JP4736519B2 - 弗化4級アンモニウムの製造方法 - Google Patents
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弗化有機4級アンモニウムの製造方法としては、弗化有機4級アンモニウム以外の有機4級アンモニウムの塩と、弗化カリウムなどの弗化金属塩とを反応させる方法が多用されている(特許文献1、非特許文献1)。しかしながら、これらの方法によって得られる弗化有機4級アンモニウムは、反応試剤でありながら、他のハロゲン化塩や硫酸塩などの塩を多量に含んでしまうという問題があった。
弗化物イオンとは異なるアニオンを含む有機4級アンモニウム塩から弗化有機4級アンモニウムを製造する方法としては、弗化物イオンとは異なるアニオンを含む有機4級アンモニウム塩を酸化銀(非特許文献2)又は電解法(特許文献2)によって水酸化有機4級アンモニウムとしたのち、弗酸水溶液で中和する方法が提案されている。これらの方法は、高純度の弗化有機4級アンモニウムが得られるものの、製造中に腐食性の強い弗酸を使用しなければならないという問題があった。
処理室(A)の一方の陰イオン交換膜(3)及び陽イオン交換膜(2)に囲まれた室であって弗化金属塩を含む水溶液が供給される供給室(B)と、
処理室(A)の他方の陰イオン交換膜(4)及び陽イオン交換膜(5)に囲まれた室であって前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを透過させて受け入れる廃液室(C)と
の少なくとも3つの室を含む電気透析装置を用い、処理室(A)から廃液室(C)に有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを陰イオン交換膜(4)を透過させるとともに、供給室(B)から処理室(A)に弗化物イオンを陰イオン交換膜(3)を透過させることによって、前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを弗化物イオンに置換する弗化有機4級アンモニウムの製造方法である。
また、2つの陰イオン交換膜(3、4)から有機4級アンモニウムカチオンが漏洩することはない。
処理室(A)の一方の陰イオン交換膜(3)及び陽イオン交換膜(2)に囲まれた室であって弗化金属塩を含む水溶液が供給される供給室(B)と、
処理室(A)の他方の陰イオン交換膜(4)及び陽イオン交換膜(5)に囲まれた室であって前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを透過させて受け入れる廃液室(C)と
の少なくとも3つの室を含む電気透析装置を用いる。
図1の電気透析装置を詳しく説明すると、該電気透析装置は陰極(1)、陽イオン交換膜(2)、陰イオン交換膜(3)、陰イオン交換膜(4)、陽イオン交換膜(5)、陽極(6)が順次設けられている。陰極(1)を含み、陽イオン交換膜(2)で隔壁された室が陰極室(D);陽イオン交換膜(2)及び陰イオン交換膜(3)で隔壁された室が供給室(B);陰イオン交換膜(3)及び陰イオン交換膜(4)で隔壁された室が処理室(A);陰イオン交換膜(4)及び陽イオン交換膜(5)で隔壁された室が廃液室(C);陽極(6)を含み、陽イオン交換膜(5)で隔壁された室が陰極室(E)である。
陰極室(D)、陽極室(E)には、通電するように、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウムなどのハロゲン化物イオンをほとんど含まない電解質が溶解した水溶液(10)が供給される。供給室(B)には弗化金属塩が溶解した水溶液(11)が供給され処理室(A)には、置換される前の、弗化物イオンとは異なるアニオンを対イオンとする有機4級アンモニウム塩を溶解させた水溶液(12)が供給される。更に、廃液室(C)は、水でも良いが、電気透析時の通電効率を向上させるため、例えば、食塩、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウムなどの弗化物イオンとは異なるアニオンの金属塩を溶解させた水溶液(13)が供給される。そして、陰極(1)と陽極(6)との間に、直流電圧を加えて電気透析する。これにより、供給室(B)に供給された弗化金属塩に由来する弗化物イオンは、陰イオン交換膜(3)を透過して処理室(A)に供給される。同時に、処理室(A)に供給された前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンは、陰イオン交換膜(4)を透過して廃液室(C)に移動するが、有機4級アンモニウムカチオンは陰イオン交換膜(3)及び(4)を透過しないので処理室(A)にとどまる。
