次世代型無機膜分離プロセスの開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10555274
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 諸岡 成治 九州大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60011079)
• 研究分担者: 積 洋二 京セラ株式会社, 総合研究所, 研究員 ; 坪田 敏樹 九州大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10304750) ; 礒田 隆聡 九州大学, 大学院・工学研究科, 助手 (70284544) ; 草壁 克己 九州大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30153274)
• キーワード: 無機膜 / 気体分離 / シリカ膜 / ゼオライト膜 / 炭素膜 / 細孔 / 吸着 / 透過

研究概要

次世代耐環境性無機膜として有望なシリカ膜、FAU型ゼオライト膜及び炭素膜を創製し、二酸化炭素と窒素について単成分系および二成分系における透過性能を検討した結果、トリエトキシシランを用い気相合成法で作製したシリカ膜は分子ふるい機構により水素選択性を示すが、原料にフェニル基を持つシリカのアルコキシドを用いると細孔径が増大し、二酸化炭素が透過することが明らかになった。また、FAU型ゼオライト膜と炭素膜についても吸着性の差から二酸化炭素選択性を示した。ゼオライト膜の透過係数比は単成分系に比べて二成分系にすることで大きくなり、シリカ膜では逆の傾向を示した。これはゼオライト膜では共吸着条件では弱吸着性分子である窒素の吸着性がさらに小さくなるためであり、シリカ膜では細孔径が小さいために細孔内で一列拡散することがわかった。これらの結果を定量化するために、アルカリ金属でイオン交換したFAU型ゼオライト膜について各気体分子の透過速度と吸着等温線を測定し、吸着-拡散モデルを用いて解析して吸着係数と拡散係数を評価した。その結果、窒素に対する二酸化炭素の透過係数比はK型、Na型そしてLi型の順で小さくなることがわかった。透過係数比は吸着係数の比に大きく影響すること、そしてLi型ゼオライト膜の透過係数比が特に小さいのは、窒素の拡散係数が極めて大きいためであることがわかった。また、細孔内では分子径は大きいが吸着性が小さいために窒素の拡散係数が二酸化炭素に比べて大きいことが明らかになった。この様に多孔質無機分離膜の透過機構に関する体系化を行うと共に、分離膜の細孔制御法について検討し、テンプレートを用いたゾルゲル法によるシリカ膜の合成において、テンプレートサイズと透過性との関係を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Kusakabe et al.,: "Canbom Molecular Sieving Membranes Derived from Condensed Polynuclear Aromatic(COPNA) Resins for Gas Separation" Ind. Eng. Chem. Res.37・11. 4262-4266 (1998)
• [文献書誌] K.Kusakabe et al.,: "Gas Permeation and Micropore Structure of Carbon Molecular Sieving Membranes Modified by Oxidation" Journal of Membrane Science. 149・1. 59-67 (1998)
• [文献書誌] K.Kusakabe et al.,: "Separation of Benzene/Cyclohexane Mixtures Using Polyurethane-Silica Hybrid Membranes" Journal of Membrane Science. 149・1. 29-37 (1998)
• [文献書誌] K.Kusakabe et al.,: "Separation of Carbon Dioxide from Nitrogen Using Ion-Exchanged Faujasite-Type zeolite Membranes Formed on Porous Support Tube" Journal of Membrane Science. 148・1. 13-23 (1998)
• [文献書誌] K.Kusakabe et al.,: "Formation of Silica-Based Membranes and Separation of Gases at Elevated Temperatures" Memories Fac. Eng. Kyushu Univ.58・3. 163-181 (1998)
• [文献書誌] 諸岡成治・草壁克己: "無機膜による高温気体分離技術" エネルギー・資源. 19・5. 52-55 (1998)
• [文献書誌] B.-K. Sea et al.,: "Separation of Hydrogen from Steam Using a SiC-based Membrane Formed by Chemical Vapor Deposition of Triisopropylsilane" Journal of Membrane Science. 146・1. 73-82 (1998)
• [文献書誌] B.-K. Sea et al.,: "Hydrogen Recovery from a H_2-H_2O-HBr Mixture Using Silica-Based Membranes at Elevated Temperatures 2. CalculaIion of Exergy Losses in H_2 Separation Using Inorgaic Mutants" Ind. Eng. Chem. Res.37・6. 2509-2515 (1998)
• [文献書誌] B.-K. Sea et al.,: "Hydrogen Recovery from a H_2-H_2O-HBr Mixture Using Silica-Based Membranes at Elevated Temperatures 1. Preparation of H_2O-and H_2-Selective Membranes" Ind. Eng. Chem. Res.37・6. 2502-2508 (1998)
• [文献書誌] S. Morooka et al.,: "Carbon Dioxide Separation from Nitrogen Using Y-Type zeolite Membrane" Studies in Surface Sci and Catal.,. 114. 665-668 (1998)
• [文献書誌] K.Aoki et al.,: "Gas Permeation Properties of A-type zeolite Membrane Formed on a Porous Substrate by Hydrothermal Synthesis" Journal of Membrane Science. 141・2. 197-205 (1998)
• [文献書誌] 草壁克己・諸岡成治: "無機膜の細孔制御と期待の分離機構" 膜. 23・2. 50-54 (1998)
• [文献書誌] K. Aoki et al: "Applicability of Palladium Membrane for the Separation of Protium and Deuterium" Imt. J. Hydrogen Energy. 23・5. 325-332 (1998)
• [文献書誌] M. Yamamoto et al.,: "Carbon Molecular Siene Membrone Formed by Oxidation Carbonization of a Copolymide Film Coated on a Porous Support Tube" Journal of Membrane Science. 133.1. 195-205 (1998)