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大学・研究所にある論文を検索できる 「浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した高コンパクション耐性を有する中空糸膜の開発および事業化戦略の提案」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した高コンパクション耐性を有する中空糸膜の開発および事業化戦略の提案

中尾, 崇人 神戸大学

2023.03.25

概要

Kobe University Repository : Kernel
PDF issue: 2024-05-02

浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した高コンパ
クション耐性を有する中空糸膜の開発および事業化
戦略の提案

中尾, 崇人
(Degree)
博士(科学技術イノベーション)

(Date of Degree)
2023-03-25

(Date of Publication)
2024-03-01

(Resource Type)
doctoral thesis

(Report Number)
甲第8679号

(URL)
https://hdl.handle.net/20.500.14094/0100482427
※ 当コンテンツは神戸大学の学術成果です。無断複製・不正使用等を禁じます。著作権法で認められている範囲内で、適切にご利用ください。

(氏名:中尾崇人

(別紙様式 3
)

論文内容の要旨

名攻

氏専

中尾崇人
科学技術イノベーション専攻

論文題目(外国語の場合は,その和訳を併記すること。)

浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した
高コンパクション耐性を有する中空糸膜の開発
および事業化戦略の提案

指導教員

中川敬三___准教授



) 2
, 000字∼4
, 000字でまとめること。

NO. 1
)

(氏名:中尾崇人

NO. 2
)

本研究では、浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向し、新規膜構造解析手法に基づいて、
長期間運転時の膜のコンパクションを大幅に抑制した新規中空糸膜の開発を実施した。ま
た、開発した中空糸膜を事業化する際の新規戦略の提案を実施した。
第 1章 序 論
近年、持続可能な水循環型社会の確立は大きな社会的課題となっており、各国での排水基
準強化が進んでいる。ブラインと呼ばれる高濃度塩水は海水の淡水化プロセスや排水の再
利用プロセスから排出される副産物であり、供給水と比較して高濃度の溶質を含み、さらに
水処理プロセスに必要な化学薬品が含まれていることなどから環境負荷が高い溶液である。
そのため、ブラインをさらに濃縮し、水と固形分に完全に分離することで環境中ヘブライン
を排出しない無排水化 (
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収などのプロセスが検討されている。
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) 法は従来ブライ
ンの高濃縮に必須であった熱法による濃縮プロセスを膜法で置き換えることが可能であり、
大幅なエネルギー削減が期待できる技術である。 OARO法は従来法である RO法を応用し
た技術であり、 RO法の理論的濃縮限界である 7
0
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0mg!Lを大幅に超える濃縮が実現可
能であり、画期的な膜濃縮技術である。
これまで OARO法に関わる研究開発は膜性能パラメーターを使用した理論的解析のみで
あった。近年、市販の半透膜を使用した研究例や、 OARO法に適した膜開発の報告がいく
つかあるが、今後の OARO法の商業化を見据えると、膜開発とプロセス開発の両面におい
て、さらなる研究開発が必要である。本研究では、 OARO膜で必要な水と塩の分離を担う
膜の孔構造の解析手法を開発し、さらに開発した膜構造解析手法を用いて、 OARO法に最
適な膜構造について提案した。また、 OARO法の商業化に必要なイノベーション・ストラ
テジー戦略についても検討を実施した。
第 2章

ラマン分光法を活用した中空糸膜ナノポーラス構造の i
ns
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u解析

脱塩用途で使用する膜内部のナノポーラス構造を観察することは、膜研究における最大
の課題の 1つである。最近の研究の多くでは、ナノポーラス構造の解析手法として、種々の
手法のうちでも、陽電子消滅法 (
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) が広
く使用されている。本報告では、 i
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u条件下で膜内部のナノポーラス構造を調べるため
の手法として、ラマン分光法が活用可能であることを示した。スルホン化ポリアリーレンエ
ーテルスルホン (
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) を膜材料とした非対称中空糸膜を作製し、それら
のナノポーラス構造をラマン分光法により解析した。併せて、膜の形状、機械特性および逆
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) 膜性能も測定を実施した。ラマン分光法によって測定された
膜構造は、機械特性および RO膜性能と非常によく相関していた。本研究は、ラマン分光法

(氏名:中尾崇人

NO. 3
)

が脱塩用に使用される膜内部のナノポーラス構造を検出 するための有望な方法であり、さ
らに、ナノポーラス構造を最適化し、より高性能な膜を開発するための優れたツールとなる
ことを示した。

第 3章

高コンパクション耐性を有する CTA非対称中空糸 OARO膜の開発

OARO 法は、高濃度塩水の濃縮用途における新しい膜を用いた濃縮法である。長期に及
ぶ商業運転を考慮すると OARO膜の長期的な性能安定性は非常に重要なファクターである。
本研究では、膜材料として CTAを用いた中空糸型の OARO膜を開発し、膜構造と 7.0MPa
の高圧下での長時間運転における耐コンパクション性 との関係を明らかにした。逆浸透

(
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) 条件下での膜の機械特性と膜性能は、 OARO条件下での膜の長期
性能と形状安定性と相関性が高い結果を得た。さらに、ラマン分光法により、長期運転前後
の膜の非対称性の違いを明らかにした。最後に、商業用 の膜モジュールを用いて OARO条
件下で 700時間以上の長期運転を行い、実験室スケールの膜モジュ ールで得られた結果か
ら想定される通りの長期運転の結果を得た。より高いコ ンパクション耐性を志向して開発
された膜は、 700時間以上の運転後でも初期性能の 95%の透水性能を維持した。本研究に
より、 OARO 法の実用化において非常に重要となる耐コンパクション性と膜構造の関係が
明らかになった。

