太陽光を活用した畜産環境の完全浄化及び革新的バイオガス変換システムの開拓

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H04310
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 楊 英男 筑波大学, 生命環境系, 教授 (50561007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内海 真生 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (60323250) ; 根岸 信彰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員 (90270694)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 太陽光利活用 / 畜産廃棄物 / 光メタン発酵 / 光触媒浄化 / 物質循環

Outline of Annual Research Achievements

アンモニア含有畜産廃棄物の持続可能な処理は環境創成学を基盤とする資源循環、再生可能エネルギー・バイオマス利活用など多くの分野に関わる課題であり、本研究は太陽光を活用した持続可能な畜産廃棄物の光触媒浄化及び光メタン発酵システムを開発するための研究基盤を確立することを目的として進めてきた。
2019年度は太陽光利用できる本研究室で開発した新規光触媒材料を用いて、アンモニアガスの吸着・分解実験を行い、水熱合成で生成したP/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 は最も優れたアンモニア吸着・分解効果が得られた。さらに、P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2をCPE担体材料に付着し、アンモニア吸着・分解のデバイスを製作した。そのデバイスを用いてアンモニア条件においての脱臭試験を行い、アンモニアガスが窒素と水素に分解され、脱臭・無害化が可能であることを確認できた。また、P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2とアンモニアの相互作用による活性種の同定による光触媒脱臭処理のメカニズムの解明を進めてきた。現在は以上の要素技術を統合した吸着・分解型光触媒脱臭システムの最適化を推進している。また、光照射型バイオリアクターを用いて、光照射によるメタン生成菌の活性化向上が確認された。さらに、太陽光利用できる光触媒を用いて、大腸菌など水環境における微生物の殺菌効果を検討し、通常材料より数百倍高い殺菌効果が得られ、システム処理水の循環利用と環境へ放出する前の浄化・殺菌の有効性が確認できた。
この一年間の研究成果は国際誌７報登載、特許1件、国際学会６回、国内学会１３回、うち招待講演２回の発表実績を得られた。関連成果は国際特許を申請し、また大学の産学連携を通して技術相談を行い、2社との共同研究を検討している。本業績は、当該分野のみならず、関連する環境、エネルギー、健康といった分野で、その発展に大きく寄与している。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2019年度は太陽光利用できる本研究室で開発した新規光触媒材料を用いて、アンモニアガスの吸着・分解実験を行い、水熱合成で生成したP/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 は最も優れたアンモニア吸着・分解効果が得られた。さらに、P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2をCPE担体材料に付着し、アンモニア吸着・分解のデバイスを製作した。そのデバイスを用いてアンモニア条件においての脱臭試験を行い、アンモニアガスが窒素と水素に分解され、脱臭・無害化が可能であることを確認できた。また、P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2とアンモニアの相互作用による活性種の同定による光触媒脱臭処理のメカニズムの解明を進めてきた。現在は以上の要素技術を統合した吸着・分解型光触媒脱臭システムの最適化を推進している。また、光照射型バイオリアクターを用いて、光照射によるメタン生成菌の活性化向上が確認された。さらに、太陽光利用できる光触媒を用いて、大腸菌など水環境における微生物の殺菌効果を検討し、通常材料より数百倍高い殺菌効果が得られ、システム処理水の循環利用と環境へ放出する前の浄化・殺菌の有効性が確認できた。
この一年間の研究成果は国際誌７報登載、特許1件、国際学会６回、国内学会１３回、うち招待講演２回の発表実績を得られた。関連成果は国際特許を申請し、また大学の産学連携を通して技術相談を行い、2社との共同研究を検討している。本業績は、当該分野のみならず、関連する環境、エネルギー、健康といった分野で、その発展に大きく寄与している。

