WO2002038259A1 - Zeolite membranes, method for the production thereof and use of zeolite membranes - Google Patents

Zeolite membranes, method for the production thereof and use of zeolite membranes Download PDF

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WO2002038259A1 PCT/EP2001/011756 EP0111756W WO0238259A1 WO 2002038259 A1 WO2002038259 A1 WO 2002038259A1 EP 0111756 W EP0111756 W EP 0111756W WO 0238259 A1 WO0238259 A1 WO 0238259A1
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carrier material
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Gerhard HÖRPEL
Christian Hying
Franz-Felix Kuppinger
Gerhard Tomandl
Jenny Hoffmann
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Creavis Gesellschaft Für Technologie Und Innovation Mbh
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    • B01J37/024Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0246Coatings comprising a zeolite

Definitions

  • Zeolite membranes a process for their production and the use of the zeolite membrane are claimed.
  • a problem that frequently occurs in industrial processes is the separation of substances, in particular the separation of mixtures of liquids or gases.
  • Classic separation processes such as Distillation, extraction or adsorption are relatively complex.
  • Separation processes using membranes are used in particular for gas separation.
  • Organic membranes are currently frequently used, although these can only be used to a limited extent because their chemical, mechanical and thermal stability are limited.
  • zeolites Materials with defined maximum pore sizes include zeolites. Depending on the composition and / or production process, aluminosilicates or zeolites can be produced which have a specific pore size. Because zeolites have a defined pore size, they are suitable for separating compounds or molecules, which is why such compounds are often also called molecular sieves. By combining zeolites with inorganic membranes, zeolite membranes can be produced that are suitable for the separation of certain gas mixtures.
  • Such combined membranes are usually produced by a process in which a zeolite layer is crystallized onto the membrane on an inorganic membrane by hydrothermal synthesis in a crystallization solution after heterogeneous nucleation.
  • separation factors of> 10 at 100 kPa and 200 ° C for silicalite-1 and ZSM-5 membranes are given as the criterion for good membrane quality.
  • a silicalite-1 membrane crystallized onto a planar ⁇ -Al 2 O 3 support showed a separation factor of 11 (Vroon, Keizer, Burggraaf, Verweij; J. Membr.
  • the object of the present invention was therefore to provide a zeolite membrane which is relatively insensitive to mechanical loads and is simple and inexpensive to manufacture, and to provide a process for the production thereof.
  • a ceramic membrane which has improved properties with regard to mechanical and chemical stability than conventional membranes, the properties of which differ, inter alia, from used crystallization solution and thus eg depend on the type of zeolite produced.
  • the present invention therefore relates to a membrane which has a permeable carrier material and a release-active layer according to claim 1, which is characterized in that the membrane has at least one release-active layer in the permeable carrier material.
  • the present invention also relates to a membrane with at least one release-active layer in a permeable carrier material according to claim 2, which by introducing a crystallization solution, which has the components necessary for the synthesis of the release-active layer, into a carrier material, the ones present in the pores of the carrier material Gases from the crystallization solution from the carrier material are displaced, and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material is available.
  • the present invention also relates to a method for producing a membrane according to at least one of claims 1 to 21, which is characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material.
  • the present invention also relates to the use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of compounds or molecules which have an average size of less than 10 ⁇ m.
  • the membrane according to the invention has the advantage that, depending on the intended use, it is significantly more durable than the membrane available to date with properties similar to those of the membrane according to the invention.
  • the membrane according to the invention also has the advantage that inexpensive materials can be used as carrier materials into which the layer of separating crystals is introduced.
  • the membranes according to the invention are additionally distinguished by excellent separation properties. Since the separation-active layer is very thin, the membrane according to the invention has a large permeate flow despite the high selectivity of the separation. The good separation behavior is also achieved in that the separation-active crystal layer is so dense at its crystal grain boundaries that no unwanted material passages are possible.
  • a further advantage of the membrane according to the invention is that the membrane is flexible and bendable, depending on the carrier material used, without the good separation properties being lost. It is also particularly advantageous that the membrane according to the invention can be produced very inexpensively even in large areas by the method according to the invention.
  • the manufacturing process for the membrane according to the invention is simple and economical since it does not require any special technical effort.
  • the membrane according to the invention which has a permeable carrier material and at least one separating layer, is characterized in that the membrane has at least one separating layer in the permeable carrier material.
  • Membranes according to the invention with at least one separation-active layer in a permeable carrier material are introduced into a carrier material by introducing a crystallization solution which has the components necessary for the synthesis of the separation-active layer, the gases present in the pores of the carrier material being displaced from the carrier material by the crystallization solution. and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material.
  • a membrane is understood to be a material which is suitable for separating substances and is therefore permeable to particles up to a certain size and impermeable to larger particles.
  • the separating layer is understood to be the layer on which the actual material separation takes place.
  • the maximum pore size of the separation-active layer therefore determines the size of the particles for which the membrane is just permeable.
  • the permeable carrier material present in the membrane according to the invention can comprise metal, glass, ceramic or a combination of these materials.
  • the permeable carrier material preferably has woven fabrics, nonwovens, sintered powder or sintered fibers made of metal, glass, ceramic or a combination of these materials.
  • the permeable carrier material can have woven or non-woven fabrics made of carbon woven fabric.
  • the permeable carrier material can also be a material which itself uses as a microfiltration membrane, ultrafiltration membrane, nanofiltration membrane or gas separation membrane can be. It is also possible to use material combinations in which a micro, nano and / or ultrafiltration membrane has been applied as a layer on and / or in a support or in and / or on a micro, nano and / or ultrafiltration membrane.
  • the composite materials have at least one perforated and permeable support as the basis.
  • the carrier On at least one side of the carrier and in the interior of the carrier, the carrier has at least one inorganic component which essentially has at least one compound composed of a metal, a semimetal or a mixed metal with at least one element from the 3rd to 7th main group.
  • the interior of a carrier is understood to be the cavities or pores in a carrier.
  • the composite materials can, by applying a suspension which has at least one inorganic component and a sol comprising at least one, a compound of at least one metal, a semi-metal or a mixed metal with at least one element of the 3rd to 7th main group, on a perforated and permeable carrier, and by at least one heating, in which the suspension having at least one inorganic component is solidified on or in or on and in the carrier.
  • the composite materials can also be obtained by vapor deposition, impregnation or coprecipitation.
  • the composite materials can be permeable to gases, solids or liquids, in particular to particles with a size of less than 10 nm.
  • the spaces in the Composite materials can be pores, meshes, holes, crystal lattice interstices or cavities.
  • the carrier can have at least one material selected from carbon, metals, alloys, glass, ceramics, minerals, plastics, amorphous substances, natural products, composite materials or from at least a combination of these materials.
  • the carriers which may have the aforementioned materials, may have been modified by a chemical, thermal or mechanical treatment method or a combination of the treatment methods.
  • the composite materials preferably have a carrier which has at least one metal, a natural fiber or a plastic which has been modified by at least one mechanical deformation technique or treatment method, such as, for example, drawing, upsetting, milling, rolling, stretching or forging.
  • the composite materials very particularly preferably have at least one carrier which has at least woven, bonded, matted or ceramic-bonded fibers, or at least sintered or bonded shaped bodies, balls or particles.
  • a perforated carrier can be used.
  • Permeable supports can also be those which become permeable or have been made by laser treatment or ion beam treatment.
  • the carrier fibers from at least one material selected from carbon, metals, alloys, ceramics, glass, minerals, plastics, amorphous substances, composites and natural products or fibers from at least a combination of these materials, such as asbestos, glass fibers , Rock wool fibers, carbon fibers, metal wires, steel wires, polyamide fibers, coconut fibers, coated fibers.
  • Carriers are preferably used which have at least woven fibers made of metal or alloys. Wires can also serve as fibers made of metal.
  • the composite materials very particularly preferably have a carrier which has at least one fabric made of steel or stainless steel, such as fabric made from steel wires, steel fibers, stainless steel wires or stainless steel fibers by weaving, which preferably has a mesh size of 5 to 500 ⁇ m, particularly preferably mesh sizes of 50 to 500 ⁇ m and very particularly preferably have mesh sizes of 70 to 120 ⁇ m.
  • the carrier of the composite materials can also have at least one expanded metal with a pore size of 5 to 500 ⁇ m.
  • the carrier can also have at least one granular, sintered metal, a sintered glass or a metal fleece with a pore size of 0.1 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 3 to 60 ⁇ m.
  • the composite materials preferably have a carrier which contains at least aluminum, silicon, cobalt, manganese, zinc, vanadium, molybdenum, indium, lead, bismuth, silver, gold, nickel, copper, iron, titanium, platinum, stainless steel, steel, brass, an alloy of these materials or a material coated with Au, Ag, Pb, Ti, Ni, Cr, Pt, Pd, Rh, Ru and / or Ti.
  • the inorganic component present in the composite materials can have at least one compound of at least one metal, semimetal or mixed metal with at least one element from the 3rd to 7th main group of the periodic table or at least a mixture of these compounds.
  • the compounds of the metals, semimetals or mixed metals can have at least elements of the subgroup elements and the 3rd to 5th main group or at least elements of the subgroup elements or the 3rd to 5th main group, these compounds having a grain size of 0.001 to 25 ⁇ m.
  • the inorganic component preferably has at least one compound of an element of the 3rd to 8th subgroup or at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge , Si, C, Ga, AI or B or at least one connection of an element of the 3rd to 8th subgroup and at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As , P, N, Ge, Si, C, Ga, Al or B or a mixture of these compounds.
  • the inorganic component particularly preferably has at least one compound of at least one of the elements Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, Al, Ga, In, TI, Si, Ge , Sn, Pb, Sb or Bi with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, C, Si, Ge or Ga, such as TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , BC, SiC, Fe 3 O 4 , SiN, SiP, nitrides, sulfates, phosphites, silicides, spinels or yttrium aluminum garnet, or one of these elements itself.
  • the inorganic component can also be aluminosilicates, aluminum phosphates, zeolites or partially exchanged zeolites such as ZSM-5, Na-ZSM-5 or Fe-ZSM-5 or amorphous microporous mixed oxides, which can contain up to 20% non-hydrolyzable organic compounds, such as e.g. vanadium oxide-silicon oxide glass or aluminum oxide-silicon oxide-methyl silicon sesquioxide- Glasses.
  • At least one inorganic component is preferably present in a grain size fraction with a grain size of 1 to 250 nm or with a grain size of 260 to 10,000 ⁇ m.
  • the composite materials used have at least two grain size fractions of at least one inorganic component.
  • the grain size ratio of the grain size fractions in the composite material is from 1: 1 to 1: 10000, preferably from 1: 1 to 1: 100.
  • the quantitative ratio of the grain size fractions in the composite material can preferably be from 0.01 to 1 to 1 to 0.01.
  • the permeability of the composite materials can be limited by the grain size of the inorganic component used to particles with a certain maximum size.
  • the suspension having at least one inorganic component, with which the composite materials can be obtained can have at least one liquid selected from water, alcohol and acid or a combination of these liquids.
  • the permeable composite material which can be used according to the invention as the carrier material can have an applied layer of compounds from the group of the zeolites, the amorphous mixed metal oxides, the silicalites, aluminum silicates, aluminum phosphates, the partially exchanged zeolites or a mixture of compounds from this group.
  • a material which is obtained by applying a suspension of zeolite particles in a sol or a sol comprising zeolite particles to a porous support and then solidifying can very particularly preferably be used as the permeable support material.
  • Such zeolite-containing carrier materials which can also be obtained in another way, preferably have the same zeolite compound that is to be synthesized in the carrier material by the process according to the invention. In this way, a larger release-active surface can be obtained, since the release-active layer is not only present between the pores of the support material but also the support material itself is partially active.
  • the composite material has an average pore size of less than 2000 nm, preferably less than 500 nm and very particularly preferably less than 10 nm.
  • the mean pore size is defined in the sense of the invention as the arithmetic mean of the pore size distribution determined by mercury porosimetry.
  • the maximum pore size is defined in the sense of the invention in such a way that the composite material is permeable only for particles of a size that is smaller than the maximum pore size.
  • the composite material can have at least one catalytically active component.
  • the catalytically active component can be identical to the inorganic component. This applies in particular if the inorganic component has catalytically active centers on the surface.
  • the composite material preferably has at least one inorganic material, at least one metal or at least one organometallic compound, on the surface of which there are catalytically active centers.
  • the composite material can also be a zeolite, e.g. ZSM-5, Fe-ZSM-5, silicalite or an amorphous microporous mixed oxide, e.g. be described in DE 195 45 042 and / or DE 195 06 843, e.g. Vanadium oxide-silicon oxide glass or aluminum oxide-silicon oxide-methyl silicon sesquioxide glasses.
  • the composite material can also have at least one oxide of at least one of the elements Mo, Sn, Zn, V, Mn, Fe, Co, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Ru, Re, Cr, W, Nb, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Gd, Ga, In, TI, Ag, Cu, Li, K, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, AI and Si.
  • the composite material used as the carrier material as the catalytically active component has at least one metal compound selected from the compounds of the metals Bi, Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Os, Re,
  • Cu, Fe, Ni, Pd and Co or at least one metal selected from the metals Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Os, Re, Fe, Cu, Ni, Pd and Co.
  • the composite material used as the carrier material in the membrane according to the invention is preferably designed to be bendable or flexible without destroying the composite material.
  • the composite material can preferably be bent to a minimum radius of up to 2 cm.
  • the permeable carrier material has a homogeneous porosity. It can also be advantageous if the permeable carrier material has an inhomogeneous porosity.
  • the permeable carrier material particularly preferably has regions with larger and regions with smaller porosity.
  • the carrier material is very particularly preferably built up in layers from regions with larger and regions with smaller porosity.
  • the porosity in the transition from one layer to the next layer preferably increases or decreases, so that a porosity gradient is present in the carrier material.
  • a substance which has a homogeneous porosity in the sense of the present invention is understood to mean a substance which has pores of the same or almost the same size at the locations where it has pores.
  • a carrier material according to the invention which consists of a wire mesh with applied ceramic, is understood to be a carrier material with homogeneous porosity if the ceramic has pores with an essentially the same pore size.
  • a carrier material according to the invention which consists of a wire mesh with an applied ceramic, another ceramic with a different composition being applied to the ceramic on one side, has an inhomogeneous porosity in the sense of the present invention if the two ceramics have different pore sizes.
  • the pores of the separation-active layer in the membrane according to the invention preferably have a maximum pore size of less than 10 nm, particularly preferably less than 1 nm.
  • the separating-active layer preferably has a thickness in the forward direction that corresponds to the maximum thickness of the carrier.
  • the separating-active layer particularly preferably has a thickness in the forward direction which corresponds to 1/10 to 1 / 100,000, very particularly preferably 1/100 to 1 / 10,000, of the thickness of the carrier.
  • Usual layer thicknesses for the release-active layer are in the range from 1 to 10 ⁇ m. However, it is also possible to use thinner or thicker separating agents Produce layers, wherein the layer thickness can be predetermined by the thickness of the layer of the support in which the separation-active layer is to be synthesized.
  • the separation-active layer is crystalline.
  • the separation-active layer preferably has at least one compound which has molecular sieving properties.
  • the separating-active layer particularly preferably has at least one crystalline compound composed of a natural or synthetic zeolite, an aluminosilicate, an aluminophosphate and / or a metal aluminophosphate.
  • the membrane according to the invention very particularly preferably has a separation-active layer which contains at least one compound from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM -38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, silicalite -1, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures of these compounds.
  • the separation-active layer is preferably arranged in the outermost layer in the interior of the carrier material.
  • the separation-active layer is particularly preferably arranged in the outermost layers of all sides of a carrier material in the interior. If nano-, micro- or ultrafiltration membranes are used as carrier material for the membranes according to the invention, the separation-active layer is preferably in the layer of these membranes which is the basis for the nano-, micro- or ultrafiltration capacity and which usually represents the outermost layer of a membrane.
  • the membrane according to the invention can be flexible depending on the carrier material used.
  • the membrane according to the invention can be bendable to a smallest radius of 5 cm without loss of the separation properties.
  • the method according to the invention is characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material.
  • the carrier materials described above, composite materials or materials usually used as ceramic membranes can be used as carrier material.
