JP2007518559A - Method of making and using a hybrid anion exchanger for the selective removal of contaminant ligands from a liquid - Google Patents

Method of making and using a hybrid anion exchanger for the selective removal of contaminant ligands from a liquid Download PDF

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Abstract

水和Fe(III)酸化物(HFO)が交換体ビーズ内部に不可逆的に分散したポリマー陰イオン交換体がホスト材料として使用された。陰イオン交換体は正に帯電した4級アンモニウム官能基を有するので、例えば砒酸塩、クロム酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩、フタル酸塩等のアニオン性リガンドはゲル相の内外へ浸透することができ、ドナン排除効果には支配されない。結果的に陰イオン交換体に支持されたHFOミクロ粒子は、陽イオン交換体に支持されたものと比較して、砒素及び他のリガンドの除去において非常に大きな容量を示す。HFO粒子のローディングは、予備的に陰イオン交換樹脂を、例えばMnO4−またはOCl等の酸化性アニオンでロードし、その後樹脂に硫酸第一鉄溶液を通過させることによって実行される。A polymer anion exchanger in which hydrated Fe (III) oxide (HFO) was irreversibly dispersed inside the exchanger beads was used as the host material. Since the anion exchanger has a positively charged quaternary ammonium functional group, anionic ligands such as arsenate, chromate, oxalate, phosphate, and phthalate penetrate into and out of the gel phase. Can be controlled by the Donan exclusion effect. As a result, HFO microparticles supported on an anion exchanger exhibit a much larger capacity in removing arsenic and other ligands compared to those supported on a cation exchanger. The loading of HFO particles is carried out by preliminarily loading an anion exchange resin with an oxidizing anion such as MnO 4− or OCl 2 and then passing the ferrous sulfate solution through the resin.

Description

本発明は液体から汚染物質を選択的に除去するためのハイブリッド陰イオン交換体の製造及び応用に関する。   The present invention relates to the manufacture and application of hybrid anion exchangers for the selective removal of contaminants from liquids.

固定層吸着プロセスが操作上単純であり、事実上始動時間を必要とせず、フィード組成における変動に対して寛容であることは広く一般に認められている。しかしながら、固定層プロセスが実行可能で、そして経済的に競合的であるために、吸着剤は目標汚染物質に対して高い選択性を示さなくてはならず、耐久性がなくてはならず、そして効率的に再生及び再利用しやすいものでなくてはならない。   It is widely accepted that the fixed bed adsorption process is simple in operation, requires virtually no start-up time, and is tolerant of variations in feed composition. However, in order for the fixed bed process to be feasible and economically competitive, the adsorbent must be highly selective for the target contaminant, must be durable, It must be easy to recycle and reuse efficiently.

理想的には、目標汚染物質の除去はpHまたは流入液の組成に大きな変化を起こすべきではない。この点に関して、アモルファス、そして結晶の水和したFe酸化物(HFO)は、構造的Fe原子の配位圏でのリガンド交換を通してAs(III)及びAs(V)酸素酸及びオキシアニオンに対して強い吸着親和性を示す。広域X線吸収微細構造(EXAFS)を使った最近の調査では、As(III)及びAs(V)種が内圏錯体の形成を通じて酸化物表面に選択的に結合されていることを確認した。HFO粒子はリン酸塩、天然の有機物、セレナイトと他のアニオン性リガンドに対して同じく高い吸着親和性を示す。図1は水和したFe(III)酸化物またはHFO上における種々の溶質の結合の例を示す。塩化物または硫酸塩のような一般に遭遇する競合イオンは、クーロン相互作用または外圏錯体の形成を通してのみ吸着されることができる。結果として、それらはHFO粒子に対して低い吸着親和性を示す。比較すると、亜砒酸塩、一価砒酸塩、二価砒酸塩、リン酸塩などのリガンドが、ルイス酸塩基相互作用または内圏錯体の形成を通して強く吸着される。   Ideally, removal of target contaminants should not cause significant changes in pH or influent composition. In this regard, amorphous and crystalline hydrated Fe oxides (HFO) are directed against As (III) and As (V) oxyacids and oxyanions through ligand exchange in the coordination sphere of structural Fe atoms. Strong adsorption affinity. Recent investigations using broad-area X-ray absorption fine structure (EXAFS) have confirmed that As (III) and As (V) species are selectively bound to the oxide surface through formation of inner sphere complexes. HFO particles also exhibit a high adsorption affinity for phosphate, natural organics, selenite and other anionic ligands. FIG. 1 shows examples of the binding of various solutes on hydrated Fe (III) oxide or HFO. Commonly encountered competing ions such as chloride or sulfate can only be adsorbed through Coulomb interactions or formation of outer sphere complexes. As a result, they exhibit a low adsorption affinity for HFO particles. In comparison, ligands such as arsenite, monovalent arsenate, divalent arsenate, and phosphate are strongly adsorbed through the formation of Lewis acid-base interactions or inner sphere complexes.

従来の合成プロセスは、簡単であるけれども、非常に細かいサブミクロンのHFO粒子のみを製造する。この粒子は、過度の圧力降下、機械的強度の低さ及び受け入れ難い耐久性のために、固定層、透過性の反応性バリアまたは流動システムにおいては使用できない。この問題を克服するために、強酸カチオン交換体が砒素の除去のためにHFO粒子をドープ/分散するよう変更を加えられてきた。鉄がロードされた陽イオン交換樹脂及びアルギン酸塩も、セレン及び砒素オキシアニオンの除去に関して試みられてきた。陽イオン交換体にロードされた水和したFe(III)酸化物(HFO)粒子は砒酸塩またはリン酸塩を取り除くことができるが、陽イオン交換体のゲル相がスルホン酸基の存在に起因して負に帯電されるため、それらの除去容量は減少する。結果的に、砒酸塩または砒素(V)オキシアニオン及びリン酸塩はドナン共イオン排除効果のために拒絶され、ゲル相中に分散されたHFO粒子は選択的吸着のために溶解したアニオン性リガンドに接近できない。   The conventional synthesis process is simple but produces only very fine submicron HFO particles. The particles cannot be used in fixed beds, permeable reactive barriers or flow systems due to excessive pressure drop, low mechanical strength and unacceptable durability. To overcome this problem, strong acid cation exchangers have been modified to dope / disperse HFO particles for arsenic removal. Cation exchange resins and alginate loaded with iron have also been attempted for removal of selenium and arsenic oxyanions. Hydrated Fe (III) oxide (HFO) particles loaded on the cation exchanger can remove arsenate or phosphate, but the gel phase of the cation exchanger is due to the presence of sulfonic acid groups Since they are negatively charged, their removal capacity is reduced. As a result, arsenate or arsenic (V) oxyanion and phosphate are rejected due to Donan coion exclusion effect, and HFO particles dispersed in the gel phase are dissolved in anionic ligands for selective adsorption. Cannot approach.

マクロ多孔性陽イオン交換体がホスト材料として使用されたとき、砒素除去容量は高くはないが、750μg As/吸着剤gのオーダーであった。しかしながら、ゲル型の陽イオン交換体がHFO粒子を分散させるために使われたとき、結果として生じる材料はまったく効果がないものであった。   When a macroporous cation exchanger was used as the host material, the arsenic removal capacity was not high, but was on the order of 750 μg As / adsorbent g. However, when a gel-type cation exchanger was used to disperse the HFO particles, the resulting material was completely ineffective.

図2は、ゲル型陽イオン交換体が、Feとして8パーセントのHFOが存在するようロードされたときのカラム処理溶出液履歴を示す。砒素破過がほとんどすぐに起きた。結果的に、材料はほとんど砒素除去容量を持っていなかった。我々は、HFO粒子が図3で説明されるように陽イオン交換サイトの内部に閉じ込められたとき、選択的吸着のための砒酸塩または他のアニオン性リガンドが接近できないことを観察した。しかしながら、陽イオン換体材料の中のHFO粒子の分散は比較的簡単なプロセスである。   FIG. 2 shows the column treatment eluate history when a gel-type cation exchanger was loaded with 8 percent HFO present as Fe. Arsenic breakthrough occurred almost immediately. As a result, the material had little arsenic removal capacity. We have observed that arsenate or other anionic ligands for selective adsorption are inaccessible when HFO particles are trapped inside a cation exchange site as illustrated in FIG. However, the dispersion of HFO particles in a cation exchanger material is a relatively simple process.

