JP5950326B2 - Mesoporous alumina carrying arsenic ion-adsorbing compound, arsenic ion recovery method using the same, and arsenic-free aqueous solution production method - Google Patents
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Description
本発明は、目標金属としてヒ素イオンを選択的に吸着可能なヒ素イオン吸着性化合物を担持した規則的な配列を持って多孔質化されているメソポーラスアルミナに関するものであり、メソポーラスアルミナに担持されたヒ素イオン吸着性化合物を用いて、ヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液(またはヒ素イオン水溶液)に含まれるヒ素イオンを効率的かつ選択的に回収する方法およびシステムに関する。 The present invention relates to a mesoporous alumina having a regular arrangement supporting an arsenic ion-adsorbing compound capable of selectively adsorbing arsenic ions as a target metal, and is supported on mesoporous alumina. The present invention relates to a method and system for efficiently and selectively recovering arsenic ions contained in an arsenic ion dissolving solution (or arsenic ion aqueous solution) containing arsenic ions using an arsenic ion-adsorbing compound.
ヒ素(元素記号As)は、第15族元素の一つであり、地殻中に広く分布し、火山活動などにより自然界に、あるいは鉱石や化石燃料の採掘、産業活動により人為的に環境中へ放たれている。海水にも約2ppbのヒ素が含まれており、プランクトンや海藻類は海水中からヒ素を取り入れ、蓄積している。これらを食物としている魚介類にも蓄積されるので、我々人間の体内にもヒ素を取り込んでいる。一方、ヒ素ミルク事件に代表されるようにヒ素は有毒であり、無機ヒ素の致死量は体重1kgにつき約2mg(2ppm)とされている。また、この濃度よりも少ない超微量のヒ素の摂取でもおう吐、腹痛、下痢等の症状や肝機能障害、感覚以上などが起こり、慢性的なヒ素摂取により神経障害や発がん性を生じると言われている。従って、ヒ素イオンの用水への混入は生命の危険を伴うものであるから、我々が摂取する食物や飲料水から極力ヒ素を排除することが要求されている。(非特許文献1,2) Arsenic (element symbol As) is one of the Group 15 elements and is widely distributed in the earth's crust. It is released naturally into the environment by volcanic activities, or by the mining of ores and fossil fuels and industrial activities. I'm leaning. Seawater also contains about 2 ppb of arsenic, and plankton and seaweed take in and accumulate arsenic from seawater. Since these foods are also stored in the seafood, we take arsenic into our human bodies. On the other hand, as represented by the arsenic milk incident, arsenic is toxic, and the lethal dose of inorganic arsenic is about 2 mg (2 ppm) per kg of body weight. In addition, ingestion of trace amounts of arsenic less than this concentration causes vomiting, abdominal pain, diarrhea and other symptoms, liver dysfunction, and more than sensation, and chronic arsenic intake is said to cause neuropathy and carcinogenicity. Yes. Therefore, since the mixing of arsenic ions into water for use is life-threatening, it is required to eliminate arsenic as much as possible from the food and drinking water we consume. (Non-Patent Documents 1 and 2)
浄水場で水を処理してヒ素を除去しても、公共の飲料水の供給においてヒ素が危険レベルで検出されることが多数の地域社会で起こる。たとえば、飲料水の高いヒ素濃度はUSA、中国、バングラディッシュ、台湾、メキシコ、アルゼンチン、ポーランド、カナダ、ハンガリー、インドなどから最近報告されており、日本からの報告もある。水中では、ヒ素の殆どの普通の電価状態は5価のヒ素As(V)、すなわちヒ酸塩類の形で存在し、これは有酸素の地表水において広く存在している。また3価のヒ素As(III)は、亜ヒ酸塩類の形で存在し、これは酸素の少ない地下水において発生しやすい。環境レベルであるpH4〜10の範囲において、支配的な3価のヒ素As(III)化合物は電荷的には中性であるが、一方、5価のヒ素As(V)の化合物は負に帯電している。 Even if water is treated at a water purification plant to remove arsenic, arsenic is detected at a dangerous level in public drinking water supplies in many communities. For example, high arsenic concentrations in drinking water have recently been reported from USA, China, Bangladesh, Taiwan, Mexico, Argentina, Poland, Canada, Hungary, India, etc., and there are reports from Japan. In water, the most common valence state of arsenic exists in the form of pentavalent arsenic As (V), or arsenates, which are widely present in aerobic surface water. Trivalent arsenic As (III) exists in the form of arsenite, which is likely to be generated in groundwater with little oxygen. In the environmental level of pH 4 to 10, the dominant trivalent arsenic As (III) compound is neutral in terms of charge, while the pentavalent arsenic As (V) compound is negatively charged. doing.
Asの検出には、現在までに次に挙げるように多様な方法が開発されている。高度分析(非特許文献3,4)、ラマン・赤外分光法(非特許文献5,6)、ICP質量分析(非特許文献7)、電気化学分析(非特許文献8)、化学発光分析(非特許文献9)、原子吸光分析法(非特許文献10,11)、原子蛍光分光法(非特許文献12)そしてクロマトグラフィー(非特許文献13,14)である。これらの方法は確かに価値があり各方法とも独自の利点はあるが、欠点があることも否めない。例えばZhu et al. (非特許文献15)は、誘電体バリア放電噴霧器を用いたAs検出において、水素化物発生原子蛍光分析法におけるAs3+の検出限界は0.04 ngl-1である、と発表したが、この方法では、温度による多大な影響が懸念される。また、Vincent et al.(非特許文献16)は、衝突セル技術ICP‐MSシステムによるAsの検出を発表したが、高感度にもかかわらず、衝突セル内に多原子干渉形成が見られた。Heitland et al. (非特許文献17)は、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)‐ICP/MSによる尿中Asの高速判定を発表したが、費用がかかるうえ、使用される多量の有機溶媒は有毒である。Matsunaga et al.(非特許文献4)は、新たに水溶性試料中の微量のAsに対する肉眼検出法を開発したが、適切に管理された高度な条件が必要となる。さらに、この方法における検出限界は1×10-6 mol dm-3で、反応も非常に遅い。 Various methods have been developed to detect As as described below. Advanced analysis (Non-patent documents 3 and 4), Raman / infrared spectroscopy (Non-patent documents 5 and 6), ICP mass spectrometry (Non-patent document 7), electrochemical analysis (Non-patent document 8), chemiluminescence analysis ( Non-patent document 9), atomic absorption analysis (non-patent documents 10 and 11), atomic fluorescence spectroscopy (non-patent document 12), and chromatography (non-patent documents 13 and 14). While these methods are certainly valuable and each method has its own advantages, it cannot be denied that there are drawbacks. For example, Zhu et al. (Non-Patent Document 15) has announced that the detection limit of As 3+ in hydride generation atomic fluorescence spectrometry is 0.04 ngl-1 in As detection using a dielectric barrier discharge sprayer. Then, there is a concern about the great influence of temperature. Also, Vincent et al. (Non-Patent Document 16) announced the detection of As by the collision cell technology ICP-MS system, but despite the high sensitivity, polyatomic interference formation was seen in the collision cell. Heitland et al. (Non-Patent Document 17) published high-speed determination of urinary As by high performance liquid chromatography (HPLC) -ICP / MS, but is expensive and the large amount of organic solvent used is toxic. Matsunaga et al. (Non-Patent Document 4) newly developed a naked-eye detection method for a small amount of As in a water-soluble sample, but appropriately controlled advanced conditions are required. Furthermore, the detection limit in this method is 1 × 10 −6 mol dm −3 and the reaction is very slow.
水中に存在するAsイオンの除去には、凝集法、触媒法及び吸着法が知られている。
凝集法としては、特許文献1に示されるように、鉄塩やポリ塩化アルミニウム(PAC)(一般式〔Al2(OH)nCl6−n〕m (ただし1<n<5、m<10))を用いて、酸化凝集して除去する方法が知られ、その公報にはAs濃度を平成5年に採用された排水基準である0.001ppm未満を満たした0.001ppmまで減少させることが示されている。
触媒法としては、特許文献2に示されているように、ロジウム(Rhodium)をアルミナに担持させた触媒(ロジウム含量5重量%、Aldrich社製)を触媒として用い、水素曝気によりイオンを還元除去することが示され、Asイオン濃度を10ppbにすることが可能であることが示されている。
吸着法については、以下の特許文献3から7に示したようなものが知られている。特許文献3には、硫酸イオンを含有するジルコニウム系メソ構造体(細孔径D20〜50nm、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(HTAB)含有量は39重量%、HTABの断面の直径30〜40nm)を吸着剤として用いることで、As濃度4000μmol/L以下としえることが示されている。特許文献4には、繊維状セルロース粉末にN−メチル−D−グルカミンを固定化させたキレート繊維(キレスト株式会社,キレストファイバーGRY)からなるフィルターに透過させた水のAs濃度が0.1ppm以下であることが示されている。
特許文献5には、γ−アルミナ担体に希土類金属の酸化物又は水酸化物を5〜60質量%担持したもの(平均細孔径 119nm 細孔容積 0.713 cm3/g 表面積 240 m2/g 全細孔容積に占める90〜200nmの細孔の割合 88%)を吸着剤として用いた例では、As濃度0.8ppmとしえたことを示している。
特許文献6には、アミノプロピル基修飾磁性微粒子を吸着剤として用いた場合は、As濃度を0.1ppmとしえたことが示されている。
特許文献7には、ビス(2−エチルヘキシル)アンモニウム ビス(2−エチルヘキシル)ジチオカルバメート8gを多孔質ポリアクリル酸エステル樹脂20gに担持し、粒状体の含浸樹脂を使用することで、As濃度を9×10−7モル/リットルまで減少させることが示されている。
For removing As ions present in water, an agglomeration method, a catalyst method and an adsorption method are known.
As an aggregating method, as shown in Patent Document 1, an iron salt or polyaluminum chloride (PAC) (general formula [Al 2 (OH) n Cl 6-n ] m (where 1 <n <5, m <10 )) Is known to be removed by oxidative agglomeration, and its publication discloses that the As concentration is reduced to 0.001 ppm which satisfies the effluent standard of less than 0.001 ppm adopted in 1993. It is shown.
As a catalyst method, as shown in Patent Document 2, a catalyst in which rhodium is supported on alumina (rhodium content 5% by weight, manufactured by Aldrich) is used as a catalyst, and ions are reduced and removed by hydrogen aeration. It has been shown that the As ion concentration can be 10 ppb.
As for the adsorption method, those shown in Patent Documents 3 to 7 below are known. Patent Document 3 discloses an adsorbent containing a zirconium-based mesostructure containing a sulfate ion (pore diameter D20 to 50 nm, hexadecyltrimethylammonium bromide (HTAB) content 39% by weight, HTAB cross section diameter 30 to 40 nm). As, it is shown that the As concentration can be 4000 μmol / L or less. Patent Document 4 discloses that the As concentration of water permeated through a filter made of a chelate fiber (Kyrest Co., Ltd., Kyrest Fiber GRY) in which N-methyl-D-glucamine is immobilized on fibrous cellulose powder is 0.1 ppm or less. It is shown that.
In Patent Document 5, a γ-alumina support carrying a rare earth metal oxide or hydroxide in an amount of 5 to 60% by mass (average pore diameter 119 nm, pore volume 0.713 cm 3 / g, surface area 240 m 2 / g). In an example in which the ratio of 90 to 200 nm pores in the total pore volume (88%) was used as the adsorbent, the As concentration was 0.8 ppm.
Patent Document 6 shows that when the aminopropyl group-modified magnetic fine particles were used as the adsorbent, the As concentration could be 0.1 ppm.
In Patent Document 7, 8 g of bis (2-ethylhexyl) ammonium bis (2-ethylhexyl) dithiocarbamate is supported on 20 g of a porous polyacrylate resin and an impregnating resin in a granular form is used. It has been shown to reduce to x10 -7 mol / liter.
上述したように、環境中、特に飲料水等の生活用水から有毒なヒ素イオンを除去してヒ素イオン濃度を極力少なくすることは、人間の命を守るために是非とも実現すべきことであるが、水溶液中の濃度をppt〜ppbレベルの超微量レベルまで低下させる技術や方法は殆どない。また、従来の技術では飲料水中のヒ素イオン濃度を低レベルにするには長時間かかり、生産性が悪くコストを下げることができない。しかも特殊な設備や装置が必要になり、コストアップの要因にもなっている。ヒ素イオン濃度を低下させるために溶液に酸やアルカリを添加することは、たとえヒ素イオン濃度が低下しても次の段階で添加物の後処理(除去や無害化)をしなければならなくなるという問題がある。また、加熱して反応を促進する方法は、たとえヒ素イオン濃度が低下しても、大掛かりな加熱手段を備えたり、また冷却システムも必要となり、エネルギー消費を増大させ、ヒ素回収の全体コストを増大させる。 As described above, removing toxic arsenic ions from living water such as drinking water in the environment to reduce the arsenic ion concentration as much as possible should be realized in order to protect human life. There are few techniques and methods for reducing the concentration in an aqueous solution to an ultra trace level of the ppt to ppb level. Further, in the conventional technique, it takes a long time to lower the arsenic ion concentration in the drinking water, and the productivity is poor and the cost cannot be reduced. In addition, special equipment and devices are required, which increases costs. Adding acid or alkali to the solution to reduce the arsenic ion concentration means that even if the arsenic ion concentration decreases, the additive must be post-treated (removed or detoxified) at the next stage. There's a problem. In addition, the method of heating and promoting the reaction requires a large heating means even if the arsenic ion concentration decreases, and also requires a cooling system, increasing energy consumption and increasing the overall cost of arsenic recovery. Let
本発明は、ヒ素{As(V)}イオンを優先的に、選択的に吸着する(抽出する、または結合する、と置き換えても良い)ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラス−アルミナであり、これを用いて水溶液中にヒ素イオンが溶解したヒ素イオン溶解液からヒ素イオンを抽出するシステムおよび方法を提供するものである。本発明の概要は以下の通りである。
(1)本発明は、目標元素であるヒ素(As)イオンが溶解された溶液(ヒ素イオン溶解溶液)からヒ素イオンを吸着するとともに吸着されたヒ素イオンを遊離することが可能なヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナであり、このメソポーラスアルミナは、硝酸アルミニウムおよび界面活性剤を用いて作製され、その界面活性剤は、カンファー・スルファン酸(CSA)または臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)であることを特徴とする。あるいは、メソポーラスアルミナは、アルミニウム・イソプロポキシド(C9H21AlO3)の加水分解により作製されることを特徴とする。
The present invention is a mesoporous-alumina supporting an arsenic ion-adsorbing compound that preferentially selectively adsorbs (extracts or binds) arsenic {As (V)} ions, The present invention provides a system and method for extracting arsenic ions from an arsenic ion solution in which arsenic ions are dissolved in an aqueous solution. The outline of the present invention is as follows.
(1) The present invention is an arsenic ion adsorptivity capable of adsorbing arsenic ions and releasing adsorbed arsenic ions from a solution (arsenic ion-dissolved solution) in which arsenic (As) ions as target elements are dissolved Compound-supported mesoporous alumina, which is made using aluminum nitrate and a surfactant, which is camphor sulfanic acid (CSA) or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) It is characterized by that. Alternatively, mesoporous alumina is produced by hydrolysis of aluminum isopropoxide (C 9 H 21 AlO 3 ).
(2)本発明は、ヒ素イオン吸着性化合物は目標元素であるヒ素イオンを選択的に吸着可能な化合物であり、ヒ素イオン吸着性化合物はヘテロポリ酸であり、ヘテロポリ酸はモリブデン酸アンモニウムであることを特徴とし、さらにメソポーラスアルミナに界面活性剤を作用した後に得られた固体状態のアルミナを、モリブデン酸アンモニウムを含む水溶液中で混合させることにより、モリブデン酸アンモニウムをメソポーラスアルミナに担持し、モリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する温度は常温であり、モリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する際にpH調整等の前処理および/または後処理は行なわないことを特徴とする。 (2) In the present invention, the arsenic ion adsorbing compound is a compound capable of selectively adsorbing the target element, arsenic ions, the arsenic ion adsorbing compound is a heteropolyacid, and the heteropolyacid is ammonium molybdate. In addition, solid state alumina obtained after acting a surfactant on mesoporous alumina was mixed in an aqueous solution containing ammonium molybdate to support ammonium molybdate on mesoporous alumina, and ammonium molybdate. The temperature for adsorbing arsenic ions by contacting mesoporous alumina supporting arsenic ions with the arsenic ion dissolving solution is normal temperature, and the pH when adsorbing arsenic ions by contacting mesoporous alumina supporting ammonium molybdate with the arsenic ion dissolving solution is pH Pre-processing such as adjustment and / or Post-treatment is characterized by not performed.
