無機分離膜素材の分子設計

无机分离膜材料的分子设计

基本信息

批准号：
06750802
负责人：
久保百司
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1994
资助国家：
日本
起止时间：
1994 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

無機分離膜は、高分子膜など既存の分離膜に比べて高い耐熱性を有するために、高温分離膜やメンブレンリアクターとしてその開発が非常に期待されている。そこで、本研究では、分子動力学(MD)法、量子化学、コンピュータグラフィックス(CG)、などを活用し、無機分離膜素材開発のケーススタディーとして、二酸化炭素高温分離・回収用無機分離膜の分子設計を行った。アフィニティ付与型分離膜の開発を目的として、密度汎関数法(DFT)と呼ばれる新しい量子化学計算手法を用いて、透過分子と膜間に働くアフィニティを評価した。その結果、チタニア、アルミナ、マグネシア、シリカに対する二酸化炭素および窒素のアフィニティ値が求められた。特に、マグネシアが二酸化炭素と窒素分離を目的としたアフィニティ付与型分離膜素材に適していることが示唆された。DFTによる計算結果に基づき、シリカ膜と二酸化炭素分子および窒素分子間の二体中心力ポテンシャルパラメータを決定した。このポテンシャルを用いてMDシミュレーションを行ない、シリカ膜による二酸化炭素/窒素の高温分離過程のダイナミックスを再現した。さらに、新規分子ふるい素材として注目されるカーボンナノチューブを活用した、有機分子の分離過程についても検討を行なった。その結果、工業的に非常に困難とされる2,6-ジメチルナフタレンと2,7ジメチルナフタレンの分離に、カーボンナノチューブが有効であることが明らかとなった。また、分離のメカニズムを原子レベルで明らかにすることができた。計算結果の迅速かつ的確な把握を目標として、バーチャルリアリティ分子動力学計算システムを開発した。これにより、立体感、臨場感を持った分子像による計算結果の解析が可能となった。

无机分离膜比现有的聚合物膜等分离膜具有更高的耐热性，因此其作为高温分离膜和膜反应器的发展备受期待。因此，在本研究中，我们将利用分子动力学（MD）方法、量子化学、计算机图形学（CG）等方法开发一种用于二氧化碳高温分离和回收的无机分离膜，作为无机分离膜的案例研究进行了分子设计。为了开发亲和力分离膜，我们使用了一种称为密度泛函理论（DFT）的新量子化学计算方法来评估渗透性分子与膜之间的亲和力。结果，测定了二氧化碳和氮气对二氧化钛、氧化铝、氧化镁和二氧化硅的亲和力值。特别地，提出氧化镁适合作为用于分离二氧化碳和氮气的目的的亲和性赋予分离膜材料。根据DFT计算结果，确定了二氧化硅膜与二氧化碳和氮气分子之间的二体中心力势参数。利用这种潜力进行MD模拟，以重现使用二氧化硅膜的高温二氧化碳/氮气分离过程的动态。此外，我们还研究了使用碳纳米管分离有机分子的过程，碳纳米管作为一种新型分子筛材料而备受关注。结果表明，碳纳米管对于工业上极其困难的2,6-二甲基萘和2,7-二甲基萘的分离是有效的。我们还能够在原子水平上阐明分离机制。我们开发了虚拟现实分子动力学计算系统，目标是快速准确地了解计算结果。这使得使用具有三维和真实感的分子图像来分析计算结果成为可能。