JP2009183814A - Separation membrane and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】合成樹脂を炭化させて得た炭素膜を備えた分離膜に較べて気体透過、液体透過において高い透過速度又は高い分離係数を有する気体及び液体分離膜を提供する。
【解決手段】無機多孔質支持体を木タールに浸漬する等により、多孔質支持体に木タールを塗布した後、適切な温度で乾燥し、溶媒を除去して前駆体膜を形成させ、得られた多孔質支持体上の木タール膜を400℃〜1000℃で、非酸化性雰囲気下で炭化することにより、炭素膜の厚さ0.05μm〜5mm、細孔径が2nm以下で、孔径分布がシャープな分離膜が得られる。
【選択図】なしDisclosed is a gas and liquid separation membrane having a high permeation rate or a high separation factor in gas permeation and liquid permeation compared to a separation membrane comprising a carbon membrane obtained by carbonizing a synthetic resin.
SOLUTION: After applying a wooden tar to a porous support, for example, by immersing the inorganic porous support in a wooden tar, drying is performed at an appropriate temperature, and the solvent is removed to form a precursor film. The carbon tar membrane on the porous support thus obtained is carbonized at 400 ° C. to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere, so that the thickness of the carbon membrane is 0.05 μm to 5 mm, the pore size is 2 nm or less, and the pore size distribution A sharp separation membrane can be obtained.
[Selection figure] None
Description
本発明は、気体又は液体の各種混合物を分離するための分離膜に関する。 The present invention relates to a separation membrane for separating various mixtures of gases or liquids.
従来、気体混合物或いは液体混合物など、流体の分離が特定の成分の富化や精製の目的で産業上、種々の場面で行われている。 Conventionally, separation of a fluid such as a gas mixture or a liquid mixture has been performed in various industrial scenes for the purpose of enrichment or purification of a specific component.
これらの分離方法としては、気体分離にあっては、深冷分離法が用いられ、液体にあっては蒸留手段が用いられるのが一般的である。 As these separation methods, a cryogenic separation method is used for gas separation, and a distillation means is generally used for liquid.
しかし、これらの方法は多大なエネルギーを必要とするため、エネルギー消費量の少ない所謂膜を用いた膜分離法が提案され、すでに一部実用化されている。近年のエネルギーコストの高騰により今後ますます膜分離方法の意義は高まりつつある。 However, since these methods require a large amount of energy, a so-called membrane separation method using a membrane with low energy consumption has been proposed and has already been partially put into practical use. The significance of membrane separation methods is increasing in the future due to the recent increase in energy costs.
他方、膜分離方法は、古くから固体と液体又は気体の分離に用いられており、菌類や金属イオン等の微細な固体を分離するものとして、精密濾過、限外濾過、逆浸透濾過などが行われており、濾過膜として、通常ミクロンオーダー又はサブミクロンオーダーの多孔質膜が用いられている。 On the other hand, membrane separation methods have long been used to separate solids from liquids or gases, and include microfiltration, ultrafiltration, reverse osmosis filtration, etc. to separate fine solids such as fungi and metal ions. In general, a porous membrane of micron order or submicron order is used as a filtration membrane.
更に気体混合物や液体混合物を膜により分離しようとする試みもなされており、気体分離膜や液体分離膜などが開発され、気体透過、液々透析、蒸気透過、浸透気化分離(パーベーパレーション)などが提案され、すでに実用化もなされている。これらに用いられる膜は、ナノ単位の細孔よりなり、前記固体濾過膜と区別する意味から、非多孔膜とも呼ばれている。かかる分離膜の素材としては酢酸セルロース、シリコンゴム、ポリスルフォン、ポリイミドなどの種々の高分子が知られている。近年の高分子技術の発展に伴い、透過選択性の高い分離膜が得られ、水素分離や窒素分離、二酸化炭素分離などの分野で実用化されているが、高分子膜では透過係数(あるいは透過速度)と分離係数の間に相反関係があり、透過係数の大きな膜は分離係数が小さくなるため、高分子膜の分離性能に上限が指摘されている。更に耐熱性や対溶剤性において課題があり、例えば分離対象の混合ガスにトルエン、キシレンなどの有機溶剤の蒸気が含まれると膜が変質し劣化する等の欠点があった。 In addition, attempts have been made to separate gas mixtures and liquid mixtures with membranes, and gas separation membranes and liquid separation membranes have been developed, such as gas permeation, liquid dialysis, vapor permeation, and pervaporation separation (pervaporation). Has been proposed and already put into practical use. Membranes used for these are composed of nano-sized pores, and are also called non-porous membranes in order to distinguish them from the solid filtration membranes. Various polymers such as cellulose acetate, silicon rubber, polysulfone, and polyimide are known as materials for such separation membranes. With the recent development of polymer technology, separation membranes with high permeation selectivity have been obtained and put to practical use in fields such as hydrogen separation, nitrogen separation, and carbon dioxide separation. There is a reciprocal relationship between the speed) and the separation factor, and a membrane with a large permeation coefficient has a small separation factor, so an upper limit is pointed out in the separation performance of the polymer membrane. Furthermore, there are problems in heat resistance and solvent resistance. For example, when the mixed gas to be separated contains vapor of an organic solvent such as toluene or xylene, there is a drawback that the film is deteriorated and deteriorated.
