JPH11292651A - ゼオライト化多孔質体及びその製造方法 - Google Patents

ゼオライト化多孔質体及びその製造方法

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JPH11292651A
JPH11292651A JP10108534A JP10853498A JPH11292651A JP H11292651 A JPH11292651 A JP H11292651A JP 10108534 A JP10108534 A JP 10108534A JP 10853498 A JP10853498 A JP 10853498A JP H11292651 A JPH11292651 A JP H11292651A
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porous
diameter
pores
porous body
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Shiro Koyama
司朗 小山
Kenji Goto
賢志 後藤
Akio Henmi
彰男 逸見
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Nippon Sharyo Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えば微生物の増殖に好適な担体などとして
用いることができるゼオライト化多孔質体及びその製造
方法を提供すること。 【解決手段】 主としてシリア及びアルミナからなり更
にカルシアを含む多孔質セラミックス基体を、共融凝集
核架橋多孔質セラミックスの製造法によって製造し、こ
の多孔質セラミックス基体を例えば水酸化ナトリウムの
様なアルカリ溶液中内に入れて、攪拌しながらて加熱す
る。これにより、多孔質セラミックス基体の表面及び内
部孔の表面にゼオライトかならるゼオライト層を形成
し、乾燥させてゼオライト化多孔質体を完成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】ゼオライトは、例えば分子分
画篩、イオン交換剤、触媒担体あるいは自己自身による
触媒機能剤として利用可能である。さらにそのイオン交
換能力のため、微生物あるいはその代謝産物、例えばア
ンモニア等を吸着させる能力が高く、食品工業のバイオ
リアクタ或は廃水の生物化学的処理に用いられるバイオ
リアクタ等の微生物や酵素の担体としても有用である。
【0002】そのうち本発明が関係する分野は、例え
ば、液あるいはガス等の流体中に設置され、利用目的に
応じた孔径数μm以上の流路(この大口径の孔は、多孔
質体内部の物質移動抵抗を小にし、多孔質体全体の反応
効率を向上させるものである。)を有する球状あるいは
任意の形状の多孔質体としてゼオライトを利用する分野
である。
【0003】
【従来の技術】従来利用されている公知の塊状ゼオライ
ト製造法の例として次の〜が挙げられる。 数μm〜数十μmの石炭灰その他の粒子をゼオライト
化した粉末を出発材料として、粒状や板状等の塊状物に
成形したもの。
【0004】多孔質の支持体の孔中をゼオライトで充
填密封したもの(流体の流路として確保されるのはゼオ
ライトの有する数オンク゛ストローク〜10数オンク゛ストロームの孔の
み)。 押出機等により作成される100μm以上の規則的な
流路孔を有するモノリシック支持体上にゼオライトを生
成したもの(特開平1−148771号公報参照) また、前記多孔質体、例えば流体中に設置される多孔質
体の条件に必要な具備条件としては以下のものが挙げら
れる。
【0005】(1)流路抵抗が小であること。 (2)流出粉塵が無いこと。 (3)活性復活(再生)等の作業が容易であること。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多孔質体には下記に述べる様に各々一長一短があり、前
記全て満たすものを、工業的に容易に製造することは、
事実上困難であった。 <課題1>で示したものについては、ゼオライト粉末
が成形困難のため水ガラスあるいは粘土、その他の類似
物質をバインダとして混入し成形を行うが、この混入粉
により成形品のゼオライト活性が低下する。また、成形
品の強度向上のため加熱処理を行った場合、高温で処理
を行えば強度は上昇するが、成形品のゼオライト活性は
やはり低下する。
【0007】<課題2>で示したものについては支持
体により強度は確保されるものの、流路は極めて小さ
く、流路抵抗が極めて大となる。これは分子篩等、流路
抵抗が問題にならない分野に限定される製造法である。 <課題3>またについても、規則的な直線的多孔を有
するハニカム状のモノリシックセラミック多孔体を支持
体とする発明であり、触媒担体形状として一般的なφ
0.5〜10[mm]の球状製品へは適用出来ない。
【0008】
【課題を解決するための手段】(1)即ち、前記目的を達
するためになされた請求項1の発明は、ゼオライト化処
理を施される多孔質セラミックス基体が、内部に形成さ
れた大径の洞穴孔と、該洞穴孔同志を連通する小径の連
通孔と、該洞穴孔と外部とを連通する小径の連通孔とを
有する多くの内部孔を備えるとともに、下記(i)〜
(v)からなる(イ)の条件を満たし、(イ)(i)孔径
1〜360[μm]の連通孔容積の積算の中央値相当円
孔径が、40±25[μm]であること、(ii)孔径5
〜1100[μm]の洞穴孔面積の積算の中央値相当円
孔径が、320±150[μm]であること、(iii)
前記洞孔穴と連通孔とから構成される内部孔が、その内
径及びその内部形状が不規則に変化している不規則形状
であること、(iv)孔径1〜360[μm]で構成され
る内部孔の気孔率のうち、孔径20[μm]以上で構成
される気孔率が、20[%]以上であること、(v)圧
縮破壊強度が5[MPa]以上であること、上記条件を
満足する多孔質セラミックス基体の表面及び前記内部孔
の表面に、多孔質のゼオライト層を有することを特徴と
するゼオライト化多孔質体を要旨とする。
