JP4297783B2 - 高濃度ヒドロキシルアミンの改良された製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒドロキシルアミンの製造方法、特にイオン交換樹脂を利用する方法に関する。更に、本発明では、種々の処理工程を用いて、ヒドロキシルアミンの濃縮溶液が精製された状態で得られる。
本発明は、発明の詳細な説明と共に取り込まれる以下の図面に基づいて容易に理解されるものであり、且つ
図1は、25.4mm(1インチ)のイオン交換カラムを用いる本発明によるヒドロキシルアミン(HA)およびNH3の流出液濃度を図示したものであり、
図2は、HA水溶液再利用工程の効果をもたらす時間に対する本発明によって得られるヒドロキシルアミン(HA)生成物濃度を図示したものであり、
図3は、再利用HA溶液を用い且つ用いることなく、本発明によってHAの製造中における時間に対する内部カラム温度を図示したものであり、
図4は、本発明によるHA製造における流出液濃度の分布を図示したものであり、
図5は、57質量%HA溶液の自己加熱速度に対するCDTA安定化剤の効果を図示した説明図である。
本発明は、H+、NH4 +、金属およびスルフェートの各イオン等のヒドロキシルアンモニウムイオンおよびイオン性汚染物質を含む水溶液からヒドロキシルアミンを製造するイオン交換法に関する。
ヒドロキシルアンモニウムイオンおよびイオン性不純物、例えば硫酸塩または硝酸塩の不純物を含む供給溶液を、イオン交換工程中に、カチオン交換樹脂からなるカラムに給送し、これに通過させる。供給溶液は、他のイオン性汚染物質、例えば水素イオン、アンモニウムイオン、金属イオン、硫酸塩イオン(スルフェートイオン)、硝酸塩イオン(ニトレートイオン)、塩化物イオン、およびリン酸塩イオン(ホスフェートイオン)を含んでいても良い。含まれる供給汚染物質の種類および量は、ヒドロキシルアンモニウムイオン含有供給物の製造に用いられる方法に大きく依存している。しかしながら、一般に、20〜40質量%のヒドロキシルアンモニウム塩を含む供給水溶液、例えば30〜35質量%のヒドロキシルアンモニウムスルフェート(HAS)溶液を樹脂カラムに供給し、そして通過させて、ヒドロキシルアンモニウムイオン充填樹脂(hydroxylammonium ion loaded resin)を形成する。
上記に示したように、イオン交換カラムの温度は、最終手段中、すなわち塩基溶液によるヒドロキシルアミンの脱離中に発生する交換の発熱に起因して、制御される必要がある。これは、得られた精製ヒドロキシルアンモニウムイオン充填樹脂をヒドロキシルアミン(HA)水溶液で洗浄することによって達成される。このHA水溶液は低濃度溶液であり、一般に25〜34質量%のHAである。
脱離工程の目的は、イオンを含むイオン交換カラムに脱離剤溶液を供給して、カチオン交換樹脂結合部位でヒドロキシルアンモニウムイオンを優先的に取り除き、これにより、ヒドロキシルアミンを樹脂およびカラムから流出させることである。上述したように、有用な脱離剤として、1価のアミン塩基、水酸化物塩基、またはこれらの組み合わせが好ましい。
リンス工程は、2種類の機能を果たす。それは、ヒドロキシルアミンをカラムから移動させ、そしてイオン交換カラムから流出流に移動させ、そしてイオン交換カラムを次のイオン交換工程に用いるために調製する。リンス工程を制御する最も重要な側面は、ヒドロキシルアミン含有イオン交換カラム流出流生成物を集め始める時期およびヒドロキシルアミン含有イオン交換流出流生成物の収集を中止する時期を決定して、ヒドロキシルアミン生成物の体積および濃度を最大限にする一方、収集生成物中の汚染物質を最小限にすることである。リンス水の温度および速度等のリンスパラメータを厳密に制御し、そして密度、伝導性およびpH等のイオン交換カラム流出流パラメータをモニターすることによって、純度を最大にすることが可能であり、そしてリンス工程中にイオン交換カラムから放出する流出流中のヒドロキシルアミン濃度を最大にすることも可能である。
例えば、以下の工程:
