| 研究課題/領域番号 |
19K05665
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
清野 竜太郎 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (90214915)
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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 | 膜蒸留 / 炭素化繊維膜 / 海水淡水化 / 多孔質膜 |
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| 研究実績の概要 |
膜蒸留(MD)は疎水性多孔質膜を介した両側に生じる蒸気圧差を駆動力とする膜分離技術である。海水のような、塩分を含有する供給液を加温する過程に、工場などで生じる廃熱を利用するシステムを導入できれば、極めて低コストで脱塩が可能である。他方、天然繊維の絹や合成繊維のキュプラ等の布繊維を高温で炭化処理すると、布繊維が元来有する高い多孔性を維持したまま、非常に疎水性の高い炭化繊維材料が得られる。本研究課題では、繊維材料および製布工程が異なる炭素化繊維膜を用いて膜蒸留測定を行い、炭素化繊維膜の素材および製布工程が膜物性に与える影響について調査した。加えて、この炭化繊維膜に親水性膜を複合化した膜を使用した膜蒸留による、随伴水（油分を含有する塩水）のワンステップ淡水化プロセスの可能性についても検討した。
炭素化繊維膜としては、中津山熱処理(株)および新潟県工業試験場で作製された、絹やキュプラを高温で炭化処理したものを使用した。 比較として様々な孔形成剤を用い、非溶媒誘起相分離法で作製した多孔質ポリフッ化ビニリデン（PVDF）膜や等も用いた。ワンステップ随伴水処理には、疎水性多孔質膜の一方の表面に、ポリビニルアルコール等の親水性の高い膜を被覆した複合膜を使用した。
MD測定では、循環型膜蒸留測定装置を作製し、約60 ℃に加温した3 wt% NaCl水溶液を供給液とし、ポンプを用いて膜上を循環させた。 繊維材料に絹、製布工程に編物を用いた炭素化繊維膜の透過流束は、PVDF膜と比較し約5倍の値を示した。これは炭素化繊維膜の高い疎水性および多孔性に起因するものではないかと考えられる。
3 wt% NaCl水溶液に1000 ppmのエンジンオイルを添加した模擬随伴水のMD測定では、多孔質PVDF膜の脱油率が50%程度であったのに対し、複合膜では96%に達しっすることを確認した。
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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
炭化繊維膜を利用した水処理プロセスの構築を最終目標としている。膜蒸留では膜の表面疎水性の程度と膜の多孔性が水処理性能に大きな影響を与えるため、本課題の2年目では引き続き、膜物性の評価試験を行う計画を立てた。疎水性多孔質膜を用いた膜蒸留プロセスに関しては、通常の膜蒸留測定に加えて、疎水性多孔質膜と親水性膜を積層した複合を用いて、随伴水（油分を含有する塩水）のワンステップ淡水化プロセスの可能性についても検討する計画も立てた。
炭素化繊維材料の物性評価に関しては、繊維を高温で炭化処理した炭化繊維材料と自作の多孔性ポリフッ化ビニリデン膜について、予定通り、SEMやTEMによる炭素膜の断面や表面構造の観察、多孔度の測定、接触角測定による膜の疎水性の程度の測定を行うことができた。そして、炭素化繊維膜は、ポリフッ化ビニリデン膜より、非常に高い表面疎水性と多孔性を有していることが確認できた。
膜蒸留測定に関しては、測定を行うための、供給液循環型膜蒸留装置を作製し、膜の上方に送液ポンプを用いて加温した塩水を流し、膜を透過した水蒸気を膜の下側の区画を室温で放置することにより液化させた。回収した液体の量や電解質の濃度を測定することにより膜の脱塩性能を評価した。炭素膜の種類や塩水の温度等の測定条件を変えるなどして膜蒸留測定を行い、膜特性と膜蒸留性能の関係について考察した。また、膜蒸留によく利用されるポリフッ化ビニリデン膜などとの比較検討も行った。
随伴水の膜蒸留では、疎水性多孔質膜と、これに親水性膜を積層した複合膜を用いて、膜蒸留性能の比較検討を行うことができた。
以上の通り、課題の2年目に立案した計画事項は、ほぼ完遂できた。ただ、企業からの炭素化繊維膜の供給が遅れていることは、若干の懸念材料である。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで使用してきた絹やキュプラを高温で炭化処理した炭素化繊維材料に加えて、ちりめんやレーヨン、竹などを高温で炭化処理した、様々な材料が入手出来そうである。本課題の最終年度にあたる令和3年度は、これらの炭化材料を用いても膜蒸留測定を行い、膜の種類や測定条件が膜蒸留性能に与える影響を考察する。膜蒸留による水処理に最も適した材料の選定も行う予定である。
加えて、新規に入手できる炭素化膜についても、膜上に親水性膜を付与したワンステップ随伴水処理のための複合膜の作製を引き続き行う。親水性膜としてポリビニルアルコール（PVA）系の膜が適しているという昨年度の結果に基づき、引き続き、疎水性炭素化膜とPVA膜の複合膜を作製し、供給、透過液中の電導度や油分濃度を測定することにより脱塩率、脱油分率を見積もり、膜蒸留による随伴水処理の可能性について検討する予定である。また、本課題の実用化に向け、様々な膜プロセスで大きな課題となっている、膜の耐ファウリング性能についても評価する予定である。
新規の炭素化繊維材料の物性評価試験に関しては、引き続き、炭素化繊維材料の基礎的物性として、表面構造や多孔性の評価を行う。
炭化繊維材料は、布繊維の高温処理で作製される。そのため、活性炭などと同様に、賦活化処理を施せば繊維自体を多孔化できると思われる。そうすれば、この炭化繊維を導電性多孔材料として、種々のプロセスでの電極材料としての応用も可能となると思われる。炭素化繊維自体の細孔評価（比表面積、細孔容積、細孔径分布等）や電極としての電気容量の測定も、併せて行う予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（次年度使用額が生じた理由）学会発表などのために旅費を計上していたが、学会の中止やオンラインでの開催により、旅費をほとんど使用しなかったのが主な要因である。研究遂行のための消耗品を購入する費用などに充足したが、その一部は残ったため、次年度使用額が生じた。
（使用計画）次年度使用額は、令和3年度に消耗品費と併せて使用する。
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