JP6710830B2 - 二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法 - Google Patents
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湾岸付近の主な鉄分は、森林の腐植土壌でフルボ酸と二価鉄イオン(Fe2+)とがキレート化した水溶性のフルボ酸鉄が、河川から海へと流出したものである。近年では森林が荒廃し、このフルボ酸鉄の海水への溶出量が減少して、磯焼けが発生している。
その他にも、例えば特許文献2のように、透水性の袋材に、フルボ酸およびフミン酸を含む腐植含有物質と二価鉄含有物質とを詰めて水域環境保全材料を作製し、これを海中に沈めることにより、海中で二価鉄(FeO,Fe3O4)を含有する物質と、腐植(フルボ酸など)を含有する物質とを結合させ、フルボ酸鉄を生成させるものなどが知られている。
また、特許文献2によれば、透水性の袋材は、水中に設置することで、短期間に内容物(鉄物)が周囲へ溶出してしまうおそれがある。その結果、これを原因とした水質汚染を引き起こす可能性があり、かつ二価鉄イオンを長期間持続して供給できるかも不明である。
さらに、河口域の泥質干潟では、有機物を分解する微生物が多く発生するため、干潟の表面から数cmまでの厚さ領域には無酸素状態の還元層が形成されやすく、このような領域(ヘドロ)では、土中に含まれる硫酸イオンが硫酸還元菌などのバクテリアによって還元され、硫化水素が発生して悪臭がするとともに、水棲生物が生活する水域環境を悪化させていた。
粘土の種類は限定されないものの、鉄分を含むものが好ましい。例えば、盛和粘土(赤土)などが好ましい。
固化体に含まれるクエン酸鉄は、例えば、主成分の貝殻粉末と鉄分を含む粘土とにクエン酸を添加し、これらを攪拌して固化体を得る際に、クエン酸鉄を生成するようにしてもよい。その他、貝殻粉末と鉄分を含まない粘土とを攪拌する際に、クエン酸鉄としてこの固化体に添加してもよい。
二価鉄イオン徐放出素焼物の形状は任意である。例えば、球状(素焼き玉)でも、そろばん等の駒状でもよい。
二価鉄イオン徐放出素焼物のpHは限定されない。ただし、牡蠣殻粉末が主成分であるため、一般的には弱アルカリ性(pH7.8〜pH8.2)となる。
二価鉄イオン徐放出素焼物の使用方法としては、例えば、二価鉄イオン徐放出素焼物を透水性の袋体に封入し、これを海水または淡水に浸漬することを採用することができる。その他、例えば河口域の泥質干潟に散布してもよい。この場合、潮の満ち引きで二価鉄イオン徐放出素焼物が流されないように、二価鉄イオン徐放出素焼物の散布域の上を平網により覆い、平網をアンカーピンにより泥底に固定した方がよい。
二価鉄イオン徐放出素焼物100重量%に含まれるクエン酸鉄(C6H5O7Fe;208.1g/mol)の量は、粘土に含まれる鉄分(Fe;19.00g/mol)に対して、その約11.0倍となる。
また、細孔のミクロポアの直径が3μm未満では、このミクロポアが狭すぎて藍藻類などのピコプランクトン(0.2μm〜2μm)が棲みつきにくい。また、5μmを超えれば、ミクロポアが広すぎてピコプランクトンが流されやすく、定着しにくい。ミクロポアの好ましい直径は、4μm前後である。
粘土に含まれる鉄分(Fe;19.00g/mol)に対してのクエン酸(C6H5O7;192.125g/mol)の添加量は、固形分換算で鉄分の約10.1倍である。
また、得られたクエン酸鉄水和物(C6H5O7.3H2O.Fe(化学式;C6H5FeO7・nH2O);262.148g/mol)の量は、粘土に含まれる鉄分に対して、その約13.8倍となる。
水としては、例えば水道水などを使用することができる。水の添加量は、粘土と貝殻粉末とクエン酸との懸濁液が得られる量であれば限定されない。
取り出された沈殿物は、例えば脱水処理により付形に適した硬さにされ、各種の付形(成型)装置などを利用して、球状または駒状を含む所定形状に付形される。
固化体の焼成温度が400℃未満では、焼成温度が低すぎて、二価鉄イオン徐放出素焼物が脆くなる。また、750℃を超えると、焼成温度が高すぎて二価鉄イオン徐放出素焼物が縮み高密度となり、二価鉄イオン徐放出素焼物の表面の多孔質性が低下(細孔が縮小)する。固化体の好ましい焼成温度は、600℃〜700℃である。
