JPWO2018225793A1 - 脱水方法及び脱水装置 - Google Patents
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Abstract
脱水方法は、ＥＲＩ構造のゼオライト膜を用いて、水を含有する混合物から水を選択的に分離するために用いられるものであり、ＥＲＩ膜（４５）の供給側空間（４Ｓ）に混合物（１１）を供給する工程と、ＥＲＩ膜（４５）の供給側空間（４Ｓ）と透過側空間（４Ｔ）とに圧力差を生じさせる工程とを備える。
Description
本発明は、脱水方法及び脱水装置に関する。
従来、水を含有する混合物から水を分離（脱水）するために、有機膜及び無機膜が使用されている。しかし、有機膜は耐熱性、耐薬品性に劣るため、Ａ型ゼオライト膜（例えば、非特許文献１参照）やＴ型ゼオライト膜（例えば、非特許文献２参照）などの無機膜を分離膜として用いる脱水方法が提案されている。
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, Journal of Membrane Science, 2004, 236, 17-27
しかしながら、非特許文献１に記載の脱水方法では、長期間使用するうちにＡ型ゼオライト膜が部分的に水に溶解して、脱水性能が低下するおそれがある。また、非特許文献２に記載のＴ型ゼオライト膜は、Ａ型ゼオライト膜と比較すると耐酸性は高いものの、ＥＲＩより細孔の大きいＯＦＦ構造のゼオライトが共存している。そのため、ＯＦＦの細孔から透過させたくない成分が透過してしまうそれがある上、膜が緻密になり難く、十分な分離性能を発揮できないおそれがある。そのため、長期間使用しても脱水性能の低下を抑制できる脱水方法が期待されている。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、脱水性能の低下を抑制可能な脱水方法及び脱水装置を提供することを目的とする。
本発明に係る脱水方法は、水を含有する混合物から水を選択的に分離する脱水方法であって、ＥＲＩ構造のゼオライト膜の供給側空間に前記混合物を供給する工程と、前記ＥＲＩ構造のゼオライト膜の前記供給側空間と透過側空間とに圧力差を生じさせる工程とを備える。
本発明によれば、脱水性能の低下を抑制可能な脱水方法及び脱水装置を提供することができる。
（脱水装置）
水を含有する混合物から水を選択的に分離する脱水方法の実施に用いられる脱水装置の一例について、図面を参照しながら説明する。本明細書において、「脱水」とは、水を選択的に分離することを意味する。「水を選択的に分離する」とは、混合物から純度１００％の水を分離して取り出すことだけでなく、水の含有率が混合物よりも高い溶液又は気体を分離して取り出すことも含む概念である。
水を含有する混合物から水を選択的に分離する脱水方法の実施に用いられる脱水装置の一例について、図面を参照しながら説明する。本明細書において、「脱水」とは、水を選択的に分離することを意味する。「水を選択的に分離する」とは、混合物から純度１００％の水を分離して取り出すことだけでなく、水の含有率が混合物よりも高い溶液又は気体を分離して取り出すことも含む概念である。
図１は、本実施形態に係る脱水装置１００の全体構成を示す模式図である。
脱水装置１００は、収容部１０、循環ポンプ２０、加熱器３０、分離用容器４０、捕集部５０、減圧装置６０、循環経路７０及び透過経路８０を備える。収容部１０、循環ポンプ２０、加熱器３０及び分離用容器４０は、循環経路７０に配置される。捕集部５０及び減圧装置６０は、透過経路８０に配置される。
収容部１０は、処理対象である混合物１１を収容する。混合物１１は、循環経路７０を通って収容部１０に循環される。混合物１１は、水と水以外の成分を含んでいる。
混合物１１は、水と有機化合物とを含有していてもよい。有機化合物としては、アルコール、フェノール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、スルホン酸、エーテル、エステル、アミン、ニトリル、直鎖飽和炭化水素、枝分れ飽和炭化水素、環状飽和炭化水素、鎖状不飽和炭化水素、芳香族炭化水素、含窒素化合物、含硫黄化合物、炭化水素のハロゲン誘導体などを挙げることができる。アルコールとしてはメタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、ブタノールなどを挙げることができ、ケトンとしてはアセトン、エチルメチルケトンなどを挙げることができ、カルボン酸としては蟻酸、酢酸、酪酸、プロピオン酸、シュウ酸、アクリル酸、安息香酸などを挙げることができ、芳香族炭化水素としてはトルエン、ベンゼンなどを挙げることができる。混合物１１は、水以外の成分を一種だけ含んでいてもよいし、複数種を含んでいてもよい。
循環ポンプ２０は、混合物１１を分離用容器４０側に吐出することによって、混合物１１を循環経路７０に循環させる。分離用容器４０に供給される混合物１１の供給流量速度は、後述するセル４３内において、１．５ｍ／ｓ以上３．０ｍ／ｓ以下であることが好ましい。或いは、分離用容器４０に供給される混合物１１の供給流量速度は、レイノルズ数が２０００以上１００００以下であることが好ましい。
加熱器３０は、循環経路７０を流通する混合物１１の温度を、分離用容器４０における脱水に適した温度となるように加熱する。効率的に脱水処理を行うには、分離用容器４０に供給される混合物１１の温度は、５０℃以上１３０℃以下であることが好ましく、５５℃以上１１０℃以下であることがより好ましい。
分離用容器４０は、収容部４１と膜構造体４２とを有する。収容部４１は、膜構造体４２を収容する。収容部４１の材質は特に限定されるものではなく、混合物３１の性状などに合わせて適宜決定することができる。例えば、混合物３１が酸を含有する場合、収容部４１は、ガラスやステンレスなどによって構成することができる。
