(57)【要約】【課題】低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる誘導溶液用粒子を提供する。【解決手段】  本開示の誘導溶液用粒子（１０ａ）は、コア粒子（１２）と、両親媒性分子構造（１３）と、を備えている。両親媒性分子構造（１３）は、主鎖（１４）と、複数の側鎖（１５）とを有し、コア粒子（１２）の表面に結合している。主鎖（１４）は、直鎖構造を有する。複数の側鎖（１５）は、主鎖（１４）に沿って配置されており、複数の側鎖（１５）のそれぞれは主鎖（１４）から枝分かれしている。両親媒性分子構造（１３）は、側鎖（１５）の末端にイオン性官能基を有し、主鎖（１４）に沿って複数のイオン性官能基が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア粒子と、
直鎖構造を有する主鎖と、前記主鎖に沿って配置され、それぞれ前記主鎖から枝分かれしている複数の側鎖とを有する、前記コア粒子の表面に結合している両親媒性分子構造と、を備え、
前記両親媒性分子構造は、前記側鎖の末端にイオン性官能基を有し、前記主鎖に沿って複数の前記イオン性官能基が配置されている、
誘導溶液用粒子。
【請求項２】
前記複数の側鎖のそれぞれは、前記主鎖と前記イオン性官能基との間に疎水基を有する、請求項１に記載の誘導溶液用粒子。
【請求項３】
前記疎水基は、ベンゼン環を有する、請求項２に記載の誘導溶液用粒子。
【請求項４】
前記両親媒性分子構造は、１つの前記側鎖を有する構成単位の重合体であって、１５以上の重合度を有する重合体を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導溶液用粒子。
【請求項５】
前記コア粒子は、貴金属元素、遷移金属元素、金属酸化物、及び二酸化ケイ素のいずれかでできた、自己組織化単分子膜を形成可能な表面を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導溶液用粒子。
【請求項６】
前記両親媒性分子構造は、硫黄原子又は酸素原子を介して前記コア粒子の表面の原子と結合している、請求項１〜５に記載の誘導溶液用粒子。
【請求項７】
分散媒と、
前記分散媒において０．１体積％〜１体積％の濃度で分散している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導溶液用粒子と、を備えた、
誘導溶液。
【請求項８】
不純物を含む水溶液から誘導溶液の希釈液を得る方法であって、
前記水溶液を半透膜の一方の主面に接触させるとともに、前記水溶液が有する浸透圧よりも高い浸透圧を発現する濃度で請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導溶液用粒子が分散している前記誘導溶液を前記半透膜の他方の主面に接触させ、
前記水溶液に含まれる水分子を、前記半透膜を通過させて前記誘導溶液に移動させることにより、前記誘導溶液の希釈液を得る、
方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法によって得られた前記希釈液を限外濾過法によって濾過して前記希釈液から純水を回収する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、誘導溶液用粒子、誘導溶液、不純物を含む水溶液から誘導溶液の希釈液を得る方法、及び純水を回収する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、正浸透（Forward Osmosis）という自発的な浸透現象を利用した低エネルギーの膜濾過技術が注目されている。正浸透法を利用することにより、海水淡水化及び廃水処理などの水処理を行うことができる。正浸透法に利用される誘導溶液に含まれる材料について様々な提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、海水淡水化などの水処理に使用可能な超常磁性ナノ粒子が記載されている。この超常磁性ナノ粒子は、２０ｎｍ以下の超常磁性ナノ結晶と、超常磁性ナノ結晶の表面に結合された、３つ〜５つのカルボキシル基を有する分子とを含んでいる。３つ〜５つのカルボキシル基を有する分子は、例えば、クエン酸ナトリウム、エチレンジアミンテトラアセテート（EDTA）、及びジエチレントリアミンペンタアセテート（DTPA）から選択される１種以上の分子である。この超常磁性ナノ粒子は、優れた水中分散性及び超常磁性を有し、浸透誘導性能及びリサイクル性能に優れ、水処理に使用できる。
【０００４】
また、非特許文献１には、Ｎａ+イオンで機能化されたカーボン量子ドット（Na_CQDs）に基づくＦＯ用誘導溶質が記載されている。まず、クエン酸の粉体が空気中で加熱され、カルボキシル基で表面が保護されたカーボン量子ドット（CQDs）が得られる。カーボン量子ドットは水中に分散され、その後ＮａＯＨを用いてｐＨが７．０に調整される。その結果、カーボン量子ドットにおけるカルボキシル基が中和されて、Ｎａ+イオンで機能化されたカーボン量子ドット（Na_CQDs）が得られる。Na_CQDsにはイオン種が豊富に存在するので、Na_CQDsの水性分散液（０．５ｇ／ｍＬ）は、海水の浸透圧よりも高い５３．６ａｔｍの浸透圧を有する。Na_CQDsは、３．５ｎｍの平均サイズを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−３３９４３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Chemical Communications, (英), 2014, 50, 7318-7321