そのため、耐熱性、対溶剤性に優れ、より高選択かつ高透過性の分離膜を得るための新しい材料設計として、無機材質の分子ふるい膜に関する研究が進められ、ナノメートルサイズの細孔をもつ多孔質膜の研究が活発化している。たとえば、高温下でCVD法により形成したシリカ膜のガス透過性はH2/N2の分離性が数千の大きな値が報告されている。結晶性含水アルミノケイ酸塩のゼオライトは透過分子径とほぼ同じ大きさの細孔を有する分子ふるい膜素材としてパーベーパレーション分離への応用で実用化されている。一方、高分子を前駆体として数百度以上で熱処理することにより熱分解・炭化を経て作成する炭素膜もガス分子径に近い細孔を有し、分子ふるい炭素膜としての可能性があり注目される。このような炭素膜の例として、例えば特許文献1、特許文献2などにおいては、アクリル系の中空系を高温炭化した炭素膜が提案され、特許文献3、特許文献4には芳香族ポリイミド中空系炭素膜が提案されている。また、特許文献5には、セラミック表面にポリフェノール樹脂を炭化させて形成した炭素膜が提案されている。更に非特許文献1には、種々の有機高分子膜やゼオライト膜と共にリグノクレゾール(リグロイン加水分解物)を炭化した炭素膜についても言及されている。 Therefore, as a new material design to obtain a highly selective and highly permeable separation membrane with excellent heat resistance and solvent resistance, research on molecular sieve membranes of inorganic materials has been advanced, and there are nanometer-sized pores. Research on porous membranes is active. For example, the gas permeability of a silica membrane formed by a CVD method at a high temperature has been reported to be a large value of several thousands of H 2 / N 2 separability. Crystalline hydrous aluminosilicate zeolite has been put to practical use in pervaporation separation as a molecular sieve membrane material having pores approximately the same size as the permeation molecular diameter. On the other hand, carbon films prepared through thermal decomposition and carbonization by heat treatment at a temperature of several hundred degrees or more with a polymer as a precursor also have pores close to the gas molecular diameter, and are likely to be molecular sieve carbon films. The As an example of such a carbon film, for example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a carbon film obtained by carbonizing an acrylic hollow system at a high temperature is proposed. In Patent Document 3 and Patent Document 4, an aromatic polyimide hollow system is proposed. Carbon films have been proposed. Patent Document 5 proposes a carbon film formed by carbonizing a polyphenol resin on a ceramic surface. Further, Non-Patent Document 1 also refers to a carbon film obtained by carbonizing lignocresol (ligroin hydrolyzate) together with various organic polymer films and zeolite films.
しかしながら、これら従来の無機系の膜は炭素材の微細構造の制御が十分でないこと等から、透過速度や選択透過性が十分とはいえず、ピンホールフリーの膜を得るために繰り返し前駆体を塗布して焼成することが必要である上に、強度的にも満足のいくものではないのが現状である。膜にいかに均一な孔径の細孔を再現性よく付与できるかが膜性能と膜の実用性を大きく左右する。 However, since these conventional inorganic films do not have sufficient control of the microstructure of the carbon material, the permeation rate and the selective permeability cannot be said to be sufficient. In order to obtain a pinhole-free film, a precursor is repeatedly used. It is necessary to apply and bake, and the current situation is that the strength is not satisfactory. How the uniform pore size can be imparted to the membrane with good reproducibility greatly affects the membrane performance and the practicality of the membrane.
また、ゼオライト膜やシリカ系の膜にあっては、特にピンホールが生じやすく、細孔の制御に問題があった。
本発明者らは、既存の分離膜の上記諸問題を解決すべく鋭意研究し、本発明を完成するに至った。 The present inventors diligently studied to solve the above-mentioned problems of existing separation membranes, and completed the present invention.
本発明は、気体透過、液体透過、蒸気透過、気体−気体分離、液体−液体分離、パーベーパレーション等種々の流体に対し選択透過性を有する膜に関する(本願、特許請求の範囲及び明細書においては、かかる膜を単に「分離膜」という。)。 The present invention relates to a membrane having selective permeability to various fluids such as gas permeation, liquid permeation, vapor permeation, gas-gas separation, liquid-liquid separation, and pervaporation (in the present application, claims and specification). Is simply called "separation membrane").
