Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
ンクに入れ、ペリスターポンプを用いて循環した（図3-29）。ペリスターポンプに接続されている給水パイプはタンク上部溶液付近に設置し、排水パイプはタンクの底部に設置した。反応容器にはマイクロ波励起無電極ランプを150個入れ、マイクロ波は200Wを連続照射した。マイクロ波励起無電極ランプが点灯後、8Lの汚染水を0.7L min $ ^{-1} $ の流速で循環した。循環開始後、3、6、10、15、20、25、30、40、50、60分毎にタンク中央から処理水を採取し、紫外可視分光光度計または電動度検出器を有した高速液体クロマトグラフィーで残留濃度を求め、分解効率を検討した。また、分解時間に対して汚染水のサンプリングはタンク上部付近の溶液を摂取した。

2,4-ジクロロフェノキシ酢酸汚染水（8 L）を、循環処理装置を用いて通水処理した結果を図3-30に示す。循環流量から8 Lの汚染水を1回反応容器へ通過させるには11.4分かかる。1周目の通過で0.02 mM濃度では78%、0.05 mM濃度では45%、0.1 mM濃度では39%の分解率が観測された。2周目では91%、78%、73%の分解率であった。2,4-ジクロロフェノキシ酢酸のマスノスケ対するLC_{50}は0.373 mg L^{-1}であり、0.02 mMはLC_{50}の11.8倍濃度になる。したがって、本実験で用いた濃度は非常に高濃度であることが分かる[4]。また、タンク内のモデル汚染水の攪拌による分解効率の変化を調べた。マグネットバー(7 cm)を用いたマグネチックスターラによる攪拌、ピッチドパドルを付けた攪拌機(柴田科学製MM-102)を用いて攪拌を行いながら分解を行った。また、比較として無攪拌条件での実験も行った。各攪拌条件による分解実験を行った結果、2,4-ジクロロフェノキシ酢酸汚染水の分解率に大きな差は生じなかった(誤差3%以下)。したがって、ポンプによる給水と排水によってタンク内は良好に濃度の均一性が保たれていることが示された。本研究では、最終的に太陽光発電装置を電源として、フィールドテストを行うため省エネを目指す必要がある。そこで、攪拌による分解速度に差が現れないことから、以降の実験ではタンク内の攪拌を行わず実験を行った。

図 3-29 循環ユニットを取り付けたシングルモードアプリケータの概略図
図 3-30 水中に含まれる 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸（8 L）の連続分解

## 3 ．14 マイクロ波励起無電極ランプへの光触媒二酸化チタンのコーティング

マイクロ波励起無電極ランプ表面へ二酸化チタンをコーティングするため、いくつかの液相法を試みた。二酸化チタンの原料として、チタン(IV)n-ブトキシド、チタン(IV)イソプロポキシド、硫酸(IV)チタンを用いた。また、平成25年度の実験としてPTA水溶液および四塩化チタンエタノール溶液用いたマイクロ波励起無電極ランプへのコーティングも協力企業（東邦チタニウム（株））と行った。初期実験として、ゾルゲル液をガラス板に塗布し、コーティングのしやすさを検討した。チタン(IV)n-ブトキシド、チタン(IV)イソプロポキシド、硫酸(IV)チタンを試したが、実験操作および加水分解速度から、チタン(IV)n-ブトキシドが最も容易に取り扱えることが分かった。したがって、以降の研究では、チタン(IV)n-ブトキシドから合成したゾルゲル溶液を使用することにした。ゾルゲル溶液合成のための合成スキームを図3-31に示す。

図 3-31 ゾルゲル溶液の合成スキーム
合成したブルゲル溶液を用いて、ガラス板に溶液をディップコーティングし、電気炉で焼結することで二酸化チタン結晶を形成させた。二酸化チタン結晶がコーティングされたガラス板の透過率を無コーティングのガラス板と比較した。透過率は可視紫外吸光光度計で確認した(図3-32)。ディップコーティングの速度は、50μm/秒および250μm/秒で行った。

400 nm に対するガラスの透過率を基準とし、引き上げ速度を 50 μm/秒で二酸化チタンをコーティングしたガラス板は 19％の吸収があった(図 3-33)。一方、250 μm/秒では 47％の吸収であった。10 μm/秒に対する透過の減衰率は、50 μm/秒で 3.8％、250 μm/秒では 1.9％となり、引き上げ速度の向上は透過率を減衰させることが示された。

図 3-33 ガラスにコーティングされた二酸化チタンの透過率と引き上げ速度の関係

引き上げ速度を $ 50 \mu m/ $ 秒または $ 250 \mu m/ $ 秒で二酸化チタンをコーティングしたガラス板の SEM 像を図 3-34 に示す。目視観察からは非常に薄い二酸化チタンの層が観察されているが、SEM 観察から $ 50 \mu m/ $ 秒ではあまり二酸化チタンが凝集してコーティングされており、その担持量は非常に不均一である。二酸化チタンとガラスの親和性に加え、焼結温度等が合致していなかったためと思われる。一方、 $ 250 \mu m/ $ 秒では二酸化チタンが全体的にコーティングされている様子が観察された。

PTA 水溶液を用いたマイクロ波励起無電極ランプへのコーティング法として (東邦チタニウム(株)協力)、PTA 水溶液中にガラス板を浸した後、アルミナボード上で $ 60^{\circ} $ C の乾燥機にて一晩乾燥させ、電気炉で $ 300^{\circ} $ C の熱処理を行うことで製膜を完成させた。PTA 水溶液は成膜性が高い二酸化チタン原料であり、 $ 250^{\circ} $ C 以上の焼結でアナターゼに結晶が生成することが知られている。目視観察より、明らかに二酸化チタンがコーティングされていることが観察された。ガラスにコーティングされた二酸化チタンの透過率が非常にいいことから、表面へはごく薄い膜厚でコーティングが進んだと可視紫外吸収スペクトルの結果から予測される(図 3-34)。
50 μm/秒で二酸化チタンをコーティングしたガラス板

