JP2001335513A - ポリハロゲン化芳香族の脱ハロゲン化 - Google Patents

ポリハロゲン化芳香族の脱ハロゲン化

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JP2001335513A JP2000371119A JP2000371119A JP2001335513A JP 2001335513 A JP2001335513 A JP 2001335513A JP 2000371119 A JP2000371119 A JP 2000371119A JP 2000371119 A JP2000371119 A JP 2000371119A JP 2001335513 A JP2001335513 A JP 2001335513A
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エー.ゴンザレツ ルシアノ
F Sin Blair
エフ.シン ブレアー
E Kowariiku Henry
イー.コワリーク ヘンリー
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Kinectrics Inc
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 著しく高い度合いのポリハロゲン化ビフェニ
ルの除去を、比較的短時間で達成でき、他の既知の方法
よりもはるかに迅速にかつ効率よく2ppm以下の著し
く低いPCBレベルを達成できる脱ハロゲン化方法の提
供。 【解決手段】 (A)不活性キャリヤ媒体中のアルカリ
からなる混合物を選択し、該混合物を攪拌してかきまぜ
たアルカリ分散物を形成し、および(B)該混合物を攪
拌しながら、混合物にポリハロゲン化ビフェニルを添加
し、該ポリハロゲン化ビフェニルのハロゲンをアルカリ
により還元する工程からなる、ポリハロゲン化ビフェニ
ルの脱ハロゲン化法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、アルカリ分散物を使用するポリ
塩素化芳香族の脱ハロゲン化法に関する。
【0002】
【従来技術】ポリ塩素化ビフェニル(PCB)のような
ポリハロゲン化芳香族は、電気絶縁油などに広く使用さ
れた毒性物質である。PCBは環境上危険であり、およ
び可能な発がん物質であることが決定されたから、PC
Bの使用は削減されてきた。
【0003】科学文献および特許文献は、有機ハロゲン
化物の脱ハロゲン化を目的とした方法の著しく広い系列
を提供している。PCBの無毒性化合物への変換は、し
ばしば通常1000℃以上の高温で灰化により行われ
る。しかし、熱的方法は、NOx、およびSOxのよう
な空気汚染物、CO2 のような地球温暖化ガスを発生
し、さらに灰化はすべてのPCBを破壊できず、ポリ塩
素化ジベンゾフランおよびポリ塩素化ジベンゾジオキシ
ンのような毒性副生成物を発生する。
【0004】このため、低温脱ハロゲン化法に注意が向
けられてきた。多数の従来技術の文献は、200℃以下
の温度での有機ハロゲン化物の脱ハロゲン化法を記載し
ている。上記方法は、しばしば単独でまたは他の化合物
と組合わせて、アルカリ金属を有機ハロゲン化物溶液と
接触させることを含む。例えば、Normanらの米国特許第
4,379,746号明細書は、PCBを不活性液体媒体中で連
続的に再循環させ、約10%過剰のナトリウム対塩素を
有するナトリウム分散物を循環液体中へ注入する、PC
B破壊法を開示している。Lalancetteらの米国特許第4,
639,309号明細書は、約10%過剰のアルカリを砂のよ
うな粒状不活性物質上に分散し、攪拌して摩耗によりア
ルカリの活性表面からハロゲン化アルカリを除去するこ
とを開示している。Lalancetteらによれば、砂がナトリ
ウム粒子のアグロメレーションを防ぐ。Hawariらの米国
特許第5,185,488号明細書は、ナトリウム分散物を形成
し、低級脂肪族アルコールに溶解したアスカレルを添加
することを開示している。PCB脱塩素化の他のアルカ
リに基づく方法は、Jordanの米国特許第4,340,471号明
細書および第4,416,767号明細書、Laymanらの米国特許