Strategy for Future Research Activity

2020年度は、①太陽光を光源とした光メタン発酵におけるの光照射強度と照射時間との関係はRSM評価モデルを使って解明する。また、畜産廃棄物処理に有効なアンモニア濃度範囲の確定、光メタン発酵リアクターのガス濃度、ガス生成量、pH、アンモニア性窒素の濃度変動、TOCの除去率、微生物の活性など各項目の検討を行い、高濃度アンモニア条件でのメタン発酵における光照射の最適条件を確立する。②光メタン発酵メカニズム解明するため、 光照射強度、波長範囲、照射時間の変化によるメタン菌に与える影響を検討する。また、微生物叢変化を解析し、ATPやメタン生成菌の持つ重要な補酵素F420量の測定による微生物活性変化を把握する。それぞれの関連要素を解析し、光刺激による微生物活性化のメカニズムの解明が期待できる。③昨年度の研究で確認できた太陽光利用できる高効率P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 光触媒を用いて、実の太陽光を追跡できる光触媒リアクターを作製し、処理システムに排出した廃水の浄化・殺菌検討を行い、太陽光利用できる環境浄化システムの構築・評価を行う。

Research Products

• [Journal Article] PEG assisted P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 photocatalyst with enhanced elimination of emerging organic pollutants in salinity condition under solar light illumination. (2020)
  • Author(s): Sharma, Aditya, Liu, N., Ma, Q., Zheng, H. Y., Kawazoe, N., Chen, G., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Chemical Engineering Journal. Volume: 385 Pages: 123765
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123765
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyethylene glycol (PEG)-modified Ag/Ag2O/Ag3PO4/Bi2WO6 photocatalyst film with enhanced efficiency and stability under solar light (2020)
  • Author(s): Ma, Q., Hu, X., Liu, N., Sharma, Aditya, Zhang, C., Kawazoe, N., Chen, G., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Journal of Colloid and Interface Science. Volume: 569 Pages: 101-113
  • DOI: 10.1016/j.jcis.2020.02.064
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Solar-light-driven Photocatalyst for energy and environmental application. (2019)
  • Author(s): Liu., N, Zhu Q., Zhang, N., Wang, J., Yang, Y. N.
  • Journal Title: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Volume: 542 Pages: 012066
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/542/1/012066
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of HCO3- concentration in groundwater on TiO2 photocatalytic water purification (2019)
  • Author(s): Negishi, N., Miyazaki, Y., Kato, S., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Applied Catalysis B: Environmental Volume: 242 Pages: 449-459
  • DOI: /doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.10.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superior disinfection effect of Escherichia coli by hydrothermal synthesized TiO2-based composite photocatalyst under LED irradiation: Influence of environmental factors and disinfection mechanism (2019)
  • Author(s): Liu, N., Zhu Q., Zhang, N., Zhang, C., Kawazoe, N., Chen, G., Negishi N., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Environmental pollution Volume: 247 Pages: 847-856
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.01.082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced bio-methane production from ammonium-rich waste using eggshell-and lignite-modified zeolite (ELMZ) as a bio-adsorbent during anaerobic digestio (2019)
  • Author(s): Zhang, N., Zheng, H. Y., Hu, X. H., Zhu, Q., Stanislaus, M.S., Li, S. Y., Zhao, C. Y., Wang, Q. H., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Process Biochemistry Volume: 81 Pages: 148-155
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.procbio.2019.03.001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective and long-term continuous bio-hydrogen production by optimizing fixed-bed material in the bioreactor (2019)
  • Author(s): Zhao, C. Y., Zhang, N., Zheng, H. Y., Zhu, Q., Utsumi, M., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Process Biochemistry Volume: 83 Pages: 55-63
  • DOI: 10.1016/j.procbio.2019.04.021
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 実環境水の光触媒による浄化 (2020)
  • Author(s): 根岸 信彰・宮崎 ゆかり・石井 元揮・小浦 節子・楊 英男
  • Organizer: 日本化学会第100回年会
• [Presentation] Solar-light-driven Water Splitting for Hydrogen Evolution by A Novel TiO2 Based Photocatalyst (2020)
  • Author(s): Liu, N., Ma, Q. S., Ming, J., Negishi, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: 85th SCEJ Annual Meeting
• [Presentation] Synergistic Effect of 3D Hierarchical Microsphere TiO2 by Carbon Doping for The Photocatalytic Antibiotic Degradation (2020)
  • Author(s): Sun, X., Xu, S., Liu, N., Qi, R., Yang, Y. N.
  • Organizer: 85th SCEJ Annual Meeting
• [Presentation] Development of High Performance Graphene Oxide Modified Bi2WO6 Based Photocatalyst for Wastewater Treatment (2020)
  • Author(s): Ma, Q. S., Ming, J., Liu, N., Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Organizer: 85th SCEJ Annual Meeting
