Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
13.56 MHz による無電極ランプの点灯実験を試作した高周波照射装置で試した。通常、高周波を照射するにはコイルを用いるが、本実験では銅パイプを利用してコイルを試作した。無電極ランプを入れたパイレックスガラス製反応容器をコイルの中心に設置し、高周波を連続印加した。高周波を約800Wで印加するとマイクロ波励起無電極ランプの点灯が確認された。しかし、ランプとの整合や消費電力の観点から不適当であることが分かった。

これらの結果から、2.45GHz は水の吸収効率に不利な点はあるが、無電極ランプの点灯に最適であることが分かった。

## モデル汚染水の連続処理による装置の評価

マイクロ波励起無電極ランプを用いた水処理装置として、半導体式発振器、アイソレータ、E/H チューナ、シングルマルチモードアプリケータを備えた装置構成で試作した(図7)。モデル汚染水は循環ポンプを用いて連続分解を行った。モデル汚染水として2,4-ジクロロフェノキシ酢酸水溶液（0.02 mM (4.42 ppm)、0.05 mM (11.05 ppm)、0.1 mM (22.1 ppm)）を8 Lタンクに入れ、ペリスターポンプ（アズワン製7553-80）を用いて溶液を循環した。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200 Wを連続照射した。マイクロ波励起無電極ランプの点灯後、8 Lのモデル汚染水を0.7 L min⁻¹の流速で循環した。流速から8 Lのモデル汚染水が1回反応容器を通過するには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%であった。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に対するマスノスケに対するLC₅₀は0.373 mg L⁻¹で、0.02 mMはLC₅₀の11.8倍濃度になる。したが

図 7 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 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸水溶液 (8 L) の連続分解

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（試薬付属の MSDS から算出）。
## ランプへの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、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、ペルオキソチタン酸（以下PTA）水溶液、四塩化チタンエタノール溶液を用いた。透明度、塗りやすさ、分解促進効果の観点からPTA水溶液（東邦チタニウム（株）協力）が最適な二酸化チタン原料であることが分かった。PTA水溶液による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では5分間で19％分解が進行し、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。

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光を照射しても表面についたメチレンブルーの脱色が観測されなかったが、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。

## 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（図8）。太陽光発電装置はアリオス（株）が製作を行った。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、バッテリー残量が目視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。

図８ 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
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（8 L）に含まれる菌の致死率を行った。ポンプ流速を0.7 L min⁻¹で行うと20分の処理で30.0%(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99.2%の致死率が観測された。8 L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(1000菌株中8菌株残留)の菌の致死率が可能となった。そこで、ポンプ流速を0.4 L min⁻¹に変更し、雨水を循環させると20分の分解で98％が観測された。0.4 L min⁻¹ポンプ流速では8 Lの雨水がすべて反応容器を通過するには20分必要であるため、この流速では1回の通過で92%(1000菌株中80菌株残留)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。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。

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9）。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が確認された。

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(ペンタクロロベンゼン=2.51 ppm；エンドリン=3.81 ppm)濃度に相当する試薬を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

図9 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸水溶液（8L）の連続分解

図 10 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図と点灯の様子

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。

## 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、改造した市販の電子レンジを用いて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直径1 cmの穴をあけ、テフロンチューブを通して反応容器に連結した（図10）。その反応容器には150個の無電極ランプを導入した。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、非常に強く発光した。1 Lの2,4-ジクロロフェノキシ酢酸水溶液(0.05 mM; 11.05 ppm)を、ペリスタポンプを使用して循環し、電子レンジで分解した。ポンプ流量は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が示唆された。

## 環境政策への貢献

被災地の早急な復興は急務であるが、生態系に影響のある汚染物質の存在下で、それを進めることはできない。災害によって分散した環境汚染物質の早急な除去は、被災地の復興を行う上で重要である。災害によって発生した高濃度の環境汚染物質を迅速・適切に処理するために、本研究の技術が役立つと考えられる。本研究は今回の復興支援に使う装置開発を目的としているが、同時に将来起こりうる災害へも対応できる。また、平時においても、産業分野で発生する汚染物質の処理や、人為的事故による汚染物質の流出の改善にも役立つと考える。また、本技術は、水処理分野にかかわらず、VOCガスの処理などの気体(空気)清浄化にも利用でき、環境立国を目指す我が国において国内外にアピールできる新技術であると考えられる。

## 研究成果の実現可能性

本装置はフィールドテストを完了しており、小規模の水の殺菌であれば十分処理を行うことができる。また、マイクロ波励起無電極ランプと電子レンジを組み合わせることでも同様に水の殺菌や汚染水の除去ができるため、緊急時への備蓄装置として有効であると考えられる。もし、被災地に対して本装置のニーズがあればプロジェクト終了前でも活用を検討することができる。さらに、国内および海外の大手メーカーが被災時の浄水処理、工場排水の処理、発展途上国などの水処理装置として興味を示したことから、一部共同研究を始めている。

## 結論

アルゴンガスと水銀ガスを混合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、これを駆動するための2.45GHzシングルモード型アプリケータを備えたマイクロ波装置を試作した。この装置の試作には、アプリケータの最適化や周波数の最適化などを検討した。試作した装置を用いて、さまざまなモデル汚染水の分解を行うことで装置の評価を行った。また太陽光発電を電源とした半導体式のマイクロ波発信器を開発し、これにより消
費電力を著しく抑えることに成功した。

マイクロ波励起無電極ランプへの二酸化チタンコーティングは PTA 溶液を用いて行い、二酸化チタンのコーティングにより 21％の分解促進が観測された。本装置を用いることで、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(1000 菌株中 8 菌株残留)の菌の致死率を行うことができることを示した。この時、太陽光発電を利用した電源装置により運転が可能であることを示した。本装置は、メンテナンスフリーでオペレーティングの容易な、高効率な紫外線ランプを用いた水処理装置であり、被災地において緊急に再生水などを製造することができる。また、この無電極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した。

## 文献

[1] 環境省報道発表資料、平成23年度東日本大震災の被災地における化学物質環境実態追跡調査結果の公表について、http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=15490
## 本文