  • Flexible permeable materials are preferably used as carrier materials.
  • Support materials which can be bent to a minimum radius of 2 cm are very particularly preferably used.
  • the permeable carrier material also preferably has an average pore size of less than 2000 nm, preferably less than 500 nm and very particularly preferably less than 100 nm.
  • a separation-active layer of crystals of at least one compound is selected from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM- in the carrier material. 38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit- 1, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures of these compounds.
  • the membrane is produced by the separation-active layer or a precursor of the separation-active layer by feeding (infiltrating) one Crystallization solution, which has the components for the synthesis of the separation-active layer, is prepared in the carrier material and subsequent crystallization.
  • the separating-active layer or a precursor of the separating-active layer is very particularly preferably produced by feeding (infiltrating) a crystallization solution, which has the components for the synthesis of the separating-active layer, into the outer layer of the carrier material and subsequent crystallization.
  • the crystallization solution is preferably fed in such a way that the crystallization solution replaces the gas, usually air, present in the pores of the carrier material when it penetrates.
  • This measure ensures that all the pores in a layer of the carrier material are filled by the separation-active layer after crystallization.
  • the membranes usually produced without this measure often have air pockets during the manufacturing process of the separation-active layer, which during the subsequent use of the membrane represent imperfections, that is, pores with too large a diameter, so that the selectivity of such membranes is impaired. With these processes, the gas present in the pores does not have sufficient opportunity to emerge from the pores.
  • the crystallization solution is preferably fed in by spraying or dropping the crystallization solution onto the support material.
  • the result of this is that the entire surface of the carrier material is not simultaneously wetted with the crystallization solution and the gas present in the pores can thus escape.
  • the penetration of the crystallization solution into the carrier material is preferably carried out by simple capillary forces, which suck the solution into the pores. It can be advantageous if a negative pressure is generated on the opposite side of the carrier material, so that the crystallization solution is sucked into the carrier material at an accelerated rate.
  • the penetration depth of the crystallization solution into the carrier material can be influenced by adjusting the viscosity of the crystallization solution.
  • the penetration depth of the crystallization solution can, however, also be influenced in particular by using a particularly suitable carrier material. So it can be beneficial be, if the carrier material has a layer, for example an ultrafiltration layer, which is not permeable to all components present in the crystallization solution. On this ultrafiltration layer, the carrier material has, as the outermost layer, a further layer which is permeable to all components of the crystallization solution, such as a microfiltration layer. When using such a carrier material, the crystallization solution with all components will only penetrate into the outer layer. Subsequent, for example, hydrothermal treatment with or without subsequent calcination, a membrane is obtained which has the separation-active layer only in the outer layer of the carrier material.
  • a particularly suitable carrier material so it can be beneficial be, if the carrier material has a layer, for example an ultrafiltration layer, which is not permeable to all components present in the crystallization solution. On this ultrafiltration layer, the carrier material has, as the outermost layer, a further layer which is perme
  • layers with different chemical properties e.g. have hydrophilized or hydrophobized layers.
  • the production of carrier materials which have hydrophobized layers is e.g. described in WO 99/62624.
  • Such layers can e.g. by adding organosilicon compounds, e.g. Silanes, to be made to sol during the manufacture of the layer.
  • the depth of penetration of the crystallization solution can be controlled by using such layers.
  • an aqueous crystallization solution e.g. a carrier material can be used which has an outer layer which has hydrophilic properties and a layer under this outer layer which has hydrophobic properties.
  • the aqueous crystallization solution When the aqueous crystallization solution is supplied, it will predominantly only fill the pores of the hydrophilic layer. In the subsequent crystallization and calcination, the separation-active layer will only arise in the outermost layer.
  • the maximum thickness of the separation-active layer can be set by specifying the thickness of the hydrophilic layer.
  • membranes can be constructed that have a certain permeability or separation property on certain sides.
  • the carrier material pretreated in this way, with the crystallization solution present therein, is preferably added to an autoclave for crystallization, in which the carrier material coexists further crystallization solution is brought into contact.
  • the carrier material coexists further crystallization solution is brought into contact.
  • only the side of the support material is brought into contact with the crystallization solution, which was previously supplied with the crystallization solution by spraying or dropping.
  • crystallization solution has been supplied to a support material from all sides, it may be advantageous to immerse the support material in the crystallization solution.
  • the same crystallization solution is used, which has already been added to the carrier material by spraying or dropping.
  • Crystallization can be carried out in a manner known to those skilled in the art, e.g. hydrothermally at a temperature of 70 to 400 ° C and a pressure of 0.3 to 200 bar.
  • the crystallization is particularly preferably carried out hydrothermally at a temperature of 100 to 250 ° C. and a pressure of 0.5 to 40 bar. It can be advantageous to support the crystallization by means of a temperature program.
  • the heating to the treatment temperature is preferably carried out at a heating rate of 1 to 100 IC / h, preferably 5 to 25 K / h.
  • the carrier material to which the crystallization solution was fed is left for 12 to 72 hours, very particularly preferably 18 to 36 hours, at the treatment temperature of preferably 170 to 250 ° C.
  • all other methods for crystallizing the above-mentioned compounds to be used as a separation-active layer are also possible.
  • the calcination takes place preferably in the presence of oxygen, for example atmospheric oxygen at a temperature of greater than 300 ° C., preferably greater than 500 ° C., for a period of 12 to 120 hours, preferably for a period of 24 to 36 hours.
  • the calcining is particularly preferably carried out at a temperature range of 340 to 450 ° C. for a time of 60 to 120 hours.
  • any organic compounds present in the crystallization solutions and thus in the support material such as crystallization aids such as tetrapropylammonium compounds (TPA compounds) such as TPAOH or TPABr, are reacted or burned and expelled from the membrane. Furthermore, the crystal structure in the separation-active layer is stabilized by the calcining.
  • TPA compounds tetrapropylammonium compounds
  • carrier materials that have carbon or natural fibers, they are also completely or partially removed from the carrier material by burning or decomposing by calcining. If these fibers are to be retained in the carrier material, it is advantageous to use crystallization solutions in which calcination of the membrane is not necessary because, e.g. have no crystallization aids.
  • the crystallization solution preferably has at least one silicon compound, an aluminum compound or a phosphorus compound or a mixture of one or more of these compounds.
  • the crystallization solution particularly preferably has at least one silicate, an aluminate or phosphate or a mixture of one or more of these compounds.
  • the crystallization solution preferably has a silicon to aluminum ratio of 1 to infinity.
  • the crystallization solutions can have one or more crystallization aids.
  • Suitable crystallization aids are, for example, tetraalkylammonium compounds, such as Tetrapropylammonium hydroxide or bromide (TPAOH or TPABr), (Me 4 N) 2 O, Et 4 NOH, (Pr N) 2 O, or crown ether (18-crown-6, 15-crown-5), tetraethylorthosilicate or cetyltrimethylammonium compounds like (CTMA) 2 O.
  • TPAOH or TPABr Tetrapropylammonium hydroxide or bromide
  • Me 4 N Me 4 N
  • Et 4 NOH Et 4 NOH
  • Pr N tetraethylorthosilicate
  • cetyltrimethylammonium compounds like (CTMA) 2 O tetraethylorthosilicate or cetyltrimethylammonium compounds like
  • the crystallization solution according to the invention usually has water.
  • the molar proportion of water can be varied, taking care that the crystallization solution remains liquid, i.e. that gel formation should be avoided and that a minimum concentration in the crystallization solution is not fallen below, since otherwise no crystallization takes place would. In certain cases it may be necessary or advantageous to exchange the water for other compounds.
  • the synthesis of silica sodalite is carried out in the presence of ethylene glycol instead of in water.
  • the following table shows typical compositions of crystallization solutions and the type or structure of the active separation compound which can be synthesized from this crystallization solution.
  • the compositions given are only an exemplary selection, since the compounds mentioned can also be obtained despite a deviation from the compositions specified.
  • the composition of the crystallization solution can be more or less variable.
  • the zeolite of the ZSM-5 type can also be obtained if there are deviations in the composition of the crystallization solution of a component, in particular of silicon dioxide, of 100% or more.
  • the NaA zeolite type is only obtained if the deviations from the ideal composition of the crystallization solution are small. Two different possible compositions are given for the Zeolite-A and the ZSM-5 types.
  • compositions used for the production of zeolites are suitable.
  • a composition of 2 parts of SiO 2 leads to 2 parts of Na 2 O to one part of Al 2 O 3 and to 120 parts of water leads to an A-type zeolite and a composition of 10 parts of SiO 2 to 14 parts of Na 2 O. to one part Al 2 O 3 to 840 parts water to a zeolite of the X type.
  • many types of zeolites for example of the ZSM-5 type, A type, X type, Y type, etc., are suitable for achieving the desired pore size.
  • the pore sizes of the separating layer which can be achieved according to the invention can, depending on the compound selected for the separating layer, from 0.26 nm x 0.57 nm (mordenite) to 0.53 nm x 0.56 nm (ZSM-5) and 0, 76 nm x 0.64 nm (zeolite beta) up to 1.6 nm to 10.0 nm (mesoporous aluminosilicates).
  • the pore size and properties of the compounds can also be influenced by varying the composition, in particular the silicon to aluminum ratio.
  • a high Si / Al ratio often also referred to as a modulus, often leads to the zeolite having hydrophobic properties.
  • microporous silicate, microporous phosphate or microporous amorphous or crystalline mixed metal oxide depends on the desired pore size and the separation problem itself.
  • the membrane according to the invention can be used as a separation membrane in processes for separating mixtures of compounds or molecules.
  • the membrane according to the invention can be used as a separation membrane in processes for separating mixtures of compounds or molecules with the same molecular weight and different structure, such as, for example, in processes for separating n-butane and isobutane.
  • the membrane can also be used as a separating membrane in processes for separating particles, particles, compounds or molecules which have an average size of less than 10 nm.
  • the membrane according to the invention is also suitable for use as a separation membrane in processes for separating mixtures of molecules or compounds of the same molecular weight but different adsorption behavior on zeolite pore walls. at In this method, the different adsorption behavior of the compounds or molecules to be separated in the separation-active layer, which in this case preferably has at least one zeolitic compound, is used for the separation.
  • the membranes according to the invention are very particularly suitable for use as a separation membrane when carrying out pervaporation or vapor permeation processes. These methods are e.g. used in the separation of alcohol-water mixtures, in particular ethanol-water mixtures. During pervaporation, a liquid mixture is fed to the membrane and the permeate leaves the membrane on the other side as a vapor phase. In the case of vapor permeation, the mixture to be separated is already supplied to the membrane in vapor form.
  • the separation of ethanol-water mixtures by means of pervaporation is usually carried out at a temperature of 70 to 90 ° C., while the separation is carried out by means of vapor permeation at a temperature of more than 100 ° C.
  • a membrane according to the invention is particularly suitable as a separating membrane for these processes, since it has a higher temperature resistance than membranes based on organic polymers.
  • Example 1 shows a scanning electron micrograph of the carrier material treated in Example 1. Zeolite crystals can be seen on the surface of the carrier material, but the separation-active layer is located in the pores.
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of the fracture surfaces of the untreated carrier material. It can be clearly seen that pores are present in the carrier material.
  • FIG. 4 shows a scanning electron micrograph of a fracture surface of the carrier material treated in example 1. The pores which can be seen in FIG. 3 cannot be seen on this photograph, since the pores are filled with zeolite crystals.
  • FIG. 5 shows an X-ray diffraction diagram of the Al 2 O 3 support (a), the Al 2 O 3 / MFI membrane from Example 1 (b) and the reference data for MFI (c).
  • a comparison of the diffraction patterns shown in diagrams b and c confirms that the membrane according to Example 1 has zeolites of the MFI type.
  • Example 1 Preparation of an MFI-type zeolite membrane
  • a crystallization solution for the synthesis of an MFI-type zeolite was prepared.
  • 3.2 g of NaOH biscuits and 64 g of tetrapropylammonium bromide (TPABr) were dissolved in 172 g of distilled water.
  • This solution was mixed with 320 g of colloidal silica sol (Carl Roth GmbH Co, Düsseldorf) and homogenized by stirring.
  • the crystallization solution thus obtained had the molar composition SiO 2 100: 15 (TPA) 2 O: 5 Na 2 O: 1420 H 2 O.
  • This crystallization solution was slowly added dropwise to a serving as the support material flexible ceramic membrane.
  • a composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 ⁇ m and solidified at 350 ° C. for 10 minutes.
  • This planar, flexible, symmetrical ⁇ -Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
  • the infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Sufficient crystallization solution was then filled into the autoclave so that the carrier material was completely covered by the crystallization solution.
  • the hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 175 ° C over a period of 17 hours.
  • the membrane was removed from the autoclave with distilled water washed and dried at 120 ° C for 24 hours. The dried membrane was then calcined at a temperature of 540 ° C for 16 hours.
  • the heating rate was 1 Kmin 1 from room temperature to 250 ° C., 0.2 Kmin "1 from 250 ° C to 540 ° C.
  • the cooling rate was 0.2 Kmin " 1 , from 250 ° C to 540 ° C to 250 ° C to room temperature 1 Kmin "1 .
  • the membrane was examined by scanning electron microscopy.
  • the surface was partly covered with zeolite crystals that were closely intergrown with one another (FIG. 2).
  • the view of the fracture surfaces showed the complete crystallization of the separation-active layer made of zeolite within the pore structure of the carrier material (FIG. 4).
  • X-ray diffractometry it was demonstrated that the crystallization product was exclusively the zeolite of the MFI structure (FIG. 5).
  • Example 2 Preparation of an A-type zeolite membrane
  • a 22% sodium aluminate solution in water is mixed with a 34% solution of sodium silicate in water in a 1: 1 ratio to a crystallization solution.
  • This crystallization solution was slowly dripped onto a flexible ceramic membrane serving as a carrier material.
  • a composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 ⁇ m and solidified at 350 ° C. for 10 minutes.
  • This planar, flexible, symmetrical ⁇ -Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
  • the infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Sufficient crystallization solution was then filled into the autoclave so that the carrier material was completely covered by the crystallization solution.
  • the hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 170 ° C over a period of 17 hours.
  • the membrane was removed from the autoclave, washed with distilled water and dried at 120 ° C for 2 hours. A membrane was obtained which has a layer of the compound zeolite A as the separation-active layer.

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Abstract

The invention relates to an inorganic membrane which comprises a layer of crystals displaying molecular screening characteristics and acts as an active separating layer. The invention also relates to a method for the production of such membranes and the use thereof. Membranes are used for various chemical or physical processes e.g. material separation processes. Such membranes are often polymer-based.Said polymers are not particularly resistant to solvents and high temperatures. The aim of the invention is to provide an inorganic membrane. The inventive inorganic membrane consists of inorganic components and is characterized by a high degree of stability with respect to acids and high temperatures. According to the invention, a support material which is permeable with respect to materials is used and a crystal solution which contains the components for synthesis of zeolites is introduced therein. An active separating layer is crystallized in the support material as a result of said crystal solution. The inventive membrane can be used for the separation of materials, especially for separating gases. One advantage of the inventive membrane is that it can be embodied in a flexible form.

Description

Zeolith embrane, Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung der ZeolithmembraneZeolite embrane, process for its production and the use of the zeolite membrane
Beansprucht werden Zeolithmembrane, ein Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung der Zeolithmembrane.Zeolite membranes, a process for their production and the use of the zeolite membrane are claimed.
Ein in industriellen Verfahren häufig vorkommendes Problem ist die Stofftrennung, insbesondere die Trennung Mischungen aus Flüssigkeiten oder Gasen. Klassische Trennverfahren, wie z.B. Destillation, Extraktion oder Adsorption, sind relativ aufwendig. Insbesondere zur Gasseparation werden Trennverfahren unter Verwendung von Membranen eingesetzt. Zurzeit werden häufig organische Membranen eingesetzt, obwohl diese nur begrenzt einsetzbar sind, da ihre chemische, mechanische und thermische Stabilität begrenzt ist.A problem that frequently occurs in industrial processes is the separation of substances, in particular the separation of mixtures of liquids or gases. Classic separation processes, such as Distillation, extraction or adsorption are relatively complex. Separation processes using membranes are used in particular for gas separation. Organic membranes are currently frequently used, although these can only be used to a limited extent because their chemical, mechanical and thermal stability are limited.
