WO2018109823A1 - ストロンチウムイオン吸着剤およびその製造方法 - Google Patents

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adsorbent
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旗 馮
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国立大学法人香川大学
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    • B01J20/02Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
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    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/04Treating liquids
    • G21F9/06Processing
    • G21F9/12Processing by absorption; by adsorption; by ion-exchange

Definitions

  • the present invention relates to a strontium ion adsorbent and a method for producing the same. More particularly, the present invention relates to a strontium ion adsorbent that selectively adsorbs strontium ions in seawater and a method for producing the same.
  • Seawater contains high-concentration sodium ions (Na + ), magnesium ions (Mg 2+ ), calcium ions (Ca 2+ ), and potassium ions (K + ). These are the same alkali metals or alkaline earth metals as cesium ions (Cs + ) and strontium ions (Sr 2+ ), have similar properties, and these metals are well soluble in water. Therefore, a highly selective adsorbent is required to remove radioactive cesium ions and strontium ions from radiation-contaminated water containing seawater components.
  • Crystallized silicotitanate (CST) and ferrocyanide are known as highly selective adsorbents for cesium ions. These adsorbents have a high selectivity for cesium ions.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 As highly selective adsorbents of strontium ions, crystallized silicotitanate (CST), zeolite, potassium tetratitanate (K 2 Ti 4 O 9 ), potassium dititanate (K 2 Ti 2 O 5 ), hollandite-type manganese oxidation A product (K 2 Mn 8 O 16 ) is known (Non-Patent Documents 1 to 3). However, these adsorbents have insufficient ability to adsorb strontium ions in seawater.
  • an object of the present invention is to provide a strontium ion adsorbent having a high adsorption ability of strontium ions in seawater and a method for producing the same.
  • a strontium ion adsorbent including a manganese oxide having a layered crystal structure and having potassium ions in the interlayer.
  • the strontium ion adsorbent of the present invention the following embodiments are suitable.
  • B The strontium ion adsorbent is represented by the following formula (1) or (2): (1) K x T y Mn 1-y In the formula, T represents a polyvalent metal, x and y are numbers satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 0.45, respectively.
  • Li is a lithium atom substituted with Mn
  • x and z are numbers satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 0.33, respectively.
  • the multivalent metal T in the formula (1) is Ni, Mg, Cu, Co, Zn or Al.
  • the multivalent metal T in the formula (1) is Ni, Mg or Cu.
  • x is a number satisfying 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7.
  • x is a number satisfying 0.35 ⁇ x ⁇ 0.6.
  • G Manganese oxide having a K 2 Mn 4 O 8 crystal structure is included as a manganese oxide having a layered crystal structure containing potassium ions between layers.
  • At least one interlayer metal source compound selected from the group consisting of potassium salts, potassium oxides and potassium hydroxides, and a group consisting of manganese salts, manganese oxides and manganese hydroxides
  • a method for producing the above strontium ion adsorbent characterized by mixing at least one more selected manganese source compound and calcining the obtained mixture at a temperature of 350 ° C. or higher.
  • the strontium ion adsorbent of the present invention has high selective adsorptivity to strontium ions, and can particularly effectively adsorb strontium ions present in seawater. Moreover, since this strontium ion adsorbent can be produced by firing a mixture of an interlayer metal source compound containing K and a manganese source compound without using a solvent (that is, reacting in a solid phase), There is no load for removing the solvent, and the manufacturing cost is excellent.
  • FIG. 3 is an XRD pattern of KMO synthesized in Experiment 1.
  • FIG. It is an XRD pattern of KMO synthesized in Experiment 2.
  • 4 is a graph showing the Sr ion adsorption amount of KMO synthesized in Experiments 1 to 3. It is an XRD pattern of the manganese oxide synthesized in Experiment 2 after Sr ion adsorption.
  • FIG. 7 is a graph showing Sr ion adsorption rates of KTMO and KLMO synthesized in Experiment 7.
  • strontium ion adsorbent The strontium ion adsorbent of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “Sr adsorbent”) has a layered crystal structure (hereinafter sometimes simply referred to as “layered structure”), and contains potassium ions between the layers. Manganese oxide having a crystalline structure is included.
  • FIG. 1 shows a crystal structure of the manganese oxide having a layered structure and having K ions between the layers.
  • the crystal structure of such a manganese oxide has an octahedron (MnO 6 ) in which six O ions surround a trivalent or tetravalent Mn, and this MnO 6 octahedron.
  • the octahedron layer is formed in a layered manner by sharing the ridges, and potassium ions are present between the layers of the octahedron layer so as to compensate for the charge balance.
  • X-ray diffraction Cu—K ⁇
  • the layered structure may be maintained even if a part of the Mn atom is substituted with another metal atom.
  • the above-mentioned manganese oxide having a layered crystal structure has a cation exchange property due to the layered structure, and in particular, K ions existing between the layers exchange with strontium ions, thereby adsorbing to strontium ions.
  • the effective ion radius of strontium ions is 1.16 ⁇
  • the effective ion radius of K ions is 1.38 ⁇ , which is about the same as the effective ion radius of strontium ions.
  • the (001) plane spacing is about 6.9 to 7.2 mm. Since this face spacing is close to the size of water molecules, water molecules can penetrate between the layers, and this spacing slightly increases (about 7.0 to 7.3 mm).
  • the above-described manganese oxide having a layered structure is obtained in a state where it coexists with other manganese oxides, for example, and has a tunnel crystal structure in which potassium ions are present in the tunnel. Manganese oxides may coexist.
  • Such a tunnel crystal structure (hereinafter, sometimes simply referred to as “tunnel structure”) is obtained by heating the potassium oxide existing between the layers by synthesizing a manganese oxide having the above-mentioned layered crystal structure by a solid-state reaction described later.
  • a tunnel structure is formed from a layered structure using ions as a template.
  • FIG. 2 schematically shows a crystal form of a hollandite-type manganese oxide (K 2 Mn 8 O 16 ) having a tunnel structure derived from a layered structure in which K ions exist between layers.
  • a skeleton that forms a tunnel space is constructed by connecting MnO 6 octahedrons of manganese oxide.
  • the hollandite-type manganese oxide having a tunnel structure also has a tunnel size similar to the interlayer space of the layered structure, and thus exhibits selective adsorption with respect to strontium ions as well.
  • the selective adsorptivity to strontium ions exhibited by the manganese oxide having a tunnel structure is not as high as that of the manganese oxide having a layered structure. This is because the entry and exit of Sr ions into the tunnel is limited as compared with the layers.
  • the Sr adsorbent of the present invention may contain a tunnel structure Mn oxide together with the layered manganese oxide described above, but it is desirable that the generation of the tunnel structure is suppressed.
  • the ratio ⁇ / ⁇ with respect to the intensity ⁇ of the peak at 24 to 26 degrees is preferably 10 or less, particularly in the range of 0 to 2.
  • the Sr adsorbent of the present invention containing such a manganese oxide has an atomic composition represented by the following formula (1) or (2).
  • (1) K x T y Mn 1-y In the formula, T represents a polyvalent metal, x and y are numbers satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 0.45, respectively.
  • (2) K X Li Z Mn 1-Z In the formula, Li is a lithium atom substituted with Mn, x and z are numbers satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 0.33, respectively.
  • Li is also an alkali metal like K. However, since Li has a small radius and is close to the radius of Mn, it substitutes for Mn rather than being present in the interlayer or tunnel, as shown in Formula (2). , It will be present at the Mn site in the crystal skeleton.
  • the polyvalent metal T in the formula (1) is present by substituting Mn for a part of the Mn site in the crystal skeleton.
  • examples of such polyvalent metal T include, but are not limited to, Mg, Ni, Co, Cu, Zn, Al, Fe, Ti, V, and Nb.
  • a plurality of polyvalent metals may be replaced by a part of Mn. Ni, Cu, Mg, Co, Zn or Al is preferred, and Ni, Cu or Mg is particularly preferred.
  • the Sr adsorbent of the present invention is classified into an unsubstituted type, a polyvalent metal substituted type, and a Li substituted type depending on the composition.
  • the polyvalent metal substitution type in particular tends to be excellent in Sr adsorption capacity.
  • the composition of such Mn oxide is represented by the following formula (1a).
  • x is a number satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1, as in the formula (1).
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5.
  • This type of Sr adsorbent has a metal atom composition in which y> 0 in the formula (1), and a part of the Mn site in the crystal skeleton of Mn is substituted with the above-described polyvalent metal T.
  • Mn oxide is included.