(3)本発明は、ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する際に、アスコルビン酸を用いて、吸着したヒ素イオンの濃度を色調により判定することを特徴とする。さらに、メソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する際に、アスコルビン酸を用いて、吸着したヒ素イオンの濃度を色調により判定することを特徴とする、ヒ素イオン溶解溶液中のヒ素イオン濃度の検出方法である。 (3) The present invention uses ascorbic acid to determine the concentration of adsorbed arsenic ions by color tone when adsorbing arsenic ions by contacting mesoporous alumina carrying an arsenic ion adsorbing compound with an arsenic ion solution. It is characterized by doing. Furthermore, when adsorbing arsenic ions by bringing mesoporous alumina into contact with the arsenic ion solution, the concentration of the adsorbed arsenic ions is determined by color tone using ascorbic acid. This is a method for detecting the arsenic ion concentration.
(4)本発明は、メソポーラスアルミナを用いてヒ素イオン溶解溶液からヒ素(As)を収集することを特徴とするヒ素コレクターであり、またメソポーラスアルミナを用いたヒ素除去フィルターであり、メソポーラスアルミナを用いたヒ素吸着剤である。 (4) The present invention is an arsenic collector characterized by collecting arsenic (As) from an arsenic ion-dissolved solution using mesoporous alumina, and is an arsenic removal filter using mesoporous alumina, which uses mesoporous alumina. Arsenic adsorbent.
(4)本発明は、ソポーラスアルミナを用いて、自然水、浄化前用水、工業廃水および生活排水、その他の水溶液を含むヒ素イオン溶解溶液からヒ素イオンを除去し、ヒ素イオン除去後の溶液を飲料水または生活用水または農業用水または工業用水として用いることを特徴とするヒ素イオン除去システムである。 (4) The present invention removes arsenic ions from arsenic ion-dissolved solution containing natural water, pre-purification water, industrial wastewater and domestic wastewater, and other aqueous solutions using soporous alumina, and the solution after removing arsenic ions An arsenic ion removal system characterized by being used as drinking water, domestic water, agricultural water, or industrial water.
(5)ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナを入れた容器中にヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液を導入するか、または、ヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液を入れた容器中にヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナを添加して、ヒ素イオンを除去することを特徴とし、さらに複数台の前記溶器を直列接続して、ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナとヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液とを複数回接触させることにより、前記ヒ素イオン溶解溶液中のヒ素濃度を一定濃度以下(たとえば、Asの許容濃度以下、あるいは吸着限界濃度以下)に低減することを特徴とするヒ素イオン除去装置である。 (5) An arsenic ion-dissolving solution containing arsenic ions is introduced into a container containing mesoporous alumina carrying an arsenic ion-adsorbing compound, or arsenic ions are contained in a container containing arsenic ion-dissolving solution containing arsenic ions. Mesoporous alumina loaded with an adsorbing compound is added to remove arsenic ions, and a plurality of the above-mentioned melters are connected in series to add mesoporous alumina and arsenic ions loaded with an arsenic ion adsorbing compound. The arsenic concentration in the arsenic ion dissolving solution is reduced to a certain concentration or lower (for example, an allowable concentration of As or lower or an adsorption limit concentration or lower) by contacting with the arsenic ion dissolving solution containing a plurality of times. Arsenic ion removal device.
(6)本発明は、ヒ素イオン吸着性化合物をメソポーラスアルミナに担持する工程、ヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液にヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナを接触させ、前記ヒ素イオン吸着性化合物にヒ素イオンを選択的に吸着する工程、ヒ素イオンを吸着した前記ヒ素イオン吸着性化合物からヒ素イオンを遊離する工程を含むことを特徴とするメソポーラスアルミナを用いたヒ素回収方法である。 (6) The present invention includes a step of supporting an arsenic ion-adsorbing compound on mesoporous alumina, contacting an arsenic ion-dissolving solution containing arsenic ions with mesoporous alumina supporting the arsenic ion-adsorbing compound, and An arsenic recovery method using mesoporous alumina, comprising a step of selectively adsorbing arsenic ions and a step of liberating arsenic ions from the arsenic ion-adsorbing compound adsorbing arsenic ions.
(7)本発明は、(6)に加えて、ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナはリユースでき、ヒ素イオン吸着性化合物はヒ素イオンを選択的に吸着可能な化合物であり、またヒ素イオン吸着性化合物はヘテロポリ酸であり、さらにヘテロポリ酸はモリブデン酸アンモニウムであることを特徴とするヒ素回収方法である。 (7) In addition to (6), the present invention can reuse mesoporous alumina carrying an arsenic ion adsorbing compound, and the arsenic ion adsorbing compound is a compound capable of selectively adsorbing arsenic ions, The arsenic recovery method is characterized in that the adsorptive compound is a heteropolyacid, and the heteropolyacid is ammonium molybdate.
(8)本発明は、(7)に加えて、メソポーラスアルミナに界面活性剤を作用した後に得られた固体状態のアルミナを、モリブデン酸アンモニウムを含む水溶液中で混合させることにより、モリブデン酸アンモニウムをメソポーラスアルミナに担持することを特徴とし、モリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する温度は常温であり、モリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する際にpH調整等の前処理および/または後処理は行なわないことを特徴とし、さらに、ヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナをヒ素イオン溶解溶液に接触させてヒ素イオンを吸着する際に、アスコルビン酸を用いて、吸着したヒ素イオンの濃度を色調により判定することを特徴とするヒ素回収方法である。 (8) In addition to (7), the present invention mixes solid-state alumina obtained after acting a surfactant on mesoporous alumina in an aqueous solution containing ammonium molybdate, thereby adding ammonium molybdate. Mesoporous alumina is supported on mesoporous alumina, and the temperature of adsorbing arsenic ions by contacting mesoporous alumina supporting ammonium molybdate with arsenic ion dissolving solution is room temperature, and mesoporous alumina supporting ammonium molybdate is dissolved in arsenic ions. When adsorbing arsenic ions in contact with the solution, pre-treatment and / or post-treatment such as pH adjustment is not performed, and mesoporous alumina carrying an arsenic ion-adsorbing compound is contacted with the arsenic ion-dissolved solution When adsorbing arsenic ions, With bottles acid, arsenic recovery method, characterized by determining the color density of the adsorbed arsenic ions.
本発明のメソポーラスアルミナは、強固なナノ構造骨格を有し、その外表面や内表面は表面積の大きな多孔質構造となっている。この大きな表面積を持つ多孔質表面に多数のヒ素イオン吸着性化合物が担持されている。従って、このヒ素イオン吸着性化合物におけるヒ素イオンの吸着効率が非常に高いので、ヒ素イオン溶解溶液からのヒ素イオン除去効率が高く、ヒ素イオン溶解溶液から迅速にヒ素イオン吸着・除去を行なうことができる。しかも吸着サイトが多数存在し、ナノサイズの1個1個の吸着サイトがヒ素イオン吸着に作用するので、ppmレベルのヒ素イオンを除去できるだけでなく、ppb〜pptレベルの超微量のヒ素イオンも除去できる。特にヒ素イオン吸着性化合物がモリブデン酸アンモニウムなどのヘテロポリ酸の場合には、他のカチオンやアニオンに比べてヒ素イオンを非常に良好に選択的・優先的に吸着できる。また、メソポーラスアルミナを界面活性剤で処理した後にモリブデン酸アンモニウムを作用させると、大きな表面積を持つ多孔質表面に効率良くモリブデン酸アンモニウムが担持されるので、ヒ素イオンの吸着サイトが増してヒ素イオンを効率良く超微量レベルから高濃度レベルまで吸着することができる。さらに、このようなモリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナは、ヒ素イオン溶解溶液のpH調整等の前処理および/または後処理をしなくとも、加熱せずに常温の状態でも迅速に大量にヒ素イオンを吸着することができるので、pH調整剤の後処理をする必要もなく、特別な加熱手段も必要とせずエネルギー消費を増大させることもなく経済的である。たとえば、浄化前の水を浄化するシステムにおいて、モリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナを投入するだけであり、ヒ素イオンを吸着した後にフィルター等でヒ素イオンを吸着したモリブデン酸アンモニウムを担持したメソポーラスアルミナを取り除けば良い。さらに、本発明の複数台のヒ素イオン除去装置を用いた多段階ヒ素イオン除去システムにより、低コストで迅速にしかも大量に浄化前の水からヒ素イオンを除去でき、ヒ素イオンのない(ヒ素フリーの)水溶液(飲料水)を提供することが可能となる。 The mesoporous alumina of the present invention has a strong nanostructure skeleton, and its outer surface and inner surface have a porous structure with a large surface area. A large number of arsenic ion-adsorbing compounds are supported on the porous surface having a large surface area. Therefore, since the adsorption efficiency of arsenic ions in this arsenic ion adsorbing compound is very high, the arsenic ion removal efficiency from the arsenic ion solution is high, and arsenic ions can be adsorbed and removed quickly from the arsenic ion solution. . Moreover, since there are many adsorption sites and each nano-sized adsorption site acts on arsenic ion adsorption, not only ppm level arsenic ions can be removed, but also ppb to ppt level arsenic ions are removed. it can. In particular, when the arsenic ion-adsorbing compound is a heteropolyacid such as ammonium molybdate, it can selectively and preferentially adsorb arsenic ions compared to other cations and anions. In addition, when ammonium molybdate is allowed to act after treating mesoporous alumina with a surfactant, ammonium molybdate is efficiently supported on a porous surface having a large surface area, so that the adsorption sites of arsenic ions increase and arsenic ions are absorbed. It can adsorb efficiently from ultra-trace level to high concentration level. Furthermore, such mesoporous alumina supporting ammonium molybdate can rapidly and rapidly produce large amounts of arsenic ions even at room temperature without heating, without pretreatment and / or posttreatment such as pH adjustment of the arsenic ion solution. Therefore, it is economical without the need for post-treatment of the pH adjuster, the need for special heating means, and an increase in energy consumption. For example, in a system for purifying water before purification, only mesoporous alumina carrying ammonium molybdate is introduced, and mesoporous alumina carrying ammonium molybdate adsorbing arsenic ions with a filter or the like after adsorbing arsenic ions is used. Remove it. Furthermore, the multi-stage arsenic ion removal system using a plurality of arsenic ion removal apparatuses of the present invention can remove arsenic ions from water before purification at a low cost and in a large amount without any arsenic ions (arsenic-free). ) It is possible to provide an aqueous solution (drinking water).
本発明は、高い選択性と光学的検出機能を有するヒ素イオン吸着性化合物を用いたヒ素イオン検出技術およびヒ素回収技術を提供するものである。さらにこのヒ素回収技術を用いて飲料水、自然水、農業用水などの生活用水からヒ素イオンを除去する浄化システムを提供する。この技術の特徴は異種原子から構成されるナノ構造物であるメソポーラス材料の原子レベルで配列したナノサイズの表面状態を利用していることである。本発明は、pptレベルの超微量のヒ素イオンも回収でき、さらに環境負荷を与えずに、しかも迅速で低コストであるという点で、種々のカチオンおよびアニオン性イオンを含む廃棄物(廃水)からヒ素を抽出する方法として非常に優れている。 The present invention provides an arsenic ion detection technique and an arsenic recovery technique using an arsenic ion-adsorbing compound having high selectivity and an optical detection function. Furthermore, the present invention provides a purification system that removes arsenic ions from domestic water such as drinking water, natural water, and agricultural water using this arsenic recovery technology. A feature of this technology is that it utilizes a nano-sized surface state arranged at the atomic level of a mesoporous material that is a nanostructure composed of different atoms. The present invention can recover an extremely small amount of arsenic ions at the ppt level, and further, from a waste (waste water) containing various cations and anionic ions in that it is quick and low-cost without giving an environmental burden. It is an excellent method for extracting arsenic.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明のヒ素回収システムを示す図である。まず、第1段階でメソポーラスアルミナ(MPAと略す)を合成する。ここで、メソポーラスアルミナとは、多孔質アルミナの1種であり、メソポア領域と呼ばれる、2から50nmの領域の大きさのほぼ均一で規則的な直径の細孔(メソ孔)を有し、細孔の作るネットワークの様式(空間対称性)や製造方法等によって、様々な特性を有することが知られている多孔質物質群である。しかし、本特許出願においては、メソ孔よりも小さなマイクロ孔(2nm以下の細孔)やメソ孔よりも大きなマクロ孔(50nm以上の細孔)を有するポーラスアルミナもメソポーラスアルミナと呼ぶ。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a diagram showing an arsenic recovery system of the present invention. First, in the first stage, mesoporous alumina (abbreviated as MPA) is synthesized. Here, mesoporous alumina is a kind of porous alumina, which is called a mesopore region and has pores (mesopores) having a substantially uniform and regular diameter in the range of 2 to 50 nm. It is a group of porous materials that are known to have various properties depending on the type of network (spatial symmetry) created by the pores, the manufacturing method, and the like. However, in this patent application, porous alumina having micropores (pores of 2 nm or less) smaller than mesopores or macropores (pores of 50 nm or more) larger than mesopores is also referred to as mesoporous alumina.
メソポーラスアルミナは種々の方法により合成できる。たとえば、酸アルミニウム塩(たとえば、硝酸アルミニウム{Al(NO3)3}、硫酸アルミニウム{Al2(SO4)3}、酢酸アルミニウム{Al(CH3COO)3})と界面活性剤{たとえば、臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)やカンファー−10−スルファン酸(CSA)}を用いてメソポーラスアルミナを形成できる。あるいは、アルミニウムアルコキシド{たとえば、アルミニウム・イソプロポキシド}を加水分解し、焼成して作製することができる。このメソポーラスアルミナは直径が2〜50nmの細長い円筒形状をした多孔質のナノチューブ構造体などである。ただし、メソポーラスアルミナの構造は他の形状、たとえばロッド状、コーン状、球状等の他の形状のナノ構造体でも良い。このようにして形成されたメソポーラスアルミナは、外殻が強固で形状がそろっているため、以下に示すヒ素吸着性化合物を担持させて、ヒ素吸着に繰り返し使用しても安定した品質を保持することが可能である。 Mesoporous alumina can be synthesized by various methods. For example, an acid aluminum salt (for example, aluminum nitrate {Al (NO 3 ) 3 }, aluminum sulfate {Al 2 (SO 4 ) 3 }, aluminum acetate {Al (CH 3 COO) 3 }) and a surfactant {for example, Mesoporous alumina can be formed using cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) or camphor-10-sulfanic acid (CSA)}. Alternatively, aluminum alkoxide {for example, aluminum isopropoxide} can be hydrolyzed and fired. The mesoporous alumina is a porous nanotube structure having an elongated cylindrical shape with a diameter of 2 to 50 nm. However, the structure of the mesoporous alumina may be a nanostructure having another shape such as a rod shape, a cone shape, or a spherical shape. Since the mesoporous alumina thus formed has a strong outer shell and a uniform shape, it can support the following arsenic adsorptive compounds and maintain stable quality even when used repeatedly for arsenic adsorption: Is possible.
次に第2段階でヒ素イオン吸着性化合物をメソポーラスアルミナ(MPA)に担持させる。この段階では、ヒ素イオン吸着性化合物にはヒ素イオンは(他のカチオンやアニオンも)吸着されていない。(ヒ素イオンを吸着していないことを示す用語として「ヒ素イオン吸着性化合物」と称する。)本発明に用いられるヒ素イオン吸着性化合物として、金属錯体、無機金属化合物や有機金属化合物がある。セルロース、タンパク質などのヒ素イオン吸着性化合物も含まれる。金属錯体として、無機および有機の金属錯体や金属カルボニル化合物、金属クラスターや有機金属化合物が挙げられる。また、キレート化合物も含まれる。基本的には、元素の中でヒ素(イオン)を吸着できる化合物であって、MPAに担持でき、化学処理により、目標元素であるヒ素以外のカチオンおよびアニオンを遊離でき、その後に他の化学処理により目標元素であるヒ素を遊離できる化合物である。 Next, in the second stage, the arsenic ion adsorbing compound is supported on mesoporous alumina (MPA). At this stage, arsenic ions (and other cations and anions) are not adsorbed on the arsenic ion adsorbing compound. (The term "arsenic ion adsorbing compound" is used as a term indicating that arsenic ions are not adsorbed.) Arsenic ion adsorbing compounds used in the present invention include metal complexes, inorganic metal compounds, and organometallic compounds. Arsenic ion-adsorbing compounds such as cellulose and protein are also included. Examples of the metal complex include inorganic and organic metal complexes, metal carbonyl compounds, metal clusters, and organometallic compounds. Chelate compounds are also included. Basically, it is a compound that can adsorb arsenic (ion) among elements, can be supported on MPA, can release cations and anions other than arsenic, which is the target element, by chemical treatment, and then other chemical treatments It is a compound that can liberate arsenic as a target element.
