JP2021187717A - Honeycomb structure and gas recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハニカム構造体及びハニカム構造体を備えたガス回収装置に関する。 The present invention relates to a honeycomb structure and a gas recovery device including the honeycomb structure.
特許文献1は、圧力スイング吸着(以下、「PSA」ともいう。)や温度スイング吸着(以下、「TSA」ともいう。)等の気体分離技術で特定のガスを吸着することにより、特定のガスを分離して回収するガス回収装置について記載している。ガス回収装置は、活性材料を有する自己支持構造体を用いており、自己支持構造体としてハニカム形状のモノリス基板が例示されている。 Patent Document 1 describes a specific gas by adsorbing a specific gas by a gas separation technique such as pressure swing adsorption (hereinafter, also referred to as “PSA”) or temperature swing adsorption (hereinafter, also referred to as “TSA”). The gas recovery device that separates and recovers the gas is described. The gas recovery device uses a self-supporting structure having an active material, and a honeycomb-shaped monolith substrate is exemplified as the self-supporting structure.
特許文献1等のガス回収装置では、ハニカム形状のモノリス基板(以下、「ハニカム構造体」ともいう。)の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を増大させることによるガス回収装置のさらなる性能向上が求められている。本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハニカム構造体の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を好適に増大し得るハニカム構造体を提供することにある。 In the gas recovery device of Patent Document 1 and the like, further performance of the gas recovery device by increasing the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb-shaped monolith substrate (hereinafter, also referred to as “honeycomb structure”). Improvement is required. The present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide a honeycomb structure capable of suitably increasing the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb structure.
上記課題を解決するための本発明のハニカム構造体は、複数のセラミック粒子を含んだ壁部を備えるガス吸着用のハニカム構造体であって、上記セラミック粒子は、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうち少なくとも一種を構成成分に含み、上記壁部における上記セラミック粒子の含有量が70体積%以上であり、上記壁部は、炭素質成分を0.5質量%以上含有していることを要旨とする。 The honeycomb structure of the present invention for solving the above-mentioned problems is a honeycomb structure for gas adsorption including a wall portion containing a plurality of ceramic particles, and the ceramic particles are zeolite, silica, and cerium oxidation. It is said that at least one of the substances is contained in the constituent components, the content of the ceramic particles in the wall portion is 70% by volume or more, and the wall portion contains 0.5% by mass or more of the carbonaceous component. It is a summary.
上記構成によれば、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物は、表面積が相対的に大きい材料であるため、ガス吸着量を増大させることが容易になる。また、上記セラミック粒子の含有量が70体積%以上であると、壁部に占める吸着に寄与するセラミック粒子の割合が大きくなるため、ガス吸着量を増大させることが容易になるとともに、壁部の強度を向上させることができる。さらに、炭素質成分は相対的に表面積が大きいため、ガスの吸着材としても活用することができる。そのため、ハニカム構造体の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を好適に増大させることができる。 According to the above configuration, since zeolite, silica, and cerium oxide are materials having a relatively large surface area, it becomes easy to increase the amount of gas adsorbed. Further, when the content of the ceramic particles is 70% by volume or more, the proportion of the ceramic particles contributing to the adsorption in the wall portion becomes large, so that it becomes easy to increase the gas adsorption amount and the wall portion. The strength can be improved. Furthermore, since the carbonaceous component has a relatively large surface area, it can also be used as a gas adsorbent. Therefore, it is possible to suitably increase the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb structure.
本発明のハニカム構造体について、上記壁部は、上記炭素質成分を1質量%以上含有していることが好ましい。この構成によれば、さらに壁部の強度が向上し、ガス吸着材として活用することができる。 Regarding the honeycomb structure of the present invention, it is preferable that the wall portion contains 1% by mass or more of the carbonaceous component. According to this configuration, the strength of the wall portion is further improved, and it can be utilized as a gas adsorbent.
本発明のハニカム構造体について、上記炭素質成分は、上記ハニカム構造体の製造工程において加熱された有機分の残留物であることが好ましい。この構成によれば、結合材として用いた有機バインダーや分散媒が含有する有機分を炭素質成分として活用することができる。また、ハニカム構造体の全体に炭素質成分をより均一に分散させることができる。 With respect to the honeycomb structure of the present invention, it is preferable that the carbonaceous component is a residue of an organic component heated in the manufacturing process of the honeycomb structure. According to this configuration, the organic component contained in the organic binder used as the binder and the dispersion medium can be utilized as the carbonaceous component. In addition, the carbonaceous component can be more uniformly dispersed throughout the honeycomb structure.
本発明のハニカム構造体について、複数の上記セラミック粒子同士は、上記炭素質成分を介して接合されていることが好ましい。この構成によれば、ハニカム構造体の強度を向上させることができる。 In the honeycomb structure of the present invention, it is preferable that the plurality of ceramic particles are bonded to each other via the carbonaceous component. According to this configuration, the strength of the honeycomb structure can be improved.
上記ハニカム構造体を備えるガス回収装置であることが好ましい。この構成によれば、上記ハニカム構造体の効果を奏するガス回収装置とすることができる。 It is preferable that the gas recovery device includes the honeycomb structure. According to this configuration, it is possible to obtain a gas recovery device that exhibits the effect of the honeycomb structure.
本発明のハニカム構造体及びガス回収装置によれば、ハニカム構造体の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を好適に増大させることができる。 According to the honeycomb structure and the gas recovery device of the present invention, it is possible to suitably increase the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb structure.
ハニカム構造体の一実施形態を説明する。
図1に示すように、本実施形態のハニカム構造体10は、円筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数のセルSに区画する断面ハニカム形状の区画壁12とを備えている。周壁11と区画壁12とによってハニカム構造体10の壁部が構成されている。ハニカム構造体10の壁部は、複数のセラミック粒子を含んでいる。
An embodiment of the honeycomb structure will be described.
