JP2018075526A - 水分吸着材 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は第1実施形態によれば、水分吸着材である。図1は、本実施形態に係る水分吸着材を模式的に示す概念図である。図1を参照すると、水分吸着材1は、金属酸化物ナノ粒子1の凝集体である多孔質体と、多孔質体に内包された複合塩12とを含み、空孔13が形成されて、球状凝集物を構成している。
本発明は第2実施形態によれば、水分吸着材である。第2実施形態に係る水分吸着材は、多孔質体と、多孔質体に内包された単塩とを含み、多くの空孔が形成されている。
本発明は、第3実施形態によれば、吸着カプセルまたは吸着組成物であって、第1または第2実施形態による水分吸着材を構成成分とするものに関する。以下、本実施形態において、単に水分吸着材と指称する場合、第1または第2実施形態による水分吸着材を意味するものとする。
本発明は、第4実施形態によれば、第1または第2実施形態による水分吸着材を備える吸着式冷凍機及びデシカント調湿機に関する。
(ゾル作成)
ジルコニアゾル(以下、スラリーとも指称する)は、特開2011-57531号公報に開示された方法を用い、以下のようにして作成した。オキシ塩化ジルコニウム八水和物91.2gを純水1.39Lに溶解し塩化ジルコニウム水溶液に、炭酸水素アンモニウム31.2gを0.38Lに溶かした水溶液を攪拌しながら加えジルコニアゾル前駆体を調整した。この前駆体に硝酸アルミニウム九水和物11.2gを加えて溶解させ、アルミニウムイオンを含む前駆体を得た。次に前駆体ゾルに炭酸カリウム34.9gを純水1.22Lに溶かした水溶液を攪拌しながら加えたところ、アルミニウムとジルコニウムの酸化物としての組成比(モル比)が5:95である粒径5nmのジルコニア粒子が分散した白色スラリーを得た。このスラリーはジルコニウム1Mに対して、塩化カリウムを1.8M、塩化アンモニウムを0.2M、アンモニアを1.2M含みpHは11〜12であった。全体の体積は3Lであった。
このスラリーをスプレードライ法で乾燥させ、アルミナドープジルコニアナノ粒子と塩を内包した球状凝集物(粉末)60gを得た。得られた粉末量は仕込み量から推定される収量とほぼ同じであった。スラリーは次の条件で噴霧乾燥しジルコニア粒子と塩が混合した凝集物を得た。噴霧乾燥には、噴霧乾燥装置(株式会社プリス、SB39)を用いた。噴霧条件は、入り口温度180℃、出口温度100℃、スラリー供給速度は、500g/時であった。
噴霧乾燥で得られた粉末は、600℃で4時間、大気中で焼成し、塩化アンモニウム(融点338℃)を除去し、細孔を持つ多孔質構造からなる水分吸着材を得た図4(A)は焼成前の凝集物の透過型電子顕微鏡写真であり、図4(B)は、同じ球状凝集物の透過型電子顕微鏡写真である。また、図5(A)は焼成後に得られた水分吸着材の透過型電子顕微鏡写真であり、図5(B)は、同じ水分吸着材の透過型電子顕微鏡写真である。図6は、焼結後のジルコニアナノ粒子の拡大写真であり、微粒子間にネッキングが生じていることが示された。
水分吸着特性の測定は、水蒸気吸着等温線測定装置(日本ベル、BELSORP18PLUS-HT)を用いて実施した。測定の前処理条件として、焼成処理して得られた吸着材を、150℃で5時間減圧脱気した。測定温度は25℃とした。温度25℃でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は相対蒸気圧Φ=0.85で吸着量が急激に立ち上がり(図7)、Φ=0.99では初期重量1gに対して4.6gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。塩化カリウムの融点は770℃なので焼成処理後も粉末の中に存在しており、かつ、溶解熱が吸熱(17kJ/mol)であるため、水分吸着により溶解した事により吸着材温度が下がり、水分の結露が吸着材周囲で生じたため大きな吸着量となった。
実施例1と同様にしてスラリーを得たのち、遠心分離器を用い、純水で計9回洗浄を行い未反応のイオンを除去した。その後、1.8MのNaCl、0.2M塩化アンモニウムとなるように塩を添加し、NaCl含有スラリーを得た。その後、実施例1と同様に噴霧乾燥した後焼成しNaCl含有吸着材を得た。温度25度でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.75で吸着量が急激に立ち上がり(図7)、Φ=0.99では初期重量1gに対して4.7gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。塩化ナトリウムの融点は801℃なので焼成処理後も粉末の中に存在しており、溶解熱が吸熱(3.9kJ/mol)であるため、実施例1と同様に水分吸着により溶解した事により吸着材温度が下がり、水分の結露が吸着材の周囲で生じたため大きな吸着量となった。
実施例1と同様にしてスラリーを得たのち、遠心分離器を用い、純水で計9回洗浄を行い未反応のイオンを除去した。その後、NaBrが0.9M、KClが0.9M、塩化アンモニウムが0.2Mとなるように塩を添加したスラリーを得た。実施例1と同様に噴霧乾燥と焼成しKBr/NaCl含有吸着材を得た。温度25度でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.65で吸着量が急激に立ち上がり(図7)、Φ=0.99では初期重量1gに対して5.0gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。臭化カリウムと塩化ナトリウム融点はそれぞれ734℃と801℃なので焼成処理後も粉末の中に存在していると考えられる。両塩とも溶解熱は吸熱(19.9kJ/mol、3.9kJ/mol)であるため、実施例1と同様に水分吸着により溶解した事により吸着材温度が下がり、水分の結露が吸着材周囲で生じたため大きな吸着量となった。
