JP5857362B2 - 浄化剤及び浄化方法 - Google Patents
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Description
しかし、従来の方法では、設備コストが高いとともに、多量の地下水及び排水の処理が困難であるという問題があった。
そこで、有害物質を吸着する吸着剤を地下水などの浄化対象に接触させて有害物質を除去することが試みられている。
そのような吸着剤として、ハイドロタルサイト(Mg6Al2(OH)16・4H2O)やハイドロタルサイトと同様の構造を有するハイドロタルサイト様化合物を用いることが検討されている(例えば、特許文献2)。ハイドロタルサイト様化合物は一般式[M2+ 1-xM3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O]で表される化合物で表される化合物で、M2+は2価の金属イオン、M3+は3価の金属イオン、An-は層間陰イオンである。ハイドロタルサイト様化合物は、[M2+ 1-xM3+ x(OH)2] で表されるホスト層と、[An- x/n・mH2O]で表されるゲスト層とが層状構造を形成しており、ゲスト層のAn-との陰イオン交換作用を有している。この陰イオン交換作用により、ヒ素、ホウ素などの有害物質を浄化対象から除去することが期待されている。
本願発明者は鋭意研究の結果、浄化対象から、3価及び5価のヒ素、金属イオンまたは金属元素を含むイオンを短時間で除去することができるハイドロタルサイト様化合物を見出した。そこで、本発明は、低コストでヒ素、特に3価のヒ素、金属イオン、金属元素を含むイオンを浄化対象から効率的に除去することができる浄化剤及び浄化方法を提供することを目的とする。
(数1)
[M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] [A n- x/n ・mH 2 O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、A n- :NO 3 2−
(数2)
[M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] [(A n- ) y ・CO 3 2- z ・mH 2 O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、A n- :NO 3 2−
yn+2z=x
製造時の沈殿剤として炭酸イオンを含む溶液を用いると、ハイドロタルサイト様化合物を多孔質に形成することができる。これにより、浄化対象との接触面積を増大させることができるので、除去対象を高効率に除去することができる。また、炭酸イオンCO 3 2- がゲスト層に残存するようにすると、Baなどの塩基性金属と反応し、難溶性の塩を形成させることができるので、ゲスト層におけるイオン交換やホスト層における吸着では除去することができないBaなどの塩基性金属を除去することができる。
ここで、「除去」とは、除去対象物質を所定の濃度以下に低減することを意味し、浄化対象から検出できなくすることではない。また、「金属」は、Si、Se、Sb、Geなどの半金属を含む概念として用いる。
また、ヒ素と金属イオンまたは金属元素を含むイオンとを同時に除去する場合には、ヒ素と共存することにより相乗的に人体に悪影響を及ぼす、例えば、がんの発生や細胞毒性を促進するような金属をヒ素と同時に除去することができる。ここで、「同時」とは、一度の操作で除去対象を浄化対象から除去することを意味し、必ずしも吸着等が同じ時間で起こることではない。
更に、原料費も安く簡単な工程で製造できるため、低コストの浄化剤とすることができる。
[M12+ 1-xM23+ x(OH)2] [An- x/n・mH2O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、An-:陰イオン
[M12+ 1-xM23+ x(OH)2] [(An-)y・CO3 2- z・mH2O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、An-:陰イオン
yn+2z=x
また、ホスト層の2価陽イオンがFeイオン、3価陽イオンがAlイオン、つまり、(M1,M2)=(Fe,Al)のハイドロタルサイト様化合物を作製する場合には、例えば、硝酸鉄溶液と硝酸アルミニウム溶液との混合溶液を用いることができる。いずれの場合も、陰イオンAn-はNO3 2-となる。
また、土壌を浄化する場合には、浄化剤または浄化剤を懸濁させた液を散布する、などの方法を採用することができる。
