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サブナノ多孔膜における気相~液相系水分子の透過性評価と高機能化

公募研究

研究領域水圏機能材料:環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
研究課題/領域番号 20H05227
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関広島大学

研究代表者

都留 稔了  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20201642)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2020年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード膜 / ナノ-サブナノ多孔 / オルガノシリカ / 分離 / 気相 / オルガノシリカ膜 / サブナノ細孔 / 水蒸気 / 透過 / 微多孔膜 / 水
研究開始時の研究の概要

本研究は,より効率的に”水をつくる”ことを最終目標とする。1nm以下の細孔(サブナノ細孔)を有する微多孔膜を高分子および無機材料を用いて作製し,水分子希薄系から凝縮系状態までの広範囲に渡り,その動的挙動として膜透過性を測定する。さらに,赤外分光法や水吸着測定などの特性評価技術を駆使することで,サブナノ多孔材料での動的挙動を明らかにするとともに,より高選択性・高透過性を有する水分離膜の開発指針を得る。

研究実績の概要

爆発的に人口が増加し,河川などの淡水のみならず海水から高分子膜を用いた水製造の実用化が進んでいる。今後は気相中に存在する水蒸気の回収技術についても,生活空間の調湿という観点のみならず,貴重な水資源,さらには排スチームからエネルギー源として,持続可能な社会構築のための必要不可欠な新技術として開発する必要がある。本研究では,より効率的に”水をつくる”ことを最終目標として,サブナノ多孔性オルガノシリカ膜の水分子の動的挙動を希薄系から凝縮系状態まで広範囲において,純水系および2成分混合系での膜透過性を測定するとともに,高選択性・高透過性水分離膜の開発指針を明らかとすることを目的とする。
2021年度の成果は以下にまとめられる。
・多孔性オルガノシリカ膜の分離層は架橋型アルコキシシランbis(triethoxysilyl)ethane(BTESE)を前駆体とするゾルゲル法により作製した。分離層はネットワーク構造を有し,気相(窒素:分子径0.364nm)から水蒸気(分子径0.2995nm)を選択的に回収できる。中間層として従来法であるSiO2-ZrO2,および新規開発したコロイドBTESEによるiBTESEを用いた。
・BTESE/iBTESE膜は高い水熱安定性を示すこと(水蒸気圧:上流200 kPa,下流100 kPa;300時間以上),高い水蒸気/窒素選択性を示すこと(>100)を明らかとした。さらに,サブナノ多孔性オルガノシリカ膜は,膜間差圧3barにおいて10kg/(m2 h)以上の高い透過流束を示した。BTESEおよびAlドープBTESEは高いH2O/N2選択性とともに,高い透過性が明らかである

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Network tailoring of organosilica membranes via aluminum doping to improve the humid-gas separation performance2022

    • 著者名/発表者名
      Moriyama Norihiro、Ike Misato、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 12 号: 10 ページ: 5834-5846

    • DOI

      10.1039/d1ra07866f

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlled organosilica networks via metal doping for improved dehydration membranes with layered hybrid structures2021

    • 著者名/発表者名
      Terao Takashi、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Yanagishita Hiroshi、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Separation and Purification Technology

      巻: 278 ページ: 119561-119561

    • DOI

      10.1016/j.seppur.2021.119561

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Steam recovery via nanoporous and subnanoporous organosilica membranes: The effects of pore structure and operating conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Moriyama Norihiro、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Separation and Purification Technology

      巻: 275 ページ: 119191-119191

    • DOI

      10.1016/j.seppur.2021.119191

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improved performance of organosilica membranes for steam recovery at moderate-to-high temperatures via the use of a hydrothermally stable intermediate layer2021

    • 著者名/発表者名
      Moriyama Norihiro、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Journal of Membrane Science

      巻: 620 ページ: 118895-118895

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2020.118895

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pervaporation via silicon‐based membranes: Correlation and prediction of performance in pervaporation and gas permeation2021

    • 著者名/発表者名
      Moriyama Norihiro、Kawano Yuta、Wang Qing、Inoue Ryota、Guo Meng、Yokoji Makoto、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      AIChE Journal

      巻: 67 号: 7 ページ: 17223-17223

    • DOI

      10.1002/aic.17223

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Molecular-Net-Sieving via amorphous Silicon-based membranes: Fabrication, characterization, and application to gas and liquid phase separation2022

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuru
    • 学会等名
      Department of Chemical Engineering, University of Bath
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Silicon-Based Amorphous Membranes with Molecular-Net-Sieving: Application to Molecular Separation in Gas and Liquid Phase Separation2021

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuru
    • 学会等名
      The Material Research Meeting 2021 (MRM2021) (Symposium Keynote)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Silicon-Based Membranes with Molecular-Net-Sieving Properties: Application to gas and liquid phase separation2021

    • 著者名/発表者名
      T. Tsuru
    • 学会等名
      Guest Lecturer Series (GLS) at the Department of Chemical Engineering of ITS Surabaya
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Silicon-Based Membranes with Molecular-Net-Sieving Properties: Application to gas and liquid phase separation2021

    • 著者名/発表者名
      Toshinori Tsuru
    • 学会等名
      2020 Dalian University of Technology-Overseas Partner Universities Series Online Exchange Conference
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 実例で学ぶ化学工学2022

    • 著者名/発表者名
      化学工学会教科書委員会
    • 総ページ数
      292
    • 出版者
      丸善出版
    • ISBN
      9784621307045
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 化学技術のフロンティアシリーズ① サーキュラー・バイオエコノミーを支える分離技術2022

    • 著者名/発表者名
      公益社団法人 新化学技術推進協会 グリーン・サステイナブル ケミストリー ネットワーク会議
    • 総ページ数
      236
    • 出版者
      学術研究出版
    • ISBN
      9784910733272
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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