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JP5856524B2 - Method for producing silica membrane filter - Google Patents

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JP5856524B2 JP2012075862A JP2012075862A JP5856524B2 JP 5856524 B2 JP5856524 B2 JP 5856524B2 JP 2012075862 A JP2012075862 A JP 2012075862A JP 2012075862 A JP2012075862 A JP 2012075862A JP 5856524 B2 JP5856524 B2 JP 5856524B2
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Description

本発明は、シリカ膜フィルタの製造方法に関する。更に詳しくは、複数種の物質が混じり合っている流体の中から特定の種類の物質のみを分離又は濃縮するために用いることができるシリカ膜フィルタの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a silica film filter. More particularly, a method for producing a silica film filter that can be used to separate or concentrate only certain types of material out of the fluid being intermingled plural kinds of materials.

複数種の物質が混じり合っている流体の中から特定の種類の物質のみを分離又は濃縮する際には分離膜を用いることがある。このような分離膜としては、例えば、シリカ膜を挙げることができる。シリカ膜は、複数の細孔が形成された多孔質膜である。シリカ膜の細孔は、シリカ膜の一方の表面から他方の表面にかけて連続的に形成されており、この細孔内を、特定の種類の物質が通過できることを利用して、当該物質を分離又は濃縮する。一般的に、シリカ膜の細孔には、分子径が小さい物質(例えば水、二酸化炭素など)を透過させやすい特性がある。このような特性を利用して、シリカ膜は、水とエタノールの混合液からの水の分離や、燃焼排気ガスからの二酸化炭素の分離等の用途に利用されている。   A separation membrane may be used when only a specific type of material is separated or concentrated from a fluid in which a plurality of types of materials are mixed. An example of such a separation membrane is a silica membrane. The silica film is a porous film in which a plurality of pores are formed. The pores of the silica membrane are continuously formed from one surface to the other surface of the silica membrane, and the substance can be separated or utilized by utilizing the ability of a specific type of substance to pass through the pores. Concentrate. In general, the pores of a silica film have a characteristic that allows a substance having a small molecular diameter (for example, water, carbon dioxide, etc.) to easily pass therethrough. Utilizing such characteristics, silica membranes are used for applications such as separation of water from a mixture of water and ethanol, and separation of carbon dioxide from combustion exhaust gas.

一方、シリカ膜の透過性の向上を目的とし、シリカ膜と有機化合物とをハイブリット化した膜が検討されている(例えば、特許文献1及び2、非特許文献1及び2参照)。具体的には、シリカ膜の前駆体を作製する原料として、シリコンアルコキシドに有機官能基を含む原料を用いることが提案されている。このような原料を用いて作製された前駆体を焼成することにより、原料に含まれる有機官能基の一部を消失させて、シリカ膜に細孔を形成する。なお、上記透過性とは、シリカ膜の細孔を、上述した「特定の種類の物質」のみが透過する性能のことを意味する。   On the other hand, for the purpose of improving the permeability of a silica membrane, a membrane obtained by hybridizing a silica membrane and an organic compound has been studied (see, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2). Specifically, it has been proposed to use a raw material containing an organic functional group in silicon alkoxide as a raw material for producing a precursor of a silica film. By firing the precursor produced using such a raw material, a part of the organic functional group contained in the raw material is lost, and pores are formed in the silica film. Note that the above-described permeability means a performance that allows only the above-described “specific type of substance” to pass through the pores of the silica membrane.

また、上述したように、シリコンアルコキシドに有機官能基を含む原料を用いた場合には、シリカ膜中に一部残存した有機官能基による親和性の効果についても期待されている。更に、このようなシリカ膜においては、有機混合化合物から、芳香族成分やアルコールを分離する用途への期待も寄せられている。   Further, as described above, when a raw material containing an organic functional group is used for silicon alkoxide, an affinity effect due to the organic functional group partially remaining in the silica film is also expected. Furthermore, in such a silica membrane, there is an expectation for an application for separating an aromatic component and alcohol from an organic mixed compound.

特開2001−212401号公報JP 2001-212401 A 国際公開第2012/002181号International Publication No. 2012/002181

Journal of Membrane Science,380 (2011) 41−47Journal of Membrane Science, 380 (2011) 41-47 Separation and Purification Technology, 16 2 (1999) 139−146Separation and Purification Technology, 16 2 (1999) 139-146

しかしながら、上述したような従来のシリカ膜においては、有機混合化合物からのアルコール分離において、透過性が十分でないという問題があった。このため、有機混合化合物からのアルコールの分離に有効なシリカ膜の開発が要望されている。   However, the conventional silica membrane as described above has a problem that the permeability is not sufficient in alcohol separation from the organic mixed compound. For this reason, development of a silica membrane effective for the separation of alcohol from an organic mixed compound is desired.

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、複数種の物質が混じり合っている流体の中から特定の種類の物質のみを分離又は濃縮するために用いることができるシリカ膜フィルタ、及びその製造方法を提供する。特に、有機混合化合物からのアルコールの分離に特に有効なシリカ膜フィルタ及びその製造方法を提供する。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and a silica membrane filter that can be used to separate or concentrate only a specific type of substance from a fluid in which a plurality of types of substances are mixed, And a method for manufacturing the same. In particular, a silica membrane filter particularly effective for separating alcohol from an organic mixed compound and a method for producing the same are provided.

本発明によれば、以下に示す、シリカ膜フィルタの製造方法が提供される。 According to the present invention, the following sheet production method of silica film filter is provided.

] 炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料を、加水分解及び重縮合させて前駆体ゾルを含有する前駆体溶液を得る前駆体溶液調製工程と、前記前駆体溶液を多孔質基材の表面上に接触させ、前記前駆体溶液の自重による流下によって、前記前駆体溶液に含まれた前記前駆体ゾルを前記多孔質基材の表面上に付着させる被覆工程と、前記多孔質基材の前記表面上に付着した前記前駆体ゾルを乾燥し、次いで300〜600℃にて熱処理する乾燥・熱処理工程と、を有し、前記前駆体溶液調製工程に用いられる前記炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基が、その一部に酸素原子及び窒素原子の少なくとも一方を含む官能基を含んでいるシリカ膜フィルタの製造方法。 [ 1 ] A silica raw material containing a silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more is hydrolyzed and polycondensed to obtain a precursor solution containing a precursor sol. The precursor solution is prepared by bringing the precursor solution into contact with the surface of the porous substrate, and the precursor solution contained in the precursor solution is flowed by the dead weight of the precursor solution. possess a covering step of adhering onto the surface of wood, the porous drying the precursor sol adhered to the surface of the substrate and then the drying and heat treatment step of heat-treating at 300 to 600 ° C., and It said precursor the number of carbon atoms for use in the solution preparation step and the molecular weight at least 8 over 120 organic functional group includes a functional group containing at least one of a portion to an oxygen atom and a nitrogen atom Siri Method of manufacturing a membrane filter.

] 前記乾燥・熱処理工程にて、前記シリコンアルコキシドに含まれる前記炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の前記有機官能基が40〜100%分解される前記[]に記載のシリカ膜フィルタの製造方法。 [ 2 ] The silica according to [ 1 ], wherein the organic functional group having 8 or more carbon atoms and having a molecular weight of 120 or more contained in the silicon alkoxide is decomposed by 40 to 100% in the drying / heat treatment step. Membrane filter manufacturing method.

本発明のシリカ膜フィルタは、多孔質基材と、この多孔質基材の表面に設けられたシリカ膜と、を備えたものである。本発明のシリカ膜フィルタにおけるシリカ膜は、炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基を含むものである。更に、このシリカ膜は、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料からなる前駆体ゾルを熱処理して得られたものである。   The silica membrane filter of the present invention includes a porous substrate and a silica membrane provided on the surface of the porous substrate. The silica film in the silica film filter of the present invention includes a functional group containing at least one selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, nitrogen atoms, and oxygen atoms. Further, this silica film is obtained by heat-treating a precursor sol made of a silica raw material containing silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more.

本発明のシリカ膜フィルタにおいては、上述したシリコンアルコキシドに含まれる「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基」の一部が、上記熱処理によって、シリカ膜の細孔を形成している。このような「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基」によって形成されたシリカ膜の細孔は、従来のシリカ膜フィルタのシリカ膜の細孔よりも、細孔径が大きなものである。そして、シリカ膜に、このような大きな細孔が形成されることにより、有機混合化合物からのアルコール分離において、極めて良好な透過性を発現させることが可能となる。   In the silica membrane filter of the present invention, part of the “organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” contained in the above-described silicon alkoxide forms pores of the silica membrane by the heat treatment. ing. The pores of the silica film formed by such “organic functional groups having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” have larger pore diameters than the pores of the silica film of the conventional silica film filter. It is. And by forming such large pores in the silica membrane, it becomes possible to express extremely good permeability in alcohol separation from the organic mixed compound.