As shown in FIG. 1, the
ハニカム構造体10のセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、区画壁12の壁厚が0.2〜0.5mmであり、セル密度が1cm2あたり93〜248セル(600〜1600cpsi)であるセル構造とすることができる。なお、cpsiは、1平方インチ当たりのセル数を意味するものとする。
The cell structure of the
ハニカム構造体10の単位体積当たりの幾何学的表面積(以下、「GSA」ともいう。)は、特に限定されないが、20〜45cm2/cm3であることが好ましい。GSAは、25〜45cm2/cm3であることがより好ましく、30〜45cm2/cm3であることがさらに好ましい。ここで、GSAとは、ハニカム構造体10の区画壁12の外観上の表面積の合計値を、ハニカム構造体10の体積で除した値を意味するものとする。
The geometric surface area per unit volume of the honeycomb structure 10 (hereinafter, also referred to as “GSA”) is not particularly limited, but is preferably 20 to 45 cm 2 / cm 3. GSA is more preferably 25~45cm 2 / cm 3, further preferably 30~45cm 2 / cm 3. Here, GSA means a value obtained by dividing the total surface area of the
ハニカム構造体10の開口率は、特に限定されないが、30〜45%であることが好ましい。ハニカム構造体10の開口率は、35〜45%であることがより好ましい。ここで、ハニカム構造体10の開口率とは、ハニカム構造体10の軸方向に直交する横断面において、ハニカム構造体10の断面積に占める、複数のセルSに由来する空間の面積の割合を意味するものとする。
The aperture ratio of the
ハニカム構造体10のGSA、及び、開口率は、ハニカム構造体10のセル構造を変更することによって、調整することができる。
ハニカム構造体10の壁部のBET比表面積は、特に限定されないが、100m2/g以上であることが好ましい。ハニカム構造体10の壁部のBET比表面積は、100〜1000m2/gであることがより好ましく、150〜600m2/gであることがさらに好ましい。ここで、BET比表面積とは、BET法でN2吸着にて測定した壁部の単位質量当たりの表面積を意味するものとする。
The GSA and aperture ratio of the
The BET specific surface area of the wall portion of the
ハニカム構造体10の壁部には、セラミック粒子間に気孔が形成されていてもよい。壁部の気孔率は、特に限定されないが、50%以下であることが好ましく、45%以下であることがより好ましい。壁部の気孔率は、30%以上であることが好ましく、35%以上であることがより好ましい。壁部の気孔率は、水銀圧入法(JISR1655:2003に準じる)により測定することができる。水銀圧入法の条件としては、島津製作所製、マイクロメリティックス自動ポロシメータオートポアIII9405を用いて、測定範囲は、0.006〜500μmとする。100〜500μmでは、0.1psiaの圧力毎に測定し、0.006〜100μmでは、0.25psiaの圧力毎に測定し、その際、接触角を130°、表面張力を485mN/mとする。
Pore may be formed between ceramic particles on the wall portion of the
ハニカム構造体10のBET比表面積、及び、気孔率は、ハニカム構造体10の壁部を構成するセラミック粒子等の材料の種類や配合を変更することによって、調整することができる。
The BET specific surface area and porosity of the
ハニカム構造体10の壁部に含まれるセラミック粒子は、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうち少なくとも一種を構成成分に含んでいる。ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物は、表面積が相対的に大きい材料であるため、ガス吸着量を大きくすることができる。
The ceramic particles contained in the wall portion of the
ここで、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうち少なくとも一種を構成成分に含むとは、ハニカム構造体10の壁部が、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうちのどれか一種の材料で構成された粒子を含むことを意味するものとする。また、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物の各一次粒子のうち、二種以上が凝集した二次粒子を含んでいてもよい。
Here, the fact that at least one of zeolite, silica, and cerium oxide is contained in the constituents means that the wall portion of the
また、ゼオライトとしては、DDR型、CHA型、LTA型、AFI型が好ましい。
セラミック粒子の平均粒子径は、特に限定されないが、0.1〜50μmであることが好ましく、0.5〜30μmであることがより好ましい。
Further, as the zeolite, DDR type, CHA type, LTA type and AFI type are preferable.
The average particle size of the ceramic particles is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 0.5 to 30 μm.
セラミック粒子の平均粒子径は、公知の電子顕微鏡を用いてハニカム構造体10の壁部を観察することにより測定することができる。また、原料段階においてはレーザー回折式粒度分布計により測定することができる。
The average particle size of the ceramic particles can be measured by observing the wall portion of the
壁部におけるセラミック粒子の含有量は、70体積%以上である。セラミック粒子の含有量は、75体積%以上であることが好ましい。セラミック粒子の含有量は、95体積%以下であることが好ましく、90体積%以下であることがより好ましい。 The content of the ceramic particles in the wall portion is 70% by volume or more. The content of the ceramic particles is preferably 75% by volume or more. The content of the ceramic particles is preferably 95% by volume or less, more preferably 90% by volume or less.
ここで、セラミック粒子の含有量は、壁部における気孔を除いた基材部分に占めるセラミック粒子の割合(体積%)を意味するものとする。
ハニカム構造体10の壁部は、その構成成分として、炭素質成分を含んでいる。また、セラミック粒子及び炭素質成分以外の、その他成分を含有するものであってもよい。その他成分としては、例えば、無機バインダー、無機繊維が挙げられる。
Here, the content of the ceramic particles is assumed to mean the ratio (volume%) of the ceramic particles to the base material portion excluding the pores in the wall portion.