収容部４１の内部空間は、膜構造体４２のうち後述するＥＲＩ構造のゼオライト膜４５によって、後述する供給側空間４Ｓと透過側空間４Ｔとに区画される（図２参照）。すなわち、膜構造体４２のＥＲＩ構造のゼオライト膜４５は、供給側空間４Ｓと透過側空間４Ｔとを隔てる。供給側空間４Ｓには、混合物１１が供給される。混合物１１のうち膜構造体４２のＥＲＩ構造のゼオライト膜４５を透過した膜透過物質１２は、透過側空間４Ｔに流出する。膜透過物質１２は、水又は水が濃縮された溶液または気体である。膜構造体４２の構成については後述する。
なお、分離用容器４０には、図示しない圧力センサが接続されており、供給側空間４Ｓの圧力と透過側空間４Ｔの圧力とを圧力センサによって検出可能である。
捕集部５０は、透過経路８０を介して、分離用容器４０と減圧装置６０とに接続される。脱水処理を実行する際には、減圧装置６０を作動させることによって、捕集部５０内を減圧し、更に収容部４１内の透過側空間４Ｔを所定の圧力まで減圧することができる。
捕集部５０は、減圧操作時の圧力に耐え得る材質によって構成される。例えば、捕集部５０は、ガラスやステンレスなどによって構成することができる。
捕集部５０では、流入してくる膜透過物質１２の蒸気を冷却して捕集するための冷媒が用いられてもよい。冷媒は、膜透過物質１２の種類、捕集部５０内の圧力によって適宜選択することができる。例えば、冷媒としては、液体窒素、氷水、水、不凍液、ドライアイス（固体状の二酸化炭素）、ドライアイスとエタノール（又はアセトン、メタノール）、液体アルゴンなどを使用することができる。
ただし、捕集部５０は、収容部４１の透過側空間４Ｔを所定の圧力に減圧しつつ膜透過物質１２を捕集できる構造であればよく、図１に示す構造には限られない。
減圧装置６０は、供給側空間４Ｓと透過側空間４Ｔとに圧力差を生じさせるための「変圧装置」の一例である。本実施形態において、減圧装置６０は、透過側空間４Ｔを所定の圧力以下に減圧する。「減圧」は、膜透過物質１２の透過側空間４Ｔでの分圧を低下させることを含む概念である。減圧装置６０としては、例えば周知の真空ポンプを用いることができる。
なお、透過経路８０には、透過側空間４Ｔの圧力を調節するための圧力制御器が設置されていてもよい。
（膜構造体）
図２は、膜構造体４２の断面図である。
図２は、膜構造体４２の断面図である。
膜構造体４２は、多孔質支持体４４と、ＥＲＩ構造のゼオライト膜４５とを備える。ＥＲＩ構造のゼオライト膜４５は、ＥＲＩ構造のゼオライト結晶４６によって構成される。
以下の説明では、ＥＲＩ構造のゼオライト膜４５を「ＥＲＩ膜４５」と略称し、ＥＲＩ構造のゼオライト結晶４６を「ＥＲＩ結晶４６」と略称する。
１．多孔質支持体４４
多孔質支持体４４は、ＥＲＩ膜４５を支持する。多孔質支持体４４は、その表面にＥＲＩ膜４５を膜状に形成（結晶化、塗布、或いは析出）できる程度の化学的安定性を有する。
多孔質支持体４４は、ＥＲＩ膜４５を支持する。多孔質支持体４４は、その表面にＥＲＩ膜４５を膜状に形成（結晶化、塗布、或いは析出）できる程度の化学的安定性を有する。
多孔質支持体４４は、セラミックスの焼結体である。多孔質支持体４４の骨材には、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、チタニア、イットリア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、セルベン、及びコージェライトなどを用いることができる。多孔質支持体４４は、結合材を含有していてもよい。結合材としては、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン(Ｔｉ)などを含むガラス材料を用いることができる。結合材の含有率は、２０体積％以上４０体積％以下とすることができるが、これに限られるものではない。
本実施形態において、多孔質支持体４４は、モノリス状に形成されている。モノリス状とは、長手方向に形成された複数のセル４３を有する形状であり、ハニカム状を含む概念である。ただし、多孔質支持体４４は、処理対象である混合物１１をＥＲＩ膜４５に供給できる形状であればよい。例えば、多孔質支持体４４は、平板状、管状、円筒状、円柱状、及び角柱状などの形状であってもよい。多孔質支持体４４の表面粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ〜２．０μｍが好ましく、０．２μｍ〜１．０μｍがより好ましい。多孔質支持体４４のＲａは、触針式表面粗さ測定機を用いて求めることができる。
多孔質支持体４４がモノリス状である場合、長手方向の長さは１００〜２０００ｍｍとすることができ、径方向の直径は５〜３００ｍｍとすることができるが、これに限られるものではない。多孔質支持体４４がモノリス状である場合、多孔質支持体４４には、直径１〜５ｍｍのセル４３を３０〜２５００個形成することができる。隣接するセル４３の中心軸間の距離は、例えば０．３ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。多孔質支持体４４の形状が管状である場合、多孔質支持体４４の厚さは、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。
