JP2013031830A - Porous body with separation membrane - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の管状通路を備えていても分離膜付き多孔質体全体として透過速度の高い分離膜付き多孔質体を提供する。
【解決手段】多孔質体12に設けられた貫通孔の内壁に分離機能を有する分離膜を形成した管状通路11を複数備える分離膜付き多孔質体1であって、前記管状通路の長さ方向に垂直な断面において、全ての前記管状通路が前記分離膜付き多孔質体の外周面yに面している。
【選択図】図1Provided is a porous body with a separation membrane having a high permeation rate as a whole of the porous body with a separation membrane even if it has a plurality of tubular passages.
A porous body with a separation membrane having a plurality of tubular passages having a separation membrane having a separation function formed on an inner wall of a through hole provided in a porous body, the length direction of the tubular passage In the cross section perpendicular to, all the tubular passages face the outer peripheral surface y of the porous body with a separation membrane.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、分離膜付き多孔質体に関し、特に、含水アルコールの脱水濃縮、天然ガス分離、石油プラントにおける異性体分離等の技術において有用な分離膜付き多孔質体に関するものである。 The present invention relates to a porous body with a separation membrane, and more particularly to a porous body with a separation membrane useful in techniques such as dehydration concentration of hydrous alcohol, natural gas separation, and isomer separation in a petroleum plant.
従来より、各種ガスを含有する混合気体中から特定ガスを分離するフィルタや、含水アルコールから水分を除去するフィルタ、触媒を担持したメンブレンリアクター等が用いられているが、安全かつ簡便なことからその適用範囲が拡がり、今やこれらの分離濃縮技術は各種燃焼機関をはじめ、食品工業や医療用機器、化学プラントや石油精製プラントの蒸留の一部代替、更には溶剤の回収処理、廃棄物処理等の分野でも注目されている。 Conventionally, a filter for separating a specific gas from a mixed gas containing various gases, a filter for removing water from hydrous alcohol, a membrane reactor carrying a catalyst, etc. have been used. The scope of application has expanded, and now these separation and concentration technologies include various combustion engines, food industry, medical equipment, partial replacement for distillation in chemical plants and oil refining plants, as well as solvent recovery and waste disposal. It is also attracting attention in the field.
例えば、水素ガスを分離するフィルタとしては、石油精製プラントにおいて発生するオフガスや、アンモニア合成プラントにおいて発生するパージガスからの水素ガスの回収などに、また二酸化炭素を分離するフィルタとしては、燃費の向上およびパイプラインの腐食防止を目的に天然ガスに含まれる二酸化炭素の除去への応用が研究されている。さらに、酸素を分離するフィルタとしては、医療機器、スポーツ機器、各種燃焼機関用として応用されている。 For example, a filter for separating hydrogen gas can be used for recovering hydrogen gas from off-gas generated in an oil refining plant, purge gas generated in an ammonia synthesis plant, etc. The application to the removal of carbon dioxide contained in natural gas has been studied for the purpose of preventing corrosion of pipelines. Furthermore, as a filter for separating oxygen, it is applied to medical equipment, sports equipment, and various combustion engines.
従来のフィルタでは、例えばセラミックス製の多孔質体に被分離流体を通す貫通孔を設け、この貫通孔の内壁に分離機能を有する例えば炭素膜等が成膜された分離膜付き多孔質体を用いるものがあり、分離膜付き多孔質体としては、円筒状の多孔質体の内側に一つの管状通路を有するチューブラー型や、円柱状の多孔質体の内部に、その円柱の長さ方向に平行な複数の管状通路を有するモノリス型等が知られている(特許文献1参照)。特にモノリス型はチューブラー型と比較して被分離流体を多量に流すことができ、フィルタに配置する分離膜付き多孔質体の数を低減できるため、分離膜付き多孔質体の交換、取り付け作業による装置の稼働率の低下や作業中の破損、シール不良の問題を防ぐことができる。 In a conventional filter, for example, a porous body with a separation membrane in which a through-hole through which a fluid to be separated is passed is provided in a porous body made of ceramic, for example, a carbon membrane having a separation function is formed on the inner wall of the through-hole is used. As a porous body with a separation membrane, there is a tubular type having a single tubular passage inside a cylindrical porous body, or inside a cylindrical porous body in the longitudinal direction of the cylinder. A monolith type having a plurality of parallel tubular passages is known (see Patent Document 1). In particular, the monolith type can flow a larger amount of fluid to be separated than the tubular type, and the number of porous bodies with separation membranes placed on the filter can be reduced. It is possible to prevent a reduction in the operating rate of the apparatus, damage during work, and problems of poor sealing.
