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发表、刊登日期:2019/01/23

用能简单再生的粒状吸着材料使猪舍和堆肥化设施的空气变得干净

-即使在含有大量水蒸气等实际条件下也能去除氨气

重点,要点

研究者讲述!1分解说的视频
“研究者讲述!1分解说”动画(1分57秒)
  • 把以前开发了的,恶臭物质氨高效地除去的吸着材料容易使用的结实的粒状改良
  • 开发出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效果
  • 除了畜产现场以外,厕所,看护设施,半导体制造工厂等的氨酸消除也期待


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人,与关东化学株式会社【代表董事社长野泽学】(以下简称“关东化学”)共同合作,从大气中向外开放开发出可有效除去的吸附材料和吸附装置。并且,实际对猪舍和家畜粪便的堆肥化设施适用,证实了那个效果。

在畜牧业界,从对周围的恶臭对策等的观点来看,被要求去除氨。另外,期待通过改善畜舍内环境提高生产效率。此次开发的技术,以前开发了普鲁士蓝使用类似身体的氨吸附材料使其呈粒状容易处理,可以简单地再生、再使用。因为实际的现场条件有效,所以期待对畜牧业界的贡献。另外,厕所、护理设施、体育设施等恶臭对策,以及半导体制造工厂和博物馆中微量氨的腐蚀对策等,这些问题都将得到解决。

这个技术的详细情况,将于2019年1月30日~2月1日在东京大网站(东京都江东区)举办nano tech2019第18届国际纳米技术综合展、技术会议上发表。

概要图
在猪舍的氨吸附装置概要和氨气去除实验结果


发展的社会背景

氨作为肥料是必不可少的物质,在全世界每年生产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产现场和厕所的恶臭也是原因之一。氨气浓度10ppmv页眉臭气强度相当于4的强烈气味,表现在劳动环境中的容许浓度是25 ppmv。同时,畜牧业界也动物展览会的观点要求将畜舍内的浓度控制在25 ppmv以下。并且,大气中被放出的氨也成为PM2.5等的地球规模的环境问题的原因。在日本,放出到大气中的氨的60%以上是由畜牧业(1994年度),那个对策成为吃紧的课题。到现在为止,作为从畜舍和家畜粪便的堆肥化设施排出的恶臭物质的除臭技术是生物除臭法。生物滤芯土壤除臭虽然一部分设施引进了,但是处理大量的氨气需要大型化、大面积化,要求更紧凑的装置。

研究方法

产综研,以作为有害物质的同时也有用物质的氨的回收和再利用作为目标推进着吸着材料的研究开发。其中,作为颜料被人们所熟知的普鲁士蓝显示了超过市面上贩卖的吸附材料的氨吸附性能,发现它是只要用淡酸清洗就可以再利用的吸着材料2016年5月10日发表产综研新闻稿)。普鲁士蓝即使在人不能感知的极低浓度(0.1 ppmv以下)也能吸附氨,极低浓度的氨气会影响到美术馆和氢站等也期待着它的有效利用。此后,为了这个吸附材料能在社会实际使用,致力于与具体的用途相适应的材料的最优化,系统化,验证考试等。

另外,此次开发的一部分是受到了农研机构生研支援中心“革新的技术开发·紧急展开事业(我们地区战略项目)”的支援。

研究内容

为了除去氨的吸着材料,从猪舍和堆肥化设施不断地发生的氨,需要高(贵)的吸着性能。并且,吸着后也需要再生反复使用。另外,由于水分子和氨分子性质类似,所以即使在空气中作为水蒸气而水共存的实际条件下,也必须吸附氨。

首先,致力于在最适合的普鲁西蓝相似体的选择和在吸着装置中使用的粒状化。普鲁士蓝是铁离子通过碳和氮气像丛林吉姆一样三维地连接了的构造,具有1纳米以下的均匀的孔。把构成普鲁士蓝的两种铁离子换成别的金属离子的东西称为普鲁士蓝类似体,不过,此次,把在猪舍使用的事做为念头,以能再利用低成本的氨吸着材料的开发作为目标,合成70种以上的普鲁士蓝类似体,评价了。其结果,用铜离子替换了一方的铁离子的普鲁士蓝类似体(铜普鲁士蓝)是适当的。

接着,为了将铜质蓝安装在装置上,有效地吸附大气中的氨,开发了与粘合剂混合铜质蓝粉体,粒状化,直径3~5 mm左右的粒状吸附材料。粒状吸附材料所要求的特性,具有很高的吸附性能和足够的机械强度,在再生作业时不会破损,验证了这些特性。

粉体在实验室中,粒状吸附材料在猪舍测定氨吸附量,换算成含有10 ppmv氨的25℃空气的理论处理量(L)进行比较。确认了每克粉体能处理的空气量是5,200 L,粒状吸附材料每g3,900 L以上,具有粉体的74%以上的吸附性能(图1)。粉体的试验在实验室以氨浓度10 ppmv,湿度0%的空气进行,粒状吸着材料的试验在福岛县的实际的猪舍,以阻碍氨吸附的水蒸气等共存的空气(氨浓度12 ppmv,湿度80%)进行了。

图1
图1铜青铜粉体和粒状体的氨吸附试验结果和粒状吸附材料的照片和构造图像

吸附了氨的粒状吸附材料,由于用薄的酸洗使氨脱离的事,再次作为氨吸附材料能利用。为了验证氨吸附和再生时的粒状吸附材料的耐久性,反复进行从猪舍空气吸附氨和用淡酸清洗而脱离氨,确认了清洗时的氨脱离量的变化的结果,到30周期为止的重复使用是可能的。另外,30周期后的吸附材料的形状没有特别的损坏,能够确认是耐再生、再使用的强度。

