JPH04227826A - 分子ふるい特性及び/又は接触活性を有する微孔質膜およびその製造方法 - Google Patents

分子ふるい特性及び/又は接触活性を有する微孔質膜およびその製造方法

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JPH04227826A
JPH04227826A JP3134121A JP13412191A JPH04227826A JP H04227826 A JPH04227826 A JP H04227826A JP 3134121 A JP3134121 A JP 3134121A JP 13412191 A JP13412191 A JP 13412191A JP H04227826 A JPH04227826 A JP H04227826A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、分子ふるい特性及び/
又は触媒活性を有する膜およびそれを製造する方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】膜分離技術は急成長している分野である
。微小濾過(microfiltration)、限外
濾過、透析、電解透析、逆浸透およびガス浸透のような
種々の分離プロセスにおいて、有機および無機物質が膜
として使用されている。大部分の膜が、10〜1000
Åの孔寸法を有する有機ポリマーから製造されている。 膜は、セラミックス、金属、粘土およびガラスのような
無機物質からも製造されている。
【0003】ゼオライトは、気体または液体用の吸着分
離剤または触媒として使用されており、通常、粒子また
はペレットとして、しばしば粘土やアルミナようなバイ
ンダーと複合されて使用されている。
【0004】ゼオライトは、膜材料が化学組成、物理特
性、化学特性および物理形態が明らかに異なる第2成分
を含む複合膜の成分として使用されている。異なる相の
存在の結果、複合膜の分離特性は異なる相および相境界
の個々の特性により決まる。〔デメルツェス(Deme
rtzes)ら、ジャーナル・オブ・ケミカル・ソサエ
ティー(Journal of Chemical S
ociety)、ファラデイ・トランザクション(Fa
radayTransaction)、第1巻、82、
3647(1986年)〕。そのような非ゼオライト相
の例は、ガラス、シリカまたはアルミナのような無機物
質およびポリマー物質である。
【0005】ゼオライトの分散粒子を含み得るポリマー
および紙のような物質の複合膜またはフィルターが、例
えば、米国特許第3,266,973号、同第3,79
1,969号、同第4,012,206号、同第4,7
35,193号、同第4,740,219号およびヨー
ロッパ特許出願公開254,758号に記載されている
。米国特許第4,699,892号は、金属、無機また
はポリマー膜支持体の孔内に厚さ10〜数百Åのゼオラ
イトフィルムを含む複合膜を記載している。非複合無機
膜が、例えば、米国特許第3,392,103号、同第
3,499,537号、同第3,628,669号およ
び同第3,791,969号に記載されている。
【0006】米国特許第3,392,103号は、酸化
アルミニウムのような含水金属酸化物セラミックから製
造された膜を記載している。米国特許第3,499,5
37号は、圧縮および焼結したアルミニウムバナデート
粉末の膜を開示している。米国特許第3,628,66
9号は、無機ガラス薄フィルムの浸出により製造された
シリカ膜を開示している。米国特許第3,791,96
9号は、凝集したナトリウム剥脱バーミキュライトの膜
を記載している。
【0007】米国特許第3,413,219号および同
第4,238,590号に記載されている非複合膜はあ
る種の支持物質を必要とする。米国特許第3,413,
219号は、透過性物質上に形成されたコロイド状含水
酸化物からの膜の製造を開示している。米国特許第4,
238,590号は、膜としての用途に好適であるが、
自己支持性でなく、多孔質またはネット状支持物質上に
広げられる珪酸ヘテロ重縮合物を開示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】すなわち本発明の目的
は、複合されていない空間的連続分子ふるい膜を提供す
ることにある。ゼオライト相のみからなり、その巨視的
な構造の一体性を維持するのに充分な機械的強度を有し
分子ふるい作用を発揮することのできる巨視的寸法の物
質を提供することも本発明の目的である。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、結晶性分子ふ
るい物質の連続配列を含んでなる合成非複合微孔質膜で
ある。分子ふるいは、 式:              X2O3:(n)Y
O2〔式中、Xは、アルミニウム、ホウ素、鉄およびガ
リウムからなる群より選択される少なくとも一つの三価
元素を表す。〕で示される酸化物モル比の組成を有する
。Yは、珪素、ゲルマニウムおよびチタンからなる群よ
り選択される少なくとも一つの四価元素であり、nは少
なくとも2である。
【0010】結晶性物質は、アルミノホスフェート、シ
リコアルミノホスフェート、メタロアルミノホスフェー
トまたはメタロアルミノホスホシリケートであってもよ
い。
【0011】本発明によれば、微孔質膜の製造方法も提
供される。結晶性分子ふるい物質を形成することのでき
る反応混合物を調製し、混合物を非複合凝集性連続薄膜
に形成し、乾燥および焼成する。
【0012】少なくとも二つの成分を含む気体または液
体混合物の成分の分離のために膜を使用する方法も提供
される。混合物の少なくとも一つの成分が、混合物の少
なくとも一つの残留成分より定常状態膜透過性が大きく
なるような分離条件下に膜の上流側面に混合物を接触さ
せる。混合物を膜に接触させ膜を透過させた後、透過性
の大きな成分を膜の下流側面に収集する。
【0013】膜を触媒として用いる方法も提供される。 膜を触媒的に活性にし、原料を接触条件下に膜の上流側
面を通過させる。反応生成物の全部または少なくとも一
つが反応体より高い透過性を有する場合、それらは膜の
下流側から透出してくる。平衡制限反応において、それ
により、通常熱力学的平衡拘束により許容され観察され
るより高い単流転化率が得られる。反応生成物の少なく
