JP7095858B2 - Filter unit - Google Patents

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Description

本発明は、主に気相や液相の分離に用いるフィルターユニットに関する。 The present invention mainly relates to a filter unit used for separating a gas phase or a liquid phase.

気体分離産業において、蒸留は高純度生成物を得るために広く使用され、他の産業に高純度のN2、O2および貴ガスを供給しているが、蒸留は、液体を気体にするという相変化を伴い、この相変化に費やされるエネルギーが大きい。
そのため、蒸留のような相変化に基づく分子分離の代わりに、新たに膜ベースの分子分離のような根本的に代替的な分離技術が求められていた。膜ベースの分離技術は、相変化に基づいた従来の技術に比べて、簡素な装置で実現できるとともに設置面積が小さく、特に蒸留に比べてエネルギーが90%削減され、CO2排出量を大幅に削減できる。
Distillation is widely used in the gas separation industry to obtain high-purity products, supplying other industries with high-purity N 2 , O 2 and noble gases, whereas distillation is said to gasify liquids. Along with the phase change, the energy consumed for this phase change is large.
Therefore, instead of phase change-based molecular separation such as distillation, a new radically alternative separation technique such as membrane-based molecular separation has been sought. Membrane-based separation technology can be realized with a simpler device and has a smaller footprint than conventional technology based on phase change, and energy is reduced by 90% compared to distillation, resulting in significant CO 2 emissions. Can be reduced.

最も有望な膜の1つは、ナノスケールの大きさの窓(ナノウィンドウ)を有する単層グラフェン膜などの炭素材料である。ナノウィンドウの周縁は単一層の炭素原子で構成されているため、ナノウィンドウを物質が透過する際には、ナノウィンドウによって透過が妨げられることなく超高速の透過が可能となる。
1原子の厚さ、堅牢性、化学的安定性、および篩いに加工することの容易性のために、グラフェンの最も重要な用途の1つは、分離膜としての使用である。グラフェンの合成プロセスは継続的に改善されているため、近い将来、ほとんど欠陥がないグラフェンの大量生産が期待される。
One of the most promising membranes is a carbon material such as a monolayer graphene membrane with nanoscale sized windows (nanowindows). Since the periphery of the nanowindow is composed of a single layer of carbon atoms, when a substance permeates through the nanowindow, ultrafast permeation is possible without being hindered by the nanowindow.
Due to the thickness of one atom, robustness, chemical stability, and ease of processing into sieves, one of the most important uses of graphene is its use as a separation membrane. Since the graphene synthesis process is continuously improved, mass production of graphene with almost no defects is expected in the near future.

未加工のグラフェンシートはHeなどの最小の気体でさえも透過させないため、ナノウィンドウを形成する必要がある。ナノウィンドウを含むグラフェンを生成する方法には、イオン衝撃、テンプレート合成メッシュ、および高温酸化など多数の手段がある。高温酸化は酸化環境において約600Kまでの加熱を必要とするだけなので、単純で、容易にナノウィンドウのサイズを拡張可能であり、安価でもある(特許文献1,2)。 Raw graphene sheets do not allow even the smallest gases such as He to permeate, so nanowindows need to be formed. There are many methods for producing graphene containing nanowindows, such as ion impact, template synthetic mesh, and high temperature oxidation. Since high-temperature oxidation only requires heating up to about 600 K in an oxidizing environment, the size of the nanowindow can be easily expanded and it is inexpensive (Patent Documents 1 and 2).

ナノウィンドウを備えた炭素材料は、分子分離のための最も選択性に優れ、エネルギー効率の良い膜になる可能性を秘めている。
また、カーボンナノチューブ同士の間隙やカーボンナノホーン同士の間隙部分もナノウィンドウと同様の性質を示すため、同じようにエネルギー効率の良い膜になることが期待される。
よって、炭素材料を用いて分子の分離を行うことができるフィルターユニットが求められていた。
Carbon materials with nanowindows have the potential to be the most selective and energy efficient membranes for molecular separation.
In addition, since the gaps between carbon nanotubes and the gaps between carbon nanohorns also exhibit the same properties as nanowindows, it is expected that the film will have the same energy efficiency.
Therefore, there has been a demand for a filter unit capable of separating molecules using a carbon material.

特表2013-536077号公報Japanese Patent Publication No. 2013-536077 特開2009-073727号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-07327

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、分子の分離に用いられる高性能のフィルターユニットを提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a high-performance filter unit used for separating molecules.

本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第1の発明は、透過孔を有する1つ以上の導電性の炭素フィルターと、上記炭素フィルターに電圧を印加する1対以上の電極と、上記電極間に電流が流れることを防止する1つ以上のインシュレーターとを備えたことを特徴とするフィルターユニットである。
In the present invention, the means for solving the above problems are as follows.
The first invention is one or more conductive carbon filters having through holes, one or more pairs of electrodes that apply a voltage to the carbon filters, and one or more electrodes that prevent current from flowing between the electrodes. It is a filter unit characterized by being equipped with an insulator.

第2の発明は、上記炭素フィルターの上記透過孔が、リムに形成された官能基の2種以上の配向を電圧の印加によって切り替えることのできるフレキシブルナノウィンドウであり、上記電極によって上記炭素フィルターに電圧を印加することにより上記炭素フィルターの分子選択性または分子透過性を変化させることを特徴とする。 The second invention is a flexible nanowindow in which the transmission hole of the carbon filter can switch the orientation of two or more kinds of functional groups formed on the rim by applying a voltage, and the carbon filter is formed by the electrode. It is characterized in that the molecular selectivity or the molecular permeability of the carbon filter is changed by applying a voltage.

第3の発明は、上記炭素フィルターの下流で流体の主流路から分岐する分岐流路を設けるとともに、上記電極による上記炭素フィルターへの印加の変更に連動して上記主流路または上記分岐流路を選択的に開放する切り替え弁を設けることを特徴とする。 In the third invention, the branch flow path is provided downstream from the main flow path of the fluid, and the main flow path or the branch flow path is provided in conjunction with the change of application to the carbon filter by the electrode. It is characterized by providing a switching valve that selectively opens.

第1の発明によれば、透過孔を有する1つ以上の導電性の炭素フィルターと、上記炭素フィルターに電圧を印加する1対以上の電極と、上記電極間に電流が流れることを防止する1つ以上のインシュレーターとを備えたことによって、電荷によってイオンを引きつけるため、フィルターで分離を行うために気体または液体の圧を上げるエネルギーコストを節減することができる。 According to the first invention, one or more conductive carbon filters having through holes, one or more pairs of electrodes for applying a voltage to the carbon filters, and preventing current from flowing between the electrodes 1 With one or more insulators, the charge attracts the ions, thus reducing the energy cost of increasing the pressure of the gas or liquid for filter separation.

第2の発明によれば、上記炭素フィルターの上記透過孔が、リムに形成された官能基の2種以上の配向を電圧の印加によって切り替えることのできるフレキシブルナノウィンドウであり、上記電極によって上記炭素フィルターに電圧を印加することにより上記炭素フィルターの分子選択性または分子透過性を変化させることにより、ファンデルワールス直径がほぼ同じ2種の分子を分離することができる。 According to the second invention, the permeation hole of the carbon filter is a flexible nanowindow capable of switching the orientation of two or more kinds of functional groups formed on the rim by applying a voltage, and the carbon by the electrode. By changing the molecular selectivity or molecular permeability of the carbon filter by applying a voltage to the filter, two kinds of molecules having substantially the same van der Waals diameter can be separated.

第3の発明によれば、上記炭素フィルターの下流で流体の主流路から分岐する分岐流路を設けるとともに、上記電極による上記炭素フィルターへの印加の変更に連動して上記主流路または上記分岐流路を選択的に開放する切り替え弁を設けることにより、分離した2つの物質を自動的に主流路と分岐流路とに分けて供給することができる。 According to the third invention, a branch flow path that branches from the main flow path of the fluid is provided downstream of the carbon filter, and the main flow path or the branch flow is linked to a change in the application of the electrode to the carbon filter. By providing a switching valve that selectively opens the path, the two separated substances can be automatically divided into a main flow path and a branch flow path and supplied.

