发布于 2018 年 12 月 2 日
采访和文字：深川俊太郎
为什么我们需要去除氨？
说到普鲁士蓝，它的意思是“安全区”。对于那些不知道的人来说，“Anzenjichi”是玉木浩司担任主唱的乐队的名称，他们有一首热门歌曲名为“普鲁士蓝色的肖像”。 “酒红心”可能更出名，但不仅是红色，蓝色也很畅销。
我之所以谈论这个，是因为普鲁士蓝被发现是一种“高性能氨吸附剂”。我明白了，氨是产生难闻气味的原因。看起来它对身体不好，所以如果它吸收了它，我觉得它可能是一个相当安全的区域。
然而，当我听到“某种颜色吸附某种物质”时，我不知道他们在说什么。这是我想到的第一个问题。
“使用普通的蓝色、天蓝色或 Bluebacks 的封面不是可以吗？”
蓝色具有干净的形象。想想看，那种可以直接放入马桶的芳香清洁剂也是“蓝色”的。想想看，它吸收氨似乎并不奇怪。
然而，这种功能不仅是在蓝色中发现的，而且是在普鲁士蓝中发现的。为什么不能使用其他蓝调？
带着这样一个简单的问题，考察队来到了米乐m6官方网站，纳米材料研究部的 Ken Takahashi 和 Toru Kawamoto。
先生高桥
先生川本
“这是一种蓝色颜料，称为普鲁士蓝。它于 18 世纪初被发现，据悉葛饰北斋和梵高也曾使用过。一些旧蓝图中也使用了普鲁士蓝技术。现在它通常作为油漆出售。”
普鲁士蓝用于葛饰北斋的《富士山三十六景》（上）和梵高的《星夜》（下）照片由Pixabay提供
当高桥先生向我展示样品时，我意识到我犯了一个巨大的误解。我只认为普鲁士蓝是一种“颜色”的名称（尽管有时在这种意义上使用它），但它也是产生那种特征颜色的“颜料”本身的名称。后者才是本文的研究主题。
在这种情况下，其他布鲁斯自然就行不通了。值得注意的不是“颜色”，而是普鲁士蓝作为一种具有形状和结构的“物质”。普鲁士蓝为什么能吸收氨？我把这个话题放在一边，并问他为什么要首先吸收氨。
我知道它可以消除难闻的气味，但这并不是研究的唯一目的。背后隐藏着一个更大的问题。
那是“氮循环的增加”。氨的化学式是“NH₃”，其中N是氮。换句话说，氨是一种氮化合物。由于循环利用的氮量不断增加，地球上目前正在出现各种问题。
“随着人口的增加，粮食产量的增加，氮肥的使用量也随之增加。过去50年来，用量增加了约10倍。结果，全球环境中循环的氨量也增加了，造成了许多问题。在大气中，它导致酸雨和全球变暖，在海洋中，它导致赤潮、蓝潮和蓝绿藻等富营养化。” （高桥先生）
此外，氨被认为是PM25的主要产物。农业排放的氨在空气中与工业排放的氮氧化物、硫氧化物结合形成铵盐（如硝酸铵、硫酸铵），这些小颗粒就变成了PM25。据称，目前全球95%的人口生活在PM25浓度超过世界卫生组织标准的环境中。
“有报道称，当我们调查群马县收集的 PM25 成分时，大约一半是铵盐。农作物和牲畜等粮食产量增加得越多，PM25 带来的健康风险就越大。在美国，已发表的研究结果表明，食品出口带来的 PM25 带来的健康风险大于食品出口带来的利润。” （高桥先生）
群马县收集的 PM25 成分。全年铵盐（NH4盐）占一半以上
（转载自 Kumagai 等人，Journal of the Atmospheric Environment Society 2010，45，p10。除数值外略有修改）
