JP4871312B2 - Method for producing hydrogen gas separator - Google Patents
Method for producing hydrogen gas separator Download PDFInfo
- Publication number
- JP4871312B2 JP4871312B2 JP2008046653A JP2008046653A JP4871312B2 JP 4871312 B2 JP4871312 B2 JP 4871312B2 JP 2008046653 A JP2008046653 A JP 2008046653A JP 2008046653 A JP2008046653 A JP 2008046653A JP 4871312 B2 JP4871312 B2 JP 4871312B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- silica
- oxygen
- containing gas
- porous
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
本発明は、水素ガス分離材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a hydrogen gas separator.
燃料電池や触媒膜リアクタ等において水素を供給するために用いられる水素ガス分離材が知られている。このような水素ガス分離材は、典型的には高い水素透過性に加えて、耐熱性及び耐水蒸気性にも優れていることが好ましい。このような水素ガス分離材を製造する一つの代表的な方法として、例えば、セラミックス材料から構成されて細孔径50nm以上の細孔を有する多孔質基材に、0.6nm以下の細孔径を有する多孔質シリカ膜を形成し、これにより該基材の有する細孔の開口サイズを縮小する過程を含む方法が知られている。かかるシリカ膜を形成する方法の代表例として、化学蒸着法(Chemical Vapor Desorption:CVD)及びゾル−ゲル法が例示される。CVDを用いたシリカ膜形成に関する従来技術文献として、特許文献1,2及び非特許文献1〜3が挙げられる。一方、ゾル−ゲル法を用いたシリカ膜形成に関する従来技術文献として非特許文献4,5が挙げられる。
Hydrogen gas separation materials used for supplying hydrogen in fuel cells, catalyst membrane reactors, and the like are known. Such a hydrogen gas separator is typically excellent in heat resistance and water vapor resistance in addition to high hydrogen permeability. As one typical method for producing such a hydrogen gas separation material, for example, a porous substrate made of a ceramic material and having pores with a pore diameter of 50 nm or more has a pore diameter of 0.6 nm or less. There is known a method including a process of forming a porous silica film and thereby reducing the opening size of the pores of the substrate. Typical examples of the method for forming such a silica film include a chemical vapor deposition (CVD) method and a sol-gel method.
上記特許文献1,2及び非特許文献1〜3に記載されたCVDによるシリカ膜の形成方法は、テトラエトキシシラン(Tetraethyl Orthosilicate:TEOS)又はテトラメトキシシラン(Tetramethyl Orthosilicate:TMOS)等のシリカ源を気化させて、ガス状態で多孔質基材の一方の面から供給すると共に、該基材の他方の面(裏面)からオゾン(O3)や酸素(O2)等のガスを供給することによって、該基材の細孔内でこれらを反応させてシリカ膜を形成するというものである(以下、この種のCVDを「対向拡散CVD」ということもある。)。
The method of forming a silica film by CVD described in
上記対向拡散CVDを適用して水素ガス分離材を製造するにあたり、上記シリカ膜の膜厚は、所定の厚さまでは製膜時間(シリカ源と、O3又はO2ガスとの反応時間)によって制御され得る。このため、典型的には、上記反応時間を短くして膜厚を薄くすることによって、高い水素透過性能を備えた水素ガス分離材を製造することが好ましい。上記製膜時間の短縮化は、上記水素ガス分離材の製造工程の効率化の点でも効果的である。例えば、特許文献2では、シリカ源としてTEOSを使用し、気化させたTEOSガスとO2ガスを共に200mL/分で供給して両者を反応させ、600℃の温度条件下でγ‐アルミナ製の多孔質基材にシリカ膜を形成している。この製膜時間を120分間、30分間、5分間と短縮すると、このシリカ膜を備えた水素ガス分離材の水素透過率[mol・m−2・s−1・Pa−1]はそれぞれ、3.0×10−7、3.5×10−7、7×10−7に向上している。
When manufacturing the hydrogen gas separation material by applying the above-described counter diffusion CVD, the film thickness of the silica film is a predetermined thickness depending on the film forming time (the reaction time between the silica source and O 3 or O 2 gas). Can be controlled. For this reason, it is typically preferable to produce a hydrogen gas separation material having high hydrogen permeation performance by shortening the reaction time and reducing the film thickness. The shortening of the film forming time is also effective in terms of improving the efficiency of the manufacturing process of the hydrogen gas separation material. For example, in
しかし、上記シリカ膜の製膜時間を短縮すると、水素透過性の向上とは対照的に、水素ガス分離材(上記シリカ膜)の耐熱性及び耐水蒸気性(耐高温水蒸気性)が低下する。また、この現象は、上記シリカ膜の面積を拡大すると特に顕著となる。例えば、シリカ源としてTMOSを使用し、気化させたTMOSガスとO2ガスをともに200mL/分で供給して、600℃の温度条件下、120分間の製膜時間でγ‐アルミナ製の多孔質基材にシリカ膜を形成した。このとき、1×10−3m2の製膜面積で形成されたシリカ膜を有する水素ガス分離材は、実使用に耐え得る安定した性能を有した。一方、40×10−3m2の面積範囲にまで拡大して上記シリカ膜を形成した際には、該シリカ膜の成膜性は低下した。例えば、該シリカ膜を備えた水素ガス分離材に水素を流すとクラックが発生したり、高温(例えば600℃)の水蒸気雰囲気下では水素透過性能や水素選択(分離)性能等の性能低下が認められた。 However, when the time for forming the silica membrane is shortened, the heat resistance and water vapor resistance (high temperature water vapor resistance) of the hydrogen gas separation material (silica membrane) are lowered in contrast to the improvement in hydrogen permeability. This phenomenon becomes particularly prominent when the area of the silica film is enlarged. For example, TMOS is used as a silica source, vaporized TMOS gas and O 2 gas are supplied at 200 mL / min, and a porous material made of γ-alumina at a temperature of 600 ° C. and a film forming time of 120 minutes. A silica film was formed on the substrate. At this time, the hydrogen gas separation material having a silica membrane formed with a film formation area of 1 × 10 −3 m 2 had stable performance that could withstand actual use. On the other hand, when the silica film was formed by expanding to an area range of 40 × 10 −3 m 2 , the film formability of the silica film was lowered. For example, when hydrogen is passed through a hydrogen gas separation material provided with the silica membrane, cracks are generated, and performance degradation such as hydrogen permeation performance and hydrogen selection (separation) performance is observed in a high-temperature (eg, 600 ° C.) steam atmosphere. It was.
上記のようにシリカ膜を備えた水素ガス分離材が、燃料電池や触媒膜リアクタ等に適した水素ガス分離材として実用レベルにまで達し得るには、シリカ膜の製膜時間の短縮化(例えば30分以下)と、製膜面積の拡大化(例えば10×10−3m2以上)の実現が重要である。しかし、上記特許文献及び非特許文献はいずれも、上記の点で実験レベルの域を脱していない。 In order for the hydrogen gas separation material provided with the silica membrane as described above to reach a practical level as a hydrogen gas separation material suitable for a fuel cell, a catalyst membrane reactor or the like, the time required for forming the silica membrane can be shortened (for example, 30 minutes or less) and enlargement of the film forming area (for example, 10 × 10 −3 m 2 or more) is important. However, none of the above-mentioned patent documents and non-patent documents have left an experimental level in terms of the above points.
そこで本発明は、対向拡散CVDにより形成されるシリカ膜を備えた水素ガス分離材の製造方法であって、製膜時間を短縮しても、好ましくは製膜面積を拡大しても、良好な性能を有したシリカ膜を安定して形成することができる水素ガス分離材製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a method for producing a hydrogen gas separation material provided with a silica membrane formed by counter diffusion CVD, which is good even if the film-forming time is shortened, preferably the film-forming area is enlarged. It is an object of the present invention to provide a method for producing a hydrogen gas separator that can stably form a silica membrane having performance.
上記目的を実現するべく、本発明によって多孔質基材とシリカ膜とを備える水素ガス分離材を製造する方法が提供される。すなわち、ここに開示される製造方法は、前記多孔質基材を用意する工程を包含する。また、前記基材の一方の面側にシリカ源含有ガスとしてキャリアガスと共に供給される気化したシリカ源(すなわちシリカ膜形成用材料)と、該基材の他方の面側に供給される酸素含有ガスとを反応させる化学蒸着法によって、該基材にシリカ膜を形成する工程を包含する。さらに、前記基材の一方及び/又は他方の各面側に酸素含有ガスを供給し、前記シリカ膜を安定化させる膜安定化工程を包含する。好ましくは、膜安定化工程において、前記シリカ膜が形成された基材の一方の面側であって前記シリカ膜形成工程で気化したシリカ源が供給された側に、前記シリカ源含有ガスに代えて酸素含有ガスを供給する。
多孔質基材にシリカ膜を形成する際、対向拡散CVDにより多孔質基材にシリカ膜を蒸着するのみでは、成膜に数時間(例えば2時間〜5時間)の長時間を有する。また、形成されたシリカ膜は不安定で精度に欠け、多くのシリカ膜において、水素を流した際のクラックや、高温の水蒸気雰囲気下での性能低下が発生していた。
しかし、かかる製造方法では、膜安定化工程において、シリカ膜形成後の多孔質基材の両面側又は一方の側に酸素含有ガスを供給することによって、該多孔質基材の細孔内に未反応又は不完全反応の段階で残存しているシリカ源がシリカへと酸化される。この結果、上記シリカ膜は全体にわたって一様に完全酸化された状態に達し得るため、シリカ膜が上記多孔質基材に安定(すなわち、ある一定の精度又は性能を維持)して形成され得る。また、かかる製造方法が上記膜安定化工程を包含することにより、シリカ膜形成工程におけるシリカ膜の製膜時間(シリカ源の供給時間)を30分〜5分にまで短縮しても、水素透過性能や水素分離性能等の膜性能を良好に発揮し得るシリカ膜を上記多孔質基材に形成し得る。なお、典型的には、気化したシリカ源は窒素等の不活性ガスと混合されて、シリカ源含有ガスとして上記多孔質基材の一方の面側に供給される。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a hydrogen gas separator comprising a porous substrate and a silica membrane. That is, the manufacturing method disclosed herein includes a step of preparing the porous substrate. In addition, a vaporized silica source (that is, a silica film forming material) supplied together with a carrier gas as a silica source-containing gas on one surface side of the substrate, and an oxygen-containing material supplied on the other surface side of the substrate It includes a step of forming a silica film on the substrate by a chemical vapor deposition method in which a gas is reacted. Furthermore, the film | membrane stabilization process which supplies oxygen-containing gas to each one side of the said base material and / or the other surface, and stabilizes the said silica membrane is included. Preferably, in the film stabilization step, the silica source-containing gas is replaced on one side of the substrate on which the silica film is formed and on the side where the silica source vaporized in the silica film formation step is supplied. Supply oxygen-containing gas.
When the silica film is formed on the porous substrate, the deposition takes a long time of several hours (for example, 2 hours to 5 hours) only by depositing the silica film on the porous substrate by counter diffusion CVD. In addition, the formed silica film is unstable and lacks accuracy, and in many silica films, cracks occurred when hydrogen was passed, and performance was deteriorated in a high-temperature steam atmosphere.
However, in such a production method, in the membrane stabilization step, oxygen-containing gas is supplied to both sides or one side of the porous substrate after the formation of the silica film, so that the pores of the porous substrate are not yet filled. The silica source remaining in the reaction or incomplete reaction stage is oxidized to silica. As a result, the silica film can reach a state of being completely and completely oxidized throughout, so that the silica film can be stably formed on the porous substrate (that is, maintain a certain accuracy or performance). Moreover, even if the production time of the silica film (silica source supply time) in the silica film formation process is shortened to 30 to 5 minutes by including such a film stabilization process, the manufacturing method includes hydrogen permeation. A silica membrane capable of satisfactorily exhibiting membrane performance such as performance and hydrogen separation performance can be formed on the porous substrate. Typically, the vaporized silica source is mixed with an inert gas such as nitrogen and supplied to one surface side of the porous substrate as a silica source-containing gas.
また、上記膜安定化工程を包含しない従来の水素ガス分離材製造方法では、例えば2時間の製膜時間を費やしても40×10−3m2の製膜面積では、安定したシリカ膜を多孔質基材に形成できなかった。しかし、かかる製造方法では、上記膜安定化工程を経ることによって、例えば上記面積まで製膜面積を拡大しても、安定したシリカ膜を形成し得る。 Further, in the conventional method for producing a hydrogen gas separation material that does not include the membrane stabilization step, for example, even if a film forming time of 2 hours is spent, a stable silica membrane is porous with a film forming area of 40 × 10 −3 m 2. It could not be formed on a porous substrate. However, in such a manufacturing method, a stable silica film can be formed by passing through the film stabilization step, for example, even if the film forming area is expanded to the above area.
ここに開示される水素ガス分離材製造方法の好ましい一態様では、前記膜安定化工程は、300℃〜1000℃の温度条件下で行われる。より好ましくは500℃以上であり、典型的にはシリカ膜形成工程におけるシリカ源の蒸着温度(製膜温度)程度で行われる。また、上記温度条件の上限は、上記シリカ源が分解や化学反応を起こさない限界の温度(例えば分解温度)未満が好ましい。
かかる態様では、多孔質基材に供給されて該基材の細孔内に残存している上記シリカ源の酸化反応が促進され、より安定なシリカ膜を形成させるのに効果的である。また、かかる製造方法により製造された水素ガス分離材を、例えばメタンの水蒸気改質用膜リアクタや水蒸気改質型燃料電池等に適用する場合には、該水素ガス分離材は高温(例えば500℃以上)の水蒸気雰囲気に曝される。上記膜安定化工程において、上記のような高温条件下の雰囲気に上記シリカ膜を曝すことによって、耐熱性に優れたシリカ膜が形成され得る。この結果、かかる態様の製造方法により得られる水素ガス分離材は好適に利用され得る。
In a preferred embodiment of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, the membrane stabilization step is performed under a temperature condition of 300 ° C to 1000 ° C. More preferably, the temperature is 500 ° C. or higher, and the temperature is typically about the vapor deposition temperature (film forming temperature) of the silica source in the silica film forming step. Further, the upper limit of the temperature condition is preferably less than the limit temperature (for example, decomposition temperature) at which the silica source does not cause decomposition or chemical reaction.