第 4章

従来の水処理膜ビジネスモデルの転換に向けた提案

OARO膜はこれまでの常識を覆すような画期的な膜による濃縮 プロセスを実現可能な製
品であるため、適切なビジネスモデルを検討し、商業化 する必要がある。従来は OARO膜
を主に海水や排水の濃縮などの水処理プロセス向けに適 用することを検討していた。水処
理プロセスの最も大きな市場である RO 法を用いた海水淡水化プロセスでは、必要な消費
電力は開発当初の 1
970年代から 2005年あたりまでは技術イノベーションが連続的に起こ
り、必要電力が 10kWh/m3から 5kWh/m3程度まで下がってきている。しかしながら、 2005
年以降は大幅な消費電力の低下は期待できない状況にな っていため、造水コストにより入
札が実施される海水淡水化プロジェクトにおいては、激しいコストカットが行われており、
膜メーカーにとっては単純な価格競争市場となってしまっている。また、水処理プラントの
ビジネスモデルにおいては、運転管理などの定期的な収益を得られるサービスとは異なり、
膜の交換は目詰まりや性能低下時に不定期に行われるた め、膜メーカーにとっては不定期
な収益構造となっている。すなわち、水処理ビジネスは単純コスト競争期に突入し、さらに、
既に確立されている水処理ビジネスのスキームが膜メー カーの収益を不安定にさせている
ことから、魅力的ではないビジネスになりつつある。 OARO 法の商業化に際しては、運転
管理サービスを膜メーカー側から最終ユーザーに提供す るようなビジネスモデルの転換を
図り、膜メーカーが安定的に高収益を確保可能なビジネスモデルを提案した。

(氏名:中尾崇人

NO. 4
)

第 5章 ま と め
1) 膜内部のナノポーラス構造を i
nsituで解析可能な手法として、ラマン分光法を滴用可
能であることを示し、 SPAES膜およびCTA膜を用いて構造解析を実施した。
2) OARO法の長期運転時の課題であるコンパクションに対する高 い耐性を持つ OARO膜を開

発し、さらに膜構造解析によって、耐コンパクション性と膜構造の関係を明らかにした。
3) OARO膜の商業化に際して、単純なコスト競争、不定期な収益となってしまっている従来

の水処理事業とは異なる新たなビジネスモデルヘの転換を提案した。

(別紙 1)

論文審査の結果の要旨

氏名

中尾崇人

論文
題目

浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した高コンパクション耐性を有する中空糸膜の開発およ
び事業化戦略の提案







I



職名

主査

准教授

中川敬三

副査

教授

吉岡朋久

副査

教授

吉田健一

副査

特命教授

北河享

副査

教授

c





尾崎弘之

要 旨
本論文は、浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向し、ラマン分光法を活用した新規膜構造解析手法に基
づいて、長期間運転時の膜のコンパクションを大幅に抑制した新規中空糸膜の開発、また、開発した中空
糸膜を事業化する際の新規戦略の提案についてまとめたものである。

第 1章 序 論
近年、持続可能な水循環型社会の確立は大きな社会的課題となっており、各国での排水基準強化が進ん
でいる。ブラインと呼ばれる高濃度塩水は海水の淡水化プロセスや排水の再利用プロセスから排出される
副産物であり、供給水と比較して高濃度の溶質を含み、さらに水処理プロセスに必要な化学薬品が含まれ
ていることなどから環境負荷が高い溶液である。そのため、ブラインをさらに濃縮し、水と固形分に完全
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浸透圧補助型逆浸透 (OARO;O
須であった熱法による濃縮プロセスを膜法で置き換えることが可能であり、大幅なエネルギー削減が期待
できる技術である。 OARO法は従来法である RO法を応用した技術であり、 RO法の理論的濃縮限界であ
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0mg/Lを大幅に超える濃縮が実現可能であり、画期的な膜濃縮技術である。
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これまで OARO法に関わる研究開発は膜性能パラメーターを使用した理論的解析のみであった。近年、
市販の半透膜を使用した研究例や、 OARO法に適した膜開発の報告がいくつかあるが、今後の OARO法
の商業化を見据えると、膜開発とプロセス開発の両面において、さらなる研究開発が必要である。本研究
では、 OARO膜で必要な水と塩の分離を担う膜の孔構造の解析手法を開発し、さらに開発した膜構造解析
手法を用いて、 OARO法に最適な膜構造について提案した。また、 OARO法の商業化に必要なイノベー
ション・ストラテジー戦略についても検討を実施した。

第 2章 ラマン分光法を活用した中空糸膜ナノポーラス構造の i
ns
i
t
u解 析
脱塩用途で使用する膜内部のナノポーラス構造を観察することは、膜研究における最大の課題の 1つで
ある。最近の研究の多くでは、ナノポーラス構造の解析手法として、種々の手法のうちでも、陽電子消滅
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) を膜材料とした非対称中空糸膜を作製し、
よびセルローストリアセテート (
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それらのナノポーラス構造をラマン分光法により解析した。併せて、膜の形状、機械特性および逆浸透 (
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) 膜性能も測定を実施した。ラマン分光法によって測定された膜構造は、機械特性およ
び RO膜性能と非常によく相関していた。本研究は、ラマン分光法が脱塩用に使用される膜内部のナノポ
ーラス構造を検出するための有望な方法であり、さらに、ナノポーラス構造を最適化し、より高性能な膜
を開発するための優れたツールとなることを示した。