すなわち、本発明は、(1)無機多孔質支持体表面に、400℃〜1000℃、好ましくは500℃〜700℃で熱処理された木タール由来の炭素膜が密着してなる分離膜である。 That is, the present invention is (1) a separation membrane in which a carbon membrane derived from wood tar that has been heat-treated at 400 ° C. to 1000 ° C., preferably 500 ° C. to 700 ° C., is adhered to the surface of the inorganic porous support.
更に(2)本発明の好ましい態様は、前記炭素膜層の厚さが0.05μm〜5mm、好ましくは0.1μm〜1mm、更に1μm〜500μmであることである。 Further (2) A preferred embodiment of the present invention is that the carbon film layer has a thickness of 0.05 μm to 5 mm, preferably 0.1 μm to 1 mm, and more preferably 1 μm to 500 μm.
また、(3)炭素膜は、平均孔径2nm以下、好ましくは1nm以下の細孔を多数有する。かかる細孔は主として炭素膜の前駆体である木タールの熱処理条件により定まるものであり、400℃〜1000℃の間で熱処理することにより得ることができる。 Further, (3) the carbon film has a large number of pores having an average pore diameter of 2 nm or less, preferably 1 nm or less. Such pores are mainly determined by the heat treatment conditions of wood tar, which is a precursor of the carbon film, and can be obtained by heat treatment between 400 ° C. and 1000 ° C.
(4)本発明の分離膜は、それ自体、分子ふるいとして用いることができるが、通常、気体分離、液体分離、パーベーパレーション等に用いることができる。 (4) Although the separation membrane of the present invention can itself be used as a molecular sieve, it can usually be used for gas separation, liquid separation, pervaporation and the like.
(5)本発明の分離膜は、無機多孔質支持体表面に木タールを塗布した後、非酸化雰囲気中で400℃〜1000℃に加熱処理することにより得ることが可能である。 (5) The separation membrane of the present invention can be obtained by applying wood tar to the surface of the inorganic porous support, followed by heat treatment at 400 ° C. to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere.
本発明の分離膜は、細孔径2nm以下で、孔径分布のシャープな多孔質であるため、分子ふるいとして有用であり、分子径の異なる各種混合気体から特定の成分のみを高選択高透過速度で分離する分離膜として用いることができる。例えば、窒素/酸素、メタン/水素、二酸化炭素/メタン、水素/メタン、アルコール/水などの実用上有益な分離プロセスに有効に利用できる。さらに、本発明に基づく炭素膜の製造方法によれば、従来、木炭製造プロセスの副生物として廃棄されていた木タールを、分離膜の製造の出発原料として使用することができる。 The separation membrane of the present invention has a pore size of 2 nm or less and is a porous material having a sharp pore size distribution, so it is useful as a molecular sieve. Only a specific component from various mixed gases having different molecular sizes can be selected at a high permeation rate. It can be used as a separation membrane for separation. For example, it can be effectively used for practically useful separation processes such as nitrogen / oxygen, methane / hydrogen, carbon dioxide / methane, hydrogen / methane, alcohol / water. Furthermore, according to the method for producing a carbon membrane based on the present invention, wood tar which has been conventionally discarded as a by-product of the charcoal production process can be used as a starting material for producing the separation membrane.
また、本発明に基づく製造方法によれば、比較的低い温度で炭化を行い、1回の炭素膜形成工程のみで分離性能の高い膜を得ることが可能であり、合成高分子を前駆体原料とする従来の方法と較べて簡単な装置、簡単な操作で実施することができる。 Further, according to the production method based on the present invention, it is possible to carbonize at a relatively low temperature to obtain a membrane having high separation performance only by a single carbon membrane formation step. Compared with the conventional method, it can be carried out with a simple apparatus and simple operation.
本発明の最大の特徴は、木タールを前駆体とし、これを400℃〜1000℃の温度で加熱処理して炭化し、炭素膜とする点にある。 The greatest feature of the present invention is that wood tar is used as a precursor, which is heat-treated at a temperature of 400 ° C. to 1000 ° C. to be carbonized to form a carbon film.
