本連載では、研究者の方との対談形式を取り、研究内容をわかりやすく解説することをコンセプトとし、研究者個人にもフォーカスをあてた内容を目指しています。
連載第6回は、ナノ空間設計チーム 清住嘉道さんです。清住さんは平成15年より産総研東北センターで研究を始め、ゼオライト膜を用いた物質分離についての研究に取り組んでいます。
なお、本文中の アイコンは、3ページの‘研究キーワード’に掲載された専門用語を示していますので、そちらも合わせて御参照ください。
ゼオライトは18世紀半ばに地質学者が発見した鉱物です。加熱すると水蒸気が出てくるため、沸騰と言う意味のギリシャ語に由来するzeoと、石の意味のliteで、ゼオライト（沸石）という名前がついたのです。ゼオライトはケイ素やアルミニウムなど、地表付近に広く存在している物質を原料としてできています。宮城県にも天然のゼオライトの産地があるほか、人工的にも合成することができます。水熱合成といって、水、ケイ素やアルミなどの原料を加熱することで合成します。
ゼオライトの特徴は、幅が数ナノメートルの孔が規則的に並んだ構造をしていることです（図1）。この孔の形や大きさには様々な種類があって、天然・人工合わせて約200種が確認されています。私は、規則的な孔を持つゼオライトの構造が、世界で1番細かい網として使えるのではないかと考えて、ゼオライトで膜をつくり、この膜を用いて物質を仕分けする方法を研究しています。
ゼオライト膜が物質を仕分けする原理を説明しましょう。ここでは例として、エタノール分子と水分子の分離を考えてみます。もし、ゼオライトの持つ孔がエタノール分子より小さく、水分子よりも大きいサイズだった場合、ゼオライト膜を通り抜けることができるのは水分子だけとなります（図2）。この現象を“ 分子ふるい”と呼んでいます。 |
また、ゼオライト膜には結晶粒界という隙間があります。この隙間はエタノールや水の分子より大きいサイズなので、どちらも通り抜けられるように思えます。ところが、ゼオライトは種類によって水分子をよく引きつけるタイプ（親水性）と、引きつけないタイプ（疎水性）があります。親水性のゼオライトは、結晶粒界の隙間に水分子が集まって、エタノール分子をシャットアウトするため、この隙間を通り抜けることができるのは、水分子だけとなります。したがって、１）ゼオライトの孔のサイズが水分子より大きくエタノール分子より小さい、２）ゼオライトが親水性のタイプである場合、このゼオライトで作った膜は、エタノールと水の仕分け（脱水）ができることになります。ゼオライト膜は、条件次第ですが、10万個の水分子に対してエタノール分子が1個混ざるかどうかというレベルまで高純度で水分子を脱水できます。近年はバイオマスエタノールが注目された結果、ゼオライト膜によるバイオマスエタノール溶液の濃縮方法が脚光を浴びるようになりました。
 確かに、生物由来のバイオマスエタノールは、回収・精製の過程で脱水処理が必要です。この脱水をゼオライト膜で行うのですね。
通常、バイオマスエタノール溶液は蒸留によって濃縮しますが、実は、96％程度から製品濃度の99.6% に濃縮する際に、多くのエネルギーを消費するのです。現在、宮古島にはサトウキビからバイオマスエタノールを製造するプラントがありますが、そこでは、96% から99.6% に濃縮する部分でゼオライト膜を用いた濃縮装置が実用化されています。ゼオライト膜による濃縮は蒸留に比べて、水とエタノールでは、約20％も省エネルギーですし、水と酢酸ですと、約80％とさらに省エネルギーであることが分かっていますので、環境への負担が少ない濃縮方法が実現できるのです。
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