### 1. 研究背景と目的

### 1.1 研究背景

宮城県牡鹿半島の東南東沖13kmにおいて2011年3月11日14時46分頃、東北地方太平洋沖地震が発生した $ ^{[1]} $ 。地震の規模はマグニチュード9.0で、発生時点において日本周辺における観測史上最大の地震であることが報告されている（図1）。震源は広大で、岩手県沖から茨城県沖までの南北約500km、東西約200kmのおよそ10万平方キロメートルという広範囲すべてが震源域とされる $ ^{[2]} $ 。また、この地震は申請者の本務がある東京都千代田区でもマグニチュード5弱を観測指しており、東京地方でも大きな被害を受けた。

図 1-1 東北地方太平洋沖地震における震度分布 (出典: 気象庁ホームページ、平成 23 年 3 地震・火山月報（防災編）[1])

東北地方太平洋沖地震では、地震による建物の崩壊やライフラインの切断等の諸問題から、人々の生活へ大きな影響を及ぼしたが、さらにこの地震により極めて大きな津波が発生し、地震被害を上回る多大な損害を与えた。東北地方太平洋沖地震による津波の最高遡上高は、岩手県大船渡市で40 mを観測し、岩手県北部から宮城県南部までの約200 kmの海岸線で20メートルを越える津波が発生したことがのちの調査からわかっている $ ^{[3]} $ 。また、この津波は東北地方に限らず四国や九州でも数mの津波が観測されるなど、極めて広範囲に大き
な津波が発生したことが確認された。平成26年3月に警視庁により発行された資料によると、死者は15884人、行方不明者は2633人であるが（図2）[4、5]、そのうちの9割以上が津波による犠牲者であると知られている（図3）。

図 1-2 東北地方太平洋沖地震における犠牲者分布

(出典: 国土交通白書、未曾有の大震災と国土交通省の総力対応) [4]

図 1-3 東北地方太平洋沖地震における犠牲の原因

(出典：国土交通白書、未曾有の大震災と国土交通省の総力対応)[5]

また多くの家屋の流出、鉄道、道路等交通機関の破壊、561 km²にも及ぶ浸水被害は、人命損失に加え、その後の復旧を大きく遅らせる原因となっている。このような、膨大な人命の損失と家屋等の損失は、現在も調査が続けられており、その数は増加している。
### 1.2 東日本大震災と水環境

#### 1. 2. 1 殺虫剤および農薬

東日本大震災によって発生した津波により、浸水による被害を受けた家屋は21万世帯（500 km²）と報道されており、その後発生した瓦礫は2000万トン（約20年分）と推定されている。これらの瓦礫は決められた処理区で分別され処理または処分されている。しかし、発生当時では、家畜等の死体等を含んだ瓦礫中によって衛生環境が悪化した。また、湾岸地域に操業していた巨大な冷凍倉庫や水産加工工場内では、数百から数千トンという大量の腐敗魚類が堆積しており、その近傍の地域では数十万m²に渡り腐敗魚類が散乱していたことがテレビ報道などでたびたび報告された。また、これらの腐敗魚類によって大量のハエや蚊が、震災後1か月で大量に発生した。その後、梅雨を隔て気温が上昇すると、ハエや蚊の大発生が増加することが予想されることから、人体への衛生的影響が懸念された。この問題を解決するため、公益社団法人日本国際民間協力会などが殺虫剤を問題がある場所に、限定的に散布しハエや蚊の大発生を食い止める試みを行った。多くのケースで鳥類や人畜に害が低い殺虫剤（たとえばエトフェンプロックス：LD_{50}=11900 mg/kg）を利用するなどの配慮をしながら、環境衛生の確保を行ったことも報道されている（図1-4）。しかし、この散布された殺虫剤は小規模の貯水場や水たまりなどにも混入するため、環境衛生の安全の確保とトレードオフの関係で水環境の汚染が懸念された（リスクは低いがゼロではない）。本プロジェクトの申請当時にはこのような報道が多数行われ、環境中に蓄積されている殺虫剤濃度の上昇の可能性が報告されており、この問題を解決するため研究を提案した。

図 1-4 瓦礫に殺虫剤を散布している様子

東日本大震災において津波被害を受けた農地では、大量の瓦礫や農業者の一時避難による復旧までの休耕期間が生じたことから、休耕地の雑草管理が課題となり、東北地方全域において、復旧における大きな課題となった。その後、ある程度の瓦礫除去が行われたが、小さな瓦礫等の完全除去が困難であったため人力による除草作業がほとんど進まなかった。そこで、草枯らしMIC、ザクサ液剤ラウンドアップマックスロードなどの除草剤が有人または
無人のヘリコプターを用いて、航空散布をすることを各市町村によって積極的に取り組まれた（表1-1）。散布された殺虫剤や農薬は、河川や地下水に流れ込んでも水処理場等で浄化されるが、東日本大震災では下水処理場やポンプ場が破壊され、未処理のままで自然界に放流されるケースもたびたび報告された。このため、沿岸地域を中心とした水環境への影響に大きな関心が集まった。

表1-1 ヘリコプター散布で使用された除草剤

農薬の種類	商 品 名	活性成分
グルホシネートPナトリウム塩液剤	ザクサ液剤	11.5
グリホサートイソプロピルアミン塩液剤	草枯らしMIC	41
グリホサートカリウム塩液剤	ラウンドアップマックスロード	48

#### 1.2.2 化学物质

東日本大震災では津波により工場内にあった様々な化学薬品などが被災地へ拡散したことが報告されている。これにより、高濃度の化学薬品が津波によって流失したと推察されこれらの処理が求められた。図1-5の分布は、化学物質排出移動量届出制度（PRTR）のデータを基に、津波により浸水被害の届出があった施設の暫定的リストから作成された津波被害の施設を示している $ ^{[6]} $ 。化学物質排出移動量届出制度のデータから各施設から流失した化学物質を整理すると表1-2のようになる。

図1-5 東日本大震災で浸水のあった化学物質を扱う施設 (出典 : The National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) report (vol. 119, 2011) [6])
表1-2 図2で示した施設から流失したと考えられる化学物質（化学物質排出移動量届出制度から予測）（出典：The National Institute of Environmental Health Sciences （NIEHS） report （vol. 119, 2011） [6]）

