SSK 株式会社 新社会システム総合研究所

■概要■
　前書「エネルギー・化学プロセスにおける膜分離技術」のまえがきにも書いたように、膜分離技術は水処理関連分野ではすでに広く産業界で利用されている。さらに、逆浸透膜に遅れて実用化が始まった気体分離膜や浸透気化分離膜においても、水素回収、天然ガスやランドフィルガスからのCO2 分離、N2 富化、除湿、揮発性有機化合物(VOC)の空気からの分離、共沸混合物分離などですでに利用されてきた。
　これらの分離膜は、分離対象物質のサイズや性質により、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、電気透析膜、気体分離膜、浸透気化分離膜、および医療応用(人工腎臓膜、ドラッグデリバリー等)に分類出来るが、膜素材はいずれの分野においても高分子膜による実用化が世界中で進んでいる。
　さらに1990〜2000年代には、高分子膜の性能限界をブレークスルーする高い膜性能(選択透過性)をめざした新しい膜であるゼオライト、シリカ、分子ふるい炭素、金属有機構造体(MOF)などのサブナノメートルの孔径を有し分子ふるい能を発現できる多孔質無機膜の研究が活発化した。
成果として日本発の脱水用ゼオライト膜の実用化がある。前書はこのような背景のもとで刊行された。
　一方、これまで分離膜の市場としてCO2分離回収・有効利用・貯留(CCUS:Carbon dioxide Capture、Usage and Storage)は顕在化していなかったが、CCUSは地球温暖化対策の重要な選択肢の一つと位置付けられ、世界各国でのカーボンニュートラル(CN)への取り組みが加速している。我が国においても2050年ゼロエミッションに向けて、＜1＞で述べるようにカーボンリサイクル技術ロードマップのCO2分離回収技術ターゲットが2050年から2040年に10年前倒しになり、長期CCSロードマップも制定されて2030年にはCO2の分離回収設備の市場も顕在化する。このように、CCUS技術の実用化に向けて大きな課題であるCCUSコストの低減のために、低コスト、省エネルギーなCO2分離膜の技術開発、社会実装が進められようとしている。
　本書はこのような背景のもと、新規な高分子膜や無機膜の研究開発、CO2分離やH2分離への応用、カーボンニュートラルの課題解決、さらには各種化学プロセスヘの応用について展望する。執筆は各分野の先導的な研究者にお願いし、最近の重要な研究成果を新たに詳述あるいは前書に引き続いて記述していただいた。今後、膜分離はますますその重要性を増し、多くの研究者をひきつけるものと考えられる。
本書が前書同様にこれから研究開発を展開しようとする研究者にとっても有益なテキストになることを確信している。

