科学研究 - 变海水为安全饮用水，解决全球缺水问题

日益严重的缺水问题，碳纳米材料是关键

人类的生存离不开水。随着人口增加、气候变化和经济发展，人类社会对水的需求持续增加，因此，有效地利用有限的水资源成为亟需解决的课题。目前，以非洲和亚洲为中心，有11多亿人无法确保安全的饮用水。尤其是农业用水不足，约有9亿人因此而无法获得足够的粮食。工业废水和资源生产现场的水污染问题也需要认真对待。

在信州大学COI（Center Of Innovation）基地担任项目组长的日立制作所技术顾问都筑浩一表示：“我们的目标是开发出能将各种水源低成本地变成清洁淡水的技术，构筑能让人们安全和健康生活的水循环社会”。如果能有效去除海水和地下水中的杂质，可使用水量就会增加。目前世界上有很多人因为饮用不卫生的水而丧生，如果能确保清洁富足的用水，人类的平均寿命据推测还可再延长大约2年。

作为生产清洁用水的关键技术之一，信州大学COI基地正在开发使用碳纳米材料的水处理膜。碳纳米是最前沿的先进碳材料，非常强韧结实，具有优异的导电性、导热性和化学性质。领导COI基地进行开发的是，信州大学的特别特任教授远藤守信。远藤教授是实现碳纳米材料中的管状碳材料“碳纳米管（CNT）”量产技术的第一人。他说：“我有一种强烈地直觉，碳纳米膜研究能带来巨大的技术创新”。

参与信州大学COI基地项目的有经营碳纳米材料、水处理膜和海水淡化设备的企业，以及擅长研究计算机化学的研究机构等。COI基地项目通过整合各企业和机构所拥有的世界顶级技术，开发具有创新功能和性能的水处理膜及其应用系统，掀起“水创新”浪潮（图1）。

图1：在信州大学的核心设施——信州大学国际科学创新中心内，以影像和展板的方式介绍了COI基地概要和研究成果。图片前部为实现未来水创新的立体模型。在沙漠上设置了海水淡化设备、产出水处理设备、盐水处理设备和水处理再生设备等，沙漠中诞生出高楼商业区、度假区、住宅区及农业地区，构成了可持续发展的城市。

难点是杂质堵塞，期待开发耐污薄膜

为实现丰富的水源，受到关注的是占地球总水量97％以上的海水。海水淡化技术中，有一种被称为“反渗透膜（RO膜）法”，利用了渗透压原理的技术。拥有无数细孔的膜只让水分子通过，从而滤除海水中的盐分等杂质，实现从海水中分离出淡水（图2）。

图2：拥有无数直径约0.5纳米（1纳米为10亿分之1米）细孔的膜只能通过水分子，无法通过杂质。在这种膜的左右两侧分别放入淡水和海水，为达到相同浓度，淡水侧的水分子会流入至海水侧。此时，膜上会产生基于浓度的渗透压，此时向海水侧施加比渗透压更高的压力，则海水中的水分子会透过膜移动到淡水侧，这种现象被称作“反渗透”现象。

能源效率高且操作简单的RO膜法是目前海水淡化技术的主流。尤其以严重缺水的中近东各国为主，很多地区都有利用RO膜的海水淡化工厂。这个技术有个缺点是，海水中的矿物质和微生物等非盐杂质如果堆积在膜的表面，会发生堵塞（结垢），从而导致造水性能下降。因此需要定期清洗，但清洗剂中的氯成分会损害过滤膜。

另外，过滤海水需要大量电力加压，所以发展中国家和地区未必能够导入。所以人们期待能有一种拥有耐污结实的过滤膜，并且能低成本淡化海水的水处理设备。

实验和计算机化学齐头并进，明确材料设计方针

作为抑制结垢的撒手锏，备受期待的是CNT。RO膜通常使用名为聚酰胺（PA）的高分子膜材料制作。混合CNT后，会改变PA的细孔结构和电子状态，防止盐分侵入，从而实现让更多的水分更加容易通过的性能。

不过，以往的研究只能混合0.1％左右的CNT。要使CNT顺利分散，并在PA中均匀分布是十分困难的事情。

远藤教授介绍说：“只混合极少量的CNT，无法充分发挥出CNT的优异特性”。 “我们预想，增加CNT混合量，应该能制作比以往的膜更结实耐污，可以通过更多水的薄膜”。最终通过融合高度分离CNT纤维的技术和传统的成膜技术，实现了独特的纳米复合膜成膜技术，并于2015年成功开发出了在PA中均匀分散以往百倍以上CNT的“碳纳米复合RO膜”，而且取得了专利。正如远藤教授预想的那样，这种过滤膜不但实现了高耐结垢性和透水性，而且还具备耐氯性和耐清洗特性（图3）。由于产品寿命得到延长，维护费用也相应减少。信州大学COI基地自2013年成立以来，针对这类具备优异性能的复合膜已经发表了多篇论文。

