JP2007204446A - 金属錯体およびそれを用いる希ガスの回収方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】銅(II)イオンに代表される金属イオンと、ピラジン−2,3−ジカルボン酸に代表される、窒素、酸素および硫黄からなる群より選ばれる原子を2つ以上有する配位子(A)と、3,6―ビス(4−ピリジル)―1,2,4,5―テトラジンに代表される、上記金属イオンへの配位原子を2つ以上有すると共に、少なくとも1つのヘテロ環骨格を有する配位子(B)とから構成される三次元構造を有する金属錯体に、上記混合ガスを接触させることにより、希ガスを選択的に金属錯体に吸着させ、回収することが可能である。
【選択図】なし
Description
希ガスのうち、例えばネオンは、窒素より沸点が低いため空気分離プラント内で液化することがなく、精留塔上部で濃縮されて取り出される。しかし、微量の水素やヘリウムも混在しているため、水素は触媒を用いて除去し、ヘリウムは精密蒸留などを行って分離することにより、純度の高いネオンが製造される。アルゴンは、沸点が窒素と酸素の中間であるため空気分離塔の中段部分から抜き出され、さらに微量の酸素を除去することによって製造される。また、クリプトンおよびキセノンは、酸素より高沸点であるため液体酸素中に濃縮されるが、同様に濃縮されているメタン等の炭化水素を触媒燃焼して炭酸ガスと水に変えて除去した後、さらに精留を繰り返してクリプトンとキセノンとを分離し、触媒反応や吸着反応による精製を行うことでそれぞれ製造される。
〔2〕 前記金属イオンがコバルト、銅、ニッケル、亜鉛、マンガンおよび鉄からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属のイオンであることを特徴とする上記〔1〕に記載の金属錯体。
〔4〕 前記配位子(A)が、4座配位子を有する化合物であることを特徴とする上記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の金属錯体。
〔5〕 前記配位子(A)が、金属イオンの電荷を中和するようアニオニックに配位する配位子を含む4座配位子を有する化合物であることを特徴とする上記〔4〕に記載の金属錯体。
〔7〕 前記配位子(A)が、ピラジン−2,3−ジカルボン酸であることを特徴とする上記〔6〕に記載の金属錯体。
〔8〕 前記配位子(B)が、窒素原子をヘテロ原子とするヘテロ環骨格を少なくとも1つ有することを特徴とする上記〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載の金属錯体。
〔10〕 前記配位子(B)が、ピリジル基およびその誘導体ならびにシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種を有することを特徴とする上記〔8〕または〔9〕に記載の金属錯体。
〔11〕 前記配位子(B)が下記式(1)で表される構造を有する配位子であることを特徴とする上記〔8〕〜〔10〕のいずれかに記載の金属錯体。
〔13〕 前記吸着工程は、圧力(ゲージ圧)0〜10MPaの雰囲気下で行われる上記〔12〕に記載の希ガスの回収方法。
本発明の金属錯体を構成する金属イオンとしては、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、マンガン等、三次元構造を有する錯体を形成しうるものを適宜選択して使用できる。これらの金属イオンは、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明に係る金属錯体は、上記金属イオンに配位結合しうる、窒素、酸素および硫黄からなる群より選ばれる原子を2つ以上有する配位子(A)を構成成分の1つとする。通常、金属錯体が連続的な三次元構造を形成するためには、配位子(A)1分子につきそのような配位原子が2つ以上必要とされる、すなわち配位子(A)は2座以上、好ましくは4座配位可能であることが求められる。
カルボン酸またはその誘導体(4座配位子を有するジカルボン酸または4座配位子を有する誘導体)が、希ガスの吸着に適した安定した三次元構造を形成できるなどの点で好ましい。これらの化合物に含まれるカルボキシル基の酸素原子(−COO-)は上記金属イオ
ンに配位結合しうるが、さらにこれら以外の窒素原子、酸素原子、硫黄原子がその化合物に含まれていてもよい。
