新規窒素ドープ炭素材料を活用した新興汚染物質の促進酸化処理技術の開発

新型氮掺杂碳材料加速氧化处理新兴污染物技术开发

基本信息

批准号：
21F20044
负责人：
藤井学
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、新規炭素材の合成とそれを活用した新興汚染物質の促進酸化処理技術の開発に主眼を置いている。前年度の研究では、木材加工産業における廃棄物であるクラフトリグニンを主材料とし、触媒存在下での熱分解処理等を経て多孔性炭素質材料の合成を行った。研究２年目では、カーボンフォームなどの新たな多孔性炭素材の開発を行うとともに、実環境への適用を見据えた反応槽の設計や実用化において重要とされる資源・エネルギー効率の良い促進酸化処理技術の開発を行った。例えば、従来より開発されてきた促進酸化処理のフェントン法は、鉄イオンの沈殿により汚泥が大量に発生してしまうことや、反応に必要な過酸化水素などの試薬を添加しなければならないという欠点があった。そこで、上記で開発した炭素材を陰極として使用し、電気化学反応とフェントン反応を融合した電気フェントン反応の開発を行った。さらに、実用化に向けて本手法をスケールアップすることを見据え、効率的な電子移動を可能とするスイスロール電極やスムーズな酸素供給を可能とする多孔質アルミナ板を活用することにより円筒型の電気フェントン反応器を新たに作製した。新興汚染物質（カルボフラン）を用いて、除去性能を検討した結果、電極距離の短い反応槽（SR1）が最も効果的であり、陰極における電気フェントン反応ならびに陽極での酸化反応により、新興汚染物質の除去が比較的短時間で達成されることが明らかとなった。また、実環境への適用という観点から水質（pHや天然有機物）が汚染物質分解に及ぼす影響についても検討された。例えば、pHの影響に関して、酸性域においては効率的除去が達成されたものの、中性pHにおいては分解効率の低下が見られたことから、中性pHにおける本技術の活用にはラジカル生成などを維持可能な補助剤の開発など更なる検討が重要であることが示された。

本研究重点关注新型碳材料的合成以及利用其开发新兴污染物的加速氧化处理技术。去年的研究以木材加工业的废品牛皮纸木质素为主要原料，在催化剂存在下通过热分解处理合成了多孔碳质材料。在第二年的研究中，我们将开发新型多孔碳材料，例如泡沫碳，以及具有良好资源和能源效率的促进氧化，这对于反应容器的设计和实际应用具有重要意义，着眼于实际应用开发的加工技术。例如，过去开发的加速氧化处理法Fenton法，存在因铁离子沉淀而产生大量污泥、需要添加过氧化氢等试剂等缺点。有反应。因此，利用上述开发的碳材料作为阴极，我们开发了结合电化学反应和芬顿反应的电芬顿反应。此外，为了扩大这种方法的实际应用，我们开发了一种采用瑞士卷电极的圆柱形结构，可以实现高效的电子转移，并使用多孔氧化铝板来实现平稳的氧气供应，并构建了一种新型电动芬顿反应器。对新出现的污染物（克百威）的去除性能进行检查后发现，电极距离短的反应槽（SR1）最有效，阴极发生电解芬顿反应，阴极发生氧化反应。阳极可以有效去除新出现的污染物，这一点已经很明显，可以在相对较短的时间内实现去除。此外，还从应用于实际环境的角度考察了水质（pH和天然有机物）对污染物分解的影响。例如，关于pH的影响，虽然在酸性范围内实现了有效去除，但在中性pH范围内观察到分解效率下降，这表明进一步的研究（例如开发可持续的助剂）很重要。