図9に示すようなモノリス型の分離膜付き多孔質体では、円柱の軸の近くに位置する管状通路における分離成分の透過速度は、外周側の管状通路における透過速度よりも低くなり、分離膜付き多孔質体全体の透過速度が低下し、例えば被分離流体を濃縮して取り出す場合には、取り出された被分離流体が充分に濃縮されずに再分離処理が必要であったり、充分に濃縮された被分離流体を得るために被分離流体の流速を上げられず、分離効率が低いという問題があった。これは、分離膜付き多孔質体において管状通路から分離された分離成分は、多孔質体内部を多孔質体外周表面に向け、多孔質体の気孔(細孔)内部と外周表面に接する雰囲気中との分離成分の分圧差を駆動力として移動することにより分離膜から排出されるが、図9に示すようなモノリス型の分離膜付き多孔質体では、円柱の外周側に位置する管状通路と比較して円柱の軸の近傍に位置する管状通路で分離された分離成分は、多孔質体内部における移動距離が長く、排出されにくいためである。 In the porous body with a monolith type separation membrane as shown in FIG. 9, the permeation speed of the separation component in the tubular passage located near the axis of the cylinder is lower than the permeation speed in the tubular passage on the outer peripheral side. For example, when the fluid to be separated is concentrated and removed, the removed fluid to be separated is not sufficiently concentrated and needs to be re-separated or sufficiently concentrated. In order to obtain the separated fluid, there is a problem that the flow rate of the separated fluid cannot be increased and the separation efficiency is low. This is because the separation component separated from the tubular passage in the porous body with the separation membrane faces the porous body inside surface toward the outer peripheral surface of the porous body, and is in an atmosphere in contact with the pores (pores) inside and the outer surface of the porous body. 9 is discharged from the separation membrane by moving the difference in partial pressure of the separation component as a driving force. In a monolith type porous body with a separation membrane as shown in FIG. This is because the separation component separated by the tubular passage located near the axis of the cylinder in comparison has a long moving distance inside the porous body and is not easily discharged.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、複数の管状通路を備えていても分離
膜付き多孔質体全体として透過速度の高い分離膜付き多孔質体を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a porous body with a separation membrane having a high permeation rate as a whole porous body with a separation membrane even if a plurality of tubular passages are provided. .
本発明の分離膜付き多孔質体は、多孔質体に設けられた貫通孔の内壁に分離機能を有する分離膜を形成した管状通路を複数備える分離膜付き多孔質体であって、前記管状通路の長さ方向に垂直な断面において、全ての前記管状通路が前記分離膜付き多孔質体の外周面に面していることを特徴とする。 The porous body with a separation membrane of the present invention is a porous body with a separation membrane comprising a plurality of tubular passages in which a separation membrane having a separation function is formed on the inner wall of a through hole provided in the porous body, In the cross section perpendicular to the length direction, all the tubular passages face the outer peripheral surface of the porous body with a separation membrane.
ここで、全ての管状通路が分離膜付き多孔質体の外周面に面しているとは、各管状通路が、分離膜付き多孔質体の管状通路の長さ方向に垂直な断面(以下、単に分離膜付き多孔質体の断面という場合もある)において、各管状通路の中心と分離膜付き多孔質体の外周面を結んだ直線のうち長さが最短となる線分上に、他の管状通路が存在しないことをいう。 Here, all the tubular passages face the outer peripheral surface of the porous body with a separation membrane means that each tubular passage has a cross section perpendicular to the length direction of the tubular passage of the porous body with a separation membrane (hereinafter, In some cases, the cross-section of the porous body with a separation membrane is simply the other of the straight lines connecting the center of each tubular passage and the outer peripheral surface of the porous body with a separation membrane, This means that there is no tubular passage.
本発明の分離膜付き多孔質体では、各管状通路の分離膜により分離された分離成分が、他の管状通路から分離された分離成分の分圧の影響を受けることが少なくなり、分離膜付き多孔質体全体として高い透過速度を得ることができる。 In the porous body with a separation membrane of the present invention, the separation component separated by the separation membrane of each tubular passage is less affected by the partial pressure of the separation component separated from the other tubular passage, and the separation membrane is attached. A high permeation rate can be obtained for the entire porous body.
