Development of coalescence process of microemulsion using super-lipophilic nanofiber membrane
| Project/Area Number |
20K05191
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
向井 康人 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (30303663)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | ナノファイバー膜 / エマルション / コアレッサー / 微小油滴 / 合一分離 / 界面活性剤 / ポリアクリロニトリル / ポリプロピレン / ナノファイバー |
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| Outline of Research at the Start |
超親油性ナノファイバー膜を新規油滴合一材として用い、従来の油滴合一器では合一分離不可能なマイクロエマルションの処理プロセスの実現を目指す。そのために、超親油性ナノファイバー膜の製造法を確立し、ナノファイバー膜によるマイクロ油滴の基礎的な合一分離特性を明らかにする。また、連続式のナノファイバー油滴合一器を導入し、ナノファイバー膜の特性がマイクロ油滴の合一分離特性に及ぼす影響を詳細に明らかにする。これら一連の実験データを集約・総括し、高効率かつ高精度の分離性能を両立する最適な油滴合一条件を究明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
より広範な試料性状に対する本法の適用性を検討するため、界面活性剤で安定性を高めたマイクロエマルションならびに油分量を増やして油滴濃度を高めたマイクロエマルションを試料に用いて、本法による合一分離実験を行った。
超純水に油（ドデカン）を加え、超音波ホモジナイザーで乳化させて、1μmから10μmまでの滴径分布をもつマイクロエマルション（油滴濃度650 ppm）を調製した。このとき、油の質量に対して2 wt%の割合で界面活性剤（SPAN20）を添加した。前年度の研究により最適コアレッサー材と認められたポリアクリロニトリル（PAN）ナノファイバー膜を用い、定量送液ポンプにより流量を種々に変化させて、マイクロエマルションをPAN膜に透過させた。その結果、操作条件を適切に制御することによって97～98%の分離度を達成し、分散安定化したマイクロエマルションに対しても高い分離性能を発揮することが明らかとなった。また、このときの圧力損失は40 kPa前後でほぼ一定値となり、比較的省エネルギー的に処理できることも明らかとなった。
次に、界面活性剤の存在下で油滴濃度を500～5000 ppmの範囲で種々に変化させてマイクロエマルションを調製し、種々の流量でPANナノファイバー膜に透過させた。その結果、いずれの濃度に対しても操作条件を適切に制御することによって90%前後の高い分離度を維持することができた。一方、圧力損失は濃度の増加とともに上昇する傾向を示し、低圧損で操作を行うためには流量を下げる必要があることがわかった。すなわち、高濃度条件下では低動力で高処理量を得るのが困難になるため、最適な操作条件は所要動力あたりの処理量を考慮して決定する必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度の研究により、90%以上の高水準の分離性能は達成されたが、当初目標としていた99%以上の分離度はごく一部の条件でのみしか達成されていない。ナノファイバー膜の物理特性（内部構造）や物理化学的特性（表面物性）についてこれまで最適化を図ってきたが、まだ改善の余地があるものと考えられる。
現状では、界面活性剤を添加して分散安定度を高めたエマルションは必ずしも合一により粗大化しているわけでなく、浮上した粗大油滴の多くはフロック（凝集体）の状態で存在していた。分離は達成されていても、回収した油のリサイクルを考慮すると、フロックを解膠させ、表面張力以上の応力により合一・粗大化させた状態で分離されることが望ましい。
これらの点は前年度からの継続課題であったが、現状まだ十分に解決したとは言えず、なおも進展が遅れている状況にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノファイバー膜の物理特性（内部構造）をより強化するため、繊維径、厚さ、空隙率の相互の影響をさらに掘り下げて検討し、最適条件を見いだす。繊維表面の粗さにも着目し、より安定化した油滴の合一を促進するため、繊維表面に微細加工を施す、もしくはナノ粒子を塗布するなどの表面処理を検討する。さらに、繊維層を緻密層と支持層からなる非対称構造にすることによって、油滴を強力に合一させるとともに粗大化した油滴を繊維層出口へと円滑に誘導し、高い分離度と低い圧力損失の両立を図る。また、ナノファイバー膜の物理化学的特性（表面物性）についても再考し、より親油性の高い官能基を繊維表面に結合させるなどの検討を行う。
以上のように、ナノファイバー膜自体を劇的に改良することによって、問題点の解決と目標値の達成が図られると考えている。
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Report
(3 results)
Research Products
(29 results)
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[Book] 水処理用分離膜の開発最前線2020
Author(s)
松山秀人監修，著者多数（向井康人分担執筆）
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320
Publisher
シーエムシー出版
ISBN
9784781315652
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