成果報告書詳細
管理番号20150000000596
タイトル*平成26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2015/8/4
報告書年度2014 - 2014
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)
前年度までに、アノード電位が微生物触媒の特性を決定づける一要因であることを明らかにしていた。今年度は、アノード電位をアノード/カソード面積比を変えることで制御し、これによりアノードMFC出力が向上することを示した。一方、カソード触媒に関しては、銅2核錯体を前駆体とした触媒材料を合成し、これが中性溶液中で0.79 V vs. RHEと、銅系触媒としては最も高いオンセット電位を示すことを明らかにした。

2.カソードの開発 (パナソニック)
実証試験用カソード電極(0.5m2スケール)を作製し、初期出力が目標値100mW/m2に達した。しかし、経時的に出力低下が見られ、その要因をカソード触媒層/導電基材と撥水シート間への微生物の侵入と解析した。低下抑止策を備えた電極として、導電性基材とPTFE含有触媒層とを撥水シート上にプレス接着する構成を見出し、現実証設備使用のカソード電極より材料費をコストダウンした0.5m2スケールカソード電極を開発した。

3.アノードの開発 (積水化学工業、東京大学、東京薬科大学)
積水化学が開発したアノードの量産技術を検討し、実証試験装置用アノードの試作を行うとともに、実証設備を用いてその性能評価を行った。
炭素コートSUS基材をケッチェンブラックで被覆することにより、発電能力が約1.4倍向上することが確認された。

4.微生物制御技術の開発 (東京薬科大学)
工場模擬廃水を処理するMFCのアノード微生物解析を行い、発電菌Geobacterの存在を確認した。しかし、出力と発電菌の存在量に相関がない場合があり、電子が外部回路まで十分に届いていない可能性が考えられた。

5.効率化システムの開発 (東京薬科大学、積水化学工業)
 実験室規模のスラローム型カセット電極微生物燃料電池を用いた廃水処理実験において汚泥発生量を測定した。その結果、活性汚泥槽と比べ1/3程度の汚泥発生量であることが示された。
UF膜を利用した膜ろ過・返流法の実廃水での性能評価を行うため、実証設備に組み込めるよう設計・製作を行った。今年度は対照実験である沈殿槽による固液分離法の評価を行った。

6.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)
 槽容積1.2m3の実証設備の設計・製作を行い、積水化学工業H工場に設置した。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、実工場廃水を用いた運転を開始した。
実証試験におけるアノード付着微生物の解析を行い、発電菌Geobacterが底部のアノードに多く付着していることが明らかになった。
英文要約(1) Development of Catalysts (The University of Tokyo)
We have previously reported that the anode potential is one of the factors determining the quality of the anode microbial catalyst. In this research year, we successfully controlled the anode potential by tuning the ratio of anode/cathode electrode area, resulting in the improved electric power generation. As for the cathode catalyst, we synthesized a novel electrocatalyst from binuclear copper complex as a precursor. The resultant material exhibited the electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction with an onset potential of 0.79 V vs. RHE, which is the best value among the Cu-based catalyst reported so far.

(2) Development of Cathode (Panasonic)
We made cathode electrode for the actual proof experiment reached the initial power density value to 100mW/m2.
We observed gradually-reduced power density in MFC reactors. In our analysis, it was caused by invasion of microbes between catalyst layer / conductive substrate and water repellent sheet in cathode. Avoiding it, we revealed new composition of cathode which was consisted of pressed stainless steel mesh and PTFE catalyst layer on water repellent sheet. We developed 0.5m2 cathode with cost reduction relative to it used in initial actual proof experiment.

(3) Development of Anode (Sekisui Chemical, The University of Tokyo, Tokyo University of Pharmacy and Life Science)
We tested the mass-production technology of the electrode for MFCs developed by Sekisui Chemical. We produced and tested electrodes for the actual proof experiment.
It was confirmed that loading of carbon nano-particles on stainless steel mesh exhibited 1.4 fold improvement of the electric power generation.

(4) Control of Microbes (Tokyo University of Pharmacy and Life Science)
Microbiomes attaching onto anodes of MFCs treating model industrial wastewater were analyzed, and electricity-generating bacteria affiliated with Geobacter were detected. In some cases, the power output and abundance of Geobacter bacteria were not correlated, suggesting a possibility that electrons transferred from bacteria to anodes did not reach the external circuit.

(5) Increase in efficiency of MFC system (Tokyo University of Pharmacy and Life Science, Sekisui Chemical)
The amount of sludge produced during wastewater treatment in cassette-electrode MFC was determined, indicating that it was one third as much as that in an activated-sludge reactor treating the same wastewater.
We have designed and made a UF membrane unit for the actual proof experiment. We estimated a sedimentation method as one of the solid-liquid separation systems with a sludge recycling system for returning activated sludge method for a control experiment.

(6) Actual proof experiment (Sekisui Chemical, The University of Tokyo, Tokyo University of Pharmacy and Life Science, Panasonic)
We have designed and made 1.2m3 MFC, which was placed in the Sekisui Chemical’s factory for the actual proof experiment. We assembled cathode electrodes from Panasonic and anode electrodes from Sekisui Chemical into cassette electrodes and started operation of MFCs for the actual factory wastewater.
Microbiomes occurring at the surface of anodes in an MFC used for the actual proof experiment were analyzed, and Geobacter bacteria were abundantly detected at the bottom part.
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