JPWO2004000734A1 - 含フッ素乳化剤の回収方法 - Google Patents

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Abstract

1質量ppm以上1質量%以下の低濃度で含フッ素乳化剤を含む水性液(たとえば、含フッ素ポリマーの乳化重合後の凝集排水や含フッ素ポリマーの乾燥工程および/または熱処理工程の排ガスを水性液で洗浄して得られる水性液)を、ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置等を用いて、圧力100kPa以下、かつ、該水性液の温度100℃以下で減圧濃縮せしめ、該含フッ素乳化剤の濃度が5質量%以上に高濃度化された水性液から該含フッ素乳化剤を回収する。本方法によれば、含フッ素ポリマーの凝集排水等の低濃度液より含フッ素乳化剤を高回収率で回収できる。

Description

本発明は、減圧濃縮法を用いた含フッ素乳化剤の回収方法に関する。
従来から、含フッ素ポリマーの乳化重合に使用される含フッ素乳化剤の回収方法として、陰イオン交換樹脂(以下、IERという。)を用いる技術が知られている。
特公昭47−51233には乳化重合のラテックスを凝集・洗浄し、乳化剤を水溶液として捕集し、得られた水溶液を蒸発乾固した後に有機溶剤で該含フッ素乳化剤を回収する方法が記載されており、また本文中には陰イオン交換樹脂を用いた該含フッ素乳化剤の回収方法も記載されている。
US4282162には希薄乳化剤水溶液をpH0〜7の範囲で弱塩基性陰イオン交換樹脂に接触、該乳化剤を吸着させ、アンモニア水で脱着させる方法が記載されている。
WO99/62830には、含フッ素ポリマーの凝集排水にノニオンまたはカチオン性界面活性剤を添加し、凝集排水中のポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという。)微粒子を安定化し、IERの充填塔の閉塞を防止する方法が記載されている。
特開昭55−120630、US4369266およびDE2908001には、PTFEの凝集排水を限外ろ過法で濃縮するとともにPTFE製造に用いたペルフルオロオクタン酸アンモニウム(以下、APFOという。)の一部を回収した後、IERでAPFOを吸着・回収する方法が記載されている。
特開昭55−104651、US4282162およびDE2903981には、APFOをIERに吸着させ、ついで酸と有機溶剤との混合物を用いてパーフルオロオクタン酸を脱着し回収する方法が開示されている。
WO99/62858には、あらかじめテトラフルオロエチレン/ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(以下、PFAという。)の凝集排水に石灰水を添加してpHを6〜7.5に調整後、塩化アルミニウム、塩化鉄等の金属塩を添加して未凝集のPFAを凝集させ、ついで機械的に凝集物を分離・除去した後に、得られた排水のpHを硫酸で7以下に調製し、強塩基性IERを用いてAPFOを吸着・回収する方法が記載されている。
特開2001−62313にはIERに吸着したAPFOを水、アルカリ、有機溶剤の混合液を用いて脱着する方法が記載されている。
特開2002−59160にはIERに吸着した含フッ素乳化剤を水、アルカリ(特に水酸化ナトリウム)、有機溶剤(特にメタノール、エタノール、アセトニトリル)の混合液を用いて脱着する方法が記載されている。
また、特開2002−58966には逆浸透膜を用いて含フッ素乳化剤を濃縮・回収する方法が記載されている。
さらに、日本化学会第76春季年会および日本化学会第80秋季年会では、アルミニウムと亜鉛の層状複水酸化物を用いて、ペルフルオロオクタン酸およびそのアンモニウム塩を回収する技術が報告されている。
WO02/10104A1およびWO02/10105A1には含フッ素乳化剤を含む水溶液に二価金属と三価金属を添加し、層状複水酸化物を生成させることによって、該含フッ素乳化剤を回収する方法が記載されている。
しかしながら、IERを用いる方法や逆浸透膜を用いる方法では、IERまたは逆浸透膜との接触の前に未凝集の含フッ素ポリマーを含む、浮遊固形分および/または浮遊固形分になりうる物質(以下、総称してSS分と記す。)を除去する必要がある。そして、このSS分の除去が該含フッ素乳化剤の回収効率に多大な影響を与えるだけでなく、十分に有効なSS分除去方法が見つかっていないなど、実際の操作上での課題が多く残されている。
また、日本化学会第76春季年会および日本化学会第80秋季年会で報告された層状複水酸化物を用いた回収方法およびWO02/10104A1およびWO02/10105A1に記載された方法では、該含フッ素乳化剤回収のために二価金属や三価金属などの別の化学物質を加えなければならないため、該含フッ素乳化剤の回収後のリサイクル効率が十分高くならないなどの問題があった。
さらに従来、蒸発乾固によって該含フッ素乳化剤を回収する場合には、非常に大量のエネルギーが必要であり、また水を蒸発させる際に該含フッ素乳化剤も同伴してロスしてしまうという問題があった。
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、含フッ素ポリマーの凝集排水などの低濃度水性液から、含フッ素乳化剤を簡便な方法で効率よく回収する方法を提供することを目的とする。
本発明は、含フッ素乳化剤の濃度が1質量ppm以上1質量%以下である水性液(A)を、圧力100kPa以下、かつ、該水性液(A)の温度100℃以下で減圧濃縮せしめて、該含フッ素乳化剤の濃度が高濃度化された水性液(B)とし、該水性液(B)から該含フッ素乳化剤を回収することを特徴とする含フッ素乳化剤の回収方法である。