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び非特許文献１に記載の技術に鑑みると、より低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる技術を検討する余地がある。そこで、本開示は、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる誘導溶液用粒子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
コア粒子と、
直鎖構造を有する主鎖と、前記主鎖に沿って配置され、それぞれ前記主鎖から枝分かれしている複数の側鎖とを有する、前記コア粒子の表面に結合している両親媒性分子構造と、を備え、
前記両親媒性分子構造は、前記側鎖の末端にイオン性官能基を有し、前記主鎖に沿って複数の前記イオン性官能基が配置されている、
誘導溶液用粒子を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
上記の誘導溶液用粒子は、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の誘導溶液用粒子の構造の一例を概念的に示す図である。
【図２】図２は、本開示の誘導溶液用粒子の構造の別の一例を概念的に示す図である。
【図３】図３は、本開示の誘導溶液の希釈液を得る方法及び純水を回収する方法に用いられる水処理装置の一例を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜本発明者らの検討に基づく知見＞
正浸透法による海水淡水化はイニシャルプロセスとポストプロセスとを含む。イニシャルプロセスでは、水分子だけが通過できる半透膜によって被処理水である海水と誘導溶液とを隔てることによって、被処理水から誘導溶液へ水分子を移動させ、誘導溶液が希釈される。ポストプロセスでは、誘導溶液の希釈液から純水が回収される。このため、海水淡水化に使用される誘導溶液には、海水よりも高いイオン濃度（浸透圧）を有し、かつ、ポストプロセスにおいて純水を分離可能であるという性能が求められる。従来の正浸透法における誘導溶液としては、例えば、重炭酸アンモニウム水溶液が用いられている。重炭酸アンモニウムは、水に対する高い溶解度を有するとともに６０℃以上の蒸留操作により水と分離可能であるので、重炭酸アンモニウム水溶液は誘導溶液として有利な性能を有する。しかし、重炭酸アンモニウム水溶液を誘導溶液として用いてイニシャルプロセス及びポストプロセスを行うと、純水の分離のために蒸留操作を行うので、全体で２１ｋＷｈ／ｍ3ものエネルギーが必要になる。このエネルギー量は、逆浸透法による水処理に要するエネルギー量の４倍にもなる。このため、海水淡水化において逆浸透法に代えて正浸透法を利用する場合に、イニシャルプロセスにおいて正浸透法の利用により発揮される省エネルギー性能が無意味なものにしてしまう。
【００１２】
正浸透法による海水淡水化の総エネルギー量を逆浸透法による海水淡水化に必要なエネルギー量よりも少なくするためには、水に良好に分散し、ポストプロセスで容易に固液分離できる材料を開発する必要がある。例えば、約１〜１００ｎｍのサイズを有する粒子は、誘導溶液の調製に用いられる高分子又は低分子である誘導溶質に比べて、大きなサイズを有しやすいので、海水淡水化のポストプロセスで分離しやすい。このような粒子の表面にイオンを付与する技術として、例えば、特許文献１及び非特許文献１に記載の技術が知られている。
【００１３】
特許文献１に記載の超常磁性ナノ粒子の３つ〜５つのカルボキシル基を有する分子は、超常磁性ナノ結晶の表面において単一層で存在していると考えられる。換言すると、超常磁性ナノ粒子の表面にカルボキシル基を有する分子が平面的に存在していると考えられる。カルボキシル基は親水性を有するので、超常磁性ナノ結晶の表面に結合した分子が有するカルボキシル基は水分子と相互作用し、超常磁性ナノ粒子を水に分散させた分散液はある程度の浸透圧を有する。しかし、本発明者らは、特許文献１に記載の超常磁性ナノ粒子の分散液が高い浸透圧（例えば、海水の浸透圧より高い浸透圧）を有するためには、特定の濃度以上で超常磁性ナノ粒子を水等の分散媒に分散させる必要があることを見出した。そこで、本発明者らは、より低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる誘導溶液用粒子について日夜検討を重ねた。検討の結果、本発明者らは所定の分子構造を有する両親媒性分子構造をコア粒子の表面に結合させて、複数のイオン性官能基を立体的に配置させることにより、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる誘導溶液用粒子を案出した。なお、上記の知見は、本発明者らの検討に基づく知見であり、先行技術として自認するものではない。
【００１４】
本開示の第１態様は、
コア粒子と、
直鎖構造を有する主鎖と、前記主鎖に沿って配置され、それぞれ前記主鎖から枝分かれしている複数の側鎖とを有する、前記コア粒子の表面に結合している両親媒性分子構造と、を備え、
前記両親媒性分子構造は、前記側鎖の末端にイオン性官能基を有し、前記主鎖に沿って複数の前記イオン性官能基が配置されている、
誘導溶液用粒子を提供する。
【００１５】
第１態様によれば、両親媒性分子構造が、直鎖構造を有する主鎖から枝分かれしている複数の側鎖のそれぞれの末端にイオン性官能基を有する。これにより、主鎖に沿って複数のイオン性官能基が配置されている。このため、複数のイオン性官能基がコア粒子の表面に対して立体的に配置されている。その結果、第１態様に係る誘導溶液用粒子は、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。