  • the composition of such Mn oxide is represented by the following formula (1b), for example.
  • T is the polyvalent metal
  • x is a number satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1, as in the formula (1)
  • y is a number satisfying 0 ⁇ y ⁇ 0.45
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5 as in the formula (1a).
  • This type of Sr adsorbent contains a manganese oxide having a metal atom composition corresponding to the formula (2).
  • the composition of such a manganese oxide is represented by the following (2a).
  • x and z are numbers satisfying 0.25 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 0.33, similarly to the formula (2).
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5 as in the formulas (1a) and (1b). That is, the Sr adsorbent represented by this formula includes a manganese oxide having a crystal structure in which a part of the Mn site in the crystal skeleton is substituted with lithium (Li).
  • Li has a radius close to that of Mn, it is hardly introduced into the interlayers and tunnels by firing described below, and is introduced by replacing Mn with a part of the Mn site of the MnO 6 octahedron. It becomes.
  • the manganese oxide represented by the above formulas (1a), (1b), and (2a) has a layered crystal structure of MnO 6 octahedron.
  • a Mn oxide having a tunnel crystal structure generated from a layered structure is included. This is because the tunnel structure is formed from the layered structure by heating when the manganese oxide having the above crystal structure is synthesized by a solid-state reaction described later, using potassium ions existing between the layers as a template.
  • the manganese oxide having the tunnel structure as described above ideally has a molar ratio K / Mn of potassium ions and manganese existing in the tunnel of 0.25, and its composition is K 2 Mn 8 O 16 is represented.
  • the one having the highest Sr adsorptivity is a manganese oxide having a layered crystal structure in which potassium ions are present between layers, and the Sr adsorptivity of the Mn oxide having a tunnel crystal structure Is not as great as the manganese oxide with a layered crystal structure. Therefore, in the Sr adsorbent of the present invention, the lower the content of the tunnel crystal structure manganese oxide, the higher the Sr adsorptivity.
  • the value of x in the above-mentioned formula (1) or formula (2) (or formula (1a), (1b) or (2a)) is 0.25 or more, for example, 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7 is more preferable, and 0.35 ⁇ x ⁇ 0.6 is particularly preferable.
  • the smaller the value of x the more K / Mn (K / (T + Mn) or K / (Li + Mn) in the Mn substitution type) is 0.25. This is because it means that many tunnel crystal structures having a molar composition are included.
  • the Sr adsorbent of the present invention is produced by reacting an interlayer metal source compound and a Mn source compound in a solid phase, and when a part of the Mn site in the crystal skeleton is substituted with a polyvalent metal T or Li atom.
  • a polyvalent metal source compound or a Li source compound is used.
  • potassium compound is used as the intermetal source compound.
  • examples of potassium compounds include at least one of salts such as potassium carbonate, potassium bicarbonate, potassium nitrate, potassium sulfate, and potassium acetate; oxides such as potassium oxide; and hydroxides such as potassium hydroxide.
  • potassium carbonate is preferably used.
  • manganese salts such as manganese carbonate, manganese nitrate, manganese sulfate, and manganese acetate
  • manganese oxides such as manganese oxide
  • manganese hydroxides such as manganese hydroxide
  • manganese carbonate is preferably used.
  • the polyvalent metal source compound depending on the type of polyvalent metal substituted with Mn by a salt such as the aforementioned polyvalent metal T (for example, Mg), oxides and hydroxides, etc. used.
  • the Li source compound include Li salts such as lithium carbonate, lithium nitrate, lithium sulfate, and lithium acetate; Li oxides such as lithium oxide; and Li hydroxides such as lithium hydroxide; used.
  • the solid-phase reaction between the interlayer metal source compound and the Mn source compound described above is performed by adding a polyvalent metal source compound or lithium source compound as appropriate to the mixture of both or a mixture thereof, and further adding a small amount of a volatile solvent such as ethanol. After pulverizing and drying as appropriate, firing is performed in the air or in an oxygen atmosphere at a temperature of 350 ° C. or higher. After the reaction is completed, the product is washed with water as necessary and further dried.
  • the Sr adsorbent of the present invention containing a manganese oxide having a layered crystal structure and having potassium ions between the layers can be obtained.
  • the Sr adsorbent When the Sr adsorbent is produced as described above, various raw materials are used, for example, in order to satisfy the atomic composition represented by the above formula (1) or formula (2).
  • oxygen contained in each raw material compound or oxygen in the atmosphere serves as an oxygen source, and Sr adsorption mainly composed of manganese oxide having the composition represented by the formula (1a), (1b) or (2a) An agent is obtained. That is, the charge ratio of the above raw material compounds is set so that the value of x in each formula is in the range of 0.25 to 1, but contains a large amount of manganese oxide having a layered crystal structure, and produces a tunnel crystal structure.
  • the charging ratio of the above raw material compounds is set so that the value of x is in the range of 0.3 to 0.7, more preferably 0.35 to 0.6.
  • the peak intensity ratio ⁇ / ⁇ of the X-ray diffraction peak described above can be set within a predetermined range.
  • Manufacturing conditions such as the firing temperature are set in an appropriate range according to the type of manganese oxide constituting the target Sr adsorbent.
  • manufacturing conditions according to the type of manganese oxide will be described.
  • Unsubstituted Sr adsorbent (hereinafter abbreviated as KMO);
  • the manganese oxide constituting this type of Sr adsorbent is the above-described formula (1a), that is, K X MnO 2 + q (1a)
  • x is 0.25 ⁇ x ⁇ 1 (preferably 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7, More preferably, the number satisfies 0.35 ⁇ x ⁇ 0.6)
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5
  • the charge amounts of the interlayer metal source compound and the Mn source compound are set so that the value of x in the above formula (1a) satisfies the above range.
  • the firing temperature at this time is preferably 350 ° C. or higher, particularly preferably 400 ° C. or higher. If the firing temperature is too low, the target layered crystal structure may not be produced in a sufficient amount. In addition, if the temperature is excessively high, the crystal structure is destroyed and the tunnel structure is excessively generated. Therefore, the firing temperature is usually 800 ° C. or lower, particularly preferably 500 ° C. or lower. In the examples described later, it has been confirmed that manganese oxide containing potassium can be obtained at a firing temperature of 400 to 600 ° C. Although the case where the firing temperature is 700 to 800 ° C.
  • a manganese oxide having a tunnel structure represented by the above-described formula (1a) is also generated together with the generation of the layered crystal structure.
  • the firing is performed until at least the X-ray diffraction peak of the interlayer metal source compound or Mn source compound used as the raw material disappears and the X-ray diffraction peak peculiar to the layered crystal structure appears, and it varies depending on the firing temperature. Usually, it is about 2 to 8 hours.
  • KTMO Polyvalent metal substitution type Sr adsorbent
  • the manganese oxide constituting this type of Sr adsorbent is the above-described formula (1b), that is, K X T y Mn 1-y O 2 + q (1b)
  • T is the polyvalent metal
  • x is 0.25 ⁇ x ⁇ 1 (preferably 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7, More preferably, the number satisfies 0.35 ⁇ x ⁇ 0.6)
  • y is a number satisfying 0 ⁇ y ⁇ 0.45
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5, It is represented by
  • the charging ratio of each raw material compound is set so that the value of x falls within a predetermined range.
  • the firing temperature in this case may be appropriately determined according to the type of polyvalent metal and the like, but is generally 350 ° C. or higher, and preferably 400 ° C. or higher.
  • the firing temperature is usually 800 ° C. or lower, particularly preferably 500 ° C. or lower.
  • KLMO Li-substituted Sr adsorbent
  • the manganese oxide constituting this type of Sr adsorbent is the above-described formula (2a), that is, K X Li Z Mn 1-Z O 2 + q (2a)
  • x is 0.25 ⁇ x ⁇ 1 (preferably 0.3 ⁇ x ⁇ 0.7, More preferably, the number satisfies 0.35 ⁇ x ⁇ 0.6)
  • z is a number satisfying 0 ⁇ z ⁇ 0.33
  • q is a number satisfying 0 ⁇ q ⁇ 0.5, It is represented by
  • the firing temperature is 350 ° C. or higher, and particularly 800 ° C. or lower, more preferably 500 ° C. or lower. It is desirable to do. If the firing temperature is too low, the intended layered crystal structure is not generated. On the other hand, if the temperature is excessively high, the crystal structure is broken and the amount of tunnel structure increases. That is, by making the value of x in the formula (2a) and the firing temperature within the above-mentioned preferable range, the generation of the tunnel structure can be suppressed and higher strontium ion adsorption can be obtained. In this case, the firing time is usually about 2 to 8 hours.
