JP2005232033A - Polymer metal complex, use as gas adsorbent, gas separation device and gas storage device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子金属錯体及びガス吸着材としての利用並びにこれを用いたガス分離装置及びガス貯蔵装置に関する。 The present invention relates to a polymer metal complex and its use as a gas adsorbent, and a gas separation device and a gas storage device using the same.
ガス吸着材は、加圧貯蔵や液化貯蔵に比べて、低圧で大量のガスを貯蔵し得る特性を有する。このため、近年、ガス吸着材を用いたガス貯蔵装置やガス分離装置の開発が盛んである。ガス吸着材としては、活性炭やゼオライト等が知られている。また、最近は、多孔性の高分子金属錯体にガスを吸蔵させる方法も提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。 The gas adsorbent has characteristics that can store a large amount of gas at a low pressure as compared with pressurized storage and liquefied storage. For this reason, in recent years, development of a gas storage device and a gas separation device using a gas adsorbent has been active. As the gas adsorbent, activated carbon, zeolite and the like are known. Recently, a method of occluding gas in a porous polymer metal complex has also been proposed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
しかしながら、これらの従来提案されてきたガス吸着材は、ガス吸着量や作業性等の点で充分に満足できるものとは言えず、より優れた特性を有するガス吸着材の開発が所望されている。 However, these conventionally proposed gas adsorbents cannot be said to be sufficiently satisfactory in terms of gas adsorption amount, workability, etc., and development of gas adsorbents with better properties is desired. .
一方、外部刺激による動的構造変化を生じる高分子金属錯体が報告されている(非特許文献2、非特許文献3参照)。この新規な動的構造変化金属錯体の中でも、高分子構造を有する高分子金属錯体で、かつ内部に空孔を有する錯体をガス吸着材として使用した場合、ある一定の圧力まではガスを吸着しないが、ある一定圧を越えるとガス吸着が始まると言う特異な現象が観測されている。また、ガス放出に関しては、一定圧まではガスを放出しないが、一定圧以下になるとガスを急激に放出する現象も同時に観察されており、ガス吸蔵材としての利用が高まっている(非特許文献4、非特許文献5参照)。これらの動的構造変化を有する高分子金属錯体は、分子内に水素結合やπ−π相互作用等の弱い相互作用を有する部位が含まれており、それらが構造変化を起こす原因であると考えられているが、詳細はわかっていない。
本発明は、新規な高分子金属錯体を提供すること、及びこれを用いた優れた特性を有するガス吸着材を提供することを目的とする。また、本発明は、前記特性を有するガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両を併せて提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel polymer metal complex and to provide a gas adsorbent having excellent characteristics using the same. It is another object of the present invention to provide a gas storage device and a gas separation device each containing a gas adsorbent having the above characteristics, and a vehicle equipped with the gas storage device.
本発明者らは、前述のような問題点を解決すべく、鋭意研究を積み重ねた結果、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 −)を含有する高分子金属錯体が、特定の条件においてガス吸蔵能を有し、さらに、外部刺激によって急激なガスの吸収や放出を行う能力を有することを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-described problems, the present inventors have found that a polymer metal complex containing trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 − ) is a gas under specific conditions. It has been found that it has occlusion ability and also has the ability to absorb and release gas rapidly by external stimulation. The present invention has been completed.
即ち、本発明は、遷移金属イオンとトリフルオロメタンスルホン酸イオンと有機配位子からなるトリフルオロメタンスルホン酸イオン系高分子金属錯体に関する。また本発明は、前記高分子金属錯体のガス吸蔵材料としての利用、前記ガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両に関する。 That is, the present invention relates to a trifluoromethanesulfonate ion-based polymer metal complex composed of a transition metal ion, a trifluoromethanesulfonate ion, and an organic ligand. The present invention also relates to the use of the polymer metal complex as a gas storage material, a gas storage device and gas separation device in which the gas adsorbent is housed, and a vehicle on which the gas storage device is mounted.
具体的には、本発明は、
(1) 下記式(1)の単位構造を有する高分子金属錯体、
Specifically, the present invention provides:
(1) a polymer metal complex having a unit structure of the following formula (1),
(ここで、式中、Xは二価の遷移金属イオン、Lは有機配位子を示す。)
(2) 前記Xが銅(II)イオンである(1)に記載の高分子金属錯体、
(3) 前記有機配位子Lが4,4’−ビピリジルである、(1)または(2)に記載の高分子金属錯体、
(4) 少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の高分子金属錯体、
(5) 前記ガスが、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、および窒素からなる群より選択される少なくとも1種類のガスである、(4)に記載の高分子金属錯体、
(6) 前記ガスが、硫化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物、およびアンモニアからなる群より選択される少なくとも1種のガスである、(4)に記載の高分子金属錯体、
(7) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の高分子金属錯体を含むガス吸着材、
(8) (7)に記載のガス吸着材を用いてなる圧力スイング吸着方式ガス分離装置、
(9) (7)に記載のガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置、
(10) (9)に記載のガス貯蔵装置を搭載してなる車両、
である。
(Wherein, X represents a divalent transition metal ion, and L represents an organic ligand.)
(2) The polymer metal complex according to (1), wherein X is a copper (II) ion,
(3) The polymer metal complex according to (1) or (2), wherein the organic ligand L is 4,4′-bipyridyl,
(4) The polymer metal complex according to any one of (1) to (3), wherein an adsorption / desorption isotherm regarding at least one gas shows a hysteresis loop,
(5) The polymer metal complex according to (4), wherein the gas is at least one gas selected from the group consisting of hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, and nitrogen,
(6) The polymer metal complex according to (4), wherein the gas is at least one gas selected from the group consisting of hydrogen sulfide, sulfur oxide, nitrogen oxide, and ammonia,
(7) A gas adsorbent comprising the polymer metal complex according to any one of (1) to (6),
(8) A pressure swing adsorption type gas separation device using the gas adsorbent according to (7),
(9) A gas storage device containing the gas adsorbent according to (7) inside,
(10) A vehicle equipped with the gas storage device according to (9),
It is.
本発明の高分子金属錯体は、多量のガスを吸蔵することが可能である。また、本発明の高分子金属錯体からなるガス吸蔵材料を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両を製造することが可能になる。 The polymer metal complex of the present invention can occlude a large amount of gas. In addition, it is possible to manufacture a gas storage device and gas separation device in which the gas storage material made of the polymer metal complex of the present invention is housed, and a vehicle on which the gas storage device is mounted.
本発明の高分子金属錯体は、ガスの吸脱着に関する特殊な性質を活用して各種用途に適用することができる。例えば、圧力スイング吸着方式(以下「PSA方式」と略記)のガス分離装置における吸着材に適用した場合にあっては、本発明のガス吸着材の特性を活かして、非常に効率良いガス分離が可能である。また、圧力変化に要する時間を短縮でき、省エネルギーにも寄与する。さらに、ガス分離装置の小型化にも寄与し得るため、高純度ガスを製品として販売する際のコスト競争力を高めることができることは勿論、自社工場内部で高純度ガスを用いる場合であっても、高純度ガスを必要とする設備に要するコストを削減できるため、結局最終製品の製造コストを削減する効果を有する。 The polymer metal complex of the present invention can be applied to various uses by utilizing the special properties relating to gas adsorption and desorption. For example, when applied to an adsorbent in a pressure swing adsorption method (hereinafter abbreviated as “PSA method”) gas separation device, the gas adsorption material of the present invention can be used to achieve very efficient gas separation. Is possible. In addition, the time required for pressure change can be shortened, contributing to energy saving. Furthermore, since it can contribute to miniaturization of the gas separation device, it is possible to increase cost competitiveness when selling high-purity gas as a product, of course, even when high-purity gas is used inside its own factory Since the cost required for the equipment that requires high purity gas can be reduced, the manufacturing cost of the final product can be reduced.
