JP4899182B2

JP4899182B2 - Method for producing anion exchanger

Info

Publication number: JP4899182B2
Application number: JP2006078886A
Authority: JP
Inventors: 晃成苑田; ラメシュチトラカー; 聡子手束; 幸治坂根; 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: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: JP2007253030A

Description

本発明は、アニオン交換体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an anion exchanger.

工場や家庭から排出される排水中のリン酸、硝酸などのアニオンは、河川、湖沼、海水の富栄養化の原因となり、環境破壊を引き起すことから、これを除去・回収する技術開発が求められている。 Anions such as phosphoric acid and nitric acid in wastewater discharged from factories and households cause eutrophication of rivers, lakes, and seawater, and cause environmental destruction. It has been.

これまでにアニオン交換体として、マグネシウム−アルミニウム系の層状複水酸化物(Layered double hydroxides; LDH)（特許文献１）が知られ、これは、例えば塩化マグネシウム、塩化アルミニウムとアルカリ（例えば水酸化ナトリウム）を混合し、必要に応じて加熱して製造される。この反応は、ｐＨのコントロールが得られるアニオン交換体の性能に影響するので、塩化マグネシウム、塩化アルミニウムとアルカリを徐々に混合してｐＨを調整しながら製造する必要があり、操作が煩雑で時間がかかるため、より簡便な製造法が求められていた。
特開2000-290012 So far, magnesium-aluminum layered double hydroxides (LDH) (Patent Document 1) have been known as anion exchangers, which include, for example, magnesium chloride, aluminum chloride and alkali (for example, sodium hydroxide). ) Are mixed and heated as necessary. Since this reaction affects the performance of the anion exchanger that can control the pH, it is necessary to produce it while gradually adjusting the pH by gradually mixing magnesium chloride, aluminum chloride and alkali, which is complicated and time-consuming. Therefore, a simpler production method has been demanded.
JP2000-290012

本発明は、アニオン交換体を効率的に製造する技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which manufactures an anion exchanger efficiently.

本発明者らは、上記課題に鑑み検討を重ねた結果、塩基性で固体のＭｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物と、酸性で固体または液体のＡｌ含有化合物またはＦｅ含有化合物を固−固系又は固−液系で混合することで、ｐＨを調整しなくても高性能のアニオン交換体が得られることを見出した。 As a result of repeated investigations in view of the above problems, the present inventors have determined that a solid, solid Mg-containing compound or Zn-containing compound and an acidic, solid or liquid Al-containing compound or Fe-containing compound are solid-solid or solid. -It has been found that by mixing in a liquid system, a high-performance anion exchanger can be obtained without adjusting the pH.

本発明は、以下のアニオン交換体の製造方法を提供するものである:
１．ＭｇＡｌ系、ＭｇＦｅ系、ＺｎＡｌ系またはＺｎＦｅ系のアニオン交換体の製造方法であって、塩基性で固体のＭｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物と、酸性で固体または液体のＡｌ含有化合物またはＦｅ含有化合物を混合し、固形のＭｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物を含有する固−固系または固−液系で反応させることを特徴とする、アニオン交換体の製造方法。
２．塩基性のＭｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物が、ＭｇＯまたはＺｎＯであり、Ａｌ含有化合物またはＦｅ含有化合物が、Ａｌハロゲン化物またはＦｅハロゲン化物である、項1に記載のアニオン交換体の製造方法。 The present invention provides the following anion exchanger production method:
1. A method for producing an MgAl-based, MgFe-based, ZnAl-based or ZnFe-based anion exchanger comprising a basic solid Mg-containing compound or Zn-containing compound and an acidic solid or liquid Al-containing compound or Fe-containing compound. A method for producing an anion exchanger, comprising mixing and reacting in a solid-solid system or a solid-liquid system containing a solid Mg-containing compound or Zn-containing compound.
2. Item 2. The method for producing an anion exchanger according to Item 1, wherein the basic Mg-containing compound or Zn-containing compound is MgO or ZnO, and the Al-containing compound or Fe-containing compound is Al halide or Fe halide.

本発明によれば、高性能のＭｇＡｌ系、ＭｇＦｅ系、ＺｎＡｌ系またはＺｎＦｅ系のアニオン交換体を簡便に製造することができる。 According to the present invention, a high-performance MgAl-based, MgFe-based, ZnAl-based or ZnFe-based anion exchanger can be easily produced.

