セメンテーションによる重金属イオン水溶液の処理
宮崎大学工学部教育研究支援技術センター
貝掛勝也

はじめに
研 究 室 から排 出 される重 金 属廃 液 の処 理 には、現在 別途 研究費 および経 費 を投 じて専門の処理業者に依託 することがほとんどである。その処理にはキレート剤 を用 いた分離回収や、酸 アルカリによる処 理 がなされており、大 量 の酸 ・アルカリを用 いることが重 金 属 を処 理 すると同時に大 きな環境負荷をかけている。また、廃液を廃棄 するだけの当事者の意識は低 く廃液
量 も膨 大 になる傾 向 がみられる。そこで本 研 究 では金 属 そのものが有 する酸 化 還 元 電 位 の差 に着目 し、金属 イオンを金属単体 として還元 することで、キレート剤 を用 いない重金属処理
方 法 を開 発 することを目 的 とした。また、廃 棄 する当 事 者 の意 識 も調 査 し環 境 に対 する意 識の向上 をはかり廃 棄量 の減量 について何 が大事 であるかを検討した。本処理法 によると金属分 離 後 の水 溶 液 も化 学 的 に安 全 に処 理 できることから環 境 対 応 型 の重 金 属 処 理 サイクルとして期待できる。
キーワード ：セメンテーション、重金属イオン、酸化還元、マグネシウム、ヒドラジン
1. 目的

本研究では金属そのものが有する酸化還元電位

実験研究により排出される重金属廃液はそのの差に着目し、金属イオンを金属単体として還元量や種類が多いため、実験廃液の中でも十分に配することで、キレート剤を用いない重金属処理方慮しなくてならないもののひとつである。また、法を開発することを目的としている。本処理法に過って排水に流入させてしまうと過大な水環境よると金属分離後の水溶液も化学的に安全に処への汚染を引き起こす。本学では、実験排水（洗理できることから環境対応型の重金属処理サイ浄希薄排水）系の流しから流入した排水が実験排クルとして期待できる。

水処理施設で最終的に重金属除去等の処理がなされ河川へ放出されるが、濃厚な廃液が流入して2.

しまうと処理ができず行政指導の対象となる可2.1 原理

実験能性もある。実験室ではそのような不測の事態に金属イオンを含む溶液に他の金属片を入れるならないよう濃厚廃液は２回までの洗浄廃液をと、浸した金属片が酸化・溶解し、溶液中の金属貯留し専門の処理業者へと引き渡し処理される。

イオンが金属片上に還元され金属単体として析しかしながらその廃液の処理には膨大な処理費出する。このような酸化還元電位の差を利用し、用が発生するためできるだけ洗浄の量を減らす

水溶液中に存在する還元電位が貴な金属イオンなどの配慮を行いその総量を減少させることがが、卑な金属によって還元析出される反応をセメ望ましい。

ンテーションと言う。例えば（１）式で示される

このような現状から貯留した濃厚廃液を実験室で簡単に処理できれば、年間に排出される廃液銅の回収では、還元剤として工業的には鉄スクラップが用いられている。の総量を減らすことができると考えた。一般に重金属イオンの処理にはキレート剤を用いた処理

Fe + Cu2+ → Cu + Fe2+ …（１）や、酸・アルカリによる処理がなされているがキレート剤の中には化学的有害性があることや、大このような酸化還元の原理を利用し実験廃液を量の酸・アルカリを用いることが重金属を処理す対象に実験を行った。

ると同時に大きな環境負荷をかけている。そこで

表１

金属イオンの酸化還元電位

Electrode system

E0/V
400+1.45+1.2+0.92+0.799+0.3370-0.126-0.14-0.25-0.28-0.402-0.44-0.763-1.66-2.37

CuZnFeMn350

300

Concentration (ppm)

Au3+ + 3e- = Au
Pt2+ + 2e- = Pt
Pd2+ + 2e- = Pd
Ag+ + e- = AgCu2+ + 2e- = Cu
2H+ + 2e- = H2
Pb2+ + 2e- = Pb
Sn2+ + 2e- = Sn
Ni2+ + 2e- = Ni
Co2+ + 2e- = Co
Cd2+ + 2e- = Cd
Fe2+ + 2e- = Fe
Zn2+ + 2e- = Zn
Al3+ + 3e- = Al
Mg2+ + 2e- = Mg

250

2001501005000

表１に示す標準電位の差が大きいほどセメンテーションしやすくなるため、本実験では負の標準

50100150

200

Time (day)

図１. タンク１の金属イオンの種類とその濃度変化電位のなかでも最もその値の大きいマグネシウム金属を還元剤として選択した。マグネシウムが図１にタンク１の実験結果を示した。タンク１中還元剤であれば、それよりも標準電位の高い金属には銅、亜鉛、鉄、マンガンが廃液として含まれは還元され金属として析出させることができる。

る溶液であることがわかった。第１日目にヒドラジンを入れ、溶液を還元したことで 350ppm あっ

2.2 実験方法

た鉄イオンはおよそ半分の 150ppm へ、40ppm の物質環境化学科学生実験より排出された重金銅イオンはおよそ 0ppm へ、70ppm あった亜鉛イ属廃液５タンクを実験サンプルとした。安全に処