とも一つまたは全部が膜の下流側に集められる。例えば
、生成物の一つまたは全部が所望の反応を阻害または毒
する場合あるいは望ましくない反応を起こす場合、他の
利益が実現される。
【0014】本発明の微孔質ゼオライト膜は、有利なこ
とに、ゼオライトの充分に確定された孔構造故に、独自
の分子ふるい及び/又は触媒特性を有する。この膜は、
従来使用されていた粒状ゼオライトおよびゼオライト含
む複合膜とは異なる特性を有するという利点を有する。 これらの異なる特性は、膜のシート状構造および膜中の
純ゼオライトの組成に起因する。
【0015】ゼオライトは多様な陽イオン含有結晶性ア
ルミノシリケートを含む。これらのアルミノシリケート
は、アルミニウムと珪素原子の合計と酸素原子との比を
1:2として酸素原子を共有することにより四面体が架
橋されているSiO4とAlO4の剛直三次元骨格を有
するといえる。アルミニウムを含む四面体の電気原子価
は、カチオンの結晶に例えばアルカリ金属またはアルカ
リ土類金属カチオンを導入することにより釣り合わされ
る。一種類のカチオンを、一般的方法においてイオン交
換技術を利用することにより、別の種類のカチオンで全
てまたは部分的に交換することができる。そのようなカ
チオン交換を用いて、カチオンを適当に選択することに
よりアルミノシリケートの特性を変えることができる。 四面体間の空間は脱水の前、水分子により占められる。
【0016】ゼオライトは典型的に約0.3〜約1.0
nmの均一な孔径を有する。ゼオライトの化学組成は大
きく変化してよく、典型的に、一部の珪素原子が、チタ
ンもしくはゲルマニウムのような四価イオン、アルミニ
ウム、ホウ素、ガリウムもしくは鉄のような三価イオン
またはベリリウムのような二価イオンあるいはそれらイ
オンの組み合わせにより交換されてよいSiO2からな
る。 二価または三価イオンにより置換されている場合、ナト
リウム、カリウム、セシウム、NH4または水素のよう
なカチオンも存在する。
【0017】ゼオライトの代表例は、NaA、CaA、
エリオナイト、ZK−4およびZK−5のような小孔ゼ
オライト、ZSM−5、ZSM−11、ZSM−22、
ZSM−23、ZSM−35、ZSM−38、ZSM−
48、ZSM−12およびゼオライトベータのような中
間孔ゼオライト、ゼオライトL、ZSM−4(オメガ)
、NaX、NaY、CaY、REY、US−Y、ZSM
−20およびモルデナイトのような大孔ゼオライトであ
る。
【0018】所定のゼオライトの珪素/アルミニウム原
子比はしばしば変化する。例えば、珪素/アルミニウム
原子比をゼオライトXについては1〜1.5として、ゼ
オライトYについては1.5〜約3として合成すること
ができる。一部のゼオライトにおいては、珪素/アルミ
ニウム原子比の上限が定められない。ZSM−5が珪素
/アルミニウム原子比が少なくとも12であるそのよう
な一つの例であり、米国特許第3,941,871号は
、故意に添加したアルミニウムは含んでいないZSM−
5型ゼオライトに特徴的なX線回折図形を示す反応混合
物から製造された多孔質結晶性珪酸塩を開示している。 米国特許第4,061,724号、同第4,073,8
65号および同第4,104,294号は、アルミニウ
ムおよび金属を種々の量で含む結晶性シリカを記載して
いる。これらのゼオライトは本質的にシリカからなるこ
とができ、微量または検出不可能な量のアルミニウムし
か含まない。
【0019】もう一つの種類の分子ふるいは、要すれば
AlまたはP成分を、Siのような他の元素(シリコア
ルミノホルフェートすなわちSAPO)、金属(メタロ
アルミノホスフェートすなわちMeAPO)またはそれ
らの組み合わせ(メタロアルミノホスホシリケートすな
わちMeAPSO)により置換してよいAlO2・PO
2単位(AlO4)からなる。アルミノシリケートと同
様に、ALPO4、SAPO、MeAPOおよびMeA
PSOは結晶性であり、特定の分子は受け入れ他の分子
は受け入れない規則正しい孔構造を有し、しばしばゼオ
ライト材料と見なされる。
【0020】本発明の膜に有用な結晶性シリコアルミノ
ホスフェートは、イオン交換特性を示すことができ固有
の触媒活性を有する物質に転化することのできる分子ふ
るい骨格を有する。
【0021】本質的に電気的中性の格子を有するアルミ
ニウムホスフェートが米国特許第4,310,440号
および同第4,385,994号に教示されており、米
国特許第3,801,704号は酸度を付与するように
処理されたアルミニウムホスフェートを開示している。
【0022】種々の構造のシリコアルミノホスフェート
が米国特許第4,440,871号に開示されている。 燐を含むアルミノシリケート、すなわち、特定の構造の
シリコアルミノホスフェートが米国特許第3,355,
246号(ZK−21)および同第3,791,964
号(ZK−22)に開示されている。シリコアルミノホ
スフェートおよびその合成の他の開示が、米国特許第4
,673,559号(2相合成法)、同第4,623,
527号(MCM−10)、同第4,639,358号
(MCM−1)、同第4,647,442号(MCM−
2)、同第4,664,897号(MCM−4)、同第
4,638,357号(MCM−5)および同第4,6
32,811号(MCM−3)になされている。
【0023】結晶性メタロアルミノホスフェート(Me
APO)の合成方法が米国特許第4,713,227号
に開示されており、アンチモノホスホアルミネートおよ
びその合成方法が米国特許第4,619,818号に開
示されている。米国特許第4,567,029号はメタ
ロアルミノホスフェートを開示しており、チタンアルミ
ノホスフェートおよびその合成方法が米国特許第4,5
00,651号に開示されている。米国特許第4,88
0,611号は、骨格位相を有する結晶を含んでなり、
110℃またはそれ以上で加熱後、18個の四面体因子
から形成された直径約1.2〜1.3nmの孔窓を示す
X線回折図形を提供する組成物を開示している。
【0024】本発明の膜は、他の物質と複合された分子
ふるい物質を種々の量で含む従来技術の複合膜とは対照
的に、分子ふるい物質からなる。この膜は一種類のゼオ
ライトまたはゼオライト混合物を含み得る。膜は単結晶
性または多結晶性であり得る、すなわち、単一の結晶か
らまたは多くの結晶の連晶からなり得る。
【0025】膜は、ポリマー、金属またはガラスのよう
な非多孔質形成表面上で水熱条件下に分子ふるい物質を
