シリカ系多孔質膜の開発と各種膜分離プロセスへの応用

背景・狙い

• 高純度製品の生産、環境有害物質の除去といった分離操作は、化学工業において重要なプロセスである。
• シリカ、ジルコニアなどの無機材料、および有機・無機ハイブリッド材料に着目し、製膜・評価技術の確立、透過・分離特性の検討を通じてあらゆる膜分離プロセスについて基礎から実用レベルの研究を行っている。

研究の詳細

• 膜分離法の種類



 

• シリカ系多孔質膜とは

– 膜材料
　シリカ、シリカ-ジルコニアなどの複合酸化物無機材料
　有機材料と無機材料のハイブリッド
– 特徴
　100 nm程度の薄膜製膜が可能
製膜が容易、優れた耐熱性、耐溶媒性
　細孔径のナノチューニングが可能



 

• シリカ系多孔膜の作製法　ゾル－ゲル法

　アルコキシシランを加水分解および架橋反応させて調製したゾルをナノレベルで制御し、多孔質の基材にコーティングして薄膜を形成する製膜法である。
　薄膜製膜により高透過を図り、分離系に応じて精密に制御した細孔径により分離性をコントロールする。



 

• ゾル－ゲル法によるネットワーク構造制御技術（分子ふるい制御）

Si前駆体の選定、製膜条件（焼成温度、雰囲気）
カチオン、アニオンドープ
セラミック複合酸化物（Y-SiO2-ZrO2、carbon-SiO2-ZrO2）



 

• ゾル－ゲル法によるネットワーク構造制御技術（吸着性制御）

 
応用例
1．メタン水蒸気改質への水素分離膜の応用
　● 水蒸気改質の反応場に型反応器を組み込み、生成ガスから水素のみを分離して系外に抽出した。
　● 系外への水素の選択的分離により平衡反応率を超える反応率となった。

 
2. オルガノシリカ膜による水素/有機ハイドライド分離
　● Si-R-Siを有する前駆体を用いることで、従来のシリカ膜よりもルースな細孔構造を有する分離膜を開発。有機ハイドライド脱水素反応における水素分離への応用が可能。

３．プロピレン／プロパン分離へのFドープシリカ（F-SiO2）膜の応用
●Fドープによりプロピレンが透過可能なルースな構造に変化し，細孔構造が均一化することで，近接混合物のプロピレンとプロパン分離で選択性が大きく向上した。

 
４．地球温暖化ガス（二酸化炭素）分離回収
●CO2と親和性を有する有機官能基をハイブリッドすることで、CO2分離（燃焼排ガス、バイオガス）に応用可能な分離膜を開発した。

6．Carbon-SiO2-ZrO2膜によるアルコール脱水（浸透気化法）
●セラミック複合酸化物であるSiO2-ZrO2を形成する際の有機キレートを所定の条件で炭化されることで，耐水性に優れた高い分離性能を有するアルコール脱水膜を開発した。

6．Carbon-SiO2-ZrO2膜によるメタノール分離（浸透気化法）
●セラミック複合酸化物であるSiO2-ZrO2を形成する際の有機キレートの種類を制御することで、細孔径を脱水膜よりもルースに制御可能で、様々なメタノール分離系への応用が可能であることを明らかにした。

 
7．有機溶媒逆浸透による超省エネ分離
●従来型蒸留法は最小仕事の1000倍以上のエネルギーが必要である。逆浸透法を用いることにより従来型と比較して1/10～1/100のエネルギーで分離が可能となるが、高圧に耐えられる膜が必要となる。
●オルガノシリカによる逆浸透膜を開発し、無機膜のため超高圧操作で省エネルギーな有機溶媒分離を達成した。
●蒸留代替による省エネルギーの実現により、持続可能な化学プロセスに貢献可能である。

 
本研究の優位性

• 金属性の水素分離膜と比べて

　- 酸性ガスによる劣化やコーキングがない
　- 高い透過流束が得られる
　- 細孔径のチューニングが可能である

 

• 高分子膜と比べて

　- 耐熱性や耐有機溶剤性に優れる

 

• 期待される用途

　ガス分離：希ガス、水素、アンモニア、酸素、二酸化炭素、炭化水素（エチレン/エタン、プロパン/プロピレン、ブタン/ブテン）など
　浸透気化分離：各種アルコール水溶液の脱水、有機酸（酢酸など）の脱水、有機物／有機混合物（アルカン/芳香族）
　逆浸透・ナノ濾過：有機溶媒系濾過、高温・高圧での濾過、非水溶液有機溶媒RO（メタノール/トルエンなど）