(a)ヒドロキシルアンモニウムイオン、水素イオン、アンモニウムイオン、金属イオンおよびアニオン性汚染物質を含む供給用水溶液を、少なくとも1種のスルホン化カチオン交換樹脂を含むイオン交換カラムに供給する工程、
(b(i))イオン交換カラム流出伝導率が約200mS/cm(200mMhos/cm)を超える場合、供給用水溶液の供給を中止し、およびイオン交換カラムへの水の供給を開始して、第1イオン交換カラム洗浄水流出流を得る工程、
(b(ii))イオン交換カラム流出伝導率が約0mS/cm(0mMhos/cm)に達した場合、工程(b)における水の供給を中止する工程、
(c)ヒドロキシルアミン水溶液をイオン交換カラムに供給して、水供給物における本質的に全ての水をカラムから取り除く工程、
(d(i))アンモニア濃度が少なくとも40質量%の水酸化アンモニウム水溶液をイオン交換カラムに供給する工程、
(d(ii))充分な量が添加された場合、水酸化アンモニウム水溶液の供給を中止して、ヒドロキシルアミンを完全に脱離させる工程、
(e(i))リンス水給送物をイオン交換カラムに供給する工程、
(e(ii))流出液の密度が約1.085g/cm3を超えた場合、イオン交換カラムから発散し、実質的に純粋なヒドロキシルアミンからなり且つ実質的にアニオン性汚染物質を含まない水系流である生成物流を集める工程、
(e(iii))流出液の密度が約1.075g/cm3未満に低下した場合に生成物流の収集を中止する工程、
(e(iv))イオン交換カラムへのリンス水の供給を中止する工程、
を含むヒドロキシルアミンの製造方法が好ましい。
上記製造方法の好ましい態様は以下の通りである。
(1)工程(a)から(e(iv))までが10〜70℃のカラム温度で行われる。
(2)工程(a)から(e)(iv))までが、工程(e(iv))におけるリンス水の供給を中止した後に循環法で繰り返される。
(3)上記方法が、連続擬移動床イオン交換装置において達成される。
例えば、それぞれのイオン交換カラムがスルホン化カチオン交換樹脂で充填されている少なくとも5個のイオン交換領域を含む連続擬移動床イオン交換装置を用いるヒドロキシルアミンの濃縮および製造方法であって、
(a)ヒドロキシルアンモニウムイオン、水素イオン、アンモニウムイオン、金属イオンおよびアニオン性汚染物質からなる第1の濃縮物を含む供給用水溶液を第1のイオン交換領域に供給して、ヒドロキシルアンモニウムイオンで充填されているスルホン化カチオン交換樹脂を形成する工程、
(b)洗浄水を、ヒドロキシルアンモニウムイオンで充填されているスルホン化カチオン交換樹脂を含む第2のイオン交換領域に供給して、第1のイオン交換カラム洗浄水流出流を得る工程、
(c)ヒドロキシルアミン水溶液を、そこに結合している水を有するスルホン化カチオン交換樹脂を含む第3のイオン交換領域に供給して、第2のイオン交換カラム流出流を得る工程、
(d)アンモニア濃度が少なくとも40質量%の水酸化アンモニウム水溶液を、そこに結合しているヒドロキシルアンモニウムイオンを有するスルホン化カチオン交換樹脂を含む第4のイオン交換領域に供給し、第3のイオン交換領域流出液を集める工程、
(e)リンス水給送物を第5のイオン交換領域に供給して、第4のイオン交換領域生成物流を得る工程、および
(f)流出液の密度が約1.085g/cm 3 を超えた場合、第4のイオン交換領域のものを集め、流出液の密度が約1.075g/cm 3 未満に低減した場合、第4のイオン交換領域流出液流の収集を中止して、供給用水溶液中における第1のヒドロキシルアミン濃度より高い濃度の第2のヒドロキシルアミン濃度を有し且つ実質的にアニオン性汚染物質を含まない水系のヒドロキシルアミン生成物を得る工程、
含むことを特徴とする方法が好ましい。
上記の各工程の間に、容器を冷却するために、該容器をプロピレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコールと水、エチレングリコールと水およびこれらの混合物から選択される冷却液で冷却して、容器の温度を10〜70℃で維持する工程をさらに含むことが好ましい。
また、冷却前に、冷却液をシクロヘキサンジアミノテトラ酢酸、チオ尿素、4,8−ジヒドロキシキノリン−2−カルボン酸等、およびこれらの混合物から選択される金属キレート化剤で前処理し、これに金属イオン汚染物質を結合させて、冷却液から汚染物質を除去することが好ましい。
