JPH0443695B2 - - Google Patents

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JPH0443695B2
JPH0443695B2 JP60240692A JP24069285A JPH0443695B2 JP H0443695 B2 JPH0443695 B2 JP H0443695B2 JP 60240692 A JP60240692 A JP 60240692A JP 24069285 A JP24069285 A JP 24069285A JP H0443695 B2 JPH0443695 B2 JP H0443695B2
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明はガス混合物の構成成分を互いに分離す
るための方法および吸着剤に関する。 天然および合成されたゼオライトはともに、真
空・加圧スイング吸着サイクルのようなガス分離
方法および残存ガスの除去のための真空熱絶縁
(vacuum thermal insulation)において吸着剤
として使用された。貴金属でイオン交換されたゼ
オライトは真空操作における残存ガスの除去のた
めの吸着剤として使用されてきた。ゼオライトは
単独のイオンで交換されており(singleion
exchanged)、例えばX型即ちイオン交換されて
いないゼオライトのような一般的なものと比較し
て、通常の雰囲気ガスに対して大きな吸着容量を
示すものである。 ゼオライトやモレキユラーシーブが利用される
ような操作の1タイプとして、空気流中のガス構
成成分の分離のための操作がある。即ち空気流を
分離して別の富化された酸素および富化された窒
素流を作成する操作である。米国特許第3313091
号は、空気から酸素/窒素を分離する吸着剤とし
てX型またはA型のモレキユラーシーブが使用さ
れる技術を開示している。モレキユラーシーブは
そのナトリウムカチオンのうち30%から100%の
間の部分が一つの2価2属の金属カチオンまたは
1価の銀カチオンにより置換されている。分離方
法は約35〓から100〓および1気圧から8気圧の
間の条件下にて実行される。 本発明はガス分離方法のための進歩した吸着剤
を提供する。吸着剤は、5%から40%の間の有効
イオンサイトがCaにより占められ、60%から95
%の有効イオンサイトがSrにより占められてい
る2成分系イオン交換X型ゼオライトよりなる。
この2成分系イオン交換ゼオライト吸着剤は、米
国特許第3313091号に開示された高圧での高いN2
吸着容量を有する1成分系イオン交換吸着剤を含
む従来技術の吸着剤と比較して有利な点を供えて
いる。これは環境圧力を越える圧力レベルにおい
てO2の回収を増加させながら行なわれるPSA
(Pressure Swing Adsorption)のような方法の
ための吸着剤類の省材化を可能にする。 高N2容量を持つことに加え、この吸着剤はN2
吸着熱を下げ、良好なN2選択性を示し、富化さ
れた酸素ガスでパージすることにより容易にN2
脱着される。 本吸着剤は空気を分離して富化された窒素ガス
流および富化された酸素ガス流を得る方法のよう
なガス分離方法に特に適用される。空気流中の窒
素の1部が吸着剤により除去され富化された酸素
生成ガス流が得られるのである。吸着剤はその後
富化された酸素生成ガス流の一部でバツクパージ
(逆洗)(back purged)されて富化された窒素ガ
ス流を生成する。 いかなるガス分離工程においても鍵となる要素
は吸着剤の特性である。異なるPSA方法は最適
操作のために異なる吸着特性を必要とするので、
吸着剤と方法の良い組合わせが最も重要となる。
本発明にさきだつ、空気分離応用例におけるゼオ
ライト吸着剤の調整の鍵となる方法は例えば
NaXゼオライトのような典型的なゼオライト吸
着剤を1イオンだけイオン交換することであつ
た。このような技術は米国特許第3313091号に開
示されている。 ガス分離方法、とりわけPSAによるN2/O2
離のための進歩した吸着剤が、典型的なX型ゼオ
ライトを、二つのイオン即ちカルシウムとストロ
ンチウムできまつた割合だけイオン交換すること
により調製できる事が本発明者らにより発見され
た。X型ゼオライトは5%から40%の間の、好ま
しくは8%から12%の間の有効イオンサイトがカ
ルシウムにより占められ、60%から95%の間の、
好ましくは88%から92%の間の有効イオンサイト
がストロンチウムにより占められるように2イオ
ン交換されなければならない。より少量、即ちと
くに約2%〜5%のイオンサイトは本来のイオン
(Nax型ゼオライトにおいてはNaであるようなイ
オン)で占められていてもよい。 好ましくは、NaX型ゼオライトが2成分系イ
オン交換に使用されるが、その他のX型ゼオライ
トも使用できる。イオンは、例えばNaXゼオラ
イトをカルシウムで交換してCaXをゼオライト
を生成しそれからそれは部分的にストロンチウム
でイオン交換されて所望の吸着剤になるように順
