JP7592308B2 - Thorium adsorbent, its manufacturing method, method for extracting thorium from a test aqueous solution using the same, and method for recovering thorium from thorium-containing ore - Google Patents
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- Y02P10/20—Recycling
Landscapes
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Description
本発明は、ポーラスシリカを用いたトリウム吸着材、その製造方法、それを用いた被験水溶液からトリウムを抽出する方法、および、トリウム含有鉱石からトリウムを回収する方法に関する。 The present invention relates to a thorium adsorbent using porous silica, a method for producing the same, a method for extracting thorium from a test aqueous solution using the same, and a method for recovering thorium from thorium-containing ore.
アクチノイド元素であるトリウムは、放射性を有し、4価イオンとして溶液や固体中で安定な状態を有するため、その化合物は毒性が低いとされる。しかしながら、地質鉱石、核燃料廃棄物等の採掘過程でトリウムイオンが飲料水や地下水に移動し、環境問題を悪化させる可能性がある。また、大量のトリウムへの被爆は、肝臓、脾臓等に沈殿するため、人体への影響が懸念される。これに伴い、トリウムを選択的に抽出する方法が求められている。 Thorium, an actinide element, is radioactive and stable in solution or solids as a tetravalent ion, and its compounds are considered to have low toxicity. However, thorium ions can migrate into drinking water or groundwater during the mining process of geological ores, nuclear fuel waste, etc., and can worsen environmental problems. In addition, exposure to large amounts of thorium precipitates in the liver, spleen, etc., raising concerns about its effects on the human body. As a result, a method for selectively extracting thorium is required.
一方、メソポーラスシリカを使ってストロンチウムイオン、セシウムイオンを吸着する技術が開発されている(例えば、特許文献1および2を参照)。しかしながら、これらのメソポーラスシリカは、トリウムを選択的に吸着できない。 On the other hand, technologies have been developed to adsorb strontium ions and cesium ions using mesoporous silica (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, these mesoporous silicas cannot selectively adsorb thorium.
本発明の課題は、ポーラスシリカを用いたトリウムを選択的に吸着するトリウム吸着材、その製造方法、それを用いた被験水溶液からトリウムを抽出する方法、および、トリウム含有鉱石からトリウムを回収する方法を提供することである。 The objective of the present invention is to provide a thorium adsorbent using porous silica that selectively adsorbs thorium, a method for producing the same, a method for extracting thorium from a test aqueous solution using the same, and a method for recovering thorium from thorium-containing ore.
本発明によるトリウム吸着材は、ポーラスシリカからなるスポンジ状凝集体を備え、前記凝集体は、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を備えた階層構造を有し、前記凝集体は、150m2/g以上200m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.18cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲の細孔容積を有し、前記凝集体は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径の粒子であり、前記凝集体は、長手方向に配列した細長の溝を有し、トリウムを選択的に吸着または遊離し、これにより上記課題を解決する。
前記ポーラスシリカの表面および細孔は、少なくとも式1~式3のいずれかで表されるキレート化合物で修飾されていてもよい。
ここで、Lは、2価の基であり、*は前記ポーラスシリカとの結合部位を表す。
前記ポーラスシリカに対する前記キレート化合物の質量比は、0.1以上0.5以下の範囲であってもよい。
前記ポーラスシリカに対する前記キレート化合物の質量比は、0.15以上0.25以下の範囲であってもよい。
前記ポーラスシリカは、少なくとも、ケイ素(Si)、酸素(O)、炭素(C)およびリン(P)、必要に応じて窒素(N)およびM元素(第1族元素または第2族元素)を含有し、合計を100質量%としたとき、それぞれの元素の質量パーセント濃度は、
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5、
0.5≦P≦2、
0≦N≦2、および、
0≦M≦5
を満たしてもよい。
前記ポーラスシリカの表面および細孔は、式4~式6のいずれかで表されるキレート化合物でさらに修飾されていてもよい。
ここで、Lは、2価の基であり、…は前記ポーラスシリカと水素結合しているか、または、ファン・デル・ワールス力による結合を表す。
前記Lは、置換基を有するまたは有しない、炭素数1~20のアルキレン基であってもよい。
本発明による上記トリウム吸着材を製造する方法は、麦わらから得られた植物由来シリカ源をアルカリ溶液に添加し、植物由来シリカ溶液を調製することと、前記植物由来シリカ溶液に臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)を添加し、原料混合溶液を得ることと、前記原料混合溶液を水熱合成し、前記植物由来シリカ源からのシリカと前記臭化セチルトリメチルアンモニウムとからなる反応物を析出させることと、前記反応物を焼成し、前記臭化セチルトリメチルアンモニウムを除去することとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記植物由来シリカ溶液を調製することは、前記植物由来シリカ源が添加されたアルカリ溶液を55℃以上65℃未満の温度範囲で還流することを包含してもよい。
前記原料混合溶液を得ることは、前記植物由来シリカ溶液中の前記植物由来シリカに対する前記臭化セチルトリメチルアンモニウムの質量比が0.1以上0.4以下の範囲となるよう、前記臭化セチルトリメチルアンモニウムを添加してもよい。
前記水熱合成することは、前記反応物に酸を添加し、洗浄、乾燥させることを包含してもよい。
前記反応物を焼成することは、前記反応物を、200℃以上800℃以下の温度範囲で2時間以上24時間以下の時間、焼成してもよい。
前記反応物を焼成することによって得られた焼成物と、式7または式8で表されるキレート化合物とを混合することをさらに包含してもよい。
ここで、Lは、2価の基である。
前記混合することは、前記焼成物に対する前記キレート化合物の質量比が0.1以上0.5以下となるよう、前記キレート化合物を混合してもよい。
前記混合することに続いて、前記混合後の生成物を洗浄し、乾燥することをさらに包含してもよい。
植物由来シリカ溶液を調製することに先立って、前記植物由来シリカ源を調製することをさらに包含し、前記調製することは、前記麦わらを洗浄し、乾燥することと、前記乾燥した麦わらを0.25M以上0.5M以下の範囲の濃度の酸で処理し、65℃以上75℃未満の温度範囲で1時間以上10時間以下の時間還流することと、前記酸を洗浄し、5時間以上10時間以下の時間、80℃以上110℃以下の温度範囲で乾燥することと、前記乾燥された麦わらを、600℃以上800℃以下の温度範囲で、5時間以上12時間以下の時間焼成し、脱炭酸することとをさらに包含してもよい。
本発明による被験水溶液からトリウムを抽出する方法は、上記トリウム吸着材と、前記被験水溶液とを接触させ、前記被験水溶液中のトリウムを吸着させることを包含し、これにより上記課題を解決する。
本発明によるトリウム含有鉱石からトリウムを回収する方法は、前記トリウム含有鉱石を塩酸、硝酸および硫酸からなる群から選択される酸溶液に添加し、前記トリウム含有溶液を調製することと、上記トリウム吸着材とトリウム含有溶液とを接触させ、前記トリウム吸着材に前記トリウム含有溶液中のトリウムを吸着させることと、前記トリウム含有溶液からトリウムが抽出された処理水を排出することと、前記トリウムが吸着したトリウム吸着材を硫酸、塩酸および硝酸からなる群から選択される酸と接触させ、吸着したトリウムを遊離することとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記トリウム含有溶液のpHは、4以上6以下の範囲であってもよい。
前記吸着させることは、前記トリウム吸着材と前記トリウム含有溶液とを30分以上100分以下の時間接触させてもよい。
The thorium adsorbent according to the present invention comprises a sponge-like agglomerate made of porous silica, the agglomerate having a hierarchical structure with micropores, mesopores and macropores, the agglomerate having a BET specific surface area in the range of 150 m2 /g to 200 m2 /g and a pore volume in the range of 0.18 cm3 /g to 0.3 cm3 /g, the agglomerate being particles with a particle size in the range of 10 μm to 70 μm, the agglomerate having elongated grooves arranged in the longitudinal direction, selectively adsorbing or releasing thorium, thereby solving the above-mentioned problem.
The surface and pores of the porous silica may be modified with at least a chelate compound represented by any one of formulas 1 to 3.
Here, L is a divalent group, and * represents a bonding site with the porous silica.
The mass ratio of the chelate compound to the porous silica may be in the range of 0.1 or more and 0.5 or less.
The mass ratio of the chelate compound to the porous silica may be in the range of 0.15 or more and 0.25 or less.
The porous silica contains at least silicon (Si), oxygen (O), carbon (C) and phosphorus (P), and optionally nitrogen (N) and an M element (a Group 1 element or a Group 2 element), and when the total is 100% by mass, the mass percent concentration of each element is:
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5,
0.5≦P≦2,
0≦N≦2, and
0≦M≦5
may be satisfied.
The surface and pores of the porous silica may be further modified with a chelate compound represented by any one of formulas 4 to 6.
Here, L is a divalent group, and ... represents a hydrogen bond with the porous silica or a bond by van der Waals forces.
The L may be an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, which may or may not have a substituent.
The method for producing the thorium adsorbent according to the present invention includes adding a plant-derived silica source obtained from wheat straw to an alkaline solution to prepare a plant-derived silica solution, adding cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) to the plant-derived silica solution to obtain a raw material mixed solution, hydrothermally synthesizing the raw material mixed solution to precipitate a reaction product consisting of silica from the plant-derived silica source and the cetyltrimethylammonium bromide, and calcining the reaction product to remove the cetyltrimethylammonium bromide, thereby solving the above problem.
The step of preparing the plant-derived silica solution may include refluxing the alkaline solution to which the plant-derived silica source has been added at a temperature in the range of 55°C or more and less than 65°C.
The raw material mixed solution may be obtained by adding cetyltrimethylammonium bromide so that the mass ratio of cetyltrimethylammonium bromide to the plant-derived silica in the plant-derived silica solution is in the range of 0.1 to 0.4.
The hydrothermal synthesis may include adding an acid to the reaction product, washing, and drying.
Firing the reaction product may involve firing the reaction product at a temperature in the range of 200° C. to 800° C. for a period of 2 hours to 24 hours.
The method may further include mixing the calcined product obtained by calcining the reaction product with the chelate compound represented by formula 7 or 8.
Here, L is a divalent group.
The mixing may involve mixing the chelate compound such that a mass ratio of the chelate compound to the baked product is 0.1 or more and 0.5 or less.
Following said mixing, the method may further comprise washing and drying the mixed product.
The method may further include preparing the plant-derived silica source prior to preparing the plant-derived silica solution, and the preparing step may further include washing and drying the straw, treating the dried straw with an acid having a concentration in the range of 0.25M to 0.5M and refluxing it at a temperature range of 65°C to less than 75°C for 1 hour to 10 hours, washing the acid and drying it at a temperature range of 80°C to 110°C for 5 hours to 10 hours, and calcining the dried straw at a temperature range of 600°C to 800°C for 5 hours to 12 hours to decarbonate it.
The method for extracting thorium from a test aqueous solution according to the present invention comprises contacting the above-mentioned thorium adsorbent with the test aqueous solution to adsorb thorium in the test aqueous solution, thereby solving the above-mentioned problem.
The method for recovering thorium from a thorium-containing ore according to the present invention includes adding the thorium-containing ore to an acid solution selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid to prepare the thorium-containing solution, contacting the thorium adsorbent with the thorium-containing solution to allow the thorium adsorbent to adsorb thorium in the thorium-containing solution, discharging treated water in which thorium has been extracted from the thorium-containing solution, and contacting the thorium adsorbent with thorium adsorbed thereon with an acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid to liberate the adsorbed thorium, thereby solving the above-mentioned problem.
The pH of the thorium-containing solution may be in the range of 4 to 6 inclusive.
The adsorption may be performed by contacting the thorium adsorbent with the thorium-containing solution for a period of time of 30 minutes or more and 100 minutes or less.
本発明のトリウム吸着材は、ポーラスシリカからなる凝集体を備える。ポーラスシリカは、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を備えた階層構造を有し、150m2/g以上200m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.18cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲の細孔容積を有する。さらに、凝集体は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径を有し、内部に長手方向に配列した細長の溝を有する。これにより、本発明のトリウム吸着材は、トリウムを選択的に吸着または遊離できるので、人体の健康維持や環境の浄化に有利である。本発明のトリウム吸着材はカラム充填材として適用できる。 The thorium adsorbent of the present invention comprises an aggregate made of porous silica. The porous silica has a hierarchical structure with micropores, mesopores and macropores, has a BET specific surface area in the range of 150 m 2 /g to 200 m 2 /g, and has a pore volume in the range of 0.18 cm 3 /g to 0.3 cm 3 /g. Furthermore, the aggregate has a particle size in the range of 10 μm to 70 μm, and has elongated grooves arranged in the longitudinal direction inside. As a result, the thorium adsorbent of the present invention can selectively adsorb or release thorium, which is advantageous for maintaining human health and purifying the environment. The thorium adsorbent of the present invention can be used as a column packing material.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の符号を付し、その説明を省略する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that similar elements are given similar reference numerals and their description will be omitted.
図1は、本発明のトリウム吸着材を示す模式図である。 Figure 1 is a schematic diagram showing the thorium adsorbent of the present invention.
本発明のトリウム吸着材は、ポーラスシリカ110からなるスポンジ状凝集体100を備える。凝集体100は、ミクロ細孔(細孔径:0.5nm以上2nm未満)、メソ細孔(細孔径:2nm以上50nm未満)およびマクロ細孔(細孔径:50nm以上10μm以下)を備えた階層構造を有する。このような種々のサイズの細孔を有することにより、階層的な構造となり、トリウムの取り込み、拡散、吸着を促進できる。本願発明者らは、特に、凝集体100が、150m2/g以上200m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.18cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲の細孔容積を有しており、10μm以上70μm以下の範囲の粒径を有する粒子において、トリウムを選択的に吸着または遊離し、トリウム吸着材として機能することを見出した。特に、凝集体100は、長手方向に配列した細長の溝を備えるので、溝を介してメソ細孔やチャネルにトリウムを吸着できる。 The thorium adsorbent of the present invention comprises a sponge-like aggregate 100 made of porous silica 110. The aggregate 100 has a hierarchical structure with micropores (pore diameter: 0.5 nm or more and less than 2 nm), mesopores (pore diameter: 2 nm or more and less than 50 nm), and macropores (pore diameter: 50 nm or more and 10 μm or less). By having such pores of various sizes, a hierarchical structure is formed, which can promote the uptake, diffusion, and adsorption of thorium. The present inventors have found that the aggregate 100 has a BET specific surface area in the range of 150 m 2 /g to 200 m 2 /g, a pore volume in the range of 0.18 cm 3 /g to 0.3 cm 3 /g, and particles having a particle diameter in the range of 10 μm to 70 μm, and selectively adsorbs or liberates thorium and functions as a thorium adsorbent. In particular, the aggregate 100 includes elongated grooves aligned along its length, allowing thorium to be adsorbed into the mesopores or channels via the grooves.
