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JP7844997B2 - Method for manufacturing zeolite membranes - Google Patents
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JP7844997B2 - Method for manufacturing zeolite membranes - Google Patents

Method for manufacturing zeolite membranes

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JP7844997B2 JP2022061131A JP2022061131A JP7844997B2 JP 7844997 B2 JP7844997 B2 JP 7844997B2 JP 2022061131 A JP2022061131 A JP 2022061131A JP 2022061131 A JP2022061131 A JP 2022061131A JP 7844997 B2 JP7844997 B2 JP 7844997B2
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Description

本発明は、ゼオライト膜の製造方法に関する。 This invention relates to a method for producing zeolite films.

ゼオライト膜は、有機化合物の水溶液から水を分離、除去するための分離膜として利用されている。ゼオライト膜を製造する方法には、種結晶の存在下で、有機テンプレートを用いずに、水熱合成によりゼオライト膜を形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、成膜後に有機テンプレートを除去するための焼成工程が不要であるため、未焼成のゼオライト膜が得られる。 Zeolite membranes are used as separation membranes to separate and remove water from aqueous solutions of organic compounds. A known method for producing zeolite membranes involves hydrothermal synthesis without the use of an organic template, in the presence of a seed crystal (see, for example, Patent Document 1). This method eliminates the need for a calcination step to remove the organic template after film formation, thus yielding an uncalcined zeolite membrane.

国際公開第2015/159986号International Publication No. 2015/159986

しかしながら、上述のような従来技術では、水溶性有機化合物を含む水溶液をゼオライト膜に接触させて、水を透過させて分離、除去して分離を行う場合に、水溶性有機化合物が分離対象の水と随伴して透過する量が多くなることがあることを本発明者らは見出した。すなわち、ゼオライト分離膜の分子篩効果を用いて、相対的に透過性が高い成分と相対的に透過性が低い成分の混合物から、相対的に透過性が高い成分を透過させて分離する膜分離において、透過性が相対的に低い成分の透過量が多くなる場合があることを本発明者らは見出した。このように、相対的に透過性が低い成分の随伴量が多くなると、分離効率が低下する。 However, in the conventional techniques described above, when separating and removing water-soluble organic compounds by contacting an aqueous solution containing water-soluble organic compounds with a zeolite membrane and allowing water to permeate, the inventors have found that a large amount of water-soluble organic compounds may permeate along with the water being separated. Specifically, in membrane separation using the molecular sieving effect of a zeolite separation membrane to separate a mixture of relatively permeable and relatively impermeable components by allowing the relatively permeable component to pass through, the inventors have found that a large amount of the relatively impermeable component may permeate. Thus, when the amount of the relatively impermeable component accompanying the separation increases, the separation efficiency decreases.

本発明の一態様は、未処理ゼオライト膜を用いる混合物の分子篩効果による分離において、混合物中における相対的に透過性が低い成分の透過量を低減可能なゼオライト膜を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a zeolite membrane capable of reducing the amount of relatively permeable components in a mixture during separation of the mixture by molecular sieving effect using an untreated zeolite membrane.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るゼオライト膜の製造方法は、未焼成ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる工程を含む。 To solve the above problems, a method for producing a zeolite film according to one aspect of the present invention includes a step of contacting an uncalcined zeolite film with a dehydration condensation reaction accelerator.

本発明の一態様によれば、未処理ゼオライト膜を用いる混合物の分子篩効果による分離において、混合物中における相対的に透過性が低い成分の透過量を低減可能なゼオライト膜を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, in the separation of a mixture by molecular sieving effect using an untreated zeolite membrane, it is possible to realize a zeolite membrane capable of reducing the amount of relatively low permeability components transmitted from the mixture.

実施例における未焼成ゼオライト膜をパーベーパレーション法に用いた装置の構成を模式的に示す図である。This diagram schematically shows the configuration of the apparatus used in the pervaporation method with an uncalcined zeolite film in the example.

以下、本発明の一実施態様を説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.

〔接触工程〕
本発明の一態様に係るゼオライト膜の製造方法は、未処理ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる工程(以下、「接触工程」とも言う)を含む。接触工程において、未処理ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる、とは、未処理ゼオライト膜の少なくとも表面に脱水縮合反応促進剤を作用させることを意味する。当該接触は、未処理ゼオライトに脱水縮合反応促進剤を通過(例えば、通液、通気等)させることによって実施可能であり、または未処理ゼオライトを脱水縮合反応促進剤に浸漬もしくは未処理ゼオライト表面に脱水縮合反応促進剤を流下させることにより実施可能である。
[Contact process]
A method for producing a zeolite film according to one aspect of the present invention includes a step of contacting an untreated zeolite film with a dehydration condensation reaction accelerator (hereinafter also referred to as the "contact step"). In the contact step, contacting the untreated zeolite film with the dehydration condensation reaction accelerator means applying the dehydration condensation reaction accelerator to at least the surface of the untreated zeolite film. This contact can be carried out by passing the dehydration condensation reaction accelerator through the untreated zeolite (e.g., by passing liquid or air through it), or by immersing the untreated zeolite in the dehydration condensation reaction accelerator or by flowing the dehydration condensation reaction accelerator down the surface of the untreated zeolite.

[未処理ゼオライト膜]
本発明の一態様における未処理ゼオライト膜は、処理工程を経ていないゼオライト膜である。処理工程は、当該工程の後で、ゼオライト膜の、透過性が相対的に低い成分の透過量が、当該工程の前よりも減る工程である。具体的には、加熱、焼成、表面処理、脱水縮合反応促進剤との接触の1以上の操作を行う工程である。詳細なメカニズムは推測ではあるが、未処理ゼオライト膜に含まれるアモルファス部分が反応することで、アモルファス部分を経由する透過性が相対的に低い成分の透過量が減るものと考えている。
[Untreated zeolite membrane]
An untreated zeolite film in one aspect of the present invention is a zeolite film that has not undergone a treatment process. The treatment process is a process in which, after the process, the amount of relatively low permeability components that permeate the zeolite film is reduced compared to before the process. Specifically, it is a process of performing one or more operations such as heating, calcination, surface treatment, and contact with a dehydration condensation reaction accelerator. Although the detailed mechanism is speculative, it is thought that the amorphous portion contained in the untreated zeolite film reacts, reducing the amount of relatively low permeability components that pass through the amorphous portion.

加熱は、ゼオライト膜に対して前述の工程の条件を満たす温度で加熱する工程である。加熱の温度は、120℃以上であり、好ましくは150℃以上であり、より好ましくは200℃以上である。分離膜の基材(支持体)との熱膨張率差からの破壊の防止の観点で、900℃以下であることが好ましく、850℃以下であることがより好ましく、800℃以下であることがさらに好ましく、750℃以下であることが特に好ましく、500℃以下であることが最も好ましい。 Heating is a process of heating the zeolite membrane to a temperature that satisfies the conditions of the aforementioned steps. The heating temperature is 120°C or higher, preferably 150°C or higher, and more preferably 200°C or higher. From the viewpoint of preventing damage due to the difference in thermal expansion coefficient between the separation membrane and the substrate (support), the temperature is preferably 900°C or lower, more preferably 850°C or lower, even more preferably 800°C or lower, particularly preferably 750°C or lower, and most preferably 500°C or lower.

