JP4469948B2

JP4469948B2 - アンモニウムイオン吸着剤及びアンモニウムイオンの除去方法

Info

Publication number: JP4469948B2
Application number: JP2004201673A
Authority: JP
Inventors: 洋二槇田; 宗懐劉; 純嗣細川; 幸治坂根; 健太大井; 孝弘廣津
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: JP2006021132A

Description

本発明は、アンモニウムイオン選択的吸着剤に関する。また、この吸着剤を利用した生活廃水や工業廃水中のアンモニウムイオンの除去方法及び回収方法、さらには吸着剤の再生方法に関する。

生活廃水や工業廃水には、１価の陽イオンとして、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオンなどが含有されているが、それらの排出基準は水質汚濁防止法によって定められている。例えば、環境省令第２１号における水質汚濁防止法の省令においては、アンモニア性窒素に０．４を乗じたもの、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の合計が１００ｍｇ／Ｌと、窒素に関しての排出基準が定められている。廃水中のアンモニア性窒素は、電解法により除去することが可能であるが、エネルギーコストが高いという欠点がある。

一方、Ｒｂ₈Ｎｂ₂₂Ｏ₅₉化合物は、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオンを吸着することが報告されている（下記非特許文献１参照）。また、層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物、及び、縦に２単位、横に２単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物は、アルカリ金属イオンに対して吸着性を示すことが報告されている（下記非特許文献２参照）。しかしながら、これらのいずれの化合物も、アンモニウムイオンに対して吸着性を示すことは知られていなかった。
ケミストリーレターズ（Chemistry Letters），１９９６年版，１９９６年，ｐ．９８９ジャーナルオブマテリアルケミストリー（J. Mater. Chem.），第１０巻，２０００年，ｐ．２５４２

本発明は、上記した如き従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、アンモニウムイオンを容易に吸着することが可能な吸着剤を提供することであり、さらには、この吸着剤を利用した生活廃水や工業廃水中のアンモニウムイオンの除去方法及び回収方法、並びに吸着剤の再生方法を提供することである。

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の複合酸化物がアンモニウムイオンに対して吸着性を示すことを見出し、さらに、各種の陽イオンが共存する水溶液からもアンモニウムイオンを吸着除去できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記に示すとおりのアンモニウムイオン吸着剤、アンモニウムイオンの除去方法及び回収方法、並びに吸着剤の再生方法を提供するものである。
項１．下記一般式（１）：
Ｍ¹ _8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉・ｎＨ₂Ｏ（１）
（式中、Ｍ¹は、水素及びルビジウムからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ²は、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数であり、ｎは、０≦ｎ≦１２を満たす数である。）で表される化合物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤。
項２．層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤。
項３．縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤。
項４．ルビジウムを含有する化合物、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素を含有する化合物、並びにニオブを含有する化合物を混合し、該混合物を焼成して得られる下記一般式（２）：
Ｒｂ_8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉ （２）
（式中、Ｍ²は、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数である。）で表される化合物を、酸溶液に接触させることを特徴とする項１に記載のアンモニウムイオン吸着剤の製造方法。
項５．水酸化ナトリウム溶液、過酸化水素水及び硝酸マンガン溶液を反応させ、得られた生成物を水酸化ナトリウム溶液とともに水熱処理し、次いで、得られた生成物を酸溶液に接触させることを特徴とする項２に記載のアンモニウムイオン吸着剤の製造方法。
項６．Ｌｉ₂ＭｎＯ₃組成の化合物及び酸溶液を水熱処理することを特徴とする項３に記載のアンモニウムイオン吸着剤の製造方法。
項７．アンモニウムイオンを含有する溶液に、項１〜３のいずれかに記載の吸着剤を接触させてアンモニウムイオンを吸着することを特徴とするアンモニウムイオンの除去方法。
項８．アンモニウムイオンを含有する溶液において、アンモニウムイオン濃度が３０ｐｐｍ以下であり、かつ、その他の陽イオン濃度がアンモニウムイオンの３重量倍以上であることを特徴とする項７に記載のアンモニウムイオンの除去方法。
項９．アンモニウムイオンを含有する廃水に、項１〜３のいずれかに記載の吸着剤を接触させてアンモニウムイオンを吸着することを特徴とする廃水中のアンモニウムイオンの除去方法。
項１０．項７〜９のいずれかに記載の方法によってアンモニウムイオンを吸着した後に、使用した吸着剤を酸水溶液に接触させることを特徴とするアンモニウムイオンの回収方法。
項１１．項７〜９のいずれかに記載の方法によってアンモニウムイオンを吸着した後に、使用した吸着剤を酸水溶液に接触させることを特徴とする吸着剤の再生方法。

