JP2019089043A - 金属イオン吸着材及びこれを用いた複合吸着材 - Google Patents
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チタン酸アルカリ金属塩としてチタン酸ナトリウム塩を使用した。チタン酸ナトリウム塩は、炭酸ナトリウム(大東化学株式会社製)及び酸化チタン(テイカ株式会社製)、フラックス剤となる硝酸ナトリウム(宇部興産株式会社製)を混合後、匣鉢に充填して蓋をして密封し、600℃で加熱し結晶育成した。その後、適宜の水洗を経てチタン酸ナトリウム塩の結晶性微粒子を調製した(当該調製物がフラックス法により結晶育成したチタン酸ナトリウム塩である。)。結晶性微粒子については、レーザー回折・散乱式 粒子径・粒度分布測定装置(株式会社島津製作所製:SALD−3000S)により測定した。平均粒径は、同測定装置を用いてレーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径とした。
三井化学株式会社製:ケミパール(登録商標)M200(濃度40%)(低密度ポリエチレン)
{以降、E1と表記する。}
三井化学株式会社製:ケミパールA100(エチレン−αオレフィン共重合体)
{以降、E2と表記する。}
三井化学株式会社製:ケミパールV200(エチレン酢酸ビニル共重合体)
{以降、E3と表記する。}
三井化学株式会社製:ミベロン(登録商標)(高分子量ポリエチレン)
{以降、E4と表記する。}
住友精化株式会社製:フローセン(登録商標)UF−1.5(微粉末ポリエチレン)
{以降、E5と表記する。}
続いて、他のバインダーとして下記の種類を使用した。
和光純薬工業株式会社製:水ガラス(溶質濃度52%)
{以降、C1と表記する。}
日産化学工業株式会社製:スノーテックO(粒子径10〜20nm,pH2〜4)(コロイダルシリカ)
{以降、C2と表記する。}
旭硝子株式会社製:FLUON(登録商標)(ポリテトラフルオロエチレン)
{以降、C3と表記する。}
多木化学株式会社製:第一リン酸アルミニウム
{以降、C4と表記する。}
日本合成化学工業株式会社製:ゴーセノール(登録商標)N−300(ポリビニルアルコール)
{以降、C5と表記する。}
表1〜4に開示の各試作例のとおり、チタン酸ナトリウム塩結晶と各種のバインダーとの混合により、金属イオン吸着材を調製した。そして、各試作例の吸着剤の強度指数及び金属イオンごとの吸着率を測定した。
また、表5〜8に示す通り、各試作例の吸着剤10部と活性炭90部とを混合して複合吸着剤とし、各試作例の初期微粉量及び溶解性鉛の除去性能を測定した。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、低密度ポリエチレン(E1)のエマルジョン0.5kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例1)とした。試作例1では、チタン酸ナトリウム塩重量の6.7重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン−αオレフィン共重合体(E2)のエマルジョン0.5kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例2)とした。試作例2では、チタン酸ナトリウム塩重量の6.7重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン0.5kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例3)とした。試作例3では、チタン酸ナトリウム塩重量の6.7重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン0.6kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例4)とした。試作例4では、チタン酸ナトリウム塩重量の8.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン0.8kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例5)とした。試作例5では、チタン酸ナトリウム塩重量の10.6重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、高分子量ポリエチレン(E4)の粉末0.5kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例6)とした。試作例6では、チタン酸ナトリウム塩重量の16.7重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、微粉末ポリエチレン(E5)の粉末0.5kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例7)とした。試作例7では、チタン酸ナトリウム塩重量の16.7重量%がバインダー重量に相当する。
