土壌環境において重金属がアナターゼの表面に濃縮する要因の実験および理論計算的解明

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21865
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 鈴木 祐麻 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (00577489)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 隅本 倫徳 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (40414007)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 土壌汚染 / 重金属 / 二酸化チタン

Outline of Annual Research Achievements

土壌・底質に含まれる金属酸化物が効果的に重金属を収着し、その結果、重金属類の環境内挙動に影響を与えることは幅広く知られた知見である。しかし、二酸化チタンが重金属を効果的に収着することは知られているものの、土壌科学分野のほとんどの報告は酸化鉄あるいは酸化マンガンに着目している。その結果、重金属による土壌汚染における二酸化チタンの重要性を議論した研究例は数少ない。そしてこれらの数少ない研究例は、アナターゼが土壌・底質中において重金属の挙動に大きな影響を与えることを示唆しているが、知見の蓄積は不十分であるのが現状である。
研究１年目の昨年度は、内圏錯体と外圏錯体を組み合わせたモデルを用いて、デキシーカオリナイトと試薬のアナターゼへのプロトンとカドミウムの吸着現象のモデリングを行った。しかし、結晶面が露出したアナターゼ結晶を合成が十分に検討できなかったことが課題として挙げられた。
これらの結果を踏まえて研究2年目の今年度は、1) モンモリロナイトなどのカオリナイト以外の粘土鉱物を対象として、二酸化チタンの重要性を明らかにすること、2)結晶面が露出したアナターゼ結晶を合成して結晶面ごとに異なることが予想される重金属との親和性を評価すること を目標として研究を行った。その結果、1)については、モンモリロナイトは陽イオン交換容量が大きいために二酸化チタンに吸着するカドミウムの割合は低いが、雨などに含まれる陽イオンにより容易に溶出するため、二酸化チタンの含有量が高い方が溶出量が少ないことが明らかになった。また2)については、種々の条件で合成を試みたが文献に報告されているような生成物が得られなかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまで注目されてこなかった二酸化チタンに着目し、重金属の土壌への吸着・土壌からの溶出に二酸化チタンが及ぼす影響に関する定量的なデータを提供できたのは大きな成果と考えられる。特に、カオリナイトとモンモリロナイトという陽イオン交換容量が大きく異なる2種類の粘土鉱物の両方で二酸化チタンの含有量が重金属の吸着あるいは溶出挙動に影響を与えることが明らかにできたのは非常に有意義な知見と考える。
その一方で、結晶面が露出したアナターゼ結晶の合成については、反応時間や濃度、そして冷却速度などの因子を変化させても文献に報告されているような生成品は得られなかった。また、他の文献に基いて合成したアナターゼ粒子を濃硫酸などに晒すことにより目的とする結晶面を露出することも試みたが、納得がいく生成品は得られなかった。

このように予想以上に進捗したテーマと有意義な成果を得るのに苦労しているテーマがあるが、総合的に考えて「おおむね順調に進展している」と判断できる。

Strategy for Future Research Activity

二酸化チタンが土壌中における重金属の挙動に与える影響についてはまだまだ未解明な部分が多いため、基礎的なデータの蓄積が必要である。しかしそれと同時に、本研究で得られた知見を環境技術の開発のために役立てることも、本研究の重要な課題と考える。

Causes of Carryover

本研究は今年度で廃止とする。