（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成２８年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 大規模シミュレーションを用いた革新的ロバスト炭素膜による水処 理機構に関する研究
英文：Study of the mechanism of innovative robust nano carbon membrane for water treatment systemusing a large scale simulation
利用課題責任者

林 卓哉
所属

信州大学 工学部
URL
http://www.shinshu-u.ac.jp/

邦文抄録（300 字程度）
２１世紀における人類の持続性は、誰もがきれいな水を容易く手にすることにかかっている。海水淡水化、水浄化には逆浸透水処理膜が有効であり、膜技術の技術革新は、膜を汚染するファウリングを激的に減らし、膜の有効期限を向上させることである。逆浸透膜に使われるポリアミド膜はファウリングし易いが、信州大学の実験チームはポリアミド/多層カーボンナノチューブ複合水処理膜が、ファウリングし難い性質を獲得することを示した。シミュレーションの結果、ポリアミド膜の表面がより平らになったことにより汚染物質のファウラントが膜と結合し難くなり、さらに、ポリアミドとナノチューブの間で電荷の移動が起こったことにより膜表面に膜を保護する界面水が生じやすくなるメカニズ
ムが示された。
英文抄録（100 words 程度）

Accessing to safe drinking water easily will be a key issue in ensuring the sustainabilityof the human race in the 21st century. Worldwide, reverse osmosis (RO) membrane
technology is the most efficient method for desalination or purification of water. One of themost important challenges is to increase the membranes life-time by reducing the fouling.
The broadly used polyamide(PA) RO membranes exhibit a typical rough morphology thattend to fouling. In the simulations, by adding multi wall carbon nanotubes (MWCNT) to PA,
we showed that CNT/PA membranes get antifouling properties because of appearence ofplain and charged structure on the PA surface.
Keywords: desalination of water,

purification of water, reverse osmosis (RO) membrane,

CNT/PA membrane
背景と目的が偏在化しているが、それ以上に人口の偏在化も起こ

現状、世界人口が増加する中で、豊かな生活環境っており、需要と供給のバランスがとれておらず、「水のを形成・維持するためには必要な水の確保が困難な状危機」が問題視されている、（４）水不足を補う水源とし態に直面している。統計によると、全世界の取水量はて、海水・かん水等が注目されているが、海水・かん水2030 年には 1995 年と比べて４割以上増加すると見込の淡水化等の造水においては、低コスト化、省エネ化まれている。

が普及を阻害している、（５）かん水、海水等には有用水をとりまく現在の世界的な課題は、（１）世界で 11億人余りが安全な飲料水にアクセスできず、また農業資源も含まれており、水圏有用資源の採取が不十分、などがあげられる。

水が十分に確保されない等で 9 億人余が食料不足にさ

この様な水に関する世界的課題を解決し、豊かに水らされている、（２）経済発展に必要な工業用水や資源を確保するためには、既存技術の延長にないロバスト開発用水の確保に加えて、資源算出時の排水処理や（頑強）な水処理分離膜による革新的な「造水・水循環

水汚染問題は国際的な環境課題であり循環して利用システム」の開発が必要不可欠である。すなわち、水処する新技術が求められている、（３）世界的に見ると水理分離膜を従来型の高分子膜、無機膜、セラミック膜な（様式 20）成果報告書
どの耐久性が不十分な素材から作るのではなく、ロバなどのシミュレーション結果を得ており、さらにファウリストな性質を有するナノ炭素材料を基本とした材料からングが起き難いことが特徴であるが、そのメカニズムが耐久性の高い革新的ロバスト炭素膜材料を創生する未だ解明されていない。本件研究ではそのメカニズム必要がある。

解明に取り組む。本利用申請課題は、文部科学省の既に信州大学の実験チームは、従来の芳香族ポリア「COI プログラム」として信州大学に設置された『世界ミド（PA）に多層カーボン・ナノチューブ（MWCNT）を分の豊かな生活環境と地球規模の持続可能性に貢献す散させた MWCNT/PA 水処理複合膜の合成に成功し、るアクア・イノベーション拠点』の研究開発の一環として脱塩率、透水率で優れた膜性能を示すことを確認した。

