特許第6689849号(P6689849)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6689849
(24)【登録日】2020年4月10日
(45)【発行日】2020年4月28日
(54)【発明の名称】塩水の精製方法
(51)【国際特許分類】
   C02F 1/42 20060101AFI20200421BHJP
   C02F 1/58 20060101ALI20200421BHJP
   B01J 45/00 20060101ALI20200421BHJP
   B01J 49/50 20170101ALI20200421BHJP
【FI】
   C02F1/42 B
   C02F1/58 K
   B01J45/00
   B01J49/50
【請求項の数】22
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2017-528109(P2017-528109)
(86)(22)【出願日】2015年12月4日
(65)【公表番号】特表2017-537779(P2017-537779A)
(43)【公表日】2017年12月21日
(86)【国際出願番号】US2015064097
(87)【国際公開番号】WO2016090309
(87)【国際公開日】20160609
【審査請求日】2018年9月28日
(31)【優先権主張番号】62/087,837
(32)【優先日】2014年12月5日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】515160552
【氏名又は名称】ブルー キューブ アイピー エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】ツォウ,ジャンキン
(72)【発明者】
【氏名】ガーベード,カート
(72)【発明者】
【氏名】サバター−プリエト,セルジオ
(72)【発明者】
【氏名】オファーマン,マーティン
【審査官】 佐藤 陽一
(56)【参考文献】
【文献】 特表2002−528253(JP,A)
【文献】 米国特許第06375850(US,B1)
【文献】 特開2003−320392(JP,A)
【文献】 特表2005−514313(JP,A)
【文献】 特表2003−509183(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C02F 1/42
C02F 1/58− 1/64
B01J 39/00−49/90
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオンの濃度を下げる方法であって、
1)前記塩水のpHを決定し、そして前記塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、前記塩水のpHを2から6までのpHに調整すること、及び
2)1)の前記塩水を、第一の陽イオン交換樹脂がアミノホスホン酸官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂がイミノ二酢酸官能基を含む、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で接触させ、1)の前記塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の前記混合物に接触させる以前よりもよリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成すること、を含み、
前記塩水はキレート剤(chelating agent)または錯形成剤(complexing agent)を含まない、方法。
【請求項2】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は10:90から90:10である請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は20:80から80:20である請求項1から2までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項4】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は40:60から60:40である請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項5】
1から10%の間の塩基の溶液を含む処理、及び1から12%の間の酸の溶液を含む処理による樹脂の前記混合物の再生をさらに含む請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項6】
前記塩水は、ステップ1)の前に、前記塩水中のカルシウム、バリウム、ストロンチウム及び/またはマグネシウムの量を減らすために処理される請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項7】
ステップ1)における前記塩水のpHは3から4までである請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項8】
前記温度は、50から70℃までである請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項9】
前記温度は、55から65℃までである請求項8に記載の方法。
【請求項10】
前記塩基は、2から6%の溶液である請求項5から9までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項11】
前記酸は、2から10%の溶液である請求項5から10までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項12】
アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオンの濃度を下げて、膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使われる塩水原料を提供する方法であって、
1)前記塩水のpHを決定し、そして前記塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、前記塩水のpHを2から6までのpHに調整すること、
2)1)の前記塩水を、第一の陽イオン交換樹脂がアミノホスホン酸官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂がイミノ二酢酸官能基を含む、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で接触させて、1)の前記塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の前記混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成すること、及び
3)2)の前記塩水を膜電池の塩化ナトリウム電解工程における原料として使うこと、を含み、
前記塩水はキレート剤(chelating agent)または錯形成剤(complexing agent)を含まない、方法。
【請求項13】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は10:90から90:10である請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は20:80から80:20である請求項12から13までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項15】
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は40:60から60:40である請求項12から14までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項16】
1から10%の間の塩基の溶液を含む処理、及び1から12%の間の酸の溶液を含む処理による樹脂の前記混合物の再生をさらに含む請求項12から15までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項17】
前記塩水は、ステップ1)の前に、前記塩水中のカルシウム、バリウム、ストロンチウム及び/またはマグネシウムの量を減らすために処理される請求項12から16までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項18】
ステップ1)における前記塩水のpHは3から4までである請求項12から17までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項19】
前記温度は、50から70℃までである請求項12から18までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項20】
前記温度は、55から65℃までである請求項19に記載の方法。
【請求項21】
前記塩基は、2から6%の溶液である請求項16から20までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項22】
前記酸は、2から10%の溶液である請求項16から21までのいずれか1項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使うことができる塩水を精製する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
膜電池の塩化ナトリウム電解工程では、水酸化ナトリウムを発生させ、そして塩素及び水素を精製するために飽和塩化ナトリウム塩水を使用する。膜電池の塩化ナトリウム電解工程の一般的な説明は、Kirk−Othmer Encyclopedia of Chemical Technology(John Wiley & Sons,5th Ed)、及びUllman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry(John Wiley & Sons,7th Ed)に見出すことができる。
【0003】
膜電池の塩化ナトリウム電解工程は、混入物質が低レベルの塩水を必要とする。現在の技術の最新の密度は過去のそれよりも高く、このより高い最新の密度は、安定的で効率的な性能を得るためにより高い塩水の純度レベルに対する要求を増加させた。
【0004】
塩水中のアルミニウム及びニッケルは、膜電池の塩化ナトリウム電解工程の操作中に膜に析出されうる。このような析出は、膜電池の性能の劣化を引き起こし、膜の耐用年数を短縮してしまうことがある。
【0005】
“Process for Removal of Aluminum from Brine”,IP.com Number IPCOM000141438D,2006年10月5日発行の中で、この著者は、膜電解槽で使われる濃縮アルカリ金属ハロゲン化物の塩水から、溶解アルミニウムを除去する方法を説明している。流入塩水を処理し、必要なレベルのカルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、鉄、クロミウム、ニッケル、及びバリウムを有するようにした後、この塩水のpHを1.5から4、好ましくは約2から3の間に調整する。そして、この塩水を強い陽イオンキレート樹脂(たとえば、アミノメチルホスホン酸で機能するポリスチレン樹脂、またはイミノ二酢酸で機能するポリスチレン樹脂)に接触させて溶解アルミニウムを除去し、樹脂床を毎時1から30床体積の流量(BV/h)、好ましくは8から25BV/hで操作し、この塩水をこの樹脂から分離し、必要ならば、塩化ナトリウム膜電池で使うのに必要な範囲のpHに再調整し、希釈した水酸化ナトリウムでこの樹脂を再生し、そして任意に、この樹脂床を希釈した塩酸でサイズ変更する。操作温度は、10から90℃までの範囲、典型的には40から65℃の範囲にある。強い陽イオン交換樹脂の例としては、AMBERLITE(登録商標)IR747またはIRC748(Rohm & Haas Company,Philadelphia,PA)、またはLEWATIT TP 260イオン交換樹脂(Sybron Chemicals Inc.,Philadelphia,PA)がある。
