - Google Patents

Crystalline silica membrane composite, production method thereof, and fluid separation method Download PDF

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Abstract

多孔質基材と、多孔質基材の表面に形成されたピュアシリカ膜と、を具備し、ピュアシリカ膜が、CHA型結晶構造を有し、H2とSF6とのパーミアンス比:H2/SF6が、10を超える、結晶性シリカ膜複合体であり、水、シリカ材料、有機構造規定剤およびフッ化水素酸を含む水性懸濁液に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末が塗布された多孔質基材を接触させて水熱合成を行うことにより製造され、ただし、シリカ材料はCHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を含む。A porous substrate and a pure silica film formed on the surface of the porous substrate, the pure silica film having a CHA-type crystal structure, and a permeance ratio between H 2 and SF 6 : H 2 / SF 6 is a crystalline silica film composite having a crystalline silica membrane composite with a CHA type crystal structure in an aqueous suspension containing water, silica material, organic structure directing agent and hydrofluoric acid Is produced by bringing a porous base material coated with hydrothermal synthesis into contact with each other, provided that the silica material contains crystalline silica powder having a CHA type crystal structure.

Description

本発明は、フレームワークが実質的にアルミニウムを含まない結晶性ピュアシリカ膜を有する結晶性シリカ膜複合体に関する。   The present invention relates to a crystalline silica membrane composite having a crystalline pure silica membrane whose framework is substantially free of aluminum.

技術背景Technical background

ガスおよび/または液体(以下、流体と総称する)を分離し、精製する技術として、吸着分離法、吸収分離法、蒸留分離法、深冷分離法、膜分離法などが知られている。これらの中では、膜分離法が、省エネルギーの観点から有望視されている。膜分離法によれば、相変化を伴わずに分子を分離でき、装置のコンパクト化も可能である。   As a technique for separating and purifying gas and / or liquid (hereinafter collectively referred to as fluid), an adsorption separation method, an absorption separation method, a distillation separation method, a cryogenic separation method, a membrane separation method, and the like are known. Among these, the membrane separation method is considered promising from the viewpoint of energy saving. According to the membrane separation method, molecules can be separated without phase change, and the apparatus can be made compact.

膜分離法で用いる分離膜として、高分子膜、有機無機複合膜なども開発されているが、耐熱性、耐圧性および耐久性に優れる点で無機膜が望ましい。シリカ膜は、Si−O結合で形成されたシリカ(二酸化ケイ素)のフレームワーク(シリカネットワーク)を基本骨格とするため、無機膜に分類される。シリカ膜は、シリカネットワークよりも小さな分子を透過させ、大きな分子の透過を阻害するため、分子ふるい膜として利用できる。一般にシリカ膜は、ゾル−ゲル法(液相反応)、CVD法(気相反応)などで合成されるが、これらの方法では非晶質のシリカネットワークが形成される。   As a separation membrane used in the membrane separation method, a polymer membrane, an organic-inorganic composite membrane, and the like have been developed, but an inorganic membrane is desirable in terms of excellent heat resistance, pressure resistance, and durability. The silica film is classified as an inorganic film because it has a framework (silica network) of silica (silicon dioxide) formed by Si—O bonds as a basic skeleton. Silica membranes can be used as molecular sieve membranes because they allow smaller molecules to penetrate and inhibit the passage of larger molecules than silica networks. In general, a silica film is synthesized by a sol-gel method (liquid phase reaction), a CVD method (gas phase reaction) or the like, but an amorphous silica network is formed by these methods.

しかし、非晶質シリカ膜は、水分の影響を受けやすく、高温の水蒸気に曝露されるとフレームワークが変性し、分子ふるい能が低下する。これに対し、ゼオライトトポロジーを有する結晶性ピュアシリカを分離膜として用いることで、分離膜の耐水蒸気性を高めることができる。   However, the amorphous silica film is easily affected by moisture, and when exposed to high-temperature water vapor, the framework is denatured and the molecular sieving ability is lowered. On the other hand, the use of crystalline pure silica having a zeolite topology as a separation membrane can increase the water vapor resistance of the separation membrane.

一般的なゼオライトは、結晶性アルミノシリケートとして知られており、シリカとアルミナ(酸化アルミニウム)を主成分とし、電荷補償としてアルカリ金属カチオンを含む多孔質材料である。結晶性アルミノシリケートは、結晶性ピュアシリカに比べて分離膜を形成しやすく、製造が容易である。しかし、アルミノシリケートは、水分子の吸着による分子の透過阻害があることや、耐水蒸気性、耐薬品性、熱的安定性に乏しいことが知られている。なお、非特許文献1は、CHA型アルミノシリケート膜を提案している。   A general zeolite is known as a crystalline aluminosilicate, and is a porous material containing silica and alumina (aluminum oxide) as main components and an alkali metal cation as charge compensation. Crystalline aluminosilicate is easier to form a separation membrane than crystalline pure silica and easy to manufacture. However, it is known that aluminosilicate has molecular permeation inhibition due to adsorption of water molecules and is poor in water vapor resistance, chemical resistance, and thermal stability. Non-Patent Document 1 proposes a CHA type aluminosilicate film.

一方、結晶性ピュアシリカは、フレームワークにアルミニウムを含まないため、疎水性が高く、耐水蒸気性、耐薬品性、熱的安定性に優れている。結晶性ピュアシリカの代表例として、特許文献1〜3では、DDR型ピュアシリカゼオライト(Si−DDR)、特許文献4および非特許文献2では、MFI型ピュアシリカゼオライト(Si−MFI)が報告されており、これらを分離膜として利用できることも報告されている(特許文献5、6)。また、非特許文献3は、CHA型ピュアシリカゼオライト(Si−CHA)粉末の製造方法を提案している。更に、余語らは、Si−CHAおよびこれを用いた二酸化炭素分離方法を提案している(特許文献7、8)。   On the other hand, crystalline pure silica does not contain aluminum in the framework, and thus has high hydrophobicity and is excellent in water vapor resistance, chemical resistance, and thermal stability. As typical examples of crystalline pure silica, Patent Documents 1 to 3 report DDR type pure silica zeolite (Si-DDR), and Patent Document 4 and Non-Patent Document 2 report MFI type pure silica zeolite (Si-MFI). It has also been reported that these can be used as separation membranes (Patent Documents 5 and 6). Non-Patent Document 3 proposes a method for producing CHA type pure silica zeolite (Si-CHA) powder. Furthermore, Yogo et al. Have proposed Si-CHA and a carbon dioxide separation method using the same (Patent Documents 7 and 8).

特開2005‐67991号公報JP 2005-67991 A 特開2004‐105942号公報JP 2004-105942 A 国際公開第2007/119286号パンフレットInternational Publication No. 2007/119286 Pamphlet 特開2010‐208948号公報JP 2010-208948 A 特開2003‐159518号公報JP 2003-159518 A 特開2005‐289735号公報JP 2005-289735 A 特開2009‐114007号公報JP 2009-114007 A 特開2009‐214101号公報JP 2009-214101 A

J. Mater. Chem. A, 2, 13083-13092(2014)J. Mater. Chem. A, 2, 13083-13092 (2014) Micropor. Mesopor. Mater., 108, 136-142(2008)Micropor. Mesopor. Mater., 108, 136-142 (2008) Chem. Commun., 1881(1998)Chem. Commun., 1881 (1998)

Si−MFIは、3次元細孔構造が発達しており、細孔容積も大きいため、流体透過速度(パーミアンス)の大きな分離膜を形成することができる。しかし、Si−MFIの細孔は、開口径が5.6×5.3Åもしくは5.5×5.1Åと大きく、分子ふるい能が不十分であり、所望の選択性を得ることが困難である。   Since Si-MFI has a developed three-dimensional pore structure and a large pore volume, it can form a separation membrane having a high fluid permeation rate (permeance). However, the pores of Si-MFI have a large opening diameter of 5.6 × 5.3 mm or 5.5 × 5.1 mm, insufficient molecular sieving ability, and it is difficult to obtain desired selectivity. is there.

一方、Si−DDRの細孔は、開口径が3.6×4.4Åであることから、分子ふるい能に優れ、良好な選択性を得やすい点でメリットがある。しかし、Si−DDRの細孔は、2次元細孔構造であり、細孔容積も小さいため、所望のパーミアンスを得ることが困難である。   On the other hand, Si-DDR pores have an opening diameter of 3.6 × 4.4 mm, and thus have an advantage in that they have excellent molecular sieving ability and can easily obtain good selectivity. However, since the pores of Si-DDR have a two-dimensional pore structure and a small pore volume, it is difficult to obtain a desired permeance.

Si−CHAは、開口径3.8×3.8Åの3次元細孔を有するとともに、大きなキャビティを有する。Si−CHAの細孔容積は、Si−MFIとSi−DDRの中間に位置し、所望のパーミアンスと選択性を両立できるものと期待される。   Si-CHA has a three-dimensional pore having an opening diameter of 3.8 × 3.8 mm and a large cavity. The pore volume of Si-CHA is located between Si-MFI and Si-DDR, and is expected to achieve both desired permeance and selectivity.

しかし、Si−CHAは、限られた条件下で生成する。具体的には、Si−CHAは、水分量が極めて少ない(もしくは固体の)水性懸濁液から結晶化するため、分離膜の生産性が低いという欠点がある。また、Si−CHAの結晶は、分散性の良好な孤立粒子となる傾向があるため、多孔質基材の表面に緻密膜として生成させることが困難である。よって、現在までに、所望の分子ふるい能を有する緻密なSi−CHA膜の合成例は報告されていない。   However, Si-CHA is produced under limited conditions. Specifically, since Si-CHA is crystallized from an aqueous suspension having a very low water content (or a solid), there is a drawback that the productivity of the separation membrane is low. In addition, since Si-CHA crystals tend to be isolated particles with good dispersibility, it is difficult to form them as a dense film on the surface of the porous substrate. Therefore, no synthesis example of a dense Si—CHA film having a desired molecular sieving ability has been reported so far.

上記に鑑み、本発明は、CHA型結晶構造を有するピュアシリカ膜(Si−CHA膜)を、多孔質基材の表面に緻密膜として形成する有効な方法と、優れた分子ふるい能を有する結晶性シリカ膜複合体とを提供するものである。   In view of the above, the present invention provides an effective method for forming a pure silica film (Si-CHA film) having a CHA-type crystal structure as a dense film on the surface of a porous substrate, and a crystal having excellent molecular sieving ability. A porous silica membrane composite.

本発明の一局面は、多孔質基材と、前記多孔質基材の表面に形成された結晶性ピュアシリカ膜と、を具備し、前記ピュアシリカ膜が、CHA型結晶構造を有し、H2とSF6とのパーミアンス比:H2/SF6が、10を超える、結晶性シリカ膜複合体に関する。One aspect of the present invention includes a porous substrate and a crystalline pure silica film formed on a surface of the porous substrate, the pure silica film having a CHA-type crystal structure, and H Permeance ratio of 2 to SF 6 : relates to a crystalline silica membrane composite having H 2 / SF 6 exceeding 10.

本発明の他の局面は、(i)第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材を準備する工程と、(ii)前記第1表面および前記第2表面から選択される少なくとも一方に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を塗布する工程と、(iii)水、シリカ材料、有機構造規定剤(SDA)およびフッ化水素酸(HF)を含む水性懸濁液を調製する工程と、(iv)前記水性懸濁液に、前記多孔質基材の前記結晶性シリカ粉末が塗布された前記表面を接触させ、前記表面に、水熱合成により、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカ膜を成長させる工程と、を含み、前記シリカ材料が、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を含む、結晶性シリカ膜複合体の製造方法に関する。   According to another aspect of the present invention, (i) a step of preparing a porous substrate having a first surface and a second surface and having pores that allow the first surface and the second surface to communicate with each other; ii) a step of applying a crystalline silica powder having a CHA-type crystal structure to at least one selected from the first surface and the second surface; and (iii) water, a silica material, an organic structure directing agent (SDA) And (iv) bringing the aqueous suspension into contact with the surface on which the crystalline silica powder of the porous substrate has been applied, and a step of preparing an aqueous suspension containing hydrofluoric acid (HF). And a step of growing a crystalline pure silica film having a CHA type crystal structure on the surface by hydrothermal synthesis, wherein the silica material contains a crystalline silica powder having a CHA type crystal structure. For manufacturing method of silica membrane composite To.

好ましい形態において、前記多孔質基材は、第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有し、前記第1表面および前記第2表面の少なくとも一方に、前記ピュアシリカ膜が形成されている。このとき、本発明の更に他の局面は、上記結晶性シリカ膜複合体を用いて混合流体から特定成分を分離する流体分離方法であって、(i)前記第1表面および前記第2表面の一方で前記細孔と連通する第1空間に、前記ピュアシリカ膜に対するパーミアンスが互いに異なる第1成分と第2成分とを含む混合流体を供給する工程と、(ii)前記第1表面および前記第2表面の他方で前記細孔と連通する第2空間から、前記ピュアシリカ膜を透過した透過流体を回収し、前記第1空間から非透過流体を回収する工程と、を有する、流体分離方法に関する。   In a preferred embodiment, the porous substrate has a first surface and a second surface, and has pores that allow the first surface and the second surface to communicate, and the first surface and the second surface. The pure silica film is formed on at least one of the above. At this time, still another aspect of the present invention is a fluid separation method for separating a specific component from a mixed fluid using the crystalline silica membrane composite, wherein (i) the first surface and the second surface are separated. On the other hand, supplying a mixed fluid containing a first component and a second component having different permeances with respect to the pure silica film to the first space communicating with the pores; (ii) the first surface and the first Recovering a permeated fluid that has permeated the pure silica membrane from a second space communicating with the pores on the other of the two surfaces, and recovering a non-permeated fluid from the first space. .