欧盟设定了到2030年将大气中氨含量减少19%（与2005年相比）的目标，其基础是减少PM25最有效的手段是减少氨含量。当我们想到“减少”环境问题时，我们只会想到碳（CO2），但减少氮也是一个重要主题。
``在其他领域，对除氨技术的需求正在增加。例如，在半导体工厂中，存在铵盐妨碍布线的问题。
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当然，去除“难闻的气味”也是氨的主要问题之一。随着社会不断老龄化，人们越来越需要对医院和护理机构的气味采取措施。
我明白了，氨的增加无疑是一个非常当代的问题。我也觉得我想去除氨。
重要的是普鲁士蓝“洞”
然而，高桥的研究小组从一开始就没有以去除氨为目标。令人惊讶的是，使用普鲁士蓝进行研究的第一个目的是制造“光控玻璃”。
“目前，波音787飞机的窗户可以通过按下按钮变暗或变透明。这就是光致变色玻璃。2008年，我们将普鲁士蓝制成纳米粒子，并用它们作为材料来改变光致变色玻璃的颜色。当时，我还没有参与这项研究，是我现在的老板河本领导了这项研究。” （高桥先生）
先生坐在我旁边的河本微笑着说：“那是很久以前的事了。”
变色的可调光玻璃
不过，奇怪的是，产生独特蓝色的颜料可以用作“变色材料”。如果颜色发生变化，它就不是蓝色了！这就是普鲁士蓝作为一种“物质”的有趣之处。
``普鲁士蓝于 18 世纪初发现，由铁和铁粘在一起组成，中间有 CN（青色）。当它被偶然发现时，就可以创造出在此之前不可能实现的深蓝色。
但是当铁被另一种金属取代时，这种物质的颜色和性能会发生变化。例如，如果你用铜代替它，它就会变成红色。如果换成镍，就会变成黄色，如果换成钴，就会变成粉红色，如果换成锌，就会变成白色。”（高桥先生）
普鲁士蓝的基本结构。铁 (Fe) 与中间的氰化物（C 和 N）粘在一起（上）。普鲁士蓝类似物（底部）是铁被另一种金属取代的类似物。
图中，铁的一侧被铜（Cu）取代(©AIST)
各种普鲁士蓝类似物。颜色因所更换的金属而异
以这种方式用另一种金属代替铁被称为“普鲁士蓝类似物”，而且似乎几乎可以用它来创造任何颜色。因此，也可用作控光玻璃的变色材料。如果结构与普鲁士蓝相似，即使颜色不是蓝色，也称为普鲁士蓝。
现在，高桥和他的研究小组在研究光控玻璃之后所做的下一个工作是“铯离子吸附剂”的研究。其推动力是2011年东日本大地震引起的福岛核电站事故后，放射性铯的去除成为一个问题。人们很早就知道普鲁士蓝可以吸附铯离子。然而，尚不清楚为什么铯被选择性吸附。
如果你观察普鲁士蓝的分子结构，就会发现到处都有被称为“空隙位点”的空腔。您可以将“站点”视为“位置”之类的含义。换句话说，有很多“漏洞”。当通过更换金属来改变颜色时，将金属离子纳入这些孔中非常重要。
用普鲁士蓝创建的“洞”称为空位(©AIST)
铯进入孔后也会被吸收，但我不明白它是如何工作的。高桥和他的同事通过结构分析等方法阐明了其原理，并与企业合作开发了多种形式的铯吸附剂，包括无机珠、彩色棉布和无纺布。
“在研究铯吸附剂的过程中，我发现普鲁士蓝的晶体结构有很多可以吸附水的空隙位点。这时候我就想到了氨。事实上，水和氨的性质非常相似。因此，我认为氨也可能粘附在普鲁士蓝上，水会粘附在普鲁士蓝上。
