2017 Fiscal Year Annual Research Report
カーボンナノチューブ/ポリアミド複合膜における高性能逆浸透膜機能発現の機構解析
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17H03401
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
遠藤 守信 信州大学, 先鋭領域融合研究群カーボン科学研究所, 特別特任教授 (10021015)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
犬飼 茂樹 信州大学, アクア・イノベーション拠点(COI), 研究員 (10529738) [Withdrawn]
Cruz Rodolfo 信州大学, 先鋭領域融合研究群カーボン科学研究所, 特任教授 (30597878)
滝沢 善洋 信州大学, アクア・イノベーション拠点(COI), 研究員 (10795082)
竹内 健司 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (20504658)
林 卓哉 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (80313831)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機能性複合材料 / 逆浸透膜 / ナノ材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多層カーボンナノチューブ（CNT）とポリアミド（PA）の複合化膜を逆浸透（RO）膜の活性層に応用して、脱塩性、透水性、耐ファウリング性で特色のある有望なRO膜を開拓した。本研究は当該膜の高性能発現の基礎科学の確立を対象とし、それをRO膜一般の科学に展開することを目指している。一年目のH29年度は、CNT/PA複合膜によるRO膜の複合膜構造や脱塩・透水メカニズムについて検討した。すなわち、主にCNT/PA複合膜において分子動力学（MD）シミュレーションにより、PAマトリクスへのCNTフィラーの影響を解析した。CNTの添加は、複合膜の細孔サイズを減少させてより緻密な膜構造を形成し、NaおよびClイオンの排除を促進させる効果を有することを示した。CNT/PA複合膜の有望性からこれまで様々な提案がされてきたが、CNT/PA複合膜の水拡散機構が明確になっていないため、マルチスケールのMDシミュレーションによりそのメカニズムを検討した。CNT/PA複合膜（0.79 kcal/mol）はPA膜（0.94 kcal/mol）よりも低い平均自由エネルギーを示し、CNT添加は水透過に有利であることが示された。また、パーコレーション拡散モデルは、原子分子の分子動力学のために非常に大きなセルを必要とするため、この拡散メカニズムを調べるためにモンテカルロシミュレーションにより計算した。CNT/PA複合膜（厚さ200 nm）を通る水の拡散軌道を調べた。CNT含有量に対する水分子の平均透過時間は、プレーンPAは84 nsであり、一方このCNT/PA複合膜では含有量が17 wt% （CNT）の時に63 nsまで減少する。高CNT含有量になるとCNTの障害物としての影響で蛇行経路を示し、20 wt%で66 nsまで透過時間が増加する。これらの結果を透水量に変換できないが、CNT/PA複合膜の潜在的な拡散メカニズムが示唆され、CNT含有量と透水性の最高値が概ね一致し、実験結果とシミュレーション結果が整合した。
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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
CNT/PA複合膜の高度な脱塩性や透水性のメカニズムを解明し、同膜の更なる高性能化に寄与することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目標を達成すべく、今後以下の検討を効率的にさらに進める。①CNTに加えてπ電子系フィラーとしてC60および化学的に別系統のセルロースナノファイバー（CNF）のPA添加膜の機能と膜構造解析、②CNT/PA複合膜のロバスト性の発現メカニズム
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[Presentation] Polyamide-Carbon Nanotubes Nanocomposite Membranes for Desalination-Synthesis, Performance and Computational Studies2017
Author(s)
Rodolfo Cruz-Silva, Takumi Araki, Shigeki Inukai, Josue Ortiz-Medina, Aaron Morelos-Gomez, Shogo Tejima, Takuya Hayashi, Toru Noguchi, Kenji Takeuchi, Mauricio Terrones, Morinobu Endo
Organizer
2017 MRS Fall Meeting
Int'l Joint Research