本発明に係るフィルターユニットの各部品の配置を示す図であり、(a)(b)(c)(d)はそれぞれフィルター本体、作用電極およびインシュレーターの位置関係の異なる例を示し、(e)(f)はそれぞれフィルター本体、カウンター電極およびインシュレーターの位置関係の異なる例を示している。It is a figure which shows the arrangement of each component of the filter unit which concerns on this invention, (a) (b) (c) (d) show an example which the positional relationship of a filter body, a working electrode and an insulator is different, respectively, and (e). (F) shows an example in which the positional relationship between the filter body, the counter electrode, and the insulator is different. (a)は同フィルターユニットの第一実施例を示す説明図であり、(b)は同フィルターユニットの第二実施例を示す説明図である。(A) is an explanatory diagram showing a first embodiment of the filter unit, and (b) is an explanatory diagram showing a second embodiment of the filter unit. 本発明のフィルターユニットにおいて三方弁を設けた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which provided the three-way valve in the filter unit of this invention. サイズの異なる複数のナノウィンドウと官能基の分布のモデルであり、各ナノウィンドウのファンデルワールス直径(以下NW-xで表すことがある)は、(a)が2.57Å、(b)が2.73Å、(c)が2.97Å、(d)が3.30Å、(e)が3.70Å、(f)が3.78Åであり、(g)は各モデルにおける分子の透過率を示すグラフである。It is a model of multiple nanowindows of different sizes and the distribution of functional groups, and the van der Waals diameter of each nanowindow (hereinafter sometimes expressed as NW-x) is 2.57 Å for (a) and 2.73 for (b). Å, (c) is 2.97 Å, (d) is 3.30 Å, (e) is 3.70 Å, (f) is 3.78 Å, and (g) is a graph showing the transmittance of molecules in each model. NW-3.30Åのナノウィンドウにおける呼吸のような伸び縮みを示す図であり、(a)はMDシミュレーション中のリムの対極の2対の酸素原子間の距離の2Dヒストグラム輪郭を示し、(b)は(a)における長さの計算に使用される2対の酸素原子(O1とO2との対,O3とO4との対)を示している。It is a diagram showing respiration-like expansion and contraction in a nanowindow of NW-3.30 Å, (a) shows a 2D histogram contour of the distance between two pairs of oxygen atoms at the opposite poles of the rim during MD simulation, (b). Shows two pairs of oxygen atoms (O1 and O2 pairs, O3 and O4 pairs) used in the length calculation in (a). NW-3.30Åのナノウィンドウの官能基の回転がN2の透過速度に与える影響の説明図であり、(a)から(d)は77 KでのN2透過性のMDシミュレーションの結果であり、(a)は柔軟なナノウィンドウ構造を、(b)は高速の剛性ナノウィンドウ構造を、(c)は中速の剛性ナノウィンドウ構造を、(d)は低速の剛性ナノウィンドウ構造をそれぞれ示し、(e)は(b)における官能基のいくつかの代表的な配向を示し、(f)は(c)における官能基のいくつかの代表的な配向を示し、(g)は(d)における官能基のいくつかの代表的な配向を示す。It is an explanatory diagram of the effect of the rotation of the functional group of the nanowindow of NW-3.30 Å on the transmission rate of N 2 , and (a) to (d) are the results of MD simulation of N 2 permeability at 77 K. , (A) show a flexible nanowindow structure, (b) shows a high-speed rigid nanowindow structure, (c) shows a medium-speed rigid nanowindow structure, and (d) shows a low-speed rigid nanowindow structure. , (E) show some typical orientations of the functional groups in (b), (f) show some typical orientations of the functional groups in (c), and (g) shows (d). Shows some typical orientations of the functional groups in. NW-2.73Åのナノウィンドウにおける90KでのO2の透過速度に対する官能基の開閉の影響の説明図であり、(a)は開いた透過状態の2つの例を示し、(b)は閉じた非透過(原子ゲート)状態の2つの例を示す。It is an explanatory diagram of the effect of opening and closing of functional groups on the permeation rate of O 2 at 90K in a nanowindow of NW-2.73Å, (a) shows two examples of open permeation, and (b) is closed. Two examples of non-transmissive (atomic gate) states are shown.

以下、本発明の実施形態に係るフィルターユニットについて説明する。
フィルターユニットは、フィルター本体とインシュレーターと電極とからなり、気相や液相の分離、あるいは異物の除去などの用途に用いられる。
Hereinafter, the filter unit according to the embodiment of the present invention will be described.
The filter unit consists of a filter body, an insulator, and an electrode, and is used for applications such as separation of gas phase and liquid phase, or removal of foreign matter.

フィルター本体は、導電性を有するフィルターである必要がある。
代表的なフィルター本体として炭素フィルターが挙げられるが、その他の材料からなるフィルターを用いることもできる。
炭素フィルターの材料には、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボン、カーボンナノホーン、グラフェンオキサイド、ダイヤモンドライクカーボンなどのナノカーボンを用いることができる。また、アクリル樹脂のような炭素プレカーサーの薄膜を炭化して用いてもよい。電気伝導性のある炭素粒子、例えばアセチレンブラックやキャボット社のVulcanXC72に代表される導電性カーボンブラックなども均一な大きさの透過孔を形成できるならば利用できる。
The filter body needs to be a conductive filter.
A carbon filter can be mentioned as a typical filter body, but a filter made of other materials can also be used.
As the material of the carbon filter, nanocarbons such as graphene, carbon nanotubes, carbon nanoribbons, carbon nanohorns, graphene oxide, and diamond-like carbon can be used. Further, a thin film of a carbon precursor such as an acrylic resin may be carbonized and used. Electrically conductive carbon particles such as acetylene black and conductive carbon black represented by Cabot's Vulcan XC72 can also be used if they can form transmission holes of uniform size.

炭素フィルターの膜を形成する際に、ナノチューブインクまたはスラリーには、必要に応じて分散剤、バインダー、導電性粒子(ナフィオンやイオン性液体等)、増粘剤などを混合してもよい。
炭素フィルターには、微細な透過孔を設けておく。透過孔とは、おおむね直径10μm以下の孔を指す。この透過孔を通過できる分子と通過できない分子とをフィルターユニットで分離することができる。
透過孔としては、グラフェンなどの膜に高温酸化や他の化学的方法によってナノウィンドウを穿孔してもよいし、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンなどを凝集して形成した膜においてカーボンナノチューブまたはカーボンナノホーン同士の間隙を利用してもよい。
When forming the film of the carbon filter, the nanotube ink or slurry may be mixed with a dispersant, a binder, conductive particles (such as Nafion or an ionic liquid), a thickener and the like, if necessary.
The carbon filter is provided with fine transmission holes. The through hole refers to a hole having a diameter of about 10 μm or less. Molecules that can pass through these through holes and molecules that cannot pass through can be separated by a filter unit.
As the permeation pores, nanowindows may be perforated in a film such as graphene by high temperature oxidation or other chemical methods, or carbon nanotubes or carbon nanohorns may be formed in a film formed by aggregating carbon nanotubes or carbon nanohorns. The gap may be used.

炭素フィルター以外のフィルターとしては、ポーラス構造を持ったITOや、ナノ貫通孔を有する白金薄膜などの金属膜を用いることができる。 As the filter other than the carbon filter, a metal film such as ITO having a porous structure or a platinum thin film having nanothrough holes can be used.

作用電極とカウンター電極(対極)とからなる1対の電極は、フィルター本体に電圧を印加する役割がある。
電極に必要な性能は、高い導電性を有することと、液中で使用する場合には耐腐食性を有することである。
電極の材料としては、白金を用いるほか、銅などの表面に白金メッキを施したものを用いてもよい。
A pair of electrodes consisting of a working electrode and a counter electrode (counter electrode) has a role of applying a voltage to the filter body.
The performance required for the electrode is to have high conductivity and corrosion resistance when used in a liquid.
As the material of the electrode, platinum may be used, or a surface such as copper plated with platinum may be used.

また、導電性の高い炭素フィルター自体を作用電極として用いることもできる。
ほかに、塩橋などの液相電極を用いることもできる。液相電極は非効率だが、標準電極を使うことができるという利点がある。
Further, the highly conductive carbon filter itself can be used as a working electrode.
Alternatively, a liquid phase electrode such as a salt bridge can be used. Liquid phase electrodes are inefficient, but have the advantage that standard electrodes can be used.

