JP2015042395A - Method for producing strontium adsorbent - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ストロンチウム吸着剤の製造方法に係り、詳しくは、チタン酸アルカリ金属塩粉末に、骨材として粘土を可塑剤として高分子アルコール水溶液を所定の割合で混合し、これを造粒、焼成することにより、チタン酸アルカリ金属塩本来の吸着性能を損なうことなく、充分に機械的強度が高められたストロンチウム吸着剤を製造する方法に関する。本発明はまた、このストロンチウム吸着剤の製造方法により製造されたストロンチウム吸着剤と、このストロンチウム吸着剤を用いた吸着容器、吸着塔及び水処理装置に関する。 The present invention relates to a method for producing a strontium adsorbent, and more specifically, an alkali metal titanate powder is mixed with an aqueous polymer alcohol solution at a predetermined ratio using clay as a plasticizer as an aggregate, and granulated and fired. Thus, the present invention relates to a method for producing a strontium adsorbent with sufficiently increased mechanical strength without impairing the original adsorption performance of the alkali metal titanate. The present invention also relates to a strontium adsorbent produced by the method for producing a strontium adsorbent, and an adsorption vessel, an adsorption tower and a water treatment apparatus using the strontium adsorbent.
放射性ストロンチウム90Srは、放射性セシウムと同様に、半減期が長く、また、水に溶解し易く、水への拡散性が高い核分裂生成物であり、放射性セシウムと同様、放射性ストロンチウムにより汚染された水についても、その浄化処理技術の開発が課題となっている。特に、海水が混入したような高塩類濃度の放射性排水から、放射性ストロンチウムを選択的に吸着除去可能な吸着剤の開発が望まれている。 Like radioactive cesium, radioactive strontium 90 Sr is a fission product having a long half-life, easily dissolved in water, and highly diffusible in water. Like radioactive cesium, water contaminated by radioactive strontium In addition, the development of purification technology has become an issue. In particular, the development of an adsorbent capable of selectively adsorbing and removing radioactive strontium from radioactive wastewater with a high salt concentration such as seawater mixed therein is desired.
90Srは、β崩壊し、90Yを経て安定な90Zrに変化するが、その際には、大きな崩壊熱が発生する。そのため、高線量で90Srを含む放射性排水を処理した使用済み吸着剤を長期間保管する場合、付着水が蒸発した後、吸着剤充填層内部の温度は崩壊熱により上昇して高温になる。例えば、吸着剤が90Srを2×1011Bq/L吸着した場合、その発熱量は20W/m3に達し、このような使用済み吸着剤を内径1.5m程度の容器に保管した場合、吸着剤充填層の中心付近は、雰囲気温度に比べて15℃程度高くなると見積もられ、従って、90Srを5×1011Bq/L吸着した場合には、その温度差は50℃にも達する。そのため、放射性ストロンチウムの吸着剤としては、ジビニルベンゼンスルフォン酸系の有機材料で構成される一般的な陽イオン交換樹脂は不適当である。また、通常の陽イオン交換樹脂は、Na+やMg2+などの陽イオンを高濃度で含む排水から、ストロンチウムのみを選択的に吸着することができない点においても、放射性ストロンチウムで汚染された放射性排水の処理には適合しない。 90 Sr undergoes β decay and changes to stable 90 Zr via 90 Y, but at that time, a large decay heat is generated. Therefore, when the used adsorbent treated with radioactive wastewater containing 90 Sr at a high dose is stored for a long period of time, after the adhering water evaporates, the temperature inside the adsorbent packed bed rises due to decay heat and becomes high. For example, when the adsorbent adsorbs 2 × 10 11 Bq / L of 90 Sr, the calorific value reaches 20 W / m 3, and when such a used adsorbent is stored in a container having an inner diameter of about 1.5 m, The vicinity of the center of the adsorbent packed bed is estimated to be about 15 ° C. higher than the ambient temperature. Therefore, when 90 Sr is adsorbed by 5 × 10 11 Bq / L, the temperature difference reaches 50 ° C. . Therefore, as a radioactive strontium adsorbent, a general cation exchange resin composed of a divinylbenzenesulfonic acid-based organic material is inappropriate. In addition, a normal cation exchange resin is a radioactive wastewater contaminated with radioactive strontium in that it cannot selectively adsorb only strontium from wastewater containing a high concentration of cations such as Na + and Mg 2+. It is not compatible with the processing.
このようなことから、高塩類濃度の放射性排水から放射性ストロンチウムを吸着除去する吸着剤としては、ストロンチウムに対して選択性が高い無機イオン交換体の採用が望まれる。 For this reason, it is desirable to employ an inorganic ion exchanger having high selectivity for strontium as an adsorbent for adsorbing and removing radioactive strontium from radioactive wastewater with a high salt concentration.
無機材料を用いた放射性ストロンチウムの処理技術として、非特許文献1には、水中の放射性ストロンチウムをオルトチタン酸で吸着して除去することが報告されている。
また、特許文献1には、放射性ストロンチウムを吸着するチタン酸ナトリウムイオン交換体の製造方法として、含水酸化チタンをアルコールと水酸化ナトリウムからなる液でスラリー化して加熱し、濾過・乾燥した後に破砕・分級してナトリウム/チタンモル比が0.6以下の顆粒状のチタン酸ナトリウムを製造する方法が提案されている。
As a treatment technique of radioactive strontium using an inorganic material, Non-Patent Document 1 reports that radioactive strontium in water is removed by adsorption with orthotitanic acid.
Further, in Patent Document 1, as a method for producing a sodium titanate ion exchanger that adsorbs radioactive strontium, hydrous titanium oxide is slurried with a liquid composed of alcohol and sodium hydroxide, heated, filtered, dried, A method for classifying and producing granular sodium titanate having a sodium / titanium molar ratio of 0.6 or less has been proposed.
ところで、一般に、水処理プロセスで用いられる吸着剤は、処理に際して吸着塔に充填したり、使用後に吸着塔から排出したりする場合、通常、水を分散媒としたスラリーとして輸送される。また、長期間、通水を継続した場合、常に通水圧力を受けた状態で用いられる。このような観点から、水処理用の吸着剤は、一定以上の機械的強度を有した粒子径150〜3,000μm程度の粒状であることが望ましい。 By the way, generally, the adsorbent used in the water treatment process is usually transported as a slurry using water as a dispersion medium when the adsorption tower is filled in the treatment tower or discharged from the adsorption tower after use. Moreover, when water flow is continued for a long period of time, it is always used in a state of receiving water flow pressure. From such a viewpoint, it is desirable that the adsorbent for water treatment is in the form of particles having a particle diameter of about 150 to 3,000 μm having a mechanical strength of a certain level or more.
例えば、JIS K1474には、活性炭の強度試験法が定められており、その方法は以下の通りである。
(1) ふるい(目開き:1.18−0.300mm)に剤を投入し10分間ふるい振盪機にかける
(2) ふるい分けした試料を200mLメスシリンダーの100mLの標線まで容器をタッピングして充填し、剤の重量を0.1g桁まで計量する。
(3) 直径12.7mmと9.5mmの鋼球をそれぞれ15個用意し、(2)で計量した剤とともにふるい皿(一番下の受け皿)に入れ30分間ふるい振盪機にかける
(4) 目開き0.150mmのふるいを用い、(3)の鋼球以外の試料を投入し、3分間ふるい振盪機にかける
(5) ふるい上に残った試料とふるい皿(一番下の受け皿)に残った試料をそれぞれ計量する(ふるい上に残った試料をW、ふるい上と受け皿の合計試料量をSとする)
※ このときSが(2)の重量に対し2%以上の増減がある場合はやり直し
(6) 次式によって硬さ(H)を算出する。
H=W/S×100
For example, JIS K1474 defines a strength test method for activated carbon, and the method is as follows.
