下水汚泥バイオ炭のPFAS吸着について-1 / 熱分解装置 Biogreen / 炭化

本熱分解装置 Biogreen の製造元 ETIA社の親会社 VOW社が発表した論文が、科学雑誌 Journal of Hazardous Materials（ジャーナル・オブ・ハザードゥアス・マテリアルズ）に掲載され、下記はその内容の抜粋です。-1

・下水汚泥バイオ炭に対する6種類のパーフルオロカルボン酸の収着等温線。

・下水汚泥バイオ炭は木質バイオ炭よりも収着効果が高く、活性炭と同程度であった。

・十分な細孔容積と表面積が確保できることが重要な要因である。

・類似化合物との競合による減衰効果は、土壌有機物による減衰効果よりも強い。

バイオ炭ベースの吸着剤を製造するために下水汚泥を使用することは、水や土壌からペルフルオロアルキル物質（PFAS）を除去するための経済的かつ環境的に持続可能な廃棄物管理の選択肢となる可能性がある。
本研究では、700 °Cで乾式熱分解した2種類の下水汚泥バイオ炭（SSBC）と1種類の木材チップバイオ炭（WCBC）による6種類のパーフルオロカルボン酸（PFCA）の収着を比較した。個々のPFCAとPFCA混合物を、純粋なバイオ炭とバイオ炭と砂質土壌の混合物（TOC1.3%）に添加してバッチ収着試験を行った。SSBCへのPFASの収着は、対数線形バイオ炭-水分配係数(log Kd)を示し、市販の活性炭について以前に報告されたものと同程度であった（例えば、1μg/Lのペルフルオロオクタン酸で5.73±0.02）。PFCAsの強力な収着は、これらの化合物を収容できる細孔径範囲においてSSBCの細孔容積が比較的大きいことに起因している。収着は、土壌の存在（3-10倍）、PFCAsの混合物の存在（6-532倍）、および両方の存在（8-6581倍）によって減衰し、PFCA-混成化合物間の強い競合収着と、それほど厳しくない収着が示された。