 
実用化に向けての課題

• 実ガスや実液を用いた分離性評価、長期安定性評価など
• 実用化に向けて、水素モジュール化の技術も既に確立（1mの長尺モジュールも製造可能）

 
企業への期待

• セラミック製造技術を持つ企業との共同研究
• 燃料電池メーカーやガス製造等各種化学プロセス・環境プロセス関連企業との分離膜応用に向けた共同研究

 
 
本技術に関する知的財産権
発明の名称： 逆浸透膜フィルタ
出願番号： 特願2012-112239
公開番号： 特開2012-254449
特許番号： 特許第5900959号
出願人　： 広島大学
発明者　：都留稔了，吉岡朋久，金指正言

 
 
発明の名称： 分離フィルタの製造方法
出願番号： 特願2014-220030
公開番号： 特開2015-110218
特許番号： 特許第6474583号
出願人　： 広島大学
発明者　： 都留稔了，王金輝，金指正言，吉岡朋久

 
 
発明の名称： 分離膜及びその製造方法
出願番号： 特願2015-090801
公開番号： 特開2016-203125
特許番号： 特許第6548215号
出願人　： 広島大学
発明者　： 金指正言，都留稔了

 
 
発明の名称： 水蒸気を含有する混合ガス用気体分離フィルタ及びその製造方法
出願番号： 特願2015-109949
公開番号： 特開2016-221453
特許番号： 特許第671169号
出願人　： 広島大学
発明者　： 任秀秀，金指正言，都留稔了

 
 
発明の名称： 物質量測定方法、細孔径分布導出方法、物質量測定装置及び細孔径分布導出装置
出願番号： 特願2016-014990
公開番号： 特開2017-191073
特許番号： 特許第6842686号
出願人　： 広島大学
発明者　： 都留稔了，長澤寛規，金指正言

 
 
論文
１．M. Kanezashi, Y. Yoneda, H. Nagasawa, K. Yamamoto, J. Ohshita, T. Tsuru: Gas permeation properties for organosilica membranes with different Si/C ratios and evaluation of microporous structures. AIChE J. 63: 4491-4498, 2017.
 
２．M. Kanezashi, T. Matsutani, H. Nagasawa, T. Tsuru: Fluorine-induced microporous silica membranes: Dramatic improvement in hydrothermal stability and pore size controllability for highly permeable propylene/propane separation. J. Membr. Sci., 549: 111-119, 2018.
 
３．M. Guo, M. Kanezashi, H. Nagasawa, L. Yu, J. Ohshita, T. Tsuru: Amino-decorated organosilica membranes for highly permeable CO2 capture. J. Membr. Sci., 611: 118328 (p.1-10), 2020.
 
４．M. Kanezashi, N. Hataoka, R. Ikram, H. Nagasawa, T. Tsuru: Hydrothermal stability of fluorine-induced microporous silica membranes: effect of steam treatment conditions. AIChE J., 67: e17292 (p.1-11), 2021.
 
５．M. Takenaka, H. Nagasawa, T. Tsuru, M. Kanezashi: Hydrocarbon permeation properties through microporous fluorine-doped organosilica membranes with controlled pore sizes. J. Membr. Sci., 619: 118787 (p.1-10), 2021.
 
６．S. Lawal, M. Kanezashi: A brief overview of the microstructural engineering of inorganic–organic composite membranes derived from organic chelating ligands. Membranes, 13: 390 (p.1-34), 2023.
 
７. X. Niu, N. Moriyama, H. Nagasawa, T. Tsuru, M. Kanezashi: Hydrothermally robust carbon-silica-zirconia ceramic membranes for efficient pervaporation dehydration. J. Membr. Sci., 730: 124197 (p.1-13), 2025.
 
８. X. Niu, M. Kanezashi: Microstructure engineering of silica-derived membranes and their applications in molecular separation. Bull. Chem. Soc. Jpn, 98: uoaf030 (p.1-24), 2025.

 
研究者からのメッセージ
地球レベルでの環境負荷が問題となる現在では、持続可能な社会を構築するためにどのような貢献ができるかが重要です。膜分離工学は、化学や医薬などすべての工業プロセスで重要な役割を果たし、水処理、H2、CO2分離のような環境問題の解決においてもキーテクノロジーとなるため、Sustainable Development Goals（SDGs）への貢献が大きい技術です。当研究室では、シリカ、ジルコニアなどの無機材料、および有機・無機ハイブリッド材料に着目し、製膜・評価技術の確立、透過・分離特性の検討を通じてあらゆる膜分離プロセスについて基礎から実用レベルの研究を行っています。