有機性廃水処理のための微生物燃料電池に適する低廉で高性能なエアカソードの創製
| Project/Area Number |
23K20977
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| Project/Area Number (Other) |
21H01461 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
渡邉 智秀 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (60251120)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石飛 宏和 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00708406)
窪田 恵一 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (50707510)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
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| Keywords | 微生物燃料電池 / 有機性廃水処理 / 酸素還元反応触媒 / エアカソード / 活性炭 / 酸素還元触媒 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、微生物燃料電池（MFC）の仕組みを応用した省/創エネルギー型有機性廃水処理技術の実現を最終目標として、活性炭を原料に高活性な酸素還元反応触媒とその性能をできるだけ引き出せる触媒層を有するエアカソードの作製条件を明らかにするとともに、MFCでの使用に伴う状態変化の調査から劣化機構も検討して、有機性廃水を処理するMFCに適した低廉で高性能なエアカソードを開発する。また、アノードと組み合わせた電極モジュールを試作して有機性廃水処理の特性を把握する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に最も高いORR活性が得られた原料の組み合わせ（鉄（II）フタロシアニン、尿素および活性炭）に対し、原料の配合比率、原料の分散・混合方法ならびに活性炭添加のタイミング等の因子をそれぞれ広範に変更した試料を調製してそれらのORR活性を調べ、各因子が及ぼす影響に合わせて前年度に比べて約3.4倍の性能を有する試料の調製条件を見出した。
上記とは別に、フェロシアン化物、イミダゾールおよび活性炭を原料として高いORR活性を有する熱処理生成物を得た。また、配合率や分散・混合方法と得られた試料のORR活性との関係に加えて、試料表面に存在するほとんどの鉄がFe-Nx構造を有し、窒素はピリジン型の割合が高いことを示す結果が得られ、最適調製条件に関するさらなる検討の余地は残されているものの、より廉価な原料から高活性触媒を作製する可能性が示唆された。
エアカソードの触媒層を構成するバインダーの候補として、4種類のフッ素樹脂またはシリコーンを選んで、触媒インクを作製する過程での作業性、電極表面への保持性およびリニアスィープボルタンメントリー（LSV）によるORR活性に基づいた簡易スクリーニングによる各素材の適性の把握を試み、素材ごとに添加率が及ぼす影響が大きく異なることに加え、対照系となるナフィオンを使用したインクの場合と見かけ上遜色のない性能が得られる素材とその配合条件を実験的に明らかにした。
エアカソード、フェルト状炭素製のアノードおよびセパレータとなる多孔性PVAシートで構成される一体化電極モジュールを試作し、模擬有機性廃水へ浸漬して有機物分解除去に伴い発電することや予め硝化細菌生物膜をセパレータに形成させておくと窒素処理も可能であることを実証した。また、電極モジュールの酸素透過能やセパレータの性状が重要な因子であることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度の取り組みで高ORR活性が得られた原料構成における最適な作製条件の検討を進めることにより、大幅に性能が向上する条件を見出すことができたものの、多くの因子を広範囲に変更しながら試作と評価を行うことになって、年度当初の想定よりも時間を要した。また、より廉価な原料を使用した試作と評価を並行して実施したことも、結果的に時間を要する原因になったと思われる。そのため、得られた活性が高い試料を触媒に用いたエアカソードを作製して、それを設置したラボスケール微生物燃料電池（MFC）により出力性能を把握したり相互に性能比較する実験は、エアカソードや装置等の準備が完了する段階まで至らず、実施を翌年度へ先送りせざるを得なくなってしまった。
一方、生じた遅れによるしわ寄せが今後の研究計画へ及ぶ恐れがあることを考慮して、次年度以降に予定していた一体化電極モジュールの試作を前倒しして着手することにした。これは、電極モジュールの基本構成に関する試作などの初期段階の取り組みにおいては、高性能な触媒やエアカソード作製条件の検討との直接的な関連性が高くはなく、両者を並行して進めることが可能であるという判断に基づいている。
上記のように一部の検討項目を前倒して着手し始め、その成果も得られているものの、当初の全体計画からはやや遅れていると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の想定よりも時間を要してしまったものの、高いORR活性を有する試料の作製条件についての知見が概ね収集されたため、これを基本の触媒試料としたエアカソードの作製とそれらを設置したラボスケールMFCの準備を急ぎ、エアカソード性能に関する実証試験とエアカソード触媒層の作製条件の最適化に関わる知見を収集するための実験に注力する。そのため、より高性能な触媒を得るための調製条件も継続的に探索する余地がまだ多く残されているところであるが、検討の範囲をむやみに広げることは避け、これまでの取り組みを踏まえた原料を基本にして、できるだけ必要最小限に留める。一方、当初計画を前倒しして着手し始めた電極モジュール化の検討においては、上記の研究項目の遂行に支障が生じない範囲で、前年度における試作と実証を通じて明らかになった課題への対応や改善へ向けた試行等の取り組みを継続する。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
