JP4366687B2 - Method and apparatus for controlling amount of adsorption by light irradiation - Google Patents
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Description
本発明は、多孔性吸着剤に吸着する物質の吸着量を可逆的に変化させる方法、並びにそのための装置に関する。 The present invention relates to a method for reversibly changing the amount of a substance adsorbed on a porous adsorbent, and an apparatus therefor.
多孔性吸着剤に吸着する物質の吸着量を可逆的に変化させる方法としては、従来から圧力スイングサイクル吸着(PSA)技術或いは加熱スイングサイクル吸着(TSA)技術が知られており、例えば、特開2001−327829号公報(特許公報1)にはPSA技術を利用した物質の分離・精製装置(圧力スイング吸着装置)が記載されており、また、特開2003−175311号公報(特許公報2)にはTSA技術を利用した物質の分離・精製方法(熱スイング吸着法)が記載されている。 As a method for reversibly changing the amount of adsorption of a substance adsorbed on a porous adsorbent, a pressure swing cycle adsorption (PSA) technique or a heating swing cycle adsorption (TSA) technique has been conventionally known. Japanese Patent Publication No. 2001-327829 (Patent Publication 1) describes a substance separation / purification apparatus (pressure swing adsorption apparatus) using PSA technology, and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-175111 (Patent Publication 2). Describes a method for separating and purifying substances (thermal swing adsorption method) using TSA technology.
しかしながら、最近その将来性が嘱望されるマイクロリアクターやオンサイト分離装置等の分野にこのような分離・精製方法や吸着剤の再生方法を利用するためには、装置の小型化、微小化が必要となるのに対して、圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術では装置の圧力損失の問題や過大なエネルギーの必要性の問題があり、装置の小型化、微小化に限界があるためこのような分野への応用が困難であった。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、多孔性吸着剤に吸着する物質の吸着量を可逆的に変化させる方法であって、圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術に比べて装置の小型化、微小化が容易な方法、並びにその方法を実施するための装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is a method for reversibly changing the amount of adsorption of a substance adsorbed on a porous adsorbent, and includes a pressure swing cycle adsorption technique and a heating swing cycle. It is an object of the present invention to provide a method in which the size and size of an apparatus can be easily reduced as compared with an adsorption technique, and an apparatus for carrying out the method.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、所定の波長を有する光を吸収する多孔性吸着剤に対する被吸着物質の吸着量が、その波長を有する光を照射している場合(以下、「光照射状態」という)とかかる光を照射していない場合(以下、「光照射停止状態」という)とで驚くべきことに相違し、しかも光照射状態と光照射停止状態とを繰り返すことにより吸着量を可逆的にかつ能動的に変化させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have determined that the adsorbed amount of the adsorbed substance on the porous adsorbent that absorbs light having a predetermined wavelength is irradiated with light having that wavelength. It is surprisingly different between the case where the light is irradiated (hereinafter referred to as “light irradiation state”) and the case where the light is not irradiated (hereinafter referred to as “light irradiation stopped state”), and the light irradiation state and the light irradiation stopped state. It has been found that the adsorption amount can be reversibly and actively changed by repeating the above, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の吸着量の制御方法は、
被吸着物質に対して吸着性能を有しているシリカ系メソ多孔体と、所定の波長を有する光を吸収し、かつ前記シリカ系メソ多孔体の骨格内に組み込まれている色素とからなる多孔性吸着剤に、前記所定の波長を有する光を第一の照射量で照射しつつ前記被吸着物質を前記多孔性吸着剤に吸着せしめる第一の工程と、
前記所定の波長を有する光の照射量を増加又は減少せしめて第二の照射量とし、前記多孔性吸着剤における前記被吸着物質の吸着量を減少又は増加せしめる第二の工程と、
を含むことを特徴とする光照射による吸着量の制御方法である。
That is, the adsorption amount control method of the present invention is:
A porous material comprising a silica-based mesoporous material that has an adsorption performance for an adsorbed substance and a dye that absorbs light having a predetermined wavelength and is incorporated in the skeleton of the silica-based mesoporous material. A first step of adsorbing the adsorbed substance to the porous adsorbent while irradiating the adsorbent with light having the predetermined wavelength at a first irradiation amount;
A second step of increasing or decreasing the irradiation amount of light having the predetermined wavelength as a second irradiation amount, and decreasing or increasing the amount of adsorption of the adsorbed substance in the porous adsorbent;
It is the control method of the adsorption amount by light irradiation characterized by including these.
また、本発明の吸着量の制御装置は、
被吸着物質に対して吸着性能を有しているシリカ系メソ多孔体と、所定の波長を有する光を吸収し、かつ前記シリカ系メソ多孔体の骨格内に組み込まれている色素とからなる多孔性吸着剤と、
前記多孔性吸着剤に前記所定の波長を有する光を照射するための光照射装置と、
前記多孔性吸着剤が内部に配置された処理容器と、
前記処理容器の内部を、前記光照射装置から照射される光以外の光から遮光するための遮光容器と、
前記処理容器に接続されており、被吸着物質を含有する流体を前記処理容器に導入及び/又は前記処理容器から排出するための配管と、
を備えることを特徴とする光照射による吸着量の制御装置である。
Further, the adsorption amount control device of the present invention includes:
A porous material comprising a silica-based mesoporous material that has an adsorption performance for an adsorbed substance and a dye that absorbs light having a predetermined wavelength and is incorporated in the skeleton of the silica-based mesoporous material. An adsorbent,
A light irradiation device for irradiating the porous adsorbent with light having the predetermined wavelength;
A processing vessel in which the porous adsorbent is disposed;
A light shielding container for shielding the inside of the processing container from light other than light irradiated from the light irradiation device;
A pipe connected to the processing container, for introducing a fluid containing an adsorbed substance into the processing container and / or discharging the fluid from the processing container;
It is a control apparatus of the adsorption amount by light irradiation characterized by comprising.
なお、本発明においては、第一の照射量又は第二の照射量のいずれか一方がゼロであってもよく、第一の工程が光照射停止状態で第二の工程が光照射状態の場合は第二の工程において被吸着物質の吸着量が減少し、第一の工程が光照射状態で第二の工程が光照射停止状態の場合は第二の工程において被吸着物質の吸着量が増加することとなる。また、第一の工程及び第二の工程がいずれも光照射状態であってもよく、第一の照射量より第二の照射量が多い場合は第二の工程において被吸着物質の吸着量が減少し、第一の照射量より第二の照射量が少ない場合は第二の工程において被吸着物質の吸着量が増加することとなる。 In the present invention, either the first irradiation amount or the second irradiation amount may be zero, and the first step is in the light irradiation stopped state and the second step is in the light irradiation state. In the second step, the adsorption amount of the substance to be adsorbed decreases. When the first step is in the light irradiation state and the second step is in the light irradiation stop state, the adsorption amount of the adsorbed substance increases in the second step. Will be. In addition, both the first step and the second step may be in a light irradiation state, and when the second irradiation amount is larger than the first irradiation amount, the adsorption amount of the substance to be adsorbed in the second step is If the second irradiation amount is smaller than the first irradiation amount, the adsorption amount of the substance to be adsorbed increases in the second step.
また、本発明において光照射量を変化させることにより吸着量が可逆的に変化する理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、所定の波長を有する光を吸収する多孔性吸着剤に対してその波長を有する光の照射を開始又は照射量を増加すると、光吸収により励起された分子の基底状態への無輻射遷移或いは可逆的光反応によって多孔性吸着剤内部の温度が僅かに上昇し、それによって多孔性吸着剤に吸着可能な被吸着物質の量(吸着平衡量)が減少する。一方、かかる光の照射を停止又は照射量を減少すると、多孔性吸着剤内部の温度がこのような無輻射遷移や可逆的光反応がない状態の温度に速やかに低下し、それによって多孔性吸着剤に吸着可能な被吸着物質の量(吸着平衡量)が増加する。そして、このような光照射による多孔性吸着剤の吸着性能の平衡状態の過渡的な変化は、不可逆的ないわゆる光化学反応を伴うものではなく、可逆的ないわゆる物理吸着特性の変化に起因するものであるため、光照射状態と光照射停止状態とを繰り返すことにより吸着量が可逆的に変化するものと本発明者らは推察する。なお、上記本発明における多孔性吸着剤内部の温度の上昇は、多孔性吸着剤の表面近傍の微小な領域における僅かな温度変化であり、従来の加熱スイングサイクル吸着技術における系全体の温度上昇とは全く別異なものであって、平衡に達する時間、エネルギー的ロス、局所的制御等の点で大きく異なる。また、光照射量の増減による色素の過渡的構造変化成分の量の増減や多孔性吸着剤表面の極性変化によっても吸着量が可逆的に変化するものと本発明者らは推察する。 In addition, although the reason why the adsorption amount reversibly changes by changing the light irradiation amount in the present invention is not necessarily clear, the present inventors infer as follows. That is, when irradiation with light having a wavelength is started or the irradiation amount is increased for a porous adsorbent that absorbs light having a predetermined wavelength, a non-radiative transition to a ground state of a molecule excited by light absorption or The temperature inside the porous adsorbent is slightly increased by the reversible photoreaction, and thereby the amount of the adsorbed substance that can be adsorbed on the porous adsorbent (adsorption equilibrium amount) is decreased. On the other hand, when the irradiation of such light is stopped or the irradiation amount is reduced, the temperature inside the porous adsorbent quickly decreases to a temperature without such non-radiative transition or reversible photoreaction, thereby causing porous adsorption. The amount of adsorbed substance that can be adsorbed on the agent (adsorption equilibrium amount) increases. And the transient change of the equilibrium state of the adsorption performance of the porous adsorbent by such light irradiation is not accompanied by an irreversible so-called photochemical reaction, but is caused by a reversible so-called physical adsorption property change. Therefore, the present inventors infer that the adsorption amount reversibly changes by repeating the light irradiation state and the light irradiation stop state. Note that the rise in temperature inside the porous adsorbent in the present invention is a slight temperature change in a minute region near the surface of the porous adsorbent, and the temperature rise of the entire system in the conventional heating swing cycle adsorption technique. Are quite different and differ greatly in terms of time to reach equilibrium, energy loss, local control, and the like. In addition, the present inventors speculate that the amount of adsorption reversibly changes also due to the increase or decrease of the amount of the transient structural change component of the dye due to the increase or decrease of the light irradiation amount or the polarity change of the porous adsorbent surface.
また、本発明においては、リモート性に優れかつ微小領域における制御が容易な光を用いているため、圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術に比べて装置の小型化、微小化、高速化が可能となる。 In addition, in the present invention, light that is excellent in remoteness and easy to control in a minute region is used, so that the apparatus is downsized, miniaturized, and speeded up compared to the pressure swing cycle adsorption technology and the heating swing cycle adsorption technology. Is possible.
