JP3373006B2 - 水素分離膜の製造法 - Google Patents

水素分離膜の製造法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水素分離膜の製造法
関する。更に詳しくは、水素選択透過性膜を形成させた
多孔質セラミックス膜よりなる水素分離膜の製造法に関
する。
【0002】
【従来の技術】水素の超高純度精製用膜として、Pd-Ag
合金膜が知られており(Sep.Sci.Technol.第22巻第87
3〜887頁、1987年)、既に実用化もされている。このよ
うな水素分離用Pd系合金膜は、従来合金単独で中空状に
作られており、従って、それの強度上の制約から、外径
が1.6mmのもので最小膜厚が約80μm程度が限界であり、
水素透過速度は膜厚に逆比例するため、水素透過速度が
遅いという問題がみられた。
【0003】その対策として、多孔質アルミナチューブ
表面に、化学メッキ法でPd系合金膜を形成させる方法が
提案されているが(J.Memb.Sci.第56巻第303、315
頁、1991年)、膜厚については4.5〜6.4μmと改善されて
はいるものの未だ厚く、しかも膜形成プロセスが複雑
で、工程が多いという難点がみられる。更に、水素雰囲
気下で加熱・冷却のサイクルをくり返すと、水素脆性に
より膜が劣化するという問題がみられ、これは水素分離
膜として使用する上で、絶対に見逃すことのできない問
題である。
【0004】そこで、Pd-Ag合金膜を水素選択透過性膜
とする水素分離膜であって、このPd系合金膜を薄膜とし
て形成させることにより、水素透過速度を高めたもの、
具体的には、多孔質セラミックス中空糸外表面上に、Pd
(NO3)2-AgNO3混合物水溶液の噴霧熱分解物たるPd-Ag合
金薄膜を堆積させて製造される水素分離膜が、本発明者
の一部らによって提案されており、そこでは膜厚約2μm
で500℃におけるH2/N2分離係数24、水素透過係数8×10
-7モル/m2・s・PaのPd-Ag合金薄膜が形成されている(化
学工学会第25回秋季大会研究発表講演要旨集第1分冊第7
頁、1992年)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Pd薄
膜またはPd合金薄膜よりなる水素選択透過性膜を多孔質
セラミックス膜の細孔内に形成させることにより薄膜化
を図り、これにより水素透過性を更に改善させた水素分
離膜の製造法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明により、細孔内に
Pd薄膜またはPd合金薄膜を形成させた多孔質セラミック
ス膜よりなる水素分離膜が、多孔質セラミックス膜の両
側に圧力差を設け、気化させたPd膜源またはPd合金膜源
を多孔質セラミックス膜の細孔内に吸引しながら、細孔
内でPd膜化またはPd合金膜化させることにより製造され
る。
【0007】支持体として用いられる多孔質セラミック
ス膜としては、一般に平均細孔率が約20〜60%、好まし
くは約40〜60%であって、平均細孔径が約5〜5000nm、好
ましくは約50〜500nmの精密ロ過性能を有する、α-アル
ミナ、シリカ、ジルコニア等のセラミックスあるいはこ
れらの複合物または混合物から形成された多孔質膜など
が用いられる。膜の形状は、一般に中空糸膜であること
が好ましいが、この他にフィルム状乃至シート状のもの
なども用いられる。
【0008】また、多孔質セラミックス膜は、その表面
にゾル・ゲル法によるγ-アルミナ薄膜を形成させて用
いることができる。ゾル・ゲル法によるγ-アルミナ薄
膜の形成は、アルミニウムイソプロポキシドを加水分解
後、酸で解こうすることにより調製したベーマイトゾル
を用い、これを多孔質セラミックス膜にディップコーテ
ィング(引上げ速度0.5〜2.0mm/秒)することによりベー
マイトゲル膜を形成させ、これを室温下で一夜乾燥させ
た後、約400〜800℃で約5〜10時間焼成する操作を、1
回以上、一般には複数回くり返すことにより行われる。
【0009】このような多孔質セラミックス膜の細孔内
へのPd薄膜またはPd合金薄膜の形成は、膜の両側に圧力
差を設け、気化させたPd膜源またはPd合金膜源を多孔質
セラミックス膜の細孔内に吸引しながら、細孔内でPd膜
化またはPd合金膜化させることにより行われる。
【0010】Pd膜源としては、一般に酢酸パラジウム、
塩化パラジウム、硝酸パラジウム等の金属塩が用いら
れ、これを熱分解させてPd薄膜を形成させるCVD法(化学
蒸着法)が適用される。Pd膜源としては熱分解によりPd
を生成するものであれば、金属塩以外のものも用いるこ
とができる。更に、Ag、Au、Pt、Rh、Ru、Ir等と合金化
してもよく、その場合にはそれらの金属源として、金属
塩等の内熱分解でそれぞれの金属を生成するものが使用
される。その際、Pd源と熱分解温度の近いものを用いる
ことが好ましい。
【0011】このCVD法を多孔質セラミックス中空糸膜