本発明においては、前記水性液(B)における含フッ素乳化剤の濃度を5質量%以上にすることが、含フッ素乳化剤を効率よく高い回収率で回収するために好ましい。
発明を実施するための形態
本発明において、水性液(A)中の含フッ素乳化剤の濃度は1質量ppm以上1質量%以下であり、10質量ppm以上1質量%以下が好ましく、特に10質量ppm以上5000質量ppm以下が好ましい。
水性液(A)における含フッ素乳化剤の濃度が余りに低いと、高濃度水性液(B)、特に好ましい含フッ素乳化剤の濃度(5質量%以上)の水性液(B)まで濃縮するのに大量のエネルギーが必要になる。また、水性液(A)における含フッ素乳化剤の濃度が余りに高濃度の場合は、本発明における特定の減圧濃縮を行う意味が失われる。このような高濃度の場合には、たとえば、そのまま回収工程に用いてもよいし、pHを変化させることにより該含フッ素乳化剤を析出させるなど、より簡便で効率的な方法により回収できる。
本発明における水性液(A)としては、含フッ素乳化剤を含む水性媒体中で少なくとも1種の含フッ素モノマーを乳化重合または水性分散重合して得られる含フッ素ポリマーの製造工程における、該含フッ素ポリマーを分離した後の排水(A1)、および該含フッ素ポリマーの乾燥工程および/または熱処理工程の排ガスを水性液で洗浄して得られる該含フッ素乳化剤を含む水性液(A2)からなる群より選ばれる少なくとも1種の水性液であることが好ましい。
前記含フッ素ポリマーを分離した後の排水(A1)は、通常は乳化重合後または水性分散重合後の含フッ素ポリマーの凝集排水が好ましく、特に含フッ素モノマーの重合体または含フッ素モノマーと含フッ素モノマー以外のモノマーとの共重合体の製造工程からの凝集排水が好ましい。
具体的に、前記製造工程からの凝集排水とは、含フッ素モノマーを、または含フッ素モノマーと含フッ素モノマー以外のモノマーとを、含フッ素乳化剤を含む水性媒体中で乳化重合または水性分散重合して得られた含フッ素ポリマーの水性分散液から、含フッ素ポリマーを塩析等で凝集して、該含フッ素ポリマーを分離した後の排水をいう。該排水には、含フッ素モノマーの重合時に使用された含フッ素乳化剤が含有されるほか、未凝集の含フッ素ポリマーなどのSS分も含まれる。以下、該凝集排水(以下、凝集排水(aA)と記すことがある。)を本発明における水性液(A)の典型例として説明する。
また、前記水性液(A2)における排ガスとしては、通常は含フッ素乳化剤を含む水性媒体中で乳化重合または水性分散重合して得られる、含フッ素ポリマーの乾燥工程および/または熱処理工程の排ガスが好ましい。
典型的には、含フッ素モノマーを、または含フッ素モノマーと含フッ素モノマー以外のモノマーとを、含フッ素乳化剤を含む水性媒体中で乳化重合または水性分散重合して得られた含フッ素ポリマーの水性分散液から、該含フッ素ポリマーを塩析等で凝集して分離し、該分離された含フッ素ポリマーをオーブン等の熱処理装置を用いて乾燥および/または熱処理する際に、該熱処理装置から排出される微量の固体の飛沫を含む排ガスが挙げられる。以下、前記水性液(A2)については、該排ガスを水性液で洗浄して得られる含フッ素乳化剤を含む水性液(以下、水性液(A2a)と記すことがある。)で代表させて説明する。
前記凝集排水(aA)中に含まれる未凝集の含フッ素ポリマー等の浮遊固形物、または、含フッ素ポリマーの塩析凝集に使用された金属塩、該凝集排水のpHの変化によって析出する物質、該凝集排水の温度低下もしくは温度上昇によって析出する物質などの浮遊固形物になりうる物質(以下、浮遊固形物および浮遊固形物になりうる物質を合わせてSS分と記す。)は、本発明における減圧濃縮の際に濃縮装置内部に付着して熱効率を低下させることがあるため、SS分の含有量を0.3質量%以下にするのが好ましく、特に0.05質量%以下にするのがより好ましい。
未凝集の含フッ素ポリマー等のSS分の除去方法としては、多価金属カチオンを含有する金属塩(塩析剤)を添加してSS分を凝集させる塩析が効果的である。金属塩の具体例としては、塩化アルミニウム、塩化アルミニウム六水和物、塩化マグネシウム、塩化マグネシウム六水和物、塩化第一鉄、塩化第二鉄、塩化第二鉄六水和物、ポリ塩化アルミニウム等の金属塩化物が挙げられる。
前記塩析により得られる凝集物は含フッ素乳化剤を内包した状態で沈殿することがあるため、水酸化ナトリウムおよび/または水酸化カリウムを添加してpHを7以上に調整することにより、該含フッ素乳化剤を該凝集物から水中に再溶解させることが好ましい。
前記塩析において、凝集排水(aA)に塩析剤を添加する際に、該凝集排水(aA)を撹拌することが好ましい。撹拌方法としては、特に限定されないが、撹拌によって生成した凝集物粒子を機械的に破壊しない撹拌装置を用いる方法が好ましい。該撹拌装置の撹拌翼としては、低速回転で凝集排水(aA)全体を均一に混合できる撹拌翼が好ましく、フルゾーン翼、マックスブレンド翼およびアンカー翼からなる群より選ばれる1種が好ましい。該撹拌翼における撹拌時のG値は、1〜300s−1が好ましく、5〜250s−1がより好ましく、10〜200s−1が最も好ましい。ここで、G値とは以下の式によって導かれる値をいう。
Figure 2004000734
上記式において、Pは撹拌動力(W)、Vは液容積(m)、μは液粘性係数(Pa・s)を表す。
前記塩析において、凝集させたSS分の凝集物を除去する方法としては、一般的な固液分離方法が採用できる。特に、ろ過、デカンテーション、遠心分離および重力沈降からなる群より選ばれる1種以上の方法を用いることが好ましい。ろ過は、加圧下に実施することも好ましい。また、凝集物を含む排水を静置し、凝集物を沈降させて、上澄み液をろ過することにより凝集物を除去することが好ましい。また、設備メンテナンスの容易さ等の点から、シックナーまたはスクリューデカンターを用いる固液分離方法が最も好ましい。
