JP7012343B2 - 光照射による水溶液の膜分離方法 - Google Patents
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Description
色素化合物が溶解している水溶液を疎水性膜上に展開して、この水溶液に光を照射して水溶液の膜分離を行うことにより、色素化合物の量と水蒸気の膜透過性能の関係が説明できる。水溶性色素が溶解している水溶液を用いて、色素化合物の濃度と水蒸気の膜透過量との相関を評価した。疎水性の多孔質膜部材であるPTFE膜上に、水溶性色素であるローダミンBが溶解している水溶液を展開し、この水溶液全体に波長385~740nmの可視光を1時間照射した後に、PTFE膜を透過した水(透過水)の量と、PTFE膜上にある透明ガラス(時計皿)の下面に凝縮して回収できた水(蒸発水)の量を調べた。このとき、PTFE膜上に残留したローダミンB水溶液の温度も測定した。この色素水溶液の光照射膜透過実験は、図1に示す装置で行った。以下で詳しく述べる。
PTFE製メンブレンフィルターに、概ね0.2mLの最小量のアセトンまたはイソプロパノールを染みこませ、直後にディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLを全面に塗布した後、4~5日間静置した。このフィルターを40℃で一晩熱処理し、得られたフィルターを200mLの蒸留水中に一晩浸漬して洗浄した。その後、40℃で乾燥して、濃青色をしたディスパースブルー14導入PTFE膜を得た。ディスパースブルー14の分子構造を下記に示す。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約500μLを、ワットマン社製ポリプロピレンメンブレンフィルター(直径47mm、細孔径0.45μm)全面に塗布した後、4~5日間静置した。このフィルターを40℃で一晩熱処理し、得られたフィルターを200mLの蒸留水中に一晩浸漬して洗浄した。その後、40℃で乾燥して、濃い青色をしたディスパースブルー14導入ポリプロピレン膜を得た。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、1-メチルアミノアントラキノンのDMF溶液(0.05g/mL)約500μLを用いた点を除いて、実施例2と同様にして、赤色の1-メチルアミノアントラキノン導入PTFE膜を得た。1-メチルアミノアントラキノンの分子構造を下記に示す。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、1,5-ジアミノアントラキノンのDMF溶液(0.05g/mL)約500μLを用いた点を除いて、実施例2と同様にして、赤紫色の1,5-ジアミノアントラキノン導入PTFE膜を得た。1,5-ジアミノアントラキノンの分子構造を下記に示す。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、キニザリングリーンSSのDMF溶液(0.05g/mL)約500μLを用いた点を除いて、実施例2と同様にして、青緑色のキニザリングリーンSS導入PTFE膜を得た。キニザリングリーンSSの分子構造を下記に示す。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、ディスパースブルー14と1-メチルアミノアントラキノンを同じ質量で溶解したDMF混合溶液(両者合計で0.05g/mL)約500μLを用いた点を除いて、実施例2と同様にして、濃茶色のディスパースブルー14および1-メチルアミノアントラキノン導入PTFE膜を得た。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、紫外線吸収剤である2-(5-tert-ブチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールのアセトン溶液(0.1g/mL)1mLを用いた点、および40℃での一晩熱処理に代えて、50℃で一晩熱処理した点を除いて、実施例2と同様にして、無色の2-(5-tert-ブチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール導入PTFE膜を得た。2-(5-tert-ブチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールの分子構造を下記に示す。
ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLに代えて、近赤外線吸収材料であるIR-813 p-トルエンスルホナートのDMF溶液(0.01g/mL)約500μLを用いた点を除いて、実施例2と同様にして、濃緑色のIR-813 p-トルエンスルホナート導入PTFE膜を得た。IR-813 p-トルエンスルホナートの分子構造を下記に示す。
メルク社製のカラムクロマトグラフ用シリカゲル(シリカゲル60)0.5gに、ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)1mLを含浸し、室温で5日間静置した。その後、DMF溶液の上澄みを除去し、色素含浸シリカゲルを80℃で一晩加熱処理した。得られた色素含浸シリカゲルを100mLの水に浸漬して洗浄し、濃い青色をしたディスパースブルー14導入シリカゲルの粉体を得た。
セルロース製ろ紙(桐山製作所製桐山ロート用ろ紙、直径40mm、No.5A)の全面に、ディスパースブルー14のDMF溶液(0.1g/mL)約1mLを塗布し、4~5日間静置した。得られたろ紙を50℃で一晩熱処理した。この塗布・静置・熱処理をもう一度行った。得られたろ紙を200mLの蒸留水中に一晩浸漬し洗浄した後、50℃で乾燥させた。その後、この浸漬・乾燥をもう一度行い、濃青色のディスパースブルー14導入セルロース膜を得た。図11は、ディスパースブルー14導入セルロース膜の可視光拡散反射スペクトルである。ディスパースブルー14導入セルロース膜の拡散反射スペクトルでは吸収が強過ぎるため正確に評価できないものの、ディスパースブルー14導入セルロース膜は、波長450~800nmの範囲で光を強く吸収する膜であることがわかった。
実施例11と同様の方法で、1,5-ジアミノアントラキノン導入セルロース膜を作製した。図12は、1,5-ジアミノアントラキノン導入セルロース膜の可視光拡散反射スペクトルである。1,5-ジアミノアントラキノン導入セルロース膜の拡散反射スペクトルでは吸収が強過ぎるため正確に評価できないものの、1,5-ジアミノアントラキノンは、波長350~600nmの範囲で光を強く吸収する膜であることがわかった。
実施例11と同様の方法で、IR-813 p-トルエンスルホナート導入セルロース膜を作製した。
ディスパースブルー14に代えて、2-(5-tert-ブチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾールのアセトン溶液を用いた点、静置時間4~5日間に代えて約2時間静置した点、および浸漬・乾燥2回に代えて浸漬・乾燥を1回とした点を除いて、実施例11と同様にして、2-(5-tert-ブチル-2-ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール導入セルロース膜を得た。
ソーダ石灰ガラス製シャーレの中に外径約38mm、内径約29mm、厚さ約3mmのフッ素樹脂製リングを置き、このリング上に実施例2~実施例9で作製した分離膜を載せた。この分離膜のほぼ中心部に、500μLの蒸留水または溶液を上からゆっくりと展開した。シャーレにフタをするようにホウケイ酸ガラス製(実験例26のみ)またはソーダ石灰ガラス製の時計皿を乗せ、その後、外光が入らないように箱の中に入れ、分離膜上の溶液の全面に光が当たるように、この箱上部に設けた小さな穴から光を照射した(図1参照)。
光照射A
朝日分光社製の光化学反応用光源MAX-301を用いた。Vis用ミラーモジュール(朝日分光社製)によって、照射光の波長を主に385~740nmに制御した。分離膜の直上約30mm地点から真下に照射した。
光照射B
三永電機製作所製ソーラーシミュレータXES-300S1を用いた。擬似太陽光の強度を1SUNとして照射した。分離膜の直上約220mm地点から真下に照射した。
光照射C
LEDランプ(RED DRAGON RDT11)を用いた。光照射角度を狭めて、分離膜の直上約50mm地点から真下に照射した。
光照射D
UV用ミラーモジュール(朝日分光社製)によって、照射光の波長を主に250~385nmに制御した点を除き、光照射Aと同じである。
光照射E
IR用ミラーモジュール(朝日分光社製)によって、照射光の波長を主に750~1050nmに制御した点を除き、光照射Aと同じである。
