Essay

水中の汚染物質除去にナノテクノロジーを活用

Utilizing nanotechnology in contaminants
removal from water
イブラヒム マアムン 界面反応場化学研究グループ
Ibrahim Maamoun

Research Group for Interfacial Reaction Field Chemistry

私はエジプト出身で日本に来て 5 年になります。2016
年 10 月に九州大学大学院総合理工学府大気海洋環境システム学専攻に入学し、修士課程をスタートしました。
その後、博士課程に進学し 2021 年 9 月に学位を取得しました。この間、水環境工学研究室に所属し水質改善のための研究を基礎と応用の両面から進めました。
私の研究の関心は、ナノ物質を水中の様々な汚染物質除去に活用することにあります。その一つがゼロ価鉄ナノ粒子 (nFe0) です。nFe0 はこの 20 年間で多くの研究が報告されて来ました。nFe0 は無害で生産性が高いことに加えて生産コストが低いという大きなメリットがあります。また、ゼロ価鉄は、高い酸化還元電位 (–0.44 V)を持つことから分かるように、重金属や硝酸などの汚染物物質に対して効果的な還元剤としての働きを持ちます。また、ナノ粒子であることから大きな比表面積を持ち、反応効率の面からも大きなメリットがあります [1]。
さらに、ユニークなコアシェル構造を持つ nFe0 は、吸着、共沈、還元などの様々なプロセスを介して水中の汚染物質と反応します。
nFe0 を利用した水処理には、工業廃水、地方自治体による生活排水、地下水の浄化等の幾つかの適用例があります。代表的な例として、nFe0 を充填した透過性地下水浄化壁による原位置汚染水処理が挙げられます。しかし、nFe0 を実際の水処理に用いるにあたっては幾つかの問題があります。具体的には、磁性による凝集、基質となる多孔質物質によるトラップ、水中での低い浮遊安定性、表面の腐食等による反応効率の低下が問題となります。このことから、実際の水処理において nFe0 を効果的に用いるためには、こうした欠点を何等かの形で克服する必要があります。
このような背景から、私は博士課程の研究において、

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基礎科学ノート Vol. 28

No.1

February 2022

I am originally from Egypt, and have been living inJapan for five years. In October 2016, I joined the Waterand Environmental Engineering laboratory (WEEL),
Department of Earth System Science and Technology
in Kyushu University to start my master’s and PhD
studies within the Advanced Graduate Program in
Global Strategy for Green Asia.
My research interest lies in integrating nanomaterials
in water treatment for removing the various aqueouscontaminants. One of these nanomaterials is zerovalent iron nanoparticles (nFe0), which has been widely
investigated in the literature within the last twodecades. nFe0 is abundant, non-toxic, productive, andlow-cost material. The zero-valent form of iron has
high reactivity within aqueous solutions, represented
by the high redox potential (–0.44 V), which makes itvery effective reductant for different contaminants (e.g.,heavy metals and nitrate) [1]. Moreover, the nano size
provides higher specific surface area which is favorable
for the sorption processes. Additionally, the uniquecore-shell structure of nFe0 enables these particles toreact with most of the soluble contaminants in water
via several removal mechanisms, including adsorption,precipitation, co-precipitation, and reduction.
There are several water treatment applications thatnFe0 can be utilized in, such as industrial and municipal
wastewater treatment, groundwater remediation via
using nFe0 as in-situ permeable reactive barrier (PRB)
filling material, and treatment of contaminated water
bodies (i.e., rivers, lakes, ...etc.) using pump and treat
systems (P&T). Nevertheless, when it comes to the realwater treatment applications, nFe0 suffers from several
drawbacks, including the magnetic-driven aggregationof the particles, the limited mobility of the particles inporous media, the poor aqueous suspension stability,
and the rapid aqueous corrosion of the iron core. Hence,
it is critical to find a suitable modification technique fornFe0 to overcome such defects.
Therefore, my main PhD research focused on
developing an environmentally friendly coating
technique to enhance the aqueous and reactive
characteristics of iron nanoparticles towards better

