2020 Fiscal Year Research-status Report
ナノ・マイクロスケール空間の固液界面制御による圧力損失の低減効果
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19K05119
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
中村 一穂 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30323934)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電気粘性効果 / 膜ろ過 / ゼータ電位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、濾過ケークや微細な間隙（ナノ・マイクロ空間）を液体が透過する際に生じる圧力損失の界面科学的な新しい理解と、その理解に基づく圧力損失低減方法を開発することである。2019年度には、微細空間のサイズと固液界面物性の新しい評価方法の開発として、ナノ・マイクロ空間の圧力損失と流動電位を同時に測定する装置の開発を行った。圧力損失場として、ＨＰＬＣ用のカラムに充填したジルコニア、シリカの粉末に対して界面活性剤の吸着破過曲線を測定し、吸着等温線を決定した。2020年度は、前年度に開発した装置および界面活性剤との吸着平衡に関する知見に基づき、多孔質ガラス膜を圧力損失場として選定し、細孔表面の表面改質（親水性（未改質表面）、疎水性（ODS改質表面））及び、溶質（KCｌ, 陽イオン界面活性剤(DTAC), 陰イオン界面活性剤(SDS))が圧力損失に及ぼす影響について検討した。まず、今回測定に用いる水溶液系のバルク粘性を、内径170μmのガラスキャピラリーを用いて測定した結果、検討した濃度範囲内では溶質はバルク粘性に影響を及ぼさないことを確認した。多孔質ガラス膜のKCｌ水溶液の濃度依存性について詳細に検討した結果、希薄濃度領域でKCl濃度の上昇に伴い透過流束が上昇することが明らかになった。この変化は、細孔内の電気二重層の重なりに基づく電気粘性効果を反映しており、細孔径の影響について検討した結果、220nm以下の細孔において観察された。そこで、細孔径100nmの膜について、電気粘性効果に及ぼす表面改質の影響と界面活性剤の吸着の影響を検討した結果、疎水性膜よりも親水性膜の方が電気粘性効果が大きいこと、疎水性表面でかつゼータ電位がほぼゼロの条件で電気粘性効果が低減されることが分かった。
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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
2020年度は、前年度（2019年度）の成果に基づき、固液界面の表面状態の影響について深く考察できるデータを得ることに成功した。細孔径が100nm以下の空間では、電気粘性効果が圧力損失に大きな影響を及ぼしていること（100nmの時には20～30%程度）を明らかにし、特に高い水質が得られるMF膜やUF膜の圧力損失において、従来にはないその本質的な理解を可能とした。特に、圧力損失が低減される固体表面の状態（疎水性かつζ電位ゼロ）が明らかになったことは、研究の計画時には予測できない範囲で、今後の膜素材開発に大きな影響を与える結果と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に明らかになった知見をさらに進めるため、ナノ・マイクロ空間において、電気粘性効果が本質的な役割を果たしていることが明らかになったことから、より細孔径が小さいUF膜における測定および定量的な圧力損失の解析、また、電気粘性効果が低減される疎水性かつζ電位ゼロの表面を達成するための方法（表面改質、溶質の添加）を検討する。その際に問題となるイオンの吸着現象の理解についても検討を進める。
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