木タールは、木材を乾留する時得られる。すなわち、木炭の製造時等、木材を乾留することにより、留出する液体を静置すると3層に分かれる。上層には精油及び油状成分が少量浮遊し、中層に水溶性成分(木酢液)、下層に組成が複雑で粘稠な高沸点成分である木タールが分離する。例えば、広葉樹からの木タールの場合、その組成の一例を挙げれば、酢酸2%、メタノール0.65%、水17.75%、軽油(比重0.97)5%、重油(比重1.043)10%、軟ピッチ64.60%である。重油の200〜220℃の留分(比重1.03〜1.09)はクレオソート油と言い、グアヤコール、クレオソートを主成分とし、木材防腐剤及びグアヤコールの製造原料として用いられる。 Wood tar is obtained when wood is carbonized. That is, when the liquid to be distilled is allowed to stand by dry distillation of wood, such as during the production of charcoal, it is divided into three layers. A small amount of essential oil and oily components float in the upper layer, and a water-soluble component (wood vinegar) is separated in the middle layer, and a wooden tar that is a complex and viscous high-boiling component is separated in the lower layer. For example, in the case of wood tar from hardwood, an example of its composition is 2% acetic acid, 0.65% methanol, 17.75% water, 5% light oil (specific gravity 0.97), heavy oil (specific gravity 1.043). ) 10% and soft pitch 64.60%. A 200-220 degreeC fraction (specific gravity 1.03-1.09) of heavy oil is called creosote oil, and has guaiacol and creosote as a main component, and is used as a raw material for wood preservatives and guaiacol.
しかし、現在、石油などの製品に押されて、ほとんど生産されず、産業廃棄物として、廃棄又は焼却されており、環境汚染の原因ともなっている。 At present, however, they are pushed by products such as petroleum, are hardly produced, are discarded or incinerated as industrial waste, and cause environmental pollution.
本発明は、かかる木タールを炭素膜の前駆体として用い、無機多孔質体表面に塗布し、非酸化性雰囲気中で400℃〜1000℃の温度範囲で熱処理することにより製造できる。 The present invention can be produced by using such wood tar as a carbon membrane precursor, applying it to the surface of the inorganic porous body, and heat-treating it in a non-oxidizing atmosphere at a temperature range of 400 ° C to 1000 ° C.
無機多孔質体表面への塗布方法としては、例えば木タールを有機溶剤に溶かした溶液あるいは木タールそのものに該多孔質体を浸漬する方法、木タールあるいはその溶液をスプレーガンなどの噴霧器で薄く均一に塗布する方法などがあり、該木タールの濃度、採用する塗布方法、目的の膜厚により適宜選択すればよい。 Examples of the method for coating the surface of the inorganic porous body include a method in which the porous body is immersed in a solution obtained by dissolving wood tar in an organic solvent or the wood tar itself. The wood tar or the solution thereof is thinly and uniformly applied by a spray gun or the like. The coating method may be selected as appropriate depending on the concentration of the wood tar, the coating method employed, and the target film thickness.
木タール溶液の濃度を薄くする程、溶液の粘度は低下し、多孔質支持体の孔中によく浸透する。本発明における支持体表面とは、支持体の孔中の表面をも含むものである。 The thinner the concentration of the wood tar solution, the lower the viscosity of the solution and the better it penetrates into the pores of the porous support. The support surface in the present invention includes the surface in the pores of the support.
本発明において、木タールを溶解する溶媒は、メタノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランなどの均一溶解するものであれば良く、特に限定するものではない。 In the present invention, the solvent for dissolving wood tar is not particularly limited as long as it dissolves uniformly, such as methanol, acetone, dimethylformamide, and tetrahydrofuran.
無機多孔質体の材質としては、例えばアルミナ質、シリカ質、或いはムライト、コージェライトなどのシリカ或いはアルミナとその他の成分よりなる組成物、多孔質の燒結金属、多孔質ガラスなどを好適に用いることができる。また、ジルコニア、マグネシアなどの他の酸化物或いは炭化珪素、窒化珪素などの炭化物や窒化物等のセラミックス類、石膏、セメント等、またはそれらの混合物を用いることができる。 As the material of the inorganic porous material, for example, alumina, siliceous, or a composition comprising silica or alumina and other components such as mullite and cordierite, porous sintered metal, porous glass, etc. are preferably used. Can do. In addition, other oxides such as zirconia and magnesia, carbides such as silicon carbide and silicon nitride, ceramics such as nitride, gypsum, cement, and the like, or a mixture thereof can be used.
該多孔質体の気孔率は、通常30〜80%程度であり、好ましくは35〜70%、もっとも好ましくは40〜60%である。気孔率が小さすぎる場合にはガスなどの流体の透過性が低下するので好ましくなく、大きすぎる場合には、支持体の強度が低下して好ましくない。また、該セラミック等の多孔質体の細孔径は、通常10〜10,000nm、好ましくは100〜10,000nmである。 The porosity of the porous body is usually about 30 to 80%, preferably 35 to 70%, and most preferably 40 to 60%. When the porosity is too small, the permeability of a fluid such as gas is lowered, which is not preferable. When the porosity is too large, the strength of the support is decreased, which is not preferable. The pore diameter of the porous body such as ceramic is usually 10 to 10,000 nm, preferably 100 to 10,000 nm.