焼成は、有機鋳型剤を用いてゼオライト膜を合成した場合に、有機鋳型剤がゼオライトの細孔を通過する大きさまで熱分解するような温度で加熱して除去することである。焼成温度は、有機鋳型剤を充分に除去する観点で、350℃以上であることが好ましく、400℃以上であることがより好ましくは、430℃以上であることがさらに好ましく、450℃以上であることが特に好ましい。分離膜の基材(支持体)との熱膨張率差からの破壊の防止の観点で、900℃以下であることが好ましく、850℃以下であることがより好ましく、800℃以下であることがさらに好ましく、750℃以下であることが特に好ましく、500℃以下であることが最も好ましい。焼成時間は、有機鋳型剤を充分に除去する観点で24時間以上であることが好ましく、生産性の観点で72時間以下であることが好ましい。表面処理は、シランカップリング剤などの化合物による処理である。 Firing involves heating the zeolite film to a temperature at which the organic template agent, when synthesized using an organic template agent, is thermally decomposed to a size that allows it to pass through the pores of the zeolite, thereby removing it. From the viewpoint of sufficiently removing the organic template agent, the firing temperature is preferably 350°C or higher, more preferably 400°C or higher, even more preferably 430°C or higher, and particularly preferably 450°C or higher. From the viewpoint of preventing fracture due to the difference in thermal expansion coefficient between the separation membrane and the substrate (support), the temperature is preferably 900°C or lower, more preferably 850°C or lower, even more preferably 800°C or lower, particularly preferably 750°C or lower, and most preferably 500°C or lower. The firing time is preferably 24 hours or more from the viewpoint of sufficiently removing the organic template agent, and preferably 72 hours or less from the viewpoint of productivity. Surface treatment is treatment with a compound such as a silane coupling agent.

未処理ゼオライト膜は、製造品であってもよく、市販品であってもよい。製造品としての未処理ゼオライト膜は、例えば、ゼオライトの結晶構造を規制する有機鋳型剤を用いずに合成され、かつ焼成されていないゼオライト膜である。また、製造品としての未処理ゼオライト膜は、有機鋳型剤を用いて合成され、かつ酸化剤によって有機鋳型剤が除去された、焼成されていないゼオライト膜である。未処理ゼオライト膜は、水熱合成によって製造することが可能であり、より詳しくは、例えば特許文献1に記載の方法によって製造することが可能である。 The untreated zeolite film may be a manufactured product or a commercially available product. A manufactured untreated zeolite film is, for example, a zeolite film synthesized without using an organic template that restricts the zeolite's crystal structure, and which has not been calcined. Alternatively, a manufactured untreated zeolite film may be a zeolite film synthesized using an organic template, with the organic template removed by an oxidizing agent, and which has not been calcined. The untreated zeolite film can be produced by hydrothermal synthesis, and more specifically, by the method described in, for example, Patent Document 1.

脱水縮合反応促進剤との接触については、後述の通りである。 Contact with the dehydration condensation reaction accelerator is described below.

未処理ゼオライト膜における結晶構造は、限定されず、公知の種々の構造から適宜に選ばれ得る。当該結晶構造の例には、チャバサイト(CHA)、フォージャサイト(FAU)およびA型(LTA)、MFI、MER、MOR、EMT,SOD,CAN、JBW、HEU、BRE、ABW,ANA、BEA,MTW,NES、LEV,MAZ,MEL、MSE、MTT、MTW,PAU、RTH,SZR、TON、VETが含まれる。未処理ゼオライト膜は、一般に水熱合成によって製造することが可能であり、例えば前述の特許文献1に記載されているような方法によって製造することが可能である。 The crystal structure of the untreated zeolite film is not limited and can be appropriately selected from various known structures. Examples of such crystal structures include chabasite (CHA), faujasite (FAU), and type A (LTA), MFI, MER, MOR, EMT, SOD, CAN, JBW, HEU, BRE, ABW, ANA, BEA, MTW, NES, LEV, MAZ, MEL, MSE, MTT, MTW, PAU, RTH, SZR, TON, and VET. The untreated zeolite film can generally be produced by hydrothermal synthesis, for example, by the method described in Patent Document 1 mentioned above.

水熱合成の際に使用するカチオンは限定されない。カチオンの例には、K、Na、Li、Rb、Cs、Sr2+およびCa2+が含まれる。 The cations used in hydrothermal synthesis are not limited. Examples of cations include K + , Na + , Li + , Rb + , Cs + , Sr²⁺ , and Ca²⁺ .

未処理ゼオライト膜は、非晶質部分にK、Na、Li、Rb、Cs、Sr2+およびCa2+をカウンターカチオンとして含んでいてもよい。非晶質部分内AlO 近傍に存在するカウンターカチオンである。K、Na、Li、Rb、Cs、Sr2+およびCa2+をカウンターカチオンとして含む場合、水熱合成の際にK、Na、Li、Rb、Cs、Sr2+およびCa2+をカチオンとして用いることで未処理ゼオライト膜に含有させてもよく、水熱合成後にカチオン交換を行うことで含有させてもよい。 The untreated zeolite film may contain K + , Na + , Li + , Rb + , Cs + , Sr2 + , and Ca2 + as countercations in the amorphous portion. These countercations are located near AlO2- in the amorphous portion. When K+ , Na + , Li + , Rb + , Cs + , Sr2 + , and Ca2 + are included as countercations, they may be incorporated into the untreated zeolite film by using K + , Na + , Li + , Rb + , Cs + , Sr2 + , and Ca2 + as cations during hydrothermal synthesis, or by performing cation exchange after hydrothermal synthesis.

[脱水縮合反応促進剤]
本発明の一態様における脱水縮合反応促進剤とは、未処理ゼオライト膜における脱水縮合反応を促進させる成分である。未処理ゼオライト膜における脱水縮合反応については後述する。脱水縮合反応促進剤は、未処理ゼオライト膜に十分に接触させることが可能な形態であればよい。脱水縮合反応促進剤の形態の例には、液体、気体、溶液および超臨界流体が含まれる。脱水縮合反応促進剤を未処理ゼオライト膜に接触させることにより、未処理ゼオライト膜を水溶性有機化合物の濃縮に用いたときの、水溶性有機化合物の透過量を低減することができる。
[Dehydration condensation reaction accelerator]
In one aspect of the present invention, the dehydration condensation reaction accelerator is a component that promotes the dehydration condensation reaction in an untreated zeolite membrane. The dehydration condensation reaction in an untreated zeolite membrane will be described later. The dehydration condensation reaction accelerator can be in any form that allows for sufficient contact with the untreated zeolite membrane. Examples of forms of the dehydration condensation reaction accelerator include liquids, gases, solutions, and supercritical fluids. By bringing the dehydration condensation reaction accelerator into contact with the untreated zeolite membrane, the amount of water-soluble organic compounds that permeate through the untreated zeolite membrane when it is used for the concentration of water-soluble organic compounds can be reduced.

脱水縮合反応促進剤の具体例として、エタノールが挙げられる。エタノールは、水溶液で用いてもよい。エタノール水溶液を脱水縮合反応促進剤として用いる場合では、当該エタノール水溶液におけるエタノールの含有量は、未処理ゼオライト膜を透過する水溶性有機化合物の量を十分に低減させる観点から、90容量%以上であることが好ましく、95容量%以上であることがより好ましく、97容量%以上であることがさらに好ましい。 Ethanol is a specific example of a dehydration condensation reaction accelerator. Ethanol may be used in aqueous solution. When using an aqueous ethanol solution as a dehydration condensation reaction accelerator, the ethanol content in the aqueous solution is preferably 90% by volume or more, more preferably 95% by volume or more, and even more preferably 97% by volume or more, from the viewpoint of sufficiently reducing the amount of water-soluble organic compounds that permeate the untreated zeolite membrane.