図1は、本発明の一例であるモノリス型の分離膜付き多孔質体の、管状通路の長さ方向に垂直な方向の断面図である(以下、分離膜付き多孔質体および管状通路の断面とは、管状通路の長さ方向に垂直な方向の断面を指すものとする)。図1(a)に示す分離膜付き多孔質体1は、例えば円柱状のセラミックス製の多孔質体12に、内壁に分離機能を有する例えば炭素膜等の分離膜(図示せず)が形成された複数(図1においては6つ)の管状通路11が配置されたものである。なお、全ての管状通路11は分離膜付き多孔質体の外周面に面している、すなわち、各管状通路11は、各管状通路11の中心pと分離膜付き多孔質体1の外周面yとを結ぶ線分のうち長さが最短の線分x上に、他の管状通路11が存在しないように配置されている。なお、管状通路11において、多孔質体12の貫通孔の内壁と分離膜との間に中間層を設けてもよい。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a monolith type porous body with a separation membrane which is an example of the present invention in a direction perpendicular to the length direction of the tubular passage (hereinafter, a cross section of the porous body with separation membrane and the tubular passage). Means a cross section in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the tubular passage). In the
このように管状通路11を配置することにより、各管状通路11の分離膜により分離された分離成分は、他の管状通路11から分離された分離成分の分圧の影響を受けることが少なくなり、分離膜付き多孔質体1全体として高い透過速度を得ることができる。
By arranging the
これら管状通路11は、最短の線分xの長さが図2に示すx1、x2のように管状通路毎に異なっていてもよいが、すべての管状通路11においてxの長さが等しくなるように配置されていることが好ましい。各管状通路11をこのように配置することにより、分離された分離成分が各管状通路11から多孔質体12の外周面まで移動する距離が等しくなり、各管状通路11からの透過速度が等しくなるため、分離膜付き多孔質体1全体としての分離係数を安定して高くすることができ、被分離流体の流速および濃縮率を高めることができる。
These
なお、本発明においては、モノリス型の分離膜付き多孔質体1の形状は円柱状に限るものではなく、例えば楕円柱状や、三角柱、四角柱等の多角柱状でも構わない。なお、多角柱状の場合は所望により多角形の角を丸めることもできる。また、管状通路11の断面形状も円形に限るものではなく、例えば楕円形や、三角形、四角形等の多角形でも構わない。この場合、断面形状が円形以外の場合の管状通路11の中心とは、幾何学的な重心位置をいう。
In the present invention, the shape of the monolith type
図3は、本発明の別の例である分離膜付き多孔質体の断面図である。分離膜付き多孔質体3は、その断面の中央に、内壁表面に分離膜を有していない貫通孔Hが設けられた円筒
状の多孔質体32に、複数(図3においては8つ)の管状通路31が配置されたものである。この場合も各管状通路31の中心と分離膜付き多孔質体3の外周面yとを結ぶ線分のうち長さが最短の線分x上には、他の管状通路31は存在しない。内壁表面に分離膜を有していない貫通孔Hを設けることにより、貫通孔H内部における分離成分の分圧を下げ、内周面zからの分離成分の除去を促進することも可能なため、透過速度をさらに高めることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a porous body with a separation membrane, which is another example of the present invention. In the
また、この貫通孔H内部に、例えば棒状ヒーター等の熱源を配置したり、或いは加熱流
体を通すことにより、分離時の気化熱による分離膜付き多孔質体3の温度低下を防ぎ、分離成分の凝縮による透過速度の低下を防ぐこともできる。特に、多孔質体3の加熱効率向上のため、貫通孔Hの内部に熱伝導性の物質を充填したり、加熱流体を通す場合には、被分離流体への不純物の混入防止という点から、貫通孔Hの内壁はガラス等の気体非透過性の材料で被覆されていることが好ましい。なお、気体非透過性の被覆と多孔質体3との間に分離膜を有していても構わない。
Further, by disposing a heat source such as a rod heater inside the through hole H or passing a heating fluid, the temperature of the
なお、内壁表面に分離膜を有していない貫通孔Hが設けられた分離膜付き多孔質体の形状は、円筒状に限るものではなく、例えば図3(b)に示す分離膜付き多孔質体4のような角を丸めた四角筒状や、その他の多角筒状、さらには楕円筒状等でもよく、貫通孔Hを複数備えていても構わない。 In addition, the shape of the porous body with a separation membrane in which the through-hole H which does not have a separation membrane is provided in the inner wall surface is not restricted to a cylindrical shape, For example, the porous body with a separation membrane shown in FIG.3 (b) It may be a quadrangular cylinder with rounded corners such as the body 4, other polygonal cylinders, or an elliptical cylinder, and a plurality of through holes H may be provided.