過フッ素化アルキル物質およびポリフッ素化アルキル物質（PFAS）は、水、食物連鎖、土壌を、世代間の時間スケールで微量に汚染する傾向があるため、欧州では現在（2020年、欧州委員会）、グループ規制が行われている合成化合物の大きなグループである（Hale et al.）。PFAS汚染の点源としては、製紙工場（Langberg et al., 2021; Lee et al., 2020）、埋立地（Masoner et al., 2020）、消防訓練施設（Filipovic et al., 2015）、フッ素化学工場（Gebbink et al., 2017）などがある。
最も広く使用され流通している2つの化合物、パーフルオロオクタン酸（PFOA）とエルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）は、ストックホルム条約で残留性有機汚染物質（POPs）に指定されている。何十年も使用されたPFASは、土壌、地下水、地表水に偏在している（Rankin et al., 2016）。
このため廃水処理施設は、PFAS化学物質のさらなる拡散を避けるため、廃棄物の流れを適切に処理する必要に迫られている（Lenka et al., 2021）。
ペルフルオロカルボン酸（PFCA）とペルフルオロスルホン酸（PFSA）は、環境面で最も懸念されている2つのPFASグループである。
これらはそれぞれの官能基によって構造が異なる。親水性と親油性を併せ持つ(CF2)n尾部と、イオン化可能な親水性頭部基の組み合わせにより、PFCAsとPFSAsの環境下における運命の理解は、レガシーPOPsのそれよりも複雑になっている（Arp et al., 2006; Cabrerizo et al.） 環境リスクの軽減についても同様である。したがって、PFAS汚染を浄化するための効果的なツールを開発するための研究が必要である。
吸着技術は、汚染された土壌や水をエネルギーとコスト効率で処理するための最も有望なツールの一つである。(Ahmad et al., 2014; Alhashimi and Aktas, 2017; Beesley et al., 2011; Hale et al., 2017)。
そのためには、PFASに強い親和性を示す吸着剤を同定しなければならない。これまでの研究では、有機汚染物質の収着には、高い表面積、多孔性、炭素含有量が重要であるとされてきた(Ahmad et al., 2014; Cornelissen et al., 2005; Hale et al., 2016; Zimmerman et al., 2004)。
今日、活性炭（AC）は、一般に無煙炭のような化石石炭を原料とし、その高い空隙率と炭素含有量から、土壌浄化に使用される最も一般的な吸着剤である (Hagemann et al., 2018)。しかし、ACは製造コストが高く、化学的・エネルギー集約的である (Ahmed et al., 2019)。
バイオ炭の吸着剤としての利用は比較的新しい（Beesley et al.et al., 2011; Hale et al., 2011）、下水汚泥をバイオ炭製造に利用することはさらに新しい（Khan et al、
2019; Tang et al., 2018）。
ACに対するバイオ炭の主な利点は、エンドポイントライフサイクル分析（Sparrevik et al., 2011）で示されているように、炭素隔離の可能性（Smith, 2016）と化学物質の使用と炭鉱への依存の削減 (Zheng et al., 2019)。 バイオ炭は多くの場合、木材由来の原料から生産される(Hale et al., 2016) 。しかし、循環経済の観点からは、バイオ炭吸着材を作るための基質として、軽度の汚染廃棄物を使用することは、さらに魅力的かもしれない。下水汚泥は、有毒金属、マイクロプラスチック、病原体、有機汚染物質がかなりの濃度で含まれているため、埋立地での処分には費用がかかり、問題が多い (Propp et al., 2021; Raheem et al., 2018)。下水汚泥の焼却は、相当量の温室効果ガス（GHG）、飛灰、PAHsを放出する(Huang et al., 2022)。
従って、下水汚泥のバイオ炭への熱分解は、埋め立てや焼却に代わる、より持続可能な廃棄物管理の可能性を提供する。それは、PFASの大部分を含む汚泥中の汚染物質の多くを除去することができるからであり (Sajjadi et al., 2019)、PFAS用の吸着剤を生産することができる。
PFAS吸着剤としてSSBCをACに代える場合に予想される課題は、ACや木質系バイオ炭と比較して炭素含有量、空隙率、表面積が低いことである。(Leng et al., 2021)。これは、Kunduら（2021）による下水汚泥バイオ炭と木質バイオ炭による汚染水からのPFAS除去の研究でも同様であった。
木質バイオ炭の方が表面積が大きいため、PFAS除去効果が高いことがわかった。さらに、有機物(OM)が豊富な土壌に吸着剤を設置する際に考慮すべき重要な点は、特定の孔径が大きな有機分子によって閉塞されやすいことである (Sorengard et al., 2019; Sørmo et al., 2021)。有機汚染物質および/または土壌有機物の存在は、バイオ炭、活性炭、および他の炭素質ジオソルベントへのPFASおよび他の有機化合物の収着を弱める（「減衰させる」）上で最大の効果があるという一般的な合意がある（Higgins and Luthy, 2006; Kwon and Pignatello, 2005; Teixido et al., 2013; Zareitalabad et al., 2013)。
大きな有機分子は、立体障害、すなわちバイオ炭の細孔の入り口を塞ぐことによって、PFASの収着を速度論的に制限する (Mahinroosta andSenevirathna, 2020; Pignatello et al., 2006)。さらに、より小さな腐植分子はPFASと表面的な収着部位を奪い合うため、バイオ炭の収着容量を低下させる（Du et al.、2014）。これらのメカニズムは、純水中での収着と比較して、収着を7～150倍減衰させることが示されている(Cornelissen and Gustafsson, 2004;Hale et al., 2009; Teixido et al., 2013)。
下水汚泥由来のバイオ炭が持続可能なPFAS吸着剤となる可能性を調査するため、本研究では、我々の知る限り初めて、(i)様々な濃度のPFCA化合物の水中吸着と、SSBCおよび清浄木材チップから作られたバイオ炭（WCBC）に対する相対的な吸着強度の比較、 (ii)SSBCへのPFCA収着に対するペルフルオロ炭素鎖長の影響、(iii)バイオ炭へのPFCA収着に対する競合吸着剤と土壌の存在による減衰効果。本研究の結果は、PFASで汚染された土壌や水の浄化における吸着剤としての下水汚泥バイオ炭の有用性の実現に役立つであろう。

次回に続きます。

下記本論文はこちらをクリック頂ければダウンロードできます。

ペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物（ペルフルオロアルキルかごうぶつおよびポリフルオロアルキルかごうぶつ、英語： Per- and Polyfluoroalkyl Substances、略称：PFAS（ピーファス）、PFASs ）は、アルキル鎖に複数のフッ素原子が結合した有機フッ素化合物の総称である。PFASは、強力な化学結合である炭素 – フッ素結合（F – C）を持つため分解されにくく、2018年のワシントン・ポスト紙の論説を受けて「永遠の化学物質（英語：Forever Chemicals）」と呼ばれている。PFASのうち、ペルフルオロオクタン酸(PFOA) 、ペルフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)などの物質については、人体に蓄積し、毒性があり、環境汚染物質と知られている。なおすべてのPFASが人体に有害であるわけではない。

PFAS構造図

PFASの人体への影響

出典：Wikiペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物

バイオ炭とは、生物資源を材料とした、生物の活性化および環境の改善に効果のある炭化物のことです。 日本バイオ炭普及会によると、バイオ炭は、難分解性の炭素を農地に固定し、土壌改良資材として使用することで、気候変動対策に貢献する吸収源活動です。 また、バイオ炭は、食品ロスや木材、廃棄物などの生物資源を「炭化」したもので、燃焼しない水準に管理された酸素濃度の下、350℃超えの温度でバイオマスを加熱して作られる固形物と定義されています。

