JP4418884B2 - Cobalt ion adsorbent - Google Patents

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Description

本発明は、コバルトイオン交換容量が大きいニオブ酸カリウムからなるコバルトイオン吸着材に関するものであり、更に詳しくは、例えば、200℃の高温水中で、本発明のコバルトイオン吸着材0.1g、0.05Mコバルトイオン水溶液10cmから、1mmol/g以上のコバルトイオン交換容量を示すコバルトイオン吸着性能が高いニオブ酸カリウムイオン吸着材、該イオン吸着材を効率よく製造する方法に関するものである。本発明は、コバルトイオン交換容量が大きく、例えば、原子炉の一次冷却水中の放射性核種を高効率に除去するための浄化装置等に好適に使用することが可能な新しいコバルトイオン吸着材、その製造及び応用技術に関する新技術・新製品を提供するものである。 The present invention relates to a cobalt ion adsorbent comprising potassium niobate having a large cobalt ion exchange capacity, and more specifically, for example, 0.1 g, 0.00 g of the cobalt ion adsorbent of the present invention in high-temperature water at 200 ° C. from 05M cobalt ions aqueous 10 cm 3, the cobalt ion adsorption performance is high potassium niobate ion adsorbent showing the cobalt ion exchange capacity of at least 1 mmol / g, in which about the how to efficiently produce the ion adsorbent. The present invention has a large cobalt ion exchange capacity, for example, a new cobalt ion adsorbent that can be suitably used for a purification device for removing radionuclides in the primary cooling water of a reactor with high efficiency, and the production thereof. And new technologies and products related to applied technologies.

従来、原子力発電においては、原子炉の一次冷却水中に配管などの原子炉材料から微量の金属が溶出し、炉心において放射化され、54Mn,59Fe,58Co,60Coなどの放射性核種が生成することが知られている。この放射性核種を除去する目的で、イオン交換樹脂を用いた炉水浄化装置が取り付けられている。 Conventionally, in nuclear power generation, a small amount of metal is eluted from reactor materials such as pipes in the primary cooling water of a nuclear reactor and activated in the core, and radionuclides such as 54 Mn, 59 Fe, 58 Co, and 60 Co are produced. It is known to generate. For the purpose of removing this radionuclide, a reactor water purification apparatus using an ion exchange resin is attached.

しかしながら、イオン交換樹脂は、耐熱性に劣るため、高温の炉水の一部を取り出し、40℃程度に冷却した後、炉水浄化装置に送り込み、浄化された水は、再び加熱して炉水に戻す操作が行われている。このような方法では、熱損失を伴うことから、イオン交換樹脂に代わる50℃以上の高温水中で使用可能な耐熱性に優れるイオン交換材料の開発が望まれている。特に、放射性核種中のコバルトイオンは、放射化エネルギーが高く、原子炉の定期点検の際に作業者の被爆の原因となることが問題となっている。   However, since the ion exchange resin is inferior in heat resistance, a part of the high-temperature reactor water is taken out, cooled to about 40 ° C., then sent to the reactor water purification device, and the purified water is heated again to react with the reactor water. An operation to return to is performed. Since such a method involves heat loss, development of an ion exchange material excellent in heat resistance that can be used in high-temperature water at 50 ° C. or higher is desired instead of an ion exchange resin. In particular, cobalt ions in the radionuclide have a high activation energy, which causes a problem of exposure to workers during periodic inspection of the reactor.

高温水中からコバルトイオンを吸着除去する試みとしては、例えば、無機イオン交換体である結晶質チタン酸繊維を用いた例が報告されている(非特許文献1)。しかしながら、この結晶質チタン酸繊維は、コバルトイオン吸着能が100℃以上で結晶相の変化に伴い低下することから、高温水中での使用には適さない。   As an attempt to adsorb and remove cobalt ions from high-temperature water, for example, an example using crystalline titanate fibers that are inorganic ion exchangers has been reported (Non-patent Document 1). However, this crystalline titanic acid fiber is not suitable for use in high-temperature water because the cobalt ion adsorption ability decreases with a change in crystal phase at 100 ° C. or higher.

また、含水酸化チタンを多孔性チタン金属に担持させた吸着材が検討され、この吸着材は、高温水中でコバルトイオンを結晶中に取り込んだ化合物を生成する化学吸着能を有することが報告されている(非特許文献2)。しかしながら、この吸着材は、コバルトイオン交換容量が、0.1mmmol/gと小さく、実用化には適さないという欠点を有している。   In addition, an adsorbent in which hydrous titanium oxide is supported on porous titanium metal has been studied, and it has been reported that this adsorbent has a chemisorption ability to produce a compound in which cobalt ions are incorporated into crystals in high-temperature water. (Non-Patent Document 2). However, this adsorbent has a defect that the cobalt ion exchange capacity is as small as 0.1 mmol / g and is not suitable for practical use.

