陶瓷过滤器的制造方法
陶瓷过滤器的制造方法
【专利摘要】一种陶瓷过滤器，具备有：“具有划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元的分隔壁、材质为陶瓷的”多孔性基材、“配设于孔单元内壁面的”分离膜、“以不堵塞孔单元开口部的状态配置于一侧端面及另一侧端面的”玻璃封口，玻璃封口具有玻璃及分散在玻璃中的无机颗粒，无机颗粒的材质为粘土，玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。提供可在高温条件下长时间使用的陶瓷过滤器。
【专利说明】陶瓷过滤器
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷过滤器，更详细地，涉及高温条件下可长时间使用的陶瓷过滤器。【背景技术】
[0002]利用了陶瓷多孔体的陶瓷过滤器，由于比高分子膜的机械强度和耐久性良好，因此可信赖度高。此外，陶瓷过滤器由于耐腐蚀性高，因此用酸或碱等药液洗净时的劣化少。另外，陶瓷过滤器可以精密控制决定过滤能力的平均孔径。由于陶瓷过滤器具有此种优点，因此，除了水处理和排气处理领域以外，还可在以医药.食品领域为首的广泛领域中，用于滤去液体、气体等流体中存在的悬浊物质、细菌、粉尘等。此外，陶瓷过滤器也可用于分离提纯2种成分以上的液体混合物的渗透汽化用途、分离提纯2种成分以上的气体混合物的气体分离用途。
[0003]作为陶瓷过滤器，可使用例如，具备有柱状多孔性基材、配设于孔单元内壁面的分离膜、覆盖配置多孔性基材端面的玻璃封口(端部玻璃封口部分)的陶瓷过滤器等。在这里，柱状多孔性基材形成有多个“从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元”。此外，柱状多孔性基材的材质是陶瓷。由此,柱状多孔性基材可以在维持过滤性能的同时提升元件内部的流体透过性(例如，参照专利文献I)。
现有技术文献 专利文献
[0004]专利文献1:日本专利特开2006-263498号公报
【发明内容】
[0005]专利文献I记载的陶瓷过滤器，是可以有效除去液体和气体等流体中混合存在的悬浊物质、细菌、粉尘等的高耐腐蚀性过滤器。但是，在有水存在的高温条件下长时间使用的话，存在端部玻璃封口部分产生裂纹的问题。此外，在基材上配设沸石分离膜的情况等制造时暴露于高温碱水溶液的情况下，端部玻璃封口部分也会产生裂纹。
[0006]本发明鉴于此种现有技术的问题点而作。本发明提供可以在水存在下的高温条件下长时间使用的具有端部密封(玻璃封口)的陶瓷过滤器。
[0007]根据本发明，提供以下所示的陶瓷过滤器。
[0008][I] 一种陶瓷过滤器，具备有:具有划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元的分隔壁、材质为陶瓷的多孔性基材，配设于所述孔单元内壁面的分离膜，以不堵塞所述孔单元开口部的状态配置于所述一侧端面及所述另一侧端面的玻璃封口，所述玻璃封口具有玻璃及分散在所述玻璃中的无机颗粒，所述无机颗粒的材质为粘土，所述玻璃封口的热膨胀系数相对于所述多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。
[0009][2]根据[I]所述的陶瓷过滤器，其中，所述无机颗粒相对于所述玻璃封口的面积占有率为5?50%。
[0010]本发明的陶瓷过滤器，在多孔性基材端面配设的玻璃封口中，分散有材质为粘土的无机颗粒，玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。因此，本发明的陶瓷过滤器可在高温条件下长时间使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]【图1】是显示本发明的陶瓷过滤器的一实施方式安装于外壳内的状态，显示与陶瓷过滤器的孔单元延伸方向平行的截面的模式图。
【图2】是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的多孔性基材的侧视示意图。
【图3】是显示构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的玻璃封口的部分截面的模式图。
【图4】是实施例1的陶瓷过滤器的平面示意图。
【图5】是显示实施例及比较例的陶瓷过滤器的“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
【图6】是显示实施例及比较例的陶瓷过滤器的“热膨胀系数比率[玻璃封口 /多孔性基材]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
符号说明
1:分隔壁，2:孔单元，3:多孔性基材，4:外周壁，5:外周面，11:一侧端面，12:另一侧端面，21:分离膜，31:玻璃封口，32:玻璃，33:无机颗粒，41:外壳，42:流体入口，43:流体出口，44:密封材料，100、101:陶瓷过滤器，Fl:被处理流体，F2:已处理流体。
【具体实施方式】
[0012]以下参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。但本发明不限定于以下实施方式。在不脱离本发明主旨的范围内，根据本行业的一般知识，对以下实施方式进行的适当变更、改良等也应理解为在本发明范围之内。
[0013](I)陶瓷过滤器:
本发明的陶瓷过滤器的一个实施方式，如图1所示，具备有多孔性基材3、分离膜21、玻璃封口 31。此外，多孔性基材3具有“划分形成从一侧端面11延伸至另一侧端面12的多个孔单元2的”分隔壁I及“位于最外周的”外周壁4，材质为陶瓷。另外，分离膜21配设于孔单元2的内壁面。此外，玻璃封口 31以“不堵塞孔单元2的开口部的状态”配置于一侧端面11及另一侧端面12。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100的玻璃封口 31具有玻璃及分散在玻璃中的无机颗粒。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100中，上述无机颗粒的材质为粘土。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100的“玻璃封口 31的热膨胀系数相对于多孔性基材3的热膨胀系数的比率”(玻璃封口的热膨胀系数比率)在90%以下。在这里，“孔单元2的内壁面”指的是，孔单元2内露出的“分隔壁I的表面”。此外，多孔性基材3优选具有多个孔单元2，但也可具有I个孔单元2。此外，本实施方式的陶瓷过滤器100具有外周壁4，但也可不具有外周壁4。图1是显示本发明的陶瓷过滤器的一实施方式安装于外壳41内的状态，显示与陶瓷过滤器100的孔单元2的延伸方向平行的截面的模式图。
[0014]如此， 对于本实施方式的陶瓷过滤器100，配设于多孔性基材3端面的玻璃封口 31具有玻璃及“分散在玻璃中、材质为粘土的无机颗粒”(玻璃封口 31中分散有无机颗粒)。因此，即使在高温条件下使用而对陶瓷过滤器100施加热应力，由于材质为粘土的无机颗粒的存在，该应力被缓和，进而可在高温条件下长时间使用。另外，由于“玻璃封口的热膨胀系数比率”在90%以下，因此将陶瓷过滤器100在高温条件下使用时，可以防止“玻璃封口 31与多孔性基材3的热膨胀差异引起玻璃封口 31产生裂纹”。此外，如本实施方式的陶瓷过滤器100般为蜂窝形状的复杂形状的话，其制造过程中容易产生残留应力。特别是5000cm3以上的较大蜂窝形状的陶瓷过滤器中，容易产生残留应力。因此，如此的大蜂窝形状的陶瓷过滤器中，玻璃封口容易产生裂纹。因此，本发明的陶瓷过滤器，为较大的蜂窝形状时，能特别显著地发挥出防止玻璃封口出现裂纹的效果。
[0015]以下对本实施方式的陶瓷过滤器100的每个构成要素进行说明。
[0016](1-1)多孔性基材；
本实施方式的陶瓷过滤器100 (参照图1)中，多孔性基材3，如图2所示，具有划分形成从一侧端面11延伸至另一侧端面12的多个孔单元2的分隔壁I以及位于最外周的外周壁4。此外，多孔性基材3的材质为陶瓷。“外周壁4位于多孔性基材3的最外周”指的是，外周壁4位于“与多孔性基材3的孔单元的延伸方向垂直的截面中的”最外周。图2是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的多孔性基材3的侧视示意图。