本発明の吸着量の制御方法によれば、光照射という汎用性の高い手法により多孔性吸着剤に吸着する物質の吸着量を可逆的にかつ能動的に変化させることが可能となる。そして、本発明の吸着量の制御装置によれば、前記本発明の吸着量の制御方法を効率良くかつ確実に実施することが可能となり、しかも従来の圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術に比べて装置を小型化、微小化することができるようになる。 According to the adsorption amount control method of the present invention, it is possible to reversibly and actively change the adsorption amount of a substance adsorbed on the porous adsorbent by a highly versatile technique called light irradiation. According to the adsorption amount control device of the present invention, the adsorption amount control method of the present invention can be implemented efficiently and reliably, and the conventional pressure swing cycle adsorption technology and heating swing cycle adsorption technology can be used. Compared to this, the apparatus can be miniaturized and miniaturized.
以下、本発明の光照射による吸着量の制御方法及び制御装置について、図面を参照しつつその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, the control method and control device for the amount of adsorption by light irradiation according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings in accordance with preferred embodiments thereof.
図1は、本発明の光照射による吸着量の制御方法を実施するために好適な本発明の吸着量の制御装置の一実施形態を示す模式断面図である。図1において、1は被吸着物質に対して吸着性能を有しておりかつ所定の波長を有する光を吸収する多孔性吸着剤を示し、多孔性吸着剤1は処理容器2の内部に配置されている。また、多孔性吸着剤1に所定の波長を有する光Lを照射するための光照射装置3の光照射部31が処理容器2に近接して配置されており、光照射部31は光照射装置3の駆動部32に接続されている。そして、処理容器2及び光照射部31は、光照射装置3から照射される光L以外の光から処理容器2の内部を遮光するための遮光容器4の内部に配置されており、処理容器2内に流体を導入するための配管5及び処理容器2内から流体を排出するための配管6が処理容器2に接続されている。先ず、本発明の光照射による吸着量の制御装置の主要な構成要素について詳細に説明する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an adsorption amount control device of the present invention suitable for carrying out the adsorption amount control method by light irradiation of the present invention. In FIG. 1,
(多孔性吸着剤(多孔性基剤))
本発明にかかる多孔性吸着剤1は、所定の被吸着物質に対して吸着性能を有しており、かつ、所定の波長を有する光を吸収するものであればよく、被吸着物質に対して吸着性能を有している多孔性基剤と所定の波長を有する光を吸収する色素とからなるものであることが好ましいが、かかる多孔性基剤自体が所定の波長を有する光を吸収する材料からなるものであってもよい。
(Porous adsorbent (porous base))
The
このような被吸着物質に対して吸着性能を有している多孔性基剤の材料としては、アルミニウム、タンタル等の金属;シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア、酸化スズ、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化バナジウム、酸化インジウム等の金属酸化物(半金属酸化物を含む);チタノシリケート、チタン酸バリウム等の複合酸化物;活性炭等の炭素質材料が挙げられ、中でも色素と組み合わせて使用する場合はその選択の余地が広くなることからシリカ、アルミナ等の可視光に対して透明な金属酸化物が好ましい。また、活性炭等の炭素質材料はそれ自体が可視光を効率良く吸収する材料であるため、所定の波長を有する光として可視光を用いる場合は炭素質材料からなる多孔性基剤をそのまま本発明にかかる多孔性吸着剤として用いることが可能である。 Examples of porous base materials that have adsorption performance for such substances to be adsorbed include metals such as aluminum and tantalum; silica, alumina, titania, zirconia, ceria, tin oxide, barium oxide, nickel oxide. Metal oxides (including semi-metal oxides) such as ruthenium oxide, vanadium oxide, and indium oxide; complex oxides such as titanosilicate and barium titanate; and carbonaceous materials such as activated carbon. When used, a metal oxide that is transparent to visible light, such as silica and alumina, is preferable because the room for selection becomes wide. Further, since the carbonaceous material such as activated carbon itself is a material that efficiently absorbs visible light, when using visible light as light having a predetermined wavelength, a porous base made of a carbonaceous material is used as it is. Can be used as a porous adsorbent.
本発明にかかる多孔性吸着剤を構成する多孔性基剤の細孔径(平均細孔径)、比表面積等は特に制限されず、対象とする被吸着物質等に応じて適宜選択されるが、吸着効率を向上させる観点から平均細孔径を被吸着物質の分子サイズ以上とし、かつ、比表面積をできるだけ大きくすることが好ましい。このような観点から、本発明にかかる多孔性基剤としては、平均細孔径が0.3nm〜50nm程度、比表面積が100m2/g以上程度であるものが好ましく、以下に詳述するシリカ系メソ多孔体が特に好ましい。 The pore diameter (average pore diameter), specific surface area and the like of the porous base constituting the porous adsorbent according to the present invention are not particularly limited and are appropriately selected according to the target substance to be adsorbed. From the viewpoint of improving the efficiency, it is preferable that the average pore diameter is not less than the molecular size of the adsorbed substance and the specific surface area is made as large as possible. From such a viewpoint, the porous base according to the present invention preferably has an average pore diameter of about 0.3 nm to 50 nm and a specific surface area of about 100 m 2 / g or more. A mesoporous material is particularly preferred.
すなわち、本発明にかかる多孔性基剤として特に好適なシリカ系メソ多孔体は、界面活性剤を鋳型としてシリカ源を原料として作製されるものであり、ケイ素原子が酸素原子を介して結合した骨格−Si−O−を基本とし、高度に架橋した網目構造を有している。このようなシリカ系材料は、ケイ素原子及び酸素原子を主成分とするものであればよく、ケイ素原子の少なくとも一部が有機基の2箇所以上で炭素−ケイ素結合を形成しているものでもよい。このような有機基としては、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、ベンゼン、シクロアルカン等の炭化水素から2以上の水素がとれて生じる2価以上の有機基が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、有機基は、アミド基、アミノ基、イミノ基、メルカプト基、スルフォン基、カルボキシル基、エーテル基、アシル基、ビニル基等を有するものであってもよい。 That is, a silica-based mesoporous material particularly suitable as a porous base material according to the present invention is produced using a surfactant as a template and a silica source as a raw material, and a skeleton in which silicon atoms are bonded via oxygen atoms. Based on -Si-O-, it has a highly crosslinked network structure. Such a silica-based material only needs to have silicon atoms and oxygen atoms as main components, and at least a part of the silicon atoms may form a carbon-silicon bond at two or more organic groups. . Examples of such an organic group include, but are not limited to, divalent or higher organic groups generated by removing two or more hydrogens from hydrocarbons such as alkanes, alkenes, alkynes, benzenes, and cycloalkanes. Instead, the organic group may have an amide group, amino group, imino group, mercapto group, sulfone group, carboxyl group, ether group, acyl group, vinyl group or the like.
本発明に好適なシリカ系メソ多孔体は、細孔径分布曲線における中心細孔直径が1〜50nm程度のメソ孔を有するものである。このようなメソ孔を有する場合には、分子径が大きい機能性有機化合物等も容易に細孔内に入ることができ、しかも細孔内での分子の拡散が速やかに行われるので、効率の良い吸着分離が可能となる傾向にある。なお、前記中心細孔直径とは、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対してプロットした曲線(細孔径分布曲線)の最大ピークにおける細孔直径であり、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、シリカ系メソ多孔体を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法あるいは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。この吸着等温線を用い、Cranston−Inklay法、Pollimore−Heal法、BJH法等の計算法により細孔径分布曲線を求めることができる。 The silica-based mesoporous material suitable for the present invention has mesopores having a central pore diameter of about 1 to 50 nm in the pore size distribution curve. In the case of having such mesopores, a functional organic compound having a large molecular diameter can easily enter the pores, and the diffusion of molecules within the pores can be performed quickly, so that the efficiency can be improved. Good adsorption separation tends to be possible. The central pore diameter is a curve (pore diameter distribution curve) in which a value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) with respect to the pore diameter (D) is plotted against the pore diameter (D). ) At the maximum peak, and can be determined by the method described below. That is, the silica-based mesoporous material is cooled to a liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), nitrogen gas is introduced, the adsorption amount is determined by a constant volume method or a gravimetric method, and then the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased. Increase and plot the amount of nitrogen gas adsorbed against each equilibrium pressure to obtain an adsorption isotherm. Using this adsorption isotherm, a pore size distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Pollimore-Heal method, BJH method or the like.
また、本発明に好適なシリカ系メソ多孔体は、細孔径分布曲線における中心細孔直径の±40%の範囲に全細孔容積の60%以上が含まれることが好ましい。この条件を満たすシリカ系メソ多孔体は、細孔の直径が非常に均一であることを意味する。また、シリカ系メソ多孔体の比表面積については特に制限はないが、700m2/g以上であることが好ましい。比表面積は、吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 The silica-based mesoporous material suitable for the present invention preferably contains 60% or more of the total pore volume in the range of ± 40% of the center pore diameter in the pore size distribution curve. A silica-based mesoporous material that satisfies this condition means that the pore diameter is very uniform. The specific surface area of the silica mesoporous material is not particularly limited, but is preferably 700 m 2 / g or more. The specific surface area can be calculated as a BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isotherm adsorption equation.
さらに、本発明に好適なシリカ系メソ多孔体は、そのX線回折パターンにおいて1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークを有することが好ましい。X線回折ピークはそのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークがあることは、細孔が1nm以上の間隔で規則的に配列していることを意味する。 Furthermore, the silica-based mesoporous material suitable for the present invention preferably has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more in the X-ray diffraction pattern. The X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more means that the pores are regularly arranged at intervals of 1 nm or more.
また、本発明に好適なシリカ系メソ多孔体が有する細孔は、多孔体の表面のみならず内部にも形成される。かかる多孔体における細孔の配列状態(細孔配列構造又は構造)は特に制限されないが、2d−ヘキサゴナル構造、3d−ヘキサゴナル構造又はキュービック構造であることが好ましい。また、このような細孔配列構造は、ディスオーダの細孔配列構造を有するものであってもよい。 Further, the pores of the silica-based mesoporous material suitable for the present invention are formed not only on the surface of the porous material but also on the inside. The arrangement state (pore arrangement structure or structure) of the pores in such a porous body is not particularly limited, but is preferably a 2d-hexagonal structure, a 3d-hexagonal structure, or a cubic structure. Such a pore arrangement structure may have a disordered pore arrangement structure.
