JP4810003B2

JP4810003B2 - 水中有害物イオンの除去方法

Info

Publication number: JP4810003B2
Application number: JP2001167006A
Authority: JP
Inventors: 俊夫蘆谷
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-06-01
Also published as: JP2002361238A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中有害物イオンの除去方法に関する。更に詳細には、活性アルミナ粒子を吸着材として使用する水中有害物イオンの除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の都市化や産業活動の活発化により、水質汚染が問題となっている。特に、砒素、燐、弗素等の有害物による水質汚染は、低濃度でも生物等にとって深刻な問題が生じる場合がある。しかし、水中の有害物を有効に除去する方法は、未だ確立されていないのが現状である。
【０００３】
これらの有害物は、水系では金属酸化物イオン、弗素イオンの形態で陰イオンとして溶解している。このような水中有害物イオンの除去方法の１つとして、活性アルミナ粒子による吸着法が注目されている。安価で大量供給が可能なバイヤー法由来の活性アルミナ粒子は、微量のＮａ₂ Ｏを不純物として含有するため、水中でアルカリ性を示す。そのため、活性アルミナ粒子表面の酸素が水酸化イオンを吸着して負に荷電すると、活性アルミナ粒子の有害物イオンに対する吸着容量が低下する。
【０００４】
活性アルミナ粒子を酸処理すると、有害物イオンを始めとする水中陰イオンに対する粒子の吸着容量が向上することが知られている。
【０００５】
堀ノ内和夫と蘆谷俊夫（住友化学誌１９９８−II、ｐ４−１１）は、活性アルミナ粒子に酸成分を被着してＮａ₂ Ｏを中和すると、酸処理後の活性アルミナ粒子は、砒酸や弗素等の陰イオンに対する吸着容量及び吸着速度が向上することを報告している。Ｎａ₂ Ｏ中和による吸着特性の向上は、活性アルミナ粒子を含む水のｐＨが陰イオンの吸着に不利なアルカリ性から吸着に有利な中性から弱酸性に改質されるためである。
【０００６】
酸処理に際し、硫酸や塩酸のような鉱酸に代えて硫酸アルミニウムや硫酸チタン溶液のような酸性金属塩溶液を使用すると、酸成分被着によるｐＨの低下効果だけでなく、被着した金属塩水和物のイオン交換作用により吸着容量が向上することが知られている。
【０００７】
真島美智雄、田口洋治、小柳聡、小松聡［水質汚濁研究 Vol.１０,No.８, ｐ５０３−５１０（１９８７）］は、活性アルミナ粒子に硫酸チタン溶液を被着させて焼成すると弗素イオンに対する吸着容量が増加することを報告している。また、浦野紘平、亀屋隆志、高梨啓和等［月間地球環境、ｐ５６−５９, No. １０ (１９９８）及び第３３回日本水環境学会年会講演集、ｐ５０−５１ (１９９９）］は、活性アルミナ粒子に硫酸アルミニウムを被着させると燐酸イオンに対する吸着容量が大幅に向上することを報告している。
【０００８】
浦野と立川［用水と廃水 Vol. ２９, No. ５, ｐ３−１２（１９８７）］によれば、硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子の燐酸イオン吸着機構は、アルミナ表面のＯＨ基及び硫酸基と燐酸イオンとのイオン交換反応である。
【０００９】
Ａｌ₂ Ｏ₃ ・３Ｈ₂ Ｏ＋２Ｈ₂ ＰＯ₄ ^- →２ＡｌＰＯ₄ ＋２ＯＨ^- ＋４Ｈ₂ Ｏ（水和したアルミナ表面）
Ａｌ₄ （ＯＨ）₆ （ＳＯ₄ ）₃ ＋４Ｈ₂ ＰＯ₄ ^- →４ＡｌＰＯ₄ ＋３ＳＯ₄ ^2-＋２Ｈ⁺ ＋６Ｈ₂ Ｏ（アルミナ表面に被着した硫酸アルミニウム）
前記イオン交換反応により吸着容量を向上させる方法は、Ｎａ₂ Ｏ成分を中和する方法に比べて、燐酸イオンの吸着量が通常一桁多い。
【００１０】
次に、従来技術の問題点について記す。
【００１１】