実施例1と同様にしてスラリーを得たのち、遠心分離器を用い、純水で計9回洗浄を行い未反応のイオンを除去した。その後、NaBrが1.8M、塩化アンモニウムが0.2Mとなるように塩を添加したスラリーを得た。実施例1と同様に噴霧乾燥後焼成しNaBr含有吸着材を得た。温度25℃でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.4で吸着量が急激に立ち上がりΦ=0.6まで吸着量が増加した後、また吸着量が急激に増加した(図7)。これは水和の影響と考えられる。Φ=0.99では初期重量1gに対して4.9gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。臭化ナトリウムの融点は755℃なので粉末の中に存在していると考えられる。無水物の溶解熱は若干発熱であるが、水和物の溶解熱は吸熱であるため、実施例1と同様に水分吸着により溶解した事により吸着材温度が下がり、水分の結露が吸着材周囲で生じたため大きな吸着量となったと考えられる。
実施例1と同様にしてスラリーを得たのち、遠心分離器を用い、純水で計9回洗浄を行い未反応のイオンを除去した。その後、0.9MのCH3COOK、0.9MのCH3COONa・3H2O、0.2M塩化アンモニウムとなるように塩を添加したスラリーを得た。実施例1と同様に噴霧乾燥したが、焼成はしなかった。温度25度でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、Φ=0から0.38まで、吸着量がΦに比例して増加し、Φ=0.38で吸着量が立ち上がり、Φ=0.6近傍まで吸着量が増加した(図7)。Φ=0.99では初期重量1gに対して5.3gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。
実施例1と同様にしてスラリーを得たのち、遠心分離器を用い、純水で計9回洗浄を行い未反応のイオンを除去した。その後、CaCl2が0.3M、NaBrが1.5M、塩化アンモニウムが0.2Mとなるように塩を添加したスラリーを得た。実施例1と同様に噴霧乾燥と焼成し、CaCl2とNaBrを、CaCl2:NaBr=0.3M:1.5Mで含有する吸着材を得た。温度25度でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.52で吸着量が急激に立ち上がり(図7)、Φ=0.99では初期重量1gに対して3gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。
実施例6において、未反応のイオンを除去した後、CaCl2の添加量を1.5M、NaBrの添加量を0.3Mとした以外は、実施例6と同様にして、スラリーを得た。実施例1と同様に噴霧乾燥と焼成し、CaCl2とNaBrを、CaCl2:NaBr=1.5M:0.3Mで含有する吸着材を得た。温度25度でのこの粉末の水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.01から立ち上がり、更に0.16で立ち上がり(図7)、Φ=0.99では初期重量1gに対して4.5gの水分を吸着した。このことから、この粉末は水分吸着材ということができる。
実施例1と同様にスラリーを作成し、イオンを除去した後、体積を3Lとしたスラリーから噴霧乾燥によりジルコニア粒子凝集物を得た。これを同様に焼成し吸着材とした。水分吸着等温線はΦ=0から1に向かって緩やかな上昇をするだけで、Φ=0.95付近で吸着量は0.148g−H2O/g−DMであった(図7)。比較例1から、実施例1〜5での塩の吸着量への効果は非常に大きいことが分かる。
市販のゼオライト(関東化学製、製品名:モレキュラーシーブ5A)を吸着剤とした。温度25度での水分吸着等温線から、吸着材は、相対蒸気圧Φ=0.01から急激に立ち上がった。しかし、Φ=0.03以降、緩やかな上昇をするだけで、Φ=0.97付近で吸着量は、初期重量1gに対して241mg程度であった(図7)。
11 金属酸化物ナノ粒子
11a 金属酸化物
11b ドーパント
12 複合塩
13 空孔
2 水
Claims (13)
- 多孔質体と、前記多孔質体に内包された複合塩とを含む水分吸着材であって、前記複合塩の水への溶解熱が負である水分吸着材。
- 前記複合塩が、水への溶解熱が正である塩と、水への溶解熱が負である塩との組み合わせである、請求項1に記載の水分吸着材。
- 前記複合塩が、NaCl、NaBr・2H2O、KBr、KCl、CaCl2・6H2O、KIから選択される塩を含む、請求項1または2に記載の水分吸着材。
- 前記多孔質体が、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、MgOから選択される1以上を主成分として含む金属酸化物ナノ粒子凝集物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の水分吸着材。
- 前記金属酸化物ナノ粒子が、Al2O3、CaO、MgO、Y2O3から選択される1以上の添加剤を含む、請求項4に記載の水分吸着材。
- 多孔質体と、前記多孔質体に内包されたKCl、NaCl、NaBrから選択される単塩とを含む水分吸着材。
- 前記多孔質体が、Al2O3添加剤を含むZrO2ナノ粒子凝集物である、請求項6に記載の水分吸着材。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の水分吸着材と、前記水分吸着材を内包する透湿性樹脂を含む吸着カプセル。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の水分吸着材と、保水性高分子ゲルとを含む吸着組成物。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の水分吸着材、請求項8に記載の吸着カプセル、または請求項9に記載の吸着組成物を備えてなる吸着式冷凍機。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の水分吸着材、請求項8に記載の吸着カプセル、または請求項9に記載の吸着組成物を備えてなるデシカント調湿機。
- 金属酸化物ゾルを調製する工程と、
前記金属酸化物ゾルと、水への溶解熱が負である塩もしくは複合塩とを混合する塩置換工程と、
前記塩置換工程で得られた混合物を、噴霧乾燥する工程と
を含む、水分吸着材の製造方法。 - 前記塩置換工程で空孔形成剤をさらに混合し、前記噴霧乾燥する工程の後に、噴霧乾燥して得られた粒子を焼成する工程をさらに含む、請求項12に記載の製造方法。
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