JP7798494B2 - Gas separation material manufacturing method and gas separation material manufacturing apparatus - Google Patents
Gas separation material manufacturing method and gas separation material manufacturing apparatusInfo
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Description
本開示は、ガス分離材の製造方法、ガス分離材製造装置、及びガス分離材に関する。 This disclosure relates to a method for manufacturing a gas separation material, a gas separation material manufacturing apparatus, and a gas separation material.
混合ガスをガス分子の大きさに基づき分離するガス分離技術が知られている。この技術には、サブナノサイズの細孔を有するセラミックス製のガス分離材が用いられている。ガス分離材の製造方法として、例えば、特許文献1-3には対向拡散化学蒸着(対向拡散CVD)が開示されている。 Gas separation technology is known that separates mixed gases based on the size of the gas molecules. This technology uses ceramic gas separation materials with sub-nanosized pores. Patent documents 1-3, for example, disclose counter-diffusion chemical vapor deposition (counter-diffusion CVD) as a method for manufacturing gas separation materials.
しかし、従来の製造方法で製造したガス分離材は、ガス透過率が必ずしも十分でなく、更なるガス透過率の向上が望まれていた。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ガス透過率の向上を目的とし、以下の形態として実現することが可能である。
However, gas separation materials produced by conventional production methods do not necessarily have sufficient gas permeability, and further improvement in gas permeability has been desired.
The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and aims to improve gas permeability, and can be realized in the following forms.
多孔質基材の一方の面側に、気化させたシリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスを供給し、
前記多孔質基材の他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給し、
前記原料ガス及び前記活性ガスを対向拡散させて、300℃以上800℃以下の反応温度で、前記多孔質基材の細孔内に化学蒸着によってシリカを含むガス分離層を形成するガス分離材の製造方法であって、
前記化学蒸着によって形成された前記ガス分離層を、更に、前記反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて加熱処理する、ガス分離材の製造方法。
A raw material gas containing a vaporized silica-forming substance and an inert gas is supplied to one surface side of the porous substrate;
An active gas serving as a reactive species is supplied to the other surface side of the porous substrate;
A method for producing a gas separation material, comprising counter-diffusing the raw material gas and the activated gas to form a gas separation layer containing silica in pores of the porous substrate by chemical vapor deposition at a reaction temperature of 300°C or higher and 800°C or lower,
The method for producing a gas separation material further comprises heat-treating the gas separation layer formed by the chemical vapor deposition at a temperature lower than the reaction temperature and not lower than 200°C.
本開示のガス分離材の製造方法によれば、ガス分離層に残留した原料ガスに由来する有機物が取り除かれるから、ガス透過率が向上する。 The manufacturing method for the gas separation material disclosed herein removes organic matter derived from the source gas remaining in the gas separation layer, thereby improving gas permeability.
ここで、本開示の望ましい例を示す。
・前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する有機物は、前記加熱処理により取り除かれる、ガス分離材の製造方法。
・前記加熱処理は、酸素、ヘリウム、水素、アルゴン、及び窒素からなる群より選択される1種以上を含む気体の雰囲気下で行われる、ガス分離材の製造方法。
・前記加熱処理において、前記多孔質基材の一方の面側の前記気体のガス圧と、前記多孔質基材の他方の面側の前記気体のガス圧とのガス圧差が10kPa以上980kPa以下である、ガス分離材の製造方法。
・多孔質基材の一方の面側に、気化させたシリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記多孔質基材の他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給する活性ガス供給部と、を備え、
前記原料ガス及び前記活性ガスを対向拡散させて、300℃以上800℃以下の反応温度で、前記多孔質基材の細孔内に化学蒸着よってシリカを含むガス分離層を形成するガス分離材製造装置であって、
前記化学蒸着によって形成された前記ガス分離層を、更に、前記反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて加熱処理する加熱処理部を備える、ガス分離材製造装置。
・前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する有機物は、前記加熱処理により取り除かれる、ガス分離材製造装置。
・前記加熱処理は、酸素、ヘリウム、水素、アルゴン、及び窒素からなる群より選択される1種以上を含む気体の雰囲気下で行われる、ガス分離材製造装置。
・前記加熱処理において、前記多孔質基材の一方の面側の前記気体のガス圧と、前記多孔質基材の他方の面側の前記気体のガス圧とのガス圧差が10kPa以上980kPa以下である、ガス分離材製造装置。
・シリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスと、活性ガスとを用いた対向拡散化学蒸着により形成されたシリカを含むガス分離層を備えたガス分離材であって、
前記ガス分離層における炭素の含有量が0.3質量%未満であるガス分離材。
Here, a preferred example of the present disclosure will be described.
The method for producing a gas separation material, wherein organic matter derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer is removed by the heat treatment.
The method for producing a gas separation material, wherein the heat treatment is carried out in an atmosphere of a gas containing one or more gases selected from the group consisting of oxygen, helium, hydrogen, argon, and nitrogen.
- A method for producing a gas separation material, wherein during the heat treatment, the gas pressure difference between the gas pressure on one side of the porous substrate and the gas pressure on the other side of the porous substrate is 10 kPa or more and 980 kPa or less.
a raw material gas supply unit that supplies a raw material gas containing a vaporized silica-forming substance and an inert gas to one surface side of the porous substrate;
An active gas supply unit that supplies an active gas that becomes a reactive species to the other surface side of the porous substrate,
A gas separation material manufacturing apparatus for forming a gas separation layer containing silica in pores of the porous substrate by chemical vapor deposition at a reaction temperature of 300°C or higher and 800°C or lower by counter-diffusing the raw material gas and the activated gas,
The gas separation material manufacturing apparatus further comprises a heat treatment section for heat-treating the gas separation layer formed by the chemical vapor deposition at a temperature lower than the reaction temperature and not lower than 200°C.
The gas separation material manufacturing apparatus, wherein organic matter derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer is removed by the heat treatment.
A gas separation material manufacturing apparatus, wherein the heat treatment is carried out in an atmosphere of a gas containing one or more gases selected from the group consisting of oxygen, helium, hydrogen, argon, and nitrogen.
- A gas separation material manufacturing apparatus wherein, during the heat treatment, the gas pressure difference between the gas pressure on one side of the porous substrate and the gas pressure on the other side of the porous substrate is 10 kPa or more and 980 kPa or less.
A gas separation material having a gas separation layer containing silica formed by counter diffusion chemical vapor deposition using a raw material gas containing a silica-forming substance and an inert gas and an active gas,
A gas separation material, wherein the carbon content in the gas separation layer is less than 0.3 mass%.
以下、本開示を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「-」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10-20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10-20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。 The present disclosure is explained in detail below. In this specification, when a numerical range is indicated using "-", it is considered to include both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified. For example, the expression "10-20" includes both the lower limit of "10" and the upper limit of "20". In other words, "10-20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less."
1.ガス分離材の製造方法
本開示の製造方法は、多孔質基材の一方の面側に、気化させたシリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスを供給する。この製造方法は、多孔質基材の他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給する。例えば、多孔質基材が筒状の場合には、多孔質基材の外周面側に原料ガスを供給し、内周面側に活性ガスを供給する、又は多孔質基材の内周面側に原料ガスを供給し、外周面側に活性ガスを供給する、そして、この製造方法は、原料ガス及び活性ガスを対向拡散させて、300℃以上800℃以下の反応温度で、多孔質基材の細孔内に化学蒸着よってシリカを含むガス分離層を製造する。この製造方法では、化学蒸着によって形成されたガス分離層を、更に、反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて、加熱処理する。
1. Manufacturing Method of Gas Separation Material In the manufacturing method disclosed herein, a source gas containing a vaporized silica-forming substance and an inert gas is supplied to one side of a porous substrate. In this manufacturing method, an active gas serving as a reactive species is supplied to the other side of the porous substrate. For example, when the porous substrate is cylindrical, the source gas is supplied to the outer peripheral surface of the porous substrate and the active gas is supplied to the inner peripheral surface, or the source gas is supplied to the inner peripheral surface of the porous substrate and the active gas is supplied to the outer peripheral surface. This manufacturing method then produces a gas separation layer containing silica by chemical vapor deposition in the pores of the porous substrate at a reaction temperature of 300°C to 800°C by counter-diffusion of the source gas and the active gas. In this manufacturing method, the gas separation layer formed by chemical vapor deposition is further heat-treated at a temperature lower than the reaction temperature but not lower than 200°C.
(1)多孔質基材
被成膜材としての多孔質基材は、特に限定されない。多孔質基材は、複数の細孔を有する多孔質部からなる被成膜部を有する。被成膜部は、原料ガスと活性ガス(対向ガス)とを対向拡散させるため、線状又は網目状に貫通する細孔(連通孔)を有する多孔質体が好ましい。但し、化学蒸着では原料ガスと活性ガスとを反応させる際に多孔質基材の周辺も高温になることがあることから、熱的に安定な無機多孔質基材を用いることが好ましい。
(1) Porous substrate The porous substrate as the film-forming material is not particularly limited. The porous substrate has a film-forming portion consisting of a porous portion having a plurality of pores. The film-forming portion is preferably a porous body having linear or network-like pores (communicating holes) penetrating therethrough to allow the source gas and the active gas (counter gas) to diffuse in opposite directions. However, in chemical vapor deposition, the temperature around the porous substrate may also become high when the source gas and the active gas are reacted, so it is preferable to use a thermally stable inorganic porous substrate.
