気体透過による炭素膜の微細構造評価と新規分離能の発現

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多孔質炭素は分子ふるい性があるので、これを薄膜化できれば気体分離膜として利用できる。また、炭素材をヘテロ原子、金属原子等とアロイ化すれば、微細構造が変化し、ミクロ孔径の制御が可能となる。アロイ化した炭素と気体分子との相互作用を利用すれば、高機能分離特性の発現が期待できる。3,3',4,4'-ビフェニルカルボン酸2無水塩(BPDA)と4,4'-オキシジアニリン(ODA)で合成したポリイミドを700℃で炭化し、300℃で3時間酸化して分子ふるい炭素膜とした。酸化処理をすることによってミクロ孔径分布が変化することなく、ミクロ孔容積が増大するので、選択性を損なうことなく、透過速度を増大することができた。炭素膜の耐久性を調べるために、空気中100℃で1ヵ月間酸化した結果、含酸素官能基の生成により透過速度が減少した。しかしながら、酸化処理した後に窒素中600℃で熱処理することによって含酸素官能基が除去され、透過速度が回復することがわかった。また、炭素膜のCO_2とN_2の透過率は単成分系、2成分系でほとんど差がなく、また、2成分系でスィープガスとしてHeとArを用いた場合にも、透過率、分離係数共ほぼ一致した。炭素膜のミクロ孔がスリット状であるために、スリットの短軸の長さによって透過分子を分離するが、細孔内では2次元的な運動が可能である。そのため、透過気体分子間あるいは透過気体とスィープガスとの間についても、相互作用を受けず自由に拡散することがわかった。以上の結果から、炭素膜の気体分離特性を向上させるためには、ミクロ孔径を少し広げることが有効であるので、架橋度の高い高分子プレカーサーを用いた成膜と金属塩とのアロイ化によって孔径の制御を試みる。