科學研究 - 變海水爲安全飲用水，解決全部分球形水問題

日益嚴重的缺水問題，碳奈米材料是關鍵

人類的生存離不開水。隨着人口增加、氣候變遷和經濟隊形變換，人類社會對水的需求持續增加，因此，有效地利用有限的水資源成爲亟需解決的課題。目前，以非洲和亞洲爲中心，有11多億人無法確保全全的飲用水。尤其是農業用水不足，約有9億人因此而無法獲得足夠的糧食。工業廢水和資源生產現場的水污染問題也需要認真對待。

在信州大學COI（Center Of Innovation）基地擔任專案組長的日立製作所技術顧問都築浩一表示：「我們的目標是開發出能將各種水源低成本地變成清潔淡水的技術，構築能讓人們安全和健康生活的水循環社會」。如果能有效去除海水和地下水中的雜質，可使用水量就會增加。目前世界上有很多人因爲飲用不衛生的水而喪生，如果能確保清潔富足的用水，人類的平均壽命據推測還可再延長大約2年。

作爲生產清潔用水的關鍵技術之一，信州大學COI基地正在開發使用碳奈米材料的水處理膜。碳奈米是最前緣的先進碳材料，非常強韌結實，具有優異的導電性、導熱性和化學性質。領導COI基地進行開發的是，信州大學的特別特任教授遠藤守信。遠藤教授是實施碳奈米材料中的管狀碳材料「奈米碳管（CNT）」量產技術的第一人。他說：「我有一種強烈地直覺，碳奈米膜研究能帶來巨大的技術創新」。

參與信州大學COI基地專案的有經營碳奈米材料、水處理膜和海水淡化設備的企業，以及擅長研究電腦化學的研究機構等。COI基地專案透過整合各企業和機構所擁有的世界頂級技術，開發具有創新功能和性能的水處理膜及其應用系統，掀起「水創新」浪潮（圖1）。

圖1：在信州大學的核心設施——信州大學國際科學創新中心内，以影像和展板的方式介紹了COI基地概要和研究成果。圖片前部爲實施未來水創新的立假體型。在沙質沙漠上設置了海水淡化設備、產出水處理設備、鹽水處理設備和水處理再生設備等，沙質沙漠中誕生出高樓商圈、度假區、住宅區及農業地區，構成了永續發展的城市。

難點是雜質堵塞，期待開發耐污薄膜

爲實施豐富的水源，受到關注的是佔地球總水量97％以上的海水。海水淡化技術中，有一種被稱爲「逆滲透膜（RO膜）法」，利用了滲透壓原理的技術。擁有無數中孔的膜只讓水分子透過，從而濾除海水中的鹽分等雜質，實施從海水中分離出淡水（圖2）。

圖2：擁有無數直徑約0.5奈米（1奈米爲10億分之1米）中孔的膜只能透過水分子，無法透過雜質。在這種膜的左右兩側分別放入淡水和海水，爲達到相同濃度，淡水側的水分子會流入至海水側。此時，膜上會產生基於濃度的滲透壓，此時向海水側施加比滲透壓更高的壓力，則海水中的水分子會透過膜行程到淡水側，這種現象被稱作「逆滲透」現象。

能量效率高且操作簡單的RO膜法是目前海水淡化技術的主流。尤其以嚴重缺水的中近東各國爲主，很多地區都有利用RO膜的海水淡化工廠。這個技術有個缺點是，海水中的礦物質和微生物等非鹽雜質如果堆積在膜的表面，會發生堵塞（積垢），從而導致造水性能下降。因此需要定期清洗，但清潔劑中的氯成分會損害過濾膜。

另外，過濾海水需要大量電力加壓，所以發展中國家和地區未必能夠導入。所以人們期待能有一種擁有耐污結實的過濾膜，並且能低成本淡化海水的水處理設備。

實驗和電腦化學齊頭並進，明確材料設計方針

作爲抑制積垢的撒手鐧，備受期待的是CNT。RO膜通常使用名爲聚醯胺（PA）的高分子膜材料製作。混合CNT後，會改變PA的細孔結構和電子狀態，防止鹽分侵入，從而實施讓更多的水分更加容易透過的性能。

不過，以往的研究只能混合0.1％左右的CNT。要使CNT順利分散，並在PA中均勻分布是十分困難的事情。

遠藤教授介紹說：「只混合極少量的CNT，無法充分發揮出CNT的優異特性」。「我們預想，增加CNT混合量，應該能製作比以往的膜更結實耐污，可以透過更多水的薄膜」。最終透過融合高度分離CNT纖維的技術和傳統的成膜技術，實施了獨特的奈米複合薄膜成膜技術，並於2015年成功開發出了在PA中均勻分散以往百倍以上CNT的「碳奈米復合RO膜」，而且取得了專利。正如遠藤教授預想的那樣，這種過濾膜不但實施了高耐積垢性和透水性，而且還具備耐氯性和耐清洗特性（圖3）。由於產品壽命得到延長，維護費用也相應減量。信州大學COI基地自2013年成立以來，針對這類具備優異性能的複合薄膜已經發表了多篇論文。