2ページにわたる場合

氏名

中尾崇人
l

高コンパクション耐性を有する CTA非対称中空糸 OARO膜の開発
OARO法は、高濃度塩水の濃縮用途における新しい膜を用いた濃縮法である。長期に及ぶ商業運転を考慮
すると OARO膜の長期的な性能安定性は非 常に重要なファクターである 。本研究では、膜材料として CTA
を用いた中空糸型の OARO膜を開発し、膜構造と 7.0MPaの高圧下での長時間運転における耐コンパクシ
)条件下での膜の機械特性と膜性能は、 OARO
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RO;Reverseo
ョン性との関係を明らかにした。逆浸透 (

第 3章

条件下での膜の長期性能と形状安定性と相関性が高い結果を得た。さらに、ラマン分光法により、長期運転
前後の膜の非対称性の違いを 明らかにした。最後に、商業 用の膜モジュールを用いて OARO条件下で 700
時間以上の長期運転を行い、実験室スケールの膜モジュールで得られた結果から想定される通りの長期運転
の結果を得た。より高いコンパクション耐性を志向して開発された膜は、 700時間以上の運転後でも初期性
能の 95%の透水性能を維持した。本研究により、 OARO法の実用化において非常に重要となる耐コンパク
ション性と膜構造の関係が明らかになった。
第 4章

従来の水処理膜ビジネスモデ ルの転換に向けた提案

OARO膜はこれまでの常識を覆すような画期的な膜による濃縮プロセスを実現可能な製品であるため、適
切なビジネスモデルを検討し 、商業化する必要がある。従 来は OARO膜を主に海水や排水の濃縮などの水
処理プロセス向けに適用することを検討していた。水処理プロセスの最も大きな市場である RO法を用いた
海水淡水化プロセスでは、必 要な消費電力は開発当初の 1970年代から 2005年あたりまでは技術イノベー
0kWh/m3から 5kWh/m3程度まで下がってきている。 しかしなが
ションが連続的に起こり、必要電力が 1
、 2005年以降は大幅な消費電力の低 下は期待できない状況になっ ていため、造水コストにより 入札が実

施される海水淡水化プロジェ クトにおいては、激しいコス トカットが行われており、膜 メーカーにとっては
単純な価格競争市場となってしまっている。また、水処理プラントのビジネスモデルにおいては、運転管理
などの定期的な収益を得られるサービスとは異なり、膜の交換は目詰まりや性能低下時に不定期に行われる
ため、膜メーカーにとっては不定期な収益構造となっている。すなわち、水処理ビジネスは単純コスト競争
期に突入し、さらに、既に確立されている水処理ビジネスのスキームが膜メーカーの収益を不安定にさせて
いることから、魅力的ではないビジネスになりつつある。 OARO法の商業化に際しては、運転管理サービス
を膜メーカー側から最終ユーザーに提供するようなビジネスモデルの転換を図り、膜メーカーが安定的に高
収益を確保可能なビジネスモデルを提案した。
第 5章 ま と め
uで解析可能な手法として、ラマン分光法を適用可能であることを
t
i
ns
1) 膜内部のナノポーラス構造 を i
A膜を用いて構造解析を実施した。
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膜およびC
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示し、 S
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O法の 期運転時の課題であるコンパクションに対する高い耐性を持つ O
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2) O
明らかにした。
構造解析によって、耐コンパクション性と膜構造の関係を
O膜の商業化に際して、単純な コスト競争、不定期な収益と なってしまっている従来の水 処理事業
R
A
) O
3
とは異なる新たなビジネスモデルヘの転換を提案した。



本論文は、 RO法よりも高い濃縮濃度を達成できる OARO法に注目し、 OARO膜で必要とされる分離性
能を有する膜の孔構造の解析 手法を新たに開発している。 また、その開発した膜構造解 析手法を用いて、実
用化に必要な長時間運転に適した構造を有する OARO膜の開発に成功している。さ らに、事業化戦略につ
いて、 OARO膜の商業化に適切な戦略構築が行われていると判断できる。提出された論文は科学技術イノベ
ーション研究科学位論文評価 基準を満たしており,学位申 請者の中尾 崇人は,博士(科学技術イノベーシ
ョン)の学位を得る資格があると認める。

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参考文献

[1] L. Cornejo-Ponce, C. Moraga-Contreras, P. Vilca-Salinas, Analysis of chilean legal regime for brine

obtained from desalination processes, Desalin. Water Treat. 203 (2020) 91–103.

https://doi.org/10.5004/dwt.2020.26202.

[2] D.A. Roberts, E.L. Johnston, N.A. Knott, Impacts of desalination plant discharges on the marine

environment: A critical review of published studies, Water Res. 44 (2010) 5117–5128.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.04.036.

[3] C. Kenigsberg, S. Abramovich, O. Hyams-Kaphzan, The effect of long-term brine discharge from

desalination plants on benthic foraminifera, PLoS One. 15 (2020) 1–20.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0227589.

[4] N. Voutchkov, Overview of seawater concentrate disposal alternatives, Desalination. 273 (2011)

205–219. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.10.018.

[5] A.M.O. Mohamed, M. Maraqa, J. Al Handhaly, Impact of land disposal of reject brine from

desalination plants on soil and groundwater, Desalination. 182 (2005) 411–433.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2005.02.035.

