2020年12月8日
本章の目的は、水溶液からの汚染物質除去のための複合材料としての水不溶性シクロデキストリン-エピクロルヒドリンポリマーについて、著者の研究グループが過去30年間に行ってきた研究をまとめたものである。この間、機能の異なる様々な水不溶性材料をゲル状やビーズ状に合成し、革新的な固体NMR技術を用いて特性を評価し、排水処理における吸着剤としての有効性を実証し、使用する材料の種類による汚染物質除去のメカニズムを説明することに注力してきた。
水不溶性のシクロデキストリン-エピクロルヒドリンポリマーは、1960年代半ばに提案され、研究されており、特に環境への応用のために、科学界の関心を集め続けている。これらの材料の最も特徴的な特徴は、ホスト-ゲスト相互作用を介して様々な汚染物質と包接複合体を形成する能力である。このため、水・廃水処理、土壌浄化、大気浄化、コレステロールなどの目的物質の濃縮・除去など、多くの環境応用が期待されている。私たちのグループでは、1990年代初頭から、水に不溶性のシクロデキストリン系材料の合成、構造解析、排水中の汚染物質除去への応用に取り組んできた。1995年に発表された最初の成果の一つは、この材料が真のポリマーではなく、2つの異なる分子移動度を持つ特殊な構造を持つ共重合体であることを示したことである。1997年には、このことが固体NMR分光法によって初めて実証された。これらの材料は、比較的密で剛直で疎水性の架橋コアと、架橋剤のホモポリマー化を介して長くて移動性の高いヒドロキシアルキル化ポリマー鎖を含む架橋されていない、より親水性の表面から構成されていた。1998年には、汚染水から有機汚染物質を効率的に除去するための吸着剤としてシクロデキストリン系材料が使用された。その1年後には、汚染物質除去の観点から有用な性能を発揮するためには、シクロデキストリンの割合が高くなくてもよいという、さらに驚くべき結果が得られた。2000年には、双極子脱結合を用いた交差偏光マジックアングルスピニングと高分解能マジックアングルスピニングスペクトルを用いて、吸着のメカニズムは、シクロデキストリン分子による包接錯体の形成とポリマーネットワーク内での物理吸着という2つの主要な相互作用の存在によって説明できると結論づけた。2005年には、イオン性官能基を有する架橋多糖類の合成プロセスに関する特許が出願され、ポリ汚染排水中の微量レベルの金属や有機汚染物質を同時に除去することができるようになった。2000年代末には、両性イオン交換性を有する単一のシクロデキストリン材料が、従来の2種類の吸着剤の代わりになることを実証した最初のパイロット研究を実施し、多重汚染廃液を効果的に処理できることを示した。2010 年代初頭、私たちのグループは、木材、紙パルプ、繊維、表面処理産業からの産業排水をシクロデキストリン材料で処理する前と後の毒性を決定し、比較するために、植物をバイオ指標として用いたバイオモニタリング試験を初めて提案した。2010年代半ばには、表面処理産業からの排水を処理するための材料の産業規模での実用化の可能性を確認した。
Crini, G. (2020) Water-Insoluble Cyclodextrin-Epichlorohydrin Polymers. In: Crini, G., Forurmentin, S., Lichtfouse, E. (eds.) The History of Cyclodextrins. Springer, New York. pp. 345-394. https://www.springer.com/gp/book/9783030493073
コメント