2018 Fiscal Year Annual Research Report
チャネル型正浸透膜の創製と究極的ゼロエネルギー水処理プロセスの構築
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18H03854
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
松山 秀人 神戸大学, 工学研究科, 教授 (50181798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
彌田 智一 同志社大学, ハリス理化学研究所, 教授 (90168534)
松方 正彦 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00219411)
小野 努 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (30304752)
吉岡 朋久 神戸大学, 科学技術イノベーション研究科, 教授 (50284162)
中川 敬三 神戸大学, 科学技術イノベーション研究科, 准教授 (60423555)
神尾 英治 神戸大学, 工学研究科, 講師 (30382237)
高橋 智輝 日本大学, 生産工学部, 助教 (80535518)
佐伯 大輔 信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (70633832)
稲田 飛鳥 神戸大学, 工学研究科, 学術研究員 (10803835)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 正浸透膜（FO膜） / 水チャネル膜 / 駆動溶液（DS） / LCST相転移 / 水処理プロセス / 海水淡水化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．新規水チャネル型FO膜の創製
1-1．環状ペプチド分子集合体チャネル膜の創製（松山、吉岡、佐伯）では、分子動力学計算を用いて環状ペプチドチャネル分子を設計、合成し、これをリン脂質二分子膜に導入することで新規生体模倣型FOチャネル膜の開発を行った。1-2．高分子液晶垂直配向チャネル膜の創製（彌田、佐伯、稲田）では、高分子液晶の垂直配向シリンダー構造を水チャネルとして利用したFO膜の創製を行った。各種支持膜との複合化製膜プロセスを構築した。1-3．革新的ロバスト無機ゼオライトFO膜の創製（松方）では、ZSM-5等のゼオライトが持つ親水性ミクロ細孔特性を利用して、安定性が高く高温にも耐える全く新しい無機FO膜の開発を行った。1-4．計算機科学による高機能FO膜開発支援 (吉岡)では、分子動力学計算により水チャネルの正浸透透水モデルを構築し、高透水性発現に必要な構造や物性をシミュレーションにより解明するとともに、結果のフィードバックにより、高透水性FO膜開発支援を行った。
２．新規刺激応答性駆動溶液（DS）の創製（小野、高橋）
熱応答性イオン液体DSの創製を目指し100種類以上のイオン液体分子について量子化学計算を活用して系統的なスクリーニングを行い、化学構造と温度相転移特性との関係性を明らかにするとともに、熱応答性イオン液体の温度依存的浸透圧発現機構を解析し、高浸透圧と相分離特性を両立する高性能なイオン液体DSの創出を行った。
３．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証（松山、神尾、中川）
FO膜とDSを用いた連続FOシステムの構築を行い、構築したシステムにより、熱応答性イオン液体DSの性能確認を行うとともに、海水淡水化を想定したFO膜プロセスで連続的にモデル海水から純水を得ることに成功した。
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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
１．新規水チャネル型FO膜の創製
1-1．環状ペプチド分子集合体チャネル膜の創製では、分子動力学計算を用いて環状ペプチドチャネル分子を設計し、透水性、塩阻止性を発現しうる候補物質を得ることができた。また、リポソームへの導入方法を検討し、ストップトフロー法により水チャネルとして機能することを確認した。1-2．高分子液晶垂直配向チャネル膜の創製では、液晶ブロック共重合体薄膜の垂直配向PEOシリンダーを透水チャネルとして利用するため、各種支持膜との複合化プロセスを検討し、ITO基板に成膜後、熱アニールで垂直配向PEOシリンダー構造を形成させ、塩酸でITOを溶解させた結果、AFM観察でPEOシリンダー構造の表裏面開口を示す六方格子構造が確認され、本プロセスの有効性が確認できた。1-3．革新的ロバスト無機ゼオライトFO膜の創製では、親水性ZSM-5膜が耐熱性・耐酸性を有するFO膜として機能することを明らかにした。1-4．計算機科学による高機能FO膜開発支援では、分子動力学計算により水チャネルのFO透水モデルを構築し、透水シミュレーションに成功した。また、ナノチャネルにおける空隙構造やチャネル構成原子と透過分子との相互作用が透水性に及ぼす影響について明らかとした。
２．新規刺激応答性駆動溶液（DS）の創製
イオン液体のカチオンとアニオンを様々な組み合わせでスクリーニングし、有望イオン液体DSを絞り込むことができた。また、最適化に向け親疎水性バランスと表面自由エネルギーの解析も行った。
３．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証
FO膜とDSを用いた連続FOシステムの構築を行った。構築したシステムにより、熱応答性イオン液体DSの性能確認を行うとともに、海水淡水化を想定したFO膜プロセスで連続的にモデル海水から純水を得ることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．新規水チャネル型FO膜の創製
1-1．環状ペプチド分子集合体チャネル膜の創製では、合成した新規チャネル物質を導入した平面脂質二分子膜の作製方法について検討を行い、FO膜としての特性評価を進める。また、チャネル物質の分子構造についても引き続き分子動力学計算を用いた検討を進める。1-2．高分子液晶垂直配向チャネル膜の創製では、引き続き、目的に応じた各種支持膜との複合化プロセスの開発を行う。また、得られた複合膜の透水チャネルと界面ナノ構造の観察評価を多面的に行い、FO特性評価とのフィードバックに備える。1-3．革新的ロバスト無機ゼオライトFO膜の創製では、親水性ZSM-5膜のFO特性評価を進めるとともに、新規な無機ゼオライトFO膜の開発も並行して進める。1-4．計算機科学による高機能FO膜開発支援では、分子動力学シミュレーションにより水チャネルにおける水分子や塩の拡散性に及ぼすチャネル構造の影響に関する知見の集積を進め、それらを新規チャネル膜設計にフィードバックし、高透水性FO膜開発支援を行う。
２．新規刺激応答性駆動溶液（DS）の創製
熱応答性イオン液体DSについて、化学構造と温度相転移特性との関係の詳細な検討により最適化を進める。また、イオン液体DSを効果的に評価する手法に適用するためにも、イオン液体の高分子化やゲル化の検討も行っていく。
３．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証
実プロセスを想定した小型連続FOシステムの最適化の検討を行うとともに、上記で開発したFO膜とイオン液体DSの性能評価を進める。
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