JP6679117B2 - Nanocarbon separation membrane, nanocarbon composite separation membrane, and method for producing nanocarbon separation membrane - Google Patents

Nanocarbon separation membrane, nanocarbon composite separation membrane, and method for producing nanocarbon separation membrane Download PDF

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Description

本発明は、ナノカーボン分離膜、ナノカーボン複合分離膜及びナノカーボン分離膜の製造方法に関する。
本願は、2016年10月26日に、日本に出願された特願2016−209841号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a nanocarbon separation membrane, a nanocarbon composite separation membrane, and a method for manufacturing a nanocarbon separation membrane.
The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-209841 filed in Japan on October 26, 2016, and the content thereof is incorporated herein.

水処理に用いられる分離膜(水処理膜)には、UF膜(Ultrafiltration Membrane:限外ろ過膜)、NF膜(Nanofiltration Membrane:ナノろ過膜)、RO膜(ReverseOsmosis Membrane:逆浸透膜)、及びFO膜(Forward Osmosis Membrane:正浸透膜)などがある。また分離膜は水処理に限られず、ガスの分離等にも広く用いられている。   The separation membrane (water treatment membrane) used for water treatment includes a UF membrane (Ultrafiltration Membrane: ultrafiltration membrane), an NF membrane (Nanofiltration Membrane: nanofiltration membrane), an RO membrane (ReverseOsmosis Membrane: reverse osmosis membrane), and FO membrane (Forward Osmosis Membrane: forward osmosis membrane) and the like. The separation membrane is not limited to water treatment but is widely used for gas separation and the like.

近年、耐薬品性、耐熱性、及び耐久性等のロバスト性(robustness)を高めるために、分離膜にナノカーボン材料を用いる検討が進められている。   In recent years, in order to improve robustness such as chemical resistance, heat resistance, and durability, the use of nanocarbon materials for separation membranes has been studied.

例えば、非特許文献1には、酸化グラフェン片が分散した分散液を減圧濾過して作製した分離膜が記載されている。また例えば、非特許文献2には、酸化グラフェン片を1,3,5−ベンゼントリカルボニルトリクロライド(TMC)で架橋した分離膜が記載されている。また例えば、非特許文献3には、酸化グラフェン片とマルチウォールカーボンナノチューブ(以下、MWCNTという)とが分散した分散液を多孔質基材上で減圧濾過し、NF膜を作製する方法が記載されている。
なお酸化グラフェン片の製造方法としては、グラファイトを原料とした方法が知られている(例えば、特許文献1や非特許文献4に記載の方法参照)。
For example, Non-Patent Document 1 describes a separation membrane produced by vacuum filtration of a dispersion liquid in which graphene oxide pieces are dispersed. In addition, for example, Non-Patent Document 2 describes a separation membrane in which graphene oxide pieces are crosslinked with 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride (TMC). Further, for example, Non-Patent Document 3 describes a method of producing an NF film by vacuum-filtering a dispersion liquid in which graphene oxide pieces and multi-wall carbon nanotubes (hereinafter referred to as MWCNT) are dispersed on a porous substrate. ing.
As a method for producing graphene oxide pieces, a method using graphite as a raw material is known (see, for example, the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 4).

特開2014−201492号公報JP, 2014-201492, A 特開2013−18673号公報JP, 2013-18673, A 特開2005−343726号公報JP, 2005-343726, A

Renlong Liu, et al. Carbon,77,(2014)933-938.Renlong Liu, et al. Carbon, 77, (2014) 933-938. Meng Hu and Baoxia Mi. Environ.Sci.Technol,2013,47,3715-3723.Meng Hu and Baoxia Mi. Environ.Sci.Technol, 2013,47,3715-3723. Yi Han, Yanqiu Jiang, and Chao Gao. ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,8147-8155.Yi Han, Yanqiu Jiang, and Chao Gao. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015,7,8147-8155. Marcano, D. C. et al. Improved synthesis of graphene oxide.ACS Nano 4, (2010) 4806-4814.Marcano, D. C. et al. Improved synthesis of graphene oxide.ACS Nano 4, (2010) 4806-4814.

しかしながら、いずれの分離膜もその特性が充分とは言えなかった。分離膜に求められる性能や特性の一つとして、透水性能と、分離対象物の分離性能がある。これらは、いずれか一方を高めようとすると、他方が低下する相関関係を有し、透水性能と分離対象物の分離性能の両方を充分満たす分離膜は得られていなかった。   However, none of the separation membranes has sufficient characteristics. One of the performances and characteristics required of the separation membrane is the water permeability and the separation performance of the separation target. These have a correlation that when one of them is increased, the other decreases, and a separation membrane sufficiently satisfying both the water permeation performance and the separation performance of the separation target has not been obtained.

また非特許文献1及び非特許文献3に記載の分離膜は、酸化グラフェン片が使用途中に剥離するという問題も有する。酸化グラフェン片は、水等に分散しやすいためである。一方、非特許文献2に記載の分離膜は、酸化グラフェン片同士が架橋されている。そのため、酸化グラフェン片同士が剥離することは生じにくい。しかしながら、有機分子により架橋しているため、分離膜のロバスト性を充分高めることができない。   Further, the separation films described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 3 also have a problem that graphene oxide pieces are separated during use. This is because the graphene oxide pieces are easily dispersed in water or the like. On the other hand, in the separation membrane described in Non-Patent Document 2, graphene oxide pieces are cross-linked. Therefore, the graphene oxide pieces are unlikely to be separated from each other. However, since it is crosslinked by organic molecules, the robustness of the separation membrane cannot be sufficiently enhanced.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、透水性と分離性能とが共に優れたナノカーボン分離膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a nanocarbon separation membrane having both excellent water permeability and excellent separation performance.

本発明者らは、二価のカチオンにより複数の酸化グラフェン片を架橋し、その層間にダブルウォールカーボンナノチューブが挿入されていることで、分離性能に優れたナノカーボン分離膜が得られることを見出した。すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。   The present inventors have found that by cross-linking a plurality of graphene oxide pieces with a divalent cation and inserting a double-wall carbon nanotube between the layers, a nanocarbon separation membrane having excellent separation performance can be obtained. It was That is, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.

本発明の第一の態様は、以下の(1)に述べるナノカーボン分離膜である。
(1)本発明の第一の態様のナノカーボン分離膜は、厚み方向からみて互いに重なり合うように存在し、二価のカチオンによって互いに架橋された複数の酸化グラフェン片と、前記複数の酸化グラフェン片の層間に挿入されたダブルウォールカーボンナノチューブと、を備え、酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対する酸化グラフェン片の質量比が0質量%より大きく70質量%以下であり、ダブルウォールカーボンナノチューブの質量比が30質量%以上100質量%未満である。
A first aspect of the present invention is a nanocarbon separation membrane described in (1) below.
(1) The nanocarbon separation membrane of the first aspect of the present invention is present so as to overlap each other when viewed in the thickness direction, and a plurality of graphene oxide pieces that are crosslinked with each other by a divalent cation, and the plurality of graphene oxide pieces. A double wall carbon nanotube inserted between layers of the double wall carbon nanotube, wherein the mass ratio of the graphene oxide piece to the total mass of the graphene oxide piece and the double wall carbon nanotube is more than 0 mass% and 70 mass% or less. Is 30% by mass or more and less than 100% by mass.

(2)上記(1)に記載のナノカーボン分離膜において、酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブとの合計質量に対する酸化グラフェン片の質量比が30質量%以上70質量%以下であり、ダブルウォールカーボンナノチューブの質量比が30質量%以上70質量%以下であってもよい。 (2) In the nanocarbon separation membrane according to (1) above, the mass ratio of the graphene oxide pieces to the total mass of the graphene oxide pieces and the double wall carbon nanotubes is 30% by mass or more and 70% by mass or less, and the double wall carbon The mass ratio of the nanotubes may be 30% by mass or more and 70% by mass or less.

(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載のナノカーボン分離膜において、前記二価のカチオンが、カルシウムイオンであってもよい。 (3) In the nanocarbon separation membrane according to any one of (1) or (2) above, the divalent cation may be a calcium ion.

本発明の第二の態様は、(4)に述べる以下のナノカーボン複合分離膜である。
(4)本発明の第二の態様のナノカーボン複合分離膜は、上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載のナノカーボン分離膜と、前記ナノカーボン分離膜の一面側に配設され、前記ナノカーボン分離膜を支持する多孔質膜と、を有する。
The second aspect of the present invention is the following nanocarbon composite separation membrane described in (4).
(4) A nanocarbon composite separation membrane according to a second aspect of the present invention is provided with the nanocarbon separation membrane according to any one of (1) to (3) above and one surface side of the nanocarbon separation membrane. And a porous membrane supporting the nanocarbon separation membrane.

(5)上記(4)に記載のナノカーボン複合分離膜において、前記ナノカーボン分離膜と前記多孔質膜とが、接着されていてもよい。 (5) In the nanocarbon composite separation membrane according to (4) above, the nanocarbon separation membrane and the porous membrane may be adhered to each other.

(6)上記(5)に記載のナノカーボン複合分離膜において、前記ナノカーボン分離膜と前記多孔質膜とが、ポリビニルアルコール膜によって接着されていてもよい。 (6) In the nanocarbon composite separation membrane according to (5) above, the nanocarbon separation membrane and the porous membrane may be adhered by a polyvinyl alcohol membrane.

本発明の第三の態様は、以下の(7)に述べるナノカーボン分離膜の製造方法である。
(7)本発明の第三の態様のナノカーボン分離膜の製造方法は、酸化グラフェン片と、ダブルウォールカーボンナノチューブと、が分散した分散液を塗付、乾燥し、カーボン膜を形成する工程と、前記カーボン膜を二価のカチオンが溶解した溶液に浸漬する工程と、を有する。
A third aspect of the present invention is a method for producing a nanocarbon separation membrane described in (7) below.
(7) The method for producing a nanocarbon separation membrane according to the third aspect of the present invention comprises a step of applying a dispersion liquid in which graphene oxide pieces and double-wall carbon nanotubes are dispersed, and drying to form a carbon membrane. And a step of immersing the carbon film in a solution in which a divalent cation is dissolved.

