(57)【要約】【課題】耐久性の問題がなく、波浪や水流などの力を受けながらも自然界の河川、湖沼などの水中で、長期的な生物膜の形成を達成できる生物膜形成方法とその方法に使用される生物膜形成材を提供する。【解決手段】有機材料のマトリックス材と、マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部がマトリックス材表面に露出している炭素繊維を有した複合材を水中に配置する生物膜形成方法であり、また、有機材料のマトリックス材と、マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部がマトリックス材表面に露出している単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下の炭素繊維とからなり、マトリックス材と炭素繊維の複合比率（体積％）が炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０であり、かつマトリックス材表面に露出している炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）が１０％以上７０％以下の複合材料からなる生物膜形成材。  炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している炭素繊維を有した複合材を水中に配置することを特徴とする生物膜形成方法。
【請求項２】
前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維が、その繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄが、前記マトリックス材表面から該複合材の内層部に入り込んだ位置にあって前記マトリックス材表面に露出しているものであることを特徴とする請求項１記載の生物膜形成方法。
【請求項３】
前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維が、その繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄの径Ｄ（μｍ）と、該横断面における表面露出幅Ｗ（μｍ）の比が、０．１≦Ｗ／Ｄ≦０．９５のものであることを特徴とする請求項１または２記載の生物膜形成方法。
【請求項４】
前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維の露出部分が、マトリックス材表面から凸状を呈して露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項５】
前記複合材が、前記マトリックス材と前記炭素繊維の複合比率（体積％）で、炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項６】
前記マトリックス材表面上に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ（％）が１０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の生物膜形成方法。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出部投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
【請求項７】
前記炭素繊維が、単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下のものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項８】
前記マトリックス材が、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂のいずれかの熱硬化性樹脂、または、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂およびポリエチレン樹脂のいずれかの熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項９】
水質浄化をするために生物膜を形成させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項１０】
藻場・魚礁の形成のために生物膜を形成させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【請求項１１】
有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下の炭素繊維とからなり、前記マトリックス材と前記炭素繊維の複合比率（体積％）が炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０であり、かつ前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ（％）が、１０％以上７０％以下である複合材料からなることを特徴とする生物膜形成材。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
