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Dokumentenidentifikation DE60032198T2 20.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001070534
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FILTERN MIT KERAMISCH PORÖSEM FILM ALS TRENNFILM
Anmelder NGK Insulators, Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder TAKAHASHI, Tomonori, Chita-city, Aichi 478-0036, JP;
ISOMURA, Manabu, Tsushima-city, Aichi 496-0005, JP;
MURASATO, Masahiro, Chita-city, Aichi 478-0054, JP
Vertreter LEINWEBER & ZIMMERMANN, 80331 München
DE-Aktenzeichen 60032198
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 31.01.2000
EP-Aktenzeichen 009020256
WO-Anmeldetag 31.01.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/JP00/00523
WO-Veröffentlichungsnummer 2000045945
WO-Veröffentlichungsdatum 10.08.2000
EP-Offenlegungsdatum 24.01.2001
EP date of grant 06.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse B01D 71/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B01D 69/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 67/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C04B 41/85(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C04B 41/45(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters unter Verwendung einer porösen Keramikmembran (nachstehend als poröse Membran bezeichnet) als Trennfilm. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Filters, der in der Lage ist, die Mikroporengröße der porösen Membran, unabhängig von der Teilchengröße der Gerüstteilchen, zu steuern.

Stand der Technik

Filter, die eine poröse Keramikmembran als Trennfilm verwenden, sind als Feststoff-Flüssigkeits-Trennfilter im Vergleich mit den Filtern, die eine Polymermembran als Trennfilm verwenden, nützlich, da der Keramikfilter aufgrund seiner ausgezeichneten physikalischen Festigkeit und Lebensdauer äußerst verlässlich ist und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, wodurch durch die Reinigung mit einer Säure oder einer Base kaum eine Beschädigung verursacht wird, und das zusätzlich zu dem Vorteil, dass seine Mikroporengröße, welche die Filtrationsfähigkeit bestimmt, genau gesteuert werden kann.

Der Trennfilter, der bisher häufig eingesetzt wurde, umfasst eine poröse Keramikmembran auf einem porösen Substrat, wobei die poröse Keramikmembran eine deutlich feinere Porengröße aufweist als das poröse Substrat, um die Filtrationsleistung zu verbessern, während gleichzeitig eine bestimmte Wasserdurchtrittsrate aufrechterhalten wird.

Der oben beschriebene Filter wird durch ein herkömmliches Aufschlämmungsabscheidungsverfahren hergestellt, beispielsweise durch ein Tauchverfahren, um eine Aufschlämmung, welche Gerüstteilchen enthält, die wiederum eine Keramik umfasst, auf der Oberfläche eines porösen Substrats abzuscheiden, wonach der Abscheidungsfilm gebrannt wird. US-A 4719058 beschreibt ein solches Verfahren.

Die mittlere Mikroporengröße (nachstehend einfach als Mikroporengröße bezeichnet) der porösen Membran des oben beschriebenen Filters ist ein wesentlicher Faktor für die Bestimmung der Filtrationsfähigkeit des Filters. Die Mikroporengröße der porösen Membran (oder die Filtrationsfähigkeit des Filters) wird dadurch gesteuert, indem die Teilchengröße der Gerüstteilchen in der Aufschlämmung sorgfältig ausgewählt wird. Die Mikroporengröße wird, gemäß der Erfahrung der Erfinder, so gesteuert, dass sie zwei- bis viermal kleiner ist als die Teilchengröße der Gerüstteilchen.

Da die Mikroporengröße der porösen Membran in dem oben beschriebenen Steuerungsverfahren jedoch unvermeidlich durch die Teilchengröße der Gerüstteilchen bestimmt wird, besteht das Problem, dass die Mikroporengröße der porösen Membran nicht gesteuert werden kann, wenn die Teilchengröße der als Ausgangsmaterial zur Verfügung stehenden Gerüstteilchen beschränkt ist.

JP-A 8-245278 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines dünnen porösen Keramikfilms auf einem Substrat, bei welchem die Porengröße und die Verteilung des Films dadurch gesteuert wird, indem ein Polyethylenglykol oder Polyethylenoxid im Keramiksol umfasst ist, das auf das Substrat aufgetragen und gebrannt wird.

