[論文レビュー] Carboxyl Carbon Quantum Dots: a Novel Type of Environmental-Friendly Scale Inhibitor

Jian Chao Hao, Lingyun Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Calcium Carbonate Crystallization and Inhibition被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、硫酸カルシウムおよび硫酸バリウムのための新規で環境に優しいスケール阻害剤として、カルボキシル基修飾炭素量子ドット（CCQDs）を導入した。CCQDsは80 °C未満の温度条件下で低濃度でも100%のスケール阻害効率を示し、水処理応用分野における高い性能と持続可能性を示している。

ABSTRACT

In this work, we demonstrate high inhibition efficiency of carboxyl carbon quantum dots (CCQDs) for the first time. The as-prepared CCQDs have excellent scale inhibition performance for calcium sulfate and barium sulfate. With static test of scale inhibition within temperature below 80 degrees, the anti-scaling efficiency can reach 100 % with low additions of CCQDs.

研究の動機と目的

• 産業用水処理で用いられる従来のスケール阻害剤の持続可能で非毒性な代替品を開発すること。
• 硫酸スケールの生成に対して、カルボキシル修飾炭素量子ドット（CCQDs）のスケール阻害性能を評価すること。
• 温度および濃度の変動条件下でのCCQDsの効率を特定すること。
• CCQDsの環境適合性およびスケール阻害における実用的応用可能性を評価すること。
• CCQDsを従来の化学的スケール阻害剤に代わる実用的でグリーンな代替品として確立すること。

提案手法

• シトロニック酸を炭素源として用いた水熱法によるカルボキシル基修飾炭素量子ドット（CCQDs）の合成。
• 走査型電子顕微鏡（TEM）、X線回折（XRD）、およびフーリエ変換赤外分光法（FT-IR）を用いたCCQDsの特性評価。
• 80 °C未満の温度で静的スケール阻害試験を実施し、スケーリング防止性能を評価。
• 硫酸カルシウムおよび硫酸バリウムの沈殿に対して、標準的な重量測定法または滴定法を用いて阻害効率を測定。
• 表面官能基の分析を通じて、カルボキシル基含有量とスケール阻害効果との相関を特定。
• 同一の試験条件下で、CCQDsと従来のスケール阻害剤の性能を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カルボキシル基修飾炭素量子ドット（CCQDs）は、硫酸カルシウムおよび硫酸バリウムのスケール生成を効果的に阻害できるか？
• RQ2 低濃度および80 °C未満の温度条件下で、CCQDsの阻害効率はどの程度か？
• RQ3 CCQDsの表面官能基は、そのスケール阻害性能にどのように寄与しているか？
• RQ4 CCQDsは、効率性および環境影響の観点から、従来のスケール阻害剤をどの程度上回るか？
• RQ5 CCQDsは産業用水処理応用分野における持続可能な代替品と見なせるか？

主な発見

• CCQDsは、80 °C未満の静的試験条件下で、硫酸カルシウムおよび硫酸バリウムの両方に対して100%のスケール阻害効率を達成した。
• 低添加量でも高い阻害効率が観察されたことから、高い触媒的または表面吸着効果が示された。
• CCQDsは複数のスケール生成系で優れた性能を示し、その多様性が顕著に表れた。
• CCQDsの環境への優しさは、生体適合性の高い炭素骨格とカルボキシル基修飾に起因する。
• 結果から、CCQDsは従来の毒性の高いスケール阻害剤に代わる持続可能な代替品として機能可能であると示唆された。
• 本研究では、CCQDsが低濃度でも極めて効果的であることが確認され、大量の化学薬品添加の必要性が低減されることが示された。