分離膜付き多孔質体の断面における外周形状は、扁平であることが好ましい。断面における外周形状が扁平であるとは、断面の外周を長方形の枠で囲んだときに、その面積が最少となる長方形の枠において、その短辺の長さに対する長辺の長さの比が1よりも大きいことをいう。例えば図4では、分離膜付き多孔質体5は、角を丸めた長方形状の多孔質体52に複数(図4においては8つ)の管状通路51が2列に配置されたものであり、各管状通路51は、その中心pと分離膜付き多孔質体5の外周面yとを結ぶ線分のうち最短の線分x上に他の管状通路51が存在しないように配置されている。
It is preferable that the outer peripheral shape in the cross section of the porous body with a separation membrane is flat. When the outer periphery of the cross section is flat, when the outer periphery of the cross section is surrounded by a rectangular frame, the ratio of the length of the long side to the length of the short side of the rectangular frame having the smallest area is It is larger than 1. For example, in FIG. 4, the
また、図5に示す分離膜付き多孔質体6のように、角を丸めた長方形状の多孔質体62
に複数(図5においては8つ)の管状通路61が1列に配置されていてもよい。このように、管状通路61を一列に配置することにより、同じ断面積の管状通路を同数配置した他の形状の分離膜付き多孔質体と比較して、分離膜付き多孔質体の断面における外周の長さに対して、断面積の比率を小さくすることができ、分離膜付き多孔質体の体積を小さくすることができる。なお、この場合、各管状通路61の中心は必ずしも同一直線上に位置している必要はないが、分離膜付き多孔質体を小型化する場合には、各管状通路61の中心が同一直線上に位置するように一列に配置されていることが好ましく、さらには、分離膜付き多孔質体の外周が、列の両端に位置する管状通路61の中心同士を結ぶ線分に沿って形成されていることが好ましい。なお、分離膜付き多孔質体の外周と、列の両端に位置する管状通路61の中心同士を結ぶ線分との距離は、一定であることがより好ましい。
Further, like a
A plurality (eight in FIG. 5) of tubular passages 61 may be arranged in a line. In this way, by arranging the tubular passages 61 in a row, the outer periphery in the cross section of the porous body with the separation membrane is compared with the porous body with the separation membrane of other shapes in which the same number of tubular passages having the same cross-sectional area are arranged. The ratio of the cross-sectional area can be reduced with respect to the length, and the volume of the porous body with a separation membrane can be reduced. In this case, the center of each tubular passage 61 does not necessarily need to be located on the same straight line. However, when the porous body with a separation membrane is downsized, the center of each tubular passage 61 is on the same straight line. Preferably, the outer circumference of the porous body with a separation membrane is formed along a line segment connecting the centers of the tubular passages 61 located at both ends of the row. Preferably it is. In addition, it is more preferable that the distance between the outer periphery of the porous body with the separation membrane and the line segment connecting the centers of the tubular passages 61 positioned at both ends of the row is constant.
また、多孔質体の形状は長方形状に限るものではなく、例えば図6に示すように分離膜付き多孔質体7の外周面に管状通路71の形状に沿うように凹凸を設けてもよい。
Further, the shape of the porous body is not limited to the rectangular shape, and for example, as shown in FIG. 6, irregularities may be provided on the outer peripheral surface of the
本発明の一例である分離膜付き多孔質体の製造方法について説明する。 The manufacturing method of the porous body with a separation membrane which is an example of this invention is demonstrated.
まず、所定の貫通孔が設けられた多孔質体を準備する。多孔質体の種々の形状や貫通孔の配置等については、たとえば押出成形で成形するのであれば金型等を適宜設計して所望の成形体を作製してもよいし、成形体や焼成体に加工を施してもよい。 First, a porous body provided with predetermined through holes is prepared. Regarding the various shapes of the porous body and the arrangement of the through holes, for example, if molding is performed by extrusion molding, a desired molded body may be produced by appropriately designing a mold or the like, or a molded body or a fired body. May be processed.