第4,514,294号明細書および第4,592,844号明細書、Mazu
rらの米国特許第4,853,040号明細書、Hawariらの米国特
許第4,950,833号明細書、Brownらの米国特許第4,377,47
1号明細書、およびNormanの米国特許第4,379,752号明細
書に記載されている。
【0005】
【問題を解決するための手段】本発明は、アルカリ分散
物を使用する、ポリハロゲン化ビフェニルの新規な脱ハ
ロゲン化法を利用する。第1工程として、典型的にはナ
トリウム粒子およびクリーンオイルの混合物からなる液
体アルカリ分散物を反応容器内で形成し、攪拌する。ア
ルカリ分散物を攪拌しながら、ポリハロゲン化ビフェニ
ルを含む液体を添加する。本発明者らは、この方法の使
用により、著しく高い度合いのポリハロゲン化ビフェニ
ルの除去を、比較的短時間で達成できることを見いだし
た。他の既知の方法よりもはるかに迅速にかつ効率よく
2ppm 以下の著しく低いPCBレベルを達成できる。
【0006】そこで、本発明は、(A)不活性キャリヤ
媒体中のアルカリからなる混合物を選択し、この混合物
を攪拌してかきまぜたアルカリ分散物を形成し、および
(B)この混合物を攪拌しながら、ポリハロゲン化ビフ
ェニルを混合物に添加し、ポリハロゲン化ビフェニルの
ハロゲンをアルカリにより還元する工程からなる、ポリ
ハロゲン化ビフェニルの脱ハロゲン化法を提供する。
【0007】本発明の好ましい実施態様では、ポリハロ
ゲン化ビフェニルはポリ塩素化ビフェニルである。別の
好ましい実施態様では、アルカリはナトリウムである。
一実施態様では、不活性キャリヤ媒体は有機溶剤、例え
ば鉱油である。
【0008】好ましくは、アルカリ分散物は、上記ポリ
ハロゲン化ビフェニルの実質上全ての被還元性ハロゲン
を還元するのに化学量論的に必要なアルカリ量を少なく
とも含むように選択される。アルカリ対上記ポリハロゲ
ン化ビフェニル中の被還元性ハロゲンの好ましい比は、
1.4乃至63、好ましくは1.5乃至10である。
【0009】好ましい反応温度は、中程度の高温、典型
的には20℃乃至200℃、好ましくは90℃乃至13
0℃である。
【0010】別の実施態様では、本発明は、更に工程
(B)に続いて、上記過剰のアルカリを中和するのに十
分な量のアルカリ中和剤を混合物に添加する方法を提供
する。
【0011】本発明によれば、液体媒体中に含まれるポ
リハロゲン化炭化水素の分解におけるアルカリ金属の効
率を、ポリハロゲン化炭化水素の添加前および添加中、
アルカリ分散物の攪拌により予想外にまた著しく増加で
きることが見いだされた。この方法の使用により、アル
カリを反応に対し有効にする割合が著しく増加される。
【0012】特定の理論に拘束されることを望まない
が、本発明者は、本法により達成される増加したPCB
除去は、反応中および特に反応の開始における有効ナト
リウム対被還元性塩素の比(Na/Cl比)の増加によ
ると仮定する。金属の活性は、一般に金属の分散に比例
する。アルカリ金属の攪拌により、アルカリ金属のアグ
ロメレーション化は妨害される。その結果、有効アルカ
リを著しく増すことができ、その活性が増加する。本発
明の方法により、PCBを含む液体を先ず既にかき混ぜ
たアルカリ金属に加えるとき、有効ナトリウム対被還元
性塩素の著しく高い初期比(Na/Cl比)が生じる。
始めには、この比は無限大である。従って、混合物内で
達成される最終Na/Cl比は、既知の汚染除去操作以
内であるが、有効ナトリウム対被還元性塩素の実際の比
は、汚染除去操作の開始時には極端に高く、この極端に
高い比が一層迅速でかつ効率よい汚染除去を与える。
【0013】ポリハロゲン化ビフェニル ここで教示する方法は、ポリハロ芳香族化合物で汚染さ
れた種々の物質の汚染除去に使用できることは理解され
よう。本発明の方法により脱ハロゲン化されるポリハロ
芳香族化合物は、PCB、および殺虫剤、木材防腐剤に
使用されるハロゲン化化合物を含む。ここで使用するポ
リハロゲン化ビフェニルの用語は、当業界で既知のいず
れのポリハロゲン化ビフェニル、例えばポリ塩素化ビフ
ェニル、ポリ臭素化ビフェニル、ハロゲン化ベンゼン、
ハロゲン化ビフェニル、ポリ塩素化ジベンゾフラン、お