ることができる。
本発明の金属錯体は、前記金属イオンへの配位原子を2つ以上有すると共に、少なくとも1つのヘテロ環骨格を有する配位子(B)を構成成分の1つとする。配位子(A)における場合と同様、金属錯体が連続的な三次元構造を形成するためには、配位子(B)1分子につき配位原子が2つ以上必要とされる、すなわち配位子(B)も2座以上配位可能であることが求められる。
本発明に係る金属錯体は、従来公知の方法を用いて、上記所定の金属イオン、配位子(A)および配位子(B)を反応させ、錯体化させることにより得られる。例えば、下記工程1〜3により、金属錯体の結晶を調製することが可能である。
配位子(A)となる化合物を、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、アセトン、ジオキサン等に溶解させ、溶液(α)を調製する。また、金属イオンの硫酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、炭酸塩、蟻酸塩、酢酸塩、ハロゲン塩(ハロゲン化物)等を、水、アセトン、メタノール、エタノール、あるいはこれらの混合物に溶解させ、溶液(β)を調製する。さらに、配位子(B)となる化合物を、上記溶液(α)または(β)に添加し、溶解させる。
上記溶液(α)および(β)を混合し、金属錯体の結晶を生成させる。例えば、上記溶液(β)を攪拌しながら、上記溶液(α)をゆっくりと滴下し、さらに、結晶を熟成させるために、滴下終了後も半日以上攪拌を継続する。
上記混合溶液を濾過し、粉末結晶を濾別する。この粉末結晶をエタノール等で洗浄後、室温で半日以上真空乾燥する。粉末結晶の乾燥が不充分で、結晶格子内に溶媒分子が残存する場合、希ガスの吸着性能が低下し、また、離脱した希ガスに混入する溶媒分子の量が高まるおそれがある。
、水分の除去を行ってもよい。焼成のとき流通するガスとしては、窒素などの不活性なガスを使用することが望ましい。なお、水分を効率的に除去するため、50〜250℃の範囲の温度で焼成を行うことが好ましい。
本願発明の金属錯体は、連続的な三次元構造を有する。例えば、本発明の一態様として、銅(II)イオン、配位子(A)であるpzdcH2および配位子(B)である4,4’
−bptzを用いて得られる金属錯体においては、銅(II)イオンに、pzdcH2のカ
ルボキシル基の1つの酸素原子およびピラジン骨格の1つの窒素原子、およびこれとは異なるpzdcH2に含まれるカルボキシル基の1つの酸素原子が配位結合して鎖状の構造
が形成されている。さらに、4,4’−bptzの一端にある窒素原子がこの銅(II)イオンに配位結合し、もう一端の窒素原子がこれとは異なる銅(II)イオンに配位結合することにより、これらの鎖状の構造が連結された層状の構造が形成されている。そして、pzdcH2のピラジン骨格のもう一つの窒素原子が、異なる層状の構造に含まれる銅(II
)イオンに配位結合することにより、一次元チャンネルを有する空間が形成された、三次元構造の金属錯体となっている。すなわち金属イオンを介し、配位子(A)の4座配位子が平面部分を構成する機能を有し、配位子(B)がピラー配位子としての役割を果たす。
本発明の金属錯体に、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、炭化水素類、水などの希ガス以外の成分と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガス成分とを含む混合ガスを接触させることにより、混合ガス中の希ガス原子およびそれ以外のガスの分子が金属錯体に吸着する。このとき、希ガス原子は他のガスの原子または分子よりも金属錯体に吸着しやすいため、この原理を利用して、混合ガス中に低濃度で存在する希ガスを効率的に回収することが可能となる。このように、本発明の金属錯体は、希ガスの「吸着剤」として好ましく用いることできる。
ることが可能であり、このことが、アルミナやシリカゲル等の一般的な吸着剤に比べて、希ガスに対して大きな吸着容量を示す一因になっていると考えられる。また、本発明の金属錯体において、希ガスとそれ以外のガスの吸着容量の差異が大きいことの理由はまだ詳細には解明されていないが、上述した特定のヘテロ環で囲まれた空間が非常に電子密度の高い空間であることも、この特異な吸着能力の一因となっていると考えられる。