[0017]构成多孔性基材的分隔壁以及外周壁的平均孔径考虑机械强度与过滤阻力的平衡而决定。通常，平均孔径优选为I~100 μ m。此外，气孔率优选为25~50%。平均孔径以及气孔率是通过压汞仪测定的值。
[0018]构成多孔性基材的分隔壁，优选为由分隔壁主体和覆盖分隔壁主体表面的分离膜支持层所形成的层积结构。分隔壁整体除去分离膜支持层部分即为分隔壁主体。此时，多孔性基材的“孔单元内壁面(分隔壁的表面)”为分离膜支持层的表面。此外，优选在分离膜支持层的表面配设分离膜。此外，分离膜支持层的材质优选为陶瓷。
[0019]多孔性基材(分隔壁、外周壁)的材质为陶瓷，优选氧化铝(A1203)、氧化钛(Ti02)、莫来石(Al2O3.Si02)、氧化锆(ZrO2)等。其中，更优选容易获取粒径得到控制的原料(骨材颗粒)、可形成稳定的生坯、且耐腐蚀性高的氧化铝。作为多孔性基材的分隔壁主体以及多孔性基材分离膜支持层的结构，也可选择“至少其一部分通过玻璃成分(烧结助剂)使骨材颗粒之间结合的结构”。此种结构的陶瓷过滤器，可通过更低温的烧结而制造，可以更低成本生产。
[0020]多孔性基材的形状，优选为具有一侧端面11、另一侧端面12以及外周面5的柱状(解释为由于形成孔单元而成为中空的话，为“筒状”)。此外，多孔性基材的形状，由于可以增加单位体积的过滤面积、提高处理能力，优选“蜂窝状”或“具有多个贯通孔的一体型结构体状(? 7 V 7)，，。
[0021]对于多孔性基材整体的形状和尺寸，只要不阻碍其过滤功能，则无特别限制。作为整体的形状，可举出例如，圆柱(或圆筒)状、四角棱柱状(或与中心轴垂直的截面为四角形的筒状)、三角棱柱状(或与中心轴垂直的截面为三角形的筒状)等形状，其中，优选圆柱(或圆筒)状。用于精密过滤和超滤时，优选与中心轴垂直的截面中的直径为30~180_、中心轴方向中的长度为150~2000mm的圆柱状。
[0022]作为多孔性基材的孔单元的截面形状(与孔单元的延伸方向垂直的截面形状)，可举出例如，圆形、多角形等。作为 多角形可举出四角形、五角形、六角形、三角形等。此外，孔单元的延伸方向，当多孔性基材为圆柱(或圆筒)状时，与中心轴方向相同。[0023]当多孔性基材的孔单元的截面形状为圆形时，孔单元的直径优选为I?5_。小于1_的话，当孔单元密度一定时，过滤面积变小。大于5_的话，陶瓷过滤器的强度有时会下降。
[0024]当多孔性基材的孔单元的截面形状为多角形时，分隔壁厚度优选为0.3?2mm。薄于0.3mm的话，陶瓷过滤器的强度有时会下降。厚于2mm的话，流体流动时的压力损失有时会增大。
[0025](1-2)分离膜；
本实施方式的陶瓷过滤器中，分离膜优选由形成有许多细孔的多孔体构成，配置于孔单元内壁面(分隔壁的表面)。
[0026]分离膜的平均孔径可根据要求的过滤性能(应除去的物质的粒径)而适当决定。例如，用于精密过滤和超滤的陶瓷过滤器的情况下，优选0.01?1.0 μ m。分离膜的平均孔径是根据ASTM F316记载的气流法测定的值。此外，用于气体分离、渗透汽化的陶瓷过滤器的情况下，作为气体分离、渗透汽化过滤器的“分离膜”的种类并无特别限定。例如，根据分离的气体种类适当选择公知的一氧化碳分离膜、氦分离膜、氢分离膜、碳膜、MFI型沸石膜、DDR型沸石膜、二氧化硅膜等即可。作为分离膜，可举出例如，专利第4006107号公报记载的一氧化碳分离膜、专利第3953833号公报记载的氦分离膜、专利第3933907号公报记载的氢分离膜、专利特开2003-286018号公报记载的碳膜、专利特开2004-66188号公报记载的DDR型沸石膜复合体、国际公开第2008/050812号记载的二氧化硅膜等。
[0027](1-3)玻璃封口；
本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口以不堵塞孔单元开口部的状态配置于多孔性基材的一侧端面以及另一侧端面(两端面)上。玻璃封口优选配置为覆盖多孔性基材的两端面的壁面部分(有壁、无开孔(孔单元)(无开口)的部分)整体。另外，玻璃封口优选与配置在孔单元内壁面的分离膜无缝(玻璃封口与分离膜之间无缝隙)接触。“玻璃封口与分离膜之间无缝隙”指的是，配置于孔单元内壁面的筒状分离膜的端部与玻璃封口连接接触，玻璃封口与分离膜之间没有形成“露出多孔性基材的壁面部分”的状态。此时，玻璃封口的一部分也可以是沿着孔单元内壁面渗入孔单元内的状态。即使玻璃封口的一部分渗入孔单元内，只要孔单元的开口部没有完全堵塞，就是将“玻璃封口以不堵塞孔单元开口部的状态配置于多孔性基材的一侧端面以及另一侧端面”。此外，本说明书中，玻璃封口指的是分散有无机颗粒的玻璃封口整体。此外，为了明确区分分散有无机颗粒的玻璃封口整体和玻璃封口中的“玻璃”(玻璃封口所含有的玻璃)的部分，有时称为“无机颗粒分散玻璃封口”。此外，玻璃封口优选由玻璃和无机颗粒构成。
[0028]此外，如图1所示，玻璃封口 31优选配置为还覆盖多孔性基材3的外周面5的一部分(多孔性基材3的孔单元2延伸方向的端部附近)。此外，将陶瓷过滤器100装入外壳41内时，优选将“配设于多孔性基材3的外周面5上的玻璃封口 31”和外壳41之间的“缝隙”用密封材料44填充。具体地，优选通过在“配设于多孔性基材3的外周面5上的玻璃封口 31”和外壳41之间配置O型密封圈等密封材料44，以此堵塞上述“缝隙”。由于玻璃封口 31的表面较多孔性基材3的外周面5平滑，因此通过将密封材料44配置在玻璃封口31上，可以提升密封性。此外，为了进一步提升将密封材料44配置在玻璃封口 31上时的密封性，优选玻璃封口 31的表面(特别是配设在多孔性基材3的外周面5上的部分的表面)的平滑性较高。
[0029]通过在多孔性基材的两端面以不堵塞孔单元开口部的状态配设玻璃封口，可以防止被处理流体(例如，被处理水)从陶瓷过滤器的端面(壁面)渗入多孔性基材的内部。由此，如图1所示，向陶瓷过滤器100的一侧端面一侧供给被处理流体Fl时，被处理流体Fl流入孔单元2内，透过分离膜21，渗入多孔性基材3的内部。此外，如图1所示，陶瓷过滤器100被装入外壳41。另外，由于多孔性基材3的外周面5有多孔性基材3露出，因此渗入了多孔性基材3内的已处理流体F2从多孔性基材3的外周面5排出至外部(多孔性基材3的外部)。已处理流体F2是被处理流体Fl经过分离膜21过滤得到的流体(例如，已处理水)。
[0030]本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口如图3所示，具有玻璃32及“分散在玻璃32中、材质为粘土的无机颗粒33”。另外，玻璃封口 31的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。因此，本实施方式的陶瓷过滤器可以在高温条件下长时间使用。图3显示的是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的玻璃封口截面一部分的模式图。
[0031]分散在玻璃封口中的无机颗粒的材质为粘土。作为粘土，优选为选自高岭土、白云石、蒙脱石、长石类、方解石、滑石及云母构成的群的至少I种。其中，优选长石类与高岭土的混合物。作为长石类，优选正长石等钾长石。
[0032]“玻璃封口的热膨胀系数”相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下，优选75~85%，更优选77~83%。大于90%的话，本实施方式的陶瓷过滤器的耐热性有时会下降。此外，小于75%的话，玻璃封口的密封性有时会下降。“玻璃封口的热膨胀系数”相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率为75~85%的话，在提升陶瓷过滤器的耐热性的同时，也可良好维持玻璃封口的密封性。
[0033]本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口的热膨胀系数优选为5.0X10_6~6.6X 10-6/Κ，更优选 5.0XlO-6 ~6.3Χ 10-6`/Κ，特别优选 5.4Χ 10-6 ~5.8Χ 10_6/Κ。小于
5.0X 10_6/Κ时，烧结后，孔单元内渗入部位有时会产生裂纹。此外，大于6.6Χ10_7Κ时，耐热性有时不充分。