ヒ素イオン吸着性化合物は、回収しようとする目標元素であるヒ素イオンを選択的にしかも多量に吸着する化合物が望ましい。たとえば、ヒ素イオンに対して選択的に結合するキレート化合物が挙げられる。ヒ素を含む各種のカチオンやアニオンが溶解した(各種)イオン溶解溶液のpH値や温度や濃度などを調整すれば、ヒ素イオン吸着性化合物に目標元素であるヒ素イオンを選択的に吸着できる。また、キレート化合物は、非常に微量の(たとえば、ppbオーダー〜ppmオーダーの)ヒ素を選択的に吸着することができるので、イオン溶解溶液中に含まれるヒ素イオンの量が少なくても、効率的に選択的にヒ素イオンを吸着する。 The arsenic ion adsorbing compound is desirably a compound that selectively adsorbs a large amount of arsenic ions, which are target elements to be recovered. For example, a chelate compound that selectively binds to arsenic ions can be used. Arsenic ions, which are target elements, can be selectively adsorbed to the arsenic ion-adsorbing compound by adjusting the pH value, temperature, concentration, etc. of (various) ion-dissolved solutions in which various cations and anions containing arsenic are dissolved. Further, since the chelate compound can selectively adsorb a very small amount of arsenic (for example, ppb order to ppm order), it is efficient even if the amount of arsenic ions contained in the ion solution is small. Selectively adsorb arsenic ions.
あるいは、ヒ素イオン吸着性化合物として、たとえば、ヘテロポリ酸が挙げられる。ヘテロポリ酸としてはモリブデン酸アンモニウム四水和物(Ammonium molybdate tetrahydrate)などのモリブデン酸アンモニウム(Ammonium molybdate:(NH4)6Mo7O24)がある。ヘテロポリ酸はMPAの多孔質で表面積の広いナノチューブ表面に担持され、モリブデンをポリ元素とし、ヘテロ元素としてヒ素イオン{As(V)}を吸着する。従って、ヒ素イオン{As(V)}に対する優先性および選択性が高いので溶液中からのヒ素イオン{As(V)}抽出(回収)に適する。 Or a heteropoly acid is mentioned as an arsenic ion adsorption compound, for example. Examples of the heteropolyacid include ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ) such as ammonium molybdate tetrahydrate. The heteropolyacid is supported on the surface of the MPA porous and wide surface area, and uses molybdenum as a poly element and adsorbs arsenic ions {As (V)} as a hetero element. Therefore, since the priority and selectivity with respect to the arsenic ion {As (V)} are high, the arsenic ion {As (V)} is extracted (recovered) from the solution.
本発明は、Asイオン、特に、As(V){As5+}イオンの除去および検出に有用なヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナ(As吸着素子と言っても良い)にかかるものである。As(III){As3+}イオンの存在は知られており、また、それをAs5+に変換する方法も特許文献8等により示され公知のものであり、本発明は、このような公知の手段を用いてAs3+イオンをAs5+イオンに変換した被検出水や被清浄水とすることも含むものである。 The present invention relates to mesoporous alumina (also referred to as an As adsorption element) carrying an arsenic ion adsorbing compound useful for the removal and detection of As ions, particularly As (V) {As 5+ } ions. . The existence of As (III) {As 3+ } ions is known, and a method for converting it to As 5+ is also known by Patent Document 8 and the like, and the present invention is known in the art. It also includes using the means to make detected water or purified water obtained by converting As 3+ ions into As 5+ ions.
このようなヒ素イオン吸着性化合物をMPAに担持(修飾)させる方法(複合化法とも呼ぶ)として種々の方法が挙げられる。たとえば、MPAに保持されるべきヒ素イオン吸着性化合物が中性である場合には、試薬含浸法が用いられ、陰イオン性である場合には、陽イオン交換法が用いられ、陽イオン性である場合には陰イオン交換法が用いられる。これらの複合化法は、特別の条件や操作ではなく、既知の一般的な技術分野に属するものである。したがって、これらの一般的な技術分野の詳細については、当該固体吸着分野に関する総説、文献などを参照することができる。 Various methods can be mentioned as a method (also referred to as a composite method) for supporting (modifying) such an arsenic ion-adsorbing compound on MPA. For example, when the arsenic ion adsorbing compound to be held in MPA is neutral, a reagent impregnation method is used, and when it is anionic, a cation exchange method is used. In some cases an anion exchange method is used. These compounding methods belong to known general technical fields, not special conditions and operations. Therefore, for the details of these general technical fields, it is possible to refer to reviews, literatures and the like regarding the solid adsorption field.
前述のヘテロポリ酸としてのモリブデン酸アンモニウムを多孔質ナノ構造体であるMPAナノチューブに担持する方法としては、メソポーラスアルミナのナノチューブ表面をDDAB{臭化ジメチルアンモニウムジラウリル(dilauryl dimethyl ammonium bromide)}のような界面活性剤を用いて官能化させた後、モリブデン酸アンモニウム溶液と接触させてメソポーラスアルミナのナノチュープ等のナノ構造表面にモリブデン酸アンモニウムを担持したアルミナ−(ヒ素)キャプター(ヒ素イオンを捕促(吸着)するという意味で「キャプター」という用語も使用する)を作製する方法がある。 As a method of supporting ammonium molybdate as a heteropoly acid on an MPA nanotube, which is a porous nanostructure, the surface of a mesoporous alumina nanotube is DDAB {dilauryl dimethyl ammonium bromide}. Alumina molybdate-supported alumina- (arsenic) captor (captures arsenic ions) after contact with an ammonium molybdate solution and functionalized with a surfactant. There is a method of making a “captor”).
ヒ素イオン吸着性化合物単独でも当然選択的に目標元素であるヒ素イオンを吸着できる場合があるが、ヒ素イオン吸着性化合物は凝集等するため、ヒ素イオン吸着が可能な官能基を有効に利用することができない。すなわち、凝集された(たとえば、粒子状の)ヒ素イオン吸着性化合物物質の表面に存在する官能基に目標元素であるヒ素イオンが吸着しても、拡散または浸透によりヒ素イオン吸着性化合物内部のヒ素イオン濃度は距離(の2乗)に対して指数関数的に減少するから、その粒子状物質の内部にあるヒ素イオン吸着性化合物の官能基全部にヒ素イオンが吸着することは困難である。また、仮にその粒子状物質の内部にあるヒ素イオン吸着性化合物の官能基にヒ素イオンが吸着したとしても、その吸着したヒ素イオンを取り出す(遊離するまたは逆抽出する)ことが難しいという問題がある。かなりの時間をかければ粒子状物質の内部にヒ素イオンを拡散させ、さらに取り出すことも可能であるが、長時間をかけてヒ素イオンを粒子状物質の内部を移動させることは生産性が悪く工業的には利用できない。 Of course, the arsenic ion-adsorbing compound alone may selectively adsorb the target element, arsenic ions, but the arsenic ion-adsorbing compound aggregates, etc., so the functional group capable of adsorbing arsenic ions should be used effectively. I can't. That is, even if the target element arsenic ions are adsorbed to the functional group present on the surface of the aggregated (for example, particulate) arsenic ion adsorbing compound substance, the arsenic inside the arsenic ion adsorbing compound is diffused or penetrated Since the ion concentration decreases exponentially with respect to the distance (square), it is difficult for arsenic ions to be adsorbed to all functional groups of the arsenic ion-adsorbing compound inside the particulate matter. In addition, even if arsenic ions are adsorbed to the functional group of the arsenic ion adsorbing compound inside the particulate matter, it is difficult to take out (free or back extract) the adsorbed arsenic ions. . It is possible to diffuse arsenic ions inside the particulate matter and take it out for a long time, but moving arsenic ions inside the particulate matter over a long period of time results in poor productivity and Cannot be used.
これに対して、メソポーラスアルミナ(MPA)は、細孔表面積が非常に大きく高度に秩序化した配向構造を持つので、メソポーラスアルミナ(MPA)の表面および細孔内壁にヒ素イオン吸着性化合物を担持したものは、ヒ素イオン吸着性化合物が整然と配列して結合しているので、ヒ素イオン吸着性化合物のヒ素イオン吸着率が非常に高くなる。すなわち、ヒ素イオン吸着性化合物の1分子ずつがヒ素イオン吸着に利用できると考えることもできる。ヒ素イオン溶解溶液や遊離(逆抽出)溶液は、MPAの表面や細孔へ容易に速やかに侵入していくので、MPAに担持されたヒ素イオン吸着性化合物(の反応基)と容易に、しかも速やかに接触する。このことは、MPAに担持されたヒ素イオン吸着性化合物がヒ素イオン溶解溶液と接触すると速やかに吸着される。また、吸着されたヒ素イオンを遊離するときも遊離溶液と接触すれば吸着されたヒ素イオンが速やかに遊離されるということも意味するので、生産性が飛躍的に向上する。 In contrast, mesoporous alumina (MPA) has a very large pore surface area and a highly ordered orientation structure, so that an arsenic ion-adsorbing compound is supported on the surface of mesoporous alumina (MPA) and the inner wall of the pore. Since the arsenic ion adsorbing compounds are arranged in order and bonded, the arsenic ion adsorbing rate of the arsenic ion adsorbing compounds becomes very high. That is, it can be considered that each molecule of the arsenic ion adsorbing compound can be used for arsenic ion adsorption. Arsenic ion-dissolved solutions and free (back-extracted) solutions can easily and quickly penetrate the surface and pores of MPA, making it easy to use the arsenic ion-adsorbing compound (reactive group) supported on MPA. Contact immediately. This is quickly adsorbed when the arsenic ion-adsorbing compound supported on MPA comes into contact with the arsenic ion-dissolved solution. Further, when the adsorbed arsenic ions are liberated, it means that the adsorbed arsenic ions are rapidly liberated if they come into contact with the liberated solution, so that productivity is dramatically improved.
次に第3段階では、ヒ素イオンを含有するヒ素イオン溶解溶液とヒ素イオン吸着性化合物(これをACとも称する)を高密度に担持したメソポーラスアルミナ(これをMPA−ACと略する)と接触(浸漬等を含む)させる。ヒ素イオン溶解溶液はヒ素イオンが含有している水溶液であるが、他のカチオンやアニオンなどが含まれている場合もある。本発明のシステムでは、ヒ素を岩石中から取り出すために酸やアルカリ等で強制的に岩石中のヒ素を溶解させた溶解溶液や、自然界等に存在するヒ素が溶けている天然水や、ヒ素イオンが含まれる工場廃液などがヒ素イオン溶解溶液となる。特に農業用水や飲料水や生活用水として用いる場合にはヒ素イオン濃度を許容限度以下に低減させる必要があるので、ppt〜ppb〜ppmレベルの超微量〜微量という広範囲のAsイオンを吸着できる本発明のMPA−ACを用いたシステムを好適に適用できる。 Next, in the third stage, contact is made with a mesoporous alumina (hereinafter abbreviated as MPA-AC) carrying an arsenic ion-dissolving solution containing arsenic ions and an arsenic ion-adsorbing compound (also referred to as AC) at high density ( Including immersion). The arsenic ion dissolution solution is an aqueous solution containing arsenic ions, but may contain other cations and anions. In the system of the present invention, in order to extract arsenic from rocks, a solution in which arsenic in rocks is forcibly dissolved with acid or alkali, natural water in which arsenic existing in nature, etc. is dissolved, arsenic ions The factory waste liquid containing arsenic becomes an arsenic ion solution. In particular, when used as agricultural water, drinking water or domestic water, the arsenic ion concentration needs to be reduced below an allowable limit, so that the present invention is capable of adsorbing a wide range of As ions in the ppt to ppb to ppm level from a very small amount to a very small amount. A system using the MPA-AC can be suitably applied.
ヒ素イオン溶解溶液には目標元素であるヒ素イオンの他に各種カチオンやアニオンも含まれているが、本発明のMPA−ACは一定の条件(pH値、温度、濃度等)下で目標元素であるヒ素を選択的にかつ優先的に吸着するので、その条件下のヒ素イオン溶解溶液中にMPA−ACを浸漬すれば、目標元素であるヒ素イオンだけを吸着したMPA−AC(すなわち、MPA−AC−As)を得ることができる。しかし、条件などの多少の変動によりわずかの他の各種イオン(Mと記載する場合がある)が吸着される可能性もあるので、ヒ素イオン溶解溶液中の目標元素であるヒ素以外のイオンをあらかじめ少なくしておくことにより、ヒ素以外のイオンMの吸着量が非常に少ないMPA−AC−Asが得られる。たとえば、ヒ素イオン溶解溶液中のpH調整や化学処理等を行いヒ素イオン以外のイオンを析出沈殿させ除去しておくなどの方法がある。 The arsenic ion solution contains various cations and anions in addition to the target element, arsenic ions. The MPA-AC of the present invention is a target element under certain conditions (pH value, temperature, concentration, etc.). Since arsenic is selectively and preferentially adsorbed, if MPA-AC is immersed in an arsenic ion dissolving solution under the conditions, MPA-AC that adsorbs only the target element arsenic ions (ie, MPA- AC-As) can be obtained. However, since there is a possibility that a slight amount of various other ions (which may be described as M) may be adsorbed due to slight fluctuations in conditions and the like, ions other than arsenic that is the target element in the arsenic ion solution are preliminarily added. By reducing the amount, MPA-AC-As with a very small amount of adsorption of ions M other than arsenic can be obtained. For example, there is a method in which ions other than arsenic ions are deposited and removed by adjusting pH, chemical treatment, etc. in an arsenic ion solution.
前述したメソポーラスアルミナのナノチュープ表面にモリブデン酸アンモニウムを担持したアルミナ−(ヒ素)キャプターは、常温(0℃〜40℃)でも一定時間(たとえば、5時間〜10時間)ヒ素イオン溶解溶液に浸漬し攪拌することにより、かなりの量のヒ素イオンを吸着可能である。このアルミナ−キャプター(MPA−AC)は、特別な前処理(事前にpH値調整処理や、他のイオンを除去しておく処理や、特殊な薬剤を添加しておく処理など)をしなくとも、および/または加熱したり圧力をかけたりしなくとも、ヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液(水道水や自然水なども含む)に浸漬し攪拌するだけで、ヒ素イオンを吸着することができる。従って、非常に簡単な設備でヒ素イオン溶解溶液からヒ素イオンを除去できるので、生産性が向上しかつ低コスト化が可能となるし、エネルギー消費も増大させないので環境にもやさしい。ろ過されたろ過液は有害なヒ素が取り除かれたので、飲料水としても使用可能となるし、あるいは環境中(自然界)へ戻すこともできる。 The above-mentioned alumina (arsenic) captor with ammonium molybdate supported on the mesoporous alumina nanotube surface is immersed in an arsenic ion-dissolved solution at room temperature (0 ° C. to 40 ° C.) for a certain time (for example, 5 hours to 10 hours) and stirred. By doing so, a considerable amount of arsenic ions can be adsorbed. This alumina-captor (MPA-AC) does not require any special pretreatment (such as pH value adjustment treatment, treatment for removing other ions, treatment for adding a special agent, etc.). And / or without heating or applying pressure, arsenic ions can be adsorbed only by immersing and stirring in an arsenic ion-dissolving solution containing arsenic ions (including tap water and natural water). Therefore, since arsenic ions can be removed from the arsenic ion solution with very simple equipment, productivity can be improved and costs can be reduced, and energy consumption is not increased, which is friendly to the environment. Since the filtered filtrate has removed harmful arsenic, it can be used as drinking water or can be returned to the environment (nature).
