東芝は2021年9月22日、化学品や医薬品開発における溶液濃縮、レアメタル回収や海水淡水化などに使える正浸透膜(FO膜)技術を開発したと発表した。現在の一般的な濃縮技術である蒸留法や逆浸透膜(RO膜)法と比べて、同社によれば濃縮に要するエネルギーを4分の1に節約できるという。さらに、濃縮したい物質に対して加熱や加圧をしないため、品質劣化を防げるというメリットもある。システムの改善を図った上で「2024年ごろのプラントでの実証実験を目指す」(東芝 研究開発センター ナノ材料・フロンティア研究所 トランスデューサ技術ラボラトリ- 上席研究員の鈴木昭子氏)。

 東芝が開発した濃縮システムは、濃縮したい被処理液に対して、水のみを通す性質を持ったFO膜でろ過するというもの。FO膜の反対側には水を吸引する作用がある浸透圧物質を配置する。2つの溶液における浸透圧物質の濃度差によって、被処理液から浸透圧物質に向けて水を移動させて濃縮していく。

FO膜法による濃縮のしくみ
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FO膜法による濃縮のしくみ
(出所:東芝)

 ただ、これでは一定量の水が移動した時、濃度差が小さくなって濃縮性能が落ちてしまう。維持するためには、浸透圧溶液の入った溶液から水だけを排出して、再び濃度勾配をつくる必要がある。東芝が用いる浸透圧物質はアミン系物質と呼ばれる物質で、温度に応じてCO2を吸収したり放出したりする性質を持つ。そこで排水したいタイミングで溶液を加熱して、アミン系物質が吸収していたCO2を放出させる。アミン系物質はCO2を吸収している間は水に溶けやすく、CO2を放出すると水と分離しやすいため、分離した水相だけを排水できるようになる。水相を排出した後は、再度アミン系物質にCO2を吸収させ、水に溶けるようにする。

水吸引機能と分離機能を温度で自在に操れる
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水吸引機能と分離機能を温度で自在に操れる
(出所:東芝)

 この濃縮システムを使うと従来と比べて高濃縮も可能になるといい、塩水を濃縮したところ、RO膜と比較して2.4倍高濃縮になったという。その時に必要なエネルギーはRO膜の4分の1だった。なお、加熱に必要な熱はプラントの排熱などを想定しているため、消費エネルギーに含まれていない。また、セ氏70度に加熱後の水相とアミン系物質相との分離性が99%以上だった。東芝は今後、水との分離性がより高かったり、CO2の吸着性により優れたりするアミン系物質を開発して、性能向上を図る方針である。

99%の分離性で相分離できる
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99%の分離性で相分離できる
(出所:東芝)