本発明の高分子金属錯体の他の用途としては、ガス貯蔵装置が挙げられる。本発明のガス吸着材をガス貯蔵装置(業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンク等)に適用した場合には、搬送中や保存中の圧力を劇的に低減させることが可能である。搬送時や保存中のガス圧力を減少させ得ることに起因する効果としては、まず、形状自由度の向上が挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、保存中の圧力を維持しなくては、ガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても、充分なガス吸着量を維持できる。このため、容器の耐圧性を低くすることができ、ガス貯蔵装置の形状をある程度自由に設計することができる。この効果は、例えば、自動車等の車両用燃料ガスタンクとして、本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には絶大である。燃料タンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には、上述のように耐圧性に関する制約が緩くなるため、形状をある程度自由に設計できる。具体的には、車両における車輪やシート等の形状にフィットするようにガス貯蔵装置の形状を調節することが可能となる。その結果、車両の小型化、荷物スペースの確保、車両の軽量化による燃費向上等の各種実利が得られる。 Another application of the polymer metal complex of the present invention is a gas storage device. When the gas adsorbent of the present invention is applied to a gas storage device (business gas tank, consumer gas tank, vehicle fuel tank, etc.), it is possible to dramatically reduce the pressure during transportation and storage. . As an effect resulting from the ability to reduce the gas pressure during transportation or storage, first, an improvement in the degree of freedom in shape can be mentioned. In a conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high unless the pressure during storage is maintained. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient amount of gas adsorption can be maintained even if the pressure is reduced. For this reason, the pressure resistance of a container can be made low and the shape of a gas storage apparatus can be designed freely to some extent. This effect is enormous, for example, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank for a vehicle such as an automobile. When the gas storage device of the present invention is used as a fuel tank, restrictions on pressure resistance are relaxed as described above, and the shape can be designed freely to some extent. Specifically, the shape of the gas storage device can be adjusted to fit the shape of wheels, seats, and the like in the vehicle. As a result, various benefits such as miniaturization of the vehicle, securing of luggage space, and improvement of fuel consumption due to weight reduction of the vehicle can be obtained.
なお、ガス分離装置やガス貯蔵装置に適用する場合における、容器形状や容器材質、ガスバルブの種類等に関しては、特別の装置を用いなくてもよく、ガス分離装置やガス貯蔵装置に用いられているものを用いることが可能である。ただし、各種装置の改良を排除するものではなく、いかなる装置を用いたとしても、本発明のガス高分子金属錯体を用いている限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含されるものである。 In addition, when applied to a gas separation device or a gas storage device, the container shape, the material of the container, the type of the gas valve, etc. do not have to be used, and are used in the gas separation device and the gas storage device. Can be used. However, improvement of various apparatuses is not excluded, and any apparatus is included in the technical scope of the present invention as long as the gas polymer metal complex of the present invention is used.
続いて、本発明について詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in detail.
本発明のトリフルオロメタンスルホン酸イオン系高分子金属錯体は、下記式(1)で表される化合物である。 The trifluoromethanesulfonic acid ion-based polymer metal complex of the present invention is a compound represented by the following formula (1).
(ここで、式中、Xは二価の遷移金属イオン、Lは有機配位子を示す。)
本発明の高分子金属錯体は、金属イオンを交点とし、細長い形状の両末端に配位点を有する配位子が金属に配位することで、いわゆる2Dスクエアグリッド状の単層を形成している(Zawarotoko,M.J.,Crystal Engineering,2(1999),37)。さらに、この単層が、層間のファンデルワールス力、π−π相互作用、金属イオンに配位した対イオン同士の相互作用等を仲立ちにして積層することで、3次元的な広がりを有する高分子金属錯体を形成している。
(Wherein, X represents a divalent transition metal ion, and L represents an organic ligand.)
The polymer metal complex according to the present invention forms a so-called 2D square grid-like single layer by coordinating metal ions with a metal ion as an intersection, and a ligand having coordination points at both ends of an elongated shape. (Zawarotoko, MJ, Crystal Engineering, 2 (1999), 37). Furthermore, this single layer is laminated with a three-dimensional spread by stacking van der Waals forces between layers, π-π interaction, interaction between counter ions coordinated to metal ions, etc. A molecular metal complex is formed.
式(1)で表される化合物を合成するための原料を例示する。 The raw material for synthesize | combining the compound represented by Formula (1) is illustrated.
原料の1つは、遷移金属イオンXを含む金属塩である。ここで、Xは遷移金属イオンであり、二価の遷移金属イオン、例えば、ニッケルイオン、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン等が挙げられる。錯体の作り易さの観点からは、ニッケルイオンまたは銅イオンが好ましく、銅イオンがより好ましい。 One of the raw materials is a metal salt containing a transition metal ion X. Here, X is a transition metal ion, and examples include divalent transition metal ions such as nickel ions, cobalt ions, copper ions, and zinc ions. From the viewpoint of ease of making the complex, nickel ions or copper ions are preferable, and copper ions are more preferable.
本発明の高分子金属錯体は、Xの対イオンとして、1価の陰イオンであるCF3SO3 −が用いられることを特徴とする。 The polymer metal complex of the present invention is characterized in that CF 3 SO 3 — which is a monovalent anion is used as a counter ion of X.
式(1)中のLは、有機配位子である。有機配位子としては、分子内の比較的離れた位置に2個の配位部位を有する配位子、即ち4,4’−ビピリジル及び分子の両末端に4−ピリジル基を1個ずつ有するような配位子のような、A−B−A(A=4−ピリジル基)型の配位子が挙げられる。ここで、Bとしては、1,4−フェニレン及び置換フェニレン、1,3−フェニレン及び置換フェニレン、2,5−チオフェニル及びその置換体、2,7−フルオレニル及びその置換体、1,4−ジエチニルベンゼン、4,4’−ビフェニレン等が挙げられる。比較的安価に入手可能な点で、4,4’−ビピリジル及び1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼン、1,4−ビス(4−ピリジル)チオフェン、1,4−ビス(4−ピリジル)アセチレン、4,4’−ビス(4−ピリジル)ビフェニルが好ましく、汎用品として入手容易という点で、4,4’−ビピリジルが好ましい。 L in Formula (1) is an organic ligand. As organic ligands, ligands having two coordination sites at relatively distant positions in the molecule, that is, 4,4′-bipyridyl and one 4-pyridyl group at both ends of the molecule Examples of such a ligand include an ABA (A = 4-pyridyl group) type ligand. Here, as B, 1,4-phenylene and substituted phenylene, 1,3-phenylene and substituted phenylene, 2,5-thiophenyl and substituted product thereof, 2,7-fluorenyl and substituted product thereof, 1,4-diphenyl Examples include ethynylbenzene and 4,4′-biphenylene. 4,4′-bipyridyl and 1,4-bis (4-pyridyl) benzene, 1,4-bis (4-pyridyl) thiophene, 1,4-bis (4-pyridyl) are relatively inexpensive. ) Acetylene and 4,4′-bis (4-pyridyl) biphenyl are preferable, and 4,4′-bipyridyl is preferable in terms of easy availability as a general-purpose product.
本発明の高分子金属錯体は多孔体であるため、水やアルコールやエーテル等の有機分子に触れると、孔内に水や有機溶媒を含有し、あるいは、場合によっては金属イオンと配位子の間に水や有機溶媒の挿入を受け、例えば、式(2)で示されるような複合錯体に変化する場合がある。 Since the polymer metal complex of the present invention is a porous body, when it comes into contact with organic molecules such as water, alcohol or ether, it contains water or an organic solvent in the pores, or in some cases, metal ions and ligands. In some cases, water or an organic solvent is inserted therebetween, and for example, the complex may be changed to a complex complex represented by the formula (2).
(ここで、式中、Xは二価の遷移金属イオン、Lは有機配位子を示す。Zは、水、アルコール、エーテル等の有機分子を示し、mは0.5以上である。)
しかし、これらの複合錯体中の水やアルコール、エーテル等の有機分子は、高分子金属錯体に弱く結合しているだけであり、本発明の高分子金属錯体をガス吸着材として利用する際の減圧乾燥等の前処理によって除かれ、元の式(1)で表される錯体に戻る。そのため、式(2)で表されるような錯体であっても、本質的には、本発明の高分子錯体と同一物と見なすことができる。
(Wherein, X represents a divalent transition metal ion, L represents an organic ligand, Z represents an organic molecule such as water, alcohol or ether, and m is 0.5 or more.)
However, organic molecules such as water, alcohol, and ether in these complex complexes are only weakly bonded to the polymer metal complex, and the reduced pressure when the polymer metal complex of the present invention is used as a gas adsorbent. It is removed by a pretreatment such as drying, and returns to the original complex represented by the formula (1). Therefore, even a complex represented by the formula (2) can be regarded as essentially the same as the polymer complex of the present invention.