本発明において対象とするトリウム(Th)は、天然に存在するものの他に、炉内で核反応により生成するものいずれであってもよい。天然に存在する同位体トリウムは、主として232Thであるが、230Th、234Th(ウラン系列の中間壊変生成物)、227Th、231Th(アクチニウム系列の中間壊変生成物)、228Th(トリウム系列の中間壊変生成物)がある。トリウムは半減期が長く、放射能を有する。232トリウムが中性子を吸収すると、233トリウムとなり、これがベータ崩壊し、233プラトアクチニウム、次いで、233ウランとなる。 The thorium (Th) of interest in this invention may be either naturally occurring or produced by nuclear reactions in a reactor. The naturally occurring thorium isotope is mainly 232Th, but there are also 230Th, 234Th (uranium series intermediate decay products), 227Th, 231Th (actinium series intermediate decay products), and 228Th (thorium series intermediate decay products). Thorium has a long half-life and is radioactive. When 232thorium absorbs a neutron, it becomes 233thorium, which undergoes beta decay to become 233platactinium and then 233uranium.
また、被処理対象(例えば被験液とも呼ぶ)中で、トリウム種は、Th(II)、Th(III)、Th(IV)の3種類の酸化状態をとり、Th4+が安定であり、二酸化トリウム、フッ化トリウム、水酸化トリウム、硝酸トリウム、炭酸トリウムなどの化合物がある。以降では、同位体および各種酸化状態のイオンを含めて、簡単のため、単にトリウムと称する。 In addition, in the subject to be treated (also referred to as the test liquid, for example), thorium species have three types of oxidation states, namely, Th(II), Th(III), and Th(IV), with Th4 + being stable, and there are compounds such as thorium dioxide, thorium fluoride, thorium hydroxide, thorium nitrate, and thorium carbonate. Hereinafter, for the sake of simplicity, the term thorium will be used to refer to all isotopes and ions in various oxidation states.
凝集体100が、ミクロ細孔(0.5nm以上2nm未満の径)、メソ細孔(2nm以上50nm未満の径)およびマクロ細孔(50nm以上10μm以下の径)を有することは、窒素吸脱着等温線に基づくNLDFT法(Non-Local Density Functional Theory;非局在密度汎関数法)によって判定できる。簡易的には、吸脱着等温線がIUPACのI型と、II型またはIII型と、IV型またはV型との混合状態であればよい。本願明細書では、凝集体がミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を有することを、階層構造を有するという。 The presence of micropores (diameter 0.5 nm or more and less than 2 nm), mesopores (diameter 2 nm or more and less than 50 nm), and macropores (diameter 50 nm or more and less than 10 μm) in the aggregate 100 can be determined by the NLDFT method (Non-Local Density Functional Theory) based on the nitrogen adsorption and desorption isotherm. In simple terms, it is sufficient if the adsorption and desorption isotherm is a mixture of IUPAC type I, type II or III, and type IV or V. In this specification, an aggregate having micropores, mesopores, and macropores is said to have a hierarchical structure.
凝集体100において、2nm以上50nm未満のメソ細孔は、主にトリウムを吸着し、保持する空間として機能するが、好ましくは、メソ細孔の細孔容積が、0.2cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲を有する。メソ細孔は、トリウムに対する活性サイトとなり、トリウムの補足を促進し得、トリウムを効率的に吸着できる。 In the aggregate 100, the mesopores having a size of 2 nm or more and less than 50 nm mainly function as spaces for adsorbing and retaining thorium, and preferably have a pore volume in the range of 0.2 cm3 /g or more and 0.3 cm3 /g or less. The mesopores become active sites for thorium, can promote the capture of thorium, and can efficiently adsorb thorium.
凝集体100は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径を有する粒子であり、好ましくは、50μm以上70μm以下の範囲の粒径を有する粒子である。また、長手方向に配列した細長の溝は、好ましくは、250nm以上2μm以下の長さを有する。この配列した溝がメソ細孔やチャネルと結合し、トリウムの吸着を促進し得る。細長の溝は、より好ましくは、1μm以上2μm以下の長さを有する。粒径および溝の長さは、電子顕微鏡画像を基にしてImage J(ver. 1.51n;オープンソースでパブリックドメインの画像処理ソフトウェア)によって測定された値である。 The aggregate 100 is a particle having a particle size in the range of 10 μm to 70 μm, preferably 50 μm to 70 μm. The elongated grooves arranged in the longitudinal direction preferably have a length of 250 nm to 2 μm. The arranged grooves can be combined with mesopores or channels to promote the adsorption of thorium. The elongated grooves more preferably have a length of 1 μm to 2 μm. The particle size and groove length are values measured using Image J (ver. 1.51n; open source, public domain image processing software) based on electron microscope images.
図2は、本発明の別のトリウム吸着材を示す模式図である。
図3は、キレート化合物が修飾した本発明のトリウム吸着材を用いた吸着メカニズムを示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing another thorium adsorbent of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the adsorption mechanism using the thorium adsorbent of the present invention modified with a chelating compound.
本発明のトリウム吸着材は、好ましくは、ポーラスシリカの表面および細孔が1式~3式で表されるキレート化合物210で修飾された粒子の凝集体を備えてよい。1式~3式で表されるキレート化合物210は、ポーラスシリカと化学結合している。 The thorium adsorbent of the present invention may preferably comprise an aggregate of particles in which the surface and pores of porous silica are modified with a chelate compound 210 represented by formulas 1 to 3. The chelate compound 210 represented by formulas 1 to 3 is chemically bonded to the porous silica.
ここで、Lは、2価の基であり、*はポーラスシリカとの結合部位を表す。
Lは、2価の基としては特に制限されないが、ヘテロ原子を有していてもよい2価の炭化水素基が挙げられる。ヘテロ原子を有していてもよい2価の炭化水素基としては、例えば、アルキレン基(炭素数1~20個が好ましい)、シクロアルキレン基(炭素数3~20個が好ましい)、アルケニレン基(炭素数2~20個が好ましい)、アルキニレン基(炭素数2~20個が好ましい)、及び、これらの組み合わせ、並びに、上記と-C(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-O-、-S-、および、-NR-(Rは水素原子又は1価の有機基を表す)との組み合わせ等が挙げられる。
Here, L is a divalent group, and * represents a bonding site with the porous silica.
L is not particularly limited as a divalent group, and examples of the divalent hydrocarbon group which may have a heteroatom include, for example, an alkylene group (preferably having 1 to 20 carbon atoms), a cycloalkylene group (preferably having 3 to 20 carbon atoms), an alkenylene group (preferably having 2 to 20 carbon atoms), an alkynylene group (preferably having 2 to 20 carbon atoms), and combinations thereof, as well as combinations of the above with -C(O)-, -C(O)O-, -OC(O)-, -O-, -S-, and -NR- (R represents a hydrogen atom or a monovalent organic group).
中でも、Lは、好ましくは、炭素数1~15のアルキレン基である。これにより、ポーラスシリカへのキレート化合物210の修飾が促進する。さらに好ましくは、炭素数1~10のアルキレン基である。これにより、ポーラスシリカにより多くのキレート化合物210を修飾させることができるので、より多くのトリウムを吸着できる。なおさらに好ましくは、炭素数1~2のアルキレン基である。 Among these, L is preferably an alkylene group having 1 to 15 carbon atoms. This promotes the modification of the porous silica with the chelate compound 210. Even more preferably, L is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms. This allows more chelate compound 210 to be modified on the porous silica, allowing more thorium to be adsorbed. Even more preferably, L is an alkylene group having 1 to 2 carbon atoms.
また、本発明のトリウム吸着材は、ポーラスシリカの表面および細孔が4式~6式で表されるキレート化合物210で修飾された粒子の凝集体を備えてもよい。すなわち、キレート化合物210は、上述の化学結合に加えて、水素結合またはファン・デル・ワールス力によってメソポーラスシリカ110と結合してもよい。 The thorium adsorbent of the present invention may also comprise an aggregate of particles in which the surface and pores of porous silica are modified with a chelating compound 210 represented by formulas 4 to 6. That is, the chelating compound 210 may be bonded to the mesoporous silica 110 by hydrogen bonds or van der Waals forces in addition to the above-mentioned chemical bonds.
Lは、2価の基であり、OH横の“…”はポーラスシリカと水素結合しているか、または、ファン・デル・ワールス力による結合を表す。Lは、上述したとおりであるため説明を省略する。 L is a divalent group, and the "..." next to OH indicates that it is hydrogen bonded to the porous silica or bonded by van der Waals forces. Since L is as described above, the explanation is omitted.
なお、キレート化合物210は、化学結合、水素結合またはファン・デル・ワールス力のいずれか、または、任意の組み合わせでポーラスシリカに修飾されてよい。 The chelate compound 210 may be modified to the porous silica by chemical bonds, hydrogen bonds, or van der Waals forces, or any combination thereof.
図2に示すように、キレート化合物210は、メソポーラスシリカ110の外表面に修飾してもよく、内部細孔に修飾してもよく、その両方であってもよい。 As shown in FIG. 2, the chelate compound 210 may be applied to the outer surface of the mesoporous silica 110, to the internal pores, or both.
図3では、キレート化合物210がトリウムを吸着している様子を模式的に示すが、キレート化合物210が有するホスホリル基またはカルボキシル基がトリウムを選択的に吸着・遊離できる。この結果、図2に示すトリウム吸着材は、図1に示すトリウム吸着材に比べてより多くトリウムを吸着できる。 Figure 3 shows a schematic diagram of chelating compound 210 adsorbing thorium, with the phosphoryl or carboxyl groups of chelating compound 210 being able to selectively adsorb and release thorium. As a result, the thorium adsorbent shown in Figure 2 can adsorb more thorium than the thorium adsorbent shown in Figure 1.
このようなキレート化合物210としては例示的には以下のものが挙げられる。これらはポーラスシリカへの修飾が容易であり、トリウムを選択的に吸着できる。 Examples of such chelating compounds 210 include the following. These can be easily modified into porous silica and can selectively adsorb thorium.
キレート化合物210が修飾されている場合、凝集体200は、好ましくは、150m2/g以上170m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.2cm3/g以上0.25cm3/g以下の範囲の細孔容積を有する。キレート化合物210が修飾されることによって、比表面積および細孔容積はわずかながら減少するが、キレート化合物210それ自身によるトリウムの吸着能により、トリウムの吸着効率は向上し得る。 When the chelating compound 210 is modified, the aggregate 200 preferably has a BET specific surface area in the range of 150 m2 /g to 170 m2 /g and a pore volume in the range of 0.2 cm3 /g to 0.25 cm3 /g. Although the specific surface area and pore volume are slightly decreased by modifying the chelating compound 210, the adsorption efficiency of thorium can be improved due to the ability of the chelating compound 210 itself to adsorb thorium.
本発明のトリウム吸着材は、好ましくは、ポーラスシリカに対するキレート化合物の質量比が0.1以上0.5以下の範囲を満たす。これにより、上記比表面積および細孔容積を維持しつつ、トリウムを効率的に吸着できる。 The thorium adsorbent of the present invention preferably has a mass ratio of the chelate compound to the porous silica in the range of 0.1 to 0.5. This allows thorium to be efficiently adsorbed while maintaining the specific surface area and pore volume.
本発明のトリウム吸着材は、より好ましくは、ポーラスシリカに対するキレート化合物の質量比が0.15以上0.25以下の範囲を満たす。これにより、上記比表面積および細孔容積を維持しつつ、トリウムをより効率的に吸着できる。 More preferably, the thorium adsorbent of the present invention has a mass ratio of the chelate compound to the porous silica in the range of 0.15 to 0.25. This allows thorium to be adsorbed more efficiently while maintaining the specific surface area and pore volume.
キレート化合物210で修飾された本発明のトリウム吸着材において、好ましくは、ポーラスシリカは、少なくとも、ケイ素(Si)、酸素(O)、炭素(C)およびリン(P)、必要に応じて窒素(N)およびM元素(第1族元素または第2族元素)を含有し、合計を100質量%としたとき、それぞれの元素の質量パーセント濃度は、
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5、
0.5≦P≦2、
0≦N≦2、および、
0≦M≦5
を満たす。これにより、トリウムをより効率的に吸着できる。
In the thorium adsorbent of the present invention modified with the chelate compound 210, the porous silica preferably contains at least silicon (Si), oxygen (O), carbon (C) and phosphorus (P), and optionally nitrogen (N) and an M element (a Group 1 element or a Group 2 element), and when the total is taken as 100 mass%, the mass percent concentration of each element is:
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5,
0.5≦P≦2,
0≦N≦2, and
0≦M≦5
This allows thorium to be adsorbed more efficiently.
キレート化合物210で修飾された本発明のトリウム吸着材において、より好ましくは、それぞれの元素の質量パーセント濃度が、
42≦Si≦44
48≦O≦51
1.5≦C≦3、
0.5≦P≦2、および、
0≦M≦5
を満たす。これにより、トリウムをより効率的に吸着できる。
In the thorium adsorbent of the present invention modified with the chelating compound 210, more preferably, the mass percent concentration of each element is:
42≦Si≦44
48≦O≦51
1.5≦C≦3,
0.5≦P≦2, and
0≦M≦5
This allows thorium to be adsorbed more efficiently.
キレート化合物210で修飾された本発明のトリウム吸着材において、ポーラスシリカは、上記元素に加えて第1族元素または第2族元素をさらに含有してもよい。この場合も、合計を100質量%としたときの含有量は、好ましくは、2.5質量%以上5質量%以下を満たせばよい。第1族元素または第2族元素の中でも、ナトリウムおよびカリウムが好ましい。これらの元素であれば、トリウムの吸着効率を低減させない。 In the thorium adsorbent of the present invention modified with the chelating compound 210, the porous silica may further contain a Group 1 element or Group 2 element in addition to the above elements. In this case, the content, when the total is taken as 100 mass%, is preferably 2.5 mass% or more and 5 mass% or less. Among the Group 1 elements or Group 2 elements, sodium and potassium are preferred. These elements do not reduce the adsorption efficiency of thorium.