多孔質支持体４４は、多数の開気孔を有する多孔質体である。多孔質支持体４４の平均細孔径は、流体混合物のうちＥＲＩ膜４５を透過した膜透過物質１２（主に水）を通過させられる大きさであればよい。多孔質支持体４４の平均細孔径を大きくすることによって、膜透過物質１２の透過量を増加させることができる。多孔質支持体４４の平均細孔径を小さくすることによって、多孔質支持体４４の強度を増大させることができる。多孔質支持体４４の平均細孔径は、例えば０．０１μｍ以上５μｍ以下とすることができる。多孔質支持体４４の平均細孔径は、細孔径の大きさに応じて、水銀圧入法、ＡＳＴＭ Ｆ３１６に記載のエアフロー法、パームポロメトリー法によって測定できる。多孔質支持体４４の気孔率は特に制限されないが、例えば２５％〜５０％とすることができる。多孔質支持体４４の細孔径の累積体積分布について、Ｄ５は例えば０．１μｍ〜５０μｍとすることができ、Ｄ５０は例えば０．５μｍ〜７０μｍとすることができ、Ｄ９５は例えば１０μｍ〜２０００μｍとすることができる。
多孔質支持体４４の平均粒径は特に制限されないが、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。多孔質支持体４４の平均粒径とは、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた断面観察によって測定される３０個の粒子それぞれの最大直径の算術平均値である。測定対象である３０個の粒子は、ＳＥＭ画像上において無作為に選出すればよい。
多孔質支持体４４は、細孔径が一様な単層構造であってもよいし、細孔径が異なる複層構造であってもよい。多孔質支持体４４が複層構造である場合、ＥＲＩ膜４５に近い層ほど平均細孔径が小さくなっていることが好ましい。多孔質支持体４４が複層構造である場合、多孔質支持体４４の平均細孔径とは、ＥＲＩ膜４５と接触する最表層の平均細孔径を意味するものとする。多孔質支持体４４が複層構造である場合、各層は上述した材料から選択される少なくとも一つの材料によって構成することができ、各層の構成材料は異なっていてもよい。
２．ＥＲＩ膜４５
図３は、ＥＲＩ膜４５の断面のＳＥＭ（電子顕微鏡）画像である。図４は、ＥＲＩ膜４５の表面のＳＥＭ画像である。
図３は、ＥＲＩ膜４５の断面のＳＥＭ（電子顕微鏡）画像である。図４は、ＥＲＩ膜４５の表面のＳＥＭ画像である。
ＥＲＩ膜４５は、多孔質支持体４４の内表面に形成される。ＥＲＩ膜４５は、筒状に形成される。ＥＲＩ膜４５の内側は供給側空間４Ｓであり、ＥＲＩ膜４５の外側（すなわち、多孔質支持体４４側）は透過側空間４Ｔとなっている。本実施形態において、供給側空間４Ｓは、セル４３でる。透過側空間４Ｔには、多孔質支持体４４の外部空間だけでなく、多孔質支持体４４自体の内部も含まれる。
このように、ＥＲＩ膜４５の一方の面は供給側空間４Ｓに面し、ＥＲＩ膜４５の他方の面が透過側空間４Ｔに面している。混合物１１を供給側空間４Ｓに供給すると、ＥＲＩ膜４５の一方の面が混合物１１と接触する。この状態で透過側空間４Ｔが減圧されると、混合物１１に含まれる膜透過物質１２がＥＲＩ膜４５を透過する。膜透過物質１２は、水又は水が濃縮された溶液または気体である。上述のとおり、ＥＲＩ膜４５を透過した膜透過物質１２は、減圧装置６０によって吸引されて捕集部５０で捕捉される。
ＥＲＩ膜４５の厚みは特に制限されないが、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。ＥＲＩ膜４５の厚みは、結晶どうしを十分に結合させることを考慮すると、０．３μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上がより好ましい。ＥＲＩ膜４５の厚みは、熱膨張によるクラックを抑制することを考慮すると、５μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましい。ＥＲＩ膜４５の表面粗さ（Ｒａ）は、５μｍ以下が好ましく、２μｍ以下がより好ましい。ＥＲＩ膜４５のＲａは、３次元計測が可能な共焦点レーザー顕微鏡を用いて、無作為に選出した１００μｍ角の１０視野それぞれにおいて、多孔質支持体４４のうねりを補正した上でＲａの値を求め、それらのうち最小値を採用するものとする。
ＥＲＩ膜４５は、複数のＥＲＩ結晶４６同士が連結することにより膜状に形成されている。各ＥＲＩ結晶４６は、ＥＲＩ構造のゼオライトによって構成される結晶である。ＥＲＩ構造とは、国際ゼオライト学会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）のＳｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎが定めているＩＵＰＡＣ構造コードでＥＲＩ型となる構造である。
各ＥＲＩ結晶４６を構成するゼオライトとしては、ゼオライトを構成する酸素四面体（ＴＯ４）の中心に位置する原子（Ｔ原子）がＳｉとＡｌからなるゼオライト、Ｔ原子がＡｌとＰ(リン)からなるＡｌＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がマグネシウム（Ｍｇ）とＡｌとＰからなるＭＡＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子がＳｉとＡｌとＰからなるＳＡＰＯ型のゼオライト、Ｔ原子が亜鉛（Ｚｎ）とＡｌとＰからなるＺｎＡＰＯ型のゼオライトなどが挙げられる。Ｔ原子の一部は、他の元素に置換されていてもよい。
各ＥＲＩ結晶４６は、複数の酸素８員環細孔を内部に有する。酸素８員環細孔とは、酸素８員環の環からなる細孔である。酸素８員環とは、単に８員環とも称され、細孔の骨格を構成する酸素原子の数が８個であって、酸素原子が前述のＴ原子と結合して環状構造をなす部分のことである。
