JP6731934B2 - 吸着材分散液及び吸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、オキシ水酸化鉄を主成分とする吸着材の分散液に関する。
本願は、２０１５年１０月９日に出願された日本国特許出願第２０１５−２００７８８号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

各種の排水から、環境や人体に有害性を有する物質を除去し浄化するため、あるいは希少金属等の有用物質を回収するために、吸着材や、それを用いた吸着方法、吸着物質の脱着・回収方法等が盛んに研究されている。
例えば、リンは肥料成分として、また化学工業にも不可欠の成分であるが、日本においてはほぼ１００％を輸入に頼っている。一方で排水中に多量のリンが含まれる場合は、富栄養化の原因となるため、このような排水を排出することは環境に好ましくない。これらの問題を一挙に解決するために、排水中に含まれるリン酸等のリン化合物の除去及び回収が注目されている。
リン化合物やその他の陰イオンを効率的に吸着、回収できる吸着材として、オキシ水酸化鉄からなるものが開発されており、特許文献１、２、３等に記載されている。

オキシ水酸化鉄には、結晶構造の相違によって、α型、β型、γ型、又は非晶質型等がある。オキシ水酸化鉄は、上記の吸着材のほかに、顔料、磁性材料、触媒等の幅広い用途を有し、一部の用途には安定な分散体であることが必要とされている。
しかしオキシ水酸化鉄を安定したナノ分散液とすることは困難とされている。例えば特許文献４には、「粒度５００ｎｍ以下のオキシ水酸化鉄」を含む水性懸濁液についての記載があるが、これは具体的には、上記粒度で示される幅を有するα−オキシ水酸化鉄の針状一次粒子が複数凝集した粒子からなるものであり、ナノ分散液にはできない。このような凝集を防ぐための製造方法も検討されており、例えば特許文献５には、粘土鉱物上に鉄（ＩＩ）イオンを担持し、加水分解及び酸化によって担持されたオキシ水酸化鉄とし、光触媒として利用することが記載されている。
一方特許文献６には、緩衝作用を有する化合物の存在下で製造される金属水酸化物ゾルの製法が記載されており、具体的には平均粒子径８ｎｍ程度で少量のアルミニウム化合物を含むβ−オキシ水酸化鉄ゾルが記載されている。また特許文献７には、ヒドロキシカルボン酸で安定化された、メジアン径１０ｎｍ前後のオキシ水酸化鉄ゾルが記載されている。特許文献８にも、クエン酸存在下で製造された水酸化鉄ゾルが記載されている。これらの製造にはオキシ水酸化鉄と溶媒以外の補助成分を要し、工程も複雑であり、補助成分に由来する成分である鉄以外の金属水酸化物やカルボン酸等が残存することが避けられない。また中性付近では安定であるが酸性では必ずしも安定ではない。しかもこれらは吸着材として利用できるとの記載もない。

特開２００６−１２４２３９号公報 ＷＯ２００６／０８８０８３パンフレット 特開２０１１−２３５２２２号公報 特表２００４−５０９７５３（ＷＯ２００２／０２６６３３パンフレット） 特開２０１３−２２６５４８号公報 特開平９−７７５０３号公報 特開２０１１−５１８３６号公報 特開２００６−１８２６０４号公報

オキシ水酸化鉄を安定なナノ分散液とするためには、原料である鉄化合物溶液から補助成分を用いて行う特殊な製法が必要とされ、また得られた分散液も補助成分に由来する成分を含有するものが普通であった。

本発明者は、特定のオキシ水酸化鉄からは補助成分を用いずに容易に分散液を、特に安定なナノ分散液を製造できることを見出した。またこれらを用いて吸着挙動を調べた結果、吸着速度が著しく速いことを見出し、原料と異なる物性を示すことから、これは単に表面積が大きいためではないと考えられた。本発明は以上の知見を基に完成されたものである。