酸性金属塩被着活性アルミナ粒子を水中有害物イオンの吸着除去に適用するに際しては、有害物イオンに対する吸着容量及び吸着速度が水処理費に大きな影響を与える重要因子である。しかし、従来の酸性金属塩の被着方法は、成形した活性アルミナ粒子を酸性金属塩溶液に浸漬し、粒子内部に酸成分を浸透拡散させることにより被着させる方法（以下、浸漬法と記す）であり、被着による細孔容積の減少や粒子表面の細孔の閉塞が生じる。得られた粒子は、酸成分の粒子内濃度分布が不均一となって、粒子表面が高く粒子内部が低いＭ型分布になる。
【００１２】
浦野と立川［Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，Vol . ３０１８９３−１８９６（１９９１）］によれば、硫酸アルミニウム被着量を増加させると粒子の細孔容積が減少（有効吸着面積の減少）するため、酸被着量が活性アルミナ１ｇ当たり０．２ｍｍｏｌに達すると吸着容量は上限に達し、０．６ｍｍｏｌ以上になると吸着容量が減少する。すなわち、０．２ｍｍｏｌ／ｇを超えて硫酸アルミニウムを被着させても吸着容量が増加せず、細孔容積の減少が生じるので、吸着速度を向上させることが困難であるという問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、コストが低く、水中の有害物イオンを効率的に除去する方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、再水和性を有する粉末活性アルミナに酸性金属塩溶液を添加して成形するという酸処理操作と成形操作との一体化により、有害物イオンに対する吸着性能が向上した活性アルミナ粒子が得られることを発見し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、吸着材を用いて水中有害物イオンを除去する方法において、前記吸着材は酸性金属塩成分を粒子の表面から内部に至るまで均一な濃度分布となるように被着させた、平均粒子径０．３ｍｍ〜８ｍｍの活性アルミナ粒子であることを特徴とする水中有害物イオンの除去方法に関する。
【００１６】
本発明の除去方法に用いられる吸着材は、酸性金属塩成分を粒子の表面から内部に至るまで均一な濃度分布となるように被着させた活性アルミナ粒子である。
【００１７】
ここで、「粒子の表面から内部に至るまで均一な濃度分布となるように被着させた」とは、酸性金属塩成分を被着させた活性アルミナ粒子の表面から内部まで、被着成分に由来する元素濃度を測定し、その濃度分布が均一であることを指標にする。前記元素濃度は、実施例に記載のように測定することができ、その濃度分布が均一であることは、例えば図１に記載のような方形型分布により示される。
【００１８】
本発明において酸性金属塩とは、原料の活性アルミナに含まれるＮａ₂ Ｏを中和しうるものであれば特に制限されないが、イオン交換反応による有害物イオンの吸着容量の増加という観点から、酸根としては硫酸根が好ましい。硫酸根を有する酸性金属塩としては、硫酸アルミニウム、硫酸チタン、硫酸ジルコニウム、硫酸ハフニウム、硫酸鉄、硫酸イットリウム、硫酸ランタン、硫酸セリウム等が好ましい具体例として挙げられ、安価で処理水が着色しないという観点から硫酸アルミニウムがより好ましい。
【００１９】
本発明において活性アルミナに被着させた酸性金属塩成分の量は、除去目的に応じて適宜設定することができるが、硫酸アルミニウムを例にとると、活性アルミナ１グラム当たり０．２ｍｍｏｌ以上であることが好ましく、より好ましくは０．３〜０．４ｍｍｏｌである。
【００２０】
前記活性アルミナ粒子は、平均粒子径０．３ｍｍ〜８ｍｍの球状であり、中でも０．５ｍｍ〜２ｍｍの球状であることが好ましい。平均粒子径０．３ｍｍ未満の活性アルミナ粒子を用いると、活性アルミナ粒子を固定床に充填して吸着除去する場合、固定床の通水抵抗が高くなったり、原水中の濁質により固定床の目詰まりが生じ易くなることがあり、また移動床または回分式の吸着除去を行う場合には、吸着除去後に吸着剤である活性アルミナ粒子を水中から容易に分離することができなくなる。一方、平均粒子径８ｍｍを超える活性アルミナ粒子を用いると、吸着量が減少したり、吸着速度が小さくなる。
【００２１】
また、前記活性アルミナ粒子において、水銀圧入法で測定した細孔半径１．８ｎｍ〜１００μｍ間の粒子の細孔容積は、有害物イオンの吸着性能を高めるという観点から、０．１５ｍｌ／ｇ以上であることが好ましく、０．２ｍｌ／ｇ以上がより好ましい。
【００２２】