＜1＞分離膜の現状と展望
　・はじめに
　・気体分離膜-主にCO2分離膜
　・膜反応器
　・おわりに

＜2＞分離膜の成膜・モジュール化と性能の向上技術
1．高分子膜・Mixed Matrix Membranes
(1)ポリイミド中空糸膜による分離膜モジュール技術と適用例
　・はじめに
　・膜材料としてのポリイミド
　・分離膜としてのポリイミド中空糸膜の透過特性
　・分離膜モジュール
　・適用例
　　-CO2 分離
　　-窒素富化
　　-除湿
　　-有機蒸気脱水
　　-水素分離
　・おわりに
(2)ナノ粒子複合高分子膜の気体分離能
　・はじめに
　・高気体透過膜の気体分離性能
　・Mixed Matrix Membranesの気体分離性能
　・ナノスペースを有する表面修飾ナノ粒子含有複合膜の気体分離性能
　　-第1世代、第2世代表面修飾ナノ粒子含有複合膜の気体分離性能
　　-第3世代表面修飾ナノ粒子含有複合膜の気体分離性能
　・おわりに
2．シリカ膜
(1)シリカ系多孔膜のマイクロポーラス構造制御技術とガス分離への応用
　・はじめに
　・水素分離特性
　　-緻密シリカ膜:メタン水蒸気改質系
　　-ルースシリカ膜:有機ハイドライド脱水素系
　　-ルースシリカ膜:アルカン脱水素系
　・酸素分離特性
　・二酸化炭素分離特性
　・炭化水素分離特性
　・おわりに
(2)CVD法で作製するシリカ膜の性能向上と応用技術
　・はじめに
　・CVD 法で作製するシリカ膜の基本的な構造
　・シリカプレカーサーの化学構造と膜性能
　　-細孔径制御に基づく膜性能制御
　　-官能基を利用した膜性能制御
　・CVD法で作製するシリカ膜の耐水蒸気性
　　-CVD製膜条件が耐水蒸気性に与える影響
　　-複合酸化物化が耐水蒸気性に与える影響
　　-膜再生
　・大面積化・モジュール化
　・CVDシリカ膜の適用が期待される分野
　　-炭化水素分離
　　-NF/RO
　・まとめ
3．炭素膜の性能向上と応用技術
　・はじめに
　・炭素膜の性能向上
　・炭素膜の膜モジュール化
　・炭素膜の応用技術
　　-二酸化炭素/メタン分離
　　-有機ハイドライドからの水素分離
　　-有機溶剤の脱水
　　-膜反応器によるエステル化反応への応用
　・おわりに
4．ゼオライト膜
(1)ゼオライト膜の性能向上と応用技術
　・地球温暖化対策におけるゼオライト膜の貢献可能性
　・ゼオライト膜によるCO2分離
　　-ゼオライト膜の概要
　　-高シリカCHA型ゼオライト膜の概要と省エネ材料への展開
　　-高シリカCHA型ゼオライト膜のCO2分離への展開
　　-高シリカCHA型ゼオライト膜のH2分離への展開
　・最近の高シリカCHA膜の研究開発状況
　　-高シリカCHA膜の概観
　　-表層薄膜化、ゲルレス合成
　　-中空糸支持体
　　-CO2/N2分離
　・おわりに
(2)ゼオライト膜のこれまでとこれから
　・はじめに
　・PV/VP分離
　・ゼオライト膜
　・ゼオライト膜のこれから
　・おわりに
5．MOF膜の性能向上と応用技術
　・はじめに
　・MOFの特徴
　・MOF膜の作製
　　-膜の種類
　　-MOF膜の作製法と留意点
　・MOF膜の分離性能
　　-オレフィン/パラフィン分離
　　-その他の炭化水素分離
　　-H2精製、CO2回収
　・展望と課題
　・おわりに
6．分子ゲート膜によるCO2分離
　・はじめに
　・分子ゲート膜
　・次世代型膜モジュール技術研究組合による分子ゲート膜モジュール
　・おわりに
7．機械学習と分子シミュレーションによる気体分離膜の材料設計
　・はじめに
　・機械学習の方法論
　　-ニューラルネットワーク
　　-回帰モデル
　・分離膜のデータベース
　・機械学習による分離膜設計の手順
　・CO2分離用高分子膜の設計
　・CO2分離用最適ゼオライト膜構造の探索
　・最後に