In jüngerer Zeit sind keramische Materialien, die sich als Membran einsetzen lassen, entwickelt worden, die eine ausreichende Stabilität in Bezug auf chemische, mechanische oder thermische Einflüsse aufweisen. Damit diese Membrane zur Gasseparation eingesetzt werden können, müssen sie eine definierte maximale Porengröße aufweisen.More recently, ceramic materials that can be used as membranes have been developed that have sufficient stability with regard to chemical, mechanical or thermal influences. So that these membranes can be used for gas separation, they must have a defined maximum pore size.
Materialien mit definierten maximalen Porengrößen sind unter anderem Zeolithe. Je nach Zusammensetzung und/oder Herstellungsverfahren lassen sich Alumosilikate bzw. Zeolithe herstellen, die eine bestimmte Porengröße aufweisen. Dadurch, dass Zeolithe eine definierte Porengröße aufweisen, eignen sie sich zur Trennung von Verbindungen bzw. Molekülen, weshalb solche Verbindungen häufig auch Molekularsiebe genannt werden. Durch Kombination von Zeolithen mit anorganischen Membranen lassen sich Zeolithmembranen herstellen, die zur Trennung von bestimmten Gasgemischen geeignet sind.Materials with defined maximum pore sizes include zeolites. Depending on the composition and / or production process, aluminosilicates or zeolites can be produced which have a specific pore size. Because zeolites have a defined pore size, they are suitable for separating compounds or molecules, which is why such compounds are often also called molecular sieves. By combining zeolites with inorganic membranes, zeolite membranes can be produced that are suitable for the separation of certain gas mixtures.
Es sind bereits zahlreiche Versuche zur Herstellung und Verwendung von Kombinationen aus Membranen und Zeolithen beschrieben worden. Üblicherweise erfolgt die Herstellung solcher kombinierter Membranen nach einem Verfahren, bei welchem auf eine anorganische Membran durch Hydrothermalsynthese in einer Kristallisationslösung nach heterogener Keimbildung eine Zeolithschicht auf die Membran aufkristallisiert wird. Für die Trennung von Gemischen aus n-Butan und iso-Butan werden als Kriterium für eine gute Membranqualität Trennfaktoren von > 10 bei 100 kPa und 200 °C für Silikalit-1- und ZSM-5- Membrane angegeben. Eine auf einen planaren α-Al2O3-Träger aufkristallisierte Silikalit-1- Membran zeigte einen Trennfaktor von 11 (Vroon, Keizer, Burggraaf, Verweij; J. Membr. Sei. 144 (1998) 65-76). Ähnlich gute Ergebnisse erzielten Giroir-Fendler et al., Stud. Surf. Sei. Catal. 111 (1996) 127 und Kusakabe et al. J. Membr. Sei. 116 (1996) 39, an tubularen α-Al2O3- Trägern.Numerous attempts to produce and use combinations of membranes and zeolites have been described. Such combined membranes are usually produced by a process in which a zeolite layer is crystallized onto the membrane on an inorganic membrane by hydrothermal synthesis in a crystallization solution after heterogeneous nucleation. For the separation of mixtures of n-butane and isobutane, separation factors of> 10 at 100 kPa and 200 ° C for silicalite-1 and ZSM-5 membranes are given as the criterion for good membrane quality. A silicalite-1 membrane crystallized onto a planar α-Al 2 O 3 support showed a separation factor of 11 (Vroon, Keizer, Burggraaf, Verweij; J. Membr. Sei. 144 (1998) 65-76). Giroir-Fendler et al., Stud. Surf achieved similarly good results. Be. Catal. 111 (1996) 127 and Kusakabe et al. J. Membr. Be. 116 (1996) 39, on tubular α-Al 2 O 3 supports.
In geringem Umfang werden solche Membrane schon kommerziell vertrieben. So beschreibt die Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. in der europäischen Patentanmeldung EP 0659469 die Erzeugung von Zeolith-A-Membranen durch Kristallisation von Zeolithen auf einen porösen Träger, vorzugsweise einen Aluminiumoxid-Träger. Bei der pervaporativen Trennung von Gemischen aus Ethanol und Wasser werden mit dieser Membran bei 105 °C Trennfaktoren größer 10000 bei einer Flussrate von ca. 4 kg/m2-h-bar erreicht.Such membranes are already being sold commercially to a small extent. Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., for example, in European patent application EP 0659469 describes the production of zeolite A membranes by crystallizing zeolites on a porous support, preferably an alumina support. In the pervaporative separation of mixtures of ethanol and water, separation factors greater than 10,000 are achieved with this membrane at 105 ° C at a flow rate of approx. 4 kg / m 2 -h-bar.
Durchgesetzt hat sich die industrielle Verwendung solcher Membrane aber bisher noch nicht, da trotz akzeptabler Trennleistungen die Herstellung solcher Membrane zeit- und kostenintensiv ist. Dies liegt insbesondere daran, dass die Anzahl der synthesebedingten Membrandefekte nur dadurch minimiert werden kann, dass der Herstellungsprozess, also das Aufkristallisieren mehrfach wiederholt wird. Dies fuhrt außerdem zu einer Erhöhung der Membrandicke, damit zu einer Verminderung der Flussraten bei der Stofftrennung und somit wird die Verwendung dieser Membrane in Separationsverfahren uneffektiver.However, the industrial use of such membranes has not yet established itself, since the manufacture of such membranes is time-consuming and cost-intensive despite acceptable separation performance. This is due in particular to the fact that the number of membrane defects due to synthesis can only be minimized by repeating the manufacturing process, ie the crystallization, several times. This also leads to an increase in the membrane thickness, thus to a decrease in the flow rates in the separation of materials and thus the use of this membrane in separation processes becomes ineffective.
In neuerer Zeit wird versucht, Zeolithmembrane innerhalb einer keramischen Schicht zu synthetisieren. So beschrieben Hofϊmann et al. auf der 12. Deutschen Zeolith-Tagung 2000 auf einem Poster das ein neues Verfahren getestet wurde, mit welchem es gelingen sollte, eine Zeolithmembran in den Poren eines porösen Trägers zu synthetisieren. Bei diesem Verfahren wird eine Zeolithsyntheselösung in den Träger infiltriert und erst danach erfolgt eine hydrothermale Behandlung der Probe. Es wurden keine weiteren Angaben über die Herstellungsparameter gemacht. Es konnte auch nicht der Nachweis erbracht werden, dass die so hergestellten Membrane für die Separation von Flüssigkeiten oder Gasen geeignet sind. Moueddeb et al. (eingereicht bei J. Membr. Sei.) beschreiben ebenso wie die PCT-Anmeldung WO 95/29751 die Herstellung einer Zeolithmembran in den Poren eines zylindrischen Trägers auf Aluminiumoxid-Basis. Die Überprüfung ergibt, dass es möglich ist, eine nahezu defektfreie Zeolithmembran in den Poren eines zylindrischen Trägers auf Aluminiumoxid-Basis herzustellen.In recent times attempts have been made to synthesize zeolite membranes within a ceramic layer. Hofϊmann et al. at the 12th German Zeolite Conference 2000 on a poster that tested a new process with which it should be possible to synthesize a zeolite membrane in the pores of a porous support. In this method, a zeolite synthesis solution is infiltrated into the carrier and only then is the sample subjected to hydrothermal treatment. No further details were given about the manufacturing parameters. It was also not possible to prove that the membranes produced in this way are suitable for the separation of liquids or gases. Moueddeb et al. (submitted to J. Membr. Sei.), like PCT application WO 95/29751, describe the production of a zeolite membrane in the pores of a cylindrical support based on aluminum oxide. The examination shows that it is possible to produce an almost defect-free zeolite membrane in the pores of a cylindrical carrier based on aluminum oxide.
Die beschriebenen Methoden zur Herstellung von Zeolithmembranen haben den Nachteil, dass sie zu Zeolithmembranen führen, die mechanisch nur sehr gering belastbar sind. Zudem ist die Herstellung solcher Zeolithmembrane relativ aufwendig und damit teuer, weshalb ein industrieller Einsatz solcher Membrane, z.B. zur Gasseparation, bis jetzt noch nicht erfolgt.The methods described for the production of zeolite membranes have the disadvantage that they lead to zeolite membranes which can only be subjected to very low mechanical loads. In addition, the production of such zeolite membranes is relatively complex and therefore expensive, which is why an industrial use of such membranes, e.g. for gas separation, has not yet taken place.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Zeolithmembran, die relativ unempfindlich gegen mechanische Belastungen ist und einfach und günstig herzustellen ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.The object of the present invention was therefore to provide a zeolite membrane which is relatively insensitive to mechanical loads and is simple and inexpensive to manufacture, and to provide a process for the production thereof.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch Einbringen einer Kristallisationslösung in ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und anschließende Kristallisation einer trennaktiven Schicht in dem Trägermaterial eine keramische Membran erhalten werden kann, die verbesserte Eigenschaften bezüglich mechanischer und chemischer Stabilität aufweist, als herkömmliche Membranen, wobei die Eigenschaften unter anderem von der verwendeten Kristallisationslösung und damit z.B. vom hergestellten Zeolith-Typen abhängig sind.Surprisingly, it was found that by introducing a crystallization solution into a permeable carrier material and then crystallizing a separation-active layer in the carrier material, a ceramic membrane can be obtained which has improved properties with regard to mechanical and chemical stability than conventional membranes, the properties of which differ, inter alia, from used crystallization solution and thus eg depend on the type of zeolite produced.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Membran, die ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und eine trennaktive Schicht aufweist, nach Anspruch 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membran zumindest eine trennaktive Schicht in dem stoffdurchlässigen Trägermaterial aufweist.The present invention therefore relates to a membrane which has a permeable carrier material and a release-active layer according to claim 1, which is characterized in that the membrane has at least one release-active layer in the permeable carrier material.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Membran mit zumindest einer trennaktiven Schicht in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial nach Anspruch 2, die durch Einbringen einer Kristallisationslösung, welche die zur Synthese der trennaktiven Schicht notwendigen Komponenten aufweist, in ein Trägermaterial, wobei die in den Poren des Trägermaterial vorhandenen Gase von der Kristallisationslösung aus dem Trägermaterial verdrängt werden, und anschließende Kristallisation der trennaktiven Schicht im Trägermaterial erhältlich ist.The present invention also relates to a membrane with at least one release-active layer in a permeable carrier material according to claim 2, which by introducing a crystallization solution, which has the components necessary for the synthesis of the release-active layer, into a carrier material, the ones present in the pores of the carrier material Gases from the crystallization solution from the carrier material are displaced, and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material is available.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Verfahren zur Herstellung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial eine trennaktive Schicht synthetisiert wird.The present invention also relates to a method for producing a membrane according to at least one of claims 1 to 21, which is characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Abtrennung von Verbindungen oder Molekülen, die eine durchschnittliche Größe von kleiner 10 um aufweisen.The present invention also relates to the use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of compounds or molecules which have an average size of less than 10 μm.
Die erfindungsgemäßen Membrane haben den Vorteil, dass Sie je nach Verwendungszweck deutlich haltbarer sind als bis jetzt zur Verfügung stehende Membrane mit ähnlichen Eigenschaften wie die der erfindungsgemäßeh Membrane.The membrane according to the invention has the advantage that, depending on the intended use, it is significantly more durable than the membrane available to date with properties similar to those of the membrane according to the invention.
Die erfindungsgemäßen Membrane haben außerdem den Vorteil, dass als Trägermaterialien, in welche die Schicht aus trennaktiven Kristallen eingebracht wird, preiswerte Materialien verwendet werden können.The membrane according to the invention also has the advantage that inexpensive materials can be used as carrier materials into which the layer of separating crystals is introduced.
Die erfindungsgemäßen Membrane zeichnen sich zusätzlich durch hervorragende Trenneigenschaften aus. Da die trennaktive Schicht sehr dünn ist, weist die erfindungsgemäße Membran trotz hoher Selektivität der Trennung einen großen Permeatfluss auf. Das gute Trennverhalten wird außerdem auch dadurch erzielt, dass die trennaktive Kristallschicht an ihren Kristallkorngrenzen so dicht ist, dass keine ungewollten Stoffdurchgänge möglich sind.The membranes according to the invention are additionally distinguished by excellent separation properties. Since the separation-active layer is very thin, the membrane according to the invention has a large permeate flow despite the high selectivity of the separation. The good separation behavior is also achieved in that the separation-active crystal layer is so dense at its crystal grain boundaries that no unwanted material passages are possible.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Membran ist der, dass die Membran je nach verwendetem Trägermaterial flexibel und biegbar ist, ohne dass die guten Trenneigenschaften verloren gehen. Besonders vorteilhaft ist außerdem, dass die erfindungsgemäße Membran nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr preiswert auch in großen Flächen hergestellt werden kann.A further advantage of the membrane according to the invention is that the membrane is flexible and bendable, depending on the carrier material used, without the good separation properties being lost. It is also particularly advantageous that the membrane according to the invention can be produced very inexpensively even in large areas by the method according to the invention.
Das Herstellverfahren für die erfindungsgemäßen Membrane ist einfach und wirtschaftlich, da es keinen besonderen technischen Aufwand erfordert.The manufacturing process for the membrane according to the invention is simple and economical since it does not require any special technical effort.
Die erfindungsgemäße Membran wird im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass die Membran auf diese Ausführungsarten beschränkt sein soll.The membrane according to the invention is described below by way of example, without the membrane being restricted to these embodiments.
Die erfindungsgemäße Membran, die ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und zumindest eine trennaktive Schicht aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Membran zumindest eine trennaktive Schicht in dem stoffdurchlässigen Trägermaterial aufweist.The membrane according to the invention, which has a permeable carrier material and at least one separating layer, is characterized in that the membrane has at least one separating layer in the permeable carrier material.
Erfindungsgemäße Membranen mit zumindest einer trennaktiven Schicht in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial sind durch Einbringen einer Kristallisationslösung, welche die zur Synthese der trennaktiven Schicht notwendigen Komponenten aufweist, in ein Trägermaterial, wobei die in den Poren des Trägermaterial vorhandenen Gase von der Kristallisationslösung aus dem Trägermaterial verdrängt werden, und anschließende Kristallisation der trennaktiven Schicht im Trägermaterial erhältlich.Membranes according to the invention with at least one separation-active layer in a permeable carrier material are introduced into a carrier material by introducing a crystallization solution which has the components necessary for the synthesis of the separation-active layer, the gases present in the pores of the carrier material being displaced from the carrier material by the crystallization solution. and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material.
Unter einer Membran wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Werkstoff verstanden, der zur Trennung von Stoffen geeignet ist und somit für Teilchen bis zu einer bestimmten Größe durchlässig und für größere Teilchen undurchlässig ist.For the purposes of the present invention, a membrane is understood to be a material which is suitable for separating substances and is therefore permeable to particles up to a certain size and impermeable to larger particles.
Unter trennaktiver Schicht wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Schicht verstanden, an welcher die eigentliche Stofftrennung stattfindet. Die maximale Porengröße der trennaktiven Schicht bestimmt deshalb die Größe der Teilchen, für welche die Membran gerade noch durchlässig ist. Das in der erfindungsgemäßen Membran vorhandene stoffdurchlässige Trägermaterial kann Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien umfassen. Vorzugsweise weist das stoffdurchlässige Trägermaterial Gewebe, Vliese, Sinterpulver oder Sinterfasern aus Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien auf. Ebenso kann das stoffdurchlässige Trägermaterial Gewebe oder Vliese aus Kohlenstoffgewebe aufweisen. Das stoffdurchlässige Trägermaterial kann auch ein Material sein, welches selbst als Mikrofiltrationsmembran, Ultrafiltrationsmembran, Nanofiltrationsmembran oder Gasseparationsmembran verwendet werden kann. Es sind also auch solche Materialkombination als Trägermaterial verwendbar, bei welchen eine Mikro-, Nano- und/oder Ultrafiltrationsmembran als Schicht auf und/oder in einen Träger oder in und/oder auf eine Mikro-, Nano- und/oder Ultrafiltrationsmembran aufgebracht wurde.For the purposes of the present invention, the separating layer is understood to be the layer on which the actual material separation takes place. The maximum pore size of the separation-active layer therefore determines the size of the particles for which the membrane is just permeable. The permeable carrier material present in the membrane according to the invention can comprise metal, glass, ceramic or a combination of these materials. The permeable carrier material preferably has woven fabrics, nonwovens, sintered powder or sintered fibers made of metal, glass, ceramic or a combination of these materials. Likewise, the permeable carrier material can have woven or non-woven fabrics made of carbon woven fabric. The permeable carrier material can also be a material which itself uses as a microfiltration membrane, ultrafiltration membrane, nanofiltration membrane or gas separation membrane can be. It is also possible to use material combinations in which a micro, nano and / or ultrafiltration membrane has been applied as a layer on and / or in a support or in and / or on a micro, nano and / or ultrafiltration membrane.