In such an embodiment, the oxidation reaction of the silica source that is supplied to the porous substrate and remains in the pores of the substrate is promoted, which is effective in forming a more stable silica film. Further, when the hydrogen gas separation material produced by such a production method is applied to, for example, a methane steam reforming membrane reactor or a steam reforming fuel cell, the hydrogen gas separation material is heated to a high temperature (eg, 500 ° C.). Exposure to water vapor atmosphere. In the film stabilization step, a silica film having excellent heat resistance can be formed by exposing the silica film to an atmosphere under the high temperature conditions as described above. As a result, the hydrogen gas separation material obtained by the manufacturing method of this aspect can be used suitably.
ここに開示される水素ガス分離材製造方法の別の好ましい一態様では、前記膜安定化工程において使用する酸素含有ガスは、純粋酸素ガス又は20vol%以上の酸素を含む混合ガスである。好ましくは純粋酸素ガスである。
かかる態様により、上記多孔質基材の細孔内に残存したシリカ源が酸素含有ガスにより効率よく酸化されて、安定したシリカ膜が形成され得る。また、酸素濃度が高いほど酸素含有ガスの供給量を少なく、また該供給時間を短縮することができる。該酸素含有ガスは空気(酸素が凡そ20vol%、窒素が凡そ80vol%含む混合ガス)であってもよい。
In another preferable aspect of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, the oxygen-containing gas used in the membrane stabilization step is pure oxygen gas or a mixed gas containing 20 vol% or more of oxygen. Pure oxygen gas is preferred.
According to this aspect, the silica source remaining in the pores of the porous substrate can be efficiently oxidized by the oxygen-containing gas, and a stable silica film can be formed. Further, the higher the oxygen concentration, the smaller the supply amount of the oxygen-containing gas and the shorter the supply time. The oxygen-containing gas may be air (a mixed gas containing approximately 20 vol% oxygen and approximately 80 vol% nitrogen).
また、ここに開示される水素ガス分離材製造方法の別の好ましい一態様では、前記膜安定化工程において、前記シリカ源含有ガスに代えて供給される酸素含有ガスの流量は、少なくとも0.01MPaのガス圧差で他方の面側の酸素含有ガスの流量よりも高くなるように調節される。
さらに別の好ましい一態様では、前記膜安定化工程において、前記多孔質基材の一方の面側であって前記シリカ膜形成工程で気化したシリカ源が供給された側に、前記シリカ源含有ガスに代えて酸素含有ガスを供給し、且つ、前記多孔質基材の他方の面側であって前記シリカ膜形成工程で酸素含有ガスが供給された側には酸素含有ガスの供給を停止し、前記多孔質基材の両側で少なくとも0.01MPaのガス圧差を生じるように前記他方の側を減圧する。
かかる態様では、上記多孔質基材の一方の面側であって前記シリカ膜形成工程でシリカ源が供給された側では、供給されるガスがシリカ源含有ガスから酸素含有ガスに置換され、上記多孔質基材の両側で酸素含有ガスが流通する。このとき、置換された側の酸素含有ガスのガス圧は、少なくとも0.01MPa(好ましくは0.01MPa〜1MPa、典型的には0.1MPa〜1MPa)のガス圧差で他方の面側よりも高く調節されている。或いは、上記一方の側ではシリカ源含有ガスから酸素含有ガスに置換し、上記他方の面側では酸素含有ガスの供給を停止して、上記基材の両側で少なくとも0.01MPaのガス圧差を生じるように上記他方の面側を減圧する。この結果、該基材の細孔内に残存しているシリカ源が該基材内部に深く押し込まれるので、該シリカ源含有ガスと上記他方の側(シリカ源含有ガスが供給された側と反対側)から供給される酸素含有ガスとの接触頻度が向上する。この結果、該酸素含有ガスは効率よく接触して該シリカ源を酸化し得るので、効率的に膜安定化工程を実施することができる。
なお、かかる態様は、シリカ膜形成工程で酸素含有ガスが供給された側を大気圧に開放して空気にさらしておき、その他方の側、すなわちシリカ膜形成工程でシリカ源が供給された側には酸素含有ガスを大気圧より少なくとも0.01MPaの加圧状態で供給するような態様であってもよい。
In another preferred embodiment of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, the flow rate of the oxygen-containing gas supplied in place of the silica source-containing gas in the membrane stabilization step is at least 0.01 MPa. The gas pressure difference is adjusted to be higher than the flow rate of the oxygen-containing gas on the other surface side.
In still another preferred embodiment, in the film stabilization step, the silica source-containing gas is provided on one side of the porous substrate and on the side supplied with the silica source vaporized in the silica film formation step. Instead of supplying an oxygen-containing gas, and on the other surface side of the porous substrate, the supply of the oxygen-containing gas is stopped on the side where the oxygen-containing gas is supplied in the silica film forming step, The other side is depressurized so as to produce a gas pressure difference of at least 0.01 MPa on both sides of the porous substrate.
In such an embodiment, on the one surface side of the porous base material and on the side where the silica source is supplied in the silica film forming step, the supplied gas is replaced with an oxygen-containing gas from the silica source-containing gas, An oxygen-containing gas flows on both sides of the porous substrate. At this time, the gas pressure of the oxygen-containing gas on the substituted side is higher than that on the other surface side by a gas pressure difference of at least 0.01 MPa (preferably 0.01 MPa to 1 MPa, typically 0.1 MPa to 1 MPa). It has been adjusted. Alternatively, the silica source-containing gas is replaced with an oxygen-containing gas on the one side, and the supply of the oxygen-containing gas is stopped on the other surface side, resulting in a gas pressure difference of at least 0.01 MPa on both sides of the substrate. Thus, the pressure on the other surface side is reduced. As a result, since the silica source remaining in the pores of the base material is pushed deeply into the base material, the silica source-containing gas and the other side (opposite to the side where the silica source-containing gas is supplied) The contact frequency with the oxygen-containing gas supplied from the side) is improved. As a result, the oxygen-containing gas can efficiently contact and oxidize the silica source, so that the film stabilization step can be performed efficiently.
In this aspect, the side to which the oxygen-containing gas is supplied in the silica film forming step is opened to the atmospheric pressure and exposed to air, and the other side, that is, the side to which the silica source is supplied in the silica film forming step. Alternatively, the oxygen-containing gas may be supplied at a pressure of at least 0.01 MPa from atmospheric pressure.
ここに開示される水素ガス分離材製造方法の別の好ましい一態様では、前記シリカ膜形成工程と前記膜安定化工程との間に、前記多孔質基材の一方の面側に供給されるガスをシリカ源含有ガスから不活性ガスに置換する工程を含み、次いで(該不活性ガスに置換された後)、前記膜安定化工程において、該多孔質基材の一方の面側に供給されるガスを不活性ガスから酸素含有ガスに置換する。
かかる態様では、また、多孔質基材の一方の面側に供給されていたシリカ源含有ガスを酸素含有ガスに置換する前に、一旦不活性ガスで置換することにより、上記基材の一方の面側に未反応のまま気体として残存しているシリカ源が完全に排気されて、該シリカ源と酸素含有ガスとの反応による所定のシリカ膜形成装置内(すなわち成膜用チャンバー内)の汚染が防止され得る。
In another preferable aspect of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, a gas supplied to one surface side of the porous substrate between the silica film forming step and the membrane stabilizing step. Is replaced with an inert gas from the silica source-containing gas, and then (after being replaced with the inert gas), is supplied to one surface side of the porous substrate in the film stabilization step. The gas is replaced from an inert gas to an oxygen-containing gas.
In such an embodiment, before replacing the silica source-containing gas supplied to one surface side of the porous substrate with the oxygen-containing gas, the inert gas is once replaced with one of the substrates. The silica source that remains unreacted as a gas on the surface side is completely exhausted, and contamination in a predetermined silica film forming apparatus (that is, in the film forming chamber) due to the reaction between the silica source and the oxygen-containing gas. Can be prevented.
また、ここに開示される水素ガス分離材製造方法の一つの好ましい態様では、前記多孔質基材は、平均細孔径又は細孔径分布のピーク値が2nm〜20nmの多孔質膜として、平均細孔径又は細孔径分布のピーク値が4nm〜1000nmの多孔質支持体上に形成される。
かかる平均細孔径又は細孔径分布のピーク値の多孔質基材に対向拡散CVDを適用してシリカ膜を形成することにより、該基材の有する細孔を水素ガス分離に適したサイズにまで効率よく縮小することができる。また、該基材は多孔質支持体(典型的にはセラミック材料により形成された支持体)に支持されているので、必要な機械的強度を確保しつつ該基材をより薄膜化することができる。したがって、水素ガス透過性と選択(分離)性とのバランスに優れた水素ガス分離材が提供され得る。
Moreover, in one preferable aspect of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, the porous base material has an average pore diameter as a porous membrane having an average pore diameter or a peak value of pore diameter distribution of 2 nm to 20 nm. Or it forms on the porous support body whose peak value of pore diameter distribution is 4 nm-1000 nm.
By applying counter diffusion CVD to a porous substrate having a peak value of the average pore diameter or pore diameter distribution to form a silica film, the pores of the substrate are efficiently reduced to a size suitable for hydrogen gas separation. Can be reduced well. Further, since the substrate is supported by a porous support (typically a support formed of a ceramic material), the substrate can be made thinner while ensuring the necessary mechanical strength. it can. Therefore, a hydrogen gas separation material having an excellent balance between hydrogen gas permeability and selectivity (separation) can be provided.
ここに開示される水素ガス分離材製造方法は、他の側面として、平均細孔径凡そ4nm〜1000nmの多孔質支持体と、該支持体上に膜状に形成された平均細孔径凡そ2nm〜20nmの多孔質基材(多孔質膜)にシリカ膜を形成してなる平均細孔径1.0nm以下(典型的には、凡そ0.3nm〜0.6nm程度)の水素ガス分離膜と、を備える水素ガス分離材を提供する。上記シリカ膜は、好ましくは、上記多孔質基材の一方の面側に供給されるシリカ源含有ガスと、該基材の他方の面側に供給される酸素含有ガスとを反応させる化学蒸着法によって形成されたシリカ膜であり得る。 According to another aspect of the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, a porous support having an average pore diameter of about 4 nm to 1000 nm and an average pore diameter of about 2 nm to 20 nm formed in a film shape on the support are disclosed. A hydrogen gas separation membrane having an average pore diameter of 1.0 nm or less (typically about 0.3 nm to 0.6 nm) formed by forming a silica membrane on the porous substrate (porous membrane) of A hydrogen gas separator is provided. The silica film is preferably a chemical vapor deposition method in which a silica source-containing gas supplied to one surface side of the porous substrate and an oxygen-containing gas supplied to the other surface side of the substrate are reacted. The silica film formed by
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、原料粉末の混合方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, matters other than matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, mixing method of raw material powders) are design matters of those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. Can be grasped as. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここに開示される水素ガス分離材の製造方法に使用される多孔質基材の材質は、CVDによりシリカ膜を形成できて、かつ使用時(すなわち水素ガス分離時)の使用環境に耐え得るものであればよい。例えば、α‐アルミナ、γ‐アルミナ、シリカ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタニア、カルシア、各種ゼオライト等のセラミック材料を好ましく使用することができる。また、これらの複合物又は混合物から形成された多孔質基材であってもよい。 The material of the porous base material used in the method for producing a hydrogen gas separation material disclosed herein can form a silica film by CVD and can withstand the use environment during use (ie, during hydrogen gas separation). If it is. For example, ceramic materials such as α-alumina, γ-alumina, silica, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, titania, calcia, and various zeolites can be preferably used. Moreover, the porous base material formed from these composites or a mixture may be sufficient.
多孔質基材が有する細孔のサイズは、後述する蒸着工程時に形成されるシリカ膜によって水素ガスの分離に適したサイズの細孔が形成され得るサイズであればよい。例えば、平均細孔径(又は細孔径分布のピーク値;典型的には細孔径分布のピーク値は平均細孔径と近似し得る。)が凡そ100nm以下の多孔質基材を好ましく使用することができ、該細孔径が凡そ50nm以下(例えば凡そ20nm以下、さらには凡そ10nm以下)がより好ましい。多孔質基材の細孔径のサイズが上記範囲を超えると、シリカ膜を形成して該細孔径を水素ガスの分離に適したサイズにまで縮小するのに長時間を要する。すなわち、水素ガス分離材の製造効率が落ちる。一方、多孔質基材の細孔径のサイズが小さすぎると、該細孔径を水素ガスの分離に適したサイズに縮小するのに必要なシリカ膜の厚みが小さすぎてしまい、該シリカ膜の厚みにばらつきが生じ易くなり得る。したがって、多孔質基材の製造容易性及びシリカ膜の形成効率(水素ガス分離材の製造効率)を考慮すれば、平均細孔径2nm〜20nmの多孔質基材を特に好ましく使用することができる。なお、細孔径分布の狭い(細孔サイズの均一性が高い)多孔質基材が好ましい。
なお、本明細書において平均細孔径(又は細孔径分布のピーク値)とは、例えば一般的なバブルポイント試験法(JIS K3832;細孔径が2nm〜50nmの範囲内の場合)や水銀圧入法(JIS R1655;細孔径が20nm〜100nm若しくはそれ以上の場合)に基づいて算出される平均細孔径(又は細孔径分布のピーク値)をいう。
The size of the pores of the porous substrate may be any size as long as pores having a size suitable for hydrogen gas separation can be formed by the silica film formed in the vapor deposition step described later. For example, a porous substrate having an average pore diameter (or peak value of pore diameter distribution; typically, the peak value of pore diameter distribution can be approximated to the average pore diameter) of about 100 nm or less can be preferably used. The pore diameter is more preferably about 50 nm or less (for example, about 20 nm or less, and further about 10 nm or less). When the size of the pore diameter of the porous substrate exceeds the above range, it takes a long time to form a silica membrane and reduce the pore diameter to a size suitable for hydrogen gas separation. That is, the production efficiency of the hydrogen gas separator is lowered. On the other hand, if the pore size of the porous substrate is too small, the thickness of the silica membrane required to reduce the pore size to a size suitable for hydrogen gas separation is too small. Variation can easily occur. Therefore, considering the ease of production of the porous substrate and the formation efficiency of the silica membrane (production efficiency of the hydrogen gas separator), a porous substrate having an average pore diameter of 2 nm to 20 nm can be particularly preferably used. A porous substrate having a narrow pore size distribution (high uniformity in pore size) is preferable.
In this specification, the average pore diameter (or the peak value of the pore diameter distribution) is, for example, a general bubble point test method (JIS K3832; when the pore diameter is in the range of 2 nm to 50 nm) or a mercury intrusion method ( JIS R1655: Mean pore diameter (or peak value of pore diameter distribution) calculated based on pore diameter of 20 nm to 100 nm or more).