合成することにより製造することができる。適当なポリ
マー表面は、例えば、テトラフルオロエチレンおよびフ
ッ素化エチレン−プロピレンポリマーのようなフルオロ
カーボンポリマーである。適当な金属表面は、例えば、
銀、ニッケル、アルミニウムおよびステンレス鋼である
。ガラスもしくは有機ポリマーまたは他の物質上の金属
薄層を形成表面として使用することができる。ガラスま
たは他の物質上のポリマー厚層も形成表面として使用す
ることができる。形成表面は種々の形態をとることがで
きる。表面は、例えば、平面、曲面、中空円筒またはハ
ニカム状であり得る。無定形物質および単結晶表面のい
ずれも結晶成長用の形成表面として用いることができる
。合成は、粉末状ゼオライトを機械的に圧縮し、続いて
化学的に処理することにより達成することができる。
【0026】本発明の膜の形成において、結晶化条件下
に所望の結晶性物質を形成することのできる反応混合物
と非多孔質表面とを接触させる。好適な条件下で所定時
間経過後、結晶化物質の凝集性膜が非多孔質表面に形成
される。膜の厚さは、表面を反応混合物に接触させる時
間の長さおよび提供される混合物の量により約0.1〜
約400ミクロンの範囲で変化し得る。温度または反応
混合物と形成表面の表面積の比を変化させるような他の
処置も、膜厚を所望の大きさに調節するのに有効である
【0027】表面と反応混合物の接触時間は、約50℃
〜約250℃、好ましくは約110℃〜約200℃の温
度、および約1バール〜約100バール、好ましくは約
1バール〜約15バールの圧力において、約0.5〜約
1000時間、好ましくは約1〜約100時間である。 所定の時間後、結晶性物質で被覆された表面を反応混合
物との接触から解除し、蒸留水で洗い、乾燥させる。
【0028】反応混合物は、有利には、下記のYO2に
対するモル数で示される組成を有する:       
             広い範囲      好ま
しい範囲      最も好ましい範囲H2O/YO2
        5〜500          20
〜500            40〜500X2O
3/YO2       0〜0.2        
   0〜0.014           0〜0.
010OH−/YO2        0〜2    
      0.02〜0.15         0
.02〜0.15
【0029】結晶性物質の層を、表面のために選択され
た物質に応じて、種々の手段を用いて非多孔質表面から
除去すことができる。例えば注意深い掻き取りや剥ぎ取
りのような機械的手段によりポリマー表面から層を分離
することができる。金属表面からの除去は、アセトンの
ような溶媒を用いて、または金属を塩酸または硝酸水溶
液のような酸で溶解することにより行うことができる。 アルミニウム付着ガラスまたはテフロンのような金属処
理物質または金属からなる支持体の場合、鉱酸水溶液に
より処理することができる。
【0030】その場で結晶化したゼオライト(または他
の分子ふるい)の自己支持性ウェブからなり透過性を提
供する孔がゼオライトの孔である透過性膜が得られる。 膜は自己支持性であるが、機械的強度を向上させるため
に、膜の透過性への影響を避けるためにゼオライトの孔
に対して充分な大きさの孔を有する適当な硬質の支持体
上に配して用いることができる。
【0031】膜物質は基材からの除去前または除去後に
、例えば不活性雰囲気または空気中、約200℃〜約7
00℃の温度で約1時間〜約50時間焼成することもで
きる。
【0032】膜は、表面からの除去前または除去後に、
触媒活性を調節するために、例えばスチーミング及び/
又はイオン交換により処理することもできる。膜にアル
カリまたはアルカリ土類カチオンを導入することにより
触媒活性を低下させるまたは無くすことができる。
【0033】触媒活性は、アルミニウム含量の増加また
は膜への水素化−脱水素化機能の導入のような当業者に
知られた方法により向上させることができる。
【0034】最初のイオン、すなわち、合成した膜のカ
チオンまたはアニオンの少なくとも一部を、当業者に良
く知られている技術によって他のカチオンまたはアニオ
ンとイオン交換することにより交換することができる。 好ましい交換カチオンは、金属イオン、水素イオン、水
素前駆体、例えば、アンモニウムイオンおよびそれらの
混合を含む。特に好ましいカチオンは、水素、希土類金
属および元素周期表の第IIA、第IIIA、第IVA
、第IB、第IIB、第IIIB、第IVB、第VIB
および第VIII族の金属を含む。
【0035】典型的なイオン交換技術は、所望の交換イ
オンの一種またはそれ以上の塩と合成膜との接触である
。そのようなカチオンの塩の例は、ハロゲン化物、例え
ば塩化物、硝酸塩および硫酸塩を含む。
【0036】酸部位の中和または拡散特性の調節のため
にカチオンを膜に導入することができる。これらの目的
のために導入される好ましいカチオンは、元素周期表の
第I族および第IIA族の金属、例えば、ナトリウム、
カリウム、マグネシウム、バリウム、リチウム、ストロ
ンチウム、ルビジウムおよびセシウムを含む。
【0037】透過率や選択性のような膜の拡散特性は、
幾何的性質、特に厚さ、および膜を構成するゼオライト
の種類に依存する。所定の膜を、拡散特性を変化させる
後の処理により更に改質することができる。そのような
処理の例は、ピリジンまたは他の炭素質物質のような有
機化合物またはコークスのゼオライトの孔の内側または
外側への付着、SiCl4またはSi(OR)4で処理
し続いて焼成することによるシリカまたは珪素化合物の
付着、燐化合物による処理、例えばマグネシウム、モリ
ブデン、タングステン、アンチモンのような金属の塩ま
たは酸化物または二酸化珪素のような他の酸化物の導入
、または、例えばカリウム、ルビジウム、セシウムもし
くは銀によるイオン交換である。
【0038】パラジウム、白金、ルテニウム、モリブデ
ン、タングステン、ニッケル、鉄、銀等の機能金属を膜
に導入することもできる。これらの金属含有膜は、本質
的に酸活性を有さないか、または2官能触媒の提供のた
めに実質的な酸活性を有してよい。膜の触媒活性は、そ
の特定の用途により実質的にゼロから高活性の範囲に調
節することができる。
【0039】膜は、気体または液体混合物の分離、また
は反応体の化学的転化と生成物のその場での分離を組み
合わせる触媒用途に用いることができる。