The wall portion of the
無機バインダーとしては、例えば、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト、アタパルジャイト、ベントナイト、ベーマイトが挙げられる。これらは、単独で使用されてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the inorganic binder include alumina sol, silica sol, titania sol, water glass, sepiolite, attapulsite, bentonite, and boehmite. These may be used alone or in combination of two or more.
壁部における無機バインダーの含有量は、特に限定されないが、例えば、1体積%以上であることが好ましく、3体積%以上であることがより好ましい。無機バインダーの含有量は、25体積%以下であることが好ましく、20体積%以下であることがより好ましい。 The content of the inorganic binder in the wall portion is not particularly limited, but is preferably 1% by volume or more, and more preferably 3% by volume or more, for example. The content of the inorganic binder is preferably 25% by volume or less, more preferably 20% by volume or less.
無機繊維としては、例えば、シリカ−アルミナファイバー、ムライトファイバー、シリカファイバー、アルミナファイバー、ジルコニアファイバー、ガラスファイバー等が挙げられる。これらは、単独で使用されてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the inorganic fiber include silica-alumina fiber, mullite fiber, silica fiber, alumina fiber, zirconia fiber, glass fiber and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
壁部における無機繊維の含有量は、特に限定されないが、例えば、1体積%以上であることが好ましく、3体積%以上であることがより好ましい。無機繊維の含有量は、25体積%以下であることが好ましく、20体積%以下であることがより好ましい。 The content of the inorganic fiber in the wall portion is not particularly limited, but is preferably 1% by volume or more, and more preferably 3% by volume or more, for example. The content of the inorganic fiber is preferably 25% by volume or less, more preferably 20% by volume or less.
炭素質成分としては、例えば、後述するハニカム構造体10の製造工程において、加熱された有機分の残留物が挙げられる。有機分は、結合材として用いた有機バインダーや分散媒に含まれている。ここで、炭素質成分とは、炭素を主成分として50質量%以上含有する材料を意味するものとする。炭素質成分は、相対的に表面積が大きいため、炭素質成分をガスの吸着材としても活用することができる。
Examples of the carbonaceous component include a residue of a heated organic component in the manufacturing process of the
壁部における炭素質成分の含有量は、特に限定されないが、例えば、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましい。炭素質成分の含有量は、25質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい。 The content of the carbonaceous component in the wall portion is not particularly limited, but is preferably 1% by mass or more, and more preferably 3% by mass or more, for example. The content of the carbonaceous component is preferably 25% by mass or less, more preferably 20% by mass or less.
炭素質成分の含有量は、ハニカム構造体の一部を粉砕して、粉状試料にし、熱重量測定(TG)により、300℃〜600℃の範囲での粉状試料の重量減少分(=炭素質成分)から算出することができる。粉状試料を得る際には、ハニカム構造体の内部(直径に対して50%径の内側)と外部(直径に対して50%径の外側)から、それぞれ準備し、それぞれの測定における重量減少分(=炭素質成分)を平均することが好ましい。 The content of the carbonaceous component is determined by crushing a part of the honeycomb structure into a powdery sample and measuring the weight of the powdery sample in the range of 300 ° C. to 600 ° C. by thermogravimetric analysis (TG). It can be calculated from the carbonaceous component). When obtaining a powdery sample, prepare from the inside (inside 50% diameter with respect to diameter) and outside (outside 50% diameter with respect to diameter) of the honeycomb structure, respectively, and reduce the weight in each measurement. It is preferable to average the minutes (= carbonaceous component).
ハニカム構造体10の壁部において、セラミック粒子同士は、粒子同士の間に存在する結合材によって、周壁11と区画壁12の形状を保持するように構成されていてもよい。言い換えれば、複数のセラミック粒子同士が、結合材を介して接合されていてもよい。複数のセラミック粒子同士が、結合材を介して接合されていることにより、ハニカム構造体10の強度を向上させることができる。また、無機繊維はハニカム構造体の周壁11と区画壁12の補強材として、炭素質成分は周壁11と区画壁12中の充填材としてそれぞれ機能し、ハニカム構造体10の強度を向上させることができる。
In the wall portion of the
次に、上記ハニカム構造体10の製造方法の一例について説明する。
上記ハニカム構造体10は、以下に記載する成形工程、乾燥工程、焼成工程を順に経ることにより製造される。
Next, an example of the method for manufacturing the
The
(成形工程)
成形工程は、セラミック粒子と、水を主成分とする分散媒とを含有する混合物を成形して成形体を得る工程である。
(Molding process)
The molding step is a step of molding a mixture containing ceramic particles and a dispersion medium containing water as a main component to obtain a molded product.
まず、セラミック粒子、及び水を主成分とする分散媒を含有する混合物を調製する。水を主成分とする分散媒は、水のみからなる分散媒、又は50体積%以上の水と有機溶剤とからなる分散媒である。有機溶剤としては、例えば、ベンゼン、メタノール等のアルコールが挙げられる。また、分散媒には、上記の有機溶剤のうちの一種のみが含有されていてもよいし、二種以上が含有されていてもよい。 First, a mixture containing ceramic particles and a dispersion medium containing water as a main component is prepared. The dispersion medium containing water as a main component is a dispersion medium consisting only of water or a dispersion medium consisting of 50% by volume or more of water and an organic solvent. Examples of the organic solvent include alcohols such as benzene and methanol. Further, the dispersion medium may contain only one of the above-mentioned organic solvents, or may contain two or more of them.
混合物中における分散媒の含有量は、10〜50質量%の範囲とすることが好ましい。
また、混合物には、その他成分が含有されていてもよい。その他成分としては、例えば、無機バインダー、無機繊維、有機バインダー、成形助剤、可塑剤、分散剤、潤滑剤が挙げられる。無機バインダー、無機繊維については、ハニカム構造体10の説明において記載したものと同様である。
The content of the dispersion medium in the mixture is preferably in the range of 10 to 50% by mass.
