日本ゼオライト学会 刊行物 Publication of Japan Zeolite Association

ISSN: 0918–7774
一般社団法人日本ゼオライト学会 Japan Zeolite Association
〒162-0801 東京都新宿区山吹町358-5 アカデミーセンター Japan Zeolite Association Academy Center, 358-5 Yamabuki-cho, Shinju-ku, Tokyo 162-0801, Japan
Zeolite 40(4): 153-161 (2023)
doi:10.20731/zeoraito.40.4.153

解説解説

超高速グラフェン包接ゼオライト分離膜の省エネ分離への可能性Ultra-fast Permeable Graphene-wrapped Zeolite Membranes for Energy-saving Separation

1信州大学先鋭領域融合群先鋭材料研究所Research Initiative for Supra-Materials, Shinshu University ◇ 〒380–8553 長野市若里4–17–1

2信州大学理学部化学コースDepartment of Chemistry, Faculty of Science, Shinshu University ◇ 〒390–8621 長野県松本市旭3–1–1

3Department of Chemical Engineering and Technology, Faculty of Technology, University of Banja Luka ◇ Bulevar vojvode Stepe Stepanovica 73, Banja Luka 78000, Bosnia and Herzegovina

受理日:2013年4月1日Accepted: April 1, 2013
発行日:2023年10月15日Published: October 15, 2023
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省エネルギーの分離技術には,高圧印加なしで高速な分離膜の開発が求められる。ここでは20 kPa差圧下で従来の分離膜より数十倍以上の高速分離性を持つグラフェン包接ゼオライト(G-ゼオライト)分離膜の作製法と気体分離特性を紹介する。酸化グラフェンコロイドでMFIゼオライト微結晶を塩化アンモニウム存在下で包接後,アルゴン中にて623 Kで処理してG-ゼオライト分離膜材料を得る。G-ゼオライト分離膜材料を925 MPaで圧縮すると,5 mm直径のクラックのない分離膜が得られる。この分離膜ではゼオライト結晶表面にグラフェンが原子間力で密着しているために,ゼオライト結晶面の凹凸構造とグラフェン面間のサブナノスケールのチャネルで気体を分離できる。この新たな分離機構は分子動力学から支持されている。高速分離性はG-ゼオライト結晶粒子間の100 nm程度の空隙構造が関係している。本分離膜は水素/メタンの分離係数が245で,水素の透過係数は5.8×106 barrers(1.3×10−5 mol m−2 s−1 Pa−1)であり,従来の分離膜より100倍以上大きい。Robesonプロットでは離れた右斜め位置を占め,極めて優れた分離性能であることを示す。この分離膜は二酸化炭素/窒素,窒素/酸素についても今までにない優れた分離特性を示す。

This article describes preparation method and gas separation characteristics of innovative graphene-wrapped zeolite (G-zeolite) membranes. The G-zeolite particles are prepared by heating of graphene oxide-wrapped zeolites at 623 K in Ar. The compression of the G-zeolite particles with 920 MPa provides the crack-free membrane of 5 mm in diameter. The interfacial nanochannels between graphene-sheets and zeolite crystal surfaces can induce quite high separation factors. The G-zeolite membrane has intergranular voids of 100 nm in size which lead to the unusually large permeability constant. The G-zeolite membrane shows excellent separation characteristics for hydrogen against methane that the ideal separation factor is 245 and the permeability constant is 5.8 × 106 barrers (1.3 × 10−5 mol m−2 s−1 Pa−1). This permeability is more than 100 times larger than those of previously published membranes. The Robeson plot for H2 against CH4 clearly shows the superiority of the G-zeolite membrane. The separation mechanism through interfacial nanochannels between the graphene-zeolite surfaces is supported by molecular dynamics study using a graphene-wrapped rod-like MFI zeolite crystal of (100) and (010) crystal faces. Here, the graphene-wrapping the zeolite rod has two nanowindows for entrance and exit for gas. The trajectory analysis from the entrance nanowindow to the exit one shows the marked separation function due to interfacial channels between the graphene and (100) MFI crystal surface. The G-zeolite membrane exhibits the best separation characteristics even for CO2 against N2 of the published data. Also the G-zeolite membrane has novel N2 selective separation property against O2 (N2/O2 : 3–4) with unusually large permeability constant being 100 times-larger than the membranes published.

キーワード:高速分離膜;グラフェン;ゼオライト;酸化グラフェン;分離特性

Key words: high permeance membrane; graphene; zeolite; graphene oxide; separation performance

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