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JP6566463B2 - Composite of metal-organic structure and cellulose nanofiber - Google Patents
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JP6566463B2 - Composite of metal-organic structure and cellulose nanofiber - Google Patents

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Description

本発明は、金属−有機構造体(Metal−Organic Framework: MOF)とセルロースナノファイバーとからなる複合体に関する。   The present invention relates to a composite composed of a metal-organic framework (MOF) and cellulose nanofibers.

近年、環境汚染の原因となる各種排出ガスの処理技術において、省エネルギーなガス分離技術が望まれており、その中でも気体を分子の大きさの違いで分離するゼオライト等の多孔性材料を分子ふるい膜として利用したガス分離技術の開発が進められている。   In recent years, energy-saving gas separation technology has been desired as a treatment technology for various exhaust gases that cause environmental pollution. Among them, porous materials such as zeolite that separate gases with different molecular sizes are used as molecular sieve membranes. Development of gas separation technology used as

金属−有機構造体(Metal−Organic Framework: MOF)は、金属イオンと有機配位子との自己組織化反応により得られる多孔性材料である。MOFは、高い比表面積を有し、ゼオライトのようにガスを貯蔵・吸着する特性を有する。MOFの金属イオンと有機配位子との組み合わせを変えることにより、形状や孔径、化学的性質などにおいて、多彩な設計が可能である。近年、気体分子と同程度のサイズの孔径を持つMOFをポリマー支持体に分散担持させることでガス分離能を付与した複合化膜の開発が行われている。   Metal-Organic Framework (MOF) is a porous material obtained by a self-organization reaction between a metal ion and an organic ligand. MOF has a high specific surface area and has the property of storing and adsorbing gas like zeolite. By changing the combination of MOF metal ions and organic ligands, various designs can be made in terms of shape, pore size, chemical properties, and the like. In recent years, a composite membrane having gas separation ability has been developed by dispersing and supporting MOF having a pore size similar to that of gas molecules on a polymer support.

非特許文献1には、金属−有機構造体(MOF)の一種であるZIF−90(zeolitic imidazolate framework−90)と、ポリイミドとの複合化膜を用いて、二酸化炭素ガスとメタンガスとの混合物からメタンを排除したことが記載されており、二酸化炭素ガスとメタンガスとの透過選択率(CO/CHselectivity)は、30〜40%程度であったことが示されている。 Non-Patent Document 1 discloses that a composite film of ZIF-90 (zeolitic imidazolate framework-90), which is a kind of metal-organic structure (MOF), and polyimide is used to form a mixture of carbon dioxide gas and methane gas. It is described that methane was excluded, and it was shown that the permeation selectivity (CO 2 / CH 4 selectivity) between carbon dioxide gas and methane gas was about 30 to 40%.

Bae et al., "A High-Performance Gas-Separation Membrane Containing Submicrometer-Sized Metal-Organic Framework Crystals," Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9863-9866Bae et al., "A High-Performance Gas-Separation Membrane Containing Submicrometer-Sized Metal-Organic Framework Crystals," Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9863-9866

非特許文献1に示されるようなMOFをポリマー支持体に担持させた複合化膜では、ポリマー支持体とMOFとの間に生じる隙間部分や、ポリマー支持体自体から気体がリークすることがあるため、高いガス分離性能(気体選択性)が得られにくいという問題があった。   In a composite membrane in which MOF is supported on a polymer support as shown in Non-Patent Document 1, gas may leak from a gap formed between the polymer support and MOF or from the polymer support itself. There is a problem that high gas separation performance (gas selectivity) is difficult to obtain.

本発明は、高いガス分離性能を有する複合体を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a composite having high gas separation performance.

本発明者らは、鋭意検討した結果、特定の酸基量を有するセルロースナノファイバーをMOFの支持体として用いることにより、高いガス分離性能を有する複合体を得ることができることを見出した。本発明は、これに限定されないが、以下を含む。
(1)平均繊維長0.1〜10μm、平均繊維径1〜100nm、及び酸基量が0.2〜2.2mmol/gであるセルロースナノファイバーと、金属−有機構造体とからなる複合体。
(2)膜状に成形された(1)に記載の複合体。
(3)金属−有機構造体における金属イオンの一部が、セルロースナノファイバーの酸基に結合している、(1)または(2)に記載の複合体。
(4)金属−有機構造体が極性の有機配位子を含む、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の複合体。
(5)金属−有機構造体が、亜鉛と2−イミダゾールカルバルデヒドとからなる、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の複合体。
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の複合体に、気体透過性の基材を組み合せてなるフィルター。
(7)基材が、表面にポリアミドポリアミンエピクロロヒドリンを付与されたセルロース由来の紙である、請求項6に記載のフィルター。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that a composite having high gas separation performance can be obtained by using cellulose nanofibers having a specific acid group amount as a support for MOF. The present invention includes, but is not limited to:
(1) A composite comprising cellulose nanofibers having an average fiber length of 0.1 to 10 μm, an average fiber diameter of 1 to 100 nm, and an acid group amount of 0.2 to 2.2 mmol / g, and a metal-organic structure .
(2) The composite according to (1), which is formed into a film.
(3) The composite according to (1) or (2), wherein a part of metal ions in the metal-organic structure is bonded to an acid group of cellulose nanofiber.
(4) The composite according to any one of (1) to (3), wherein the metal-organic structure contains a polar organic ligand.
(5) The composite according to any one of (1) to (4), wherein the metal-organic structure is composed of zinc and 2-imidazolecarbaldehyde.
(6) A filter comprising a composite according to any one of (1) to (5) combined with a gas permeable substrate.
(7) The filter according to claim 6, wherein the base material is cellulose-derived paper having a polyamide polyamine epichlorohydrin provided on the surface.

酸基を有するセルロースナノファイバーを、MOFを担持する支持体とすることにより、高いガス分離性能を有する複合体を提供することができる。   By using cellulose nanofibers having acid groups as a support supporting MOF, a composite having high gas separation performance can be provided.

セルロースナノファイバー単独からなる膜(支持体)は、非常に高いガスバリア性を示すが、ここに、分離する気体に応じた孔径を有するMOFを担持させて複合体とすることにより、セルロースナノファイバーの膜の緻密さを維持しつつ、MOFの孔径に応じたサイズの孔を形成させることができることを見出した。これにより、MOFの孔径よりも小さいサイズの気体分子のみが複合体を通過するようになり、一方、MOFの孔径よりも大きいサイズの気体分子は支持体の高いガスバリア性によって複合体を通過できないから、MOFの孔径に応じて、高い選択性でガスを分離することができるようになる。   A membrane (support) made of cellulose nanofibers alone has a very high gas barrier property, but by supporting a MOF having a pore size corresponding to the gas to be separated to form a composite, cellulose nanofibers It was found that pores having a size corresponding to the pore size of the MOF can be formed while maintaining the denseness of the membrane. As a result, only gas molecules having a size smaller than the pore size of the MOF pass through the composite, whereas gas molecules larger than the pore size of the MOF cannot pass through the composite due to the high gas barrier property of the support. Depending on the pore size of the MOF, the gas can be separated with high selectivity.

また、セルロースナノファイバーの酸基とMOFの金属イオンとの相互作用でセルロースナノファイバー(支持体)とMOFとの間で高い密着性が得られることにより、従来のMOFを用いたガス分離膜に見られるような支持体とMOFとの間の隙間が生じにくくなり、隙間部分からの気体のリークが減少するので、高い選択性でガスを分離することができるようになる。   In addition, by the interaction between the acid groups of cellulose nanofibers and the metal ions of MOF, high adhesion is obtained between cellulose nanofibers (support) and MOF, so that gas separation membranes using conventional MOFs can be obtained. As can be seen, a gap between the support and the MOF is less likely to occur, and gas leakage from the gap is reduced, so that the gas can be separated with high selectivity.