各ＥＲＩ結晶４６は、特定成分に対する吸着性を付与するなどの目的のため、金属や金属イオンを含有していてもよい。このような金属や金属イオンとしては、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属からなる群から選択される１種以上の金属を挙げることができる。遷移金属としては、具体的には、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びインジウム（Ｉｎ）などが挙げられるが、これに限られるものではない。
ここで、図５は、ＥＲＩ結晶４６の構成を示す模式図である。図５に示すように、ＥＲＩ結晶４６は、六角柱状である。ＥＲＩ結晶４６のｃ面に平行な断面は、正六角形であることが好ましいが、特に限定されるものではない。ＥＲＩ結晶４６の断面を六角形状とすることによって、例えば不定形状、円形状、又は楕円形状の場合に比べて結晶性が高く耐久性に優れた膜を得ることができる。
ＥＲＩ結晶４６の端面には、六角形のｃ面（（００ｌ）面）が現れている。ＥＲＩ結晶４６の側面には、それぞれ矩形のａ面（｛ｈ００｝面）が現れている。
図３及び図４に示すように、各ＥＲＩ結晶４６は、多孔質支持体４４の表面に立設されており、各ＥＲＩ結晶４６は、ｃ面配向している。そのため、ＥＲＩ膜の外表面には、主にｃ面が露出しており、ＥＲＩ結晶４６同士は、主にａ面で接合している。これにより、ＥＲＩ結晶４６同士の接合性を高めることができるため、膜の緻密性が高くなり、十分な分離性能を発揮することができる。
Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いて、ＥＲＩ膜４５の表面にＸ線を照射して得られるＸ線回折パターンにおいて、（００２）面（ｃ面）のピーク強度は、（１００）面（ａ面）のピーク強度の０．５倍以上である。このことは、ＥＲＩ結晶４６のｃ面配向性が高いことを意味している。そのため、（００２）面のピーク強度を（１００）面のピーク強度の０．５倍以上とすることによって、ＥＲＩ膜４５の分離性能を実用可能な程度にまで向上させることができる。
Ｘ線回折パターンにおいて、（００２）面のピーク強度は、（１００）面のピーク強度の０．９倍以上であることが好ましく、１．０倍以上であることがより好ましい。これによって、ＥＲＩ膜４５の分離性能をより向上させることができる。
ピーク強度とは、測定値からバックグラウンドの値を引いた値を意味する。Ｘ線回折パターンは、Ｘ線回折装置（リガク社製、型式Ｍｉｎｉｆｌｅｘ６００）を用いて、ＥＲＩ膜４５の膜表面にＣｕＫα線を照射することによって得られる。Ｘ線出力：６００Ｗ（管電圧：４０ｋＶ、管電流：１５ｍＡ）、走査速度：０．５°／ｍｉｎ、走査ステップ：０.０２°、ＣｕＫβ線フィルタ：０．０１５ｍｍ厚Ｎｉ箔とする。（００２）面のピークは２θ＝１２°付近に、（１００）面のピークは２θ＝８°付近に観察される。
（膜構造体４２の製造方法）
１．多孔質支持体４４の作製
押出成形法、プレス成形法又は鋳込み成形法などを用いて、セラミックス原料を所望の形状に成形することによって成形体を形成する。
１．多孔質支持体４４の作製
押出成形法、プレス成形法又は鋳込み成形法などを用いて、セラミックス原料を所望の形状に成形することによって成形体を形成する。
次に、成形体を焼成（例えば、９００℃〜１４５０℃）することによって、多孔質支持体４４を形成する。多孔質支持体４４の平均細孔径は、０．０１μｍ以上５μｍ以下とすることができる。
なお、多孔質支持体４４を多層構造とする場合には、焼成した成形体の表面にろ過法などを用いてセラミックス原料を含むスラリーを塗布した後に焼成すればよい。
２．種結晶の作製
ケイ素源、アルミニウム源、リン源などのＴ原子源、及び構造規定剤（ＳＤＡ）を純水に溶解・分散させることによって原料混合液を調製する。ＥＲＩの結晶性を向上させることができることから、Ｔ原子としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐのうちいずれか２つ以上を含有することが好ましく、少なくともＡｌ、Ｐ及びＯを含有することがより好ましい。ケイ素源としては、例えばコロイダルシリカ、ヒュームドシリカ、テトラエトキシシラン、ケイ酸ナトリウムなどを用いることができる。アルミニウム源としては、例えばアルミニウムイソプロポキシド、水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、アルミナゾルなどを用いることができる。リン源としては、例えばリン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素アンモニウムなどを用いることができる。構造規定剤としては、例えばＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルジアミノヘキサン、シクロヘキシルアミンなどを用いることができる。
ケイ素源、アルミニウム源、リン源などのＴ原子源、及び構造規定剤（ＳＤＡ）を純水に溶解・分散させることによって原料混合液を調製する。ＥＲＩの結晶性を向上させることができることから、Ｔ原子としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐのうちいずれか２つ以上を含有することが好ましく、少なくともＡｌ、Ｐ及びＯを含有することがより好ましい。ケイ素源としては、例えばコロイダルシリカ、ヒュームドシリカ、テトラエトキシシラン、ケイ酸ナトリウムなどを用いることができる。アルミニウム源としては、例えばアルミニウムイソプロポキシド、水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、アルミナゾルなどを用いることができる。リン源としては、例えばリン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素アンモニウムなどを用いることができる。構造規定剤としては、例えばＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルジアミノヘキサン、シクロヘキシルアミンなどを用いることができる。
