茨城県工業技術センター研究報告第 37 号多機能型水質浄化セラミックス素材の開発
吉田
1．はじめに
水環境中で問題となる多元汚濁因子，つまり窒素，リンや微生物が産生する有害な二次代謝産物（有毒物質やかび臭物質）を同時に効果的に除去できる手法の検討が必要であることから，それらの除去手法の構築が解決すべき課題として挙げられる。
本研究では，水汚濁物質除去の為の機能型セラミッ
クスの要素開発を実施し，特に物理化学的吸着及びセラミックスに生物膜を付着させ生物膜処理による汚濁物質等を効果的に除去するものを開発した。

442212セラミックスB

1056

242

④

⑤③①セラミックスA（A20）②セラミックスB③セラミックスA15④粒状活性炭⑤ハニカムチューブ

活性炭

8

ドレイン

約1700 mL/min*窯業指導所 材料技術部門 **国立大学法人筑波大学

タンク
φ 200処理
水800（mm）

ハニカムチューブ

原水

粒状活性炭

2.2 N，P，メチレンブルー吸着性能実験
作製したセラミックスＡ，Ｂ，市販のセラミックスおよび活性炭について JIS K 1474 活性炭試験方法を参考に，吸着対象として PO4-P（KH2PO4），NO3-N（KNO3），メチレンブルーを用い実験を行った。50 mL 三角フラスコに粉体試料適量および吸着性能評価用に調整した各溶液 25 mL を加え，150 rpm，30 min で水平振とうした後のサンプル溶液中の各成分濃度を測定し吸着性能を求めた。
2.3 連続処理によるろ過機能の検討
セラミックスＡ，Ｂをそれぞれ充填率 60％充填した容量 40 L の円筒状の装置を用いた。原水は水戸市ダム湖水とし，線速度は 5 m/day で上向流式による処理を約 2 ヶ月間行った。水温，pH，DO（disolved oxygen），SS（suspended solid）を経時点に測定し各担体の物理的ろ過機能を評価した。
2.4 ジェオスミン吸着性能実験
ろ過機能と量産的な検討の結果，φ20 mm の球状のセラミックス A20 および，φ15 mm の球状のセラミックス
A15 を量産試作した。セラミックス A20，セラミックス
A15，ハニカムチューブ，粒状活性炭について，ジェオスミンを吸着対象として実験を行った。3 L 三角フラスコ

P 1 mL/min
50 L

120022②

図２ 連続処理装置概略

図３ 連続処理装置写真***株式会社日高建材

セラミックスA15セラミックスA正司＊＊＊

日高セラミックスA20

ゼオラ
イト①コントロール

粘土

則夫＊＊

図１ 担体写真
2.5 ジェオスミン連続処理実験
作製した粒径の異なる 2 種のセラミックス A20（平均径 20 mm）および A15（平均径 15 mm），ハニカムチューブ（孔径 13 mm），粒状活性炭（4×8 mesh）をそれぞれ充填率 60％満たした容量 40 L の円筒状の生物処理装置
を実験に用いた。実験装置概略を図 2 に装置写真を図 3に示した。原水は，水戸市ダム湖水にジェオスミン溶液を添加し，線速度約 15 m/day で上向流式による処理を行った。ジェオスミン濃度は，高濃度条件として 200ng/L，低濃度条件として 20 ng/L に設定し，約 10 日間の添加を 2 回行った。

表１ セラミックス材料配合比（％）
土

杉浦に 0.4 L の担体および 200 ng/L に設定したジェオスミン溶液 2 L を加え，110 rpm で水平振とうを行った。0, 10,20, 40, 60, 120, 300, 600, 1200, 1800 min にサンプリングを行った。作製したセラミックス及び用いたその他の担体について，写真を図１に示した。

2．実験方法2.1 廃棄物を利用したセラミックスの作製
材料として廃ガラス，土，粘土，活性炭，ゼオライ
トを用い，あらかじめ粉砕し 400 µm のふるいを通過させた。電気炉を用い，1000°C で焼成した。作製した
φ20 mm の球状のセラミックスＡおよびφ15×20 mmの中空状のセラミックスＢ（図１）について見掛け気孔率を測定した。２種のセラミックスの材料配合比について，表１に示した。