【請求項１２】
前記複合材料が、立体的構造をなして前記生物膜形成材を形成していることを特徴とする請求項１１記載の生物膜形成材。
【請求項１３】
前記請求項１１または１２記載の生物膜形成材が破砕されて、該破砕された生物膜形成材が他の母材中に混入されて生物膜形成構造物を構成していることを特徴とする請求項１１または１２記載の生物膜形成材。
【請求項１４】
水質浄化をするための生物膜を形成することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の生物膜形成材。
【請求項１５】
藻場・魚礁の形成のための生物膜を形成することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の生物膜形成材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中における生物膜形成方法および生物膜形成材に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、水中において特定の複合材を用いて行う生物膜の形成方法、さらにその方法に最適に使用することができる生物膜形成材に関するものである。
【０００３】
本発明の生物膜形成方法は、担持され形成された生物膜が有する固有の機能を応用して、例えば、代表的には、環境水、産業用水などの水質浄化をする方法、あるいは自然界や水産養殖等の分野での藻場・魚礁の形成方法として具体化され得るものである。
【０００４】
さらに、本発明の生物膜形成材は、それらの方法に、長期にわたり良好に効果を発揮させて使用することができる水質浄化材、あるいは藻場・魚礁の形成材として具体化され得るものである。
【背景技術】
【０００５】
近年、河川や池、湖沼の水の浄化などの環境水の浄化や産業排水の水質浄化が世界的に注目され、水質浄化技術の進展が要請されるようになっている。
【０００６】
環境水の水質を浄化する方法としては、さまざまな手法が提案され、実施もされてきている。例えば、水中に空気（酸素）を吹き込み曝気する方法、汚濁物を分解する菌を投入する方法、あるいは水生植物を繁殖させる方法などがある。
【０００７】
しかし、いずれの方法もエネルギーや菌や薬品などが必要となるものである。また、水生植物を使用する場合には、枯渇した植物の処置などの問題があり、環境水浄化の決定的な方法となっていないのが実状である。環境水の汚染・汚濁は、地球上のどこかで今日でも進行しているが、その場所は、上記したエネルギー、菌や薬品などを直ちに使用できる場所や環境下にあるとは必ずしも限らない。
【０００８】
このようなことから、環境水中に溶解している汚染物・汚濁物を除去するに際して、安価でかつエネルギーを消費しない、また化学薬品等を使用しない方法の実現が切望されているが、これまでに見出されていないのが実状である。
【０００９】
一方、本発明者らが先に提案した手法として、炭素繊維を水浄化機能を持つ生物膜の担体や微生物の固定化手段として使用する方法がある（特許文献１−２）。
【００１０】
また、本発明者らは先に、炭素繊維を魚介類の餌等になる微生物膜の担体・固定化手段として使用し、当該地での魚礁や藻場の形成を行う方法も提案している（特許文献３）。
【００１１】
一方、炭素繊維を強化材として用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によりハニカム構造体を形成し、そのハニカム構造体の空隙部にクリノ鉱石を細粒状に粉砕して充填するとともに、そのハニカム構造体の空隙部が開口している両端面を透水可能な濾過フィルタにより閉塞し、そのハニカム構造体を樹脂パイプの途中に挿入配置させたという水質浄化装置の提案がされている（特許文献４）。
【００１２】
しかし、特許文献１、同２、同３に記載されている提案では、炭素繊維の集合体の機械的・物理的な耐久性という問題があり、自然界の河川、湖沼などの水質浄化には波浪や水流などの力を受けながらの長期的な使用が要請されるところ、そうした長期使用には難しく、結局、期待する水質浄化を得ることが難しいという面があった。特に、その炭素繊維の集合体を水中から取り出して洗浄をしたい場合があるが、通常、炭素繊維集合体は、この種の部材で行われる清浄水を高圧で使用する逆洗方式による洗浄には、機械的・物理的の点で耐えることができず、その点でも長期的な使用には適さないものであった。
【００１３】
また、特許文献４に提案されている水質浄化装置は、その構成部品である樹脂パイプの途中などに挿入配置されるものであり、無限に広大な自然界の湖沼や河川などの浄化に自在に適合させてかつ効果的な配置による使用は全く期待ができず、適用対象としての水環境や具体的用途には自ずと限界があるものであった。なお、この特許文献４で使用するとされている「炭素繊維強化プラスチック」は、一般に、その表面は、マトリックス樹脂で完全に覆われている、あるいは、必要に応じてその上にさらに紫外線遮蔽のため被覆樹脂でも被われているものである。したがって、炭素繊維が該炭素繊維強化プラスチックの外表面上に露出していることはなく、その内部に完全に埋没している点で、上記の特許文献１−３における炭素繊維の機能（炭素繊維が、生物膜の担体・固定化手段として使用されている）を有し得ないものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平８−２９０１９１号公報