また、本発明のシリカ膜フィルタの製造方法においては、「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料」を用いて、シリカ膜を作製している。このため、上述した本発明のシリカ膜フィルタを簡便に製造することができる。   Further, in the method for producing a silica membrane filter of the present invention, a silica membrane is formed using "a silica raw material containing a silicon alkoxide having at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120". I am making it. For this reason, the silica membrane filter of this invention mentioned above can be manufactured simply.

本発明のシリカ膜フィルタの一の実施形態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically one embodiment of a silica membrane filter of the present invention. 本発明のシリカ膜の製造方法の一の実施形態における、被覆工程の一例を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing an example of a covering process in one embodiment of a manufacturing method of a silica membrane of the present invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the present invention.

(1)シリカ膜フィルタ:
まず、本発明のシリカ膜フィルタの一の実施形態について説明する。図1は、本発明のシリカ膜フィルタの一の実施形態を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態のシリカ膜フィルタ100は、多孔質基材1と、この多孔質基材1の表面に設けられたシリカ膜3と、を備えたものである。
(1) Silica membrane filter:
First, an embodiment of the silica membrane filter of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of the silica membrane filter of the present invention. As shown in FIG. 1, the silica membrane filter 100 of this embodiment includes a porous substrate 1 and a silica membrane 3 provided on the surface of the porous substrate 1.

本実施形態のシリカ膜フィルタ100のシリカ膜3は、炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基を含むものである。更に、このシリカ膜3は、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料からなる前駆体ゾルを熱処理して得られたものである。なお、図1において、符号2は、セルを示す。また、符号11は、多孔質基材1の一方の端面を示し、符号12は、多孔質基材1の他方の端面を示す。   The silica film 3 of the silica film filter 100 of this embodiment includes a functional group including at least one selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, nitrogen atoms, and oxygen atoms. Further, the silica film 3 is obtained by heat-treating a precursor sol made of a silica raw material containing silicon alkoxide having at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more. . In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a cell. Reference numeral 11 denotes one end face of the porous substrate 1, and reference numeral 12 denotes the other end face of the porous substrate 1.

本実施形態のシリカ膜フィルタにおいては、上述したシリコンアルコキシドに含まれる「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基」の一部が、上記熱処理によって、シリカ膜の細孔を形成している。このような「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基」によって形成されたシリカ膜の細孔は、従来のシリカ膜フィルタのシリカ膜の細孔よりも、細孔径が大きなものである。そして、シリカ膜に、このような大きな細孔が形成されることにより、有機混合化合物(例えば、有機混合液体)からのアルコール分離において、極めて良好な透過性を発現させることが可能となる。   In the silica membrane filter of the present embodiment, part of the “organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” contained in the silicon alkoxide described above forms pores of the silica membrane by the heat treatment. doing. The pores of the silica film formed by such “organic functional groups having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” have larger pore diameters than the pores of the silica film of the conventional silica film filter. It is. And by forming such large pores in the silica membrane, it becomes possible to express extremely good permeability in alcohol separation from an organic mixed compound (for example, organic mixed liquid).

このため、本実施形態のシリカ膜フィルタのシリカ膜は、アルコールを含む有機混合液体から、当該アルコールを選択的に透過させる分離膜として特に好適に利用することができる。以下、アルコールを含む有機混合化合物から、アルコールを選択的に分離する能力のことを、「アルコール選択性能」ということがある。また、本実施形態のシリカ膜フィルタにおいては、有機混合化合物から分離するアルコールの種類については特に制限はないが、炭素数1〜4のアルコールを好適例として挙げることができる。   For this reason, the silica membrane of the silica membrane filter of the present embodiment can be particularly suitably used as a separation membrane that selectively permeates the alcohol from an organic mixed liquid containing alcohol. Hereinafter, the ability to selectively separate alcohol from an organic mixed compound containing alcohol may be referred to as “alcohol selection performance”. Moreover, in the silica membrane filter of this embodiment, although there is no restriction | limiting in particular about the kind of alcohol isolate | separated from an organic mixed compound, A C1-C4 alcohol can be mentioned as a suitable example.

シリカ原料に含有されるシリコンアルコキシドが、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を含まない場合には、シリカ膜に形成される細孔が小さくなり、良好なアルコール選択性能が発現しない。例えば、シリコンアルコキシドに含まれる有機官能基の炭素数が7以下であったり、その有機官能基の分子量が120未満であったりした場合には、シリカ膜に形成される細孔の透過抵抗が大きくなり、アルコール透過性が悪くなってしまう。   When the silicon alkoxide contained in the silica raw material does not contain an organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more, the pores formed in the silica film are reduced and good alcohol selection performance is obtained. Not expressed. For example, when the carbon number of the organic functional group contained in the silicon alkoxide is 7 or less or the molecular weight of the organic functional group is less than 120, the permeation resistance of the pores formed in the silica film is large. As a result, the alcohol permeability deteriorates.

(1−1)シリカ膜:
本実施形態のシリカ膜フィルタに用いられるシリカ膜は、上述したように、炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基を含むものである。更に、このシリカ膜は、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料からなる前駆体ゾルを熱処理して得られたものである。以下、シリカ膜に実際に含まれる「炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基」のことを、「シリカ膜に含まれる官能基」ということがある。また、シリカ原料に含有されるシリコンアルコキシドに含まれる有機官能基のことを、「シリコンアルコキシドに含まれる有機官能基」ということがある。また、シリコンアルコキシドに含まれる「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基」のことを、「シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基」又は単に「特定有機官能基」ということがある。なお、「シリカ膜に含まれる官能基」は、上述したように、炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基であればよい。即ち、炭素原子を含む官能基であってもよいし、炭素原子を含まない官能基であってもよい。例えば、ヒドロキシ基や、水素原子であってもよい。
(1-1) Silica film:
As described above, the silica film used in the silica film filter of the present embodiment includes a functional group including at least one selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, nitrogen atoms, and oxygen atoms. Further, this silica film is obtained by heat-treating a precursor sol made of a silica raw material containing silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more. Hereinafter, “functional group containing at least one selected from the group consisting of carbon atom, hydrogen atom, nitrogen atom, and oxygen atom” actually contained in the silica film is referred to as “functional group contained in silica film”. There is. Moreover, the organic functional group contained in the silicon alkoxide contained in the silica raw material may be referred to as “organic functional group contained in silicon alkoxide”. Further, “an organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” contained in silicon alkoxide is referred to as “specific organic functional group contained in silicon alkoxide” or simply “specific organic functional group”. is there. The “functional group contained in the silica film” may be a functional group containing at least one selected from the group consisting of a carbon atom, a hydrogen atom, a nitrogen atom, and an oxygen atom, as described above. That is, it may be a functional group containing a carbon atom or a functional group containing no carbon atom. For example, it may be a hydroxy group or a hydrogen atom.

シリカ膜に含まれる官能基は、炭素原子、水素原子、窒素原子、及び酸素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含む官能基である。この官能基は、上述したシリカ原料に含有されるシリコンアルコキシドに含まれる有機官能基の一部が、熱処理において分解されずに、残存したものであってもよい。また、シリカ原料に含有されるシリコンアルコキシドに含まれる有機官能基の一部が、熱処理において分解された後に生成されたその他の官能基であってもよい。   The functional group contained in the silica film is a functional group containing at least one selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, nitrogen atoms, and oxygen atoms. This functional group may be one in which a part of the organic functional group contained in the silicon alkoxide contained in the silica raw material described above remains without being decomposed in the heat treatment. Further, some of the organic functional groups contained in the silicon alkoxide contained in the silica raw material may be other functional groups generated after being decomposed in the heat treatment.

シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基は、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基である。この特定有機官能基は、形状は特に限定されないが、直鎖状あるいは分岐鎖状のアルキル基、環状の飽和炭化水素、芳香族炭化水素を含むものを挙げることができる。また、それらの一部に、酸素原子や窒素原子を含む官能基を含んでい。酸素原子や窒素原子を含む官能基としては、形状は特に限定されないが、例として、ヒドロキシル基、エポキシ基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、アミド基等を挙げることができる。 The specific organic functional group contained in the silicon alkoxide is an organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more. The shape of the specific organic functional group is not particularly limited, and examples thereof include those containing a linear or branched alkyl group, a cyclic saturated hydrocarbon, and an aromatic hydrocarbon. Further, in a part thereof, that contain a functional group containing an oxygen atom or a nitrogen atom. The shape of the functional group containing an oxygen atom or nitrogen atom is not particularly limited, and examples thereof include a hydroxyl group, an epoxy group, a carboxyl group, an aldehyde group, an amino group, an amide group, and the like.

シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基においては、炭素数が、8〜20であることが好ましく、8〜18であることが更に好ましく、8〜15であることが特に好ましい。上記特定有機官能基の炭素数を上記数値範囲とすることにより、アルコール選択性を兼ね備えつつアルコール透過性に優れたシリカ膜を作製することができる。なお、炭素数が、20を超えると、特定有機官能基が大きくなり過ぎて、特定有機官能基が熱処理により消失して生成する細孔が大きくなり過ぎることがある。そのため、アルコール透過性は高くなるものの、アルコール選択性が低下してしまうことがある。   The specific organic functional group contained in the silicon alkoxide preferably has 8 to 20 carbon atoms, more preferably 8 to 18 carbon atoms, and particularly preferably 8 to 15 carbon atoms. By setting the number of carbon atoms of the specific organic functional group within the above numerical range, it is possible to produce a silica film having alcohol selectivity and excellent alcohol permeability. When the number of carbon atoms exceeds 20, the specific organic functional group may become too large, and the specific organic functional group may disappear due to heat treatment to generate too large pores. Therefore, although alcohol permeability becomes high, alcohol selectivity may fall.

シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基においては、分子量が、120〜300であることが好ましく、120〜250であることが更に好ましく、120〜200であることが特に好ましい。上記特定有機官能基の分子量を上記数値範囲とすることにより、アルコール選択性を兼ね備えつつアルコール透過性に優れたシリカ膜を作製することができる。なお、分子量が、300を超えると、特定有機官能基が大きくなり過ぎて、特定有機官能基が熱処理により消失して生成する細孔が大きくなり過ぎることがある。そのため、アルコール透過性が高くなるものの、アルコール選択性が低下してしまうことがある。   In the specific organic functional group contained in the silicon alkoxide, the molecular weight is preferably 120 to 300, more preferably 120 to 250, and particularly preferably 120 to 200. By setting the molecular weight of the specific organic functional group in the above numerical range, it is possible to produce a silica membrane having alcohol selectivity and excellent alcohol permeability. In addition, when the molecular weight exceeds 300, the specific organic functional group becomes too large, and the specific organic functional group disappears by heat treatment and the generated pores may become too large. Therefore, although alcohol permeability becomes high, alcohol selectivity may fall.

シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基としては、デシル基、ドデシル基、オクタデシル基、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル基、N−フェニル−3−アミノプロピル基、N−シクロヘキシルアミノプロピル基、等を挙げることができる。   Specific organic functional groups contained in silicon alkoxide include decyl group, dodecyl group, octadecyl group, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl group, N-phenyl-3-aminopropyl group, and N-cyclohexylaminopropyl group. , Etc.

また、シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基においては、アセン類の有機官能基を含まないことが好ましい。アセン類の有機官能基とは、複数のベンゼン環が直線状に縮合した化合物を含む有機官能基のことである。アセン類の有機官能基は、同じ分子量の炭化水素を含む有機官能基と比較して、その沸点が著しく高くなる。このため、熱処理の工程において、特定有機官能基が分解され難く、この特定有機官能基に由来する細孔が形成され難くなる。また、同様に、シリコンアルコキシドに含まれる特定有機官能基においては、多環芳香族炭化水素を有する有機官能基を含まないことが好ましい。このような多環芳香族炭化水素を有する有機官能基も、同じ分子量の炭化水素を含む有機官能基と比較して、その沸点が著しく高くなる。その結果、この特定有機官能基に由来する細孔が形成され難くなる。   Moreover, it is preferable that the specific organic functional group contained in the silicon alkoxide does not contain an organic functional group of acenes. The organic functional group of acenes is an organic functional group containing a compound in which a plurality of benzene rings are linearly condensed. The boiling point of the organic functional group of acenes is significantly higher than that of an organic functional group containing a hydrocarbon having the same molecular weight. For this reason, in the heat treatment step, the specific organic functional group is hardly decomposed, and pores derived from the specific organic functional group are hardly formed. Similarly, the specific organic functional group contained in the silicon alkoxide preferably does not contain an organic functional group having a polycyclic aromatic hydrocarbon. Such an organic functional group having a polycyclic aromatic hydrocarbon also has a significantly higher boiling point than an organic functional group containing a hydrocarbon having the same molecular weight. As a result, it is difficult to form pores derived from this specific organic functional group.

一般的に、分子量が大きい有機官能基は、その分、沸点が高く、シリカ膜から除去させるために必要な熱処理の温度(以下、「熱処理温度」ともいう)が高温となる。また、シリカ膜は一般的に、熱処理温度が高温になるほどシリカ構造が緻密化することが知られており、熱処理温度が高くなることによりシリカ膜の透過性が低下することが懸念される。シリカ膜の熱処理温度を高温化させることなく、分子量が大きい有機官能基をシリカ膜中から除去させるために、有機官能基が熱分解しにくい構造であることは好ましくない。即ち、有機官能基が熱分解し易い構造であることが好ましい。このため、上記特定有機官能基を、アセン類の有機官能基及び多環芳香族炭化水素を有する有機官能基以外の有機官能基とすることで、シリカ膜の熱処理の高温化を抑制することができる。   In general, an organic functional group having a large molecular weight has a higher boiling point, and the temperature of heat treatment necessary for removing it from the silica film (hereinafter also referred to as “heat treatment temperature”) becomes high. Further, it is generally known that the silica structure becomes denser as the heat treatment temperature becomes higher, and there is a concern that the permeability of the silica film may be lowered due to the higher heat treatment temperature. In order to remove an organic functional group having a large molecular weight from the silica film without increasing the heat treatment temperature of the silica film, it is not preferable that the organic functional group has a structure that is difficult to thermally decompose. That is, it is preferable that the organic functional group has a structure that is easily thermally decomposed. For this reason, the specific organic functional group is an organic functional group other than the organic functional group of acenes and the organic functional group having polycyclic aromatic hydrocarbon, thereby suppressing the high temperature of the heat treatment of the silica film. it can.

また、本実施形態のシリカ膜フィルタにおいては、シリカ原料に含有されるシリコンアルコキシドに含まれる「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基(即ち、特定有機官能基)」が、40〜100%分解されていることが好ましい。このように構成することによって、アルコール透過性を良好に発現させる細孔が、シリカ膜に十分に形成されることとなる。   In the silica membrane filter of the present embodiment, the “organic functional group having 8 or more carbon atoms and 120 or more molecular weight (ie, a specific organic functional group)” contained in the silicon alkoxide contained in the silica raw material, It is preferable that it is decomposed by 40 to 100%. By comprising in this way, the pore which expresses alcohol permeability favorably will fully be formed in a silica membrane.

本実施形態のシリカ膜フィルタのシリカ膜は、以下のように作製されたものである。まず、上記特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料を、加水分解及び重縮合させることにより前駆体ゾルを作製する。次いで、この前駆体ゾルを、多孔質基材上に膜状に配置する。多孔質基材上に膜状に配置した前駆体ゾルを、熱処理して、シリカ膜を作製する。ここで、前駆体ゾルを作製するためのシリカ原料には、シリコンアルコキシド以外の物質が含まれていてもよい。例えば、シリカ原料には、シリコン以外の金属元素を含んでいてもよい。   The silica membrane of the silica membrane filter of this embodiment is produced as follows. First, a precursor sol is prepared by hydrolyzing and polycondensing a silica raw material containing a silicon alkoxide containing at least one specific organic functional group. Next, the precursor sol is disposed in a film shape on the porous substrate. A precursor sol disposed in a film shape on a porous substrate is heat-treated to produce a silica film. Here, the silica raw material for producing the precursor sol may contain a substance other than silicon alkoxide. For example, the silica raw material may contain a metal element other than silicon.