485cm3のローム&ハス社のアンベルジェット(登録商標)1500樹脂を備える直径25.4mm(1インチ)×長さ957.58mm(37.7”インチ)の(PFA)カラムを用い、実施例1及び2では本発明を説明する。この樹脂を、40%の硫酸で前処理して、樹脂における金属を除去し、そして14%のNH3水溶液を用いてNH4型に交換した。35質量%の水性HAS供給物をカラムに16cm3/分の流速で14分に亘ってポンプ注入した。次いで、17cm3/分の流速で54分に亘って水洗浄した。水洗浄の最後に、再利用(再循環、リサイクル)HA水溶液(34質量%)を16cm3/分の流速で8分に亘ってカラムに給送し、次いでNH3水溶液(45質量%)を17cm3/分の流速で5分に亘って導入した。その直後に、水でのリンスを16cm3/分の流速で53分に亘って行った。流出液流のサンプルを2分ごとに集めた。生成物回収領域におけるHA及びNH3の濃度を、図1に示すように、吸着床の体積に対して記入した。なお、実施例1及び2は同じ条件で試験を行った。比較として、再利用HA溶液の添加を用いなかったことを除いて、上述した一般的な条件下でテストランを行った。再利用HAを使用し及び再利用HAを使用しない流出流の生成物濃度を図2において比較した。再利用HA溶液を用いた内部カラム温度の低下を図3に示す。
実施例1及び2に記載されている一般的な手順により、101.6mm(4インチ)−PFAライン化カラムを用いた。HAS供給物の流速は240cm3/分であり、洗浄水及びリンス水は240cm3/分であり、再利用HAは220〜240cm3/分であり、そして水性NH3は160〜220cm3/分であった。HASを16分間に亘って給送し、一方、洗浄水及びリンス水をそれぞれ52分及び50分に亘って給送した。質量計を用いて、再利用HA及び水性NH3に用いられた質量をモニターした。これらの実施例に使用されたパラメータを以下の表1にまとめた
38〜42質量%のHA濃度及び2〜3質量%のNH3濃度を含む回収可能な生成物カット(留分)を、2L(リットル)のロータリエバポレータに移した。これらの実施例の場合、約1200〜1400グラムの溶液を70ppmのCDTA安定化剤と共に最初に添加し、そしてエバポレータに移した。機械式ポンプを用いて、装置の空気を抜き、一方、エバポレータの凝縮器を水冷却剤で約4℃の温度にて冷却した。ストリップ処理の最後で、HA濃度を少々増大させた。ストリップテストの結果を以下の表4にまとめる。生成物カットとストリップ処理により回収されたHAの両方から得られた生成物の結合(組み合わせ)により、正味の生成物の効率(収率)は、以下の表5に示すように実質的に増大した。
上述した実施の形態により製造されたヒドロキシルアミン溶液を、NH4+−型のカチオン交換樹脂(ローム&ハス社のアンベルジェット1500)で処理した。HA溶液を100ppmの濃度レベルにてCDTAで安定化させた。この溶液を15cm3/分の流速で、300cm3のカチオン交換樹脂(ローム&ハス社のアンベルジェット4200)を具備する25.4mm(1インチ)のカラムにポンプ注入した。この樹脂を硫酸で前処理して金属を除去し、その後、Cl型からOH型に交換した。流出液のHAを、ICP−MS法で分析した(実施例14)。分析結果を最初のHA溶液と比較し、カチオン交換樹脂(ローム&ハス社のアンベルジェット1500(NH4 +))及び18メガオームの水による流出液表6に示す。
HA遊離塩基の製造において、プロピレングリコール等の冷却液を種々の処理流の冷却に使用した。冷却液を濃縮HAを含む処理流へ漏出することにより、冷却液中の金属不純物が高い場合、望まない効果を引き起こすことがある。市販のプロピレングリコールが数種類の基本的な金属に対して分析され、そして冷却液をCDTAと共に添加し、そして実施例14〜15に記載した一般的な手順によりアニオン交換樹脂で処理した。最初の冷却液及び本発明により精製されたサンプルに対する金属分析の結果を以下の表9に示す。表9に示されているように、カチオン交換樹脂(PG(USP)/+交換)で処理されたサンプルは、依然として高レベルのCu及びFeを含んでいた。本発明の利用により、3回の処理(PG(USP)/+/−/−/−交換)の後、金属を、Cu及びFeに関してそれぞれ10ppb未満及び140ppbに低減した。
