複合化ゼオライト膜による脱炭素社会への貢献
芝浦工業大学 工学部 応用化学科教授 野村 幹弘
2021年9月7日

1

ゼオライト触媒分離膜
3.5兆円（2020年）2)

吸着・イオン交換

253種類1)（2021.8.6現在）

・結晶構造に起因する均質なサブナノ細孔をもつ・細孔内でカチオン交換能をもつ・H+型とすることで固体酸性を示す

工業的に広く利用されている
ゼオライト種は限られている！

後処理による機能制御
1）http://www.iza-structure.org/databases/

2）https://newscast.jp/news/0251203

2

ゼオライトの特徴
分子ふるい機能酸・イオン交換容量

Molecular diameter [nm]Alkoxides∞0.9TIPB
0.8m-, o-xylene
p-xylene, toluene
SF60.7CH4N2CO2H2FAU

100MOR

1050.60.50.40.3Si/Al ratio [-]

MFI

MOR

31

LTA

MFI

LTA

FAU

He
0.2

分子ふるい機構・親疎水性の制御！
http://www.iza-structure.org/databases/3

後処理による機能付与
Pores

R R

F F

NH2 NH2

ZeoliteHydrophilic

Hydrophobic

NH2|(CH2)3|H3CーOーSiーOーCH3|
O|
CH3

CF3|
(CH2)2|H3CーOーSiーOーCH3|
O|
CH3

Aminoproplyl
trimethoxysilane(APrTMOS)

Trifluoropropyl
trimethoxysilane(TFPrTMOS)

細孔径より大きなアルコキ
シド原料を用いることで、表面のみの処理を行う。
・有機液体中の吸着・炭化水素分離
4想定される用途• 廃液回収
– 分離膜：低濃度有機物水溶液からの有機物選択回収– 吸着・イオン交換：有機液体用吸着材• 炭化水素分離– 分離膜：低級炭化水素分子ふるい分離– 吸着・イオン交換：新規PSA用吸着材• 二酸化炭素分離– 分離膜：– 吸着・イオン交換：低温二酸化炭素吸着5実験方法～MFIゼオライト膜～
Silicalite-1種結晶
SiO2 : TPABr : H2O : NaOH
= 1 : 0.25 : 40 : 0.3

MFI膜作製手順
TMOS : TPABr : H2O : NaOH=
1 : 0.005 : 75： 0.05

TMOS : TPABr : H2O : NaOH：NaAlO2=
1 : 0.2 : 200： 0.07 ： 0.01

多孔質セラミック基材

撹拌 室温、1h撹拌
水熱合成 130℃、20h
乾燥

100℃、一晩種結晶
ディップコーティング
2～3回
水熱合成

焼成

室温、1h

180℃、16～24h

500℃、15h
焼成

気相修飾手順シリカ源 0.02～0.2mol/L500℃、15h

気相修飾装置イメージ

MFIゼオライト膜

MembraneAutoclave

H2O 浸漬
気相修飾 170℃
0.5～6h

加熱

170℃

Silica source
Stand6分子ふるい性～MFIゼオライト膜～
アルキル系フッ素

H2 CO2 N2 CH4 C2 H4 C2 H6 C3 H6 C3H8 SF6SF6C3 H810-7

10-8-1

Silica source : EtOH = 1 : 300
80℃, 10h
液相10-610-710-8

Treated0.47 nm

10-910-10 Open：As-madeClose：Treated

10-110.25

As-made0.57 nmTreated0.51 nm

10-910-10 Open：As-madeClose：Treated

TFPrTMOS
0.3

Silica source : 0.004mol/L
170℃, 3h気相-1As-made0.58 nm

Permeance [mol m

Permeance [mol m-2 s-1 Pa-1]