ヒ素イオン溶解溶液の最初のヒ素イオン濃度をYとし、1回のMPA−ACの接触処理でX%のヒ素が除去できる(除去効率X%)とすれば、2回繰り返すことにより、ヒ素イオン溶解溶液中のヒ素イオン濃度はY(1−X/100)2となる。たとえば、X=90なら2回の接触処理で0.01Yのヒ素イオン濃度になる。4回の接触処理では0.0001Yのヒ素イオン濃度になる。このように多段階の接触処理を行なうことにより許容限度以下のヒ素イオン濃度にすることが可能となる。特殊な装置や設備を具えなくても簡単に実現できるので、低コスト化が可能である。しかも、特殊な薬剤等も使用しないので、処理後の(ヒ素イオンレベルが許容限界以下になった)溶液に対して、その特殊な薬剤等を除去したり無害化したりする手段を施す必要がなく、たとえばそのまま飲料水向けに使用することができる。このことは従来方法に比べて低コスト化が可能であることを示している。 If the initial arsenic ion concentration of the arsenic ion dissolution solution is Y and X% arsenic can be removed by one MPA-AC contact treatment (removal efficiency X%), the arsenic ion dissolution is repeated twice. The arsenic ion concentration in the solution is Y (1-X / 100) 2 . For example, if X = 90, an arsenic ion concentration of 0.01Y is obtained by two contact treatments. Four contact treatments result in an arsenic ion concentration of 0.0001Y. Thus, it becomes possible to make the arsenic ion concentration below the allowable limit by performing the multi-step contact treatment. Since it can be easily realized without special equipment or equipment, the cost can be reduced. In addition, since no special chemicals are used, it is not necessary to provide a means for removing or detoxifying the special chemicals after the treatment (arsenic ion level is below the allowable limit). For example, it can be used for drinking water as it is. This indicates that the cost can be reduced as compared with the conventional method.
次に、第4段階において、ほぼ目標元素であるヒ素だけを吸着したMPA−AC−Asを、目標元素であるヒ素を溶解可能な溶液(溶離液)に接触(浸漬等)して、目標元素であるヒ素イオンを溶解(溶離)する。(溶出処理)或いは、pH値や温度や溶液濃度などの条件調整により目標元素であるヒ素イオンだけを遊離できる場合もある。或いは、目標元素であるヒ素イオンだけを遊離できる溶液に浸漬することにより、目標元素であるヒ素イオンを溶解できる。このような場合には、必ずしも目標元素であるヒ素イオンだけを吸着したMPA−AC−Asにする必要がない。尚、ヒ素イオン以外のイオンが吸着している場合(MP−AC−As−Mと記載)、MPA−ACからヒ素イオンを取り除く前か後にイオン種Mを取り除く処理を行なう。この後で、目標元素であるヒ素イオンが遊離されたMPA−ACは固形物であるから、溶離液からろ過して取り除く。固形物として取り除かれたMPA−ACは再度使用可能である。ろ過液中にはヒ素イオンのみが溶解しているので、種々の方法(たとえば、電気メッキ法)により、目標元素を分離すると目標元素であるヒ素を回収できる。尚、MPA−ACに目標元素であるヒ素を吸着してMP−AC−Asにすることを目標元素であるヒ素の抽出と考えた場合に、この工程はMP−AC−AsからAsを遊離してMPA−ACにするので逆抽出工程と言うこともできる。たとえば、上述したモリブデン酸アンモニウムを担持したMPAに吸着したAsイオン(MPA−AC−As)からAsイオンを遊離(溶離)するために、このMPA−AC−Asをアルカリ水(たとえば、NaOH水溶液)に浸漬し、攪拌すれば良い。この後ろ過し、水洗乾燥すれば再生したMPA−ACを得ることができ、MPA−ACを繰り返しAsイオン吸着に使用することができる。 Next, in the fourth stage, MPA-AC-As that has adsorbed almost only arsenic, which is the target element, is contacted (immersed) with a solution (eluent) in which arsenic, which is the target element, can be dissolved. Is dissolved (eluted). In some cases, only the arsenic ions, which are target elements, can be liberated by adjusting conditions such as pH value, temperature, and solution concentration. Alternatively, the target element arsenic ions can be dissolved by immersing them in a solution that can release only the target element arsenic ions. In such a case, it is not always necessary to use MPA-AC-As that adsorbs only the arsenic ion that is the target element. In addition, when ions other than arsenic ions are adsorbed (described as MP-AC-As-M), a process of removing ionic species M is performed before or after removing arsenic ions from MPA-AC. Thereafter, MPA-AC from which arsenic ions as target elements are liberated is a solid, and is removed by filtration from the eluent. The MPA-AC removed as a solid can be used again. Since only arsenic ions are dissolved in the filtrate, arsenic, which is the target element, can be recovered by separating the target element by various methods (for example, electroplating). In addition, this process liberates As from MP-AC-As when it considers that arsenic which is a target element is made to adsorb | suck to MPA-AC and make arsenic which is a target element into MP-AC-As. Therefore, it can be called a back extraction step. For example, in order to release (elution) As ions from As ions (MPA-AC-As) adsorbed on MPA carrying ammonium molybdate as described above, MPA-AC-As is treated with alkaline water (for example, NaOH aqueous solution). It is sufficient to immerse in and stir. Thereafter, filtration, washing and drying can yield regenerated MPA-AC, and MPA-AC can be repeatedly used for As ion adsorption.
<Al2O3−Iの生成>
図2は、本発明に使用されるアルミナ(Al2O3)の生成方法の一実施形態を示す図である。図2に示すように、アルミニウム・イソプロポキシド(C9H21AlO3)20gを丸底フラスコ中の蒸留水100mlに添加して、80℃で1時間マグネットによって攪拌した。その後硝酸を用いて水溶液のpHを4に調整した。この後この混合物は再び丸底フラスコ中で、80℃で8時間攪拌した。その後、溶液をろ過して、白い固形物が収集され、60℃で一晩乾燥を行ない、さらに空気中において550℃で6時間か焼した。含まれていた有機成分は蒸発して取り除かれた。か焼により得たこの白い粉末がアルミナ(Al2O3)である。このアルミナを本願ではAl2O3−Iと称する。尚、上記の値は実施例であるから、多少変動させても良い。(以下の実施例でも同様である。)
<Formation of Al 2 O 3 -I>
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a method for producing alumina (Al 2 O 3 ) used in the present invention. As shown in FIG. 2, 20 g of aluminum isopropoxide (C 9 H 21 AlO 3 ) was added to 100 ml of distilled water in a round bottom flask and stirred with a magnet at 80 ° C. for 1 hour. Thereafter, the pH of the aqueous solution was adjusted to 4 using nitric acid. The mixture was then stirred again at 80 ° C. for 8 hours in a round bottom flask. The solution was then filtered and a white solid was collected, dried at 60 ° C. overnight, and calcined at 550 ° C. for 6 hours in air. The organic components contained were removed by evaporation. This white powder obtained by calcination is alumina (Al 2 O 3 ). In the present application this alumina is referred to as Al 2 O 3 -I. Since the above values are examples, they may be varied somewhat. (The same applies to the following embodiments.)
<Al2O3−IIの生成>
硝酸アルミニウム{Al(NO3)39H2O}25gおよび界面活性剤であるカンファー・スルファン酸(CSA)2.5gを75mlの蒸留水中に入れて、マグネット攪拌しながらこれらの混合物を溶解した。その後アンモニア水溶液を用いて溶液のpH値を5.5に調整した。混合液は攪拌10分後に粘性が出てきて、次にポリテトラフルオロエチレンで内面被覆されたオートクレーブへ移され、160℃〜180℃で24時間の熱水処理を行なった。その後、室温まで冷却され、固形材料は遠心分離器を使って収集され、さらにエタノールを用いて数回洗浄された。得られたこの白い粉末状生成物は60℃で一晩乾燥され、さらに空気中において550℃で6時間か焼し、含まれていた有機成分は蒸発して取り除かれた。この白い粉末がアルミナ(Al2O3)である。このアルミナを本願ではAl2O3−IIと称する。図3は、上述の界面活性剤を用いてpH5.5でAl2O3−IIを生成する合成方法を示す実施形態を示す図である。尚、このAl2O3−IIは界面活性剤を用いて作製したメソポーラスAl2O3である。
<Formation of Al 2 O 3 -II>
25 g of aluminum nitrate {Al (NO 3 ) 3 9H 2 O} and 2.5 g of a surfactant, camphor sulfanic acid (CSA), were placed in 75 ml of distilled water, and the mixture was dissolved while stirring the magnet. Thereafter, the pH value of the solution was adjusted to 5.5 using an aqueous ammonia solution. The mixture became viscous after 10 minutes of stirring, and then transferred to an autoclave coated with polytetrafluoroethylene and subjected to hot water treatment at 160 ° C. to 180 ° C. for 24 hours. Then it was cooled to room temperature and the solid material was collected using a centrifuge and further washed several times with ethanol. The resulting white powdery product was dried at 60 ° C. overnight and further calcined at 550 ° C. for 6 hours in air, and the organic components contained were evaporated off. This white powder is alumina (Al 2 O 3 ). The alumina referred to as Al 2 O 3 -II in this application. FIG. 3 is a view showing an embodiment showing a synthesis method for producing Al 2 O 3 -II at pH 5.5 using the above-described surfactant. Incidentally, the Al 2 O 3 -II is mesoporous Al 2 O 3 prepared using a surfactant.
<Al2O3−IIIの生成>
実施例2で用いた界面活性剤CSAの代わりに界面活性剤の臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)を用いてアルミナを作製した。すなわち、図3に示すように、硝酸アルミニウム{Al(NO3)39H2O}25gおよび界面活性剤であるCTAB2.5gを75mlの蒸留水中に入れて、マグネット攪拌しながらこれらの混合物を溶解した。その後アンモニア水溶液を用いて溶液のpH値を5.5に調整した。混合液は攪拌10分後に粘性が出てきて、次にポリテトラフルオロエチレンで内面被覆されたオートクレーブへ移され、160℃〜180℃で24時間の熱水処理を行なった。その後、室温まで冷却され、固形材料は遠心分離器を使って収集され、さらにエタノールを用いて数回洗浄された。得られたこの白い粉末状生成物は60℃で一晩乾燥され、さらに空気中において550℃で6時間か焼し、含まれていた有機成分は蒸発して取り除かれた。この白い粉末がアルミナ(Al2O3)である。このアルミナを本願ではAl2O3−IIIと称する。尚、このAl2O3−IIIは界面活性剤を用いて作製したメソポーラスAl2O3である。
<Formation of Al 2 O 3 -III>
Alumina was prepared using the surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) instead of the surfactant CSA used in Example 2. That is, as shown in FIG. 3, 25 g of aluminum nitrate {Al (NO 3 ) 3 9H 2 O} and 2.5 g of surfactant CTAB are placed in 75 ml of distilled water, and the mixture is dissolved while stirring the magnet. did. Thereafter, the pH value of the solution was adjusted to 5.5 using an aqueous ammonia solution. The mixture became viscous after 10 minutes of stirring, and then transferred to an autoclave coated with polytetrafluoroethylene and subjected to hot water treatment at 160 ° C. to 180 ° C. for 24 hours. Then it was cooled to room temperature and the solid material was collected using a centrifuge and further washed several times with ethanol. The resulting white powdery product was dried at 60 ° C. overnight and further calcined at 550 ° C. for 6 hours in air, and the organic components contained were evaporated off. This white powder is alumina (Al 2 O 3 ). This alumina is referred to as Al 2 O 3 -III in the present application. Incidentally, the Al 2 O 3 -III is mesoporous Al 2 O 3 prepared using a surfactant.
<メソポーラスアルミナの特性(X線回折)>
図4は、メソポーラスアルミナの広角X線回折{XRD(X−Ray Deffraction)}パターンを示す図である。また図5は、メソポーラスアルミナの小角X線散乱(SAXS:Small Angle X−Ray Scattering)パターンを示す図である。実施例1〜3において作製したか焼したアルミナ粉末の結晶構造はXRDおよびSAXSを使って特徴づけられる。図5は、3種類のアルミナ(Al2O3−I、Al2O3−II、Al2O3−III)のX線小角散乱の測定結果である。メソポーラスアルミナ・ナノチューブの小角X線プロファイルは、領域0.45≦2θ≦1.45°においてブロードな分解回折ピークを示し、界面活性剤なしの(Al2O3−I)、界面活性剤CSAの場合(Al2O3−II)、および界面活性剤CTABの場合(Al2O3−III)のAl2O3に関し、d(粒子間距離)は、それぞれ13.768nm、11.593nmおよび14.373nmである。ブロードで強度が小さいほどアルミナのメソ構造の無秩序化が増大していることを示しているので、メソポーラス度はAl2O3−Iは最も低く、Al2O3−IIおよびAl2O3−IIIはメソポーラス度が大きいことが分かる。このことはアルミナ形成時の界面活性剤を用いた効果である。
<Characteristics of mesoporous alumina (X-ray diffraction)>
FIG. 4 is a diagram showing a wide-angle X-ray diffraction {XRD (X-Ray Deffraction)} pattern of mesoporous alumina. FIG. 5 is a diagram showing a small angle X-ray scattering (SAXS) pattern of mesoporous alumina. The crystal structure of the calcined alumina powder produced in Examples 1-3 is characterized using XRD and SAXS. FIG. 5 shows the measurement results of small-angle X-ray scattering of three types of alumina (Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -II, and Al 2 O 3 -III). The small-angle X-ray profile of mesoporous alumina nanotubes shows a broad decomposition diffraction peak in the region 0.45 ≦ 2θ ≦ 1.45 °, with no surfactant (Al 2 O 3 -I), surfactant CSA. If (Al 2 O 3 -II), and if the surfactant CTAB relates Al 2 O 3 of (Al 2 O 3 -III), d ( the interparticle distance), respectively 13.768nm, 11.593nm and 14 .373 nm. Because disordered mesostructure enough strength is less broad alumina indicates that by increasing, mesoporous degree Al 2 O 3 -I is the lowest, Al 2 O 3 -II and Al 2 O 3 - It can be seen that III has a large mesoporous degree. This is the effect of using a surfactant during alumina formation.
図4は、界面活性剤CTABを用いて作製したアルミナ(Al2O3−III)のX線広角回折パターンを示す。すべての回折ピークに対して、結晶格子間距離はめこみ法を用いてアルミナのX線回折(hkl)をすべて割り当てることができた。すなわち、これらのピーク位置は、PDF−2粉末X線回折データベース(PDF-2 Release 2009 database)を有する単結晶回折計出力変換ソフトウエア{DIFRAC plus Evaluation Package (EVA) software}を使って厳密に決定された。図4から分かるように、Al2O3−IIIの充分に分解した代表的な回折ピークが示されている。Al2O3−IIIは単一相γ−Al2O3の結晶構造を示し、JCPDSカードチャートに示されるAl2O3(JCPDSNo.029−0063)のピーク位置と一致し、格子定数a=7.924Åを示した。結論として、広い低分解の低強度ピークは短距離秩序のγ−Al2O3メソ構造を示している。 FIG. 4 shows an X-ray wide angle diffraction pattern of alumina (Al 2 O 3 -III) prepared using the surfactant CTAB. All diffraction peaks could be assigned all the X-ray diffraction (hkl) of alumina using the interstitial distance fitting method. That is, these peak positions are strictly determined by using a single crystal diffractometer output conversion software {DIFRAC plus Evaluation Package (EVA) software} having a PDF-2 powder X-ray diffraction database (PDF-2 Release 2009 database). It was done. As can be seen from FIG. 4, a fully resolved representative diffraction peak of Al 2 O 3 -III is shown. Al 2 O 3 -III shows the crystal structure of single phase γ-Al 2 O 3 , which coincides with the peak position of Al 2 O 3 (JCPDS No. 029-0063) shown in the JCPDS card chart, and the lattice constant a = 7.924cm was shown. In conclusion, the broad low-resolution, low-intensity peak indicates a short-range ordered γ-Al 2 O 3 mesostructure.
