Nara Women’s University Secondary School

奈良女子大学附属中等教育学校

植物質素材による水中の重金属イオンの捕集除去
Collecting and Removing Heavy Metal Ions in Water with Vegetable Matters
高井 ゆり 小澤 二子 （指導教員 松浦 紀之）
The aim of this study is to assess the capacity of the use of coffee grounds in collecting and removing heavy metal
ions. The treatment of coffee grounds with formalin makes water-soluble polyphenols in coffee grounds insoluble sothat all the ions adsorbed by not only insoluble polyphenols but also water-soluble ones could be removed from water.
世界中で飲用されているコーヒーに注目

植物質素材を用いた重金属の吸着先行研究1-4) 茶葉（緑茶・紅茶），抹茶，樹皮，藁，タマネギの皮，木の実 など

コーヒー殻に重金属イオンを吸着（Cr, Mn, Hg, Pb, Cu…）

茶葉に含まれるタンニンは，重金属イオンや植物性アルカロイド類と結合して，不溶性で生理不活性な化合物を形成するため，茶葉を煎じて飲むと解毒効果があるとして知られていた5)。

Cu2+の捕集除去実験

Cu2+ Cu2+

重金属イオンろ過して水中から除去

コーヒー殻が重金属イオンをどの程度，捕集するのか調べる。

8.0×10-2 mol/L 硫酸銅(Ⅱ)水溶液 5.0 mL
純水 45 mL
コーヒー殻1.0 g
30分攪拌
ろ過
コーヒー殻
ヨウ素滴定（残ったCu2+定量）

ろ液

コーヒー殻に含まれる食物繊維であるマンナンやアラビノガラクタンなどのヘミセルロース（焙煎豆の乾燥重量の25～39%）は，様々な化学物質を吸着する力が大きいことが知られている6)。さらにコーヒーに含まれるポリフェノールは，重金属イオンと結合する性質がある7,8), 注１)。そこで，
OHコーヒー殻を用いると，食物繊維とポリHOOOOOH
フェノールによる重金属イオンの吸着・HO結合が同時に起こるので，効果的な重HOOH金属イオン捕集剤となるのではないか。
セルロース
クロロゲン酸予備実験：緑茶，グァバの葉，柿渋で実施＜分析の手法＞
コーヒー殻をろ過した後のろ液について，ヨウ素滴定法により水中に残っているCu2+の物質量を求めた。
はじめのCu2+の物質量と比較することで，コーヒー殻による除去効率[%]を求めた。
除去効率[%] ＝ (N1 / N2)×100
N1：除去されたCu2+の物質量[mol]N2：水溶液中のはじめのCu2+の物質量[mol]比較として，食物繊維でもCu2+吸着実験を行った。

