硝酸塩を3時間で9割除去、低導電率水に挑む膜リアクターの意味

分析・見解

電気で硝酸塩を処理する方式が抱えていた弱点

硝酸塩は農地の肥料や家畜の排せつ物から地下水に染み込み、飲み水の基準（硝酸性窒素として10mg/L）を脅かす。除去法にはイオン交換、逆浸透膜、生物処理があるが、前の二つは濃縮廃液が残り、生物処理は温度や管理に左右される。そこで電気分解で硝酸塩を窒素ガスやアンモニアに変える電気化学法が注目されてきた。

ただし電気化学法には癖がある。水に電気を流すには、塩類などのイオンが一定量必要になる。地下水や浄水の一部は導電率が低く、電気が流れにくい。抵抗が大きいと電力が熱として失われ、効率が落ちる。

数字が示す差は、改良幅ではなく別方式に近い

今回の比較は際立っている。除去率は12.8％から90.5％へ、およそ7倍になった。消費電力量は8.6kWh/gから0.139kWh/gへ、約60分の1である。一つの工夫でここまで差が出るのは、条件が従来型に不利だったことも一因だろう。低導電率という弱点を狙った試験で、従来型が本来の力を出せなかった可能性がある。

それでも、同条件で並べて測った点に意味がある。膜を電極の近くに置くと、反応に必要な物質が電極表面に集まりやすくなるとみられる。銅は硝酸塩を亜硝酸塩に変える段階で働き、ニッケルは後段の還元を支える。役割分担が噛み合ったと読める。

塩素系の副生成物を抑える設計が実用化の鍵

水処理の電気分解では、水中の塩化物イオンから活性塩素ができる。これが有機物と反応すると、有害な塩素化副生成物が生じる。飲料水で最も避けたい事態である。この研究は、膜構造がその副反応を抑えると報告している。電極の劣化を減らす効果もあり、保守費の面でも利点が大きい。

検証が足りない点と、実水への距離

注意も要る。結果は調整した試験水での3時間の実験である。実際の地下水には、硫酸塩、炭酸水素、硬度成分、有機物が混在する。これらは電極表面を覆い、性能を落とす。長期運転での銅の溶け出しも見極めが必要だ。生成物が窒素ガス中心か、アンモニアが残るかによって、後処理の要否も変わる。実用化へは、実水での数百時間規模の試験が次の関門になる。