Realization of ultimate carbon nanotube-based separation membranes towards the solution of the water shortage facing humanity in 2025

• Project/Area Number: 17K20065
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Environmental conservation measure and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: HAYASHI Yasuhiko 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (50314084)
• Research Collaborator: Matsumoto Hidetoshi 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 ; Hada Masaki 岡山大学, 大学院 自然科学研究科, 助教 ; Inoue Takahiro 岡山大学, 大学院 自然科学研究科, 学生 ; Shirahama Shiho 東京工業大学, 物質理工学院, 学生 ; Zhang Shaoling 東京工業大学, 物質理工学院, 学生 ; Aiba Motohiro 東京工業大学, 物質理工学院, 学生
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2017: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 2層カーボンナノチューブ（DWCNT） / 熱化学気相成長法（熱CVD） / 分離膜 / の構造相転移ダイナミクス / 水処理用膜 / 二層カーボンナノチューブ / 熱化学気相成長法 / 構造ダイナミクス / 環境技術 / ナノチューブ・フラーレン / 超薄膜

Outline of Final Research Achievements

A tall, high-density double-walled carbon nanotube (DWCNT) array vertically aligned on a substrate was rapidly synthesized by thermal chemical vapor deposition (thermal CVD). Hydrocarbon polymer is filled between the gaps of DWCNTs filled, and the water treatment membrane (separation membrane) by using inner tube space as a channel was produced. From the transmission electron microscope, the average tube diameter of DWCNT was 3.4 nm, and the tube diameter could be altered. This membrane was subjected to a permeability test using a total filtration type cell, and no specific permeability was shown around room temperature, and an experiment found a specific phenomenon in which the permeability flow rate increased rapidly with the temperature rise. We developed a system to deposit water molecule thin film in situ using time-resolved transmission electron diffraction apparatus.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

「2025年における世界の水不足」が予測され，多くの国が深刻な水不足の問題を抱え，水
リスクへの対応に迫られており，分離膜を用いた革新的水処理技術の創出が求められてい
る．この課題を解決するため，本研究では長尺・高密度で垂直配向したカーボンナノチューブ（CNT）が有する直径数nmのチューブ中空を利用した水処理膜の作製技術を確立，そして空間内を水が透過する際の動的な挙動について明らかにした．これまでは，小さなスケール水処理膜の作製は報告されているが，本研究では最大8インチサイズの大口径の水処理膜の作製に成功し，従来の逆浸透膜やに比べて格段に低コスト水製造を可能にする革新的技術が開発できた．

Research Products

• [Int'l Joint Research] アドバンスメンブレン研究センター，マレーシア工科大学(マレーシア)
• [Int'l Joint Research] CNRS, Physics Laboratory Des Solides(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(United Kingdom)
• [Int'l Joint Research] Sri Lanka Institute of Nanotechnology(Sri Lanka)
• [Journal Article] Temperature dependence of pressure-driven water permeation through membranes consisting of vertically-aligned double-walled carbon nanotube arrays (2019)
  • Author(s): Shiho Shirahama, Shaoling Zhang, Motohiro Aiba, Hirotaka Inoue, Masaki Hada, Yasuhiko Hayashi, Kenjiro Hata, Shuji Tsuruoka, Hidetoshi Matsumoto
  • Journal Title: Carbon Volume: 146 Pages: 785-788
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.02.031
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 垂直配向カーボンナノチューブアレイ/高分子コンポジット膜における透水挙動 (2018)
  • Author(s): 松本英俊，白濱志帆，張紹玲，相羽誉礼，井上寛隆，林靖彦，鶴岡秀志
  • Organizer: 第67回高分子学会年次大会
• [Presentation] Water flow through nanopores in large area double-walled carbon nanotube membranes (2017)
  • Author(s): Y. Hayashi, H. Matsumoto, S. Tsuruoka, K. Abe, K. Hata, S. Zhang, Y. Saito, M. Aiba, T. Tokunaga, H. Inoue, T. Hayashi, T. Iijima, G. Amaratunga
  • Organizer: 2017 MRS Fall Meeting & Exhibit - Materials Research Society
  • Int'l Joint Research