(1) Add the agent to the sieve (aperture: 1.18-0.300 mm) and put it on a sieve shaker for 10 minutes.
(2) Tapping the container to the 100 mL mark of the 200 mL graduated cylinder and filling the screened sample, weigh the agent to the order of 0.1 g.
(3) Prepare 15 steel balls with diameters of 12.7 mm and 9.5 mm, respectively, put them together with the agent weighed in (2) into a sieve pan (bottom receiving tray) and shake for 30 minutes on a shaker.
(4) Using a sieve with an aperture of 0.150 mm, put a sample other than the steel ball of (3) and put it on a sieve shaker for 3 minutes.
(5) Weigh each of the sample remaining on the sieve and the sample remaining on the sieve pan (bottom tray) (W is the sample remaining on the sieve, and S is the total sample amount on the sieve and the pan).
* If S increases or decreases by 2% or more with respect to the weight of (2), start over.
(6) Calculate hardness (H) by the following formula.
H = W / S × 100
水処理に用いる活性炭については、上記の方法で求められる、硬さ(以下、「強度指数(H)」と称す場合がある。)が80%以上であることが好ましいとされている。 The activated carbon used for water treatment is preferably 80% or more in hardness (hereinafter sometimes referred to as “strength index (H)”) obtained by the above method.
特許文献1の方法で製造された顆粒状のチタン酸ナトリウムは、不定形であり、また、骨材を用いていないことから、その機械的強度が上記の活性炭の要求強度指数(H)を大きく下回る。
放射性排水の処理では、安定運転の確保が重要であるが、このように機械的強度が低く、吸着剤の崩壊で微粉を発生する吸着剤では、ストレーナー等の閉塞による通水障害を招くおそれがある。また、放射性排水の処理では、排水性状の評価を線量で測定するために、放射性ストロンチウムを吸着した吸着剤の微粉が発生し、これが処理水に混入した状態で排出されると、処理水の線量基準値を満足できなくなる可能性がある。
Granular sodium titanate produced by the method of Patent Document 1 is indefinite and does not use aggregates, so its mechanical strength increases the required strength index (H) of the activated carbon. Below.
In the treatment of radioactive wastewater, it is important to ensure stable operation. However, in such an adsorbent that has low mechanical strength and generates fine powder due to the collapse of the adsorbent, there is a risk of causing water flow obstruction due to blockage of the strainer and the like. is there. In addition, in the treatment of radioactive wastewater, in order to measure the evaluation of wastewater properties by dose, if fine powder of adsorbent that adsorbs radioactive strontium is generated and discharged in a state mixed with treated water, the dose of treated water The standard value may not be satisfied.
ストロンチウムに対して選択性を有する無機イオン交換体であるチタン酸アルカリ金属塩を基材として、吸着特性を大きく損なわずに、充分な機械的強度を有する粒状吸着剤の製造方法として、特許文献2には、チタン酸アルカリ金属塩の粉末に粘土系の骨材と、可塑性を付与するためのアルコール系可塑剤と水を添加して、混練、造粒した後、乾燥し、その後、空気雰囲気の加熱炉で焼成する方法が提案されている。 Patent Document 2 discloses a method for producing a granular adsorbent having a sufficient mechanical strength without significantly deteriorating the adsorption characteristics using an alkali metal titanate that is an inorganic ion exchanger having selectivity for strontium as a base material. In addition, an alkali metal titanate powder, a clay-based aggregate, an alcohol plasticizer for imparting plasticity and water are added, kneaded, granulated, dried, and then dried in an air atmosphere. A method of firing in a heating furnace has been proposed.
特許文献2の技術であれば、吸着特性を大きく損なうことなく、充分な機械的強度を有する粒状吸着剤を製造することができるが、以下の点において、更なる改良が望まれる。 If it is the technique of patent document 2, the granular adsorbent which has sufficient mechanical strength can be manufactured, without impairing an adsorption characteristic large, However, The further improvement is desired in the following points.
基材となるチタン酸アルカリ金属塩としては、層状の結晶構造を持つものが好ましく、例えば、二チタン酸カリウム、三チタン酸ナトリウム、四チタン酸カリウムなどがあるが、これらのチタン酸アルカリ金属塩は、熱的に不安定であり、一定以上の高温で焼成すると、層状の結晶構造が崩れ、イオン交換能を大きく損なう。
一方、骨材として用いる粘土は、高温で焼成するほど機械的強度が向上する。
このような観点から、特許文献2においても、焼成温度に適切な範囲があり、焼成温度が低いと粒子強度が弱く、高いと吸着性能が低下してしまうことが記載されている。即ち、焼成温度条件において、吸着性能と機械的強度とは互いに二律背反の関係にあり、両者を両立させて、イオン交換能を維持しつつ、充分な機械的強度を有するチタン酸アルカリ金属塩を基材とする粒状ストロンチウム吸着剤を製造するためには、より適切な焼成条件を設定する必要がある。
The alkali metal titanate used as the base material preferably has a layered crystal structure, for example, potassium dititanate, sodium trititanate, potassium tetratitanate, and the like. Is thermally unstable and, when baked at a high temperature above a certain level, the layered crystal structure collapses and the ion exchange capacity is greatly impaired.
On the other hand, the clay used as the aggregate is improved in mechanical strength as it is fired at a high temperature.
From this point of view, Patent Document 2 also describes that there is an appropriate range for the firing temperature, the particle strength is weak when the firing temperature is low, and the adsorption performance is lowered when it is high. That is, the adsorption performance and the mechanical strength are in a trade-off relationship with each other under the firing temperature condition, and based on an alkali metal titanate having sufficient mechanical strength while maintaining both ion exchange capacity. In order to produce a granular strontium adsorbent as a material, it is necessary to set more appropriate firing conditions.
本発明は、チタン酸アルカリ金属塩粉末に、骨材として粘土を可塑剤として高分子アルコール水溶液を所定の割合で混合し、これを造粒、焼成してストロンチウム吸着剤を製造するに当たり、焼成条件を最適化して、吸着性能をより高く維持した上で充分に機械的強度が高められたストロンチウム吸着剤を製造する方法を提供することを課題とする。 In the present invention, the alkali metal titanate powder is mixed with a clay as a plasticizer and a polymer alcohol aqueous solution in a predetermined ratio as a plasticizer, and granulated and fired to produce a strontium adsorbent. It is an object of the present invention to provide a method for producing a strontium adsorbent having a sufficiently high mechanical strength while maintaining a higher adsorption performance.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、吸着性能をより高く維持した上で、機械的強度が充分に高められたストロンチウム吸着剤を製造するための最適な温度プロファイルを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have maintained the adsorption performance higher, and at the same time, the optimum temperature for producing a strontium adsorbent with sufficiently increased mechanical strength. The profile was found and the present invention was completed.
即ち、本発明は以下を要旨とする。 That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] チタン酸アルカリ金属塩粉末に、粘土と高分子アルコールと水とを混合する混合工程と、得られた混合物を造粒する造粒工程と、得られた造粒体を酸素含有雰囲気下に焼成する焼成工程とを有するストロンチウム吸着剤の製造方法において、該焼成工程は、200〜300℃で焼成する予備焼成工程と、650〜850℃で焼成する本焼成工程とを含むことを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [1] Mixing step of mixing alkali metal titanate powder with clay, polymer alcohol and water, granulating step of granulating the obtained mixture, and the resulting granulated product in an oxygen-containing atmosphere In the manufacturing method of the strontium adsorbent which has a baking process baked in, this baking process includes the preliminary baking process baked at 200-300 degreeC, and the main baking process baked at 650-850 degreeC, It is characterized by the above-mentioned. A method for producing a strontium adsorbent.
