JP2014237127A - カーボンナノチューブ複合膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分離のための複合膜は、入り混じったカーボンナノチューブの不織アレイを有する織布、及び非多孔質透過性複合体を形成するように織布に一体化したドーパントを含む。複合膜は、複合膜をハウジングチャンバ中に取り付け、非多孔質透過性複合膜を横切って標的気体のための駆動力を確立するようにチャンバの透過物側を調整することにより、標的気体を液体から分離するために使用され得る。
【選択図】図1
Description
式中、δP0=上側コンパートメント16と下側コンパートメント18との初期圧力差異(cm Hg)
V=下側コンパートメント18の体積(cm3)
l=膜20の厚さ(cm)
A=膜20の面積(cm2)
T=絶対温度(K)
R=一般気体定数
=疑似定常状態での下側コンパートメント18における圧力増大の速度(cm Hg/秒)。
表4からのケース1の複合膜を、アルミニウムフレームで引っ張りながら、カーボンナノチューブ織布をポリマー溶液中に72時間ディップコーティングすることにより調製された。72時間沈めた後、複合材料を溶液から引き出し、複合体の乾燥を予防するためにFC−770溶媒によって飽和した雰囲気中に保持し、過剰な溶液は、濡れた複合体の表面から流れ出るままにしておいた。次いで複合体は、シワを除去するのに十分な張力の下で、周囲条件下で乾燥するようにした。
式中、Pcomposite=複合体の透過性
Ppoly=純粋なポリマーフィルムの透過性
φf=充填剤の体積分率
表4のケース2において記述された複合膜は、カーボンナノチューブ基布を溶液中に72時間浸漬することにより調製した。浸漬後、複合体は、ポリマー溶液の存在下のままで加圧し、続いて、ガラス表面上に置いた。過剰なポリマー溶液は、ゴム雑巾を用いて複合体から除去し、一方で、複合体表面を圧縮して、ガラスに接した複合体の真下のポリマー溶液が最小化されること、及び、ガラス表面と複合膜との間に回復された気泡を除去することを確実にした。次いで複合膜を周囲温度において乾燥し、続いて、60℃において4時間オーブンで乾燥した。
表4のケース3に従った複合膜は、例2の手順を用いて調製された。複合膜の引張強度は、表3の溶液5からキャスティングされた膜に比較した:
表4のケース4に従った複合膜を、例2に記載された手順を用いて調製し、表3、タイプ5の溶液のポリマーキャスティングされたフィルムと比較した。複合膜の透過試験は、利用されたポリマーの極めて低い透過性のため、低い選択性を示した。
表4のケース5に従った複合膜を、例2に記載された手順を用いて調製した。複合膜は、乾いた状態と水飽和した状態の両方において強度について試験し、純なポリマーのフィルムと比較した。
例5の複合膜のイオン伝導性を更に増強するために、表1、ケース4のカーボンナノチューブ織布を、100mL試薬グレードH2SO4を有する密閉フラスコ中で化学的に改質し、カバーしたままで硫酸の沸点に加熱した。次いで温度を約275℃に低下し、カーボンナノチューブ織布は、硫酸中で4時間反応させた。次いで混合物は、室温まで冷却そ、その後、室温に72時間維持した。改質されたカーボンナノチューブ織布を硫酸から除去し、洗浄水がpH>5を示すまで脱イオン水ですすぎ洗いした。
本発明の複合膜の例示的用途は、気体/気体、気体/液体、及び/又は液体/液体分離におけるものである。一実施形態において、標的気体を液体から分離するためのシステム110は、チャンバ114を画定しているハウジング112、並びにチャンバ114を透過物側118及び保持物側120に隔てている複合膜116を備える。ハウジング112は、チャンバ114の保持物側120へ開口する入口122及び出口124を備える。ハウジング112は、チャンバ114の透過物側118へ開口するガスポート126を更に備えることができる。システム110は、ガスポート126を介してチャンバ114の透過物側118を空にするためのポンプ128を備えることができ、ポンプ128は、例えばパイプ130を介してガスポート126に流体接続されている。
12 セル
14 チャンバ
16 上側コンパートメント
18 下側コンパートメント
20 膜
22 クランプ
110 システム
112 ハウジング
114 チャンバ
116 複合膜
118 透過物側
120 保持物側
122 入口
124 出口
126 ガスポート
128 ポンプ
130 パイプ
132 パイプ
212 ハウジング
216 複合膜
214 チャンバ
218 第1の側
220 第2の側