次に、原料混合液を圧力容器に投入して水熱合成（１５０〜２００℃、１０〜６０時間）することによって、ＥＲＩ結晶を合成する。
次に、ＥＲＩ結晶の一部が多孔質支持体４４の表面に形成された細孔の開口部に係止される程度に、ＥＲＩ結晶のサイズを調整し、ＥＲＩ種結晶（ＥＲＩ構造の種結晶）を準備する。合成したＥＲＩ結晶の平均粒径が多孔質支持体の塗布面における平均細孔径に対して、０．３倍以上、５倍より小さい場合は、分散させることでそのままＥＲＩ種結晶（ＥＲＩ構造の種結晶）として使用できる。合成したＥＲＩ結晶の平均粒径が多孔質支持体の塗布面における平均細孔径に対して０．３倍より大きい場合は、ＥＲＩ結晶を純水に投入し、前述の範囲に収まるようにボールミルなどで解こう・粉砕することによって、ＥＲＩ種結晶を作製してもよい。粉砕する場合、ＥＲＩ種結晶のサイズは、粉砕時間の変更によって調整することができる。ＥＲＩ種結晶の形状は特に制限されるものではなく、六角柱状、六角板状、円柱状、円板状、又は不定形状などであってもよいが、等方的な形状の方が好ましい。ＥＲＩ種結晶の平均粒径は、多孔質支持体の塗布面における平均細孔径に対して０．３〜５倍であることが好ましく、０．５〜３倍であることがより好ましい。
３．ＥＲＩ膜４５の形成
ＥＲＩ種結晶を水、エタノールやイソプロパノールなどのアルコール、あるいはそれらの混合溶媒に分散させた種結晶分散溶液を調製する。
ＥＲＩ種結晶を水、エタノールやイソプロパノールなどのアルコール、あるいはそれらの混合溶媒に分散させた種結晶分散溶液を調製する。
次に、多孔質支持体４４の表面に種結晶分散溶液をろ過することによって、ＥＲＩ種結晶を多孔質支持体４４の表面に付着させる。この際、ＥＲＩ種結晶が、多孔質支持体４４の表面に形成された細孔の開口部に係止されて、ＥＲＩ種結晶は多孔質支持体４４の表面に配置される。
次に、ケイ素源、アルミニウム源、リン源などのＴ原子源、及び構造規定剤（ＳＤＡ）を純水に溶解・分散させることによって原料混合液を調製する。
次に、ＥＲＩ種結晶が付着した多孔質支持体４４を原料混合液に浸漬して水熱合成（１５０〜１９０℃、１０〜６０時間）する。この際、多孔質支持体４４の表面に配置したＥＲＩ種結晶がＥＲＩ構造のａ面どうしが隣接するように結晶成長するため、図３に示すように、立設したＥＲＩ結晶４６どうしが接合しやすくなり、ＥＲＩ膜４５が形成される。
具体的には、Ｈ２Ｏ／Ｔ原子のモル比(Ｈ２Ｏ／Ｔ原子比)を３０以上、かつ、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子のモル比(ＳＤＡ／Ｔ原子比)を０．７〜１．５にすることで、ＥＲＩ種結晶がＥＲＩ構造のa面どうしが接合するように結晶成長させることができる。Ｈ２Ｏ／Ｔ原子のモル比が３０より小さいと、膜の合成中に原料混合液中でＥＲＩ結晶が生成してしまい、多孔質支持体上の種結晶が成長しにくくなって膜形成が困難になる可能性がある上、原料混合液中で生成したＥＲＩ結晶が多孔質支持体の種結晶を塗布した表面に付着し、ＥＲＩ結晶がｃ面に配向しないため、分離性能が低下する可能性がある。Ｈ２Ｏ／Ｔ原子比は６０以上が好ましく、１２０以上がより好ましい。また、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子のモル比が１．５より大きいと膜の合成中に原料混合液中でＥＲＩ結晶が生成してしまい、膜形成が困難になる可能性がある。また、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子のモル比が０．７より小さいとＥＲＩ結晶がｃ面に配向しないため、分離性能が低下する可能性がある。ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子比は０．９〜１．１が好ましい。
（脱水方法）
本発明に係る脱水方法は、ＥＲＩ膜４５の両面に圧力差を設けることによって、水を含有する混合物１１から水を選択的に分離するものである。
本発明に係る脱水方法は、ＥＲＩ膜４５の両面に圧力差を設けることによって、水を含有する混合物１１から水を選択的に分離するものである。
具体的には、ＥＲＩ膜４５の供給側空間４Ｓに混合物１１を供給することによって、ＥＲＩ膜４５の一方の面に混合物１１を接触させた後、ＥＲＩ膜４５の透過側空間４Ｔを減圧することによって、ＥＲＩ膜４５に水を選択的に透過させて分離するものである。
本発明に係る脱水方法では、水に対する耐久性の高いＥＲＩ膜４５を分離膜として使用するため、長期間に亘って脱水性能を維持することができる。
なお、混合物１１を液体の形態で供給する場合にはパーベーパレーション（Ｐｅｒｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）法を用いることができ、混合物１１を気体または超臨界ガスの形態で供給する場合にはベーパーパーミエーション（Ｖａｐｏｒ ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ）法を用いることができる。
パーベーパレーション法を用いる場合、ＥＲＩ膜４５の供給側空間４Ｓの圧力は特に制限されないが、大気圧であることが好ましい。ＥＲＩ膜４５の透過側空間４Ｔの圧力は特に制限されないが、８×１０４Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０−２〜５×１０４Ｐａであることが更に好ましく、１×１０−１〜２×１０４Ｐａであることが特に好ましい。また、混合物１１の温度は特に制限されないが、５０〜１６０℃であることが好ましく、６０〜１５０℃であることが更に好ましい。このように、低い温度で混合物１１の分離を行うことができるため、多くのエネルギーを使用せずに分離することができる。混合物１１が１６０℃より高温であるとエネルギーコストが大きくなることがあり、５０℃より低温であると分離速度が遅くなることがある。
