技術のご案内(PRINCIPLE)

メカセラとは

機能性セラミックス(メカニカルセラミックス)から 『メカセラ』 と名付けました。


@下水処理場、農業集落排水処理場の脱臭、汚泥の削減、水質の改善、脱窒素、脱リン
A工場・事業所の排水処理場の汚泥の削減、ビルピットの除害施設、グリストラップの排水処理(レストラン・中華・ラーメン店など)
B廃油処理施設の油分解、自動車整備工場のシュレッダー廃油、船舶・航空機エンジンの廃油
C老人ホーム・保養所の循環風呂、レジオネラ菌対策


                  
・油分分解の原理

 通常油は、炭素と水素より構成されており、メカセラ水の作用により酸化作用が発生し、それらの油分をカルボキシル基によって酢酸に変化させます。


・発生汚泥削減の原理

 排水処理場の排水は、有機質と無機質の水でありますが、この水がメカセラ水の酸化作用により炭酸ガスと水に変化します。
 するとバクテリアの消化作用による汚泥の発生はバクテリアも変化し、OHラジカルを発生し炭酸ガスと水に化学変化させますのでバクテリアによる消化作用は少なくなり汚泥の発生は軽減されます。
 それにより微生物が有効な水処理効果に貢献してくれます。


・塩素の生物への影響

 メカセラ装置は、全国約230ヶ所の農業集落排水処理場や百貨店、食品工場などで導入されておりますが、塩素による弊害はありません。
 メカセラ装置で使用する井戸水・工業用水の放流水をリターンした水に次亜塩素酸ナトリウムを注入する量は、メカセラ水に対して約数mg/lであり、これを原水量に対して10〜15%程度を注入するため、実際には次亜塩素酸ナトリウム濃度は極めて低濃度であり、また、有機物と反応し炭酸ガスと水に変化するため生物への影響はございません。
 メカセラ水は、スーパーオキサイド、過酸化水素、ヒドロキシル水を発生し、OHラジカルを呈する(高酸化作用)
 また、メカセラボールと塩素水の作用でH+が発生し還元反応が起こり、pHは標準である7〜8の弱アルカリ性となります。





セラミック・塩素触媒による環境浄化 特に油分解に関して

                           

 東北大学工学研究科
                           名誉教授 西野徳三

 

セラミックを用いての水処理や油分解に関し、多くの使用例に対して顕著な効果が現れている。
その理由は、スーパーオキサイドイオン発生法:特許第3537085号に記載されている。


1.セラミックの使用によるヒドロキシラジカル(OHラジカル)の発生

 酸化チタンを代表とする光酸化触媒の触媒機構は、光のエネルギー(電気化学の標準電極電位に換算して2-3Vに相当)を用いて、強力な酸化剤、活性酸素を発生させることにその原因がある。
 従って従来のこれらの触媒はエネルギーとして光が必要である。
 しかし、ある種の金属酸化物でOHラジカルの酸化還元電位である2.80V(対標準水素電極電位、2H++2e- / H2の酸化還元電位をゼロとしたときの値)より低い荷電子帯の上端を持ち、また、酸素をスーパーオキシドイオンに電離するエネルギーである0.16V)より低い伝導体の下端を有するものがあれば、以下のことが可能となる。
  

(1)ヒドロキシラジカルが存在するとそのエネルギーを用いて金属酸化物の荷電子帯から伝導体に電子を励起することができるし、(2)電子の抜け殻である正孔では酸化反応が起こってヒドロキシラジカルを発生することができる。また、(3)励起された電子は酸素を酸化してスーパーオキシドラジカルを生じ、このイオンは水中で過酸化水素を経てヒドロキシラジカルを生成する。

 もし、このような金属酸化物が存在すれば、光が存在しない状態でも活性酸素を発生し、酸化チタンのような触媒機能を発揮するものと思われる。
  


2.塩素を用いることによるヒドロキシラジカル(OHラジカル)の発生

 塩素を水に溶かしたとき、または、次亜塩素酸ナトリウム(またはカルシウム、さらし粉など)を水に溶かしたときは次亜塩素酸(HOCl)が生じ、pHが2.5-7.5位の範囲でこの分子種が主となり、強力な酸化機能を発揮することは良く知られていることである。
 しかし、それ以外に、塩素は光(紫外線)によって活性化され、ラジカルという極めて反応性の高い状態になり、これによって、水中での酸化力が高まることは実際に殺菌や消毒に塩素を用いているときに遭遇することとしても良く知られていることである。
 (森田豊治、水の百科事典、p.138,丸善株式会社)

 実際に排水処理工程では紫外線に近い光が当たることが多く、微量であるにしても、ヒドロキシラジカル(OHラジカル)が水中に存在することは十分考えられる。


 実際、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を薄くしていくとOHラジカルが発生することを、ラジカルを検出する装置であるエレクトロン・スピン・レゾナンス(電子スピン共鳴法、ESR)を用いて確かめたことが報告されている。
 (野原一子著、強酸性電解水、p.104,近代映画社(1999))
 活性酸素の学問が進歩したことにより、このような測定が試みられたことと、これまでその計測技術が確立していなかったことが発見を遅らせたが、予想されてきたOHラジカルの存在が機器により初めて測定され、確実なものになったわけである。


 また、銅イオンやクロムイオンなどの金属からもOHラジカルが微量にしろ生成されることは、ウォーター研究会の著書にも記述されているので、OHラジカルが以上のような条件で生成することは無理のない事実と考えられる。
 (強酸性電解水の基礎知識、ウォーター研究会編 p.126,オーム社)