よって、本発明の目的は、水溶液から砒素種及び他のリガンドを選択的に除去する新規な、そしていっそう効果的な媒体を提供し、また陰イオン交換樹脂の上に水和した酸化鉄を効果的にロードするための方法を提供することである。   Thus, it is an object of the present invention to provide a new and more effective medium for selectively removing arsenic species and other ligands from aqueous solutions and also to effect hydrated iron oxide on an anion exchange resin. Is to provide a way to load automatically.

陽イオン交換体と異なり、陰イオン交換体は正に帯電した官能基が固着されている。結果的に、アニオン性のリガンドがドナンの共イオン排除効果に出会うことなくゲル相の中に及び外に容易に浸透することができる。もしHFO粒子が重合体の陰イオン交換体ビーズの中で分散される場合、砒素またはリガンド除去容量は大きく増大され得る。他方、陰イオン交換樹脂内部で水和Fe(III)酸化物を形成することは、正に帯電した4級アンモニウム官能基に起因する大きな挑戦を提示する。結果的に、これまで、重合体の陰イオン交換体内部におけるHFO粒子の分散をうまく達成する方法は知られていなかった。   Unlike a cation exchanger, an anion exchanger has a positively charged functional group attached thereto. As a result, anionic ligands can easily penetrate into and out of the gel phase without encountering Donan's coion exclusion effect. If HFO particles are dispersed in polymeric anion exchanger beads, the arsenic or ligand removal capacity can be greatly increased. On the other hand, forming hydrated Fe (III) oxide inside an anion exchange resin presents a major challenge due to positively charged quaternary ammonium functional groups. As a result, until now, there has been no known method for successfully achieving dispersion of HFO particles within the anion exchanger of the polymer.

本発明による選択的吸着体の合成は、中間体を製造するためにアニオン交換挙動を示す材料と陰イオン性の酸化剤とを反応させる段階、その中間体と被酸化性の金属塩溶液とを反応させる段階、結果として酸化剤の働きによって中間体を通じて金属塩を沈殿及び分散し、吸着剤を製造する段階を含む。   In the synthesis of the selective adsorbent according to the present invention, a step of reacting a material exhibiting anion exchange behavior with an anionic oxidant to produce an intermediate, the intermediate and an oxidizable metal salt solution are reacted. Reacting, and as a result, precipitating and dispersing the metal salt through the intermediate by the action of an oxidizing agent to produce an adsorbent.

陰イオン交換挙動を示す材料をアニオン性酸化剤と反応させる段階は、好ましくは前記材料を通じてアニオン性酸化剤の溶液を通過させることによって実行される。金属塩の溶液を中間体と反応させる段階は、中間体を通じて塩の溶液を通過させ、結果として金属を酸化し、前記金属がもとの塩の中にあるよりも高い酸化状態であるような他の塩を沈殿及び分散させることによって実行される。金属塩の溶液を中間体と反応させる段階の後に、吸着剤を有機溶媒、好ましくはアセトンで洗浄し、吸着剤を乾燥する段階が行われてよい。   The step of reacting a material exhibiting anion exchange behavior with an anionic oxidant is preferably carried out by passing a solution of the anionic oxidant through the material. The step of reacting the metal salt solution with the intermediate passes the salt solution through the intermediate, resulting in oxidation of the metal such that the metal is in a higher oxidation state than in the original salt. This is done by precipitating and dispersing other salts. After reacting the metal salt solution with the intermediate, a step of washing the adsorbent with an organic solvent, preferably acetone, and drying the adsorbent may be performed.

吸着剤の調製において、陰イオン交換挙動を示す材料とアニオン性酸化剤との反応の段階、及び金属塩溶液と中間体との反応の段階が繰り返されることによって結果が改良されてよい。   In the preparation of the adsorbent, the results may be improved by repeating the steps of the reaction between the material exhibiting anion exchange behavior and the anionic oxidant and the reaction between the metal salt solution and the intermediate.

陰イオン交換挙動を示す材料は、好ましくはポリマー陰イオン交換樹脂であって、1級、2級または3級アミン基、またはそれらの混合物を含む弱塩基性有機イオン交換樹脂ビーズを含んでよい。他に好ましい材料としては、正に帯電した窒素原子を有する4級アンモニウム基を含む強塩基有機イオン交換樹脂ビーズ、及びポリスチレンまたはポリスチレン/ジビニルベンゼンマトリックスを有する有機イオン交換樹脂ビーズがある。   The material exhibiting anion exchange behavior is preferably a polymeric anion exchange resin and may comprise weakly basic organic ion exchange resin beads comprising primary, secondary or tertiary amine groups, or mixtures thereof. Other preferred materials include strong base organic ion exchange resin beads containing quaternary ammonium groups with positively charged nitrogen atoms, and organic ion exchange resin beads having a polystyrene or polystyrene / divinylbenzene matrix.

好ましい金属塩は第一鉄塩溶液であり、好ましいアニオン性酸化剤は過マンガン酸塩、または次亜塩素酸塩である   The preferred metal salt is ferrous salt solution and the preferred anionic oxidant is permanganate or hypochlorite

このように製造された吸着剤は、鉄の酸素含有化合物の分散粒子を含むポリマー陰イオン交換樹脂を含み、吸着剤と接触された液体流からリガンドを選択的に除去することが可能である。吸着剤は、例えば砒酸塩、亜砒酸塩、クロム酸塩、モリブデン酸塩、亜セレン酸塩、バナジン酸塩のようなリガンドを、飲料水、地下水、工業プロセス水、または工業排水の流れから除去するのに特に有効である。   The adsorbent thus produced contains a polymer anion exchange resin containing dispersed particles of iron oxygen-containing compounds, and is capable of selectively removing ligands from a liquid stream in contact with the adsorbent. Adsorbents remove ligands such as arsenate, arsenite, chromate, molybdate, selenite, vanadate from drinking water, groundwater, industrial process water, or industrial wastewater streams It is particularly effective.

好ましい実施形態では、水溶液からリガンドを選択的に除去するための吸着層は、例えば過マンガン酸塩、過硫酸塩、または次亜塩素酸塩のような酸化性イオンを含む溶液を、ポリマー陰イオン交換樹脂層を通して通過させることによって調製される。その後、例えば硫酸第一鉄等の第一鉄塩の溶液が層を通され、それによって同時に酸化性陰イオンを脱着し第一鉄イオンを第二鉄イオンに酸化する。これにより、ポリマー陰イオン交換樹脂内部で固体の水和した酸化第二鉄の沈殿及び均一な分散が起こる。例えば砒酸塩、クロム酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩、フタル酸塩等のアニオン性リガンドは、ゲル相の内外に浸透することができ、ドナン排除効果には支配されない。結果的に、陰イオン交換体に支持されたHFOミクロ粒子は、陽イオン交換体に支持された粒子と比較して、他のリガンドと同様に、砒酸塩、亜砒酸塩、及び他の砒素オキシアニオンの除去において非常に大きな容量を示す。   In a preferred embodiment, the adsorbent layer for selectively removing ligands from an aqueous solution comprises a solution containing oxidizing ions such as permanganate, persulfate, or hypochlorite, polymer anions. It is prepared by passing through an exchange resin layer. Thereafter, a solution of a ferrous salt, such as ferrous sulfate, is passed through the layer, thereby simultaneously desorbing the oxidizing anions and oxidizing the ferrous ions to ferric ions. This causes precipitation and uniform dispersion of solid hydrated ferric oxide inside the polymer anion exchange resin. For example, anionic ligands such as arsenate, chromate, oxalate, phosphate, and phthalate can penetrate into and out of the gel phase and are not governed by the Donan exclusion effect. As a result, HFO microparticles supported on anion exchangers, as compared to particles supported on cation exchangers, as well as other ligands, arsenate, arsenite, and other arsenic oxyanions. Shows a very large capacity in the removal of