上記特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドとしては、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、ナフタリルトリメトキシシラン、N−シクロヘキシルアミノプロピルトリメトキシシラン等を挙げることができる。上述した「特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシド」は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、シリカ膜を作製するシリカ原料には、上述した「特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシド」以外のシリコンアルコキシドを含んでいてもよい。ここで、「特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシド」を「シリコンアルコキシド(A)」とし、「「特定有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシド」以外のシリコンアルコキシド」を「シリコンアルコキシド(B)」とする。シリカ膜を作製するシリカ原料に、シリコンアルコキシド(A)と、シリコンアルコキシド(B)との両方が含まれている場合には、シリコンアルコキシド(B)の総分子量に対する、シリコンアルコキシド(A)の総分子量の比が、1以上であることが好ましい。なお、シリコンアルコキシド(B)の総分子量に対する、シリコンアルコキシド(A)の総分子量の比は、「シリコンアルコキシド(A)の総分子量/シリコンアルコキシド(B)の総分子量」で表すことができる。   Examples of the silicon alkoxide containing at least one specific organic functional group include decyltrimethoxysilane, dodecyltrimethoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, and N-phenyl-3. -Aminopropyltrimethoxysilane, naphthalyltrimethoxysilane, N-cyclohexylaminopropyltrimethoxysilane, etc. can be mentioned. The above-mentioned “silicon alkoxide containing at least one specific organic functional group” may be used alone or in combination of two or more. Further, the silica raw material for producing the silica film may contain a silicon alkoxide other than the above-described “silicon alkoxide containing at least one specific organic functional group”. Here, “silicon alkoxide including at least one specific organic functional group” is referred to as “silicon alkoxide (A)”, and “silicon alkoxide other than“ silicon alkoxide including at least one specific organic functional group ”is referred to as“ silicon alkoxide ( B) ". When both the silicon alkoxide (A) and the silicon alkoxide (B) are contained in the silica raw material for producing the silica film, the total amount of silicon alkoxide (A) relative to the total molecular weight of silicon alkoxide (B) The molecular weight ratio is preferably 1 or more. The ratio of the total molecular weight of the silicon alkoxide (A) to the total molecular weight of the silicon alkoxide (B) can be expressed as “total molecular weight of silicon alkoxide (A) / total molecular weight of silicon alkoxide (B)”.

本実施形態のシリカ膜フィルタでは、上述した熱処理によっても特定有機官能基の一部がシリカ膜に残存している場合に、シリカ膜が疎水性となる。即ち、上述した熱処理により、特定有機官能基が100%分解されていない場合に、シリカ膜が疎水性となる。その結果、シリカ膜が水蒸気を吸着しにくくなるので、シリカ膜は水蒸気に対する耐久性が高まる。   In the silica membrane filter of the present embodiment, the silica membrane becomes hydrophobic when a part of the specific organic functional group remains in the silica membrane even by the heat treatment described above. That is, when the specific organic functional group is not decomposed 100% by the heat treatment described above, the silica film becomes hydrophobic. As a result, since the silica film is difficult to adsorb water vapor, the silica film is more durable against water vapor.

前駆体ゾルを作製する際にシリコンアルコキシドを加水分解及び重縮合させると、シリコンアルコキシド同士が次々に結合していき、シリコンアルコキシドに由来した構造単位が連なった鎖ができる。また、この鎖は時折分岐しながら作りあげられていく。その結果、シリコンアルコキシドに由来した構成単位を連ねた鎖が網目状の構造を形作る。この網目状の構造の網の目が細孔の原型となる。シリコンアルコキシド同士が結合して網目状の構造を形成していく際には、特定有機官能基が三次元構造上の障害となって小さな網の目になることを妨げたり、あるいは特定有機官能基が鎖と鎖との交わる角度を所定の角度となるように作用したりすることが推察される。このような、特定有機官能基の作用によって、細孔の原型となる網の目の大きさや網の目の形がアルコールを通過させるのに適したものになると推察される。   When silicon alkoxide is hydrolyzed and polycondensed when the precursor sol is produced, silicon alkoxides are successively bonded to each other to form a chain in which structural units derived from silicon alkoxide are linked. Also, this chain is made up with occasional branching. As a result, a chain of structural units derived from silicon alkoxide forms a network structure. The mesh with this network structure is the prototype of the pores. When silicon alkoxides are bonded to each other to form a network structure, the specific organic functional group prevents the three-dimensional structure from becoming a small network, or the specific organic functional group It is inferred that the angle between the chain and the chain acts to be a predetermined angle. By the action of such specific organic functional groups, it is presumed that the size of the mesh or the shape of the mesh that is the prototype of the pores is suitable for passing alcohol.

こうして作製した前駆体ゾルを熱処理することにより、上述した網目状の構造の網の目が細孔になる。この熱処理により、前駆体ゾルに含まれる一部の特定有機官能基が分解される。特に、細孔の原型となる網の目の内側にあった特定有機官能基が分解されると、特定有機官能基が分解しなければ占めていたはずであろう場所に空間がつくられて細孔が大きくなると推察される。あるいは、特定有機官能基が分解されたことに起因して、細孔の形が変化すると推察される。こうした細孔の大きさや形の変化により、細孔がアルコールを通過させるのにより適した状態になると推察される。本実施形態のシリカ膜フィルタのシリカ膜において、アルコールのみが選択的に透過する理由は不明であるが、以下のようなことが推察される。即ち、細孔の大きさや形が、アルコール以外の有機化合物の透過よりもアルコールの透過に適した状態になっており、アルコールを含む有機混合化合物からアルコールが選択的に透過できたものと推察される。   By heat-treating the precursor sol thus produced, the mesh of the network structure described above becomes pores. By this heat treatment, some specific organic functional groups contained in the precursor sol are decomposed. In particular, when the specific organic functional group that was inside the mesh that is the prototype of the pore is decomposed, a space is created in a place that would have occupied if the specific organic functional group did not decompose. It is inferred that the hole becomes larger. Alternatively, it is assumed that the shape of the pores changes due to the decomposition of the specific organic functional group. It is inferred that such changes in the size and shape of the pores make the pores more suitable for passing alcohol. The reason why only alcohol permeates selectively in the silica membrane of the silica membrane filter of the present embodiment is unknown, but the following is presumed. In other words, the pore size and shape are more suitable for permeation of alcohol than permeation of organic compounds other than alcohol, and it is assumed that alcohol can selectively permeate from organic mixed compounds containing alcohol. The

(1−2)多孔質基材:
本実施形態のシリカ膜フィルタは、多孔質基材を備えたものである。そして、この多孔質基材の表面に、シリカ膜が設けられている。シリカ膜を多孔質基材の表面に設けると、シリカ膜の強度を補強することができる。多孔質基材は、多数の細孔が貫通している。そのため、流体は多孔質基材を通過することができる。
(1-2) Porous substrate:
The silica membrane filter of this embodiment is provided with a porous substrate. A silica film is provided on the surface of the porous substrate. When the silica film is provided on the surface of the porous substrate, the strength of the silica film can be reinforced. The porous substrate has a large number of pores passing therethrough. Therefore, the fluid can pass through the porous substrate.

本実施形態のシリカ膜フィルタに用い得る多孔質基材としては、アルミナ、チタニア、シリカ、コージェライト、ジルコニア、ムライトなどのうちの少なくとも1種を主成分とした多孔質セラミックスからなるものを用いることが好ましい。ここに挙げたアルミナなどが主成分の場合には、多孔質基材が、耐熱性、耐薬品性、耐衝撃性などに優れたものとなる。   As a porous substrate that can be used in the silica membrane filter of the present embodiment, a porous substrate made of a porous ceramic mainly composed of at least one of alumina, titania, silica, cordierite, zirconia, mullite, and the like is used. Is preferred. When alumina or the like listed here is a main component, the porous substrate is excellent in heat resistance, chemical resistance, impact resistance, and the like.

多孔質基材は、シリカ膜が設けられている部分の表面において、平均細孔径が0.0005〜5μmの細孔が開口していることが好ましい。このように構成することによって、シリカ膜を透過する物質の透過流束を高くすることができる。また、多孔質基材の平均細孔径が、上記数値範囲であると、多孔質基材の細孔の開口部分に対してシリカ膜を完全に充填させることができる。   In the porous substrate, pores having an average pore diameter of 0.0005 to 5 μm are preferably opened on the surface of the portion where the silica film is provided. By comprising in this way, the permeation | transmission flux of the substance which permeate | transmits a silica membrane can be made high. Further, when the average pore diameter of the porous substrate is within the above numerical range, the silica membrane can be completely filled into the opening portions of the pores of the porous substrate.

