(57)【要約】【課題】機械的強度が高いと共に、軽量の気体分離部材の提供。【解決手段】ほぼ球形状の多数の気孔１の隣接するもの同士が連通孔２を介して連通する三次元網目状の骨格構造を有し、気孔率が５０〜９８％で、骨格部３が緻密質多結晶セラミックスからなる支持体４と、支持体上に形成され、混合ガスから特定のガスを選択的に透過させる気体分離膜とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して連通する三次元網目状の骨格構造を有し、気孔率が５０〜９８％で、骨格部が緻密質多結晶セラミックスからなる支持体と、支持体上に形成され、混合ガスから特定のガスを選択的に透過させる気体分離膜とを備えることを特徴とする気体分離部材。
【請求項２】
前記支持体と気体分離膜との間に介装され、粒子結合型の多孔質多結晶セラミックスからなる細孔径０．０１〜１０μｍの多孔質膜を備えることを特徴とする請求項１記載の気体分離部材。
【請求項３】
前記気孔率が６０〜８５％であることを特徴とする請求項１又は２記載の気体分離部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガスから特定のガスを選択的に透過させる気体分離部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の気体分離部材としては、セラミックスからなる多孔質基体上に水素分離膜を直接形成させた水素分離体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３１７２８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の気体分離部材は、気体分離膜を支持する支持体としての多孔質基体が、粒子結合型の多孔質多結晶セラミックスからなるため、気孔率が高々４５％と低く、重い不具合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、機械的強度を高くすると共に、気孔率を高くし、かつ、軽量とし得る気体分離部材を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の気体分離部材は、ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して連通する三次元網目状の骨格構造を有し、気孔率が５０〜９８％で、骨格部が緻密質多結晶セラミックスからなる支持体と、支持体上に形成され、混合ガスから特定のガスを選択的に透過させる気体分離膜とを備えることを特徴とする。
【０００７】
又、第２の気体分離部材は、第１のものにおいて、前記支持体と気体分離膜との間に介装され、粒子結合型の多孔質多結晶セラミックスからなる細孔径０．０１〜１０μｍの多孔質膜を備えることを特徴とする。
【０００８】
一方、前記気孔率は、６０〜８５％、であることが好ましい。
【０００９】
【作用】
本発明の第１の気体分離部材においては、支持体の骨格部が強固に接合したセラミックス粒子からなり、ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して連通する三次元網目状を呈する。
【００１０】
気孔率が、５０％未満であると、閉気孔となり、ガスが透過しない。一方、９８％を超えると、成形体強度が低くなり、作製が難しい。
気孔率は、６０〜９０％が好ましく、より好ましくは６０〜８５％である。
骨格部を形成するセラミックスとしては、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、その他が挙げられる。
なお、アルミナ質の場合、気孔率が６０〜８５％であれば、曲げ強さは１０〜５０ＭＰａである。
気体分離膜としては、パラジウム、パラジウムを主成分とする合金、又はパラジウムを含有する合金からなる水素分離膜、シリカやゼオライトからなる炭酸ガス分離膜、その他が挙げられる。
【００１１】
又、第２の気体分離部材においては、第１のものによる作用の他、支持体上に開口するほぼ球形状の気孔の開口部が多孔質膜によって閉鎖される。
【００１２】
細孔径が、０．０１μｍ未満であると、第２の気体分離部材の圧力損失が大きくなる。一方、１０μｍを超えると、表面の凸凹が大きくなり、気体分離膜を薄く均一に成膜することが難しくなる。
細孔径は、０．０１〜１μｍが好ましく、より好ましくは０．２〜０．８μｍである。
多孔質膜を形成するセラミックスとしては、骨格部と同様に、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、その他が挙げられる。
支持体と気体分離膜との間の多孔質膜の介装形態としては、多孔質膜が支持体の上面に気体分離膜との間に厳密に介装される場合、多孔質膜が支持体の上面と気体分離膜との間に介装されると共に、その一部の多孔質多結晶セラミックスが支持体の上面に開口するほぼ球形状の気孔に入り込んでいる場合、又は多孔質膜を形成する多孔質多結晶セラミックスが支持体の上面に開口するほぼ球形状の気孔に、その開口部を塞ぐように膜状に入り込み、かつ、その外面が支持体の上面と面一となっている場合のいずれでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る気体分離部材の第１の実施の形態を示す概念的な断面図である。
