BRPI0718532A2

BRPI0718532A2 - Composto de material poroso - membrana de separação e método para fabricar o mesmo.

Info

Publication number: BRPI0718532A2
Application number: BRPI0718532-4A
Authority: BR
Inventors: Akimasa Ichikawa; Shogo Takeno; Masami Nonokawa
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2013-11-19
Also published as: JP2010509035A; CN101534929A; AU2007318453A1; US20090206025A1; EP2091633A2; AU2007318453B2; CA2668708A1; CA2668708C; CN101534929B; WO2008056803A2; WO2008056803A3; JP5368981B2; EP2091633B1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSTO DE MATERIAL POROSO - MEMBRANA DE SEPARAÇÃO E MÉTODO PARA FABRICAR O MESMO".

Campo da Técnica

A presente invenção refere-se a um composto de material poro- so - membrana de separação que tem um material poroso e uma membrana de separação formada sobre a superfície do material poroso e um método para fabricar o composto de material poroso - membrana de separação. Fundamentos da Técnica

Existe uma demanda técnica para uma separação seletiva de uma substância específica (por exemplo, um gás) de uma mistura de uma pluralidade de substâncias (por exemplo, um gás) no nível de molécula. Co- mo filtros para atender a demanda, têm sido geralmente conhecidos filtros os quais empregam a polissulfona, o silício, a poliamida, a poli-imida, ou simila- res para uma membrana de separação.

No entanto, como as membranas de separação destes materiais são resinas de polímero, existe um problema de misturas limitadas sujeitas à separação porque o filme facilmente muda de qualidade e deteriora quando um solvente orgânico está contido na mistura.

Portanto, em anos recentes, tem sido proposto um filtro que tem um filme de carbono como uma membrana de separação formada sobre um material poroso (substrato poroso) como um filtro excelente em estabilidade química e resistência térmica (ver Patente Japonesa Número 3647985).

No entanto, um filtro realmente fabricado pela formação de um filme de carbono sobre uma superfície de um material poroso não é satisfa- tório com relação a um fluxo e seletividade (fator de separação a), mostran- do a necessidade de aperfeiçoamento.

Geralmente, o aperfeiçoamento da seletividade com a manuten- ção do fluxo, o aperfeiçoamento do fluxo com a manutenção da seletividade, e o aperfeiçoamento tanto do fluxo quanto da seletividade são sempre obje- tivos. Foi descoberto que, especificamente quando um filme de carbono é formado sobre um material poroso por um método de imersão, o filme de carbono é formado espesso, e por meio disto o fluxo tende a diminuir.

Além disso, como descrito na Patente Japonesa Número 3647985, em um método para impregnar a superfície do material poroso (substrato poroso) com sílica sol e formar um filme de carbono sobre o 5 mesmo, um diâmetro de poro do filme de carbono aumenta devido à forma- ção de uma camada de sol. Portanto, a seletividade é aperfeiçoada com re- lação a algumas substâncias (por exemplo, um gás) que têm um diâmetro molecular de 0,43 nm ou mais e um peso molecular relativamente alto tal como o CsH8 / C3H6. No entanto, foi descoberto que a seletividade deteriora 10 facilmente com relação a uma substância que tem um peso molecuiar relati- vamente pequeno tal como 0 CO2 / CH4, N2 / O2, e água / EtOH, os quais são industrialmente úteis. Além disso, um baixo fluxo pela influência de per- da de pressão devido à sílica sol foi reconhecido.

Descrição da Invenção A presente invenção foi feita em vista das circunstâncias acima

mencionadas e objetiva prover um meio para obter um filtro que tem um ma- terial poroso e uma membrana de separação (por exemplo, um filme de car- bono) sobre o mesmo e que tem um fluxo e seletividade aperfeiçoados em comparação com os filtros convencionais. Como um resultado de estudos 20 repetidos, foi descoberto que o problema acima pode ser resolvido formando uma membrana de separação sobre uma superfície de um material poroso sob condições específicas em um processo de produção de um composto de material poroso - membrana de separação (aplicável a um filtro), o que levou à conclusão da presente invenção.

Isto é, de acordo com a presente invenção, está provido um

composto de material poroso - membrana de separação que compreende um material poroso e uma membrana de separação formada sobre uma su- perfície do material poroso, em que a camada de composto que tem uma espessura de 1 mm ou menos está provida como uma subcamada para a 30 camada de separação a uma interface entre o material poroso e a membra- na de separação, e pelo menos parte da camada de composto é feita do mesmo material que um material para a camada de separação. A camada de composto no presente relatório descritivo significa uma camada formada de tal modo que uma solução de um precursor para uma membrana de separação é feita para ser penetrada em uma parte do material poroso, especialmente uma parte da camada densa enquanto apli- 5 cando pressão no interior dos poros dentro do material poroso de modo a formar uma camada em que um material para uma camada de membrana de separação é misturado, desejavelmente em um estado homogêneo tanto quanto possível, com o material para o material poroso na interface entre o material poroso e a membrana de separação quando a membrana de sepa- 10 ração é finalmente formada sobre o material poroso. Isto é, a camada de composto significa uma porção onde, tanto o material que constitui o materi- al poroso quanto o material para a membrana de separação estão presentes em um estado misturado na interface entre o material poroso e a membrana de separação.