[0034]无机颗粒对相于玻璃封口整体的面积比率(面积占有率)(以下有时也称为“无机颗粒的面积占有率”)优选为5~50%，更优选为10~35%，特别优选18~35%。小于5%的话，玻璃封口有时难以在高温条件下长时间使用。大于50%的话，玻璃封口的强度及耐久性有时会下降。上述无机颗粒的“面积占有率，”是将玻璃封口切断、研磨截面后，用扫描型电子显微镜(SEM)观察该截面的反射电子像而求得的值。更具体的，是读取玻璃封口的截面面积(120 μ mX90 μ m)和该玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积，算出无机颗粒整体的面积相对于玻璃封口整体的面积的比率而得到的值。在这里，玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积是“多个无机颗粒各自面积”的总和。
[0035]无机颗粒的平均粒径优选为0.5~40 μ m,更优选2~14 μ m。小于0.5 μ m时以及
大于40 μ m时，玻璃封口有时会产生裂纹。无机颗粒的平均粒径使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的玻璃封口截面的反射电子像求得。具体的，从该反射电子像拍摄的多个无机颗粒中，随机选择50个无机颗粒，测定该选择的50个无机颗粒的单向粒子直径，取得获得的单向粒子直径的平均值(50个无机颗粒的平均值)。“单向粒子直径”指的是，“反射电子像”上，决定一个方向，该方向上各无机颗粒的直径。[0036]无机颗粒，优选在玻璃封口中含有5?70质量％ (相对于无机颗粒与玻璃的合计质量的比率)，更优选含有10?50质量％。少于5质量％的话，将陶瓷过滤器在高温条件下长时间使用时，玻璃封口有时会产生裂纹。大于70质量％的话，玻璃封口的机械强度有时会下降。
[0037]玻璃封口的厚度优选为30?500 μ m。薄于30 μ m的话，耐久性有时会下降。厚于500 μ m的话，玻璃封口容易凸出在孔单元内，妨碍流体的流入。此外，玻璃封口较厚的话，陶瓷过滤器有时会变重。
[0038]玻璃封口所含有的玻璃，只要是可以用作“不透过流体的密封材料”的玻璃，则无特别限定，优选无碱玻璃。通过由无碱玻璃形成玻璃封口，玻璃封口的碱成分移动被抑制为大致完全相近的水平。因此，可以防止多孔性基材和分离膜与玻璃封口的界面浓缩有源自玻璃封口的碱成分，可以飞跃性地提升陶瓷过滤器的耐腐蚀性。由此，本实施方式的陶瓷过滤器，即使经过多次药洗，也可有效防止玻璃封口附近的多孔性基材和分离膜的侵蚀，具有良好的耐腐蚀性。
[0039]一般，“无碱玻璃”指的是，完全不含碱金属氧化物或其含量极低的玻璃。本说明书中，指的是碱金属氧化物的总含有率在I摩尔％以下的玻璃。此外，本说明书中，玻璃中的金属氧化物的“含有率”指的是，将该玻璃构成的釉料粉末通过电感耦合等离子体发射光谱分析法(ICP)分析,定量玻璃中所含的构成元素而得到的值。“ICP”是“Inductively CoupledPlasma Atomic Emission Spectrometer”的简称。更具体指的是，上述无碱玻璃的情况下，将特定元素以氧化物换算而算出的摩尔数，相对于无碱玻璃的全部构成元素换算为氧化物而算出的总摩尔数的比率。
[0040]无碱玻璃，基于抑制玻璃封口的碱成分移动、提升陶瓷过滤器的耐腐蚀性的观点是非常理想的，但无碱玻璃自身的耐腐蚀性有时不充分。为了提升无碱玻璃自身的耐腐蚀性，优选无碱玻璃含有二氧化硅55?65摩尔％、含有氧化锆I?10摩尔％。此外，为了提升无碱玻璃自身的耐腐蚀性，还优选具有以下的组成特征。即，优选含有选自氧化钙、氧化钡以及氧化锶群的至少I种碱土类金属氧化物，还优选实质上不含氧化锌。
[0041]此外，由于无碱玻璃中不含具有降低熔点作用的碱金属氧化物，因此直接使用的话有时形成玻璃封口时的烧结温度会变高、加工性会下降。因此，优选使用含有氧化铝(A1A)、氧化硼(B2O3)等具有降低熔点作用成分的无碱玻璃。含有此种成分的话，由于玻璃的熔点下降，可以降低形成玻璃封口时的烧结温度，提高加工性。另外，通过含有上述成分，可通过更低温的烧结制造玻璃封口，因此可以更低成本生产。
[0042](2)净化方法:
说明使用本实施方式的陶瓷过滤器净化流体的方法。
[0043]使用本实施方式的陶瓷过滤器100净化流体(例如，水等)时，优选如下进行。即，优选令被处理流体从一侧端面11或另一侧端面12流入孔单元2内，由此进行流体的净化。如此，首先，流入孔单元2内的被处理流体透过配设在孔单元2内壁面的分离膜21，变为已处理流体，渗入多孔质基体3 (分隔壁以及外周壁)内。此外，将渗入多孔质基体3内的已处理流体从外周面5排出至外部(多孔性基材3的外部)。此时，被处理流体中存在的悬浊物质、细菌、粉尘等通过分离膜21被滤出(捕集)。此外，本实施方式的陶瓷过滤器100，可用于例如，渗透汽化法或蒸气透过法的混合物分离。[0044]如图1所示，使用本实施方式的蜂窝形状的陶瓷过滤器100净化流体时，优选将陶瓷过滤器100装入具有流体入口 42以及流体出口 43的筒状外壳41内。此外，优选将从外壳41的流体入口 42流入的被处理流体Fl通过陶瓷过滤器100净化，将被净化的被处理流体(已处理流体F2)从流体出口 43排出。
[0045]将陶瓷过滤器100装入外壳41时，如图1所示，陶瓷过滤器100的两端部中，优选用密封材料44、44堵住陶瓷过滤器100与外壳41间的缝隙。
[0046]作为外壳41的材质，并无特别限定，可举出例如，不锈钢等。此外，作为密封材料44，并无特别限定，可举出例如，O型密封圈等。此外，作为密封材料44的材质，可举出有，氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶等。这些材质也适宜高温下长时间使用。
[0047](3)陶瓷过滤器的制造方法:
本实施方式的陶瓷过滤器的制造方法如下。
[0048](3-1)多孔性基材；
作为多孔性基材的制造方法，并无特别限定，可使用作为陶瓷制多孔性基材的制造方法公知的方法。例如，可使用作为过滤器等使用的陶瓷蜂窝结构体的制造方法公知的方法。例如，首先，混合骨材颗粒、分散剂、根据需要的烧结助剂、表面活性剂等添加剂，制作成形原料。然后，将得到的成形原料混炼而制作生坯，将得到的生坯成形为蜂窝形状，制作蜂窝成形体。然后，将得到的蜂窝成形体干燥、烧结而得到蜂窝结构体。多孔性基材无分离膜支持层时，上述蜂窝结构体即为多孔性基材。
[0049]制作具有分离膜支持层的多孔性基材时，优选在制作蜂窝结构体后，在该蜂窝结构体的孔单元内壁面涂布分离膜支持层形成用浆料，通过干燥、烧结而得到具有分离膜支持层的多孔性基材。分离膜支持层形成用浆料，优选通过混合例如骨材颗粒、分散剂、根据需要的表面活性剂等添加剂而调制。
[0050](3-2)分离膜；
例如清洁水用精密过滤膜的情况时，分离膜优选通过在多孔性基材的孔单元内壁面涂布成膜用浆料，干燥、烧结而形成。成膜用浆料优选通过混合例如骨材颗粒、分散剂、根据需要的表面活性剂等添加剂而调制。成膜用浆料所含有的骨材颗粒的平均粒径优选为0.1?IOum0作为将成膜用浆料涂布在多孔性基材的方法，并无特别限定，可举出例如，浸溃等方法。
[0051]此外，作为制造用于分离一氧化碳和氢的钯等金属膜(分离膜)的方法，可举出化学镀法、真空蒸镀法、溅射法等(专利第4006107号公报、专利第3933907号公报)。此外，作为制作碳膜的方法，可举出有，将作为聚酰亚胺树脂前驱体的特定聚酰胺酸涂布在基材表面，加热、干燥后形成碳膜的前驱体，将该前驱体热分解制为碳膜的方法(日本专利特开2003-286018号公报)。此外，作为制作DDR型沸石膜的方法，可举出有，将含有二氧化硅及1-金刚烷胺的原料用液在基材表面上通过水热合成而在基材表面制作DDR型沸石膜的方法(日本专利特开2004-66188号公报)。此外，作为制作二氧化硅膜的方法，可举出有，将二氧化硅溶胶液涂布在基材表面，通过干燥、加热而制作二氧化硅膜的方法(国际公开第2008/050812 号)。
[0052](3-3)玻璃封口；
玻璃封口(无机颗粒分散玻璃封口)可通过将玻璃封口形成用浆料涂布在陶瓷过滤器的两端面，干燥后烧结而形成。玻璃封口形成用浆料优选在特定的釉料(玻璃釉料)中混合特定的无机颗粒(粉体)，再混合水及有机粘合剂而调制。釉料优选为将特定的玻璃原料混合为特定的组成，熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径10?20 μ m左右而形成。实施例
[0053]以下通过实施例更具体的说明本发明的陶瓷过滤器，但本发明不限定于这些实施例。
[0054](实施例1)
