奈米碳管：應用於海水淡化技術，助力解決世界水資源問題

奈米碳管（Carbon Nanotube），是兼具「碳」「奈米（10億分之1公尺）」「管（圓筒）」這3個要素的極細碳纖維，被廣泛應用於鋰離子電池的電極材料等用途。信州大學正在推進開展將這種奈米材料應用於海水淡化技術的研究。

海水淡化是人類社會面臨的共同課題

聯合國兒童基金會（UNICEF）發佈報告稱，全世界約有6.6億人無法獲得安全的飲用水，每年有30萬嬰幼兒因水汙染而喪命。飲水問題不光被列為聯合國永續發展目標（SDGs）的第6個目標，而且水還與其他許多主題相關。例如，有很多女性被迫在艱苦條件下去取水，有很多孩子也因為取水而無法充分接受教育。在海水淡化國際會議上，也有人發表關於水與性別平等、教育機會均等緊密相關的論文。世界上自來水能夠直接飲用的國家只有10多個。在自來水基礎設施老化和水源惡化背景下，提高生活用水品質成為緊迫課題。

國際社會正朝碳中和（carbon neutrality）方向大步邁進。以沙烏地阿拉伯為首的中東國家正在計畫增加植被和保護海洋生物，就是其中一個潮流。因此，永續發展的海水淡化技術成為必要條件。隨著全球暖化而出現的沙漠化，以及人口增多、經濟成長等原因，導致水消費急劇增加，水資源緊張狀況日益突出。通過海水淡化技術的進步和造水技術的革新來開拓水資源，是人類社會面臨的共同課題。

位於沙烏地阿拉伯西海岸的海水淡化工廠（Photo courtesy of the Saline Water Conversion Corporation of the Kingdom of Saudi Arabia）

反滲透膜技術進步使成本降低

在海水淡化利用方面，目前的主要技術路線是「反滲透膜法」。就是利用反滲透原理，只讓水分子能夠通過有無數細微孔洞的膜，從而將鹽分從海水中過濾掉，從而製造淡水。目前，全世界每天用這種方法生產6500萬噸水，這相當於擁有約1400萬人口的東京都自來水日用量的14倍。經過這種方式淡化處理後的水，60%用作城市用水，30%用作工業用水。反滲透膜技術已經為人類造出了巨大的貢獻。

位於沙烏地阿拉伯西海岸的海水淡化工廠內部，安裝有圓筒狀海水淡化模組。模組內置反滲透膜，這種膜可將鹽分從海水中分離出去（Photo courtesy of the Saline Water Conversion Corporation of the Kingdom of Saudi Arabia）

反滲透膜自20世紀70年代成功研發出來後，進行了諸多改良。現在被廣泛應用的反滲透膜，是由一種名為「交聯芳香族聚醯胺」的高分子尼龍製成的，是一種厚度只有幾百奈米（千萬分之一公尺）的薄膜。使用反滲透膜淡化海水的技術，作為一種安全可靠的造水方法，正在為世界做貢獻。但今天這個時代，人們高度重視永續發展的地球生態環保措施，這就要求還要有進一步的技術革新。

首先應該改善的是降低成本。目前，對反滲透膜施加5-7MPa的巨大壓強，可以去除99.8%的鹽分，造出水來。這一過程需要消耗大量電力，造水成本每噸約1美元。將這一成本降低一半，已成為海水淡化國際會議的目標之一。

如何防止海洋汙染，也是必須考慮的問題。在海水淡化過程中，每造出1升飲用水會產生約1.5升的濃縮液體「brine（高濃度鹽水）」。由於高濃度鹽水中含有兩倍於海水濃度的鹽分，必須考慮其對海洋生態系統的影響，特別是在封閉性海域環境之中。作為應對措施最值得期待的是，將含有高濃度鹽分的廢水當作再利用礦物資源來看待。目前正在推動從中回收鹽分、鋰、鎂等礦物資源的研發工作。為了削減成本，加強環保措施，必須進一步提升反滲透膜的強韌度。

從海洋環保角度來看也要增強韌性

為了減緩反滲透膜老化，提高其強度，重要的是要減少附著在膜上的汙垢。海水中含有浮游生物等各種雜質，因此在海水過濾階段會發生膜被堵塞的現象。海藻中的褐藻酸和植物腐敗產生的腐殖酸等天然有機物，是特別難以去除的。這些汙染物會使反滲透膜的分子層級擴散路徑發生堵塞，降低膜的透水性能和脫鹽率。這樣一來，即便提高施加在膜上的壓力也無法保證造水量，只能停止運作。雖然將海水淡化裝置暫時停轉，把純水灌入膜中，是可以洗掉膜表面的汙垢。但這也是需要成本。