多孔質基材の形状は特に限定されず、用途に応じた種々の形状をとり得る。より高い水素ガス透過率を向上させるため有利な形状の好適例の一つとして、膜状(薄板状)の多孔質基材を好ましく採用することができる。例えば、厚さ0.1μm〜10μm程度(より好ましくは0.1μm〜5μm)の膜状の多孔質基材(多孔質膜)の使用が好ましい。この多孔質基材の孔隙率(空隙率)は、通常は20vol%〜60vol%程度とすることが適当であり、例えば孔隙率が30vol%〜40vol%程度の多孔質基材を好ましく使用することができる。 The shape of the porous substrate is not particularly limited, and can take various shapes depending on the application. As a suitable example of an advantageous shape for improving a higher hydrogen gas permeability, a membrane-like (thin plate-like) porous substrate can be preferably employed. For example, it is preferable to use a membrane-like porous substrate (porous membrane) having a thickness of about 0.1 μm to 10 μm (more preferably 0.1 μm to 5 μm). The porosity (porosity) of this porous substrate is usually suitably about 20 vol% to 60 vol%. For example, a porous substrate having a porosity of about 30 vol% to 40 vol% is preferably used. Can do.
好ましい一態様では、このような膜状(薄板状)の多孔質基材が、多孔質支持体上に形成されて(設けられて)いる。このように多孔質支持体(以下、単に「支持体」ということもある。)に支持された多孔質基材を使用することにより、必要な機械的強度を保持しつつ、該基材をより薄膜化することができる。かかる薄膜化によって、該多孔質基材にシリカ膜を形成してなる水素ガス分離材において、より高い水素ガス分離性能(例えば、より高い水素ガス透過率及び/又は選択性を発揮すること、或いは水素ガス透過率と選択性とをより高いレベルでバランスよく発揮すること)が実現され得る。 In a preferred embodiment, such a membrane-like (thin plate-like) porous substrate is formed (provided) on a porous support. Thus, by using a porous substrate supported by a porous support (hereinafter sometimes simply referred to as “support”), the substrate can be further maintained while maintaining necessary mechanical strength. It can be thinned. By such thinning, in the hydrogen gas separation material formed by forming a silica membrane on the porous base material, higher hydrogen gas separation performance (for example, higher hydrogen gas permeability and / or selectivity is exhibited, or It is possible to realize a high balance between hydrogen gas permeability and selectivity at a higher level.
この支持体の形状は特に限定されず、用途に応じて管形状、膜(薄板)形状、シート状、モノリス形状、ハニカム形状、多角形平板形状、その他の立体形状であり得る。これらの形状のうち、管形状のものが、水素ガス分離モジュールとして改質器等のリアクタに適用し易く好適である。例えば、管形状の多孔質支持体の外周面及び/又は内周面(典型的には外周面のみ)に膜状の多孔質基材(多孔質膜)が設けられた構成の多孔質構造体を用意し、該構造体を後述するシリカ膜形成工程(対向拡散CVD)に供することが好ましい。また、この支持体は積層構造であってもよく、例えば、多孔質基材を形成する側に向けて、相対的な平均細孔径が徐々に小さくなるように2層以上の多孔質層が積層された構造の支持体でもよい。また、該多孔質層の各層の材質は同じでも異なっていてもよい。なお、所望する形状の支持体は、従来行われている周知の成形技法(押出成形、プレス成形、鋳込み成形等)やセラミック焼成技法を実施することによって製造することができる。かかる技法自体は本発明を特徴づけるものではないので、詳細な説明は省略する。 The shape of the support is not particularly limited, and may be a tube shape, a membrane (thin plate) shape, a sheet shape, a monolith shape, a honeycomb shape, a polygonal flat plate shape, or other three-dimensional shapes depending on applications. Among these shapes, the tube shape is suitable as a hydrogen gas separation module because it can be easily applied to a reactor such as a reformer. For example, a porous structure having a configuration in which a membrane-like porous substrate (porous membrane) is provided on the outer peripheral surface and / or inner peripheral surface (typically only the outer peripheral surface) of a tubular porous support. And the structure is preferably subjected to a silica film forming step (opposite diffusion CVD) described later. The support may have a laminated structure. For example, two or more porous layers are laminated so that the relative average pore diameter gradually decreases toward the side on which the porous substrate is formed. It may be a support having a structured structure. Moreover, the material of each layer of the porous layer may be the same or different. In addition, the support body of a desired shape can be manufactured by implementing the well-known shaping | molding technique (extrusion molding, press molding, casting molding, etc.) and the ceramic baking technique currently performed conventionally. Such a technique itself does not characterize the present invention and will not be described in detail.
支持体が有する細孔の孔径は、水素ガス、酸素ガス等のガス透過を顕著に妨げない限り特に限定されない。多孔質基材の平均細孔径よりも大きな(典型的には2倍〜50倍程度に大きな)平均細孔径を有するものが適当である。例えば細孔径分布のピーク値及び/又は平均細孔径が好ましくは凡そ4nm〜1000nm、より好ましくは凡そ4nm〜100nmの支持体が使用される。細孔径分布の狭い支持体が好ましい。また、該支持体の孔隙率は、例えば20vol%〜60vol%程度とすることができ、通常は該孔隙率を30%〜40%程度とすることが好ましい。支持体の厚みには、用途に応じて所望される機械的強度を保持しつつ多孔質基材を適切に支持し得るように適宜設定することができる。特に限定するものではないが、例えば、多孔質基材の厚みが0.1μm〜5μmである場合には、支持体の厚みを100μm〜10mm程度とすることができる。 The pore diameter of the pores of the support is not particularly limited as long as it does not significantly impede the permeation of gas such as hydrogen gas and oxygen gas. Those having an average pore size larger than the average pore size of the porous substrate (typically about 2 to 50 times larger) are suitable. For example, a support having a peak value of pore size distribution and / or an average pore size of preferably about 4 nm to 1000 nm, more preferably about 4 nm to 100 nm is used. A support having a narrow pore size distribution is preferred. Moreover, the porosity of this support body can be made into about 20 vol%-60 vol%, for example, Usually, it is preferable to make this porosity into about 30%-40%. The thickness of the support can be appropriately set so as to appropriately support the porous substrate while maintaining the desired mechanical strength depending on the application. Although it does not specifically limit, For example, when the thickness of a porous base material is 0.1 micrometer-5 micrometers, the thickness of a support body can be about 100 micrometers-10 mm.
支持体の材質としては、上述した多孔質基材と同様の材質を適宜採用することができる。多孔質基材を構成する材質とは同一でも異なってもよい。例えば、α‐アルミナからなる支持体(典型的には平均細孔径50nm以上、例えば平均細孔径50nm〜1000nm程度の支持体)と、γ−アルミナから構成された多孔質基材(典型的には平均細孔径が2nm以上、例えば平均細孔径2nm〜20nm程度の多孔質基材)との組み合わせを好ましく採用することができる。かかる構成の多孔質構造体を後述するシリカ膜形成工程(対向拡散CVD)に供することにより、該多孔質構造体(典型的には該構造体を構成する多孔質基材)にシリカ膜を形成して水素ガス分離材を好ましく製造することができる。 As the material of the support, the same material as that of the porous substrate described above can be appropriately employed. The material constituting the porous substrate may be the same or different. For example, a support composed of α-alumina (typically a support having an average pore diameter of 50 nm or more, for example, an average pore diameter of about 50 nm to 1000 nm) and a porous substrate composed of γ-alumina (typically A combination with an average pore diameter of 2 nm or more, for example, a porous substrate having an average pore diameter of about 2 nm to 20 nm, can be preferably used. By subjecting the porous structure having such a structure to a silica film formation step (opposite diffusion CVD) described later, a silica film is formed on the porous structure (typically, the porous substrate constituting the structure). Thus, a hydrogen gas separation material can be preferably produced.
支持体の表面に多孔質基材を膜状に形成する手法は特に限定されず、従来公知の種々の手法を適宜採用することができる。例えば、上述した好ましい細孔径を有する多孔質セラミック膜の形成に適した手法の一例として、一般的なゾル−ゲル法を好ましく採用することができる。かかるゾル−ゲル法の典型的な態様では、目的とするセラミック膜の組成に応じたセラミック前駆体(対応する金属のアルコキシド等)を含むゾルを調製し、該ゾルをディップコーティング等により多孔質支持体に付与して乾燥させることにより上記セラミック前駆体を含むゲル状被膜を形成する。そのゲル状被膜焼成することにより、多孔質支持体上に多孔質セラミック膜を形成することができる。また、これにより多孔質支持体上に多孔質セラミック膜(多孔質基材)を備えた構成の多孔質構造体が得られる。 The method for forming the porous substrate in the form of a film on the surface of the support is not particularly limited, and various conventionally known methods can be appropriately employed. For example, a general sol-gel method can be preferably employed as an example of a method suitable for forming the porous ceramic film having the above-mentioned preferable pore diameter. In a typical embodiment of such a sol-gel method, a sol containing a ceramic precursor (corresponding metal alkoxide or the like) according to the composition of the target ceramic film is prepared, and the sol is porous supported by dip coating or the like. A gel-like film containing the ceramic precursor is formed by applying to a body and drying. By firing the gel film, a porous ceramic film can be formed on the porous support. This also provides a porous structure having a structure in which a porous ceramic membrane (porous substrate) is provided on the porous support.
例えば、多孔質支持体上に多孔質基材としてのγ−アルミナ膜をゾル−ゲル法を利用して形成する場合には、一例として以下のような方法で行うとよい。すなわち、アルミニウムアルコキシド(好ましくは炭素原子数1〜3程度のアルコキシド、例えばイソプロポキシド)を加水分解し、酸で解こうしてベーマイトゾルを調製する。このベーマイトゾルを多孔質支持体の所望の部分(例えば、管形状の多孔質支持体の外周面)に対して、例えばディップコーティング法等で付与する。この場合にディップ時間は例えば5秒〜30秒程度とすることができる。また、ゾル中から支持体を例えば0.5mm/秒〜2.0mm/秒程度の引上げ速度で取り出すとよい。これを室温〜60℃程度の温度で6時間〜18時間程度完成させた後、400℃〜900℃程度の温度で5時間〜10時間程度焼成することによりγ−アルミナ膜が形成される。上記ゾルの付与、乾燥及び焼成操作は、必要に応じて一部の操作又はこれら一連の操作を複数回繰り返して行うことができる。通常は該繰り返しによってγ−アルミナ膜を形成することが好ましい。 For example, when a γ-alumina film as a porous substrate is formed on a porous support using a sol-gel method, the following method may be used as an example. That is, an aluminum alkoxide (preferably an alkoxide having about 1 to 3 carbon atoms, such as isopropoxide) is hydrolyzed and dissolved with an acid to prepare a boehmite sol. This boehmite sol is applied to a desired portion of the porous support (for example, the outer peripheral surface of a tubular porous support) by, for example, a dip coating method. In this case, the dip time can be set to about 5 to 30 seconds, for example. Further, the support may be taken out from the sol at a pulling rate of about 0.5 mm / second to 2.0 mm / second, for example. This is completed at a temperature of room temperature to about 60 ° C. for about 6 hours to 18 hours, and then fired at a temperature of about 400 ° C. to 900 ° C. for about 5 hours to 10 hours to form a γ-alumina film. The sol application, drying, and baking operations can be performed by repeating a part or a series of operations a plurality of times as necessary. Usually, it is preferable to form a γ-alumina film by the repetition.
また、支持体の表面に上述した好ましい細孔径を有する多孔質セラミック膜(多孔質基材)を形成するのに適した手法の他の一例として、該セラミック膜を構成するセラミックからなる微粒子(好ましくは、平均粒径20nm〜200nm程度のセラミック微粒子)を適当な液状媒体に分散させた分散液を支持体に付与して乾燥させ、これを焼成する手法を採用してもよい。 Further, as another example of a technique suitable for forming the porous ceramic film (porous substrate) having the above-mentioned preferable pore diameter on the surface of the support, fine particles (preferably made of ceramic constituting the ceramic film) May employ a technique in which a dispersion in which ceramic fine particles having an average particle diameter of about 20 nm to 200 nm are dispersed in an appropriate liquid medium is applied to a support and dried, followed by firing.
次に、シリカ膜形成工程について説明する。
ここに開示される水素ガス分離材製造方法におけるシリカ膜形成工程では、上記多孔質基材の一方の面側に供給されるシリカ源含有ガスと、該基材の他方の面側に供給される酸素含有ガスとを反応させる化学蒸着法、すなわち対向拡散CVDにより、該多孔質基材上にシリカ膜を形成する。ここで、シリカ源含有ガスとは、気化したシリカ源とキャリアガス(不活性ガス)とからなる混合ガスをいう。該シリカ源含有ガスは、多孔質基材の一方の面側に供給される。一方、酸素含有ガスは該多孔質基材の他方の面側から供給されて、該多孔質基材の細孔を通じてその一方の面側へ拡散する。この酸素含有ガスとシリカ源含有ガスとを高温条件下で接触させることにより、これらを反応させて(典型的には、上記シリカ源を熱分解或いは酸化させて)、多孔質基材上にシリカ膜を形成する。該シリカ膜が形成される箇所は、シリカ源含有ガスと酸素含有ガスとが接触する位置によって異なり得る。このため、シリカ源含有ガスと酸素含有ガスとが主として多孔質基材の細孔内、及び/又は該基材の一方の面側における細孔開口部近傍(細孔の入り口付近又はその周縁)で接触するように対向拡散CVDを行うことが好ましい。これにより、多孔質基材の細孔サイズは水素ガス分離に適したサイズに縮小される。
Next, the silica film forming process will be described.
In the silica membrane forming step in the method for producing a hydrogen gas separator disclosed herein, the silica source-containing gas supplied to one surface side of the porous substrate and the other surface side of the substrate are supplied. A silica film is formed on the porous substrate by a chemical vapor deposition method in which an oxygen-containing gas is reacted, that is, counter diffusion CVD. Here, the silica source-containing gas refers to a mixed gas composed of a vaporized silica source and a carrier gas (inert gas). The silica source-containing gas is supplied to one surface side of the porous substrate. On the other hand, the oxygen-containing gas is supplied from the other surface side of the porous substrate and diffuses to the one surface side through the pores of the porous substrate. The oxygen-containing gas and the silica-source-containing gas are brought into contact with each other under a high-temperature condition to react them (typically, the silica source is thermally decomposed or oxidized), and silica is formed on the porous substrate. A film is formed. The location where the silica film is formed may vary depending on the position where the silica source-containing gas and the oxygen-containing gas are in contact. For this reason, the silica source-containing gas and the oxygen-containing gas are mainly in the pores of the porous substrate and / or in the vicinity of the pore openings on the one surface side of the substrate (near the pore entrance or its periphery). It is preferable to perform counter diffusion CVD so as to contact with each other. Thereby, the pore size of the porous substrate is reduced to a size suitable for hydrogen gas separation.