る傾向がある。また、接触圧が別のある値に達すると、それ以上圧力を高めても吸着量の増加割合が小さくなる傾向がある。さらに、用いられる金属錯体および気体の種類によっても、接触圧と金属錯体への吸着量との関係は異なる。したがって、接触圧は、対象とする希ガス及びそれ以外のガスの種類や混合ガスにおけるこれらの配合組成、希ガスとそれ以外のガスの吸着量の差に基づいた目的とする希ガスの回収効率、金属錯体の種類などに応じて適宜調節することが可能であるが、例えば、0〜10MPa、好ましくは0.2〜
10MPa、より好ましくは0.3〜1MPa(いずれもゲージ圧)の範囲であればよい
。
0秒程度接触させることで、希ガスの金属錯体への吸着が充分に行われる。
本発明の金属錯体は、希ガスの吸着剤として、従来公知の装置等と組み合わせて使用することが可能である。例えば、上記吸着剤をタンクや筒などの容器に充填し、この容器に混合ガスを流入させるようにして、希ガスを金属錯体に吸着させることが可能である。
[実施例1]金属錯体[Cu2(pzdc)2(4,4’−bptz)]nの合成
(A液):4,4’−bptz[945mg、4mmol]を1000mlのテトラヒドロフラン(THF)に溶解させた。その後、CuSO4・5H2O[499mg、2mmol]を800mlのH2Oに溶解し、合成直前に上記4,4’−bptzのTHF溶液に
加えた。
(B液):pzdcH2[336mg、2mmol]を200mlのH2Oに溶解した。
(合成):B液を、攪拌しているA液にローラーチューブポンプを用いてゆっくりと滴下(1mL/min)した。1日攪拌後、吸引濾過で分離し、紫色の粉末結晶([Cu2(pzdc)2(4,4’−bptz)]・8H2O)nを得た。なお、この金属錯体が8水和物であ
ることは、TG(熱重量測定)により確認された。さらに、得られた粉末をエタノールで
洗浄し、室温で12時間、真空乾燥を行った。その結果、0.695gの粉末結晶([C
u2(pzdc)2(4,4’−bptz)]n)が得られ、収率は100%であった。
u2(pzdc)2(4,4’−bptz)]を組成式とする金属錯体が合成されたことが確認
された。また、この化合物の元素分析を行った結果からも、組成式は[Cu2(pzdc)2(4,4’−bptz)]であることが裏付けられた。
(A液):Cu(ClO4)2・6H2O(499mg、2mmol)を800mlのH2Oに溶解させた。
(B液):NaOH(1.6g)を純水に溶解させた後、pzdcH2(3.36g、0
.02mol)とH2O(250ml)を加え溶解させた。この液に4,4’−ビピリジ
ン(1.56g、0.01mol)(以下「bpy」と略すことがある)とエタノール(500ml)を加え溶解させた。
(合成):B液を、攪拌しているA液にローラーチューブポンプを用いてゆっくりと滴下(5mL/min)した。1日攪拌後、吸引濾過で分離し、水色の粉末結晶を得た。この
結晶をH2Oで洗浄し、50℃で8時間真空乾燥し、[Cu2(pzdc)2(bpy)]nを6.10g得た。
(測定方法の説明)
(1)N2およびXeの吸着容量の測定を、図1に示す装置を用いて行った。ここで、
本発明の金属錯体のN2の吸着容量は小さい傾向にあり、タンクの容量が大きすぎるとゲ
ージ圧の変化を読みとることができず、一方、Xeの吸着容量は大きい傾向にあり、タンクの容量が小さすぎると吸着容量を全て把握することができなくなる。そのため、タンク6および7は、ガス種および吸着剤による吸着容量の違いをより正確に把握できるよう、それぞれ容量の異なる2タイプの組み合わせを用意した。すなわち、下記表1に示すとおり、タイプAおよびタイプBの2通りの組み合わせで吸着容量の測定を行うこととし、これに先立ち、バルブ1〜2間およびバルブ2〜3間の体積を測定した。
[Cu2(pzdc)2(4,4’−bptz)]n)4.95gをタンク7に充填した。次に、
バルブ1を閉、バルブ2および3を開にし、真空引きを行った。真空到達後、バルブ2および3を閉、バルブ1を開にし、タンク6に測定ガスを所定圧まで張り込んだ。その後、バルブ3が閉のまま、バルブ1を閉、バルブ2を開にし、バルブ1〜3間が均圧となった状態での圧力を「吸着時平衡圧力」とした。
上記「空試験圧力」と「吸着時平衡圧力」の差から、吸着容量を計算により求めた。得られた結果を表2に示す。
吸着剤として、実施例2と同様に調製した金属錯体結晶([Cu2(pzdc)2(bp
