水熱安定性を有するシリコン系分子ふるい膜の創製と中高温での水分離プロセスへの応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K22085
• 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)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 炭化ケイ素 / 多孔質膜 / 分離膜 / 前駆体

Outline of Annual Research Achievements

多孔質シリカ分離膜は1nm以下のサブナノ細孔径の精密制御と薄膜製膜により，極めて高い分離特性と透過性を両立させることが可能であり，乾燥ガス中では，極めて高い安定性を示し，長期間にわたって気体透過率は変化せず，高い選択透過性を維持する。しかしながら，湿りガス中では透過率は大幅に低下し，再び乾燥雰囲気に戻しても膜透過性は不可逆的に変化してしまうことが知られている。
そこで本研究では，(1) 水熱安定性に優れたサブナノ多孔膜，特に非酸化物セラミックスとして炭化ケイ素系材料膜を開発し，(2) 水熱安定性の評価と劣化機構の解明，さらには(3) 各種の分離系および条件での分離特性を明らかとすること，を研究目的とする。
これまで，特に(1)(3)に注力し，炭化ケイ素前駆体であるポリカルボシラン（PCS)，チタンが導入されたポリチタノカルボシラン（TiPCS）およびAllylhydridopolycarbosilane (AHPCS)をセラミック前駆体ポリマーとして用い，炭化ケイ素系多孔質膜の創製に成功した。さらに，気体（H2/C3H8，N2/SF6など）及び浸透気化分離（MeOH/トルエンなど）へと応用し，高い分離性能を示すことを明らかとしてきた。
2021年度では400℃での水熱安定性に注目した。水熱条件初期において水蒸気，He，N2透過率は経時的に低下したが，これは水蒸気によって水酸基が生成し膜細孔径の縮小が起きたためと考えられる。その後で透過率が一定値に漸近する傾向を示し，炭化ケイ素系多孔質膜の水熱安定性が確認された。