Em um composto de material poroso - membrana de separação

da presente invenção, a camada de composto tem uma espessura de prefe- rência de 500 μιη ou menos, mais de preferência de 0,01 a 500 μηι, mais ainda de preferência de 100 μιη ou menos, e especificamente de preferência de 0,01 a 10 μιτι.

Em um composto de material poroso - membrana de separação

da presente invenção o material poroso de preferência tem uma forma mo- nolítica.

Em um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, a membrana de separação é de preferência um filme de carbono de peneira molecular.

De acordo com a presente invenção, está adicionalmente provi- do um filtro de cerâmica constituído por um dos corpos de composto de ma- terial poroso - membrana de separação e capaz de separar água de etanol. Além disso, está provido um filtro de cerâmica constituído por um dos corpos 30 de composto de material poroso - membrana de separação capaz de sepa- rar uma mistura de gás de, por exemplo, oxigênio e nitrogênio, ou similares, além de uma mistura líquida de água e etanol, ou similares, no nível molecu- lar.

De acordo com a presente invenção, está adicionalmente provi- do um método para fabricar um composto que compreende um material po- roso e uma membrana de separação formada sobre uma superfície do mate- 5 rial poroso, em que, após o material poroso ser preparado, o material poroso é sujeito a uma etapa de trazer uma solução da membrana de separação ou uma solução de um precursor, o qual torna-se a membrana de separação posteriormente em contato com a superfície do material poroso pelo menos uma vez sob aplicação de pressão a um interior dos poros do material poro- 10 so de modo a manter a espessura da camada de composto no nível prede- terminado.

Em um método para fabricar o composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, é preferível que o contato na etapa acima mencionada seja conduzido por imersão do material poroso na solução da membrana de separação ou da solução de um precursor o qual torna-se a membrana de separação posteriormente (método de imersão).

Em um método para fabricar o composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, é também preferível que a pressão seja aplicada suprindo um gás pressurizado para dentro dos poros do material poroso.

Em um método para fabricar o composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, a pressão é de preferência de 1 a 1000 kPa, mais de preferência de 10 a 500 kPa, e especificamente de preferência de 50 a 100 kPa.

Um método para fabricar o composto de material poroso - mem-

brana de separação da presente invenção é adequadamente utilizado no caso que o material poroso tem uma forma monolítica.

Um método para fabricar o composto de material poroso - mem- brana de separação da presente invenção é adequadamente utilizado no caso que a membrana de separação é um filme de carbono de peneira mo- lecular.

De acordo com a presente invenção, está adicionalmente provi- do um método para formar a membrana de separação sobre uma superfície do material poroso, em que o método inclui uma etapa de trazer uma solu- ção da membrana de separação ou uma solução de um precursor o qual torna-se a membrana de separação posteriormente em contato com uma 5 superfície do material poroso em um estado que uma pressão de 1 a 100 kPa seja aplicada no interior dos poros do material poroso suprindo um gás pressurizado para dentro dos poros.

Como a camada de composto formada na interface entre o ma- terial poroso e a membrana de separação tem uma espessura de 1 mm ou menos em um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, a espessura inteira da membrana de separação que in- clui a porção de camada de composto é fina em comparação aos corpos de composto de material poroso - membrana de separação convencionalmente presentes em vários tipos de filtros. Como uma camada de composto tem uma pequena área efetiva de uma membrana de separação, esta tem uma perda de pressão especificamente grande. Ainda, um filtro convencional tem uma grande perda de pressão porque a porção de camada de composto é espessa. Portanto, um filtro onde um composto de material poroso - mem- brana de separação da presente invenção é empregado tem uma pequena perda de pressão no total e um alto fluxo quando da separação de uma mis- tura.

Em um método para fabricar o composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, o material poroso é sujeito a uma etapa de trazer a solução de um precursor o qual torna-se a membrana 25 de separação posteriormente em contato com uma superfície do material poroso pelo menos uma vez em um estado que a pressão é aplicada no inte- rior dos poros do material poroso. Quando a solução de um precursor o qual torna-se a membrana de separação posteriormente é trazida em contato com uma superfície do material poroso, o interior dos poros do material po- 30 roso está em um estado pressurizado. Portanto, a solução de um precursor (daqui em diante algumas vezes referido como solução de precursor) dificil- mente penetra nos poros da superfície do material poroso, e quase toda a solução de precursor permanece sobre a superfície do material poroso e forma uma membrana de separação com a formação de uma camada de composto bastante fina na interface entre os mesmos. Portanto, de acordo com um método para fabricar um composto de material poroso - membrana 5 de separação da presente invenção, uma camada de composto muito fina que tem uma espessura uniforme pode ser formada na interface entre o ma- terial poroso e a membrana de separação. Também, a membrana de sepa- ração inteira, que inclui uma porção de camada de composto compostamen- te formada com o material poroso pode ter uma espessura uniforme e pode 10 ser feita fina, é claro, em comparação com uma membrana de separação fabricada sem pressurizar o interior dos poros do material poroso.

