[go: up one dir, main page]

NL8402656A - Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd - Google Patents

Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd Download PDF

Info

Publication number
NL8402656A
NL8402656A NL8402656A NL8402656A NL8402656A NL 8402656 A NL8402656 A NL 8402656A NL 8402656 A NL8402656 A NL 8402656A NL 8402656 A NL8402656 A NL 8402656A NL 8402656 A NL8402656 A NL 8402656A
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
sol
boehmite
process according
microporous
thickness
Prior art date
Application number
NL8402656A
Other languages
Dutch (nl)
Original Assignee
Stichting Energie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from NL8303079A external-priority patent/NL8303079A/en
Application filed by Stichting Energie filed Critical Stichting Energie
Priority to NL8402656A priority Critical patent/NL8402656A/en
Publication of NL8402656A publication Critical patent/NL8402656A/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039Inorganic membrane manufacture
    • B01D67/0048Inorganic membrane manufacture by sol-gel transition
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0081After-treatment of organic or inorganic membranes
    • B01D67/0083Thermal after-treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • B01D71/025Aluminium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5025Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with ceramic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/87Ceramics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/15Use of additives
    • B01D2323/18Pore-control agents or pore formers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/219Specific solvent system
    • B01D2323/22Specific non-solvents or non-solvent system
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/24Mechanical properties, e.g. strength
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/30Chemical resistance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

Dry, tear-free, mechanically and chemically stable, thin semipermeable inorganic membranes with a thickness of less than 20 microns are made by (1) coating a dry microporous inorganic carrier with a thickness of 50 microns to 5 mm and a pore dia. of up to 5 microns and made of sintered inorganic oxides, by immersion in a stable sol. of colloidal metal oxide or hydroxide particles with a particle size of 3 nm to 2 microns in which the concn. of the disperse phase in a non-solvent for the metal (hydr)oxide particles is 0.01-25 wt.% (esp. 0.5-5 wt.%), and in which the sol. in the border layer is first converted into a lyogel; (2) removing the carrier from the liq. and air drying to form a xerogel 1-20 microns thick and (3) heating to at least 390 deg.C.

Description

r Werkwijze voor het vervaardigen' van scheurvrije semi-permeabele anorganische membranen.Method for the production of tear-free semi-permeable inorganic membranes.

Aanvrager noemt als uitvinders: A.F.M. Leenaars, A.J. Burggraaf, K. Keizer, Afdeling Chemische Technologie, TH-Twente.Applicant mentions as inventors: A.F.M. Leenaars, A.J. Burggraaf, K. Keizer, Department of Chemical Technology, TH-Twente.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardingen van droge, scheurvrije, mechanisch en chemisch stabiele, dunne semi-permeabele, anorganische membranen, door een micro-poreuze drager, bij voorkeur bestaande uit gesinterde anorganische 5 oxiden, te bekleden met een stabiele suspensie van een anorganisch membraan vormend bekledingsmateriaal in een niet-oplosmiddel voor het bekledingsmateriaal en aansluitend te verhitten.The present invention relates to a process for the production of dry, tear-free, mechanically and chemically stable, thin semi-permeable, inorganic membranes, by coating a micro-porous support, preferably consisting of sintered inorganic oxides, with a stable suspension of an inorganic membrane-forming coating material in a non-solvent for the coating material and then heating.

Uit de EP-OA-0.040.282 is een dergelijke werkwijze bekend, waarbij een microporeuze drager bestaande uit koolstof of gesinterde anorga-10 nische oxiden, met een poriënvolume van 5 tot 60% en poriën van 5 my tot 40 ym wordt bekleed met een 0,5 tot 20 gew.-procents suspensie van een anorganisch membraanvormend bekledingsmateriaal in een niet-oplosmiddel voor het membraan vormend bekledingsmateriaal, bij aanwezigheid van een vluchtige vloeistof, die mengbaar is met de 15 continue fase van de suspensie, welke vloeistof het membraan vormend bekledingsmateriaal in de poriën van de drager doet trekken, zonder dat daarbij van gelvorming sprake is, de bekleding van de vluchtige vloeistof te onluoen en aansluitend bij meer dan 25eC ta verhitten en tot 1500°C te sinteren.EP-OA-0 040 282 discloses such a method, wherein a microporous support consisting of carbon or sintered inorganic oxides, with a pore volume of 5 to 60% and pores of 5 µm to 40 µm, is coated with a 0.5 to 20% by weight suspension of an inorganic membrane-forming coating material in a non-solvent for the membrane-forming coating material, in the presence of a volatile liquid, which is miscible with the continuous phase of the suspension, which liquid forms the membrane causes coating material to penetrate into the pores of the support without gel formation, to impregnate the coating of the volatile liquid and subsequently heat at more than 25 ° C and sinter it to 1500 ° C.

20 Als bezwaren van deze bekende werkwijze worden beschouwd: 1. Over de poriëngrootte-verdeling van de membranen wordt niets vermeld. De gebruikte bekledings suspens ie is echter betrekkelijk grof {specifiek oppervlak kleiner dan 300 m^ per cm? vast stof). De te bereiken poriën kunnen hierdoor betrekkelijk groot zijn, in afhankelijk-25 heid van de poriëngrootte van de drager. De poriëngrootte-verdeling van de drager, die volgens de aanvrage niet zeer nauw is, zal ook invloed hebben op de poriëngrootte en -grootteverdeling in het membraan zelf. Een goede beheersing van deze eigenschappen zal hierdoor moeilijk zijn.Considered drawbacks of this known method are: 1. Nothing is stated about the pore size distribution of the membranes. However, the coating slurry used is relatively coarse (specific surface area less than 300 ml per cm 2). solid). The pores to be reached can hereby be relatively large, depending on the pore size of the support. The pore size distribution of the support, which according to the application is not very narrow, will also affect the pore size and size distribution in the membrane itself. Good control of these properties will therefore be difficult.