実施例2から実施例9の分離膜に代えてPTFE製メンブレンフィルターを用いた点を除いて、実施例15と同じ装置で膜透過を行った。まず、このPTFE製メンブレンフィルター上の中心部に、色素粉体約0.015gをなるべく薄くなるように拡げ、この粉体に蒸留水500μLを染みこませた。その後の工程は実施例15と同様にして、PTFE製メンブレンフィルターを用いて水を透過させた。結果を表2に示す。
実施例16と同じ装置を用い、PTFE製メンブレンフィルター上の中心部に、実施例9のディスパースブルー14導入シリカゲル0.1gまたはシリカゲル0.1gを、薄さ約1mm、直径約15mmとなるように均等に展開した。そして、この色素導入シリカゲルまたはシリカゲルに、蒸留水または擬似海水500μLを染みこませた。その後の工程は実施例16と同様にして、蒸留水または擬似海水を膜透過させた。なお、擬似海水の膜透過は、実施例15と同様の方法で行った。なお、実験例35は比較例である。結果を表3に示す。
実施例17と同じ装置を用い、PTFE製メンブレンフィルター上に、実施例11から実施例14の色素等を導入したセルロース膜を十分に接触するように重ねた。その後の工程は実施例17と同様にして、色素等導入セルロース膜とPTFE膜を組み合わせた膜を用いて、水または擬似海水を透過させた。なお、実験例37、実験例42、および実験例47は、セルロース膜とPTFE膜を組み合わせた膜を用いた比較例である。結果を表4に示す。
噴射部が一端に設けられた市販のガス噴射管(全長190mm、足部分内径3.5mm、噴射部外径10mm、噴射部長さ10mm)に、濃度0.002~20mMのローダミンB水溶液を充填し、内部に気泡が生成しないように、噴射部が上になるようにガス噴射管を立てた。このガス噴射管の上方30mm地点から、朝日分光社製キセノンランプMAX-303を用いて可視光(波長375~740nm)を10分間照射した。ガス噴射管の下部の水位の上昇高さと、上昇水位の換算水量を表5に示す。表5に示すように、水位の上昇高さは、ローダミンB水溶液の濃度に概ね比例して増加した。
ディスパースブルー14の10g/Lのアセトン溶液に、実施例19で用いたガス噴射管を10分間浸漬し、その後60℃で熱処理した。この一連の浸漬・熱処理を合計10回行った後、蒸留水への浸漬洗浄と超音波洗浄をそれぞれ30分間行った。その後、40℃で乾燥させて、ディスパースブルー14で修飾されたガス噴射管を得た。
ディスパースブルー14の500mg/Lのアセトン溶液に2gのメルク社製シリカゲル60を浸漬し、ロータリーエバポレーターで30分間撹拌した後、減圧下でアセトンを留去した。その後、80℃で10時間熱処理し、水による洗浄、80℃での乾燥処理を行うことで、ディスパースブルー14で修飾されたシリカゲルを得た。
Claims (17)
- 少なくとも表面の一部が疎水性である多孔質膜部材と、前記多孔質膜部材の前記表面の一部に設けられた分離部材とを有し、前記分離部材が水溶液と接触した状態でこの接触部に光が照射されて、前記水溶液に由来する水蒸気を透過する分離膜であって、
前記分離部材が、粉体である多孔質基材と、前記多孔質基材に導入または修飾され、吸収した光エネルギーを前記水溶液中の水の気化エネルギーとして放出する光吸収性非光異性化性物質とを備える分離膜。 - 請求項1において、
前記光吸収性非光異性化性物質が色素である分離膜。 - 水溶液が流通する流通管と、
前記流通管の端部に設けられた分離膜と、
を有し、
前記分離膜が、多孔質膜部材と、前記多孔質膜部材に設けられ、吸収した光エネルギーを水溶液中の水の気化エネルギーとして放出する光吸収性非光異性化性物質とを備える分離装置。 - 請求項3において、
内部に空間が形成されるように前記端部を覆う透光性部材をさらに有する分離装置。 - 少なくとも表面の一部が疎水性である多孔質膜部材の前記表面の一部に設けられ、水溶液と接触した状態でこの接触部に光が照射されて、前記水溶液に由来する水蒸気が前記多孔質膜部材を透過するような分離部材であって、
粉体である多孔質基材と、
前記多孔質基材に導入または修飾され、吸収した光エネルギーを前記水溶液中の水の気化エネルギーとして放出する光吸収性非光異性化性物質と、
を有する分離部材。 - 請求項5において、