＜3＞カーボンニュートラルと化学プロセスへの適用
1．水素製造
(1)CVD法シリカ膜によるエネルギーキャリアと水素製造
　・はじめに
　・有機ハイドライドからの脱水素を目的としたCVDシリカ膜の開発
　・メチルシクロヘキサン脱水素反応への膜反応器の適用
　・おわりに
(2)人工光合成・ポリアミド膜による水素/酸素分離
　・はじめに
　　-エネルギー分野の動向
　　-人工光合成プロセスへの分離膜適用
　・水素分離膜モジュールの技術開発
　　-水素分離膜(ポリアミド複合膜)
　　-水素分離膜モジュール
　　-分離プロセスでの期待効果
　・おわりに
(3)アニオン伝導膜の設計開発とアルカリ水電解への展開
　・はじめに
　・水電解を用いた水素製造方式
　・アニオン交換膜の開発とアルカリ耐久性
　　-一般的なアニオン交換膜のアルカリ耐久性
　　-高耐久エーテルフリー型アニオン伝導膜の開発
　　-市販アニオン伝導膜
　・アニオン交換膜型水電解の構造
　・エーテルフリーアニオン伝導膜を用いた水電解の性能及び耐久性
　・総括
(4)PEM型水電解用フッ素系電解質膜
　・はじめに
　・PEM型水電解システムと実用化に向けた電解質膜への要求特性
　・高IECポリマーを適用した電解質膜の性能
　・次世代型電解質膜の開発
　・おわりに
2．天然ガスのヘリウム膜分離回収シミュレーション
　・はじめに
　・天然ガス田井戸元での膜分離の可能性
　・純ガスデータを用いた膜分離シミュレーション
　・実用化・普及拡大に向けた課題
3．アンモニア分離膜の開発とアンモニア製造プロセスへの導入検討
　・はじめに
　・アンモニア分離用ゼオライト膜の開発
　　-ゼオライト膜について
　　-アンモニアの分離メカニズム
　　-高アルミMFI型ゼオライト膜の分離性能
　・アンモニア製造プロセスへの分離膜の適用
　　-膜分離型アンモニア合成プロセス
　　-反応分離型アンモニア合成プロセス
　・おわりに
4．CO2分離
(1)高分子膜によるCO2分離
　・はじめに
　・高分子膜による気体分離
　・CO2分離高分子膜
　・おわりに
(2)革新的な多孔質炭素支持体とこれを用いた
　　オールカーボンCO2分離膜の創出
　・はじめに
　・支持体
　・分離機能層
　・オールカーボンCO2分離膜
　・応用展開
　・まとめ
(3)促進輸送膜によるCO2分離
　・既存CO2分離・回収技術の問題
　・CO2選択透過膜を用いたCO2分離・回収技術について
　・CO2選択透過膜の開発
　・CO2選択透過膜の開発・実用化状況
　・おわりに
(4)分離膜を用いた大気からの直接的CO2回収
　・はじめに
　・DAC技術の現状
　　-主要なDAC技術
　　-小型・分散型DAC技術の必要性
　・膜分離によるDAC　〜membrane-based Direct Air Capture (m-DAC)〜
　　-膜分離によるDACの意義と課題
　　-分離膜の気体透過量支配因子と透過性の向上
　　-膜厚制御による透過性の向上
　　-選択性の向上にむけて
　・膜DACの可能性と将来課題
5．膜反応器
(1)膜反応器の展開
　・化学反応における課題と膜利用の効果
　　-化学反応の特徴と問題
　　-膜の利用方法と化学反応への効果
　・膜利用反応の例
　　-1-A型
　　-1-C型①(反応カップリング)
　　-3-C型②(活性種生成)
　　-4-B型(ポアスルー型)
　・おわりに
(2)シリカ膜を用いた膜反応器
　・はじめに
　・膜反応器の反応系
　　-膜反応器の構造
　　-水蒸気が共存する脱水素反応
　　-水蒸気の存在しない脱水素反応
　　-NH3生成反応
　　-エステル化およびエステル交換反応
　　-ISプロセスでの膜反応
　・膜反応器の新展開
(3)ゼオライト膜を用いた膜反応器
　・はじめに
　・ゼオライトの構造と薄膜化
　・エステル製造用メンブレンリアクター
　・CO2の資源化(CCU)に必要とされる技術の概要
　　-逆シフト反応
　　-メタノール合成と炭化水素合成
　　-フィッシャートロプシュ(FT)合成
　・おわりに
(4)金属膜を用いた膜反応器
　・はじめに
　・金属膜を用いた膜反応器の反応への応用
　　-スチームリホーミングへの応用
　　-ドライリホーミングへの応用
　　-アンモニア分解への応用
　・おわりに
(5)反応分離技術を活用したリーフエステル新製造法の開発
　・はじめに
　　-リーフエステルとは
　　-反応の選定
　・反応分離を組み込んだバッチ反応の検討
　　-実験方法
　　-バッチ反応の結果
　・反応分離を組み込んだ連続反応の検討
　　-実験方法
　　-連続反応の結果
　・エンジニアリング検討
　・最後に
　　-リーフエステル新製造法開発の今後
　　-日本ゼオンにおける膜分離技術の水平展開
(6)酢酸エチル合成へのモルデナイト膜の適用
　　-エステル化反応でのメンブレンリアクターの実用化-
　・はじめに
　・耐酸性ゼオライト膜の長尺化
　・酢酸エチル合成への適用
　・おわりに
(7)膜反応器によるメタノール合成
　・はじめに
　・メタノールの合成
　・膜反応器の開発
　　-メタノール合成向け膜反応器
　　-メタノール合成向け分離膜
　　-メタノール合成に対する分離膜の適用
　　-実用化を目指した検討
　・おわりに

■監修■
喜多 英敏
山口大学