ここで、対向拡散CVDによって多孔質基材にシリカ膜が形成される様子を図1〜3を参照して説明する。図1は、多孔質基材12にシリカ膜21(図3参照)を形成する工程を説明する図であり、多孔質構造体10の模式的な斜視図である。図2は、図1内の点線IIで囲んだ部分を拡大して示す模式図である。図3は、図2の要部をさらに拡大して示す模式図である。
ここでは、該多孔質基材の好ましい一つの態様として、多孔質支持体上に形成された多孔質膜を挙げて説明するが、本発明に係る方法における多孔質基材を限定する意図ではない。
かかる態様では、図1に示されるように、多孔質支持体14上に多孔質基材12を備える多孔質構造体10に対向拡散CVDを適用してシリカ膜21(図3参照)を形成することができる。特に限定するものではないが、典型的には上記多孔質構造体10の支持体14側から酸素含有ガス3を供給し、多孔質基材(多孔質膜)12側にシリカ源含有ガス2を供給して対向拡散CVDを行うことが好ましい。図1に示されるように、多孔質基材12が管形状の支持体14の外周面上に形成された構成であり、全体として管形状の多孔質構造体10に対して対向拡散CVDを適用する際は、この多孔質構造体10の外周面側10aを(すなわち多孔質構造体10の外壁に沿って)シリカ源2aを含むシリカ源含有ガス2を流通させると共に、多孔質構造体10の内部(中空部10b)に酸素含有ガス3を流通させるとよい。なお、酸素原子(O2の他にO3でもよい)からなる分子3aを含む酸素含有ガスを「酸素含有ガス3」という。
Here, how a silica film is formed on a porous substrate by counter diffusion CVD will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram for explaining a process of forming a silica film 21 (see FIG. 3) on the
Here, as a preferred embodiment of the porous substrate, a porous film formed on a porous support will be described as an example. However, the porous substrate in the method according to the present invention is not intended to be limited. .
In such an embodiment, as shown in FIG. 1, counter diffusion CVD is applied to the
該多孔質構造体10の中空部10bに酸素含有ガス(例えば高純度O2ガス)3を流通させる(供給する)と、図1の点線部分IIの部分拡大図である図2に示されるように、この酸素含有ガス3の少なくとも一部は支持体14の内周側(多孔質構造体10の中空部10b)から該支持体14の細孔を通じて外周側に拡散することにより、多孔質基材12の内周面12bに到達し、さらに多孔質基材12の細孔を通じて多孔質基材12の外周面12aに向けて拡散していく。一方、多孔質構造体10の外周面側10aを流通する(供給される)シリカ源含有ガス2の少なくとも一部は、多孔質基材12の外周面12aから該基材12の細孔を通じて内周側(内周面12b)に向けて拡散しようとする。この結果、多孔質基材12の両面12a,12bから対向して拡散されるシリカ源含有ガス2と酸素含有ガス3とが接触して反応することによりシリカ膜21(図3参照)が形成される。
When oxygen-containing gas (for example, high-purity O 2 gas) 3 is circulated (supplied) through the
かかる対向拡散CVDは、好ましくは、図3に示されるように、対向拡散されるシリカ源含有ガス2と酸素含有ガス3とが、主として多孔質基材12の有する細孔20の内部及び/又は該細孔20の一方の面側12aにおける開口部近傍で接触し、これにより細孔20の内部又は上記開口部近傍にシリカ膜21が形成されるように行われる。通常、O2ガスに代表される酸素原子からなるガス分子3に比べてシリカ源2aは分子サイズが大きいので、細孔20のサイズ(細孔径)を適切に設定することにより、シリカ源2と酸素原子からなるガス分子3の分子サイズの違いを利用して、上記箇所にシリカ膜21を効率よく形成されるように制御することができる。かかるシリカ膜21によって細孔20のサイズを水素ガスの分離に適したサイズに縮小して水素ガス分離材1が得られる。なお、図1〜3に示される例とは逆に、多孔質構造体10の外周面側10aを(すなわち多孔質基材12の外周面12aに沿って)酸素含有ガス3を流通させ、多孔質構造体10の中空部10bにシリカ源含有ガス2を流通させる態様によってシリカ膜21を形成してもよい。
As shown in FIG. 3, such counter diffusion CVD is preferably performed by the silica source-containing
ここに開示される方法では、上記シリカ膜形成工程においてシリカ膜を形成するために用いられるシリカ源として、酸素含有ガスとの反応によりシリカ(SiO2)を形成させ得るケイ素化合物を好ましく用いることができる。かかるケイ素化合物としては、TEOS、TMOS等のテトラアルコキシシラン(典型的には炭素原子数1〜4程度の低級アルキル基を含んだアルコキシ基を備えるテトラ低級アルコキシシラン);メチルトリメトキシシラン、n−オクチルトリエトキシシラン、n−デシルトリメトキシシラン、m,p−エチルフェネチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン;ジフェニルジエトキシシラン等のジアルコキシシラン;オクチルジメチルメトキシシラン等のモノアルコキシシラン;SiCl4等のハロシラン;シラン(SiH4);ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)、1,3−ジビニルテトラメチルジシロキサン等のジシロキサン;等を例示することができる。
また、上記シリカ膜形成工程において使用される好適なシリカ源含有ガスは、かかるシリカ源と不活性ガスとの混合ガスである。該不活性ガスは特に限定されないが、例えば、窒素(N2)ガス、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス等から選択される一種又は二種以上を好適に用いることができる。これらのうち、特にN2ガスの使用が好ましい。
In the method disclosed herein, it is preferable to use a silicon compound capable of forming silica (SiO 2 ) by reaction with an oxygen-containing gas as a silica source used for forming the silica film in the silica film forming step. it can. Examples of such silicon compounds include tetraalkoxysilanes such as TEOS and TMOS (typically tetralower alkoxysilanes having an alkoxy group containing a lower alkyl group having about 1 to 4 carbon atoms); methyltrimethoxysilane, n- Trialkoxysilanes such as octyltriethoxysilane, n-decyltrimethoxysilane, m, p-ethylphenethyltrimethoxysilane; dialkoxysilanes such as diphenyldiethoxysilane; monoalkoxysilanes such as octyldimethylmethoxysilane; SiCl 4 and the like And silane (SiH 4 ); disiloxanes such as hexamethyldisiloxane (HMDS) and 1,3-divinyltetramethyldisiloxane; and the like.
Moreover, the suitable silica source containing gas used in the said silica film formation process is a mixed gas of this silica source and an inert gas. Inert gas is not particularly limited, for example, nitrogen (N 2) gas, argon (Ar) gas, preferably used helium (He) gas, neon (Ne) one or more kinds selected from a gas, such as be able to. Of these, the use of N 2 gas is particularly preferable.
上記シリカ膜形成工程において使用される酸素含有ガスとしては、分子内に少なくとも一つの酸素原子を有するガス種を含み、シリカ膜形成時にシリカ源と反応してSiO2を生成し得るガス(当該ガス種のみからなる純粋ガス若しくは当該ガス種を含む混合ガス)を使用することができる。例えば、酸素の同素体ガス(すなわち、O2ガス及びO3ガス)並びにH2Oガス(水蒸気)から選択される一種又は二種以上の酸素源(ガス種)を含むガスを好ましく使用することができる。これらのうちO2ガス分子を含むものの使用が特に好ましい。この種の酸素含有ガスとしては、酸素含有率100%の純粋酸素ガス又は90%以上の高純度酸素ガスでもよく、或いは上述の不活性ガスとの混合ガスでもよい。該混合ガスの場合にはO2ガス及び/又はO3ガスを20vol%(好ましくは40vol%以上、さらに好ましくは60vol%以上)の濃度で使用することが好ましく、使用する不活性ガスは、シリカ源含有ガスに使用した不活性ガスと同一種のガス(例えばN2ガス)であることが好ましい。 The oxygen-containing gas used in the silica film forming step includes a gas species containing at least one oxygen atom in the molecule and capable of generating SiO 2 by reacting with a silica source during the formation of the silica film. A pure gas consisting of only species or a mixed gas containing the gas species) can be used. For example, it is preferable to use a gas containing one or two or more oxygen sources (gas species) selected from oxygen allotrope gas (that is, O 2 gas and O 3 gas) and H 2 O gas (water vapor). it can. Of these, use of those containing O 2 gas molecules is particularly preferable. This type of oxygen-containing gas may be a pure oxygen gas having an oxygen content of 100%, a high-purity oxygen gas of 90% or more, or a mixed gas with the above-described inert gas. In the case of the mixed gas, O 2 gas and / or O 3 gas is preferably used at a concentration of 20 vol% (preferably 40 vol% or more, more preferably 60 vol% or more), and the inert gas used is silica. It is preferable that it is the same kind of gas (for example, N 2 gas) as the inert gas used for the source-containing gas.
シリカ膜形成工程において、シリカ膜の形成は、典型的には上記多孔質基材を200℃〜700℃程度の温度に加熱した条件下で行われ、好ましくは400℃〜700℃である。ただし、より好ましい膜形成温度(製膜温度又は反応温度)は、使用するシリカ源の種類、酸素含有ガスの種類、該シリカ源及び酸素含有ガスの供給量等によっても異なり得る。
シリカ膜を形成する(シリカ源を蒸着する)時間は、該シリカ膜によって多孔質基材の細孔サイズを適度に縮小し得るように設定すればよく、特に限定されない。例えば、該形成時間(製膜時間又は反応時間)を3分〜180分程度とすることができ、典型的には3分〜60分程度とすることが好ましい。
In the silica film forming step, the formation of the silica film is typically performed under the condition where the porous substrate is heated to a temperature of about 200 ° C. to 700 ° C., preferably 400 ° C. to 700 ° C. However, a more preferable film formation temperature (film formation temperature or reaction temperature) may vary depending on the type of silica source used, the type of oxygen-containing gas, the supply amount of the silica source and oxygen-containing gas, and the like.
The time for forming the silica film (depositing the silica source) may be set so that the pore size of the porous substrate can be appropriately reduced by the silica film, and is not particularly limited. For example, the formation time (film formation time or reaction time) can be about 3 minutes to 180 minutes, and typically about 3 minutes to 60 minutes.
ここに開示される方法における一つの好ましい態様として、上記シリカ膜形成工程の後に行われる膜安定化工程の前に、すなわち該シリカ膜形成工程と該膜安定化工程との間に、多孔質基材の一方の面側に供給されるガスをシリカ源含有ガスから不活性ガスに置換するガス置換工程が包まれる。例えば、図1に示されるような管形状の多孔質構造体10において、その外周面側10aにシリカ源含有ガス2が供給され、かつ該構造体10の中空部10bに酸素含有ガス3が供給されることによって多孔質基材12の外周面12aにシリカ膜が形成された際には、ガス置換工程では該シリカ膜21が形成された多孔質構造体10の外周面10a側に不活性ガスが供給される。ここで供給される該不活性ガスとして、シリカ源含有ガス2に使用された不活性ガスと同一種のガス(例えばN2ガス)を好ましく採用することができる。
かかる態様では、上記多孔質基材の一方の面側であってシリカ膜形成工程でシリカ源含有ガスが供給された側(例えば、図1に示される多孔質構造体10の外周面側10a)を、シリカ源含有ガス雰囲気から酸素含有ガス雰囲気に置換する前に、一旦不活性ガスを流通させて不活性ガス雰囲気に置換することによって、上記多孔質基材上(例えば、上記多孔質構造体10における多孔質基材12の外周面12a)に形成されているシリカ膜には寄与しないシリカ源(上記一方の面側の雰囲気中に未反応のまま残存しているシリカ源)が完全に排気される。このため、該シリカ源と新たに供給される酸素含有ガスの反応によるシリカ粉体の発生が防止され、該シリカ粉体による装置内の汚染が防止され得る。
ガス置換工程で置換される不活性ガスの供給時間(置換時間)は、シリカ源が完全に排気され得るように設定されれば特に限定されず、該ガスの流速や該ガスの供給される側の容積によっても異なり得る。例えば、供給時間(置換時間)を、流速100mL/分〜1000mL/分で1〜10分程度とすることができ、典型的には2分〜5分程度とすることが好ましい。
また、多孔質基材の他方の面側であってシリカ膜形成工程で酸素含有ガスが供給された側(例えば、上記多孔質構造体10においては該構造体10の中空部10b、又は多孔質基材12の内周面12b)において、上記ガス置換工程では引き続き酸素含有ガスを供給してもよいが、該酸素含有ガスの供給を停止してもよい。
In one preferred embodiment of the method disclosed herein, a porous group is formed before the film stabilization process performed after the silica film formation process, that is, between the silica film formation process and the film stabilization process. A gas replacement step is included in which the gas supplied to one side of the material is replaced with an inert gas from the silica source-containing gas. For example, in a tubular
In such an embodiment, the one side of the porous substrate that is supplied with the silica source-containing gas in the silica film forming step (for example, the outer
The supply time (replacement time) of the inert gas replaced in the gas replacement step is not particularly limited as long as the silica source can be completely exhausted, and the flow rate of the gas and the side on which the gas is supplied are not limited. It may vary depending on the volume. For example, the supply time (replacement time) can be about 1 to 10 minutes at a flow rate of 100 mL / min to 1000 mL / min, and typically about 2 to 5 minutes.