インシュレーターは、作用電極とカウンター電極とを絶縁する役割がある。
作用電極によってフィルター本体に電圧を印加するとともに、インシュレーターによって回路に電流が流れることを防止することにより、電力消費を抑えることができる。
The insulator has a role of insulating the working electrode and the counter electrode.
Power consumption can be suppressed by applying a voltage to the filter body by the working electrode and preventing the current from flowing in the circuit by the insulator.

このようなフィルターユニットの各部品の配置のいくつかの例を示す。便宜的に、作用電極はカウンター電極に対して左側に配置されるものとする。
図1(a)では、フィルター本体1の膜の一面が円板状の作用電極2の平面に接触し、フィルター本体1の反対面に円板状のインシュレーター4の平面が接触している。
また、図1(b)では、円盤状の作用電極2の一方の平面にフィルター本体1が接触し、作用電極2の反対面に円盤状のインシュレーター4の平面が接触している。
フィルターユニットを液中に配置する際には、図1(c)のように、作用電極2がフィルター本体1から離間して配置され、液体を解して電気的に接触するようにしてもよい。フィルター本体1の反対面にはインシュレーター4が接触している。
また、図1(d)に示すように、フィルター本体1の膜の一面に棒状の作用電極2の端部が接触するようにしてもよい。フィルター本体1の反対面にはインシュレーター4が接触している。
フィルター本体1に充分な電圧を偏りなく印加できることが好ましいので、この中では、図1(a)(b)が好ましい。
Some examples of the arrangement of each component of such a filter unit are shown. For convenience, the working electrode shall be located to the left of the counter electrode.
In FIG. 1A, one surface of the membrane of the filter body 1 is in contact with the flat surface of the disk-shaped working electrode 2, and the opposite surface of the filter body 1 is in contact with the flat surface of the disk-shaped insulator 4.
Further, in FIG. 1B, the filter main body 1 is in contact with one flat surface of the disk-shaped working electrode 2, and the flat surface of the disk-shaped insulator 4 is in contact with the opposite surface of the working electrode 2.
When arranging the filter unit in the liquid, the working electrode 2 may be arranged apart from the filter main body 1 as shown in FIG. 1 (c), and the liquid may be dissolved and electrically contacted. .. The insulator 4 is in contact with the opposite surface of the filter body 1.
Further, as shown in FIG. 1 (d), the end portion of the rod-shaped working electrode 2 may be brought into contact with one surface of the film of the filter main body 1. The insulator 4 is in contact with the opposite surface of the filter body 1.
Since it is preferable that a sufficient voltage can be applied to the filter main body 1 without bias, FIGS. 1 (a) and 1 (b) are preferable.

他方、円板状のカウンター電極3は、図1(e)に示すように、円板状のインシュレーター4から見て作用電極2の反対側に接するように配置される。また、カウンター電極3とインシュレーター4との間に他の物や第二のフィルター本体が挟まれるようにしてもよい。
また、フィルターユニットを液中に配置する際には、図1(f)のように、カウンター電極3がインシュレーター4から見て作用電極2の反対側に離間して配置されてもよい。
On the other hand, as shown in FIG. 1 (e), the disk-shaped counter electrode 3 is arranged so as to be in contact with the opposite side of the working electrode 2 when viewed from the disk-shaped insulator 4. Further, another object or a second filter body may be sandwiched between the counter electrode 3 and the insulator 4.
Further, when the filter unit is arranged in the liquid, the counter electrode 3 may be arranged apart from the working electrode 2 when viewed from the insulator 4, as shown in FIG. 1 (f).

また、フィルター本体1は1つ以上あってもよく、電極2,3も2対以上あってもよく、インシュレーター4も2つ以上あってもよい。 Further, the filter main body 1 may have one or more, the electrodes 2 and 3 may have two or more pairs, and the insulator 4 may have two or more.

具体的なフィルターユニットの第一実施例について以下で説明する。
図2(a)に示すように、フィルター本体1a,1bとして、DIPS法によって生成した単層カーボンナノチューブ(名城ナノカーボン社製 EC2.0)分散液を、ポリカーボネート製のメンブレンフィルター5(メルク株式会社製、アイソポア)にスプレーコートして100℃で乾燥させ、その後裏面にも単層カーボンナノチューブ分散液をスプレーコートして100℃で乾燥させ、さらに200℃で5分間のベークを行い、2つの円板状炭素フィルターを得た。
この炭素フィルターでは、カーボンナノチューブ同士の間隙が透過孔として機能する。
また、メンブレンフィルター5はインシュレーターとして機能する。
この各フィルター本体1a,1bのさらに外側から、白金をメッシュに編んでなる円板状の電極2,3で挟みこんで接触させ、フィルターホルダー6にセットしてフィルターユニットとした。フィルター本体1a,1bの上流に作用電極2を配置し、下流にカウンター電極3を配置した。
The first embodiment of the specific filter unit will be described below.
As shown in FIG. 2 (a), as the filter bodies 1a and 1b, a single-walled carbon nanotube (EC2.0 manufactured by Meijo Nanocarbon Co., Ltd.) dispersion liquid generated by the DIPS method is applied to a polycarbonate membrane filter 5 (Merck Co., Ltd.). Isopore) is spray-coated and dried at 100 ° C, then a single-walled carbon nanotube dispersion is also spray-coated on the back surface and dried at 100 ° C, and then baked at 200 ° C for 5 minutes to form two circles. A plate-shaped carbon filter was obtained.
In this carbon filter, the gap between the carbon nanotubes functions as a transmission hole.
Further, the membrane filter 5 functions as an insulator.
From the outside of each of the filter bodies 1a and 1b, platinum was sandwiched between the disc-shaped electrodes 2 and 3 knitted into a mesh and brought into contact with each other, and set in the filter holder 6 to form a filter unit. The working electrode 2 was arranged upstream of the filter bodies 1a and 1b, and the counter electrode 3 was arranged downstream.

フィルターユニットの第二実施例について以下で説明する。
図2(b)に示すように、フィルター本体1a,1bとして、ポリカーボネート製のメンブレンフィルター5の両面に単層カーボンナノチューブのスラリーをバーコードして乾燥させ、2つの円板状炭素フィルターを得た。
この炭素フィルターでは、カーボンナノチューブ同士の間隙が透過孔として機能する。
第二実施例でも、メンブレンフィルター5はインシュレーターとして機能する。
フィルターホルダー6に上記フィルター本体1a,1bおよびメンブレンフィルター5をセットした。白金をメッシュに編んでなる円板状の作用電極2を上流側のフィルター本体1aに上流から接触させ、カーボンペーパーからなるカウンター電極3を下流側のフィルター本体1bに接触させ、フィルターユニットとした。
The second embodiment of the filter unit will be described below.
As shown in FIG. 2B, as the filter bodies 1a and 1b, a slurry of single-walled carbon nanotubes was bar-coded on both sides of a polycarbonate membrane filter 5 and dried to obtain two disc-shaped carbon filters. ..
In this carbon filter, the gap between the carbon nanotubes functions as a transmission hole.
Also in the second embodiment, the membrane filter 5 functions as an insulator.
The filter bodies 1a and 1b and the membrane filter 5 were set in the filter holder 6. A disk-shaped working electrode 2 made of platinum woven into a mesh was brought into contact with the filter body 1a on the upstream side from the upstream side, and a counter electrode 3 made of carbon paper was brought into contact with the filter body 1b on the downstream side to form a filter unit.

また、図3に示すように、第一実施例または第二実施例において、フィルター本体1a,1bの下流で主流路7から分岐する分岐流路8を設けるとともに、この分岐部分に主流路7または分岐流路8を選択的に開放する三方弁9その他の切り替え弁を設けてもよい。
この三方弁9による流路の切り替えは、フィルター本体1a,1bに印加される電圧の変更に連動するように制御される。なお、フィルター本体1a,1bに電圧を印加する電源装置10の操作(電圧の変更)と三方弁9の切り替えとが全く同時になされる必要はなく、電源装置10の操作から所定の時間差をおいて三方弁9の切り替えが行われるようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, in the first embodiment or the second embodiment, a branch flow path 8 branching from the main flow path 7 is provided downstream of the filter main bodies 1a and 1b, and the main flow path 7 or the branch flow path 7 or the branch flow path 8 is provided in this branching portion. A three-way valve 9 or other switching valve that selectively opens the branch flow path 8 may be provided.
The switching of the flow path by the three-way valve 9 is controlled so as to be interlocked with the change of the voltage applied to the filter main bodies 1a and 1b. It is not necessary to operate the power supply device 10 (change the voltage) for applying a voltage to the filter bodies 1a and 1b and to switch the three-way valve 9 at exactly the same time, and leave a predetermined time difference from the operation of the power supply device 10. The three-way valve 9 may be switched.