焼成時、焼成温度は低温から所定温度まで徐々に高めるようにした方が、二価鉄イオン徐放出素焼物の表面における上述したサイズの細孔の形成割合が高まる(二価鉄イオン徐放出素焼物の表面全体に細孔が形成される)。
袋体の形状は任意である。例えば、矩形袋、円形袋、楕円形袋、三角形袋などを採用することができる。
袋体のサイズは任意である。
袋体の孔径(網目サイズ)のサイズは任意である。ただし、1mm未満では、ごみや泥などが付着しやすく、通水性が低下するおそれがある。また、8mmを超えれば、好適サイズの直径8mm〜15mmの二価鉄イオン徐放出素焼物を採用した際、二価鉄イオン徐放出素焼物が袋体から排出されるおそれがある。好ましい袋体の孔径は、3mm〜5mmである。
二枚貝養殖具の使用場所は任意である。海水域や淡水域の所定場所でもよい。具体的には、河口域の干潟などが挙げられる。
水域環境保全材料の使用場所は任意である。海水域や淡水域の所定場所でもよい。具体的には、河口域の海底などが挙げられる。
二価鉄イオンによる硫化水素の化学的固定のメカニズムとしては、次の式(1)で示すものが提唱されている。
Fe2+ + HS− → FeS・nH2O+H+ (1)
また、貝類粉末からのカルシウム分の溶出により、硫酸還元菌による硫化物の硫酸還元を阻止する効果や、リンの化学的固定効果も得られる。カルシウムによるリンの化学的固定のメカニズムとしては、次の式(2)で示すものが提唱されている。
5Ca2+ + OH− + 3PO4 3− → Ca5(OH)(PO4)3↓ (2)
殊に、クエン酸鉄の含有量を、粘土に含まれる鉄分と、固形分換算でこの鉄分と当モル以上のクエン酸とを反応させて得られたクエン酸鉄水和物を焼成して得た量としたため、二価鉄イオン徐放出素焼物からの二価鉄イオンの放出量が好適となる。
その後、この懸濁液を所定時間放置し、粘土に含まれる鉄分とクエン酸とを反応させ、クエン酸鉄水和物を生成させる。このとき、クエン酸の量が鉄分に対して当モル以上であるため、粘土に含まれる全ての鉄分がクエン酸と反応してクエン酸鉄水和物となる。
これにより、請求項1の効果を有する二価鉄イオン徐放出素焼物を製造することができる。
また、このように複数の二価鉄イオン徐放出素焼物を袋体に詰め込んだ二枚貝養殖具を使用するため、袋体に充填される二価鉄イオン徐放出素焼物の質量や数量を調整することにより、潮流によって流されずに、安定して水底に据え置くことができる。
すなわち、まず第1には、この二価鉄イオンの徐放出によって、水中で光合成を行う藍藻類や珪藻類といった植物プランクトンや岩場の海藻が増殖する。これにより、アサリ、ハマグリなどの貝類の他、昆布、ウニといった沿岸水産資源の生産量が増大する。
第2には、富栄養化した底泥で発生した硫化水素を、二価鉄イオンによって化学的に固定化できる。これにより、青潮の発生を抑制可能となる。しかも、二価鉄イオンは、水中のリンと結合してリン酸鉄となる。その結果、アオコ、赤潮の原因となるこの富栄養化も防止することができる。
また、二価鉄イオン徐放出素焼物は、表面積が大きい多孔質の素焼き物である。よって、その表面には無酸素状態の還元層を多量に付着させることができる。そのため、この水域環境保全材料を例えば定期的に水から引き上げて空気に晒すことにより、還元層の発生量を低減させることができる。
さらには、このように二価鉄イオン徐放出素焼物を袋体に詰め込んだ水域環境保全材料を使用するため、袋体に充填される二価鉄イオン徐放出素焼物の質量や数量を調整することで、潮流によって流されることなく、安定して水域環境保全材料を水底(干潟等)に設置することができる。
二価鉄イオン徐放出素焼物10は球状のもので、その直径は8〜12mmで、その表面全域には、マクロポア11の直径が50μm、ミクロポア12の直径が4μmの細孔13が多数形成されている(図2)。なお、二価鉄イオン徐放出素焼物10のサイズを8〜12mmと不揃いにした理由は、成長後に砂に潜る習性がある二枚貝が潜砂しやすいためである。また、同様の理由により、二価鉄イオン徐放出素焼物10の形状も不揃い(例えば、駒形など)にした方が好ましい。