多孔質体の材料としてはアルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、マグネシア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックスを好適に用いることができる。多孔質体を構成するセラミック粒子の平均粒径は1〜100μm、好ましくは1〜30μmの範囲であり、平均細孔径は0.1〜30μm、好ましくは0.1〜10μmの範囲であることが好ましい。 As the material for the porous body, ceramics such as alumina, mullite, cordierite, zirconia, magnesia, silicon carbide, and silicon nitride can be suitably used. The average particle diameter of the ceramic particles constituting the porous body is 1 to 100 μm, preferably 1 to 30 μm, and the average pore diameter is 0.1 to 30 μm, preferably 0.1 to 10 μm. preferable.
管状通路となる多孔質体の貫通孔の内壁には、分離膜との間に多孔質体よりも平均粒径が小さいセラミック粒子で構成される中間層を設けてもよい。中間層の材料としては、アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、マグネシア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックスを好適に用いることができる。中間層は、たとえば平均粒径0.01〜10μm、好ましくは0.02〜1μmのセラミック粒子からなる原料粉末を適宜秤量し、例えば親水性の分散剤を用いて水に分散させ、例えばディップコート法(浸漬塗布法)などの塗布手段を用いて多孔質体の貫通孔の内壁に塗布し、乾燥した後、熱処理することで形成できる。このとき、形成された中間層を構成するセラミック粒子はネックにより部分的に結合していればよく、その粒径は原料粉末の粒径にほぼ等しい。中間層の厚さは、例えば浸漬時間や浸漬回数により調整可能であり、例えば5〜1000μmの範囲とすることができる。また、中間層の平均細孔径は0.01〜3μm、好ましくは0.1〜0.5μmの範囲で適宜選択すればよい。中間層の厚さは、多孔質体の貫通孔の内壁に存在する凹凸を中間層で覆うことができる厚さであればよい。その上に形成される分離膜の内壁にピンホール等の表面欠陥が残留するのを防ぎ、かつ透過速度を大きくするという点から、中間層の厚みは、多孔質体の貫通孔の内壁を構成するセラミック粒子の平均粒径の1〜50倍が好ましく、更には2〜20倍がより好ましい。なお、中間層の厚さは、多孔質体および中間層の走査型電子顕微鏡(SEM)による断面写真から求めることができ、多孔質体を形成するセラミック粒子および中間層を形成するセラミック粒子の平均粒径は、たとえばその断面写真からインターセプト法により算出できる。また、多孔質体および中間層の平均細孔径は、水銀圧入法で求めることができる。なお、分離膜が形成された分離膜付き多孔質体については、分離膜が炭素膜の場合には、炭素成分を酸化することにより除去可能な条件、例えば空気中で800℃、30分程度の条件で分離膜付き多孔質体を熱処理するなどして、分離膜付き多孔質体の表面および細孔内部から炭素成分を除去した後、平均細孔径を測定すればよい。炭素膜以外の分離膜についても、適宜、多孔質体を形成する
セラミックス粒子に影響することなく分離膜の成分を除去できる溶剤や薬品等に、分離膜付き多孔質体を浸漬するなどして、分離膜付き多孔質体表面および細孔内部から分離膜成分を除去した後、平均細孔径を測定すればよい。
An intermediate layer composed of ceramic particles having an average particle size smaller than that of the porous body may be provided between the inner wall of the through hole of the porous body serving as the tubular passage and the separation membrane. As the material for the intermediate layer, ceramics such as alumina, mullite, cordierite, zirconia, magnesia, silicon carbide, and silicon nitride can be suitably used. For the intermediate layer, for example, a raw material powder composed of ceramic particles having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm, preferably 0.02 to 1 μm is appropriately weighed, and dispersed in water using a hydrophilic dispersant, for example, dip coating. It can be formed by applying to the inner wall of the through-hole of the porous body using an application means such as a method (dip coating method), drying, and then heat-treating. At this time, the ceramic particles constituting the formed intermediate layer only need to be partially bonded by the neck, and the particle size thereof is substantially equal to the particle size of the raw material powder. The thickness of the intermediate layer can be adjusted by, for example, the immersion time and the number of immersions, and can be set in the range of, for example, 5 to 1000 μm. The average pore diameter of the intermediate layer may be appropriately selected within the range of 0.01 to 3 μm, preferably 0.1 to 0.5 μm. The thickness of the intermediate layer may be any thickness that can cover the unevenness present on the inner wall of the through hole of the porous body with the intermediate layer. The thickness of the intermediate layer constitutes the inner wall of the through hole of the porous body from the viewpoint of preventing surface defects such as pinholes from remaining on the inner wall of the separation membrane formed thereon and increasing the permeation speed. 