日本的大部分化肥依赖进口。我想，如果我们能够吸收和回收氨，并将其重新用作肥料，我们的自给率也许可以提高一些。不过，这只是我一时兴起提出的一个研究方案，一开始并没有做任何成本计算，所以河本一拒绝就被打倒了（笑）。”（高桥先生）
这次是苦笑着坐在我旁边的河本先生。
故意制造“缺陷”以增加吸力！
但是，如果你不仅能去除氨，还能收集和再利用它，那么你可以一石二鸟。高桥没有被川本的警告吓倒，他继续他的研究，观察到了纳米级（十亿分之一米）的普鲁士蓝结构。他们发现了一个大约05纳米宽的洞。氨分子的大小为026纳米，因此它可以装入这个孔中。换句话说，它可以吸附氨。
普鲁士蓝中空隙位点的尺寸为05纳米，氨分子的尺寸为026纳米，因此可以吸附氨(©AIST)
“活性炭在吸附剂方面广为人知。活性炭的伟大之处在于它有各种大小的孔。它有从小到大的孔，因此可以吸附多种分子。
另一方面，普鲁士蓝的孔洞大小均匀，因此它能吸收的物质的大小是有限的。因此，如果要吸附多种物质，活性炭是有效的，但如果要选择性地吸附氨，则普鲁士蓝更有效。活性炭对氨的吸附能力不是很高。”（高桥先生）
此外，由于活性炭是由椰子和木片等天然原料制成的，因此并不总是可以生产相同的产品。根据孔的打开方式，吸收的内容和数量也会发生变化。另一方面，普鲁士蓝是一种人造化合物，具有很高的重现性。此外，可以通过改变分子结构来提高吸附能力。事实上，找到这种方法是本研究的重大突破。
“除了现有的空隙位点之外，我们还故意创建了缺失部分的“缺陷位点”，从而可以吸附氨。在缺陷位点，从铁离子伸出的“手”变得自由，因此氨分子会粘附在它们上面。”（高桥先生）
有缺陷的网站的图片。通过删除结构模型的左上角而产生的缺陷
通过有意删除一部分缺陷位点来提高氨吸附能力(©AIST)
顺便说一句，关于它的吸收能力，据说它可以“吸收任何颜色”，而不仅仅是蓝色。
“使用紫铜的布鲁士蓝类似物的实验也表明，随着缺陷率的增加，吸附分子的数量也会增加。” （高桥先生）
那么，它的能力到底有多大呢？下图显示了这一点。
右边的两种是市售的氨吸附剂，左边的三种是普鲁士蓝及其类似物。正如高桥先生所说，在市售的氨吸附剂中，活性炭的氨吸附率最低。离子交换树脂要贵得多，但处于中间的普鲁士蓝 (PB) 更优越。
此外，铁被铜取代的类似物（左起第二个）和钴被取代的类似物（最左边）的吸附能力是离子交换树脂的近10倍。该类似物之所以比普鲁士蓝具有更高的吸附能力，是因为它是一个“改进版”，其结构已经过优化。这就是普鲁士蓝的强项，它的分子结构可以人为改变。
与传统吸附剂的容量比较。纵轴为每公斤可吸附的氨量（mol）。
左边的两个普鲁士蓝类似物表现出很强的吸附能力
但是，仅仅通过查看这些数据，您并不能真正了解普鲁士蓝的力量。高桥先生给我这个业余爱好者使用的尺度是“东京巨蛋”。嗯，当一个东西被称为“东京巨蛋的大小”时，很容易理解。
“例如，我们现在所在的这个房间的空气中含有大约 10 ppb 的氨。我们会出汗。即使浓度很低，普鲁士蓝也会吸附氨。如果普鲁士蓝的量大约是一个酒瓶大小，您就可以通过去除东京巨蛋空气中的氨来净化空气。”
哦，太强大了。我全心全意地同意了。显然，普鲁士蓝作为氨吸附剂非常出色。
您可以利用空气中的“不需要的材料”来制造肥料！
然而，吸力并不是唯一优秀的东西。普鲁士蓝的另一个优点是吸收的氨可以提取并作为资源回收利用。