[2] [1]において、前記予備焼成工程と本焼成工程との間に、前記予備焼成温度から前記本焼成温度に昇温速度50〜150℃/hrで昇温する昇温工程を有し、該予備焼成工程を1〜3時間、該本焼成工程を1〜3時間行い、本焼成後は温度90〜110℃まで降温速度100〜250℃/hrで降温し、その後降温速度10〜30℃/hrで降温することを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [2] In [1], the method includes a temperature raising step for increasing the temperature from the preliminary baking temperature to the main baking temperature at a heating rate of 50 to 150 ° C./hr between the preliminary baking step and the main baking step. The preliminary calcination step is performed for 1 to 3 hours, and the main calcination step is performed for 1 to 3 hours. After the main calcination, the temperature is decreased to a temperature of 90 to 110 ° C. at a temperature decrease rate of 100 to 250 ° C./hr. A method for producing a strontium adsorbent, wherein the temperature is lowered at a temperature of ° C / hr.
[3] [1]又は[2]において、前記焼成工程に先立ち、前記造粒体を80〜180℃で乾燥する乾燥工程を有することを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [3] The method for producing a strontium adsorbent according to [1] or [2], further comprising a drying step of drying the granulated body at 80 to 180 ° C. prior to the firing step.
[4] [1]ないし[3]のいずれかにおいて、前記焼成工程における焼成を電気式トンネル炉、ガス燃焼式トンネル炉、又は回分式回転炉で行うことを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [4] The method for producing a strontium adsorbent according to any one of [1] to [3], wherein the firing in the firing step is performed in an electric tunnel furnace, a gas combustion tunnel furnace, or a batch-type rotary furnace. .
[5] [1]ないし[4]のいずれかにおいて、前記焼成工程における雰囲気中の酸素濃度が10体積%以上であることを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [5] The method for producing a strontium adsorbent according to any one of [1] to [4], wherein the oxygen concentration in the atmosphere in the firing step is 10% by volume or more.
[6] [1]ないし[5]のいずれかにおいて、前記造粒体が平均粒子径150〜3000μmの粒状であり、該造粒体を厚さ5〜30mmの層状に配置して焼成することを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [6] In any one of [1] to [5], the granulated body is a granule having an average particle diameter of 150 to 3000 μm, and the granulated body is disposed in a layer form having a thickness of 5 to 30 mm and fired. A method for producing a strontium adsorbent characterized by the above.
[7] [1]ないし[6]のいずれかにおいて、チタン酸アルカリ金属塩粉末100重量部に対して、粘土5〜30重量部、高分子アルコール2〜10重量部、及び水50〜120重量部を混合することを特徴とするストロンチウム吸着剤の製造方法。 [7] In any one of [1] to [6], 5 to 30 parts by weight of clay, 2 to 10 parts by weight of a polymer alcohol, and 50 to 120 parts by weight of water with respect to 100 parts by weight of the alkali metal titanate powder. A method for producing a strontium adsorbent characterized by mixing parts.
[8] [1]ないし[7]のいずれかに記載のストロンチウム吸着剤の製造方法により製造されたストロンチウム吸着剤。 [8] A strontium adsorbent produced by the method for producing a strontium adsorbent according to any one of [1] to [7].
[9] [8]に記載のストロンチウム吸着剤が充填されてなることを特徴とする吸着容器。 [9] An adsorption container filled with the strontium adsorbent according to [8].
[10] [8]に記載のストロンチウム吸着剤が充填されてなることを特徴とする吸着塔。 [10] An adsorption tower comprising the strontium adsorbent according to [8].
[11] [9]に記載の吸着容器又は[10]に記載の吸着塔を備えることを特徴とする水処理装置。 [11] A water treatment apparatus comprising the adsorption container according to [9] or the adsorption tower according to [10].
本発明によれば、吸着性能に優れ、かつ高い機械的強度を有するストロンチウム吸着剤を製造することができる。 According to the present invention, a strontium adsorbent having excellent adsorption performance and high mechanical strength can be produced.
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に説明する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであって、何ら本発明を限定するものではなく、本発明はその要旨を超えない範囲において、以下の実施形態に開示される各要素を種々変更して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the embodiments described below are for facilitating the understanding of the present invention and are not intended to limit the present invention. In the range which does not exceed the gist, each element disclosed in the following embodiments can be implemented with various modifications.
本発明のストロンチウム吸着剤の製造方法は、チタン酸アルカリ金属塩粉末に、粘土と高分子アルコールと水とを混合する混合工程と、得られた混合物を造粒する造粒工程と、得られた造粒体を酸素含有雰囲気下に焼成する焼成工程とを有し、焼成工程において、200〜300℃で焼成する予備焼成工程と、650〜850℃で焼成する本焼成工程とを行うものである。 The method for producing a strontium adsorbent of the present invention was obtained by mixing a clay, a polymer alcohol, and water with an alkali metal titanate powder, and a granulation step for granulating the obtained mixture. A firing step of firing the granulated body in an oxygen-containing atmosphere, and performing a preliminary firing step of firing at 200 to 300 ° C. and a main firing step of firing at 650 to 850 ° C. in the firing step. .
本発明では、200〜300℃の低温で焼成する予備焼成工程で、造粒体中の高分子アルコールを酸化分解して除去し、その後650〜850℃の本焼成工程で、粘土を焼結させて機械的強度の高いストロンチウム吸着剤を得る。このように、焼成工程を高分子アルコールの燃焼除去を行う低温の予備焼成工程と、粘土を焼結させる高温の本焼成工程の2段階で行うことにより、低温の予備焼成工程で高分子アルコールを燃焼させる際に、高分子アルコールの酸化分解反応で発生する反応熱による影響をおさえ、その後の本焼成工程では粘土の焼結に必要な高い温度で焼成を行って、機械的強度の高い吸着剤を得る。 In the present invention, the polymer alcohol in the granulated body is oxidatively decomposed and removed in the preliminary firing step of firing at a low temperature of 200 to 300 ° C., and then the clay is sintered in the main firing step of 650 to 850 ° C. To obtain a strontium adsorbent with high mechanical strength. In this way, the baking process is performed in two stages, a low temperature pre-baking process for burning and removing the polymer alcohol and a high temperature main baking process for sintering the clay, so that the polymer alcohol can be obtained in the low temperature pre-baking process. During combustion, the influence of reaction heat generated by the oxidative decomposition reaction of the polymer alcohol is suppressed, and in the subsequent main firing step, firing is performed at a high temperature necessary for clay sintering, and an adsorbent with high mechanical strength. Get.
好ましくは、本発明のストロンチウム吸着剤の製造方法は、造粒工程と焼成工程との間に乾燥工程を有し、また、焼成工程は、室温から予備焼成温度にまで昇温する1次昇温工程と、所定の予備焼成温度で焼成する予備焼成工程と、予備焼成温度から本焼成温度まで昇温する2次昇温工程と、所定の本焼成温度で焼成する本焼成工程と、本焼成温度から室温まで降温する降温工程とを有する。 Preferably, the method for producing a strontium adsorbent according to the present invention includes a drying step between the granulation step and the firing step, and the firing step is a primary temperature rise in which the temperature is raised from room temperature to a pre-baking temperature. A pre-baking step of baking at a predetermined pre-baking temperature, a secondary heating step of raising the temperature from the pre-baking temperature to the main baking temperature, a main baking step of baking at a predetermined main baking temperature, and a main baking temperature And a temperature lowering step for lowering the temperature from room temperature to room temperature.
[混合工程]
本発明のストロンチウム吸着剤の製造方法においては、まず、チタン酸アルカリ金属塩粉末と、粘土と高分子アルコールと水とを混合して混合物を調製する。
[Mixing process]
In the method for producing a strontium adsorbent of the present invention, first, an alkali metal titanate powder, clay, a polymer alcohol and water are mixed to prepare a mixture.