本発明の第一の態様に係るナノカーボン分離膜は、分離性能に優れる。   The nanocarbon separation membrane according to the first aspect of the present invention has excellent separation performance.

本発明の第一の態様に係るナノカーボン複合分離膜の好ましい例を示す斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram which shows the preferable example of the nanocarbon composite separation membrane which concerns on the 1st aspect of this invention. 本発明の第一の態様に係るナノカーボン複合分離膜の好ましい例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the preferable example of the nanocarbon composite separation membrane which concerns on the 1st aspect of this invention. 酸化グラフェン片単体の走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。It is a scanning electron microscope (SEM) image of a graphene oxide piece simple substance. 酸化グラフェン片単体の透過型電子顕微鏡(TEM)画像である。It is a transmission electron microscope (TEM) image of a graphene oxide piece simple substance. ナノカーボン分離膜の透過型電子顕微鏡(TEM)画像である。It is a transmission electron microscope (TEM) image of a nanocarbon separation membrane. ナノカーボン分離膜の透過型電子顕微鏡(TEM)画像である。It is a transmission electron microscope (TEM) image of a nanocarbon separation membrane. 本実施形態にかかるナノカーボン複合分離膜の製造方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the manufacturing method of the nanocarbon composite separation membrane concerning this embodiment. 参考比較例2、2−1,2−2のFTIR測定の結果を示す。The results of FTIR measurement of Reference Comparative Examples 2, 2-1 and 2-2 are shown. 参考比較例2、2−1,2−2のラマン分光測定の結果を示す。The results of Raman spectroscopy measurement of Reference Comparative Examples 2, 2-1 and 2-2 are shown. 参考比較例2−1のXPS測定により求められたC1sスペクトルの分析結果を示す。The analysis result of the C1s spectrum obtained by the XPS measurement of Reference Comparative Example 2-1 is shown. 参考比較例2−2のXPS測定により求められたC1sスペクトルの分析結果を示す。The analysis result of the C1s spectrum obtained by the XPS measurement of Reference Comparative Example 2-2 is shown. 参考比較例2のXPS測定により求められたC1sスペクトルの分析結果を示す。The analysis result of the C1s spectrum obtained by the XPS measurement of Reference Comparative Example 2 is shown. 参考比較例2のXPS測定により求められたCl2pスペクトルの分析結果を示す。The analysis result of the Cl2p spectrum obtained by the XPS measurement of Reference Comparative Example 2 is shown. 参考比較例2のXPS測定により求められたCa2pスペクトルの分析結果を示す。The analysis result of the Ca2p spectrum obtained by the XPS measurement of Reference Comparative Example 2 is shown. 実施例4の処理後のカーボンナノ複合分離膜の表面の写真である。5 is a photograph of the surface of the carbon nanocomposite separation membrane after the treatment of Example 4. 実施例1の処理後のカーボンナノ複合分離膜の表面の写真である。3 is a photograph of the surface of the carbon nanocomposite separation membrane after the treatment of Example 1. ポリビニルアルコール膜の加熱前及び加熱後にFTIR測定を行った結果を示す。The results of FTIR measurement before and after heating the polyvinyl alcohol film are shown.

以下に本願発明の好ましい例や好ましい実施形態について説明する。なお本発明はこれら例や実施形態のみに限定されるものではない。本発明の範囲内において、必要に応じて好ましく変更及び/又は追加することも可能である。特に制限の無い限り、数、量、材料、形状、位置、種類などを必要に応じて変更、追加、省略してもよい。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、部分や構成を拡大や縮小や変形や省略をして示している場合がある。
<ナノカーボン複合分離膜>
図1は、本発明の第一の態様に係るナノカーボン複合分離膜の斜視模式図である。図2は、本発明の第一の態様に係るナノカーボン複合分離膜の断面模式図である。図1では、理解を容易にするために、各構成要素を離して図示している。
Hereinafter, preferred examples and preferred embodiments of the present invention will be described. The present invention is not limited to these examples and embodiments. Within the scope of the present invention, preferable changes and / or additions can be made as necessary. Unless otherwise specified, the number, amount, material, shape, position, type, etc. may be changed, added, or omitted as necessary. It should be noted that in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, parts and configurations may be enlarged, reduced, deformed, or omitted for convenience.
<Nanocarbon composite separation membrane>
FIG. 1 is a schematic perspective view of a nanocarbon composite separation membrane according to the first aspect of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the nanocarbon composite separation membrane according to the first aspect of the present invention. In FIG. 1, each component is illustrated separately for easy understanding.

図1及び図2に示すナノカーボン複合分離膜100は、ナノカーボン分離膜10と、接着層20と、多孔質膜30とを有する。ナノカーボン分離膜10は、高いろ過機能を有する機能膜である。多孔質膜30はナノカーボン分離膜10を支持し、ナノカーボン複合分離膜100全体としての機械的強度を高める支持膜である。ナノカーボン複合分離膜100は、気相分離、液相分離のいずれにも用途に応じて用いることができる。以下、液相分離を中心に説明する。   The nanocarbon composite separation membrane 100 shown in FIGS. 1 and 2 has a nanocarbon separation membrane 10, an adhesive layer 20, and a porous membrane 30. The nanocarbon separation membrane 10 is a functional membrane having a high filtration function. The porous membrane 30 is a support membrane that supports the nanocarbon separation membrane 10 and enhances the mechanical strength of the nanocarbon composite separation membrane 100 as a whole. The nanocarbon composite separation membrane 100 can be used for both gas phase separation and liquid phase separation depending on the application. Hereinafter, the liquid phase separation will be mainly described.

(ナノカーボン分離膜)
ナノカーボン分離膜10は、酸化グラフェン(GO(Graphene oxideの略))片1と、ダブルウォールカーボンナノチューブ(以下、「DWCNT」という。(Double Wall Carbon Nanotubeの略))2と、を備える。DWCNT2は、2層構造のカーボンナノチューブである。DWCNTは少なくとも内径の異なる2つのカーボンナノチューブが重なった構造を有しても良い。酸化グラフェンが厚み方向からみて互いに重なり合うように存在するとは、厚み方向からみて互いに少なくとも一部が重なることを意味しても良い。
(Nanocarbon separation membrane)
The nanocarbon separation film 10 includes a graphene oxide (GO (abbreviation of graphene oxide)) piece 1 and a double wall carbon nanotube (hereinafter, referred to as “DWCNT” (abbreviation of Double Wall Carbon Nanotube)) 2. DWCNT2 is a double-walled carbon nanotube. The DWCNT may have a structure in which at least two carbon nanotubes having different inner diameters are overlapped. The presence of graphene oxide so as to overlap each other when viewed in the thickness direction may mean that at least some of the graphene oxide overlaps each other when viewed in the thickness direction.

図3は、酸化グラフェン片1の単体の状態にある走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。また図4は、酸化グラフェン片1の単体の状態にある透過型電子顕微鏡(TEM)画像である。   FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the graphene oxide piece 1 alone. Further, FIG. 4 is a transmission electron microscope (TEM) image of the graphene oxide piece 1 alone.

酸化グラフェン片1は、酸化グラフェンの一片である。酸化グラフェンは、グラフェンの単分子層にエポキシ基、カルボキシル基、カルボニル基、及び水酸基などから選択される酸素含有官能基が結合した材料である。酸化グラフェンは、還元するとグラファイトになる材料としても知られている。   The graphene oxide piece 1 is a piece of graphene oxide. Graphene oxide is a material in which an oxygen-containing functional group selected from an epoxy group, a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and the like is bonded to a monolayer of graphene. Graphene oxide is also known as a material that becomes graphite when reduced.

酸化グラフェン片1の厚みは、炭素原子一層分であり、1〜1.5nm程度である。酸化グラフェン片1の面内方向の大きさは、適宜設計することができる。 図3に示す酸化グラフェン片1の面内方向の平均径は、12μmである。   The thickness of the graphene oxide piece 1 is one carbon atom and is about 1 to 1.5 nm. The size of the graphene oxide piece 1 in the in-plane direction can be appropriately designed. The average diameter in the in-plane direction of the graphene oxide piece 1 shown in FIG. 3 is 12 μm.

ここで平均径は、以下のようにして求めた。まず、酸化グラフェン片1が分散した分散液をSi基板上に滴下し、乾燥する。次いで、Si基板をSEMで観察し、酸化グラフェン片1の外接楕円を描く。この際、酸化グラフェン片1は、凝集して外接楕円を描けないものは選択しない。そして、得られた外接楕円の長径を測定する。同様の作業を90個の酸化グラフェン片1に対して行い、平均値を算出することで平均径を求めた。   Here, the average diameter was determined as follows. First, the dispersion liquid in which the graphene oxide pieces 1 are dispersed is dropped on a Si substrate and dried. Next, the Si substrate is observed by SEM, and the circumscribed ellipse of the graphene oxide piece 1 is drawn. At this time, the graphene oxide pieces 1 are not selected so that the circumscribed ellipse cannot be drawn by aggregation. Then, the major axis of the obtained circumscribed ellipse is measured. The same operation was performed on 90 pieces of graphene oxide pieces 1 and the average value was calculated to obtain the average diameter.

酸化グラフェン片1は、一部に孔が開いている(図4の点線の領域参照)。言い換えると、酸化グラフェン片1の表面には1つ以上の穴(開口部)が設けられていて良い。この孔は、ナノカーボン分離膜10を通過する流体の流路として機能する。   A part of the graphene oxide piece 1 is open (see a dotted line area in FIG. 4). In other words, the surface of the graphene oxide piece 1 may be provided with one or more holes (openings). This hole functions as a flow path for the fluid that passes through the nanocarbon separation membrane 10.