Further, the mixture may contain other components. Examples of other components include inorganic binders, inorganic fibers, organic binders, molding aids, plasticizers, dispersants, and lubricants. The inorganic binder and the inorganic fiber are the same as those described in the description of the
有機バインダーとしては、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール、フェノール樹脂、エポキシ樹脂が挙げられる。これらは、単独で使用されてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the organic binder include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyethylene glycol, phenol resin, and epoxy resin. These may be used alone or in combination of two or more.
成形助剤としては、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコールが挙げられる。
可塑剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物が挙げられる。
Examples of the molding aid include ethylene glycol, dextrin, fatty acid, fatty acid soap, and polyalcohol.
Examples of the plasticizer include polyoxyalkylene compounds such as polyoxyethylene alkyl ether and polyoxypropylene alkyl ether.
分散剤としては、例えば、ソルビタン脂肪酸エステルが挙げられる。
潤滑剤としては、例えば、グリセリンが挙げられる。
次に、上記組成の混合物を用いて、図1に示すハニカム構造体10と同形状の成形体、すなわち筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数のセルSに区画する断面ハニカム形状の区画壁12とを備える形状の成形体を成形する。成形体は、例えば、押し出し成形により成形することができる。
Examples of the dispersant include sorbitan fatty acid ester.
Examples of the lubricant include glycerin.
Next, using the mixture having the above composition, a molded body having the same shape as the
(乾燥工程)
乾燥工程は、成形工程により得られた成形体を、乾燥機を用いて乾燥させることにより、分散媒が除去された乾燥体を得る工程である。乾燥機としては、例えば、公知の電気乾燥機やマイクロ波乾燥機を用いることができる。
(Drying process)
The drying step is a step of obtaining a dried body from which the dispersion medium has been removed by drying the molded body obtained by the molding step using a dryer. As the dryer, for example, a known electric dryer or microwave dryer can be used.
(焼成工程)
焼成工程は、乾燥工程により得られた乾燥体を焼成して、ハニカム構造体10を得る工程である。焼成工程における焼成温度は、例えば、300〜600℃の範囲であることが好ましく、300〜500℃の範囲であることがより好ましい。焼成工程における焼成雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気や還元雰囲気であってもよい。還元雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気であってもよい。
(Baking process)
The firing step is a step of firing the dried body obtained by the drying step to obtain the
上記の成形工程、乾燥工程、焼成工程を経ることにより、ハニカム構造体10が得られる。
ハニカム構造体10の用途としては、ガス回収装置に用いられる吸着材である。
The
The
以下、ガス回収装置としての圧力スイング吸着装置(以下、「PSA装置」ともいう。)について説明する。
図2に示すように、PSA装置20は、圧力付加装置21と、ガス吸着槽22と、ガス回収タンク23とを備えている。ガス吸着槽22は2つ設けられている。各ガス吸着槽22の内部に本実施形態のハニカム構造体10が配置されている。圧力付加装置21と、各ガス吸着槽22と、ガス回収タンク23の間は配管24で接続されている。
Hereinafter, a pressure swing adsorption device (hereinafter, also referred to as “PSA device”) as a gas recovery device will be described.
As shown in FIG. 2, the
PSA装置20を用いてガスを回収する際には、まず、圧力付加装置21で圧力を高めたガスを、2つのガス吸着槽22の一方(以下、「第1ガス吸着槽22a」ともいう。)に供給し、第1ガス吸着槽22a内のハニカム構造体10に特定のガスを吸着させる。第1ガス吸着槽22a内のハニカム構造体10が所定のガス吸着量に達したら、第1ガス吸着槽22aの圧力を下げて、ハニカム構造体10に吸着されたガスを脱離させてガス回収タンク23に回収する。その際、圧力付加装置21で圧力を高めたガスを2つのガス吸着槽22の他方(以下、「第2ガス吸着槽22b」ともいう。)に供給して、第2ガス吸着槽22b内のハニカム構造体10に特定のガスを吸着させる。第2ガス吸着槽22b内のハニカム構造体10が所定のガス吸着量に達したら、第2ガス吸着槽22bの圧力を下げて、ハニカム構造体10に吸着されたガスを脱離させてガス回収タンク23に回収する。
When recovering the gas using the
圧力付加装置21から各ガス吸着槽22へのガスの供給、及び、各ガス吸着槽22からガス回収タンク23へのガスの回収は、配管24に設けられた開閉バルブ(図示省略)を用いて、配管24の流路を切り替えて行う。
The supply of gas from the
以上の操作を繰り返し行うことによって、所定のガスをガス回収タンク23に回収することができる。ガス回収タンク23に回収するガスとしては特に限定されず、例えば、酸素、窒素、二酸化炭素、水等を挙げることができる。ガス回収タンク23で回収するガスは、ハニカム構造体10に吸着されたガスであってもよいし、ハニカム構造体10に特定のガスを吸着させた際に、ハニカム構造体10に吸着されずに通過したガスであってもよい。
By repeating the above operation, the predetermined gas can be recovered in the
また、TSA装置の場合は、PSA装置における圧力付加装置21を、ブロアーに置き換え、PSA装置におけるガス吸着槽22の周囲にヒーターを取り付け、ガス吸着槽22内に配置されたハニカム構造体をヒーターで温度を上げることにより、ハニカム構造体に吸着されたガスを脱離させガス回収タンク23に回収する。
In the case of the TSA device, the
本実施形態の作用及び効果について記載する。
(1)複数のセラミック粒子を含んだ壁部を備えるガス吸着用のハニカム構造体であって、セラミック粒子は、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうち少なくとも一種を構成成分に含み、壁部における前記セラミック粒子の含有量が70体積%以上であり、壁部は、炭素質成分を0.5質量%以上含有している。
The operation and effect of this embodiment will be described.
