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摘要：株式会社东芝成功开发出一种用于正渗透膜法的渗透压物质，其通过注入高浓度水溶液来促进水的自动移动，利用该物质的浓缩方法能够将能耗削减至1/4，并在常温常压下将浓缩率提高至2.4倍，有望对循环型社会作出贡献。

关键字：浓缩技术、正渗透膜法、渗透压物质、节能、循环型社会、高浓缩处理

概要

株式会社东芝（以下简称“东芝”）在提取水溶液中所含的成分或物质（有价物）的浓缩技术方面，成功开发出一种用于正渗透膜法^（^*3^）的渗透压物质^（*4），与现有的浓缩方法相比，利用该物质的浓缩方法能够同时将能耗^（*1）削减至1/4并将浓缩率^（*2）提高至2.4倍。现有的浓缩技术需要蒸发和加压等处理，而且浓缩需要大量的能量，但是本次开发的技术利用渗透压的原理从浓缩对象的水溶液中自动去除水，从而达到节能效果。此外，本次开发的渗透压物质在浓缩处理后易于与水分离，因此可以再利用。

该技术可应用于化学品和医药品的制造、废水处理、稀有金属的回收等。另外，该技术有望实现水的再利用和自然资源的可持续利用、并降低由废弃物所造成的环境负荷，因此有望对循环型社会的形成作出贡献。

开发背景

使用了浓缩技术的浓缩处理能够应用于各方面，例如化学品和医药品的制造、废水处理、稀有金属的回收等。现有的浓缩处理采用蒸馏法或反渗透膜法，其中，蒸馏法通过加热水溶液使水分蒸发，从而提取有价物，反渗透膜法通过对水溶液施加高压（加压）来分离水分和有价物。但是，蒸馏法在加热时需要大量的热能，反渗透膜法在加压时需要大量的电能。此外，蒸馏法和反渗透膜法分别被指出会因加热和压力导致有价物的劣化。

为了解决这些问题，迫切需要一种能够实现高浓缩处理的技术，利用该处理，能够节约更多能源，使有价物的劣化降低。此外，在2015年通过的可持续发展目标（SDGs）中，要求自然资源的可持续利用以及由废弃物所造成的环境负荷的最小化，有限资源的再利用也成为一项亟待解决的问题。

本技术的特征

针对以上课题，东芝专注于开发在低温和无加压情况下能够进行浓缩处理的正渗透膜法（图1）。正渗透膜法是一种利用以下现象的浓缩方法：当通过渗透膜隔开物质的“低浓度水溶液”和“高浓度水溶液”时，水会自然地从低浓度水溶液通过膜移动到高浓度水溶液，以保持均匀的浓度。现有的反渗透膜法的能耗约为4kWh/m³，而正渗透膜法的能耗仅为约1kWh/m³，由此可见，正渗透膜法能够将能耗降低至反渗透膜法的1/4。在正渗透膜法中，东芝独立开发了一种通过注入高浓度水溶液来促进水的自动移动的渗透压物质，实现了节能的高浓缩处理和高水分离性。在溶解有所开发的渗透压物质的水溶液（渗透压溶液）中，通过解吸事先吸收的CO₂，能够使水与渗透压物质分离，因此渗透压物质可以反复利用。

图1 正渗透膜法

东芝在使用含盐水溶液作为模拟溶液进行浓度试验时，模拟溶液中的水会向渗透压溶液的方向移动。如图2（a）所示，盐浓度最终上升到19%^（^*5^）。由此证实，与现有的反渗透膜法的8％盐浓度相比，正渗透膜法可将盐浓度提高至2.4倍。

此外，水从模拟溶液移动至渗透压溶液而使其被稀释。当将渗透压溶液加热到70℃时，CO₂会被解吸，如图2（b）所示，确认渗透压溶液可以分离成渗透压物质和水这两相，并且实现了在100℃以下的低温热下的再生和高水分离性。渗透压溶液与水的分离可以利用废热。另外，解吸后的CO₂可以循环利用以生成渗透压溶液。

图2 使用模拟废水的浓缩试验的结果

本次开发的正渗透膜法能够实现比反渗透膜法更高的浓缩率和更高的水分离性，表示该方法能够应用于在常温常压下高度浓缩有价物的系统和高度浓缩废水并再利用水的系统。

未来展望

今后，东芝将利用小型试验装置对本技术进行连续运行评估，并推进本技术在各个应用中的实证实验，例如、化学品和医药品的制造、废水处理、稀有金属的回收等，以期早日实现本技术的实用化。

注：

*1 Non-membrane solvent extraction desalination (SED) technology using solubility-switchable amine,J.Hazard.Mat.,403,123636,2021

*2 RO systems make their case for brine concentration applications, Global Water Intelligence,Vol.20,6,2019

*3 利用水从低浓度向高浓度自然透过渗透膜的现象的膜处理方法

*4 溶于高浓度水溶液的物质。东芝开发了一种在吸水性、低温下的水分离性以及向被浓缩液体的低流出量这三个方面保持平衡的物质。

*5 质量体积百分比浓度、盐水的浓缩极限约25%

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