<チタン酸アルカリ金属塩>
チタン酸アルカリ金属塩は、ストロンチウム吸着剤の基材(吸着成分)となるものであり、前述の如く、層状の結晶構造を持つものが好ましく、二チタン酸カリウム(K2Ti2O5)、三チタン酸ナトリウム(Na2Ti3O7)、四チタン酸カリウム(K2Ti4O9)などが挙げられる。
<Alkali metal titanate>
The alkali metal titanate is a base material (adsorption component) of the strontium adsorbent, and preferably has a layered crystal structure as described above, and potassium dititanate (K 2 Ti 2 O 5 ), Examples thereof include sodium trititanate (Na 2 Ti 3 O 7 ) and potassium tetratitanate (K 2 Ti 4 O 9 ).
本発明で用いるチタン酸アルカリ金属塩は、平均粒子径が1〜150μmの範囲にある粉末状であることが好ましい。ここで、平均粒子径は、例えばレーザー回折式粒度分布測定装置により測定することができる。 The alkali metal titanate used in the present invention is preferably in the form of a powder having an average particle diameter in the range of 1 to 150 μm. Here, the average particle diameter can be measured by, for example, a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus.
チタン酸アルカリ金属塩の平均粒子径が1〜150μmの範囲であれば、吸着容量も高く、また、後の造粒工程においてハンドリング面で優位である。即ち、平均粒子径が1μm以上であれば、飛散や静電気による容器付着など製造上の難点が生じることがなく、また、平均粒子径が150μm以下であれば、比表面積の低下で吸着容量が低下することもない。
従って、本発明においては、このような粒子径のチタン酸アルカリ金属塩を用いることが好ましい。チタン酸アルカリ金属塩の平均粒子径は、より好ましくは4〜30μmである。
When the average particle diameter of the alkali metal titanate is in the range of 1 to 150 μm, the adsorption capacity is high, and the handling is advantageous in the subsequent granulation step. That is, if the average particle size is 1 μm or more, there are no manufacturing difficulties such as scattering or electrostatic adhesion to the container, and if the average particle size is 150 μm or less, the adsorption capacity decreases due to a decrease in specific surface area. I don't have to.
Therefore, in the present invention, it is preferable to use an alkali metal titanate having such a particle size. The average particle diameter of the alkali metal titanate is more preferably 4 to 30 μm.
チタン酸アルカリ金属塩は1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 Only 1 type may be used for alkali metal titanate, and 2 or more types may be mixed and used for it.
<粘土>
粘土は、骨材(バインダー)として機能するものであり、例えば、ベントナイト、アタパルジャイト、セピオライト、アロフェン、ハロイサイト、イモゴライト、カオリナイト等の粘土鉱物等を用いることができる。これらの粘土鉱物の中でも造粒体の機械的強度の点でアタパルジャイトやセピオライト等の繊維状の粘土鉱物を用いることが好ましい。これらは1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
<Clay>
Clay functions as an aggregate (binder). For example, clay minerals such as bentonite, attapulgite, sepiolite, allophane, halloysite, imogolite, and kaolinite can be used. Among these clay minerals, it is preferable to use fibrous clay minerals such as attapulgite and sepiolite from the viewpoint of the mechanical strength of the granulated body. These may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.
<高分子アルコール>
高分子アルコールは、造粒に必要な塑性を与える可塑剤として機能するものであり、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。高分子アルコールの重合度は粘性を向上させる点で高い方が好ましく、具体的には500〜2000程度であることが好ましい。これらの高分子アルコールは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
<Polymer alcohol>
The polymer alcohol functions as a plasticizer that gives plasticity necessary for granulation, and examples thereof include polyethylene glycol and polyvinyl alcohol (PVA). The higher degree of polymerization of the polymer alcohol is preferable in terms of improving the viscosity, and specifically about 500 to 2000 is preferable. These polymer alcohols may be used alone or in combination of two or more.
混合工程において、高分子アルコールは、2〜20重量%程度の水溶液としてチタン酸アルカリ金属塩粉末及び粘土と共に混合することが好ましい。 In the mixing step, the polymer alcohol is preferably mixed with the alkali metal titanate powder and clay as an aqueous solution of about 2 to 20% by weight.
<その他の添加剤>
本発明においては、ストロンチウム吸着剤の製造に、必要に応じて、上記チタン酸アルカリ金属塩粉末、粘土、高分子アルコール以外の他の添加剤を配合して用いてもよい。他の添加剤としては、結晶セルロース等の固着防止剤などを用いることができる。
<Other additives>
In this invention, you may mix | blend and use additives other than the said alkali metal titanate powder, clay, and polymeric alcohol as needed for manufacture of a strontium adsorbent. As other additives, anti-sticking agents such as crystalline cellulose can be used.
<混合割合>
粘土は、チタン酸アルカリ金属塩粉末100重量部に対して5〜30重量部、特に10〜25重量部程度用いることが好ましい。粘土の使用量が少な過ぎると得られる吸着剤の強度が十分でない傾向にあり、多過ぎると相対的にチタン酸アルカリ金属塩の含有量が少なくなって吸着性能が低下する傾向にある。
<Mixing ratio>
The clay is preferably used in an amount of 5 to 30 parts by weight, particularly 10 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the alkali metal titanate powder. If the amount of clay used is too small, the strength of the adsorbent obtained tends to be insufficient, while if too large, the content of the alkali metal titanate tends to be relatively small and the adsorption performance tends to decrease.
高分子アルコールは、チタン酸アルカリ金属塩粉末100重量部に対して2〜10重量部、特に3〜8重量部程度用いることが好ましい。高分子アルコールの使用量が上記範囲内であれば、優れた造粒成形性を得ることができる。 The polymer alcohol is preferably used in an amount of 2 to 10 parts by weight, particularly about 3 to 8 parts by weight, based on 100 parts by weight of the alkali metal titanate powder. If the amount of the polymer alcohol used is within the above range, excellent granulation moldability can be obtained.
水は、チタン酸アルカリ金属塩粉末100重量部に対して50〜120重量部、特に60〜100重量部で、混合物中の水以外の固液分濃度が25〜60重量%、特に35〜50重量%程度となるように用いることが好ましい。
水の使用量が上記範囲内であれば、優れた混練性、造粒成形性を得ることができる。
Water is 50 to 120 parts by weight, particularly 60 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the alkali metal titanate powder, and the solid-liquid concentration other than water in the mixture is 25 to 60% by weight, particularly 35 to 50%. It is preferable to use so that it may become about weight%.
When the amount of water used is within the above range, excellent kneading properties and granulation moldability can be obtained.
他の添加剤を配合する場合、他の添加剤の添加量は、本発明の効果を損なうことのない範囲であればよく、特に制限はないが、通常、チタン酸アルカリ金属塩粉末100重量部に対して10重量部以下である。 When other additives are blended, the amount of other additives added is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, but usually 100 parts by weight of alkali metal titanate powder. And 10 parts by weight or less.
<混合方法>
チタン酸アルカリ金属塩粉末、粘土、高分子アルコール、水及び必要に応じて用いられる他の添加剤を混合する方法としては、混合時に大きな剪断力を加えることで、これらを十分に均一に混合することができる方法であればよく、特に制限はないが、円筒容器や円錐容器に撹拌羽根を備えた混合・混練機で混合することが好ましい。前記撹拌羽根の形状は特に指定しないが、パドル形、リボン形、プロペラ形、アンカー形で良く、回転は一軸でも二軸遊星でも良い。また、押出し造粒機を用いて、混合と造粒を行うようにすることもできる。
<Mixing method>
As a method of mixing alkali metal titanate powder, clay, polymer alcohol, water and other additives used as necessary, they are mixed uniformly enough by applying a large shearing force during mixing. There is no particular limitation as long as the method can be used, but mixing is preferably performed with a mixing / kneader equipped with a stirring blade in a cylindrical container or a conical container. The shape of the stirring blade is not particularly specified, but may be a paddle shape, a ribbon shape, a propeller shape, or an anchor shape, and the rotation may be a uniaxial or biaxial planet. Further, mixing and granulation can be performed using an extrusion granulator.