通过以下方法制作端面直径为30_的蜂窝状陶瓷过滤器。
[0055](多孔性基材)
对于平均粒径50 μ m的氧化铝颗粒(骨材颗粒)100质量份，添加釉料(烧结助剂)20质量份，再加入水、分散剂以及增粘剂混合，混炼调制生坯。将得到的生坯成形为蜂窝形状，通过干燥、烧结，制作分离膜支持层形成前的多孔性基材(多孔性基材A)。烧结条件为1250°C、1小时，升温以及降温速度均为100°C /小时。
[0056]作为釉料，使用的是将含有SiO2 (80摩尔％)、A1203 ( 10摩尔％)、碱土类金属(8摩尔％)的玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径I μ m。另外，玻璃原料中，作为杂质，含有MgO、Na2O, Fe203、TiO2等。
[0057]得到的多孔性基材A为“孔单元的截面形状(与孔单元的延伸方向垂直的截面的形状)是直径为2.6mm的圆形”的蜂窝形状氧化铝多孔体。该氧化铝多孔体的形状(外形)为端面(外周形状为圆形)的直径为30mm、“孔单元的延伸方向”的长度为20mm的圆筒形状。孔单元的数量为55根。此外，多孔性基材A的平均孔径为10 μ m。平均孔径为水银压入法测定的值。多孔性基材A的热膨胀系数为7.0X 10_6/K。
[0058](分离膜支持层的形成)
接着，在多孔性基材A的孔单元内壁面形成厚150 μ m、平均孔径0.5 μ m、由氧化铝多孔体构成的分离膜支持层。平均孔径为ASTM F316记载的气流法测定的值。
[0059]形成分离膜支持层时，首先，对于平均粒径31 μ m的氧化铝颗粒(骨材颗粒)100质量份，添加釉料(烧结助剂)14质量份，再加入水、分散剂以及增粘剂混合，调整浆料。使用该浆料，根据日本专利特公昭63-66566号公报记载的过滤成膜法，在多孔性基材A的内周面形成“烧结前的分离膜支持层”。然后，在大气气氛下，用电炉烧结，形成分离膜支持层，得到多孔性基材。烧结条件为950°C、1小时，升温以及降温速度均为100°C /小时。此外，作为釉料，使用的是玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径lym。作为玻璃原料，使用含有SiO2 (77摩尔％)、ZrO2 (10摩尔％)、LiO2 (3.5摩尔％)、Na2O (4摩尔％)、K2O (4摩尔％)、CaO (0.7摩尔％)及MgO (0.8摩尔％)的物质。
[0060](分离膜的形成)
接着，在多孔性基材的孔单元的内周面(分离膜支持层的表面)形成厚10 μ m、平均孔径
0.1ym,由氧化钛多孔体构成的分离膜。平均孔径为ASTM F316记载的气流法测定的值。
[0061]分离膜的形成方法，除了在作为骨材颗粒的平均粒径0.5 μ m的氧化钛颗粒(粉末)中加入水、分散剂以及增粘剂混合而调制浆料以外，与上述分离膜支持层的制作方法相同。
[0062](玻璃封口的形成)
接着，在多孔性基材的两端面以不堵塞孔单元开口部的状态配设玻璃封口，得到图4所示的蜂窝状圆筒形状的陶瓷过滤器(蜂窝陶瓷过滤器试验片)。图4是实施例1的陶瓷过滤器101的平面示意图。
[0063]首先，通过将釉料(玻璃釉料)、“钾长石与高岭土以4:1 (质量比)之比混合得到的粘土 A”(无机颗粒)、水及有机粘合剂混合而调制浆料。粘土 A (无机颗粒)的混合比例为，相对于釉料与粘土 A (无机颗粒)的合计质量为5质量％。此外，水的混合比例为，当釉料和粘土 A (无机颗粒)的合计质量为100质量份时，为65质量份。此外，有机粘合剂的混合比例为，当釉料与粘土 A (无机颗粒)的合计质量为100质量份时，为7质量份。此外，作为有机粘合剂，使用甲基纤维素。此外，粘土 A的热膨胀系数为6.6X10_e/K。将得到的浆料涂布在多孔性基材的两端面，干燥后烧结，由此得到陶瓷过滤器。玻璃封口的厚度为200 μ m。烧结条件与上述分离膜支持层的制作方法相同。此外，玻璃封口中的粘土 A (无机颗粒)的平均粒径为5 μ m。
[0064]此外，用作玻璃封口原料的釉料，是将玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径15μπι。作为玻璃原料，使用了含有SiO2 (63摩尔％)、Zr02 (3摩尔％)、Al2O3 (5摩尔％)、CaO (9摩尔％)、BaO (17摩尔％)及B2O3 (3摩尔％)的物质。由此，玻璃封口含有的玻璃为无碱玻璃。釉料的热膨胀系数为6.7X 10-6/K。
[0065]对于上述得到的陶瓷过滤器，通过以下所示的方法进行耐热性以及密封性的评价。此外，测定无机颗粒的面积占有率。结果如表I所示。此外，“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系如图5所示，“热膨胀系数比[玻璃封口 /多孔性基材(基材)]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系如图6所示。此外，用作玻璃封口原料的釉料及无机颗粒、多孔性基材A，以及玻璃封口的热膨胀系数是以下方法测定的值。表I中，“热膨胀系数比率[玻璃封口 /基材]”表示玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率。图5显示的是实施例及比较例的陶瓷过滤器的“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。此外，图6显示的是实施例及比较例的陶瓷过滤器的“热膨胀系数比率[玻璃封口 /多孔性基材]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
[0066](热膨胀系数)
根据测定对象(实施例1?5、比较例I?3的陶瓷过滤器),制作4mmX 3mmX 20mm的棱柱状试样，测定从50°C升温至500°C时的热膨胀系数。另外，使陶瓷过滤器孔单元的延伸方向为试样的长边方向。具体地，首先，测定从50°C升温至500°C时的试样的“膨胀长度”(长边方向上膨胀的长度)。此外，将该“膨胀长度”除以温度变化量(500°C -50°C =450°C)，再除以试样的上述长边方向的长度(50°C时的长度)得到的值作为热膨胀系数。
[0067](无机颗粒的面积占有率)
要求得无机颗粒的面积占有率(无机颗粒面积占有率)，首先，将得到的陶瓷过滤器的玻璃封口(无机颗粒分散玻璃封口)切断。此外，将玻璃封口的截面研磨后，用扫描型电子显微镜(SEM)观察该玻璃封口截面的反射电子像，由此求得无机颗粒的面积占有率。更具体地，是读取玻璃封口的截面面积(120 μ mX 90 μ m)和该玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积，算出无机颗粒整体的面积相对于玻璃封口面积的比率，从而求得无机颗粒面积占有率。在这里，玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积是“多个无机颗粒各自的面积”的总和。[0068](密封性)
除了孔单元的延伸方向的长度为160mm以外，以与各实施例、比较例的陶瓷过滤器相同的条件制作陶瓷过滤器。将得到的陶瓷过滤器作为对应的各实施例、比较例的陶瓷过滤器评价用试样。然后，将得到的试样放入浸溃容器，将装有该试样的浸溃容器浸溃于水中(水已装入密闭容器中)，连同浸溃容器在密闭容器中减压，进行水中脱气。然后，在水中，向孔单元内导入压缩空气，一边令压缩空气的压力上升，一边测定玻璃封口发泡时的压力。令压缩空气从0.15MPa变化至0.25MPa。
[0069](耐热性)
将陶瓷过滤器放入压热器，浸溃于180°C的水中，测定玻璃封口产生裂纹为止的时间。
【权利要求】
1.一种陶瓷过滤器，具备有: 多孔性基材，其具有分隔壁、材质为陶瓷，所述分隔壁划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元； 分离膜，其配设于所述孔单元内壁面； 玻璃封口，其以不堵塞所述孔单元开口部的状态配置于所述一侧端面及所述另一侧端面； 所述玻璃封口具有玻璃及分散在所述玻璃中的无机颗粒， 所述无机颗粒的材质为粘土， 所述玻璃封口的热膨胀系数相对于所述多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。
2.根据权利要求1所述的陶瓷过滤器，其中，所述无机颗粒相对于所述玻璃封口的面积占有率为5?50%。