前記光吸収性非光異性化性物質が色素である分離部材。 - 請求項1または2に記載の分離膜の前記光吸収性非光異性化性物質を水溶液と接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収した光エネルギーを前記水溶液中の水の気化エネルギーとして放出するような波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気が前記分離膜を透過するようにした水溶液の膜分離方法。
- 請求項3または4に記載の分離装置を用いた水溶液の膜分離方法であって、
前記流通管に入れられた水溶液を、前記分離膜に下方から接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収した光エネルギーを前記水溶液中の水の気化エネルギーとして放出するような波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気を前記分離膜の上方に透過させる水溶液の膜分離方法。 - 請求項7または8において、
前記水溶液が塩化ナトリウムを含有する水溶液の膜分離方法。 - 光異性化反応を起こさない水溶性色素を含む水溶液を、少なくとも表面の一部が疎水性である多孔質膜部材の前記表面の一部に接触させた状態で、前記水溶性色素が吸収する波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気が前記多孔質膜部材を透過するようにした水溶液の膜分離方法。
- 光吸収性非光異性化性物質を含む水溶液を、多孔質膜部材に下方から接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収する波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気を前記多孔質膜部材の上方に透過させる水溶液の膜分離方法。
- 請求項1または2に記載の分離膜の前記光吸収性非光異性化性物質に水溶液を接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収した光エネルギーを前記水溶液中の水の気化エネルギーとして放出するような波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気が前記分離膜を透過するようにし、
前記透過した水蒸気の凝縮水、または前記凝縮水を含むとともに、前記水溶液に含まれていた溶質の濃度より低い濃度で前記溶質を含む膜分離水を得る浄化水の製造方法。 - 多孔質膜部材と、前記多孔質膜部材に設けられ、吸収した光エネルギーを水溶液中の水の気化エネルギーとして放出する光吸収性非光異性化性物質とを備える分離膜に、前記水溶液を下方から接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収する波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気を前記多孔質膜部材の上方に透過させて、
前記透過した水蒸気の凝縮水、または前記凝縮水を含むとともに、前記水溶液に含まれていた溶質の濃度より低い濃度で前記溶質を含む膜分離水を得る浄化水の製造方法。 - 請求項13において、
前記光の照射により、前記水溶液が自動的に汲み上げられて前記分離膜に供給される浄化水の製造方法。 - 請求項13または14において、
前記水溶液が塩化ナトリウムを含有する浄化水の製造方法。 - 光異性化反応を起こさない水溶性色素を含む水溶液を、少なくとも表面の一部が疎水性である多孔質膜部材の前記表面の一部に接触させた状態で、前記水溶性色素が吸収する波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気が前記多孔質膜部材を透過するようにし、
前記透過した水蒸気の凝縮水、または前記凝縮水を含むとともに、前記水溶液に含まれていた溶質の濃度より低い濃度で前記溶質を含む膜分離水を得る浄化水の製造方法。 - 光吸収性非光異性化性物質を含む水溶液を、多孔質膜部材に下方から接触させた状態で、前記光吸収性非光異性化性物質が吸収する波長を含む光をこの接触部に照射して、前記水溶液に由来する水蒸気を前記多孔質膜部材の上方に透過させて、
前記透過した水蒸気の凝縮水、または前記凝縮水を含むとともに、前記水溶液に含まれていた溶質の濃度より低い濃度で前記溶質を含む膜分離水を得る浄化水の製造方法。
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