放射線グラフト法による正浸透を自発する二層接合膜の創製とエタノール脱水への応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K05204
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 澤田 真一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (70414571)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 清藤 一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線高度利用施設部, 主任技術員 (50446457) ; 長谷川 伸 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (60354940)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: エタノール脱水 / 分離膜 / 放射線グラフト / 水透過性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、放射線非対称グラフト法を駆使し、親水性の強さが異なる二層が接合された高分子膜を作製し、この膜を用いた浸透気化試験によって含水エタノールの高速水透過を達成することを目的とした。
はじめにエタノール脱水のための浸透気化試験装置を設計・製作した。有効膜面積0.79cm2の2室型ガラスセルの中央部に膜を配置し、セルの上流室に含水エタノールを注入し、下流室を真空ポンプで脱気する仕様とした。下流側の膜面で蒸発した液体を回収するため、-50 ℃に保持したコールドトラップを設置した。
次いで、親水性グラフト鎖の種類が水透過性に及ぼす影響を調べるため、通常の放射線グラフト法で親水性高分子膜を作製した。具体的には、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ETFE）基材膜に対して、ポリアクリル酸（pAA）、ポリビニルピロリドン（pVD）、ポリスチレンスルホン酸（pSS）をグラフト鎖として導入した膜を得た。
スルホン酸基の対イオンがH+のpSSグラフト膜を用いて、濃度60wt%の含水エタノールの浸透気化試験を行った。水透過率は6.5 kg/m2/hであり、回収液のエタノール濃度は39wt%と高く水分離性は低かった。次に同じ膜の対イオンをNa+にしたうえで浸透気化試験を行ったところ、水透過率は5.8×10^-2 kg/m2/hと非常に小さくなったが、回収液のエタノール濃度は僅か2.9wt%と低く、水分離性は飛躍的に向上した。
今後は、データ再現性を検証するとともに、水分離や水透過に適したグラフト鎖を検討したうえ、含水エタノールの高速水透過に適した高分子膜の設計を進める予定であった。しかしながら、研究代表者が令和4年4月1日から文部科学省に出向するにあたり、研究活動の継続が困難となったので本研究課題を途中で廃止した。