250 μm/秒で二酸化チタンをコーティングしたガラス板

図 3-34 ガラスにコーティングされた二酸化チタンの SEM 像

図 3-34 ガラス表面にコーティングした二酸化チタンの透過率
四塩化チタン水溶液を用いて二酸化チタン薄膜を形成させた。石英ガラスを四塩化チタン水溶液に浸漬させ、その後300℃で2時間焼結を行った。四塩化チタン溶液は9％および16％の濃度で調整した。四塩化チタン溶液16％を用いた二酸化チタンコーティングにおける写真を図3-35に示す。二酸化チタンが不均一にコーティングされている様子が目視で観測された。また、9％の四塩化チタン溶液を用いても同様な状況であった。この理由として、石英板に四塩化チタン溶液を塗布した直後、溶液が石英板に弾かれたためであることが原因であることが実験中の観察によって推察された。そこで、液体がガラスの表面に弾かれる事を防止する目的でガラス面の脱脂処理や溶媒をエタノールに変えて実験を試みた。石英板表面の脱脂処理にはアセトン洗浄を行った。試験において、脱脂処理を行う事により、塗布した際の液体弾きの減少が確認された。また、水溶媒からエタノール溶媒に変えることで液体の弾きがなくなったが、焼成を行うと不均一な二酸化チタンのコーティングが観測された。そこで、不均一な二酸化チタンのコーティングを行った後、余分な二酸化チタンをふき取り、均一なコーティングとした（一連の研究は東邦チタニウム(株)の協力の下で行った）。

図 3-35 ガラスに四塩化チタン水溶液コーティングした写真

PTA 水溶液によるコーティングおよび四塩化チタンエタノール溶液によるコーティングを行ったマイクロ波励起無電極ランプの写真を図3-36に示す。

図 3-36 各二酸化チタンコーティングをしたマイクロ波励起無電極ランプの写真 （a）四塩化チタンエタノール溶液 9%希釈、（b）四塩化チタンエタノール溶液 16%希釈、（c）PTA 水溶液
四塩化チタンエタノール溶液を用いて二酸化チタンをコーティングしたマイクロ波励起無電極ランプ(ランプa)は、少し白みがかった色をしていた。一方、PTA水溶液を用いて二酸化チタンをコーティングしたマイクロ波励起無電極ランプ(ランプc)は薄い黄色を帯びていた。

二酸化チタンコーティングマイクロ波励起無電極ランプを用いて、4-クロロフェノールの分解評価を行った。4-クロロフェノール（0.01 mM；1.29 ppm）200 mL を入れた反応容器に二酸化チタンコーティングマイクロ波励起無電極ランプを2個入れ、マイクロ波照射による分解率を算出した。マイクロ波照射後すぐにランプは点灯した。また、目視的には光強度に変化は観測されなかった。ランプaでは、4-クロロフェノールが5分間で5％分解した。一方、ランプcでは5分間で19％分解が進行した。PTA水溶液が最も分解効率が高いことが示された。また、二酸化チタン未コーティングマイクロ波励起無電極ランプでは、5分間で15％分解が進行した。したがって、PTA水溶液により二酸化チタンをコーティングすることで、1.3倍の分解促進があることが示された。一方、よりマイクロ波による応答性を高めるため、水素還元を行った二酸化チタンを用いて分解実験を行った結果、1.2倍の分解促進が観測された。すなわち、水素還元を行うことで、光触媒活性は低下してしまった。この結果から、今後の実験では水素還元を行うことを取りやめた。

二酸化チタンコーティングおよび未コーティングマイクロ波励起無電極ランプの表面の防污をメチレンブルーの脱色から比較した。メチレンブルー水溶液(1 mM；320 ppm)に浸漬したランプへ市販の水銀ランプから紫外線照射を行った。未コーティングマイクロ波励起無電極ランプは表面についたメチレンブルーは光を照射しても脱色が進行しなかったが、二酸化チタンコーティングランプは20分間の光照射で明らかに脱色が進んだ。

### 3.15 太陽発電装置を用いた連続分解処理

太陽光発電装置を用いてライフラインの切断された被災地でも水処理が可能な装置の試作と、そのフィールドテストを行った。試作した太陽光発電装置を接続した装置一式の写真を図3-37に示す。太陽光発電装置はアリオス(株)が製作した。太陽光発電装置は3枚のパネルを折り畳み、移動または収容時に省スペースになるように工夫した。また、ソーラーパネルの裏には車載用バッテリー（12V）を3台設置し、太陽光から発電した電気は、一度バッテリーに蓄電したのちに、水処理装置に安定的に供給できるシステムになっている。装置背面には、バッテリー残量がモニターできるインジゲーターが接続され、充電や放電状況を容易に確認できる。また、バッテリーの充電は100Vコンセントからもできるようにバッテリー充電器を配備した。太陽光発電装置の仕様書を図3-39に示す。また、装置の図面を図3-40に示す。
図 3-37 太陽光発電装置を接続したシングルモードアプリケータの概略図