よびハロゲン化多核芳香族を含むことができる。大部分
の場合、化合物は、単独でまたは変圧器油、バラスト
油、伝熱液、または潤滑剤のような炭化水素またはシリ
コーン基剤油との混合物としてのポリ塩素化ビフェニル
である。処理されるべき化合物はまた、適当な希釈剤で
予め処理した汚染固体廃物、殺虫剤、木材防腐剤のもの
を含め種々のハロゲン化有機廃物を含むこともできる。
土壌および電気装置のようなマトリクスからのポリハロ
ゲン化ビフェニルの除去も、この方法と他の商業上役立
つ汚染除去技術との組合わせにより達成できる。低レベ
ルおよび高レベルの廃棄物流の両者を処理できる。
【0014】アルカリ分散物 本発明の方法は、種々のアルカリ金属から形成された分
散物を使用して有効であることを理解すべきである。こ
こで使用するアルカリおよびアルカリ金属の用語は、本
発明に関連して使用できるいずれのアルカリ金属、例え
ばリチウム、ナトリウムまたはカリウムを含むことがで
き、ナトリウムおよびリチウムが好ましい。大抵の場
合、アルカリ金属を、処理しようとする汚染溶液に合体
される細かい分散物形で添加する。
【0015】アルカリ金属は、いずれの表面コーテイン
グを含まない、微粉砕粉末形または小片で、油のような
適当な溶剤中の分散物として製造される。アルカリ金属
分散物を製造する方法は、当業者には周知のものであ
る。
【0016】他の実施態様では、PCB中に存在する塩
素の化学量論量基準で、好ましくは20倍過剰のカルシ
ウムで、メタノールのような極性溶剤中で処理するとき
は、カルシウムのようなアルカリ土類金属がPCBのよ
うなポリハロ芳香族に対し著しい脱ハロゲン化を生じ得
る。
【0017】最適Na/Cl比および最適反応温度の計
本発明の開発においては、本発明者はPCBの脱ハロゲ
ン化速度は次のように定義されると仮定した。
【0018】 PCBの脱ハロゲン化速度 = −dCPCB /dt また反応速度は=K*CPCB *CNaと定義されると仮定
した。
【0019】ナトリウムのモル濃度がPCBのモル濃度
より著しく高い場合は、PCB濃度が限定因子となり、
そこで速度定数KはK’*Xに等しい、ここでXは有効
ナトリウム対被還元性塩素の比である。従って、 −dCPCB /dt = K’*X*CPCB この式を積分(擬一次反応)すると、所定の時間におけ
るPCBの濃度は、以下の式から計算される。 CPCB =CPCB0*exp(−K*X*t)
【0020】実験データに基づき、本発明者は90乃至
130℃の範囲の種々の温度に対しK’値を見積もり、
Xの見積もった値で、多数の実験条件に対する時間での
PCB濃度を計算した。これらの値の例を表1に示す。
これらの値から、ナトリウム対被還元性塩素の最適比お
よび最適反応温度を決定できる。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】異なる区域は異なる制御汚染除去標準を有
することができるから、表2は種々の反応温度およびN
a/Cl比におけるPCBとナトリウム分散物との反応
に対し、2ppm 未満および0.01ppm 未満に合致する
計算時間をまとめた。例えば、50,000ppm のPC
Bを含む油の汚染除去のため、90℃の反応温度でNa
/Cl比2を使用して、それぞれ2.0ppm 未満および
0.01ppm 未満の汚染レベルに達するには570分お
よび840分かかる。Na/Cl比を10に増すと、反
応時間をそれぞれ120分および170分に短縮でき
る。同一パラメータ、50,000ppm のPCBおよび
Na/Cl比2で開始し、反応温度を120℃に増す
と、反応時間のそれぞれ80分および110分への短縮
を引き起こした。表2に示したデータから分かるよう
に、本法の好ましい実施態様は、反応温度120℃およ
びNa/Cl比10を使用し、それぞれ15分および2
2分の実験時間を生じた。ここに示した方法論を使用
し、K’に対しこれらの値を誘導し、好ましい反応パラ
メータに到達するために、他のNa/Cl比および反応
温度を容易に選択できることが理解される。
【0024】パラメータの選択 反応パラメータ、特にNa/Cl比を最も有効に選択す
ることにより、本発明の方法を一層良く制御できること