  • the Sr adsorbent of the present invention produced as described above is used after being adjusted to an appropriate particle size by pulverization, granulation, or the like, if necessary.
  • This Sr adsorbent exhibits excellent selective adsorption properties with respect to Sr ions present in seawater, exhibits equivalent or better performance than adsorbents such as A-type zeolite, and has a high adsorption rate. Therefore, a small amount shows an adsorptivity equivalent to or better than that of A-type zeolite, which is extremely advantageous in terms of cost.
  • the Sr ion adsorption amount indicated by the Sr adsorbent of the present invention using a liquid in which 10 ppm of Sr ions is introduced into seawater having a predetermined composition (for details, refer to the experimental example). Is more than 2 mg / g (preferably about 2.3 mg / g for A-type zeolite), more than 3 mg / g is particularly suitable, and is 4 mg / g or more to 5.5 mg / g or less.
  • the Sr ion adsorption amount is shown.
  • the adsorption tower is filled, and seawater containing strontium ions is allowed to flow through the adsorption tower, thereby effectively removing strontium ions from the seawater.
  • the Sr adsorbent of the present invention may be used by exchanging potassium ions present between layers with protons (H + ) by weak acid treatment to such an extent that the layered crystal structure of the manganese oxide is not destroyed. it can.
  • the Sr adsorbent of the present invention may be mixed with the above-mentioned different types of Mn oxide components, and has excellent Sr adsorptivity due to Mn oxide having a K 2 Mn 4 O 8 layer crystal structure.
  • Other oxide components may be included as long as they are not impaired.
  • a hollandite-type manganese oxide (K 2 Mn 8 O 16 ) having a tunnel structure was produced, but a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was not produced.
  • mainly a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced, a small amount of unknown impurity A was also produced.
  • K / Mn was 0.4 or more, K 2 Mn 4 O 8 having a layered structure was mainly generated.
  • the obtained composite was measured with an XRD measuring apparatus (SHIMADZU XRD-6100).
  • a hollandite-type manganese oxide (K 2 Mn 8 O 16 ) having a tunnel structure was produced, and a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was not produced.
  • K / Mn was 0.4 or more, K 2 Mn 4 O 8 having a layered structure was mainly generated.
  • the amount of unknown impurity A slightly increased as the value of K / Mn increased.
  • the obtained composite was measured with an XRD measuring apparatus (SHIMADZU XRD-6100).
  • a hollandite-type manganese oxide (K 2 Mn 8 O 16 ) having a tunnel structure was produced.
  • a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was not generated.
  • the amount of impurity A slightly increased as the value of K / Mn increased. Further, the amount of impurity A increased as the firing temperature increased.
  • Standard seawater having the following composition was prepared. Na + concentration: 10800 ppm Ca 2+ concentration: 412 ppm K + concentration: 400 ppm Mg 2+ concentration: 1280 ppm Sr ions were added to this standard seawater to adjust the Sr ion concentration to 10 ppm. To 50 ml of this Sr-containing standard seawater, 0.05 g of the sample manganese oxide was added and stirred for 2 days with a stirrer to carry out an adsorption treatment.
  • the Sr ion concentration of seawater before and after the adsorption treatment was measured by ICP, and the adsorption amount was determined.
  • the amount of adsorption was obtained by calculating the weight of strontium adsorbed on the adsorbent (manganese oxide of the sample) from the difference in Sr ion concentration before and after adsorption and dividing it by the weight of the adsorbent. The results are shown in FIG. 6 and Tables 1 to 3 below.
  • Adsorption amount Strontium decrease amount [mg] / Adsorbent weight [g]
  • Kd ((C 0 ⁇ C t ) / C t ) ⁇ V / m
  • C 0 Strontium concentration (ppm) in seawater before adsorption treatment
  • C t Strontium concentration (ppm) in seawater after adsorption treatment
  • V Volume of adsorbed solution (mL)
  • m Addition amount of adsorbent (g)
  • FIG. 6 and Tables 1 to 3 show that the adsorption amount of Sr ions decreases as the firing temperature increases. This is presumably because the crystal particle diameter increases as the firing temperature increases. That is, the increase in the crystal particle diameter increases the diffusion distance of adsorbed Sr ions into the crystal, making it difficult to adsorb Sr ions.
  • the K / Mn> 0.4 to produce impurities A depending on conditions such as the value and the firing temperature of the K / Mn, which is Sr 2+ It is inferred that the amount of adsorption decreased.
  • A-zeolite showed the highest adsorption amount among the conventional adsorbents, but the Sr adsorbent of the present invention (unsubstituted type) The adsorption amount was equal to or greater than that of the adsorbent.
  • type A-zeolite showed the highest partition coefficient, but the Sr adsorbent of the present invention (unsubstituted type) was calcined at 400 to 500 ° C. in particular.
  • the obtained Sr adsorbent of the present invention (unsubstituted type) showed a higher partition coefficient than A-type zeolite.
  • the obtained synthesized product was washed with distilled water for 24 hours and then measured with an XRD measuring apparatus (SHIMADZU XRD-6100).
  • the Sr ion adsorption amount and the distribution coefficient of the sample after washing with water were measured by an adsorption test in standard seawater in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
  • the basal plane spacing of the layered structure K 2 Mn 4 O 8 phase was increased from 0.709 nm to 0.714 nm by washing with water. From this, it is considered that H 2 O molecules were inserted between the layers of the layered structure, and the basal plane distance d was slightly expanded.
  • Example 7-2 Cu substitution, KCuMO
  • a fired product was obtained in the same manner as in Experiment 7-1 except that 0.996 g of CuCO 3 .Cu (OH) 2 .H 2 O was used instead of 0.991 g of cobalt carbonate.
  • Example 7-3 Mg substitution, KMgMO
  • a fired product was obtained in the same manner as in Experiment 7-1 except that 0.840 g of MgO was used instead of 0.991 g of cobalt carbonate.
  • Example 7-4 Ni substitution, KNiMO
  • a fired product was obtained in the same manner as in Experiment 7-1 except that 1.045 g of NiCO 3 ⁇ 2Ni (OH) ⁇ 4H 2 O was used instead of 0.991 g of cobalt carbonate.
  • Example 7-6 Al substitution, KAlMO
  • a fired product was obtained in the same manner as in Experiment 7-1 except that 0.520 g of Al (OH) 3 was used instead of 0.991 g of cobalt carbonate.
  • the adsorbent after drying the synthesized product obtained in Experiments 7-1 to 7-7 was measured with an XRD measuring device (SHIMADZU XRD-6100).
  • the XRD measurement results are shown in FIG.
  • Experiment 7-1 Co substitution; only layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-2 Cu substitution; only a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-3 Mg substitution; only a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-4 Ni substitution; only a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-5 Zn substitution; only layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-6 Al substitution; only a layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • Experiment 7-7 Li substitution; only layered structure (K 2 Mn 4 O 8 ) was produced.
  • the layered crystal structure (K 2 Mn 4 O 8 ) is formed in the case of the polyvalent metal substitution type and the Li substitution type. In the polyvalent metal substitution type and the Li substitution type, the layered crystal structure (K 2 Mn 4 O) is formed. It can be seen that 8 ) is easy to generate. It is considered that the layered crystal structure (K 2 Mn 4 O 8 ) is stabilized by the addition of a polyvalent metal or Li.
  • the strontium ion adsorbent of the present invention can be used to remove strontium ions from seawater containing strontium ions, such as radiation-contaminated water discharged by a nuclear power plant accident.