次に変換することもできるが、典型的には同時に
変換される。イオン交換は、交換されるべきイオ
ンの硝酸塩にNaXゼオライトを接触させること
により完遂される。 これらの2成分系イオン交換X−ゼオライト吸
着剤はCaのみおよびSrのみで交換されたX−ゼ
オライトの両方に比較して高いN2容量を有して
いるが、N2吸着の際の発熱は緩和されている。
加えて、2成分系イオン交換X−ゼオライトは
N2に対して優れた選択性を示し、再生のための
パージに過剰なO2を必要としない。 CaおよびSr交換される各々の量を変えること
ができるので、種々のガス分離操作のための吸着
特性を最適にする際により融通性に富んでいる。
2成分系イオン交換X−ゼオライトの一つの有効
な応用例はPSA方法によりN2とO2を分離するた
めのものである。このような方法において。上述
の2成分系イオン交換X−ゼオライトよりなる吸
着層はあらかじめ約3気圧の酸素で加圧される。
例えば空気のような窒素および酸素からなるガス
流を、0℃から50℃の間、1気圧から5気圧の間
の条件で吸着層を通過させる。ガス流中の窒素の
1部が該イオン交換ゼオライトにより吸着されこ
れにより富化された酸素の生成ガス流が得られ
る。含窒素吸着層はその後減圧され富化された酸
素ガス流でパージされることにより吸着層が再生
されさらに富化された窒素ガス流が生成される。
富化された酸素の生成ガス流の一部は吸着層の再
生のための逆パージに使用してもよいし、別途に
別のパージガス流が使用されてもよい。 以下の実施例は本発明の2成分系イオン交換X
型ゼオライトの特性を示すものであるがこれに限
定されるものではない。 吸着剤の調製 Sr/Caの混合ゼオライトでSrとCaの濃度を変
えたものを4サンプル(S1−S4)以下のように
調製した。
【表】 調製方法 1 SrとCaの硝酸塩を4リツトルの脱イオン水
に溶かす。 2 1で調製した溶液の1/4ずつを使いながら、
4回にわけてイオン交換する。1回の接触時間
は1時間とする。 3 デカントしたのち、1回に1時間かけながら
1リツトルの水で4回洗浄する。 4 2リツトルの水で1夜洗浄する。 5 250〓で乾燥する。 4サンプルをX線回折で分析しCaとSrの組成
比を決定した。分析結果は以下のとおりである。
【表】 実施例 1 五つの2成分系イオン交換NaXゼオライトの
30℃におけるN2吸着容量を試験した。使用した
吸着剤は、80%Ca(S5)で交換したX型と、前述
のS1乃至S4である。さらにCa(C1)およびスト
ロンチウム(C2)でイオン交換される1成分系
イオン交換X型ゼオライトをも使用した。3.0気
圧および3.5気圧におけるこれらのゼオライトN2
吸着容量を下記の表1に示す。
【表】 以上の結果より、7.9モル%から39.3モル%の
範囲のCa(S1ないしS4)を含むX型ゼオライト
は、Ca(C1)またはSr(C2)との1成分系イオン
交換X型よりも極めて優れたN2吸着能力を有す
ることが判明している。さらに80%Caとの2成
分系イオン交換X型はより少量のCaとの交換さ
れたものと比べて優れた吸着能力を示さなかつ
た。この比較の結果は3.0気圧および3.5気圧の両
方の場合において同様であつた。 実施例 2 実施例1において試験をした七つのゼオライト
吸着剤を実施例1におけるのと同様の条件下即ち
30℃および3.0気圧下において、さらにO2吸着の
試験を行なつた。これは典型的N2/O2分離方法
においては望ましくないO2容量の異常な増加を
吸着剤のどれかが示すかどうかを調べるために行
なつたものである。試験の結果を下記の表2に示
す。 表 2 O2吸着容量(m mole/g)吸着剤 3.0気圧 C1 0.43 C2 0.45 S1 0.47 S2 0.48 S3 0.48 S4 0.48 S5 0.38 表2の結果より明らかであるように、ゼオライ
トのO2吸着能力は、N2吸着容量の増加と同様の
サンプル順で増加した。このようにN2/O2選択
性は、これらの物質においては拮抗して変化する
ことはない。 実施例 3 ゼオライト吸着剤のN2の吸着熱(Q)を計算して、
吸着特性の上昇に吸着熱の著しい増加が伴なうか
否かを調べた。各吸着剤ごとのN2の1.0m
mole/gの吸着レベルにおける吸着熱を表3に
示す。 表 3吸着剤 吸着熱(Q)kcal/mole(N2 C1 5.3 C2 4.6 S1 4.9 S2 − S3 5.3 S4 5.2 S5 5.3 表3に示す結果より、2成分系イオン交換ゼオ
ライトを用いた場合、N2の吸着容量が増加して
も吸着熱が大きく増加することはないことが解
る。 実施例 4 7.9モル%の2成分系イオン交換ゼオライト
(S1)とCa1成分系イオン交換ゼオライト(C1)
とSr1成分系イオン交換ゼオライト(C2)を典型
的空気分離方法において試験した。N2容量は3.7
気圧40℃のイニシアルカラム温度における空気に
対してO2を置換する破過特性により測定した。
吸着層を最初にO2で飽和させ続いて空気流に接
触させた。カラム中に残つたガス流のO2濃度を
時間の関数として測定しどの点が空気における濃
