Influence of the dynamic fluctuation of molecular chains on membrane fouling properties: Computational chemistry study

• Project/Area Number: 16K06825
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Properties in chemical engineering process/Transfer operation/Unit operation
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: Nagumo Ryo 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20552003)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 水処理膜 / 膜ファウリング / 分子動力学法 / ベタイン / 溶媒和 / 耐ファウリング性能 / 両性イオン性素材 / 非イオン性素材 / 動的挙動 / 水分子の束縛強さ / 自己拡散係数 / ミクロ挙動 / 水素結合 / 水和構造 / 水透過膜 / 計算化学

Outline of Final Research Achievements

Solvation structures in the vicinity of the monomers/oligomers of polymeric materials and their molecular mobilities were evaluated using molecular dynamics simulations. Robust solvation structures are observed in the vicinity of the anionic groups of the repeat units of sulfobetaine and phosphobetaine. The binding strengths of the solvent molecules around the cationic groups are certainly different depending on the types of betains. We also suggest that the hydration structures are significant in the vicinity of the phosphobetaine repeat units.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

世界的な水不足の深刻化を背景に、膜による水処理システムが急速に普及しつつあるが、原水中に含まれる浮遊物質が膜表面に付着する「膜ファウリング」は、当該分野で解決すべき重要課題と認識されている。そこで本研究は、原水に接触する素材表面の動力学現象を計算化学手法によって検証することを試みた。本研究のアプローチを推進すれば、膜素材を構成する分子鎖の挙動変化が膜ファウリング特性に与える影響を分子レベルで検証できる。

Research Products

• [Journal Article] Estimation of the Binding Strengths of the Ketone Groups of Vinyl Pyrrolidone Analogs to the Surrounding Solvent Based on Molecular Dynamics Simulations (2019)
  • Author(s): Ryo Nagumo, Kenta Yamamoto, Shuichi Iwata, and Hideki Mori
  • Journal Title: JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN Volume: 52 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1252/jcej.18we091
  • NAID: 130007563330
  • ISSN: 0021-9592, 1881-1299
  • Year and Date: 2019-01-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular dynamics study of the molecular mobilities and side-chain terminal affinities of 2-methoxyethyl acrylate and 2-hydroxyethyl methacrylate (2019)
  • Author(s): Ryo Nagumo, Atsushi Shimizu, Shuichi Iwata, and Hideki Mori
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 51 Issue: 3 Pages: 365-370
  • DOI: 10.1038/s41428-018-0121-z
  • NAID: 40021935810
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ビニルピロリドン系オリゴマーの会合状態と分子運動性の関係: 計算化学的解析 (2019)
  • Author(s): 南雲 亮、山本 健太、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 化学工学会 第84年会
• [Presentation] ビニルピロリドン類似化合物の極性基に着目した水和ダイナミクスの計算化学的解析 (2018)
  • Author(s): 南雲 亮、山本 健太、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 日本膜学会 第40年会
• [Presentation] ビニルピロリドン系オリゴマーの極性が拡散速度に与える影響: 計算化学的解析 (2018)
  • Author(s): 山本 健太、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 化学工学会 第50回秋季大会
• [Presentation] ビニルピロリドン系オリゴマーの重合度と拡散係数の関係：計算化学的解析 (2018)
  • Author(s): 山本 健太、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 化学工学会 第83年会
• [Presentation] 計算化学手法によるpH応答性メタクリレート素材の相分離挙動解析 (2017)
  • Author(s): 扇田 惇史、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 日本膜学会 第39年会
• [Presentation] アクリレート素材の分子運動性とファウリング挙動の関係：計算化学的解析 (2017)
  • Author(s): 南雲 亮、清水 淳史、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 日本膜学会 第39年会
• [Presentation] メタクリレート素材のpH応答性メカニズムに関する分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 扇田 惇史、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 第66回 高分子学会年次大会
• [Presentation] 分子動力学法によるビニルピロリドン系マテリアル近傍の水和メカニズム解析 (2017)
  • Author(s): 山本 健太、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 分離技術会年会2017
• [Presentation] アクリレート/メタクリレート素材の会合状態に着目した膜ファウリング挙動の理論解析 (2017)
  • Author(s): 清水 淳史、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 化学工学会 第49回秋季大会
• [Presentation] 有機ファウラントの極性が膜素材の耐ファウリング性能に与える影響：計算化学的解析 (2017)
  • Author(s): 南雲 亮、清水 淳史、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 膜シンポジウム2017
• [Presentation] アクリレート/メタクリレート系素材の溶媒和ダイナミクスに着目した膜ファウリング挙動の理論解析 (2016)
  • Author(s): 清水 淳史、南雲 亮、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 膜シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2016-12-01
• [Presentation] ポリマー側鎖の荷電特性と溶媒和構造に着目した膜ファウリング挙動の計算化学的解析 (2016)
  • Author(s): 南雲 亮、扇田 惇史、鈴木 涼也、岩田 修一、森 秀樹
  • Organizer: 膜シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2016-12-01
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of the Influence of the Solvation Structures on the Antifouling Properties of Polyzwitterions (2016)
  • Author(s): Ryo Nagumo, Ryoya Suzuki, Takaaki Miyake, Shuichi Iwata, Hideki Mori
  • Organizer: The 10th Conference of Aseanian Membrane Society (AMS10)
  • Place of Presentation: Nara Kasugano International Forum
  • Year and Date: 2016-07-26
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 名古屋工業大学 研究者データベースシステム
  • URL: http://researcher.nitech.ac.jp/html/100000240_ja.html