次に図1に示す本発明のトリウム吸着材を製造する方法について説明する。
図4は、本発明のトリウム吸着材を製造する工程を示すフローチャートである。
Next, a method for producing the thorium adsorbent of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
FIG. 4 is a flow chart showing the process for producing the thorium adsorbent of the present invention.
本発明の製造方法はゾルゲル法を用いる。各工程について説明する。
ステップS410:麦わらから得られた植物由来シリカ源をアルカリ溶液に添加し、植物由来シリカ溶液を調製する。植物由来シリカ溶液はゾルゲル溶液と呼んでもよい。これにより植物由来シリカ源は、加水分解され、シラノールが形成される。本発明では麦わらから得られた植物由来シリカ源を使用することにより、特異な構造、性状および特性を有するトリウム吸着材を製造できるため、低コストであり、環境にやさしい。
The manufacturing method of the present invention uses a sol-gel method. Each step will be described below.
Step S410: Add the plant-derived silica source obtained from wheat straw to an alkaline solution to prepare a plant-derived silica solution. The plant-derived silica solution may be called a sol-gel solution. The plant-derived silica source is hydrolyzed to form silanol. In the present invention, the plant-derived silica source obtained from wheat straw is used to produce a thorium adsorbent having a unique structure, properties and characteristics, which is low-cost and environmentally friendly.
アルカリ溶液は、例えば、アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等)の水酸化物やテトラアルキルアンモニウムの水酸化物、あるいは、アルカリ土類金属(カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ユーロピウム等)の水酸化物の強アルカリであってよい。溶媒には、水、エタノール、メタノール等のアルコールを用いてよい。 The alkaline solution may be a strong alkali, such as a hydroxide of an alkali metal (lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, etc.), a hydroxide of tetraalkylammonium, or a hydroxide of an alkaline earth metal (calcium, strontium, barium, europium, etc.). The solvent may be water or an alcohol such as ethanol or methanol.
ステップS410の植物由来シリカ溶液を調製するステップに先立って、植物由来シリカ源を麦わらから調製してもよい。詳細には、麦わらを洗浄し、乾燥(例えば、90℃)する。乾燥した麦わらを酸(例えば、0.25Mより大きく0.5M以下の塩酸)で処理し、65℃以上75℃未満の温度範囲で1時間以上10時間以下の時間還流する。冷却後、酸を洗浄し、5時間以上10時間以下の時間、乾燥(例えば、80℃以上110℃以下)する。その後、焼成(例えば、600℃以上800℃以下の時間、5時間以上12時間以下)によって、脱炭酸され、植物由来シリカ源が得られる。 Prior to the step of preparing the plant-derived silica solution in step S410, a plant-derived silica source may be prepared from wheat straw. In particular, the wheat straw is washed and dried (e.g., at 90°C). The dried wheat straw is treated with acid (e.g., hydrochloric acid greater than 0.25 M and less than 0.5 M) and refluxed at a temperature range of 65°C to less than 75°C for 1 hour to 10 hours. After cooling, the straw is washed to remove the acid and dried (e.g., at 80°C to 110°C) for 5 hours to 10 hours. The straw is then calcined (e.g., at 600°C to 800°C for 5 hours to 12 hours) to decarbonate the plant-derived silica source.
ステップS410において、植物由来シリカ溶液を調製することは、植物由来シリカ源が添加されたアルカリ溶液を55℃以上65℃未満の温度範囲で還流してよい。これにより、加水分解が促進する。 In step S410, preparing the plant-derived silica solution may involve refluxing the alkaline solution to which the plant-derived silica source has been added at a temperature range of 55°C or higher and lower than 65°C. This promotes hydrolysis.
ステップS420:植物由来シリカ溶液に臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)を添加し、原料混合溶液を得る。原料混合溶液は、植物由来シリカ溶液と比較して十分粘度が高く、湿潤ゾルと呼んでもよい。これにより、形成されたシラノールが縮重合によってシロキサン結合が形成される。さらに、シロキサン結合は、CTABの界面活性剤によって秩序的な階層構造を有したスポンジ状の凝集体に再構築される。 Step S420: Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) is added to the plant-derived silica solution to obtain a raw material mixture solution. The raw material mixture solution has a sufficiently high viscosity compared to the plant-derived silica solution and may be called a wet sol. As a result, the formed silanols are polymerized to form siloxane bonds. Furthermore, the siloxane bonds are reconstructed into sponge-like aggregates with an ordered hierarchical structure by the surfactant CTAB.
ステップS420において、好ましくは、植物由来シリカ溶液中の植物由来シリカに対するCTABの質量比が0.1以上0.4以下の範囲を満たす。これにより、階層構造を有するスポンジ状の凝集体への再構築が促進する。 In step S420, the mass ratio of CTAB to plant-derived silica in the plant-derived silica solution is preferably in the range of 0.1 to 0.4. This promotes reconstruction into a sponge-like aggregate having a hierarchical structure.
ステップS430:原料混合溶液を水熱合成する。これにより植物由来シリカ源からのシリカとCTABとからなる反応物が析出する。水熱合成は、オートクレーブ等の密閉容器中で原料混合溶液を高温高圧の熱水の存在下で行われる反応である。例示的には、水熱合成は、100℃以上150℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の範囲で行われる。 Step S430: The raw material mixed solution is subjected to hydrothermal synthesis. This causes the precipitation of a reaction product consisting of silica from the plant-derived silica source and CTAB. Hydrothermal synthesis is a reaction in which the raw material mixed solution is reacted in a sealed container such as an autoclave in the presence of hot water at high temperature and pressure. For example, hydrothermal synthesis is performed at a temperature range of 100°C to 150°C for a period of 1 hour to 24 hours.
ステップS430において、好ましくは、水熱合成後の反応溶液に酸を添加し、中性にしてよい。酸には、塩酸、硫酸、硝酸等を用いてよい。また、得られた反応物を洗浄し、乾燥させてよい。 In step S430, an acid may be added to the reaction solution after hydrothermal synthesis to neutralize it. The acid may be hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, or the like. The resulting reaction product may be washed and dried.
ステップS440:ステップS430で得られた反応物を焼成し、CTABを除去する。これにより、CTABが除去され、秩序的な階層構造を維持したスポンジ状の凝集体であるポーラスシリカが得られる。焼成は、CTABが除去される条件であれば、特に制限はないが、好ましくは、200℃以上800℃以下の温度範囲で2時間以上24時間以下の時間、焼成する。これにより、CTABが除去される。さらに好ましくは、焼成は、450℃以上650℃以下の温度範囲で6時間以上10時間以下の時間、焼成する。このようにして、図1に示すポーラスシリカからなる、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を備えた階層構造を有するスポンジ状の凝集体からなるトリウム吸着材が得られる。 Step S440: The reaction product obtained in step S430 is calcined to remove CTAB. As a result, CTAB is removed and porous silica, which is a sponge-like aggregate that maintains an orderly hierarchical structure, is obtained. There are no particular restrictions on the calcination conditions as long as the CTAB is removed, but it is preferably calcined at a temperature range of 200°C to 800°C for 2 hours to 24 hours. This removes the CTAB. More preferably, the calcination is performed at a temperature range of 450°C to 650°C for 6 hours to 10 hours. In this way, a thorium adsorbent is obtained that is made of porous silica shown in Figure 1 and is made of a sponge-like aggregate having a hierarchical structure with micropores, mesopores, and macropores.
次に図2に示す本発明の別のトリウム吸着材を製造する方法について説明する。
図5は、本発明の別のトリウム吸着材を製造する工程を示すフローチャートである。
Next, a method for producing another thorium adsorbent of the present invention shown in FIG. 2 will be described.
FIG. 5 is a flow chart showing a process for producing another thorium adsorbent of the present invention.
別のトリウム吸着材は、図4のステップS440に続いて行われる。
ステップS510:ステップS440で得られた焼成物と、式7または式8で表されるキレート化合物とを混合する。これによりポーラスシリカの表面や細孔にキレート化合物が修飾される。
The separate thorium sorbent is performed following step S440 of FIG.
Step S510: The fired product obtained in step S440 is mixed with the chelate compound represented by formula 7 or 8. This causes the surface and pores of the porous silica to be modified with the chelate compound.
Lは、2価の基であり、上述した通りであるため説明を省略する。 L is a divalent group, and as described above, the explanation is omitted.
このようなキレート化合物としては例示的には以下のものが挙げられる。これらはポーラスシリカへの修飾が容易であり、トリウムを選択的に吸着できる。 Examples of such chelating compounds include the following. These can be easily modified into porous silica and can selectively adsorb thorium.
ステップS510において、焼成物(すなわち、図1で示すポーラスシリカ)に対するキレート化合物の質量比は、好ましくは、0.1以上0.5以下満たす。これにより、キレート化合物は、焼成物の比表面積および細孔容積を維持しつつ、表面や細孔へ修飾し得る。 In step S510, the mass ratio of the chelate compound to the fired product (i.e., the porous silica shown in FIG. 1) is preferably 0.1 or more and 0.5 or less. This allows the chelate compound to modify the surface and pores of the fired product while maintaining the specific surface area and pore volume of the fired product.
ステップS510において、キレート化合物を直接添加してもよいが、例えば、トルエンやヘキサン等の非プロトン性提供性溶媒と混合し、溶解させてもよい。また、混合は、室温(20~30℃)以上50℃以下の温度範囲で1時間以上24時間の間攪拌すればよい。 In step S510, the chelating compound may be added directly, or may be mixed with an aprotic donor solvent such as toluene or hexane, and dissolved. The mixture may be stirred at a temperature range of room temperature (20-30°C) to 50°C for 1 hour to 24 hours.
ステップS520:混合後の生成物を洗浄、乾燥する。洗浄は、エタノール等のアルコールと水とを用いて複数回行ってよい。これにより、未反応のキレート化合物を除去できる。乾燥は、50℃以上100℃以下の温度範囲で1時間以上24時間以下の間行えばよい。このようにして、図2に示す表面や細孔が修飾されたポーラスシリカからなるトリウム吸着材が得られる。 Step S520: The product after mixing is washed and dried. Washing may be performed multiple times using an alcohol such as ethanol and water. This allows the unreacted chelate compound to be removed. Drying may be performed at a temperature range of 50°C to 100°C for 1 hour to 24 hours. In this way, a thorium adsorbent made of porous silica with modified surfaces and pores as shown in Figure 2 is obtained.
次に、本発明のトリウム吸着剤を用いた用途について説明する。本発明のトリウム吸着材は、バッチ方式、カラム方式のいずれにも採用できる。ここでは、カラム方式に採用した場合を説明する。 Next, applications of the thorium adsorbent of the present invention will be described. The thorium adsorbent of the present invention can be used in either a batch system or a column system. Here, we will explain the case where it is used in a column system.
図6は、本発明のトリウム吸着材を用いたトリウム吸着カラムを示す模式図である。 Figure 6 is a schematic diagram showing a thorium adsorption column using the thorium adsorbent of the present invention.
本発明のトリウム吸着カラム600は、吸着材610を有する。吸着材610は、図1および図2を参照して説明した本発明のトリウム吸着材100である。吸着材610は、容器(図示せず)に充填されている。 The thorium adsorption column 600 of the present invention has an adsorbent 610. The adsorbent 610 is the thorium adsorbent 100 of the present invention described with reference to Figures 1 and 2. The adsorbent 610 is packed in a container (not shown).
また、トリウム吸着カラム600は、図6に示すように、トップフィルター620、ボトムフィルター630、および、カラム接続部640、650をさらに有していてもよい。トリウム吸着カラム600は、トップフィルター620側とボトムフィルター630側にそれぞれ開口を有しており、一方の開口から他方の開口へとトリウムを含有する溶液(トリウム含有溶液)を通液することで、トリウム含有溶液がトリウム吸着材610に接触する。これにより、トリウム含有溶液中のトリウムが吸着される。なお、吸着カラムを吸着塔と呼んでもよい。 As shown in FIG. 6, the thorium adsorption column 600 may further include a top filter 620, a bottom filter 630, and column connections 640 and 650. The thorium adsorption column 600 has an opening on the top filter 620 side and an opening on the bottom filter 630 side, and a solution containing thorium (thorium-containing solution) is passed from one opening to the other opening, whereby the thorium-containing solution comes into contact with the thorium adsorbent 610. This causes the thorium in the thorium-containing solution to be adsorbed. The adsorption column may also be called an adsorption tower.
トップフィルター620は、トリウム吸着材610が通液の際に液中で飛散することを防ぐ。また、ボトムフィルター630は、トリウム吸着材610が容器(図示せず)から流出することを防ぐ。カラム接続部640、650は、浄化システムの配管など、トリウム吸着カラム600に通液する液体を供給または排出するための配管と接続する機能をもつ。 The top filter 620 prevents the thorium adsorbent 610 from scattering in the liquid when it is passed through. The bottom filter 630 prevents the thorium adsorbent 610 from leaking out of the container (not shown). The column connectors 640 and 650 function to connect to piping for supplying or discharging the liquid passed through the thorium adsorption column 600, such as piping for a purification system.
次に、図6のトリウム吸着カラム600を用い、被験水溶液からトリウムを抽出する方法を説明する。
図7は、本発明のトリウム吸着材を用い被験水溶液からトリウムを吸着する工程を示すフローチャートである。
Next, a method for extracting thorium from a test aqueous solution using the thorium adsorption column 600 shown in FIG. 6 will be described.
FIG. 7 is a flow chart showing the process for adsorbing thorium from a test aqueous solution using the thorium adsorbent of the present invention.
ステップS710:トリウム吸着材と被験水溶液とを接触させる。例えば、図6のトリウム吸着カラム600において、被験水溶液を、カラム接続部640、650およびトップフィルター620を介して通液する。被験水溶液がトリウムを含有していれば、被験水溶液中のトリウムがトリウム吸着材に選択的に吸着される。 Step S710: The thorium adsorbent is brought into contact with the test aqueous solution. For example, in the thorium adsorption column 600 of FIG. 6, the test aqueous solution is passed through the column connections 640, 650 and the top filter 620. If the test aqueous solution contains thorium, the thorium in the test aqueous solution is selectively adsorbed by the thorium adsorbent.