更に該多孔質体は、例えばアルミナ質等の多孔質体の表面にシリカゾルを含浸するなどの方法により表面近傍の細孔径を小さくした複合多孔質支持体も好適に使用し得る。 Further, as the porous body, for example, a composite porous support in which the pore diameter in the vicinity of the surface is reduced by a method of impregnating silica sol on the surface of a porous body such as alumina can be suitably used.
本発明においては、無機多孔質支持体を木タールに浸漬する等により、多孔質支持体に木タールを塗布した後、適切な温度で乾燥し、溶媒を除去することにより前駆体膜を形成させる。こうして得られた多孔質支持体上の木タール膜を400℃〜1000℃で、非酸化性雰囲気化で炭化することにより、多孔質支持体表面に炭素膜を形成させる。炭化温度が1000℃より高いと炭素膜の細孔が熱収縮して減少するため透過度が低下し好ましくない。また、400℃より低い場合、炭化が十分ではなく、分離性能が低く、また耐熱性、耐薬品性なども低いので好ましくない。特に好ましくは、500〜700℃の温度範囲である。 In the present invention, after applying the wooden tar to the porous support, such as by immersing the inorganic porous support in the wooden tar, the precursor film is formed by drying at an appropriate temperature and removing the solvent. . The wood tar film on the porous support thus obtained is carbonized at 400 ° C. to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to form a carbon film on the surface of the porous support. When the carbonization temperature is higher than 1000 ° C., the pores of the carbon film are reduced by heat shrinkage, and the permeability is lowered, which is not preferable. On the other hand, when the temperature is lower than 400 ° C., carbonization is not sufficient, separation performance is low, and heat resistance and chemical resistance are low, which is not preferable. Most preferably, it is the temperature range of 500-700 degreeC.
また、このときの非酸化性雰囲気とは、減圧下又は不活性ガス、例えば窒素、アルゴン、ヘリウムなどの雰囲気下であり、少量の二酸化炭素、水蒸気などの弱酸化性ガス或いは極少量の酸素が含まれていてもよい。 In addition, the non-oxidizing atmosphere at this time is a reduced pressure or an inert gas, for example, an atmosphere of nitrogen, argon, helium, etc., and a weak oxidizing gas such as a small amount of carbon dioxide or water vapor or a very small amount of oxygen. It may be included.
炭化工程での最高処理温度に到達するまでの昇温速度は特に制限するものではない。また、炭化時の雰囲気、昇温速度、最高温度、最高温度での保持時間などは多孔質支持体の種類や細孔構造、目的とする炭素膜の細孔構造などを考慮して、通常行われる試行作業により最適の条件を選定する。 The rate of temperature rise until reaching the maximum processing temperature in the carbonization step is not particularly limited. In addition, the atmosphere during carbonization, the heating rate, the maximum temperature, the retention time at the maximum temperature, etc. are usually determined in consideration of the type of porous support, the pore structure, the pore structure of the target carbon membrane, etc. The optimum conditions are selected by trial work.
本発明の炭素膜の厚さは通常0.05μm〜5mm、好ましくは0.1μm〜500μmであり、炭素膜の細孔直径は、2nm以下、特に1nm以下が好ましく、対象とする気体分子径により最適な細孔直径を選択決定すればよい。 The thickness of the carbon film of the present invention is usually 0.05 μm to 5 mm, preferably 0.1 μm to 500 μm, and the pore diameter of the carbon film is preferably 2 nm or less, particularly preferably 1 nm or less, depending on the target gas molecular diameter. The optimum pore diameter may be selected and determined.
例えば、水素の分子径は0.289nm、二酸化炭素では0.330nm、メタンでは0.380nmであり、これらの混合物の分離にあたっては、分子径を考慮して0.3〜0.5nm程度の範囲の最適細孔径を選ぶと高効率で分離することができる。 For example, the molecular diameter of hydrogen is 0.289 nm, carbon dioxide is 0.330 nm, and methane is 0.380 nm. In the separation of these mixtures, the molecular diameter is taken into consideration in the range of about 0.3 to 0.5 nm. When the optimum pore diameter is selected, separation can be performed with high efficiency.
本発明に用いられる炭素膜は、多孔質体を支持体とし、その上に形成される炭素膜が実用上十分な強度を発揮できれば良く、特に支持体の厚さや形状は限定するものではない。支持体の形状は、その上に形成される本発明の分離膜の形状を決定するが、目的に応じ平板上、円筒状など適宜選択すればよい。 The carbon film used in the present invention is not particularly limited as long as the porous film is used as a support, and the carbon film formed thereon can exhibit practically sufficient strength, and the thickness and shape of the support are not particularly limited. The shape of the support determines the shape of the separation membrane of the present invention formed thereon, and may be appropriately selected on a flat plate or a cylinder according to the purpose.