EP-A 315453 beschreibt die Aufnahme eines organischen Polymers in ein Gemisch, das geformt und erhitzt werden soll, um eine gesinterte poröse Membran aus hochschmelzendem Metalloxid oder Siliciumdioxid herzustellen. Das Polymer wird bereitgestellt, um durch das Erhitzen unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre carbonisiert zu werden, und der Kohlenstoff reagiert mit dem Oxid während des Sinterns. Das Polymer wird so ausgewählt, dass es eine hohe Kohlenstoffausbeute bereitstellt, und kann Polyacrylnitril, Cellulose, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, Polyarylether, Polyacenaphthylen, Polyacetylen und dergleichen sein.

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die unter Berücksichtigung der technischen Probleme, die auf dem herkömmlichen Stand der Technik auftreten, entwickelt wurde, ein Verfahren bereitzustellen, durch das die Mikroporengröße der porösen Membran unabhängig von der Teilchengröße der Gerüstteilchen gesteuert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfinder haben durch umfassende Untersuchungen der technischen Probleme nach dem Stand der Technik festgestellt, dass die Mikroporengröße der porösen Membran durch die Zugabe eines Mikroporengrößenregulierungsmittels, welches ein organisches Polymer umfasst, in eine Filmabscheidungsaufschlämmung gesteuert werden kann, während das Gewichtsverhältnis zwischen dem Mikroporengrößenregulierungsmittel und den Gerüstteilchen angemessen verändert wird.

Die vorliegende Erfindung stellt, wie in Anspruch 1 dargelegt, ein Verfahren zur Herstellung eines Filters bereit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 veranschaulicht ein Beispiel einer Vorrichtung, die für das Filtrationsabscheidungsverfahren verwendet wird;

2 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der zugesetzten Menge des Mikroporengrößenregulierungsmittels und der mittleren Mikroporengröße der porösen Membran darstellt; und

3 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der mittleren Mikroporengröße der porösen Membran und der Wasserdurchtrittsrate des Filters darstellt.

Beste Art der Ausführung der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters umfasst die Filmabscheidungsaufschlämmung ein organisches Polymer zur Vergrößerung der Lücken zwischen den Gerüstteilchen, und die Mikroporengröße der porösen Membran wird durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem organischen Polymer in der Aufschlämmung gesteuert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Mikroporengröße des porösen Polymers unabhängig von der Größe der-Gerüstteilchen gesteuert werden.

Das Verfahren zur Herstellung des Filters gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend detaillierter beschrieben.

Die Bezeichnungen "Mikroporengröße" und "Teilchengröße" in den folgenden Beschreibungen beziehen sich auf die "mittlere Mikroporengröße" bzw. "mittlere Teilchengröße".

Das poröse Substrat (nachstehend als "Substrat" bezeichnet") bezieht sich auf einen porösen Körper mit vielen feinen Poren mit einer relativ großen Feinporengröße, und eine poröse Membran mit viel kleineren Mikroporen kann auf der Oberfläche des porösen Körpers gebildet werden. Die Form des Substrats ist nicht speziell beschränkt, aber es kann eine Substratplatte, ein röhrenförmiges Substrat, in dem ein einzelnes Durchgangsloch entlang der Längsrichtung eines Zylinders ausgeformt ist, oder ein Substrat des Revolvermagazintyps, bei dem eine Reihe von Durchgangslöchern in der Längsrichtung eines Zylinders ausgeformt sind, verwendet werden.

Das Material für das Substrat ist nicht speziell beschränkt, solange das Material porös ist, und es kann entweder Keramik oder Metall verwendet werden. Keramik ist jedoch in Bezug auf die Lebensdauer zu bevorzugen, und Aluminiumoxid, Titandioxid, Mullit, Zirconiumdioxid und Gemische davon können ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.

Die Filmabscheidungsaufschlämmung gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Aufschlämmung zur Bildung einer porösen Keramikmembran als Trennfilm auf der Oberfläche eines Substrats nach dem Brennen und enthält die Gerüstteilchen, die Keramik umfassen.

Die erfindungsgemäßen Gerüstteilchen beziehen sich auf Teilchen zur Bildung eines Gerüsts der porösen Membran mit einer relativ kleinen Teilchengröße von etwa 1 bis 10 um.

Die Art der Gerüstteilchen ist nicht speziell beschränkt, solange die Teilchen Keramik umfassen, und es kann beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Mullit, Zirconiumdioxid, Siliciumdioxid, Spinell oder ein Gemisch davon verwendet werden.

Aluminiumoxid ist jedoch zu bevorzugen, da dann ein Ausgangsmaterial, das eine stabile Aufschlämmung bilden kann und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, ohne weiteres zur Verfügung steht.

