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发表・刊登日:2019/01/23

用简单再生的粒状吸附材料清洁猪舍和堆肥化设施的空气

-即使是大量含有水蒸气等的实际条件也可以去除氨-

要点

研究者说的一分钟解说视频
“研究者说的一分钟解说”视频(1分57秒)
  • 以前开发的,有效去除恶臭物质氨的吸附材料容易使用,改良成结实的粒状
  • 开发了使用粒状吸附材料的氨吸附装置,在猪舍和堆肥化设施中证实了效果
  • 除了畜产现场之外,还期待在厕所、看护设施、半导体制造工厂等地去除氨


概要

国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长中钵良治】(以下简称“产综研”)纳米材料研究部门【研究部门部长佐佐木毅】纳米粒子功能设计小组高桥显主任研究员、南公隆主任研究员、川本彻研究小组长等与关东化学株式会社【董事长野泽学】(以下简称“关东化学”)共同从大气中我们开发了一种吸附材料和吸附装置,可以有效去除吸附材料。并且,实际上适用于猪舍和家畜粪便的堆肥化设施,证实了其效果。

在畜牧业,从对周围恶臭对策等观点来看,要求除去氨。此外,还期待通过改善畜牧店内环境来提高生产效率。这次开发的技术是以前开发的蓝色蓝色使用类似体的氨吸附材料颗粒化,便于处理,可以简单地再生、再使用。因为在实际现场的条件下有效,所以期待对畜牧业的贡献。另外,厕所、看护设施、体育设施等恶臭对策、半导体制造工厂和博物馆的微量氨的腐蚀对策等,预计将解决广泛的课题。

该技术的详细内容将于2019年1月30日~2月1日在东京国际展览中心(东京都江东区)举行nano tech2019在第18届国际纳米技术综合展和技术会议上发表。

概要图
猪舍氨气吸附装置概要和氨去除实证试验的结果


社会背景

氨是肥料不可或缺的物质,在世界上每年生产1.7亿吨(2016年)。另一方面,特定恶臭物质其中之一,特别是需要处理粪便的畜牧现场和厕所的恶臭的原因。氨浓度为10ppmv在……;臭气强度显示出相当于4的强烈臭味,在劳动环境中容许浓度是25ppmv。另外,在畜牧行业动物婚礼的观点要求将畜牧馆内的浓度控制在25ppmv以下。此外,大气中释放的氨也成为PM2.5等地球规模环境问题的原因。在日本,大气中释放的氨的60%以上是畜牧业(1994年)的,其对策成为紧迫的课题。生物除臭法是生物除臭法,作为去除从畜舍和家畜粪便的堆肥化设施排出的恶臭物质的技术。生物过滤器屋子土壤除臭虽然导入了一部分设施,但是要处理大量的氨需要大型化、大面积化,需要更紧凑的装置。

研究的经过

产综研以回收和再利用有害物质同时也是有用物质的氨为目标,正在推进吸附材料的研究开发。其中,作为颜料而闻名的蓝蓝色显示出了超过市贩吸附材料的氨吸附性能,发现是只要用薄酸清洗就可以再利用的吸附材料(2016年5月10日发表产综研新闻稿)。即使是人无法感知的极低浓度(0.1ppmv以下)也能吸附氨,在极低浓度的氨影响的美术馆和氢站等也能有效利用。之后,为了让这种吸附材料在社会上能够实际使用,致力于根据具体用途优化材料、系统化、实证考试等。

另外,这次开发的一部分,接受了农研机构生研支援中心“革新的技术开发·紧急展开事业(其中地区战略项目)”的支援。

研究内容

为了去除氨的吸附材料,为了除去从猪舍和堆肥化设施不断发生的氨,需要高吸附性能。此外,吸附后也需要再生反复使用。另外,由于水分子和氨分子的性质相似,所以即使在水作为水作为水蒸气共存的实际条件下,也需要吸附氨。

首先,我们致力于选择最佳的蓝蓝色相似体和吸附装置中使用的粒状化。蓝蓝是铁离子通过碳和氮像丛林健身房那样三维连接的构造,具有1纳米以下的均匀孔。将构成蓝蓝色的两种铁离子置换成其他金属离子的被称为蓝蓝色相似体,这次考虑到在猪舍使用,以开发能够再利用的低成本氨吸附材料为目标,合成了70多种蓝蓝色相似体并进行了评价。结果,用铜离子代替一个铁离子的蓝蓝色相似体(铜普尔青蓝色)是适当的。

接着,为了将铜普尔青色安装在装置上有效地吸附大气中的氨,与绑定器混合铜普尔青粉,进行粒状化,开发出直径3~5mm左右的粒状吸附材料。颗粒吸附材料所要求的特性是具有高吸附性能和足够的机械强度,在再生作业时不会损坏,对此进行了验证。

粉末在实验室中,粒状吸附材料在猪舍测量氨吸附量,换算成包含10ppmv氨的25℃空气的理论处理量(L)进行比较。与粉末能处理的空气量为每g 5200L相比,粒状吸附材料每g为3900 L以上,确认具有74%以上的粉体吸附性能(图1)。粉状试验在实验室中以氨浓度10ppmv、湿度0%的空气进行,粒状吸附材料的试验在福岛县的实际猪舍,以阻碍氨吸附的水蒸气等共存的空气(氨浓度12ppmv,湿度80%)进行。

