光触媒の研究を始めよう

第４報～金属担持酸化チタンと糖類を用いた硝酸イオンの分解～
北海道札幌西高等学校 化学部
2 年 佐藤 颯斗 八子 詠史郎 1 年 菊池 伶歌
1.研究動機
昨年度までの研究で、金属を担持させた酸化チタンを用いて河川水に含まれる硝酸イオンを分解できることを示した。しかし、還元剤として使用するエタノールはその製造において環境負担を伴い、何より高価である。そこで、エタノールの代わりに、ヒドロキシ基を多数もつ多価アルコールの糖類を使用することを思いついた。本研究では、グルコースなどの糖類を用い、硝酸イオンを分解できるか調べた。

2.実験内容(実験 1)グルコースを用いた硝酸イオンの分解

ンを着色し、分光光度計を用いて吸光スペ[目的]

クトルを測定した。

グルコースをエタノールの代用として用い、硝[結果]酸イオンを分解できるか確認すること。
[実験手順]
1)硝酸カリウム 0.741 g に蒸留水を加え、パック
テストの測定可能上限濃度の 10 倍の 450 ppmの KNO₃水溶液を 1 L 作成した。
2)酸化チタン 2.0 g に 0.0255 mol/Ⅼの塩化パラジウム(Ⅱ)(以下塩化パラジウム)水溶液 0.62mL を 1 滴ずつ滴下し、より確実に担持させる為にその都度攪拌した。その後、乾燥機を用いて 80 ℃で一晩乾燥させた。

原液
1.61.41.2
吸1.0
光0.8
度0.60.40.20
図 1 400

紫外線照射後 (グルコース使用)

450500550nm6003)2)の触媒に 0.511 mol/Ⅼの塩化スズ(Ⅱ)(以下紫外線照射後のスペクトルのピークが減少して塩化スズ)水溶液を加え、再び乾燥機を用いていることから、グルコースを用いても硝酸イオン

80 ℃で一晩乾燥させた。

が分解されることがわかった。

4)乾燥した酸化チタンを電気炉に入れて 250 ℃で 1 時間(上昇温度は毎分 22.5 ℃)焼成した。
5)20 mⅬ蒸留水に 4)で調製した触媒を 0.15 g 入
れ、還元剤の NaBH₄を 0.0021 g(3.0×10⁻⁵ mol)を加えた。これをマグネチックスターラーで30 分攪拌し、触媒表面の金属を還元した。
6)メンブレンフィルターで触媒を回収した。
7)1)で作成した水溶液 30 mL に 6)で回収した触媒とグルコース 2.304 ｇを加えて試験管に入れ、自作装置を用いて 375 ㎚と 365 ㎚の 2 つの波長の紫外線を 1 時間照射した。
8)濾過して触媒を除き、蒸留水で 10 倍希釈した。
その後パックテストの試薬を用いて硝酸イオ[考察]
533 ㎚付近にある吸収ピークの吸光度の減少量から、分解率を計算し表 1 にまとめた。
種類
吸光度
分解率
硝酸カリウム溶液
1.4351―
分解後の溶液1.226014.6 %(表 1)

この結果よりグルコースを用いても約 15 ％の硝酸イオンが分解できることがわかった。昨年度の研究で示したエタノールを用いた場合の分解率は 51.7 %であるので、グルコースを用いると分解率が低くなることがわかった。原因としては、加えたグルコースの量が多く、余分なグルコースが分解されるなど、光触媒が硝酸イオンを分解する働きを阻害しているからだと考えた。

2)(実験 1)の 1)で調製した KNO₃水溶液 30 mL に(実験 2)グルコースの量と硝酸イオンの分解率1)ではかりとった試薬をそれぞれ加え、5 種類[目的]の KNO₃水溶液とした。

加えるグルコースの量を変化させ、分解率を調べること。

3)(実験 1)と同様の手順で紫外線照射と硝酸イオンの定量を行った。

[実験手順]

[結果]
分解後
吸光度

分解率

単糖類
（還元糖）

ガ ラ ク ト ー ス 1.2904

4.1 ％マ ン ノ ー ス 1.2108

8.3 ％

二糖類

還元糖

マ ル ト ー ス 1.128

10.0 %

非還元糖

スクロース

1.1869

5.3 ％

多糖類

でんぷん
(溶性)

1.32310.04 % (表 2)

1)(実験 1)で用いたグルコース 2.304 g に対して糖の分類

種類0.029 g(80 分の 1 倍)、0.058 g(40 分の 1 倍)、0.115 g(20 分の 1 倍)、0.634 g(40 分の 11 倍)、1.152 g(2 分の 1 倍)、4.608 g(2 倍)のグルコースをそれぞれ(実験 1)の 2)で調製した KNO₃
水溶液 30 mL に加え、7 種類のグルコース入り硝酸カリウム溶液とした。
2)(実験 1)と同様の実験手順で 7 種類の溶液への紫外線照射と硝酸イオンの定量を行った。

どの糖類もグルコースを用いたときよりも分解[結果]率が下がった。
[考察]

