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Ion and water transport properties of cation exchange membranes prepared by heavy-ion-track grafting technique

重イオンビームグラフト法で作製したカチオン交換膜におけるイオンと水の輸送特性

澤田 真一*; 後藤 光暁*; 越川 博*; 喜多村 茜; 比嘉 充*; 八巻 徹也*

Sawada, Shinichi*; Goto, Mitsuaki*; Koshikawa, Hiroshi*; Kitamura, Akane; Higa, Mitsuru*; Yamaki, Tetsuya*

現在日本では、カチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を用いた電気透析による海水濃縮工程を経て食塩が生産される。電気透析に要する消費電力の低減と濃縮海水濃度の向上のためには、電気抵抗が低く、かつ浸透圧による水透過を抑えられる膜が必要である。そこで本研究では、重イオンビームグラフト法で海水濃縮用CEMを作製し、その膜抵抗と水透過率を調べた。CEMの作製は、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体基材膜への310MeV $$^{84}$$Krイオン照射、スチレンのグラフト重合、スチレンユニットのスルホン化、という手順で行った。得られたCEMは、市販膜よりも低い膜抵抗と水透過率を示し、海水濃縮に好適であることが明らかとなった。重イオンビーム照射で形成される特異的な一次元イオン伝導チャネルが優れた輸送特性の起源であると考えられる。

In this study, we prepared ion exchange membranes (CEMs) by our ion-track-grafting technique and investigated their ion and water transport properties. The CEM preparation involved irradiation of ethylene-co-tetrafluoroethylene films with 310 MeV Kr beam, grafting of styrene into the resulting latent tracks, and sulfonation of styrene units. Membrane resistance was measured by an AC impedance method. Osmotic-pressure-driven water flux was measured by using a permeation cell containing two compartments filled with pure water and an aqueous 3 mol/L NaCl solution. At higher IEC, the membrane resistance decreased, while the water flux increased. Interestingly, the water flux of the ion-track-grafted CEMs is significantly lower than that of commercially products and a conventional $$gamma$$-ray-grafted CEM. This result demonstrates a great potential for industrial electrodialysis. In conclusion, unique one dimensional ionic channels achieved by the ion-track-grafting can facilitate Na+ transport and hinder water permeation.

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