本発明において、水性液(A)の減圧濃縮は圧力100kPa以下で実施される。該圧力は50kPa以下が好ましく、特に30kPa以下が好ましい。該圧力が余りに大きいと、水を主成分とする溶媒を蒸発させるのに高温が必要となり、必要なエネルギーを十分低くすることができないだけでなく、また高温のために含フッ素乳化剤も溶媒に同伴して飛散することによりロスしてしまうことがある。
また、本発明における減圧濃縮では、水性液(A)の温度は100℃以下が採用される。該温度は80℃以下が好ましい。該温度が余りにも高いと必要なエネルギーを十分低くすることができないだけでなく、高温のために含フッ素乳化剤も溶媒に同伴して飛散することによりロスしてしまうことがある。
また、温度変化により装置内部の凝集排水が発泡するため、温度変動は設定温度±2℃の範囲内にするのが好ましい。
この発泡を抑えるために、シリコーン系などの一般的な消泡剤を添加することも有効である。しかし、再生された含フッ素乳化剤の物性に悪影響を及ぼすことがあるので、消泡剤の使用は極力避けるのが好ましい。
本発明において、減圧濃縮に用いる装置としては、蒸発により発生した蒸気を効率的に再利用してエネルギー消費量を低減できる装置が好ましい。また、該減圧濃縮を行う装置が、前記水性液(A)の単位体積あたりを蒸発させるのに必要なエネルギー量について、大気圧下で同単位体積あたりを蒸発させるのに必要なエネルギー量の50%以下である減圧濃縮装置であることが好ましい。かかる装置としては、ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置および/またはエジェクターを備えたフラッシュ型濃縮装置を挙げることができる。
前記ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置(以下、単に加熱蒸発缶と記すことがある。)の場合、凝集排水(aA)は圧力100kPa以下に保持された加熱蒸発缶内に導入され、該加熱蒸発缶内の循環液と共に循環ポンプにて加熱蒸発缶上部から加熱管部分に散布され、該加熱管部分の表面で薄膜蒸発する。この際、一部の循環液を加熱蒸発缶内に保持された液の表面近くに散布することにより、泡立ちを抑えることができる。加熱管部分の表面で蒸発した蒸気はヒートポンプで圧縮され、3〜6℃温度上昇させられる。この温度上昇した蒸気は加熱管内側に導入され、加熱管部分の外側に散布された循環液を蒸発させると共に凝縮水となり、凝縮水ポンプにより系外に排出される。
すなわち、一旦蒸発した蒸気をヒートポンプで温度上昇させることにより、ヒートポンプを用いない場合に比べて、エネルギー消費量を低減できる。ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置としては、ササクラ社製のVVCC濃縮装置またはEVCC濃縮装置を例示することができる。
前記のヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置を用いて、含フッ素乳化剤の濃度を5質量%以上、さらには10質量%以上になるまで濃縮することもできる。この場合、該ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置は内部に多数の加熱管を有するため、含フッ素乳化剤の濃度が高濃度化されてくると、その構造上加熱管表面に含フッ素乳化剤が析出したり、凝集排水(aA)中のSS分が付着したりすることにより、熱効率が低下することがある。したがって、通常は該ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置による濃縮は、含フッ素乳化剤の濃度を1000質量ppm〜5質量%、特に0.5〜3質量%程度にとどめるのが好ましい。
本発明において、前記水性液(A)の減圧濃縮は、フラッシュ型濃縮装置(以下、単にフラッシュ蒸発缶と記すことがある。)を用いて行うこともできる。また、エジェクターを備えたフラッシュ型濃縮装置(たとえば、ササクラ社製のFTC濃縮装置等が挙げられる。)を用いることもできる。これらのフラッシュ型濃縮装置は、前記加熱蒸発缶におけるような含フッ素乳化剤の高濃度化などによる問題がないので、通常は比較的高濃度に達した含フッ素乳化剤を含む水性液の濃縮に好ましく用いられる。
本発明における水性液(A)の減圧濃縮は、2段以上の複数段階に分けて行われるのが好ましい。たとえば、1段目がヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置を用いて行われ、かつ、2段目以降がヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置またはフラッシュ型濃縮装置を用いて行われる。特に、1段目がヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置を用いて行われ、かつ、2段目以降がフラッシュ型濃縮装置を用いて行われるのが好ましい。
通常は、前記の加熱蒸発缶で濃縮されて比較的高濃度に達した含フッ素乳化剤の水性液は、フラッシュ蒸発缶を用いてさらに濃縮されるのが好ましい。たとえば、30kPa以下に保持されたフラッシュ蒸発缶内に、比較的高濃度に達した含フッ素乳化剤の水性液が導入されると、該フラッシュ蒸発缶内が減圧のため、導入された水性液はフラッシュ蒸発する。この場合、前記FTC濃縮装置等のエジェクターを備えたフラッシュ型濃縮装置を用いて、蒸発した蒸気の一部をエジェクターに吸引せしめ、エジェクターの駆動蒸気とともにヒーターにて循環液の加熱源として利用することができる。