バイオ炭は、生物資源を原料とし、酸素の少ない状態で加熱して作られる固形物です。木材や竹、農業廃棄物など、さまざまな生物資源から作ることができます。
バイオ炭には、以下の3つの特徴があります。

• 炭素貯留性
• 土壌改良性
• 水質浄化性

炭素貯留性

バイオ炭は、炭素を大量に含んでいます。バイオ炭を土壌に施用することで、土壌中に炭素を貯留することができます。

土壌改良性

バイオ炭は、土壌の透水性や保水性、団粒性を改善する効果があります。また、土壌の酸度を中和する効果もあります。

水質浄化性

バイオ炭は、水中の汚染物質を吸着する効果があります。また、水中の微生物の活性化を促す効果もあります。

バイオ炭の用途

• 土壌改良
• 温室効果ガス削減
• 水質浄化
• 飼料添加
• 肥料
• 燃料

バイオ炭の期待される効果

• 温室効果ガス削減
• 土壌保全
• 農業生産性向上
• 水質保全
• 災害リスク軽減

バイオ炭の課題

• 製造コストの高さ
• 製造時のエネルギー消費量
• 土壌への影響

まとめ

バイオ炭は、炭素貯留性、土壌改良性、水質浄化性などの特徴を有する、注目されている素材です。バイオ炭の普及が進むことで、温室効果ガス削減や環境保全に貢献することが期待されています。

出典：日本バイオ普及会　ChatGPT 及び Bard

活性炭は、大部分の炭素の他、酸素、水素、カルシウムなどからなる多孔質の物質である。多孔質であるために、体積の割りに広い表面積を持つため、多くの物質を吸着する性質がある。ただし、活性炭は、どんな物質でも吸着できるわけではない。例えば、活性炭の表面は非極性の性質を持つため、水のような極性分子に対しては吸着力が低く、活性炭が持つ細孔よりも小さな粒状の有機物を選択的に吸着しやすい。他にも、不快なにおいの代表格であるアンモニアは、ガスの状態であれば活性炭に吸着されやすいのに対して、アンモニウムイオンは非常に吸着されにくいことにも、活性炭の表面が非極性的であることが関係している。アンモニアも極性分子ではあるものの、アンモニウムイオンは電子が1個不足した状態にまで完全に帯電しているため、例えば、アンモニウムイオンが溶け込んだ水を活性炭に通しても、水分子もアンモニウムイオンも活性炭にはほとんど吸着されずに通過する。また、毒物を誤飲した際などに活性炭を経口投与することもあるものの、これは消化管内で活性炭に吸着された毒物が、活性炭と共に大便として排泄されることを狙って行う処置であり、活性炭に吸着されやすい毒物が消化管内に残っていると考えられる時に限られる。
以上のようなことを総合的に判断した上で、活性炭は、脱臭や水質浄化、有害物質の吸着除去などに用いられる。

出典：Wiki 活性炭

■ Biogreen 熱分解装置 システム
Biogreen は投入された原料を無酸素での加熱、熱分解を行ないます。熱分解により原料より炭素分のみを残し、原料に含まれる可燃性ガス等の合成ガスを発散させます。投入原料を選ばず、熱分解処理でガス、炭、オイルを製造発生させそれぞれが利活用ができ、その廃棄物が持つエネルギーは最大限利活用され廃棄物はなくなります。
Biogreen の熱分解処理は化石燃料、火気は一切使用しない低圧電流のジュール効果で行なう電気での加熱そして連続式での運転のため、24時間連続運転が可能で運転状況はモニターで監視し、運転管理操作はタッチパネルで楽にでき、人手を必要としません。Biogreen は国際特許技術で他にはない独自の熱分解装置ですが、構造は単純で部品点数は少なく壊れにくくメンテナンスは楽で長持ちし長時間使用ができます。熱分解処理にとり非常に重要な温度、機内滞留時間の管理調整はモニターで管理しタッチパネル操作で簡単にでき、安全衛生面でもとても優れています。装置の設置面積は小さくコンパクトでコンテナー内設置も可能で移動もでき、場所を選びません。
Biogreen は熱分解時の加熱温度によりガス、炭化物を作り出す産出の割合が異なります。そのため、熱分解装置 Biogreen は炭化装置、炭化炉あるいはガス化装置、ガス化炉とも言えます。熱分解後のその産出製造物の利用目的に合わせ加熱温度の調整を行ないますが、その温度調整、管理は、Biogreenであれば電気加熱式ですので簡単に確実に行なえます。又、その加熱は石油燃料を一切使用せず火気は未使用のため安全衛生面、運転操作面で火気使用熱分解装置、炭化炉、ガス化炉と比較すると非常に優れていると言えます。

炭化、半炭化

ガス化

油　化