度であるかを決めた。これにより空気から吸着さ
れたN2の量が決定された。その後カラムを大気
圧まで減圧し1気圧25℃の条件下でO2でバツク
パージし、カラムの再生即ち残留N2を脱着する
のに必要なO2量を決定した。 三つのゼオライト吸着剤のN2容量およびO2
ージ要求量を調べ表4に示した。
【表】 上記のデータからわかるように7.9%Ca交換さ
れたCa−SrXゼオライトは純粋なCaXおよび純
粋なSrXに比べて高い空気からのN2容量を示し、
さらにN2脱着のための中間ページガスの必要性
も示した。 上記の実施例から5%から40%の間の有効イオ
ンサイトがCaにより占められ、60%から95%の
間の有効イオンサイトがSrにより占められ、さ
らに5%までNaであるような2イオン交換X型
ゼオライトが、1成分系イオン交換、CaXおよ
びSrXゼオライトに比較して予想できない程高い
N2吸着容量を示すことがわかる。この増加した
N2容量はN2選択性の著しい欠損や吸着熱の増加
やO2パージの必要性を伴うことなく実現された
ものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 5%から40%の間の有効イオンサイトがCa
    により占められ、60%から95%の間の有効イオン
    サイトがSrにより占められていることを特徴と
    する窒素に対する2成分系イオン交換X型ゼオラ
    イト吸着剤。 2 8%から12%の間の有効イオンサイトがCa
    により占められていることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の2成分系イオン交換X型ゼオ
    ライト吸着剤。 3 88%から92%の間の有効イオンサイトがSr
    により占められていることを特徴とする特許請求
    の範囲第2項記載の2成分系イオン交換X型ゼオ
    ライト吸着剤。 4 0ないし5%のイオンサイトがNaにより占
    められていることを特徴とする特許請求の範囲第
    2項記載の2成分系イオン交換X型ゼオライト吸
    着剤。 5 窒素および酸素からなるガス流から富化され
    た窒素流および富化された酸素流を製造する製法
    において、該製法が5%から40%の間の有効イオ
    ンサイトがCaにより占められ、60%から95%の
    間の有効イオンサイトがSrにより占められてい
    る2成分イオン交換X型ゼオライト吸着剤に該ガ
    ス流を接触させて該吸着剤により該ガス流から窒
    素の一部分を除き、そして該吸着剤で除かれた該
    窒素を脱着により富化された窒素流として次いで
    回収することからなる富化された窒素流および富
    化された酸素流の製造法。 6 該ガス流を8%から12%の間の有効イオンサ
    イトがCaにより占められている2成分イオン交
    換X型ゼオライト吸着剤に接触させることよりな
    る特許請求の範囲第5項記載の製造法。 7 該ガス流を88%から92%の間の有効イオンサ
    イトがSrにより占められている2成分系イオン
    交換X型ゼオライト吸着剤に接触させることより
    なる特許請求の範囲第6項記載の製造法。 8 窒素および酸素よりなるガス流から窒素を除
    去する方法において、(a)該ガス流を0℃から50℃
    の間および1気圧から5気圧の間に設定保持する
    ことおよび(b)該供給ガスを、5%から40%の間の
    有効イオンサイトがCaにより占められ、60%か
    ら95%の間の有効イオンサイトがSrにより占め
    られている2成分系イオン交換X型ゼオライトか
    らなる吸着床を通過させて該ガス流の窒素の少な
    くとも一部分が吸着床により吸着され、それによ
    り富化された酸素生産流を残すことよりなる上記
    の方法。 9 該吸着床があらかじめ約3.7気圧の富化され
    た酸素ガスで加圧化されていることを特徴とする
    特許請求の範囲第8項記載の方法。 10 該吸着床が減圧されその後富化された酸素
    ガス流でバツクパージして窒素の部分を除去する
    ことにより該吸着床を再生することを特徴とする
    特許請求の範囲第9項記載の方法。 11 該富化された酸素ガス流が該方法により製
    造される製品流であることを特徴とする特許請求
    の範囲第10項記載の方法。
JP60240692A 1984-10-29 1985-10-29 2成分系イオン交換x型ゼオライト吸着剤 Granted JPS61103548A (ja)

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US06/665,794 US4557736A (en) 1984-10-29 1984-10-29 Binary ion exchanged type X zeolite adsorbent
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