2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Super-high CO2 permeable separation membrane for significant reduction of CO2 emissions
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19H04305
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
川上 浩良 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 教授 (10221897)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 潔 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 准教授 (40285101)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素削減 / ナノ粒子 / CO2分離膜 / CCS / CCU |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、(1) 異形構造ナノ粒子（パールネックレス状ナノ粒子：PN）の第一世代修飾、第二世代修飾、第三世代修飾PNを合成、それをマトリックス高分子であるPIM-1に導入、粒子含有複合膜の作製と、(2) 基本骨格であるPBIナノファイバーにPNとPIM-1を流し込んだ、ナノファイバーからなる薄膜化複合膜を作製した。 (1)の成果成果を説明する。第二世代PNを含有した複合膜では、粒子無しのPIM-1単独膜、第一世代PNを含有した複合膜に比べ、気体透過特性は格段に向上、優れた膜性能を示した。一方、第三世代PNを含有した複合膜での気体透過性は二世代PN含有複合膜に比べ減少、必ずしも世代の増加が気体透過特性の増加には繋がらなかった。これは、気体が透過できる修飾により形成されたナノスペースが必ずしも理想通りに膜内で形成されていないことを示し、膜内で適切にナノ粒子を配置することが重要であることが明らかとなった。次に(2)の成果成果を説明する。基本骨格であるPBIナノファイバーにPNとPIM-1を流し込んだ複合膜の作製には成功した。また、数マイクロの膜厚からなる複合膜の薄膜化にも成功した。しかし、当初期待していた粒子含有量を上げることに関しては容易ではなく、製膜法の再検討が必要であった。
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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
本年度は、(1) 第一世代修飾、第二世代修飾、第三世代修飾PNを合成、それをマトリックス高分子であるPIM-1に導入、粒子含有複合膜の作製と、(2) 基本骨格であるPBIナノファイバーにPNとPIM-1を流し込んだ、ナノファイバーからなる薄膜化複合膜を作製を目的に研究を進めてきた。
(1)では、世代を増加させればナノ粒子を含有した複合膜の気体透過特性は向上すると期待したが、必ずしもその通りには進まず、ナノ粒子間の凝集による最表面のナノスペースの阻害、あるいは最表面修飾分子の化学構造によるナノ粒子間相互作用力や、ナノ粒子と高分子との相互作用力の制御が必要であることがわかった。
(2)では複合膜の作製と複合膜の薄膜化には成功したが、ナノファイバーに粒子を高濃度で導入することは容易ではなく、導入できるナノ粒子濃度は20wt％程度が現状では限界であった。ナノファイバーを用いた理由は、ナノファイバーを基本骨格とすることで膜強度が著しく向上し、高濃度ナノ粒子導入後でも膜の薄膜化が可能であると考えたからである。しかし、ナノファイバーにより形成されるナノ空間へのナノ粒子の導入は容易ではなく、その改善が必要であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の結果より、世代を増加させればナノ粒子を含有した複合膜の気体透過特性が単純に増加する訳ではないこと、が明らかとなった。そのため、次年度からは最表面置換基構造の検討に入る。表面構造の最適化は本研究の重要なテーマのため、ナノスペースの増加即ち気体透過性の向上に繋がる表面構造を構築したい。
一方、ナノ粒子と高分子からなる複合膜では、薄膜化が困難であることは既に明らかとなっており、本年度の研究成果からナノファイバーを用いた製膜法が薄膜化には有効であることは明らかとなった。しかし、高濃度ナノ粒子の導入は困難なため、圧力を加えながら強制的にナノ粒子をナノファイバーのナノ空間に導入する新しい製膜法を検討する。
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