【0040】この膜を用いて種々の気体または液体混合
物を分離することができる。有利に分離される混合物の
例は、酸素と窒素、水素と一酸化炭素、直鎖状パラフィ
ンと分岐状パラフィン、水素とメタン、p−キシレンと
m−及び/又はo−キシレンである。
【0041】ここに記載の膜を用いて実施することので
きる更なる有用な分離は、留出油および潤滑油フラクシ
ョンからのロウ成分の除去並びに芳香族化合物または改
質油のような芳香族含有混合物からの直鎖状および僅か
に分岐したパラフィンの除去、高シリカ(SiO2/A
l2O3>100)微孔質物質が特に有用である水性流
からの有機化合物の除去、ビールまたはワインの製造に
用いられる発酵混合物からのエタノールの除去、地下水
または廃水からの有害有機汚染物の除去、高シリカゼオ
ライト膜を用いる芳香族化合物からのパラフィンの除去
、および低SiO2/Al2O3ゼオライトをアルカリ
交換状で用いるパラフィンからの芳香族化合物の除去を
含む。
【0042】気体または液体混合物の成分を分離すべき
場合、活性の低いまたは無いゼオライト膜が好ましく用
いられる。活性が低いまたは無い珪素富含ゼオライトは
、二価または三価金属を微量にしか、または全く含まず
、そのような金属を実質量で含む場合、アルカリまたは
アルカリ土類カチオンとのカチオン交換、熱またはスチ
ーム処理、燐化合物での処理およびスチーミング、三価
元素、例えばアルミニウムの四価元素、例えば珪素によ
る置換、またはヘキサフルオロシリケート、SiCl4
等による処理により、その触媒活性を所望の低い水準に
低下させることができる。
【0043】触媒用途は、一種またはそれ以上の反応体
の化学的転化とその場での分離を組み合わせることがで
きる。そのような分離は、例えば、生成物の一種または
全部の反応体からの分離を含み得る。
【0044】接触プロセスで用いるために、(i)触媒
的に不活性な膜を活性触媒と組み合わせるか、または(
ii)膜そのものが触媒的に活性であってよい。第1の
ケース(i)の例として、水素を選択的に透過させるよ
うに選択された触媒不活性ゼオライト膜からその壁の少
なくとも一部がなる管状反応器内にAl2O3担持白金
触媒が含まれる。
【0045】アルカンの脱水素が接触プロセスの一例で
あり、アルカン原料を管状反応器を流通させることによ
り行うことができ、流出液は平衡濃度以上のアルケンを
含む。このようにして、例えば、プロパンをプロピレン
に転化することができる。第2のケース(ii)におい
て、ゼオライト膜は酸活性および金属活性のいずれかま
たは両方の触媒活性を有する。高珪素ゼオライトの酸活
性は三価置換物、特にアルミニウムの量により調節する
ことができるが、塩型から水素型へのカチオン交換の程
度または熱もしくはスチーム処理によっては調節されな
い。AlPO4型ゼオライトの酸活性は、シリカのよう
な活性化剤の導入により向上させることができる。膜の
酸活性を利用する例は、ベンゼンおよびエチレンを得る
ためのエチルベンゼンの脱アルキル化である。エチレン
単独またはエチレンとベンゼンの高透過率を利用するこ
とにより、優れた選択率で高度の脱アルキルが行われる
【0046】本発明の結晶性膜は、種々の有機、例えば
炭化水素化合物転化プロセス用の触媒活性物質に容易に
転化することができる。そのような転化プロセスは、限
定されないが、約300〜約700℃の温度、約0.1
バール〜約30バールの圧力および約0.1−1〜約2
0−1の重量時間空間速度を含む反応条件下での炭化水
素のクラッキング、約300〜約700℃の温度、約0
.1バール〜約20バールの圧力および約0.1〜約2
0の重量時間空間速度を含む反応条件下での炭化水素化
合物の脱水素、約100〜約700℃の温度、約0.1
〜約60バールの圧力、約0.5〜約400の重量時間
空間速度および約0〜約20の水素/炭化水素モル比を
含む反応条件下でのパラフィンの芳香族化合物への転化
、約100〜約700℃の温度、約0.1〜約60バー
ルの圧力、約0.5〜約400の重量時間空間速度およ
び約0〜約20の水素/炭化水素モル比を含む反応条件
下でのオレフィンの芳香族化合物、例えばベンゼン、ト
ルエンおよびキシレンへの転化、約275〜約600℃
の温度、約0.5〜約50バールの圧力および約0.5
〜約100の液体時間空間速度を含む反応条件下でのア
ルコール、例えばメタノール、エーテル、例えばジメチ
ルエーテル、またはそれらの混合物の、オレフィン及び
/又は芳香族化合物を含む炭化水素への転化、約230
〜約510℃の温度、約3〜約35バールの圧力、約0
.1〜約200の重量時間空間速度および約0〜約10
0の水素/炭化水素モル比を含む反応条件下におけるキ
シレン原料成分の異性化、約200〜約760℃の温度
、約1〜約60バールの圧力および約0.08〜約20
の重量時間空間速度を含む反応条件下におけるトルエン
の不均化、約250〜約500℃の温度、約1〜約20
0バールの圧力、約2〜約2000の重量時間空間速度
および約1/1〜約20/1の芳香族炭化水素/アルキ
ル化剤モル比を含む反応条件下におけるアルキル化剤、
例えばオレフィン、ホルムアルデヒド、ハロゲン化アル
キルおよびアルコールの存在下における芳香族炭化水素
、例えばベンゼンおよびアルキルベンゼンのアルキル化
、および、約340〜約500℃の温度、約1〜約20
0バールの圧力、約10〜約1000の重量時間空間速
度および約1/1〜約16/1の芳香族炭化水素/ポリ
アルキル芳香族炭化水素モル比を含む反応条件下におけ
るポリアルキル芳香族炭化水素の存在下における芳香族
炭化水素のアルキル交換を含む。
【0047】従って、通常、活性状態の膜を含む触媒の
存在下における接触転化条件は、約100〜約760℃
の温度、約0.1〜約200バールの圧力、約0.08
hr−1〜約2000hr−1の重量時間空間速度およ
び0〜約100の水素/有機化合物(例えば炭化水素化
合物)比を含む。
【0048】
【実施例】本発明の性質および実施方法を以下の実施例
により説明する。
【0049】実施例1 ヘイハースト(Hayhurst)およびリー(Lee
)〔プロシーディングス・オブ・ザ・セブンス・インタ
ーナショナル・ゼオライト・コンフェランス(Proc
eedingsof the 7th Interna
tional Zeolite Conference
)、ムラカミ(Murakami, Y)、イイジマ(
Iijima, A)、ワード(Ward,I.W.)