また、ベーパーパーミエーション法を用いる場合、ＥＲＩ膜４５の供給側空間４Ｓの圧力は特に制限されないが、１×１０５〜２．５×１０７Ｐａであることが好ましく、分離速度の観点からはより高い圧力が好ましい。供給側空間４Ｓと透過側空間４Ｔの圧力差が２．５×１０７Ｐａ以上になると、ＥＲＩ膜４５に損傷を与えることや、気密性が低下する場合ある。ＥＲＩ膜４５の透過側空間４Ｔの圧力は、供給側空間４Ｓの圧力より低い圧力であればよいが、８×１０４Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０−２〜５×１０４Ｐａであることが更に好ましく、１×１０−１〜２×１０４Ｐａであることが特に好ましい。また、混合物１１の温度は特に制限されないが、５０℃以上であることが好ましく、１００〜４００℃であることが更に好ましく、１００〜２００℃であることがエネルギーコストの点から特に好ましい。５０℃より低温であると分離速度が遅くなることがある。４００℃より高温では、膜を劣化させることがある。
ＥＲＩ膜４５は、脱水性能を高くできることから、５０℃における水透過流束が１ｋｇ／（ｍ２・ｈ）以上であることが好ましく、１．５ｋｇ／（ｍ２・ｈ）以上であることが更に好ましく、２ｋｇ／（ｍ２・ｈ）以上であることが特に好ましい。水透過流束は、５０℃に加温した純水をＥＲＩ膜４５の供給側空間４Ｓに供給し、ＥＲＩ膜４５の透過側空間４Ｔを５０Ｔｏｒｒに減圧し、ＥＲＩ膜４５を透過した水蒸気を回収することで求めることができる。
また、ＥＲＩ膜４５は、脱水操作における水の透過選択性を高くできることから、５０℃のエタノール水溶液に対する水選択性が１０以上であることが好ましく、２０以上であることが更に好ましく、５０以上であることが特に好ましい。水選択性は、５０℃に加温した５０質量％エタノール水溶液をＥＲＩ膜４５の供給側空間４Ｓに供給し、ＥＲＩ膜４５の透過側空間４Ｔを５０Ｔｏｒｒに減圧し、ＥＲＩ膜４５を透過した蒸気を回収して得られた液体の水濃度（質量％）を「透過水濃度」、エタノール濃度（質量％）を「透過エタノール濃度」とし、（透過水濃度／透過エタノール濃度）として求めることができる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、図１，２を参照しながら分離用容器４０の構造について説明したが、これに限られるものではない。分離用容器４０は、収容部４１と膜構造体４２ＥＲＩ膜４５と多孔質支持体４４とを備え、上述した脱水方法を実行できる構造であればよい。
上記実施形態では、図１，２を参照しながら分離用容器４０の構造について説明したが、これに限られるものではない。分離用容器４０は、収容部４１と膜構造体４２ＥＲＩ膜４５と多孔質支持体４４とを備え、上述した脱水方法を実行できる構造であればよい。
上記実施形態において、脱水装置１００は、「変圧装置」の一例として、透過側空間４Ｔを減圧する減圧装置６０を備えることとしたが、減圧装置６０に代えて、供給側空間４Ｓを加圧する加圧装置を備えていてもよいし、減圧装置６０に加えて、供給側空間４Ｓを加圧する加圧装置を備えていてもよい。
以下において本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
１．多孔質支持体の作製
アルミナ原料を含む坏土を用いて、押出成形法により複数の貫通孔をもつモノリス形状の成形体を形成し、焼成した。
１．多孔質支持体の作製
アルミナ原料を含む坏土を用いて、押出成形法により複数の貫通孔をもつモノリス形状の成形体を形成し、焼成した。
次に、焼成した成形体の、貫通孔の表面にアルミナを主とした多孔質層を形成し、再度焼成することによって、多孔質支持体を形成した。多孔質支持体の膜を形成する部分の表面における平均細孔径は、６５〜１１０ｎｍの範囲であった。
２．種結晶の作製
アルミニウムイソプロポキシド、８５％リン酸、及び構造規定剤（ＳＤＡ）であるＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルジアミノヘキサン（ＴＭＨＤ）を純水に溶解させることによって、組成が１Ａｌ２Ｏ３：１．３Ｐ２Ｏ５：１．４ＳＤＡ：１３０Ｈ２Ｏの原料混合液を調製した。
アルミニウムイソプロポキシド、８５％リン酸、及び構造規定剤（ＳＤＡ）であるＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルジアミノヘキサン（ＴＭＨＤ）を純水に溶解させることによって、組成が１Ａｌ２Ｏ３：１．３Ｐ２Ｏ５：１．４ＳＤＡ：１３０Ｈ２Ｏの原料混合液を調製した。
次に、原料溶液を圧力容器に投入して水熱合成（１９５℃、３０時間）した。
次に、水熱合成によって得られた結晶を回収して純水で十分に洗浄した後、６５℃で完全に乾燥させた。
その後、Ｘ線回折測定によって結晶相を確認したところ、得られた結晶はＥＲＩ結晶であった。
次に、合成したＥＲＩ結晶を１０〜２０ｍａｓｓ％となるように純水に投入し、ボールミルで７日間粉砕することによって、ＥＲＩ種結晶を作製した。ＳＥＭ（電子顕微鏡）によってＥＲＩ種結晶の外形を確認したところ、得られたＥＲＩ種結晶は不定形状であり、粒径は０．０１〜０．３μｍ、平均粒径はおよそ０．２μｍであった。
３．ＥＲＩ膜の形成
ＥＲＩ種結晶をエタノールに分散させた種結晶分散溶液を調製した。