酸化グラフェン片1に形成された孔の径及び孔の量は任意に選択でき、酸化グラフェン片1の酸化度を変えることで制御できる。酸化グラフェン片1に形成された孔の平均径は、0.5nm以上5nm以下であることが好ましく、1nm以上3nm以下であることがより好ましい。
孔の面積は、酸化グラフェン(GO)の面積の中の0.5%以上5%以下であることが好ましい。
The diameter and the amount of holes formed in the graphene oxide piece 1 can be arbitrarily selected and can be controlled by changing the degree of oxidation of the graphene oxide piece 1. The average diameter of the holes formed in the graphene oxide piece 1 is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 3 nm or less.
The area of the holes is preferably 0.5% or more and 5% or less of the area of graphene oxide (GO).

図5は、本発明の好ましい例である、ナノカーボン分離膜の透過型電子顕微鏡(TEM)画像である。
図5に示すように、ナノカーボン分離膜中の、DWCNT2は長さが500nm以上であり、隣接するDWCNT2の間の距離は、最大で100nm程度である。
FIG. 5 is a transmission electron microscope (TEM) image of a nanocarbon separation membrane, which is a preferred example of the present invention.
As shown in FIG. 5, the DWCNT2 in the nanocarbon separation membrane has a length of 500 nm or more, and the distance between adjacent DWCNT2 is about 100 nm at the maximum.

図6は、ナノカーボン分離膜の透過型電子顕微鏡(TEM)画像であり、図5の一部を拡大した図である。   FIG. 6 is a transmission electron microscope (TEM) image of the nanocarbon separation membrane, and is an enlarged view of a part of FIG. 5.

図6に示すように、TEM画像では、酸化グラフェン片1の孔(図6の点線の領域参照)の見え方に違いがある。これは、紙面手前側の酸化グラフェン片1の孔と、紙面奥側の酸化グラフェン片1の孔と、のいずれを見ているかが、異なるためである。換言すると、酸化グラフェン片1が厚み方向から見て、互いに重なるように存在していることをこの画像は示している。なお、互いに重なるように存在するとは、酸化グラフェン片の少なくとも一部が重なりあっていることを意味する。   As shown in FIG. 6, in the TEM image, there is a difference in how the holes (see the dotted line area in FIG. 6) of the graphene oxide piece 1 are viewed. This is because it is different whether the hole of the graphene oxide piece 1 on the front side of the paper surface or the hole of the graphene oxide piece 1 on the back side of the paper surface is viewed. In other words, this image shows that the graphene oxide pieces 1 are present so as to overlap each other when viewed in the thickness direction. Note that “existing so as to overlap with each other” means that at least some of the graphene oxide pieces overlap with each other.

また図6では、DWCNT2の一部が、孔(図6の点線の領域参照)を介して確認でき、その他の部分は、酸化グラフェン片1を構成する炭素原子を介して確認できる。すなわち、DWCNT2は、酸化グラフェン片1より、紙面奥に存在している。また孔の部分に着目すると、孔の内部にも炭素原子のドットが確認される部分がある。すなわち、DWCNT2より紙面奥側に酸化グラフェン片1は存在している。つまり、DWCNT2は、厚み方向から見て互いに重なるように存在する酸化グラフェン片1の間に挟まれている。   Further, in FIG. 6, a part of the DWCNT 2 can be confirmed through the hole (see a dotted region in FIG. 6), and the other part can be confirmed through the carbon atoms forming the graphene oxide piece 1. That is, the DWCNT 2 is located deeper in the drawing than the graphene oxide piece 1. Focusing on the hole portion, carbon atom dots are also confirmed inside the hole. That is, the graphene oxide piece 1 exists on the back side of the paper with respect to the DWCNT 2. That is, the DWCNT 2 is sandwiched between the graphene oxide pieces 1 that are present so as to overlap each other when viewed from the thickness direction.

DWCNT2は、直径が数nm〜数十nm程度であり、酸化グラフェン片1の厚みより厚い。そのため、複数の酸化グラフェン片1の間に少なくとも一つのDWCNT2が挟まれると、積層される酸化グラフェン片1の間隔が広がる。なおDWCNT2の直径、DWCNT2の最も内側の内径、及びDWCNT2の長さは任意に選択してよい。   The DWCNT 2 has a diameter of about several nm to several tens of nm and is thicker than the thickness of the graphene oxide piece 1. Therefore, when at least one DWCNT 2 is sandwiched between the plurality of graphene oxide pieces 1, the space between the stacked graphene oxide pieces 1 is increased. The diameter of DWCNT2, the innermost inner diameter of DWCNT2, and the length of DWCNT2 may be arbitrarily selected.

酸化グラフェン片1のみからなる場合の酸化グラフェン片の平均面間距離は7.7Åである。DWCNT2が挟まることで、平均面間距離は7.7Å以上となる。平均面間距離は、X線回折によって得られるピーク値から求められる。なお本発明のナノカーボン分離膜における酸化グラフェン片の平均面間距離は、条件等を変更することによって、任意に変更できる。   The average interplanar distance of the graphene oxide pieces in the case of only the graphene oxide pieces 1 is 7.7Å. When DWCNT2 is sandwiched, the average interplane distance is 7.7Å or more. The average surface distance is obtained from the peak value obtained by X-ray diffraction. The average interplanar distance of the graphene oxide pieces in the nanocarbon separation membrane of the present invention can be arbitrarily changed by changing the conditions and the like.

酸化グラフェン片1の平均面間距離が広がることで、ナノカーボン分離膜10を通過する流体の流路が広がる。すなわち、液相分離の場合は透水性が高まる。一方で、平均面間距離の広がりは、Å単位であり僅かである。そのため、分離対象物の分離特性が大きく劣化することが避けられる。   As the average interplanar distance of the graphene oxide piece 1 increases, the flow path of the fluid passing through the nanocarbon separation membrane 10 expands. That is, in the case of liquid phase separation, water permeability increases. On the other hand, the spread of the average face-to-face distance is Å unit, which is small. Therefore, it is possible to prevent the separation characteristic of the separation object from being greatly deteriorated.

酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対する酸化グラフェン片1の質量比は70質量%以下0質量%より大きい。また酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対するDWCNT2の質量比は30質量%以上100質量%未満である。酸化グラフェン片1とDWCNT2の比率がこの範囲内であると、透水性又は分離対象物の分離特性の一方の性能が著しく低下することを避けられる。   The mass ratio of the graphene oxide pieces 1 to the total mass of the graphene oxide pieces and the double-walled carbon nanotubes is 70% by mass or less and larger than 0% by mass. The mass ratio of DWCNT2 to the total mass of graphene oxide pieces and double-walled carbon nanotubes is 30% by mass or more and less than 100% by mass. When the ratio of the graphene oxide piece 1 to the DWCNT 2 is within this range, it is possible to prevent the performance of one of the water permeability and the separation property of the separation target from being significantly deteriorated.

また酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対する酸化グラフェン片1の質量比は、30質量%以上70質量%以下であることが好ましく、40質量%以上70質量%以下であることがより好ましく、50質量%以上70質量%以下であることがさらに好ましい。また酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対するDWCNT2の質量比は、30質量%以上70質量%以下であることが好ましく、30質量%以上60質量%以下であることがより好ましく、30質量%以上50質量%以下であることがさらに好ましい。なお、酸化グラフェン片1とDWCNT2の質量比の合計は100質量%となる。   Further, the mass ratio of the graphene oxide pieces 1 to the total mass of the graphene oxide pieces and the double-walled carbon nanotubes is preferably 30% by mass or more and 70% by mass or less, and more preferably 40% by mass or more and 70% by mass or less. It is more preferable that the content is 50% by mass or more and 70% by mass or less. The mass ratio of DWCNT2 to the total mass of graphene oxide pieces and double-walled carbon nanotubes is preferably 30 mass% or more and 70 mass% or less, more preferably 30 mass% or more and 60 mass% or less, and 30 mass% or less. % Or more and 50% by mass or less is more preferable. The total mass ratio of the graphene oxide piece 1 and the DWCNT 2 is 100% by mass.

また複数の酸化グラフェン片1同士は、二価のカチオンにより互いに架橋されている。酸化グラフェン片1は、エポキシ基、カルボキシル基、カルボニル基、及び水酸基などから選択される少なくとも1種の酸素含有官能基を有している。
二価のカチオンは、酸化グラフェン片1の酸素含有官能基の近傍に配位し、隣接する酸化グラフェン片1どうしを架橋する。複数の酸化グラフェン片1が架橋されると、ナノカーボン分離膜10が強固になる。
The plurality of graphene oxide pieces 1 are cross-linked with each other by divalent cations. The graphene oxide piece 1 has at least one oxygen-containing functional group selected from an epoxy group, a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and the like.
The divalent cation coordinates near the oxygen-containing functional group of the graphene oxide piece 1 and cross-links the adjacent graphene oxide pieces 1. When the plurality of graphene oxide pieces 1 are crosslinked, the nanocarbon separation membrane 10 becomes strong.

一般に酸化グラフェン片1は、水に対する分散性が高い。そのため、単純に酸化グラフェン片1を積層しただけでは、通水した際にナノカーボン分離膜10から酸化グラフェン片1が剥離することがある。特に、ナノカーボン分離膜10の膜面に対して平行な方向に通水するクロスフローの場合において、酸化グラフェン片1は剥離しやすくなる。   Generally, the graphene oxide piece 1 has high dispersibility in water. Therefore, if the graphene oxide pieces 1 are simply stacked, the graphene oxide pieces 1 may be separated from the nanocarbon separation film 10 when water is passed. In particular, in the case of a cross flow in which water flows in a direction parallel to the film surface of the nanocarbon separation film 10, the graphene oxide piece 1 is likely to peel off.

酸化グラフェン片1同士を架橋することで、酸化グラフェン片1の剥離を抑制できる。
また酸化グラフェン片1間に挟まれるDWCNT2も、層間から脱離し難くなる。
By separating the graphene oxide pieces 1 from each other, exfoliation of the graphene oxide pieces 1 can be suppressed.
Further, the DWCNT 2 sandwiched between the graphene oxide pieces 1 also becomes difficult to be detached from the layers.