なお、本発明における上記減圧濃縮操作によって排出される凝縮水は、前記含フッ素ポリマーの乾燥工程および/または熱処理工程の排ガスを洗浄して前記水性液(A2a)を得る際に、洗浄用の水性液として使用することができる。
本発明において、前記減圧濃縮工程で得られる水性液(B)は、水性液(A)に比して含フッ素乳化剤の濃度が高濃度化されている。通常は、該水性液(B)における含フッ素乳化剤の濃度は5質量%以上であることが好ましく、特に10質量%以上であることが好ましい。水性液(B)における含フッ素乳化剤の濃度を上記範囲にすることにより、本発明における含フッ素乳化剤の回収率を90質量%以上にできる。水性液(B)における含フッ素乳化剤の濃度が余りに低いと、該含フッ素乳化剤の遊離酸の水に対する溶解度分だけは回収できないことになり、減圧濃縮工程から回収工程までを含めた含フッ素乳化剤の回収率を十分に高くできない。なお、含フッ素乳化剤の濃度の上限は、必ずしも制限はないが、50質量%以下が好ましい。
本発明において、水性液(B)中の高濃度化された含フッ素乳化剤は、該水性液(B)をpH4以下の酸性にすることによって、遊離酸の形で析出させることができる。析出した遊離酸はろ過によって回収することができる。また該含フッ素乳化剤の精製のために該水性液(B)を酸性にし、沈殿を生成させた状態で非水溶性有機溶剤で容易に抽出することもできる。
該非水溶性有機溶剤としては、クロロホルム、ジクロロエチレン、塩化メチレン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、R−113、R−225ca、R−225cb、R−123、R−141b、C13HおよびC18からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒を挙げることができる。特に、該遊離酸の該溶媒への溶解度の点から、R−113、R−225ca、R−225cb、R−123、R−141b、C13HおよびC18からなる群より選ばれる少なくとも1種の非水溶性含フッ素有機溶媒が好ましい。
該溶媒に抽出された遊離酸は、該溶媒と共に蒸留することによって、フッ素を含有しない不純物を除去して精製することができる。また、クロロホルム、ジクロロエチレン、塩化メチレン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、R−113、R−225ca、R−225cb、R−123、R−141b、C13HおよびC18からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒を用いて、前記遊離酸を再結晶することによって、フッ素含有不純物を除去して精製することができる。
本発明において、前記水性液(B)からの含フッ素乳化剤の回収は、前記非水溶性含フッ素有機溶媒を用いる抽出法によって行われるのが特に好ましい。
精製された該含フッ素乳化剤は、含フッ素ポリマー重合用の乳化剤として再使用できる。
本発明において、含フッ素乳化剤としては、炭素原子数5〜13の、ペルフルオロアルカン酸、ω−ヒドロペルフルオロアルカン酸、ω−クロロペルフルオロアルカン酸、ペルフルオロアルカンスルホン酸等の塩が好ましく、これらは直鎖構造でも分岐構造でもよく、それらの混合物でもよい。また、分子中にエーテル性の酸素原子を含有してもよい。この炭素原子数の範囲にあると乳化剤としての作用効果に優れる。前記酸の塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩またはアンモニウム塩が好ましく、アンモニウム塩またはナトリウム塩がより好ましく、アンモニウム塩が最も好ましい。
前記酸の具体例としては、ペルフルオロペンタン酸、ペルフルオロヘキサン酸、ペルフルオロヘプタン酸、ペルフルオロオクタン酸、ペルフルオロノナン酸、ペルフルオロデカン酸、ペルフルオロドデカン酸、ω−ヒドロペルフルオロヘプタン酸、ω−ヒドロペルフルオロオクタン酸、ω−ヒドロペルフルオロノナン酸、ω−クロロペルフルオロヘプタン酸、ω−クロロペルフルオロオクタン酸、ω−クロロペルフルオロノナン酸等が挙げられる。
また、前記酸の具体例としては、CFCFCFOCF(CF)COOH、CFCFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COOH、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOH、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOH、CFCFCFCFCFOCF(CF)COOH等も挙げられる。さらに、ペルフルオロヘキサンスルホン酸、ペルフルオロヘプタンスルホン酸、ペルフルオロオクタンスルホン酸、ペルフルオロノナンスルホン酸、ペルフルオロデカンスルホン酸等も挙げられる。
前記アンモニウム塩の具体例としては、ペルフルオロペンタン酸アンモニウム、ペルフルオロヘキサン酸アンモニウム、ペルフルオロヘプタン酸アンモニウム、ペルフルオロオクタン酸アンモニウム(APFO)、ペルフルオロノナン酸アンモニウム、ペルフルオロデカン酸アンモニウム、ペルフルオロドデカン酸アンモニウム、ω−ヒドロペルフルオロヘプタン酸アンモニウム、ω−ヒドロペルフルオロオクタン酸アンモニウム、ω−ヒドロペルフルオロノナン酸アンモニウム、ω−クロロペルフルオロヘプタン酸アンモニウム、ω−クロロペルフルオロオクタン酸アンモニウム、ω−クロロペルフルオロノナン酸アンモニウム等が挙げられる。
