2019 Fiscal Year Annual Research Report
CHA型ゼオライトの水素同位体吸脱着特性の解明と膜化による同位体分離材料への応用
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19H01872
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
田口 明 富山大学, 学術研究部理学系, 講師 (40401799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近江 靖則 岐阜大学, 研究推進・社会連携機構, 准教授 (50313713)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ゼオライト / 水素 / 同位体分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
重水素，トリチウムの分離は，核融合炉燃料サイクルにおける水素同位体の分離，精製の他，廉価な重水素製造などへの展開が期待できる重要かつ付加価値の高いプロセスである。研究代表者はこれまで，Si8O8からなる８員環細孔を有するLTA型などのゼオライトに着目し，その水素同位体（D2，H2）の吸脱着特性の検討を行った。その結果，0.38×0.38nmの細孔径を有するCHA型ゼオライトが同位体分離に有望であることを見いだした。特に，Naイオンを対カチオンに有するNa-CHAが，約200 Kにおいて高い分離係数1.15（D2/H2）を示すことを見出している。
令和元年度は対カチオンを交換したNa-，K-，Ca-CHAと，従来のLTA（3A）型ゼオライトについて，昇温脱着測定から水素同位体の脱着温度を検討した。その結果，Ca-CHA，K-CHA，LTA（3A），Na-CHAの順にH2，D2の脱着温度が高温側に変化することを確認した。この結果は，Na-CHAがLTA（3A）をはじめ，これらゼオライトにおいて最も高い温度で，高いD2/H2分離係数をしめすことと矛盾しない。
また，本研究ではCHA型ゼオライトより細孔径の小さいRHO型ゼオライトの合成と，水素吸着特性の評価も行った。Cs-，Na-，H-RHO型ゼオライトを調製し，77 KにおけるH2，D2吸着等温線を測定した。その結果，Cs-RHO，Na-RHOにおいてK-CHA，Na-CHAとよく似た吸脱着特性が認められ，水素同位体分離の発現が期待できることを見いだした。
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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
Na-CHA，K-CHA，Ca-CHAおよびLTA（3A）のH2，D2昇温脱着測定を行った。あらかじめH2あるいはD2を吸着した試料について，およそ77 Kから0.5 ℃/min相当で昇温し，脱着するH2，D2を質量分析計で測定した。その結果，Ca-CHA，K-CHA，Na-CHAについて，それぞれ約93，140，163 K付近からH2あるいはD2の脱着が観察された。一方，LTA（3A）では140 K付近からH2，D2の脱着が観察された。この結果はNa-CHAがLTA（3A）より高い温度で水素同位体を吸脱着することを示している。なお，いずれの試料においてもH2に対しておよそ5～10℃低い温度でD2の脱着が観察された。
また，CHA型と同様に８員環細孔（0.36×0.36 nm）を有するRHO型ゼオライトの合成と細孔構造，水素同位体吸着特性の評価を行った。RHO型ゼオライトは合成条件の検討を行い，Si/Al比が5，対カチオンにCs（40%）Na（60%）を有する試料が作成できた。さらにイオン交換によりNa（78%）Cs（16%）H（6%），ならびにH（100%）試料を調製した。これらCs，Na，H型RHOの水素同位体の吸着特性を行った。その結果，特にCs-RHO，Na-RHOがCHA型ゼオライトと同様に，水素同位体分離に有望であることが推察された。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度は水素同位体分離温度の精密化とCHA型ゼオライトの膜化を検討する。
これまでの研究から，Na-CHAが最も同位体分離に有望であること，他のCHA型ゼオライトやLTA（3A）と比較して，高い温度で水素同位体を脱着可能であることを見いだしている。本年度は，同位体分離温度の精密化を行う。具体的にはこれらゼオライト試料について，昇温吸着測定を行い，水素同位体の吸着温度を明らかにする。
また，CHA型ゼオライト膜の合成を試みる。これまで，種結晶法による膜合成を試みた。これに対し，本年度は5～50マイクロメートルの細孔を有する多孔質Al2O3を基板に用い，塗布法による膜形成を試みる。また，膜透過装置の作成を行う。
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