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エネルギー・化学プロセスにおける膜分離技術    
[コードNo.14STA110]

■体裁/ A4判上製本 306ページ
■発行/ 2014年12月19日 S&T出版(株)
■定価/ 64,800円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-907002-39-8

 
エネルギー、化学プロセス膜分離技術を詳説。

著 者

喜多英敏山口大学
川上浩良首都大学東京
風間伸吾新日鐵住金(株)
永井一清明治大学
谷原望宇部興産(株)
都留稔了広島大学
金指正言広島大学
赤松憲樹工学院大学
西山憲和大阪大学
吉宗美紀(独)産業技術総合研究所
原伸生(独)産業技術総合研究所
吉岡朋久広島大学
甲斐照彦(公財)地球環境産業技術研究機構
段淑紅(公財)地球環境産業技術研究機構
神尾英治神戸大学
松山秀人神戸大学
岡田治(株)ルネッサンス・エナジー・リサーチ
武脇隆彦(株)三菱化学科学技術研究センター
上宮成之岐阜大学
西村睦(独)物質・材料研究機構
井関孝弥東京ガス(株)
松方正彦早稲田大学
宮嶋圭太(株)ノリタケカンパニーリミテド
近藤正和三井造船マシナリー・サービス(株)
藤田優日立造船(株)
伊藤直次宇都宮大学
徳倉勝浩日本ガイシ(株)
岩本雄二名古屋工業大学
彦坂英昭日本特殊陶業(株)
高木保宏日本特殊陶業(株)
伊藤正也日本特殊陶業(株)
根岸秀之(独)産業技術総合研究所
中西俊介宇部興産(株)
内海竜也全国農業協同組合連合会
星野毅(独)日本原子力研究開発機構

書籍趣旨

 低炭素化社会実現のための基盤技術として、膜分離が地球温暖化ガス対策としての二酸化炭素の分離・回収や、水素エネルギーやバイオマスエネルギーなどの新エネルギーの開発における大規模なエネルギー削減技術として注目されている。
 本書は、地球環境問題の解決や新エネルギーの開発に役立つ新しいプロセス技術である膜分離に着目し、高分子膜の開発・応用動向から、21世紀に入り急速に発展した新しい膜素材であるゼオライト、シリカ、炭素膜などの多孔質無機膜の開発・応用動向、それらの膜の二酸化炭素分離や水素分離への応用、さらには各種化学プロセス、燃料電池、バイオプロセスへの応用について、これから向かう方向を展望するためにまとめたものである。
 分離膜は実用を背景としており、透過性、分離性はもとより、耐久性、操作性、経済性などの要求に応えるものでなくてはならない。高分子膜でも長期の耐久性や高性能化の要求に応える膜開発が求められている。一方、無機膜のシリカやゼオライト膜については分離性能や膜の安定性の点で評価が高いが、大量生産を考えたときに明らかに高分子膜に比べて生産性やコストの点で劣り、今後一層の検討が必要である。膜の実用化には、膜素材の研究から始まり、製膜技術、モジュール化技術、分離システムの構築の各要素技術が確立されなければならない。本書にはこれらの実例が数多く紹介されており、多くのヒントが得られるものと期待される。今後、地球持続のための技術として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。

(「はじめに」より抜粋)