以下、本発明を詳細に説明する。

吸着剤
本発明のアンモニウムイオン吸着剤は、下記一般式（１）で表される複合酸化物を有効成分とする。

Ｍ¹ _8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉・ｎＨ₂Ｏ（１）
（式中、Ｍ¹は、水素及びルビジウムからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ²は、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数であり、ｎは、０≦ｎ≦１２を満たす数である。）
上記一般式（１）において、Ｍ¹は、水素及びルビジウムからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。好ましくは水素である。

上記一般式（１）におけるＭ²は、４価の金属イオンになりうるチタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素である。化合物の安全性の観点から、ジルコニウム、チタンが好ましい。

上記一般式（１）では、０≦ｘ≦２であり、０≦ｎ≦１２である。

上記一般式（１）で表される化合物は、下記の方法に従って製造することができる。

製造方法の一例としては、ルビジウムを含有する化合物、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の金属元素を含有する化合物、ニオブを含有する化合物等を原料として用い、これらの原料を所望の吸着剤の組成に応じて適当な混合比で混合し、その混合物を焼成することによって得られる下記一般式（２）：
Ｒｂ_8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉ （２）
（式中、Ｍ²は、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数である。）で表される化合物を酸処理する方法を挙げることができる。

原料として用いるルビジウムを含有する化合物としては、炭酸ルビジウム、硝酸ルビジウム、水酸化ルビジウム、酸化ルビジウム、蓚酸ルビジウム、塩化ルビジウム、硫酸ルビジウムを用いることができ、好ましくは炭酸ルビジウムである。

原料として用いるチタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の金属元素を含有する化合物としては、チタン、ジルコニウム及びスズから選択される一種の金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硝酸塩等を用いることができ、好ましくは酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化スズ、含水酸化ジルコニウム、含水酸化チタン、オキシ塩化ジルコニウムである。

原料として用いるニオブを含有する化合物としては、酸化ニオブ、オキシ塩化ニオブ、窒化ニオブ、炭化ニオブを用いることができ、好ましくは酸化ニオブである。

焼成温度は、空気中で８００〜１３００℃の温度範囲が好ましく、より好ましくは１０００〜１３００℃である。焼成時間は、２〜４８時間が好ましく、より好ましくは１２〜２４時間である。

焼成して得られる化合物は、通常、ルビジウムを含む複合酸化物となっている。これを酸溶液で処理することによって、ルビジウムを水素にイオン交換したプロトン型の化合物を得ることができる。この場合、酸溶液としては、例えば、０．１〜１０Ｍ程度、好ましくは５〜１０Ｍ程度の塩酸、硝酸、硫酸、酢酸などの水溶液を用いることができる。処理条件としては、例えば、室温〜９０℃程度の酸性溶液中に焼成後の化合物を０．５〜１０日程度、好ましくは３〜７日程度浸漬すればよい。

本発明における上記一般式（１）で表される吸着剤以外の、アンモニウムイオンを含む溶液からアンモニウムイオンを吸着する吸着剤は、層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤、及び、縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤である。

層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物の層間には、陽イオン及び水分子が存在し、陽イオンがアンモニウムイオンと交換されることにより、アンモニウムイオンを吸着することができる。

層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物としては、層間に一層の水分子が存在する層間隔６〜８Åのバーネサイト型マンガン酸化物、及び層間に二層の水分子が存在する層間隔８〜１０Åのブゼライト型マンガン酸化物が挙げられ、バーネサイト型マンガン酸化物が好ましい。