y)]n)5.36gを使用し、それ以外は試験例1と同様にして、この吸着剤の吸着容量を求めた。結果を表3に示す。
吸着剤として「モレキュラーシーブ13X」4.94gを使用し、それ以外は試験例1と同様にして、この吸着剤の吸着容量を求めた。結果を表4に示す。
吸着剤として「モレキュラーシービングカーボン5A」5.10gを使用し、それ以外は試験例1と同様にして、この吸着剤の吸着容量を求めた。結果を表5に示す。
図2に示す装置およびN2とXeとからなる混合ガスを用いて、N2およびXeの吸着実験を行った。なお、実施例2に関する以下の記述において、圧力を示す数値は装置の圧力計が示すゲージ圧である。
恒温槽の温度を25℃とした。まず、バルブ10を閉、バルブ12を開とし、タンク内を真空引きした。タンク内圧力が−0.10MPaに到達したところで、バルブ10を開、バルブ12を閉とし、N2およびXeからなる原料混合ガス(N2=90体積%、Xe=10体積%)を、タンク内圧力が0.5MPaになるまで張り込んだ。バルブ10を閉とし、10分間静置したところ、タンク内圧力は0.3MPaとなった。バルブ12を開としてガスをブローし、このブローガスの成分分析を行った。
の圧力が0.1MPaの場合は、逆にN2の方が多く吸着剤に取り込まれる結果になって
いる。
スよりもXe濃度の高い混合ガスになる。したがって、同様の操作を繰り返すことにより、最終的にはほぼ純粋なXeガスを回収することが可能である。
2.バルブ
3.バルブ
4.圧力計
5.圧力計
6.タンク
7.タンク
8.真空ポンプ
9.恒温槽
10.バルブ
11.圧力計
12.バルブ
13.タンク
14.恒温槽
Claims (13)
- 金属イオンと、窒素、酸素および硫黄からなる群より選ばれる原子を2つ以上有する配位子(A)と、前記金属イオンへの配位原子を2つ以上有すると共に、少なくとも1つのヘテロ環骨格を有する配位子(B)とから構成される三次元構造を有する金属錯体。
- 前記金属イオンがコバルト、銅、ニッケル、亜鉛、マンガンおよび鉄からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属のイオンであることを特徴とする請求項1に記載の金属錯体。
- 前記金属イオンが銅(II)イオンであることを特徴とする請求項1または2に記載の金属錯体。
- 前記配位子(A)が、4座配位子を有する化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の金属錯体。
- 前記配位子(A)が、金属イオンの電荷を中和するようアニオニックに配位する配位子を含む4座配位子を有する化合物であることを特徴とする請求項4に記載の金属錯体。
- 前記配位子(A)が、それぞれ4座配位子を有するジカルボン酸またはその誘導体であることを特徴とする請求項5に記載の金属錯体。
- 前記配位子(A)が、ピラジン−2,3−ジカルボン酸であることを特徴とする請求項6に記載の金属錯体。
- 前記配位子(B)が、窒素原子をヘテロ原子とするヘテロ環骨格を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の金属錯体。
- 前記配位子(B)が、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、テトラジン、トリアジンおよびピペラジンからなる群より選ばれるヘテロ環骨格を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項8に記載の金属錯体。
- 前記配位子(B)が、ピリジル基およびその誘導体ならびにシアノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種を有することを特徴とする請求項8または9に記載の金属錯体。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の金属錯体に希ガスを含むガスを−100〜150℃の温度範囲で接触させる吸着工程と、前記希ガスを吸着した金属錯体から希ガスを離脱させる離脱工程とを有することを特徴とする希ガスの回収方法。
- 前記吸着工程は、圧力(ゲージ圧)0〜10MPaの雰囲気下で行われる請求項12に記載の希ガスの回収方法。
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