目次

第1章膜による分離技術と応用
1気体分離
2浸透気化分離
第2章高分子ガス分離膜の分離機構と開発、応用動向
第1節高分子ガス分離膜の分離機構と開発、応用技術
1高分子膜の気体透過機構
2高分子ガス分離膜の応用
2.1高分子二酸化炭素分離膜
2.2高分子水素分離膜
2.3高分子バリア膜
第2節ポリイミド膜の開発と応用
1ポリイミドの構造と物性
2ポリイミド膜の開発
2.1ポリイミド膜の歴史と課題
2.2ガス透過モデルと透過係数、透過速度、分離係数
2.3拡散係数(D)の増大
2.4架橋構造の導入
2.5溶解係数の向上
2.6他素材とのハイブリットとその他の方法
2.7薄膜化とモジュール化
3ポリイミド膜の応用
3.1H2、He分離膜
3.2O2/N2分離膜
3.3CO2分離膜
3.4除湿膜(H2O透過膜)と有機蒸気透過膜
3.5その他のガス分離膜
第3節実用化したポリイミド分離膜とその応用
1ガス分離用ポリイミド中空糸膜
2応用場面と膜モジュールの構造
3窒素富化
4炭酸ガス分離
5除湿
6水素分離
7有機蒸気脱水
第3章無機分離膜の分離機構と開発、応用動向
第1節セラミックス分離膜の分離機構と開発、応用技術
1多孔質内の膜透過モデル
1.1粘性流
1.2Knudsen拡散
1.3表面拡散
1.4分子篩における透過モデル Modified Gas translation model
2ナノ/サブナノ細孔の測定手法
2.1パームポロメトリー法(バブルポイント法)
2.2ナノパームポロメトリー法(毛管凝縮法)
2.3膜透過性に基づく評価
3セラミック膜の開発と応用
第2節ゾル-ゲル法によるシリカ膜の開発と応用技術
1ゾル-ゲル法による多孔質シリカ膜の作製
2アモルファスシリカネットワーク制御技術
3オルガノシリカ膜の各種分離特性
3.1二酸化炭素分離特性
3.2プロパン/プロピレン分離特性
3.3浸透気化特性(水/アルコール、酢酸)
第3節CVD法によるシリカ膜の開発と応用技術
1CVD法により作製されるシリカ膜
1.1シリカ膜の構造・形状
1.2CVD法
1.3細孔径制御
2CVD法により作製されるシリカ膜を用いた応用技術
2.1水素分離精製
2.2水素以外のガス分離系
2.3膜反応器(触媒膜反応器)
2.4NF膜/RO膜
3実用化に向けた課題
3.1膜の大面積化・モジュール化
3.2膜の耐水蒸気性・長期安定性
第4節ゼオライト膜の開発と応用技術
1ゼオライト膜の製膜
2気体分離
3浸透気化分離
4その他の応用
第5節炭素膜の開発と応用技術
1フラン樹脂の炭化・賦活による炭素膜の合成と細孔径制御
1.1フルフリルアルコール(FFA)蒸気を用いたミクロポーラス炭素膜の合成
1.2FFA炭素膜の水素分離特性と細孔径制御
1.3水素と芳香族化合物の分離(賦活ガスの影響)
1.4膜反応器への適用(有機ハイドライド)
2有機鋳型法による炭素膜の細孔径制御
2.1有機鋳型法によるミクロポーラスカーボンの合成
2.2ミクロポーラス炭素膜の合成
2.3ガス透過分離特性
2.4水・有機物分離特性
第6節中空糸炭素膜モジュールおよび分離プロセスの開発
1中空糸炭素膜の製造工程
1.1前駆体高分子の選択
1.1.1酢酸セルロース(CA)およびセルロース類
1.1.2芳香族ポリイミド
1.1.3ポリアクリロニトリル(PAN)
1.1.4ポリエーテルイミド(PEI)
1.1.5ポリフェニレンオキシド(PPO)およびその誘導体
1.2中空糸高分子膜の紡糸
1.3炭化処理
1.4炭素膜のモジュール化
2中空糸炭素膜のガス分離性能
2.1中空糸炭素膜のガス透過特性
2.2前駆体の異なる中空糸炭素膜のガス分離性能
2.3中空糸炭素膜によるCO2/CH4混合ガス分離
3中空糸炭素膜を用いた分離プロセス
第7節金属有機構造体(MOF)の分離膜への応用
1分離膜に用いる金属有機構造体(MOF)の種類
2金属有機構造体(MOF)膜の作製方法
2.1混合マトリックス膜
2.2直接重合法
2.3二次成長法
2.4対向拡散法
3ZIF-8膜によるプロピレン/プロパン分離