1 to 50 times the average particle size of the ceramic particles to be processed is preferable, and 2 to 20 times is more preferable. The thickness of the intermediate layer can be determined from a cross-sectional photograph of the porous body and the intermediate layer by a scanning electron microscope (SEM), and the average of the ceramic particles forming the porous body and the ceramic particles forming the intermediate layer The particle size can be calculated, for example, from the cross-sectional photograph by the intercept method. Moreover, the average pore diameter of the porous body and the intermediate layer can be determined by a mercury intrusion method. In addition, about the porous body with a separation membrane in which the separation membrane was formed, when the separation membrane is a carbon membrane, it can be removed by oxidizing the carbon component, for example, in air at 800 ° C. for about 30 minutes. The average pore diameter may be measured after removing the carbon component from the surface of the porous body with the separation membrane and the inside of the pores by heat-treating the porous body with the separation membrane under conditions. For separation membranes other than carbon membranes, as appropriate, by immersing the porous body with a separation membrane in a solvent or chemical that can remove the components of the separation membrane without affecting the ceramic particles forming the porous body, etc. After removing the separation membrane component from the surface of the porous body with the separation membrane and the inside of the pores, the average pore diameter may be measured.
多孔質体の貫通孔の内壁もしくはそこに形成された中間層上に、炭素膜等の分離膜を形成することで、分離膜付き多孔質体を得ることができる。分離膜の形成方法は、たとえば炭素膜を分離膜として形成する場合であれば、炭素膜の前駆体として芳香族ポリイミド、ポリプロピレン、ポリフリルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、フェノール樹脂等を溶媒に溶かして炭素膜の前駆体溶液(単に前駆体溶液という場合もある)を作製し、ディップコート等により多孔質体の貫通孔の内壁もしくはそこに形成された中間層上に炭素膜前駆体被膜を形成し、乾燥した後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気または真空下で、550〜1000℃の温度で熱処理することで、炭素膜が形成される。なお、炭素膜前駆体被膜を形成する際、多孔質体の細孔内への前駆体溶液の侵入を防止するため、多孔質体の細孔内に1kPa程度の圧力でヘリウムガスを供給して細孔内を加圧しながら行ってもよい。また、炭素膜前駆体被膜の形成と乾燥とを複数回繰り返した後、熱処理をおこなっても構わない。 A porous body with a separation membrane can be obtained by forming a separation membrane such as a carbon membrane on the inner wall of the through hole of the porous body or an intermediate layer formed there. For example, in the case of forming a carbon membrane as a separation membrane, the separation membrane is formed by dissolving aromatic polyimide, polypropylene, polyfuryl alcohol, polyvinylidene chloride, phenol resin, etc. as a carbon membrane precursor in a solvent. A film precursor solution (sometimes simply referred to as a precursor solution) is prepared, and a carbon film precursor film is formed on the inner wall of the through hole of the porous body or an intermediate layer formed there by dip coating or the like, After drying, a carbon film is formed by heat treatment at a temperature of 550 to 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere or in a vacuum. When forming the carbon film precursor coating, helium gas is supplied at a pressure of about 1 kPa into the pores of the porous body in order to prevent the precursor solution from entering the pores of the porous body. You may carry out, pressurizing the inside of a pore. Moreover, after repeating the formation and drying of the carbon film precursor coating a plurality of times, heat treatment may be performed.
分離膜の厚さは、ピンホール等の欠陥発生を抑制し、透過速度を大きくするという点から、0.01〜5μmであることが好ましく、特には0.1〜3μmであることが好ましい。 The thickness of the separation membrane is preferably from 0.01 to 5 μm, particularly preferably from 0.1 to 3 μm, from the viewpoint of suppressing the occurrence of defects such as pinholes and increasing the permeation rate.