以下、フィルターユニットを用いた分離について説明する。
<液相におけるイオン分離>
次に、フィルターユニットを用いたイオン分離について説明する。
フィルター本体1の上流側に陰極(作用電極2)を接触させて0.1V~10Vの電圧を印加することにより、フィルター本体1の透過孔は、静電的な引力および斥力をもつ孔として機能する。イオン溶液を供給すると、金属カチオンが陰極およびフィルター本体1に引かれてフィルター本体1を透過しにくくなるとともに、アニオンはフィルター本体1に反発してフィルター本体1を透過しにくくなる。
これにより、イオン溶液は、フィルター本体1の上流側の高濃度のカチオン溶液と、下流側の低濃度のカチオン溶液とに分離される。
Hereinafter, separation using a filter unit will be described.
<Ion separation in liquid phase>
Next, ion separation using a filter unit will be described.
By bringing the cathode (working electrode 2) into contact with the upstream side of the filter body 1 and applying a voltage of 0.1 V to 10 V, the transmission hole of the filter body 1 functions as a hole having an electrostatic attractive force and a repulsive force. .. When the ion solution is supplied, the metal cation is attracted to the cathode and the filter body 1 to make it difficult to pass through the filter body 1, and the anion repels the filter body 1 to make it difficult to pass through the filter body 1.
As a result, the ionic solution is separated into a high-concentration cationic solution on the upstream side of the filter body 1 and a low-concentration cationic solution on the downstream side.

したがって、本発明のフィルターユニットを水道の配管中などに設置することによって、水から不要なイオン等を分離して除去することができる。
たとえば、フィルター本体1の上流側に陰極を接触させて電圧を印加すると、水中のアルカリ金属イオン(カルシウムイオンやマグネシウムイオン)が陰極に引かれてフィルター本体1を透過しにくくなるため、フィルター本体1を透過した軟水を利用することができる。
Therefore, by installing the filter unit of the present invention in a water pipe or the like, unnecessary ions and the like can be separated and removed from the water.
For example, when a cathode is brought into contact with the upstream side of the filter body 1 and a voltage is applied, alkali metal ions (calcium ions and magnesium ions) in water are attracted to the cathode and it becomes difficult to pass through the filter body 1, so that the filter body 1 Soft water that has permeated through can be used.

図3のように三方弁9を設けた場合には、フィルター本体1(1a)に電圧を印加したときに主流路7が開放され、軟水を下流側へ供給することができる。電圧をオフにすると分岐流路8が開放され、アルカリ金属イオン濃度が高い水を分岐流路8から廃棄することができる。 When the three-way valve 9 is provided as shown in FIG. 3, the main flow path 7 is opened when a voltage is applied to the filter main body 1 (1a), and soft water can be supplied to the downstream side. When the voltage is turned off, the branch flow path 8 is opened, and water having a high alkali metal ion concentration can be discarded from the branch flow path 8.

除去したいイオンがアニオンの場合には、フィルター本体1の下流側から陰極(作用電極2)を接触させて電圧を印加し、インシュレーター4を挟んで上流側に陽極(カウンター電極3)を配置する。
フィルター本体1に電圧を印加すると、水中のアニオン(シリカイオンなど)が陽極に引かれてフィルター本体1を透過しにくくなるため、アニオン濃度の低い水を得ることができる。
When the ion to be removed is an anion, a cathode (working electrode 2) is brought into contact with the cathode (working electrode 2) from the downstream side of the filter body 1 to apply a voltage, and an anode (counter electrode 3) is arranged on the upstream side with the insulator 4 interposed therebetween.
When a voltage is applied to the filter main body 1, anions (silica ions or the like) in the water are attracted to the anode and are difficult to permeate through the filter main body 1, so that water having a low anion concentration can be obtained.

以上のように、本発明のフィルターユニットを用いることにより、電荷によってイオンを引きつけるため、フィルターで分離を行うために気体または液体の圧を上げるエネルギーコストを節減することができる。
また、電圧印加をオフにすると、フィルター本体1の上流側に分離された対象物も下流側に流れる。そのため、従来の濾過のように上流側に対象物が蓄積されにくく、フィルター交換等のメンテナンスの頻度を低下させることができる。
また、静電的な引力および斥力をもったフィルターとして機能するため、従来の膜よりも低エネルギーコストで高性能の分離を実現することができる。
As described above, by using the filter unit of the present invention, since ions are attracted by electric charges, it is possible to reduce the energy cost of increasing the pressure of gas or liquid for separation by the filter.
Further, when the voltage application is turned off, the object separated on the upstream side of the filter main body 1 also flows on the downstream side. Therefore, unlike the conventional filtration, the object is less likely to be accumulated on the upstream side, and the frequency of maintenance such as filter replacement can be reduced.
In addition, since it functions as a filter with electrostatic attraction and repulsion, it is possible to realize high-performance separation at a lower energy cost than a conventional membrane.

さらに、フィルター本体1の下流で主流路7から分岐する分岐流路8を設けるとともに、フィルター本体1への電圧の印加に連動して主流路または分岐流路を選択的に開放する三方弁9を設けることにより、分離した2つの物質を自動的に主流路7と分岐流路8とに分けて供給することができる。 Further, a branch flow path 8 that branches from the main flow path 7 downstream of the filter main body 1 is provided, and a three-way valve 9 that selectively opens the main flow path or the branch flow path in conjunction with the application of a voltage to the filter main body 1 is provided. By providing the two separated substances, the two separated substances can be automatically divided into the main flow path 7 and the branch flow path 8 and supplied.

<フレキシブルナノウィンドウを有する炭素フィルター>
本発明のフィルターユニットでより効果的な分離を行うためには、フレキシブルナノウィンドウを有する炭素フィルター(フィルター本体)を用いることが好ましい。
フレキシブルナノウィンドウとは、周縁(リム)を構成する炭素原子に後述する官能基やヘテロ原子を付加したことによって、自身のファンデルワールス直径より大きい分子を透過させることができるナノウィンドウを意味する。
以下、フレキシブルナノウィンドウを有するグラフェンを炭素フィルターとして採用した場合を中心に説明する。
<Carbon filter with flexible nanowindow>
In order to perform more effective separation in the filter unit of the present invention, it is preferable to use a carbon filter (filter body) having a flexible nanowindow.
The flexible nanowindow means a nanowindow capable of transmitting a molecule larger than its own van der Waals diameter by adding a functional group or a heteroatom described later to a carbon atom constituting a peripheral edge (rim).
Hereinafter, the case where graphene having a flexible nanowindow is adopted as a carbon filter will be mainly described.

ヘテロ原子とは水素と炭素以外の原子を意味し、酸素(O)、窒素(N)、硫黄(S)、リン(P)、塩素(Cl)、ヨウ素(I)、臭素(Br)、ホウ素(B)などを例示することができる。
官能基とは、化学的特性を付与する一般的な官能基のうち、特に、リムを構成する原子に付加されたものを意味する。特にヘテロ原子を含む官能基が好ましく、ヒドロキシル基、カルボキシル基、カルボニル基などを例示することができる。
Heteroatoms mean atoms other than hydrogen and carbon, such as oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S), phosphorus (P), chlorine (Cl), iodine (I), bromine (Br), and boron. (B) and the like can be exemplified.
The functional group means a general functional group that imparts chemical properties, in particular, one that is added to an atom constituting the rim. In particular, a functional group containing a hetero atom is preferable, and a hydroxyl group, a carboxyl group, a carbonyl group and the like can be exemplified.

リムに付加されたヘテロ原子の部分電荷は、ナノウィンドウ内部にGV /mの強い静電界を誘起する。N2のような分極した荷電中心を有する分子とこの電界との相互作用が、分子によるナノウィンドウの透過プロセスを促進する。さらに、ナノウィンドウのリムにおける表面官能基の協調運動は、偏極した荷電中心を有する分子の透過を加速することができる。 The partial charge of the heteroatom applied to the rim induces a strong electrostatic field of GV / m inside the nanowindow. The interaction of this electric field with a molecule with a polarized charge center, such as N 2 , facilitates the process of permeation of the nanowindow by the molecule. In addition, the coordinated movement of surface functional groups in the rim of the nanowindow can accelerate the permeation of molecules with polarized charged centers.

