有機溶媒系分離を目指した 耐有機溶剤「超ろ過」膜 …...1...
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1 有機溶媒系分離を目指した 耐有機溶剤「超ろ過」膜の開発 神戸大学 大学院工学研究科／先端膜工学センター 教授 先端膜工学センター長 松山 秀人 平成30年8月21日
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有機溶媒系分離を目指した耐有機溶剤「超ろ過」膜の開発
神戸大学 大学院工学研究科／先端膜工学センター
教授 先端膜工学センター長
松山 秀人
平成30年8月21日
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膜工学・膜技術
水資源確保 大気環境保全
電子デバイス 燃料電池
機能材料の究極的形態の１つ
医療分野
膜（membrane）
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２００７年４月１日 設立我が国初＆唯一の総合的膜工学拠点
・産学連携の推進・派遣型教育・リカレント教育
・海外膜センターとの交流・若手研究者の派遣・国際共同研究の推進
・膜工学専門教育の企画と実施・膜工学研究支援、開発および指導助言
先端膜工学センター
産業界国際交流
教員：32名学生：100名以上
海外膜センター１4
機関と連携
国内企業７0社以上と連携
センター長松山秀人
水処理膜グループガス分離膜・ガスバリア膜グループ有機薄膜グループ塗布膜グループ膜バイオプロセスグループ膜材料合成グループ
神戸大学先端膜工学センター
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・センターに資金援助・研究面および教育面での「産業界」と「センター」の橋渡し
２００７年７月２０日 設立会員企業として70社以上（膜メーカー、水環境関連エンジ会社など）
我が国最大唯一の膜研究推進コンソーシアム
神戸大学
先端膜工学センター
先端膜工学研究推進機構
産
業
界
先端膜工学研究推進機構
0
10
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30
40
50
60
70
80
19年度 20年度 21年度 22年度 23年度 24年度 25年度 26年度 27年度
入会企業
賛助会員
学術会員
会員数推移
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膜分離
分離対象物質
分離膜
孔径 0.001 mm 0.01 mm 0.1 mm
Na+, Cl- イオン
Ca2+, SO42- イオン
農薬, 有機合成物質
NF
(ナノろ過膜)
RO
(逆浸透膜)
MF (精密ろ過膜)
1 mm
UF
(限外ろ過膜)
細菌
ウイルス, タンパク質
ガス
ガス分離膜
CO2分離
海水淡水化
浄水処理
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膜の構造
Cross section
Surface Cross section
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耐溶剤性膜の研究背景
日本
日米の産業別CO2排出割合（2013）
日本のエネルギー消費の４％は蒸留由来
日米とも蒸留プロセスに国全体の4～7％ものエネルギーを使用
⇒この抜本的省エネ化を膜分離法で実現する
・有機溶剤分離プロセスの主流は蒸留法であり、蒸留によって多くのCO2を排出
・蒸留法はエネルギー消費の大きな分離法
蒸留米国
家庭14%
鉄鋼業25%
化学産業10%
鉄鋼・化学以外の製造業、産業
15%
蒸留40%
蒸留以外60%
CO2排出量12億4千万tCO2
ｴﾈﾙｷﾞｰ消費量4億6千万ｔ原油
蒸留49%
乾燥20%
蒸発11%
非熱利用11%
化学産業14%
化学以外の製造業
15%
運輸27%商業
17%
家庭17%
農業10%
米国のエネルギー消費の７％は蒸留由来
CO2排出量51億2千万tCO2
ｴﾈﾙｷﾞｰ消費量21億9千万ｔ
原油
商業19%
運輸17%
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有機溶剤超ろ過（OHF）とは
蒸留 (精留)
(a) 現状
留出液
缶出液
蒸留＋膜分離 膜分離 (PV/VP)
(b) PV, VP
缶出液
透過蒸気
透過蒸気
非透過液/蒸気
有機溶媒超ろ過 (OHF)
(c) 挑戦的未来社会型
透過液(溶媒)
非透過液(溶質)
液体
(c) 挑戦的未来社会型
有機溶剤超ろ過（OHF）
浸透気化Pervaporation（PV）
蒸気透過Vaporpermeation（VP）
vapor
Membrane Membrane
liquid
liquid
有機溶剤超ろ過Organic solvent Hyper-Filtration, OHF
Membrane
liquid
蒸発潜熱が必要 蒸発潜熱が不要⇒省エネルギー
ゲームチェンジング ・液相で有機溶剤を分離
・全く新たな膜分離技術・圧倒的省エネによる分離プロセスイノベーション
vaporvapor
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他の分離法と比較したOHF法の特長
（サイズ）
100 nm10 nm1 nm0.1 nm