無機多孔質基材は、α-アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、及び炭化ケイ素からなる群より選択される少なくとも1種の多孔質支持基材に、無機多孔質膜を中間層として備えることが好ましい。多孔質支持基材は、通常、連通孔の平均細孔径が50nm-1000nmであるため、対向拡散CVDを用いて細孔を反応生成物で閉塞させて細孔内部に薄膜を形成するには不向きである。よって、無機多孔質基材には、細孔内部に薄膜を形成するために、4nm-8nm程度の平均細孔径をもつ無機多孔質膜たる中間層が形成されていることが好ましい。 The inorganic porous substrate preferably comprises at least one porous support substrate selected from the group consisting of α-alumina, mullite, cordierite, zirconia, and silicon carbide, with an inorganic porous membrane as an intermediate layer. Because the average pore diameter of interconnected pores in porous support substrates is typically 50-1000 nm, they are unsuitable for forming a thin film inside the pores by blocking the pores with reaction products using counter-diffusion CVD. Therefore, in order to form a thin film inside the pores, it is preferable that the inorganic porous substrate has an intermediate layer formed as an inorganic porous membrane with an average pore diameter of approximately 4-8 nm.
特に、シリカを主成分とするガス分離層(分離活性層)を形成する場合には、好ましくは12nm以下、より好ましくは10nm以下、特に好ましくは8nm以下の平均細孔径の細孔を有するγ-アルミナ中間層からなる被成膜部が表面に形成された無機多孔質基材を用いるのがよい。ここで、主成分とは、含有率(質量%)が50質量%以上の物質をいう。ニッケル(Ni)元素を含むγ-アルミナ中間層は、ガス分離材に必要とされる耐湿性の観点から好適である。γ-アルミナ中間層における細孔の平均細孔径の下限値は、特に限定されないが、好ましくは1nm、より好ましくは2nm、更に好ましくは3nmである。このようなγ-アルミナ中間層は、好ましくは40nm-300nm、より好ましくは60nm-200nmの平均細孔径の細孔を有する多孔質支持基材の表面に形成されるのが好ましい。中間層の膜厚は、特に限定されない。中間層の膜厚は、1μm-6μmが好ましく、2μm-5μmがより好ましい。 In particular, when forming a gas separation layer (separation active layer) primarily composed of silica, it is preferable to use an inorganic porous substrate having a membrane-forming portion formed on its surface, which is a gamma-alumina intermediate layer with pores having an average pore diameter of preferably 12 nm or less, more preferably 10 nm or less, and particularly preferably 8 nm or less. Here, "main component" refers to a substance with a content (mass %) of 50% or more. A gamma-alumina intermediate layer containing nickel (Ni) is suitable from the perspective of the moisture resistance required for gas separation materials. The lower limit of the average pore diameter of the pores in the gamma-alumina intermediate layer is not particularly limited, but is preferably 1 nm, more preferably 2 nm, and even more preferably 3 nm. Such a gamma-alumina intermediate layer is preferably formed on the surface of a porous support substrate having pores with an average pore diameter of preferably 40 nm to 300 nm, more preferably 60 nm to 200 nm. The thickness of the intermediate layer is not particularly limited. The thickness of the intermediate layer is preferably 1 μm to 6 μm, and more preferably 2 μm to 5 μm.
尚、本明細書において、無機多孔質基材の平均細孔径は、市販の細孔分布測定装置を用いてバブルポイント法及びハーフドライ法により測定された細孔分布における50%透過流束径である。中間層の平均細孔径は、西華産業株式会社製細孔径分布測定装置「ナノパームポロメーター」により測定された細孔分布における50%透過流束径である。 In this specification, the average pore diameter of the inorganic porous substrate is the 50% permeation flux diameter in the pore distribution measured by the bubble point method and half-dry method using a commercially available pore distribution measuring device. The average pore diameter of the intermediate layer is the 50% permeation flux diameter in the pore distribution measured using a pore size distribution measuring device "Nanoperm Porometer" manufactured by Seika Sangyo Co., Ltd.
被成膜部の形状は、目的や用途に応じて適宜選択される。被成膜部の形状は、柱状、筒状、半筒状、棒状、塊状等のいずれであってもよい。被成膜部の大きさも、目的や用途に応じて選択される。被成膜部の形状が、ガス分離材に好適な円筒形状である場合は、その外径はφ3mm-φ16mmが好ましく、φ6mm-φ12mmがより好ましい。 The shape of the membrane-forming portion is selected appropriately depending on the purpose and application. The shape of the membrane-forming portion may be columnar, cylindrical, semi-cylindrical, rod-shaped, block-shaped, etc. The size of the membrane-forming portion is also selected depending on the purpose and application. If the membrane-forming portion has a cylindrical shape suitable for gas separation materials, its outer diameter is preferably φ3mm-φ16mm, and more preferably φ6mm-φ12mm.
(2)原料ガス
原料ガスは、気化させたシリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する。
(2) Source Gas The source gas contains a vaporized silica-forming substance and an inert gas.
(2.1)シリカ形成物質
シリカ形成物質は、シリカの前駆体である。シリカ形成物質として、有機ケイ素化合物、無機ケイ素化合物のいずれも使用可能である。
シリカ形成物質として、成膜性及び細孔径制御の観点から有機ケイ素化合物を用いることが好ましい。
有機ケイ素化合物としては、ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)、テトラエチルシロキサン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、トリメチルジシロキサン等のシロキサン化合物、CH3SiH3、ジメチルシラン、トリプロピルシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン等のシラン化合物が例示される。
無機ケイ素化合物としては、モノシラン、ジシラン、SiH2Cl2、SiF4などの無機シラン化合物が例示される。
これらのうちの一種以上のシリカ形成物質を気化させて、気体状態で使用することが望ましい。
尚、上記のシリカ形成物質は常温で液体のものが多いため、恒温状態に維持されたバブラーに液体を収容し、キャリアガスを作用させることで液体を気化させるバブリング方式を用いてガス化してもよい。また、ガス混合器を用いて複数種類のガスを混合したり、添加元素を含むガスを混合したりしてもよい。
(2.1) Silica-forming substance The silica-forming substance is a precursor of silica. As the silica-forming substance, either an organic silicon compound or an inorganic silicon compound can be used.
As the silica-forming substance, it is preferable to use an organosilicon compound from the viewpoint of film-forming properties and pore size control.
Examples of organosilicon compounds include siloxane compounds such as hexamethyldisiloxane (HMDS), tetraethylsiloxane, tetramethylcyclotetrasiloxane, and trimethyldisiloxane, and silane compounds such as CH 3 SiH 3 , dimethylsilane, tripropylsilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, and diphenyldimethoxysilane.
Examples of inorganic silicon compounds include inorganic silane compounds such as monosilane, disilane, SiH 2 Cl 2 and SiF 4 .
It is desirable to vaporize one or more of these silica-forming substances and use them in a gaseous state.
Since many of the silica-forming substances are liquid at room temperature, they may be gasified by a bubbling method in which the liquid is placed in a bubbler maintained at a constant temperature and vaporized by the action of a carrier gas. Alternatively, a gas mixer may be used to mix multiple types of gases or to mix a gas containing an additive element.
(2.2)不活性ガス
不活性ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスからなる群より選択される少なくとも1種である。不活性ガスは、キャリアガスとして用いられる。不活性ガスの含有割合は、原料ガス全体を100体積%としたとき、70体積%以上95体積%以下が好ましく、80体積%以上90%体積%以下がより好ましい。
(2.2) Inert Gas The inert gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen gas, helium gas, argon gas, krypton gas, and xenon gas. The inert gas is used as a carrier gas. The content of the inert gas is preferably 70% by volume or more and 95% by volume or less, and more preferably 80% by volume or more and 90% by volume or less, when the entire source gas is taken as 100% by volume.
(3)活性ガス
活性ガス(対向ガス)としては、酸素ガス、オゾンガス、水素ガス等を使用できる。活性ガスは、シリカ形成物質との反応性が良好な酸素元素を含む酸素ガス、及びオゾンガスからなる群より選択される少なくとも1種以上が好ましい。
(3) Active Gas As the active gas (counter gas), oxygen gas, ozone gas, hydrogen gas, etc., can be used. The active gas is preferably at least one selected from the group consisting of oxygen gas containing oxygen element, which has good reactivity with the silica-forming substance, and ozone gas.
(4)対向拡散による化学蒸着法
本製造方法では、多孔質基材の一方の面側に原料ガスを供給し、多孔質基材の他方の面側に活性ガスを供給して、原料ガス及び活性ガスを対向拡散させる。対向拡散による化学蒸着法の概念が図3に示されている。符号101は、多孔質基材(中間層たる無機多孔質膜)を示している。符号101Aは一方の面側を示し、符号101Bは他方の面側を示し、符号101Cは細孔を示している。符号103は原料ガスを示しており、符号105は活性ガスを示している。符号107は、シリカを含むガス分離層を示している。上側の矢印は、原料ガスの流れを模式的に示し、下側の矢印は、活性ガスの流れを模式的に示している。対向拡散による化学蒸着法では、多孔質基材101の有する細孔101Cの内部で、原料ガス103と活性ガス105が接触し、細孔101Cにガス分離層107が形成される。
(4) Counter-diffusion chemical vapor deposition method In this manufacturing method, a raw material gas is supplied to one side of a porous substrate, and an active gas is supplied to the other side of the porous substrate, causing counter-diffusion of the raw material gas and the active gas. The concept of counter-diffusion chemical vapor deposition is shown in FIG. 3. Reference numeral 101 indicates a porous substrate (an inorganic porous membrane serving as an intermediate layer). Reference numeral 101A indicates one side, reference numeral 101B indicates the other side, and reference numeral 101C indicates pores. Reference numeral 103 indicates a raw material gas, and reference numeral 105 indicates an active gas. Reference numeral 107 indicates a gas separation layer containing silica. The upper arrows schematically indicate the flow of the raw material gas, and the lower arrows schematically indicate the flow of the active gas. In the counter-diffusion chemical vapor deposition method, the raw material gas 103 and the active gas 105 come into contact with each other inside the pores 101C of the porous substrate 101, and a gas separation layer 107 is formed in the pores 101C.
