2022 Fiscal Year Research-status Report
塩基性固体合成プロセスに基づく新しい気体透過材料の構築と温室効果ガス分離への応用
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19K12387
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
塩月 雅士 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (30362453)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩村 武 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (10416208)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 気体分離膜 / 気体透過 / 気体選択 / ポリピロール / ポリフラン / ポリチオフェン / 自立膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、本研究の基盤材料となる塩基性高分子膜材料の開発と改良について検討を行った。かねてからの検討となるポリピロールとその誘導体、および自立膜の形成については他の複素環モノマーとの共重合と機能性官能基導入について検討し、ポリピロール基準で物理的強度の高い自立膜合成に成功した。本研究の主題となる二酸化炭素の選択的分離には気体透過選択性の高い膜が必要であり、かつ一定の物理強度が必要であるが、その目的に即した材料が創成できたといえる。
共重合については、これまでピロールと類似の分子構造を有するフランやチオフェンとの共重合を検討してきたが、当該年度はピロールに官能基を導入したものについても重合を行い、得られた高分子膜の物理挙動について検討を行った。二酸化炭素の分離には膜の塩基性が寄与すると考えられることから、窒素原子を含有する機能性官能基を導入することで従来の中程度の性能にとどまっていた気体分離性能の向上を検討した。
また、当該の研究テーマにおけるポリマー合成時に利用する酸触媒については、かねてから生成膜内の残留が懸念されていた。当該年度はこの残留する酸の残量を確認する手法の開発と、その残渣となる酸成分を完全に取り除くための手法開発に着手し、一定の成果を得た。
本研究で得た膜は基本的に自立膜として気体分離性能を検討しているが、最近の成果により生成高分子材料の可溶化も可能となり、キャストによる薄膜化や複合膜化が可能になってきている。従来得られていた膜は硬くてもろいものが一定数存在しており、そのため膜の気体透過測定が出来ないものもあった。この課題を解決する手法として今後膜材料の可溶化を基盤とする新たな膜創成について検討を続ける必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナウイルスの影響のため、当初の計画よりも新規データを多く得ることが出来ていないと認識している。本研究において見出した膜の合成法は、ピロールの他、種々の複素環化合物をモノマーとして膜を得る技術であり、気体分離膜を目的とした材料合成はもとより、それ以外にも導電性材料や発光材料などにも適用できる用途の広いものである。目的の塩基性膜を得ることはできており、塩基性官能基を含め複数の機能団の膜材料への付与や膜材料の塩基処理による物性向上も達成できていることから研究の進展は遅いものの新たな知見を得ることには成功している。
得られている膜の性能は、特に分離性能について優れた特性を有することが示されている。一方、気体の透過性については比較的低い性能となっているが、これは膜を支持膜などの利用により薄膜化するなどにより克服できるものである。
気体分離性能が高いことを特徴として、その性能をさらに向上させるための検討としては、特に先述の官能基導入を引き続き検討する。本研究で用いる重合法はモノマーの適用範囲が広く、多様な官能基を有するモノマーを重合あるいは共重合することができる。これまでにも種々の膜材料を実際に得ており、その中で飽和炭化水素系の無極性官能基を導入した場合には気体の透過性能は低下するものの、物理的な強度の高い比較的柔軟な膜材料を与えること等が分かってきた。一方、極性官能基を導入した場合に特にCO2/N2やO2/N2の分離性能に影響を与えることが明らかになっており、その知見をもとに更なる材料開発を進めていく。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状の膜については二酸化炭素の分離に対しては気体透過性および分離性能の双方において改善が必要であり、これについて引き続き検討していく。上述のとおり本研究で開発している膜材料は特に気体分離性能に優れており、その性能向上について官能基導入による改良を検討する。一方、気体透過性の向上については、分子間隙をより広げるための置換基導入をかねてより試みているが、置換基のかさ高さにより同官能基を有するモノマーが重合しにくくなる傾向が示されている。導入する官能基の立体的かさ高さと重合性の両立を目指すためのモノマー分子の設計が必要であり、具体的には重合部位との位置関係を考慮して新たなモノマーを考案していく予定である。
一方、当初計画にあった多数の窒素原子を含有するイミンモノマーの重合については、ここまで検討を試みたものの膜材料として適した高分子が得られていないため、これについても引き続き検討を重ねる。イミン部位を多数有する分子ブロックとして例えばメラミンやメレムを用いる予定であったが、これらのモノマーブロックは３官能以上となっているものが主であり、すなわち対応する重合体が架橋構造をとるため溶媒への溶解性に乏しいことは予想されていた。前段のポリピロール類の場合、メラミンやメレムと同様に生成ポリマーには架橋構造が形成されるが、膜形成が重合と同時に進むため問題がなかった。メラミンやメレムをモノマーとした場合には重合と同時に膜形成ができないことが分かってきたため、これらのモノマーの官能基数を抑制し、２官能モノマーとすることが今後の検討項目である。メラミンやメレムに対するモノマーとしてはアルデヒド化合物を用いる予定である。
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| Causes of Carryover |
研究期間の最終年度からさらに一年延長する理由としては、コロナウイルスの影響から当該研究に関わる人員の確保をはじめ共同研究先へのアクセスなどにこれまでにない困難が生じたためである。
費用差額のその主たる要因は前々年度に生じたもので、当初購入予定であったガスクロマトグラフィー分析装置を修理や不足品の補充で比較的安価に利用可能となったことによる。コロナウイルスの影響により進捗が遅れたことに関連して、実際の研究期間が少なくなり、結果として予定していた研究費の額に対し実際の費用が低くなったことも要因である。最終年度の予定として、多くの膜材料合成を予定していることから、研究費の残額はモノマーや重合溶媒および触媒の購入費用に充てる予定である。膜の乾燥装置については従来から簡易型のものを用いているが、これを更新することも検討している。
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