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ニュースリリース
令和 4 年１２⽉９⽇
国⽴⼤学法⼈千葉⼤学“硝酸イオン”を効率的に吸着できる炭素繊維の開発に成功
ー環境にやさしくリサイクル可能な汚染物質除去剤の開発へー

千葉⼤学⼤学院融合理⼯学府博⼠前期課程 1 年⽣の佐藤夏帆⽒、同⼤学院⼯学研究院 天野佳正准教授と町⽥基教授の研究チームは、地下⽔など⾃然環境にある⽔から硝酸イオンを除去することができる、炭酸ナトリ
ふか つ
ウム賦活ポリアクリロニトリルを⽤いた活性炭素繊維（ACF: Activated Carbon Fiber/図１）の開発に成功しました。本研究により環境に優しく再⽣可能な、活性炭ベースの硝酸イオン除去剤の開発が期待されます。
本研究成果は 2022 年 10 ⽉ 22 ⽇に、学術誌 SN Applied Sciences に掲載されました。
図1
活性炭素繊維（ACF: Activated Carbon Fiber）の電⼦顕微鏡の写真（SEM 像）。調製した ACF 吸着剤のうち、繊維状を維持して最も吸着性能が⾼かったサンプル（PAN 繊維 800℃賦活→950℃熱処理 ACF）。ACF がフェルト状になり、繊維が絡まっている様⼦が⾒える。

■研究の背景硝酸イオンは、植物に必要な主要な窒素栄養源の⼀つで、肥料の成分として⾷料の成⻑に⽋かせない成分です。その⼀⽅、適切な処理をせずに⽣態系を循環させたままにしておくと、有害な作⽤を及ぼすことがあります。例えば環境⽔中では藻類を発⽣させて⽔中の酸素を減少させるため、⽔⽣⽣物の脅威となることがあります。また、乳幼児の⾎液疾患や成⼈の消化器系のがんとも関連があるといわれています。
この硝酸イオンは、廃棄物処理システム、農業排⽔、家畜の排泄物などからも検出されますが、⽔質汚染の処理に⼀般的に使⽤されている活性炭等の吸着剤では除去することができませんでした。そのため、硝酸イオンを除去することのできる簡単で費⽤対効果の⾼い新たな技術が望まれています。
⻑年の間、活性炭素繊維(ACF)などの吸着剤を使⽤し、硝酸イオンを除去する試みが⾏われてきました。
ACF がもつ、⾮常に多数の細かな孔が空いている「多孔質構造」により、様々な成分を吸着することが期待されたためです。また、ACF には簡単に再利⽤できるという利点もあります。しかし、ACF の炭素表⾯は⽔と混ざりにくく（疎⽔性・⾮極性）硝酸イオンを吸着することができない⽋点があるため、これまで実⽤化には適していないと考えられていました。そこで研究チームは、その⽋点を補う成分として期待できる窒素原⼦を多く含んだポリアクリロニトリル（PAN:Polyacrylonitrile）炭素繊維を炭酸ナトリウムにより賦活し、さらに熱処理をすることで、優れた硝酸イオンの吸着特性を発揮する PAN 系炭素繊維の開発に着⼿しました。
■研究の成果研究チームはまず、窒素含有量が 20％以上の PAN 繊維をベースとした炭酸ナトリウム賦活炭素繊維（ACF）を調製しました。調製した PAN-ACF の吸着特性を⾼めるために、800°C で炭酸ナトリウム賦活し、さらに繊維を 950°C で熱処理しました。この熱処理によりトータルの窒素含有量は減少しましたが、硝酸イオンを吸着する極性官能基で常に正に帯電している第四級窒素(＞N＋＝，N-Q︔quaternary nitrogen)の量が増加しました。次に研究チームは、PAN-ACF がもつ硝酸イオン吸着特性を調べたところ、熱処理によって-COOH などの硝酸イオンをはじく官能基を除去することで、硝酸イオンの吸着容量が増加することを⽰しました。また
PAN-ACF は通常の活性炭の吸着量(0.1mmol/g 以下)よりはるかに多い、0.5mmol/g(溶液平衡 pHe5 付近)-1-という優れた吸着特性を⽰しました。
さらに、ACF を⻑期間使うための最適な保管⽅法を調べるため、さまざまな条件下で⻑期間保管した時の劣化度を測定する研究を実施し、ACF を塩酸溶液に浸す、または真空状態に保つと、ACF の吸着性能が安定して保たれることを⾒出しました。また、⼀般的な地下⽔に含まれる⽔素イオン濃度である pH4〜5 で安定した吸着率を⽰すことも明らかとなりました。
■今後の展望この PAN-ACF は、河川、湖、海や地下⽔、⽔道⽔などの環境⽔から有害な硝酸イオンを除去処理することが可能です。また、従来吸着剤の材料として使われているプラスチックをベースとしたイオン交換樹脂を、より環境に優しい活性炭ベースのイオン除去剤に置き換えることで、プラスチック材料への依存を減らすことにも役⽴つことが期待されます。
図２AB
硝酸イオン吸着量 （mmol/g）