【００１４】
この気体分離部材は、混合ガスから炭酸ガス（ＣＯ２）を分離するためのもので、直径が平均で１５０μｍのほぼ球形状の多数の気孔１の隣接するもの同士が連通孔２を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有すると共に、気孔率が７０％で、曲げ強さが３２ＭＰａであり、かつ、骨格部３が気孔率５％程度の緻密質多結晶アルミナセラミックスからなる支持体４と、一部を支持体４の上面に開口する気孔１に入り込ませて支持体４の上面に形成され、炭酸ガスを選択的に透過させるゼオライトからなる細孔径０．５ｎｍ、厚さ１０μｍの炭酸ガス分離膜５とを備えているものである。
【００１５】
上記気体分離部材を作製するため、先ず、平均粒径１μｍのローソーダアルミナ１００重量部、液体媒質としてイオン交換水２０重量部、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウム１重量部、起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノールアミン０．２重量部、ステアリン酸アンモニウム０．８重量部、及びゲル化主剤としてエポキシ樹脂３重量部を攪拌機で混合攪拌しながら空気を導入して泡立て、泡状のスラリーを調製した。
次に、泡状のスラリーを攪拌しながら、これにゲル化副剤としてイミノビスプロピルアミン１重量部を添加し、型に鋳込み、１２０分程経過すると、ゲル化が十分に進行しゲル化体となった。
【００１６】
次いで、ゲル化体を型から取り出し、乾燥して板状の成形体を得た。
得られた成形体は、ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有していた。
次に、成形体を空気中において１６００℃の温度で４時間焼成して焼成体とし、板状（縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の支持体を得た。
【００１７】
次いで、支持体の片面に、シリカ、水酸化ナトリウム、及び臭化テトラプロピルアンモニウムを混合したゾルを塗布し、乾燥してから空気中において６００℃の温度で２時間焼成して炭酸ガス分離膜を形成し気体分離部材を得た。
【００１８】
得られた気体分離部材は、重量が２４ｇであり、又、室温でのＣＯ２／Ｎ２分離係数が４．３であった。
【００１９】
ここで、体積増加量を変えた他、前述した場合と同様にしてほぼ球形状の気孔の気孔率の異なる各種の支持体を作製した後、各支持体の片面に前述した場合と同様にして炭酸ガス分離膜を形成して気体分離部材とし、各気体分離部材の気孔率、重量、曲げ強さ、透過率、及び室温でのＣＯ２／Ｎ２分離係数を測定したところ、前述したもの（Ｎｏ．３）のそれらを併記すると表１のようになった。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１から分るように、気孔率５０〜９８％で、曲げ強さ０．５〜１０５ＭＰａ、重量２〜４０ｇとなり、かつ、透過率２．５〜３．３×１０−７ｍｏｌ／ｍ２・Ｓ・Ｐａ、室温でのＣＯ２／Ｎ２分離係数４．３となる。
【００２２】
一方、支持体を平均細孔径０．８μｍ、気孔率３５％の粒子結合型の多孔質多結晶アルミナセラミックスにより前述したものと同一寸法に形成し、その片面に炭酸ガス分離膜を前述したものと同様に形成した従来の気体分離部材は、重量が５３ｇ、曲げ強さが３０ＭＰａとなり、かつ、透過率が３．３×１０−７ｍｏｌ／ｍ２・Ｓ・Ｐａ、室温でのＣＯ２／Ｎ２ＣＯ２／Ｎ２分離係数が４．３であった。
したがって、本発明に係る気体分離部材は、従来のものに比べて、透過率及び室温でのＣＯ２／Ｎ２分離係数を同等としながら、機械的強度を高くできると共に、気孔率を高くでき、かつ、重量を大幅に軽減できることが分る。
【００２３】
図２は本発明に係る気体分離部材の第２の実施の形態を示す概念的な断面図である。
この気体分離部材は、混合ガスから水素ガス（Ｈ２）を分離するためのもので、前述した第１の実施の形態のものと同様に、直径が平均で１５０μｍのほぼ球形状の多数の気孔６の隣接するもの同士が連通孔７を介して互いに連通する三次元網目状の骨格構造を有すると共に、気孔率が７０％で、曲げ強さが３２ＭＰａであり、かつ、骨格部８が気孔率５％程度の緻密質多結晶アルミナセラミックスからなる支持体９と、一部を支持体９の上面に開口する気孔６に入り込ませて支持体９の上面に形成され、粒子結合型の多孔質多結晶アルミナセラミックスからなり、細孔径０．１５μｍ、厚さ１５０μｍ、気孔率３８％の多孔質膜１０と、多孔質膜１０の表面に形成され、水素ガスを選択的に透過させるパラジウム系金属からなる厚さ１μｍの水素分離膜１１とを備えているものである。
