2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of ultrathin separation membranes utilizing 2D nanosheet materials for water treatment
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19K05121
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松山 秀人 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50181798)
吉岡 朋久 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50284162)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノシート / 分離膜 / 水処理 / ニオブ酸ナノシート / 酸化グラフェン / 二硫化モリブデン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無機膜は耐薬品性や機械的強度等に優れ，そのため用途範囲が広く膜寿命が長いこと，また分離性が比較的高いことが特徴であるが，透過性や製膜性，製造コストの点が課題となっている．本研究では種々の２次元ナノシート材料を積層した高い分離機能を有する超薄膜型水処理膜の開発を行う．異なる機能性を有するナノシートを組み合わせたナノシート複合積層膜を作製し，各ナノシート種の表面構造を活かした協奏的２次元チャネルを形成させ，高い構造安定性と共に，優れた透過性と分離性を両立しうる革新的ナノシート分離膜の設計手法を構築する．本年度の研究では，ニオブ酸ナノシート(NbN)および酸化グラフェン(GO)による複合積層膜の作製，また新たに二硫化モリブデン(MoS2)ナノシートを利用した積層膜の作製を行い，それぞれの膜性能評価を行った．
1. 吸引ろ過法を利用し，LayeredタイプのNbN-GO複合ナノシート積層膜を作製した．電子顕微鏡観察よりNbN層上にGO層が形成していることが確認できた．次にクロスフロー型透水試験装置により膜性能の評価を行った．透水性は3.1 L m-2 h-1 bar-1とやや低かったものの，阻止性評価においてはポリエチレングリコールを利用した分画分子量はわずか700Daと見積もられ，またNa2SO4阻止率は94%と高い値を示し，NbNおよびGO単独膜よりも高い阻止性を有することが明らかとなった．
2. 新規材料としてMoS2ナノシートに着目し，積層膜の作製条件および前処理法の検討を行った．圧力支援法を利用して作製したMoS2積層膜の場合，高い透水性を示すものの，アニオン性色素やNa2SO4の阻止率はやや低い値であった．そこで加圧処理を行ったところ，透水性は半減するものの阻止率は大幅な向上が見られた．以上より，加圧処理を行うことによって，高い膜性能を有するMoS2積層膜の開発に成功した．
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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
本年度はNbN-GO複合型積層膜とMoS2積層膜の作製を行った．NbN-GO複合膜では，積層構造をLayeredタイプに制御することによって，NbNやGO単独膜では得られない高い阻止性能が発揮された．また新規に作製したMoS2ナノシート積層膜では，加圧処理によってナノろ過膜程度の膜性能が得られることが明らかとなった．このようにナノシートの複合化によって膜性能が飛躍的に向上するといった当初の目的は達成され，また新たなナノシート種であるMoS2積層膜にも目途がつき，2年目の実施計画も一部すでに進められていることから，おおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
NbN-GO複合膜では，積層構造をLayeredタイプに制御することによって高い阻止性能が得られたが，その膜構造の詳細な解析や分離メカニズムは明らかになっていない．令和2年度では，NbN-GO複合膜の構造解析や各ナノシート層の厚み制御，表面のゼータ電位測定，各種膜性能評価を基に，分離メカニズムを検証する．またMoS2等を用いた新規複合型積層膜の検討を進める．
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