Die Konzentration der Gerüstteilchen in der Aufschlämmung wird bei dem nachstehend beschriebenen Filtrationsabscheidungsverfahren vorzugsweise so angepasst, dass sie in einem Bereich von 0,5 bis 40 Gew.-% liegt, wenngleich sie in Abhängigkeit von der Filmdicke des Abscheidungsfilms und dem Verfahren für die Abscheidung des Films variiert. Wenn die Konzentration weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, dauert die Filmabscheidung länger, während sich die Gerüstteilchen, wenn die Konzentration über 40 Gew.-% liegt, zusammenballen und so leicht Filmdefekte auf der porösen Membran verursachen.

Eine Konzentration von 30 bis 80 Gew.-% ist für das Tauchverfahren erforderlich, da der Film nur dann abgeschieden werden kann, wenn die Aufschlämmung eine höhere Konzentration aufweist als bei dem Filtrationsabscheidungsverfahren.

Additive, wie z.B. ein Dispergiermittel zur Verbesserung der Dispersionsfähigkeit und ein Mittel zur Vorbeugung der Entstehung von Sprüngen beim Trocknen des Abscheidungsfilms, können zweckdienlich zugesetzt werden.

Die zuvor beschriebene Filmabscheidungsaufschlämmung kann bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auf der Oberfläche des Substrats unter Einsatz eines herkömmlichen Filmabscheidungsverfahrens, beispielsweise durch ein Tauchverfahren, abgeschieden werden.

Vorzugsweise wird der Film jedoch in Hinblick darauf, dass Filmdefekte, wie z. B. Stiftlöcher, vermieden werden können, der Film einheitlich mit einer einheitlichen Dicke abgeschieden werden kann und eine poröse Membran mit einer engen Mikroporenverteilung erhalten werden kann, durch das Filtrationsabscheidungsverfahren abgeschieden, das durch die Erfinder der vorliegenden erfindung offenbart wurde (Japanische geprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 63-6566).

Das Filtrationsabscheidungsverfahren umfasst die Schritte des Austauschens der Innenseite der feinen Poren des porösen Substrats durch eine Flüssigkeit, der luftdichten Isolierung der Fläche des porösen Substrats, die mit einer Trennmembran versehen werden soll, von der Fläche des porösen Substrats, die nicht mit der Trennmembran versehen werden soll, der kontinuierlichen Zufuhr der Filmabscheidungsaufschlämmung, die die Keramik umfassenden Gerüstteilchen enthält, zu der Fläche des porösen Substrats, die mit einer Trennmembran versehen werden soll, damit die Aufschlämmung mit der porösen Substratfläche in Kontakt kommen kann, des Anlegens eines Filtrationsdruckunterschieds zwischen der Seite des porösen Substrats, die mit einer Trennmembran versehen werden soll, und der Seite, die nicht mit der Trennmembran versehen wird, und des Abscheidens der Aufschlämmung auf der Oberfläche des porösen Substrats.

Eine Vorbehandlung zum Austauschen der Luft in den feinen Poren des porösen Substrats durch eine Flüssigkeit wird zuerst beim Abscheiden eines Films durch das Filtrationsabscheidungsverfahren angewandt, da die Luft, die in den feinen Poren verbleibt, Filmdefekte, wie z.B. Stiftlöcher, verursacht.

Nach der luftdichten Isolierung der Fläche des porösen Substrats, das mit einer Trennmembran versehen werden soll, von der Fläche des porösen Substrats, die nicht mit einer Trennmembran versehen wird, wird die Filmabscheidungsaufschlämmung der Fläche des vorbehandelten Substrats, die mit der Trennmembran versehen werden soll, kontinuierlich zugeführt, um einen Kontakt der Aufschlämmung mit der Fläche zu ermöglichen.

Die kontinuierliche Zufuhr der Aufschlämmung ermöglicht, dass sich die Gerüstteilchen in der Aufschlämmung so abscheiden, dass sie einen Abscheidungsfilm mit einer einheitlichen Qualität und Filmdicke ohne heterogene Abscheidung bilden.

Die Bezeichnungen "die Fläche, die mit dem Trennfilm versehen werden soll", und "die Fläche, die nicht mit dem Trennfilm versehen wird", beziehen sich hierin auf die Oberseite bzw. die Unterseite einer Substratplatte oder auf die Innenwand der Durchgangslöcher bzw. die äußere Umfangsfläche eines röhrenförmigen Substrats oder eines Substrats des Revolvermagazintyps.

