Elucidating mechanisms of membrane fouling by using "visible" foulants

Research Project

Project/Area Number	19K21980
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
Research Institution	Hokkaido University
Principal Investigator	Matsushita Taku 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30283401)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2021-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000) Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords	土木環境システム / 膜ファウリング / 同位体ラベリング
Outline of Research at the Start	本研究は、大きなメリットがあるにも関わらず、膜処理が実施設へ導入されることを阻んでいる唯一にして最大の障壁である膜ファウリングを根本的に解明することを目的とするものである。そのために、同位体ラベリングしたグルコースを加えた培地中で微生物（活性汚泥）を増殖させることにより、同位体ラベリングされた細胞外高分子有機物を創出し、それを用いてファウリングさせた膜を同位体顕微鏡で観察することにより、世界で初めて膜ファウリングを可視化し、「何が」膜の「どこに」詰まることにより膜ファウリングが生じるのかを明確にする。
Outline of Final Research Achievements	Observation with an isotope microscope confirmed that isotope-labeled extracellular macromolecular organics were produced by cultivating microorganisms (activated sludge) in a medium containing isotope-labeled substrates. Activated carbon adsorption experiments were carried out using the extracellular macromolecular organics, and the activated carbon particles after adsorption was observed with the isotope microscope. The observation revealed that the extracellular macromolecular organics were adsorbed in the mesopores near the outer surface of the activated carbon particles, indicating that the adsorption inhibition with the organics was caused by pore blocking. This methodology is expected to be applicable to analyzing the membrane fouling, showing that the possibility of leading to the elucidation of the mechanism.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究で行った、同位体ラベリングした基質を加えた培地中で微生物（活性汚泥）を増殖させることにより、同位体ラベリングされた細胞外高分子有機物を創出し、それを同位体顕微鏡により観察しようとする試みは世界的にも全く前例がなく、極めて斬新かつ学術的にも意義が高いと評価できる。同位体ラベリングされた細胞外高分子有機物は、活性炭への吸着阻害メカニズムの解明のみならず、膜ファウリングメカニズムの解明にも適用が可能であると期待でき、大きな発展が望める。また、活性炭吸着阻害や膜ファウリングのメカニズム解明を通じ、これらの水処理技術の欠点の克服への道筋が開けるため、社会的にも大きな貢献が期待される。