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Abstract

本発明のストロンチウムイオン吸着剤は、層状結晶構造を有し、層間にカリウムイオンが存在しているマンガン酸化物を含んでいることを特徴とする。

Description

ストロンチウムイオン吸着剤およびその製造方法
 本発明は、ストロンチウムイオン吸着剤およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、特に海水中のストロンチウムイオンを選択的に吸着するストロンチウムイオン吸着剤およびその製造方法に関する。
 原子力発電所の事故初期には冷却水として大量の海水を格納容器に注入した。これにより生じた放射線汚染水の処理が求められている。海水には高濃度のナトリウムイオン(Na)、マグネシウムイオン(Mg2+)、カルシウムイオン(Ca2+)、カリウムイオン(K)が含まれている。これらはセシウムイオン(Cs)やストロンチウムイオン(Sr2+)と同じアルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、性質が類似するうえ、これらの金属は水によく溶ける。そのため、海水成分を含有する放射線汚染水から放射性セシウムイオンとストロンチウムイオンとを除去するには、高選択性の吸着剤が必要である。
 セシウムイオンの高選択性吸着剤として、結晶化シリコチタネート(CST)やフェロシアン化鉄が知られている。これらの吸着剤はセシウムイオンの高い選択性を有している。
 ストロンチウムイオンの高選択性吸着剤として、結晶化シリコチタネート(CST)、ゼオライト、四チタン酸カリウム(KTi)、二チタン酸カリウム(KTi)、ホランダイト型マンガン酸化物(KMn16)が知られている(非特許文献1~3)。しかし、これらの吸着剤は海水中のストロンチウムイオンを吸着する能力が不十分である。
可児祐子、浅野隆、「セシウム・ストロンチウム同時吸着剤の開発」、Isotope News、2013年12月号、No.716、pp.18-22 森浩一、岩崎守、三村均、神田仁智、「層状チタン酸カリウムを基材としたストロンチウム吸着剤の開発」、J. Ion Exchange、Vol.26、No.3、pp.6-12 (2015) Q. Feng、H. Kanoh、Y.Miyai、K. Ooi、「Alkali metal ions insertion/extraction reactions with hollandite-type manganese oxide in the aqueous phase」、Chem. Mater. 7、pp.148-253 (1995)
 本発明は上記事情に鑑み、海水中のストロンチウムイオンの吸着能力が高いストロンチウムイオン吸着剤およびその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明によれば、層状結晶構造を有しており、層間内にカリウムイオンが存在しているマンガン酸化物を含むストロンチウムイオン吸着剤が提供される。
 本発明のストロンチウムイオン吸着剤においては、以下の態様が好適である。
(A)前記マンガン酸化物は、X線回折(Cu-Kα)において、2θ=11.2~13.2度、24~26度及び35~38度の領域に、前記層状結晶構造に特有の回折ピークを示すこと。
(B)前記ストロンチウムイオン吸着剤は、下記式(1)または(2):
 (1) KMn1-y
 式中、Tは多価金属を示し、
    x及びyは、それぞれ、0.25≦x≦1、0≦y≦0.45を満
   足する数である、
 (2) KLiMn1-Z
 式中、Liは、Mnと置換されたリチウム原子であり、
    x及びzは、それぞれ0.25≦x≦1、0<z≦0.33を満足
   する数である、
で表される原子組成を有すること。
(C)前記式(1)における多価金属TがNi、Mg、Cu、Co、ZnまたはAlであること。
(D)前記式(1)における多価金属TがNi、Mg又はCuであること。
(E)前記式(1)及び(2)において、xが、0.3≦x≦0.7を満足する数であること。
(F)前記式(1)及び(2)において、xが、0.35≦x≦0.6を満足する数であること。
(G)層間内にカリウムイオンを含む層状結晶構造を有するマンガン酸化物として、KMn状結晶構造を有するマンガン酸化物を含んでいること。
 本発明によれば、また、カリウム塩、カリウム酸化物及びカリウム水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種の層間金属源化合物と、マンガン塩、マンガン酸化物及びマンガン水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種のマンガン源化合物とを混合し、得られた混合物を350℃以上の温度で焼成することを特徴とする上記ストロンチウムイオン吸着剤の製造方法が提供される。
 本発明の製造方法においては、目的とするストロンチウムイオン吸着剤の化学組成に応じて、
(H)多価金属塩、多価金属酸化物及び多価金属水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種の多価金属源化合物を、前記層間金属源化合物及び前記マンガン源化合物と混合して焼成を行うこと、
(I)リチウム塩、リチウム酸化物及びリチウム水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種のリチウム源化合物を、Mn置換金属源として使用し、前記層間金属源化合物及び前記マンガン源化合物と混合して焼成を行うこと、
という態様を採用することができる。
 本発明のストロンチウムイオン吸着剤は、ストロンチウムイオンに対する選択吸着性が高く、特に海水中に存在するストロンチウムイオンを有効に吸着することができる。
 また、このストロンチウムイオン吸着剤は、溶媒を使用せず、Kを含む層間金属源化合物とマンガン源化合物との混合物を焼成する(即ち、固相で反応させる)ことにより製造することができるため、溶媒の除去のための負荷がなく、製造コストなどの面でも極めて優れている。
層状結晶構造を有し、層間にカリウムイオンを含むマンガン酸化物の結晶構造を示す模式図である。 トンネル結晶構造を有し、トンネル内にカリウムイオンを含むマンガン酸化物の結晶構造を示す模式図である。 実験1で合成されたKMOのXRDパターンである。 実験2で合成されたKMOのXRDパターンである。 実験3で合成されたKMOのXRDパターンである。 実験1~3で合成されたKMOのSrイオン吸着量を示すグラフである。 Srイオン吸着後の、実験2で合成されたマンガン酸化物のXRDパターンである。 実験2と同様にして合成されたKMOを水洗した試料について測定したXRDパターンである。 図8のKMOのSrイオン吸着量を示すグラフである。 実験7で合成されたKTMO及びKLMOのXRDパターンである。 実験7で合成されたKTMO及びKLMOのSrイオン吸着率を示すグラフである。
(ストロンチウムイオン吸着剤)
 本発明のストロンチウムイオン吸着剤(以下、単に「Sr吸着剤」と略すことがある)は、層状結晶構造(以下、単に「層状構造」と略すことがある)を有し、層間にカリウムイオンを含む結晶構造を有するマンガン酸化物を含んでいる。
 図1には、層状構造を有しており且つ層間にKイオンが存在している上記マンガン酸化物の結晶構造が示されている。
 図1から理解されるように、かかるマンガン酸化物の結晶構造は、3価または4価のMnを6つのOイオンが取り囲んだ八面体(MnO)を有しており、このMnO八面体が稜共有により層状に連なって八面体層を形成しており、この八面体層の層間に電荷のバランスを補う形でカリウムイオンが存在している。
 このような層状構造を有する代表的な物質は、KMnで表される組成を有している。かかる層状構造の存在は、XRDにより、(001)面に由来する2θ=12.2度近辺の回折ピークが発現していることから確認することができ、例えば、X線回折(Cu-Kα)において、2θ=11.2~13.2度、24~26度及び35~38度の領域に、該層状構造に特有の回折ピークを示すことから確認できる。このような層状構造においては、Mn原子の一部が他の金属原子で置換されてもその層状構造が維持されることがある。
 上述した層状結晶構造を有するマンガン酸化物は、その層状構造により陽イオン交換性を有しているが、特に層間に存在するKイオンが、ストロンチウムイオンとイオン交換することにより、ストロンチウムイオンに対する吸着性を示す。
 例えば、ストロンチウムイオンの有効イオン半径は1.16Åであるのに対し、Kイオンの有効イオン半径は1.38Åであり、ストロンチウムイオンの有効イオン半径と同程度である。
 また、層間にKイオンが存在している場合、(001)面の面間隔は、6.9~7.2Å程度である。この面間隔は、水分子の大きさにも近いため、層間に水分子が侵入することができ、これにより、この面間隔はわずかに増大する(7.0~7.3Å程度)。
 尚、上記のように層間に水分子が導入されている場合、(001)面の面間隔が多少拡大することに関連して、層状構造に特有のX線回折ピークの一部は、若干シフトし、例えば、X線回折(Cu-Kα)において、2θ=11.5~13.5度、24.2~26.2度及び35.1~38.1度の領域に、特有の回折ピークを示す。乾燥等により水分子を除去した後は、再び、前述した位置に特有の回折ピークを示すこととなる。
 また、上述した層状構造を有するマンガン酸化物は、その製法上、他のマンガン酸化物などと共存する状態で得られ、例えば、トンネル内にカリウムイオンが存在しているトンネル結晶構造を有しているマンガン酸化物が共存していることがある。このようなトンネル結晶構造(以下、単に「トンネル構造」と呼ぶことがある)は、後述する固相反応により上記の層状結晶構造のマンガン酸化物を合成する際の加熱により、層間に存在するカリウムイオンがテンプレートとなって、層状構造からトンネル構造が形成されることとなる。
 図2には、層間にKイオンが存在している層状構造から誘導されるトンネル構造のホランダイト型マンガン酸化物(KMn16)の結晶形態が模式的に示されている。この結晶構造は、マンガン酸化物のMnO八面体が連結することによってトンネル空間を形成する骨格が構築されている。このようなトンネル構造の形成は、例えばXRDにより、2θ=34度付近にトンネル構造に特有の回折ピークが発現することから確認でき、例えば、X線回折(Cu-Kα)において、2θ=12~13度、17.5~18.5度、28~29度、37~38度、41.3~42.3度、49~50度及び55.5~56.5度の領域に、上記のトンネル結晶構造に特有の回折ピークを示す。
