【発明の詳細な説明】
モルホリンの選択的な分離方法
本発明は、モルホリン、N−メチルモルホリン及びN−メチルモルホリン−N
−オキシドを含有する水溶液からモルホリンを選択的に分離する方法に関する。
特に、本発明はモルホリン、N−メチルモルホリン及びN−メチルモルホリン−
N−オキシドを含有するアミンオキシド法の水性処理液の再生方法に関する。
今日広く用いられるビスコース法に代わることが可能なセルロース成形体の製
造方法が、数十年にわたって調査されてきた。他の理由の中でも環境への影響が
低減されることで興味深い代替物として、誘導体のないセルロースを有機溶剤に
溶解し、この溶液から成形体、例えばファイバー(繊維)、フィルム及び他の成
形体を押し出すことが見出されている。こうして押し出されたファイバーは、B
ISFA(国際人工ファイバー基準局)によってリオセル(Lyocell)という属名
が授けられている。有機溶剤とは、有機化学物質と水の混合物であるとBISF
Aは解釈している。
有機溶剤として、第3アミンオキシドと水の混合物がセルロース成形体の製造
に特に適していることがわかっている。アミンオキシドとして、N−メチルモル
ホリン−N−オキシド(NMMO)が主に使用される。他のアミンオキシドは、
例えばEP−A−0 533 070において述べられている。本発明の明細書
及び本発明の請求の範囲の目的に関して、第3アミンオキシドを使用するセルロ
ース成形体の製造は一般的にアミンオキシド法と言われる。
EP−A−0 356 419において、他の物質の中でも液体の水性N−メ
チルモルホリン−N−オキシド(NMMO)中のセルロースの懸濁液を出発原料
として使用する紡糸可能なセルロース溶液の製造のためのアミンオキシド法が記
載されている。この方法は、薄膜処理装置において懸濁液を単一ステップで連続
して成形可能溶液に変えることから成り立っている。最後に、成形可能な溶液は
紡糸口金などの成形工具によって紡糸されてフィラメントになり、フィラメント
は沈殿浴を通過する。
沈殿浴において、セルロースは沈殿する。第3アミンオキシドは沈殿浴に蓄積
する。沈殿浴は、最も多くて30重量%のアミンオキシドを含みうる。アミンオ
キシド法の経済的な理由のため、可能な限り完全にアミンオキシドを回収し、成
形可能なセルロース溶液の製造のためにこれを再利用することがきわめて重要で
ある。従って、沈殿浴からNMMOを回収することが必要である。
希釈した水溶液からのNMMOの回収方法は、DD(旧東ドイツ)−A−27
4 435から公知である。この方法によると、水溶液が最大等モル消耗に達す
るまで、SO3H基を含むスチレン/ジビニルベンゼンのコポリマーを充填した
交換体カラムに水溶液を通過させる。次に、等モル量の水酸化ナトリウム溶液で
NMMOを置換し、酸によって交換体カラムを再生する。
しかし、アミンオキシドに加えて、アミンオキシドの分解物もまた沈殿浴に蓄
積する。これらの分解物はかなり濃く色がついており、従って製造されるセルロ
ース成形体の品質を損なう。他方では、アミンオキシドは一定の条件下において
大量の熱を生じる分解反応を示す傾向があり、これらの分解反応は特定の物質に
よって誘導されるか又は加速される可能性があるため、他の物質は更なる安全性
のリスクを表しうる。NMMOを濃縮して分離する前に、再生されるべき沈殿浴
からこれらの物質を取り除かなくてはならない。
これらの不要物質を取り除いた後、セルロース溶液の製造の間に形成された蒸
気凝縮液などアミンオキシド法の他の処理液を必要に応じて併有する精製された
沈殿浴から水が取り出される。これは、例えば蒸発によって行われうる。この蒸
発の残留物は高濃縮の水性アミンオキシドを含有し、これは再びアミンオキシド
法において再利用される。蒸発の蒸気は主に水からなり、ここでNMMOの主な
分解物である相当量のN−メチルモルホリンもまた溶解している。更に、蒸気は
NMMO及びモルホリンも含有する。通常、蒸気は1リットルあたり最大100
mgのNMMO、240mgのN−メチルモルホリン及び最大30mgのモルホ
リンを含有する。一般には、これらの蒸気は、例えば逆浸透によって濃縮されて
