| 研究課題/領域番号 |
22K05285
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
清野 竜太郎 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (90214915)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 有機溶媒分離回収 / 膜分離 / シリコーン膜 / 非対称多孔質膜 / 低圧膜ろ過 / 有機溶媒回収 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究課題は、多孔質シリコーン膜を利用した低圧での膜ろ過により、インクや塗料の廃液など、顔料等の固体微粒子と有機溶媒の懸濁液から、高純度の有機溶媒を分離・回収できる低圧膜ろ過プロセスの構築を最終目的として、以下の二点について調査を行うものである。
①孔形成剤や溶媒の種類、キャスト溶液（シリコーン、孔形成剤、溶媒の混合溶液）の粘度、キャスト溶液中における孔形成剤の分散状態などが、非対称多孔構造形成におよぼす影響
②シリコーン多孔膜の対称、非対称構造が、低圧膜ろ過における、溶媒の透過性やインク溶液中の固体粒子の分離性能に与える影響
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| 研究実績の概要 |
ポチジメチルシロキサン（PDMS）を多孔化した膜を用いた低圧膜ろ過により、インク溶液から有機溶媒を分離回収できることを報告してきた。この際、PDMSの多孔化に用いる水溶性孔形成剤（PFA）の種類により、異なる多孔構造が得られることが分かってきた。本研究課題は、数種のPFAを用いて多孔質PDMS膜を作製し、PFAの種類が多孔構造に与える影響を調査し、加えて、低圧でのインク溶液の膜ろ過実験を通して、膜のろ過性能を評価したものである。
PDMS膜の作製には主剤と硬化剤からなる2液硬化型PDMS（SILPOT 184、東レ・ダウコーニング）を用いた。PFAとしてプロピレングリコール（PG）、エチレングリコール、ジエチレングリコール、平均分子量200のポリエチレングリコールおよびグリセリンを使用した。PDMSとPFAの重量比が1:1.5となるように調整して十分均一にした溶液をガラス板上に薄く広げ、オープン中で加熱硬化させた。その後、PFAを抽出するなどしてPDMS多孔膜とした。作製した膜の構造を電子顕微鏡で観察したところ、PGを用いて多孔質化した膜は、空気面側（ガラス板上にキャストした際の空気面に接している表面）に20 μm程度の緻密な層を持つ非対称な多孔構造であることが確認された。別実験で、2 gのPGを時計皿に入れ、120℃で1 h加熱するとすべて蒸発したことから、PGを用いた際に膜の空気面側にPDMSの緻密層が形成されたのは、PDMSを加熱硬化させた際に、空気面側のPGが蒸発したためではないかと考えられる。
低圧ろ過実験にはクロスフローろ過装置を用いた。供給液には、10 wt%の顔料が有機溶媒中に分散する青色インクを用いた。膜に約0.1 MPaの圧力をかけて透過実験を行ったところ、PGを用いて作製した、表面に緻密層を有する多孔質膜では、顔料をほとんど含まない溶媒が回収された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度は、孔形成剤の種類や量、溶媒の種類等が膜の多孔構造に与える影響と膜の多孔質構造が透過性能と分離性能に与える影響について調査するために、以下の１～３の実験を行うことを計画した。
１．多孔質PDMS膜の作製：PDMSとして、主剤と架橋剤を混合、加熱して硬化させる、2液硬化型のPDMSを、孔形成剤として、PGやポリエチレングリコール、グリセリン等の水に溶解性を示す物質を用いる。これらを分散させたPDMS溶液を調整し、脱泡混練機の混練速度や時間も変えてキャスト溶液を調製する。加熱・架橋後、水溶性物質を温水に溶出させて多孔質PDMS膜を作製する。
２．多孔質PDMS膜の構造、物性評価：SEM やデジタル顕微鏡を用いて膜構造の観察（緻密表皮層の厚さや多孔性の程度等）を観察する。膜の含溶媒量や機械的強度の測定を行う。
３．多孔質PDMS膜を通しての溶媒透過性能と顔料成分等固体微粒子の分離性能評価：デッドエンド型、流通型の膜ろ過装置を用い、作製したPDMS膜を通しての有機溶媒の透過量や顔料等固体物質濃度を測定する（圧力は 0.2 MPa程度）。また、多孔質PDMS膜の透過性能と分離性能を評価する。供給溶液としては、実際にインク工場から排出された有機廃液（固体粒子濃度は 10～20wt%程度）を用いる。回収液中の固体粒子濃度は、回収液中の溶媒を蒸発させ残渣の重さから求める。
上記の初年度に予定していた測定はほぼすべて実行できた。本研究課題遂行中、PDMS膜表面に緻密層が形成されるメカニズムが、沸点が180℃を超えるPFAが、100℃でPDMSを加熱、架橋させる際に蒸発するためである可能性が確認されたため、PFAの蒸発測定も行った。このように、当初予定していた実験を順調に遂行できており、新たに非対称多孔化の機構解明のための測定もできていることから、本課題はほぼ順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、膜の作製条件等が膜の多孔構造に与える影響を調査するとともに、インク溶液の分離に最適な膜の多孔構造の特定を目指して、以下の１と２の実験を行う。
１．多孔膜の作製と物性評価、インク溶液の分離に最適な膜の多孔構造の特定：2液硬化型のPDMSにPFAを分散させたPDMS溶液をガラス板上にキャストし、加熱・架橋後、水溶性物質を温水に溶出させて多孔質PDMS膜を作製する。初年度の結果を基に、固体粒子濃度が約10wt%のインク等廃液から、低圧膜ろ過により、回収液中の固体粒子濃度が0.5wt%以下となる膜作製条件を決定する。
２．膜プロセスの性能評価：作製した膜を通したインク溶液について、デッドエンド型、流通型膜ろ過装置を用いた透過性能と分離性能の評価を行う。加えて、実用的な利用を目指して、多孔質膜の長期安定性やファウリングによる膜性能の劣化の評価を行う。性能の劣化が激しい場合は、供給液の循環や膜洗浄方法を検討する。
本研究の最重要課題の一つに非対称多孔質PDMS膜の形成メカニズムの解明がある。初年度の本研究課題開始時は、非対称構造形成の要因を、疎水性のPDMS中で親水性のPFAが凝集し、PFAの方がPDMSより密度が大きいため、重力で下側に集まり、その状態で架橋、膜化するためではないかと考えていた。しかし、現在までの進捗状況に記載したとおり、膜の一方の表面に緻密なPDMS層が形成される要因は、PFAの蒸発による可能性がある。当初は、PDMSの加熱、架橋の際、沸点が180℃を超えるPFAが蒸発することは考慮していなかったが、今後は、PFAの蒸発量や蒸発速度を詳細に測定し、非対称多孔質PDMS膜の形成メカニズムの解明を行うこととした。さらに、加熱、架橋の際の温度を変える等して、表面緻密層の厚さを制御できるか等についても考察する。
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