Além disso, em um método para fabricar um composto de mate- rial poroso - membrana de separação da presente invenção, como a mem- brana de separação inteira incluindo a camada de composto pode ser for- mada fina, apenas uma pequena quantidade de solução de precursor utiliza- da para formar a membrana de separação é requerida.

Ainda, em um método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, é possível empre- gar um método de imersão onde o material poroso é imerso em uma solução 20 de precursor o qual torna-se uma membrana de separação posteriormente como um modo preferível. Mesmo por este método, a membrana de separa- ção não é formada espessa sobre uma superfície do material poroso para não gerar um fator de diminuição de fluxo.

Mesmo por um método para formar a membrana de separação 25 sobre a superfície de um material poroso da presente invenção, um efeito similar àquele por um método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção penetrando o precursor enquanto aplicando pressão nos poros no material poroso pode ser obtido. Isto é, um método para formar uma membrana de separação sobre uma su- 30 perfície de um material poroso da presente invenção está incluído como uma modalidade para o método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção. Um método para formar uma membrana de separação sobre a superfície de um material poroso da presente invenção e um método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da pre- sente invenção exibem um excelente efeito pelo fato de que um composto 5 de material poroso - membrana de separação da presente invenção pode ser obtido.

Como um composto de material poroso - membrana de separa- ção da presente invenção fabricado pelo emprego do método para formar uma membrana de separação sobre uma superfície de um material poroso 10 da presente invenção ou um método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção é fabricado com aplicação de pressão dentro dos poros do material poroso para controlar a penetração de uma solução de precursor dentro dos poros da superfície do material poroso, a membrana de separação inteira, incluindo uma porção de 15 camada de composto é fina e tem ma espessura uniforme. Portanto, o com- posto de material poroso - membrana de separação da presente invenção é excelente em seletividade além de um alto fluxo como acima descrito.

Se um composto que tem um material poroso e uma membrana de separação formada sobre uma superfície do material poroso (composto de material poroso - membrana de separação) for fabricado por um método convencional, por exemplo, o método de imersão onde uma pressão não é aplicada dentro dos poros do material poroso ao invés de utilizar um método para formar uma membrana de separação sobre uma superfície de um ma- terial poroso da presente invenção ou um método para fabricar um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, a solu- ção de precursor a qual torna-se uma membrana de separação posterior- mente penetra nos poros da superfície do material poroso. Como um resul- tado de ter uma diferença causada por uma superfície côncava - convexa do material poroso na extensão da penetração, algumas vezes, uma membrana de separação que tem uma espessura uniforme não pode ser formada. Um filtro que utiliza tal composto de material poroso - membrana de separação tem o desempenho de separação deteriorado a qualquer custo. No entanto, de acordo com o composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, fabricado por um método para formar uma membrana de separação sobre uma superfície de um material poroso da presente inven- ção ou um método para fabricar um composto de material poroso - membra- 5 na de separação da presente invenção, tal problema não é causado, e um filtro que tem um fluxo satisfatório e uma seletividade satisfatória pode ser obtido.

Um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção fabricado por um método para formar uma membrana de separação sobre uma superfície de um material poroso da presente inven- ção ou um método para fabricar um composto de material poroso - membra- na de separação da presente invenção pode ter um filme que tem uma es- pessura uniforme sem formar uma camada de sol como descrito na Patente Japonesa Número 3647985. Portanto, este pode exibir uma alta seletividade mesmo para uma série que tem um peso molecular relativamente pequeno e industrialmente uma alta usabilidade tal como o CO2 / CH4, N2 / O2, e água / EtOH. Como não existe nenhuma influência de perda de pressão devido à camada de sol, um fluxo é também alto. Além disso, mesmo no caso de for- mar uma membrana de separação sobre uma camada de sol, pelo emprego de um método para formar uma membrana de separação sobre uma super- fície de um material poroso da presente invenção ou um método para fabri- car um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção, os componentes da membrana de separação são inibidos de pe- netrar em uma camada de sol, e por meio disto um alto fluxo pode ser obti- do.

Breve Descrição dos Desenhos

Figura 1 é um diagrama de blocos que mostra o maquinário in- teiro e as ferramentas de um aparelho utilizado na formação de um filme de carbono.

Figura 2 é uma vista detalhada que mostra o interior do conten-

tor do aparelho mostrado na figura 1.

