PFASで汚染された土壌を窒化ホウ素とボールミルで分解!従来より安全に実行可能

2023.01.27

みなさんこんにちは!サイエンス妖精の彩恵りりだよ!

 

今回の解説は、土壌中の "永遠の化学物質" PFASを効率的に分解する方法に関する研究だよ。

 

近年問題視されてるPFASは、特に土壌中に含まれているものの分解に課題があるよ。問題の1つは、添加剤に腐食性の強い物質を使っている点だよ。

 

今回、安全性が極めて高い窒化ホウ素を添加剤にすると、PFASを分解できるのみならず、従来の方法よりも効率が上がったことが分かったよ!

 

PFASをBN混合ボールミルで分解 サムネ

“永遠の化学物質” PFAS

環境問題に関するニュースを観てみると、「PFAS」という単語が多く聞かれるようになってきたよね?PFASは、近年注目されるようになった汚染物質の1つだよ。

 

PFASは "Per- and polyfluoroalkyl substances" の略で、日本語で表すなら「ペルフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質」という意味だよ。

 

難しい単語は置いとくとして、今回の記事では、PFASとは「界面活性剤の機能を持つ有機フッ素化合物」のことだと覚えておけばいいよ[注1]

 

PFAS概要

PFASは便利な性質がたくさんあり、様々な分野に使われてきたけど、近年になりその有害性が理解されてきたことから、環境中に放出されたPFASをどうにかすることが課題となっているよ。ところがPFASか極めて分解が難しいことから "永遠の化学物質" と呼ばれるまでになったよ。 (画像引用元: WikiMedia Commons (Autor: Jynto / CC0) )

 

PFASは水の表面張力を低下させ、物質の表面に水滴を作りにくくするよ。この性質を利用した、フロントガラスやメガネなどのガラス面の曇り止めの用途が最も一般的だよ。

 

あるいは、水や油に強いことから食品のパッケージや各種防水剤に、泡を生み出しやすいことから消火剤に使われ、工業分野でも幅広い用途があるよ。

 

そしてPFASは化学的に安定な物質なので、体内に入り込んでも無害だという認識から、世界中で多く使われてきたよ。ところが、その認識は誤りであったことが徐々に明らかになってきたよ。

 

現在では、生殖機能の低下、肝臓や甲状腺の疾患、潰瘍性大腸炎、高血圧症や高コレステロール血症、いくつかのがんなど、PFASは身体に様々な悪影響をもたらすことが分かってきたよ。

 

このため、PFASの製造や使用の禁止や制限に関する議論、環境中に放出されたPFASの分解に関する研究が、近年急激に関心を持たれるようになってきたよ。

 

しかし、PFASの利点であった、化学的に安定という性質が、今度はPFASの処理に難題として持ち上がるようになってきたよ。

 

PFASは自然界でも人工的な手段でもほとんど分解されないことから、この性質を指して英語圏では「永遠の化学物質 (Forever Chemicals)」という俗称がついているよ。

 

PFASのいくつかは化学的な分解手段があるけれども、それは4700種類以上もあるPFASのごく一部に対してなので、より多くのPFASを分解できる手段を探っているよ。

 

現在、PFASの分解を効率的に行う手段として一般的に使われているのは熱による分解で、廃棄物を高温の燃焼にかけるなどして、強制的に分子をバラバラにする手段が取られているよ。

 

ただし、PFASを熱分解するには大量の燃料が必要で、それはそれで地球温暖化などの別の問題を招く恐れがあることから、更なる別の方法が模索されてきたよ。

 

ボールミルで土壌中のPFASを分解!ただし課題も

従来のボールミル分解法

ボールミルを使うことで、土壌中に含まれるPFASを分解できることが分かっているよ。ところが、添加剤に腐食性の強い水酸化カリウムを使っていることが問題となったよ。

 

有力な候補の1つはボールミルによる分解だよ。金属のボールがたくさん入った容器にPFASを含む汚染物質を入れ、適切な添加剤と共に高速で回転させる、という方法だよ。

 

ボールミル中では、機械的圧力と摩擦熱によりPFASと添加剤との反応が進行し、PFASが無害な化学形態に分解されるように促すことで、効果的にPFAS汚染を無害化することができるよ。

 

ボールミルによるPFASの分解の利点は、水などの溶媒に溶かさずに行える点だよ。溶媒を使えばその分汚染物質が増えるから、極力それを減らして分解プロセスを進めることができるよ。

 

これは、土壌のような液体ではない環境からPFASを除去するという、PFAS汚染で難題となっている課題を効果的に解決する方法として提供することができるよ!