ＥＲＩ種結晶をエタノールに分散させた種結晶分散溶液を調製した。
次に、多孔質支持体のセル内で種結晶分散溶液をろ過することによって、ＥＲＩ種結晶を多孔質支持体のセル内表面に付着させた。
次に、アルミニウムイソプロポキシド、８５％リン酸、及び構造規定剤（ＳＤＡ）であるＴＭＨＤを純水に溶解させることによって、組成が１Ａｌ２Ｏ３：２．１Ｐ２Ｏ５：２．８ＳＤＡ：１３４０Ｈ２Ｏの原料混合液を調製した。実施例１の原料混合液において、Ｈ２Ｏ／Ｔ原子のモル比（Ｈ２Ｏ／Ｔ原子比）は２２０であり、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子のモル比（ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子比）は０．９である。
次に、ＥＲＩ種結晶が付着した多孔質支持体を原料混合液に浸漬して水熱合成（１６０℃、３０時間）することによって、ＥＲＩ膜を合成した。
次に、合成したＥＲＩ膜を純水で十分に洗浄した後、９０℃で完全に乾燥させた。
次に、ＥＲＩ膜を４５０℃で５０時間加熱処理することによってＳＤＡを燃焼除去して、ＥＲＩ膜内の細孔を貫通させた。
４．分離耐久試験
上述のようにして得られたＥＲＩ膜を用い、図１に示す分離試験装置を用いて、分離試験を実施した。
上述のようにして得られたＥＲＩ膜を用い、図１に示す分離試験装置を用いて、分離試験を実施した。
５０℃に加温した５０質量％エタノール水溶液を循環ポンプで循環させることで、分離用容器の供給側空間にエタノール水溶液を供給した。
真空ポンプにてＥＲＩ膜の多孔質支持体側（透過側空間）を圧力制御器により５０Ｔｏｒｒに制御しながら減圧し、ＥＲＩ膜を透過した蒸気を液体窒素トラップで回収した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理前エタノール濃度」とした。
ＥＲＩ膜を分離試験装置から取り外し、圧力容器中で純水に浸漬して熱水処理（１３０℃、５０時間）した。
次に、ＥＲＩ膜を純水で十分に洗浄した後、２００℃で完全に乾燥させた。
熱水処理したＥＲＩ膜を用いて、上記分離試験を再度実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理後エタノール濃度」とした。
その結果、「熱水処理後エタノール濃度」は、「熱水処理前エタノール濃度」の１．５倍以下であることが分かった。
このように、得られたＥＲＩ膜は熱水安定性が高く、脱水性能が低下しにくい膜であることが分かった。
５．微構造評価
ＥＲＩ膜の膜表面にＸ線を照射して得たＸ線回折パターンにおいて、（００２）面（ｃ面）のピーク強度は、（１００）面（ａ面）のピーク強度の０．９０倍であった。また、ＥＲＩ膜の外表面とＥＲＩ膜を膜厚方向に切断した切断面とをＳＥＭで観察したところ、六角柱状のＥＲＩ結晶がｃ面配向していることが確認された（図３及び図４参照）。
ＥＲＩ膜の膜表面にＸ線を照射して得たＸ線回折パターンにおいて、（００２）面（ｃ面）のピーク強度は、（１００）面（ａ面）のピーク強度の０．９０倍であった。また、ＥＲＩ膜の外表面とＥＲＩ膜を膜厚方向に切断した切断面とをＳＥＭで観察したところ、六角柱状のＥＲＩ結晶がｃ面配向していることが確認された（図３及び図４参照）。
（実施例２）
１．多孔質支持体の作製
実施例１と同じ工程で多孔質支持体を作製した。
１．多孔質支持体の作製
実施例１と同じ工程で多孔質支持体を作製した。
２．種結晶の作製
実施例１と同じ工程でＥＲＩ種結晶を作製した。
実施例１と同じ工程でＥＲＩ種結晶を作製した。
３．ＥＲＩ膜の形成
原料混合液の組成を１Ａｌ２Ｏ３：２．０Ｐ２Ｏ５：３．０ＳＤＡ：２１０Ｈ２Ｏに変更し、かつ、水熱合成条件を１７０℃×５０ｈに変更した以外は、実施例1と同様の工程にてＥＲＩ膜を合成した。なお、実施例４の原料混合液において、Ｈ２Ｏ／Ｔ原子比は３５であり、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子比は１．０である。
原料混合液の組成を１Ａｌ２Ｏ３：２．０Ｐ２Ｏ５：３．０ＳＤＡ：２１０Ｈ２Ｏに変更し、かつ、水熱合成条件を１７０℃×５０ｈに変更した以外は、実施例1と同様の工程にてＥＲＩ膜を合成した。なお、実施例４の原料混合液において、Ｈ２Ｏ／Ｔ原子比は３５であり、ＳＤＡ中のＮ原子／Ｔ原子比は１．０である。
次に、合成したＥＲＩ膜を純水で十分に洗浄した後、９０℃で完全に乾燥させた。
次に、ＥＲＩ膜を４５０℃で５０時間加熱処理することによってＳＤＡを燃焼除去して、ＥＲＩ膜内の細孔を貫通させた。
４．分離耐久試験
上述のようにして得られたＥＲＩ膜を用い、実施例１と同様にして、分離試験を実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理前エタノール濃度」とした。
上述のようにして得られたＥＲＩ膜を用い、実施例１と同様にして、分離試験を実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理前エタノール濃度」とした。
実施例１と同様にして、熱水処理を実施し、分離試験を再度実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理後エタノール濃度」とした。
その結果、「熱水処理後エタノール濃度」は、「熱水処理前エタノール濃度」の１．５倍以下であることが分かった。
このように、得られたＥＲＩ膜は熱水安定性が高く、脱水性能が低下しにくい膜であることが分かった。
５．微構造評価
ＥＲＩ膜の膜表面にＸ線を照射して得たＸ線回折パターンにおいて、（００２）面のピーク強度は、（１００）面のピーク強度の０．５１倍であった。また、ＥＲＩ膜の外表面とＥＲＩ膜を膜厚方向に切断した切断面とをＳＥＭで観察したところ、六角柱状のＥＲＩ結晶がｃ面配向していることが確認された。