Further, the other surface side of the porous substrate and the side to which the oxygen-containing gas is supplied in the silica film forming step (for example, in the
ここに開示される方法における膜安定化工程では、膜形成工程における対向拡散CVDによりシリカ膜が形成された多孔質基材の一方及び/又は他方の面側に酸素含有ガスを供給することによって、該シリカ膜を安定化させる。ここで、安定化とは、上記多孔質基材の細孔内に残存しているシリカ源であって未反応のもの、或いは上記多孔質基材上にシリカ膜を形成しているが不完全反応の段階にあるものを酸化して、結合強度が大きく化学的安定性の高いSi−O−Si結合の形成を促進させること、好ましくは完全酸化の状態に至らしめることをいう。かかる膜安定化工程の好ましい一態様では、ガス置換工程で多孔質基材の一方の面側に不活性ガスを所定時間流通させて不活性ガスに置換した後、さらに該不活性ガスから酸素含有ガスに置換する。この膜安定化に供される多孔質基材が、例えば図1に示される多孔質構造体10における多孔質支持体14上に形成された膜状の多孔質基材(多孔質膜)12である場合には、多孔質構造体10の外周面側10a(すなわちこの多孔質基材12の外周面12a側)及び/又は該多孔質構造体10の中空部10b(多孔質支持体14の内周面側)に酸素含有ガス(以下、膜安定化工程でシリカ源含有ガス2から置換される酸素含有ガスを「酸素含有ガス4」とする。)を流通させる。これにより、上記外周面12aの開口部近傍に形成されているシリカ膜21を安定化することができる。
In the film stabilization process in the method disclosed herein, by supplying an oxygen-containing gas to one and / or the other surface side of the porous substrate on which the silica film is formed by counter diffusion CVD in the film formation process, The silica film is stabilized. Here, stabilization is a silica source remaining in the pores of the porous substrate, which is unreacted, or a silica film is formed on the porous substrate, but incomplete. It means that the compound in the reaction stage is oxidized to promote the formation of a Si—O—Si bond having a high bond strength and high chemical stability, preferably to a fully oxidized state. In a preferred embodiment of such a membrane stabilization step, an inert gas is passed through one side of the porous substrate in the gas replacement step for a predetermined time to replace the inert gas, and oxygen is further contained from the inert gas. Replace with gas. The porous substrate used for membrane stabilization is, for example, a membrane-like porous substrate (porous membrane) 12 formed on the
かかる膜安定化工程において、300℃〜1000℃の温度条件下で好ましく行われる。より好ましくは500℃以上であり、典型的にはシリカ膜形成工程におけるシリカ源の蒸着温度(製膜温度)程度で行われる。このシリカ源が熱分解や化学反応を起こさない温度よりも低温で行われることが好ましい。例えば、シリカ源がTMOSでは600℃程度の温度条件下で膜安定化工程が好適に行われる。 This film stabilization step is preferably performed under a temperature condition of 300 ° C to 1000 ° C. More preferably, the temperature is 500 ° C. or higher, and the temperature is typically about the vapor deposition temperature (film forming temperature) of the silica source in the silica film forming step. The silica source is preferably performed at a temperature lower than the temperature at which no thermal decomposition or chemical reaction occurs. For example, when the silica source is TMOS, the film stabilization step is suitably performed under a temperature condition of about 600 ° C.
かかる膜安定化工程において好適に使用される酸素含有ガスとして、純粋酸素ガス(すなわち、酸素含有率100vol%の酸素含有ガス)又は90%以上の高純度酸素ガス、又は20vol%以上(好ましくは40vol%以上、さらに好ましくは60vol%以上)の酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスが挙げられる。この酸素含有ガスとして、シリカ膜形成工程で用いられた酸素含有ガスと同質のものを好ましく採用することができる。すなわち、分子内に少なくとも一つの酸素原子を有するガス種を含み、シリカ膜形成時にシリカ源と反応してSiO2を生成し得るガス(当該ガス種のみからなる純粋ガス若しくは当該ガス種を含む混合ガス)を使用することができる。例えば、酸素の同素体ガス(すなわち、O2ガス及びO3ガス)並びにH2Oガス(水蒸気)から選択される一種又は二種以上の酸素源(ガス種)を含むガスを好ましく使用することができる。これらのうちO2ガス分子を含むものの使用が特に好ましい。かかる酸素含有ガス(混合ガス)に含有される不活性ガスとしては特に限定されないが、例えば、窒素(N2)ガス、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス等から選択される一種又は二種以上を好適に用いることができる。これらのうち特にN2ガスの使用が好ましい。 As an oxygen-containing gas suitably used in the film stabilization step, pure oxygen gas (that is, an oxygen-containing gas having an oxygen content of 100 vol%), high purity oxygen gas of 90% or more, or 20 vol% or more (preferably 40 vol) % Or more, and more preferably 60 vol% or more). As this oxygen-containing gas, the same gas as the oxygen-containing gas used in the silica film forming step can be preferably used. That is, a gas that contains a gas species having at least one oxygen atom in the molecule and can generate SiO 2 by reacting with a silica source at the time of forming a silica film (a pure gas consisting only of the gas species or a mixture containing the gas species) Gas). For example, it is preferable to use a gas containing one or two or more oxygen sources (gas species) selected from oxygen allotrope gas (that is, O 2 gas and O 3 gas) and H 2 O gas (water vapor). it can. Of these, use of those containing O 2 gas molecules is particularly preferable. The inert gas contained in the oxygen-containing gas (mixed gas) is not particularly limited, and examples thereof include nitrogen (N 2 ) gas, argon (Ar) gas, helium (He) gas, and neon (Ne) gas. One or two or more selected can be suitably used. Of these, the use of N 2 gas is particularly preferable.
かかる膜安定化工程は、多孔質基材の一方の面と他方の面の両側に酸素含有ガスを供給することで好適に行われる。このとき、上記各側の酸素含有ガスを等量で(例えば200mL/分)流通させれば(供給すれば)よい。また、上記一方の面側であってシリカ膜形成工程で気化したシリカ源が供給された側への供給流量を、他方の面側の流量よりも高くするか、或いは、該他方の面側の流量を上記一方の面側の流量よりも低くすることによって、上記一方の面側のガス圧が上記他方の面側に対して少なくとも0.01MPa(好ましくは0.01MPa〜1MPa、典型的には0.1MPa〜1MPa程度)のガス圧差で高くなるように調節してもよい。
また、上記多孔質基材の一方の側であってシリカ膜形成工程でシリカ源が供給された側には酸素含有ガスを供給し、該基材の他方の側には酸素含有ガスの供給を停止して、該基材の両側で上記ガス圧差を生じるように前記他方の側(酸素含有ガスの供給を停止した側)を減圧してもよい。
さらに、上記他方の面側であってシリカ膜形成工程で酸素含有ガスが供給された側(酸素含有ガスの供給を停止した側)を大気圧に開放して空気に暴露し、上記一方の面側であってシリカ膜形成工程でシリカ源が供給された側には酸素含有ガスを供給する(流通させる)ことにより、該一方の側を大気圧よりも少なくとも0.01MPa(好ましくは0.01MPa〜1MPa、典型的には0.1MPa〜1MPa)の加圧状態にさせてもよい。
かかるガス圧差により多孔質基材の上記一方の側から他方の側へ向けてガス圧の勾配が生じる態様では、この勾配に沿って、上記一方の側付近の細孔内に多く残存し得る未反応又は不完全反応にあるシリカ源が、該多孔質基材の他方の側に向けて深く押し込まれていく。このため、上記他方の側から供給されて上記多孔質基材の細孔内に存在する酸素含有ガスとの接触頻度が向上する。この結果、より効率的にシリカ膜の完全酸化を促進し、該シリカ膜を安定化させることができる。
上記酸素含有ガスの好ましい供給時間は、酸素含有ガスの酸素濃度や多孔質基材の大きさ(シリカ膜の面積)等によって適宜変わるが、2分間〜60分間、好ましくは5分間〜30分間である。例えば、1.0×10−3m2の面積でシリカ膜が形成された多孔質基材に対して、空気を200mL/分で供給する場合、凡そ少なくとも30分間の供給時間が好ましい。一方、濃度100%の純粋な酸素ガスを上記流速で供給する場合には5分程度(例えば5〜30分程度)でよい。
Such a membrane stabilization step is preferably performed by supplying an oxygen-containing gas to one side of the porous substrate and both sides of the other side. At this time, the oxygen-containing gas on each side may be circulated (supplied) in an equal amount (for example, 200 mL / min). In addition, the supply flow rate to the one surface side to which the silica source vaporized in the silica film forming step is supplied is set to be higher than the flow rate on the other surface side, or on the other surface side. By making the flow rate lower than the flow rate on the one surface side, the gas pressure on the one surface side is at least 0.01 MPa (preferably 0.01 MPa to 1 MPa, typically on the other surface side) You may adjust so that it may become high with the gas pressure difference of about 0.1 MPa-1 MPa.
In addition, an oxygen-containing gas is supplied to one side of the porous base material to which the silica source is supplied in the silica film forming step, and an oxygen-containing gas is supplied to the other side of the base material. The other side (the side where the supply of the oxygen-containing gas is stopped) may be depressurized so that the gas pressure difference is generated on both sides of the substrate.
Further, the other surface side where the oxygen-containing gas is supplied in the silica film forming step (the side where the supply of the oxygen-containing gas is stopped) is opened to atmospheric pressure and exposed to air, and the one surface is By supplying (circulating) an oxygen-containing gas to the side to which the silica source is supplied in the silica film forming step, the one side is at least 0.01 MPa (preferably 0.01 MPa) than atmospheric pressure. ˜1 MPa, typically 0.1 MPa to 1 MPa).
In an embodiment in which a gas pressure gradient is generated from the one side of the porous base material to the other side due to such a gas pressure difference, a large amount of residual gas may remain in the pores near the one side along the gradient. A silica source in reaction or incomplete reaction is pushed deeper toward the other side of the porous substrate. For this reason, the contact frequency with the oxygen containing gas which is supplied from the said other side and exists in the pore of the said porous base material improves. As a result, complete oxidation of the silica film can be more efficiently promoted and the silica film can be stabilized.
The preferable supply time of the oxygen-containing gas varies depending on the oxygen concentration of the oxygen-containing gas, the size of the porous substrate (silica film area), etc., but it is 2 minutes to 60 minutes, preferably 5 minutes to 30 minutes. is there. For example, when air is supplied at 200 mL / min to a porous substrate on which a silica film is formed with an area of 1.0 × 10 −3 m 2 , a supply time of at least about 30 minutes is preferable. On the other hand, when supplying pure oxygen gas having a concentration of 100% at the above flow rate, it may be about 5 minutes (for example, about 5 to 30 minutes).
ここに開示される方法におけるシリカ膜形成工程、ガス置換工程、及び膜安定化工程は、例えば図4に示される概略構成を備えるシリカ膜形成装置100を用いて好ましく実施することができる。ここでは、図1に示されるように管状の多孔質支持体14の外周面に多孔質膜12が形成された構成の多孔質構造体10に対してシリカ膜形成工程、ガス置換工程、及び膜安定化工程を実施する場合を例として説明する。