Figura 3 é uma fotografia que mostra um corte transversal do material poroso no exemplo (Exemplo Comparativo 1).

Figura 4 é uma fotografia que mostra um corte transversal do material poroso no exemplo (Exemplo 1).

Figura 5 é uma vista em perspectiva que mostra o total de uma modalidade de um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção.

Figura 6 é uma vista esquemática que mostra uma parte amplia- da de um corte transversal da parede interna de uma célula de uma modali- dade de um composto de material poroso - membrana de separação da pre- sente invenção.

Listagem de Referência

1: composto de material poroso - membrana de separação, 2: parede divisória, 15 & 16: face de extremidade, 17: face periférica, 20: con- tentor, 22: vedante, 23: embalagem, 24: gás pressurizado; 25: solução de 15 precursor, 26: tanque, 27: válvula de regulação, 28: bomba, 61: material po- roso, 62: substrato, 63: camada intermediária, 64: camada densa, 65: com- posto, 66: filme de carbono.

Melhor Modo para Executar a Invenção

Aqui abaixo, as modalidades da presente invenção serão descri- tas com referência aos desenhos. No entanto, a presente invenção não está por nenhum meio limitada a estas modalidades, e várias mudanças, modifi- cações, aperfeiçoamentos, e substituições podem ser adicionadas a estas com base naqueles versados na técnica dentro de uma faixa que não desvia da essência da presente invenção. Por exemplo, os desenhos mostram as modalidades preferidas da presente invenção. No entanto, nenhuma restri- ção é imposta sobre a presente invenção por modalidades mostradas pelos desenhos ou informações mostradas nos desenhos. Quando executando ou inspecionando a presente invenção, meios similares ou equivalentes àqueles descritos na presente especificação podem ser empregados. No entanto, um meio preferível e adequado é como segue:

Primeiro, um composto de material poroso - membrana de sepa- ração da presente invenção será descrito. As figuras 5 e 6 são vistas que mostram uma modalidade de um composto de material poroso - membrana de separação da presente invenção. A figura 5 é uma vista em perspectiva que mostra o conjunto, e a figura 6 é uma vista esquemática que mostra uma parte ampliada de um corte transversal de uma parede interna de uma célula.

O composto de material poroso - membrana de separação 1 mostrado na figura 5 tem uma forma externa cilíndrica como um todo e uma forma monolítica (forma como raiz de lótus) que tem uma pluralidade de cé- lulas 13 que constituem as passagens de fluido na direção axial. Cada uma 10 das células 13 divididas pelas paredes divisórias 12 as quais são corpos po- rosos 61 tem uma seção transversal circular perpendicular à direção axial. Sobre as superfícies de parede interna das células 13 estão formados filmes de carbono 66 de filmes de carbono de peneira molecular. As superfícies de parede interna significam as superfícies das paredes divisórias 12, as quais 15 substancialmente formam o espaço aberto das células 13.

Em um composto de material poroso - membrana de separação

1, por exemplo, quando uma mistura de água e etanol como o alvo de sepa- ração é introduzida nas células 13 de uma face de extremidade 15 no lado de entrada, a água que constitui a mistura é seletivamente separada pelos 20 filmes de carbono 66 formados sobre a superfície de parede interna das cé- lulas 13, passa através das paredes divisórias 12, e descarregada da face periférica mais externa 17 do composto de material poroso - membrana de separação 1 antes da mistura atingir a face de extremidade 16 no lado de saída. Isto é, a mistura pode ser dividida em água como uma substância e 25 etanol como a outra substância. Assim, o composto de material poroso - membrana de separação 1 pode ser utilizado como um filtro que tem um alto desempenho de separação para água e etanol, por exemplo.

Como mostrado na figura 6, o composto de material poroso - membrana de separação 1 é um composto que tem que tem um material poroso 61 (parede divisória 12) e um filme de carbono 66 como uma mem- brana de separação formado sobre uma superfície do material poroso 61 (parede divisória 12). O material poroso 61 é constituído por um substrato 62 que tem um diâmetro de partícula médio de 10 a 100 μιτι e um diâmetro de poro médio de 1 a 30 μιτι, uma camada intermediária que tem um diâmetro de poro médio de 0,1 a 30 μηι, e uma camada densa 64 que tem um diâme- tro de poro médio de 0,01 a 0,5 μηι do lado interno. Um filme de carbono 66 5 é formado sobre a superfície da camada densa 64. Um composto 65 é for- mado na interface da camada densa 64 (material poroso 61) e um filme de carbono tem uma espessura de 0,00001 a 1 mm.