(1) A honeycomb structure for gas adsorption including a wall portion containing a plurality of ceramic particles, wherein the ceramic particles contain at least one of zeolite, silica, and cerium oxide as a constituent, and the wall portion. The content of the ceramic particles in the above is 70% by volume or more, and the wall portion contains 0.5% by mass or more of a carbonaceous component.
ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物は、表面積が相対的に大きい材料であるため、ガス吸着量を増大させることが容易になる。また、セラミック粒子の含有量が70体積%以上であると、壁部に占める吸着に寄与するセラミック粒子の割合が大きくなるため、ガス吸着量を増大させることが容易になるとともに、壁部の強度を向上させることができる。さらに、炭素質成分は相対的に表面積が大きいため、ガスの吸着材としても活用することができる。したがって、ハニカム構造体の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を好適に増大させることができる。 Since zeolite, silica, and cerium oxide are materials having a relatively large surface area, it becomes easy to increase the amount of gas adsorbed. Further, when the content of the ceramic particles is 70% by volume or more, the proportion of the ceramic particles contributing to the adsorption in the wall portion becomes large, so that it becomes easy to increase the gas adsorption amount and the strength of the wall portion. Can be improved. Furthermore, since the carbonaceous component has a relatively large surface area, it can also be used as a gas adsorbent. Therefore, it is possible to suitably increase the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb structure.
(2)壁部は、炭素質成分を1質量%以上含有している。したがって、さらに壁部の強度が向上し、ガス吸着材として活用することができる。
(3)炭素質成分は、ハニカム構造体の製造工程において加熱された有機分の残留物である。結合材として用いた有機バインダーや分散媒が含有する有機分を炭素質成分として活用することができる。また、ハニカム構造体の全体に炭素質成分をより均一に分散させることができる。
(2) The wall portion contains 1% by mass or more of a carbonaceous component. Therefore, the strength of the wall portion is further improved, and it can be utilized as a gas adsorbent.
(3) The carbonaceous component is an organic residue heated in the manufacturing process of the honeycomb structure. The organic content contained in the organic binder or dispersion medium used as the binder can be utilized as the carbonaceous component. In addition, the carbonaceous component can be more uniformly dispersed throughout the honeycomb structure.
(4)複数のセラミック粒子同士は、炭素質成分を介して接合されている。したがって、ハニカム構造体の強度を向上させることができる。
(5)複数のセラミック粒子を含んだ壁部を備えるガス吸着用のハニカム構造体であって、単位体積当たりの幾何学的表面積(GSA)が20〜45cm2/cm3であり、開口率が30〜45%であることにより、ガス吸着に要する壁部の面積を相対的に大きくしつつ、壁部の体積を好適に確保してハニカム構造体の強度を保持することができる。また、壁部のBET比表面積が100m2/g以上であることにより、ガスの吸着速度を向上させて、ガスの吸着量を向上させることができる。したがって、ハニカム構造体の強度を好適に保持しつつ、ガス吸着量を好適に増大させることができる。
(4) A plurality of ceramic particles are bonded to each other via a carbonaceous component. Therefore, the strength of the honeycomb structure can be improved.
(5) A honeycomb structure for gas adsorption having a wall portion containing a plurality of ceramic particles, having a geometric surface area (GSA) of 20 to 45 cm 2 / cm 3 per unit volume and an aperture ratio of 20 to 45 cm 2 / cm 3. When it is 30 to 45%, the area of the wall portion required for gas adsorption can be relatively increased, and the volume of the wall portion can be appropriately secured to maintain the strength of the honeycomb structure. Further, when the BET specific surface area of the wall portion is 100 m 2 / g or more, the gas adsorption rate can be improved and the gas adsorption amount can be improved. Therefore, it is possible to suitably increase the amount of gas adsorbed while appropriately maintaining the strength of the honeycomb structure.
(6)壁部の気孔率が50%以下である。壁部に占める気孔の割合を相対的に小さくして、壁部に占める吸着に寄与するセラミック粒子の割合を相対的に大きくすることができる。そのため、ガス吸着量を増大させることが容易になる。さらに壁部の強度を向上させることができる。したがって、ハニカム構造体の強度を保持することが容易になる。 (6) The porosity of the wall portion is 50% or less. The proportion of pores in the wall can be made relatively small, and the proportion of ceramic particles in the wall that contribute to adsorption can be made relatively large. Therefore, it becomes easy to increase the amount of gas adsorbed. Further, the strength of the wall portion can be improved. Therefore, it becomes easy to maintain the strength of the honeycomb structure.
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・本実施形態において、ハニカム構造体は、円筒状の周壁を有していたがこの態様に限定されない。ハニカム構造体の周壁は角筒状であってもよく、横断面が楕円形やオーバル形状等であってもよい。
This embodiment can be modified and implemented as follows. The present embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
-In the present embodiment, the honeycomb structure has a cylindrical peripheral wall, but the present invention is not limited to this embodiment. The peripheral wall of the honeycomb structure may have a square cylinder shape, and the cross section may have an elliptical shape, an oval shape, or the like.
・本実施形態において、ハニカム構造体の壁部は、周壁と区画壁とで構成されていたが、この態様に限定されない。ハニカム構造体の壁部は区画壁のみで構成されており、周壁は、区画壁とは異なる材料で構成されていてもよい。 -In the present embodiment, the wall portion of the honeycomb structure is composed of a peripheral wall and a partition wall, but the present invention is not limited to this embodiment. The wall portion of the honeycomb structure is composed of only the partition wall, and the peripheral wall may be composed of a material different from that of the partition wall.