好ましくは、被験水溶液のpHを4以上6以下となるように調整するとよい。pHの調整には、公知の酸や塩基を使用してよい。pHの調整により、トリウムの吸着が促進する。より好ましくは、被験水溶液のpHを4以上5以下となるように調整するとよい。これにより、トリウム吸着材の活性部位でTh(IV)とH3O+との静電反発を抑制するとともに、[Th(OH)2]2+や[Th2(OH)2]6+等の水酸化物の生成が抑制され、吸着能を維持できる。 Preferably, the pH of the test aqueous solution is adjusted to 4 or more and 6 or less. A known acid or base may be used to adjust the pH. The adsorption of thorium is promoted by adjusting the pH. More preferably, the pH of the test aqueous solution is adjusted to 4 or more and 5 or less. This suppresses the electrostatic repulsion between Th(IV) and H 3 O + at the active site of the thorium adsorbent, and also suppresses the generation of hydroxides such as [Th(OH) 2 ] 2+ and [Th 2 (OH) 2 ] 6+ , thereby maintaining the adsorption ability.
好ましくは、ステップS710における接触時間は、30分以上である。これにより、トリウムの吸着が促進する。上限は特にないが、100分であってよい。これ以上接触させても、吸着量に変化は見られない。また、攪拌しながら接触させるとよい。効率の観点から接触時間は50分以上70分以下であればよい。 Preferably, the contact time in step S710 is 30 minutes or more. This promotes the adsorption of thorium. There is no particular upper limit, but it may be 100 minutes. If the contact time is longer than this, no change in the amount of adsorption is observed. It is also advisable to contact the mixture while stirring. From the viewpoint of efficiency, the contact time should be 50 minutes or more and 70 minutes or less.
ステップS710における接触温度は、室温であってもよいが、60℃以上80℃以下の温度範囲に加熱することにより、吸着効率が促進し得る。 The contact temperature in step S710 may be room temperature, but heating to a temperature range of 60°C or higher and 80°C or lower can enhance adsorption efficiency.
図示しないが、ステップS710に続いて、被験水溶液からトリウムが抽出された処理水を排出する。例えば、図6のトリウム吸着カラム600において、処理水を、ボトムフィルター630を介して排出すればよい。 Although not shown, following step S710, the treated water from which thorium has been extracted from the test aqueous solution is discharged. For example, in the thorium adsorption column 600 of FIG. 6, the treated water may be discharged through the bottom filter 630.
トリウムが吸着したトリウム吸着材は、硫酸、塩酸、硝酸等の酸と接触させることにより、吸着したトリウムを遊離させることができる。これにより、トリウム吸着材は再利用可能となる。遊離効率の観点から塩酸が好ましい。 The thorium adsorbent with adsorbed thorium can be released by contacting it with an acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or nitric acid. This makes the thorium adsorbent reusable. From the standpoint of release efficiency, hydrochloric acid is preferred.
好ましくは、トリウムが吸着したトリウム吸着材に濃度0.05M以上0.5M以下の塩酸等の酸を40分以上120分以下接触させればよい。これにより、吸着したトリウムを遊離させることができる。さらに好ましくは、トリウムが吸着したトリウム吸着材に濃度0.1M以上0.4M以下の塩酸等の酸を40分以上80分以下接触させればよい。これにより、吸着したトリウムを効率的に遊離させることができる。 Preferably, the thorium adsorbent having thorium adsorbed thereon is brought into contact with an acid such as hydrochloric acid having a concentration of 0.05M to 0.5M for 40 minutes to 120 minutes. This allows the adsorbed thorium to be liberated. Even more preferably, the thorium adsorbent having thorium adsorbed thereon is brought into contact with an acid such as hydrochloric acid having a concentration of 0.1M to 0.4M for 40 minutes to 80 minutes. This allows the adsorbed thorium to be efficiently liberated.
図8は、本発明のトリウム吸着材を用い、トリウム含有鉱石からトリウムを抽出し、回収する工程を示すフローチャートである。 Figure 8 is a flow chart showing the process of extracting and recovering thorium from thorium-containing ore using the thorium adsorbent of the present invention.
ステップS810:トリウム含有鉱石を塩酸、硝酸および硫酸からなる群から選択される酸溶液に添加し、トリウム含有溶液を調製する。これにより、トリウム含有量が低い鉱石であっても、トリウム含有鉱石中のトリウムを浸出させることができる。酸溶液中の酸の濃度(M)は、好ましくは、トリウム含有鉱石1gに対して1.5M以上3M以下の範囲を満たす。この範囲であれば、トリウムを効果的に浸出させることができる。 Step S810: The thorium-containing ore is added to an acid solution selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid to prepare a thorium-containing solution. This allows the thorium in the thorium-containing ore to be leached out, even if the ore has a low thorium content. The acid concentration (M) in the acid solution is preferably in the range of 1.5 M to 3 M per 1 g of thorium-containing ore. Within this range, thorium can be effectively leached out.
トリウム含有溶液の調製において、トリウム含有鉱石と酸とを混合し、攪拌すればよいが、好ましくは、60分以上120分以下の時間攪拌するとよい。これにより浸出効率が増大する。さらに好ましくは、攪拌において、加熱すると浸出効率が増大し、加熱温度は60℃以上80℃以下の温度範囲が好ましい。 In preparing the thorium-containing solution, the thorium-containing ore and the acid are mixed and stirred, preferably for 60 to 120 minutes. This increases the leaching efficiency. More preferably, heating during stirring increases the leaching efficiency, and the heating temperature is preferably in the range of 60°C to 80°C.
トリウム含有溶液の調製において、トリウム含有鉱石(1g)に対する酸の量(mL)は、好ましくは、10mL以上40mL以下の範囲である。この範囲であれば、トリウムの浸出が促進する。 In preparing the thorium-containing solution, the amount of acid (mL) per 1 g of thorium-containing ore is preferably in the range of 10 mL to 40 mL. This range promotes the leaching of thorium.
ステップS820:トリウム吸着材とトリウム含有溶液とを接触させる。例えば、図6のトリウム吸着カラム600において、トリウム含有溶液を、カラム接続部640、650およびトップフィルター620を介して通液する。 Step S820: The thorium adsorbent is brought into contact with the thorium-containing solution. For example, in the thorium adsorption column 600 of FIG. 6, the thorium-containing solution is passed through the column connections 640, 650 and the top filter 620.
好ましくは、トリウム含有溶液のpHを4以上6以下となるように調整するとよい。pHの調整には、公知の酸や塩基を使用してよい。pHの調整により、トリウムの吸着が促進する。より好ましくは、トリウム含有溶液のpHを4以上5以下となるように調整するとよい。これにより、トリウム吸着材の活性部位でTh(IV)とH3O+との静電反発を抑制するとともに、[Th(OH)2]2+や[Th2(OH)2]6+等の水酸化物の生成が抑制され、吸着能を維持できる。 Preferably, the pH of the thorium-containing solution is adjusted to 4 or more and 6 or less. A known acid or base may be used to adjust the pH. The adsorption of thorium is promoted by adjusting the pH. More preferably, the pH of the thorium-containing solution is adjusted to 4 or more and 5 or less. This suppresses the electrostatic repulsion between Th(IV) and H 3 O + at the active site of the thorium adsorbent, and also suppresses the generation of hydroxides such as [Th(OH) 2 ] 2+ and [Th 2 (OH) 2 ] 6+ , thereby maintaining the adsorption ability.
好ましくは、ステップS820における接触時間は、50分以上である。これにより、トリウムの吸着が促進する。上限は特にないが、100分であってよい。これ以上接触させても、吸着量に変化は見られない。また、攪拌しながら接触させるとよい。このようにして、本発明のトリウム吸着材を用いれば、トリウム含有鉱石から抽出したトリウムを吸着できる。 Preferably, the contact time in step S820 is 50 minutes or more. This promotes the adsorption of thorium. There is no particular upper limit, but it may be 100 minutes. Even if the contact time is longer than this, no change in the amount of adsorption is observed. It is also recommended to contact the material while stirring. In this way, the thorium adsorbent of the present invention can be used to adsorb thorium extracted from thorium-containing ore.
ステップS830:トリウム含有溶液からトリウムが抽出された処理水を排出する。例えば、図6のトリウム吸着カラム600において、処理水を、ボトムフィルター630を介して排出すればよい。 Step S830: Discharge the treated water from which thorium has been extracted from the thorium-containing solution. For example, in the thorium adsorption column 600 of FIG. 6, the treated water may be discharged through the bottom filter 630.
ステップS840:トリウムが吸着したトリウム吸着材を硫酸、塩酸および硝酸からなる群から選択される酸と接触させ、吸着したトリウムを遊離する。これにより、トリウム吸着材は再利用可能となる。遊離効率の観点から塩酸が好ましい。 Step S840: The thorium adsorbent with adsorbed thorium is contacted with an acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid to release the adsorbed thorium. This makes the thorium adsorbent reusable. From the viewpoint of release efficiency, hydrochloric acid is preferred.
好ましくは、トリウムが吸着したトリウム吸着材に濃度0.05M以上0.5M以下の塩酸等の酸を40分以上120分以下接触させればよい。これにより、吸着したトリウムを遊離させることができる。さらに好ましくは、トリウムが吸着したトリウム吸着材に濃度0.1M以上0.4M以下の塩酸等の酸を40分以上80分以下接触させればよい。これにより、吸着したトリウムを効率的に遊離させることができる。 Preferably, the thorium adsorbent having thorium adsorbed thereon is brought into contact with an acid such as hydrochloric acid having a concentration of 0.05M to 0.5M for 40 minutes to 120 minutes. This allows the adsorbed thorium to be liberated. Even more preferably, the thorium adsorbent having thorium adsorbed thereon is brought into contact with an acid such as hydrochloric acid having a concentration of 0.1M to 0.4M for 40 minutes to 80 minutes. This allows the adsorbed thorium to be efficiently liberated.
次に、具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 Next, the present invention will be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.
[植物由来シリカ源の調製]
麦わら(エジプトの北部で収集)を水道水で洗浄し、不純物を除去した後、90℃で24時間、乾燥させた。次いで、乾燥させた麦わらを0.5Mの塩酸(HCl)中、70℃で4時間還流させた。冷却後、塩酸処理した麦わらをろ過し、残渣をミリQ水で洗浄し、酸を除去した。その後、残渣を100℃で12時間乾燥させた。乾燥体を700℃で7時間焼成し、白色の植物由来シリカ源を得た。
[Preparation of plant-derived silica source]
Wheat straw (collected in the north of Egypt) was washed with tap water to remove impurities, and then dried at 90° C. for 24 hours. The dried straw was then refluxed in 0.5 M hydrochloric acid (HCl) at 70° C. for 4 hours. After cooling, the hydrochloric acid-treated straw was filtered, and the residue was washed with Milli-Q water to remove the acid. The residue was then dried at 100° C. for 12 hours. The dried body was calcined at 700° C. for 7 hours to obtain a white plant-derived silica source.
[評価に使用した装置等]
試料のモルフォロジを電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM、日本電子株式会社製、JSM-6500F)および高解像度透過型電子顕微鏡像(HRTEM)を撮影した。SEM観察時の加速電圧は20kVであった。TEM観察時の加速電圧は200kVであった。18-kW回折計を用いて広角X線回折(Bruker製、D8 Advance)を測定し、試料を同定した。全自動ガス吸着装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、BELSORP36)を用いて試料の窒素吸脱着等温線(77K)を測定した。等温線から細孔径、細孔容積およびBET法による比表面積を求めた。示差熱・熱重量同時測定装置(株式会社島津製作所製、TG-60)を用いて熱重量示差熱分析(TG-DTA)を行った。フーリエ変換赤外分光高度計(FTIR、株式会社島津製作所製、FTIR Prestage-21)を用いて、赤外領域の吸収スペクトルを調べた。
[Equipment used in evaluation]
The morphology of the sample was photographed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-6500F, manufactured by JEOL Ltd.) and a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM). The accelerating voltage during SEM observation was 20 kV. The accelerating voltage during TEM observation was 200 kV. Wide-angle X-ray diffraction (D8 Advance, manufactured by Bruker) was measured using an 18-kW diffractometer to identify the sample. The nitrogen adsorption/desorption isotherm (77 K) of the sample was measured using a fully automatic gas adsorption apparatus (BELSORP36, manufactured by Microtrack-Bell Co., Ltd.). The pore size, pore volume, and specific surface area by the BET method were obtained from the isotherm. Thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA) was performed using a differential thermal/thermogravimetric simultaneous measurement apparatus (TG-60, manufactured by Shimadzu Corporation). The absorption spectrum in the infrared region was examined using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR, manufactured by Shimadzu Corporation, FTIR Prestage-21).
Perkin Elmer lambda 3bダブルビームUV可視プログラム可能分光光度計を備えた誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP-MS、Perkin Elmer製、Elan-6000)を用いて、トリウム吸着前後のトリウム量を測定した。高純度ゲルマニウム(HPGe)EG&G オルテックモデル装置(GMX60P4)を用い、直接γ線計数法を行った。 The amount of thorium was measured before and after thorium adsorption using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS, Perkin Elmer, Elan-6000) equipped with a Perkin Elmer lambda 3b double beam UV-visible programmable spectrophotometer. Direct gamma counting was performed using a high purity germanium (HPGe) EG&G Alltec model instrument (GMX60P4).
[トリウム吸着脱離試験]
トリウム吸脱着試験は、カラム式およびバッチ式で行った。
使用するガラスを5%硝酸およびミリQ水で洗浄した。すべての試験は3回行った。
[Thorium adsorption/desorption test]
Thorium adsorption and desorption tests were carried out in both column and batch modes.
The glasses used were cleaned with 5% nitric acid and Milli-Q water. All tests were performed in triplicate.
カラム式は次のように行った。固定垂直ガラスカラム(長さ12.5cm、直径1.0cm)にプラスチックネットとポリエチレンウールとを置き、その上にトリウム吸着材を配置させた。カラムを用いて、被験液の流量の影響、トリウム吸着材の用量、トリウム濃度について調べた。吸着前後のトリウム量をICP-MSにより測定した。 The column method was as follows: A plastic net and polyethylene wool were placed in a fixed vertical glass column (length 12.5 cm, diameter 1.0 cm), and a thorium adsorbent was placed on top of the net. Using the column, the effects of the flow rate of the test liquid, the dosage of the thorium adsorbent, and the thorium concentration were investigated. The amount of thorium before and after adsorption was measured by ICP-MS.