図4には、化学気相浸透法(CVI法)が示されている。図4における符号は、図3と同様である。化学気相浸透法では、原料ガス103と活性ガス105とが多孔質基材101の同じ側(一方の面側101A)から細孔101Cに進入している。化学気相浸透法では、ガス分離層107の封孔に至る厚みが細孔101Cの径の数倍と厚いため、ガスの透過率が低く、分離性能が低いガス分離材となってしまう。化学気相浸透法に対して、図3の対向拡散による化学蒸着法では、ガス分離層107が細孔101Cを塞ぐと、原料ガス103と活性ガス105が非接触の状態となるため、シリカを含むガス分離層107の厚みが薄くなり、ガスの透過率が高く、性能が高いガス分離材となる。 Figure 4 shows the chemical vapor infiltration (CVI) method. The symbols in Figure 4 are the same as those in Figure 3. In chemical vapor infiltration, the source gas 103 and the active gas 105 enter the pores 101C from the same side (one surface 101A) of the porous substrate 101. In chemical vapor infiltration, the thickness of the gas separation layer 107 up to the sealing pores is several times the diameter of the pores 101C, resulting in a gas separation material with low gas permeability and low separation performance. In contrast to chemical vapor infiltration, in the counter-diffusion chemical vapor deposition method shown in Figure 3, when the gas separation layer 107 blocks the pores 101C, the source gas 103 and the active gas 105 are not in contact with each other. This reduces the thickness of the silica-containing gas separation layer 107, resulting in a gas separation material with high gas permeability and high performance.
反応温度は、原料の分解及びアモルファスネットワーク径制御の観点から、300℃以上800℃以下であり、300℃以上750℃以下が好ましく、550℃以上725℃以下がより好ましい。 From the viewpoint of decomposition of the raw materials and control of the amorphous network diameter, the reaction temperature is 300°C or higher and 800°C or lower, preferably 300°C or higher and 750°C or lower, and more preferably 550°C or higher and 725°C or lower.
ガス分離層である反応生成物の形成位置は、原料ガス及び活性ガス(対向ガス)の流量バランスに依存する。多孔質基材の有する細孔の内部に反応生成物を蒸着させたい場合には、原料ガスと活性ガスとの流量(sccm)の比を1:1-1:10とするのが好ましく、1:2-1:8とするのがより好ましい。原料ガス及び対向ガスが被成膜部の細孔内で接触する体積割合は、両者の合計を100体積%とした場合に、原料ガスの体積%が20-80体積%、さらには30体積%-70体積%が望ましい。 The position where the reaction product, which is the gas separation layer, is formed depends on the balance of the flow rates of the raw material gas and the active gas (counter gas). When depositing the reaction product inside the pores of the porous substrate, the flow rate (sccm) ratio of the raw material gas to the active gas is preferably 1:1-1:10, and more preferably 1:2-1:8. The volume ratio of the raw material gas and the counter gas that come into contact within the pores of the film formation area, assuming the total of both to be 100 volume percent, is preferably 20-80 volume percent of the raw material gas, and even more preferably 30-70 volume percent.
ガス分離層の平均細孔径は、特に限定されない。水素分離という観点からは、平均細孔径は、0.29nm-0.32nmが好ましい。ガス分離層の細孔径は、分子径が既知の純ガスを用いたガス透過法によって得られたガス透過率から推測された数値である。 The average pore diameter of the gas separation layer is not particularly limited. From the perspective of hydrogen separation, an average pore diameter of 0.29 nm to 0.32 nm is preferred. The pore diameter of the gas separation layer is a value estimated from the gas permeability obtained by a gas permeation method using pure gases with known molecular diameters.
(5)ガス分離層の加熱処理
本開示の製造方法では、化学蒸着によって形成されたガス分離層を、更に、加熱処理する。
加熱処理温度は、反応温度よりも低く、かつ200℃以上であり、250℃以上が好ましく、300℃以上が更に好ましい。加熱処理温度をこの範囲内とすることで、ガス分離層に残留した原料ガスに由来する有機物が取り除かれるから、ガス透過率が向上する。有機物は、特に限定されない。有機物は、例えば炭化水素であり、一般式CmHnで表される。
例えば、反応温度が、550℃以上700℃以下の場合には、加熱処理温度は250℃以上500℃以下が好ましい。
加熱処理時間は、特に限定されない。加熱処理時間は、製造コストを抑制しつつ、十分に有機物を取り除く観点から、1時間以上10時間以下が好ましく、3時間以上7時間以下がより好ましい。
(5) Heat Treatment of Gas Separation Layer In the production method of the present disclosure, the gas separation layer formed by chemical vapor deposition is further subjected to a heat treatment.
The heat treatment temperature is lower than the reaction temperature and is 200°C or higher, preferably 250°C or higher, and more preferably 300°C or higher. By setting the heat treatment temperature within this range, organic substances derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer are removed, thereby improving the gas permeability. The organic substances are not particularly limited. For example, the organic substances are hydrocarbons, and are represented by the general formula CmHn .
For example, when the reaction temperature is 550°C or higher and 700°C or lower, the heat treatment temperature is preferably 250°C or higher and 500°C or lower.
The heat treatment time is not particularly limited, but is preferably from 1 hour to 10 hours, more preferably from 3 hours to 7 hours, from the viewpoint of sufficiently removing organic substances while suppressing production costs.
図6,7は、加熱処理の前後のガス分離層の一例の模式図である。図6は、加熱処理前のガス分離層を示す。図6には、シリカ含有のガス分離膜の細孔に、有機物たるCmHnが不純物として存在することで立体障害を起こし、ガス透過が妨げられる様子が示されている。図7は、加熱処理後のガス分離層を示す。図7のガス分離層では、有機物が除去されて、立体障害が解消されて、ガス透過率が向上する様子が示されている。 Figures 6 and 7 are schematic diagrams of an example of a gas separation layer before and after heat treatment. Figure 6 shows the gas separation layer before heat treatment. Figure 6 shows how the presence of organic matter CmHn as an impurity in the pores of a silica-containing gas separation membrane causes steric hindrance, hindering gas permeation. Figure 7 shows the gas separation layer after heat treatment. The gas separation layer in Figure 7 shows how the organic matter has been removed, the steric hindrance has been eliminated, and the gas permeability has improved.
加熱処理は、酸素、ヘリウム、水素、アルゴン、及び窒素からなる群より選択される1種以上を含む気体の雰囲気下で行われることが好ましい。加熱処理における気体の圧力は、特に限定されない。気体の雰囲気は、減圧雰囲気であってもよい。減圧雰囲気であっても、雰囲気中には、酸素、ヘリウム、水素、アルゴン、及び窒素からなる群より選択される1種以上を含む気体が含まれることが好ましい。
酸素は、有機物を燃焼できるから有機物の除去に適していると推測される。
ヘリウムは、分子サイズが小さいため、ガス分離層の細孔に進入しやすく、有機物の除去効果が優れると推測される。
水素は、炭素をエッチングする作用を有しており、有機物の除去効果が優れると推測される。
The heat treatment is preferably performed in a gas atmosphere containing one or more gases selected from the group consisting of oxygen, helium, hydrogen, argon, and nitrogen. The gas pressure in the heat treatment is not particularly limited. The gas atmosphere may be a reduced pressure atmosphere. Even in the reduced pressure atmosphere, it is preferable that the atmosphere contains a gas containing one or more gases selected from the group consisting of oxygen, helium, hydrogen, argon, and nitrogen.
Oxygen is presumed to be suitable for removing organic matter because it can burn organic matter.
It is presumed that helium has a small molecular size and therefore easily penetrates into the pores of the gas separation layer, resulting in an excellent effect in removing organic matter.
Hydrogen has the ability to etch carbon, and is presumed to be highly effective in removing organic matter.
加熱処理においては、多孔質基材の一方の面側及び他方の面側の両面に気体が存在することが好ましい。そして、多孔質基材の一方の面側の気体のガス圧と、多孔質基材の他方の面側の気体のガス圧とのガス圧差が10kPa以上980kPa以下であることが好ましい。
例えば、多孔質基材の一方の面側における気体の供給流量を、他方の面側の供給流量よりも多くする、又は一方の面側における気体の供給流量を、他方の面側の供給流量よりも少なくすることによって、ガス圧差を調節してもよい。
また、多孔質基材の一方の面側を大気圧よりも減圧するか、又は他方の面側を大気圧よりも減圧することによって、ガス圧差を調節してもよい。
また、多孔質基材の一方の面側を大気圧よりも加圧するか、又は他方の面側を大気圧よりも加圧することによって、ガス圧差を調節してもよい。
In the heat treatment, it is preferable that gas is present on both sides of the porous substrate, and the difference in gas pressure between the gas on one side of the porous substrate and the gas on the other side of the porous substrate is preferably 10 kPa or more and 980 kPa or less.
For example, the gas pressure difference may be adjusted by increasing the gas supply flow rate on one side of the porous substrate relative to the gas supply flow rate on the other side, or by decreasing the gas supply flow rate on one side relative to the gas supply flow rate on the other side.