[造粒工程]
上記の混合工程で得られた混合物を造粒する方法としては、特に制限はなく、ドラム型造粒機、皿型造粒機等を使用した転動造粒法;フレキソミックス、バーティカルグラニュレーター等を使用した混合撹拌造粒法;スクリュー型押出造粒機、ロール型押出造粒機、ブレード型押出造粒機、自己成形型押出造粒機等を使用した押出造粒法;打錠形造粒機、ブリケット形造粒機等を使用した圧縮造粒法;流動層造粒法等が挙げられるが、本発明に好適な粒状体に成形することを考慮すると、転動造粒法又は混合撹拌造粒法が好ましい。また、押出し造粒機を用いて、柱状造粒体とした後、マルメライザーなどの成形機を用いて球状に成形する方法も好ましい。
[Granulation process]
There is no restriction | limiting in particular as a method of granulating the mixture obtained at the said mixing process, The rolling granulation method using a drum type granulator, a dish type granulator, etc .; a flexo mix, a vertical granulator, etc. Mixing and agitation granulation method using a screw; extrusion granulation method using a screw type extrusion granulator, a roll type extrusion granulator, a blade type extrusion granulator, a self-molding type extrusion granulator, etc .; Compression granulation method using a granulator, briquette type granulator, etc .; fluidized bed granulation method, etc. are mentioned, but in consideration of forming into a granule suitable for the present invention, rolling granulation method or mixing Agitation granulation is preferred. A method of forming a columnar granule using an extrusion granulator and then forming it into a spherical shape using a molding machine such as a Malmerizer is also preferred.
造粒により得られる造粒体の形状としては、球状が好ましいが、柱状、盤状、その他の形状であってもよい。
造粒体の大きさは、後述の乾燥後の造粒体の平均粒子径として150〜3000μm、好ましくは300〜2000μmである。この造粒体の大きさが上記範囲よりも大きいと、表面積が小さくなってしまうため、ストロンチウム吸着能が低下し、小さいと吸着塔等のストレーナーからリークする恐れがある。
なお、ここで、造粒体の粒子径とは、造粒体が球状であればその直径に該当し、その他の形状の場合、当該造粒体を2枚の平行な板で挟んだとき、その板の間隔が最も大きくなる部位の長さ(2枚の板の間隔)をさす。
The shape of the granulated body obtained by granulation is preferably spherical, but may be a columnar shape, a disk shape, or other shapes.
The size of the granulated body is 150 to 3000 μm, preferably 300 to 2000 μm, as an average particle size of the granulated body after drying described later. If the size of the granulated body is larger than the above range, the surface area becomes small, so that the strontium adsorption ability is lowered, and if it is small, there is a risk of leakage from a strainer such as an adsorption tower.
Here, the particle diameter of the granulated body corresponds to the diameter of the granulated body if it is spherical, and in the case of other shapes, when the granulated body is sandwiched between two parallel plates, The length of the part where the distance between the plates is the largest (the distance between the two plates) is indicated.
また、この造粒体は、粒子径のバラツキが少なく粒子径が揃ったものであることが好ましく、均等係数(試料の粒度加積曲線において、全試料の60%が通過する試料の粒子径と10%が通過する試料の粒子径の比)が2以下、特に1〜1.5であることが好ましい。このように均等係数の小さい造粒体を得るために、造粒により得られた造粒体を、乾燥前に又は乾燥後に、常法に従って分級する分級工程を行うことが好ましい。 Further, this granulated body preferably has a small particle size variation and a uniform particle size, and the uniformity coefficient (the sample particle size through which 60% of all samples pass in the sample particle size accumulation curve) The ratio of the particle diameter of the sample through which 10% passes is preferably 2 or less, particularly 1 to 1.5. In order to obtain a granulated body having a small uniformity coefficient in this way, it is preferable to perform a classification step of classifying the granulated body obtained by granulation according to a conventional method before or after drying.
[乾燥工程]
本発明においては、造粒工程で得られた造粒体を焼成するに先立ち、乾燥を行って、造粒体中の水分を揮発除去することが好ましく、この乾燥は、熱風乾燥機等を用いて、80〜180℃で0.5〜3時間程度行うことが好ましい。
[Drying process]
In the present invention, prior to firing the granulated product obtained in the granulation step, it is preferable to perform drying to volatilize and remove moisture in the granulated product. This drying is performed using a hot air dryer or the like. Thus, it is preferable to carry out at 80 to 180 ° C for about 0.5 to 3 hours.
[焼成工程]
本発明においては、焼成工程において、200〜300℃で焼成する予備焼成工程と、650〜850℃で焼成する本焼成工程とを行うが、好ましくは、前述の通り、室温から200〜300℃の予備焼成温度にまで昇温する1次昇温工程と、200〜300℃で焼成する予備焼成工程と、200〜300℃の予備焼成温度から650〜850℃の本焼成温度まで昇温する2次昇温工程と、650〜850℃で焼成する本焼成工程と、650〜850℃の本焼成温度から室温まで降温する降温工程とを有する。なお、室温とは、通常5〜45℃の温度である。
[Baking process]
In the present invention, in the baking step, a preliminary baking step of baking at 200 to 300 ° C. and a main baking step of baking at 650 to 850 ° C. are performed, preferably as described above, from room temperature to 200 to 300 ° C. A primary temperature raising step for raising the temperature to a pre-baking temperature, a pre-baking step for firing at 200 to 300 ° C., and a secondary temperature raising from a pre-baking temperature of 200 to 300 ° C. to a main firing temperature of 650 to 850 ° C. A temperature raising step, a main baking step of baking at 650 to 850 ° C., and a temperature lowering step of lowering the temperature from the main baking temperature of 650 to 850 ° C. to room temperature. In addition, room temperature is a temperature of 5-45 degreeC normally.
<焼成雰囲気>
本発明において、焼成は、酸素含有雰囲気で行う。焼成雰囲気中に酸素を含まないと、可塑剤である高分子アルコールの酸化燃焼と骨材である粘土の焼結を行うことができない。
焼成雰囲気中の酸素濃度としては、10体積%以上、特に燃焼排ガス中の酸素濃度が10体積%以上であることが好ましい。雰囲気中の酸素濃度の上限には特に制限はないが、作業の安全性やコストの面から通常25体積%以下である。一般的には、空気雰囲気で、例えば、空気流通下で、焼成を行うのが、特別な酸素供給手段を必要とすることがなく、工業的に有利である。
<Baking atmosphere>
In the present invention, the firing is performed in an oxygen-containing atmosphere. If oxygen is not included in the firing atmosphere, it is impossible to oxidize and burn polymer alcohol as a plasticizer and to sinter clay as an aggregate.
The oxygen concentration in the firing atmosphere is preferably 10% by volume or more, particularly preferably 10% by volume or more in the combustion exhaust gas. Although there is no restriction | limiting in particular in the upper limit of the oxygen concentration in atmosphere, Usually, it is 25 volume% or less from the surface of work safety | security or cost. In general, firing in an air atmosphere, for example, under air circulation, is industrially advantageous because it does not require special oxygen supply means.
<1次昇温工程>
室温から予備焼成温度まで昇温する1次昇温工程は、1〜3時間程度、昇温速度として50〜150℃/hrで行うのが好ましい。昇温時間が短く、昇温速度が速すぎるとチタン酸アルカリ金属塩の結晶構造を損なう恐れがあり、逆に昇温時間が長く、昇温速度が遅すぎると生産効率が低下する。
<Primary temperature raising step>
The primary temperature raising step for raising the temperature from room temperature to the pre-baking temperature is preferably performed at a temperature raising rate of 50 to 150 ° C./hr for about 1 to 3 hours. If the temperature increase time is short and the temperature increase rate is too fast, the crystal structure of the alkali metal titanate may be impaired. Conversely, if the temperature increase time is long and the temperature increase rate is too slow, the production efficiency decreases.