本発明の高分子金属錯体は、式(1)で表される単位構造が繰り返された構造を有する高分子体である。式(1)または式(2)においてnは、一般的な高分子化合物の表記の場合と同様、式(1)または式(2)の単位構造が繰り返されることを示しているに過ぎず、nの範囲については特に限定されない。高分子化合物の分子量についても、特に限定されない。例えば、1000以上の数平均分子量を有する。 The polymer metal complex of the present invention is a polymer having a structure in which the unit structure represented by the formula (1) is repeated. In the formula (1) or the formula (2), n merely indicates that the unit structure of the formula (1) or the formula (2) is repeated as in the case of the general polymer compound notation, The range of n is not particularly limited. The molecular weight of the polymer compound is not particularly limited. For example, it has a number average molecular weight of 1000 or more.
本発明の高分子金属錯体からなるガス吸着材は、多量のガスを吸蔵することが可能である。また、本発明の吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置及びガス分離装置、並びに前記ガス貯蔵装置を搭載してなる車両を製造することが可能になる。 The gas adsorbent comprising the polymer metal complex of the present invention can occlude a large amount of gas. In addition, it is possible to manufacture a gas storage device and gas separation device each containing the adsorbent of the present invention, and a vehicle equipped with the gas storage device.
本発明のガス吸着材は、少なくとも1種のガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す。即ち、図1に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが異なる材料である。 In the gas adsorbent of the present invention, the adsorption / desorption isotherm regarding at least one gas exhibits a hysteresis loop. That is, as shown in FIG. 1, the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption is different from the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption.
本発明のガス圧力−ガス吸着量カーブがヒステリシスループを示すガス吸着材の特異性を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明のガス吸着材におけるガス圧力−ガス吸着量の関係を示すグラフである。図2は、従来の吸着材におけるガス圧力−ガス吸着量の関係を示すグラフである。図中、横軸はガス圧力を示し、縦軸は吸着材の単位質量当たりのガス吸着量を示す。 The peculiarity of the gas adsorbent in which the gas pressure-gas adsorption amount curve of the present invention exhibits a hysteresis loop will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in the gas adsorbent of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in a conventional adsorbent. In the figure, the horizontal axis indicates the gas pressure, and the vertical axis indicates the gas adsorption amount per unit mass of the adsorbent.
従来のガス吸着材においては、ガス圧力の増加に従ってガス吸着量も増加し、吸着の際の圧力−吸着量カーブと、脱着の際の圧力−吸着量カーブとは一致する(図2)。例えば、従来のガス吸着材に吸着させる吸着量をA1にする場合には、ガス圧力をP1にまで加圧する必要があり、吸着量をA1に保持するためには、圧力をP1に保持する必要がある。 In the conventional gas adsorbent, the gas adsorption amount increases as the gas pressure increases, and the pressure-adsorption amount curve during adsorption coincides with the pressure-adsorption amount curve during desorption (FIG. 2). For example, the amount of adsorption adsorbed to conventional gas adsorbent when the A 1, it is necessary to pressurize the gas pressure to the P 1, to hold the adsorption amount to A 1, the pressure P 1 Need to hold on.
これに対し、本発明のガス吸着材においては、ガス吸着の際の圧力−吸着量カーブがヒステリシスループを示す(図1)。かようなヒステリシスループが発現する機構については、未だ完全な理解はなされていない。考えられるメカニズムとしては、金属イオンと配位子からなる2Dスクエアグリッドの格子層が積層し、これらの層が相対的にずれることが重要な働きを有していると考えられる。図3のように、層がずれて積層している場合には、化合物内に実質的な空孔がなく、ガスの吸着が生じない。一方、図4のように、層が積層している場合には、空孔が生じ、ガスの吸着が生じる。即ち、急激なガス吸着のメカニズムは、以下のように推定できる。ガスがないかもしくは低圧の場合には、図3のような積層をしており、ガス圧が高まることにより、図4のような積層構造に相転移が生じ、ガスが急激に空孔内に吸着され、細孔内で安定化される。一方、急激なガス放出のメカニズムは、ガス圧が低下することで不安定になり、前記とは逆の図4から図3への相転移が生じ、ガスが放出されると考えられる。ガス吸着とガス放出では、錯体の細孔構造が変化しているため、ヒステリシスループが生じることになる(近藤精一、石川達雄、阿部郁夫、吸着の化学、丸善株式会社、53〜57頁)。 In contrast, in the gas adsorbent of the present invention, the pressure-adsorption amount curve during gas adsorption shows a hysteresis loop (FIG. 1). The mechanism by which such a hysteresis loop appears has not yet been fully understood. As a possible mechanism, it is considered that a lattice layer of a 2D square grid composed of metal ions and a ligand is laminated, and that these layers are relatively shifted to have an important function. As shown in FIG. 3, when the layers are shifted and stacked, there is no substantial void in the compound, and no gas adsorption occurs. On the other hand, when the layers are stacked as shown in FIG. 4, vacancies are generated and gas adsorption occurs. That is, the mechanism of rapid gas adsorption can be estimated as follows. When there is no gas or when the pressure is low, the layers are laminated as shown in FIG. 3, and when the gas pressure is increased, phase transition occurs in the laminated structure as shown in FIG. Adsorbed and stabilized in the pores. On the other hand, the mechanism of rapid gas release becomes unstable due to a decrease in gas pressure, and a phase transition from FIG. 4 to FIG. 3 opposite to the above occurs, and gas is considered to be released. In gas adsorption and outgassing, the pore structure of the complex is changed, resulting in a hysteresis loop (Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe, Adsorption Chemistry, Maruzen Co., Ltd., pages 53-57) .
この推定によれば、層の間の相互作用が、ずれの起こり易さに大きな影響を及ぼす。実際、いわゆる2Dスクエアグリッドの格子層が積層した高分子金属錯体は多数知られているが、そのほとんどすべてが、ガスを吸わないか、あるいは吸っても本発明の化合物のようなガスの急激な吸収や放出を伴うガス吸脱着のヒステリシスループを示すことはない(Kitagawa,S.,Chemistry−A European Journal,(2002),8(16),3586−3600、Zaworotko,M.J.,Chem.Commun.(1999)1327、Roye,H.−C.,Angewandte Chem.Int.Ed.(2002)583、Kitagawa,S.,J.Am.Chem.Soc.,(2002)2568)。このため、本発明のようなガス吸着能発現のためには、層間のずれの制御因子として、対イオンが重要な役割を果たしていると考えられる。本発明において、高分子金属錯体の主たる骨格は、金属イオンと配位子による格子状構造であり、これによって生じる空孔内にガスが吸着し、その主骨格が構造変異を生じることが、ガス吸着特性の変化を生み出していると考えられる。対イオンは、金属イオンとの相互作用を通じて、金属イオンと配位子の結合力や配位子同士の相互作用に影響を及ぼしていると考えられる。本発明における対イオンはCF3SO3 −イオンであり、これは、分子内にS=O基及びフッ素原子という強い電気吸引性基を含有しており、陰電荷が分子全体に非局在化している。この特異的な性質が重要な影響を持っていると考えられる。 According to this estimation, the interaction between the layers has a great influence on the likelihood of misalignment. In fact, many polymer metal complexes in which a so-called 2D square grid lattice layer is laminated are known, but almost all of them do not absorb gas, or even if they absorb, a rapid gas such as the compound of the present invention is generated. It does not show a hysteresis loop of gas adsorption / desorption accompanied by absorption and release (Kitagawa, S., Chemistry-A European Journal, (2002), 8 (16), 3586-3600, Zawortko, MJ, Chem. Commun. (1999) 1327, Roye, H.-C., Angelwandte Chem. Int. Ed. (2002) 583, Kitagawa, S., J. Am.Chem.Soc., (2002) 2568). For this reason, it is considered that the counter ion plays an important role as a control factor of the shift between the layers in order to develop the gas adsorption ability as in the present invention. In the present invention, the main skeleton of the polymer metal complex is a lattice structure composed of metal ions and ligands, and gas is adsorbed in the vacancies generated thereby, and the main skeleton undergoes structural variation. It is thought that a change in adsorption characteristics is produced. It is considered that the counter ion affects the binding force between the metal ion and the ligand and the interaction between the ligands through the interaction with the metal ion. The counter ion in the present invention is CF 3 SO 3 - ion, which contains a strong electroattractive group called S═O group and fluorine atom in the molecule, and the negative charge is delocalized in the whole molecule. ing. This unique property is thought to have an important influence.
