成果報告書詳細
管理番号20140000000260
タイトル*平成25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2014/8/20
報告書年度2013 - 2013
委託先名学校法人東京薬科大学 国立大学法人東京大学 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・ 触媒の開発 (東京大学)
 アノード触媒に関しては、3電極系電気化学システムを使って、アノード電流値の電極電位依存性を調べたところ、-0.2V (vs.Ag/AgCl)の電位をかけた場合、+0.2Vに比較しGeobacter含量が高くなり、高い電流生成を得られることが明らかとなった。
 カソード触媒に関しては、鉄・窒素ドープグラフェン触媒のさらなる高活性化を目指して、Fe-N4環状生体分子であるヘミンを前駆体として新規触媒を合成した。その結果、50 mV程度過電圧の低減を実現した。

・カソードの開発 (パナソニック)
 実証試験を行うに当たっては、1m3の処理槽に対して60m2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ドープグラフェンをベースに、カソード触媒の量産技術開発を試みた。入手が容易な不定形炭素を出発原料に、炭素系酸素還元触媒を大型電気炉で合成し、小型電気炉で合成した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。
 
・アノードの開発 (積水化学工業、東京大学、東京薬科大学)
 実用化可能な電極として,ステンレスメッシュの基材に導電性コーティングを施した材料を開発した。安価な材料を用い,コーティングを行うことで,従来使われていたカーボン材料と同等の発電性能を達成した。
 また、導電性FeSを微生物自身が生成するバイオミネラリゼーションを用いる事で、安コスト・低導電性カーボンフェルト電極を用いて、高コスト・高導電性カーボンフェルト電極と同程度のMFC出力を実現した。

・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わる微生物の解析を行い、それぞれに関与する微生物および代謝系経路の同定を完了した。

・効率化システムの開発 (東京薬科大学、積水化学工業)
 スラローム式リアクターは、水面からの酸素の混入を阻止することなどのシステムの改良を行い、電子回収効率を10%以上増加させる技術を開発した。
 また、効率よく電極を利用する方式として、槽の中間部からも原水を導入するステップ流入法と,UF膜ろ過で生じる濃縮水を返送する膜ろ過・返流法の評価を行い、発電・処理効率向上の方向性を確認した。

・実証試験 (積水化学工業、東京大学、東京薬科大学、パナソニック)
 実証試験サイズのカセット電極を評価するために、20Lの中型リアクターを作製した。パナソニックが開発したカソードと積水化学工業が開発したアノードとを組み合わせて実証試験サイズのカセット電極を作製し、運転を開始した。
英文要約“Development of Waste-water Treatment System Generating Electricity by Microbial Catalysts”

(1) Development of Catalysts (The University of Tokyo)
 Anode-potential dependency of the microbial current was investigated using three electrodes system. It was revealed that the current at -0.2V (vs. Ag/AgCl) was about 30 times higher than that at +0.2 V. PCR analyses of the anode biofilm revealed that the ratio of Geobacter species is higher at -0.2 V where larger current was observed, indicating that Geobacter is a key species for the larger microbial current.
 In this research year, we utilized Hemin, a Fe-N4 macrocycle compound, as a precursor for the oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalyst with aiming the further improvement of the catalyst performance. As a result, we achieved 50 mV reduction in the ORR over-potential for this newly synthesized electrocatalyst.

(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 60 m2 is required for the 1 m3 MFC reactor. As the properties of the Fe/N-doped graphene developed by the group of the University of Tokyo are suitable for the MFC cathode catalyst, we tried to develop the mass-production technology of the cathode catalyst. Novel oxygen reduction catalysts were synthesized in large electric furnace 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 grapheme synthesized in small electric furnace.

(3) Development of Anode (Sekisui Chemical, The University of Tokyo, Tokyo University of Pharmacy and Life Science)
 We developed a novel electrode for MFCs which was made of stainless steel mesh and conductive coating. The electrode consists of inexpensive materials and provides as high performance as existing carbon anodes.
 Inducing the bacterial biomineralization of conductive iron-sulfur compounds, we increased the performance of MFC reactor with low-cost and low-conductive carbon felt as much as high-cost and high-conductive carbon felt.

(4) Control of Microbes (Tokyo University of Pharmacy and Life Science)
 MFCs were operated using methanol or butylaldehyde as a fuel; these compounds have been detected as the major pollutants in chemical plants used for bench-scale experiments, and we successfully identified microbes and their catabolic pathways responsible for the conversion of these chemicals into electricity. In addition, we have developed technologies that can be used to increase electron recoveries in wastewater-treatment cassette-electrode MFCs.

(5) Increase in efficiency of MFC system (Tokyo University of Pharmacy and Life Science, Sekisui Chemical)
 We have developed technologies that can be used to increase electron recoveries about 10% in slalom-type wastewater-treatment cassette-electrode MFCs.
 In addition, we made modified MFC systems which apply 1. step-feed process, in which wastewater is introduced from multiple points, or 2. membrane separation process, in which treated water is returned to MFCs. The results of MFC operations suggest that these modified systems improve MFC performances.

(6) Actual proof experiment (Sekisui Chemical, The University of Tokyo, Tokyo University of Pharmacy and Life Science, Panasonic)
 We made MFCs, which enable us to evaluate a large size electrode for the actual proof experiment. We assembled a cathode electrode from Panasonic and a anode electrode from Sekisui Chemical into a cassette electrode and started operation of MFCs.
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