| 研究課題/領域番号 |
20K12241
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
山崎 淳司 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70200649)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 未活用資源鉱物 / 環境浄化素材 / ゼオライト / 粘土鉱物 / ジオポリマー / スペクトルカメラ / 画像解析 |
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| 研究実績の概要 |
諸反応活性や賦存量および経済的優位性が認められていながら、素材原料としては未活用であり、我が国に十分な鉱量で産出する粘土鉱物、火山灰、土壌鉱物等の天然資源鉱物から、特異なイオン吸着固定特性や触媒活性を有する新規の無機環境浄化素材を探索してその調製プロセスを確立し、その効果の実用的評価法を構築する。すなわち、既存のゼオライト、粘土鉱物、層状複水酸化物等で、既存の環境浄化プロセスに利用されている規則型ナノ細孔質無機素材とは異なる、有害イオンに高選択性で回収・固定機能を有する新規無機環境浄化素材およびその合成法の候補を、従来の試行錯誤的なコンビナトリアル実験によらない、マテリアルズ・インフォマティックスを駆使した探索システムを構築し、実施した。
次に、探索で候補とされた高機能性が期待できる対象無機素材を、やはり最適候補として選択された産地の天然資源鉱物を原料として、出来る限り有機構造規定剤を使わない（SDA-free）グリーン合成法で、高収率の単相合成法を確立し、未活用の化学工学的に最適な調製プロセスの確立ができた。
さらに、得られる対象無機素材のバルク試料について、機能性を非破壊、迅速、高分解能で定量的に評価するために、ハイパースペクトルカメラおよびサーモグラフィーカメラをセットしたヒートステージ上にマウントしたバルク試料について、多波長領域２次元画像およびサーモグラフィー画像の同時収集を行い、素材組織および重金属イオンの吸着・拡散挙動を時分割で速度論的に評価する基本システムを構築した。
さらに、何種かの重金属イオンを含有する模擬排液およびVOCガスについて、本研究において作製したバルク吸着剤を最適条件で接触させ、重金属イオンおよび有害ガス分子の流動・拡散および触媒分解挙動を、時分割測定の画像解析で評価を行う基本システムを構築した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、目的物質を合成するための原材料候補として、昨年度中に各地よりサンプリングした鉱物試料についてキャラクタリゼーションを行った。そして、純度が比較的高く、目的物質合成に阻害成分が少なく、鉱量が十分でかつ採掘が容易と推定される天然資源鉱物として、鹿児島県のパミス、島根県のゼオライト尾鉱、鳥取県のアロフェン粘土、栃木県の凝灰岩を選択し、目的物質の水熱合成の出発原料としての活性評価を行った。ただし諸情報の検討は、自分の選別作業によるところが大きく、十分なAI検索の活用には至っていない。上記の出発原料を用いて、有機構造規定剤を使わず（SDA-free）、種結晶を用いた水熱合成法により、LTA、FER、CHA型ゼオライト、およびMg-Al系LDH(層状複金属水酸化物)に加えて、ジオポリマー硬化体の各単相を高収率で合成する処理条件を最適化することには成功した。しかし、昨年度に続いて、さらにEFI、型Beta型ゼオライトや、Zn、Fe等の複価数金属を骨格に有するLDHなどの高機能性素材の合成には至っていない。すなわち、マテリアルズ・インフォマティックスの基本的な検索基板システムは作製したが、対象とする高機能性素材の合成プロセスの探索に、未だ至っていない状況である。
また本年度は、ハイパースペクトルカメラに加えてサーモグラフィーカメラを導入し、500 ℃まで拘束昇温し±2 ℃で温度保持できるヒートステージ上にマウントした試料の加熱挙動について、多波長領域２次元画像とサーモグラフィーの同時記録および可視―近赤外領域のスペクトル測定が出来るシステムを作り、主に細孔内の水および重金属イオンの移動やバルク試料の形態変化を時分割で測定と解析を試み、さらに改良を重ねていることころである。
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| 今後の研究の推進方策 |
諸目的物質の調製用の原材料鉱物で、我が国内で安定した品位、物性、生産量が得られるサイトと、それを出発主原料として、対象とする高機能性環境浄化素材の最適な合成法のAI探索を実現するマテリアルズ・インフォマティックスシステムの構築を継続する。また、選択した原料鉱産物について、実際に様々の前調製と水熱合成実験による評価を行うことで、原料資源鉱物の選択と目的とする機能性素材物質のグリーン合成プロセスを、AIとシステマティックに構築するプロトコルを構築する。
また、本研究で作製したバルク試料を、環境負荷の比較的大きい重金属イオンを含有する模擬排液、またはVOCガスと接触させるラボスケールのモデル実験を実施することにより、対象イオンの拡散、吸着固定挙動および加熱による吸着材の形態変化を、マルチスペクトルカメラおよびサーモグラフィーカメラで時系列に顕微鏡画像で収集し解析するシステムを改良し、社会実装となるベンチスケール試験へつなげていく予定である。
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