図1は、セルロースナノファイバー表面の酸基に結合した金属イオンを足場としてMOFが形成されているMOF−TOCN(TEMPO酸化セルロースナノファイバー)複合体の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a MOF-TOCN (TEMPO oxidized cellulose nanofiber) composite in which MOF is formed using a metal ion bonded to an acid group on the surface of cellulose nanofiber as a scaffold. MOF結晶、TOCN膜、及び本発明のMOF−TOCN複合化膜のXRD分析結果を表したものである。The XRD analysis result of a MOF crystal | crystallization, a TOCN film | membrane, and the MOF-TOCN composite film | membrane of this invention is represented. a)は、参考例1のMOF結晶のSEM画像である。b)及びe)は、MOF−TOCN複合化膜の表面のSEM画像である。c)は、MOF−TOCN複合化膜の断面のSEM画像である。d)は、比較例2のTOCN膜の表面のSEM画像である。a) is an SEM image of the MOF crystal of Reference Example 1. b) and e) are SEM images of the surface of the MOF-TOCN composite film. c) is an SEM image of a cross section of the MOF-TOCN composite film. d) is an SEM image of the surface of the TOCN film of Comparative Example 2. 本発明のMOF−TOCN複合化膜のEDS分析の結果である。It is a result of the EDS analysis of the MOF-TOCN composite film | membrane of this invention. ガス分離装置の概要図である。It is a schematic diagram of a gas separator. 比較例1(paper)、実施例2(MOF−TOCN@paper)、及び比較例2(TOCN@paper)のガス透過流量を比較したグラフである。It is the graph which compared the gas permeation | transmission flow rate of the comparative example 1 (paper), Example 2 (MOF-TOCN @ paper), and the comparative example 2 (TOCN @ paper).

本発明の複合体は、特定の酸基量を有するセルロースナノファイバーと、金属−有機構造体(MOF)とからなる。   The composite of the present invention comprises cellulose nanofibers having a specific acid group amount and a metal-organic structure (MOF).

(1)セルロースナノファイバー
本発明に用いられるセルロースナノファイバーは、0.2〜2.2mmol/gの酸基量を有し、平均繊維長が0.1〜10μm、平均繊維径が1〜100nmである。ここで、「酸基」とは、カルボキシル基(−COOH)とカルボキシレート基(−COOR)を表し、「酸基量」とは、絶乾1gのセルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基とカルボキシレート基の合計の量を表す。このようなセルロースナノファイバーは、セルロース原料(以下、単に「セルロース」と呼ぶこともある)に酸基を導入した後に、解繊することにより、得ることができる。
(1) Cellulose nanofiber The cellulose nanofiber used in the present invention is 0.2-2 . It has an acid group amount of 2 mmol / g, an average fiber length of 0.1 to 10 μm, and an average fiber diameter of 1 to 100 nm. Here, “acid group” represents a carboxyl group (—COOH) and a carboxylate group (—COOR), and “acid group amount” refers to a carboxyl group and a carboxylate contained in 1 g of cellulose nanofiber. Represents the total amount of groups. Such cellulose nanofibers can be obtained by introducing an acid group into a cellulose raw material (hereinafter sometimes simply referred to as “cellulose”) and then defibrating.

酸基を導入するセルロース原料としては、グルコースがβ−1,4−グリコシド結合した多糖類であるセルロースまたはその誘導体のいずれも使用することができる。特に、結晶性のセルロースを用いると、セルロースナノファイバー支持体とした際の強度が高く、溶媒に溶解しにくく、またガスバリア性が高いといった利点が得られるので好ましい。結晶性のセルロースとしては、植物、バクテリア、藻類、および動物由来の天然セルロースを例示することができ、特に植物由来または動物由来(特にホヤ由来)の天然セルロースは好ましい。結晶性セルロースの結晶構造は、特に限定されず、例えば、天然セルロースであれば、セルロースI型(Iα型、Iβ型)の結晶構造を有している。   As a cellulose raw material into which an acid group is introduced, any of cellulose or a derivative thereof, which is a polysaccharide in which glucose is β-1,4-glycoside-bonded, can be used. In particular, it is preferable to use crystalline cellulose because it provides advantages such as high strength when used as a cellulose nanofiber support, difficulty in dissolving in a solvent, and high gas barrier properties. Examples of crystalline cellulose include natural cellulose derived from plants, bacteria, algae, and animals, and natural cellulose derived from plants or animals (particularly derived from sea squirts) is particularly preferable. The crystal structure of crystalline cellulose is not particularly limited. For example, natural cellulose has a cellulose I type (Iα type, Iβ type) crystal structure.

セルロース原料に酸基を導入する方法としては、公知の方法を用いればよい。例えば、N−オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物、又はこれらの混合物との存在下で、酸化剤を用いてセルロース原料を酸化することにより、セルロース原料に酸基を導入することができる。この酸化反応では、セルロース表面のグルコピラース環のC6位の一級水酸基が選択的にカルボキシル基またはカルボキシレート基へと酸化される。酸化反応時のセルロースの濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。   As a method for introducing an acid group into the cellulose raw material, a known method may be used. For example, an acid group can be introduced into a cellulose raw material by oxidizing the cellulose raw material using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and bromide, iodide, or a mixture thereof. In this oxidation reaction, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyrase ring on the cellulose surface is selectively oxidized to a carboxyl group or a carboxylate group. The concentration of cellulose during the oxidation reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or less.

N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進できるN−オキシル化合物であれば、いずれを用いてもよい。例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TEMPO)や、その誘導体(例えば、4−ヒドロキシTEMPOなど)、またはアザアダマンタン型のニトロキシラジカルを用いることができる。N−オキシル化合物の使用量は、セルロースを酸化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.05〜0.5mmolがさらに好ましい。   The N-oxyl compound refers to a compound that can generate a nitroxy radical. Any N-oxyl compound may be used as long as it is an N-oxyl compound that can promote the target oxidation reaction. For example, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO), its derivatives (for example, 4-hydroxy TEMPO), or an azaadamantane type nitroxy radical can be used. The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of oxidizing cellulose. For example, 0.01 to 10 mmol is preferable, 0.01 to 1 mmol is more preferable, and 0.05 to 0.5 mmol is more preferable with respect to 1 g of absolutely dry cellulose.

臭化物とは、臭素を含む化合物をいい、ヨウ化物とは、ヨウ素を含む化合物をいう。それらの例には、水中で解離してイオン化することが可能な臭化アルカリ金属およびヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物及び/またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択すればよい。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、臭化物およびヨウ化物の合計量で、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。   Bromide means a compound containing bromine, and iodide means a compound containing iodine. Examples include alkali metal bromides and iodides that can dissociate and ionize in water. What is necessary is just to select the usage-amount of a bromide and / or iodide in the range which can accelerate | stimulate an oxidation reaction. For example, the total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, and still more preferably 0.5 to 5 mmol with respect to 1 g of absolutely dry cellulose.

酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムは好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが最も好ましい。また、例えば、N−オキシル化合物1molに対して1〜40molが好ましい。この酸化剤は酸化反応の開始前に系内に必要量をすべて添加してもよいが、酸化反応中に逐次添加する方が好ましい。   As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalous acid, halous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide and the like can be used. Of these, sodium hypochlorite is preferable because it is inexpensive and has a low environmental impact. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, further preferably 1 to 25 mmol, and most preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of absolutely dry cellulose. . For example, 1-40 mol is preferable with respect to 1 mol of N-oxyl compounds. This oxidizing agent may be added in the required amount in the system before the start of the oxidation reaction, but it is preferable to add it sequentially during the oxidation reaction.

