2018 Fiscal Year Research-status Report

逆浸透膜のオペランドインピーダンス解析によるイオン分離機能の劣化メカニズム解明

Research Project

Project/Area Number	18K04809
Research Institution	Shinshu University
Principal Investigator	田中厚志信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (30417878)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	手嶋勝弥信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00402131) 竹内健司信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (20504658) 巽広輔信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (60336609)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	インピーダンススペクトロスコピー / 電解液 / 分離膜 / 膜構造 / イオン伝導率 / 濃度分極
Outline of Annual Research Achievements	【平衡状態の測定系におけるEISのイオン種依存性、濃度依存】電解液（左相）／分離膜／電解液（右相）からなる被測定系のインピーダンススペクトル測定の基盤を構築するべく、ガラス製のJone’s type cellを用い、イオン濃度、イオン種を変えて市販の逆浸透膜（RO膜）を対象に測定解析を行った。Maxwell-Wagnerの解析モデルおよび花井の著書に記された解析手法などを参考に、複素インピーダンスをコンダクタンス（G）およびキャパシタンス（C）の2成分に分解しその周波数依存の解析を進めた。その結果、緩和現象から予想された通り、十分高い周波数（0.001 mol/LのKCｌ溶液では2MHz前後）に対しては、GおよびCは、膜が無い測定値と一致することを確認した。また、実測されたGの値を用いて、イオン濃度、イオン種の異なるスペクトルを規格化することで、イオン濃度、イオン種に依存せず周波数的にブロードに広がった緩和が見られる周波数領域（1kHz - 2 MHz）が存在すること、それより低周波側では、イオン濃度、イオン種依存があることを見出した。【上記観測スペクトルの高周波領域の定量的解析】上述の通り、イオン濃度、イオン種依存が無い緩和領域が存在する。この周波数領域のスペクトルに対して、数値的な解析を加えた。CとGの測定データから緩和周波数を算出すると、約3桁にわたる緩和が重畳していることが判明した。近似的に桁が異なる3つの緩和周波数を想定することで測定したスペクトルをほぼフィッティングできることが確認された。3組のGとCとが並列につながる等価回路で、GとCをチューニングすることで、測定したスペクトルが説明できることが判明した。支持層の中で最も緻密な部分では、イオン伝導はバルクの電解液に比べて3桁から4桁近く低く、イオン移動度が大きく減少していると結論できる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 電解液（左相）／分離膜／電解液（右相）からなる被測定系の平衡状態におけるインピーダンススペクトル測定は非常に高い精度で実現できた。高周波側では、3桁くらいの周波数にわたり、緩和現象が分散的な時定数で発生していることが定量化できた。なおかつこの周波数領域の緩和はイオン種や濃度にほぼ依存しないことが判明したことは、大きな収穫であった。　これと対照的にイオン種、イオン濃度に依存する低周波側の緩和が観測された。それぞれ、高周波側は逆浸透膜の支持層に、低周波側は活性層に起因するものとほぼ結論できた。高周波側のスペクトルは、物理的なパラメタまで解析が進み、膜の支持層におけるイオン拡散、イオン伝導の描像を固めることができた。インピーダンススペクトルの周波数軸上でのデータを、実際の膜の厚さ方向の構造に対応させる描像がほぼ描けたことは大きな収穫である。
Strategy for Future Research Activity	【非平衡状態におけるEIS測定・解析】電解液（左相）／分離膜／電解液（右相）からなる被測定系において、左相、右相の濃度差がある場合、または、かつ左相、右相が加圧されているなど、（浸透圧（π）―静水圧（ｐ）)に左右差がある非平衡状態においては、イオンの選択的な透過、阻止、あるいは水分子の透過が起こる。こうした状況におけるスペクトルのダイナミックな変化から、イオンの選択的透過性、水分子の透過性の測定、解析、議論に進む。
Causes of Carryover	特殊な材料につき納期が当初の予定よりも長くなり、予算を翌年度に繰り越した。この繰り越した材料については、今期早々に手配し使用する。繰り越し分を除いた今年度の予算は計画通り、年度内に使用し研究を進める。