View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
温度応答性電解質を使った 酸・塩基性ガスやイオンの
分離方法
九州大学 工学研究院 化学工学部門
助教 星野 友
九州大学、2012
2
生体システムを模倣してエネルギー効率の高い 物質輸送・変換システムを構築できないか?
生体内の分子輸送・変換システム
http://www.sicklecellinfo.net/hemoglobin.htm
九州大学、2012
3
生体内におけるプロトンの能動輸送機構
Nature 406, 569-570 (2000)
大きなpKaの勾配がH+の移動を
抑制
光異性化に伴った構造変化1がpKaの逆転1を誘起しH+移動
を実現
H+移動に伴った構造変化2がpKaの逆転2を誘起しH+移動を実現
九州大学、2012
4
タンパク質内部のpKa調節 非極性アミノ酸
極性アミノ酸
正電荷アミノ酸 負電荷 アミノ酸 アミノ酸の代わりに安価なプラスチック
原料(機能性モノマー)を用いてpKa調節・スイッチングの実現をできないか?
5
温度応答性電解質の開発
Heating
Cooling
九州大学、2012
6
タンパク質を模倣したカルボン酸含有ナノ粒子の合成
九州大学、2012
7
カルボン酸含有ナノゲルの温度に応答したpKa変化
温度に応答してpHが変化する 温度応答性酸性電解質として利用可能
8
温度応答性電解質の応用1 温度応答性電解質による能動的プロトン輸送
九州大学、2012
9
温度応答性電解質内p H勾配形成実験装置
pH/pKa勾配形成メ カニズム
Na
相転移温度以上
pKa ~ 8
相転移温度以下
pKa ~ 6
H
HH
H
Na
Na
Na
Na
低温高温
Na
NaNa
Na+放出
H+吸収Na+吸収
H+放出
温度応答性電解質のp H変化
Low Temp. Cell
High Temp. Heating
High Temp. Cooling 温度応答性電解質内に
温度勾配に依存した
p H勾配を形成するこ
とができる
Temperature [℃]
15 35 55 4.5
5
5.5
6
6.5
7
pH
ナノゲル溶液内にpKa勾配を形成できるか?
pH/pKa勾配形成メカニズム
Heating water 75℃
Dialysis membrane (MWCO: 12000~14000) Cooling water
20℃
pH meter AAc NPs AAc NPs
pH meter
温度応答性電解質内pH勾配形成実験装置 温度応答性電解質のpH変化
九州大学、2012
10
Na
Cl
Na
H
Na
Cl NaCl
Cl
above LCST
pKa ~ 8
Below LCST
pKa ~ 6H
HH
H
Na
Na
NaNa
Low temp.High temp.
Cl H
H
イオン輸送実験装置図
温度応答性電解質膜によるイオン輸送は可能か?
Na Na
NaNa
Release Na+
Capture H+
Capture Na+
Release H+
ナノゲル膜を介したpH勾配の形成 温度応答性電解質膜によるイオン輸送は可能か?
イオン輸送実験装置図
Heating water 75℃
Dialysis membrane (MWCO: 12000~14000)
Cooling water 20℃
pH meter AAc NPs
pH meter
1 mM NaClaq 1 mM NaClaq
九州大学、2012
11
Heating water 75℃
Dialysis membrane (MWCO: 12000~14000)
Cooling water 20℃
pH meter AAc NPs
pH meter
1 mM NaClaq 1 mM NaClaq
ナノゲル膜を介したpH勾配の形成
温度勾配を形成したときの 水溶液のpH変化
ナノゲル濃度に依存した 低温槽のpH変化
Nernst potential of H+
~100 mV
E = RT
zF In
[H+ cold]
[H+ hot]
九州大学、2012
12
4.5
5.5
6.5
7.5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
pH
Time (min)
NaCl溶液
交換
NaCl溶液
交換
高温
66 °C
低温
23 °C
Na
Cl
Na
H
Na
Cl NaCl
Cl
相転移温度以上
pKa ~ 8
相転移温度以下
pKa ~ 6H
HH
H
Na
Na
NaNa
低温高温
Cl H
H
Na Na
NaNa
Na+吸収
H+放出
?