エタノールを脱水縮合反応促進剤として用いる場合の温度は、接触による未処理ゼオライト膜の処理を十分に可能な範囲から適宜に決めることができる。脱水縮合反応促進剤として用いるエタノールの温度は、未処理ゼオライト膜の接触工程による処理時間を短縮する観点から、25℃以上であることが好ましく、50℃以上であることがより好ましく、75℃以上であることがさらに好ましく、90℃以上であることが特に好ましく、100℃以上であることが最も好ましい。また、当該エタノールの温度は、未処理ゼオライト膜の熱分解を抑制する観点から、135℃以下であることが好ましく、130℃以下であることがより好ましく、120℃以下であることがさらに好ましい。上記温度範囲は、常圧以上の条件での温度とする。 The temperature at which ethanol is used as a dehydration condensation reaction accelerator can be appropriately determined within a range that allows sufficient treatment of the untreated zeolite film by contact. From the viewpoint of shortening the treatment time during the contact step of the untreated zeolite film, the temperature of the ethanol used as a dehydration condensation reaction accelerator is preferably 25°C or higher, more preferably 50°C or higher, even more preferably 75°C or higher, particularly preferably 90°C or higher, and most preferably 100°C or higher. Furthermore, from the viewpoint of suppressing thermal decomposition of the untreated zeolite film, the temperature of the ethanol is preferably 135°C or lower, more preferably 130°C or lower, and even more preferably 120°C or lower. The above temperature ranges are defined as temperatures under conditions of atmospheric pressure or higher.

脱水縮合反応促進剤の別の具体例として、二酸化炭素が挙げられる。二酸化炭素は、流体の状態で使用することができ、気体または超臨界流体として好適に使用することができる。二酸化炭素を脱水縮合反応促進剤として用いる場合の条件は、接触による未処理ゼオライト膜の処理を十分に可能な範囲、および二酸化炭素の状態、から適宜に決めることができる。たとえば、二酸化炭素が気体である場合には、乾燥した二酸化炭素を用いることが好ましく、市販の乾燥ガスを用いることが好ましい。二酸化炭素の温度は上記の観点から乾燥した室温以上であればよく、100℃以上が好ましい。加熱した二酸化炭素を用いると、想定ではあるが、アモルファス部分のシラノール基または乖離したシラノール基の脱水縮合反応の速度が高まること、追加の乾燥工程を省略できることから好ましい。特に、アモルファス部分のシラノール基が、ゼオライトを合成する際の塩基にカリウム塩を用いる場合は、二酸化炭素による反応で生じた炭酸カリウムの水溶性が低いことから、反応速度を上げて、炭酸カリウムの濃度を急上昇させ、飽和濃度を早期に超えさせられることから好ましい。また、二酸化炭素が超臨界流体である場合には、臨界点以上の温度および圧力であればよい。設備の簡易化の観点から、二酸化炭素は気体で用いることが好ましく、その圧力は1MPa未満であることが好ましい。また、二酸化炭素は、窒素などの未処理ゼオライト膜に対して不活性なガスとの混合ガスとして用いてもよい。 Another specific example of a dehydration condensation reaction accelerator is carbon dioxide. Carbon dioxide can be used in a fluid state and is preferably used as a gas or supercritical fluid. When using carbon dioxide as a dehydration condensation reaction accelerator, the conditions can be appropriately determined from the range that allows sufficient treatment of the untreated zeolite film by contact and the state of the carbon dioxide. For example, when carbon dioxide is a gas, it is preferable to use dry carbon dioxide, and it is preferable to use commercially available dry gas. From the above viewpoint, the temperature of the carbon dioxide should be above dry room temperature, and is preferably 100°C or higher. Using heated carbon dioxide is preferable because, although this is hypothetical, it increases the rate of the dehydration condensation reaction of the silanol groups of the amorphous portion or the dissociated silanol groups, and it eliminates the need for an additional drying step. In particular, when a potassium salt is used as the base when synthesizing the zeolite, the potassium carbonate produced by the reaction with carbon dioxide has low water solubility, so it is preferable to increase the reaction rate to rapidly increase the concentration of potassium carbonate and exceed the saturation concentration earlier. Furthermore, if carbon dioxide is a supercritical fluid, the temperature and pressure should be above the critical point. From the viewpoint of simplifying the equipment, it is preferable to use carbon dioxide as a gas, and its pressure should preferably be less than 1 MPa. Alternatively, carbon dioxide may be used as a mixed gas with a gas inert to the untreated zeolite membrane, such as nitrogen.

脱水縮合反応促進剤は、未処理ゼオライト膜中に存在するアモルファス部分のカウンターカチオンの種類に応じて決めることも可能である。この場合、脱水縮合反応促進剤には、カウンターカチオンと反応して水に難溶性である塩、またはケイ酸に比較して強い酸の塩を生成する成分を選択することができる。 The dehydration condensation reaction accelerator can also be determined based on the type of countercation present in the amorphous portion of the untreated zeolite membrane. In this case, the dehydration condensation reaction accelerator can be selected to produce a salt that reacts with the countercation to form a salt that is poorly soluble in water, or a salt that is a stronger acid than silicic acid.

たとえば、水に難溶性の塩としては、NaFおよび尿酸ナトリウムが挙げられる。従って、カウンターカチオンがNaの場合には、NaFまたは尿酸ナトリウムを形成させるような脱水縮合反応促進剤を用いることで、不可逆な脱水縮合反応を進行させ、水溶性有機化合物の透過量を低減させた状態を維持することが容易になる。脱水縮合反応促進剤の別の具体例として、フッ化物溶液またはフルオロ錯体溶液が挙げられる。フッ化物溶液またはフルオロ錯体溶液の例には、フッ化物の水溶液またはフルオロ錯体の水溶液が含まれる。フルオロ錯体を含有する化合物としては、例えばNaSiFである。当該フッ化物の使用量および適用温度も上記の観点から適宜に決めてよい。NaSiFを用いる場合は、NaSiFの飽和水溶液にゼオライト膜を室温で一定時間浸漬した後、乾燥する。 For example, NaF and sodium urate are examples of salts that are poorly soluble in water. Therefore, when the countercation is Na + , using a dehydration condensation reaction accelerator that forms NaF or sodium urate makes it easier to carry out an irreversible dehydration condensation reaction and maintain a state in which the permeatement of water-soluble organic compounds is reduced. Another specific example of a dehydration condensation reaction accelerator is a fluoride solution or a fluorocomplex solution. Examples of fluoride solutions or fluorocomplex solutions include aqueous solutions of fluoride or aqueous solutions of fluorocomplexes. An example of a compound containing a fluorocomplex is Na₂SiF₆ . The amount of fluoride used and the applicable temperature may also be appropriately determined from the above viewpoint. When using Na₂SiF₆ , the zeolite film is immersed in a saturated aqueous solution of Na₂SiF₆ at room temperature for a certain period of time , and then dried.

また、カウンターカチオンがNaの場合には、脱水縮合反応促進剤の別の具体例として、尿酸水が挙げられる。尿酸水の濃度および適用温度は、接触による未処理ゼオライト膜の処理を十分に可能な観点から適宜に決めてよい。尿酸水を用いる場合は、尿酸の飽和水溶液にゼオライト膜を温水で一定時間浸漬した後、加熱乾燥する。 Furthermore, when the countercation is Na + , uric acid solution can be used as another specific example of a dehydration condensation reaction accelerator. The concentration and application temperature of the uric acid solution may be determined appropriately from the standpoint of ensuring sufficient treatment of the untreated zeolite membrane by contact. When using uric acid solution, the zeolite membrane is immersed in a saturated aqueous solution of uric acid with warm water for a certain period of time, and then heated and dried.