A seguir, um método para fabricar um composto de material po- roso - membrana de separação será descrito com um exemplo de um caso de fabricar o acima mencionado composto de material poroso - membrana de separação 1. Através da descrição, um método para formar uma mem- brana de separação sobre uma superfície de um material poroso da presen- te invenção será descrito. Primeiro, o material poroso 61 é obtido por um método conhecido. Por exemplo, um substrato 62 que tem uma forma mono- lítica é formado sujeitando um material poroso à formação por extrusão, se- guido de queima. Então, uma camada intermediária 63 e uma camada densa 64 são formadas sobre uma superfície do substrato 62 utilizando um material poroso por um método de formação de filme por filtração, seguido de queima para obter um material poroso 61. A superfície do substrato 62 onde a ca- mada intermediária 63 e a camada densa 64 são formadas é uma superfície de parede interna de uma célula 13.

Como o material poroso do substrato 62, a alumina pode ser empregada pelo fato de que um diâmetro de poro é dificilmente mudado de- vido à corrosão ou mudança de temperatura e que uma resistência suficiente pode ser obtida. No lugar da alumina, cordierita, mulita, carbureto de silício, ou similares, podem ser empregados.

Como o material poroso para a camada intermediária 63 e a ca- mada densa 64, o mesmo material que aquele para o substrato 62 pode ser utilizado. As partículas, por exemplo, as partículas de alumina que formam a 30 camada intermediária 63 têm um diâmetro de partícula médio menor do que aquele das partículas, por exemplo, das partículas de alumina que formam o substrato 62; as partículas, por exemplo, as partículas de alumina que for- mam a camada densa 64 têm um diâmetro de partícula médio menor do que aquele das partículas, por exemplo, das partículas de alumina que formam a camada intermediária 63. Quando a camada intermediária 63 e a camada densa 64 são formadas por um método de formação de filme por filtração, 5 cada um dos materiais porosos é utiíizado como uma pasta obtida pela mis- tura de partículas de estrutura de partículas de alumina ou similares que têm um diâmetro de partícula médio de 0,3 a 10 μηι, um ajudante de sinterização de um pó calcinado de vidro, e um aglutinante com um solvente tal como a água a uma razão predeterminada. É desejável que a pasta tenha um con- 10 teúdo de aglutinante de 2 a 10% por massa com relação ao conteúdo de substâncias inorgânicas que constituem a pasta.

A seguir, um filme de carbono 66 (membrana de separação) é formado sobre uma superfície do material poroso 61 acima obtido. A superfí- cie do material poroso 61 onde o filme de carbono 66 é formado é uma su- 15 perfície de parede interna de uma célula 13 onde a camada intermediária 63 e a camada densa 64 são previamente formadas e uma superfície de uma parede divisória 12. O filme de carbono 66 pode ser formado colocando uma solução de precursor de um filme de carbono 66 em contato com uma super- fície do material poroso 61 para formar um filme, o qual é carbonizado a a- 20 proximadamente 400 a 1000°C, de preferência aproximadamente 700°C em uma atmosfera de nitrogênio. A carbonização pode ser executada em uma atmosfera reduzida de argônio, hélio, ou similar, em um estado de vácuo ao invés de uma atmosfera de nitrogênio. Quando a carbonização é executada a uma temperatura abaixo de 400°C, a seletividade e taxa de permeabilida- 25 de como um filme de peneira molecular pode diminuir devido à carbonização insuficiente. Por outro lado, quando a carbonização é executada a uma tem- peratura acima de 1000°C, a taxa de permeabilidade pode diminuir devido à contração de diâmetros de poros. O filme de carbono 66 pode ser formado de uma vez ou em operações repetidas.

As figuras 1 e 2 são vistas que mostram um aparelho utilizado

para formar o filme de carbono 66 por um método de imersão. A figura 1 é um diagrama de blocos que mostra o maquinário inteiro e as ferramentas, e a figura 2 é uma vista detalhada que mostra o interior do contentor mostrado na figura 1. O aparelho 10 mostrado na figura 1 executa as mesmas condi- ções que aquelas para imergir o material poroso 61 em uma solução de pre- cursor 25. O aparelho 10 é constituído por um contentor 20 que tem o mate- 5 rial poroso 61 no mesmo, um tanque 26 que armazena a solução de precur- sor 25, uma bomba 28 para suprir a solução de precursor 25 do tanque 26 para o contentor 20, e uma válvula de regulação 27 para ajustar a pressão de um gás pressurizado 24 a ser enviado de uma unidade de suprimento de gás pressurizado, a qual não está ilustrada, para o contentor 20. Como mos- 10 trado na figura 2, dentro do contentor 20 está alojado o material poroso 61 que tem as faces de extremidade 15 e 16, ambas vedadas com um vedante 22 de material de vidro no estado em que as faces de extremidade 15 e 16 ficam isoladas da face periférica 17 por embalagens 23.