すなわち、本発明の分離膜の形状は特に制限するものではなく、実用的な構成にするためにモジュール構造としてもよい。モジュール形状としては例えば、管型、平板型、高圧に耐えるスパイラル形、プリーツ型などが好適である。 That is, the shape of the separation membrane of the present invention is not particularly limited, and a module structure may be used in order to obtain a practical configuration. As the module shape, for example, a tube type, a flat plate type, a spiral type that can withstand high pressure, a pleated type, and the like are suitable.
本発明の分離膜において、その性能、すなわち透過係数や透過速度を決めるものは炭素膜層である。本発明においては、木タールを前駆体として、これを400℃〜1000℃の加熱処理によって炭化させた炭素膜層であることを必須とする。かかる前駆体由来の炭素膜を用いることが、従来提案されていた各種合成樹脂や、リグニン加水分解物等を用いた場合に比べ、産業廃棄物に近い木タールを有効利用するメリットに加えて、優れた効果が得られるのである。その理由は明らかではないが、後述する実施例及び比較例の対比、特にほぼ同じ条件で製造した場合の実施例3と比較例1及び3について次の表1に例を示すとおり、比較例にあっては理想分離係数が悪いか又はガス透過速度が悪い。すなわち、本発明の木タールの場合、バランスのとれた中庸の分離膜を提供することができるのである。 In the separation membrane of the present invention, the carbon membrane layer determines its performance, that is, the permeation coefficient and permeation speed. In the present invention, it is essential that the carbon film layer is obtained by carbonizing wood tar as a precursor and carbonizing it by heat treatment at 400 ° C to 1000 ° C. Using this precursor-derived carbon film, in addition to the benefits of effectively using wood tar close to industrial waste, compared to the use of various synthetic resins and lignin hydrolysates that have been proposed in the past, An excellent effect is obtained. The reason for this is not clear, but the comparison between the examples and comparative examples described later, particularly the comparative examples as shown in the following Table 1 for Example 3 and Comparative Examples 1 and 3 when manufactured under substantially the same conditions. In that case, the ideal separation factor is poor or the gas permeation rate is poor. That is, in the case of the wood tar of the present invention, it is possible to provide a well-balanced intermediate separation membrane.
下記式(1)・(2)理想分離係数R1/R2
分離膜のガス透過性については、通常、下記の数式1、2で定義される透過係数P或いは、透過速度Rが指標として用いられる。透過係数P或いは透過速度Rの大小により、当該分子ふるい炭素膜の各種ガスの透過性を表す事ができる。本発明では混合ガスの分離性能の指標として理想分離係数R1/R2を定義した。
(1)透過係数 P=QL/(p1−p2)At
(2)透過速度 R=P/L=Q/(p1−p2)At
Q:ガス透過量[cm3](0℃、1気圧)
p1:高圧側ガス圧[cmHg]
p2:低圧側ガス圧[cmHg]
A:膜面積[cm2]
L:膜厚[cm]
t:時間[sec]
ガスの透過速度の測定法
本発明の分離膜のガス透過速度測定は、図1に示すガス透過能測定装置により測定した。透過セルに膜をOリングで固定し、100℃で脱気処理を行った後、測定温度にて上流側に測定気体を所定圧力導入し、減圧した管状膜の内側に透過した気体による圧力上昇速度を圧力トランスデューサーで測定した。透過速度R[cm3(STP)/cm2 s cmHg]は1秒あたりp[Torr]下流側の圧力が増加したとすると次式によって算出できる。
The following formulas (1) and (2) ideal separation factor R 1 / R 2
As for the gas permeability of the separation membrane, the permeation coefficient P or permeation rate R defined by the following formulas 1 and 2 is usually used as an index. The permeability of various gases of the molecular sieving carbon film can be expressed by the permeation coefficient P or the permeation speed R. In the present invention, the ideal separation factor R 1 / R 2 is defined as an index of the separation performance of the mixed gas.
