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
| Project/Area Number |
19K22085
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
都留 稔了 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20201642)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
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| Keywords | 多孔質 / 分離膜 / 炭化ケイ素 / 前駆体 / 多孔質膜 / 気体分離 / ポリカルボシラン / ポリチタノカルボシラン / 浸透気化 / 膜 / オルガノシリカ / 水蒸気 / 脱水 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，水熱安定性に優れたサブナノ多孔膜として，金属ドープシリカ，オルガノシリカおよび非酸化物セラミックスとしての炭化ケイ素系膜を開発することを目的とする。さらに，開発膜の水熱安定性の評価（100℃～500℃，水蒸気圧0～100kPa）と劣化機構の解明する。さらには各種の水熱条件での気体成分（水素，窒素，メタン，二酸化炭素など）と水蒸気との分離特性を明らかとする。
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| 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)に注力し，炭化ケイ素前駆体であるポリカルボシラン（PCS)およびチタンが導入されたポリチタノカルボシラン（TiPCS）をセラミック前駆体ポリマーとして用い，PCSおよびTiPCS由来の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。2020年度では，2019年度の成果に基づき，より高度な製膜を目的として，側鎖にヒドロシリル基 (SiH) とAllyl基 (-CH2-CH=CH2) を有するAllylhydridopolycarbosilane (AHPCS) を前駆体として用い，H2透過率は0.68~2.8×10-6mol m-2 s-1 Pa-1，H2/N2およびH2/SF6透過率比はそれぞれ20~30，1000以上を示すことを明らかとした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
炭化ケイ素前駆体であるAllylhydridopolycarbosilane (AHPCS) を用い，その焼成過程を200℃～1000℃において，XRD，FTIR，TG/TG-MASS，SEM/EDS，窒素/CO2吸着などにより詳細にモニタリングした。さらに，αアルミナ支持体上にAHPCSコーティング・焼成することで，炭化ケイ素系多孔質膜の創製に成功した。H2透過率は0.68～2.8×10-6mol m-2 s-1 Pa-1，H2/N2およびH2/SF6透過率比はそれぞれ20～30，1000以上を示すことを明らかとした。しかしながら，コロナ禍の影響で研究の進捗が遅れ，水熱安定性評価が十分ではなかった。当初研究計画の遅延・変更として，2021年度に研究期間の延長を申請した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Allylhydridopolycarbosilane (AHPCS)を用いて，高い透過選択性を有するSiC系多孔質分離膜の作製が可能であることを明らかとしたが，水熱安定性評価が十分ではなかった。今後は100℃～500℃において，水蒸気と水素あるいは窒素との混合ガスでの分離特性評価をおこない，膜安定性ととともに分離特性評価を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
