分離系に応じたカスタムメイドなイオン性シロキサン膜の作製法の開発

Research Project

Project/Area Number	23K04472
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	廣田雄一朗名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60632437)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords	膜分離 / イオン液体 / シロキサン膜 / 蒸気輸送法 / ガス分離 / 蒸気分離 / イオン性シロキサン
Outline of Research at the Start	申請者は，イオン液体の分子構造を内包する新規分離膜「イオン性シロキサン膜」を開発してきた．本研究では，①イオン液体前駆体（クロロプロピル基）を内包する膜を作製し，②膜内の側鎖有機基のイオン液体化を図り，③続いて膜形状でアニオン交換を行う，新規製膜法を確立することで，分離系に応じたカスタムメイドな製膜を達成する．
Outline of Annual Research Achievements	イオン液体の分子構造が-Si-O-のシロキサンネットワークに化学的に固定されたイオン性シロキサン膜の新規製膜法の開発を試みた。まず、多孔質アルミナ管上にクロロプロピル基を側鎖にもつシロキサン膜をゾル-ゲル法により作製した。続いて、作製した膜を1-メチルイミダゾールと接触しないよう密閉容器内へ設置し、80度で加熱することで1-メチルイミダゾール蒸気と接触させ、側鎖クロロプロピル基のイオン液体化を図った。この蒸気輸送処理前後のXPS測定とAgCｌ析出実験より、側鎖クロロプロピル基が塩化物イオンをもつイミダゾリウム系イオン液体の分子構造へ変化したことを確認した。また、水蒸気/H2の透過分離試験を通じて、水蒸気/H2分離係数が3.7から670へ，水蒸気透過率が2.2x10^(-8)から1.0x10^(-6) mol/(m2 s Pa)へ大幅に向上し，優れた水蒸気選択透過性を有する膜への変化を確認した。これは、側鎖有機基がイオン性の，つまり極性をもつ構造へ変化したことが理由と考えられる。次に、蒸気輸送処理した膜をHN(SO2CF3)2水溶液中に含浸させ、膜形状でのCl-から(SO2CF3)2N-へのアニオン交換を試みた。EDSによる分析から、アニオン交換が進行していることを確認すると同時に、トルエン蒸気/N2の透過分離試験において、アニオン交換によりトルエン選択透過性の向上を確認した。上述のとおり、蒸気輸送法とアニオン交換法によるイオン性シロキサン膜の新規作製法のコンセプトを実証することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究実績の概要で記したとおり、研究提案した蒸気輸送法とアニオン交換法を通じたイミダゾリウム系イオン液体の分子構造をもつイオン性シロキサン膜の作製と、透過分離能の変化を実証することができた。
Strategy for Future Research Activity	イミダゾリウム系にて新規製膜法のコンセプトを実証できたことから、他のカチオン構造をもつイオン性シロキサン膜の作製へと本手法を展開する。その後、CO2分離膜や、炭化水素分離膜として高い性能をもつイオン性シロキサン膜の作製を進めていく。