本発明の浄化剤及び浄化方法によれば、井戸水などの地下水や土壌などの浄化対象から、5価のヒ素や、従来のハイドロタルサイト様化合物では除去は困難であった3価のヒ素や金属イオンまたは金属元素を含むイオンを効率的に除去することができる。
また、ヒ素と金属イオンまたは金属元素を含むイオンとは、同時に除去することができる。これにより、ヒ素と共存することにより相乗的に人体に悪影響を及ぼす、例えば、がんの発生や細胞毒性を促進するような金属元素をヒ素と同時に除去することができる。
更に、原料費も安く簡単な工程で製造できるため、低コストな浄化剤とすることができる。
ホスト層の(M1,M2)=(Mg,Fe)、ゲスト層のAn-がNO3 2-であるハイドロタルサイト様化合物の製造方法について説明する。
(1)MF0.5(試料名。以下同様);Fe:Mg=1:0.5
(2)MF1.5;Fe:Mg=1:1.5
(3)MF2;Fe:Mg=1:2
(4)MF3;Fe:Mg=1:3
(5)MF4;Fe:Mg=1:4
次に、試料液から除去対象物質を除去する浄化試験について説明する。
本ハイドロタルサイト様物質によるヒ素の浄化性能を従来のハイドロタルサイトと比較した。本ハイドロタルサイト様化合物として、FA2及びMF2を用い、比較例として、ホスト層の(M1,M2)=(Mg,Al)、ゲスト層のAn-がNO3 2-で、モル比Mg:Al=3:1のハイドロタルサイト(MA3)、Mg:Al=5:1のハイドロタルサイト(MA5)を用いた。
FeとMgとのモル比が浄化性能に及ぼす影響について調べた。ハイドロタルサイト様化合物としてMF0.5、MF1.5、MF2、MF3、MF4を用い、実施例1と同様の浄化試験を行った。
ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、試料溶液は、As(III)濃度、As(V)濃度をそれぞれ、500、1000、5000、10000、50000、100000μg/Lの6水準として、浄化試験を行った。
ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、試料溶液は、塩化鉄、塩化バリウム、酸化銅、三酸化クロム、塩化マンガン水溶液を用い、Fe(II)、Ba(II)、Cu(II)、Cr(VI)、Mn(II)の各濃度をそれぞれ、500、1000、5000、10000、50000、100000μg/Lの6水準として、浄化試験を行った。
また、U(VI)を含有する試料溶液として、SPEC社製ICP発光分析用標準溶液XSTC−622を用い、U(VI)濃度を500、1000、2000、4000、6000、8000μg/Lの6水準として、浄化試験を行った。
ヒ素と同時に摂取することによりがん形成能が高くなるFe、Baをヒ素と共存する状態から同時に除去できるかを調べた。ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、試料溶液は、As(III)単独500μg/L、Fe(II)単独3700μg/L、Ba(II)単独1000μg/L及びこれらを等量に混合した混合溶液を用いた。振とう時間は、15秒、30秒、60秒の3水準とした。
また、5価のヒ素については、従来のハイドロタルサイトで10μg/L以下まで除去するためには数時間程度要するという報告(例えば、Gillman,A simple technology for arsenic removal from drinking water using hydrotalcite.Science of the Total Enviroment. 2006;366:926−931)もあり、これらと比較すれば極めて短時間で浄化することができる。これは、本ハイドロタルサイト様化合物が多孔質であり、溶液との接触機会が増大していることに起因すると考えられる。
バングラデシュで採取した井戸水8サンプルについて、ヒ素及びFe濃度をICP質量分析法により測定した後に、ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、振とう時間60秒の浄化試験を行った。井戸水には、各種イオンが混在しており、このような溶液からヒ素及びFeを有効に除去できるか否かを調べた。
ヒ素の初期濃度は、8サンプルすべてがWHO基準値を超えていたが、浄化試験後にはそのすべてをWHO基準値以下となるように浄化することができた。