3.1プロピレン/プロパン分離とZIF-8
3.2直接重合法および二次成長法によるZIF-8膜の作製
3.3対向拡散法によるZIF-8膜の作製
第8節計算機支援による無機膜の構造および透過性評価
1ガス透過理論
1.1KnudsenモデルとGTモデル
1.2修正GTモデル
1.3修正GTモデルの細孔径評価への応用
1.4NKPプロットとk0プロット
1.4.1Simple NKPプロット
1.4.2Full NKPプロット
1.4.3k0プロット
2分子シミュレーションによる多孔性膜の構造評価
2.1分子シミュレーションによる仮想膜作製
2.2分子シミュレーションによる膜構造評価
3分子シミュレーションによる多孔性膜における気体透過性評価
3.1透過モデルと分子シミュレーションのハイブリッド法
3.2透過係数の直接計算法-非平衡MD計算-
4分子シミュレーションによる細孔径評価法の検証
第4章二酸化炭素(CO2)分離膜
第1節高分子CO2分離膜
1膜分離技術の概要
2CO2分離膜研究開発の国際動向
2.1高分子膜
2.2無機膜
2.3イオン液体膜
2.4促進輸送膜
3分子ゲート膜
第2節イオン液体含浸膜
1イオン液体
2イオン液体含浸膜
2.1CO2吸収性
2.2CO2選択性
2.3CO2透過性
3耐圧性イオン液体含有CO2選択透過膜
3.1高分子化イオン液体膜
3.2イオンゲルフィルム
4反応性イオン液体含有促進輸送膜
4.1反応性イオン液体の設計概念と反応性イオン液体含浸液膜のCO2透過機構
4.2アミノ酸イオン液体含浸膜
4.3反応性イオン液体含浸膜の課題
第3節CO2 膜分離を用いた次世代型水素ステーション用水素製造システム
1CO2分離型メンブレンCO変成器(メンブレンリアクター)の効果
2CO2分離型メンブレンCO変成器(メンブレンリアクター)の開発
2.1CO2選択透過膜の開発
2.1.1CO2選択透過膜の作成・性能評価実験
2.1.2CO2選択透過膜の性能
2.1.3CO2選択透過膜の耐久性
2.1.4CO2選択透過膜の耐熱性の向上
2.2高性能CO変性触媒の開発
2.3メンブレンリアクターの試作・テスト結果
3メンブレンリアクターによる水素ステーション全体の効率化・ダウンサイジング
第4節ゼオライト膜
1ゼオライト膜による二酸化炭素分離
1.1ゼオライト膜の概要
1.2種々のゼオライト膜による二酸化炭素分離
2高シリカCHA膜(MSM-1)の開発
2.1高シリカCHA型ゼオライトの特徴、MSM-1の特徴と浸透気化特性
2.2高シリカCHA型ゼオライト膜、MSM-1の特徴と浸透気化特性
2.3MSM-1のガス分離特性
第5章水素分離膜
第1節Pd系水素分離膜の高性能化
1Pd系膜の水素透過機構
2薄膜化・複合膜化による高性能化
3合金化による高性能化
4Pd膜の耐久性向上
第2節V系を中心としたPd代替金属系水素分離膜
1金属系水素分離膜の周辺状況
2金属膜による水素分離の原理と特徴
2.1水素原子の格子拡散を利用して水素のみを透過する金属膜
2.2金属膜における各パラメーター間の関係式
3実用の状況
4金属系水素分離膜の研究開発における国際動向
5我が国を中心とするV系水素分離膜の開発状況
6メンブレンリアクターへの応用に向けて解決すべき技術課題
6.1水素製造用メンブレンリアクター
6.2化学合成用メンブレンリアクター
第3節水素分離型リフォーマーシステム
1従来型水素製造システム
1.1水蒸気改質反応・COシフト反応
1.2システム構成
2水素分離型リフォーマーシステム
2.1原理
2.2システム構成
340 Nm3/h級試験システム
3.140 Nm3/h級試験システムの構成
3.2水素製造効率
3.3製品水素純度
3.4耐久試験結果
第6章化学プロセスへの膜分離の適用
第1節化学プロセスへの無機膜分離プロセスの適用と展望
1石油化学における分離技術の革新の重要性
2無機分離膜開発の必要性と化学プロセス適用に対する優位性
3化学プロセス用脱水膜開発の事例:イソプロピルアルコール脱水膜
