JP6372849B2 - 多孔質機能材料の製造方法および多孔質機能材料を用いた環境汚染物質除去方法 - Google Patents
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Description
<1> 多孔質担体にリモナイト溶液を接触させる接触工程と、当該接触工程後の多孔質担体を乾燥させる乾燥工程とを有することを特徴とする、多孔質担体にリモナイト成分を担持させた多孔質機能材料の製造方法。
<2> 前記乾燥工程の後に、さらに乾燥されたリモナイト成分を担持させた多孔質担体を焼成する焼成工程を有する前記<1>記載の多孔質機能材料の製造方法。
<3> 前前記乾燥工程の乾燥温度が、50℃以上である前記<1>または<2>記載の多孔質機能材料の製造方法。
<4> 前記多孔質担体が、アルミナ、シリカアルミナ、シリカチタニア、ゼオライト、酸化タングステン、酸化ニオブ、窒化炭素、多孔質ガラス、多孔質シリカ、多孔質チタニア、多孔質セラミックス、ジルコニア、多孔性コンクリート、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択される少なくとも1以上の多孔質担体である前記<1>〜<3>のいずれかに記載の多孔質機能材料の製造方法。
<5> 前記リモナイト溶液が、リモナイト系湧水である前記<1>〜<4>のいずれかに記載の多孔質機能材料の製造方法。
<6> 前記<1>〜<5>記載の多孔質機能材料の製造方法により得られてなる多孔質機能材料。
<7> 前記<6>記載の多孔質機能材料を用いて、環境汚染物質を除去する方法。
本願発明は、リモナイト溶液を用いて多孔質機能材料を製造する方法に関する。このリモナイト溶液は、リモナイト由来の鉄成分やマンガン成分等の金属成分等を含有するものであり、本願発明においてはこれらの成分のうち多孔質担体に析出担持される成分をリモナイト成分と称する。なお、本願においてリモナイト溶液とは、その金属である鉄、マンガン等の態様は必ずしも完全にイオン化や水和物化等として溶解している含有液である必要はなく、単に分散しているいわゆる懸濁液も含む概念として溶液と呼ぶ。また、特に溶液中においては、リモナイトの金属成分である鉄およびマンガンのイオン、酸化金属(酸化物)等の状態を明確に区別することは困難、あるいは適切ではない場合があることから、これらのイオンや酸化物等の態様を含む概念として、本願においては、単に、鉄成分、マンガン成分と呼ぶ。
本発明においては、前記リモナイト溶液を多孔質担体に接触させ、乾燥させる。この多孔質担体とは、孔が材料全体に分布している多くの孔を有する物質である。多孔質担体は、ミクロ孔、メソ孔、マクロ孔いずれの孔であっても使用することができる。この多孔質担体の孔は、その多孔質担体を用いて得られる多孔質機能材料の用途等に応じて適宜選択して使用することができる。例えば、液体中で用いられる多孔質機能材料の場合は、溶質(反応物質)の細孔内拡散速度を高めること、すなわち反応速度を高めるため、大きめのマクロ孔が分布しているものがよい。一方で、気体の処理に用いられる多孔質機能材料の場合は、反応物質の拡散速度が極めて大きいため、小さめの細孔(ミクロ孔やメソ孔)が分布しているものが好ましい。このような孔にも酸化鉄や酸化マンガン等の金属酸化物が析出担持される。
本発明は、リモナイト溶液に多孔質担体を接触させる接触工程を有する多孔質機能材料の製造方法である。このリモナイト溶液に多孔質担体を接触させる工程は、多孔質担体にリモナイト溶液中の鉄成分、マンガン成分が接触することで、その表面に必要な酸化金属が担持される程度に接触するものであればよい。このような工程としては、含有液中に多孔質担体を浸漬させる浸漬法や、多孔質担体の充填層に連続的に含有液を掛け流すような流動型の接触法(流動層カラムを用いる等)等が挙げられる。これらが、接触する時間は、任意でよいが、例えば1時間以上とすることができ、好ましくは、1日以上の浸漬を行うことが好ましい。接触時間が短い場合、十分にリモナイト中の成分が担持されない場合がある。実用的には30日以下の接触が好ましく、10日以下の接触がより好ましい。接触時間が長すぎる場合、製造効率が低下するおそれがあり、また、多孔質担体の孔が析出した成分により目詰まりし、反応性が低下する場合がある。また、その接触時の温度等の条件も適宜設定することができるが、例えば、リモナイト系の湧水をそのまま使用することもできるため5℃〜50℃程度の一般的な自然環境下における温度で接触させてよい。
以下の方法で、本発明の多孔質機能材料等の作成をおこなった。
1.担体(多孔質担体)
(1a)活性炭“ヤシガラ”(ナカライテスク社製、ヤシ殻炭 4−10mesh)