また、前記アンモニウム塩の具体例としては、CFCFCFOCF(CF)COONH、CFCFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COONH、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COONH、CFCFCFCFCFOCF(CF)COONH等も挙げられる。さらに、ペルフルオロヘキサンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロヘプタンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロオクタンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロノナンスルホン酸アンモニウム、ペルフルオロデカンスルホン酸アンモニウム等も挙げられる。
前記リチウム塩の具体例としては、ペルフルオロペンタン酸リチウム、ペルフルオロヘキサン酸リチウム、ペルフルオロヘプタン酸リチウム、ペルフルオロオクタン酸リチウム、ペルフルオロノナン酸リチウム、ペルフルオロデカン酸リチウム、ペルフルオロドデカン酸リチウム、ω−ヒドロペルフルオロヘプタン酸リチウム、ω−ヒドロペルフルオロオクタン酸リチウム、ω−ヒドロペルフルオロノナン酸リチウム、ω−クロロペルフルオロヘプタン酸リチウム、ω−クロロペルフルオロオクタン酸リチウム、ω−クロロペルフルオロノナン酸リチウム等が挙げられる。
また、前記リチウム塩の具体例としては、CFCFCFOCF(CF)COOLi、CFCFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COOLi、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOLi、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOLi、CFCFCFCFCFOCF(CF)COOLi等も挙げられる。さらにペルフルオロヘキサンスルホン酸リチウム、ペルフルオロヘプタンスルホン酸リチウム、ペルフルオロオクタンスルホン酸リチウム、ペルフルオロノナンスルホン酸リチウム、ペルフルオロデカンスルホン酸リチウム等も挙げられる。
前記ナトリウム塩の具体例としては、ペルフルオロペンタン酸ナトリウム、ペルフルオロヘキサン酸ナトリウム、ペルフルオロヘプタン酸ナトリウム、ペルフルオロオクタン酸ナトリウム、ペルフルオロノナン酸ナトリウム、ペルフルオロデカン酸ナトリウム、ペルフルオロドデカン酸ナトリウム、ω−ヒドロペルフルオロヘプタン酸ナトリウム、ω−ヒドロペルフルオロオクタン酸ナトリウム、ω−ヒドロペルフルオロノナン酸ナトリウム、ω−クロロペルフルオロヘプタン酸ナトリウム、ω−クロロペルフルオロオクタン酸ナトリウム、ω−クロロペルフルオロノナン酸ナトリウム等が挙げられる。
また、前記ナトリウム塩の具体例としては、CFCFCFOCF(CF)COONa、CFCFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONa、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COONa、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COONa、CFCFCFCFCFOCF(CF)COONa等もが挙げられる。さらにペルフルオロヘキサンスルホン酸ナトリウム、ペルフルオロヘプタンスルホン酸ナトリウム、ペルフルオロオクタンスルホン酸ナトリウム、ペルフルオロノナンスルホン酸ナトリウム、ペルフルオロデカンスルホン酸ナトリウム等も挙げられる。
前記カリウム塩の具体例としては、ペルフルオロペンタン酸カリウム、ペルフルオロヘキサン酸カリウム、ペルフルオロヘプタン酸カリウム、ペルフルオロオクタン酸カリウム、ペルフルオロノナン酸カリウム、ペルフルオロデカン酸カリウム、ペルフルオロドデカン酸カリウム、ω−ヒドロペルフルオロヘプタン酸カリウム、ω−ヒドロペルフルオロオクタン酸カリウム、ω−ヒドロペルフルオロノナン酸カリウム、ω−クロロペルフルオロヘプタン酸カリウム、ω−クロロペルフルオロオクタン酸カリウム、ω−クロロペルフルオロノナン酸カリウム等が挙げられる。
また、前記カリウム塩の具体例としては、CFCFCFOCF(CF)COOK、CFCFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COOK、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOK、CFCFCFO[CF(CF)CFO]CF(CF)COOK、CFCFCFCFCFOCF(CF)COOK等も挙げられる。ペルフルオロヘキサンスルホン酸カリウム、ペルフルオロヘプタンスルホン酸カリウム、ペルフルオロオクタンスルホン酸カリウム、ペルフルオロノナンスルホン酸カリウム、ペルフルオロデカンスルホン酸カリウム等も挙げられる。
本発明における含フッ素乳化剤としては、特に、炭素原子数6〜12のペルフルオロアルカン酸のアンモニウム塩が好ましく、ペルフルオロヘプタン酸アンモニウム、APFO、ペルフルオロノナン酸アンモニウムまたはペルフルオロデカン酸アンモニウムがより好ましく、APFOが最も好ましい。