ニオブ酸カリウムは、層状構造を有し、層間に存在するカリウムイオンが他の陽イオンと交換可能なことから、耐熱性を有する無機イオン交換体のひとつとして注目されている。通常、ニオブ酸カリウムは、炭酸カリウムと酸化ニオブ粉末を原料に固相反応により合成されている(非特許文献3)。この際、1000℃以上の高温の加熱処理が必要であり、多量の熱エネルギーを要することから、固相合成操作に代わる穏和な条件下での合成プロセスの開発が望まれている。また、固相合成物は、ミクロンオーダー以上の粒子径であり、比表面積が著しく小さくなるという問題点がある。   Potassium niobate has a layered structure, and has attracted attention as one of heat-resistant inorganic ion exchangers because potassium ions existing between layers can be exchanged with other cations. Normally, potassium niobate is synthesized by solid phase reaction using potassium carbonate and niobium oxide powder as raw materials (Non-patent Document 3). At this time, heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. or higher is required, and a large amount of heat energy is required. Therefore, development of a synthesis process under mild conditions to replace solid-phase synthesis operation is desired. In addition, the solid phase synthesized product has a particle size of micron order or more and has a problem that the specific surface area is remarkably reduced.

水熱合成法は、1000℃を越える固相合成法で生成するものが、より穏和な温度条件下で合成でき、また、生成物も均質で微細な粒子として得られるなど、有利な点があり、注目されている。しかし、ニオブ酸カリウムイオン交換体に関しては、水熱合成例は、報告されていない。   Hydrothermal synthesis has advantages such as those produced by solid-phase synthesis exceeding 1000 ° C can be synthesized under milder temperature conditions, and the product can be obtained as homogeneous and fine particles. ,Attention has been paid. However, no hydrothermal synthesis example has been reported for potassium niobate ion exchangers.

Bull.Chem.Soc.Jpn.,59,49(1986)Bull. Chem. Soc. Jpn. 59, 49 (1986) セラミッツクス、20巻、第3号,203頁(1985)Ceramicskus, Volume 20, No. 3, p. 203 (1985) J.Catalysis,102,pp.92−98(1986)J. et al. Catalysis, 102, pp. 92-98 (1986)

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、コバルトイオン吸着材として有用な新しい無機系イオン交換体を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、酸化ニオブを水酸化カリウム水溶液とともに水熱条件下で加熱処理させることによりコバルトイオン交換能に優れたニオブ酸カリウムが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。本発明は、上述のような従来のコバルトイオン交換体が持つ欠点を克服し、コバルト交換能に優れ、かつ簡単な操作で容易に製造し得る技術的及び経済的に有利なニオブ酸カリウムイオン吸着材、その製造及び応用技術を提供することを目的とするものである。 Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive research with the goal of developing a new inorganic ion exchanger useful as a cobalt ion adsorbent in view of the above-described prior art. It was found that potassium niobate excellent in cobalt ion exchange ability was obtained by heat-treating with potassium hydroxide aqueous solution under hydrothermal conditions, and the present invention was completed based on this finding. The present invention overcomes the drawbacks of the conventional cobalt ion exchanger as described above, has an excellent cobalt exchange capacity, and is technically and economically advantageous potassium niobate ion adsorption that can be easily produced by a simple operation. The object is to provide materials , their manufacture and applied technology.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)基本構造が、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される水熱合成ニオブ酸カリウムからなり、該ニオブ酸カリウムの結晶構造が、六ニオブ酸カリウム(K Nb 17 )あるいは六ニオブ酸カリウムとニオブ酸カリウム(KNbO )との混合相であることを特徴とする耐熱性コバルトイオン吸着材。
)比表面積が少なくとも20m る、前記(1)記載の耐熱性コバルトイオン吸着材
200℃の高温水中においても耐熱水性を有する、前記(1)又は(2)記載の耐熱性コバルトイオン吸着材。
)酸化ニオブを水酸化カリウム水溶液と混合して、水熱条件下で処理して得られた反応生成物を、ろ過、水洗、乾燥すること、基本構造が、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される水熱合成ニオブ酸カリウムからなり、該ニオブ酸カリウムの結晶構造が、六ニオブ酸カリウム(K Nb 17 )あるいは六ニオブ酸カリウムとニオブ酸カリウム(KNbO )との混合相である耐熱性コバルトイオン吸着材を製造することを特徴とする耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。
)水熱処理温度が、300℃以上450℃以下である、前記()記載の耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。
)乾燥後、大気中、あるいは酸化雰囲気で仮焼する、前記()記載の耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) The basic structure is a general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
(X in the formula is a number of 0.6 to 1) Ri Do potassium hydrothermal synthesis niobate represented by the crystal structure of potassium the niobate, potassium six niobate (K 4 Nb 6 O 17 Or a mixed phase of potassium hexaniobate and potassium niobate (KNbO 3 ).
(2) a specific surface area of at least 20 m 2 g - Oh Ru 1, wherein (1) Symbol placement refractory cobalt ions adsorbent.
( 3 ) The heat-resistant cobalt ion adsorbent according to (1) or (2), which has hot water resistance even in high-temperature water at 200 ° C.
( 4 ) The reaction product obtained by mixing niobium oxide with potassium hydroxide aqueous solution and treating under hydrothermal conditions is filtered, washed with water, and dried, so that the basic structure has the general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
(X in the formula is a number of 0.6 to 1) Ri Do potassium hydrothermal synthesis niobate represented by the crystal structure of potassium the niobate, potassium six niobate (K 4 Nb 6 O 17 Or a heat-resistant cobalt ion adsorbent that is a mixed phase of potassium hexaniobate and potassium niobate (KNbO 3 ).
( 5 ) The method for producing a heat-resistant cobalt ion adsorbent according to ( 4 ), wherein the hydrothermal treatment temperature is 300 ° C or higher and 450 ° C or lower.
( 6 ) The method for producing a heat-resistant cobalt ion adsorbent as described in ( 4 ) above, wherein the calcining is performed in the air or in an oxidizing atmosphere after drying.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、基本構造が、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される水熱合成ニオブ酸カリウムからなる高耐熱性コバルトイオン吸着材の点、酸化ニオブを水酸化カリウム水溶液と混合して、水熱条件下で処理して得られた反応生成物を、ろ過、水洗、乾燥することからなる、基本構造が上記一般式で表されるコバルトイオン吸着材の製造方法の点、に特徴を有するものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
In the present invention, the basic structure has the general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
Points (x is 0.6 to 1 number a is of the formula) hydrothermal synthesis niobate potassium represented by either Ranaru high heat resistance cobalt ions adsorbent, the niobium oxide is mixed with aqueous potassium hydroxide The reaction product obtained by treatment under hydrothermal conditions is characterized by the production method of a cobalt ion adsorbent whose basic structure is represented by the above general formula, which is filtered, washed with water, and dried. It is what has.