位置	化学物質
1-24	アセトニトリル、アクリロニトリル、アクリル酸、アクリルアミド、アンチモンとその化合物、アスベスト、ベンゼン、ビスフェノールAエポキシ樹脂、ホウ素およびその化合物、メタクリル酸n-ブチル、クロロホルム、クロムおよび三価クロム化合物、コバルト化合物、水溶性銅塩類（錯塩を除く）、シクロヘキシルアミン、ダイオキシン類、エチルベンゼン、エチレングリコール、エチレンジアミン四酢酸、ホルムアルデヒド、ヒドラジン、フッ化水素とその水溶性塩、鉛およびその化合物、マンガンおよびその化合物、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、モリブデンおよびその化合物、モノメチルエーテル、ニッケルとその化合物、ノニルフェノール、フェノール、トルエン、1,3,5-トリメチルベンゼン、キシレン、水溶性亜鉛化合物
25-26	ベンゼン、ビスフェノールAエポキシ樹脂、クロムおよび三価クロム化合物、六価クロム、エチルベンゼン、鉛、マンガン、モリブデンとその化合物、ニッケルとその化合物、ノニフェノール、トルエン、キシレン
27-28	ホウ素とその化合物、ホルムアルデヒド、マンガンとその化合物
29-33	ニッケル化合物、スチレン、水溶性亜鉛化合物
34	スチレン
35-37	クロロジフルオロメタン、ダイオキシン、エチルベンゼン、エチレングリコール、トルエン、1,3,5-トリメチルベンゼン、キシレン
38	クロムおよび三価クロム化合物、ニッケルおよびその化合物、銀およびその水溶性化合物
39-53	ベンゼン、ビスフェノールAエポキシ樹脂、ホウ素およびその化合物、臭化メチル、水溶性銅塩（錯塩を除く）、シクロヘキシルアミン、ダイオキシン、エチルベンゼン、エチレン、エチレングリコール、エチレングリコールエチルエーテル、ホルムアルデヒド、フッ化水素とその水溶性化合物、鉛およびその化合物、マンガンおよびその化合物、ニッケル化合物、フタル酸ジノルマルオクチル、トルエン、1,3,5-トリメチルベンゼン、キシレン
54	アスベスト、ジクロロペンタフルオロプロパン
55-91	アスベスト、ベンゼン、フタル酸ジエチルヘキシル、ビスフェノールAエポキシ樹脂、ホウ素およびその化合物、フタル酸ブチルベンジル、フタル酸ジブチル、クロロジフルオロメタン、クロムおよび三価クロム、コバルトおよびその化合物、水溶性銅塩（錯塩を除く）、ジクロロメタン、ダイオキシン、エテン、エチルベンゼン、エチレングリコール、ヒドラジン、フッ化水素とその水溶性
塩、鉛とその化合物、マンガンとその化合物、モリブデンとその化合物、ピペラジン、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、銀とその水溶性化合物、テトラクロルエチレン、トルエン、1,3,5-トリメチルベンゼン、キシレン
92-107	アクリル酸、アクリルニトリル、アジピン酸、アスベスト、フタル酸ジエチルヘキシル、クロロホルム、六価クロム化合物、コバルトおよびその化合物、クレゾール、無機シアン化合物、ジクロロメタン、N-(N,Nジメチルアミノ)エチルアクリルアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ダイオキシン、エピクロロヒドリン、エチルベンゼン、無水マレイン酸、メタクリル酸メチル、p-オクチルフェノール、スチレン、1,3,5,7-テトラアザトリシクロ(3.3.1.1(3,7)デカン、有機スズ化合物、トルエン、キシレン
108	トルエン
109-130	アセトニトリル、アニリン、o-アニシジン、フタル酸ジエチルヘキシル、ビスフェノールAエポキシ樹脂、カドミウムおよびその化合物、二硫化炭素、o-クロルアニリン、クロムおよび三価クロム、六価クロム化合物、コバルトおよびその化合物、シクロヘキシルアミン、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、N,N-ジメチルホルムアミド、ダイオキシン、ジフェニルアミン、エチルベンゼン、エチレングリコール、ホルムアルデヒド、ヒドラジン、フッ化水素およびその水溶性化合物、鉛およびその化合物、メチルベンゼン、モリブデンおよびその化合物、ニッケル、p-フェネチジン、o-フェニレンジアミン、無水フタル酸、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、スチレン、トルエン、o-およびp-トルイジン、トリクロロエチレン、1,3,5-トリメチルベンゼン、キシレン、水溶性亜鉛化合物

これらの化学物質の多くは呼吸器に対して有害物質であり、中には神経毒性や発癌性を示すものもある。また、その多くの物質は急性毒性を示すものや、環境中にいったん放出されると水環境に長期にわたって滞在し、汚染問題を長い期間引き起こす物質もある。このような化学物質は大量の水に無限希釈されてしまえば、環境や人体に対する影響は低いと考えられるが、地下水、ため池、被災地に残るヘドロなどに混在すると、ホットスポット的に高濃度の化学物質を含んだ汚染水が発生してしまう。本申請当時、広域な水質分析が行われ、その公表も次第に進んできたが、このような流動性のない水場（ホットスポット的汚染水）の処理には、様々な高濃度の薬品が存在しており、オンサイト処理することは迅速な復興に向けて急務であると考えられてきた。
表1-3 被災地の海洋環境のモニタリング調査結果 (出典：環境省報道発表資料、被災地の海洋環境のモニタリング調査結果の公表について（お知らせ）[7])

汚染物質	影 響
ポリ塩化ビフェニル（PCB）	環境基準値以下
ダイオキシン類	震災による影響はない
油分（炭化水素）	震災による影響はない
臭素系難燃剤（PBDEおよびHBCD）	震災による影響はない
有機フッ素化合物（PFOSおよびPFOA）	震災による影響はない
その他	トリブチルスズ化合物、エンドリン、ペンタクロロベンゼン、トリフェニルスズ化合物が基準値を超える

残留性有機汚染物質や化学物質排出把握管理促進法に基づき排出量等の届出が必要とされる物質等（以下、POPsと省略）に対する水質環境の調査結果が2011年9月30日に環境省によって報告された（表1-3）。ポリ塩化ビフェニル（PCB）、ダイオキシン類、油分（炭化水素）、臭素系難燃剤（PBDEおよびHBCD）、有機フッ素化合物（PFOSおよびPFOA）は震災による影響がないことが広域調査によって分かった $ ^{[8]} $ 。一方、その他の汚染物質として、トリブチルスズ化合物、エンドリン、ペンタクロロベンゼン、トリフェニルスズ化合物などが、基準濃度以上になっている地点があることが報告されてきた。本研究ではこの中で、エンドリンおよびペンタクロロベンゼンに注目し、その処理を行った。