が理解される。そこで、第1工程として、精製しようと
する汚染液の所定のロット、例えば油中のPCBレベル
を決定できる。次いで上で示した分析法を使用し、PC
Bを所望のレベルに脱ハロゲン化するのに必要な時間お
よび過剰ナトリウムを決定できる。通常の場合のよう
に、労働費用はナトリウム費用に比較しかなりなもので
あることを考慮し、および危険な物質への露出時間の減
少の望ましいことを考慮すると、反応を促進し、かつ目
的のPCBレベルに達するのに必要な時間を短縮するた
めに、ナトリウム過剰を増すことがしばしば望ましい。
【0025】脱ハロゲン化 ナトリウム過剰および温度を選択したら、適当な分散液
中のアルカリを、攪拌機を備えた反応器に入れ、かきま
ぜる。温度を、所望の範囲、例えば90℃乃至130℃
に調節する。次いで、ポリハロ芳香族汚染の液体を、反
応器に添加する。反応が完全に進行するまで、すなわち
汚染レベルが所望のレベル、例えば2ppm 未満に減少す
るまで、攪拌を維持する。
【0026】本法では、変圧器油またはいずれの他の同
等の物質を、反応容器に入れる。この油を容器内でかき
まぜ、加熱器を通し再循環し、温度を所望のレベル(約
125℃)に上げる。所望の温度に達した後、反応容器
中の混合を維持しながら、加熱器を介する油の再循環を
止める。次いで、予め決めた量のナトリウム分散物を、
反応容器中の油と混合する。反応条件が操作条件以内で
あることを確かめた後、濃縮したPCBを反応容器に添
加する。ナトリウムとPCBとの反応は発熱反応である
から、反応器内の反応物の温度は増大する。反応器内の
温度を連続的に監視し、油の引火点以上への反応温度の
暴走を避けるために反応を制御する。PCB物質を添加
した後、反応物を容器中で一定時間、通常約30分間攪
拌下に維持する。反応容器内の油試料を、適当な分析技
術を使用して、分析のため抜き取る。
【0027】本発明で使用するナトリウム分散物は、外
部供給者から手に入る。この分散物は、Univolt 60、Vo
ltesso 35 またはいずれの他の変圧器油および5乃至1
0ミクロン未満の粒度を有する微分散金属ナトリウムを
使用して製造される。
【0028】脱ハロゲン化反応が実質上完結したら、ポ
リハロ芳香族化合物との反応後残存している過剰のアル
カリ金属を反応系から除くため、停止剤を添加できる。
停止剤は、系に加える時未反応アルカリ金属と反応する
水和吸収物質である。使用できる適当な停止剤は、水、
アルカノール、グリコール、フェノール、特に多価フェ
ノール、二酸化炭素(ガスまたは固体)、およびそれら
の混合物を含む。通常、これらの試薬は、脱ハロゲン化
物質とは分離した相を形成し、分離できる。これらの試
薬のいくつか、特に水性媒体は、抽出剤としても働き、
アルカリ金属ハロゲン化物反応生成物を除去する。この
水性媒体は、容易に除去され処理に適当な分離層を形成
する。
【0029】分析 次いで、有機相を分析できる。当業界で既知のいずれの
分析操作も使用できる。例えば、好ましい実施態様で
は、GC−ECDを使用する。操作の概要としては、油
試料をイソオクタンで希釈し、アセトニトリルで抽出す
る。PCBおよび極性成分はアセトニトリルに分配す
る。次いで、アセトニトリルを窒素で吹き飛ばし、抽出
物をイソオクタン中で再構成し、硫酸で2回洗浄し、最
後にフロリジルカラム(1g)できれいにする。油標準
中に2mg/KgPCBを秤量し、ナトリウムで予め処
理した油で逐次希釈して、低レベル標準を調整する。作
業濃度は、約0.1mg/Kgおよび0.2mg/Kg
である。Naプロセスクリーン油も、油ブランクの製造
のため保存される。調整した試料、ブランク、および標
準を、自動サンプラーバイアルに移し、キャピラリーカ
ラムおよび電子捕獲型検出器を備えたガスクロマトグラ
フ装置に通す。
【0030】本発明の方法を使用して処理された溶液の
実質上全てのポリハロ芳香族含量は、脱ハロゲン化芳香
族に還元され、一方実質上全てのそのハロゲン含量はハ
ロゲン化金属に変化する。クロロベンゼン類および油と
共に、本法の他の副生成物は塩化ナトリウム、水酸化ナ
トリウム、石油副生成物を含み、これらは全て潜在的に
再使用でき、または常法により廃棄できる。
【0031】
【実施例】本発明を、例示として与える以下の実施例に
