金属錯体系イオン液体をキャリアとする高性能酸素分離膜の創製

以金属络合物基离子液体为载体制备高性能氧气分离膜

基本信息

批准号：
19J11532
负责人：
松岡淳
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J11532/
关键词：
促進輸送膜イオン液体ガス透過機構酸素分離膜

项目摘要

本研究グループでは、酸素吸収性の金属錯体を化学構造中に含んだ、酸素吸収性金属錯体系イオン液体（MCILs）の合成に成功している。このMCILsをキャリア膜の酸素キャリアとして用いた際には、高性能酸素分離膜の開発が期待される。そこで、本研究では、新規に開発した酸素吸収性MCILsを用いた高性能酸素促進輸送膜の開発について検討した。本年度は、MCILsをキャリアとする酸素促進輸送膜の酸素および窒素のガス透過メカニズムを解明するとともに、性能改善に向けた物性制御指針を確立した。合成した種々MCILsを用いて含浸液膜を作製し、その酸素および窒素透過係数を測定した。得られた各ガスの透過係数について、モデル解析を行った。モデル解析を用いた検討の結果、MCILsのガス透過機構は、酸素と結合したキャリアが膜内を拡散するという、移動キャリアモデルで説明できることが分かった。一方で、MCILs中における溶質の拡散係数について検討したところ、MCILs中における溶質の拡散係数は、MCILsの自由体積に強く影響されていることが明らかとなった。この結果より、MCILs中での拡散メカニズムは、粘度に支配される、一般的な溶液中での拡散メカニズムとは異なることが示唆された。さらなる検討の結果、MCILsの粘度が高いために、MCILs中では分子の運動が制限され、液体であるにもかかわらず、まるで固体のように振る舞っている可能性が示唆された。以上の検討結果より、現状のMCILsは粘度が大きすぎるため、一般的なイオン液体型促進輸送膜の「粘性流体場における拡散」に基づく酸素の透過がほとんど起こっていない。もし、「粘性流体場における拡散」に基づく酸素の透過が支配的になれば、MCILs含浸液膜の酸素透過速度は現状よりも有意に速くなると考えられる。従って、性能改善指針は、MCILsの粘度低減であるといえる。

该课题组成功合成了化学结构中含有吸氧金属配合物的吸氧金属络合物离子液体（MCIL）。当这些MCIL用作载体膜中的氧载体时，高性能氧气分离膜的开发有望得到发展。因此，在本研究中，我们研究了使用新开发的吸氧 MCIL 开发高性能氧促进传输膜。今年，我们阐明了以MCIL为载体的氧气促进传输膜中氧气和氮气的气体渗透机制，并制定了控制物理性质以提高性能的指南。使用各种合成的MCIL制备浸渍液膜，并测量它们的氧和氮渗透系数。对获得的每种气体的渗透系数进行模型分析。使用模型分析进行研究的结果发现，MCIL的气体渗透机制可以通过移动载体模型来解释，其中与氧结合的载体在膜内扩散。另一方面，当我们研究 MCIL 中溶质的扩散系数时，我们发现 MCIL 中溶质的扩散系数受到 MCIL 自由体积的强烈影响。这些结果表明，MCIL 中的扩散机制与一般溶液中的扩散机制不同，后者主要由粘度决定。进一步的研究表明，MCIL 的高粘度可能会限制其中分子的运动，导致它们尽管是液体，但表现得像固体。从上述研究结果来看，目前的MCILs的粘度太高，因此基于一般离子液体促进传输膜的“粘性流体场中的扩散”的氧气渗透很难发生。如果基于“粘性流体场中的扩散”的氧气渗透占主导地位，则通过 MCIL 浸渍液膜的氧气渗透速率将明显快于当前速率。因此，可以说，降低MCIL的粘度是性能改进的指导方针。