#### 1.2.3 雨水の利用

平成24年度に、実際に被災のあった宮城県にある市役所において、震災後に問題となった放射能以外の水環境に対する聞き込み調査を行った（先方の希望により聞き取り先の名前は未記入とする）。津波直後は家屋や設備が津波によって流されたことから直接的な水の汚染は、泥水による衛生面が問題視された。数日後には、ライフラインの破壊により避難地等での飲み水等の確保に加え、簡易トイレの水や泥水を洗い流すための雨水や再生水の需要があった。このような状況の中で、雨水などを利用ができれば助かるのではないかと提案があった。再生水とは、生活用水の中で水洗トイレ用水、冷却・冷房用水、散水などの用途に生活排水・下水等の再生水や雨水などを指すことが国土交通省によって定義されている。雨水や再生水は水道水と比較して低レベルの水質であり、近年水資源の有効利用の観点から雑用系用途として注目されてきた（図1-6）[9]。
図1-6 水道水の利用用途 (出典：国土交通省ホームページ、日本の水資源 [9])

再生水はすでに学校、共同利用地、ホテル施設などで利用の実績があり、その多くで雨水をトイレの洗浄水として利用している（図1-7）。

図1-7 個別循環方式を用いた水の使用

(出典：国土交通省ホームページ、日本の水資源 [9])

一般施設での雨水の利用では長期間の使用を前提とするため、非常に複雑で大きな設備を必要とするものが多い。雨水を実際に用いている高校の例では、屋根から集水した雨水を、沈砂槽、沈殿槽で自然沈殿処理後に、雨水貯留槽へ移送、貯留し、さらに濾過処理、塩素消毒処理後に雨水・再生水槽へ移送、貯留している。これらの工程で得られた水はトイレの洗浄水として使用されている $ ^{[10]} $ 。この高校では、雨水槽の水位が下がり、渇水時水量の水位まで下がると自動的に揚水ポンプが稼動し、井戸水が雨水槽に補給される仕組みになっている。このような装置を用いて、年間3306 m³/年の水がトイレの洗浄水に利用されている $ ^{[10]} $ 。また、申請者の本務でもある上智大学図書館でも雨水利用がされており、そのコスト試算も報告されている（図1-8） $ ^{[10]} $ 。
費用等	摘 要
設置費(円)	12,790,000
雨水年間使用量(m3/年)	2,907
水道代節約費(円/年)	1,020,000	350円/m3*2,907m3/年
償却年数(年)	12

○名 称 上智大学中央図書館

○用 途 学校図書館

○供用開始 1984年

○目的 水資源有効利用、節水対策

○延床面積 26,727m²

○集水面積 2,344m²（建物屋上）

○貯留槽 235m³（建物地下）

○利用用途 トイレ洗浄、散水、洗車

図 1-8 上智大学中央図書館コスト試算 （出典：国土審議会資料、雨水・再生水等の利用促進（国土審議会 水資源開発分科会 調査企画部会(平成25年12月13日)、[10])

一方、長期的な雨水の利用には上記のような大型設備が必要であるが、災害時に必要なごく短期的な雨水の利用については、より単純な方式で殺菌ができる装置が求められている。図1-9には景観維持を主たる目的としており、人間が触れることを前提としていない（たとえば修景用水）の生成法を示す。もっとも使用量の大きい東京都の事例では、ろ過を行った再利用水を塩素や紫外線殺菌を行っており、再利用水作成には紫外線殺菌が有効であることを示している（処理により大腸菌不検出）。本申請で提案している装置は紫外線を簡便に効率よく発生させることが可能であり、再利用水の製造に利用できる可能性がある。

図 1-9 修景用水の利用状況（ろ過：砂ろ過または織維ろ過・O_{3}：オゾン処理・塩素：塩素消毒・紫外線：紫外線消毒・MF：精密ろ過）（出典：折目孝子、石原充也、七里浩志：下水処理水再生水の利用状況について～他都市の現状と比較して～、第1回水道・下水道水質意見交換会（横浜市下水道局研究発表会資料）横浜市（2009,10）[11から作成])
#### 1.2.4 放置化学物质

被災地の聞き取り調査では、放置化学物質の存在についてご意見をいただいた。震災後の畑等の農業用ため池たに農薬が入っていたと思われる空き瓶が浮いており、その水には油が浮いているなどの通報があった。このボトルの中の農薬がため池の水に混ざっているかどうかは不明であるが、大量の油分が確認されたため田畑への使用や用水路への放流の判断ができないといった問題が生じた。また、瓦礫処理後の水たまりにも大量の色付き水を含んだ水溜まりがあり、これが有害か否かについての判断が難しいケースが多いとの指摘を受けた。これらの水量はいずれも数十リットルから数百リットルであり、かつ自然界で汚染水として観測される濃度に比べ、かなり高濃度の有機物を含んだ汚染水である恐れも考えられる。本申請研究ではこのような、少量で高濃度な汚染水を処理の対象とした。

### 1.3 ターゲット汚染物質の選定

本申請研究では、東日本大震災で発生した水環境の改善を目的としたが、河川や湖などの大量の水の処理を行うことを研究対象にはしていない。むしろ震災等で発生したホットスポット的な少量の汚染水の処理を目的とする。また、今後起こり得る別の災害に対しての備えの意味も含めて装置設計を行う必要がある。震災によって発生した水環境問題は、時間と共に流動的に問題点が変化している。したがって、申請採択後も現地調査などを行いさまざまな情報の入手を行うことで、ターゲットとなる物質を選定した。

本研究で用いるターゲット汚染物質は、アドバイザリー委員会でもたびたび実質に則った研究の実行をアドバイスされたため、調査結果を基に、雨水の殺菌および汚染物質（4-クロロフェノール（4-CP）、2,4-D（2,4-ジクロロフェノキシ酢酸）、メチレンブルー（色素）、エンドリン、ペンタクロロベンゼン）無害化の評価である。殺菌および分解実験を行い、菌の致死率や分解率から装置の評価を行った。

