2014 Fiscal Year Annual Research Report
先端的要素技術と膜分離の統合による水処理システムの革新
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24226012
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松井 佳彦 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00173790)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 拓 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30283401)
白崎 伸隆 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60604692)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 環境技術 / 環境材料 / 土木・環境システム / 反応・分離工学 / 水資源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．超微粒子吸着剤の評価：活性炭の粒径D50を200 nmまで微小化することに成功した．カルキ臭の原因であるトリクロラミンも微粉炭を使うことにより短時間で除去可能なこと，さらに除去はトリクロラミンの窒素ガスへの還元分解であり，遊離塩素やモノクロラミンなど消毒に有効な成分に比べて分解速度が速いため，選択的除去が可能なことを明らかにした．さらに，ヨウ化物イオンは活性炭吸着性を有しないが，塩素酸化により生じる次亜ヨウ素酸や有機態ヨウ素は活性炭吸着性があり，特に後者は活性炭粒子の外部表面への吸着であるため，微粉炭が優れた除去性を示すことを明らかにした．
２．機能型凝集剤：ヒ素をより効果的に凝集除去可能な凝集剤を検討し，凝集剤中のそれぞれの成分が有するヒ素除去性の違いを明らかにし，コロイドに近いポリマー成分がヒ素の除去に最も有効な成分であることを解明しつつある．
３．紫外線酸化プロセス：真空紫外線による1,4-ジオキサンの分解は，原水中のいくつかの共存陰イオンにより抑制され，分解阻害効果を定量化した．共存陰イオンの中では硝酸イオンから生成される亜硝酸イオンが最大阻害効果を有することも明らかにした．一方，分解副生成物については，アルデヒド濃度は増加するものの，粒状活性炭処理などでの除去が可能であった．さらに，酸化化分解物の安全性評価としてX線造影剤の酸化処理（塩素）を検討した．その結果，5種の造影剤のうちイオパミドールのみが酸化反応を受け，変異原性が発現することが明らかとなった．
４．膜処理プラント実験：セラミック膜ろ過装置を用いて，試作凝集剤による膜ろ過性の違いを検討した．溶存有機物濃度（DOC）の低い原水（豊平川）では，主たるファウリング物質がケイ素Siを含むアルミニウムであることから，塩基度を限界の９０％まで高めることにより，これまで以上に膜ファウリングを抑制しうる可能性を見出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
A.吸着処理：吸着容量増加機構と低競合吸着性の解明と超微粒子吸着材の粒度最適化．Shell Adsorption Modelを実証するとともに，吸着場の違いにより低競合吸着性が生じることを解明した．超微粒子吸着材による吸着除去性の粒度依存性を定量化することに成功し，最適粒度を示し，その粒度の吸着材を作成した．
B.凝集処理：凝集剤製造反応条件と有効成分特性およびその体系化．低アルミニウム残留性や高いウイルス除去性などを可能とするための有効成分を見出し，製造反応条件などを整理した．
C.酸化処理：基本的分解性能の把握・反応条件と成分特性の体系化・副生成物の評価・過酸化水素などによる促進酸化に関する研究はすでに終了し，成果を発表しつつあります．また，酸化分解物の安全性評価を行い，X線造影剤イオパミドールを含む水が酸化処理（塩素）を受けると変異原性が発現することを明らかにし，その変異原性に寄与する物質を推定した．
D.高度膜処理：小型・大型パイロットプラント実験．膜ろ過のファウリング原因としてSi/Al比の関与を見出し，前処理として塩基度70％以上のポリ塩化アルミニウム優位性などを解明した．
さらに，計画通りの成果に加えて，下記に記載のように当初の目的を超える研究の進展があり，予定以上の成果が見込まれる．ウイルスの吸着性や臭気物質トリクロラミンの還元反応を世界で初めて明らかにするなど，当初の計画以外の成果も得られつつある．また，東日本大震災を契機に課題が提起された放射性ヨウ素の浄水についてもいち早く取り組み，微粒度吸着材の有効性とそのメカニズム，ヨウ素の形態別吸着性を明らかにした．使用済活性炭リユースやナノ炭の製造（200 nmまでは成功）など平成27年度計画の研究にもすでに着手している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７，２８年度の計画では，A：吸着処理では微粒子化による使用済活性炭リユースと微粒子イオン交換体，B：凝集処理では機能特化型凝集剤の開発，C:酸化処理では副生成物の評価・システムの最適化，D:高度膜処理では大型パイロットプラント実験による凝集・吸着処理との併用を実施予定となっており，予定通りの方針で研究を進める．
使用済活性炭リユースについては前倒しですでに研究を開始し，使用年数が２年までの粒状活性炭は，微粉砕により，有機物の吸着による細孔入口の閉塞が解放され，吸着容量が増加すること，超微粉砕により通常の粉末活性炭と同等の性能が得られることなどが明らかにする．さらに，超微粒子活性炭を使用した場合の極低濃度の残留性を評価する．また，ヒ素除去性に必要な凝集剤の成分も解明しつつあり，機能特化型凝集剤の開発についても成果が見込まれる．真空紫外線酸化処理の副生成物の評価などは終了し，システムの最適化のために共存物質との反応も考量した反応速度の定量化を開始し，成果をまとめる．高度膜処理実験については２か所の実験フィールドで装置が稼働し，より一層，重点を置くことで成果をあげる．