30 2. De dikte van de eigenlijke membraanlaag, dus de laag die in de poriën van de drager is afgezet, is afhankelijk van de poriëngrootte- 8402656 - 2 - verdeling in de drager, en speciaal van eventuele gradiënten over de dikte van de drager en van plaatselijke varianten hierin.2. The thickness of the actual membrane layer, ie the layer deposited in the pores of the support, depends on the pore size distribution in the support, and in particular on any gradients over the thickness of the support and of local variants herein.

3. Het imperatief vereiste gebruik van een vluchtige, met de continue fase van de bekledingssuspensie mengbare vloeistof, die aan niet-5 oplosmiddel voor de te vormen bekleding is, waarbij het gebruik van water alléén wordt uitgesloten.3. The imperative required the use of a volatile liquid that is miscible with the continuous phase of the coating slurry, which is non-solvent for the coating to be formed, excluding the use of water alone.

Genoemd kunnen ook worden US-3,926,799 en US-3,977,967. In beide gevallen gaat het om een laag die op een poreuze drager wordt afgezet, maar het materiaal moet nat blijven om het vormen van drogingskrimp-10 scheuren te voorkomen. Over de poriëngrootte is weinig vermeld.Mention may also be made of US-3,926,799 and US-3,977,967. In both cases this is a layer that is deposited on a porous support, but the material must remain wet to prevent the formation of drying shrinkage cracks. Little is said about the pore size.

Doel van de uitvinding is echter te komen tot droge, scheurvrije, mechanisch en chemisch stabiele, semi-permeabele anorganische membranen met een dikte van ten hoogste 20 :ym met een poriënverdeling binnen nauwe grenzen» die althans aan de kant van de grote poriën ftherp is 15 begrensd.However, the object of the invention is to achieve dry, tear-free, mechanically and chemically stable, semi-permeable inorganic membranes with a thickness of at most 20 µm with a pore distribution within narrow limits, which is at least on the side of the large pores ftherp 15 limited.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt dit· bereikt door een droge microporeuze anorganische drager met een dikte van 50 ym tot 5 mm, met poriën met een diameter van tot aan 5 ymen bij voorkeur niet meer dan 0,5ym, te bekleden door dompelen in een stabiel sol van kollaidale 20 metaaloxide- of metaalhydroxide deeltjes met een deeltjesgrootte van 3 nm tot 2ym; waarvan de concentratie van de disperse fase in een niet-oplosmiddel (bij voorkeur water) voor die metaaloxide- of metaalhy-droxide deeltjes 0,01 tot 25 gew.3! en bij voorkeur 0,5-5 gev.%, bedraagt en waarbij het sol in de grenslaag eerst wordt omgezet, in een 25 lyo-gel, de drager uit de vloeistof te verwijderen, aan de lucht te drogen tot een xerogel met een dikte van 1 tot 20ym en aansluitend te drogen en te verhitten tot een temperatuur van tenminste 390° C.According to the present invention this is achieved by coating a dry microporous inorganic support with a thickness of 50 µm to 5 mm, with pores with a diameter of up to 5 µm, preferably not more than 0.5 µm, by dipping in a stable sol of colloidal metal oxide or metal hydroxide particles with a particle size from 3 nm to 2 µm; whose concentration of the disperse phase in a non-solvent (preferably water) for those metal oxide or metal hydroxide particles is 0.01 to 25% by weight! and preferably 0.5-5% by weight, and wherein the sol in the boundary layer is first converted, in a 25 lyo gel, to remove the carrier from the liquid, to air dry to a xerogel of thickness from 1 to 20ym and then to dry and heat to a temperature of at least 390 ° C.

Desgewenst wordt de gevormde membraan hierna nog gesinterd tot een temperatuur van maximaal omstreeks 1500° C.If desired, the formed membrane is then sintered to a maximum temperature of about 1500 ° C.

30 De voordelen, die de werkwijze volgens de uitvinding biedt ten op zichte van de bekende stand van de techniek zijn de volgende: - een goede beheersing van de poriëngrootte (door goede beheersing van de deeltjesgrootte en door de gunstige deeltjesvorm, nl. plaatjes); - een zeer nauwe poriëngrootteverdeling; 35 - de mogelijkheid zeer kleine poriën te verkrijgen.The advantages which the method according to the invention offers over the known prior art are the following: - a good control of the pore size (by good control of the particle size and by the favorable particle shape, namely platelets); - a very narrow pore size distribution; 35 - the possibility of obtaining very small pores.

Dit is de werkelijke waarde van de uitvinding. Door het laatste punt 8402656 • * * . r * » - 3 - beperkt de toepassing zich niet tot scheidingen in vloeibare fase, bijv. ontwateringsprocessen, maar strekt zich ook uit tot gasscheiding, en wel tot relatief hoge temperaturen.This is the true value of the invention. By the last point 8402656 • * *. The application is not limited to liquid phase separations, eg dewatering processes, but also extends to gas separation to relatively high temperatures.