編、113頁、エルセビール(Elsevier)、東
京、1986年〕により概説されている手順に従った。
【0050】テトラプロピルアンモニウムブロミド〔ア
ルドリッチ(Aldrich)製〕3.475gを、ポ
リエチレン容器内で撹拌下、蒸留水50.0gに溶解し
た。50%水酸化ナトリウム溶液〔ベイカー(Bake
r)製、試薬級〕0.90gを添加した。得られた溶液
を次に蒸留水54.6gで希釈した。ルドックス(Lu
dox)AS−40〔デュポン社(Dupont)製〕
水性コロイド状シリカ37.55gを連続的に撹拌しな
がらゆっくり添加した。懸濁液約40mlを45mlポ
リテトラフルオロエチレン〔テフロン(Teflon)
〕ライニングオートクレーブ〔パー(Parr)モデル
4744〕に注入した。モル組成は次の通りであった:
2.2Na2O・100SiO2・2832H2O・5
.22TPA Br
【0051】ポリテトラフルオロエチレン製スラブ(8
0mm×25mm×2.5mm)を溶液に浸漬し、円筒
状容器の軸に沿って垂直に配置した。オートクレーブを
密封し、180℃に予熱しておいた対流オーブン内に配
置した。
【0052】第2のオートクレーブにおいて、パイレッ
クス管〔コーニング・グラス(Corning Gla
ss)製〕内に既に挿入しておいた直径約1.5cmの
バイコールフリットを合成溶液に浸漬した。
【0053】9日後にオーブンからオートクレーブを取
り出し、水で急冷した。テフロンスラブを回収し、蒸留
水で洗い、室温で乾燥した。スラブおよびパイレックス
管に囲まれたバイコールフリットが結晶化物質の均一層
で被覆されているのが観察された。
【0054】結晶性物質の層をスパチュラで注意深く掻
き取ることによりテフロン表面から除去した。残留溶液
中に懸濁しているまたは容器の底に沈降している固体粒
子は見い出せなかった。
【0055】得られた膜物質を、有機テンプレートを分
解および燃焼するために、窒素中560℃でおよび空気
中600℃で焼成した。焼成プロセスによる亀裂の発生
は見られなかった。
【0056】電子鏡検法、X線回折、Si−NMRおよ
びヘキサン吸着により特性付けするために、1cm2よ
り大きなゼオライト膜のセグメントを採取した。膜を粉
砕してX線およびSi−NMR試験用の粉末とした。ヘ
キサン吸着量測定のために吸着装置に膜を粉砕しないで
導入した。
【0057】X線回折、Si−NMRおよびヘキサン吸
着X線回折図形は純粋なZSM−5のものであった。S
i−NMRスペクトルである図1は、非ZSM−5骨格
珪素としてのみのシラノールを示した。30〜300秒
の緩和遅延を有するスペクトルが得られ、高密度相が存
在しないことがわかった。直交偏波により同定されるシ
ラノールが約−103ppmにおいてブロードピークと
して見られた。その密度は、約1.5SiOH/単位セ
ルまたはTPABrから製造された高シリカZSM−5
中に通常存在する量の約1/3である。90℃および1
10.8トールヘキサン分圧で測定したヘキサン吸着能
は112.0mg/gゼオライト、すなわち、標準的な
小さいZSM−5結晶の吸着能より僅かに高かった。
【0058】電子鏡検法 図2〜5は、二つの膜表面の異なる形態を示している。 図2はテフロン支持体にさらされた膜表面である。図3
は合成用混合物にさらされた表面である。テフロン側の
面は寸法が0.1ミクロン以下の緩く集まって見える結
晶の層からなるが、溶液表面は寸法が10〜100ミク
ロンの密に詰まった内部成長結晶(双晶)の連続配列か
らなる。内部成長は大きな単結晶の表面により明確に示
される(図4)。同じ結晶表面を拡大して図5に示す。 これは、ZSM−5型微細構造を有さないまたは有して
よい小さい粒子で被覆されている。
【0059】膜の厚さは約250ミクロンと推定された
【0060】透過性測定 膜の透過性を、定常状態で操作しているビッケ−カレン
バッハ(Wicke−Kallenbach)セル内で
決めた(図6)。 膜の両面をエポキシ樹脂を用いて直径1cmの2本のパ
イレックス管の周面に接着した。管の外側表面を越えて
延びている膜物質を除いた。エポキシ樹脂の厚い層を結
合部の外側表面に適用して付加的な機械的支持を提供し
、ガス漏れの可能性を除去した。使用したエポキシ樹脂
の温度限界は120℃であった。ビッケ−カレンバッハ
セルを、常圧または減圧下に操作することのできる標準
的流通装置に組み込んだ。要素の膜透過係数(P)は、
要素の外側濃度勾配に対する単位面積流束の比であると
定義される。これは、ビッケ−カレンバッハ拡散係数(
Dwk):P=Kh *Dwk〔マトソン(Matso
n)ら、ケミカル・エンジニアリング・サイエンス(C
hemical Engineering Scien
ce)、第38巻、503頁(1983年)〕(Khは
ヘンリー則定数を表す。)に基づく。この定義はヘンリ
ー則領域においてのみ有効である。これは、結晶内濃度
勾配である真のしかし直接測定することができない拡散
駆動力が、膜表面と外側気相との間に達成される吸着質
の平衡隔壁故に外側濃度勾配と異なるという事実〔コレ
シュ(Koresh)ら、ジャーナル・オブ・ケミカル
・ソサエティー、ファラデイ・トランザクション1、第
82巻、2057頁(1986年)参照〕を反映してい
る。二成分原料流において、選択率は透過率と定義され
る。23℃で収集された幾つかのデータを除いて、透過
率は膜の両面において全圧1バールおよび温度49℃で
測定した。原料側の流量は249cc/分であり、透過
質側の流量は14.1cc/分であった。透過質のキャ
リヤーガスとしてヘリウムを用いた。
【0061】透過係数および選択率を以下の3種類の二
成分気体混合物について計算した:  原料          組成(モル%)  1  
    21%O2/79%N2  2      4
9.4%H2/50.6%CO  3      9.