【００１６】
なお、特許文献１に記載の超常磁性ナノ粒子の表面全体は、カルボキシル基を有する分子により親水性を有していると考えられる。この場合、超常磁性ナノ粒子の表面が水分子と相互作用しやすいだけでなく、超常磁性ナノ粒子同士の相互作用も生じやすい。このため、特許文献１に記載の超常磁性ナノ粒子の分散液では、束縛水を含む超常磁性ナノ粒子の凝集体が形成されやすい。束縛水とは粒子の表面に束縛された状態にある水を意味する。このため、例えば、特許文献１に記載の超常磁性ナノ粒子を正浸透法による海水淡水化に用いると、固液分離プロセスであるポストプロセスにおいて純水の分離効率が低い。これに対し、第１態様によれば、誘導溶液用粒子の濃度が低くても誘導溶液が高い浸透圧を有し、誘導溶液において誘導溶液用粒子同士の平均距離が大きい。このため、誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくく凝集しにくい。加えて、第１態様によれば、コア粒子の表面に両親媒性分子構造が結合しているので、コア粒子の表面より外側には両親媒性分子構造の疎水性を有する部分が存在する。このため、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子の凝集体が形成されにくい。その結果、第１態様に係る誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液の希釈液から水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００１７】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記複数の側鎖のそれぞれは、前記主鎖と前記イオン性官能基との間に疎水基を有する、誘導溶液用粒子を提供する。第２態様によれば、それぞれの側鎖が主鎖とイオン性官能基との間に疎水基を有することにより、より確実に、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子の凝集体が形成されにくい。その結果、第２態様に係る誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液の希釈液から、より確実に水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００１８】
本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記疎水基は、ベンゼン環を有する、誘導溶液用粒子を提供する。第３態様によれば、より確実に、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子の凝集体が形成されにくい。その結果、第３態様に係る誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液の希釈液から、より確実に水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００１９】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記両親媒性分子構造は、１つの前記側鎖を有する構成単位の重合体であって、１５以上の重合度を有する重合体を含む、誘導溶液用粒子を提供する。第４態様によれば、重合体には、１５個以上の側鎖が主鎖に沿って配置され、かつ、それぞれの側鎖の末端にはイオン性官能基が配置されているので、１５個以上のイオン性官能基が主鎖に沿って配置されている。このため、第４態様に係る誘導溶液用粒子は、多くの水分子と相互作用でき、より確実に低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。
【００２０】
本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記コア粒子は、貴金属元素、遷移金属元素、金属酸化物、及び二酸化ケイ素のいずれかでできた、自己組織化単分子膜を形成可能な表面を有する、誘導溶液用粒子を提供する。第５態様によれば、両親媒性分子構造のコア粒子の表面への結合に自己組織化単分子膜の形成を利用でき、比較的容易に、両親媒性分子構造をコア粒子の表面に結合させることができる。
【００２１】
本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１項の態様に加えて、前記両親媒性分子構造は、硫黄原子又は酸素原子を介して前記コア粒子の表面の原子と結合している、誘導溶液用粒子を提供する。第６態様によれば、両親媒性分子構造が硫黄原子又は酸素原子を介して前記コア粒子の表面の原子と結合しているので、両親媒性分子構造とコア粒子の表面との結合力が比較的強い。このため、両親媒性分子構造がコア粒子の表面に安定的に結合しやすい。
【００２２】
本開示の第７態様は、
分散媒と、
前記分散媒において０．１体積％〜１体積％の濃度で分散している、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様の誘導溶液用粒子と、を備えた、
誘導溶液を提供する。
【００２３】
第７態様によれば、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様の誘導溶液用粒子が分散媒に分散しているので、誘導溶液における誘導溶液用粒子の濃度が０．１体積％〜１体積％という低濃度であっても、誘導溶液が高い浸透圧を有しやすい。
【００２４】
本開示の第８態様は、
不純物を含む水溶液から誘導溶液の希釈液を得る方法であって、