図4に示されるように、シリカ膜形成装置100は、上記構成の多孔質構造体10が配置される反応管30を備える。この反応管30は、同軸の内管と外管とからなる略二重管構造を有する。多孔質構造体10は、該二重管構造を構成する内管の一部を担うように反応管30と略同軸に配置される。ここで、反応管30の内管及び該内管の一部を担う多孔質構造体10の外周面(多孔質基材12の外周面12a)と、外管の内周面とで区画形成された空間を外部ガス通路30aとし、上記反応管30の内管の内部及び該内管の一部を担う多孔質構造体10の中空部10bからなる空間を内部ガス通路30bとすると、上記多孔質構造体10の外周面(多孔質基材12の外周面12a)は外部ガス通路30aに面し、該構造体10の内周面(多孔質支持体14の内周面)は内部ガス通路30bに面するように該構造体10は配置される。なお、反応管30の両端部では内管と外管との間がシールされており、これにより外部ガス通路30aの長手方向の両端は閉塞されている。
反応管30の外周には管状ヒータ(例えば電気炉)36が配設されている。このヒータ36は、例えば反応管30内の温度を検出する温度検出器37からの入力に基づいて出力を調節することにより、反応管30の温度を所定の温度プロファイルに合わせて(例えば一定の温度を維持するように)制御可能に構成されている。
The silica film formation process, the gas replacement process, and the film stabilization process in the method disclosed herein can be preferably performed using a silica
As shown in FIG. 4, the silica
A tubular heater (for example, an electric furnace) 36 is disposed on the outer periphery of the
反応管30には、シリカ膜形成工程時に酸素含有ガス3を供給する酸素含有ガス供給部40及びシリカ源供給部50が接続されている。酸素含有ガス供給部40は、酸素含有ガス(ここではO2ガス)供給源42から供給されマスフローコントローラ(MFC)43により流速制御された酸素含有ガス(O2ガス)3を、内管の長手方向の一端に設けられた内管入口32から内部ガス通路30bに導入し得るように構成されている。内管の長手方向の他端に設けられた内管出口33からは、未反応の酸素含有ガス(O2ガス)3、シリカ源2aの熱分解による複生成物(例えば二酸化炭素や水)等が排出される。
また、シリカ源供給部50は、内部にシリカ源2a(典型的には液状)を貯留可能な気化器52を備え、N2ガス供給源54から供給されMFC55により流速制御されたN2ガスを気化器52に導入して該N2ガスをバブリングすることにより上記シリカ源2aを気化させ、その気化されたシリカ源2aをN2ガスと共に、外管の一端側の側方に設けられた外管入口34から外部ガス通路30aに導入し得るように構成されている。外管の他端側の側方に設けられた外管出口35からは、未反応のシリカ源2a、N2ガス等が排出される。外管出口35から排出された未反応のシリカ源2aは、トラップ(例えばコールドトラップ)38にて回収される。
Connected to the
Further, the silica
上記のように構成されたシリカ膜形成装置100を用いたシリカ膜の形成は、例えば以下のようにして行うことができる。すなわち、ヒータ36を作動させて反応管30内を所定の温度(好ましくは200℃〜700℃、例えば550℃〜600℃)に加熱する。該温度を維持しつつ、O2ガス供給源42からのO2ガス3を所定の供給速度(ガス流速)で内部ガス通路30b(多孔質構造体10の中空部10b)を流通させて、多孔質基材12の他方の面12bに供給する。一方、N2ガス供給源54からN2ガスを所定の供給速度で気化器52に導入してシリカ源2aを気化させ、この気化したシリカ源2aとN2ガス(シリカ源含有ガス2)とを外部ガス通路30a(多孔質構造体10の外周面側10a)を流通させて、多孔質基材12の一方の面12aに供給する。これにより、反応管30内においてO2ガス3とシリカ源含有ガス2中のシリカ源2aが多孔質基材12の厚み方向に対して対向拡散され、O2ガス3と接触したシリカ源2aが酸化(熱分解)して、多孔質基材12の細孔20の内部及び/又は該細孔20の一方の面側12aにおける開口部近傍にシリカ膜21を形成することができる。なお、例えば後述する実施例で使用するようなサイズの管形状の多孔質支持体の外周面に膜状多孔質基材が形成された構成の多孔質構造体である場合、O2ガスの供給量及びN2ガスの供給量は、例えばそれぞれ凡そ100mL/分〜1000mL/分程度とすることができる。また、気化器52内に貯留されているシリカ源2aは、必要に応じて加温しておくことができる。例えば、該シリカ源2aを気化器52内において30℃〜80℃程度の温度に加温しておくとよい。
Formation of the silica film using the silica
次に、多孔質構造体10にシリカ膜21を形成してなる水素ガス分離材1に対して行うガス置換工程は、例えば、以下のようにして実施することができる。すなわち、ヒータ36を作動する(シリカ膜形成時から引き続き作動する)ことにより、反応管30内を所定の温度(好ましくはシリカ膜形成時の温度、例えば550℃〜600℃)に調整する。N2ガス供給源54から供給されるN2ガスが気化器52を経由して外部ガス通路30aに供給するのを停止し、該N2ガスを直接上記外部ガス通路30aに流入させる。内部ガス通路30bについては、酸素含有ガス3を例えば上記N2ガスと同程度の流量で供給し続けていればよい。このようにして、外部ガス通路30a内の雰囲気をシリカ源含有ガス2から純粋なN2ガスに置換し、該通路30a内の汚染を防止する。また、上記多孔質構造体10を一旦シリカ膜形成装置100に装着した後に、取り外したり再装着したりすることなく、供給するガスを置換するのみでシリカ膜形成工程から膜安定化工程へと連続して進めることができる。すなわち、上記構成のシリカ膜形成装置100は、簡便かつ効率的な水素ガス分離材の製造に効果的である。
Next, the gas replacement process performed with respect to the hydrogen
上記ガス置換工程の後に行われる膜安定化工程は、例えば以下のようにして実施することができる。すなわち、膜安定化用の酸素含有ガス4を供給するためのO2ガス供給源56からMFC57により制御された所定の流量でO2ガスを外部ガス通路30aに供給する。これにより、該通路30a内の雰囲気をO2ガスに置換する。このとき、N2ガス供給源54からのN2ガスの供給を続行し、O2ガスとN2ガスとの混合ガスとして酸素含有ガス4を上記外部ガス通路30aに供給してもよいし、該N2ガスの供給を停止して、純粋なO2ガスを上記酸素含有ガス4として該通路30aに供給してもよい。一方、内部ガス通路30bについては、O2ガス供給源42からMFC43で制御された流量で酸素含有ガス3を供給する。また、該酸素含有ガス3の供給を止めて大気圧に開放してもよく、或いは減圧してもよい。このようにして、外部ガス通路30aにおけるガス圧が、内部ガス通路30bにおけるガス圧よりも0.01MPa以上(好ましくは0.01MPa〜1MPa、例えば0.1MPa)高くなるようにする。この結果、水素ガス分離材1(多孔質構造体10)の細孔20中に残存し得るシリカ源2aが内部(多孔質基材12の他方の面12b側)方向に押し込まれてO2ガス3との接触し易くなり、シリカ膜21の酸化が促進されて化学的により安定なシリカ膜21が形成される。
The film stabilization process performed after the said gas replacement process can be implemented as follows, for example. That is, a O 2 gas to the
例えば、軸方向(長尺方向)の一方の端部が封止された管状の多孔質構造体10や、多孔質構造体(エレメント)10を複数本備えた多管モジュール70(図6参照)に対してシリカ膜を形成する際には、図5に示されるような概略構成を備えるシリカ膜形成装置110を用いて行うことができる。
このシリカ膜形成装置110について、シリカ膜形成装置100と異なる点は酸素含有ガス供給部40である。図5に示されるように、該酸素含有ガス供給部40は、O2ガス供給源42とMFC43に加えて、多孔質構造体10の軸方向の一端部に取り付けて該構造体10を固定させるための中空状(管状)の構造体固定部材44と、該構造体固定部材44の中空部と、固定された多孔質構造体10の中空部10bとに挿入されるO2ガス供給管45とから構成される。多孔質構造体10は軸方向の一端部を封止栓11で封止されている。封止された側とは反対側の端部を介して多孔質構造体10が構造体固定部材44に固定されると、該固定部材44は該構造体10を固定させた状態で反応管30に挿入される。なお、反応管30は、該固定部材44が挿入された状態でも密閉性は保たれるように閉塞可能な構成である。
For example, a tubular
The silica
酸素含有ガス3を多孔質基材12の他方の面12b側(多孔質構造体10の中空部10b)に供給する際は、O2ガス(酸素含有ガス)3は以下の経路を流通する。すなわち、該ガス3は、MFC43に制御された流量でO2ガス供給源42から流出し、O2ガス供給管45を通り、多孔質構造体10の中空部10b内に供給(放出)される。その後、上記O2ガス3は、多孔質構造体10の内周面(多孔質支持体14の内周面)とO2ガス供給管45の外周面とで構成される空間を流れながら多孔質構造体10の中空部10bを出て、構造体固定部材44の内周面とO2ガス供給管45の外周面とで構成される空間内に流入し、排気口44aから流出する。
上記シリカ膜形成装置110において、シリカ源含有ガス2を反応管30の外部ガス通路30aに供給する経路、及び膜安定化工程で酸素含有ガス4を供給する経路はシリカ膜形成装置100と同じであり、シリカ源含有ガス2及び酸素含有ガス4のそれぞれは、反応管30の外管入口(反応管入口)34から外部ガス通路30aに供給され、外管出口(反応管出口)35から排出される。
When supplying the oxygen-containing
In the silica
図5に示されるシリカ膜形成装置110を好適に適用し得る多管モジュールとして、例えば図6及び図7に示されるような円筒状の多管モジュール70が挙げられる。図6は、多管モジュール70の縦断面図である。図7は、図6のVII−VII線断面図である。多管モジュール70は、例えばガラス製の円筒状の反応容器71と、複数本(図6及び図7では6本)の多孔質構造体(エレメント)10と、アルミナ等からなる緻密質なO2ガス供給管72、及び多孔質構造体10の軸方向の両端部を挟むようにして支持する一対の対向した支持部材73a,73bとから構成される。反応容器71には、その軸方向の一端部にシリカ源含有ガス2の流入口74が設けられており、他方の端部付近には流出口75が設けられている。支持部材73a,73bはともに緻密質なアルミナ等からなる中空の略円盤体である。多孔質構造体10及びO2ガス供給管72における両端部は、一方の端部を反応容器71内における流入口74側の端部に配置される支持部材73bに、もう一方の端部を流出口75側の端部に配置される支持部材73aに差し込まれ、各支持部材73a,73bの中空状の内部にまで挿入されている。このようにして、支持部材73a,73bは、多孔質構造体10及びO2ガス供給管72を介して対向した構成になっている。上記支持部材73aでは、その中空内部を支持部材73bと対向する面からその反対側に向けてO2ガス供給管72が貫通していると共に、該反対側の円板部分には、排気管76が形成されている。図7に示されるように、支持部材73aの円板部分における多孔質構造体10及びO2ガス供給管72の配置については、その中心部にO2ガス供給管72が配置され、その周囲を等間隔に囲むように多孔質構造体10が配置されている。上記中心部に緻密質なO2ガス供給管72が配されているため、複数本の多孔質支持体10と支持部材73a,73bとからなる組立体の機械的強度が増して該組立体の形状保持に効果的である。
As a multi-tube module to which the silica
多管モジュール70内におけるシリカ源含有ガス2の流通経路は以下の通りである。すなわち、反応容器71の流入口74から供給されたシリカ源含有ガス2は、各多孔質構造体10の外周面を沿うように流通し、流出口75から流出する。一方、シリカ膜形成時に供給される酸素含有ガス3の流通経路は以下の通りである。すなわち、該酸素含有ガス(O2ガス)3は、O2ガス供給管72を通って反応容器71内に流入し、支持部材73bの中空内部に供給(放出)される。該ガス3は、各多孔質構造体10の中空部10bを通って、支持部材73aの中空内部にまで流れ、排気管76を通って反応容器71から流出する。
この多管モジュール70を導入したシリカ膜形成装置110については、図5において、反応容器30を多管モジュール70に、外管入口34を流入口74に、外管出口35を流出口75にそれぞれ置き換え、O2ガス供給管45をO2ガス供給管72とみなせばよい。
The flow path of the silica source-containing
Regarding the silica
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明を係る実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<実施例1>
図8に示す手順により、図1に模式的に示される構成を有する水素ガス分離材1を製造した。
すなわち、平均粒径約1μmのα−アルミナ粉末を有機バインダ及び水と共に混練して押出成形用の坏土を調製した。この坏土を市販の押出成形機により押出成形して乾燥させた後、大気雰囲気中で焼成することにより、管形状(外径10mm、内径7mm、長さ50mm)の多孔質支持体(α−アルミナ支持体)14を得た(ステップS10)。
一般的な水銀圧入法により測定した該支持体14の平均細孔径は約150nmであった。
<Example 1>
A hydrogen
That is, α-alumina powder having an average particle size of about 1 μm was kneaded with an organic binder and water to prepare a clay for extrusion molding. This clay is extruded and dried by a commercially available extruder, and then fired in an air atmosphere to obtain a porous support (α-) having a tubular shape (
The average pore diameter of the
次いで、得られたα−アルミナ支持体14の表面に多孔質基材(多孔質膜)12を形成した(ステップS20)。
すなわち、アルミニウムイソプロポキシドを加水分解し、酸で解こうしてベーマイトゾルを調製した。このベーマイトゾルにα−アルミナ支持体14(中空部にゾルが侵入しないように管形状の両端を一時的に塞いでおく。)を約1.0mm/秒の速度で引き上げることにより、支持体14の外周面にベーマイトゾルをディップコートした。これを60℃で一晩(12時間程度)乾燥させた後、大気雰囲気中において600℃で3時間焼成してγ−アルミナ質の多孔質膜(γ−アルミナ膜)12を形成した。このようにして、α−アルミナ支持体14の外周面にγ−アルミナ膜12が形成された多孔質構造体10を得た。このγ−アルミナ膜12の膜厚は約2μmであり、一般的な窒素吸着法により測定された細孔径のピーク値は4nm〜6nmであった。以下、この多孔質構造体10を「単管」ということがある。
Next, a porous substrate (porous membrane) 12 was formed on the surface of the obtained α-alumina support 14 (step S20).
That is, aluminum isopropoxide was hydrolyzed and dissolved with an acid to prepare a boehmite sol. By lifting the boehmite sol with the α-alumina support 14 (both ends of the tube shape are temporarily blocked so that the sol does not enter the hollow portion) at a speed of about 1.0 mm / second, the
得られた単管(多孔質構造体10)を図4に示される概略構成を有するシリカ膜形成装置にセットし、テトラメトキシシラン(TMOS)をシリカ源として対向拡散CVDを行うことにより、図3に示すように、この単管を構成するγ−アルミナ膜12にシリカ膜21を形成した(ステップS30)。
上記対向拡散CVDは、反応温度(シリカ膜の形成温度)600℃、反応時間(シリカ膜の形成時間又は製膜時間)5分間、N2ガス供給速度200mL/分、O2ガス供給速度200mL/分の条件で行った。このようにして実施例1に係る水素ガス分離材を製造した。なお、気化器52では45℃に加温されたTMOSをN2ガスでバブリングして気化させた。
The obtained single tube (porous structure 10) is set in a silica film forming apparatus having a schematic configuration shown in FIG. 4, and counter diffusion CVD is performed using tetramethoxysilane (TMOS) as a silica source. As shown in FIG. 4, a
In the counter diffusion CVD, the reaction temperature (silica film formation temperature) is 600 ° C., the reaction time (silica film formation time or film formation time) is 5 minutes, the N 2 gas supply rate is 200 mL / min, and the O 2 gas supply rate is 200 mL / minute. Performed under the condition of minutes. In this way, the hydrogen gas separation material according to Example 1 was manufactured. In the
次に、N2ガスを気化器52に流入させるのを止めて、該ガスが直接外部ガス通路30aに流入させることにより、純粋なN2ガスで該外部ガス通路30a内の雰囲気を置換した(ステップS40)。
このN2ガスの置換は、供給速度(流速)200mL/分で5分間の条件で行った。内部ガス通路30bへのO2ガスの供給は、引き続き供給速度200mL/分の条件で行った。
Next, the flow of N 2 gas was stopped from flowing into the
This N 2 gas replacement was performed at a supply rate (flow rate) of 200 mL / min for 5 minutes. The supply of O 2 gas to the
次に、上記N2ガスの外部ガス通路30aへの供給を停止し、O2ガス供給源56から純粋なO2ガスを外部ガス通路30aに供給し、また内部ガス通路30bにもO2ガス供給源42からO2ガスを供給することにより、上記γ−アルミナ膜12に形成されているシリカ膜21を安定化させた(ステップS50)。
上記シリカ膜21の安定化は、反応管30内の温度は600℃、外部ガス通路30aへのO2ガスの供給速度は200mL/分、内部ガス通路30bへのO2ガスの供給速度は200mL/分、これらO2ガスの供給時間は5分間、の各条件で行った。
以上の工程により、単管の水素ガス分離材を得た。
Then, the N 2 supply is stopped to the gas of the
The
Through the above steps, a single pipe hydrogen gas separator was obtained.