ただし、これらは単なる推定である。つまり、本推定に従っていない場合でも、本発明で規定する要件を満足し、所定のガスに関してヒステリシスループを示すのであれば、本発明の技術的範囲に包含される。 However, these are only estimates. In other words, even if the estimation is not followed, it is included in the technical scope of the present invention as long as the requirements defined in the present invention are satisfied and a hysteresis loop is exhibited with respect to a predetermined gas.
本発明の方法では、式(1)で表される化合物を製造するために、原料の金属塩と有機配位子を溶媒に溶かして、溶液状態で行われることが好ましい。金属塩を溶かす溶媒としては、水やアルコール等のプロトン系溶媒を利用すると、良好な結果が得られる。水やアルコール等のプロトン系溶媒は金属塩をよく溶解し、さらに、金属イオンや対イオンに配位結合や水素結合することで金属塩を安定化し、配位子との急速な反応を抑制することで、副反応を抑制する。アルコールの例としてはメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール等の脂肪族系1価アルコール及びエチレングリコール等の脂肪族系二価アルコール類を例示できる。安価でかつ金属塩の溶解性が高いという点で、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコールが好ましい。また、これらのアルコールは、単独で用いてもよいし、複数のアルコールを混合使用してもよい。 In the method of this invention, in order to manufacture the compound represented by Formula (1), it is preferable to carry out in the solution state by dissolving the metal salt and organic ligand of a raw material in a solvent. As a solvent for dissolving the metal salt, good results can be obtained by using a proton solvent such as water or alcohol. Protonic solvents such as water and alcohol dissolve metal salts well, stabilize metal salts by coordinating and hydrogen bonding to metal ions and counter ions, and suppress rapid reactions with ligands. This suppresses side reactions. Examples of the alcohol include aliphatic monohydric alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol and 2-butanol, and aliphatic dihydric alcohols such as ethylene glycol. Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and ethylene glycol are preferable because they are inexpensive and have high solubility of metal salts. In addition, these alcohols may be used alone or in combination with a plurality of alcohols.
溶媒として水と前記のアルコール類を混合して使用することも好ましい。混合比率は1:100〜100:1(体積比)で任意である。配位子長が長い、例えば、4,4−ビス(4−ピリジル)ビフェニル以上の配位子を利用する場合は、溶解性を向上させると言う観点から、アルコール類の混合比率を30%以上にすることが好ましい。 It is also preferable to use a mixture of water and the alcohol as a solvent. The mixing ratio is arbitrary from 1: 100 to 100: 1 (volume ratio). When using a ligand having a long ligand length, such as 4,4-bis (4-pyridyl) biphenyl or more, the mixing ratio of alcohols is 30% or more from the viewpoint of improving the solubility. It is preferable to make it.
また、水又はアルコール又は水−アルコールの混合溶媒に、さらにアルコール以外の有機溶媒を混合して使用することも可能である。混合する有機溶媒としては、水と混和する溶媒であり、例えば、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、アセトン、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等である。これらは、単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中では、アセトン、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及びアセトニトリルがよい結果を与える。有機溶媒の混合比は、好ましくは50モル%以下が、より好ましくは30モル%以下である。 Moreover, it is also possible to mix and use organic solvents other than alcohol with water, alcohol, or the mixed solvent of water-alcohol. The organic solvent to be mixed is a solvent miscible with water, and examples thereof include acetonitrile, tetrahydrofuran, acetone, 1,4-dioxane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, acetone, 1,4-dioxane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and acetonitrile give good results. The mixing ratio of the organic solvent is preferably 50 mol% or less, more preferably 30 mol% or less.
一方、有機配位子を溶かす溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、エチレングリコール等のアルコール系溶媒、エーテル、テトラヒドロフラン等の非環状、環状の脂肪族エーテル類、アセトン等のケトン類、酢酸エチル等のエステル類、アセトニトリル等の脂肪族ニトリル類、ジクロロメタン等のハロゲン系溶媒、ベンゼン、トルエン等の芳香族溶媒、ジメチルホルムアミド等のホルムアミド類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類を広く例示することができる。これらは、単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。コスト的かつ溶解度的に、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトニトリル、アセトン等が好ましい。また、溶媒にジメチルスルホキシドを使用した場合には、ジメチルスルホキシド分子を空孔内にゲスト分子として包摂した高分子金属錯体が得られるが、これもまた、ガス吸着性能を有しているので、ジメチルスルホキシドを溶媒として使用することも好ましい。 On the other hand, as a solvent for dissolving the organic ligand, alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol and ethylene glycol, acyclic and cyclic such as ether and tetrahydrofuran Aliphatic ethers, ketones such as acetone, esters such as ethyl acetate, aliphatic nitriles such as acetonitrile, halogenated solvents such as dichloromethane, aromatic solvents such as benzene and toluene, formamides such as dimethylformamide, dimethyl Sulfoxides such as sulfoxide can be widely exemplified. These may be used alone or in combination of two or more. In terms of cost and solubility, methanol, ethanol, 2-propanol, acetonitrile, acetone and the like are preferable. In addition, when dimethyl sulfoxide is used as a solvent, a polymer metal complex in which dimethyl sulfoxide molecules are encapsulated as guest molecules in vacancies is obtained, but this also has gas adsorption performance. It is also preferred to use sulfoxide as a solvent.
金属塩の溶液及び有機配位子溶液の混合方法は、金属塩溶液に配位子溶液を添加しても、その逆でもよい。また、混合に際しては、必ずしも溶液で行う必要はなく、例えば、金属塩溶液に固体の配位子を投入し、同時に溶媒を入れる方法や、反応容器に金属塩を装填した後に、配位子の固体又は溶液を注入し、さらに金属塩を溶かすための溶液を注入する等、最終的に反応が実質的に溶媒中で起こる方法であれば、種々の方法が可能である。ただし、金属塩の溶液と配位子の溶液を滴下混合する方法が、工業的には最も操作が簡便であり、好ましい。 The method of mixing the metal salt solution and the organic ligand solution may add the ligand solution to the metal salt solution or vice versa. The mixing is not necessarily performed in a solution. For example, a method of adding a solid ligand to a metal salt solution and simultaneously adding a solvent, Various methods are possible as long as the reaction finally occurs substantially in a solvent, such as injecting a solid or solution and further injecting a solution for dissolving the metal salt. However, the method of dropping and mixing the metal salt solution and the ligand solution is industrially the most convenient and preferable.
溶液の濃度は、金属塩溶液は40mmol/L〜4mol/L、好ましくは80mmol/L〜2mol/Lであり、配位子の有機溶液は40mmol/L〜3mol/L、好ましくは80mmol/L〜1.8mol/Lである。これより低い濃度で反応を行っても目的物は得られるが、製造効率が低下する虞がある。また、これより高い濃度では、吸着能が低下する虞がある。 The concentration of the solution is 40 mmol / L to 4 mol / L, preferably 80 mmol / L to 2 mol / L for the metal salt solution, and 40 mmol / L to 3 mol / L, preferably 80 mmol / L to the organic solution of the ligand. 1.8 mol / L. Even if the reaction is carried out at a lower concentration, the desired product can be obtained, but the production efficiency may be lowered. Further, at a concentration higher than this, there is a possibility that the adsorption capacity is lowered.
反応温度は−20〜120℃、好ましくは15〜90℃である。これ以下の低温で行うと、原料の溶解度が下がる虞がある。オートクレーブ等を用いて、より高温で反応を行うことも可能であるが、加熱等のエネルギーコストの割には、収率は向上しづらい。 The reaction temperature is -20 to 120 ° C, preferably 15 to 90 ° C. If it is carried out at a temperature lower than this, the solubility of the raw material may be lowered. Although it is possible to carry out the reaction at a higher temperature using an autoclave or the like, the yield is difficult to improve for the energy cost such as heating.
本発明の反応で用いられる金属塩と有機配位子の混合比率は、3:1〜1:5のモル比、好ましくは1.5:1〜1:3のモル比の範囲内である。これ以外の範囲では、目的物の収率が低下し、また、未反応の原料が残留して、目的物の取り出しが困難となる虞がある。 The mixing ratio of the metal salt and the organic ligand used in the reaction of the present invention is in the range of 3: 1 to 1: 5, preferably 1.5: 1 to 1: 3. In other ranges, the yield of the target product decreases, and unreacted raw materials remain, making it difficult to take out the target product.
反応は、通常のガラスライニングのSUS製の反応容器及び機械式攪拌機を使用して行うことができる。反応終了後は、濾過、乾燥を行うことで、目的物質と原料の分離を行い、純度の高い目的物質を製造することが可能である。 The reaction can be carried out using an ordinary glass-lined SUS reaction vessel and a mechanical stirrer. After completion of the reaction, the target substance and raw material can be separated by filtration and drying to produce a target substance with high purity.