〔その他の工程〕
本発明の一態様に係るゼオライト膜の製造方法は、本発明の効果が得られる範囲において、前述の接触工程以外の他の工程をさらに含んでもよい。他の工程の例には、ゼオライトの結晶を水熱合成によって成長させて未処理ゼオライト膜を生成する工程(以下、「生成工程」とも言う)が含まれる。
[Other processes]
A method for producing a zeolite film according to one aspect of the present invention may further include other steps besides the contact step described above, to the extent that the effects of the present invention can be obtained. An example of other steps is a step of growing zeolite crystals by hydrothermal synthesis to produce an untreated zeolite film (hereinafter also referred to as the "production step").

〔生成工程〕
生成工程は、前述の未処理ゼオライト膜を生成する公知の方法によって実施可能である。生成工程は、前述の接触工程に先立って実施されればよい。生成工程の例には、有機テンプレート化合物を用いずにゼオライトの結晶を成長させて未処理ゼオライト膜を生成する工程、および、有機テンプレート化合物の存在下でゼオライトの結晶を成長させ、得られたゼオライトの膜を酸化剤で処理して有機テンプレート化合物を前記ゼオライト膜から除去して未処理ゼオライト膜を生成する工程、が含まれる。前者は、例えば前述の特許文献1に記載されているような方法によって実施可能である。後者は、例えば「Microporous and Mesoporous Materials 2005, 87, 45-51.」に記載されているような方法によって実施可能である。
[Generation process]
The production process can be carried out by known methods for producing the aforementioned untreated zeolite film. The production process may be carried out prior to the aforementioned contact process. Examples of the production process include a step of growing zeolite crystals without using an organic template compound to produce an untreated zeolite film, and a step of growing zeolite crystals in the presence of an organic template compound, and then treating the resulting zeolite film with an oxidizing agent to remove the organic template compound from the zeolite film to produce an untreated zeolite film. The former can be carried out by a method such as that described in Patent Document 1 mentioned above. The latter can be carried out by a method such as that described in "Microporous and Mesoporous Materials 2005, 87, 45-51."

上記の有機テンプレート化合物は、有機化合物であって、ゼオライトの結晶構造を規制する鋳型剤である。生成工程において有機テンプレート化合物を用いる場合には、有機テンプレート化合物は、ゼオライト膜の製造における鋳型剤として公知の化合物から、ゼオライト膜の所望の結晶構造に応じて適宜に選ぶことができる。有機テンプレート化合物の例には有機アミンが含まれ、より具体的には、N,N,N-トリメチルアンモニウム化合物、N,N,N-トリプロピルアンモニウム化合物およびN,N,N-トリメチルアダマンタンアンモニウム化合物が含まれる。 The above-mentioned organic template compounds are organic compounds that act as templates for regulating the crystal structure of zeolites. When using organic template compounds in the production process, they can be appropriately selected from compounds known as templates in the production of zeolite films, depending on the desired crystal structure of the zeolite film. Examples of organic template compounds include organic amines, and more specifically, N,N,N-trimethylammonium compounds, N,N,N-tripropylammonium compounds, and N,N,N-trimethyladamantanammonium compounds.

また、有機テンプレート化合物を処理する酸化剤は、ゼオライト膜の結晶構造中の有機テンプレート化合物に作用して当該化合物を分解し、当該ゼオライト膜から除去可能な成分である。酸化剤も、ゼオライト膜の製造においてゼオライト膜の結晶構造中の有機テンプレート化合物を分解することが公知の成分から適宜に選ぶことが可能である。酸化剤の例には、オゾン、および、オゾンに紫外線を照射して得られる原子状酸素が含まれる。酸化剤の使用条件は、シラノール基の脱水縮合反応が完全に進行しきらない条件とする。 Furthermore, the oxidizing agent used to treat the organic template compound is a component that acts on the organic template compound in the crystal structure of the zeolite film, decomposing the compound and making it removable from the zeolite film. The oxidizing agent can be appropriately selected from components known to decompose the organic template compound in the crystal structure of the zeolite film during its production. Examples of oxidizing agents include ozone and atomic oxygen obtained by irradiating ozone with ultraviolet light. The conditions for using the oxidizing agent should be such that the dehydration condensation reaction of the silanol group does not proceed completely.

〔考察〕
本発明の一態様に係る製造方法によれば、未処理ゼオライト膜を用いる水溶性有機化合物の水溶液からの水の分離、除去において、水溶性有機化合物の透過量を低減する未処理ゼオライト膜を得ることができる。その理由は、定かではないが、以下のように考えられる。
[Consideration]
According to a manufacturing method in one aspect of the present invention, an untreated zeolite membrane can be obtained that reduces the amount of water permeate from an aqueous solution of a water-soluble organic compound when separating and removing water from the aqueous solution using the untreated zeolite membrane. The reason for this is not entirely clear, but it is thought to be as follows.

水熱合成において、ゼオライト膜中においてアモルファス部位が成長してゼオライトのケージを形成するまで反応が進まず、ゼオライト膜中には未反応部(T原子がSiでカウンターカチオンがKの場合であればSi-OK、T原子はゼオライト骨格中の四面体部分構造の中心原子)が残存し、この未反応部が、その後の使用時における有機化合物の流路になると考えられる。 In hydrothermal synthesis, the reaction does not proceed until amorphous moieties grow within the zeolite membrane to form a zeolite cage. Unreacted regions (Si-OK if the T atom is Si and the countercation is K + , with the T atom being the central atom of the tetrahedral substructure in the zeolite skeleton) remain within the zeolite membrane, and these unreacted regions are thought to become pathways for organic compounds during subsequent use.

本発明の一態様では、前述の接触工程において、未処理ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる。脱水縮合反応促進剤との接触により水溶性有機化合物の透過が抑制されることから、接触工程では、下記の式で示される右方向への反応が進行すると考えられる。 In one aspect of the present invention, in the aforementioned contact step, a dehydration condensation reaction accelerator is brought into contact with the untreated zeolite film. Since the permeation of water-soluble organic compounds is suppressed by contact with the dehydration condensation reaction accelerator, it is considered that the reaction proceeds in the rightward direction, as shown in the following equation, during the contact step.

このように、未反応部では脱水縮合によってシラノール基がシロキサン結合となる、と考えられる。シロキサン結合の部位は、上記の水溶性有機化合物の流路にはなり得ないため、水溶性有機化合物の透過量が低減される、と考えられる。 Thus, it is thought that in the unreacted region, the silanol group becomes a siloxane bond through dehydration condensation. Since the siloxane bond site cannot serve as a channel for the water-soluble organic compound, the amount of water-soluble organic compound permeating through it is thought to be reduced.

エタノールは、誘電率が低いため、シラノール基の安定度がSi-OK基のそれよりも高くなり、またエタノールが水を吸収することにより、シロキサン結合を形成する、と考えられる。 It is thought that because ethanol has a low dielectric constant, the stability of the silanol group is higher than that of the Si-OK group, and that ethanol absorbs water to form a siloxane bond.

二酸化炭素は、鉄用の鋳型の作り方で、水ガラスと砂を混ぜて炭酸ガスを吹き込んで固める手法と同様に未処理ゼオライト膜において反応すると考えられる。すなわち、二酸化炭素は、未処理ゼオライト膜に接触させることにより、炭酸として弱塩基であるSi-OK基を中和して炭酸カリウムとより弱塩基性のシラノール基を形成し、その結果、上記の反応式の右方向への反応が進行する、と考えられる。 It is believed that carbon dioxide reacts in the untreated zeolite membrane in a similar manner to how iron molds are made, where water glass and sand are mixed and carbon dioxide gas is blown in to solidify them. Specifically, it is thought that when carbon dioxide comes into contact with the untreated zeolite membrane, it neutralizes the weakly basic Si-OK group as carbonic acid, forming a weaker basic silanol group with potassium carbonate, resulting in the reaction proceeding to the right in the above reaction equation.