吸着量(qe、mg/g)と吸着効率(Ads.%)とは以下の式から算出した。
qe=(C0-Ce)(V/w) (1)
Ads.%={(C0-Ce)/C0}×100 (2)
ここで、C0およびCeは初期および平衡時の濃度[Th(IV)、mg/L]であり、Vは被験液の体積(L)であり、wはトリウム吸着材の質量(g)である。
The adsorption amount (q e , mg/g) and the adsorption efficiency (Ads.%) were calculated from the following formulas.
q e =(C 0 -C e )(V/w) (1)
Ads. %={(C 0 - C e )/C 0 }×100 (2)
where C 0 and C e are the initial and equilibrium concentrations [Th(IV), mg/L], V is the volume of the test solution (L), and w is the mass of the thorium adsorbent (g).
次いで、トリウムが吸着したトリウム吸着材が充填されたカラムに酸を流し、トリウムの脱離(遊離)を行った。遊離効率(E.%)は、E.%=(CE/CA)×100の式を用いて算出した。ここで、CEおよびCAは、遊離したトリウム濃度および吸着したトリウム濃度である。 Next, the acid was passed through a column packed with the thorium adsorbent to desorb (release) thorium. The release efficiency (E.%) was calculated using the formula E.% = ( C.E./C.A . ) x 100, where C.E. and C.A. are the released thorium concentration and the adsorbed thorium concentration.
バッチ式は次のように行った。被験液(後述するトリウム標準溶液)20mLとトリウム吸着材20mgとを攪拌しながら混合した。トリウム標準溶液中のトリウム濃度およびpH、混合時間、ならびに、混合温度を変化させ、トリウム吸着量および吸着効率を調べた。カラム式と同様に、トリウムが吸着したトリウム吸着材に硫酸を流し、トリウムの脱離を行った。トリウム吸着量、吸着効率および遊離効率の算出は、上述したとおりであるため説明を省略する。 The batch method was carried out as follows. 20 mL of the test liquid (a thorium standard solution described below) was mixed with 20 mg of thorium adsorbent while stirring. The thorium concentration and pH in the thorium standard solution, the mixing time, and the mixing temperature were changed to investigate the amount of thorium adsorbed and the adsorption efficiency. As with the column method, sulfuric acid was passed through the thorium adsorbent to which thorium had been adsorbed, and the thorium was desorbed. The calculations of the amount of thorium adsorbed, the adsorption efficiency, and the release efficiency were as described above, so a description thereof will be omitted.
[被験液]
トリウム吸脱着試験に用いる被験液として種々の濃度のトリウム標準溶液を用いた。
[Test solution]
Thorium standard solutions with various concentrations were used as test solutions for the thorium adsorption/desorption test.
さらに、トリウム吸脱着試験に用いる被験液としてトリウム含有鉱石からトリウムが浸出したトリウム含有溶液を次のようにして調製した。
エジプト産カタクラサイト(ECR)をエジプトの南東砂漠に位置するAbu Rushied地方から採取し、200メッシュ(約0.075mm)まで粉砕した。ECRの元素分析を行い、酸化物量を測定した。結果を表1に示す。表1中の“REE”は希土類元素を示す。さらに、HPGe分光計を用いた測定によれば、ECRは、619.3Bq/Kgの232Th同位体を含有した。
Furthermore, a thorium-containing solution in which thorium was leached from a thorium-containing ore was prepared as a test liquid for use in a thorium adsorption/desorption test in the following manner.
Egyptian cataclasite (ECR) was collected from the Abu Rushied region in the southeastern desert of Egypt and crushed to 200 mesh (approximately 0.075 mm). Elemental analysis of the ECR was performed to measure the amount of oxides. The results are shown in Table 1. In Table 1, "REE" stands for rare earth elements. Furthermore, the ECR contained 619.3 Bq/Kg of 232Th isotope as measured using a HPGe spectrometer.
粉砕したECR1gを、種々の温度、種々の時間、塩酸溶液(0.1M~4M)、塩酸溶液の体積に添加・攪拌し、トリウムを浸出させた。浸出効率(L%)を次の式から算出した。これらの結果を図9に示す。
L%=(CL/CS)×100 (3)
ここで、CL(Bq/Kg)およびCS(Bq/Kg)は、平衡状態と初期状態とにおける酸溶液中のトリウム濃度である。
1 g of crushed ECR was added to and stirred in various volumes of hydrochloric acid solutions (0.1M to 4M) at various temperatures for various times to allow thorium to leach out. The leaching efficiency (L%) was calculated using the following formula. These results are shown in Figure 9.
L%=( CL / CS )×100 (3)
where C L (Bq/Kg) and C S (Bq/Kg) are the thorium concentrations in the acid solution at equilibrium and initial conditions.
図9は、ECRからのトリウム浸出の各種条件依存性を示す図である。 Figure 9 shows the dependence of thorium leaching from ECR on various conditions.
図9(A)は、浸出効率の塩酸濃度依存性を示す。いずれも、ECR1gを種々の濃度の塩酸(0.1M~0.4M、10mL)に添加し、室温(25℃±2)で60分間攪拌させた結果である。図9(A)によれば、1gのトリウム含有鉱石に対して、1.5M以上3M以下の塩酸を用いることが有効であることが示された。 Figure 9 (A) shows the dependence of leaching efficiency on hydrochloric acid concentration. All results are from adding 1 g of ECR to hydrochloric acid of various concentrations (0.1 M to 0.4 M, 10 mL) and stirring for 60 minutes at room temperature (25°C ± 2). Figure 9 (A) shows that it is effective to use hydrochloric acid of 1.5 M or more and 3 M or less for 1 g of thorium-containing ore.
図9(B)は、浸出効率の時間依存性を示す。いずれも、ECR1gを2Mの塩酸(10mL)に添加し、室温(25℃±2)で5分~180分間攪拌させた結果である。図9(B)によれば、60分以上の浸出時間において、60%近い高い浸出効率を示した。浸出時間の上限は120分であればよい。 Figure 9 (B) shows the time dependence of leaching efficiency. In all cases, 1 g of ECR was added to 2 M hydrochloric acid (10 mL) and stirred at room temperature (25°C ± 2) for 5 to 180 minutes. Figure 9 (B) shows that a high leaching efficiency of nearly 60% was observed for leaching times of 60 minutes or more. The upper limit of the leaching time should be 120 minutes.
図9(C)は、浸出効率の塩酸溶液量依存性を示す。いずれも、ECR1gを種々の量の塩酸(2M、2mL~50mL)に添加し、室温(25℃±2)で60分間攪拌させた結果である。図9(C)によれば、10mL以上の塩酸を使用すると、高い浸出効率を示した。このことから、ECR1gに対して10mL以上40mL以下の酸溶液を用いることが好ましい。 Figure 9 (C) shows the dependence of leaching efficiency on the amount of hydrochloric acid solution. All results are from adding 1 g of ECR to various amounts of hydrochloric acid (2 M, 2 mL to 50 mL) and stirring at room temperature (25°C ± 2) for 60 minutes. According to Figure 9 (C), high leaching efficiency was observed when 10 mL or more of hydrochloric acid was used. For this reason, it is preferable to use an acid solution of 10 mL to 40 mL per 1 g of ECR.
図9(D)は、浸出効率の温度依存性を示す。いずれも、ECR1gを塩酸(2M、10mL)に添加し、種々の温度(25℃~80℃)で60分間攪拌させた結果である。図9(D)によれば、60℃以上80℃以下の範囲であれば、80%以上の高い浸出効率となることが分かった。 Figure 9 (D) shows the temperature dependence of leaching efficiency. All results are from adding 1 g of ECR to hydrochloric acid (2 M, 10 mL) and stirring for 60 minutes at various temperatures (25°C to 80°C). Figure 9 (D) shows that a high leaching efficiency of over 80% can be achieved if the temperature is in the range of 60°C to 80°C.
以上の結果を踏まえて、後述するEGR含有鉱石を用いたトリウム含有溶液は、ECR1gを10mLの塩酸(2M)に添加し、80℃±2に加熱し、60分攪拌させることによって調製した。このとき、トリウム含有鉱石から99.5%のトリウムが抽出された。 Based on the above results, a thorium-containing solution using EGR-containing ore, described below, was prepared by adding 1 g of ECR to 10 mL of hydrochloric acid (2 M), heating to 80°C ± 2°C, and stirring for 60 minutes. At this time, 99.5% of the thorium was extracted from the thorium-containing ore.
[例1]
例1では、植物由来シリカ源と界面活性剤として臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB、シグマアルドリッチ製)とを用い、ポーラスシリカからなるトリウム吸着材を表2に示す条件で製造した。
[Example 1]
In Example 1, a thorium adsorbent made of porous silica was produced under the conditions shown in Table 2 using a plant-derived silica source and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB, manufactured by Sigma-Aldrich) as a surfactant.
植物由来シリカ源(2.5g)をアルカリ溶液として2.5Mの水酸化ナトリウム(20mL)に添加し、60℃で、5~7時間、還流させ、溶解させ、植物由来シリカ溶液を調製した(図4のステップS410)。植物由来シリカ溶液をろ過し、沸騰させたミリQ水(10mL)で洗浄し、冷却した。これに臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB、0.5g)を添加し、1時間攪拌し、原料混合溶液を得た(図4のステップS420)。原料混合溶液は、植物由来シリカ溶液と比べて粘度が高いゾルであった。 The plant-derived silica source (2.5 g) was added as an alkaline solution to 2.5 M sodium hydroxide (20 mL), and the solution was refluxed at 60° C. for 5 to 7 hours to dissolve the source, preparing a plant-derived silica solution (step S410 in FIG. 4). The plant-derived silica solution was filtered, washed with boiled Milli-Q water (10 mL), and cooled. Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB, 0.5 g) was added thereto, and the mixture was stirred for 1 hour to obtain a raw material mixture solution (step S420 in FIG. 4). The raw material mixture solution was a sol with a higher viscosity than the plant-derived silica solution.
原料混合溶液をテフロン(登録商標)製のオートクレーブに移し、水熱合成し、シリカとCTABとからなる反応物を析出させた(図4のステップS430)。水熱合成の条件は、昇温速度10℃/分で130℃まで昇温し、10時間保持であった。得られた反応溶液に50%硫酸を攪拌しながら滴下し、反応溶液のpHを8にした。得られた反応物を沸騰させたミリQ水で洗浄し、アルカリを除去し、70℃で12時間乾燥させた。 The raw material mixture solution was transferred to a Teflon (registered trademark) autoclave and hydrothermally synthesized to precipitate a reaction product consisting of silica and CTAB (step S430 in FIG. 4). The conditions for hydrothermal synthesis were to raise the temperature to 130°C at a heating rate of 10°C/min and hold the temperature for 10 hours. 50% sulfuric acid was added dropwise to the resulting reaction solution while stirring, and the pH of the reaction solution was adjusted to 8. The resulting reaction product was washed with boiled Milli-Q water to remove the alkali, and then dried at 70°C for 12 hours.
乾燥させた反応物を550℃で8時間焼成し、CTABを除去した(図4のステップS440)。このようにしてポーラスシリカを得た。このようにして得られた試料を例1の試料またはHOMSと呼ぶ。 The dried reactant was calcined at 550°C for 8 hours to remove the CTAB (step S440 in Figure 4). In this way, porous silica was obtained. The sample thus obtained is called the sample of Example 1 or HOMS.
得られた例1の試料のSEM像、HRTEM像、元素分析、XRD回折、TG-DTA曲線、FTIRスペクトル、BET法比表面積および細孔容積の結果を、図10~図13および表4~表5に示す。 The results of the SEM image, HRTEM image, elemental analysis, XRD diffraction, TG-DTA curve, FTIR spectrum, BET specific surface area, and pore volume of the obtained sample of Example 1 are shown in Figures 10 to 13 and Tables 4 and 5.
得られた例1の試料について、バッチ方式およびカラム方式を適宜採用し、トリウムの吸着効率および遊離効率を測定した。これらの結果を図16~図27に示す。 The thorium adsorption and release efficiencies were measured for the samples obtained in Example 1 using the batch and column methods as appropriate. The results are shown in Figures 16 to 27.
[例2]
例2では、例1で得たポーラスシリカの表面および細孔に、表3で示すキレート化合物(3-ホスホノプロピオン酸(PPA、シグマアルドリッチ製))を修飾した。
[Example 2]
In Example 2, the surface and pores of the porous silica obtained in Example 1 were modified with a chelate compound shown in Table 3 (3-phosphonopropionic acid (PPA, manufactured by Sigma-Aldrich)).
具体的には、ドライトルエン(20mL)にPPA(0.2g)を溶解させ、これに例1の試料(1g)を添加し、室温(25℃)で5時間攪拌した(図5のステップS510)。次いで、混合物をろ過し、無水エタノールおよびミリQ水で3回洗浄し、未反応のPPAを除去した。生成物をオーブンで70℃、12時間乾燥し、脱水させた(図5のステップS520)。このようにして得られた試料を例2の試料またはHOMS-Lと呼ぶ。 Specifically, PPA (0.2 g) was dissolved in dry toluene (20 mL), to which the sample of Example 1 (1 g) was added and stirred at room temperature (25° C.) for 5 hours (step S510 in FIG. 5). The mixture was then filtered and washed three times with absolute ethanol and Milli-Q water to remove unreacted PPA. The product was dried in an oven at 70° C. for 12 hours and dehydrated (step S520 in FIG. 5). The sample thus obtained is referred to as the sample of Example 2 or HOMS-L.
例1の試料と同様に、例2の試料のSEM像、HRTEM像、元素分析、XRD回折、TG-DTA曲線、FTIRスペクトル、BET法比表面積および細孔容積の結果を、図11~図13および表4~表5に示す。 As with the sample of Example 1, the results of SEM images, HRTEM images, elemental analysis, XRD diffraction, TG-DTA curves, FTIR spectra, BET specific surface area, and pore volume of the sample of Example 2 are shown in Figures 11 to 13 and Tables 4 and 5.
例1の試料と同様に、例2の試料について、バッチ方式およびカラム方式を適宜採用しトリウムの吸着効率および遊離効率を測定した。また、トリウム吸着後の例2の試料のXRDパターンおよびFTIRスペクトルを測定した。これらの結果を図14~図27に示す。 As with the sample of Example 1, the adsorption efficiency and release efficiency of thorium were measured for the sample of Example 2 by appropriately adopting the batch method and column method. In addition, the XRD pattern and FTIR spectrum of the sample of Example 2 after thorium adsorption were measured. These results are shown in Figures 14 to 27.