而為了減少堵塞膜，必須提前用藥劑處理準備淡化的海水，通過化學預處理方法去除海水中的雜質。在此過程中使用的藥劑，會在無害化處理後遺棄到海裡。從海洋環保的觀點來看，我們要將藥劑的使用量控制到最低。如果膜的耐久性得以提高，所需藥劑的總量就能減少。因此，基於這一點，人們熱切期待出現更加強韌的反滲透膜。

成功開發出全新的反滲透膜

為了回應這種需求，2013年，我們在信州大學成立了產官學聯動的研究機構「全球水創新中心」，使用奈米技術（超微技術）的代表性材料——奈米碳管研究開發反滲透膜。奈米碳管是同時具備「碳」「奈米（十億分之一公尺）」「圓筒」這3種要素的物質，在鐵等金屬粒子的催化作用和約1000℃的溫度下，可由甲烷等碳氫化合物生成。它只有5萬分之1頭髮那麼細，重量極輕，強度是鋼的數十倍，而且化學特性穩定，能高效導熱導電，因此被用作鋰離子電池的電極材料，為電池性能的提升做出了貢獻。除此之外，它還作為網球拍和高爾夫球杆的長柄等碳纖維增強樹脂的添加材料被廣泛使用。奈米碳管可以用生物甲烷來製造，此種情況下會生成副產品氫氣，屬於一種環保型奈米材料。

2018年，信州大學在現有的交聯芳香族聚醯胺中混入奈米碳管，成功研發出全新的反滲透膜。因為混合了比例恰當的奈米材料，所以膜本身自帶正電，表面的凹凸也減少了。結果，那些被稱為「foulant（汙垢）」的雜質很難附著在膜上了。

上圖為傳統反滲透膜。下圖為信州大學開發的奈米複合膜。左邊是48小時後，右邊是52小時後。被染成綠色的蛋白質牢牢地黏附在傳統膜上。但在奈米複合膜上，附著的蛋白質小塊52小時後就會脫落，幾乎完全消失（信州大學提供）

左邊傳統膜（藍色部分）上牢牢地黏著蛋白質，右邊信州大學開發的膜堵塞物較難附著，在水流衝擊下汙垢容易剝落（信州大學提供）

如果將含有奈米碳管、不易堵塞的奈米複合膜推廣商用，就有可能實現符合環保世紀潮流的「綠色海水淡化技術」，既節約能源，又能儘量少用藥劑，有利於生態環境。

使用奈米複合膜的海水淡化模組。海水經由這個模組將鹽分去除。斷面之所以呈黑色，是因為其由奈米碳管複合構造而成（信州大學提供）

安裝在信州大學國際科學創新中心裡的奈米複合膜生產線（信州大學提供）

從2020年開始，在北九洲的「北九洲水廣場」，通過奈米複合膜將真實的海水進行淡化處理，其針對汙染物質的性能得到驗證。通過這類實驗，能夠證明與以往的膜相比，各種藥劑使用量能顯著降低，膜的使用壽命也能夠延長。基於實驗結果我們可以期待，海水淡化裝置能運行得更久，運營成本也有望減少10-15%。甚至還能簡化海水預處理設備裝置，而這原本是成本居高不下的原因之一。

安裝在「北九洲水廣場」上的海水淡化示範設備。貨櫃內，正在開展評估奈米複合膜耐久性等特性的實驗（信州大學提供）

目前，我們正在與國內外海水淡化相關企業和研究機構合作，推進將這種奈米複合膜實裝到海水淡化裝置的研究。此外，信州大學開發的反滲透膜，也可用於下水處理和至今尚未被充分利用的工廠排水再利用方面，在構建與環境、社會相協調的水資源再利用系統方面也大有前景。我相信，在奈米碳管技術研究方面處於世界最尖端地位的信州大學所研發的奈米複合膜，將對解決世界水資源問題做出巨大貢獻。

標題圖片：奈米碳管示意圖（信州大學提供）

遠藤守信 [作者簡介]

信州大學特別榮譽教授。1946年出生於長野縣須阪市。信州大學工學系、信州大學研究所工學研究科碩士畢業。曾在日立製作所工作，歷任法國國立科學研究中心客座研究員、信州大學教授等職。2004年獲得美國碳素學會（ACS）頒發的最高獎章「ACS獎章」。對尖端碳物質開展廣泛的基礎和應用研究，是奈米碳管領域的國際權威專家。