５．微構造評価
ＥＲＩ膜の膜表面にＸ線を照射して得たＸ線回折パターンにおいて、（００２）面のピーク強度は、（１００）面のピーク強度の０．５１倍であった。また、ＥＲＩ膜の外表面とＥＲＩ膜を膜厚方向に切断した切断面とをＳＥＭで観察したところ、六角柱状のＥＲＩ結晶がｃ面配向していることが確認された。
（比較例１）
１．多孔質支持体の作製
実施例１と同じ工程で多孔質支持体を作製した。
１．多孔質支持体の作製
実施例１と同じ工程で多孔質支持体を作製した。
２．種結晶の作製
市販のＮａＡ型ゼオライト（ＬＴＡ構造のゼオライト）結晶を１０〜２０ｍａｓｓ％となるように純水に投入し、ボールミルで６時間間粉砕することによって、ＬＴＡ種結晶を作製した。ＳＥＭ（電子顕微鏡）によってＬＴＡ種結晶の外形を確認したところ、得られたＬＴＡ種結晶は不定形状であり、粒径は０．０１〜０．３μｍ、平均粒径はおよそ０．２μｍであった。
市販のＮａＡ型ゼオライト（ＬＴＡ構造のゼオライト）結晶を１０〜２０ｍａｓｓ％となるように純水に投入し、ボールミルで６時間間粉砕することによって、ＬＴＡ種結晶を作製した。ＳＥＭ（電子顕微鏡）によってＬＴＡ種結晶の外形を確認したところ、得られたＬＴＡ種結晶は不定形状であり、粒径は０．０１〜０．３μｍ、平均粒径はおよそ０．２μｍであった。
３．ＬＴＡ膜の形成
ＬＴＡ種結晶を純水に分散させた種結晶分散溶液を調製した。
ＬＴＡ種結晶を純水に分散させた種結晶分散溶液を調製した。
次に、多孔質支持体のセル内で種結晶分散溶液をろ過することによって、ＬＴＡ種結晶を多孔質支持体のセル内表面に付着させた。
次に、硫酸アルミニウム、シリカゾル、水酸化ナトリウムを純水に溶解させることによって、組成が１Ａｌ２Ｏ３：４ＳｉＯ２：４０Ｎａ２Ｏ：１６００Ｈ２Ｏの原料混合液を調製した。
次に、ＬＴＡ種結晶が付着した多孔質支持体を原料混合液に浸漬して水熱合成（１００℃、１０時間）することによって、ＬＴＡ膜を合成した。
次に、合成したＬＴＡ膜を純水で十分に洗浄した後、９０℃で完全に乾燥させた。
４．分離耐久試験
上述のようにして得られたＬＴＡ膜を用い、実施例１と同様にして、分離試験を実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理前エタノール濃度」とした。
上述のようにして得られたＬＴＡ膜を用い、実施例１と同様にして、分離試験を実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理前エタノール濃度」とした。
実施例１と同様にして、熱水処理を実施し、分離試験を再度実施した。液体窒素トラップで回収した液体のエタノール濃度を「熱水処理後エタノール濃度」とした。
その結果、「熱水処理後エタノール濃度」は、供給したエタノール水溶液とほぼ同じであり、「熱水処理前エタノール濃度」の１．５倍よりも大きいことが分かった。
５．微構造評価
ＬＴＡ膜の外表面をＳＥＭで観察したところ、熱水処理によりＬＴＡが溶解して消失していることが確認された。
ＬＴＡ膜の外表面をＳＥＭで観察したところ、熱水処理によりＬＴＡが溶解して消失していることが確認された。
このように、得られたＬＴＡ膜は熱水安定性が低く、脱水性能が低下しやすい膜であることが分かった。
１１ 混合物
１２ 膜透過物質
４０ 分離用容器
４１ 収容部
４２ 膜構造体
４３ セル
４４ 多孔質支持体
４５ ＥＲＩ構造のゼオライト膜（ＥＲＩ膜）
４６ ＥＲＩ構造のゼオライト結晶（ＥＲＩ結晶）
５０ 捕集器
６０ 減圧装置
１００ 脱水装置
４Ｓ 供給側空間
４Ｔ 透過側空間
１２ 膜透過物質
４０ 分離用容器
４１ 収容部
４２ 膜構造体
４３ セル
４４ 多孔質支持体
４５ ＥＲＩ構造のゼオライト膜（ＥＲＩ膜）
４６ ＥＲＩ構造のゼオライト結晶（ＥＲＩ結晶）
５０ 捕集器
６０ 減圧装置
１００ 脱水装置
４Ｓ 供給側空間
４Ｔ 透過側空間
Claims (7)
- ＥＲＩ構造のゼオライト膜を用いて、水を含有する混合物から水を選択的に分離する脱水方法であって、
前記ＥＲＩ構造のゼオライト膜の供給側空間に前記混合物を供給する工程と、
前記ＥＲＩ構造のゼオライト膜の前記供給側空間と透過側空間とに圧力差を生じさせる工程と、
を備える脱水方法。 - ＥＲＩ構造のゼオライト膜が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐのうちいずれか２つ以上の元素を含有する、
請求項１に記載の脱水方法。 - ＥＲＩ構造のゼオライト膜が、少なくともＡｌ、Ｐ及びＯを含有する、
請求項２に記載の脱水方法。 - ゼオライト膜が、多孔質支持体上に形成されている、
請求項１から３のいずれかに記載の脱水方法。 - 多孔質支持体と、前記多孔質支持体上に形成されたＥＲＩ構造のゼオライト膜と、前記ＥＲＩ構造のゼオライト膜の供給側空間と透過側空間とに区画された収容部とを有する分離用容器と、
前記供給側空間を加圧、及び／又は、前記透過側空間を減圧する変圧装置と、
を備える脱水装置。 - ＥＲＩ構造のゼオライト膜が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐのうちいずれか２つ以上の元素を含有する、
請求項５に記載の脱水装置。 - ＥＲＩ構造のゼオライト膜が、少なくともＡｌ、Ｐ及びＯを含有する、
請求項６に記載の脱水装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2017112633 | 2017-06-07 | ||
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