Preparation of adsorbents to specifically remove ionic pollutants from water

特异性去除水中离子污染物的吸附剂的制备

基本信息

批准号：
20K05187
负责人：
町田基
金额：
$ 1.25万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は水質汚染物質，特に環境水（淡水）中に溶解している硝酸イオン，リン酸イオンのようなそれ自体が汚染物質であると同時に湖沼の富栄養化や沿岸域の貧酸素状態を引き起こすイオン性の物質（ここでは陰イオン）を選択的かつ効率的に除去するための炭素系吸着剤を開発しようとするものである。現在，硝酸・リン酸イオンといった陰イオンの吸着には専ら陰イオン交換樹脂が広く用いられているが，高分子（微粒子のプラスチック）であり耐熱性や耐酸・耐アルカリ性も十分でないため取り扱いに注意が必要である。このためイオン交換樹脂を炭素系の吸着材料で代替ができると途上国などでの利用もしやすくなる。しかしながら活性炭などの炭素系吸着剤は，水中の非イオン性の汚染物質（有機汚染物質）の吸着除去には威力を発揮するが，陰イオンとなるとイオン交換樹脂と比べて１桁低い吸着容量しか得られない。そこで私共の研究室では，活性炭（AC）や活性炭素繊維（ACF）の表面を陰イオン吸着に有利に働くように「正に帯電させること」を目的に窒素原子のドーピング（第４級窒素やアルキルアミンといった官能基の生成）を試みている。研究３年目（研究期間５年）の2022年度はこれまで取り扱ってきたポリアクリロニトリル（PAN）繊維に加えて，メラミンや尿素など含窒素化合物とグルコースやスクロース（ショ糖）などの糖を重縮合することにより窒素含有の炭素系材料の調製を試みた。さまざまな調製条件（賦活条件）を検討した結果，リン酸イオンで0.6 mmol/g 以上の吸着性能を出すことに成功した。この値はイオン交換樹脂の吸着容量の0.8 mmol/gには及ばないものの十分実用性能に達している。調製したサンプルについてＸＰＳ装置などで表面分析をした結果，炭素表面に常に正に帯電している第４級窒素が生成してリン酸イオンの吸着が促進されたと推定した。

本研究重点关注水污染物，特别是溶解在环境水（淡水）中的硝酸根离子和磷酸根离子，它们本身就是污染物，也会导致湖泊富营养化和沿海地区缺氧条件。该项目的目的是开发一种碳。基于吸附剂，可以选择性地、有效地去除引起氧化的离子物质（此处为阴离子）。目前，阴离子交换树脂广泛用于专门吸附硝酸和磷酸根离子等阴离子，但它们是聚合物（细颗粒塑料），不具有足够的耐热性、耐酸性或耐碱性，因此处理时要小心是必要的。为此，如果能用碳基吸附材料替代离子交换树脂，将更容易在发展中国家使用。然而，活性炭等碳基吸附剂虽然能有效吸附去除水中的非离子污染物（有机污染物），但其对阴离子的吸附能力比离子交换树脂低一个数量级。我听不懂。因此，在我们的实验室中，我们通过掺杂氮原子（季氮）来尝试生成烷基胺和烷基胺等官能团。 2022财年，即研究的第三年（研究周期5年），除了我们迄今为止一直在处理的聚丙烯腈（PAN）纤维外，我们还将使用三聚氰胺和尿素等含氮化合物的缩聚我们尝试用这种方法制备含氮碳基材料。在研究了各种制备条件（活化条件）后，我们成功实现了对磷酸根离子的0.6mmol/g以上的吸附性能。虽然该值未达到离子交换树脂的吸附容量0.8mmol/g，但已达到足够的实用性能。使用XPS装置对制备的样品进行表面分析，结果推测在碳表面生成了始终带正电的季氮，促进了磷酸根离子的吸附。