<メソポーラスアルミナの特性(窒素吸着等温泉)>
我々は、実施例1〜3に示す方法によって、アルミナの材料の形状およびサイズを制御できたが、その証拠はN2吸着等温線からも得ることができる。図6は、温度77Kにおける窒素(N2)吸着/脱着等温線であり、横軸が相対圧、縦軸は吸着量を示す。この窒素(N2)吸着/脱着等温線は、典型的なタイプIV(IUPACによる分類)の吸着挙動であり、吸着/脱着ブランチの周知の鋭い屈曲を持ち、顕著なヒシテリシスループを示していて、アルミナ試料のN2吸着等温線の特徴を表している。すなわち、図6で示すアルミナ材料(Al2O3−I)は、均質であり規則性が高いことを示している。またこのアルミナ材料(Al2O3−I)のヒシテリシスループは、H2型(IUPACによる分類)であり、界面活性剤の有り無しにおいて作製された均質なメソポーラスの立方晶構造に典型的なヒシテリシスである。この良く特徴づけられた鋭い屈曲線は0.5≦P/P0≦0.85で現われている。
<Characteristics of mesoporous alumina (hot spring such as nitrogen adsorption)>
We have been able to control the shape and size of the alumina material by the methods shown in Examples 1-3, but that evidence can also be obtained from the N 2 adsorption isotherm. FIG. 6 is a nitrogen (N 2 ) adsorption / desorption isotherm at a temperature of 77 K, the horizontal axis represents the relative pressure, and the vertical axis represents the adsorption amount. This nitrogen (N 2 ) adsorption / desorption isotherm is a typical type IV (IUPAC classification) adsorption behavior, with a well-known sharp bend in the adsorption / desorption branch and showing a pronounced hysteresis loop. 2 represents the characteristics of the N 2 adsorption isotherm of the alumina sample. That is, the alumina material (Al 2 O 3 -I) shown in FIG. 6 is homogeneous and has high regularity. The hysteresis loop of this alumina material (Al 2 O 3 -I) is of the H2 type (classified by IUPAC), which is typical for a homogeneous mesoporous cubic structure produced with and without a surfactant. It is. This well characterized sharp bend line appears at 0.5 ≦ P / P0 ≦ 0.85.
図7は温度77Kにおける細孔分布を示す図であり、図6の窒素(N2)吸着/脱着等温線に基づいて求めた細孔分布を示す図である。横軸に細孔直径、縦軸にdVp微分値をとっている。図6の窒素(N2)吸着/脱着等温線に示されたシャープな屈曲線は、吸着量の急激な増加を示し、細孔ピーク約5.43nm(Al2O3−I単独の場合)の均一なメソポーラス構造内における毛管凝縮を示す。さらに、モリブデンイオン{Mo+6}で修飾された(担持された)アルミナ材料の場合、N2吸着等温線データにおいて示されたように、ヒシテリシスループの幅における減少は、作製されたナノプローブの全てでナノスケールの細孔サイズの減少を示す。我々のアルミナの合成法、Mo+6の担持法およびヒ素吸着・溶離の一連のプロセスにおいて、アルミナ・メソポーラス構造は顕著なテクスチャパラメータ、すなわち比表面積および細孔体積を求めた。細孔体積は、Al2O3−I、Mo+6で修飾したAl2O3−I、Asを溶離後のMo+6で修飾したAl2O3−Iに関して、それぞれ0.405 cm3g-1、0.261 cm3g-1 および 0.357 cm3g-1である。また、BET比表面積は、Al2O3−I、Mo+6で修飾したAl2O3−I、As溶離後のMo+6で修飾したAl2O3−Iに関して、それぞれ234.54 m2g-1、156.78 m2g-1および185.25 m2g-1であった。ヒ素吸着性化合物であるモリブデン酸アンモニウムが担持する前のBET比表面積Sも234.54m2/gあり、大きい。また、Al2O3−Iにモリブデン酸アンモニウムが担持しても屈曲性は変化がなくアルミナのメソ構造には変化がないことが分かる。さらに、Al2O3−Iに担持されたモリブデン酸アンモニウムにヒ素イオンが吸着し、その吸着したヒ素イオンを溶離した後も屈曲性は変化がなくアルミナのメソ構造には変化がないことが分かる。従って、アルミナのメソ構造はプロセスの前後においても安定していることが示されている。 FIG. 7 is a diagram showing the pore distribution at a temperature of 77 K, and is a diagram showing the pore distribution obtained based on the nitrogen (N 2 ) adsorption / desorption isotherm in FIG. The horizontal axis represents the pore diameter, and the vertical axis represents the dVp differential value. The sharp bend line shown in the nitrogen (N 2 ) adsorption / desorption isotherm in FIG. 6 indicates a sharp increase in the adsorption amount, and the pore peak is about 5.43 nm (in the case of Al 2 O 3 -I alone). Shows capillary condensation within a uniform mesoporous structure. Furthermore, in the case of alumina material modified (supported) with molybdenum ions {Mo +6 }, as shown in the N 2 adsorption isotherm data, the decrease in the width of the hysteresis loop is similar to that of the fabricated nanoprobe. All show a decrease in nanoscale pore size. In our series of alumina synthesis, Mo +6 loading and arsenic adsorption / elution processes, the alumina mesoporous structure determined significant texture parameters: specific surface area and pore volume. Pore volume, Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -I modified with Mo +6, with respect to Al 2 O 3 -I modified with Mo +6 after elution of As, respectively 0.405 cm 3 g -1, 0.261 cm 3 g −1 and 0.357 cm 3 g −1 . Further, BET specific surface area, Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -I modified with Mo +6, with respect to Al 2 O 3 -I modified with Mo +6 after As elution, respectively 234.54 m 2 g -1 156.78 m 2 g −1 and 185.25 m 2 g −1 . The BET specific surface area S before being supported by ammonium molybdate, which is an arsenic-adsorbing compound, is also 234.54 m 2 / g, which is large. It can also be seen that even when ammonium molybdate is supported on Al 2 O 3 -I, the flexibility does not change and the mesostructure of alumina does not change. Furthermore, it can be seen that after the arsenic ions are adsorbed on the ammonium molybdate supported on Al 2 O 3 -I and the adsorbed arsenic ions are eluted, the flexibility does not change and the mesostructure of alumina does not change. . Thus, the mesostructure of alumina has been shown to be stable before and after the process.
<メソポーラスアルミナの特性{透過電子顕微鏡解析(TEM)}>
図8は、均一形状のメソポーラスアルミナ構造の代表的TEM像を示す図である。メソポーラスアルミナの高解像度の透過電子顕微鏡(HRTEM)は、アルミナの制御された形態、メソポーラス度および結晶構造を調査するために行なわれた。上図がAl2O3−I、中図がAl2O3−II、下図がAl2O3−IIIである。図8のこれらのHRTEMマイクロ写真から分かるように、実施例1〜3による方法で作製された本発明のメソポーラスアルミナは、どれも直径範囲が5−8nmで、細長く伸びた多孔質アルミナナノチューブである。結晶構造の代表的優先方位は[222]で、立方晶Fd3m対称性(シンメトリ)を持つ広域ナノ結晶ドメインを形成していることを示している。これらのTEM写真が示す最も顕著な特徴は、アルミナのメソ構造は、ゆがみがなく広域にわたって格子の縞模様が連続した秩序性を持ち、さらに均一な配列を有していることである。優先方位に沿った広域のナノ結晶ドメインはアルミナ立方晶格子のナノチューブの特徴である。このTEM写真、すなわちHR−TEM像は秩序だった面心立方メソポーラスネットワークの大きなドメインサイズであることを明確に示している。
<Characteristics of mesoporous alumina {Transmission electron microscope analysis (TEM)}>
FIG. 8 is a diagram showing a representative TEM image of a mesoporous alumina structure having a uniform shape. A high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) of mesoporous alumina was performed to investigate the controlled morphology, mesoporous degree and crystal structure of alumina. Above figure Al 2 O 3 -I, middle diagram Al 2 O 3 -II, below is Al 2 O 3 -III. As can be seen from these HRTEM micrographs in FIG. 8, the mesoporous aluminas of the present invention produced by the methods according to Examples 1 to 3 are all elongated porous alumina nanotubes having a diameter range of 5 to 8 nm. . The typical preferred orientation of the crystal structure is [222], indicating that a broad nanocrystal domain with cubic Fd3m symmetry (symmetry) is formed. The most prominent feature of these TEM photographs is that the mesostructure of alumina has no distortion and has a continuous order of lattice stripes over a wide area, and has a more uniform arrangement. Wide nanocrystal domains along the preferred orientation are characteristic of alumina cubic lattice nanotubes. This TEM photograph, or HR-TEM image, clearly shows the large domain size of an ordered face-centered cubic mesoporous network.
<アルミナ(Al2O3)−キャプターの簡単な作製方法>
本発明は、ヒ素{As(V)}吸着用化合物(ヒ素キャプター、あるいは単にキャプターと称する場合もある、ここで、キャプタ(captor)とは捕獲するものを意味する)をアルミニウム金属酸化物(アルミナ)に担持できるという、いわゆるヒ素キャプター用キャリアーとして使うことができるアルミニウム金属酸化物のユニークな特性を利用することに基づいている。大量に大規模にアルミナを生産する方法が調査されたが、図9に示すように、複雑な生産設備はないので簡単に生産できることが分かる。(図9は、ヒ素イオン吸着性化合物を高度に官能化したメソポーラスAl2O3に担持させたAl2O3−キャプターを用いてヒ素イオンを吸着した一連のフローを模式的に示した図、すなわちアルミナ−キャプター作製からアルミナ−キャプターへのヒ素イオン吸着までのフローを示す模式図である。)たとえば、実施例1〜3において作製したメソポーラスアルミナ(Al2O3)の表面マトリックスの極性を、図9に示すように、臭化ジメチルアンモニウムジラウリル(dilauryl dimethyl ammonium bromide:DDAB)のようなカチオン性界面活性剤の高密度分散によって、微細に調整する。この処理によってメソポーラスアルミナのナノチューブの周囲が官能化された状態になる。この状態が図9に示すアルミナ−キャリアー(Al2O3−Carrier)(ここで、キャプターの意味でキャリアを使っている)である。
<Alumina (Al 2 O 3 ) -Captor Simple Method>
The present invention relates to an arsenic {As (V)} adsorbing compound (arsenic captor or simply called a captor, where a captor means something to be captured) an aluminum metal oxide (alumina). ) Based on the unique properties of aluminum metal oxides that can be used as carriers for so-called arsenic captors. A method for producing alumina on a large scale on a large scale has been investigated. As shown in FIG. 9, it can be seen that production is simple because there is no complicated production facility. (FIG. 9 is a diagram schematically showing a series of flows in which arsenic ions are adsorbed using an Al 2 O 3 -captor supported on a highly functionalized mesoporous Al 2 O 3 with an arsenic ion adsorbing compound, That is, it is a schematic diagram showing a flow from alumina-captor production to arsenic ion adsorption to alumina-captor.) For example, the polarity of the surface matrix of mesoporous alumina (Al 2 O 3 ) produced in Examples 1 to 3 As shown in FIG. 9, fine adjustment is made by high-density dispersion of a cationic surfactant such as dilauryl dimethyl ammonium bromide (DDAB). By this treatment, the periphery of the mesoporous alumina nanotube is functionalized. This state is the alumina-carrier (Al 2 O 3 -Carrier) shown in FIG. 9 (here, a carrier is used in the sense of a captor).
次に、モリブデン酸アンモニウム四水和物(Ammonium molybdate tetrahydrate)などの
モリブデン酸アンモニウム(Ammonium molybdate:(NH4)6Mo7O24)のようなヘテロポリ酸によってアルミナに適切な処理を行ない、官能化されたメソポーラスアルミナの細孔表面にこのヘテロポリ酸を担持すると同時に、メソポーラスアルミナの細孔表面も官能化した状態となっている。それから、溶媒および他の試薬は、ロータリーエバポレーターを使った簡単な排気方法によって除去され、10〜20分後、すべてのプロセスは完了し、上記のヘテロポリ酸を担持した(あるいは、ヘテロポリ酸で修飾された)粉末状のアルミナが作製された。このヘテロポリ酸を担持した粉末状のアルミナはヒ素キャプターであり、ヒ素{As(V)}を含む溶液と接触させることにより、ヒ素{As(V)}を吸着することができる。ヒ素{As(V)}を吸着したメソポーラスアルミナ{図9において、Al2O3−As(V)−Captured}は変色して、ヒ素{As(V)}を吸着したことを肉眼でも観察できる。
Next, the alumina is treated appropriately with a heteropoly acid such as ammonium molybdate (Ammonium molybdate: (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 ), such as ammonium molybdate tetrahydrate, and functionalized. At the same time that the heteropolyacid is supported on the pore surface of the mesoporous alumina, the pore surface of the mesoporous alumina is also functionalized. The solvent and other reagents are then removed by a simple evacuation method using a rotary evaporator, and after 10-20 minutes, all processes are complete and carry the above heteropolyacid (or modified with a heteropolyacid). A) Powdered alumina was produced. The powdery alumina carrying the heteropolyacid is an arsenic captor and can adsorb arsenic {As (V)} by contacting with a solution containing arsenic {As (V)}. Mesoporous alumina adsorbed with arsenic {As (V)} {Al 2 O 3 -As (V) -Captured} in FIG. 9 is discolored and it can be observed with the naked eye that arsenic {As (V)} has been adsorbed. .
上記のモリブデン酸アンモニウムをアルミナ(Al2O3−I、Al2O3−II、Al2O3−III)に担持する手順について詳細に説明する。40mlのエタノールに、アルミナ1mgと界面活性剤DDAB0.3mgを混合撹拌し、35℃にて30分間、ロータリーエバポレーターにて吸引排気し、次に、このエバポレーターに備付の真空ポンプを作動して、45℃にて真空乾燥した。このようにして得られた固形物を水洗し、45℃で常圧乾燥する。次に、このようにして得られた固形物を、50mlの水に0.3mgのモリブデン酸アンモニウム{(NH4)6Mo7O24.24H2O}を混入した液に混合し、12時間攪拌する。その混合水をろ過して、得られた固形物を水洗し、55℃で常圧乾燥する。このようにして、メソポーラスアルミナのナノチュープ表面にモリブデン酸アンモニウムを担持したアルミナ−(ヒ素)キャプターを得ることができる。 The procedure for supporting the ammonium molybdate on alumina (Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -II, Al 2 O 3 -III) will be described in detail. 40 ml of ethanol was mixed and stirred with 1 mg of alumina and 0.3 mg of a surfactant DDAB, suctioned and exhausted with a rotary evaporator at 35 ° C. for 30 minutes, and then a vacuum pump attached to this evaporator was operated, Vacuum-dried at ° C. The solid thus obtained is washed with water and dried at 45 ° C. under normal pressure. Next, the solid thus obtained was added to 0.3 ml of ammonium molybdate {(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 . 24H 2 O} is mixed with the mixed solution and stirred for 12 hours. The mixed water is filtered, and the resulting solid is washed with water and dried at 55 ° C. under atmospheric pressure. In this way, an alumina (arsenic) captor having ammonium molybdate supported on the surface of a mesoporous alumina nanotube can be obtained.
<ヒ素イオンを溶解した水溶液へのアルミナ(Al2O3)−キャプターの適用>
本発明は、モリブデン化合物をメソポーラスアルミナ・ナノチューブへ担持させ、この担持したモリブデン化合物がAs(V)イオンと安定な錯体を形成することができるという独特な特性を利用するというアイデアに基づいている。さらに、この錯体形成する溶液にアスコルビン酸(たとえば、0.1モル(M)の)を少量含む希釈溶液を添加することにより、As(V)を含むこの錯体を担持したアルミナ(Al2O3)が藍色を呈するようになる。この藍色の濃さは吸着したヒ素量とともに増大し、肉眼でも識別可能である。この錯体は、水溶液が酸性の条件においてのみ形成することができ、アルミナ(Al2O3)に担持した状態でヒ素酸塩−モリブデン酸塩―錯体を水溶液中において形成することができる。
<Application of alumina (Al 2 O 3 ) -captor to an aqueous solution in which arsenic ions are dissolved>
The present invention is based on the idea that a molybdenum compound is supported on mesoporous alumina nanotubes, and this supported molybdenum compound utilizes the unique property that it can form a stable complex with As (V) ions. Further, by adding a dilute solution containing a small amount of ascorbic acid (for example, 0.1 mol (M)) to the complex forming solution, alumina (Al 2 O 3 ) supporting this complex containing As (V) is added. ) Will appear indigo. The darkness of the indigo color increases with the amount of adsorbed arsenic and can be identified with the naked eye. This complex can be formed only under conditions where the aqueous solution is acidic, and the arsenate-molybdate-complex can be formed in the aqueous solution while being supported on alumina (Al 2 O 3 ).
