2020 Fiscal Year Research-status Report
低環境負荷を指向したメソ孔性ナノ炭素繊維を用いた水環境改善プロセス技術の開発
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20K12274
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
中川 清晴 関西大学, 環境都市工学部, 教授 (50421409)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 希薄水溶液 / 電気二重層 / メソ孔 / ナノ炭素繊維 / セシウムイオン / ストロンチウムイオン / 硬水の軟水化 / 細孔径 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の水処理法である物理吸着、イオン交換、膜分離、凝集沈殿法などでは除去が困難な希薄な各種イオンを、新規メソ孔性ナノ炭素材料(2～50 nm)を合成して電極に用い、電気二重層吸着の原理を適応した省エネルギーかつ低環境負荷の新しいプロセスで水質の環境改善を目指す。
硬水の軟水化、Cs+、Sr2+などの極微量イオンの選択的かつ高度除去を行うため、本年度はメソ孔を多く持つナノ炭素繊維の合成を中心に行った。CCVD法によるメソ孔性マリモナノカーボンの合成に用いる触媒調製について、最適な金属担持量を詳細に検討した。酸化ダイヤモンド担体に担持するNiの担持量を5～15wt%で変えて合成したところ、金属担持量の増加とともに高い収率が得られ、10(MNC-10),15(MNC-15)wt%では約70%の高い収率を示した。これは、Niの担持量の増加により原料のC2H4との反応サイトが増え、反応性が向上したことが要因であると考えられる。また、Ni担持量が多いほど径の大きな細孔を有しており、MNC-15では約30nmに細孔径のピークをもち、加えて最も大きな細孔容積を持つことがわかった。
次に合成したメソ孔性炭素電極のイオン除去性能を評価するため、希薄な1.0 mM CsCl，SrCl2水溶液を用いてCV測定を行った。得られたCV曲線からMNC-10, MNC-15では希薄なイオン濃度においても左右対称なCV曲線が得られ、理想的な電気二重層(EDL)が形成されていることが確認され、希薄イオン除去に適していることがわかった。一方、MNC-5、市販のマイクロ孔性の活性炭シートではCV曲線の形が崩れており、良好なEDLが形成されていないことがわかった。このことから、一般的に希薄水では拡散二重層が厚くなり細孔内でEDLが形成しにくくなるが、大きなメソ孔内では理想的なEDLが形成されたと考えられる．
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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
本年度の目標であるメソ孔性ナノ炭素繊維（マリモナノカーボン）に合成において、約30nmに細孔径ピークをもち、かつ細孔容積の大きな炭素材料の合成に成功した。
メソ孔性の大きなナノ炭素材料は、電気二重層吸着の電極に使用した際に、希薄イオン水溶液に対して良好な電気二重層を形成し、希薄イオンの除去に優れた性能を持つことが示唆された。この結果は一般的に使用されている電極剤と比較しても高い電極性能を示すことがわかった。
また、メソ孔容積が大きいものでは細孔内での物質移動に良好であり、他の電極反応である燃料電池の電極材料として応用した場合においても、優れた適正があることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
二年目は、大きなメソ孔を持つナノ炭素繊維の合成に成功し、希薄溶液中での優れた電極性能を有することが示唆されたので、希薄イオンの通液実験によるイオンの除去やセシウムイオン、ストロンチウムイオンのほかにカルシウムイオンやマグネシウムイオンを含む硬水の軟水化を行う。
加えて、一般的に使用されているマイクロ孔性の電極材料と比較して、メソ孔性炭素は電極内での物質移動が容易であり、合成したマリモナノカーボンはナノ炭素繊維で構成されているので、金属担持触媒の担体材料としても期待できる。本研究の目的であるメソ孔性炭素材料の用途を拡げるため、並行して燃料電池の電極材料としての評価も行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、学会発表がオンライン開催になったため当初予定していた旅費の使用がなくなったため。
次年度使用額を試薬などの消耗品に充てる予定。
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