また、本実施形態のシリカ膜フィルタにおいては、多孔質基材が、単層構造であってもよし、複層構造であってもよい。単層構造とは、多孔質基材が、一種類の多孔質の基材によって構成されたもののことをいう。複層構造とは、多孔質基材が、二種類以上の多孔質の基材からなり、上記二種類以上の多孔質の基材が積層されて構成されたもののことをいう。   In the silica membrane filter of the present embodiment, the porous substrate may have a single layer structure or a multilayer structure. The single-layer structure means that the porous substrate is composed of one kind of porous substrate. The multilayer structure means that the porous substrate is composed of two or more kinds of porous substrates, and the two or more kinds of porous substrates are laminated.

多孔質基材の形状については、特に制限はない。多孔質基材の形状としては、例えば、円筒、角筒等の筒状(チューブ状)状や、円柱、角柱等の柱状を挙げることができる。また、多孔質基材の形状としては、円板状、多角形板状等の板状であってもよい。なお、シリカ膜フィルタの容積に対するシリカ膜の表面積の比率を大きくできることから、多孔質基材の形状が、モノリス形状であることが好ましい。「モノリス形状」とは、一方の端面及び他方の端面を有する柱状の基材に、流体の流路となる一方の端面から他方の端面まで延びる複数のセル(孔)が形成された、レンコン状の形状のことをいう。このようなモノリス形状の多孔質基材を用いた場合には、レンコン状に開いている孔の内壁面に、シリカ膜を設けることが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular about the shape of a porous base material. Examples of the shape of the porous substrate include a cylindrical shape (tube shape) such as a cylinder and a rectangular tube, and a column shape such as a column and a rectangular column. The shape of the porous substrate may be a plate shape such as a disk shape or a polygonal plate shape. In addition, since the ratio of the surface area of the silica membrane to the volume of the silica membrane filter can be increased, the shape of the porous substrate is preferably a monolith shape. "Monolith shape" is a lotus shape in which a plurality of cells (holes) extending from one end surface to the other end surface, which serve as a fluid flow path, are formed on a columnar base material having one end surface and the other end surface. This means the shape. When such a monolithic porous substrate is used, it is preferable to provide a silica film on the inner wall surface of the lotus-like hole.

また、本実施形態のシリカ膜フィルタでは、シリカ膜は、シリカ膜を透過する物質の透過流束を高くする観点から、多孔質基材の表面から細孔内に深く侵入していない状態で設けられていることが好ましい。   In the silica membrane filter of this embodiment, the silica membrane is provided in a state where it does not penetrate deeply into the pores from the surface of the porous substrate from the viewpoint of increasing the permeation flux of the substance that permeates the silica membrane. It is preferable that

(2)シリカ膜フィルタの製造方法:
次に、本発明のシリカ膜フィルタの製造方法の一の実施形態について説明する。本実施形態のシリカ膜フィルタの製造方法は、「前駆体溶液調製工程」と、「被覆工程」と、「乾燥・熱処理工程」と、を有するものである。「前駆体溶液調製工程」は、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料を、加水分解及び重縮合させて前駆体ゾルを含有する前駆体溶液を得る工程である。「被覆工程」は、前駆体溶液調製工程にて得られた前駆体溶液を、多孔質基材の表面上に接触させ、前駆体溶液の自重による流下によって、前駆体溶液に含まれた前駆体ゾルを多孔質基材の表面上に付着させる工程である。「乾燥・熱処理工程」は、多孔質基材の表面上に付着した上記前駆体ゾルを乾燥し、次いで300〜600℃にて熱処理する工程である。このような各工程を経て、シリカ膜フィルタを製造することができる。本実施形態のシリカ膜フィルタの製造方法によって得られたシリカ膜フィルタは、これまでに説明した本発明のシリカ膜フィルタとなる。
(2) Silica membrane filter manufacturing method:
Next, an embodiment of a method for producing a silica membrane filter of the present invention will be described. The method for producing a silica membrane filter of the present embodiment includes a “precursor solution preparation step”, a “coating step”, and a “drying / heat treatment step”. The “precursor solution preparation step” includes a precursor sol obtained by hydrolyzing and polycondensing a silica raw material containing a silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more. In this step, a precursor solution is obtained. In the “coating step”, the precursor solution obtained in the precursor solution preparation step is brought into contact with the surface of the porous substrate, and the precursor contained in the precursor solution by flowing under the dead weight of the precursor solution. In this step, the sol is deposited on the surface of the porous substrate. The “drying / heat treatment step” is a step of drying the precursor sol adhering to the surface of the porous substrate and then heat-treating it at 300 to 600 ° C. Through these steps, a silica membrane filter can be manufactured. The silica membrane filter obtained by the method for producing a silica membrane filter of this embodiment is the silica membrane filter of the present invention described so far.

前駆体溶液調製工程では、シリカ原料を40〜150℃で攪拌して、上記シリコンアルコキシドを加水分解及び重縮合をさせることにより、シリコンアルコキシドの重合が促進されて成膜に適当な大きさの前駆体ゾルを得ることができる。また、シリカ原料を攪拌する際に、シリカ原料の温度、及びシリカ原料を攪拌する時間等を調整することによって、前駆体ゾルの大きさを調整することができる。前駆体ゾルが大きい場合、続く被覆工程において前駆体ゾルが多孔質基材の表面から細孔内に侵入しにくくなる。その結果、シリカ膜は多孔質基材の表面から細孔内に侵入した分の厚みを小さくすることができる。従って、大きな前駆体ゾルを用いることにより、薄い膜厚のシリカ膜を作製することが可能になる。こうしてシリカ膜を薄くすると、シリカ膜に物質を透過させる際の透過流束を高めることが可能になる。   In the precursor solution preparation step, the silica raw material is stirred at 40 to 150 ° C., and the silicon alkoxide is hydrolyzed and polycondensed to accelerate the polymerization of the silicon alkoxide, so that the precursor having an appropriate size for film formation is obtained. A body sol can be obtained. In addition, when the silica raw material is stirred, the size of the precursor sol can be adjusted by adjusting the temperature of the silica raw material, the time for stirring the silica raw material, and the like. When the precursor sol is large, it becomes difficult for the precursor sol to enter the pores from the surface of the porous substrate in the subsequent coating step. As a result, the thickness of the silica film that has entered the pores from the surface of the porous substrate can be reduced. Therefore, it is possible to produce a thin silica film by using a large precursor sol. When the silica film is thinned in this way, it is possible to increase the permeation flux when the substance is permeated through the silica film.

シリカ原料には、炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドが含有される。以下、「炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシド」のことを、「特定シリコンアルコキシド」ということがある。また、このシリカ原料には、有機溶媒が含有されることが好ましい。この有機溶媒としては、特に限定されないが、シリカ原料及び水と混和可能なアルコール類、エーテル類、ケトン類、アミド類、芳香族類などを挙げることができる。例えば、エタノール、イソプロパノール、N−メチル−2ピロリドンなどを挙げることができる。また、有機溶媒は1種類のみではなく2種類以上を混合してもよい。   The silica raw material contains silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more. Hereinafter, “a silicon alkoxide having at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more” may be referred to as “specific silicon alkoxide”. The silica raw material preferably contains an organic solvent. Although it does not specifically limit as this organic solvent, Alcohol, ethers, ketones, amides, aromatics, etc. which are miscible with a silica raw material and water can be mentioned. For example, ethanol, isopropanol, N-methyl-2pyrrolidone, etc. can be mentioned. Moreover, you may mix not only one type but 2 or more types of organic solvents.

前駆体溶液調製工程にて調製される前駆体溶液は、特定シリコンアルコキシドの加水分解を促進するために、触媒を含んでいることが好ましい。前駆体溶液にて含まれる触媒としては、酸触媒、又はアルカリ触媒を挙げることができる。具体的には、酸触媒としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸、燐酸、酢酸などを挙げることができる。また、アルカリ触媒としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアなどを挙げることができる。   The precursor solution prepared in the precursor solution preparation step preferably contains a catalyst in order to promote hydrolysis of the specific silicon alkoxide. Examples of the catalyst contained in the precursor solution include an acid catalyst and an alkali catalyst. Specifically, examples of the acid catalyst include nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and acetic acid. Moreover, as an alkali catalyst, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia etc. can be mentioned, for example.