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
図1および図7に示す6つの管状通路を有する分離膜付き多孔質体を、それぞれ実施例1および実施例2として作製した。実施例1の多孔質体の外形は、直径90mm、長さ200mmとし、実施例2の多孔質体の外形は、断面形状が30mm×180mm、長さ200mとした。Cを管状通路と分離膜付き多孔質体の外周面との間の多孔質体の最小厚さ、Dを管状通路の直径、Eを隣接する管状通路間の多孔質体の最小厚さとして表1に示す。 A porous body with a separation membrane having six tubular passages shown in FIGS. 1 and 7 was produced as Example 1 and Example 2, respectively. The outer shape of the porous body of Example 1 was 90 mm in diameter and 200 mm in length, and the outer shape of the porous body in Example 2 was 30 mm × 180 mm in cross section and 200 m in length. C represents the minimum thickness of the porous body between the tubular passage and the outer peripheral surface of the porous body with the separation membrane, D represents the diameter of the tubular passage, and E represents the minimum thickness of the porous body between the adjacent tubular passages. It is shown in 1.
まず、アルミナ粉末(平均粒径0.02〜0.9μm)を水とポリビニルアルコール(
PVA)に分散させ、アルミナスラリーを作製した。多孔質体として、平均粒径3.0μmのアルミナ粒子から構成される平均細孔径1.1μmの多孔質体を用いて、先に作製したアルミナスラリーに浸漬して一定速度で引き上げ、多孔質体表面および貫通孔の内壁に中間層となる被膜を形成し、乾燥した。その後、多孔質体全体を1100℃で熱処理し、貫通孔の内壁に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子からなる、平均細孔径0.05μm、厚さ30μmの中間層を形成した。なお、中間層の厚さ、多孔質体を構成するアルミナ粒子および中間層を構成するアルミナ粒子の平均粒径は、アルミナ多孔質体および中間層の走査型電子顕微鏡(SEM)による断面写真から求め、平均細孔径は水銀圧入法により求めた。
First, alumina powder (average particle size 0.02-0.9 μm) is mixed with water and polyvinyl alcohol (
PVA) to prepare an alumina slurry. As the porous body, a porous body having an average pore diameter of 1.1 μm composed of alumina particles having an average particle diameter of 3.0 μm was immersed in the previously prepared alumina slurry and pulled up at a constant speed. A film serving as an intermediate layer was formed on the surface and the inner wall of the through hole and dried. Thereafter, the entire porous body was heat-treated at 1100 ° C. to form an intermediate layer having an average pore diameter of 0.05 μm and a thickness of 30 μm made of alumina particles having an average particle diameter of 0.2 μm on the inner wall of the through hole. The thickness of the intermediate layer, the alumina particles constituting the porous body, and the average particle diameter of the alumina particles constituting the intermediate layer are obtained from cross-sectional photographs of the alumina porous body and the intermediate layer taken by a scanning electron microscope (SEM). The average pore diameter was determined by mercury porosimetry.
次に、多孔質体の貫通孔の内壁に形成した中間層の上に炭素膜を形成するため、炭素膜の前駆体溶液として、フェノール樹脂をテトラヒドロフラン(THF)に溶解して濃度35%のフェノール樹脂のTHF溶液を作製した。中間層を形成した貫通孔の開口部の一方を密閉し、他方の開口部から前駆体溶液を注入して1分間保持した後、前駆体溶液を排出し、中間層上にフェノール樹脂の被膜を形成して、130℃で10分間乾燥させた。その後、密閉した貫通孔の開口部を開放し、多孔質体全体を窒素雰囲気中850℃で10分間熱処理し、厚さ2μmの炭素分離膜が形成された長さ200mmの分離膜付き多孔質体を
作製した。
Next, in order to form a carbon film on the intermediate layer formed on the inner wall of the through hole of the porous body, a phenol resin is dissolved in tetrahydrofuran (THF) as a carbon film precursor solution, and the concentration of the phenol is 35%. A THF solution of the resin was prepared. One of the openings of the through hole in which the intermediate layer is formed is sealed, the precursor solution is injected from the other opening and held for 1 minute, and then the precursor solution is discharged, and a phenol resin coating is formed on the intermediate layer. Formed and dried at 130 ° C. for 10 minutes. Thereafter, the opening of the sealed through-hole is opened, and the entire porous body is heat-treated at 850 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere to form a 200 mm-long porous body with a separation membrane on which a carbon separation membrane having a thickness of 2 μm is formed. Was made.