### 1.4 これまでの研究

本研究では図 1-10 に示すように、申請者らが既に 10 年以上行ってきた二つの要素研究を融合させ、新しい水処理方法を提案することを目的とする。

要素研究1は、マイクロ波および紫外線照射による光触媒二酸化チタンによる汚染物質の迅速分解である。代表者はこれまで環境触媒として知られている光触媒の課題であった処理速度の向上を電子レンジなどに利用されているマイクロ波（2.45GHz）を用いて改善することに成功した。すなわち、マイクロ波による光触媒反応の促進現象を10年以上前に発見した。申請者らは光触媒二酸化チタンへ紫外線とマイクロ波を同時照射すると、既存の光触媒反応に比べ、様々な有機汚染物質の分解が数十倍に促進することを発見した（図1-11）。また、マイクロ波による光触媒活性の促進現象のメカニズムについても学術的研究を重ねてきた。
図 1-10 本申請研究の概要と要素研究

図 1-11 マイクロ波および紫外線照射による光触媒二酸化チタンによる汚染物質の迅速分解イメージ

要素研究2は、マイクロ波励起無電源ランプによる紫外線発光と有機物の迅速分解反応である。代表者はこれまでにマイクロ波で発光する高強度な紫外線ランプの試作を行ってきた $ ^{[12]} $ 。このランプの特徴は電極やソケットを持たない水銀およびアルゴンを封入した電球（無電極ランプ）である。石英バルブにガスを内封し、マイクロ波を照射することで内封ガスが励起し、強い真空紫外光／紫外線を発生させる。申請者らはこの無電極ランプを環境保
全に利用すべく、無電極ランプの最適化に加え、マイクロ波照射装置のデザインを先導的に行ってきた。

これら要素技術の特徴は、マイクロ波をエネルギー源としていることから、2つを融合することで新しい水処理装置を作ることができると考えられる。また、本申請研究では、各要素研究が新技術の基盤となるため、本報告書にその概要を加える。

## 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

高度酸化プロセスの1つである光触媒二酸化チタンは、様々な環境浄化のための触媒として基礎および応用研究が進められてきた $ ^{[13]} $ 。二酸化チタンは紫外線を照射すると、非常に強い酸化作用を示すことから、化学薬品や電気を使わない自然のエネルギーだけで反応が進む。さらに、二酸化チタンは化学的に安定で無害な無機粉末であり産業的コストも安価である $ ^{[13]} $ 。もともと、二酸化チタンは白色顔料として利用されてきたが、1972年に二酸化チタン単結晶電極を用いた水の電気分解（本多・藤嶋効果）が発表され $ ^{[14]} $ 、二酸化チタンを光エネルギー変換材料として利用する研究が盛んに行われてきた。その後、1980年代には環境汚染物質を分解・無害化する研究が主流となり、現在でも大気や水中の汚染物処理の観点から世界中で研究が行われている $ ^{[13]} $ 。その強い酸化力と超親水性を生かして殺菌、防汚、空気浄化といった実用応用化がなされている $ ^{[15]} $ 。このように光触媒は日本が世界に誇れる科学技術の一つであり、申請者らも20年近くその研究を行ってきた。しかし、既存の水処理法に比べ水質汚染物質の分解時間に問題があることから大型化には至っていないことが国際会議等で議論されてきた。

(a)

(b)

(C)

(d)

図 1-12 各光触媒分解法によるローダミン B （RhB）水溶液の脱色比較 （a）分解前の RhB 水溶液、（b）二酸化チタン粉末懸濁 RhB 水溶液へ紫外線を照射（既存の光触媒分解法：UV 法）、（c）二酸化チタン粉末懸濁 RhB 水溶液へマイクロ波と紫外線を同時照射（UV/MW 法）、（c）二酸化チタン粉末懸濁 RhB 水溶液にヒーター加熱をしながら紫外線を照射（UV/CH 法）([16])
この問題点を解決するため、本研究では二酸化チタンへ紫外線とマイクロ波を同時に照射すると、有機汚染物質の分解速度が大幅に上昇することを見出した $ ^{[12]} $ 。比較として、マイクロ波加熱と同様な温度条件でヒーターによる外部加熱を行っても、同じような分解促進効率は見られなかった。たとえば、赤い色素であるローダミンB（RhB）の分解結果では（図1-12）、二酸化チタンを懸濁したRhB水溶液へ紫外線のみを照射したUV法に比べ、マイクロ波（2.45GHz）と紫外線を同時照射するUV/MW法では、溶液の脱色が著しく進行し、二酸化チタン光触媒の問題点である分解時間を短縮させることに成功した $ ^{[12]} $ 。マイクロ波を照射するとRhB水溶液の温度が上昇するため、マイクロ波による熱的分解効果について検討した。ヒーターによる通常加熱（CH: Conventional Heating）と紫外線照射を併用した分解（UV/CH法）を比較した。しかし、マイクロ波照射条件と温度条件を一致させたヒーター加熱を用いても、分解促進効果はほとんど見られなかった。マイクロ波は迅速加熱のための熱源と思われてきたが、光触媒反応におけるマイクロ波の役割は熱的効果以外の影響があることが分かった。すなわち、マイクロ波効果が光触媒活性を促進させると考えられる。

光触媒二酸化チタンによる有機汚染物質の分解効率は、使用光触媒量、光の強度、溶存酸素量によって大きく変化する $ ^{[13]} $ 。これらの活性を決定する因子に対して、それぞれ不利な状況を意識的に作り出し、その状況におけるマイクロ波による改善度(触媒活性の向上度)を検討した。モデル処理として RhB の分解を全有機炭素量（TOC）の減少量から評価した。

光触媒二酸化チタンの使用量を減らし、マイクロ波による触媒活性の促進効果を検討した(図1-13a)。60 mgの二酸化チタンを用いてUV法でRhBの分解を行った系に比べ、二酸化チタンの使用量を半分（30 mg）に減らしてもUV/MW法を用いれば分解が約1.5倍促進することが分かった。また、マイクロ波を二酸化チタンが含まれないRhB水溶液へ照射しても分解は進行しなかった。UV/CH法によるRhBの分解ではUV法の分解速度と同様な結果であった。

本実験では高压水銀ランプを用いて、紫外線を光触媒へ照射している。その紫外線（360 nm）の光強度を変化させマイクロ波による光触媒の促進効果を検討した（図1-13b）。0.3 mW·cm^{-2}に調整したUV/MW法と2.0 mW·cm^{-2}に調整したUV法の比較より、光強度を85％程度減少させてもマイクロ波を照射することで2.5倍の分解促進効果が観測された。