セルロースの酸化反応は、比較的温和な条件であっても効率よく進行するため、温度は4〜40℃が好ましく、また15〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中に酸基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを8〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。酸化反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5〜6時間、例えば、0.5〜4時間程度である。   Since the oxidation reaction of cellulose proceeds efficiently even under relatively mild conditions, the temperature is preferably 4 to 40 ° C, and may be room temperature of about 15 to 30 ° C. As the reaction proceeds, acid groups are generated in the cellulose, and a decrease in the pH of the reaction solution is observed. In order to advance the reaction efficiently, an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution is added to maintain the pH of the reaction solution at about 8 to 12, preferably about 10 to 11. The reaction medium is preferably water because it is easy to handle and hardly causes side reactions. The oxidation reaction time can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually 0.5 to 6 hours, for example, about 0.5 to 4 hours.

酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。   The oxidation reaction may be performed in two stages. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first-stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt generated as a by-product in the first-stage reaction Can be oxidized well.

セルロース原料への酸基の導入量(酸基量)は、上記した酸化剤の添加量、反応時間等をコントロールすることにより調整することができる。   The amount of acid group introduced into the cellulose raw material (acid group amount) can be adjusted by controlling the amount of the oxidizing agent added, the reaction time, and the like.

このようにして得た酸化セルロースを、公知の方法で解繊することにより、セルロースナノファイバーを得ることができる。例えば、酸化セルロースを水等の媒体に懸濁し、ここに、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いて強力なせん断力を印加することによって、酸化セルロースの繊維を、ナノオーダーの繊維幅を有するセルロースのミクロフィブリルへと解繊することができる。解繊時の懸濁液における酸化セルロースの濃度は、特に限定されないが、0.3%(w/v)以上が好ましく、1〜8%(w/v)程度がより好ましい。   Cellulose nanofibers can be obtained by defibrating the oxidized cellulose thus obtained by a known method. For example, the oxidized cellulose is suspended in a medium such as water, and a strong shearing force is applied thereto by using a high speed rotating type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type apparatus, etc. Cellulose fibers can be fibrillated into cellulose microfibrils having nano-order fiber widths. The concentration of oxidized cellulose in the suspension at the time of defibration is not particularly limited, but is preferably 0.3% (w / v) or more, and more preferably about 1 to 8% (w / v).

本発明に用いるセルロースナノファイバーは、絶乾1gのセルロースナノファイバーに対して0.2〜2.2mmolの酸基量を有する。好ましくは0.2〜2mmol、さらに好ましくは0.5〜1.8mmol/gである。セルロースナノファイバーの酸基量は、酸化セルロースの酸基量と通常は等しいため、上述の通り、セルロース原料酸化時の酸化剤の添加量や反応時間等をコントロールすることにより、調整することができる。   The cellulose nanofiber used in the present invention has an acid group content of 0.2 to 2.2 mmol with respect to 1 g of absolutely dry cellulose nanofiber. Preferably it is 0.2-2 mmol, More preferably, it is 0.5-1.8 mmol / g. Since the acid group amount of cellulose nanofiber is usually equal to the acid group amount of oxidized cellulose, as described above, it can be adjusted by controlling the amount of oxidant added and the reaction time during oxidation of the cellulose raw material. .

セルロースナノファイバー又は酸化セルロースにおける酸基量は、次の方法で測定することができる:
セルロースナノファイバー又は酸化セルロース試料を乾燥して精秤し、0.5〜1質量%のスラリー60mLを調製する。スラリーのpHを、0.1mol/Lの塩酸水溶液によって約2.5に調整する。その後、0.05mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して電気伝導度測定を行う。測定はpHが約11になるまで続ける。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階を示すまでに消費された水酸化ナトリウム量(V)から、下式を用いて酸基量Xを求める:
X(mmol/g)=V(mL)×0.05/試料の質量(g)
酸基量Xは、乾燥試料1gにおけるカルボキシル基量およびカルボキシレート基量の合計を示す。
The amount of acid groups in cellulose nanofiber or oxidized cellulose can be measured by the following method:
A cellulose nanofiber or an oxidized cellulose sample is dried and precisely weighed to prepare 60 mL of a slurry of 0.5 to 1% by mass. The pH of the slurry is adjusted to about 2.5 with 0.1 mol / L aqueous hydrochloric acid. Then, 0.05 mol / L sodium hydroxide aqueous solution is dripped and electrical conductivity measurement is performed. The measurement is continued until the pH is about 11. From the amount of sodium hydroxide consumed (V) until the change in electrical conductivity shows a mild acid neutralization stage, the acid group amount X is determined using the following equation:
X (mmol / g) = V (mL) × 0.05 / mass of sample (g)
The acid group amount X represents the total amount of carboxyl groups and carboxylate groups in 1 g of the dried sample.

セルロースナノファイバーの表面における酸基は、金属−有機構造体(MOF)の担持接点となるため、セルロースナノファイバー表面に酸基が高密度で存在することは好ましい。セルロースナノファイバーの表面における酸基の密度は、単位表面積あたりの酸基量で表すことができる。表面積は、BET法等の公知の方法で測定することができる。また、単位表面積あたりの酸基量は、単位表面積あたりの荷電量で表すこともでき、0.01〜0.6C/m程度の範囲が好ましい。荷電量は、セルロースナノファイバーの酸基量、表面積、およびファラデー定数により求めることができる。 Since the acid group on the surface of the cellulose nanofiber serves as a metal-organic structure (MOF) -supported contact, it is preferable that the acid group exists on the surface of the cellulose nanofiber at a high density. The density of acid groups on the surface of the cellulose nanofiber can be represented by the amount of acid groups per unit surface area. The surface area can be measured by a known method such as the BET method. The acid group per unit surface area, can also be represented by charge amount per unit surface area, 0.01~0.6C / m 2 in the range of about preferably. The charge amount can be determined from the acid group amount, surface area, and Faraday constant of cellulose nanofiber.

本発明に用いるセルロースナノファイバーは、平均繊維長が0.1〜10μmであり、平均繊維径が1〜100nmである。セルロースナノファイバーの繊維長と繊維径は、酸化セルロースの酸基量、または酸化セルロースを解繊する際のせん断力の強さをコントロールすることによって、調整することができる。セルロースナノファイバーの平均繊維長及び平均繊維径は走査型または透過型電子顕微鏡像(SEMまたはTEM)、あるいは原子間力顕微鏡像(AFM)などを用いて求めることができる。   The cellulose nanofiber used in the present invention has an average fiber length of 0.1 to 10 μm and an average fiber diameter of 1 to 100 nm. The fiber length and fiber diameter of cellulose nanofibers can be adjusted by controlling the acid group amount of oxidized cellulose or the strength of shearing force when deoxidizing oxidized cellulose. The average fiber length and average fiber diameter of the cellulose nanofiber can be determined using a scanning or transmission electron microscope image (SEM or TEM), an atomic force microscope image (AFM), or the like.