Die Herstellung solcher Materialien bzw. Materialkombinationen wird z.B. in den PCT- Anmeldungen WO 96/00198, WO 99/15262 oder WO 99/15272 beschrieben. All diese Materialien basieren auf Verbundwerkstoffen, die ein anorganisches bzw. keramisches Material aufgebracht auf und in einen porösen Träger aufweisen. Die erfindungsgemaße Membran kann als Trägermaterial sowohl die nachfolgend beschriebenen Verbundwerkstoffe als auch die diesen zu Grunde liegenden Träger aufweisen.The production of such materials or material combinations is e.g. described in PCT applications WO 96/00198, WO 99/15262 or WO 99/15272. All of these materials are based on composite materials that have an inorganic or ceramic material applied to and in a porous carrier. The membrane according to the invention can have both the composite materials described below and the supports on which they are based as the carrier material.
Die Verbundwerkstoffe weisen als Basis zumindest einen durchbrochenen und stoffdurchlässigen Träger auf. Auf zumindest einer Seite des Trägers und im Inneren des Trägers weist der Träger zumindest eine anorganische Komponente auf, die im Wesentlichen zumindest eine Verbindung aus einem Metall, einem Halbmetall oder einem Mischmetall mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe aufweist. Unter dem Inneren eines Trägers werden in die Hohlräume oder Poren in einem Träger verstanden.The composite materials have at least one perforated and permeable support as the basis. On at least one side of the carrier and in the interior of the carrier, the carrier has at least one inorganic component which essentially has at least one compound composed of a metal, a semimetal or a mixed metal with at least one element from the 3rd to 7th main group. The interior of a carrier is understood to be the cavities or pores in a carrier.
Die Verbundwerkstoffe können durch Aufbringen einer Suspension, die zumindest eine, eine Verbindung zumindest eines Metalls, eines Halbmetalls oder eines Mischmetalls mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe aufweisende, anorganische Komponente und ein Sol aufweist, auf eine durchbrochenen und stoffdurchlässigen Träger, und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die zumindest eine anorganische Komponente aufweisende Suspension auf oder im oder auf und im Träger verfestigt wird, erhalten werden.The composite materials can, by applying a suspension which has at least one inorganic component and a sol comprising at least one, a compound of at least one metal, a semi-metal or a mixed metal with at least one element of the 3rd to 7th main group, on a perforated and permeable carrier, and by at least one heating, in which the suspension having at least one inorganic component is solidified on or in or on and in the carrier.
Die Verbundwerkstoffe können aber auch durch Gasphasenabscheidung, Imprägnation oder Copräcipitation erhalten werden.However, the composite materials can also be obtained by vapor deposition, impregnation or coprecipitation.
Die Verbundwerkstoffe können für Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten durchlässig sein, insbesondere für Teilchen mit einer Größe von kleiner 10 nm. Die Zwischenräume in den Verbundwerkstoffen können Poren, Maschen, Löcher, Kristallgitterzwischenräume oder Hohlräume sein. Der Träger kann zumindest ein Material, ausgewählt aus Kohlenstoff, Metallen, Legierungen, Glas, Keramiken, Mineralien, Kunststoffen, amorphen Substanzen, Naturprodukten, Verbundstoffen oder aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, aufweisen. Die Träger, welche die vorgenannten Materialien aufweisen können, können durch eine chemische, thermische oder einer mechanischen Behandlungsmethode oder einer Kombination der Behandlungsmethoden modifiziert worden sein. Vorzugsweise weisen die Verbundwerkstoffe einen Träger, der zumindest ein Metall, eine Naturfaser oder einen Kunststoff aufweist auf, der nach zumindest einer mechanischen Verformungstechnik bzw. Behandlungsmethode, wie z.B. Ziehen, Stauchen, Walken, Walzen, Recken oder Schmieden modifiziert wurde. Ganz besonders bevorzugt weisen die Verbundwerkstoffe zumindest einen Träger, der zumindest verwobene, verklebte, verfilzte oder keramisch gebundene Fasern, oder zumindest gesinterte oder verklebte Formkörper, Kugeln oder Partikel aufweist, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann ein perforierter Träger verwendet werden. Stoffdurchlässige Träger können auch solche sein, die durch Laserbehandlung oder Ionenstrahlbehandlung stoffdurchlässig werden oder gemacht worden sind.The composite materials can be permeable to gases, solids or liquids, in particular to particles with a size of less than 10 nm. The spaces in the Composite materials can be pores, meshes, holes, crystal lattice interstices or cavities. The carrier can have at least one material selected from carbon, metals, alloys, glass, ceramics, minerals, plastics, amorphous substances, natural products, composite materials or from at least a combination of these materials. The carriers, which may have the aforementioned materials, may have been modified by a chemical, thermal or mechanical treatment method or a combination of the treatment methods. The composite materials preferably have a carrier which has at least one metal, a natural fiber or a plastic which has been modified by at least one mechanical deformation technique or treatment method, such as, for example, drawing, upsetting, milling, rolling, stretching or forging. The composite materials very particularly preferably have at least one carrier which has at least woven, bonded, matted or ceramic-bonded fibers, or at least sintered or bonded shaped bodies, balls or particles. In a further preferred embodiment, a perforated carrier can be used. Permeable supports can also be those which become permeable or have been made by laser treatment or ion beam treatment.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Träger Fasern aus zumindest einem Material, ausgewählt aus Kohlenstoff, Metallen, Legierungen, Keramiken, Glas, Mineralien, Kunststoffen, amorphen Substanzen, Verbundstoffen und Naturprodukten oder Fasern aus zumindest einer Kombination dieser Materialien, wie z.B. Asbest, Glasfasern, Steinwollfasern, Kohlefasern, Metalldrähte, Stahldrähte, Polyamidfasern, Kokosfasern, beschichtete Fasern, aufweist. Vorzugsweise werden Träger verwendet, die zumindest verwobene Fasern aus Metall oder Legierungen aufweisen. Als Fasern aus Metall können auch Drähte dienen. Ganz besonders bevorzugt weisen die Verbundwerkstoffe einen Träger auf, der zumindest ein Gewebe aus Stahl oder Edelstahl, wie z.B. aus Stahldrähten, Stahlfasern, Edelstahldrähten oder Edelstahlfasern durch Weben hergestellte Gewebe, aufweist, welche vorzugsweise eine Maschenweite von 5 bis 500 μm, besonders bevorzugt Maschenweiten von 50 bis 500μm und ganz besonders bevorzugt Maschenweiten von 70 bis 120 μm, aufweisen. Der Träger der Verbundwerkstoffe kann aber auch zumindest ein Streckmetall mit einer Porengröße von 5 bis 500 μm aufweisen. Erfindungsgemäß kann der Träger aber auch zumindest ein körniges, gesintertes Metall, ein gesintertes Glas oder ein Metallvlies mit einer Porenweite von 0,1 μm bis 500 μm, vorzugsweise von 3 bis 60 μm, aufweisen.It can be advantageous if the carrier fibers from at least one material selected from carbon, metals, alloys, ceramics, glass, minerals, plastics, amorphous substances, composites and natural products or fibers from at least a combination of these materials, such as asbestos, glass fibers , Rock wool fibers, carbon fibers, metal wires, steel wires, polyamide fibers, coconut fibers, coated fibers. Carriers are preferably used which have at least woven fibers made of metal or alloys. Wires can also serve as fibers made of metal. The composite materials very particularly preferably have a carrier which has at least one fabric made of steel or stainless steel, such as fabric made from steel wires, steel fibers, stainless steel wires or stainless steel fibers by weaving, which preferably has a mesh size of 5 to 500 μm, particularly preferably mesh sizes of 50 to 500 μm and very particularly preferably have mesh sizes of 70 to 120 μm. The carrier of the composite materials can also have at least one expanded metal with a pore size of 5 to 500 μm. According to the invention, however, the carrier can also have at least one granular, sintered metal, a sintered glass or a metal fleece with a pore size of 0.1 μm to 500 μm, preferably 3 to 60 μm.
Die Verbundwerkstoffe weisen vorzugsweise einen Träger auf, der zumindest Aluminium, Silicium, Kobalt, Mangan, Zink, Vanadium, Molybdän, Indium, Blei, Wismut, Silber, Gold, Nickel, Kupfer, Eisen, Titan, Platin, Edelstahl, Stahl, Messing, eine Legierung aus diesen Materialien oder ein mit Au, Ag, Pb, Ti, Ni, Cr, Pt, Pd, Rh, Ru und/oder Ti beschichtetes Material aufweist.The composite materials preferably have a carrier which contains at least aluminum, silicon, cobalt, manganese, zinc, vanadium, molybdenum, indium, lead, bismuth, silver, gold, nickel, copper, iron, titanium, platinum, stainless steel, steel, brass, an alloy of these materials or a material coated with Au, Ag, Pb, Ti, Ni, Cr, Pt, Pd, Rh, Ru and / or Ti.
Die in den Verbundwerkstoffen vorhandene anorganische Komponente kann zumindest eine Verbindung aus zumindest einem Metall, Halbmetall oder Mischmetall mit zumindest einem Element der 3. bis 7. Hauptgruppe des Periodensystems oder zumindest eine Mischung dieser Verbindungen aufweisen. Dabei können die Verbindungen der Metalle, Halbmetalle oder Mischmetalle zumindest Elemente der Nebengruppenelemente und der 3. bis 5. Hauptgruppe oder zumindest Elemente der Nebengruppenelemente oder der 3. bis 5. Hauptgruppe aufweisen, wobei diese Verbindungen eine Korngröße von 0,001 bis 25 μm aufweisen. Vorzugsweise weist die anorganische Komponente zumindest eine Verbindung eines Elementes der 3. bis 8. Nebengruppe oder zumindest eines Elementes der 3. bis 5. Hauptgruppe mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge, Si, C, Ga, AI oder B oder zumindest eine Verbindung eines Elementes der 3. bis 8. Nebengruppe und zumindest eines Elementes der 3. bis 5. Hauptgruppe mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge, Si, C, Ga, AI oder B oder eine Mischung dieser Verbindungen auf. Besonders bevorzugt weist die anorganische Komponente zumindest eine Verbindung zumindest eines der Elemente Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, AI, Ga, In, TI, Si, Ge, Sn, Pb, Sb oder Bi mit zumindest einem der Elemente Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, C, Si, Ge oder Ga, wie z.B. TiO2, Al2O3, SiO2, ZrO2, Y2O3, BC, SiC, Fe3O4, SiN, SiP, Nitride, Sulfate, Phosphite, Silicide, Spinelle oder Yttriumaluminiumgranat, oder eines dieser der Elemente selbst auf. Die anorganische Komponente kann auch Alumosilicate, Aluminiumphospate, Zeolithe oder partiell ausgetauschte Zeolithe, wie z.B. ZSM-5, Na-ZSM-5 oder Fe-ZSM-5 oder amorphe mikroporöse Mischoxide, die bis zu 20 % nicht hydrolisierbare organische Verbindungen enthalten können, wie z.B. Vanadinoxid-Siliziumoxid-Glas oder Aluminiumoxid-Siliciumoxid-Methylsiliciumsesquioxid- Gläser, aufweisen.The inorganic component present in the composite materials can have at least one compound of at least one metal, semimetal or mixed metal with at least one element from the 3rd to 7th main group of the periodic table or at least a mixture of these compounds. The compounds of the metals, semimetals or mixed metals can have at least elements of the subgroup elements and the 3rd to 5th main group or at least elements of the subgroup elements or the 3rd to 5th main group, these compounds having a grain size of 0.001 to 25 μm. The inorganic component preferably has at least one compound of an element of the 3rd to 8th subgroup or at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, Ge , Si, C, Ga, AI or B or at least one connection of an element of the 3rd to 8th subgroup and at least one element of the 3rd to 5th main group with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As , P, N, Ge, Si, C, Ga, Al or B or a mixture of these compounds. The inorganic component particularly preferably has at least one compound of at least one of the elements Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, B, Al, Ga, In, TI, Si, Ge , Sn, Pb, Sb or Bi with at least one of the elements Te, Se, S, O, Sb, As, P, N, C, Si, Ge or Ga, such as TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , BC, SiC, Fe 3 O 4 , SiN, SiP, nitrides, sulfates, phosphites, silicides, spinels or yttrium aluminum garnet, or one of these elements itself. The inorganic component can also be aluminosilicates, aluminum phosphates, zeolites or partially exchanged zeolites such as ZSM-5, Na-ZSM-5 or Fe-ZSM-5 or amorphous microporous mixed oxides, which can contain up to 20% non-hydrolyzable organic compounds, such as e.g. vanadium oxide-silicon oxide glass or aluminum oxide-silicon oxide-methyl silicon sesquioxide- Glasses.
Vorzugsweise liegt zumindest eine anorganische Komponente in einer Korngrößenfraktion mit einer Korngröße von 1 bis 250 nm oder mit einer Korngröße von 260 bis 10000 um vor.At least one inorganic component is preferably present in a grain size fraction with a grain size of 1 to 250 nm or with a grain size of 260 to 10,000 μm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die verwendeten Verbundwerkstoffe zumindest zwei Korngrößenfraktionen von zumindest einer anorganischen Komponente aufweisen. Das Korngrößenverhältnis der Korngrößenfraktionen im Verbundwerkstoff beträgt von 1:1 bis 1: 10000, vorzugsweise von 1:1 bis 1:100. Das Mengenverhältnis der Korngrößenfraktionen in dem Verbundwerkstoff kann vorzugsweise von 0,01 zu 1 bis 1 zu 0,01 betragen.It can be advantageous if the composite materials used have at least two grain size fractions of at least one inorganic component. The grain size ratio of the grain size fractions in the composite material is from 1: 1 to 1: 10000, preferably from 1: 1 to 1: 100. The quantitative ratio of the grain size fractions in the composite material can preferably be from 0.01 to 1 to 1 to 0.01.
Die Stoffdurchlässigkeit der Verbundwerkstoffe kann durch die Korngröße der verwendeten anorganischen Komponente auf Teilchen mit einer bestimmten maximalen Größe begrenzt werden.The permeability of the composite materials can be limited by the grain size of the inorganic component used to particles with a certain maximum size.
Die zumindest eine anorganische Komponente aufweisende Suspension, mit welcher die Verbundwerkstoffe erhalten werden können, kann zumindest eine Flüssigkeit, ausgewählt aus Wasser, Alkohol und Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten aufweisen.The suspension having at least one inorganic component, with which the composite materials can be obtained, can have at least one liquid selected from water, alcohol and acid or a combination of these liquids.