“再生的方法有两种。一种是加热，当氨被热吹走时，缺陷位点再次游离，可以吸附。在实验中，即使重复氨吸附和加热四次，吸附力也没有下降。另一种方法是稀酸清洗。用稀硫酸清洗时，氨被释放出来。即使重复吸附和清洗10次，吸附力也没有下降。如果可以重复使用，而且，由于去除的氨可以回收，因此可以作为肥料重新利用。”
这意味着您可以使用从东京巨蛋（或任何地方）的自由空气中收集的氨来制造化肥。
先生河本一开始拒绝了高桥先生的想法，现在却非常欣赏。
“到目前为止，经历了很多起起落落（笑），但如果它成为一项真正的业务，我认为这将是一个全新的概念。有人谈论将工厂废物和城市矿山等液体和固体废物用作资源。但据我所知，我从未听说过收集空气中不需要的东西并将其转化为资源。如果空气中看不见的东西可以突然变成肥料，那将是非常有趣的。” （河本先生）
噢，好，好。虽然尚未成为“正业”，但实际应用的研究进展顺利。虽然他不能告诉我细节，因为这是“商业秘密”，但似乎通过应用在放射性铯吸附剂研究中培育的成型技术，冷冻干燥和无纺布载体（碳基台=类似于固定物质的基础的东西）被创造出来。
冻干的铜类似物干燥成颗粒（左），普鲁士蓝固定在无纺布上（无纺布左），以及固定的铜类似物（同右）。每张无纺布的厚度为05毫米
“冻干颗粒可以放入厕所和冰箱中，无纺布可以织成运动服，以去除汗液中的氨。我认为它们也可以用于疗养院的窗帘和床上用品。”（河本先生）
目前，我们还在实施一项消除畜舍异味的项目。＊来自猪舍和堆肥设施的空气被吸到室外，用普鲁士蓝去除氨，然后返回室内。除去的氨通过加热和洗涤来回收。
但是，这个项目不仅仅适合人类。
“猪圈脏可能是理所当然的事，但猪本来就是爱干净、娇气的动物。因此，猪圈内的恶臭对猪本身的健康有害。最近，要求饲养环境中的氨浓度与人类工作环境保持在同一标准（25 ppm以下）。”
＊在IIS支持中心“创新技术开发和紧急部署项目（包括区域战略项目）”的支持下实施
为即将到来的“低氮社会”做好准备
随着时代的变化，针对氨的措施也在变化。如上所述，半导体工厂和氢燃料都有需求，所以我们期待它早日实际应用。日本很可能最终会像欧盟一样为整个社会制定氨减排目标。 “低碳社会”之后的下一步是“低氮社会”。
“一边向高桥抱怨这个那个（笑），我终于批准了这项研究，因为我确信‘氮将成为继碳之后的下一个碳’将在不久的将来成为一个社会问题。虽然氮循环的问题在过去几年中还没有变得明显，但在未来几年内肯定会出现。到那时，我想做好充分的准备，自豪地说，“我们已经拥有这项技术了。”（河本先生）
这才是真正“领先时代半步”的研究。就好像他们在等待世界赶上他们的研究，我认为这真的很酷。普鲁士蓝为我们带来低氮社会“安全区”的日子已经不远了。
有点令人失望的是，他们向我展示的冻干谷物是棕色的。虽然材料的结构很重要，但普鲁士蓝的形象很好，所以商业化时为什么不把它染成蓝色呢？我接着说了一些不必要的话，但高桥先生也说：“外观当然很重要，不是吗？”
“例如，魔芋最初是用碱液制成的，因此变成了灰色，但现在他们不使用碱液，因此可以制成白色魔芋。但这并不会让它看起来像魔芋，所以他们故意添加了羊栖菜，使其变成灰色。普鲁士蓝不会仅仅通过着色来改变其吸附能力，所以你可能需要考虑一下。” （高桥先生）
最后我都不确定这是面试还是计划会议。有两种颜色可能会很有趣，“普鲁士蓝”和“酒红”，与“安全区”相关。