すなわち、本発明は、基本構造が、一般式
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表されるニオブ酸カリウムイオン吸着材を提供するものである。また、本発明は、酸化ニオブ粉末を水酸化カリウム水溶液とともに水熱処理し、得られたスラリーを、ろ別、水洗後、乾燥させることからなる、上記ニオブ酸カリウムイオン吸着材の製造方法及びその応用製品を提供するものである。
That is, in the present invention, the basic structure is represented by the general formula Nb 2 O 5 · xK 2 O.
(Wherein x is a number from 0.6 to 1), and provides a potassium niobate ion adsorbent . The present invention also provides a method for producing the above potassium niobate ion adsorbent and its application, wherein the niobium oxide powder is hydrothermally treated with an aqueous potassium hydroxide solution, and the resulting slurry is filtered, washed with water and dried. Provide products.

本発明のコバルトイオン吸着材は、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される基本構造を有する複合酸化物であるが、このような基本構造を有する複合酸化物は、良好なコバルトイオン交換能を有しており、コバルトイオン吸着材として好適に使用することができる。上記一般式において、xが0.6〜1の範囲が好ましく、xの値が0.6より小さいと、未反応の酸化ニオブの割合が多くなることになり、イオン交換容量の高い六ニオブ酸カリウムの割合が低下する。また、xの値が1より大きいと、生成物は、イオン交換能を示さないニオブ酸カリウムの単一相となり、イオン交換特性を示さなくなる。
The cobalt ion adsorbent of the present invention has a general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
(Wherein x is a number from 0.6 to 1), the composite oxide having such a basic structure has a good cobalt ion exchange capacity. It can be used suitably as a cobalt ion adsorbent . In the above general formula, x is preferably in the range of 0.6 to 1, and if the value of x is smaller than 0.6, the ratio of unreacted niobium oxide increases, and hexaniobic acid having a high ion exchange capacity. The proportion of potassium decreases. On the other hand, if the value of x is larger than 1, the product becomes a single phase of potassium niobate that does not show ion exchange ability, and does not show ion exchange characteristics.

このようなコバルトイオン吸着材は、ニオブ酸カリウムの生成工程によって製造することができる。ニオブ酸カリウムの生成工程においては、酸化ニオブを水酸化カリウム水溶液中で水熱処理を施すことによりニオブ酸カリウムを製造することができる。水熱処理の条件は、200℃以上500℃以下、好ましくは、300℃以上450℃以下の温度範囲が例示される。また、反応時間は、2時間から24時間であるが、反応温度が低い場合には、8時間以上24時間程度、反応温度が高い場合には、2時間から8時間程度が好ましい。カリウムの添加量は、ニオブ酸カリウムに必要な化学両論量以上とする。 Such a cobalt ion adsorbent can be produced by a production process of potassium niobate. In the production step of potassium niobate, potassium niobate can be produced by subjecting niobium oxide to hydrothermal treatment in an aqueous potassium hydroxide solution. The conditions for the hydrothermal treatment include a temperature range of 200 ° C. to 500 ° C., preferably 300 ° C. to 450 ° C. The reaction time is from 2 hours to 24 hours. However, when the reaction temperature is low, it is preferably about 8 hours to 24 hours, and when the reaction temperature is high, it is preferably about 2 hours to 8 hours. The amount of potassium added is more than the stoichiometric amount necessary for potassium niobate.

