高透過・高選択性二酸化炭素分離膜の精密構造制御

高渗透高选择性二氧化碳分离膜的精确结构控制

• 批准号: 17760598
• 负责人: 松井 誉敏
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Research Institute of Innovative Technology for the Earth
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760598/
• 关键词: 二酸化炭素分離; ポリイミド; 高分子構造

本研究では、種々のポリイミド膜のCO2/CH4およびCO2/N2混合ガス透過において、ブロッキング効果とそれを生じさせる要因となるナノ構造、特に未緩和体積の大きさとの関係を明らかにすることを目的としている。これらの結果をもとに、高いCO2選択性を示す膜選定のための指針を与えることが、この研究の主目的である。今年度は膜素材となる合成したポリイミド(合計9種類)の一部について、ガス透過性能測定および、17年度導入した高圧ガス収着測定装置を用いてCO2収着性能測定を行った。ヘキサフルオロイソプロピリデンテトラカルボン酸二無水物(6FDA)を酸成分に、テトラメチル-p-フェニレンジアミン(TeMPDA)、トリメチル-m-フェニレンジアミン(TrMPDA)あるいはp-フェニレンジアミン(PDA)をジアミン成分に用いたそれぞれのホモポリマー膜の気体透過性を異なる温度で測定した。その結果、6FDA-TeMPDA、6FDA-TrMPDA膜についてはCO2の透過の活性化エネルギーが負となったことから、ブロッキング効果を示す膜であることが示唆された。一方で、6FDA-PDA膜は通常の高分子に見られる正の活性化エネルギーを示し、ブロッキング効果を示さないことが示唆された。また、CO2収着量測定結果から求めたガラス状態にある未緩和体積(C'H)は、6FDA-TeMPDA、6FDA-TrMPDAで約55cc(STP)/cc(polymer)と、有機蒸気などによるブロッキング効果を示すとされている一部の置換アセチレン系高分子膜に近い値を示した。一方で6FDA-PDA膜では、通常のブロッキング効果を示さないガラス状高分子と同程度であった。これら6FDA-TeMPDA、6FDA-TrMPDAとPDA系の共重合体、ブレンド膜において、CO2に対してブロッキング効果を示す構造の遷移領域が存在するものと考えられる。この遷移領域での膜の状態、CO2に対する収着・透過性能を解析することで、最も適した分子設計指針が得られるものと期待される。

这项研究的目的是阐明在CO2/CH4和CO2/N2混合气体透过各种聚酰亚胺膜时，阻挡效应与引起该效应的纳米结构之间的关系，特别是未松弛体积的大小。那本研究的主要目的是根据这些结果为选择具有高 CO2 选择性的膜提供指导。今年，我们利用2017年推出的高压气体吸附测量装置，测量了部分合成聚酰亚胺（共9种）用作膜材料的气体渗透率和CO2吸附性能。使用六氟异亚丙基四甲酸二酐(6FDA)作为酸成分，使用四甲基对苯二胺(TeMPDA)、三甲基间苯二胺(TrMPDA)或对苯二胺(PDA)作为二胺成分。使用的均聚物膜在不同温度下进行测量。结果，6FDA-TeMPDA 和 6FDA-TrMPDA 膜的 CO2 渗透活化能为负值，表明这些膜表现出阻断作用。另一方面，6FDA-PDA 膜表现出普通聚合物中可见的正活化能，表明它没有表现出任何阻断效应。此外，对于 6FDA-TeMPDA 和 6FDA-TrMPDA，根据 CO2 吸附测量结果确定的玻璃态未松弛体积 (C'H) 约为 55 cc(STP)/cc(聚合物)，这是由于有机物的阻塞所致。该值接近一些据称有效的取代乙炔聚合物膜的值。另一方面，6FDA-PDA膜具有与玻璃态聚合物相同水平的阻断效果，但没有表现出通常的阻断效果。人们认为，在这些 6FDA-TeMPDA、6FDA-TrMPDA 和 PDA 基共聚物和共混膜中，存在一个对 CO2 表现出阻断作用的结构过渡区域。通过分析该过渡区膜的状态及其对CO2的吸附和渗透性能，预计将获得最合适的分子设计指南。