This review paper is devoted to two topics, i.e., fluoropolymer-based porous and ion-exchange membranes, both of which include the creation of nanostructure-controlled functional membranes with high-energy ion beams. Latent tracks of the MeV−GeV heavy ions in a polymer foil can sometimes be chemically etched out to form a membrane with micro- and nano-sized through-pores, the so-called ion-track membrane. Our focus is on ion-track membranes of poly（vinylidene fluoride）（PVDF）, which have been considered as a porous matrix for nanotechnological applications. Although the PVDF-based ion-track membranes have already been reported, their preparation methods have never been optimized. The etching behavior mainly depended on the energy deposition of the ion beams, and thus its depth distribution, estimated by a theoretical simulation, was successfully applied to control the shapes of the etched pores. The oxidation of the tracks by means of heating in air and ozone exposure was effective as a pre-etching treatment. The cation- and anion-exchange membranes（CEMs and AEMs, respectively）were prepared with two methods, which are based on the chemical etching and/or modification of each track, in other words, the radiation grafting into the track-etched pores in PVDF and ion-track direct grafting into poly（ethylene-co-tetrafluoroethylene）（with no etching process）. The resulting “nano-structure controlled” CEMs and AEMs were found to have one-dimensional ion-conductive pathways parallel to their thickness direction, while, in contrast, most of the existing membranes exhibited ion transport in the three-dimensional random media. This is probably because the nearly columnar ionic phase with a width of tens-to-hundreds of nanometers extended through the membrane. Other excellent membrane properties for applications to fuel cells and seawater electrodialysis, e.g., high dimensional stability, should also be due to such a controlled structure. Finally, worldwide and TIARA’s recent progress in irradiation technologies are presented to pursue the possibilities for industrial applications of our new functional membranes.

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Nanofibrous materials, which are one–dimensional nanomaterials, have unique properties based on their nanoscaled-size, highly specific surface area, and highly molecular orientation. They easily form three–dimensional network structures composed of nanofiber frameworks and the interconnected pores formed between nanofibers. This network structure enables efficient ion or water transport through the network backbone and/or the network interface, and an efficient chemical reaction at the network surface. This report describes applications of the nanofibrous materials and their composites for membranes and electrolytes, including high-performance filters, separation membranes, ion-exchange membranes, and solid and quasi-solid electrolytes.

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2011年の福島第一原子力発電所の事故は福島の広範な地域を汚染したが，その後に除染がなされているために除染廃棄物が増加しており，その減容は非常に重要な課題となっている．この地域に沈着した放射性物質はセシウムであり，動電学的修復（Electrokinetic Remediation， EK）法と特異的セシウム吸着剤を用いるなら放射性セシウム汚染土を浄化して土壌再利用の可能性がある．この論文では，EK法により黒土中の天然セシウムの除去を試みた．土壌からのセシウムの脱着がEK法の効率を支配する最も重要なプロセスであった．EKのセシウム除去効率は低かったが，セシウムと土壌との相互作用に大きく依存するため，新たに土壌に付着させたセシウムイオンは天然のセシウムよりも脱着率が高かった．EKプロセスを除染された廃棄物の減容に適用するには，より有効な脱着プロセスの実現が必要である．

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2種類のポリエチレン（PE）フィルムを基材に用いて，電子線グラフト重合法を適用し，製塩用陰イオン交換膜を作製した．PEフィルムの2種類の材質は，高密度PE（HDPE）および超高分子量PE（UHMWPE）である．PEフィルムに電子線を照射した後，クロロメチルスチレン（CMS）のキシレン溶液に浸漬させて，CMSグラフト重合膜を得た．引き続き，トリメチルアミン水溶液に浸漬させることによって，膜に4級アンモニウム基を導入した．得られた陰イオン交換膜のイオン交換容量，含水率，膜抵抗，および引張強度を測定した．HDPEベース陰イオン交換膜の引張強度は3000～4000 N/cm ² ，UHMWPEベース陰イオン交換膜の引張強度は4500～6000 N/cm ² の範囲となった．いずれも現行の陰イオン交換膜Selemion^® ASAの引張強度である2500 N/cm ² を超える引張強度を有していた．本研究で作製した陰イオン交換膜を現行の陽イオン交換膜Selemion ^® CSOとペアにして電気透析槽に設置して，0.5 mol/L NaCl水溶液をモデル海水として使って濃縮性能を評価した結果，2種類のPEフィルムともSelemion^® ASAよりも高い濃縮性能を示した．UHMWPEベース陰イオン交換膜のかん水濃度はSelemion^® ASAのそれより5～10 ％高かった．

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バイポーラー膜及びイオン交換膜から構成される電気透析を用いて純炭酸水を製造する新規手法について研究を行った．電気透析槽はフィード，ストリップおよび電極室から構成され，各室は陽イオン交換膜とバイポーラー膜で仕切られている．各室に炭酸ナトリウム水溶液を満たし電気透析槽に電圧を印加すると，水解によりバイポーラー膜から水素イオンが生成し，さらに炭酸イオンと化学反応をすることで炭酸ガスを生成する．この時，同時にナトリウムイオンが脱塩されることから，炭酸ナトリウム水溶液から純炭酸水が得られる．しかし，実験中，装置内では炭酸ガスの発生はほとんど観測されなかった．このことから，本手法による炭酸ガスの吸収は主にバイポーラー膜内で進行していると推測される．

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蒸発倍率を向上させることを目的に，加熱蒸留部と非加熱蒸留部から構成される拡散式多重効用蒸留器を提案し，100 ℃で加熱される，加熱部と非加熱部の長さ比が1：1の10段効用蒸留器について，定常二次元のモデルを構築し数値解析を行った．各効用段の加熱部においては，蒸留の進行とともに溶液と凝縮水は昇温して蓄熱し，非加熱部においては放熱して温度を低下させ蒸留を継続させるとともに，溶液と凝縮水が持ち出す熱量を大幅に減少させた．この流出熱量の減少により，蒸発倍率は24 ％向上した．総蒸発速度は，加熱蒸留部の長さを基準にすると50 ％の向上，加熱部と非加熱部を合わせた長さを基準にすると25 ％の低下であった．提案型蒸留器において，濃縮倍率を2倍から4倍に増加させた場合と，溶液の供給温度を30 ℃から60 ℃に上昇させた場合について数値解析を行い，濃縮倍率と供給温度の上昇により蒸発倍率がさらに向上することを示した．

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Reverse electrodialysis（RED）is a process that can generate electric power from salinity gradients. For practical operation of a RED system, the influence of multivalent ions in the feed solutions for the system should be examined. In this study, in order to evaluate the effect of divalent ions on the RED performance more quantitatively, we have evaluated the relationship between the cation concentration in a cation exchange membrane（CEM）and molar fraction of divalent ions in a mixed solution of NaCl and MgSO ₄ . As predicted from the Donnan equilibrium theory, the partition coefficient of Mg ions in the CEM was higher than that of Na ions. It indicates that the increase of membrane resistance in the mixed solution will be mainly due to the increase in the concentration of Mg ions with low ionic mobility in the CEM.

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