前記水溶液を半透膜の一方の主面に接触させるとともに、前記水溶液が有する浸透圧よりも高い浸透圧を発現する濃度で第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に記載の誘導溶液用粒子が分散している前記誘導溶液を前記半透膜の他方の主面に接触させ、
前記水溶液に含まれる水分子を、前記半透膜を通過させて前記誘導溶液に移動させることにより、前記誘導溶液の希釈液を得る、
方法を提供する。
【００２５】
第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に記載の誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液は、誘導溶液中の誘導溶液用粒子の濃度が低濃度であっても高い浸透圧を有しやすい。このため、第８態様によれば、誘導溶液用粒子の使用量が少量であっても、多くの水分子を、不純物を含む水溶液から半透膜を通過させて誘導溶液に移動させることができる。
【００２６】
本開示の第９態様は、第８態様の方法によって得られた前記希釈液を限外濾過法によって濾過して前記希釈液から純水を回収する方法を提供する。第９態様によれば、コア粒子の表面より外側に存在する、両親媒性分子構造の疎水性を有する部分により、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくいので、束縛水を含む誘導溶液用粒子の凝集体が形成されにくい。このため、希釈液から限外濾過法によって誘導溶液用粒子を濾過するときに、希釈液から純水を高い分離効率で分離でき、純水を高効率で回収できる。
【００２７】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるわけではない。
【００２８】
図１に示す通り、本開示の誘導溶液用粒子１０ａは、コア粒子１２と、両親媒性分子構造１３とを備えている。両親媒性分子構造１３は、主鎖１４と、複数の側鎖１５とを有する。主鎖１４は直鎖構造を有する。複数の側鎖のそれぞれは、主鎖に沿って配置され主鎖１４から枝分かれしている。両親媒性分子構造１３は、コア粒子１２の表面に結合している。両親媒性分子構造１３は、側鎖１５の末端（主鎖と反対側の端）にイオン性官能基を有する。このため、主鎖に沿って複数のイオン性官能基が配置されている。
【００２９】
誘導溶液用粒子の特性として水分子と相互作用しやすい特性が求められ、典型的には、誘導溶液用粒子の特定の部分が水和により水分子を引き寄せる性質を有する必要がある。この場合、水和とは、誘導溶液用粒子の特定の部分との相互作用により水分子が安定的に存在している状態を意味する。誘導溶液用粒子が誘導溶液においてこのような水和現象を発生させることが浸透現象における誘導溶液用粒子の重要な役割である。浸透現象は、水分子が被処理水中と比べて誘導溶液中においてより安定的に存在しやすいことにより生じるからである。このため、誘導溶液用粒子の表面付近において水和に関与する水分子の数が多いほど被処理水から誘導溶液中に水分子を誘導できる。しかし、誘導溶液用粒子の表面と水との親和性が高いと、例えば、海水淡水化のポストプロセスにおいて誘導溶液の希釈液からの純水を分離する効率を高めにくい。
【００３０】
本開示の誘導溶液用粒子１０ａによれば、主鎖１４に沿って複数のイオン性官能基が配置されている。このため、複数のイオン性官能基がコア粒子１２の表面に対して立体的に配置されている。イオン性官能基は、親水性を有し、水分子と相互作用してイオン性官能基の近傍に水分子を引き寄せやすい。誘導溶液用粒子１０ａは、主鎖１４に沿ってコア粒子１２の表面に対して立体的に配置された複数の親水性のイオン性官能基を有するので、１つの誘導溶液用粒子１０ａによって引き寄せることができる水分子の数が多い。その結果、誘導溶液用粒子１０ａは、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。また、誘導溶液における誘導溶液用粒子１０ａの濃度が低くても誘導溶液が高い浸透圧を有するので、誘導溶液において誘導溶液用粒子１０ａ同士の平均距離が大きくなりやすい。このため、誘導溶液中で誘導溶液用粒子１０ａ同士が相互作用しにくく凝集しにくい。加えて、両親媒性分子構造１３は、部分的に疎水性を有する。主鎖１４は、例えば、直鎖のアルキル鎖又はフルオロアルキル鎖であり、疎水性を有する。このように、コア粒子１２の表面より外側には両親媒性分子構造１３の疎水性を有する部分が存在する。このため、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士１０ａが相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子１０ａの凝集体が形成されにくい。その結果、誘導溶液用粒子１０ａが分散している誘導溶液の希釈液から水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００３１】
側鎖１５の末端のイオン性官能基は、アニオン性官能基（水中で負電荷を生じる官能基）であってもよいし、カチオン性官能基（水中で正電荷を生じる官能基）であってもよい。側鎖１５の末端のイオン性官能基がアニオン性官能基である場合、例えば、誘導溶液用粒子１０ａにおいてイオン性官能基はＮａ+イオンなどのカチオンを含む塩を形成した状態で存在している。この場合、カチオンは、例えば、アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンである。側鎖１５の末端のイオン性官能基がカチオン性官能基である場合、例えば、誘導溶液用粒子１０ａにおいてイオン性官能基はＣｌ-イオンなどのアニオンを含む塩を形成した状態で存在している。この場合、アニオンは、例えば、ハロゲン化物イオンである。例えば、イオン性官能基は、（−ＳＯ3Ｘ）、（−ＣＯＯＸ）、又は（−ＮＨ4Ｙ）である。ここで、Ｘは１価のカチオンを示し、Ｙは１価のアニオンを示す。