The gas pressure difference may also be adjusted by reducing the pressure on one side of the porous substrate below atmospheric pressure or by reducing the pressure on the other side of the porous substrate below atmospheric pressure.
The gas pressure difference may also be adjusted by pressurizing one surface of the porous substrate to a pressure higher than atmospheric pressure or by pressurizing the other surface to a pressure higher than atmospheric pressure.
このようなガス圧差により多孔質基材の一方の面側から他方の面側へ向けてガス圧の勾配が生じると、上述の気体が残存した有機物に接触しやすくなり、有機物が効率的に除去される。 When this gas pressure difference creates a gas pressure gradient from one side of the porous substrate to the other, the gas becomes more likely to come into contact with the remaining organic matter, resulting in efficient removal of the organic matter.
2.ガス分離材製造装置1
図1は、ガス分離材製造装置1の実施形態の一例を示している。ガス分離材製造装置1は、原料ガス供給部20と、対向ガス供給部30(「活性ガス供給部」に相当)と、加熱処理部60とを備える。原料ガス供給部20は、多孔質基材Sの一方の面側に、気化させたシリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスを供給する。対向ガス供給部30は、多孔質基材Sの他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給する。ガス分離材製造装置1は、原料ガス及び対向ガス(活性ガス)を対向拡散させて、300℃以上800℃以下の反応温度で、多孔質基材Sの細孔内に化学蒸着よってシリカを含むガス分離層を形成する。加熱処理部60は、化学蒸着によって形成されたガス分離層を、反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて加熱処理する。
ガス分離材製造装置1では、「1.ガス分離材の製造方法」の項目で説明した「(1)多孔質基材」「(2)原料ガス」「(3)活性ガス」「(4)対向拡散による化学蒸着法」「(5)ガス分離層の加熱処理」「(6)ガス分離材」等の記載をそのまま適用し、これらの記載を省略する。
2. Gas separation material manufacturing device 1
FIG. 1 shows an example of an embodiment of a gas separation material manufacturing apparatus 1. The gas separation material manufacturing apparatus 1 includes a raw material gas supply unit 20, an opposing gas supply unit 30 (corresponding to an "active gas supply unit"), and a heat treatment unit 60. The raw material gas supply unit 20 supplies a raw material gas containing a vaporized silica-forming substance and an inert gas to one side of a porous substrate S. The opposing gas supply unit 30 supplies an active gas, which serves as a reactive species, to the other side of the porous substrate S. The gas separation material manufacturing apparatus 1 forms a gas separation layer containing silica by chemical vapor deposition in the pores of the porous substrate S at a reaction temperature of 300°C to 800°C by counter-diffusion of the raw material gas and the opposing gas (active gas). The heat treatment unit 60 heats the gas separation layer formed by chemical vapor deposition at a temperature lower than the reaction temperature and equal to or higher than 200°C.
In the gas separation material manufacturing apparatus 1, the descriptions such as "(1) porous substrate,""(2) raw material gas,""(3) activated gas,""(4) counter-diffusion chemical vapor deposition method,""(5) heat treatment of gas separation layer," and "(6) gas separation material" explained in the section "1. Gas separation material manufacturing method" are applied as is, and these descriptions are omitted.
ガス分離材製造装置1は、成膜チャンバー10と、原料ガス排気機構40と、対向ガス排気機構50と、を備えている。
成膜チャンバー10は、例えば、円筒形状で例えばステンレス鋼製の反応器よりなる。成膜チャンバー10の軸方向の両端部には、それぞれ一対のOリングを介して真空継手が固定されている。成膜チャンバー10の軸方向一端側の対向ガス供給口11には対向ガス供給部30が接続され、成膜チャンバー10の軸方向他端側の対向ガス排気口12には対向ガス排気機構50が接続されている。また、成膜チャンバー10の外周面には、原料ガス供給口13となる原料ガス供給管と、原料ガス排気口14となる原料ガス排気管が設けられている。原料ガス供給口13には原料ガス供給部20が接続され、原料ガス排気口14には原料ガス排気機構40が接続されている。また、原料ガス供給口13には、対向ガス供給部30も接続されている。加熱処理においては、対向ガス供給部30の第3ガスボンベ34から、対向ガス供給口11及び原料ガス供給口13を介して、加熱処理時の雰囲気ガスが成膜チャンバー10内に供給されるように構成されている。第3ガスボンベ34には、化学蒸着の際は活性ガスが封入されており、加熱処理の際は加熱処理時の雰囲気ガスが封入されている。加熱処理時の雰囲気ガスは、酸素、ヘリウム、水素、アルゴン、及び窒素からなる群より選択される1種以上を含む気体が好ましい。
成膜チャンバー10は、被処理材としての多孔質基材Sを収容する収容空間を有している。
The gas separation material manufacturing apparatus 1 includes a film formation chamber 10 , a raw material gas exhaust mechanism 40 , and an opposing gas exhaust mechanism 50 .
The film formation chamber 10 is, for example, a cylindrical reactor made of, for example, stainless steel. Vacuum joints are fixed to both axial ends of the film formation chamber 10 via a pair of O-rings. A counter gas supply unit 30 is connected to a counter gas supply port 11 at one axial end of the film formation chamber 10, and a counter gas exhaust mechanism 50 is connected to a counter gas exhaust port 12 at the other axial end of the film formation chamber 10. A source gas supply pipe serving as a source gas supply port 13 and a source gas exhaust pipe serving as a source gas exhaust port 14 are also provided on the outer circumferential surface of the film formation chamber 10. A source gas supply unit 20 is connected to the source gas supply port 13, and a source gas exhaust mechanism 40 is connected to the source gas exhaust port 14. The source gas supply port 13 is also connected to the counter gas supply unit 30. During the heat treatment, atmospheric gas during the heat treatment is supplied into the film formation chamber 10 from a third gas cylinder 34 of the counter gas supply unit 30 via the counter gas supply port 11 and the source gas supply port 13. The third gas cylinder 34 contains an active gas during chemical vapor deposition and an atmospheric gas during heat treatment, which is preferably a gas containing at least one selected from the group consisting of oxygen, helium, hydrogen, argon, and nitrogen.
The film formation chamber 10 has a storage space for storing a porous substrate S as a material to be treated.
原料ガス供給部20は、例えばステンレス鋼製の原料ガス供給配管21と、第1バブラー22aと、第1のマスフローコントローラ(以下、マスフローコントローラを「MFC」と略記する。)たる第1MFC23aと、第1ガスボンベ24aと、第2バブラー22bと、第2MFC23bと、第2ガスボンベ24bと、第1開閉バルブ71と、第2開閉バルブ72と、第3開閉バルブ73と、第4開閉バルブ74と、開閉バルブαと、開閉バルブβと、を有している。原料ガス供給配管21の一端は成膜チャンバー10の原料ガス供給口13に接続され、原料ガス供給配管21の他端側は分岐して第1バブラー22aと第2バブラー22bとにそれぞれ接続されている。第1バブラー22a及び第2バブラー22bはバブラー内を恒温状態に維持するマントルヒータを有している。原料ガス供給口13と第1バブラー22aとを接続する原料ガス供給配管21の一方の分岐部分には第1開閉バルブ71が配置され、原料ガス供給口13と第2バブラー22bとを接続する原料ガス供給配管21の他方の分岐部分には第2開閉バルブ72が配置されている。第1バブラー22aは第1配管25aを介して第1ガスボンベ24aに接続されている。第1バブラー22aと第1ガスボンベ24aとを接続する第1配管25aには、第1バブラー22a側から順に第3開閉バルブ73及び第1MFC23aが配置されている。第2バブラー22bは第2配管25bを介して第2ガスボンベ24bに接続されている。第2バブラー22bと第2ガスボンベ24bとを接続する第2配管25bには、第2バブラー22b側から順に第4開閉バルブ74及び第2MFC23bが配置されている。また、原料ガス供給配管21と対向ガス供給配管31とは第3配管25cにより接続され、第3配管25cには第9開閉バルブ80が配置されている。 The source gas supply unit 20 includes a source gas supply pipe 21 (e.g., stainless steel), a first bubbler 22a, a first mass flow controller (hereinafter, "MFC"), a first MFC 23a, a first gas cylinder 24a, a second bubbler 22b, a second MFC 23b, a second gas cylinder 24b, a first on-off valve 71, a second on-off valve 72, a third on-off valve 73, a fourth on-off valve 74, on-off valves α and β. One end of the source gas supply pipe 21 is connected to the source gas supply port 13 of the deposition chamber 10, and the other end branches off and is connected to the first bubbler 22a and the second bubbler 22b, respectively. The first bubbler 22a and the second bubbler 22b each have a mantle heater that maintains a constant temperature inside the bubbler. A first on-off valve 71 is disposed at one branch of the raw gas supply pipe 21 connecting the raw gas supply port 13 and the first bubbler 22a, and a second on-off valve 72 is disposed at the other branch of the raw gas supply pipe 21 connecting the raw gas supply port 13 and the second bubbler 22b. The first bubbler 22a is connected to the first gas cylinder 24a via a first pipe 25a. A third on-off valve 73 and a first MFC 23a are disposed in this order from the first bubbler 22a side in the first pipe 25a connecting the first bubbler 22a and the first gas cylinder 24a. The second bubbler 22b is connected to the second gas cylinder 24b via a second pipe 25b. A fourth on-off valve 74 and a second MFC 23b are disposed in this order from the second bubbler 22b side in the second pipe 25b connecting the second bubbler 22b and the second gas cylinder 24b. Furthermore, the source gas supply pipe 21 and the counter gas supply pipe 31 are connected by a third pipe 25c, and a ninth opening/closing valve 80 is disposed on the third pipe 25c.
