2015 Fiscal Year Research-status Report
三元素系複合含水酸化物を用いた地下水からの有害陰イオンの除去
| Project/Area Number |
15K00583
|
|---|
| Research Institution | Shimane University |
|---|
Principal Investigator |
桑原 智之 島根大学, 生物資源科学部, 准教授 (10397854)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 利夫 島根大学, 生物資源科学部, 教授 (40170766)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 含水酸化物 / 環境材料 / 吸着 / 地下水 / 砒素 / ほう素 / ふっ素 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
地下水等に存在する低濃度の砒素，ふっ素，ほう素などの有害陰イオンを吸着除去するためには，夾雑イオンの影響を受け難い新しい吸着剤を開発する必要がある。本研究では，三元素系複合含水酸化物（三元系試料）を用いた新規有害イオン吸着剤の開発を目指し，さらなる「吸着容量の向上」と「各イオンの吸着機構」を明らかにすることを目的とした。
平成27年度は，砒素吸着量を向上できるSi-Fe-Mg系試料の組成比が明らかになり，またSi-Al-Mg系試料のほう素吸着機構の一部を解明できた。詳細は下記の通りである。
組成比を細かく設定したSi-Fe-Mg系試料の合成と構造特性の評価，単独陰イオンに対する吸着能力の評価を行った。その結果，ヒ酸・亜ヒ酸の吸着量向上には比表面積が大きく影響することがわかり，比表面積の増大にはSiまたはMgを含有することが重要であることが示された。しかし，Siの含有量が徐々に増加すると比表面積は増大してもヒ酸・亜ヒ酸の吸着量は減少する傾向が認められた。イオン選択性の指標となる分配係数（Kd）の算出では，実際の地下水を想定して計画より1/100低い濃度で実験を行った。亜ヒ酸の分配係数が極めて高く，ヒ酸も高い値であったが，リン酸の分配係数はヒ酸を上回ったことから，リン酸がヒ素の吸着を阻害する可能性が示された。
また，Si-Al-Mg系試料のほう素吸着量向上を図るため，ふっ素との吸着特性の違いを検討した。Si-Al-Mg系試料の層間の柔軟性は小さいため，ホウ酸とフッ化物イオンを同時に吸着させた場合，イオン径の大きさにより層間へ吸着の可否が決まる。本実験により，フッ化物イオンは層間へ吸着される可能性が示されたが，ホウ酸は層間へ吸着される可能性は極めて低いと判断された。しかし，ホウ酸濃度が高い場合はこれに限らないことから，低濃度と高濃度においてホウ酸の吸着機構が異なることが示された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Si-Fe-Mg系試料の砒素吸着量の増大は，組成比の変更により達成でき，高いヒ酸・亜ヒ酸吸着能力を有する組成比を明らかにした。また，阻害イオンの候補についても選択性の検討結果から明らかになった。したがって，次年度に計画している吸着等温線による評価などを順次行うことが可能である。Si-Al-Mg系試料のほう素吸着に関しては，吸着量の増加に寄与する組成や合成方法は確立できていないが，熱処理条件におけるin situ粉末X線回折を実施し，同様に層構造を有するハイドロタルサイトとの層構造の安定性の違いなどを確認できた。さらに，次年度以降に計画していた吸着機構の解明（ゼロ電荷点（PZC）の測定など）を前倒しで行い，この知見を合成方法にフィードバックして合成方法の検討を進めた。
また，吸着剤表面電位と吸着との関係を明らかにするため，前述したようにPZCの測定を開始した。PZCと溶液中のpHとの関連で吸着機構を説明できれば，次年度以降に予定しているゼータ電位の測定といった高価な機器を使用する必要がなくなるため，短期間で成果を出すことが可能である。
以上のことから，（２）おおむね順調に進展していると評価する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
おおむね順調に進展していることから，まずは計画通りに研究を実施する。すなわち，ヒ酸・亜ヒ酸それぞれの分配係数の高いSi-Fe-Mg系試料数種を選定し，吸着等温線を作成して低～高濃度域の吸着能力を評価する。また，ヒ酸・亜ヒ酸地下水に同時に存在することがあるため，実際の処理能力を把握するためには両者の混在系での評価が必要になる。そこで，ヒ酸・亜ヒ酸が同時に存在するような地下水を想定し，ヒ酸・亜ヒ酸混在系での吸着試験を行い，スペシエーション分析によるヒ酸・亜ヒ酸の吸着割合を算出する。なお，スペシエーション分析に関して，所属機関が所有するICP-MSと別途LCの接続による測定を予定しているが，使用については不透明であるため，まずは吸光光度法によるヒ酸イオンの定量分析手法につて検討する。
地下水は共存イオン種が多く，かつ濃度が砒素・ほう素の数～数十倍高いことから，これを想定して多成分が溶存する模擬液及び実際の地下水を用いて砒素・ほう素に対する吸着能力を評価し，多成分含有処理系への適用性を明らかにする。
構造に関しては，三元系試料の層間への吸着と表面への吸着を考慮し，in situ加熱装置付属の粉末X線回折装置による柔軟性の検討とTG-DTAによる熱的性質の検討を行う。また，メソポーラス及び表面への吸着を考慮し，N2ガス吸着・脱着等温線による細孔特性の検討，PZCの測定による粒子表面電荷の検討を行う。これらに加え，水中のpHに依存するイオン価数の変化（分子態含む）を考慮した有害陰イオン吸着量を評価し，HTと比較しつつ総合的に三元系試料のイオン吸着機構（対象イオン：ヒ酸・亜ヒ酸，ホウ酸，フッ化物）を明らかにする。
ただし，上記の研究を実施中にほう素吸着量の向上に関する有用な知見が得られた際には，合成方法等の見直しと再合成を順次行うほか，他の金属元素を基本構造に導入することも考慮する。
|
| Causes of Carryover |
謝金支出を予定していた学生が授業や自らの研究の都合等により研究補助ができなくなり，計画していた謝金の支出がなくなったことが一番の理由である。その他，旅費や実験器具などにおいて，当初の見積額よりも低い金額で実施や購入できたため，次年度へと繰り越した。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の計画では，既に謝金が100,000円計上してあり，十分な予算が確保できていることから，次年度使用額は物品費として使用する。
|