本発明によれば、多孔質基材の表面に緻密に形成されたCHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカ膜(Si−CHA膜)を得ることができる。よって、耐水蒸気性、耐薬品性、熱的安定性に優れ、かつ優れた分子ふるい能を有する結晶性シリカ膜複合体を提供することができる。結晶性シリカ膜複合体は、様々な流体分離方法に適用することができる。   According to the present invention, a crystalline pure silica film (Si-CHA film) having a CHA type crystal structure densely formed on the surface of a porous substrate can be obtained. Therefore, it is possible to provide a crystalline silica film composite having excellent water vapor resistance, chemical resistance, and thermal stability and having an excellent molecular sieving ability. The crystalline silica membrane composite can be applied to various fluid separation methods.

結晶性シリカ膜複合体の構造の一例を概念的に示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows notionally an example of the structure of a crystalline silica membrane composite. 筒状の結晶性シリカ膜複合体の一例を概念的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows notionally an example of a cylindrical crystalline silica membrane composite. 比較例1および実施例1〜4の膜生成物の表面の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)である。It is a scanning electron micrograph (SEM image) of the surface of the film product of the comparative example 1 and Examples 1-4. 実施例1の膜生成物の断面のSEM像である。2 is a SEM image of a cross section of the film product of Example 1. FIG. 実施例1の膜生成物の断面構造の概念図である。1 is a conceptual diagram of a cross-sectional structure of a film product of Example 1. FIG. 各種プローブガスの透過試験行うための装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus for performing the permeation | transmission test of various probe gas. 実施例1で調製したSi−CHA粉末に対するプロピレンおよびプロパンの吸着等温線(a)および参考例3で調製したCHA型アルミノシリケート粉末に対するプロピレンおよびプロパンの吸着等温線(b)である。FIG. 2 shows adsorption isotherms (a) of propylene and propane for the Si—CHA powder prepared in Example 1 and adsorption isotherms (b) of propylene and propane for the CHA-type aluminosilicate powder prepared in Reference Example 3. FIG. 浸透気化分離によるアルコール水溶液からの脱水試験を行うための装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus for performing the dehydration test from the alcohol aqueous solution by pervaporation separation.

本発明に係る結晶性シリカ膜複合体は、多孔質基材と、多孔質基材の表面に形成された結晶性ピュアシリカ膜と、を具備する。ただし、ピュアシリカ膜は、CHA型結晶構造を有し、かつ緻密で、高い選択性を有する。具体的には、H2とSF6とのパーミアンス比:H2/SF6は、10を超え、50以上もしくは100以上になり得る。ピュアシリカ膜では、CHA型結晶がランダムオリエンテーションで析出しているが、外観上は均質な膜を形成している。The crystalline silica membrane composite according to the present invention comprises a porous substrate and a crystalline pure silica membrane formed on the surface of the porous substrate. However, the pure silica membrane has a CHA type crystal structure, is dense, and has high selectivity. Specifically, the permeance ratio between H 2 and SF 6 : H 2 / SF 6 exceeds 10, and can be 50 or more, or 100 or more. In the pure silica film, CHA-type crystals are precipitated by random orientation, but a uniform film is formed in appearance.

ここで、ピュアシリカ膜とは、結晶構造のフレームワークが実質的にアルミニウムを含まない結晶性シリカで形成された膜をいう。ピュアシリカ膜を形成する結晶性シリカは、微量の不純物を含むことは許容されるが、結晶性シリカに含まれるケイ素および酸素以外の第三元素の含有量は、1質量%以下であることが望ましい。このような不純物もしくは第三元素は、例えば多孔質基材から溶け出して結晶性シリカに混入する。なお、結晶性シリカが微量のアルミニウムを含む場合でも、アルミニウム含有量が1質量%以下であれば、実質的にアルミニウムを含まないと見なすことができる。   Here, the pure silica film refers to a film in which the framework of the crystal structure is formed of crystalline silica that does not substantially contain aluminum. The crystalline silica forming the pure silica film is allowed to contain a small amount of impurities, but the content of the third element other than silicon and oxygen contained in the crystalline silica is 1% by mass or less. desirable. Such impurities or the third element are dissolved from, for example, the porous substrate and mixed into the crystalline silica. Even when the crystalline silica contains a trace amount of aluminum, it can be regarded as substantially free of aluminum if the aluminum content is 1% by mass or less.

CHA、DDR、MFIなどの表示は、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードであり、例えばCHA型ゼオライトといえば、チャバサイト(chabazite)と同等の結晶構造を有するゼオライトであることを示している。   The indications such as CHA, DDR, and MFI are codes that specify the structure of the zeolite determined by the International Zeolite Association (IZA). It is shown that.

パーミアンス比とは、2種の流体について測定される透過速度(パーミアンス:mol/m2・s・Pa)もしくは透過率の比率であり、分離膜の選択性を示す指標となる。ピュアシリカ膜の緻密性が低下し、膜の欠陥が多くなると、パーミアンス比:H2/SF6はクヌーセン係数比に近づく。すなわち、パーミアンス比が大きいほど、ピュアシリカ膜は緻密であるといえる。The permeance ratio is a permeation rate (permeance: mol / m 2 · s · Pa) or permeation ratio measured for two kinds of fluids, and is an index indicating the selectivity of the separation membrane. When the density of the pure silica film decreases and the number of defects in the film increases, the permeance ratio: H 2 / SF 6 approaches the Knudsen coefficient ratio. In other words, the larger the permeance ratio, the denser the pure silica film.

CHA型結晶構造を有する緻密なピュアシリカ結晶は、大きな細孔容積を有し、例えば0.25cm3/g以上、更には0.3cm3/g以上の細孔容積を達成することができる。細孔容積が大きいことにより、流体のパーミアンスが高くなるため、ピュアシリカ膜による流体の分離および精製を効率よく行うことができる。A dense pure silica crystal having a CHA type crystal structure has a large pore volume, and can achieve a pore volume of, for example, 0.25 cm 3 / g or more, and further 0.3 cm 3 / g or more. Since the permeance of the fluid is increased due to the large pore volume, the fluid can be separated and purified with a pure silica membrane efficiently.

ピュアシリカ膜によるH2のパーミアンスは、例えば5×10-7mol/m2・s・Paを超え、1×10-6mol/m2・s・Pa以上を達成することも可能である。ただし、過度に高いパーミアンスは、ピュアシリカ膜の緻密性が低く、欠陥が多いことを意味する。H2のパーミアンスは、例えば1×10-5mol/m2・s・Pa未満であり、5×10-6mol/m2・s・Pa以下であることが好ましい。The permeance of H 2 due to the pure silica film exceeds, for example, 5 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa, and can achieve 1 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more. However, an excessively high permeance means that the denseness of the pure silica film is low and there are many defects. The permeance of H 2 is, for example, less than 1 × 10 −5 mol / m 2 · s · Pa, and preferably 5 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or less.

ピュアシリカ膜は、高い選択性を有するため、CO2とN2とのパーミアンス比:CO2/N2も大きく、例えば2を超え、3以上もしくは5以上を達成することもできる。Since the pure silica membrane has high selectivity, the permeance ratio of CO 2 and N 2 : CO 2 / N 2 is also large, for example, exceeding 2, and being able to achieve 3 or more or 5 or more.

ピュアシリカ膜の厚さは、特に限定されないが、欠陥の小さい膜を形成するとともに、高い選択性を実現する観点からは、10μm以下であることが好ましく、0.5〜5μmもしくは1〜5μmであることが好ましい。なお、多孔質基材の表面に形成されたピュアシリカ膜は、通常、多孔質基材とシリカとの複合層を有する。上記ピュアシリカ膜の厚さの好ましい範囲は、複合層を除いた場合の厚さの範囲である。   The thickness of the pure silica film is not particularly limited, but it is preferably 10 μm or less from the viewpoint of forming a film with small defects and realizing high selectivity, and is 0.5 to 5 μm or 1 to 5 μm. Preferably there is. The pure silica film formed on the surface of the porous substrate usually has a composite layer of the porous substrate and silica. A preferable range of the thickness of the pure silica film is a thickness range when the composite layer is excluded.

多孔質基材の材質は、耐久性の観点から、無機材料であることが望ましく、通気性を有するセラミックスや金属の焼結多孔質体であることが好ましい。セラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、チタニアなどの金属酸化物を用いることができる。さらには、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンなどの金属、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの窒化物および炭化物も用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The material of the porous substrate is preferably an inorganic material from the viewpoint of durability, and is preferably a sintered porous body of ceramic or metal having air permeability. Examples of ceramics that can be used include metal oxides such as silica, alumina, mullite, zirconia, cordierite, and titania. Furthermore, metals such as stainless steel, copper, aluminum, and titanium, and nitrides and carbides such as silicon nitride and silicon carbide can also be used. These may be used alone or in combination of two or more.

多孔質基材の形状は、特に限定されないが、通常、第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する。このとき、第1表面および第2表面の少なくとも一方に、結晶性ピュアシリカ膜が形成されていればよい。   Although the shape of a porous base material is not specifically limited, Usually, it has a 1st surface and a 2nd surface, and has a pore which connects a 1st surface and a 2nd surface. At this time, a crystalline pure silica film may be formed on at least one of the first surface and the second surface.

図1に、第1表面11と第2表面12とを有する多孔質基材13と、第1表面11に形成された結晶性ピュアシリカ膜14と、を具備する結晶性シリカ膜複合体10の拡大断面図を概念図で示す。図2には、筒状の多孔質基材13Aと、その外周面に形成された結晶性ピュアシリカ膜14Aと、を具備する結晶性シリカ膜複合体10Aの斜視図を概念図で示す。   FIG. 1 shows a crystalline silica film composite 10 having a porous base material 13 having a first surface 11 and a second surface 12 and a crystalline pure silica film 14 formed on the first surface 11. An expanded sectional view is shown with a conceptual diagram. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a perspective view of a crystalline silica film composite 10A having a cylindrical porous substrate 13A and a crystalline pure silica film 14A formed on the outer peripheral surface thereof.

結晶性シリカ膜複合体は、混合流体から特定成分を分離する流体分離方法に使用することができる。例えば、第1表面および第2表面の一方で多孔質基材の細孔と連通する第1空間に、結晶性ピュアシリカ膜に対するパーミアンスが互いに異なる第1成分と第2成分とを含む混合流体を供給すると、第1成分および第2成分のいずれかが優先的に結晶性ピュアシリカ膜と多孔質基材の細孔を通過する。その結果、第1空間に供給された混合流体とは組成の異なる透過流体が、第1表面および第2表面の他方で多孔質基材の細孔と連通する第2空間に移動する。透過流体を回収し、必要に応じて、同様の操作を繰り返せば、第1成分または第2成分を分離することができる。   The crystalline silica membrane composite can be used in a fluid separation method for separating a specific component from a mixed fluid. For example, a mixed fluid containing a first component and a second component having different permeances with respect to the crystalline pure silica film in a first space communicating with the pores of the porous substrate on one of the first surface and the second surface. When supplied, either the first component or the second component preferentially passes through the crystalline pure silica film and the pores of the porous substrate. As a result, the permeated fluid having a different composition from the mixed fluid supplied to the first space moves to the second space communicating with the pores of the porous substrate on the other of the first surface and the second surface. The first component or the second component can be separated by collecting the permeated fluid and repeating the same operation as necessary.

結晶性シリカ膜複合体の具体的な用途としては、天然ガスまたはバイオガスの精製、有機ハイドライドを利用する水素輸送、軽質炭化水素の精製、アルコール、酢酸などの脱水などが挙げられる。   Specific applications of the crystalline silica membrane composite include purification of natural gas or biogas, hydrogen transport using organic hydride, purification of light hydrocarbons, dehydration of alcohol, acetic acid and the like.

天然ガスおよびバイオガスは、主成分としてメタンを含み、副成分として二酸化炭素、一酸化炭素、窒素およびC2以上の炭化水素(エタン、プロパンなど)よりなる群から選択される少なくとも1種を含む混合流体である。例えばバイオガスは、メタンの他に二酸化炭素を多く含む。バイオガスを第1空間に供給すると、パーミアンスの高い二酸化炭素(第1成分)が第2空間に移動し、第1空間でメタン(第2成分)が濃縮される。また、高炉ガスは、有用成分である水素(第1成分)と、二酸化炭素、一酸化炭素および窒素よりなる群から選択される少なくとも1種(第2成分)とを含む混合流体である。結晶性シリカ膜複合体を用いることで、メタンや水素を濃縮することができる。Natural gas and biogas contain methane as a main component, and contain at least one selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, and C 2 or higher hydrocarbons (ethane, propane, etc.) as subcomponents. It is a mixed fluid. For example, biogas contains a large amount of carbon dioxide in addition to methane. When biogas is supplied to the first space, carbon dioxide (first component) having high permeance moves to the second space, and methane (second component) is concentrated in the first space. The blast furnace gas is a mixed fluid containing hydrogen (first component) which is a useful component and at least one (second component) selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen. By using the crystalline silica membrane composite, methane and hydrogen can be concentrated.