フッ化物溶液は、NaSiFで水ガラスを硬化させて接着剤とする場合と同様に未処理ゼオライト膜において反応し、二酸化炭素と同様に、カウンターカチオンの塩を生成し、上記反応式の右方向の反応を進行させる、と考えられる。また、カウンターカチオンがNaの場合では、カウンターカチオンと不溶性の塩を形成するため、上記反応式が不可逆反応になる、と考えられる。 It is thought that the fluoride solution reacts in the untreated zeolite film in a similar manner to when NaSiF6 is used to cure water glass as an adhesive, generating a countercation salt, similar to carbon dioxide, and allowing the reaction to proceed from right to left in the above reaction equation. Furthermore, if the countercation is Na + , it is thought that an insoluble salt is formed with the countercation, making the above reaction irreversible.

尿酸水も、二酸化炭素およびフッ化物溶液と同様にカウンターカチオンの塩を生成し、上記反応式の右方向の反応を進行させる、と考えられる。また、尿散水もフッ化物溶液と同様に、カウンターカチオンがNaの場合では、カウンターカチオンと不溶性の塩を形成するため、上記反応式の左方向の反応を防止する、と考えられる。 It is thought that uric acid solution, like carbon dioxide and fluoride solutions, generates a salt of the countercation, thus allowing the reaction to proceed to the right in the above reaction equation. Furthermore, it is thought that urine spray, like fluoride solutions, forms an insoluble salt with the countercation when the countercation is Na + , thus preventing the reaction to proceed to the left in the above reaction equation.

〔まとめ〕
以上の説明から明らかなように、本発明の一態様に係るゼオライト膜の製造方法は、未処理ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる工程を含む。したがって、本発明の一態様によれば、未処理ゼオライト膜を用いる水溶性有機化合物の水溶液からの水の分離、除去において、水溶性有機化合物の透過を低減可能なゼオライト膜を実現することができる。
〔summary〕
As is clear from the above description, a method for producing a zeolite membrane according to one aspect of the present invention includes a step of contacting an untreated zeolite membrane with a dehydration condensation reaction accelerator. Therefore, according to one aspect of the present invention, a zeolite membrane capable of reducing the permeation of water-soluble organic compounds can be realized when separating and removing water from an aqueous solution of a water-soluble organic compound using an untreated zeolite membrane.

本発明の一態様において、脱水縮合反応促進剤にエタノールを用いてもよい。この構成は、有機化合物の透過を簡易に防止可能にする観点からより一層効果的である。 In one embodiment of the present invention, ethanol may be used as the dehydration condensation reaction accelerator. This configuration is even more effective from the viewpoint of easily preventing the permeation of organic compounds.

本発明の一態様において、脱水縮合反応促進剤に、エタノールの含有量が95容量%以上のエタノール水溶液を用いてもよい。当該容量%は、20℃における値とする。95質量%以上であれば、95容量%以上となっている。この構成は、ゼオライト膜における水溶性有機化合物の透過を十分に防止可能とする観点と、脱水縮合反応を経た分離膜を食品用途など安全性の必要な分野に使用可能にする観点からより一層効果的である。 In one embodiment of the present invention, an aqueous ethanol solution containing 95% by volume or more of ethanol may be used as the dehydration condensation reaction accelerator. This volume percentage is the value at 20°C. If it is 95% by mass or more, it means 95% by volume or more. This configuration is even more effective from the viewpoint of sufficiently preventing the permeation of water-soluble organic compounds through the zeolite membrane and from the viewpoint of enabling the separation membrane that has undergone the dehydration condensation reaction to be used in fields requiring safety, such as food applications.

脱水縮合反応促進剤にエタノールを用いる場合において、脱水縮合反応促進剤の温度は25℃以上であってもよい。この構成は、前述の接触工程の時間を短縮し、生産性を高める観点からより一層効果的である。 When ethanol is used as the dehydration condensation reaction accelerator, the temperature of the accelerator may be 25°C or higher. This configuration is even more effective in shortening the contact process time and increasing productivity.

脱水縮合反応促進剤にエタノールを用いる場合において、脱水縮合反応促進剤の温度は120℃以下であってもよい。この構成は、反応を迅速に進める観点から経済的である観点からより一層効果的である。 When ethanol is used as a dehydration condensation reaction accelerator, the temperature of the accelerator may be 120°C or lower. This configuration is even more effective from the standpoint of accelerating the reaction and being economical.

本発明の一態様において、脱水縮合反応促進剤に二酸化炭素を用いてもよい。この構成は、ゼオライト膜における水溶性有機化合物の透過を十分に防止可能にする観点からより一層効果的である。 In one embodiment of the present invention, carbon dioxide may be used as the dehydration condensation reaction accelerator. This configuration is even more effective in sufficiently preventing the permeation of water-soluble organic compounds through the zeolite membrane.

脱水縮合反応促進剤に二酸化炭素を用いる場合において、二酸化炭素は気体であってもよい。この構成は、水溶性有機化合物の透過を簡易に防止可能にすること、作業工程で可燃物を使用せず装置が簡便になること、および、製造したその分離膜を食品用途など安全性の必要な分野に使用可能にできることからより一層効果的である。 When carbon dioxide is used as a dehydration condensation reaction accelerator, the carbon dioxide may be in gaseous form. This configuration is even more effective because it easily prevents the permeation of water-soluble organic compounds, simplifies the equipment by eliminating the use of flammable materials in the process, and allows the manufactured separation membrane to be used in fields requiring safety, such as food applications.

脱水縮合反応促進剤に二酸化炭素を用いる場合において、二酸化炭素の状態は超臨界状態であってもよい。この構成は、二酸化炭素の拡散と作用との両方の向上が期待されることから、前述の接触工程による効果の向上、および接触工程の時間短縮による生産性の向上の観点からより一層効果的である。 When carbon dioxide is used as a dehydration condensation reaction accelerator, the carbon dioxide may be in a supercritical state. This configuration is expected to improve both the diffusion and action of carbon dioxide, making it even more effective from the standpoint of improving the effects of the aforementioned contact process and increasing productivity by shortening the contact process time.

本発明の一態様において、接触工程に先立って、ゼオライトの結晶を水熱合成によって成長させて未処理ゼオライト膜を生成する工程をさらに含み、当該未処理ゼオライト膜はNaまたはKをカウンターカチオンとして含み、当該接触工程において、脱水縮合反応促進剤に、カウンターカチオンと水不溶性塩を形成する化合物を用いてもよい。この構成は、有機化合物の流路の再構成の防止が期待されることから、未処理ゼオライト膜の使用時における水溶性有機化合物の意図せぬ透過を抑制する観点からより一層効果的である。 In one embodiment of the present invention, the process further includes a step of growing zeolite crystals by hydrothermal synthesis to produce an untreated zeolite film prior to the contact step, wherein the untreated zeolite film contains Na + or K + as a countercation, and in the contact step, a compound that forms a water-insoluble salt with the countercation may be used as a dehydration condensation reaction accelerator. This configuration is expected to prevent the reconfiguration of the flow channels of organic compounds, and is therefore even more effective in suppressing the unintended permeation of water-soluble organic compounds when using the untreated zeolite film.