・本実施形態において、壁部に含まれる炭素質成分は、ハニカム構造体の製造工程において加熱された有機分の残留物に由来していたが、この態様に限定されない。炭素質成分は、例えば、黒鉛や活性炭等の粒子であって、成形工程で用いられる混合物に含有されたものであってもよい。 -In the present embodiment, the carbonaceous component contained in the wall portion is derived from the organic residue heated in the manufacturing process of the honeycomb structure, but the present invention is not limited to this embodiment. The carbonaceous component may be, for example, particles such as graphite and activated carbon, which may be contained in the mixture used in the molding step.
以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。
(実施例1)
まず、下記原料組成物を混合して混合物を調整した。
Hereinafter, examples in which the above embodiment is further embodied will be described.
(Example 1)
First, the following raw material compositions were mixed to prepare a mixture.
平均粒子径5μmのゼオライト粒子(LTA型)(セラミック粒子):46.8質量%
ベーマイト(無機バインダー):9.6質量%
ガラスファイバー(無機繊維):6.1質量%
メチルセルロース(有機バインダー):5.7質量%
ソルビタン脂肪酸エステル(分散剤):1.6質量%
水(分散媒):30.2質量%
この混合物を用いて、押出成形機によって円柱状の成形体を成形した。この成形体を所定の長さに切断してハニカム成形体を作製した。ハニカム成形体を公知の減圧マイクロ波乾燥機を用いて圧力6.7kPa、25℃で5分間乾燥させた。さらに、ハニカム成形体を450℃で2時間加熱して焼成することにより、ハニカム構造体を作製した。
Zeolite particles (LTA type) (ceramic particles) with an average particle diameter of 5 μm: 46.8% by mass
Boehmite (inorganic binder): 9.6% by mass
Glass fiber (inorganic fiber): 6.1% by mass
Methyl cellulose (organic binder): 5.7% by mass
Sorbitan fatty acid ester (dispersant): 1.6% by mass
Water (dispersion medium): 30.2% by mass
Using this mixture, a columnar molded body was molded by an extrusion molding machine. This molded body was cut to a predetermined length to produce a honeycomb molded body. The honeycomb molded product was dried at a pressure of 6.7 kPa and 25 ° C. for 5 minutes using a known vacuum microwave dryer. Further, the honeycomb structure was produced by heating the honeycomb molded body at 450 ° C. for 2 hours and firing it.
得られたハニカム構造体において、壁部を構成する複数のセラミック粒子同士は、炭素質成分を含む結合材を介して接合されていた。
ハニカム構造体の壁厚は0.25mm、セル密度は171セル/cm2、GSAは34.9cm2/cm3、開口率は44.7%、壁部の気孔率は41%であった。なお、ハニカム構造体の外形は断面が35mm×35mmで長さが76.2mmであった。壁部のセラミック粒子の含有量は79.4体積%であり、炭素質成分の含有量は0.7質量%であった。
In the obtained honeycomb structure, the plurality of ceramic particles constituting the wall portion were bonded to each other via a binder containing a carbonaceous component.
The wall thickness of the honeycomb structure was 0.25 mm, the cell density was 171 cells / cm 2 , the GSA was 34.9 cm 2 / cm 3 , the opening ratio was 44.7%, and the porosity of the wall was 41%. The outer shape of the honeycomb structure had a cross section of 35 mm × 35 mm and a length of 76.2 mm. The content of the ceramic particles in the wall portion was 79.4% by volume, and the content of the carbonaceous component was 0.7% by mass.
なお、炭素質成分の含有量は、ハニカム構造体の一部を粉砕して、粉状試料にし、熱重量測定(TG)により、300℃〜600℃の範囲での粉状試料の重量減少分(=炭素質成分)から算出した。 The content of the carbonaceous component is determined by crushing a part of the honeycomb structure into a powdery sample and measuring the weight of the powdery sample in the range of 300 ° C. to 600 ° C. by thermogravimetric analysis (TG). Calculated from (= carbonaceous component).
(実施例2)
ハニカム成形体の焼成を470℃で2時間加熱した点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを実施例2のハニカム構造体とした。
(Example 2)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the honeycomb molded body was fired at 470 ° C. for 2 hours, and this was used as the honeycomb structure of Example 2.
実施例2のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は79.6体積%であり、炭素質成分の含有量は0.5質量%であった。また、壁部の気孔率は41%であった。
(実施例3)
原料組成物の配合を以下のようにした点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを実施例3のハニカム構造体とした。
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Example 2 was 79.6% by volume, and the content of the carbonaceous component was 0.5% by mass. The porosity of the wall was 41%.
(Example 3)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the raw material was as follows, and this was used as the honeycomb structure of Example 3.
平均粒子径5μmのゼオライト粒子(セラミック粒子):49.5質量%
ベーマイト(無機バインダー):9.8質量%
ガラスファイバー(無機繊維):2.5質量%
メチルセルロース(有機バインダー):5.8質量%
ソルビタン脂肪酸エステル(分散剤):1.7質量%
水(分散媒):30.7質量%
実施例3のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は82.4体積%であり、炭素質成分の含有量は0.7質量%であった。また、壁部の気孔率は41%であった。
Zeolite particles (ceramic particles) with an average particle diameter of 5 μm: 49.5% by mass
Boehmite (inorganic binder): 9.8% by mass
Glass fiber (inorganic fiber): 2.5% by mass
Methyl cellulose (organic binder): 5.8% by mass
Sorbitan fatty acid ester (dispersant): 1.7% by mass
Water (dispersion medium): 30.7% by mass
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Example 3 was 82.4% by volume, and the content of the carbonaceous component was 0.7% by mass. The porosity of the wall was 41%.