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
（１）オキシ水酸化鉄を主成分とする、平均粒径ｄ５０が２μｍ以下である粒子が、溶媒に分散してなる、陰イオン吸着材分散液。
（２）等電点がｐＨ６．０〜８．０である、（１）に記載の陰イオン吸着材分散液。
（３）前記オキシ水酸化鉄がβ−オキシ水酸化鉄である、（１）又は（２）に記載の陰イオン吸着材分散液。
（４）オキシ水酸化鉄を主成分とする粒子の平均粒径ｄ５０が０．２μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
（５）ｐＨが２．０〜５．５である（１）〜（４）のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
（６）β−オキシ水酸化鉄の水酸基の一部が塩素イオンで置換され、該塩素の含有量が０．５質量％以上である、（３）に記載の陰イオン吸着材分散液。
（７）塩酸でｐＨを３．５に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬ中に、吸着材１ｇを含む陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌して行う回分式の吸着試験において、３分後に吸着材１ｇ当たりのリン換算吸着量が２２ｍｇ以上である、（１）〜（６）のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
（８）塩酸でｐＨを３．５に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬ中に、吸着材１ｇを含む陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌して行う回分式の試験において、３．５又は投入した陰イオン吸着材分散液のｐＨのうち高い方の値に対し、１時間後の水相のｐＨが０．５以上上昇することを特徴とする、（１）〜（７）のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
（９）（１）〜（８）のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液を、目的とする陰イオンを含有する液体に添加し混合する工程と、該混合物中の吸着材を、陰イオンを吸着することにより凝集剤を添加せずに凝集及び／又は沈殿させる工程とを含む、陰イオンを除去及び／又は回収する方法。
（１０）吸着材を、陰イオンを吸着することにより凝集及び／又は沈殿させる工程において、混合物のｐＨが継続して５．５以下であることを特徴とする、（９）に記載の方法。

本発明のオキシ水酸化鉄含有分散液を使用することにより、補助成分を用いずに容易に分散液を、特に安定なナノ分散液を製造することができる。また、本発明のオキシ水酸化鉄含有分散液は、陰イオンの吸着速度が著しく速い。

参考例１で得られたオキシ水酸化鉄結晶のＴＥＭ像を示す図である。 実施例２で得られたナノ分散液の粒度分布を示す図である。 実施例２で得られたナノ分散液のゼータ電位を示す図である。 実施例２で得られたナノ分散粒子のＴＥＭ像を示す図である。 実施例２で得られたナノ分散粒子のＦＦＴ解析結果を示す図である。 リン酸吸着に伴うナノ分散粒子の凝集・沈降を示す図である。 リン酸吸着前後での粒径（分布及びｄ５０）の変化を示す図である。

（分散液）
本発明の陰イオン吸着材は、オキシ水酸化鉄を主成分とする、平均粒径ｄ５０が２μｍ以下である粒子が、溶媒に分散してなる分散液である。

オキシ水酸化鉄は、陰イオンに対する吸着性に優れている。
オキシ水酸化鉄には、結晶構造の相違によって、α型、β型、γ型、非晶質型等がある。これらのうち、β−オキシ水酸化鉄が、吸着性能の点で特に優れており、リン酸イオン、亜リン酸イオン、次亜リン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、フッ化物イオン等の吸着材に適している。また分散体を形成しやすい点で本発明の分散液の原料としても適している。
β−オキシ水酸化鉄は、一般に、水酸基の一部が塩素イオンにより置換されている。製造又は使用の過程で水と接触すると、この塩素イオンが除去されて小型の空孔が残る。この空孔はフッ素等の陰イオンの吸着に関与すると考えられており、さらに本発明における効率的な陰イオン吸着もこの空孔に由来する特徴であると考えられる。
本発明におけるオキシ水酸化鉄は、β−オキシ水酸化鉄であることが好ましい。さらにβ−オキシ水酸化鉄中における塩素イオンの含有量は、０．５質量％以上であることが好ましく、３質量％以上であることがより好ましい。