(2)金属−有機構造体(Metal−Organic Framework: MOF)
金属−有機構造体(Metal−Organic Framework: MOF)は、金属イオンと有機配位子との自己組織化反応により得られる多孔性材料である。有機配位子が金属イオンを連結することにより、内部に空間(細孔)を持つ結晶性の高分子構造が得られる。MOFは、結晶内に非常に大きな比表面積を有する。また、金属イオンと有機配位子をそれぞれ適宜選択して組み合わせることにより、孔径やトポロジーを調節することが可能である。
(2) Metal-Organic Framework (MOF)
Metal-Organic Framework (MOF) is a porous material obtained by a self-organization reaction between a metal ion and an organic ligand. When the organic ligand connects metal ions, a crystalline polymer structure having a space (pore) inside is obtained. MOF has a very large specific surface area in the crystal. Further, the pore diameter and topology can be adjusted by appropriately selecting and combining metal ions and organic ligands.

本発明に用いるMOFを形成するための金属イオンは、目標とする構造設計に応じて選択すればよい。一般的には、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Al3+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Cr3+、Cr6+等が多く用いられる。 The metal ions for forming the MOF used in the present invention may be selected according to the target structural design. In general, Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Cr 3+ , Cr 6+ and the like are often used.

MOFを形成するための有機配位子も、目標とする構造設計に応じて選択すればよい。一般的には、酸素ドナー性配位子および窒素ドナー性配位子が多く用いられ、代表的な配位子としては、テレフタル酸、4,4’−ビピリジル、イミダゾール、2−イミダゾールカルバルデヒド、1,4−ベンゼンジカルボキシレート、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2.]オクタン、ピラジン−2,3−ジカルボキシレート、イソフタレート、1,3,5−ベンゼントリカルボキシレート、2−メチルイミダゾール、プリン、2−アミノテレフタラート等が挙げられる。   What is necessary is just to select the organic ligand for forming MOF according to the target structural design. In general, an oxygen donor ligand and a nitrogen donor ligand are often used, and representative ligands include terephthalic acid, 4,4′-bipyridyl, imidazole, 2-imidazole carbaldehyde, 1,4-benzenedicarboxylate, 1,4-diazabicyclo [2.2.2. ] Octane, pyrazine-2,3-dicarboxylate, isophthalate, 1,3,5-benzenetricarboxylate, 2-methylimidazole, purine, 2-aminoterephthalate and the like.

これらの金属イオンと有機配位子は、MOFの結晶性構造を形成できる範囲で任意に選択することができる。1種類の金属イオンと1種類の有機配位子とを組み合せてMOFとしてもよいし、複数種類の金属イオン及び/または複数種類の有機配位子を含むMOFとしてもよい。   These metal ions and organic ligands can be arbitrarily selected as long as the MOF crystalline structure can be formed. One type of metal ion and one type of organic ligand may be combined to form MOF, or a MOF including a plurality of types of metal ions and / or a plurality of types of organic ligands.

本発明の複合化膜を気体分離に用いる場合には、分離する気体分子の大きさに応じて、適切な孔径を有するMOFを用いればよい。なお、数千種類もの数のMOFが既に合成、報告されており、その数はいまだ増え続けている(非特許文献1)。   When the composite membrane of the present invention is used for gas separation, MOF having an appropriate pore size may be used according to the size of gas molecules to be separated. Thousands of types of MOFs have already been synthesized and reported, and the number is still increasing (Non-Patent Document 1).

本発明の複合化膜に用いるMOFとしては、親水性のMOFが好ましい。親水性のMOFであると、複合化膜の支持体である極性のセルロースナノファイバーとの密着性が高まり、MOFと支持体との間隙からのガスのリークが減少する。ここで、親水性のMOFとは、極性有機配位子と金属イオンで構成されたMOFをいう。   As the MOF used in the composite film of the present invention, hydrophilic MOF is preferable. When the MOF is hydrophilic, the adhesion to the polar cellulose nanofibers that are the support of the composite membrane is increased, and the gas leakage from the gap between the MOF and the support is reduced. Here, the hydrophilic MOF refers to a MOF composed of a polar organic ligand and a metal ion.

MOFは従来知られる方法で製造することができる。特に本発明においては、後述するように、セルロースナノファイバーの酸基に金属イオンを導入し、これを足場として、MOFを合成すると、MOFとセルロースナノファイバー支持体との密着性がより高まるので好ましい。   The MOF can be manufactured by a conventionally known method. In particular, in the present invention, as described later, it is preferable to synthesize MOF using a metal ion introduced into an acid group of cellulose nanofiber as a scaffold, since the adhesion between MOF and the cellulose nanofiber support is further increased. .

(3)複合体
本発明の複合体は、上述の通り、0.2〜2.2mmol/gの酸基量、0.1〜10μmの平均繊維長、及び1〜100nmの平均繊維径を有するセルロースナノファイバーと、金属−有機構造体(MOF)とからなる。MOFは、セルロースナノファイバーの酸基に結合させた金属化合物を足場にしてセルロースナノファイバー上に合成すると、MOFとセルロースナノファイバー支持体との密着性が高まるので、好ましい。具体的には、まず、上述の方法により得られた酸基を有するセルロースナノファイバーの水分散液に、MOFを形成するための金属イオンを生じる金属化合物を添加して、酸基に金属イオンを結合させる。金属イオンは、セルロースナノファイバーの酸基とほぼ化学量論的に結合する(例えば、2価の金属イオンの場合、セルロースナノファイバーの酸基量に対してほぼ半分の量の金属イオンが結合する)ことを本発明者らは確認している。したがって、セルロースナノファイバー水分散液に対する金属イオンの添加量は、セルロースナノファイバーの酸基量と、金属イオンの価数に応じて、適宜決定すればよいと考えられる。次に、溶媒を、所望により有機溶媒(例えば、N,N−ジメチルホルムアミド)に置換し、分散、遠心分離、上清除去を繰り返して、金属イオン−セルロースナノファイバー複合体を得る。得られた複合体を、溶媒に分散し、MOFを形成するための金属イオンを生じる金属化合物と、MOFの有機配位子となる有機化合物とを添加して、加熱下で数時間撹拌した後に、室温まで冷却する。ここに貧溶媒(例えば、メタノール)を添加し、撹拌、遠心分離、上清の除去を繰り返して、溶媒を置換する。これにより、MOF−セルロースナノファイバー複合体の分散液が得られる。このようにして形成されたMOF−セルロースナノファイバー複合体は、セルロースナノファイバー表面の酸基に結合した金属イオンを足場として、MOFが形成されている。このようなMOF−セルロースナノファイバー複合体の概略図を図1に示す。図1は、MOFとして、ZIF−90(亜鉛と2−イミダゾールカルバルデヒドとからなるMOF)を用いた場合の例である。図1におけるTOCNは、TEMPO酸化されたセルロースナノファイバー(TEMPO−oxidizd cellulose nanofiber)である。
(3) Composite As described above, the composite of the present invention has an acid group amount of 0.2 to 2.2 mmol / g, an average fiber length of 0.1 to 10 μm, and an average fiber diameter of 1 to 100 nm. It consists of cellulose nanofibers and metal-organic structures (MOF). When MOF is synthesized on cellulose nanofiber using a metal compound bonded to the acid group of cellulose nanofiber as a scaffold, adhesion between MOF and cellulose nanofiber support is preferably increased. Specifically, first, a metal compound that generates metal ions for forming MOF is added to the aqueous dispersion of cellulose nanofibers having acid groups obtained by the above-described method, and metal ions are added to the acid groups. Combine. The metal ions are almost stoichiometrically bound to the acid groups of the cellulose nanofibers (for example, in the case of divalent metal ions, the metal ions are bound in an amount approximately half the amount of the acid groups of the cellulose nanofibers. The present inventors have confirmed that. Therefore, it is considered that the amount of metal ion added to the cellulose nanofiber aqueous dispersion may be appropriately determined according to the acid group amount of the cellulose nanofiber and the valence of the metal ion. Next, the solvent is optionally replaced with an organic solvent (for example, N, N-dimethylformamide), and dispersion, centrifugation, and supernatant removal are repeated to obtain a metal ion-cellulose nanofiber complex. After the obtained composite is dispersed in a solvent and a metal compound that generates a metal ion for forming MOF and an organic compound that becomes an organic ligand of MOF are added and stirred for several hours under heating. Cool to room temperature. A poor solvent (for example, methanol) is added here, and stirring, centrifugation, and removal of the supernatant are repeated to replace the solvent. Thereby, the dispersion liquid of MOF-cellulose nanofiber composite_body | complex is obtained. In the MOF-cellulose nanofiber composite formed as described above, a MOF is formed using a metal ion bonded to an acid group on the surface of the cellulose nanofiber as a scaffold. A schematic view of such a MOF-cellulose nanofiber composite is shown in FIG. FIG. 1 shows an example in which ZIF-90 (a MOF composed of zinc and 2-imidazole carbaldehyde) is used as the MOF. The TOCN in FIG. 1 is a TEMPO-oxidized cellulose nanofiber (TEMPO-oxidized cellulose nanofiber).