上記ニオブ酸カリウムの生成工程では、水酸化カリウム水溶液に酸化ニオブ粉末を添加し、懸濁溶液を調製するが、あるいは酸化ニオブ懸濁溶液に水酸化カリウム水溶液を滴下し、懸濁溶液を調製することもできる。混合するカリウムは、酸化ニオブに対するモル比として3倍以下、好ましくは2倍以下の量で用いられる。得られた懸濁溶液については、例えば、テフロン(登録商標)内筒型反応容器、ガラスアンプル、オートクレーブなどの密封容器を用い、水熱処理を行うことができる。水熱処理物を、ろ別、水洗することにより副生溶解質を除去する。   In the potassium niobate production step, niobium oxide powder is added to the potassium hydroxide aqueous solution to prepare a suspension solution. Alternatively, the potassium hydroxide aqueous solution is dropped into the niobium oxide suspension solution to prepare the suspension solution. You can also The potassium to be mixed is used in an amount of 3 times or less, preferably 2 times or less as a molar ratio to niobium oxide. The obtained suspension solution can be subjected to hydrothermal treatment using a sealed container such as a Teflon (registered trademark) inner tube reaction container, a glass ampule, or an autoclave. The by-product solute is removed by filtering and washing the hydrothermally treated product.

反応後の生成物を、ろ別、水洗後、乾燥させる。乾燥は、一般的な乾燥機や乾燥剤の入ったデシケータを用い、例えば、室温ないし50℃で行われる。また、スプレードライ方式あるいは凍結乾燥方式によっても乾燥することができるが、あるいは乾燥前に任意の形状に成形した後、乾燥することもできる。得られた生成物は、微粉末状の形態を示す。得られたニオブ酸カリウムの結晶構造は、六ニオブ酸カリウム(KNb17)、あるいは六ニオブ酸カリウムとニオブ酸カリウム(KNbO)との混合相である。 The product after the reaction is filtered, washed with water and dried. Drying is performed at room temperature to 50 ° C. using a general dryer or a desiccator containing a desiccant. Moreover, although it can dry also by a spray-drying system or a freeze-drying system, after shaping | molding in arbitrary shapes before drying, it can also dry. The product obtained shows a fine powder form. The crystal structure of the obtained potassium niobate is a mixed phase of potassium hexaniobate (K 4 Nb 6 O 17 ) or potassium hexaniobate and potassium niobate (KNbO 3 ).

このようにして得られたニオブ酸カリウムイオン吸着材は、化学分析、X線回折、熱分析、赤外分光、走査型電子顕微鏡などの測定などによって確認できる。例えば、化学分析によりx値を得ることができる。また、コバルトイオン交換容量は、例えば、イオン吸着材存在下の高温熱水条件でのコバルトイオンの濃度変化を調べることにより評価することができる。六ニオブ酸カリウムには、2種類の層間が存在し、コバルトイオンは、カリウムイオンとのイオン交換によりインターカレートし、層間に捕捉される。 The potassium niobate ion adsorbent thus obtained can be confirmed by measurements such as chemical analysis, X-ray diffraction, thermal analysis, infrared spectroscopy, and scanning electron microscope. For example, the x value can be obtained by chemical analysis. The cobalt ion exchange capacity can be evaluated, for example, by examining the change in the concentration of cobalt ions under high-temperature hot water conditions in the presence of an ion adsorbent . In potassium hexaniobate, there are two types of layers, and cobalt ions are intercalated by ion exchange with potassium ions and trapped between the layers.

本発明のコバルトイオン吸着材の生成は、例えば、X線回折測定により容易に確認することができる。銅管球、ニッケルフィルターを使用して測定した場合、上述の工程で得られた沈殿物は、2θ=4.5°,9.4°,27.8°,31.6°及び45.0°などに、それぞれ六ニオブ酸カリウム(KNb173HO:JCPDS21−1297)の(020),(040),(231),(0,12,1)及び(0,18,1)回折線に対応するピークが認められる。 The production of the cobalt ion adsorbent of the present invention can be easily confirmed by, for example, X-ray diffraction measurement. When measured using a copper tube and a nickel filter, the precipitates obtained in the above steps are 2θ = 4.5 °, 9.4 °, 27.8 °, 31.6 ° and 45.0. (020), (040), (231), (0, 12, 1) and (0, 18, 1) of potassium hexaniobate (K 4 Nb 6 O 17 3H 2 O: JCPDS21-1297) 1) A peak corresponding to the diffraction line is observed.