＜結果＞
コーヒー殻のCu2+除去効率は52.8%だった。
（5回の平均）

コーヒー殻に含まれる何が，重金属イオンの除去に役立っているのだろうか？

検証：ポリフェノールとCu2+の反応

ポリフェノールの不溶性化

コーヒーに含まれる水溶性ポリフェノールの性質を調べる。

高校化学で学習するフェノール樹脂の合成を応用し，コーヒー殻中のポリフェノールとホルマリンを反応させて高分子化した10,11)。

O

ポリフェノールには水溶性と不溶性がある9, 注2)。

OH

（高校化学で学習）
OH

HO＋分子量大タンニン酸（分子式C76H52O46）

分子量小没食子酸（分子式C7H6O5）

OH

フェノール

H

C

付加縮合

Cu2+溶液中の沈殿物

没食子酸

無タンニン酸

黄白色沈殿

HOOO

O

HO

31.4%のCu2+が減少

HO

28.7%のCu2+が減少

ホルマリン(37%HCHO) 50 mL

CH2

2時間攪拌
（60℃水浴）

CH2OH

CH2OH

フェノール樹脂

CH2OH

ヨウ素滴定結果

1.0 mol/L H2SO4 200 mL

OH

ろ過・洗浄（遠心分離5回以上）繰り返す

応用の様子を観察した。
操作OHホルムアルデヒド

コーヒー殻（10 g） ※殻はデシケータで乾燥

CH2CH2CH2H

Cu2+を含む水溶液に没食子酸やタンニン酸を加えて，変化種類

OHCH2OOHOH

水溶性ポリフェノールを不溶性化する。

OHOH＋HCH2O
C

付加縮合

CH2CH2H

ポリフェノール ホルムアルデヒド（クロロゲン酸類）

CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2ホルマリン処理コーヒー殻

CH2

ポリフェノールの高分子化

Cu2+の捕集実験

コーヒー殻，ホルマリン，希硫酸（触媒）を反応させることで，ホルマリン処理コーヒー殻を合成した。得られたホルマリン処理後のコーヒー殻は未処理と比べ，色は濃くなっていた。これを用いて，Cu2+の吸着実験を行った。

水溶性ポリフェノールと結合したCu2+は，安定な錯イオンとなり，水に溶けたままの状態であるので，ろ過によって水中から除去できない。

ホルマリン処理後のコーヒー殻を用いると，溶液中からのCu2+の「見かけの除去効果」を防ぐことができる。

ホルマリン処理コーヒー殻の吸着能力（環境水中に近い，中性溶液で実験）

ホルマリン処理したコーヒー殻のCu²⁺の除去効
率 （ 30.0% ） は ， 一 見 す る と ホ ル マ リ ン 未 処 理（52.8%）に比べ小さい（右図d1とb）。
◇ホルマリン未処理のコーヒー殻中のポリフェノール（その多くは水溶性）とCu²⁺との結合によって安定な錯イオンを形成（「見かけの除去効果」）。
◇ホルマリン処理後のコーヒー殻では， Cu²⁺は不溶性ポリフェノールに結合し，水中から除去。

除去されたCu2+の物質量分子量の小さい没食子酸は，沈殿が生成していないにもかかわらずCu²⁺の物質量は減少していた。これは，Cu²⁺と没食子酸が結合して錯イオンを形成し，水中で安定化しているため，ヨウ素滴定でCu²⁺が還元されなかったと考えた。つまり，没食子酸では「見かけの除去効果」が現れている。

2.5×10-4 mol/ g(捕集剤)1.00.50.0（測定回数5回）

52.8%

2.01.5（検討した実験条件：酸触媒の濃度，反応時間）

30.0%

24.8%
14.0%

12.5%

21.2%

重金属やホルマリンを含む廃液は，奈良女子大学安全管理センター規定に従って処理した。

＜ホルマリン処理後のコーヒー殻の特徴＞
・6ヶ月経っても，カビが生えない（HCHOの防腐効果）
・ホルマリン処理後のコーヒー殻は再利用可能。
・水中にホルマリンが流出しない。
・酸性条件下で，Cu2+を遊離・回収できる。
◇フェーリング液の還元反応によるホルマリンの検出実験(左)ホルマリン1滴(右)フェーリング液のみ(中)上澄み液(洗浄液)

加熱操作

ホルマリン処理後のコーヒー殻からのホルマリン流出は認められなかった。

まとめ，今後の展望・コーヒー殻に含まれるポリフェノールと食物繊維の両方に，水中の重金属イオンの捕集除去能力がある。
・コーヒー殻中に含まれる水溶性ポリフェノールを高分子化することで不溶性にした。これにより，水中からCu2+を効率よく除去することができた。
・他の植物質素材を用いた重金属イオン除去剤について，その重金属除去能力を比較したい。また，植物質素材の違いによる，重金属イオンの選択的除去の評価をしたい。

私たちの願い世界中で飲用されているコーヒーを利用して，新しい水の浄化方法の実現！
世界中の人たちに安全な水を！