2022 Fiscal Year Annual Research Report
傾斜機能バイオポリマー膜による同位体濃縮と同重体分離の単一プロセス迅速化
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22H01631
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Fukushima National College of Technology |
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Principal Investigator |
押手 茂克 福島工業高等専門学校, 化学・バイオ工学科, 准教授 (80321389)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
羽切 正英 群馬工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (70435410)
加島 敬太 小山工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (90710468)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 水環境 / 機能性分離膜 / バイオポリマー / 金属イオン架橋アルギン酸 / 鉛 / ストロンチウム / 金属イオンの分離回収 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，種々の様態物質が共存する系中から，膜デバイスにより，質量数204のPbおよび質量数90のSrを選択的に抽出し，質量分析を実施と，得られたデバイスを組み込んだICP-MSシステムによる同位体の定量実験を目的に，研究計画4か年で達成する。最初の2か年（令和4～5年度）は，本申請研究で最も重要となるゲル形成バイオベース材料を素材とし内部に傾斜組成をもたせた単一の分離膜（傾斜機能膜）の設計・作成及び分離評価を行う。そこで，本年度（～2023年3月31日）は，分離能を有する層を積層した傾斜材機能膜の設計と試作を検討した。バイオベースゲルとして，アルギン酸ナトリウム水溶液に硝酸カルシウム水溶液を添加してゲル化・不溶化させた金属イオン架橋アルギン酸を利用した。ゲル化・不溶化させる前にアルギン酸ナトリウム水溶液にあらかじめポリエチレングリコール（PEG）を添加しておくことで，ゲル化・不溶化の際に硝酸カルシウム水溶液中に金属イオン架橋アルギン酸中のPEGを溶出させることで多穴化して膜状にした。作成した金属イオン架橋アルギン酸膜でPb標準溶液とSr標準溶液を用いた回収実験で，Pb回収率73 %，Sr回収率23 %となった。傾斜材機能化前の膜でも分離回収できることが分かった。PEG（分子量200）の添加量を変えて金属イオン架橋アルギン酸膜を作成したところ，Pb回収率がPEG添加量4%までは73 %であったが，PEG添加量5%とすると98.5 %に急激な上昇がみられた。PEGの分子量を400としたところ，このPb回収率の急激な上昇は見られなかった。一方，Sr回収率ではPEGの添加量や分子量を変化させても同様の変化は見られなかった。積層した傾斜材機能膜のベースとなる金属イオン架橋アルギン酸膜へのPEG（分子量200）の添加量でもPb回収率を変化させ，選択性を制御できる可能性を見出した。
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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
最初の2か年（令和04年度～令和05年度）は，本申請研究で最も重要となるゲル形成バイオベース材料を素材とし内部に傾斜組成をもたせた単一の分離膜（傾斜機能膜）の設計・作成及び分離評価を行う。本年度（～2023年3月31日）は，キレート反応による化学吸着による分離能を有する層（キレート層）と静電的な吸着分離能を有する層（吸着層）とを積層した傾斜材機能膜の設計と試作を検討したが，積層した傾斜材機能膜のベースとなる金属イオン架橋アルギン酸膜の組成を変えることでも（PEG（分子量200）の添加量の違い）でもPb回収率を改善できることが分かった。現時点で，本研究で作成した金属イオン架橋アルギン酸膜では，Pb回収率98.5%，Sr回収率23.1%であり，Pbは定量的に分離可能である。本年度は分離能を有する層（PEG含有相）の単層の膜までの設計と試作であり，積層による高機能膜作製が必要である。また，Sr回収率を向上させる必要がある。2点の改善点を残したが，当初の予定では2か年での設計・試作を予定に実施していることから，進捗状況はおおむね順調であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度（2022年4月～2023年3月）では，バイオベース材料として金属イオン架橋アルギン酸膜を選択し，その膜作製過程で添加したポリエチレングリコール（PEG，分子量200）によってPb回収率が大幅に向上した（98.5%）。本膜がPb及びSr分離に利用可能であるのこと，膜組成の変更により回収率を大幅に改善できることが分かった。そのことから，今後は，金属イオン架橋アルギン酸膜に目的の金属に選択的に反応するキレート試薬などを添加してキレート反応による化学吸着による分離能を有する層（キレート層）などの膜の機能化や，複数のキレート試薬など添加して分離能の複合化を検討することで，Sr回収率の向上を行う予定である。本年度の進捗状況がおおむね予定通りであることから，当初の予定での2か年での設計・試作を完了できる予定である。
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