[例3~例7]
例3~例7では、例2と同様にして、例1で得たポーラスシリカの表面および細孔に、表3で示すキレート化合物を修飾し、トリウムの吸着および遊離を確認した。このようにして得られた試料を例3~例7の試料またはHOMS-L1~HOMS-L5と呼ぶ。
[Examples 3 to 7]
In Examples 3 to 7, the surface and pores of the porous silica obtained in Example 1 were modified with the chelate compounds shown in Table 3 in the same manner as in Example 2, and the adsorption and release of thorium was confirmed. The samples obtained in this manner are referred to as the samples of Examples 3 to 7 or HOMS-L1 to HOMS-L5.
以上の例1~例7の試料の合成条件を、簡単のため、表2および表3に示し、結果をまとめて説明する。 For simplicity, the synthesis conditions for the samples in Examples 1 to 7 above are shown in Tables 2 and 3, and the results are summarized and explained.
図10は、例1の試料のSEM像およびHR-TEM像を示す図である。 Figure 10 shows SEM and HR-TEM images of the sample in Example 1.
図10(A)は、例1の試料のSEM像であり、図10(B)および図10(C)は、例1の試料のHR-TEM像である。例1の試料は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径の粒子からなり、スポンジ状の凝集体であった。図10(A)のbおよびcに示されるように、例1の試料は、長手方向に配列した細長の溝を備え、250nm以上2μm以下の長さを有した。 Figure 10(A) is an SEM image of the sample of Example 1, and Figures 10(B) and 10(C) are HR-TEM images of the sample of Example 1. The sample of Example 1 was a sponge-like aggregate consisting of particles with a particle size in the range of 10 μm to 70 μm. As shown in Figure 10(A) b and c, the sample of Example 1 had elongated grooves aligned in the longitudinal direction and had a length of 250 nm to 2 μm.
図10(B)によれば、凝集体の外表面は、直径200nm~250nmの穴を多数有した。図10(C)によれば、凝集体の内表面も、直径200nm~250nmの連通する穴を有した。このことからも、例1の試料は、スポンジ状の凝集体であることが分かった。また、例2~例7の試料も同様の様態を示した。 According to FIG. 10(B), the outer surface of the aggregate had many holes with diameters of 200 nm to 250 nm. According to FIG. 10(C), the inner surface of the aggregate also had interconnected holes with diameters of 200 nm to 250 nm. This also demonstrated that the sample of Example 1 was a sponge-like aggregate. The samples of Examples 2 to 7 also exhibited a similar appearance.
表4は、例1および例2の試料の元素分析の結果を示す。 Table 4 shows the results of elemental analysis of the samples of Examples 1 and 2.
表4によれば、キレート化合物で修飾した例2の試料は、ケイ素(Si)、酸素(O)、炭素(C)およびリン(P)を含有し、質量パーセント濃度で、
42≦Si≦44
48≦O≦51
1.5≦C≦3、および、
0.5≦P≦2
を満たすことが分かった。例3~例7の試料も同様の組成を有した。
According to Table 4, the sample of Example 2 modified with a chelate compound contains silicon (Si), oxygen (O), carbon (C) and phosphorus (P), and has the following mass percent concentrations:
42≦Si≦44
48≦O≦51
1.5≦C≦3, and
0.5≦P≦2
It was found that the above condition was satisfied. The samples of Examples 3 to 7 also had the same composition.
図11は、例1および例2の試料のXRDパターンを示す図である。 Figure 11 shows the XRD patterns of the samples of Examples 1 and 2.
例1および例2の試料は、2<2θ<2.5の範囲にブロードなピークを有し、それぞれ、4.1nmおよび4.019nmの面間隔d100を有した。このことは、例1および例2の試料は、メソスケール領域の空隙を有することを示唆する。なお、面間隔の減少は、例2の試料の表面にキレート化合物が修飾されていることを示唆する。広角XRDパターンにおける2θ=30°および43°のブロードなピークは、非晶質シリカに起因する。例3~例7の試料のXRDパターンも、例2のそれと同様であった。 The samples of Example 1 and Example 2 had broad peaks in the range of 2<2θ<2.5 and had d 100 spacings of 4.1 nm and 4.019 nm, respectively. This suggests that the samples of Example 1 and Example 2 have voids in the mesoscale region. The decrease in the lattice spacing suggests that the surface of the sample of Example 2 is modified with a chelate compound. The broad peaks at 2θ=30° and 43° in the wide-angle XRD pattern are due to amorphous silica. The XRD patterns of the samples of Example 3 to Example 7 were similar to that of Example 2.
図12は、例1および例2の試料の窒素吸脱着等温線(A)およびTG-DTA曲線(B)を示す図である。 Figure 12 shows the nitrogen adsorption/desorption isotherms (A) and TG-DTA curves (B) of the samples of Examples 1 and 2.
図12(A)によれば、窒素吸脱着等温線は、IUPACのI型、II型およびIV型の混合を示し、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を有し、例1および例2の試料は階層構造を有することがわかった。挿入図に示すように、非局所密度汎関数(NLDFT)を用いて細孔サイズの分布を算出したところ、4.78nmにピークを有した。また、例1および例2の試料において、細孔は類似性と規則性を有することが分かった。図示しないが、例3~例7の試料も同様の窒素吸脱着等温線を示した。 According to FIG. 12(A), the nitrogen adsorption/desorption isotherm shows a mixture of IUPAC types I, II, and IV, with micropores, mesopores, and macropores, and it was found that the samples of Examples 1 and 2 have a hierarchical structure. As shown in the inset, the pore size distribution was calculated using nonlocal density functional theory (NLDFT) and had a peak at 4.78 nm. It was also found that the pores in the samples of Examples 1 and 2 have similarity and regularity. Although not shown, the samples of Examples 3 to 7 also showed similar nitrogen adsorption/desorption isotherms.
表5は、例1および例2の試料のBET法比表面積および細孔容積を示す。 Table 5 shows the BET specific surface area and pore volume of the samples of Examples 1 and 2.
表5に示すように、表面にキレート化合物を修飾することによって、BET法比表面積および細孔容積のいずれも小さくなった。例2~例7の試料も、250m2/g以上170m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.2cm3/g以上0.25cm3/g以下の範囲の細孔容積を有することを確認した。 As shown in Table 5, both the BET specific surface area and the pore volume were reduced by modifying the surface with a chelating compound. It was confirmed that the samples of Examples 2 to 7 also had a BET specific surface area in the range of 250 m 2 /g or more and 170 m 2 /g or less, and a pore volume in the range of 0.2 cm 3 /g or more and 0.25 cm 3 /g or less.
図12(B)によれば、例1の試料は、90℃~420℃の間で2.61質量%の質量損失を示した。これは、残留する溶媒、水分子の蒸発、ならびに、CTAB界面活性剤に基づく。一方、例2の試料は、27℃~600℃の間で2段階にわたり合計5.6質量%の質量損失を示した。27℃~200℃の間の2.28質量%の第1の質量損失は、物理的に吸着した水やエタノール等の蒸発に基づく。200℃~600℃の間の3.22質量%の第2の質量損失は、CTAB、キレート化合物、シラノール等の有機基の分解に基づく。 According to FIG. 12(B), the sample of Example 1 showed a mass loss of 2.61% by mass between 90°C and 420°C. This is due to the evaporation of residual solvent, water molecules, and CTAB surfactant. On the other hand, the sample of Example 2 showed a total mass loss of 5.6% by mass over two stages between 27°C and 600°C. The first mass loss of 2.28% by mass between 27°C and 200°C is due to the evaporation of physically adsorbed water, ethanol, etc. The second mass loss of 3.22% by mass between 200°C and 600°C is due to the decomposition of organic groups such as CTAB, chelating compounds, and silanols.
例1および例2の試料の質量損失が小さいことから、例1および例2の試料は、高温の厳しい環境下における耐久性に優れていることが分かった。 The small mass loss of the samples in Examples 1 and 2 indicates that the samples in Examples 1 and 2 have excellent durability in harsh high-temperature environments.
図13は、例1および例2の試料のFTIRスペクトルを示す図である。 Figure 13 shows the FTIR spectra of the samples of Examples 1 and 2.
いずれのスペクトルにおいても、次に述べる特徴を示した。3550cm-1および1646cm-1におけるブロードなバンドは、シラノール基(Si-OH)および表面に物理的に吸着した水分子(H-O-H)による伸縮、逆対称伸縮、変角するOH基に基づく。1078cm-1、797cm-1および456cm-1のピークは、Si-O-SiおよびO-Si-Oの伸縮運動に基づく。 Both spectra showed the following characteristics: the broad bands at 3550 cm -1 and 1646 cm -1 were due to the stretching, antisymmetric stretching, and bending of OH groups caused by silanol groups (Si-OH) and water molecules (H-O-H) physically adsorbed on the surface; the peaks at 1078 cm -1 , 797 cm -1 , and 456 cm -1 were due to the stretching motions of Si-O-Si and O-Si-O.
一方、例2の試料のFTIRスペクトルは、例1の試料のそれと異なり、1653cm-1および958cm-1に小さなバンドを有した。これらは、それぞれ、表面および細孔に修飾させたキレート化合物(ここではPPA)による変角HO-P=Oおよび伸縮P-Oに基づく。3460cm-1のブロードなバンドは、キレート化合物のOH基を示し、1880cm-1の小さなピークは、キレート化合物のC=O基を示す。図示しないが、例3~例7の試料も同様のFTIRスペクトルを示した。 On the other hand, the FTIR spectrum of the sample of Example 2, unlike that of the sample of Example 1, had small bands at 1653 cm -1 and 958 cm -1 . These are due to the bending HO-P=O and stretching P-O due to the chelating compound (PPA in this case) modified on the surface and in the pores, respectively. The broad band at 3460 cm -1 indicates the OH group of the chelating compound, and the small peak at 1880 cm -1 indicates the C=O group of the chelating compound. Although not shown, the samples of Examples 3 to 7 also showed similar FTIR spectra.
以上の結果から、例1~例7の試料は、ポーラスシリカからなるスポンジ状の凝集体を備え、150m2/g以上200m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.18cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲の細孔容積を有することが示された。さらに、凝集体は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径の粒子であり、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を備えた階層構造を有することが示された。凝集体は、長手方向に配列した細長の溝を有した。例2~例7の試料の表面および細孔は、特定のキレート化合物で修飾されていることが示された。 From the above results, it was shown that the samples of Examples 1 to 7 had sponge-like aggregates made of porous silica, had BET specific surface areas in the range of 150 m 2 /g to 200 m 2 /g, and had pore volumes in the range of 0.18 cm 3 /g to 0.3 cm 3 /g. Furthermore, it was shown that the aggregates were particles with particle sizes in the range of 10 μm to 70 μm, and had a hierarchical structure with micropores, mesopores, and macropores. The aggregates had elongated channels aligned in the longitudinal direction. It was shown that the surfaces and pores of the samples of Examples 2 to 7 were modified with a specific chelating compound.
図14は、トリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験後の例2の試料のXRDパターンを示す図である。 Figure 14 shows the XRD pattern of the sample of Example 2 after a batch thorium adsorption test using a thorium standard solution.
図14には、吸着試験前の例1および例2の試料のXRDパターンを併せて示す。図14によれば、吸着試験後の例2の試料も、吸着試験前の試料と同様のXRDパターンを示し、2<2θ<2.5の範囲にブロードなピークを有し、4.018nmの面間隔d100を有した。 Figure 14 also shows the XRD patterns of the samples of Example 1 and Example 2 before the adsorption test. According to Figure 14, the sample of Example 2 after the adsorption test also showed an XRD pattern similar to that of the sample before the adsorption test, with a broad peak in the range of 2<2θ<2.5 and a lattice spacing d 100 of 4.018 nm.
図15は、トリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験後の例2の試料のFTIRスペクトルを示す。 Figure 15 shows the FTIR spectrum of the sample of Example 2 after a batch thorium adsorption test using a thorium standard solution.
図15によれば、吸着試験後の例2の試料のFTIRスペクトルは、図13を参照して説明したバンドに加えて、802cm-1および623cm-1にO=Th=OおよびTh=O伸縮結合、ならびに、463cm-1にTh-O結合のバンドを示した。図示しないが、吸着試験後の例1の試料も同様のスペクトルを示した。 According to Fig. 15, the FTIR spectrum of the sample of Example 2 after the adsorption test showed the bands of O=Th=O and Th=O stretching bonds at 802 cm -1 and 623 cm -1 , and the band of Th-O bond at 463 cm -1 , in addition to the bands described with reference to Fig. 13. Although not shown, the sample of Example 1 after the adsorption test also showed a similar spectrum.
以上の結果より、例1および例2の試料は、トリウム吸着材として機能することが分かり、吸着によっても化学的にも物理的にも安定していることが分かった。 The above results show that the samples of Examples 1 and 2 function as thorium adsorbents and are chemically and physically stable even after adsorption.
図16は、例1および例2の試料についてトリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験の結果を示す図である。
図17は、例1および例2の試料についてトリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験の結果を示す図である。
FIG. 16 shows the results of a batch-type thorium adsorption test using a thorium standard solution for the samples of Examples 1 and 2.
FIG. 17 shows the results of a batch-type thorium adsorption test using a thorium standard solution for the samples of Example 1 and Example 2.
図16(A)は、トリウム標準溶液20mL(100mg/L)と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃で30分間混合した際のトリウム吸着量(吸着効率)のpH依存性を示す。pHの調整には、HClおよびNaOHを用いた。 Figure 16 (A) shows the pH dependence of the amount of thorium adsorbed (adsorption efficiency) when 20 mL of thorium standard solution (100 mg/L) and 20 mg of the samples of Examples 1 and 2 were mixed at 25 ± 2°C for 30 minutes. HCl and NaOH were used to adjust the pH.
図16(A)によれば、例1および例2の試料は、pH4以上6以下の範囲で80%を超える高い吸着量を示し、特にpH4以上5以下が好ましいことが分かった。 Figure 16 (A) shows that the samples of Examples 1 and 2 showed high adsorption amounts exceeding 80% in the pH range of 4 to 6, with a pH range of 4 to 5 being particularly preferable.