4. 仕様

4-1 架台部

サイズ：約W3130mm×H1150mm×D1390mm（最大展開時）

約W1030mm×H1150mm×D1390mm（収納時）

可搬方式：大型キャスターによる自走式

4-2 太陽電池パネル

最高出力（Pmax）：198W

開放電圧：DC29.92V

短絡電流：8.67A

サイズ：1318mm×1004mm×46mm

重量：17Kg（1枚）

使用数：3枚

4-3 鉛蓄電池

定格電圧：DC12V

定格容量（20H）：105A/h

使用温度範囲：-15℃~+60℃（満充電状態を前提）

0℃~+60℃（フル充電を前提）

サイズ：320.6mm×173mm×229.2mm

重量：24.9Kg（1台）

使用数：3台

4-4 直流-交流インバーター

連続出力：1500W

定格入力：DC12V

定格出力電圧：AC100V±5%

出力波形：正弦波（歪率3%以下）

最大効率：88%

動作温度範囲：0℃~40℃

サイズ：413mm×191mm×88mm

重量：4.8Kg

外部制御：CR-6リモートコントローラーに搭載された操作パネルによる

出力のON/OFF

表示パネルによる電圧・出力・各種異常等の表示

使用数：1台

図 3-39 太陽光発電装置の仕様書（アリオス(株)作成）
図 3-40 太陽光発電装置の図面

試作した太陽光発電装置を接続した水処理装置のフィールドテストを上智大学四谷キャンパス敷地内で行った。
## フィールドテスト1 雨水に含まれる菌の致死率検討

フィールドテスト1を2013年8月23日（快晴、28℃）に行った。前日の日中にバッテリーをフル充電し、13:00より太陽光発電装置を接続した水処理装置により溜池の雨水（8L）の殺菌処理を行った。ポンプ流速を0.7L min⁻¹で行うと20分の処理で30%(総生菌：1000個/mL中700菌株残留)の菌の致死率が観測されたが、その後30分では99%以上(1000菌株中8菌株残留)の菌の致死率が観測された（図3-41）。8Lの雨水がすべて反応容器を通るには11.4分かかるため、3回の通過によって99%以上の菌の致死率が可能となった。そこで、ポンプ流速を0.4L min⁻¹に変更し、雨水を循環させると20分の分解で92%(1000菌株中80菌株残留)が観測された。0.4L min⁻¹ポンプ流速では8Lの雨水がすべて反応容器を通過するには20分必要であるが、1回の通過で92%の菌の致死率が可能であることが示された。また、30分間の殺菌時間では99%以上(1000菌株中4菌株残留)の菌の致死率が観測された。一方、ポンプ流速0.4L min⁻¹における8Lの雨水中に含まれる大腸菌の検査を行うと、殺菌前の水中には大腸菌が180個/mLであったが、20分間の殺菌により大腸菌は確認されなかった。大腸菌のテストには、処理後の雨水が含まれているタンク内の上中下部で水を摂取し、各2回(合計6サンプル)をチェックしたが、すべてのサンプルで大腸菌の確認をすることはできなかった(殺菌前のモデル雨水中の大腸菌：400個/mL)。

このフィールドテストでは、約40分の実験を2回行ったが、バッテリーの残量は1/3程度確認された。

図 3-41 屋外での溜池の雨水に含まれる菌の致死率

本装置を用いた雨水に含まれる菌の致死率では、マイクロ波加熱およびランプから発生する熱によって、雨水の水温が上昇する。気温は28℃であったが、水温は39.2℃程度に上昇した。したがって、熱による菌の致死率向上も進むと考えられるため、菌の熱分解を検討した。雨水を40℃に加熱し菌の致死率を観測したところ、26%（1000菌株中260菌株残留）の菌の致死率が観測された。したがって、本装置は既存の光殺菌装置とは異なり、マイクロ波
による溶液の加熱に伴う殺菌も進行る特徴を持っている。また、より高温になることで水の殺菌はより進みやすくなると考えられる。

## フィールドテスト 2 メチレンブルー色素モデル汚染水の分解

フィールドテスト 2 を 2013 年 9 月 10 日（快晴、30℃）に行った。試作装置を用いてメチレンブルー色素の分解を行った（図 3-41）。ポンプ流速は 0.4 L min $ ^{-1} $ に固定し実験を進めた。8 L のメチレンブルー水溶液がすべて反応容器を通過する 20 分後には分解率が 80％以上であることが確認された（図 3-42）。また、30 分の分解時間では 100％の分解が進行した。目視では青色水がマイクロ波励起無電極ランプが充填された容器を通過すると、ほぼ透明な水が排出されることが観測された。

図 3-42 太陽光発電装置を接続した水処理装置によるメチレンブルーモデル汚染水の分解の様子
図 3-43 メチレンブルー色素モデル汚染水（8L）の連続分解

## フィールドテスト 3 2,4-ジクロロフェノキシ酯酸モデル汚染水の分解

フィールドテスト 3 を 2013 年 11 月 30 日（快晴、12℃）に行った。試作装置を用いて 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸の分解を行った。ポンプ流速は同様に 0.4 L min $ ^{-1} $ に固定し実験を進めた。反応容器を 1 回通過する 20 分後には、分解率が 100％に達した（図 3-44）。2,4-ジクロロフェノキシ酢酸は本装置において非常に効果的に分解が進行することを確認した。

図 3-44 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸汚染水（8 L）の連続分解
## フィールドテスト4 ペンタクロロベンゼンおよびエンドリンモデル汚染水の分解

フィールドテスト4を2013年12月1日（快晴、15℃）に行った。試作装置を用いてペンタクロロベンゼンおよびエンドリンの分解を行った。水に対する両物質の溶解度は非常に低いため、0.01 mM濃度(ペンタクロロベンゼン=2.51 ppm；エンドリン=3.81 ppm)に相当する試薬を8 Lの水に入れ1昼夜攪拌を行い、飽和濃度状態で実験を行った。ポンプ流速は同様に0.4 L min $ ^{-1} $ に固定し実験を進めた。反応容器を1回通過する20分後には、ペンタクロロベンゼンの脱塩素率は98％およびエンドリンの脱塩素率は91％であった。その後、さらに連続で分解を続けたが分解率は100％に到達しなかった。これは、おそらく溶解度の問題から不溶な試料がタンクまたは循環用シリコンパイプなどに吸着したためと考えられる。しかし、本装置を用いることで震災後に環境水中に増加した両物質の分解では、反応容器を1度通すだけで分解できることが示された。また、循環をさせることなく反応容器を通しただけで、分解を行うことができることから、汚染水浄化に伴う環境放流への負荷低減を行えることは明確である。

