JP2019094221A - シリコチタネート成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1のシリコチタネート成形体の製造方法は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化タングステンの群から選ばれた少なくとも一つ以上の酸化物ゾル、シリコチタネート、及び水を混合して混合物を得た後、該混合物を成形して成形体を得、次いで該成形体を焼成して得るものである。
本発明のシリコチタネート成形体の製造方法は、微細なシリコチタネートを含むスラリーに、凝集剤を添加して凝集沈殿物を得、次いで該凝集沈殿物を成形することを特徴とするものである。
即ち、本実施形態に係るシリコチタネート成形体の製造方法は、基本的には、下記の3つの工程を含むものである。
第1工程:微細なシリコチタネートを含むスラリーを調製する工程。
第2工程:該スラリーを凝集剤で処理してシリコチタネートを含む凝集沈殿物を得る工程。
第3工程:該シリコチタネートを含む凝集沈殿物を成形する工程。
本明細書において微細なシリコチタネートとは、平均粒子径が100nm以下であるシリコチタネートを意味する。シリコチタネートの平均粒子径が100nm以下であることは、以下の方法にて確認できる。
結晶質のシリコチタネートの場合は、Cu−KαをX線源に用いてX線回折測定したときに、結晶性シリコチタネートの結晶構造である11°以上12°以下のメーンピークの半値幅からScherrerの式により求められる結晶子径を平均粒子径として確認することができる。
また、非結晶質のシリコチタネートの場合は、任意に抽出した200個の粒子をSEM写真観察して粒子径を測定し、その平均値とすることにより確認することができる。
本発明において、結晶性シリコチタネートは、一般式;A2Ti2O3(SiO4)・nH2O(式中、AはNa及びKから選ばれる1種又は2種のアルカリ元素を示す。nは0以上2以下の数を示す。)で表される結晶性シリコチタネート(以下、単に「CST」ともいう)に第5族元素Mが含有されている第5族元素M含有結晶性シリコチタネートであることがセシウムやストロンチウムに対して優れた吸着性能を有するシリコチタネート成形体を得る観点から好ましい。
本調製方法は、ケイ酸源、アルカリ金属化合物、第5族金属M源、チタン源及び水を混合して混合ゲルを製造する第A工程と、第A工程により得られた混合ゲルを水熱反応させてM−CSTを含むスラリーを得る第B工程とを有する。
(M2O5+TiO2)/SiO2=0.70〜2.50、好ましくは0.81〜2.2
A2O/SiO2=0.65〜3.50、好ましくは1.00〜3.00
H2O/SiO2=40〜180、好ましくは50〜150
これらの無機系凝集剤のうち、アルミニウム化合物が凝集効果の高い点で好ましく、アルミン酸アルカリ金属塩がより好ましい。また、シリコチタネート成形体中で結合剤としても機能するものが好ましい。これらの観点から、アルミン酸ナトリウムが特に好ましい。アルミン酸ナトリウムとしては、液体品及び粉末品のいずれを使用してもよく、凝集効果の高さや使用しやすさ等の点から酸化物換算のNaとAlとの割合であるNa2O/Al2O3モル比が1〜2.5であるものが好ましく、1.5〜2.0であるものがより好ましい。
また、乾燥時間は、重量が一定となるまで乾燥を行えばよい。多くの場合は、乾燥時間は1時間以上、好ましくは1〜24時間である。乾燥は大気等の酸化雰囲気下、不活性ガス雰囲気や真空下等で行うことができる。
<主な測定装置>
・X線回折:Bruker社 D8 AdvanceSを用いた。線源としてCu−Kαを用いた。測定条件は、管電圧40kV、管電流40mA、走査速度0.1°/secとした。
・ICP−MS:Agilent社7500Sを用いた。標準試料として、NaClを0.13質量%含有したCs:1000質量ppb、Sr:400質量ppbの水溶液、NaClを0.13質量%含有したCs:500質量ppb、Sr:200質量ppbの水溶液及びNaClを0.13質量%含有したCs:100質量ppb、Sr:100質量ppmの水溶液を使用した。
・XRF:RIGAKU社波長分散型蛍光X線分析装置ZSX100eを用いた。
・タップ密度:粉体密度測定器を用い、直径2cm、体積容量50cm3の円筒状タップセルに、試料(シリコチタネート成形体)を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長3mmのタップを800回行なって、その時の体積と試料の重量から求めた密度として定義した。