本発明の他の利点は、陰イオン交換材料の物理的性質が、別の方法でもろくて弱い材料に構造上の完全性を与えることが可能なことである。このように、陰イオン交換材料内部にHFO粒子を分散させることによって、HFO粒子そのものが造粒及び凝集されたときと比較して、より優れた材料特性を示す層を合成することが可能である。陰イオン交換材料の使用により与えられた物理的ロバストネスの改善によって、例えばより高圧である、より流れが増大している等、さらに要求の厳しい状況下でのHFO粒子の使用が可能となる。ハイブリッド材料の改良された物理的ロバストネスは、ベッドの効率的な再生及び再利用をも可能にし、基板によって支持されていない水和金属酸化物を有するストリームの処理において共通する逆洗及び他のメンテナンスの必要性を減少させる。   Another advantage of the present invention is that the physical properties of the anion exchange material can otherwise provide structural integrity to the brittle and weak material. As described above, by dispersing the HFO particles in the anion exchange material, it is possible to synthesize a layer exhibiting more excellent material characteristics than when the HFO particles themselves are granulated and aggregated. . The improvement in physical robustness afforded by the use of an anion exchange material allows the use of HFO particles in more demanding situations, such as higher pressures and increased flow. The improved physical robustness of the hybrid material also allows for efficient regeneration and reuse of the bed, and common backwashing and other maintenance in the processing of streams with hydrated metal oxides not supported by the substrate Reduce the need for

本発明の他の目的、詳細及び利点は、図と共に解釈するとき、以下の詳細な記述から明確になる。   Other objects, details and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the drawings.

Fe3+及びFe2+は陽イオンなので、陰イオン交換体の正に帯電した官能基によって反発され、陰イオン交換樹脂上にロードされることができない。このように、陽イオン交換体ビーズ内部へのHFO粒子の分散に関して以前使われていた技術は、陰イオン交換体ビーズがホスト材料として使われるときには適用できない。しかしながら、我々は一連の段階によってHFO粒子が陰イオン交換体内に支持され得ることを見出した。その好ましい例は以下の通りである。 Since Fe 3+ and Fe 2+ are cations, they are repelled by the positively charged functional groups of the anion exchanger and cannot be loaded onto the anion exchange resin. Thus, the techniques previously used for the dispersion of HFO particles within the cation exchanger beads are not applicable when anion exchanger beads are used as the host material. However, we have found that a series of steps can support HFO particles within an anion exchanger. Preferred examples thereof are as follows.

最初の段階として、過マンガン酸アニオン(MnO )が陰イオン交換樹脂(例えば、ペンシルバニア、Bala Cynwyd、The Purolite Companyから購入可能なA−500P、塩化物型の4級アンモニウム官能基を有する陰イオン交換樹脂)上にロードされる。過マンガン酸アニオンの樹脂へのローディングは、層に過マンガン酸カリウム溶液(500mg/L KMnO)を通過させることによって実行される。 As a first step, a permanganate anion (MnO 4 ) is an anion exchange resin (eg, A-500P available from Pennsylvania, Bala Cynwyd, The Purolite Company, an anion having a quaternary ammonium functional group of the chloride type. Loaded on ion exchange resin). Loading of permanganate anions into the resin is performed by passing a potassium permanganate solution (500 mg / L KMnO 4 ) through the layer.

これは、例えば以下の反応を起こすために、層に500mg/L KMnO溶液を通過させることによって、実行されてよい。 This may be done, for example, by passing a 500 mg / L KMnO 4 solution through the layer to cause the following reaction.

Figure 2007518559
Figure 2007518559

Figure 2007518559
Figure 2007518559

化学式2は塩化物型の4級アンモニウム官能基を有する陰イオン交換樹脂である。   Formula 2 is an anion exchange resin having a chloride type quaternary ammonium functional group.

もちろん、他の製造業者の陰イオン交換樹脂が使われてよい。陰イオン交換樹脂の粒子サイズは、好ましくは300μm〜1000μmの範囲である。   Of course, other manufacturer's anion exchange resins may be used. The particle size of the anion exchange resin is preferably in the range of 300 μm to 1000 μm.

第二の段階は同時的な過マンガン酸塩の脱着、Fe(II)酸化及び陰イオン交換体内部でのHFO形成である。この段階の間、過マンガン酸塩がロードした陰イオン交換体は、5%の硫酸第一鉄溶液に接触される。硫酸によるMnO の脱着、MnO のMnO(s)への還元及びFe2+のFe3+への酸化、及び最終的に陰イオン交換体ビーズ内部のFe(OH)(s)の沈殿が、以下に従って起こる。 The second stage is simultaneous permanganate desorption, Fe (II) oxidation and HFO formation inside the anion exchanger. During this phase, the permanganate loaded anion exchanger is contacted with a 5% ferrous sulfate solution. Desorption of MnO 4 with sulfuric acid, reduction of MnO 4 to MnO 2 (s) and oxidation of Fe 2+ to Fe 3+ , and finally Fe (OH) 3 (s) inside the anion exchanger beads Precipitation occurs according to:

MnO の脱着:

Figure 2007518559
Desorption of MnO 4 :
Figure 2007518559

Fe(II)の酸化及び水酸化第二鉄の形成:

Figure 2007518559
(上部バー及び(s)は固層を示す。) Oxidation of Fe (II) and formation of ferric hydroxide:
Figure 2007518559
(The upper bar and (s) indicate a solid layer.)

第三段階はアセトンによる洗浄及び乾燥である。第二段階の陰イオン交換体ビーズはアセトンで洗浄され、35℃で12時間乾燥される。   The third stage is washing with acetone and drying. The second stage anion exchanger beads are washed with acetone and dried at 35 ° C. for 12 hours.

プロセスの主要な段階、すなわち第一及び第二段階は図4A及び4Bに示されている。これらの段階は、Fe(III)ローディングをより多くするため繰り返されてよい。また、陰イオン交換体内部のマンガン含量は複数のサイクルに従い減少するが、これは応用の観点からは望ましい現象である。第三段階では、アセトンの使用が水の誘電率を減少させ、表面電荷の抑制を通してHFOサブミクロン粒子の凝集を強める。HFOの塊は球状の陰イオン交換体ビーズ内部で不可逆的に閉じ込められた。乱流及び機械的攪拌は、HFO粒子の顕著な損失にはつながらない。   The major stages of the process, the first and second stages, are shown in FIGS. 4A and 4B. These steps may be repeated to increase Fe (III) loading. Also, the manganese content inside the anion exchanger decreases with multiple cycles, which is a desirable phenomenon from an application point of view. In the third stage, the use of acetone reduces the dielectric constant of water and enhances the aggregation of HFO submicron particles through suppression of surface charge. The HFO mass was irreversibly trapped inside the spherical anion exchanger beads. Turbulence and mechanical agitation do not lead to significant loss of HFO particles.

我々の研究には、ゲル及びマクロ多孔性陰イオン交換体ビーズ(Purolite A−400及びA−500P)の双方が使われた。陰イオン交換体上へのHFOのローディング質量は、鉄にして10−15%の範囲で変化し、マンガン含量はマンガンの質量で1%未満であった。図5Aはハイブリッド陰イオン交換体(HAIX)粒子を示す。図5Bは母材ポリマービーズ切片の走査型電子顕微鏡(SEM)像であり、マクロ細孔の存在が容易に観察される。図5CはHFOナノ粒子を含むスライスされたHAIX粒子を示す。   In our study, both gel and macroporous anion exchanger beads (Purolite A-400 and A-500P) were used. The loading mass of HFO on the anion exchanger varied from 10-15% as iron and the manganese content was less than 1% by mass of manganese. FIG. 5A shows hybrid anion exchanger (HAIX) particles. FIG. 5B is a scanning electron microscope (SEM) image of the matrix polymer bead section, and the presence of macropores is easily observed. FIG. 5C shows sliced HAIX particles containing HFO nanoparticles.

