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Development of anion exchanger containing gold nanoparticles to enable rapid purification of groundwater contaminated with nitrate

开发含有金纳米颗粒的阴离子交换剂，可快速净化被硝酸盐污染的地下水

基本信息

批准号：
21H01709
负责人：
神谷裕一
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

Auナノ粒子を導入したアニオン交換樹脂（Au-AER）にイオン交換反応によってNO3-を取り込み、さらに水素と接触させることでAu-AERの中でNO3-が還元分解されることを報告している。しかし、NO3-の分解率が低いという問題があった。そこで本年度は、NO3-の還元分解条件（温度と時間）を検討し、NO3-分解率の向上を目指した。反応温度の上昇に伴ってNO3-分解率は上昇し、80℃で最大となった。それ以上では逆にNO3-分解率が低下した。高温ではAu-AERの含水量が低下し、それによってAu-AER中でのNO3-の拡散が抑制され、反応が進まなくなったと考えた。反応温度を80℃に固定して反応時間の影響を調べたところ、5時間の反応時間で十分であることが確かめられた。このように反応条件の最適化によってNO3-分解率を向上させることに成功した。さらにNO3-分解率を向上させるために、AuCl4-を還元してAER中にAuナノ粒子を発生させる条件を検討した。通常、イオン交換反応によってAuCl4-をAERに導入した後に、水素気流中で加熱してAuCl4-を還元しているが、驚くべきことにこのような還元処理がなくてもAuナノ粒子が発生していた。AERのアニオン交換サイトはOH基を有しており、これが還元剤となってAuCl4-を還元していることが確かめられた。水素中での加熱処理が不要であることは、触媒調製上の大きなメリットとなる。続いて、NO3-に対するAu-AERのイオン交換特性を詳細に調べた。予想に反してAuの導入によって最大イオン交換容量が約20%増加した。また、このときNO3-に対する親和性（吸着力）は逆に30%程度低下した。これらのことは、Au-AERではAERが元来有するアニオン交換サイトに加えてAuナノ粒子の表面もNO3-の吸着サイトとして機能することを示唆する。

Au particles are introduced into an exchange resin (Au-AER), and NO3-is converted into NO3-. The decomposition rate of NO3-is low. This year, NO3-decomposition conditions (temperature and time) are discussed, and NO3-decomposition rate is pointed out. The NO3-decomposition rate increases with the increase of temperature, and reaches the maximum at 80 ℃. The NO3-decomposition rate is low. The water content of Au-AER decreases at high temperature, and NO3-in Au-AER is inhibited and reversed. The temperature is fixed at 80 ℃ and the time is adjusted at 5 ℃. The optimization of the reaction conditions was successful in increasing the NO3-decomposition rate. The conditions for the formation of Au particles in the AER were discussed. In general, AuCl4-AER is introduced into the reaction medium, and AuCl4-AER is heated in the reaction medium. AER's exchange rate is based on OH, AuCl4-and AuCl4-. Heat treatment of water element should not be carried out, catalyst modulation should be carried out. Au-AER's exchange characteristics are carefully tuned for NO3-related reasons. It is expected that the maximum exchange capacity of Au will increase by about 20%. The affinity (attraction force) of NO3 - 2 is 30% lower than that of NO3 - 2. The surface of the Au particles is free of NO3-and the adsorption of NO3-.