ガラス博和＊

茨城県工業技術センター研究報告第 37 号

3．結果および考察
細孔を含めない担体の見かけの表面積 1cm2 当りのジ
3.1 廃棄物を利用したセラミックスの作製ェオスミン除去速度を求めたところ，２種のセラミッセラミックスＡ，Ｂの見掛け気孔率はそれぞれ 38.2％，クス間に統計学的に有意な差はなく（P>0.05），その除50.5％であり，市販のセラミックス（12-68％）と比較し 去速度はハニカムチューブの約３倍高い値であったて，同等以上の見掛け気孔率が得られた。
（表３）。
3.2 N，P，メチレンブルー吸着性能実験
前実験の結果ジェオスミンの吸着性能が使用セラミ吸着性能実験の結果，セラミックスＡ，Ｂは市販のセ ックスでは認められなかったことから，吸着でジェオラミックスと比較して同等の結果が得られた（表２）。し スミンが主に除去される活性炭とは異なり，ジェオスたがって，廃棄物を利用して作製したセラミックスが市 ミン除去は生物分解が主であると考えられた。ハニカ販のセラミックスと遜色なく使用できることが示された。ムチューブとセラミックスのジェオスミン除去速度のまた，セラミックスＡとＢで吸着性能に違いが見られた 違いは，セラミックスに存在する細孔に微生物が生息ことから，配合を変えることで廃棄物を利用したセラミ しジェオスミン分解に寄与することで，見かけ表面積ックスの吸着特性が操作可能であることが明らかとなっ 当りの分解機能が向上したものと考えられた。
た。
(a)

表２ N，P，メチレンブルー吸着性能
KNO3(mg-N/g)

メチレンブルー（mg/g）

セラミックスA

0.024

0.001

0.52

セラミックスB

0.010

0.002

1.25

市販セラミックス

0.021

0.000

1.17

活性炭

0.142

0.045

＞5.54

ジェオスミン除去効率（%）

KH2PO4（mg-P/g）

平均除去効率（%）

10060

活性炭

99 ±0.21

セラミックスA15

76 ±1.54

セラミックスA20

55 ±1.41

ハニカムチューブ

34 ±2.96

活性炭

97 ±0.84

セラミックスA1559 ±1.38

セラミックスA2045 ±2.81

ハニカムチューブ

28 ±2.320(b)1006000102030（平均値±標準誤差）

day
ハニカムチューブ
セラミックスA153.3 連続処理によるろ過機能の検討
物理的ろ過が主な処理であると考えられる SS の実験 図５ 高濃度(a)と低濃度(b)におけるジェオスミン
期間中の平均除去効率は，セラミックスＡが 71％，セラ除去効率経日変化（左）と平均除去効率（右）ミックスＢが 76％であった。中空状のセラミックスＢは，その形状からろ過閉塞の低減を目的として作製したが，その効果は認められなかった。この結果と，セラミック
表３ ジェオスミン除去速度（×10-6 ng/cm2･h）スの量産的な作製には球状が容易であることから，水質
ハニカム
セラミックスセラミックス
活性炭
A20A15チューブ
浄化セラミックスの量産試作には球状が適することが分
25.6 ±3.320.5 ±4.171.7 ±9.4
66.3 ±9.3
高濃度
2.3 ±0.2
1.6 ±0.2
5.4 ±0.6
4.6 ±0.3
低濃度
かった。
（除去速度±標準誤差）
3.4 ジェオスミン吸着処理実験
結果を図４に示した。活性炭が開始直後急激に低下したのに対し，その他２種のセラミックスとハニカム
４．まとめ
チューブはコントロールと同様に濃度は低下せず，吸（1） 数種の原料を用いてセラミックスを試作し，強着性能は認められなかった。そのためこの３つの担体
度，見掛け気孔率，N・P・メチレンブルー吸着性能について，後のジェオスミン連続処理では，生物処理をもとに，市販のセラミックスと比較して同等以上が主な処理であると考えられた。のセラミックスを作製した。
（2）主に形状と量産的な検討を行い，φ20 mm の球状
200
コントロールのセラミックス A20 および，φ15 mm の球状のセラセラミックスA15
ミックス A15 を量産試作し，その後の実験に用いた。
セラミックスA20100（3）水戸市ダム湖水を対象にジェオスミンの連続処理
ハニカムチューブを行い，本研究で試作したセラミックスの微生物担活性炭0体としての有効性が証明された。
0300
6009001200
15001800

ジェオスミン濃度（ng/L）

活性炭

経過時間（min）

図４ ジェオスミン濃度経時変化
3.5 ジェオスミン連続処理実験
図５に示したように，ジェオスミンの平均除去効率
は，活性炭が最も高く，次いでセラミックス A15，セラミックス A20，ハニカムチューブの順であり，この除去効率の差は統計学的にも有意であった（P<0.05）。

セラミックスA20