ポリマー陰イオン交換体ビーズは、固定層カラム処理の間優れた水硬性及び耐久性を示し、分散されたHFOミクロ粒子はターゲットとするリガンドに対して活性な吸着剤として働く。   The polymer anion exchanger beads exhibit excellent hydraulic and durability during fixed bed column processing, and the dispersed HFO microparticles act as active adsorbents for the targeted ligand.

例示のために、ハイブリッド陰イオン交換体粒子の典型的な研究室レベルの合成において実行される段階の詳細は以下のとおりである。   For purposes of illustration, the details of the steps performed in a typical laboratory level synthesis of hybrid anion exchanger particles are as follows.

500mg/Lの過マンガン酸カリウム溶液で満たされた4.0リットルの容器中で、Purolite陰イオン交換体樹脂30gは30分間断続的に攪拌しながら前記溶液中に浸漬された。過マンガン酸塩でロードされた樹脂は、脱イオン水で2回すすがれた。その後、過マンガン酸塩をロードされた樹脂は、5.0%(w/v)の硫酸第一鉄溶液1.0リットル中に浸漬され、4時間振とうされた。修飾された樹脂(ハイブリッド陰イオン交換体)は、その後脱イオン水で何度かすすがれた。これらの段階は、第2及び第3サイクルの鉄のローディングに関して繰り返された。各サイクルの後、ハイブリッド陰イオン交換体のサンプル約50mgが、鉄及びマンガンの含量分析のために採取された。   In a 4.0 liter container filled with 500 mg / L potassium permanganate solution, 30 g of Purolite anion exchanger resin was immersed in the solution with intermittent stirring for 30 minutes. The resin loaded with permanganate was rinsed twice with deionized water. The permanganate loaded resin was then immersed in 1.0 liter of 5.0% (w / v) ferrous sulfate solution and shaken for 4 hours. The modified resin (hybrid anion exchanger) was then rinsed several times with deionized water. These steps were repeated for the second and third cycles of iron loading. After each cycle, a sample of about 50 mg of hybrid anion exchanger was taken for iron and manganese content analysis.

前記ハイブリッド樹脂は脱イオン水及びアセトンですすがれ、その後35℃のオーブン中で12時間乾燥された。The Purolite Companyのマクロ多孔性及びゲル型陰イオン交換体、すなわち、PuroliteA−500P及びA−400の双方は母材材料として使用された。HAIX粒子の鉄及びマンガンローディングは、室温で24時間、10%硫酸を2度適用することによって見出された。   The hybrid resin was rinsed with deionized water and acetone and then dried in a 35 ° C. oven for 12 hours. The Purolite Company's macroporous and gel-type anion exchangers, both Purolite A-500P and A-400, were used as the matrix material. The iron and manganese loading of HAIX particles was found by applying twice 10% sulfuric acid for 24 hours at room temperature.

各調製サイクルの終了時における鉄及びマンガンの値は以下に示される。   The iron and manganese values at the end of each preparation cycle are shown below.

HAIX−M(マクロ多孔性母材樹脂)について

Figure 2007518559
About HAIX-M (macroporous matrix resin)
Figure 2007518559

HAIX−G(ゲル母材樹脂)について

Figure 2007518559
* 乾燥されたハイブリッド陰イオン交換体ビーズに基づく About HAIX-G (gel matrix resin)
Figure 2007518559
* Based on dried hybrid anion exchanger beads

HAIX−Mでは約10の異なるバッチ及びHAIX−Gの五つのバッチが合成された。3サイクル後のHAIX−Mにおける鉄含量は120−175mgFe/gの間で変化したが、一方HAIX−Gにおける鉄含量は70−100mgFe/gの間であった。   For HAIX-M, about 10 different batches and 5 batches of HAIX-G were synthesized. The iron content in HAIX-M after 3 cycles varied between 120-175 mgFe / g, while the iron content in HAIX-G was between 70-100 mgFe / g.

マクロ多孔性陰イオン交換樹脂の白色が、過マンガン酸(MnO )イオンでロードする間紫に変化したことが観察された。硫酸第一鉄溶液を加えた後、樹脂の紫色は徐々に薄い茶色に変化した。均一な薄茶色は、樹脂ビーズ内部における水和酸化第二鉄またはHFOの形成の完了を特徴付ける。この段階が完了するのにおよそ4時間必要とされる。 It was observed that the white color of the macroporous anion exchange resin changed to purple during loading with permanganate (MnO 4 ) ions. After adding ferrous sulfate solution, the purple color of the resin gradually changed to light brown. A uniform light brown characterizes the completion of formation of hydrated ferric oxide or HFO inside the resin beads. Approximately 4 hours are required to complete this phase.

同様の実験計画に従い、次亜塩素酸ナトリウム(NaOCl)溶液を使用してHAIXを調製するための研究室試験が実施された。例示のために、研究室での次亜塩素酸イオン(OCl)を用いたハイブリッド陰イオン交換体粒子合成において実行される段階の詳細を以下に示す。 In accordance with a similar experimental design, a laboratory test was conducted to prepare HAIX using sodium hypochlorite (NaOCl) solution. For illustration purposes, details of the steps performed in the synthesis of hybrid anion exchanger particles using hypochlorite ions (OCl ) in the laboratory are given below.

500mg/LのNaOCl溶液で満たされた4.0リットルの容器中で、マクロ多孔性陰イオン交換体樹脂30gは30分間断続的に攪拌しながらNaOCl溶液中に浸漬された。次亜塩素酸アニオンでロードされた樹脂は、その後脱イオン水で2回すすがれた。その後、次亜塩素酸をロードした樹脂は、5.0%(w/v)の硫酸第一鉄溶液1.0リットルに浸漬され、4時間振とうされた。修飾された樹脂(ハイブリッド陰イオン交換体)は、その後脱イオン水で何度かすすがれた。   In a 4.0 liter container filled with 500 mg / L NaOCl solution, 30 g of macroporous anion exchanger resin was immersed in NaOCl solution with intermittent stirring for 30 minutes. The resin loaded with hypochlorite anion was then rinsed twice with deionized water. Thereafter, the resin loaded with hypochlorous acid was immersed in 1.0 liter of a 5.0% (w / v) ferrous sulfate solution and shaken for 4 hours. The modified resin (hybrid anion exchanger) was then rinsed several times with deionized water.

上記段階は、第2及び第3サイクルの鉄のローディングに関して繰り返された。各サイクルの後、約50mgのハイブリッド陰イオン交換体のサンプルが、鉄含量分析のために採取された。   The above steps were repeated for the second and third cycles of iron loading. After each cycle, a sample of approximately 50 mg of hybrid anion exchanger was taken for iron content analysis.

前記ハイブリッド樹脂は脱イオン水及びアセトンですすがれ、その後35℃のオーブン中で12時間乾燥された。鉄ローディングは以下のとおりであった。   The hybrid resin was rinsed with deionized water and acetone and then dried in a 35 ° C. oven for 12 hours. Iron loading was as follows:

Figure 2007518559
* 乾燥されたハイブリッド陰イオン交換体ビーズに基づく
Figure 2007518559
* Based on dried hybrid anion exchanger beads

鉄のローディングは、過マンガン酸塩と比較して次亜塩素酸塩に関して顕著に低いので、固定層カラム処理の間のHAIXの性能評価及び他の吸着の検討は、酸化剤として過マンガン酸塩を使用して得られた製造物において実行された。   Since iron loading is significantly lower for hypochlorite compared to permanganate, HAIX performance evaluation and other adsorption studies during fixed bed column processing are permanganate as oxidants. Was carried out on the product obtained using

HAIXの性能評価において、以下の実験計画が使用された。   The following experimental design was used in the performance evaluation of HAIX.