本発明の陰イオン吸着材分散液の分散質粒子の平均粒径は、０．２μｍ以下であることが好ましい。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、さらに、ナノ分散液であることが好ましい。
ナノ分散液とは、粒径１μｍ以下のいわゆるナノ粒子が液相中に分散してなる分散液で、静置や通常の遠心操作によって粒子が沈降しないものをいう。
本発明のナノ分散液に含まれるナノ粒子は、その平均粒径は０．０２〜０．２μｍであることが好ましく、０．０５〜０．１５μｍであることがより好ましい。
ナノ分散液は、吸着効率及び吸着速度が特に高い点で優れている。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、原料として必須である鉄化合物と塩基との少なくともいずれかに由来する物質、ｐＨ調整剤、及び溶媒以外の成分を含有しないことが好ましい。
また、有機酸及びその塩、無機弱酸及びその塩、金属酸化物及び金属水酸化物（酸化鉄、水酸化鉄及びオキシ水酸化鉄を除く。）、ならびに分散剤を含有しないことが好ましい。
従来、オキシ水酸化鉄の分散液には、これらの成分を分散安定化のための補助成分として含有するのが普通であったが、本発明は製造過程でこれらの補助成分を使用する必要がない。
また、本発明の陰イオン吸着材分散液における固形分（分散質、及び溶質のうち常温において固体である成分を指す。）は、主成分β−オキシ水酸化鉄を含む鉄化合物の含有率が９９質量％以上であり、鉄化合物以外の物質の含有率は１質量％以下であることが好ましい。オキシ水酸化鉄の含有率は９９質量％であることがより好ましく、実質的に１００質量％であることが最も好ましい。
分散液中における固形分濃度は、５質量％以上であることが好ましい。

本発明に用いるオキシ水酸化鉄は、ＢＥＴ比表面積が２００ｍ²／ｇ以上であることが好ましく、さらに２５０ｍ²／ｇ以上であることが好ましく、２８０ｍ²／ｇ以上であることがより好ましい。
またＢＪＨ法により算出した細孔容量の面積分布（ｄＶ／ｄＲ）が１００〜３００ｍｍ³／ｇ／ｎｍであることが好ましい。
但し、本発明の吸着材分散液は、単に比表面積や細孔容量が大きいために吸着材として優れているのではない。例えば、本発明の吸着材分散液の代表的な製造方法として、オキシ水酸化鉄を主成分とする乾燥ゲルを原料とする方法があるが、該乾燥ゲルは元来比較的高い表面積を有しており、これを微粉砕しても比表面積等が特別に増加するわけではない。しかし、平均粒径２μｍ以下であり、しかもオキシ水酸化鉄の水酸基の一部が塩素イオンで置換されていることによって、特に優れた吸着特性が生じるのである。