5%n−C6/16.6%2,2−DMB/バランス量
ヘリウム                (n−ヘキ
サン/2,2−ジメチルブタン)
【0062】以下の透過係数および選択率が得られた:
原料 温度(℃)  透過質組成(モル%)     
  P1(cm2/s) P2(cm2/s)  選択
率1     49     0.46±0.01/1
.62±0.04     1.31×10−4 1.
22×10−4 1.07±0.052     23
     2.12±0.05/1.36±0.05 
    2.63×10−4 1.63×10−4 1
.62±0.042     49     2.20
±0.02/1.48±0.01     2.59×
10−4 1.92×10−4 1.54±0.013
     49   0.335±0.002/0.0
354±0.0007 1.96×10−4 1.14
×10−5 17.2±1.5
【0063】回収流の組成は原料流の組成と異なり、膜
はO2とN2、H2とCO、およびヘキサンと2,2−
ジメチルブタンを分離した。このことは、ゼオライト膜
が透過質を分子レベルで分離できることを示している。 H2/COおよびヘキサン/2,2−ジメチルブタン原
料について観察された選択率は、大部分の膜通過移動が
ZSM−5格子の形状選択性孔で起こっていることを強
く示している。
【0064】実施例2〜5 実施例1と同じ合成用混合物、および結晶化時間を変え
た以外は実施例1と同じ条件を用いた。
【0065】表1に示すように形成される膜の厚さは結
晶化時間の関数であることがわかった。結晶化時間が長
いと膜厚がより大きくなることが明らかである。
【0066】
【0067】実施例6 テフロンプレートの代わりに25×25mm平坦銀プレ
ートを用いた以外は実施例1と同じ手順を繰り返した。 銀プレートの表面にZSM−5膜が形成された。
【0068】銀プレートを水で洗い、室温で乾燥した。 結晶化ゼオライト膜は、室温において表面をアセトンで
湿らせることにより支持プレートから容易に除去するこ
とができた。
【0069】実施例7 25×25mm平坦ニッケルプレートを用いて実施例1
と同じ手順を繰り返した。結晶化の終了時に、ニッケル
プレートが薄いZSM−5ゼオライト膜で被覆されてい
た。
【0070】実施例8 No.316ステンレス鋼製の平坦プレートを用いて実
施例1と同じ手順を繰り返した。ステンレス鋼プレート
の表面に再び、ゼオライトが薄膜として晶出した。
【0071】実施例9 NaAlO20.78gおよびNaOHペレット1.1
2gを脱イオン水497.7gに溶解した。テトラプロ
ピルアンモニウムブロミド塩7.98gを得られた溶液
、および続いてコロイド状ゾル(30%SiO2)60
.0gに溶解した。 最終溶液を2分間激しく撹拌して均一溶液を製造した。
【0072】得られたヒドロゲルは以下のモル比で表さ
れる: H2O/SiO2                1
00Al2O3/SiO2             
     0.01OH−/SiO2        
            0.10Na+/SiO2 
                    0.12T
PA+/SiO2                 
 0.10
【0076】所定量のヒドロゲルをテフロン
ストリップを垂直に配置した1リットルステンレス鋼オ
ートクレーブに移した。オートクレーブを密封し、直ち
に180℃で3日間、撹拌することなく加熱し、その後
、結晶化を終了させるために室温に冷却した。
【0077】オートクレーブを開け、テフロンストリッ
プを残留液体から取り出した。結晶性生成物がテフロン
表面に付着し、結晶性ゼオライト膜をテフロン表面から
そのまま物理的に除去した。
【0078】実施例9で調製したヒドロゲル45mlを
65mlステンレス鋼オートクレーブに移した。次にテ
フロンストリップをオートクレーブに垂直に配置し、そ
れにキャップをかぶせ、密封し、180℃に設定された
対流セル内においた。オートクレーブを180℃で(静
置状態において)4日間、対流セル内に維持し、その後
、取り出して室温に冷却した。
【0079】オートクレーブを開けると、テフロンスト
リップの表面に均一結晶性物の付着が見られた。結晶性
ゼオライトを、テフロンストリップからそのまま取り外
した。
【0080】実施例11 下記組成を用いて実施例9と同様の手順により溶液を調
製した。 H2O/SiO2                 
 29Al2O3/SiO2            
      0.0025OH−/SiO2     
               0.02Na+/Si
O2                     0.