【文档编号】B01D71/02GK103874536SQ201280049751
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月11日
【发明者】寺西慎, 铃木秀之, 矶村学 申请人:日本碍子株式会社
【专利摘要】一种陶瓷过滤器，具备有：“具有划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元的分隔壁、材质为陶瓷的”多孔性基材、“配设于孔单元内壁面的”分离膜、“以不堵塞孔单元开口部的状态配置于一侧端面及另一侧端面的”玻璃封口，玻璃封口具有玻璃及分散在玻璃中的无机颗粒，无机颗粒的材质为粘土，玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。提供可在高温条件下长时间使用的陶瓷过滤器。
【专利说明】陶瓷过滤器
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷过滤器，更详细地，涉及高温条件下可长时间使用的陶瓷过滤器。【背景技术】
[0002]利用了陶瓷多孔体的陶瓷过滤器，由于比高分子膜的机械强度和耐久性良好，因此可信赖度高。此外，陶瓷过滤器由于耐腐蚀性高，因此用酸或碱等药液洗净时的劣化少。另外，陶瓷过滤器可以精密控制决定过滤能力的平均孔径。由于陶瓷过滤器具有此种优点，因此，除了水处理和排气处理领域以外，还可在以医药.食品领域为首的广泛领域中，用于滤去液体、气体等流体中存在的悬浊物质、细菌、粉尘等。此外，陶瓷过滤器也可用于分离提纯2种成分以上的液体混合物的渗透汽化用途、分离提纯2种成分以上的气体混合物的气体分离用途。
[0003]作为陶瓷过滤器，可使用例如，具备有柱状多孔性基材、配设于孔单元内壁面的分离膜、覆盖配置多孔性基材端面的玻璃封口(端部玻璃封口部分)的陶瓷过滤器等。在这里，柱状多孔性基材形成有多个“从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元”。此外，柱状多孔性基材的材质是陶瓷。由此,柱状多孔性基材可以在维持过滤性能的同时提升元件内部的流体透过性(例如，参照专利文献I)。
现有技术文献 专利文献
[0004]专利文献1:日本专利特开2006-263498号公报
【发明内容】
[0005]专利文献I记载的陶瓷过滤器，是可以有效除去液体和气体等流体中混合存在的悬浊物质、细菌、粉尘等的高耐腐蚀性过滤器。但是，在有水存在的高温条件下长时间使用的话，存在端部玻璃封口部分产生裂纹的问题。此外，在基材上配设沸石分离膜的情况等制造时暴露于高温碱水溶液的情况下，端部玻璃封口部分也会产生裂纹。
[0006]本发明鉴于此种现有技术的问题点而作。本发明提供可以在水存在下的高温条件下长时间使用的具有端部密封(玻璃封口)的陶瓷过滤器。
[0007]根据本发明，提供以下所示的陶瓷过滤器。
[0008][I] 一种陶瓷过滤器，具备有:具有划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元的分隔壁、材质为陶瓷的多孔性基材，配设于所述孔单元内壁面的分离膜，以不堵塞所述孔单元开口部的状态配置于所述一侧端面及所述另一侧端面的玻璃封口，所述玻璃封口具有玻璃及分散在所述玻璃中的无机颗粒，所述无机颗粒的材质为粘土，所述玻璃封口的热膨胀系数相对于所述多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。
[0009][2]根据[I]所述的陶瓷过滤器，其中，所述无机颗粒相对于所述玻璃封口的面积占有率为5?50%。
[0010]本发明的陶瓷过滤器，在多孔性基材端面配设的玻璃封口中，分散有材质为粘土的无机颗粒，玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。因此，本发明的陶瓷过滤器可在高温条件下长时间使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]【图1】是显示本发明的陶瓷过滤器的一实施方式安装于外壳内的状态，显示与陶瓷过滤器的孔单元延伸方向平行的截面的模式图。
【图2】是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的多孔性基材的侧视示意图。
【图3】是显示构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的玻璃封口的部分截面的模式图。
【图4】是实施例1的陶瓷过滤器的平面示意图。
【图5】是显示实施例及比较例的陶瓷过滤器的“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
【图6】是显示实施例及比较例的陶瓷过滤器的“热膨胀系数比率[玻璃封口 /多孔性基材]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
符号说明
1:分隔壁，2:孔单元，3:多孔性基材，4:外周壁，5:外周面，11:一侧端面，12:另一侧端面，21:分离膜，31:玻璃封口，32:玻璃，33:无机颗粒，41:外壳，42:流体入口，43:流体出口，44:密封材料，100、101:陶瓷过滤器，Fl:被处理流体，F2:已处理流体。
【具体实施方式】
[0012]以下参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。但本发明不限定于以下实施方式。在不脱离本发明主旨的范围内，根据本行业的一般知识，对以下实施方式进行的适当变更、改良等也应理解为在本发明范围之内。
[0013](I)陶瓷过滤器:
本发明的陶瓷过滤器的一个实施方式，如图1所示，具备有多孔性基材3、分离膜21、玻璃封口 31。此外，多孔性基材3具有“划分形成从一侧端面11延伸至另一侧端面12的多个孔单元2的”分隔壁I及“位于最外周的”外周壁4，材质为陶瓷。另外，分离膜21配设于孔单元2的内壁面。此外，玻璃封口 31以“不堵塞孔单元2的开口部的状态”配置于一侧端面11及另一侧端面12。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100的玻璃封口 31具有玻璃及分散在玻璃中的无机颗粒。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100中，上述无机颗粒的材质为粘土。另外，本实施方式的陶瓷过滤器100的“玻璃封口 31的热膨胀系数相对于多孔性基材3的热膨胀系数的比率”(玻璃封口的热膨胀系数比率)在90%以下。在这里，“孔单元2的内壁面”指的是，孔单元2内露出的“分隔壁I的表面”。此外，多孔性基材3优选具有多个孔单元2，但也可具有I个孔单元2。此外，本实施方式的陶瓷过滤器100具有外周壁4，但也可不具有外周壁4。图1是显示本发明的陶瓷过滤器的一实施方式安装于外壳41内的状态，显示与陶瓷过滤器100的孔单元2的延伸方向平行的截面的模式图。
[0014]如此， 对于本实施方式的陶瓷过滤器100，配设于多孔性基材3端面的玻璃封口 31具有玻璃及“分散在玻璃中、材质为粘土的无机颗粒”(玻璃封口 31中分散有无机颗粒)。因此，即使在高温条件下使用而对陶瓷过滤器100施加热应力，由于材质为粘土的无机颗粒的存在，该应力被缓和，进而可在高温条件下长时间使用。另外，由于“玻璃封口的热膨胀系数比率”在90%以下，因此将陶瓷过滤器100在高温条件下使用时，可以防止“玻璃封口 31与多孔性基材3的热膨胀差异引起玻璃封口 31产生裂纹”。此外，如本实施方式的陶瓷过滤器100般为蜂窝形状的复杂形状的话，其制造过程中容易产生残留应力。特别是5000cm3以上的较大蜂窝形状的陶瓷过滤器中，容易产生残留应力。因此，如此的大蜂窝形状的陶瓷过滤器中，玻璃封口容易产生裂纹。因此，本发明的陶瓷过滤器，为较大的蜂窝形状时，能特别显著地发挥出防止玻璃封口出现裂纹的效果。
[0015]以下对本实施方式的陶瓷过滤器100的每个构成要素进行说明。
[0016](1-1)多孔性基材；
本实施方式的陶瓷过滤器100 (参照图1)中，多孔性基材3，如图2所示，具有划分形成从一侧端面11延伸至另一侧端面12的多个孔单元2的分隔壁I以及位于最外周的外周壁4。此外，多孔性基材3的材质为陶瓷。“外周壁4位于多孔性基材3的最外周”指的是，外周壁4位于“与多孔性基材3的孔单元的延伸方向垂直的截面中的”最外周。图2是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的多孔性基材3的侧视示意图。
