為什麼必須除去氨？

說起普魯士藍，就是“安全地帶”。為不認識的一代說明一下，“安全地帶”是玉置浩二擔任主唱的樂隊的名字，有一首名為《普魯士藍的肖像》的熱門歌曲。也許《葡萄酒紅的心》更有名，但不僅是紅，藍色也賣得很好。

要說為什麼這麼說，那就是發現普魯士藍是“高性能氨吸附材料”。原來如此，氨是惡臭的原因。對身體也不好，如果能吸附它的話，感覺會成為相當安全的地帶。

但是，即使聽到“特定的顔色會吸附某種物質”，也不知道在說什麼。最先浮現在我腦海中的疑問就是這個。

“普通的藍色、天藍色、藍巴克斯的封面不行嗎？”

藍色這個顔色給人一種幹淨的印象。這麼說來，隻要放在廁所裡就可以的芳香洗滌劑也是“藍色”的。這樣想的話，我覺得吸附氨也不奇怪吧。

但是，發現其功能的不僅僅是藍色，而是普魯士藍。為什麼其他的藍色不行呢？

抱着這樣樸素的疑問，探險隊前往産業技術綜合研究所，詢問了納米材料研究部門的高橋顯和川本徹。

“這就是叫做普魯士藍的藍色顔料。18世紀初被發現，葛飾北齋和梵高也使用過。以前的藍圖的一部分也使用了普魯士藍的技術。現在作為顔料，一般都有市售。”

聽了給我看樣品的高橋先生的話，我意識到了自己的巨大誤解。普魯士藍隻是“顔色”的名字（實際上也有在這個意義上使用的），也是産生其特征顔色的“顔料”本身的名字。這裡成為研究對象的是後者。

那麼，其他的藍色是不行的也是理所當然的。值得注意的不是“顔色”，而是作為具有形狀和構造的“物質”的普魯士藍。那個普魯士藍為什麼會吸附氨？這樣的話往後推，問了為什麼想吸附氨。

雖然知道能消除惡臭，但研究的目的實際上并不僅如此。在那個背景下，還存在着更大的問題。

這是“氮循環量的增加”。氨的化學式是“NH₃”，N是氮。也就是說，氨是氮化合物。現在在地球上，由于氮循環量的增大，發生了各種各樣的問題。

“随着人口的增加，食品的生産量也會增加，因此氮肥的使用量也會增加。在這50年間，其量大約是10倍。因此，在地球環境中循環的氨也在增加，這引起了很多問題。大氣中有酸雨、全球變暖、海中有赤潮、青潮、藍藻等。”這也是富營養化的原因”（高橋）

此外，氨被認為是PM2.5的主要産物。農業排出的氨與工業排出的氮氧化物和硫氧化物在空氣中結合，成為铵鹽（硝酸铵和硫酸铵等），其小粒子成為PM2.5。據說現在世界人口的95%以超過WHO基準值的PM2.5濃度生活着。

“調查了群馬縣采集的PM2.5的組成，也有報告說一半左右是铵鹽。農作物和家畜等的食品生産越增加，PM2.5帶來的健康風險越高。在美國，比起食品出口獲得的利益，PM2.5帶來的健康風險更大。”“（高橋）

群馬縣采集的PM2.5的組成

歐盟認為減少PM2.5最有效的手段是“減少氨”，因此提出了2030年以後将大氣中的氨減少19%（與2005年相比）的目标。在環境問題上，提到「減碳」，隻想到碳（CO2），而減氮也是一個重要議題。

“除此之外，除氨技術的必要性也在提高。例如，在半導體工廠，铵鹽會妨礙布線。

另外，正在實用化的氫燃料，氨的處理也是課題之一。分解後變成氫和氮的氨，本身就是能量載體。雖然氫本身很難儲存，但是如果在氨的狀态下移送之後在當地分解的話，可以制作氫。從這個意義上來說，氨也很有用，但是在制作的氫中作為雜質殘留氨是很難去除的“（高橋）

當然，去除“惡臭”也是氨的一大課題。随着社會老齡化的發展，對于醫院和看護設施等的臭味，想做點什麼的需求也越來越高。

誠然，氨的增加确實是今天的問題。我也開始猛然想除氨了。

重要的是普魯士藍的“空穴”

但是，高橋等人的研究小組并不是從一開始就以除去氨為目标的。使用普魯士藍進行研究的最初目的居然是制作“調光玻璃”。

“現在，波音787上，一按按鈕就會變暗或透明的窗戶已經實用化了。那就是調光玻璃。我們在2008年，将普魯士藍作為納米粒子化，改變調光玻璃顔色的材料使用。當時我還沒有參加，現在的這是上司川本親自動手的研究”（高橋）