 トンネル構造を有するホランダイト型マンガン酸化物においても、層状構造の層間スペースと同じ程度のトンネルサイズを有しており、従って、同様にストロンチウムイオンに対して選択吸着性を示す。
 但し、トンネル構造を有するマンガン酸化物が示すストロンチウムイオンに対する選択吸着性は、層状構造を有するマンガン酸化物ほどではない。トンネル内へのSrイオンの出入りは、層間に比して制限されるからである。
 従って、本発明のSr吸着剤においては、前述した層状構造のマンガン酸化物と共にトンネル構造のMn酸化物を含んでいてもよいが、トンネル構造の生成が抑制されていることが望ましい。例えば、前述したトンネル構造に特有のX線回折ピーク(即ち、2θ=17.5~18.5度に示されるピーク)の強度αと、層状構造に特有のX線回折ピーク(即ち、2θ=24~26度に示されるピーク)の強度βとの比α/βが10以下、特に0~2の範囲にあることが好適である。
 上述した層状構造を有しているマンガン酸化物およびトンネル構造を有しているマンガン酸化物においては、結晶骨格中のMnO八面体のMnサイトの一部が他の金属で置換されていてもよい。このようなマンガン酸化物を含む本発明のSr吸着剤は、下記式(1)または(2)で表される原子組成を有している。
 (1) KMn1-y
  式中、Tは多価金属を示し、
     x及びyはそれぞれ0.25≦x≦1、0≦y≦0.45を満足
    する数である。
 (2) KLiMn1-Z
  式中、Liは、Mnと置換されたリチウム原子であり、
     x及びzは、それぞれ0.25≦x≦1、0<z≦0.33を満
    足する数である。
 また、LiもKと同様アルカリ金属であるが、Liの半径が小さくMnの半径に近いため、層間やトンネル内に存在するというよりも、Mnと置換し、式(2)で示されるように、結晶骨格中のMnサイトに存在することとなる。
 さらに、式(1)中の多価金属Tは、結晶骨格中のMnサイトの一部にMnと置換して存在するものである。このような多価金属Tとしては、これに限定されるものではないが、例えば、Mg、Ni、Co、Cu、Zn、Al、Fe、Ti、V及びNbを挙げることができる。複数の多価金属が、Mnの一部に置き換わっていてもよい。Ni、Cu、Mg、Co、ZnまたはAlが好適であり、Ni、CuまたはMgが特に好適である。
 従って、本発明のSr吸着剤は、その組成によって、未置換型、多価金属置換型及びLi置換型に分類される。これら3タイプのうち、特に多価金属置換型は、Sr吸着能に優れる傾向にある。
未置換型;
 このタイプのSr吸着剤は、前記式(1)においてy=0に相当する金属原子組成を有している。即ち、結晶骨格中のMnサイトは、他の金属(例えば多価金属TやLi原子)で置換されたサイトを含んでいないMn酸化物を含んでいる。このようなMn酸化物の組成は、下記式(1a)で表される。
   KMnO2+q         (1a)
   式中、xは、前記式(1)と同様、0.25≦x≦1を満足する数で
     あり、
      qは、0≦q≦0.5を満足する数である。
多価金属置換型;
 このタイプのSr吸着剤は、前記式(1)において、y>0である金属原子組成を有するものであり、Mnの結晶骨格中のMnサイトの一部が、前述した多価金属Tで置換されているMn酸化物を含んでいる。このようなMn酸化物の組成は、例えば下記式(1b)で表される。
   KMn1-y2+q      (1b)
   式中、Tは、前記多価金属であり、
      xは、前記式(1)と同様、0.25≦x≦1を満足する数で
     あり、
      yは、0<y≦0.45を満足する数であり、
      qは、前記式(1a)と同様、0≦q≦0.5を満足する数で
     ある。
Li置換型;
 このタイプのSr吸着剤は、前記式(2)に相当する金属原子組成を有するマンガン酸化物を含んでいる。このようなマンガン酸化物の組成は、下記(2a)で表される。
   KLiMn1-Z2+q      (2a)
   式中、x及びzは、前記式(2)と同様、0.25≦x≦1及び
     0<z≦0.33を満足する数であり、
      qは、前記式(1a)及び(1b)と同様、0≦q≦0.5を
     満足する数である。
 即ち、かかる式で表されるSr吸着剤は、結晶骨格中のMnサイトの一部がリチウム(Li)で置換されている結晶構造を有するマンガン酸化物を含むものである。この場合、Liは、その半径がMnに近いため、後述する焼成によって、層間やトンネル内にはほとんど導入されず、MnO八面体のMnサイトの一部にMnと置換して導入されることとなる。
 ところで、先にも述べたように、上述した式(1a)、(1b)及び(2a)で表されるマンガン酸化物は、MnO八面体の層状結晶構造を有するものであり、このような層状構造に由来して生成するトンネル結晶構造を有するMn酸化物を含んでいる場合がある。後述する固相反応により上記結晶構造のマンガン酸化物を合成する際の加熱により、層間に存在するカリウムイオンがテンプレートとなって、層状構造からトンネル構造が形成されるからである。
 上記のようなトンネル構造を有するマンガン酸化物は、理想的には、トンネル内に存在するカリウムイオンとマンガンとのモル比K/Mnが0.25であり、その組成は、KMn16表される。
 本発明のSr吸着剤において、最も高いSr吸着性を示すものは、層間にカリウムイオンが存在している層状結晶構造を有するマンガン酸化物であり、トンネル結晶構造を有するMn酸化物のSr吸着性は、層状結晶構造のマンガン酸化物が示すほどではない。
 従って、本発明のSr吸着剤においては、トンネル結晶構造のマンガン酸化物の含有量が少ない程、より高いSr吸着性を示す。このため、前述した式(1)或いは式(2)(或いは式(1a)、(1b)又は(2a))中のxの値が0.25以上であることが好ましく、例えば、0.3≦x≦0.7がより好ましく、0.35≦x≦0.6が特に好ましい。前述したxの範囲(0.25≦x≦1)の中で、xの値が小さい程、K/Mn(Mn置換型ではK/(T+Mn)或いはK/(Li+Mn))が0.25のモル組成を有するトンネル結晶構造を多く含んでいることを意味しているからである。
<Sr吸着剤の製造法>
 本発明のSr吸着剤は、層間金属源化合物とMn源化合物とを固相で反応させることにより製造され、結晶骨格中のMnサイトの一部を多価金属T或いはLi原子で置換する場合には、上記の層間金属源化合物及びMn源化合物と共に、多価金属源化合物或いはLi源化合物が使用される。
 層間金属源化合物としては、当然、カリウム化合物が使用される。カリウム化合物の例としては、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、硝酸カリウム、硫酸カリウム、酢酸カリウム等の塩;酸化カリウム等の酸化物;及び水酸化カリウム等の水酸化物;の少なくとも1種を使用することができ、特に炭酸カリウムが好適に使用される。
 Mn源化合物としては、炭酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン、酢酸マンガン等のマンガン塩;酸化マンガン等のマンガン酸化物;水酸化マンガン等のマンガン水酸化物;の少なくとも1種を使用することができ、特に炭酸マンガンが好適に使用される。
 また、多価金属源化合物としては、前述した多価金属T(例えばMg)等の塩、酸化物及び水酸化物等、特に水酸化物が、Mnと置換する多価金属の種類に応じて使用される。
 さらに、Li源化合物としては、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム等のLi塩;酸化リチウム等のLi酸化物;及び水酸化リチウム等のLi水酸化物;好適には、炭酸リチウムが使用される。
 前述した層間金属源化合物とMn源化合物との固相反応は、両者の混合物或いはこの混合物に多価金属源化合物或いはリチウム源化合物を適宜加え、さらにエタノール等の揮発性溶媒を少量添加してペースト状とし、適宜粉砕及び乾燥を行った後、350℃以上の温度で大気中あるいは酸素雰囲気中で焼成することにより行われ、反応終了後、必要に応じて水洗し、さらに乾燥することにより、前述した層状結晶構造を有し且つ層間にカリウムイオンが存在するマンガン酸化物を含む本発明のSr吸着剤を得ることができる。
 上記のようにしてSr吸着剤を製造するに際して、各種原料化合物の仕込み比は、例えば、前述した式(1)或いは式(2)で示される原子組成を満足するように、各種の化合物を使用すればよく、これにより、各原料化合物が有する酸素或いは大気中の酸素が酸素源となり、式(1a)、(1b)或いは(2a)で表される組成のマンガン酸化物を主体とするSr吸着剤が得られる。
 即ち、上記の原料化合物の仕込み比は、各式におけるxの値が0.25~1の範囲となるように設定されるが、層状結晶構造のマンガン酸化物を多く含み、トンネル結晶構造の生成が抑制された酸化物を得るためには、xの値が、0.3~0.7、より好ましくは0.35~0.6の範囲となるように、上記の原料化合物の仕込み比が調整され、これにより、前述したX線回折ピークのピーク強度比α/βを所定の範囲とすることが可能となる。
 焼成温度等の製造条件は、目的とするSr吸着剤を構成するマンガン酸化物のタイプに応じて適宜の範囲に設定される。
 以下、このマンガン酸化物のタイプに応じた製造条件を説明する。
未置換型Sr吸着剤(以下、KMOと略す);
 このタイプのSr吸着剤を構成するマンガン酸化物は、前述した式(1a)、即ち、
   KMnO2+q         (1a)
   式中、xは、0.25≦x≦1(好ましくは0.3≦x≦0.7、
     より好ましくは0.35≦x≦0.6)を満足する数であり、
      qは、0≦q≦0.5を満足する数である、
で表される。
 このタイプのSr吸着剤の製造では、上述したように、層間金属源化合物とMn源化合物との仕込み量を、上記式(1a)のxの値が上記範囲を満足するように設定して固相で反応が行われるが、このときの焼成温度は、350℃以上、特に400℃以上が好ましい。この焼成温度が低すぎると、目的とする層状結晶構造が十分な量で生成しない虞がある。また、過度に高温とすると、結晶構造の破壊やトンネル構造が過度に生成してしまうので、通常、焼成温度は800℃以下、特に500℃以下が好ましい。
