太陽光をエネルギー源とした光熱変換膜による海水淡水化の研究

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H04331
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 藤原 正浩 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (90357921)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石井 智 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (80704725)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 海水淡水化 / 太陽光 / 光熱変換材料 / エネルギー変換 / 淡水製造 / 微細構造 / 太陽熱蒸留

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、世界規模での水不足問題を解決するため、太陽光エネルギーを用い海水を気化・凝縮させる淡水化技術を研究した。近赤外線を含めた地表に届く全太陽光を吸収できる光熱変換材料の使用を目指し、特殊な色素修飾セルロースろ紙や多孔性ポリウレタンシートと海水の接触性を高め、また淡水化処理の作動時間を長くするため、疎水性膜、海水を毛細管現象で吸い上げる親水性膜、光熱変換シートを重ねた三枚膜法を考案し、疎水性膜上に毛細管力を用いて海水を自動供給させ、上方より太陽光を照射することで疎水性膜下に脱塩された淡水を得ることができた。淡水の回収量は、膜下での水蒸気の凝縮を促進することで増加させることにも成功した。
膜や微細構造を用いた光熱変換による水蒸発において、光照射部極近傍の水温を非接触で評価することは太陽熱蒸留用材料の開発等において極めて重要である。そこで、水の屈折率変化から水温を見積もる光学系を構築し、モデルケースとして光照射時の窒化チタン薄膜上の水温測定を行い、光強度に比例した水温測定に成功した。
一方、太陽光による熱で海水を気化させる淡水化装置では、水の高い気化熱のため、水の気化を伴わない方法［例えば、逆浸透膜法(RO)法］と比べ、淡水造水量には限界がある。そこで三枚膜法を多段にする改良を施し、水蒸気から淡水になる際に放出する凝縮熱を再利用できるシステムを構築した。五段以上の装置を用いることで、海水からの淡水製造における照射太陽光利用のエネルギー効率を著しく向上させることに成功した。
また、疎水性膜細孔中における水溶液の挙動の解析は、NMR法による分析では膜中の水のピークにブロード化が起こることを見いだし、また赤外線スペクトルによる解析では膜蒸留の手法を用いて水を透過させた後のPTFE膜にHF由来と思われるスペクトル上の変化を観測することもできた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Solar Water Distillation Using Titanium Nitride Nanostructures (2022)
  • Author(s): Ishii Satoshi、Kaur Manpreet、Nagao Tadaaki
  • Journal Title: Journal of the Society of Powder Technology, Japan Volume: 59 Pages: 79～82
  • DOI: 10.4164/sptj.59.79
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of condensation step of water vapor in solar desalination of seawater and the development of three-ply membrane system (2021)
  • Author(s): Fujiwara Masahiro、Takahashi Kouki、Takagi Kaito
  • Journal Title: Desalination Volume: 508 Pages: 115051～115051
  • DOI: 10.1016/j.desal.2021.115051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extreme thermal anisotropy in high-aspect-ratio titanium nitride nanostructures for efficient photothermal heating (2021)
  • Author(s): Ishii Satoshi、Higashino Makoto、Goya Shinya、Shkondin Evgeniy、Tanaka Katsuhisa、Nagao Tadaaki、Takayama Osamu、Murai Shunsuke
  • Journal Title: Nanophotonics Volume: 10 Pages: 1487～1494
  • DOI: 10.1515/nanoph-2020-0569
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hot electron physics and applications (2021)
  • Author(s): Besteiro Lucas V.、Cort?s Emiliano、Ishii Satoshi、Narang Prineha、Oulton Rupert F.
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 129 Pages: 150401～150401
  • DOI: 10.1063/5.0050796
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Photothermal Heating and Heat Transfer Analysis of Titanium Nitride Nanostructures (2022)
  • Author(s): TANJAYA, Nicholaus Kevin, MANPREET, Kaur, NAGAO, Tadaaki, ISHII, Satoshi
  • Organizer: 第18回プラズモニクスシンポジウム
• [Presentation] Solar seawater desalination using two-ply membrane (2021)
  • Author(s): 藤原正浩、高城海斗、高橋滉希、菊地正希、富田貴匠
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy-efficient compact multi-stage solar desalination by automatic seawater feeding (2021)
  • Author(s): 藤原正浩、山内しのぶ
  • Organizer: 5th International Conference on Desalination using Membrane Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 太陽光利用海水淡水化の高エネルギー効率化 (2021)
  • Author(s): 藤原正浩、山内しのぶ
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] High aspect ratio structures for extreme anisotropy in effective thermal conductivities (2021)
  • Author(s): ISHII, Satoshi, TANJAYA, Nicholaus Kevin, 東野 真, 呉屋 伸哉, SHKONDIN Evgeniy, 田中 勝久, NAGAO, Tadaaki, TAKAYAMA Osamu, 村井 俊介
  • Organizer: METANANO 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高アスペクト比窒化チタン構造の光熱変換と異方性熱伝導 (2021)
  • Author(s): 石井 智, 東野 真, 呉屋 伸哉, SHKONDIN Evgeniy, 田中 勝久, 長尾 忠昭, TAKAYAMA Osamu, 村井 俊介
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Titanium nitride for light-to-heat and heat-to-light conversions (2021)
  • Author(s): ISHII, Satoshi, MANPREET, Kaur, MURAI Shunsuke, GOYA Shinya, HIGASHINO Makoto, TANAKA Katsuhisa, YANG Zhi-Ying, CHEN Kuo-Ping, NAGAO, Tadaaki
  • Organizer: META 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Titanium nitride and silicon nanostructures for photothermal applications (2021)
  • Author(s): TAKAYAMA Osamu, SHKONDIN Evgeniy, LAVRINENKO Andrei V., GOYA Shinya, HIGASHINO Makoto, MURAI Shunsuke, TANAKA Katsuhisa, ISHII, Satoshi, NAGAO, Tadaaki
  • Organizer: META 2021
  • Int'l Joint Research / Invited