使用普魯士藍的變色玻璃

即便如此，産生個性藍色的顔料成為“顔色變化材料”也是不可思議的。顔色變化的話不是藍色的嗎！雖然這麼想，但這是作為“物質”的普魯士藍的有趣之處。

“18世紀初發現的普魯士藍是鐵和鐵夾着CN（青色）粘在一起的。偶然發現了它，就可以制造出至今為止無法表現的深藍色。

但是，這個物質如果把鐵換成别的金屬的話，顔色和性能會發生變化。例如換成銅的話，會變紅。換成鎳的話會變成黃色，钴的話會變成粉色，鋅的話會變成白色”（高橋）

普魯士藍類物質

各種色彩的普魯士藍物質

這樣把鐵換成别的金屬的東西叫做“普魯士藍類似物”，僅此就能制作出幾乎所有的顔色。因此，也可以成為調光玻璃的顔色變化材料。隻要結構是普魯士藍類似物，即使顔色不是藍色也會這樣稱呼。

那麼，高橋等人的研究小組在調光玻璃之後着手的是“铯離子吸附材料”的研究。起因是2011年東日本大地震中發生的福島核電站事故，放射性铯的去除成為了課題。以前就知道普魯士藍吸附铯離子。但是，不知道為什麼铯被選擇性地吸附。

從普魯士藍的分子結構來看，到處都有被稱為“空隙位點”的空洞。可以認為“網站”是“場所”的意思吧。總之就是有很多“洞”。在置換金屬而改變顔色時，金屬離子被導入該孔也是重要的。

普魯士藍類物質的晶體結構

铯也通過進入孔而被吸附，但不知道其結構。因此高橋等人通過結構解析等闡明原理，與企業合作開發了無機珠、着色棉布、無紡布等多種形态的铯吸附材料。

“在進行铯吸附材料研究的過程中，發現普魯士藍的結晶結構中有很多吸附水的空隙部位。之所以想到氨，是因為從那以後。實際上，水和氨有着很相似的性質。所以，與水粘在一起的普魯士藍氨也會粘在一起吧。

日本很多化肥都依賴進口。我想如果能吸附氨回收，作為肥料再利用的話，是不是能稍微提高自給率。不過，這隻是一個單純的想法提出的研究，當初也沒有進行成本計算，所以川本的廢柴被弄得亂七八糟（笑）”（高橋）

故意制造「缺陷」提高吸附力！

但是，如果不僅可以除去氨，還可以回收再利用的話，那就是一石二鳥。對川本先生的廢柴也不氣餒推進了研究的高橋先生，用納米（10億分之一米）的次序觀察了普魯士藍的構造。于是，發現有一個0.5納米左右寬的洞。氨的分子大小為0.26納米，因此可以進入該孔。也就是說，可以吸附氨。

吸收氨的原理

“說到吸附材料，一般來說活性炭是很有名的。活性炭之所以優秀，是因為有各種大小的孔。從小到大的孔都有，所以可以吸附各種各樣的分子。

另一方面，普魯士藍的孔的大小是均勻的，所以能吸附的東西的尺寸也有限。所以，如果想吸附各種各樣的物質，活性炭是有效的，但是如果想把目标集中在氨上選擇性地吸附的話，普魯士藍更有效。活性炭對氨的吸附力不太高”（高橋）

另外，因為活性炭是由椰子的果實和木片等天然原料制作的，所以不一定總是能做出同樣的東西。如果孔的打開方法不同，吸附多少也會發生變化。與此相對，普魯士藍是人工合成物，因此再現性高。而且，通過對分子結構進行加工，也可以提高吸附力。實際上找到了那個方法，是這個研究中的一大突破。

“不僅是原本存在的空隙部位，還特意制作了一部分欠缺的‘缺陷部位’，在那裡也能吸附氨。因為在缺陷部位，從鐵離子出來的‘手’會空出來，所以氨分子會粘在那裡。”（高橋）

順便說一下，關于吸附的能力，不僅僅是藍色，“哪個顔色都可以吸”。

“使用紅色的銅藍類似物進行的實驗中，發現吸附的分子數量也随着缺陷率的增加而增加”（高橋）

那麼，那個能力是多少呢。下面的圖表顯示了那個。

右邊的2個是市售的氨吸附材料，左邊的3個是普魯士藍及其類似物。從市面上販賣的氨吸附材料來看，正如高橋所說，活性炭是最低的。離子交換樹脂比它高很多，但中間的普魯士藍（PB）更優秀。

此外，将鐵交換成銅的類似物（從左起第2個）和交換成钴的類似物（最左）具有接近離子交換樹脂10倍的吸附力。比起普魯士藍，類似物的吸附力更高，是因為像這樣優化結構的“改良版”。這裡有可以人工改變分子結構的普魯士藍的優勢。