について適用する場合には、図1に示されるような装置
を用いて行われる。
【0012】反応器1底部の細径部にOリング2によっ
て多孔質セラミックス中空糸膜3を固定し、その上端部
をガラス(例えば、Na2O-B2O3-SiO2系ガラス)で封止4す
る。中空糸膜3内のガスは、中空糸膜の開口端5より、
ロータリポンプ6で連続的に排気される。また、反応器
1内のガスは、ロータリポンプ7により排気される。こ
れら反応器1および中空糸膜3の出口の圧力は、ピラニ
ゲージ8および9によってそれぞれ測定され、排気量は
石けん膜流量計で測定する。
【0013】反応器1内には、アルゴンガス導入管10に
より、流量制御器11を通して、アルゴンガスが供給さ
れ、例えばPd膜源として酢酸パラジウムを用い、また多
孔質セラミックス膜として平均細孔径約150nm、平均細
孔率約40%の多孔質α-アルミナ中空糸膜を用いた場合、
その圧力は約20〜2000Pa、好ましくは約150〜200Paに保
たれる。一方、中空糸膜3内の圧力は約1〜100Pa、好ま
しくは約6〜9Paに保たれ、例えばアルゴンガスの供給量
が6ml/分(STP)の場合、排気量は約0.2〜0.3ml/分(STP)
である。なお、圧力および圧力差は、Pd膜源またはPd合
金膜源の特性や多孔質セラミックス膜の特性によって異
なり、一概には特定できないが、一般には約10〜2000Pa
程度の範囲内の適当な値が選ばれる。反応器1は、温度
制御器付きの電気炉12により外部から加熱され、その温
度はアルメル・クロメル熱電対13によって検出される。
【0014】Pd膜源物質またはPd合金膜源物質14は、反
応器1の本体底部15に置かれ、上記のような排気条件下
で、約300〜500℃に加熱される。このような反応温度に
約1〜3時間程度保持すると、熱分解で生じたPdまたはPd
合金は多孔質セラミックス中空糸膜3の外表面側の細孔
内に担持され、そこにPd薄膜またはPd合金薄膜を形成さ
せる。
【0015】
【発明の効果】本発明により、細孔内にPd薄膜またはPd
合金薄膜よりなる水素選択透過性膜を形成させた多孔質
セラミックス膜よりなる水素分離膜の製造法が提供され
る。ここで多孔質セラミックス膜の細孔内に形成された
Pd薄膜またはPd合金薄膜は、ピンホールがなく、水素選
択透過性および水素透過速度の点でもすぐれ、しかも水
素分離膜にしばしばみられる水素脆化の問題を生じさせ
ない。
【0016】
【実施例】次に、実施例について本発明を説明する。
【0017】実施例1 多孔質セラミックス膜として多孔質α-アルミナ中空糸
膜(外径2.6mm、内径2.0mm、平均細孔径150nm、平均細孔
率40%)を、またPd膜源物質として酢酸パラジウム20mgを
それぞれ用い、長さ250mm、内径28mmのパイレックス管
を反応器とする図1に示される装置を用い、CVD法を行
った。
【0018】まず、反応器をロータリポンプで排気しな
がら、6ml/分(STP)の供給量のアルゴンガスを流し、多
孔質α-アルミナ中空糸膜内をロータリポンプで、0.2〜
0.3ml/分(STP)の排気量で排気することにより、反応器
内を約150〜200Paの圧力に、また多孔質α-アルミナ中
空糸膜内を約6〜9Paの圧力にそれぞれ制御する。
【0019】そして、昇温速度13℃/分で400℃迄昇温さ
せ、酢酸パラジウムを熱分解させて2時間の製膜を行っ
たところ、ピンホールのない緻密なPd薄膜が中空糸膜外
表面の細孔内に形成された。ピンホールの有無は、透過
部温度300℃で水素透過速度の圧力依存性を調べ、図2
のグラフに示したように、水素透過速度が膜両側の水素
分圧差によらず一定であることから、ピンホールフリー
であると判断された。
【0020】また、このPd薄膜形成中空糸膜の透過性能
を、種々温度を変えて水素ガス透過係数として測定する
と、図3のグラフに示されるような結果が得られた。
【0021】更に、Pd系薄膜は、水素透過に伴う水素の
吸収と吐き出しとがくり返される過程で脆化すること前
述の如くであるので、100℃⇔300℃の昇・降温をくり返
して水素透過速度を測定したが、図4のグラフに示され
るように、水素脆化の問題は生じていなかった。
【0022】実施例2 実施例1において、製膜温度を500℃、昇温速度を17℃/
分に変更して製膜したところ、ピンホールのない緻密な
Pd薄膜が、中空糸膜外表面側の細孔内に形成された。
【0023】このPd薄膜形成中空糸膜の水素ガス透過係
数の透過温度依存性は、図5のグラフに示される。この
場合の水素ガス透過係数は、製膜温度400℃の場合より
も低下していた。
【0024】実施例3 実施例1において、製膜温度を300℃、昇温速度を10℃/
分に変更して製膜したところ、ピンホールのない緻密な
Pd薄膜が、中空糸膜外表面の細孔内に形成された。
【0025】このPd薄膜形成中空糸膜の水素ガス透過係
数の透過温度依存性は、図6のグラフに示される。この
場合の水素ガス透過係数は、製膜温度400℃の場合より
も大きくなっていた。
