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2020 年度 実績報告書

ゲート型吸着剤が切り開く吸着分離工学の新展開の探求

研究課題

研究課題/領域番号 18K18975
研究機関京都大学

研究代表者

宮原 稔  京都大学, 工学研究科, 教授 (60200200)

研究分担者 平出 翔太郎  京都大学, 工学研究科, 助教 (60853207)
田中 秀樹  信州大学, 先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所, 教授(特定雇用) (80376368) [辞退]
平塚 龍将  京都大学, 工学研究科, 特定助教 (70806744) [辞退]
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2021-03-31
キーワードMOF / PSA / 破過曲線 / 自己熱補償能
研究実績の概要

ゲート吸着型MOFの優れた自己熱補償能およびCO2分離能を精緻に解析し,その特徴を最大限に発揮させるための新たな操作論・設計論確立を指向した研究開発に着手した。本年度は,昨年度までに構築・検証してきた破過曲線装置を用いて,ゲート吸着型MOFの一種であるELM-11のCO2/CH4混合ガスに対する破過曲線測定を実施した。Arガスでパージした吸着カラムにCO2:CH4 = 1:1混合ガスを流入させたところ,流出ガスからはArガス置換完了直後からCO2がある一定量検出されてしまうことが明らかとなった。これは装置の不備ではなく,ELM-11がステップ状の吸着等温線を示すがゆえの現象であることが明らかとなり,そのCO2分率はゲート吸着圧と吸着カラムの全圧の比となることを突き止めた。このslipping-offと我々が呼称している現象は,ELM-11を用いたCO2/CH4分離システムからは純CH4ガスを得ることができないことを意味している。それを解決するために,ELM-11を充填したカラム後方に,I型吸着剤であるHKUST-1を充填したカラムを接続した2段式吸着カラムシステムを考案し,本システムからは純CH4ガスが得られることを破過曲線測定より実証した。加えて,数値シミュレーションから,2段式吸着カラムシステムが,HKUST-1のみを使用した従来式のPSAプロセスに比べて,同流量の製品CH4を得るのに必要な吸着塔サイズおよび原料流量がそれぞれ69%および62%削減可能であることを明らかにした。つまり,ELM-11の自己熱補償能およびCO2分離能はslipping-offという欠点を補ってあまりあるほど優れた特性であり,ゲート吸着型MOFが現行の吸着分離システムを刷新し得る可能性を見出した。以上の成果はNature姉妹誌であるNature Communicationsに掲載された。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] High-throughput gas separation by flexible metal-organic frameworks with fast gating and thermal management capabilities2020

    • 著者名/発表者名
      Hiraide Shotaro、Sakanaka Yuta、Kajiro Hiroshi、Kawaguchi Shogo、Miyahara Minoru T.、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 3867

    • DOI

      10.1038/s41467-020-17625-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Efficiency of Thermal Management Using Phase-Change Material for Nonisothermal Adsorption Process2020

    • 著者名/発表者名
      Sakanaka Yuta、Hiraide Shotaro、Tanaka Hideki、Hiratsuka Tatsumasa、Kojima Natsuko、Yamane Yasuyuki、Miyahara Minoru T.
    • 雑誌名

      Industrial & Engineering Chemistry Research

      巻: 59 ページ: 14485~14495

    • DOI

      10.1021/acs.iecr.0c02344

    • 査読あり
  • [学会発表] ソフト多孔体が示す吸着誘起構造転移挙動の速度論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      菅原伊織,坂中勇太,平出翔太郎,宮原稔
    • 学会等名
      第23回化学工学会学生発表会
  • [学会発表] ソフト多孔体が示すゲート吸着挙動の速度論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      坂中勇太,菅原伊織,平出翔太郎,宮原稔
    • 学会等名
      化学工学会 第86年会
  • [学会発表] Flexible MOF の成形加工がゲート吸着挙動に与える影響とその熱力学的考察2020

    • 著者名/発表者名
      有馬誉,平出翔太郎,宮原稔
    • 学会等名
      第71回コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] 相変化材料による熱管理効果を活用した吸着分離プロセスの構築2020

    • 著者名/発表者名
      坂中勇太,平出翔太郎,平塚龍将,田中秀樹,小嶋夏子,山根康之,宮原稔
    • 学会等名
      第71回コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] ソフト多孔性錯体が示すゲート吸着挙動の外力印加に伴う緩慢化の解析2020

    • 著者名/発表者名
      有馬誉,平出翔太郎,宮原稔
    • 学会等名
      化学工学会 第51回秋季大会
  • [学会発表] 相変化材料による熱補償効果を取り入れた非等温吸着カラムモデルの構築2020

    • 著者名/発表者名
      坂中勇太,平出翔太郎,平塚龍将,田中秀樹,小嶋夏子,山根康之,宮原稔
    • 学会等名
      化学工学会 第51回秋季大会
  • [学会発表] ソフト多孔性錯体が示すゲート吸着挙動を活かした新規吸着分離プロセスの検討2020

    • 著者名/発表者名
      平出翔太郎,坂中勇太,田中秀樹,上代洋,河口彰吾,宮原稔
    • 学会等名
      化学工学会 第51回秋季大会
  • [学会発表] ゲート型吸着剤を用いた圧力スイング吸着分離システムとその新規操作論の確立2020

    • 著者名/発表者名
      山下達之,平出翔太郎,宮原稔
    • 学会等名
      化学工学会 広島大会2020
  • [備考] 研究室HP

    • URL

      http://www.cheme.kyoto-u.ac.jp/2koza/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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