<予備焼成工程>
予備焼成は、造粒体中の高分子アルコールを酸化分解して除去するために行う。高分子アルコールの完全燃焼のためには、より高温で焼成することが望ましいが、予備焼成温度が高過ぎると造粒体内での高分子アルコールの酸化反応による発熱で雰囲気温度よりも造粒体内部温度が高温になり過ぎる結果、チタン酸アルカリ金属塩の結晶構造が損なわれる恐れがある。ただし、予備焼成温度が低過ぎると高分子アルコールの燃焼効率が悪いため、予備焼成工程は200〜300℃、好ましくは230〜280℃の低温で行う。
<Pre-baking step>
The pre-baking is performed in order to oxidatively decompose and remove the polymer alcohol in the granulated body. For complete combustion of the polymer alcohol, it is desirable to fire at a higher temperature. However, if the pre-baking temperature is too high, the heat generated by the oxidation reaction of the polymer alcohol in the granule causes the internal temperature of the granule to exceed the ambient temperature. As a result of the temperature becoming too high, the crystal structure of the alkali metal titanate may be impaired. However, since the combustion efficiency of the polymer alcohol is poor when the pre-baking temperature is too low, the pre-baking step is performed at a low temperature of 200 to 300 ° C, preferably 230 to 280 ° C.
この予備焼成工程の時間は、予備焼成温度によっても異なるが、1〜3時間、特に1〜2時間程度行うことが好ましい。予備焼成時間が短か過ぎると未燃焼の高分子アルコールが残存する恐れがある。また、予備焼成工程は高分子アルコールが完全燃焼して除去されればよく、過度に長く行う必要はない。 Although the time of this pre-baking process changes with pre-baking temperatures, it is preferable to carry out for 1-3 hours, especially about 1-2 hours. If the pre-baking time is too short, unburned polymer alcohol may remain. In addition, the pre-baking step is not required to be performed excessively long as long as the polymer alcohol is completely burned and removed.
<2次昇温工程>
予備焼成温度から本焼成温度まで昇温する2次昇温工程は、5〜15時間程度、昇温速度として50〜150℃/hrで行うのが好ましい。即ち、本焼成工程は、骨材として添加した粘土を650〜850℃の温度で焼結して機械的強度を付与するための工程であるが、この時、粘土は焼結していく過程で、収縮が起きる。そのため、予備焼成工程で高分子アルコールを燃焼除去した後、急激に焼結温度まで昇温すると、造粒体が割れる恐れがあり、完全に割れないまでも、造粒体にひびが入った状態となると、充分な機械的強度を付与することができない。そこで200〜300℃の予備焼成工程から、650〜850℃の本焼成工程まで昇温する2次昇温工程は、生産効率を損なわない範囲で適度な昇温速度で昇温することが好ましい。
<Secondary temperature raising process>
The secondary temperature raising step for raising the temperature from the preliminary firing temperature to the main firing temperature is preferably performed at a temperature raising rate of 50 to 150 ° C./hr for about 5 to 15 hours. That is, this firing step is a step for sintering the clay added as an aggregate at a temperature of 650 to 850 ° C. to give mechanical strength. At this time, the clay is a process of sintering. Shrinkage occurs. Therefore, if the polymer alcohol is burned and removed in the pre-baking step, if the temperature is rapidly raised to the sintering temperature, the granulated body may crack, and even if it does not crack completely, the granulated body is cracked. Then, sufficient mechanical strength cannot be imparted. Therefore, it is preferable that the secondary temperature raising step for raising the temperature from the pre-baking step at 200 to 300 ° C. to the main baking step at 650 to 850 ° C. is performed at an appropriate temperature raising rate within a range not impairing the production efficiency.
<本焼成工程>
造粒体中の粘土を焼結させる本焼成工程は、650〜850℃で行う。本焼成温度が650℃未満では粘土を充分に焼結させて機械的強度の高い吸着剤を得ることができず、850℃を超えると、チタン酸アルカリ金属塩の結晶構造が崩れ吸着性能が低下する。好ましい本焼成温度は700〜850℃、好ましくは750〜800℃である。
<Main firing process>
The main firing step of sintering the clay in the granulated body is performed at 650 to 850 ° C. If the firing temperature is less than 650 ° C, the clay cannot be sufficiently sintered to obtain an adsorbent with high mechanical strength. If the firing temperature exceeds 850 ° C, the crystal structure of the alkali metal titanate collapses and the adsorption performance decreases. To do. The preferred firing temperature is 700 to 850 ° C, preferably 750 to 800 ° C.
また、この本焼成の時間は、生産効率を損なうことなく、粘土を充分に焼結させて高強度の吸着剤を得るために1〜3時間程度行うことが望ましい。 Moreover, it is desirable that this firing time is about 1 to 3 hours in order to sufficiently sinter clay and obtain a high-strength adsorbent without impairing production efficiency.
<降温工程>
本焼成温度から室温にまで降温する降温工程についても、急激に降温すると、吸着剤が割れる可能性があることから、生産性を損なわない範囲で適度な速度で降温することが好ましく、従って、本焼成後の降温工程は、5〜10時間をかけて、降温速度100〜250℃/hr程度で吸着剤を冷却して90〜110℃、好ましくは95〜105℃、例えば約100℃に達したら10〜30℃/hrで徐冷することが望ましい。
<Cooling process>
As for the temperature lowering process for lowering the temperature from the main firing temperature to room temperature, the adsorbent may be broken if the temperature is lowered rapidly. Therefore, it is preferable to lower the temperature at an appropriate rate within a range not impairing the productivity. The temperature lowering step after firing takes 5 to 10 hours, and the adsorbent is cooled at a temperature lowering rate of about 100 to 250 ° C./hr to reach 90 to 110 ° C., preferably 95 to 105 ° C., for example, about 100 ° C. It is desirable to slowly cool at 10 to 30 ° C./hr.
<焼成手段>
本発明においては、上述のような1次昇温、予備焼成、2次昇温、本焼成、降温の各工程を、最適な温度プロファイルで行うために、焼成温度や焼成時間の制御が容易な焼成炉を用いて焼成を行うことが好ましい。
<Baking means>
In the present invention, since the primary temperature raising, preliminary firing, secondary temperature raising, main firing, and temperature lowering steps as described above are performed with optimum temperature profiles, the firing temperature and firing time can be easily controlled. Firing is preferably performed using a firing furnace.
一般に、セメント、セラミック、ゼオライト、固体触媒などの固体機能性材料を焼成する場合、電気式トンネル炉、ガス燃焼トンネル炉、連続回転炉(キルン)、回分式回転炉(キルン)、流動層焼成炉、噴霧乾燥焼成炉などが用いられるが、チタン酸アルカリ金属塩を基材とする本発明の吸着剤の焼成には、各工程の温度と処理時間を制御可能な、電気式トンネル炉、ガス燃焼式トンネル炉、回分式キルンなどを用いて酸素含有ガスを供給しながら焼成することが好ましく、特に、電気式トンネル炉が好適である。 Generally, when firing solid functional materials such as cement, ceramics, zeolites, solid catalysts, etc., electric tunnel furnaces, gas-fired tunnel furnaces, continuous rotary furnaces (kilns), batch-type rotary furnaces (kilns), fluidized bed firing furnaces A spray drying firing furnace is used, but for the firing of the adsorbent of the present invention based on an alkali metal titanate, an electric tunnel furnace, gas combustion capable of controlling the temperature and processing time of each step Firing is preferably performed while supplying an oxygen-containing gas using a type tunnel furnace, a batch kiln, or the like, and an electric tunnel furnace is particularly suitable.
