JP5674083B2 - オキシ水酸化鉄ゾル及びその製造方法 - Google Patents
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磁性材料や触媒等の分野では、従来から塩素根や硝酸根、硫酸根等の無機酸根を含まない安定な酸化鉄ゾルが望まれている。このようなイオン性の無機酸根を含まない安定な酸化鉄ゾルを製造する方法として、特許文献1には、クエン酸の存在下で塩化鉄にアルカリ水溶液を添加して鉄水酸化物のゲルを生成させ、これを洗浄後に熟成し、再度洗浄後、クエン酸を添加して水熱処理する方法が提案されている。この方法では、イオン性の無機酸根が洗浄工程において除去され、残存するクエン酸によってゾルが安定化されている。しかし、この方法は反応や洗浄に伴う工程数が多く、工業的製造方法とは言い難い。
(1)鉄の水溶性無機化合物にアルカリ剤をアルカリ剤/無機酸根(モル比)=0.5〜0.9の範囲で加えて、鉄の水酸化物溶液を得る工程。
(2)工程(1)の鉄の水酸化物溶液に、ヒドロキシカルボン酸を、ヒドロキシカルボン酸/鉄(Fe)(モル比)=0.05〜0.20の範囲で加える工程。
(3)工程(2)のヒドロキシカルボン酸を加えた溶液にアルカリ剤を加えて、pHを6〜12に調整し、粗オキシ水酸化鉄ゾルを得る工程。
(4)工程(3)の粗オキシ水酸化鉄ゾルを分画分子量20000以下の限外ろ過膜でろ過したときのろ液の電気伝導度が1mS/cm以下になるまで洗浄しオキシ水酸化鉄ゾルを得る工程。
上記(1)〜(4)の工程によって製造されるオキシ水酸化鉄ゾルの製造方法及びこの方法により製造されたオキシ水酸化鉄ゾルに関する。
(1)の工程では、鉄の水溶性無機化合物の酸性水溶液にアルカリ剤をアルカリ剤/無機酸根(モル比)=0.5〜0.9の範囲で加えて、鉄の水酸化物溶液を得る。
本発明に使用する鉄の水溶性無機化合物としては、塩化鉄、硝酸鉄、硫酸鉄等無機の水溶性鉄化合物が好例として挙げられ、鉄は第一鉄、第二鉄のいずれであっても良い。第一鉄化合物の場合、酸化剤、例えば過酸化水素等により第二鉄化合物として使用することが好ましい。
アルカリ剤の添加量が、上記モル比の下限を下廻った場合でもこのコロイド粒子分散溶液は得られるが、次工程のヒドロキシカルボン酸添加時にイオン性の鉄が生成し、安定性の高いゾルを得るための工程(4)洗浄時に、これが漏出し収率が低下すると共に粒子中などに取り込まれて洗浄後にも残存する一部のイオン性の鉄によって粒子間のチャージバランスが崩れ安定性に優れたゾルを得ることができない。また、上限を上廻ると撹拌時間を増やしても分散性の良いコロイド粒子分散溶液が得られず、結果、本発明のオキシ水酸化鉄ゾルを製造することができない。何故分散性の良いコロイド粒子分散溶液が得られないかについては定かではないが、一時的に分散剤として機能する無機酸根が、一部アルカリ剤と反応し、機能性無機酸根が不足するためと推定される。
鉄の水溶性無機化合物の酸性水溶液撹拌下にアルカリ剤を添加した直後は、前記の通り液全体が一旦ゲル状態となるが、時間とともに徐々に解膠して、最終的には透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液となる。
一方、0.20を上廻ると、コロイド粒子として存在している鉄成分の一部がイオン化し、高効率で本発明のゾルを製造することができないばかりか不安定ゾルとなる。これはイオン性の鉄によって粒子間のチャージバランスが崩れ、ゾルの不安定性を増幅するものと推定される。
pHが6を下廻ると本発明の目的とするゾルを得ることができない。一方、pH12を上廻ってアルカリ剤を添加しても(4)の洗浄工程において更なる洗浄効果即ち、安定化は得られないため経済的でない。何故アルカリ剤添加により安定化が図られるか明らかではないが、機構的にはコロイド状オキシ水酸化鉄を安定化させている鉄原料に由来する塩素根、硝酸根、硫酸根等の無機酸根とヒドロキシカルボン酸との置換を促進しているものと推定される。
このようにして得られた本発明のオキシ水酸化鉄ゾルは、褐色で透明感のある溶液状のものである。このゾル中の微粒子は、大部分がオキシ水酸化鉄の微結晶である。これは、ゾルの乾燥物の粉末X線回折が、オキシ水酸化鉄特有のブロードな回折パターンを示すことによって確認できる(図1参照)。
(1)酸化鉄濃度は、旧JIS K-5407-8に準じてゾルを800℃で焼成した後の焼成残分により算出した。また鉄濃度は、酸化鉄濃度から計算により求めた。
(2)ヒドロキシカルボン酸は、使用原料にはヒドロキシカルボン酸由来以外の炭素源が無いことより、全有機炭素を全有機炭素(TOC)分析装置TOC-Vc(島津製作所(株)製)により測定し、それをヒドロキシカルボン酸の分子量に換算した。