対向ガス供給部30は、例えばステンレス鋼製の対向ガス供給配管31と、第3MFC33と、第3ガスボンベ34と、第5開閉バルブ75と、開閉バルブγと、を有している。対向ガス供給配管31の一端は成膜チャンバー10の対向ガス供給口11及び原料ガス供給口13に接続され、対向ガス供給配管31の他端は第3ガスボンベ34に接続されている。対向ガス供給配管31には、対向ガス供給口11側から順に、開閉バルブγ、第5開閉バルブ75及び第3MFC33が配置されている。 The counter gas supply unit 30 includes a counter gas supply pipe 31 made of, for example, stainless steel, a third MFC 33, a third gas cylinder 34, a fifth on-off valve 75, and an on-off valve γ. One end of the counter gas supply pipe 31 is connected to the counter gas supply port 11 and source gas supply port 13 of the film formation chamber 10, and the other end of the counter gas supply pipe 31 is connected to the third gas cylinder 34. The on-off valve γ, the fifth on-off valve 75, and the third MFC 33 are arranged on the counter gas supply pipe 31, in this order from the counter gas supply port 11 side.
成膜チャンバー10内を排気する排気機構としての原料ガス排気機構40は、例えばステンレス鋼製の原料ガス排気配管41と、コールドトラップ42と、第1圧力計43と、第6開閉バルブ76と、を有している。原料ガス排気配管41の一端は成膜チャンバー10の原料ガス排気口14に接続され、原料ガス排気配管41の他端はコールドトラップ42に接続されている。コールドトラップ42の排気側は大気に開放されている。原料ガス排気配管41には、原料ガス排気口14側から順に、第1圧力計43及び第6開閉バルブ76が配置されている。 The source gas exhaust mechanism 40, which serves as an exhaust mechanism for exhausting the inside of the film formation chamber 10, includes a source gas exhaust pipe 41 made of, for example, stainless steel, a cold trap 42, a first pressure gauge 43, and a sixth on-off valve 76. One end of the source gas exhaust pipe 41 is connected to the source gas exhaust port 14 of the film formation chamber 10, and the other end of the source gas exhaust pipe 41 is connected to the cold trap 42. The exhaust side of the cold trap 42 is open to the atmosphere. The source gas exhaust pipe 41 is equipped with the first pressure gauge 43 and the sixth on-off valve 76, arranged in this order from the source gas exhaust port 14 side.
成膜チャンバー10内を排気する排気機構としての対向ガス排気機構50は、例えばステンレス鋼製の対向ガス排気配管51と、第2圧力計52と、真空ポンプとしてのロータリーポンプ53と、第1流量調整バルブ54aと、第7開閉バルブ77と、第8開閉バルブ79と、を有している。対向ガス排気配管51の一端は成膜チャンバー10の対向ガス排気口12に接続され、対向ガス排気配管51の他端は第8開閉バルブ79を介して大気に開放されている。対向ガス排気配管51の対向ガス排気口12側には第2圧力計52が配置され、第8開閉バルブ79と第2圧力計52との間における対向ガス排気配管51からは、第1分岐対向ガス排気配管51aが分岐している。対向ガス排気配管51はロータリーポンプ53に接続されている。対向ガス排気配管51には、対向ガス排気配管51からの分岐点側から順に、第1流量調整バルブ54a及び第7開閉バルブ77が配置されている。 The opposing gas exhaust mechanism 50, which serves as an exhaust mechanism for exhausting the interior of the deposition chamber 10, includes an opposing gas exhaust pipe 51 made of, for example, stainless steel, a second pressure gauge 52, a rotary pump 53 serving as a vacuum pump, a first flow control valve 54a, a seventh on-off valve 77, and an eighth on-off valve 79. One end of the opposing gas exhaust pipe 51 is connected to the opposing gas exhaust port 12 of the deposition chamber 10, and the other end of the opposing gas exhaust pipe 51 is open to the atmosphere via the eighth on-off valve 79. A second pressure gauge 52 is disposed on the opposing gas exhaust pipe 51 on the opposing gas exhaust port 12 side, and a first branch opposing gas exhaust pipe 51a branches off from the opposing gas exhaust pipe 51 between the eighth on-off valve 79 and the second pressure gauge 52. The opposing gas exhaust pipe 51 is connected to the rotary pump 53. The first flow control valve 54a and the seventh on-off valve 77 are disposed on the opposing gas exhaust pipe 51, in that order from the branch point from the opposing gas exhaust pipe 51.
加熱処理部60としては、例えば円筒形状のモジュールヒータからなる発熱体とAl2O3-SiO2セラミックスファイバ製の断熱材とがアルミニウム製の筐体に収容されてなる、電気管状炉を用いることができる。電気管状炉は、軸方向に二分割開閉可能に構成されており、断面には、原料ガス供給口13となる原料ガス供給管及び原料ガス排気口14となる原料ガス排気管を挟持する2組の半円形状溝を有する。また、発熱体の中空部分に成膜チャンバー10が互いに同軸的になるように収容されていてもよい。 For example, an electric tubular furnace having a heating element made of a cylindrical module heater and a heat insulating material made of Al 2 O 3 —SiO 2 ceramic fiber housed in an aluminum housing can be used as the heating processing unit 60. The electric tubular furnace is configured to be axially divided into two parts so as to be openable and closable, and has two sets of semicircular grooves in its cross section that sandwich a raw material gas supply pipe serving as the raw material gas supply port 13 and a raw material gas exhaust pipe serving as the raw material gas exhaust port 14. Furthermore, the film formation chamber 10 may be housed coaxially in the hollow portion of the heating element.
ここで、ガス分離材製造装置1を用いたガス分離材の製造について説明する。まず、成膜チャンバー10に多孔質基材Sを設置する。原料ガス供給部20は、成膜チャンバー10内の多孔質基材Sの一方の面側(外周面側)に原料ガスを供給する。対向ガス供給部30は、多孔質基材Sの他方の面側(内周面側)に、活性ガスを供給する。このように原料ガス及び活性ガスを対向拡散させて、300℃以上800℃以下の反応温度で、多孔質基材Sの細孔内に化学蒸着よってシリカを含むガス分離層を形成する。その後、加熱処理部60は、化学蒸着によって形成されたガス分離層を、反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて加熱処理する。加熱処理の際には、多孔質基材Sの一方の面側、及び他方の面側の少なくとも一方に、雰囲気ガスを供給した状態で行うことが好ましい。雰囲気ガスは、第3ガスボンベ34を用いて供給される。多孔質基材Sの一方の面側に雰囲気ガスを供給する場合は、第3ガスボンベ34から原料ガス供給口13を介して供給する。多孔質基材Sの他方の面側に雰囲気ガスを供給する場合は、第3ガスボンベ34から対向ガス供給口11を介して供給する。
本開示のガス分離材製造装置1を用いれば、加熱処理部60によって、化学蒸着で形成されたガス分離層を、反応温度よりも低く、かつ200℃以上の温度にて加熱処理して、原料ガスに由来する有機物が取り除かれるから、ガス透過率が高いガス分離材を製造できる。
Here, the production of a gas separation material using the gas separation material manufacturing apparatus 1 will be described. First, a porous substrate S is placed in the film formation chamber 10. The raw material gas supply unit 20 supplies raw material gas to one side (outer peripheral side) of the porous substrate S in the film formation chamber 10. The counter gas supply unit 30 supplies active gas to the other side (inner peripheral side) of the porous substrate S. In this manner, the raw material gas and the active gas are counter-diffused to form a gas separation layer containing silica in the pores of the porous substrate S by chemical vapor deposition at a reaction temperature of 300°C to 800°C. Thereafter, the heat treatment unit 60 heats the gas separation layer formed by chemical vapor deposition at a temperature lower than the reaction temperature and equal to or higher than 200°C. During the heat treatment, it is preferable to perform the heat treatment with atmospheric gas supplied to at least one of the one side and the other side of the porous substrate S. The atmospheric gas is supplied using a third gas cylinder 34. When the atmospheric gas is supplied to one side of the porous substrate S, it is supplied from the third gas cylinder 34 via the raw material gas supply port 13. When the atmospheric gas is supplied to the other side of the porous substrate S, it is supplied from the third gas cylinder 34 via the opposing gas supply port 11.
By using the gas separation material manufacturing apparatus 1 of the present disclosure, the heat treatment unit 60 heats the gas separation layer formed by chemical vapor deposition at a temperature lower than the reaction temperature and not lower than 200°C, thereby removing organic matter derived from the raw material gas, thereby making it possible to manufacture a gas separation material with high gas permeability.
なお、ガス分離層の加熱処理は、化学蒸着を行った成膜チャンバー10内で行わなくてもよい。つまり、化学蒸着後に、成膜チャンバー10から多孔質基材Sを取り出して別の容器内で加熱処理してもよい。 The heat treatment of the gas separation layer does not have to be performed in the film formation chamber 10 where chemical vapor deposition was performed. In other words, after chemical vapor deposition, the porous substrate S may be removed from the film formation chamber 10 and heat-treated in a separate container.