ここで、多孔体がヘキサゴナルの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が六方構造であることを意味する(S.Inagaki,et al.,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,680,1993;S.Inagaki,et al.,Bull.Chem.Soc.Jpn.,69,1449;1996、Q.Huo,et
al.,Science,268,1324,1995参照)。また、多孔体がキュービックの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が立方構造であることを意味する(J.C.Vartuli,et
al.,Chem.Mater.,6,2317,1994;Q.Huo,et al.,Nature,368,317,1994参照)。また、多孔体がディスオーダの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が不規則であることを意味する(P.T.Tanev,et
al.,Science,267,865,1995;S.A.Bagshaw,et al.,Science,269,1242,1995;R.Ryoo,et al.,J.Phys.Chem.,100,17718,1996参照)。また、前記キュービック構造は、Pm−3n、Im−3m又はFm−3m対称性であることが好ましい。前記対称性とは、空間群の表記法に基づいて決定されるものである。
Here, that the porous body has a hexagonal pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a hexagonal structure (S. Inagaki, et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. S. Inagaki, et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 69, 1449; 1996, Q. Huo, et
al., Science, 268, 1324, 1995). In addition, a porous body having a cubic pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a cubic structure (JCVartuli, et al.
al., Chem. Mater., 6, 2317, 1994; see Q. Huo, et al., Nature, 368, 317, 1994). In addition, the porous body having a disordered pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is irregular (PTTanev, et
al., Science, 267, 865, 1995; SABagshaw, et al., Science, 269, 1242, 1995; R. Ryoo, et al., J. Phys. Chem., 100, 17718, 1996). The cubic structure is preferably Pm-3n, Im-3m or Fm-3m symmetric. The symmetry is determined based on a space group notation.
本発明に好適なシリカ系メソ多孔体は、平均粒径が0.01〜3μm程度の粉末のまま使用してもよいが、必要に応じて成形して使用してもよい。成形する手段はどのようなものでも良いが、押出成形、打錠成形、転動造粒、圧縮成形、CIPなどが好ましい。その形状は使用態様、方法に応じて決めることができ、たとえば円柱状、破砕状、球状、ハニカム状、凹凸状、波板状等が挙げられる。 The silica-based mesoporous material suitable for the present invention may be used as a powder having an average particle size of about 0.01 to 3 μm, but may be molded and used as necessary. Any molding means may be used, but extrusion molding, tablet molding, rolling granulation, compression molding, CIP and the like are preferable. The shape can be determined according to the use mode and method, and examples thereof include a columnar shape, a crushed shape, a spherical shape, a honeycomb shape, an uneven shape, and a corrugated shape.
本発明に好適なシリカ系メソ多孔体は、例えば以下の方法によって製造される。すなわち、先ず、溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、シリカ原料中に界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体を得る。 A silica-based mesoporous material suitable for the present invention is produced, for example, by the following method. That is, first, a silica precursor and a surfactant are mixed in a solvent to obtain a porous precursor in which a surfactant is introduced into the silica precursor.
ここで用いられるシリカ原料は、反応によりケイ素酸化物(ケイ素複合酸化物を含む)を形成可能なものであればよく特に制限されないが、反応効率や得られるケイ素酸化物の物性の観点から、アルコキシシラン、ケイ酸ナトリウム、層状シリケート、シリカ、またはこれらの任意の混合物を用いることが好ましく、中でもアルコキシシランを用いることがより好ましい。 The silica raw material used here is not particularly limited as long as it can form a silicon oxide (including a silicon composite oxide) by reaction, but from the viewpoint of reaction efficiency and physical properties of the obtained silicon oxide, alkoxy It is preferable to use silane, sodium silicate, layered silicate, silica, or any mixture thereof, and it is more preferable to use alkoxysilane.
アルコキシシランとしては、アルコキシ基を4個有するテトラアルコキシシラン、アルコキシ基を3個有するトリアルコキシシラン、アルコキシ基を2個有するジアルコキシシランを用いることができる。アルコキシ基の種類は特に制限されないが、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等のようにアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数として1〜4程度のもの)が反応性の点から有利である。また、アルコキシシランが有するアルコキシ基が3または2個である場合は、アルコキシシラン中のケイ素原子には有機基、水酸基等が結合していてもよく、当該有機基はアミノ基やメルカプト基等の官能基をさらに有していてもよい。 As the alkoxysilane, tetraalkoxysilane having 4 alkoxy groups, trialkoxysilane having 3 alkoxy groups, or dialkoxysilane having 2 alkoxy groups can be used. The type of alkoxy group is not particularly limited, but those having a relatively small number of carbon atoms in the alkoxy group (such as those having about 1 to 4 carbon atoms) such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, etc. This is advantageous in terms of reactivity. Further, when the alkoxysilane has 3 or 2 alkoxy groups, an organic group, a hydroxyl group, or the like may be bonded to the silicon atom in the alkoxysilane, and the organic group is an amino group, a mercapto group, or the like. It may further have a functional group.
テトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等が挙げられ、トリアルコキシシランとしては、トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等が挙げられる。また、ジアルコキシシランとしては、ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等が挙げられる。 Examples of tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, and dimethoxydiethoxysilane. Examples of trialkoxysilane include trimethoxysilanol, triethoxysilanol, and trimethoxymethylsilane. , Trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyl Trimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane Orchids. Examples of dialkoxysilane include dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane.
上記アルコキシシランは、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。また、上記のアルコキシ基を2〜4個有するアルコキシシランは、アルコキシ基を1個有するモノアルコキシシランと組み合わせて使用することも可能である。このようにして用いることのできるモノアルコキシシランとしては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、3−クロロプロピルジメチルメトキシシラン等が挙げられる。 Although the said alkoxysilane can also be used independently, it can also be used in combination of 2 or more types. Moreover, the alkoxysilane having 2 to 4 alkoxy groups described above can be used in combination with a monoalkoxysilane having one alkoxy group. Examples of the monoalkoxysilane that can be used in this way include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and 3-chloropropyldimethylmethoxysilane.
アルコキシシランは、加水分解によりシラノール基を生じ、生じたシラノール基同士が縮合することによりケイ素酸化物が形成される。この場合において、分子中のアルコキシ基の数が多いアルコキシシランは、加水分解および縮合で生じる結合が多くなる。したがって、アルコキシ基の多いテトラアルコキシシランをアルコキシシランとして用いることが好ましく、テトラアルコキシシランとしては、反応速度の観点からテトラメトキシシランまたはテトラエトキシシランを用いることが特に好ましい。 Alkoxysilane produces a silanol group by hydrolysis, and the resulting silanol groups condense to form a silicon oxide. In this case, an alkoxysilane having a large number of alkoxy groups in the molecule has many bonds generated by hydrolysis and condensation. Therefore, it is preferable to use tetraalkoxysilane having a large number of alkoxy groups as alkoxysilane, and it is particularly preferable to use tetramethoxysilane or tetraethoxysilane as the tetraalkoxysilane from the viewpoint of reaction rate.
また、ケイ酸ナトリウムとしては、メタケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)、オルトケイ酸ナトリウム(Na4SiO4)、二ケイ酸ナトリウム(Na2Si2O5)、四ケイ酸ナトリウム(Na2Si4O9)等が挙げられる。ケイ酸ナトリウムとしては、このような単一物質の他、水ガラス(Na2O・nSiO2、n=2〜4)等のように組成が場合により異なるものを使用することもできる。 Examples of sodium silicate include sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), and sodium tetrasilicate (Na 2 Si 4). O 9 ) and the like. As the sodium silicate, in addition to such a single substance, water glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4) or the like having a different composition depending on the case can be used.
さらに、層状シリケート(層状ケイ酸塩)としては、カネマイト(NaHSi2O5・3H2O)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−Na2Si2O5)、マカタイト(Na2Si4O9・5H2O)、アイアライト(Na2Si8O17・xH2O)、マガディアイト(Na2Si14O17・xH2O)、ケニヤイト(Na2Si20O41・xH2O)等が挙げられる。また、セピオライト、モンモリロナイト、バーミキュライト、雲母、カオリナイト、スメクタイト等の粘土鉱物を酸性水溶液で処理してシリカ以外の元素を除去したものも層状シリケートとして使用可能である。 Furthermore, as layered silicate (layered silicate), kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystal (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 .5H 2 O), ialite (Na 2 Si 8 O 17 .xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 .xH 2 O), Kenyanite (Na 2 Si 20 O 41. xH 2 O) and the like. Further, a layer obtained by treating clay minerals such as sepiolite, montmorillonite, vermiculite, mica, kaolinite and smectite with an acidic aqueous solution to remove elements other than silica can be used as the layered silicate.
また、シリカとしては、Ultrasil(Ultrasil社)、Cab-O-Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh
Plate Glass社)等の沈降性シリカ;コロイダルシリカ;Aerosil(Degussa-Huls社)等のフュームドシリカを挙げることができる。
In addition, as silica, Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh)
Precipitating silica such as Plate Glass); colloidal silica; fumed silica such as Aerosil (Degussa-Huls).
上記のシリカ原料は、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。但し、2種類以上のシリカ原料を用いる場合は、製造時の反応条件が複雑化することがあるため、シリカ原料は単独のものを使用することが好ましい。 The above silica raw materials can be used alone or in combination of two or more. However, when two or more types of silica raw materials are used, it is preferable to use a single silica raw material because the reaction conditions during production may be complicated.
前記シリカ原料と共に用いられる界面活性剤は、特に限定されるものではなく、陽イオン性、陰イオン性、非イオン性のうちのいずれであってもよく、具体的には、アルキルトリメチルアンモニウム、アルキルアンモニウム、ジアルキルジメチルアンモニウム、ベンジルアンモニウム等の塩化物、臭化物、ヨウ化物あるいは水酸化物;脂肪酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤、一級アルキルアミン等が挙げられる。これらの界面活性剤は、単独で又は二種以上混合して用いられる。 The surfactant used together with the silica raw material is not particularly limited, and may be any of cationic, anionic, and nonionic, specifically, alkyltrimethylammonium, alkyl Ammonium, dialkyldimethylammonium, benzylammonium chlorides, bromides, iodides or hydroxides; fatty acid salts, alkylsulfonates, alkylphosphates, polyethylene oxide nonionic surfactants, primary alkylamines, etc. Can be mentioned. These surfactants may be used alone or in combination of two or more.