圖3：透過對碳奈米復合RO膜、在實驗室製備的PA膜和市售膜分別進行耐積垢性測試，評測了污物的附着情況。綠色染色部分表示積垢。碳奈米復合RO膜的積垢明顯少於其他兩種膜，顯示出了其優異的耐積垢性。

遠藤教授認爲，要想實施更高性能的薄膜，除了查明混合CNT實施耐積垢性和耐氯性的原理外，還需要了解水分子和離子是如何在原子水平上與膜相輔作用的。因此，爲明確水分子在複合薄膜中的精確行為，利用超級計算機進行了類比（圖4）。

圖4：碳奈米復合RO膜中的水分子行程現象。混合CNT後，PA分子會沿着CNT進行排列（黃色箭頭），而水分子會沿着CNT行程（綠色箭頭），因此透水性得以提高。另外，電子會從PA向CNT行程，使其帶電，因此能防止雜質進入膜内部，提高除鹽率。

電腦模擬發現，水分子在膜表面形成了被稱爲界面水的奈米級別的薄覆蓋層，以覆蓋層形式來防止各種雜質附着。另外，透過電腦模擬還應答了CNT周圍的PA分子排列情況，發現等比縮小膜的孔徑能防止雜質進入等，類比與實驗結果高度一致。

遠藤教授介紹說：「這次首次引進了電腦化學，可以對碳奈米膜實施以前難以實施的複雜解析並解明各種現象，還能快速確定材料設計方針。目前正以膜設計方針爲目標，同時推進實驗和電腦化學兩方面的研究」。今後的目標是實施更加精細的材料設計，提高膜的性能，以便在多種水質中穩定發揮性能，實施用途廣泛的新一代革新性水處理膜。

瞄準實用化，開始定點試驗

都築專案帶頭人自信地表示：「碳奈米復合RO膜的強度非常高，有足夠的能力進入市場」。目前正面向實用化，利用COI基地内的生產設備，進行與產品相近的試製（圖5）。

圖5：碳奈米復合RO膜的生產線。設置在信州大學國際科學創新中心内部。

2019年4月，信州大學COI基地開始在福岡縣北九州市的「Water Plaza北九州」，利用碳奈米復合RO膜海水淡化系統開始實施定點試驗（圖6）。目標是將複合薄膜製成模組嵌入測試設備，發現和解決系統上的問題。都築充滿幹勁地表示：「海水的狀態會隨着季節而大幅變化，因此計劃用1年時間實施定點試驗。透過使用實際的海水，評估複合薄膜的性能，應答實用化時存在的問題」。

圖6：海水淡化試驗工廠。在長約12米的集裝箱内設置了配備碳奈米復合RO膜模組的海水淡化裝置、用來評測膜耐久性等的化學單元及水槽等設備。首先除污，然後向海水施加高壓力，使其透過膜模組，去除鹽分。最右側爲配備碳奈米復合RO膜的模組。截面看起來發黑的層是碳奈米材料。

遠藤教授也對該定點試驗充滿期待，認爲具有重要意義。他表示：「不能以那種只要能實用就可以的不盡責態度與企業‘合作’推動技術創新。要以企業的目光嚴格審視性能和成本等，推出讓企業也認爲是有價值的東西」。據估算，透過使用該複合薄膜，與以往的造水系統相比，淡化海水的成本有望削減37％，再生水的成本有望削減25％。

爲當地做貢獻也是大學的使命之一。都築專案帶頭人表示：「將在COI基地内設置相關平台，讓當地企業也廣泛參與，來努力發掘新的市場需求」。據說該基地最近已經開始研究在食品工業的濃縮工藝中導入碳奈米復合RO膜。

活用各種水源，打造源自日本的產業

今後，不僅是海水，爲了對開採石油和天然氣等資源而產生的含有油分和有機物質的產出水、湖泊和地下含有鹽分的鹽水、生活和工廠廢水以及下水等都能進行處理，還計劃推進開發使用碳奈米復合RO膜和奈米材料的水處理系統。

比如，利用熔鹽法從地下水中去除重金屬等有害物質的奈米材料吸附劑。信州大學COI基地2018年開始在坦桑尼亞實施水質調查（圖7）。都築專案帶頭人表示：「在坦桑尼亞，受地層的影響，部分地區的地下水中含氟，飲用這種水的居民健康受到了危害」。氟會與鈣結合，影響骨骼的成長。印度和孟加拉等很多國家和地區也存在同樣的問題。都築專案帶頭人說：「已開始與坦桑尼亞的大學等合作，推進利用信州大學COI基地的技術去除地下水中的氟，以生成安全飲用水。另外，還在共同推進以當地年輕人爲物件的專案，培養能確保全全用水的科學家和技術人員」。

圖7：在坦桑尼亞實施了對地下水和井水的水質調查，以及讓當地的學生進行了淨水實驗。

遠藤教授熱情地描述了今後的夢想：「現在計劃儘快推進這種水處理系統的實用化，並將其打造成源自日本的新產業」。長野縣擁有8個一級水系的源頭，以衆多著名水源而聞名。遠藤教授介紹說：「正因爲我們在水資源如此豐富的地區生活，更加了解水的甜美，所以想讓全世界的人都喝上乾淨安全的水」。這種強烈的願望正是研究開發的原動力。