排水中からの有機汚染物質除去を目的としたプラズマグラフトフィリング重合膜の設計

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555236
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中尾 真一 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (00155665)
• 研究分担者: 滝田 耕太郎 東燃化学(株), 技術開発センター, 研究員 ; 山口 猛央 東京大学, 大学院・工学系研究科, 講師 (30272363)
• キーワード: プラズマグラフト重合 / 分離膜 / 排水処理 / 材料設計 / パーベーパレーション

研究概要

本研究の目的は、溶媒処理、特に排水処理において高い性能を有するフィリング重合膜を用いて、それぞれの排水系に適した重合膜を設計することにある。設計のためには膜中での溶媒の溶解性・拡散性をそれぞれ予測し、フィリング重合膜の基材による膨潤抑制力と併せて分離性能を計算だけから予測する必要がある。様々な基材・充填ポリマーを設定し、分離膜が示すであろう分離性能を予測することにより、それぞれの排水処理に適した充填ポリマーおよび基材強度を選ぶ。選択された素材および基材を用いて重合膜を作製することが本研究で行う設計・開発である。
本年度において多孔性基材の開発、水素結合が介在するポリマーと溶媒間の溶解性・拡散性および膜としたときの透過性の評価および推算法を検討した。
機械的強度の異なる多孔性高密度ポリエチレン基材を開発した。
ポリマーの溶解性測定は石英スプリングによる収着実験装置を用いた。溶媒として近年、半導体工場周辺での地下水汚染が問題となっている塩素系有機洗浄剤であるクロロホルム、ジクロロメタンを、ポリマーとして各種アクリレート類を用いた。溶解性においては従来用いてきたUnifac-FV法だけでなく、水素結合力も考慮した格子理論(LF-EOS-HBモデル)を用いて評価した。クロロホルムやジクロロメタンのC-H結合とアクリレートポリマーの-COO-基は水素結合していることをFT-IR測定より確認した。また、その水素結合可能なCOO基の割り合いはポリマーの重合度によって異なるが、分子量が数万以上と大きなフィリング重合膜の場合は分子量依存性は無く、一定と仮定できることを見い出した。これにより、分子量の影響の無い水素結合を含んだ格子モデルによりこれら塩素系有機物とポリマーの溶解性を推算することに成功した。
相互拡散係数の測量はステップアップ蒸気透過法を用いた。溶媒として同様にクロロホルムおよびジクロロメタン、ポリマーとして各種アクリレート類を用いた。拡散性の予測は自由体積理論を用いて行ったが、通常の自由体積理論による推算結果は実験結果と一致しなかった。明らかに水素結合による分子運動性の束縛の影響があり、拡散性の低下は上記格子モデルにおける水素結合量とリニアーな関係があることを明らかにした。水素結合による束縛の影響をモデルに反映させる必要がある。
これらの結果を用いて膜透過性を予測した結果、実験結果をよく再現した。

研究成果

• [文献書誌] T.Yamaguchi,S.Nakao et al.: "Transport Mechanism of Aromatic Vapor through Silver Salt Carner/Polymer Blend Membrane and its Humidity Effect" J.Phys.Chem.B. (in press). (1999)
• [文献書誌] T.Yamaguchi,S.Nakao et al.: "Ethanol/water transport through silicalite membranes" J.Membrane Sci. 144. 161-171 (1998)
• [文献書誌] S.Nakao et al.: "Formation process,analysis and structure of silica polymers,fractal aggregates and membranes" in Surface Chemistry and Electrochemistry of Membranes(ed)T.Sorenson,Marcel Dekker Inc.,NY. (1998)
• [文献書誌] S.Nakao et al.: "Evolution of pore structure in microporous silica membranes; Sol-gel procedures and strategies" Advanced Materials. 10(3). 249-252 (1998)
• [文献書誌] S.Nakao et al.: "Growing of low-fractal silica-polymers at high temperatures for application in gas separation membranes" J.Sol-Gel Technology. 12(2). 117-134 (1998)