なお、多孔質膜１０は、気孔６に全く入り込ませないようにしてもよい。
【００２４】
上記気体分離部材を作製するため、先ず、第１の実施の形態のものと同様にして板状（縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の支持体を得た。
次に、支持体の片面に、水及び分散剤を用いてスラリー状とした平均粒径０．５μｍのアルミナセラミックスを塗布し、乾燥してから空気中において１４５０℃の温度で２時間焼成して多孔質膜を形成した。
次いで、多孔質膜の表面に、蒸着によりパラジウム系金属からなる水素分離膜を形成して気体分離部材を得た。
【００２５】
得られた気体分離部材は、重量が２９ｇ、気孔率７０％、曲げ強さが３２ＭＰａで、又、得られた気体分離部材を透過セルに装着し、３００℃の温度で水素精製試験を行ったところ、水素透過時の水素選択性が１．０×１０４、水素透過率が４．４×１０−６ｍｏｌ／ｍ２・Ｓ・Ｐａであった。
これに対し、支持体を、平均細孔径１５０ｎｍ、気孔率３８％の粒子結合型の多孔質多結晶アルミナセラミックスにより、板状（縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ，厚さ０．１５ｍｍ）に形成し、この支持体の片面に、水素分離膜を上述したものと同様に形成した従来の気体分離部材を透過セルに装着し、水素精製試験を行ったところ、水素透過時の水素選択性が１．０×１０４、水素透過率が４．４×１０−６ｍｏｌ／ｍ２・Ｓ・Ｐａであった。
なお、水素分離膜の性能は、３００℃の温度における水素の透過速度及び窒素に対する水素の透過速度比である水素選択性で評価し、透過速度の定量については、ガスクロマトグラフを使用した。
したがって、本発明に係る気体分離部材は、従来のものに比べて、水素透過時の水素選択性及び水素透過率を同等としながら、機械的強度を高くできることが分る。
【００２６】
図３は本発明に係る気体分離部材の第３の実施の形態を示す概念的な断面図である。
この気体分離部材は、第２の実施の形態のものと同様に、混合ガスから水素ガスを分離するためのものであり、第２の実施の形態のものが、支持体９と水素分離膜１１との間に介装される多孔質膜１０を、一部を支持体９の上面に開口する気孔６に入り込ませて支持体９の上面に形成したのに対し、多孔質膜１０を形成する多孔質多結晶セラミックスを、支持体９の上面に開口するほぼ球形状の気孔６に、その開口部を塞ぐように膜状に入り込ませ、かつ、その外面が支持体９の上面と面一となるようにしたものである。
他の構成は、第２の実施の形態のものと同様であるので、同一の構成部材等には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
上記気体分離部材は、第２の実施の形態のものとほぼ同様にして作製されるものであり、又、多孔質膜１０が支持体９の上面に開口する気孔６内に形成されることにより、気体分離部材の厚さを低減できる他、第２の実施の形態のものと同様の作用効果を奏する。
【００２８】
なお、上述した各実施の形態においては、支持体４，９、多孔質膜１０をアルミナセラミックスにより形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、その他のセラミックスとしてもよい。
又、気体分離膜は、炭酸ガス分離膜、水素分離膜に限らず、酸素分離膜、その他としてもよい。
更に、気体分離部材は、板状のものに限らず、管状、ハニカム状、その他の形状としてもよい。
更に又、第２、第３の実施の形態のものから水素分離膜を除去したものは、固体と液体とを分離するフィルターとして用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の気体分離部材によれば、支持体の骨格部が強固に接合したセラミックス粒子からなり、ほぼ球形状の多数の気孔の隣接するもの同士が連通孔を介して連通する三次元網目状を呈するので、従来に比べて機械的強度を高くできると共に、気孔率を高くでき、かつ、重量を大幅に軽減することができる。
【００３０】
又、第２の気体分離部材によれば、第１のものによる作用効果の他、支持体上に開口するほぼ球形状の気孔の開口部が多孔質膜によって閉鎖されるので、気体分離膜の厚さを薄くすることができ、分離効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る気体分離部材の第１の実施の形態を示す概念的な断面図である。
【図２】本発明に係る気体分離部材の第２の実施の形態を示す概念的な断面図である。
【図３】本発明に係る気体分離部材の第３の実施の形態を示す概念的な断面図である。
【符号の説明】
１  気孔
２  連通孔
３  骨格部
４  支持体
５  炭酸ガス分離膜
６  気孔
７  連通孔
８  骨格部
９  支持体
１０  多孔質膜
１１  水素分離膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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