本発明のガス吸着材は、ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料であるが、少なくとも1種のガスに関してヒステリシスループを発現すればよく、全てのガスに対してヒステリシスループを示さずともよい。 The gas adsorbent of the present invention is a material in which the adsorption / desorption isotherm relating to gas exhibits a hysteresis loop, but it is sufficient that a hysteresis loop is exhibited with respect to at least one kind of gas. Good.
本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示す必要があるガスは、本発明のガス吸着材の適用用途によって異なる。例えば、本発明のガス吸着材をメタンガス貯蔵装置に用いる場合には、メタンガスに対してヒステリシスループを示す必要がある。本発明のガス吸着材を、水素と酸素との混合ガスから水素ガスを分離するガス分離装置に用いる場合には、各ガスに対してヒステリシスループを示す必要がある。一般的に言えば、本発明のガス吸着材を各種用途に利用されるガスの貯蔵又は分離に用いるのであれば、本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示すガスは、水素、炭化水素(メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン等)、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、窒素等であることが好ましい。LNG等のように、複数の炭化水素ガスの混合物を貯蔵できるように、これらの2種以上のガスに対してヒステリシスループを示しても勿論よい。また、本発明のガス吸着材をガスの除去に用いるのであれば、本発明のガス吸着材がヒステリシスループを示すガスは、硫化水素、硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)、及びアンモニア等であることが好ましい。これらの2種以上のガスに対してヒステリシスループを示しても勿論よい。上記例示した以外のガスに対してヒステリシスループを示してもよい。 The gas that the gas adsorbent of the present invention needs to exhibit a hysteresis loop varies depending on the application of the gas adsorbent of the present invention. For example, when the gas adsorbent of the present invention is used in a methane gas storage device, it is necessary to show a hysteresis loop for methane gas. When the gas adsorbent of the present invention is used in a gas separation device that separates hydrogen gas from a mixed gas of hydrogen and oxygen, it is necessary to show a hysteresis loop for each gas. Generally speaking, if the gas adsorbent of the present invention is used for storage or separation of a gas used for various applications, the gas in which the gas adsorbent of the present invention exhibits a hysteresis loop is hydrogen, hydrocarbon (methane Ethane, propane, butane, isobutane, etc.), carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, nitrogen and the like. Of course, a hysteresis loop may be shown for these two or more gases, such as LNG, so that a mixture of a plurality of hydrocarbon gases can be stored. In addition, if the gas adsorbent of the present invention is used for gas removal, the gas in which the gas adsorbent of the present invention exhibits a hysteresis loop includes hydrogen sulfide, sulfur oxide (SO x ), and nitrogen oxide (NO x ). And ammonia are preferred. Of course, a hysteresis loop may be shown for these two or more gases. A hysteresis loop may be shown for gases other than those exemplified above.
本発明のガス吸着材として使用する材料は、貯蔵させるガスや吸着時に必要となる圧力に応じて選択すればよい。特に制限されるものではないが、具体例としては、[Cu(CF3SO3)2(bpy)2]n(式中、bpyは4,4’−ビピリジルを表す。)が例示できる。 The material used as the gas adsorbent of the present invention may be selected according to the gas to be stored and the pressure required during adsorption. Although not particularly limited, and specific examples, [Cu (CF 3 SO 3 ) 2 (bpy) 2] n ( wherein, bpy represents 4,4'-bipyridyl.) Can be exemplified.
[吸着材の複合化]
本発明のガス吸着材(以下、吸着材(A))は、単独で吸着材として使用してもよいし、他の吸着材と複合化して使用してもよい。複合化して使用する場合には、他の吸着材として吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す吸着材(B)と併用することで、非常に優れた吸着特性を有するガス吸着材とすることができる。
[Combination of adsorbents]
The gas adsorbent of the present invention (hereinafter referred to as adsorbent (A)) may be used alone as an adsorbent, or may be used in combination with other adsorbents. When combined and used, the gas adsorbent having very excellent adsorption characteristics when used in combination with the adsorbent (B) exhibiting a behavior in which the adsorption isotherm and desorption isotherm coincide with each other. It can be.
ここで、吸着材(B)とは、ガスに関する吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す材料である。即ち、図2に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが実質的に一致する材料である。吸着材(B)は、かような特性を有する材料であれば、特に限定されず、物理的吸着材、化学的吸着材、及びこれらが組み合わされてなる物理化学的吸着材を用いることができる。 Here, the adsorbent (B) is a material that exhibits a behavior in which an adsorption isotherm and a desorption isotherm relating to gas coincide with each other. That is, as shown in FIG. 2, the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption is substantially the same as the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption. The adsorbent (B) is not particularly limited as long as it has such characteristics, and a physical adsorbent, a chemical adsorbent, and a physicochemical adsorbent formed by combining these can be used. .
物理的吸着材とは、分子と分子との相互作用のような弱い力を用いて、被吸着分子を吸着する吸着材を言う。物理的吸着材としては、活性炭、シリカゲル、活性アルミナ、ゼオライト、クレー、超吸着性繊維、金属錯体が挙げられる。化学的吸着材とは、化学的な強固な結合によって、被吸着分子を吸着する吸着材を言う。化学的吸着材としては、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、過マンガン酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、燐酸ナトリウム、活性化された金属が挙げられる。物理化学的吸着材とは、物理的吸着材及び化学的吸着材の双方の吸着機構を備える吸着材を言う。これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、本発明の技術的範囲がこれらの具体例に限定されるものではない。吸着材(B)の形状は、特に限定されないが、一般的には、平均粒径500〜5000μmの粉末状のものを用いる。 A physical adsorbent is an adsorbent that adsorbs molecules to be adsorbed using a weak force such as the interaction between molecules. Examples of the physical adsorbent include activated carbon, silica gel, activated alumina, zeolite, clay, super adsorbent fiber, and metal complex. A chemical adsorbent refers to an adsorbent that adsorbs molecules to be adsorbed by chemical bonds. Examples of the chemical adsorbent include calcium carbonate, calcium sulfate, potassium permanganate, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium phosphate, and activated metal. The physicochemical adsorbent refers to an adsorbent that includes both physical adsorbent and chemical adsorbent adsorption mechanisms. Two or more of these may be used in combination. However, the technical scope of the present invention is not limited to these specific examples. The shape of the adsorbent (B) is not particularly limited, but generally a powdery material having an average particle size of 500 to 5000 μm is used.
吸着材(B)としては、製造コストやガス吸着性能を考慮すると活性炭が好ましい。活性炭は、比較的安価である上、質量当たりのガス吸着量が多い。また、活性炭は、ガスの吸脱着に関するサイクル特性が悪く、吸脱着を繰り返すとガス吸着量が著しく減少する傾向がある。このため、従来においては、質量当たりのガス吸着量が多いにも拘わらず、ガス貯蔵装置やガス分離装置に用いることは困難であった。この点、本発明の吸着材(B)として用いた場合においては、活性炭の優れたガス吸着性能を充分に引き出すことができる。また、活性炭は比表面積が大きいほど吸着量が増加する傾向を有するため、活性炭の比表面積は1000m2/g以上であることが好ましい。 As the adsorbent (B), activated carbon is preferable in consideration of production cost and gas adsorption performance. Activated carbon is relatively inexpensive and has a large amount of gas adsorption per mass. In addition, activated carbon has poor cycle characteristics related to gas adsorption / desorption, and when adsorption / desorption is repeated, the amount of gas adsorption tends to be remarkably reduced. For this reason, in the past, it was difficult to use in gas storage devices and gas separation devices despite the large amount of gas adsorption per mass. In this regard, when used as the adsorbent (B) of the present invention, the excellent gas adsorption performance of the activated carbon can be sufficiently extracted. Moreover, since activated carbon has the tendency for adsorption amount to increase, so that a specific surface area is large, it is preferable that the specific surface area of activated carbon is 1000 m < 2 > / g or more.