05TPA+/SiO2              
    0.05
【0081】ヒドロゲルを、テフロン
スラブを垂直に配置した45mlテフロンライニングオ
ートクレーブに移した。
【0082】オートクレーブを密封し、180℃のオー
ブン内に3日間置いた。オートクレーブを急冷し、開放
し、テフロンスラブを取り出した。テフロン表面に結晶
性生成物が均一厚層として付着しているのが観察された
。この結晶性ゼオライト巻くをテフロン表面からそのま
ま物理的に取り外した。
【0083】以下の実施例において、多孔質アルミナ支
持体に支持されたZSM−5構造を有する厚さ12ミク
ロンの膜からなる壁を膜が管の内側になるように有して
なる長さ30cm、直径2cmの円筒状管を含んでなる
膜反応器を用いた。この管を、内径3cmの金属管内に
、管内に幅約0.5cmの環が形成されるように同心的
に配置した。内側膜管および外側環を別の供給および出
口ラインに接続した。
【0084】使用した膜反応器は、SiO2/Al2O
3比が20000より大きい本質的に不活性のZSM−
5からなる膜壁を有していた。SiO2/Al2O3比
が70であるHZSM−5の1/16インチ押出物40
mlを反応器の内側管内に配置した。350℃の温度お
よび1バールの圧力で気化したクメンの供給流を、10
hr−1の重量時間空間速度で内側管を流通させた。高
純度のプロピレンおよびベンゼンを環状空間から取り出
し、窒素流で押し出した。
【0085】比較として、70SiO2/Al2O3H
ZSM−5触媒を一般的な非膜反応器管内に配すると、
上記条件下にクメンがベンゼンおよびジおよびトリイソ
プロピルベンゼンに転化し、プロピレンは痕跡量しか得
られなかった。
【0086】実施例13 使用した膜反応器は、SiO2/Al2O3比が700
のZSM−5からなる膜壁を有し、酸化モリブデン10
gと石英粒子30gとの混合物を装入した。シクロヘキ
サンを、200℃の温度、25バールの圧力および2h
r−1の重量時間空間速度で管に流通させた。酸素を4
0ml/分の割合で環状管に流通させた。反応器流出物
は、シクロヘキサノンおよびシクロヘキサノールを高選
択率で含み、CO2は少量にしか含まなかった。酸素が
シクロヘキサン原料と共に供給される一般的非膜反応器
において、所望の生成物の選択率はかなり低かった。
【0087】実施例14使用した膜反応器は、ゼオライ
ト全体に対して0.5重量%の金属バナジウムが得られ
るような量で硝酸バナジウムの溶液を含浸し、500℃
で空気流により2時間処理して酸化バナジウム(V)の
薄膜を内側表面に付着させた、SiO2/Al2O3比
が3000のZSM−5からなる膜壁を有していた。イ
ソブタンを40%含むn−ブタンとイソブタンの混合物
を、220℃の温度および25バールの圧力で、金属酸
化物の重量を基準とした重量時間空間速度を2hr−1
として、内側管に流通させた。同じ温度および28バー
ルの圧力で空気を環状空間に流通させた。内側管生成物
流から収集された生成物は、t−ブチルアルコール、ア
セトンおよび痕跡量のCO2を含んでいた。n−ブタン
は実質的に反応せず、酸素化生成物から簡単な蒸留によ
り純粋な状態で回収された。
【0088】実施例15 使用した膜は、SiO2/Al2O3比が220のカリ
ウム型ゼオライトZSM−5からなる膜壁を有していた
。管の内側表面を、ゼオライト全体に対して0.001
重量%の白金が得られるような量のクロロ白金酸溶液で
含浸し、500℃で水素流により6時間処理して、膜管
の内側表面に白金金属を付着させた。560℃に予熱し
ておいたイソブタンを、1バールの圧力で管に流通させ
、イソブテンおよび水素に転化した。後者は、環状反応
器管から高純度で取り出された。
【0089】実施例16 実施例12の膜反応器内に、0.6%白金担持アルミナ
10gとアルミナ20gとの混合物を仕込んだ。望まし
くない直鎖状異性体1,3−ペンタジエンを2%含むイ
ソプレン流を、100℃で流量40g/時間として外側
環状反応器に流通させた。水素を、炭化水素1モル当た
り0.1モルの割合で、内側および外側管を流通させた
。 流出物は、1%以下のペンタジエンおよび少量のn−ペ
ンタンを含むイソプレンからなっていた。
【0090】実施例17 実施例12の膜反応器の内側管に、SiO2/Al2O
3比が70である(0.1ミクロン以下の)小さいHZ
SM−5結晶40gを仕込んだ。トリメチルベンゼンと
H2の流れをH2/HCモル比を2として、450℃の
温度、20バールの圧力および2hr−1の重量時間空
間速度で内側管に流通させた。H2/HCモル比が2で
あるH2とトルエンの流れを、450℃の温度、20バ
ールの圧力および1.5hr−1の重量時間空間速度で
外側環状反応器空間に流通させた。外側反応器からの流
出物は、平衡濃度24%よりかなり多い量でp−異性体
を含むキシレンとトルエンの混合物を含んでいた。
【0091】実施例18 実施例12の膜反応器の内側管に、SiO2/Al2O
3比が15の脱アルミ水素型モルデナイト45gを仕込
んだ。H2/HCモル比が2であるトリメチルベンゼン
および水素の流れを、330℃の温度、3hr−1の重
量時間空間速度および30バールの圧力で管に流通させ
た。水素(トリメチルベンゼン1モル当たり3モル)の
流れを、10バールの圧力で環状反応器空間に流通させ
た。内側管反応器からの生成物は、テトラメチルベンゼ
ン、少量のペンタおよびヘキサメチルベンゼンおよびキ
シレン、ならびに未転化トリメチルベンゼンを含んでい
た。外側環状反応器からの生成物は、p−キシレンおよ
び少量のm−およびo−キシレンならびにトルエンを含
んでいた。
【図面の簡単な説明】
【図1】  結晶性膜のSi−NMRスペクトルを示す
図である。
【図2】  結晶化中に非多孔質支持材にさらされた膜
表面の結晶構造を示す顕微鏡写真である。
【図3】  合成用混合物にさらされた膜表面の結晶構
造を示す顕微鏡写真である。
【図4】  大きな単結晶の表面上の結晶内部成長を示
す顕微鏡写真である。
【図5】  図4の顕微鏡写真の拡大写真である。
【図6】  ビッケ−カレンバッハセル内に取り付けた
膜を示す図である。

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  結晶性分子ふるい物質の連続配列を含
    んでなる非複合微孔質膜。
  2. 【請求項2】  分子ふるい物質が、 式:          X2O3:(n)YO2〔式
    中、Xはアルミニウム、ホウ素、鉄及び/又はガリウム
    、Yは珪素、ガリウム及び/又はチタン、およびnは少
    なくとも2を表す。〕で示される酸化物モル比の組成を