(1) Transmission coefficient P = QL / (p 1 −p 2 ) At
(2) Transmission speed R = P / L = Q / (p 1 −p 2 ) At
Q: Gas permeation amount [cm 3 ] (0 ° C., 1 atm)
p 1 : High-pressure side gas pressure [cmHg]
p 2 : low-pressure side gas pressure [cmHg]
A: Membrane area [cm 2 ]
L: Film thickness [cm]
t: Time [sec]
Gas permeation rate measurement method The gas permeation rate of the separation membrane of the present invention was measured by the gas permeability measuring apparatus shown in FIG. After the membrane is fixed to the permeation cell with an O-ring and degassed at 100 ° C, the measurement gas is introduced at a predetermined pressure upstream at the measurement temperature, and the pressure rises due to the permeated gas inside the decompressed tubular membrane. The speed was measured with a pressure transducer. The permeation rate R [cm 3 (STP) / cm 2 s cmHg] can be calculated by the following equation assuming that the pressure on the downstream side of p [Torr] per second increases.
この実験では、出発原料として、広葉樹(ハンノキ)由来の木タールを使用した。ハンノキからは、炭素原料としての木炭及び農業用の木酢液が製造され、副生物として木タールが多く発生する。 In this experiment, wood tar derived from hardwood was used as a starting material. From alder, charcoal as a carbon raw material and agricultural vinegar are produced, and a large amount of wood tar is generated as a by-product.
木タール1kgにTHF(テトラヒドロフラン)を3L加え、よく攪拌した。木タールのTHF溶液を濾紙を用いて吸引濾過し、不溶物を除去することにより、茶色の沈殿(80g)が分離された。濾液をロータリー・エバポレーターに送り、水流ポンプ及びそれに続いて真空ポンプを用いてTHF及び水分等の低沸点溶液を回収して、タールを濃縮した。その結果、黒色粘稠な木タール450gが得られた。タールの組成は:C:66.9wt% H:6.9wt% N:4.8wt%であった。 3 L of THF (tetrahydrofuran) was added to 1 kg of wood tar and stirred well. A brown precipitate (80 g) was separated by suction filtration of the THF solution of wood tar using filter paper to remove insoluble matters. The filtrate was sent to a rotary evaporator and a low-boiling solution such as THF and moisture was collected using a water pump and subsequently a vacuum pump to concentrate the tar. As a result, 450 g of black viscous wood tar was obtained. The composition of tar was: C: 66.9 wt% H: 6.9 wt% N: 4.8 wt%.
次に、このハンノキタールをTHFで溶解し、67wt%(THF)溶液のコート液を作製し、図2(a)(b)に示す管状の多孔質アルミナ支持体(外径2.1mm、内径1.8mm、平均細孔径0.15μm、気孔率46%)を支持体として用意した。なお、図2(a)は管状支持体であり、Aは中空部、Bはアルミナであって、その形状のSEM写真を図2(b)に示す。支持体をコート液に浸漬後、速度:1cm/minで引き上げた。乾燥(70℃、6時間)、真空乾燥(100℃、20時間)後、高周波誘導加熱装置[セキスイ電子製、MU−1700D]を使用し、不活性雰囲気下で焼成した。焼成条件は、雰囲気:窒素フロー(流量200ml/min)、昇温速度:500℃/min、焼成温度400℃、最高温度での保持時間:30分とした。コート回数は1回とし、炭素膜を作製した。 Next, this Hannochital was dissolved in THF to prepare a coating solution of 67 wt% (THF) solution, and a tubular porous alumina support (outer diameter 2.1 mm, inner diameter shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b)). 1.8 mm, average pore diameter 0.15 μm, porosity 46%) was prepared as a support. 2A is a tubular support, A is a hollow portion, B is alumina, and an SEM photograph of the shape is shown in FIG. 2B. The substrate was dipped in the coating solution and then pulled up at a speed of 1 cm / min. After drying (70 ° C., 6 hours) and vacuum drying (100 ° C., 20 hours), a high-frequency induction heating apparatus [manufactured by Sekisui Electronics Co., Ltd., MU-1700D] was used for firing in an inert atmosphere. Firing conditions were as follows: atmosphere: nitrogen flow (flow rate 200 ml / min), heating rate: 500 ° C./min, firing temperature 400 ° C., and retention time at maximum temperature: 30 minutes. The number of coatings was 1, and a carbon film was produced.
真空法により純ガスの気体透過測定を行った。測定温度は35℃とし、上流側と下流側の差圧を1atmとして測定した。 The gas permeation measurement of pure gas was performed by the vacuum method. The measurement temperature was 35 ° C., and the differential pressure between the upstream side and the downstream side was 1 atm.
気体透過を行った後の気体透過速度と透過速度比を表2に示す。 Table 2 shows the gas permeation speed and the permeation speed ratio after gas permeation.
実施例1において、焼成温度を500℃に代えて作製した膜を用いて測定した気体透過速度と透過速度比を表2に示す。 In Example 1, the gas permeation rate and the permeation rate ratio measured using a film produced by changing the firing temperature to 500 ° C. are shown in Table 2.