得られた複合体の分散液から、溶媒を除去することにより、膜を形成することができる。膜の形成方法は、これに限定されないが、例えば、目皿付きの漏斗(ブフナー漏斗など)に濾紙をセットし、複合体の分散液を注ぎいれて吸引濾過を行い、濾紙上に複合体を膜状に残存させ、乾燥させることにより、複合体の膜(複合化膜)を形成することができる。乾燥時には、例えば、金属プレート等を押し付けることにより圧力をかけながら乾燥させると、なめらかな膜が得られるので好ましい。複合化膜は、膜単独で得てもよいし、また、濾紙などの基材上に接着した形で得てもよい。   A film can be formed by removing the solvent from the obtained dispersion of the composite. The method for forming the membrane is not limited to this. For example, filter paper is set in a funnel with a sieve pan (Buchner funnel, etc.), the dispersion of the composite is poured and suction filtered, and the composite is placed on the filter paper. A composite film (composite film) can be formed by remaining in a film and drying. At the time of drying, for example, it is preferable to dry while applying pressure by pressing a metal plate or the like because a smooth film can be obtained. The composite membrane may be obtained as a single membrane, or may be obtained in a form adhered to a substrate such as filter paper.

得られた複合化膜は、所望により強度を補強するための基材を片面または両面に配置するなどして、気体分離用のフィルターとして用いてもよい。強度を補強するための基材としては、気体透過性を有するものであればよく、例えば、これらに限定されないが、濾紙等の紙(セルロース)基材;ガラスフィルター;金属または金属酸化物のメッシュ、ハニカム、もしくは発泡体;または多孔性の高分子基材等を用いることができる。   The obtained composite membrane may be used as a filter for gas separation, for example, by arranging a substrate for reinforcing the strength on one side or both sides as desired. The base material for reinforcing the strength is not particularly limited as long as it has gas permeability. For example, paper (cellulose) base material such as filter paper; glass filter; metal or metal oxide mesh , Honeycombs, or foams; or porous polymeric substrates.

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to this.

(参考例1)金属−有機構造体(MOF)の合成
硝酸亜鉛(II)六水和物(Zn(NO・6HO)2.5mmolと、2−イミダゾールカルバルデヒド10mmolを、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)25mlに加えて撹拌し、さらにオイルバス(80℃)で4時間撹拌した。その後、オイルバスから取り出して、室温になるまで撹拌を続けた。メタノール25mlを添加して30分間撹拌した後、遠心分離(25℃、101,000rpm、60分)に供し、上清を除去した。全体量が50mlになるようにメタノールを添加した後、生じたMOFを、ボルテックスとソニケーションを用いて十分に分散させて遠心分離(同条件)に供し、上清を除去する操作を3回繰り返した。MOF中のDMFを除去するために、全体量が50mlとなるようにメタノールを添加して一日撹拌し、遠心分離(同条件)に供して上清を除去した。室温で乾燥させたあと、170℃でエバポレーションに供してMOFの粉末を得た。得られたMOFは、ZIF−90の名称で知られるMOFである。
Reference Example 1 Synthesis of Metal-Organic Structure (MOF) 2.5 mmol of zinc nitrate (II) hexahydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) and 10 mmol of 2-imidazole carbaldehyde were added to N , N-dimethylformamide (DMF) was added to 25 ml and stirred, and further stirred in an oil bath (80 ° C.) for 4 hours. Then, it took out from the oil bath and continued stirring until it became room temperature. After adding 25 ml of methanol and stirring for 30 minutes, it was subjected to centrifugation (25 ° C., 101,000 rpm, 60 minutes), and the supernatant was removed. After adding methanol so that the total volume becomes 50 ml, the resulting MOF is sufficiently dispersed using vortex and sonication, subjected to centrifugation (same conditions), and the supernatant is removed three times. It was. In order to remove DMF in the MOF, methanol was added so that the total volume became 50 ml, and the mixture was stirred for one day, and centrifuged (same conditions), and the supernatant was removed. After drying at room temperature, it was subjected to evaporation at 170 ° C. to obtain MOF powder. The resulting MOF is the MOF known by the name ZIF-90.

(実施例1)MOF−TOCN複合化膜の製造
(1)金属−TOCN複合体の調製
日本製紙株式会社製のTEMPO酸化セルロースナノファイバー(TOCN)(酸基量1.18mmol/g、平均繊維長0.48μm、平均繊維径8nm)の水分散液50mlに、硝酸亜鉛(II)六水和物(Zn(NO・6HO)1mmolを加え、ボルテックスとソニケーションを用いて十分に分散させた後、遠心分離(同条件)にかて上清を除去した。全体量が50mlとなるようにアセトンを添加し、ボルテックスとソニケーションを用いて分散させた後、遠心分離(同条件)に供し、上清を除去する操作を3回繰り返した。全体量が50mlとなるように、DMFを添加し、ボルテックスとソニケーションを用いて分散させた後、遠心分離(同条件)に供し、上清を除去する操作を3回繰り返して、金属−TOCN複合体を得た。
(Example 1) Production of MOF-TOCN composite membrane (1) Preparation of metal-TOCN composite TEMPO oxidized cellulose nanofiber (TOCN) manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd. (acid group amount 1.18 mmol / g, average fiber length) 0.48 .mu.m, the aqueous dispersion 50ml average fiber diameter 8 nm), was added zinc nitrate (II) hexahydrate (Zn (NO 3) 2 · 6H 2 O) 1mmol, well using a vortex and sonication after dispersing, the supernatant was removed Calls centrifuged (same conditions). Acetone was added to a total volume of 50 ml, dispersed using vortex and sonication, then subjected to centrifugation (same conditions), and the supernatant was removed three times. Add DMF so that the total volume is 50 ml, disperse using vortex and sonication, and then subject to centrifugation (same conditions) and remove the supernatant three times. Metal-TOCN A complex was obtained.