MFUFNFRO, GS既存の水処理用膜分離 PV / VP
超ろ過膜分離
B) 0.5~0.7 nm芳香族系
環状アルカン系
A) 0.4~0.5 nm直鎖アルカン系，アルコール
エステル，エーテル
D) Mw ~1000有機金属触媒,レジスト，染料
C) Mw ~ 300食用油，香料,不飽和脂肪酸
ナノ型（NF相当）サブナノ型
（RO相当）
OHF
現在は，アルコールの脱水など水溶液系に限定
○実績が多い×大量のエネルギー消費×共沸点を有する物質同士は分離が不可能
×熱に弱い物質は分離が困難
長所（○）・短所（×
）完成された技術だが，エネルギー消費大
○共沸点を有する物質同士を分離可能
○還流不必要△エネルギー消費は少ない（蒸留法の２０～７０％）×蒸発潜熱は必要×熱に弱い物質は分離困難
○エネルギー消費が極端に少ない（蒸留法の１／１００）
○共沸点を有する物質同士を分離可能
○熱に弱い物質も分離可能※本研究で世界に先駆けて提案・開発
驚異的な省エネルギー効果
従来型蒸留法 蒸留＋PV/VP OHF塔底で加熱 + 搭頂で冷却還流操作による精製
選択透過膜により還流比を理想的にゼロに近づける
相変化なし (蒸発潜熱不要)
浸透圧差以上の圧力
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OHF膜分類
分画分子量
数百～1000 数百以下
有機膜
無機膜、有機無機ハイブリッド膜
神戸大学で開発中のOHF膜
界面重合法高架橋ポリアミド膜
TIPS法中空糸型高分子膜
ナノシート積層膜
セラミック分離層（OHF）
セラミック中間層（UF～NF）
アルミナ支持体（MF）
複合金属酸化物膜
酸化グラフェンナノシートなど
ナノ型 (NF相当) サブナノ型 (RO相当)
・高透過性・低コスト
・狭い細孔径分布・高強度
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熱誘起相分離型高分子膜熱誘起相分離（TIPS）法により耐溶剤性ポリマーで膜を作製
TIPS法中空糸連続製膜装置
神戸大開発の多重管ノズル（中空糸膜表面の構造制御でスキン層形成）
内表面スキン層
TIPS法中空糸膜の走査電顕像
最外表面スキン層の形成
芯液吐出孔
製膜原液吐出スリット 外部制御液吐出スリット
同心多重スリットノズル
ノズル吐出直下の中空糸形成模式図
従来型ノズル
芯液
中空糸膜
外部制御液※
※中空糸の最外表面の構造を制御する
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TIPS法中空糸型高分子膜による有機溶剤中の溶質分離
TIPS法中空糸型高分子膜でNFタイプOHF膜を作製（MWCO約1000）メタノール中１カ月以上安定
0
１か月間安定に分離
7 14 21 28
供給液 透過液
MeOH中運転日数（日）
VB12 MeOH溶液での阻止性能試験
ナイロン6を素材とする耐溶剤性中空糸膜の性能評価
0
20
40
60
80
100
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
M-1
M-2
M-3
M-4
M-5
阻止率（%）
透過係数 （LMH bar⁻¹）
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界面重合法ポリアミド複合膜
不織布支持体
逆浸透(RO)複合膜構造
①スキン層高架橋度化ポリアミドスキン層構造
②支持膜を耐溶剤性素材に
支持膜構造
耐溶剤性支持膜上に高架橋ポリアミドスキン層を載せOHF膜作製
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界面重合法ポリアミド複合膜界面重合法高架橋ポリアミド膜によるDMSO溶液中の色素（MW=327）分離
低分子物質を分離可能なROタイプのOHF膜を創製
Dimethylsufoxide (DMSO)透過流束 (LMH/bar)
色素（メチルオレンジ）阻止率
(%)
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OHF膜の産業応用
化学品、医薬品、食品等の製造における蒸留法の代替⇒有機溶剤回収、抽出液中の溶質分離
電子材料分野におけるレジスト等の回収、溶剤の再利用
油水分離、高温・過酷条件での膜分離
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企業への期待
• 蒸留/蒸発プロセスを省エネ化したいと考えている企業には、膜分離法は抜本的な解決策になる。
• 膜分離による有機溶剤系分離に興味を持つ企業とのOHF適用の共同研究を希望。
• 膜分離を過酷な条件でも実施したいと考えている企業にも、本OHF膜技術の導入が有効。
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本技術に関する知的財産権
OHF膜の種類 特許出願の詳細
TIPS法耐溶剤性中空糸膜
発明の名称 ：中空糸膜及びその製造方法出願番号 ：特願2009-090138
特許番号 ：特許第5293959号出願人 ：神戸大学ほか１名
発明の名称 ：ポリアミド中空糸膜及びその製造方法出願番号 ：特願2009-225676
特許番号 ：特許第5305296号出願人 ：神戸大学ほか１名
界面重合法耐溶剤性複合膜
発明の名称 ：複合膜出願番号 ：特願2016-101927
公開番号 ：特開2017-205740
出願人 ：神戸大学ほか１名
