【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.08】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT0020
利用課題名 / Title
機能性膜および活性炭の表面解析
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
分離・精製技術/ Separation/purification technology,X線回折/ X-ray diffraction,資源循環技術/ Resource circulation technology,電子顕微鏡/ Electronic microscope,電子分光/ Electron spectroscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
角田 貴之
所属名 / Affiliation
中央大学理工学部
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
加藤 ななみ,河崎 颯斗,大石 ももか,Kim Hyerin,勝屋 涼介,丁 青,辰己 美紀,奥田 啓司,森 景子,小寺 歩惟,白鳥 瑞雪,尾崎 友紀,満田 邦晃,谷口 遼弥,野澤 華加,蒋 韜,櫻井 夢栞
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
福川 昌宏,近藤 尭之,沖津 康平
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-101：低損傷走査型分析電子顕微鏡
UT-102：高分解能走査型分析電子顕微鏡
UT-308：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
近年、膜分離技術はその高い分離効率と省スペース性から、水処理用途にとどまらず、バイオ医薬製造やリチウムイオンバッテリーのセパレーターなど、様々な用途への展開が進んでいる。しかしながら、現状では膜の選択肢は市販製品に限られるため、特に市場が未成熟な研究・開発段階においては、要求性能を満たす膜の入手が困難であるという課題がある。このような背景から、必要なときに、必要な場所で、誰でも要求される分離性能を有する膜を簡便に作製できる技術の確立が強く望まれている。本研究では、従来の製膜方法である熱誘起相分離 （TIPS）法や非溶媒誘起相分離（NIPS）法に代わる新たな分離膜の製造方法として、多種多様な材料を任意形状に成形可能な光硬化法に着目した。膜材料には、柔軟性に富み、透過性と選択性の制御が容易なアクリル変性ウレタン樹脂を用い、光誘起相分離により、孔径 10〜100 nm 程度の限外ろ過（UF） 膜を作製した。 また本研究では、排水処理における膜の薬品洗浄後の膜目詰まり（ファウリング）加速要因についても別途検討した。
実験 / Experimental
ウレタンアクリレートオリゴマーと希釈剤を適切な質量比で混合し、さらにこの混合物と溶剤（DMSO）を混合した後、光重合開始剤を添加し溶解させた。この溶液を0.11 mm厚の不織布上に厚さ250 μmでブレード塗布し、80 mJ/cm2の条件で30秒間UV照射し硬化させた。その後、イソプロピルアルコール（IPA）を用いてDMSOを除去した。作成した膜の表面特性をSEMにより観察した。
排水処理においてファウリングした膜を回収し、膜の薬品洗浄を行った。SEMおよびXPS等により薬品洗浄後の膜の表面特性を詳細に分析することで、ファウリング加速要因を検討した。XPS測定にはVersaProbeIIIを、SEM観察にはJSM-7500FA及びJSM-7800F Primeを用いた。
結果と考察 / Results and Discussion
作製した膜の物理化学的特性評価として接触角測定を行った結果、70.3°を示し、市販の PVDF膜（約80°)と比較してわずかに親水性が高いことが確認された。膜表面のゼータ電位は、pH 7において-8.21
mVであり、市販の PVDF膜と同程度の値を示した。また、作製した膜の等電点は pH5.5 付近であり、これはウレタン構造中のカルボキシル基が膜の荷電特性に影響を及ぼしているためと推察される。SEM観察の結果、直径 0.23 μmの均一な粒子が連結した構造体が、膜断面方向に均一なスポンジ状構造を形成していることが確認された（図1）。この構造を直径 0.23 μmの球体堆積物と仮定し、Kozeny-Carman 式を用いて想定排除孔径を算出したところ、34.5 nm と推定された。さらに 20 nm の銀粒子を用いて阻止性能を評価した結果、除去率は 99.9 %であり、排除孔径は 20 nm 以下であったことが明らかになった。
ファウリング膜を薬品洗浄後、その表面をXPSにより詳細に分析した。薬品洗浄により膜の透水性が回復したにもかかわらず、膜表面にタンパク質のアミンまたはアミド基に由来するN（結合エネルギー399 eV）が残存することが明らかになった（図2）。薬品洗浄後の膜に残存した微量のタンパク質がファウリング物質の付着を促進するコンディショニング層となり、ファウリングを加速させると考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
作製した膜の断面画像
新膜（未使用膜）とファウリング後薬品洗浄膜のXPS分析結果
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究の一部は、公益財団法人 クリタ水・環境科学振興財団 2023年度研究助成ならびに公益財団法人天野工業技術研究所 2024年度研究助成金により実施した。 ここに記して感謝の意を表す。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 小寺 歩惟, 山村 寛 "高速光相分離によるUV硬化ウレタン製高透水UF膜の開発", 第59回日本水環境学会年会（札幌）, 2025年3月17日（ポスター発表）
- 櫻井 夢栞, 角田 貴之, 山村 寛 "MBRにおけるCIP洗浄によるファウリング加速メカニズムの解明", 第59回日本水環境学会年会（札幌）, 2025年3月17日（ポスター発表)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件