[0017]构成多孔性基材的分隔壁以及外周壁的平均孔径考虑机械强度与过滤阻力的平衡而决定。通常，平均孔径优选为I~100 μ m。此外，气孔率优选为25~50%。平均孔径以及气孔率是通过压汞仪测定的值。
[0018]构成多孔性基材的分隔壁，优选为由分隔壁主体和覆盖分隔壁主体表面的分离膜支持层所形成的层积结构。分隔壁整体除去分离膜支持层部分即为分隔壁主体。此时，多孔性基材的“孔单元内壁面(分隔壁的表面)”为分离膜支持层的表面。此外，优选在分离膜支持层的表面配设分离膜。此外，分离膜支持层的材质优选为陶瓷。
[0019]多孔性基材(分隔壁、外周壁)的材质为陶瓷，优选氧化铝(A1203)、氧化钛(Ti02)、莫来石(Al2O3.Si02)、氧化锆(ZrO2)等。其中，更优选容易获取粒径得到控制的原料(骨材颗粒)、可形成稳定的生坯、且耐腐蚀性高的氧化铝。作为多孔性基材的分隔壁主体以及多孔性基材分离膜支持层的结构，也可选择“至少其一部分通过玻璃成分(烧结助剂)使骨材颗粒之间结合的结构”。此种结构的陶瓷过滤器，可通过更低温的烧结而制造，可以更低成本生产。
[0020]多孔性基材的形状，优选为具有一侧端面11、另一侧端面12以及外周面5的柱状(解释为由于形成孔单元而成为中空的话，为“筒状”)。此外，多孔性基材的形状，由于可以增加单位体积的过滤面积、提高处理能力，优选“蜂窝状”或“具有多个贯通孔的一体型结构体状(? 7 V 7)，，。
[0021]对于多孔性基材整体的形状和尺寸，只要不阻碍其过滤功能，则无特别限制。作为整体的形状，可举出例如，圆柱(或圆筒)状、四角棱柱状(或与中心轴垂直的截面为四角形的筒状)、三角棱柱状(或与中心轴垂直的截面为三角形的筒状)等形状，其中，优选圆柱(或圆筒)状。用于精密过滤和超滤时，优选与中心轴垂直的截面中的直径为30~180_、中心轴方向中的长度为150~2000mm的圆柱状。
[0022]作为多孔性基材的孔单元的截面形状(与孔单元的延伸方向垂直的截面形状)，可举出例如，圆形、多角形等。作为 多角形可举出四角形、五角形、六角形、三角形等。此外，孔单元的延伸方向，当多孔性基材为圆柱(或圆筒)状时，与中心轴方向相同。[0023]当多孔性基材的孔单元的截面形状为圆形时，孔单元的直径优选为I?5_。小于1_的话，当孔单元密度一定时，过滤面积变小。大于5_的话，陶瓷过滤器的强度有时会下降。
[0024]当多孔性基材的孔单元的截面形状为多角形时，分隔壁厚度优选为0.3?2mm。薄于0.3mm的话，陶瓷过滤器的强度有时会下降。厚于2mm的话，流体流动时的压力损失有时会增大。
[0025](1-2)分离膜；
本实施方式的陶瓷过滤器中，分离膜优选由形成有许多细孔的多孔体构成，配置于孔单元内壁面(分隔壁的表面)。
[0026]分离膜的平均孔径可根据要求的过滤性能(应除去的物质的粒径)而适当决定。例如，用于精密过滤和超滤的陶瓷过滤器的情况下，优选0.01?1.0 μ m。分离膜的平均孔径是根据ASTM F316记载的气流法测定的值。此外，用于气体分离、渗透汽化的陶瓷过滤器的情况下，作为气体分离、渗透汽化过滤器的“分离膜”的种类并无特别限定。例如，根据分离的气体种类适当选择公知的一氧化碳分离膜、氦分离膜、氢分离膜、碳膜、MFI型沸石膜、DDR型沸石膜、二氧化硅膜等即可。作为分离膜，可举出例如，专利第4006107号公报记载的一氧化碳分离膜、专利第3953833号公报记载的氦分离膜、专利第3933907号公报记载的氢分离膜、专利特开2003-286018号公报记载的碳膜、专利特开2004-66188号公报记载的DDR型沸石膜复合体、国际公开第2008/050812号记载的二氧化硅膜等。
[0027](1-3)玻璃封口；
本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口以不堵塞孔单元开口部的状态配置于多孔性基材的一侧端面以及另一侧端面(两端面)上。玻璃封口优选配置为覆盖多孔性基材的两端面的壁面部分(有壁、无开孔(孔单元)(无开口)的部分)整体。另外，玻璃封口优选与配置在孔单元内壁面的分离膜无缝(玻璃封口与分离膜之间无缝隙)接触。“玻璃封口与分离膜之间无缝隙”指的是，配置于孔单元内壁面的筒状分离膜的端部与玻璃封口连接接触，玻璃封口与分离膜之间没有形成“露出多孔性基材的壁面部分”的状态。此时，玻璃封口的一部分也可以是沿着孔单元内壁面渗入孔单元内的状态。即使玻璃封口的一部分渗入孔单元内，只要孔单元的开口部没有完全堵塞，就是将“玻璃封口以不堵塞孔单元开口部的状态配置于多孔性基材的一侧端面以及另一侧端面”。此外，本说明书中，玻璃封口指的是分散有无机颗粒的玻璃封口整体。此外，为了明确区分分散有无机颗粒的玻璃封口整体和玻璃封口中的“玻璃”(玻璃封口所含有的玻璃)的部分，有时称为“无机颗粒分散玻璃封口”。此外，玻璃封口优选由玻璃和无机颗粒构成。
[0028]此外，如图1所示，玻璃封口 31优选配置为还覆盖多孔性基材3的外周面5的一部分(多孔性基材3的孔单元2延伸方向的端部附近)。此外，将陶瓷过滤器100装入外壳41内时，优选将“配设于多孔性基材3的外周面5上的玻璃封口 31”和外壳41之间的“缝隙”用密封材料44填充。具体地，优选通过在“配设于多孔性基材3的外周面5上的玻璃封口 31”和外壳41之间配置O型密封圈等密封材料44，以此堵塞上述“缝隙”。由于玻璃封口 31的表面较多孔性基材3的外周面5平滑，因此通过将密封材料44配置在玻璃封口31上，可以提升密封性。此外，为了进一步提升将密封材料44配置在玻璃封口 31上时的密封性，优选玻璃封口 31的表面(特别是配设在多孔性基材3的外周面5上的部分的表面)的平滑性较高。
[0029]通过在多孔性基材的两端面以不堵塞孔单元开口部的状态配设玻璃封口，可以防止被处理流体(例如，被处理水)从陶瓷过滤器的端面(壁面)渗入多孔性基材的内部。由此，如图1所示，向陶瓷过滤器100的一侧端面一侧供给被处理流体Fl时，被处理流体Fl流入孔单元2内，透过分离膜21，渗入多孔性基材3的内部。此外，如图1所示，陶瓷过滤器100被装入外壳41。另外，由于多孔性基材3的外周面5有多孔性基材3露出，因此渗入了多孔性基材3内的已处理流体F2从多孔性基材3的外周面5排出至外部(多孔性基材3的外部)。已处理流体F2是被处理流体Fl经过分离膜21过滤得到的流体(例如，已处理水)。
[0030]本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口如图3所示，具有玻璃32及“分散在玻璃32中、材质为粘土的无机颗粒33”。另外，玻璃封口 31的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。因此，本实施方式的陶瓷过滤器可以在高温条件下长时间使用。图3显示的是构成本发明的陶瓷过滤器的一实施方式的玻璃封口截面一部分的模式图。
[0031]分散在玻璃封口中的无机颗粒的材质为粘土。作为粘土，优选为选自高岭土、白云石、蒙脱石、长石类、方解石、滑石及云母构成的群的至少I种。其中，优选长石类与高岭土的混合物。作为长石类，优选正长石等钾长石。
[0032]“玻璃封口的热膨胀系数”相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下，优选75~85%，更优选77~83%。大于90%的话，本实施方式的陶瓷过滤器的耐热性有时会下降。此外，小于75%的话，玻璃封口的密封性有时会下降。“玻璃封口的热膨胀系数”相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率为75~85%的话，在提升陶瓷过滤器的耐热性的同时，也可良好维持玻璃封口的密封性。
[0033]本实施方式的陶瓷过滤器中，玻璃封口的热膨胀系数优选为5.0X10_6~6.6X 10-6/Κ，更优选 5.0XlO-6 ~6.3Χ 10-6`/Κ，特别优选 5.4Χ 10-6 ~5.8Χ 10_6/Κ。小于
5.0X 10_6/Κ时，烧结后，孔单元内渗入部位有时会产生裂纹。此外，大于6.6Χ10_7Κ时，耐热性有时不充分。