含フッ素モノマーとしては、テトラフルオロエチレン(以下、TFEという。)、CF=CFCl、CFH=CF、CFH=CH、CF=CH(以下、VdFという。)等のフルオロエチレン類、ヘキサフルオロプロピレン(以下、HEPという。)、CF=CHCF等のフルオロプロピレン類、CF=CFOCF、CF=CFO(CFCF(以下、PPVEという。)、CF=CFO(CFCF等の炭素原子数3〜10のペルフルオロビニルエーテル類、CH=CH(CFCF等の炭素原子数4〜10の(ペルフルオロアルキル)エチレン類等が挙げられる。これらの含フッ素モノマーは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
含フッ素モノマー以外のモノマーとしては、酢酸ビニル等のビニルエステル類、エチルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル、ヒドロキシブチルビニルエーテル等のビニルエーテル類、ノルボルネン、ノルボナジエン等の環状構造を有する単量体、メチルアリルエーテル等のアリルエーテル類、エチレン(以下、Eという。)、プロピレン(以下、Pという。)、イソブチレン等のオレフィン類等が挙げられる。含フッ素モノマーの以外のモノマーは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
本発明において、含フッ素ポリマーとしては特に限定されないが、好ましくはPTFE、TFE/P共重合体、TFE/P/VdF共重合体、TFE/HFP共重合体、TFE/PPVE共重合体、E/TFE共重合体およびポリフッ化ビニリデンからなる群から選ばれる少なくとも1種である。より好ましくは、PTFE、TFE/P共重合体、TFE/P/VdF共重合体またはTFE/PPVE共重合体であり、最も好ましくはPTFEである。
なお、本発明の含フッ素乳化剤の回収方法は、含フッ素乳化剤の濃度が1質量ppm以上1質量%以下である水性液(A)に対して特に有益であるが、比較的低濃度(たとえば1質量%超〜5質量%未満)の含フッ素乳化剤含有水性液に対しても適用できる。すなわち、該比較的低濃度の含フッ素乳化剤含有水性液を本発明における減圧濃縮により高濃度化(たとえば5質量%以上、特に10質量%以上)することもできる。また、本発明の含フッ素乳化剤の回収方法は、前記含フッ素乳化剤だけでなく、トリフルオロ酢酸、ペンタフルオロプロパン酸等の低分子量含フッ素カルボン酸および/またはその塩、トリフルオロメタンスルホン酸および/またはその塩等にも適用できる。
次に実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。なお、APFO、ペルフルオロオクタン酸またはペルフルオロオクタン酸ナトリウムの濃度は、メタノールと水の混合溶液を溶媒とした高速液体クロマトグラフィー−マススペクトル法を用いて測定した。この方法で検出される種はペルフルオロオクタノエート(C15COO)である。
[排水中のSS分の測定(単位:質量%)]
PTFEの水性分散液からPTFEを凝集・分離した後の凝集排水の10gをメトラートレド製ハロゲン式水分測定器HR−73に入れ、200℃で質量が一定になるまで乾燥させた後の蒸発残分をSS分とした。この温度ではPFOAもAPFOも昇華してしまうため、SS分としてカウントされない。
なお、以下の実施例、比較例において、ppm、%などは特に断らない限り質量基準である。
PTFEの乳化重合後の凝集排水(SS分2300ppm含有。以下、凝集排水1と記す。)について、APFOの濃度を測定したところ208ppmであった。凝集排水1の1000L(リットル)に、撹拌しながら、65.0gの塩化アルミニウム六水和物を添加し、未凝集PTFE粒子を凝集させ、10分間撹拌させた。続いて2N水酸化ナトリウムを用いて、該凝集排水1のpHを10.0に調整した。撹拌を停止し、15時間静置後の、該排水の上澄みは無色透明であり、SS分は20ppmであった。また、該排水の上澄み中のAPFO濃度は201ppmであった。
この予めPTFEを除去したAPFO含有排水(以下、単に該排水と記す。)を、ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置(ササクラ社製、商品名:EVCC濃縮装置)を用いて減圧濃縮させた。該排水の供給量は50L/時とし、EVCC濃縮装置内部を20kPaに保った。また、EVCC濃縮装置内部の循環液の温度を65±2℃に保った。運転開始直後からEVCC濃縮装置内部の液は発泡を始めたが、あふれ出るほど大量には発生しなかった。15時間かけて該排水の750LをEVCC濃縮装置に導入し、37.5倍濃縮水の20Lを得た。蒸発した水は凝縮させて全量採取し、分析したところ、APFO濃度は1ppmであった。このことから、EVCC濃縮装置による減圧濃縮によってロスしたAPFOは0.48%(0.73g)であった。EVCC濃縮装置で使用したエネルギーは3.42kWであった。
このEVCC濃縮装置によって濃縮した37.5倍濃縮水を、エジェクターを備えたフラッシュ型濃縮装置(ササクラ社製、商品名:FTC濃縮装置)を用いてさらに濃縮させた。濃縮操作中、FTC濃縮装置内部の圧力を20kPaに保った。また、温度は50±2℃に保った。20時間かけて20Lの37.5倍濃縮水を750倍濃縮水の1.0Lまで濃縮させた。このFTC濃縮装置から排出された凝縮水の全てを回収し、APFO濃度を測定したところ、1ppmであった。このことから、FTC濃縮装置によってロスしたAPFOは0.013%(0.019g)であった。FTC濃縮装置で使用したエネルギーは28.2kWであった。この750倍濃縮水中のAPFO濃度は15.0%であった。