[6] T.M. Missimer, R.G. Maliva, Environmental issues in seawater reverse osmosis desalination: Intakes

and outfalls, Desalination. 434 (2018) 198–215. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.07.012.

[7] T. Hoepner, S. Lattemann, Chemical impacts from seawater desalination plants - A case study of the

northern Red Sea, Desalination. 152 (2003) 133–140. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(02)010561.

[8] K.L. Petersen, A. Paytan, E. Rahav, O. Levy, J. Silverman, O. Barzel, D. Potts, E. Bar-Zeev, Impact

of brine and antiscalants on reef-building corals in the Gulf of Aqaba – Potential effects from

desalination plants, Water Res. 144 (2018) 183–191. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.07.009.

[9] N. Ahmad, R.E. Baddour, A review of sources, effects, disposal methods, and regulations of brine

into marine environments, Ocean Coast. Manag. 87 (2014) 1–7.

https://doi.org/10.1016/j.ocecoaman.2013.10.020.

[10] A. Valipour, N. Hamnabard, K.S. Woo, Y.H. Ahn, Performance of high-rate constructed

phytoremediation process with attached growth for domestic wastewater treatment: Effect of high

TDS and Cu, J. Environ. Manage. 145 (2014) 1–8. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2014.06.009.

[11] A. Panagopoulos, K.J. Haralambous, M. Loizidou, Desalination brine disposal methods and

treatment technologies - A review, Sci. Total Environ. 693 (2019) 133545.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.07.351.

79

[12] M. Ahmed, W.H. Shayya, D. Hoey, A. Mahendran, R. Morris, J. Al-Handaly, Use of evaporation

ponds for brine disposal in desalination plants, Desalination. 130 (2000) 155–168.

https://doi.org/10.1016/S0011-9164(00)00083-7.

[13] A. Izady, M. Reza, P. Hashempour, A. Al-maktoumi, M. Chen, S. Prigent, Journal of Water Process

Engineering Risk-based Stochastic Optimization of Evaporation Ponds as a Cost-Effective and

Environmentally-Friendly Solution for the Disposal of Oil-Produced Water, J. Water Process Eng.

38 (2020) 101607. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101607.

[14] A.N. Roychoudhury, J. Petersen, Geochemical evaluation of soils and groundwater affected by

infiltrating effluent from evaporation ponds of a heavy mineral processing facility, West Coast,

South Africa, J. Geochemical Explor. 144 (2014) 478–491.

https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.02.016.

[15] H. Bhandary, C. Sabarathinam, A. Al-Khalid, Occurrence of hypersaline groundwater along the

coastal aquifers of Kuwait, Desalination. 436 (2018) 15–27.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.02.004.

[16] T. Tong, M. Elimelech, The Global Rise of Zero Liquid Discharge for Wastewater Management:

Drivers, Technologies, and Future Directions, Environ. Sci. Technol. 50 (2016) 6846–6855.

https://doi.org/10.1021/acs.est.6b01000.

[17] H.W. Chung, K.G. Nayar, J. Swaminathan, K.M. Chehayeb, J.H. Lienhard V, Thermodynamic

analysis of brine management methods: Zero-discharge desalination and salinity-gradient power

production, Desalination. 404 (2017) 291–303. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.11.022.

[18] B. Ericsson, B. Hallmans, Treatment of saline wastewater for zero discharge at the Debiensko coal

mines in Poland, Desalination. 105 (1996) 115–123. https://doi.org/10.1016/0011-9164(96)00065-3.

[19] S. Pinnu, S. Bigham, Multiple-effect desiccant-based zero liquid discharge desalination systems,

Desalination. 502 (2021) 114942. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.114942.

[20] A. Ghalavand, M.S. Hatamipour, Y. Ghalavand, Clean treatment of rejected brine by zero liquid

discharge thermal desalination in Persian Gulf countries, Clean Technol. Environ. Policy. 23 (2021)

2683–2696. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02187-9.

[21] R. Schwantes, K. Chavan, D. Winter, C. Felsmann, J. Pfafferott, Techno-economic comparison of

membrane distillation and MVC in a zero liquid discharge application, Desalination. 428 (2018) 50–

68. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.11.026.

[22] V. Belessiotis, S. Kalogirou, E. Delyannis, Indirect Solar Desalination (MSF, MED, MVC, TVC),

Therm. Sol. Desalin. (2016) 283–326. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-809656-7.00006-4.

[23] R. Xiong, C. Wei, Current status and technology trends of zero liquid discharge at coal chemical

industry in China, J. Water Process Eng. 19 (2017) 346–351.

https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2017.09.005.

80

[24] K. Loganathan, P. Chelme-Ayala, M. Gamal El-Din, Pilot-scale study on the treatment of basal

aquifer water using ultrafiltration, reverse osmosis and evaporation/crystallization to achieve zeroliquid discharge, J. Environ. Manage. 165 (2016) 213–223.

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2015.09.019.

[25] M. Mickley, Emerging Technologies for High Recovery Processing, (2020).

[26] E. Korngold, L. Aronov, N. Daltrophe, Electrodialysis of brine solutions discharged from an RO

plant, Desalination. 242 (2009) 215–227. https://doi.org/10.1016/j.desal.2008.04.008.

[27] R.L. McGinnis, N.T. Hancock, M.S. Nowosielski-Slepowron, G.D. McGurgan, Pilot demonstration

of the NH3/CO2 forward osmosis desalination process on high salinity brines, Desalination. 312

(2013) 67–74. https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.11.032.