Ein Filtrationsdruckunterschied wird zwischen der Fläche, die mit der Filtrationsmembran versehen werden soll, und der Fläche, die nicht mit dem Filtrationsfilm versehen wird, ausgeübt, während die Aufschlämmung der Fläche, die mit dem Trennfilm versehen werden soll, kontinuierlich zugeführt wird, um einen Kontakt der Aufschlämmung mit der Fläche zu ermöglichen.

Die Seite der Fläche, die nicht mit dem Trennfilm versehen wird, wird evakuiert und/oder Druck wird auf die Seite der Fläche angelegt, die mit dem Trennfilm versehen werden soll. Das Ausüben eines Filtrationsdruckunterschieds ermöglicht, dass die Flüssigkeit, die das Innere der feinen Poren des Substrats substituiert, von der Seite der Fläche, die nicht mit dem Trennfilm versehen wird, abfließt und dass die Aufschlämmung auf der Fläche des Substrats, die mit dem Trennfilm versehen werden soll, abgeschieden wird.

Ein Substrat auf der Oberfläche, auf der die Aufschlämmung, die die Gerüstteilchen umfasst, abgeschieden wurde (nachstehend als Filmabscheidungssubstrat bezeichnet), kann durch verschiedene, oben beschriebene Filmabscheidungsverfahren erhalten werden.

Das Filmabscheidungssubstrat wird unter Einsatz der auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Verfahren gebrannt, beispielsweise durch ein Verfahren zum Brennen bei hohen Temperaturen von etwa 1400°C unter Verwendung eines Wärmeofens des Tunneltyps, um einen Filter zu erhalten, der die poröse Keramikmembran als Trennfilter verwendet.

Eine poröse Membran mit einer gewünschten Mikroporengröße konnte wie oben beschrieben bei dem Filmabscheidungsverfahren nur durch die angemessene Auswahl der Teilchengröße der Gerüstteilchen erhalten werden. Das lag daran, dass das Lückenvolumen zwischen den Gerüstteilchen, oder die Mikroporengröße, unvermeidlich durch die Teilchengröße der Gerüstteilchen bestimmt wurde.

Dementsprechend wurde ein organisches Polymer (nachstehend als Mikroporengrößenregulierungsmittel bezeichnet) zur Vergrößerung der Lücken zwischen den Gerüstteilchen zu der Filmabscheidungsaufschlämmung im Zuge des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zugesetzt. Bei dem oben beschriebenen Verfahren dringt das Mikroporengrößenregulierungsmittel in der Aufschlämmung in die Lücken zwischen den Gerüstteilchen ein, um die Lücken zwischen den Gerüstteilchen zu vergrößern. In der Folge kann eine größere Mikroporengröße erhalten werden, auch wenn die Teilchengröße der verwendeten Gerüstteilchen gleich bleibt.

Das Mikroporengrößenregulierungsmittel sollte in der Lage sein, die Gerüstteilchen voneinander zu isolieren, indem es zwischen die Gerüstteilchen eindringt, außerdem sollte das Mittel ein Material sein, dass die Mikroporen der porösen Membran und die feinen Poren des porösen Substrats nach der Bildung der porösen Membran durch Brennen nicht verstopft, was bedeutet, dass es ein organisches Polymer sein sollte. Langkettige Moleküle wie organische Polymere sind insofern zu bevorzugen, da sie leicht in dem Substrat und der Abscheidungsfilmschicht bleiben, um das Lückenvolumen zwischen den Gerüstteilchen weiter zu vergrößern.

Als Mikroporengrößenregulierungsmittel werden die Polysaccharide Welan Gum und Agar oder ein Gemisch davon verwendet. Polysaccharide, wie z.B. Welan Gum und Agar, weisen eine große Wirkung in Bezug auf die Vergrößerung des Lückenvolumens auf, auch wenn sie in einer äußerst geringen Menge zugesetzt werden, da sie wirken, als wären sie größere Moleküle, indem sie Molekülnetzwerke bilden.

Welan Gum ist ein Polysaccharid mit Grundeinheiten, die entweder (1) zwei Glucosemoleküle, zwei Rhamnosemoleküle und ein Glucuronsäuremolekül oder (2) zwei Glucosemoleküle, ein Rhamnosemolekül, ein Mannosemolekül und ein Glucuronsäuremolekülumfassen.

Die Bezeichnung "Gemisch" bezieht sich, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, auf ein Gemisch, das 1 Gew.-% oder mehr Welan Gum oder Agar umfasst.