図10は、ヒ素{As(V)}が溶解された水溶液からアルミナ−キャプターを用いて水溶液からヒ素を回収する方法を示す図である。その手順は以下のようである。
(1)50mlのマグネットを備えたキャップ付き平底ビンへ、17.6mlの水溶液、100ppmのヒ素{As(V)}イオンを含む溶液を0.4ml、およびアルミナキャプター20mgが添加された。アルミナキャプターとは、上述のモリブデン酸アンモニウム四水和物を担持したアルミナ(Al2O3−I、Al2O3−II、Al2O3−III)である。
(2)このアルミナキャプターを含む混合液は45℃で30分間マグネットスターラーを使って充分に攪拌された。
(3)定温放置(30分)が終了後、0.1Mアスコルビン酸の2mlを水溶液中に添加する。
(4)攪拌はさらに30−40分継続され、アルミナ−コレクター(アルミナキャプター)はヒ素を吸着して(ヒ素酸塩−モリブデン酸塩―錯体を形成)によって藍色を呈する。従って、この藍色はAs(V)の検出を示す。
(5)固形材料はろ過され(たとえば、ワットマン社の紙フィルターを用いる)、脱イオン水で洗浄された。
(6)得られた固形材料はAs(V)を吸着した透明な藍色のアルミナ−コレクターで、このことは、溶液からAs(V)をうまく集めることができることを示している。
(7)溶液中のヒ素イオン濃度は、各段階でICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析法(ICP−OES)を用いて測定した。図11は、各段階における水溶液中のヒ素イオン濃度を示す表である。最初の水溶液中のヒ素イオン濃度は2.035ppmであったが、アルミナ−キャプターを浸漬した後の水溶液中のヒ素イオン濃度は0.636ppmとなり、水溶液中のヒ素イオンは1.363ppm除去された。従って、アルミナ−キャプターによるヒ素イオン除去効率は67%である。
FIG. 10 is a diagram showing a method for recovering arsenic from an aqueous solution using an alumina-captor from an aqueous solution in which arsenic {As (V)} is dissolved. The procedure is as follows.
(1) To a flat bottom bottle with a cap equipped with a 50 ml magnet, 17.6 ml of an aqueous solution, 0.4 ml of a solution containing 100 ppm of arsenic {As (V)} ions, and 20 mg of an alumina captor were added. The alumina captor, alumina carrying ammonium molybdate tetrahydrate above (Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -II, Al 2 O 3 -III) is.
(2) The mixed solution containing the alumina capter was sufficiently stirred using a magnetic stirrer at 45 ° C. for 30 minutes.
(3) After standing at constant temperature (30 minutes), 2 ml of 0.1 M ascorbic acid is added to the aqueous solution.
(4) Stirring is continued for an additional 30-40 minutes, and the alumina collector (alumina capter) adsorbs arsenic (forms arsenate-molybdate complex) to exhibit an indigo color. Therefore, this indigo color indicates the detection of As (V).
(5) The solid material was filtered (eg, using a Whatman paper filter) and washed with deionized water.
(6) The resulting solid material is a transparent indigo alumina collector that adsorbs As (V), which indicates that As (V) can be successfully collected from the solution.
(7) The arsenic ion concentration in the solution was measured using ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopy (ICP-OES) at each stage. FIG. 11 is a table showing the arsenic ion concentration in the aqueous solution at each stage. Although the arsenic ion concentration in the first aqueous solution was 2.035 ppm, the arsenic ion concentration in the aqueous solution after dipping the alumina captor was 0.636 ppm, and 1.363 ppm of arsenic ions in the aqueous solution was removed. Therefore, the arsenic ion removal efficiency by the alumina-captor is 67%.
<pptレベル濃度までの超高感度キャプチャー>
従来のヒ素濃度検出方法やヒ素除去方法の検出限界は、10−6M(モル)、すなわちppmレベルであるが、本発明のアルミナキャプターは、作製方法が簡単であるばかりでなく、ppb〜pptレベルのヒ素濃度を検出または除去することができる。図12は、種々のヒ素濃度を含む溶液からろ過した後のアルミナキャプターの呈色性(色調)を示す図である。実施例8に示す方法に従って、種々のヒ素濃度を含む水溶液にアルミナ−キャプターを添加して、ヒ素を吸着したアルミナ−キャプターを得た。ヒ素を含まない場合は白色であるが、ヒ素を含む場合は藍色(または青色)に変色する。しかもヒ素(イオン)濃度が高くなるに従って、藍色の色調が濃くなっていく。すなわち、0.5ppb(10−10Mレベル)という非常に低いヒ素濃度でも薄い藍色を呈して、肉眼でもアルミナ−キャプターにヒ素が吸着したことが分かる。100ppbのヒ素(イオン)濃度では明るい藍色となり、さらに2000ppbとなると濃い藍色となる。図109に示すように、ヒ素(イオン)濃度の増加につれて藍色が連続的に濃くなる。逆に言えば、ヒ素(イオン)を吸着したアルミナ−キャプターの色調を見れば、どの程度のヒ素(イオン)濃度であるかが分かる。
<Ultra high sensitivity capture up to ppt level concentration>
The detection limit of the conventional arsenic concentration detection method and arsenic removal method is 10 −6 M (mole), that is, the ppm level, but the alumina capter of the present invention has not only a simple manufacturing method but also ppb to ppt. A level of arsenic concentration can be detected or removed. FIG. 12 is a diagram showing the color developability (color tone) of the alumina capter after filtration from solutions containing various arsenic concentrations. In accordance with the method shown in Example 8, alumina captors were added to aqueous solutions containing various arsenic concentrations to obtain alumina captors that adsorbed arsenic. When arsenic is not included, the color is white. When arsenic is included, the color is changed to indigo (or blue). Moreover, as the arsenic (ion) concentration increases, the indigo color tone becomes deeper. That is, even at a very low arsenic concentration of 0.5 ppb (10 −10 M level), it shows a light indigo color, and it can be seen that arsenic was adsorbed to the alumina captor even with the naked eye. At an arsenic (ion) concentration of 100 ppb, the color becomes bright indigo, and when it reaches 2000 ppb, it becomes a deep indigo color. As shown in FIG. 109, the indigo color continuously increases as the arsenic (ion) concentration increases. In other words, the arsenic (ion) concentration can be understood by looking at the color tone of the alumina-captor that has adsorbed arsenic (ions).
このことから、本発明のアルミナキャプターは、水溶液中のヒ素イオンを除去できるだけでなく、ヒ素濃度検出センサーとしても使用できる。しかもこのヒ素濃度検出センサーはppt(ppb以下)レベルのヒ素濃度も検出できるので、環境中の微量のヒ素を検出し問題があるかどうかを判定することができる。また、本発明のアルミナキャプターはpptレベルの微量のヒ素イオンを吸着できるので、環境中の極めて微小濃度(〜10−10M)のヒ素イオンを除去することが可能となり、ヒ素フリーの環境を実現できる。本発明は、メソポーラスアルミナを作り、そこにヒ素吸着性化合物(たとえばヘテロポリ酸)を吸着し、そこにヒ素イオンを吸着させる。すなわち、1つのビルディングブロック技術と言える。本発明のヒ素吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナにおけるヒ素イオン検出またはヒ素イオン吸着が高感度であることによる大きな利点は、このビルディングブロック技術よって完全に制御された固定化レセプターの電子のアクセプター/ドナーの高い適応性および高移動度性に寄与するということである。 From this, the alumina capter of the present invention can not only remove arsenic ions in an aqueous solution, but can also be used as an arsenic concentration detection sensor. Moreover, since this arsenic concentration detection sensor can also detect an arsenic concentration at the ppt (ppb or lower) level, it can detect a trace amount of arsenic in the environment and determine whether there is a problem. In addition, since the alumina capter of the present invention can adsorb a small amount of arsenic ions at the ppt level, it becomes possible to remove arsenic ions at an extremely minute concentration ( −10 −10 M) in the environment, thereby realizing an arsenic-free environment. it can. The present invention makes mesoporous alumina, adsorbs an arsenic adsorbing compound (for example, heteropolyacid), and adsorbs arsenic ions thereto. That is, it can be said to be one building block technology. The significant advantage of the high sensitivity of arsenic ion detection or arsenic ion adsorption in mesoporous alumina loaded with the arsenic adsorptive compounds of the present invention is that the electron acceptor / donor of the immobilized receptor fully controlled by this building block technology This contributes to high adaptability and high mobility.
<多数のカチオンを含む水溶液からヒ素{As(V)}を収集することによる高感度性>
本発明のアルミナ−キャプターのヒ素イオン吸着性に関する選択性、すなわち多数の競合金属イオンが存在するときに、ヒ素イオン吸着性に及ぼす影響について調査した。
その手順を以下に示す。
(1)50mlのマグネットを備えたキャップ付き平底ビンへ、16mlの水溶液、100ppmAs(V)溶液を0.2ml、種々のカチオン{Na+、 Ca+2、Mg+2、Li+、Ho+3、Co+2、Zn+2、Ni+2、Cd+2、La+2、Mn+2、Hg+2、Ba+2、Cu+2、Al+3、Cr+6、Fe+2、およびBi+3}について各濃度200ppmを貯蔵溶液から各100μml、トータルで1.8ml、およびアルミナ−キャプター20mgを添加した。各金属カチオンの各濃度はすべて1ppmに保持された。ここで、アルミナ−キャプターとは、上述のモリブデン酸アンモニウム四水和物を担持したアルミナ(Al2O3−I、Al2O3−II、Al2O3−III)である。
(2)この混合液は45℃で30分間マグネットスターラーを使って充分に攪拌された。
(3)定温放置(30分)が終了後、0.1Mアスコルビン酸の2mlが溶液中へ添加された。
(4)攪拌はさらに30−40分継続され、アルミナ−キャプターは藍色に変色した。このことは、アルミナキャプターがAs(V)を検出し、吸着したことを示す。
(5)固形材料は、紙フィルターを用いてろ過され、さらに脱イオン水で洗浄された。
(6)得られた固形材料は透明な藍色のアルミナ−コレクターであり、As(V)含有溶液からAs(V)をうまく集めることができたことを示している。
<High sensitivity by collecting arsenic {As (V)} from an aqueous solution containing many cations>
The selectivity for the arsenic ion adsorptivity of the alumina-captor of the present invention, that is, the influence on the arsenic ion adsorptivity when a large number of competing metal ions are present was investigated.
The procedure is shown below.
(1) 16 ml of aqueous solution, 0.2 ppm of 100 ppm As (V) solution, various cations {Na + , Ca +2 , Mg +2 , Li + , Ho +3 into a capped flat bottom bottle equipped with a 50 ml magnet , Co +2 , Zn +2 , Ni +2 , Cd +2 , La +2 , Mn +2 , Hg +2 , Ba +2 , Cu +2 , Al +3 , Cr +6 , Fe +2 , and Bi +3 } was added at a concentration of 200 ppm from the stock solution to each 100 μml, a total of 1.8 ml, and alumina-captor 20 mg. Each concentration of each metal cation was kept at 1 ppm. Here, the alumina-capter is alumina (Al 2 O 3 -I, Al 2 O 3 -II, Al 2 O 3 -III) supporting the above-described ammonium molybdate tetrahydrate.
(2) This mixed solution was sufficiently stirred at 45 ° C. for 30 minutes using a magnetic stirrer.
(3) After standing at constant temperature (30 minutes), 2 ml of 0.1 M ascorbic acid was added to the solution.
(4) Stirring was continued for an additional 30-40 minutes, and the alumina-capter turned indigo. This indicates that the alumina captor detected and adsorbed As (V).
(5) The solid material was filtered using a paper filter and further washed with deionized water.
(6) The resulting solid material was a clear indigo alumina collector, indicating that As (V) could be successfully collected from the As (V) -containing solution.
図13は、種々の金属イオンを含む溶液から本発明のアルミナ−キャプターを使用してヒ素イオンのみをアルミナ−キャプターで吸着する状態を模式的に示した図である。ここでHOMとは、「High Ordered Mesoporous(高度に秩序化したメソポーラス)」のことで、本発明のメソポーラスアルミナのことを意味する。ヒ素イオンを含む多数の金属イオンを含む溶液に本発明のHOM−キャプター(アルミナ−キャプター)を添加すると、ヒ素イオンだけを優先的かつ選択的に吸着し、藍色に変色したHOM−キャプターを得ることができる。この藍色に変色したHOM−キャプター(固体)は、ヒ素を吸着しているが他の金属は殆ど吸着しない。また、この藍色に変色したHOM−キャプター(固体)を取り除いたろ過液にはヒ素イオンは殆どなくなり、他の金属イオン濃度は殆ど変化がない。このように、本発明のアルミナ−キャプターは、多数の競合金属イオンを含む溶液において、ヒ素イオン以外の金属イオンは殆ど吸着せず、ヒ素イオンに対して優先的かつ選択的吸着性が非常に高いことが分かった。 FIG. 13 is a diagram schematically showing a state in which only arsenic ions are adsorbed by an alumina-captor from a solution containing various metal ions using the alumina-captor of the present invention. Here, HOM means “High Ordered Mesoporous” and means the mesoporous alumina of the present invention. When the HOM-capter (alumina-captor) of the present invention is added to a solution containing a large number of metal ions including arsenic ions, only the arsenic ions are preferentially adsorbed to obtain a HOM-capter whose color is changed to indigo. be able to. This indigo colored HOM-captor (solid) adsorbs arsenic but hardly adsorbs other metals. In addition, the arsenic ions are almost lost in the filtrate from which the HOM-capter (solid) changed to indigo color is removed, and the concentrations of other metal ions are hardly changed. As described above, the alumina-captor of the present invention hardly adsorbs metal ions other than arsenic ions in a solution containing a large number of competing metal ions, and has a very high preferential and selective adsorptivity for arsenic ions. I understood that.
<As(V)イオン吸着における加熱無しの効果>
As(V)を回収するための最適条件は45℃まで加熱することが必要で、それはAs(V)の抽出を促進し、抽出時間を短縮する。しかし、加熱には設備とエネルギーが必要になりAs(V)回収費用のアップにつながる。そこで常温(加熱無し)で、As(V)の回収量を増やす方法について実験した。その結果、As(V)の抽出は、同じ回収量を達成するためには、As(V)イオンとアルミナ−キャプターの接触時間を増加することにより実現できることが分かった。まず、加熱(45℃)有り無しでは、同じ一定時間(60〜75分)の場合、加熱無しの方が20%だけ回収効率が低下する。
<Effect without heating in As (V) ion adsorption>
Optimal conditions for recovering As (V) require heating to 45 ° C., which facilitates extraction of As (V) and shortens extraction time. However, heating requires equipment and energy, which leads to an increase in As (V) recovery costs. Then, it experimented about the method of increasing the collection amount of As (V) at normal temperature (no heating). As a result, it was found that the extraction of As (V) can be realized by increasing the contact time of As (V) ions and alumina-captor in order to achieve the same recovery amount. First, with and without heating (45 ° C.), in the case of the same fixed time (60 to 75 minutes), the recovery efficiency decreases by 20% without heating.
図14は、アルミナキャプターを用いたヒ素イオンの除去効率に及ぼす加熱および接触時間の効果を示す図である。実施例8と同様に、アルミナキャプター20mgをヒ素イオンを含む溶液に添加し、加熱有り無しでヒ素{As(V)}イオンをアルミナキャプターに吸着し、溶液からヒ素イオンを除去した。ヒ素イオン濃度はICP−OESにより測定し、アルミナキャプターに吸着前後で比較し、除去効率を求めた。図14の縦軸は除去効率である。45℃で加熱しながら約3時間アルミナキャプターを溶液に接触した場合は、90%の効率であったが、加熱無し{すなわち、常温(0℃〜40℃)}の場合約10時間以上のアルミナキャプターの接触で89%の効率が得られた。すなわち、加熱無しの場合はアルミナキャプターを長く溶液中のヒ素イオンと接触させれば良いことが確かめられた。加熱無しの場合は加熱装置や設備は不要であり、時間についても一晩溶液中に浸漬しておけば(すなわち、設備が休んでいるときに浸漬して攪拌するだけで良い)、加熱と同程度のヒ素{As(V)}イオンを回収できる。 FIG. 14 is a diagram showing the effect of heating and contact time on the arsenic ion removal efficiency using an alumina capter. In the same manner as in Example 8, 20 mg of an alumina capter was added to a solution containing arsenic ions, and arsenic {As (V)} ions were adsorbed to the alumina capter without heating, and arsenic ions were removed from the solution. The arsenic ion concentration was measured by ICP-OES, and compared with before and after adsorption on an alumina captor to determine the removal efficiency. The vertical axis in FIG. 14 is the removal efficiency. When the alumina capter was brought into contact with the solution for about 3 hours while being heated at 45 ° C., the efficiency was 90%. However, when heating was not performed {that is, normal temperature (0 ° C. to 40 ° C.)}, the alumina was about 10 hours or longer. An efficiency of 89% was obtained with the contact of the captor. That is, it was confirmed that in the case of no heating, the alumina capter may be brought into contact with the arsenic ions in the solution for a long time. Without heating, there is no need for a heating device or equipment, and the time is the same as for heating if it is immersed in the solution overnight (that is, it only needs to be immersed and stirred when the equipment is resting). About arsenic {As (V)} ions can be recovered.
