高透過速度を有するゼオライトナノクリスタル触媒膜の開発と反応分離プロセスへの適用

ゼオライトはその結晶内に低級炭化水素の最小分子径とほぼ等しい径の細孔を有するため、高い分子篩能に由来する得意な触媒活性と分離能を示す。しかし、細孔内の拡散速度が極めて遅いため、その性能を最大限に生かしていない。研究実施者はゼオライトの結晶をナノサイズに調製することでこれらゼオライト使用時に問題となる点を克服できるとの着想に至った。そのため、平成16年度は、1)単分散ゼオライトナノクリスタルの開発について研究を実施し、珪素、アルミナ源とテンプレート分子が溶解した水溶液と、界面活性剤(O-15)および有機溶媒(シクロヘキサン)を浪合してミクロサイズのエマルションを形成し、その後水熱処理することで、シリカライトとZSM-5について60-200nmの範囲で単分散のゼオライトのナノクリスタルを合成することに成功した。そこで、平成17年度は平成16年度に開発したゼオライトナノクリスタルを利用して、次の研究を展開し、所望の成果を得た。2)水の選択的高速分離膜の開発:上記1)で合成したシリカライトのナノクリスタルを、アルミナフィルターの表面に吸引濾過固定化し、さらに水熱処理によって固着・薄膜化することで、膜厚が数百nmから数ミクロンの範囲でゼオライト薄膜を合成した。この膜を用いて浸透気化法により高濃度アセトン水溶液(アセトン/水=90/10)から水の選択透過に成功した。透過速度は、緻密な膜に比べて100倍の高速に達した。3)メタノールからのオレフィン選択合成用触媒膜の開発:ZSM-5のナノクリスタルを用いて2)と同様の方法により触媒膜を作成した。本触媒膜により、緻密な膜に比べて200倍以上の処理速度でメタノールからオレフィンを60%以上の選択率で合成することに成功した。

ゼオライトはその結晶内に低級炭化水素の最小分子径とほぼ等しい径の細孔を有するため、高い分子篩能に由来する得意な触媒活性と分離能を示す。しかし、細孔内の拡散速度が極めて遅いため、その性能を最大限に生かしていない。研究実施者はゼオライトの結晶をナノサイズに調製することでこれらゼオライト使用時に問題となる点を克服できるとの着想に至った。そのため、平成16年度は、1)単分散ゼオライトナノクリスタルの開発について研究を実施し、珪素、アルミナ源とテンプレート分子が溶解した水溶液と、界面活性剤(O-15)および有機溶媒(シクロヘキサン)を浪合してミクロサイズのエマルションを形成し、その後水熱処理することで、シリカライトとZSM-5について60-200nmの範囲で単分散のゼオライトのナノクリスタルを合成することに成功した。そこで、平成17年度は平成16年度に開発したゼオライトナノクリスタルを利用して、次の研究を展開し、所望の成果を得た。2)水の選択的高速分離膜の開発:上記1)で合成したシリカライトのナノクリスタルを、アルミナフィルターの表面に吸引濾過固定化し、さらに水熱処理によって固着・薄膜化することで、膜厚が数百nmから数ミクロンの範囲でゼオライト薄膜を合成した。この膜を用いて浸透気化法により高濃度アセトン水溶液(アセトン/水=90/10)から水の選択透過に成功した。透過速度は、緻密な膜に比べて100倍の高速に達した。3)メタノールからのオレフィン選択合成用触媒膜の開発:ZSM-5のナノクリスタルを用いて2)と同様の方法により触媒膜を作成した。本触媒膜により、緻密な膜に比べて200倍以上の処理速度でメタノールからオレフィンを60%以上の選択率で合成することに成功した。