Der erfindungsgemäß als Trägermaterial verwendbare stoffdurchlässige Verbundwerkstoff kann eine aufgebrachte Schicht aus Verbindungen aus der Gruppe der Zeolithe, der amorphen Mischmetalloxide, der Silikalite, Alumosilikate, Aluminiumphosphate, der partiell ausgetauschten Zeolithe oder einer Mischung aus Verbindungen dieser Gruppe aufweisen. Ganz besonders bevorzugt kann als stoffdurchlässiges Trägermaterial ein Material verwendet werden, welches durch Aufbringen einer Suspension aus Zeolith-Partikeln in einem Sol oder einem Zeolith-Partikel aufweisendem Sol auf einen porsösen Träger und anschließendes Verfestigen erhalten wird. Solche Zeolith aufweisenden Trägermaterialien, die auch auf andere Weise erhalten werden können, weisen vorzugsweise dieselbe Zeolithverbindung auf, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in dem Trägermaterial synthetisiert werden soll. Auf diese Weise kann eine größere trennaktive Oberfläche erhalten werden, da die trennaktive Schicht nicht nur zwischen den Poren des Trägermaterials vorhanden ist sondern auch das Trägermaterial selbst teilweise trennaktiv ist.The permeable composite material which can be used according to the invention as the carrier material can have an applied layer of compounds from the group of the zeolites, the amorphous mixed metal oxides, the silicalites, aluminum silicates, aluminum phosphates, the partially exchanged zeolites or a mixture of compounds from this group. A material which is obtained by applying a suspension of zeolite particles in a sol or a sol comprising zeolite particles to a porous support and then solidifying can very particularly preferably be used as the permeable support material. Such zeolite-containing carrier materials, which can also be obtained in another way, preferably have the same zeolite compound that is to be synthesized in the carrier material by the process according to the invention. In this way, a larger release-active surface can be obtained, since the release-active layer is not only present between the pores of the support material but also the support material itself is partially active.
Der Verbundwerkstoff weist eine mittlere Porengröße von kleiner 2000 nm, vorzugsweise von kleiner 500 nm und ganz besonders bevorzugt von kleiner 10 nm auf. Die mittlere Porengröße ist im Sinne der Erfindung definiert als das arithmetische Mittel der durch Quecksilberporösimetrie bestimmten Porengrößenverteilung. Die maximale Porengröße ist im Sinne der Erfindung so definiert, dass der Verbundwerkstoff nur für Teilchen von einer Größe die kleiner als die maximale Porengröße ist durchlässig ist.The composite material has an average pore size of less than 2000 nm, preferably less than 500 nm and very particularly preferably less than 10 nm. The mean pore size is defined in the sense of the invention as the arithmetic mean of the pore size distribution determined by mercury porosimetry. The maximum pore size is defined in the sense of the invention in such a way that the composite material is permeable only for particles of a size that is smaller than the maximum pore size.
Der Verbundwerkstoff kann zumindest eine katalytisch aktive Komponente aufweisen. Die katalytisch aktive Komponente kann mit der anorganischen Komponente identisch sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die anorganische Komponente an der Oberfläche katalytisch aktive Zentren aufweist.The composite material can have at least one catalytically active component. The catalytically active component can be identical to the inorganic component. This applies in particular if the inorganic component has catalytically active centers on the surface.
Vorzugsweise weist der Verbundwerkstoff als katalytisch aktive Komponente zumindest ein anorganisches Material, zumindest ein Metall oder zumindest eine metallorganische Verbindung auf, an deren Oberfläche sich katalytisch aktive Zentren befinden. Der Verbundwerkstoff kann als katalytische Komponente auch ein Zeolith, wie z.B. ZSM-5, Fe-ZSM-5, Silikalit oder ein amorphes mikroporöses Mischoxid, wie sie z.B. in DE 195 45 042 und/oder DE 195 06 843 beschrieben werden, wie z.B. Vanadinoxid-Siliziumoxid-Glas oder Aluminiumoxid- Siliciumoxid-Methylsiliciumsesquioxid-Gläser, aufweisen.As a catalytically active component, the composite material preferably has at least one inorganic material, at least one metal or at least one organometallic compound, on the surface of which there are catalytically active centers. The composite material can also be a zeolite, e.g. ZSM-5, Fe-ZSM-5, silicalite or an amorphous microporous mixed oxide, e.g. be described in DE 195 45 042 and / or DE 195 06 843, e.g. Vanadium oxide-silicon oxide glass or aluminum oxide-silicon oxide-methyl silicon sesquioxide glasses.
Der Verbundwerkstoff kann als katalytisch aktive Komponente aber auch zumindest ein Oxid zumindest eines der Elemente Mo, Sn, Zn, V, Mn, Fe, Co, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Ru, Re, Cr, W, Nb, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Gd, Ga, In, TI, Ag, Cu, Li, K, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, AI und Si aufweisen.As a catalytically active component, however, the composite material can also have at least one oxide of at least one of the elements Mo, Sn, Zn, V, Mn, Fe, Co, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Ru, Re, Cr, W, Nb, Ti, Zr, Hf, La, Ce, Gd, Ga, In, TI, Ag, Cu, Li, K, Na, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, AI and Si.
Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn der als Trägermaterial verwendete Verbundwerkstoff als katalytisch aktive Komponente zumindest eine Metallverbindung, ausgewählt aus den Verbindungen der Metalle Bi, Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Os, Re,It can also be advantageous if the composite material used as the carrier material as the catalytically active component has at least one metal compound selected from the compounds of the metals Bi, Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, Os, Re,
Cu, Fe, Ni, Pd und Co, oder zumindest ein Metall, ausgewählt aus den Metallen Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Os, Re, Fe, Cu, Ni, Pd und Co, aufweist.Cu, Fe, Ni, Pd and Co, or at least one metal selected from the metals Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ag, Os, Re, Fe, Cu, Ni, Pd and Co.
Der in der erfindungsgemäßen Membran als Trägermaterial verwendete Verbundwerkstoff ist vorzugsweise ohne Zerstörung des Verbundwerkstoffes, biegbar bzw. flexibel ausgeführt. Vorzugsweise ist der Verbundwerkstoff auf einen kleinsten Radius von bis zu 2 cm biegbar.The composite material used as the carrier material in the membrane according to the invention is preferably designed to be bendable or flexible without destroying the composite material. The composite material can preferably be bent to a minimum radius of up to 2 cm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das stoffdurchlässige Trägermaterial eine homogene Porosität aufweist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn das stoffdurchlässige Trägermaterial eine inhomogene Porosität aufweist. Besonders bevorzugt weist das stoffdurchlässige Trägermaterial Bereiche mit größerer und Bereiche mit kleinerer Porosität auf. Ganz besonders bevorzugt ist das Trägermaterial schichtartig aus Bereichen mit größerer und Bereichen mit kleinerer Porosität aufgebaut. Die Porosität beim Übergang von einer Schicht zur nächsten Schicht nimmt vorzugsweise zu oder ab, sodass ein Porösitätsgradient im Trägermaterial vorhanden ist. Unter einem Stoff, der eine homogene Porosität im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist, wird eine Stoff verstanden, der an den Stellen, an denen er Poren aufweist, Poren gleicher oder nahezu gleicher Größe aufweist. Ein erfindungsgemäßes Trägermaterial, welches aus einem Drahtnetz mit aufgebrachter Keramik besteht wird dann als Trägermaterial mit homogener Porosität verstanden, wenn die Keramik Poren mit einer im wesentlichen gleichen Porengröße aufweist. Ein erfindungsgemäßes Trägermaterial, welches aus einem Drahtnetz mit einer aufgebrachten Keramik, wobei einseitig auf die Keramik eine weitere Keramik mit anderer Zusammensetzung aufgebracht wurde, weist eine inhomogene Porosität im Sinne der vorliegenden Erfindung auf, wenn die beiden Keramiken unterschiedliche Porengrößen aufweisen.It can be advantageous if the permeable carrier material has a homogeneous porosity. It can also be advantageous if the permeable carrier material has an inhomogeneous porosity. The permeable carrier material particularly preferably has regions with larger and regions with smaller porosity. The carrier material is very particularly preferably built up in layers from regions with larger and regions with smaller porosity. The porosity in the transition from one layer to the next layer preferably increases or decreases, so that a porosity gradient is present in the carrier material. A substance which has a homogeneous porosity in the sense of the present invention is understood to mean a substance which has pores of the same or almost the same size at the locations where it has pores. A carrier material according to the invention, which consists of a wire mesh with applied ceramic, is understood to be a carrier material with homogeneous porosity if the ceramic has pores with an essentially the same pore size. A carrier material according to the invention, which consists of a wire mesh with an applied ceramic, another ceramic with a different composition being applied to the ceramic on one side, has an inhomogeneous porosity in the sense of the present invention if the two ceramics have different pore sizes.
Die Poren der trennaktiven Schicht in der erfindungsgemäßen Membran weisen vorzugsweise eine maximale Porenweite von kleiner 10 nm, besonders bevorzugt kleiner 1 nm auf. Vorzugsweise weist die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke auf, die der maximalen Dicke des Trägers entspricht. Besonders bevorzugt weist die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke auf, die 1/10 bis 1/100.000, ganz besonders bevorzugt 1/100 bis 1/10.000 der Dicke des Trägers entspricht. Übliche Schichtdicken für die trennaktive Schicht liegen im Bereich von 1 bis 10 μm. Es ist aber auch möglich dünnere oder dickere trennaktive Schichten herzustellen, wobei die Schichtdicke durch die Dicke der Schicht des Trägers, in welcher die trennaktive Schicht synthetisiert werden soll, vorgegeben werden kann.The pores of the separation-active layer in the membrane according to the invention preferably have a maximum pore size of less than 10 nm, particularly preferably less than 1 nm. The separating-active layer preferably has a thickness in the forward direction that corresponds to the maximum thickness of the carrier. The separating-active layer particularly preferably has a thickness in the forward direction which corresponds to 1/10 to 1 / 100,000, very particularly preferably 1/100 to 1 / 10,000, of the thickness of the carrier. Usual layer thicknesses for the release-active layer are in the range from 1 to 10 μm. However, it is also possible to use thinner or thicker separating agents Produce layers, wherein the layer thickness can be predetermined by the thickness of the layer of the support in which the separation-active layer is to be synthesized.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die trennaktive Schicht kristallin ist. Vorzugsweise weist die trennaktive Schicht zumindest eine Verbindung auf, die Molekularsiebeigenschaften aufweist. Besonders bevorzugt weist die trennaktive Schicht zumindest eine kristalline Verbindung aus einem natürlichen oder synthetischem Zeolith, einem Alumosilikat, einem Alumophosphat und/oder einem Metallalumophosphat auf. Ganz besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Membran eine trennaktive Schicht auf, die zumindest eine Verbindung aus den Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, den Metallalumophosphaten, den Metallalumino-phosphosilikaten oder Mischungen dieser Verbindungen umfasst.It can be advantageous if the separation-active layer is crystalline. The separation-active layer preferably has at least one compound which has molecular sieving properties. The separating-active layer particularly preferably has at least one crystalline compound composed of a natural or synthetic zeolite, an aluminosilicate, an aluminophosphate and / or a metal aluminophosphate. The membrane according to the invention very particularly preferably has a separation-active layer which contains at least one compound from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM -38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, silicalite -1, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures of these compounds.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass durch Austausch eines Teils des Aluminiums aber auch des Siliziums aus den vorgenannten Verbindungen durch andere Elemente weitere trennaktive Verbindungen erhalten werden können, die andere Trenneigenschaften aufweisen. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen. Für Silizium und/oder Aluminium können in den genannten Verbindungen auch die Elemente Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P und/oder V vorhanden sein.It is apparent to the person skilled in the art that by replacing part of the aluminum but also the silicon from the abovementioned compounds with other elements, it is possible to obtain further active compounds which have different separation properties. These compounds often have the same structure as the original separation-active compounds, but have different lattice constants and therefore different pore sizes. For silicon and / or aluminum, the elements Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P and / or V can also be present in the compounds mentioned.
Vorzugsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Membran die trennaktive Schicht in der äußersten Schicht im Inneren des Trägermaterials angeordnet. Besonders bevorzugt ist die trennaktive Schicht in den äußersten Schichten aller Seiten eines Trägermaterials im Inneren angeordnet. Werden bei den erfindungsgemäßen Membranen als Trägermaterial Nano-, Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen verwendet, so befindet sich die trennaktive Schicht vorzugsweise in der die Nano-, Mikro- oder Ultrafiltrationsvermögen begründenden Schicht dieser Membranen, die üblicherweise die äußerste Schicht einer Membran darstellt.In a membrane according to the invention, the separation-active layer is preferably arranged in the outermost layer in the interior of the carrier material. The separation-active layer is particularly preferably arranged in the outermost layers of all sides of a carrier material in the interior. If nano-, micro- or ultrafiltration membranes are used as carrier material for the membranes according to the invention, the separation-active layer is preferably in the layer of these membranes which is the basis for the nano-, micro- or ultrafiltration capacity and which usually represents the outermost layer of a membrane.
Die erfindungsgemäße Membran kann je nach verwendetem Trägermaterial flexibel sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Membran ohne Verlust der Trenneigenschaften auf einen kleinsten Radius von 5 cm biegbar sein.The membrane according to the invention can be flexible depending on the carrier material used. In particular, the membrane according to the invention can be bendable to a smallest radius of 5 cm without loss of the separation properties.
Im folgenden wird die Herstellung einer erfindungsgemäßen Membran beispielhaft beschrieben, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Ausführungsform beschränkt sein soll.The production of a membrane according to the invention is described below by way of example, without the method according to the invention being restricted to this embodiment.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial eine trennaktive Schicht synthetisiert wird. Als Trägermaterial können die vorstehend beschriebenen Trägermaterialien, Verbundwerkstoffe oder üblicherweise als keramische Membranen verwendeten Materialien eingesetzt werden. Vorzugsweise werden flexible stoffdurchlässige Materialien als Trägermaterialien eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden bis auf einen kleinsten Radius von 2 cm biegbare Trägermaterialien eingesetzt. Das stoffdurchlässige Trägermaterial weist außerdem vorzugsweise eine mittlere Porenweite von kleiner 2000 nm, vorzugsweise kleiner 500 nm und ganz besonders bevorzugt kleiner 100 nm auf.The method according to the invention is characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material. The carrier materials described above, composite materials or materials usually used as ceramic membranes can be used as carrier material. Flexible permeable materials are preferably used as carrier materials. Support materials which can be bent to a minimum radius of 2 cm are very particularly preferably used. The permeable carrier material also preferably has an average pore size of less than 2000 nm, preferably less than 500 nm and very particularly preferably less than 100 nm.
Erfindungsgemäß wird in dem Trägermaterial eine trennaktive Schicht aus Kristallen aus zumindest einer Verbindung ausgewählt aus den Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM- 11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit-1, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, den Metallalumophosphaten, den Metallaluminophospho-silikaten oder Mischungen dieser Verbindungen synthetisiert. Es können nicht nur die genannten Verbindungen sondern auch Verbindungen, die durch Austausch insbesondere von AI und/oder Si in diesen Verbindungen durch die Elemente Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V, Zr, P und/oder V erhalten werden können, als trennaktive Schicht im Trägermaterial synthetisiert werden. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen.According to the invention, a separation-active layer of crystals of at least one compound is selected from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM- in the carrier material. 38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, Offretit, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, Silikalit- 1, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures of these compounds. Not only the compounds mentioned, but also compounds which are replaced by the exchange of, in particular, Al and / or Si in these compounds by the elements Be, Co, Cu, Fe, Zn, B, Cr, Ga, Ge, Sn, Ti, V , Zr, P and / or V can be obtained as a separation-active layer in the carrier material. These compounds often have the same structure as the original separation-active compounds, but have different lattice constants and therefore different pore sizes.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Membran dadurch, dass die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zuführen (Infiltrieren) einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in das Trägermaterial und anschließende Kristallisation hergestellt wird. Ganz besonders bevorzugt wird die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zuführen (Infiltrieren) einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in die äußere Schicht des Trägermaterials und anschließende Kristallisation hergestellt. Das Zuführen der Kristallisationslösung erfolgt vorzugsweise so, dass die Kristallisationslösung das in den Poren des Trägermaterials vorhandene Gas, üblicherweise Luft, beim Eindringen ersetzt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass in einer Schicht des Trägermaterials nach der Kristallisation alle Poren durch die trennaktive Schicht gefüllt sind. Die üblicherweise ohne diese Maßnahme hergestellten Membrane weisen häufig Lufteinschlüsse während des Herstellungsprozesses der trennaktiven Schicht auf, die bei der späteren Verwendung der Membran Fehlstellen, also Poren mit einem zu großen Durchmesser, darstellen, so dass die Selektivität solcher Membrane verschlechtert wird. Bei diesen Verfahren hat das in den Poren vorhandene Gas nicht ausreichend Gelegenheit aus den Poren auszutreten.According to the invention, the membrane is produced by the separation-active layer or a precursor of the separation-active layer by feeding (infiltrating) one Crystallization solution, which has the components for the synthesis of the separation-active layer, is prepared in the carrier material and subsequent crystallization. The separating-active layer or a precursor of the separating-active layer is very particularly preferably produced by feeding (infiltrating) a crystallization solution, which has the components for the synthesis of the separating-active layer, into the outer layer of the carrier material and subsequent crystallization. The crystallization solution is preferably fed in such a way that the crystallization solution replaces the gas, usually air, present in the pores of the carrier material when it penetrates. This measure ensures that all the pores in a layer of the carrier material are filled by the separation-active layer after crystallization. The membranes usually produced without this measure often have air pockets during the manufacturing process of the separation-active layer, which during the subsequent use of the membrane represent imperfections, that is, pores with too large a diameter, so that the selectivity of such membranes is impaired. With these processes, the gas present in the pores does not have sufficient opportunity to emerge from the pores.