上記の界面活性剤のうち、ポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤としては、疎水性成分として炭化水素基、親水性部分としてポリエチレンオキサイドをそれぞれ有するポリエチレンオキサイド系非イオン性界面活性剤等が挙げられる。このような界面活性剤としては、例えば、一般式CnH2n+1(OCH2CH2)mOHで表され、nが10〜30、mが1〜30であるものが好適に使用できる。また、このような界面活性剤としては、オレイン酸、ラウリン酸、ステアリン酸、パルミチン酸等の脂肪酸とソルビタンとのエステル、あるいはこれらのエステルにポリエチレンオキサイドが付加した化合物を用いることもできる。
Among the above surfactants, examples of the polyethylene oxide nonionic surfactant include a polyethylene oxide nonionic surfactant having a hydrocarbon group as a hydrophobic component and polyethylene oxide as a hydrophilic portion. . Such surfactants, for example, is represented by the
さらに、このような界面活性剤としては、トリブロックコポリマー型のポリアルキレンオキサイドを用いることもできる。このような界面活性剤としては、ポリエチレンオキサイド(EO)とポリプロピレンオキサイド(PO)からなり、一般式(EO)x(PO)y(EO)xで表されるものが挙げられる。x、yはそれぞれEO、POの繰り返し数を表すが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは13〜106、yは29〜70であることがより好ましい。上記のトリブロックコポリマーとしては、(EO)19(PO)29(EO)19、(EO)13(PO)70(EO)13、(EO)5(PO)70(EO)5、(EO)13(PO)30(EO)13、(EO)20(PO)30(EO)20、(EO)26(PO)39(EO)26、(EO)17(PO)56(EO)17、(EO)17(PO)58(EO)17、(EO)20(PO)70(EO)20、(EO)80(PO)30(EO)80、(EO)106(PO)70(EO)106、(EO)100(PO)39(EO)100、(EO)19(PO)33(EO)19、(EO)26(PO)36(EO)26が挙げられる。これらのトリブロックコポリマーはBASF社、アルドリッチ社等から入手可能であり、また、小規模製造レベルで所望のx値とy値を有するトリブロックコポリマーを得ることができる。 Further, as such a surfactant, a triblock copolymer type polyalkylene oxide may be used. Examples of such surfactants include those composed of polyethylene oxide (EO) and polypropylene oxide (PO) and represented by the general formula (EO) x (PO) y (EO) x . x and y represent the number of repetitions of EO and PO, respectively, x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is preferably 13 to 106, and y is more preferably 29 to 70. Examples of the triblock copolymer include (EO) 19 (PO) 29 (EO) 19 , (EO) 13 (PO) 70 (EO) 13 , (EO) 5 (PO) 70 (EO) 5 , (EO). 13 (PO) 30 (EO) 13 , (EO) 20 (PO) 30 (EO) 20 , (EO) 26 (PO) 39 (EO) 26 , (EO) 17 (PO) 56 (EO) 17 , ( EO) 17 (PO) 58 (EO) 17 , (EO) 20 (PO) 70 (EO) 20 , (EO) 80 (PO) 30 (EO) 80 , (EO) 106 (PO) 70 (EO) 106 , (EO) 100 (PO) 39 (EO) 100 , (EO) 19 (PO) 33 (EO) 19 , (EO) 26 (PO) 36 (EO) 26 . These triblock copolymers are available from BASF, Aldrich, etc., and triblock copolymers having desired x and y values can be obtained at a small scale production level.
また、エチレンジアミンの2個の窒素原子にそれぞれ2本のポリエチレンオキサイド(EO)鎖−ポリプロピレンオキサイド(PO)鎖が結合したスターダイブロックコポリマーも使用することができる。このようなスターダイブロックコポリマーとしては、一般式((EO)x(PO)y)2NCH2CH2N((PO)y(EO)x)2で表されるものが挙げられる。ここでx、yはそれぞれEO、POの繰り返し数を表すが、xは5〜110、yは15〜70であることが好ましく、xは13〜106、yは29〜70であることがより好ましい。 Also, a star diblock copolymer in which two polyethylene oxide (EO) chains-polypropylene oxide (PO) chains are bonded to two nitrogen atoms of ethylenediamine can be used. Examples of such star diblock copolymers include those represented by the general formula ((EO) x (PO) y ) 2 NCH 2 CH 2 N ((PO) y (EO) x ) 2 . Here, x and y represent the number of repetitions of EO and PO, respectively, x is preferably 5 to 110, y is preferably 15 to 70, x is 13 to 106, and y is 29 to 70. preferable.
このような界面活性剤の中では、結晶性の高いシリカ系メソ多孔体を得ることができることから、アルキルトリメチルアンモニウム[CpH2p+1N(CH3)3]の塩(好ましくはハロゲン化物塩)を用いることが好ましい。また、その場合は、アルキルトリメチルアンモニウム中のアルキル基の炭素数は8〜22であることがより好ましい。このようなものとしては、塩化オクタデシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、塩化テトラデシルトリメチルアンモニウム、臭化ドデシルトリメチルアンモニウム、臭化デシルトリメチルアンモニウム、臭化オクチルトリメチルアンモニウム、塩化ドコシルトリメチルアンモニウム等が挙げられる。 Among such surfactants, since a silica-based mesoporous material having high crystallinity can be obtained, a salt (preferably a halide) of alkyltrimethylammonium [C p H 2p + 1 N (CH 3 ) 3 ]. Salt) is preferably used. In that case, the alkyl group in the alkyltrimethylammonium preferably has 8 to 22 carbon atoms. Examples include octadecyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, tetradecyltrimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium bromide, decyltrimethylammonium bromide, octyltrimethylammonium bromide, docosyltrimethylammonium chloride, and the like. It is done.
また、シリカ原料に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る際の溶媒としては、水、有機溶媒(アセトン、アルコール等)、水と有機溶媒の混合溶媒等を使用することができるが、水又は水を主成分とする混合溶媒を用いることが好ましい。 In addition, water, an organic solvent (acetone, alcohol, etc.), a mixed solvent of water and an organic solvent, and the like can be used as a solvent for obtaining a porous precursor by introducing a surfactant into a silica raw material. It is preferable to use water or a mixed solvent containing water as a main component.
シリカ原料に界面活性剤を導入して多孔体前駆体を得る具体的な方法は特に制限されないが、以下の方法が好ましい。すなわち、界面活性剤を含む溶液中にシリカ原料を添加して混合し、シリカ原料中に界面活性剤イオンが導入された複合体を形成せしめると共にシリカ原料を縮合反応(加水分解及び脱水縮合)せしめる。それによって、シリカ原料として層状シリケートを用いた場合には、層状シリケートの各層の間に界面活性剤イオンが入り込む。一方、層状シリケート以外のシリカ原料を用いた場合には、界面活性剤が水溶液中で規則正しく配列したミセルを形成し、その周囲にシリカ原料が集合する。そして、複合体中にシリカ原料の加水分解で生成したシラノール基(−O−H)が脱水縮合し、シリカ原料の結合が部分的に形成されて二次元又は三次元網目構造を有する多孔体前駆体が得られる。 A specific method for obtaining a porous precursor by introducing a surfactant into a silica raw material is not particularly limited, but the following method is preferable. That is, a silica raw material is added and mixed in a solution containing a surfactant to form a complex in which surfactant ions are introduced into the silica raw material, and the silica raw material is subjected to a condensation reaction (hydrolysis and dehydration condensation). . Accordingly, when layered silicate is used as the silica raw material, surfactant ions enter between the layers of the layered silicate. On the other hand, when a silica raw material other than the layered silicate is used, micelles in which surfactants are regularly arranged in an aqueous solution are formed, and the silica raw material is gathered around the micelle. And the silanol group (-OH) produced | generated by the hydrolysis of the silica raw material in the composite is dehydrated and condensed, and the porous precursor having a two-dimensional or three-dimensional network structure in which the silica raw material bond is partially formed The body is obtained.
その際、溶液中の界面活性剤の濃度は0.05〜1mol/Lであることが好ましい。この濃度が前記下限未満であると、界面活性剤イオンがシリカ原料中に十分に導入されず細孔の形成が不完全となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、未反応で溶液中に残留する界面活性剤の量が増大して細孔の均一性が低下する傾向にある。また、溶液中のシリカ原料の分散量は、Si濃度換算で0.0055〜0.33mol/Lであることが好ましい。この分散量が前記下限未満であると、未反応で溶液中に残留する界面活性剤の量が増大して細孔の均一性が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、界面活性剤イオンがシリカ原料中に十分に導入されず細孔の形成が不完全となる傾向にある。更に、Si等の骨格形成原子のモル数が、界面活性剤のモル数の0.02〜10倍であることが好ましい。また、反応温度は、特に制限されず、0〜100℃とすることが好ましく、20〜80℃とすることがより好ましい。更に具体的な反応条件は、用いるシリカ原料の種類等に基づいて適宜決定することが好ましい。 In that case, it is preferable that the density | concentration of surfactant in a solution is 0.05-1 mol / L. When this concentration is less than the lower limit, surfactant ions are not sufficiently introduced into the silica raw material, and pore formation tends to be incomplete. On the other hand, when the upper limit is exceeded, unreacted and in solution There is a tendency that the amount of the surfactant remaining in the surface increases and the uniformity of the pores decreases. Moreover, it is preferable that the dispersion amount of the silica raw material in a solution is 0.0055-0.33 mol / L in conversion of Si density | concentration. If the amount of dispersion is less than the lower limit, the amount of the unreacted surfactant remaining in the solution tends to increase and the uniformity of the pores tends to decrease. The agent ions are not sufficiently introduced into the silica raw material and the pore formation tends to be incomplete. Furthermore, it is preferable that the number of moles of skeleton-forming atoms such as Si is 0.02 to 10 times the number of moles of the surfactant. The reaction temperature is not particularly limited and is preferably 0 to 100 ° C, more preferably 20 to 80 ° C. More specific reaction conditions are preferably determined as appropriate based on the type of silica raw material used.
すなわち、シリカ原料としてアルコキシシランを用いる場合は、pH8以上のアルカリ性又はpH6以下の酸性としてある界面活性剤溶液を調製し、この溶液にアルコキシシランを添加することが好ましい。添加されたアルコキシシランは溶液中で加水分解および脱水縮合するため、添加後数秒〜数十分で粉末が析出する。その後、溶液をさらに攪拌してアルコキシシランの縮合反応を更に進行させて熟成せしめた後、必要に応じて放置して系を安定化させ、得られた沈殿物を必要に応じてろ過および洗浄することによって多孔体前駆体が得られる。 That is, when alkoxysilane is used as the silica raw material, it is preferable to prepare a surfactant solution having an alkaline pH of 8 or higher or an acidic pH of 6 or lower, and adding the alkoxysilane to this solution. Since the added alkoxysilane is hydrolyzed and dehydrated and condensed in the solution, the powder is deposited several seconds to several tens of minutes after the addition. After that, the solution is further stirred and the condensation reaction of the alkoxysilane is further advanced and matured, and then left as necessary to stabilize the system, and the resulting precipitate is filtered and washed as necessary. Thereby, a porous body precursor is obtained.