【００３２】
複数の側鎖１５のそれぞれは、例えば、主鎖１４と各側鎖１５の末端のイオン性官能基との間に疎水基を有する。これにより、側鎖１５の末端のイオン性官能基の近くに疎水基が存在するので、より確実に、誘導溶液中で誘導溶液用粒子１０ａ同士が相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子１０ａの凝集体が形成されにくい。その結果、誘導溶液用粒子１０ａが分散している誘導溶液の希釈液から水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００３３】
望ましくは、側鎖１５の末端のイオン性官能基と主鎖１４との間に位置する疎水基は、ベンゼン環を有する。これにより、両親媒性分子構造１３は、側鎖１５の末端のイオン性官能基の近くで望ましい疎水性を発揮し、より確実に、誘導溶液中で誘導溶液用粒子１０ａ同士が相互作用しにくく、束縛水を含む誘導溶液用粒子１０ａの凝集体が形成されにくい。その結果、誘導溶液用粒子１０ａが分散している誘導溶液の希釈液から水等の分散媒を高い分離効率で分離できる。
【００３４】
側鎖１５の末端のイオン性官能基と主鎖１４との間に位置する疎水基がベンゼン環を有する場合、イオン性官能基は、そのベンゼン環のメタ位又はパラ位の末端に存在している。
【００３５】
両親媒性分子構造１３は、例えば、１つの側鎖１５を有する構成単位の重合体１７を有する。重合体１７は、望ましくは、１５以上の重合度（図１において、ｍは望ましくは１５以上の整数）を有する。例えば、主鎖１４及び複数の側鎖１５は、重合体１７に含まれている。重合体１７には、１５個以上の側鎖１５が主鎖１４に沿って配置され、かつ、それぞれの側鎖１５の末端にはイオン性官能基が配置されているので、１５個以上のイオン性官能基が主鎖１４に沿って配置されている。このため、誘導溶液用粒子１０ａは、多くの水分子と相互作用でき、より確実に低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。
【００３６】
重合体１７の重合度は、例えば１０以上であり、さらには１５以上でありうる。これにより、より確実に低濃度（例えば、１体積％以下）で誘導溶液に高い浸透圧を付与しやすく、ポストプロセスにおいて誘導溶液の希釈液から純水を分離しやすい。重合体１７の重合度の上限は特に制限されないが、実用性の観点から、例えば３０以下である。この場合、誘導溶液用粒子１０ａが分散している誘導溶液の希釈液の粘度が低くなりやすく、ポストプロセスにおいて誘導溶液の希釈液から多くの純水が分離されやすい。
【００３７】
例えば、コア粒子１２は、貴金属元素、遷移金属元素、金属酸化物、及び二酸化ケイ素のいずれかでできた、自己組織化単分子膜を形成可能な表面を有する。この場合、両親媒性分子構造１３のコア粒子１２の表面への結合に自己組織化単分子膜の形成を利用できる。これにより、比較的容易に、両親媒性分子構造１３をコア粒子１２の表面に結合させることができる。なお、コア粒子１２の表面を形成する材料によってコア粒子１２の全体が形成されていてもよいし、コア粒子１２の内部はコア粒子１２の表面を形成する材料とは異なる種類の材料で形成されていてもよい。
【００３８】
コア粒子１２の表面を形成可能な貴金属元素は、例えば金、銀、又は銅である。コア粒子１２の表面を形成可能な遷移金属元素は、例えば鉄又はニッケルである。コア粒子１２の表面を形成可能な金属酸化物は、例えば酸化鉄、酸化ニッケル、又は酸化チタンである。
【００３９】
両親媒性分子構造１３は、例えば、硫黄原子又は酸素原子（図１では、硫黄原子）を介してコア粒子１２の表面の原子と結合している。この場合、両親媒性分子構造１３とコア粒子１２の表面との結合力が比較的強い。このため、両親媒性分子構造１３がコア粒子１２の表面に安定的に結合しやすい。
【００４０】
両親媒性分子構造１３は、例えば、コア粒子１２の表面において、３〜６個／ｎｍ2の密度で配置されている。これにより、より有利に、低濃度で誘導溶液に高い浸透圧を付与できる。
【００４１】
誘導溶液用粒子１０ａの平均粒子径は、特に限定されないが、例えば３ｎｍ〜１５ｎｍであり、望ましくは３ｎｍ〜１０ｎｍである。この場合、誘導溶液中に誘導溶液用粒子１０ａが適切に分散しやすく、かつ、限外濾過等の方法により誘導溶液の希釈液から誘導溶液用粒子１０ａを分離しやすい。なお、誘導溶液用粒子１０ａの平均粒子径は、例えば動的光散乱法により求めることができる。
【００４２】
コア粒子１２の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、２ｎｍ〜１０ｎｍである。この場合、誘導溶液用粒子１０ａの平均粒子径を所望の粒子径に調整しやすい。コア粒子１２の平均粒子径は、例えば動的光散乱法により求めることができる。
【００４３】
図１に示す通り、両親媒性分子構造１３は、例えば支持鎖１６ａを有する。支持鎖１６ａは、例えば、直鎖構造を有し、支持鎖１６ａの一端はコア粒子１２の表面の原子と結合しており、支持鎖１６ａの他端は主鎖１４と結合している。これにより、主鎖１４及び複数の側鎖１５が支持鎖１６ａによって支持されている。例えば、支持鎖１６ａは、その支持鎖の一端においてコア粒子１２の表面の原子と結合している硫黄原子を有する。
【００４４】
支持鎖１６ａは、例えば、直鎖のアルキル鎖又はフルオロアルキル鎖を有する。これにより、複数の側鎖１５は、コア粒子１２の表面から外側にある程度離れてコア粒子１２の表面に対して立体的に配置されている。このため、各側鎖１５のイオン性官能基の近くに多くの水分子を引き寄せるのに望ましい大きさの空間が存在しやすい。このため、誘導溶液用粒子１０ａは、低濃度であっても誘導溶液により確実に高い浸透圧をもたらすことができる。なお、典型的には、支持鎖１６ａに含まれる直鎖のアルキル鎖又はフルオロアルキル鎖からは末端にイオン性官能基を有する側鎖は枝分かれしていない。