ベトナムで採取した井戸水12サンプルについて、ヒ素、Fe、Ba、Mn、Si及びSrの濃度をICP質量分析法により測定した後に、ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、振とう時間60秒の浄化試験を行った。Srについては振とう時間1時間の浄化試験を追加して行った。
Srについては、図8に示すように、他の金属元素と比べて長時間を要するものの、除去することが可能であることが確認された。
Asの初期濃度は9サンプルにおいて、Baの初期濃度は4サンプルにおいて、WHO基準値を超えていたが、浄化試験後にはそのすべてをWHO基準値以下となるように浄化することができた。
アフガニスタンで採取した井戸水11サンプルについて、Uの濃度をICP質量分析法により測定した後に、ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、振とう時間60秒の浄化試験を行った。図9に試験結果を示す。Uは短時間で有効に除去できることが確認された。
各種金属イオンまたは金属元素を含むイオンについて浄化性能を調査した。試料溶液は、SPEC社製ICP発光分析用標準溶液XSTC−622に和光純薬工業株式会社製のビスマス標準液021−12661(1000mg/L)、水銀標準液138−13661(1000mg/L)、タリウム標準液205−16301(1000mg/L)を加えた混合溶液を用い、ハイドロタルサイト様化合物としてMF2を用い、振とう時間1時間の浄化試験を行った。図10に試験結果を示す。Al、Ca、Ti、V、Co,Ni、Ga,Se、Zr、Ag、Cd、Sn、W、Hg、Tl、Pb、Biは、浄化試験後の濃度が初期濃度の30%以下、Zn、Ge、Sbは浄化試験後の濃度が初期濃度の30〜60%となり、良好な浄化性能を示した。
MF2の焼成物について、As(III)の浄化性能を調べた。焼成条件は、大気中で400℃、500℃、600℃で各2時間の3水準とした。なお、「80℃」は本ハイドロタルサイト様化合物を焼成したものではなく、乾燥させた温度を示す。振とう時間は、60秒、1時間の2水準とした。図11に試験結果を示す。本ハイドロタルサイト様化合物に比べるとAs(III)の浄化性能は劣るものの、本ハイドロタルサイト様化合物の焼成物でもAs(III)を除去することができることが確認された。
MF2について、変異原性試験及び急性毒性試験を行った。変異原性試験は、ウムラックATキット(蛋白精製工業)を用い、急性毒性試験は経済協力開発機構(OECD)のOECD Guideline for Testing of Chemicals 436(2009)に基づいて行った。その結果、変異原性は認められず、急性毒性試験におけるLD50値は2000mg/kgより大きい値であり、安全性が極めて高いことが確認された。
Claims (5)
- 下記(数1)または(数2)式で表されるハイドロタルサイト様化合物またはその焼成物を主成分とし、浄化対象から3価及び5価のヒ素を除去することを特徴とする浄化剤。
(数1)
[M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] [A n- x/n ・mH 2 O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、A n- :NO 3 2−
(数2)
[M1 2+ 1-x M2 3+ x (OH) 2 ] [(A n- ) y ・CO 3 2- z ・mH 2 O]
(M1,M2):(Mg,Fe)または(Fe,Al)、A n- :NO 3 2−
yn+2z=x - 前記(M1,M2)の組み合わせが(Mg,Fe)であることを特徴とする請求項1に記載の浄化剤。
- 前記Feイオンに対するMgイオンのモル比(Mg/Fe)が0.5〜4であることを特徴とする請求項2に記載の浄化剤。
- 浄化対象から、Fe、Ba、Mn、Cr、Cu、U、Sr、Si、Al、Ca、Ti、V、Co、Ni、Ga、Se、Zr、Ag、Cd、Sn、W、Hg、Pb、Bi、Zn、Ge、Sb、Tlからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素を含むイオンを除去することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の浄化剤。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の浄化剤を用意し、浄化対象に接触させることにより、浄化対象から、3価及び5価のヒ素を除去することを特徴とする浄化方法。
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