第2節無機多孔体の実用化動向
1ゼオライト膜用多孔質セラミックス基材の開発
2ゼオライト膜用多孔質アルミナ基材の作製
3基材の機械的強度
4基材の表面特性
5多孔質基材の特性とゼオライト膜性能
第3節ゼオライト膜の実用化
1PV(VP)分離
2ゼオライト複合膜
2.1製膜
2.2ゼオライト複合膜の特性
2.2.1ナノ孔径分布特性
2.2.2透過特性
2.3機械的強度および耐熱性
2.4耐酸性
3円筒型ゼオライト膜モジュール
3.1二重円筒型膜モジュール
3.2円筒型膜モジュール
第4節化学プロセスにおけるゼオライト分離膜技術
1ゼオライト分離膜エレメント
2膜分離のメカニズム
3膜モジュール
4膜分離方法
5プロセス適用事例
6プロセス最適化検討
第5節ゼオライト膜のエステル化反応と酸化反応への応用
1膜反応器
2ゼオライト膜を用いた膜反応器
3エステル化反応への適用
4ゼオライト膜の選択透過能と触媒能の利用
5液相酸化反応の触媒膜としての利用
第6節無機系水素分離膜と膜反応器の化学系水素キャリアシステムへの応用
1再生可能エネルギー
1.1水力発電
1.2WE-NET計画
1.3エネルギーキャリア
2水素分離精製への無機および金属膜の利用
2.1サブナノ細孔膜
2.1.1ゼオライト膜
2.1.2シリカ膜
2.2パラジウム膜
3膜反応器
3.1MCH系
3.2アンモニア系
第7節セラミック膜の適用例と最近の開発
1セラミック膜の特徴
1.1有機膜との比較
1.2セラミック膜の構造
1.3セラミック膜の製造方法
1.4セラミック膜の特性
1.5セラミック膜によるろ過方法
2セラミック膜の適用
2.1適用分野
2.2膜選定条件と操作条件
2.3食品分野への適用例
2.3.1飲料ボトリングの除菌
2.3.2発酵液の菌体分離及び清澄化
2.4電子分野への適用例
3最近の開発
3.1新たなニーズ
3.2DDR型ゼオライト膜の特徴
3.3DDR型ゼオライト膜の製造方法
3.4DDR型ゼオライト膜の特性
3.5DDR型ゼオライト膜の適用先
第8節メタンの水蒸気改質反応への応用をめざした多孔質セラミックスの開発研究
1水素分離用多孔質セラミックス膜
2高温水蒸気雰囲気下におけるアモルファスシリカ膜の劣化挙動
3耐水蒸気性の向上をめざした分離膜材料の合成開発
3.1メソポーラス中間層
3.2分離活性層
第9節水素製造用触媒一体化PdAg膜モジュールの開発
1触媒一体化モジュールのコンセプト・構造・動作原理
2MOCの性能評価
3耐久劣化要因とその対策
4対策実施による耐久性向上
第10節膜分離技術によるバイオブタノールの精製
1ブタノールについて
1.1ブタノールの特徴
1.2ブタノール発酵
1.3ブタノールと水とを分ける技術
2浸透気化膜分離法によるブタノールの濃縮
2.1ポリジメチルシロキサン分離膜
2.2シリカライト-1分離膜
2.3浸透気化膜分離法の所要エネルギー
2.4発酵液成分の膜分離への影響
第11節ポリイミド膜のバイオマスへの展開
1バイオ燃料製造プロセスとガス分離膜
2バイオメタン製造プロセスへのガス分離膜の適用
2.1バイオガス・バイオメタンについて
2.2バイオメタン製造プロセス
3ガス分離膜によるバイオガスのメタン濃縮
3.1ガス分離膜
3.2膜モジュール
3.3ガス分離膜によるバイオガスのメタン濃縮法
3.4ガス分離膜によるバイオガスのメタン濃縮の実際例
第12節新潟県におけるバイオ燃料実証事業とゼオライト膜脱水について
1事業の概要
1.1実証事業の規模
1.2プラントの特徴
1.3バイオエタノール製造工程
2膜脱水装置の概要
3脱水工程
4メンテナンス状況
第13節イオン伝導体分離膜による海水からのリチウム回収技術
1海水リチウム資源回収システム
2イオン液体によるリチウム分離回収技術
3イオン伝導体によるリチウム分離回収技術
4リチウム分離回収液からの炭酸リチウム精製



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