<アスコルビン酸(ascorbic acid)の付加の効果>
上述のように、ヒ素{As(V)}を回収するために重要な要素としてアスコルビン酸を付加している。しかし、アスコルビン酸を老廃物として廃棄処理するために過度な処理が必要となる。すなわち、飲料水の純化に使用される塩素の消費量が高くなるので、アスコルビン酸がない効果に関して除去効率についての調査を行なった。その結果、アスコルビン酸は、As(V)の除去効率に対する効果は全くないということ、さらに、その役割はヒ素酸塩−モリブデン酸塩−錯体を標識化し、その形成を肉眼で分かるようにすることであることが明確に見出された。
<Effect of addition of ascorbic acid>
As described above, ascorbic acid is added as an important factor for recovering arsenic {As (V)}. However, excessive treatment is required to dispose of ascorbic acid as a waste product. That is, since the consumption of chlorine used for the purification of drinking water is increased, the removal efficiency was investigated with respect to the effect of no ascorbic acid. As a result, ascorbic acid has no effect on the removal efficiency of As (V), and its role is to label the arsenate-molybdate complex and make its formation visible to the naked eye. It was clearly found that.
図15は、アスコルビン酸の有無によるヒ素イオン抽出効率の相違、すなわち、水溶液からAs(V)の除去の効率に及ぼすアスコルビン酸の効果を示す図である。実施例8において、アスコルビン酸を添加しない場合についてもアルミナ−キャプターのヒ素イオンの除去効果を調べた。20mgのアルミナ−キャプターでヒ素イオンを含む溶液に60−75分接触させた。アスコルビン酸を添加した場合におけるアルミナ−キャプターのヒ素イオンの除去効率は67%であった。これに対して、アスコルビン酸を添加しない場合におけるアルミナ−キャプターのヒ素イオンの除去効率は65%となった。この結果は、アスコルビン酸は、As(V)の除去効率に対する効果は殆どないということを明確に示している。 FIG. 15 is a diagram showing the difference in arsenic ion extraction efficiency depending on the presence or absence of ascorbic acid, that is, the effect of ascorbic acid on the efficiency of As (V) removal from an aqueous solution. In Example 8, even when no ascorbic acid was added, the removal effect of arsenic ions of the alumina-captor was examined. The solution containing arsenic ions was brought into contact with a 20 mg alumina-captor for 60-75 minutes. When ascorbic acid was added, the arsenic ion removal efficiency of the alumina-captor was 67%. In contrast, the removal efficiency of the arsenic ions of the alumina-captor when no ascorbic acid was added was 65%. This result clearly shows that ascorbic acid has little effect on As (V) removal efficiency.
図16は、本発明のヘテロポリ酸を担持したアルミナーキャプターを用いてヒ素イオンを吸着する系において、ヘテロポリ酸のヒ素イオン吸着化(錯体化)によって肉眼で認識される程度に紺色(青色)変色するというアスコルビン酸の標識剤としての役割を説明する模式図である。換言すれば、図16は、ヒ素{As(V)}イオンを捕獲するための提案されたメカニズムおよび形成された錯体だけを標識化する際のアスコルビン酸の役割を図解で示したものである。ヘテロポリ酸の1つであるモリブデン酸アンモニウム{(NH4)6MoO24}がアルミナに担持(修飾)したアルミナ−キャプターを目標元素であるヒ素イオンを溶解した溶解液と接触させる。ヒ素{As(V)}イオンはヘテロポリ酸に取り込まれ(吸着して)錯体を形成する。この錯体化はアルミナの表面に担持した状態で行なわれ、Asが吸着したキャプターは((NH4)3[As(Mo3O10)4]錯体)であり、モリブデンの価電数は六価{Mo(VI)}である。この状態の(中間)錯体は無色である。次にアスコルビン酸の接触によって、アルミナの表面に担持された錯体は(NH4)7[As(Mo3O10)4]錯体に変化し、モリブデン酸塩中のモリブデンは還元されて五価モリブデン{Mo(V)}に変化し、この結果ヘテロポリ酸が藍色(青色)に変色する。 FIG. 16 shows a discoloration (blue) discoloration to the extent that it is recognized by the naked eye by arsenic ion adsorption (complexation) of the heteropolyacid in the system for adsorbing arsenic ions using the alumina capter carrying the heteropolyacid of the present invention. It is a schematic diagram explaining the role as a labeling agent of ascorbic acid to do. In other words, FIG. 16 illustrates the proposed mechanism for capturing arsenic {As (V)} ions and the role of ascorbic acid in labeling only the complexes formed. An alumina-capter supported (modified) by ammonium molybdate {(NH 4 ) 6 MoO 24 }, which is one of heteropoly acids, is brought into contact with a solution in which arsenic ions as target elements are dissolved. Arsenic {As (V)} ions are taken up (adsorbed) into the heteropolyacid to form a complex. This complexing is carried out in a state where it is supported on the surface of alumina, and the Captor on which As is adsorbed is ((NH 4 ) 3 [As (Mo 3 O 10 ) 4 ] complex), and the valence valence of molybdenum is hexavalent. {Mo (VI)}. The (intermediate) complex in this state is colorless. Next, contact with ascorbic acid changes the complex supported on the surface of the alumina to an (NH 4 ) 7 [As (Mo 3 O 10 ) 4 ] complex, and the molybdenum in the molybdate is reduced to form pentavalent molybdenum. It changes to {Mo (V)}, and as a result, the heteropolyacid changes to indigo (blue).
<アルミナ−キャプターの水道水への適用>
本発明のアルミナ−キャプターの大きな利点は、水源、pH条件、水の含有物質などに関係なく、複雑な条件は殆ど必要がないことである。本発明のアルミナ−キャプターを水道水に適用した場合の適用性について調査した。上述した実施例で用いた脱イオン水(DW)を普通の水道水に置換し、さらに添加物を付加して、水道水において存在する可能性のある添加物や他のイオンの効果を調査した。水道水からヒ素{As(V)}を除去するための最適条件は以下の通りである。
<Application of alumina-captor to tap water>
A major advantage of the alumina-captor of the present invention is that almost no complex conditions are required regardless of the water source, pH conditions, water-containing materials, and the like. The applicability when the alumina-captor of the present invention was applied to tap water was investigated. The deionized water (DW) used in the above examples was replaced with ordinary tap water, and further additives were added to investigate the effects of additives and other ions that may be present in the tap water. . The optimum conditions for removing arsenic {As (V)} from tap water are as follows.
(1)50mlのマグネットを備えたキャップ付き平底ビンへ、17.6mlの水道水、100ppmAs(V)溶液を0.4ml、およびアルミナキャプター20mgが添加した。
(2)この混合液は70分間マグネットスターラーを使って充分に攪拌された。
(3)定温放置(30分)後、0.1Mアスコルビン酸を2ml溶液中へ添加した。
(4)攪拌はさらに30−40分継続され、固形物は藍色に変化し、アルミナ−キャプターによってAs(V)を吸着したことを示す。
(5)固形材料は紙フィルターを使ってろ過され、脱イオン水で洗浄された。
(6)得られた固形材料は透明な藍色のヒ素{As(V)}イオンを吸着したアルミナ−キャプターである。このことは、溶液からAs(V)をうまく集めることができることを示す。
(7)各段階における溶液中のヒ素{As(V)}イオン濃度をICP−OESにより測定した。そのデータを図17に示す。
(1) To a flat bottom bottle with a cap equipped with a 50 ml magnet, 17.6 ml of tap water, 0.4 ml of a 100 ppm As (V) solution, and 20 mg of an alumina captor were added.
(2) This mixed solution was sufficiently stirred using a magnetic stirrer for 70 minutes.
(3) After standing at a constant temperature (30 minutes), 0.1 M ascorbic acid was added to a 2 ml solution.
(4) Stirring was continued for another 30-40 minutes, the solid changed to indigo, indicating that As (V) was adsorbed by the alumina-captor.
(5) The solid material was filtered using a paper filter and washed with deionized water.
(6) The obtained solid material is an alumina capter that adsorbs transparent indigo blue arsenic {As (V)} ions. This indicates that As (V) can be successfully collected from the solution.
(7) The arsenic {As (V)} ion concentration in the solution at each stage was measured by ICP-OES. The data is shown in FIG.
図17に示すように、水道水中のヒ素イオン濃度は非常に低く0.0005ppmであり、この溶液にヒ素イオン含有水を添加した後のヒ素イオン濃度は2.013ppmとなった。これに本発明のヒ素イオン吸着性化合物であるヘテロポリ酸のモリブデン酸ナトリウム塩を担持したアルミナ(アルミナーキャプター)を浸漬して接触した後における、ヒ素イオンを吸着したアルミナ−キャプターを除去後のろ過液中のヒ素イオン濃度は0.685ppmとなった。従って、本発明のアルミナ−キャプターによって除去された溶液中のヒ素は1.328ppmであり、ヒ素除去率は約66%である。 As shown in FIG. 17, the arsenic ion concentration in tap water was very low, 0.0005 ppm, and the arsenic ion concentration after adding arsenic ion-containing water to this solution was 2.013 ppm. Filtration after removing the alumina-capter adsorbing arsenic ions after immersing and contacting the alumina (alumina capter) supporting the sodium polymolybdate of the heteropolyacid which is the arsenic ion adsorbing compound of the present invention The arsenic ion concentration in the liquid was 0.685 ppm. Therefore, the arsenic in the solution removed by the alumina captor of the present invention is 1.328 ppm and the arsenic removal rate is about 66%.
<アルミナ−キャプターの自然廃水への適用>
As(V)用の高い選択的除去剤としてアルミナ−キャプターの効率を、自然水に関しても調査した。3つの異なったサンプルは、茨城県つくば市の湖沼の異なった場所から持って来た。この3つのサンプルは、20mgのアルミナ−キャプターに対して、複雑な設備や装置を使用せず低コストで行なうことを目標として、加熱をせずにしかもアスコルビン酸を用いないで調査した。加熱をしないので一晩アルミナキャプターをサンプル溶液に浸漬攪拌した。新しい革新的システムである本発明のアルミナ−キャプターが自然の野外の水源で適用可能であることを確かめた。試験手順は、実施例13と同じであり、水道水をサンプル溶液に変更し、加熱およびアスコルビン酸は使用しなかった。各段階における各サンプル溶液中のヒ素{As(V)}イオン濃度をICP−OESにより測定した。そのデータを図18に示す。すなわち、図18は、自然水におけるアルミナ−キャプターの処理前後のヒ素{As(V)}イオン濃度および除去効率を示す表である。また、それをグラフにした図が図19である。すなわち、図19は、自然水におけるアルミナ−キャプターの除去効率を示す図である。図19では除去効率を縦軸に取っている。
<Application of alumina-captor to natural wastewater>
The efficiency of alumina-captor as a high selective remover for As (V) was also investigated with natural water. Three different samples were brought from different locations in the lakes of Tsukuba City, Ibaraki Prefecture. These three samples were investigated without heating and without ascorbic acid, with the goal of performing at a low cost without using complex equipment or equipment on a 20 mg alumina-captor. Since it was not heated, the alumina capter was immersed and stirred in the sample solution overnight. A new innovative system, the alumina captor of the present invention, was confirmed to be applicable with natural outdoor water sources. The test procedure was the same as in Example 13, tap water was changed to the sample solution, and heating and ascorbic acid were not used. The arsenic {As (V)} ion concentration in each sample solution at each stage was measured by ICP-OES. The data is shown in FIG. That is, FIG. 18 is a table showing the arsenic {As (V)} ion concentration and removal efficiency before and after the treatment of the alumina-captor in natural water. FIG. 19 is a graph showing this. That is, FIG. 19 is a diagram showing the removal efficiency of alumina-captor in natural water. In FIG. 19, the removal efficiency is plotted on the vertical axis.
水道水を含めた各サンプルの処理前におけるAs(V)イオン濃度は、すべて0.0007ppm以下であった。このサンプルにヒ素イオンを含む溶液を添加後は、2.011ppm〜2.014ppmのAs(V)イオン濃度であるが、この溶液に本発明のアルミナ−キャプターを添加してAs(V)イオンを吸着後、ろ過後のろ過液のAs(V)イオン濃度は0.2147〜0.2350ppmであった。この結果、すべての試料について除去効率は88.3%〜89.6%である。この除去効率は実施例13等に比較すると約22%も高い。この効果は、主として加熱なしの効果、すなわち常温で一晩浸漬攪拌した効果である。この結果は、熱処理条件をさらに最適化すればさらに向上可能であることを示唆している。尚、アスコルビン酸を使用していないので、実施例14において回収したヒ素を吸着したアルミナ−キャプターは藍色に変色していない。このことはろ過液からアスコルビン酸を処理しなくても、この後飲料水等(農業用水や生活用水など)に直接適用できることを示している。 The As (V) ion concentration before treatment of each sample including tap water was 0.0007 ppm or less. After adding a solution containing arsenic ions to this sample, the concentration of As (V) ions was 2.011 ppm to 2.014 ppm. As a result, the alumina-captor of the present invention was added to this solution and As (V) ions were added. After adsorption, the As (V) ion concentration of the filtrate after filtration was 0.2147 to 0.2350 ppm. As a result, the removal efficiency is 88.3% to 89.6% for all samples. This removal efficiency is about 22% higher than that of Example 13 or the like. This effect is mainly an effect without heating, that is, an effect of being immersed and stirred overnight at room temperature. This result suggests that the heat treatment conditions can be further improved by further optimization. In addition, since ascorbic acid is not used, the alumina capter adsorbing the arsenic recovered in Example 14 is not indigo colored. This has shown that it can apply directly to drinking water etc. (agricultural water, domestic water etc.) after this, without processing ascorbic acid from a filtrate.
図20は、本発明のアルミナ−キャプターを用いたヒ素{As(V)}イオンフリーを実現する連続的ヒ素回収システムを示す図である。本発明のアルミナ−キャプターを入れた容器を上下2段に構成する。まず上段容器に種々の金属イオン等のカチオンやアニオンが溶解されたイオン溶解液を入れ、一定時間保持する。容器に入った溶解液は攪拌できるようになっており、容器中のアルミナ−キャプターが溶解液と十分に接触できるようになっている。一定時間が経過後、上段に入れたイオン溶解液を下段の容器に移送する。この移送は、容器を上下に配置しておけば、上段容器の下の出口に備えた開閉バルブを開けるだけで重力により下段容器へ落ちていくのでエネルギーは不要である。 FIG. 20 is a diagram showing a continuous arsenic recovery system that realizes arsenic {As (V)} ion-free using the alumina-captor of the present invention. The container containing the alumina-captor of the present invention is constructed in two upper and lower stages. First, an ion-dissolved solution in which cations and anions such as various metal ions are dissolved is placed in the upper container and held for a certain time. The solution contained in the container can be stirred, and the alumina-captor in the container can sufficiently come into contact with the solution. After a certain period of time, the ion solution in the upper stage is transferred to the lower container. In this transfer, if the container is arranged up and down, energy is not required because it falls to the lower container by gravity simply by opening the opening / closing valve provided at the outlet under the upper container.
