分子ふるい炭素膜の超精密細孔径制御と細孔塞塞過程のin situ 観察

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本研究では,高透過性及び高選択性を有する分子ふるい炭素膜をポリイミド膜から調製し,さらに,熱分解炭素の蒸着によって膜表面のミクロ細孔を選択的に閉塞させ,閉塞透過性の更なる向上を試みた.まず,BPDA-ODA polyamic酸を合成し,コーティング法によって多孔質アルミナ中空管表面に数ミクロンの膜を作成,これを300°Cでイミド化した.700°Cで炭化した膜はポリイミド膜の約1000倍の高透過性を示し,同時に分離性能も向上した.この分子ふるい膜の酸素/窒素分離係数は9であった.700°C炭化膜のCVD処理を650°Cで行った.蒸着炭素源としてプロピレンを使用した.このCVD処理によって,ガス分離特性が大きく変化した.CVD反応時間を変化させ,処理膜のガス透過特性に及ぼす影響を検討した.いずれのガスの透過特性も,初期の5minの間に透過速度が初期の1/2〜1/5に急激に減少したが,その後は緩やかに減少し,20min後にはほぼ一定となった.酸素/窒素分離係数は,CVD時間が2minのときに最大となり,15に達した.また,ヘリウム/窒素分離係数は,100から415まで増加した.酸素/窒素分離係数は,2min以上CVDを行うと逆に低下し,初期の値に漸近した.これは酸素と窒素の分離能を示す0.4〜0.45nmの細孔が長時間のCVDによって閉塞されたためである.次に,炭化膜のパラフィン/オレフィンガス分離特性を調べた.イミド化と炭化を2〜3回繰り返して調製した炭化膜は,プロピレン/プトパン及びエチレン/エタンの分離係数がそれぞれ56及び10(35°C)であり,従来報告されているポリイミド膜についての値を大きく上回った.また,エチレン及びプロピレンの透過係数は,100barrer以上となった.膜の厚さを現在の1/6程度にまで薄くできれば,実用可能となることが示された.