コアシェル型オルガノシリカナノファイバーの創製と一次元構造を利用した超薄膜製膜
Project/Area Number |
22K18922
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Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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Research Institution | Hiroshima University |
Principal Investigator |
都留 稔了 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20201642)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長澤 寛規 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (30633937)
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Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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Keywords | セルロースナノファイバー / 分離膜 / 水蒸気透過 / 蒸気透過 / 膜分離 / ナノファイバー / 一次元構造 |
Outline of Research at the Start |
セルロースナノファイバー(CNF)の直接コーティングによる,多孔質支持体への薄膜製膜の可能性を明らかにする。気相系として水素透過率と有機ガスとの選択性(H2/C3H8),蒸気系として水蒸気透過率と非凝縮性ガスとの選択性(H2O/N2)を指標として用い,製膜条件の最適化を行う。さらに,CNF表面に存在する各種官能基(水酸基,カルボキシル基など)とアルコキシシランとの脱水縮合や金属イオン配位などを利用して,コアシェル型ナノファイバーゾルを創製し,分離機能の高性能化を明らかとする。
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Outline of Annual Research Achievements |
典型的な多孔質セラミック膜は,多孔質支持体の上に粒子層,中間層および分離層からなる多層構造を有するため,製膜プロセスは極めて複雑になっているだけでなく,各層の透過抵抗も無視できない。本研究ではセルロースナノファイバー(CNF)の一次元構造体を利用した薄膜コーティングを提案する。さらに,ナノファイバー(NF)表面に存在する各種官能基(水酸基,カルボキシル基など)をシリカ前駆体であるアルコキシシランとの脱水縮合や金属イオン配位などを利用して,コアシェル型NFゾルを形成する。いずれのNFも直径数nm程度,長さ数100nmのアスペクト比100以上を有するため,多孔質支持体あるいは粒子層に直接コーティングすることで超薄膜製膜できる可能性があり,従来の製膜概念を大きく変える画期的製膜法となりうる。 2022年度は,高分子多孔質支持体として市販セルロースアセテート精密ろ過膜(CA,推算細孔径 0.2μm)を用い,CNFをキャスト法により,CNF/CA複合膜が製膜可能であることを明らかとした。さらに,80℃飽和水蒸気/窒素において経時変化を測定した結果,8h以上にわたって水蒸気透過率1.6×10-6 mol/(m2・s・Pa),窒素透過率3.3×10-9 mol/(m2・s・Pa)を安定して示し,さらに透過率比は490と優れた水蒸気選択透過性を示した。このことから,CNF膜が長期間安定して水蒸気を選択的に透過させることが可能であることが明らかとなった。さらに,供給湿度に対する水蒸気および窒素の透過率についても検討し,80%以上の高湿度域において水蒸気透過率は1.0×10-6 mol/(m2・s・Pa)以上の値を示した。一方で,湿度の低下とともに水蒸気透過率は低下し,30%以下では2.0×10-7 mol/(m2・s・Pa)程度を示すことも明らかとなった。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
セルロースナノファイバー(CNF)を直接コーティングにより,多孔質支持体への薄膜製膜の可能性を明らかにすることができた。さらにに,水蒸気に対して高い選択透過性を示すことを,世界で初めて明らかにした。
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Strategy for Future Research Activity |
CNF/CA膜の製膜最適化を図るとともに,透過特性評価として水蒸気/非凝縮性ガス分離に加え,アルコール(メタノール,エタノール,イソプロプルアルコール)などの有機物/水蒸気/非凝縮性ガスの3成分混合系分離への展開を図る。 コアシェルNFゾルに関しては,各種アルコキシシラン(bis(triethoxysilyl)ethaneなど)あるいは金属イオン(Zn,Ni,Cuなどの金属硝酸塩)を用い,CNF表面の水酸基やカルボキシル基へのグラフト条件(原料モル比,pH,温度;金属種など)の最適化と各種評価(FE-SEM,窒素吸着,FTIR,XPS,UV/Visなど)を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(2 results)