得られた水素ガス分離材について、水素(H2)ガス透過率及び窒素(N2)ガス透過率を測定し、これらのガス透過率からH2ガスとN2ガスとの透過係数比(H2/N2)を算出した。ここで、上記透過係数比(H2/N2)は、同条件下におけるH2ガス透過率とN2ガス透過率との比率、すなわち同条件下でのH2ガス透過量のN2ガス透過量に対するモル比をいう。ここでH2ガス透過率[mol/m2・s・Pa]及びN2ガス透過率[mol/m2・s・Pa]は、それぞれ差圧(水素ガス分離材1を挟んでガス供給側圧力とガス透過側圧力との差)が1Paであるときの単位時間(1秒)及び単位膜表面積(1m2)当たりのH2ガス透過量[mol]及びN2ガス透過量[mol]で表わされる。
About the obtained hydrogen gas separation material, hydrogen (H 2 ) gas permeability and nitrogen (N 2 ) gas permeability were measured, and the permeability coefficient ratio (H 2 gas to N 2 gas) (H 2 / N 2 ) was calculated. Here, the permeation coefficient ratio (H 2 / N 2 ) is the ratio between the H 2 gas permeability and the N 2 gas permeability under the same condition, that is, the N 2 gas with the H 2 gas permeability under the same condition. The molar ratio to the amount of permeation. Here, the H 2 gas permeability [mol / m 2 · s · Pa] and the N 2 gas permeability [mol / m 2 · s · Pa] are respectively expressed as differential pressures (on the gas supply side with the
上記H2ガス透過率及びN2ガス透過率の測定は、図4に示されるシリカ膜形成装置100を利用して、以下のようにして行った。すなわち、必要に応じてヒータ36を作動させることにより反応管30内を600℃の測定温度に調整し、N2ガス供給源54及びH2ガス供給源58からそれぞれMFC55,59により制御された所定の流量でN2ガス及びH2ガスを外部ガス通路30aに供給した。このとき、水素ガス分離材の外周側(すなわち外部ガス通路30a)と内周側(すなわち内部ガス通路30b)との差圧が2.0×104Paとなるようにした。そしてセッケン膜流量計(図示せず)によって透過側(すなわち内部ガス通路30b)のガス流速を測定しつつ、TCD検出器を備えたガスクロマトグラフ(図示せず)によって対象ガス組成を分析した。なお、H2ガス及びN2ガスそれぞれのガス透過率は次式:Q=A/{(Pr−Pp)・S・t};から算出した。ここで、Qはガス透過率[mol/m2・s・Pa]を、Aは透過量(mol)を、Prは供給側すなわち外部ガス通路30a側の圧力[Pa]を、Ppは内部ガス通路30b側の圧力[Pa]を、Sは断面積[m2]を、tは時間[秒:s]を、それぞれ表す。また、透過係数比(H2/N2)は、H2ガス透過率とN2ガス透過率との比率すなわち次式:α=QH2/QN2;から算出できる。ここで、αは透過係数比(透過率比)を、QH2はH2ガス透過率を、QN2はN2ガス透過率を、それぞれ表す。
また、透過試験を実施し、複数の温度条件下におけるH2ガス透過率を測定した。これらH2ガス透過率のアレニウスプロットにより、H2ガス透過の活性化エネルギー[kJ/mol]を求めた。
The measurement of the H 2 gas permeability and the N 2 gas permeability was performed as follows using the silica
Further, the permeation test was performed to measure the H 2 gas permeability in a plurality of temperature conditions. The Arrhenius plot of the H 2 gas permeability was determined the activation energy of the H 2 gas permeability [kJ / mol].
さらに、水素ガス分離材に対して、モル比で75%のH2O(水蒸気)、25%のN2の混合ガスを500℃、全圧0.1MPa、流速200mL/分で20時間の水蒸気処理を行うことにより耐水蒸気試験を行った。
この耐水蒸気試験後の水素ガス分離材におけるH2ガス透過率及び透過係数比(H2/N2)を上記と同様の方法で求めた。
Furthermore, the hydrogen gas separator is a gas mixture of 75% H 2 O (water vapor) and 25% N 2 in a molar ratio of 500 ° C., a total pressure of 0.1 MPa, a flow rate of 200 mL / min for 20 hours. A steam resistance test was performed by performing the treatment.
The H 2 gas permeability and permeability coefficient ratio (H 2 / N 2 ) in the hydrogen gas separation material after this water vapor resistance test were determined by the same method as described above.
以上により得られた結果の要部を、当該水素ガス分離材1の構成及び製造方法の概略と共に表1に示す。
The main part of the result obtained as described above is shown in Table 1 together with the configuration of the hydrogen
<比較例1>
次に、本例では、実施例1で実施していた膜安定化工程を実施せずに水素ガス分離材を製造した。それ以外の点は実施例1と全く同様である。また、実施例1と同様にして評価した。得られた結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表1に示す。
<Comparative Example 1>
Next, in this example, the hydrogen gas separation material was manufactured without performing the membrane stabilization process performed in Example 1. The other points are the same as in the first embodiment. Moreover, it evaluated similarly to Example 1. FIG. The main parts of the obtained results are shown in Table 1 together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the production method.
<比較例2>
次に、本例では、実施例1で実施していた膜安定化工程を実施せずに水素ガス分離材を製造した。実施例1と異なる点は、膜安定化工程が実施されていない点と、シリカ膜形成時に、膜形成時間(製膜時間)を5分間から30分間に変更した点である。それ以外の点は実施例1と同様にして比較例2に係る水素ガス分離材を製造し、実施例1と同様にして評価した。得られた結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表1に示す。
<Comparative example 2>
Next, in this example, the hydrogen gas separation material was manufactured without performing the membrane stabilization process performed in Example 1. The difference from Example 1 is that the film stabilization process is not performed and the film formation time (film formation time) is changed from 5 minutes to 30 minutes at the time of forming the silica film. Otherwise, the hydrogen gas separator according to Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner as in Example 1. The main parts of the obtained results are shown in Table 1 together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the production method.
表1に示されるように、実施例1に係る水素ガス分離材は、600℃におけるH2ガス透過率が4.7×10−7[mol/m2・s・Pa]、透過係数比(H2/N2)が5.7×102という、H2透過率と透過係数比をバランスよく高レベルで実現するものであった。また、H2透過の活性化エネルギーは9.1[kJ/mol]と小さく、高いH2透過率を発揮し得るものであった。
一方、比較例1に示されるように、膜安定化工程を実施しないと、特に水蒸気処理後のH2分離性能(透過係数比)が大幅に低下した。比較例2に示されるように、膜安定化工程を実施せずに長時間シリカ源を供給してシリカ膜を形成すると、H2分離性能は向上した。しかし、H2透過性能(H2透過率)が低下した。
以上より、膜安定化工程を実施することにより、短時間(5分間)の膜形成時間で、H2透過性能とH2分離性能とを高いレベルでバランスよく実現し得る水素ガス分離材を製造できることが分かった。
As shown in Table 1, the hydrogen gas separator according to Example 1 has an H 2 gas permeability at 600 ° C. of 4.7 × 10 −7 [mol / m 2 · s · Pa], a permeability coefficient ratio ( H 2 / N 2 ) was 5.7 × 10 2 , and the H 2 transmittance and the transmission coefficient ratio were realized at a high level with good balance. Further, the activation energy of the H 2 permeation 9.1 [kJ / mol] and small, were those capable of exhibiting high H 2 permeability.
On the other hand, as shown in Comparative Example 1, unless the membrane stabilization step was performed, the H 2 separation performance (permeability coefficient ratio) particularly after the steam treatment was significantly reduced. As shown in Comparative Example 2, when the silica source was formed for a long time without performing the membrane stabilization step to form a silica membrane, the H 2 separation performance was improved. However, the H 2 permeation performance (H 2 transmissivity) decreased.
As described above, by performing the membrane stabilization process, a hydrogen gas separation material capable of realizing a high level of balance between H 2 permeation performance and H 2 separation performance in a short time (5 minutes) is required. I understood that I could do it.
<実施例2>
本例では、膜安定化工程において供給する酸素含有ガス4を、外部ガス通路30a及び内部ガス通路30bの両方とも純粋なO2ガスから空気に変更し、該空気の供給時間を5分間から30分間に延長した。図4に示されるシリカ膜形成装置100においては、本実施例を実施するためにO2ガス供給源42,56を空気供給源に変更した。その他の点については実施例1と同様にして、実施例2に係る水素ガス分離材を製造した。
得られた水素ガス分離材を実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表2に示す。
<Example 2>
In this example, the oxygen-containing
The obtained hydrogen gas separator was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the main part of the evaluation result together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
<比較例3>
本例では、膜安定化工程における酸素含有ガス(空気)を供給する時間を30分間から5分間に変更した。それ以外の点は実施例2と同様にして、比較例3に係る水素ガス分離材を製造し、これを実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表2に示す。
<Comparative Example 3>
In this example, the time for supplying the oxygen-containing gas (air) in the film stabilization process was changed from 30 minutes to 5 minutes. Otherwise, the hydrogen gas separator according to Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 2, and this was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the main part of the evaluation result together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
表2に示されるように、実施例2及び比較例3に係る水素ガス分離材は、H2透過率及び透過係数比は、いずれも実施例1に係る水素ガス分離材と同程度であった。また、実施例2及び比較例3における活性化エネルギーも実施例1に比べて低かった。したがって、シリカ膜を安定化させる酸素含有ガスは空気のように酸素含有率が20mol%程度のものであってもよいことがわかった。しかし、比較例3より、該空気の供給時間が短いと、特に水蒸気処理後のH2分離性能(透過係数比)が低下し得ることが分かった。この結果、酸素含有率が低くてもその分供給時間を延長すれば、十分に高いH2透過性と分離性を備えた水素ガス分離材が得られることが分かった。なお、実施例2では、水蒸気処理後の透過係数比が4.5×102と実施例1よりも低下したが、この数値であれば高温水蒸気雰囲気下でもH2分離性能を十分に高く発揮することができるといえる。 As shown in Table 2, the hydrogen gas separators according to Example 2 and Comparative Example 3 had the same H 2 permeability and permeability coefficient ratio as those of the hydrogen gas separator according to Example 1. . Moreover, the activation energy in Example 2 and Comparative Example 3 was also lower than that in Example 1. Therefore, it was found that the oxygen-containing gas that stabilizes the silica film may have an oxygen content of about 20 mol%, such as air. However, from Comparative Example 3, it was found that when the air supply time was short, the H 2 separation performance (permeability coefficient ratio) after the steam treatment could be lowered. As a result, it was found that even if the oxygen content was low, a hydrogen gas separation material having sufficiently high H 2 permeability and separation could be obtained by extending the supply time accordingly. In Example 2, the permeability coefficient ratio after the steam treatment was 4.5 × 10 2, which was lower than that in Example 1. However, with this value, the H 2 separation performance is sufficiently high even in a high-temperature steam atmosphere. I can say that.
<実施例3>
本例では、膜安定化工程において内部ガス通路30bを大気圧(1.01×105Pa)に開放した。外部ガス通路30aに供給する酸素含有ガス4は純粋なO2ガスとして、該通路30a内のガス圧が大気圧より0.1MPaだけ大きくなるように、該O2ガスを流速200mL/分で供給した(すなわち外部ガス通路30a内のガス圧は約0.2MPaである)。その他の点については実施例1と同様にして、実施例3に係る水素ガス分離材を製造した。
また、得られた水素ガス分離材を実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略をともに表3に示す。
<Example 3>
In this example, the
The obtained hydrogen gas separator was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 3 shows an outline of the structure of the hydrogen gas separation material and an outline of the manufacturing method for the main part of the evaluation results.
表3に示されるように、実施例3に係る水素ガス分離材では、H2透過率及は実施例1に係る水素ガス分離材と同程度であり、透過係数比は実施例1に係る水素ガス分離材よりも向上した。また、水蒸気処理後のH2透過率及び透過係数比は、いずれも実施例1に係る水素ガス分離材を上回り、特に水素分離性能(透過係数比)が1.5倍以上向上した。H2透過の活性化エネルギーも実施例1と同程度に低かった。これにより、シリカ膜が形成された側をその他方の側よりも差圧が生じるように加圧することが膜性能の向上に効果的であることが分かった。 As shown in Table 3, in the hydrogen gas separation material according to Example 3, the H 2 permeability and the hydrogen gas separation material according to Example 1 are approximately the same, and the permeability coefficient ratio is the hydrogen according to Example 1. Improved than gas separator. In addition, both the H 2 permeability and the permeability coefficient ratio after the steam treatment exceeded the hydrogen gas separation material according to Example 1, and in particular, the hydrogen separation performance (permeability coefficient ratio) was improved by 1.5 times or more. The activation energy for H 2 permeation was also as low as in Example 1. Thus, it has been found that pressurizing the side on which the silica film is formed so as to generate a differential pressure more effectively than the other side is effective in improving the film performance.
<実施例4>
本例では、外径10mm、内径7mm、長さ400mmの単管(図1における多孔質構造体10)を作製し、その軸方向の一方の端部を封止栓11(図5参照)で封止した「片端封止型単管」を用いた。シリカ膜の形成には図5に示されるシリカ膜形成装置110を利用した。また、120分間の膜形成時間にした。膜形成時にO2供給管45を通って多孔質構造体10の中空部10bに供給されるO2ガスの供給速度を100mL/分にした。形成されたシリカ膜の膜面積は7.5×10−3[m2]であった。
また、膜安定化工程において、外部ガス通路30aに供給する純粋O2ガスの供給速度を1000mL/分、上記中空部10bに供給する純粋O2ガスの供給速度を100mL/分にしてそれぞれのO2ガスを供給した。
それ以外の点については実施例1と同様にして、実施例4に係る水素ガス分離材を製造した。また、得られた水素ガス分離材を実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表4に示す。
<Example 4>
In this example, a single tube (
Further, in the membrane stabilization step, the supply rate of pure O 2 gas supplied to the
The hydrogen gas separation material according to Example 4 was manufactured in the same manner as Example 1 for the other points. The obtained hydrogen gas separator was evaluated in the same manner as in Example 1. The essential parts of the evaluation results are shown in Table 4 together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
<比較例4>
本例では、膜安定化工程を実施しなかった。それ以外の点では実施例4と同様にして、比較例4に係る水素ガス分離材を製造し、これを実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表4に示す。
<Comparative example 4>
In this example, the film stabilization process was not performed. Otherwise, the hydrogen gas separation material according to Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 4, and this was evaluated in the same manner as in Example 1. The essential parts of the evaluation results are shown in Table 4 together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
表4に示されるように、実施例4に係る水素ガス分離材では、実施例1に係る水素ガス分離材と比べて、H2透過率及び透過係数は低下していたものの、シリカ膜にクラックを生じることなく、十分なH2透過性能及び分離性能を有した。H2透過の活性化エネルギーについては実施例1の凡そ2倍高かったが、十分に低い値であるといえる。一方、比較例4に係る水素ガス分離材に対してH2ガスとN2ガスを供給したところ、シリカ膜にクラックが生じ、N2ガスの透過率がH2ガスの透過率と同程度にまで急激に増大してH2分離性能を示さなくなった。以上の結果より、膜安定化工程を導入することよって、実施例1に係る水素ガス分離材よりも7倍以上も膜面積を拡大させても、クラックの発生がなく、良好な膜性能を有する水素ガス分離材を製造し得ることが分かった。
また、従来技術では単管にシリカ膜を形成することは可能であったが、多管モジュールを利用すると困難であることが多かった。この原因として「膜面積の増大化」と「多管モジュールの構造」(すなわち、単管は供給ガスが一端から他端へ通り抜ける構成であるが、多管モジュールは一方の端部が封止された片端封止型単管の集合体であること)が考えられていた。本実施例4及び比較例4によって、上記原因は「膜面積の増大化」にあると判断された。
As shown in Table 4, the hydrogen gas separator according to Example 4 had cracks in the silica membrane, although the H 2 permeability and permeability coefficient were lower than those of the hydrogen gas separator according to Example 1. And sufficient H 2 permeation performance and separation performance. The activation energy for H 2 permeation was about twice as high as that in Example 1, but it can be said to be a sufficiently low value. On the other hand, when H 2 gas and N 2 gas were supplied to the hydrogen gas separation material according to Comparative Example 4, cracks occurred in the silica film, and the N 2 gas permeability was comparable to the H 2 gas permeability. The H 2 separation performance was not shown. From the above results, by introducing the membrane stabilization process, even if the membrane area is expanded by 7 times or more than the hydrogen gas separation material according to Example 1, there is no generation of cracks and the membrane performance is good. It has been found that hydrogen gas separators can be produced.