二価のカチオンは、架橋に寄与できるものであれば、そのイオン種は問わない。入手の容易性等の観点からは、カルシウムイオン、及びマグネシウムイオンの少なくとも1種が好ましい。   The divalent cation may be any ionic species as long as it can contribute to crosslinking. From the viewpoint of easy availability, at least one of calcium ion and magnesium ion is preferable.

上述のように、本実施形態にかかるナノカーボン分離膜10は、DWCNT2によって酸化グラフェン片1の層間が適切に広げられている。そのため、本実施形態にかかるナノカーボン分離膜10は、分離膜として、透水性及び分離対象物の分離特性のいずれも優れる。   As described above, in the nanocarbon separation film 10 according to the present embodiment, the layers of the graphene oxide piece 1 are appropriately expanded by the DWCNT 2. Therefore, the nanocarbon separation membrane 10 according to the present embodiment is excellent as a separation membrane in both water permeability and separation characteristics of the object to be separated.

また酸化グラフェン片1同士は二価のカチオンにより架橋されている。このため、使用途中で酸化グラフェン片1の剥離が抑制されている。そのため、溶液をナノカーボン分離膜10に対してクロスフローで供給することができる。
なおナノカーボン分離膜の厚さは任意に選択してよい。
Further, the graphene oxide pieces 1 are cross-linked by the divalent cations. Therefore, peeling of the graphene oxide piece 1 is suppressed during use. Therefore, the solution can be supplied to the nanocarbon separation membrane 10 by cross flow.
The thickness of the nanocarbon separation membrane may be arbitrarily selected.

(多孔質膜)
多孔質膜30は、ナノカーボン分離膜10の一面側に配設される。多孔質膜30は、ナノカーボン分離膜10を支持し、ナノカーボン複合分離膜100全体としての機械的強度を高める。
(Porous membrane)
The porous membrane 30 is arranged on one surface side of the nanocarbon separation membrane 10. The porous membrane 30 supports the nanocarbon separation membrane 10 and enhances the mechanical strength of the nanocarbon composite separation membrane 100 as a whole.

多孔質膜30は、図1及び図2に示すように、内部に孔部31を有する。内部に孔部31を有することで、厚み方向に透水性を有する。なお、孔部31は、図に示すような厚み方向に延在する孔部である必要はない。実際には微小な孔が複数連結した連結孔であってもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the porous film 30 has a hole 31 inside. By having the hole portion 31 inside, water permeability is provided in the thickness direction. The hole 31 does not have to be a hole extending in the thickness direction as shown in the drawing. In practice, it may be a connecting hole in which a plurality of minute holes are connected.

多孔質膜30は、透水性と機械的強度を有すれば、公知の多孔質基材を選択し用いることができる。例えば、ポリイミド、ポリサルフォン、又はポリエーテルサルフォン等からなり連通孔を有する樹脂の膜や、ポーラスアルミナ等を、多孔質膜30として用いることができる。後述する接着層20を、熱や光等による架橋により形成する場合は、耐熱性の高いポリサルフォンの使用が特に好ましい。多孔質膜の厚さは任意に選択してよい。   As the porous membrane 30, a known porous substrate can be selected and used as long as it has water permeability and mechanical strength. For example, a resin film made of polyimide, polysulfone, polyether sulfone, or the like having communication holes, porous alumina, or the like can be used as the porous film 30. When the adhesive layer 20 described below is formed by cross-linking by heat, light or the like, it is particularly preferable to use polysulfone having high heat resistance. The thickness of the porous film may be arbitrarily selected.

(接着層)
接着層20は、ナノカーボン分離膜10と多孔質膜30とを接着する。接着層20は、透水性を大きく阻害せず、ナノカーボン分離膜10と多孔質膜30とを接着できるものを用いることができる。
(Adhesive layer)
The adhesive layer 20 adheres the nanocarbon separation membrane 10 and the porous membrane 30. As the adhesive layer 20, a material that does not significantly impair the water permeability and can adhere the nanocarbon separation membrane 10 and the porous membrane 30 can be used.

接着層の材料は任意に選択できる。例えば、ポリビニルアルコール等を用いることができる。未架橋のポリビニルアルコールをナノカーボン分離膜10と多孔質膜30との間に設け、ポリビニルアルコールを架橋させることで、これらを接着できる。   The material of the adhesive layer can be arbitrarily selected. For example, polyvinyl alcohol or the like can be used. By providing uncrosslinked polyvinyl alcohol between the nanocarbon separation membrane 10 and the porous membrane 30 and crosslinking the polyvinyl alcohol, these can be bonded.

ナノカーボン複合分離膜100の面内方向に対して、垂直な方向から通液するデッドエンドフローを行う場合は、ナノカーボン分離膜10が多孔質膜30から剥離することはほとんどない。これに対し、ナノカーボン複合分離膜100の面内方向に対して、平行な方向から通液するクロスフローを行う場合は、ナノカーボン分離膜10が多孔質膜30から剥離しやすくなる。そのため、ナノカーボン複合分離膜100に対してクロスフローで通液する場合は、特に接着層20を設けることが好ましい。接着層の厚さは任意に選択してよい。   When the dead end flow in which the liquid is passed from the direction perpendicular to the in-plane direction of the nanocarbon composite separation membrane 100 is performed, the nanocarbon separation membrane 10 is hardly separated from the porous membrane 30. On the other hand, when crossflow is performed in which the liquid flows in a direction parallel to the in-plane direction of the nanocarbon composite separation membrane 100, the nanocarbon separation membrane 10 is easily separated from the porous membrane 30. Therefore, when the nanocarbon composite separation membrane 100 is cross-flowed, it is particularly preferable to provide the adhesive layer 20. The thickness of the adhesive layer may be arbitrarily selected.

上述のように、本実施形態にかかるナノカーボン複合分離膜100は、透水性及び分離対象物の分離特性の優れたナノカーボン分離膜10を備える。このため、分離特性に優れる。   As described above, the nanocarbon composite separation membrane 100 according to the present embodiment includes the nanocarbon separation membrane 10 having excellent water permeability and excellent separation characteristics of the separation target. Therefore, the separation characteristics are excellent.

またナノカーボン分離膜10の一面が多孔質膜30で支持されることにより、ナノカーボン複合分離膜100の機械強度を高めることができる。さらに、接着層20でナノカーボン分離膜10と多孔質膜30とを接着することで、使用途中においてナノカーボン分離膜10が剥離することが抑制される。   In addition, since one surface of the nanocarbon separation membrane 10 is supported by the porous membrane 30, the mechanical strength of the nanocarbon composite separation membrane 100 can be increased. Furthermore, by adhering the nanocarbon separation membrane 10 and the porous membrane 30 with the adhesive layer 20, it is possible to prevent the nanocarbon separation membrane 10 from peeling off during use.

<ナノカーボン複合分離膜>
図7は、本実施形態にかかるナノカーボン複合分離膜の製造方法を、模式的に示した図である。
<Nanocarbon composite separation membrane>
FIG. 7 is a diagram schematically showing the method for manufacturing the nanocarbon composite separation membrane according to the present embodiment.

図7の(a)〜(d)にこの順で示すように、本実施形態にかかるナノカーボン複合分離膜100は、多孔質膜30の一面に接着層20を形成する工程と、接着層20が形成された面にナノカーボン分離膜10を形成する工程とを有する。   As shown in this order in FIGS. 7A to 7D, in the nanocarbon composite separation membrane 100 according to the present embodiment, the step of forming the adhesive layer 20 on one surface of the porous membrane 30 and the adhesive layer 20. And a step of forming the nanocarbon separation film 10 on the surface on which is formed.

ナノカーボン分離膜10は、酸化グラフェン片1とDWCNT2とが分散した分散液を、多孔質膜30の接着層20が形成された面に塗付、乾燥し、カーボン膜を形成する工程と、カーボン膜を二価のカチオンが溶解した溶液に浸漬する工程と、によって形成される。
製造に使用される、前記酸化グラフェン片1の厚みは、任意に選択できるが、1〜1.5nm程度であることが好ましい。
製造に使用される、DWCNT2の平均直径(外径)は、任意に選択してよい。またDWCNT2の最も内側の内径も任意に選択してよい。DWCNT2の長さも任意に選択してよい。
分散液において、酸化グラフェン片1及びDWCNT2の合計質量に対する、酸化グラフェン片1の質量比は任意に選択できるが、例えば、30質量%以上70質量%以下であることが好ましく、40質量%以上70質量%以下であることがより好ましく、50質量%以上70質量%以下であることが特に好ましい。また酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対するDWCNT2の質量比は、任意に選択できるが、30質量%以上70質量%以下であることが好ましく、30質量%以上60質量%以下であることがより好ましく、30質量%以上50質量%以下であることが特に好ましい。
以下、図7を基に具体的に説明する。
The nanocarbon separation membrane 10 includes a step of applying a dispersion liquid in which the graphene oxide pieces 1 and the DWCNT 2 are dispersed onto the surface of the porous membrane 30 on which the adhesive layer 20 is formed, and drying the carbon membrane to form a carbon membrane. The membrane is dipped in a solution of divalent cations.
The thickness of the graphene oxide piece 1 used for manufacturing can be arbitrarily selected, but is preferably about 1 to 1.5 nm.
The average diameter (outer diameter) of DWCNT2 used for manufacturing may be arbitrarily selected. Further, the innermost inner diameter of DWCNT2 may be arbitrarily selected. The length of DWCNT2 may also be arbitrarily selected.
In the dispersion liquid, the mass ratio of the graphene oxide piece 1 to the total mass of the graphene oxide piece 1 and the DWCNT 2 can be arbitrarily selected, but for example, it is preferably 30% by mass or more and 70% by mass or less, and 40% by mass or more 70 It is more preferably at most 50% by mass, and particularly preferably at least 50% by mass and at most 70% by mass. The mass ratio of DWCNT2 to the total mass of the graphene oxide pieces and the double-wall carbon nanotubes can be arbitrarily selected, but is preferably 30% by mass or more and 70% by mass or less, and 30% by mass or more and 60% by mass or less. Is more preferable, and particularly preferably 30% by mass or more and 50% by mass or less.
Hereinafter, a specific description will be given based on FIG. 7.