[0034]无机颗粒对相于玻璃封口整体的面积比率(面积占有率)(以下有时也称为“无机颗粒的面积占有率”)优选为5~50%，更优选为10~35%，特别优选18~35%。小于5%的话，玻璃封口有时难以在高温条件下长时间使用。大于50%的话，玻璃封口的强度及耐久性有时会下降。上述无机颗粒的“面积占有率，”是将玻璃封口切断、研磨截面后，用扫描型电子显微镜(SEM)观察该截面的反射电子像而求得的值。更具体的，是读取玻璃封口的截面面积(120 μ mX90 μ m)和该玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积，算出无机颗粒整体的面积相对于玻璃封口整体的面积的比率而得到的值。在这里，玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积是“多个无机颗粒各自面积”的总和。
[0035]无机颗粒的平均粒径优选为0.5~40 μ m,更优选2~14 μ m。小于0.5 μ m时以及
大于40 μ m时，玻璃封口有时会产生裂纹。无机颗粒的平均粒径使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的玻璃封口截面的反射电子像求得。具体的，从该反射电子像拍摄的多个无机颗粒中，随机选择50个无机颗粒，测定该选择的50个无机颗粒的单向粒子直径，取得获得的单向粒子直径的平均值(50个无机颗粒的平均值)。“单向粒子直径”指的是，“反射电子像”上，决定一个方向，该方向上各无机颗粒的直径。[0036]无机颗粒，优选在玻璃封口中含有5?70质量％ (相对于无机颗粒与玻璃的合计质量的比率)，更优选含有10?50质量％。少于5质量％的话，将陶瓷过滤器在高温条件下长时间使用时，玻璃封口有时会产生裂纹。大于70质量％的话，玻璃封口的机械强度有时会下降。
[0037]玻璃封口的厚度优选为30?500 μ m。薄于30 μ m的话，耐久性有时会下降。厚于500 μ m的话，玻璃封口容易凸出在孔单元内，妨碍流体的流入。此外，玻璃封口较厚的话，陶瓷过滤器有时会变重。
[0038]玻璃封口所含有的玻璃，只要是可以用作“不透过流体的密封材料”的玻璃，则无特别限定，优选无碱玻璃。通过由无碱玻璃形成玻璃封口，玻璃封口的碱成分移动被抑制为大致完全相近的水平。因此，可以防止多孔性基材和分离膜与玻璃封口的界面浓缩有源自玻璃封口的碱成分，可以飞跃性地提升陶瓷过滤器的耐腐蚀性。由此，本实施方式的陶瓷过滤器，即使经过多次药洗，也可有效防止玻璃封口附近的多孔性基材和分离膜的侵蚀，具有良好的耐腐蚀性。
[0039]一般，“无碱玻璃”指的是，完全不含碱金属氧化物或其含量极低的玻璃。本说明书中，指的是碱金属氧化物的总含有率在I摩尔％以下的玻璃。此外，本说明书中，玻璃中的金属氧化物的“含有率”指的是，将该玻璃构成的釉料粉末通过电感耦合等离子体发射光谱分析法(ICP)分析,定量玻璃中所含的构成元素而得到的值。“ICP”是“Inductively CoupledPlasma Atomic Emission Spectrometer”的简称。更具体指的是，上述无碱玻璃的情况下，将特定元素以氧化物换算而算出的摩尔数，相对于无碱玻璃的全部构成元素换算为氧化物而算出的总摩尔数的比率。
[0040]无碱玻璃，基于抑制玻璃封口的碱成分移动、提升陶瓷过滤器的耐腐蚀性的观点是非常理想的，但无碱玻璃自身的耐腐蚀性有时不充分。为了提升无碱玻璃自身的耐腐蚀性，优选无碱玻璃含有二氧化硅55?65摩尔％、含有氧化锆I?10摩尔％。此外，为了提升无碱玻璃自身的耐腐蚀性，还优选具有以下的组成特征。即，优选含有选自氧化钙、氧化钡以及氧化锶群的至少I种碱土类金属氧化物，还优选实质上不含氧化锌。
[0041]此外，由于无碱玻璃中不含具有降低熔点作用的碱金属氧化物，因此直接使用的话有时形成玻璃封口时的烧结温度会变高、加工性会下降。因此，优选使用含有氧化铝(A1A)、氧化硼(B2O3)等具有降低熔点作用成分的无碱玻璃。含有此种成分的话，由于玻璃的熔点下降，可以降低形成玻璃封口时的烧结温度，提高加工性。另外，通过含有上述成分，可通过更低温的烧结制造玻璃封口，因此可以更低成本生产。
[0042](2)净化方法:
说明使用本实施方式的陶瓷过滤器净化流体的方法。
[0043]使用本实施方式的陶瓷过滤器100净化流体(例如，水等)时，优选如下进行。即，优选令被处理流体从一侧端面11或另一侧端面12流入孔单元2内，由此进行流体的净化。如此，首先，流入孔单元2内的被处理流体透过配设在孔单元2内壁面的分离膜21，变为已处理流体，渗入多孔质基体3 (分隔壁以及外周壁)内。此外，将渗入多孔质基体3内的已处理流体从外周面5排出至外部(多孔性基材3的外部)。此时，被处理流体中存在的悬浊物质、细菌、粉尘等通过分离膜21被滤出(捕集)。此外，本实施方式的陶瓷过滤器100，可用于例如，渗透汽化法或蒸气透过法的混合物分离。[0044]如图1所示，使用本实施方式的蜂窝形状的陶瓷过滤器100净化流体时，优选将陶瓷过滤器100装入具有流体入口 42以及流体出口 43的筒状外壳41内。此外，优选将从外壳41的流体入口 42流入的被处理流体Fl通过陶瓷过滤器100净化，将被净化的被处理流体(已处理流体F2)从流体出口 43排出。
[0045]将陶瓷过滤器100装入外壳41时，如图1所示，陶瓷过滤器100的两端部中，优选用密封材料44、44堵住陶瓷过滤器100与外壳41间的缝隙。
[0046]作为外壳41的材质，并无特别限定，可举出例如，不锈钢等。此外，作为密封材料44，并无特别限定，可举出例如，O型密封圈等。此外，作为密封材料44的材质，可举出有，氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶等。这些材质也适宜高温下长时间使用。
[0047](3)陶瓷过滤器的制造方法:
本实施方式的陶瓷过滤器的制造方法如下。
[0048](3-1)多孔性基材；
作为多孔性基材的制造方法，并无特别限定，可使用作为陶瓷制多孔性基材的制造方法公知的方法。例如，可使用作为过滤器等使用的陶瓷蜂窝结构体的制造方法公知的方法。例如，首先，混合骨材颗粒、分散剂、根据需要的烧结助剂、表面活性剂等添加剂，制作成形原料。然后，将得到的成形原料混炼而制作生坯，将得到的生坯成形为蜂窝形状，制作蜂窝成形体。然后，将得到的蜂窝成形体干燥、烧结而得到蜂窝结构体。多孔性基材无分离膜支持层时，上述蜂窝结构体即为多孔性基材。
[0049]制作具有分离膜支持层的多孔性基材时，优选在制作蜂窝结构体后，在该蜂窝结构体的孔单元内壁面涂布分离膜支持层形成用浆料，通过干燥、烧结而得到具有分离膜支持层的多孔性基材。分离膜支持层形成用浆料，优选通过混合例如骨材颗粒、分散剂、根据需要的表面活性剂等添加剂而调制。
[0050](3-2)分离膜；
例如清洁水用精密过滤膜的情况时，分离膜优选通过在多孔性基材的孔单元内壁面涂布成膜用浆料，干燥、烧结而形成。成膜用浆料优选通过混合例如骨材颗粒、分散剂、根据需要的表面活性剂等添加剂而调制。成膜用浆料所含有的骨材颗粒的平均粒径优选为0.1?IOum0作为将成膜用浆料涂布在多孔性基材的方法，并无特别限定，可举出例如，浸溃等方法。
[0051]此外，作为制造用于分离一氧化碳和氢的钯等金属膜(分离膜)的方法，可举出化学镀法、真空蒸镀法、溅射法等(专利第4006107号公报、专利第3933907号公报)。此外，作为制作碳膜的方法，可举出有，将作为聚酰亚胺树脂前驱体的特定聚酰胺酸涂布在基材表面，加热、干燥后形成碳膜的前驱体，将该前驱体热分解制为碳膜的方法(日本专利特开2003-286018号公报)。此外，作为制作DDR型沸石膜的方法，可举出有，将含有二氧化硅及1-金刚烷胺的原料用液在基材表面上通过水热合成而在基材表面制作DDR型沸石膜的方法(日本专利特开2004-66188号公报)。此外，作为制作二氧化硅膜的方法，可举出有，将二氧化硅溶胶液涂布在基材表面，通过干燥、加热而制作二氧化硅膜的方法(国际公开第2008/050812 号)。
[0052](3-3)玻璃封口；
玻璃封口(无机颗粒分散玻璃封口)可通过将玻璃封口形成用浆料涂布在陶瓷过滤器的两端面，干燥后烧结而形成。玻璃封口形成用浆料优选在特定的釉料(玻璃釉料)中混合特定的无机颗粒(粉体)，再混合水及有机粘合剂而调制。釉料优选为将特定的玻璃原料混合为特定的组成，熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径10?20 μ m左右而形成。实施例
[0053]以下通过实施例更具体的说明本发明的陶瓷过滤器，但本发明不限定于这些实施例。
[0054](实施例1)
