意志ある「膜」！二酸化炭素だけを「通過」させますか?

著者: Mo Zunli、Lv Wenbo

最近、国際学術誌「ネイチャー・エネルギー」の最新号で、国際的な科学研究チームが開発した新しい膜技術が報告された。この技術は湿度の差を効果的に利用して空気中の二酸化炭素を分離することができ、過剰な二酸化炭素排出によって引き起こされる環境問題の解決に役立つだろう。分離膜技術の発展は、二酸化炭素を捕捉・分離する新たな方法を提供し、人類がカーボンニュートラルの目標をできるだけ早く達成することに貢献します。

膜は選択的な分離能力を持つ材料です。分離対象が液体と気体であるため、液体分離膜とガス分離膜に分けられます。高性能二酸化炭素ガス分離膜は、今日の産業分野で研究開発の焦点となっています。ガス分離膜は、分子のサイズ、形状、親和性などの要因に基づいて二酸化炭素を選択的に通過させ、他のガスの出入りを制限することで、混合ガスから二酸化炭素を分離するために使用できます。

膜の材質、厚さ、孔径、圧力差、透過性、選択性などの要因が膜の性能に影響を与える可能性があります。二酸化炭素を含む混合汚染ガス源には、硫黄酸化物や窒素酸化物が含まれることが多いため、混合ガスから二酸化炭素を選択的に分離して、その排出含有量を制御する必要があります。

ガス分離膜は、有機ポリマー、無機材料、混合マトリックス材料など、さまざまな材料から作ることができます。

有機ポリマー膜は低コストであり、大規模に製造することができます。二酸化炭素の分離には、セルロースアセテート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリレート、ポリアミドなど、さまざまな有機ポリマー膜を使用できます。ただし、有機ポリマー材料は耐酸性が悪く、二酸化炭素が酸性ガスに混合されている場合の選択性も悪いため、濃度が高すぎないように注意する必要があります。天然ガスや油田から産出されるガス中の低濃度二酸化炭素の除去・濃縮に適しています。

無機膜は、ゼオライト分子ふるい、シリカセラミックなどの多孔質無機材料で作られています。無機膜は熱安定性が優れており、高温の排ガスから二酸化炭素を分離するのに適しています。シリカセラミック膜は、通常、アルミナ、ジルコニア、酸化チタンなどをマトリックスとして使用し、高温焼結によって膜状に形成されます。セラミック構造は、強力な表面および界面効果と優れた選択性を備えています。ゼオライトは規則的な細孔を持つアルカリ土類金属アルミノケイ酸塩鉱物であり、ゼオライト分子ふるい膜の製造に使用されます。ゼオライト膜は、高い選択性、高い透過性、熱安定性などの利点があり、二酸化炭素分離用途において大きな価値があります。南京理工大学の顧学紅教授チームが設計したDD3Rゼオライト分子ふるい膜が二酸化炭素とメタンの混合物を分離する場合、分離選択性は1172に達します。つまり、1172個の二酸化炭素分子ごとに1個のメタン分子だけが膜層を通過します。

混合マトリックス膜では、有機ポリマーがマトリックスとして機能し、無機成分がフィラーとして機能します。無機充填剤には通常、金属有機構造体、共有結合有機構造体、カーボンナノチューブ、酸化グラフェンなどが含まれ、これらはナノ粒子またはマイクロ粒子の形でマトリックス内に分散され、相乗的に混合マトリックス膜を構成します。

混合マトリックス膜は、有機ポリマーの柔軟性と無機成分の多孔質特性を組み合わせ、二酸化炭素の分離において高い透過性と選択性を示すことが多いです。新疆ウイグル自治区の石河子大学の李雪琴教授のチームは、共有結合性有機構造体を金属有機構造体材料に統合し、新しいタイプの複合材料を作製することに成功しました。その後、この複合材料をポリエーテルブロックポリアミドマトリックスに組み込み、二酸化炭素分離用の混合マトリックス膜を作製しました。純粋なポリエーテルブロックポリアミド膜と比較して、混合マトリックス膜の分離性能は大幅に向上します。研究では、複合材料により、より多くのルイス塩基部位と開放金属部位を露出させることができ、それによって混合マトリックス膜の二酸化炭素に対する選択性が向上することが分かりました。

従来の分離技術と比較すると、分離膜技術はコストが低く、拡張が容易で、敷居が比較的低いです。しかし、二酸化炭素分離膜は新しい技術であるため、産業界における開発はまだ推進される必要がある。カーボンニュートラルを推進するために「膜」方式を使用するには、研究と実際の生産を統合する必要があります。

（著者のモ・ズンリは西北師範大学の教授兼博士課程の指導者であり、呂文波は西北師範大学の修士課程の学生である）