成果報告書詳細
管理番号20130000000136
タイトル*平成24年度中間年報 グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発 資源生産性を向上できる革新的プロセス及び化学品の開発(微生物触媒による創電型廃水処理基盤技術開発)
公開日2014/5/9
報告書年度2012 - 2012
委託先名国立大学法人東京大学 学校法人東京薬科大学 積水化学工業株式会社 パナソニック株式会社
プロジェクト番号P09010
部署名環境部
和文要約1)触媒の開発 (東京大学)
 非白金のカソード触媒として、有機物被毒耐性に優れ、かつ高い構造安定性と導電性を有する炭素系材料である鉄と窒素がドープされたグラフェン(Fe/N-graphene)をベースとした新規酸素還元触媒の開発を進めている。今期は、さらに効率の高いカソード触媒の設計指針を得ることを目的に、軟X線吸収分光などによってFe/N-grapheneの詳細な分析を行った結果、窒素から鉄への電子供与が確認された。このことは、本触媒材料における高い酸素還元活性が、鉄から酸素への強いπ逆供与を介した酸素分子のO=O結合の弱体化に起因することを示唆している。今後は、活性中心の複核化によって、金属核から酸素分子へのπ逆供与を増大することによって、酸素還元活性のさらなる向上を目指す。

2)カソードの開発 (パナソニック)
 ベンチスケール試験を行うに当たっては、1m3の処理槽に対して20m2のカソード面積が必要との前提で試算を行うと、1ヶ月あたり1kgオーダーの触媒合成速度が求められる。東大が開発したFe/Nドープグラフェンは、その性能・性質がMFCカソード触媒として適しているため、当社はこの技術をベースに、量産可能なカソード触媒の開発を試みた。より具体的には、市販されており大量入手が容易な不定形炭素を出発原料に、Fe/Nドープグラフェンの合成法をトレースすることによって炭素系酸素還元触媒を合成した。こうして得られた新規な材料は、Fe/Nドープグラフェンと同等な触媒性能を発揮することが確認された。

3)アノードの開発 (積水化学工業)
 各種市販カーボン素材(カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロス、ポーラスカーボン)および試作カーボン素材をアノードとしたMFC試験機の試作・評価を行うとともに、これらカーボン素材の性状評価を行った。

4)微生物制御技術の開発 (東京薬科大学)
 実証実験を行う工場廃水の主成分であるメタノールとブチルアルデヒドの分解及び発電に関与する微生物種を同定することを目的にMFCを運転し、どちらの化合物を燃料にした場合も発電を確認した。
 
5)効率化システムの開発 (東京薬科大学、積水化学工業)
 廃水を効率よくアノード電極に付着した微生物膜に接触させる構造としてスラローム型カセット電極MFCの検討を行い、活性汚泥と同等の処理性能が確認された。
 さらにそのスラローム型リアクターの流路を複雑化したダブルスラローム型リアクターを試作・評価し、同レベルの有機物分解率と5%のクーロン効率上昇を確認した。

6)実証実験 (積水化学工業)
 実証試験サイトとして予定している積水化学工業(株)H工場の廃水組成分析から模擬工場廃水を調整し、MFCの運転を行った。その結果、有機物分解や電気生成が確認され、MFCのH工場廃水への適用性を示す結果が得られた。
英文要約(1) Development of Catalysts (The University of Tokyo)
 We are developing novel electrocatalyst for MFC-cathode with organic-tolerance, high structural stability, and high electric conductivity, based on existing Fe/N-doped graphene material. Soft X-ray absorption analysis of Fe/N-doped graphene was conducted to obtain a sophisticated strategy for novel catalyst synthesis with higher performance. The analysis revealed the electron donation from nitrogen to iron atoms in the Fe/N-graphene, which indicated that the effective catalytic activity originated from the weakening of O=O bonds by the strong π back-donation from the Fe atoms to the oxygen antibonding π* orbitals. Considering the above results, it is expected that the oxygen reduction activity of Fe/N-graphene is improved by adding second metals capable of further enhancing π back-donation.

(2) Development of Cathode (Panasonic)
 Synthesis rate of 1 kg per month needs to be achieved to run bench-scale MFC plant under the assumption that cathode area of 20 m2 is required for 1 m3 MFC reactor. As the properties of the Fe/N-doped graphene developed by the group of The Univ. of Tokyo are suitable for the MFC cathode catalyst, we modified the material to enable mass-production. More specifically, novel materials were synthesized from widely-available amorphous carbons by tracing the synthesis method of Fe/N-doped graphene. It was confirmed that the Fe/N-doped amorphous carbons thus prepared exhibited the comparable catalytic activity to the Fe/N-doped graphene.

(3) Development of Anode (Sekisui Chemical)
 We made and operated MFC reactors using various kinds of carbon materials as an anode; carbon felt, carbon paper, carbon cloth, porous carbon, and one we made. We also evaluated various characteristics of carbon materials and will analyze the important factor which determines MFC performance.
 
(4) Control of Microbes (Tokyo University of Pharmacy and Life Science)
 MFCs were operated using methanol or butylaldehyde that was detected as the major pollutants in chemical plants, demonstrating that these compounds can serve as fuels in MFCs.

(5) Increase in efficiency of MFC system (Tokyo University of Pharmacy and Life Science, Sekisui Chemical)
 We designed a slalom-type cassette-electrode MFC as a system for efficiently contact wastewater with anode biofilms, and it has been demonstrated that it treats wastewater as efficient as an activated-sludge reactor.
 In addition, we made and operated a double slalom MFC reactor, which is a modified slalom MFC reactor having more complicated channel. It shows the same chemical oxygen demand (COD) removal efficiency and 5% higher coulombic efficiency compared with a slalom MFC reactor.

(6) Actual proof experiment (Sekisui Chemical)
 We analyzed a component of the wastewater at the Sekisui’s H factory, and determined the artificial substrate. The operation of a MFC reactor on this sabstrate shows a typical purification and electronic performance of MFCs.
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