2022 Fiscal Year Annual Research Report
革新的水処理および創エネルギー技術の構築を目指した次世代型正浸透膜法の体系化
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21H04629
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
松山 秀人 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50181798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松方 正彦 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00219411)
比嘉 充 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (30241251)
小野 努 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (30304752)
吉岡 朋久 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 教授 (50284162)
神尾 英治 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (30382237)
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)
佐伯 大輔 信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (70633832)
松岡 淳 神戸大学, 先端膜工学研究センター, 助教 (80874833)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 膜分離 / 正浸透膜（FO膜） / 駆動溶液（DS） / 水処理プロセス / 浸透圧発電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球的課題である水資源確保のために、次世代型の膜分離法である正浸透（FO）膜法の開発を行う。従来の膜分離は外部圧力付加が必要だが、FO膜法は浸透圧差による自発的な水透過を利用するため外部圧力付加が不要で、究極の省エネルギー水処理技術となる。本研究ではFO膜法の確立のため、水チャネル等による高透水性FO膜、刺激応答性相分離型高浸透圧駆動溶液（DS）の開発を行い、海水淡水化等での実証を目指す。また、FO膜法を用いた浸透圧発電（Pressure Retarded Osmosis; PRO）にも取り組み、海水と河川水など塩分濃度差を利用した創エネルギー技術として確立を図る。このような検討により、応用までを含めたFO膜法の体系化を図る。2022年度は、チャネル構造に着目した高透水性FO膜と刺激応答性DSの最適化およびそれらを用いた水処理プロセスのラボ実証を行った。
１．新規高透水性FO膜の開発：チャネル型FO膜の開発ではナノシート材料によるチャネル膜を検討し、修飾グラフェンナノシート膜の選択水透過性を明らかにした。イオンビーム飛跡グラフト重合法によるチャネル膜では、FO性能評価の結果、高いイオンバリア性を確認した。無機ゼオライト膜の開発では種々の重金属に対する高い阻止性を確認した。これらチャネル膜開発を支援するためのMDシミュレーションモデル構築を行った。
２．新規刺激応答性DSの創製：イオン液体によるDS開発では、上限臨界溶液温度（UCST）型相転移能を有するイオン液体DSを複数取得した。熱応答性ポリマーDS開発では、重合度の異なるポリマーDSのFO性能の比較から、透水性とDS漏れのトレードオフ解決に、分子量制御の重要性が明らかとなった。
３．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証：DSを連続再生するFO連続システムを用いた淡水化ラボ実証試験を行った。
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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
1．新規水チャネル型FO膜の創製
1-1．環状ペプチド分子集合体チャネル膜の創製：ペプチドに加えて各種ナノシート材料を用いたチャネル膜を作製し、その性能評価を行った。イオン性ポリマーで表面修飾したグラフェンナノシートチャネル膜が、高い透水性と高い塩阻止性を示すことを見出した。1-2．イオンビーム飛跡グラフト重合法によるナノウォーターチャネルFO膜の構築：イオンビーム飛跡グラフト重合法を用いて作製した膜の性能評価（膜電位測定、輸率、水透過性）を行った結果、水透過性実験から重合時間によらず、この膜が高いイオンバリア性を有することが判明した。1-3．革新的ロバスト無機ゼオライトFO膜の創製：ゼオライトFO膜の水処理特性について評価を行い、種々の重金属に対しても高い阻止性能を有することを見出した。1-4．計算機科学による高機能FO膜開発支援：各種水チャネルに適用するためのMDシミュレーションモデルを構築した。
2．新規刺激応答性駆動溶液（DS）の創製
2-1．熱応答性イオン液体DSの創製：アルキル鎖と水素結合性置換基を有するカチオンと、bis(trifluoromethyl-sulfonyl)imide等のアニオンからなる上限臨界溶液温度（UCST）型イオン液体DSを合成し、そのDS特性を評価した。複数のUCST型DS骨格を見出した。また、高分子イオン液体を骨格としたDS調製とレオロジー特性についても検証した。2-2．刺激応答性有機ポリマーDSの開発：重合度や相転移温度が異なるポリマーDSの性能比較から、透水性とDS漏れのトレードオフを制御する上で分子量の制御が極めて重要であることが明確になった。
3．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証
DSを連続再生するFO連続システムによるラボ実証試験を行い、FO性能およびDS性能評価データを取得した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1．新規水チャネル型FO膜の創製
1-1．水チャネル型FO膜の創製：透水性を維持しつつ塩阻止性や耐ファウリング性を向上させるため、膜表面修飾により膜の最適化を行う。1-2．イオンビーム飛跡グラフト重合法によるナノウォーターチャネルFO膜の構築：膜の最適化とその性能評価を進め、高透水性が得られる製膜条件を明らかにする。1-3．革新的ロバスト無機ゼオライトFO膜の創製：支持体構造も踏まえたゼオライト膜の最適化検討を継続し、安定性の高い無機ゼオライトFO膜を創製する。1-4．計算機科学による高機能FO膜開発支援：引き続き分子シミュレーションにより水チャネルによる水透過と塩透過阻止のモデル解析を行い、高透過選択性発現のメカニズムに基づく高性能チャネル膜の開発を支援する。
2．新規刺激応答性駆動溶液（DS）の創製
2-1．熱応答性イオン液体DSの創製：これまでに設計した UCST型DSについてFO性能を比較評価し、化学構造とDS性能（相転移温度、浸透圧、粘度等）の関係性を明らかにし、その設計指針を構築する。2-2．刺激応答性有機ポリマーDSの開発：連続FOシステムでの相分離安定性や耐久性など連続運転評価に基づく有機ポリマーDSの最適化指針を構築する。
3．FO膜透過とDS再生を含む連続システムによるFS評価とFO膜システムの実証
海水淡水化等でFO連続実証運転を行った結果に基づきFS評価を行う。
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