【0009】ここで、本発明のゼオライト化多孔質体
は、図1及び図2に模式的に示す様に、そのベースとな
る例えば主としてシリカとアルミナからなる多孔質の基
本構造体(多孔質セラミック基体)とその表面のゼオラ
イトからなる層(ゼオライト層)から構成されており、
このうち多孔質セラミック基体の構造及びその製造方法
は、特願平4−312819号に記載されている内容と
同様なものである(但し用途は、増殖微生物用に限定さ
れない)。
【0010】次に、このゼオライト化多孔質体としての
特徴を述べる。尚、図1は例えば球形状担体の全体の断
面を模式的に示す説明図であり、図2(A)はその要部
を拡大して示し、図2(B)はその要部を表面側から見
た様に90度違えて示している。
【0011】前記ゼオライト層は、通常多孔質セラミ
ックス基体の見かけ表面(以後外表面と略称)を覆うと
ともに、内部孔の孔壁面(以後内表面と略称)を覆って
いる。但し、利用目的によっては一部に覆われていない
部分があってもよい。 このゼオライト層の厚さは、多孔質セラミックス基体
の強度低下を生じない範囲で、且つ内部孔をあまり塞が
ない程度であればよく、例えば1〜100[μm]の厚
さを採用できる。
【0012】また、前記(i)の連通孔容積の積算の
中央値相当円孔径は、ポロシメーター法で得られたもの
(測定限界は、大孔径が360[μm]の水銀圧入式ポ
ロシメータを利用した値)が望ましい。 前記(ii)の洞穴孔面積の積算の中央値相当円孔径
は、多孔質体断面の画像処理法によって得られたものが
好ましい。
【0013】特に、連通孔の孔径が40[μm],洞
穴孔の孔径が320[μm]の組み合せにできるだけ近
いものが、例えば微生物による反応性に優れているので
好適である。 前記(iv)の孔径1〜360[μm]で構成される孔
の気孔率のうち、孔径20[μm]以上で構成される気
孔率が20[%]以上であれば、例えば微生物の繁殖及
びその微生物による反応にとって好適であるが、特に4
0[%]以上のものが望ましい。
【0014】前記(v)の圧縮破壊強度が5[MP
a]以上であると、様々な用途で使用されるゼオライト
化多孔質体において、十分な強度を確保できる。 (2)請求項2の発明は、前記ゼオライト化多孔質体の圧
縮破壊強度が5[MPa]以上であることを特徴とす
る。
【0015】つまり、ゼオライト化多孔質体としては、
その圧縮破壊強度が、5[MPa]以上のものが、実際
に使用する上で破損が少なく耐久性に優れているので望
ましいが、特に7[MPa]以上のものが一層好適であ
る。尚、ゼオライト化多孔質体は、下記の条件を満たす
孔を有するものが、例えば各種の担体等に好適である。
【0016】(i)0.5〜1μm以上の孔径による気孔
率が20%以上 (3)請求項3の発明は、前記ゼオライト化多孔質体の表
面側に利用目的に応じた有効利用深さ(例えば図1に示
す有効反応域の厚み)を有する外層部位を備えるととも
に、該外層部位の内側に内層部位を備え、前記外層部位
には前記不規則形状の多孔を有するとともに、有効利用
されない前記内層部位には多孔を有しないことを特徴と
する。
【0017】ここで、有効利用深さについて述べると、
例えば外部流体中の基礎濃度が多孔質体の深さ方向で反
応が進み濃度低下するが、その濃度がほとんど0近くな
ればそれより深い場所は反応に無関係な無効細孔あるい
はデッドスペースとなり、一方それより浅い細孔部分は
反応に有効な深さ(即ち有効利用深さ)となる。あるい
は、微生物反応では、増殖菌棲息深さを有効利用深さと
いう。
【0018】尚、多孔質セラミックス基体の構造とし
て、請求項1にて規定される内部孔が、多孔質セラミッ
クス基体の内部全体にわたって形成されていてもいい
が、表面側層のみに形成されていてもよい。また、特に
多孔質セラミックス基体の形が球状である場合には、中
心側層が有効利用深さより深い場合、その中心側層の気
孔率が外表面側層に比べて小さいか、又は無孔でもよ
い。
【0019】(4)請求項4の発明は、前記ゼオライト化
多孔質体が、担体として用いられるものであることを特
徴とする。 (5)請求項5の発明は、前記ゼオライト化多孔質体が、
増殖微生物用担体であることを特徴とする。
【0020】(6)請求項6の発明は、前記(イ)の構成
を有する多孔質セラミックス基体を製造する場合には、
20μm以上の大粒子径原料が20重量%以上含まれる
陶磁器材料の粉末を成形後、1150〜1450℃で焼
成する際に、1000℃以下の焼成温度域では5μm以
上の孔のない組織内が焼成温度の上昇及び経過時間に伴
って部分的に共融が開始され、凝集核と核間の架橋部分
とが共に量的増加をなし、小孔多孔から大孔多孔組織に
進展する共融凝集核架橋多孔質セラミックスの製造法を
用いることを特徴とする。
【0021】ここで、基本構造体である多孔質セラミッ
クス基体を製造する方法である共融凝集核架橋多孔質セ
ラミックスの製造法について簡単に説明する。尚、この
方法は、本願発明者が、既に特願平3−105947号
及び特願平4−116358号にて提案したものであ
る。即ち、釉式にて示す材料成分として、酸性成分RO
2,中性成分R23,アルカリ土類成分RO,アルカリ
成分R2Oを、モル比で下記(1)〜(6)式を満たす
範囲、又は下記(5),(6)式で決定された配合座標
点(X,Y)を中心として下記(7)式で示される半径
rの円内の範囲で用いるとともに、前記中性成分R23
の原料粒子径を10〜60μmとし、かつアルカリ土類
成分ROは原料粒子径40μm以上の含有率を40〜7
0重量%とし、1.2<θ<1.45(但しθ=t℃×1
-3)を満たす焼成温度tの範囲で焼成することを特徴
とする多孔質セラミックス基体の製造方法、即ち共融凝
集核架橋多孔質セラミックスの製造法である。
【0022】 X=RO2/(RO+R2O) …(1) Y=R23/(RO+R2O) …(2) Z=R2O/(RO+R2O) …(3) Z=2.311×105×exp(−12.28×θ) ±exp(−3.8×θ) …(4) Y1<Y<Y2 …(5) 但し Y1=X−1.75,Y2=X+0.75 Y=−X+A(θ) …(6) 但し A(θ)=5808.75×{1−exp(−6.72×θ)} −5805.07 r={A(θ+0.05)−A(θ)}/21/2 …(7) 尚、この製造法において、前記中性成分R23の原料粒