Het bereiden van stabiele solen van kollaide metaaloxide- of 5 metaalhydroxide deeltjes maakt geen deel van de uitvinding uit en kan bij voorkeur plaats vinden volgens de aanwijzingen in de Amerikaanse octrooischriften 3,941,719 en 3,944,658. Bij voorkeur wordt uitgegaan van een stabiel Boehmiet-sol.The preparation of stable sols of colloidal metal oxide or metal hydroxide particles is not part of the invention and can preferably be carried out according to the instructions in US Pat. Nos. 3,941,719 and 3,944,658. A stable Boehmite sol is preferably used.

In fig. 1 wordt de werkwijze volgens de uitvinding schematisch 10 voorgesteld; daarbij wordt uitgegaan van stabiel Boehmiet-sol(γ-Α100Η). Daarin wordt volgens methode A alleen gedroogd aan de lucht, volgens methode B gedeeltelijk aan de lucht gedroogd en vervolgens superkritisch gedroogd en volgens methode C alleen superkritisch gedroogd.Fig. 1 schematically shows the method according to the invention; this is based on stable Boehmite sol (γ-Α100Η). According to method A only air-dried, according to method B partially air-dried and then supercritically dried and, according to method C, only supercritical dried.

In fig. 2 wordt de verdeling vat. de poriëndiameter bij gebruik van 15 0,07 mol HNO3 per mol boehmiet van monsters die een temperatuur van 500eC resp. 6Q0“C resp. 780*C hebben gehad door de krommen 2, 3 en 4 aangegeven; kromme 1 geeft de verdeling van de poriegrootte van het niet verhitte boehmiet (γ-AlQQH) aan. Bij deze krommen is uitgegaan van cylindervormige poriën. Het verhitten van de vermelde monsters vond 20 plaats met een opwarmsuelheid van 10° C per uur en de monsters zijn 24 uren op de eindwaarde van de temperatuur gehouden.In Fig. 2, the distribution is summarized. the pore diameter when using 0.07 mol HNO3 per mol boehmite of samples having a temperature of 500 ° C. 6Q0 "C resp. Have had 780 ° C through curves 2, 3 and 4 indicated; curve 1 indicates the distribution of the pore size of the unheated boehmite (γ-AlQQH). These curves are based on cylindrical pores. The heating of the mentioned samples was effected with a heating temperature of 10 ° C per hour and the samples were kept at the final temperature value for 24 hours.

In fig. 3 wordt de porisiteit en de poriediameter van bij 50QeC gecalcineerde monsters als functie van de zuurconcentratie in het sol aangegeven, waarbij HCIQ4 als zuur is gebruikt. De invloed van de 25 zuurconcentratie op de poriestructuur is afwezig als HNO3 wordt gebruikt.Fig. 3 shows the porosity and pore diameter of samples calcined at 50QeC as a function of the acid concentration in the sol, using HClQ4 as acid. The influence of the acid concentration on the pore structure is absent when HNO3 is used.

De geschiktheid van de drager wordt met name bepaald door de poriegrootteverdeling van de drager. Als de poriën te groot zijn zal geen laag gevormd worden omdat dan de soldeeltjes in de drager gezogen 30 worden, zodat geen lyo-gel op de drager gevormd wordt- Als de poriën te klein zijn wordt wel een laag gevormd, maar zal de stromingsweerstand van het eindprodukt te hoog zijn. Voorbeelden van geschikte droge, microporeuze dragers zijn; α-Αΐ2θ3 dragers met een porositeit van 60 vol.Z en een modale poriegrootte van Q,34ym, waarbij 90% van het 35 porievolume tussen 0,1 en 0,53ym gevonden wordt en α-AI2O3 dragers met een porositeit van 46 vol.% en een modale poriegrootte van 0,12ym, 8402656 ' - 4 - waarbij 90% van het porievolume tussen 0,08 en 0,l7ym ligt.The suitability of the support is determined in particular by the pore size distribution of the support. If the pores are too large, no layer will be formed because then the sol particles will be drawn into the support, so that no lyo-gel is formed on the support. If the pores are too small, a layer will be formed, but the flow resistance of the final product is too high. Examples of suitable dry microporous carriers are; α-Αΐ2θ3 carriers with a porosity of 60 vol.Z and a modal pore size of Q, 34ym, whereby 90% of the pore volume is found between 0.1 and 0.53ym and α-AI2O3 carriers with a porosity of 46 vol. % and a modal pore size of 0.12ym, 8402656 '- 4 - with 90% of the pore volume being between 0.08 and 0.1ym.

Boehmiet'-solen bevatten plaatvormige deeltjes. Dit is zowel belangrijk voor het verkrijgen van een zeer kleine poriediameter als voor een geringe spreiding in de porie-grootteverdeling. Juist deze plaat-5 vorm maakt tevens het verkrijgen van zeer dunne, scheurvrije membranen mogelijk.Boehmite sols contain plate-shaped particles. This is important both for obtaining a very small pore diameter and for a small spread in the pore size distribution. Precisely this plate-5 shape also makes it possible to obtain very thin, tear-free membranes.