異なるナノウィンドウのリム原子中のCに結合したHやO原子のようなヘテロ原子と炭素原子との電気陰性度の差は、グラフェンネットワークの欠陥の追加とともに、ナノワイヤのリムを構成する原子の電子密度の不均質性を誘発する。リムに沿ったこれらの部分電荷は、GV /mオーダーの大きさのナノウィンドウの周囲の静電界を誘発する。これは、O2およびN2の四極子モーメントのような永久的な多重極子を有する分子と引力的な相互作用をする。導入するヘテロ原子の例は窒素、酸素、硫黄、リン、塩素、ヨウ素、臭素、ホウ素であり、特に酸素やホウ素が効果的に作用する。電気陰性度の差によって酸素原子はドナー的に、ホウ素原子はアクセプター的にナノウィンドウリムの炭素原子に関与して、ナノウィンドウリムに不均質な電子分布を与える。同様の効果はテトラチアフルバレン(TTF)のようなドナー物質やテトラシアノキノジメタン(TCNQ)のようなアクセプター物質の添加でも得られるが、ヘテロ原子をナノウィンドウリムに直接導入した方が直接的であり効果が大きい。また、ナノウィンドウの形成や、ヘテロ原子を導入するための処理によってナノウィンドウリムに炭素原子の欠陥(欠陥部)が生じる場合があり、これはヘテロ原子の導入と同じ効果をナノウィンドウリムに与える。 The difference in electronegativity between carbon atoms and heteroatoms such as H and O atoms bonded to C in the rim atoms of different nanowindows, along with the addition of defects in the graphene network, is the electron of the atoms that make up the rim of the nanowire. Induces density heterogeneity. These partial charges along the rim induce an electrostatic field around a nanowindow as large as GV / m. It has an attractive interaction with molecules that have permanent multipoles, such as the O 2 and N 2 quadrupole moments. Examples of heteroatoms to be introduced are nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus, chlorine, iodine, bromine and boron, with oxygen and boron acting particularly effectively. Due to the difference in electronegativity, the oxygen atom acts as a donor and the boron atom acts as an acceptor to the carbon atom of the nanowindow rim, giving the nanowindow rim an inhomogeneous electron distribution. Similar effects can be obtained with the addition of donor substances such as tetrathiafulvalene (TTF) and acceptor substances such as tetracyanoquinodimethane (TCNQ), but the direct introduction of heteroatoms into the nanowindow rim is more direct. The effect is great. In addition, the formation of nanowindows and the treatment for introducing heteroatoms may cause defects (defects) of carbon atoms in the nanowindow rim, which has the same effect on the nanowindow rim as the introduction of heteroatoms. ..

また、フレキシブルナノウィンドウのリムは、分子の透過中に振動し緩和することができる。このような環状ポリ芳香族分子的なナノウィンドウの緩和は、透過分子の種類に応じて変化するものの、透過エネルギー障壁を従来から2~5倍減少した。
ナノウィンドウを非周期的な多環ポリ芳香族分子の構造と同等の構造ととらえると、緩和の効果が非常に大きいことが期待される。なぜなら、このような非周期的な多環ポリ芳香族分子の構造は周期的な構造よりもはるかに強く、フォノン振動を生じさせるからである。 ナノウィンドウへリムの緩和を通した柔軟性の導入は、分子の透過と並行して起こるため、重要である。
Also, the rim of the flexible nanowindow can vibrate and relax during molecular permeation. Although the relaxation of such cyclic polyaromatic molecular nanowindows varies depending on the type of permeate molecule, the permeation energy barrier has been reduced by 2 to 5 times.
If the nanowindow is regarded as having a structure equivalent to that of an aperiodic polycyclic polyaromatic molecule, it is expected that the mitigation effect will be very large. This is because the structure of such aperiodic polycyclic polyaromatic molecules is much stronger than the periodic structure and causes phonon oscillations. The introduction of flexibility through rim relaxation into the nanowindow is important because it occurs in parallel with molecular permeation.

ナノウィンドウよりも大きい分子がナノウィンドウを透過するメカニズムは、ナノウィンドウリムや官能基の電子と、透過する分子の電子の相互作用によって、ナノウィンドウリムや官能基の電子分布が変化(協調)して、透過分子との間にクーロン的な引力を生じ(緩和)、ナノウィンドウリム自体の立体的な障害を透過分子の持つ運動エネルギーで充分に突破できるようになるものである。
リムの動的運動およびヘテロ原子によって生成される部分的電荷分布によって、気体等の分子が区別され、選択的な透過が起こる。
O2、N2、およびArの最小の二次元形状は、それぞれ2.99Å, 3.05Åおよび3.63Åである。
O2は、ナノウィンドウリムや官能基との間で弱い協調がおこり、緩和も起こるが協調が弱いため緩和の効果が小さい(自身のサイズより小さいナノウィンドウを通ることができる)。
N2は、ナノウィンドウリムや官能基との間で強い協調が起こり、強い緩和が起こるため、緩和の効果が大きい(自身のサイズより小さいナノウィンドウを酸素よりも通りやすい)。
Arは、ナノウィンドウリムや官能基との間で協調が起きないため、緩和の効果がない。
The mechanism by which molecules larger than nanowindows permeate the nanowindow is that the electron distribution of the nanowindow rims and functional groups changes (coordinates) due to the interaction between the electrons of the nanowindow rims and functional groups and the electrons of the permeating molecules. As a result, a Coulomb-like attractive force is generated (relaxed) with the permeating molecule, and the kinetic energy of the permeating molecule can sufficiently break through the steric obstacle of the nanowindow rim itself.
The dynamic motion of the rim and the partial charge distribution produced by the heteroatoms distinguish molecules such as gases and cause selective permeation.
The smallest two-dimensional shapes of O 2 , N 2 , and Ar are 2.99 Å, 3.05 Å, and 3.63 Å, respectively.
O 2 has weak coordination with nanowindow rims and functional groups, and relaxation also occurs, but the relaxation effect is small due to the weak coordination (it can pass through nanowindows smaller than its own size).
N 2 has a large relaxation effect (it is easier to pass through nanowindows smaller than its own size than oxygen) because strong coordination occurs with nanowindow rims and functional groups and strong relaxation occurs.
Ar has no mitigation effect because it does not cooperate with nanowindow rims or functional groups.

さらに、ヒドロキシル、カルボキシルおよびカルボニルのような官能基は、ナノウィンドウに対していくつかの配向を有する。それらの動的配向はナノウィンドウの形状を変化させ、透過機構およびその選択性に強く影響する。 In addition, functional groups such as hydroxyl, carboxyl and carbonyl have several orientations with respect to the nanowindow. Their dynamic orientation changes the shape of the nanowindow and strongly influences the transmission mechanism and its selectivity.

また、ナノウィンドウのリムは静的ではなく、ブリージング振動しており、あたかも呼吸し緩和するようにふるまう。この振動も電荷分布と同じように、ナノウィンドウリムや官能基と透過分子とを協調させて緩和を発生させる。
グラフェンはフォノン運動と固有の振動モードを持ち、ナノウィンドウのリムに協調振動を生じさせる。これらの振動は、ナノウィンドウの有効なサイズおよび/または形状を変化させ、その透過特性を決定する。
図5(a)の距離ヒストグラムの形状から、リムのブリージング振動の協調動作は対称ではないことが明らかである。実際、図5(b)に示すO1-O2距離とO3-O4距離とのピアソン相関係数は-0.38であり、これはナノウィンドウのリムの長さの一方向が収縮する間にこれに垂直な一方向が伸びることを意味する。この透過分子と協調したナノウィンドウリムの振動は、「窓呼吸(ウィンドウブリージング)」モードと呼ばれる小孔ゼオライトの骨格ダイナミクスにおいて観察されるものと非常に類似している。分子の透過は、より短いO-O距離(すなわち、O1-O2)がその平均を上回ったときに効果的に行われる。
Also, the nanowindow rim is not static, but breathing vibrates, acting as if breathing and relaxing. Similar to the charge distribution, this vibration also causes relaxation by coordinating nanowindow rims and functional groups with transmitted molecules.
Graphene has phonon motion and a natural vibration mode, which causes coordinated vibration in the rim of the nanowindow. These vibrations change the effective size and / or shape of the nanowindow and determine its transmission properties.
From the shape of the distance histogram in FIG. 5 (a), it is clear that the cooperative operation of the breathing vibration of the rim is not symmetrical. In fact, the Pearson correlation coefficient between the O1-O2 distance and the O3-O4 distance shown in FIG. 5 (b) is -0.38, which is perpendicular to this while one direction of the nanowindow rim length contracts. It means that one direction extends. The vibration of the nanowindow rim coordinated with this permeate molecule is very similar to that observed in the skeletal dynamics of small pore zeolites called the "window breathing" mode. Molecule permeation is effective when the shorter OO distance (ie, O1-O2) exceeds its average.