通过以下方法制作端面直径为30_的蜂窝状陶瓷过滤器。
[0055](多孔性基材)
对于平均粒径50 μ m的氧化铝颗粒(骨材颗粒)100质量份，添加釉料(烧结助剂)20质量份，再加入水、分散剂以及增粘剂混合，混炼调制生坯。将得到的生坯成形为蜂窝形状，通过干燥、烧结，制作分离膜支持层形成前的多孔性基材(多孔性基材A)。烧结条件为1250°C、1小时，升温以及降温速度均为100°C /小时。
[0056]作为釉料，使用的是将含有SiO2 (80摩尔％)、A1203 ( 10摩尔％)、碱土类金属(8摩尔％)的玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径I μ m。另外，玻璃原料中，作为杂质，含有MgO、Na2O, Fe203、TiO2等。
[0057]得到的多孔性基材A为“孔单元的截面形状(与孔单元的延伸方向垂直的截面的形状)是直径为2.6mm的圆形”的蜂窝形状氧化铝多孔体。该氧化铝多孔体的形状(外形)为端面(外周形状为圆形)的直径为30mm、“孔单元的延伸方向”的长度为20mm的圆筒形状。孔单元的数量为55根。此外，多孔性基材A的平均孔径为10 μ m。平均孔径为水银压入法测定的值。多孔性基材A的热膨胀系数为7.0X 10_6/K。
[0058](分离膜支持层的形成)
接着，在多孔性基材A的孔单元内壁面形成厚150 μ m、平均孔径0.5 μ m、由氧化铝多孔体构成的分离膜支持层。平均孔径为ASTM F316记载的气流法测定的值。
[0059]形成分离膜支持层时，首先，对于平均粒径31 μ m的氧化铝颗粒(骨材颗粒)100质量份，添加釉料(烧结助剂)14质量份，再加入水、分散剂以及增粘剂混合，调整浆料。使用该浆料，根据日本专利特公昭63-66566号公报记载的过滤成膜法，在多孔性基材A的内周面形成“烧结前的分离膜支持层”。然后，在大气气氛下，用电炉烧结，形成分离膜支持层，得到多孔性基材。烧结条件为950°C、1小时，升温以及降温速度均为100°C /小时。此外，作为釉料，使用的是玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径lym。作为玻璃原料，使用含有SiO2 (77摩尔％)、ZrO2 (10摩尔％)、LiO2 (3.5摩尔％)、Na2O (4摩尔％)、K2O (4摩尔％)、CaO (0.7摩尔％)及MgO (0.8摩尔％)的物质。
[0060](分离膜的形成)
接着，在多孔性基材的孔单元的内周面(分离膜支持层的表面)形成厚10 μ m、平均孔径
0.1ym,由氧化钛多孔体构成的分离膜。平均孔径为ASTM F316记载的气流法测定的值。
[0061]分离膜的形成方法，除了在作为骨材颗粒的平均粒径0.5 μ m的氧化钛颗粒(粉末)中加入水、分散剂以及增粘剂混合而调制浆料以外，与上述分离膜支持层的制作方法相同。
[0062](玻璃封口的形成)
接着，在多孔性基材的两端面以不堵塞孔单元开口部的状态配设玻璃封口，得到图4所示的蜂窝状圆筒形状的陶瓷过滤器(蜂窝陶瓷过滤器试验片)。图4是实施例1的陶瓷过滤器101的平面示意图。
[0063]首先，通过将釉料(玻璃釉料)、“钾长石与高岭土以4:1 (质量比)之比混合得到的粘土 A”(无机颗粒)、水及有机粘合剂混合而调制浆料。粘土 A (无机颗粒)的混合比例为，相对于釉料与粘土 A (无机颗粒)的合计质量为5质量％。此外，水的混合比例为，当釉料和粘土 A (无机颗粒)的合计质量为100质量份时，为65质量份。此外，有机粘合剂的混合比例为，当釉料与粘土 A (无机颗粒)的合计质量为100质量份时，为7质量份。此外，作为有机粘合剂，使用甲基纤维素。此外，粘土 A的热膨胀系数为6.6X10_e/K。将得到的浆料涂布在多孔性基材的两端面，干燥后烧结，由此得到陶瓷过滤器。玻璃封口的厚度为200 μ m。烧结条件与上述分离膜支持层的制作方法相同。此外，玻璃封口中的粘土 A (无机颗粒)的平均粒径为5 μ m。
[0064]此外，用作玻璃封口原料的釉料，是将玻璃原料以1600°C熔融、均匀化，将其冷却后粉碎为平均粒径15μπι。作为玻璃原料，使用了含有SiO2 (63摩尔％)、Zr02 (3摩尔％)、Al2O3 (5摩尔％)、CaO (9摩尔％)、BaO (17摩尔％)及B2O3 (3摩尔％)的物质。由此，玻璃封口含有的玻璃为无碱玻璃。釉料的热膨胀系数为6.7X 10-6/K。
[0065]对于上述得到的陶瓷过滤器，通过以下所示的方法进行耐热性以及密封性的评价。此外，测定无机颗粒的面积占有率。结果如表I所示。此外，“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系如图5所示，“热膨胀系数比[玻璃封口 /多孔性基材(基材)]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系如图6所示。此外，用作玻璃封口原料的釉料及无机颗粒、多孔性基材A，以及玻璃封口的热膨胀系数是以下方法测定的值。表I中，“热膨胀系数比率[玻璃封口 /基材]”表示玻璃封口的热膨胀系数相对于多孔性基材的热膨胀系数的比率。图5显示的是实施例及比较例的陶瓷过滤器的“无机颗粒的面积占有率”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。此外，图6显示的是实施例及比较例的陶瓷过滤器的“热膨胀系数比率[玻璃封口 /多孔性基材]”与“裂纹发生时间(耐热性)”的关系的图表。
[0066](热膨胀系数)
根据测定对象(实施例1?5、比较例I?3的陶瓷过滤器),制作4mmX 3mmX 20mm的棱柱状试样，测定从50°C升温至500°C时的热膨胀系数。另外，使陶瓷过滤器孔单元的延伸方向为试样的长边方向。具体地，首先，测定从50°C升温至500°C时的试样的“膨胀长度”(长边方向上膨胀的长度)。此外，将该“膨胀长度”除以温度变化量(500°C -50°C =450°C)，再除以试样的上述长边方向的长度(50°C时的长度)得到的值作为热膨胀系数。
[0067](无机颗粒的面积占有率)
要求得无机颗粒的面积占有率(无机颗粒面积占有率)，首先，将得到的陶瓷过滤器的玻璃封口(无机颗粒分散玻璃封口)切断。此外，将玻璃封口的截面研磨后，用扫描型电子显微镜(SEM)观察该玻璃封口截面的反射电子像，由此求得无机颗粒的面积占有率。更具体地，是读取玻璃封口的截面面积(120 μ mX 90 μ m)和该玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积，算出无机颗粒整体的面积相对于玻璃封口面积的比率，从而求得无机颗粒面积占有率。在这里，玻璃封口中所含的无机颗粒整体的面积是“多个无机颗粒各自的面积”的总和。[0068](密封性)
除了孔单元的延伸方向的长度为160mm以外，以与各实施例、比较例的陶瓷过滤器相同的条件制作陶瓷过滤器。将得到的陶瓷过滤器作为对应的各实施例、比较例的陶瓷过滤器评价用试样。然后，将得到的试样放入浸溃容器，将装有该试样的浸溃容器浸溃于水中(水已装入密闭容器中)，连同浸溃容器在密闭容器中减压，进行水中脱气。然后，在水中，向孔单元内导入压缩空气，一边令压缩空气的压力上升，一边测定玻璃封口发泡时的压力。令压缩空气从0.15MPa变化至0.25MPa。
[0069](耐热性)
将陶瓷过滤器放入压热器，浸溃于180°C的水中，测定玻璃封口产生裂纹为止的时间。
【权利要求】
1.一种陶瓷过滤器，具备有: 多孔性基材，其具有分隔壁、材质为陶瓷，所述分隔壁划分形成从一侧端面延伸至另一侧端面的孔单元； 分离膜，其配设于所述孔单元内壁面； 玻璃封口，其以不堵塞所述孔单元开口部的状态配置于所述一侧端面及所述另一侧端面； 所述玻璃封口具有玻璃及分散在所述玻璃中的无机颗粒， 所述无机颗粒的材质为粘土， 所述玻璃封口的热膨胀系数相对于所述多孔性基材的热膨胀系数的比率在90%以下。
2.根据权利要求1所述的陶瓷过滤器，其中，所述无机颗粒相对于所述玻璃封口的面积占有率为5?50%。
【文档编号】B01D71/02GK103874536SQ201280049751
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月11日
【发明者】寺西慎, 铃木秀之, 矶村学 申请人:日本碍子株式会社
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