有機ハイドライドを利用する水素輸送とは、例えば式(1):
611CH3(メチルシクロヘキサン)⇔C65CH3(トルエン)+3H2
の可逆反応を利用して、水素を有機ハイドライド(メチルシクロヘキサン)として輸送することをいう。有機ハイドライドの脱水素反応を行うと、水素(第1成分)と芳香族化合物(第2成分)とを含む混合流体が生成する。結晶性シリカ膜複合体を用いることで、混合流体から芳香族化合物(トルエン)を除去し、第1成分である水素を濃縮することができる。高温低圧の条件下では、メチルシクロヘキサンからの脱水素反応が優勢となり、低温高圧の条件下では、トルエンの水素化反応(水素添加反応)が優勢となる。脱水素で生成するトルエンは、再び水素添加され、有機ハイドライドとしてリサイクル利用される。
The hydrogen transport using organic hydride is, for example, formula (1):
C 6 H 11 CH 3 (methylcyclohexane) ⇔C 6 H 5 CH 3 (toluene) + 3H 2
This means that hydrogen is transported as an organic hydride (methylcyclohexane) using the reversible reaction. When an organic hydride dehydrogenation reaction is performed, a mixed fluid containing hydrogen (first component) and an aromatic compound (second component) is generated. By using the crystalline silica membrane composite, the aromatic compound (toluene) can be removed from the mixed fluid, and hydrogen as the first component can be concentrated. Under conditions of high temperature and low pressure, dehydrogenation reaction from methylcyclohexane is dominant, and under conditions of low temperature and high pressure, toluene hydrogenation reaction (hydrogenation reaction) is dominant. Toluene produced by dehydrogenation is hydrogenated again and recycled as organic hydride.

軽質炭化水素を精製するには、通常、複数段階の蒸留を繰り返すことが必要である。例えば、汎用樹脂であるポリプロピレンを製造する場合、純度99.5%以上のプロピレンガスが用いられる。高純度プロピレンガスは、プロピレン(第1成分)とプロパン(第2成分)を含む混合流体からプロピレンを分離することにより製造される。しかし、プロピレンとプロパンとの分離は難しく、300段以上の超精密蒸留が必要となる。一方、結晶性シリカ膜複合体を用いる場合、簡易にプロピレンを分離することができる。   To purify light hydrocarbons, it is usually necessary to repeat multiple stages of distillation. For example, when producing polypropylene which is a general-purpose resin, propylene gas having a purity of 99.5% or more is used. High purity propylene gas is produced by separating propylene from a mixed fluid containing propylene (first component) and propane (second component). However, separation of propylene and propane is difficult, and ultraprecise distillation of 300 stages or more is required. On the other hand, when a crystalline silica membrane composite is used, propylene can be easily separated.

上記の他、結晶性シリカ膜複合体は、水と、エタノール、2−プロパノールおよび2−メチル−1−プロパノールよりなる群から選択される少なくとも1種との混合流体からの水の分離にも適している。例えば、酢酸製造工程における酢酸(第2成分)と水(第1成分)とを含む混合流体からの水の分離、バイオエタノール製造工程におけるエタノール(第2成分)と水(第1成分)とを含む混合流体からの水の分離、半導体洗浄に用いられる2−プロパノール(第2成分)と水(第1成分)とを含む混合流体からの水の分離、バイオイソブタノール製造工程における2−メチル−1−プロパノール(第2成分)と水(第1成分)とを含む混合流体からの水の分離など、様々な脱水工程にも適用できる。   In addition to the above, the crystalline silica membrane composite is suitable for separating water from a mixed fluid of water and at least one selected from the group consisting of ethanol, 2-propanol and 2-methyl-1-propanol. ing. For example, separation of water from a mixed fluid containing acetic acid (second component) and water (first component) in the acetic acid production process, ethanol (second component) and water (first component) in the bioethanol production process. Separation of water from mixed fluid, separation of water from mixed fluid containing 2-propanol (second component) and water (first component) used for semiconductor cleaning, 2-methyl- in the bioisobutanol production process The present invention can also be applied to various dehydration processes such as separation of water from a mixed fluid containing 1-propanol (second component) and water (first component).

次に、本発明に係る結晶性シリカ膜複合体の製造方法について説明する。
まず、(i)第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材を準備する工程と、(ii)第1表面に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末(以下、種結晶粉末)を塗布する工程と、を含む。Si−CHAを多孔質基材の表面に緻密な状態で生成させ、緻密なSi−CHA膜を形成するには、液相側ではなく、多孔質基材の表面で優先的に結晶を成長させる必要がある。そのためには、水熱合成を行う前に、多孔質基材の表面に、予め調製しておいた種結晶粉末を付着させることが重要である。種結晶粉末は、第1表面および第2表面の少なくとも一方に塗布すればよい。
Next, a method for producing a crystalline silica membrane composite according to the present invention will be described.
First, (i) a step of preparing a porous substrate having a first surface and a second surface and having pores that allow the first surface and the second surface to communicate with each other; and (ii) a CHA on the first surface. And applying a crystalline silica powder having a type crystal structure (hereinafter referred to as seed crystal powder). In order to form Si-CHA in a dense state on the surface of the porous substrate and form a dense Si-CHA film, crystals are preferentially grown on the surface of the porous substrate, not on the liquid phase side. There is a need. For this purpose, it is important to attach a seed crystal powder prepared in advance to the surface of the porous substrate before hydrothermal synthesis. The seed crystal powder may be applied to at least one of the first surface and the second surface.

種結晶粉末は、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末であればよく、フレームワークが実質的にアルミニウムを含まないSi−CHA膜を製造できるのであれば、アルミニウム含有量の非常に小さいCHA型アルミノシリケートを用いてもよい。ただし、耐水蒸気性、耐薬品性、熱的安定性を、可能な限り向上させる観点からは、CHA型ピュアシリカゼオライト(Si−CHA)粉末を種結晶粉末として用いることが望ましい。   The seed crystal powder may be a crystalline silica powder having a CHA type crystal structure, and if the framework can produce a Si-CHA film substantially free of aluminum, the CHA type having a very low aluminum content. Aluminosilicate may be used. However, from the viewpoint of improving steam resistance, chemical resistance, and thermal stability as much as possible, it is desirable to use CHA type pure silica zeolite (Si-CHA) powder as seed crystal powder.

本発明に係る結晶性シリカ膜複合体の製造方法は、更に、(iii)水、シリカ材料、SDAおよびHFを含む水性懸濁液を調製する工程と、(iv)水性懸濁液に、多孔質基材の種結晶粉末が塗布された表面を接触させ、その表面に、水熱合成により、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカ膜を成長させる工程と、を含む。   The method for producing a crystalline silica membrane composite according to the present invention further comprises (iii) a step of preparing an aqueous suspension containing water, a silica material, SDA and HF, and (iv) a porous material in the aqueous suspension. And a step of bringing the surface of the porous base material coated with the seed crystal powder into contact, and growing a crystalline pure silica film having a CHA type crystal structure on the surface by hydrothermal synthesis.

ただし、多孔質基材の表面で優先的に結晶を成長させるには、水性懸濁液にCHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末(種結晶粉末)を含ませることが重要である。このときに用いる種結晶粉末は、多孔質基材の表面に塗布した種結晶粉末と同じでもよく、異なってもよい。   However, in order to grow crystals preferentially on the surface of the porous substrate, it is important to include crystalline silica powder (seed crystal powder) having a CHA type crystal structure in the aqueous suspension. The seed crystal powder used at this time may be the same as or different from the seed crystal powder applied to the surface of the porous substrate.

上記の条件下では、従来よりも低温で水熱合成を行なうことが可能である。例えば、水性懸濁液中に多孔質基材を浸漬し、80〜150℃もしくは80〜130℃の温度で、24〜168時間の水熱合成を行うことにより、多孔質基材の表面に結晶性ピュアシリカ膜を成長させることができる。また、水性懸濁液に含まれる、水と、シリカ材料に含まれるケイ素原子と、のモル比(水/Si比)が、従来よりも高くても、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカが生成する。   Under the above conditions, it is possible to perform hydrothermal synthesis at a lower temperature than conventional. For example, the porous base material is immersed in an aqueous suspension and crystallized on the surface of the porous base material by hydrothermal synthesis at a temperature of 80 to 150 ° C. or 80 to 130 ° C. for 24 to 168 hours. A pure silica film can be grown. Further, even if the molar ratio (water / Si ratio) of water and silicon atoms contained in the silica material contained in the aqueous suspension is higher than before, crystalline pure silica having a CHA type crystal structure Produces.

ここで、シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、種結晶粉末に含まれるSi原子数の割合は、0.01〜50%であることが好ましく、0.1〜10%であることがより好ましく、0.5〜5%であることが更に好ましい。このような範囲で種結晶粉末を用いることで、より緻密なSi−CHA膜を得やすくなる。   Here, the ratio of the number of Si atoms contained in the seed crystal powder to the total number of Si atoms contained in the silica material is preferably 0.01 to 50%, and preferably 0.1 to 10%. More preferably, it is 0.5 to 5%. By using the seed crystal powder in such a range, it becomes easier to obtain a denser Si—CHA film.

SDAは、結晶構造を形成させるための雛型となる物質である。Si−CHAのSDAには、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアミン水酸化物(TMAdaOH)を用いることが望ましい。これにより、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカが生成しやすくなる。   SDA is a material that serves as a template for forming a crystal structure. For SDA of Si-CHA, it is desirable to use N, N, N-trimethyl-1-adamantanamine hydroxide (TMAdaOH). Thereby, it becomes easy to produce crystalline pure silica having a CHA type crystal structure.

以下、工程(ii)〜(iv)について、更に詳細に説明する。
(種結晶粉末の調製)
種結晶粉末として用いるSi−CHA粉末の製造方法は、特に限定されないが、例えば、以下の方法によりSi−CHA粉末を合成することができる。まず、SDA(好ましくはTMAdaOH)と、加水分解性基を有するケイ素化合物(好ましくはオルトケイ酸テトラエチル)とを混合し、十分に撹拌して混合物(反応溶液)を調製する。次に、混合物を加熱して固体状になるまで水分を蒸発させる。次に、固形物に、HFを添加して、固形物を中和する。その後、固形物の水分量を調節して、水性懸濁液を調製する。
Hereinafter, steps (ii) to (iv) will be described in more detail.
(Preparation of seed crystal powder)
Although the manufacturing method of Si-CHA powder used as seed crystal powder is not particularly limited, for example, Si-CHA powder can be synthesized by the following method. First, SDA (preferably TMAdaOH) and a silicon compound having a hydrolyzable group (preferably tetraethyl orthosilicate) are mixed and sufficiently stirred to prepare a mixture (reaction solution). The mixture is then heated to evaporate moisture until it becomes solid. Next, HF is added to the solid to neutralize the solid. Thereafter, the water content of the solid is adjusted to prepare an aqueous suspension.

水性懸濁液の組成は、例えば以下の範囲に制御することが好ましい。
(1)水性懸濁液に含まれるSDAとケイ素原子とのモル比(SDA/Si比)は、0.5〜3の範囲内であることが好ましく、0.5〜2.5の範囲内であることが更に好ましく、1.1〜1.5の範囲内であることが特に好ましい。SDA/Si比を0.5以上とすることで、十分量のSDAが供給され、種結晶の結晶性を高めることができる。SDA/Si比は、3を超えてもよいが、SDAが過剰になるだけである。SDA/Si比を3以下とすることで、製造コストの増加を抑制することができる。
The composition of the aqueous suspension is preferably controlled within the following range, for example.
(1) The molar ratio (SDA / Si ratio) between SDA and silicon atoms contained in the aqueous suspension is preferably in the range of 0.5 to 3, preferably in the range of 0.5 to 2.5. It is more preferable that it is in the range of 1.1 to 1.5. By setting the SDA / Si ratio to 0.5 or more, a sufficient amount of SDA is supplied, and the crystallinity of the seed crystal can be improved. The SDA / Si ratio may exceed 3, but only the SDA becomes excessive. By setting the SDA / Si ratio to 3 or less, an increase in manufacturing cost can be suppressed.

(2)水性懸濁液に含まれる水とケイ素原子とのモル比(水/Si比)は、Si−CHAを効率的かつ高収率で生成させる観点からは、2以上であることが好ましく、3.2以上であることがより好ましい。一方、水/Si比が大きくなり過ぎると、水性懸濁液中のSi原子の濃度が薄くなり、Si−CHAの生成速度が遅くなる傾向がある。よって、水/Si比は、20以下であることが好ましい。   (2) The molar ratio (water / Si ratio) between water and silicon atoms contained in the aqueous suspension is preferably 2 or more from the viewpoint of producing Si-CHA efficiently and in high yield. More preferably, it is 3.2 or more. On the other hand, when the water / Si ratio becomes too large, the concentration of Si atoms in the aqueous suspension becomes thin, and the production rate of Si-CHA tends to be slow. Therefore, the water / Si ratio is preferably 20 or less.

(3)水性懸濁液に含まれるSDAとHFとのモル比(SDA/HF比)は、反応溶液のpHを中性付近に調整するとともに、CHA型結晶構造を規定するために用いられる。ピュアシリカゼオライトを生成させる際には、水熱合成反応を行う反応溶液は、例えばpH7〜9であることが好ましい。SDAとしてTMAdaOHなどを用いる場合には、SDAが強アルカリであるため、HFを用いることが特に重要である。このとき、SDA/HF比は、0.7〜1.3であることが好ましく、0.9〜1.1であることがより好ましい。なお、HFの濃度は、特に限定されないが、通常、HF含有量40〜55質量%の高濃度品が用いられる。   (3) The molar ratio (SDA / HF ratio) between SDA and HF contained in the aqueous suspension is used to adjust the pH of the reaction solution to near neutrality and to define the CHA type crystal structure. When pure silica zeolite is produced, the reaction solution for performing the hydrothermal synthesis reaction is preferably pH 7-9, for example. When TMAdaOH or the like is used as SDA, it is particularly important to use HF because SDA is a strong alkali. At this time, the SDA / HF ratio is preferably 0.7 to 1.3, and more preferably 0.9 to 1.1. In addition, although the density | concentration of HF is not specifically limited, Usually, the high concentration goods whose HF content is 40-55 mass% are used.