<官能基の回転による開閉>
ナノウィンドウの官能基の自由回転とリムの振動が透過分子に対する一種のゲートを作る場合がある。
プロテインのナノチャンネル(溝)を真似ることにより、負に荷電したカルボン酸基を有するナノウィンドウは、グラフェン壁の両側でイオン透過の非対称エネルギープロファイルを示すことが実証されている。これは、カルボン酸基がグラフェン面に向くようにグラフェン壁の両側に異なる環境を作り出す異なる方法によるものであった。このため、MDシミュレーションでは、柔軟な骨格を考慮して、エネルギー効率の良いナノウィンドウ構成をすべてサンプリングする必要がある。
<Opening and closing by rotation of functional group>
The free rotation of the functional groups of the nanowindow and the vibration of the rim can create a kind of gate for the transmitted molecule.
By mimicking the nanochannels of proteins, nanowindows with negatively charged carboxylic acid groups have been demonstrated to exhibit an asymmetric energy profile of ion permeation on both sides of the graphene wall. This was due to different methods of creating different environments on either side of the graphene wall so that the carboxylic acid groups face the graphene surface. For this reason, MD simulations need to sample all energy-efficient nanowindow configurations, taking into account the flexible skeleton.

グラフェン面外の官能基も、その向きを動的に切り替えることができる。ナノウィンドウリムにおける官能基(例えば、図5(b)のO1、O2、O3およびO4を含むヒドロキシル基)の配向による透過率の変化をMDシミュレートした。柔軟なNW-3.30のナノウィンドウを通したN2透過のMDシミュレーションセット(図6(a)参照)は、20ナノ秒までのシミュレーション時間であっても、透過速度(10±5μs-1)の非常に大きな変動を示す。
ヒドロキシル基中のOに結合しているH原子(N2分子と静電的に相互作用する)は、H-O-C-C二面角の回転に応じて動きの自由度を有するが、局所エネルギー最小構成(特定の時間にナノウィンドウの骨格を急冷する場合)においてHは一時的にロックされる。
Out-of-plane graphene functional groups can also dynamically switch their orientation. The change in transmittance due to the orientation of functional groups (eg, hydroxyl groups containing O1, O2, O3 and O4 in FIG. 5 (b)) in the nanowindow rim was simulated by MD. The MD simulation set of N 2 transmission through the flexible NW-3.30 nanowindow (see Figure 6 (a)) has a transmission rate (10 ± 5 μs -1 ) even with simulation times up to 20 nanoseconds. Shows very large fluctuations.
The H atom (electrostatically interacting with the N 2 molecule) attached to O in the hydroxyl group has a degree of freedom of movement in response to the rotation of the HOCC dihedral angle, but has a minimum local energy configuration (specific). When the nanowindow skeleton is quenched at this time), H is temporarily locked.

これにより、透過の3つの異なる速度レジームを特定することが可能になった。H-O1原子とH-O2原子の対が互いにグラフェン面の反対側に向かって且つ離間する方向を向いていると、速い透過レジーム(k = 28±11μs-1、図6(b))が生じ(図6(e)を参照。各O原子の表記は図5(b)も参照)、より大きなナノウィンドウ空間が透過するN2のために開放されることを可能にする。これらのすべての場合において、H-O2は図6に向かって手前側を向くことにより、透過のための好都合な環境を作り出した。中程度の透過速度(図6(c)のk = 3.3±0.5μs-1)では、H-O1とH-O2との原子対は、互いにグラフェン面外の反対方向で且つ収束する方向を向くか、もしくは互いにグラフェン面外の同じ方向ではあるが離間する方向(図6(f)を参照)を向く。最後に、遅い速度の透過レジーム(k = 0.1±0.2μs-1、図6(d))では、両方の原子対がグラフェン面外の同じ方向で且つ収束する方向を指す(図6(g)を参照)ことにより、ナノウィンドウを詰まらせる原子ゲートのようにふるまう。 This made it possible to identify three different velocity regimes of transmission. When the pair of H-O1 and H-O2 atoms are oriented toward the opposite side of the graphene surface and away from each other, a fast transmission regime (k = 28 ± 11 μs -1 , Fig. 6 (b)) is generated. It occurs (see FIG. 6 (e); the notation of each O atom also sees FIG. 5 (b)), allowing the larger nanowindow space to be open for transparent N 2 . In all of these cases, H-O2 turned towards FIG. 6 to create a favorable environment for permeation. At moderate transmission velocities (k = 3.3 ± 0.5 μs -1 in FIG. 6 (c)), the atomic pairs of H-O1 and H-O2 point in opposite directions and converge to each other outside the graphene plane. Or, they face the same direction outside the graphene plane but away from each other (see FIG. 6 (f)). Finally, in the slow velocity transmission regime (k = 0.1 ± 0.2 μs -1 , FIG. 6 (d)), both atomic pairs point in the same out-of-graphene direction and in the direction of convergence (FIG. 6 (g)). By doing so, it behaves like an atomic gate that clogs the nanowindow.

遅い速度の透過レジームでは、官能基H-O1およびH-O2のねじれにより、N2の透過にとってナノウィンドウが純粋に静電ゲートとなる(Hは分散相互作用を欠く充電点としてモデル化されるため)。このときO1-O2距離が最短の開放距離にあることから、O1-O2距離が透過において主要な役割を果たすことだけでなく、H原子の位置が静電的に相互作用する分子に対する原子ゲートとして挙動することもわかる。これは、ナノウィンドウのリム内に他の静電的官能基を含めることによっても、この効果を利用できる可能性が高いことを示している。 In the slow-velocity transmission regime, the twisting of the functional groups H-O1 and H-O2 makes the nanowindow a purely electrostatic gate for N 2 transmission (H is modeled as a charging point lacking dispersion interaction). For). Since the O1-O2 distance is at the shortest open distance at this time, not only the O1-O2 distance plays a major role in transmission, but also as an atomic gate for molecules with which the positions of H atoms interact electrostatically. You can also see that it behaves. This indicates that this effect is likely to be utilized by including other electrostatic functional groups within the rim of the nanowindow.

O2はN2よりも小さいので、N2の場合よりも小さいNW-2.73以下のナノウィンドウにおいてゲートの開閉が起こる(NW-xとして示されているのは、ナノウィンドウのファンデルワールス直径φ(Å)である)。
第一の事例では、それぞれ水素がグラフェン面に対し反対方向へ開くときにO2を透過させる遅い体制(図7(a)参照、速度定数1.8μs-1)が生じる。第二の事例では、両方の水素がグラフェン面に対し同じ方向に曲がり、よってナノウィンドウを閉じ原子ゲートのようにふるまうときに不透過性体制(図7(b)参照、速度定数<0.001μs-1)が生じる。
ナノウィンドウが開放された位置は、閉じたナノウィンドウと比較してわずかに熱力学的に有利である(ΔE= -1.3kJ / mol)。
Since O 2 is smaller than N 2 , gate opening and closing occurs in nanowindows smaller than N W-2.73 than in N 2 (NW-x is shown as the van der Waals diameter φ of the nanowindow. (Å)).
In the first case, a slow system (see FIG. 7 (a), rate constant 1.8 μs -1 ) occurs in which O 2 permeates when each hydrogen opens in the opposite direction to the graphene surface. In the second case, when both hydrogens bend in the same direction with respect to the graphene plane, thus closing the nanowindow and acting like an atomic gate (see Figure 7 (b), rate constant <0.001 μs- 1 ) occurs.
The open position of the nanowindow is slightly thermodynamically advantageous compared to the closed nanowindow (ΔE = -1.3kJ / mol).