まず図7の(a)に示すように、多孔質膜30を準備する。多孔質膜30は、上述のものから選択して用いられる。   First, as shown in FIG. 7A, a porous film 30 is prepared. The porous film 30 is used by selecting it from those mentioned above.

次いで、図7の(b)に示すように、多孔質膜30の一面に接着層20を形成する。接着層20は、塗布等の手段によって形成できる。例えばポリビニルアルコール水溶液に、多孔質膜30を浸漬し、又は前記水溶液を前記膜に塗布し、乾燥させることで、多孔質膜30の一面に接着層20を形成できる。   Next, as shown in FIG. 7B, the adhesive layer 20 is formed on one surface of the porous film 30. The adhesive layer 20 can be formed by means such as coating. For example, the adhesive layer 20 can be formed on one surface of the porous film 30 by immersing the porous film 30 in an aqueous solution of polyvinyl alcohol, or by applying the aqueous solution to the film and drying it.

次いで、図7の(c)に示すように、接着層20が形成された面に、酸化グラフェン片1とDWCNT2とが分散した分散液11を塗布する。塗布の方法は特に問わない。公知の方法の中から任意に選択して使用してもよい。例えば、ノズルからスプレーコートをすると、ノズル先端で分散液11にせん断力が加わり、酸化グラフェン片1及びDWCNT2の分散性が高まる。   Next, as shown in FIG. 7C, the dispersion liquid 11 in which the graphene oxide pieces 1 and the DWCNT 2 are dispersed is applied to the surface on which the adhesive layer 20 is formed. The method of application is not particularly limited. You may arbitrarily select and use it from a well-known method. For example, when spray coating is performed from the nozzle, shearing force is applied to the dispersion liquid 11 at the nozzle tip, and the dispersibility of the graphene oxide piece 1 and the DWCNT 2 is enhanced.

分散液11は、例えば、酸化グラフェン片1が分散した第1分散液と、DWCNT2が分散した第2分散液とを、混合して得られる。   The dispersion liquid 11 is obtained by, for example, mixing a first dispersion liquid in which the graphene oxide pieces 1 are dispersed and a second dispersion liquid in which DWCNT2 is dispersed.

第1分散液は、例えば、以下の手順で得られる。まず酸化グラフェン片1を準備する。酸化グラフェン片1は、グラファイトを原料として公知の方法(例えば、特許文献1や非特許文献4に記載の方法など)で得られる。酸化グラフェン片1は水への分散性が高い。このため、水に添加しただけで第1分散液が得られる。   The first dispersion liquid is obtained, for example, by the following procedure. First, the graphene oxide piece 1 is prepared. The graphene oxide piece 1 is obtained by a known method using graphite as a raw material (for example, the method described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 4). The graphene oxide piece 1 has high dispersibility in water. Therefore, the first dispersion liquid can be obtained simply by adding it to water.

次いで、第2分散液は、例えば、以下の手順で得られる。まずDWCNT2を作製する。DWCNT2は、一般的な合成法により作製できる。例えば、アーク放電法、レーザー・アブレーション法、およびCVD(化学気相成長法)等の方法がある。CVD法には、基板法と気相流動法がある。基板法は、厚さ数nmから数μmの金属層を蒸着した基板にカーボンナノチューブを合成する方法と、ゼオライトやセラミックなどの単体に遷移金属部粒子を担持させてカーボンナノチューブを合成する方法がある。気相流動法は、触媒微粒子と原料ガスとを反応管内の高温区域で反応させ、カーボンナノチューブを合成する方法である。触媒微粒子は、前駆体化合物を反応管に噴霧し、反応管入口で前駆体化合物を熱分解することにより得られる。触媒微粒子と原料ガスとは、キャリアガスによって反応管内に送り込まれる。具体的には、特許文献2や特許文献3などに記載の、DWCNTの製造方法が、例として挙げられる。   Then, the second dispersion liquid is obtained, for example, by the following procedure. First, DWCNT2 is manufactured. DWCNT2 can be produced by a general synthesis method. For example, there are methods such as arc discharge method, laser ablation method, and CVD (chemical vapor deposition method). The CVD method includes a substrate method and a vapor phase flow method. The substrate method includes a method of synthesizing carbon nanotubes on a substrate on which a metal layer having a thickness of several nm to several μm is deposited, and a method of synthesizing carbon nanotubes by supporting transition metal part particles on a simple substance such as zeolite or ceramic. . The vapor phase flow method is a method of synthesizing carbon nanotubes by reacting catalyst fine particles and a raw material gas in a high temperature area in a reaction tube. The catalyst fine particles are obtained by spraying the precursor compound on the reaction tube and thermally decomposing the precursor compound at the reaction tube inlet. The catalyst fine particles and the raw material gas are sent into the reaction tube by the carrier gas. Specifically, the DWCNT manufacturing method described in Patent Document 2 or Patent Document 3 can be given as an example.

こうして作製されたDWCNT2を、必要に応じて選択される水溶液中に添加して第2分散液を得る。水溶液は、例えば、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS)水溶液、ドデシル硫酸ナトリウム水溶液、及びデオキシコール酸ナトリウム水溶液等を用いることができる。
次に、第1分散液と第2分散液とを混合し、必要であれば希釈し、分散液11を得る。
The DWCNT2 thus prepared is added to an aqueous solution selected as necessary to obtain a second dispersion liquid. As the aqueous solution, for example, a sodium polystyrene sulfonate (PSS) aqueous solution, a sodium dodecyl sulfate aqueous solution, a sodium deoxycholate aqueous solution, or the like can be used.
Next, the first dispersion liquid and the second dispersion liquid are mixed and, if necessary, diluted to obtain a dispersion liquid 11.

塗布後の分散液11を、乾燥して、例えば自然乾燥して、カーボン膜が得られる。カーボン膜は、多孔質膜30と共に加熱することが好ましい。接着層が熱により架橋するものである場合、接着層としてポリビニルアルコールを用いた場合には、加熱により、接着層20のポリビニルアルコールが架橋し、カーボン膜と多孔質膜30の接着性が高まり、耐水性も発現する。また余計な水分等も除去できる。   The dispersion liquid 11 after coating is dried, for example, naturally dried to obtain a carbon film. The carbon film is preferably heated together with the porous film 30. When the adhesive layer is crosslinked by heat, when polyvinyl alcohol is used as the adhesive layer, the polyvinyl alcohol of the adhesive layer 20 is crosslinked by heating, and the adhesiveness between the carbon film and the porous film 30 is increased, It also exhibits water resistance. Also, excess water can be removed.

最後に、分散液11の塗布により形成されたカーボン膜を、二価のカチオンが溶解した溶液に浸漬する。例えば、二価のカチオンとしてカルシウムイオンを用いる場合は、塩化カルシウムが溶解した溶液に浸漬する。カチオンが溶解した溶液に浸漬することで、酸化グラフェン片1同士がカチオンを介して架橋する。溶液の溶媒は任意に選択してよい。二価のカチオンは任意に選択できるが、カルシウムイオン、マグネシウムイオンなどが挙げられる。   Finally, the carbon film formed by applying the dispersion liquid 11 is dipped in a solution in which divalent cations are dissolved. For example, when calcium ions are used as divalent cations, they are immersed in a solution in which calcium chloride is dissolved. By being immersed in a solution in which cations are dissolved, the graphene oxide pieces 1 are crosslinked with each other via the cations. The solvent of the solution may be arbitrarily selected. The divalent cation can be arbitrarily selected, and examples thereof include calcium ion and magnesium ion.

上述のように、本実施形態にかかるナノカーボン分離膜の製造方法によれば、容易に所定のナノカーボン分離膜が得られる。またこのナノカーボン分離膜の製造方法を利用することで、容易にナノカーボン複合分離膜が得られる。   As described above, according to the method for manufacturing a nanocarbon separation membrane of the present embodiment, a predetermined nanocarbon separation membrane can be easily obtained. Further, by using this method for producing a nanocarbon separation membrane, a nanocarbon composite separation membrane can be easily obtained.

また本実施形態にかかるナノカーボン分離膜の製造方法によれば、酸化グラフェン片1が分散した第1分散液と、DWCNT2が分散した第2分散液を混合するだけで、ナノカーボン分離膜の流体が流れる流路を制御できる。すなわち、ナノカーボン分離膜の透水性及び分離性能を容易に制御できる。   Further, according to the method for manufacturing a nanocarbon separation membrane of the present embodiment, the fluid of the nanocarbon separation membrane can be obtained by simply mixing the first dispersion liquid in which the graphene oxide pieces 1 are dispersed and the second dispersion liquid in which DWCNT2 is dispersed. It is possible to control the flow path through which That is, the water permeability and separation performance of the nanocarbon separation membrane can be easily controlled.

また本実施形態にかかるナノカーボン分離膜の製造方法によれば、ナノカーボン分離膜を分散液の塗布により作製することができる。そのため、ナノカーボン分離膜の大面積化が容易になる。   Further, according to the method for producing a nanocarbon separation membrane of the present embodiment, the nanocarbon separation membrane can be produced by applying the dispersion liquid. Therefore, it becomes easy to increase the area of the nanocarbon separation membrane.

以上、ナノカーボン分離膜、ナノカーボン複合分離膜及びナノカーボン分離膜の製造方法について説明した。本発明は、発明の要旨を変えない範囲で種々の変更をしてもよい。   The nanocarbon separation membrane, the nanocarbon composite separation membrane, and the method for manufacturing the nanocarbon separation membrane have been described above. The present invention may be variously modified without departing from the spirit of the invention.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
実施例1として、30質量%の酸化グラフェン片と70質量%のDWCNTとからなるナノカーボン分離膜を有するナノカーボン複合分離膜を作製した。具体的には、以下の手順で実施例1のナノカーボン複合分離膜を作製した。
(Example 1)
As Example 1, a nanocarbon composite separation membrane having a nanocarbon separation membrane composed of 30 mass% graphene oxide pieces and 70 mass% DWCNT was produced. Specifically, the nanocarbon composite separation membrane of Example 1 was produced by the following procedure.

