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酸化グラフェン/グラフェン ハイブリッド積層構造水処理膜の簡便な生成法開発と高性能化に成功 ~高度な塩化ナトリウム,色素の除去特性を具備:世界の水問題の解消に貢献~

 信州大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2017年8月29日,同大学の遠藤 守信 特別特任教授を中心とする研究グループが,ナノカーボンの注目形態の1つであるグラフェンと酸化グラフェンを複合して積層ナノ構造を巧みに調製することで,高度な水処理機能を持つナノカーボン膜の開発に成功したことを発表した.この研究成果は,JSTが推進するセンター・オブ・イノベーション(COI)プログラム「世界の豊かな生活環境と地球規模の持続可能性に貢献するアクア・イノベーション拠点」のプロジェクトから得られた成果である.本研究成果は,Nature Nanotechnologyの電子版に掲載された(注).

 温暖化による気候変動などにより,世界的に良質な水資源が乏しくなってきている.海水淡水化や河川水利用などの水処理では現在高分子膜が中心的に使用されているが,地球規模での水資源不足の背景から耐久性をより高め,造水コストを一層低下できる革新的水処理膜の開発要請が高まっている.グラフェンなどのナノカーボンは,優れた物理的・化学的機能と強靭性を備えており,これを材料とする高性能造水膜の研究が活発に展開されている.最近では,酸化グラフェンを用いた水処理膜が英国マンチェスター大学のJilo Abrahamらから発表され(Nature Nanotechnology, Vol. 12, pp. 546-550 (2017)),大きな関心を集めた.

 今回,信州大学の研究グループは,グラフェンと酸化グラフェンを複合し,積層ナノ構造を巧みに調製することで,高度な水処理機能を持つナノカーボン膜の開発に成功した.その製法は,最適に配合した酸化グラフェンとグラフェンの混合液を多孔性高分子基材上にスプレーすることで厚さ数10ナノメートルの薄い活性膜を形成するという簡単なもので,大面積化可能である.これによって食塩水中の塩分や水中の色素を高い選択性で除去できる.食塩の除去率85%,色素の除去率96%を長時間(120時間)維持することができた.膜の構造は酸化グラフェンとグラフェンのシートが入り混じって積層しており,目的に合わせて膜の機能を制御することが可能で,水処理における広範な要請に対応可能という.

 現時点では性能的に現行の逆浸透(RO)膜に及ばないが,カーボンのみで構成される新規な無機材料系の水分離膜であり,ナノカーボン材料特有の高い強靭性(耐薬品性や耐熱性等)を有している.Jilo Abrahamらの膜は,脆くて圧力に弱いため,実用的な透水法であるクロスフロー(膜面に対し平行な流れを作り膜供給水中の懸濁物質やコロイドが膜面に堆積する現象を抑制しながらろ過)を用いることができないのに対し,今回開発した膜は実海水処理を想定したクロスフローによる5MPaの高圧力下で安定した透水が確認され,透水量も約30倍の高性能を保持している.

 今回開発した膜は,海水淡水化 に加えて,現行の高分子膜では実現困難な強靱性が必要な資源開発等の随伴水処理,薬品・化学・食品加工工程等における処理への応用が期待される.今後はその実現に向けて,透過物質の選択性,脱塩率および透水性のさらなる向上を図って行くとしている.

(注)A. Morelos-Gomez, R. Cruz-Silva, H. Muramatsu, J. Ortiz-Medina, T. Araki, T. Fukuyo, S. Tejima, K. Takeuchi, T. Hayashi, M. Terrones, and M. Endo, "Effective NaCl and dye rejection of hybrid graphene oxide/graphene layered membranes", Nature Nanotechnology (2017) doi: 10.1038/nnano.2017.160; Published online 28 August 2017