Das Zuführen der Kristallisationslösung erfolgt vorzugsweise durch Aufsprühen oder Auftropfen der Kristallisationslösung auf das Trägermaterial. Dadurch wird erreicht, dass nicht die gesamte Oberfläche des Trägermaterials gleichzeitig mit der Kristallisationslösung benetzt wird und somit das in den Poren vorhandene Gas entweichen kann. Das Eindringen der Kristallisationslösung in das Trägermaterial erfolgt vorzugsweise durch einfache Kapillarkräfte, welche die Lösung in die Poren saugen. Es kann vorteilhaft sein, wenn auf der Gegenseite des Trägermaterials ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die Kristallisationslösung beschleunigt in das Trägermaterial gesaugt wird.The crystallization solution is preferably fed in by spraying or dropping the crystallization solution onto the support material. The result of this is that the entire surface of the carrier material is not simultaneously wetted with the crystallization solution and the gas present in the pores can thus escape. The penetration of the crystallization solution into the carrier material is preferably carried out by simple capillary forces, which suck the solution into the pores. It can be advantageous if a negative pressure is generated on the opposite side of the carrier material, so that the crystallization solution is sucked into the carrier material at an accelerated rate.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, die Eindringtiefe der Kristallisationslösung in das Trägermaterial zu kontrollieren. So kann z.B. durch Einstellen der Viskosität der Kristallisationslösung die Eindringtiefe der Kristallisationslösung in das Trägermaterial beeinflusst werden.In the method according to the invention, it can be advantageous to control the depth of penetration of the crystallization solution into the carrier material. For example, the penetration depth of the crystallization solution into the carrier material can be influenced by adjusting the viscosity of the crystallization solution.
Die Eindringtiefe der Kristallisationslösung kann insbesondere aber auch dadurch beeinflusst werden, dass ein besonders geeignetes Trägermaterial verwendet wird. So kann es vorteilhaft sein, wenn das Trägermaterial eine Schicht aufweist, z.B. eine Ultrafiltrationsschicht, welche nicht für alle in der Kristallisationslösung vorhandenen Komponenten durchlässig ist. Auf dieser Ultrafiltrationsschicht weist das Trägermaterial als äußerste Schicht eine weitere Schicht auf, welche für alle Komponenten der Kristallisationslösung durchlässig ist, wie z.B. eine Mikrofiltrationsschicht. Bei der Verwendung eines solchen Trägermaterials wird die Kristallisationslösung mit allen Komponenten nur in die äußere Schicht eindringen. Durch anschließende z.B. hydrothermale Behandlung mit oder ohne anschließende Calzinierung wird eine Membran erhalten, welche die trennaktive Schicht nur in der äußeren Schicht des Trägermaterials aufweist.The penetration depth of the crystallization solution can, however, also be influenced in particular by using a particularly suitable carrier material. So it can be beneficial be, if the carrier material has a layer, for example an ultrafiltration layer, which is not permeable to all components present in the crystallization solution. On this ultrafiltration layer, the carrier material has, as the outermost layer, a further layer which is permeable to all components of the crystallization solution, such as a microfiltration layer. When using such a carrier material, the crystallization solution with all components will only penetrate into the outer layer. Subsequent, for example, hydrothermal treatment with or without subsequent calcination, a membrane is obtained which has the separation-active layer only in the outer layer of the carrier material.
Ebenso ist es möglich durch die Verwendung von Trägermaterialien, die Schichten mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, wie z.B. hydrophilierte oder hydrophobierte Schichten aufweisen, einzusetzen. Die Herstellung von Trägermaterialien, welche hydrophobierte Schichten aufweisen, ist z.B. in WO 99/62624 beschrieben. Solche Schichten können z.B. durch Zugabe von siliziumorganischen Verbindungen, wie z.B. Silanen, zum Sol während der Herstellung der Schicht hergestellt werden.It is also possible to use layers with different chemical properties, e.g. have hydrophilized or hydrophobized layers. The production of carrier materials which have hydrophobized layers is e.g. described in WO 99/62624. Such layers can e.g. by adding organosilicon compounds, e.g. Silanes, to be made to sol during the manufacture of the layer.
Durch die Verwendung solcher Schichten kann, je nach Eigenschaft der Kristallisationslösung, die Eindringtiefe der Kristallisationslösung gesteuert werden. Handelt es sich z.B. um eine wässrige Kristallisationslösung, so kann z.B. ein Trägermaterial eingesetzt werden, welches eine äußere Schicht aufweist, die hydrophile Eigenschaften besitzt und eine Schicht unter dieser äußeren Schicht, die hydrophobe Eigenschaften aufweist. Beim Zuführen der wässrigen Kristallisationslösung wird diese überwiegend nur die Poren der hydrophilen Schicht ausfüllen. Bei der anschließenden Kristallisation und Calzinierung wird die trennaktive Schicht nur in der äußersten Schicht entstehen. Durch die Vorgabe der Dicke der hydrophilen Schicht lässt sich die maximale Dicke der trennaktiven Schicht einstellen.Depending on the properties of the crystallization solution, the depth of penetration of the crystallization solution can be controlled by using such layers. Is it e.g. an aqueous crystallization solution, e.g. a carrier material can be used which has an outer layer which has hydrophilic properties and a layer under this outer layer which has hydrophobic properties. When the aqueous crystallization solution is supplied, it will predominantly only fill the pores of the hydrophilic layer. In the subsequent crystallization and calcination, the separation-active layer will only arise in the outermost layer. The maximum thickness of the separation-active layer can be set by specifying the thickness of the hydrophilic layer.
Auf entsprechende Art und Weise lassen sich Membrane konstruieren, die auf bestimmten Seiten eine bestimmte Durchlässigkeit bzw. Trenneigenschaft aufweisen.Correspondingly, membranes can be constructed that have a certain permeability or separation property on certain sides.
Das so vorbehandelte Trägermaterial mit der darin vorhandenen Kristallisationslösung wird zum Kristallisieren vorzugsweise in einen Autoklaven gegeben, in welchem das Trägermaterial mit weiterer Kristallisationslösung in Kontakt gebracht wird. Vorzugsweise wird nur die Seite des Trägermaterials in Kontakt mit der Kristallisationslösung gebracht, welcher zuvor durch Aufsprühen oder Auftropfen Kristallisationslösung zugeführt wurde. Ist einem Trägermaterial von allen Seiten Kristallisationslösung zugeführt worden, so kann es vorteilhaft sein, das Trägermaterial in die Kristallisationslösung zu tauchen. Üblicherweise wird als Kristallisationslösung dieselbe eingesetzt, welche dem Trägermaterial schon durch Aufsprühen oder Auftropfen zugeführt wurde. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine von der zugeführten Kristallisationslösung verschiedene Kristallisationslösung in dem Autoklaven einzusetzen. Durch die Verwendung einer Kristallisationslösung mit einer geringeren Konzentration als die der beim Zuführen bzw. Aufsprühen verwendeten Kristallisationslösung kann im Autoklaven eine geringere Kristallisationsneigung an der Trägeroberfläche erreicht werden. Als weiteren Vorteil erhält man eine Kostenreduktion durch die Verwendung der verdünnten Kristallisationslösung. Die Verwendung von reinem Wasser ist nicht vorteilhaft, da die Synthese der trennaktiven Schicht im Trägermaterial bei der Verwendung von reinem Wasser im Autoklaven nicht so vollständig in den Poren des Trägermaterials gelingt, dass eine fehlerfreie trennaktive Schicht erhalten wird.The carrier material pretreated in this way, with the crystallization solution present therein, is preferably added to an autoclave for crystallization, in which the carrier material coexists further crystallization solution is brought into contact. Preferably, only the side of the support material is brought into contact with the crystallization solution, which was previously supplied with the crystallization solution by spraying or dropping. If crystallization solution has been supplied to a support material from all sides, it may be advantageous to immerse the support material in the crystallization solution. Usually the same crystallization solution is used, which has already been added to the carrier material by spraying or dropping. However, it can also be advantageous to use a crystallization solution different from the supplied crystallization solution in the autoclave. By using a crystallization solution with a lower concentration than that of the crystallization solution used in the supply or spraying, a lower tendency to crystallize on the support surface can be achieved in the autoclave. Another advantage is a cost reduction through the use of the diluted crystallization solution. The use of pure water is not advantageous since the synthesis of the release-active layer in the support material does not succeed so completely in the pores of the support material when using pure water in the autoclave that an error-free release-active layer is obtained.
Die Kristallisation kann auf dem Fachmann bekannte Weise z.B. hydrothermal bei einer Temperatur von 70 bis 400 °C und einem Druck von 0,3 bis 200 bar durchgeführt werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Kristallisation hydrothermal bei einer Temperatur von 100 bis 250 °C und einem Druck von 0,5 bis 40 bar. Es kann vorteilhaft sein, die Kristallisation mittels eines Temperaturprogrammes zu unterstützen. Vorzugsweise erfolgt das Erwärmen auf die Behandlungstemperatur mit einer Aufheizrate von 1 bis 100 IC/h, vorzugsweise von 5 bis 25 K/h. Zur Kristallisation wird das Trägermaterial, welchem die Kristallisationslösung zugeführt wurde, für 12 bis 72 Stunden, ganz besonders bevorzugt 18 bis 36 Stunden bei der Behandlungstemperatur von vorzugsweise 170 bis 250 °C belassen. Es sind aber auch alle anderen Verfahren zur Kristallisation der oben genannten als trennaktive Schicht zu verwendenden Verbindungen möglich.Crystallization can be carried out in a manner known to those skilled in the art, e.g. hydrothermally at a temperature of 70 to 400 ° C and a pressure of 0.3 to 200 bar. The crystallization is particularly preferably carried out hydrothermally at a temperature of 100 to 250 ° C. and a pressure of 0.5 to 40 bar. It can be advantageous to support the crystallization by means of a temperature program. The heating to the treatment temperature is preferably carried out at a heating rate of 1 to 100 IC / h, preferably 5 to 25 K / h. For the crystallization, the carrier material to which the crystallization solution was fed is left for 12 to 72 hours, very particularly preferably 18 to 36 hours, at the treatment temperature of preferably 170 to 250 ° C. However, all other methods for crystallizing the above-mentioned compounds to be used as a separation-active layer are also possible.
Es kann vorteilhaft sein, nach der Behandlung des Trägermaterials mit der Kristallisationslösung, die erhaltene Membran zu calzinieren. Das Calzinieren erfolgt vorzugsweise unter Gegenwart von Sauerstoff, z.B. Luftsauerstoff bei einer Temperatur von größer 300 °C, vorzugsweise von größer 500 °C, für eine Zeit von 12 bis 120 Stunden, vorzugsweise für einen Zeitraum von 24 bis 36 Stunden. Besonders bevorzugt erfolgt das Calzinieren bei einem Temperaturbereich von 340 bis 450 °C für eine Zeit von 60 bis 120 Stunden. Um thermische Spannungen beim Calzinieren zu vermeiden, kann es außerdem vorteilhaft sein, die zu calzinierende Membran mit einer Aufheizrate von 0,1 bis 1 K/min, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 K/min auf die Calzinierungstemperatur zu bringen. Ebenso vorteilhaft kann es sein, die calzinierte Membran mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 1 K/min, vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 K/min von der Calzinierungstemperatur auf Raumtemperatur abzukühlen. Durch das Calzinieren werden evtl. in den Kristallisationslösungen und damit im Trägermaterial vorhandene organische Verbindungen, wie z.B. Kristallisationshilfsmittel wie Tetrapropylammoniumverbindungen (TPA- Verbindungen) wie z.B. TPAOH oder TPABr, umgesetzt bzw. verbrannt und aus der Membran vertrieben. Des Weiteren wird das Kristallgefüge in der trennaktiven Schicht durch das Calzinieren stabilisiert.It may be advantageous to calcine the membrane obtained after treating the support material with the crystallization solution. The calcination takes place preferably in the presence of oxygen, for example atmospheric oxygen at a temperature of greater than 300 ° C., preferably greater than 500 ° C., for a period of 12 to 120 hours, preferably for a period of 24 to 36 hours. The calcining is particularly preferably carried out at a temperature range of 340 to 450 ° C. for a time of 60 to 120 hours. In order to avoid thermal stresses during calcining, it may also be advantageous to bring the membrane to be calcined to the calcining temperature at a heating rate of 0.1 to 1 K / min, preferably 0.2 to 0.5 K / min. It may also be advantageous to cool the calcined membrane from the calcining temperature to room temperature at a cooling rate of 0.1 to 1 K / min, preferably from 0.2 to 0.5 K / min. By calcining, any organic compounds present in the crystallization solutions and thus in the support material, such as crystallization aids such as tetrapropylammonium compounds (TPA compounds) such as TPAOH or TPABr, are reacted or burned and expelled from the membrane. Furthermore, the crystal structure in the separation-active layer is stabilized by the calcining.
Es muss jedoch beachtet werden, dass bei der Verwendung von Trägermaterialien, die Kohlenstoff- oder Naturfasern aufweisen, diese durch das Calzinieren ebenfalls aus dem Trägermaterial durch Verbrennung bzw. Zersetzung ganz oder teilweise entfernt werden. Sollen diese Fasern im Trägermaterial erhalten bleiben, so ist es vorteilhaft, wenn Kristallisationslösungen eingesetzt werden, bei denen ein Calzinieren der Membran nicht notwendig ist, weil sie z.B. keine Kristallisationshilfsmittel aufweisen.However, it must be noted that when using carrier materials that have carbon or natural fibers, they are also completely or partially removed from the carrier material by burning or decomposing by calcining. If these fibers are to be retained in the carrier material, it is advantageous to use crystallization solutions in which calcination of the membrane is not necessary because, e.g. have no crystallization aids.
Die Kristallisationslösung weist vorzugsweise zumindest eine Siliziumverbindung, eine Aluminiumverbindung oder eine Phosphorverbindung oder eine Mischung einer oder mehrerer dieser Verbindungen auf. Die Kristallisationslösung weist besonders bevorzugt zumindest ein Silikat, ein Aluminat oder Phosphat oder eine Mischung einer oder mehrerer dieser Verbindungen auf. Vorzugsweise weist die Kristallisationslösung ein Silicium zu Aluminium Verhältnis von 1 bis unendlich auf.The crystallization solution preferably has at least one silicon compound, an aluminum compound or a phosphorus compound or a mixture of one or more of these compounds. The crystallization solution particularly preferably has at least one silicate, an aluminate or phosphate or a mixture of one or more of these compounds. The crystallization solution preferably has a silicon to aluminum ratio of 1 to infinity.
Die Kristallisationslösungen können ein oder mehrere Kristallisationshilfsmittel aufweisen. Als solche Kristallisationshilfsmittel eignen sich z.B. Tetraalkylammonium-verbindungen, wie z.B. Tetrapropylammoniumhydroxid oder -bromid (TPAOH oder TPABr), (Me4N)2O, Et4NOH, (Pr N)2O, oder Kronenether (18-crown-6, 15-crown-5), Tetraethylorthosilikat oder Cetyltrimethylammonium- Verbindungen wie (CTMA)2O. Diese Produkte können als Kristallisationshilfsmittel verwendet werden, sie werden jedoch üblicherweise im Anschluss an die Synthese durch Abbrennen in Luft bei 500 - 600 °C entfernt.The crystallization solutions can have one or more crystallization aids. Suitable crystallization aids are, for example, tetraalkylammonium compounds, such as Tetrapropylammonium hydroxide or bromide (TPAOH or TPABr), (Me 4 N) 2 O, Et 4 NOH, (Pr N) 2 O, or crown ether (18-crown-6, 15-crown-5), tetraethylorthosilicate or cetyltrimethylammonium compounds like (CTMA) 2 O. These products can be used as crystallization aids, but are usually removed after the synthesis by burning in air at 500-600 ° C.