Wenngleich die Substanz, die mit Welan Gum oder Agar vermischt werden soll, keinen speziellen Beschränkungen unterliegt, können Saccharide, wie z.B. Monosaccharide (z.B. Glucose), sowie Polyvinylalkohol, Acrylharz und Polyethylenglykol verwendet werden.

Die Mikroporengröße der porösen Membran kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel gesteuert werden. Anders gesagt ist die Mikroporengröße größer, je größer der Gewichtsanteil des Mikroporengrößenregulierungsmittels ist, auch wenn Gerüstteilchen mit derselben Teilchengröße verwendet werden. In der Folge kann ein Filter mit einer porösen Membran mit der erwünschten Mikroporengröße unabhängig von der Teilchengröße der Gerüstteilchen hergestellt werden.

Eine poröse Membran mit einer größeren Mikroporengröße kann in dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren unter Verwendung von Gerüstteilchen mit einer geringeren Teilchengröße hergestellt werden. Eine solche poröse Membran umfasst einen höheren Anteil an Lufthohlräumen, auch wenn die Membran dieselbe Mikroporengröße wie die poröse Membran aufweist, welche unter Verwendung der Gerüstteilchen mit einer größeren Teilchengröße ohne Zugabe eines Mikroporengrößenregulierungsmittels gebildet wurde, da die poröse Membran, die unter Verwendung der Gerüstteilchen mit einer geringeren Teilchengröße gebildet wird, eine größere Anzahl an Mikroporen pro Flächeneinheit aufweist.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist insofern vorteilhaft, dass ein Filter mit einer größeren Wasserdurchtrittsrate (einer höheren Behandlungsfähigkeit) hergestellt werden kann, auch wenn die Mikroporengröße, die die Filtrationsfähigkeit bestimmt, ident ist.

Wenngleich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nachstehend anhand der Beispiele beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die hierin angeführten Beispiele beschränkt.

Das poröse Substrat, die Filmabscheidungsaufschlämmung, das Filmabscheidungsverfahren und das Brennverfahren werden untenstehend beschrieben.

(1) Poröses Substrat

Substrat B und Substrat C wurden in Beispiel 1 bzw. Beispiel 2 als poröses Substrat verwendet (nachstehend als "Substrat" bezeichnet"). Die Substrate wurden einer Vorbehandlung unterzogen, durch die die Luft in den feinen Poren des Substrats durch Wasser ausgetauscht wurde, indem das Substrat mehr als 3 h unter einem reduzierten Druck von 0,1 atm oder niedriger in Wasser eingetaucht wurde, wenn der Film durch das Filtrationsabscheidungsverfahren abgeschieden wurde.

  • 1. Substrat A: Aluminiumoxid in einer röhrenförmigen oder zylindrischen Form (Außendurchmesser: 10 mm; Innendurchmesser: 7 mm; Länge: 1000 mm) mit einem mittleren Feinporendurchmesser von 10 &mgr;m (bestimmt durch ein Einspritzverfahren von Quecksilber unter Druck).
  • 2. Substrat B: hergestellt durch das Abscheiden einer porösen Aluminiumoxidmembran auf der inneren Wandfläche des Durchgangslochs; Dicke der porösen Membran: 150 &mgr;m; mittlere Mikroporengröße der porösen Membran: 0,8 &mgr;m (bestimmt durch ein Luftströmungsverfahren).
  • 3. Substrat C: hergestellt durch das Abscheiden einer porösen Aluminiumoxidmembran auf der inneren Wandfläche des Durchgangslochs eines zylindrischen Substrats des Revolvermagazintyps; Substratmaterial: Aluminiumoxid; Form des Substrats: zylindrischer Revolvermagazintyp (Innendurchmesser: 30 mm; Länge: 1100 mm; 61 Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 2,5 mm), mittlere Feinporengröße des Substrats: 10 &mgr;m (bestimmt durch ein Einspritzverfahren von Quecksilber unter Druck), mittlere Mikroporengröße der porösen Membran: 0,5 &mgr;m (bestimmt durch ein Einspritzverfahren von Quecksilber unter Druck).

(2) Filmabscheidungsaufschlämmung

Die Filmabscheidungsaufschlämmung (nachstehend als Aufschlämmung bezeichnet) wurde nach einem Vakuumentgasungsverfahren zur Entfernung der Luftblasen in der Aufschlämmung auf dem Substrat abgeschieden.

(3) Filmabscheidungsverfahren

Das Tauchverfahren oder das Filtrationsabscheidungsverfahren wurde als Filmabscheidungsverfahren angewandt.