【特許文献２】特開２００２−８６１７８号公報
【特許文献３】特開２００１−１３６８６１号公報
【特許文献４】特開平９−１５５３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したような点に鑑み、本発明の目的は、水中での過酷な使用でも長期にわたり良好に効果を維持・発揮できて、機械的・物理的な耐久性という問題がない生物膜形成方法と生物膜形成材を提供することにある。
【００１６】
本発明の目的は、その生物膜形成方法の応用用途として、例えば、波浪や水流などの力を受けながらも長期にわたり効果を発揮させて自然界の河川、湖沼、池などでの環境水、産業用水などの水質浄化をする方法として、あるいは、自然界や水産養殖等の分野での藻場・魚礁の形成方法として、応用することができる生物膜形成方法を提供せんとするものである。
【００１７】
また、それらの方法に長期にわたり良好に効果を発揮させて使用することができ、水質浄化材あるいは藻場・魚礁の形成材として応用することのできる生物膜形成材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記した目的を達成する本発明の生物膜形成方法は、以下の（１）の構成を有する。
（１）有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している炭素繊維を有した複合材を水中に配置することを特徴とする生物膜形成方法。
【００１９】
また、かかる本発明の水質浄化方法において、以下の（２）〜（１０）のいずれかの構成を有するのが好ましい。
（２）前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維が、その繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄが、前記マトリックス材表面から該複合材の内層部に入り込んだ位置にあって前記マトリックス材表面に露出しているものであることを特徴とする上記（１）記載の生物膜形成方法。
（３）前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維が、その繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄの径Ｄ（μｍ）と、該横断面における表面露出幅Ｗ（μｍ）の比が、０．１≦Ｗ／Ｄ≦０．９５のものであることを特徴とする上記（１）または（２）記載の生物膜形成方法。
（４）前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維の露出部分が、マトリックス材表面から凸状を呈して露出していることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
（５）前記複合材が、前記マトリックス材と前記炭素繊維の複合比率（体積％）で、炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０のものであることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
（６）前記マトリックス材表面上に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ（％）が１０％以上７０％以下であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出部投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
（７）前記炭素繊維が、単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下のものであることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
（８）前記マトリックス材が、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂のいずれかの熱硬化性樹脂、または、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂およびポリエチレン樹脂のいずれかの熱可塑性樹脂であることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
（９）水質浄化をするために生物膜を形成させることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
（１０）藻場・魚礁の形成のために生物膜を形成させることを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の生物膜形成方法。
【００２０】
また、上記した目的を達成する本発明の生物膜形成材は、以下の（１１）の構成を有する。