(2)MOF−TOCN複合体の調製
得られた金属−TOCN複合体、硝酸亜鉛(II)六水和物(Zn(NO・6HO)1.5mmol、2−イミダゾールカルバルデヒド10mmolをDMF25mlに加えて撹拌し、さらにオイルバス(80℃)で4時間撹拌した。その後、オイルバスから取り出して、室温になるまで撹拌を続けた。メタノール25mlを添加して30分間撹拌した後、遠心分離(同条件)に供し、上清を除去した。全体量が50mlになるようにメタノールを添加した後、ボルテックスとソニケーションを用いて十分に分散させて遠心分離(同条件)に供し、上清を除去する操作を3回繰り返した。DMFを除去するために、全体量が50mlとなるようにメタノールを添加して1日撹拌し、遠心分離(同条件)に供して上清を除去した。全体量が50mlとなるようにメタノールを添加して、MOF−TOCNメタノール分散液50mlを得た。複合体のMOFは、ZIF−90の名称で知られるMOFである。
(2) Preparation of MOF-TOCN complex Obtained metal-TOCN complex, zinc nitrate (II) hexahydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) 1.5 mmol, 2-imidazole carbaldehyde 10 mmol Was added to 25 ml of DMF and stirred, and further stirred in an oil bath (80 ° C.) for 4 hours. Then, it took out from the oil bath and continued stirring until it became room temperature. After adding 25 ml of methanol and stirring for 30 minutes, it was subjected to centrifugation (same conditions), and the supernatant was removed. After adding methanol so that the total amount became 50 ml, the operation of sufficiently dispersing using vortex and sonication and centrifuging (same conditions) and removing the supernatant was repeated three times. In order to remove DMF, methanol was added to a total volume of 50 ml, stirred for 1 day, and centrifuged (same conditions) to remove the supernatant. Methanol was added so that the total amount was 50 ml to obtain 50 ml of MOF-TOCN methanol dispersion. The MOF of the complex is the MOF known by the name of ZIF-90.

(3)MOF−TOCN複合化膜の調製
得られたMOF−TOCNメタノール分散液を、ブフナー漏斗にセットした市販のセルロース濾紙(面積95cm)上に注ぎいれ、吸引濾過を行った。さらに、金属プレートで圧力をかけながら乾燥させた。濾紙上の複合化膜は濾紙に接着しておらず、濾紙からはがすことにより単独のMOF−TOCN複合化膜が得られた。
(3) Preparation of MOF-TOCN composite membrane The obtained MOF-TOCN methanol dispersion was poured onto a commercially available cellulose filter paper (area 95 cm 2 ) set in a Buchner funnel, and suction filtration was performed. Furthermore, it was made to dry, applying a pressure with a metal plate. The composite membrane on the filter paper was not adhered to the filter paper, and a single MOF-TOCN composite membrane was obtained by peeling from the filter paper.

(実施例2)MOF−TOCN複合化膜の製造
市販のセルロース濾紙(面積95cm)をポリミドポリアミンエピクロロヒドリン(PAE、紙力増強剤)水溶液1.25wt%に15分間浸漬し、105℃で1時間乾燥させて、PAE浸漬濾紙を得た。実施例1の(1)、(2)にしたがって得たMOF−TOCNメタノール分散液を、ブフナー漏斗にセットしたPAE浸漬濾紙上に注ぎいれ、吸引濾過を行った。その後、別のPAE浸漬濾紙をさらに重ねて、アセトンで洗浄した後、40℃で4時間乾燥させた。得られたMOF−TOCN複合化膜は、膜両面のPAE浸漬濾紙に接着していた。これは、PAEの持つアゼチジニウム環が、加熱によりTOCN上の酸基と架橋したためと考えられる。このようにして、紙基材(濾紙)とMOF−TOCN複合化膜との積層体(MOF−TOCNフィルム@paper)が得られた。
(Example 2) was dipped MOF-TOCn composite membrane preparation commercially available cellulose filter paper (area 95cm 2) Poly A bromide polyamine epichlorohydrin (PAE, paper strength enhancing agent) in an aqueous solution 1.25 wt% 15 minutes, It was dried at 105 ° C. for 1 hour to obtain a PAE-immersed filter paper. The MOF-TOCN methanol dispersion obtained according to (1) and (2) of Example 1 was poured onto PAE-immersed filter paper set in a Buchner funnel, and suction filtration was performed. Thereafter, another PAE-immersed filter paper was further stacked, washed with acetone, and dried at 40 ° C. for 4 hours. The obtained MOF-TOCN composite membrane was adhered to PAE-immersed filter paper on both sides of the membrane. This is probably because the azetidinium ring of PAE was cross-linked with the acid group on the TOCN by heating. In this way, a laminate (MOF-TOCN film @paper) of a paper base material (filter paper) and a MOF-TOCN composite film was obtained.

(比較例1)
実施例2に記載の方法で得られたPAE浸漬濾紙を2枚重ねにしたものを比較例1とした。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was obtained by stacking two PAE-immersed filter papers obtained by the method described in Example 2.

(比較例2)
実施例2に記載の方法で得られたPAE浸漬濾紙上に、日本製紙株式会社製のTEMPO酸化セルロースナノファイバー(TOCN)(酸基量1.18mmol/g、平均繊維長0.48μm、平均繊維径8nm)の水分散液50mlを塗布した。その後、別のPAE浸漬濾紙をさらに重ねて、40℃で4時間乾燥させた。これにより、紙基材(濾紙)とTOCN膜との積層体(TOCN@paper)を得た。
(Comparative Example 2)
On a PAE-immersed filter paper obtained by the method described in Example 2, TEMPO oxidized cellulose nanofiber (TOCN) manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd. (acid group amount 1.18 mmol / g, average fiber length 0.48 μm, average fiber) 50 ml of an aqueous dispersion having a diameter of 8 nm) was applied. Thereafter, another PAE-immersed filter paper was further stacked and dried at 40 ° C. for 4 hours. This obtained the laminated body (TOCN @ paper) of a paper base material (filter paper) and a TOCN film | membrane.

<X線回折による構造解析(XRD)>
参考例1のMOF(ZIF−90)、実施例2のMOF−TOCN複合化膜、及び比較例2のTOCN膜を、XRD(株式会社島津製作所製XD−D1)により分析した。結果を図2に示す。
<Structural analysis by X-ray diffraction (XRD)>
The MOF (ZIF-90) of Reference Example 1, the MOF-TOCN composite film of Example 2, and the TOCN film of Comparative Example 2 were analyzed by XRD (XD-D1 manufactured by Shimadzu Corporation). The results are shown in FIG.

X線回折のプロファイルにより、TOCN膜にセルロースI型結晶の(1−10)面と(110)面、(200)面のピークが観察された。また、合成したMOF(ZIF−90)担体のピークと、TOCNの結晶ピークがMOF−TOCN複合化膜でも確認されたことから、TOCN結晶を維持したままでTOCN上にMOFが合成、複合化されていると考えられた。   According to the X-ray diffraction profile, peaks of (1-10) plane, (110) plane, and (200) plane of cellulose I-type crystals were observed in the TOCN film. Moreover, since the peak of the synthesized MOF (ZIF-90) carrier and the crystal peak of TOCN were also confirmed in the MOF-TOCN composite film, the MOF was synthesized and composited on the TOCN while maintaining the TOCN crystal. It was thought that

<走査型電子顕微鏡による観察(SEM)>
参考例1のMOF(ZIF−90)、実施例2のMOF−TOCN複合化膜、及び比較例2のTOCN膜をカーボンコートし、SEM(JFEテクノリサーチ株式会社製Zeiss ULTRA55)により、各膜の表面を観察した。また、MOF−TOCN複合化膜の断面も観察した。SEM画像を図3に示す。図3のa)は、参考例1のMOF結晶であり、b)及びe)は、MOF−TOCN複合化膜の表面である。c)は、MOF−TOCN複合化膜の断面である。d)は、比較例2のTOCN膜の表面である。
<Observation with scanning electron microscope (SEM)>
The MOF (ZIF-90) of Reference Example 1, the MOF-TOCN composite film of Example 2, and the TOCN film of Comparative Example 2 were carbon coated, and each film was subjected to SEM (Zeiss ULTRA55 manufactured by JFE Techno-Research Corporation). The surface was observed. The cross section of the MOF-TOCN composite film was also observed. The SEM image is shown in FIG. 3a shows the MOF crystal of Reference Example 1, and b) and e) show the surface of the MOF-TOCN composite film. c) is a cross section of the MOF-TOCN composite film. d) is the surface of the TOCN film of Comparative Example 2.

