地球温暖化、空気、水、土壌汚染、そして同時に増加する人口の安全環境と食糧供給に対する圧力がますます大きくなるというニュース報道に伴い、環境科学と環境衛生はますます注目されている。

世界的に環境と安全問題に対する認識が日増しに高まっていることに伴い、私たちは環境汚染の予防と公衆の健康の保護に積極的に措置を取らなければならないことを認識しているだけでなく、数十年前に行われたいくつかの誤った決定を修正しなければならない。今日は汚染された空気と水を整理し、土壌を浄化し、おもちゃ、衣類、化粧品、スキンケア用品、食品などの危険な化学品の代わりに私たちの周りのニーズに感謝しています。

これらの分野では、ナノ材料の相互作用は極めて重要な役割を果たしており、この分野の深い理解は、将来の健康と安全を確保し、過去に発生した汚染を除去する上で、特徴付け、評価、予測、リスク制御に重要な貢献をします。

[環境/ナノ毒性学]

今、ナノ粒子は私たちの周りにどこにもいない。これらの微粒子はすでに日焼け止め、食品包装、薬品、衣料品、塗料などの製品に入り、新しい分野に進出し続けている。しかし、ナノ粒子を意図的かつ意図的に暴露する潜在的リスクは十分に評価されていない。ナノ毒理学への関心も高まっている

ナノテクノロジーは比較的新しい科学分野であり、材料の性質が巨視的なサイズ縮小からナノスケールへと変化する事実を利用している。エンジニアリングナノ材料の理想的な性能は多くの異なる分野で応用され、新しい応用方法を探してきた。ナノ材料の使用と伝播が増加しているだけでなく、ナノサイズの物体は燃焼や機械的摩耗などの過程の副作用を生じる可能性がある。

その結果、ナノ材料は私たちの周囲の環境や環境の中で拡大し、放出され、ナノ粒子の暴露量を増加させることができます。しかし、これらの満足できる新材料特性は未知の側面を伴っている。これらの粒子がライフサイクル全体でどのように相互作用し、行動しているかはよく知られていない。大量の精力と資源はナノ毒理学に集中し、人間と環境に安全であることを確保するために、故意で意図しないナノ材料の暴露の影響を評価するために使用されている。

ナノ粒子と周囲環境との相互作用を特徴づける

ナノ安全性評価では、曝露環境下でのナノ粒子の挙動方法を理解することが重要である。ナノ粒子とそのライフサイクル全体で遭遇する分子との相互作用を監視することができる関連する生物環境での研究が必要です。周囲環境との相互作用の本質は、ナノ粒子材料、サイズ、表面電荷、機能化、および周囲環境、例えばpHに依存する。ナノ粒子は放出されると有機材料と無機材料の吸着を開始し、新しい界面、すなわちいわゆるコロナまたは生体電子層を形成し、それによって環境に新しい特性を与える。QSense QCM−Dは、ナノ粒子と周囲環境との間のこのような相互作用を研究することができ、例えば、本研究では人体消化システムにおけるナノ粒子の生体耐性を評価した。このブログでは、関連する背景におけるナノ粒子との相互作用のいくつかの例も振り返っている。リン脂質膜に対するナノ粒子の影響もLangmuir槽を用いて研究に成功した。

[環境/水と土壌の浄化]

水と土壌は私たち人間と他の生物がこの星で健康と福祉を確保するために必要な2つの要素です。この2つの分野は私たちの生存と発展に環境を提供するだけでなく、健康な土壌と清潔な水は私たちと子孫のために食物連鎖を保証するための先決条件です。しかし今日、水と土壌の環境汚染がますます注目されている。

環境汚染は人為的であり、一連の源に由来する。工業は有毒副産物と汚染廃水を放出し、農業肥料と農薬は地下に浸透した。その他の源は未処理の汚水、石油流出、放射性汚染、酸性雨であり、これらはすべて人類の健康に危害を与える。人口増加と世界的な富の増加を見ながら、この2つの最も重要な自然資源の退化を目撃しました。世界中のより多くの人とより多くの人による高消費ライフスタイルは、増加する消費と変化する消費習慣をサポートするための利用可能なリソースに圧力をかけている。消費ニーズを満たし、健康な土壌と清潔な水の供給を確保するためには、汚染された水と土壌を整理する必要があります。