本発明による別の実施の形態では、リサイクル流中において安定化剤のCDTAを添加して、製造処理の安全性を増大させ、そして生成物の容器中に安定化剤を添加して、生成物の貯蔵及び運搬の安全性を改善することである。ヒドロキシルアミン遊離塩基の安定性は、速度促進熱量計(accelerating rate calorimeter)(ARC)を用いて調査された。ARCテストの場合、約5グラムのHA及び安定化剤とのHAを、セルを硝酸で洗浄し、次いで18メガオームの脱イオン水でリンスした後、ピレックス(Pyrex)ガラス試験セルに導入した。この試験セルを、小さな頭隙を有するARC装置中において空気にてシールした。この試験セルに、セルの底部に接触する電熱対を具備させた。ヒーターの組み立て品を設けて、サンプルセルの周囲の上部となして、サンプルセルと同一の温度でセルの周囲を保持した。均一な温度を確立させた後、加熱待機検索プロトコール(heat-wait-search protcol)に対して、コンピュータソフトウエアプログラムを開始した。サンプルの自己加熱を検出した後、加熱プログラムを開始して、試験サンプルの断熱条件を保持した。温度及び圧力のデータを集め、自己加熱速度を測定した。
Claims (17)
- 以下の工程:
(a)ヒドロキシルアンモニウムイオンおよび汚染物質を含む供給用水溶液を、少なくとも1種のカチオン交換樹脂を含む容器に給送して、ヒドロキシルアンモニウムイオン充填樹脂を形成する工程、
(b)充填樹脂を洗浄するために容器に洗浄水を供給し、汚染物質を除去して、それに結合した洗浄水を有する精製ヒドロキシルアンモニウムイオン充填樹脂を形成する工程、
(c)ヒドロキシルアミンを含む水溶液を容器に供給して、少なくとも一部の結合水を精製された充填樹脂から取り除いて、ヒドロキシルアミン充填樹脂を形成する工程、
(d)水系の脱離剤を容器に供給して、ヒドロキシルアンモニウムイオンを充填樹脂から脱離させて、非結合ヒドロキシルアミン含有水溶液を形成する工程、
(e)リンス水給送物を容器に供給して、非結合溶液を容器から除去し、ヒドロキシルアミンを含む純粋で且つ濃縮された水溶液を形成する工程、
を含むヒドロキシルアミンの製造方法。 - 容器がカラムであり、工程(a)から(e)までが50〜70℃の範囲のカラム温度で行われる請求項1に記載の方法。
- 供給用水溶液が硫酸ヒドロキシルアミンを含む請求項1に記載の方法。
- 樹脂がスルホン化カチオン交換樹脂である請求項1に記載の方法。
- 脱離剤が1価のアミン塩基、1価の水酸化物塩基およびこれらの混合物から選択される請求項1に記載の方法。
- 脱離剤が水酸化アンモニウム水溶液である請求項5に記載の方法。
- 水酸化アンモニウム水溶液のアンモニア濃度が少なくとも40質量%である請求項6に記載の方法。
- 容器がイオン交換樹脂カラムであり、工程(d)と(e)でカラムに添加される水系脱離剤およびリンス水の見かけ上の速度が1.5〜3.5cm/分である請求項1に記載の方法。
- 純粋で且つ濃縮された水溶液を、シクロヘキサンジアミノテトラ酢酸、チオ尿素、テトラメチルチウラムジスルフィド、4,8−ジヒドロキシキノリン−2−カルボン酸、およびこれらの混合物から選択される金属キレート化剤で処理する工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 工程(a)から(e)の間に、容器を冷却するために、該容器をプロピレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコールと水、エチレングリコールと水およびこれらの混合物から選択される冷却液で冷却して、容器の温度を10〜70℃で維持する工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 冷却前に、冷却液をシクロヘキサンジアミノテトラ酢酸、チオ尿素、4,8−ジヒドロキシキノリン−2−カルボン酸、およびこれらの混合物から選択される金属キレート化剤で前処理し、これに金属イオン汚染物質を結合させて、冷却液から汚染物質を除去する請求項10に記載の方法。
