10/29 超臨界流体を用いた多孔質材料創製および含浸・吸脱着分離プロセスの開発と応用展望

超臨界流体を用いた多孔質材料創製および含浸・吸脱着分離プロセスの開発と応用展望

含浸条件・担体の選定、細孔構造の制御、吸脱着分離設計に必要なデータ、
超臨界流体の基礎と従来の溶媒・プロセスとの使い分け　etc.

講師

広島大学 大学院先進理工系科学研究科 化学工学プログラム 准教授 博士（工学） 宇敷 育男 氏
【専門】化学工学（化工物性・分離工学）、超臨界流体プロセス工学、化学工学熱力学

2014年 東北大学大学院工学研究科 化学工学専攻 博士課程後期修了、博士（工学）。同大学 産学官連携研究員、日本学術振興会特別研究員(PD)を経て、2017年 広島大学大学院工学研究科 助教、2023年より現職。超臨界流体のもつ高い拡散性・低い界面張力と、多孔質材料のナノ空間とを併せて活用することにより、新規分離プロセスおよび高機能性材料の開発を、関連する平衡・輸送物性の測定とモデリングの両面から進めている。2020年度 化学工学会研究奨励賞（實吉雅郎記念賞）受賞（「超臨界流体含浸プロセスの設計へ向けた金属前駆体のバルク及びナノ空間物性に関する研究」）。化学工学会 超臨界流体部会 幹事、同 基礎物性部会 幹事。企業との共同研究も多数。
【 高圧流体物性研究室 】https://highpres.hiroshima-u.ac.jp/

セミナー趣旨

超臨界CO2（臨界点31℃、7.4 MPa）は、気体に近い高い拡散性と液体に近い溶解力を持ち、界面張力を持たない。さらに、密度すなわち溶媒力を温度・圧力によって連続的に調整でき、減圧するだけで溶媒が完全に抜けるため乾燥工程を必要としない。こうした特徴は、多孔質材料のナノ細孔の奥まで成分を運び込む「含浸」と、細孔に捕捉された成分を取り出す「脱着・再生」の双方に有利に働き、材料創製から分離プロセスまで幅広く応用できる。
　一方で実際にプロセスを設計する段階になると、「温度・圧力をどこに置くべきか」「どこまで担持できるのか」「どれだけのCO2が必要か」といった問いに必ず直面する。これらに答えるための土台となるのが、溶解度や吸着平衡をはじめとする平衡・輸送物性である。
本セミナーでは、まず「超臨界流体とは何か」という基礎から出発し、プロセス設計に必要となる物性の測定と熱力学的モデリングの考え方を整理する。そのうえで、多孔質材料の創製、機能性成分の含浸、そして吸脱着分離・再生プロセスへと、基礎から応用へ順を追って解説する。最後に、触媒・機能性材料、医薬・DDS、環境・排ガス処理、CO2の分離回収・有効利用といった各分野への応用展望と、実用化に向けた課題を述べる。

セミナー講演内容

１．はじめに ―超臨界流体とは何か
　1.1 状態図で見る超臨界領域 ―気体・液体・超臨界流体は何が違うのか
　1.2 臨界点の近くで物性はどう変わるか（密度・粘度・拡散係数）
　1.3 なぜCO2が用いられるのか（臨界点、安全性、コスト、減圧するだけで分離できる）
　1.4 有機溶媒・水蒸気などを用いる従来プロセスとの比較
　1.5 超臨界流体技術の産業利用の全体像
　1.6 高圧装置の構成と操作・安全上の要点

２．プロセス設計の基礎となる平衡・輸送物性
　2.1 なぜ物性から入る必要があるのか
　2.2 超臨界CO2の密度と溶媒力 ―温度・圧力の効き方
　2.3 溶質の溶解度 ―測定の考え方と推算の方法
　2.4 ナノ細孔空間における吸着平衡 ―測定の考え方と熱力学的モデリング
　2.5 助溶媒（エントレーナー）の役割と使いどころ

３．多孔質材料の創製
　3.1 多孔質材料の種類と細孔特性、その評価方法
　3.2 従来の作製プロセスとその課題
　3.3 超臨界CO2を用いた多孔質材料の創製プロセス
　3.4 細孔構造の制御と、操作条件の考え方
　3.5 表面修飾による細孔表面の設計

４．含浸プロセスの開発
　4.1 含浸のメカニズム：溶解 → 細孔内拡散 → 吸着 → 減圧・固定化
　4.2 何が担持量を決めるのか ―溶解度と吸着平衡の役割
　4.3 温度・圧力・時間・助溶媒の選び方
　4.4 担体の選択が担持性能に及ぼす影響
　4.5 従来法（液相法など）との比較
　4.6 担持状態の評価方法

５．吸脱着分離プロセスの開発
　5.1 超臨界CO2雰囲気下における吸着・脱着の特徴
　5.2 吸着平衡の測定とモデリング ―設計データのつくり方
　5.3 多成分系・広い温度圧力範囲への展開
　5.4 吸着材の選択と使い分け
　5.5 従来の再生法との比較

６．応用展望
　6.1 触媒・機能性材料分野への展開
　6.2 医薬・DDS分野への展開
　6.3 環境・排ガス処理分野への展開
　6.4 CO2の分離回収・有効利用（CCUS）への展開
　6.5 コスト・安全性を含めた実用化に向けた課題
　6.6 まとめ

　　□質疑応答□

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