Ein Filmabscheidungskörper wurde bei dem Tauchverfahren hergestellt, indem ein Tauchfilm gebildet wurde, indem das Substrat nach dem Eintauchen in die Filmabscheidungsaufschlämmung herausgezogen wurde, wonach es in einer Atmosphäre bei 110 °C getrocknet wurde.

Bei dem Filtrationsabscheidungsverfahren wurde eine Vorrichtung, wie in 1 dargestellt, eingesetzt, die eine Vakuumkammer 6, ein Reservoir 8, eine Aufschlämmungspumpe 7, Flansche 2 und 3 und eine Rohrleitung 10 umfasst.

Nach dem Sichern der beiden Öffnungsendstücke des Durchgangslochs 17 des Substrats 1 mit O-Ringen 4, der Flansche 2 und 3 und der Bolzen 5, so dass die Außenumfangsseite des Substrats 1 luftdicht von der Innenseite des Durchgangslochs 17 isoliert ist, wurde die Aufschlämmung 9 in dem Reservoir 8 kontinuierlich unter Einsatz der Aufschlämmungspumpe 7 bei einem Speisedruck von 2 kg/cm3 für 30 sek in das Durchgangsloch 17 eingespeist.

Die Aufschlämmung 9, die nicht auf dem Substrat 1 abgeschieden wird, sondern durch das Durchgangsloch 17 hindurchfließt, wird durch die Rohrleitung 10 wieder dem Reservoir 8 zugeführt.

Die Innenseite der Vakuumkammer 6 wird danach evakuiert bis auf einen reduzierten Druck von 0,1 atm oder niedriger, während die Aufschlämmung 9 kontinuierlich eingespeist wird. Die Aufschlämmung in dem Durchgangsloch 17 wurde durch das Einsaugen des Vakuums von der Außenumfangsseite des Substrats 1 abgeschieden, indem ein Filtrationsdruckunterschied von 1 kp/cm2 zwischen der Außenumfangsseite des Substrats 1 und der Innenseite des Durchgangslochs 17 ausgeübt wurde. Der Filtrationsdruckunterschied entspricht in diesem Fall einer Druckdifferenz zwischen dem Druck der Aufschlämmung 9 in dem Durchgangsloch 17, der durch ein Druckanzeigegerät 15 angezeigt wird, und dem atmosphärischen Druck in der Vakuumkammer 6, der durch ein Druckanzeigegerät 16 angezeigt wird.

Nach dem Abschluss der Filmabscheidung wurde die überflüssige Aufschlämmung in dem Durchgangsloch 17 abgeleitet, und die in der Abscheidungsfilmschicht und den Feinporen des Substrats enthaltene Feuchtigkeit wurde in Vakuum getrocknet, indem sie kontinuierlich bei einem reduzierten Druck von 0,1 atm oder niedriger evakuiert wurde. Ein Filmabscheidungskörper wurde durch das Trocknen des Substrats bei 110 °C erhalten.

(4) Brennverfahren

Ein elektrischer Ofen, der an der Luft verwendet wird, wurde für das Brennen eingesetzt.

Die Bezeichnung "Agar-Herstellung", wie er in der Tabelle verwendet wird, bezieht sich auf ein Gemisch, das 60 Gew.-% Agar und als Rest Glucose umfasst, und Aron-AS-7503 (Handelsname) von Toa Synthetic Chemicals, Co. wurde als Acrylharz verwendet.

Aron AS-7503 (Handelsname) ist ein Acrylharz des Wassersoltyps und wird als Emulsion des W/W-Typs formuliert, die durch Pfropfpolymerisation eines auf einer wasserlöslichen Acrylsäure basierenden Monomers hergestellt wird.

(Beispiel 1)

Die Wirkung der Steuerung der Mikroporengröße der porösen Membran durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel wurde in Beispiel 1 untersucht.

Die in Tabelle 1 angeführten Aufschlämmungen wurden hergestellt, indem die Gerüstteilchen zu einer wässrigen Lösung des Mikroporengrößenregulierungsmittels unter Mischen zugesetzt wurden. Ein Aluminiumoxidpulver wurde als Gerüstteilchen verwendet. Die Konzentration der Gerüstteilchen in der Aufschlämmung betrug bei dem Eintauchverfahren und dem Filtrationsabscheidungsverfahren 40 Gew.-% bzw. 3 Gew.-%. Die Brennbedingungen waren 1 h bei 1350 °C.