本発明の特徴は、塩基性で固体のＭｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物と酸性で固体または液体のＡｌ含有化合物またはＦｅ含有化合物を混合し、Ｍｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物の固−固系または固−液系で反応させると、固−固界面もしくは固−液界面で徐々に中和反応が起こり、ｐＨの調整をすることなく、高性能のアニオン交換体が得られる点にある。
本発明で使用するＭｇ含有化合物としては、ＭｇＯ、Ｍｇ(ＯＨ)_２が挙げられ、ＭｇＯは固固系もしくは固液系のいずれでも使用され、Ｍｇ(ＯＨ)_２は固−固系で使用するのが好ましい。
Ｚｎ含有化合物としては、ＺｎＯ、Ｚｎ(ＯＨ)_２が挙げられ、ＺｎＯは固固系もしくは固液系のいずれでも使用され、Ｚｎ(ＯＨ)_２は固−固系で使用するのが好ましい。
ＭｇＯ、ＺｎＯは水に難溶性であり、固液系であってもわずかに水に溶解する。このＭｇＯと溶液中のＡｌ含有化合物(例えばＡｌＣｌ_３)またはＦｅ含有化合物(例えばＦｅＣｌ
_３)が反応してＭｇＡｌ系、ＭｇＦｅ系、ＺｎＡｌ系またはＺｎＦｅ系のアニオン交換体
が形成されて沈殿し平衡がずれることによりＭｇＯ、ＺｎＯなどの水難溶性かつ塩基性化合物が徐々に溶解し、アニオン交換体の沈殿が形成される。Ａｌハロゲン化物(例えばＡ
ｌＣｌ_３)やＦｅハロゲン化物(例えばＦｅＣｌ_３)などの水溶液は酸性を示すが、ｐＨ調
整の必要性はなく、これらの水溶液中から高性能のアニオン交換体が沈殿する。
Ａｌ含有化合物としては、ハロゲン化物、オキシハロゲン化物、酸化物、水酸化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸などが挙げられる。好ましくはＡｌＣｌ_３，ＡｌＢｒ_３、ＡｌＩ_３、ＡｌＦ_３などのハロゲン化物、特に好ましくＡｌＣｌ_３が挙げられる。
Ｆｅ含有化合物としては、ハロゲン化物、オキシハロゲン化物、酸化物、水酸化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸などが挙げられる。好ましくはＦｅＣｌ_３，ＦｅＢｒ_３、ＦｅＩ_３、ＦｅＦ_３などのＦｅなどのハロゲン化物、特に好ましくＦｅＣｌ_３。鉄の酸化数は、三価が好ましいが二価や零価であっても、また混合物であっても構わない。
固固系で反応させる場合、無水条件であってもよいが、わずかに水が存在している方が、反応が促進される。水は、Ｍｇ含有化合物、Ｚｎ含有化合物、Ａｌ含有化合物、Ｆｅ含有化合物などの付着水または結晶水(水和物)に由来してもよく、無水物を使用する場合には、反応促進のために水を適量(固−固系を保つ程度)加えるのが望ましい。
固液系で反応させる場合、水の含量は特に限定されないが、Ｍｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物が一部のみ溶解する程度の量の水を使用することができる。ＭｇＯ、ＺｎＯなどの水難溶性の化合物を用いる場合には多量の水を使用することができる。
反応温度は、例えば０〜２００℃程度の温度でよいが、好ましくは１０〜５０℃程度、さらに好ましくは２０〜４０℃程度である。反応時間は、反応条件によるが、通常１時間以上、３日程度で有利に進行する。好ましい反応時間は１０時間から２日程度である。一般に難溶性のＭｇＯ、ＺｎＯなどの比率が高く、固固系で反応させた場合反応時間が長くなり、難溶性のＭｇＯ、ＺｎＯなどの比率が低く、固液系で反応させた場合反応時間が短くなる傾向にある。
Ｍｇ含有化合物またはＺｎ含有化合物と、Ａｌ含有化合物またはＦｅ含有化合物の配合比率(モル比)は、ほぼ最終的に得られるＭｇＡｌ系、ＭｇＦｅ系、ＺｎＡｌ系またはＺｎＦｅ系のアニオン交換体のモル比に反映されるため、所望のモル比でこれらを混合すればよい。
本発明の方法により得られるアニオン交換体において、ＭｇＡｌ系、ＭｇＦｅ系、ＺｎＡｌ系はＬＤＨ（層状複水酸化物）になる。
本発明の反応では、反応混合物を撹拌して行うのが望ましいが、必ずしも必要ではない。撹拌は、撹拌羽根を用いる攪拌機、磁気攪拌機、あるいは容器を振盪することなどにより行うことができる。
本発明で得られるアニオン交換体は、無水物であってもよく、任意の数の水が付着又は水和した水和物の形態であってもよい。
本発明のアニオン交換体は、リン酸、硝酸などのアニオン交換に好ましく使用される。 A feature of the present invention is that a basic solid Mg-containing compound or Zn-containing compound is mixed with an acidic solid or liquid Al-containing compound or Fe-containing compound, and the solid-solid system or solid-state of the Mg-containing compound or Zn-containing compound is mixed. -When the reaction is carried out in a liquid system, a neutralization reaction occurs gradually at the solid-solid interface or solid-liquid interface, and a high-performance anion exchanger can be obtained without adjusting the pH.
Examples of the Mg-containing compound used in the present invention include MgO and Mg (OH) _2. MgO is used in either a solid-solid system or a solid-liquid system, and Mg (OH) ₂ is used in a solid-solid system. Is preferred.
Examples of the Zn-containing compound include ZnO and Zn (OH) _2. ZnO is used in either a solid-solid system or a solid-liquid system, and Zn (OH) ₂ is preferably used in a solid-solid system.
MgO and ZnO are sparingly soluble in water and are slightly soluble in water even in a solid-liquid system. The MgO and an Al-containing compound (eg, AlCl ₃ ) or Fe-containing compound (eg, FeCl) in the solution
₃ ) reacts to form MgAl, MgFe, ZnAl, or ZnFe anion exchangers that precipitate and shift in equilibrium, thereby slowly dissolving poorly water-soluble and basic compounds such as MgO and ZnO, An exchanger precipitate is formed. Al halide (eg A