(3)塩素は、硝酸銀をチオシアン酸アンモニウム溶液で逆滴定して定量した。また硝酸は、ケルダール法によりPROGRAM KJELDALH 3(フォス・ジャパン(株)製)を用いて測定した。
(4)ゾルの乾燥物の物質の同定には、X線回折装置XRD-7000(島津製作所(株)製)を用いた。
(5)電気伝導度は、電気伝導度計CM-14S(TOA ELECTRON Ltd.製)を用いて測定した。
(6)メジアン径は、動的光散乱色粒度分布測定装置LB-500(堀場製作所(株)製)を用いて測定した。
限外ろ過膜として、分画分子量が10000である型式SLP-1053(旭化成(株)製)を用いた限外ろ過装置によりろ過した。
〈鉄成分のろ過漏れ率〉
鉄成分のろ過漏れ率は、ろ過前の鉄成分の質量に対するろ液中の鉄成分の質量の百分率により算出した。
〈保存安定性試験〉
保存安定性試験は、試料を50mL容サンプル瓶に入れて封入し、35℃恒温槽で行った。
酸化鉄(Fe2O3)換算で2%の塩化第二鉄水溶液10000g(pH1.3)に、28%アンモニア水溶液365g(NH3/Clのモル比=0.8)を撹拌下で添加し、ゲル状態の液を得た。2時間撹拌後、この液は透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液となった。このときのpHは2.1であった。次に、この液に10%クエン酸水溶液481g(クエン酸/Feのモル比=0.10)を撹拌下で添加した後、直ぐに10%アンモニア水溶液によりpHを8.7に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下になるまで洗浄し、Fe2O3として10.2%のゾルを得た。このときのろ液中の鉄成分の分析値は検出限界以下だったため、鉄成分のろ過漏れ率は0%とした。得られたゾルのpHは6.6、メジアン径は6nmであり、クエン酸/Fe(モル比)=0.10であった。このゾルの乾燥物の粉末X線回折はFeO(OH)の回折パターンを示したことより、得られたゾルがオキシ水酸化鉄ゾルであることが確認できた。本発明で得た上記オキシ水酸化鉄ゾルをエバポレーターによりFe2O3濃度15.0%まで濃縮したゾル、および上記オキシ水酸化鉄ゾルをイオン交換水で5.0%まで希釈したゾルについて3ヶ月の保存安定性試験を行った結果、安定状態を維持していた。この事から本発明のゾルは極めて安定性が高いことが分かる。
酸化鉄(Fe2O3)換算で0.5%の硝酸第二鉄水溶液40000g(pH1.3)に、10%炭酸アンモニウム溶液766g(NH3/NO3のモル比=0.6)を撹拌下で添加し、ゲル状の液を得た。2時間撹拌後、この液は透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液となった。このときのpHは1.8であった。次に、この液に10%リンゴ酸水溶液504g(リンゴ酸/Feのモル比=0.15)を撹拌下で添加した後、30分間の撹拌を経て10%アンモニア水溶液によりpHを9.1に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が50μS/cm以下になるまで洗浄し、Fe2O3として15.0%のゾルを得た。このとき、ろ液中に検出された鉄成分のろ過漏れ率は1%であった。
得られたゾルのpHは7.2、メジアン径は10nmであり、リンゴ酸/Fe(モル比)=0.14であった。このゾルの乾燥物の粉末X線回折はFeO(OH)の回折パターンを示したことより、得られたゾルがオキシ水酸化鉄ゾルであることが確認できた。また、3ヶ月の保存安定性試験を行った結果、安定状態を維持していた。
酸化鉄(Fe2O3)換算で3%の硝酸第二鉄水溶液6667g(pH1.2)に、1%アンモニア水8942g(NH3/NO3のモル比=0.7)を撹拌下で添加し、ゲル状の液を得た。2時間撹拌後、この液は透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液となった。このときのpHは1.9であった。次に、この液に10%酒石酸水溶液752g(酒石酸/Feのモル比=0.20)を撹拌下で添加した後、30分間の撹拌を経て10%アンモニア水溶液によりpHを10.0に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が400μS/cm以下になるまで洗浄し、Fe2O3として5.1%のゾルを得た。このとき、ろ液中に検出された鉄成分のろ過漏れ率は3%であった。