一連の固定層実験は、HAIXのAs(III)及びAs(V)の除去容量を評価するために実行された。図6には実験装置が説明されており、リザーバー20からの汚染水がポンプ22によってグラスファイバ層28上にHAIXビーズ26を含むカラム24内へとポンプで汲み上げられた。リザーバー30内の再生剤はポンプ32によってカラム内へと汲み上げられた。溶出液は、溶出液サンプルチューブ34内に収集された。   A series of fixed bed experiments were performed to evaluate the removal capacity of HAIX As (III) and As (V). FIG. 6 illustrates the experimental setup, where contaminated water from the reservoir 20 was pumped by the pump 22 into the column 24 containing the HAIX beads 26 on the glass fiber layer 28. The regenerant in the reservoir 30 was pumped into the column by the pump 32. The eluate was collected in the eluate sample tube 34.

この試験装置を用いて、HAIXのクロム酸、リン酸及び天然の有機物を除去する能力を検証するための試験も行われた。以下の結果は注目すべきものである。   Tests were also conducted using this test apparatus to verify the ability of HAIX to remove chromic acid, phosphoric acid and natural organics. The following results are noteworthy.

図7A−7Cは、ほぼ理想的な状況下における三つの分離したカラム処理に関するAs(III)溶出液履歴を与え、図7Aでは塩化物型の母材陰イオン交換体Purolite A−500Pを、図7BではHFOがロードされたマクロ多孔性陽イオン交換体を、及び図7Cではハイブリッド陰イオン交換体またはHAIXを各々用いている。縦座標(C/C)は、カラム出口において存在する流入液濃度の分率を表す。 FIGS. 7A-7C give As (III) eluate history for three separate column processes under nearly ideal conditions, in FIG. 7A the chloride-type matrix anion exchanger Purolite A-500P 7B uses a macroporous cation exchanger loaded with HFO, and FIG. 7C uses a hybrid anion exchanger or HAIX. The ordinate (C / C 0 ) represents the fraction of the influent concentration present at the column outlet.

図7Aに示されるように、母材陰イオン交換体はAs(III)を除去することができなかった。エンプティベッドコンタクトタイム(empty bed contact time、EBCT)は4.5分だった。流入溶液は100μg/LのAs(III)、170mg/LのSO 2−、90mg/LのCl、100mg/LのHCO 、を含み、pHが6.2であった。砒素はすぐに破過し、それは硫酸塩の破過よりもずっと前であった。 As shown in FIG. 7A, the matrix anion exchanger was unable to remove As (III). The empty bed contact time (EBCT) was 4.5 minutes. The influent solution contained 100 μg / L As (III), 170 mg / L SO 4 2− , 90 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 and had a pH of 6.2. Arsenic broke through immediately, long before sulfate breakthrough.

図7Bに示されるように、HFOがロードした陽イオン交換体は、層体積(bed volume)2000以上にわたってAs(III)を除去し、層体積約2500において破過濃度10μg/Lであった。このケースでは、EBCTは3.1分だった。流入液は100μg/LのAs(III)、122mg/LのSO 2−、70mg/LのCl、100mg/LのHCO 、を含み、pHが7.2であった。 As shown in FIG. 7B, the cation exchanger loaded with HFO removed As (III) over a bed volume of 2000 or more and had a breakthrough concentration of 10 μg / L at a bed volume of about 2500. In this case, the EBCT was 3.1 minutes. The influent contained 100 μg / L As (III), 122 mg / L SO 4 2− , 70 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 , and had a pH of 7.2.

図7Cで示された実験において、実験パラメータは図7Aと同様であった。すなわち、EBCTは4.5分であって、流入液は100μg/LのAs(III)、170mg/LのSO 2−、90mg/LのCl、100mg/LのHCO 、を含み、pHが6.2であった。図7Cで説明されるように、HAIXまたはHFOがロードされた陰イオン交換体は、溶出液の砒素濃度が10μg/Lに達する前に、汚染された供給水を層体積12、000近く処理した。HAIX−M(マクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換体)はHCIX−M(マクロ多孔性ハイブリッド陽イオン交換体)よりも6倍大きなAs(III)除去容量を提供した。 In the experiment shown in FIG. 7C, the experimental parameters were the same as in FIG. 7A. That is, the EBCT is 4.5 minutes and the influent contains 100 μg / L As (III), 170 mg / L SO 4 2− , 90 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 . The pH was 6.2. As illustrated in FIG. 7C, the anion exchanger loaded with HAIX or HFO treated the contaminated feed water close to 12,000 bed volumes before the eluent arsenic concentration reached 10 μg / L. . HAIX-M (macroporous hybrid anion exchanger) provided an As (III) removal capacity 6 times greater than HCIX-M (macroporous hybrid cation exchanger).

ホスト材料におけるドナン共イオン排除効果が、水和酸化鉄粒子の砒素除去容量に大きく影響するという仮説を検証するために、一つのゲル型陽イオン交換体(HCIX−G、Purolite C−100使用)及び一つのゲル型陰イオン交換体(HAIX−G、Purolite A−400使用)は、酸化鉄粒子でロードされた。続いて、二つのカラム処理が、これら二つの材料を使用して、砒素除去を目的として別々に実行された。   In order to verify the hypothesis that the donan coion exclusion effect in the host material greatly affects the arsenic removal capacity of hydrated iron oxide particles, one gel-type cation exchanger (HCIX-G, using Purelite C-100) And one gel-type anion exchanger (HAIX-G, using Purelite A-400) was loaded with iron oxide particles. Subsequently, two column processes were performed separately for the purpose of arsenic removal using these two materials.

HAIX−GのFe含量は、HAIX−G1gあたり60mgであり、HCIX−GのFe含量は、HCIX−G1gあたり70mgであった。試験は、理想的な実験条件下で行われた。空塔液体速度(superficial liquid velocity、SLV)は0.60m/hであり、EBCTは3.9分であった。流入液は、100μg/LのAs(V)、120mgのSO 2−、100mg/LのCl、100mg/LのHCO 、を含み、pHが7.3であった。 The Fe content of HAIX-G was 60 mg per 1 g of HAIX-G, and the Fe content of HCIX-G was 70 mg per 1 g of HCIX-G. The test was performed under ideal experimental conditions. The superficial liquid velocity (SLV) was 0.60 m / h and the EBCT was 3.9 minutes. The influent contained 100 μg / L As (V), 120 mg SO 4 2− , 100 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 , and had a pH of 7.3.

図8は、二つのカラム処理に関する砒素溶出液履歴を示す。ハイブリッド陽イオン交換体は、鉄含量が若干高い状態であっても事実上砒素を除去することがなかった。ハイブリッド陰イオン交換体、またはHAIXは、反対に、層体積10,000を優に超えて砒素を除去した。他の全ての状態は理想的であった。   FIG. 8 shows the arsenic eluate history for two column processes. The hybrid cation exchanger practically did not remove arsenic even when the iron content was slightly higher. The hybrid anion exchanger, or HAIX, on the contrary, removed arsenic well over a layer volume of 10,000. All other conditions were ideal.

ニューメキシコ州アルバカーキの地下水は砒素で汚染され、高レベルの溶解シリカも含んでいる。約20ガロンの汚染された地下水がアルバカーキから収集され、マクロ多孔性HAIXを用いてカラム処理が実行された。SLVは0.83m/h、EBCTは3.8分だった。流入液は、4.6μg/LのAs(V)、33mg/Lのシリカ及び0.46mg/Lの亜リン酸を含んでいた。流入液のpHは7.6であった。   Albuquerque, New Mexico's groundwater is contaminated with arsenic and contains high levels of dissolved silica. About 20 gallons of contaminated groundwater was collected from Albuquerque and column processing was performed using macroporous HAIX. The SLV was 0.83 m / h and the EBCT was 3.8 minutes. The influent contained 4.6 μg / L As (V), 33 mg / L silica and 0.46 mg / L phosphorous acid. The pH of the influent was 7.6.