次に、水性懸濁液を、耐圧容器内に入れて、例えば130〜180℃で、12〜72時間加熱して、水熱合成を行うことにより、結晶生成物を得ることができる。この結晶生成物はSDAを含有したSi−CHA結晶であり、洗浄、乾燥後、例えば500〜680℃で、24〜72時間焼成することにより、有機物を含まないピュアなSi−CHA粉末を得ることができる。Si−CHA粉末を、平均粒子径100〜200nm程度になるまで粉砕することで、種結晶粉末を得ることができる。
ここで、平均粒子径とは、体積基準の粒度分布におけるメディアン径であり、例えばレーザ回折式の粒度分布測定装置により測定することができる。以下、同様である。
Next, a crystalline product can be obtained by putting the aqueous suspension in a pressure vessel and heating it at 130 to 180 ° C. for 12 to 72 hours to carry out hydrothermal synthesis. This crystal product is a Si-CHA crystal containing SDA, and after washing and drying, pure Si-CHA powder containing no organic matter is obtained by baking at, for example, 500-680 ° C. for 24-72 hours. Can do. A seed crystal powder can be obtained by pulverizing the Si-CHA powder until the average particle size is about 100 to 200 nm.
Here, the average particle diameter is a median diameter in a volume-based particle size distribution, and can be measured by, for example, a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus. The same applies hereinafter.

(シリカ材料とSDAとの複合物の調製)
次に、ピュアシリカ膜を形成する際に用いる水性懸濁液を得るには、まず、シリカ材料とSDAとの複合物を調製する。シリカ材料は非晶質でもよく、結晶性でもよい。
(Preparation of a composite of silica material and SDA)
Next, in order to obtain an aqueous suspension used in forming a pure silica film, first, a composite of a silica material and SDA is prepared. The silica material may be amorphous or crystalline.

シリカ材料の原料、すなわちSi元素源としては、水を含有するコロイダルシリカを用いてもよく、市販の微粉末シリカ(例えばヒュームドシリカ)を用いてもよい。また、ケイ素化合物の加水分解により、非晶質または結晶性シリカを調製し、これを微粉砕して、Si元素源として用いてもよい。ケイ素化合物には、加水分解性基(アルコキシ基、ハロゲン基など)を有する化合物を用いればよく、例えば、オルトケイ酸テトラエチル、オルトケイ酸テトラメチルなどが好ましい。   As a raw material of the silica material, that is, a Si element source, colloidal silica containing water may be used, or commercially available fine powder silica (for example, fumed silica) may be used. Alternatively, amorphous or crystalline silica may be prepared by hydrolysis of a silicon compound, which may be pulverized and used as a Si element source. As the silicon compound, a compound having a hydrolyzable group (alkoxy group, halogen group, etc.) may be used. For example, tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate and the like are preferable.

Si元素源にはケイ素化合物を用い、CHA型結晶構造の雛型となるSDAにはTMAdaOHを用いることが望ましい。具体的には、SDA水溶液にケイ素化合物を添加し、十分に攪拌しながら徐々に加水分解を進行させればよい。その後、反応溶液を加熱して固体状になるまで水分を蒸発させれば、結晶性シリカの前駆体となる固形物を得ることができる。この際、水分を蒸発させる前の水/Si比は、例えば6〜55であればよい。ここでも、SDAとケイ素原子とのモル比(SDA/Si比)は、0.5〜3の範囲内であることが好ましく、0.5〜2.5の範囲内であることが更に好ましく、1.1〜1.5の範囲内であることが特に好ましい。   It is desirable to use a silicon compound as the Si element source and use TMAdaOH as the SDA that forms the template of the CHA crystal structure. Specifically, a silicon compound may be added to an SDA aqueous solution, and hydrolysis may be gradually advanced with sufficient stirring. Thereafter, if the reaction solution is heated to evaporate the water until it becomes solid, a solid that becomes a precursor of crystalline silica can be obtained. At this time, the water / Si ratio before evaporating the water may be, for example, 6 to 55. Again, the molar ratio of SDA to silicon atoms (SDA / Si ratio) is preferably in the range of 0.5-3, more preferably in the range of 0.5-2.5, A range of 1.1 to 1.5 is particularly preferable.

次に、得られた固形物に、種結晶粉末を混合することにより、シリカ材料とSDAの複合物が得られる。このとき、シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、種結晶粉末に含まれるSi原子数の割合は、0.01〜50%であればよい。添加する種結晶粉末の粒子の大きさは特に限定されないが、HFによる溶解が起こりやすいように、サブミクロンサイズの粒子を用いることが好ましい。具体的には、種結晶粉末の粒子は、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、1μm以下が更に好ましい。   Next, the composite of silica material and SDA is obtained by mixing seed crystal powder with the obtained solid. At this time, the ratio of the number of Si atoms contained in the seed crystal powder to the total number of Si atoms contained in the silica material may be 0.01 to 50%. The size of the seed crystal powder particles to be added is not particularly limited, but submicron-sized particles are preferably used so that dissolution by HF can easily occur. Specifically, the seed crystal powder particles are preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 1 μm or less.

(水性懸濁液の調製)
水性懸濁液は、シリカ材料とSDAの複合物に、水、HFおよび、必要に応じて追加のSDAを添加することにより調製される。ここで、水性懸濁液には、水含有量が比較的少ないスラリー状もしくはペースト状の湿潤組成物から、水含有量が十分に多い液体(分散液)までを広く含むものとする。
(Preparation of aqueous suspension)
The aqueous suspension is prepared by adding water, HF and optionally additional SDA to the composite of silica material and SDA. Here, the aqueous suspension widely includes a wet composition having a relatively low water content to a liquid (dispersion) having a sufficiently high water content.

水性懸濁液において、水とシリカ材料に含まれるケイ素原子とのモル比(水/Si比)は、Si−CHA膜が効率的かつ高収率で得られるように選択することが望まれる。通常、Si−CHAは、水/Si比が非常に小さい条件でなければ生成させることが困難である。一方、多孔質基材の表面に種結晶粉末を付与するとともに、水性懸濁液にも種結晶粉末を含ませる場合には、水/Si比を大きくすることが可能である。よって、水/Si比を5以上、更には20以上とすることも可能である。一方、水/Si比が大きくなり過ぎると、水性懸濁液中のSi原子の濃度が薄くなり、Si−CHAの生成速度が遅くなる傾向がある。よって、水/Si比は、40以下であることが好ましく、30以下であることが更に好ましい。   In the aqueous suspension, it is desirable to select the molar ratio (water / Si ratio) between water and silicon atoms contained in the silica material so that the Si—CHA film can be obtained efficiently and in a high yield. Usually, Si-CHA is difficult to produce unless the water / Si ratio is very small. On the other hand, when the seed crystal powder is applied to the surface of the porous substrate and the seed crystal powder is also included in the aqueous suspension, the water / Si ratio can be increased. Therefore, the water / Si ratio can be 5 or more, and further 20 or more. On the other hand, when the water / Si ratio becomes too large, the concentration of Si atoms in the aqueous suspension becomes thin, and the production rate of Si-CHA tends to be slow. Therefore, the water / Si ratio is preferably 40 or less, and more preferably 30 or less.

(結晶性ピュアシリカ膜の形成)
水性懸濁液に、種結晶粉末が塗布された多孔質基材を浸漬し、水熱合成を行うことにより、多孔質基材の表面にSi−CHA膜を形成することができる。Si−CHAの水熱合成は、通常、150〜200℃で進行するが、ここでは80〜150℃、更には80〜130℃でも進行する。合成時間は、例えば24〜168時間であり、24〜72時間で完了するように条件を制御することが望ましい。
(Formation of crystalline pure silica film)
A Si—CHA film can be formed on the surface of the porous substrate by immersing the porous substrate coated with the seed crystal powder in the aqueous suspension and performing hydrothermal synthesis. The hydrothermal synthesis of Si—CHA usually proceeds at 150 to 200 ° C., but here it proceeds at 80 to 150 ° C., and even 80 to 130 ° C. The synthesis time is, for example, 24 to 168 hours, and it is desirable to control the conditions so as to be completed in 24 to 72 hours.

ここで、水熱合成とは、一般に、高温かつ高圧下で、水の存在下で行われる物質の合成反応の総称であり、ゼオライトの製造方法として適している。水熱合成は、通常、ステンレス鋼の外装で覆われたフッ素樹脂製の密閉容器内で、加熱により生じる水蒸気の加圧下で行われる。圧力は、通常、0.1〜3MPa、好ましくは0.4〜2MPaである。   Here, the hydrothermal synthesis is a general term for a synthetic reaction of substances generally performed at high temperature and high pressure in the presence of water, and is suitable as a method for producing zeolite. Hydrothermal synthesis is usually performed under pressure of water vapor generated by heating in a sealed container made of fluororesin covered with a stainless steel exterior. The pressure is usually 0.1 to 3 MPa, preferably 0.4 to 2 MPa.

水熱合成で生成する膜生成物は、SDAを含んでいるため、焼成してSDAを除去することが望ましい。具体的には、膜生成物を、洗浄、乾燥後、例えば大気中で、400〜800℃、好ましくは500〜700℃で、1〜48時間、好ましくは4〜12時間焼成することにより、SDAが除かれたSi−CHA膜を有する結晶性シリカ膜複合体を得ることができる。   Since the film product produced by hydrothermal synthesis contains SDA, it is desirable to remove the SDA by baking. Specifically, after washing and drying, the film product is baked at 400 to 800 ° C., preferably 500 to 700 ° C., for example, in the air for 1 to 48 hours, preferably 4 to 12 hours. A crystalline silica film composite having a Si—CHA film from which is removed can be obtained.

その後、必要に応じて、結晶性シリカ膜複合体を揮発性ケイ素化合物の蒸気で処理してもよい。例えば、SDAを除去した後の結晶性ピュアシリカ膜を具備する結晶性シリカ膜複合体を、60〜120℃で加熱しながら、揮発性ケイ素化合物の蒸気に暴露することで、結晶性ピュアシリカ膜の表面に揮発性ケイ素化合物に由来するシリカを蒸着させることができる。揮発性ケイ素化合物に由来するシリカは、シリカ膜を構成する結晶の粒界細孔を閉塞させるため、シリカ膜の緻密性を向上させることができる。なお、揮発性ケイ素化合物の蒸気を含む雰囲気における揮発性ケイ素化合物の分圧は、特に限定されないが、例えば10〜100kPaであればよい。揮発性ケイ素化合物としては、アルコキシケイ素、ハロゲン化ケイ素などを用いることができ、オルトケイ酸テトラメチルなどが好ましい。   Thereafter, if necessary, the crystalline silica film composite may be treated with a vapor of a volatile silicon compound. For example, the crystalline pure silica film having the crystalline pure silica film after removing the SDA is exposed to vapor of a volatile silicon compound while being heated at 60 to 120 ° C. Silica derived from a volatile silicon compound can be vapor-deposited on the surface. Silica derived from a volatile silicon compound closes the grain boundary pores of crystals constituting the silica film, so that the denseness of the silica film can be improved. In addition, the partial pressure of the volatile silicon compound in the atmosphere containing the volatile silicon compound vapor is not particularly limited, and may be, for example, 10 to 100 kPa. As the volatile silicon compound, alkoxy silicon, silicon halide or the like can be used, and tetramethyl orthosilicate is preferable.

[実施例]
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
工程(i)
第1表面および第2表面を有するとともに、第1表面と第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材として、平均細孔径0.1μm、外径10mm、内径7mmのアルミナ製チューブ(日本碍子(株)製、以下、アルミナ基材)を用いた。アルミナ基材は、100mmの長さに切断した後、超純水で煮沸洗浄後、乾燥して用いた。アルミナ基材の外周面は第1表面に、内周面は第2表面に対応する。
Example 1
Process (i)
An alumina tube having an average pore diameter of 0.1 μm, an outer diameter of 10 mm, and an inner diameter of 7 mm as a porous base material having a first surface and a second surface and having pores that allow the first surface and the second surface to communicate with each other ( Nippon Zushi Co., Ltd. (hereinafter referred to as alumina substrate) was used. The alumina base material was cut to a length of 100 mm, washed by boiling with ultrapure water, and then used after drying. The outer peripheral surface of the alumina base material corresponds to the first surface, and the inner peripheral surface corresponds to the second surface.

工程(ii)
以下の要領で合成したCHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末(種結晶粉末)を、アルミナ基材の外周面(第1表面)の中央の幅50mmの部分に、ラビング(擦り込み)法を用いて塗布した。
Step (ii)
Using a rubbing method, a crystalline silica powder having a CHA-type crystal structure (seed crystal powder) synthesized in the following manner is applied to the central 50 mm width portion of the outer peripheral surface (first surface) of the alumina substrate. And applied.