まずグラファイト(Sigma−Aldrich社製 製品番号332461)を原料として、平均径12μmの酸化グラフェン片が分散した第1分散液を作製した。第1分散液は、以下のようにして作製した。   First, a first dispersion liquid in which graphene oxide pieces having an average diameter of 12 μm were dispersed was prepared using graphite (product number 332461, manufactured by Sigma-Aldrich Co., Ltd.) as a raw material. The first dispersion liquid was prepared as follows.

まず95質量%のHSO水溶液200mLと、85質量%のHPO水溶液40mLと、を混合し、さらに5gのグラファイトを添加し、マグネチックスターラで混合した。次いで、混合液にKMnOを25gゆっくり添加した。この際、液の色は黒から緑に変化した。そしてこの液を5分かけて40℃に昇温し、40℃で1時間保持した。1時間後には、グラファイトが剥離して、液がペースト状になった。得られたペーストを、テフロン(登録商標)棒を用いて40℃で2.5時間さらに混合した。その後、混合後のペーストを常温まで降温した。A first 95 wt% H 2 SO 4 aqueous solution 200 mL, and aqueous H 3 PO 4 40mL of 85% by weight, were mixed, further added graphite 5g, were mixed with a magnetic stirrer. Next, 25 g of KMnO 4 was slowly added to the mixed solution. At this time, the color of the liquid changed from black to green. The temperature of this liquid was raised to 40 ° C. over 5 minutes and kept at 40 ° C. for 1 hour. After 1 hour, the graphite peeled off and the liquid became a paste. The resulting paste was further mixed with a Teflon bar at 40 ° C. for 2.5 hours. Then, the paste after mixing was cooled to room temperature.

次いで、このペーストに、35%のH水溶液40mLと5℃以下の冷水600mLとの混合液を、ゆっくり注いだ。混合液を注ぐと、ペーストは発熱し、泡が発生した。
そして、得られた混合液を1晩以上静置した。
Then, a mixed solution of 40 mL of 35% H 2 O 2 aqueous solution and 600 mL of cold water at 5 ° C. or lower was slowly poured into this paste. When the mixture was poured, the paste generated heat and foamed.
And the obtained mixed liquid was left still overnight or more.

静置した液は、上澄み液と沈殿物に分離した。上澄み液をデカンテーションにより除去し、沈殿物を得た。得られた沈殿物は、5質量%のHSO水溶液(1L)に添加し、分散させた。The liquid left to stand was separated into a supernatant and a precipitate. The supernatant was removed by decantation to obtain a precipitate. The obtained precipitate was added to and dispersed in a 5% by mass H 2 SO 4 aqueous solution (1 L).

そして、分散液を純水中に添加し、遠心分離し、その後純水へ分散する操作を5回繰り返し、分散媒の清浄を行った。この過程で、遠心分離後の沈殿物は2層になる。下の層は互いに剥離していないグラファイトであり、上の層は剥離した酸化グラフェン片が水を吸ったものであった。下の層を除去することで、固形分濃度が0.9質量%の第1分散液を得た。得られた第1分散液を水で希釈し、Si基板上に滴下、乾燥した試料をSEM観察したところ、酸化グラフェン片の平均径は12μmだった。   Then, the operation of adding the dispersion liquid to pure water, centrifuging it, and then dispersing it in pure water was repeated 5 times to clean the dispersion medium. In this process, the precipitate after centrifugation has two layers. The lower layer was graphite that was not exfoliated from each other, and the upper layer was exfoliated graphene oxide pieces that absorbed water. By removing the lower layer, a first dispersion liquid having a solid content concentration of 0.9 mass% was obtained. The obtained first dispersion liquid was diluted with water, dropped on a Si substrate, and the dried sample was observed by SEM. As a result, the average diameter of graphene oxide pieces was 12 μm.

次いで、第2分散液を用意した。0.5質量%のデオキシコール酸ナトリウム水溶液にDWCNT(TEM観察で、外径1.8nm、内径1.2nm)を分散し、第2分散液を作製した。第2分散液中におけるDWCNTの直径は、数nm程度であった。   Then, a second dispersion liquid was prepared. DWCNT (outer diameter 1.8 nm, inner diameter 1.2 nm, as observed by TEM) was dispersed in a 0.5% by mass sodium deoxycholate aqueous solution to prepare a second dispersion liquid. The diameter of DWCNT in the second dispersion was about several nm.

そして得られた第1分散液と第2分散液を混合、希釈して、分散液を得た。分散液中には、酸化グラフェン片とDWCNTとからなるナノカーボンが分散している。分散液中のナノカーボンの構成比率は、酸化グラフェン片が30質量%で、DWCNTが70質量%であった。溶媒に対するナノカーボンの濃度は、0.8mg/mLとした。   Then, the obtained first dispersion liquid and the second dispersion liquid were mixed and diluted to obtain a dispersion liquid. Nanocarbon consisting of graphene oxide pieces and DWCNT is dispersed in the dispersion liquid. The composition ratio of nanocarbon in the dispersion liquid was 30% by mass of graphene oxide pieces and 70% by mass of DWCNT. The concentration of nanocarbon in the solvent was 0.8 mg / mL.

また多孔質膜として、市販のポリサルフォン膜(Alfa Lavel社製:GR40PP、大きさ50mm×50mm)を準備した。そして、ポリサルフォン膜を1質量%のポリビニルアルコール水溶液(Sigma−Aldrich社製:分子量31,000−50,000、98〜99%ケン化品)に1時間浸漬した。浸漬後のポリサルフォン膜を、起立させた状態で風乾させた。その結果、ポリサルフォン膜の表面にポリビニルアルコールが被覆された。   A commercially available polysulfone film (GR40PP manufactured by Alfa Label Co., size 50 mm × 50 mm) was prepared as the porous film. Then, the polysulfone film was immersed in a 1% by mass aqueous polyvinyl alcohol solution (manufactured by Sigma-Aldrich: molecular weight 31,000-50,000, saponified product of 98 to 99%) for 1 hour. The polysulfone membrane after immersion was air-dried in a standing state. As a result, the surface of the polysulfone film was coated with polyvinyl alcohol.

次いで、ポリビニルアルコールで被覆された多孔質膜に対して、エアーブラシ(アネストイワタ製:HP−BCS)を用いて、前記分散液をスプレーした。その後、前記多孔質膜を100℃の大気雰囲気下で1時間乾燥させた。この際、ポリビニルアルコールは架橋し、多孔質膜と、分散液が乾燥してなるカーボン膜と、が接着した。   Next, the dispersion liquid was sprayed onto the porous film coated with polyvinyl alcohol using an air brush (HP-BCS manufactured by Anest Iwata). Then, the porous film was dried in an air atmosphere at 100 ° C. for 1 hour. At this time, the polyvinyl alcohol was crosslinked, and the porous film and the carbon film formed by drying the dispersion liquid adhered to each other.

最後に、得られた積層膜を、塩化カルシウム溶液に1時間浸漬した。塩化カルシウム溶液は、塩化カルシウムの濃度が5質量%であり、塩化カルシウム溶液の溶媒は、容積比で1:3の比率でエタノールと水が混合したものとした。そして、浸漬後の積層膜を乾燥させた。乾燥は、まず風乾した後、一度エタノールに一時間浸漬し、再度風乾した。   Finally, the obtained laminated film was immersed in a calcium chloride solution for 1 hour. The calcium chloride solution had a calcium chloride concentration of 5% by mass, and the solvent of the calcium chloride solution was a mixture of ethanol and water in a volume ratio of 1: 3. Then, the laminated film after the immersion was dried. Drying was performed by first air-drying, once immersing in ethanol for 1 hour, and then air-drying again.

(実施例2及び3)
実施例2及び3は、第1分散液と第2分散液の混合比率を変更した点以外は、実施例1と同様の手順でナノカーボン複合分離膜を作製した。
得られたナノカーボン分離膜の構成比率は以下である。
実施例2:酸化グラフェン片(50質量%)、DWCNT(50質量%)
実施例3:酸化グラフェン片(70質量%)、DWCNT(30質量%)
(Examples 2 and 3)
In Examples 2 and 3, nanocarbon composite separation membranes were produced by the same procedure as in Example 1 except that the mixing ratio of the first dispersion liquid and the second dispersion liquid was changed.
The composition ratio of the obtained nanocarbon separation membrane is as follows.
Example 2: Graphene oxide pieces (50% by mass), DWCNT (50% by mass)
Example 3: Graphene oxide pieces (70% by mass), DWCNT (30% by mass)

(比較例1)
比較例1は、第1分散液と第2分散液の混合比率を変更した点以外は、実施例1と同様の手順でナノカーボン複合分離膜を作製した。
比較例1のナノカーボン分離膜の構成比率は、酸化グラフェン片を90質量%、DWCNTを10質量%とした。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a nanocarbon composite separation membrane was produced by the same procedure as in Example 1 except that the mixing ratio of the first dispersion liquid and the second dispersion liquid was changed.
The composition ratio of the nanocarbon separation membrane of Comparative Example 1 was 90% by mass of graphene oxide pieces and 10% by mass of DWCNT.

(比較例2)
比較例2は、分散液を第1分散液のみとして、第2分散液を用いなかった点以外は、実施例1と同様の手順でナノカーボン複合分離膜を作製した。
すなわち、比較例2のナノカーボン分離膜の構成比率は、酸化グラフェン片を100質量%とした。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, a nanocarbon composite separation membrane was produced by the same procedure as in Example 1 except that the first dispersion was used as the dispersion and the second dispersion was not used.
That is, the composition ratio of the nanocarbon separation membrane of Comparative Example 2 was 100% by mass of graphene oxide pieces.