本発明の陰イオン吸着材分散液における粒子以外の液相としては、均一な液相であれば問題なく使用可能であり、例えば水、有機溶媒、複数の水又は有機溶媒からなる混合物、あるいはこれらを主成分とする溶液を用いることができる。溶液としては、有機酸及びその塩、無機弱酸及びその塩、ならびに分散剤を含有しない方が好ましい。このうち、前記課題として記載したように、有害物質又は有用物質の除去、回収等を目的とする吸着材として、又は吸着材の原料として用いる場合には、液相として水又は水溶液を用いることが好ましい。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、そのまま吸着材として用いることもでき、また形状あるいは用途の異なる吸着材の材料として加工して用いることもできる。
加工して用いる場合には、本発明の陰イオン吸着材分散液から、液相成分を除去して粒子とし、気相中で使用することもできるが、分散液形態のまま使用することが好ましい。
本発明の陰イオン吸着材分散液、あるいはこれを加工してなる吸着材は、速やかに吸着平衡に達するため、非常に高効率の吸着が可能である。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、粒子の形状が粒状であることが好ましい。ここで粒状とは、針状あるいは板状ではないということを意味し、より具体的には、結晶の長径／短径の比が３以下である。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、平均結晶子径が３ｎｍ以下であることが好ましく、１〜２ｎｍであることがより好ましい。
また、本発明の陰イオン吸着材分散液は、一次粒子が多数の結晶子からなることを特徴とする。具体的には、平均結晶子径に対する平均粒子径の比は、５以上であることが好ましく、１０〜１００であることがより好ましい。
この平均結晶子径が小さいほど、水中でリン酸吸着材として使用する場合のリン酸吸着速度が高いことが、本発明者らにより明らかにされた。
平均結晶子径Ｄは、Ｘ線回折でβ−オキシ水酸化鉄に特徴的な２θ＝３５°付近の回折線から、下記のシェラーの式を用いて計算される。
Ｄ＝Ｋλ／βｃｏｓθ
ただし、βは装置に起因する機械幅を補正した真の回折ピークの半値幅、Ｋはシェラー定数、λはＸ線の波長である。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、後述のように、固体状のβ−オキシ水酸化鉄を湿式粉砕することにより得ることができる。ここで原料である固体状β−オキシ水酸化鉄として、平均結晶子径が５〜６ｎｍ程度のものを用いた場合、得られるナノ粒子の平均結晶子径は１〜２ｎｍ程度となる。このナノ粒子の最少粒径は元の平均結晶子径より大きい１０ｎｍ程度であるから、単に粒径の減少に伴って結晶子が破壊されるのではなく、粉砕工程の物理的効果として結晶子径の減少が起こっているものと考えられる。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、等電点より酸性側で安定性が高い。この等電点はｐＨ５．５〜８．０であることが好ましく、ｐＨ６．０〜８．０であることがより好ましく、ｐＨ６．０〜７．５であることがさらに好ましい。またナノ分散液である場合には、ｐＨ１．５〜４．０、特にｐＨ２．０〜３．５で安定性が高い。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、分散液中の固形分濃度が５質量％以上で安定である。固形分濃度は特に５〜１０質量％であることが好ましい。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、ｐＨ２．０〜５．５であることが好ましく、ｐＨ２．５〜５．５であることがより好ましく、ｐＨ３．０〜４．５であることがさらに好ましい。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、以上の条件において粘度が比較的低い。具体的には、粘度は５〜２０ｍＰａ・ｓであり、より好ましくは１０〜１５ｍＰａ・ｓである。
本発明の陰イオン吸着材分散液が示す以上のような安定性の要因は、必ずしも明確ではないが、上述の平均結晶子径、あるいは以下に述べる構造的要因が関係していると推測される。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、吸着速度が高い特徴を有する。
この吸着速度は、次のような回分式吸着試験により測定できる。
塩酸でｐＨを一定に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬを準備する。この中に吸着材１ｇに相当する本発明の陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌する。一定時間後に水溶液をサンプリングしてリン酸イオン濃度を測定し、吸着量を求める。このサンプリング方法としては、濾過、あるいはナノ分散液である場合には限外濾過により液相を回収してもよいし、本発明の分散液は後述のようにリン酸イオンを吸着すると凝集又は沈殿するから、その後に必要であれば遠心し、上清を回収してもよい。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、この方法において、水溶液のｐＨを３．５に調整した場合、３分後にリン換算吸着量が２２ｍｇ以上、好ましくは３０ｍｇ以上となる。

また本発明の陰イオン吸着材分散液は、水中で陰イオン吸着材として使用する過程で、ｐＨが顕著に上昇することを特徴とする。これは、具体的には次の方法で示される。
塩酸でｐＨを一定に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬを準備する。この中に吸着材１ｇに相当する本発明の陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌する。一定時間後に水相をサンプリングしてｐＨを測定する。このサンプリング方法としては、濾過、あるいはナノ分散液である場合には限外濾過により液相を回収してもよいし、本発明の分散液は後述のようにリン酸イオンを吸着すると凝集又は沈殿するから、その後に必要であれば遠心し、上清を回収してもよい。
本発明の陰イオン吸着材分散液は、この方法において、水溶液のｐＨを３．５に調整した場合、３．５又は投入した陰イオン吸着材分散液のｐＨのうち高い方の値に対して、１時間後の水溶液のｐＨが０．５以上上昇する。
これに対し、後述のように本発明の陰イオン吸着材分散液の材料として用いることのできるβ−オキシ水酸化鉄は、粒子径がある程度微小でないと、同様の方法で吸着材として使用してもほとんど水溶液のｐＨの変化をもたらさない。