このように2種以上の配向有する官能基を設けたグラフェンを得る方法として、グラフェンを空気中600Kで10分処理して所望のサイズのナノウィンドウを形成した。さらに、このグラフェンを1mol/Lの硝酸水溶液に300K、1時間浸漬してヘテロ原子を導入した。超純水で洗浄後、ポリカーボネート製のメンブレンフィルターに転写して、メンブレンフィルターホルダーにセットして、気体分子膜とした。露出したフレキシブルナノウィンドウの一部のエッジは-H、-OHまたはC-O-C終端で不動態化されている。
官能基やナノウィンドウリムの電荷分布を利用したナノウィンドウの開閉動作には、電荷の印加や赤外線照射などが有効である。電荷の印加でナノウィンドウリムの電荷分布は簡単に制御でき、例えばグラフェン全体を電子リッチの状態に印加すると、ナノウィンドウリムは電子で満たされナノウィンドウは閉状態となる。
赤外線のような電磁波を照射すると、官能基は熱運動で回転またはライブレーション運動が活発となり、ナノウィンドウは閉状態となる。また、ナノウィンドウリムは電磁波照射によって生ずるフォノンの効果で、ナノウィンドウが閉状態となる。
また、グラフェンに赤外線を弱く照射して、分子透過性の高い状態に維持したのち、赤外線照射をやめて、官能基の配置をナノウィンドウの開状態に維持して冷却することで、ナノウィンドウを開状態に保持できる。
As a method for obtaining graphene having functional groups having two or more kinds of orientations as described above, graphene was treated with air at 600 K for 10 minutes to form nanowindows of a desired size. Further, this graphene was immersed in a 1 mol / L nitric acid aqueous solution at 300 K for 1 hour to introduce a heteroatom. After washing with ultrapure water, it was transferred to a polycarbonate membrane filter and set in a membrane filter holder to form a gas molecular film. Some edges of the exposed flexible nanowindow are passivated at the -H, -OH or COC terminations.
The application of electric charge and infrared irradiation are effective for opening and closing the nanowindow using the charge distribution of the functional group and the nanowindow rim. The charge distribution of the nanowindow rim can be easily controlled by applying the charge. For example, when the entire graphene is applied to the electron-rich state, the nanowindow rim is filled with electrons and the nanowindow is closed.
When irradiated with electromagnetic waves such as infrared rays, the functional groups rotate or become active due to thermal motion, and the nanowindow is closed. In addition, the nanowindow rim is closed due to the effect of phonons generated by electromagnetic wave irradiation.
In addition, after weakly irradiating graphene with infrared rays to maintain high molecular permeability, the nanowindows are opened by stopping infrared irradiation and maintaining the arrangement of functional groups in the open state of the nanowindows for cooling. Can be kept in a state.

フレキシブルナノウィンドウは、自身のファンデルワールス直径より大きい分子を透過させることができる。たとえば、3.0ÅのO2分子が2.7Åのナノウィンドウを600m3・min-1・m-2の超高速で容易に透過できる。
また、ファンデルワールス直径がほぼ同じ2種の分子について、一方がフレキシブルナノウィンドウと作用し、他方が作用しない場合には、この2種の分子をフレキシブルナノウィンドウによって分離することが可能となる。
Flexible nanowindows can permeate molecules larger than their van der Waals diameter. For example, a 3.0 Å O 2 molecule can easily penetrate a 2.7 Å nanowindow at an ultrafast speed of 600 m 3 · min -1 · m -2 .
Further, for two types of molecules having almost the same van der Waals diameter, when one of them acts on the flexible nanowindow and the other does not, the two types of molecules can be separated by the flexible nanowindow.

フレキシブルナノウィンドウを有するフィルターユニットの第三実施例について以下で説明する。
図1(a)(e)に示すように、平均開口径1μmの貫通孔を開けた厚さ10μmのポリイミド樹脂製のフィルムを形成し、そのフィルムに単層グラフェン(Graphena社製)を転写して、空気中250℃で加熱してグラフェン上にフレキシブルナノウィンドウを形成した。転写したグラフェンがフィルター本体1として機能し、ポリイミドフィルムがインシュレーター4の機能を有する。露出したフレキシブルナノウィンドウの一部のエッジは-H、-OHまたはC-O-C終端で不動態化されている。
次いで、白金をメッシュに編んでなる円板状の作用電極2を上流側のフィルター本体1に上流から接触させ、カーボンペーパーからなるカウンター電極3をインシュレーター4の下流側から接触させ、フィルターユニットとし、フィルターホルダーにセットした。
A third embodiment of the filter unit having a flexible nanowindow will be described below.
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (e), a film made of a polyimide resin having a thickness of 10 μm having a through hole having an average opening diameter of 1 μm is formed, and single-layer graphene (manufactured by Graphene) is transferred to the film. Then, it was heated at 250 ° C. in air to form a flexible nanowindow on graphene. The transferred graphene functions as the filter body 1, and the polyimide film has the function of the insulator 4. Some edges of the exposed flexible nanowindow are passivated at the -H, -OH or COC terminations.
Next, a disk-shaped working electrode 2 made by knitting platinum into a mesh is brought into contact with the filter body 1 on the upstream side from the upstream side, and a counter electrode 3 made of carbon paper is brought into contact with the insulator 4 from the downstream side to form a filter unit. I set it in the filter holder.

以下、フィルターユニットを用いた分離について説明する。
<気相における分離>
本発明のフィルターユニットを用いて、乾燥空気をO2とN2とArとに分離する場合を説明する。
フィルター本体1には、フレキシブルナノウィンドウを有する炭素フィルターを用いる。
電荷をオフにした状態で、フィルターユニットに乾燥空気を供給すると、O2がフィルター本体1を透過するとともにN2およびArが透過しないため、フィルター本体1の下流でO2濃度が高い気体が得られる。
その後、フィルター本体1に1V~100Vの電圧を印加すると、N2の透過量が多くなるがArの透過量は変化せず、フィルター本体1の上流ではAr濃度が高い気体が得られ、下流ではN2濃度が高い気体が得られる。
Hereinafter, separation using a filter unit will be described.
<Separation in gas phase>
The case where the dry air is separated into O 2 , N 2 and Ar by using the filter unit of the present invention will be described.
A carbon filter having a flexible nanowindow is used for the filter main body 1.
When dry air is supplied to the filter unit with the charge turned off, O 2 permeates the filter body 1 and N 2 and Ar do not permeate, so that a gas with a high O 2 concentration is obtained downstream of the filter body 1. Be done.
After that, when a voltage of 1 V to 100 V is applied to the filter body 1, the amount of N 2 permeated increases, but the amount of Ar permeated does not change, and a gas having a high Ar concentration is obtained upstream of the filter body 1 and downstream. A gas with a high N 2 concentration can be obtained.

ナノウィンドウのサイズか大きくなるにつれて、透過速度が大きくなり逆に選択性は低下する。したがってNW-3.78とNW-3.70は高い透過率と低い分離選択性を持つ。
サイズを3.3Å(図4(d)のNW-3.30参照)に減少させることにより、Ar透過速度は50倍減少し、N2 / Ar選択性は20に増加し、分子篩としての効果があることが示される。
フレキシブルナノウィンドウにおいて酸素に対して最も選択的なものは、NW-2.97である(図4(c)参照)。 その透過速度定数は47μs-1であり、これは600m3 STP・min -1・m -2に相当し、図4(g)に示すようにO2:N2分離において50倍(O2:Ar分離では1500倍)よりも大きい選択性を有する。
従来のカーボン分子篩いは、O2:N2選択比について約30倍を達成することができるが、拡散制限が大きく透過速度には限界があった。ポリスルホン、ポリカーボネートおよびポリイミドなどの市販のポリマーは、O2:N2について約6倍の透過速度選択比に達することができた。しかし、混合マトリックスを含む高分子膜を含む最良の膜でさえ、O2:N2選択比で10倍を超えることはめったにない。このようなポリマーによる分離では、フレキシブルナノウィンドウよりも数桁規模で低い選択性しか得られない。
一方で本発明では、上記のように分子の分離のためのエネルギーコストおよびCO2排出量の大幅な削減が可能になった。
As the size of the nanowindow increases, the permeation rate increases and conversely the selectivity decreases. Therefore, NW-3.78 and NW-3.70 have high transmittance and low separation selectivity.
By reducing the size to 3.3 Å (see NW-3.30 in Figure 4 (d)), the Ar permeation rate is reduced by 50 times, the N 2 / Ar selectivity is increased to 20, and it is effective as a molecular sieve. Is shown.
The most selective for oxygen in the flexible nanowindow is NW-2.97 (see Figure 4 (c)). Its permeation rate constant is 47 μs -1 , which corresponds to 600 m 3 STP · min -1 · m -2 , which is 50 times (O 2 :) in O 2 : N 2 separation as shown in Fig. 4 (g). It has greater selectivity than 1500 times in Ar separation).
Conventional carbon molecular sieves can achieve about 30 times the O 2 : N 2 selectivity, but the diffusion limit is large and the permeation rate is limited. Commercially available polymers such as polysulfone, polycarbonate and polyimide were able to reach about 6 times the permeation rate selectivity for O 2 : N 2 . However, even the best membranes, including polymer membranes with confusion matrices, rarely exceed 10-fold O 2 : N 2 selectivity. Separation with such polymers provides orders of magnitude lower selectivity than flexible nanowindows.
On the other hand, the present invention has made it possible to significantly reduce the energy cost and CO 2 emissions for separating molecules as described above.