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[Journal Article] Changes in mutagenicity and acute toxicity of solutions of iodinated X-ray contrast media during chlorination2015
Author(s)
Matsushita, T., Kobayashi, N., Hashizuka, M., Sakuma, H., Kondo, T., Matsui, Y. and Shirasaki, N.
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Journal Title
Chemosphere
Volume: 135
Pages: 101-107
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Mechanisms of trichloramine removal with activated carbon: Stoichiometric analysis with isotopically labelled trichloramine and theoretical analysis with a diffusion-reaction model2015
Author(s)
Sakuma, M., *Matsushita, T., Matsui, Y., Aki, A., Isaka, M. and Shirasaki, N.
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Journal Title
Water Research
Volume: 68
Pages: 839-848
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Hydraulically irreversible membrane fouling during coagulation-microfiltration and its control by using high-basicity polyaluminum chloride2015
Author(s)
Kimura, M. Saito, S., *Matsui, Y., Takahashi, T., Nakagawa, M., Shirasaki, N. and Matsushita, T.
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Journal Title
Journal of Membrane Science
Volume: 477
Pages: 115-122
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Isotope microscopy visualization of the adsorption profile of 2-methylisoborneol and geosmin in powdered activated carbon2014
Author(s)
Matsui, Y., Sakamoto, A., Nakao, S., Taniguchi, T., Matsushita, T., Shirasaki, N., Sakamoto, N. and Yurimoto, H.
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Journal Title
Environmental Science & Technology
Volume: 48
Pages: 10897-10903
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Virus removal by an in-line coagulation-ceramic microfiltration process with high-basicity polyaluminum coagulation pretreatment2014
Author(s)
Shirasaki, N., Matsushita, T., Matsui, Y., Urasaki, T., Kimura, M. and Ohno, K.
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Journal Title
Water Science and Technology: Water Supply
Volume: 14(3)
Pages: 429-437
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Where in an activated carbon particle MIB and geosmin adsorb: isotope micro-mapping2014
Author(s)
Sakamoto, A., *Matsui, Y., Nakao, S., Taniguchi, T., Shirasaki, N. and Matsushita, T.
Organizer
International Water Association World Water Congress
Place of Presentation
Lisbon, Portugal
Year and Date
2014-09-21 – 2014-09-26
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[Presentation] Lower Aluminum Concentration In Sand Bed Filtrate Than In Polymeric Membrane Filtrate2014
Author(s)
Ishikawa, T. B., *Matsui, Y., Kimura, M., Machida, K., Shirasaki, N. and Matsushita, T.
Organizer
International Water Association World Water Congress
Place of Presentation
Lisbon, Portugal
Year and Date
2014-09-21 – 2014-09-26