(種結晶粉末の合成)
ここでは、非特許文献3(M.J.Diaz-Cabanas et.al., Chemical Comunications, Royal Society of Chemistry,1881(1998))に記載されている方法に準じて、Si−CHA粉末を合成した。まず、フッ素樹脂製の100mLの容器に、30.2gのTMAdaOH水溶液(TMAdaOH含有量24.9質量%、セイケム社(SACHEM, Inc.)製)を入れ、15.0gのオルトケイ酸テトラエチル(和光純薬(株)製)を加え、一晩撹拌させた。その後、反応溶液を加熱し、固体状になるまで水分を蒸発させた。濃縮後の固形物に、1.5gのHF(46.9質量%、和光純薬(株)製)を少しずつ加えて、固形物を中和した。その後、水分量を調節して、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.5/0.5/3(モル比)となる固体状の前駆体を調製した。
(Synthesis of seed crystal powder)
Here, Si-CHA powder was synthesized according to the method described in Non-Patent Document 3 (MJDiaz-Cabanas et.al., Chemical Comunications, Royal Society of Chemistry, 1881 (1998)). First, 30.2 g of TMAdaOH aqueous solution (TMAdaOH content 24.9% by mass, manufactured by SACHEM, Inc.) was placed in a 100 mL container made of fluororesin, and 15.0 g of tetraethyl orthosilicate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). Yakuhin Co., Ltd.) was added and allowed to stir overnight. Thereafter, the reaction solution was heated to evaporate water until it became solid. To the solid after concentration, 1.5 g of HF (46.9 mass%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added little by little to neutralize the solid. Thereafter, the moisture content was adjusted to prepare a solid precursor with Si / TMAdaOH / HF / H 2 O = 1.0 / 0.5 / 0.5 / 3 (molar ratio).

固体状の前駆体を、内容積100mlのフッ素樹脂製内筒付きステンレス鋼製耐圧容器内に入れ、150℃で40時間加熱して、水熱合成を行なった。その後、生成物を、濾過、洗浄、乾燥した。洗浄後の生成物を、580℃で24時間焼成して、Si−CHA粉末を得た。得られた粉末の平均粒子径は10μm程度であった。このSi−CHA粉末を、メノウ乳鉢で湿式粉砕し、平均粒子径200nm程度の種結晶粉末を得た。   The solid precursor was placed in a stainless steel pressure resistant vessel with a fluororesin inner cylinder having an internal volume of 100 ml and heated at 150 ° C. for 40 hours for hydrothermal synthesis. The product was then filtered, washed and dried. The washed product was baked at 580 ° C. for 24 hours to obtain Si—CHA powder. The average particle size of the obtained powder was about 10 μm. This Si-CHA powder was wet pulverized in an agate mortar to obtain a seed crystal powder having an average particle diameter of about 200 nm.

工程(iii)
以下の要領で、シリカ材料とSDAとの複合物を調製し、これにHFおよび水を加えて水性懸濁液を調製した。
Step (iii)
In the following manner, a composite of silica material and SDA was prepared, and HF and water were added thereto to prepare an aqueous suspension.

(シリカ材料とSDAとの複合物の調製)
フッ素樹脂製の100mLの容器に、48.4gのTMAdaOH水溶液(TMAdaOH含有量24.9質量%、セイケム社(SACHEM, Inc.)製)を入れ、Si元素源である15.0gのオルトケイ酸テトラエチル(和光純薬(株)製)を加え、一晩撹拌させた。その後、反応溶液を加熱し、固体状になるまで水分を蒸発させ、濃縮させた固形物を得た。得られた固形物に、上記種結晶粉末を0.43mg添加し、シリカ材料とSDAとの複合物を得た。このとき、シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、種結晶粉末に含まれるSi原子数の割合は0.01%であった。
(Preparation of a composite of silica material and SDA)
In a 100 mL container made of fluororesin, 48.4 g of TMAdaOH aqueous solution (TMAdaOH content 24.9% by mass, manufactured by SACHEM, Inc.) was placed, and 15.0 g of tetraethyl orthosilicate, which is a Si element source. (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and allowed to stir overnight. Thereafter, the reaction solution was heated to evaporate water until it became solid, and a concentrated solid was obtained. 0.43 mg of the seed crystal powder was added to the obtained solid to obtain a composite of silica material and SDA. At this time, the ratio of the number of Si atoms contained in the seed crystal powder to the total number of Si atoms contained in the silica material was 0.01%.

(水性懸濁液の調製)
上記複合物に、3.04gのHF(HF含有量46.9質量%、和光純薬(株)製)を少しずつ加えて、固形物を中和した。その後、水分量を調節して、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.8/0.8/5.7(モル比)となる水性懸濁液を調製した。
(Preparation of aqueous suspension)
To the above composite, 3.04 g of HF (HF content 46.9% by mass, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added little by little to neutralize the solid. Thereafter, the water content was adjusted to prepare an aqueous suspension with Si / TMAdaOH / HF / H 2 O = 1.0 / 0.8 / 0.8 / 5.7 (molar ratio).

工程(iv)
次に、水性懸濁液に、第1表面に第1種結晶粉末が塗布されたアルミナ基材を浸漬し、静置状態で、150℃で72時間加熱して水熱合成を行い、第1表面でシリカ膜を成長させた。その後、シリカ膜を含む膜生成物を超純水で洗浄、乾燥し、空気雰囲気下で、500℃で焼成してシリカ膜複合体を得た。焼成時の昇温および降温速度は0.5℃/分とし、保持時間は120時間とした。
Step (iv)
Next, the alumina substrate having the first surface coated with the first seed crystal powder is immersed in the aqueous suspension, and in a stationary state, heated at 150 ° C. for 72 hours to perform hydrothermal synthesis. A silica film was grown on the surface. Thereafter, the membrane product containing the silica membrane was washed with ultrapure water, dried, and fired at 500 ° C. in an air atmosphere to obtain a silica membrane composite. The temperature increase and decrease rate during firing was 0.5 ° C./min, and the holding time was 120 hours.

(比較例1)
HFで中和する前の固形物に0.43mgの種結晶粉末を添加しなかったこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
(Comparative Example 1)
A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Example 1 except that 0.43 mg of seed crystal powder was not added to the solid before neutralization with HF.

(実施例2)
水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
(Example 2)
A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Example 1 except that the hydrothermal synthesis temperature was changed to 120 ° C. and the synthesis time was changed to 168 hours.

(比較例2)
水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、比較例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
(Comparative Example 2)
A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Comparative Example 1 except that the hydrothermal synthesis temperature was changed to 120 ° C. and the synthesis time was changed to 168 hours.

(実施例3)
水熱合成の温度を80℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
(Example 3)
A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Example 1 except that the hydrothermal synthesis temperature was changed to 80 ° C. and the synthesis time was changed to 168 hours.

(実施例4)
水性懸濁液の組成を、Si/TMAdaOH/HF/H2O=1.0/0.8/0.8/28.5、水熱合成の温度を120℃、合成時間を168時間に変更したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
Example 4
The composition of the aqueous suspension was changed to Si / TMAdaOH / HF / H 2 O = 1.0 / 0.8 / 0.8 / 28.5, the hydrothermal synthesis temperature was 120 ° C., and the synthesis time was changed to 168 hours. A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Example 1 except that.

(実施例5)
実施例2と同様に作製したシリカ膜複合体を、液状のオルトケイ酸テトラメチル(TMOS)を入れた開口容器とともに、密閉容器内に収容し、シリカ膜複合体とTMOSを80℃で2時間加熱した。このとき、シリカ膜はTMOSの蒸気に曝露され、結晶粒界にTMOS由来のシリカが生成すると考えられる。
(Example 5)
The silica membrane composite produced in the same manner as in Example 2 was housed in an airtight container together with an open container containing liquid tetramethyl orthosilicate (TMOS), and the silica membrane composite and TMOS were heated at 80 ° C. for 2 hours. did. At this time, the silica film is exposed to the vapor of TMOS, and it is considered that TMOS-derived silica is generated at the crystal grain boundary.

(実施例6)
HFで中和する前の固形物に4.3mgの種結晶粉末を添加したこと以外、実施例1と同様の手順で、シリカ膜複合体を作製した。
(Example 6)
A silica membrane composite was produced in the same procedure as in Example 1 except that 4.3 mg of seed crystal powder was added to the solid before neutralization with HF.

(膜生成物の構造の評価)
実施例1〜6、比較例1、2の膜生成物について、X線回折装置(RINT2000、(株)リガク製)および走査型電子顕微鏡(SU9000、日立ハイテク(株)製)を用いて構造を評価した。
(Evaluation of membrane product structure)
For the film products of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the structure was determined using an X-ray diffractometer (RINT2000, manufactured by Rigaku Corporation) and a scanning electron microscope (SU9000, manufactured by Hitachi High-Tech Corporation). evaluated.

(X線回折測定)
X線回折測定では、実施例1〜6および比較例1(比較例2以外)の膜生成物の回折パターンがCHA型トポロジーと一致していることを確認した。主要ピークの相対強度を評価したところ、(100)/(2−10)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=20.7°付近のピーク強度)、(100)/(10−1)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=12.9°付近のピーク強度)、(100)/(111)比(2θ=9.6°付近のピーク強度/2θ=18.0°付近のピーク強度)などは、種結晶粉末と同程度の相対強度を示した。以上より、実施例1〜6および比較例1の膜生成物は、結晶性シリカ膜であり、ランダムオリエンテーションを有するSi−CHA膜を含むことが判明した。
(X-ray diffraction measurement)
In the X-ray diffraction measurement, it was confirmed that the diffraction patterns of the film products of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 (other than Comparative Example 2) coincided with the CHA type topology. When the relative intensity of the main peak was evaluated, the (100) / (2-10) ratio (peak intensity around 2θ = 9.6 ° / peak intensity around 2θ = 20.7 °), (100) / (10 -1) ratio (2θ = peak intensity around 9.6 ° / peak intensity around 2θ = 12.9 °), (100) / (111) ratio (2θ = peak intensity around 9.6 ° / 2θ = The peak intensity around 18.0 ° showed a relative intensity comparable to that of the seed crystal powder. From the above, it was found that the film products of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were crystalline silica films and included Si—CHA films having random orientation.

比較例2の膜生成物は、アモルファス構造であることが確認され、Si−CHA膜が形成されていないことがわかった。一方、同温度かつ同組成の実施例2および合成温度が低い実施例3では、Si−CHA膜が得られている。以上より、水性懸濁液にSi−CHAの種結晶粉末を添加することで、Si−CHAの合成温度を低下させる効果があることが判明した。また、水/Si比が28.5である実施例4でもSi−CHA膜が得られていることから、水性懸濁液にSi−CHAの種結晶粉末を添加することで、高い水/Si比でもSi−CHA膜を調製できることを確認した。   The film product of Comparative Example 2 was confirmed to have an amorphous structure, and it was found that no Si—CHA film was formed. On the other hand, in Example 2 having the same temperature and the same composition and Example 3 having a low synthesis temperature, a Si—CHA film was obtained. From the above, it has been found that adding Si-CHA seed crystal powder to an aqueous suspension has an effect of lowering the synthesis temperature of Si-CHA. Moreover, since the Si—CHA film was obtained also in Example 4 where the water / Si ratio was 28.5, high water / Si was obtained by adding Si—CHA seed crystal powder to the aqueous suspension. It was confirmed that the Si—CHA film could be prepared even by the ratio.

(走査型電子顕微鏡観察)
比較例1、実施例1〜4の膜生成物を破砕し、表面および断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図3(a)に、比較例1の膜生成物の表面のSEM像を示す。また、図3(b)〜(e)に、それぞれ実施例1、2、3、4の膜生成物の表面のSEM像を示す。図3(f)は、種結晶粉末を塗布した直後のアルミナ基材表面のSEM像である。
(Scanning electron microscope observation)
The film products of Comparative Example 1 and Examples 1 to 4 were crushed, and the surface and cross section were observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 3A shows an SEM image of the surface of the film product of Comparative Example 1. 3B to 3E show SEM images of the surfaces of the film products of Examples 1, 2, 3, and 4, respectively. FIG. 3F is an SEM image of the surface of the alumina base material immediately after the seed crystal powder is applied.

比較例1の膜生成物は、比較的大きな結晶粒子が堆積した構造を有しており、欠陥の多い膜構造であることがわかる(図3(a))。また、断面観察では、厚さが20μm程度の結晶粒子の堆積層が観察された。一方、実施例1の膜生成物は、より小さな結晶同士が連結した緻密な膜構造を有し、観察範囲内では、ピンホールおよびクラックを確認できなかった(図3(b))。また、断面観察では、厚さ5μm程度の緻密な多結晶層が観察された。実施例2〜4のシリカ膜についても同様の評価を行い、ピンホールおよびクラックが存在しないことを確認した(図3(c)〜(e))。   It can be seen that the film product of Comparative Example 1 has a structure in which relatively large crystal grains are deposited, and has a film structure with many defects (FIG. 3A). In the cross-sectional observation, a deposited layer of crystal particles having a thickness of about 20 μm was observed. On the other hand, the film product of Example 1 had a dense film structure in which smaller crystals were connected to each other, and pinholes and cracks could not be confirmed within the observation range (FIG. 3B). In cross-sectional observation, a dense polycrystalline layer having a thickness of about 5 μm was observed. The same evaluation was performed on the silica films of Examples 2 to 4, and it was confirmed that there were no pinholes and cracks (FIGS. 3C to 3E).