以上のように、フレキシブルナノウィンドウを有する炭素フィルターを用いることにより、ファンデルワールス直径がほぼ同じ2種の分子を分離することができる。
また、従来の膜よりも低エネルギーコストで高性能の分離を実現することができる。
As described above, by using a carbon filter having a flexible nanowindow, it is possible to separate two types of molecules having substantially the same van der Waals diameter.
In addition, high-performance separation can be realized at a lower energy cost than conventional membranes.

<図面の説明>
図4の各モデルにおいて、明るい灰色の原子は炭素(C)、暗い灰色の原子は酸素(O)、白色の原子は水素(H)を示している。NW-xとして示されているのは、ナノウィンドウのファンデルワールス直径φ(Å)である。また、図4(g)に示される透過率(単位μs-1)は、分子ごとに、多くのMDシミュレーションでの結果の平均を一次モデルに適合させて測定したものである。シミュレーションの結果、透過率<0.004μs-1であった領域は、分子が透過できない部分と解釈した。
図5はナノウィンドウのブリージング振動(あたかも呼吸するように、同心円状に伸び縮みする振動)を示す。(a)の四角形の色勾配は、N2分子がナノウィンドウを透過したときの距離に対応し、より暗いマークは、グラフェン面により近いN2中心に対応する。したがってN2のグラフェンとの距離と、ブリージング振動との関係を示している。また、背景の濃淡は、O1-O2間およびO3-O4間距離の分布を示し、色が濃いほどその距離にある頻度が高いということを示す。したがって、図5のナノウィンドウはO1-O2間およびO3-O4間距離がそれぞれ、6.16と6.54Åを中心に約3.5Åの振幅で振動していることが示されている。
図6の(a)から(d)において、薄い線は一回ごとの実行結果を示し、黒い線はすべての実行の平均値を示し、影の付いた領域は毎回の標準偏差である。挿入された小グラフは、平均に対する線形近似を含むすべてのデータの線形化である。また、図6の(e)から(g)において、矢印はO(1-2)-H官能基の配向を示し、黒矢印はグラフェン面内にあることを、白抜き矢印は向かって奥への配向を、破線矢印は向かって手前への配向を示している。
図7(a)の透過状態では、対極にある1対の水素原子は、グラフェン面を基準にして互いに反対方向に向いている。図7(b)の非透過(原子ゲート)状態では、対極にある1対の水素原子は、グラフェン面を基準にして互いに同じ方向に向いている。また、各図において左下のエネルギー差ΔEは、図7(a)左側の例を基準(0)としている。明るい灰色は炭素(C)、暗い灰色は酸素(O)、白色は水素(H)を示している。
<Explanation of drawings>
In each model of FIG. 4, light gray atoms represent carbon (C), dark gray atoms represent oxygen (O), and white atoms represent hydrogen (H). Shown as NW-x is the van der Waals diameter φ (Å) of the nanowindow. The transmittance (unit: μs -1 ) shown in FIG. 4 (g) is measured for each molecule by adapting the average of the results of many MD simulations to the primary model. As a result of the simulation, the region where the transmittance was <0.004 μs -1 was interpreted as the part where the molecule could not penetrate.
FIG. 5 shows the breathing vibration of the nanowindow (vibration that expands and contracts concentrically as if breathing). The color gradient of the rectangle in (a) corresponds to the distance when the N 2 molecule penetrates the nanowindow, and the darker mark corresponds to the N 2 center closer to the graphene plane. Therefore, the relationship between the distance of N 2 to graphene and the breathing oscillation is shown. The shade of the background shows the distribution of the distance between O1 and O2 and the distance between O3 and O4, and the darker the color, the higher the frequency of being at that distance. Therefore, it is shown that the nanowindow in FIG. 5 oscillates with an amplitude of about 3.5 Å around 6.16 and 6.54 Å, respectively, between O1 and O2 and O3 and O4, respectively.
In FIGS. 6 (a) to 6 (d), the light line shows the result of each execution, the black line shows the average value of all the executions, and the shaded area is the standard deviation of each execution. The inserted subgraph is a linearization of all data, including a linear approximation to the mean. Further, in FIGS. 6 (e) to 6 (g), the arrow indicates the orientation of the O (1-2) -H functional group, the black arrow indicates that it is in the graphene plane, and the white arrow indicates the direction toward the back. The dashed arrow indicates the orientation toward you.
In the permeation state of FIG. 7A, the pair of hydrogen atoms at the opposite poles are oriented in opposite directions with respect to the graphene plane. In the non-permeable (atomic gate) state of FIG. 7 (b), a pair of hydrogen atoms at the opposite poles are oriented in the same direction with respect to the graphene plane. Further, in each figure, the energy difference ΔE at the lower left is based on the example on the left side of FIG. 7 (a) (0). Light gray indicates carbon (C), dark gray indicates oxygen (O), and white indicates hydrogen (H).

1,1a,1b フィルター本体
2 (作用)電極
3 (カウンター)電極
4 インシュレーター
5 メンブレンフィルター
6 フィルターホルダー
7 主流路
8 分岐流路
9 三方弁
10 電源装置
1,1a, 1b Filter body 2 (Working) Electrode 3 (Counter) Electrode 4 Insulator 5 Membrane filter 6 Filter holder 7 Main flow path 8 Branch flow path 9 Three-way valve 10 Power supply

Claims (2)

透過孔を有する1つ以上の導電性の炭素フィルターと、
上記炭素フィルターに電圧を印加する1対以上の電極と、
上記電極間に電流が流れることを防止する1つ以上のインシュレーターと、
を備え、
上記炭素フィルターの下流で流体の主流路から分岐する分岐流路を設けるとともに、上記電極による上記炭素フィルターへの印加の変更に連動して上記主流路または上記分岐流路を選択的に開放する切り替え弁を設け
上記炭素フィルターの上記透過孔が、リムに形成された官能基の2種以上の配向を電圧の印加によって切り替えることのできるフレキシブルナノウィンドウであり、上記電極によって上記炭素フィルターに電圧を印加することにより上記炭素フィルターの分子選択性または分子透過性を変化させ、
上記流体が水であり、
上記炭素フィルター、上記電極、及び上記インシュレーターが水道の配管中に配置されることを特徴とするフィルターユニット。
With one or more conductive carbon filters with permeation holes,
One or more pairs of electrodes that apply voltage to the carbon filter,
With one or more insulators that prevent current from flowing between the electrodes,
Equipped with
A branch flow path that branches from the main flow path of the fluid is provided downstream of the carbon filter, and the main flow path or the branch flow path is selectively opened in conjunction with a change in the application of the electrode to the carbon filter. Provide a valve ,
The transmission hole of the carbon filter is a flexible nanowindow capable of switching the orientation of two or more kinds of functional groups formed on the rim by applying a voltage, and by applying a voltage to the carbon filter by the electrode. By changing the molecular selectivity or molecular permeability of the above carbon filter,
The above fluid is water
A filter unit characterized in that the carbon filter, the electrode, and the insulator are arranged in a water pipe .
上記切り替え弁が三方弁である、請求項記載のフィルターユニット。 The filter unit according to claim 1 , wherein the switching valve is a three-way valve.
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