Na+放出
H+吸収
ナノゲル膜を介したプロトンの連続能動輸送
九州大学、2012
13
想定される用途1 • 本技術は、100℃以下の低温排熱を利用した
イオン濃度勾配生成システムになる。
• 安価な材料のみから成るので既存の熱電変換
材料より安価で大規模化が可能。
100万キロワットx60%x1%
=6000キロワット(メガソーラ1基相当)
http://www.tottorigas.co.jp/?page_id=43
九州大学、2012
14
想定される用途2
• 電気化学との組合せで熱駆動キャパシタや
温度差電池になる。
九州大学、2012
15
実用化に向けた課題
• イオン輸送速度向上のためのシステム開発
ー膜面積の向上
ーナノゲルの最適化
• イオン勾配最大化の為のシステム開発
ー多層化
ーナノゲル開発
• 用途毎のシステム開発
ー電気化学との組合せ最適化
九州大学、2012
16
企業への期待
• 多孔性ゲルフィルム、グラフト材料、ハニカム形成、中空糸の技術・経験を持つ、企業との共同研究を希望。
• 電力、電池、水処理、イオン交換プロセスの技術、経験を有する企業との共同研究を希望。
17
温度応答性電解質の応用2 温度応答性電解質による二酸化炭素回収
九州大学、2012
18
二酸化炭素回収技術の現状
九州大学、2012
19
温度応答性電解質を使ったCO2吸収
九州大学、2012
20
タンパク質を模倣したアミン含有ナノ粒子の合成
AAPDCTAB70 °C
アミ ン含有ナノゲル粒子各種アミンモノマー
ONH
NH
O
N,N'-Methylenebisacryamide(BIS)
OHN
N-Isopropylacrylamide(NIPAm)
OHN
NH2
OHN
N
N
N
OHN
HN
N
N-3-Aminopropylmethacrylamide
(APM)
N-[3-(Dimethylamino)propylmethacrylamide
(DMAPM)
1-Vinylimidazole(VI)
1-H-Imidazole-4-N-acryloylethanamine
(IAEA)
+
アミ ン含有ナノゲル粒子水溶液
DialysisAnion
Exchange
九州大学、2012
21
ナノゲルの温度に応答した粒径変化
アミ ン含有ナノゲル粒子は、 4 0 ℃付近で相転移を起こし収縮する
5%DMAPM 2%BIS NPs窒素雰囲気下
Zetasizer nano (Marvern)
動的光散乱法による粒径計測
可逆的相転移
低温域膨潤
210 nm
高温域収縮70 nm
直径が3 ~4 倍に変化、 アミ ン濃度で27~64倍の濃縮
低温域膨潤
210 nm
高温域収縮70 nm
5%DMAPM 2%BIS NPs
九州大学、2012
22
アミン含有ナノゲルの温度に応答したpKa変化
温度に応答してpHが変化する 温度応答性塩基性電解質として利用可能
九州大学、2012
23
二酸化炭素吸収・放散性能 CO2放散・ 吸収の定量
NPs 1 mg/mL 500 mL, 10%CO2 20 mL/minGC-2014AT(SHIMADZU)、水と差分
30℃→75℃放散過程
吸収過程75℃→30℃
56 mL ND 1.6 mL 0.0 mL
放散量の比較
ナノゲル粒子
アミ ン含有 アミ ン
モノ マー ナノゲル粒子
アミ ン非含有アミ ン
ホモポリマー
アミン含有ナノゲル
アミンモノマー
温度変化を繰り返した際の吸収・ 放散量
アミ ン1 残基あたり 1 分子のCO2
吸収・ 放散を45℃の温度差で達成
10%CO2 20 ml/minGC-2014AT
アミン含有ナノゲル
アミンモノマー
九州大学、2012
24
二酸化炭素吸収・放散メカニズム
JACS 134, ASAP (2012)
ナノゲル粒子の膨潤・収縮相転移と同期してアミンの塩基性 が変化し僅かな温度変化でCO2を吸収放散する新規材料
九州大学、2012
25
想定される用途
• 本技術は、排ガスからの低コストな二酸化炭素回収剤として適用可能。
• 二酸化炭素以外に、硫化水素等の酸性ガスや塩基性ガスの選択的除去が可能であることが期待される。
九州大学、2012
26
実用化に向けた課題
• 現在、水蒸気過飽和下において1アミン辺り1当量のCO2を可逆吸収可能なところまで開発済み。しかし、吸収容量・吸収速度の点が未解決である。
(吸収容量については、固体化により克服できると考えている。)
• 今後、固体フィルム・グラフト膜について実験データを取得し、CO2回収プロセスに適用していく場合の条件設定を行っていく。
九州大学、2012
27
企業への期待
• 多孔性ゲルフィルム、グラフト材料、ハニカム形成の技術・経験を持つ、企業との共同研究を希望。
• プロセス開発、ガス処理の技術・経験を有する企業との共同研究を希望。
九州大学、2012
28
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :
イオン濃度勾配発生システム、装置、方法、及び、温度応答性電解質材料
• 出願番号 :PCT/JP2012/070900
• 出願人 :九州大学
• 発明者 :星野 友 三浦 佳子 他3名
九州大学、2012
29
お問い合わせ先
九州大学知的財産本部
技術移転グループ
TEL 092-642 -4361
FAX 092-642 -4365
e-mail transfer@imaq.kyushu-u.ac.jp
Recommended