Bij toepassing van Boehmiet vindt bij verhitting op 390°C een fase-overgang plaats, die door de volgende vergelijking kan worden weergegeven: 10 2A100H + AI2Ö3 + H20When using Boehmite, a phase transition takes place when heated to 390 ° C, which can be represented by the following equation: 10 2A100H + AI2Ö3 + H20

Tijdens deze omzetting neemt het porievolume toe. De diameter van de poriën is afhankelijk van de temperatuursbehandeling en neemt toe van 3,5 nm bij gedroogde monsters (200eC), tot 4,4 nm bij verhitting bij 500eC rusp. 8,2 nm bij sintering bij 780°C. Te totale porositeit is in 15 dit temperatuursgebied nagenoeg constant. Bij sintertemperaturen boven 900eC neemt de poriegrootte snel toe zoals blijkt uit tabel 1. De spreiding in de poriegrootte van een monster is gering zoals uit fig. 2 blijkt. In het bijzonder geldt dat poriën groter dan de modale poriegrootte bijna geheel afwezig zijn. Poriën met een diameter van meer dan 20 10 nm zijn bij onderzoek met een kwik-porosimeter niet gevonden bij monsters die behandeld zijn bij 800°C of een lagere temperatuur.During this conversion, the pore volume increases. The diameter of the pores depends on the temperature treatment and increases from 3.5 nm on dried samples (200eC), to 4.4 nm when heated at 500eC rusp. 8.2 nm at sintering at 780 ° C. The total porosity is virtually constant in this temperature range. At sintering temperatures above 900eC, the pore size increases rapidly as shown in Table 1. The pore size distribution of a sample is small as shown in Figure 2. In particular, pores larger than the modal pore size are almost completely absent. Pores with a diameter greater than 20 nm were not found in samples treated at 800 ° C or lower temperature when tested with a mercury porosimeter.

Het is gebleken, dat bij gebruik van HCIO4 als zuur, de diameter van de poriën kleiner wordt en de porositeit van het eindprodukt afneemt, naarmate de zuurconcentratie van het sol groter is. Zo wordt bij 25 toepassing van 0,05 mol HCIO4 per mol Y-A100H een porositeit van 48% en een poriediameter van 4,4 nm verkregen, terwijl bij toepassing van 0,11 mol HCIO4 per mol Y-A100H een porositeit van 38% en een poriediameter van 3,5 nm. verkregen wordt. Deze resultaten zijn van toepassing op monsters die bij 500°C behandeld zijn en zijn in fig. 3 weer-30 gegeven op basis van een cilindervorm der poriën.It has been found that when using HCIO4 as an acid, the diameter of the pores decreases and the porosity of the final product decreases as the acid concentration of the sol increases. Thus, when using 0.05 mole HCIO4 per mole Y-A100H, a porosity of 48% and a pore diameter of 4.4 nm is obtained, while when using 0.11 mole HCIO4 per mole Y-A100H, a porosity of 38% and a pore diameter of 3.5 nm. is obtained. These results apply to samples treated at 500 ° C and are shown in Figure 3 based on a cylindrical pore shape.

Alleen de vorm en grootte van de primaire kristallieten is van belang voor de poriegrootte van het membraan, mits de kristallieten slechts los gebonden zijn in agglomeraten. De grootte der agglomeraten is niet kritisch, maar bepaalt wel welke poriegrootte van de drager 35 maximaal toelaatbaar is.Only the shape and size of the primary crystallites is important for the pore size of the membrane, provided that the crystallites are only loosely bound in agglomerates. The size of the agglomerates is not critical, but it does determine which pore size of the carrier 35 is maximum permissible.

Bij het in contact brengen van het sol met de microporeuze drager 8402656 - 5 - wordt, anders dan bij de bovengenoemde bekende werkwijzen, het in het sol aanwezige dispersiemiddel (bij voorkeur water) door middel van capillaire zuigwerking van de poriën van de drager uit de grenslaag van drager en sol verwijderd, waardoor het sol in deze grenslaag instabiel 5 wordt en wordt omgezet in een lyo-gel waarvan de dichtheid aan vaste stof gering is.When the sol is brought into contact with the microporous support 8402656-5, unlike in the above-mentioned known processes, the dispersant (preferably water) present in the sol is removed by means of capillary suction of the pores of the support from the the boundary layer of carrier and sol is removed, as a result of which the sol in this boundary layer becomes unstable and is converted into a lyo-gel of which the density of solids is low.

Na verwijdering van de drager uit de vloeistof blijkt de gellaag op de drager aanwezig en wordt door drogen aan de lucht tot een xerogel gedroogd. De daarbij toegepaste droogsnelheid is een functie van de 10 laagdikte d.w.z. dat naarmate de laagdikte groter (kleiner) is, de droogsnelheid kleiner (groter) is. Zo zal een scheurvrij membraan met een dikte van 2pm worden verkregen als het tussenprodukt meteen na de bereiding van het lyogel wordt gecalcineerd met 10°C per uur tot de eindtemperatuur terwijl een-elfde behandeling bij de bereiding van een 15 eindprodukt met een membraandikte van 7ym in een gescheurd membraan resulteert. Deze'scheurvorming kan dan voorkomen worden door voör het calcineren het tussenprodukt 24 uren aan de lucht te drogen.After removal of the carrier from the liquid, the gel layer is found to be present on the carrier and air-dried to a xerogel. The drying speed used therein is a function of the layer thickness, that is, as the layer thickness is larger (smaller), the drying speed is smaller (larger). Thus, a 2 µm thickness crack-free membrane will be obtained if the intermediate is calcined immediately after lyogel preparation at 10 ° C per hour to the final temperature while one-eleventh treatment in the preparation of a final product with a membrane thickness of 7 µm results in a ruptured membrane. This cracking can then be prevented by air drying the intermediate product for 24 hours before calcining.

Bij het drogen treden grote capillaire drukken op en krimpt de gellaag sterker dan bij de bovengenoemde bekende werkwijzen, bijv. van 20 een aanvankelijke relatieve dichtheid van 10 vol.Z in de iyogel-fase tot een dichtheid van 60 vol.% in de xerogel-fase.On drying, large capillary pressures occur and the gel layer shrinks more strongly than in the above known processes, eg from an initial relative density of 10 vol.Z in the iyogel phase to a density of 60 vol.% In the xerogel- phase.