これらの原因は、次のように推察される。粉砕等の処理をしていないβ−オキシ水酸化鉄では、水酸基がリン酸イオンのような大きな陰イオンの容易に到達し得ない細孔中にある。このような細孔は、特に塩素イオンが離脱することにより形成されるものである。一方、本発明の陰イオン吸着材分散液では、このような細孔構造が破壊されているため、陰イオンが容易に該水酸基の近傍に到達する。
粉砕等の処理をしていないβ−オキシ水酸化鉄でも、大型の空孔があるため、吸着速度は遅いもののリン酸イオンの吸着は可能である。
本発明の陰イオン吸着材分散液においては、これに続き、吸着された陰イオンが水酸基と交換され、吸着材に該陰イオンが直接結合した形に変化し、それとともに、水酸基は水酸イオンとして水中に放出されるため、水溶液のｐＨは上昇する。しかし粉砕等の処理をしていないβ−オキシ水酸化鉄では、このような置換は起こらず、従ってｐＨの上昇も起こらないものと推察される。
以上により、本発明の陰イオン吸着材分散液は、陰イオンを単に吸着するのみでなく、その後陰イオンは吸着材に結合して容易に解離しない状態となるため、吸着速度、最終的吸着量とも非常に高い顕著な吸着効果を発揮するものと考えられる。

本発明の吸着材粒子の製造方法としては、必ずしも限定されるものではないが、β−オキシ水酸化鉄を主成分とする固体を湿式粉砕する工程を含む製造方法が特に好ましい。

前記のβ−オキシ水酸化鉄を主成分とする固体としては、鉄化合物含有溶液を塩基と反応させｐＨ９以下で沈殿物を生成させる工程を含む方法により得られる乾燥ゲルが好ましい。
前記の鉄化合物としては、鉄塩、特に３価の鉄塩が好ましい。具体的には、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、硝酸第二鉄等を挙げることができ、この中で特に塩化第二鉄が好ましい。
前記の塩基は、酸性の鉄化合物水溶液を中和しオキシ水酸化鉄を含む沈殿を生成させるために使用する。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、アンモニア、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム等を挙げることができ、この中で特に水酸化ナトリウムが好ましい。
沈殿物の生成の際のｐＨは、ｐＨ３．３〜６の範囲に調整することがより好ましい。このｐＨを調整するために必要であれば、ｐＨ調整剤を使用してよい。ｐＨ調整剤としては、緩衝作用を有する物質は除去が困難であることから除外され、具体的には、上記のような塩基、及び、塩酸、硫酸、硝酸等の無機強酸が挙げられる。
以上の方法で得られたオキシ水酸化鉄を主成分とする沈殿物は、濾別して回収することができ、これを乾燥すれば乾燥ゲルとなる。

さらに以上の工程の後に、沈殿物を乾燥させる工程、及び該乾燥物を水と接触させた後、乾燥させる工程を実施することが好ましい。
上記２回の乾燥させる工程は、１４０℃以下で行うことが好ましく、１００〜１４０℃で行うことがより好ましい。乾燥温度は、低温では時間を要し効率的な製造に適しない。また高温では陰イオン吸着サイトが少なくなる傾向があり、さらに高温では酸化鉄に変化するので好ましくない。乾燥は、空気中、真空中、又は不活性ガス中で行うことができる。
乾燥物を水と接触させる工程では、塩化ナトリウム等の不純物が溶出して後に細孔を残し、比表面積が増大するとともに陰イオン吸着サイトも増加すると考えられる。
乾燥物を水と接触させた後には、水を除去して、再度乾燥させる。この乾燥工程も上記と同様の条件で行うことが好ましい。
以上の方法により得られる乾燥ゲルは、β−オキシ水酸化鉄を主成分として含む。