(実施例4)
原料組成物の配合を以下のようにし、ハニカム成形体の焼成を300℃で2時間加熱した点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを実施例4のハニカム構造体とした。
(Example 4)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the raw material composition was blended as follows and the honeycomb molded body was heated at 300 ° C. for 2 hours, and the honeycomb structure was prepared in the same manner as in Example 1. It was made into a structure.
平均粒子径5μmのゼオライト粒子(セラミック粒子):40.3質量%
ベーマイト(無機バインダー):8.3質量%
ガラスファイバー(無機繊維):5.2質量%
メチルセルロース(有機バインダー):9.0質量%
ソルビタン脂肪酸エステル(分散剤):1.4質量%
水(分散媒):35.8質量%
実施例4のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は70.5体積%であり、炭素質成分の含有量は12.0質量%であった。また、壁部の気孔率は36%であった。
Zeolite particles (ceramic particles) with an average particle diameter of 5 μm: 40.3% by mass
Boehmite (inorganic binder): 8.3% by mass
Glass fiber (inorganic fiber): 5.2% by mass
Methyl cellulose (organic binder): 9.0% by mass
Sorbitan fatty acid ester (dispersant): 1.4% by mass
Water (dispersion medium): 35.8% by mass
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Example 4 was 70.5% by volume, and the content of the carbonaceous component was 12.0% by mass. The porosity of the wall was 36%.
(実施例5)
原料組成物の配合を以下のようにした点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを実施例5のハニカム構造体とした。
(Example 5)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the raw material was as follows, and this was used as the honeycomb structure of Example 5.
平均粒子径5μmのゼオライト粒子(セラミック粒子):44.3質量%
ベーマイト(無機バインダー):9.1質量%
ガラスファイバー(無機繊維):5.7質量%
活性炭:4.0質量%
メチルセルロース(有機バインダー):5.6質量%
ソルビタン脂肪酸エステル(分散剤):1.6質量%
水(分散媒):29.7質量%
実施例5のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は74.5体積%であり、炭素質成分の含有量は7.0質量%であった。また、壁部の気孔率は38%であった。
Zeolite particles (ceramic particles) with an average particle diameter of 5 μm: 44.3% by mass
Boehmite (inorganic binder): 9.1% by mass
Glass fiber (inorganic fiber): 5.7% by mass
Activated carbon: 4.0% by mass
Methyl cellulose (organic binder): 5.6% by mass
Sorbitan fatty acid ester (dispersant): 1.6% by mass
Water (dispersion medium): 29.7% by mass
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Example 5 was 74.5% by volume, and the content of the carbonaceous component was 7.0% by mass. The porosity of the wall was 38%.
(比較例1)
ハニカム成形体の焼成を500℃で2時間加熱した点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを比較例1のハニカム構造体とした。
(Comparative Example 1)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the honeycomb molded body was fired at 500 ° C. for 2 hours, and this was used as the honeycomb structure of Comparative Example 1.
比較例1のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は79.7体積%であり、炭素質成分の含有量は0.3質量%であった。また、壁部の気孔率は36%であった。
(比較例2)
原料組成物の配合を以下のようにした点を除いて、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製し、これを比較例2のハニカム構造体とした。
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Comparative Example 1 was 79.7% by volume, and the content of the carbonaceous component was 0.3% by mass. The porosity of the wall was 36%.
(Comparative Example 2)
A honeycomb structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the raw material was as follows, and this was used as the honeycomb structure of Comparative Example 2.
平均粒子径5μmのゼオライト粒子(セラミック粒子):36.9質量%
ベーマイト(無機バインダー):16.3質量%
ガラスファイバー(無機繊維):10.3質量%
メチルセルロース(有機バインダー):5.5質量%
ソルビタン脂肪酸エステル(分散剤):1.6質量%
水(分散媒):29.4質量%
比較例2のハニカム構造体の壁部のセラミック粒子の含有量は64.5体積%であり、炭素質成分の含有量は0.7質量%であった。また、壁部の気孔率は41%であった。
Zeolite particles (ceramic particles) with an average particle diameter of 5 μm: 36.9% by mass
Boehmite (inorganic binder): 16.3% by mass
Glass fiber (inorganic fiber): 10.3% by mass
Methyl cellulose (organic binder): 5.5% by mass
Sorbitan fatty acid ester (dispersant): 1.6% by mass
Water (dispersion medium): 29.4% by mass
The content of the ceramic particles in the wall portion of the honeycomb structure of Comparative Example 2 was 64.5% by volume, and the content of the carbonaceous component was 0.7% by mass. The porosity of the wall was 41%.
(ガス吸着量の評価)
ハニカム構造体のガス吸着量を、以下の試験で評価した。
まず、配管中にハニカム構造体を配置する。ハニカム構造体の上流側から、評価用ガスを供給して、ハニカム構造体の内部を流通させる。ハニカム構造体の下流側において、ハニカム構造体の内部を流通したガスの成分を測定する。
(Evaluation of gas adsorption amount)
The gas adsorption amount of the honeycomb structure was evaluated by the following test.
First, the honeycomb structure is placed in the pipe. Evaluation gas is supplied from the upstream side of the honeycomb structure to circulate inside the honeycomb structure. On the downstream side of the honeycomb structure, the components of the gas flowing inside the honeycomb structure are measured.