Utilizando o aparelho 10 mostrado nas figuras 1 e 2, o gás pres- surizado é carregado para dentro dos poros do material poroso 61 pela ma- nipulação da válvula de regulação 27 no estado em que o material poroso 61 esteja alojado no contentor 20 como acima descrito. O gás pressurizado é carregado sob uma pressão de 1 a 100 kPa. Isto torna a pressão dentro do material poroso 61 também de aproximadamente 1 a 100 kPa mesmo que uma perda de pressão seja gerada dentro do material poroso 61. Então a bomba 28 é operada para suprir a solução de precursor 25 para o interior das células 13, por exemplo, do lado da face de extremidade 16 para o lado da face de extremidade 15 do material poroso 61 alojado no contentor 20. Então, a bomba 28 é parada para ser aberta ou a bomba é inversamente operada para remover o excesso de solução de precursor 25 das células 13. Assim, um filme fino feito da solução de precursor 25 a qual torna-se poste- riormente o filme de carbono 66 pode ser formado sobre a superfície de pa- rede interna da célula 13 (superfície do material poroso 61). Como o interior dos poros do material poroso 61 é pressurizado pelo gás pressurizado neste momento, a solução de precursor é inibida de penetrar no interior (o interior dos poros) do material poroso 61 (camada densa 64), e a camada de com- posto 65 não é formada espessa. O filme de carbono 66 que contém a por- ção de camada de composto 65 é um fino filme plano que tem uma espessu- ra uniforme, e por meio disto um alto fator de separação pode ser obtido ini- bindo um fluxo de ser reduzido.

De modo a formar o filme de carbono 66 como uma membrana de separação, pode ser empregado para colocar a solução de precursor 25 em contato com a superfície do material poroso 61, um meio tal como um revestimento por rotação em alta velocidade ou revestimento por pulveriza- ção ao invés do método de imersão. No caso em que o material poroso tem uma forma monolítica como a presente modalidade, um filme de carbono pode ser facilmente formado pelo método de imersão. Aqui, o termo "precur- sor" significa um material capaz de ser convertido em uma membrana de separação, por exemplo, queimando o resultante após o revestimento ou imersão. Assim, no caso do filme de carbono, o precursor inclui uma resina termoestável tal como uma resina de fenol, uma resina de melamina, uma resina de ureia, uma resina de furano, uma resina de poli-imida, e uma resi- na epóxi; uma resina termoplástica tal como o polietileno; uma resina de ce- lulose, ou uma substância precursora destas resinas.

Assim, uma solução de precursor 25 para o filme de carbono 66 pode ser preparada dissolvendo qualquer um dos materiais acima mencio- 20 nados em um solvente orgânico tal como o metanol, a acetona, o tetra- hidrofurano, o NMP, e o tolueno; água, ou similares. Quando um filme da solução de precursor 25 é formado, de acordo com o tipo de resina contida na solução, um tratamento térmico apropriado pode ser empregado. Como o gás pressurizado 24, o argônio, o Hélio, ou o nitrogênio pode ser emprega- 25 do. Realmente, como um exemplo exemplificado para uma solução de membrana de separação, a sílica sol pode ser dada. O precursor outro que aqueles para o filme de carbono incluem os materiais brutos para formar o filme de reólito pela utilização de síntese hidrotérmica após a aplicação de grãos de zeólito por sobre o material poroso.

No presente relatório descritivo, o diâmetro de poro médio (μπ>)

é medido pelo método de penetração de mercúrio. O diâmetro de poro mé- dio é um valor de um diâmetro de partícula de 50% medido com um aparelho de medição de distribuição de tamanho de partícula do tipo de transmissão de raios X (tipo Sedigraph 5000-02 produzido pela Shimatzu Corporation no Exemplo abaixo descrito).

Exemplo

Aqui abaixo, a presente invenção será descrita em mais detalhes

com base de exemplos. No entanto, a presente invenção não está de ne- nhum modo limitada a estes exemplos.

Exemplo 1

Foi fabricado um substrato que tem uma forma monolítica que tem um diâmetro de partícula médio de 10 a 100 μιτι e um diâmetro de poro médio de 1 a 30 μιτι através de formação por extrusão e queima. A seguir, sobre a superfície de parede interna das células do substrato, partículas de alumina que tem um diâmetro de partícula médio de 0,3 a 10 μηι foram de- positadas por um método de formação de filme de filtragem, seguido por queima para formar uma camada intermediária que tem uma espessura de a 1000 μιτι e um tamanho de poro médio de 0,1 a 3 μιτι. Sobre a camada intermediária, partículas de alumina que têm um diâmetro de partícula médio de 0,3 a 1 μηι foram adicionalmente depositadas por um método de forma- ção de filme de filtragem, seguido por queima para formar uma camada den- sa que tem uma espessura de 1 a 100 μιτι e um diâmetro de poro médio de 0,01 a 0,5 μιτι. Assim, um material poroso foi obtido.

