| 研究課題/領域番号 |
21K12293
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| 研究機関 | 島根大学 |
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研究代表者 |
桑原 智之 島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 教授 (10397854)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 含水酸化物 / 吸着 / 陰イオン |
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| 研究実績の概要 |
多種のイオンが共存する地下水や温泉水からふっ素やほう素，砒素などの有害陰イオンを効率的に除去することを目的に，これらを選択的に吸着する吸着剤を開発する。“三元素系複合含水酸化物（TMHOs：Ternary Mixed Hydrous Oxides）”は非晶質の金属水酸化物を主要成分相としており，水酸基（OH基）を多数含有する。このOH基が有害陰イオンとイオン交換すると考えられ，OH基の増加は吸着容量の増加に寄与する。しかし，TMHOsの結晶性が増すとOH基は層状複水酸化物のように複数の金属元素に配位するため，イオン交換に寄与しなくなる可能性がある。本研究では，TMHOsが非晶質から結晶質へ移行するときにOH基の役割が変化することを利用して，OH基含有量と陰イオン吸着量の関係から結晶性の制御による吸着量向上の手法を明らかにする。
OH基量の測定に使用するNMRはMgを含有する試料を測定できないため，Mgを含有しないTMHOsを対象にOH基量を測定し，その結果を基にMg含有試料に対して考察をすることとした。2022年度は構成金属元素であるSi，Al，Mgのモル比が1：9：0と9：1：0のSAM190とSAM910を合成した。SAM190とSAM910における数種の陽・陰イオンの吸着量とpH変化の関係を検討した結果，基本的な傾向として，いずれの条件でもpHは上昇した。特にSAM190において，高濃度F-を吸着のときにpHが大きく上昇したが，同mol濃度のPO43-ではpH上昇は小さかった。PO43-のpH緩衝能を考慮する必要はあるが，PO43-とF-の吸着ではOH-の溶出量が異なり，同じ陰イオンでも吸着機構が異なることを示した。すなわち，吸着がOH-の脱着に依存する・しない吸着質が存在することから，OH量を制御することによって吸着能力を向上させることができる可能性が示された。
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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
今年度はTMHOs の吸着において，「OH-がイオン交換（吸着）の主体となる陰イオン」と，「OH-以外のイオンとのイオン交換や，その他の吸着（化学吸着や物理吸着）が主体となる陰イオン」を選別することであった。しかし，OH基量の測定をNMRで実施しようとしたところ，Mg含有試料の測定ができないことが明らかになったことから，Mgを含まないTMHOsを合成して初年度と同様にOH-の溶出と吸着の関係を評価した。まず，SAM190とSAM910を精製水に入れた場合，pHは7～7.5程度で安定する。これに対して，F-吸着時はpHがOH-の溶出が多く，最大pH8程度まで上昇した。また，PO43-はOH-の溶出が少なく，pHはほとんど上昇しなかった。したがって，OH-の溶出を引き起こすイオンとOH-の溶出が少ないイオンとしてそれぞれF-とPO43-を選別できた。なおPO43-のpH緩衝能を考慮するため，NO3-やSO42-等でも検証する必要がある。一方，NMRにより構造としてのOHとそれ以外のOHの測定は次年度に持ち越す必要が生じた。
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| 今後の研究の推進方策 |
Mgを含有するTMHOsのOH量を推定するため，NMRを使用しない方法によりOH量を推定する方法を確立する。まず，NMR によりMgを含まないTMHOs のOH量を測定する。一方，TG-DTAによりTMHOs のH2Oが減少する温度を見つけ出し，その温度で前処理を行ったTMHOs をCHNコーダーにより分析する。H量を求めることでOHの全量を算定する。CHN分析のデータとNMR分析のデータを比較することによって，簡易にかつMgを含有するTMHOs のOHの全量を明らかにできる。また，TMHOsのゼロ電荷点（ZPC）を求める際に使用する滴定法を利用して，酸消費量からもOH量を算出する方法を試みる。このとき，比較的弱い結合のOHと酸が中和されるときと，強く結合したOHが中和されるときではpHの変動が異なると推察されることから，イオン交換に寄与に係るOH量を推定する。
最終的に，OH量を増減させるためのTMHOs の合成方法をいくつか試行し，種々の陰イオンを対象に吸着試験を実施して吸着能力の制御を試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
外注するNMRによるOH量の測定が，1試料で20万円程度であるが，今年度，測定を延期したことにより次年度使用額が生じた。次年度は，延期したNMRによるOH量の測定を実施する。
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