| 研究課題/領域番号 |
20K21111
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
松山 秀人 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50181798)
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| 研究分担者 |
佐々木 雄史 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 助教 (60821618) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| キーワード | 膜分離 / 有機溶剤超ろ過（OHF） / 耐溶剤性OHF膜 / 有機溶媒液－液分離 / 複合膜 |
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| 研究実績の概要 |
化学品製造プロセスにおいて有機溶剤の分離・濃縮に多用される蒸留法は、多量の熱エネルギーを必要とする極めてエネルギー消費の大きいプロセスである。一方、膜分離法は格段に省エネルギーな分離法ではあるものの、これまでは有機溶剤の液－液分離プロセスに適用できる膜は無いのが現状である。そこで本研究は、大幅な省エネルギー化を目指して、有機溶剤系で直接溶剤－溶剤間の膜分離を行う新規有機溶剤超ろ過膜法（Organic solvent Hyper Filtration; OHF）の創出を目指す。
昨年度は、フッ素含有ポリマーであるAF2400を用いたスピンコート法による複合膜と、フッ素元素置換基を導入した界面重合法ポリアミド複合膜の2つのOHF膜を創製した。
本年度は新たなOHF膜として、ナノフィラー包埋複合膜とアルキルシロキサン複合膜の2種類の膜の開発を行った。1つ目のナノフィラー包埋複合膜は、耐溶剤性ポリケトン多孔膜を支持膜とし、酸化グラフェンの一種であるグラフェンクオンタムドットをナノフィラーとして共有結合で包埋したポリアミドを界面重合法により形成させて緻密層とした膜である。2つ目のアルキルシロキサン複合膜は、ポリエーテルスルフォン多孔膜を支持膜とし、その上に架橋したポリジメチルシロキサンをスピンコーティングにより重層化して緻密層とした膜である。両膜とも分画分子量が100～数100 Daを示す耐溶剤性OHF膜の性能を有することを確認した。また、前者の膜は極性有機溶媒系での透過性に優れ、後者の膜は非極性有機溶媒の透過性が良好であることから、対象有機溶媒の種類に応じて両膜を使い分けることで多種類の有機溶媒に対応が可能となった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
（１）OHF膜の開発
本年度は新たなOHF膜として、ナノフィラー包埋複合膜とアルキルシロキサン複合膜の2種類の膜の開発を行った。1つ目のナノフィラー包埋複合膜は、耐溶剤性ポリケトン多孔膜を支持膜とし、酸化グラフェンの一種であるグラフェンクオンタムドットをナノフィラーとして共有結合で包埋したポリアミドを界面重合法により形成させて緻密層とした膜である。2つ目のアルキルシロキサン複合膜は、ポリエーテルスルフォン多孔膜を支持膜とし、その上に架橋したポリジメチルシロキサンをスピンコーティングにより重層化して緻密層とした膜である。両膜とも分画分子量が100～数100 Daを示す耐溶剤性OHF膜であることを確認した。
（２）OHF膜の性能評価
グラフェンクオンタムドットを包埋したポリアミド複合膜は、MeOH、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン等の極性有機溶媒に対し、従来型ポリアミド複合膜と比べ2倍以上の透過流束を示すとともに、溶質阻止性は従来型ポリアミド複合膜とほぼ同等の高い阻止性を有し、従来膜で課題であった阻止性を保持しつつ透過性を向上させることに成功した。一方、架橋ポリジメチルシロキサン複合膜は、非極性有機溶媒に対する選択透過性を示し、ヘキサン/EtOH混合溶媒系においてEtOHを阻止した（ヘキサン/EtOH （1:1）混合溶媒系でのEtOH阻止率67%）。このように、極性有機溶媒用のグラフェンクオンタムドット包埋ポリアミド複合膜と、非極性有機溶媒用の架橋ポリジメチルシロキサン複合膜の2種類のOHF膜を創製することができ、有機溶媒の種類に応じて膜を使い分けることが可能になった。
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| 今後の研究の推進方策 |
（１）OHF膜の開発
これまでに検討したOHF膜について、引き続き製膜条件検討を進めるとともに、膜の安定性（耐久性）の評価、膜の構造と溶媒選択性との関係の精査を行って、膜の最適化を行う。特に、緻密層へのフッ素基やアルキル基等の疎水性分子の導入による膜表面の疎水性制御、緻密性制御により、非極性有機溶媒と極性有機溶媒間の選択性を向上させ、有機溶媒の高速透過、高選択分離の実現を目指す。
（２）OHF膜の性能評価
作製したOHF膜について、各種有機溶剤混合系での分離性能評価を行う。メタノール／トルエン、ヘキサン／エタノールのように共沸のため蒸留法では分離が難しい共沸混合系やトルエン／n-デカンのような疎水性溶剤（芳香族／直鎖アルカン）の混合系をモデル系として、有機溶剤透過速度、選択分離性、安定性等の性能評価を行い、その結果を製膜検討にフィードバックすることでOHF膜創製を加速する。
（３）OHF膜のフィージビリティー評価
OHF膜の適用先として、蒸留への依存度が高い石油精製プロセスと廃溶剤リサイクルプロセスへの応用を検討する。石油精製プロセスでは、特に重質ナフサからの芳香族化合物（ベンゼン、トルエン、キシレン：BTX）分離製造プロセスで、エネルギー消費の大きいプロセスとなっているので、トルエン／n-デカン混合溶液系で得られた膜の性能評価データを基に、BTX製造プロセスにおけるOHF膜適用プロセスを構築する。また、廃溶剤リサイクルプロセスでは、メタノール／トルエン、ヘキサン／エタノールのような蒸留では分離が難しい共沸混合系を膜で分離するプロセスを構築し、エネルギー消費削減効果や装置体積削減効果等の試算を行い、性能、経済性両面からフィージビリティー評価を行う。
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