子径の範囲,アルカリ土類成分ROの原料粒子径の範囲
及び重量%,焼成温度tの範囲に加え、前記(1)〜
(7)の各式にて示される(酸性成分RO2,中性成分
23,アルカリ土類成分RO,アルカリ成分R2Oか
らなる)X,Y,Zの成分比の範囲は、いずれも実験に
よって定められたものであり、この範囲であれば良好な
多孔質セラミックスを形成できる。
【0023】また、前記釉式で示すRとは、窯業で通常
用いられる酸化物の成分のことであり、例えばSi,Z
r,Al,Fe,Ca,Mg,Na,K等が挙げられ
る。従って、酸性成分RO2としては、例えばSiO2
ZrO2、中性成分R23としては、例えばAl23
Fe23、アルカリ土類成分ROとしては、例えばCa
O,MgO、アルカリ成分R2Oとしては、例えばNa2
O,K2O等を各々使用できる。
【0024】(7)請求項7の発明は、前記(イ)の構成
を有する多孔質セラミックス基体の製造の際に使用する
混合原材料粉末(A)に、植物粉や合成樹脂粉,石炭や
コークス粉,塩類等の後工程にて除去する除去成分
(B)を、(A)/(B)=20〜1の比率で混合し、
焼成以後の前記除去物質(B)に起因する残孔により、
所定孔径の孔量率を除去物質(B)の粒径によって、よ
り増加させるとともに同時に、全体気孔率も増加させる
様にすることを特徴とする。
【0025】ここで使用する除去物質(B)としては、
成形時等に圧縮されて微細な粒子とならない様、又は製
造工程中に膨張その他の要因で成形物の保形が困難とな
らない様に、なるべく硬質な材料が望ましい。また、前
記焼成以後とは、仮焼成の後に本焼成を行なう場合に
は、本焼成以後を示し、仮焼成なしで本焼成のみの場合
は、その本焼成以後を示すものである。
【0026】(8)請求項8の発明は、前記(イ)の構成
を有する多孔質セラミックス基体を、アルカリ溶液中内
にて加熱することにより、該多孔質セラミックス基体の
表面にゼオライト層を形成することを特徴とする。
【0027】ここで、前記アルカリ溶液としては、例え
ば水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム等を採用で
きる。またその濃度としては、0.8規定〜5規定の範
囲のものを採用できる。更に、加熱温度としては、室温
〜300℃の範囲を採用できる。
【0028】(9)請求項9の発明は、主としてシリカ及
びアルミナからなる多孔質セラミックス基体として、内
部に形成された大径の洞穴孔と、該洞穴孔同志を連通す
る小径の連通孔と、該洞穴孔と外部とを連通する小径の
連通孔とを有する多くの内部孔を備えるとともに、下記
(i)〜(iii)からなる(ロ)の条件を満たす多孔質セ
ラミックス基体を用い、(ロ)(i)前記洞穴孔と連通
孔とから構成される内部孔が、その内径及びその内部形
状が不規則に変化している不規則形状であること、(i
i)孔径1〜360[μm]で構成される内部孔の気孔
率のうち、孔径20[μm]以上で構成される気孔率
が、20[%]以上であること、(iii)圧縮破壊強度
が5[MPa]以上であること、該多孔質セラミックス
基体を、アルカリ溶液中内にて加熱することにより、前
記多孔質セラミックス基体の外部表面及び内部孔の表面
に、ゼオライトからなる多孔質のゼオライト層を形成す
ることを特徴とする。
【0029】(10)請求項10の発明は、前記アルカリ溶
液中に、ゼオライトの選択的生成のためのテンプレート
剤を添加することを特徴とする。このテンプレート剤と
は、特定種のゼオライト生成補助のための添加剤であ
り、例えばテトラプロピルアンモニウムブロマイドの様
な有機型取り剤を用いることができる。
【0030】(11)請求項11の発明は、前記アルカリ溶
液の濃度を、加工工程途中で変化させることを特徴とす
る。 (12)請求項12の発明は、前記加熱を、大気中にて行な
うことを特徴とする。
【0031】(13)請求項13の発明は、前記加熱を、加
圧した状態でオートクレーブにて行なうことを特徴とす
る。
【0032】
【発明の実施の形態】本発明の構成のうちの基本構造で
ある多孔質セラミックス基体の具体例に関しては、例え
ば既に本願出願人が出願した特願平4−312819号
の明細書に「共融凝集核架橋多孔質セラミックスの製造
法によって製造される多孔質セラミックス」として詳述
してあるので、ここでは、多孔質セラミックス基体の表
面及び内部孔の表面にゼオライト層を有するゼオライト
化多孔質体について詳しく述べる。
【0033】(1)請求項1〜5の発明において、その基
本構造体となる(所定の条件を満たす多数の内部孔を有
する)多孔質セラミック基体の表面及び内部孔の表面に
は、ゼオライト層が形成されている。このゼオライト層
には、ゼオライト結晶構造の有する極微細な孔(例えば
数オングストロームから十数オングストロームの孔径の
孔)および組織間隙の微細孔(数ナノメートル〜数マイ
クロメートル)が一面に形成されているので、本発明で
は、基本構造体である多孔質セラミック基体の独特の内
部孔の細孔構成を有しつつ、ゼオライトの吸着性、イオ
ン交換性、触媒性、分子フルイ性等の性能を発揮できる
微細孔及び極微細孔も有することになる。それにより、
単に外部表面上にゼオライト層が形成されている様な通
常の担体の場合に比較して、本発明では、基本構造体が
有する数十マイクロメートル以上の連通孔を塞がない程
度に処理操作を行うことにより、少なくとも0.5〜1
マイクロメートル以上の連通孔が存在し、次いで上述の
ゼオライト組織間隙による微細孔、次いでゼオライト結
晶構造の有する極微細孔が存在するため、ゼオライト質
多孔体の深部まで物質移動抵抗が小なので、多孔質体全
体への物質移動が高速であり、ゆえに反応効率が良くな
る。このことによって、上述したゼオライトの吸着性、
イオン交換性、触媒性、分子フルイ性等の性能が一層大
きく発揮されることになる。
【0034】また、本発明において、前記多孔質セラミ