- 以下の工程:
(a)ヒドロキシルアンモニウムイオン、水素イオン、アンモニウムイオン、金属イオンおよびアニオン性汚染物質を含む供給用水溶液を、少なくとも1種のスルホン化カチオン交換樹脂を含むイオン交換カラムに供給する工程、
(b(i))イオン交換カラム流出伝導率が200mS/cmを超える場合、供給用水溶液の供給を中止し、およびイオン交換カラムへの水の供給を開始して、第1イオン交換カラム洗浄水流出流を得る工程、
(b(ii))イオン交換カラム流出伝導率が0mS/cmに達した場合、工程(b(i))における水の供給を中止する工程、
(c)ヒドロキシルアミン水溶液をイオン交換カラムに供給して、水供給物における全ての水をカラムから取り除く工程、
(d(i))アンモニア濃度が少なくとも40質量%の水酸化アンモニウム水溶液をイオン交換カラムに供給する工程、
(d(ii))充分な量が添加された場合、水酸化アンモニウム水溶液の供給を中止して、ヒドロキシルアミンを完全に脱離させる工程、
(e(i))リンス水給送物をイオン交換カラムに供給する工程、
(e(ii))流出液の密度が1.085g/cm3を超えた場合、イオン交換カラムから発散し、純粋なヒドロキシルアミンからなり且つアニオン性汚染物質が400ppm未満である水系流である生成物流を集める工程、
(e(iii))流出液の密度が1.075g/cm3未満に低下した場合に生成物流の収集を中止する工程、
(e(iv))イオン交換カラムへのリンス水の供給を中止する工程、
を含む請求項1に記載の方法。 - 工程(a)から(e(iv))までが10〜70℃のカラム温度で行われる請求項12に記載の方法。
- 工程(a)から(e(iv))までが、工程(e(iv))におけるリンス水の供給を中止した後に循環法で繰り返される請求項12に記載のヒドロキシルアミンの製造方法。
- 上記方法が、連続擬移動床イオン交換装置において達成される請求項14に記載のヒドロキシルアミンの製造方法。
- それぞれのイオン交換カラムがスルホン化カチオン交換樹脂で充填されている少なくとも5個のイオン交換領域を含む連続擬移動床イオン交換装置を用いる請求項1に記載の方法であって、
(a)ヒドロキシルアンモニウムイオン、水素イオン、アンモニウムイオン、金属イオンおよびアニオン性汚染物質からなる第1の濃縮物を含む供給用水溶液を第1のイオン交換領域に供給して、ヒドロキシルアンモニウムイオンで充填されているスルホン化カチオン交換樹脂を形成する工程、
(b)洗浄水を、ヒドロキシルアンモニウムイオンで充填されているスルホン化カチオン交換樹脂を含む第2のイオン交換領域に供給して、第1のイオン交換カラム洗浄水流出流を得る工程、
(c)ヒドロキシルアミン水溶液を、そこに結合している水を有するスルホン化カチオン交換樹脂を含む第3のイオン交換領域に供給して、第2のイオン交換カラム流出流を得る工程、
(d)アンモニア濃度が少なくとも40質量%の水酸化アンモニウム水溶液を、そこに結合しているヒドロキシルアンモニウムイオンを有するスルホン化カチオン交換樹脂を含む第4のイオン交換領域に供給し、第3のイオン交換領域流出液を集める工程、
(e(i))リンス水給送物を第5のイオン交換領域に供給して、第4のイオン交換領域生成物流を得る工程、および
(e(ii))流出液の密度が1.085g/cm3を超えた場合、第4のイオン交換領域のものを集め、流出液の密度が1.075g/cm3未満に低減した場合、第4のイオン交換領域流出液流の収集を中止して、供給用水溶液中における第1のヒドロキシルアミン濃度より高い濃度の第2のヒドロキシルアミン濃度を有し且つアニオン性汚染物質が400ppm未満である水系のヒドロキシルアミン生成物を得る工程、
を含むことを特徴とする方法。 - ヒドロキシルアミン生成物がアニオン交換樹脂を用いて後処理される請求項1、12または16のいずれかに記載の方法。
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