【００４５】
誘導溶液用粒子１０ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、誘導溶液用粒子１０ａは、図２に示す誘導溶液用粒子１０ｂのように変更可能である。誘導溶液用粒子１０ｂは、特に説明する場合除き、誘導溶液用粒子１０ａと同様の構成を有し、誘導溶液用粒子１０ａの構成要素と同一又は対応する誘導溶液用粒子１０ｂの構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。上記の誘導溶液用粒子１０ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、誘導溶液用粒子１０ｂにもあてはまる。
【００４６】
図２に示す通り、誘導溶液用粒子１０ｂは、例えば、支持鎖１６ｂを有する。支持鎖１６ｂは、例えば、直鎖構造を有し、支持鎖１６ｂの一端はコア粒子１２の表面の原子と結合しており、支持鎖１６ｂの他端は主鎖１４と結合している。これにより、主鎖１４及び複数の側鎖１５が支持鎖１６ｂによって支持されている。例えば、支持鎖１６ｂは、その支持鎖１６ｂの一端においてコア粒子１２の表面の原子と結合している酸素原子を有する。また、支持鎖１６ｂは、例えば、直鎖のアルキル鎖又はフルオロアルキル鎖を有する。
【００４７】
誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂの作製方法の一例を説明する。まず、コア粒子１２の表面に自己組織化単分子膜を形成する。この自己組織化単分子膜の原料には、例えば、特定の硫黄有機化合物又はシランカップリング剤を用いることができる。
【００４８】
硫黄有機化合物は、例えば、一方の末端にチオール基（−ＳＨ）を有するとともに他方の末端に重合開始点（ハロゲン原子）を有するチオール又はジスルフィド結合（−Ｓ−Ｓ−）を有するとともに末端に重合開始点（ハロゲン原子）を有する化合物である。このような硫黄有機化合物としては、bis[2-(2-bromoisobutyryloxy)undecyl] disulfide、bis[2-(2'-bromoisobutyryloxy)ethyl] disulfide、及びＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒ等を例示できる。この硫黄有機化合物を溶解させた溶媒中にコア粒子１２を共存させることにより、コア粒子１２の表面に自己組織化単分子膜が形成される。単分子膜とコア粒子１２の表面との間には、例えば金属−Ｓ結合が形成される。金属−Ｓ結合により自己組織化単分子膜がコア粒子１２の表面に固定される。
【００４９】
シランカップリング剤は、一方の末端にケイ素原子と結合しているアルコキシド基を有し、他方の末端に重合開始点（ハロゲン原子）を有する。このようなシランカップリング剤は、例えば、３−アミノプロピルトリエトキシシラン等のアミノ基を有するアルコキシシランと２−ブロモイソブチルブロミド等の重合開始点を有する分子とを反応（付加脱離反応）させることにより得ることができる。シランカップリング剤とコア粒子とを共存させた状態で、シランカップリング剤を加水分解させてシラノールを生成する。このとき、シラノールがコア粒子の表面のＯＨ基と水素結合を形成する。その後脱水縮合処理を行うことによって、シランカップリング剤のケイ素原子が酸素原子を介してコア粒子１２の表面の原子（金属原子又はケイ素原子）と結合する。これにより、シランカップリング剤に由来する自己組織化単分子膜がコア粒子１２の表面に固定される。
【００５０】
上記のようにコア粒子１２の表面に自己組織化単分子膜を形成した後に、自己組織化単分子膜のコア粒子１２の表面と反対側の末端に位置している重合開始点から所定のモノマーを重合させる。例えば、（ｉ）コア粒子１２の表面に自己組織化単分子膜が形成された前駆物質、（ii）モノマー、及び（iii）金属錯体を水又は有機溶媒の中で共存させることにより、自己組織化単分子膜の重合開始点からモノマーの重合反応が起こる。これにより、図１に示す通り、重合体１７が形成される。反応時間、モノマー濃度、又は金属錯体の種類などの条件を調整することにより、所望の重合度の重合体１７を得ることができる。モノマーは、例えばベンゼン環を有し、そのベンゼン環のメタ位又はパラ位の末端にイオン性官能基が存在している。モノマーは、例えば、４−ビニルベンゼンスルホン酸塩又は４−ビニル安息香酸塩である。この他に、重合体１７の側鎖１５を構成する部分にベンゼン環を含むモノマーを望ましく使用できる。モノマーの重合反応により形成された粒子は、遠心分離により回収され、その後洗浄される。これにより、誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂを得ることができる。
【００５１】
誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂを用いて誘導溶液を調製できる。この誘導溶液は、例えば、分散媒と、誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂの少なくともいずれかの粒子と、を備えている。分散媒は、典型的には水である。誘導溶液用粒子は、分散媒において、例えば０．１体積％〜１体積％の濃度で分散している。この誘導溶液には、誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂの少なくともいずれかの誘導溶液用粒子が分散している。このため、誘導溶液における誘導溶液用粒子の濃度が０．１体積％〜１体積％という低濃度であっても、誘導溶液が高い浸透圧（例えば、６０ａｔｍ）を有しやすい。