230 第1の電極
232 第2の電極
240 電気エネルギー源
Claims (18)
- 入り混じったカーボンナノチューブの不織アレイを含む織布(fabric)と、
少なくとも0.1GPUの標的気体透過能(target gas permeance)を有する非多孔質透過性複合体を形成する程度まで該織布と一体化される(incorporated)ポリマーマトリックスと
を含む、複合膜。 - 前記織布が、少なくとも50MPaの引張強度を有する、請求項1に記載の複合膜。
- 前記ナノチューブがランダム配向されており、それぞれが12nmから15nmまでの直径、及び1mmから5mmまでの長さを有する、請求項1に記載の複合膜。
- 前記ナノチューブが、化学蒸着により形成される、請求項1に記載の複合膜。
- 前記ポリマーマトリックスが、非晶質フルオロカーボンを含む、請求項1に記載の複合膜。
- 標的気体を液体から分離するためのシステムであって、チャンバを画定しているハウジングと、該チャンバを透過物側及び保持物側に隔てている複合膜とを備え、該ハウジングが、該チャンバの該保持物側へ開口する入口及び出口、並びに該チャンバの該透過物側へ開口するガスポートを有し、該複合膜が、該標的気体を該液体から分離することができ、入り混じったカーボンナノチューブの不織アレイを含む織布を備える、システム。
- 前記複合膜が、前記織布と非多孔質透過性複合体を形成する程度まで前記織布と一体化されたポリマーを含み、前記複合体が、前記標的気体に対して少なくとも 0.1GPUの気体透過能(permeance)を示す、請求項6に記載のシステム。
- 前記ガスポートを介して前記チャンバの前記透過物側を空にするためのポンプを備える、請求項6に記載のシステム。
- 前記ポリマーが、非晶質フルオロカーボンを含む、請求項6に記載のシステム。
- 標的気体を液体から分離するための方法であって、
(a)チャンバを画定しているハウジング、並びに該チャンバを透過物側及び保持物側に隔てている複合膜を提供するステップであって、該ハウジングは、該チャンバの該保持物側へ開口する入口及び出口を有し、該複合膜は、入り混じったカーボンナノチューブの不織アレイを含む織布及び該織布と非多孔質透過性複合体を形成するように該織布と一体化されたドーパントを含み、該複合体が、該標的気体への少なくとも0.1CPUの機体透過能(permeance)を示す、ステップと、
(b)該標的気体を含有する液状流体を、該入口を介して該チャンバの該保持物側に送達するステップと、
(c)該保持物側における該液状流体中の該標的気体の第2の分圧より小さい該標的気体の第1の分圧とするために、該チャンバの該透過物側を調整するステップと
を含む、方法。 - 分離された標的気体を前記チャンバの前記透過物側から前記ガスポートを介して除去するステップを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記チャンバの前記透過物側を空にするステップを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記チャンバの前記透過物側を空にするために、前記ガスポートに真空ポンプを接続するステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 第1の流体と第2の流体との間のバリアを横切ってイオン性種を輸送するための方法であって、
(a)チャンバを画定しているハウジング、並びに該バリアを画定し、且つ該チャンバを第1の側及び第2の側に隔てている複合膜を提供するステップであり、該複合フィルムが、入り混じったカーボンナノチューブの不織アレイを含む織布、及び非多孔質透過性複合体を形成するように該織布に一体化されたドーパントを含む、ステップと、
(b)該第1の流体を該チャンバの該第1の側に送達し、該第2の流体を該第2の側に送達するステッと、
(c)該バリアを横切って該イオン性種を移動させるための駆動力を該チャンバに適用するステップと
を含む、方法。 - 前記ポリマーは、スルホン化テトラフルオロエチレンを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記複合膜は、前記バリアを横切るカチオンの輸送を可能にし、実質的にアニオン及び電子を排除する、請求項14に記載の方法。
- 前記ドーパントは、前記織布内の隙間に注入される、請求項14に記載の方法。
- 前記駆動力が、適用された電流である、請求項14に記載の方法。
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