【0006】
WO01/14252は、グルコン酸ナトリウムのような水溶性キレート剤を含む塩水から不純物を除去する多ステップ工程を教示する。この塩水のpHは、約2から約4までに調整され、そしてこの水溶液は、多価金属陽イオンを除去できる機能性樹脂を使って多価金属陽イオンを除去するために処理される。イオンの除去に効果的なキレートイオン交換樹脂には、イミノ二酢酸で機能する樹脂、及びアミノメチルホスフィン酸で機能する樹脂を含む。この公刊物では、適切な市販の樹脂として、Rohm & Hass Co.製造のAMBERLITE IRC−718、及びBayer製造のLEWATIT(登録商標)TP207を確認する。そして、処理済みの塩水のpHは、約9から約11.5までのpHに調整され、この塩水は、この塩水からアルカリ土類金属の陽イオンを除去できる官能基を有する第二の機能性樹脂を通過する。
【0007】
US4830937は、アルカリ金属ハロゲン化物の塩水を8.5から9までのpHに調整し、このpHを調整したアルカリ金属ハロゲン化物の塩水をホスホン酸基を有するイオン交換樹脂に接触させることを教示する。
【0008】
US6746592は、アルミニウムの濃度によって決まるマグネシウム塩の規定量を添加することを含む析出工程を教示する。
【0009】
この産業界では、塩水からアルミニウム及びニッケルの陽イオンを除去する方法を改善する必要がいまだに存在する。
概要
【0010】
本発明は、塩水からアルミニウム及びニッケルの陽イオンを除去するコスト効率の良い工程を提供する。本発明は、アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩化ナトリウム塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオン濃度を下げる方法に向けられている。この方法は、この塩水のpHを決定し、そしてこの塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、この塩水のpHを2から6までのpHに調整することを含む。必要ないずれのpHの調整の後に、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させる。第一の陽イオン交換樹脂は、アミノホスホン酸の官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂イミノ二酢酸の官能基を含む。この接触は、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で発生し、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成する。
【0011】
本発明の一つの実施形態においては、本発明は、膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使われる塩水の原料を提供するために、アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩化ナトリウム塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオン濃度を下げる方法に向けられている。この方法は、この塩水のpHを決定し、そしてこの塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、この塩水のpHを2から6までのpHに調整することを含む。必要ないずれのpHの調整の後に、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させる。第一の陽イオン交換樹脂はアミノホスホン酸の官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂はイミノ二酢酸の官能基を含む。この接触は、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で発生し、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成する。そして、この塩水は、膜電池の塩化ナトリウム電解工程の原料として使われる。
【0012】
本発明は、同じ単位操作中で、両方の陽イオンを除去することを可能にする。操作コストは、アルミニウム及びニッケルの陽イオン濃度を下げるための本発明の処理の前に、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、及び/またはマグネシウムの陽イオン濃度を下げるために、この塩水を処理することによってさらに削減することができる。なぜならば、この塩水をこの手順で処理すれば、行うべき酸性化ステップを一つ減らし、さらにこの塩水からカルシウム及びマグネシウムを除去するためにpHを再調整するステップを一つ減らすことができるからである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の塩水精製工程の一つの実施形態を説明するブロック図を示す。図1の「従来型塩水処理」は、飽和、析出、清澄化、及びろ過のような当業者によく知られたステップをいう。たとえば、Kirk−Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,5th Edition,John Wiley & Sons、及び/またはUllman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry,7th Edition,John Wiley & Sons,Inc.,またはSECONDARY BRINE TREATMENT:ION−EXCHANGE PURIFICATION OF BRINE,Ian F. White,T.F.O’Brien in Modern Chlor−Alkali Technology,1990,pp271−289参照。