図3のフローシートに示すように、攪拌装置の回転ドラム内に、平均粒径20μmの牡蠣殻粉末75重量%(7,500g)と、バインダである鉄分を含む粘土25重量%(2,500g)とから得られた素焼物主原料100重量%(10,000g)に対して、クエン酸を固形分換算で7.575重量%(757.5g)と、所定量の水(100リットル)とを投入し、これらを30分間攪拌して懸濁液とする(材料攪拌工程)。
鉄分を含む粘土としては、粘土100重量%(2,500g)に対して3重量%(75g)の鉄分が含まれた盛和粘土(赤土)を使用している。
その後、この懸濁液を30時間放置して土中の鉄分とクエン酸とを反応させ、クエン酸鉄水和物を生成させる(クエン酸鉄水和物生成工程)。これにより、素焼物主原料100重量%に対して、10.35重量%(1,035g)のクエン酸鉄水和物が生成される(計算方法は、段落番号0019を参照)。
次いで、付形された球状のものを、熱風乾燥装置に装入し、50℃で、8時間の熱風乾燥を行う。これにより、直径8〜12mmの球状の固化体が得られる(乾燥工程)。
こうして製造された二価鉄イオン徐放出素焼物10は、袋サイズが縦50cm×横35cm、網目サイズが4mm×4mmのプラスチック製の網袋(透水性の袋体)14の中に、約4.051kg(1,266個/袋)分だけ封入される(図4)。得られた袋詰め体が、アサリ養殖用の二枚貝養殖具15、または、泥質干潟の環境を保全するための水域環境保全材料15Aとなる。これらについては後述する。
また、素焼き物である二価鉄イオン徐放出素焼物10の表面全域には、直径が50μmのマクロポア11と、直径が4μmのミクロポア12とからなる細孔13が多数存在するため、例えば、藍藻類などのピコプランクトンP1(0.2μm〜2μm)をミクロポア12に、また珪藻類などのナノプランクトンP2(2μm〜20μm)をマクロポア11にそれぞれ棲みつかせることができる(図2)。
また、二価鉄イオン徐放出素焼物10の製造にあたっては、平均粒径20μmの牡蠣殻粉末75重量%と、3重量%の鉄分を含む盛和粘土25重量%と、これらから得られた素焼物主原料100重量%に対して、クエン酸7.575重量%を加えて攪拌してクエン酸鉄を生成させ(材料攪拌工程)、その後、この懸濁液を球状に付形し(付形工程)、付形された懸濁液を熱風乾燥して固化体とし(乾燥工程)、次に固化体を700℃で20時間だけ焼成する(焼成工程)という順序からなる製造方法を採用した(図3のフローシート)。これにより、実施例1の二価鉄イオン徐放出素焼物10の特徴の1つである、マクロポア11の直径が50μmで、ミクロポア12の直径が4μmの細孔13を、この素焼物10の表面全域に形成させることができ(図2)、かつ上述した各効果を有した二価鉄イオン徐放出素焼物10を、効率良くかつ安定的に製造することができる。
また、粘土(盛和粘土)中の鉄分量を、粘土100重量%に対して3重量%としたため、二価鉄イオン徐放出素焼物から、植物プランクトンの養分となる二価鉄イオンを、過剰になることなく長期間放出することができる。
図4に示すように、二枚貝養殖具15を使用してアサリ16を養殖する際には、これを河口域の泥質干潟に放置する。
これにより、二価鉄イオン徐放出素焼物10に含まれるクエン酸鉄(キレート)から二価鉄イオンが、海水の中に長期にわたって徐々に放出される。そのため、近年問題となっている“森林の荒廃による海水へのフルボ酸鉄の溶出量の減少”を、フルボ酸鉄と同等の機能を有したクエン酸鉄からの二価鉄イオンによって補うことができる。
すなわち、アサリ16の受精卵が、浮遊幼生(トロコフォア、D上状期(100μm〜110μm)16a、アンポ期(130μm〜180μm)、フルグロウン期(180μm〜230μm))から、着底稚貝(200μm〜300μm)、初期稚貝(300μm〜1000μm)、稚貝(1〜15mm)、初期成貝(15mm〜25mm)、成貝(25mm以上)へと順次成長する。
図4に示す二枚貝養殖具15と同一物である水域環境保全材料15Aを用いて河口域の水域環境保全を行う際には、この水域環境保全材料15Aを、河口域の海岸の海底に所定個数だけ並べて放置する。これにより、二価鉄イオン徐放出素焼物10に含まれるクエン酸鉄から二価鉄イオンが、海水中に長期にわたって徐々に放出される。これにより、従来法におけるフルボ酸鉄の溶出量の減少を、クエン酸鉄からの二価鉄イオンによって補うことができる。