【００５２】
例えば、誘導溶液用粒子１０ａ及び誘導溶液用粒子１０ｂの少なくともいずれかの誘導溶液用粒子を用いて不純物を含む水溶液から誘導溶液の希釈液を得る方法を実行できる。この方法は、例えば、図３に示す水処理装置１００で実行される。水処理装置１００は、正浸透モジュール３０と、限外濾過モジュール４０とを備えている。正浸透膜モジュール３０は、半透膜３５を備えている。この方法において、不純物を含む水溶液を半透膜３５の一方の主面に接触させるとともに、その水溶液が有する浸透圧よりも高い浸透圧を発現する濃度で誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液を半透膜３５の他方の主面に接触させる。このような状態で、誘導溶液の浸透圧と不純物を含む水溶液の浸透圧との差を利用して、水溶液に含まれる水分子を、半透膜３５を通過させて誘導溶液に移動させる。これにより、誘導溶液の希釈液を得る。
【００５３】
例えば、図３に示す通り、正浸透膜モジュール３０には、水溶液供給流路３１、濃縮水排出流路３２、誘導溶液供給路３３、及び希釈液排出流路３４が接続されている。不純物を含む水溶液は水溶液供給流路３１を通って正浸透膜モジュール３０の内部に供給される。これにより、不純物を含む水溶液が半透膜３５の一方の主面に接触する。誘導溶液は、誘導溶液供給路３３を通って正浸透膜モジュール３０の内部に供給される。これにより、誘導溶液が半透膜３５の他方の主面に接触する。正浸透膜モジュール３０の内部における誘導溶液の圧力から正浸透膜モジュール３０の内部における不純物を含む水溶液の圧力を差し引いた差は、誘導溶液の浸透圧から不純物を含む水溶液の浸透圧を差し引いた差よりも小さく調整されている。このため、浸透現象により不純物を含む水溶液中の水分子は誘導溶液に向かって半透膜３５を通過する。このため、正浸透膜モジュール３０において、不純物を含む水溶液は濃縮され、誘導溶液は希釈される。誘導溶液用粒子が分散している誘導溶液は、誘導溶液の誘導溶液用粒子の濃度が低濃度であっても高い浸透圧を有しやすい。このため、誘導溶液用粒子の使用量が少量であっても、多くの水分子を、不純物を含む水溶液から半透膜３５を通過させて誘導溶液に移動させることができる。濃縮された水溶液は、正浸透膜モジュール３０を出て、濃縮水排出流路３２を流れる。誘導溶液の希釈液は、正浸透膜モジュール３０を出て、希釈液排出流路３４を流れる。
【００５４】
この方法によって得られた誘導溶液の希釈液を限外濾過法によって濾過して誘導溶液の希釈液から純水を回収する。
【００５５】
例えば、限外濾過モジュール４０には、希釈液排出流路３４と、濃縮液排出路４２と、濾液排出路４４とが接続されている。限外濾過モジュール４０は、例えば、クロスフロー方式のモジュールである。場合によっては、限外濾過モジュール４０は、全量濾過方式のモジュールであってもよい。誘導溶液の希釈液は、希釈液排出流路３４を通って限外濾過モジュール４０の内部に供給される。限外濾過モジュール４０の内部において、誘導溶液の希釈液が限外濾過されて、誘導溶液の希釈液に含まれる純水が回収される。コア粒子１２の表面より外側に存在する、両親媒性分子構造１３の疎水性を有する部分により、誘導溶液中で誘導溶液用粒子同士が相互作用しにくいので、束縛水を含む誘導溶液用粒子の凝集体が形成されにくい。このため、誘導溶液の希釈液から純水を高い分離効率で分離でき、純水を高い効率で回収できる。回収された純水は、限外濾過モジュール４０を出て濾液排出路４４を流れる。一方、誘導溶液の希釈液に含まれる誘導溶液用粒子は、限外濾過膜を透過しないので、誘導溶液用粒子の濃度が高められた高濃度の粒子分散液が得られる。この高濃度の粒子分散液は、限外濾過モジュール４０をでて濃縮液排出路４２を流れる。この高濃度の粒子分散液は、再び誘導溶液として利用される。
【実施例】
【００５６】
実施例により、本開示の誘導溶液用粒子についてより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例には限定されない。
【００５７】
＜実施例１＞
コア粒子として平均粒子径が５ｎｍの金粒子を準備した。金粒子の表面にＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒによって自己組織化単分子膜を形成した。具体的に、溶液中で５ｎｍの金粒子とＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒとを共存させた状態でＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒにおけるチオール基（−ＳＨ）と金とを反応させて、Ａｕ−Ｓ結合を形成させた。このようにして自己組織化単分子膜を有する粒子を得た。この粒子の表面において、ＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒの臭素原子を重合開始点として、モノマーである４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムを付加重合させた。具体的に、脱酸素して窒素雰囲気下にした水溶媒に、４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム及び銅錯体を加えてしばらく攪拌した。この溶液に自己組織化単分子膜を有する金粒子の分散液を加えて混合液を得た。この混合液を３０℃で７２時間攪拌して、ＳＨ−（ＣＨ2）11−ＯＣ（Ｏ）−isobutyrate−Ｂｒの臭素原子を重合開始点として、４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムの付加重合を進行させた。重合反応後の液を遠心分離にかけ、粒子を回収した。その粒子を水溶媒で複数回洗浄して、未反応のモノマー及び金属錯体を除去した。このようにして、実施例１に係る誘導溶液用粒子を得た。実施例１に係る誘導溶液用粒子における４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムの付加重合により形成される重合体の重合度は３０であった。また、実施例１に係る誘導溶液用粒子の金粒子の表面において自己組織化単分子膜を形成する分子は、５個／ｎｍ2の密度で配置されていた。