 尚、後述の実施例では、焼成温度400~600℃でカリウムを含むマンガン酸化物が得られることが確認されている。焼成温度700~800℃の場合については直接的には確認されていないが、カリウムの代わりにナトリウムを含むマンガン酸化物の場合、400~600℃でも700~800℃でも得られることが本出願人による別の出願で確認されていることから(PCT/JP2016/080081 例えば図3参照)、カリウムを含むマンガン酸化物も焼成温度700~800℃で得られることは必至である。
 尚、層状結晶構造の生成と共に前述した式(1a)で表されるトンネル構造を有するマンガン酸化物も生成するが、K/Mn比が小さい程或いは焼成温度が高くなる程、トンネル構造の結晶構造の量が増大する傾向がある。従って、トンネル構造のマンガン酸化物の生成を抑制し、前述したピーク強度比α/βの値を前述した範囲(10以下、特に0~2)に調整するために、前述したように原料化合物の仕込み量を設定すると同時に、焼成温度を、上記の好適範囲とするのがよい。これにより、より高いストロンチウムイオン吸着性を得ることができる。
 また、焼成は、少なくとも原料に用いた層間金属源化合物やMn源化合物のX線回折ピークが消失し且つ層状結晶構造に特有のX線回折ピークが発現するまで行われ、焼成温度によっても異なるが、通常、2~8時間程度である。
多価金属置換型Sr吸着剤(以下、KTMOと略す);
 このタイプのSr吸着剤を構成するマンガン酸化物は、前述した式(1b)、即ち、
   KMn1-y2+q      (1b)
   式中、Tは、前記多価金属であり、
      xは、0.25≦x≦1(好ましくは0.3≦x≦0.7、
     より好ましくは0.35≦x≦0.6)を満足する数であり、
      yは、0<y≦0.45を満足する数であり、
      qは、0≦q≦0.5を満足する数である、
で表される。
 このタイプのマンガン酸化物からなるSr吸着剤の製造においても、上述したように、xの値が所定の範囲となるように各原料化合物の仕込み比が設定されるが、かかる酸化物では、Mnの一部を多価金属Tで置換する。
 この場合の焼成温度は、多価金属の種類等に応じて適宜決定すればよいが、一般的には350℃以上であり、400℃以上が好適である。また、過度に高温とすると、結晶構造の破壊やトンネル構造が過度に生成してしまうので、通常、焼成温度は800℃以下、特に500℃以下が好ましい。
 即ち、かかるSr吸着剤においても、K/Mn比が小さい程或いは焼成温度が高くなる程、トンネル構造の結晶構造の量が増大する傾向がある。このことは、後述の実験1~3とともに、本出願人による別の出願(PCT/JP2016/080081)のNaに関する実験(例えば実験1(2)(3)や実験4)から明らかである。従って、トンネル構造のマンガン酸化物の生成を抑制し、前述したピーク強度比α/βの値を所定の範囲に調整するために、式(1b)中のxの値や焼成温度を、上記の好適範囲とするのがよい。これにより、より高いストロンチウムイオン吸着性を得ることができる。
 さらに、この場合も、焼成時間は、通常、2~8時間程度である。
Li置換型Sr吸着剤(以下、KLMOと略す);
 このタイプのSr吸着剤を構成するマンガン酸化物は、前述した式(2a)、即ち、
   KLiMn1-Z2+q      (2a)
   式中、xは、0.25≦x≦1(好ましくは0.3≦x≦0.7、
     より好ましくは0.35≦x≦0.6)を満足する数であり、
      zは、0<z≦0.33を満足する数であり、
      qは、0≦q≦0.5を満足する数である、
で表される。
 このタイプのSr吸着剤の製造では、Mnの一部をLiで置換するため、これに伴い、焼成温度は、350℃以上とし、また、特に800℃以下、より好ましくは500℃以下の範囲とすることが望ましい。この焼成温度が低すぎると、目的とする層状結晶構造が生成しない。また、過度に高温とすると、結晶構造の破壊やトンネル構造の量が増大する。即ち、式(2a)中のxの値や焼成温度を、上記の好適範囲とすることにより、トンネル構造の生成を抑制し、より高いストロンチウムイオン吸着性を得ることができる。
 更に、この場合においても、焼成時間は、通常、2~8時間程度である。
 上記のようにして製造される本発明のSr吸着剤は、必要に応じて粉砕、造粒等により、適宜の粒度に粒度調整して使用に供される。
 このSr吸着剤は、海水中に存在するSrイオンに対しても優れた選択吸着性を示し、A型ゼオライト等の吸着剤と比較しても同等以上の性能を示し、さらにその吸着速度も速いため、少ない量でA型ゼオライトと同等以上の吸着性を示し、コスト的に極めて有利である。例えば、後述する実験例でも示されているように、所定の組成の海水(詳細は、実験例参照)にSrイオン10ppmを投入した液を用いて本発明のSr吸着剤が示すSrイオン吸着量は、好適なものでは2mg/gを超えており(A型ゼオライトで約2.3mg/g)、特に好適なものでは、3mg/gを大きく超え、4mg/g以上で5.5mg/g以下のSrイオン吸着量を示す。
 従って、本発明の吸着剤を、適宜の粒度に粒度調整した後、吸着塔に充填し、この吸着塔にストロンチウムイオンを含む海水を流すことにより、海水中からのストロンチウムイオンを効果的に除去することができる。
 さらに、本発明のSr吸着剤は、マンガン酸化物が有する層状結晶構造が破壊されない程度の弱酸処理によって層間に存在しているカリウムイオンをプロトン(H)にイオン交換して使用に供することもできる。
 さらに、本発明のSr吸着剤は、前述したタイプの異なるMn酸化物成分が混合されていてもよいし、また、KMn層状結晶構造のMn酸化物による優れたSr吸着性が損なわれない範囲で、他の酸化物成分を含んでいてもよい。
<実験1:KMO(未置換型)の合成、焼成温度400℃>
 以下の手順で未置換型のマンガン酸化物を固相法により合成した。
 炭酸カリウム(KCO)の粉末と、炭酸マンガン(MnCO・nHO、和光純薬工業株式会社製炭酸マンガン(II)n水和物(MW=114.95g/mol))の粉末とを以下の割合で混合した。
K/Mn(モル)=0.2;炭酸カリウム0.4861g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.3;炭酸カリウム0.7292g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.4;炭酸カリウム0.9722g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.5;炭酸カリウム1.215g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.6;炭酸カリウム1.457g、
             炭酸マンガン4.354g
 この混合物に少量のエタノールを添加しペースト状にして、ボールミルで300rpm・2h混合した。得られた試料を乾燥した後、乳鉢ですりつぶし、空気中温度400℃で4時間焼成して焼成物を得た。
 得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりであった。
K/Mn(モル)=0.2; K0.2Mn(IV)O2.1
K/Mn(モル)=0.3; K0.3Mn(IV)O2.15
K/Mn(モル)=0.4; K0.4Mn(IV)O2.2
K/Mn(モル)=0.5; K0.5Mn(IV)O2.25
K/Mn(モル)=0.6; K0.6Mn(IV)O2.3
 得られた合成物をXRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図3に示す。図3には、(001)面に由来する2θ=12.2度での面間隔dの値が示されている。また、図3では、焼成前の炭酸マンガン原料由来のピーク(2θ=12~13度、30.5~31.5度)と炭酸カリウム原料由来のピーク(2θ=30.5~31度、49~50度)が消失していることが確認された。
 このXRDの結果から、α/βを算出したところ、以下の通りであった。
K/Mn(モル)=0.2;
 α/β=1/0
 トンネル構造を有するホランダイト型マンガン酸化物(KMn16)が生成したが、層状構造(KMn)は生成しなかった。
K/Mn(モル)=0.3;
 α/β=2.2
K/Mn(モル)=0.4;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)のみ生成した。
K/Mn(モル)=0.5;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)のみ生成した。
K/Mn(モル)=0.6;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)生成したが、少量の未知の不純物Aも生成した。
 焼成温度400℃の場合、K/Mn=0.2では主にトンネル構造のKMn16が生成した。K/Mn=0.3ではトンネル構造のKMn16と層状構造のKMnが両方生成した。K/Mn=0.4以上では主に層状構造のKMnが生成していた。
<実験2:KMO(未置換型)の合成、焼成温度500℃>
 焼成温度を500℃とし、以下の割合で炭酸カリウムと炭酸マンガンとを混合した点以外は、実験1と同様にして、K/Mn(モル)=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9および1.0の焼成物(合成物)を得た。
K/Mn(モル)=0.2;炭酸カリウム0.4861g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.3;炭酸カリウム0.7292g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.4;炭酸カリウム0.9716g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.5;炭酸カリウム1.214g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.6;炭酸カリウム1.457g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.7;炭酸カリウム1.700g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.8;炭酸カリウム1.666g、