(比較例3)
比較例3は、分散液を第2分散液のみとして、第1分散液を用いなかった点以外は、実施例1と同様の手順でナノカーボン複合分離膜を作製した。
すなわち、比較例3のナノカーボン分離膜の構成比率は、DWCNTを100質量%とした。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a nanocarbon composite separation membrane was produced by the same procedure as in Example 1 except that the second dispersion was used as the dispersion and the first dispersion was not used.
That is, the composition ratio of the nanocarbon separation membrane of Comparative Example 3 was set to 100% by mass of DWCNT.

<ナノカーボン複合分離膜の評価>
実施例1〜3及び比較例1〜3のナノカーボン複合分離膜の透水量及びNaCl除去率を測定した。具体的には、前記膜に、クロスフローで、0.2%濃度の塩化ナトリウム水溶液を300mL/分で送液し、ナノカーボン複合分離膜の透水量及びNaCl除去率を測定した。
<Evaluation of nanocarbon composite separation membrane>
The water permeability and the NaCl removal rate of the nanocarbon composite separation membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were measured. Specifically, a 0.2% concentration aqueous sodium chloride solution was fed to the membrane at 300 mL / min by cross flow to measure the water permeation rate and the NaCl removal rate of the nanocarbon composite separation membrane.

透水量は、圧力5.0MPaでの透水性測定の結果から算出した。
NaCl除去率は、膜を直径25mmの円形に切り抜いて、クロスフロー濾過器(トスク社製)を用いて求めた。
NaCl除去率[%]={1−透過水のNaCl濃度[質量%]/原水のNaCl濃度[質量%]}×100
The amount of water permeation was calculated from the results of water permeability measurement at a pressure of 5.0 MPa.
The NaCl removal rate was obtained by cutting out the membrane into a circle with a diameter of 25 mm and using a cross flow filter (manufactured by Tosk Corp.).
NaCl removal rate [%] = {1-NaCI concentration [mass%] of permeated water / NaCl concentration [mass%] of raw water} × 100

測定結果を表1に示す。表1において、GOは酸化グラフェン片を示し、DWCNTはダブルウォールカーボンナノチューブを示し、PVAはポリビニルアルコールを示す。   The measurement results are shown in Table 1. In Table 1, GO indicates graphene oxide pieces, DWCNT indicates double-wall carbon nanotubes, and PVA indicates polyvinyl alcohol.

上述のように、酸化グラフェン片とDWCNTの比率が所定の範囲にある実施例1〜3のナノカーボン複合分離膜は、比較例1及び比較例2のナノカーボン複合分離膜と比較して、透水量が大きく向上した。またNaCl除去率は多少低下したが、用途によっては、40%程度あれば十分であり、充分なNaCl除去率を示した。用途としては、例えば、2価イオン除去用、有機物分離用のナノフィルトレーション膜等がある。なお、DWCNTのみからなる比較例3は、水が自由に流れ、脱塩性能は確認されなかった。   As described above, the nanocarbon composite separation membranes of Examples 1 to 3 in which the ratio of graphene oxide pieces and DWCNT were within the predetermined range were more water permeable than the nanocarbon composite separation membranes of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. The quantity has improved significantly. Although the NaCl removal rate was somewhat lowered, about 40% was sufficient depending on the application, and a sufficient NaCl removal rate was shown. Applications include, for example, a nanofiltration membrane for removing divalent ions and separation of organic substances. In Comparative Example 3 consisting of DWCNT only, water freely flowed and no desalting performance was confirmed.

<酸化グラフェン同士の架橋>
酸化グラフェン同士が二価のカチオンによって架橋していることを確認する検討を行った。
検討は、フーリエ変換赤外分光(FTIR)測定、ラマン分光測定、X線光電子分光(XPS)測定によって行った。
<Bridge between graphene oxides>
A study was conducted to confirm that graphene oxides were cross-linked by divalent cations.
The examination was performed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) measurement, Raman spectroscopy measurement, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement.

測定は、酸化グラフェン片のみからなる参考比較例2と、参考比較例2の試料を塩化カルシウム溶液に浸漬する前でとめた試料(以下、参考比較例2−1と言う:塩化カルシウム溶液への浸漬なし)と、参考比較例2の試料を塩化カルシウム溶液に浸漬する前にとめてこの試料を100℃で加熱した試料(以下、参考比較例2−2と言う:塩化カルシウム溶液への浸漬なし)と、の3つの試料に対して行った。   The measurement was carried out by a reference comparative example 2 consisting of graphene oxide pieces only, and a sample stopped before the sample of the reference comparative example 2 was immersed in the calcium chloride solution (hereinafter referred to as reference comparative example 2-1: calcium chloride solution). And the sample of Reference Comparative Example 2 was stopped before being immersed in the calcium chloride solution and heated at 100 ° C. (hereinafter referred to as Reference Comparative Example 2-2: No immersion in calcium chloride solution). ) And 3 samples.

なお、参考比較例2では、比較例2で用いた分散液を多孔質膜の代わりにSi基板上に塗布し、塩化カルシウム溶液への浸漬も含む同様の手順を行い、Si基板上にナノカーボン分離膜を形成した。以下、Si基板上に形成したものを参考比較例等と表記する。参考比較例2は、比較例2と同様の条件で作製されたものに対応し、その他の参考実施例及び参考比較例も同様の対応関係を意味する。   In Reference Comparative Example 2, the dispersion liquid used in Comparative Example 2 was applied on a Si substrate instead of the porous film, and the same procedure including dipping in a calcium chloride solution was performed to prepare a nanocarbon on the Si substrate. A separation membrane was formed. Hereinafter, those formed on the Si substrate will be referred to as reference comparative examples and the like. Reference Comparative Example 2 corresponds to one produced under the same conditions as Comparative Example 2, and other Reference Examples and Reference Comparative Examples also have the same correspondence relationship.

図8は、参考比較例2、2−1,2−2のFTIR測定の結果を示す。FTIRは、全反射測定(ATR)法により行った。FTIR測定の観測ピークは、C-O (alkoxy/alkoxide,1042cm-1)、C-O(carboxy,1410cm-1)、C=C (aromatic,1620cm-1)、C=O (carboxy/carbonyl,1716cm-1)、OH(3300cm-1)に帰属される。FIG. 8 shows the results of FTIR measurement of Reference Comparative Examples 2, 2-1 and 2-2. FTIR was performed by the total reflection measurement (ATR) method. The observed peaks of FTIR measurement are CO (alkoxy / alkoxide, 1042cm -1 ), CO (carboxy, 1410cm -1 ), C = C (aromatic, 1620cm -1 ), C = O (carboxy / carbonyl, 1716cm -1 ). , OH (3300 cm -1 ).

C=Cピークを基準として相対比較すると、CaCl処理を行った参考比較例2は、処理を行う前の参考比較例2−1と比較して、C−OとC=Oピークの強度が下がっている。これはCa2+イオンが酸素イオンに対して配位することで、C=Cピークを基準とするC−OとC=Oピークの相対強度が低下したためである。When the relative comparison is performed using the C = C peak as a reference, the intensity of the C—O and C═O peaks of the reference comparative example 2 subjected to the CaCl 2 treatment is higher than that of the reference comparative example 2-1 before the treatment. It's going down. This is because the Ca 2+ ion is coordinated with the oxygen ion, so that the relative intensities of the C—O and C═O peaks based on the C═C peak are reduced.

図9は、参考比較例2、2−1,2−2のラマン分光測定の結果を示す。
ラマン分光測定の結果におけるD(1350cm−1)/G(1600cm−1)比は、参考比較例2−1が0.92、参考比較例2−2が0.84、参考比較例2が0.87であった。
FIG. 9 shows the results of Raman spectroscopic measurement of Reference Comparative Examples 2, 2-1 and 2-2.
The D (1350 cm −1 ) / G (1600 cm −1 ) ratio in the result of Raman spectroscopy measurement was 0.92 in Reference Comparative Example 2-1, 0.84 in Reference Comparative Example 2-2, and 0 in Reference Comparative Example 2. It was 0.87.

参考比較例2−1と参考比較例2−2とを比較すると、参考比較例2−2のD/G比が小さくなっている。
Gバンドはグラファイト構造に由来のピークであり、Dバンドは欠陥由来のピークである。そのため、D/G比が小さくなったことは、結晶性が高まったことを意味する。参考比較例2−2は、参考比較例2−1を100℃で加熱したものであり、加熱により酸化グラフェンの一部が還元され、グラファイト構造に近づいたためと考えられる。
Comparing Reference Comparative Example 2-1 and Reference Comparative Example 2-2, the D / G ratio of Reference Comparative Example 2-2 is smaller.
The G band is a peak derived from a graphite structure, and the D band is a defect derived peak. Therefore, the smaller D / G ratio means the higher crystallinity. Reference Comparative Example 2-2 is obtained by heating Reference Comparative Example 2-1 at 100 ° C., and it is considered that part of graphene oxide was reduced by heating and the graphene structure was approached.

一方で、参考比較例2−2と参考比較例2とを比較すると、参考比較例2のD/G比が大きくなっている。カルシウムイオンが配位することで、結晶配列に乱れが生じたためと考えられる。   On the other hand, when comparing Reference Comparative Example 2-2 and Reference Comparative Example 2, the D / G ratio of Reference Comparative Example 2 is large. It is considered that the coordination of calcium ions caused disorder in the crystal arrangement.

図10A〜10Cは、参考比較例2、2−1,及び2−2のXPS測定により求められたC1sスペクトルのそれぞれの分析結果を示す。図10Aは参考比較例2−1の分析結果であり、図10Bは参考比較例2−2の分析結果であり、図10Cは参考比較例2の分析結果である。   10A to 10C show respective analysis results of C1s spectra obtained by XPS measurement of Reference Comparative Examples 2, 2-1 and 2-2. 10A shows the analysis result of Reference Comparative Example 2-1, FIG. 10B shows the analysis result of Reference Comparative Example 2-2, and FIG. 10C shows the analysis result of Reference Comparative Example 2.