いる。得られた水溶液は、最大4gのNMMO、最大10gのN−メチルモルホ
リン及び最大約1gのモルホリンを通常含有する。
カチオン交換体によってセルロース加工の廃水からアミンを分離させることが
、EP−A−0 402 347から公知である。カチオン交換体は、官能基と
してカルボキシル基を有する。この後に、アミンを充填したカチオン交換体を3
.0よりも大きいpKa値を有する弱酸の水溶液を用いて処理し、アミンを溶出
する。溶出液は蒸留によって再生され、弱酸の部分はアミンから分離され、必要
に応じてこれも回収される。この方法によって、N−メチルモルホリン及びモル
ホリンを含有する水溶液中の最大94%の双方のアミンが廃水から取り除かれる
。分離されたアミンは、燃焼によって処理される。
更に、カチオン交換体によってN−メチルモルホリン及びNMMOを共に廃水
から分離することが公知である(C.Grilc and N.Zitko、Recovery of Morphol
ine; Chem.Biochem.Eng.Q.6(4)、189-193(1992))。
EP−A−0 468 951は、セルロース加工において製造された水溶液
、特に廃水からアミンオキシドを分離する方法を記載している。この公知の方法
によると、官能基としてカルボキシル基を含有するカチオン交換体に廃水を接触
させてカチオン交換体にアミンオキシドを充填し、この後でアミンオキシドが充
填したカチオン交換体を洗浄し、3.0よりも大きなpKa値を有する弱酸の水
溶液を用いてアミンオキシドを処理してアミンオキシドを溶出する。この方法は
、環境的に親切な方法で廃水を処理できるように、廃水からアミンオキシドを完
全に取り除くことも目的としている。
しかし、アミンオキシド法において、NMMOの損失は可能な限り小さくする
べきである。また、N−メチルモルホリンを酸化して再びNMMOにし、回収す
るべきである。酸化は、例えば過酸化オキシダントを使用して行うことができる
。
第3アミンの酸化による第3アミンオキシドの予備製造方法は、例えばEP−
A−0 092 862から公知である。この方法によると、水性溶剤中で分子
酸素を用いて圧力下でアミンオキシドを酸化させる。この溶剤は、第3アミンの
pKa値とほぼ同じか又はそれより大きなpH値を有する。
DD−A−259 863は、H2O2を用いてN−メチルモルホリンを酸化
し、スルホネート基を含有するスチレン/ジビニルベンゼンコポリマーを充填し
た1つ又はそれより多くの交換体カラムに反応溶液を通過させ、リン酸を添加し
て溶液のpH値を8〜5の範囲の値に調節することによって水性NMMO溶液を
製造することに関する。
酸化において、第3アミンと共に汚染として取り込まれ、処理液中に存在する
モルホリンが部分的に毒性のN−ニトロソモルホリンに変えられ、これがNMM
Oサイクルにおいて望まれずに蓄積することは不都合である。更に、酸化反応に
おいて他のニトロソアミンも形成される。
H2O2を用いてN−メチルモルホリンを酸化してNMMOを製造することは、
例えばEP−A−0 254 803から公知である。例えば酸ハロゲン化物で
第1及び第2アミンを掃去することによってニトロソアミンの生成を抑制する方
法によるNMMOの製造が、DE−A−4 140 259から公知である。E
P−A−0 320 690は、ニトロソアミン防止剤として作用するCO2/
アスコルビン酸の組み合わせの存在下で過酸化物を用いる酸化によるニトロソア
ミンを実質的に含まないアミンオキシドの製造を記載している。水及び補助溶剤
、好ましくはカルボン酸エステル中でのH2O2を用いる酸化がEP−A−0 4
01 503から公知である。FR−A−8 808 039によると、CO2
を添加しながら酸化が行われ、US−A−5,216,154によると、酸化に
よるNMMOの製造は純粋なCO2雰囲気で行われる。
従来の技術では、ニトロソアミンの生成は防止されていないか、N−ニトロソ
モルホリンの出発物を取り除くか又は添加剤を用いてN−ニトロソモルホリンの
生成速度を遅くすることによってその形成の防止を達成しているかのいずれかで