また、二価鉄イオン徐放出素焼物10は、徐放出した二価鉄イオンによって、富栄養化した底泥で発生した硫化水素を化学的に固定化し、青潮の発生を抑制することができる。
この二価鉄イオンによる硫化水素の化学的固定のメカニズムを、次の式(1)に示す。
Fe2+ + HS− → FeS・nH2O+H+ (1)
5Ca2+ + OH− + 3PO4 3− → Ca5(OH)(PO4)3↓ (2)
また、図1および図2に示すように、二価鉄イオン徐放出素焼物10は、表面積が大きい多孔質の素焼き物である。そのため、その表面には無酸素状態の還元層(ヘドロ)を多量に付着させることができる(例えば、珪砂の5〜10倍の浄化作用)。その結果、この水域環境保全材料15Aを定期的に水から引き上げ、付着した還元層を空気に晒して嫌気性バクテリアを不活化することにより、還元層の発生量を低減させることができる。
まず、試験例1〜3および比較例1〜3に共通する試験条件について説明する。
使用する二枚貝養殖具15(水域環境保全材料15A)は、袋サイズが縦50cm×横35cm、網目サイズが4mm×4mmのプラスチック製の網袋14の中に、直径8〜12mm、1個が3〜3.5gの球状の二価鉄イオン徐放出素焼物10が約4kg(1,266個/袋)封入されたものである。牡蠣殻粉末の重量比は、二価鉄イオン徐放出素焼物100重量%に対して約70重量%である。そのため、袋内の牡殻粉末の総重量は約2.8kgとなる。
また、試験場は、福岡県北九州市の曽根干潟である。試験期間は、平成27年4月12日から平成28年2月10日までである。また、試験方法は、干潮時の他は海面下となる干潟の泥の上に、二枚貝養殖具15を放置する。
また、アサリ16の出荷時期とされる30mmサイズ(約7g)に達したとき、1つの網袋14から収穫されたアサリ16の数は平均93個、重量は651gであった。これを1m2当たりのアサリ16の生息密度に換算すれば、300〜600個/m2であった。平成16年の曽根干潟におけるアサリ16の平均生息密度は、1m2当たり2.5個程度で、これと比較すれば約120〜240倍の収穫量となった。
一般的にアサリ16は、25mmサイズになって産卵し、産卵期は春(4〜5月)、秋(9〜10月)の年2回である。
また、上述したように二枚貝養殖具15は水域環境保全材料15Aを兼ねている。そのため、これを曽根干潟に放置することにより、牡蠣殻粉末1g当たり約12mg/日の硫化水素を除去することができた。1個の二枚貝養殖具15には、2.8kgの牡蠣殻粉末が存在するため、下記計算式から毎日、二枚貝養殖具15の1袋当たり33.6g、1m2当たり約27.3kgの硫化水素を処理できることが判明した。
2.8kg(牡殻粉末)/袋 × 12mg/日=33.6g
また、アサリ1個には、1時間に約1リットルの水をろ過する能力がある。そのため、例えばアサリ419個の場合、下記の式より1年間に3,670,440リットルの海水をろ過することで、水質改善することが可能である。
419個×24時間=10,056リットル/日
10,056リットル/日×365日=3,670,440リットル/年
16,458個(1,266個の二価鉄イオン徐放出素焼物10×13袋)÷15個(アサリ成貝1個に必要な二価鉄イオン徐放出素焼物10の個数)=1,098個(次回の収穫予想値)
ここでの収穫重量は、30mmの成貝1個が7gであるため、1,098個×7g=7,686gとなる。この場合の海水ろ過量は、下記式から1年間に9,618,480リットルとなる。
1,098個×24時間=26,352リットル/日
26,352リットル/日×365日=9,618,480リットル/年
クエン酸鉄の含有量が5.3重量%の二価鉄イオン徐放出素焼物10を袋詰めした二枚貝養殖具15(水域環境保全材料15A)を使用する他は、試験例1と同様のアサリ16の養殖試験を行った。その結果、試験例1と略同様の効果が得られた。
クエン酸鉄の含有量が22重量%の二価鉄イオン徐放出素焼物10を袋詰めした二枚貝養殖具15(水域環境保全材料15A)を使用する他は、試験例1と同様のアサリ16の養殖試験を行った。その結果、試験例1と略同様の効果が得られた。