 

ただし、この方法で一番の問題は、添加剤に水酸化カリウム[注2]を使っている点だよ。これは強力な腐食物質である上に、しばしば粉砕しきれずに塊が残ってしまうよ。

 

水酸化カリウムの除去に手間取るのでは、せっかくのボールミルによる分解の利点を生かしきれない、という課題となってしまうから、中々に問題だったよ。

 

窒化ホウ素を添加剤に

PFAS分解をBN添加に変更

安全性の高い窒化ホウ素を添加剤としてボールミルに加える実験を行ったところ、土壌汚染を想定した実験でも、6時間で約80%が分解されることが分かったよ!これは従来の方法よりずっと効率的だよ!

 

クラークソン大学などの研究チームは、水酸化カリウムに代わる添加剤を模索する研究を続けた結果、窒化ホウ素に行きつき、その実験結果を報告したよ。

 

窒化ホウ素は文字通り窒素とホウ素の化合物だけど、その性質はお互いの原子番号を足して2で割ったような、ちょうど炭素の塊と似たような性質を持っているよ。

 

つまり窒化ホウ素は、化学的にかなり安定していて、熱にも圧力にも強く、本質的に害をもたらすことのない物質だよ[注3]合成も比較的容易で、製造による環境負荷も少ないよ。

 

また、窒化ホウ素は圧電効果を持つことも注目されるよ。これは機械的圧力により電気が発生する効果だよ。電気、すなわち電子のやり取りは化学反応の要だから、とても重要だよ。

 

だから、窒化ホウ素はボールミルによるPFASの分解プロセスにとても有効であると考えられるけど、果たして本当にそうなのかを含めて研究したのが今回の論文だよ。

 

まず、ボールミルにPFASと窒化ホウ素を入れて回す実験を行うと、わずか2時間でPFASからフッ素が除かれ、ほぼ完全な分解を達成することができたよ!

 

次に、より現実的な汚染除去の現場を想定し、泡消火剤に含まれる21種類のPFASで汚染された土壌を想定した実験を行ったよ。

 

その結果、現実的な実験でも6時間後には約80%のPFASが分解されたことが分かったよ!どちらの実験も、水酸化カリウムを使うよりも効率的に汚染を除去できることが判明したよ!

 

分解プロセスの分析や対照実験により、窒化ホウ素がPFASからフッ素原子と電子を受け取るプロセスが要であることが判明したよ。

 

このプロセスにより、PFASは反応しやすい不安定な化学形態であるラジカルとなるよ。そして空気中の酸素やその他のラジカルと反応し、無害な化学形態へと変化するよ。

 

固体のままPFAS汚染に対処できる利点

窒化ホウ素を添加剤としたボールミルは、多種多様なPFASの化学形態を選ばずに反応し、PFASを無害な化学形態へと効率的に分解し、窒化ホウ素自体は無害と、いくつもの利点を持っているよ!

 

汚染された土壌のような、固体のままでPFAS汚染を除去できるという利点が生かせる窒化ホウ素添加のボールミルは、PFAS除去に多大な潜在的用途を提供するよ!

 

永遠の化学物質に太刀打ちするこの研究は、将来のPFAS汚染除去に応用される可能性を秘めた、とても重要な研究だよ!

文献情報

[原著論文]

  • Nanyang Yang, et.al. "Solvent-Free Nonthermal Destruction of PFAS Chemicals and PFAS in Sediment by Piezoelectric Ball Milling". Environmental Science & Technology Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.estlett.2c00902

[参考文献]

注釈

[注1][注1] PFASの定義 ↩︎
より正確には、アルキル基を基本とする有機化合物であり、全部または多数の水素がフッ素に置換された物質の総称である。この定義を満たすとして、PFASと見なされる有機化合物は4700種以上が知られている。

[注2] 水酸化カリウム ↩︎
強力な塩基 (アルカリ性) を示す物質。古い言葉で「苛性カリ」と呼ぶが、苛性は皮膚を侵す性質を指す言葉。タンパク質を分解する性質を持つため、わずかな量でも皮膚が溶けてヌルヌルしたような感触を示すことを良く表している。

[注3] 窒化ホウ素の害 ↩︎
一応レアケースとして、弱い線維症や、粉塵の吸引による塵肺の報告がある。ただしこれは、粉塵ならばどんな物質でも起こりうる話であり、窒化ホウ素そのものが悪さをしているわけではない。

 

彩恵 りり(さいえ りり)

「バーチャルサイエンスライター」として、世界中の科学系の最新研究成果やその他の話題をTwitterで解説したり、時々YouTubeで科学的なトピックスについての解説動画を作ったり、他の方のチャンネルにお邪魔して科学的な話題を語ったりしています。 得意なのは天文学。でも基本的にその他の分野も含め、なるべく幅広く解説しています。
本サイトにて、毎週金曜日に最新の科学研究や成果などを解説する「彩恵りりの科学ニュース解説!」連載中。

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