図2に示したように、前記有機4級アンモニウム塩を溶解させた水溶液(12)を異なる処理室(A)に循環させたり、弗化金属塩を溶解させた水溶液(11)を異なる供給室(B)に循環させたり、前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンの金属塩、硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液(13)を異なる廃液室(C)に循環させたりしてもよい。さらに、ハロゲン化物イオンをほとんど含まない電解質が溶解した水溶液(10)を陰極室(D)、陽極室(E)に循環させてもよい。
ここで、陰イオン交換基含有モノマーとしては、例えば、1〜3級アミノ基、第4級アンモニウム基などを含有するモノマーであり、具体的には、N−ビニルイミダゾール、N−ビニル−2−メチルイミダゾール、N−ビニル−2,4−ジメチルイミダゾール、N−ビニル−2−エチルイミダゾール、N−ビニル−2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−ビニルイミダゾール及び1−メチル−2−ビニルイミダゾール等のビニルイミダゾール類;4−ビニルピリジン等のビニルピリジン類などの複素環系モノマー等が挙げられる。また、3級アミノ基含有重合体を、塩化メチル、沃化メチル、ジブロモヘキサン、硫酸ジメチルなどにより第4級アンモニウム塩に変換してもよい。
陰イオン交換膜として、例えば、ネオセプタ(商品名、(株)アストム製)、セレミオン(商品名、旭硝子製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等、市販品の陰イオン交換膜を使用することができる。
弗化物イオン以外の不要な陰イオンを透過させる陰イオン交換膜(図1でいえば、陰イオン交換膜(4))としては、10重量%のp−トルエンスルホン酸ナトリウム水溶液の透過速度が0.05〜0.60kg・m−2・h−1・V−1である陰イオン交換膜が好ましく、とりわけ、0.05〜0.25kg・m−2・h−1・V−1が好適である。
陰イオン交換膜の透過速度(P kg・m−2・h−1・V−1)は、室(A’)1室あたりの荷電圧E Vにて、θ h 通電したのち、陰イオン交換膜を透過したナトリウムの重量をp−トルエンスルホン酸ナトリウム W kgの重量とすれば、
P = W・S−1・θ−1・E−1
として算出することができる。
ここで、陽イオン交換基含有モノマーとしては、例えば、スルホン基、カルボキシル基、フェノール性水酸基などを含有するモノマーであり、具体的には、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、ビニルフェノールなどが挙げられる。
炭化水素系モノマーとしては、前記陰イオン交換膜の項で例示された炭化水素系モノマーなどが挙げられる。
具体的には、登録商標 ネオセプタとして販売されている(株)アストム製の陽イオン交換膜、登録商標 セレミオンとして販売されている(株)旭硝子製の陽イオン交換膜などの市販品をそのまま使用してもよい。
電気透析装置の陽極および陰極などの電極の構造としては、例えば、メッシュ状、格子状、板状等の構造が挙げられる。
印加する電圧としては、陽極室(D)、処理室(A)、供給室(B)、廃液室(C)及び陰極室(E)を1セルとした場合の1セルあたり、通常、0.02〜5V程度、好ましくは0.1〜3V程度である。
弗化物イオンとは異なるアニオンとしては、中でも、塩化物イオン、臭化物イオン、沃化物イオン(I-)などの一価陰イオンが弗化物イオンに置換しやすい傾向があることから好ましい。
有機4級アンモニウム塩として異なる複数の有機4級アンモニウム塩を用いてもよい。
(式中、R1〜R7は、それぞれ独立に、炭素数1〜12のアルキル基、又は炭素数7〜12のアラルキル基を表す。R8及びR9は、炭素数3〜8の2価の炭化水素基を表し、該炭化水素基は二重結合及び/又は窒素原子が含まれていてもよい。R10は、水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数7〜12のアラルキル基を表す。R10はR9と結合して環を形成していてもよく、R9とR10とが形成する環は脂肪族環であっても芳香族環であってもよい。アルキル基、アラルキル基及び炭化水素基には置換基が結合していてもよい。)
置換基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、トリフルオロメトキシ基等の炭素数1〜12のアルコキシ基;フェニル基、4−メチルフェニル基、4−メトキシフェニル基などの炭素数6〜12のアリール基;フェノキシ基、2−メチルフェノキシ基、4−メチルフェノキシ基、4−メトキシフェノキシ基、3−フェノキシフェノキシ基等の炭素数6〜12のアリールオキシ基;ベンジルオキシ基、4−メチルベンジルオキシ基、4−メトキシベンジルオキシ基、3−フェノキシベンジルオキシ基等の炭素数7〜12のアラルキルオキシ基;フッ素原子などが挙げられる。