また、使用する吸着材(B)は、吸着させるガスに応じて、適宜構造を制御されることが好ましい。例えば、活性炭に含まれる細孔は、細孔の大きさによって、ウルトラミクロポア(〜0.5nm)、スーパーミクロポア(0.5〜2nm)、メソポア(2〜50nm)、マクロポア(50nm〜)に分類できる。細孔の大きさによって、吸着し易いガスが異なり、メタンガスはミクロポアに吸着し易い。したがって、メタンガスを吸着させることを所望する場合には、ミクロポアの割合が大きくなるように、活性炭の細孔分布を制御するとよい。 Moreover, it is preferable that the structure of the adsorbent (B) to be used is appropriately controlled according to the gas to be adsorbed. For example, the pores contained in activated carbon are classified into ultra micropores (~ 0.5 nm), super micropores (0.5 to 2 nm), mesopores (2 to 50 nm), and macropores (50 nm to) depending on the size of the pores. it can. Gases that are easily adsorbed differ depending on the size of the pores, and methane gas is easily adsorbed to micropores. Therefore, when it is desired to adsorb methane gas, the pore distribution of the activated carbon may be controlled so that the proportion of micropores is increased.
本発明の吸着材(A)と吸着材(B)を複合化する場合は、吸着材(A)は、吸着材(B)を被覆するが、好ましくはクラックや不完全な被覆がなく、吸着材(B)が外気に触れないように、完全に被覆することが好ましい。しかしながら、多少のクラック等が存在していても、吸着材(B)の自由なガス吸着を阻害し、吸着材(A)によって被覆されている吸着材(B)がガス吸着に関してヒステリシスループを示すのであれば、本発明の技術的範囲に包含されるものである。好ましくは、吸着材(B)に対して5〜50体積%の吸着材(A)で吸着材(B)を被覆する。また、吸着材(B)を被覆する吸着材(A)の厚みは、吸着材(A)の種類に応じて決定する必要があるが、吸着材(A)が薄すぎると、吸着材(B)へのガス吸着特性を充分に制御できない虞がある。一方、吸着材(A)が厚すぎると、吸着材(B)へのガス吸着が生じ難くなり、全体としてのガス吸着量が減少する虞がある。これらを考慮すると、吸着材(A)の平均厚みが10〜100μmであることが好ましい。吸着材(A)の厚みは、吸着材(A)の使用量の調節によって制御できる。なお、吸着材(A)の厚みは、電子顕微鏡を用いて撮影された断面写真から算出することができる。 When the adsorbent (A) and the adsorbent (B) of the present invention are combined, the adsorbent (A) covers the adsorbent (B), but preferably has no cracks or incomplete coating and is adsorbed. It is preferable to completely cover the material (B) so that it does not come into contact with the outside air. However, even if there are some cracks or the like, the adsorbent (B) obstructs free gas adsorption, and the adsorbent (B) covered with the adsorbent (A) exhibits a hysteresis loop with respect to gas adsorption. If so, it is included in the technical scope of the present invention. Preferably, the adsorbent (B) is covered with 5 to 50% by volume of the adsorbent (A) with respect to the adsorbent (B). Further, the thickness of the adsorbent (A) covering the adsorbent (B) needs to be determined according to the type of the adsorbent (A), but if the adsorbent (A) is too thin, the adsorbent (B) ) May not be fully controlled. On the other hand, if the adsorbent (A) is too thick, gas adsorption to the adsorbent (B) is difficult to occur, and the gas adsorption amount as a whole may be reduced. Considering these, it is preferable that the average thickness of the adsorbent (A) is 10 to 100 μm. The thickness of the adsorbent (A) can be controlled by adjusting the amount of adsorbent (A) used. The thickness of the adsorbent (A) can be calculated from a cross-sectional photograph taken using an electron microscope.
吸着材(A)と(B)の複合化の方法としては、(i)吸着材(A)が溶解している溶液中に、該溶液に溶解しない吸着材(B)を添加し、その後、吸着材(A)を結晶成長させることによって、吸着材(B)表面に吸着材(A)を付着させる方法、(ii)吸着材(A)を含むスラリーを準備し、スラリーを吸着材(B)表面にコーティング・乾燥させることによって、吸着材(B)表面に吸着材(A)を付着させる方法、等を用いることができる。 As a method of combining the adsorbents (A) and (B), (i) the adsorbent (B) that does not dissolve in the solution is added to the solution in which the adsorbent (A) is dissolved, and then A method of adsorbing the adsorbent (A) on the surface of the adsorbent (B) by crystal growth of the adsorbent (A); (ii) preparing a slurry containing the adsorbent (A); ) A method of attaching the adsorbent (A) to the surface of the adsorbent (B) by coating and drying the surface, etc. can be used.
[ガス分離装置への適用]
本発明のガス吸着材は、圧力スイング吸着方式(以下「PSA方式」と略記)のガス分離装置における吸着材として用いることができる。PSA方式のガス分離は、吸着材に対するガス圧力とガス吸着量との違いを利用することを原理とする。
[Application to gas separation equipment]
The gas adsorbent of the present invention can be used as an adsorbent in a pressure separating adsorption (hereinafter abbreviated as “PSA”) gas separation apparatus. PSA gas separation is based on the principle of utilizing the difference between the gas pressure on the adsorbent and the gas adsorption amount.
活性炭やゼオライト等のガスの吸着等温線と脱着等温線とが一致する挙動を示す吸着材では、ガス吸着材には吸着量の差はあっても、二種類以上のガス(例えばAガス、Bガス)の両方が、吸着量の差はあっても、吸着する場合が多い。そのため、このような従来材料を用いてPSA方式によるガス分離を行う場合、Aガス及びBガスの双方が吸着しているため、オフガスにはBガスと共にAガスも含まれる。したがって、Aガスのみを分離する場合には極めて非効率的であり、製品ガスとしてAガスの純度を高くするためには、オフガス中へのAガスのロスも大きくなる欠点がある。 In the case of an adsorbent that exhibits a behavior in which the adsorption isotherm and desorption isotherm of a gas such as activated carbon and zeolite coincide with each other, the gas adsorbent has two or more kinds of gases (for example, A gas, B, etc.) even though there is a difference in adsorption amount. Gas) often adsorbs even though there is a difference in the amount of adsorption. Therefore, when performing gas separation by the PSA method using such a conventional material, both the A gas and the B gas are adsorbed, and thus the off gas includes the A gas as well as the B gas. Therefore, when only A gas is separated, it is extremely inefficient. In order to increase the purity of A gas as a product gas, there is a disadvantage that loss of A gas into off-gas increases.
一方、本発明のガス吸着材(A)では、明確なガス吸着開始圧と脱着開始圧が存在し、かつ、それがガス種によって異なると言う現象が見られる。例として、[Cu(CF3SO3)2(bpy)2]nの酸素と窒素のガス吸脱着等温線を図5に示す。この場合、酸素は、O1MPaで吸収が始まり、O2MPaで脱着する。一方、窒素では、n1MPaで吸着するが、n2MPaまで脱着が始まらない。そのため、酸素と窒素の混合ガスをガス吸着材(A)にn1MPa以上で暴露して酸素と窒素の両方を吸着させ、次いで、n2MPa以下、O1MPa以上にガス圧を制御することで、酸素ガスを放出することなく、窒素ガスのみを分離することが可能になる。即ち、ガス分離性能は飛躍的に向上し、1回のPSA操作でコンタミネーションのない極めて高純度のガスを得ることも可能である。ただし、2サイクル以上のPSA操作を行うことを排除するものではない。 On the other hand, in the gas adsorbent (A) of the present invention, there is a phenomenon that there is a clear gas adsorption start pressure and a desorption start pressure, which differ depending on the gas type. As an example, FIG. 5 shows a gas adsorption / desorption isotherm of oxygen and nitrogen of [Cu (CF 3 SO 3 ) 2 (bpy) 2 ] n . In this case, absorption of oxygen starts at O 1 MPa and desorbs at O 2 MPa. On the other hand, nitrogen adsorbs at n 1 MPa, but desorption does not start until n 2 MPa. Therefore, a mixed gas of oxygen and nitrogen is exposed to the gas adsorbent (A) at n 1 MPa or more to adsorb both oxygen and nitrogen, and then the gas pressure is controlled to n 2 MPa or less and O 1 MPa or more. Thus, it is possible to separate only nitrogen gas without releasing oxygen gas. That is, the gas separation performance is dramatically improved, and it is possible to obtain extremely high purity gas without contamination by one PSA operation. However, it does not exclude performing a PSA operation of two cycles or more.
