2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of nanocarbon-TiO2 composite showing high self-regeneration capacity for water treatment
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18H01566
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉村 千洋 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (10402091)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 伸介 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80345389)
日野出 洋文 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 教授 (50165130)
佐野 大輔 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (80550368)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノカーボン / 光触媒 / 自己再生能力 / 水処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、炭素材料が持つ高い吸着特性に光触媒反応を付加し、自己再生能力の高い複合材料を開発することで、維持管理が容易で高効率な新たな水処理技術を提案することを目的としている。初年度となる今年度は主に１）ディーゼルエンジンを用いたナノ材料の合成、２）MCNTと二酸化チタンの複合材料（MNCT-TiO2）による水処理性能の評価、３）帯磁性カーボンナノチューブ（MCNT）の吸着・脱着特性の評価、４）大腸菌を用いた複合材料の殺菌効果の評価を進めた。
磁性粒子を安価に大量合成するプロセスを開発するため、軽油に鉄源としてフェロセンを溶解させた燃料を用いてディーゼルエンジンを用いて実験を行った。排ガス成分に含まれる微粒子を回収し、その物性を評価した結果、微粒子は十分な磁性とメチレンブルーに対する吸着能を有しており、磁性粒子の合成に成功した。
そして、MNCT-TiO2の配合比を変えた実験の結果、両者の重量比が1:5の場合に医薬品に対する除去性能が最大になることが分かり、また、紫外線および可視光による再生プロセスにより、有機微量汚染物質の除去性能を８割程度維持できることも示された。また、MCNTを用いて吸着・脱着実験を行った結果、その主な吸着機構はπ-π相互作用によるが，MCNTの表面は負の電荷も存在し、陽イオン成分の吸着に貢献していると考えられた．また、有機微量汚染物質の化学構造により脱着特性が異なり、アミノ基の存在が可逆性に影響している可能性も示唆された。
さらに、MCNT-TiO2を使った大腸菌の消毒実験を実施して、太陽光照射における不活化効果を定量評価した。また、MCNTによる物理的な除去又は消毒が、光触媒反応に比べて大きな役割を果たしており、複合材料の炭素含有量、比表面積、濃度がそれらの相対的な役割に影響することが示唆された。
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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
本研究では、炭素材料が持つ高い吸着特性に光触媒反応を付加し、自己再生能力の高い複合材料を開発することで、維持管理が容易で高効率な促進酸化処理を実現する新たな水処理技術を提案することを目的としている。今年度は３年計画で進めている本研究の初年度となり、低コストのナノカーボン材料の生成が可能であること、複合材料（MCNT-TiO2）の吸脱着特性、光触媒分解、自己再生能力、細菌に対する不活化効果を確認することができ、そのメカニズムの解明と配分比に着目した最適な複合材料の開発を実施した。
これらの進捗は、複合材料表面で生じる吸着および光触媒の詳細なモデル化に活用でき、さらに、２年度目以降に予定している実際の水処理環境に近い条件（二次処理水やウイルスなどを対象）での研究に対して必要不可欠な知見である。よって、初年度の研究は“おおむね順調に進展している”と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の成果に基づき、次年度以降も維持管理が容易で高効率な促進酸化処理を実現する新たな水処理技術の開発を進める。具体的には以下の内容に重点的に取り組む。
より安価にディーゼルエンジンを用いた磁性粒子の大量合成を行うために、フェロセンよりも安価な鉄原料を軽油に溶解させることで磁性粒子の合成を行い、鉄原料およびエンジンの運転条件が磁性粒子の生成量およびその物性に与える影響を調べる。また、プラズマによる磁性粒子の表面処理を行いその吸着特性へ及ぼす影響を検証する。
また、π-π相互作用による吸着を確認するために、非イオン性の染料による吸着実験を行い、表面電荷の存在を確認するために、MCNTのpoint of zero chargeを測定することで、その吸着特性の解明を進める．そして、今年度に得られた実験結果に基づき吸着および光触媒のモデル化を進めると同時に、密度汎関数理論（DFT）に基づく副生成物の構造推定、天然有機物との相互作用の解明、水中ウイルスに対する不活化効果なども実験的に調べる。これらの実験を実際の水道原水や二次処理水などを用いて実施することで、上下水道システムにおける高度処理プロセスとしての性能評価および最適化を図る。
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