ック基体を構成する主な物質としては、例えばシリカと
アルミナが好適である。請求項2の発明では、ゼオライ
ト化多孔質体の圧縮破壊強度が5[MPa]以上である
ので、耐久性に優れている。
【0035】請求項3の発明では、ゼオライト化多孔質
体の表面側に利用目的に応じた有効利用深さを有する外
層部位を備え、この外層部位には不規則形状の多孔を有
しているので、例えば微生物の増殖等に有効に作用す
る。上述した様に、例えば微生物増殖用の担体におい
て、担体の表面から内部まで孔が形成されている場合で
も、実際に微生物が付着しそれがより増殖し易いのは、
通常、栄養等が確保し易い担体の表面付近で、その結果
表面付近で菌濃度が大となる。従って、微生物が実際に
付着して棲息し繁殖可能な範囲がすなわち有効利用範囲
である。このことは、触媒等の担体として利用する場合
にも言え、担体の周囲の物質が反応に関与することがで
きるのは(孔の内径や流体の粘性にもよるが)、触媒有
効係数の概念が示すように、通常は担体の表面近傍に限
られ易い。
【0036】請求項4の発明では、ゼオライト化多孔質
体は、例えば触媒や酵素等各種機能性物質を担持する担
体として用いられる。請求項5の発明では、ゼオライト
化多孔質体は、増殖微生物用担体として用いられる。特
に、本発明の連通孔径20マイクロメートルを確保した
ゼオライト化多孔質体とした場合、上述した構成の内部
孔を有するとともに、外表面はもとより内部孔、表面も
ゼオライト層で覆われているので、微生物を付着させて
増殖させる能力に優れている。
【0037】特に、ゼオライトは、上述した様に陽イオ
ン交換性を有しており、微生物の成育環境を悪化させる
アンモニア等の物質を吸着除去し、又、負電荷を有する
微生物を多孔質セラミックス体の内外表面に速やかに付
着させ得るので、これらの点からも、本発明のゼオライ
ト化多孔質体は微生物の繁殖に好適な状態となり、微生
物の増殖が促進される。
【0038】請求項6の発明は、多孔質セラミックス基
体の製造方法を例示したものである。つまり、前記「共
融凝集核架橋多孔質セラミックスの製造法」により、前
記(イ)の構成を有する多孔質セラミックス基体を容易
に製造することができる。請求項7の発明は、多孔質セ
ラミックス基体の製造方法を、より具体的に例示したも
のである。
【0039】つまり、請求項7で示す多孔質セラミック
ス基体を製造するための混合原材料粉末(A)に、なる
べく硬質の植物粉や合成樹脂粉,石炭やコークス粉,塩
類等の後工程にて除去する除去成分(B)を、(A)/
(B)=20〜1の比率で混合し、焼成以後の前記除去
物質(B)に起因する残孔により、所定孔径の孔量を除
去物質(B)の粒径により増加させるとともに、同時
に、全体気孔率も増加させる様にすることもできる。
【0040】この製造方法により、所定の内部孔を備え
た基本構造体である多孔質セラミックス基体が形成でき
るので、その表面にゼオライト層を形成することによ
り、本発明のゼオライト化多孔質体を製造することがで
きる。請求項8の発明では、例えば主としてアルミナ及
びシリカからなる多孔質セラミックス基体を、アルカリ
溶液中内にて加熱することにより、該多孔質セラミック
ス基体の表面にゼオライト層を形成することができる。
【0041】つまり、例えば主としてシリカ及びアルミ
ナからなる多孔質セラミックス基体を、アルカリ溶液中
にて加熱することにより、そのシリカ及びアルミナは、
多孔質セラミックス基体の外表面及びその内部孔の表面
にて反応し、ゼオライトとして再結晶化する。即ち、ゼ
オライトの結晶が形成される条件にて加熱することによ
り、多孔質セラミックス基体の内外表面に薄い(例えば
厚さ1〜40[μm]程度の)ゼオライト層が形成され
るのである。
【0042】尚、ここでアルカリ溶液を用いるのは、ア
ルカリ溶液が多孔質セラミックス基体成分と反応し、ゼ
オライトを生成させる働きをするからであり、この水熱
法によるゼオライト合成法は公知の手法である。請求項
9の発明は、前記請求項6に記載した「共融凝集核架橋
多孔質セラミックスの製造法」により多孔質セラミック
ス基体を製造するものではないが、前記(イ)の構成を
有する多孔質セラミックス基体を用いて、その表面や内
部孔の表面にゼオライト層を形成することにより、例え
ば微生物増殖用担体などに好適に使用できゼオライト化
多孔質体を製造することができる。
【0043】請求項10の発明では、アルカリ溶液中に
テンプレート剤を添加することにより、特定種のゼオラ
イトの選択的核形成を促進する。請求項11の発明で
は、加熱工程中にアルカリ濃度を変化させることによ
り、前記請求項8の場合と異なるゼオライト種が生成可
能となり、イオン交換量の増加も可能となる。
【0044】請求項12の発明では、ゼオライトを形成
する際の加熱を、大気中にて行なうので、ゼオライト形
成過程の装置構成を簡略化することが可能である。請求
項13の発明では、ゼオライトを形成する際の加熱を、
加圧した状態でオートクレーブにて行なうので、条件設
定が容易であり、ゼオライトの厚さ等の調節が可能であ
るという利点がある。
【0045】
【実施例】以下、本発明のゼオライト化多孔質体(以
下、ゼオライト化ポーラスセラミックス:ZPCとも記
す)及びその製造方法の実施例を示す。 (1)実施例1(大気圧化でのZPC製造) 本実施例では、まず前駆体として、球状の多孔質セラミ
ックス基体を製造し、これを、大気圧下でアルカリ溶液
中にて加熱することにより、多孔質セラミックス基体の
表面及び内部孔の表面にゼオライト層を新たに形成した
多孔体(ゼオライト化ポーラスセラミックス:ZPC)
を製造した。 1.多孔質セラミックス基体 1.1 多孔質セラミックス基体の製造方法 下記表1に示す様な組成(重量%)の窯業原料No.1〜
7を準備し、それらを混合して下記表2のX,Y,Zの
配合モル比及び原料粒子径となる様に、試料No.A1〜
A5を調製した。
【0046】
【表1】
【0047】
【表2】
【0048】次に、調製した試料No.A1〜A5を用い
て、各々球状の多孔質セラミック基体を作成する。その
内の典型例として(No.B1〜B5:原料は前記試料A