図9は砒素除去に関する溶出液の履歴を示す。汚染水中に33mg/Lの溶解シリカが存在していたものの、砒素除去は非常に良好だった。シリカのカラムからの破過が層体積500以内であったのに対して、層体積7,200の後砒素の破過10ppbが観察された。   FIG. 9 shows the history of the eluate regarding arsenic removal. Although 33 mg / L of dissolved silica was present in the contaminated water, arsenic removal was very good. Arsenic breakthrough 10 ppb was observed after layer volume 7,200, while breakthrough from the silica column was within 500 layers.

砒素がロードされたHAIX−Mカラムは、pH12.4の3%NaCl及び2%NaOHの溶液を用いて、EBCT5.6分で非常に効率よく再生可能である。図10に示されるように、90%を超える砒素が層体積10以内で脱着された。   The HAIX-M column loaded with arsenic can be regenerated very efficiently in EBCT 5.6 minutes using a solution of 3% NaCl and 2% NaOH at pH 12.4. As shown in FIG. 10, over 90% of arsenic was desorbed within 10 layer volumes.

マクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換体(HAIX−M)でのカラム処理中のAs(V)及びCr(VI)の溶出液履歴を示す図11において説明されるように、砒酸塩及びクロム酸塩は同時に除去されることが可能である。ここで、EBCTは3.8分であった。流入液は代表的な供給水であり、100μg/LのAs(V)、100μg/LのCr(VI)、120mgのSO 2−、125mg/LのCl、100mg/LのHCO 、を含み、pHが7.1であった。HAIXカラムは代表的な合成供給水を与えられた。HAIXカラムは、層体積約2000まで砒素(V)及びクロム(VI)の双方を同時に除去するにあたって、非常に効率的であることが示された。 As illustrated in FIG. 11 which shows the eluate history of As (V) and Cr (VI) during column processing with a macroporous hybrid anion exchanger (HAIX-M), arsenate and chromate are It can be removed at the same time. Here, the EBCT was 3.8 minutes. The influent is a typical feed water, 100 μg / L As (V), 100 μg / L Cr (VI), 120 mg SO 4 2− , 125 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 The pH was 7.1. The HAIX column was provided with a typical synthetic feed water. The HAIX column has been shown to be very efficient in removing both arsenic (V) and chromium (VI) simultaneously up to a bed volume of about 2000.

消耗すると、カラムは2%NaOH及び3%NaClを用いて再生された。図12は、EBCT3.9においてHAIX−Mの再生の間の砒素及びクロムの濃度プロファイルを示す。砒酸塩及びクロム酸塩の脱着は非常に効率的であることが示された。   When depleted, the column was regenerated with 2% NaOH and 3% NaCl. FIG. 12 shows the arsenic and chromium concentration profiles during HAIX-M regeneration in EBCT 3.9. Arsenate and chromate desorption has been shown to be very efficient.

図13はハイブリッド陰イオン交換体を用いたリン酸の除去を説明する。HAIXカラムは他の一般的に出会うアニオンと共にリン酸を含む供給液を供給される。具体的には、流入液は4.43mg/Lのリン酸(Pとして)、90mg/LのCl、42mg/LのSO 2−、56mg/LのNO 、78mg/LのHCO 、を含み、pHが7.1であった。EBCTは3.3分であった。図13に描かれるように、Pに関する溶出液履歴は、他の競合するアニオン、すなわち塩化イオン及び硫酸塩の存在下で、選択的にリン酸を除去するHAIXの能力を確かなものとする。 FIG. 13 illustrates the removal of phosphoric acid using a hybrid anion exchanger. The HAIX column is fed with a feed solution containing phosphoric acid along with other commonly encountered anions. Specifically, the influent is 4.43 mg / L phosphoric acid (as P), 90 mg / L Cl , 42 mg / L SO 4 2− , 56 mg / L NO 3 , 78 mg / L HCO. 3 -, hints, pH was 7.1. The EBCT was 3.3 minutes. As depicted in FIG. 13, the eluate history for P confirms HAIX's ability to selectively remove phosphate in the presence of other competing anions, namely chloride and sulfate.

一つのHAIXカラムは三つの連続的なサイクルで操作された。各サイクルの後、カラムは2%NaOH及び3%NaClの溶液を用いて再生された。図14は、カナダ、オンタリオの汚染箇所から収集された地下水を用いた二つの連続的なカラム処理における砒素の溶出液履歴を示す。SLVは1.58m/hであり、EBCTは1.56分であった。流入液は430μg/LのAs、280μg/LのP、3.0mg/LのTOC、11.9mg/LのSO 2−、6.4mg/LのCl、21.9mg/LのNO を含み、pHが7.2であった。砒素溶出液履歴は本質的に同じであった。これらの結果は、HAIXが再生可能であり、砒素除去容量における大きな損失なしに、複数サイクルの再使用が可能であるという証拠を与える。 One HAIX column was operated in three consecutive cycles. After each cycle, the column was regenerated with a solution of 2% NaOH and 3% NaCl. FIG. 14 shows the arsenic eluate history in two successive column processes using groundwater collected from contaminated sites in Ontario, Canada. The SLV was 1.58 m / h and the EBCT was 1.56 minutes. The influent was 430 μg / L As, 280 μg / L P, 3.0 mg / L TOC, 11.9 mg / L SO 4 2− , 6.4 mg / L Cl , 21.9 mg / L NO. 3 - comprises, pH was 7.2. The arsenic eluate history was essentially the same. These results provide evidence that HAIX is recyclable and can be reused for multiple cycles without significant loss in arsenic removal capacity.

図15は、SLVが0.70m/h及びEBCT4.5分の状況下で、長いカラム処理の間に放出された全鉄濃度を示す。流入液は100μg/LのAs(III)、170mg/LのSO 2−、90mg/LのCl、100mg/LのHCO を含み、pHが6.2であった。カラム出口における鉄濃度は層体積15,000近傍で非常に低かった(3μg/L未満)。HAIXからの鉄の損失はその全容量(120−150 mgFe/g HAIX)と比較して無視できる(30μg/g HAIX−M)ものである。 FIG. 15 shows the total iron concentration released during long column processing under the conditions of SLV 0.70 m / h and EBCT 4.5 min. The influent contained 100 μg / L As (III), 170 mg / L SO 4 2− , 90 mg / L Cl , 100 mg / L HCO 3 and had a pH of 6.2. The iron concentration at the column outlet was very low near the bed volume of 15,000 (less than 3 μg / L). The loss of iron from HAIX is negligible (30 μg / g HAIX-M) compared to its total capacity (120-150 mg Fe / g HAIX).

経年変化及び連続使用で、アモルファスHFO粒子が次第により結晶化し、針鉄鉱、ヘマタイト等の形成に繋がるのは、ありそうなことである。しかしながら、図16A及び16Bは、新しく調製された(図16A)、及び使用された(図16B)HAIXサンプルのX線回折(XRD)パターンの比較を示す。双方のパターンは非常に似ており、非常にわずかな変化しかない。陰イオン交換体に埋め込まれたHFOナノ粒子に何らかの構造変化が起こることはなさそうである。   With aging and continuous use, it is likely that amorphous HFO particles gradually crystallize, leading to the formation of goethite, hematite and the like. However, FIGS. 16A and 16B show a comparison of the X-ray diffraction (XRD) patterns of the newly prepared (FIG. 16A) and used (FIG. 16B) HAIX samples. Both patterns are very similar, with very little change. It is unlikely that any structural changes will occur in the HFO nanoparticles embedded in the anion exchanger.