光触媒二酸化チタンによる有機汚染物質の処理では、その強い酸化力によって分解が進行する。したがって、水中の溶存酸素量は有機汚染物質の分解効率を決定する重要な因子である。そこで、水中の溶存酸素濃度を酸素ガスのバブリングで増加させたUV法と、分解効率を低下させる窒素やヘリウムガスによるバブリングで、溶存酸素濃度を低下させたUV/MW法によるRhBの分解を行った（図1-13c）。なお、バブリングには多孔質セラミックを用いて5分間連続置換を行った。これらの条件において、RhBの分解速度に大きな差が見られなかった。低溶存酸素濃度条件で光触媒による水処理を行うと、分解効率が著しく低下するが、マイクロ波を照射することで分解効率を維持できることが示された。一方、酸素バブリングによって溶存酸素濃度を増加させたUV/MW法では、UV法に比べRhBの分解が著しく促進した。光触媒を用いた水質汚染物質の分解において、触媒量、光強度、溶存酸素量の条件をマイクロ波照射により改善できるため、コスト、安全面、処理装置設計の観点から重要であると考えられる。

RhB 分子構造に含まれる窒素は、光触媒分解に伴い $ NH_{4}^{+} $ イオンに無機化される。そこで各光
触媒分解条件で $ NH_{4}^{+} $ オンの生成量を検討した (図 1-13d)。UV 法や UV/CH 法に比べ UV/MW 法では、 $ NH_{4}^{+} $ オンの生成量が多く、マイクロ波照射を併用することで分子内の窒素の分解速度も促進することが分かった。

この方法を用いて、水中の農薬、殺虫剤、VOC（揮発性有機化合物）、フッ素系化合物（PFOA）、ダイオキシン、PCB（ポリ塩化ビフェニル）、大腸菌、し尿などの処理で行ってきたが、数十～数百倍の分解促進効果があることを確認している。
図 1-13 UV 法および UV/MW 法を用いたローダミン B（RhB）の分解に伴う全有機炭素量（TOC）の減少 （a）触媒量の比較、（b）光強度の比較、（c）溶存酸素の比較、（d）RhB の脱窒素に伴う $ NH_{4}^{+} $ イオンの生成比較（出典：Environ. Sci. Technol., 36（2002）1357.[16])

図 1-14 冷却ジャケットを有したマイクロ波および紫外線同時照射装置 (出典 : J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 188 (2007) 1 [17])
光触媒二酸化チタンにおけるマイクロ波効果は、既存の加熱方法では得ることができないため、単なる熱的な効果ではなく非熱な効果であると考えられる。そこで、マイクロ波加熱と冷媒による冷却を同時に行える光触媒反応容器を試作し(図1-14)、反応液を冷媒によって冷却しながらマイクロ波照射を行った。冷媒としてマイクロ波の吸収のないシリコンオイルを冷却チラーで-20℃に冷やし、図のように反応容器に着けたジャケットにより冷却した(UV/MWCool法)。冷媒を流さないUV/MW法では20分間のマイクロ波照射によって反応溶液の温度は77℃に達するが、UV/MWCool法では約20℃に反応溶液の温度が保たれるように調整した。モデル有機汚染物質としてビスフェノールA（BPA）を用いて、BPAの濃度低下から分解効率を検討した(図1-15)。UV法に比べUV/MW法は約1.9倍のBPA分解能力を示した。一方、UV/MW/Cool法では、UV法に比べ約3.7倍の分解能力を示した。一般的に、マイクロ波は電子レンジなどに利用されているように、物質に対して熱源として利用されてきたが、これらの分解能力の違いから光触媒反応ではマイクロ波の熱が触媒活性を妨げていることが明らかとなった $ ^{[17]} $ 。

図 1-15 UV 法、UV/MW 法、UV/MW/Cool 法を用いたビスフェノール A（BPA）の分解（出典：J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 188（2007）1.[17])

二酸化チタンは387～400 nm以下の光を吸収すると電荷分離により結晶内に電子（ $ e^{-}_{CB} $ ）と正孔（ $ h^{+}_{VB} $ ）が生成する。その後、電子は二酸化チタン表面の格子欠損部分に捕獲され、正孔は表面に結合している—OH基や解離吸着した水の—OH基から電子を捕獲し、その結果 $ ^{\circ} $ OHラジカルが発生する。 $ ^{\circ} $ OHラジカルは非常に活性が高いことから、光触媒反応において有機汚染物質を攻撃する酸化活性種となる。この $ ^{\circ} $ OHラジカルの生成量をマイクロ波と紫外線を同時に照射しながら電子スピン共鳴装置（ESR）を試作し、その場観察（in situ）を行った（図1-16）[14]。
図 1-16 マイクロ波および紫外線同時照射を行いながら·OH ラジカルを測定できる電子スピン共鳴装置（ESR）装置（出典：Chem. Phys. Lett., 376, 475-480（2003）480.[18])

二酸化チタンを分散させたイオン交換水へ DMPO スピントラップ剤を加え、速やかに ESR 装置に設置して測定を行った。二酸化チタンとして Evonik P-25（本実験で用いている二酸化チタン）、Hombikat UV100、アナターゼニ酸化チタン、ルチル二酸化チタンを用いた（アナターゼおよびルチルは試薬として市販されている二酸化チタン）。P-25 から発生する $ ^{\circ} $ OH ラジカルの発生量は、UV 法に比べ UV/MW 法は約 1.4 倍の増加が測定された（表 1-4）。また、マイクロ波の照射出力を 3 W から 16 W に上げると、 $ ^{\circ} $ OH ラジカルの発生量は 1.9 倍に増加した。一方、UV100 では UV/MW 法を用いても UV 法の 1.1 倍に留まった。また、アナターゼおよびルチル結晶の二酸化チタンでは、UV/MW 法を用いると UV 法より $ ^{\circ} $ OH ラジカルの発生量が低下した。これらの結果は、モデル有機汚染物質の分解速度からも示された。すなわち、マイクロ波の非熱効果による有機汚染物質の促進的分解は、すべての二酸化チタン光触媒で現れるわけではなく、P-25 の固有現象であることが示された。