前記水銀圧入法による測定方法は、実施例に記載されている。
【００２３】
本発明の水中有害物イオンの除去方法は、前記活性アルミナ粒子を吸着材として用いることを特徴とする。本発明においては、前記活性アルミナ粒子を固定床に充填し、この固定床に有害物イオンを含有する原水を通水する方法が推奨される。本発明の方法を行うに際しては、通水前、原水のｐＨを調整しておくことが好ましい。原水のｐＨを予め調整することにより、有害物イオンを効率的に除去することができる。ｐＨは、水中から除去する有害物イオンの種類、またこの有害物以外の他の元素のイオンなどが共存するときには、これらのイオンの種類、濃度に応じて適宜設定することが好ましい。例えば、原水中の炭酸イオン、珪酸イオンが存在するときは、原水のｐＨを７以下に調整することにより、有害物イオンを効率的に除去することができる。
【００２４】
さらに、本発明では、通水前、原水の温度を調整しておくことが好ましい。温度は、通常５℃以上、さらには１０℃以上、または４０℃以下、さらには３０℃以下が適当である。
【００２５】
本発明において除去対象となる有害物としては、水中で陰イオンの形態で存在しているものが挙げられ、中性から弱酸性領域の水中で陰イオンに解離するものが好ましい。好ましい具体例としては、弗素、燐酸又は砒素の酸化物等が挙げられる。
【００２６】
［作用効果］
本発明の有害物イオンの除去方法によると、酸性金属塩成分が粒子の表面から内部まで均一に被着して細孔容積の減少や粒子表面の細孔閉塞がほとんどない活性アルミナ粒子を吸着材として用いることにより、水中の有害物イオンを効率的に除去することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する際の詳細条件を説明する。
【００２８】
本発明の有害物イオンの除去方法に用いられる吸着材は、以下のようにして製造することができる。すなわち、再水和性を有する粉末活性アルミナに酸性金属塩溶液を添加し、続いて活性アルミナ粒子に成形するという酸処理と粒子成形を同一工程で行う。
【００２９】
前記再水和性を有する粉末活性アルミナとは、バイヤー法から得られた活性アルミナ又は市販の粉末水酸化アルミニウムを仮焼したものをいう。
【００３０】
仮焼は、例えば、粉末水酸化アルミニウムを約５００℃〜約７００℃の熱ガス中に投入し、瞬間的に活性アルミナへ相転移させた後、回収する方法で行うことができる。
【００３１】
前記再水和性を有する粉末活性アルミナの平均粒子径は、特に制限されるものではないが、造粒の容易さという観点から０．３〜２００μｍが好ましく、１〜２０μｍがより好ましい。平均粒子径を所望の範囲にするために、仮焼後の活性アルミナを粉砕してもよい。
【００３２】
前記酸処理と粒子成形を同一工程で行う方法は、後述のように通常の造粒機を用いて行うことができる。本発明においては、再水和性を有する粉末状の活性アルミナが酸性金属塩溶液により再水和して硬化することを利用する。すなわち、粉末活性アルミナと酸性金属塩溶液との量比を、酸性金属塩溶液の蒸発乾涸を必要とせず、混練後そのまま造粒ができるような範囲とする。
【００３３】
所定重量比の再水和性を有する粉末活性アルミナと酸性金属塩溶液とを造粒機に仕込み、常法で造粒して活性アルミナ粒子に成形する。造粒時に酸性金属塩溶液と再水和性を有する粉末活性アルミナが均一に混合するように、造粒操作を行う。造粒機の機種は特に制限を設けないが、球状の成形粒子を安価に製造したい場合は皿型造粒機又は撹拌造粒機が好ましい。
【００３４】
撹拌造粒機のように一挙に粒子形成が行われるタイプの造粒機では、造粒機に仕込んだ酸性金属塩溶液と再水和性を有する粉末活性アルミナを低速撹拌で数分間混錬して両者を均一に混合し、かつ粉末微粒子に酸成分を被着させた後、撹拌速度を変化させて所定径の粒子に一挙に造粒するという手法を用いるのが好ましい。
【００３５】
皿型造粒機のように核の表面に順次成形層を積み重ねて粒子を徐々に成長させるタイプの造粒機では、所定重量比の再水和性を有する粉末活性アルミナと酸性金属塩溶液とを造粒機に同時供給し、粉末活性アルミナに酸成分を被着させる操作と造粒操作を同時に行わせる。粉末と酸溶液の同時供給により核表面に形成される成形層の酸成分濃度は、皿型造粒期間中のどの時点でも同じとなり、方形の粒子内濃度分布を示す酸成分被着活性アルミナ粒子が得られる。