より、更に説明する。実施例を表3および表4にまとめ
る。
【表3】
【0032】
【表4】
【0033】実施例1 PCB(Aroclor 1260)0.11kgを含む汚染油135
4リッターを、上記操作に従い、90℃の温度でナトリ
ウム分散物12リッター(全金属ナトリウム4.32k
g)の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、Na
/Cl比44.64に対し0.097kgであった。規
則的な間隔(5、10、15、20、30、45、6
0、120、および180分)で混合物を採取し、残存
汚染物レベルを決定するため、上記方法を使用して分析
した。結果を表3にまとめた。反応開始10乃至15分
以内に、PCBレベルは94ppm(初期)から2ppm 未満
に減少した。
【0034】実施例2 PCB(Aroclor 1260) 0.064kgを含む汚染油1
000リッターを、上記操作に従い、90℃の温度でナ
トリウム分散物10リッター(全金属ナトリウム3.6
kg)の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、N
a/Cl比63.16に対し0.075kgであった。
規則的な間隔(5、10、15、20、30、45、6
0、120、および180分)で混合物を採取し、残存
汚染物レベルを決定するため、上記方法を使用して分析
した。結果を表3にまとめた。反応の開始から最初の5
分以内に、PCBレベルは75ppm(初期)から2ppm 未
満に減少した。
【0035】実施例3 PCB15.97kg(Aroclor 1260 1.12kgお
よびAroclor 1242 14.85kg)を含む汚染油36
5リッターを、上記操作に従い、120℃の温度でナト
リウム分散物28リッター(全金属ナトリウム10.0
8kg)の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、
Na/Cl比1.39に対し7.23kgであった。規
則的な間隔(5、10、15、30、45、60、12
0、および180分)で、混合物を採取し、残存汚染物
レベルを決定するため、上記方法を使用して分析した。
結果を表3にまとめた。反応の開始から最初の5乃至1
0分以内に、PCBレベルは5.07%(重量/重量)
(初期)から2ppm 未満に減少した。
【0036】実施例4 PCB15.97kg(Aroclor 1260 1.12kgお
よびAroclor 1242 14.85kg)を含む汚染油36
5リッターを、上記操作に従い、120℃の温度でナト
リウム分散物28リッター(全金属ナトリウム10.0
8kg)の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、
Na/Cl比1.39に対し7.23kgであった。規
則的な間隔(5、10、15、30、45、60、12
0、および180分)で、混合物を採取し、残存汚染物
レベルを決定するため、上記方法を使用して分析した。
結果を表3にまとめた。反応開始から10乃至15分以
内に、PCBレベルは5.07%(重量/重量)(初
期)から2ppm 未満に減少した。
【0037】実施例5 PCB15.97kg(Aroclor 1260 1.12kgお
よびAroclor 1242 14.85kg)を含む汚染油36
5リッターを、上記操作に従い、90℃の温度でナトリ
ウム分散物36リッター(全金属ナトリウム12.96
kg)の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、N
a/Cl比1.79に対し7.23kgであった。規則
的な間隔(5、10、15、30、45、60、12
0、および180分)で、混合物を採取し、残存汚染物
レベルを決定するため、上記方法を使用して分析した。
結果を表3にまとめた。反応開始から最初の420分以
内に、PCBレベルは5.07%(重量/重量)(初
期)から2ppm 未満に減少した。
【0038】実施例6 PCB5.08kg(Aroclor 1260 0.36kgおよ
びAroclor 1242 4.73kg)を含む汚染油365リ