### 3.16 市販電子レンジを用いた汚染水の処理

アドバイザリー委員会で本装置の複雑さを指摘されたため、市販の電子レンジを加工して2,4-ジクロロフェノキシ酢酸の分解を行った。市販電子レンジの上下部に1 cmの穴をあけ、テフロンチューブを通した。反応容器は150個を反応容器内に充填した。電子レンジを小の設定（表示は350 W）でマイクロ波照射を行うと、非常に強い光を発光した。1 Lの2,4-ジクロロフェノキシ酢酸汚染水（0.05 mM；11.05 ppm）を、ペリスタポンプを使用して循環させ、電子レンジで分解した。ポンプ流速は0.8 L min $ ^{-1} $ に固定した。1.5分のマイクロ波照射によって2,4-ジクロロフェノキシ酢酸は100％分解が観測された。市販の電子レンジを用いても十分に汚染水の分解が可能であることを示唆した。
図 3-45 電子レンジを用いた 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸の分解の概略図と点灯の様子

## 3 ．17 市販電子レンジを用いた雨水に含まれる菌の致死率

被災地での聞き取り調査から、マイクロ波励起無電極ランプを備蓄し、災害時に市販の電子レンジでも利用できることができれば有効であると意見をいただいた。この点について、市販の電子レンジを用いて雨水の殺菌を行った。モデル雨水として上智大学内にある雨水の溜池から採取した水を利用した(2．2節参照)。パイレックス製のコーヒーカップに雨水を入れて、さらにマイクロ波励起無電極ランプを8個入れ、電子レンジでマイクロ波を照射した約300 mLの雨水に対して15秒のマイクロ波照射を行うと、菌の致死率は99%以上(1000菌株中8菌株残留)であった。また大腸菌の検査においても菌の確認をすることができなかった(殺菌前のモデル雨水中の大腸菌:260個/mL)。市販の電子レンジと家庭用のガラス容器を用いても、マイクロ波励起無電極ランプを備蓄しておけば、雨水の殺菌を数十秒で行うことができる。
図 3-46 電子レンジを用いた雨水の殺菌

## 参考文献

[1] S. Horikoshi, N. Serpone, J. Photochem. Photobiol. C: Review, 10 (2009) 96.

[2] 堀越智、谷正彦, 佐々木政子、図解よくわかる電磁波化学、日刊工業新聞社、2012.

[3] J. Barthel, K. Bachhuber, R. Buchner, H. Hetzenauer, Chem. Phys. Lett., 165 (1990) 369.

[4] S. Horikoshi, S. Matsuzaki, T. Mitani, N. Serpone, Radiation Phys. Chem., 81 (2012) 1885.

[5] http://anzeninfo.mhlw.go.jp/anzen/gmsds/0134.html
### 4 \. 結論

平成24年度では以下の点について検討した。アルゴンと水銀ガスを封入した俵型の小型マイクロ波励起無電極ランプの試作を行い、このランプからは185 nmおよび254 nmの光が効率よく発生することを確認した。また、マイクロ波無電極ランプの点灯に適した周波数として2.45 GHzマイクロ波を採用することを決定した。2.45 GHzは水の吸収効率に対して不利ではあるが、ランプの点灯効率や加熱に伴う水の誘電損失の低下から決定した。また、マルチモードアプリケータおよびシングルモードアプリケータを検討した結果、消費電力の観点からシングルモード型を利用することを決定した。さらに、太陽光発電の観点から、半導体式のマイクロ波発信器を使用した。平成25年度では、さまざまな汚染水の処理を本装置で行い、装置の評価を行った。特に高濃度の菌を有する自然水であっても、24 L/時間の処理速度で99％以上の殺菌を行うことができる。また、マイクロ波励起無電極ランプにPTA溶液を用いて二酸化チタンのコーティングを行い、21％の分解促進が観測された。ライフラインがない状況を想定し太陽光発電でも装置の運転が可能であることを実証した。本装置は、ランプ等の交換頻度が長いため既存のランプに比べメンテナンスの頻度が著しく長い特徴を持つ水処理装置を明確にすることができた。また、本装置を用いなくても、マイクロ波励起方法と電子レンジがあれば被災地において緊急に雨水を利用することができる。また、本ランプは既存の紫外線ランプに比べ、ランプの寿命・小型化・省エネ・分解効率の点で優れていることを示唆した。なお、下表に本研究における研究目標の達成状況ををまとめた。

申請時の目標	達 成
試作装置の完成とフィールドテスト	○
雨水などの殺菌	○
塩素系有機化合物の処理	○
エンドリンおよびペンタクロロベンゼン汚染水の処理(震災時に発生)	○
処理量の算出:数十～百リットル/時間の処理能力	○
ランプの汚れを防止できるのか?(TiO2コーティングにより減少)	○
アドバイザリー委員からの質問	達 成
マイクロ波装置は複雑で重いのでは?(電子レンジでも可能)	○
光触媒だけではだめなのか?(国際的にTiO2は不適合)
マイクロ波と併用することで86倍の分解促進(2,4-D調べ)	○
### 5. 研究発表

## 論文発表

1) 堀越智, マイクロ波照射光触媒による迅速水処理技, 静電気学会誌, 38(2014)96.

2) S. Horikoshi, N. Serpone, Role of microwaves in heterogeneous catalytic systems, Catal. Sci. Technol., (2014) in press.

3) S. Horikoshi, N. Serpone, On the Influence of the Microwaves’ Thermal and Non-thermal Effects in Titania Photoassisted Reactions, Catal. Today, 224 (2014) 225.

4) S. Horikoshi, T. Sato, N. Serpone, Rapid synthesis of Gemini surfactants using a novel 915-MHz microwave apparatus, J. Oleo Sci., 62 (2013) 39.

5) S. Horikoshi, S. Matsuzaki, T. Mitani, N. Serpone, Microwave frequency effects on dielectric properties of some common solvents and on microwave-assisted syntheses: 2-Allylphenol and the $ C_{12}-C_{2}-C_{12} $ Gemini surfactant, Radiation Phys. Chem., 81 (2012) 1885.

