高透水性と低ファウリング性を併せ持つ PVDF 膜の開発
2021年12月2日

工学院大学 先進工学部 環境化学科教授 赤松憲樹

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新技術の概要➢ 高い透水性を有する PVDF 膜を提供
同手法で作製する PVDF 膜と比較して，透水性が約 10 倍向上➢ 優れたファウリング防止性を有する PVDF 膜を提供
有機物を含有する水溶液をろ過しても，ファウリングを大幅に抑制➢ 簡便な膜作製手法を提供
従来の膜作製装置の改良は不要
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背景：膜とファウリング（膜汚れ）
膜処理プロセスではファウリングが大きな問題
膜はファウリングする例）下排水処理→ファウリングしない膜が求められている
Flux

○×○

×Time

3

背景：これまでのファウリング防止膜
膜面親水化によるファウリング防止性獲得が主流
poly(2-hydroxyethyl methacrylate)

J. Membr. Sci. 190 (2001) 215-226
J. Membr. Sci. 169 (2000) 269-276

poly(acrylamide)Langmuir 19 (2003) 79-85

poly(acrylic acid)

J. Membr. Sci. 355 (2010) 133-141
J. Membr. Sci. 281 (2006) 658-665

poly(ethylene glycol)

J. Membr. Sci. 195 (2002) 103-114
Plasma Chemistry andPlasma Processing, 27(2007) 446-457

膜面親水性(たとえば接触角)とファウリング防止性能の関係を定量的に議論した例はない

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背景：PMEA の低ファウリング性
生体適合材料として研究されてきた PMEA（九大 田中教授）• 水に不溶• バイオマテリアル• Cold Crystallizationを示す
Poly(2-methoxyethylacrylate)（PMEA）

近年では，MD シミュレーション等により，PMEA の低ファウリング性発現の機構解明も進んでいる
J. Chem. Eng. Japan 45 (2012) 568-570
Membrane J. 30 (2020) 205-212Biomacromolecules 3 (2002) 36-41
Polym. Int. 49 (2000) 1709-1713

分離膜素材（特にファウリング防止性獲得の目的）として着目
5従来技術とその問題点
各種表面修飾が検討されてきた(a) Plasma Graft Polymerization (PGP)
OH
H

H

H

O
Plasma

HOH
O

O

Air

H

O

MEA

△

Virginpolyethylene(b) Surface-Initiated Atom Transfer Radical Polymerization (SI-ATRP)
BrH

H

H

OH H
FentonOH

O
Initiator

H

Br
O

O

H

O

MEA

reaction
Virginpolyethylene

Sep. Purif. Technol. 102 (2013) 157-162
Ind. Eng. Chem. Res. 60 (2021) 15248-15255

課題：修飾層による透水性の低下，修飾法がマルチステップ
6問題解決のための技術開発➢ 従来の膜作製装置を用い，膜母材の PVDF にPMEA をブレンドし，分離膜を作製する技術
高透水性と低ファウリング性の両立を実現

良溶媒 非溶媒CastingEvaporation

Phase Separation7

膜作製条件Membrane
PMEA0

PVDF [wt%]15

PMEA [wt%]
0NMP [wt%]
85

PMEA1
PMEA3
PMEA51515151358482
80

PMEA715778

Pure NMP

PMEA0

PMEA7

Sep. Purif. Technol., 276 (2021) 119331
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ドープ液の粘度
PMEA をブレンドしても粘度の大幅上昇は見られない

×:PMEA7■:PMEA5▲:PMEA3◆:PMEA1○:PMEA0

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9膜のキャラクタリゼーション(FT-IR)
PMEA ブレンド濃度の増加に伴い，膜面 PMEA 存在割合がPMEA
増加
PVDF

I1730/I1400 [-]PMEA7Abs [-]

PMEA5
PMEA3

PMEA1
PMEA0
3500

2500
1500
Wavenumber [cm-1]

500

10.90.80.7
0.60.50.4
0.3
0.2
0.1
000.1

0.2
0.3
0.4
PMEA/PVDF [-]0.5

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10膜のキャラクタリゼーション(FE-SEM)
PMEA ブレンドにより，マクロボイドが大幅に発達
PMEA0

PMEA1

PMEA3

PMEA5

PMEA7

97±1 [µm] 136±4 [µm] 138±5 [µm] 155±5 [µm] 144±5 [µm]Sep. Purif. Technol., 276 (2021) 119331
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膜の透水性PMEA ブレンドにより，Lp(純水透過係数)が約 10 倍増加

Sep. Purif. Technol., 276 (2021) 11933112膜の低ファウリング性
PMEA ブレンドにより，1000ppm BSA 水溶液ろ過時のフラックス低下を大幅に抑制

×:PMEA7 ■:PMEA5 ▲:PMEA3 ◆:PMEA1 ○:PMEA0
Sep. Purif. Technol., 276 (2021) 119331
13ろ過試験後の膜の透水性
PMEA ブレンドにより，ファウリング起因の Lp の低下を大幅に抑制

Sep. Purif. Technol., 276 (2021) 11933114膜の安定性
純水中での PMEA のリーチングは見られない

×:PMEA7■:PMEA5▲:PMEA3◆:PMEA1○:PMEA0

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従来技術・競合技術との比較➢ 各種表面修飾法
化学的修飾法は一般的にマルチステップ
物理的修飾法は一般的に修飾層の安定性が低い➢ 製膜法
通常のポリマーは一般的に PVDF とブレンドが困難

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新技術の特徴➢ 特殊な設備が不要な膜作製法
PMEA を PVDF にブレンドするだけ➢ 高透水性を有する膜作製が可能
同手法で作製するブレンド無しの PVDF 膜と比較して透水性が約 10 倍向上➢ 優れたファウリング防止性を有する膜作製が可能
溶解性有機物（とくにタンパク）が吸着しにくい膜面を実現
17想定される用途➢ 浄水処理や下排水処理➢ 生体試料やタンパク等を含有する溶液の各種処理➢ 食品や飲料の製造過程における各種処理

18実用化に向けた課題➢ 大面積製膜
現状はラボレベルで 100 cm2 程度までの製膜のみ➢ 膜性能耐久性評価
現状は 4 週間の純水浸漬評価のみ➢ 多様な被処理水に対するろ過性能評価
現状は数種類の有機物含有水溶液に対する評価のみ

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企業への期待➢ 大面積製膜実現のための共同研究
ラボレベルからのスケールアップ➢ 各種用途における膜評価，および膜開発の共同研究
本発明を活用可能な系で膜評価を行い，必要に応じて膜開発へのフィードバックを与える20知的財産権
名称：多孔質膜及びその製造方法

出願人：学校法人工学院大学

発明者 ：赤松 憲樹、中尾 真一、大野 誠弥
出願番号：2020-159864

21お問い合わせ先
工学院大学
総合企画部 産学連携室
e-mail：sangaku@sc.kogakuin.ac.jp
T E L : 03-3340-0398(新宿)、042-628-4928(八王子)F A X : 03-3342-5304(新宿)、042-626-6726(八王子)22