(EDX測定)
実施例1の膜生成物(結晶性シリカ膜)の断面をEDXにより評価したところ、膜表面から2μm程度までがケイ素と酸素のみから構成されたSi−CHA膜であり、その下地層では、シリカと多孔質基材との複合層が形成されていることを確認した。図4Aに、実施例1の膜生成物の断面のSEM像を示す。図4Bには、実施例1の膜生成物の断面構造の概念図を示す。一方、実施例2のシリカ膜の厚さは4μm程度であり、膜表面から3μm程度までがSi−CHA膜であった。以上より、水熱合成の温度を下げることで、Si−CHA膜の厚さを大きくできることが判明した。これは、水熱合成に伴う多孔質基材の溶解が抑制され、複合層の厚みが小さくなるためと考えられる。
(EDX measurement)
When the cross section of the film product (crystalline silica film) of Example 1 was evaluated by EDX, the Si-CHA film composed only of silicon and oxygen is about 2 μm from the film surface. It was confirmed that a composite layer of the porous substrate was formed. FIG. 4A shows an SEM image of a cross section of the film product of Example 1. FIG. In FIG. 4B, the conceptual diagram of the cross-section of the film | membrane product of Example 1 is shown. On the other hand, the thickness of the silica film of Example 2 was about 4 μm, and the Si-CHA film was from the film surface to about 3 μm. From the above, it was found that the thickness of the Si—CHA film can be increased by lowering the hydrothermal synthesis temperature. This is presumably because the dissolution of the porous substrate accompanying hydrothermal synthesis is suppressed and the thickness of the composite layer is reduced.

(パーミアンス測定)
膜の緻密性を評価する指標として、プローブガスのパーミアンス比が用いられる。緻密な膜構造を有し、ガス分子が結晶粒界を透過しにくい場合、ガス分子のパーミアンス比は、分子量比の平方根の逆数(クヌーセン(Knudsen)係数比)よりも大きな値になる。水素と六フッ化硫黄の場合、Knudsen係数比は8.54であり、この値を上回るほど緻密性の高い膜となる。
(Permeance measurement)
The permeance ratio of the probe gas is used as an index for evaluating the denseness of the film. In the case of a dense film structure in which gas molecules are difficult to permeate the crystal grain boundary, the gas molecule permeance ratio is larger than the reciprocal of the square root of the molecular weight ratio (Knudsen coefficient ratio). In the case of hydrogen and sulfur hexafluoride, the Knudsen coefficient ratio is 8.54, and the higher this value, the denser the film.

まず、透過試験を行う装置について、その概略を示す図5を参照しながら説明する。装置100は、筒状のシリカ膜複合体10と、シリカ膜複合体10の両端を固定するとともに、アルミナ基材の外周面側の中央の幅50mmの部分(シリカ膜形成部10s)だけを露出させる一対の中空の支持体120a、120bと、シリカ膜形成部10sを覆うチャンバ130と、チャンバ130内の温度を制御する加熱装置140と、を具備する。一方の支持体120aの一端は、図示例では閉じており、温度センサ(熱電対)150が挿入されている。他方の支持体120bの中空は、石鹸膜流量計160と連通している。チャンバ130内は、外気から隔絶されており、ガス導入口171からプローブガスを導入できるようになっている。チャンバ130内に導入されたプローブガスの一部は、シリカ膜形成部10sを透過して、石鹸膜流量計160に導入される。チャンバ130内の圧力は、背圧弁180によって制御される。石鹸膜流量計160に導入されるガスの組成は、併設のガスクロマトグラフィー190により確認できる。   First, an apparatus for performing a transmission test will be described with reference to FIG. The apparatus 100 fixes the cylindrical silica membrane composite 10 and both ends of the silica membrane composite 10 and exposes only the central 50 mm width portion (silica membrane forming portion 10s) on the outer peripheral surface side of the alumina base material. A pair of hollow supports 120a and 120b to be made, a chamber 130 covering the silica film forming part 10s, and a heating device 140 for controlling the temperature in the chamber 130 are provided. One end of one support 120a is closed in the illustrated example, and a temperature sensor (thermocouple) 150 is inserted. The hollow of the other support 120 b communicates with the soap film flow meter 160. The inside of the chamber 130 is isolated from the outside air, and the probe gas can be introduced from the gas introduction port 171. A part of the probe gas introduced into the chamber 130 passes through the silica film forming unit 10 s and is introduced into the soap film flow meter 160. The pressure in the chamber 130 is controlled by a back pressure valve 180. The composition of the gas introduced into the soap film flow meter 160 can be confirmed by the gas chromatography 190 provided therewith.

上記装置100を用いて、実施例1、2、5、6および比較例1で作製した膜生成物について、各種プローブガスの透過試験を行って、プローブガスのパーミアンス(透過速度もしくは透過率)を算出した。   Using the apparatus 100, the membrane products produced in Examples 1, 2, 5, 6 and Comparative Example 1 were subjected to various probe gas permeation tests to determine probe gas permeance (permeation rate or transmittance). Calculated.

透過試験を行う前に、シリカ膜複合体10を不活性ガス(Ar)フロー下で、200℃で12時間加熱する前処理を施した。次に、チャンバ130内およびシリカ膜複合体10の中空内の温度を40℃に制御しつつ、ガス供給源170からガス導入口171を介してチャンバ130内にプローブガスを導入した。このとき、シリカ膜複合体の供給側(外周面もしくは第1表面側)圧力を0.2MPa、シリカ膜複合体の透過側(内周面もしくは第2表面側)圧力を0.1MPa(大気圧)とし、透過側のガス流量を、石鹸膜流量計160で測定することにより、プローブガスのパーミアンスを算出した。   Before the permeation test, the silica membrane composite 10 was pretreated by heating at 200 ° C. for 12 hours under an inert gas (Ar) flow. Next, the probe gas was introduced from the gas supply source 170 into the chamber 130 through the gas inlet 171 while controlling the temperature in the chamber 130 and the hollow of the silica membrane composite 10 to 40 ° C. At this time, the supply pressure (outer peripheral surface or first surface side) pressure of the silica membrane composite is 0.2 MPa, and the permeation side (inner peripheral surface or second surface side) pressure of the silica membrane composite is 0.1 MPa (atmospheric pressure) ) And the permeance of the probe gas was calculated by measuring the gas flow rate on the permeate side with a soap film flow meter 160.

ガスのパーミアンスは、次式:Q=A/{(P1−P2)・S・t}から算出した。ここで、Qはプローブガスのパーミアンス(mol/m2・s・Pa)、Aはプローブガスの透過量(mol)、P1は供給側圧力(Pa)、P2は透過側の圧力(Pa)、Sはシリカ膜の見かけの面積(m2)、tは透過量がAであるときの測定時間(秒)をそれぞれ表す。
プローブガスには、水素、二酸化炭素、窒素、メタン、六フッ化硫黄を用いた。得られたパーミアンスおよびパーミアンス比(H2/SF6およびCO2/N2)を表1に示す。
The gas permeance was calculated from the following formula: Q = A / {(P1−P2) · S · t}. Where Q is probe gas permeance (mol / m 2 · s · Pa), A is probe gas permeation (mol), P 1 is supply side pressure (Pa), P 2 is permeation side pressure (Pa), S represents the apparent area (m 2 ) of the silica film, and t represents the measurement time (seconds) when the permeation amount is A.
Hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, methane, and sulfur hexafluoride were used as the probe gas. The obtained permeance and permeance ratio (H 2 / SF 6 and CO 2 / N 2 ) are shown in Table 1.

表1には、非特許文献2(S. Rezai et al., Micropor. Mesopor. Mater., 108, 136-142(2008))に記載されているSi−MFI膜(参考例1)の対応データ、および、特許文献2(特開2004−105942号公報)に記載されているSi−DDR膜(参考例2)の対応データも示す。   Table 1 shows the corresponding data of the Si-MFI film (Reference Example 1) described in Non-Patent Document 2 (S. Rezai et al., Micropor. Mesopor. Mater., 108, 136-142 (2008)). The corresponding data of the Si-DDR film (Reference Example 2) described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-105942) is also shown.

表1には、更に、非特許文献1(N.Hosinov et al., J. Mater. Chem. A, 2, 13083-13092(2014))に記載されている方法に準じて、CHA型アルミノシリケート膜複合体(参考例3)を作製し、上記と同様の方法で透過試験を行なった結果も示す。   Table 1 further shows CHA type aluminosilicate according to the method described in Non-Patent Document 1 (N. Hosinov et al., J. Mater. Chem. A, 2, 13083-13092 (2014)). The result of producing a membrane composite (Reference Example 3) and conducting a permeation test in the same manner as described above is also shown.

比較例1の膜生成物のパーミアンス比:H2/SF6は、クヌーセン係数比と概ね一致していることから、欠陥の多い膜構造であると考えられ、SEM像観察の結果と一致する。一方、実施例1および実施例2の膜生成物は、パーミアンス比:H2/SF6が200を上回ることから、緻密な膜であることがわかる。Since the permeance ratio: H 2 / SF 6 of the film product of Comparative Example 1 is generally coincident with the Knudsen coefficient ratio, it is considered to be a film structure having many defects, which coincides with the result of SEM image observation. On the other hand, since the film products of Example 1 and Example 2 have a permeance ratio: H 2 / SF 6 of more than 200, it can be seen that they are dense films.

他の結晶性ピュアシリカ膜(参考例1、2)とガス透過性能を比較すると、実施例1、2のSi−CHA膜は、参考例1のSi−MFI膜や参考例2のSi−DDR膜よりも、ガスの透過速度と選択性を両立した分離膜であることがわかる。   When the gas permeation performance is compared with other crystalline pure silica films (Reference Examples 1 and 2), the Si-CHA films of Examples 1 and 2 are the Si-MFI film of Reference Example 1 and the Si-DDR of Reference Example 2. It can be seen that the separation membrane has both gas permeation rate and selectivity compared to the membrane.

参考例3のCHA型結晶構造を有するアルミノシリケート膜は、フレームワーク内にアルミニウムを有し、かつナトリウムイオンを含有する膜である。そのため、参考例3の膜生成物は、実施例2の膜生成物と同じ結晶構造を有するにも関わらず、パーミアンス比:H2/SF6は実施例2の半分以下であった。Si−CHA膜は、フレームワーク内に電荷補償のカチオンを含まないため、細孔容積が大きくなり、高いパーミアンスを示したと考えられる。The aluminosilicate film having the CHA type crystal structure of Reference Example 3 is a film having aluminum in the framework and containing sodium ions. Therefore, although the film product of Reference Example 3 has the same crystal structure as the film product of Example 2, the permeance ratio: H 2 / SF 6 was less than half that of Example 2. Since the Si-CHA film does not contain charge-compensating cations in the framework, it is considered that the pore volume is large and high permeance is exhibited.

(水蒸気曝露試験)
実施例1および参考例3の膜生成物について、耐水蒸気性を評価した。パーミアンス測定を終了した膜生成物を具備する上記装置内を150℃に昇温し、膜生成物を水/アルゴン=90:10(モル比)の混合ガスに5時間曝露させた。このとき、ガス供給量を総量で5mmol/min、供給側圧力を0.2MPa、透過側圧力を0.1MPa(大気圧)とした。水蒸気曝露後、再度、40℃におけるパーミアンス比:H2/CO2を測定し、ガス透過性能の変化を評価した。結果を表2に示す。
(Water vapor exposure test)
The film products of Example 1 and Reference Example 3 were evaluated for water vapor resistance. The inside of the apparatus including the film product for which the permeance measurement was completed was heated to 150 ° C., and the film product was exposed to a mixed gas of water / argon = 90: 10 (molar ratio) for 5 hours. At this time, the gas supply amount was 5 mmol / min in total, the supply side pressure was 0.2 MPa, and the permeation side pressure was 0.1 MPa (atmospheric pressure). After the water vapor exposure, the permeance ratio at 40 ° C .: H 2 / CO 2 was measured again to evaluate the change in gas permeation performance. The results are shown in Table 2.

実施例1のSi−CHA膜は、水蒸気曝露の前後でガス透過性能の低下は確認されなかった。一方、参考例3の膜生成物はガス透過性能の低下が確認され、水蒸気曝露後には、水素では20%、二酸化炭素では29%のパーミアンスの低下が確認された。参考例3の膜生成物を破砕し、SEM観察を実施したところ、膜表面の一部が非晶質化していることを確認した。アルミノシリケート膜の膜表面は親水性であり、水蒸気を吸着しやすい。フレームワーク内のアルミニウム部分が吸着水によって加水分解することで、非晶質化が進行したものと考えられる。Si−CHA膜は、加熱水蒸気に曝露させても結晶構造を保持することから、アルミノシリケート膜では適用できない過酷環境でも使用できると考えられる。   The Si—CHA film of Example 1 was not confirmed to have a decrease in gas permeation performance before and after exposure to water vapor. On the other hand, the membrane product of Reference Example 3 was confirmed to have a decrease in gas permeation performance, and after exposure to water vapor, a decrease in permeance of 20% for hydrogen and 29% for carbon dioxide was confirmed. When the film product of Reference Example 3 was crushed and subjected to SEM observation, it was confirmed that a part of the film surface was amorphized. The surface of the aluminosilicate film is hydrophilic and easily adsorbs water vapor. It is considered that the aluminum portion in the framework was hydrolyzed by the adsorbed water, so that the amorphization progressed. Since the Si—CHA film retains its crystal structure even when exposed to heated steam, it can be used in harsh environments that cannot be applied to an aluminosilicate film.