水の浄化とろ過

クリーンウォーターは日増しに不足する資源である。高品質の水への需要は、地球上でますます多くの人に飲料水を提供するだけでなく、高消費のライフスタイルを支える食品衣料の生産や農業にもつながる。子孫の持続可能な水供給と水生生物の安全な生息地を確保するためには、資源利用率を高め、使用した水を回収する必要があります。川、湖、海など、汚染された水源を浄化する必要もあります。淡水の供給が不足している地域では、リサイクルと海水淡水化が消費ニーズにソリューションを提供することができます。

水汚染物を処理する有効な方法の1つは膜濾過であり、膜濾過は水回収、再利用及び海水淡水化に用いることができる。QSense QCM−Dは、海水淡水化及び廃水処理のための逆浸透膜及び膜汚染などの膜膨潤及び濾過性能を特徴づける濾過膜の開発及び評価に用いることができる。

どじょうか

土壌修復は、汚染された土壌を異なる方法で除去または精製する過程である。生物修復は土壌浄化に最も意義のある方法の一つである。生物修復では、微生物が土壌中の汚染物質を分解するために用いられる。バイオリペアは、石油や石油系燃料などの有機汚染物質の処理によく用いられる。

生物修復の主な困難は、これらの疎水性化合物が土壌粒子と結合し、水に低溶解度を有するため、汚染物質の有用性である。汚染物質と微生物との接触を強化し、分解するために、一般的に界面活性剤が使用されている。界面活性剤は、石油炭化水素の分解吸着及び溶解性を増強するために使用することができ、それによって微生物による同化を促進することができる。

ほとんどの市販界面活性剤は石油副産物から合成される。しかし、ますます多くの環境問題は、既存の製品の代わりに代替可能な天然界面活性剤の開発をもたらす。これらの生物界面活性剤は、通常、糖脂質、リポ蛋白質、リン脂質、脂肪酸またはその化学的性質のポリマーである。低濃度では、生物界面活性剤は水に可溶であるが、濃度が高いとミセルが形成される。ミセル形成の点を臨界ミセル濃度（CMC）点と呼ぶ。石油炭化水素の溶解は通常CMCの上で起こるため、生物界面活性剤溶液の臨界ミセル濃度を測定する。経済的、環境的な観点から、できるだけ少量の界面活性剤を使用することが重要である。

[環境/炭素の封じ込め]

地球温暖化と地球への影響が注目されるにつれ、温室効果ガス（主に二酸化炭素）の貯蔵は多くの研究チームのテーマとなっている。二酸化炭素を安全に捕獲し、深部アルカリ含水層に保存することは、大気への炭素排出を制御するための実行可能な手段と考えられている。

地質封入を考慮する潜在的な地下システムの1つは深部塩基含水層に関する。二酸化炭素の封じ込めに成功するためには、二酸化炭素の長期捕獲を確保する必要がある。これは二酸化炭素を保存できるすべての物理的および化学的捕捉機構を理解する必要がある。不透過性閉鎖層の下で二酸化炭素を捕捉するか、含水層の孔の中の固定二酸化炭素は最大で最も直接的な影響を与える。2つの捕捉機構の有効性は毛細管圧力に依存するため、二酸化炭素−塩水と二酸化炭素−岩石との界面張力特性が重要な役割を果たす。これらの相互作用を理解するには、貯水条件をシミュレートするために高温及び高圧で測定する必要がある。

高圧下でのCO 2−塩水（岩石）相互作用

CO 2−塩水界面張力と圧力、温度、塩分組成と濃度の関数関係について研究した。図1は典型的な界面張力測定データを示し、データは120 bar前後の圧力で界面張力値が平衡に達することを示している。

