2018 Fiscal Year Annual Research Report
残留性有機ハロゲン化合物の低温再合成機構の解明と排出量極小化原理の確立
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17H01891
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
坪内 直人 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90333898)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 環境技術 / 環境対応 / 有害化学物質 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、炭素質物質の熱分解・燃焼・ガス化といった高温プロセス由来の有機ハロゲン化合物の低温再合成機構の解明と排出量極小化原理の構築を最大の目的に掲げ、ハロゲン化水素の発生速度の定量化、炭素のミクロ構造に基づいたハロゲン化芳香族構造の生成機構の解明ならびに有機ハロゲン化合物の生成制御技術の確立に取り組む。
平成３０年度は、高温プロセスの排ガス処理工程におけるＨＣｌと未燃炭素物質の反応による有害有機塩素化合物（前駆体）の生成機構を明らかにするため、１００～３００℃の低温域で純炭素上に１００ｐｐｍＨＣｌ/Ｎ２ガスを流通した結果、１）ＨＣｌは炭素質物質と容易に反応し、その程度は金属イオン存在下で大きく、無機塩化物、有機塩素種ならびに化学吸着したＨＣｌに変化すること、２）３００℃におけるＨＣｌ反応量と有機塩素種の生成量は、炭素活性サイトが多い試料で多い傾向にあり、表面酸素種がＨＣｌとの反応サイトとして機能することが明らかとなった。また、炭素質物質ならびにＺｎドープ炭素質物質の分子モデルに対して分子軌道計算を行ったところ、３）Ｚｎの存在によりＨＣｌ分子を化学的に吸着できるサイト数が増加する可能性があること、４）ＺｉｇｚａｇサイトではＺｎＯがＨＣｌの吸着安定性に寄与しないことが見出された。
以上より、有害有機塩素化合物はＨＣｌ（あるいはＣｌ２）と排ガス処理時に形成された炭素活性サイトおよび活性な金属種との相互作用を通して生成すると推論された。今後は、排ガス雰囲気をシミュレートした酸化性ガス中におけるＨＣｌと炭素質物質との反応挙動の解明が重要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度は、主にＨＣｌと未燃炭素物質の反応による有害有機塩素化合物（前駆体）の生成機構の解明に取り組み、炭素表面上の含酸素官能基からＣＯやＣＯ２が脱離したあとの炭素活性サイトがＨＣｌとの反応サイトとして機能することや、分子軌道計算によりＺｎＯが炭素質物質全体の電子状態に大きく影響を与えることなどを明らかにした。このように、本研究は順調に進展しており、平成３０年度に掲げた目標を充分に達成している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、前年度の成果を更に発展させ、金属ナノ粒子含有活性炭を用いる有機ハロゲン吸着除去技術の開発に取り組む。
１）金属ナノ粒子含有活性炭の作製： 活性炭の原料は可能な限り安価で、しかも、ナノ粒子の添加工程が不要であることが望ましい。このような観点から、金属イオンを元々含む低品位褐炭を原料として活用する。褐炭中の金属カチオンはイオン交換状態で高度に微分散しているので、容易にナノ粒子に転換されることは本申請者の従来研究で明白である。そこで、鉱物質組成の異なる数種の褐炭を不活性ガス中で熱分解あるいは熱分解後にＯ２賦活することで、金属ナノ粒子含有活性炭を作製する。その細孔性状は、ガス吸着量測定装置で調べ、金属の結晶形態と表面組成はＸＲＤとＸＰＳで分析する。
２）吸着性能の評価： 石英製の固定床反応管にダストあるいはアッシュを充填し、その加熱時に発生する有機ハロゲン化合物を上記の活性炭上に流通させ、この過程における有機ハロゲン化合物の濃度変化をＧＣ-ＭＳ法で分析する。得られた結果より、活性炭の有機ハロゲン吸着能を制御するキーファクター（温度・ガス雰囲気、活性炭の表面積・細孔性状、金属の種類や存在状態）を抽出し、高性能な有機ハロゲン除去剤を開発するための指針を確立する。
本研究では、低品位褐炭の高性能有機ハロゲン吸着剤への転換利用法の開発を進めるが、金属成分の量や組成の制御が重要になる可能性がある。この場合は、褐炭中の含酸素官能基が金属カチオンの吸着サイトとして機能する点に注目し、例えば安価で容易に入手可能な鉄鋼酸洗廃液や石灰水よりＦｅ３＋やＣａ２＋をイオン交換担持した褐炭を熱処理することで、ナノスケールの金属鉄やＣａＯが高度に分散した活性炭を作り、有機ハロゲン吸着能の飛躍的な向上を目指す。
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Research Products
(9 results)