前駆体溶液調製工程にて使用されるシリカ原料は、上記特定シリコンアルコキシドと、上記有機溶媒とを混ぜて攪拌し、次いで、酸触媒と水とを更に加えて攪拌する方法によって調製することができる。   The silica raw material used in the precursor solution preparation step can be prepared by a method in which the specific silicon alkoxide and the organic solvent are mixed and stirred, and then an acid catalyst and water are further added and stirred. .

被覆工程においては、前駆体溶液の自重による流下によって、前駆体溶液に含まれた前駆体ゾルを多孔質基材の表面上に付着させる(この被覆の方法を、以下、流下法という)。流下法によって多孔質基材上に前駆体ゾルを付着させた場合には、後述するディップ法やスピンコート法などによって前駆体ゾルを付着させたときと比べ、前駆体ゾルが適度な応力を受けつつ短時間で多孔質基材の細孔を閉塞する。その結果、得られるシリカ膜の膜厚が薄くなり、且つ、得られるシリカ膜の細孔径が、アルコール選択性能を発現するのに適した大きさになる。   In the coating step, the precursor sol contained in the precursor solution is deposited on the surface of the porous substrate by flowing down due to the weight of the precursor solution (this coating method is hereinafter referred to as the flowing-down method). When the precursor sol is deposited on the porous substrate by the flow-down method, the precursor sol receives an appropriate stress compared to the case where the precursor sol is deposited by the dip method or spin coat method described later. While closing the pores of the porous substrate in a short time. As a result, the thickness of the resulting silica membrane becomes thin, and the pore diameter of the obtained silica membrane becomes a size suitable for expressing the alcohol selection performance.

ディップ法によって多孔質基材上に前駆体ゾルを付着させた場合には、流下法の場合と比べて、得られるシリカ膜の膜厚が厚くなりやすい。この際、前駆体ゾルが多孔質基材の細孔内に自由に入ってしまうため、多孔質基材の細孔内に前駆体ゾルが過剰に充填されてしまう。ディップ法によって得られるシリカ膜の細孔径が、アルコール選択性能を発現するのに適した大きさよりもやや小さくなる。また、シリカ膜の膜厚を薄くするために、前駆体ゾルの付着量を減少させた場合には、多孔質基材の細孔を、前駆体ゾルによって完全に閉塞させることが困難になる。このため、得られるシリカ膜に、孔径が数nm以上の大きさの孔が形成されてしまうことがある。こうした孔径が数nm以上の孔がシリカ膜に形成されていると、この孔から、分離目的以外の物質が通過してしまう。即ち、上記孔径が数nm以上の孔が、シリカ膜の欠陥となる。   When the precursor sol is deposited on the porous substrate by the dip method, the thickness of the resulting silica film tends to be thicker than in the case of the flow-down method. At this time, since the precursor sol freely enters the pores of the porous substrate, the precursor sol is excessively filled in the pores of the porous substrate. The pore diameter of the silica membrane obtained by the dip method is slightly smaller than the size suitable for expressing the alcohol selection performance. In addition, when the amount of the precursor sol attached is reduced in order to reduce the thickness of the silica film, it is difficult to completely block the pores of the porous substrate with the precursor sol. For this reason, pores having a pore size of several nm or more may be formed in the obtained silica film. When such a pore having a pore diameter of several nanometers or more is formed in the silica membrane, a substance other than the separation object passes through the pore. That is, the pore having a pore diameter of several nm or more becomes a defect in the silica film.

スピンコート法によって多孔質基材上に前駆体ゾルを付着させた場合には、流下法の場合と同様に、シリカ膜の膜厚を薄くすることが可能である。ところが、スピンコート法の場合、スピンコートの回転時の過度の応力によって、前駆体ゾルが多孔質基材の細孔内に緻密に充填されてしまう。そのため、ディップ法と同様に、得られるシリカ膜の細孔径が、アルコール選択性能を発現するのに適した大きさよりも小さくなる。ここで、スピンコートの回転時の応力を減少させるために、スピンコートの回転数を減少させると、シリカ膜の膜厚が厚くなってしまう。また、スピンコートの回転数を減少させると、多孔質基材の細孔を、前駆体ゾルによって完全に閉塞させることが困難になる。このため、得られるシリカ膜に、孔径が数nm以上の大きさの孔が形成されてしまうことがある。上述したように、この孔径が数nm以上の孔が、シリカ膜の欠陥となる。   When the precursor sol is deposited on the porous substrate by the spin coating method, the thickness of the silica film can be reduced as in the case of the flow-down method. However, in the case of the spin coating method, the precursor sol is densely filled in the pores of the porous base material due to excessive stress during the spin coating rotation. Therefore, like the dip method, the pore diameter of the obtained silica membrane is smaller than the size suitable for expressing the alcohol selection performance. Here, if the rotation speed of the spin coat is decreased in order to reduce the stress at the time of spin coat rotation, the thickness of the silica film is increased. Further, when the rotation speed of the spin coat is reduced, it becomes difficult to completely block the pores of the porous substrate with the precursor sol. For this reason, pores having a pore size of several nm or more may be formed in the obtained silica film. As described above, pores having a pore diameter of several nm or more become defects in the silica film.

ゾル−ゲル法ではなく、CVD法などの気相法によってシリカ膜を成膜した場合にも、流下法の場合と比べて、前駆体ゾルが多孔質基材の細孔内に自由に入ってしまう。そのため、多孔質基材の細孔内に、前駆体ゾルが過剰に充填されてしまう。その結果、得られるシリカ膜の細孔径が、アルコール選択性能を発現するのに適した大きさよりも小さくなりやすい。   When the silica film is formed not by the sol-gel method but by the vapor phase method such as the CVD method, the precursor sol freely enters the pores of the porous substrate as compared with the flow-down method. End up. Therefore, the precursor sol is excessively filled in the pores of the porous substrate. As a result, the pore diameter of the obtained silica membrane tends to be smaller than the size suitable for expressing the alcohol selection performance.

図2は、本発明のシリカ膜の製造方法の一の実施形態における、被覆工程の一例を示す模式図である。前駆体ゾルの被覆工程に先だって、多孔質基材33の外周面の少なくとも一部を、マスキングテープ41でマスクする。続いて、図2に示すように、セル35が延びる方向を鉛直方向に合わせた状態で多孔質基材33を保持し、多孔質基材33の上側の端面より、多孔質基材33のセル35内に前駆体溶液31を流し込む。図2における符号37は、多孔質基材33の隔壁を示す。   FIG. 2 is a schematic view showing an example of a coating step in one embodiment of the method for producing a silica film of the present invention. Prior to the precursor sol coating step, at least a part of the outer peripheral surface of the porous substrate 33 is masked with the masking tape 41. Subsequently, as shown in FIG. 2, the porous base material 33 is held in a state where the extending direction of the cells 35 is aligned with the vertical direction, and the cells of the porous base material 33 are formed from the upper end surface of the porous base material 33. The precursor solution 31 is poured into 35. Reference numeral 37 in FIG. 2 indicates a partition wall of the porous substrate 33.

このとき、まず、前駆体溶液31に含まれた前駆体ゾルは、多孔質基材33の上側の端面周辺でセル35の内壁面39に付着する。続いて、前駆体ゾルは、内壁面39に付着しながら自重によって流下していくことにより、上側から下側へ拡がりながら内壁面39上を膜状に覆っていく。そして、前駆体ゾルが内壁面39を下側の端面まで覆い尽くすと、内壁面39に付着しきれない前駆体ゾルは、多孔質基材33の下側の端面からセル35外へ排出される。   At this time, first, the precursor sol contained in the precursor solution 31 adheres to the inner wall surface 39 of the cell 35 around the upper end surface of the porous substrate 33. Subsequently, the precursor sol flows down by its own weight while adhering to the inner wall surface 39, thereby covering the inner wall surface 39 in a film shape while spreading from the upper side to the lower side. When the precursor sol completely covers the inner wall surface 39 to the lower end surface, the precursor sol that cannot adhere to the inner wall surface 39 is discharged out of the cell 35 from the lower end surface of the porous substrate 33. .

この流下法によれば、前駆体ゾルが多孔質基材33の細孔内に侵入しにくくなり、また、過剰な量の前駆体ゾルが内壁面39に付着しにくくなる。その結果、内壁面39上に前駆体ゾルの薄い膜をつくることができる。こうして、前駆体ゾルの薄い膜をつくると、透過流束の高いシリカ膜フィルタを得ることができる。   According to this flow-down method, the precursor sol does not easily enter the pores of the porous base material 33, and an excessive amount of the precursor sol does not easily adhere to the inner wall surface 39. As a result, a thin film of the precursor sol can be formed on the inner wall surface 39. Thus, when a thin film of the precursor sol is formed, a silica film filter having a high permeation flux can be obtained.