ある。特に、閉サイクルを含むアミンオキシド法では、酸ハロゲン化物、アスコ
ルビン酸又はCO2などの種々の化学物質をこのプロセスに添加すると、添加さ
れた化学物質と共に取り込まれた分解物をこのプロセスから取り除かなくてはな
らないため、処理液の精製において問題が生じる。多くの化学物質に関しては、
発熱反応のリスクなどの安全面を考慮する必要もある。従って、前述の方法は、
アミンオキシド法の処理液の再生にはどれも適切ではない。
従って、本発明の目的はアミンオキシド法の種々の処理液からモルホリンを選
択的に分離する方法を提供することであり、この方法では実質的にモルホリンの
みが分離され、NMMO及びN−メチルモルホリンは処理液中に残る。
モルホリン、N−メチルモルホリン及びNMMOを含有する水溶液からモルホ
リンを選択的に分離する本発明に従った方法は、以下のステップによって特徴づ
けられる:
(A)モルホリンを実質的に充填することができなくなるまでモルホリンの吸
着が可能なカチオン交換体に水溶液を通過させ、モルホリンを実質的に含有しな
いがN−メチルモルホリン及びN−メチルモルホリン−N−オキシドを含有する
溶出液を得、
(B)モルホリンを充填したカチオン交換体を再生し、ステップ(A)におい
てこれを再使用する。
カチオン交換体はN−メチルモルホリン及びNMMOに対してよりもモルホリ
ンに対して活性が明らかに高く、このより高い活性のためにモルホリンが漏出し
始めるとすぐに高収率のN−メチルモルホリン及びNMMOがすでに溶出され、
従ってモルホリンの明確な分離を可能にする、という発見に、本発明は基づいて
いる。詳細には、まず3つの成分、即ちモルホリン、N−メチルモルホリン及び
NMMOの各々が新しいカチオン交換体において吸着されるように分離が行われ
る。カチオン交換体に3つの成分を充填すると、後のNMMOの吸着はもはや不
可能であり、後のモルホリン及びN−メチルモルホリンはすでに吸着されたNM
MOを置換するため、NMMOは漏出し始める。これは、溶出液がこの時点で実
際にNMMOのみを含有することを意味する。
ほぼ全てのNMMOがカチオン交換体において置換されると、溶出液において
N−メチルモルホリンも現れ、これは後のモルホリンによって置換される。この
時点で、溶出液はNMMO及びN−メチルモルホリンを含有する。カチオン交換
体においてN−メチルモルホリンが実質的に吸着されておらず、カチオン交換体
の容量が消耗した場合のみにモルホリンは漏出し始め、溶出を中断してカチオン
交換体を再生しなくてはならない。これは、例えば希釈した無機酸を使用して行
うことができる。
本発明による方法において用いられるカチオン交換体は、好ましくはカルボキ
シル基及び/又はスルホン酸基を示す。
本発明による方法の好適な実施の形態は、下の更なるステップによって特徴づ
けられる。
(C)水を除去した後に、ステップ(A)において得られた溶出液を必要に応
じて酸化処理してN−メチルモルホリンを酸化し、N−メチルモルホリン−N−
オキシドを製造する。
溶出液はモルホリンを実際に含有しないため、本発明による方法のこの実施の
形態は毒性のN−ニトロソモルホリンの新しい生成を完全に防ぐ。従って、酸化
した溶出液は、アミンオキシド法において生じる通常の低減された基本レベルの
N−ニトロソモルホリンのみを含有する。
都合の良いことに、酸化は過酸化オキシダントによって行われる。本発明によ
る方法では、過酸化オキシダントとして好ましくはH2O2が使用される。H2O2
は、好ましくは30〜50重量%のH2O2を有する水溶液として用いられる。H2
O2は、N−メチルモルホリン1モルあたり0.8〜2モルの量で用いられると
最良である。
本発明による方法の別の好適な実施の形態は、酸化処理の間又は後に254n
mの波長を実質的に有する紫外線放射によって水溶液を露光することを特徴とし
ている。紫外線放射は、水銀低圧ランプによって放出されることが最良である。
本発明による方法のこの実施の形態は、最大254nmの強度を有する紫外線
放射の露光によってN−ニトロソモルホリンを消滅することができる、という発