(1b)発泡ガラス“スーパーソル「L1」”((株)荒木セメント工業社製、絶乾比重0.3〜0.6、吸水率30%以上)
(1c)発泡ガラス“スーパーソル「L4」”((株)トリム社製、絶乾比重1.0〜1.6、吸水率5%以上)
(1d)発泡ガラス“ポーラスα「P−310」”((株)ジーライト社製、粒径3〜10mm)
(2a)リモナイト溶液(リモナイト系湧水)
阿蘇狩野地区のリモナイト産出土壌の近辺で得られる湧水(日本リモナイト本社工場敷地内)をリモナイト系湧水として使用した。なお、試験をおこなった平成25年7月の当該リモナイト系湧水のリン濃度(PO4 3-)は、1.85mg/Lであり、全鉄濃度は11mg/Lであった。
(2b)硫酸鉄溶液
硫酸鉄(II)七水和物(FeSO4・7H2O、和光純薬工業社製)9.50gを100mLの水に溶かして、硫酸鉄溶液を調製した。
(2c)水酸化ナトリウム水溶液
NaOH(水酸化ナトリウム、キシダ化学社製、特級)2.736gを30mLの水に溶かして、水酸化ナトリウム水溶液を調製した。
多孔質機能材料は、以下の接触工程、乾燥工程を組み合わせて調製した。適宜、さらに焼成工程をおこなった。
3.1 接触工程
(接触法A)湧水かけ流し浸漬
1)リモナイト系湧水が湧出する場所で、リモナイト系湧水をかけ流す方式で行った。20L容量のバケツを反応槽とし,メッシュ生地の袋に多孔質担体を所定量分散して反応槽内に設置した。シャワーを用いて空気と接触させながらリモナイト湧水を反応槽に滴下し下部より濾し出す流通式で接触処理させた。
リモナイト系湧水を容器に貯め、多孔質担体を20時間浸漬させた。
多孔質担体30mLを硫酸鉄溶液(2b)30mLに5時間浸漬させた(鉄担持処理)。その後、上澄みを除去して得られた多孔質担体に、水酸化ナトリウム溶液(2c)30mLを加え、さらに17時間浸漬させた(水酸化鉄化処理)。この後、上澄みを除去することで浸漬処理した。
定温乾燥器 DX602(ヤマト科学社製)を用いて、乾燥を行った。具体的な乾燥温度、時間については、サンプル毎に後述する。
電気マッフル炉 KM−160(ADVANTEC社製)を用いて、焼成を行った。具体的な乾燥温度、時間については、サンプル毎に後述する。なお、担体として活性炭を用いて製造する機能材料の焼成にあたっては、焼成を行うるつぼに担体を投入した後、蓋をして空気との接触をできるだけ避けるように焼成をおこなった。他の担体を用いた機能材料の焼成にあたっては、るつぼの蓋は開けた状態で焼成した。
本発明にかかる、多孔質機能材料等の性能を以下の方法で評価した。
多孔質機能材料中に担持された鉄およびマンガンといった金属成分の担持量を測定するために、以下の試験を行った。乳鉢により粉末状に調製した各試料約0.1g(試料毎に秤量)に、20mLの塩酸(6規定)を加え、混合した。その後、濾紙(ADVANTEC社製、No.5,φ110mm)を用いて、濾過した。濾液にさらに90mLの塩酸(6規定)を加え、全量を110mLとして、金属成分の濃度測定液とした。
金属成分の濃度の測定は、原子吸光光度計(日本ジャーレルアッシュ(株)製、“AA−890”)を用いて、標準試験液を用いた検量線法にて測定した。なお、金属成分の濃度測定液中の濃度が高く、検出上限を超える場合、適宜、蒸留水にて100倍希釈、あるいは1000倍希釈して測定を行った。この測定液中の金属濃度から、多孔質機能材料の金属成分担持量を求めた。また、多孔質機能材料以外の担体等についても、この方法に準じてその金属成分量を求めた。
(試験方法)
(リン含有液の循環式フロー実験1)
Na2HPO4・12H2O(りん酸水素二ナトリウム・12水、和光純薬工業社製試薬特級)0.347gを3Lの水に溶かして、PO4 3-の濃度が30mg/Lのリン含有液を調製した。多孔質機能材料(粒径5mm〜1cm程度)30mLをガラスカラムに充填し、前述のリン含有液150mLをダウンフローで通液させ(流速SV=5h-1)循環させた。所定の通液時間ごとに、サンプリングし後述する方法でリン濃度を測定することで、リン除去効果を評価した。なお、通液中は、貯留槽の液は濃度を均一にするためにスターラーを用いて撹拌した。
この循環式フロー実験1は、比較的粒径が小さい多孔質機能材料の評価を行うときの条件とした。循環式フロー実験1の装置の模式図を図1に記す。
Na2HPO40.347gを3Lの水に溶かして、PO4 3-の濃度が約30mg/Lのリン含有液を調製した。多孔質機能材料(粒径約5cm)をビーカーに2〜3個加え、前述のリン含有液250mLをダウンフローで通液させ(流速SV=5h-1)循環させた。所定の通液時間ごとに、サンプリングし後述する方法でリン濃度を測定することで、リン除去効果を評価した。循環式フロー実験2の装置の模式図を図2に記す。