図16(B)は、pH4のトリウム標準溶液20mL(100mg/L)と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃で混合した際のトリウム吸着量の混合時間依存性を示す。図16(B)によれば、接触時間が30分以上において、いずれの試料も90%を超える高い吸着量を示した。 Figure 16(B) shows the mixing time dependence of the amount of thorium adsorption when 20 mL (100 mg/L) of a pH 4 thorium standard solution was mixed with 20 mg of samples from Examples 1 and 2 at 25±2°C. According to Figure 16(B), when the contact time was 30 minutes or more, all samples showed a high amount of adsorption exceeding 90%.
図16(C)は、pH4のトリウム標準溶液20mL(100mg/L)と例1および例2の試料5mg~100mgとを、25±2℃で、60分間混合した際のトリウム吸着量のドーズ量依存性を示す。 Figure 16 (C) shows the dose dependence of the amount of thorium adsorption when 20 mL (100 mg/L) of a standard thorium solution at pH 4 was mixed with 5 mg to 100 mg of samples from Examples 1 and 2 at 25 ± 2°C for 60 minutes.
図16(C)によれば、試料の質量増加に伴いトリウム吸着量の増加を示したが、20mgを超える試料を用いても、トリウム吸着量はそれ以上変化しなかった。これは、試料中の活性サイトが、[Th(OH)2]2+や[Th2(OH)2]6+等の不溶で安定な水酸化物によって干渉されるためと考える。 16(C), the amount of thorium adsorption increased with increasing mass of the sample, but even when more than 20 mg of sample was used, the amount of thorium adsorption did not change any more. This is thought to be because the active sites in the sample were interfered with by insoluble and stable hydroxides such as [Th(OH) 2 ] 2+ and [ Th2 (OH) 2 ] 6+ .
図17(A)は、pH4のトリウム標準溶液20mL(100mg/L)と例1および例2の試料20mgとを、種々の温度で60分間混合した際のトリウム吸着量の温度依存性を示す。図17(A)によれば、例1の試料は、温度の上昇に伴いトリウム吸着量の増大を示すが、いずれの試料も室温において90%を超える高いトリウム吸着量を示した。特に、キレート化合物で修飾されていない場合は、60℃以上80℃以下の温度範囲に加熱するとよい。 Figure 17(A) shows the temperature dependence of the amount of thorium adsorption when 20 mL (100 mg/L) of a pH 4 thorium standard solution was mixed with 20 mg of samples from Examples 1 and 2 at various temperatures for 60 minutes. According to Figure 17(A), the sample from Example 1 showed an increase in the amount of thorium adsorption with increasing temperature, but all samples showed high thorium adsorption amounts exceeding 90% at room temperature. In particular, when not modified with a chelating compound, it is recommended to heat to a temperature range of 60°C to 80°C.
図17(B)は、吸着量qeとトリウム含有溶液中のトリウム濃度C0との関係を示した図である。図17(B)によれば、トリウム含有溶液中のトリウム濃度が所定濃度を超えると、吸着量が飽和することが分かった。 Fig. 17(B) is a diagram showing the relationship between the amount of adsorption qe and the thorium concentration C0 in the thorium-containing solution. According to Fig. 17(B), it was found that when the thorium concentration in the thorium-containing solution exceeds a predetermined concentration, the amount of adsorption is saturated.
さらに、図16および図17によれば、表面および細孔にキレート化合物を修飾させた例2の試料は、表面修飾のない例1の試料に比べて、高い吸着量および高い吸着効率を示し、優れたトリウム吸着材料であることが分かった。 Furthermore, according to Figures 16 and 17, the sample of Example 2, whose surface and pores were modified with a chelating compound, showed a higher adsorption amount and higher adsorption efficiency than the sample of Example 1, whose surface was not modified, and was found to be an excellent thorium adsorption material.
図18は、例1および例2の試料について種々のイオンを含有するトリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験の結果を示す図である。 Figure 18 shows the results of a batch thorium adsorption test using thorium standard solutions containing various ions for the samples of Examples 1 and 2.
pH4のトリウム標準溶液20mL(100mg/L)は、Th4+イオンと同濃度で、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Zr4+、Ba2+、Sr2+、V3+、Pb2+、希土類イオン(REE)をさらに含有した。このようなトリウム標準溶液と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃、60分間混合した際の、各イオンの吸着量を調べた。 20 mL (100 mg/L) of a thorium standard solution at pH 4 further contained Cr 3+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Zr 4+ , Ba 2+ , Sr 2+ , V 3+ , Pb 2+ , and rare earth ions (REE) at the same concentration as Th 4+ ions. The amount of adsorption of each ion was investigated when such a thorium standard solution was mixed with 20 mg of the samples of Examples 1 and 2 at 25±2°C for 60 minutes.
図18によれば、例1および例2の試料は、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Zr4+、Ba2+、Sr2+、V3+、Pb2+、希土類イオン(REE)もわずかながら吸着するものの、トリウムイオン(Th4+)を選択的に吸着することが分かった。 According to Figure 18, it was found that the samples of Examples 1 and 2 selectively adsorb thorium ions (Th 4+ ) although they also adsorb small amounts of Cr 3+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Zr 4+ , Ba 2+ , Sr 2+ , V 3+ , Pb 2+ , and rare earth ions ( REE ).
図19は、例1および例2の試料について種々のイオンを含有するトリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験の別の結果を示す図である。 Figure 19 shows another result of a batch thorium adsorption test using thorium standard solutions containing various ions for the samples of Examples 1 and 2.
Th4+イオンと同濃度で、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Zr4+、Ba2+、Sr2+、V3+、Pb2+、希土類イオン(REE)をそれぞれ含有するトリウム標準溶液(pH4、20mL、100mg/L)を調製した。図19(A)は、各トリウム標準溶液と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃、60分間混合した際のトリウムイオンの吸着量を示す。図19(A)によれば、いずれの試料も90%以上のトリウムを選択的に吸着した。 A thorium standard solution (pH 4, 20 mL , 100 mg/L) was prepared containing Cr 3+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Zr 4+ , Ba 2+ , Sr 2+ , V 3+ , Pb 2+ , and rare earth ions (REE) at the same concentration as Th 4+ ions. Figure 19(A) shows the amount of thorium ions adsorbed when each thorium standard solution was mixed with 20 mg of samples from Examples 1 and 2 at 25±2°C for 60 minutes. According to Figure 19(A), all samples selectively adsorbed 90% or more of thorium.
G1~G7の種類のトリウム標準溶液(pH4、20ml、100mg/L)を調製した。各イオンの含有量は同量であった。
G1(Th4+、Cr3+、Ca2+)
G2(Th4+、Cu2+、Mg2+)
G3(Th4+、Ni2+、Zn2+)
G4(Th4+、Zr4+、Ba2+)G5(Th4+、Pb2+、Sr2+、V3+)、G6(Th4+、Cu2+、Ni2+、希土類イオン)
G7(Th4+、Cr3+、Ba2+、Zr4+、Pb2+)
Thorium standard solutions (pH 4, 20 ml, 100 mg/L) of types G1 to G7 were prepared, with the same content of each ion.
G1 (Th 4+ , Cr 3+ , Ca 2+ )
G2 (Th 4+ , Cu 2+ , Mg 2+ )
G3 (Th 4+ , Ni 2+ , Zn 2+ )
G4 (Th 4+ , Zr 4+ , Ba 2+ ) G5 (Th 4+ , Pb 2+ , Sr 2+ , V 3+ ), G6 (Th 4+ , Cu 2+ , Ni 2+ , rare earth ions)
G7 (Th 4+ , Cr 3+ , Ba 2+ , Zr 4+ , Pb 2+ )
図19(B)は、G1~G7のトリウム標準溶液と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃、60分間混合した際のトリウムイオンの吸着量を示す。図19(B)によれば、いずれの試料も90%以上のトリウムを選択的に吸着した。 Figure 19 (B) shows the amount of thorium ions adsorbed when the thorium standard solutions G1 to G7 were mixed with 20 mg of the samples of Examples 1 and 2 at 25 ± 2°C for 60 minutes. According to Figure 19 (B), all samples selectively adsorbed 90% or more of thorium.
図20は、バッチ方式によってトリウムが吸着した例1および例2の試料を用いた遊離(脱離)試験の結果を示す図である。 Figure 20 shows the results of a release (desorption) test using samples from Examples 1 and 2 in which thorium was adsorbed by the batch method.
図20(A)は、トリウム吸着試験後の例1および例2の試料0.1gを種々の濃度の塩酸10mLに添加し、25±2℃で30分間の間で接触させた結果である。図20(A)によれば、0.1M以上0.4M以下の濃度を有する塩酸を用いれば、効率的にトリウムを遊離させることができることが分かった。 Figure 20 (A) shows the results of adding 0.1 g of the samples of Examples 1 and 2 after the thorium adsorption test to 10 mL of hydrochloric acid of various concentrations and contacting them for 30 minutes at 25 ± 2°C. Figure 20 (A) shows that thorium can be efficiently liberated by using hydrochloric acid with a concentration of 0.1 M or more and 0.4 M or less.
図20(B)は、トリウム吸着試験後の例1および例2の試料0.1gを0.1Mの塩酸10mLに添加し、25±2℃で5分~150分間の間で接触させた結果である。図20(B)によれば、40分以上80分以下の時間を用いれば、効率的にトリウムを遊離させることができることが分かった。 Figure 20(B) shows the results when 0.1 g of the samples of Examples 1 and 2 after the thorium adsorption test was added to 10 mL of 0.1 M hydrochloric acid and allowed to come into contact for 5 to 150 minutes at 25±2°C. Figure 20(B) shows that thorium can be efficiently liberated by using a time of 40 to 80 minutes.
図21は、例1および例2の試料についてトリウム標準溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着脱着繰り返し試験の結果を示す図である。 Figure 21 shows the results of a batch-type repeated thorium adsorption/desorption test using a thorium standard solution for the samples of Examples 1 and 2.
吸着条件は、pH4のトリウム標準溶液10mL(100mg/L)と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃で60分間混合させた。脱着条件は、0.1Mの塩酸10mLと例1および例2の試料0.1gとを、25±2℃で45分間混合させた。 The adsorption conditions were: 10 mL of a pH 4 thorium standard solution (100 mg/L) and 20 mg of the samples from Examples 1 and 2 were mixed at 25±2°C for 60 minutes. The desorption conditions were: 10 mL of 0.1 M hydrochloric acid and 0.1 g of the samples from Examples 1 and 2 were mixed at 25±2°C for 45 minutes.
図21によれば、例1および例2の試料のトリウム吸着効率およびトリウム遊離効率は、繰り返し回数の増大に伴い、わずかながら低下するものの、10回を超えてもなお高い効率を示した。 According to Figure 21, the thorium adsorption efficiency and thorium release efficiency of the samples of Examples 1 and 2 decreased slightly as the number of repetitions increased, but still showed high efficiency even after more than 10 repetitions.
この結果から、例1および例2の試料は、再利用可能なトリウム吸着材であることが示された。 These results indicate that the samples of Examples 1 and 2 are reusable thorium adsorbents.
図22は、例1および例2の試料についてトリウム標準溶液を用いたカラム方式トリウム吸着試験の結果を示す図である。 Figure 22 shows the results of a column-type thorium adsorption test using a thorium standard solution for the samples of Examples 1 and 2.
図22(A)および(B)は、それぞれ、例1および例2の試料(2g)にトリウム標準溶液(pH4、100mg/L)を種々の速度で通液した際のCeff/C0の通液量依存性を示す。C0は、トリウム標準溶液中の初期トリウム濃度であり、Ceffは、トリウム標準溶液から除去されたトリウム濃度である。 22A and 22B show the dependence of C eff /C 0 on the amount of thorium standard solution (pH 4, 100 mg/L) passed through the samples (2 g) of Examples 1 and 2, respectively, at various rates. C 0 is the initial thorium concentration in the thorium standard solution, and C eff is the thorium concentration removed from the thorium standard solution.
図22(C)および(D)は、それぞれ、種々の用量の例1および例2の試料にトリウム標準溶液(pH4、100mg/L)を4mL/分で通液した際のCeff/C0の通液量依存性を示す。図22(E)および(D)は、それぞれ、例1および例2の試料(2g)に、種々の濃度のトリウム標準溶液(pH4)を4mL/分で通液した際のCeff/C0の通液量依存性を示す。 Figures 22(C) and (D) show the flow rate dependence of C eff /C 0 when thorium standard solution (pH 4, 100 mg/L) was passed through the samples of Examples 1 and 2 at various doses at 4 mL/min. Figures 22(E) and (D) show the flow rate dependence of C eff /C 0 when thorium standard solutions (pH 4) of various concentrations were passed through the samples (2 g) of Examples 1 and 2 at 4 mL/min.
図22によれば、例1および例2の試料をトリウム吸着材のカラムに用いれば、被験液の通液量、被験液の通液速度、被験液中のトリウム濃度、および、カラムに充填するドーズ量の調整によって、被験液中のトリウムをすべて吸着させることができることが示された。 Figure 22 shows that if the samples of Examples 1 and 2 are used in a column of thorium adsorbent, all of the thorium in the test liquid can be adsorbed by adjusting the amount of test liquid passed through, the flow rate of the test liquid, the thorium concentration in the test liquid, and the dose amount filled into the column.
図23は、カラム方式によってトリウムが吸着した例1および例2の試料を用いた遊離(脱離)試験の結果を示す図である。 Figure 23 shows the results of a release (desorption) test using samples from Examples 1 and 2 in which thorium was adsorbed using the column method.
図23(A)は、トリウム吸着試験後の例1および例2の試料2gに0.2Mの種々の酸を0.5mL/分の通液速度で通液した際のトリウム遊離濃度の通液量依存性を示す。図23(A)によれば、いずれの酸を用いてもトリウムを遊離させることができるが、特に、塩酸を用いれば、効率的にトリウムを遊離させることができることが分かった。 Figure 23(A) shows the dependence of the thorium release concentration on the amount of 0.2 M of various acids at a flow rate of 0.5 mL/min on the samples of Examples 1 and 2 after the thorium adsorption test. Figure 23(A) shows that thorium can be released using any acid, but that thorium can be released particularly efficiently using hydrochloric acid.
図23(B)は、トリウム吸着試験後の例1および例2の試料2gに種々の濃度の塩酸を0.5mL/分の通液速度で通液した際のトリウム遊離濃度の通液量依存性を示す。図23(B)によれば、特に、0.1M以上0.4M以下の濃度の塩酸を用いれば、効率的にトリウムを遊離させることができることが分かった。 Figure 23(B) shows the dependence of the thorium release concentration on the amount of hydrochloric acid passed through 2 g of samples from Examples 1 and 2 after the thorium adsorption test when various concentrations of hydrochloric acid were passed through at a rate of 0.5 mL/min. Figure 23(B) shows that thorium can be released efficiently by using hydrochloric acid with a concentration of 0.1 M or more and 0.4 M or less.