評価用ガスの成分としては、二酸化炭素1%、酸素20%、窒素79%であるものを用いた。ガスの温度を約40℃とし、ガスの流量を15.6L/minとした。
評価用ガスの供給を開始した段階では、例えば、評価用ガス中の二酸化炭素はハニカム構造体に吸着されるため、ハニカム構造体の下流側における二酸化炭素の濃度は略ゼロとなる。評価用ガスの供給開始から一定時間が経過して、ハニカム構造体に吸着された二酸化炭素の吸着量が上限に達すると、それ以上、二酸化炭素が吸着されないため、ハニカム構造体の下流側において二酸化炭素の濃度が上昇する。評価用ガスの供給開始時点から、ハニカム構造体の下流側における二酸化炭素の濃度が所定の閾値である0.05%に達するまでの時間を測定して、ハニカム構造体に吸着された二酸化炭素の吸着量を相対評価した。
As the components of the evaluation gas, carbon dioxide 1%,
At the stage when the supply of the evaluation gas is started, for example, the carbon dioxide in the evaluation gas is adsorbed on the honeycomb structure, so that the concentration of carbon dioxide on the downstream side of the honeycomb structure becomes substantially zero. When a certain period of time has passed from the start of supply of the evaluation gas and the amount of carbon dioxide adsorbed on the honeycomb structure reaches the upper limit, carbon dioxide is not adsorbed any more, so that carbon dioxide is distilled off on the downstream side of the honeycomb structure. The concentration of carbon increases. The time from the start of supply of the evaluation gas until the concentration of carbon dioxide on the downstream side of the honeycomb structure reaches the predetermined threshold of 0.05% is measured, and the carbon dioxide adsorbed on the honeycomb structure is measured. The amount of adsorption was relatively evaluated.
上記試験の結果、比較例1、2では、二酸化炭素の濃度が0.05%に達するまでの時間がそれぞれ304秒、272秒であったのに対し、実施例1、2、3、4、5では、それぞれ334秒、320秒、393秒、352秒、371秒であり、二酸化炭素の吸着量が増大していることが確認された。特に比較例2のハニカム構造体に対しては、実施例1〜5のハニカム構造体は20%以上の二酸化炭素の吸着量の増大がみられた。 As a result of the above test, in Comparative Examples 1 and 2, the time required for the carbon dioxide concentration to reach 0.05% was 304 seconds and 272 seconds, respectively, whereas in Examples 1, 2, 3 and 4, In No. 5, it was 334 seconds, 320 seconds, 393 seconds, 352 seconds, and 371 seconds, respectively, and it was confirmed that the amount of carbon dioxide adsorbed was increased. In particular, with respect to the honeycomb structure of Comparative Example 2, the honeycomb structures of Examples 1 to 5 showed an increase in the amount of carbon dioxide adsorbed by 20% or more.
(機械的強度の測定)
ハニカムフィルタの機械的強度として、以下の方法により、曲げ強度を測定した。
まず、実施例1〜5及び比較例1、2で得たハニカム構造体から、3点曲げ強度測定用サンプルとして、断面を5mm×5mm、長さ40mmに切り出した部材を10本準備した。3点曲げ強度測定用サンプルの主面(サンプルの外周面のうち広い方の面)に対して垂直な方向に荷重を印加し、破壊荷重(サンプルが破壊した荷重)を測定した。10本の3点曲げ強度測定用サンプルについて破壊荷重を測定し、その平均値をそれぞれ実施例及び比較例で得たハニカム構造体の曲げ強度とした。3点曲げ強度試験は、JISR1601を参考に、インストロン5582を用い、スパン間距離:30mm、スピード0.5mm/minで行った。
(Measurement of mechanical strength)
As the mechanical strength of the honeycomb filter, the bending strength was measured by the following method.
First, from the honeycomb structures obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, 10 members having a cross section of 5 mm × 5 mm and a length of 40 mm were prepared as samples for measuring the bending strength at three points. A load was applied in a direction perpendicular to the main surface of the sample for measuring the three-point bending strength (the wider surface of the outer peripheral surface of the sample), and the fracture load (the load at which the sample was fractured) was measured. The breaking load was measured for 10 samples for measuring the bending strength at three points, and the average value was taken as the bending strength of the honeycomb structure obtained in Examples and Comparative Examples, respectively. The three-point bending strength test was carried out using an Instron 5582 with reference to JIS R1601 at a distance between spans of 30 mm and a speed of 0.5 mm / min.
比較例1、2のハニカム構造体は、壁部の強度がそれぞれ0.9MPa、1.6MPaであり、実施例1、2、3、4、5では、それぞれ1.6MPa、1.4MPa、1.1MPa、1.8MPa、1.3MPaであった。ここから実施例1〜5のハニカム構造体は、比較例1のハニカム構造体に対して機械的強度が向上していることが確認された。 The honeycomb structures of Comparative Examples 1 and 2 have wall strengths of 0.9 MPa and 1.6 MPa, respectively, and in Examples 1, 2, 3, 4, and 5, 1.6 MPa, 1.4 MPa, and 1 respectively. It was .1 MPa, 1.8 MPa, and 1.3 MPa. From this, it was confirmed that the honeycomb structures of Examples 1 to 5 had improved mechanical strength as compared with the honeycomb structure of Comparative Example 1.
10…ハニカム構造体、11…周壁、12…区画壁、S…セル。 10 ... Honeycomb structure, 11 ... Circumferential wall, 12 ... Division wall, S ... Cell.
Claims (5)
前記セラミック粒子は、ゼオライト、シリカ、及び、セリウム酸化物のうち少なくとも一種を構成成分に含み、
前記壁部における前記セラミック粒子の含有量が70体積%以上であり、
前記壁部は、炭素質成分を0.5質量%以上含有していることを特徴とするハニカム構造体。 A honeycomb structure for gas adsorption having a wall portion containing a plurality of ceramic particles.
The ceramic particles contain at least one of zeolite, silica, and cerium oxide as a constituent.
The content of the ceramic particles in the wall portion is 70% by volume or more, and the content is 70% by volume or more.
The wall portion is a honeycomb structure characterized by containing 0.5% by mass or more of a carbonaceous component.
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