[28] D.M. Davenport, A. Deshmukh, J.R. Werber, M. Elimelech, High-Pressure Reverse Osmosis for

Energy-Efficient Hypersaline Brine Desalination: Current Status, Design Considerations, and

Research Needs, Environ. Sci. Technol. Lett. 5 (2018) 467–475.

https://doi.org/10.1021/acs.estlett.8b00274.

[29] T. Nakao, Y. Miura, K. Furuichi, M. Yasukawa, Cellulose Triacetate (CTA) Hollow-Fiber (HF)

Membranes for Sustainable Seawater Desalination: A Review, Membranes (Basel). 11 (2021) 183.

https://doi.org/10.3390/membranes11030183.

[30] J.A. Idarraga-Mora, A.S. Childress, P.S. Friedel, D.A. Ladner, A.M. Rao, S.M. Husson, Role of

nanocomposite support stiffness on TFC membrane water permeance, Membranes (Basel). 8 (2018)

3–5. https://doi.org/10.3390/membranes8040111.

[31] B.Z. Chen, X. Ju, N. Liu, C.H. Chu, J.P. Lu, C. Wang, S.P. Sun, Pilot-scale fabrication of

nanofiltration membranes and spiral-wound modules, Chem. Eng. Res. Des. 160 (2020) 395–404.

https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.06.011.

[32] T. V. Bartholomew, L. Mey, J.T. Arena, N.S. Siefert, M.S. Mauter, Osmotically assisted reverse

osmosis for high salinity brine treatment, Desalination. 421 (2017) 3–11.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.04.012.

[33] T. V. Bartholomew, N.S. Siefert, M.S. Mauter, Cost Optimization of Osmotically Assisted Reverse

Osmosis, Environ. Sci. Technol. 52 (2018) 11813–11821. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b02771.

[34] A.T. Bouma, J.H.L. V, Split-feed counter fl ow reverse osmosis for brine concentration,

Desalination. 445 (2018) 280–291. https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.07.011.

[35] X. Chen, N.Y. Yip, Unlocking High-Salinity Desalination with Cascading Osmotically Mediated

Reverse Osmosis: Energy and Operating Pressure Analysis, Environ. Sci. Technol. 52 (2018) 2242–

2250. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b05774.

[36] C.D. Peters, N.P. Hankins, Osmotically assisted reverse osmosis (OARO): Five approaches to

dewatering saline brines using pressure-driven membrane processes, Desalination. 458 (2019) 1–13.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.01.025.

81

[37] K. Loganathan, P. Chelme-Ayala, M. Gamal El-Din, Treatment of basal water using a hybrid

electrodialysis reversal-reverse osmosis system combined with a low-temperature crystallizer for

near-zero liquid discharge, Desalination. 363 (2015) 92–98.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.01.020.

[38] D.M. Davenport, C.L. Ritt, R. Verbeke, M. Dickmann, W. Egger, I.F.J. Vankelecom, M. Elimelech,

Thin film composite membrane compaction in high-pressure reverse osmosis, J. Membr. Sci. 610

(2020) 118268. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118268.

[39] J. Albo, H. Hagiwara, H. Yanagishita, K. Ito, T. Tsuru, Structural characterization of thin-film

polyamide reverse osmosis membranes, Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) 1442–1451.

https://doi.org/10.1021/ie403411w.

[40] T. Shintani, A. Shimazu, S. Yahagi, H. Matsuyama, Characterization of Methyl-Substituted

Polyamides Used for Reverse Osmosis Membranes by Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy

and MD Simulation, J. Appl. Polym. Sci. 113 (2009) 1757–1762. https://doi.org/10.1002/app.29885.

[41] H. Hagihara, K. Ito, N. Oshima, A. Yabuuchi, H. Suda, H. Yanagishita, Depth profiling of the freevolume holes in cellulose triacetate hollow-fiber membranes for reverse osmosis by means of

variable-energy positron annihilation lifetime spectroscopy, Desalination. 344 (2014) 86–89.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.03.015.

[42] H. Hagihara, B. O’Rourke, K. Ito, Subnanoscaled Holes Elucidated by Positron Annihilation

Techniques, MEMBRANE. 41 (2016) 2–8. https://doi.org/10.5360/membrane.41.2.

[43] N. Togo, K. Nakagawa, T. Shintani, T. Yoshioka, T. Takahashi, E. Kamio, H. Matsuyama,

Osmotically Assisted Reverse Osmosis Utilizing Hollow Fiber Membrane Module for Concentration

Process, Ind. Eng. Chem. Res. 58 (2019) 6721–6729. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b00630.

[44] K. Nakagawa, N. Togo, R. Takagi, T. Shintani, T. Yoshioka, E. Kamio, H. Matsuyama, Multistage

osmotically assisted reverse osmosis process for concentrating solutions using hollow fiber

membrane modules, Chem. Eng. Res. Des. 162 (2020) 117–124.

https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.07.029.

[45] M. Askari, C.Z. Liang, L.T. (Simon) Choong, T.-S. Chung, Optimization of TFC-PES hollow fiber

membranes for reverse osmosis (RO) and osmotically assisted reverse osmosis (OARO)

applications, J. Membr. Sci. 625 (2021) 119156. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119156.

[46] C.Z. Liang, M. Askari, L.T. Choong, T.-S. Chung, Ultra-strong polymeric hollow fiber membranes

for saline dewatering and desalination, Nat. Commun. 12 (2021) 2338.

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22684-1.