図24は、例1および例2の試料についてトリウム標準溶液を用いたカラム方式トリウム吸着脱着繰り返し試験の結果を示す図である。 Figure 24 shows the results of repeated column-type thorium adsorption/desorption tests using a thorium standard solution for the samples of Examples 1 and 2.
吸着条件は、例1および例2の試料(2g)にトリウム標準溶液(pH4、100mg/L)1500mLを4mL/分の通液速度で通液させた。脱着条件は、例1および例2の試料(1g)に0.2Mの塩酸40mLを0.5mL/分の通液速度で通液させた。 The adsorption conditions were as follows: 1,500 mL of thorium standard solution (pH 4, 100 mg/L) was passed through the samples (2 g) of Examples 1 and 2 at a flow rate of 4 mL/min. The desorption conditions were as follows: 40 mL of 0.2 M hydrochloric acid was passed through the samples (1 g) of Examples 1 and 2 at a flow rate of 0.5 mL/min.
図24によれば、例1および例2の試料のトリウム吸着効率およびトリウム遊離効率は、繰り返し回数の増大に伴い、わずかながら低下するものの、10回を超えてもなお高い効率を示した。 According to Figure 24, the thorium adsorption efficiency and thorium release efficiency of the samples of Examples 1 and 2 decreased slightly as the number of repetitions increased, but still showed high efficiency even after more than 10 repetitions.
以上より、例1および例2の試料は、繰り返し利用可能なトリウムを選択的に吸着するトリウム吸着材として機能することが示された。特に、キレート化合物で修飾することによって、より優れたトリウム吸着材となることが示された。本発明によるトリウム吸着材は、バッチ方式およびカラム方式のいずれにも適用できることが示された。 From the above, it was shown that the samples of Examples 1 and 2 function as reusable thorium adsorbents that selectively adsorb thorium. In particular, it was shown that modification with a chelating compound results in a superior thorium adsorbent. It was shown that the thorium adsorbent of the present invention can be applied to both the batch method and the column method.
図25は、例2の試料についてECR含有鉱石によるトリウム含有溶液を用いたバッチ方式トリウム吸着試験の結果を示す図である。 Figure 25 shows the results of a batch thorium adsorption test using a thorium-containing solution with ECR-containing ore for the sample of Example 2.
図25には、吸着試験後および遊離試験後の例2の試料のγ線スペクトルが示される。図25によれば、例2の試料は、ECR含有鉱石から浸出した232Thの同位体種や他の放射性物質を吸着したことが分かる。また、カウント数は、トリウム吸着・除去の分野で使用するに匹敵する値であった。 Figure 25 shows the gamma ray spectrum of the sample of Example 2 after the adsorption test and the release test. From Figure 25, it can be seen that the sample of Example 2 adsorbed the 232Th isotope species and other radioactive substances leached from the ECR-containing ore. In addition, the count number was a value comparable to that used in the field of thorium adsorption and removal.
図26は、例1および例2の試料についてECR含有鉱石によるトリウム含有溶液を用いたバッチ方式およびカラム方式のトリウム吸着脱着試験の結果を示す図である。 Figure 26 shows the results of batch and column thorium adsorption/desorption tests using a thorium-containing solution from ECR-containing ore for the samples of Examples 1 and 2.
バッチ方式の吸着条件は、トリウム含有溶液10mL(pH4)と例1および例2の試料20mgとを、25±2℃で60分間混合させた。バッチ方式の脱着条件は、0.1Mの塩酸10mLと例1および例2の試料0.1gとを、25±2℃で45分間混合させた。カラム方式の吸着条件は、例1および例2の試料(2g)にトリウム含有溶液1000mL(pH4)を4mL/分の通液速度で通液させた。カラム方式の脱着条件は、例1および例2の試料(1g)に0.2Mの塩酸40mLを0.5mL/分の通液速度で通液させた。吸着試験後の例1および例2の試料をICP-MS分析した。 The adsorption conditions for the batch method were: 10 mL of thorium-containing solution (pH 4) and 20 mg of the samples of Examples 1 and 2 were mixed at 25±2°C for 60 minutes. The desorption conditions for the batch method were: 10 mL of 0.1 M hydrochloric acid and 0.1 g of the samples of Examples 1 and 2 were mixed at 25±2°C for 45 minutes. The adsorption conditions for the column method were: 1000 mL of thorium-containing solution (pH 4) was passed through the samples of Examples 1 and 2 (2 g) at a flow rate of 4 mL/min. The desorption conditions for the column method were: 40 mL of 0.2 M hydrochloric acid was passed through the samples of Examples 1 and 2 (1 g) at a flow rate of 0.5 mL/min. The samples of Examples 1 and 2 after the adsorption test were analyzed by ICP-MS.
図26に示すように、本発明のトリウム吸着材を使用すれば、カラム方式であってもバッチ方式であっても、実際の鉱石から浸出した232Th同位体を、70%を超える高い吸着効率で吸着できることが示された。 As shown in Figure 26, it was shown that the thorium adsorbent of the present invention can adsorb the 232Th isotope leached from actual ore with a high adsorption efficiency of over 70%, whether using the column method or the batch method.
図27は、例1~例7の試料についてECR含有鉱石によるトリウム含有溶液を用いたバッチ方式のトリウム吸着試験の結果を示す図である。 Figure 27 shows the results of a batch-type thorium adsorption test using a thorium-containing solution with ECR-containing ore for the samples of Examples 1 to 7.
バッチ方式の吸着条件は、トリウム含有溶液10mL(pH4)と例1~例7の試料20mgとを、25±2℃で60分間混合させた。図27には、図26に示した例1および例2の試料の結果も併せて示す。 The batch-type adsorption conditions were: 10 mL of thorium-containing solution (pH 4) and 20 mg of samples from Examples 1 to 7 were mixed for 60 minutes at 25±2°C. Figure 27 also shows the results for the samples from Examples 1 and 2 shown in Figure 26.
図27によれば、いずれの試料もトリウムを吸着するトリウム吸着材として機能することが分かった。特に、キレート化合物で修飾することによって、より優れたトリウム吸着材となることが示された。上述した式7および式8で修飾するキレート化合物が有効であることが示された。 As shown in Figure 27, all samples function as thorium adsorbents that adsorb thorium. In particular, it was shown that modification with a chelating compound results in a better thorium adsorbent. It was shown that the chelating compounds modified with the above-mentioned formulas 7 and 8 are effective.
本発明のトリウム吸着材は、トリウムを選択的に吸着し、遊離できるため、トリウムを除去・回収する各種装置、方法に適用される。 The thorium adsorbent of the present invention can selectively adsorb and release thorium, making it applicable to various devices and methods for removing and recovering thorium.
100 凝集体
110 ポーラスシリカ
210 キレート化合物
600 トリウム吸着カラム
610 吸着材
620 トップフィルター
630 ボトムフィルター
640、650 カラム接続部
100 Aggregate 110 Porous silica 210 Chelate compound 600 Thorium adsorption column 610 Adsorbent 620 Top filter 630 Bottom filter 640, 650 Column connection part
Claims (20)
前記凝集体は、ミクロ細孔、メソ細孔およびマクロ細孔を備えた階層構造を有し、
前記凝集体は、150m2/g以上200m2/g以下の範囲のBET法比表面積を有し、0.18cm3/g以上0.3cm3/g以下の範囲の細孔容積を有し、
前記凝集体は、10μm以上70μm以下の範囲の粒径の粒子であり、
前記凝集体は、長手方向に配列した細長の溝を有し、
トリウムを選択的に吸着または遊離する、トリウム吸着材。 The present invention comprises a sponge-like aggregate of porous silica,
The aggregates have a hierarchical structure with micropores, mesopores and macropores;
The aggregates have a BET specific surface area in the range of 150 m 2 /g or more and 200 m 2 /g or less, and a pore volume in the range of 0.18 cm 3 /g or more and 0.3 cm 3 /g or less,
The aggregates are particles having a particle size in the range of 10 μm to 70 μm,
the aggregate has longitudinally aligned elongated grooves;
A thorium adsorbent that selectively adsorbs or liberates thorium.
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5、
0.5≦P≦2、
0≦N≦2、および、
0≦M≦5
を満たす、請求項2~4のいずれかに記載のトリウム吸着材。 The porous silica contains at least silicon (Si), oxygen (O), carbon (C) and phosphorus (P), and optionally nitrogen (N) and an M element (a Group 1 element or a Group 2 element), and when the total is 100% by mass, the mass percent concentration of each element is:
40≦Si≦45
47≦O≦52
1≦C≦5,
0.5≦P≦2,
0≦N≦2, and
0≦M≦5
The thorium adsorbent according to any one of claims 2 to 4, which satisfies the above.
前記植物由来シリカ溶液に臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)を添加し、原料混合溶液を得ることと、
前記原料混合溶液を水熱合成し、前記植物由来シリカ源からのシリカと前記臭化セチルトリメチルアンモニウムとからなる反応物を析出させることと、
前記反応物を焼成し、前記臭化セチルトリメチルアンモニウムを除去することと
を包含する、請求項1~7のいずれかに記載のトリウム吸着材を製造する方法。 Adding a plant-derived silica source obtained from wheat straw to an alkaline solution to prepare a plant-derived silica solution;
Adding cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) to the plant-derived silica solution to obtain a raw material mixed solution;
subjecting the raw material mixed solution to hydrothermal synthesis, thereby precipitating a reaction product consisting of silica from the plant-derived silica source and the cetyltrimethylammonium bromide;
and calcining the reactant to remove the cetyltrimethylammonium bromide.
前記麦わらを洗浄し、乾燥することと、
前記乾燥した麦わらを0.25M以上0.5M以下の範囲の濃度の酸で処理し、65℃以上75℃未満の温度範囲で1時間以上10時間以下の時間還流することと、
前記酸を洗浄し、5時間以上10時間以下の時間、80℃以上110℃以下の温度範囲で乾燥することと、
前記乾燥された麦わらを、600℃以上800℃以下の温度範囲で、5時間以上12時間以下の時間焼成し、脱炭酸することと
をさらに包含する、請求項8~15のいずれかに記載の方法。 The method further includes preparing the plant-derived silica source prior to preparing the plant-derived silica solution, the preparing comprising:
washing and drying the wheat straw;
Treating the dried wheat straw with an acid having a concentration ranging from 0.25M to 0.5M and refluxing it at a temperature ranging from 65°C to 75°C for a period of 1 hour to 10 hours;
washing the acid and drying the acid at a temperature in the range of 80° C. to 110° C. for a period of 5 hours to 10 hours;
The method according to any one of claims 8 to 15, further comprising calcining the dried wheat straw at a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C. for a period of 5 hours to 12 hours to decarbonate the straw.
請求項1~7のいずれかに記載のトリウム吸着材と、前記被験水溶液とを接触させ、前記被験水溶液中のトリウムを吸着させること
を包含する、方法。 1. A method for extracting thorium from a test aqueous solution, comprising the steps of:
A method comprising: contacting the thorium adsorbent according to any one of claims 1 to 7 with the test aqueous solution to adsorb thorium in the test aqueous solution.
前記トリウム含有鉱石を塩酸、硝酸および硫酸からなる群から選択される酸溶液に添加し、トリウム含有溶液を調製することと、
請求項1~7のいずれかに記載のトリウム吸着材と前記トリウム含有溶液とを接触させ、前記トリウム吸着材に前記トリウム含有溶液中のトリウムを吸着させることと、
前記トリウム含有溶液からトリウムが抽出された処理水を排出することと、
前記トリウムが吸着したトリウム吸着材を硫酸、塩酸および硝酸からなる群から選択される酸と接触させ、吸着したトリウムを遊離することと
を包含する、方法。 1. A method for recovering thorium from thorium-containing ore, comprising the steps of:
adding the thorium-containing ore to an acid solution selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid to prepare a thorium- containing solution;
A method for producing a thorium-containing solution comprising contacting the thorium adsorbent according to any one of claims 1 to 7 with the thorium-containing solution and allowing the thorium adsorbent to adsorb thorium in the thorium-containing solution;
Discharging treated water from which thorium has been extracted from the thorium-containing solution;
contacting the thorium adsorbent having thorium adsorbed thereon with an acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid and nitric acid to liberate the adsorbed thorium.
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004330005A (en) | 2003-05-01 | 2004-11-25 | Katsutoshi Inoue | Absorbent using peelings of persimmon as raw material and method for separating uranium and thorium using it |
| WO2011090086A1 (en) | 2010-01-19 | 2011-07-28 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Metal-ion adsorbent and method for recovering metal using same |
| JP2015535736A (en) | 2012-09-28 | 2015-12-17 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | Support membrane functionalized with hexa and octacyanometallate, process for its preparation, and separation process using it |
| JP2016183061A (en) | 2015-03-25 | 2016-10-20 | 株式会社豊田中央研究所 | Spherical silica-based mesoporous body and production method of the same |
| JP2017503741A (en) | 2013-12-20 | 2017-02-02 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | Inorganic porous monolithic cation exchange material, preparation method thereof, and separation method using the same |
| WO2017022345A1 (en) | 2015-07-31 | 2017-02-09 | 勝義 近藤 | Cement-based material for radioactive-waste disposal site |
| JP2018530418A (en) | 2015-07-28 | 2018-10-18 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | Organosilicon materials for water purification |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004330005A (en) | 2003-05-01 | 2004-11-25 | Katsutoshi Inoue | Absorbent using peelings of persimmon as raw material and method for separating uranium and thorium using it |
| WO2011090086A1 (en) | 2010-01-19 | 2011-07-28 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Metal-ion adsorbent and method for recovering metal using same |
| JP2015535736A (en) | 2012-09-28 | 2015-12-17 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | Support membrane functionalized with hexa and octacyanometallate, process for its preparation, and separation process using it |
| JP2017503741A (en) | 2013-12-20 | 2017-02-02 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | Inorganic porous monolithic cation exchange material, preparation method thereof, and separation method using the same |
| JP2016183061A (en) | 2015-03-25 | 2016-10-20 | 株式会社豊田中央研究所 | Spherical silica-based mesoporous body and production method of the same |
| JP2018530418A (en) | 2015-07-28 | 2018-10-18 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | Organosilicon materials for water purification |
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