ナノチューブ膜

ナノチューブ膜は、単一の開放端ナノチューブ(CNT) か、ハニカムのセルのような不浸透性フィルム マトリックスの表面に対して垂直に配向されたナノチューブの配列で構成されたフィルムのいずれかです。ここでの「不浸透性」は、ナノチューブ膜を従来のよく知られた多孔質膜と区別するために不可欠です。流体および気体分子は、ナノチューブを通過する場合にのみ、膜をまとめて通過できます。たとえば、水分子は、CNT を通過するときに鎖のように機能する整列した水素結合を形成します。これにより、ナノチューブと水の間にほぼ摩擦のない、または原子レベルで滑らかな界面が形成され、これが疎水性界面の「滑り長さ」に関係します。細孔壁内の水の非連続的な動作を説明する滑り長さなどの特性は、単純な流体力学システムでは無視され、ハーゲン・ポアズイユの式には存在しません。分子動力学シミュレーションは、滑り長さを考慮したハーゲン・ポアズイユ方程式のさまざまな形を使用して、カーボンナノチューブを通る水分子の流れをより正確に特徴付けます。^{[1] [2]}

2000年に、ポリスチレン粒子（直径60および100 nm）が単管膜（150 nm）を通過することが報告されました。 ^[3]その後すぐに、多層および二重壁カーボンナノチューブからなるアンサンブル膜が製造され、研究されました。^[4]多層チューブ（内径7 nm）[5]と二重壁チューブ（内径<2 nm）の両方で、ハーゲン・ポアズイユ方程式を使用して、水が膜のグラファイトナノチューブコアを、古典的な流体力学で予測されるよりも最大5桁大きい速度で通過できることが示されました。^{[6 ]}

Holtらによる実験^[6]では、純水（粘度約1.0020 cP ）が、膜の流束と厚さが異なるシリコン窒化物マトリックス内の3つの二重壁カーボンナノチューブサンプルを通過しました。これらの膜は、ハーゲン・ポアズイユの式で計算された滑りのない流体力学的流れの予測よりも3桁以上速い強化された流れを持つことが分かりました。直径1～2 nmの細孔を持つナノチューブに対するこれらの結果は、1ナノ秒あたり1nm ^{2あたり約10～40個の水分子に相当しました。Mainak Majumder}らによる同様の実験^[5]では、固体ポリスチレン内の直径約7 nmのナノチューブの流体速度がテストされました。これらの結果も同様に、ナノチューブは長い滑り面を持ち、流量は従来の流体の流れの予測よりも4～5桁速いことがわかりました。

さらに、カーボンナノチューブ膜を通る水の流れ（充填材マトリックスがないので、CNTの外側の表面を流れる）は、電流を流すことで制御できることが実証されました。^[7]ナノチューブ膜が将来使用される可能性のある多くの用途の1つは、水の淡水化です。

Mitra ら ( ^8-14 ) は、CNT ベースの膜を製造するための新しい構造を開拓しました。この方法は、カーボンナノチューブを細孔内および膜表面に固定化することで、優れた膜を作成します。彼らの研究では、CNT はポリマー膜またはセラミック膜に固定化され、カーボンナノチューブ固定化膜 (CNIM) と呼ばれる独自の膜構造が開発されました。これは、分散した形態から CNT を固定化することで実現しました。このような膜は堅牢で、熱的に安定しており、高い選択性を備えています。ここでの目標は、CNT を固定化して、その表面が溶質と直接相互作用できるようにすることです。この方法で製造された膜は、海水淡水化 ( ^8,9 )、膜抽出 ( ¹⁰ )、水から揮発性有機物を除去することによる水浄化 ( ¹¹ )、水質汚染物質の分析のためのマイクロスケール膜抽出 ( ^12-14 ) など、さまざまな用途でフラックスと選択性の劇的な向上を示しています。