この750倍濃縮水は白濁しており、白色沈殿物が約16容積%認められた。pHは11.9であった。この750倍濃縮水に濃硫酸を加えて、pHを1に調整した。硫酸添加中はアンカー翼で撹拌した。pHが4を下回った時点から、該濃縮水中に白色浮遊物が多く発生し始めた。pHを1に調整後30分間撹拌した。このpH1に調整した濃縮水にR−225cbの100gを添加した。濃縮水中に発生した白色沈殿はR−225cb相に溶解した。R−225cb相を分液し、R−225cbの全量を室温で蒸発させ、白色固体の143.1gを得た。赤外分光分析の結果、この白色固体はペルフルオロオクタン酸であった。このEVCC濃縮装置とFTC濃縮装置による濃縮操作でのAPFOの回収率は99%であった。
APFOを乳化剤として用いる乳化重合で製造したPTFEを凝集させた。この含水PTFE粉末10.0kg(含水率48質量%)を熱風循環式オーブンに入れ、100℃から5℃/分の速度で経時的に昇温後、200℃で1時間熱処理した。この熱風循環式オーブンからの排ガスの排気量は4.5Nm/hであった。この排ガスの全量を直径50cm、高さ500cmのスプレー塔に導入した。この時のガスの線速は約0.5m/秒であった。このスプレー塔内に水酸化ナトリウムを用いてpHを10に調整したイオン交換水35kgを循環・噴霧させた。PTFE粉末の乾燥・熱処理終了後、スプレー塔内のアルカリ水中のAPFO濃度を分析したところ、498質量ppmであった。
このAPFO含有水溶液に0.2Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを10.0に調整した。液温は26℃であった。このAPFO含有排水をヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置(ササクラ社製、商品名:EVCC濃縮装置)により減圧濃縮させた。該APFO含有排水の供給量は10L/時とし、EVCC濃縮装置内部を20kPaに保った。また、EVCC濃縮装置内部の循環液の温度を65±2℃に保った。4時間かけて該APFO含有排水の35LをEVCC濃縮装置に導入し、17.5倍濃縮水の2Lを得た。蒸発した水は凝縮させて全量採取し、分析したところ、APFO濃度は1ppmであった。このことから、EVCC濃縮装置による濃縮によってロスしたAPFOは0.011%(0.002g)であった。EVCC濃縮装置で使用したエネルギーは0.158kWであった。
このEVCC濃縮装置によって濃縮した17.5倍濃縮水をロータリーエバポレーターを用いてさらに濃縮させた。ロータリーエバポレーター内部の圧力を20kPaに保った。また、温度は50±2℃に保った。2時間かけてこの17.5倍濃縮水を233倍濃縮水の0.15Lまで濃縮させた。このロータリーエバポレーターから排出された凝縮水の全量を回収し、APFO濃度を測定したところ、1ppmであった。このことから、ロータリーエバポレーターによってロスしたAPFOは0.013%(0.0024g)であった。ロータリーエバポレーターで使用したエネルギーは1.40kWであった。この233倍濃縮水中のAPFO濃度は11.6%であった。
この233倍濃縮水は白濁しており、白色沈殿物が約17容積%認められた。pHは11.4であった。この233倍濃縮水に濃硫酸を加えて、pHを1に調整した。硫酸添加中はアンカー翼で撹拌した。pHが4を下回った時点から、該濃縮水中に白色浮遊物が多く発生し始めた。pHを1に調整後30分間撹拌した。このpH1に調整した濃縮水にn−C18の10gを添加した。濃縮水中に発生した白色沈殿はn−C18相に溶解した。n−C18相を分液し、n−C18の全量を室温で蒸発させ、白色固体16.5gを得た。赤外分光分析の結果、この白色固体はペルフルオロオクタン酸であった。このEVCCとロータリーエバポレーターによる濃縮操作でのAPFOの回収率は99%であった。
TFE/HFP/VdF共重合体の排水(SS分50ppm、APFO含有量780ppm)の200Lを、2N水酸化カリウム水溶液を用いてpHを10.0に調整した。
このAPFO含有排水を、エジェクターを備えたフラッシュ型濃縮装置(ササクラ社製、商品名:FTC濃縮装置)を用いて濃縮させた。濃縮操作中FTC濃縮装置内部の圧力を20kPaに保った。また、温度は60±2℃に保った。100時間かけて200LのAPFO含有排水を200倍濃縮水の1.0Lまで濃縮させた。このFTC濃縮装置から排出された凝縮水の全量を回収し、APFO濃度を測定したところ、1ppmであった。このことから、FTC濃縮装置によってロスしたAPFOは0.13%(0.198g)であった。FTC濃縮装置で使用したエネルギーは154.4kWであった。この200倍濃縮液のAPFO濃度は15.6%であった。
この200倍濃縮水は白濁しており、白色沈殿物が約16容積%認められた。pHは11.2であった。この200倍濃縮水に濃硫酸を加えて、pHを1に調整した。硫酸添加中はアンカー翼で撹拌した。pHが4を下回った時点から、該濃縮水中に白色浮遊物が多く発生し始めた。pHを1に調整後30分間撹拌した。このpH1に調整した濃縮水にR−225cbの100gを添加した。濃縮水中に発生した白色沈殿はR−225cb相に溶解した。R−225cb相を分液し、R−225cbの全量を室温で蒸発させ、白色固体148.6gを得た。赤外分光分析の結果、この白色固体はペルフルオロオクタン酸であった。このFTC濃縮装置による濃縮操作でのAPFOの回収率は99%であった。
[比較例]
PTFEの乳化重合後の凝集排水(SS分2300ppm含有)について、APFOの濃度を測定したところ148ppmであった。この凝集排水の1000Lに65.0gの塩化アルミニウム六水和物を添加し、未凝集PTFE粒子を凝集させた。続いて0.2N水酸化ナトリウムを用いて、該排水のpHを10.0に調整した。15時間静置後の、該排水の上澄みは無色透明であり、SS分は20ppmであった。また、該排水の上澄み中のAPFO濃度は141ppmであった。