の番号と対応)の製造品を例示する。まず、主に水をバ
インダーとして、転動造粒機を用いて、φ2〜6mmの球
体を形成した。尚、試料No.A1〜A3は、高圧で造粒
したが、試料No.A4,A5は試料No.A1〜A3の圧力
の約1/5とした。
【0049】この球体を、昇温時間を15時間,焼成温
度保持時間を5時間として焼成した。焼成温度は、試料
の組成に応じて異なり、試料No.A1,A2,A5は、
炉内容積0.35m3のガス炉を使用し、高温の温度範囲
(1300〜1400℃)の1350℃で焼成した。一
方、試料No.A3,A4は、炉内容積2m3のガス炉を使
用し、低温の温度範囲(1200〜1300℃)の12
50℃で焼成した。
【0050】そして、焼成後に消火して、炉を冷却し
た。数時間後に約800℃の赤まったままの球体を大気
中に引出し、冷却速度を高めて冷却して、試料No.A1
〜A5に対応して各々No.B1〜B5の多孔質セラミッ
クス基体を得た。尚、このNo.B1〜B5の多孔質セラ
ミックス基体は、主としてシリカ及びアルミナからな
り、従としてカルシアおよびマグネシアを含む多孔質セ
ラミックス基体である。 1.2 多孔質セラミックス基体の構造及び特性 1.2.1 多孔質セラミックス基体の気孔率および強
度 まず、各試料の気孔率を、水銀圧入式のポロシメータ
(米国マイクロリティックス社製オートポア9220)
により測定した。また、圧縮破壊強度を、万能試験機
(東京衡機製:平板間に粒子を設置し加圧、最大破壊力
を粒子投影面積で除して圧縮破壊強度をとした)により
調べた。その結果を、下記表3に記す。
【0051】
【表3】
【0052】圧縮破壊強度[MPa]=平板による圧縮
破壊荷重[N]/粒子の投影面積[m2] この表3から明かな様に、球状の粒子試料No.B1〜B
5は、形成された孔のうち20μm以上を超える大きな
ものが殆どであり、しかも表面開口率が適度に大きく、
更に内部には大きな連通孔が多く形成されている。
【0053】また、孔径1〜360[μm]における、
連通孔容積の積算の中央値相当円孔径は、40±25
[μm]であることが分かった。この測定によって、孔
径20〜360[μm]で構成される孔の気孔率が、2
0[%]以上であることが分かった。
【0054】更に、多孔質セラミックス基体の強度は、
5[MPa]を大きく上回る9[MPa]であることが
分かった。 1.2.2 多孔質セラミックス基体の構造 次に、前記多孔質セラミックス基体の構造を走査電子顕
微鏡を用いて調べた。
【0055】この多孔質セラミックス基体の走査電子顕
微鏡写真を図3及び図4に示すが、この多孔質セラミッ
クス基体は、内部に形成された大径の洞穴孔、洞穴孔同
志を連通する小径の連通孔、洞穴孔と外部とを連通する
小径の連通孔からなる不規則な孔からなる多孔体である
ことが分かった。
【0056】尚、図3は共融凝集核架橋法により製造さ
れた多孔質セラミックス基体の表面の走査電顕写真であ
り、図4は共融凝集核架橋法により製造された多孔質セ
ラミックス基体の破面の走査電顕写真である。次に、コ
ンピュータ利用の画像処理法によって、多孔質セラミッ
クス基体の断面の走査電顕写真を分析し、洞穴孔の孔径
を分析した。
【0057】その結果、孔径5〜1100[μm]の洞
穴孔面積の積算の中央値相当円孔径が、320±150
[μm]であることが分かった。 1.3 多孔質セラミックス基体の効果 この様に、本実施例に用いる多孔質セラミックス基体
は、上述した洞穴孔と連通孔とからなる内部孔を備えて
いるので、微生物の反応性に優れた担体の基体となるこ
とができ、しかも高い強度を備えている。つまり、微生
物を担持する担体の基体として、内部に微生物が付着し
易く、しかも微生物が繁殖可能な空間を多く備えるとと
もに、(反応速度で示される様な)反応性に関しても極
めて優れたものである。また、圧縮強度も大きいので割
れや摩耗に強く、耐久性に優れている。これらの特性に
より、本多孔質セラミックス基体は、微生物用の担体の
みならず、各種機能性、物質の保持、吸着、吸液等に利
用できる他、触媒等の担体として使用した場合には、反
応性の向上も期待できる。 2.ゼオライト化ポーラスセラミックス(ZPC:大気
圧下での製造) 2.1 多孔質セラミックス基体のゼオライト化(大気
圧下) まず、500mlの三角フラスコに、前記多孔質セラミ
ックス基体のうちの1種(例えばNo.B1の多孔質セラ
ミックス基体)を20g秤量し、これに水酸化ナトリウ
ム水溶液(濃度3.5規定)を160ml加えた。そし
てフラスコの口に冷却管を取り付け、ホットスターラー
にて攪拌しながら、95℃にて24時間加熱処理した。
【0058】この処理、即ち、多孔質セラミックス基体
をアルカリ溶液中にて加熱することにより、多孔質セラ
ミックス基体及びその内部孔の表面にて、Si−Al−
Oからなるゼオライトの結晶が生成する。処理後、過剰
に残っている水酸化ナトリウムを水洗・除去し、反応物
を乾燥した。この、多孔質セラミックス基体を前駆体と
して得られた反応物(ゼオライト化ポーラスセラミック
ス:ZPC)が、本実施例のゼオライト化多孔質体であ
る。 2.2 ZPCの構造(X線回折測定及び走査型電子顕
微鏡観察) 生成した反応物について、X線回折測定を行った結果、
X線回折パターンには、未処理物質にはない新しいいく
つかの回折ピークが出現した。新生したピークのd値と
強度から、処理物にはゼオライト(ヒドロキシソーダラ
イト)が生成していることが確認された。
【0059】また、走査型電子顕微鏡による観察から、
このゼオライトは、多孔質セラミックス基体の表面及び
内部孔の表面に微細な結晶として析出していることが分
かった。しかも、多孔質セラミックス基体が元々もって
いる多数の内部孔は、本処理によるゼオライト層の形成
後にもそのまま保存されていることが分かった。 2.3 ZPCの効果 本実施例のZPCは、自己触媒や触媒等機能性物質担体
として、その大連通孔により反応物質の移動抵抗が少な
く、粒子として使用される場合粒子内部も有効に機能す
るため、単位充填容積当たり効率が大となるので、化学
工業や排ガス処理装置の分野で各種用途がある。