2016年に、初めて大型の商業規模のCNT膜が導入されました。当初、これらの膜は、以前研究室で製造されていたものと同様の平らなシート形式で製造されていましたが、規模ははるかに大きかったです。2017年に、同社は、ナノチューブが膜の表面に対して放射状に垂直に配向された中空糸膜CNT膜の開発を発表しました。これは、これまでに達成されたことのないことでした。^[8]

いずれの場合も、CNT はサイズや化学親和性に基づいて選択され、膜を介した物質輸送を強化する独自の細孔として機能します。たとえば、淡水化の場合、CNT は水和塩イオンのサイズに基づいて、水の輸送を強化しながら塩の透過をブロックまたは低減します。水の浄化、浸透蒸発、抽出などの有機物の除去の場合、CNT 膜は有機物を優先的に透過するため、これまでは蒸留などの方法でしか不可能だった分離が可能になります。有機物と水の分離の一例は、水からエタノールを分離することです。この用途では、CNT 膜はエタノールの輸送に対してほぼ理想的な選択性を示します。^{[9] [10]}

1960 年代後半にトラックエッチング技術が発見されて以来、必要な直径のフィルター膜は、食品安全、環境汚染、生物学、医学、燃料電池、化学など、さまざまな分野で潜在的な用途が見出されています。これらのトラックエッチング膜は、通常、トラックエッチング手順によってポリマー膜に作られます。この手順では、最初にポリマー膜に重イオンビームを照射してトラックを形成し、次にウェットエッチング後にトラックに沿って円筒形の細孔または非対称の細孔を作成します。

フィルター膜の製造と同様に重要なのは、膜の細孔の特性評価と測定です。現在までに、いくつかの方法が開発されており、それらは、利用される物理的メカニズムに従って次のカテゴリに分類できます。走査型電子顕微鏡 (SEM)、透過型電子顕微鏡 (TEM)、原子間力顕微鏡 (AFM) などのイメージング方法、バブルポイントやガス輸送などの流体輸送、窒素吸着/脱着 (BEH)、水銀ポロシメトリー、液体-蒸気平衡 (BJH)、ガス-液体平衡 (パーモポロメトリー)、液体-固体平衡 (サーモポロメトリー) などの流体吸着、電子伝導性、超音波分光法、19 分子輸送。

最近では、ナノポアのサイズを測定する方法として 光透過技術^[11]の使用が提案されている。

• カーボンナノチューブ
• ナノ濾過
• ナノ流体工学
• カーボンナノチューブの潜在的用途

8. : 「カーボンナノチューブ強化膜蒸留による純水の生成と医薬品廃棄物の濃縮の同時処理」ケン・ゲタード、オルンティダ・サエ・コウ、ソメナス・ミトラ。90、239-245、分離および精製技術。2012

9.:::「カーボンナノチューブ強化膜蒸留法による水の淡水化」。Ken Gethard、Ornthida Sae-Khow、Somenath Mitra。ACS Applied Materials and Interfaces。2011、3、110–114。

10.:::「カーボンナノチューブ固定化中空糸膜における同時抽出および濃縮」Ornthida Sae-Khow および Somenath Mitra。Anal. Chem. 2010、82 (13)、5561-5567。

11.:::「水から揮発性有機物を浸透蒸発除去するためのカーボンナノチューブ固定化複合中空繊維膜」Ornthida Sae-Khow および Somenath Mitra。J. Phys. Chem. C. 2010、114、16351-16356。

12.:::「カーボンナノチューブを固定化した多孔質ポリマー膜の製造と特性評価」Ornthida Sae-Khow および Somenath Mitra。J. Mater. Chem.、2009、19 (22)、3713-3718。

13.::「カーボンナノチューブを介したマイクロスケール膜抽出」K. Hylton、Y. Chen、S. Mitra、「J. Chromatogr. A.」、2008、1211、43-48。

14.::「極性分析物の抽出強化のためのカーボンナノチューブ固定化極性膜」。マドゥリーナ・バドラ、ソメナス・ミトラ・アナリスト。2012、137、4464-4468。