第 2 章 実験方法・理論 35
2.2 透過試験
2.2.1.1 無機気体透過試験
気体透過試験は、前述の気体透過試験装置（図 2.1.2）を用い、3 種類の無機ガスである水素（H2、 Kinetic径0.28 nm）、窒素（N2、0.36 nm）、六フッ化硫黄（SF6、0.55 nm）を指標気体として評価した。
SF6を用いた場合の評価温度は、300℃以上にてSF6によるエッチングにより蒸着膜が劣化する可能性が あるため、270℃とした。蒸着温度が270℃よりも低い膜の場合は、蒸着させた温度と同温度で気体透過 性能を評価した。測定方法は石鹸膜流量計法と圧力変化法を使用した。
2.2.1.2 炭化水素透過試験
図2.1.2の気体透過試験装置を利用し、炭化水素透過試験をした。評価した炭化水素はメタン（CH4）
エタン（C2H6）、プロピレン（C3H6）、プロパン（C3H8）である。透過温度は270℃、測定方法は石鹸膜 流量計法と圧力変化法を使用した。表2.2.1に透過分子のLenard-Jones径を示す。
Thermocouple
Cold trap Vent
Bubble flow meter
Membrane O-ring
MFC
N2 H2
MFC
Bubbler with temp. controller
Vaporizer O3/O2
Furnace
Pressure gauge Ozonizer
MFC
O2
Readout
Pressure transducer
Vacuum pump
: Ribbon heater
Vent SF6
MFC
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表2.2.1 水素と炭化水素のLenard-Jones径
気体 Lennard-Jones径1) [nm]
H2（水素） 0.289 CH4（メタン） 0.380 C2H4（エチレン） 0.419 C2H6（エタン） 0.444 C3H6（プロピレン） 0.468 C3H8（プロパン） 0.512
2.2.1.3 ヨウ化水素分離用水素透過試験
HI ガス透過試験装置の概略を図 2.2.1 に示す。HI 流量は 50-100 mL min-1、試験温度は室温および
400℃、スイープガスとして窒素を50-100 mL min-1を流通した。HI透過量は、膜を通過したHIを水で
トラップし、0.1N NaOH水溶液を用いてHIが溶解した水溶液（トラップ水）を中和滴定することで測 定した。
図2.2.1 HIガス透過試験装置概略図
2.2.2 液体透過試験
評価に使用した溶質の種類を表2.2.2に示す。各水溶液は、超純水を用いて中性分子は濃度500 ppm、
イオンは濃度100 ppmに調製した。表2.2.3にシリカ複合膜の液体透過性との比較として用いた高分子 ナノろ過膜の種類と性能を示す。図2.2.2に試験装置図を示す。試験温度は室温、操作圧力は1.5、3.0、
4.0 MPa、供給流量は10 mL min-1とした。
阻止率R [-]は、透過液の溶質濃度Cp [mol L-1]、供給液の溶質濃度Cb [mol L-1]とすると、次のように表 せる。
1 ・・・(2-1)
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水透過流束Jvは、透過液の質量Wp、透過液の密度ρ、透過液の回収時間t、膜面積Aとしたとき、次 のように表せる。
J
v=
WρtAp ・・・(2-2)溶質透過流束JSは、透過液の濃度をCpとすると(2-3)式で表せる。
J CpJv ・・・(2-3)
ここで水透過係数Lp、透水圧力Δp、浸透圧πとすると水透過流束は(2-4)式で表せる。
Jv=Lp(∆p-π) ・・・(2-4)
浸透圧πはvan’t Hoffの式より、浸透係数φ、溶質モル濃度Cs、気体定数R、絶対温度Tとすると次 の(2-5)式で表せる。浸透圧係数はエタノールやグルコースのような中性物質の場合 1、NaCl の場合は 1.8、電解質のH2SO4は3を利用した。
π=φCsRT ・・・(2-5)
表2.2.2 使用した溶質の種類
名称 試薬 分子量 液性 種類
Ethanol Rowa Scientific, absolute AR ≥99.8% 46.07 中性 分子
D-Glucose 和光純薬、98.0+% (alpha-type + beta-type)(GC) 180.16 中性 分子
Sucrose Sigma-aldrich, ≥99.5% 342.30 中性 分子
D-Raffinose pentahydrate Sigma-aldrich, ≥98% 594.51 中性 分子
α-Cyclodextrin Sigma-aldrich, ≥98% 972.84 中性 分子
KCl Sigma-aldrich, ≥99% 58.44 中性 イオン
NaCl Sigma-aldrich, 99.98% trace metals basis 74.55 中性 イオン
MgCl2・6H2O Merck, ≥99.0% 203.30 中性 イオン
K2SO4 Merck, ≥99.0% 120.37 中性 イオン
Na2SO4 Merck, ≥99.0% 142.04 中性 イオン
MgSO4・7H2O Sigma-aldrich, ACS reagent, ≥98% 246.48 中性 イオン
H2SO4: Sulfuric acid Wako, 95.0+% 98.08 強酸 イオン
CH3COOH: Acetic acid Wako, 99.7+% 60.05 弱酸 イオン
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表2.2.3 高分子ナノろ過膜の性能と分画分子量
名称 製品 膜材料 公称
分画分子量
分画分子量
（実験値）
PA1 TS80 (TriSep) polyamide -150 174
PA2 NF270 (Dow) polyamide -200～400 308
PPA1 TS40 (TriSep) poly(piperazine-amide) -200 184 PPA2 XN45 (TriSep) Poly(piperazine-amide) -500 437
図2.2.2 透水試験装置図