【0060】また、本実施例のZPCは、食品工業ある
いは廃水の生物化学的処理に用いられるバイオリアクタ
等の微生物や酵素の担体として好適である。更に、農薬
や肥料の担体或は園芸用の床材等にも利用できる。その
上、連通孔が大である製品は、高速吸収液用多孔体とし
て、各種用途がある。
【0061】更に、本実施例のZPCである担体は、例
えば図2に示す様に、その表面及び内部孔にゼオライト
層を備えた構造であるので、そうでないものと比べて、
微生物を付着させて増殖させる能力に一層優れている。
つまりゼオライトは、上述した様に、その陽イオン交換
性により負電荷の微生物をZPCの内外の表面に速やか
に付着できる。また微生物周辺での過剰なアンモニアの
吸着除去が陽イオン交換性により促進される。上述した
内部孔の構成に加えて、この様なゼオライトの働きによ
り、担体は微生物の繁殖に好適な状態となり増殖が促進
される。 (2)実施例2(オートクレーブによるZPC製造) 次に、実施例2について説明する。
【0062】本実施例は、ZPCをオートクレーブにて
製造するものである。 1.多孔質セラミックス基体 本実施例のZPCの前駆体となる多孔質セラミックス基
体の構造及び製造方法は、前記実施例1と同様であるの
で、その説明は省略する。 2.ゼオライト化ポーラスセラミックス(ZPC:オー
トクレーブ使用) 2.1 多孔質セラミックス基体のゼオライト化方法
(オートクレーブ使用) 前記実施例1と同様なビーズ状の多孔質セラミックス基
体を、ビーカーに50ml充填し、更に全ての多孔質セ
ラミックス基体が十分つかるだけの水酸化ナトリウム水
溶液(濃度3.5規定)を入れる。そして、このビーカ
ーをオートクレーブ内に装填し、120℃にて12時間
加熱する。
【0063】加熱後乾燥して、本実施例のZPCを得
た。 2.2 ZPCの構造及び特性 2.2.1 ZPCの気孔率及び強度 本実施例のZPCの気孔率及び圧縮破壊強度を、前記実
施例1と同様な方法で測定した。尚、また、比較例とし
て、未処理の担体(即ち多孔質セラミックス基体)の構
造及び特性を測定した。その結果を、下記表4に記す。
【0064】
【表4】
【0065】圧縮破壊強度[MPa]=平板による圧縮
破壊荷重[N]/粒子の投影面積[m2] この表4から明かな様に、本実施例では、ゼオライト化
処理後も、多孔質セラミックス基体に形成された20μ
m以上の大孔(洞穴孔)の大半が維持されており、また
表面開口率、内部の大連通孔も同様に維持されている。
また圧縮強度は水熱処理により低下するものの、6[M
Pa]を上回っている。 2.2.2 ZPCの構造(X線回折測定及び走査型電
子顕微鏡観察) 前記実施例1と同様にして、X線回折及び走査型電子顕
微鏡で、本実施例のZPCを観察した。
【0066】本実施例のZPCの結晶構造を、X線回折
により調査したところ、多孔質セラミックス基体の有す
る回折線ピークに加え、ヒドロキシソーダライトと思わ
れるもの(結晶面間隔d=6.31オンク゛ストローム、3.6
5オンク゛ストローム)を含む新しいピークが複数現れた。ま
た、走査電子顕微鏡を用いて調べた本実施例のZPCの
構造を、図5及び図6に示すが、多孔質セラミックス基
体内部に存在する大径の洞穴孔、洞穴孔同志を連通する
小径の連通孔、洞穴孔と外部とを連通する小径の連通孔
からなる多くの内部孔を備える不規則な基体本来の孔表
面に、数μm〜40μmの柱状およびそれが成長したと
思われる球状、あるいは多数のひだが集合した形状の新
しい結晶が生成しているのが確認された。
【0067】尚、図5はZPCの表面の走査電顕写真で
あり、図6はZPCの破面の走査電顕写真である。 2.3 ZPCの機能確認試験(陽イオン交換容量測
定) 本実施例のZPCの機能を確認するため、本実施例のZ
PC(即ちオートクレーブによる処理により多孔質セラ
ミックス基体の表面等にゼオライト層を備えた担体)
と、比較例の担体(即ち多孔質セラミックス基体)とを
用い、陽イオン交換容量(CEC)の測定を行った。
尚、前記実施例1の担体(大気圧下の処理によるZP
C)についても、同様に測定を行った。その測定結果
を、下記表5に記す。
【0068】
【表5】
【0069】この測定結果から明らかな様に、本実施例
のZPCの担体の場合には、陽イオン交換容量は、未処
理の担体(基体)の1.1[me/100g]に対し
て、9.4[me/100g]であった。つまり、本実
施例のZPCの担体は、比較例と比べて陽イオン交換能
力が増加している。尚、陽イオン交換容量の絶対値が見
かけ上小であるのは、陽イオン交換量算出の際の重量を
ゼオライト層のみでなく、その骨格となる多孔質セラミ
ックス基体(ゼオライトではない)まで含んだ値である
ことが影響している。
【0070】また、実施例1の担体の陽イオン交換容量
は、未処理の担体(基体)よりは大きく、3.3[me
/100g]であった。 2.4 本実施例の効果 この様に、本実施例ではオートクレーブにてゼオライト
層を形成するので、前記実施例1で得られた様な特性を
有するZPCを、容易に且つ大量に形成することができ
る。
【0071】そして、この様にして製造されたZPC
は、前記実施例1と同様に、独特な内部孔を有するとと
もに、内外表面(即ち担体外表面と内部孔の表面)にゼ
オライト層を有しているので、ゼオライトの吸着性、イ
オン交換性、触媒性、分子篩等の性能を、一層発揮する
ことができる。 (3)実施例3(オートクレーブによる処理:アルカリ
溶液濃度を処理中に操作) 次に、実施例3について説明する。
【0072】本実施例は、ZPCをオートクレーブ中
で、アルカリ溶液の濃度を処理途中で操作して製造する
ものである。 1.多孔質セラミックス基体 本実施例のZPCの前駆体となる多孔質セラミックス基
体の構造及び製造方法は、前記実施例1と同様であるの
で、その説明は省略する。 2.ゼオライト化ポーラスセラミックス(ZPC:アル
カリ濃度操作) 2.1 多孔質セラミックス基体のゼオライト化方法
(アルカリ濃度を操作) 前期実施例2で作成したゼオライト層を有するZPC
を、三角フラスコに15g充填し、更に実施例2の場合