また、処理温度、時間などの合成条件により、2θ=22.1°,50.8°,56.2°及び65.9°にニオブ酸カリウム(KNbO:JCPDS32−0822)の(110),(221),(311)及び(222)回折線に対応するピークも認められる。(040)回折線の半価幅から、結晶子の大きさを見積もることができる。本発明のニオブ酸カリウムイオン吸着材の形態は、走査型電子顕微鏡によって微粒子状の凝集体として観察され得る。 Depending on the synthesis conditions such as the processing temperature and time, (110), 2θ = 22.1 °, 50.8 °, 56.2 ° and 65.9 ° of potassium niobate (KNbO 3 : JCPDS32-0822), Peaks corresponding to (221), (311) and (222) diffraction lines are also observed. The size of the crystallite can be estimated from the half width of the (040) diffraction line. The form of the potassium niobate ion adsorbent of the present invention can be observed as fine particle aggregates by a scanning electron microscope.

従来、原子炉の一次冷却水の浄化手段として、イオン交換樹脂や、結晶質チタン酸繊維、含水酸化チタン等の無機イオン交換体を用いる事例が報告されているが、耐熱性に劣ること、イオン交換容量が低いこと等の問題があることから、それらに代わる新しいイオン交換体の開発が強く要請されていた。これに対して、本発明の水熱合成ニオブ酸カリウムイオン吸着材は、比表面積が大きく(20m−1以上)、コバルトイオン交換容量が大きく、しかも300〜400℃という比較的穏和な温度条件下で、短時間に均質な微粒子として合成することが可能であり、従来の有機及び無機イオン交換体に代替し得る新しいコバルトイオン吸着材として有用である。本発明のコバルトイオン吸着材は、コバルトイオン交換容量が1.5mmol/g以上、比表面積が20m−1以上の特性を有するサブミクロンサイズの微粉末であり、該コバルトイオン吸着材を利用して、該コバルトイオン吸着材からなる高耐熱性コバルトイオン吸着材を構築し、提供することが実現できる。尚、本願明細書では、本願発明のコバルトイオン吸着材のコバルトイオン交換能、コバルトイオン交換容量について説明しているが、これは、従来のコバルトイオン交換体の性能と比較できるようにするために、これらの性能を比較基準として示したものである。 Conventionally, examples of using an ion exchange resin, an inorganic ion exchanger such as crystalline titanate fiber, hydrous titanium oxide, etc. as a means for purifying the primary cooling water of a nuclear reactor have been reported. Due to problems such as low exchange capacity, the development of new ion exchangers to replace them has been strongly requested. On the other hand, the hydrothermally synthesized potassium niobate ion adsorbent of the present invention has a large specific surface area (20 m 2 g −1 or more), a large cobalt ion exchange capacity, and a relatively moderate temperature of 300 to 400 ° C. Under the conditions, it can be synthesized as homogeneous fine particles in a short time, and is useful as a new cobalt ion adsorbent that can replace conventional organic and inorganic ion exchangers. The cobalt ion adsorbent of the present invention is a submicron-sized fine powder having the characteristics that the cobalt ion exchange capacity is 1.5 mmol / g or more and the specific surface area is 20 m 2 g −1 or more, and uses the cobalt ion adsorbent. to, build high heat resistance cobalt ions adsorbent made of the cobalt ion-adsorbing material can be realized be provided. In the present specification, the cobalt ion exchange capacity and the cobalt ion exchange capacity of the cobalt ion adsorbent of the present invention are described, but this is to allow comparison with the performance of the conventional cobalt ion exchanger. These performances are shown as comparative standards.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)本発明の水熱合成ニオブ酸カリウムイオン吸着材は、従来の固相反応で得られたニオブ酸カリウムイオン交換体に比べ、コバルトイオン交換容量が大きい。
(2)上記水熱合成物は、比較的低濃度(1M以下)の水酸化カリウム溶液を用いて合成され得る。
(3)固相合成に比較して、低い合成温度の水熱条件下での簡便な工程で生成物を得ることができる。
(4)得られた水熱合成生成物は、サブミクロンの微粒子状であり、水溶液中に分散しやすい特性を有する。
(5)固相合成物と比べて、結晶子径が1/4〜1/3と小さく、比表面積の値が20m−1を越える比表面積の大きいコバルトイオン吸着材が得られる。
(6)高いコバルトイオン交換容量を有し、原子炉一次冷却水中の放射性核種を除去するために好適に使用できるニオブ酸カリウムイオン吸着材を提供することができる。
(7)200℃の高温水中においても、コバルトイオン交換容量の低下が認められないことから、高い耐熱水性を有し、原子炉冷却水の一部を取り出し、浄化する際の処理温度を100℃以下に下げる必要がないことから、浄化工程における熱損失の低減化が図られる。
The present invention has the following effects.
(1) The hydrothermally synthesized potassium niobate ion adsorbent of the present invention has a higher cobalt ion exchange capacity than a potassium niobate ion exchanger obtained by a conventional solid phase reaction.
(2) The hydrothermal composite can be synthesized using a relatively low concentration (1M or less) potassium hydroxide solution.
(3) Compared with solid phase synthesis, the product can be obtained by a simple process under hydrothermal conditions at a low synthesis temperature.
(4) The obtained hydrothermal synthesis product is in the form of submicron fine particles and has a characteristic of being easily dispersed in an aqueous solution.
(5) A cobalt ion adsorbent having a large specific surface area with a crystallite diameter as small as 1/4 to 1/3 and a specific surface area exceeding 20 m 2 g −1 can be obtained as compared with a solid phase synthetic product.
(6) A potassium niobate ion adsorbent that has a high cobalt ion exchange capacity and can be suitably used to remove radionuclides in the primary reactor cooling water can be provided.
(7) Since no decrease in cobalt ion exchange capacity is observed even in high-temperature water at 200 ° C., it has high hot water resistance, and a treatment temperature for taking out and purifying a part of the reactor cooling water is 100 ° C. Since there is no need to lower it below, heat loss in the purification process can be reduced.