本発明のガス分離装置は、上述のように、圧力のスイング幅が小さくてすむため、ガス分離装置の大幅な小型化にも寄与する。また、圧力スイング幅が小さいため、圧力変化に要する時間が短縮され、省エネルギーで、さらに、高純度ガスの製造ランニングコスト及び設備の固定費を低減することができる。高純度ガスを製品として販売する際のコスト競争力を高めることができることは勿論、自社工場内部で高純度ガスを用いる場合であっても、高純度ガスを必要とする設備に要するコストを削減できるため、結局最終製品の製造コストを削減する効果を有する。 As described above, the gas separation apparatus of the present invention requires a small pressure swing width, which contributes to a significant reduction in size of the gas separation apparatus. Moreover, since the pressure swing width is small, the time required for pressure change is shortened, energy saving, and further, the production running cost of high-purity gas and the fixed cost of equipment can be reduced. The cost competitiveness when selling high-purity gas as a product can be enhanced, and even when high-purity gas is used in its own factory, the cost required for facilities that require high-purity gas can be reduced. Therefore, it has the effect of reducing the manufacturing cost of the final product.
[ガス貯蔵装置への適用]
吸着材(A)をタンク等の容器内部に収容することによって、従来材料を使用した場合よりも優れたガス貯蔵装置とすることができる。
[Application to gas storage equipment]
By storing the adsorbent (A) in a container such as a tank, a gas storage device that is superior to the case where a conventional material is used can be obtained.
本発明の吸着材(A)は、ガスの吸着開始圧と脱着開始圧が存在する。吸着開始圧以上の圧力で急激にガスをその吸着材の吸蔵能力いっぱいまで吸蔵し、脱着開始圧以下では吸着していたガスのほぼ全量を脱着開始圧で放出する。例として、[Cu(CF3SO3)2(bpy)2]nと、活性炭等の従来の材料の吸脱着等温線を、図6に示す。吸着材(A)は、従来材料と比較して、低圧でガス貯蔵量が大きいという特性を有し、低圧でガスを貯蔵する場合は、好適に使用することが可能である。 The adsorbent (A) of the present invention has a gas adsorption start pressure and a desorption start pressure. The gas is abruptly stored at a pressure equal to or higher than the adsorption start pressure to the full capacity of the adsorbent, and almost all of the adsorbed gas is released at the desorption start pressure below the desorption start pressure. As an example, FIG. 6 shows adsorption / desorption isotherms of [Cu (CF 3 SO 3 ) 2 (bpy) 2 ] n and a conventional material such as activated carbon. The adsorbent (A) has a characteristic that a gas storage amount is large at a low pressure as compared with a conventional material, and can be suitably used when storing gas at a low pressure.
さらに、また、従来材料は、ガスを脱着するに伴い放出されるガス圧が低下する。ところが、実際の装置、例えば、ガスエンジン等でガスを使用する場合は、極低圧、例えば、0.5MPa以下では、エンジンの作動性に問題が生じる。そのため、従来材料では、ガス圧0.5MPa以下の貯蔵ガス(線より左の部分)は実質上使用できないため、貯蔵ガス圧の目減りが生じる。一方、吸着材(A)は、それ以上の圧力でほぼ全量のガスを放出するため、ガスの目減り現象は生じず、ガス貯蔵装置に使用した場合は、実効容量が大きいと言う好ましい特性が生じる。 Furthermore, the gas pressure released from the conventional material is reduced as the gas is desorbed. However, when gas is used in an actual apparatus, for example, a gas engine, a problem occurs in the operability of the engine at an extremely low pressure, for example, 0.5 MPa or less. For this reason, in the conventional material, the storage gas having a gas pressure of 0.5 MPa or less (the portion on the left side of the line) cannot be practically used, resulting in a decrease in the storage gas pressure. On the other hand, since the adsorbent (A) releases almost the entire amount of gas at a pressure higher than that, the gas loss phenomenon does not occur, and when it is used in a gas storage device, it has a desirable characteristic of having a large effective capacity. .
吸着材(A)を利用したタンク等の容器を製造する場合は、それらの構成や材料は従来公知の技術を用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、バルブ制御によってガスの出入りを制御できる金属製容器等を用いることができる。例えば、金属製の薄肉容器の外面に単位密度当たりの強度に優れる炭素繊維強化プラスチック材を巻き付けたものを用いることができる。容器には、ガス貯蔵装置の内圧を制御するための調整弁を備えておけば、ガス貯蔵装置からガスを放出させる際に調整弁を活用することができる。 When manufacturing containers, such as a tank using an adsorbent (A), those structures and materials can use a conventionally well-known technique and are not specifically limited. For example, it is possible to use a metal container or the like that can control the entry and exit of gas by valve control. For example, it is possible to use a metal thin-walled container wrapped around a carbon fiber reinforced plastic material having excellent strength per unit density. If the container is provided with a regulating valve for controlling the internal pressure of the gas storage device, the regulating valve can be used when gas is released from the gas storage device.
吸着材(A)の収容方法は、耐圧容器中への充填等の公知手法を用いることができ、特に限定されるものではない。ガス吸着材の収容量は、ガス貯蔵装置に求めるガス貯蔵能力に応じて決定すればよい。耐圧容器の形状や材質は、特に限定されるものではない。本発明のガス貯蔵装置は、従来型のものと比較して、同じ貯蔵量を確保するためには、より低圧で構わないため、特別な耐圧構造を設けずともよい。この点で、コスト的に優位性があると言える。 The accommodation method of the adsorbent (A) can be a known method such as filling in a pressure resistant container, and is not particularly limited. The capacity of the gas adsorbent may be determined according to the gas storage capacity required for the gas storage device. The shape and material of the pressure vessel are not particularly limited. The gas storage device of the present invention does not need to be provided with a special pressure-resistant structure because it may be at a lower pressure in order to ensure the same storage amount as compared with the conventional type. In this respect, it can be said that there is an advantage in cost.
ガス吸着材が粉末状である場合には、ガス貯蔵装置を構成する容器に収容しようとすると、うまく充填できない虞がある。形状自由度の高いタンクを用いる場合には、特にこの問題が顕著となる虞がある。この場合には、粉体を錠剤形状にして収容してもよい。錠剤形状の物を用いる場合には、取扱性に優れ、老朽化した化合物を交換する際等に非常に便利である。 When the gas adsorbent is in a powder form, there is a possibility that it cannot be filled well if it is stored in a container constituting the gas storage device. When using a tank having a high degree of freedom in shape, this problem may be particularly noticeable. In this case, the powder may be stored in a tablet shape. In the case of using a tablet-shaped product, it is excellent in handleability and is very convenient when replacing an aged compound.
本発明のガス貯蔵装置は、これらに限定されるものではないが、業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンク等の各種適用用途を有する。搬送時や貯蔵時のガス圧力を減少させ得ることに起因する効果としては、形状自由度の向上がまず挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、貯蔵時の圧力を維持しなくてはガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても充分なガス吸着量を維持できる。このため、容器の耐圧性を低くすることができ、ガス貯蔵装置の形状をある程度自由に設計することができる。この効果は、例えば、自動車等の車両用燃料ガスタンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には絶大である。従来型の燃料ガスタンクにおいては、燃料ガスタンクの形状は、車両の形状とは無関係に決定されてしまう。このため、必然的に相当量のデッドスペースが生じることになる。また、高圧を保つために特別な装置が必要ともなる。この点、燃料ガスタンクとして本発明のガス貯蔵装置を用いた場合には、上述のように耐圧性に関する制約が緩くなるため、形状をある程度自由に設計できる。具体的には、車両における車輪やシート等の形状にフィットするようにガス貯蔵装置の形状を調節することが可能となる。その結果、車両の小型化、荷物スペースの確保、車両の軽量化による燃費向上等の各種実利が得られる。 The gas storage device of the present invention has various applications such as, but not limited to, commercial gas tanks, consumer gas tanks, and vehicle fuel tanks. As an effect resulting from the ability to reduce the gas pressure at the time of conveyance or storage, firstly, improvement in the degree of freedom of shape can be mentioned. In the conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high without maintaining the pressure during storage. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient gas adsorption amount can be maintained even if the pressure is lowered. For this reason, the pressure resistance of a container can be made low and the shape of a gas storage apparatus can be designed freely to some extent. This effect is enormous, for example, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank for vehicles such as automobiles. In the conventional fuel gas tank, the shape of the fuel gas tank is determined regardless of the shape of the vehicle. This inevitably results in a considerable amount of dead space. In addition, a special device is required to maintain a high pressure. In this regard, when the gas storage device of the present invention is used as a fuel gas tank, the restrictions on pressure resistance are relaxed as described above, so that the shape can be designed to some extent freely. Specifically, the shape of the gas storage device can be adjusted to fit the shape of wheels, seats, and the like in the vehicle. As a result, various benefits such as a reduction in the size of the vehicle, securing of luggage space, and an improvement in fuel consumption due to a reduction in weight of the vehicle can be obtained.