生成工程をさらに含み、カウンターカチオンがNaである場合において、脱水縮合反応促進剤にフッ化物溶液を用いてもよいし、または脱水縮合反応促進剤に尿酸水を用いてもよい。この構成は、上記の場合の未処理ゼオライト膜の使用時における水溶性有機化合物の意図せぬ透過を抑制する観点からより一層効果的である。 In the case where the generation step is further included and the countercation is Na + , a fluoride solution may be used as the dehydration condensation reaction accelerator, or uric acid solution may be used as the dehydration condensation reaction accelerator. This configuration is even more effective in suppressing the unintended permeation of water-soluble organic compounds when using the untreated zeolite membrane in the above case.

生成工程をさらに含む場合において、生成工程は、ゼオライトの結晶構造を規制する鋳型剤である有機テンプレート化合物を用いずにゼオライトの結晶を成長させて未処理ゼオライト膜を生成する工程であってもよい。または、生成工程をさらに含む場合において、生成工程は、ゼオライトの結晶構造を規制する鋳型剤である有機テンプレート化合物の存在下でゼオライトの結晶を成長させ、得られたゼオライトの膜を酸化剤で処理して有機テンプレート化合物を膜から除去して未処理ゼオライト膜を生成する工程であってもよい。この構成は、焼成を要さないことから、焼成を要するゼオライト膜の製法に比べて、ゼオライト膜の生産性を高める観点および省力化の観点からより一層効果的である。 If the process further includes a production step, the production step may be a step of growing zeolite crystals without using an organic template compound, which is a template agent that regulates the crystal structure of the zeolite, in order to produce an untreated zeolite film. Alternatively, if the process further includes a production step, the production step may be a step of growing zeolite crystals in the presence of an organic template compound, which is a template agent that regulates the crystal structure of the zeolite, and then treating the resulting zeolite film with an oxidizing agent to remove the organic template compound from the film and produce an untreated zeolite film. This configuration, since it does not require calcination, is even more effective than methods for producing zeolite films that require calcination, from the standpoint of increasing the productivity of zeolite films and saving labor.

本発明の一態様では、水溶性有機化合物の透過量の変化が低減された未処理ゼオライト膜が得られる。よって、本発明の一態様は、ゼオライト膜を用いる技術の普及および発展に寄与し、産業と技術革新に係る持続可能な開発目標(SDGs)の達成に貢献することが期待される。 In one aspect of the present invention, an untreated zeolite film is obtained in which the change in the permeate amount of water-soluble organic compounds is reduced. Therefore, one aspect of the present invention is expected to contribute to the widespread adoption and development of technologies using zeolite films, and to contribute to the achievement of the Sustainable Development Goals (SDGs) related to industry and technological innovation.

本発明は上述した各実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included within the technical scope of the present invention.

本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例の記載に限定されない。 The present invention will be described in more detail by examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the essence of the invention.

以下の実施例において、種結晶の粒度分布、空気透過量、浸透気化性能測定は以下の通りの方法により行った。 In the following examples, the particle size distribution, air permeability, and vaporization performance of the seed crystals were measured using the following methods.

種結晶の粒度分布を測定するための分散液は、計測装置の超音波分散バスに水を入れて撹拌機で撹拌しながら、分散液をフローセルに循環させ、分散液を透過した光の強度が装置に表示される適正な光強度の範囲に入るように、超音波分散バス中の水に種結晶を加えることで調製した。このときの分散溶媒である水の量は通常250mL、分散させる種結晶は通常0.01gである。粉末の種結晶を入れる場合には、超音波を5分間かけて分散液中の種結晶の凝集を取り除いたのちに測定を行った。測定はフロー方式で行った。
得られたデータから、一次粒子のD10、D50、D90を取得した。
The dispersion for measuring the particle size distribution of seed crystals was prepared by adding water to the ultrasonic dispersion bath of the measuring device, stirring it with a stirrer, circulating the dispersion through a flow cell, and adding seed crystals to the water in the ultrasonic dispersion bath until the intensity of the light transmitted through the dispersion fell within the appropriate light intensity range displayed on the device. Typically, the amount of water used as the dispersion solvent was 250 mL, and the amount of seed crystal dispersed was typically 0.01 g. When using powdered seed crystals, the dispersion was subjected to ultrasonic waves for 5 minutes to remove aggregated seed crystals before measurement. Measurements were performed using a flow method.
From the obtained data, the primary particle values D10, D50, and D90 were acquired.

[二次粒子径の測定]
種結晶の二次粒子径の測定を、以下の条件で行った。
・装置名:ELSZ-2000ZS(大塚電子社製)
・測定方式:動的光散乱法
・測定範囲:0.02~44.3μm
・光源:高出力半導体レーザー
・検出器:高感度APD
・分散溶媒:水
得られたデータから、二次粒子径のメジアン径を取得した。
[Measurement of secondary particle size]
The secondary particle size of the seed crystal was measured under the following conditions.
• Device name: ELSZ-2000ZS (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.)
• Measurement method: Dynamic light scattering method • Measurement range: 0.02 to 44.3 μm
• Light source: High-power semiconductor laser • Detector: High-sensitivity APD
• Dispersion solvent: Water. The median diameter of the secondary particle size was obtained from the acquired data.

〔空気透過量〕
多孔質支持体の表面に未処理ゼオライト膜が担持されている筒状の多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の一端を封止し、他端を、密閉状態で5kPaの真空ラインに接続して、真空ラインと多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の間に設置したマスフローメーターで空気の流量を測定し、空気透過量[L/(m・h)]とした。マスフローメーターとしてはKOFLOC社製8300、Nガス用、最大流量500mL/min(20℃、1気圧換算)を用いた。KOFLOC社製8300においてマスフローメーターの表示が10mL/min(20℃、1気圧換算)以下であるときはLintec社製MM-2100M、Airガス用、最大流量20mL/min(0℃、1気圧換算)を用いて測定した。
[Air permeability]
A cylindrical porous support-zeolite membrane composite, in which an untreated zeolite membrane is supported on the surface of a porous support, was sealed at one end, and the other end was connected to a 5 kPa vacuum line in a sealed state. The airflow rate was measured using a mass flow meter placed between the vacuum line and the porous support-zeolite membrane composite, and the air permeability was expressed as [L/( ·h)]. A KOFLOC 8300 mass flow meter for N2 gas with a maximum flow rate of 500 mL/min (at 20°C and 1 atm) was used as the mass flow meter. When the KOFLOC 8300 mass flow meter reading was 10 mL/min (at 20°C and 1 atm) or less, a Lintec MM-2100M mass flow meter for air gas with a maximum flow rate of 20 mL/min (at 0°C and 1 atm) was used for measurement.

〔浸透気化(パーベーパレーション)性能測定〕
多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を用いた、パーベーパレーション法による性能測定は、下記の条件で、被処理液である100℃の水/エタノール水溶液(5/95質量%)から水を選択的に透過させる分離により行った。
[Pervaporation performance measurement]
Performance measurements using a porous support-zeolite membrane composite by pervaporation were performed under the following conditions, by selectively permeating water from a 100°C water/ethanol aqueous solution (5/95 mass%) which was the liquid to be treated.

パーベーパレーション法に用いた装置の概略図を図1に示す。図1に示されるように、当該装置は、原料としての有機化合物水溶液を収容している原料タンク1と、多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を収容する膜モジュール2と、膜モジュール2に接続される真空ポンプ3とを有する。膜モジュール2と真空ポンプ3との間には測定用トラップ4が接続されている。 A schematic diagram of the apparatus used in the pervaporation method is shown in Figure 1. As shown in Figure 1, the apparatus comprises a raw material tank 1 containing an aqueous solution of organic compounds as raw materials, a membrane module 2 containing a porous support-zeolite membrane composite, and a vacuum pump 3 connected to the membrane module 2. A measuring trap 4 is connected between the membrane module 2 and the vacuum pump 3.