3.ガス分離材
ガス分離材は、シリカ形成物質、及び不活性ガスを含有する原料ガスと、活性ガスとを用いた対向拡散化学蒸着により形成されたシリカを含むガス分離層を備える。ガス分離材は、複数の細孔を有する多孔質基材と、多孔質基材の少なくとも細孔の内部を閉塞するガス分離層と、を備える形態が好ましい。
ガス分離材のガス分離層は、ガス透過率を向上させる観点から、炭素の含有量が0.3質量%未満であることが好ましい。炭素の含有量が0質量%でもよい。
なお、ガス分離層中の炭素の含有量は、全自動元素分析装置(有機微量元素分析:CHN分析)(商品名「vario MACRO cube」、エレメンター・ジャパン株式会社製)を用い、以下の条件の下で測定することにより求めることができる。
燃焼温度:1150℃
還元温度:850℃
標準物質:スルファニルアミド標準品(エレメンター・ジャパン株式会社製)
3. Gas Separation Material The gas separation material comprises a gas separation layer containing silica formed by counter-diffusion chemical vapor deposition using a source gas containing a silica-forming substance and an inert gas and an active gas. The gas separation material preferably comprises a porous substrate having a plurality of pores and a gas separation layer that blocks at least the inside of the pores of the porous substrate.
From the viewpoint of improving gas permeability, the gas separation layer of the gas separation material preferably has a carbon content of less than 0.3 mass %, although the carbon content may be 0 mass %.
The carbon content in the gas separation layer can be determined by measurement under the following conditions using a fully automatic elemental analyzer (organic trace element analysis: CHN analysis) (product name "vario MACRO cube", manufactured by Elementor Japan Co., Ltd.).
Combustion temperature: 1150°C
Reduction temperature: 850°C
Standard substance: sulfanilamide standard (Elementar Japan Co., Ltd.)
なお、「3.ガス分離材」の項目では、「1.ガス分離材の製造方法」の項目で説明した「(1)多孔質基材」「(2)原料ガス」「(3)活性ガス」「(4)対向拡散による化学蒸着法」「(5)ガス分離層の加熱処理」「(6)ガス分離材」等の記載をそのまま適用し、これらの記載を省略する。 In the section "3. Gas separation material," the descriptions of "(1) porous substrate," "(2) feed gas," "(3) activated gas," "(4) counter-diffusion chemical vapor deposition method," "(5) heat treatment of gas separation layer," "(6) gas separation material," etc., explained in the section "1. Manufacturing method of gas separation material" will be applied as is, and these descriptions will be omitted.
以下、実施例により更に具体的に説明する。
1.加熱処理温度の影響(FT-IRによる評価)
有機物が加熱処理により取り除かれることをFT-IRで確認した。
(1)試料の調製
(1.1)ガス分離層の形成
外径φ12mm、軸方向長さ500mm、厚さ1.6mmで、170nmの平均細孔径の連通孔を有する非対称型α-アルミナ製の多孔質チューブを準備した。この多孔質チューブの外表面の両端部をガラスシールした後、中央部にNi添加γ-アルミナをコートし、大気中、800℃で焼成した。これにより、軸方向両端部の外表面にガラスシール部S1が形成され、軸方向中央部の外表面にNi添加γ-アルミナ中間層よりなる被成膜部S2が形成された、被処理材としての多孔質基材Sを準備した。被成膜部S2は、軸方向長さ50mm、厚さ2.5μm、平均細孔径8nmであった。
The present invention will be explained in more detail below with reference to examples.
1. Effect of heat treatment temperature (evaluation by FT-IR)
It was confirmed by FT-IR that the organic matter was removed by the heat treatment.
(1) Sample Preparation (1.1) Formation of Gas Separation Layer An asymmetric α-alumina porous tube having an outer diameter of 12 mm, an axial length of 500 mm, a thickness of 1.6 mm, and communicating pores with an average pore diameter of 170 nm was prepared. After glass sealing both ends of the outer surface of this porous tube, Ni-doped γ-alumina was coated in the center and fired in air at 800 ° C. As a result, a glass seal portion S1 was formed on the outer surface of both axial ends, and a film-forming portion S2 consisting of a Ni-doped γ-alumina intermediate layer was formed on the outer surface of the axial center, and a porous substrate S was prepared as a treated material. The film-forming portion S2 had an axial length of 50 mm, a thickness of 2.5 μm, and an average pore diameter of 8 nm.
上記ガス分離材製造装置1を用いて、以下のようにして、上記多孔質基材Sの被成膜部S2にシリカを含むガス分離層を形成した。
まず、多孔質基材Sを、成膜チャンバー10の一端部から他端部へ挿入した。そして、多孔質基材Sの両端部を2つ一組のOリングを介して真空継手で固定し、成膜チャンバー10の内部が気密になるようにした。成膜チャンバー10の内部は、多孔質基材Sにより、外周面側に位置する原料ガス供給部分15と、内周面側に位置する対向ガス供給部分16と、に区画された。なお、原料ガス排気口14は、被成膜部S2の一端側付近に位置し、原料ガス供給口13は被成膜部S2の他端側付近に位置する。
Using the gas separation material manufacturing apparatus 1, a gas separation layer containing silica was formed on the membrane formation portion S2 of the porous substrate S in the following manner.
First, the porous substrate S was inserted from one end to the other end of the film formation chamber 10. Then, both ends of the porous substrate S were fixed with vacuum fittings via a pair of O-rings, making the inside of the film formation chamber 10 airtight. The inside of the film formation chamber 10 was partitioned by the porous substrate S into a source gas supply section 15 located on the outer circumferential surface side and an opposing gas supply section 16 located on the inner circumferential surface side. The source gas exhaust port 14 was located near one end of the film formation section S2, and the source gas supply port 13 was located near the other end of the film formation section S2.
次に、成膜チャンバー10を加熱処理部60としての電気管状炉の発熱体内に収容した。この状態で、対向ガス供給口11側の真空継手と対向ガス供給配管31、対向ガス排気口12側の真空継手と対向ガス排気配管51、原料ガス供給口13となる原料ガス供給管と原料ガス供給配管21、原料ガス排気口14となる原料ガス排気配管41と、をそれぞれ接続した。 Next, the film formation chamber 10 was placed inside the heating element of an electric tubular furnace serving as the heating processing unit 60. In this state, the vacuum fitting on the opposing gas supply port 11 side was connected to the opposing gas supply pipe 31, the vacuum fitting on the opposing gas exhaust port 12 side was connected to the opposing gas exhaust pipe 51, the raw gas supply pipe serving as the raw gas supply port 13 was connected to the raw gas supply pipe 21, and the raw gas exhaust pipe 41 serving as the raw gas exhaust port 14 was connected.
第1ガスボンベ24aにはキャリアガスとしての窒素を、第1バブラー22aには原料ガスとしてのヘキサメチルジシロキサン(HMDS)を、それぞれ準備した。また、第3ガスボンベ34には対向ガス(活性ガス)としての酸素ガスを準備した。また、第2ガスボンベ24bにはキャリアガスとしての窒素を、第2バブラー22bには原料ガスとしてのジルコニウムイソポロポキシド(ZDTH)を、それぞれ準備した。HMDS及びZDTHの化学式は、図2に示されている。 Nitrogen was prepared as a carrier gas in the first gas cylinder 24a, and hexamethyldisiloxane (HMDS) was prepared as a source gas in the first bubbler 22a. Oxygen gas was prepared as a counter gas (active gas) in the third gas cylinder 34. Nitrogen was prepared as a carrier gas in the second gas cylinder 24b, and zirconium isopropoxide (ZDTH) was prepared as a source gas in the second bubbler 22b. The chemical formulas of HMDS and ZDTH are shown in Figure 2.
初期状態で、開閉バルブは全て閉じた。はじめに、ロータリーポンプ53を作動させて第1分岐対向ガス排気配管51aに配置された第7開閉バルブ77を開き、成膜チャンバー10内を減圧した。成膜チャンバー10内の圧力が20Paに到達したら、加熱処理部60を作動させて、成膜チャンバー10内の温度を625℃まで昇温させた。このとき、成膜チャンバー10の両端部は、冷却ファン(図示せず)により冷却した。 In the initial state, all on-off valves were closed. First, the rotary pump 53 was operated to open the seventh on-off valve 77 located on the first branched opposing gas exhaust pipe 51a, thereby reducing the pressure inside the film formation chamber 10. When the pressure inside the film formation chamber 10 reached 20 Pa, the heating unit 60 was operated to raise the temperature inside the film formation chamber 10 to 625°C. At this time, both ends of the film formation chamber 10 were cooled by cooling fans (not shown).
次に、第7開閉バルブ77を閉じてロータリーポンプ53を停止し、開閉バルブαを開き、成膜チャンバー10内に第1ガスボンベ24aから窒素ガスを導入し、成膜チャンバー10内を窒素ガスで置換した。成膜チャンバー10内の温度(反応温度)を625℃に維持した。開閉バルブαを閉じ、第1開閉バルブ71及び第3開閉バルブ73を開け、第1バブラー22a内のHMDSを窒素ガスでバブリングして気化させるとともに、第2バブラー22b内のZDTHを窒素ガスでバブリングして気化させて、成膜チャンバー10の原料ガス供給口13に原料ガスを導入した。余剰の原料ガスが成膜チャンバー10外に放出されるように、原料ガス排気配管41に配置された第6開閉バルブ76を開放した。 Next, the seventh on-off valve 77 was closed to stop the rotary pump 53, and on-off valve α was opened to introduce nitrogen gas from the first gas cylinder 24a into the film formation chamber 10, replacing the atmosphere inside the film formation chamber 10 with nitrogen gas. The temperature (reaction temperature) inside the film formation chamber 10 was maintained at 625°C. On-off valve α was closed, and the first on-off valve 71 and third on-off valve 73 were opened. The HMDS in the first bubbler 22a was bubbled with nitrogen gas to vaporize it, and the ZDTH in the second bubbler 22b was bubbled with nitrogen gas to vaporize it, and the source gases were introduced into the source gas supply port 13 of the film formation chamber 10. The sixth on-off valve 76 located on the source gas exhaust pipe 41 was opened to release excess source gas outside the film formation chamber 10.