             炭酸マンガン3.732g
K/Mn(モル)=0.9;炭酸カリウム1.874g、
             炭酸マンガン3.732g
K/Mn(モル)=1.0;炭酸カリウム2.082g、
             炭酸マンガン3.732g
 得られた合成物をXRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図4に示す。図4には、(001)面に由来する2θ=12.3度での面間隔dの値が示されている。また、図4では、焼成前の炭酸マンガン原料由来のピーク(2θ=12~13度、30.5~31.5度)と炭酸カリウム原料由来のピーク(2θ=30.5~31度、49~50度)が消失していることが確認された。
 このXRDの結果から、α/βを算出したところ、以下の通りであった。
K/Mn(モル)=0.2;
 α/β=1/0
 トンネル構造を有するホランダイト型マンガン酸化物(KMn16)が生成し、層状構造(KMn)は生成しなかった。
K/Mn(モル)=0.3;
 α/β=8.4
K/Mn(モル)=0.4;
 α/β=0.45
K/Mn(モル)=0.5;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)のみ生成した。
K/Mn(モル)=0.6;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=0.7;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=0.8;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=0.9;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=1.0;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
 焼成温度500℃の場合も400℃の場合と同様に、K/Mn=0.2では主にトンネル構造のKMn16が生成した。K/Mn=0.3では層状構造のKMnとトンネル構造のKMn16が両方生成した。K/Mn=0.4以上では主に層状構造のKMnが生成していた。また、500℃の場合には、K/Mnの値が大きくなるにつれ、未知不純物Aの量が少し増加した。
<実験3:KMO(未置換型)の合成、焼成温度600℃>
 焼成温度を600℃とし、以下の割合で炭酸カリウムと炭酸マンガンとを混合した点以外は、実験1と同様にして、K/Mn(モル)=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9および1.0の焼成物(合成物)を得た。
K/Mn(モル)=0.2;炭酸カリウム0.4861g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.3;炭酸カリウム0.7292g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.4;炭酸カリウム0.9716g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.5;炭酸カリウム1.214g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.6;炭酸カリウム1.457g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.7;炭酸カリウム1.700g、
             炭酸マンガン4.354g
K/Mn(モル)=0.8;炭酸カリウム1.666g、
             炭酸マンガン3.732g
K/Mn(モル)=0.9;炭酸カリウム1.874g、
             炭酸マンガン3.732g
K/Mn(モル)=1.0;炭酸カリウム2.082g、
             炭酸マンガン3.732g
 得られた合成物をXRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図5に示す。図5には、(001)面に由来する2θ=12.3度での面間隔dの値が示されている。また、図5では、焼成前の炭酸マンガン原料由来のピーク(2θ=12~13度、30.5~31.5度)と炭酸カリウム原料由来のピーク(2θ=30.5~31度、49~50度)が消失していることが確認された。
 このXRDの結果から、α/βを算出したところ、以下の通りであった。
K/Mn(モル)=0.2;
 α/β=1/0
 トンネル構造を有するホランダイト型マンガン酸化物(KMn16)が生成した。層状構造(KMn)は生成しなかった。
K/Mn(モル)=0.3;
 α/β=7.0
K/Mn(モル)=0.4;
 α/β=0.43
K/Mn(モル)=0.5;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)のみ生成した。
K/Mn(モル)=0.6;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=0.7;
 α/β=0/1
 主に層状構造(KMn)が生成した。少量の不純物Aも生成した。
K/Mn(モル)=0.8;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)と不純物Aが生成した。
K/Mn(モル)=0.9;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)と不純物Aが生成した。
K/Mn(モル)=1.0;
 α/β=0/1
 層状構造(KMn)と不純物Aが生成した。
 焼成温度600℃の場合も400℃、500℃の場合と同様に、K/Mn=0.2では主にトンネル構造のKMn16が生成した。K/Mn=0.3では層状構造のKMnとトンネル構造のKMn16が両方生成した。K/Mn=0.4以上では主に層状構造のKMnが生成した。また、500℃の場合と同様に、K/Mnの値が大きくなるにつれ、不純物Aの量が少し増加した。さらに焼成温度が高くなるにつれ、不純物Aの量が増加した。
<実験4:標準海水でのSr吸着量と分配係数>
 上記実験1~3で得られた未置換型のマンガン酸化物について、以下の試験を行い、Srイオン吸着性を評価し、更に分配係数Kを求めた。
 下記の組成の標準海水を用意した。
   Na濃度:10800ppm
   Ca2+濃度:412ppm
   K濃度:400ppm
   Mg2+濃度:1280ppm
 この標準海水にSrイオンを添加し、Srイオン濃度を10ppmとした。このSr含有標準海水50mlに、試料のマンガン酸化物0.05gを加え、スターラーで2日間撹拌して、吸着処理を行った。
 吸着処理前後の海水のSrイオン濃度をICPで測定し、吸着量を求めた。吸着量は、吸着前後のSrイオン濃度の差分から吸着剤(試料のマンガン酸化物)に吸着されたストロンチウムの重量を求め、それを吸着剤の重量で除算した。結果を図6および下記表1~3に示す。
  吸着量=ストロンチウム減少量[mg]/吸着剤重量[g]
 更に、次式に従い分配係数Kを求めた。結果を図6および下記表1~3に示す。
   K=((C-C)/C)×V/m
    C:吸着処理前の海水のストロンチウム濃度(ppm)
    C:吸着処理後の海水のストロンチウム濃度(ppm)
    V:吸着溶液の体積(mL)
    m:吸着剤の添加量(g)
 また、比較のため、従来の吸着剤として、KMn16(ホランダイト構造)、A型-ゼオライト、NaTi、KTiについても同じ吸着試験を行い、Sr吸着量及び分配係数を算出した。試験結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 図6および表1~3から、焼成温度が高くなるにつれ、Srイオンの吸着量が減少することが分かる。これは、焼成温度が高くなるにともない、結晶粒子径が増大するためと考えられる。即ち、結晶粒子径の増大によって、吸着したSrイオンの結晶内部への拡散距離が大きくなり、Srイオンの吸着が難しくなるためと考えられる。
 また、いずれの焼成温度においても、Sr2+吸着量はK/Mn=0.4のときに非常に高かった。これは、層状構造のKMnのほうが、トンネル構造のKMn16より高い吸着性を示すところ、K/Mn<0.4ではトンネル構造のKMn16の生成量が多く、Sr2+吸着量が低下したからと考えられる。さらに不純物AはほとんどSrイオンの吸着性能を示さないと考えられるところ、K/Mn>0.4では、K/Mnの値や焼成温度などの条件によっては不純物Aが生成するため、これがSr2+吸着量が低下する原因であったと推察される。
 図6および表1~3とともに表4を参照すると、従来の吸着剤のなかでは、A型-ゼオライトが最も高い吸着量を示したが、本発明のSr吸着剤(未置換型)は、従来の吸着剤と同等或いはそれ以上の吸着量を示していた。
 表1~4より、従来の吸着剤のなかでは、A型-ゼオライトが最も高い分配係数を示したが、本発明のSr吸着剤(未置換型)は、特に400~500℃で焼成して得られた本発明のSr吸着剤(未置換型)は、A型-ゼオライトよりも高い分配係数を示した。
<実験5:Sr吸着後のSr吸着剤の構造>
 上記実験4でSrイオンを吸着した後の500℃焼成未置換型Sr吸着剤(実験2のKMO)を取り出し、吸引濾過し、乾燥させた。乾燥後の吸着剤をXRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図7に示す。図7には、(001)面に由来する2θ=12.1度での面間隔dの値が示されている。
 図7より、Sr吸着後の吸着剤では、KMn相の層状構造が維持され、基底面間隔の若干の増大が見られた。
<実験6:水洗した吸着剤の構造、Sr吸着量、分配係数>
 実験2と同様にして、K/Mn(モル)=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の焼成物(合成物)を得た。
 得られた合成物を24時間蒸留水で水洗した後に、XRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図8に示す。図8には、(001)面に由来する2θ=12.2度での面間隔dの値が示されている。