（１１）有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下の炭素繊維とからなり、前記マトリックス材と前記炭素繊維の複合比率（体積％）が炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０であり、かつ前記マトリックス材表面に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ（％）が、１０％以上７０％以下である複合材料からなることを特徴とする生物膜形成材。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
【００２１】
また、かかる本発明の生物膜形成材において、以下の（１２）〜（１５）のいずれかの構成を有するのが好ましい。
（１２）前記複合材料が、立体的構造をなして前記生物膜形成材を形成していることを特徴とする上記（１１）記載の生物膜形成材。
（１３）上記（１１）または（１２）記載の生物膜形成材が破砕されて、該破砕された生物膜形成材が他の母材中に混入されて生物膜形成構造物を構成していることを特徴とする上記（１１）または（１２）記載の生物膜形成材。
（１４）水質浄化をするための生物膜を形成することを特徴とする上記（１１）〜（１３）のいずれかに記載の生物膜形成材。
（１５）藻場・魚礁の形成のための生物膜を形成することを特徴とする上記（１１）〜（１３）のいずれかに記載の生物膜形成材。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に係る本発明によれば、物理的・機械的な耐久性という問題が実際上なく、水中において長期間にわたり生物膜の形成をすることができる生物膜の形成方法が提供される。
【００２３】
請求項２〜８のいずれかに係る本発明の生物膜の形成方法によれば、上記した請求項１に係る発明の効果を有するとともに、その効果がより明確で大きい生物膜の形成方法が提供される。
【００２４】
請求項９に係る本発明によれば、請求項１〜８のいずれかに係る生物膜の形成方法をさらに具体化したものとして、環境水、産業用水などの水質浄化をする方法が提供される。
【００２５】
請求項１０に係る本発明によれば、請求項１〜８のいずれかに係る生物膜の形成方法をさらに具体化したものとして、藻場・魚礁を形成する方法が提供される。
【００２６】
請求項１１に係る本発明によれば、水中での過酷な使用でも長期にわたり良好に効果を維持・発揮できて、機械的・物理的な耐久性という問題がない請求項１〜８のいずれかに係る生物膜の形成方法の実施に使用される生物膜形成材が提供される。
【００２７】
請求項１２〜１３のいずれかに係る本発明によれば、請求項１１に係る生物膜の形成材をさらに具体化した、かつ、請求項１〜８のいずれかに係る生物膜の形成方法の実施に好適に使用され得る生物膜形成材が提供される。
【００２８】
請求項１４に係る本発明によれば、請求項１１〜１３のいずれかに係る生物膜の形成材をさらに具体化したものとして、環境水、産業用水などの水質浄化材が提供される。
【００２９】
請求項１５に係る本発明によれば、請求項１１〜１３のいずれかに係る生物膜の形成材をさらに具体化したものとして、藻場、魚礁の形成材が提供される。
【００３０】
請求項１〜１５に係る本発明のいずれにおいても、用いられる複合材は逆洗も可能であるので、その点でも長期の使用に適合する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の生物膜の形成方法に使用される生物膜形成材１を構成する複合材２の表面Ｓの状態の例をモデル的に説明する一部破砕断面斜視図である。
【図２】本発明の生物膜の形成方法に使用される生物膜形成材１を構成する複合材２の表面Ｓの状態の他の例をモデル的に説明する一部破砕断面斜視図である。
【図３】本発明の生物膜の形成方法に使用される生物膜形成材において炭素繊維が露出している形態の各種の例をモデル的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、更に詳しく本発明の生物膜の形成方法について説明する。
【００３３】
本発明の生物膜の形成方法は、有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している炭素繊維を有した複合材を水中に配置することを特徴とする。
【００３４】
本発明者らの知見によれば、前述した特許文献１、同２、同３等にも記載され知られているように、炭素繊維は生物親和性、生体親和性が高く、自然環境に適合した生物膜担体として優れている。その理由は、炭素繊維はプラスの電荷を帯びやすく、マイナスの電荷を帯びやすい生物、微生物が付着しやすいものであり、炭素繊維への生物膜の定着度が高いことによると考えられている。また、炭素繊維は、性状的にも該炭素繊維のフィラメントが水中で揺動することにより、見かけ上の炭素繊維の表面積が大きく、その点でも生物膜担体として優れていると考えられるものである。
【００３５】
しかし、一方で炭素繊維を、その繊維束のままで水中に配置したとしても、数年以上などの長期間にわたり、生物膜担体として所期の機能を継続して発揮するのは、配置した周辺環境などによっては、切断されてしまい消失するという耐久性の問題があった。
【００３６】
