ゼオライト分離膜の開発

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09750839
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 松方 正彦 早稲田大学, 理工学部, 助教授 (00219411)
• キーワード: 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 / 炭化水素 / ZSM-5

研究概要

まずゼオライト膜の合成条件を確立し、透過・分離・反応試験に供するアイテムを揃えることを目標とした。乾燥状態のゲルを有機結晶化剤蒸気雰囲気下で結晶化させる方法(気相輸送法)により、SiO_2/Al_2O_3比=1000のMFI型ゼオライト膜を平均細孔径0.1μmの多孔質アルミナ平板に製膜した。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。いずれの条件もそれぞれ膜の物性に影響するが、特に緻密な膜の合成に重要な条件は原料中のアルカリ濃度であった。アルカリ濃度が充分でない場合には、原料ゲルの加水分解が充分に起こらず、また高すぎる場合には加水分解が優先して起きるため、ゼオライト骨格の形成が起きなかった。アルカリ濃度Na_2O/SiO_2比=0.13-0.23の範囲で緻密な膜が得られた。ピンホールフリーの膜を含めて、ピンホールの濃度の異なる膜を用いて、無機ガス(ヘリウム、窒素、二酸化炭素、メタン)透過試験、ベンゼン/n-ヘキサンの浸透気化分離試験を行った。無機ガス透過試験では、ピンホール濃度が減少するほど、無機ガス透過流束は大きな正の温度依存性を示した。また、各ガスの透過流束の差も大きくなる傾向にあった。ベンゼン/n-ヘキサンの浸透気化分離試験においては、ピンホールがわずかでも存在すると全く選択性を示さなかった。ピンホールフリーの膜では、等モル混合物で5程度の分離係数を示した。以上の結果は、ピンホールが分離に対して決定的に悪影響を及ぼし、分離機能の発現にはピンホールの制御、すなわちゼオライト結晶粒界の制御が本質的に重要であることを示している。

研究成果

• [文献書誌] M.Matsukata, E.Kikuchi: "Zeolitic Membranes:Synthesis, Properties and Prospects" Bull Chem Soc Jpn. 70(10). 2341-2356 (1997)
• [文献書誌] E.Kikuchi et al.: "Synthesis of a Zeolitic Thin Layer by a Vapor-Phase Transport" Microporous Materials. 11. 107-116 (1997)
• [文献書誌] P.R.H.P.Rao et al.: "Crystallization of High Silica BEA by Dry Gel Conversion" Appl.Catal. A166. 97-103 (1998)
• [文献書誌] N.Nishiyama et al.: "Gas Permeation through Zeolite-Alumina Composite Membra" AIChE. J. 43(11A). 2724-2730 (1997)
• [文献書誌] 松方正彦: "ゼオライトの合成および膜作成技術の最近の進歩" セラミックス. 32(5). 351-355 (1997)
• [文献書誌] 松方正彦: "ゼオライト単結晶膜による分子の分離" 化学. 52(9). 66-77 (1997)
• [文献書誌] 松方正彦: "最近の化学工学の進歩49「膜技術の動向と将来展望」" 化学工業社, 190 (1997)