Bij het calcineren wordt het sterk gebonden water uit het xerogel verwijderd en het (Boehmiet) gehydrateerde oxide of hydroxide omgezet in kristallijn oxide. In deze fase verkrijgt het materiaal mechanische 25 stabiliteit en chemische resistentie en zijn uiteindelijke mikrostruc-tuur, met betrekking tot eind porositeit en poriëndiameter.In the calcination, the strongly bound water is removed from the xerogel and the (Boehmite) hydrated oxide or hydroxide is converted into crystalline oxide. At this stage, the material acquires mechanical stability and chemical resistance and its final microstructure, with respect to final porosity and pore diameter.

Het is gebleken, dat naarmate de sintertemperatuur van het keramisch membraan hoger is, de poriëndiameter groter wordt. Dit wordt geïllustreerd met onderstaand tabel (zie ook fig. 2):It has been found that as the sintering temperature of the ceramic membrane is higher, the pore diameter becomes larger. This is illustrated with the table below (see also fig. 2):

30 Tabel I30 Table I

TS-5Ö0°C TS=*600°C TS-780°C TS=1000°CTS-5Ö0 ° C TS = * 600 ° C TS-780 ° C TS = 1000 ° C

Porositeit in % 48 48 47 41Porosity in% 48 48 47 41

Poriëndiameter in nm (I) 4,4 5,1 8,2 78Pore diameter in nm (I) 4.4 5.1 8.2 78

Poriëndiameter (spleet- 35 breedte) in nm (II) 3,0 3,5 5,2 39 (I) * op basis van cylindervormige poriën (Isometrische deeltjes) (II) op basis van spieetvormige poriën (plaatvormige deeltjes).Pore diameter (slit width) in nm (II) 3.0 3.5 5.2 39 (I) * based on cylindrical pores (Isometric particles) (II) based on splined pores (plate particles).

84026568402656

I A WI A W

- 6 -- 6 -

De laagdikte van de membranen kan binnen zekere grenzen worden gevarieerd door middel van combinaties van poriediameter en porositeit van de drager, solconcentratie en dompeltijd. In fig. 4 is het effect van de solconcentratie en de dompeltijd op de dikte van het membraan na 5 calcineren aangegeven. Het daarbij gebruikte sol bevat 0,07 mol HNO3 per mol boehmiet. De hierbij gebruikte dragers hebben een modale porie-grootte van 0.34 j* 0.2 en een porositeit van 60%. Uit fig. 4 blijkt dat het proces waarin het lyogel gevormd wordt zeer snel verloopt en geschikt is voor massafabricage. In die figuur heeft de rechte (1) be-10 trekking op een solconcentratie van 1,3 mol/liter (7,4 gew.% Boehmiet) en de rechte (2) op een solconcentratie van 0,8 mol/liter (4,7 gew.% Boehmiet).The layer thickness of the membranes can be varied within certain limits through combinations of pore diameter and porosity of the support, sol concentration and immersion time. In Fig. 4 the effect of the sol concentration and the immersion time on the thickness of the membrane after calcination is indicated. The sol used therein contains 0.07 mol HNO3 per mol boehmite. The carriers used herein have a modal pore size of 0.34 * 0.2 and a porosity of 60%. It can be seen from Fig. 4 that the lyogel-forming process is very rapid and suitable for mass production. In that figure, the straight (1) refers to a sol concentration of 1.3 mol / liter (7.4 wt% Boehmite) and the straight (2) refers to a sol concentration of 0.8 mol / liter (4 .7 wt.% Boehmite).

In een bijzondere uitvoeringsvorm, die het mogelijk maakt scheur-vrije membranen te verkrijgen met grotere laugdikten en poresiteiten 15 dan de bovenvermelde, wordt het drogen geheel of ten dele uitgevoerd onder superkritische omstandigheden. Bij deze procedure wordt de vloei-stoffase uit het lyogel verwijderd zonder dat een meniscus aanwezig is en zonder dat grote capillaire krachten werkzaam zijn. Hiertoe wordt het water uit het lyogel verwijderd door uitwassen met een vloeistof, 20 die inert is t.o.v. het oxide respectievelijk het hydroxide en bij voorkeur een lage kritische druk en temperatuur bezit. De vloeistof mag het lyogel ook niet peptiseren. Nadat de gellaag geheel verzadigd is v.e.t deze vloeistof, waarvoor bijv. butanol toegepast kan worden, wordt het geheel in een drukvat tot boven het kritische punt van de vloeistof 25 verhit, waarna de superkritische damp wordt verwijderd en het gelmem-braan wordt afgekoeld. Vervolgens kan de gebruikelijke calcineer- en eventueel sinterprocedure worden toegepast.In a particular embodiment, which makes it possible to obtain tear-free membranes with larger layer thicknesses and porosities than the above-mentioned, the drying is carried out in whole or in part under supercritical conditions. In this procedure, the liquid phase is removed from the lyogel without a meniscus being present and without large capillary forces acting. For this purpose, the water is removed from the lyogel by washing out with a liquid which is inert with respect to the oxide or the hydroxide and preferably has a low critical pressure and temperature. The liquid should also not peptize the lyogel. After the gel layer is completely saturated with regard to this liquid, for which, for example, butanol can be used, the whole is heated in a pressure vessel to above the critical point of the liquid, after which the supercritical vapor is removed and the gel membrane is cooled. The usual calcination and optionally sintering procedure can then be applied.