本発明ではそうした部材としての耐久性の問題を解決するものであり、有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包され、かつ少なくともその一部が該マトリックス材表面に露出している炭素繊維を有した複合材を水中に配置して使用することとして解決した。
【００３７】
本発明の生物膜形成方法は、数ヶ月あるいは数年間さらにはそれ以上の長期にわたり生物膜形成効果を持続的に発揮させたいときに有効である。炭素繊維を含有した複合材としたことにより長期間にわたる使用にも耐えることができるようになるからである。これに対して、数日もしくは数週間などの比較的短期間での即効的な効果を期待して、かつ長期間の水質浄化の持続効果を期待しないのであれば、炭素繊維は、それが含有された複合材とせずに、その束状などで使用する方が良いのであり、本発明の生物膜形成方法のようにする必要はない。
【００３８】
複合材を構成する有機材料のマトリックス材は、好ましくは、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂のいずれかの熱硬化性樹脂、または、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂およびポリエチレン樹脂のいずれかの熱可塑性樹脂を使用するのが、耐久性、強度の点などから良い。マトリックス材が無機材料である場合には、生物親和性が低い、脆性で壊れやすい、あるいは断面が鋭利で炭素繊維を切断しやすいことなどから、使用することは不向きである。
【００３９】
マトリックス材を構成する樹脂は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂あるいは人工もしくは天然のゴム系樹脂などを使用でき、上述したエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などは強度的にも優れ、最も好ましいものである。
【００４０】
複合材を構成する炭素繊維は、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出しているようにされていることが肝要である。炭素繊維は、複合材の表面上に露出して存在し、生物親和性、生体親和性を発揮し、該複合材の全体に生物膜担体として機能させる役目を果たすからである。
【００４１】
図１、図２は、いずれも本発明の生物膜形成方法に使用される生物膜形成材１を構成する複合材２の表面Ｓの状態をモデル的に説明する一部破砕断面斜視図である。
【００４２】
炭素繊維３は、複合材２のマトリックス材の表面４に露出して存在している。なお、複合材２の内部には、表面に露出していない炭素繊維５がマトリックス材中に埋包されて多数存在している。図１、図２に斜線を引いて示しているのが炭素繊維３の露出部である。
【００４３】
露出している炭素繊維３は、図１、図２に示したように、その繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄが、マトリックス材表面４から複合材２の内層部に入り込んだ位置にあってかつマトリックス材表面４に露出していることが好ましい。このように最大径部ｄがマトリックス材中に埋包されて存在すると、表面に露出している炭素繊維３が複合材（生物膜形成材）から脱落しにくく、長期にわたり本発明の効果を維持できるので好ましい。
【００４４】
露出している炭素繊維の露出面の形態は、図１に示したようにマトリックス材表面４から円弧形などの凸状形態を呈しても良く、あるいは、図２に示したようにマトリックス材表面４と同一平面をなすフラットな形態でもよい。
【００４５】
図３は炭素繊維が露出している形態の各種の例をモデル的に示した断面図であり、（ａ）は露出している炭素繊維３がその横断面の円形を維持し保っている例、（ｂ）は露出している炭素繊維３がマトリックス材２の表面４より上の位置ではフラットな状態で露出している例、（ｃ）は露出している炭素繊維３が、図（ａ）と（ｂ）の中間レベルで横断面が楕円状を形成しているものである。
【００４６】
図３（ａ）に示した形態は、マトリックス材を、サンドブラスト法で除去したりあるいは薬剤で溶出させることにより炭素繊維３を残してマトリックス材を除去することによって得ることができる。図３（ｂ）に示した形態は、一般的なＣＦＲＰ等の複合材の表面を、旋盤（刃物）などを用いてマトリックス材４と炭素繊維３の双方を削り取る等の手段により得ることができる。図３（ｃ）に示した形態は、図（ａ）、（ｂ）の中間的レベルであり、炭素繊維も多少減摩されているものであり、このような形態のものはサンドブラスト法で複合材表面に適宜なサンド（サンド種、サンド粒子径）を当てることにより得ることができる。
【００４７】
露出している炭素繊維３は、図３（ａ）〜（ｃ）に示したようにその繊維軸方向と垂直な横断面における最大径部ｄでの径Ｄ（μｍ）と、該横断面における炭素繊維の表面露出幅Ｗ（μｍ）の比が０．１≦Ｗ／Ｄ≦０．９５の範囲内であることが好ましい。該値が０．１よりも小さいと、露出割合が少なく生物膜の担体としての効果は小さくなるので好ましくなく、また、０．９５よりも大きい場合には、炭素繊維の脱落が発生しやすくなり、生物膜の担体としての効果の持続性・耐久性が乏しくなるので好ましくない。
【００４８】
