多孔質超疎水性分離膜の3Dプリントプロセス

多孔質超疎水性分離膜の3Dプリントプロセス
寄稿者: Peng Gang、Tian Xiaoyong

過去 1 世紀にわたり、産業文明の継続的な発展に伴い、化学製品の製造から排出される油性廃水や頻繁な原油流出が自然環境に深刻な問題をもたらしました。人間の生活が依存する陸地や河川だけでなく、広大な海洋も深刻な汚染問題に直面しています。現在、油水分離の問題に対する主な解決策は、格子状の織物繊維、スポンジ、フォーム、多孔質フィルムなどの多孔質材料です。その中でも、多孔質精密濾過膜は、分離効率が高く、体積上の利点があるため、より注目を集めています。しかし、従来のフィルム製造プロセスでは、大量の有機溶剤が消費・排出され、プロセス自体が一定の汚染を引き起こします。上記のジレンマに直面して、新しい多孔質フィルム製造プロセスの探索が急務となっています。

選択的レーザー焼結(SLS)は、3D 印刷技術における粉末床溶融成形プロセスです。粉末材料は、焼結および結合プロセス中に固有の気孔を形成します。ただし、これまでの SLS プロセス研究は焼結密度の向上に重点が置かれており、固有の気孔の利点は十分に活用されていませんでした。ベルギーのルーヴェン大学のユアン氏らの研究者らは、ミクロンサイズのポリスルホン(PSU)粒子を原料として、SLS法で単層多孔質フィルムを形成した。図1に示すように、このフィルムの多孔度は最大30%、水接触角は124°で、優れた疎水性を示している。



図1 多孔質フィルムの顕微鏡写真(上、中、下はそれぞれフィルムの上面、断面、下面。M1と2は異なるプロセス条件)
さらに、研究者らは、図2aとbに示すように、簡単な含浸法を用いて、ろうそくの燃焼によって生成された煤を多孔質PSUフィルムの表面にコーティングし、最大160°の水接触角を持つ複合材料の超疎水性分離膜を得ました。水滴はフィルムによって完全にはじかれます。同時に、フィルムは優れた親油性を備えており、図2cに示すように、油滴はすぐに細孔に浸透して下面に流れます。分離実験では油水分離効率が99%を超えました。さらに、研究者らは、複合分離膜が優れた化学的安定性を持ち、さまざまな酸性およびアルカリ性環境で使用できることを検証した。



図2 a) 超疎水性複合膜の模式図 b) 水滴実験 c) 油滴実験 d) 異なる液体の接触角 e) 膜上の異なる液滴の形態 このシンプルで実用的かつ効率的な超疎水性油水分離膜の製造方法は、3Dプリント技術の本来の利点を十分に活用しているだけでなく、環境に優しいという特徴も備えています。さらに応用できれば、水質汚染の抑制や生態環境の保護に特に貢献するでしょう。

参考文献:
Shushan Yuan、Dieter Strobbe、Jean-Pierre Kruth、他「自己組織化キャンドルススによる切り替え可能な濡れ性を備えた超疎水性3Dプリントポリスルホン膜による効率的な重力駆動型油水分離[J]」Journal of Materials Chemistry A、2017、5: 25401-25409。
多孔質、超多孔質、超疎水性、疎水性、水

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