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大学・研究所にある論文を検索できる 「両親媒性共重合体を用いた親水性耐ファウリング膜に関する研究及び膜分離活性汚泥法(MBR)による水処理サービスの事業化」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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両親媒性共重合体を用いた親水性耐ファウリング膜に関する研究及び膜分離活性汚泥法(MBR)による水処理サービスの事業化

疋田, 真悟 神戸大学

2021.03.25

概要

世界の経済発展に伴い深刻化する水環境の悪化、水供給不足問題の中でも排水処理に焦点を当て、全世界の排水設備において、膜分離活性汚泥法(MBR)による水処理サービスを提供することで、現状の環境問題改善と将来の安全・安心な人々の生活を担う排水処理システムの創造を目指す。そのために、MBR最大の課題であるファウリングと呼ばれる膜汚染を抑える耐ファウリング膜を開発した。この耐ファウリング膜を事業化し、企業としても成長し続けることを目指し、耐ファウリング膜の開発及び事業化について以下の結論を導いた。

<1章>序論
深刻化する排水処理問題の解決策として、処理水の清浄度が高く再利用が簡便である点から、生物処理と膜分離を併用したMBRが注目されている。MBR最大の課題である膜が生物や原水中の糖やたんぱく質で汚染されてしまうファウリングを抑止するためには、膜に両親媒性共重合体を用いて親水化することで抜本的に解決することが可能であると期待される。但し、膜の親水化と工業レベルで実用可能なろ過性能を有fるほどの構造制御は両立が難しく、実現された例は確認されていない。

<2章>耐ファウリング膜の調製と構造制御
1章で述べたファウリング現象を抑止する事を目的に両親媒性共重合体を合成し、製膜原液にブレンドすることで耐ファウリング膜を調製した。両親媒性共重合体は、膜のマトリ ックス樹脂であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)と相溶性の高いボリメタクリル酸メチル (PMMA)に対して触媒的連鎖移動重合(CCTP)を用いることでマクロモノマーとし、親水性の高い2・ヒドロキシェチルメタクリレート(HEMA)及び生体親和性材料と同様に膜表面に中問水を創生できると期待できる2-メトキシェチルアクリレート(MEA)を共重合すること 合成した。両親媒性共重合体をブレンドして調製した膜中の共重合体の含有量は、共重合 体中のHEMA含有量が高い方が減少する傾向にあり、凝固浴中に共重合体が溶出しやすく なったと考えられる。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた膜の構造観察より、膜に使用する両親媒性共重合体中のHEMA含有量が高いと、得られる膜の表面構造には大きな差がなかっ たが、断面構造の一部に差が見られた。具体的には、添加した共重合体のHEMA含有量が 高ければ高いほど、断面における内表近傍の孔径が小さくなっている領域が存在していた。これは、製膜原液の相分離が進行しすぎたために球状構造に近い状態で膜として固定化さ れると考えられる。この理由は、共重合体中の有する水酸基がPVDFの溶剤であるジメチ ルアセトアミド(DMAc)に対する溶解性を低下させることで、相分離が進行しやすくなったためと考察した。従って、膜に耐ファウリング性及び親水性を付与するために、より効果 の高いと考えられるより親水性的な共重合体を添加すると、膜の構造は共連続構造から球 状構造になってしまい、透水性が低下する懸念があることを明らかにした。

<3章>耐ファウリング膜の性能評価
2章で述べたように、HEMAとMEAの共重合比を変えた共重合体を使用することで、様々な構造を有する膜を得ることができた。この膜の性能評価として、透水性と親水性の評価を行った。膜の透水性は、使用する共重合体のHEMA共重合比が低いほど、添加量が少ないほど髙い膜が得られる傾向にあった。これは2章の構造解析と一致する結果であった。膜の表面親水性は、使用する共重合体中のHEMAの割合が髙いほど高く付与できる傾向にあった。これは、空気中では両親媒性共重合体の疎水性の官能基が表面を覆っていたが、水に触れることで水酸基が表面自由エネルギーを最小化するため再編成し、親水性の官能基が表面に出てくることによって起きていると考えられる。しかしながら、HEMA含有量が高いほど膜の透水性が低下するため、親水性付与と高い透水性を有する構造の関係はトレードオフの関係があることを明らかにした。実際に、加速MBR試験の結果、両親媒性共重合体を付与した膜はPVDFのみの膜よりも良好な耐ファウリング性を示し、この卜レードオフのバランスをうまく保つことで、省エネ・イージーメンテナンスに貢献できる耐ファウリング膜が調製できることを明らかにした。

<4章>耐ファウリング膜の事業化に関する検討
耐ファウリング膜を用いて事業を行うために、MBR市場を取り巻く事業環境を分析し、 最後に事業戦略について簡潔に考察した〇PEST分析により世界およびマーケットの中心である中国におけるMBR市場の外部環境を分析した結果、政治的要因により環境関連法令が強化される背景に、経済的要因である経済の発展に伴う環境汚染と人口増加に伴う水不足がある。また、社会的要因からSDGsやサーキュラー ・エコノミーといった指針やコンセプトに伴う環境への意識が高まり、社会全体として排水問題に取り組む姿勢が強まっている。これらの背景からMBR市場は成長が期待される中、技術的要因である製膜技術のコモディティ化によって中国メーカーが勃興しており、MBR膜を取り巻く競争は激化している。また、地方と都市の排水では規模や技術のレベルが異なることから、マーケットは二極化している。更に、MBR膜業界の競争環境を5Forces分析によって分析した結果、原料のコモディティ化によりサプライヤーの交渉力が弱い。一方で、買い手であるエンジニアリングメーカーは、最終消費者とのコネクションが強く入札の意思決定に強い影響を与えるため交渉力が強い。その中で、製膜技術自体がコモディティ化してきているため新規参入のハードルが下がってきており、特に中・小型の案件では求められる膜のレベルが低いことで新規参入の脅威が高い。しかし、大型の案件は品質や規模が求められるため、大手膜メーカーが席巻しており新規参入の脅威は低い。代替品に関しては、MBRが比較的新しい技術という事もあり、考えられる技術は少なく脅威は弱い。従って、耐ファウリング膜を用いたMBRビジネスでは、マーケットの中心である大型排水にポートフォリオを置き、より差別化したビジネスの展開が競争優位性を確保する有効な手段であると考えた。
この中で、耐ファウリング膜を用いたビジネスの提供価値である、省エネ・イージーメンテナンスは膜のみならず様々な要素技術の組み合わせによって最大化できると考えた。従 って、MBRの主たるエネルギー消費であるエアレーションなどの消費電力を下げるために、耐ファウリング膜と散気管や運転の最適化技術と組み合わせることで、膜単体の’ビジネスよりもこれらの技術をパッケージ化することでより顧客価値を最大化できると結論付けた。

<5章>
全ての章の総括として、得られた耐ファウリング膜を調製するにあたって両親媒性コポリマーを用いた機能化と構造制御のトレードオフ関係をまとめ、事業化における展望を述べた。

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