また、シリカ原料としてアルコキシシランを用いる場合、先ず界面活性剤の非存在下で酸性又はアルカリ性の溶液中でアルコキシシランを加水分解および脱水縮合せしめてオリゴマーを形成させた後に、得られたオリゴマーをアルカリ性又は酸性の界面活性剤溶液に添加して更に縮合反応させるようにしてもよく、このようにすると重合度が向上する傾向にあり好ましい。更に、後述する色素が骨格内に組み込まれたシリカ系メソ多孔体を得る場合は、酸性溶液中でアルコキシシランのオリゴマーを形成せしめた後にそのオリゴマーをアルカリ性の界面活性剤溶液に添加するようにすると、色素をより大量に骨格内に導入できるため特に好ましい。 Also, when using alkoxysilane as a silica raw material, first, the oligomer is hydrolyzed and dehydrated in an acidic or alkaline solution in the absence of a surfactant to form an oligomer, and then the resulting oligomer is made alkaline. Alternatively, it may be added to an acidic surfactant solution for further condensation reaction, and this is preferable because the degree of polymerization tends to be improved. Furthermore, when obtaining a silica-based mesoporous material in which a dye to be described later is incorporated into the skeleton, an oligomer of alkoxysilane is formed in an acidic solution and then the oligomer is added to an alkaline surfactant solution. , Which is particularly preferable because a larger amount of the dye can be introduced into the skeleton.
また、シリカ原料として、アルコキシシラン以外のシリカ原料(層状シリケート、ケイ酸ナトリウムまたはシリカ)を用いる場合は、先ずpHが9.5以上のアルカリ性の界面活性剤溶液中にシリカ原料を分散させてシリカ原料中に形成されているSi−(O−Si)4結合の一部を切断せしめた後に、界面活性剤溶液のpHを7〜9.5の範囲となるように調整してシリカ原料を縮合反応せしめることが好ましい。その後、溶液をさらに攪拌してシリカ原料の縮合反応を更に進行させて熟成せしめた後、必要に応じて放置して系を安定化させ、得られた沈殿物を必要に応じてろ過および洗浄することによって多孔体前駆体が得られる。なお、上記界面活性剤溶液のpHが9.5を超えると、シラノール基の脱水縮合が不十分になって得られる多孔体の収量が少なくなる傾向にあり、他方、pHが7未満になるとケイ酸イオンが不定形シリカゲルとなって析出し易くなる傾向にある。 When silica raw material other than alkoxysilane (layered silicate, sodium silicate or silica) is used as the silica raw material, the silica raw material is first dispersed in an alkaline surfactant solution having a pH of 9.5 or higher. After cutting off part of the Si— (O—Si) 4 bond formed in the raw material, the pH of the surfactant solution is adjusted to be in the range of 7 to 9.5 to condense the silica raw material. It is preferable to react. After that, the solution is further stirred and the condensation reaction of the silica raw material is further advanced and matured, and then left as necessary to stabilize the system, and the resulting precipitate is filtered and washed as necessary. Thereby, a porous body precursor is obtained. If the pH of the surfactant solution exceeds 9.5, the yield of the porous body obtained due to insufficient dehydration condensation of silanol groups tends to decrease. On the other hand, if the pH is less than 7, There is a tendency that acid ions are easily deposited as amorphous silica gel.
次に、上記のようにして得られた多孔体前駆体に含まれる界面活性剤を除去することにより、本発明に好適なシリカ系メソ多孔体が得られる。このように界面活性剤を除去する方法としては、例えば、(i)多孔体前駆体を300〜1000℃で焼成して界面活性剤を除去する方法、(ii)界面活性剤に対する溶解度が高い有機溶媒中に多孔体前駆体を浸漬して界面活性剤を除去する方法、(iii)多孔体前駆体を酸性溶液に浸漬して加熱し、界面活性剤を水素イオンに交換せしめるイオン交換法、等を挙げることができる。 Next, the silica mesoporous material suitable for the present invention is obtained by removing the surfactant contained in the porous material precursor obtained as described above. Examples of the method for removing the surfactant as described above include, for example, (i) a method of removing the surfactant by baking the porous body precursor at 300 to 1000 ° C., and (ii) an organic compound having high solubility in the surfactant. Method of removing the surfactant by immersing the porous precursor in a solvent, (iii) Ion exchange method in which the porous precursor is immersed in an acidic solution and heated to exchange the surfactant with hydrogen ions, etc. Can be mentioned.
(色素)
本発明にかかる多孔性吸着剤としては、前述の多孔性基剤と所定の波長を有する光を吸収する色素とからなるものが好ましい。本発明に使用可能な色素は特に制限されず、照射する光や組み合わせる多孔性基剤等に応じて適宜選択される。このような色素としては、アゾ色素、トルイジン色素、アントラキノン色素、インジゴイド色素、硫化色素、トリフェニルメタン色素、ピラゾロン色素、スチルベン色素、ジフェニルメタン色素、キサンテン色素、アリザリン色素、アクリジン色素、キノンイミン色素(アジン色素、オキサジン色素、チアジン色素)、チアゾール色素、メチン色素、ニトロ色素、ニトロソ色素、シアニン色素等が挙げられ、中でも吸収の効率が高い方が変化の効率も高いという観点からアルドリッチ社製 Disperse Red 1[化合物名:4−(N−2−ヒドロキシエチル−N−エチル)アミノ−4’−ニトロアゾベンゼン]、Disperse Orange 3[化合物名:4−(4−ニトロフェニルアゾ)アニリン]等の分子内電荷移動タイプのアゾ色素(モノアゾ色素、ジスアゾ色素、トリスアゾ色素、テトラキスアゾ色素、ポリアゾ色素)、シアニン系色素が好ましい。
(Dye)
The porous adsorbent according to the present invention is preferably composed of the above-mentioned porous base and a dye that absorbs light having a predetermined wavelength. The dye that can be used in the present invention is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the light to be irradiated, the porous base material to be combined, and the like. Examples of such dyes include azo dyes, toluidine dyes, anthraquinone dyes, indigoid dyes, sulfur dyes, triphenylmethane dyes, pyrazolone dyes, stilbene dyes, diphenylmethane dyes, xanthene dyes, alizarin dyes, acridine dyes, quinoneimine dyes (azine dyes). Oxazine dyes, thiazine dyes), thiazole dyes, methine dyes, nitro dyes, nitroso dyes, cyanine dyes and the like. Disperse Red 1 [manufactured by Aldrich, Inc. from the viewpoint that the higher the absorption efficiency, the higher the change efficiency. Intramolecular charge transfer such as compound name: 4- (N-2-hydroxyethyl-N-ethyl) amino-4′-nitroazobenzene], Disperse Orange 3 [compound name: 4- (4-nitrophenylazo) aniline] Type of Dyes (monoazo dyes, disazo dyes, trisazo dyes, tetrakisazo dyes, polyazo dyes), cyanine dyes are preferred.
本発明にかかる多孔性吸着剤においては、このような色素が前記多孔性基剤の少なくとも表面近傍に均一に存在していることが好ましく、それらを組み合わせる具体的な方法は特に制限されない。例えば、(I)色素が多孔性基剤の骨格内に組み込まれていてもよく、或いは(II)色素が多孔性基剤の表面に担持されていてもよいが、色素の脱離がより確実に防止され、光照射の有無による吸着量の差がより大きくなる傾向にある観点から前者(I)がより好ましい。 In the porous adsorbent according to the present invention, such a dye is preferably uniformly present at least near the surface of the porous base, and the specific method for combining them is not particularly limited. For example, (I) the dye may be incorporated into the skeleton of the porous base, or (II) the dye may be supported on the surface of the porous base, but the detachment of the dye is more reliable. The former (I) is more preferable from the viewpoint that the difference in the adsorption amount due to the presence or absence of light irradiation tends to be larger.
色素を多孔性基剤の骨格内に組み込む場合、(i)多孔性基剤の原料(例えば、シリカ系メソ多孔体の原料であるシリカ原料)の少なくとも一部としてそのような原料と色素との結合体を用いて色素が骨格内に組み込まれた多孔性吸着剤を得る方法、或いは(ii)多孔性基剤の原料に色素を混合して色素が骨格内に組み込まれた多孔性吸着剤を得る方法等を採用することができるが、より多くの色素をより確実に組み込むことができる傾向にある観点から前者(i)がより好ましい。このようにして多孔性吸着剤の骨格内に組み込まれた色素の含有量は、多孔性吸着剤の2〜30重量%程度であることが好ましい。色素の含有量が前記下限未満では光照射の有無による吸着量の差が十分に大きくならない傾向にあり、他方、前記上限を超えると多孔性吸着剤の吸着性能が低下して吸着量が不十分となる傾向にある。 When a dye is incorporated into the skeleton of the porous base, (i) the raw material of the porous base (for example, silica raw material that is a raw material of the silica-based mesoporous material) A method of obtaining a porous adsorbent in which a dye is incorporated into the skeleton using a conjugate, or (ii) a porous adsorbent in which a dye is incorporated into the skeleton by mixing the dye with the raw material of the porous base Although the method to obtain can be employ | adopted, the former (i) is more preferable from a viewpoint which tends to be able to incorporate more pigment | dyes more reliably. Thus, the content of the dye incorporated in the skeleton of the porous adsorbent is preferably about 2 to 30% by weight of the porous adsorbent. If the pigment content is less than the lower limit, the difference in the amount of adsorption due to the presence or absence of light irradiation tends not to be sufficiently large. It tends to be.
また、色素を多孔性基剤の表面に担持せしめる場合、(1)色素を多孔性基剤の表面に化学的に吸着せしめても、或いは(2)色素を多孔性基剤の表面に物理的に吸着せしめてもよいが、色素をより確実に担持せしめることができる傾向にある観点から前者(1)がより好ましい。具体的な方法としては、例えば、水酸基(或いは反応性官能基)を有する色素を溶解した溶液中に多孔性基剤を含浸せしめ、酸性或いは塩基性条件下でメソ孔内表面に残存しているシラノール基と縮合反応を行わせて化学的に吸着せしめる方法が挙げられる。また、後者の物理的に吸着せしめる方法としては、色素の溶液中に多孔性基剤を含浸せしめた後に溶液を取り除いて色素が物理的に吸着した多孔性基剤を回収する方法や、色素と多孔性基剤とをボールミル等により物理的に混合する方法等が挙げられる。このようにして多孔性吸着剤の表面に担持される色素の担持量は、多孔性吸着剤の2〜30重量%程度であることが好ましい。色素の担持量が前記下限未満では光照射の有無による吸着量の差が十分に大きくならない傾向にあり、他方、前記上限を超えると多孔性吸着剤の吸着性能が低下して吸着量が不十分となる傾向にある。 In addition, when the dye is supported on the surface of the porous base, (1) the dye is chemically adsorbed on the surface of the porous base, or (2) the dye is physically attached to the surface of the porous base. The former (1) is more preferable from the viewpoint of tending to carry the dye more reliably. As a specific method, for example, a porous base is impregnated in a solution in which a dye having a hydroxyl group (or a reactive functional group) is dissolved, and remains on the inner surface of the mesopores under acidic or basic conditions. A method of chemically adsorbing with a silanol group is exemplified. In addition, as the latter method of physically adsorbing, a method of recovering a porous base on which a dye is physically adsorbed by removing the solution after impregnating a porous base in a dye solution, Examples thereof include a method of physically mixing the porous base material with a ball mill or the like. The amount of the dye supported on the surface of the porous adsorbent in this way is preferably about 2 to 30% by weight of the porous adsorbent. If the amount of the dye supported is less than the lower limit, the difference in the amount of adsorption due to the presence or absence of light irradiation tends not to be sufficiently large. On the other hand, if the amount exceeds the upper limit, the adsorption performance of the porous adsorbent decreases and the adsorption amount is insufficient It tends to be.