・BET比表面積: カンタクローム社製 NOVA4200e を用い、BET多点法により測定した。測定用のガスとしては窒素を用いた。
<第1工程>
(1)第A工程
3号ケイ酸ソーダ(日本化学工業株式会社製、SiO2:28.9質量%、Na2O:9.3質量%、H2O:61.8質量%)1800g、25質量%苛性ソーダ水溶液6635g、及びイオン交換水10463gを混合し撹拌して混合水溶液を得た。この混合水溶液に、水酸化ニオブ400g(Nb2O5:76.5質量%)を加えて撹拌混合した後、36.3質量%四塩化チタン水溶液3400gをマスターフレックスポンプで0.5時間にわたり連続的に添加してニオブ含有混合ゲルを製造した。当該ゲルは、四塩化チタン水溶液の添加後、1時間にわたり室温(25℃)で静置熟成した。
第1工程で得られたニオブ含有混合ゲルをオートクレーブに入れ、1時間かけて190℃に昇温したのち、この温度を維持しながら撹拌下に18時間水熱反応を行って反応液(固形分10質量%、25℃におけるpH13.1)22698gを得た。この反応液を微細なシリコチタネートを含むスラリーの試料とした。反応液に含まれる微細なシリコチタネートの平均粒子径が100nm以下であることは上記方法にて確認した。
また、反応液の一部を採取し、固形分をX線回折分析した結果、固形分はX線回折的に単相のNa2Ti2O3(SiO4)・2H2Oである結晶性シリコチタネート(CST)であり、XRFでの組成分析の結果、NbをNb2O5基準で17質量%含有する結晶性シリコチタネート(Nb−CST)であることを確認した。また、CSTの結晶構造である11°以上12°以下のメーンピークの半値幅からScherrerの式により求めた結晶子径は23.8nmであった。また、反応液に含まれる固形分のX線回折図を図1に示す。図1に示すように、2θ=5°以上80°以下のメーンピークとして、11°以上12°以下の範囲にCSTの結晶構造に由来するメーンピークが観察されたほか、14.5°以上15.5°以下、27.5°以上28.5°以下、34°以上35°以下、及び、17°以上18°以下の各範囲にCSTの結晶構造に由来するピークが観察された。また、2θ=5°以上80°以下の範囲において、CST以外の成分に由来するピークの高さは、CSTの結晶構造に由来する前記のメーンピークの高さに対して10%以下であった。
<第2工程>
第1工程で得られた反応液12000gに対して、浅田化学工業株式会社製アルミン酸ナトリウム♯2019(Al2O3:20質量%、Na2O:19質量%)の10質量倍希釈水溶液420gを添加し、室温で1時間撹拌して凝集沈殿物を含む処理液を得た。
次いで、フィルタープレス(圧搾付)を用いて濾過して凝集沈殿物を回収して凝集沈殿物の含水量が49.2質量%のものを調製した。なお、フィルタープレスでの通液時間はろ過性に優れていたため39分で処理することができた。
<第3工程>
次いで、含水量を調整した凝集沈殿物を真円換算径0.8mmのスクリーンを先端部に備えたダルトン社製湿式押出造粒機マルチグランMG−55に投入して押出成形した。次いでスクリーンから押し出された成形品を、大気雰囲気下、110℃で12時間乾燥し、分級して粒度が425μm以上850μm以下のシリコチタネート成形体を得た。
第2工程でアルミン酸ナトリウム水溶液を添加しなかった以外は実施例1と同様にして、粒度が425μm以上850μm以下のシリコチタネート成形体を得た。
なお、第2工程でのフィルタープレスでの濾過は、濾過性が悪く通液時間は90分以上かかった。
実施例1の第1工程で得られた反応液12000gに対して、浅田化学工業株式会社製アルミン酸ナトリウム♯2019(Al2O3:20質量%、Na2O:19質量%)の10質量倍希釈水溶液420gを添加し、室温で1時間撹拌して凝集沈殿物を含む処理液を得た。次いで凝集沈殿物を含む処理液に有機系結合剤の微小繊維セルロースを4.2g添加し室温で1時間撹拌した以外は、実施例1と同様にして、粒度が425μm以上850μm以下のシリコチタネート成形体を得た。
なお、第2工程でのフィルタープレスでの通液時間は、濾過性が良く27分で処理することができた。