Although aqueous solutions such as lCl ₃ ) and Fe halides (eg, FeCl ₃ ) are acidic, there is no need for pH adjustment, and high-performance anion exchangers precipitate from these aqueous solutions.
Examples of the Al-containing compound include halides, oxyhalides, oxides, hydroxides, nitrates, sulfates, and perchloric acid. Preferred are halides such as AlCl ₃ , AlBr ₃ , AlI ₃ and AlF ₃ , and particularly preferred is AlCl ₃ .
Examples of Fe-containing compounds include halides, oxyhalides, oxides, hydroxides, nitrates, sulfates, and perchloric acid. Preferably halides such as Fe such as FeCl ₃ , FeBr ₃ , FeI ₃ , FeF ₃ , particularly preferably FeCl ₃ . The oxidation number of iron is preferably trivalent, but may be divalent, zero-valent, or a mixture.
When the reaction is carried out in a solid-solid system, it may be under anhydrous conditions, but the reaction is promoted when a slight amount of water is present. Water may be derived from adhering water or crystal water (hydrate) such as Mg-containing compound, Zn-containing compound, Al-containing compound, Fe-containing compound, etc. It is desirable to add an appropriate amount of water (a degree that keeps the solid-solid system).
When the reaction is carried out in a solid-liquid system, the content of water is not particularly limited, but an amount of water that can dissolve only a part of the Mg-containing compound or Zn-containing compound can be used. When a poorly water-soluble compound such as MgO or ZnO is used, a large amount of water can be used.
The reaction temperature may be, for example, about 0 to 200 ° C., preferably about 10 to 50 ° C., more preferably about 20 to 40 ° C. Although the reaction time depends on the reaction conditions, it usually proceeds advantageously in about 1 hour or more and about 3 days. The preferred reaction time is about 10 hours to 2 days. Generally, the ratio of poorly soluble MgO, ZnO, etc. is high, and the reaction time is long when reacted in a solid-solid system, while the ratio of poorly soluble MgO, ZnO, etc. is low, and the reaction time is reacted in a solid-liquid system. It tends to be shorter.
The compounding ratio (molar ratio) of the Mg-containing compound or Zn-containing compound and the Al-containing compound or Fe-containing compound is almost equal to the molar ratio of the MgAl-based, MgFe-based, ZnAl-based, or ZnFe-based anion exchanger to be finally obtained. Since these are reflected, these may be mixed at a desired molar ratio.
In the anion exchanger obtained by the method of the present invention, the MgAl-based, MgFe-based, and ZnAl-based materials become LDH (layered double hydroxide).
In the reaction of the present invention, it is desirable to carry out the reaction mixture with stirring, but this is not always necessary. Stirring can be performed by a stirrer using a stirring blade, a magnetic stirrer, or shaking a container.
The anion exchanger obtained in the present invention may be an anhydride, or may be in the form of a hydrate with any number of water attached or hydrated.
The anion exchanger of the present invention is preferably used for anion exchange such as phosphoric acid and nitric acid.