[47] B. Van der Bruggen, C. Vandecasteele, Distillation vs. membrane filtration: Overview of process

evolutions in seawater desalination, Desalination. 143 (2002) 207–218.

https://doi.org/10.1016/S0011-9164(02)00259-X.

82

[48] L.F. Greenlee, D.F. Lawler, B.D. Freeman, B. Marrot, P. Moulin, Reverse osmosis desalination:

Water sources, technology, and today’s challenges, Water Res. 43 (2009) 2317–2348.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.03.010.

[49] K.P. Lee, T.C. Arnot, D. Mattia, A review of reverse osmosis membrane materials for desalinationDevelopment to date and future potential, J. Membr. Sci. 370 (2011) 1–22.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2010.12.036.

[50] A. Kumano, N. Fujiwara, Cellulose Triacetate Membranes for Reverse Osmosis, in: Adv. Membr.

Technol. Appl., John Wiley & Sons, Inc., 2008: pp. 21–46.

https://doi.org/10.1002/9780470276280.ch2.

[51] S.S. Shenvi, A.M. Isloor, A.F. Ismail, A review on RO membrane technology: Developments and

challenges, Desalination. 368 (2015) 10–26. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.12.042.

[52] F.A. Pacheco, I. Pinnau, M. Reinhard, J.O. Leckie, Characterization of isolated polyamide thin films

of RO and NF membranes using novel TEM techniques, J. Membr. Sci. 358 (2010) 51–59.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2010.04.032.

[53] H. Yan, X. Miao, J. Xu, G. Pan, Y. Zhang, Y. Shi, M. Guo, Y. Liu, The porous structure of the fullyaromatic polyamide film in reverse osmosis membranes, J. Membr. Sci. 475 (2015) 504–510.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2014.10.052.

[54] F. Pacheco, R. Sougrat, M. Reinhard, J.O. Leckie, I. Pinnau, 3D visualization of the internal

nanostructure of polyamide thin films in RO membranes, J. Membr. Sci. 501 (2016) 33–44.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.10.061.

[55] W.R. Bowen, T.A. Doneva, Atomic force microscopy studies of nanofiltration membranes : surface

morphology , pore size distribution and adhesion, Desalination. 129 (2000) 163–172.

[56] S. Kwak, M. Yeom, I.J. Roh, D.Y. Kim, J. Kim, Correlations of chemical structure, atomic force

microscopy (AFM) morphology, and reverse osmosis (RO) characteristics in aromatic polyester

high-flux RO membranes, J. Membr. Sci. 132 (1997) 183–191.

[57] T. Tsuru, T. Hino, T. Yoshioka, M. Asaeda, Permporometry characterization of microporous

ceramic membranes, J. Membr. Sci. 186 (2001) 257–265. https://doi.org/10.1016/S03767388(00)00692-X.

[58] Y. Kiso, K. Muroshige, T. Oguchi, M. Hirose, T. Ohara, T. Shintani, Pore radius estimation based on

organic solute molecular shape and effects of pressure on pore radius for a reverse osmosis

membrane, J. Membr. Sci. 369 (2011) 290–298. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2010.12.005.

[59] C. V. Raman, K.S. Krishnan, A new type of secondary radiation [11], Nature. 121 (1928) 501–502.

https://doi.org/10.1038/121501c0.

[60] L.G. Thygesen, M. Marie, E. Micklander, S.B. Engelsen, Vibrationalmicrospectroscopyof food.

Raman vs.FT-IR, Trends Food Sci. Technol. 14 (2003) 50–57.

83

[61] J.R. Scherer, G.F. Bailey, S. Kint, R. Young, D.P. Malladi, B. Bolton, Water in polymer membranes.

4. Raman scattering from cellulose acetate films, J. Phys. Chem. 89 (1985) 312–319.

https://doi.org/10.1021/j100248a027.

[62] P. Scharfer, W. Schabel, M. Kind, Mass transport measurements in membranes by means of in situ

Raman spectroscopy-First results of methanol and water profiles in fuel cell membranes, J. Membr.

Sci. 303 (2007) 37–42. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2007.06.051.

[63] E. Curcio, G. Di Profio, E. Fontananova, E. Drioli, Membrane technologies for seawater desalination

and brackish water treatment, in: Adv. Membr. Technol. Water Treat., Elsevier, 2015: pp. 411–441.

https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-121-4.00013-7.

[64] C.H. Lee, D. Vanhouten, O. Lane, J.E. McGrath, J. Hou, L.A. Madsen, J. Spano, S. Wi, J. Cook, W.

Xie, H.J. Oh, G.M. Geise, B.D. Freeman, Disulfonated poly(arylene ether sulfone) random

copolymer blends tuned for rapid water permeation via cation complexation with poly(ethylene

glycol) oligomers, Chem. Mater. 23 (2011) 1039–1049. https://doi.org/10.1021/cm1032173.

[65] M. Paul, H.B. Park, B.D. Freeman, A. Roy, J.E. McGrath, J.S. Riffle, Synthesis and crosslinking of

partially disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymers as candidates for chlorine

resistant reverse osmosis membranes, Polymer (Guildf). 49 (2008) 2243–2252.

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.02.039.

[66] H.B. Park, B.D. Freeman, Z.B. Zhang, M. Sankir, J.E. McGrath, Highly chlorine-tolerant polymers

for desalination, Angew. Chemie - Int. Ed. 47 (2008) 6019–6024.

https://doi.org/10.1002/anie.200800454.