Üblicherweise weist die erfindungsgemäße Kristallisationslösung Wasser auf. Bei der Herstellung der Kristallisationslösungen kann der molare Anteil an Wasser variiert werden, wobei darauf zu achten ist, dass die Kristallisationslösung flüssig bleibt, dass heißt das eine Gelbildung vermieden werden sollte und dass eine Mindestkonzentration in der Kristallisationslösung nicht unterschritten wird, da ansonsten keine Kristallisation stattfinden würde. Es kann in bestimmten Fällen notwendig oder vorteilhaft sein, das Wasser gegen andere Verbindungen auszutauschen. So wird die Synthese von Silicasodalit statt in Wasser in der Gegenwart von Ethylenglykol durchgeführt.The crystallization solution according to the invention usually has water. In the preparation of the crystallization solutions, the molar proportion of water can be varied, taking care that the crystallization solution remains liquid, i.e. that gel formation should be avoided and that a minimum concentration in the crystallization solution is not fallen below, since otherwise no crystallization takes place would. In certain cases it may be necessary or advantageous to exchange the water for other compounds. The synthesis of silica sodalite is carried out in the presence of ethylene glycol instead of in water.
In der nachfolgenden Tabelle sind beispielhaft typische Zusammensetzungen von Kristallisationslösungen und die Art bzw. Struktur der trennaktiven Verbindung, welche aus dieser Kristallisationslösung synthetisiert werden kann, angegeben. Bei den angegebenen Zusammensetzungen handelt es sich nur um eine beispielhafte Auswahl, da auch trotz Abweichung von den angegebenen Zusammensetzungen die genannten Verbindungen erhalten werden können. Je nach gewünschtem Zeolith-Typen kann die Zusammensetzung der Kristallisationslösung mehr oder weniger variabel sein. So kann der Zeolith des Typs ZSM-5 auch dann erhalten werden, wenn Abweichungen in der Zusammensetzung der Kristallisationslösung an einem Bestandteil, insbesondere an Siliziumdioxid von 100 % oder mehr vorliegen. Der Zeolith-Typ NaA hingegen wird nur dann erhalten, wenn die Abweichungen von der Idealzusammensetzung der Kristallisationslösung gering sind. Für den Zeolith-A und den ZSM-5 Typen sind jeweils zwei verschiedene mögliche Zusammensetzungen angegeben.The following table shows typical compositions of crystallization solutions and the type or structure of the active separation compound which can be synthesized from this crystallization solution. The compositions given are only an exemplary selection, since the compounds mentioned can also be obtained despite a deviation from the compositions specified. Depending on the type of zeolite desired, the composition of the crystallization solution can be more or less variable. Thus, the zeolite of the ZSM-5 type can also be obtained if there are deviations in the composition of the crystallization solution of a component, in particular of silicon dioxide, of 100% or more. In contrast, the NaA zeolite type is only obtained if the deviations from the ideal composition of the crystallization solution are small. Two different possible compositions are given for the Zeolite-A and the ZSM-5 types.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass durch Ersatz eines Teils der verwendeten Elemente, insbesondere der Ersatz des Aluminiums aber auch des Siliziums durch andere Elemente weitere trennaktive Verbindungen erhalten werden können, die andere Trenneigenschaften aufweisen. Diese Verbindungen haben häufig die gleiche Struktur wie die ursprünglichen trennaktiven Verbindungen, haben allerdings andere Gitterkonstanten und damit andere Porengrößen. Zudem können durch den Ersatz des Aluminiums oder Siliziums durch andere Elemente, wie z.B. Übergangsmetallelemente katalytische Eigenschaften erzeugt werden. Eine ausführliche Abhandlung über Zeolithe, deren Synthese sowie deren Modifikation findet man z.B. in J. Weitkamp and L. Puppe, "catalysis and zeolites: fundamentale and applications", Springer- Verlag, Berlin, 1999. Dieser Abhandlung sind auch weitere mögliche Zusammensetzungen für Kristallisationslösungen, sowie Syntheseparameter, zugeschnitten auf bestimmte Zusammensetzungen, zu entnehmen.It is apparent to the person skilled in the art that by replacing part of the elements used, in particular the replacement of the aluminum but also the silicon by other elements separation-active compounds can be obtained which have other separation properties. These compounds often have the same structure as the original separation-active compounds, but have different lattice constants and therefore different pore sizes. In addition, the replacement of aluminum or silicon with other elements, such as transition metal elements, can produce catalytic properties. A detailed treatise on zeolites, their synthesis and their modification can be found, for example, in J. Weitkamp and L. Puppe, "catalysis and zeolites: fundamentale and applications", Springer-Verlag, Berlin, 1999. This treatise also includes other possible compositions for crystallization solutions , as well as synthesis parameters, tailored to certain compositions.
Tabelle 1 KristallisationszusammensetzungenTable 1 Crystallization compositions
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Grundsätzlich sind alle einschlägig bekannten, für die Herstellung von Zeolithen verwendeten Zusammensetzungen geeignet. So führt z.B. auch eine Zusammensetzung von 2 Teilen SiO2 zu 2 Teilen Na2O zu einem Teil Al2O3 und zu 120 Teilen Wasser zu einem Zeolithen des A-Typs und eine Zusammensetzung von 10 Teilen SiO2 zu 14 Teilen Na2O zu einem Teil Al2O3 zu 840 Teilen Wasser zur einem Zeolithen des X-Typs. Um auf die gewünschten Porengröße zu kommen, sind selbstverständlich viele Arten von Zeolithen, z.B. vom ZSM-5-Typ, A-Typ, X- Typ, Y-Typ usw., geeignet. Die erfindungsgemäß erreichbaren Porengrößen der trennaktiven Schicht können, abhängig von der f r die trennaktive Schicht gewählten Verbindung, von 0,26 nm x 0,57 nm (Mordenit) über 0,53 nm x 0,56 nm (ZSM-5) und 0,76 nm x 0,64 nm (Zeolith Beta) bis zu 1,6 nm bis 10,0 nm (mesoporöse Alumosilikate) betragen.
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Basically, all relevant known compositions used for the production of zeolites are suitable. For example, a composition of 2 parts of SiO 2 leads to 2 parts of Na 2 O to one part of Al 2 O 3 and to 120 parts of water leads to an A-type zeolite and a composition of 10 parts of SiO 2 to 14 parts of Na 2 O. to one part Al 2 O 3 to 840 parts water to a zeolite of the X type. Of course, many types of zeolites, for example of the ZSM-5 type, A type, X type, Y type, etc., are suitable for achieving the desired pore size. The pore sizes of the separating layer which can be achieved according to the invention can, depending on the compound selected for the separating layer, from 0.26 nm x 0.57 nm (mordenite) to 0.53 nm x 0.56 nm (ZSM-5) and 0, 76 nm x 0.64 nm (zeolite beta) up to 1.6 nm to 10.0 nm (mesoporous aluminosilicates).
Durch die Variation der Zusammensetzung, insbesondere des Silizium zu Aluminium Verhältnisses lassen sich Porengröße und Eigenschaften der Verbindungen ebenfalls beeinflussen. Ein hohes Si/Al Verhältnis, häufig auch als Modul bezeichnet, führt häufig dazu, dass der Zeolith hydrophobe Eigenschaften aufweist.The pore size and properties of the compounds can also be influenced by varying the composition, in particular the silicon to aluminum ratio. A high Si / Al ratio, often also referred to as a modulus, often leads to the zeolite having hydrophobic properties.
Die Auswahl des jeweils am besten geeigneten Zeolith-Typs oder der am besten geeigneten trennaktiven Verbindung, wie z.B. mikroporöses Silikat, mikroporöses Phosphat oder mikroporöses amorphes oder kristallines Mischmetalloxid, richtet sich nach der gewünschten Porengröße und nach dem Trennproblem selbst.The selection of the most suitable type of zeolite or the most suitable separating compound, e.g. Microporous silicate, microporous phosphate or microporous amorphous or crystalline mixed metal oxide depends on the desired pore size and the separation problem itself.
Die erfindungsgemäße Membran kann in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Verbindungen oder Molekülen als Trennmembran eingesetzt werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Membran in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Verbindungen oder Molekülen mit gleichem Molekulargewicht und unterschiedlicher Struktur, wie z.B. in Verfahren zur Trennung von n-Butan und iso-Butan, als Trennmembran eingesetzt werden. Ebenso kann die Membran als Trennmembran in Verfahren zur Abtrennung von Teilchen, Partikeln, Verbindungen oder Molekülen eingesetzt werden, die eine durchschnittliche Größe von kleiner 10 nm aufweisen. Die erfindungsgemäße Membran ist außerdem geeignet zum Einsatz als Trennmembran in Verfahren zur Trennung von Gemischen aus Molelαilen oder Verbindungen gleichen Molekulargewichts aber unterschiedlichem Adsorptionsverhalten an Zeolithporenwänden. Bei diesem Verfahren wird das unterschiedliche Adsorptionsverhalten der zu trennenden Verbindungen oder Moleküle in der trennaktiven Schicht, die in diesem Fall vorzugsweise zumindest eine zeolithische Verbindung aufweist, zur Trennung ausgenutzt.The membrane according to the invention can be used as a separation membrane in processes for separating mixtures of compounds or molecules. In particular, the membrane according to the invention can be used as a separation membrane in processes for separating mixtures of compounds or molecules with the same molecular weight and different structure, such as, for example, in processes for separating n-butane and isobutane. The membrane can also be used as a separating membrane in processes for separating particles, particles, compounds or molecules which have an average size of less than 10 nm. The membrane according to the invention is also suitable for use as a separation membrane in processes for separating mixtures of molecules or compounds of the same molecular weight but different adsorption behavior on zeolite pore walls. at In this method, the different adsorption behavior of the compounds or molecules to be separated in the separation-active layer, which in this case preferably has at least one zeolitic compound, is used for the separation.
Ganz besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Membranen für den Einsatz als Trennmembran bei der Durchführung von Pervaporations- oder Dampfpermeations-Verfahren. Diese Verfahren werden z.B. bei der Trennung von Alkohol- Wasser-Gemischen, insbesondere von Ethanol- Wasser-Gemischen, eingesetzt. Bei der Pervaporation wird eine flüssiges Gemisch der Membran zugeführt und das Permeat verlässt die Membran auf der anderen Seite als Dampfphase. Bei der Dampfpermeation wird das zu trennende Gemisch der Membran bereits dampfförmig zugeführt. Die Trennung von Ethanol- Wasser-Gemischen mittels Pervaporation wird üblicherweise bei einer Temperatur von 70 bis 90 °C durchgeführt, während die Trennung mittels der Dampfpermeation bei einer Temperatur von mehr als 100 °C durchgeführt wird. Für diese Verfahren ist eine erfindungsgemäße Membran als Trennmembran besonders geeignet, da sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als Membranen auf Basis von organischen Polymeren.The membranes according to the invention are very particularly suitable for use as a separation membrane when carrying out pervaporation or vapor permeation processes. These methods are e.g. used in the separation of alcohol-water mixtures, in particular ethanol-water mixtures. During pervaporation, a liquid mixture is fed to the membrane and the permeate leaves the membrane on the other side as a vapor phase. In the case of vapor permeation, the mixture to be separated is already supplied to the membrane in vapor form. The separation of ethanol-water mixtures by means of pervaporation is usually carried out at a temperature of 70 to 90 ° C., while the separation is carried out by means of vapor permeation at a temperature of more than 100 ° C. A membrane according to the invention is particularly suitable as a separating membrane for these processes, since it has a higher temperature resistance than membranes based on organic polymers.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Membran und die erfindungsgemäße Membran werden anhand der Figuren Fig. 1 bis Fig. 5 näher beschrieben, ohne dass die Erfindung auf die Ausführungsarten beschränkt sein soll.The method according to the invention for producing the membrane according to the invention and the membrane according to the invention are described in more detail with reference to FIGS. 1 to 5, without the invention being restricted to the embodiments.
Fig. 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des in Beispiel 1 behandelten Trägermaterials. Es sind Zeolithkristalle auf der Oberfläche des Trägermaterials zu erkennen, die trennaktive Schicht befindet sich aber in den Poren.1 shows a scanning electron micrograph of the carrier material treated in Example 1. Zeolite crystals can be seen on the surface of the carrier material, but the separation-active layer is located in the pores.
Fig. 2 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des verwendeten Trägermaterials im unbehandelten Zustand.2 shows a scanning electron micrograph of the carrier material used in the untreated state.
Fig. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Bruchflächen des unbehandelten Trägermaterials. Es ist deutlich zu erkennen, dass im Trägermaterial Poren vorhanden sind. Fig. 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche des in Beispiel 1 behandelten Trägermaterials. Die in Fig. 3 erkennbaren Poren sind bei dieser Aufnahme nicht zu erkennen, da die Poren mit Zeolithkristallen gefüllt sind.3 shows a scanning electron micrograph of the fracture surfaces of the untreated carrier material. It can be clearly seen that pores are present in the carrier material. FIG. 4 shows a scanning electron micrograph of a fracture surface of the carrier material treated in example 1. The pores which can be seen in FIG. 3 cannot be seen on this photograph, since the pores are filled with zeolite crystals.
Fig. 5 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm des Al2O3-Trägers (a), der Al2O3/MFI-Membran aus Beispiel 1 (b) und die Referenzdaten für MFI (c). Ein Vergleich der in den Diagrammen b und c abgebildeten Beugungsmuster bestätigt, dass die Membran gemäß Beispiel 1 Zeolithe des MFI-Typs aufweist.5 shows an X-ray diffraction diagram of the Al 2 O 3 support (a), the Al 2 O 3 / MFI membrane from Example 1 (b) and the reference data for MFI (c). A comparison of the diffraction patterns shown in diagrams b and c confirms that the membrane according to Example 1 has zeolites of the MFI type.
Beispiel 1 : Herstellung einer Zeolithmembran des MFI-TypsExample 1: Preparation of an MFI-type zeolite membrane
Es wurde eine Kristallisationslösung zur Synthese eines Zeolithen vom MFI-Typ hergestellt. Dazu wurden in 172 g destilliertem Wasser 3,2 g NaOH-Plätzchen und 64 g Tetrapropylammoniumbromid (TPABr) gelöst. Diese Lösung wurde mit 320 g kolloidalem Kieselsol (Carl Roth GmbH Co, Karlsruhe) vermischt und durch Rühren homogenisiert. Die so erhaltene Kristallisationslösung hatte die molare Zusammensetzung 100 SiO2 : 15 (TPA)2O : 5 Na2O : 1420 H2O. Diese Kristallisationslösung wurde langsam auf eine als Trägermaterial dienende flexible keramische Membran getropft. Als flexible, keramische Membran wurde ein nach WO 99/15262 hergestellter Verbundwerkstoff, der dadurch erhalten wurde, dass ein Sol aus 120 g Titantriisopropylat, 60 g Wasser, 100 g Salzsäure (25 %-ig) und 280 g Aluminiumoxid (SC530SG, Fa. Alcoa, Deutschland) auf einen Träger aus einem Quadratmaschengewebe aus Edelstahl (Paul GmbH, Deutschland) mit einer Maschenweite von 150 μm aufgetragen wurde und bei 350 °C für 10 Minuten verfestigt wurde, verwendet. Dieser planare, flexible, symmetrische α-Al2O3-Membran mit einem Durchmesser von 60 mm wurde durch das Auftropfen der Kristallisationslösung von dieser infiltriert.A crystallization solution for the synthesis of an MFI-type zeolite was prepared. For this purpose, 3.2 g of NaOH biscuits and 64 g of tetrapropylammonium bromide (TPABr) were dissolved in 172 g of distilled water. This solution was mixed with 320 g of colloidal silica sol (Carl Roth GmbH Co, Karlsruhe) and homogenized by stirring. The crystallization solution thus obtained had the molar composition SiO 2 100: 15 (TPA) 2 O: 5 Na 2 O: 1420 H 2 O. This crystallization solution was slowly added dropwise to a serving as the support material flexible ceramic membrane. A composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 μm and solidified at 350 ° C. for 10 minutes. This planar, flexible, symmetrical α-Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
Das infiltrierte Trägermaterial wurde im Autoklaven mit einer Halterung fixiert. Anschließend wurde soviel Kristallisationslösung in den Autoklaven gefüllt, dass das Trägermaterial vollständig von der Kristallisationslösung bedeckt war. Die hydrothermale Zeolithsynthese fand bei einer Temperatur von 175 °C über einen Zeitraum von 17 Stunden statt. Im Anschluss an die Synthese wurde die Membran aus dem Autoklaven entnommen, mit destilliertem Wasser gewaschen und 24 Stunden bei 120 °C getrocknet. Die getrocknete Membran wurde anschließend bei einer Temperatur von 540 °C für 16 Stunden calziniert. Die Aufheizrate betrug von Raumtemperatur bis 250 °C 1 Kmin 1, von 250 °C bis 540 °C 0,2 Kmin"1. Die Abkühlgeschwindigkeit betrug von 540 °C bis 250 °C 0,2 Kmin"1, von 250 °C bis Raumtemperatur 1 Kmin"1.The infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Sufficient crystallization solution was then filled into the autoclave so that the carrier material was completely covered by the crystallization solution. The hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 175 ° C over a period of 17 hours. Following the synthesis, the membrane was removed from the autoclave with distilled water washed and dried at 120 ° C for 24 hours. The dried membrane was then calcined at a temperature of 540 ° C for 16 hours. The heating rate was 1 Kmin 1 from room temperature to 250 ° C., 0.2 Kmin "1 from 250 ° C to 540 ° C. The cooling rate was 0.2 Kmin " 1 , from 250 ° C to 540 ° C to 250 ° C to room temperature 1 Kmin "1 .
