Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ゼオライト / 無機膜 / 分離 / ドライゲルコンバージョン / 気相輸送法 / 合成 / 二酸化炭素 / ZSM-5 / 炭化水素

ゼオライト膜の合成条件を確立し、透過、分離、反応試験に境するアイテムを揃えることを目標とした。合成方法は、乾燥ゲルを有機結晶化剤蒸気や水蒸気中で結晶化させる方法(ドライゲルコンバージョン法)を用いた。検討したゼオライトは、SiO_2/Al_2O_3=50とローシリカなMFI型ゼオライトであり、平均細孔径0.1μmの多孔質アルミナ平板上に製膜した。原料ゲルの調製条件、ゲルの製膜条件、結晶化条件などを詳細に検討し、緻密な膜の調製条件を検討した。特に、緻密な膜の合成条件はアルカリ濃度であった。Na_2O/SiO_2=0.19〜1.14、H_2O/SiO_2=40〜120の範囲で結晶化を検討した。Na_2O/SiO_2=0.32-0.41、H_2O/SiO_2=80にて緻密なMFI膜が得られた。l,3,5-トリイソプロピルベンゼン-(TIPB)の透過流束は測定限界(1×10^<-10>mol m^<-2>s^<-1>Pa^<-1>)以下であった。TIPBはMFI型ゼオライトの細孔より大きく、TIPBの透過は膜が緻密でないことを表している。断面SEM観察より、膜の緻密な部分はアルミナ支持体とゼオライトのコンポジット層であり、コンポジット層の厚みが膜の緻密さに影響を与えていることが示された。また、単成分ガス透過試験では、二酸化炭素の透過速度が窒素やメタンより大きかったため、Knudsen拡散以外の透過機構の寄与があることが示された。原料ゲルのSiO_2/Al_2O_3=50とローシリカなMFI型ゼオライト膜の開発に成功し、TWBの透過試験より緻密な膜であることを示した。

ゼオライト膜 / MFIゼオライト / 炭化水素分離 / 種結晶 / エージング / BEAゼオライト / 水蒸気処理法 / シリカ / アルミナ比 / ゼオライト / 無機膜 / 分離 / ドライゲルコンバージョン / 気相輪送法 / 合成 / ベータ / ZSM-5 / 気相輸送法

MFIゼオライトメンブレンのαアルミナ多孔質体薄版ディスク上への製膜を、VPT法を用いて検討した。また、これらを用いて、単成分ガスおよび多成分混合ガスの透過試験を行った。多成分混合ガス分離においては、nブタンとiブタンの分離について300-375Kにて検討した。その結果、分離係数は非常に高いものとなり、製膜条件の検討の結果、ブタンの異性体分離が可能なMFI膜を確実に製膜可能な条件を見出した。
また、o-/m-/p-キシレンの分離についても303Kにて検討を行った。これらのうち、単一成分においては、p-キシレンは最も透過性の高いものである。p-キシレン/m-キシレン混合物、およびp-/m-/o-キシレン混合物の分離においては、いずれの場合も初期段階ではp-キシレン透過選択性が高い値を示した。一方で経時とともに、p-キシレンの透過は低下し、試験後期においてはついに他のキシレンよりも透過性が低下した。これは、m-キシレンのMFIゼオライト中への吸着が起こることで、p-キシレンの透過を阻害したものと考えられる。

ゼオライト / 膜 / 気相輸送法 / 合成 / 分離 / 炭化水素 / モルデナイト / フェリエライト

ゼオライト薄膜を用いた分子レベルでの高度連続分離プロセスの実現を目指し、緻密な薄膜状各種ゼオライト膜の合成法を確立することを目的とした。本研究では無機多孔質支持体上に緻密に製膜した乾燥ゲルを我々が開発した気相輸送法により結晶化し,ゼオライト薄膜を合成した。無機多孔質支持体としては平均孔径0.1μmのアルミナ多孔質板を用いた。
特に、モルデナイト(MOR)、フェリエライト(FER)膜についてその分離透過特性を検討した。XRDより両者とも多結晶膜であった。両膜を用いて、1,3,5-トリイソプロピルベンゼン(TIPB)の透過試験を室温で行った。TIPBはいずれの膜も透過しなかった。TIPBはMOR,FERの細孔より大きい分子であり、したがって、MOR膜、FER膜にはTIPBの透過できるような結晶粒界の空隙は存在しないと結論できる。以上より、ピンホールのない緻密なゼオライト膜の合成に成功したと結論した。
浸透気化法により芳香族炭化水素の分離特性を室温で検討した。FER,MOR膜ともベンゼン/パラキシレン混合物からベンゼンが選択的に透過することがわかった。分離係数は気液平衡より予測される値(10.1)より著しく大きく、MOR膜では160程度、FER膜では100程度の値が得られた。FER,MORの細孔内ではパラキシレン、ベンゼン分子のすれ違いは起きにくいと考えられるので、上記の高い選択性は細孔入口において形状選択性が発現した結果と結論した。
以上、気相輸送法によるピンホールのない緻密なゼオライト膜の合成に、世界で始めて成功した。これらの膜は、ゼオライトの特徴である形状選択性を発揮することを実験的に確認した。

ゼオライト / 膜 / ガス透過 / 合成 / 気相輸送法

ゼオライト薄膜を用いた分子レベルでの高度連続分離プロセスの実現を目指し、緻密な薄膜状各種ゼオライト膜の合成法を確立することを目的とした。本研究では無機多孔質支持体上に緻密に製膜した乾燥ゲルを我々が開発した気相輸送法により結晶化し、ゼオライト薄膜を合成した。無機多孔質支持体としては平均孔径0.1μmのアルミナ多孔質板を用いた。
緻密な膜の生成条件は多くの因子が関係するが、最も重要なポイントは(1)ゲル調製時のpH、および(2)支持体とゲルの濡れであることを見いだした。特にゲル調整時のpHはシリカ源にもよるがpH=11.6-12.0の範囲で厳密に調製する必要があることがわかった。MORおよびANA膜では支持体のアルミナが一部溶出し、ゼオライト骨格内に取り込まれたものと考えられた。一方、支持体を予め表面処理によって安定化すると、アルミナの溶出を抑制しハイシリカのMFI,FER膜を合成することができた。以上のように原料試薬、ゲル組成、支持体の前処理法等を変え、MFI,FER,MOR,ANA各膜の最適な合成条件を決定した。
ガス透過試験装置を試作した。得られた膜を用いて室温から373Kの範囲においてヘリウム、メタン、窒素、酸素、水素、二酸化炭素などの無機ガスのガス透過特性を評価した。各ガスの透過流束の温度依存性はクヌッセン拡散から外れ、活性化拡散を示した。こうしたガス透過実験の結果からピンホールのほとんど存在しない緻密な膜が得られたものと考えられた。
以上、ゼオライト膜の合成に当たっての基礎的な検討を終え、緻密な膜を得るために必要な因子を抽出することができた。ガス透過実験からゼオライト薄膜を用いた分子レベルの超精密分離プロセスの実現の可能性を指摘することができた。

【研究分担者】
板橋慶治	東ソー株式会社	南陽研究所	主任研究員
野村幹弘	早稲田大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)
小倉賢	早稲田大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)