【００３６】
再水和性を有する粉末活性アルミナと酸性金属塩溶液との重量比は、造粒成形が容易に行える重量比の範囲を選ぶ必要がある。前記重量比は、通常の場合、粉末重量１００部に対し酸性金属塩溶液重量３０〜８０部の範囲である。
【００３７】
造粒機に仕込む際の酸性金属塩溶液の濃度は、活性アルミナ粉末単位重量当たりに被着する酸成分量の設定値と、造粒成形が容易に行える活性アルミナ粉末重量／酸性金属塩溶液重量比の範囲から計算で求める。
【００３８】
本発明においては、粉末活性アルミナは酸性金属塩溶液と再水和反応して硬化するので、成形用のバインダーを特に必要としない。粒子の強度を更に高くしたい場合は、有機又は無機のバインダー又は無機繊維体等を添加してもよい。
【００３９】
本発明における酸成分被着量の定量的制御は、酸性金属塩溶液量を粉末活性アルミナの吸水率の範囲内に設定し、仕込んだ酸成分を全量被着させることにより行う。蒸発乾涸操作を要する浸漬法と比較して、定量的制御が容易である。また、活性アルミナ粒子のＢＥＴ比表面積の低下という問題も生じない。
【００４０】
このようにして得られた活性アルミナ粒子は、加熱乾燥をしない状態でも粒子は濡れておらず、外観は乾燥品と同等である。
【００４１】
成形した粒子の耐圧強度を向上させる目的で、加熱熟成工程を付加して再水和反応を完結させたり、焼成工程を付加することもできる。
【００４２】
多孔質の成形粒子を得る目的で、粒度分布の狭い粒の揃った再水和性を有する粉末活性アルミナを原料として用いたり、成形時に気孔材を添加することもできる。したがって、成形条件を最適化すれば浸漬法より大きい細孔容積が得られる。
【００４３】
【実施例】
以下実施例等により更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例等によりその範囲を制限されるものではない。
【００４４】
［実施例］
（１）再水和性粉末活性アルミナの調製
バイヤー法により得られたＮａ₂ Ｏ含有量０．１６重量％のギブサイト（アルミナ３水和物）を、約７００℃の熱ガス中に投入して瞬間仮焼した。その結果、灼熱減量は５％、平均粒子径１５μｍの主としてχ及びρの結晶形態よりなる再水和性粉末アルミナを得た。
【００４５】
（２）硫酸アルミニウム被着球状活性アルミナ粒子の調製
前記（１）で得た再水和性粉末活性アルミナを撹拌造粒機（カワタ製スーパーミキサー２０Ｌ−ＴＯ−７５型）に仕込み、前記粉末活性アルミナ１ｇ当たり０．３ｍｍｏｌに相当する硫酸アルミニウム溶液を添加した後、低速撹拌（１８０ｒｐｍ）を行って、粉末活性アルミナと硫酸アルミニウム溶液を均一に混錬してから撹拌速度を高速に変えて造粒し（３６０〜１０５０ｒｐｍ）、球状粒子に成形した。
【００４６】
次に、撹拌造粒機から球状粒子を取出し、８ｍｅｓｈ及び１４ｍｅｓｈの篩で篩別し、直径１〜２ｍｍの球状粒子を得た。次いで、前記球状粒子を１０５℃で４時間加熱して再水和せしめ、平均粒子径１．８ｍｍの硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子を得た。
【００４７】
得られた活性アルミナ粒子の物性を、表１に示す。
【００４８】
ＢＥＴ比表面積（ＢＥＴ・Ｓｗ）は、直読式比表面積測定装置（カンタクローム製モノソーブ）を用い、窒素吸着法により測定した。
【００４９】
硫黄含有量は、後述の粒子内硫黄濃度分布の結果から求めた。
【００５０】
細孔容積は、水銀圧入式細孔計（マイクロメトリックス製オートポア・III ９４２０）を用いて測定した。
【００５１】
（３）粒子内硫黄濃度分布の測定
前記（２）で得られた活性アルミナ粒子の被着硫酸アルミニウムの粒子内濃度分布は、粒子内の硫黄元素の濃度分布を測定することにより調べた。
【００５２】
すなわち、前記活性アルミナ粒子を樹脂に埋め込み、１５００番のサンドペーパーで乾式研磨して粒子断面を露出させ、線分析用試料を作成した。波長分散型電子線マイクロアナライザー（島津製ＥＰＭ−８１０、ＰＥＴ分光結晶使用）の電子線を、加速電圧２０ＫＶ，吸収電流０．０５μＡ、ビーム径１００μｍφの条件で前記試料の粒子断面端部から中心部を経て他端部まで照射し、硫黄濃度の線分析を行った。
【００５３】