該Ｗ／Ｄの比率のより好ましい範囲は、生物膜の担体としての効果および炭素繊維の脱落防止効果をより高く得ることができるという点から、０．２≦Ｗ／Ｄ≦０．９である。
【００４９】
複合材は、マトリックス材と炭素繊維の複合比率（体積％）で、炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０のものであることが好ましい。あるレベル以上で炭素繊維が含有されていないと表面に所期の割合で露出させることが難しく、本発明の効果が得られ難いからである。
【００５０】
炭素繊維の単繊維単独での露出形態については、以上のとおりであるが、また、マトリックス材表面上に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ
（％）も一定の範囲内であることが好ましく、該露出面積比率Ｒ（％）が１０％以上７０％以下であることが好ましい。生物膜の担体としての効果および炭素繊維の脱落防止効果をバランス良く発揮することができるからである。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出部投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
【００５１】
ここで、炭素繊維の露出部投影面積、複合材の投影全面積とは、複合材表面を平面方向から投影視してみたときのそれぞれの面積をいう。すなわち、図１のように円弧形になって露出している場合でも、その凸状の表面積を（ａ）式の算出に使用するのではなく、該凸状の底面積を使用するものである。
【００５２】
炭素繊維は、単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下のものを使用するのが一般的で好ましい。したがって、図３（ａ）に示した炭素繊維の露出部高さＨは、通常２〜４μｍ程度が好ましいものである。ただし、該露出部高さＨは、図３（ｂ）に示した態様のように０（ゼロ）であってもよく、また、炭素繊維が露出していれば良いのであり、多少窪んだマイナス高さを呈する態様のものであってもよい。
【００５３】
炭素繊維の性状は、長繊維（フィラメント）、短繊維（ステープル）、チョップドファィバー、ミルドファイバー、あるいはカーボンナノチューブ状などでもよく、さらに、繊維構造物としては、撚糸状、織物状、不織布状などであってもよい。また、プリカーサーサとの関係では、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、あるいはカイノール炭素繊維などを使用することができる。短繊維である場合は、繊維長は、好ましくは０．１〜２ｍｍであり、より好ましくは０．２〜１ｍｍである。本発明では、炭素繊維はマトリックス材に埋設されて複合材を構成するので、比較的短めの短繊維であっても脱落という問題は少なく、上述した範囲が好適である。
【００５４】
複合材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）として製造された成形品を使用することができ、さらに、該成形品を２次的に構築した構造物、該成形品を分断や破砕したものなどを使用できる。あるいは、他の用途を本来持ったＣＦＲＰ成形品としての使用を終了した後のリサイクルユース品、あるいは、他の用途を持ったＣＦＲＰ成形品の製造ラインから出た不合格品や規格外品などであっても利用することができる。
【００５５】
ただし、通常の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）では、炭素繊維が表面に露出されて形成されていることはないので、複合材表面のマトリックス材を何らかの手段で除去して使用することが重要なものであり、例えば、前述した、サンドブラスト法やサンドペーパーの摺接によるマトリックス材またはマトリックス材と炭素繊維の一部の除去方式（目荒らし加工）、あるいは薬剤を使用してのマトリックス材溶出方式、旋盤（刃物）を使用してのマトリックス材と炭素繊維の双方の切削をする方式などにより、炭素繊維の一部を表面に露出させることが重要である。
【００５６】
複合材の形態は、特に限定されるものではないが、基本形態としては、伸線状、棒状、板状、パイプ状などのいずれかとするのが良く、さらに、多面体、中空体であってもよく、さらに、立体成形体、網状、格子状などの形態、さらにそれらを組み立てた二次元構造体あるいは三次元構造体のいずれであってもよい。
【００５７】
複合材の表面性状は、炭素繊維を表面に露出させていることに加えて、更に特に限定されるものではないが、その複合材の表面が全体として、平滑面、粗面、微細凹凸面、マクロ凹凸面、剣山状、多孔状、あるいはハニカム構造状などのいずれを呈するものでもよい。水との接触表面積を大きくできる点では、平滑な表面であるよりも、粗面や凹凸を有する面、剣山状、多孔状あるいはハニカム構造状を呈した面などであることが好ましい。
【００５８】
複合材の表面には親水化処理を施すと、被処理水が生物膜と接触することが多くなるので、浄化の効率が上がることから好ましい。例えば、薬液酸化処理、空気酸化処理、プラズマ処理などによる親水化処理を行うことができる。
【００５９】