図17は本発明によるハイブリッド陰イオン交換体の、Vとしてのバナジン酸塩が3mg/L入った水道水からバナジン酸塩を除去する性能を示す。二つの溶出液履歴が示され、一つは母材陰イオン交換体に関するものであり、他方はハイブリッド陰イオン交換材料に関するものである。グラフに示されるように、バナジン酸塩はほとんどすぐに母材陰イオン交換体を通過し始めるのに対して、ハイブリッド陰イオン交換材料の場合、測定可能量のバナジン酸塩は層体積約3000の後からのみ検知され始め、層体積8000において200ppb以下のレベルに保持された。   FIG. 17 shows the ability of the hybrid anion exchanger according to the present invention to remove vanadate from tap water containing 3 mg / L of vanadate as V. Two eluate histories are shown, one relating to the matrix anion exchanger and the other relating to the hybrid anion exchange material. As shown in the graph, vanadate begins to pass through the matrix anion exchanger almost immediately, whereas in the case of a hybrid anion exchange material, a measurable amount of vanadate has a bed volume of about 3000. It started to be detected only afterwards, and was kept at a level of 200 ppb or less in a layer volume of 8000.

本発明によるハイブリッド陰イオン交換体のモリブデン酸塩除去の性能も、図18によって示されるように効果的であった。二つのカラム処理が実行され、一つは母材陰イオン交換体を使用し、他方はハイブリッド陰イオン交換体を使用し、流入液はMoとしてモリブデン酸塩が3mg/L入った水道水からなるものであった。母材陰イオン交換体では、モリブデン酸塩は層体積約100において破過し始め、層体積約300において100μg/Lのレベルから、層体積1300において約1700μg/Lのレベルまで上昇した。それに対して、ハイブリッド陰イオン交換体の場合には、モリブデン酸塩は層体積約1000まで100μg/L以下のレベルを保持し、層体積1300において約400μg/Lにだけ上昇した。   The performance of molybdate removal of the hybrid anion exchanger according to the present invention was also effective as shown by FIG. Two column processes are performed, one using a matrix anion exchanger, the other using a hybrid anion exchanger, and the influent consists of tap water containing 3 mg / L of molybdate as Mo. It was a thing. In the matrix anion exchanger, the molybdate began to break through at a layer volume of about 100, rising from a level of 100 μg / L at a layer volume of about 300 to a level of about 1700 μg / L at a layer volume of 1300. In contrast, in the case of a hybrid anion exchanger, the molybdate retained a level of 100 μg / L or less up to a layer volume of about 1000 and increased to only about 400 μg / L in the layer volume 1300.

記述されたように本発明には多くの変更が可能である。前に示されたように、リガンドの選択的除去のために広い種類のどのような陰イオン交換樹脂が使用されてよい。例えば、正に帯電した窒素原子を持つ4級アンモニウム官能基を有する強塩基陰イオン交換樹脂の代替として、例えば1級、2級または3級アミン基またはそれらの混合物を有する弱塩基有機イオン交換樹脂ビーズ、ポリスチレンまたはポリスチレン/ジビニルベンゼンマトリックスを有する有機イオン交換樹脂ビーズ、ポリアクリル酸マトリックスを有する有機イオン交換樹脂ビーズ、有機または無機膜、及びポリマー繊維または繊維状陰イオン交換材料等の、他の陰イオン交換材料が使われてよい。   As described, many modifications can be made to the present invention. As previously indicated, any of a wide variety of anion exchange resins may be used for selective removal of ligands. For example, as a replacement for a strong base anion exchange resin having a quaternary ammonium functional group with a positively charged nitrogen atom, for example, a weak base organic ion exchange resin having a primary, secondary or tertiary amine group or a mixture thereof. Other anions such as beads, organic ion exchange resin beads with a polystyrene or polystyrene / divinylbenzene matrix, organic ion exchange resin beads with a polyacrylic acid matrix, organic or inorganic membranes, and polymer fibers or fibrous anion exchange materials. Ion exchange materials may be used.

原則として、過マンガン酸塩の替わりにどのようなアニオン性酸化剤が使われてよい。例えば、前に述べた次亜塩素酸塩に加え、他のアニオン性酸化剤、例えば過硫酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩等が使用されてよい。   In principle, any anionic oxidant may be used instead of permanganate. For example, in addition to the previously described hypochlorites, other anionic oxidants such as persulfates, bromates, iodates and the like may be used.

陰イオン交換材料をアニオン性酸化剤と反応させることによって製造される中間体は、被酸化性の金属塩の溶液、好ましくは、例えば硫酸第一鉄、硫酸第一鉄アンモニウム、塩化第一鉄または酢酸鉄等の第一鉄塩と反応させられてよい。陰イオン交換材料中に析出した水和酸化鉄粒子は、例えばヘマタイト、ゲータイト、マグネタイト、及び水酸化鉄等様々な形態をとりうる。   The intermediate produced by reacting the anion exchange material with an anionic oxidant is a solution of an oxidizable metal salt, preferably ferrous sulfate, ammonium ferrous sulfate, ferrous chloride or It may be reacted with a ferrous salt such as iron acetate. The hydrated iron oxide particles precipitated in the anion exchange material can take various forms such as hematite, goethite, magnetite, and iron hydroxide.

以下のクレームに規定される本発明の範囲から逸脱せずに、さらに他の変更が上記装置及び方法に対してなされてもよい。   Still other modifications may be made to the above apparatus and method without departing from the scope of the invention as defined in the following claims.

[産業上利用性]
本発明は、水からの汚染物除去、特に飲用水、工業プロセス水、有害排水、及び工業排水の処理に、及び汚染現場の再生に適用性を有する。
[Industrial use]
The present invention has applicability in the removal of contaminants from water, particularly in the treatment of drinking water, industrial process water, hazardous wastewater, and industrial wastewater, and in the regeneration of contaminated sites.

様々な溶質の水和Fe(III)酸化物上部への結合を説明する概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the binding of various solutes to the top of hydrated Fe (III) oxide. ハイブリッド陽イオン交換体ゲルを用いたカラム処理の間の砒素の溶出液履歴のグラフである。2 is a graph of arsenic eluate history during column processing using a hybrid cation exchanger gel. なぜHFOドープされた陽イオン交換樹脂が砒素吸着容量を十分与えることができないかを説明する概略図である。It is the schematic explaining why the HFO doped cation exchange resin cannot give sufficient arsenic adsorption capacity. ハイブリッド陰イオン交換体吸着剤の調製における第一段階を説明する概略図である。It is the schematic explaining the 1st step in preparation of a hybrid anion exchanger adsorbent. ハイブリッド陰イオン交換体吸着剤の調製における第二段階を説明する概略図である。It is the schematic explaining the 2nd step in preparation of a hybrid anion exchanger adsorbent. マクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換吸着体粒子像である。It is a macroporous hybrid anion exchange adsorbent particle image. 母材ポリマービーズ切片の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image of a base material polymer bead section. ハイブリッド陰イオン交換ビーズ切片の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image of a hybrid anion exchange bead section. 固定層カラム処理及び再生試験に関する装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus regarding a fixed bed column process and a regeneration test. 塩化物型母材陰イオン交換体でのカラム処理の間の硫酸塩及び砒素に関する溶出液履歴であり、早期の砒素の破過を示す。Eluate history for sulfate and arsenic during column treatment with chloride-type matrix anion exchanger, showing early arsenic breakthrough. マクロ多孔体ハイブリッド陽イオン交換体を用いたカラム処理の間の砒素の溶出履歴のグラフである。It is a graph of the elution history of arsenic during column processing using a macroporous hybrid cation exchanger. マクロ多孔体ハイブリッド陰イオン交換体を用いたカラム処理の間の砒素の溶出履歴のグラフである。It is a graph of the elution history of arsenic during column processing using a macroporous hybrid anion exchanger. ハイブリッドゲル型陽イオン交換体及びハイブリッドゲル型陰イオン交換体における砒素の溶出液履歴を比較するグラフである。It is a graph which compares the eluate log | history of an arsenic in a hybrid gel type cation exchanger and a hybrid gel type anion exchanger. 新しく調製されたマクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換体を用いた地下水処理の間のAs(V)及びシリカ破過のプロファイルを比較するグラフである。2 is a graph comparing the As (V) and silica breakthrough profiles during groundwater treatment using a newly prepared macroporous hybrid anion exchanger. 水素陰イオン交換樹脂の典型的な再生の間の砒素濃度プロファイルを説明するグラフである。2 is a graph illustrating an arsenic concentration profile during typical regeneration of a hydrogen anion exchange resin. マクロ多孔体ハイブリッド陰イオン交換体でのカラム処理の間のAs(V)及びCr(VI)の溶出液履歴のグラフである。FIG. 4 is a graph of As (V) and Cr (VI) eluate history during column processing with a macroporous hybrid anion exchanger. マクロ多孔体ハイブリッド陰イオン交換体再生の間の砒素及びクロムの濃度プロファイルを示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing arsenic and chromium concentration profiles during macroporous hybrid anion exchanger regeneration. マクロ多孔体ハイブリッド陰イオン交換体でのカラム処理の間の亜リン酸の、及び他のアニオンの破過プロファイルを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing breakthrough profiles of phosphorous acid and other anions during column processing with a macroporous hybrid anion exchanger. 同じ汚染地下水を供給したマクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換体を用いた、二つの連続的なカラム処理の間の砒素の溶出液履歴を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the arsenic eluate history between two successive column treatments using a macroporous hybrid anion exchanger fed with the same contaminated groundwater. マクロ多孔性ハイブリッド陰イオン交換粒子を用いたカラム処理の間の溶出液中の鉄の濃度を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the concentration of iron in the eluate during column processing using macroporous hybrid anion exchange particles. 新しく調製されたハイブリッド陰イオン交換粒子のX線回折図である。FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram of newly prepared hybrid anion exchange particles. 使用されたハイブリッド陰イオン交換粒子のX線回折図である。FIG. 3 is an X-ray diffraction diagram of a hybrid anion exchange particle used. ハイブリッド陰イオン交換体及び母材陰イオン交換体に関するバナジン酸塩の溶出液履歴の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the eluate log | history of a vanadate regarding a hybrid anion exchanger and a base material anion exchanger. ハイブリッド陰イオン交換体及び母材陰イオン交換体に関するモリブデン酸塩の溶出液履歴の比較を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison of the eluate log | history of a molybdate regarding a hybrid anion exchanger and a base material anion exchanger.