图1
图1铜带青色粉末和粒状体的氨吸附试验结果和粒状吸附材料的照片和结构图像

吸附氨的粒状吸附材料可以用薄酸清洗并脱离氨,从而再次作为氨吸附材料使用。为了验证重复氨吸附和再生时粒状吸附材料的耐久性,反复进行从猪舍空气中吸附氨和用薄酸清洗而产生的氨脱离,确认了清洗时氨脱离量的变化后,可以反复使用到30个循环是能力。另外,30个循环后的吸附材料的形状没有特别的破损,可以确认为耐再生、再使用的强度。

在孔空板上设置通气口的宽50cm×高60cm×厚度5cm的不锈钢制盒子中收纳该粒状吸附材料,作为氨吸附过滤器(图2(a))。该氨吸附滤波器和风扇组合,开发了一种使用铜带青色颗粒吸附材料的氨吸附装置。为了验证开发的吸附装置的效果,在猪舍中设置了在宽8m×深度6m×高2m的包围区域开发的氨吸附装置,对40头猪进行培养,测定了区域内的氨浓度(图3)。此外,还设置了没有设置氨吸附装置的区域,比较了有无吸附装置引起的氨浓度的差异。没有设置吸附装置的区域氨浓度高,达到约30ppmv。另一方面,在设置了吸附装置的区域,作为臭味强度的指标的臭气强度几乎低于相当于3.5的浓度5ppmv,确认了去除恶臭的效果(图4)。

图2
图2氨吸附滤清器(a)和其中填充的铜铜蓝颗粒吸附材料的照片(b)、电子显微镜图像(c)、晶体结构(d)

图3
图3设置在猪舍的氨吸附装置

家畜粪便的堆肥化设施排出的废气的恶臭也是氨的原因,氨浓度在数百ppmv以上,比猪舍内高一位数以上。而且,由于堆肥化设施排出的气体湿度高(几乎100%),现有的氨吸附材料难以吸附。因此,在与猪舍同样的装置中增加过滤器尝试吸附时,当废气的氨浓度为100ppmv时,即使是一个过滤器也会降低到40ppmv,使用3张的话几乎变成了0ppmv(图5)。这次开发的氨吸附系统对堆肥化设施的恶臭对策也很有效。

参加实证实验的养猪业经营者说:“从去除恶臭的观点来看,堆肥化设施也经常成为问题。如果能用于堆肥化装置的话,不是也可以进行利用吗?”他说,对本技术的期待和需求之高。

图4
图4根据有无吸附装置来比较氨浓度变化

图5
图5用于从堆肥化设施的废气中去除氨的吸附系统(上)和废气通气前后的氨浓度(下)

另外,这次开发的技术不仅限于畜牧业现场,在因氨产生而产生恶臭而困扰的厕所、看护设施、健身房等也有望被活用。而且,由于氨也是腐蚀性气体,所以在半导体制造工厂的品质维持、博物馆等展示物的维持、作为能源使用的氢的精制等,在各种各样的场合都是去除的课题。对于解决这样的课题也有贡献。

今后的计划

今后也将继续去除猪舍内的氨,评价猪的发育效率的提高效果。此外,还将结合将回收的氨用于肥料等其他用途的方法进行讨论。



用语说明

◆氨
分子式NH3无机化合物常温常压是无色气体,有刺激气味。[返回引用源]
◆蓝色蓝色
被称为深蓝的蓝色颜料。1704年首次合成,之后也被用于葛饰北斋和梵高等人。近年来,报告了通过改变金属种和组成,发现了各种各样的新功能,在产业用途上的重要性增加了。除了电改变颜色的电子铬材料、放射性铯吸附材料、二次电池电极、化学传感器等之外,还报告了作为氨、铵离子吸附材料的有用性。[返回引用源]
◆特定恶臭物质
在恶臭防止法中定义为“成为不快气味的原因,是损害生活环境的危险物质,是政令规定的东西”。氨、甲基卢卡普坦等现在指定了22种物质。[返回引用源]
◆ppmv
被称为100万体积分率的气体浓度单位。1000ppmv等于1体积%。[返回引用源]
◆臭气强度
臭味强度表示法的臭味的指标在0~5的6个阶段表示臭味的强度。0是无臭的,1是才能感知到的臭味,2是知道是什么臭味的弱臭味,3是可以轻松感知的臭味,4是强烈的臭味,5表示强烈的臭味。例如,在恶臭防止法中,与臭气强度2.5~3.5对应的物质浓度被规定为用地边界线的限制基准的范围。在氨的情况下,臭气强度2.5为1ppmv,3.5为5ppmv。如果畜舍内是5ppmv的话,可以充分达成地基边界的标准。[返回引用源]
◆容许浓度
这里是日本产业卫生学会劝告的有害物质的容许浓度。劳动者一天8小时一周40小时左右,以肉体上不激烈的劳动强度暴露在有害物质上的情况下,如果该有害物质的平均暴露浓度在这个数值以下,几乎所有劳动者都不会受到健康上的不好影响。
※引用日本产业卫生学会“容许浓度等劝告(2018年度)”平成30年5月17日(产业卫生学杂志2018:60(5):116-148) [返回引用源]
◆动物婚礼
在日本被翻译成“动物福利”和“家畜福利”的概念。在畜牧业中,家畜是有感受性的生物,表示以“从出生到死之间,无限满足行动欲望,不受压力的健康生活的饲养方法”为目标的畜牧业的存在方式。其结果也有望提高畜产品的安全和生产性。[返回引用源]
◆生物过滤器
利用生物的除臭过滤器。在过滤器内繁殖分解对象物质的微生物。分解需要比较长的时间,所以需要大型过滤器。[返回引用源]
◆土壤除臭
土壤作为过滤器使用的除臭法。一旦吸附土壤中含有的水分和矿物,作为对象的物质后,由土壤中含有的微生物分解。[返回引用源]


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