| 研究課題/領域番号 |
19H04331
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
藤原 正浩 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (90357921)
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| 研究分担者 |
金久保 光央 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (70286764)
石井 智 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (80704725)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 海水淡水化 / 太陽光 / 膜分離 / 光熱変換材料 / 色素 / 窒化チタン |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、世界規模での水不足問題解決のため、太陽光エネルギーを用いて海水を淡水化する技術を創出する。太陽光から熱を効率的に発生することができる色素や光熱変換材料を海水と接触させ、太陽光を照射、水を蒸発させ、その後凝縮し回収することにより淡水を得る。この海水淡水化の性能を向上させるには、色素等の光熱変換材料の開発と、海水淡水化装置やシステムの改良が必要である。光熱変換材料の性能向上としては、窒化チタンナノ粒子と細孔をもつセラミックスから成る複合材料を開発することで良好な光熱変換材料を開発することはすでに成功している。2019年度ではこうして開発した材料を屋外で使用し、実際に水蒸気を回収して蒸留された浄化水が得られることを実証した。
一方、海水淡水化装置システムの改良は、色素を修飾した親水性膜（セルロースろ紙）を疎水性のPTFE膜の上に重ねた二枚膜法において検討した。このシステムでは、膜上に展開する水量が少ないほど水の処理効率が良くなることが分かったが、水量が少ない場合、膜上の水が短期間で枯渇することになる。そこで、色素修飾親水性ろ紙を用いて貯水容器から水を毛管現象で吸い上げ、光照射部に色素を修飾したシステムを考案した。このシステムにより、海水は連続自動的に供給され、かつ効率的に脱塩・淡水化することができた。
また、疎水性膜細孔中における水溶液の挙動の解析は、細孔内の試料溶液のNMRスペクトルがブロード化しており、分子の運動性が著しく低下することを明らかにしたが、NMR分析では各化学種由来のピークを分離して検出することが困難であることも確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、世界規模での水不足問題解決のため、太陽光エネルギー利用の海水淡水化技術を創出する。太陽光から熱を効率的に発生する色素や光熱変換材料を用い、太陽光照射下、海水を蒸発させることで海水を淡水化する。太陽光から高効率で熱を生成する光熱変換材料として、金属微粒子が有効である。例えば、セラミックでありながら高いキャリア濃度を持つ窒化チタン粒子は太陽光照射で効率的に熱を発生でき、またプラズモン吸収によりこの効果を増幅できる。2019年度では、蒸発した水蒸気を回収する簡易な装置を開発し、これまでに開発した窒化チタン複合材料の蒸留性能を屋外で実証した。その結果、これまでの室内実験で得られた効率とほぼ同じ約50%のエネルギー変換効率で蒸留水を回収できることが分かった。高い効率の太陽熱蒸発材料が開発できていることから、これを大面積化できればさらに高い効率で浄化水が得られることが期待できる。
太陽光エネルギーを用いて水を蒸発、凝縮し海水を淡水化する技術において、効率的に水を供給し蒸発できる装置・システムを検討した。黒色色素アニリンブラックを修飾したセルロース製の親水性膜を用い、これに毛管現象で水を吸い上げるための流路を持たせた。ソーラシミュレータで１SUNの光量で連続照射した場合、浄化水される水量は照射時間に比例して増加した。このシステムにより、海水は連続自動的に供給でき、かつ効率的に脱塩できることが明らかになった。
疎水性膜細孔を模擬したシリル化剤で表面を疎水化処理した多孔質ガラスを、1,4-ジオキサン水溶液に浸して細孔内に試料溶液を充填した。細孔内の試料溶液のNMRスペクトルはブロード化しており、水分子の運動性が著しく低下していることが明らかとなった。一方、そのためNMR測定では各化学種由来のピークを分離検出し、解析することが困難であることもわかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
「太陽光エネルギーの変換効率の向上」では、高性能な色素を含めた光熱変換材料を開発し、同時に水との親和性や接触性を加味した素材・材料を組み合わせたシステムを構築する。これにより、太陽光照射下での高効率な水の気化を実現する。2019年度に用いた一定の親水性を持つ黒色色素であるアニリンブラックをさらに検討し、また低光反射材料との複合も試みる（産総研担当）。また、効率的な光熱変換材料である窒化チタンを用いたアスペクト比の高いナノ構造を作製することで、熱伝導率を下げて光熱変換効率を高めることに取り組む。さらに、実効的な光熱変換効率が100%を超える構造を目指し、多段方式や放射冷却の利用も検討する（物材機構担当）。
「蒸散流機構を用いた海水の自動供給化」では、2019年度の研究で得た毛管現象による海水の自動供給の結果を元に、2020年度の研究では、より多くの海水を輸送できる蒸散流現象へと展開する。蒸散流は水の強い凝集力に起因する現象であり、例えば、密閉されたセル内に疎水性膜を挟んだ装置システムを考案する。また、海水から蒸発した水蒸気の有効な凝縮法、およびその際に放出される凝縮熱の回収も試みる。この熱回収は、太陽光エネルギーの利用効率を飛躍的に向上させることができるため、近年、様々な方法が提案されている技術でもある。水の蒸発だけではなく水蒸気の凝縮によるエネルギー回収も留意しながら研究を進めることで、本海水淡水化技術の太陽光エネルギー利用効率の抜本的改善を試みる（産総研担当）。
「疎水性膜細孔中における水溶液の挙動解析」では、2019年度の研究からNMRスペクトルのブロード化によるピーク分離が困難であることがわかったため、NMR以外の分析手法も援用することで、光熱変換材料の特性と水の気化過程を解明し、海水淡水化システムや膜材料の改良につなげる（産総研担当）。
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