実施例1において、焼成温度を600℃に代えて作製した膜を用いて測定した気体透過速度と透過速度比を表2に示す。この膜の断面SEM写真を図3に示す。この図から200nmの薄膜が多孔質支持体上に形成できていることがわかる。 Table 2 shows the gas permeation rate and the permeation rate ratio measured using the film produced in Example 1 with the firing temperature changed to 600 ° C. A cross-sectional SEM photograph of this film is shown in FIG. From this figure, it can be seen that a 200 nm thin film can be formed on the porous support.
実施例1において、焼成温度を700℃に代えて作製した膜を用いて測定した気体透過速度と透過速度比を表2に示す。
(比較例1)
In Example 1, the gas permeation rate and the permeation rate ratio measured using the film produced by changing the firing temperature to 700 ° C. are shown in Table 2.
(Comparative Example 1)
粒状フェノール樹脂(エアウォーター製:ベルパールS895)をTHFに溶解し、40wt%のTHF溶液を作製した。多孔質アルミナチューブ(外径2.1mm、内径1.8mm、平均細孔径0.15μm、気孔率46%)を支持体として用意した。支持体をコート液に浸漬後、速度:1cm/minで引き上げた。乾燥(70℃、6時間)、真空乾燥(100℃、20時間)後、高周波誘導加熱装置[セキスイ電子製、MU−1700D]を使用し、不活性雰囲気下で焼成した。焼成条件は、雰囲気:窒素中(密閉系)、昇温速度:500℃/min、焼成温度:600℃、最高温度での保持時間:30分とした。コート回数は1回とし、炭素膜を作製し気体透過速度を測定した。
(比較例2)
A granular phenol resin (manufactured by Air Water: Bell Pearl S895) was dissolved in THF to prepare a 40 wt% THF solution. A porous alumina tube (outer diameter 2.1 mm, inner diameter 1.8 mm, average pore diameter 0.15 μm, porosity 46%) was prepared as a support. The substrate was dipped in the coating solution and then pulled up at a speed of 1 cm / min. After drying (70 ° C., 6 hours) and vacuum drying (100 ° C., 20 hours), a high-frequency induction heating apparatus [manufactured by Sekisui Electronics Co., Ltd., MU-1700D] was used for firing in an inert atmosphere. The firing conditions were as follows: atmosphere: nitrogen (closed system), temperature rising rate: 500 ° C./min, firing temperature: 600 ° C., holding time at maximum temperature: 30 minutes. The number of coatings was one, a carbon film was prepared, and the gas permeation rate was measured.
(Comparative Example 2)
比較例1において、コート回数を2回として作製した膜を用いて測定した気体透過速度と透過速度比を表2に示す。この膜の断面SEM写真を図4に示す。この図から膜は8ミクロンの膜厚で実施例3に比べ40倍の厚い膜であることが分かる。
(比較例3)
In Comparative Example 1, the gas permeation rate and the permeation rate ratio measured using a film produced with the number of coatings twice are shown in Table 2. A cross-sectional SEM photograph of this film is shown in FIG. From this figure, it can be seen that the film is 8 microns thick and is 40 times thicker than Example 3.
(Comparative Example 3)
針葉樹(ヒノキ)由来のリグニン誘導体であるリグノクレゾール樹脂をTHFに溶解し、35wt%(THF)のコート溶液を作製した。多孔質アルミナチューブ(外径2.1mm、内径1.8mm、平均細孔径0.15μm、気孔率46%)を支持体としてコート溶液に浸漬後、速度:1cm/minで引き上げた。乾燥(70℃、6時間)、真空乾燥(100℃、20時間)後、比較例1と同じ焼成条件で焼成した。気体透過測定を行ったところ膜にピンホールがあり分離性能はなかったため、引き続き2回目のコート、乾燥、真空乾燥、焼成過程を行い、リグノクレゾール2回コート炭素膜を作製した。作製した膜の気体透過測定結果を表2に示す。 Lignocresol resin, which is a lignin derivative derived from coniferous cypress, was dissolved in THF to prepare a 35 wt% (THF) coating solution. A porous alumina tube (outer diameter 2.1 mm, inner diameter 1.8 mm, average pore diameter 0.15 μm, porosity 46%) was immersed in the coating solution as a support, and then pulled up at a speed of 1 cm / min. After drying (70 ° C., 6 hours) and vacuum drying (100 ° C., 20 hours), firing was performed under the same firing conditions as in Comparative Example 1. When the gas permeation measurement was performed, there was a pinhole in the membrane and there was no separation performance. Therefore, the second coating, drying, vacuum drying, and firing processes were carried out to produce a lignocresol twice-coated carbon membrane. Table 2 shows the gas permeation measurement results of the produced membrane.
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2008
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