電気式トンネル炉は、被焼成物を匣鉢(こうばち)に薄く広げ、これをベルトコンベアに並べた状態で、一定の速度でトンネル炉内に供給して焼成するものであり、トンネル炉の内壁にはコンベアの移動方向に小さく区分けされた電熱ヒータが設置されており、移動方向各位置の温度を予め設定し、かつ雰囲気温度を測定しつつ設定温度に制御することができ、所望の温度での焼成を容易に行うことができる。また、匣鉢に被焼成物を層状に薄く広げることで、被焼成物の層の表面と底部の温度差を小さくすることができ、均一な条件で焼成を行うことができるので、得られる吸着剤の粒子ごとの性能のバラつきを小さくすることができる。このように、造粒体を匣鉢などに薄い層状に広げて焼成する場合、この造粒体の層の厚さは5〜30mm、特に10mm〜20mm程度とすることが好ましく、このように薄い層状に広げて焼成することにより、均一な焼成条件で焼成を行うことができ好ましい。 The electric tunnel furnace is to spread the material to be fired thinly into a slab and supply it into the tunnel furnace at a constant speed in a state where it is arranged on a belt conveyor. An electric heater is installed on the inner wall of the conveyor, which is divided into small parts in the moving direction of the conveyor. The temperature of each position in the moving direction can be set in advance and controlled to the set temperature while measuring the ambient temperature. Firing at temperature can be performed easily. Also, by spreading the material to be fired thinly in a bowl, the temperature difference between the surface and bottom of the material to be fired can be reduced, and firing can be performed under uniform conditions, resulting in adsorption The variation in performance for each particle of the agent can be reduced. Thus, when the granulated body is spread and fired in a thin layer in a mortar or the like, the thickness of the layer of this granulated body is preferably about 5 to 30 mm, particularly about 10 mm to 20 mm. Spreading in layers and firing is preferable because firing can be performed under uniform firing conditions.
[ストロンチウム吸着剤]
上記のような各工程を経て製造された本発明のストロンチウム吸着剤は、チタン酸アルカリ金属塩本来の結晶構造が維持され、高い吸着性能を示すと共に、粘土の焼結で充分な機械的強度を示す。特に機械的強度については、前述の水処理用活性炭に要求される強度指数(H)を十分に満たし、従って、吸着剤としての使用中或いはその前後に加えられる物理的な応力に対して破砕することが殆どなく、微粉によるストレーナの閉塞といった通水障害を防止することができ、また、ストロンチウムを吸着した微粉の流出による二次汚染の問題も防止される。
本発明のストロンチウム吸着剤はまた、骨材として配合された粘土がチタン酸アルカリ金属塩の一次粒子同士を架橋した状態で焼結する結果、吸着剤粒子内に架橋構造のマクロ孔が形成され、このマクロ孔が、被処理水の粒子内拡散速度の向上に寄与し、吸着性能、処理効率の向上を図ることができる。
[Strontium adsorbent]
The strontium adsorbent of the present invention produced through the above-described steps maintains the original crystal structure of the alkali metal titanate, exhibits high adsorption performance, and exhibits sufficient mechanical strength by clay sintering. Show. In particular, regarding the mechanical strength, the strength index (H) required for the activated carbon for water treatment described above is sufficiently satisfied, and therefore, it is crushed against physical stress applied during or before use as an adsorbent. Therefore, it is possible to prevent water passage troubles such as strainer blockage due to fine powder, and to prevent the problem of secondary contamination due to the outflow of fine powder adsorbing strontium.
In the strontium adsorbent of the present invention, the clay compounded as an aggregate is sintered in a state where the primary particles of the alkali metal titanate are crosslinked with each other. As a result, macropores of a crosslinked structure are formed in the adsorbent particles. This macropore contributes to the improvement of the diffusion rate of water to be treated in the particles, and can improve the adsorption performance and the treatment efficiency.
本発明のストロンチウム吸着剤は、例えば、下部又は上部にストレーナー構造を有した吸着容器又は吸着塔に充填して使用され、ストロンチウム、特に放射性ストロンチウムを含有する汚染水を当該吸着容器又は吸着塔に通水してストロンチウムを除去する水処理装置に有効に適用することができる。 The strontium adsorbent of the present invention is used, for example, by filling an adsorption vessel or adsorption tower having a strainer structure in the lower or upper part, and passing contaminated water containing strontium, particularly radioactive strontium, to the adsorption vessel or adsorption tower. The present invention can be effectively applied to a water treatment apparatus that removes strontium with water.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
以下の実施例及び比較例において、製造された吸着剤の吸着性能及び機械的強度の評価は、以下の方法で行った。 In the following examples and comparative examples, the adsorption performance and mechanical strength of the produced adsorbents were evaluated by the following methods.
[吸着性能]
NaCl濃度10,000mg/L、Sr濃度0.1〜3000mg/L、Ca濃度10mg/L、Mg濃度1mg/Lの試験水150mLに、吸着剤1.5gを添加し、48時間振盪する回分吸着試験を行い、平衡到達時の試験水中のストロンチウム濃度をCeq[μg/mL]、そのときの吸着剤単位重量当たりのストロンチウム吸着量をqeq[μg/mL]として、以下の式から分配係数Kd[mL/g]を求めた。
Kd=qeq/Ceq
分配係数が大きいほど吸着性能に優れる。
[Adsorption performance]
Batch adsorption where 1.5 g of adsorbent is added to 150 mL of test water with a NaCl concentration of 10,000 mg / L, Sr concentration of 0.1 to 3000 mg / L, Ca concentration of 10 mg / L, and Mg concentration of 1 mg / L and shaken for 48 hours. When the test was performed, the concentration of strontium in the test water when equilibrium was reached was C eq [μg / mL], and the strontium adsorption amount per adsorbent unit weight at that time was q eq [μg / mL]. K d [mL / g] was determined.
K d = q eq / C eq
The larger the distribution coefficient, the better the adsorption performance.
[機械的強度]
前述のJIS K1474の強度試験法に従って強度指数(H)[%]を求めた。
[Mechanical strength]
The strength index (H) [%] was determined according to the strength test method of JIS K1474 described above.
[実施例1〜6、比較例1〜4]
二チタン酸カリウム(K2Ti2O5)粉末(平均粒子径20μm)と、粘土(アタパルジャイト)と、7重量%ポリビニルアルコール(PVA)水溶液と、添加剤(結晶セルロース)とを、以下の割合で押出造粒機に投入して混練して柱状に押し出し、柱状造粒体をマルメライザーで球状に成形した。得られた球状の造粒体を140℃で1.0時間乾燥させた後、金属製の篩で分級して平均粒子径560μm、均等係数1.2の吸着剤前駆体を作製した。
二チタン酸カリウム粉末:100重量部
粘土:21重量部
7重量%PVA水溶液:83重量部(PVA純分:5.8重量部、水:77.2重量部)
添加剤:0.4重量部
[Examples 1-6, Comparative Examples 1-4]
Potassium dititanate (K 2 Ti 2 O 5 ) powder (average particle size 20 μm), clay (attapulgite), 7 wt% polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution, and additive (crystalline cellulose) in the following proportions The mixture was put into an extrusion granulator, kneaded and extruded into a columnar shape, and the columnar granulated product was formed into a spherical shape with a malmerizer. The obtained spherical granule was dried at 140 ° C. for 1.0 hour and then classified with a metal sieve to prepare an adsorbent precursor having an average particle size of 560 μm and a uniformity coefficient of 1.2.