複合材は、それ自体が単一の成形物、成形体として形成されているものでなくとも良く、例えば、コンクリート二次製品、コンクリート建造物、河岸または海岸の構築物の表面、コンクリート製等のタンクの内表面、水槽の内表面、大口径パイプの内表面などの大型構造物、重量物の外表面または内表面等の基材（母材）表面に、チョップドファィバーあるいはミルドファイバーなどのごく小寸法の炭素繊維と有機材料マトリックス材（熱可塑性、熱硬化性の合成樹脂等）の混合物をスプレーアップガンで吹き付けることにより、不定形の複合材を基材表面に形成してもよい。あるいは、同様に基材の表面に、本発明にかかる複合材たるＣＦＲＰフィルムを貼り付けて、本発明の複合材を基材表面に形成してもよい。
【００６０】
本発明の生物膜形成方法に最適に使用される生物膜形成材は、上述した説明から明らかなように、有機材料のマトリックス材と、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している単繊維直径が５μｍ以上１０μｍ以下の炭素繊維とからなり、該マトリックス材と該炭素繊維の複合比率（体積％）が炭素繊維／マトリックス材＝２０〜７０／８０〜３０であり、かつマトリックス材表面に露出している炭素繊維の下記（ａ）式で求められる露出面積比率Ｒ（％）が、１０％以上７０％以下である複合材料からなる生物膜形成材である。
炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝｛（炭素繊維の露出投影面積）／（複合材の投影全面積）｝×１００      ……（ａ）
【００６１】
該複合材料は、立体的構造物をなして生物膜形成材としての構造物を形成していることも好ましい。また、該生物膜形成材が破砕されて、該破砕された生物膜形成材が他のコンクリートなどの母材中に混入されて生物膜形成構造物を構成することも好ましい。例えば、該破砕された本発明にかかる生物膜形成材を、コンクリート建造物の表面に混在するようにして、コンクリートを母材にして混入させて構造物を形成してもよい。
【００６２】
本発明の生物膜の形成方法は、特に限定されないが、さらに具体化したものとして、環境水、産業用水などの水質浄化をする方法として応用することができる。あるいは、藻場・魚礁を形成する方法として応用することができる。
【００６３】
本発明の生物膜の形成材は、特に限定されないが、さらに具体化したものとして、環境水、産業用水などの水質浄化材として応用することができる。あるいは、藻場・魚礁を形成材として応用することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例に基づいて本発明に係る生物膜の形成方法および生物膜の形成材の具体的構成、効果について説明する。
【００６５】
なお、本発明において、炭素繊維の最大径部の直径Ｄ、表面露出幅Ｗ、露出面積比率Ｒは、それぞれ以下のようにして求めたものである。ｎ数はそれぞれｎ＝３として、平均値として求めた。
（ａ）炭素繊維の最大径部の直径Ｄ：
複合材の表面に垂直な切断面を顕微鏡観察して、顕微鏡画面内で実測して求めた。
（ｂ）表面露出幅Ｗ：
複合材の表面に垂直な切断面を顕微鏡観察して、顕微鏡画面内で実測して求めた。
（ｃ）露出面積比率Ｒ：
複合材の表面を垂直上方から顕微鏡撮影して、「ある表面積」当たりの炭素繊維露出部の面積を求めて算出した。通常は、電子情報による画像処理法で露出面積比率Ｒ値を求めることができるる。「ある表面積」は、一方向材や繊維がランダム配置されているマット材などでは、一般に炭素繊維の直径が１０μｍ以下なので、０．１ｍｍ×０．１ｍｍ程度あればよい。繊維が織物をなしている場合には、織物の折り目間隔を１つ以上含んで「ある表面積」を決める。一般的には、３〜５ｍｍ×３〜５ｍｍ程度として測定する。
【００６６】
なお、炭素繊維が密集して露出している部分と、全く露出していない部分が混在する場合は、密集して露出している部分だけでの露出面積比率を精密に求め、その上で、全面積中での該密集して露出している部分の面積比率をかけて、全体での露出面積比率Ｒを求めるような手法を適宜に採用する。
実施例１
ＣＦＲＰ材が、微生物を付着する担持能力を保有し、かつ水質浄化能力の有無についての確認をする試験を行った。
【００６７】
試験に供したＣＦＲＰ材は、有機材料のマトリックス材としてエポキシ樹脂を使用し、該マトリックス材中に埋包されかつ少なくとも一部が該マトリックス材表面に露出している単繊維直径７μｍの炭素繊維を有しているものである。
【００６８】
該炭素繊維は、複数本が平行に配置されて（無撚り）織糸を構成しているものであり、複合材は、強化繊維としてその炭素繊維の織物（平織物）を含むＣＦＲＰ材であり、炭素繊維の露出面積比率Ｒ（％）＝３０％、Ｗ／Ｄ比はＷ／Ｄ＝０．８、該複合材のマトリックス材と炭素繊維の複合比率（体積％）は、炭素繊維／マトリックス材＝４０／６０である。炭素繊維の複合材表面への露出は、表面にペーバーサンドをかけること（目荒らし加工）によって行い、前述のＷ／Ｄ比とＲ値でマトリックス材表面に炭素繊維が図３（ａ）の態様で露出しているものである。
【００６９】
また、ＣＦＲＰ材の形状は、筒状（外径＝１０．９ｍｍ、内径＝９．６ｍｍ、長さ＝３０．２ｍｍ、表面積／個＝約１９．９ｃｍ２  、全表面積１９．９ｘ８０個＝１５９２ｃｍ２  ）に成形したものであり、筒状の中心軸と織物の経糸方向を平行にして使用している。