0.80.60.40.20.0
2.04.06.0
溶液平衡 pH （pHe）

8.0

PAN繊維850℃塩化亜鉛賦活→950℃熱処理 （粉状）
PAN繊維800℃賦活→950℃熱処理 ACF
PAN繊維800℃賦活→950℃熱処理 ACF （塩酸保存）
PAN繊維800℃賦活 ACF （活性炭素繊維）

A. 吸着剤のグラファイト構造（六⾓形が集合したハニカム構造）とイオン性汚染物質に適した表⾯官能基（炭素以外のヘテロ元素を含む）。カドミウム（Cd2+）や鉛（Pb2＋）などの陽イオン除去には⾚⾊で⽰した官能基が吸着に適しているのに対して、硝酸イオン（NO3-）、リン酸イオン(H2PO4-)、六価クロム(HCrO4-)イオンなどの陰イオンは⻘⾊で⽰したグラファイト
窒素を含む第四級窒素（N-Q）、および脂肪族アンモニウムイオン（R-NH3+）が効果的である。
B. 硝酸イオン（NO3-）吸着量（mmol/g）に対する⽔溶液の平衡 pH（pHe）の影響。PAN 系炭素繊維を 800℃で炭酸ナトリウム（Na2CO3）で賦活した後、950℃で熱処理した吸着剤は繊維状活性炭としては⾼い吸着量を⽰す。吸着量が最⼤になるのは 800℃で塩化亜鉛（ZnCl2）賦活した後 950℃で熱処理した吸着剤であるが、繊維の原型をとどめず粉状になってしまっているので扱いにくい。

■研究者のコメント(町⽥基教授)
⼀般的に吸着剤として広く使⽤されている活性炭のような炭素系材料は、通常カルボキシ基などの官能基を有することがあり、これらの官能基は鉛やカドミウムイオンのような正(+)に帯電する陽イオンに対しては⽐較的優れた吸着性を⽰しますが、硝酸イオンのように負(-)に帯電する陰イオンに対しては負電荷同⼠で表⾯官能基と反発してしまい効果がありません。そこで私たちは、硝酸イオンを効率的に吸着し、複数回使⽤しても吸着能⼒を保持できるような ACF ベースで第四級窒素など表⾯に正電荷を有する官能基を有する材料を開発しました。この PAN-ACF は、煮沸（沸騰したお湯で煮る)、強い酸・塩基性溶液などによる処理にも耐えるので、簡単な操作で再⽣することができます。今後更なる性能の向上が期待されます。

-2-

■論⽂情報タイトル: Adsorption characteristics of nitrate ion by sodium carbonate activated PAN-based
activated carbon fiber
著者: 佐藤 夏帆 1 , 天野 佳正 2,3, 町⽥ 基 2,3
所属:
1
千葉⼤学⼤学院融合理⼯学府，2 千葉⼤学⼤学院⼯学研究院，3 千葉⼤学総合安全衛⽣管理機構
雑誌名: SN Applied Sciences
DOI:https://doi.org/10.1007/s42452-022-05191-w＜研究内容に関するお問い合わせ＞千葉⼤学⼤学院⼯学研究院
教授 町⽥ 基TEL: 043-290-3559 Email: machida (at) faculty.chiba-u.jp＜広報に関するお問い合わせ＞千葉⼤学広報室
TEL: 043-290-2018 メール︓koho-press＠chiba-u.jp-3-