アミン官能化珪藻土グラニュールによる水溶液中のペルフルオロオクタンスルホン酸およびペルフルオロブタン酸の効率的吸着

水中のしつこい化学物質が重要な理由

フライパンのこびりつき防止加工やテイクアウト容器、消火用フォームなど、日常的な製品の多くは「フォーエバーチェミカル」と呼ばれる工業化合物群を残します。これらPFASは自然界で分解されにくく、体内に蓄積しやすいため、がん、免疫系の異常、発達障害などと関連づけられています。本稿でまとめる研究は、化石化した藻類由来の単純で低コストな濾過材が、二種類の代表的なPFASを高効率で水から除去し、繰り返し使用できることを示しています。

天然フィルターへの新たな工夫

研究者らは珪藻土に着目しました。これは微細藻類の化石殻からなる粉末で、安価で豊富、細孔が多く一部のフィルターで既に使われていますが、単体ではPFASを十分に捕捉できません。性能向上のために粉末を小さなグラニュールに成形し、正電荷を持ちうる窒素含有基を持つ分子で表面を修飾しました。こうして得られたAPTES-DEと呼ぶ処理グラニュールは、PFASの負に帯電した頭部を引き寄せる多数の活性部位を提供しつつ、水が流れるための多孔構造を維持します。

グラニュールの実地試験

研究チームは電顕や表面分析などの手法で修飾の存在と内部多孔の可用性を確認しました。次に、改良グラニュールが水中の二つの代表的PFAS、より長いフッ素化鎖を持つPFOSと鎖の短いPFBSをどの程度除去できるかを評価しました。攪拌式バッチ実験では、最適条件でPFOSは約92％、PFBSは約90％まで除去しました。データは、PFASが一様な単層ではなく不規則な表面に多層で付着することを示しており、粒子ごとに強い結合部位と弱い結合部位が斑状に存在する様子と整合します。

除去メカニズム

接触時間、濃度、水の酸性度、流動条件を変えることで、PFAS捕捉の主要な力を解き明かしました。やや酸性から中性のpHでは、グラニュール上の窒素基が正に帯電し、電気的引力で負に帯電したPFASの頭部を引き寄せます。同時に、PFASの疎水的なフッ素化尾はグラニュール表面の比較的水の少ない微小環境に引き寄せられ、疎水的な「粘着性」を付与します。さらに、PFASとシリカ表面の官能基との水素結合が結着を安定化します。これらの力が協調して強固な結合を生み、特に長鎖PFASでは疎水性表面が大きくなるため、より強く捕捉されます。

ビーカーから流動カラムへ

実際の処理施設は静置タンクより連続流を用いるため、研究者らはAPTES-DEグラニュールを透明なカラムに充填し、PFAS汚染水を通流させました。充填床を高くするとPFASの保持時間が長くなり、排出口に汚染物質が現れるまでの時間が遅延して全体の除去が向上しました。流速を遅くするとPFASがグラニュール表面に到達して結合する時間が増え、性能が改善しました。これらの試験を通じて、PFOSは一貫してPFBSより強く付着し、ブレイクスルーが遅れることが示され、実用システムにおける鎖長の影響が再確認されました。

フィルターの繰り返し使用

大規模運用に有用なフィルターは、容量を大きく損なうことなく洗浄・再生できる必要があります。本研究では飽和したAPTES-DEグラニュールをアルコールと弱アルカリ溶液の混合液で洗浄し、PFASを緩めて洗い流しました。吸着と再生を5サイクル行った後でも、グラニュールはPFOSの元の容量の95％以上、PFBSで約96％を維持し、わずかな低下のみを示しました。この耐久性と高い除去効率、そして豊富な天然原料の利用は、アミン修飾珪藻土が汚染水からしつこいPFAS汚染物質を除去する実用的でより持続可能な選択肢になりうることを示唆します。

引用: Bano, A., Prasad, B., Dave, H. et al. Efficient adsorption of perfluorooctane sulfonate and perfluorobutane sulfonic acid from aqueous solution onto amine-functionalized diatomite granules. Sci Rep 16, 10368 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41388-4

キーワード: PFAS除去, 水浄化, 珪藻土, 吸着, フォーエバーチェミカル