De volgens de werkwijze van de uitvindng verkregen membranen kunnen met behoud van kleine poriediameter bij temperaturen tot aan 30 900°C worden gebruikt, bijv. voor gasscheiding.The membranes obtained according to the method of the invention can be used with temperatures of up to 900 ° C, while retaining a small pore diameter, for example for gas separation.

De volgende voorbeelden illustreren de vervaardiging en het gebruik van de anorganische membranen.The following examples illustrate the manufacture and use of the inorganic membranes.

Voorbeeld IExample I

In een Boehmiet—sol met 0,07 mol HNO3 per mol waarin de Boehmiet— 35 concentratie 3 gew.% bedraagt wordt 2 seconden een microporeus rond plaatje uitau-Al203 met. een diameter van 4 cm, een dikte van 2,3 mm 8402656 Λ ‘ · - ? s - 7 - en een modale poriegrootte van 0,ΐ2μχη gedompeld. Het resulterende lyo-gel dat op de drager ligt wordt 24 uren aan de lucht gedroogd en vervolgens met een snelheid van 10“C per uur verhit tot 500°C en hier 18 uren op gehouden. De laagdikte van het membraan bedraagt 3,5ym en de 5 poriegrootte-verdeling van het membraanmateriaal is als weergegeven in fig. 2. De schoonwaterflux van het membraan op drager bedraagt 1,0 cm^ Η£θ per cm? membraanoppervlak per bar drukverschil per uur. Om de scheidende eigenschappen van het membraan te bepalen is een oplossing gebruikt van 300 mgr serumalbumine (een eiwit met een molekuulgewicht 10 van 69.000 Dalton) per liter gedemineraliseerd water. In een zogenaamd geroerde "dead-end" permeatie-cel wordt een retentie van 96% en een flux van 0,3 cm?, cm”^, bar-·*·, uur-·'· gemeten.In a Boehmite sol with 0.07 mole of HNO3 per mole in which the Boehmite concentration is 3% by weight, a microporous round plate of aau-Al2 O3 is added for 2 seconds. a diameter of 4 cm, a thickness of 2.3 mm 8402656 Λ ¨ · -? s - 7 - and a modal pore size of 0.22μχη dipped. The resulting lyo-gel on the support is air dried for 24 hours and then heated to 500 ° C at a rate of 10 ° C per hour and held for 18 hours. The layer thickness of the membrane is 3.5 µm and the pore size distribution of the membrane material is as shown in Fig. 2. The clean water flux of the membrane on support is 1.0 cm 2 per cm 2. membrane area per bar pressure difference per hour. To determine the separating properties of the membrane, a solution of 300 µg serum albumin (a protein with a molecular weight of 69,000 Daltons) per liter of demineralized water was used. In a so-called stirred "dead-end" permeation cell, a retention of 96% and a flux of 0.3 cm? Cm, ^, bar- *,, hour- · "are measured.

Voorbeeld IIExample II

In een Boehmiet-sol mat 0,39 mol HCIO4 per mol Boehmiet waarin 15 de Boehmietconcentratie 14 gew.% is, wordt 2 seconden een microporeus rond plaatje uit α—AI2O3 met een diameter van 4 cm, met een dikte van 2 mm en met een modale poriegrootte van 0,34um gedompeld. Het resulterende lyogel dat op de drager ligt wordt 24 uren aan de lucht gedroogd waarna het achtergebleven water wordt uitgewassen met seeun-20 dair butanol. Dit produkt wordt in een drukvat superkritisch gedroogd bij 280“C en 100 bar en vervolgens met een snelheid van 10 Ce per uur tot 500°C verhit en hier 24 uren op gehouden. De laagdikte van het membraan bedraagt 7um en de modale ooriegrootte is 7 na op basis van een cylindervorm der poriën. De schoonwaterflux van het membraan op drager 25 bedraagt 0,8 cm·^, cm-^ bar-^·, uur-^. Bij ultrafiltratie van een oplossing van 250 mgr. albumine per liter gedemineraliseerd water bedraagt de retentie 43% en de flux 0,4 cm^, cm-2, bar-·'-, uur-l.In a Boehmite sol, 0.39 mole HCIO4 per mole Boehmite in which 15 the Boehmite concentration is 14% by weight, becomes a microporous round plate of α-AI2O3 with a diameter of 2 mm and a thickness of 2 mm for 2 seconds. dipped a modal pore size of 0.34um. The resulting lyogel on the support is air dried for 24 hours after which the residual water is washed with seeun-20 dair butanol. This product is supercritically dried in a pressure vessel at 280 ° C and 100 bar and then heated at a rate of 10 Ce per hour to 500 ° C and held for 24 hours. The layer thickness of the membrane is 7 µm and the modal ear size is 7 on the basis of a cylindrical shape of the pores. The clean water flux of the membrane on support 25 is 0.8 cm · cm, cm- ^ bar- ^ ·, hour- ^. With ultrafiltration of a solution of 250 mgr. albumin per liter of demineralized water, the retention is 43% and the flux 0.4 cm cm-2, bar -1, hour-1.