次に、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例及び比較例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited at all by the following examples and comparative examples.

10gの酸化ニオブを0.5M水酸化カリウム水溶液200mlに加え、1時間振り混ぜた。Ni製内筒容器に母液とともに移し、耐圧オートクレーブ中で300℃において8時間保持した。放冷後、オートクレーブから内筒容器を取り出し、沈殿物を、ろ別、水洗、乾燥させた。得られた水熱合成ニオブ酸カリウムを固液分離により回収し、60℃で24時間乾燥を行い、本発明製品1を得た。   10 g of niobium oxide was added to 200 ml of 0.5 M aqueous potassium hydroxide solution and shaken for 1 hour. The sample was transferred to a Ni inner cylinder container together with the mother liquor and kept at 300 ° C. for 8 hours in a pressure-resistant autoclave. After standing to cool, the inner cylinder container was taken out from the autoclave, and the precipitate was filtered, washed with water and dried. The obtained hydrothermally synthesized potassium niobate was recovered by solid-liquid separation and dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain Product 1 of the present invention.

本発明製品のX線回折結果を図1に示す。このX線解析結果では、六ニオブ酸カリウムの(020),(040),(231),(0,12,1)及び(0,18,1)に相当すると考えられる2θ=4.5°,9.4°,27.8°,31.6°及び45.0°などにピークが認められた。(020)回折線の半価幅から求めた結晶子径は、9.7nmであった。化学分析から求めたxの値は、0.62であった。比表面積は、20.9m−1であった。 The X-ray diffraction result of the product of the present invention is shown in FIG. In this X-ray analysis result, 2θ = 4.5 ° considered to correspond to (020), (040), (231), (0, 12, 1) and (0, 18, 1) of potassium hexaniobate. , 9.4 °, 27.8 °, 31.6 °, 45.0 °, and the like. The crystallite diameter determined from the half width of the (020) diffraction line was 9.7 nm. The value of x obtained from chemical analysis was 0.62. The specific surface area was 20.9 m 2 g −1 .

水熱反応温度を400℃、水熱反応時間を2時間とした以外は、実施例1に従って、本発明製品2を得た。得られた本発明製品のX線回折結果を図2に示す。このX線回折結果では、六ニオブ酸カリウムの(020),(040),(231)及び(0,12,1)に相当すると考えられる2θ=4.5°,9.4°,27.8°及び31.6°などにピークが認められた。また、他に、KNbOの(110),(111),(220),(221),(311)及び(222)に相当すると考えられるピークが2θ=22.1,31.6,45.0,50.8,56.2及び65.9°に認められた。六ニオブ酸カリウムの(020)回折線の半価幅から求めた結晶子径は、7.0nmであった。化学分析値から求めたxの値は、0.63であった。比表面積は、65.6m−1であった。 The product 2 of the present invention was obtained according to Example 1 except that the hydrothermal reaction temperature was 400 ° C. and the hydrothermal reaction time was 2 hours. The X-ray diffraction result of the obtained product of the present invention is shown in FIG. In this X-ray diffraction result, 2θ = 4.5 °, 9.4 °, 27.27 which is considered to correspond to (020), (040), (231) and (0, 12, 1) of potassium hexaniobate. Peaks were observed at 8 ° and 31.6 °. In addition, peaks considered to correspond to (110), (111), (220), (221), (311) and (222) of KNbO 3 are 2θ = 22.1, 31.6, 45. Observed at 0, 50.8, 56.2 and 65.9 °. The crystallite diameter determined from the half width of the (020) diffraction line of potassium hexaniobate was 7.0 nm. The value of x obtained from the chemical analysis value was 0.63. The specific surface area was 65.6 m 2 g −1 .