(水素/トルエン分離試験)
実施例1および実施例5のSi−CHA膜について、メチルシクロヘキサンの脱水素反応で生じる水素/トルエン混合ガスからの水素分離を想定した試験を実施した。試験には、図5に示した装置100を用いた。テストガスとしては、ポンプ172を介して、液体トルエンを気化器173に供給し、200℃で気化させた。その際、気化器173に水素ラインから水素を導入し、水素/トルエン=98/2(モル比)の混合ガスとしてチャンバ130に供給した。水素/トルエン比はトルエン供給量により制御した。測定温度は120℃、ガス供給量は総量で40mmol/min、供給側圧力は0.3MPa、透過側圧力は0.1MPa(大気圧)とした。透過側のガス流量を、石鹸膜流量計160で測定するとともに、ガスクロマトグラフィー190で水素/トルエンの濃度比を測定した。水素/トルエン分離試験の結果を表3に示す。
(Hydrogen / toluene separation test)
The Si-CHA membranes of Example 1 and Example 5 were subjected to a test assuming hydrogen separation from a hydrogen / toluene mixed gas generated by the dehydrogenation reaction of methylcyclohexane. The apparatus 100 shown in FIG. 5 was used for the test. As a test gas, liquid toluene was supplied to the vaporizer 173 via the pump 172 and vaporized at 200 ° C. At that time, hydrogen was introduced into the vaporizer 173 from a hydrogen line and supplied to the chamber 130 as a mixed gas of hydrogen / toluene = 98/2 (molar ratio). The hydrogen / toluene ratio was controlled by the amount of toluene supplied. The measurement temperature was 120 ° C., the total gas supply amount was 40 mmol / min, the supply side pressure was 0.3 MPa, and the permeation side pressure was 0.1 MPa (atmospheric pressure). The gas flow rate on the permeate side was measured with a soap film flow meter 160, and the hydrogen / toluene concentration ratio was measured with a gas chromatography 190. The results of the hydrogen / toluene separation test are shown in Table 3.

実施例1のSi−CHA膜において、透過側の水素濃度は99.9%以上であった。また、8.8×10-7 mol/m2・s・Paの水素のパーミアンス、42の水素/トルエン(TOL)のパーミアンス比、28の水素/トルエンの分離係数を示した。一方、実施例5のSi−CHA膜において、透過側の水素濃度は99.99%以上であり、7.6×10-7 mol/m2・s・Paの水素のパーミアンス、230の水素/トルエンのパーミアンス比、150の水素/トルエンの分離係数を示した。Si−CHA膜を適用することで、高い水素パーミアンスで、水素/トルエンの分離が行えることを確認した。In the Si—CHA film of Example 1, the hydrogen concentration on the permeate side was 99.9% or higher. Further, a hydrogen permeance of 8.8 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa, a permeance ratio of 42 hydrogen / toluene (TOL), and a hydrogen / toluene separation factor of 28 were shown. On the other hand, in the Si—CHA film of Example 5, the hydrogen concentration on the permeate side was 99.99% or more, hydrogen permeance of 7.6 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa, hydrogen of 230 A toluene permeance ratio and a hydrogen / toluene separation factor of 150 were shown. It was confirmed that hydrogen / toluene could be separated with high hydrogen permeance by applying the Si-CHA film.

(二酸化炭素/メタン分離試験)
実施例6のSi−CHA膜について、二酸化炭素/メタン混合ガスからの二酸化炭素分離試験を実施した。試験は、上記の水素/トルエン分離試験と同様に、図5に示した装置100を用いて分離試験を実施した。テストガスとしては、二酸化炭素およびメタンラインから各ガスを導入し、二酸化炭素/メタン=50/50(モル比)の混合ガスとしてチャンバ130に供給した。測定温度は室温(26℃)、ガス供給量は総量で134mmol/min、供給側圧力は0.2〜0.5MPa、透過側圧力は0.1MPa(大気圧)とした。透過側のガス流量を、石鹸膜流量計160で測定するとともに、ガスクロマトグラフィー190で二酸化炭素/メタンの濃度比を測定した。二酸化炭素/メタン混合ガスの分離試験の結果を表4に示す。
(Carbon dioxide / methane separation test)
The Si—CHA membrane of Example 6 was subjected to a carbon dioxide separation test from a carbon dioxide / methane mixed gas. In the test, a separation test was performed using the apparatus 100 shown in FIG. 5 in the same manner as the hydrogen / toluene separation test. As the test gas, each gas was introduced from a carbon dioxide and methane line, and supplied to the chamber 130 as a mixed gas of carbon dioxide / methane = 50/50 (molar ratio). The measurement temperature was room temperature (26 ° C.), the gas supply amount was 134 mmol / min in total, the supply side pressure was 0.2 to 0.5 MPa, and the permeation side pressure was 0.1 MPa (atmospheric pressure). The gas flow rate on the permeate side was measured with a soap film flow meter 160, and the carbon dioxide / methane concentration ratio was measured with a gas chromatography 190. The results of the carbon dioxide / methane mixed gas separation test are shown in Table 4.

供給圧力0.2MPaにおいて、39.6×10-7 mol/m2・s・Paの二酸化炭素パーミアンス、130の二酸化炭素/メタンのパーミアンス比を示した。供給圧力の増加に伴い二酸化炭素のパーミアンスが減少する傾向を示したが、極めて高い二酸化炭素パーミアンスを保持していた。供給圧力0.5MPaでは、19.3×10-7 mol/m2・s・Paの二酸化炭素パーミアンス、45の二酸化炭素/メタンのパーミアンス比であった。昇圧に伴う分離性能の低下は、濃度分極が原因として考えられ、チャンバ130の形状やガスの導入方法を最適化することによって、濃度分極を回避できると考えられる。以上より、本発明のSi−CHA膜を用いることで、二酸化炭素を高速分離できることが示された。At a supply pressure of 0.2 MPa, a carbon dioxide permeance of 39.6 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa and a carbon dioxide / methane permeance ratio of 130 were shown. Although the carbon dioxide permeance tended to decrease with increasing supply pressure, the carbon dioxide permeance was extremely high. At a supply pressure of 0.5 MPa, the carbon dioxide permeance was 19.3 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa, and the carbon dioxide / methane permeance ratio was 45. The decrease in separation performance caused by the pressure increase is considered to be caused by concentration polarization, and it is considered that concentration polarization can be avoided by optimizing the shape of the chamber 130 and the gas introduction method. From the above, it was shown that carbon dioxide can be separated at high speed by using the Si—CHA film of the present invention.

(プロピレン/プロパン分離試験)
実施例1の工程(ii)で調製したSi−CHA粉末のプロピレンおよびプロパンの吸着等温線を測定した。また、Si−CHA膜のプロピレンおよびプロパンのパーミアンスを測定した。
(Propylene / propane separation test)
The adsorption isotherm of propylene and propane of the Si-CHA powder prepared in step (ii) of Example 1 was measured. Further, the permeance of propylene and propane of the Si-CHA film was measured.

<吸着試験>
マイクロトラック・ベル(株)製の高精度ガス吸着量測定装置(BELSORPmax)を用いて、プロパンとプロピレンの吸着等温線を測定した。平衡判断条件は500秒間の圧力変化が0.3%未満とした。Si−CHA粉末を用いたときの結果を図6(a)に、参考例3に係るCHA型アルミノシリケート粉末を用いた場合の結果を図6(b)に示す。
<Adsorption test>
The adsorption isotherm of propane and propylene was measured using a high-accuracy gas adsorption amount measuring device (BELSORPmax) manufactured by Microtrac Bell. The equilibrium judgment condition was that the pressure change for 500 seconds was less than 0.3%. FIG. 6A shows the results when using Si—CHA powder, and FIG. 6B shows the results when using the CHA type aluminosilicate powder according to Reference Example 3.

図6(a)に示すように、Si−CHAは、ほとんどプロパンを吸着せず、100kPaにおける吸着量比:C36/C38は200を示した。一方、図6(b)に示すように、CHA型アルミノシリケートは、プロパンを吸着し、100kPaにおける吸着量比C36/C38は2であった。以上より、Si−CHAがプロピレンに対して選択的な吸着性を示すことが明らかとなった。なお、黒塗りの丸と四角は、0kPaから100kPa方向への吸着、白抜きの丸と四角は、100kPaから0kPa方向への脱離を示す。As shown in FIG. 6A, Si-CHA hardly adsorbed propane, and the adsorption amount ratio at 100 kPa: C 3 H 6 / C 3 H 8 was 200. On the other hand, as shown in FIG. 6B, the CHA type aluminosilicate adsorbed propane, and the adsorption amount ratio C 3 H 6 / C 3 H 8 at 100 kPa was 2. As mentioned above, it became clear that Si-CHA shows selective adsorptivity with respect to propylene. Black circles and squares indicate adsorption from 0 kPa to 100 kPa, and white circles and squares indicate desorption from 100 kPa to 0 kPa.

<パーミアンス測定>
実施例5で作製したシリカ膜複合体について、表1の場合と同様の条件で、プロピレンおよびプロパンのパーミアンスを測定した。結果を表5に示す。プロピレンはプロパンよりも3.8倍高いパーミアンスを示した。CHA型ピュアシリカはプロピレンを吸着しやすいため、プロパンよりもパーミアンスが高くなったと考えられる。吸着選択性を考慮すると、プロピレン/プロパンの分離性能は、シリカ膜の緻密性を向上させることで更に改善できると考えられる。
<Permeance measurement>
For the silica membrane composite produced in Example 5, the permeance of propylene and propane was measured under the same conditions as in Table 1. The results are shown in Table 5. Propylene showed 3.8 times higher permeance than propane. Since CHA type pure silica easily adsorbs propylene, it is considered that the permeance is higher than that of propane. Considering the adsorption selectivity, it is considered that the propylene / propane separation performance can be further improved by improving the denseness of the silica membrane.

(水/アルコール分離試験)
エタノール含有量90体積%の水溶液と、イソプロパノール含有量90質量%の水溶液を用いて、浸透気化分離(パーベーパレーション)による脱水試験を実施した。
まず、脱水試験を行う装置について、その概略を示す図7を参照しながら説明する。装置200は、アルコールと水との混合溶液201を収容するチャンバ230と、チャンバ230の開口を密閉する封口体231と、チャンバ230内の混合溶液201の液面に対して垂直に浸漬される筒状のシリカ膜複合体10と、シリカ膜複合体10の液中に位置する一端を塞ぐ蓋体210と、シリカ膜複合体10の他端に連結されて封口体231を貫通する筒体220と、シリカ膜複合体10の中空から筒体内220に導入された蒸気が導入されるパイプ260と、パイプ260から導入される蒸気を冷却するコールドトラップ270と、コールドトラップ270とパイプ260を介して、筒体220内とシリカ膜複合体10の中空内を減圧するポンプ280と、を具備する。チャンバ230の周囲には、チャンバ230内の溶液の温度を制御する加熱装置240が設けられている。混合溶液201中には、温度センサ250が浸漬されており、温度センサ250は加熱装置240と連絡している。
(Water / alcohol separation test)
A dehydration test by pervaporation was performed using an aqueous solution with an ethanol content of 90% by volume and an aqueous solution with an isopropanol content of 90% by mass.
First, an apparatus for performing a dehydration test will be described with reference to FIG. The apparatus 200 includes a chamber 230 that contains a mixed solution 201 of alcohol and water, a sealing body 231 that seals the opening of the chamber 230, and a cylinder that is immersed perpendicularly to the liquid level of the mixed solution 201 in the chamber 230. A silica membrane composite 10, a lid 210 that closes one end located in the liquid of the silica membrane composite 10, and a cylinder 220 that is connected to the other end of the silica membrane composite 10 and penetrates the sealing body 231. The pipe 260 into which the steam introduced into the cylindrical body 220 from the hollow of the silica membrane composite 10 is introduced, the cold trap 270 for cooling the steam introduced from the pipe 260, the cold trap 270 and the pipe 260, A pump 280 for depressurizing the inside of the cylindrical body 220 and the hollow inside of the silica membrane composite 10. A heating device 240 that controls the temperature of the solution in the chamber 230 is provided around the chamber 230. A temperature sensor 250 is immersed in the mixed solution 201, and the temperature sensor 250 communicates with the heating device 240.

上記装置200を用いて、実施例2で作製したシリカ膜複合体について、エタノール水溶液およびイソプロパノール水溶液の透過試験を行い、水の透過量と分離係数を算出した。具体的には、アルコール水溶液を、スターラ232と攪拌子233を用いて攪拌しながら所定温度まで昇温し、シリカ膜複合体10の中空内をポンプで減圧20Pa以下に減圧し、シリカ膜を透過した蒸気をコールドトラップで凝縮した。その後、凝縮液の質量と水濃度とを測定し、水の透過量と分離係数を算出した。なお、水の分離係数は、凝縮液の水濃度/凝縮液のアルコール濃度)/(アルコール水溶液の水濃度/アルコール水溶液のアルコール濃度)を示す。水濃度の測定は、カールフィッシャー水分計(平沼産業株式会社製)を用いて行った。結果を表6に示す。   Using the apparatus 200, the silica membrane composite produced in Example 2 was subjected to a permeation test of an ethanol aqueous solution and an isopropanol aqueous solution, and the amount of water permeation and the separation factor were calculated. Specifically, the alcohol aqueous solution is heated to a predetermined temperature while being stirred using a stirrer 232 and a stirrer 233, and the inside of the silica membrane composite 10 is decompressed to 20 Pa or less by a pump to permeate the silica membrane. The steam was condensed in a cold trap. Thereafter, the mass of the condensate and the water concentration were measured, and the amount of permeated water and the separation factor were calculated. The water separation factor indicates the water concentration of the condensate / the alcohol concentration of the condensate) / (the water concentration of the alcohol aqueous solution / the alcohol concentration of the alcohol aqueous solution). The water concentration was measured using a Karl Fischer moisture meter (manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd.). The results are shown in Table 6.

表6には、特許文献3(国際公開第2007/119286号パンフレット)に記載されているSi−DDR膜の透過試験の結果も参考例4として示す。   Table 6 also shows the results of the permeation test of the Si-DDR film described in Patent Document 3 (International Publication No. 2007/119286 pamphlet) as Reference Example 4.