図3b)において、TOCN表面上にもMOF結晶(図3a)と同様のキューブ状物質が見られたことから、TOCNをマトリックスとするMOF合成が確認された。MOF−TOCN複合化膜の断面図(図3c)より、MOFが複合化膜の内部にも多数存在していることが明らかとなった。   In FIG. 3b), a cube-like substance similar to the MOF crystal (FIG. 3a) was also observed on the TOCN surface, confirming MOF synthesis using TOCN as a matrix. From the cross-sectional view of the MOF-TOCN composite film (FIG. 3c), it became clear that a large number of MOFs were also present inside the composite film.

また、図3e)において、MOF−TOCN複合化膜上の固定化されたMOF結晶表面には、TOCNと思われるナノファイバー状の物質が絡んで密着している様子が観察された。MOFとTOCNの密着性には、アスペクト比の高いTOCNの物理的な絡み、また親水性のZIF−90と極性高分子であるTOCN間の静電的相互作用の存在も寄与していると考えられる。既報のMOF複合膜では、先に合成したMOFの結晶を疎水性高分子に分散させることにより膜を形成しており、MOF結晶と疎水性高分子支持体との親和性の低さによるMOF結晶と支持体との間に生じる隙間(例えば、非特許文献1の第9864頁の図2(c)参照。MOF(ZIF−90)と、ポリイミド支持体(6FDA−DAM)とからなる複合化膜のSEM画像において、MOFと支持体との間に隙間が生じている)や、支持体自体の気体透過性の高さにより、気体の選択透過率が低下している可能性があったが、実施例の複合化膜では、MOF(ZIF−90)の結晶を、TOCN界面上の酸基に導入した金属イオン(Zn2+)との配位結合を利用しつつ合成したために、よりMOF結晶と支持体との密着性が向上したと考えられる。 Further, in FIG. 3e), it was observed that a nanofiber-like substance considered to be TOCN was entangled and adhered to the surface of the immobilized MOF crystal on the MOF-TOCN composite film. It is thought that the physical entanglement of TOCN with a high aspect ratio and the existence of electrostatic interaction between hydrophilic ZIF-90 and polar polymer TOCN contribute to the adhesion between MOF and TOCN. It is done. In the previously reported MOF composite membrane, the previously synthesized MOF crystal is dispersed in a hydrophobic polymer to form a membrane, and the MOF crystal due to the low affinity between the MOF crystal and the hydrophobic polymer support. (See, for example, FIG. 2 (c) on page 9864 of Non-Patent Document 1). Composite film comprising MOF (ZIF-90) and polyimide support (6FDA-DAM) In the SEM image of the above, there is a gap between the MOF and the support) and the gas permeability of the support itself may have decreased the gas permeability, In the composite film of the example, the MOF (ZIF-90) crystal was synthesized using the coordinate bond with the metal ion (Zn 2+ ) introduced into the acid group on the TOCN interface, and thus the MOF crystal And improved adhesion to the support Erareru.

<エネルギー分散型X線解析(DES)>
MOF−TOCN複合化膜について、SEMの表面構造解析と同時に、Thermo ELECTRON社製のNSS300を用いて、表面の元素分析を行った。結果を図4に示す。
<Energy dispersive X-ray analysis (DES)>
The MOF-TOCN composite film was subjected to surface elemental analysis using NSS300 manufactured by Thermo ELECTRON simultaneously with the surface structure analysis of SEM. The results are shown in FIG.

画像でMOF結晶が視認できない部分(図4aの1)においても、Znの特性X線が検出された(図4b)。MOF−TOCN複合化膜表面に粒径の小さなMOF結晶が存在するか、または複合化膜内部にMOF結晶が存在するものと考えられる。   Zn characteristic X-rays were also detected in the portion where the MOF crystal was not visible in the image (1 in FIG. 4a) (FIG. 4b). It is considered that MOF crystals having a small particle diameter are present on the surface of the MOF-TOCN composite film, or MOF crystals are present inside the composite film.

<耐水性>
MOF−TOCN複合化膜に水を滴下したところ、膜表面に水滴を形成せずに容易に吸収したことから、複合化膜は親水性であることが確認できた。水に対する耐性は、比較例2のTOCN膜のみでは、水に浸して一定時間放置すると水を吸収してゲル状態となったが、MOF−TOCN複合化膜では、水に浸しても構造が崩れなかった。セルロース繊維同士の水素結合と物理的な絡みによって構成されている紙やTOCN膜とは異なり、MOF−TOCN複合化膜では、TOCN結晶界面上の酸基に存在している金属イオンがTOCNの繊維を架橋しているために、水中での繊維間の解離が抑制されている可能性が示唆される。
<Water resistance>
When water was dropped onto the MOF-TOCN composite membrane, it was easily absorbed without forming water droplets on the membrane surface, confirming that the composite membrane was hydrophilic. With respect to the water resistance, only the TOCN film of Comparative Example 2 was immersed in water and allowed to stand for a certain period of time to absorb water and became a gel state. However, the MOF-TOCN composite film collapsed even when immersed in water. There wasn't. Unlike paper and TOCN membranes, which are composed of hydrogen bonds and physical entanglements between cellulose fibers, MOF-TOCN composite membranes are fibers in which metal ions present in acid groups on the TOCN crystal interface are TOCN fibers. This suggests the possibility that dissociation between fibers in water is suppressed.

<ガス分離性能の試験>
マスフローコントローラMODEL8500(コフロック株式会社製)、マスフローメーターMODEL3810DS(コフロック株式会社製)、バキュームコントローラV−850(日本ビュッヒ株式会社製、GC−8A(島津製作所製)を組み立てた(図5に概要を示す)。比較例1のPAE浸漬濾紙(paper)、実施例2のPAE浸漬濾紙とMOF−TOCN複合化膜との積層体(MOF−TOCNフィルム@paper)、及び比較例2のPAE浸漬濾紙とTOCN膜との積層体(TOCN@paper)のそれぞれを分離膜として用い、CO:CH=1:1の割合で混合したガスを差圧0.1MPa、各ガス供給量100sccmで流して、ガス分離試験を行った。なお、MOF(ZIF−90)の孔径は0.35nm、二酸化炭素分子の大きさは0.33nm、メタン分子の大きさは0.38nmである。ガスの透過率は、次の式で表すことができる。
<Test of gas separation performance>
A mass flow controller MODEL8500 (manufactured by Coflock Co., Ltd.), a mass flow meter MODEL3810DS (manufactured by Coflock Co., Ltd.), and a vacuum controller V-850 (manufactured by Nippon Buch Co., Ltd., GC-8A (manufactured by Shimadzu Corporation) are assembled (shown in FIG. 5). The PAE immersion filter paper of Comparative Example 1 (Paper), the laminate of the PAE immersion filter paper of Example 2 and the MOF-TOCN composite membrane (MOF-TOCN film @paper), and the PAE immersion filter paper and TOCN of Comparative Example 2 Each of the laminates (TOCN @ paper) with a membrane is used as a separation membrane, and a gas mixed at a ratio of CO 2 : CH 4 = 1: 1 is allowed to flow at a differential pressure of 0.1 MPa and each gas supply amount of 100 sccm. A separation test was conducted, and the pore size of MOF (ZIF-90) was 0.35 nm. The carbon dioxide molecule has a size of 0.33 nm, the methane molecule has a size of 0.38 nm, and the gas permeability can be expressed by the following equation.