10-6

C2 H6s Pa ]CH4-2N2H2フェニル系フッ素

0.35

0.40.45

0.50.55

0.6

10-110.25

PFPhTMOS

0.3

0.35

0.40.45

0.50.55

0.6

L-J length [nm]L-J length [nm]CH4/C2H6=4→25

C2H6/C3H6=15→35

炭化水素分離の可能性！
7後処理と分離性～MFIゼオライト膜～[nm]

N2・CH40.37・0.38

H20.28C2 H60.46

C3 H80.51

SF60.55

・C3170℃
Saturation-OC2H5-OCH3-OC2H5170℃
Unsaturation

F380℃

・・C6・C3・C3F3C10As-made

細孔径を制御の可能性

8疎水化の効果（FAU粉末処理）
処理前

SEM

処理後

2μmFig. 処理前
C6F5C6F5C6F5C6F5C6F5C6F52μm
Fig. 処理後

電子顕微鏡像では変化なし。

水に分散しない！

有機溶媒中での利用の可能性！
9親疎水性～MORゼオライト膜～
アルキル系アミノ

アルキル系フッ素
10-6-910IPA-1010-1110-121010-8

OPEN: as-made
CLOSED: TreatedWater

10-910-10
IPA

10-11-1210-1310-1310-1Water-2-2-810-7

Permeance [mol m s Pa ]-1-110Permeance [mol m s Pa ]10-7

OPEN: as-made
CLOSED: Treated-1-610010-210-1100101102

APrTMOS conc. [mol mol-1]∞

water/IPA=470→7200

0.02

0.04
0.06-1TFPrTMOS conc. [mol mol ]Water/IPA=14000→1.2

親疎水性の制御！
10まとめ• 親疎水性制御– 粉末処理：水への分散性で効果を確認– MOR膜処理：水/イソプロピルアルコール分離にて効果を確認• 分子ふるい制御– MFI膜処理：各種処理剤、処理条件で0.1Å単位での制御を確認
11実用化に向けた課題＆企業への期待• 分離膜– 現在、3cm長チューブにて検討を進めている。
– 汎用有機溶媒水溶液の分離試験を行っている。
– （ベンチャー設立を視野に）長尺化による実用化の検討を進めている。

• 耐久性– 分離膜、吸着・イオン交換材共に、耐久性の確認を行っている。

• 200℃以下で処理必要な有機水溶液• 有機液体中より特定のイオンなどの回収12

本技術に関する知的財産権••••••••

発明の名称 ：複合化ゼオライト膜およびガス分離膜
出願番号：特願2021-35642
出願人：芝浦工業大学
発明者：野村幹弘，堀顕子

発明の名称：分離膜及び分離方法
出願番号：特願2017-049438
出願人：芝浦工業大学
発明者：野村幹弘、池田歩••••発明の名称：酸分離膜及び酸分離方法
出願番号：特願2014-026214
出願人：芝浦工業大学
発明者：野村幹弘、松山絵美、
池田歩•
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発明の名称：芳香族化合物又は酸の分離膜及び分離方法
出願番号：特願2014-133356
出願人：芝浦工業大学
発明者：野村幹弘、松山絵美、
池田歩13

産学連携の経歴
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2021年 「研究開発型スタートアップ支援事業／NEDO Entrepreneurs Program（NEP）」“高性能シリカ系長尺水素分離膜の事業化”
2016年-2017年 NEDO「革新的分離技術の導入による省エネ型基幹化学品製造プロセスの研究開発」
2014年-2017年 JST SIP “水素・アンモニアの製造基盤技術”
2013年 JST ALCA “太陽熱を用いた革新的アンモニア製造技術の開発”
2009年-2013年 NEDO「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発（うち、規則性ナノ多孔体精密分離膜部材基盤技術の開発）」
企業との共同研究等：多数

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お問い合わせ先
芝浦工業大学
研究推進室研究企画課
ＴＥＬ 03-5859-7180
ＦＡＸ 03-5859-7181
e-mail sangaku@ow.shibaura-it.ac.jp
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