談 話 室
水処理における鉄ナノ粒子の反応性能向上を目指し、環境負荷の低い被膜技術の開発に取り組みました。具体的には、多孔質物質中の移動性、水中での浮遊安定性、抗凝集性などの性能向上のために、nFe0 の被膜として三つの金属水酸化物 (Mg/Al/Ca(OH)N) を試しました [2]。これらの研究を通じて、カルシウム水酸化物やアルミニウム水酸化物を nFe0 の被膜として用いた方がそれらを単体として用いた場合よりも優れた性能を発揮することが分かりました。また、水酸化マグネシウムを被膜とした鉄ナノ粒子 (MgCnFe0) は、nFe0 単体に比べて 95% の浮遊安定性の向上、多孔質物質中での移動性が 5 倍に増加、粒子径が 47% 減少（比表面積増大による反応効率向上）、抗凝集性の改善が見られました。さらに、MgCnFe0 はCr(VI) の高い除去性能を長期間にわたって維持することも分かりました。特筆すべき点として、MgCnFe0 は一旦吸着した Cr(VI) を脱離することなく、50 日間以上にわたって 100% の除去性能を維持しました。
この他、私は様々な共同研究プロジェクトにおいても中心的な役割を果たしました。これらのプロジェクトでは、放射性核種や医薬品に汚染された水の浄化、微生物燃料電池による発電におけるナノ工学の応用、ナノ物質を触媒とした廃水汚泥におけるメタン生成の促進技術の開発に取り組みました。こうした様々な共同研究を通して、化学工学、物質科学、環境工学などの学際領域における素晴らしい経験をすることが出来ました。
2021 年 10 月、私は先端基礎研究センター界面反応場
化学研究グループに博士研究員として着任しました。着任後の研究として、放射性廃液の浄化を目的とした磁性体と藻類からなるナノ複合体の開発を提案しました。この研究では、微藻類を用いて磁性体ナノ粒子 (MNPs) を生合成します。こうした複合体は、生物濃縮や MNPsによる高い吸着能を組み合わせることで、放射性核種のより高い除去効率を実現出来る可能性があります。
私は原子力機構で研究することをとても楽しみにしています。先端基礎研究センターの先進的な研究環境と私たちのグループの高いモチベーションで質の高い研究成果を生み出すことが出来ると信じています。

performance in water treatment applications. In thiswork, three different metal hydroxides (Mg/Al/Ca(OH)N)
were considered for the coating of nanoscale zerovalent iron (nFe 0) to develop coated particles withenhanced features, including mobility in porous media,
aqueous suspension stability, anti-aggregation tendency,
crystallinity, and morphological characteristics [2].
The findings showed great superiority of magnesiumhydroxide coating for nFe0, compared to aluminum andcalcium hydroxides. Generally, magnesium coated ironnanoparticles (MgCnFe 0), compared with bare nFe 0,
showed 95% suspension enhancement, 5 times increased
mobility in porous media, 47% finer size, 48% higher
crystallinity, and improved anti-aggregation effect owing
to the non-magnetic coating. Furthermore, MgCnFe0
showed great performance in preserving the long-term
reactivity for Cr(VI) removal with a progressive releaseof iron-core reactivity to reach 100% removal efficiency
over 50 days reaction time without any desorption
occurrence.
Also, I played a vital role in other collaborative
research projects in my previous research group, suchas removing radionuclides and pharmaceuticals fromcontaminated waters, integrating nanotechnology
in electricity bio-generation via Microbial Fuel Cells(MFCs), and promoting methane generation bynanomaterials catalysts within wastewater sludge
reactors. Such collaboration gave me great experiencein the multidisciplinary aspects of chemical engineering,materials science, and environmental engineering fields.
From October 2021, I joined the Interfacial Reaction
Field Chemistry Research Group in the Advanced
Science Research Center (ASRC) as a postdoctoral
researcher. My proposed research to be conducted at
JAEA is developing a magnetic-algal nanocomposite
for the remediation of radioactive contaminated water.
The main aim of this research is employing microalgaein the biosynthesis of magnetic nanoparticles (MNPs)
to combine different removal mechanisms, including
the metabolism independent bioaccumulation ofradionuclides on microalgae as well as the high sorption
abilities of MNPs.
I am really looking forward to working at JAEA. I
believe that with the advanced research facilities at theASRC, and our high motivations in the research group,
we can achieve high-quality research outcome.

参考文献References[1] Y. Liu, et al., Sci. Total Environ. 671, 388-403 (2019).
[2] I. Maamoun, et al., App. Surf. Sci. 15, 145018 (2020).
[3] T. Tosco, et al., J. Clean. 77, 10-21 (2014).

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