層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物は、下記の方法に従って製造することができる。

製造方法の一例としては、まず、化学量論量を考慮して、水酸化ナトリウム溶液と過酸化水素水を硝酸マンガン溶液に添加し、数十分間撹拌する。反応して得られた沈殿物を取り出し、これを、耐圧容器を用いて、水酸化ナトリウム溶液中で、１００〜１８０℃で０．５〜４日間水熱処理し、生成物を水洗し、さらに乾燥させることにより、層間にナトリウムイオンが存在するマンガン酸化物（Ｎａ型）を得ることができる。

アンモニウムイオン吸着剤としては、層間のナトリウムイオンを水素イオンに交換したマンガン酸化物（Ｈ型）が好ましい。マンガン酸化物（Ｈ型）は、マンガン酸化物（Ｎａ型）を酸溶液に数時間〜数十時間接触した後、水洗して乾燥させることにより容易に得ることができる。酸溶液としては、塩酸、硝酸、硫酸等が挙げられ、好ましくは塩酸、硝酸が挙げられる。また、酸溶液の濃度は、０．５Ｍ以下が好ましい。

縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物も、層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物と同様に、トンネルポア内には陽イオン及び水分子が存在し、陽イオンがアンモニウムイオンと交換されることにより、アンモニウムイオンを吸着することができる。

縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物としては、縦に２単位、横に２単位のホランダイト型マンガン酸化物、縦に２単位、横に３単位、または縦に３単位、横に２単位のロマネサイト型マンガン酸化物、縦に３単位、横に３単位のトドロカイト型マンガン酸化物が挙げられ、ホランダイト型マンガン酸化物が好ましい。

縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物は、下記の方法に従って製造することができる。

製造方法の一例としては、耐圧容器内にＬｉ₂ＭｎＯ₃と酸溶液を封入した後に、９０〜１２０℃で０．５〜４日間水熱処理し、得られた生成物を水洗して乾燥することにより、縦に２単位、横に２単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物（Ｈ型）を得ることができる。酸溶液としては、塩酸、硝酸、硫酸等が挙げられ、好ましくは硫酸が挙げられる。また、酸溶液の濃度は、１Ｍ以上が好ましい。

吸着除去方法
本発明の吸着除去方法では、処理対象は、アンモニウムイオンの溶液、または、アンモニウムイオン及びその他の陽イオンを含む混合溶液である。本発明方法によれば、上記一般式（１）で表される化合物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤、または層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤、または縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤を、この様な水溶液に接触させることにより、アンモニウムイオンを吸着することができる。

本発明方法によれば、アンモニウムイオンを含有する溶液のアンモニウムイオン濃度が３０ｐｐｍ以下であり、かつ、その他の陽イオン濃度がアンモニウムイオンの３重量倍以上であっても、アンモニウムイオンを吸着除去し、溶液中のアンモニウム濃度を低減することができる。

上記した方法によれば、アンモニウムイオンを含有する水溶液から、アンモニウムイオンを効率良く除去することが可能であるため、廃水からアンモニウムイオンを除去することが可能である。例えば、アンモニウムイオン２０ｐｐｍ、ナトリウムイオン８０ｐｐｍ、カリウムイオン１０ｐｐｍ、カルシウムイオン３０ｐｐｍ、硫酸イオン５０ｐｐｍを含む廃水を処理すれば、アンモニウムイオンを約１０ｐｐｍ以下に低減することができる。

回収方法及び再生方法
上記した方法でアンモニウムイオンの除去処理を行った後、使用した吸着剤を溶液から分離し、酸溶液と接触させることによって、イオン交換反応によって該吸着剤に吸着したアンモニウムイオンを酸溶液中に溶出させて、回収することができる。一方、脱着処理後の吸着剤は、プロトン型吸着剤として再生されるので、繰り返し用いることができる。