Further, in the prior art, it was possible to form a silica film on a single tube, but it was often difficult to use a multi-tube module. The cause of this is “increase in membrane area” and “structure of the multi-tube module” (that is, the single pipe is configured so that the supply gas passes from one end to the other, but the multi-tube module is sealed at one end. A single-end sealed single tube assembly). According to Example 4 and Comparative Example 4, it was determined that the cause was “increase in film area”.
<実施例5>
本実施例では、図6及び図7に示されるような構成の多管モジュール70を使用した。外径10mm、内径7mm、長さ400mmの単管(図1における多孔質構造体10)を6本作製し、該6本を反応容器71内に収容した。これらの単管6本の外周面の合計面積40×10−3[m2](膜面積)にシリカ膜を形成させた。シリカ膜の形成には、図5に示されるシリカ膜形成装置110を用いた。120分間の膜形成時間にした。また、膜形成時にO2供給管72及び上記単管内を流通するO2ガスの供給速度を100mL/分とした。なお、多管モジュール70の反応容器71は反応管30に比べて容積が大きく、シリカ源濃度が適切になるのに凡そ10分間要する。このため、上記O2ガスを供給する前に、凡そ10分間N2ガスの供給を行った。
さらに、膜安定化工程において、上記単管の外周面側に供給する純粋O2ガスの供給速度を1000mL/分、上記単管の中空部(内周面側)に供給する純粋O2ガスの供給速度を100mL/分にしてそれぞれのO2ガスを供給した。
それ以外の点については実施例1と同様にして、実施例5に係る水素ガス分離材を製造した。また、得られた水素ガス分離材を実施例1と同様にして評価した。得られた結果の要部を、当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表5に示す。
<Example 5>
In the present embodiment, a
Furthermore, in the membrane stabilization step, the supply rate of the pure O 2 gas supplied to the outer peripheral surface side of the single tube is 1000 mL / min, and the pure O 2 gas supplied to the hollow portion (inner peripheral surface side) of the single tube Each O 2 gas was supplied at a supply rate of 100 mL / min.
The hydrogen gas separation material according to Example 5 was manufactured in the same manner as Example 1 for the other points. The obtained hydrogen gas separator was evaluated in the same manner as in Example 1. The essential parts of the obtained results are shown in Table 5 together with the configuration of the hydrogen gas separator and the outline of the production method.
<比較例5>
本例では、膜安定化工程を実施しなかった。それ以外の点では実施例5と同様にして、比較例5に係る水素ガス分離材を製造し、これを実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表5に示す。
<Comparative Example 5>
In this example, the film stabilization process was not performed. Other than that, the hydrogen gas separation material according to Comparative Example 5 was produced in the same manner as in Example 5, and this was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 5 shows the main part of the evaluation results together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
表5に示されるように、実施例5に係る水素ガス分離材では、実施例1に係る水素ガス分離材と比べてH2透過率は低下したが、透過係数については実施例5の方がはるかに高く、水蒸気処理後も実施例1に係る水素ガス分離材と同程度の高い値を示した。一方、比較例5に係る水素ガス分離材に対してH2ガス及びN2ガスを供給したところ、シリカ膜にクラックが生じ、N2ガスの透過率がN2ガスの透過率と同程度にまで急激に増大して、H2分離性能を示さなくなった。以上の結果より、膜安定化工程を導入することよって、多管モジュールを用いてシリカ膜を大面積化(実施例1の40倍)させても、クラックを生じることなく十分なH2透過性能と分離性能を有し、高温水蒸気雰囲気にも耐え得る水素ガス分離材を製造できることが分かった。なお、実施例5におけるH2透過の活性化エネルギーは、実施例1の凡そ2倍高い値になったが、十分にH2がシリカ膜内を透過し得る程度に低いといえる。 As shown in Table 5, in the hydrogen gas separation material according to Example 5, the H 2 permeability decreased compared to the hydrogen gas separation material according to Example 1, but the permeability coefficient of Example 5 was higher. It was much higher, and showed the same high value as the hydrogen gas separator according to Example 1 even after the steam treatment. On the other hand, when H 2 gas and N 2 gas were supplied to the hydrogen gas separation material according to Comparative Example 5, cracks were generated in the silica film, and the N 2 gas permeability was approximately the same as the N 2 gas permeability. The H 2 separation performance was not shown. From the above results, by introducing the membrane stabilization process, even when the area of the silica membrane is increased using a multi-tubular module (40 times that of Example 1), sufficient H 2 permeation performance is obtained without causing cracks. It was found that a hydrogen gas separation material having a separation performance and capable of withstanding a high-temperature steam atmosphere can be produced. The activation energy for H 2 permeation in Example 5 was about twice as high as that in Example 1, but it can be said that it is sufficiently low that H 2 can permeate the silica film.
<実施例6>
本例では、シリカ源としてTMOSの代わりにHMDS(ヘキサメチルジシロキサン)を使用した。また、シリカ膜形成時間を15分間に変更した。それ以外の点では実施例5と同様にして、実施例6に係る水素ガス分離材を製造し、これを実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表6に示す。
<Example 6>
In this example, HMDS (hexamethyldisiloxane) was used instead of TMOS as the silica source. Also, the silica film formation time was changed to 15 minutes. Otherwise, the hydrogen gas separation material according to Example 6 was produced in the same manner as in Example 5, and this was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 6 shows the main part of the evaluation result together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
<比較例6>
本例では、膜安定化工程を実施しなかった。それ以外の点では実施例6と同様にして、比較例6に係る水素ガス分離材を製造し、これを実施例1と同様にして評価した。この評価結果の要部を当該水素ガス分離材の構成及び製造方法の概略と共に表6に示す。
<Comparative Example 6>
In this example, the film stabilization process was not performed. Otherwise, the hydrogen gas separation material according to Comparative Example 6 was produced in the same manner as in Example 6, and this was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 6 shows the main part of the evaluation result together with the configuration of the hydrogen gas separation material and the outline of the manufacturing method.
表6に示されるように、実施例6では、シリカ源としてHMDSを使用してもH2透過性能と分離性能をバランスよく有するシリカ膜を備えた水素ガス分離材を製造できることが分かった。また、H2透過の活性化エネルギーは、実施例1よりも低い値となった。一方、比較例6では、HMDSを用いてシリカ膜を形成することは出来たが、H2ガス及びN2ガスを流通させたところ、H2ガス透過に起因すると考えられるクラックが発生し、N2ガスの透過率が急激に増大してH2分離性能を示さなくなった。以上の結果より、膜安定化工程を導入することよって、TMOS以外のシリカ源を使用しても、クラックを生じることなく良好なH2透過性能と分離性能を有する水素ガス分離材を製造できることが分かった。 As shown in Table 6, in Example 6, it was found that even when HMDS was used as the silica source, a hydrogen gas separation material having a silica membrane having a good balance between H 2 permeation performance and separation performance could be produced. In addition, the activation energy for H 2 permeation was lower than that in Example 1. On the other hand, in Comparative Example 6, it was possible to form a silica film using HMDS, but when H 2 gas and N 2 gas were circulated, cracks thought to be caused by H 2 gas permeation occurred. The permeation rate of the two gases increased rapidly and no longer showed H 2 separation performance. From the above results, by introducing a membrane stabilization step, a hydrogen gas separation material having good H 2 permeation performance and separation performance can be produced without causing cracks even when a silica source other than TMOS is used. I understood.
以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は、さらに別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えうるものである。 Although the present invention has been described in detail above, these are merely examples, and the present invention can be implemented in other modes, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 水素ガス分離材
2 シリカ源含有ガス
2a シリカ源
3 シリカ膜形成工程で供給される酸素含有ガス
3a 酸素原子からなるガス分子
4 膜安定化工程で供給される酸素含有ガス
10 多孔質構造体
10a 外周面側
10b 中空部
12 多孔質基材(多孔質膜)
12a 一方の面
12b 他方の面
14 多孔質支持体
20 細孔
21 シリカ膜
30 反応管
30a 外部ガス通路
30b 内部ガス通路
45 O2ガス供給管
52 気化器
70 多管モジュール
72 O2ガス供給管
100,110 シリカ膜形成装置
DESCRIPTION OF
12a One
Claims (7)
前記多孔質基材を用意する工程;
前記基材の一方の面側にシリカ源含有ガスとしてキャリアガスと共に供給される気化したシリカ源と、該基材の他方の面側に供給される酸素含有ガスとを反応させる化学蒸着法によって、該基材にシリカ膜を形成する工程;及び、
前記シリカ膜が形成された基材の一方の面側であって前記シリカ膜形成工程で気化したシリカ源が供給された側に、前記シリカ源含有ガスに代えて酸素含有ガスを供給し、上記シリカ膜を安定化させる膜安定化工程;
を包含する、水素ガス分離材の製造方法。 A method for producing a hydrogen gas separator comprising a porous substrate and a silica membrane, comprising:
Preparing the porous substrate;
By a chemical vapor deposition method in which a vaporized silica source supplied together with a carrier gas as a silica source-containing gas on one surface side of the base material and an oxygen-containing gas supplied to the other surface side of the base material are reacted. Forming a silica film on the substrate; and
Wherein the side hand silica source is vaporized in the silica film forming process a side of is supplied silica film formed substrate, an oxygen-containing gas is supplied in place of the silica source containing gas, A film stabilization step for stabilizing the silica film;
A method for producing a hydrogen gas separator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008046653A JP4871312B2 (en) | 2008-02-27 | 2008-02-27 | Method for producing hydrogen gas separator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008046653A JP4871312B2 (en) | 2008-02-27 | 2008-02-27 | Method for producing hydrogen gas separator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009202096A JP2009202096A (en) | 2009-09-10 |
| JP4871312B2 true JP4871312B2 (en) | 2012-02-08 |
Family
ID=41144896
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008046653A Active JP4871312B2 (en) | 2008-02-27 | 2008-02-27 | Method for producing hydrogen gas separator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4871312B2 (en) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012094438A (en) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Nagaoka Univ Of Technology | Fuel cell power generation system and polymer electrolyte fuel cell |
| KR101133099B1 (en) | 2011-01-24 | 2012-04-04 | 한국에너지기술연구원 | Preparation method for hydrogen separation membrane |
| JP5928047B2 (en) * | 2011-03-25 | 2016-06-01 | 住友電気工業株式会社 | Glass tube and manufacturing method thereof |
| JP6352075B2 (en) * | 2014-06-27 | 2018-07-04 | 学校法人 芝浦工業大学 | Aromatic compound or acid separation membrane and separation method |
| JP6683365B2 (en) * | 2016-01-29 | 2020-04-22 | 国立大学法人広島大学 | Method for manufacturing gas separation filter |
| JP6732474B2 (en) * | 2016-02-25 | 2020-07-29 | 公益財団法人地球環境産業技術研究機構 | Method for producing hydrogen gas separating material and membrane reactor, and method for producing hydrogen-containing gas using hydrogen gas separating material |
| JP7599345B2 (en) * | 2021-01-29 | 2024-12-13 | 公益財団法人地球環境産業技術研究機構 | Apparatus and method for searching conditions for forming silica film |
| JP7798494B2 (en) * | 2021-07-02 | 2026-01-14 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター | Gas separation material manufacturing method and gas separation material manufacturing apparatus |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6213574A (en) * | 1985-07-10 | 1987-01-22 | Jgc Corp | Precision controlling method for inlet diameter of zeolite pore |
| JPH11255570A (en) * | 1998-03-10 | 1999-09-21 | Kyocera Corp | Porous ceramic composite member and method of manufacturing the same |
| JP2006239663A (en) * | 2005-03-07 | 2006-09-14 | Noritake Co Ltd | Production method of hydrogen gas separation membrane |
| JP5049498B2 (en) * | 2006-02-14 | 2012-10-17 | 日立造船株式会社 | Method for producing ceramic membrane for gas separation |
-
2008
- 2008-02-27 JP JP2008046653A patent/JP4871312B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009202096A (en) | 2009-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4371427B2 (en) | Method for producing hydrogen gas separator | |
| JP4871312B2 (en) | Method for producing hydrogen gas separator | |
| JP3373057B2 (en) | Manufacturing method of hydrogen separation membrane | |
| US6854602B2 (en) | Hydrogen-selective silica-based membrane | |
| JP2554434B2 (en) | Method for producing inorganic ultra-thin film | |
| US20090282983A1 (en) | Hydrothermally-stable silica-based composite membranes for hydrogen separation | |
| JP4728308B2 (en) | Hydrogen separation membrane and method for producing hydrogen separation membrane | |
| JP2002187706A (en) | High temperature membrane reformer | |
| JP5425839B2 (en) | Method for producing gas separation material | |
| JP4129975B2 (en) | Porous ceramic material and method for producing the same | |
| JP2006239663A (en) | Production method of hydrogen gas separation membrane | |
| JP4471556B2 (en) | Porous ceramic material and method for producing the same | |
| Nitodas et al. | Development and characterization of silica-based membranes for hydrogen separation | |
| JP2005254161A (en) | Hydrogen separation membrane and its preparation method | |
| JP6732474B2 (en) | Method for producing hydrogen gas separating material and membrane reactor, and method for producing hydrogen-containing gas using hydrogen gas separating material | |
| JP4384540B2 (en) | Hydrogen separation material and method for producing the same | |
| JP4872752B2 (en) | Production method of hydrogen separation membrane | |
| Lee et al. | Silicon carbide membranes modified by chemical vapor deposition using species of low sticking coefficients in a silane/acetylene reaction system | |
| Ghasemzadeh et al. | Separation theory of silica membranes | |
| JP2010069432A (en) | Solid silica membrane, hydrocarbon separating membrane using the same, and method for manufacturing hydrocarbon separating membrane | |
| JP7798494B2 (en) | Gas separation material manufacturing method and gas separation material manufacturing apparatus | |
| JP2005041720A (en) | Ceramic porous membrane and manufacturing method thereof | |
| EP4681802A1 (en) | Separation method and separation device | |
| Mosallanezhad et al. | Silica Membrane for Hydrogen Separation | |
| JP2025117699A (en) | Hydrogen separation composite, hydrogen separation module, hydrogen separation method, hydrogen production method, and hydrogen separation composite production method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100316 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110818 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110825 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111024 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111110 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111118 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4871312 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141125 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |