分子ふるい用の膜の燃焼

2022 年 8 月 18 日

キング・アブドラ科学技術大学著

非常に効果的なモレキュラーシーブとして機能する堅牢なナノ濾過膜は、現在のポリマー膜の問題の多くを回避できます。

ろ過は、水の浄化から医薬品の製造に至るまで、多くの産業で重要な役割を果たしています。 たとえば、有機溶媒ナノ濾過では、小さな細孔を持つ膜を使用して、有機 (炭素ベース) 溶媒に溶解した分子を除去します。

ナノ濾過は、蒸留などの代替分離方法よりもエネルギー効率が高くなります。 しかし、産業上の過酷な使用に耐えるためには、ナノ濾過膜は過酷な溶媒、酸、塩基に対して安定でなければなりません。

「残念ながら、ポリマーベースの膜の大部分は化学的安定性が低いです」と博士研究員のリファン・ハーディアン氏は言う。 これらの膜は通常、安定性を向上させるために追加の化学架橋剤を必要とするため、製造が複雑になります。 多くの膜は、膨張して経年劣化するにつれて、性能が低下する傾向があり、さらには壊れて微量汚染物質を放出する可能性もあります。

Hardian 氏と KAUST の同僚である Mahmoud A. Abdulhamid 氏および Georgy Szekely 氏は、追加の架橋剤を必要としない新しい種類の炭素分子篩 (CMS) 膜を作成することで、これらの欠点を克服しました。

この膜は 6FDA-DMN と呼ばれるポリマーをベースにしており、熱安定性に優れた平坦な多孔質膜に形成できます。 高分子膜を摂氏 400 ～ 600 度で数時間焼成すると、その化学基の一部が徐々に燃焼して、完全に炭素でできた丈夫な膜が残りました。 電子顕微鏡画像によると、最高温度では、この炭化プロセスによって膜の細孔も大幅に縮小したことが分かりました。

研究者らは、CMS膜の製造条件を微調整した後、さまざまなサイズの分子を含む溶液を使用してその濾過能力をテストした。 膜に保持された分子のプロファイルを、細孔を通過した分子と比較すると、膜がさまざまな分子をふるい分けるのにどれほど効果的であるかが明らかになりました。

摂氏 600 度で調製された膜は最も優れた性能を発揮し、溶媒分子を通過させながら最小分子のほとんどを阻止しました。 研究チームはまた、初期ポリマーの多孔質構造が、高い溶媒透過性を備えた CMS 膜を製造するための鍵であることも発見しました。

「小分子の高い阻止率と高い溶媒透過性の組み合わせは、膜の性能が優れていることを示しています」とハーディアン氏は説明します。 「膜はまた、酸や塩基を含むさまざまな有機溶媒中で長期間にわたって優れた安定性を示しました。」

研究者らは現在、膜の透過性の向上に取り組んでおり、膜の特性を制御するためにさまざまなナノ材料を膜に組み込むことを計画している。

この研究はApplied Materials Todayに掲載されました。

詳しくは： Mahmoud A. Abdulhamid 他、有機溶媒ナノ濾過 (OSN) および有機溶媒逆浸透 (OSRO) 用の一体型スキン非対称構造を備えたカーボン モレキュラー シーブ膜、Applied Materials Today (2022)。 DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101541

キング・アブドラ科学技術大学提供