より希釈した水酸化ナトリウム水溶液(濃度2規定)1
50ccを加える。
【0073】これを再びオートクレーブにより120℃
にて70時間加熱する。同ZPCを加熱後乾燥し、本実
施例のZPCを得た。 2.2 ZPCの構造及び特性 2.2.1 ZPCの気孔率及び強度 本実施例のZPCの気孔率及び圧縮破壊強度を、前記実
施例1と同様な方法で測定した。その結果を、下記表6
に記す。尚、比較例のために、前記実施例2の担体の測
定結果を併記した。
【0074】
【表6】
【0075】圧縮破壊強度[MPa]=平板による圧縮
破壊荷重[N]/粒子の投影面積[m2] この表6から明かな様に、実施例3のZPCの担体は、
ゼオライト生成に伴い気孔率が減少するものの1μm以
上の孔を維持しており、分子状流体の移動は十分容易で
ある。また、表面開口および内部の連通孔も比率は減少
するものの、処理前の多孔質セラミックス基体の特性を
残している。また、圧縮強度は再水熱処理により若干上
昇し、7[MPa]を上回っている。 2.2.3 ZPCの構造(X線回折測定) 前記実施例1及び2と同様にして、本実施例のZPCの
X線回折を測定した。
【0076】その結果、前記実施例2の回折線ピークに
加え、フィリップサイトと思われるピーク(d=7.1
0オンク゛ストローム、5.02オンク゛ストローム、4.09オンク゛ストロー
ム)および多数の同定不能なピークも確認され、実施例
2とは異なるゼオライト層が生成していることが確認さ
れた。
【0077】尚、本実施例3において、テンプレート剤
(例えばテトラプロピルアンモニウムブロマイド)を、
アルカリ水溶液に添加してZPCを製造し、このZPC
に対して、X線回折を測定したところ、本実施例3とは
異なる同定不能な回折線ピークが確認された。 2.3 ZPCの機能確認試験(陽イオン交換容量測
定) 本実施例のZPCの担体の機能を確認するため、本実施
例のZPC(即ちアルカリ溶液濃度操作を施したもの)
と、比較例のZPC(実施例2のZPC)を用い、陽イ
オン交換容量(CEC)の測定を行った。その測定結果
を、下記表7に記す。
【0078】
【表7】
【0079】この表7から明かな様に、水熱処理に用い
るアルカリ溶液濃度を加工途中で変化させることによ
り、より陽イオン交換能力の高い別種ゼオライトの生成
が可能となることが分かる。 2.4 本実施例の効果 本実施例では、上述した如くアルカリ溶液濃度を操作し
て水熱処理を行なうことにより、より性能の高いZPC
を得ることができるという利点がある。
【0080】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこの様な実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる
態様で実施できることは勿論である。前述の実施例3及
び前記実施例1,2において、アルカリ溶液中に公知の
テンプレート剤(例えばテトラプロピルアンモニウムブ
ロマイド)を添加することにより、特定種のゼオライト
核の選択的形成を促進することが可能である。
【0081】
【発明の効果】以上詳述した様に、請求項1〜5の発明
のゼオライト化多孔質体は、前記[従来の技術]の項で
述べた例えば担体による必要な具備条件(1)〜(3)
を満足させ得るので、廃棄物処理に問題がないことなど
の利点を備えるとともに、機械的強度に優れている。
【0082】しかも、このゼオライト化多孔質体におけ
る多孔質セラミックス基体は、その表面及び内部孔の表
面にゼオライト層が形成されるため、ゼオライトの吸着
性、イオン交換性、触媒性、分子篩性等の性能を、一層
発揮することができる。特に微生物増殖用の担体として
使用する場合には、陽イオン交換性により微生物の増殖
能力に優れている。また、輸送,リアクター槽への投入
及び排出,リアクター内でのチャンネリング防止上の操
作,長期間利用による劣化等々に対するしても充分な強
度を持ち、食品工業のバイオリアクタ或は廃水の生物化
学的処理に用いられるバイオリアクタ等の微生物や酵素
あるいは殺菌剤担体として好適である。
【0083】また、請求項6〜13の発明のゼオライト
化多孔質体の製造方法により、上述した優れた特性を有
するゼオライト化多孔質体を容易に製造することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 担体の断面を示す模式図である。
【図2】 図1のA部を拡大して示す模式図である。
【図3】 実施例1の担体(粒子)の多孔質セラミック
基体の表面を示す走査電子顕微鏡による写真である。
【図4】 実施例1の担体(粒子)の多孔質セラミック
基体の破面を示す走査電子顕微鏡による写真である。
【図5】 実施例3の担体(粒子)の表面を示す走査電
子顕微鏡による写真である。
【図6】 実施例3の担体(粒子)の破面を示す走査電
子顕微鏡による写真である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C02F 3/10 C02F 3/10 A C04B 41/85 C04B 41/85 D (72)発明者 逸見 彰男 愛媛県松山市来住町645−20

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゼオライト化処理を施される多孔質セラ
    ミックス基体が、内部に形成された大径の洞穴孔と、該
    洞穴孔同志を連通する小径の連通孔と、該洞穴孔と外部
    とを連通する小径の連通孔とを有する多くの内部孔を備
    えるとともに、下記(i)〜(v)からなる(イ)の条件
    を満たし、 (イ)(i)孔径1〜360[μm]の連通孔容積の積
    算の中央値相当円孔径が、40±25[μm]であるこ
    と、 (ii)孔径5〜1100[μm]の洞穴孔面積の積算の
    中央値相当円孔径が、320±150[μm]であるこ
    と、 (iii)前記洞孔穴と連通孔とから構成される内部孔
    が、その内径及びその内部形状が不規則に変化している
    不規則形状であること、 (iv)孔径1〜360[μm]で構成される内部孔の気