本発明のアニオン交換体は、例えば造粒などの操作を行い成形体とし、カラムなどに充填し、該カラムに燐を含む排水を流すことによりアニオンの吸着ないし回収を行うことができる。 The anion exchanger of the present invention can be subjected to, for example, granulation or the like to form a molded body, filled in a column or the like, and an anion can be adsorbed or recovered by flowing a waste water containing phosphorus through the column.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
MgO (1.0g)と、0.12M または0.08Mまたは0.06M AlCl₃(100ml)を200mlのフラスコ中で混合し、30℃で2日間撹拌した。反応混合液を遠心分離して上澄みを捨て、水50mlで洗浄した。沈殿物を回収し、30℃で1日乾燥して、Mg/Al=2,3,4のLDHからなるアニオン交換体を得た。得られたアニオン交換体のX線回折パターンを図1に示す。
試験例１
実施例１で得られたアニオン交換体0.1gを使用し、100mg-P/L濃度のNaH₂PO₄の水溶液100mL(pH=7.5〜8.5) と1日間接触させて、リン吸着量を測定した。結果を図2に示す。
実施例２
MgO (0.5g)と、0.12M または0.08Mまたは0.06M FeCl₃(50ml)を200mlのフラスコ中で混合し、室温で１日間撹拌した。反応混合液を遠心分離して上澄みを捨て、水50mlで洗浄した。沈殿物を回収し、30℃で1日間乾燥して、Mg/Fe=2,3,4のLDHからなるアニオン交換体を得た。得られたアニオン交換体のX線回折パターンを図３に示す。
試験例２
実施例２で得られたアニオン交換体0.1gを使用し、100mg-P/L濃度のNaH₂PO₄の水溶液100mL(pH=9.0〜9.2) と1日間接触させて、リン吸着量を測定した。結果を図４に示す。
実施例３
ZnO (1.0g)と、0.12M または0.08Mまたは0.06M AlCl₃(50ml)を200mlのフラスコ中で混合し、室温で１日間撹拌した。反応混合液を遠心分離して上澄みを捨て、水50mlで洗浄した。沈殿物を回収し、30℃で1日乾燥して、Zn/Al=2,3,4のLDHからなるアニオン交換体を得た。得られたアニオン交換体のX線回折パターンを図５に示す。
実施例４
ZnO (2.0g)と、AlCl₃・6H₂O (1.5-3g)を乳鉢中で混合・粉砕し、テフロン(登録商標)内筒耐圧容器に移し、１５０℃で１日間処理した。反応物を水50mlで洗浄・風乾し、LDH様アニオン交換体を得た。得られたアニオン交換体のX線回折パターンを図６に示す。ZnAl-2S, ZnAl-3S, ZnAl-4Sは、各々Zn/Al混合比2,3,4で、生成物の分析値は、それぞれ1.74, 1.94, 3.50であった。
試験例３
実施例３（Zn/Al=2,3,4）、実施例4（ZnAl-2S）で得られたアニオン交換体0.1gを使用し、100mg-P/L濃度のNaH₂PO₄の水溶液100mL(pH=5.7〜6.7) と1日間接触させて、リン吸着量を測定した。結果を図７に示す。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples.
Example 1
MgO (1.0 g) and 0.12M or 0.08M or 0.06M AlCl ₃ (100 ml) were mixed in a 200 ml flask and stirred at 30 ° C. for 2 days. The reaction mixture was centrifuged and the supernatant was discarded and washed with 50 ml of water. The precipitate was collected and dried at 30 ° C. for 1 day to obtain an anion exchanger composed of LDH with Mg / Al = 2,3,4. The X-ray diffraction pattern of the obtained anion exchanger is shown in FIG.
Test example 1
Using 0.1 g of the anion exchanger obtained in Example 1, it was brought into contact with 100 mL of an aqueous solution of NaH ₂ PO _{4 having} a concentration of 100 mg-P / L (pH = 7.5 to 8.5) for 1 day, and the phosphorus adsorption amount was measured. . The result is shown in figure 2.
Example 2
MgO (0.5 g) and 0.12M or 0.08M or 0.06M FeCl ₃ (50 ml) were mixed in a 200 ml flask and stirred at room temperature for 1 day. The reaction mixture was centrifuged and the supernatant was discarded and washed with 50 ml of water. The precipitate was collected and dried at 30 ° C. for 1 day to obtain an anion exchanger composed of LDH with Mg / Fe = 2, 3, and 4. The X-ray diffraction pattern of the obtained anion exchanger is shown in FIG.
Test example 2
Using 0.1 g of the anion exchanger obtained in Example 2, it was brought into contact with 100 mL of an aqueous solution of NaH ₂ PO _{4 having} a concentration of 100 mg-P / L (pH = 9.0 to 9.2) for 1 day, and the phosphorus adsorption amount was measured. . The results are shown in FIG.
Example 3
ZnO (1.0 g) and 0.12M or 0.08M or 0.06M AlCl ₃ (50 ml) were mixed in a 200 ml flask and stirred at room temperature for 1 day. The reaction mixture was centrifuged and the supernatant was discarded and washed with 50 ml of water. The precipitate was collected and dried at 30 ° C. for 1 day to obtain an anion exchanger composed of LDH of Zn / Al = 2,3,4. The X-ray diffraction pattern of the obtained anion exchanger is shown in FIG.
Example 4
ZnO (2.0 g) and AlCl ₃ .6H ₂ O (1.5-3 g) were mixed and ground in a mortar, transferred to a Teflon (registered trademark) inner cylinder pressure vessel, and treated at 150 ° C. for 1 day. The reaction product was washed with 50 ml of water and air-dried to obtain an LDH-like anion exchanger. The X-ray diffraction pattern of the obtained anion exchanger is shown in FIG. ZnAl-2S, ZnAl-3S, and ZnAl-4S had Zn / Al mixing ratios of 2, 3, and 4, and the analytical values of the products were 1.74, 1.94, and 3.50, respectively.
Test example 3
Using 0.1 g of the anion exchanger obtained in Example 3 (Zn / Al = 2, 3, 4) and Example 4 (ZnAl-2S), 100 mL of an aqueous solution of NaH ₂ PO _{4 having} a concentration of 100 mg-P / L (pH = 5.7 to 6.7) was contacted for 1 day, and the phosphorus adsorption amount was measured. The results are shown in FIG.