    有する請求項1記載の膜。
  3. 【請求項3】  XがアルミニウムおよびYが珪素であ
    る請求項2記載の膜。
  4. 【請求項4】  膜が本質的にシリカからなる請求項2
    記載の膜。
  5. 【請求項5】  nが20〜10000である請求項2
    〜4のいずれかに記載の膜。
  6. 【請求項6】  分子ふるい物質がゼオライトである請
    求項1〜5のいずれかに記載の膜。
  7. 【請求項7】  分子ふるい物質が、アルミノホスフェ
    ート、シリコアルミノホスフェート、メタロアルミノホ
    スフェートまたはメタロアルミノホスホシリケートから
    選択される請求項1〜5のいずれかに記載の膜。
  8. 【請求項8】  触媒活性を有し、気体または液体分離
    特性を有する請求項1〜7のいずれかに記載の膜。
  9. 【請求項9】  触媒活性が、アルカリまたはアルカリ
    土類金属の組込により低下している請求項8記載の膜。
  10. 【請求項10】  金属がマグネシウム、カルシウム、
    ストロンチウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、リ
    チウム、ルビジウム及び/又はセシウムである請求項9
    記載の膜。
  11. 【請求項11】  分離特性が、金属酸化物、燐化合物
    、珪素化合物、有機化合物、コークス、アルカリ金属カ
    チオン及び/又はアルカリ土類金属カチオンの付着によ
    り調節されている請求項8記載の膜。
  12. 【請求項12】  触媒活性を有する請求項1〜7のい
    ずれかに記載の膜。
  13. 【請求項13】  触媒機能を有する金属が組み込まれ
    ている請求項12記載の膜。
  14. 【請求項14】  金属がパラジウム、白金、ルテニウ
    ム、モリブデン、タングステン、ニッケル、鉄及び/又
    は銀である請求項12記載の膜。
  15. 【請求項15】  単結晶性である請求項1〜14のい
    ずれかに記載の膜。
  16. 【請求項16】  多結晶性である請求項1〜14のい
    ずれかに記載の膜。
  17. 【請求項17】  0.1〜400ミクロンの厚さを有
    する請求項1〜16のいずれかに記載の膜。
  18. 【請求項18】  結晶性分子ふるい物質を形成するこ
    とのできる反応混合物を調製し、混合物を結晶化条件下
    に非多孔質形成表面上の連続層として結晶化させること
    により凝集性連続薄膜として形成し、形成表面上の連続
    層を混合物から取り出し、層を濯ぎおよび乾燥し形成表
    面から除去して非複合膜を得ることを含んでなる請求項
    1記載の膜を製造する方法。
  19. 【請求項19】  更に、除去した膜を焼成することを
    含む請求項18記載の方法。
  20. 【請求項20】  更に、200〜800℃の温度で1
    〜50時間、膜をスチーミングすることを含む請求項1
    8または19記載の方法。
  21. 【請求項21】  更に、膜をイオン交換することを含
    む請求項18〜20のいずれかに記載の方法。
  22. 【請求項22】  アルカリまたはアルカリ土類金属で
    膜をイオン交換する請求項21記載の方法。
  23. 【請求項23】  金属がマグネシウム、カルシウム、
    ストロンチウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、リ
    チウム、ルビジウム及び/又はセシウムである請求項2
    2記載の方法。
  24. 【請求項24】  更に、機能金属を膜に組み込むこと
    を含む請求項18〜23のいずれかに記載の方法。
  25. 【請求項25】  機能金属がパラジウム、白金、ルテ
    ニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、鉄及び
    /又は銀から選択される請求項24記載の方法。
  26. 【請求項26】  更に、金属酸化物、燐化合物、珪素
    化合物、有機化合物及び/又はコークスを膜に付着させ
    ることを含む請求項18〜25のいずれかに記載の方法
  27. 【請求項27】  混合物の少なくとも一つの成分が他
    の成分より大きな定常状態膜透過性を有するような条件
    下に請求項1〜17のいずれかに記載の膜の一つの面に
    混合物を接触させ、膜の他の面から透出する大きな透過
    性を有する成分を回収することを含んでなる、少なくと
    も二つの成分を含む気体または液体混合物を分離する方
    法。
  28. 【請求項28】  気体混合物が酸素および窒素を含ん
    でなる請求項27記載の方法。
  29. 【請求項29】  気体混合物が水素および一酸化炭素
    を含んでなる請求項27記載の方法。
  30. 【請求項30】  気体混合物が水素およびメタンを含
    んでなる請求項27記載の方法。
  31. 【請求項31】  液体混合物が線状パラフィンおよび
    分岐状パラフィンを含んでなる請求項27記載の方法。
  32. 【請求項32】  液体混合物がp−キシレンとm−及
    び/又はo−キシレンとを含んでなる請求項27記載の
    方法。
  33. 【請求項33】  膜から透出する流出物が少なくとも
    一つの転化生成物を当量濃度以上で含むような接触転化
    条件下に炭化水素原料を請求項1記載の膜を透過させる
    ことを含んでなる炭化水素原料を接触転化させる方法。
  34. 【請求項34】  クメン原料をベンゼンおよびプロピ
    レンに転化させる請求項33記載の方法。
  35. 【請求項35】  シクロヘキサン原料をシクロヘキサ
    ノンおよびシクロヘキサノールに転化する請求項33記
    載の方法。
  36. 【請求項36】  n−ブタンおよび空気の存在下にイ
    ソブタンをt−ブチルアルコールおよびアセトンを含む
    生成物に転化する請求項33記載の方法。
  37. 【請求項37】  イソブタンをイソブテンに転化する
    請求項33記載の方法。
  38. 【請求項38】  イソプレン中の1,3−ペンタジエ
    ン不純物を水素の存在下にn−ペンタンに転化する請求
    項33記載の方法。
  39. 【請求項39】  トリメチルベンゼンをp−キシレン
    に転化する請求項33記載の方法。
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