A seguir, utilizando o aparelho 10 mostrado nas figuras 1 e 2, gás hélio que tem uma pressão de 1 kPa foi carregado dentro dos poros do material poroso, e, com a pressurização do interior dos poros, uma solução 25 de precursor de um filme de carbono foi formada sobre as superfícies de parede interna das células do material poroso por um método de imersão e carbonizada a 700°C em uma atmosfera de nitrogênio para formar adicio- nalmente um filme de carbono sobre a camada densa. Assim, um composto de material poroso - membrana de separação foi obtido.

O composto de material poroso - membrana de separação acima

obtido foi avaliado por um método de pervaporação de água - etanol. Como as condições de teste, uma razão de H2OiEtOH era de 10:90% por massa, e o líquido suprido tinha uma temperatura de 75°C. A tabela 1 mostra a quan- tidade de consumo da solução de precursor utilizada para formar o filme de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo). Além disso, a figura 4 mostra uma fotografia de um corte transversal 5 do material poroso no estágio de formação da solução de precursor de um filme de carbono sobre as superfícies de parede intera das células do mate- rial poroso. No exemplo 1, dois corpos de composto de material poroso - membrana de separação foram fabricados sob as mesmas condições, e a figura 4 mostra uma fotografia de um corte transversal de um destes.

Exemplo 2

Um composto de material poroso - membrana de separação foi fabricado no mesmo modo que no exemplo 1 exceto que o interior dos poros foi pressurizado por gás hélio que tem uma pressão de 50 kPa e carregado dentro dos poros do material poroso. O composto de material poroso - mem- 15 brana de separação foi avaliado por um método de pervaporação de água - etanol sob as mesmas condições que no exemplo 1. A Tabela 1 mostra a quantidade de consumo da solução de precursor utilizada para formar o fil- me de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo).

Exemplo 3

Um composto de material poroso - membrana de separação foi fabricado no mesmo modo que no exemplo 1 exceto que o interior dos poros foi pressurizado por gás hélio que tem uma pressão de 100 kPa e carregado dentro dos poros do material poroso. O composto de material poroso - mem- 25 brana de separação foi avaliado por um método de pervaporação de água - etanol sob as mesmas condições que no exemplo 1. A tabela 1 mostra a quantidade de consumo da solução de precursor utilizada para formar o fil- me de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo).

Exemplo 4

Um composto de material poroso - membrana de separação foi fabricado no mesmo modo que no exemplo 1 exceto que o interior dos poros foi pressurizado por gás hélio que tem uma pressão de 1000 kPa e carrega- do dentro dos poros do material poroso. O composto de material poroso - membrana de separação foi avaliado por um método de pervaporação de água - etanol sob as mesmas condições que no exemplo 1. A tabela 1 mos- 5 tra a quantidade de consumo da solução de precursor utilizada para formar o filme de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo).

Exemplo Comparativo 1

Dois corpos de composto de material poroso - membrana de se- paração foram fabricados no mesmo modo que no exemplo 1 exceto que o interior dos poros não foi pressurizado e uma membrana de separação foi formada penetrando a solução de precursor. Os corpos de composto de ma- terial poroso - membrana de separação foram avaliados por um método de pervaporação de água - etanol sob as mesmas condições que no exemplo 1. A tabela 1 mostra a quantidade de consumo da solução de precursor utiliza- da para formar o filme de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo). Além disso, a figura 3 mostra uma fotografia de um corte transversal do material poroso no estágio de formar a solução de precursor de um filme de carbono sobre as superfícies de parede interna das células do material poroso. No exemplo comparativo 1, dois corpos de composto de material poroso - membrana de separação foram fabricados sob as mesmas condições, e a figura 3 mostra uma fotografia de um corte transversal de um destes. Como pode ser visto da figura 3, a presença de uma camada relativamente mais espessa de cor enegrecida ao redor dos poros pode ser observável enquanto que a presença da camada espessa de cor enegrecida ao redor dos poros é dificilmente observável no caso do corte transversal da figura 4 acima mencionado. Esta diferença pode trazer um grande aperfeiçoamento no desempenho de filtragem.

Exemplo Comparativo 2 Um composto de material poroso - membrana de separação foi

fabricado no mesmo modo que no exemplo 1 exceto que o interior dos poros foi pressurizado por gás hélio que tem uma pressão de 1500 kPa e carrega- do dentro dos poros do material poroso e uma membrana de separação foi formada pela penetração da solução de precursor. O composto de material poroso - membrana de separação foi avaliado por um método de pervapora- ção de água - etanol sob as mesmas condições que no exemplo 1. A tabela 5 1 mostra a quantidade de consumo da solução de precursor utilizada para formar o filme de carbono e o desempenho de pervaporação (um fator de separação e um fluxo).

