著者名: Rui M. Novais, L.H. Buruberri, M.P. Seabra, J.A. Labrincha
論文タイトル: Novel porous fly-ash containing geopolymer monoliths for lead adsorption from wastewaters
掲載誌名: Journal of Hazardous Materials
出版年: 2016
DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.jhazmat.2016.07.059
研究の背景と動機
近年、世界的な水需要の増加に伴い、水不足が深刻な社会問題となっています。2025年までに、世界人口の約3分の2が水ストレス状態に陥ると推定されています。そのため、水不足に対応するため、廃水処理と再利用が重要な課題となっています。
工業排水中の重金属は、長期間にわたる深刻な環境問題です。鉛は工業排水中の最も一般的な重金属の一つであり、人体や植物に毒性があるため、廃水からの除去が非常に重要です。重金属除去には、化学沈殿、凝集、イオン交換、吸着など様々な方法が用いられています。その中でも、吸着法はシンプルで効果が高く、低コストであることから注目されています。
活性炭、アルミナ、シリカなどの一般的な吸着剤は高い除去効率を示しますが、製造コストが高いため、幅広い用途への応用が制限されています。そのため、代替的な低コスト吸着剤の開発が求められています。
ジオポリマーは、アルミノケイ酸塩材料を強アルカリ性または強酸性のアクチベーターと混合し、比較的低い温度で合成される無機ポリマーです。ジオポリマーの化学構造は、負電荷を帯びたアルミノケイ酸塩骨格で構成されており、電荷を中和するカチオンは、溶液中のカチオンと交換することができます。このことから、ジオポリマーは吸着剤として使用できる可能性が示唆されています。
しかし、吸着剤としてのジオポリマーの利用は近年になってからであり、既存の文献は少ないです。メタカオリン系ジオポリマー[6]と石炭フライアッシュ系ジオポリマー[9]は、それぞれ約100 mg/gと80 mg/gの鉛吸着能力を示しており、ジオポリマーが重金属吸着剤として使用できる可能性が示されています。
ほとんどの研究は、ジオポリマー粉末の使用に焦点を当てており、粉末状の吸着剤は、充填層に直接使用したり、回収が容易ではありません[12, 13]。一方、ジオポリマーモノリスは、膜として充填層に直接使用できますが、驚くべきことに、この戦略はほとんど無視されてきました。
廃棄物材料は、ジオポリマーの製造における前駆体として使用されてきました（例：フライアッシュと高炉スラグ）。石炭フライアッシュ（FA）はアルミノケイ酸塩源として広く用いられていますが、バイオマスFAの組み込みはそれほど一般的ではありません。しかし、バイオマスの利用によるエネルギー生産に対する関心の高まり[14]により、生成されるバイオマスFAの量が大幅に増加しています。森林土壌への添加やセメント生産への組み込みなど、現在の管理戦略は、これらの廃棄物の大量生産に対応できていません。そのため、大量の廃棄物が埋め立て処分されています[15]。
バイオマスFAを多孔質ジオポリマーの製造に使用できることが、最近著者らによって実証されました[16]。廃水処理は、構造用および非構造用アプリケーションにおける増加する貢献者であり、ジオポリマーの製造におけるバイオマスフライアッシュの組み込みは、FAの環境への影響を軽減すると同時に、MKベースのジオポリマーと比較してジオポリマーの製造コストを削減できます。
解決できたこと
本研究では、異なる細孔構造を示す多孔質バイオマスFA含有ジオポリマーを製造し、鉛吸着剤として評価しました。本研究は、ジオポリマーモノリスを吸着剤として使用した初めての研究の一つです。多孔質ジオポリマーによるPb2+の吸着は、細孔率、接触時間、pHの関数として調べられました。
本研究の結果は、ジオポリマーの細孔率とイオン溶液のpHが鉛吸着能力に大きく影響することを示しています。ジオポリマーモノリスによる鉛吸着量は、0.95〜6.34 mglead/ggeopolymerの範囲でした。細孔率の高いジオポリマーは、鉛除去効率が優れていましたが、溶液中のpHが高いと、金属の沈殿が促進されるため、除去能力が低下しました。
これらの新規ジオポリマーモノリスは、充填層で使用でき、枯渇した場合でも簡単に回収できます。これは、粉末状の吸着剤を使用する場合と比較して、大きな利点です。
さらに、これらの製造には、バイオマスフライアッシュの再利用が含まれており、この廃棄物処分に伴う環境への影響を軽減すると同時に、吸着剤の製造コストを削減できます。
研究の貢献
Novaisらは、廃水処理における重金属汚染の課題に取り組むため、多孔質フライアッシュ含有ジオポリマーを合成し、その優れた鉛吸着能力を実証しました。この研究は、ジオポリマーの吸着特性を調査し、廃棄物材料を有効活用するための新たな道を開きました。
実世界への応用と影響
この研究で開発された多孔質フライアッシュ含有ジオポリマーモノリスは、工業排水処理における鉛吸着剤として実用的な応用が期待されます。これらのモノリスは、充填層に直接使用でき、回収も容易であるため、廃水処理プロセスを効率化することができます。
さらに、この研究は、バイオマスフライアッシュなどの廃棄物材料を有効活用することで、環境問題の解決に貢献する可能性を示しています。ジオポリマーは、従来のセメントに比べて製造時のCO2排出量が少ないため、環境負荷の低減にも役立ちます。
今後の展望と未解決の課題
今後の研究では、ジオポリマーモノリスの吸着能力をさらに向上させることが期待されています。例えば、細孔率をさらに高めることや、表面に金属イオンを捕獲する官能基を導入することが考えられます。
また、ジオポリマーモノリスの再生方法についても研究が必要です。酸性条件下では、ジオポリマーの構造が損傷し、再利用が困難になることが明らかになりました。そのため、より穏和な条件での再生方法を開発する必要があります。
学術的位置づけと読者へのインパクト
この研究は、ジオポリマーの吸着特性に関する重要な知見を提供しており、廃水処理分野におけるジオポリマーの応用可能性を大きく広げます。この研究は、専門家だけでなく、廃水処理や環境問題に関心を持つ読者にとっても有益な情報となります。
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