(照射光及び光照射装置)
多孔性吸着剤1に照射する光Lは、用いる多孔性吸着剤1に効率良く吸収される光であればよく、その波長は特に制限されない。したがって、多孔性吸着剤1に照射する光Lは、可視光領域の波長の光、紫外線領域の波長の光、赤外線領域の波長の光のいずれであってもよく、用いる多孔性吸着剤1(色素を含む多孔性吸着剤の場合は用いる色素)に応じて適宜選択されるが、装置構成及び価格の観点からは可視光領域の波長の光であることがより好ましい。
(Irradiated light and light irradiation device)
The light L applied to the
また、多孔性吸着剤1に照射する光Lは、各種レーザー装置から発せられる光のように単色光であっても、各種LEDやランプから発せられる連続光であってもよい。したがって、光照射装置3は特に制限されず、各種レーザー装置、各種LED、各種ランプ等の光源(光照射部31)及びそれらの駆動装置(駆動部32)を適宜用いることができるが、低価格化及びコンパクト化が容易な観点からはLEDのアレイを用いることがより好ましい。
Moreover, the light L irradiated to the
更に、多孔性吸着剤1に照射する光Lとして太陽光を用いてもよく、その場合は光照射装置3として光源ではなく、太陽光を必要な時にのみ処理容器2内の多孔性吸着剤1に導くことが可能な窓や光導波路を用いることが好ましい。
Furthermore, you may use sunlight as the light L irradiated to the
また、本発明においては多孔性吸着剤1に照射される光Lの照射量が制御されるが、かかる制御はコンピュータ等の制御手段(図示せず)による機械的な制御であっても、或いは手動による制御であってもよい。
In the present invention, the irradiation amount of the light L applied to the
(処理容器、遮光容器及び配管)
図1に示す処理容器2は、光照射装置3から発せられた光Lを効率良く透過可能なものであればよく、例えばガラス容器等が適宜用いられる。また、遮光容器4は、処理容器2の内部を光照射装置3から発せられた光L以外の光から遮光するものであればよく、例えばステンレス容器等が適宜用いられる。なお、図1においては光照射部31が処理容器2の外部に配置されているため、処理容器2は光Lを透過可能なものである必要があるが、光照射部31が処理容器2の内部に配置されている場合はその必要はなく、処理容器2が遮光容器4を兼ねるものであってもよい。また、処理容器2内の温度が一定に保持されるように、遮光容器4が恒温槽を兼ねていることが好ましい。
(Processing vessel, shading vessel and piping)
The
更に、処理容器2内に接続される配管5、6の材質等も特に制限されず、例えばガラス管等が適宜用いられる。なお、図1においては処理容器2内に流体を導入するための配管5と処理容器2内から流体を排出するための配管6とが別個に設けられているが、これに限定されるものではなく、単一の配管で流体の導入及び排出を兼ねるものであってもよい。また、かかる配管は、ポンプ、弁等の流体の流れを制御するため手段(図示せず)を適宜介して、被吸着物質を含有する流体の供給源(図示せず)及び排出流体の回収装置(図示せず)に接続されていることが好ましい。
Furthermore, the material of the
(光照射による吸着量の制御方法)
次に、本発明の光照射による吸着量の制御方法について、図1を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の光照射による吸着量の制御方法は、図1に示す装置によって実施される場合に限定されるものではない。
(Adsorption amount control method by light irradiation)
Next, the method for controlling the amount of adsorption by light irradiation according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. In addition, the control method of the adsorption amount by light irradiation of the present invention is not limited to the case where it is implemented by the apparatus shown in FIG.
本発明においては、先ず、反応容器2内に被吸着物質を含有する流体が導入された状態で多孔性吸着剤1に被吸着物質を吸着せしめる。その際、光照射装置3から第一の照射量で光Lを照射するが、第一の照射量はゼロであってもよい。
In the present invention, first, the adsorbed substance is adsorbed on the
次いで、多孔性吸着剤1に照射される光Lの照射量を増加すると、多孔性吸着剤1がより多くの光Lを吸収することによって多孔性吸着剤1に吸着可能な被吸着物質の量(吸着平衡量)が減少し、その減少した吸着平衡量に達するまで被吸着物質が多孔性吸着剤1から放出される。他方、多孔性吸着剤1に照射される光Lの照射量を低減又はゼロにすると、多孔性吸着剤1に吸着可能な被吸着物質の量(吸着平衡量)が増加し、その増加した吸着平衡量に達するまで被吸着物質が多孔性吸着剤1に更に吸着されることとなる。
Next, when the irradiation amount of the light L irradiated to the
そして、このような光照射による多孔性吸着剤1の吸着性能の平衡状態の過渡的な変化は、不可逆的ないわゆる光化学反応を伴うものではなく、可逆的ないわゆる物理吸着特性の変化に起因するものである。そのため、光照射状態と光照射停止を繰り返す、或いは光の照射量を繰り返し変化させることにより吸着量が可逆的に変化し、光の照射量が増加する際には吸着平衡量の差に相当する分の被吸着物質が多孔性吸着剤1から放出され、光の照射量が減少する際には吸着平衡量の差に相当する分の被吸着物質が多孔性吸着剤1に更に吸着されることとなる。
The transient change in the equilibrium state of the adsorption performance of the
また、多孔性吸着剤1により多くの光Lを照射した状態で被吸着物質を吸着させると、光Lの照射量を低減又はゼロにした状態で被吸着物質を吸着させた場合に比べて吸着速度が向上するため、光Lの照射量を制御することによって吸着量と共に吸着速度を変化させることも可能となる。
Further, when the adsorbed substance is adsorbed in a state where the
このように、本発明の光照射による吸着量の制御方法によれば多孔性吸着剤に対する被吸着物質の吸着量を可逆的にかつ速やかに変化させることが可能となるため、各種被吸着物質の分離・精製方法、並びに多孔性吸着剤の再生方法等として有用である。 As described above, according to the method for controlling the amount of adsorption by light irradiation according to the present invention, it is possible to reversibly and quickly change the amount of adsorption of the adsorbed substance on the porous adsorbent, It is useful as a separation / purification method and a method for regenerating a porous adsorbent.
(被吸着物質及び用途)
本発明の対象となる被吸着物質は、用いる多孔性吸着剤1に効率良く吸着される物質であればよく、特に制限されない。このような被吸着物質としては、例えば、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、炭化水素(気体)、ハロメタン等の気体状成分や、水、炭化水素(液体)、ガソリン等の液体状成分が挙げられる。したがって、本発明は、水素分離、一酸化炭素分離、二酸化炭素分離、窒素分離、炭化水素分離、ハロメタン等の有害物質の除去、調湿等を達成するシステムとして有用である。
(Adsorbed substances and applications)
The substance to be adsorbed that is an object of the present invention is not particularly limited as long as it is a substance that is efficiently adsorbed by the
また、本発明においては、リモート性に優れかつ微小領域(例えば直径1μm以下)における制御が容易な光を用いているため、圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術に比べて装置の小型化、微小化、高速化が可能となる。したがって、本発明は、車載用オンボード分離・精製装置、家庭用オンサイト分離・精製装置、マイクロリアクター分離・精製装置、μ−TAS(Total analysis system)、物質徐放システム等に特に有用である。 Further, in the present invention, light that is excellent in remoteness and easy to control in a minute region (for example, a diameter of 1 μm or less) is used. , Miniaturization and high speed are possible. Therefore, the present invention is particularly useful for an on-board separation / purification apparatus for vehicle installation, an on-site separation / purification apparatus for home use, a microreactor separation / purification apparatus, a μ-TAS (Total analysis system), a substance sustained release system, and the like. .
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
アゾ色素{アルドリッチ社製 Disperse Red 1(DR1)[化合物名:4−(N−2−ヒドロキシエチル−N−エチル)アミノ−4’−ニトロアゾベンゼン]}とアルコキシシラン{テトラエトキシシラン(TEOS)}との結合体として下記構造式:
(Example 1)
Azo dye {Disperse Red 1 (DR1) [compound name: 4- (N-2-hydroxyethyl-N-ethyl) amino-4'-nitroazobenzene]} manufactured by Aldrich Co.} and alkoxysilane {tetraethoxysilane (TEOS)} As a conjugate with the following structural formula:
一方、2.02Mの水酸化ナトリウム水溶液0.7mLを蒸留水90mLに混合し、そこにトリメチルステアリルアンモニウムクロライド{〔CH3(CH2)17N(CH3)3〕Cl (C18TMACl)}0.200gを添加して40℃に加熱して溶解せしめた後、室温にて保持した。 On the other hand, 0.7 mL of 2.02 M aqueous sodium hydroxide solution was mixed with 90 mL of distilled water, and trimethylstearyl ammonium chloride {[CH 3 (CH 2 ) 17 N (CH 3 ) 3 ] Cl (C18TMACl)} 0. After adding 200 g and heating to 40 ° C. to dissolve, it was kept at room temperature.
次いで、得られたアルカリ性の界面活性剤水溶液に、前記オリゴマー溶液を激しく撹拌しながら滴下したところ、滴下と同時に溶液が赤濁した。室温で更に約2.5時間撹拌した後、桐山ロートを用いてろ過した。ろ液はほぼ無色透明であり、得られた赤色粉末(多孔体前駆体)を水及びアセトンでリンスしたところ、アセトンリンスの際にろ液がほんのわずかにピンク色を呈した。 Subsequently, when the said oligomer solution was dripped at the obtained alkaline surfactant aqueous solution, stirring vigorously, the solution became cloudy simultaneously with dripping. The mixture was further stirred at room temperature for about 2.5 hours, and then filtered using a Kiriyama funnel. The filtrate was almost colorless and transparent, and when the obtained red powder (porous precursor) was rinsed with water and acetone, the filtrate showed a slight pink color during the acetone rinse.
続いて、得られた多孔体前駆体からテンプレートであるC18TMAClを除去するため、エタノール100mLに濃塩酸2.0gを加えた溶液に上記多孔体前駆体を懸濁させ、室温で約7時間撹拌した後、桐山ロートを用いてろ過した。更に、得られた粉末をエタノール、水、アセトンでリンスし、風乾せしめた後、一昼夜真空乾燥して本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。 Subsequently, in order to remove C18TMACl as a template from the obtained porous precursor, the porous precursor was suspended in a solution obtained by adding 2.0 g of concentrated hydrochloric acid to 100 mL of ethanol and stirred at room temperature for about 7 hours. Then, it filtered using the Kiriyama funnel. Furthermore, the obtained powder was rinsed with ethanol, water, and acetone, air-dried, and then vacuum-dried overnight to obtain a porous adsorbent according to the present invention.