氨氣吸附能力對比

但是，光看這個數據是無法切身感受到普魯士藍的威力的。因此，高橋先生為外行的我使用的尺度是“東京巨蛋”。嗯嗯，什麼事都被說成“幾個東京巨蛋”的話就容易理解了。

“比如，現在我們所在的這個房間的空氣中也含有10ppb左右的氨。因為會出汗。即使是那麼低的濃度，普魯士藍也能吸附氨。如果有一升瓶左右的普魯士藍的話，可以從東京巨蛋一杯的空氣中提取氨。”可以去除并淨化“

哦，它很強大。打心底裡接受了。作為氨吸附材料，普魯士藍很明顯是優秀的。

空氣中的“無用物”可以施肥！

但是，優秀的不僅僅是吸附力。能夠取出吸附的氨作為資源再生也是普魯士藍的優點。

“再生的方法有兩種。一種是加熱。用熱把氨放飛的話，缺陷部位的手又會空，所以可以吸附。在實驗中，即使反複進行4次氨的吸附和加熱，吸附力也不會劣化。另一種方法是稀酸清洗。用稀硫酸洗的話氨會脫離。”即使重複10次吸附和清洗，吸附力也不會下降。如果可以重複使用，成本就會降低。而且，脫離的氨是可以回收的，所以可以再次用于肥料等“（高橋）

也就是說，在東京巨蛋（不，哪裡都可以）使用從免費空氣中收集的氨，可以制作化學肥料。

當初對高橋的想法提出異議的川本先生，現在也高度評價了這一點。

“至今為止經曆過曲折（笑）我認為，如果能成為一個好的事業，就會成為一個極其新的概念。雖然有将工廠廢液和城市礦山等液體和固體垃圾作為資源利用的故事，但據我所知，沒有聽說過将空氣中不需要的東西收集起來資源化。如果任何空氣中都有的肉眼看不見的東西突然變成肥料的話，那真的很有趣呢”（川本）

呀，太好了太好了。雖然還沒有成為“像樣的事業”，但面向實用化的研究進展順利。因為是“企業秘密”，所以沒能詳細地告訴我，但是通過應用放射性铯吸附材料的研究培育的成型技術，制作了冷凍幹燥、無紡布的擔載體（像固定物質的基礎一樣的東西）等。

使銅類似物幹燥而成粒狀和将普魯士藍固定在無紡布上

“如果是冷凍幹燥的顆粒的話，可以放在廁所和冰箱裡使用，如果是無紡布的話，也可以織進運動服中去除汗液中的氨。可以用作護理設施的窗簾和寝具。”（川本）

現在，畜舍的惡臭對策項目也在實施中。＊把豬舍和堆肥化設施的空氣吸出外面，氨用普魯士藍除去後，返回室内。除去的氨通過加熱和清洗回收。

但是這個項目并不是隻為了人類而做的。

“人們可能會認為豬舍很髒是理所當然的，但本來豬就是喜歡幹淨又敏感的生物。所以豬舍的惡臭也會危害豬自身的健康。最近，人們要求飼養環境中的氨濃度與人類的勞動環境相同（25ppm以下）。”

為即将到來的“低氮社會”做準備

随着時代的改變，氨的對策也會改變。如上所述，因為也有半導體工廠和氫燃料等的需求，所以等待早日實用化。無論是哪一個，日本都很有可能在整個社會像歐盟一樣設定氨削減目标。“低碳社會”之後是“低氮社會”。

“一邊對高橋提出各種各樣的抱怨（笑）最終在這項研究上打出了簽名，也是因為在不久的将來，我确信‘碳的下一個是氮’會成為社會性的課題。雖然在日本氮循環的問題還沒有明顯化，但再過幾年，一定會浮出水面。那個時候“我們已經有了這項技術”（川本）

真是“走在時代的前半步”的研究。好像埋伏着世界追上自己的研究，真的覺得很帥。普魯士藍帶來低氮社會這一“安全地帶”的日子并不遙遠。

有點遺憾的是，給我看的冷凍幹燥的顆粒是茶色的。雖說作為“物質”的構造再怎麼重要，但是“普魯士藍”這個顔色給人的印象很好，所以在商品化的時候不能染成藍色吧——等等，高橋先生也說了多餘的話，“确實外觀很重要”。

“比如魔芋，原本是用灰汁做的，所以變成了灰色，但是現在不使用灰汁，所以會變成白色的魔芋。但是這樣的話就不像魔芋了，所以故意把羊栖菜的碎片等放進去做成灰色。普魯士藍也不會因為着色而改變吸附力。”“（高橋）

最後不知道是采訪還是企劃會議。通過“安全地帶”的聯系，準備“普魯士藍”和“葡萄酒紅”兩種顔色可能會很開心。