そして、対向ガス供給配管31に配置された第5開閉バルブ75、開閉バルブγを開放し、第3ガスボンベ34からの対向ガス供給を開始した。第3ガスボンベ34及び第3MFC33から成膜チャンバー10の対向ガス供給部分16へ対向ガスを所定の設定流量で供給した。余剰の対向ガスが成膜チャンバー10外に放出されるように、対向ガス排気配管51に配置された第8開閉バルブ79を開放した。こうして、原料ガスと対向ガスとを対向拡散させて、化学蒸着よりガス分離層を形成した。反応時間は5分であった。このときの原料ガスと対向ガスとのガス流量比(sccm)は1:5とした。 Then, the fifth on-off valve 75 and on-off valve γ, located on the counter gas supply pipe 31, were opened to start the supply of counter gas from the third gas cylinder 34. Counter gas was supplied from the third gas cylinder 34 and the third MFC 33 to the counter gas supply section 16 of the film formation chamber 10 at a predetermined flow rate. The eighth on-off valve 79, located on the counter gas exhaust pipe 51, was opened to release excess counter gas outside the film formation chamber 10. In this way, the source gas and the counter gas were counter-diffused to form a gas separation layer by chemical vapor deposition. The reaction time was 5 minutes. The gas flow ratio (sccm) of the source gas to the counter gas was 1:5.
(1.2)加熱処理
He雰囲気にて、ガス分離層を形成した多孔質基材Sを種々の温度で熱処理した。熱処理温度は、室温(RT)、200℃、300℃、400℃、500℃とした。処理時間は、いずれも5時間とした。
(1.2) Heat Treatment In a He atmosphere, the porous substrate S on which the gas separation layer was formed was heat treated at various temperatures. The heat treatment temperatures were room temperature (RT), 200°C, 300°C, 400°C, and 500°C. The treatment time was 5 hours in each case.
(2)評価方法
各温度で処理したガス分離層についてFT-IR測定を行った。
(2) Evaluation Method FT-IR measurement was carried out on the gas separation layer treated at each temperature.
(3)結果
結果を図5に示す。温度の上昇とともに、炭化水素基(-CH3,―CH2-)の吸収ピークが減少した。
(3) Results The results are shown in Figure 5. As the temperature increased, the absorption peaks of hydrocarbon groups (-CH 3 , -CH 2 -) decreased.
2.加熱処理温度と透過率の関係
加熱処理温度と透過率の関係を検討した。
(1)試料の調製
(1.1)ガス分離層の形成
ガス分離層は、上述の「1.加熱処理温度の影響 (1.1)ガス分離層の形成」の欄と同様に形成した。
2. Relationship between heat treatment temperature and transmittance The relationship between heat treatment temperature and transmittance was investigated.
(1) Preparation of Samples (1.1) Formation of Gas Separation Layer A gas separation layer was formed in the same manner as described above in the section "1. Effect of Heat Treatment Temperature (1.1) Formation of Gas Separation Layer."
(1.2)加熱処理
O2雰囲気にて、ガス分離層を形成した多孔質基材Sを種々の温度で熱処理した。熱処理温度は、300℃、400℃、500℃とした。処理時間は、いずれも5時間とした。
(1.2) Heat Treatment In an O2 atmosphere, the porous substrate S on which the gas separation layer was formed was heat treated at various temperatures. The heat treatment temperatures were 300°C, 400°C, and 500°C. The treatment time was 5 hours in each case.
(2)評価方法
各加熱温度で処理したガス分離層について、純ガスを用いた減圧式透過率測定を行った。減圧式透過率測定とは、ガス分離層を透過したガスを容積一定の容器に溜めた際に生じる圧力変化に要する時間から透過量を測定し、ガス分離層のガス透過率を算出する方法である。測定には、ガス透過試験装置を用い、定容積圧力変化法に基づき、50℃における単成分ガス透過試験を行った。単成分ガスは、ヘリウム、水素、二酸化炭素、アルゴン及び窒素を用いた。
圧力変化量および計測した変化時間から透過量[mol・s-1・Pa-1]を算出してから、単位面積あたりの透過率[mol・m-2・s-1・Pa-1]を算出した。アルゴンガス及び水素ガスの透過率の値から、水素/アルゴン透過率比(H2/Ar)を求めた。窒素ガス及び水素ガスの透過率の値から、水素/窒素透過率比(H2/N2)を求めた。
(2) Evaluation Method: For the gas separation layers treated at each heating temperature, reduced pressure permeability measurements were performed using pure gases. Reduced pressure permeability measurements are a method of calculating the gas permeability of the gas separation layer by measuring the amount of permeation from the time required for the pressure change that occurs when the gas that has permeated the gas separation layer is stored in a container with a constant volume. For the measurements, a single-component gas permeation test was performed at 50°C using a gas permeation tester based on the constant volume pressure change method. The single-component gases used were helium, hydrogen, carbon dioxide, argon, and nitrogen.
The permeation amount [mol·s −1 ·Pa −1 ] was calculated from the pressure change amount and the measured change time, and then the permeability per unit area [mol·m −2 ·s −1 ·Pa −1 ] was calculated. The hydrogen/argon permeability ratio (H 2 /Ar) was calculated from the permeability values of argon gas and hydrogen gas. The hydrogen/nitrogen permeability ratio (H 2 /N 2 ) was calculated from the permeability values of nitrogen gas and hydrogen gas.
(3)結果
結果を図8に示す。加熱処理の温度が高くなると、水素の透過率が増加した。この結果は、温度が高い程、未反応物がよく除去されることを裏付けている。水素/アルゴン透過率比、及び水素/窒素透過率比のいずれも温度が高くなると、増加することが確認された。このように加熱処理により、ガス分離層のガス選択性も向上した。
(3) Results The results are shown in Figure 8. As the heat treatment temperature increased, the hydrogen permeability increased. This result confirms that the higher the temperature, the better the removal of unreacted materials. It was confirmed that both the hydrogen/argon permeability ratio and the hydrogen/nitrogen permeability ratio increased as the temperature increased. In this way, the heat treatment also improved the gas selectivity of the gas separation layer.
3.加熱処理雰囲気と透過率の関係
加熱処理雰囲気と透過率の関係を検討した。透過率を測定したガスは、分子動力学的直径が小さい順に、Heガス、H2ガス、CO2ガス、Arガス、N2ガスである。
(1)試料の調製
(1.1)ガス分離層の形成
ガス分離層は、上述の「1.加熱処理温度の影響 (1.1)ガス分離層の形成」の欄と同様に形成した。
3. Relationship between Heat Treatment Atmosphere and Transmittance The relationship between heat treatment atmosphere and transmittance was investigated. The gases for which transmittance was measured were He gas, H2 gas, CO2 gas, Ar gas, and N2 gas, in order of decreasing molecular dynamic diameter.
(1) Preparation of Samples (1.1) Formation of Gas Separation Layer A gas separation layer was formed in the same manner as described above in the section "1. Effect of Heat Treatment Temperature (1.1) Formation of Gas Separation Layer."
(1.2)加熱処理
ガス分離層を形成した多孔質基材Sを各種の雰囲気で加熱処理した。雰囲気の種類は、He雰囲気、H2雰囲気、CO2雰囲気、Ar雰囲気、O2雰囲気、N2雰囲気とした。熱処理温度は、いずれも400℃とした。処理時間は、いずれも5時間とした。
(1.2) Heat Treatment The porous substrate S on which the gas separation layer was formed was heat treated in various atmospheres. The types of atmosphere were He atmosphere, H2 atmosphere, CO2 atmosphere, Ar atmosphere, O2 atmosphere, and N2 atmosphere. The heat treatment temperature was 400°C in all cases. The treatment time was 5 hours in all cases.
(2)結果
図9に、(加熱処理後の透過率)/(加熱処理前の透過率)の比の値を示す。いずれの雰囲気においても、Heガス、H2ガス、及びCO2ガスについては、比の値が1を超えており、加熱熱処理による透過率の向上が確認された。O2雰囲気、He雰囲気、及びH2雰囲気においては、透過率の向上が顕著であった。O2は、有機物を燃焼させることができることから有機物の除去に適していると推測される。Heは、分子サイズが小さいため、ガス分離層の細孔に進入しやすく、有機物の除去効果が優れると推測される。H2は、炭素をエッチングする作用を有しており、有機物の除去効果が優れると推測される。
(2) Results Figure 9 shows the ratio of (transmittance after heat treatment) / (transmittance before heat treatment). In all atmospheres, the ratio value exceeded 1 for He gas, H2 gas, and CO2 gas, confirming the improvement in transmittance due to heat treatment. In the O2 atmosphere, He atmosphere, and H2 atmosphere, the improvement in transmittance was significant. O2 is capable of burning organic matter, so it is presumed to be suitable for removing organic matter. He has a small molecular size, so it easily enters the pores of the gas separation layer, and is presumed to have an excellent effect on removing organic matter. H2 has the effect of etching carbon, so it is presumed to have an excellent effect on removing organic matter.