[67] C.H. Lee, B.D. McCloskey, J. Cook, O. Lane, W. Xie, B.D. Freeman, Y.M. Lee, J.E. McGrath,

Disulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer thin film composite membrane

fabricated using a benign solvent for reverse osmosis applications, J. Membr. Sci. 389 (2012) 363–

371. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.11.001.

[68] Y. Sakaguchi, K. Kitamura, M. Yamashita, S. Takase, K. Takasugi, Y. Akitomo, Synthesis and

Properties of Sulfonated Poly(arylene ether)s with Flexible Oligomeric Phenylene Ether Segments,

Macromolecules. 45 (2012) 5403–5409. https://doi.org/10.1021/ma300665x.

[69] M. Higashi, T. Nakao, J. Morita, T. Kitagawa, Nanofiltration Hollow Fiber Membranes Made from

Sulfonated Polysulfone having a Cyanophenylene Group, J. Membr. Sep. Technol. 5 (2016) 57–61.

https://doi.org/10.6000/1929-6037.2016.05.02.2.

[70] Y. Zhang, K. Nakagawa, M. Shibuya, K. Sasaki, T. Takahashi, T. Shintani, T. Yoshioka, E. Kamio,

A. Kondo, H. Matsuyama, Improved permselectivity of forward osmosis membranes for efficient

concentration of pretreated rice straw and bioethanol production, J. Membr. Sci. 566 (2018) 15–24.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.08.046.

84

[71] Y. Okamoto, J.H. Lienhard, How RO membrane permeability and other performance factors affect

process cost and energy use: A review, Desalination. 470 (2019) 114064.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.07.004.

[72] Y. Liu, G.H. Koops, H. Strathmann, Characterization of morphology controlled polyethersulfone

hollow fiber membranes by the addition of polyethylene glycol to the dope and bore liquid solution,

J. Membr. Sci. 223 (2003) 187–199. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00322-3.

[73] M.G. Katz, G. Baruch, New insights into the structure of microporous membranes obtained using a

new pore size evaluation method, Desalination. 58 (1986) 199–211. https://doi.org/10.1016/00119164(86)87004-7.

[74] M. Rahbari-Sisakht, A.F. Ismail, T. Matsuura, Effect of bore fluid composition on structure and

performance of asymmetric polysulfone hollow fiber membrane contactor for CO2 absorption, Sep.

Purif. Technol. 88 (2012) 99–106. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.12.012.

[75] M. Ghanbari, D. Emadzadeh, W.J. Lau, H. Riazi, D. Almasi, A.F. Ismail, Minimizing structural

parameter of thin film composite forward osmosis membranes using polysulfone/halloysite

nanotubes as membrane substrates, Desalination. 377 (2016) 152–162.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.09.019.

[76] D. Emadzadeh, W.J. Lau, T. Matsuura, A.F. Ismail, M. Rahbari-sisakht, Synthesis and

characterization of thin fi lm nanocomposite forward osmosis membrane with hydrophilic

nanocomposite support to reduce internal concentration polarization, J. Membr. Sci. 449 (2014) 74–

85. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.08.014.

[77] X. Song, Z. Liu, D.D. Sun, Nano Gives the Answer : Breaking the Bottleneck of Internal

Concentration Polarization with a Nanofi ber Composite Forward Osmosis Membrane for a High

Water Production Rate, Adv. Mater. 23 (2011) 3256–3260.

https://doi.org/10.1002/adma.201100510.

[78] H. Ohya, An expression method of compaction effects on reverse osmosis membranes at high

pressure operation, Desalination. 26 (1978) 163–174. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(00)821980.

[79] M.C. Dale, M.R. Okos, Reverse Osmosis Membrane Performance as Affected by Temperature and

Pressure, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 22 (1983) 452–456. https://doi.org/10.1021/i300011a013.

[80] K. Chen, C. Xiao, H. Liu, H. Ling, Z. Chu, Z. Hu, Design of robust twisted fiber bundle-reinforced

cellulose triacetate hollow fiber reverse osmosis membrane with thin separation layer for seawater

desalination, J. Membr. Sci. 578 (2019) 1–9. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.01.038.

[81] D.Y.F. Ng, Y. Chen, Z. Dong, R. Wang, Membrane compaction in forward osmosis process,

Desalination. 468 (2019) 114067. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.07.007.

[82] T. Nakao, Development of Brine Concentration Membrane for Treating High Salinity Solutions,

Membrane. 45 (2020) 330–333. https://doi.org/10.5360/membrane.45.330.

85

[83] H.T. Madsen, T. Bruun Hansen, T. Nakao, S. Goda, E.G. Søgaard, Combined geothermal heat and

pressure retarded osmosis as a new green power system, Energy Convers. Manag. 226 (2020)

113504. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113504.

[84] T. Nakao, M. Akashi, M. Ishibashi, M. Yao, K. Nakagawa, T. Shintani, H. Matsuyama, T. Yoshioka,

In situ nanoporous structural characterization of asymmetric hollow fiber membranes for

desalination using Raman spectroscopy, J. Membr. Sci. 631 (2021) 119337.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119337.

[85] M. Shibuya, M. Yasukawa, S. Goda, H. Sakurai, T. Takahashi, M. Higa, H. Matsuyama,

Experimental and theoretical study of a forward osmosis hollow fiber membrane module with a

cross-wound configuration, J. Membr. Sci. 504 (2016) 10–19.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.12.040.