また、多孔質基材の表面上に付着した前駆体ゾルを乾燥し、次いで300〜600℃で熱処理することにより、特定シリコンアルコキシドに由来した一部の有機官能基を分解することができる。その結果、アルコール選択性能が高いシリカ膜を得ることができる。熱処理温度が300℃より低い場合は、有機官能基の分解が不十分であり、十分な透過性が得られない。また、熱処理温度が600℃より高い場合は、シリカ構造が緻密化することにより、有機官能基が除去されて形成された細孔が小さくなってしまい、透過性が小さくなる。なお、熱処理工程は、大気中、不活性ガス中、真空中などで行うことができる。本実施形態のシリカ膜フィルタの製造方法においては、乾燥・熱処理工程にて、特定シリコンアルコキシドに含まれる炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基が、40〜100%分解されることが好ましい。これにより、アルコール選択性能が高いシリカ膜を良好に得ることができる。例えば、上記有機官能基の分解が40%未満であると、有機官能基により形成される細孔が少なくなり、透過性が小さくなることがある。   Moreover, some organic functional groups derived from the specific silicon alkoxide can be decomposed by drying the precursor sol attached on the surface of the porous substrate and then heat-treating it at 300 to 600 ° C. As a result, a silica membrane having high alcohol selection performance can be obtained. When the heat treatment temperature is lower than 300 ° C., the organic functional group is not sufficiently decomposed and sufficient permeability cannot be obtained. On the other hand, when the heat treatment temperature is higher than 600 ° C., the silica structure is densified, so that the pores formed by removing the organic functional group are reduced, and the permeability is reduced. Note that the heat treatment step can be performed in the air, in an inert gas, in a vacuum, or the like. In the method for producing a silica membrane filter of the present embodiment, the organic functional group having 8 or more carbon atoms and 120 or more molecular weight contained in the specific silicon alkoxide is decomposed by 40 to 100% in the drying / heat treatment step. It is preferable. Thereby, a silica membrane with high alcohol selection performance can be obtained satisfactorily. For example, when the decomposition of the organic functional group is less than 40%, pores formed by the organic functional group are reduced, and the permeability may be reduced.

また、本実施形態のシリカ膜フィルタの製造方法では、被覆工程と乾燥・熱処理工程を1回ずつに限定しなくてもよい。即ち、最終的に、多孔質基材の細孔がシリカ膜によって閉塞された状態となればよい。そのため、被覆工程を繰り返すことや、被覆工程と乾燥・熱処理工程の双方を繰り返すことにより、多孔質基材の細孔を前駆体ゾルによって徐々に塞いでいき、最終的に多孔質基材の細孔が完全に閉塞した状態にすることもできる。被覆工程を複数回行うことにより、1回の被覆工程における前駆体溶液の使用量を減らすことができる。その結果、多孔質基材の表面上を流下していく前駆体ゾルの量も少なくなるため、前駆体ゾルが細孔内に過度に侵入してしまうことを防ぐことができる。   Moreover, in the manufacturing method of the silica membrane filter of this embodiment, it is not necessary to limit the coating process and the drying / heat treatment process once. That is, it is only necessary that the pores of the porous substrate are finally closed by the silica film. Therefore, by repeating the coating process or by repeating both the coating process and the drying / heat treatment process, the pores of the porous substrate are gradually closed with the precursor sol, and finally the fineness of the porous substrate is reduced. It is also possible to make the hole completely closed. By performing the coating process a plurality of times, the amount of the precursor solution used in one coating process can be reduced. As a result, since the amount of the precursor sol flowing down on the surface of the porous substrate is also reduced, it is possible to prevent the precursor sol from excessively entering the pores.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(1)シリカ膜フィルタの作製:
参考例1)
参考例1においては、特定有機官能基を含むシリコンアルコキシドとして、ドデシルトリメトキシシランを用いてシリカ膜フィルタの作製を行った。ドデシルトリメトキシシランの有機官能基は、炭素数が12で、分子量が169のものである。
(1) Production of silica membrane filter:
( Reference Example 1)
In Reference Example 1, a silica membrane filter was prepared using dodecyltrimethoxysilane as a silicon alkoxide containing a specific organic functional group. The organic functional group of dodecyltrimethoxysilane has 12 carbon atoms and a molecular weight of 169.

参考例1においては、まず、このドデシルトリメトキシシランと、エタノールを混合して4℃で攪拌し、ドデシルトリメトキシシランとエタノールが十分に混ざり合った混合溶液を作製した。次に、加水分解のために硝酸水溶液を少量ずつ添加し、4℃のまま、更に1時間攪拌した。次に、得られた混合溶液を50℃にして3時間攪拌した。攪拌中に分層が生じた場合、必要に応じてヘキサンを追加した。その後、混合溶液に、溶媒を加えて希釈した。なお、溶媒を加える際には、混合溶液中のシリカゾルの濃度が、SiO換算で2.0質量%となるよう溶媒の量を調節した。このようにして、ドデシルトリメトキシシランを含有する前駆体ゾルを得た。 In Reference Example 1, first, this dodecyltrimethoxysilane and ethanol were mixed and stirred at 4 ° C. to prepare a mixed solution in which dodecyltrimethoxysilane and ethanol were sufficiently mixed. Next, an aqueous nitric acid solution was added little by little for hydrolysis, and the mixture was further stirred for 1 hour at 4 ° C. Next, the obtained mixed solution was brought to 50 ° C. and stirred for 3 hours. If separation occurred during stirring, hexane was added as needed. Thereafter, the mixed solution was diluted by adding a solvent. Note that when adding a solvent, the concentration of silica sol in the mixed solution was adjusted to the amount of solvent so as to be 2.0 wt% in terms of SiO 2. In this way, a precursor sol containing dodecyltrimethoxysilane was obtained.

得られた前駆体ゾルを、160mLはかりとり、図2に示した方法で、モノリス型セラミック基材に形成されたセル内に、前駆体ゾルを流下することによって、このセルの内壁面に前駆体ゾルを付着させた。モノリス型セラミック基材は、直径30mm、長さ160mmのものを用いた。また、前駆体ゾルを付着させる際には、セラミック基材の両端部をガラスでシールした。   160 ml of the obtained precursor sol is weighed, and the precursor sol flows down into the cell formed on the monolithic ceramic substrate by the method shown in FIG. A sol was deposited. A monolithic ceramic substrate having a diameter of 30 mm and a length of 160 mm was used. In addition, when attaching the precursor sol, both ends of the ceramic substrate were sealed with glass.

次に、セルの内壁面に付着させた前駆体ゾルを乾燥させた後、乾燥させた前駆体ゾルを、500℃で1時間熱処理した。この熱処理によって、前駆体ゾルからなるシリカ膜が形成される。上記の前駆体ゾルの被覆から熱処理までの工程を3〜6回繰り返し、モノリス型セラミック基材のセルの内壁面において、モノリス型セラミック基材の細孔がシリカ膜によって閉塞された状態となったことを確認した。   Next, after drying the precursor sol adhered to the inner wall surface of the cell, the dried precursor sol was heat-treated at 500 ° C. for 1 hour. By this heat treatment, a silica film made of the precursor sol is formed. The steps from the coating of the precursor sol to the heat treatment were repeated 3 to 6 times, and the pores of the monolithic ceramic substrate were blocked by the silica film on the inner wall surface of the cell of the monolithic ceramic substrate. It was confirmed.

参考例2)
熱処理を450℃で行ったこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
( Reference Example 2)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the heat treatment was performed at 450 ° C.

参考例3)
特定有機官能基を含むシリコンアルコキシドとして、オクタデシルトリメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
( Reference Example 3)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that octadecyltrimethoxysilane was used as a silicon alkoxide containing a specific organic functional group.

(実施例4)
特定有機官能基を含むシリコンアルコキシドとして、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
Example 4
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane was used as the silicon alkoxide containing the specific organic functional group.

(実施例5)
特定有機官能基を含むシリコンアルコキシドとして、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
(Example 5)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane was used as a silicon alkoxide containing a specific organic functional group.

参考例6)
特定有機官能基を含むシリコンアルコキシドとして、ナフタリルトリメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
( Reference Example 6)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that naphthalyltrimethoxysilane was used as a silicon alkoxide containing a specific organic functional group.