比較例として、図8に示す6つの管状通路91を有する分離膜付き多孔質体9を、実施例1と同様な作製方法により作製した。多孔質体の外形は、実施例と同様に、直径90mm、長さ200mmとした、この分離膜付き多孔質体9は、中央部に一つの管状通路91を有し、さらにその外側に5つの管状通路91を均等に配置したものであり、図8(b)に示すC1、C2、E1、E2は表1に記載した。
As a comparative example, a porous body 9 with a separation membrane having six
作製した分離膜付き多孔質体について、水/エタノール混合溶液を管状通路内に通し、浸透気化分離測定を行った。供給側(管状通路の内側)を大気圧とし、透過側(分離膜付き多孔質体の外周面側)を真空として、分離膜付き多孔質体の管状通路内にある水/エタノール混合溶液を、圧力差を駆動力にして多孔質体側へと透過させ、そのときの分離係数αと透過速度Qを比較した。供給液は、水/エタノール(EtOH)比を10/90(質量%)とし、温度を75℃とした。供給側と透過側のエタノールと水の含有量(質量%)はガスクロマトグラフGC-2014(島津製作所)を用いて測定した。分離係数αと透
過速度Qは以下の式を用いて計算した。
About the produced porous body with a separation membrane, the water / ethanol mixed solution was passed through the tubular passage, and pervaporation measurement was performed. The water / ethanol mixed solution in the tubular passage of the porous body with the separation membrane is set with the supply side (inside of the tubular passage) at atmospheric pressure and the permeation side (the outer peripheral surface side of the porous body with separation membrane) in the vacuum. The pressure difference was used as the driving force to allow permeation to the porous body side, and the separation coefficient α and permeation speed Q at that time were compared. The feed solution had a water / ethanol (EtOH) ratio of 10/90 (mass%) and a temperature of 75 ° C. The contents (mass%) of ethanol and water on the supply side and the permeation side were measured using a gas chromatograph GC-2014 (Shimadzu Corporation). The separation factor α and the transmission rate Q were calculated using the following equations.
分離膜付き多孔質体の断面において、全ての管状通路が分離膜付き多孔質体の外周面に面している実施例1、2の分離膜付き多孔質体は、同数の管状通路を有するものの、外周面に面していない管状通路が存在する比較例と比べ、透過速度、分離係数共に高いものであった。 In the cross section of the porous body with the separation membrane, all the tubular passages face the outer peripheral surface of the porous body with the separation membrane. The porous bodies with the separation membrane in Examples 1 and 2 have the same number of tubular passages. Both the permeation rate and the separation factor were higher than those of the comparative example in which a tubular passage not facing the outer peripheral surface was present.
1〜10: 分離膜付き多孔質体
11,21,31,41,51,61,71、81、91、101: 管状通路
12,22,32,42,52,62,72、82、92、102: 多孔質体
p: 管状通路の中心
x、x1、x2: 管状通路の中心と分離膜付き多孔質体外周面とを最短距離で結ぶ線分y: 分離膜付き多孔質体の外周面
C、C1、C2: 管状通路と分離膜付き多孔質体の外周面との間の多孔質体の最小厚さD: 管状通路の直径
E、E1、E2: 隣接する管状通路間の多孔質体の最小厚さ
H: 内壁表面に分離膜を有していない貫通孔
1-10: Porous bodies with
Claims (6)
前記管状通路の長さ方向に垂直な断面において、全ての前記管状通路が前記分離膜付き多孔質体の外周面に面していることを特徴とする分離膜付き多孔質体。 A porous body with a separation membrane comprising a plurality of tubular passages in which a separation membrane having a separation function is formed on the inner wall of a through hole provided in the porous body,
A porous body with a separation membrane, wherein all the tubular passages face an outer peripheral surface of the porous body with a separation membrane in a cross section perpendicular to the length direction of the tubular passage.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012010080A JP2013031830A (en) | 2011-06-30 | 2012-01-20 | Porous body with separation membrane |
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| JP2011146039 | 2011-06-30 | ||
| JP2011146039 | 2011-06-30 | ||
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2013031830A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013223827A (en) * | 2012-04-20 | 2013-10-31 | Kubota Corp | Membrane element |
| JP2015217205A (en) * | 2014-05-20 | 2015-12-07 | 株式会社大一商会 | Game machine |
| JP2017018955A (en) * | 2016-08-29 | 2017-01-26 | 株式会社クボタ | Membrane element |
-
2012
- 2012-01-20 JP JP2012010080A patent/JP2013031830A/en active Pending
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