液相におけるベンゼンの多孔体細孔内拡散機構Diffusion Mechanisms of Benzene within Porous Materials in Liquid Phase
北海道大学大学院工学研究院有機プロセス工学部門Division of Chemical Process Engineering, Faculty of Engineering, Hokkaido University ◇ 〒060-8628 北海道札幌市北区北13条西8丁目
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多孔質固体触媒を用いた反応では,細孔内の拡散が見かけの反応速度に強く影響を及ぼす。この現象は液相で顕著に見られる。拡散に関する情報は触媒設計を行ううえで極めて重要である。そこで液相系の多孔質材料細孔内拡散機構解明を目的として,ベンゼンを拡散物質にシクロヘキサン,イソプロパノールを溶媒に用いミクロ・メソ多孔質材料の細孔内における拡散係数を測定した。ベンゼンの分子径とほぼ等しい細孔径を有するミクロ細孔内では,溶媒と溶質の区別なく各々の分子が細孔壁との影響を強く受けながら分子1つ1つの動きとして拡散するため気相と同様な拡散機構となることがわかった。メソ孔を有する多孔質材料では,細孔径がベンゼン分子に比べ大きいにも関わらず,拡散係数はミクロ孔のものと同等か小さい値となることを見出した。これは,細孔壁に分子が吸着することで他の分子が拡散する際の有効径が小さくなることに起因する。また,メソポーラスシリカの表面と溶媒の親和性がベンゼンの拡散に及ぼす影響に着目したところ,シクロヘキサンより親和性の高いイソプロパノール溶媒を用いることでベンゼンの吸着量,拡散係数が低下することがわかった。
In catalytic reactions using porous materials, diffusion of reactant and product molecules within pores of the materials strongly affects overall reaction rates. Therefore, information concerning with diffusion mechanisms is required for catalyst design. In this paper, intracrystalline diffusivities of benzene within a series of porous materials in liquid phase (cyclohexane and iso-propanol were used as solvent) were measured by a constant volumetric method to understand the diffusion mechanism. Within microporous material of which pore diameters are close to benzene molecule, the diffusion mechanism of benzene molecule in liquid phase is the same as vapor phase because benzene molecule independently diffuses within the micro-pore. Intracrystalline diffusivities of benzene within meso-porous materials were almost the same and/or smaller than that within micro-pore, though the pore diameter of mesoporous materials are larger than those of micro-pore. Benzene molecules as well as cyclohexane were adsorbed onto the pore wall of meso-porous materials, leading to a decrease in the effective pore diameter for diffusion. Moreover, effects of affinity between the pore wall of porous materials and the solvent on the benzene diffusivities were investigated and it was found that adsorption amount and intracrystalline diffusivities of benzene are decreased by using hydrophilic molecule as solvent.
キーワード:結晶内拡散係数;メソポーラスシリカ;silicalite-1;定容法;ベンゼン
Key words: intracrystalline diffusivity; meso-porous silica; silicalite-1; constant volumetric method; benzene
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