图3：通过对碳纳米复合RO膜、在实验室制备的PA膜和市售膜分别进行耐结垢性测试，评测了污物的附着情况。绿色染色部分表示结垢。碳纳米复合RO膜的结垢明显少于其他两种膜，显示出了其优异的耐结垢性。

远藤教授认为，要想实现更高性能的薄膜，除了查明混合CNT实现耐结垢性和耐氯性的原理外，还需要了解水分子和离子是如何在原子水平上与膜相互作用的。因此，为明确水分子在复合膜中的精确行为，利用超级计算机进行了模拟（图4）。

图4：碳纳米复合RO膜中的水分子移动现象。混合CNT后，PA分子会沿着CNT进行排列（黄色箭头），而水分子会沿着CNT移动（绿色箭头），因此透水性得以提高。另外，电子会从PA向CNT移动，使其带电，因此能防止杂质进入膜内部，提高除盐率。

计算机模拟发现，水分子在膜表面形成了被称为界面水的纳米级别的薄覆盖层，以覆盖层形式来防止各种杂质附着。另外，通过计算机模拟还确认了CNT周围的PA分子排列情况，发现缩小膜的孔径能防止杂质进入等，模拟与实验结果高度一致。

远藤教授介绍说：“这次首次引进了计算机化学，可以对碳纳米膜实施以前难以实现的复杂解析并解明各种现象，还能快速确定材料设计方针。目前正以膜设计方针为目标，同时推进实验和计算机化学两方面的研究”。今后的目标是实现更加精细的材料设计，提高膜的性能，以便在多种水质中稳定发挥性能，实现用途广泛的新一代革新性水处理膜。

瞄准实用化，开始定点试验

都筑项目带头人自信地表示：“碳纳米复合RO膜的强度非常高，有足够的能力进入市场”。目前正面向实用化，利用COI基地内的生产设备，进行与产品相近的试制（图5）。

图5：碳纳米复合RO膜的生产线。设置在信州大学国际科学创新中心内部。

2019年4月，信州大学COI基地开始在福冈县北九州市的“Water Plaza北九州”，利用碳纳米复合RO膜海水淡化系统开始实施定点试验（图6）。目标是将复合膜制成模块嵌入测试设备，发现和解决系统上的问题。都筑充满干劲地表示：“海水的状态会随着季节而大幅变化，因此计划用1年时间实施定点试验。通过使用实际的海水，评估复合膜的性能，确认实用化时存在的问题”。

图6：海水淡化试验工厂。在长约12米的集装箱内设置了配备碳纳米复合RO膜模块的海水淡化装置、用来评测膜耐久性等的化学单元及水槽等设备。首先除污，然后向海水施加高压力，使其通过膜模块，去除盐分。最右侧为配备碳纳米复合RO膜的模块。截面看起来发黑的层是碳纳米材料。

远藤教授也对该定点试验充满期待，认为具有重要意义。他表示：“不能以那种只要能实用就可以的不尽责态度与企业‘合作’推动技术创新。要以企业的目光严格审视性能和成本等，推出让企业也认为是有价值的东西”。据估算，通过使用该复合膜，与以往的造水系统相比，淡化海水的成本有望削减37％，再生水的成本有望削减25％。

为当地做贡献也是大学的使命之一。都筑项目带头人表示：“将在COI基地内设置相关平台，让当地企业也广泛参与，来努力发掘新的市场需求”。据说该基地最近已经开始研究在食品工业的浓缩工艺中导入碳纳米复合RO膜。

活用各种水源，打造源自日本的产业

今后，不仅是海水，为了对开采石油和天然气等资源而产生的含有油分和有机物的产出水、湖泊和地下含有盐分的盐水、生活和工厂废水以及下水等都能进行处理，还计划推进开发使用碳纳米复合RO膜和纳米材料的水处理系统。

比如，利用熔盐法从地下水中去除重金属等有害物质的纳米材料吸附剂。信州大学COI基地2018年开始在坦桑尼亚实施水质调查（图7）。都筑项目带头人表示：“在坦桑尼亚，受地层的影响，部分地区的地下水中含氟，饮用这种水的居民健康受到了危害”。氟会与钙结合，影响骨骼的生长。印度和孟加拉等很多国家和地区也存在同样的问题。都筑项目带头人说：“已开始与坦桑尼亚的大学等合作，推进利用信州大学COI基地的技术去除地下水中的氟，以生成安全饮用水。另外，还在共同推进以当地年轻人为对象的项目，培养能确保安全用水的科学家和技术人员”。

图7：在坦桑尼亚实施了对地下水和井水的水质调查，以及让当地的学生进行了净水实验。

远藤教授热情地描述了今后的梦想：“现在计划尽快推进这种水处理系统的实用化，并将其打造成源自日本的新产业”。长野县拥有8个一级水系的源头，以众多著名水源而闻名。远藤教授介绍说：“正因为我们在水资源如此丰富的地区生活，更加了解水的甜美，所以想让全世界的人都喝上干净安全的水”。这种强烈的愿望正是研究开发的原动力。