6) 堀越 智, 固体触媒を用いたマイクロ波化学の特徴, ケミカルエンジニアリング, 57 (2012) 73.

7) 堀越智, 環境化学に利用されるマイクロ波, 電気学会誌, 132（2012）23.

## 著書

1）堀越智 (編著)、滝澤博胤、篠原真毅、マイクロ波化学、(2013 出版) 三共出版

2) 堀越 智 (編著)、谷 正彦、佐々木政子、図解よくわかる電磁波化学(マイクロ波化学・テラヘルツ波化学・光化学・メタマテリアル)、(2012) 日刊工業新聞社出版

## 招待および依頼講演

1) EMAP(電磁プロセス)研究会 大阪大学材料開発物性記念館 (東京)

2014 年 3 月 28 日 ○堀越 智

2）未踏科学技術協会ナノ粒子・構造応用研究会第8回公開講演会

2014年3月4日 堀越 智
3) 近畿化学協会 第60回セミナー (大阪)

2013年11月8日 堀越智

4）福井大学セミナー (福井)

2013年11月7日 ☐堀越 智

5) ☐S. Horikoshi

Turin University seminar, September 6, 2013 (Turin University, Italy).

6) 日本セラミック協会 第 47 回基礎科学部会セミナー (東京)

2013年8月2日 ☐ 堀越 智

7) IEEE MTTC Kansai Chapter ワークショップ(京都)

2013 年 7 月 27 日 ☐堀越 智

8) アントンパールセミナー (東京)

2013 年 3 月 1 日 ☐ 堀越 智

9) 情報機構セミナー (東京)

2013 年 1 月 30 日 ☐ 堀越 智

10) 京都大学ランチセミナー (京都)

2013 年 1 月 16 日 ☐ 堀越 智

11) ☐S. Horikoshi

World Congress on Oleo Science & 29th ISF Congress 2012, 2012 (Nagasaki, Japan).

12) 第6回日本電磁波エネルギー応用学会ショートコース (京都)

2012年10月3日 堀越智

13) アントンパールセミナー (東京)

2012 年 7 月 11 日 ☐ 堀越 智

14) ゼオライト学会 (東京)

2012 年 6 月 15 日 ☐ 堀越 智

15) oS. Horikoshi and N. Serpone

Microwave frequency effects in organic synthesis
Zing Conferences | Microwave and Flow Chemistry Conference 2012, February 29, 2012 (Lanzarote, Spain).

他、国内外の民間企業による招待講演（先方企業により企業名は開示できない）5件

## 学会発表

1) ○S. Horikoshi

Microwave effect(s) on heterogeneous $ TiO_{2} $ photocatalytic system

The 2nd International Conference on Photocatalytic and Advanced Oxidation Technologies for Treatment of Water, Air, Soil and Surfaces (PAOT-2), September 9~12, 2013 (University of Gdansk, Gdansk, Poland).

2) ○S. Horikoshi, N. Serpone

Nanoscience/Nanotechnology and the Role of Microwave Radiation

The $ 18^{th} $ International Conference on $ TiO_{2} $ photocatalysis: Fundamentals and applications

November 7~10, 2013, (San Diego)

3) 〇仙田和章、吉田 睦、堀越 智

"915MHz 半導体式マイクロ波電源の開発と適用例"

2012年10月3日～10月5日

第6回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム (京都大学)

4) ○堤 英弥、堀越 智

”酸素欠損を有した二酸化チタン光触媒におけるマイクロ波の影響”

2012年10月3日～10月5日

第6回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム (京都大学)
TBS テレビ番組 未来の起源で放送(2014 年 5 月 4 日)
# 被災地向け水浄化装置 開上智発大マイクロ波で殺菌 ソーラー発電

能。雨水で試験したところ、一度で約98％殺菌できた。浄化した水は飲料水以外の生活用水として

上智大学の堀越智准教授らは、電源のない被災地などで利用できる水浄化装置を開発した。太陽光発電で駆動し、化学物質の分解や微生物の殺菌ができる。一般的な紫外線ランプよりも光強度が高く、形状を自在に変えられるマイクロ波ランプを使っており、装置の小型化が可能。処理能力が高く、雨水であれば1時間当たり数十百数十歳を浄化できる。災害といった緊急時に農薬で汚染された水や、排水などを浄化して生活用水を確保する非常用ツールとして実用化を目指す。

電子レンジなどで使われているマイクロ波で光るランプを作製し、水の浄化に利用した。ランプの大きさは女性の小指の先程度。内部に水銀とアルゴンのガスが充填してあり、電子レンジと同じ2・45ぶのマイクロ波を照射すると、殺菌効

開発した水净化装置（上智大提供）

果や化学結合を切断する波長の光を発する。電極でき、ランプ全体が光る

ため光強度が高い。また耐久性が通常のランプの10倍以上高く、5年以上使用が可能。メンテナンスの負担を減らせる。

装置は高さ約1・2歳の幅約80ヂがと小型のテーブルほどの大きさ。家庭用太陽光発電パネル3枚で駆動する。150個のランプを詰めた処理槽にマイクロ波を照射し、そこに水を入れて落ちてくる水を回収する。

上げれば連続運転が可

使える。どんな成分が入っているか分からない水の廃棄前処理といった活用方法も見込む。

日刊工業新聞 2014 年 3 月 21 日掲載
### 6. 知的財産権の取得状況

なし

7. 研究概要図

## 光触媒コーティング無電極ランプによる被災地の汚染水浄化装置の開発

被災地に対応できる汚水浄化装置

(省エネ・省スペース・メノテナンスフリー)

✓マイクロ波周波数の決定

✓省エネ型マイクロ波照射装置の開発

✓アプリケータの決定

## 檢討事項

3 2 1 09 8

✓ 小型無電極ランプの試作

✓ 無電極ランプへ光触媒コーティング

✓太陽光発電による連続水処理装置の開発

✓ モデル汚染水を用いた装置の評価

✓ 雨水の殺菌評価

要素研究 $ ^{①} $

マイクロ波光触媒法

による水質汚染物質

の迅速分解

✓ ランプ防汚技術の開発

マイクロ波を共通とした要素研究の融合要素研究 $ ^{②} $

マイクロ波励起無電極ランプによる水処理法

(1) (2) (3) (4)