In het algemeen kan men er van uitgaan, dat een microporeuze 30 drager wordt toegepast vana-Al203, met een modale poriegrootte tot 5unr-, maar bij voorkeur van Q,10um tot 0,50iunj dat een Boehmiet-sol wordt gebruikt met dispense deeltjes van 3 nm tot 21-1¾ welke sol HNO3, dan wel 0,01 tot 0,20 mol HCIO4 per mol Boehmiet bevat, terwijl de solconcentratie 0,01-25 gew.% is bij een contacttijd van drager 35 en sol van 1 tot 5 seconden, bij voorkeur omstreeks 2 seconden, afhankelijk van de toegepaste solconcentratie en de gewenste dikte van de 8402656 s. ' - 8 - n membraanlaag vaa tea hoogste 20urn, waarna het tussenprodukt wordt gedroogd en verhit tot een temperatuur van tenminste 390eC en ten hoogste 1500°C.In general, it can be assumed that a microporous support is used of α-Al 2 O 3, with a modal pore size of up to 5 µr, but preferably of Q, 10 µm to 0.50 µm, that a Boehmite sol is used with dispense particles of 3 nm to 21-1¾ which sol contains HNO3, or 0.01 to 0.20 mole HCIO4 per mole Boehmite, while the sol concentration is 0.01-25% by weight at a contact time of support 35 and sol from 1 to 5 seconds, preferably about 2 seconds, depending on the applied sol concentration and the desired thickness of the 8402656 s. - 8 - a membrane layer of at most 20 µm, after which the intermediate product is dried and heated to a temperature of at least 390 ° C and at most 1500 ° C.

De uitvinding heeft tenslotte ook betrekking op een membraan op 5 een microporeuze drager, welk membraan dikte minder dan 20pm dik is en vervaardigd volgens de hiervoor aangegeven specificatie.Finally, the invention also relates to a membrane on a microporous support, which membrane thickness is less than 20 µm thick and manufactured according to the above specification.

84026568402656

Claims (12)

1. Werkwijze voor de vervaardiging van droge, scheurvrije, mechanisch en chemisch stabiele, dunne semie-permeabele, anorganische membranen, door een microporeuze drager uit gesinterde anorganische oxiden, te bekleden met een suspensie van een anorganisch membraan vormend 5 bekledingsmateriaal en aansluitend te verhitten, met het kenmerk, dat men anorganische membranen met een dikte van minder dan 20ym, vervaardigt door een droge microporeuze anorganische drager met een dikte van 50um tot 5 mm, met poriën met een diameter tot 5vm, te bekleden door dompelen in een stabiel sol van kollaide metaaloxide- of metaalhy-10 droxide deeltjes met een deeltjesgrootte van 3 nm tot 2ym, waarvan de concentratie van de disperse fase in een niet-oplosmiddel voor die metaaloxide- of metaalhydroxide deeltjes 0,01 tot 25 gew.Z (en bij voorkeur 0,5 tct 5 gew.Z) is en waarbij het sol in ie grenslaag eerst wordt omgezet in een lyogel, de drager uit de vloeistof te verwijderen 15 en aan de lucht te drogenn tot een xerogel met een dikte van 1 tot 20 en aansluitend te verhitten tot een temperatuur van tenminste 390°C.1. A method for the production of dry, crack-free, mechanically and chemically stable, thin semipermeable, inorganic membranes, by coating a microporous support from sintered inorganic oxides, with a suspension of an inorganic membrane-forming coating material and subsequently heating, characterized in that inorganic membranes with a thickness of less than 20 µm are prepared by coating a dry microporous inorganic support with a thickness of 50 µm to 5 mm, with pores with a diameter of up to 5 µm, by dipping in a stable colloid sol metal oxide or metal hydroxide particles with a particle size of 3 nm to 2 µm, the concentration of the disperse phase in a non-solvent for which metal oxide or metal hydroxide particles 0.01 to 25% by weight (and preferably 0, 5 to 5 wt. Z) and wherein the sol in the boundary layer is first converted into a lyogel, remove the carrier from the liquid and air dry until a xerogel with a thickness of 1 to 20 and subsequently heating to a temperature of at least 390 ° C. 2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men als microporeuze keramische drager CK-AI2O3 gebruikt.2. Process according to claim 1, characterized in that CK-AI2O3 is used as the microporous ceramic support. 3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men 20 een microporeuze α—AI2O3 drager met een modale poriegrootte van QjlQUm t0t 0,50W gebruikt.3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that a microporous α-AI2O3 carrier with a modal pore size of QlQUm t0t 0.50W is used. 4. Werkwijze volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat men een microporeuze keramishe drager met een modale poriegrootte van 0,12livi tot 0,34ym gebruikt.4. Process according to claims 1-3, characterized in that a microporous ceramic support with a modal pore size of 0.12 to 0.34 µm is used. 5. Werkwijze volgens conclusie 1-4, met het kenmerk, dat men en sol van Boehmiet in water gebruikt met disperse deeltjes van 3 nm tot 2Wa.5. Process according to claims 1-4, characterized in that a sol of Boehmite in water is used with disperse particles from 3 nm to 2Wa. 6. Werkwijze volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat men een sol dat 0,01 tot 0,20 mol HCIQ4 per mol Boehmiet bevat toepast en het 30 tussenprodukt 24 uren bij 500°C verhit.6. Process according to claims 1-5, characterized in that a sol containing 0.01 to 0.20 mol HCl 4 per mol Boehmite is used and the intermediate product is heated at 500 ° C for 24 hours. 7. Werkwijze volgens conclusie 1-6, met het kenmerk, dat men een sol dat 0,03 tot 0,11 mol HCIO4 per mol Boehmiet bevat, toepast en het tussenprodukt 24 uren bij 500°C verhit.7. Process according to claims 1-6, characterized in that a sol containing 0.03 to 0.11 mole HCIO4 per mole Boehmite is used and the intermediate is heated at 500 ° C for 24 hours. 8. Werkwijze volgens conclusie 1-7, met het kenmerk, dat men een 35 stabiel Boehmiet-sol bereidt onder toepassing van HNO3. 8402656 r ... . · ·-/··· - ·~- - ’V “ " ' . ·-' - 10 -8. Process according to claims 1-7, characterized in that a stable Boehmite sol is prepared using HNO3. 8402656 r .... · · - / ··· - · ~ - - "V" "'. -' - 10 - 9. Werkwijze volgens conclusie 1-8, met het kenmerk, dat men een solconcentratie van 3 gew.% gebruikt en een contacttijd van 1 tot 5 seconden tussen de microporeuze drager en het Boehmiet-sol instelt.Process according to claims 1-8, characterized in that a sol concentration of 3% by weight is used and a contact time of 1 to 5 seconds is set between the microporous support and the Boehmite sol. 10. Werkwijze volgens conclusie 1-9, met het kenmerk, dat men het 5 tussenprodukt sintert bij· een temperatuur gelegen tussen 390eC en 1500* C..10. Process according to claims 1-9, characterized in that the intermediate product is sintered at a temperature between 390 ° C and 1500 ° C. 11. Anorganisch membraan met een dikte van minder dan 20 y op een microporeuze drager van 01-AI2O3, met een modale· poriegrootte tot 5 ym, maar bij voorkeur 0,10ym tot 0,50-ym, met het kenmerk, dat de 10 drager 1 tot 5 seconden, bij voorkeur 2 seconden is gedompeld in een Boehmiet-sol met disperse deeltjes van 3 nm tot 2ym, welk sol HNO3, dan wel 0,01 tot 0,20 mol HCIO4 Per mo^· Boehmiet bevat, en met een solconcentratie van 0,01 - 25 gew.%, welke dan beladen drager is gedroogd. en verhit tot een temp?ratuur van tenminste 390ec ten hoogste 15 1500eC.11. Inorganic membrane with a thickness of less than 20 µ on a microporous support of 01-AI2O3, with a modal pore size of up to 5 µm, but preferably 0.10 µm to 0.50 µm, characterized in that the carrier is immersed for 1 to 5 seconds, preferably 2 seconds, in a Boehmite sol with disperse particles from 3 nm to 2ym, which sol contains HNO3, or 0.01 to 0.20 mole HCIO4 Per mo ^ Boehmite, and a sol concentration of 0.01 - 25% by weight, the loaded carrier then being dried. and heated to a temperature of at least 390 ° C, at most 1500 ° C. 12. Anorganisch membraan vervaardigd volgens de werkwijze van conclusie 1-10 en zoals beschreven en met voorbeelden toegelicht. 8402656Inorganic membrane manufactured according to the method of claims 1-10 and as described and illustrated by examples. 8402656
NL8402656A 1983-09-05 1984-08-31 Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd NL8402656A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL8402656A NL8402656A (en) 1983-09-05 1984-08-31 Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL8303079 1983-09-05
NL8303079A NL8303079A (en) 1983-09-05 1983-09-05 PROCESS FOR THE PREPARATION OF CRACK-FREE SEMI-PERMEABLE INORGANIC MEMBRANES.
NL8402656A NL8402656A (en) 1983-09-05 1984-08-31 Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd
NL8402656 1984-08-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL8402656A true NL8402656A (en) 1985-04-01