図10Aと図10Bを比較すると、C=Cピークを基準としてC−O及びCOOのピーク比が小さくなっている。加熱により酸化グラフェンの一部が還元され、酸素元素が抜けたためと考えられる。   Comparing FIG. 10A and FIG. 10B, the peak ratio of C—O and COO is small with the C = C peak as a reference. It is considered that part of graphene oxide was reduced by heating and oxygen element was released.

また図10Bと図10Cを比較すると、C=Cピークを基準としてC−O及びCOOのピーク比が小さくなっている。これは、酸素元素に対してカルシウムイオンが配位することで、C−O及びCOOピークの検出量が低下したためと考えられる。   Further, when comparing FIG. 10B and FIG. 10C, the peak ratio of C—O and COO becomes smaller with reference to the C = C peak. It is considered that this is because the amount of detected CO and COO peaks decreased due to the coordination of calcium ions with oxygen element.

また図11Aと図11Bは、参考比較例2のXPS測定により求められたCl2pスペクトル及びCa2pスペクトルの分析結果を示す。図11AはCl2pスペクトルの分析結果であり、図11BはCa2pスペクトルの分析結果である。   11A and 11B show analysis results of Cl2p spectrum and Ca2p spectrum obtained by XPS measurement of Reference Comparative Example 2. FIG. 11A shows the analysis result of the Cl2p spectrum, and FIG. 11B shows the analysis result of the Ca2p spectrum.

図11Aに示すように、参考比較例2はCaのピークは検出されたが、Clのピークは検出されなかった。すなわち、参考比較例2には、CaClが残存しているのではなく、Caとして取り込まれていることが分かる。As shown in FIG. 11A, in Reference Comparative Example 2, the peak of Ca was detected, but the peak of Cl was not detected. That is, it can be seen that in Reference Comparative Example 2, CaCl 2 is incorporated as Ca rather than remaining.

上記の実験結果から、カルシウムイオンは酸素に配位し、酸化グラフェン同士を架橋していると言える。   From the above experimental results, it can be said that calcium ions coordinate with oxygen and crosslink graphene oxides.

<接着層の有無の検討>
実施例1のナノカーボン複合分離膜と、実施例1から接着層を除いたナノカーボン複合分離膜(以下、実施例4という)とを準備した。実施例4は、実施例1の作製工程において、ポリサルフォン膜をポリビニルアルコール水溶液に浸漬していない点が異なる。
<Examination of presence or absence of adhesive layer>
A nanocarbon composite separation membrane of Example 1 and a nanocarbon composite separation membrane obtained by removing the adhesive layer from Example 1 (hereinafter referred to as Example 4) were prepared. Example 4 is different in that the polysulfone film was not immersed in an aqueous polyvinyl alcohol solution in the manufacturing process of Example 1.

実施例1と実施例4のカーボンナノ複合分離膜に対して、クロスフローで2〜5MPaの圧力で0.2%濃度の塩化ナトリウム水溶液を流速300ml/分で送液した。   To the carbon nanocomposite separation membranes of Example 1 and Example 4, a 0.2% concentration sodium chloride aqueous solution was fed at a flow rate of 300 ml / min at a pressure of 2 to 5 MPa by cross flow.

図12Aと図12Bは、実施例1及び実施例4の処理後のカーボンナノ複合分離膜の表面の写真である。図12Aは、塩化ナトリウム水溶液を供給開始してから23時間後の、実施例4のカーボンナノ複合分離膜の表面写真である。図12Bは、塩化ナトリウム水溶液を供給開始してから70時間後の、実施例1のカーボンナノ複合分離膜の表面写真である。   12A and 12B are photographs of the surface of the carbon nanocomposite separation membrane after the treatments of Example 1 and Example 4. FIG. 12A is a surface photograph of the carbon nanocomposite separation membrane of Example 4 23 hours after starting the supply of the aqueous sodium chloride solution. FIG. 12B is a surface photograph of the carbon nanocomposite separation membrane of Example 1 70 hours after the supply of the aqueous sodium chloride solution was started.

実施例4のカーボンナノ複合分離膜は、供給する液の流れによりカーボンナノ分離膜が剥がれている(図12Aの矢印で図示している部分)。これに対して、図12Bに示すように、実施例1のカーボンナノ複合分離膜は、剥がれ等が生じなかった。   In the carbon nano-composite separation membrane of Example 4, the carbon nano-separation membrane is peeled off due to the flow of the supplied liquid (the portion shown by the arrow in FIG. 12A). On the other hand, as shown in FIG. 12B, the carbon nanocomposite separation membrane of Example 1 did not peel off.

すなわち、接着層を設けることで、カーボンナノ分離膜がカーボンナノ複合分離膜から剥離することを抑制できる。特に、カーボンナノ複合分離膜に対して、クロスフローで液を供給する場合は、接着層を設けることが好ましい。これに対し、デッドエンドフローで液や気体を供給する場合は、接着層が無くても使用することはできる。   That is, by providing the adhesive layer, it is possible to prevent the carbon nano separation membrane from being separated from the carbon nano composite separation membrane. In particular, when supplying a liquid to the carbon nanocomposite separation membrane by cross flow, it is preferable to provide an adhesive layer. On the other hand, when the liquid or gas is supplied by the dead end flow, it can be used without the adhesive layer.

<接着層の硬化の確認>
図13は、ポリビニルアルコールの加熱前後のFTIR測定を行った結果を示す。
図13に示すように、854cm−1ピークで規格化したときに、1141cm−1のピークが大きくなった。これは、ポリビニルアルコール膜の熱による硬化を示す。
すなわち、ポリビニルアルコール膜は、100度雰囲気下で1時間乾燥させれば充分架橋する。
<Confirmation of hardening of adhesive layer>
FIG. 13 shows the results of FTIR measurement before and after heating polyvinyl alcohol.
As shown in FIG. 13, when normalized by the 854 cm −1 peak, the peak at 1141 cm −1 increased. This indicates the heat curing of the polyvinyl alcohol film.
That is, the polyvinyl alcohol film is sufficiently crosslinked when dried in an atmosphere of 100 ° C. for 1 hour.

透水性と分離性能とが共に優れたナノカーボン分離膜を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a nanocarbon separation membrane having both excellent water permeability and separation performance.

1 酸化グラフェン片、
2 ダブルウォールカーボンナノチューブ(DWCNT)、
10 ナノカーボン分離膜、
11 分散液
20 接着層、
30 多孔質膜、
31 孔部、
100 ナノカーボン複合分離膜
1 Graphene oxide pieces,
2 double wall carbon nanotubes (DWCNT),
10 Nanocarbon separation membrane,
11 dispersion liquid 20 adhesive layer,
30 porous membrane,
31 holes,
100 Nano carbon composite separation membrane

Claims (7)

厚み方向からみて互いに重なり合うように存在し、二価のカチオンによって互いに架橋された複数の酸化グラフェン片と、
前記複数の酸化グラフェン片の層間に挿入されたダブルウォールカーボンナノチューブと、を備え、
酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブの合計質量に対する、酸化グラフェン片の質量比が0質量%より大きく70質量%以下であり、ダブルウォールカーボンナノチューブの質量比が30質量%以上100質量%未満である、ナノカーボン分離膜。
A plurality of graphene oxide pieces existing so as to overlap each other when viewed from the thickness direction and cross-linked with each other by a divalent cation,
And a double-wall carbon nanotube inserted between layers of the plurality of graphene oxide pieces,
The mass ratio of the graphene oxide pieces to the total mass of the graphene oxide pieces and the double-wall carbon nanotubes is more than 0 mass% and 70 mass% or less, and the mass ratio of the double-wall carbon nanotubes is 30 mass% or more and less than 100 mass%. , Nano carbon separation membrane.
酸化グラフェン片及びダブルウォールカーボンナノチューブとの合計質量に対する酸化グラフェン片の質量比が30質量%以上70質量%以下であり、ダブルウォールカーボンナノチューブの質量比が30質量%以上70質量%以下である請求項1に記載のナノカーボン分離膜。   The mass ratio of the graphene oxide pieces to the total mass of the graphene oxide pieces and the double wall carbon nanotubes is 30% by mass or more and 70% by mass or less, and the mass ratio of the double wall carbon nanotubes is 30% by mass or more and 70% by mass or less. Item 2. The nanocarbon separation membrane according to item 1. 前記二価のカチオンが、カルシウムイオンである請求項1または2のいずれかに記載のナノカーボン分離膜。   The nanocarbon separation membrane according to claim 1, wherein the divalent cation is calcium ion. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のナノカーボン分離膜と、
前記ナノカーボン分離膜の一面側に配設され、前記ナノカーボン分離膜を支持する多孔質膜と、を有するナノカーボン複合分離膜。
A nanocarbon separation membrane according to any one of claims 1 to 3,
A nanocarbon composite separation membrane, which is disposed on one side of the nanocarbon separation membrane and has a porous membrane supporting the nanocarbon separation membrane.
前記ナノカーボン分離膜と前記多孔質膜とが、接着されている請求項4に記載のナノカーボン複合分離膜。   The nanocarbon composite separation membrane according to claim 4, wherein the nanocarbon separation membrane and the porous membrane are adhered to each other. 前記ナノカーボン分離膜と前記多孔質膜とが、ポリビニルアルコールによって接着されている請求項5に記載のナノカーボン複合分離膜。   The nanocarbon composite separation membrane according to claim 5, wherein the nanocarbon separation membrane and the porous membrane are bonded with polyvinyl alcohol. 酸化グラフェン片と、ダブルウォールカーボンナノチューブと、が分散した分散液を塗付、及び乾燥し、カーボン膜を形成する工程と、
前記カーボン膜を二価のカチオンが溶解した溶液に浸漬する工程と、を有するナノカーボン分離膜の製造方法。
A step of applying a dispersion liquid in which graphene oxide pieces and double-wall carbon nanotubes are dispersed, and drying to form a carbon film;
And a step of immersing the carbon membrane in a solution in which a divalent cation is dissolved.
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