【００５８】
分散液の浸透圧が４９ａｔｍになるように水中に実施例１に係る誘導溶液用粒子を分散させて、実施例１に係る分散液を得た。実施例１に係る分散液における誘導溶液用粒子の濃度は、０．２体積％であった。分画分子量が３０００の限外濾過膜を用い、循環線速が０．５ｍ／ｓ及び膜間差圧が５ＭＰａの条件でクロスフロー法式の限外濾過を実施例１に係る分散液に対し行った。供給された実施例１に係る分散液の質量Ｍｄ及び濾液の質量Ｍｆから純水の分離率（Ｍｆ／Ｍｄ）を求めた。純水の分離率は４６％であった。
【００５９】
＜実施例２＞
コア粒子として平均粒子径が１０ｎｍのシリカ粒子を準備した。次に、３−アミノプロピルトリエトキシシランと２−ブロモイソブチリルブロミドとを反応（付加脱離反応）させて開始剤分子（シランカップリング剤）を合成した。この反応において、３−アミノプロピルトリエトキシシランのアミノ基の水素原子及び２−ブロモイソブチリルブロミドの不飽和結合を有する炭素原子に結合している臭素原子に由来する臭化水素が脱離した。この開始剤分子によってシリカ粒子の表面に自己組織化単分子膜を形成した。具体的に、シリカ粒子及び開始剤分子が共存している溶液中で開始剤分子の加水分解反応及び脱水縮合反応を進行させて、シリカ粒子の表面に自己組織化単分子膜を形成した。このようにして自己組織化単分子膜を有する粒子を得た。この粒子の表面において、開始剤分子に由来する臭素原子を重合開始点として、モノマーである４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムを付加重合させた。具体的に、脱酸素して窒素雰囲気下にした水溶媒に、４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウム及び銅錯体を加えてしばらく攪拌した。この溶液に自己組織化単分子膜を有するシリカ粒子の分散液を加えて混合液を得た。この混合液を３０℃で７２時間攪拌して、開始剤分子に由来する臭素原子を重合開始点として、４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムの付加重合を進行させた。重合反応後の液を遠心分離にかけ粒子を回収した。その粒子を水溶媒で複数回洗浄して、未反応のモノマー及び金属錯体を除去した。このようにして、実施例２に係る誘導溶液用粒子を得た。実施例２に係る誘導溶液用粒子における４−ビニルベンゼンスルホン酸ナトリウムの付加重合により形成される重合体の重合度は３０であった。また、実施例２に係る誘導溶液用粒子のシリカ粒子の表面において自己組織化単分子膜を形成する分子は、４個／ｎｍ2の密度で配置されていた。
【００６０】
分散液の浸透圧が４９ａｔｍになるように水中に実施例２に係る誘導溶液用粒子を分散させて、実施例２に係る分散液を得た。実施例２に係る分散液における誘導溶液用粒子の濃度は、０．２５体積％であった。分画分子量が３０００の限外濾過膜を用い、循環線速が０．５ｍ／ｓ及び膜間差圧が５ＭＰａの条件でクロスフロー法式の限外濾過を実施例２に係る分散液に対し行った。供給された実施例２に係る分散液の質量Ｍｄ及び濾液の質量Ｍｆから純水の分離率（Ｍｆ／Ｍｄ）を求めた。純水の分離率は４０％であった。
【００６１】
＜比較例＞
特許文献１の実施例１を参考に比較例に係る鉄粒子を作製した。窒素雰囲気下でＦｅＣｌ2、ＦｅＣｌ3、及びクエン酸ナトリウムを脱酸素した純水に加えて攪拌し、その後１Ｍ水酸化ナトリウムをさらに加えて液を得た。この液を１日攪拌した。次に、攪拌後の液を遠心分離かけて粒子を回収し、回収した粒子を複数回洗浄して未反応の試薬を除去した。このようにして比較例に係る鉄粒子が得られた。分散液の浸透圧が４９ａｔｍになるように水中に比較例に係る鉄粒子を分散させて、比較例に係る分散液を得た。比較例に係る分散液における鉄粒子の濃度は、１０体積％であった。分画分子量が３０００の限外濾過膜を用い、循環線速が０．５ｍ／ｓ及び膜間差圧が５ＭＰaの条件でクロスフロー法式の限外濾過を比較例に係る分散液に対し行った。供給された比較例に係る分散液の質量Ｍｄ及び濾液の質量Ｍｆから純水の分離率（Ｍｆ／Ｍｄ）を求めた。純水の分離率は９％であった。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本開示の誘導溶液用粒子は、両親媒性構造を有し、正浸透水処理法に用いられる材料として有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ａ、１０ｂ          誘導溶液用粒子
１２                    コア粒子
１３                    両親媒性分子構造
１４                    主鎖
１５                    側鎖
３５                    半透膜
【図１】
2018061927.tif 000003
【図２】
2018061927.tif 000004
【図３】
2018061927.tif 000005