実施例1の第1工程で得られた反応液12000gに対して、浅田化学工業株式会社製アルミン酸ナトリウム♯2019(Al2O3:20質量%、Na2O:19質量%)の10質量倍希釈水溶液420gを添加し、室温で1時間撹拌して凝集沈殿物を含む処理液を得た。次いで凝集沈殿物を含む処理液に無機系結合剤の水酸化ジルコニウムを109g添加し室温で1時間撹拌した。次いで実施例1と同様にして含水量を調整した凝集沈殿物を得た。含水量を調整した凝集沈殿物を、真円換算径0.5mmのスクリーンを先端部に備えたダルトン社製湿式押出造粒機マルチグランMG−55に投入して押出成形した。次いでスクリーンから押し出された成形品を、大気雰囲気下、110℃で12時間乾燥し、分級して粒度が300μm以上600μm以下のシリコチタネート成形体を得た。
なお、第2工程でのフィルタープレスでの通液時間は濾過性がよく30分で処理することができた。
各実施例及び比較例1で得られたシリコチタネート成形体のタップ密度、BET比表面積を測定した。また、シリコチタネート成形体の安定性を評価した。
シリコチタネート成形体の安定性の試験は、シリコチタネート成形体5gを200mLビーカーに入れ、脱塩水を100mL加え、10秒間超音波洗浄機で35Wで処理し、処理後にシリコチタネート成形体に微粉が発生したり、崩れがないかを目視で観察した。表1中の記号は下記のことを示す。
×:脱塩水を加えると成形体の崩れが見られ、超音波処理中に脱塩水に酷い濁りが観察された。
○:脱塩水を加えると成形体の割れが見られ、超音波処理中に脱塩水に僅かな濁りが観察された。
◎:脱塩水を加えても成形体の割れが見られず、超音波処理中に脱塩水はほぼ濁りが観察されない。
カラムとして内径φ12mmのものを用いた。このカラムに高さが9cm(容積10ml)となるように、実施例及び比較例で得られたシリコチタネート成形体試料を充填した。カラムに、下記組成の模擬海水を通液した。通液流量は、5.0(ml/min)、LV=2.8(m/h)、SV=30(1/h)とした。定期的にサンプリングした試験液におけるセシウム濃度とストロンチウム濃度をICP−MSにて測定し、初期濃度C0に対する通液後濃度Cの比率(C/C0)を求めた。縦軸にC/C0で表される数値を示し、横軸に前記の容量10mlに対する模擬海水の総通液容量(B.V.)を示した結果を図2及び図3に示す。また、市販のゼオライト成形体についても、同様にカラム吸着試験を実施し、比較例2としてその結果を図2及び図3に併記した。なお、市販のゼオライト成形体としては、市販のA型ゼオライト(Si/Alモル比1.0、カチオン種:Na)を粉砕した後、篩を使用して300μm以上、600μm以下の粒子となるように調製した。
模擬海水の組成:NaCl:0.13質量%、Mg:54質量ppm、Ca:80質量ppm、K:17質量ppm、Cs:1質量ppm、Sr:0.33質量ppm、pH7
Claims (8)
- 微細なシリコチタネートを含むスラリーに、凝集剤を添加して凝集沈殿物を得、次いで該凝集沈殿物を成形する、シリコチタネート成形体の製造方法。
- 凝集剤が無機系凝集剤である、請求項1に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- 無機系凝集剤がアルミン酸ナトリウムである、請求項2に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- スラリーに含有される微細なシリコチタネートの平均粒子径が、100nm以下である、請求項1乃至3の何れか一項に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- スラリーに含有される微細なシリコチタネートが、結晶性シリコチタネートである請求項1乃至4の何れか一項に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- 結晶性シリコチタネートが、一般式;A2Ti2O3(SiO4)・nH2O(式中、AはNa及びKから選ばれる1種又は2種のアルカリ元素を示す。nは0以上2以下の数を示す。)で表される結晶性シリコチタネートに第5族元素Mが含有されている第5族元素M含有結晶性シリコチタネートである、請求項5に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- 微細なシリコチタネートを含むスラリーが、ケイ酸源、アルカリ金属化合物、チタン源、水及び第5族元素M源を混合して混合ゲルを得、次いで該混合ゲルを水熱反応させて得られる水熱反応終了後の反応液である、請求項1乃至6の何れか一項に記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
- チタン源が四塩化チタンである請求項7記載のシリコチタネート成形体の製造方法。
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