【0026】また、得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜の膜表面SEM写真から、多孔質α-
アルミナ中空糸膜の外表面の細孔が、Pdによって隙間な
く埋められていることが確認された(図8〜10および図1
1〜12参照)。更に、Pd薄膜の膜断面のSEM-EDX分析結果
から、Pdは多孔質α-アルミナ中空糸膜の表面細孔内に
確実に入っていることも確認された(図13〜15参照)。
【0027】実施例4 実施例3において、多孔質α-アルミナ中空糸膜の外表
面側に、ゾル・ゲル法によるγ-アルミナ薄膜(平均膜厚
5μm、平均細孔径5nm)を形成させたものを用いて製膜し
たところ、ピンホールのない緻密なPd薄膜が、中空糸膜
外表面側の細孔内に形成された。
【0028】このPd薄膜形成中空糸膜の水素ガス透過係
数の透過温度依存性は、図7のグラフに示される。ここ
で、2種類の○で示されたものは、それぞれ水素ガスの
透過係数を示しており、また2種類の△で示されたもの
は、それぞれ窒素ガスの透過係数を示している。
【0029】なお、ガス透過試験は、中空糸膜の中央部
(長さ約10mm)以外の部分をすべて封着ガラスで封止し、
この中央部の外側に水素ガスまたは窒素ガスを流通させ
た後、Pd薄膜を透過したガス成分をアルゴンガスに同伴
させて、TCD-ガスクロマトグラフィーで分析することに
より行われた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法に用いられるCVD装置の概要図であ
る。
【図2】実施例1で得られた水素分離膜の水素ガス透過
係数の膜両面水素分圧差依存性を示すグラフである。
【図3】実施例1で得られた水素分離膜の水素ガス透過
係数の透過温度依存性を示すグラフである。
【図4】実施例1で得られた水素分離膜の水素脆化特性
を示すグラフである。
【図5】実施例2で得られた水素分離膜の水素ガス透過
係数の透過温度依存性を示すグラフである。
【図6】実施例3で得られた水素分離膜の水素ガス透過
係数の透過温度依存性を示すグラフである。
【図7】実施例4で得られた水素分離膜の水素ガス透過
係数の透過温度依存性を示すグラフである。
【図8】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜の膜表面SEM写真である。
【図9】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜の膜断面SEM写真である。
【図10】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜面SEM写真である。
【図11】実施例3で用いられた多孔質α-アルミナ中空
糸膜の膜表面SEM写真である。
【図12】実施例3で用いられた多孔質α-アルミナ中空
糸膜の膜断面SEM写真である。
【図13】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜の断面二次電子像写真である。
【図14】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜のPd線分析プロファイル写真であ
る。
【図15】実施例3で得られたPd薄膜形成多孔質α-アル
ミナ中空糸膜のPd薄膜のAl線分析プロファイル写真であ
る。
【符号の説明】
1 反応器 3 多孔質セラミックス中空糸膜 6,7 ロータリポンプ 10 アルゴンガス導入管 12 電気炉 14 Pd膜源物質
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諸岡 成治 福岡県福岡市東区美和台3−29−2 (72)発明者 草壁 克己 福岡県福岡市東区箱崎6−10−1 九州 大学工学部内 (72)発明者 前田 英明 福岡県福岡市東区箱崎6−10−1 九州 大学工学部内 (56)参考文献 特開 昭62−121616(JP,A) 特開 平4−349926(JP,A) 特開 昭50−55965(JP,A) 特開 平6−277472(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 67/00 - 71/82 510 B01D 53/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多孔質セラミックス膜の両側に圧力差を
    設け、気化させたPd膜源またはPd合金膜源を多孔質セラ
    ミックス膜の細孔内に吸引しながら、細孔内でPd膜化ま
    たはPd合金膜化させることを特徴とする水素分離膜の製
    造法。
  2. 【請求項2】 多孔質セラミックス膜として、多孔質α
    -アルミナ膜またはその表面にゾル・ゲル法によるγ-ア
    ルミナ薄膜を形成させたものが用いられる請求項記載
    の水素分離膜の製造法。
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