このあらかじめSS分を除去した凝集排水の10Lを、凝縮装置を備えた内容積20Lのガラス製丸底フラスコに入れた。この丸底フラスコをオイルバスにて120℃に加熱し、凝集排水を濃縮させた。この操作を75回行い、750Lの凝集排水を1.3Lに濃縮した。濃縮倍率は577倍であった。濃縮操作中に、凝縮装置内部に白色固体が付着し、凝集排水の補給の10回につき1回内部を洗浄する必要があった。この凝縮装置を洗浄した水を分析したところ、付着した白色固体はAPFOであった。前記濃縮操作で使用したエネルギーは584kWであった。
この577倍濃縮水は白濁しており、白色沈殿物が約15容積%認められた。pHは11.5であった。この577倍濃縮水の全量を平均口径10μmのろ紙でろ過した。ろ液は淡黄色のやや粘調な液体であった。ろ液中のAPFO濃度を測定したところ、4.8質量%(62.4g)であり、回収率は59.0%であった。ろ液の全量をガラス製の内容積2Lのビーカーに入れ、1N塩酸を加えてpHを1にした。塩酸添加中はアンカー翼で撹拌した。pHが4を下回った時点から、該濃縮水中に白色浮遊物が多く発生し始めた。pHを1に調整後30分間撹拌した。このpH1に調整した濃縮水にR−225cbの200gを添加した。濃縮水中に発生した白色沈殿はR−225cb相に溶解した。R−225cb相を分液し、R−225cbの全量を室温で蒸発させ、白色固体61.6gを得た。赤外分光分析の結果、この白色固体はペルフルオロオクタン酸であった。
本発明の含フッ素乳化剤の回収方法によれば、含フッ素ポリマーの凝集排水から効率的かつ簡便に含フッ素乳化剤を回収できる。また、既知の回収方法と比較して、あらたに別の化学物質を添加する必要がなく、回収効率も高い。

Claims (12)

  1. 含フッ素乳化剤の濃度が1質量ppm以上1質量%以下である水性液(A)を、圧力100kPa以下、かつ、該水性液(A)の温度100℃以下で減圧濃縮せしめて、該含フッ素乳化剤の濃度が高濃度化された水性液(B)とし、該水性液(B)から該含フッ素乳化剤を回収することを特徴とする含フッ素乳化剤の回収方法。
  2. 前記水性液(B)における含フッ素乳化剤の濃度が5質量%以上である請求項1に記載の回収方法。
  3. 前記水性液(A)が、含フッ素乳化剤を含む水性媒体中で少なくとも1種の含フッ素モノマーを乳化重合または水性分散重合して得られる含フッ素ポリマーの製造工程における、該含フッ素ポリマーを分離した後の排水(A1)、および該含フッ素ポリマーの乾燥工程および/または熱処理工程の排ガスを水性液で洗浄して得られる該含フッ素乳化剤を含む水性液(A2)からなる群より選ばれる少なくとも1種の水性液である請求項1または2に記載の回収方法。
  4. 前記減圧濃縮が、2段以上の複数段階に分けて行われる請求項1、2または3に記載の回収方法。
  5. 前記水性液(B)からの含フッ素乳化剤の回収が、非水溶性含フッ素有機溶媒を用いる抽出法によって行われる請求項1〜4のいずれかに記載の回収方法。
  6. 前記排水(A1)中の浮遊固形物および浮遊固形物になりうる物質の含有量が0.3質量%以下である請求項1〜5のいずれかに記載の回収方法。
  7. 前記減圧濃縮を行う装置が、ヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置である請求項1〜6のいずれかに記載の回収方法。
  8. 前記減圧濃縮を行う装置が、フラッシュ型濃縮装置である請求項1〜6のいずれかに記載の回収方法。
  9. 前記2段以上の複数段階に分けて行われる減圧濃縮は、1段目がヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置を用いて行われ、かつ、2段目以降がヒートポンプを備えた加熱管面蒸発型濃縮装置またはフラッシュ型濃縮装置を用いて行われる請求項4〜6のいずれかに記載の回収方法。
  10. 前記含フッ素ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン/エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン/プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン/プロピレン/フッ化ビニリデン共重合体、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン/CF=CFO(CFCF共重合体およびポリフッ化ビニリデンからなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項3〜9のいずれかに記載の回収方法。
  11. 前記含フッ素乳化剤が、炭素原子数5〜13であり、分子中にエーテル性の酸素原子を有していてもよい酸であり、かつペルフルオロアルカン酸、ω−ヒドロペルフルオロアルカン酸、ω−クロロペルフルオロアルカン酸およびペルフルオロアルカンスルホン酸からなる群から選ばれる少なくとも1種の酸の塩である請求項1〜10のいずれかに記載の回収方法。
  12. 前記塩が、ナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩およびアンモニウム塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項11に記載の回収方法。
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