水ガラス(C1)20gをイオン交換水100mLに溶解して水ガラス液とした。フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム塩60gに、この水ガラス液100mLを噴霧して均一に混合した。当該混合物を150℃で2時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例8)とした。試作例8では、チタン酸ナトリウム塩重量の18.5重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム塩60gに、コロイダルシリカ(C2)(溶質20%に希釈)のエマルジョン100mLを噴霧して均一に混合した。当該混合物を150℃で2時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例9)とした。試作例9では、チタン酸ナトリウム塩重量の20.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム塩60gに、ポリテトラフルオロエチレン(C3)(溶質濃度60%)のエマルジョン12.5mLを噴霧して均一に混合した。当該混合物を150℃で2時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例10)とした。試作例10では、チタン酸ナトリウム塩重量の12.5重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム塩60gに、第一リン酸アルミニウム(C4)(溶質濃度41.5%)の溶液50mLを噴霧して均一に混合した。当該混合物を150℃で2時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例11)とした。試作例11では、チタン酸ナトリウム塩重量の25.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、ポリビニルアルコール(C5)の粉末0.4kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例12)とした。試作例12では、チタン酸ナトリウム塩重量の13.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン0.3kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例13)とした。試作例13では、チタン酸ナトリウム塩重量の4.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン0.4kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例14)とした。試作例14では、チタン酸ナトリウム塩重量の5.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、エチレン酢酸ビニル共重合体(E3)のエマルジョン1.6kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例15)とした。試作例15では、チタン酸ナトリウム塩重量の21.6重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、微粉末ポリエチレン(E5)の粉末0.15kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例16)とした。試作例16では、チタン酸ナトリウム塩重量の5.0重量%がバインダー重量に相当する。
フラックス法結晶育成のチタン酸ナトリウム3.0kgに、微粉末ポリエチレン(E5)の粉末0.66kgを加え、均一に混合した。当該混合物を120℃で4時間かけて加熱乾燥した。その後、80/300メッシュ(上網目開き0.180mm、下網目開き0.045mm)の篩に通し、篩に残った混合物を金属イオン吸着材(試作例17)とした。試作例17では、チタン酸ナトリウム塩重量の22.0重量%がバインダー重量に相当する。
100ccのステンレス製ポットに直径5mmの鉄球5つと各試作例を5.0gを充填し、微粉粉砕機で4分間振動させた。粉砕したサンプルを取り出し、330メッシュ(目開き0.045mm)の網で篩い、試料全量当たりの篩上の残量の割合から、強度指数を算出した。
強度指数(%)=篩上残量(g)/篩った試料全量(g)×100
測定対象として、Pb、Fe、Mn、Zn、Cu、及びCdの6種類の金属塩を用意した。各金属イオン濃度を100μg/Lとしてイオン交換水中に溶解して、6種の金属イオンを含有する試験原液を調製した。水中の金属イオン量の測定に際し、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社,原子吸光光度計(iCE3000シリーズ)を使用した。
吸着率Ads(%)=〔1−{(試験原液濃度Ds−吸着後濃度Da)/試験原液濃度Ds}〕×100
発明者は、前述のとおり試作例に開示の金属イオン吸着材が各種金属イオンの良好な吸着能力を示すことを明らかにした。この結果を踏まえ、金属イオン吸着に有効なチタン酸ナトリウム塩と、既存の吸着材として多用されている活性炭とを組み合わせて複合吸着材を作成した。当該複合吸着材について実際の浄水器における使用を想定し、通水に伴う微粉末の発生、水道水(上水)の評価項目であるPb(鉛イオン)の吸着性能により、複合吸着材の良否を検討した。各試作例の調製により得た金属イオン吸着材10gと、前出の粒状活性炭(CN5100S)90gを均一に混合して複合吸着材を作成した。直径40mmのステンレス製のカラムに該複合吸着材を54cc充填して濾過部材を作成した。
各試作例を含む各濾過部材に、RO水を2.0L/min(SV:2222hr-1)の流速で通水した。通水初期(通水開始から)の濾過部材を通過した水を100mL採取し、採取した水の吸光度を分光光度計(株式会社島津製作所製:UVmini−1240、波長660nm、100mmセル使用)により吸光度を求めた。当該吸光度が低いほど透明であり、高くなると濁りが増す。
