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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 22H04551
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) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023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)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022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 / 蒸気透過 / 酸化グラフェン / オルガノシリカ / サブナノ細孔 / 水蒸気 / 水 / 膜分離 / 分離 / 気相
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,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までの広範囲において,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。
2023年度では,新規分離膜として酸化グラフェン(GO)による水蒸気分離膜の作製の最適化に関する研究を行い,GO膜が水蒸気を選択的に膜透過することを明らかとした。H2O 透過率は 1.0×10-6 mol/ (m2 s Pa) 以上, H2O/N2 透過率比も10000 以上を示したことから, GO 膜が高いH2O 透過性とH2O/N2 選択性を有することが明らかとなった。また, FE-SEM による膜断面観察から, PES 支持体上にGO 分離層厚み 100 nm 程度に薄膜製膜できたことが確認された。
さらに,サブナノ多孔膜の水蒸気透過モデルを提案し,サブナノ多孔性オルガノシリカ膜の両相が気相の蒸気透過(VP),液相/気相の浸透気化(PV),液相/液相の逆浸透法(RO)での水蒸気透過特性解析に適用し,その有効性を明らかとした。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 3件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Physicochemical Treatments of Graphene Oxide to Improve Water Vapor/Gas Separation Performance of Supported Laminar Membranes: Sonication and H2O2 Oxidation2024

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

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 16 号: 6 ページ: 8086-8097

    • DOI

      10.1021/acsami.3c16844

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Permeation properties and hydrothermal stability of allylhydridopolycarbosilane (AHPCS)-derived silicon carbide (SiC) membranes2024

    • 著者名/発表者名
      Sushanti Gusni、Tanabe Daiki、Thi Thu Hien Khuat、Moriyama Norihiro、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Materials Advances

      巻: 5 号: 6 ページ: 2420-2429

    • DOI

      10.1039/d3ma01005h

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of water permeability in SiO2-ZrO2 nanofiltration membranes via adding organic solutes into the SiO2-ZrO2 sols2024

    • 著者名/発表者名
      Puthai Waravut、Kanezashi Masakoto、Nagasawa Hiroki、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Separation and Purification Technology

      巻: 333 ページ: 125851-125851

    • DOI

      10.1016/j.seppur.2023.125851

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A highly water-selective carboxymethylated cellulose nanofiber (CNF-CMC) membrane for the separation of binary (water/N2) and ternary (water/alcohols/N2) systems in vapor-permeation2024

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

      Journal of Membrane Science

      巻: 691 ページ: 122229-122229

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2023.122229

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Steam recovery from flue gas by organosilica membranes for simultaneous harvesting of water and energy2023

    • 著者名/発表者名
      Moriyama Norihiro、Takeyama Akihiro、Yamatoko Taichi、Sawamura Ken-ichi、Gonoi Koji、Nagasawa Hiroki、Kanezashi Masakoto、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 7641-7641

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43546-y

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Steam permeation properties of perfluorosulfonic acid/ceramic composite membranes at a high temperature under various humidity conditions2023

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

      Separation and Purification Technology

      巻: 320 ページ: 124166-124166

    • DOI

      10.1016/j.seppur.2023.124166

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Permeation Properties of Water Vapor through Graphene Oxide/Polymer Substrate Composite Membranes2023

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

      Membranes

      巻: 13 号: 5 ページ: 533-533

    • DOI

      10.3390/membranes13050533

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] パーフルオロスルホン酸中空膜を用いた除湿モジュールの性能評価およびシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Sho、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      化学工学論文集

      巻: 48 号: 2 ページ: 42-48

    • DOI

      10.1252/kakoronbunshu.48.42

    • ISSN
      0386-216X, 1349-9203
    • 年月日
      2022-03-20
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Water permeation in gas and liquid phases through organosilica membranes: A unified theory of reverse osmosis, pervaporation, and vapor permeation2022

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

      Chemical Engineering Science

      巻: 263 ページ: 118083-118083

    • DOI

      10.1016/j.ces.2022.118083

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent Progress in Silicon Carbide-Based Membranes for Gas Separation2022

    • 著者名/発表者名
      Wang Qing、Zhou Rongfei、Tsuru Toshinori
    • 雑誌名

      Membranes

      巻: 12 号: 12 ページ: 1255-1255

    • DOI

      10.3390/membranes12121255

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [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
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アモルファス構造を有するシリコン系膜のサブナノ細孔制御と分離プロセスへの展開2022

    • 著者名/発表者名
      都留稔了
    • 学会等名
      第41回無機高分子シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Subnano-tuning of amorphous Silicon-based membranes for improved performance: Fabrication, characterization, and application to gas and liquid phase2022

    • 著者名/発表者名
      Toshinori Tsuru
    • 学会等名
      The 16th International Conference on Inorganic Membranes (ICIM 16)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [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(分担執筆))
    • 総ページ数
      236
    • 出版者
      学術研究出版
    • ISBN
      4910733272
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [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(分担執筆)
    • 総ページ数
      292
    • 出版者
      丸善出版
    • ISBN
      4621307045
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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