(リン濃度の分析方法)
試験液1mLをホールピペットで採取し、蒸留水で希釈し20mLとした(20倍希釈)。この希釈した液10mLをセルに測りとり、HACH社製のリン酸濃度測定試薬“Phos Ver3”を用いてアスコルビン酸法の反応をさせ測定液とした。この反応中の測定液を用いて、吸光光度計(HACH社製“DR2400”)を用いて吸光光度分析法により、試験液のリン酸濃度を求めた。
(試験方法)
(塩素含有液の循環式フロー試験1)
NaClO(次亜塩素酸ナトリウム溶液 和光純薬工業社製試薬、有効塩素(Cl):5.0%) 1mLを1Lの蒸留水に溶かした溶液(残留塩素濃度87mg/L:調製時の実測値)50mLをビーカーに採取し、次に、測定対象とする多孔質機能材料(粒径約5cm)をビーカー内に加えた。ローラーポンプを用いて、ビーカー内の液を循環処理した。この循環時の平均流量は910mL/hとした。なお、循環させるとき、ビーカーの下部から吸い上げビーカーの上部から吐出することで出口の溶液が基材に接触するような構成とした。
一定時間循環させた後に溶液の残留塩素濃度を残留塩素分析計(TANITA EW―510)を用いて測定した。この分析計の、測定範囲は0.00〜2.00mg/Lのため、上限を超えた場合は、適宜10倍もしくは100倍に、蒸留水で希釈して測定した。
表2に作成した多孔質機能材料に関する、前述の多孔質担体とリモナイト溶液との組み合わせ、およびその製造方法等について記載する。実施例にかかる機能材料のように、本発明によればリモナイト様の多孔質機能材料を短時間で効率よく製造することができる。これは、従来のリモナイトを製造する工程である熟成等の長期間を要する作業の必要性がなくなるため、非常に効率的である。
前述の実施例等により得られた代表的な多孔質機能材料等に担持される金属成分を測定した結果を表3に示す。本発明の多孔質機能材料の製造方法により、各多孔質担体である、担体(1b)や、担体(1c)に、鉄成分やマンガン成分が担持されていることを確認することができた。
表2に記す多孔質機能材料を用いて、水中のリン除去効果、塩素除去効果を評価した。
機能材料(A1)、機能材料(A2)、活性炭(1)、発泡ガラス(1)、リモナイト(1)、機能材料(α1)を用いて、前述の「リン含有液の循環式フロー実験1」を行い、リン濃度の経時変化を評価した。結果を図3に示す。
図3に示すように、本発明の実施例にかかる機能材料は、比較例、参考例のサンプルと比し、優れたリン除去効果を示した。
機能材料(B1)、機能材料(B2)、機能材料(B3)、機能材料(C1)を用いて、前述の「リン含有液の循環式フロー実験2」を行い、リン濃度の経時変化を評価した。結果を図4に示す。
機能材料(B4)、発泡ガラス(2)を用いて、前述の「塩素含有液の循環式フロー試験」を行い、塩素濃度の経時変化を評価した。なお、この試験に用いた機能材料(B4)の質量は5.718g、発泡ガラス(2)は4.315gである。また、ブランクとして、これらの機能材料や基材を加えず、何の操作も加えない状態で定期的に残留塩素濃度の測定のみを行った。評価結果を、表4に示す。本発明の実施例7にかかる機能材料(B4)は、発泡ガラス単体よりも優れた塩素除去効果を示した。
Claims (5)
- 多孔質担体にリモナイト溶液を接触させる接触工程と、当該接触工程後の多孔質担体を乾燥させる乾燥工程とを有し、
前記リモナイト溶液が、リモナイト系湧水であることを特徴とする、多孔質担体にリモナイト成分を担持させた多孔質機能材料の製造方法。 - 前記乾燥工程の後に、さらに乾燥されたリモナイト成分を担持させた多孔質担体を焼成する焼成工程を有する請求項1記載の多孔質機能材料の製造方法。
- 前記乾燥工程の乾燥温度が、50℃以上である請求項1または2記載の多孔質機能材料の製造方法。
- 前記多孔質担体が、アルミナ、シリカアルミナ、シリカチタニア、ゼオライト、酸化タングステン、酸化ニオブ、窒化炭素、多孔質ガラス、多孔質シリカ、多孔質チタニア、多孔質セラミックス、ジルコニア、多孔性コンクリート、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択される少なくとも1以上の多孔質担体である請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質機能材料の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により製造される多孔質機能材料を用いて、環境汚染物質を除去する方法。
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