各試作例を含む各濾過部材に、50ppbの溶解性鉛を含む原水を調製し、2.0L/min(SV:2222hr-1)の流速で通水した。濾過部材による溶解性鉛(鉛イオン)の除去率を測定し、除去率が80%となった時点の通水量を複合吸着材の充填量(54cc)で割った値を性能値(L/cc)として測定した。
溶解性鉛の除去性能(L/cc)=除去率が80%となった時点の通水量(L)/複合吸着材の充填量(54cc)
強度指数(%)が、86.0以上を「A」とし、80.0〜85.9を「B」とし、79.9以下を「C」とした。
金属イオン吸着率(%)が、全て90%以上のものを「A」とし、1〜3種類が90%未満のものを「B」とし、4種全て90%未満のものを「C」とした。
初期微粉値(ABS)が、0.230以下のものを「A」とし、0.231〜0.300のものを「B」とし、0.301以上のものを「C」とした。
溶解性鉛の除去性能(L/cc)が、34.0以上のものを「A」とし、22.0〜33,9のものを「B」とし、21.9以下のものを「C」とした。
総合評価は、上記の4項目すべてが「A」のものを最良品として「◎」とし、「◎」以外のもののうち「C」がないものをを良品として「○」とし、「C」が1でもあれば「△」とし、4項目すべてが「C」のものを「×」とした。
バインダーとしてポリエチレン系樹脂バインダーを使用していない試作例8〜12のいずれも強度指数が「C」であり満足できる水準に達していない。このことから、チタン酸ナトリウム塩同士と結着して壊れにくい造粒物となる部材は、試作例1〜7に開示のとおり、ポリエチレン系樹脂バインダーである。
試作例10〜12のいずれも金属イオンの吸着性能を示しつつも、満足できる水準に達しない。また、バインダー量を多くした試作例15及び17の結果も同様であることから、試作例3〜5及び14の吸着性能を鑑み、一定の吸着性能を確保する観点から、ポリエチレン系樹脂バインダーの配合量の上限が20.0重量%であると考えられる。
試作例8〜14及び16のいずれも初期微粉量が満足できる水準に達しない。試作例1〜7,15及び17の結果から、ポリエチレン系樹脂バインダーは微粉末の発生を抑制して良好であることを示した。濾過部材(複合吸着材)を構成する金属イオン吸着材に使用されるバインダーの種類はポリエチレン系樹脂バインダーが望ましく、その配合量の下限が6.0重量%以上であることが望ましいことが確認された。このことから、従来から浄水器に多く使用されている活性炭に、金属イオン吸着性能を備えた金属イオン吸着材(チタン酸アルカリ金属塩の粒状物)が組み合わされることによって吸着(濾集、捕集)対象を容易に広げることができる。
試作例10〜12及び15〜17のいずれも溶解性鉛(鉛イオン)の吸着(除去)性能を示しつつも、満足できる水準に達しない。また、試作例1〜4のいずれも良好な結果を示していることから、濾過部材(複合吸着材)を構成する金属イオン吸着材に使用されるポリエチレン系樹脂バインダーの中でも、特にポリエチレン、エチレン−αオレフィン共重合体、又はエチレン酢酸ビニル共重合体とすると良好な結果が得られることが明らかとなった。バインダー量を多くした試作例15,17では結着力の向上により微粉末の発生は抑制される。しかし、その分、吸着性能は低下する。逆に、バインダー量を少なくした試作例13,14では、微粉末の発生が増加した。
各試作例の比較から、金属イオン吸着材に使用されるバインダーの種類において、ポリエチレン系樹脂バインダーの有効性が示され、特には、ポリエチレン、エチレン−αオレフィン共重合体、又はエチレン酢酸ビニル共重合体が使用されると、より良い結果となる。また、試作例1〜5と試作例6及び7とを比較すると、バインダーがエマルジョンの形態であると、強度指数、金属イオンの吸着性能、微粉量及び溶解性鉛の除去性能のいずれにおいても良好な結果を示した。これは、バインダーがエマルジョンの形態であることによって、金属イオン吸着材の結晶性微粒子とバインダーがなじみやすく、ムラなく混合されるためであると考えられる。
Am 金属イオン吸着材
M 複合吸着材
10 濾過部材
11 容器本体
12 蓋部
14 導水部
16 透過孔
20 浄水器
21 切換部
23 濾過チャンバー
25 蛇口
Claims (8)
- フラックス法を用いて結晶育成したチタン酸アルカリ金属塩の結晶性微粒子と、
前記結晶性微粒子の6〜20重量%に相当する重量のポリエチレン系樹脂バインダーとの混合によりなる結晶性微粒子混合物である
ことを特徴とする金属イオン吸着材。 - 前記チタン酸アルカリ金属塩がチタン酸ナトリウム塩である請求項1に記載の金属イオン吸着材。
- 前記チタン酸ナトリウム塩の結晶育成に際し、フラックス剤が硝酸ナトリウムである請求項2に記載の金属イオン吸着材。
- 前記結晶性微粒子の平均粒子径が1〜100μmである請求項1ないし3のいずれか1項の金属イオン吸着材。
- 前記ポリエチレン系樹脂バインダーがエマルジョンの形態である請求項1ないし4のいずれか1項の金属イオン吸着材。
- 前記ポリエチレン系樹脂バインダーが、ポリエチレン、エチレン−αオレフィン共重合体、又はエチレン酢酸ビニル共重合体である請求項1ないし5のいずれか1項の金属イオン吸着材。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の結晶性微粒子混合物と、活性炭とを含有することを特徴とする複合吸着材。
- 請求項7に記載の複合吸着材を有してなることを特徴とする濾過部材。
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