Die Membran wurde rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Die Oberfläche war zum Teil mit dicht miteinander und mit der Oberfläche verwachsenen Zeolithkristallen bedeckt (Fig. 2). Die Ansicht der Bruchflächen zeigte die lückenlose Kristallisation der trennaktiven Schicht aus Zeolith innerhalb der Porenstruktur des Trägermaterials(Fig. 4). Mittels Röntgendiffraktometrie wurde nachgewiesen, dass es sich bei dem Kristallisationsprodukt ausschließlich um den Zeolith der Struktur MFI handelte (Fig. 5).The membrane was examined by scanning electron microscopy. The surface was partly covered with zeolite crystals that were closely intergrown with one another (FIG. 2). The view of the fracture surfaces showed the complete crystallization of the separation-active layer made of zeolite within the pore structure of the carrier material (FIG. 4). Using X-ray diffractometry, it was demonstrated that the crystallization product was exclusively the zeolite of the MFI structure (FIG. 5).
Beispiel 2: Herstellung einer Zeolithmembran des A-TypsExample 2: Preparation of an A-type zeolite membrane
Eine 22 %-ige Natriumaluminat-Lösung in Wasser wird mit einer 34 %-igen Lösung von Natriumsilikat in Wasser im Verhältnis 1:1 zu einer Kristallisationslösung gemischt. Diese Kristallisationslösung wurde langsam auf eine als Trägermaterial dienende flexible keramische Membran getropft. Als flexible, keramische Membran wurde ein nach WO 99/15262 hergestellter Verbundwerkstoff, der dadurch erhalten wurde, dass ein Sol aus 120 g Titantriisopropylat, 60 g Wasser, 100 g Salzsäure (25 %-ig) und 280 g Aluminiumoxid (SC530SG, Fa. Alcoa, Deutschland) auf einen Träger aus einem Quadratmaschengewebe aus Edelstahl (Paul GmbH, Deutschland) mit einer Maschenweite von 150 μm aufgetragen wurde und bei 350 °C für 10 Minuten verfestigt wurde, verwendet. Dieser planare, flexible, symmetrische α-Al2O3-Membran mit einem Durchmesser von 60 mm wurde durch das Auftropfen der Kristallisationslösung von dieser infiltriert.A 22% sodium aluminate solution in water is mixed with a 34% solution of sodium silicate in water in a 1: 1 ratio to a crystallization solution. This crystallization solution was slowly dripped onto a flexible ceramic membrane serving as a carrier material. A composite material produced according to WO 99/15262 was obtained as a flexible, ceramic membrane, which was obtained by a sol consisting of 120 g titanium triisopropylate, 60 g water, 100 g hydrochloric acid (25%) and 280 g aluminum oxide (SC530SG, Fa. Alcoa, Germany) was applied to a support made of a square mesh fabric made of stainless steel (Paul GmbH, Germany) with a mesh size of 150 μm and solidified at 350 ° C. for 10 minutes. This planar, flexible, symmetrical α-Al 2 O 3 membrane with a diameter of 60 mm was infiltrated by dripping the crystallization solution onto it.
Das infiltrierte Trägermaterial wurde im Autoklaven mit einer Halterung fixiert. Anschließend wurde soviel Kristallisationslösung in den Autoklaven gefüllt, dass das Trägermaterial vollständig von der Kristallisationslösung bedeckt war. Die hydrothermale Zeolithsynthese fand bei einer Temperatur von 170 °C über einen Zeitraum von 17 Stunden statt. Im Anschluss an die Synthese wurde die Membran aus dem Autoklaven entnommen, mit destilliertem Wasser gewaschen und 2 Stunden bei 120 °C getrocknet. Es wurde eine Membran erhalten, die als trennaktive Schicht eine Schicht der Verbindung Zeolith A aufweist. The infiltrated carrier material was fixed in the autoclave with a holder. Sufficient crystallization solution was then filled into the autoclave so that the carrier material was completely covered by the crystallization solution. The hydrothermal zeolite synthesis took place at a temperature of 170 ° C over a period of 17 hours. Following the Synthesis, the membrane was removed from the autoclave, washed with distilled water and dried at 120 ° C for 2 hours. A membrane was obtained which has a layer of the compound zeolite A as the separation-active layer.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Membran, die ein stoffdurchlässiges Trägermaterial und eine trennaktive Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zumindest eine trennaktive Schicht in dem stoffdurchlässigen1. membrane, which has a permeable carrier material and a separating layer, characterized in that the membrane at least one separating layer in the permeable
Trägermaterial aufweist.Has carrier material.
2. Membran mit zumindest einer trennaktiven Schicht in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial, die durch Einbringen einer Kristallisationslösung, welche die zur Synthese der trennaktiven Schicht notwendigen Komponenten aufweist, in ein Trägermaterial, wobei die in den Poren des Trägermaterial vorhandenen Gase von der Kristallisationslösung aus dem Trägermaterial verdrängt werden, und anschließende Kristallisation der trennaktiven Schicht im Trägermaterial erhältlich ist.2. Membrane with at least one separation-active layer in a material-permeable carrier material which, by introducing a crystallization solution which has the components necessary for the synthesis of the separation-active layer, into a carrier material, the gases present in the pores of the carrier material being displaced by the crystallization solution from the carrier material be, and subsequent crystallization of the separation-active layer in the carrier material is available.
3. Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der trennaktiven Schicht eine maximale Porenweite von kleiner 10 nm aufweisen.3. Membrane according to claim 1 or 2, characterized in that the pores of the separation-active layer have a maximum pore size of less than 10 nm.
4. Membran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren eine maximale Porenweite von kleiner 7 nm aufweisen.4. Membrane according to claim 3, characterized in that the pores have a maximum pore size of less than 7 nm.
5. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien aufweist.5. Membrane according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the permeable carrier material comprises metal, glass, ceramic or a combination of these materials.
6. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial Gewebe, Vliese, Sinterpulver oder Sinterfasern aus Metall, Glas, Keramik oder eine Kombination dieser Materialien aufweist.6. Membrane according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the permeable carrier material is fabric, nonwovens, sintered powder or sintered fibers made of metal, glass, ceramic or a combination of these materials.
7. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial ein Material ist, welches als7. Membrane according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the permeable carrier material is a material which as
Mikrofiltrationsmembran, Ultrafiltrationsmembran, Nanofiltrationsmembran oder Gasseparationsmembran verwendet werden kann.Microfiltration membrane, ultrafiltration membrane, nanofiltration membrane or gas separation membrane can be used.
8. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial eine homogene Porosität aufweist.8. Membrane according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the permeable carrier material has a homogeneous porosity.
9. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial eine inhomogene Porosität aufweist.9. Membrane according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the permeable carrier material has an inhomogeneous porosity.
10. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial Bereiche mit größerer und Bereiche mit kleinerer Porosität aufweist.10. Membrane according to claim 9, characterized in that the permeable carrier material has areas with larger and areas with smaller porosity.
11. Membran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit größerer und Bereiche mit kleinerer Porosität schichtartig aufgebaut sind.11. Membrane according to claim 10, characterized in that the areas with larger and areas with smaller porosity are constructed in layers.
12. Membran nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität beim Übergang von einer zu nächsten Schicht zunimmt oder abnimmt.12. Membrane according to claim 11, characterized in that the porosity increases or decreases during the transition from one layer to the next.
13. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke, kleiner oder gleich der Dicke des Trägermaterials aufweist.13. Membrane according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the separation-active layer has a thickness in the forward direction, less than or equal to the thickness of the carrier material.
14. Membran nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht in Durchlassrichtung eine Dicke von 1/10 bis 1/100.000 der Dicke des Trägermaterials aufweist.14. Membrane according to claim 13, characterized in that the separating layer in the forward direction has a thickness of 1/10 to 1 / 100,000 of the thickness of the carrier material.
15. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht zumindest eine Verbindung aufweist, die Molekularsiebeigenschaften aufweist.15. Membrane according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that the separation-active layer has at least one compound which has molecular sieve properties.
16. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht zumindest eine Verbindung aus einem natürlichen und/oder synthetischem Zeolith, einem Alumosilikat, einem Alumophosphat und/oder einem16. Membrane according to at least one of claims 1 to 15, characterized in that the separation-active layer at least one compound of a natural and / or synthetic zeolite, an aluminosilicate, an aluminophosphate and / or one
Metallalumophosphat aufweist.Has metal aluminophosphate.
17. Membran nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht zumindest eine kristalline Verbindung ausgewählt aus den17. Membrane according to claim 16, characterized in that the separation-active layer is selected from at least one crystalline compound
Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4 , Omega, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US
Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, denY, mordenite, ZK-5, ZK-4, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the
Metallalumophosphaten, den Metallaluminophosphosilikaten oder Mischungen dieserMetal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures thereof
Verbindungen aufweist.Connections.
18. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht in der äußersten Schicht im Inneren des Trägermaterials angeordnet ist.18. Membrane according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that the release-active layer is arranged in the outermost layer in the interior of the carrier material.
19. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht in der äußersten Schicht aller Seiten eines Trägermaterials im Inneren angeordnet ist.19. Membrane according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that the separating layer is arranged in the outermost layer of all sides of a carrier material inside.
20. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran flexibel ist.20. Membrane according to at least one of claims 1 to 19, characterized in that the membrane is flexible.
21. Membran nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran ohne Verlust der Trenneigenschaften auf einen kleinsten Radius von 5 cm biegbar ist.21. Membrane according to at least one of claims 1 to 20, characterized in that the membrane can be bent to a minimum radius of 5 cm without loss of the separating properties.
22. Verfahren zur Herstellung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in einem stoffdurchlässigen Trägermaterial eine trennaktive Schicht synthetisiert wird.22. A method for producing a membrane according to at least one of claims 1 to 21, characterized in that a release-active layer is synthesized in a permeable carrier material.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägermaterial eine trennaktive Schicht aus zumindest einer kristallinen Verbindung ausgewählt aus den Zeolithen NaA, CaA, Erionit, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20,23. The method according to claim 22, characterized in that in the carrier material a separation-active layer of at least one crystalline compound selected from the zeolites NaA, CaA, erionite, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-20,
ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, den Alumosilikaten, den Alumophosphaten, den Metallalumophosphaten, den Metallaluminophosphosilikaten oder Mischungen dieser Verbindungen synthetisiert wird.ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-12, Beta, L, ZSM-4, Omega, X, Y, NaX, NaY, CaY, REY, US-Y, Mordenite, ZK-5, ZK-4, the aluminosilicates, the aluminophosphates, the metal aluminophosphates, the metal aluminophosphosilicates or mixtures of these compounds is synthesized.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zuführen einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in das Trägermaterial und anschließende Kristallisation hergestellt wird.24. The method according to any one of claims 22 or 23, characterized in that the separation-active layer or a precursor of the separation-active layer is produced by feeding a crystallization solution, which has the components for the synthesis of the separation-active layer, into the carrier material and subsequent crystallization.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die trennaktive Schicht oder eine Vorstufe der trennaktiven Schicht durch Zufuhren einer Kristallisationslösung, welche die Komponenten zur Synthese der trennaktiven Schicht aufweist, in die äußere Schicht des Trägermaterials und anschließende25. The method according to claim 24, characterized in that the release-active layer or a precursor of the release-active layer by supplying a crystallization solution, which has the components for the synthesis of the release-active layer, into the outer layer of the carrier material and subsequent
Kristallisation hergestellt wird.Crystallization is made.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisation hydrothermal bei einer Temperatur von 70 bis 400 °C und einem26. The method according to any one of claims 24 or 25, characterized in that the crystallization hydrothermally at a temperature of 70 to 400 ° C and one
Druck von 0,3 bis 200 bar durchgeführt wird.Pressure from 0.3 to 200 bar is carried out.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisation hydrothermal bei einer Temperatur von 100 bis 250 °C und einem27. The method according to claim 26, characterized in that the crystallization hydrothermally at a temperature of 100 to 250 ° C and a
Druck von 0,5 bis 40 bar durchgeführt wird.Pressure of 0.5 to 40 bar is carried out.
28. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial flexibel ist.28. The method according to at least one of claims 22 to 27, characterized in that the permeable carrier material is flexible.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial auf einen kleinsten Radius von 2 cm biegbar ist.29. The method according to claim 28, characterized in that the permeable carrier material is bendable to a minimum radius of 2 cm.
30. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffdurchlässige Trägermaterial eine mittlere Porenweite von Ideine 2000 nm aufweist.30. The method according to at least one of claims 22 to 29, characterized in that the permeable carrier material has an average pore size of Ideine 2000 nm.
31. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisationslösung zumindest ein Silikat aufweist.31. The method according to at least one of claims 24 to 30, characterized in that the crystallization solution has at least one silicate.
32. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisationslösung zumindest ein Aluminat aufweist.32. The method according to at least one of claims 24 to 30, characterized in that the crystallization solution has at least one aluminate.
33. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisationslösung zumindest ein Silikat und zumindest ein Aluminat aufweist.33. The method according to at least one of claims 24 to 30, characterized in that the crystallization solution has at least one silicate and at least one aluminate.
34. Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Trennung von Verbindungen oder Molekülen aus Stoffgemischen.34. Use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of compounds or molecules from mixtures of substances.
35. Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Abtrennung von Verbindungen oder Molekülen, die eine durchschnittliche Größe von kleiner 10 nm aufweisen, aus Stoffgemischen.35. Use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of compounds or molecules, which have an average size of less than 10 nm, from mixtures of substances.
36. Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Trennung von Mischungen aus Verbindungen oder Molekülen, die bei gleichem36. Use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of mixtures of compounds or molecules, the same
Molekulargewicht ein unterschiedliches Adsorptionsverhalten an Zeolithporenwänden aufweisen.Molecular weight have a different adsorption behavior on zeolite pore walls.
37. Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für die Trennung von Mischungen aus Verbindungen oder Molekülen, die bei gleichem37. Use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 for the separation of mixtures of compounds or molecules, the same
Molekulargewicht eine unetrschiedliche Geometrie oder Struktur aufweisen. Molecular weight have a different geometry or structure.
8. Verwendung einer Membran gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 als Membran in der Pervaporation oder der Dampfpermeation. 8. Use of a membrane according to at least one of claims 1 to 21 as a membrane in pervaporation or vapor permeation.
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