実施する。

さらに、ロバスト性では、耐塩素性、耐ファウリング性(膜の汚染に対する耐性)が従来の PA より優れていることを示した。

結果および考察TSUBAME を 利 用 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 、ファウリング性については、海水にタンパク質（BSA）NWCNT を模擬した性質が同じ炭素膜（グラフェン）上を注入した後の透水量の変化を調べた結果、透水量はに PA 膜を形成した複合膜モデルを提案して、水中で一時的に低下するが短時間で初期の透水量に自己回PA 膜と BSA がどのように相互作用して結合するか、復している画期的な性能を得ることが出来た。しかしそ古典分子動力学計算でその動的変化を調べた。計算の特異な現象についてのカニズムの把握には至っていコ ー ド は 米 国 Sandia 国 立 研 究 所 で 開 発 さ れ たなかった。

LAMMPS コードを利用し、分子間ポテンシャルの妥当TSUBAME を活用した本プロジェクトの目的は、従性は量子計算コード NWChen を用いた少数分子系の来 の PA 膜 で は 起 き や す か っ た フ ァ ウ リ ン グ が 、計算結果で確認した。GPU を用いたことにより、CPUMWCNT／PA 膜ではなぜ抑えることができたか、その計 算 と 比 較 し て 8 倍 の 高 速 化 を 達 成 し 、 MPI とメカニズムを原子・分子の数万粒子からなる系の分子OpenMP 機能による並列化を行った。

動力学シミュレーションをもちいた分子の特性から明らシミュレーション条件として、系のサイズは 51 万原子、かにすることである。

MD 時間は 100 万ステップ、グラフェン膜に PA 膜を蒸着し、その上に BSA を置いた膜構造を用いた。実験と概要
本研究では、スパコンを活用した大規模シミュレーシ同様、BSA を PA 表面から剥がすために表面沿って水を流水（クロスフロー）を適用した。

ョンと信州大学の革新的実験技術との連携により、こシミュレーションの結果 PA 膜が炭素膜上に形成されまでの延長上にはないカーボン系材料からロバストれているために、PA 膜間の間隔が狭まり、表面が平な耐塩素性、耐ファウリング性をもち、優れた透水性、滑化しファウリングし難い構造に変化した。かつカーボ

脱塩性を兼ね備えた逆浸透（RO）水処理膜を開発し、ンナノチューブとポリアミドの間で電荷の移動が発生し、高度な造水・水循環システムにより世界の水問題を解

その結果 PA 表面に界面水を形成し、ファウラント（汚決することを目的とている。従来使われている芳香族染物質）を PA 表面に近づけない効果が働いていること

ポリアミドは、優れた透水性、脱塩性を有しているが、も分かった(図１)。

海水・淡水化処理では海水中のタンパク質が膜の細孔グラフェン膜で得られたこれらの結果は、同様な炭素に付着・体積しファウリング（膜の汚染）を起こし、その膜のある MWCNT 場合も得られると考えられる。シミ

表面洗浄に塩素を使われるため、細孔の破壊につながュレーションで得られた結果は、実験で観測された現象

り水処理膜の機能が低下することから、より耐久性のを説明するメカニズムとして十分であり、原子レベルか高い強靭な水処理膜が望まれていた。これまで信州大ら実験結果を実証することができた。

学では、CNT 複合ポリアミド膜、DLC 膜、ナノ炭素複合膜などの高機能水処理膜を合成し、透水性、脱塩性、（様式 20）成果報告書

図１. グラフェン炭素膜上にポリアミド膜を形成した複合水処理逆浸透膜に BSA を置いた構造モデル。シミュレーションでは、表面横方向に水流を起こし、BSAが表面から剥がれた。

まとめ、今後の課題実験で観測された耐ファウリング性を説明するメカニ
ズムを原子レベルのシミュレーションにより明らかにし、実験結果を実証することができた。今後は炭素膜としてMWCNT を用いて、さらに様々な無機、有機ファウラン
トに対し、今回と比較して約１０倍の原子数で、様々な現実に即した構造に対しシミュレーションに取り組む。