当該原料水溶液には、電気透析に支障がない限り、アルコールなど、水と完全混和する有機溶媒が含有していてもよい。
弗化金属塩を含む水溶液には、電気透析に支障がない限り、アルコールなど、水と完全混和する有機溶媒が含有されていてもよい。
陽イオン交換膜は、膜(登録商標 ネオセプタ CIMS、(株)アストム製)、弗化物イオンを透過させるための陰イオン交換膜と不要アニオンを透過させる陰イオン交換膜には、共に膜(登録商標 ネオセプタ A−201F、(株)アストム製)を装着した図1に準じた電気透析装置(マイクロ・アシライザーEX3型 電気透析装置、(株)アストム製、有効膜面積0.055m2)の供給室(B)に、1重量%フッ化カリウム水溶液502重量部を入れ、処理室(A)には、5重量%テトラブチルアンモニウム臭化物水溶液501重量部を入れ、廃液室(C)にはイオン交換水499重量部を入れ、陽極室及び陰極室には5重量%硫酸ナトリウム水溶液500重量部を供給した。次に陰陽極間に15Vの一定直流電圧を印加した。通電時間は80分、平均電流値は0.19A(電流密度は0.34A/dm2)であった。なお、80分間の通電にて、供給室(B)の水溶液量は、467重量部となり、若干減量した。処理室(A)の水溶液量も483重量部となり若干減量した。
水溶解−イオンクロマトグラフ法により分析した結果、処理室(A)における弗化物イオンへの置換率は83%であった。また、JIS K 0102 45.5 熱分解法により総窒素分を分析し、処理室(A)からの有機4級アンモニウムカチオンの流出量を把握した結果、99%以上の有機4級アンモニウムカチオンは処理室(A)に存在し、有機4級アンモニウムカチオンの流出はないことがわかった。
通電中の平均電流値は0.05A(電流密度は0.09A/dm2)であった。陰イオン交換膜を透過したp−トルエンスルホン酸ナトリウムの重量を0.054kg であったことから、用いた陰イオン交換膜の透過速度は0.099(kg・m−2・h−1・V−1)として算出することができる。
陽イオン交換膜は、膜(登録商標 ネオセプタ CIMS、(株)アストム製)、弗化物イオンを透過させるための陰イオン交換膜と不要陰イオンを透過させる陰イオン交換膜には、共に膜(登録商標 ネオセプタ A−201F、(株)アストム製)を装着した図1に準じた電気透析装置(マイクロ・アシライザーEX3型 電気透析装置、(株)アストム製、有効膜面積0.055m2)の供給室(B)に、1.4重量%フッ化カリウム水溶液400重量部を入れ、処理室(A)には、3.8重量%の1−メチル−3−(n−ブチル)イミダゾリウムクロライド塩水溶液400重量部を入れ、廃液室(C)にはイオン交換水400重量部を入れ、陽極室及び陰極室には5重量%硫酸ナトリウム水溶液501重量部を入れた。次に陰陽極間に15Vの一定直流電圧を印加した。通電時間は35分、平均電流値は0.45A(電流密度は0.8A/dm2)であった。なお、35分間の通電にて、弗化物イオン供給室の水溶液量は、369重量部となり、若干減量し、処理室(A)の水溶液量も395重量部となり若干減量した。
水溶解−イオンクロマトグラフ法により分析した結果、処理室(A)の弗化物イオンへの置換率は82%であった。また、JIS K 0102 45.5 熱分解法により総窒素分を分析し、処理室(A)からの有機4級アンモニウムカチオンの流出量を把握した結果、99%以上の有機4級アンモニウムカチオンは処理室(A)に存在し、有機4級アンモニウムカチオンの流出はないことがわかった。
陽イオン交換膜は、膜(登録商標 ネオセプタ CIMS、(株)アストム製)、弗化物イオンを透過させるための陰イオン交換膜には、膜(登録商標 ネオセプタ A−201F、(株)アストム製)、不要陰イオンを透過させる陰イオン交換膜には、膜(登録商標 ネオセプタ AMX−SB、(株)アストム製)を装着した図1に準じた電気透析装置(マイクロ・アシライザーEX3型 電気透析装置、(株)アストム製、有効膜面積0.055m2)の供給室(B)に、5.7重量%フッ化カリウム水溶液411重量部を入れ、処理室(A)には、25重量%のテトラブチルアンモニウム硫酸塩水溶液401重量部を入れ、廃液室(C)にはイオン交換水400重量部を入れ、陽極室及び陰極室には5重量%硫酸ナトリウム水溶液500重量部を入れた。次に陰陽極間に15Vの一定直流電圧を印加した。通電時間は100分、平均電流値は0.63A(電流密度は1.15A/dm2)であった。なお、100分間の通電にて、供給室(B)の水溶液量は、285重量部となり、大幅に減量したが、処理室(A)の水溶液量は442重量部となり増加した。