上段容器に入っている本発明のアルミナ−キャプターはイオン溶解液(ヒ素イオンを含むカチオンやアニオンを含む溶解溶液)中のヒ素を吸着するので、上段容器から排出されたイオン溶解液中のヒ素濃度はかなり減少している。最初の注入するイオン溶解液のヒ素濃度が2.029ppmであれば、実施例14で得た値(約89%の除去効率)を用いると、たとえば一晩接触後において、上段容器から排出されたイオン溶解液のヒ素濃度は約0.223ppmとなる。下段容器にも本発明のアルミナ−キャプターが入っていて、下段容器に注入された上段容器からのイオン溶解液と十分に接触させる。たとえば、下段容器中のイオン溶解液も攪拌できるようになっている。下段容器において、アルミナ−キャプターとイオン溶解液と一定時間接触させた後に、下段容器からイオン溶解液を排出する。下段容器に入っている本発明のアルミナ−キャプターはイオン溶解液中のヒ素を吸着するので、下段容器から排出されたイオン溶解液中のヒ素濃度はかなり減少している。上段容器から移送されたイオン溶解液のヒ素濃度が上記の約0.223ppmであれば、もし一晩接触後において、下段容器から排出されたイオン溶解液のヒ素濃度は約0.025ppmとなる。従って、最初の溶液中のヒ素濃度が2ppmと高くても、図117に示す本発明の2段階ヒ素回収システムを用いることにより、0.1ppm以下の人体に問題ないレベルの値となる。さらに、接触時間や温度などを最適化すれば、図117に示すようにヒ素イオン濃度を0.0005ppm程度にすることもでき、そのときのヒ素除去効率は99.97%となり、非常に低いレベルを実現することができる。 The alumina-capter of the present invention contained in the upper vessel adsorbs arsenic in an ion solution (a solution containing a cation or anion containing arsenic ions), so the arsenic concentration in the ion solution discharged from the upper vessel Has decreased considerably. If the arsenic concentration of the first ion solution to be injected was 2.029 ppm, the value obtained in Example 14 (about 89% removal efficiency) was used, for example, after being discharged from the upper vessel after contact overnight. The arsenic concentration of the ion solution is about 0.223 ppm. The lower container also contains the alumina capter of the present invention and is sufficiently brought into contact with the ion solution from the upper container injected into the lower container. For example, the ion solution in the lower container can be stirred. In the lower container, after the alumina capter and the ion solution are brought into contact with each other for a certain time, the ion solution is discharged from the lower container. Since the alumina-captor of the present invention contained in the lower vessel adsorbs arsenic in the ion solution, the arsenic concentration in the ion solution discharged from the lower vessel is considerably reduced. If the arsenic concentration of the ion solution transferred from the upper vessel is about 0.223 ppm, the arsenic concentration of the ion solution discharged from the lower vessel is about 0.025 ppm after overnight contact. Therefore, even if the arsenic concentration in the first solution is as high as 2 ppm, the value of the level of 0.1 ppm or less which is not problematic for the human body is obtained by using the two-stage arsenic recovery system of the present invention shown in FIG. Furthermore, if the contact time and temperature are optimized, the arsenic ion concentration can be reduced to about 0.0005 ppm as shown in FIG. 117, and the arsenic removal efficiency at that time is 99.97%, which is a very low level. Can be realized.
さらに図20に示すような本発明のアルミナ−キャプターを入れた容器をさらに多段に接続することにより、さらに低いレベルのヒ素イオン濃度を持つ溶液を得ることができる。特に図109(Fig7)に示すように、本発明のアルミナ−キャプターは1ppb以下の超微量のヒ素イオンも吸着できるので、多段階連続ヒ素回収システムを用いれば、かなり高濃度のヒ素イオン濃度の溶液であっても1ppb以下のヒ素フリー溶液を簡単な設備でしかも時間をかけずに作製することができる。ヒ素イオンを吸着したアルミナ−キャプターはある濃度以上のヒ素イオンは吸着しなくなるので、そのレベルに近づいたら、新しいヒ素を吸着していないアルミナ−キャプターと交換すれば良い。アスコルビン酸を溶液に含有させておけば、藍色の濃さによってヒ素イオン濃度が分かり交換し易い。しかし、アスコルビン酸を含有させることは、溶液を利用する場合にはアスコルビン酸の除去も検討しなければならいないが、アスコルビン酸を含有しなくても事前にデータを得ておけば、その使用時間によってアルミナ−キャプターの交換頻度を決めておくことができる。あるいは、処理液のヒ素濃度をICP−OES等によって測定する機能をつけておけば、アスコルビン酸を使用しなくてもアルミナ−キャプターの交換時期を知ることができる。また、適宜処理液を取ってアスコルビン酸を添加して溶液中のヒ素イオン濃度を測定することもできる。このように、加熱無しの常温(0〜40℃、好適には20〜40℃)およびアスコルビン酸を使用しなくても、図20のような複数段の除去システムを構成すれば、ヒ素イオン濃度を目標限度以下のヒ素フリーの水溶液を得ることができる。 Furthermore, a solution having a lower arsenic ion concentration can be obtained by connecting the containers containing the alumina-captor of the present invention as shown in FIG. 20 in multiple stages. In particular, as shown in FIG. 109 (FIG. 7), the alumina-captor of the present invention can adsorb an extremely small amount of arsenic ions of 1 ppb or less, so if a multistage continuous arsenic recovery system is used, a solution with a considerably high concentration of arsenic ions is used. Even so, an arsenic-free solution of 1 ppb or less can be prepared with simple equipment and without taking time. Since the alumina-captor that has adsorbed arsenic ions does not adsorb arsenic ions at a certain concentration or more, when it approaches that level, it may be replaced with an alumina-captor that does not adsorb new arsenic. If ascorbic acid is contained in the solution, the arsenic ion concentration is known and easily exchanged by the deep blue color. However, if ascorbic acid is included, removal of ascorbic acid must also be considered when using a solution. The frequency of alumina-captor replacement can be determined in advance. Alternatively, if the function of measuring the arsenic concentration of the treatment liquid is measured by ICP-OES or the like, the replacement time of the alumina-captor can be known without using ascorbic acid. Alternatively, ascorbic acid can be added by taking a treatment solution as appropriate and the arsenic ion concentration in the solution can be measured. Thus, even if it uses normal temperature without heating (0-40 degreeC, preferably 20-40 degreeC) and ascorbic acid, if a multistage removal system like FIG. 20 is comprised, arsenic ion concentration Can be obtained an arsenic-free aqueous solution below the target limit.
図20に示す多段連続ヒ素回収システムのさらなる利点は、多数接続することにより、イオン溶解液を1つの容器に留めておく時間を短縮できることである。従って、大量の溶液処理を行なうことができ、設備も安価なことから溶液中からのヒ素イオン除去をかなり安く行なうことができる。これをさらに発展させて本発明のアルミナ−キャプターを連続した流動床方式にすることにより、さらに大量溶液処理を安価に行なうことも可能となる。このように、本発明のヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナを環境中のヒ素イオン吸着剤として用いて、図20のようなヒ素イオン除去システムやヒ素除去装置を構築して、井戸水、川や湖沼などの自然水、浄化前用水さらには工場廃水や生活排水等のヒ素イオンを含むと予想されるヒ素イオン溶解溶液からヒ素イオンを除去して、この除去された溶液(水)を(さらに、他のイオン等の除去などは必要であるが)飲料水、生活用水、農業用水、あるいは工場用水として用いることが可能となる。図20に示す鉄イオン(Fe+2)、塩素イオン(Cl−1)、マンガンイオン(Mn+6)等も除去する場合には、これらのイオンを除去する物質を、本発明のヒ素イオン吸着性物質を担持したメソポーラスアルミナと一緒に添加しておけば良い。 A further advantage of the multi-stage continuous arsenic recovery system shown in FIG. 20 is that the time for keeping the ion solution in one container can be shortened by connecting a large number of connections. Therefore, a large amount of solution treatment can be performed, and the equipment is also inexpensive, so that arsenic ions can be removed from the solution considerably cheaply. By further developing this and making the alumina-captor of the present invention a continuous fluidized bed system, it becomes possible to carry out mass solution processing at a lower cost. Thus, using the mesoporous alumina carrying the arsenic ion adsorbing compound of the present invention as an arsenic ion adsorbent in the environment, an arsenic ion removing system and an arsenic removing apparatus as shown in FIG. Remove arsenic ions from arsenic ion-dissolved solutions that are expected to contain arsenic ions such as natural water such as water and lakes, pre-purification water, factory wastewater, and domestic wastewater. However, it is necessary to remove other ions, etc.), it can be used as drinking water, domestic water, agricultural water, or factory water. When removing iron ions (Fe +2 ), chlorine ions (Cl −1 ), manganese ions (Mn +6 ) and the like shown in FIG. 20, the substance for removing these ions is used as the arsenic ion adsorbing substance of the present invention. It may be added together with mesoporous alumina supporting.
図21は、本発明のアルミナ−キャプターを家庭等で日常的に使用されるティーバッグ用のバッグ(袋)に入れて、家庭用飲料水からヒ素イオンを吸着してヒ素フリーの飲料水を供給するシステムを示す図である。ヒ素イオンは微量でも長い間摂取すると発がん性が高まるので、極微量のヒ素でも除去しておくことが望ましい。しかし、これまでのヒ素除去剤はppbオーダーのヒ素を取り除くことは困難であったが、本発明のアルミナ−キャプターはppt〜ppbレベルの超微量のヒ素イオンも吸着できるので、ヒ素フリーの飲料水を供給することができる。たとえば、図21に示すように、紅茶のティーバッグ用の袋などの中に紅茶の代わりにヒ素キャプターを詰めて、ヒ素吸着用バッグとして飲料水ポットの中に入れておけば、常にヒ素フリーの水を飲むことができる。すなわち、このヒ素吸着用バッグはヒ素吸着剤として使用できる。アルミナに担持されたヒ素イオン吸着性化合物はアルミナとの結合力が強いので、使用中に離れてしまうことはなく、飲料水中に溶出したりすることもなく安全に使用できる。ヒ素イオンがppmオーダーで飲料水中に入っていた場合には即命にも関わることであるが、図21に示すように飲料水ポットの中に入れたヒ素吸着用バッグのおかげで、人体にも即時に問題となるようなレベルのヒ素濃度にはならない。使用済みのヒ素吸着用バッグは前述したようにアルカリ水で処理すればアルミナ−キャプターに吸着したヒ素は分離可能なので、再度使用することもできる。このように本発明のヒ素吸着イオンを担持したメソポーラスアルミナを入れた小型バッグ(ヒ素吸着用バッグ)を用いて、家庭でも簡単にヒ素フリーの飲料水を提供することができる。しかも繰り返し使用できるので、経済的で低コストな小型バッグ(ヒ素吸着用バッグ)を用いたヒ素フリーの飲料水供給システムである。 FIG. 21 shows the supply of arsenic-free drinking water by placing the alumina-captor of the present invention in a bag for a tea bag that is routinely used at home and adsorbing arsenic ions from domestic drinking water. It is a figure which shows the system to do. Arsenic ions can be carcinogenic if they are ingested for a long time, so it is desirable to remove even trace amounts of arsenic. However, although arsenic removal agents so far have been difficult to remove ppb-order arsenic, the alumina-captor of the present invention can adsorb an extremely small amount of arsenic ions at the ppt to ppb level, so arsenic-free drinking water Can be supplied. For example, as shown in FIG. 21, if arsenic capters are packed instead of black tea in a tea bag bag or the like and placed in a drinking water pot as an arsenic adsorption bag, the arsenic-free material is always free. You can drink water. That is, this arsenic adsorption bag can be used as an arsenic adsorbent. Since the arsenic ion-adsorbing compound supported on alumina has a strong binding force with alumina, it does not leave during use and can be safely used without being eluted into drinking water. If arsenic ions are in the order of ppm in drinking water, it is immediately related, but thanks to the arsenic adsorption bag placed in the drinking water pot as shown in FIG. The arsenic concentration is not at a level that would cause immediate problems. As described above, the used arsenic adsorption bag can be used again because it can be separated from the arsenic adsorbed on the alumina capter by treating with an alkaline water. As described above, arsenic-free drinking water can be easily provided at home using the small bag (arsenic adsorption bag) containing the mesoporous alumina carrying arsenic adsorption ions of the present invention. Moreover, since it can be used repeatedly, it is an arsenic-free drinking water supply system using an economical and low-cost small bag (arsenic adsorption bag).
本発明はメソポーラスアルミナにヒ素イオン吸着性化合物を担持させる。たとえば、メソポーラスアルミナに界面活性剤を作用した後に得られたアルミナを、モリブデン酸アンモニウムを含む水溶液中で混合させることにより、モリブデン酸アンモニウムをメソポーラスアルミナに担持させる。このモリブデン酸アンモニウム等のヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナは、pH調整等の前処理や後処理などの水質調整を行なわずに常温処理において、水中の微量のヒ素イオンを選択的に吸着して除去できる。従って、特別の前処理(たとえば、酸やアルカリ処理)を行なわないので余分の後処理も必要がなく、かつ加熱装置なども使用しないので、低コストのヒ素除去システムを構築できる。さらに多段にヒ素除去システムやヒ素除去処理装置を構成することにより、迅速で大量にヒ素イオンフリーの水溶液を得ることができる。飲料水や生活用水などに使用されるヒ素イオンフリー(ヒ素イオンの非常に少ない)水溶液を安価にしかも大量に迅速に提供できるシステムを提供できる。また、本発明のヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナは、水溶液中のヒ素イオンを抽出して収集できるのでヒ素コレクター(アルミナコレクター)としても使用できる。さらにアスコルビン酸と併用することにより、ppm〜ppb〜pptレベルで変化する色調を用いてヒ素イオンセンサーとしても使用できる。また、本発明のヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナは、ppm〜ppb〜pptレベルのヒ素イオンを除去できるフィルターとして使用することもでき、家庭用飲料水や工業用用水の供給部分に設置すれば、ヒ素フリーの水を常に供給できる。 In the present invention, an arsenic ion-adsorbing compound is supported on mesoporous alumina. For example, ammonium molybdate is supported on mesoporous alumina by mixing alumina obtained after acting a surfactant on mesoporous alumina in an aqueous solution containing ammonium molybdate. This mesoporous alumina carrying an arsenic ion adsorbing compound such as ammonium molybdate selectively adsorbs a small amount of arsenic ions in water during normal temperature treatment without adjusting the water quality such as pre-treatment and post-treatment such as pH adjustment. Can be removed. Therefore, since no special pretreatment (for example, acid or alkali treatment) is performed, no extra posttreatment is required, and no heating device or the like is used, so that a low-cost arsenic removal system can be constructed. Furthermore, by configuring the arsenic removal system and the arsenic removal treatment apparatus in multiple stages, an arsenic ion-free aqueous solution can be obtained quickly and in large quantities. It is possible to provide a system that can provide an arsenic ion-free (very small amount of arsenic ions) aqueous solution used for drinking water, domestic water, etc. at a low cost and in a large amount quickly. The mesoporous alumina carrying the arsenic ion adsorbing compound of the present invention can be used as an arsenic collector (alumina collector) because it can extract and collect arsenic ions in an aqueous solution. Furthermore, by using together with ascorbic acid, it can be used as an arsenic ion sensor using a color tone that changes at a ppm to ppb to ppt level. The mesoporous alumina carrying the arsenic ion adsorbing compound of the present invention can also be used as a filter capable of removing arsenic ions at ppm to ppb to ppt levels, and is installed in a supply part for domestic drinking water or industrial water. If you do, you can always supply arsenic-free water.
尚、明細書のある部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることも言うまでもない。また、上記実施形態や実施例は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。 In addition, it cannot be overemphasized that the said content can be applied to the said other part regarding that it can apply without contradiction also to the other part which did not describe the content described and demonstrated in a certain part of the specification. Moreover, the said embodiment and an Example are examples, and it can be carried out by changing variously within the range which does not deviate from a summary, and it cannot be overemphasized that the right range of this invention is not limited to the said embodiment.
本発明は、ストロンチウムコレクターおよびセンサーに関する産業分野、種々のカチオンやアニオンや界面活性剤等を含む物質や材料からヒ素イオンを除去する産業分野、特に飲料水浄化を行なう産業分野およびヒ素を回収する産業分野において利用することができる。 The present invention relates to an industrial field related to a strontium collector and a sensor, an industrial field that removes arsenic ions from substances and materials containing various cations, anions, surfactants, and the like, particularly an industrial field that purifies drinking water, and an industry that collects arsenic Can be used in the field.
Claims (24)
ヒ素イオンを含むヒ素イオン溶解溶液にヒ素イオン吸着性化合物を担持したメソポーラスアルミナを接触させ、前記ヒ素イオン吸着性化合物にヒ素イオンを選択的に吸着する工程、を含むことを特徴とするメソポーラスアルミナを用いたヒ素回収方法であって、
前記ヒ素イオン吸着性化合物はヘテロポリ酸であることを特徴とするメソポーラスアルミナを用いたヒ素回収方法。 A step of supporting an arsenic ion-adsorbing compound on mesoporous alumina, and a mesoporous alumina supporting an arsenic ion-adsorbing compound in contact with an arsenic ion-dissolved solution containing arsenic ions to selectively select arsenic ions on the arsenic ion-adsorbing compound An arsenic recovery method using mesoporous alumina, characterized by comprising an adsorbing step,
The method for recovering arsenic using mesoporous alumina, wherein the arsenic ion adsorbing compound is a heteropolyacid.
The method for recovering arsenic using mesoporous alumina according to claim 14 , further comprising the step of liberating arsenic ions from the heteropolyacid adsorbed with arsenic ions.
When adsorbing arsenic ions by bringing mesoporous alumina supporting ammonium molybdate, which is an arsenic ion-adsorbing compound, into contact with an arsenic ion solution, the concentration of the adsorbed arsenic ions is judged by color tone using ascorbic acid. The arsenic recovery method according to any one of claims 14 to 23, wherein:
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