Family

ID=26645888

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL8402656A NL8402656A (en) 1983-09-05 1984-08-31 Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd

Country Status (1)

Country Link
NL (1) NL8402656A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NL8303079A (en) PROCESS FOR THE PREPARATION OF CRACK-FREE SEMI-PERMEABLE INORGANIC MEMBRANES.
CA1336872C (en) Composite membranes
EP0040282B1 (en) Process for the production of a dry inorganic ultrafiltration membrane and membrane produced by such a method
EP0348041B1 (en) Composite membranes
Leenaars et al. The preparation and characterization of alumina membranes with ultra-fine pores: Part 1 Microstructural investigations on non-supported membranes
US5190654A (en) Process for producing an ultra-thin and asymmetric mineral membrane
CN87103503A (en) Combination diaphragm
JPH06198146A (en) Fine-pored composite membrane
Etienne et al. A microporous zirconia membrane prepared by the sol—gel process from zirconyl oxalate
WO2009119292A1 (en) Ceramic filter
CN101528330A (en) Ceramic porous membrane and ceramic filter
US5030351A (en) Process for the preparation of a binary membrane top layer
Chu et al. Microporous silica membranes deposited on porous supports by filtration
EP0515491B1 (en) Inorganic membranes and a process for making inorganic membranes
NL8402656A (en) Thin inorganic semipermeable membranes prodn. - by immersing microporous alumina carrier in boehmite sol and drying and heating lyogel layer obtd
WO2005023403A1 (en) Titania composite membrane for water/alcohol separation, and preparation thereof
KR0139817B1 (en) Composite membrane
Thomas et al. Inorganic ultrafiltration membranes prepared by a combination of anodic film and sol-gel technologies
NL1010267C2 (en) Modified porous metal surfaces.
Santos et al. Formation of SnO2 supported porous membranes
JPH01299607A (en) Inorganic porous membrane
CN113828167B (en) A ceramic composite membrane for oil-water separation and preparation method thereof
JPH06198148A (en) Production of inorganic porous membrane
JP2003220319A (en) Separation membrane module and manufacturing method thereof
CA1140003A (en) Dry, particulate, inorganic ultrafiltration membranes and production thereof

Legal Events

Date Code Title Description
BV The patent application has lapsed