膜モジュール2は、金属製の円筒体と、円筒体の一端(測定用トラップ4側)に接続される連結部材と、円筒体の他端を開閉可能に密閉する閉塞部材と、を有している。膜モジュール2には、多孔質支持体-ゼオライト膜複合体が収容されている。多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の一端は連結部材に接続されており、多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の内周側の空間は、多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の外周側の空間とは遮断され、かつ連結部材を介して測定用トラップ4に連通している。多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の他端は密閉されている。 The membrane module 2 comprises a metal cylinder, a connecting member connected to one end of the cylinder (the side facing the measurement trap 4), and a sealing member that can be opened and closed to seal the other end of the cylinder. The membrane module 2 houses a porous support-zeolite membrane composite. One end of the porous support-zeolite membrane composite is connected to the connecting member, and the inner circumferential space of the porous support-zeolite membrane composite is isolated from the outer circumferential space of the porous support-zeolite membrane composite, while communicating with the measurement trap 4 via the connecting member. The other end of the porous support-zeolite membrane composite is sealed.

原料タンク1は、供給タンク5、加熱器6を介して膜モジュール2に原料を供給可能に構成されている。また、膜モジュール2内の原料が、供給タンク5に戻せるように、または冷却器7を介して原料タンク1に戻せるように構成されている。また、供給タンク5と加熱器6との間で原料を循環可能に構成されている。さらに、冷却器7から原料タンク1に戻す原料をサンプリング可能に構成されている。当該装置の流路には、ポンプP1、P2およびバルブV1~V12が適宜に配置されている。 The raw material tank 1 is configured to supply raw materials to the membrane module 2 via the supply tank 5 and the heater 6. Furthermore, the raw materials within the membrane module 2 are configured to be returned to the supply tank 5 or to the raw material tank 1 via the cooler 7. The raw materials are also configured to circulate between the supply tank 5 and the heater 6. Additionally, the raw materials returned from the cooler 7 to the raw material tank 1 are configured to be sampled. Pumps P1, P2, and valves V1 to V12 are appropriately arranged in the flow path of the apparatus.

〔多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の製造例〕
水酸化アルミニウム(Al 53.5質量%含有、アルドリッチ社製)37.6g、25wt%-KOH水溶液243.0g、水1910.2gを加えて混合撹拌し溶解させ溶液とした。これにコロイダルシリカ(日産化学社製 スノーテック-40)232.5gを加えて2時間撹拌し、水性反応混合物とした。この水性反応混合物の組成(モル比)は、SiO/Al/KOH/HO=1/0.125/0.7/80/、SiO/Al=8であった。
[Example of manufacturing a porous support-zeolite membrane composite]
37.6 g of aluminum hydroxide (containing 53.5% by mass of Al₂O₃ , manufactured by Aldrich), 243.0 g of 25 wt% KOH aqueous solution, and 1910.2 g of water were added and mixed and stirred to dissolve the mixture. 232.5 g of colloidal silica (Nissan Chemical Snowtec-40) was added to this and stirred for 2 hours to obtain an aqueous reaction mixture. The composition (molar ratio) of this aqueous reaction mixture was SiO₂ / Al₂O₃ / KOH / H₂O = 1/0.125/0.7/80/ and SiO₂ / Al₂O₃ = 8 .

無機多孔質支持体としては、多孔質アルミナチューブ(外径12mm、内径9mm、長さ1200mm)を用いた。この多孔質アルミナチューブの平均細孔径は1.3μmであり、空孔率は42%であった。 As the inorganic porous support, a porous alumina tube (outer diameter 12 mm, inner diameter 9 mm, length 1200 mm) was used. The average pore size of this porous alumina tube was 1.3 μm, and the porosity was 42%.

プロトン型のY型ゼオライト(HY(SAR=5)、触媒化成工業社製)10.0gにNaOH5.00gと水100gを混合したものを100℃で7日間加熱した後、ろ過、水洗、乾燥することによりFAU型ゼオライトを得た。このFAU型ゼオライトの体積基準の粒度分布を測定したところD50は1.73μm、極大値は1.32μm、2.98μmであった(粒径:2μm程度)。 FAU-type zeolite was obtained by mixing 10.0 g of proton-type Y-type zeolite (HY (SAR=5), manufactured by Shokubai Kasei Kogyo Co., Ltd.) with 5.00 g of NaOH and 100 g of water, heating the mixture at 100°C for 7 days, and then filtering, washing with water, and drying. When the volume-based particle size distribution of this FAU-type zeolite was measured, the D50 was 1.73 μm, with maximum values of 1.32 μm and 2.98 μm (particle size: approximately 2 μm).

このFAU型ゼオライトを種結晶とし、この種結晶を水に2質量%分散させたものに、上記支持体を所定時間浸した後、100℃で5時間以上乾燥させて種結晶を付着させた。付着した種結晶の質量は3g/mであった。 This FAU-type zeolite was used as a seed crystal, and the above support was immersed in a solution of 2% by mass of this seed crystal dispersed in water for a predetermined time, and then dried at 100°C for more than 5 hours to allow the seed crystal to adhere. The mass of the attached seed crystal was 3 g/ .

種結晶を付着させた支持体を、上記水性反応混合物の入ったテフロン(登録商標)製内筒(200ml)に垂直方向に浸漬して、オートクレーブを密閉し、5時間かけて室温から180℃まで昇温した。昇温完了後、180℃で24時間、静置状態で、自生圧力下で加熱した。所定時間経過後に放冷し、多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を水性反応混合物から取り出し、洗浄後、100℃で4時間乾燥させた。こうして、未処理のCHA型ゼオライトの膜が多孔質支持体の外周面に担持されてなる多孔質支持体-ゼオライト膜複合体を得た。 A support with attached seed crystals was immersed vertically in a 200 ml Teflon® inner cylinder containing the aqueous reaction mixture. The autoclave was sealed and heated from room temperature to 180°C over 5 hours. After heating was complete, the autoclave was heated at 180°C for 24 hours under self-sustaining pressure. After the predetermined time, it was allowed to cool, and the porous support-zeolite membrane composite was removed from the aqueous reaction mixture. After washing, it was dried at 100°C for 4 hours. Thus, a porous support-zeolite membrane composite was obtained, in which an untreated CHA-type zeolite membrane was supported on the outer surface of the porous support.

〔対照例〕
上記製造例で得られた多孔質支持体-ゼオライト膜複合体の浸透気化性能試験を行った。「上記製造例で得られた多孔質支持体-ゼオライト膜複合体」は、「脱水縮合反応促進剤を接触」させていない未処理ゼオライト膜、に該当する。これに前述した浸透気化性能試験を実施した。結果は水の透過流束(Qw)が3236[g/m・h]、エタノールの透過流束(Qa)が256[g/m・h]であった。結果を表1に示す。
[Contrastive Example]
A permeation vaporization performance test was conducted on the porous support-zeolite membrane composite obtained in the above manufacturing example. The "porous support-zeolite membrane composite obtained in the above manufacturing example" corresponds to an untreated zeolite membrane that has not been "contacted with a dehydration condensation reaction accelerator". The aforementioned permeation vaporization performance test was performed on this. The results were a water permeation flux (Qw) of 3236 [g/ ·h] and an ethanol permeation flux (Qa) of 256 [g/ ·h]. The results are shown in Table 1.