(実施例2)
DR1UPTEOSとTEOSとの混合物としてDR1UPTEOS0.229gとTEOS0.852gとの混合物{DR1UPTEOS:TEOS=1:10(モル比)}を用いた以外は実施例1と同様にして本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。
(Example 2)
The porous adsorbent according to the present invention is the same as in Example 1 except that a mixture of DR1UPTEOS 0.229 g and TEOS 0.852 g {DR1UPTEOS: TEOS = 1: 10 (molar ratio)} is used as a mixture of DR1UPTEOS and TEOS. Got.
(比較例1)
DR1UPTEOSとTEOSとの混合物に代えてTEOS0.933gのみを用いた以外は実施例1と同様にして比較のための多孔性吸着剤を得た。なお、界面活性剤水溶液にオリゴマー溶液を滴下した際に溶液は白濁し、得られた粉末は白色粉末であった。
(Comparative Example 1)
A porous adsorbent for comparison was obtained in the same manner as in Example 1 except that only 0.933 g of TEOS was used instead of the mixture of DR1UPTEOS and TEOS. In addition, when the oligomer solution was dropped into the surfactant aqueous solution, the solution became cloudy, and the obtained powder was a white powder.
(赤外吸収スペクトル測定)
実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤の赤外(IR)吸収スペクトルを、フーリエ変換赤外分光装置(Nicolet社製:Avatar360)を用いてKBr法にて測定した。実施例1及び実施例2で得られた多孔性吸着剤の赤外吸収スペクトルを図2(a)及び図2(b)にそれぞれ示す。図2(a)、(b)に示した結果から、実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤はシリカ骨格をベースにしてかつアゾ色素が導入された材料であることが確認された。
(Infrared absorption spectrum measurement)
Infrared (IR) absorption spectra of the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 were measured by the KBr method using a Fourier transform infrared spectrometer (manufactured by Nicolet: Avatar 360). Infrared absorption spectra of the porous adsorbents obtained in Example 1 and Example 2 are shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), respectively. From the results shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), it was confirmed that the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 were based on a silica skeleton and were introduced with an azo dye. .
(X線回折測定)
実施例1〜2及び比較例1で得られた多孔性吸着剤のX線回折(XRD)パターンを、X線回折装置(Rigaku社製:RINT-TTR)を用いて測定した。比較例1、実施例1及び実施例2で得られた多孔性吸着剤のX線回折パターンを図3(a)、図3(b)及び図3(c)にそれぞれ示す。図3(a)、(b)、(c)に示した結果から、実施例1〜2及び比較例1で得られた多孔性吸着剤には回折ピークが存在し、周期構造を持った材料であることが確認された。また、指数付けから2次元ヘキサゴナル構造であると推察される。
(X-ray diffraction measurement)
The X-ray diffraction (XRD) patterns of the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were measured using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku: RINT-TTR). The X-ray diffraction patterns of the porous adsorbents obtained in Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 are shown in FIGS. 3 (a), 3 (b) and 3 (c), respectively. From the results shown in FIGS. 3 (a), (b), and (c), the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 have diffraction peaks, and have a periodic structure. It was confirmed that. Moreover, it is guessed from the indexing that it is a two-dimensional hexagonal structure.
(窒素の等温吸着測定)
実施例1〜2及び比較例1で得られた多孔性吸着剤について、窒素の等温吸着測定を全自動ガス吸着量測定装置(ユアサアイオニクス社製:オートソーブ1-AG)を用いて77Kで実施した。得られた窒素の等温吸着曲線を図4に示す。
(Measurement of isothermal adsorption of nitrogen)
For the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, isothermal adsorption measurement of nitrogen was performed at 77K using a fully automatic gas adsorption amount measuring device (manufactured by Yuasa Ionics: Autosorb 1-AG). did. The obtained isothermal adsorption curve of nitrogen is shown in FIG.
吸着時、脱着時の等温線はいづれの多孔性吸着剤においても同じ曲線上にあり、ヒステリシスは観測されなかった。これより、可逆的な物理吸着が生じていることが確認された。また、いずれの多孔性吸着剤においてもP/P0が0.3程度でメソ孔に特徴的な急激な吸着量の立ち上がりを示しており、良好なシリカ系メソ多孔体であることが確認された。 The isotherm during adsorption and desorption was on the same curve for any porous adsorbent, and no hysteresis was observed. From this, it was confirmed that reversible physical adsorption occurred. Moreover, in any porous adsorbent, P / P 0 is about 0.3, indicating a sudden rise in the amount of adsorption characteristic of mesopores, confirming that it is a good silica-based mesoporous material. It was.
(比表面積)
実施例1〜2及び比較例1で得られた多孔性吸着剤について、BET(Brunauer-Emmett-Teller)法により比表面積を求めたところ、いずれの多孔性吸着剤においても500〜750m2/g程度であった。
(Specific surface area)
About the porous adsorbent obtained in Examples 1-2 and Comparative Example 1, when specific surface area was calculated | required by BET (Brunauer-Emmett-Teller) method, in any porous adsorbent, 500-750 m < 2 > / g. It was about.
(孔径分布)
実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤について、ケルビン式を元にしたBJH(Barrett-Joyner-Halenda)法を用いて吸着曲線より細孔分布曲線を求めた。実施例1及び実施例2で得られた多孔性吸着剤の孔径分布を図5(a)及び図5(b)にそれぞれ示す。図5(a)、(b)に示した結果から、実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤の細孔径は2nmを中心にそろっていることが確認された。
(Pore size distribution)
About the porous adsorbent obtained in Examples 1-2, the pore distribution curve was calculated | required from the adsorption curve using BJH (Barrett-Joyner-Halenda) method based on the Kelvin formula. The pore size distributions of the porous adsorbents obtained in Example 1 and Example 2 are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. From the results shown in FIGS. 5A and 5B, it was confirmed that the pore diameters of the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2 were centered on 2 nm.
(ベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験)
図6に示す蒸気吸着測定装置(日本ベル社製:BELSORP-18)にハロゲンランプ光源(HOYASHOT HL100E)及び光照射用のコールドライトガイド(駿河精機社製:VFGS)を取りつけ、実施例1〜2及び比較例1で得られた多孔性吸着剤を用いて以下に示すベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験を行った。なお、10mgの多孔性吸着剤1が容量17mLのガラス製処理容器2の内部に配置されており、コールドライト3から最大390mW(ガイド出口)の照射光パワーで波長380〜780nmの可視光を中心とした照射光Lが多孔性吸着剤1に照射された。また、処理容器2及びコールドライト3の光照射部31はステンレス製の25℃の恒温水槽(遮光容器)4の内部に配置されており、処理容器2には弁10を介して容量43mLのガラス製予備室(配管)11が接続されている。更に、予備室11には、弁12を介して内部にベンゼン13が貯められている容器14と、弁15を介してポンプ16と、圧力計17とが接続されている。
(Light irradiation adsorption test on the amount of benzene adsorbed)
A halogen adsorption light source (HOYASHOT HL100E) and a cold light guide for light irradiation (manufactured by Suruga Seiki Co., Ltd .: VFGS) were attached to the vapor adsorption measuring apparatus (BELSORP-18 manufactured by Nippon Bell Co.) shown in FIG. And the light irradiation adsorption test regarding the adsorption amount of benzene shown below was conducted using the porous adsorbent obtained in Comparative Example 1. In addition, 10 mg of
先ず、系全体を十分に脱気した後、予備室11内に所定初期圧力(圧力:9Torr)のベンゼン蒸気を導入した。続いて、弁12及び弁15を閉じた後に弁10を開けてベンゼン蒸気を処理容器2内に導入し、光Lを照射しない状態で多孔性吸着剤1に対するベンゼンの吸着量が平衡状態になるまで放置した。次に、ベンゼンの吸着量が十分に平衡状態になったところで光Lの照射を開始し、更に所定時間経過後に光Lの照射を停止してその間の処理容器2内の圧力変化を計測した。
First, after the entire system was sufficiently deaerated, benzene vapor having a predetermined initial pressure (pressure: 9 Torr) was introduced into the
実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤を用いた場合の結果、すなわち光照射によって変化する圧力変化の様子を図7に模式的に示した。いずれの多孔性吸着剤を用いた場合も、平衡状態に到達した後に光照射を開始すると、図7に示したように圧力が上昇し、30秒から1分程度で上昇は停止して光照射状態での圧力は一定となった(図7:ON状態)。次いで、光照射を停止すると、再び圧力は低下しはじめ、やはり30秒から1分程度で最初の平衡状態に戻った(図7:OFF状態)。この現象は、光照射の開始と停止を繰り返し行っても(一度脱着させてから再度行っても)同様に再現した。なお、圧力上昇は多孔性吸着剤内部に吸着したベンゼンが外部に放出されたことにより起こっており、他方、光照射を停止するともとの平衡状態に戻ることは再びベンゼンが多孔性吸着剤内部に吸着されたことを示す。このような現象が生じたことから、光照射によって多孔性吸着剤の吸着特性が可逆的に変化し、光照射によって吸脱着を能動的に制御できることが確認された。 FIG. 7 schematically shows the result of using the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2, that is, the state of pressure change that changes due to light irradiation. Regardless of which porous adsorbent is used, when light irradiation is started after reaching the equilibrium state, the pressure increases as shown in FIG. 7, and the increase stops after about 30 seconds to 1 minute, and light irradiation is performed. The pressure in the state became constant (FIG. 7: ON state). Next, when the light irradiation was stopped, the pressure began to decrease again, and again returned to the initial equilibrium state in about 30 seconds to 1 minute (FIG. 7: OFF state). This phenomenon was reproduced in the same way even if the light irradiation was repeatedly started and stopped (desorbed once and then performed again). Note that the increase in pressure is caused by the release of benzene adsorbed inside the porous adsorbent. On the other hand, when light irradiation is stopped, the original equilibrium state is restored. Is adsorbed. Since such a phenomenon occurred, it was confirmed that the adsorption characteristics of the porous adsorbent reversibly change by light irradiation, and adsorption / desorption can be actively controlled by light irradiation.
なお、このような現象は実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤では認められたが、比較例1で得られた多孔性吸着剤では認められなかったことから、色素による光吸収が本現象に重要な役割を果たしていることが確認された。 Such a phenomenon was observed in the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2, but was not observed in the porous adsorbent obtained in Comparative Example 1. Therefore, light absorption by the dye was not observed. It was confirmed that it plays an important role in this phenomenon.
