微多孔シリカ膜の開発と脱水プロセスへの応用－膜開発・性能評価・分子透過機構－

昨年度までに開発したオルガノシリカ膜を基調とし，更なる膜開発だけでなく，プロセスや透過メカニズムの側面からも研究を進めた。膜開発の側面からは，従来のオルガノシリカネットワーク中にAlイオンを取り込むことで，ネットワークの緻密化と親水化を同時に引き起こす手法を見出した。本手法により，水蒸気／窒素の選択性が従来のオルガノシリカ膜の10倍以上に向上した。プロセスの側面からは，プラント排ガスを想定した模擬ガス（150-200℃, 水蒸気, 塩化水素, 酸素, 窒素を含む）からの水蒸気回収の長期試験を行った。190日間に亘る試験を通して，オルガノシリカ膜は極めて安定であっただけでなく，水蒸気透過性と水蒸気／窒素選択性の双方が既報トップレベルであった。また，オルガノシリカ膜は分子ふるい性に基づき，窒素のみならず，塩化水素や，水素，酸素，二酸化炭素の除去も可能であった。透過メカニズムの側面からは，多孔膜透過現象を表現するモデルを理論的に構築し，モデルの正当性を実験的に明らかとした。従来のモデルでは，実験的に得られる透過量を膜の透過／非透過側の圧力差で規格化した圧力差基準の透過率を用いていたが，圧力差基準の透過率は透過／非透過側の相状態（液／液，液／気，気／気）に依存するという課題があった。本モデルでは，活量差基準の透過率を用いることで，相状態によらず，透過現象を統一的に表現可能とした。また，膜細孔内での相変化（気→液への遷移領域）を考慮することで，本モデルは，オルガノシリカ膜の特異的な透過特性を定量的に予測可能であった。

昨年度までに開発したオルガノシリカ膜を基調とし，更なる膜開発だけでなく，プロセスや透過メカニズムの側面からも研究を進めた。膜開発の側面からは，従来のオルガノシリカネットワーク中にAlイオンを取り込むことで，ネットワークの緻密化と親水化を同時に引き起こす手法を見出した。本手法により，水蒸気／窒素の選択性が従来のオルガノシリカ膜の10倍以上に向上した。プロセスの側面からは，プラント排ガスを想定した模擬ガス（150-200℃, 水蒸気, 塩化水素, 酸素, 窒素を含む）からの水蒸気回収の長期試験を行った。190日間に亘る試験を通して，オルガノシリカ膜は極めて安定であっただけでなく，水蒸気透過性と水蒸気／窒素選択性の双方が既報トップレベルであった。また，オルガノシリカ膜は分子ふるい性に基づき，窒素のみならず，塩化水素や，水素，酸素，二酸化炭素の除去も可能であった。透過メカニズムの側面からは，多孔膜透過現象を表現するモデルを理論的に構築し，モデルの正当性を実験的に明らかとした。従来のモデルでは，実験的に得られる透過量を膜の透過／非透過側の圧力差で規格化した圧力差基準の透過率を用いていたが，圧力差基準の透過率は透過／非透過側の相状態（液／液，液／気，気／気）に依存するという課題があった。本モデルでは，活量差基準の透過率を用いることで，相状態によらず，透過現象を統一的に表現可能とした。また，膜細孔内での相変化（気→液への遷移領域）を考慮することで，本モデルは，オルガノシリカ膜の特異的な透過特性を定量的に予測可能であった。