Die Mikroporengröße der abgeschiedenen porösen Membran wurde gemäß dem in ASTM F306 beschriebenen Luftströmungsverfahren bestimmt. Die Wasserdurchtrittsrate des Filters wurde durch das Wasservolumen bestimmt, das pro Einheit der Filtrationsfläche und pro Zeiteinheit unter einem Druckunterschied von 1 kp/cm2 bei einer Wassertemperatur von 25 °C durchtrat. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 und den 2 und 3 angeführt.

(Ergebnis)

Wie in 1 dargestellt, wird eine poröse Membran mit einer Mikroporengröße von 0,090 &mgr;m gebildet, wenn Gerüstteilchen mit einer Teilchengröße von 0,4 &mgr;m verwendet werden und die poröse Membran von einer Aufschlämmung abgeschieden wird, die nicht mit dem Mikroporengrößenregulierungsmittel ergänzt ist (Vergleichsbeispiel 1-1).

Wenn das Mikroporengrößenregulierungsmittel zugesetzt wird, konnte die Mikroporengröße im Gegensatz dazu vergrößert werden und durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel gesteuert werden (Beispiele 1-1, 1-3 und 1-5). Das Vergrößern der Mikroporengröße der porösen Membran ermöglicht eine Steigerung der Wasserdurchtrittsrate des Filters.

Die Mikroporengröße der porösen Membran konnte durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel bei dem Tauchverfahren und bei dem Filtrationsabscheidungsverfahren gesteuert werden, wodurch die Wasserdurchtrittsrate des Filters mit dem Anstieg der Mikroporengröße gesteigert werden konnte (Beispiele 1-2 und 1-4).

Die maximale Mikroporengröße der durch das Filtrationsabscheidungsverfahren erhaltenen, porösen Membran ist jedoch kleiner als die der durch das Tauchverfahren erhaltenen Membran, wenngleich die mittlere Mikroporengröße ident ist, was darauf hinweist, dass das Filtrationsabscheidungsverfahren im Vergleich mit dem Eintauchverfahren eine engere Mikroporenverteilung erzielen konnte.

Wenn die Gerüstteilchengröße 0,7 &mgr;m beträgt, konnte die Mikroporengröße der porösen Membran durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel gesteuert werden, auf dieselbe Weise wie bei der Verwendung der Gerüstteilchen mit einer Mikroporengröße von 0,4 &mgr;m, wodurch die Wasserdurchtrittsrate des Filters ebenfalls gesteigert werden konnte (Beispiele 1-6 bis 1-8).

Anders gesagt wurde eine bestimmte Korrelation zwischen dem Gewichtsverhältnis der Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel und der mittleren Mikroporengröße der porösen Membran festgestellt werden (Graph in 2) oder zwischen der mittleren Mikroporengröße und der Wasserdurchtrittsrate (Graph in 3).

Dieselben Ergebnisse wie die oben beschriebenen konnten ebenfalls erzielt werden, wenn Acrylharz (Beispiel 1-8) und Welan Gum (Beispiele 1-9 und 1-10) statt der Agar-Herstellung (Beispiele 1-1 bis 1-5) als Mikroporengrößenregulierungsmittel eingesetzt wurden. Dieselbe Wirkung wie unter die Verwendung der Agar-Herstellung konnte unter Verwendung des Acrylharzes jedoch nur erhalten werden, wenn das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel gesteigert wurde. Das bedeutet, dass Welan Gum und Agar-Herstellung insofern ausgezeichnet sind, als dass gute Ergebnisse erzielt werden konnten, indem eine kleinere Menge des Mikroporengrößenregulierungsmittels zugesetzt wurde.

Die Mikroporengröße wurde durch eine Veränderung des Gewichtsverhältnisses zwischen den Gerüstteilchen und dem Mikroporengrößenregulierungsmittel in den Beispielen 1-9 und 1-10 so gesteuert, dass sie gleich blieb, auch wenn die Teilchengröße der Gerüstteilchen verschieden war. Die Wasserdurchtrittsrate war jedoch in Beispiel 1-9 bei einer geringeren Teilchengröße der Gerüstteilchen höher. Es wird vermutet, dass das daran liegt, das die Lufthohlraumrate trotz derselben Mikroporengröße höher war.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auch für das Brennverfahren bei niedriger Temperatur eingesetzt werden, welches in der Japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-236887 durch die Erfinder offenbart wurde. Bei dem Brennverfahren bei niedriger Temperatur wird ein Bindemittel, wie z.B. feines Keramikpulver und Keramiksolteilchen, die Titandioxid und Zirconiumdioxid umfassen, oder eine Verbindung, wie z.B. Zirconiumoxychlorid und Titantetrachlorid, die durch eine Wärmebehandlung in Keramik umgewandelt werden, zu der Filmabscheidungsaufschlämmung zugesetzt, und das Gemisch wird dann bei einer niedrigen Temperatur von 300 bis 700 °C, bei der zwischen den Gerüstteilchen keine Einschnürung entsteht, gebrannt.