次に、実施例1〜2で得られた多孔性吸着剤を用いて、最初の平衡圧が異なる状態で光照射吸着試験を行った。なお、最初の平衡圧を以下の3パターン、(i)吸着等温線における最初の吸着量の立ちあがり部分の圧力(数Torr)、(ii)一旦相対圧に対する吸着量が略平坦になる少し手前の圧力(十数Torr)、(iii)その平坦部分の圧力(50〜60Torr)、として試験を行った。また、光照射パワーも同時に変化させてその挙動の違いについても比較した。得られた結果を図8に示す。 Next, using the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2, a light irradiation adsorption test was performed in a state where initial equilibrium pressures were different. The initial equilibrium pressure is set to the following three patterns: (i) the pressure at the rising portion of the first adsorption amount on the adsorption isotherm (several Torr), (ii) the adsorption amount with respect to the relative pressure once slightly before the flat amount The test was conducted with the pressure (ten torr) and (iii) the pressure of the flat part (50 to 60 Torr). In addition, the light irradiation power was changed at the same time, and the difference in behavior was also compared. The obtained results are shown in FIG.
図8に示した結果の比較から、実施例2で得られた多孔性吸着剤の方がどの条件でも平衡状態の変化が大きいことが確認された。すなわち、導入した色素の量が多い方が、光照射による吸着量の変化量が多く、色素濃度に比例して吸着量の変化が大きい現象が確認された。そして、実施例2で得られた多孔性吸着剤を用いた場合、光照射により最大で約36%のベンゼンを光照射により外部に放出させ、更に光照射停止後に再び内部に同量のベンゼンを再吸着させることができた。 From the comparison of the results shown in FIG. 8, it was confirmed that the porous adsorbent obtained in Example 2 had a greater change in the equilibrium state under any conditions. That is, it was confirmed that when the amount of the introduced dye was larger, the amount of change in the adsorption amount due to light irradiation was larger, and the change in the amount of adsorption was larger in proportion to the dye concentration. When the porous adsorbent obtained in Example 2 is used, a maximum of about 36% of benzene is released to the outside by light irradiation, and the same amount of benzene is again put inside after stopping the light irradiation. Re-adsorption was possible.
また、光照射パワーに対する依存性を比較すると、パワーの増大により変化量が増大していく傾向があり、その依存性は実施例2で得られた多孔性吸着剤の方がより顕著であることが確認された。 Moreover, when the dependence on the light irradiation power is compared, the amount of change tends to increase as the power increases, and the dependence is more pronounced in the porous adsorbent obtained in Example 2. Was confirmed.
なお、最初の平衡圧が数Torrと十数Torrの違いによる差は実施例1、2で得られたいずれの多孔性吸着剤においても確認されなかったが、最初の平衡圧が50〜60Torrの場合は逆に変化量がいずれの多孔性吸着剤においても低下していた。 The difference due to the difference between the initial equilibrium pressure of several Torr and tens of Torr was not confirmed in any of the porous adsorbents obtained in Examples 1 and 2, but the initial equilibrium pressure was 50 to 60 Torr. In some cases, the amount of change was lower in any porous adsorbent.
また、弁10を開けてベンゼン蒸気を処理容器2内に導入した際に、光Lを照射した状態で多孔性吸着剤1に対するベンゼンの吸着量が平衡状態になるまでの圧力変化を測定したところ、予備室11内の初期圧力が35Torr以下の場合は、光照射状態の方が光照射停止状態より平衡状態に到達するまでの吸着速度が速くなる現象が確認された。他方、予備室11内の初期圧力が飽和蒸気圧(95.1Torr@25℃)に近い90Torr程度の場合は、吸着速度に違いは見られなかった。
Further, when the
(比較例2)
特開2003−263999号公報に記載されている合成例1[多孔質粒子の作製]と同じ製造方法で比較のための多孔性吸着剤(ベンゼンをシリカ骨格に有した有機−無機ハイブリッド型シリカ系メソ多孔体)を得た。得られた多孔性吸着剤について前記と同様にベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験を行ったところ、光照射による吸着量の変化は確認されなかった。
(Comparative Example 2)
Porous adsorbent for comparison (organic-inorganic hybrid type silica system having benzene in silica skeleton) by the same production method as Synthesis Example 1 [Preparation of porous particles] described in JP-A- 2003-263999 Mesoporous material) was obtained. When the obtained porous adsorbent was subjected to a light irradiation adsorption test on the amount of benzene adsorbed in the same manner as described above, no change in the amount of adsorption due to light irradiation was confirmed.
(実施例3)
比較例1で得られた多孔性吸着剤にアゾ色素(アルドリッチ社製DR1)を以下の方法により吸着せしめて本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。すなわち、エタノール100mLに62mgのDR1を溶解せしめ、続いて得られた溶液に比較例1で得られた多孔性吸着剤40mgを懸濁させて1時間攪拌した後、色素が吸着した多孔性吸着剤をろ過、風乾、真空乾燥して本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。得られた多孔性吸着剤について前記と同様にベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験を行ったところ、約14%の光照射による吸着量の変化が確認された。
(Example 3)
The porous adsorbent obtained in Comparative Example 1 was adsorbed with an azo dye (Aldrich DR1) by the following method to obtain a porous adsorbent according to the present invention. That is, 62 mg of DR1 was dissolved in 100 mL of ethanol, and then 40 mg of the porous adsorbent obtained in Comparative Example 1 was suspended in the resulting solution and stirred for 1 hour, and then the adsorbed porous adsorbent The porous adsorbent according to the present invention was obtained by filtration, air drying, and vacuum drying. When the obtained porous adsorbent was subjected to a light irradiation adsorption test on the amount of benzene adsorbed in the same manner as described above, a change in the amount of adsorption due to light irradiation of about 14% was confirmed.
(実施例4)
比較例1で得られた多孔性吸着剤にアゾ色素(アルドリッチ社製DR1)を以下の方法により物理的に担持せしめて本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。すなわち、比較例1で得られた多孔性吸着剤40mgと10mgのDR1とを乳鉢で十分に混合して本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。得られた多孔性吸着剤について前記と同様にベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験を行ったところ、約17%の光照射による吸着量の変化が確認された。
(Example 4)
The porous adsorbent obtained in Comparative Example 1 was physically loaded with an azo dye (Aldrich DR1) by the following method to obtain a porous adsorbent according to the present invention. That is, the porous adsorbent according to the present invention was obtained by sufficiently mixing 40 mg of the porous adsorbent obtained in Comparative Example 1 and 10 mg of DR1 in a mortar. When the obtained porous adsorbent was subjected to a light irradiation adsorption test on the amount of benzene adsorbed in the same manner as described above, a change in the amount of adsorption due to light irradiation of about 17% was confirmed.
(実施例5)
色素として青色色素トルイジン(アルドリッチ社製トルイジンブルーO)を用いた以外は実施例3と同様にして本発明にかかる多孔性吸着剤を得た。得られた多孔性吸着剤について前記と同様にベンゼンの吸着量に関する光照射吸着試験を行ったところ、約15%の光照射による吸着量の変化が確認された。
(Example 5)
A porous adsorbent according to the present invention was obtained in the same manner as in Example 3 except that the blue dye toluidine (Aludrich Toluidine Blue O) was used as the dye. When the obtained porous adsorbent was subjected to a light irradiation adsorption test on the amount of benzene adsorbed in the same manner as described above, a change in the amount of adsorption due to light irradiation of about 15% was confirmed.
以上説明したように、本発明の吸着量の制御方法によれば、光照射という汎用性の高い手法により多孔性吸着剤に吸着する物質の吸着量を可逆的にかつ能動的に変化させることが可能となる。そして、本発明の吸着量の制御装置によれば、前記本発明の吸着量の制御方法を効率良くかつ確実に実施することが可能となり、しかも従来の圧力スイングサイクル吸着技術や加熱スイングサイクル吸着技術に比べて装置を小型化、微小化することができるようになる。したがって、本発明は、車載用オンボード分離・精製装置、家庭用オンサイト分離・精製装置、マイクロリアクター分離・精製装置、μ−TAS(Total analysis system)、物質徐放システム等に特に有用である。 As described above, according to the adsorption amount control method of the present invention, the adsorption amount of the substance adsorbed on the porous adsorbent can be reversibly and actively changed by a versatile technique called light irradiation. It becomes possible. According to the adsorption amount control device of the present invention, the adsorption amount control method of the present invention can be implemented efficiently and reliably, and the conventional pressure swing cycle adsorption technology and heating swing cycle adsorption technology can be used. Compared to this, the apparatus can be miniaturized and miniaturized. Therefore, the present invention is particularly useful for an on-board separation / purification apparatus for vehicle installation, an on-site separation / purification apparatus for home use, a microreactor separation / purification apparatus, a μ-TAS (Total analysis system), a substance sustained release system, and the like. .
1…多孔性吸着剤、2…処理容器、3…光照射装置、31…光照射部、32…光照射装置駆動部、4…遮光容器、5、6…配管、L…照射光。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記所定の波長を有する光の照射量を増加又は減少せしめて第二の照射量とし、前記多孔性吸着剤における前記被吸着物質の吸着量を減少又は増加せしめる第二の工程と、
を含むことを特徴とする光照射による吸着量の制御方法。 A porous material comprising a silica-based mesoporous material that has an adsorption performance for an adsorbed substance and a dye that absorbs light having a predetermined wavelength and is incorporated in the skeleton of the silica-based mesoporous material. A first step of adsorbing the adsorbed substance to the porous adsorbent while irradiating the adsorbent with light having the predetermined wavelength at a first irradiation amount;
A second step of increasing or decreasing the irradiation amount of light having the predetermined wavelength as a second irradiation amount, and decreasing or increasing the amount of adsorption of the adsorbed substance in the porous adsorbent;
A method for controlling the amount of adsorption by light irradiation.
前記多孔性吸着剤に前記所定の波長を有する光を照射するための光照射装置と、
前記多孔性吸着剤が内部に配置された処理容器と、
前記処理容器の内部を、前記光照射装置から照射される光以外の光から遮光するための遮光容器と、
前記処理容器に接続されており、被吸着物質を含有する流体を前記処理容器に導入及び/又は前記処理容器から排出するための配管と、
を備えることを特徴とする光照射による吸着量の制御装置。 A porous material comprising a silica-based mesoporous material that has an adsorption performance for an adsorbed substance and a dye that absorbs light having a predetermined wavelength and is incorporated in the skeleton of the silica-based mesoporous material. An adsorbent,
A light irradiation device for irradiating the porous adsorbent with light having the predetermined wavelength;
A processing vessel in which the porous adsorbent is disposed;
A light shielding container for shielding the inside of the processing container from light other than light irradiated from the light irradiation device;
A pipe connected to the processing container, for introducing a fluid containing an adsorbed substance into the processing container and / or discharging the fluid from the processing container;
A device for controlling the amount of adsorption by light irradiation.
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