Potassium dititanate powder: 100 parts by weight Clay: 21 parts by weight 7% by weight PVA aqueous solution: 83 parts by weight (PVA pure content: 5.8 parts by weight, water: 77.2 parts by weight)
Additive: 0.4 parts by weight
得られた吸着剤前駆体を、電気式トンネル炉を用いて、空気を供給しつつ、下記表1に示す温度プロファイルで焼成してストロンチウム吸着剤を得た。なお、電気式トンネル炉における焼成に際しては、吸着剤前駆体は、匣鉢に10mmの厚さに薄く広げて焼成した。 The obtained adsorbent precursor was baked with a temperature profile shown in Table 1 below while supplying air using an electric tunnel furnace to obtain a strontium adsorbent. In the firing in the electric tunnel furnace, the adsorbent precursor was thinly spread and fired in a mortar to a thickness of 10 mm.
得られたストロンチウム吸着剤について、吸着性能(分配係数(Kd))と機械的強度(強度指数(H))を調べ、結果を表2に示した。 The obtained strontium adsorbent was examined for adsorption performance (partition coefficient (K d )) and mechanical strength (strength index (H)), and the results are shown in Table 2.
表2に示すように、本焼成工程では、低温で焼結した方が高い分配係数を示し、760℃以下では、ほぼ一定の分配係数を示す。840℃を超えると急激に分配係数は低下し、900℃では結晶が崩壊し、分配係数の測定は不可能だった。
一方、機械的強度は、本焼成工程で高い焼結温度を採用した場合に高い値を示す。水処理用吸着剤として適用可能な強度指数(H)80%以上を維持するには、650℃以上の焼結温度が必要であると言える。
As shown in Table 2, in the main firing step, sintering at a low temperature shows a higher distribution coefficient, and at 760 ° C. or lower, a substantially constant distribution coefficient is shown. When the temperature exceeded 840 ° C., the partition coefficient decreased rapidly, and at 900 ° C., the crystal collapsed, making it impossible to measure the partition coefficient.
On the other hand, the mechanical strength shows a high value when a high sintering temperature is adopted in the main firing step. It can be said that a sintering temperature of 650 ° C. or higher is necessary to maintain a strength index (H) of 80% or higher applicable as an adsorbent for water treatment.
[実施例7、比較例5]
実施例4で製造したストロンチウム吸着剤(800℃焼結品)50mLを、カラム径8mmφのガラスカラムに充填し(充填層高さ100mm)、下記水質の原水を下記通水条件で通水してカラム通水試験を実施した(実施例7)。
<原水水質>
NaCl:10,000mg/L
Sr:45mg/L
Ca:20mg/L
Mg:5mg/L
<通水条件>
通水流量:50mL/hr
通水線速度(LV):1m/hr
通水空間速度(SV):10hr−1
[Example 7, Comparative Example 5]
50 mL of a strontium adsorbent (800 ° C. sintered product) produced in Example 4 was packed in a glass column having a column diameter of 8 mmφ (packed bed height: 100 mm), and raw water having the following water quality was passed under the following water flow conditions. A column flow test was performed (Example 7).
<Raw water quality>
NaCl: 10,000 mg / L
Sr: 45 mg / L
Ca: 20 mg / L
Mg: 5mg / L
<Water flow conditions>
Water flow rate: 50 mL / hr
Water passage speed (LV): 1 m / hr
Water flow space velocity (SV): 10 hr −1
比較のため、ストロンチウムに対して選択性が高いとされているA型ゼオライトを用いて同様のカラム通水試験を行った(比較例5)。 For comparison, a similar column water flow test was performed using A-type zeolite, which has high selectivity for strontium (Comparative Example 5).
各例における処理水(カラム流出水)のストロンチウム濃度の経時変化を調べ、結果を図1に示した。
図1の横軸は吸着剤充填容量に対する積算通水量の倍数(Ratio to Bed Volume)を示し、縦軸はストロンチウム濃度を示す。
The change with time of the strontium concentration of the treated water (column effluent) in each example was examined, and the results are shown in FIG.
The horizontal axis in FIG. 1 indicates a multiple of the accumulated water flow rate relative to the adsorbent filling capacity (Ratio to Bed Volume), and the vertical axis indicates the strontium concentration.
図1に示されるように、A型ゼオライトを用いた比較例5では通水開始当初から処理水にストロンチウムが検出された。一方、二チタン酸カリウムを基材とした実施例7の吸着剤では、通水量320BVまで処理水にストロンチウムは検出されなかった。また、A型ゼオライトでは、処理水のストロンチウム濃度の上昇が緩やかであるのに対して、粘土を骨材として製造した実施例7の二チタン酸カリウム造粒吸着剤では、破過後の処理水ストロンチウム濃度の上昇が速かった。
この破過曲線を与える総括物質移動容量係数Kfavを次式から求めた。式(1)は分配係数Kdを用いた平衡吸着関係を表すLangmuirの式である。また式(2)は、ピストン流を仮定したカラムの物質収支式である。この両者を解くことによって、実験値を再現するように総括物質移動容量係数Kfavを求めた。
As shown in FIG. 1, in Comparative Example 5 using A-type zeolite, strontium was detected in the treated water from the beginning of water flow. On the other hand, in the adsorbent of Example 7 based on potassium dititanate, strontium was not detected in the treated water up to a water flow rate of 320 BV. In addition, the strontium concentration in the treated water is moderate in the A-type zeolite, whereas in the potassium dititanate granulated adsorbent of Example 7 manufactured using clay as an aggregate, the treated water strontium after breakthrough is used. The increase in concentration was fast.
The overall mass transfer capacity coefficient K f a v giving this breakthrough curve was determined from the following equation. Equation (1) is a Langmuir equation representing an equilibrium adsorption relationship using the distribution coefficient Kd . Equation (2) is a column mass balance equation assuming a piston flow. By solving both, the overall mass transfer capacity coefficient K f a v was determined so as to reproduce the experimental value.
ここで、Ceq:平衡溶液濃度、qeq:平衡吸着量、qT:飽和吸着容量、C:軸方向位置zにおける液中のSr濃度、C*:zにおける吸着量と平衡状態にある液中のSr濃度、Kfav:総括物質移動容量係数、t:時間、u:液空塔速度、ε:空隙率、である。
両者の吸着特性を下記表3にまとめた。
Here, C eq : equilibrium solution concentration, q eq : equilibrium adsorption amount, q T : saturated adsorption capacity, C: Sr concentration in the liquid at the axial position z, C * : liquid in equilibrium with the adsorption amount at z Sr concentration, K f av : overall mass transfer capacity coefficient, t: time, u: liquid superficial velocity, ε: porosity.
The adsorption characteristics of both are summarized in Table 3 below.
表3に示すように、飽和吸着容量qTはA型ゼオライトの方が高いにも関わらず、通水開始当初からストロンチウムのリークが始まっているのは分配係数Kdが低いことと総括物質移動容量係数Kfavが低いことに起因している。総括物質移動容量係数Kfavが低いと吸着帯の長さが長くなり充填した吸着剤の有効利用率が低下するためである。そのために、比較例5のA型ゼオライトでは破過曲線が非常にブロードになっている。これに対して、実施例7の二チタン酸カリウム造粒吸着剤では、分配係数Kd、総括物質移動容量係数Kfavが高く、吸着剤の有効利用率が高い。 As shown in Table 3, saturated adsorption capacity q T despite higher for A-type zeolite, the leakage strontium from water passing beginning is begun overall mass transfer and the low distribution coefficient K d This is because the capacity coefficient K f a v is low. This is because if the overall mass transfer capacity coefficient K f a v is low, the length of the adsorption band becomes long and the effective utilization rate of the filled adsorbent decreases. Therefore, in the A-type zeolite of Comparative Example 5, the breakthrough curve is very broad. In contrast, in the potassium dititanate granulated adsorbent of Example 7, the distribution coefficient K d and the overall mass transfer capacity coefficient K f a v are high, and the effective utilization rate of the adsorbent is high.
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