ッターを、上記操作に従い、90℃の温度でナトリウム
分散物40リッター(全金属ナトリウム14.4kg)
の存在下で脱塩素化した。全被還元性塩素は、Na/C
l比6.26に対し2.30kgであった。規則的な間
隔(5、10、15、30、45、60、120、およ
び180分)で、混合物を採取し、残存汚染物レベルを
決定するため、上記方法を使用して分析した。結果を表
3にまとめた。反応の開始から最初の5分以内に、PC
Bレベルは1.61%(重量/重量)(初期)から2pp
m 未満に減少した。
フロントページの続き (72)発明者 ブレアー エフ.シン カナダ国.エル6エックス 1エル5 オ ンタリオ,ブランプトン,イングリッシュ ストリート 23 (72)発明者 ヘンリー イー.コワリーク カナダ国.エル7アール 3エックス5 オンタリオ,バーリングトン,オーチャー ド ロード 2211 Fターム(参考) 2E191 BA13 BB00 BC01 BD11 4H006 AA05 AC13 AC26 BB10 BB31 BB48 BC10 BC31 BD21 BE10 BE11 BE12 BE13 BE60 EA22

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)不活性キャリヤ媒体中のアルカリ
    からなる混合物を選択し、該混合物を攪拌してかきまぜ
    たアルカリ分散物を形成し、および(B)該混合物を攪
    拌しながら、混合物にポリハロゲン化ビフェニルを添加
    し、該ポリハロゲン化ビフェニルのハロゲンをアルカリ
    により還元する工程からなる、ポリハロゲン化ビフェニ
    ルの脱ハロゲン化法。
  2. 【請求項2】 前記ポリハロゲン化ビフェニルがポリ塩
    素化ビフェニルである、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記アルカリがナトリウムである、請求
    項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記不活性キャリヤ媒体が有機溶剤であ
    る、請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記有機溶剤が鉱油である、請求項4記
    載の方法。
  6. 【請求項6】 前記アルカリ分散物が、前記ポリハロゲ
    ン化ビフェニルの実質上全ての被還元性ハロゲンを還元
    するのに化学量論的に必要なアルカリ量を少なくとも含
    むように選択される、請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記アルカリ分散物が、アルカリ対前記
    ポリハロゲン化ビフェニル中の被還元性ハロゲンの比が
    1.4乃至63であるようなアルカリ量を含むように選
    択される、請求項1記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記アルカリ分散物が、アルカリ対前記
    ポリハロゲン化ビフェニル中の被還元性ハロゲンの比が
    1.5乃至10であるようなアルカリ量を含むように選
    択される、請求項1記載の方法。
  9. 【請求項9】 反応を、20℃乃至200℃の温度で実
    施する、請求項1記載の方法。
  10. 【請求項10】 反応を、90℃乃至130℃の温度で
    実施する、請求項8記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記混合物中のポリハロゲン化ビフェ
    ニル濃度が2ppm 以下になるまで、該混合物を維持す
    る、請求項1記載の方法。
  12. 【請求項12】 工程(B)に続いて、更に前記混合物
    に、過剰のアルカリを中和するのに十分な量のアルカリ
    中和剤を添加することからなる、請求項1記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記アルカリ中和剤が水である、請求
    項12記載の方法。
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