比較例1
固相反応で六ニオブ酸カリウムの固相合成製品を調製した。酸化ニオブ及び炭酸カリウム粉末をK:Tiモル比2.2:6で混合し、白金坩堝に入れ、電気炉を用い、1100℃で10時間加熱を行い、比較例製品1を得た。得られた比較例製品1のX線回折結果を図3に示す。このX線回折結果では、六ニオブ酸カリウムの(020),(040),(151),(231),(0,12,1)及び(0,17,1)に相当すると考えられる2θ=4.5°,9.4°,22.1°,27.8°,31.6°及び45.0°などにシャープなピークが認められた。(020)回折線の半価幅から求めた結晶子径は、38.9nmであった。化学分析から求めたxの値は、0.65であった。比表面積は、12.9m−1であった。
Comparative Example 1
A solid phase synthesis product of potassium hexaniobate was prepared by solid phase reaction. Niobium oxide and potassium carbonate powder were mixed at a K: Ti molar ratio of 2.2: 6, placed in a platinum crucible, and heated at 1100 ° C. for 10 hours using an electric furnace to obtain Comparative Product 1. The X-ray diffraction result of the comparative product 1 obtained is shown in FIG. In this X-ray diffraction result, 2θ = considered to correspond to (020), (040), (151), (231), (0, 12, 1) and (0, 17, 1) of potassium hexaniobate. Sharp peaks were observed at 4.5 °, 9.4 °, 22.1 °, 27.8 °, 31.6 °, 45.0 °, and the like. The crystallite diameter determined from the half width of the (020) diffraction line was 38.9 nm. The value of x obtained from chemical analysis was 0.65. The specific surface area was 12.9 m 2 g −1 .

得られた本発明製品1〜2及び比較例製品1を用いて、コバルトイオン交換容量を反応温度100℃,150℃及び200℃で測定した。各製品0.1gと0.05M硝酸コバルト水溶液10mlをテフロン(登録商標)内筒型圧力容器に加え、高温の恒温槽中で24時間保持した。冷却後、反応容器中の溶液をろ過によりイオン吸着材と固液分離し、ろ液中のコバルトイオン濃度をICP発光分析により定量し、初期濃度との差からコバルトイオン交換容量を算出した。その結果を表1に示す。 Cobalt ion exchange capacity was measured at reaction temperatures of 100 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. using the obtained inventive products 1 and 2 and comparative example product 1. 0.1 g of each product and 10 ml of 0.05M cobalt nitrate aqueous solution were added to a Teflon (registered trademark) inner cylindrical pressure vessel and held in a high-temperature thermostatic chamber for 24 hours. After cooling, the solution in the reaction vessel was solid-liquid separated from the ion adsorbent by filtration, the cobalt ion concentration in the filtrate was quantified by ICP emission analysis, and the cobalt ion exchange capacity was calculated from the difference from the initial concentration. The results are shown in Table 1.

固相反応で合成した比較例製品1は、100℃では1.0mmol/g以下と低いコバルトイオン交換容量を示した。これに対し、水熱温度300℃、加熱時間8時間で得られた実施例製品1及び水熱温度400℃、加熱時間2時間で水熱合成した本発明製品2は1.5mmol/g以上と、比較例製品1に比べ、高いコバルトイオン交換容量を示した。   The comparative product 1 synthesized by the solid phase reaction showed a low cobalt ion exchange capacity of 1.0 mmol / g or less at 100 ° C. On the other hand, Example product 1 obtained at a hydrothermal temperature of 300 ° C. and a heating time of 8 hours and the product 2 of the present invention hydrothermally synthesized at a hydrothermal temperature of 400 ° C. and a heating time of 2 hours are 1.5 mmol / g or more. Compared with Comparative Example Product 1, a higher cobalt ion exchange capacity was exhibited.

本発明のコバルトイオン吸着剤は、水熱処理温度が300〜400℃という比較的穏和な条件下で、また、400℃の場合には2時間と比較的短時間で合成できることから、1000℃以上の高温を要する固相合成に比べ、低環境負荷で、経済的であり、有利と考えられる。水熱合成物は、固相合成物に比べ、結晶子径が1/4〜1/3と小さく、比表面積が大きいことから、コバルトイオンの吸着過程において、結晶の層間内部まで、コバルトイオンが吸着されているものと判断される。 The cobalt ion adsorbent of the present invention can be synthesized in a relatively short time of 2 hours when the hydrothermal treatment temperature is 300 to 400 ° C. Compared to solid phase synthesis that requires high temperature, it is economically advantageous with low environmental load. Since the hydrothermal compound has a crystallite diameter as small as 1/4 to 1/3 and a large specific surface area compared to the solid-phase compound, the cobalt ions are absorbed into the crystal interlayer in the process of cobalt ion adsorption. It is judged that it is adsorbed .

