2016 Fiscal Year Annual Research Report
アゾベンゼン修飾膜の光照射水透過・海水淡水化に関する研究
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16H03002
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
藤原 正浩 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 化学プロセス研究部門, 上級主任研究員 (90357921)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増田 善雄 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 東北センター産学官連携推進室, 連携主幹 (10358004)
松川 真吾 東京海洋大学, 学術研究院, 教授 (30293096)
金久保 光央 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 化学プロセス研究部門, 研究グループ長 (70286764)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 膜分離 / 海水淡水化 / アゾベンゼン / 色素 / 太陽光 / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者が見出したアゾベンゼン修飾多孔質膜による、光照射下における水の浄化・海水淡水化技術を、実施計画書のように、これまでの陽極酸化アルミナ膜からコスト、耐久性、機能性等に優れ、元の性質も疎水性であるポリマーのPTFE膜を用いることで研究を進めた。アゾベンゼン色素としては、水への溶解度が低く、かつ可視光のみで正逆両方の光異性化を起こすプッシュ・プル型アゾベンゼンであるディスパースレッド1(DR1)を用いた。DR1修飾膜は、DR1をPTFE膜に塗布、加熱処理で作製した。このDR1修飾PTFE膜は、紫外線と可視光の同時照射下に限らず、可視光のみの照射下においても良好に膜上の水を膜下部に透過させた。膜上部に塩濃度が約3.5％の人工海水を展開し、上部よりソーラシュミレータによる人工太陽光を照射した場合も、水は膜透過を起こし、こうして透過した水の塩濃度は0.01％未満となり、脱塩・淡水化された。この結果は、今回作製した膜により、太陽光を直接用いて、海水を淡水化できることを示している。一方、色素としてアゾベンゼン構造を持たないディスパースブルー14(DB14)修飾PTFE膜を用いて、同様の可視光照射による水透過実験を行った結果、このDB14修飾膜でも光による水透過と人工海水の脱塩に成功した。この光照射水透過による海水淡水化に用いることができる色素は、アゾベンゼン化合物に限定されないこともわかった。
また、光照射によるアゾベンゼンを固定した細孔内の水分子の運動性の変化をNMR技術により解析することを試みた。光照射による明確な変化を検出することはできなかったが、細孔内に吸着した水の効果がわかり、今後の指針を得ることができた。
色素類を用いた修飾膜による海水淡水化の想定実用化システムは、水の蒸発に関する熱、物質収支を考慮した数値モデルの作成が有効であるということもわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究代表者が見出したアゾベンゼン修飾陽極酸化アルミナ膜による、光照射水浄化・海水淡水化技術を、太陽光利用技術へと進化させるには、太陽光の幅広い波長の光を吸収できるアゾベンゼンや色素類の利用が必須である。研究計画書では、可視光のみで光異性化するアゾベンゼンとして「プッシュ・プル型」化合物の利用を記し、ディスパースレッド1(DR1)を用いたが、これらのアゾベンゼン化合物も波長500nm程度の短波長可視光が必要であり、それ以上波長の長い太陽光を有効に吸収できるアゾベンゼンはほとんど知られていない。しかしながら2016年度の研究で、アゾベンゼン以外の色素を用いても同様の効果が得られることがわかったため、長波長可視光を利用することができることがわかり、2017年度以降の研究に対し、大きな指針を得た。
一方、光照射下におけるアゾベンゼンの光異性化挙動やその分子運動をNMR法で検出する試みは、世界的にもほとんど行われていない。そのため、測定用のアゾベンゼン試料、試料管や装置そのものの改良が求められる段階である。2016年度の研究では、それらに関する指針を得ることができたので、引き続き検討したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
2016年度の研究で見出したアゾベンゼンを含む色素を修飾したPTFE等のポリマー疎水性膜を利用した、光照射による水浄化・海水淡水化技術を、さらに発展させる。特に、光として太陽光を用いることに注力する。色素は特定波長域の光を吸収することができるが、幅広い波長を持つ太陽光の多くを吸収することは、一つの色素では行えない。そこで、複数の色素類を単一の膜材料に修飾し、紫外線から近赤外線までの太陽光を吸収して、そのエネルギーを利用することができる色素修飾膜の創出を目指す。2016年度の研究で、アゾベンゼン以外の色素も適応可能であることがわかったため、今後は、アゾベンゼンに限定されることなく、様々な色素、および紫外線吸収剤や近赤外線吸収剤等も含めて検討し、太陽光エネルギーの高効率的利用を実現する。
アゾベンゼンの光異性化に関する解析では、2016年度の検討結果に基づき、分析に適したアゾベンゼン修飾材料、試料管や条件等を選定することで、アゾベンゼンの光異性化による近傍分子の運動性を解析することとする。
海水淡水化の想定実用化システムについては、水の蒸発と水蒸気の拡散挙動をも含めた熱、物質収支を考慮した数値モデルを作成し、当該システムを評価することとする。
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