参考例1〜3,及び実施例4,5において使用したシリコンアルコキシドの種類、有機官能基の炭素数、有機官能基の分子量、及び熱処理温度を、表1に示す。 Table 1 shows the types of silicon alkoxides used in Reference Examples 1 to 3, 6 and Examples 4 and 5 , the number of carbon atoms of the organic functional group, the molecular weight of the organic functional group, and the heat treatment temperature.

Figure 0005856524
Figure 0005856524

(比較例1)
前駆体ゾルを作製するためのシリコンアルコキシドとして、テトラメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
(Comparative Example 1)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that tetramethoxysilane was used as the silicon alkoxide for producing the precursor sol.

(比較例2)
前駆体ゾルを作製するためのシリコンアルコキシドとして、フェニルトリメトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
(Comparative Example 2)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that phenyltrimethoxysilane was used as the silicon alkoxide for producing the precursor sol.

(比較例3)
前駆体ゾルを作製するためのシリコンアルコキシドとして、オクチルトリエトキシシランを用いたこと以外は、参考例1と同様にしてシリカ膜フィルタを作製した。
(Comparative Example 3)
A silica membrane filter was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that octyltriethoxysilane was used as the silicon alkoxide for producing the precursor sol.

比較例1〜3において使用したシリコンアルコキシドの種類、有機官能基の炭素数、有機官能基の分子量、及び熱処理温度を、表2に示す。   Table 2 shows the types of silicon alkoxides used in Comparative Examples 1 to 3, the carbon number of the organic functional group, the molecular weight of the organic functional group, and the heat treatment temperature.

Figure 0005856524
Figure 0005856524

(2)混合有機液体のパーベーパレーション試験:
参考例1〜3,、実施例4,5及び比較例1〜3のシリカ膜フィルタに対して、以下の方法で、混合有機液体のパーベーパレーション試験を行った。
(2) Pervaporation test of mixed organic liquid:
The pervaporation test of the mixed organic liquid was performed with respect to the silica membrane filters of Reference Examples 1 to 3, 6 and Examples 4 and 5 and Comparative Examples 1 to 3 by the following method.

まず、各参考例、実施例及び比較例のシリカ膜フィルタのセル内に、温度が50℃のエタノールとo−キシレンとn−オクタンの混合液体を流通させた。エタノールとo−キシレンとn−オクタンの質量比は、エタノール:o−キシレン:n−オクタン=33:33:33とした。そして、モノリス型セラミック基材の側面から約1.33kPaの真空度で減圧し、モノリス型セラミック基材の側面からの透過蒸気を、液体窒素にて冷却したトラップにて捕集した。捕集した透過蒸気の液体物の質量から、全透過流束(単位時間あたりに単位面積の膜を透過した流体)を算出した。また、透過蒸気の液体物をガスクロマトグラフィーにて分析し、透過蒸気の組成を決定した。エタノール透過流束(kg/m・hr)と、透過液エタノール濃度(質量%)を、表1及び表2に示す。 First, a mixed liquid of ethanol, o-xylene and n-octane having a temperature of 50 ° C. was circulated in the cells of the silica membrane filters of the respective reference examples, examples and comparative examples. The mass ratio of ethanol, o-xylene, and n-octane was ethanol: o-xylene: n-octane = 33: 33: 33. Then, the pressure was reduced at a vacuum degree of about 1.33 kPa from the side surface of the monolith type ceramic base material, and the permeated vapor from the side surface of the monolith type ceramic base material was collected by a trap cooled with liquid nitrogen. The total permeation flux (fluid that permeated the membrane of the unit area per unit time) was calculated from the mass of the collected permeated vapor. Moreover, the liquid substance of the permeate vapor was analyzed by gas chromatography to determine the composition of the permeate vapor. Tables 1 and 2 show the ethanol permeation flux (kg / m 2 · hr) and the permeate ethanol concentration (mass%).

参考例1〜3,、実施例4,5のシリカ膜フィルタは、エタノール透過流束が高く、エタノールとo−キシレンとn−オクタンとが混じり合った流体の中からエタノールを選択的に分離する優れた性能を有していた。比較例1〜3のシリカ膜フィルタは、参考例1〜3,、実施例4,5のシリカ膜フィルタと比較して、エタノール透過流束が低かった。これは、前駆体ゾルを作製するためのシリコンアルコキシドに有機官能基が含まれていない、又は、有機官能基が含まれていても、炭素数が8未満又は分子量120未満であるため、シリカ膜の細孔が小さくなってしまったためと推測される。 The silica membrane filters of Reference Examples 1 to 3, 6 and Examples 4 and 5 have a high ethanol permeation flux, and selectively separate ethanol from a fluid in which ethanol, o-xylene, and n-octane are mixed. Had excellent performance. The silica membrane filters of Comparative Examples 1 to 3 had a lower ethanol permeation flux than the silica membrane filters of Reference Examples 1 to 3, 6 and Examples 4 and 5 . This is because the silicon alkoxide for producing the precursor sol does not contain an organic functional group, or even if it contains an organic functional group, the number of carbon atoms is less than 8 or the molecular weight is less than 120. This is presumed to be because the pores of the film have become smaller.

本発明は、複数種の物質が混じり合っている流体(液体やガス)の中から特定種の物質のみを分離又は濃縮するために用いることが可能なシリカ膜フィルタ及びその製造方法として利用できる。特に、本発明のシリカ膜フィルタは、アルコールを含む有機混合化合物から、アルコールを選択的に透過させる分離膜として好適に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a silica membrane filter that can be used to separate or concentrate only a specific type of substance from a fluid (liquid or gas) in which a plurality of types of substances are mixed, and a method for manufacturing the same. In particular, the silica membrane filter of the present invention can be suitably used as a separation membrane that selectively permeates alcohol from an organic mixed compound containing alcohol.

1:多孔質基材、2:セル、3:シリカ膜、11:一方の端面、12:他方の端面、31:前駆体溶液、33:多孔質基材、35:セル、37:隔壁、39:内壁面、41:マスキングテープ、100:シリカ膜フィルタ。 1: porous substrate, 2: cell, 3: silica film, 11: one end surface, 12: the other end surface, 31: precursor solution, 33: porous substrate, 35: cell, 37: partition wall, 39 : Inner wall surface, 41: masking tape, 100: silica membrane filter.

Claims (2)

炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基を少なくとも1つ含むシリコンアルコキシドを含有するシリカ原料を、加水分解及び重縮合させて前駆体ゾルを含有する前駆体溶液を得る前駆体溶液調製工程と、
前記前駆体溶液を多孔質基材の表面上に接触させ、前記前駆体溶液の自重による流下によって、前記前駆体溶液に含まれた前記前駆体ゾルを前記多孔質基材の表面上に付着させる被覆工程と、
前記多孔質基材の前記表面上に付着した前記前駆体ゾルを乾燥し、次いで300〜600℃にて熱処理する乾燥・熱処理工程と、を有し、
前記前駆体溶液調製工程に用いられる前記炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の有機官能基が、その一部に酸素原子及び窒素原子の少なくとも一方を含む官能基を含んでいるシリカ膜フィルタの製造方法。
Precursor solution for obtaining a precursor solution containing a precursor sol by hydrolyzing and polycondensing a silica raw material containing a silicon alkoxide containing at least one organic functional group having 8 or more carbon atoms and a molecular weight of 120 or more A preparation process;
The precursor solution is brought into contact with the surface of the porous substrate, and the precursor sol contained in the precursor solution is deposited on the surface of the porous substrate by flowing under the dead weight of the precursor solution. A coating process;
Said porous drying the precursor sol adhered to the surface of the substrate and then possess a drying and heat treatment step of heat-treating, the at 300 to 600 ° C.,
Silica membrane filter in which the organic functional group having 8 or more carbon atoms and 120 or more molecular weight used in the precursor solution preparation step includes a functional group containing at least one of an oxygen atom and a nitrogen atom. Manufacturing method.
前記乾燥・熱処理工程にて、前記シリコンアルコキシドに含まれる前記炭素数が8以上で且つ分子量が120以上の前記有機官能基が40〜100%分解される請求項に記載のシリカ膜フィルタの製造方法。 2. The production of a silica membrane filter according to claim 1 , wherein the organic functional group having 8 or more carbon atoms and having a molecular weight of 120 or more contained in the silicon alkoxide is decomposed by 40 to 100% in the drying / heat treatment step. Method.
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