Titandioxidsolteilchen mit einer Teilchengröße von 30 nm wurden als das Bindemittel eingesetzt. Titanisopropoxid wurde hydrolysiert, um eine wässrige Titandioxidsollösung mit einer Titandioxidkonzentration von 15 Gew.-% und einem pH-Wert von etwa 1 herzustellen.

Die Teilchengröße der Solteilchen wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop bestimmt. Der Mittelwert des Maximaldurchmessers und des Minimaldurchmessers der Solteilchen oder der Mittelwert von 100 Solteilchen wurde als die Teilchengröße des Sols definiert.

Eine Aufschlämmung wurde wie folgt hergestellt. Eine Lösungsgemisch, das durch das Zutropfen von 0,1 bis 1 Gew.-% einer wässrigen Lösung eines Acrylharzes zu 15 Gew.-% einer wässrigen Lösung eines Titandioxidsols hergestellt wurde, und eine Aluminiumoxidaufschlämmung, die hergestellt wurde, indem ein Aluminiumoxidpulver mit einer Festanteilkonzentration von 50 Gew.-% in Wasser suspendiert wurde und mit 60 Gew.-% Salpetersäure an einen pH-Wert von 2 eingestellt wurde, wurden unabhängig voneinander hergestellt.

Die Aluminiumoxidaufschlämmung wurde zu dem oben genannten Lösungsgemisch zugetropft, und die in Tabelle 2 angeführten Filmabscheidungsaufschlämmungen wurden durch einstündiges Mischen mit einem Rührer hergestellt: Die Konzentration der Gerüstteilchen betrug in allen Aufschlämmungen 3 Gew.-%.

Die wie oben beschrieben hergestellte Aufschlämmung wurde auf dem Substrat C durch das Filtrationsabscheidungsverfahren abgeschieden, und ein Filter wurde durch vierstündiges Brennen bei 600 °C erhalten. Fotos des Querschnitts der porösen Membran wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops so gemacht, dass die Membranlänge, die 50 &mgr;m entspricht, in ein Gesichtsfeld fällt, und die Filmdicke der porösen Membran wurde als Mittelwert der in 100 Gesichtsfeldern gemessenen Filmdicke bestimmt.

Die Mikroporengrößenverteilung wurde durch das in ASTM F306 beschriebene Luftströmungsverfahren bestimmt, und die Wasserdurchtrittsrate wurde durch das Wasservolumen bestimmt, das pro Einheit der Filtrationsfläche und pro Zeiteinheit unter einem Zwischenflächen-Differenzdruck von 1 kg/cm2 bei einer Wassertemperatur von 25 °C durchtrat. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angeführt.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Wie bisher beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine poröse Membran mit einem gewünschten Mikroporendurchmesser auszubilden.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist insofern nützlich, da ein Filter mit einer hohen Wasserdurchtrittsrate (oder einer hohen Behandlungsfähigkeit) hergestellt werden kann, auch wenn die Mikroporengröße, die die Filtrationsfähigkeit bestimmt, ident ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Filters, der ein poröses Substrat und eine poröse Keramikmembran als Trennfilm auf einer Oberfläche des Substrats aufweist, den Schritt des Abscheidens einer Filmabscheidungsaufschlämmung, die Gerüstteilchen mit Keramik enthält, auf der Oberfläche des Substrats umfassend, worin die Aufschlämmung organisches Polymermaterial, das Welan Gum, Agar oder ein Gemisch daraus umfasst, zur Vergrößerung der Lücken zwischen den Gerüstteilchen enthält, wobei die Mikroporengröße der porösen Membran durch das Gewichtsverhältnis zwischen den Gerüstteilchen und dem organischen Polymermaterial in der Aufschlämmung kontrolliert wird. Verfahren nach Anspruch 1, worin das organische Polymermaterial außerdem ein Saccharid, Polyvinylalkohol, Acrylharz oder Polyethylenglykol umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Gerüstteilchen eine mittlere Teilchengröße von 1 bis 10 &mgr;m aufweisen.






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