Mg-Al系アニオン交換体のXRDパターンXRD pattern of Mg-Al anion exchanger 実施例1のアニオン交換体のリン酸取り込み量の測定結果Measurement results of phosphate uptake amount of the anion exchanger of Example 1 Mg-Fe系アニオン交換体のXRDパターンXRD pattern of Mg-Fe anion exchanger 実施例２のアニオン交換体のリン酸取り込み量の測定結果Measurement result of phosphate uptake amount of anion exchanger of Example 2 Zn-Al系アニオン交換体のXRDパターンXRD pattern of Zn-Al anion exchanger 固-固系で製造したZn-Al系アニオン交換体のXRDパターンXRD pattern of Zn-Al anion exchanger produced in solid-solid system 実施例３、４のアニオン交換体のリン酸取り込み量の測定結果。図7中、「▲」は実施例3の固-液系で製造したアニオン交換体の取り込み量を示し、「○」は実施例４の固-固系で製造したアニオン交換体の取り込み量を示す。The measurement result of the phosphate uptake amount of the anion exchangers of Examples 3 and 4. In FIG. 7, “▲” represents the uptake amount of the anion exchanger produced in the solid-liquid system of Example 3, and “◯” represents the uptake amount of the anion exchanger produced in the solid-solid system of Example 4. Show.

Claims

MgAl system, MgFe system, ZnAl system or method of manufacturing a ZnFe based layered double hydroxide type anion exchangers, the Mg-containing compound in the solid form at basic or Zn-containing compound, a solid or an aqueous solution in acidic Al A method for producing a layered double hydroxide type anion exchanger, comprising mixing a containing compound or a Fe-containing compound and reacting in a solid-solid or solid-liquid system at a reaction temperature of 0 to 200 ° C.

2. The method for producing an anion exchanger according to claim 1, wherein the basic Mg-containing compound or Zn-containing compound is MgO or ZnO, and the Al-containing compound or Fe-containing compound is Al halide or Fe halide.