 さらに、水洗後の試料について、上記と同様に標準海水での吸着試験により、Srイオン吸着量および分配係数を測定した。結果を図9および表5に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 図8から、本発明のSr吸着剤(未置換型)では、水洗により、層状構造KMn相の基底面間隔が0.709nmから0.714nmに広がった。このことから、層状構造の層間にHO分子が挿入され、基底面間隔dがわずかに拡張したと考えられる。
 また、図9および表5から、水洗後は、水洗前に比べてSr吸着量が微減した。
 尚、水洗した試料は脱水すると、元の構造に戻ることを確認した。
<実験7:多価金属置換型(KTMO)、Li置換型(KLMO)の合成>
(実験7-1:Co置換、KCoMO)
 下記処方により、原料混合物(K/Co/Mnモル比=0.4/0.25/0.75)を調製した。
   炭酸カリウム(KCO) 1.215g
   炭酸コバルト(CoCO) 0.991g
   炭酸マンガン(MnCO・nHO) 3.266g
 尚、本実験で使用した炭酸マンガンは、実験1で使用したものと同じである。
 この混合物に少量のエタノールを添加しペースト状にして、ボールミルで300rpm・2h混合・粉砕した。得られた試料を乾燥させて乳鉢ですり潰した後、500℃で4時間焼成した。
 得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Co0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-2:Cu置換、KCuMO)
 炭酸コバルト0.991gの代わりに0.996gのCuCO・Cu(OH)・HOを用いた点以外は、実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Cu0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-3:Mg置換、KMgMO)
 炭酸コバルト0.991gの代わりに0.840gのMgOを用いた点以外は、実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Mg0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-4:Ni置換、KNiMO)
 炭酸コバルト0.991gの代わりに1.045gのNiCO・2Ni(OH)・4HOを用いた点以外は、実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Ni0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-5:Zn置換、KZnMO)
 炭酸コバルト0.991gの代わりに0.787gのZnOを用いた点以外は、実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Zn0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-6:Al置換、KAlMO)
 炭酸コバルト0.991gの代わりに0.520gのAl(OH)を用いた点以外は、実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.4Al0.25Mn0.75
  (x=0.4、y=0.25、q=0)
(実験7-7:Li置換、KLMO)
 下記処方により、原料混合物(K/Li/Mnモル比=0.4/0.125/0.875)を調製した。尚、本実験で使用した炭酸マンガンは、実験1で使用したものと同じである。
   炭酸カリウム(KCO) 1.215g
   炭酸リチウム(LiCO) 0.162g
   炭酸マンガン(MnCO・nHO) 3.810g
実験7-1と同様にして焼成物を得た。得られた焼成物(合成物)の原子組成は、以下のとおりである。
  K0.5Li0.125Mn0.875
  (x=0.4、z=0.125、q=0)
 実験7-1~7-7で得られた合成物乾燥後の吸着剤をXRD測定装置(SHIMADZU XRD-6100)により測定した。XRD測定結果を図10に示す。図10では、(001)面に由来する2θ=12.2度での面間隔dの値は7.16Åであった。また、図10では、焼成前の炭酸マンガン原料由来のピーク(2θ=12~13度、30.5~31.5度)と炭酸カリウム原料由来のピーク(2θ=30.5~31度、49~50度)が消失していることが確認された。
 また、このXRDの結果からα/βを算出したところ、いずれの実験においてもα/β=0/1であった。
実験7-1:Co置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-2:Cu置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-3:Mg置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-4:Ni置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-5:Zn置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-6:Al置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
実験7-7:Li置換;層状構造(KMn)のみ生成した。
 多価金属置換型およびLi置換型の場合も、層状結晶構造(KMn)のみが形成されており、多価金属置換型およびLi置換型では層状結晶構造(KMn)が生成しやすいことが判る。多価金属またはLiの添加により層状結晶構造(KMn)が安定化すると考えられる。
 実験4と同様にして、実験7-1~7-7で得られた合成物のSr吸着量および分配係数を求めた。結果は、表6および図11に示す。
 尚、図11では、Sr吸着率(%)を示したが、この値は、以下の式に基づき算出した。
   Sr吸着率(%)=((C-C)/C)×100%
    式中、CおよびCは、前記した通りの意味である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 表6及び図11より、Sr吸着率は、KZnMO < KLMO < KCoMO < KAlMO < KMO < KCuMO < KMgMO < KNiMOの順で増加した。KNiMOが最も高い吸着率を示した。
 本発明のストロンチウムイオン吸着剤は、原子力発電所の事故により排出された放射線汚染水など、ストロンチウムイオンを含む海水からストロンチウムイオンを除去するのに利用できる。

Claims (11)

  1.  層状結晶構造を有しており、層間内にカリウムイオンが存在しているマンガン酸化物を含むことを特徴とするストロンチウムイオン吸着剤。
  2.  前記マンガン酸化物は、X線回折(Cu-Kα)において、2θ=11.2~13.2度、24~26度及び35~38度の領域に、前記層状結晶構造に特有の回折ピークを示す請求項1に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  3.  下記式(1)または(2):
     (1) KMn1-y
      式中、Tは、多価金属を示し、
         x及びyは、それぞれ0.25≦x≦1、0≦y≦
        0.45を満足する数である、
     (2) KLiMn1-Z
      式中、Liは、Mnと置換されたリチウム原子であり、
         x及びzは、それぞれ0.25≦x≦1、0<z≦
        0.33を満足する数である、
    で表される原子組成を有する請求項2に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  4.  前記式(1)における多価金属TがNi、Mg、Cu、Co、ZnまたはAlである請求項3に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  5.  前記式(1)における多価金属TがNi、MgまたはCuである請求項4に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  6.  前記式(1)及び(2)において、xが、0.3≦x≦0.7を満足する数である請求項3に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  7.  前記式(1)及び(2)において、xが、0.35≦x≦0.6を満足する数である請求項6に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  8.  層間内にカリウムイオンを含む層状結晶構造を有するマンガン酸化物として、KMn層状結晶構造を有するマンガン酸化物を含む請求項1に記載のストロンチウムイオン吸着剤。
  9.  カリウム塩、カリウム酸化物及びカリウム水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種の層間金属源化合物と、マンガン塩、マンガン酸化物及びマンガン水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種のマンガン源化合物とを混合し、得られた混合物を350℃以上の温度で焼成することを特徴とする請求項1に記載のストロンチウムイオン吸着剤の製造方法。
  10.  多価金属塩、多価金属酸化物及び多価金属水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種の多価金属源化合物を、前記層間金属源化合物及び前記マンガン源化合物と混合して焼成を行う請求項9に記載の製造方法。
  11.  リチウム塩、リチウム酸化物及びリチウム水酸化物からなる群より選択された少なくとも1種のリチウム源化合物を、Mn置換金属源として使用し、前記層間金属源化合物及び前記マンガン源化合物と混合して焼成を行う請求項9に記載の製造方法。
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