35

分解率3025分解率の差はそれぞれの糖におけるヒドロキ

302424シ基の立体配置の違いと、ヘミアセタール構造の182019151517％10

有無によるアルデヒド基の出現しやすさによるものと考えたが、データの精度を上げないと確定にいたることはできないと考えた。

50g
0.029 0.058 0.115 0.634 1.152 2.304 4.608

加えたグルコースの量

図2(実験 4)紙を加水分解して得た糖類による硝酸イオンの分解[目的]

この結果より、ばらつきはあるが、グルコースの紙はβ-グルコースの重合体であるセルロース量が一定量を超えると、分解率が下がることがわでできていることから、紙を加水分解し、グルコかった。

ースを得ることでエタノールの代わりに還元剤[考察]として使用できるか確認すること。

還元剤として用いるグルコースの量には最適値がありそうだということがわかった。それが何[実験手順]
1)1.8 mol/Ⅼの希硫酸 500 mL にトイレットペーに由来するのか調べる必要がある。

パー1 g を加え、マグネチックスターラーで室(実験 3)グルコース以外の糖類を用いた硝酸イ温で 3 日撹拌し、加水分解を行なった。(図 3)

オンの分解
[目的]
グルコース以外の糖類を還元剤として用い、硝酸イオンが分解できるか確認すること。
[実験手順]
1)ガラクトース、マンノース、スクロース、マルトース、でんぷん(溶性)を(実験 1)で用いたグルコースと同量の 2.304 g ずつはかり取った。

2)ビュレットを用いて 1)で調製した溶液 15 mLに 1.48 ㏖/Ⅼ水酸化ナトリウム水溶液 36.5 mLを加え、パックテストの使用可能㏗におさまるように中和した。
5)2) で 調 製し た溶 液 2.5 mL に 硝酸 カリ ウム
0.0741 g と蒸留水を加え、450 ppm の KNO₃水溶液 100 mL を作成した。
6)(実験 1) と同様に紫外線照射と硝酸イオンの定量を行った。

イオンを含んでいることがわかっていたので、本[結果]
1.61.4
図1.231.0
吸 0.8
光 0.6
度
0.40.20

原液
紫外線照射後(トイレットペーパー)

図 4 400450

研究でも使用した。
種類
濾過した安春川の水分解後の安春川

吸光度0.94820.8589

分解率―
9.5 % (表 4)
この結果から硝酸イオンが約 10 ％程度分解されていることがわかった。これより、トイレットペーパーを加水分解して得た糖で河川水に含まれる硝酸イオンが分解できることがわかった。

500550[考察]
種類
分解前の溶液
分解後の溶液吸光度1.4654
1.2961nm

600

3.まとめと今後の展望
本研究により、1)糖類を用いて硝酸イオンを分解できること、2)実際の河川水に含まれる硝酸イ分解率オンを、紙を加水分解して得た糖類で分解できる―12.6 % (表 3) こと、を明らかにできた。このことは、古紙や回この結果から硝酸イオンが 13 ％程度分解され収紙などを用いて地下水汚染の原因物質であるていることがわかった。これより、紙を加水分解硝酸イオンを分解できることを示している。今後して得た糖を用いても硝酸イオンが分解できるは加えるグルコースや加水分解する紙の最適量ことがわかった。

を調べ、硝酸イオンの分解率向上を目指していき(実験 5)河川水に含まれる硝酸イオンの分解たい。

[目的]

4.謝辞

トイレットペーパーを加水分解して得たグル本研究において、北海道大学環境科学院のコースを用いて、河川水に含まれる硝酸イオンを神谷先生に装置の貸し出し、酸化チタンの提分解できるのかを検証すること。

供などのご協力をいただきました。この場を[実験手順]

借りて厚くお礼申し上げます。

1)(実験 4)と同様にトイレットペーパーを加水

5.参考文献
1)触媒化学 江口浩一

分解した溶液を中和した。
2)1)で調製した溶液 1.25 mL に安春川で採取した
3)2)で調製した溶液 30 mL に触媒を加え、紫外線

鈴木哲

佐藤しんり

講談社

株式会社

ナツメ社
4)平成 29 年度

照射と硝酸イオンの定量を行った。

高文連理科全道大会資料集

5)菅原康里・高橋璋「セルロース試料の酸加水分

[結果]
1.2

2)触媒・光触媒の化学入門
3)図解雑学光触媒

水を濾過したものを加え、50 mL にした。

丸善出版株式会社

原液（安春川）紫外線照射後（安春川・トイレットペーパー）解法による糖化」(1987)
6)http://www.kita-e.net/gaiyou.html

0.8

有限会社北群馬衛生社ホームページ

吸光度

1.0

受賞にあたって0.60.4

この度、日本化学会北海道支部奨励賞を頂0.2くことができ、光栄に存じます。この賞の受0

図 6 450

500

550

nm600

[考察]
昨年度の調査で安春の河川水が高濃度の硝酸賞、そして大学の先生方のご指摘を励みに、これからも精進していきたいと思います。