アンモニウムイオンを回収する際に用いる酸溶液としては、塩酸、硝酸、硫酸、酢酸等の水溶液を用いることができる。処理条件としては、例えば、一般式（１）で表される化合物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤の場合は、使用した吸着剤を室温で３〜１０Ｍ程度の硝酸または塩酸に３〜７日程度浸漬すればよい。層間隔が６〜１０Åである層状のマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤の場合は、使用した吸着剤を室温で０．５Ｍ以下の塩酸に１〜３日程度浸漬すればよい。縦に２〜３単位、横に２〜３単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるマンガン酸化物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤の場合は、使用した吸着剤を室温で０．１〜３Ｍ程度の塩酸に１〜３日程度浸漬すればよい。

本発明方法によれば、各種の陽イオンが共存する水溶液からアンモニウムイオンを効率よく吸着除去することができ、多種のイオンが混在する廃水からアンモニウムイオンを除去することが可能である。

また、本発明方法によってアンモニウムイオンの除去処理を行った後、吸着剤に吸着したアンモニウムイオンについては簡単な方法で回収することができ、有価資源として利用することが可能である。また、吸着剤自体についても、再利用が可能であり、経済効率が高いことに加えて、吸着剤の廃棄に伴う二次公害も防止できる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

実施例１
炭酸ルビジウム（Ｒｂ₂ＣＯ₃）及び酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）をモル比４：１１となるように混合し、電気炉内で室温から６００℃まで０．５時間、６００℃から１２００℃まで２時間、１２００℃で２４時間保持することにより、Ｒｂ₈Ｎｂ₂₂Ｏ₅₉を得た。得られた化合物を粉砕した後、化合物１０ｇを１リットルの１０Ｍ−ＨＮＯ₃溶液に添加し、室温で３日間振とうすることによって、ルビジウムイオンの９８％を水素イオンに交換したプロトン型吸着剤を得た。

実施例２
炭酸ルビジウム（Ｒｂ₂ＣＯ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）及び酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）をモル比５：２：１０となるように混合し、電気炉内で室温から６００℃まで０．５時間、６００℃から１２００℃まで２時間、１２００℃で２４時間保持することにより、Ｒｂ₁₀Ｚｒ₂Ｎｂ₂₀Ｏ₅₉を得た。得られた化合物を粉砕した後、化合物１０ｇを１リットルの１０Ｍ−ＨＮＯ₃溶液に添加し、室温で３日間振とうすることによって、ルビジウムイオンの９３％を水素イオンに交換したプロトン型吸着剤を得た。

実施例３
炭酸ルビジウム（Ｒｂ₂ＣＯ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）及び酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）をモル比５：２：１０となるように混合し、電気炉内で室温から６００℃まで０．５時間、６００℃から１２００℃まで２時間、１２００℃で２４時間保持することにより、Ｒｂ₁₀Ｔｉ₂Ｎｂ₂₀Ｏ₅₉を得た。得られた化合物を粉砕した後、化合物１０ｇを１リットルの１０Ｍ−ＨＮＯ₃溶液に添加し、室温で３日間振とうすることによって、ルビジウムイオンの９５％を水素イオンに交換したプロトン型吸着剤を得た。

実施例４
水酸化ナトリウム２１．７ｇを蒸留水８１０ｇに溶解した水酸化ナトリウム水溶液と３０％過酸化水素水９０ｍｌの混合溶液を、硝酸マンガン六水和物３８．９ｇを蒸留水８１０ｇに溶解した硝酸マンガン水溶液の中に添加し、２５分間撹拌した。反応して得られた沈殿物を取り出した。次に、この沈殿物と２Ｍの水酸化ナトリウム溶液２００ｍｌを、耐圧容器内で、１５０℃で２日間水熱処理し、生成物を水洗して乾燥させ、層間隔が７Åのバーネサイト型マンガン酸化物（Ｎａ型）を得た。得られたバーネサイト型マンガン酸化物（Ｎａ型）を０．５Ｍ塩酸溶液に１日浸漬させ、バーネサイト型マンガン酸化物（Ｈ型）を得た。

実施例５
耐圧容器内にＬｉ₂ＭｎＯ₃（５ｇ）と３Ｍ−Ｈ₂ＳＯ₄（１００ｍｌ）を封入し、９０℃で２日間水熱処理し、処理後の生成物を水洗して乾燥させ、縦に２単位、横に２単位のマンガン酸化物八面体で囲まれたトンネル構造からなるホランダイト型構造のプロトン型マンガン酸化物を得た。