また、CO/CHの透過選択率は、透過率の比で表すことができる。 Further, the CO 2 / CH 4 permeation selectivity can be expressed by a transmissivity ratio.

各ガスの透過流量の測定結果を図6に示す。比較例1の濾紙のみ(paper)に比べて、比較例2のTOCN単独膜(TOCN@paper)では、CH透過流量とCO透過流量がともに99%減少しており、TOCN支持体に高いガスバリア性があることがわかる。実施例2の複合化膜(MOF−TOCN@paper)では、比較例1の濾紙のみ(paper)に比べて、CH透過流量が99%減少したが、CO透過流量は67%を維持した。CH透過流量の減少は、TOCN支持体のガスバリア性に起因するものであると考えられる。一方、COは、TOCN支持体に導入されたMOFの孔径よりも分子サイズが小さく、複合化膜のMOF部分を通過したものと考えられる。 The measurement result of the permeation | transmission flow rate of each gas is shown in FIG. Compared to the filter paper of Comparative Example 1 alone, in the TOCN single membrane of Comparative Example 2 (TOCN @ paper), both the CH 4 permeation flow rate and the CO 2 permeation flow rate are reduced by 99%, which is high in the TOCN support. It turns out that there is a gas barrier property. In the composite membrane of Example 2 (MOF-TOCN @ paper), the CH 4 permeation flow rate was reduced by 99% compared to the filter paper alone (Paper) of Comparative Example 1, but the CO 2 permeation flow rate was maintained at 67%. . The decrease in the CH 4 permeation flow rate is believed to be due to the gas barrier properties of the TOCN support. On the other hand, it is considered that CO 2 has a molecular size smaller than the pore size of MOF introduced into the TOCN support and has passed through the MOF portion of the composite membrane.

本発明のMOF−TOCN@paperにおける透過流量から計算したCOの透過率は、11800barrerであり、これは、非特許文献1の第9865頁の表1に記載のZIF−90とポリイミド支持体との複合化膜のCO透過流量720barrerの約16倍に相当し、本発明の複合化膜は、既報のMOF複合化膜に比べて、極めて高いCO透過性を示すことがわかる。上記の通り、TOCN支持体自体は、高いガスバリア性を有するから、TOCNにMOFを導入することにより、TOCNの緻密な膜に、MOFの孔径に応じた孔を形成することができたことが示唆される。 The CO 2 permeability calculated from the permeate flow rate in the MOF-TOCN @ paper of the present invention is 11800 barrer, which is the ZIF-90 and polyimide support described in Table 1 on page 9865 of Non-Patent Document 1. The composite membrane of the present invention corresponds to about 16 times the CO 2 permeation flow rate of 720 barr, and it can be seen that the composite membrane of the present invention exhibits extremely high CO 2 permeability compared to the previously reported MOF composite membrane. As described above, since the TOCN support itself has a high gas barrier property, it is suggested that by introducing MOF into TOCN, pores corresponding to the pore size of MOF could be formed in the dense film of TOCN. Is done.

CO/CH透過選択率を計算すると、比較例1の濾紙のみではほぼ1であり、濾紙自体にはCO/CH分離能はないことがわかる。一方、実施例2のMOF(ZIF−90)−TOCN@paperでは68であった。これは、非特許文献1の第9865頁の表1に記載のZIF−90とポリイミド支持体との複合化膜のCO/CH(CO:CH=1:1)透過選択率37に比べて顕著に高い値であり、本発明のTOCNを支持体とするMOF複合化膜は、MOFとして同じ種類のもの(ZIF−90)を使用した場合でも、既報のMOF複合化膜に比べて、顕著に高いCO/CH透過選択率を示すことがわかる。既報のMOF複合化膜では、ポリイミド支持体部分または支持体とMOFとの隙間部分でCHが透過している可能性があり、これにより透過選択率が低下している可能性がある。一方、本発明のTOCNを支持体とするMOF複合化膜は、TOCN自体に高いガスバリア性があるため、TOCN支持体部分での気体のリークを防ぐことができ、また、MOFとTOCNとの親和性による密着性の向上により、MOF周囲の隙間から気体のリークも減少し、これにより、透過選択率が大幅に向上したと考えられる。 When the CO 2 / CH 4 permeation selectivity is calculated, it can be seen that only the filter paper of Comparative Example 1 is almost 1, and the filter paper itself has no CO 2 / CH 4 separation ability. On the other hand, the MOF (ZIF-90) -TOCN @ paper of Example 2 was 68. This is because CO 2 / CH 4 (CO 2 : CH 4 = 1: 1) permeation selectivity of the composite membrane of ZIF-90 and polyimide support described in Table 1 on page 9865 of Non-Patent Document 1 The MOF composite membrane using the TOCN support of the present invention is significantly higher than the MOF composite membrane already reported even when the same type of MOF (ZIF-90) is used. Thus, it can be seen that the CO 2 / CH 4 permeation selectivity is remarkably high. In the previously reported MOF composite membrane, CH 4 may permeate through the polyimide support portion or the gap portion between the support and the MOF, which may reduce the permeation selectivity. On the other hand, the MOF composite film using the TOCN of the present invention as a support has a high gas barrier property in the TOCN itself, so that gas leakage at the TOCN support can be prevented, and the affinity between MOF and TOCN By improving the adhesion due to the property, gas leakage from the gap around the MOF is also reduced, and it is considered that the permeation selectivity is greatly improved.

Claims (6)

平均繊維長0.1〜10μm、平均繊維径1〜100nm、及び酸基量が0.2〜2.2mmol/gであるセルロースナノファイバーと、金属−有機構造体とからなる複合体であって、金属−有機構造体における金属イオンの一部が、セルロースナノファイバーの酸基に結合している、複合体、及び
気体透過性のセルロース基材
を組み合せてなるフィルター
A composite comprising cellulose nanofibers having an average fiber length of 0.1 to 10 μm, an average fiber diameter of 1 to 100 nm, and an acid group amount of 0.2 to 2.2 mmol / g, and a metal-organic structure. A composite in which some of the metal ions in the metal-organic structure are bound to the acid groups of the cellulose nanofibers , and
Gas permeable cellulose substrate
The filter which combines .
複合体が、膜状に成形されている、請求項1に記載のフィルター Complex is formed into a film filter according to claim 1. 金属−有機構造体が極性の有機配位子を含む、請求項1または2に記載のフィルターThe filter according to claim 1 or 2, wherein the metal-organic structure contains a polar organic ligand. 金属−有機構造体が、亜鉛と2−イミダゾールカルバルデヒドとからなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフィルターThe filter according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal-organic structure is composed of zinc and 2-imidazole carbaldehyde. 基材の表面に紙力増強剤が付与されてい、請求項1〜4のいずれか1項に記載のフィルター。 Kamiryoku enhancer that is applied to the surface of the substrate, a filter according to any one of claims 1 to 4. 基材が、表面にポリアミドポリアミンエピクロロヒドリンを付与されたセルロース由来の紙である、請求項5に記載のフィルター。   The filter according to claim 5, wherein the substrate is a cellulose-derived paper having a polyamide polyamine epichlorohydrin added to the surface.
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