| 研究課題/領域番号 |
26410197
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| 研究機関 | 東海大学 |
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研究代表者 |
三上 一行 東海大学, 理学部, 准教授 (80433902)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 触媒 / 排水処理 / 硝酸イオン / 還元 / ギ酸 / 吸着材 / 成型体 |
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| 研究実績の概要 |
高速で高窒素選択的に硝酸イオン排水を処理する高機能触媒の開発および反応条件の確立に関して今年度は主に以下の事柄が明らかとなった。
(1) 硝酸イオン吸着能の高い木質炭化物を担体とし、これに活性成分を担持した触媒の硝酸イオン還元性能を評価した。活性金属近傍の硝酸イオン濃度が高まることで分解速度の向上や、窒素選択率の向上を期待したが、これらに関して明確な効果は得られなかった。しかし、これまで用いてきた酸化チタンを担体とした触媒では硫酸イオンやリン酸イオンなどの共存により、硝酸イオン分解速度が大きく低下していたが、この担体を用いた場合それらのイオン成分の共存による分解速度の低下が大幅に抑えられることが明らかになった。強い硝酸イオン吸着能をもつ担体を用いることにより、共存成分の影響を小さくできるという触媒開発の重要な指針が得られた。
(2) 実用化に向け、これまでの微粒子粉体状の担体から、成型体担体に変更する検討を行った。成型体として球状多孔質担体に注目し、その調製条件および活性成分の担持条件の最適化を行った。その結果、微粒子粉体を担体とした触媒に比べて触媒性能に大きな違いのない成型体触媒を調製することができた。この成型体触媒を用い流動床反応装置で試験を行い、ろ過など触媒の分離操作をすることなく連続的に排水処理ができることを実証した。
(3) 反応条件が生成物の選択性に与える影響についての検討を進めた。反応条件の変更によるアンモニウムイオンの選択率の変化は小さかったのに対し、亜酸化窒素の選択率は反応条件によって大きく変化することがわかった。新たに、ギ酸/硝酸イオン比や初期硝酸イオン濃度が低く、触媒量や硝酸イオン分解率が高い条件で亜酸化窒素の選択率が低減されることが明らかとなり、パラジウムに対する反応物量が少ない条件下で亜酸化窒素の生成を低く抑えられることがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
申請書に示した、高速で高窒素選択的に硝酸イオン排水を処理する高機能触媒の開発や反応条件の確立に関する検討は概ね予定どおり実施し、多くの新たな知見を得ることができた。また、実用の際に問題となる共存成分に対する対処方法や、成型体の利用に関して成果を得ることができた。得られた知見や成果の一部は学会ですでに発表し、また今後も発表する予定である。学術的に重要な結果がこれまでに多く得られており、この一部については学術論文への投稿の準備を進めている。
昨年度までに、実用の際問題となる共存イオンの影響について調査し、硫酸イオンやリン酸イオン共存下で硝酸イオン分解速度が大きく低下することが分かっていたが、硝酸イオンを強く吸着する担体を利用することによりその影響を低減できることを見出した。今後、触媒調製法の改良により触媒性能を向上させることができるような結果も得られてきており、有望な触媒担体を新たに見出すことができた。
連続的な処理を可能とし、耐摩耗性や触媒性能の高い成型体触媒を調製することができた。また、これまでよりも反応スケールを大きくした流動床反応装置で、開発した触媒が適用できることを実証することができた。
処理条件の検討を行い、高い効率で処理ができ、かつアンモニウムイオンや亜酸化窒素のような副生成物の発生を低く抑えて窒素を多く得るのに適した条件をより明確にすることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 硝酸イオン吸着能の高い担体を用いた触媒について、金属成分の担持条件の変更等で金属の分散状態を向上させることにより活性や窒素選択性の向上を図る。また、昨年度用いた木材炭化物以外の陰イオン交換材料（ハイドロタルサイトなど）を担体とした触媒についても評価を行う。
(2) 球状多孔質担体に活性金属を担持した触媒を用い、スケールアップした流動床反応装置で処理性能を評価する。これにより、粉体状触媒と成型体触媒の違いや、反応装置の形状の違いなどによる処理特性の違いを明らかにする。また、連続的に処理を行うことにより、成型体触媒の安定性の評価を行う。さらに、触媒性能や成型体の均一性等の向上を図る。そのうえで、実際の工業排水の処理を行い、適用可能か検証する。
(3)活性種や成分組成の変化に伴う活性や選択率の変化の要因が、どのような物性の違いによるものなのかを明確にするために、触媒の物性評価を進めていく。具体的には粒径や分布状態、還元状態など活性種の存在状態と活性・選択率の関連を調べるため、CO吸着測定やTEM観察、XRD、XPS、TPR、IR測定等を引き続き行っていく。
(4) 気相成分のより詳細な定量や、亜硝酸イオンを出発物質とした反応の実施、反応結果の速度論的な解析等により反応のメカニズムに関する検証を行う。
(5) 金属担持酸化チタン光触媒によるアンモニアおよび有機体窒素の酸化除去法と、Pd-In触媒を用いギ酸を還元剤とした硝酸イオンの還元除去法（本法）を組み合わせた窒素含有排水の総合的処理システムの適用の可能性について検証を行う。
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