本発明の陰イオン吸着材分散液は、これに含まれる分散質を液中で陰イオン吸着材として利用するのに特に適している。
本発明の陰イオン吸着材分散液に含まれる分散質は、酸性域で陰イオンを吸着すると、凝集剤を利用することなしに、凝集あるいは沈殿する性質を有し、容易に分離することができる。この吸着工程では、ｐＨを継続して５．５以下とすることが好ましい。
従って、これらの分散液を、目的とする陰イオンを含有する液体に添加し、分散質を凝集あるいは沈殿させ、これを分離、回収することにより、陰イオン吸着材として利用することができる。回収した陰イオン吸着材から陰イオンを脱着すると、再度分散液とすることができ、これによってこの陰イオン吸着材を反復使用することができる。また脱着により陰イオンを回収することもできる。
以上の性質は、特に、ナノ分散液である場合に有利である。ナノ分散液に含まれる分散質は通常の遠心や濾過で分離することができず、限外濾過等の特殊な方法を要する。しかし本発明の陰イオン吸着材分散液では、吸着後に容易に分離、回収することができる。

本発明の陰イオン吸着材分散液の使用目的としては、リン酸等の陰イオン成分を吸着対象として、排水からこれらの成分を除去すること、及び／又はこれらの成分を回収することが特に適している。
そのほか、吸着性を利用した経口投与用医薬品、特に体内のリン酸塩レベルを抑制するための医薬品、又はその材料として使用することも可能である。

次に、本発明の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。

測定方法
（粉末Ｘ線回折）
Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンは、Ｘ線回折装置Ultima ＩＶ（リガク社製）を用いて測定した。測定にはＣｕＫα管球を使用した。平均結晶子径はＸＲＤよりシェラーの式に従って算出した。
（比表面積）
比表面積測定装置MacsorbHM 1210（マウンテック社製）を使用して、ガス吸着法により比表面積を測定した。
（ＴＥＭ観察及びＦＦＴ解析）
試料のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察は、透過型電子顕微鏡ＪＥＭ ２０１０Ｆ（ＪＥＯＬ社製、加速電圧２００ｋＶ）を用いて行った。またこれによるＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析は、Ｇａｔａｎ社製Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈを用いて行なった。
（オキシ水酸化鉄中の塩素イオンの含有量）
オキシ水酸化鉄試料を３Ｍ硫酸に溶解した後、アルカリ溶液で希釈して鉄分を沈殿させ、フィルターでろ過してろ液を回収し、イオンクロマトグラフ法（日本ダイオネクス社製DX-500型）により定量した。
（分散液の粘度）
２０℃で、音叉型振動式粘度計ＳＶ−１０（エー・アンド・デイ社製）により測定した。
（分散液の粒度分布）
ミクロン単位の分散液の粒子径に関しては、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置LA-920（堀場製作所製）を使用して、体積基準の累積５０％粒子径（Ｄ５０）、及び体積基準の累積９０％粒子径（Ｄ９０）を測定した。
ナノ分散液の粒子径、粒度分布、累積５０％粒子径（Ｄ５０）、及び累積９０％粒子径（Ｄ９０）は、動的光散乱粒度分布測定装置ゼータサイザーナノＳ（スペクトリス社製）を使用して測定した。
（分散粒子のゼータ電位）
ゼータ電位は、ナノトラック（Nanotrac Wave ＵＺ152、日機装社製）を用いて測定した。

参考例１（オキシ水酸化鉄の製造）
塩化第二鉄（ＦｅＣｌ_３）水溶液に、室温でｐＨ６以下に調整しながら水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を滴下し、ＮａＯＨの最終添加量をＮａＯＨ／ＦｅＣｌ_３（モル比）＝２．７５として反応させ、オキシ水酸化鉄の粒子懸濁液を得た。得られた懸濁液中の粒子の平均粒子径ｄ５０は１７μｍであった。
懸濁液を濾別後、空気中１２０℃で乾燥し、イオン交換水で洗浄し、さらに空気中１２０℃で乾燥し、オキシ水酸化鉄の粉末を得た。
以上により得られたオキシ水酸化鉄粉末の粒子径は０．２５ｍｍ〜５ｍｍであった。Ｘ線回折により、結晶構造はβ−オキシ水酸化鉄であり、平均結晶子径は５ｎｍであることを確認した。
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察での様子を図１に示す。結晶形状は粒状であった。ＴＥＭ観察による結晶子径は５〜１０ｎｍ、個々の結晶は粒状であり、これらが凝結して粒子を形成していた。
また比表面積は２８０ｍ^２／ｇ、塩素イオン含有量は、５．８ｗｔ％であった。