Tabela 1

Pressão Fator de Fluxo Quantidade de aplicada separação (kg/m2h) consumo de (kPa) α H20/Et0H solução de precursor (g) Exemplo 1 1 200 0,9 2,0 Exemplo 2 50 2000 0,9 1,5 Exemplo 3 100 1200 1,0 1,2 Exemplo 4 1000 800 1,1 1,0 Exemplo Comparativo 1 0 120 0,8 2,4 Exemplo Comparativo 2 1500 40 1,0 0,9 Exemplo 5

A seguir, utilizando o aparelho 10 mostrado nas figuras 1 e 2, o

gás hélio que tem uma pressão de 1 kPa foi carregado dentro dos poros do material poroso, e, com pressurização dentro dos poros, uma solução de precursor de filme de carbono foi formada sobre as superfícies de parede interna das células do material poroso por um método de imersão e carboni- 15 zada a 700°C em uma atmosfera de nitrogênio para formar adicionalmente um filme de carbono sobre a camada densa. Assim, um composto de mate- rial poroso - membrana de separação foi obtido.

Discussão

Como mostrado nos resultados dos exemplos 1 a 4 na tabela 1, um bom desempenho de separação foi concedido aos corpos de composto de material poroso - membrana de separação fabricados pela pressurização do interior dos poros carregando com gás pressurizado tendo uma pressão de 1 a 1000 kPa dentro dos poros do material poroso quando da formação de um filme utilizando a solução de precursor. Fica claro em comparação com o desempenho de separação das corpos de composto de material po- roso - membrana de separação fabricados por um método convencional sem 5 pressurização (exemplo comparativo 1). Além disso, dos resultados dos e- xemplos 1 a 4, pode ser compreendido que as especificações de um com- posto de material poroso - membrana de separação obtido onde prioridade é dada a um fator de separação α ou a um fluxo podem ser ajustadas regu- lando a pressão. Por outro lado, como mostrado pelos resultados do exem- 10 pio comparativo 2, é compreendido que um bom desempenho de separação não pode ser obtido quando a pressão dentro dos poros é feita alta demais. É presumido que uma porção que não tem nenhum filme de carbono é for- mada devido ao baixo fator de separação α e à baixa quantidade de consu- mo da solução de precursor.

Aplicabilidade Industrial

Um composto de material poroso - membrana de separação de acordo com a presente invenção pode ser amplamente utilizado para, por exemplo, um filtro para separar seletivamente uma substância específica (por exemplo, um gás) de uma mistura de uma pluralidade de substâncias (por exemplo, um gás).

Claims

1. Composto de material poroso - membrana de separação que compreende um material poroso e uma membrana de separação formada sobre uma superfície do material poroso, em que a camada de composto que tem uma espessura de 1 mm ou menos está provida como uma subcamada para a camada de sepa- ração a uma interface entre o material poroso e a membrana de separação, e pelo menos parte da camada de composto é feita do mesmo material que um material para a camada de separação.

2. Composto de material poroso - membrana de separação de acordo com a reivindicação 1, em que a camada de composto está provida na interface entre uma camada densa formada sobre o material poroso e a membrana de separação.

3. Composto de material poroso - membrana de separação de acordo com a reivindicação 1, em que camada de composto tem uma es- pessura de 0,01 a 500 μιη.

4. Composto de material poroso - membrana de separação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o material poro- so tem uma forma monolítica.

5. Composto de material poroso - membrana de separação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que a membrana de separação é um filme de carbono de peneira molecular.

6. Filtro de cerâmica sendo constituído por um composto de ma- terial poroso - membrana de separação como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5 e capaz de separar a água do etanol.

7. Método para fabricar um composto que compreende um mate- rial poroso e uma membrana de separação formada sobre uma superfície do material poroso, em que, após preparar um material poroso, o material poroso assim preparado é sujeito a uma etapa de tra- zer uma solução da membrana de separação ou uma solução de um precur- sor a qual torna-se a membrana de separação posteriormente em contato com a superfície do material poroso pelo menos uma vez em um estado que a pressão é aplicada a um interior dos poros do material poroso.

8. Método para fabricar um composto de acordo com a reivindi- cação 7, em que o contato na dita etapa é conduzido por imersão do materi- al poroso na solução da membrana de separação ou da solução do precur- sor a qual torna-se a membrana de separação posteriormente.

9. Método para fabricar um composto de acordo com a reivindi- cação 7 ou 8, em que a pressão é aplicada suprindo um gás pressurizado para dentro dos poros do material poroso.

10. Método para fabricar um composto de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, em que a pressão é de 1 a 1000 kPa.

11. Método para fabricar um composto de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, em que o material poroso tem uma forma monolítica.

12. Método para fabricar um composto de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, em que a membrana de separação é um fil- me de carbono de peneira molecular.

13. Método para formar a membrana de separação sobre uma superfície de um material poroso, em que o método inclui uma etapa de tra- zer uma solução de uma membrana de separação ou uma solução de um precursor a qual torna-se a membrana de separação posteriormente em con- tato com uma superfície do material poroso sob a aplicação de uma pressão de 1 a 100 kPa no interior dos poros do material poroso suprindo um gás pressurizado para dentro dos poros.