超疎水性油水分離膜も3Dプリント可能

ほんの数週間前、約13万6000トンのコンデンセート油を積んだサンチ号が衝突により火災を起こし、沈没した。 CCTVニュースによると、サンチ号沈没後、海面では残渣と残留油だけが燃え、10平方キロメートルの油流出帯を形成し、油流出は非常に深刻だった。

画像出典: CCTVニュース

このような石油製品の漏洩事故は海洋環境や生態系に多大な影響を及ぼしており、さらに、産業油性廃水の排出量の増加により、多くの河川や湖沼が油性廃水で汚染されています。油水分離はこれらの問題を解決するための重要なステップです。現在、グリッド材料、繊維織物、スポンジ/フォーム基材など、多くの多孔質材料がさまざまな場面で油水分離に広く使用されています。上記の膜材料はいずれも高い油水分離効率を示すが、無溶媒誘起相分離、熱誘起相分離、蒸気誘起相分離などの多孔質膜の製造方法では、大量の資源の浪費を招き、水質汚染や大気汚染の問題を引き起こすことが多い。 3D プリント技術は、新しいタイプの効率的な材料形成技術として、複雑な構造を持つさまざまな 3 次元材料の製造に広く使用されています。しかし、3D プリント技術に基づいた油水分離用途の多孔質膜材料の調製に関する研究は比較的少ないです。

最近、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学化学工学部のバート・ファン・デル・ブルッゲンの研究チームは、選択的レーザー焼結3Dプリント技術を使用してポリスルホン多孔質膜を作製し、その上にろうそくの煤の緩いネットワーク構造を堆積させることで、超疎水性表面を容易に得ることに成功した。優れた機械的・化学的安定性を備えたこの超疎水性ポリスルホン膜は、両面で異なる濡れ性を示し、水で事前に濡らすことで表面を超疎油性状態に変化させることができます。この超濡れ性機能性膜材料は、油水循環用途において優れた性能安定性と理想的な分離効率を発揮します。

画像出典: J. Mater. Chem. A

選択的レーザー焼結 3D 印刷技術の解像度はミクロンレベルであり、ミクロン規模の細孔構造を持つ油水分離膜の製造に非常に適しています。レーザー焼結プロセス中、レーザー出力、スキャン間隔、スキャンベース数などのパラメータは、最終的な多孔質膜の形態に重要な影響を及ぼします。研究チームは体系的な研究を経て、最終的に最適なプロセスパラメータを選択しました。ポリマーマトリックスとして耐熱性に優れたポリスルホン、レーザー出力 15 W、スキャン間隔 0.15 mm、スキャンベース数 1 です。構築された多孔質ポリスルホン膜のSEM形態は、最外層が比較的密度の高い多孔質レーザー焼結膜であり、表面層の底部がポリスルホン粒子の不完全な焼結によって形成された粒状構造であり、膜の底部が緩く凝集したポリスルホン粒子構造であることを示した。

3D プリントされたポリスルホン膜の表面、断面、底面の形態の SEM 特性評価。画像出典: J. Mater. Chem. A

最適なプロセスパラメータに基づいて構築された多孔質ポリスルホン膜 M1 の表面孔サイズ範囲は 12 ～ 114 μm、平均孔サイズは 51.8 μm で、これはポリスルホン粒子のサイズに匹敵します。膜の水透過率と機械的特性試験の結果、多孔質ポリスルホン膜M1は高い水透過率（24,600 L/(m2 h bar)）と優れた機械的特性（引張強度17.3 MPa）を有し、処理パラメータも膜性能に重要な影響を及ぼすことが示されました。多孔性ポリスルホン膜は両面の表面形態が異なるため、表面と底面は異なる濡れ性を示します。多孔性膜の上層の水接触角は 89° で、下層の水接触角は 124° です。

3D プリントされたポリスルホン膜の性能と物理的特性。画像出典: J. Mater. Chem. A

その後、研究者らは浸漬自己組織化によって、ろうそくの灰の粗い構造を多孔質ポリスルホン膜の表面に堆積させました。浸漬時間が長くなるにつれて、多孔質膜の表面に堆積した無機粒子層の形態と疎水性が大きく変化し、浸漬時間が28分を超えると、膜表面の水接触角は155°に達します。

ろうそくの灰を付着させたポリスルホン膜の水接触角の変化。画像出典: J. Mater. Chem. A

ろうそくの灰を堆積させたこの3Dプリントポリスルホン膜は超疎水性で、表面水接触角は最大161°、転がり角は5°未満です。また、塩酸溶液、熱水、水酸化ナトリウム溶液などに対して優れた超疎水性を示し、化学的安定性も優れています。さらに、超親油性特性を示し、油滴は膜に素早く浸透します（< 1.5 秒）。

ろうそくの灰を付着させた多孔質ポリスルホン膜表面の超疎水性/超親油性。画像出典: J. Mater. Chem. A

油水分離実験では、ろうそくの灰を堆積させた 3D プリントポリスルホン膜が良好な性能を示しました。重力駆動フラックスは約19,000L/(m2 h)で、分離効率は99%を超え、サイクル性能は安定しています。10サイクル後も分離率は99%を超えます。さらに興味深いことに、膜表面は水で事前に湿らせることで、超疎水性状態から超疎油性状態に変換することができます (下の図 e)。

ろうそくの灰（水に赤色染料を加えたもの）を含む多孔質ポリスルホン膜を使用した油水分離。画像出典: J. Mater. Chem. A
選択的レーザー焼結3D印刷技術と表面無機粒子堆積改質に基づいて、本論文の著者らは、表面に超疎水性/超親油性の特性を持つ多孔質ポリスルホン膜材料を構築し、水で事前に湿らせることで、膜表面を超疎油性状態に変えることもできる。この多孔質膜材料は、優れた機械的特性と化学的安定性を備えており、効率的な油水分離用途での優れた応用可能性を示しています。この研究成果は、従来の分離膜の構築によって生じる資源の浪費や環境汚染の問題を回避し、高効率の油水分離膜の構築に新たな道を開くものである。
著者: 宗伝勇吉大学出典: X-MOL 情報

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