クエン酸鉄の代わりにフルボ酸鉄を牡蠣殻粉末と、鉄分を含まない粘土とに練り込み、その後に焼成した球状素焼物(10)を袋詰めした二枚貝養殖具(15)を使用する他は、試験例1と同様の方法でアサリ16の養殖試験を行った。比較例1では、このようにクエン酸鉄に代えてフルボ酸鉄を採用したため、二価鉄イオン徐放出素焼物(10)を製造する際、その焼成工程でフルボ酸鉄が蒸発して消失してしまった。その結果、水域環境保全材料(15A)である二枚貝養殖具(15)を海水に浸しても、球状素焼物(10)からは二価鉄イオンが徐放出されることはなかった。その結果、アサリ16の収穫高が激減し、かつ水域環境保全としても不十分な結果となった。
クエン酸鉄の含有量が4重量%の二価鉄イオン徐放出素焼物10を袋詰めした水域環境保全材料(15A)である二枚貝養殖具(15)を使用する他は、試験例1と同様のアサリ16の養殖試験を行った。その結果、試験例1の場合に比べて、二価鉄イオン徐放出素焼物(10)の細孔13に棲みつく植物プランクトンが減少し、アサリの収穫が若干減るとともに、成貝となるまでの期間も幾らか長くなった。一方、水質改善効果もやや低下した。
クエン酸鉄の含有量が30重量%の二価鉄イオン徐放出素焼物(10)を袋詰めした水域環境保全材料(15A)である二枚貝養殖具(15)を使用する他は、試験例1と同様のアサリ16の養殖試験を行った。その結果、粘土に含まれる鉄分が多くなって貝殻粉末に対する粘土のバインダ効果が若干低下し、クエン酸の使用量も増加した。さらに、焼成後の二価鉄イオン徐放出素焼物(10)の表面に“オデキ”と称する突起が幾らか現出するとともに、水質改善効果も若干低下した。
11 マクロポア
12 ミクロポア
13 細孔
14 網袋(透水性の袋体)
15 二枚貝養殖具
15A 水域環境保全材料
16 アサリ(二枚貝)
Claims (4)
- 鉄分を含む粘土を使用し、(a)粘土20〜30重量%、(b)貝殻粉末70〜80重量%(ただし、(a)+(b)=100重量%)からなる素焼物主原料に対して、固形分換算で前記鉄分と当モル以上のクエン酸と、所定量の水とを加えて攪拌することで懸濁液とし、
その後、この懸濁液を所定時間放置することで、前記粘土に含まれる鉄分とクエン酸とを反応させ、前記素焼物主原料中にクエン酸鉄水和物を生成させ、
その後、生成した沈殿物を取り出して付形、乾燥して焼成する二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法であって、
前記貝殻粉末の平均粒径は10μm〜30μmで、
前記焼成温度は400℃〜750℃で、
焼成後、前記二価鉄イオン徐放出素焼物の表面には、マクロポアの直径が10μm〜60μm、ミクロポアの直径が3μm〜5μmの細孔が形成されることを特徴とする二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法。 - 前記鉄分を含む粘土は、該粘土100重量%に対して、2〜10重量%の鉄分を含有していることを特徴とする請求項1に記載の二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法。
- 鉄分を含む粘土を使用し、(a)粘土20〜30重量%、(b)貝殻粉末70〜80重量%(ただし、(a)+(b)=100重量%)からなる素焼物主原料に対して、固形分換算で前記鉄分と当モル以上のクエン酸と、所定量の水とを加えて攪拌することで懸濁液とし、
その後、この懸濁液を所定時間放置することで、前記粘土に含まれる鉄分とクエン酸とを反応させ、前記素焼物主原料中にクエン酸鉄水和物を生成させ、
その後、生成した沈殿物を取り出して付形、乾燥して焼成する二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法であって、
前記鉄分を含む粘土は、該粘土100重量%に対して、2〜10重量%の鉄分を含有していることを特徴とする二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法。 - 前記懸濁液の放置時間は、24〜48時間であることを特徴とする請求項1〜請求項3のうち、何れか1項に記載の二価鉄イオン徐放出素焼物の製造方法。
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