P25 の固有現象であるマイクロ波効果の発現要因を明らかにするため、結晶系、粒径、結晶度の異なる光触媒二酸化チタンを用いて実験を行った。その結果、マイクロ波効果の発現は、結晶系や粒径に依存しないが、結晶度を低下させた二酸化チタンに現れることが分かった。結晶度が高い二酸化チタン（固い二酸化チタン）はマイクロ波エネルギーを吸収し、それを熱に変えて発散する。すなわち、結晶度の高い二酸化チタンにマイクロ波を照射しても、既存の熱的効果と同じ現象が進行する。一方、結晶度の低い二酸化チタンにマイクロ波を照射すると、熱の発生は抑えられるとともにそのエネルギーは光触媒の活性に利用されると考えられる。
表1-4 UV法およびUV/MW法を用いた各二酸化チタンから発生する•OHラジカルの定量 (出典: Chem. Phys. Lett., 376, 475-480 (2003) 480. [14])

P25	UV100	Anatase	Rutile
UV	182	45	110	110
UV/MW(3 W)	259	51	92	76
UV/MW(16 W)	369	---	---	---

このように、一部の光触媒にはマイクロ波による触媒活性の促進が見られるが、それ以外の光触媒には触媒活性が示されなかった。そこで、様々な二酸化チタンの化学的または物理的物性とマイクロ波効果の関係を調べた。その結果、格子歪みがマイクロ波効果を引き起こす原因であると予想されたため、二酸化チタン内の酸素欠損とマイクロ波効果について注目した。UV/MW法に応答性があったP-25およびST-01について酸素欠損に対するマイクロ波促進効果を検討した。予備実験として、各二酸化チタンに対する水素熱還元の最適条件（温度および加熱時間）について検討した $ ^{[19]} $ 。二酸化チタンは還元により黄色、青、黒に色が変化するが、空気中の酸素により再酸化され白色に戻る。そこで、空気中でも色が戻らない最適な温度条件や加熱時間を検討した（図1-17）。二酸化チタン粒子は350℃の加熱を3時間行うことで薄い青に変化し、空気中でも色が白に戻らないことが分かった。一方、ST-01は350℃で6時間加熱することで薄い黄色に変化した $ ^{[19]} $ 。また、これらの二酸化チタンにおいて水素加熱還元を行っても結晶形に変化が観測されなかった。

4 種類の光触媒（未処理 P-25、水素還元 P-25, 未処理 ST-01、水素還元 ST-01）を用いた 4-CP の分解を表 1-5 にまとめた。P-25 は水素熱還元を行うと、UV 法では 1.5 倍の分解速度が向上した $ ^{[19]} $ 。UV/MW 法では約 1.3 倍の促進が示された。しかし、UV/CH 法では分解速度が低下した。UV/MW 法と UV 法の比較では、未処理 P-25 は 1.5 倍の促進が示されたが、水素熱還元をした P-25 では 2.2 倍に向上した。一方、未処理 ST-01 を UV/MW 法で 4-CP の分解を行うと、UV 法や UV/CH 法に比べ、1.5 倍の促進が示された。ST-01 に水素熱還元を行うと、UV/MW 法は UV 法に比べ 2.5 倍の促進効果が示された。一方、UV/CH 法では分解がほとんど進行しなかった。P-25 および ST-01 において酸素欠損を発生させると、既存の熱の存在下では分解が低下することが示された。しかし、マイクロ波では同じ温度条件でも触媒活性が向上した。
図 1-17 未処理二酸化チタン粉末と水素熱処理二酸化チタンの写真；(a) 未処理 P-25，(b) 水素還元 P-25，(c) 未処理 ST-01，(d) 水素還元 ST-01 (出典：J. Photochem. Photobiol., A:Chem., 265 (2003) 20. [19])

表 1-5 各二酸化チタン光触媒を用いた 4-クロロフェノールの分解速度比較 (出典 : J. Photochem. Photobiol., A:Chem., 265 (2003) 20. [19])

分解速度（10-3min-1）	分解速度（10-3min-1）
UV	MW/UV	UV/CH	UV	MW/UV	UV/CH
未处理P-25	0.4	1.0	0.4	未处理ST-01	0.2	0.3	0.2
水素還元P-25	0.6	1.3	0.3	水素還元ST-01	0.2	0.5	~0

したがって、二酸化チタン光触媒へマイクロ波と紫外線を同時に照射すると光触媒活性が促進し、二酸化チタン光触媒の応用の幅を広げることに成功したが、問題点は二酸化チタン光触媒の種類に対して選択性がある点である。特に、P-25では明確にマイクロ波効果が発現するが、それ以外の二酸化チタンにはマイクロ波の効果があまり発現しない。しかし、二酸化チタンに対して水素還元を行い、化学構造内へ酸素欠損を発生させると、マイクロ波の
応答性が表れる。本申請研究でも使用する光触媒にはある程度の酸素欠損を発生させて使用する。

## 要素研究 2 マイクロ波励起無電極ランプによる水質汚染物質の迅速分解

申請者らはマイクロ波で発光するマイクロ波励起無電極ランプ（Microwave discharged electrodeless lamp: マイクロ波励起無電極ランプ）を開発し、それを環境保全に利用すべく基礎開発を行ってきた $ ^{[12, 20]} $ 。既存のランプを電子レンジに入れてマイクロ波を照射しても発光するが、金属部(電極や電線)からのスパークが起こるため大変危険である。本方式は電極、電線、ソケットを持たない石英製バルブに水銀およびアルゴンを封入し、これにマイクロ波を照射すると内封ガスがマイクロ波により励起し、強い真空紫外光／紫外線を発生する特徴を持つ。マイクロ波励起無電極ランプは、マイクロ波（電波）をエネルギー源とすることから、電気供給のための電線を必要とせず、それに伴いソケットや電極などの金属部品を含まない。すなわち、電気をワイヤレスで送電する構造である（図1-18a）。したがって、このランプを水中に投げ入れ使用しても電気的な漏えいを心配する必要はない。

(a) マイクロ波励起紫外線無電極ランプ

(b) 紫外線ランプ(有電極)