二酸化チタンによる脱色分解の比較

(1) 原液・(2) TiO_{2}/UV・(3) TiO_{2}/UV/MW・(4) TiO_{2}/UV/ピーター加熱

マイクロ波(MW)と紫外線(UV)を TiO_{2}へ同時照射すると光触媒活性が著しく促進する。既存加熱では達成できない。

無電極ランプの

水中点灯実験

(無電線のため電気漏えいなし)

## 無電極ランプの利点

✓ 無電極のため球切れがない

(長寿命)

✓ 自由な形状でランプを整形

✓ 水中で使用しても電気漏えいの心配がない

✓ 電子レンジでも使える

光触媒の光源として用いることで、数十〜数百倍の分解促進を確認
### 8. 英文概要

# Development of waste water treatment equipment in stricken area by photocatalyst coating microwave discharged electrodeless lamps

Satoshi Horikoshi

Faculty of Science and Technology, Department of Materials and Life Sciences

7-1 Kioicho, Chiyodaku, Tokyo #102-8554, JAPAN

The Great Japan Earthquake followed by a tsunami occurred in Japan on March 11, 2011. As a consequence, many houses collapsed directly by the ground motion or were destroyed during the subsequent tsunami. A huge amount of rubble was generated during this disaster. Toxic substances inside the debris are a severe hindrance for the reconstruction of the stricken area. These toxic substances which extraordinarily need the detoxication by suitable processing methods are unevenly distributed in the debris. On the other hand, many insecticides were sprinkled from a viewpoint of environmental hygiene. Moreover, the weed killer was also sprinkled in the farm. The concentrations of endrin and pentachlorobenzene are increasing after an earthquake disaster in the some areas. It is dotted as hot spot. In the proposal study, the photodegradation of these waste water was performed by being the microwave discharge electrodeless lamps (MDELs). Moreover, it performed by this system also about generation of resurgentwater by sterilization of rain water. Thin film of the titanium dioxide is coated out to the surface of microwave discharged electrodeless lamp. The equipment of the photodegradation (photo sterilization) of waste waters was made with the microwave discharged electrodeless lamps.

The microwave discharge electrodeless lamps were fabricated using vacuum-UV transparent synthetic quartz as the envelope and a mixture of Hg and Ar as the gas-fills. Dimensions of the devices were 10 mm (length) by 5 mm (external diameter). Subsequent to evacuating the MDEL quartz envelope to $ 133 \times 10^{-7} $ Pa, the system was purged with argon gas ( $ 133 \times 10^{-3} $ Pa) after which a small quantity of liquid mercury was added. A single-mode resonance microwave irradiation apparatus is connected to the microwave system with a semiconductor microwave

Figure 1 Image of experimental setup of wastewater treatment system with microwave discharge electrodeless lamps (MDELs)

Figure 2 Photograph of MDELs system with a soler panel system
generator (2.45 GHz) (see Figure 1). The solar power generation device was connected to this equipment (see Figure 2). This equipment can be used also in the stricken area where the power supply was disconnected.

When rain water passed the reactor with MDELs once at the $ 0.4\ L\ min^{-1} $ pump flow rate, it was able to perform 98% of sterilization. On the other hand, 2,4-dichlorophenoxyacetic acid was perfectly decomposed in this condition. It suggested that the MDELs were superior in respect of the life, a miniaturization, energy saving, and degradation efficiency compared with the existing ultraviolet-rays lamp.

Keyword: Microwave; Waste water treatment; microwave discharged electrodeless lamp; photocatalyst; $ TiO_{2} $
# B 平成24年花木等生産状況の概要