〔実施例〕
対照例で使用した後の多孔質支持体-ゼオライト膜複合体に浸透気化性能試験を実施した。「対照例で使用した後の多孔質支持体-ゼオライト膜複合体」は、浸透気化性能試験によって被処理液である100℃の水/エタノール水溶液(5/95質量%)に一度接触している多孔質支持体-ゼオライト膜複合体である。この多孔質支持体-ゼオライト膜複合体に対し、前述した浸透気化性能試験を行った。結果は水の透過流束(Qw)が3372[g/m・h]、エタノールの透過流束(Qa)が102[g/m・h]であった。結果を表1に示す。
[Examples]
A permeation vaporization performance test was performed on the porous support-zeolite membrane composite after use in the control example. The "porous support-zeolite membrane composite after use in the control example" is a porous support-zeolite membrane composite that has been in contact once with the treated liquid, a 100°C water/ethanol aqueous solution (5/95 mass%), in the permeation vaporization performance test. The aforementioned permeation vaporization performance test was performed on this porous support-zeolite membrane composite. The results were a water permeation flux (Qw) of 3372 [g/ ·h] and an ethanol permeation flux (Qa) of 102 [g/ ·h]. The results are shown in Table 1.

表1に示す通り、対照例より、100℃の水/エタノール水溶液(5/95質量%)に一度も接触していない多孔質支持体-ゼオライト膜複合体では、エタノールの透過量が多いことがわかった。一方、実施例より、100℃の水/エタノール水溶液(5/95質量%)に一度接触している多孔質支持体-ゼオライト膜複合体では、エタノールの透過量が大きく低減することがわかった。このように、上記の水/エタノール水溶液に接触させることにより、水の透過流束Qwが実質的に同じであるのに対して、エタノール処理後のエタノールの透過流束Qaが大きく低下しており、エタノールの回収率を高められることがわかった。 As shown in Table 1, the porous support-zeolite membrane composite that had never been in contact with a 100°C water/ethanol aqueous solution (5/95 mass%) showed a high amount of ethanol permeation compared to the control example. On the other hand, the examples showed that the porous support-zeolite membrane composite that had been in contact with a 100°C water/ethanol aqueous solution (5/95 mass%) showed a significant reduction in ethanol permeation. Thus, by contacting the porous support-zeolite membrane composite with the above-mentioned water/ethanol aqueous solution, the water permeation flux Qw remained substantially the same, while the ethanol permeation flux Qa after ethanol treatment decreased significantly, indicating an improvement in ethanol recovery.

本発明は、水溶性有機化合物と水の混合物の分離において、相対的に透過性が低い成分の透過量が少ないゼオライト膜の製造に利用することが可能となる。 This invention can be used to produce zeolite membranes that exhibit low permeability of relatively less permeable components in the separation of water-soluble organic compounds and water mixtures.

1 原料タンク
2 膜モジュール
3 真空ポンプ
4 測定用トラップ
5 供給タンク
6 加熱器
7 冷却器
P1、P2 ポンプ
V1~V12 バルブ

1. Raw material tank 2. Membrane module 3. Vacuum pump 4. Measurement trap 5. Supply tank 6. Heater 7. Cooler P1, P2 pumps V1-V12 valves

Claims (13)

カウンターカチオンを含む未処理ゼオライト膜に脱水縮合反応促進剤を接触させる工程を含む、ゼオライト膜の製造方法。 A method for producing a zeolite film, comprising the step of contacting an untreated zeolite film containing countercations with a dehydration condensation reaction accelerator. 前記脱水縮合反応促進剤がエタノールを含む、請求項1に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to claim 1, wherein the dehydration condensation reaction accelerator contains ethanol. 前記脱水縮合反応促進剤に、エタノールの含有量が95容量%以上のエタノール水溶液を用いる、請求項2に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane according to claim 2, wherein the dehydration condensation reaction accelerator uses an aqueous ethanol solution containing 95% by volume or more of ethanol. 前記脱水縮合反応促進剤の温度が25℃以上である、請求項2または3に記載のゼオライト膜の製造方法。 A method for producing a zeolite film according to claim 2 or 3, wherein the temperature of the dehydration condensation reaction accelerator is 25°C or higher. 前記脱水縮合反応促進剤の温度が120℃以下である、請求項2~4のいずれか1項に記載のゼオライト膜の製造方法。 A method for producing a zeolite film according to any one of claims 2 to 4, wherein the temperature of the dehydration condensation reaction accelerator is 120°C or lower. 前記脱水縮合反応促進剤が二酸化炭素を含む、請求項1に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane according to claim 1, wherein the dehydration condensation reaction accelerator contains carbon dioxide. 前記二酸化炭素が気体であり、前記二酸化炭素の温度が室温である、請求項6に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to claim 6, wherein the carbon dioxide is a gas and the temperature of the carbon dioxide is room temperature. 前記二酸化炭素の状態が超臨界状態である、請求項6または7に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to claim 6 or 7, wherein the carbon dioxide is in a supercritical state. 前記接触させる工程に先立って、ゼオライトの結晶を水熱合成によって成長させて前記未処理ゼオライト膜を生成する工程をさらに含み、
前記未処理ゼオライト膜が、NaまたはK前記カウンターカチオンとして含み、
前記接触させる工程において、前記脱水縮合反応促進剤に、前記カウンターカチオンと水不溶性塩を形成する化合物を用いる、
請求項1~8のいずれか一項に記載のゼオライト膜の製造方法。
Prior to the contact step, the process further includes a step of growing zeolite crystals by hydrothermal synthesis to produce the untreated zeolite film,
The untreated zeolite film contains Na + or K + as the countercation ,
In the contact step, a compound that forms a water-insoluble salt with the counter cation is used as the dehydration condensation reaction accelerator.
A method for producing a zeolite film according to any one of claims 1 to 8.
前記カウンターカチオンはNaであり、前記脱水縮合反応促進剤にフッ化物溶液を用いる、請求項9に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to claim 9, wherein the countercation is Na + and a fluoride solution is used as the dehydration condensation reaction accelerator. 前記カウンターカチオンはNaであり、前記脱水縮合反応促進剤に尿酸水を用いる、請求項9に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite membrane according to claim 9, wherein the counter cation is Na + and uric acid water is used as the dehydration condensation reaction accelerator. 前記生成する工程は、有機化合物であって、ゼオライトの結晶構造を規制する鋳型剤である有機テンプレート化合物を用いずにゼオライトの結晶を成長させて前記未処理ゼオライト膜を生成する工程である、請求項9~11のいずれか一項に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to any one of claims 9 to 11, wherein the step of generating the film is a step of growing zeolite crystals without using an organic template compound, which is an organic compound and acts as a template agent that regulates the crystal structure of the zeolite, thereby producing the untreated zeolite film. 前記生成する工程は、有機化合物であって、ゼオライトの結晶構造を規制する鋳型剤である有機テンプレート化合物の存在下でゼオライトの結晶を成長させ、得られたゼオライト膜を酸化剤で処理して前記有機テンプレート化合物を前記ゼオライト膜から除去して前記未処理ゼオライト膜を生成する工程である、請求項9~11のいずれか一項に記載のゼオライト膜の製造方法。 The method for producing a zeolite film according to any one of claims 9 to 11, wherein the step of production involves growing zeolite crystals in the presence of an organic template compound, which is an organic compound and acts as a template agent that regulates the crystal structure of the zeolite, and then treating the resulting zeolite film with an oxidizing agent to remove the organic template compound from the zeolite film and produce the untreated zeolite film.
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