オイルを浄化できる超高性能ろ過フィルターを開発

ナノ細孔中の高速粘性透過を世界に先駆けて実証

2012.01.27

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構

先端的共通技術部門 高分子材料ユニットの研究者らは、有機溶媒に耐性のある極薄の多孔性カーボン膜を開発し、従来のろ過フィルターと比較して、不純物の除去速度を約3桁向上させることに成功した。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構(理事長 : 潮田 資勝)先端的共通技術部門 高分子材料ユニット (ユニット長 : 一ノ瀬 泉) の分離機能材料グループの研究者らは、中核機能部門 電子顕微鏡ステーションとの共同で、直径約1ナノメートルの細孔をもつ極薄の多孔性カーボン膜を開発することに成功した。
  2. 耐有機溶媒性のろ過フィルターは、超低硫黄ディーセル油の製造、オイルサンド開発における排水処理プロセス、化学工業における溶媒の再利用などに、期待がかけられている。しかしながら、従来のろ過フィルターは、酸・アルカリ、加熱などにより劣化しやすく、細孔径が1ナノメートル程度のフィルターでは、水以外の溶媒を透過させることが困難であった。
  3. 今回の研究では、高強度のカーボン膜を形成させることで、約35ナノメートルの薄さでも優れた力学的強度を有するろ過フィルターを作製することに成功した。カーボン膜の内部には、直径約1ナノメートルの流路が無数に形成されており、有機溶媒を超高速で透過させることができる。オイルの1成分であるヘキサンの透過速度は、230 L/ h·m2·barを超えており、不純物のモデル物質として用いたアゾベンゼン (分子量 : 182.2) の阻止率は90%以上であった。この処理速度は、同等の性能の市販のフィルターと比較して、約3桁大きい。
  4. 有機溶媒が配管中を流れる場合、その速度は溶媒の粘度に反比例して増大する。即ち、粘度が低い有機溶媒ほど配管中を速く流れる。今回の研究では、直径1ナノメートルという極小の流路においても、このような粘性透過が確認されることが分かった。分子スケールの流れが、粘性という巨視的な物性と関連していることは、驚くべき事実である。
  5. 今回の成果は、JST-CREST「ナノ界面技術の基盤構築」研究領域 (研究総括 : 新海 征治) の研究課題「界面ナノ細孔での液体の巨視的物性の解明」 (研究代表者 : 一ノ瀬 泉) においてられた。なお、本成果は、平成24年1月27日発行のScience誌 (AAAS、アメリカ) に掲載されている。
    (論文 : S. Karan, S. Samitsu, X. Peng, K. Kurashima, I. Ichinose “Ultrafast Viscous Permeation of Organic Solvents Through Diamond-Like Carbon Nanosheets” DOI: 10.1126/science.1212101)
「プレス資料中の図1.高性能ろ過フィルターの模式図。 有機溶媒 (トルエン) は、35 ナノメートルの薄さのカーボン膜 (DLC layer) を高速で透過するが、不純物のモデル物質 (アゾベンゼン) は、膜により阻止される。このカーボン膜は、ナノ多孔性のダイヤモンド状カーボン (DLC, diamond-like carbon) からなる。」の画像

プレス資料中の図1.高性能ろ過フィルターの模式図。 有機溶媒 (トルエン) は、35 ナノメートルの薄さのカーボン膜 (DLC layer) を高速で透過するが、不純物のモデル物質 (アゾベンゼン) は、膜により阻止される。このカーボン膜は、ナノ多孔性のダイヤモンド状カーボン (DLC, diamond-like carbon) からなる。