    孔率のうち、孔径20[μm]以上で構成される気孔率
    が、20[%]以上であること、 (v)圧縮破壊強度が5[MPa]以上であること、 上記条件を満足する多孔質セラミックス基体の表面及び
    前記内部孔の表面に、多孔質のゼオライト層を有するこ
    とを特徴とするゼオライト化多孔質体。
  2. 【請求項2】 前記請求項1に記載のゼオライト化多孔
    質体であって、 前記ゼオライト化多孔質体の圧縮破壊強度が5[MP
    a]以上であることを特徴とするゼオライト化多孔質
    体。
  3. 【請求項3】 前記請求項1又は2に記載のゼオライト
    化多孔質体であって、 前記ゼオライト化多孔質体の表面側に利用目的に応じた
    有効利用深さを有する外層部位を備えるとともに、該外
    層部位の内側に内層部位を備え、前記外層部位には前記
    不規則形状の多孔を有するとともに、有効利用されない
    前記内層部位には多孔を有しないことを特徴とするゼオ
    ライト化多孔質体。
  4. 【請求項4】 前記請求項1〜3のいずれかに記載のゼ
    オライト化多孔質体であって、 前記ゼオライト化多孔質体が、担体として用いられるも
    のであることを特徴とするゼオライト化多孔質体。
  5. 【請求項5】 前記請求項4に記載のゼオライト化多孔
    質体であって、 前記ゼオライト化多孔質体が、増殖微生物用担体である
    ことを特徴とするゼオライト化多孔質体。
  6. 【請求項6】 前記請求項1〜7のいずれかに記載のゼ
    オライト化多孔質体の製造方法であって、 前記(イ)の構成を有する多孔質セラミックス基体を製
    造する場合には、20μm以上の大粒子径原料が20重
    量%以上含まれる陶磁器材料の粉末を成形後、1150
    〜1450℃で焼成する際に、1000℃以下の焼成温
    度域では5μm以上の孔のない組織内が焼成温度の上昇
    及び経過時間に伴って部分的に共融が開始され、凝集核
    と核間の架橋部分とが共に量的増加をなし、小孔多孔か
    ら大孔多孔組織に進展する共融凝集核架橋多孔質セラミ
    ックスの製造法を用いることを特徴とするゼオライト化
    多孔質体の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記請求項6に記載のゼオライト化多孔
    質体の製造方法であって、 前記(イ)の構成を有する多孔質セラミックス基体の製
    造の際に使用する混合原材料粉末(A)に、植物粉や合
    成樹脂粉,石炭やコークス粉,塩類等の後工程にて除去
    する除去成分(B)を、(A)/(B)=20〜1の比
    率で混合し、焼成以後の前記除去物質(B)に起因する
    残孔により、所定孔径の孔量率を除去物質(B)の粒径
    によって、より増加させるとともに同時に、全体気孔率
    も増加させる様にすることを特徴とするゼオライト化多
    孔質体の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記請求項6又は7に記載のゼオライト
    化多孔質体の製造方法であって、 前記(イ)の構成を有する多孔質セラミックス基体を、
    アルカリ溶液中内にて加熱することにより、該多孔質セ
    ラミックス基体の表面にゼオライト層を形成することを
    特徴とするゼオライト化多孔質体の製造方法。
  9. 【請求項9】 主としてシリカ及びアルミナからなる多
    孔質セラミックス基体として、内部に形成された大径の
    洞穴孔と、該洞穴孔同志を連通する小径の連通孔と、該
    洞穴孔と外部とを連通する小径の連通孔とを有する多く
    の内部孔を備えるとともに、下記(i)〜(iii)からな
    る(ロ)の条件を満たす多孔質セラミックス基体を用
    い、 (ロ)(i)前記洞穴孔と連通孔とから構成される内部
    孔が、その内径及びその内部形状が不規則に変化してい
    る不規則形状であること、 (ii)孔径1〜360[μm]で構成される内部孔の気
    孔率のうち、孔径20[μm]以上で構成される気孔率
    が、20[%]以上であること、 (iii)圧縮破壊強度が5[MPa]以上であること、 該多孔質セラミックス基体を、アルカリ溶液中内にて加
    熱することにより、前記多孔質セラミックス基体の外部
    表面及び内部孔の表面に、ゼオライトからなる多孔質の
    ゼオライト層を形成することを特徴とするゼオライト化
    多孔質体の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記請求項8又は9に記載のゼオライ
    ト化多孔質体の製造方法であって、 前記アルカリ溶液中に、ゼオライトの選択的生成のため
    のテンプレート剤を添加することを特徴とするゼオライ
    ト化多孔質体の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記請求項8〜11のいずれかに記載
    のゼオライト化多孔質体の製造方法であって、 前記アルカリ溶液の濃度を、加工工程途中で変化させる
    ことを特徴とするゼオライト化多孔質体の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記請求項8〜12のいずれかに記載
    のゼオライト化多孔質体の製造方法であって、 前記加熱を、大気中にて行なうことを特徴とするゼオラ
    イト化多孔質体の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記請求項8〜12のいずれかに記載
    のゼオライト化多孔質体の製造方法であって、 前記加熱を、加圧した状態でオートクレーブにて行なう
    ことを特徴とするゼオライト化多孔質体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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