図 1-18 （a）マイクロ波励起無電極ランプと（b）市販水銀ランプを水中に設置した場合のイメージ

一方、通常の紫外線ランプはソケットを通して電気を供給する必要がありメカニカルな部分を必要とする。また、電気的な漏えい防止のためのカバーなども必要なことから、自由な形状で小型なランプを作ることは難しい（図1-18b）。先行実験から、水中の農薬、殺虫剤、VOC、フッ素系化合物（PFOA）、ダイオキシン、PCB、大肠菌などの処理を本装置で迅速処理できることを確認しており、本マイクロ波励起無電極ランプ方式が既存の紫外線ランプ方式に比べ、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ている。
また、ランプの開発と並行してマイクロ波照射装置の開発もマイクロ波メーカーと共同で行ってきた。

マイクロ波をエネルギー源としたこのランプの特徴として、(a) 電極の劣化が無いためランプの寿命が著しく長い。(b) ランプの形状は電極に依存しないことから自由度が高い。(c) 金属やプラスチックに腐食性のあるガスを封入できる。(d) 点灯に伴う電極の温度変化がないことから点灯までの時間が短い。(e) 電極の劣化などによる、光強度の低下がない。(f) ワイヤレスに容器の外から送電ができる。(g) 電気的配線がないことから、ランプ交換が容易である。などが挙げられる。

マイクロ波励起無電極ランプの性能を評価するため、除草剤を混ぜたモデル汚染水にマイクロ波励起無電極ランプを入れ、マイクロ波を照射し、除草剤の分解を行った（図1-18）。照射されたマイクロ波はマイクロ波励起無電極ランプの点灯に利用され、非常に強い光を溶液内部から発生した。マイクロ波励起無電極ランプは、ランプ全体から紫外線を汚染物質に連続照射するため、光分解が同時に進行する。また、反応液中の溶存酸素が紫外線により酸化されオゾンも発生することから、光分解およびオゾン分解が並行して進行する。本方式は既存の紫外線ランプに比べ数十倍の分解促進が示された。また、本方式はVOCやアルデヒドなどの気体の分解に対しても有効であることが分かっている $ ^{[21]} $ 。

図 1-19 マイクロ波励起無電極ランプ（マイクロ波励起無電極ランプ）を用いた除草剤含有汚染水の分解実験

### 1.5 研究の目的

本申請研究では、上記で示したようにマイクロ波励起無電極ランプの駆動源および光触媒活性の促進源がマイクロ波であることから、二酸化チタンをマイクロ波励起無電極ランプ表面に薄膜コーティングすることで、マイクロ波と紫外線を同時に照射することができ、さらに高い光触媒効果を同時に期待できる装置を設計する（図1-20a）。二酸化チタンは無電極ランプに数μメートルの膜厚で固定化すれば、ほとんどのマイクロ波は二酸化チタンを透過
してランプの発光に使用される。また、一部のマイクロ波は光触媒活性の促進にも使われる。一方、マイクロ波励起無電極ランプから照射された強力なの真空紫外線および紫外線（185nmおよび254nm）は、一部は光触媒の活性に使用されるが、ほとんどは二酸化チタン薄膜を透過して直接的に汚染水中の汚染水の光分解に使用される。反応容器には、数十〜数百個の二酸化チタンコーティング無電極ランプを入れ、汚染水を上から流してその分解を行う（図1-20b）。汚染水はポンプで一定の割合で反応容器に導入し、循環あるいは流通方式で汚染水の処理の評価を行う。現在まで行ってきた要素技術を組み合わせ、既存方法では得ることのできない、迅速性と利便性を持った光分解水処理装置を構築する。

24年度にプログラムオフィサーとの話し合いから、ランプの長期使用に伴い表面の汚れ防止についてアドバイスをいただいた。この汚れ防止（防汚）について、ランプ表面に塗った二酸化チタンによる光触媒セルフクリーニング効果が有効に働くと考えられる。この点について平成25年度の研究で実行した。

被災地における聞き取り調査から、電気インフラが修復されていない地域が多数あることが分かったため、太陽光発電ユニットを取り付け、自然エネルギーだけで駆動できるマイクロ波装置を平成25年度に完成させた。また、最終的には汚染水濃度にもよるが数十〜百リットル/時間で処理が可能な装置の完成を目指し、フィールドテストも行う。

同様に、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。この点についても、検討した。
図 1-20 (a)二酸化チタンコーティング無電極ランプのコンセプト、(b)汚染水の処理部の概要

### 1. 6 全体のスケジュール

本研究を遂行するにあたり、図1-21のスケジュールにそって研究を行った。

図 1-21 本プロジェクトの進行スケジュール
## 参考文献

[1] 気象庁ホームページ、平成23年3地震・火山月報（防災編）

http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/gaikyo/monthly/201103/monthly201103.pdf

[2] 気象庁ホームページ、地震別詳細(2011年03月11日14時46分 三陸沖 M9.0) http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/mech/cmt/fig/cmt20110311144618.html

[3] The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake Tsunami Information 現地調査結果

http://www.coastal.jp/ttjt/index.php?%E7%8F%BE%E5%9C%B0%E8%AA%BF%E6%9F%BB%E7%B5%90%E6%9E%9C

[4] 国土交通白書、未曾有の大震災と国土交通省の総力対応 http://www.mlit.go.jp/hakusyo/mlit/h22/hakusho/h23/pdf/kp111000.pdf

[5] 警視庁ホームページ、平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震の被害状況と警察措置 http://www.npa.go.jp/archive/keibi/biki/higaijokyo.pdf

[6] The National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) report (vol. 119, 2011)

[7] 環境省報道発表資料、被災地の海洋環境のモニタリング調査結果の公表について（お知らせ）

http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=14268

[8] 環境省、平成 23 年度東日本大震災の被地における化学物質環境実態追跡調査結果公表ついて、平成 24 年 7 月 20 日

http://www.env.go.jp/council/05hoken/y050-26/ref03-2.pdf

[9] 国土交通省、日本の水資源

http://www.mlit.go.jp/tochimizushigen/mizsei/g_resources/resources01.html

[10] 国土審議会 水資源開発分科会 調査企画部会(平成 25 年 12 月 13 日)、http://www.mlit.go.jp/common/001022375.pdf

[11] 折目孝子、石原充也、七里浩志：下水処理水再生水の利用状況について～他都市の現状と比較して～、第1回水道・下水道水質意見交換会（横浜市下水道局研究発表会資料）横浜市（2009、10）

http://www.city.yokohama.lg.jp/kankyo/data/gesui/report/h21/suisitsu-h21-06.pdf