ガス吸着材の調製方法は、ガス吸着材の種類によって異なるものであり、一義的に決定できるものではないが、ここでは、[Cu(CF3SO3)2(bpy)2]n(式中、bpyは4,4’−ビピリジルを表す。)を合成する場合を例にとり、説明する。 The method for preparing the gas adsorbent differs depending on the type of the gas adsorbent and cannot be uniquely determined. Here, [Cu (CF 3 SO 3 ) 2 (bpy) 2 ] n (wherein , Bpy represents 4,4′-bipyridyl)) and will be described as an example.
トリフルオロメタンスルホン酸銅(II)の水溶液(80mmol/L)に、4,4’−ビピリジルのエタノール溶液(80mmol/L)をゆっくりと積層し、密栓をして12日間静置した。析出した粉体を減圧濾過し、減圧乾燥し、収率74%で濃青色の高分子金属錯体の結晶を得た。 A solution of 4,4'-bipyridyl in ethanol (80 mmol / L) was slowly layered on an aqueous solution of copper (II) trifluoromethanesulfonate (80 mmol / L), sealed, and allowed to stand for 12 days. The precipitated powder was filtered under reduced pressure and dried under reduced pressure to obtain a dark blue polymer metal complex crystal in a yield of 74%.
得られた結晶の組成を決定するために、以下の実験を行った。得られた結晶を3Paの減圧下、100℃で3時間乾燥し、アルゴン気流下で1.00gを秤量し、その粉体を1mol/Lのアンモニア水に溶解し、ジクロロメタンで抽出した。ジクロロメタンをロータリーエバポレーターにて留去し、得られた固体447mgの固体をガスクロマトグラフ質量分析計(島津製作所QP5050A)を用いて分析した結果、4,4’−ビピリジルであり、結晶中には44.7質量%含まれていることがわかった。また、アンモニア水層をICP発光法により銅(II)イオンの含有量を調べた結果、9.3質量%であった。また、アンモニア水層を蒸留分離吸光光度法によりフッ素原子の含有量を調べた結果、16.2質量%であることがわかった。これらをあわせて、得られた結晶の組成は[Cu(CF3SO3)2(bpy)2]nであることがわかった。 In order to determine the composition of the obtained crystal, the following experiment was conducted. The obtained crystals were dried at 100 ° C. for 3 hours under reduced pressure of 3 Pa, 1.00 g was weighed under an argon stream, and the powder was dissolved in 1 mol / L aqueous ammonia and extracted with dichloromethane. Dichloromethane was distilled off using a rotary evaporator, and 447 mg of the obtained solid was analyzed using a gas chromatograph mass spectrometer (Shimadzu QP5050A). As a result, it was 4,4′-bipyridyl, and 44. It was found that 7% by mass was contained. Further, the content of copper (II) ions in the aqueous ammonia layer was examined by ICP emission method, and as a result, it was 9.3% by mass. Further, as a result of examining the content of fluorine atoms in the aqueous ammonia layer by distillation separation spectrophotometry, it was found to be 16.2% by mass. By combining these, it was found that the composition of the obtained crystal was [Cu (CF 3 SO 3 ) 2 (bpy) 2 ] n .
得られた結晶を、パーキンエルマー社製赤外分光装置system2000及びATRアタッチメントを使用して、赤外分光法にて分析を行った。測定の結果、以下の吸収を有し、bpy分子及びCF3SO3 −イオン及び水を含有した錯体であることが分かった:3591、3085、1614、1538、1495、1420、1287、1240、1223、1152、1071、1029、816、759、729cm−1。 The obtained crystals were analyzed by infrared spectroscopy using an infrared spectrometer system 2000 manufactured by PerkinElmer and an ATR attachment. As a result of the measurement has an absorption of less, bpy molecules and CF 3 SO 3 - was found to be a complex containing an ion and water: 3591,3085,1614,1538,1495,1420,1287,1240,1223 1152, 1071, 1029, 816, 759, 729 cm −1 .
また、得られた結晶を、3Paの減圧下、100℃で3時間乾燥し、窒素気流下でパーキンエルマー社製赤外分光装置system2000及びATRアタッチメントを使用して、赤外分光法にて分析を行った。測定の結果、以下の吸収を有し、bpy分子及びCF3SO3 −イオンを含有した錯体であることが分かった:3111、3085、1613、1537、1496、1421、1287、1245、1217、1176、1143、1108、1073、1025、983、968、859、835、824、813、758、731cm−1。 In addition, the obtained crystals were dried at 100 ° C. for 3 hours under a reduced pressure of 3 Pa, and analyzed by infrared spectroscopy using a PerkinElmer infrared spectrometer system 2000 and ATR attachment under a nitrogen stream. went. As a result of the measurement has an absorption of less, bpy molecules and CF 3 SO 3 - was found to be a complex containing an ion: 3111,3085,1613,1537,1496,1421,1287,1245,1217,1176 1143, 1108, 1073, 1025, 983, 968, 859, 835, 824, 813, 758, 731 cm −1 .
得られたガス吸着材の77Kでの窒素吸着特性を調査した。測定には、BET自動吸着装置(日本ベル株式会社製)を用い、測定に先立って、試料を125℃で3時間真空乾燥して、微量残存している可能性がある溶媒分子等を除去した。相対圧が約0.5までは窒素の吸着は観測されず、0.5を超えるあたりで急激な吸着量の増加が確認された。 The nitrogen adsorption characteristic at 77K of the obtained gas adsorbent was investigated. For the measurement, a BET automatic adsorption device (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) was used, and prior to the measurement, the sample was vacuum-dried at 125 ° C. for 3 hours to remove solvent molecules that may remain in a trace amount. . Adsorption of nitrogen was not observed until the relative pressure was about 0.5, and a sudden increase in the amount of adsorption was confirmed around 0.5.
さらに、得られたガス吸着材の室温でのメタン吸着特性を調査した。試料は、測定に先立って、125℃で3時間真空乾燥して、微量残存している可能性がある溶媒分子等を除去した。測定は303Kにおける重量法によるメタン高圧吸着等温線測定により行った(電子天秤はcahn社製cahn balance 1100を使用した。メタンの純度としては99.5%のものをドライアイス−エタノールトラップを通したものを使用)。約9MPaまではメタンの吸着は観測されず、9MPaを越えるあたりで急激な吸着量の増加が確認された。また、脱着に際しては、約7MPaまでの脱着量は僅かであったのに対して、7MPaを下回ったあたりで急激な吸着量の減少が確認された。メタンガスの吸着量の最大値は、ガス吸着材1cm3当たり182cm3(Normal)であった。 Furthermore, the methane adsorption property at room temperature of the obtained gas adsorbent was investigated. Prior to measurement, the sample was vacuum-dried at 125 ° C. for 3 hours to remove solvent molecules and the like that may remain in trace amounts. The measurement was carried out by methane high-pressure adsorption isotherm measurement by a gravimetric method at 303K (the electronic balance used was a cahn balance 1100 manufactured by Cahn. The purity of methane passed through a dry ice-ethanol trap of 99.5%. Use things). No adsorption of methane was observed up to about 9 MPa, and a sudden increase in the amount of adsorption was confirmed around 9 MPa. In addition, during the desorption, the desorption amount up to about 7 MPa was slight, but a sudden decrease in the adsorption amount was confirmed around 7 MPa. The maximum value of the adsorption amount of methane gas was 182 cm 3 (Normal) per 1 cm 3 of the gas adsorbent.
本発明の高分子金属錯体は、配位子の整列によって形成される多数の微細孔が物質内部に存在する。この多孔性を生かして、様々な物質の吸着、除去に利用できる。例えば、空気中の有毒物質の除去、水中の無機、有機物等の不要物の除去による水の浄化、あるいは空気や水中の有用な物質を吸着して、これを取り出すことで有用物質の空気や水からの回収が可能となる。 In the polymer metal complex of the present invention, a large number of micropores formed by alignment of ligands are present inside the substance. Taking advantage of this porosity, it can be used for adsorption and removal of various substances. For example, removal of toxic substances in the air, purification of water by removing unnecessary substances such as inorganic and organic substances in the water, or adsorption of useful substances in the air and water and taking them out, the useful substances air and water Can be recovered.
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