4.ガス分離層における炭素含有量の測定
(1)測定サンプル
測定サンプルとして、上述の「2.加熱処理温度と透過率の関係」の欄で得られた加熱処理温度500℃のガス分離層を用いた。
(2)測定方法
測定サンプルのCHN分析を行った。
(3)測定結果
測定サンプルは、炭素の含有量が0.3質量%未満であった。測定サンプルは、有機物がよく除去されていた。
4. Measurement of Carbon Content in Gas Separation Layer (1) Measurement Sample As a measurement sample, the gas separation layer heat-treated at 500° C. obtained in the above section "2. Relationship between Heat Treatment Temperature and Transmittance" was used.
(2) Measurement Method CHN analysis was performed on the measurement sample.
(3) Measurement Results The carbon content of the measured sample was less than 0.3% by mass. Organic matter was well removed from the measured sample.
本開示は上記で詳述した実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。 The present disclosure is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
1 …ガス分離材製造装置
10 …成膜チャンバー
11 …対向ガス供給口
12 …対向ガス排気口
13 …原料ガス供給口
14 …原料ガス排気口
15 …原料ガス供給部分
16 …対向ガス供給部分
20 …原料ガス供給部
21 …原料ガス供給配管
22a …第1バブラー
22b …第2バブラー
24a …第1ガスボンベ
24b …第2ガスボンベ
25a …第1配管
25b …第2配管
25c …第3配管
30 …対向ガス供給部
31 …対向ガス供給配管
34 …第3ガスボンベ
40 …原料ガス排気機構
41 …原料ガス排気配管
42 …コールドトラップ
43 …第1圧力計
50 …対向ガス排気機構
51 …対向ガス排気配管
51a …第1分岐対向ガス排気配管
52 …第2圧力計
53 …ロータリーポンプ
54a …第1流量調整バルブ
60 …加熱処理部
71 …第1開閉バルブ
72 …第2開閉バルブ
73 …第3開閉バルブ
74 …第4開閉バルブ
75 …第5開閉バルブ
76 …第6開閉バルブ
77 …第7開閉バルブ
79 …第8開閉バルブ
80 …第9開閉バルブ
α …開閉バルブ
β …開閉バルブ
γ …開閉バルブ
δ …開閉バルブ
101 …多孔質基材
101A…一方の面側
101B…他方の面側
101C…細孔
103 …原料ガス
105 …活性ガス
107 …ガス分離層
23a …第1MFC
23b …第2MFC
33 …第3MFC
REFERENCE SIGNS LIST 1 ...gas separation material manufacturing apparatus 10 ...film formation chamber 11 ...counter gas supply port 12 ...counter gas exhaust port 13 ...raw material gas supply port 14 ...raw material gas exhaust port 15 ...raw material gas supply section 16 ...counter gas supply section 20 ...raw material gas supply unit 21 ...raw material gas supply piping 22a ...first bubbler 22b ...second bubbler 24a ...first gas cylinder 24b ...second gas cylinder 25a ...first piping 25b ...second piping 25c ...third piping 30 ...counter gas supply unit 31 ...counter gas supply piping 34 ...third gas cylinder 40 ...raw material gas exhaust mechanism 41 ...raw material gas exhaust piping 42 ...cold trap 43 ...first pressure gauge 50 ...counter gas exhaust mechanism 51 ...counter gas exhaust piping 51a ...first branched counter gas exhaust piping 52 ...second pressure gauge 53 ...rotary pump 54a ...first flow rate adjustment valve 60 ...heat treatment unit 71 ...first opening/closing valve 72 ...second opening/closing valve 73 ...third on-off valve 74 ...fourth on-off valve 75 ...fifth on-off valve 76 ...sixth on-off valve 77 ...seventh on-off valve 79 ...eighth on-off valve 80 ...ninth on-off valve α ...on-off valve β ...on-off valve γ ...on-off valve δ ...on-off valve 101 ...porous substrate 101A ...one surface side 101B ...other surface side 101C ...pores 103 ...raw material gas 105 ...active gas 107 ...gas separation layer 23a ...first MFC
23b...Second MFC
33...3rd MFC
Claims (8)
多孔質基材の一方の面側に、気化させたシリカ形成物質、下記式(1)で表される化合物及び不活性ガスを含有する原料ガスを供給し、
前記多孔質基材の他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給し、
前記原料ガス及び前記活性ガスを対向拡散させて、前記成膜チャンバー内を300℃以上800℃以下の温度として、前記多孔質基材の細孔内に化学蒸着によってシリカを含むガス分離層を形成するガス分離材の製造方法であって、
前記化学蒸着によって形成された前記ガス分離層を、更に、前記化学蒸着の際の前記成膜チャンバー内の温度よりも低く、かつ200℃以上にて加熱処理することで、前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する有機物を取り除く、ガス分離材の製造方法。
A raw material gas containing a vaporized silica-forming substance, a compound represented by the following formula (1), and an inert gas is supplied to one surface side of the porous substrate,
An active gas serving as a reactive species is supplied to the other surface side of the porous substrate;
A method for producing a gas separation material, comprising: diffusing the raw material gas and the activated gas in a counter-diffusion manner, setting the temperature inside the film formation chamber at 300°C or higher and 800°C or lower, and forming a gas separation layer containing silica in the pores of the porous substrate by chemical vapor deposition,
The gas separation layer formed by the chemical vapor deposition is further heated at a temperature lower than the temperature in the film formation chamber during the chemical vapor deposition and at 200°C or higher to remove organic matter derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer.
前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する炭化水素を取り除く際の前記加熱処理は、250℃以上500℃以下で行う、請求項1に記載のガス分離材の製造方法。 During the chemical vapor deposition, the temperature inside the film formation chamber is set to 550° C. or higher and 750° C. or lower,
The method for producing a gas separating material according to claim 1 , wherein the heat treatment for removing hydrocarbons derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer is carried out at a temperature of 250° C. or higher and 500° C. or lower.
前記成膜チャンバー内において、前記多孔質基材の他方の面側に、反応種となる活性ガスを供給する活性ガス供給部と、を備え、
前記原料ガス及び前記活性ガスを対向拡散させて、前記成膜チャンバー内を300℃以上800℃以下の温度として、前記多孔質基材の細孔内に化学蒸着よってシリカを含むガス分離層を形成するガス分離材製造装置であって、
前記化学蒸着によって形成された前記ガス分離層を、更に、前記化学蒸着の際の前記成膜チャンバー内の温度よりも低く、かつ200℃以上にて加熱処理する発熱体を備え、前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する有機物を取り除く、ガス分離材製造装置。
an active gas supply unit that supplies an active gas that serves as a reactive species to the other surface side of the porous substrate in the film formation chamber;
a gas separation material manufacturing apparatus in which the raw material gas and the activated gas are diffused in opposite directions, the temperature inside the film formation chamber is set to 300°C or higher and 800°C or lower, and a gas separation layer containing silica is formed in the pores of the porous substrate by chemical vapor deposition,
A gas separation material manufacturing apparatus further comprising a heating element that heats the gas separation layer formed by the chemical vapor deposition at a temperature lower than the temperature in the film formation chamber during the chemical vapor deposition and at 200°C or higher, thereby removing organic matter derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer.
前記ガス分離層に残留した前記原料ガスに由来する炭化水素を取り除く際の前記加熱処理は、250℃以上500℃以下で行う、請求項5に記載のガス分離材製造装置。 During the chemical vapor deposition, the temperature inside the film formation chamber is set to 550° C. or higher and 750° C. or lower,
6. The gas separation material manufacturing apparatus according to claim 5, wherein the heat treatment for removing hydrocarbons derived from the raw material gas remaining in the gas separation layer is carried out at a temperature of 250°C or higher and 500°C or lower.
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002329845A (en) | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Hynix Semiconductor Inc | Method of manufacturing ferroelectric memory element and ferroelectric memory device |
| JP2004188352A (en) | 2002-12-12 | 2004-07-08 | Kyocera Corp | Manufacturing method of fluid separation filter |
| JP2005254161A (en) | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Shinichi Nakao | Hydrogen separation membrane and its preparation method |
| JP2006239663A (en) | 2005-03-07 | 2006-09-14 | Noritake Co Ltd | Production method of hydrogen gas separation membrane |
| JP2009202096A (en) | 2008-02-27 | 2009-09-10 | Noritake Co Ltd | Manufacturing method of hydrogen gas separation material |
| JP2017170435A (en) | 2016-03-16 | 2017-09-28 | 学校法人 芝浦工業大学 | Separation membrane and separation method |
| JP2021511671A (en) | 2018-01-24 | 2021-05-06 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated | Seam repair using high pressure annealing |
-
2021
- 2021-07-02 JP JP2021110637A patent/JP7798494B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002329845A (en) | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Hynix Semiconductor Inc | Method of manufacturing ferroelectric memory element and ferroelectric memory device |
| JP2004188352A (en) | 2002-12-12 | 2004-07-08 | Kyocera Corp | Manufacturing method of fluid separation filter |
| JP2005254161A (en) | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Shinichi Nakao | Hydrogen separation membrane and its preparation method |
| JP2006239663A (en) | 2005-03-07 | 2006-09-14 | Noritake Co Ltd | Production method of hydrogen gas separation membrane |
| JP2009202096A (en) | 2008-02-27 | 2009-09-10 | Noritake Co Ltd | Manufacturing method of hydrogen gas separation material |
| JP2017170435A (en) | 2016-03-16 | 2017-09-28 | 学校法人 芝浦工業大学 | Separation membrane and separation method |
| JP2021511671A (en) | 2018-01-24 | 2021-05-06 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated | Seam repair using high pressure annealing |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 瀬下雅博・中尾真一,シリカ膜を用いた膜反応器の開発と耐久性に関する検討,膜(MEMBRANE),Vol.44,Issue5,日本,2019年,P.153-157 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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