多孔質炭素繊維：透過性、吸着性、導電性

東レの新しい多孔質炭素繊維（左上、中空の中央シャフトを示す）は、繊維全体（右上）全体に制御可能なナノまたはマイクロスケールの細孔構造を備えています。その多孔質構造は、材料をガス分離膜の支持構造として有用である可能性がある効果的な濾過媒体にするのに役立ちます。炭素はまた、よく知られた吸着特性（化学的および物理的ろ過）を持ち、効果的な熱および電気伝導体であるため、多孔質炭素繊維は、化学処理で使用される高度なバッテリーシステムや触媒担体にも使用できます。ソース|東レ株式会社

2019年11月中旬、東レ株式会社（東京、日本）は、連続的なナノおよび/またはマイクロスケールの細孔構造を備えた世界初の多孔質炭素繊維を開発したと発表しました。これは、今後5年以内に商品化することを望んでいます。 。具体的には、この製品の潜在的な用途の1つは、二酸化炭素（CO ₂ ）を分離するためにさまざまな業界で採用されているガス分離技術での使用です。 ）、バイオガス、水素、その他のガス。

東レは、従来のアプローチ ガス分離は、それ自体が大量のエネルギーを使用し、大量のCO ₂ を生成する大規模施設で発生します。 排出量。ガス分離へのより新しく、より環境的に持続可能なアプローチは、大幅に少ないエネルギーを使用するガスろ過のためのナノポーラス膜を採用しています。しかし、東レは有望であるにもかかわらず、これまでこの方法は大規模で長期的な使用に必要な効率と耐久性に欠けていたと述べています。

同社によれば、東レの新しい多孔質炭素繊維製品は、現在のガス分離膜の性能を向上させ、膜をより薄く、より軽く、よりコンパクトに、より優れたものにすることで、この問題の解決に役立つ可能性があります。熱、圧力、化学薬品に耐えることができます。

多孔質ろ過材

ナノおよびミクロポーラスろ過媒体は新しいものではありません。一握りのポリマー（ほとんどが熱可塑性）は、ナノポーラスフラットメンブレンとナノポーラスファイバーの両方を製造するために使用されます。典型的なアプリケーションには、高性能水フィルター（工業用および飲料水用）が含まれます。飲料および食品のろ過（色、臭い、または味を改善するため）。医療用フィルター（血液分離（アフェレーシス）および血液ろ過（透析）用）;工業用ガスの分離（化学および石油化学、電力、鉱業、製鋼、医療、肥料生産、環境保護、電子機器、航空宇宙を含む幅広い産業およびプロセス向け）

高性能ろ過用途に使用される最も一般的なポリマーには、ポリエーテルスルホン（PES）、ポリスルホン（PSU）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、酢酸セルロース（CA）などがあります。高温または低温、攻撃的な化学物質、または高レベルの固形物を使用するアプリケーションなど、最も要求の厳しいろ過条件では、セラミック（酸化アルミニウムなど）および金属（二酸化チタンやステンレス鋼など）も使用されます。

アプリケーションのニーズに応じて、ろ過媒体は、精密ろ過の場合は0.1マイクロメートル、限外ろ過の場合は0.01マイクロメートル、ナノろ過の場合は0.001マイクロメートル、逆浸透の場合は0.0001マイクロメートルのオーダーの細孔サイズで、いくつかの異なる多孔度レベルで製造できます。

高性能ろ過媒体の場合、重要な技術要件には次のものが含まれます。分離される材料だけでなく、膜の洗浄に使用される一般的な消毒剤である次亜塩素酸ナトリウムに対する、優れた幅広い耐薬品性。多くのフィルターが高圧を加えて固体、液体、気体を強制的に分離するため、優れた機械的強度。透過性、ろ過機能を提供します。ファウリングが少ないため、膜を清潔に保ち、効率的で機能的な長期的な操作を実現できます。

多孔質炭素繊維

炭素繊維をナノポーラス濾過媒体として使用できることは、多くの点で魅力的です。第一に、活性炭（吸着および/または化学反応に利用できる表面積を増やすために使用される少量の小さな穴のある炭素の形態）は、さまざまな低性能のろ過システムの1つのコンポーネントとして長い間使用されてきました。原子状炭素の空軌道の十分な供給と、活性炭の表面積の増加により、この材料は、さまざまな活性物質をトラップして結合（吸着）するための効果的な媒体になります。残念ながら、活性炭は本質的に固体であるため、その浸透機能はほとんど基板の表面に限定され、そのろ過機能は主に物理的（化学的ではない）であり、効果的に分離できる物質の種類とサイズを制限します。

東レの多孔質炭素繊維、またはそのような繊維を粉砕して生成された粉末の場合、細孔は構造全体で連続しています。つまり、材料から作られた製品は、物理的および化学的にろ過できる必要があります。原子状炭素の吸着特性を活用することにより、ナノポーラス炭素繊維は、高性能電池の電極材料や触媒担体に役立つ可能性があります。さらに、すべての固体形態の炭素は、優れた熱伝導体であると同時に優れた電気伝導体でもあります。これは、特定のアプリケーションで役立つ可能性のある機能です。

東レは、細孔径（マイクロレベルからナノレベル）と断面細孔形状の両方が、「中実」多孔質繊維または中空多孔質繊維（中央シャフトが繊維）。これまでのところ、東レは「大きな」細孔と「小さな」細孔を作成することができました（実際の細孔サイズの詳細は提供されていませんが）。炭素繊維はすでに炭化および黒鉛化されているため、化学的に安定しており、非常に剛性が高く、強力です。この特性は、より強力でコンパクトなガス分離膜の製造にも利用できます。

伝えられるところによると、同社は新製品を開発するために、ポリマー、炭素繊維、分離膜/水ろ過技術という3つの内部専門分野を利用しました。

2019年12月11日、東レはリボンカットセレモニーを開催し、新しいR＆Dイノベーションセンターフォーザフューチャーを開設しました。同社が1926年に操業を開始した日本の大津にある同社の滋賀工場の敷地内にある2棟の施設は、学術機関や業界と連携することにより、多孔質炭素繊維を含む多くの戦略的イニシアチブのグローバル本社として機能します。さまざまな分野のパートナー。 Torayは、同社がすでにいくつかのパートナーと協力して、各組織の専門知識をより有効に活用し、電気自動車に電力を供給する燃料電池の天然ガスとバイオガスの精製および水素製造のための経済的で環境に優しい方法をサポートする高度なガス分離膜の商業化を推進していると報告していますと建物。そのチームは、熱、化学物質、および圧力に対してより耐性のある新しいタイプのガス分離膜のコンセプトを開発したと述べています。ガス分離層の支持層とパートナー技術として東レの多孔質炭素繊維を組み合わせることで、提案された4層システムは、天然ガス（層A）、バイオガス（層B）、水素（層C）を分離および精製できる必要があります。 ）およびプロピレン（層D）。

同社はまた、炭素リサイクルを促進し、水素エネルギー生産を活用し、業界の環境フットプリントを縮小するために、この新しい材料の研究を続けていると報告しています。これは、環境、資源管理、エネルギー問題への貢献を通じて、2050年までに低炭素経済の実現を支援する東レのグループ持続可能性ビジョンの1つの部門です。