在用孔开板设置了通气口的宽度50 cm×高度60 cm×厚度5 cm的不锈钢制的情况中存储这个粒状吸着材料,作为氨吸着过滤器(图2(a))。该氨吸附滤波器与风扇相结合,开发出采用铜-葡萄-粒状吸附材料的氨吸附装置。为了验证开发的吸附装置的效果,在猪舍中设置了宽8 m×深6 m×高2 m被包围的区域开发了的氨吸附装置,进行40头猪的培养,测量了区域内的氨浓度(图3)。此外,还设置了没有安装氨吸附装置的区域,比较了有无吸附装置的氨浓度的差异。不设置吸附装置的区域氨浓度高,达到了约30 ppmv。另一方面,在设置了吸附装置的区域中,作为臭味强度的指标的臭气强度大致低于相当于3.5的浓度5 ppmv,确认了除臭的效果(图4)。

图2
图2氨吸附滤波器(a)与其中已充斥的铜、铜、蓝粉粒状吸附材料的照片(b)、电子显微镜像(c)、结晶结构(d)

图3
图3猪舍设置的氨吸附装置

从家畜粪尿的堆肥化设施排出的废气的恶臭也氨是原因,那个氨浓度数百ppmv以上和猪舍内比1位以上高(贵)。而且,来自堆肥化设施的排泄气体因为湿度高(大体上100%),既存的氨吸着材料吸着困难。于是,用与猪舍同样的装置增加过滤器尝试吸附,排出的氨气浓度在100 ppmv时,即使1张过滤器也降低到40 ppmv,使用3张的话大体变成了0 ppmv(图5)。此次开发的氨吸附系统对堆肥化设施的恶臭对策也有效。

参加实证实验的养猪业经营者表示,“从除臭的观点来看,堆肥化设施也存在很多问题。如果可以用作堆肥化装置,那么利用也会加快吧。他还表示,对本技术的期望和需求的高度。

图4
图4根据有无吸附装置的氨浓度变化的比较

图5
图5用于从堆肥化设施的排放气体中去除氨气的吸附系统(上)和排放气体通气前后的氨气浓度(下)

另外,此次开发的技术不仅限于畜牧业现场,因氨气产生的恶臭而困扰的厕所、护理设施、健身房等也备受期待。另外,由于氨气也是腐蚀性气体,因此在半导体制造工厂的质量维持、博物馆等展示物的维持、作为能源使用的氢精制等各种场合,除去这些气体也是一个课题。期待着这样的课题的解决也能做出贡献。

今后的预定

今后也将继续除去猪舍内的氨气,评价猪的发育效率提高的效果。此外,还将进一步探讨将回收的氨气用于肥料等其他用途的方法。



术语说明

◆氨
分子式NH3被显示的无机化合物。常温常压下是无色的气体,有刺激性气味。返回引用单元格
◆普鲁士蓝
也被称为深蓝色的蓝色颜料。1704年首次被合成,此后葛饰北斋和梵高们也被使用。近年来,通过改变金属种类和组成,发现了各种各样的新机能的事被报告,在产业用途的重要性增加了。除了电气变色的电子色谱材料、放射性铯吸附材料、二次电池的电极、化学传感器等之外,还报告了氨、氨离子吸附材料的有用性。返回引用单元格
◆特定恶臭物质
在恶臭防止法中被定义为“成为不愉快的气味儿的原因,是损害生活环境的畏惧的物质,由政令规定的东西”。目前已指定氨、甲基甲烷等22种物质。返回引用单元格
◆ppmv
被称为100万体积分率的气体浓度的单位。10,000 ppmv等于1体积%。返回引用单元格
◆臭气强度
根据用0~5的6等级表示臭气强度表示法的臭的指标。0无臭,1才可以感知的臭味,2可以知道是什么臭味,3可以轻松感知的臭味,4可以强烈的臭味,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地基边界线的限制基准的范围。在氨的情况下,臭气强度2.5是1 ppmv,3.5是5 ppmv。如果在畜舍内是5 ppmv,在占地境界的基准充分能达成。返回引用单元格
◆容许浓度
在这里日本产业卫生学会劝告的有害物质的容许浓度。如果劳动者以一天8小时40小时左右、肉体上不剧烈的劳动强度被有害物质暴露,则该有害物质的平均暴露浓度在该数值以下,几乎所有的劳动者都不会受到健康上的坏影响。
※日本产业卫生学会“容许浓度等的劝告(2018年度)”平成30年5月17日(产业卫生学杂志2018:60(5):116-148)引用 返回引用单元格
◆动物展销会
在日本被翻译为「动物福利」「家畜福利」的概念。在畜牧业界,家畜是具有感受性的生物,以「从出生到死之间,能满足无限的行动欲求,不受到紧张状态的健康的生活的饲养方法」作为目标的畜产应有的样子。作为那个结果与畜产品的安全和生产性的提高也相连的事被期待。返回引用单元格
◆生物滤镜
利用生物的除臭过滤器。在过滤器内繁殖分解作为对象的物质的微生物。因为分解比较花时间,需要大型的过滤器。返回引用单元格
◆土壤除臭
把土壤用作过滤器的除臭法。作为对象的物质一旦被土壤中含有的水分和矿物吸收后,就会被土壤中含有的微生物分解。返回引用单元格


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