水溶解−イオンクロマトグラフ法により分析した結果、処理室(A)の弗化物イオンへの置換率は26%であった。
通電中の平均電流値は0.18A(電流密度は0.33A/dm2)であった。のち、濃縮室に透析されたp−トルエンスルホン酸ナトリウムの重量を0.091kg であったことから、用いた陰イオン交換膜の透過速度は0.166(kg・m−2・h−1・V−1)として算出することができる。
2:実施例に用いられた電気透析装置の陽イオン交換膜
3:実施例に用いられた電気透析装置の陰イオン交換膜
4:実施例に用いられた電気透析装置の陰イオン交換膜
5:実施例に用いられた電気透析装置の陽イオン交換膜
6:実施例に用いられた電気透析装置の陽極
10:ハロゲン化物イオンをほとんど含まない電解質が溶解した水溶液
11:弗化金属塩が溶解された水溶液
12:有機4級アンモニウム塩を含む水溶液
13:弗化物イオンとは異なるアニオンの金属塩を溶解させた水溶液
21:透過速度の算出用電気透析装置における陽極
22:透過速度の算出用電気透析装置における陰極
23:透過速度の算出対象の陰イオン交換膜
24:陽イオン交換膜(登録商標 ネオセプタ CIMS、アストム製)
(A):実施例に用いられた電気透析装置の処理室
(B):実施例に用いられた電気透析装置の供給室
(C):実施例に用いられた電気透析装置の廃液室
(D):実施例に用いられた電気透析装置の陽極室
(E):実施例に用いられた電気透析装置の陰極室
(A’):透過速度の算出用電気透析装置において、10重量%p−トルエンスルホン酸
水溶液が供給される室
(B’):透過速度の算出用電気透析装置において、10重量%p−トルエンスルホン酸
水溶液が供給される室
(C’):透過速度の算出用電気透析装置における陽極室
(D’):透過速度の算出用電気透析装置における陰極室
Claims (5)
- 2つの陰イオン交換膜(3、4)で囲まれた室であって弗化物イオンとは異なるアニオンを含む有機4級アンモニウム塩の水溶液が供給される処理室(A)と、
処理室(A)の一方の陰イオン交換膜(3)及び陽イオン交換膜(2)に囲まれた室であって弗化金属塩を含む水溶液が供給される供給室(B)と、
処理室(A)の他方の陰イオン交換膜(4)及び陽イオン交換膜(5)に囲まれた室であって前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを透過させて受け入れる廃液室(C)と
の少なくとも3つの室を含む電気透析装置を用い、処理室(A)から廃液室(C)に有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを陰イオン交換膜(4)を透過させるとともに、供給室(B)から処理室(A)に弗化物イオンを陰イオン交換膜(3)を透過させることによって、前記有機4級アンモニウム塩に由来するアニオンを弗化物イオンに置換する弗化有機4級アンモニウムの製造方法。 - 有機4級アンモニウムカチオンが式(I)〜(III)で表される少なくとも1種のアンモニウムカチオンである請求項1に記載の製造方法。
(式中、R1〜R7は、それぞれ独立に、炭素数1〜12のアルキル基、又は炭素数7〜12のアラルキル基を表す。R8及びR9は、炭素数3〜8の2価の炭化水素基を表し、該炭化水素基は二重結合及び/又は窒素原子が含まれていてもよい。R10は、水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数7〜12のアラルキル基を表す。R10はR9と結合して環を形成していてもよく、R9とR10とが形成する環は脂肪族環であっても芳香族環であってもよい。アルキル基、アラルキル基及び炭化水素基には置換基が結合していてもよい。) - 有機4級アンモニウム塩のアニオンが、塩化物イオン(Cl-)、臭化物イオン(Br-)、及び沃化物イオン(I−)からなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンである請求項1又は2に記載の製造方法。
- 陰イオン交換膜(3)が、10重量%のp−トルエンスルホン酸ナトリウム水溶液を0.05〜0.15kg・m−2・h−1・V−1の透過速度で透過させることのできる陰イオン交換膜である請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 陰イオン交換膜(4)が、10重量%のp−トルエンスルホン酸ナトリウム水溶液を0.05〜0.60kg・m−2・h−1・V−1の透過速度で透過させることのできる陰イオン交換膜である請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
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