CO 2−水とCO 2−塩水との界面張力（35000 ppm）と圧力の関数関係（45°C）

湿潤性は、一般に、別の非相溶性流体の存在下で流体を広げ、固体表面に接着する傾向として定義される。含水層の場合は、塩水−二酸化炭素−岩石システムを考慮する必要がある。岩が水で湿っていると、塩水が小さな穴を占有し、ほとんどの岩と接触します。同様に、注入されたCO 2が最終的に岩を濡らすと、小さな穴を占有し、ほとんどの岩と接触する。湿潤性の変化は、塩水中の鉱物表面上のCO 2の接触角を高圧及び高温で測定することにより研究された。

［環境・バイオ汚染とバイオフィルムの評価］

自然に発生する生態系以外の生物汚染と生物膜形成は危害である。細菌コロニーの蓄積（通常は工業環境で）は下地材料を分解し、腐食と材料の失効をもたらす。

これにより、生産損失とコストが増加します。また、ろ過膜の性能を低下させ、膜束に影響を与え、飲用水の品質に影響を与えるなどの健康リスクももたらします。

生物膜は比較的大きな生態系の一部として大量に存在するが、これらの微生物束は人工建築物の中で生存し、繁殖することもでき、これらの人工建築物は微生物に湿気と栄養の環境を提供する。廃水の流出、水冷管を用いた生産施設、その他の管系（例えば、送水管や送油管）、および廃水濾過のための膜バイオリアクターや逆浸透膜などの膜系は一般的に影響を受ける。生物汚染による損失コストは非常に大きく、人間の生命と健康に対するリスクの結果は非常に深刻である。そのため、生物汚染現象を理解し、予防することは非常に意義がある。

バイオ汚染、バイオフィルム形成及び防汚塗料の特性評価

バイオフィルムは膜とろ過技術の有効性の主要な障害である。例えば、膜バイオリアクターの性能に影響を与える最も重要な要素の1つは、微生物が分泌する細胞外ポリマー物質による膜汚染である。膜洗浄は広く研究されているが、汚染防止方法はより魅力的である。したがって、膜の最適な長期性能を確保するためには、汚染と生物膜形成の条件を最小化し、予防する方法を理解し、特性化することが意義がある。膜表面特性と汚染傾向との関係をより良く理解するのに役立つ情報は、QSense QCM−D（スケール形成と汚染プロセスの特性化及び生体膜形成の検出に用いることができる技術）によって細菌付着及び成長を測定することによって収集することができる。この技術はまた、スケール防止剤と汚れ防止方案を評価し、汚れ防止膜コーティングの設計を支援するなどに使用することができる。

膜の特性化のための接触角

無機物（塩、沈殿物、例えば金属水酸化物及び炭酸塩）のような有機物、コロイド（シリカのような懸濁粒子）、微生物汚染物及び粒子が膜表面上又は塊状物によって形成された汚れが孔を塞ぐことにより、膜汚染が生じる。汚染物質の多くは本質的に疎水性であるため、親水性膜が必要とされている。異なるタイプのコーティングおよび表面処理を使用することにより、フィルムをより親水性にすることができる。通常、接触角測定を用いて表面親水性を評価する。

［環境/脱インク］

脱インクは、再生紙繊維からインクを除去して脱インク紙を製造するための工業プロセスである。

脱墨中の浮選過程

発泡浮選は一般的な脱インクプロセスである。採掘業で一般的に使用される浮選技術に由来しています。浮選過程の原理は簡単である：浮選タンクでは、細かい気泡がパルプ中に分散している。気泡が上昇し、疎水性インク粒子が集まる。そのため、インク粒子はタンクの頂部に持ち上げられて選別され、脱インクされたパルプはタンクの底から集められる。

分散した気泡はこの過程で重要な役割を果たしている。これらの性質は、発泡剤、収集剤、抑制剤などの水と浮選試薬からなる流体媒体成分に強く影響される。これらのすべての試薬において、起泡剤は起泡の形成と挙動に影響する表面活性物質である。発泡分子は気泡表面に吸着して吸着層を形成する。吸着中、平衡値に達するまで表面張力が低下する。動的条件下では、界面活性剤の溶液からの吸着と吸着の動力学は気泡挙動に重要な影響を与える。吸着層のレオロジー特性を理解することは、商用界面活性剤の特性化に重要である。

ダウンロード応用ダイジェスト：浮選過程における界面活性剤の挙動を特徴づける振動液滴技術の応用。