【００７０】
二つの水槽（１０リットル）の中にため池（高崎市）の水を約８リットルを入れた。この中に活性汚泥を１０ｍｌ加え、空気曝気を行った。
【００７１】
二つの水槽の一方にのみ、水質浄化材としての上記ＣＦＲＰ材を８０個吊り下げた。
試験は、所定時間経過後にＣＯＤ（化学的酸素消費量）を測定して水質分析を行い、具体的にはＣＯＤメーター（ＴＯＡ  ＤＫＫ製  ＴＮＰ−１０）を使用し、ミニザルト１７５９４Ｋ（孔径５．００μｍ）でろ過後、水に溶解しているＣＯＤ成分の測定を行った。  
【００７２】
原水のＣＯＤは、３．１５ｍｇ／ｌ（リットル）であった。その原水に活性汚泥を加えたことで、ＣＯＤは８．８６ｍｇ／ｌとなった。２０時間後、ＣＯＤを測定すると３．６５ｍｇ／ｌとなり、５．２１ｍｇ／ｌも低下した。また、加えた活性汚泥はＣＦＲＰ材に付着していた。活性汚泥の浄化作用によって、水の透明度は向上した。これらのことから、ＣＦＲＰ材は環境水の浄化能力を保持していることがわかる。
【００７３】
その後、水槽内に汚濁負荷源としてグラニュール糖０．１ｇを二つの水槽に加えた。添加直後のＣＯＤ量は、簡易的なパックテスト法で分析したところ、ブランク（ＣＦＲＰ材をいれてない）では３０ｍｇ／ｌ、ＣＦＲＰ材を含む水槽でも同じ３０ｍｇ／ｌであった。１週間後ではブランクでは３０ｍｇ／ｌで変化なかったが、ＣＦＲＰ材を含む水槽では１１ｍｇ／ｌとなった。
【００７４】
さらに、２回目の汚濁負荷源としてグラニュール糖０．１ｇを二つの水槽に加えた。添加直後のＣＯＤ量は、簡易的なパックテスト法で分析したところ、ブランクでは５０ｍｇ／ｌ、ＣＦＲＰ材を含む水槽では４０ｍｇ／ｌであった。１週間後（実験開始２週間後）ではブランクでは３０ｍｇ／ｌで変化はなかったが、ＣＦＲＰ材を含む水槽では１１ｍｇ／ｌとなった。これは生物膜による浄化作用である。
【００７５】
さらに、３回目の汚濁負荷源としてグラニュール糖０．１ｇを二つの水槽に加えた。
添加直後のＣＯＤ量は、簡易的なパックテスト法で分析したところ、ブランクでは７０ｍｇ／ｌ、ＣＦＲＰ材を含む水槽では５５ｍｇ／ｌであった。１週間後（実験開始３週間後）ではブランクでは６０ｍｇ／ｌでは変化はなかったが、ＣＦＲＰ材を含む水槽では２０ｍｇ／ｌと大きな差が生じた。これは、３週間後でも生物膜は機能を持続していることを示しているものである。
【００７６】
次に、高汚濁負荷源としてスポーツ飲料を３０ｍｌを二つの水槽に加えた。水槽のＣＯＤは一気に増大し、ブランクでは４００ｍｇ／ｌ、ＣＦＲＰ水槽では３５０ｍｇ／ｌとなった。１週間後（実験開始４週間後）のＣＯＤは、ブランクでは４００ｍｇ／ｌと変化なかったが、ＣＦＲＰ材を含む水槽では１５０ｍｇ／ｌとなった。すなわち、ＣＦＲＰ材を含む水槽では高い汚濁負荷に対しても生物膜は機能を維持していた。
【００７７】
さらに、汚濁負荷源としてスポーツ飲料を３０ｍｌを二つの水槽に加え、水槽内のＣＯＤを測定した。ＣＯＤは一気に増大し、ブランクでは５００ｍｇ／ｌ、ＣＦＲＰ水槽では２００ｍｇ／ｌとなった。その後、２ケ月間空気曝気を行った。
【００７８】
１週間後（実験開始約３ヶ月後）のＣＯＤは、ブランクでは３００ｍｇ／ｌと低下したが、ＣＦＲＰ材を含む水槽では５０ｍｇ／ｌと大きく減少した。ＣＦＲＰ材に形成された生物膜は、高い汚濁負荷に対しても水質浄化機能を維持していたことによると考えられるものであった。
【００７９】
また、加えた活性汚泥から形成された生物膜は、ＣＦＲＰ材を担体にして付着し、３ヶ月間機能を持続していた。
【００８０】
これらのことから、ＣＦＲＰ材は環境水の浄化能力を保持していることがわかり、また、数年以上は浄化能力を維持できると判断されるものであった。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の生物膜の形成方法、生物膜の形成材は、その応用例として、特に限定されるものではないが、前述した環境水浄化分野（淡水、汽水、海水）、産業排水処理（工場、農業、畜産業、）分野、下水浄化、養魚槽、水路、水槽、浴槽、プール、高層建造物の水タンク、ビルピット、浄化槽（分散型が使用できない、海水用、河川、屎尿処理場、産業廃水、いけす等）における水質の浄化方法、水質浄化材として使用することができる。
【００８２】
また、本発明の生物膜の形成方法、生物膜の形成材は、その他の応用例として、特に限定されるものではないが、藻場・魚礁のそのものの形成について使用できるほか、魚介類の産卵場等の建造物、桟橋、橋脚等を本発明の生物膜の形成材にかかる複合材を使用して構築し、それ自体が本発明の生物膜の形成方法を実施しかつ生物膜の形成材を兼ねるものとしてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１：生物膜形成材
２：複合材
３：マトリックス材の表面に露出している炭素繊維
４：マトリックス材の表面
５：マトリックス材の表面に露出していない炭素繊維
ｄ：炭素繊維の最大径部
Ｄ：最大径部での径
Ｈ：炭素繊維の露出部高さ
Ｓ：複合材の表面
Ｗ：炭素繊維の表面露出幅
【図１】
2012030196.tif 000003
【図２】
2012030196.tif 000004
【図３】
2012030196.tif 000005