得られたゾルのpHは7.5、メジアン径は11nmであり、酒石酸/Fe(モル比)=0.18であった。このゾルの乾燥物の粉末X線回折はFeO(OH)の回折パターンを示したことより、得られたゾルがオキシ水酸化鉄ゾルであることが確認できた。また、3ヶ月の保存安定性試験を行った結果、安定状態を維持していた。
酸化鉄(Fe2O3)換算で2%の塩化第二鉄水溶液10000g(pH1.3)に、28%アンモニア水502g(NH3/Clのモル比=1.1)を撹拌下で添加し、ゲル状の液を得た。このときのpHは8.6であり、24時間撹拌後もこの液は透明感のないゲル状であった。その後、実施例1と同様に10%クエン酸水溶液481g(クエン酸/Feのモル比=0.10)を撹拌下で添加した後、直ぐに10%アンモニア水溶液によりpHを8.7に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下になるまで洗浄したが、得られた生成物は経時的に沈降するゲルであり、分散性に優れたオキシ水酸化鉄ゾルは得られなかった。即ち、アルカリ剤/無機酸根(モル比)が本発明の範囲を逸脱すると本発明のオキシ水酸化鉄ゾルが得られないことが分かる。
実施例1と同様にして透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液を得た後、この液に10%クエン酸水溶液4812g(クエン酸/Feのモル比=1.00)を撹拌下で添加した後、直ちに10%アンモニア水溶液によりpH8.7に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下になるまで洗浄し、Fe2O3として0.2%のゾルを得た。しかしながら、このときのろ液中に検出された鉄成分のろ過漏れ率は98%であった。即ち、鉄に対するヒドロキシカルボン酸添加量が多きに過ぎ適正でないと殆どゾルを形成しないことが分かる。
酸化鉄(Fe2O3)換算で2%の塩化第二鉄水溶液10000gに10%クエン酸水溶液481g(クエン酸/Feのモル比=0.10)を撹拌下で添加した後、直ちに10%アンモニア水によりpH8.7に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が100mS/cm以下になるまで洗浄し、Fe2O3として5.1%のゾルを得た。しかし、ろ液中に検出された鉄成分のろ過漏れ率は9%であった。即ち、一部イオン性の鉄となり収率が悪化することが分かる。このオキシ水酸化鉄ゾルをエバポレーターによりFe2O3濃度15%まで濃縮しようとしたところ、濃縮途中で増粘した。また、濃縮前のゾルについて3ヶ月の保存安定性試験を行ったところ、増粘し、本発明のゾルとは性状を著しく異にしゾルと云えるものではなかった。
実施例1と同様にして透明感のある褐色のコロイド粒子分散溶液を得た後、この液に10%クエン酸水溶液481g(クエン酸/Feのモル比=0.10)を撹拌下で添加した後、直ぐに10%アンモニア溶液によりpHを3.0に調整した。その後、限外ろ過装置を用いて、ろ液の電気伝導度が100mS/cm以下になるまで洗浄したが、得られた生成物は経時的に沈降するゲルであり、分散性に優れたオキシ水酸化鉄ゾルは得られなかった。即ち、工程(3)のアルカリ剤添加後のpHが本発明の範囲を逸脱すると本発明のオキシ水酸化鉄ゾルが得られないことが分かる。また、ろ液中に検出された鉄成分のろ過漏れ率は27%であったことから、アルカリ剤の添加後のpHが本発明の範囲を逸脱した場合はイオン性の鉄が生成し、洗浄時に系外へ除去されることが分かる。
以上の結果を表1にまとめた。
Claims (2)
- 下記の工程(1)〜(4)によって製造されるオキシ水酸化鉄ゾルの製造方法。
(1)鉄の水溶性無機化合物にアルカリ剤をアルカリ剤/無機酸根(モル比)=0.5〜0.9の範囲で加えて、鉄の水酸化物溶液を得る工程。
(2)工程(1)の鉄の水酸化物溶液に、ヒドロキシカルボン酸を、ヒドロキシカルボン酸/鉄(Fe)(モル比)=0.05〜0.20の範囲で加える工程。
(3)工程(2)のヒドロキシカルボン酸を加えた溶液に、アルカリ剤を加えてpHを6〜12に調整し、粗オキシ水酸化鉄ゾルを得る工程。
(4)工程(3)の粗オキシ水酸化鉄ゾルを分画分子量20000以下の限外ろ過膜でろ過したときのろ液の電気伝導度が1mS/cm以下になるまで洗浄しオキシ水酸化鉄ゾルを得る工程。 - 工程(2)のヒドロキシカルボン酸が、クエン酸、リンゴ酸及び酒石酸から選ばれた1種以上である請求項1記載のオキシ水酸化鉄ゾルの製造方法。
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