見に基づいている。従って、酸化処理の間又は後に紫外線放射の露光を行うと、
基本レベルで存在するN−ニトロソモルホリンの消滅が生じ、従ってこの毒性物
質の基本レベルを大幅に低減することが可能になる。
N−ニトロソモルホリンを消滅させるために必要な紫外線放射の露光時間及び
露光強度が大幅に低減されるため、まずカチオン交換体によってモルホリンを分
離し、次に溶出液を酸化させることがより有益であることがわかった。酸化の前
にモルホリンが分離されない場合、モルホリン含有量と同等量のN−ニトロソモ
ルホリンが再び生成され、消滅のためにより長い露光時間及びより高い露光率を
必要とする。
露光率は、ランプのデザイン及び処理条件、特に温度に依存して、例えば20
0〜500mJ/cm2の範囲とすることができる。
UV露光を使用するニトロソアミンの定量分析と、これに続く生成された亜硝
酸塩の測定の一般的な方法は公知である(D.E.G.Shuker、S.R.Tannenbaum、An
al.Chem.、1983、55、2152-2155 ;M.Rhighezza、M.H.Murello、A.M.Siouf
fi、J.Chromat.、1987、410 、145-155 ;J.J.Conboy、J.H.Hotchkiss、Ana
lyst、1989、114 、155-159 ;B.Buchele、L.Hoffmann、J.Lang、Fresen.J.A
nal.Chem.、1990、336 、328-333)。しかし、これらの分析方法はN−ニトロソ
モルホリンの消滅を扱っていない。
低圧ランプを使用する本発明に従った露光に関して、処理されるべき処理液を
含有する容器内にランプを吊るすことができる。しかし、別の方法でランプを配
置することも可能である。更に、例えば薄膜UV−反応器において露光されるべ
き溶液を連続的にポンピングする間に露光を行うことができる。
本発明による方法は、アミンオキシド法からの処理液の再生に特に適している
。
本発明による方法の別の好適な実施の形態は、以下のステップを含む:
(1)例えば逆浸透によって濃縮した上記の蒸気を、モルホリンを選択的に吸
着すると共にpH値が6.0〜9.0の範囲であることを保障することが可能な
カチオン交換体に通過させ、この後に
(2)カチオン交換体から得られた溶出液をアミンオキシド法の精製された沈
殿浴(10〜30重量%のNMMOを含む)と併有させ、
(3)沈殿浴と併有した溶出液を蒸発反応器内で過酸化オキシダントを用いて
処理し、N−メチルモルホリンを酸化して濃縮し、アミンオキシド法において再
び再使用される濃縮した水性NMMOと、濃縮されてステップ(1)で用いられ
る蒸気とを得る。
以下の実施例によって、本発明をより詳細に説明する。NMOR、NMMO、
NMM及びMという略語が以下において使用され、これらはN−ニトロソモルホ
リン、N−メチルモルホリン−N−オキシド、N−メチルモルホリン及びモルホ
リンをそれぞれ示す。
実施例1
アミンオキシド法からの処理液、即ち逆浸透の残留液を、弱酸性カチオン交換
体(官能基としてカルボキシル基を有するポリアクリル主鎖;ダウケミカル社製
造のDowex CC-2)に通過させた。残留液は9.9のpH及び以下の組成を有した
:
NMMO: 1661ppm
NMM: 2377ppm
M: 1376ppm
直径2.5cm及び高さ約5.5cmのカラムにおいてカチオン交換体30m
lを使用した。1時間あたり4吸着床容量の流量で残留液をカチオン交換体に通
過させた。それぞれ5吸着床容量の間隔で溶出液を集積し、この後でpH値及び
NMMO、NMM及びMの濃度を測定した。カチオン交換体は10吸着床容量の
後で膨潤し始め、膨潤は充填を停止するまで連続的に続き、200吸着床容量の
後で150%になった。
HPLC(カラム:Hypersil Si 150 x 4 mm;50℃;溶出液:アセトニトリ
ルファー(far)UV、Fisions Scientific Equipment no.A/0627/17;NaOHを
用いてpH6.7に調節された10ミリモルのKH2PO4(Merck no.48 73)