得られた結果を図１に示す。硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子の硫黄濃度分布は、粒子表面から粒子中心部まで濃度の均一な方形型分布であった。
【００５４】
（４）燐酸イオン吸着速度の測定
有害物イオンの吸着実験として、回分式振とう実験による水中燐酸イオン吸着速度の測定を行った。２Ｌ三角フラスコに、ｐＨ７に調整した燐濃度０．５０ｍｇ／ｌの燐酸水溶液１Ｌと前記（２）で得られた硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子（有姿品）０．２５ｇを入れ、２５℃の恒温振とう器内で所定時間（２４〜２４６時間）振とうした。次いで、吸着処理液を０．４５μｍメンブレンフィルターで濾過し、濾液の燐濃度をＪＩＳＫ０１０２モリブデンブルー吸光光度法により分析した。各吸着時間に対応する液中燐濃度の値を表１に示す。
【００５５】
［比較例］
（５）浸漬法による硫酸アルミニウム被着球状活性アルミナ粒子の調製
バイヤー法由来の市販球状活性アルミナ粒子（住友化学工業株式会社製、ＫＨＤ−１２：平均粒子径は１．８ｍｍ、Ｎａ₂ Ｏ含有量は０．２６％、、ＢＥＴ比表面積は２７０ｍ² ／ｇ、細孔容積は０．３７ｃｍ³ ／ｇ）に、活性アルミナ１ｇ当たりの硫酸アルミニウム被着量が０．２３ｍｍｏｌとなるように硫酸アルミニウム被着を行い、Ｍ型分布の試料を調製した。
【００５６】
すなわち、ＫＨＤ−１２の粒子３００ｇを樹脂製網に入れ、ｐＨ２の硫酸２５００ｇを張った酸浸漬槽中に浸潰し、液を撹拌させながら２時間接触させた後、槽から球状活性アルミナ粒子の入った樹脂製網を引上げた。次いで、酸浸漬槽中の硫酸を排出し、濃度０．１４ｍｏｌ／ｌの硫酸アルミニウム溶液５００ｍｌに入れ替えた。前記硫酸アルミニウム溶液の入った槽中に、前記球状活性アルミナ粒子入りの樹脂製網を入れ、液を撹拌させながら２５℃で２４時間接触させた後、槽から樹脂製網を引上げて液切りした。球状活性アルミナ粒子を乾燥機に入れ、１１０℃で約１日乾燥し、硫酸アルミニウム被着球状活性アルミナ粒子３３７ｇを得た。
【００５７】
前記浸漬法による硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子の物性を表１に示す。各測定値は、実施例と同様に測定した値である。
【００５８】
粒子内の硫黄濃度分布を実施例と同様の方法で測定し、結果を図１に示す。粒子内硫黄濃度分布は、粒子表面が高く粒子中心部が低いＭ形分布であった。
【００５９】
前記（５）で得られた硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子を用いて、前記（４）と同様の方法で燐酸イオン吸着速度を測定した。その結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】

表１より、実施例で得られた硫酸アルミニウム被着球状活性アルミナ粒子（実施例品）は、硫黄含有量が仕込み硫黄量にほぼ等しい０．２９ｍｍｏｌの硫酸アルミニウムに該当する値（２．９％）を示した。一方、比較例で得られた硫酸アルミニウム被着球状活性アルミナ粒子（比較例品）は、実施例品よりも硫酸アルミニウムの被着量が２３％少なかった。また、実施例品は、ＢＥＴ比表面積や細孔容積も比較例品より大きい値を示した。燐酸イオンの吸着速度については、実施例品は比較例品よりも大きい吸着速度を示した。
【００６１】
また、実施例品を用いる回分式の燐酸イオン吸着実験では、濾過により、吸着処理液から吸着剤である活性アルミナ粒子を容易に回収することができた。
【００６２】
したがって、実施例品を用いる本発明の水中有害物イオンの除去方法は、比較例品を用いる従来法よりも有害物イオンに対する吸着速度が速く、水中の有害物を効率的に除去することができ、吸着剤の回収も容易であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】硫酸アルミニウム被着活性アルミナ粒子断面の硫黄濃度分布を示すグラフ

Claims

吸着材を用いて水中有害物イオンを除去する方法において、前記吸着材は酸性金属塩成分を被着させた平均粒子径０．３ｍｍ〜８ｍｍの活性アルミナ粒子であり、前記活性アルミナ粒子の一端部から対向端部まで被着成分に由来する元素濃度を測定した際の当該元素濃度分布が方形型分布であることを特徴とする水中有害物イオンの除去方法。