オンはおよそ 10ppm へ低下し金属粉として沈殿理するため、事前にこれら廃液の水銀、ヒ素、カさせることが可能であることが分かった。その際ドミウムを定性し、有害重金属を含んでいないタ

初期 pH が 0.63 の強い酸性を示したがヒドラジンンクを選定した。還元剤であるヒドラジンを加えによる還元が進むにつれタンク内の pH はアルカ還元状態の溶液とした後、マグネシウム粉末をリ性となった。金属イオン濃度がおよそ 0ppm に5g あるいは 10g ずつ定期的に 160 日間投入し続なる日数は銅イオン＞亜鉛イオン、鉄イオン＞マけた。それらサンプルを日々必要量採取し、pH、ンガンイオンの順であった。この序列は金属のイ各種重金属イオンの種類とその濃度を、pH メーオン化傾向にほぼ一致しており、また表１の酸化ターおよび原子吸光光度計を用い測定した。タン

還元電位の序列とも一致しており、マグネシウムク内の廃液は酸性であるためヒドラジンを添加との酸化還元電位の差が大きいほど還元が速いしアルカリ性水溶液にした。その後金属マグネシことがわかった。よって廃液を処理する場合は、ウムを 10g ずつ投入し、その都度金属濃度と pHはじめに廃液の中に含まれる金属イオンを定性を測定した。

し、金属の種類を把握することで処理日数をおよそ定めることが可能であることが分かった。

3.

結果および考察

さらに図１より、最終的に４金属イオンとも排3.1 重金属イオンの除去出基準値以下の濃度にすることが可能でありそ

マグネシウムによるセメンテーションの結果を図１に示した。

れらの濃度はほぼ 0ppm であることが分かった。
これはセメンテーション反応の大部分が不可逆的であると考えられているためである。
この他、他の４つのタンクについても同様の実験を行った。タンク１と異なる内容物としてコバルトイオンおよび銀イオンを含むタンクもあったが、結果はどのタンクも最終的に含有されている金属イオンをほぼ 0ppm にする良好な結果が得収集した。」といった意見が得られ、自ら環境負られた。

荷軽減になるよう意識が高まっていることがわかった。

3.2 排水への配慮
重金属を還元後の溶液はヒドラジンが分解す

4. まとめることで発生するアンモニアによりアルカリ性になっている。

セメンテーション技術を用い、実験廃液の処理を行った結果をまとめると以下のようである。
利点として、（１）重金属イオンをほぼ 0ppm

2NH2NH2 + M2+ ⇄2NH3 + H2 + N2 + Mにすることが可能である。（２）比較的安価な費用で処理ができる。（３）ドライアイス（二酸化またアルカリ側に pH が傾くにつれアンモニアが炭素）を吹き込むことで安全に排水として排出で生成するためアンモニア臭も増してくる。そこできる。（４）身近に重金属の処理を体験できるの排水として安全にかつ臭いを出さないために、ドで、学生や廃棄する者の環境に対する意識が向上

ライアイスを投入し炭酸アンモニウムとして中する。

和した後に排水として処理を行った。中和後の欠点としては、（１）処理に時間がかかるためpH は弱酸性かつ、無臭であるため安全に処理で保管場所の確保が必要である。（２）廃液量は格きた。また、処理後は還元された金属粉体とマグ段に減量できるが、金属粉体が廃棄される。

ネシウム粉体が廃棄物として出てくる。キレート

セメンテーションという電気化学的な手法に剤を用いた場合も同様なフロッグが生成するが、より重金属イオンを処理できることがわかった。

セメンテーションの場合キレート剤と異なり有廃棄される物質はゼロではなく金属粉が生成す機物質を含まないためは金属粉体のみの回収とるためその処理は既存の委託処理に託すほかななる。

いが、大幅に廃液量を軽減できる点が最大の利点である。時間と手間を克服するような手法や、既3.3 処理費用について存の技術との組み合わせが模索できるならば費

重金属廃液処理費は平成 16 年度実績で１リットルあたり 250 円である。1 タンクを 18 リット
ルとすればその処理費は 4,500 円となる。マグネシウム 500g が 2600 円、ヒドラジン 500ml が 1,600円で、ドライアイス（1kg）350 円、今回５タン
ク 90 リットルの処理費は概算で 122 円／リット
ルであり、既存の処理費 250／リットルと比べおよそ半分であることがわかった。2 タンク以上の処理を行うのであれば費用に対する効果は割安であるといえる。処理後はろ過し、ろ液はドライアイスで中和し 90 リットルを実験系排水として流した。問題点としては、セメンテーションに要する時間や、タンクの置き場の管理、排水前の重金属イオンの濃度の測定などの手間を考える必要がある。

用効率の良い環境処理技術のひとつであるとい

3.4 捨てることへの意識処理業者に委託することなく自ら排出した重金属イオンについて処理するため、それを排出する意識は向上する。学生に実施した聞き取り調査
では、「できるだけ廃液量が少量になるように実験を工夫した。」、「洗浄水の量を少なくして回数を多くした。」、「金属イオンの種類別に分別してえる。
謝辞
本研究は「平成１６年度宮崎大学学長裁量経費：若手研究者の研究助成」の助成のもとに行われました。ここに記して深く感謝の意を表します。
参考文献
1)

芝田隼次, セメンテーション, 資源と素材, 113,948-951(1997).

2)村田徳治,“廃棄物の資源化技術”, オーム社出
版局 (2003).