48%;平等に1ml/分;検出器:UV192nm)によって、NMMO、N
MM及びMの濃度(ppm)を測定した。外部3点ゲージを較正することによっ
て、これらの成分の各々の定量化を行った。結果を下の表に示す。
表からわかるように、NMM及びNMMOからMを明らかに分離することがで
きる:
始めに、3つの成分、即ちNMMO、NMM及びMの各々はカチオン交換体に
よって保持され、pHは9.9から約4.0に低下する。
20番目の吸着床容量以降は、NMM及びMは保持されているがNMMOは溶
出し始め、40番目の吸着床容量までは溶出液は実際にNMMOのみを含有して
いる。pHは5.8まで増加する。NMMOの溶出は、カチオン交換体によって
すでに吸着されたNMMOが後のNMM及びMによって置換されたためであろう
。
40番目の吸着床容量以降からNMMも溶出し始めるが、Mはなお保持されて
いる。pHは、約8〜9まで更に増加する。明らかに、吸着されたNMMはイオ
ン交換体において後のMによって置換されている。
驚くことに、約170番目の吸着床容量以降のみ、即ち少なくとも85重量%
のNMMO及びNMMがすでに回収されている点においてMが溶出される。この
点以降は、pHは再び約9.3まで増加する。従って、カチオン交換体にはモル
ホリンが完全に充填されており、170吸着床容量の後に再生されなければなら
ない。
170番目の吸着床容量まで集められた溶出液は実際にMを含まず、NMMO
を製造するための酸化処理に使用できる。
実施例2
NMOR25μg、NMMO2530mg、NMM3923mg及びM30m
gを含有する水溶液を30%のH2O2(モルNMM/モルH2O2=1/1.2)
と混合することによりNMMを酸化してNMMOを製造し、UV反応器(タイプ
EK-36、no.79000、Katadyn 製造)内で水銀低圧ランプの放射によって露光し
た(波長:254nm)。処理液の温度は50℃であった。
HPLC(カラム:Hypersil ODS 250 x 4 mm;50℃;溶出液:A=0.6
%のアセトニトリル;B=49.7%のH2O;勾配1ml/分;10分−A1
00%;7分−B100%:検出器:UV238nm)によってNMORの濃度
を測定した。
最初の90分以内でNMORの濃度は45μg/リットルまで増加した。これ
は、溶液中に存在するMの急速な反応による。この後、NMORの濃度は再び急
速に減少した。6時間後、NMORの形跡はみられなかった。
20時間の合計酸化時間の後、この溶液は5386mgのNMMO/リットル
を含有した。これは、理論値の62%の収率である。
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フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S
Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD
,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ
,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,
CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,H
U,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ
,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,
MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,R
O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM
,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN
(72)発明者 フィルゴ、ハインリッヒ
オーストリア国 アー−4840 フェークラ
ブルック オーバーシュタットグリース
7/4