• [Presentation] Characterization and Application of Non-ionic Surfactant Assisted TiO2 Based Composite for Enhanced Degradation of Organic Pollutant in Seawater (2020)
  • Author(s): Sharma, A., Ma, Q. S., Liu, N., Zheng, H., Yang, Y. N.
  • Organizer: 85th SCEJ Annual Meeting
• [Presentation] Optimization of Intermittent-illuminated Anaerobic Bioreactor for Efficient Bio-methane Conversion from Ammonium-rich Wastes Using Response Surface Methodology (RSM) (2020)
  • Author(s): Zhu, Y., Yang, Y. N
  • Organizer: 第8回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Development of a Novel Photoreactor for Solar Light and Thermal Energy Concentration: A New Strategy to Promote Photocatalytic Water Purification Efficiency. (2020)
  • Author(s): Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Organizer: 第8回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Efficient destruction of different pathogenic microorganisms by a novel visible-light-driven TiO2-based photocatalyst (2020)
  • Author(s): Liu, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: 第8回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Super-effective visible-light-induced photocatalytic water disinfection by a novel P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 composite and its mechanism. (2019)
  • Author(s): Liu, N., Ma Q., Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Organizer: International Conference on Environmental Protection and Climate Change
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Green Route for Hydrogen Evolution from Pure Water Splitting Induced by A Solar Light Responsive Photocatalyst (2019)
  • Author(s): Liu, N., Nagai, D., Qi, R., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 2019 International Postgraduate Academic Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective Wastewater Treatment with the Developed Liner Fresnel Photocatalytic reactor (LFP) Under Real Solar Light. (2019)
  • Author(s): Zhang, C., Liu, N., Yagi, A., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 2019 International Postgraduate Academic Forum
• [Presentation] Characterization and Application of PEG modified TiO2 Based Photocatalyst for Improving Degradation of Organic Pollutant in Seawater. (2019)
  • Author(s): Sharma, A., Liu, N., Ma, Q., Zheng, H., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 2019 International Postgraduate Academic Forum
• [Presentation] Development of Hydrothermal Synthesized Polyethylene Glycol Modified P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 Photocatalyst with Enhanced Photocatalytic Activity for Wastewater Treatment Under Visible Light Irradiation. (2019)
  • Author(s): Yagi, A., Liu, N., Ma, Q., Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 2019 International Postgraduate Academic Forum,
• [Presentation] mproved Biomethane Conversion from Nitrogen-rich Waste by Optimizing Illumination Condition of Anaerobic Bioreactor (2019)
  • Author(s): Zhu, Y., Zheng, H., Zhang, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 2019 International Postgraduate Academic Forum
• [Presentation] Development of Efficient Bioenergy Conversion Process from Anaerobically Digested (2019)
  • Author(s): Zhu, Y.
  • Organizer: 第14回日本生物工学会東支部学生発表討論会
• [Presentation] Development of a linear Fresnel concentrator based novel photoreactor (LFP) for converged solar irradiation promoted photocatalysis process. (2019)
  • Author(s): Zhang, C.
  • Organizer: 第14回日本生物工学会東支部学生発表討論会
• [Presentation] Efficient Biomethane Production from Anaerobically Digested Ammonium-rich Waste Under Optimal Illumination Condition (2019)
  • Author(s): Zhu, Y., Zheng. H., Zhang, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: 71st Society for Biotechnology Annual Meeting
• [Presentation] Investigation of Solar Driven Linear Fresnel Photocatalytic Reactor (LFP) for Wastewater Treatment (2019)
  • Author(s): Zhang, C., Liu, N., Ma, Q., Yagi, A., Yang, Y. N.
  • Organizer: 71st Society for Biotechnology Annual Meeting
• [Presentation] Different Inactivation Behaviors of Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria in TiO2 Based Photocatalytic Disinfection. (2019)
  • Author(s): Liu, N., Zhang, C., Nobuaki, N., Yang, Y. N.,
  • Organizer: 71st Society for Biotechnology Annual Meeting
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光触媒粒子及びその製造方法、当該粒子を含む材料、並びに当該材料を含む製品 (2019)
  • Inventor(s): 楊英男
  • Industrial Property Rights Holder: 楊英男
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-520667