平成24年花木等生産状況調査の結果によると、種類別の作付面積、出荷額等の概要は次のとおりである。

### 1. 生產狀況

## （1） 花木類

作付面積は、4,834ha（苗木1,327ha、成木3,401ha）で、前年に比べ7％減少した。

出荷額は、259億円（苗木38億円、成木215億円）で、前年に比べ1％減少した。

## (2) 芝

作付面積は、5,738haで、前年に比べ2％増加した。

出荷額は、63億円で、前年とほぼ変わらず横ばい。

## （3） 地被植物類

作付面積は、112haで、前年に比べ25%増加した。

出荷額は、39億円で、前年に比べ33％増加した。

## 2 ．栽培農家数

花木類は11,626戸で前年と変わらず横ばい、芝は4,330戸で前年対比97％とやや減少したが、地被植物類は670戸で前年対比121％と大きく増加した。
課題名	E-0701 水・物質・エネルギー統合解析によるアジア拠点都市の自然共生型技術・政策シナリオの設計・評価システムに関する研究
課題代表者名	藤田 壮 (独立行政法人国立環境研究所 アジア自然共生研究グループ環境技術評価システム研究室)
研究実施期間	平成19～22年度
累計予算額	165,861千円 (うち22年度 38,361千円)
予算額は、間接経費を含む。
研究体制
(1) 水・物質・エネルギー解析モデルによる都市・産業活動の技術政策の設計・評価に関する研究 (独立行政法人国立環境研究所、東洋大学)
(2) 東アジア・国土・都市圏のマルチスケール環境フラックス解析システムに関する研究 (独立行政法人国立環境研究所、慶応義塾大学)
(3) 東アジアの持続可能な都市・政策・技術シナリオのプラットフォームに関する研究 (財団法人地球環境戦略研究機関)
(4) 自然共生の政策形成システム構築に関する研究 (独立行政法人国立環境研究所)
研究概要
1.はじめに
20世紀末から、中国は飛躍的な経済成長を実現し、世界の工場として人々の豊かな暮らしを支える役割を地球上の隅々にまで提供してきた。一方で、その環境汚染は産業都市の人々の暮らしを脅かす水質汚濁や大気汚染をもたらす水準を超え、都市にとどまらずより広域に、さらに国境を超えた地球規模の環境問題を引き起こしつつある。鉄鋼やセメントなどのエネルギー多消費型産業を中核とする産業構造は、温室効果ガスの排出や資源の集中的消費などの、世界経済への深刻な影響を与える懸念も顕在化してきている。したがって循環型経済社会への転換は中国にとってもアジア、地球にとっても避けられない課題となりつつある。近年になって、中国国内の大気汚染と水質汚濁、さらに東シナ海の富栄養化や、黄砂、エアロゾルの越境移動が顕在化して、中国の行政、産業界においても、こうした環境費用を政策立案と企業経営に内部化する動きが現実になりつつある。
産業化と都市化が急速に進むアジア諸国でも行政担当者を始め各界から、日本の環境技術へは大きな期待が寄せられてきた。しかし環境汚染や環境負荷の排出に対して社会的な関心とそれにともなう「負担意思」が存在しない状況では、循環型の技術を移出しても伝統型の大量消費大量廃棄型の工業生産に対して、市場での競争力を持つことができない。2010年に中国の制定された循環経済促進法はその転換点となると期待されており、日中の環境技術の連携が、理念的な一方向の連携のステージから、実務的な双方向の連携に移行する機運が見られ始めている。日本の技術政策を活かす、産業化の拠点となる都市とその周辺圏域で自然共生的なマネジメントを計画評価するプロセスを構築することが緊急の研究課題となっている。
とくに、中国の都市・産業機能は日本と世界への製品やサービス供給基地としての重要性を増しており、わが国の持続可能な発展に向けても、国内拠点と中国の大都市が連携するエネルギー、物質および水資源の共生的な利用の枠組みを提案し都市・産業ガバナンスを設計するシステム構築が緊急課題となっている。
2.研究目的
東アジアの拠点都市において、都市・産業システムの代替的な技術・政策シナリオを計画するために定量的なインベントリを構築するとともに、それを評価する統合的な環境フラックス解析システムを構築することで、地域の環境保全力を高める都市・産業の設計を可能にする。集計的に環境負荷を評価するアプローチではなく、「環境フラックス」の空間分布と時間変化を定量的に算定するシステムによって、産業拠点を軸とする都市活動との水・物質・エネルギーの共生的利用システムの構築と、水系循環と熱需給の都市環境インフラの形成を中核的な技術・政策とする自然共生型の都市戦略の構築システムを形成する。
中国科学院濠陽応用生態研究所、中国濠陽市環境保護部および中国遼寧省環境科学院との連携で包括的な実施計画の設定プロセスの検討研究を進め、地理情報システム(GIS)、情報技術、コンピュータシミュレーション技術などとの情報技術を活用するデータベースを構築する。水汚染、水資源・利用、および地域の経
済構造等を包括的に調査して、その空間情報と連関するデータベースの構築を進めた。国立環境研究所で開発した水大気統合型の三次元物理連成の流域解析モデル（NIES Integrated Catchment-based Eco-hydrology (NICE) model ; NICEモデル）を都市域に適用できるように開発を進めた。並行して、遼寧省内の都市型流域圏について、中国研究機関との共同でデータ収集の上でモデル適用を進めて、流域の環境特性と社会経済活動との関連を明らかにする。具体的には大連市の水源機能を提供する中国遼寧省南部のBiliu河流域の分析に適用することにより、Biliuダムの建設および経済発展による環境への影響を評価し流域での解析を進める。その知見を踏まえてより広範な中国遼河流域の分析を進めとくに鉄林サブ集水圏に関する調査を実施する。それによって、遼河流域圏の典型的な都市周辺地域における水質変数とその潜在的な汚染源を分析し、人口増加と経済成長が環境条件へ及ぼす影響を調査する。さらに、拠点都市および周辺圏域での適合性の高い循環型の水系浄化・廃棄物処理技術のインベントリデータベースおよび水処理技術の導入シナリオを構築し、各技術導入によるCO₂排出量と汚濁負荷除去量を比較し環境効率を分析することを進める。

次に、都市・圏域のマルチスケール間での物質、財、サービスの移動・流通に伴う水・熱・物質の連関、都市・地域内での水・熱・物質のマスバランスおよび分布構造を把握するシステムを開発する。具体的には、陸域-地下水統合管理モデルに入力が可能な都市スケールと圏域・国土スケール水需要、汚濁負荷、エネルギー、CO₂排出の統合的なインベントリを遼寧省を対象に開発する。

さらに、アジアの持続可能な都市のための既存都市間ネットワークから得られる教訓を示すことを目的として、アジア途上国と日本の地方政府がさまざまなチャンスを育み、効率的に既存ネットワークを発展させ活用するかプロセスを構築する。国際機関や中央政府がいかに都市間ネットワークを支援できるかについての知見を得る。