上記のオキシ水酸化鉄粉末をピンミルで、粒子径約３００μｍ以下になるまで乾式粉砕して粉末を得、以下に用いた。

比較例１
前記のオキシ水酸化鉄粉砕物を、篩で分級し、粒度１５０〜２５０μｍの粉末Ａを得た。

実施例１（オキシ水酸化鉄分散液の製造）
前記のオキシ水酸化鉄粉砕物を、イオン交換水に固形分濃度１０質量％となるように混合した後、ビーズミル（ジルコニアビーズ、ビーズ径１ｍｍ）で３０分間粉砕し、分散液Ｂを得た。
分散液Ｂは、室温保存しておくと、ゆっくりと沈降したが、撹拌すると再び分散液に戻った。
分散液ＢのｐＨは２．９、平均粒子径ｄ５０は１．３０μｍ、ｄ９０は４．３５μｍ、等電点はｐＨ７．０であった。分散液Ｂを５０℃で乾燥して得た粉末の結晶構造はβ−オキシ水酸化鉄であり、比表面積は２８５ｍ^２/ｇであった。

実施例２（オキシ水酸化鉄ナノ分散液の製造）
分散液Ｂをさらに、ビーズミル（ジルコニアビーズ、ビーズ径０．１ｍｍ）で６０分間粉砕した。この粉砕により、茶色に懸濁していた液が黒色でほぼ透明なナノ分散液（ナノ分散液Ｃ）へ変化した。
ナノ分散液Ｃは、薄く広げて乾燥させると膜が得られ、厚くして乾燥すると参考例１のオキシ水酸化鉄粉末に類似の固い粒子が得られた。また、支持体の上で乾燥すると強固に接着するバインダー機能も有しており、無機物でありながら種々の形状に成形できた。
さらに、ナノ分散液Ｃは室温で１年経過しても、わずかには沈降するもののゲル化することはなく安定であり、撹拌すれば分散状態を容易に回復するものであった。

得られたナノ分散液ＣのｐＨは３．１であった。粘度は１０．９ｍＰａ・ｓであった。またナノ分散粒子の比表面積は２８５ｍ^２／ｇであった。
ナノ分散液Ｃの粒度分布を図２に示した。平均粒子径ｄ５０は０．０５μｍ、ｄ９０は０．１９μｍであった。
ゼータ電位の測定結果を図３に示した。等電点はｐＨ７．１であり、ｐＨ３．１においては粒子はプラスに帯電していた。

本ナノ分散液を５０℃で乾燥して粉末とした。この乾燥粉末を、Ｘ線回折、ＴＥＭ観察、及びＴＥＭ像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析を行った。ＴＥＭ像を図４に、ＦＦＴ解析結果を図５に示す。平均粒子径は約３ｎｍで、ＴＥＭ観察による結晶の形状は粒状であり、ほとんどの粒子で結晶縞が観察される結晶粒子であった。これらは、ＦＦＴ解析により求めた格子面間隔から、β−オキシ水酸化鉄結晶と同定された。

測定例１（リン酸吸着試験）
リン酸二水素カリウムをイオン交換水に溶解し、塩酸によりｐＨ３．５とし、濃度４００ｍｇ−Ｐ/Ｌ（リンとしての濃度）の試験液Ｄを調製した。
また、リン酸二水素カリウムをイオン交換水に溶解し、水酸化ナトリウムによりｐＨ７．０とし、濃度４００ｍｇ−Ｐ/Ｌ（リンとしての濃度）の試験液Ｅを調製した。
試験液Ｄ又はＥの１３０ｍＬに、分散液Ｂ又はＣを２０ｇ（固形分として１ｇ）を添加後、撹拌し吸着試験を行った。所定の時間後に液を採取し、フィルタシリンジで固形分と分離、溶液中のリン濃度をＩＣＰ（誘導結合プラズマ）により分析し、吸着量を算出した。同時にｐＨを測定した（表１）。