[86] I. Soroko, M.P. Lopes, A. Livingston, The effect of membrane formation parameters on performance

of polyimide membranes for organic solvent nanofiltration (OSN): Part A. Effect of

polymer/solvent/non-solvent system choice, J. Membr. Sci. 381 (2011) 152–162.

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.07.027.

[87] E. Saljoughi, M. Amirilargani, T. Mohammadi, Effect of PEG additive and coagulation bath

temperature on the morphology, permeability and thermal/chemical stability of asymmetric CA

membranes, Desalination. 262 (2010) 72–78. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.05.046.

[88] J. Xu, Y. Tang, Y. Wang, B. Shan, L. Yu, C. Gao, Effect of coagulation bath conditions on the

morphology and performance of PSf membrane blended with a capsaicin-mimic copolymer, J.

Membr. Sci. 455 (2014) 121–130. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.12.076.

[89] S. Kimura, S. Sourirajan, Performance of porous cellulose acetate membranes during extended

continuous operation under pressure in the reverse osmosis process using aqueous solutions, Ind.

Eng. Chem. Process Des. Dev. 7 (1968) 197–206. https://doi.org/10.1021/i260026a008.

[90] L. Baayens, S.L. Rosen, Hydrodynamic resistance and flux decline in asymmetric cellulose acetate

reverse osmosis membranes, J. Appl. Polym. Sci. 16 (1972) 663–670.

https://doi.org/10.1002/app.1972.070160311.

[91] M.A. Sanz, Energy as Motor of Seawater Reverse Osmosis Desalination Development, in: Wex

2012 Water Energy Exch., 2012.

[92] L. Sidney, R.B. Moshe, Improvements in or relating to process and apparatus for reverse osmosis,

GB1320429, 1970.

86

発表論文一覧

1)Takahito Nakao, Mayumi Akashi, Miharu Ishibashi, Miyuki Yao, Keizo Nakagawa, Takuji

Shintani, Hideto Matsuyama, Tomohisa Yoshioka

In situ nanoporous structural characterization of asymmetric hollow fiber membranes for

desalination using Raman spectroscopy.

Journal of Membrane Science, 631, 2021, 119337

2)Takahito Nakao, Shohei Goda, Yuki Miura, Masahiro Yasukawa, Miharu Ishibashi, Keizo

Nakagawa, Takuji Shintani, Hideto Matsuyama, Tomohisa Yoshioka

Development of cellulose triacetate asymmetric hollow fiber membranes with highly enhanced

compaction resistance for osmotically assisted reverse osmosis operation applicable to brine

concentration.

Journal of Membrane Science, 653, 2022, 120508

87

学会発表一覧

1)中尾 崇人、明石 真由美、石橋美晴、中川敬三、新谷卓司、松山秀人、吉岡朋久

ラマン分光法を利用した中空糸 RO/NF 膜ナノポーラス構造の in situ 解析

膜シンポジウム 2021、神戸、2021 年 11 月 16 日

2)Takahito Nakao, Shohei God, Yuki Miura, Masahiro Yasukawa, Miharu Ishibashi, Keizo

Nakagawa, Takuji Shintani, Hideto Matsuyama, and Tomohisa Yoshioka

Development of CTA asymmetric hollow fiber membranes for osmotically assisted reverse

osmosis and long-term operational study using commercial-sized membrane modules.

AMS13, Singapore, 4th July 2022

3)Takahito Nakao, Shohei Goda, Yuki Miura, Masahiro Yasukawa, Keizo Nakagawa, and Tomohisa

Yoshioka

Development of hollow fiber asymmetric membrane for osmotically assisted reverse osmosis

(OARO) applicable to brine concentration and its long-term experimental study.

IDA 2022 World Congress, Sydney, Australia, 11th October 2022

88

謝辞

本論文の執筆にあたり多くの方々にご協力いただきました。

本研究の遂行にあたり、指導教官として終始多大なご指導を賜った、神戸大学大学院科

学技術イノベーション研究科准教授 中川敬三先生に深く感謝いたします。また、イノ

ベーション・ストラテジー研究成果書の執筆にあたり、終始丁寧にご指導を賜りました、

同研究科教授 尾崎弘之先生に深く感謝いたします。

同研究科教授 吉岡朋久先生、同研究科特命教授 北河享先生、並びに京都大学高等研究

院・物質-細胞統合拠点特任教授 新谷卓司先生には本研究の遂行、投稿論文の執筆にあ

たり、いつも丁寧な指導と適切な助言をいただきました。また、神戸大学大学院科学技術

イノベーション研究科教授 吉田健一先生には、本博士論文の作成にあたり、副査として

適切なご助言を賜りました。ここに深謝の意を表します。

また、本研究の遂行にあたり、東洋紡株式会社アクア膜事業部、総合研究所分析セン

ター、機能膜開発センター、並びに岩国機能膜工場メンバーには実験データの取得や論文

作成のご協力などをいただきました。ありがとうございます。

最後に、本論文を執筆するにあたり協力してくださった全ての方に厚く御礼申し上げま

す。

89

神戸大学博士論文「浸透圧補助型逆浸透法の実用化を志向した高コンパクション耐性を有

する中空糸膜の開発および事業化戦略の提案」全89頁

提 出 日 2023年1月25日

本博士論文が神戸大学機関リポジトリ Kernel にて掲載される場合、掲載登録日(公開日)

はリポジトリの該当 ページ上に掲載されます。

© 中 尾 崇 人

本論文の内容の一部あるいは全部を無断で複製・転載・翻訳することを禁じます。

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