科学レビュー: 3D プリント膜技術 - 究極の淡水化方法

海水の淡水化は人類が何百年も追い求めてきた夢でした。 1950年代以降、水危機が深刻化するにつれて淡水化技術は急速に発展し、蒸留、電気透析、逆浸透法は大規模な工業生産のレベルに達し、世界中で広く使用されています。中でも逆浸透膜技術は、安定した構造や優れた分離性能などの利点により、過去30年間で海水淡水化分野の主流となっています。逆浸透膜の孔径はナノメートルレベルに達し、一定の圧力下では水分子は通過できるが、海水中の無機塩、重金属イオン、有機物、コロイド、細菌、ウイルスなどの不純物は通過できないため、海水の淡水化が実現します。しかし、海水淡水化には材料、技術、環境、エネルギーなどの面で依然として多くの問題が残っており、2011年にサイエンス誌がこの問題に関する特別レビューを実施しました。さらに、ここ数年の急速な発展の中で、膜材料自体の技術開発は依然として非常に遅く、それが逆浸透膜淡水化技術におけるボトルネック問題となってきました。

現在、市販されている逆浸透膜には、セルロースアセテート膜とポリアミド複合逆浸透膜の 2 つの主なタイプがあります。 1960年代に、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のローブとスリラジャンはセルロースアセテート膜を発明し、海水淡水化に応用することに成功しました[3]。 1980年代にカドット社はポリアミド複合逆浸透膜を発明し、これが徐々に膜淡水化の主流膜へと発展しました。この技術は、一般的にメタフェニレンジアミン（MPD）とトリメソイルクロリド（TMC）を重合モノマーとして用い、界面重合によりポリスルホン限外濾過膜上にポリアミド分離層を作製し、複合膜を得るものである。ポリアミド膜は優れた選択透過性を示しますが、他の物理的特性や合成プロセスには依然として多くの制限があります。例えば、既存の合成方法では、フィルム形成時の自己終結現象により、フィルムの厚さを効果的に制御することが困難であり、得られるフィルム材料は依然として非常に厚く（100～200 nm）、表面が粗い（山と谷の典型的な波状構造）ものになります。さらに、支持表面の特性（細孔サイズ、細孔間隔、多孔度、粗さ、表面化学）は RO 膜の界面に直接影響を及ぼし、それによって他の特性に予測できない影響を与えます。

薄膜製造における技術的な困難を克服するために、韓国科学技術院とロンドン大学インペリアル・カレッジの科学者らは、それぞれ2013年と2015年に画期的な研究を行った。しかし、プロセスの複雑さから、性能の信頼性の低さや商業生産の難しさといった問題が依然として残っている。サイエンス誌の最近の記事によると、米国コネチカット大学の科学者らは3Dプリントの概念を借用し、エレクトロスプレー法を用いて2つの重合モノマーをナノメートル規模の液滴に形成し、これを基板上に噴霧して重合させ、ポリアミドを形成した。これにより、膜厚と粗さを精密に制御した高効率逆浸透膜が実現し、支持基板への依存を打破し、海水淡水化逆浸透膜材料の製造技術を大きく前進させた。

図1に示すように、2つのモノマー溶液が最大30,000ボルトの電圧下で針から出ると、クーロン反発力を受けてナノスケールの液滴が形成され、3Dプリントによって目的の堆積表面に噴霧され（ここでは連続した複数の堆積を実現するためにローラーデバイスが特別に選択されています）、最終的に重合反応によってポリアミド逆浸透膜が形成されます。モノマー濃度、比率、基質移動速度などのパラメータを制御することにより、逆浸透膜の細孔サイズ、粗さ、透過性、表面親水性を効果的に調整できます。

図1 エレクトロスプレーと3Dプリント技術を組み合わせることで、2つのポリマーモノマーがナノスケールの液滴の形で任意の基板上に順次堆積され、ポリアミド逆浸透膜の製造技術における画期的な進歩が達成されました。図2は、MPDとTMCの濃度比が0.5:0.3の条件下で5サイクルの堆積後に3つの支持層（PAN50、PS20、PAN450限外濾過膜）上に形成されたポリアミド逆浸透膜を示しています。アルミホイル上に堆積した結果と同様に、これらのポリアミド RO 膜はすべて、市販の Dow SW30XLE 膜よりも表面粗さが数倍低くなっています。新しい逆浸透膜の細孔構造もより高密度になり、細孔サイズはより小さくなり、分布はより均一になります。これらの構造特性により、市販の膜と同等かそれ以上の水の淡水化効果が得られます。たとえば、MPDとTMCの濃度比が0.083:0.05の条件下でPAN450限外濾過膜上に堆積された逆浸透膜の表面二乗平均平方根粗さはわずか2.3nm（PAN450膜の粗さは11.7nm）、除去率は94％（セラミックSW30XLE膜と完全に同等）、透過性は14.7LMH/bar（セラミックSW30XLE膜は2LMH/bar未満）です。

図 2 左: 3 つの限外濾過膜上に堆積したポリアミドフィルムの厚さの特性。右：Dow SW30XLE膜と比較すると、新しい逆浸透膜の表面粗さは4〜5倍以上減少しています。
海水淡水化用の逆浸透膜は商業的に大きな成功を収めました。 3D プリンティングとエレクトロスプレーを組み合わせたこの新しいフィルム製造技術は、新たな産業革新をもたらすことが期待されます。さらに期待されるのは、このシンプルかつ効率的な製造方法が急速に普及し、急成長している多機能フィルムの開発に応用され、人々の生活の質の向上と向上に重要な役割を果たすことが期待される点です。

出典: ScienceAAAS

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