以上詳述したように、本発明は、コバルトイオン吸着材に係るものであり、本発明により、コバルト交換能に優れているニオブ酸カリウムイオン吸着材を製造し、提供することができる。本発明のニオブ酸カリウムイオン吸着材は、コバルトイオン交換容量が大きく、水溶液に分散しやすいサブミクロンの微粒子状であり、比表面積の値は20m−1以上である。また、本発明により、穏和な温度条件下でニオブ酸カリウムイオン吸着材を合成することが可能な新しいニオブ酸カリウムイオン吸着材の合成方法、該ニオブ酸カリウムイオンからなるコバルトイオン吸着材を提供することができる。本発明は、例えば、原子炉の一次冷却水中の放射性核種を除去するために使用することができるニオブ酸カリウムイオン吸着材に関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。
As described above in detail, the present invention relates to a cobalt ion adsorbent , and according to the present invention, a potassium niobate ion adsorbent excellent in cobalt exchange ability can be produced and provided. The potassium niobate ion adsorbent of the present invention has a large cobalt ion exchange capacity, is in the form of submicron particles that are easily dispersed in an aqueous solution, and has a specific surface area value of 20 m 2 g −1 or more. Further, the present invention, a mild method for the synthesis temperature conditions can synthesize potassium niobate ion adsorbent in new potassium niobate ion adsorbent, potassium said niobate ion or Ranaru cobalt ions adsorbent Can be provided. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful, for example, as providing a new technology / new product relating to a potassium niobate ion adsorbent that can be used to remove radionuclides in the primary cooling water of a nuclear reactor.

本発明製品1のX線回折図を示す。The X-ray diffraction pattern of this invention product 1 is shown. 本発明製品2のX線回折図を示す。図中、黒丸は、KNbOのピークを表わす。The X-ray diffraction pattern of this invention product 2 is shown. In the figure, black circles represent KNbO 3 peaks. 比較例製品1のX線回折図を示す。The X-ray diffraction pattern of the comparative example product 1 is shown.

Claims (6)

基本構造が、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される水熱合成ニオブ酸カリウムからなり、該ニオブ酸カリウムの結晶構造が、六ニオブ酸カリウム(K Nb 17 )あるいは六ニオブ酸カリウムとニオブ酸カリウム(KNbO )との混合相であることを特徴とする耐熱性コバルトイオン吸着材。
The basic structure is a general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
(X in the formula is a number of 0.6 to 1) Ri Do potassium hydrothermal synthesis niobate represented by the crystal structure of potassium the niobate, potassium six niobate (K 4 Nb 6 O 17 Or a mixed phase of potassium hexaniobate and potassium niobate (KNbO 3 ).
比表面積が少なくとも20m る、請求項1記載の耐熱性コバルトイオン吸着材A specific surface area of at least 20 m 2 g - 1 Oh Ru in claim 1 Symbol placement refractory cobalt ions adsorbent. 200℃の高温水中においても耐熱水性を有する、請求項1又は2記載の耐熱性コバルトイオン吸着材。 The heat-resistant cobalt ion adsorbent according to claim 1 or 2, which has heat-resistant water even in high-temperature water at 200 ° C. 酸化ニオブを水酸化カリウム水溶液と混合して、水熱条件下で処理して得られた反応生成物を、ろ過、水洗、乾燥すること、基本構造が、一般式:
Nb・xK
(式中のxは0.6〜1の数である)で表される水熱合成ニオブ酸カリウムからなり、該ニオブ酸カリウムの結晶構造が、六ニオブ酸カリウム(K Nb 17 )あるいは六ニオブ酸カリウムとニオブ酸カリウム(KNbO )との混合相である耐熱性コバルトイオン吸着材を製造することを特徴とする耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。
The reaction product obtained by mixing niobium oxide with potassium hydroxide aqueous solution and treating under hydrothermal conditions is filtered, washed with water, and dried, so that the basic structure has the general formula:
Nb 2 O 5 xK 2 O
(X in the formula is a number of 0.6 to 1) Ri Do potassium hydrothermal synthesis niobate represented by the crystal structure of potassium the niobate, potassium six niobate (K 4 Nb 6 O 17 Or a heat-resistant cobalt ion adsorbent that is a mixed phase of potassium hexaniobate and potassium niobate (KNbO 3 ).
水熱処理温度が、300℃以上450℃以下である、請求項記載の耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。 The manufacturing method of the heat resistant cobalt ion adsorption material of Claim 4 whose hydrothermal treatment temperature is 300 degreeC or more and 450 degrees C or less. 乾燥後、大気中、あるいは酸化雰囲気で仮焼する、請求項記載の耐熱性コバルトイオン吸着材の製造方法。 The method for producing a heat-resistant cobalt ion adsorbent according to claim 4 , wherein the heat-resistant cobalt ion adsorbent is calcined in the air or in an oxidizing atmosphere after drying.
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