金属マグネシウムを用いた排水処理の開発に関する基礎研究

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420793
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 伊藤 秀行 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90213074)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高須 登実男 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20264129)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 金属マグネシウム / 排水処理 / スクラップ / 反応解析モデル

Research Abstract

環境保全の観点から排水基準の強化が進んでおり、高性能かつ簡便で低コストな排水処理法が求められている。金属Mgを用いた新しい技術による排水処理システムを多方面で実用化していくためには、工業的見地からの処理の定量評価とそれに基づく最適化が必要である。
今年度は、除去物質を含まない基本系において、Mgの酸化溶解とMg(OH)2の析出の基本現象を回分式処理試験を実施し定量評価をした。硫酸、塩酸、硝酸をpHが1，3，5になるよう精製水で希釈した溶液200mLを30℃、500rpmで撹拌しながら金属Mg 4gを添加、40minまで所定の時間毎に試料溶液を抜き取り、フィルターでろ過後、希釈してICP-AESにて溶液中のMg濃度を測定した。試料溶液のpH，ORP，DOも連続測定した。金属MgをpH 1の溶液に添加した時、pH 4まで9minで緩やかに上がり，その後3minでpH 8.5まで上がった後は40minまで徐々に上昇し、pHは10前後に到達した。いずれの酸も傾向は同じだった。溶解Mg量は、硫酸で2200mg/L、塩酸、硝酸で1100mg/Lと酸が放出する水素イオンの量と溶解Mg量は対応していた。40minでは不安定なMg(OH)2が生成し、未溶解のMgを除去後、30℃で168h熟成させるとMg(OH)2が安定化しpHの低下がみられた。
初期Ni濃度10mg/L、初期pH 1でNi除去の回分式処理試験を行った。30minでNiはほぼ100%除去され、実験終了後溶液をろ過し、ろ紙上の殿物のXRD分析でMg(OH)2とNi(OH)2が同定された。
金属Mgの水溶液中での挙動を整理するため、熱力学計算ソフトFactSageを用いて平衡計算を行った。実験データとの比較を行い、pH，ORPの絶対値が違うものの実験結果と傾向は似ており、安定域内でpH，ORPが推移していることが分かった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平衡論や速度論に基づいた理論解析および実験によって、金属Mgを用いた排水処理において各種因子が処理特性に及ぼす影響を定量的に明らかにしていくことを目的とした。
基本系の回分式処理試験とNiの回分式処理試験及び連続式処理試験を実施し、Mgの酸化溶解とMg(OH)2の析出の基本現象は、ある程度定量評価できた。しかし、得られた沈殿物のXRDおよびEPMA等を用いた性状や組成の解析が不十分なために、吸着などによる共沈の影響など、除去機構の解明が十分になされていない。
Mgの反応解析モデルの枠組みの構築は、文献を参照して行っているが、計算結果と実験結果を比較すると傾向は似ていることは分かったが、絶対値が多少異なることからまだ不足の因子があり、解析モデルの修正が必要である。構築ができれば、除去対象物質の熱力学データを取り入れて、除去処理試験条件の絞り込みが行える。
板状Mgを各水溶液に浸漬させて発生する水素ガスを捕集し、ガス発生速度より反応速度解析試験を試みた。ガス発生量は、時間に比例していた。Mg電極の質量変化も調べたが、質量変化速度に差がみられなかったが、Mg表面で生じる反応について速度と生成物の性状の観点からの調査が足りていない。また各種水溶液において自然電極電位測定、サイクリックボルタンメトリー測定の電気化学的手法で測定を実施し、反応速度因子にかかわる基本情報を取得したが、Mg表面での生成物の性状についても不明なものがあり、反応速度を定量評価するに至っていない。

Strategy for Future Research Activity

回分式処理試験を実施し、Mgの酸化溶解とMg(OH)2の析出の基本現象はある程度定量評価できたが、得られた沈殿物の性状や組成等の解析が不十分なために除去機構の解明が十分になされていない。沈殿物については、洗浄方法や乾燥方法の検討を行ってEPMAやXRDで解析を進めて除去機構の解明を行う。
各種除去対象物質(B，Zn，Cr(III)，Cr(VI)，As(III)，As(V)等)を取り上げて、構築した反応解析モデルを用いて、除去挙動を調査する。反応解析モデルで条件を絞り込んだ上で、Mg表面での反応の定量評価、Niの回分式処理試験と同様の実験を実施し、必要な速度因子の値を取得する。
大量の排液を効率的に処理するには、処理の連続化が必要になる。小型の連続式処理試験装置を作成して、各種の操作因子や試験条件の影響を調査する。連続式処理試験によるマグネシウムの基本現象の定量評価で得られる実験結果を反応解析モデルの再構築とNiの連続処理試験条件の絞り込みで得られる計算結果と比較して、必要であれば連続式処理についての反応解析モデルを再構築する。メッキ液に共存するNiとBの共存の影響、B除去に及ぼすMgCl2やMgSO4といった処理助剤の影響についても検討を行う。
除去対象物質及び共存種による除去挙動の違いを明確にする。また未知物質について、速度因子の値の迅速な取得方法を提案する。