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

通过气体渗透评估碳膜的微观结构并开发新的分离能力

• 批准号: 09243230
• 负责人: 草壁 克己
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09243230/
• 关键词: 炭素; 膜分離; ポリイミド; 分子ふるい; 熱分解; 炭化

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。

多孔碳具有分子筛分性能，因此如果能将其制成薄膜，则可用作气体分离膜。此外，通过使碳材料与杂原子、金属原子等合金化，微观结构发生变化，使得可以控制微孔直径。通过利用合金碳和气体分子之间的相互作用，可以实现高性能的分离性能。将3,3',4,4'-联苯甲酸二酐(BPDA)和4,4'-二苯胺(ODA)合成的聚酰亚胺在700℃下碳化，并在300℃下氧化3小时，制成分子筛。碳膜。由于氧化处理增加了微孔体积而不改变微孔尺寸分布，因此可以在不损害选择性的情况下增加渗透速率。为了检验碳膜的耐久性，将其在100℃的空气中氧化1个月，由于含氧官能团的形成，渗透率下降。然而，发现氧化处理后在氮气中于600℃下进行热处理可去除含氧官能团并恢复渗透速率。此外，单组分和双组分体系对碳膜中CO_2和N_2的渗透率几乎没有差异，并且当双组分体系中使用He和Ar作为吹扫气时，渗透率和分离系数几乎是一样的。由于碳膜的微孔是狭缝状的，渗透的分子根据狭缝的短轴的长度而分离，但在孔内可以进行二维运动。因此，发现渗透气体分子或渗透气体与吹扫气体之间不发生任何相互作用并且可以自由扩散。由以上结果可知，为了提高碳膜的气体分离性能，尝试稍微扩大微孔直径是有效的。

项目成果

J.-i.Hayashi et al.,: "Pore size control of carbonized BPDA-PP'ODA polyimide membrane by chemical vapor deposition of carbon" Journal of Membrane Science. 124. 243-251 (1997)

J.-i.Hayashi 等人：“通过碳化学气相沉积控制碳化 BPDA-PPODA 聚酰亚胺膜的孔径”，膜科学杂志。

M.Yamamoto et al.,: "Carbon molecular sieve membrane formed by oxidative carbonization of a copolyimide film coated on a porous support tube" Journal of Membrane Science. 133. 195-205 (1997)

M.Yamamoto 等人：“通过对涂覆在多孔支撑管上的共聚酰亚胺薄膜进行氧化碳化而形成的碳分子筛膜”《膜科学杂志》。

J.-i.Hayashi et al.,: "Effect of oxidation on gas permeation of carbon molecular sieving membranes based on BPDA-pp'ODA polyimide" Industrial & Engineering Chemistry Research. 36・6. 2134-2140 (1997)

J.-i.Hayashi 等，“氧化对基于 BPDA-ppODA 聚酰亚胺的碳分子筛膜的气体渗透的影响”工业与工程化学研究 36・6（1997）。