実施例６
塩化アンモニウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、硫酸ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムをイオン交換水中に所定量添加し、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）濃度が２３ｐｐｍ、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）濃度が６６ｐｐｍ、カリウムイオン（Ｋ⁺）濃度が１０ｐｐｍ、カルシウムイオン（Ｃａ²⁺）濃度が３０ｐｐｍ、硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）濃度が５０ｐｐｍとなる模擬廃水溶液を調製した。ｐＨは８であった。

実施例７
実施例６で調製した模擬廃水溶液に実施例１〜５で調製したアンモニウムイオン吸着剤を添加し、４日間吸着処理した後のアンモニウムイオンの濃度を調べた結果を表１に示す。溶液中のアンモニウムイオンの濃度は、吸光光度法によりＨａｃｈ製水質分析計を用いて測定した。

表１の結果から、溶液１００ｍｌに対して吸着剤を１００ｍｇ添加した場合は、約５０％のアンモニウムイオンを吸着することがわかる。また、溶液１０ｍｌに対して吸着剤を１００ｍｇ添加した場合は、９５％以上のアンモニウムイオンを吸着することがわかる。このように、本発明の吸着剤は、いずれもアンモニウムイオンに対する吸着性を有することが明らかである。

実施例８
実施例７で使用した各吸着剤の全量を塩酸で処理し、アンモニウムイオンの回収と使用した吸着剤の再生を行った。酸処理条件及び結果を表２に示す。

表２の結果から、吸着剤に吸着していたアンモニウムイオンの９３％以上が酸処理によって酸溶液中に回収できたことがわかる。また、粉末Ｘ線回折パターンを調べた結果、調製直後の吸着剤と再生後の吸着剤の結晶構造は全く同じであった。このことは、酸処理後の吸着剤が再利用可能であることを示している。

Claims

下記一般式（１）：
Ｍ¹ _8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉・ｎＨ₂Ｏ（１）
（式中、Ｍ¹は、水素及びルビジウムからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ²は、チタン及びジルコニウムから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数であり、ｎは、０≦ｎ≦１２を満たす数である。）で表される化合物を有効成分とするアンモニウムイオン吸着剤。
ルビジウムを含有する化合物、チタン及びジルコニウムから選択される一種の元素を含有する化合物、並びにニオブを含有する化合物を混合するか、或いはルビジウムを含有する化合物、及びニオブを含有する化合物を混合して得られた混合物を焼成して得られる下記一般式（２）：
Ｒｂ_8+xＭ² _xＮｂ_22-xＯ₅₉ （２）
（式中、Ｍ²は、チタン及びジルコニウムから選択される一種の元素である。また式中の添字ｘは、０≦ｘ≦２を満たす数である。）で表される化合物を、酸溶液に接触させることを特徴とする請求項１に記載のアンモニウムイオン吸着剤の製造方法。
アンモニウムイオンを含有する溶液に、請求項１に記載の吸着剤を接触させてアンモニウムイオンを吸着することを特徴とするアンモニウムイオンの除去方法。
アンモニウムイオンを含有する溶液において、アンモニウムイオン濃度が３０ｐｐｍ以下であり、かつ、その他の陽イオン濃度がアンモニウムイオンの３重量倍以上であることを特徴とする請求項３に記載のアンモニウムイオンの除去方法。
アンモニウムイオンを含有する廃水に、請求項１に記載の吸着剤を接触させてアンモニウムイオンを吸着することを特徴とする廃水中のアンモニウムイオンの除去方法。
請求項３〜５のいずれかに記載の方法によってアンモニウムイオンを吸着した後に、使用した吸着剤を酸水溶液に接触させることを特徴とするアンモニウムイオンの回収方法。
請求項３〜５のいずれかに記載の方法によってアンモニウムイオンを吸着した後に、使用した吸着剤を酸水溶液に接触させることを特徴とする吸着剤の再生方法。