表6より、Si−CHA膜はSi−DDR膜よりも高い水透過量を示した。これは、Si−CHAの高い細孔容積に起因しており、気体系のみならず、液体系においても高い分子透過性を示すことがわかった。   From Table 6, the Si-CHA film showed a higher water permeation amount than the Si-DDR film. This was attributed to the high pore volume of Si-CHA and was found to show high molecular permeability not only in the gas system but also in the liquid system.

本発明に係る結晶性シリカ膜複合体は、耐水蒸気性、耐薬品性、熱的安定性に優れ、かつ優れた分子ふるい能を有するため、様々な流体分離方法および分離精製装置への利用が期待できる。   The crystalline silica membrane composite according to the present invention is excellent in water vapor resistance, chemical resistance, and thermal stability, and has an excellent molecular sieving ability. Therefore, it can be used for various fluid separation methods and separation purification apparatuses. I can expect.

10,10A:結晶性シリカ膜複合体、10s:シリカ膜形成部、11:第1表面、12:第2表面、13,13A:多孔質基材、14,14A:結晶性ピュアシリカ膜、100:ガス透過試験を行う装置、120a,120b:支持体、130:チャンバ、140:加熱装置、150:温度センサ、160:石鹸膜流量計、170:ガス供給源、171:ガス導入口、172:ポンプ、173:気化器、180:背圧弁、190:ガスクロマトグラフィー、200:浸透気化分離による脱水試験を行う装置、201:混合溶液、210:蓋体、220:筒体、230:チャンバ、231:封口体、232:スターラ、233:攪拌子、240:加熱装置、250:温度センサ、260:パイプ、270:コールドトラップ、280:ポンプ   10, 10A: crystalline silica film composite, 10s: silica film forming part, 11: first surface, 12: second surface, 13, 13A: porous substrate, 14, 14A: crystalline pure silica film, 100 : Apparatus for performing gas permeation test, 120a, 120b: support, 130: chamber, 140: heating device, 150: temperature sensor, 160: soap film flow meter, 170: gas supply source, 171: gas inlet, 172: Pump: 173: vaporizer, 180: back pressure valve, 190: gas chromatography, 200: device for performing dehydration test by pervaporation separation, 201: mixed solution, 210: lid, 220: cylinder, 230: chamber, 231 : Sealing body, 232: Stirrer, 233: Stirrer, 240: Heating device, 250: Temperature sensor, 260: Pipe, 270: Cold trap, 280: Pump

【0006】
孔質基材から溶け出して結晶性シリカに混入する。
[0021]
CHA、DDR、MFIなどの表示は、International Zeolite Association(IZA)が定めるゼオライトの構造を規定するコードであり、例えばCHA型ゼオライトといえば、チャバサイト(chabazite)と同等の結晶構造を有するゼオライトであることを示している。
[0022]
パーミアンス比とは、2種の流体について測定される透過速度(パーミアンス:mol/m・s・Pa)もしくは透過率の比率であり、分離膜の選択性を示す指標となる。ピュアシリカ膜の緻密性が低下し、膜の欠陥が多くなると、パーミアンス比:H/SFはクヌーセン係数比に近づく。すなわち、パーミアンス比が大きいほど、ピュアシリカ膜は緻密であるといえる。
[0023]
CHA型結晶構造を有する緻密なピュアシリカ結晶は、大きな細孔容積を有し、例えば0.25cm/g以上、更には0.3cm/g以上の細孔容積を達成することができる。細孔容積が大きいことにより、流体のパーミアンスが高くなるため、ピュアシリカ膜による流体の分離および精製を効率よく行うことができる。
[0024]
ピュアシリカ膜によるHのパーミアンスは、例えば5×10−7mol/m・s・Paを超え、1×10−6mol/m・s・Pa以上を達成することも可能である。ただし、過度に高いパーミアンスは、ピュアシリカ膜の緻密性が低く、欠陥が多いことを意味する。Hのパーミアンスは、例えば1×10−5mol/m・s・Pa未満であり、5×10−6mol/m・s・Pa以下であることが好ましい。
[0025]
ピュアシリカ膜は、高い選択性を有するため、COとNとのパーミアンス比:CO/Nも大きく、例えば2を超え、3以上もしくは5以上を達成することもできる。
[0026]
ピュアシリカ膜の厚さは、特に限定されないが、欠陥の小さい膜を形成するとともに、高い選択性を実現する観点からは、10μm以下であることが
[0006]
Dissolves from the porous substrate and mixes with the crystalline silica.
[0021]
The indications such as CHA, DDR, and MFI are codes that define the structure of zeolite defined by International Zeolite Association (IZA). For example, CHA-type zeolite is a zeolite having a crystal structure equivalent to chabazite. It is shown that.
[0022]
The permeance ratio is a permeation rate (permeance: mol / m 2 · s · Pa) or permeation ratio measured for two kinds of fluids, and serves as an index indicating the selectivity of the separation membrane. When the density of the pure silica film decreases and the number of defects in the film increases, the permeance ratio: H 2 / SF 6 approaches the Knudsen coefficient ratio. In other words, the larger the permeance ratio, the denser the pure silica film.
[0023]
A dense pure silica crystal having a CHA type crystal structure has a large pore volume, and can achieve a pore volume of, for example, 0.25 cm 3 / g or more, further 0.3 cm 3 / g or more. Since the permeance of the fluid is increased due to the large pore volume, the fluid can be separated and purified with a pure silica membrane efficiently.
[0024]
The permeance of H 2 by the pure silica film exceeds, for example, 5 × 10 −7 mol / m 2 · s · Pa, and can achieve 1 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or more. However, an excessively high permeance means that the denseness of the pure silica film is low and there are many defects. The permeance of H 2 is, for example, less than 1 × 10 −5 mol / m 2 · s · Pa, and preferably 5 × 10 −6 mol / m 2 · s · Pa or less.
[0025]
Since the pure silica membrane has high selectivity, the permeance ratio of CO 2 and N 2 : CO 2 / N 2 is also large, for example, exceeding 2, and being able to achieve 3 or more or 5 or more.
[0026]
The thickness of the pure silica film is not particularly limited, but it is 10 μm or less from the viewpoint of forming a film with small defects and realizing high selectivity.

Claims (16)

多孔質基材と、
前記多孔質基材の表面に形成された結晶性ピュアシリカ膜と、を具備し、
前記ピュアシリカ膜が、CHA型結晶構造を有し、
2とSF6とのパーミアンス比:H2/SF6が、10を超える、結晶性シリカ膜複合体。
A porous substrate;
A crystalline pure silica film formed on the surface of the porous substrate,
The pure silica film has a CHA-type crystal structure;
Permeance ratio between H 2 and SF 6 : Crystalline silica membrane composite with H 2 / SF 6 exceeding 10.
CO2とN2とのパーミアンス比:CO2/N2が、2を超える、請求項1に記載の結晶性シリカ膜複合体。The crystalline silica membrane composite according to claim 1, wherein the permeance ratio of CO 2 and N 2 : CO 2 / N 2 exceeds 2. 2のパーミアンスが、5×10-7mol/m2・s・Paを超え、かつ1×10-5mol/m2・s・Pa未満である、請求項1または2に記載の結晶性シリカ膜複合体。The crystallinity according to claim 1 or 2, wherein the permeance of H 2 is more than 5 × 10 -7 mol / m 2 · s · Pa and less than 1 × 10 -5 mol / m 2 · s · Pa. Silica membrane composite. 前記ピュアシリカ膜の厚さが、10μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。   The crystalline silica membrane composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the pure silica membrane has a thickness of 10 µm or less. 前記多孔質基材の材質が、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージェライト、チタニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ステンレス鋼、銅、アルミニウムおよびチタンよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。   The material of the porous substrate is at least one selected from the group consisting of silica, alumina, mullite, zirconia, cordierite, titania, silicon nitride, silicon carbide, stainless steel, copper, aluminum, and titanium. Item 5. The crystalline silica membrane composite according to any one of Items 1 to 4. 前記多孔質基材が、第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有し、前記第1表面および前記第2表面から選択される少なくとも一方に、前記ピュアシリカ膜が形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体。   The porous substrate has a first surface and a second surface, and has pores that allow the first surface and the second surface to communicate with each other, and is selected from the first surface and the second surface The crystalline silica film composite according to any one of claims 1 to 5, wherein the pure silica film is formed on at least one of the surfaces. (i)第1表面および第2表面を有するとともに、前記第1表面と前記第2表面とを連通させる細孔を有する多孔質基材を準備する工程と、
(ii)前記第1表面および前記第2表面から選択される少なくとも一方に、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を塗布する工程と、
(iii)水、シリカ材料、有機構造規定剤およびフッ化水素酸を含む水性懸濁液を調製する工程と、
(iv)前記水性懸濁液に、前記多孔質基材の前記結晶性シリカ粉末が塗布された前記表面を接触させ、前記表面に、水熱合成により、CHA型結晶構造を有する結晶性ピュアシリカ膜を成長させる工程と、を含み、
前記シリカ材料が、CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末を含む、結晶性シリカ膜複合体の製造方法。
(I) preparing a porous substrate having a first surface and a second surface, and having pores for communicating the first surface and the second surface;
(Ii) applying a crystalline silica powder having a CHA-type crystal structure to at least one selected from the first surface and the second surface;
(Iii) preparing an aqueous suspension comprising water, silica material, organic structure directing agent and hydrofluoric acid;
(Iv) Crystalline pure silica having a CHA-type crystal structure brought into contact with the aqueous suspension by contacting the surface of the porous base material coated with the crystalline silica powder and hydrothermal synthesis on the surface. Growing a film, and
A method for producing a crystalline silica membrane composite, wherein the silica material comprises a crystalline silica powder having a CHA type crystal structure.
前記シリカ材料に含まれる全Si原子数に占める、前記CHA型結晶構造を有する結晶性シリカ粉末に含まれるSi原子数の割合が、0.01〜50%である、請求項7に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。   The crystal according to claim 7, wherein a ratio of the number of Si atoms contained in the crystalline silica powder having the CHA-type crystal structure to the total number of Si atoms contained in the silica material is 0.01 to 50%. For producing a porous silica membrane composite. 前記有機構造規定剤が、N,N,N−トリメチル−1−アダマンタンアミン水酸化物を含む、請求項7または8に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。   The method for producing a crystalline silica membrane composite according to claim 7 or 8, wherein the organic structure directing agent comprises N, N, N-trimethyl-1-adamantanamine amine hydroxide. 工程(iv)で成長させた前記結晶性ピュアシリカ膜を焼成して、前記構造規定剤を除去した後、前記結晶性ピュアシリカ膜を、揮発性ケイ素化合物の蒸気に暴露して、前記結晶性ピュアシリカ膜と前記揮発性ケイ素化合物とを反応させる、請求項7〜9のいずれか1項に記載の結晶性シリカ膜複合体の製造方法。   The crystalline pure silica film grown in step (iv) is baked to remove the structure directing agent, and then the crystalline pure silica film is exposed to vapor of a volatile silicon compound to form the crystalline The method for producing a crystalline silica membrane composite according to any one of claims 7 to 9, wherein a pure silica membrane is reacted with the volatile silicon compound. 請求項6に記載の結晶性シリカ膜複合体を用いて混合流体から特定成分を分離する流体分離方法であって、
(i)前記第1表面および前記第2表面の一方で前記細孔と連通する第1空間に、前記ピュアシリカ膜に対するパーミアンスが互いに異なる第1成分と第2成分とを含む混合流体を供給する工程と、
(ii)前記第1表面および前記第2表面の他方で前記細孔と連通する第2空間から、前記シリカ膜を透過した透過流体を回収し、前記第1空間から非透過流体を回収する工程と、を有する、流体分離方法。
A fluid separation method for separating a specific component from a mixed fluid using the crystalline silica membrane composite according to claim 6,
(I) A mixed fluid containing a first component and a second component having different permeances with respect to the pure silica film is supplied to a first space communicating with the pores on one of the first surface and the second surface. Process,
(Ii) recovering the permeated fluid that has permeated the silica membrane from the second space communicating with the pores on the other of the first surface and the second surface, and recovering the non-permeated fluid from the first space. And a fluid separation method.
前記第1成分が、水素または二酸化炭素であり、
前記第2成分が、メタン、一酸化炭素、窒素およびC2以上の炭化水素よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。
The first component is hydrogen or carbon dioxide;
The fluid separation method according to claim 11, wherein the second component is at least one selected from the group consisting of methane, carbon monoxide, nitrogen, and C 2 or more hydrocarbons.
前記第1成分が、水素であり、
前記第2成分が、トルエンおよびメチルシクロヘキサンよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。
The first component is hydrogen;
The fluid separation method according to claim 11, wherein the second component is at least one selected from the group consisting of toluene and methylcyclohexane.
前記第1成分が、プロピレンであり、
前記第2成分が、プロパンである、請求項11に記載の流体分離方法。
The first component is propylene;
The fluid separation method according to claim 11, wherein the second component is propane.
前記第1成分が、水であり、
前記第2成分が、酢酸である、請求項11に記載の流体分離方法。
The first component is water;
The fluid separation method according to claim 11, wherein the second component is acetic acid.
前記第1成分が、水であり、
前記第2成分が、エタノール、2−プロパノールおよび2−メチル−1−プロパノールよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の流体分離方法。
The first component is water;
The fluid separation method according to claim 11, wherein the second component is at least one selected from the group consisting of ethanol, 2-propanol, and 2-methyl-1-propanol.
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