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論文

Preparation of nano-structure controlled ion-exchange membranes by ion beams and their application to seawater concentration

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

QST-M-8; QST Takasaki Annual Report 2016, P. 35, 2018/03

https://repo.qst.go.jp/records/73811

本研究では、重イオンビームグラフト重合法によりイオン交換膜を作製する手法を開発し、海水濃縮に応用した。フッ素樹脂(ETFE)の基材に対して、560MeVのXeビームをフルエンス3$$times$$10$$^{8}$$ $$sim$$1$$times$$10$$^{9}$$ions/sm$$^{2}$$で照射し、その後、スチレンスルホン酸エチルエステルのグラフトと加水分解及び、クロロメチルスチレンのグラフトと四級化によってイオン交換膜を得た。イオン交換容量は2.0$$sim$$2.5mmol/gに調節した。作製した膜の吸水率及び抵抗値は、従来の$$gamma$$線照射膜に比べて低い結果を示し、海水濃縮に適することがわかった。これは、イオンビームによってナノメートルスケールの局所的かつ高密度なエネルギー付与を制御した結果である。なお、フルエンス3$$times$$10$$^{8}$$ions/sm$$^{2}$$の場合、イオントラック径は250nmで、全体に占める体積の割合はわずか14%であった。

口頭

イオン照射グラフト重合法及び$$gamma$$線照射グラフト重合法を用いたイオン交換膜の作製と膜特性評価

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

no journal, , 

イオンの選択輸送が可能なモザイク荷電膜を用いたエネルギー変換デバイスの実現を目標に、高エネルギーイオンビームによりカチオン交換膜を作製し、その荷電密度$$Psi$$を$$gamma$$線による膜特性と比較した。実験では、25$$mu$$m厚のエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜に対して、TIARAサイクロトロンの560MeV $$^{129}$$Xeビームを真空中で照射した後、${it p}$-スチレンスルホン酸ナトリウムモノマーをグラフト重合した。イオンの選択透過性を示唆する$$Psi$$は、塩化カリウム水溶液の濃度差で生じた膜電位から、固定電荷膜理論に基づき算出した。イオンビームグラフト重合法により得られたカチオン交換膜の$$Psi$$は最大で2.40mol/dm$$^{3}$$に達し、市販膜や$$gamma$$線による膜と比べて高い値であるとともに、イオン交換容量に大きく依存しなかった。この結果は、高エネルギーイオンビームの高密度励起効果を反映した飛跡構造に由来していると考えられる。

口頭

Characterization of ion-exchange membranes prepared by ion irradiation graft polymerization method

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

no journal, , 

複合荷電膜の一種であるモザイク荷電膜を用いた海水・かん水淡水化、脱塩のプロセスを実現するため、高エネルギーイオンビームにより作製したカチオン交換膜に対し、荷電密度$$Psi$$などの膜特性を詳細に検討した。実験では、25$$mu$$m厚のエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜に560MeV $$^{129}$$Xeビームを3.0$$times$$10$$^{8}$$あるいは1.0$$times$$10$$^{9}$$ ions/cm$$^{2}$$のフルエンスで照射した後、スチレンスルホン酸ナトリウムモノマーをグラフト重合した。塩化カリウム水溶液の濃度差で生じた膜電位から、固定電荷膜理論に基づき$$Psi$$を算出した。イオンビームグラフト重合法により得られたカチオン交換膜の$$Psi$$は最大で2.40mol/dm$$^{3}$$に達し、市販膜と比べて高い値であるとともに、イオン交換容量にそれほど依存しなかった。この結果は、高エネルギー重イオンビームの飛跡構造を反映していると考えられ、非常に興味深い。

口頭

重イオンビームグラフト法で作製したカチオン・アニオン交換膜の輸送特性評価と海水電気透析への応用

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

no journal, , 

本研究では、重イオンビームグラフト法でカチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を作製し、製塩のための海水濃縮電気透析に応用した。フッ素樹脂基材膜へのXeまたはKrイオン照射後、スチレンスルホン酸エチルエステルのグラフトと加水分解によってCEM、クロロメチルスチレンのグラフトと四級化によってAEMを得た。イオン交換容量を0.5$$sim$$0.6mmol/g程度と低く調節したCEM・AEMは、市販膜よりも低い抵抗と高いイオン輸率を示した。これらの膜を電気透析セルに装着してモデル海水(0.5mol/Lの食塩水)の濃縮試験を実施した。その結果、濃縮海水の濃度は市販膜の場合を上回り最大で4.3mol/Lに達した。重イオンビームグラフトCEM・AEMの海水濃縮への優れた適用性が明らかとなった。

口頭

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

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

no journal, , 

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。

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