符号の説明Explanation of symbols

20 リザーバー
22 ポンプ
24 カラム
26 HAIXビーズ
28 グラスファイバ層
30 リザーバー
32 ポンプ
34 溶出液サンプルチューブ
20 Reservoir 22 Pump 24 Column 26 HAIX beads 28 Glass fiber layer 30 Reservoir 32 Pump 34 Eluate sample tube

Claims (19)

選択的吸着剤を合成する方法であって、前記方法は、陰イオン交換挙動を示す材料とアニオン性の酸化剤とを反応させて中間体を製造する段階と、前記中間体と金属塩の溶液とを反応させ、前記塩は被酸化性である段階と、結果として前記酸化剤の働きにより前記中間体の範囲にわたって前記金属塩を沈殿及び分散し、吸着剤を製造する段階とを含む、選択的吸着剤の合成方法。   A method for synthesizing a selective adsorbent, comprising: reacting a material exhibiting anion exchange behavior with an anionic oxidant to produce an intermediate; and a solution of the intermediate and a metal salt. And wherein the salt is oxidizable and, as a result, precipitates and disperses the metal salt over the range of the intermediate by the action of the oxidant to produce an adsorbent. Of synthetic adsorbent. 前記陰イオン交換挙動を示す材料をアニオン性酸化剤と反応させる前記段階は、前記材料に前記アニオン性酸化剤の溶液を通過させることによって実行され、金属塩溶液を前記中間体と反応させる段階は、前記中間体に前記塩溶液を通過させることによって実行される、請求項1に記載の方法。   The step of reacting the material exhibiting anion exchange behavior with an anionic oxidant is performed by passing a solution of the anionic oxidant through the material, and reacting a metal salt solution with the intermediate The method of claim 1, wherein the method is performed by passing the salt solution through the intermediate. 金属塩溶液を前記中間体と反応させる前記段階に続いて、前記吸着剤を有機溶媒で洗浄する段階が実行される、請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1 wherein the step of reacting a metal salt solution with the intermediate is followed by washing the adsorbent with an organic solvent. 金属塩溶液を前記中間体と反応させる前記段階に続いて、前記吸着剤をアセトンで洗浄する段階が実行される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of washing the adsorbent with acetone is performed following the step of reacting a metal salt solution with the intermediate. 金属塩溶液を前記中間体と反応させる前記段階に続いて、前記吸着剤を洗浄及び乾燥する段階が実行される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of washing and drying the adsorbent is performed following the step of reacting a metal salt solution with the intermediate. 前記選択的吸着剤の調製において、陰イオン交換挙動を示す材料とアニオン性の酸化剤とを反応させる前記段階と、金属塩の溶液と前記中間体とを反応させる前記段階とが繰り返し実施される、請求項1に記載の方法。   In the preparation of the selective adsorbent, the step of reacting a material exhibiting anion exchange behavior with an anionic oxidant and the step of reacting a solution of a metal salt with the intermediate are repeated. The method of claim 1. 前記陰イオン交換挙動を示す材料はポリマー陰イオン交換樹脂である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the material exhibiting anion exchange behavior is a polymer anion exchange resin. 前記陰イオン交換挙動を示す材料が1級、2級または3級アミン基またはそれらの混合物を有する弱塩基有機イオン交換樹脂ビーズを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1 wherein the material exhibiting anion exchange behavior comprises weak base organic ion exchange resin beads having primary, secondary or tertiary amine groups or mixtures thereof. 前記陰イオン交換挙動を示す材料が正に帯電した窒素原子を持つ4級アンモニウム基を有する強塩基有機イオン交換樹脂ビーズを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the material exhibiting anion exchange behavior comprises strong base organic ion exchange resin beads having a quaternary ammonium group with a positively charged nitrogen atom. 前記陰イオン交換挙動を示す材料がポリスチレンまたはポリスチレン/ジビニルベンゼンマトリックスを有する有機イオン交換樹脂ビーズを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the material exhibiting anion exchange behavior comprises organic ion exchange resin beads having a polystyrene or polystyrene / divinylbenzene matrix. 沈殿及び分散した前記金属塩が鉄の酸素含有化合物である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the precipitated and dispersed metal salt is an oxygen-containing compound of iron. 前記金属塩溶液が第一鉄塩の溶液である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the metal salt solution is a solution of ferrous salt. 前記アニオン性酸化剤が過マンガン酸塩である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the anionic oxidant is permanganate. 前記アニオン性酸化剤が次亜塩素酸塩である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the anionic oxidant is hypochlorite. 液体からリガンドを選択的除去するための吸着剤であって、前記吸着剤は鉄の酸素含有化合物の分散粒子を含むポリマー陰イオン交換樹脂を含む吸着剤。   An adsorbent for selectively removing a ligand from a liquid, the adsorbent comprising a polymer anion exchange resin containing dispersed particles of an iron-containing compound of iron. 液体流から汚染物質を除去する方法であって、前記液体流はHFOが浸透した陰イオン交換材料を含む吸着剤と接触される方法。   A method of removing contaminants from a liquid stream, wherein the liquid stream is contacted with an adsorbent comprising an anion exchange material infiltrated with HFO. 前記汚染物質がリガンドである、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the contaminant is a ligand. 前記汚染物質は、砒酸塩、亜砒酸塩、クロム酸塩、モリブデン酸塩、亜セレン酸塩及びバナジン酸塩からなる群からの一つ以上のアニオンを含むリガンドである、請求項16に記載の方法。   17. The method of claim 16, wherein the contaminant is a ligand comprising one or more anions from the group consisting of arsenate, arsenite, chromate, molybdate, selenite and vanadate. . 前記液体流が、飲料水、地下水、工業プロセス水または工業排水の液体流である、請求項16に記載の方法。
17. The method of claim 16, wherein the liquid stream is a drinking water, groundwater, industrial process water or industrial wastewater liquid stream.
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