比較試験
また、測定例１と同様に試験液を調製し、この１３０ｍＬに参考例１で得られた粉末Ａの１ｇを投入し、測定例１と同様に吸着試験を行った。

測定例２（沈降試験）
試験液Ｄの１３０ｍＬにナノ分散液Ｃの２０ｇ（固形分として１ｇ）を添加混合し静置した。その結果、ナノ分散粒子は速やかに凝集・沈降した。その様子（未吸着、静置１５分、６０分及び２４時間後）を図６に示す。また粒径の変化（未吸着、静置１５分、３０分、６０分、６時間、２４時間）を図７に示す。

以上の結果から、本発明の陰イオン吸着材分散液は、リン酸吸着速度が顕著に高いこと、また特にｐＨ３．５において吸着量が大きいことがわかった。また初期ｐＨ３．５とした場合に、１時間程度でｐＨが４以上まで上昇する点で、原料であるβ−オキシ水酸化鉄粉末と大きく異なる性質が明らかになった。さらに、初期ｐＨ３．５とした場合、リン酸吸着に伴って凝集・沈殿し、容易に回収できるものであった。

Claims (13)

1. β−オキシ水酸化鉄を主成分とする、平均粒径ｄ５０が２μｍ以下である粒子が、溶媒に分散してなる、陰イオン吸着材分散液であって、前記粒子は、塩酸でｐＨを３．５に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１３０ｍＬ中に、吸着材１ｇを含む陰イオン吸着材分散液を添加混合し１５分間静置したときに、リン酸イオンが吸着することにより凝集剤を添加することなく凝集及び沈殿する、陰イオン吸着材分散液。
2. 等電点がｐＨ６．０〜８．０である、請求項１に記載の陰イオン吸着材分散液。
3. 前記オキシ水酸化鉄を主成分とする粒子の平均粒径ｄ５０が０．２μｍ以下である、請求項１又は２に記載の陰イオン吸着材分散液。
4. 前記粒子の平均結晶子径が３ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
5. 前記粒子の形状が粒状であり、結晶の長径／短径の比が３以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
6. ｐＨが２．０〜５．５である請求項１〜５のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
7. β−オキシ水酸化鉄の水酸基の一部が塩素イオンで置換され、該塩素の含有量が０．５質量％以上である、請求項１〜６のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
8. 塩酸でｐＨを３．５に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬ中に、吸着材１ｇを含む陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌して行う回分式の吸着試験において、３分後に吸着材１ｇ当たりのリン換算吸着量が２２ｍｇ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
9. 塩酸でｐＨを３．５に調整したリン換算濃度４００ｍｇ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液１５０ｍＬ中に、吸着材１ｇを含む陰イオン吸着材分散液を投入し、室温で撹拌して行う回分式の試験において、３．５又は投入した陰イオン吸着材分散液のｐＨのうち高い方の値に対し、１時間後の水相のｐＨが０．５以上上昇することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
10. 吸着対象である陰イオンが、リン酸イオン、亜リン酸イオン、次亜リン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、及びフッ化物イオンから選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜９のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液を、リン酸イオンを含有する液体に添加し混合する工程と、該混合物中の吸着材を、リン酸イオンを吸着することにより凝集剤を添加せずに凝集及び沈殿させる工程とを含む、リン酸イオンを除去及び／又は回収する方法。
12. 吸着材を、リン酸イオンを吸着することにより凝集及び沈殿させる工程において、混合物のｐＨが継続して５．５以下であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. β−オキシ水酸化鉄を主成分とする乾燥ゲルを湿式粉砕する工程を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の陰イオン吸着材分散液の製造方法。