3.水中で触媒機能

 以上、上記の2点(1.および2.)を組み合わせれば、少量の塩素が存在すれば、それがエネルギー源となって活性酸素が連鎖的に発生することがわかる。
 金属酸化物(半導体)のエネルギー帯構造を調べると、特殊なセラミックスを焼成した中に上記のような条件を満たすものが存在しているようであり、これによって顕著な効果が現れているものと思われる。
 今後はこの可能性の裏付けを実験的に証明する必要がある。


4.油の分解機構に関して

 油とはいわゆる生体の有している脂肪(トリアシルグリセリド)と鉱物油(炭化水素、ハイドロカーボン、一般的には原油中に存在し、種々の場面で有効利用されている)に分けることができるが、ここではまず、分解されにくい鉱物油に関してその分解機その代謝機構はいわゆる酸化であり、メカニズムとしては我々生物が備えている異物、毒物の解毒作用と全く同一である。
 つまり、我々の体内には白血球が存在し、外からウイルスや病原性微生物、または薬物などが入ってきたときなどには白血球の作用によってそれらを死滅させたり、無毒化して生体を守ってくれている。
 この解毒作用によってきたる原動力は白血球によって生産される活性酸素であり、微生物などに対してはそれを用いて殺菌し、毒物に対しては活性酸素の強力な酸化機構(化学的にはラジカル反応)によって分解の"とっかかり"としての切れ目やその後の加水分解の"糸口"を与えるものである。
 具体的にはヒドロキシラジカルのような非常にエネルギーの高い反応種が酸素原子を分子に付与したり、ヒドロキシル基を分子に与えたりして、分解の糸口を作るわけである。
 このようにして酸素原子が導入されると、その分子つまりはその物質としては反応性が増し、生物が恒常的に持つ代謝機能(脂肪酸のβ酸化機構が一般的)により分解が進行し、水溶性の酢酸(生体の中にあってはアセチルCoAエステルになっている)や二酸化炭素にまで分解され、完全に分解・浄化されるわけである。
 これが現在言われているバイレメディエーションの原理である。
 分解しにくい鉱物油が分解されるメカニズムもこれと同様と思われ、生体が関与しなくともヒドロキシラジカルのような活性酸素が存在すると、油がまず酸素化されるかラジカル化され、一旦そのように糸口ができると、その後は一般的なラジカル分解反応として連鎖的に分解が進行するものと思われる。
 ちなみに、ラジカル反応とはラジカル分子種が消滅するまで連鎖的に数十段階から数百段階までもの化学反応が続いて起こる反応である。

 生体の持つ脂肪の分解はまず加水分解されてグリセロールと脂肪酸になり、その後脂溶性の長鎖脂肪酸は上で述べたβ酸化のような機構で分解が進行すると思われるので、鉱物油の分解が起こる条件では同様に分解されると思われる。


5.まとめ

 今回のセラミックによる効率的な油分解の機構は、セラミックによって活性酸素が発生し、それによって酸化分解が行われると思われる。
 分解されにくい鉱物油までもがまずヒドロキシル化、または酸素化され、この糸口ができれば続いて酸化分解されて水に溶けやすい物質に変化し、消滅分解されたものと思われる。
 ちなみに、現在、産業としても注目されている酸化チタンの光触媒反応についても、まだ未知のことが多く、第一線の研究者の重要な研究ターゲットになっている(藤嶋昭ら、光触媒のしくみ、p.123,日本実業出版社(2000))現状であり、新しい事実を理論付けすることは非常に困難である場合が多い。
 しかし、現象として素晴らしい事実はいずれ理論的にも解明されると思われ、研究を続けている。





水中でのセラミックの触媒機能に関して

                              

 東北大学工学研究科
                           名誉教授 西野徳三

 

1.活性酸素、ラジカルとは

 活性酸素、ラジカルとは非常に反応性の高い分子につけられた名前であり、環境浄化ばかりではなく、我々の体の中にあっては白血球が病原菌を殺す原動力にもなっているほど強力な、なじみのあるものであり、ヒドロキシラジカルとかスーパーオキシドイオンなどすべてを含めてそのように呼んでいる。
 白血球で活性酸素が発生しても局部的に機能するため、我々の体はその活性酸素によって犯されることはない。
 つまり活性酸素は二面性があり、功罪がある。


2.セラミックの使用による活性酸素(ヒドロキシラジカル)の発生

 そのように反応性の高い活性酸素は、今注目されている酸化チタンに代表される光触媒からも発生し、種々の機能が注目されている。しかし、酸化チタンは光のエネルギー(紫外線)を用いないと、強力な酸化剤、活性酸素が発生しない。
 従って、これらの触媒はエネルギーとして紫外線が必要であり、暗闇や水の中では全く機能せず、無効力である。


3.今回、水の中でも活性酸素(ヒドロキシラジカル)が発生する理由

 特殊なセラミックに微量の塩素(次亜塩素酸ナトリウム)を添加することで、塩素の持つエネルギーがセラミックに作用し、丁度、酸化チタンに紫外線が当たった時のように、水の中や、光の届かないところでも活性酸素(ヒドロキシラジカル)を発生させることができる。
 この現象は我々が初めて提唱している。


4.塩素の害が出ないのはなぜか

 塩素の濃度は水道水と同じくらい薄いので問題がないのと、塩素の害はセラミックに対して発揮してしまい、セラミックと接触した後ではほとんど無害化されてしまう。
 比喩的に言えば、セラミックに対する塩素の害の結果として活性酸素が発生する。


5.活性酸素が有機汚泥に働き、微生物に影響を与えない理由

 活性酸素の発生は微量であるが、コンスタントに発生する。
 微生物は、たとえ、それでダメージを受けて死滅しても大量に存在する内の一部であり、それ以上に成長、増殖するので、結果としてプラスマイナスを考えると増加する。
 有機物や有機性汚泥は、微量でもコンスタントに発生する活性酸素によって酸化され、減少していく。