| 研究課題/領域番号 |
23K19185
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| 研究種目 |
研究活動スタート支援
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
森山 教洋 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (00980301)
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| 研究期間 (年度) |
2023-08-31 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 膜分離 / 熱力学モデル / 拡散係数 / 水蒸気 / 透過モデル / ガス分離 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
現在は海水淡水化など液体の水を分離する膜の実用化が進んでいるが，今後は新たな水源として気相に存在する水蒸気が有望である。水蒸気を選択的に回収するにはサブナノ多孔構造を有する分離膜が有望だが，その水蒸気／ガス分離性能（各成分の透過速度）を予測することは困難であった。近年，我々は定量予測が可能な“流体の密度分布を考慮したサブナノ細孔透過モデル”の構築に成功した。本研究では，各種の構造を制御した膜を作製し，このモデルに基づく解析から，膜構造が水蒸気・ガス透過特性に及ぼす影響を明らかとする。バックキャストな膜開発を可能とするために，高性能な水蒸気分離膜の設計指針を実験とモデルの両面から定量的に示す。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、【各種膜の透過データの蓄積】→【透過データのモデル解析による各パラメータの算出・関数化】→【モデルに基づく定量予測による最適な膜構造設計】の流れに沿って研究を遂行する。2023年度はSi原子間を有機架橋したシリカ膜（オルガノシリカ膜）を透過実験（ガス、水蒸気、液体の水透過率の温度および圧力依存性，混合系における透過挙動）を行った。サンプル膜種類は有機架橋構造がメタン、エタン、プロパンのオルガノシリカ膜を作製した。水蒸気の透過率を水蒸気と分子径の近い水素の透過率で規格化した規格化透過率は、プロパン、エタン、メタン架橋の順に大きいという実験データを得た。また，各種膜サンプルに対応する粉体サンプルを作製し、水蒸気の吸着特性を詳細に評価した。この吸着データを用いて“流体の密度分布を考慮したサブナノ細孔透過モデル”に基づき上述の膜透過データを解析することで、細孔内での拡散係数、吸着飽和度、吸着サイトの連続性を算出した。さらに、エタン架橋型のオルガノシリカ膜の膜細孔径を0.4-1 nmに制御し、各細孔径の膜で同様の実験・解析を行った。細孔径が小さくなるにつれ、水蒸気の規格化透過率が向上する実験的知見を得た。
また、本モデルが水蒸気のみならず、液体の水の透過現象にも適用可能性があることを見出した。エタン架橋型のオルガノシリカ膜を用いて有機溶媒を微量に含む水の透過実験を行い、当該モデルに基づく解析を行った。
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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
これまでに、エタン架橋型オルガノシリカ膜については本モデルによる透過速度解析を行った実績があったが、他の膜種については実績がなかった。有機架橋構造の形態に依らず、当該モデルに基づいた解析が可能であることを検証できた点は大きな進捗である。また、複数の膜に対する解析結果を比較することで、細孔内での拡散係数、吸着飽和度、吸着サイトの連続性のいずれが水蒸気透過率の違いに寄与しているかを評価可能となった。さらに、本モデルが水蒸気のみならず、液体の水透過速度の解析にも適用できる可能性が示されたことは、本研究のインパクトを高め得る重要な進捗である。
したがって、研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年度は，親水性化オルガノシリカ膜やゼオライト膜に膜種を展開し，2023年度と同様の解析によって各種解析パラメータを得る。蓄積した各種解析パラメータと制御可能パラメータ（細孔径や親水性）の関係をマッピングし，これらを関数の形で紐づける。得られた関数を“流体の密度分布を考慮したサブナノ細孔透過モデル”に代入することで理論的な膜性能を制御可能パラメータ（細孔径や親水性）の関数とし，制御可能パラメータの具体的数値として製膜指針を示す。
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