最後に、日本の環境技術システムとしてエコタウンの技術政策要素を対象に、現状の資源循環の特性を把握し、その循環効率や低炭素化への寄与、さらに経済性などを実証的に算定する技術政策シミュレーションを開発する日本における環境配慮型経営にも注目してその推進条件を解析するこれらの日本発信の環境技術政策システムを活用する技術政策シミュレーション・システムを藩陽市を対象に構築する。地方行政にとっての、代替的な政策オプションを提供してその直接的、間接的な環境便益を算定するシステム構築を図る。公害対策や資源循環について日本の環境技術についての期待は大きいものの、循環型の社会制度や基盤の整備を含めた地域システムの設計が存在しない状況では、国内の技術をそのまま適用する短期的な事業のみの視点では技術展開が円滑に進捗しない例も多くみられる。中国では2009年に循環経済促進法が施行され、2011年からの第12次国家5カ年計画が制定、運用されていく中で、低炭素を実現する資源循環システムへの志向が顕在化している。日本発信の高水準の循環技術と環境社会の知見を活かす統合的なシステム設計とその実践的な展開に向けての社会投資を受け入れることのできる水準に経済発展と社会的な実行能力が達しつつあるといえる。中国科学院応用生態研究所と連携して、中国の拠点的な産業都市である藩陽市とその広域都市圏を対象にして、循環資源ごとに地区スケールから都市、圏域、国土、国際スケールの異なる循環圏を科学的な算定をもとに同定し、その形成支援の技術・政策システムの設計と評価のシステムを構築してきた。この研究では日中環境都市連携を支援する日本発の技術・施策システムの計画評価システムの開発を進めている。さらに、持続可能な都市形成にむけて、動脈側と静脈側の産業システムと都市の循環政策と連携する循環圏システムを設計するガイドラインシステムの提供とともに、中国のほか都市およびアジアの都市への一般化を進める科学的手法の提供をめざす。
3. 研究の方法
(1) 水・物質・エネルギー解析モデルによる都市・産業活動の技術政策の設計・評価に関する研究 遼寧省の中心都市のひとつである大連市の水供給源であるBiliu流域に対してNICEモデルを適用して都市化、産業化による流域環境への影響を解析し、アメリカ海洋大気圏極(NOAA)/AVHRR衛星情報を解析することによって、下流域における環境劣化シミュレーション結果の検証を行った。影響要因分析については大連市の社会経済情報を用いたデカップリング分析によって、流域の水資源賦存量のシミュレーションを行い、流域の環境管理政策への知見を検討した。
流域の水収支は集計的に算定し、大連市水資源局の河川流量と取水量データと降水量から河川の水フローを算定し(2005-2006)、大連市への水供給量は家庭と産業の水利用データ（大連市水資源局、2007）から算定した。貯水量については水位観察地と基礎標高値から算定している（大連市水資源局、2005-2006）。貯水池からの供給量は貯水ダムのトータルの水収支から算定される。Biliu流域の分析をもとにして、遼寧省環境科学院との研究連携を進めて、遼寧省及び中国東北地区最大の河川である遼河の中で、省の首都瀋陽市の北部に位置する鉄林サブ集水圏を対象として、評価研究を展開した。
アジアでの展開を想定して開発した水処理技術計画・評価の全体フレームを構築し、排水や有機性汚濁負荷の発生源となるセクターごとに、社会統計情報、衛星情報、環境観測情報の複層的なデータをGIS上で統合化して、環境資源のデータベースを構築する。データの精度については、一律の基準は設計ず、あくまで本システムを用いる意思決定主体の特性に応じて構築することが重要である。政策や規制などの社会技術群として、経済変数の設定、循環施設の規模や立地の設定、土地利用・産業構造の転換、有機廃棄物の分別資源化を取り上げ、社会技術の操作変数を明らかにする。各設定値については、国内における代表値をデフォルト値と設定した上で、システム利用者が地域特性に応じた値を入力できるものとする。さらに、水処理技術群として、標準活性汚泥法、オゾン処理方式などの下水道技術や、合併処理净化槽、高度処理净化槽などの净化槽技術について、初期・運用時それぞれにおけるコスト・投入エネルギーなどを調査し、水処理技術の生産関数を定式化する。最後に、社会技術の操作関数と水処理技術の生産関数を組み合わせた技術政策シナリオを設計し、環境資源のGISデータベースに基づいてマクロ・ミクロの環境負荷削減効果や事業効率を評価する。汚濁負荷除去量、事業コストと、長期コストとしてのライフサイクル(LC)CO₂、それぞれの環境効率を基本指標とした上で、各ステイクホルダーとの協議で具体的な指標を算出し、合意形成に向けた支援ツールとする。
(2) 東アジア・国土・都市圏のマルチスケール環境フラックス解析システムに関する研究 汚濁負荷インベントリーモデル(COD、全室素、全燐)を用いて、中国の圏域・国土スケールで汚濁負荷量を分析すると、農畜産業由来の汚濁負荷発生量はCODで約70%、全室素で約60%、全燐で約90%があることが明らかになった。そこで、農業、畜産業の面源負荷量について、家畜糞尿の処理と循環農業を促進する有機物循環マネジメント施策を設計するための技術調査を実施し、小規模の畜産農家に適合する戸用の三結合のメタンガス発酵槽(トイレ、豚舎及びメタンガス発酵槽三者一体モデル)を、農村家庭、小規模畜舎に導入した場合の長江流域全体の汚濁負荷削減効果(COD、全室素、全燐)について、分布型インベントリーモデルを用いて評価した。
(3) 東アジアの持続可能な都市・政策・技術シナリオのプラットフォームに関する研究 東アジア地域及び域外における既存の都市間ネットワークの比較分析を実施した。将来プラットフォームの設計に向けて、日本を含む国内外関係者からの情報収集と意見交換を行った。都市ネットワークの活動が効果をもたらす要因、及びネットワークによる効果が政策変化につながる要因について分析した。また、支援側でネットワークに関わる都市のニーズ、及びネットワーク事務局・運営体制についての分析を行った。効果的な政策強化を支援する国際プラットフォームの政策報告書案を策定し、同案についての関係実務家・専門家の討議集会を開催した。マルチスティクホルダー・ダイアローグの成果および研究連携都市における国際プラットフォームへの関与に基づいて国際プラットフォームの政策報告書を策定した。
(4) 自然共生の政策形成システム構築に関する研究 2008年6月にエコタウン承認自治体への事前調査を行ったうえで、2009年2月にエコタウン施設へのアンケート調査を行った。さらに、記入方法に関する改善等のより効率的な調査を可能とするために、4地域9施設（千葉エコタウン、東京スーパーエコタウン、川崎エコタウン、愛知エコタウン）に対して予備調査を行った。郵送による調査では事業特性について、詳細な数字を企業から得ることは困難となることが事前調査によって明らかになったので、選択肢を提示の調査をおこなった。