| 研究課題/領域番号 |
18K04799
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| 研究機関 | 九州工業大学 |
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研究代表者 |
高須 登実男 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20264129)
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| 研究分担者 |
伊藤 秀行 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (90213074)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 排水処理 / マグネタイト生成 / 金属鉄 / 共擦り / モデル化 / 処理特性 / 操作因子 / 重金属 |
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| 研究実績の概要 |
環境保全の観点から重金属類を含有する水の浄化は重要であり、除去能力が高く、かつ簡便でコンパクトな処理法および装置が求められている。これまでに、処理対象水中で粒状の鉄を混合することで、鉄表面にマグネタイトを生成させ重金属類を吸収・吸着させるとともに、マグネタイト粒子として剥離させ反応面を連続再生し、重金属を低濃度にまで除去できることを確認した。この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、工学的見地から処理の定量評価とそれに基づく最適化が必要である。本研究では、この排水処理法における各種操作因子が処理特性に及ぼす影響を定量的に明らかにすることを目的としている。
今年度は、酸素供給を制御でき、かつ、各種の処理特性を測定できるバッチ式の小型装置を設計・製作し、実験を実施した。基準となる処理溶液として、pHを3.5に調整した硫酸水溶液 200mLを用いた。一部の条件では、処理溶液として、Znを10,100mg/L含む溶液を用いた実験も実施した。反応容器に処理液を入れ30℃に保ち、直径2mmの鉄粒を500g加え、3枚羽根を用いて混合した。撹拌速度は100と250rpmの2条件とした。
容器は密閉してあり、酸素と窒素の混合気体を容器内の気相中もしくは溶液中に供給した。混合気体の酸素濃度は0、10.5、21%の3条件として30mL/minで供給した。実験中の溶液のpH、ORP(酸化還元電位)、DO(溶存酸素濃度)を連続的に測定した。また、所定の時間で溶液をサンプリングし、鉄濃度をICP-AESで測定した。
処理によって生成した固体の性状調査を行い、どの条件においてもマグネタイトが生成していることが確認された。撹拌速度および酸素の供給速度を上げることで、固体の生成速度を上げられることが明らかになった。Zn含有溶液を処理することでZn除去が可能であることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
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、工学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。本研究では、この排水処理法における各種操作因子が処理特性に及ぼす影響を定量的に明らかにすることを目的としている。
今年度の研究では、まず、研究手法の基礎の一つとなる、詳細なデータが取得可能な小型装置を設計・製作した。特に、各種の制御と計測が可能であることに留意した。この装置を用いて、基本となる実験条件や手順といった実験方法を確立した。その上で、主に基本水溶液を対象として、操作因子の中で撹拌速度と酸素の供給速度のみの影響を調査した。
各実験条件において、処理特性としてpH,ORP,DOや、溶存 Fe および Zn 濃度の経時変化を把握した。また、生成した固体のXRD 分析により、本処理法ではマグネタイトが安定に生成されることが確認された。さらに、固体生成速度の近似式を提案し、固体生成速度は、撹拌速度の二乗に比例する項と容器に供給した混合気体の酸素濃度に比例する項との和で近似できることを明らかにした。この近似式が示す基礎現象については今後の検討事項である。吸着による除去では生成された固体量が吸着剤の量となるため、除去プロセスの評価や操作条件の設定を容易にできる貴重な情報を得たことになる。
バッチ式の小型装置を用いた実験の結果を得たことで、流通式にした場合の処理特性も推定できるようになった。一部の条件では流通式の実験でも確認したい。
また、Znを含有した溶液を用いた実験においては、処理によってZnを除去できること、また、その基本的な処理特性を確認できたが、Znの処理特性に及ぼす撹拌速度や酸素の供給速度の影響は調査できていない。
以上の状況より、研究の進行が若干遅れている点はあるものの、着実に成果を上げつつあると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度の研究で製作した小型装置と、確立した実験条件および方法を基本として、各種の操作因子が処理特性に及ぼす影響を系統的に調査していく。
操作因子としては、撹拌速度、酸素の供給速度、溶液の初期pHとDO、温度、除去対象元素とそれらの溶液中の濃度などを取り上げる。
処理特性としては、今年度と同様に、溶液中の溶存Fe濃度、pH、ORP、DO、スラリー濃度、除去対象元素の溶存濃度について調査を行う。
固体粒子の特性調査としては、XRD分析を行い、どの実験条件においてもマグネタイトが生成していることを確認した。今後は、固体中のマグネタイトの割合や他の化合物の分析が必要であるため、構造をより詳細に分析する。また、鉄および除去対象元素の濃度をICP-AES、結晶水分をTG-DTA、粒子形状をSEMを用いて調査する。必要に応じて粒子の断面についてもSEMで観察し、EDSで濃度分布を調べる。また、共擦りの効果を把握するために、回転トルクを測定し、撹拌動力として整理する。
実験により得られたデータを整理するとともに、平衡論および速度論に基づいた理論解析を実施し、現象の理解を進める。実験データに対する物質収支に基づく反応速度の解析を進め、速度パラメータの混合回転速度依存性を評価する。物質移動や電気化学的な界面反応速度の因子を考慮した反応モデルを構築することで、現象の理解と制御に関する指針を得る。
ここで、操作因子は組合せになるため、単純に組合せた場合には膨大な量の実験条件になる。また、各実験についての評価項目も多い。そのため、逐次データをまとめ、結果を参照し、また理論解析モデルも援用し、予想しながら条件と評価項目を絞って、効率的に研究を進める。得られた知見に基づいて各種操作因子が処理特性に及ぼす影響を定量的かつ系統的に明らかにする。
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