図2】実施例1の工程に関する、時間の経過に伴う入口及び出口におけるアルミニウム濃度を示す。
図3】実施例1の工程に関する、時間の経過に伴う入口及び出口におけるニッケル濃度を示す。
図4】比較例2の工程に関する、時間の経過に伴う出口におけるアルミニウム濃度を示す。
図5】比較例2の工程に関する、時間の経過に伴う入口及び出口におけるニッケル濃度を示す。
図6】比較例3の工程に関する、時間の経過に伴う入口及び出口におけるアルミニウム濃度を示す。
図7】比較例3の工程に関する、時間の経過に伴う入口及び出口におけるニッケル濃度を示す。
【発明の詳細な説明】
【0014】
本明細書は、本発明をより良く規定し、そして本発明を実施できるように当業者に指針を与えるためにいくつかの定義及び方法を提供する。特定の用語または語句を定義する規定または規定の欠落は、いかなる特別の重要性またはその欠落を示唆することを意味しない。むしろ、特に断らない限り、用語は、関連する分野の当業者が通常使用するところに従い理解するものとする。特に定義しない限り、本明細書で使用される技術的及び科学的用語は、この発明が属する分野の当業者が一般的に理解するところと同じ意味を有するものとする。
【0015】
本明細書で使用する場合において、「塩水」は塩化ナトリウムの水溶液である。塩水は、塩化ナトリウム水溶液1リットルにつき50グラムから飽和するまで、好ましくは1リットルにつき100から320グラムまでの間、より好ましくは1リットルにつき180から315グラムの間で含みうる。
【0016】
「アルミニウム」及び「ニッケル」という用語は、それらの陽イオンの形態の化合物を云う。
【0017】
「陽イオンの交換樹脂」または「陽イオン交換樹脂」は、不溶性の有機ポリマーであって、それに周囲の水溶液中の陽イオンを引き付け、保持することができる負の電荷をもった官能基が付着したものをいう。「キレート樹脂」は、イオン交換樹脂のサブグループであって、本出願においては、キレート性イミノ二酢酸基を有する、またはキレート性アミノメチルホスホン基(アミノホスホン基としても知られている)を有する陽イオン交換樹脂をいう。本発明において使用できる適切で市販のキレート性アミノホスホン樹脂は、AMBERLITE(登録商標)IRC747UPS,The Dow Chemical Company, USA;LEWATIT(登録商標)MonoPlus TP 260,Lanxess AG,Cologne,Germany;Purolite(登録商標)S−940,The Purolite Company,150 Monument Road,Bala Cynwyd,PA 19004,USA;及びD402−II,Jiansu Suqing Water Treatment Engineering Group Co.,Ltd.Huazhai Road,Hetang,Jiangyin,Jiangsu,Chinaを含むが、これらに限定はされない。本発明において使用できる適切で市販のイミノ二酢酸の官能基を有するキレート樹脂は、AMBERLITE(登録商標)IRC748,The Dow Chemical Company, USA;LEWATIT(登録商標)MonoPlus TP 207,Lanxess AG,Cologne,Germany;及びPurolite(登録商標)S−930,The Purolite Company,150 Monument Road,Bala Cynwyd,PA 19004,USA;D402,Jiansu Suqing Water Treatment Engineering Group Co.,Ltd.Huazhai Road,Hetang,Jiangyin,Jiangsu,Chinaを含むが、これらに限定はされない。
【0018】
”Process for Removal of Aluminum from Brine”,IP.com Number IPCOM000141438D,2006年10月5日発行の中で報告されているような実験結果を検討すると、当該公刊物で報告されているように、流入塩水を処理することで一定のpH条件の下でいくらかの量のニッケルを除去できることが分かったが、除去されたニッケルの量は膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使う塩水に必要なまたは好ましい低レベルのニッケルを満たすには不十分であった。
【0019】
「膜電池の塩化ナトリウム電解工程」とは、塩水の電気分解をいい、そこでは飽和またはほぼ飽和した塩水が電池の第一チャンバーの中へ入り、そこで塩素イオンが陽極で酸化され、電子を失い塩素ガスになる。陰極では、水分子からの陽水素イオンが電解電流から与えられた電子によって還元されて水素ガスになり、水酸化イオンを水溶液中に放出する。電池の中央にあるイオン透過性イオン交換膜は、ナトリウムイオンが第二チャンバーに入り、そこで水酸化イオンと反応して水酸化ナトリウムを生成することを可能にする。この膜は、好ましくは、水和したかもしれない陽イオンだけを透過させ、ハロゲン化ガスがアルカリ金属水酸化物と混合することを防ぎ、さらに塩水からのハロゲン化イオンが水酸化物溶液を汚染することも防ぐ。
【0020】
本発明は、アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオン濃度を下げる方法に向けられている。この方法は、塩水のpHを決定し、そしてこの塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、この塩水のpHを2から6までのpHに調整することを含む。必要ないずれのpHの調整の後に、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させる。第一の陽イオン交換樹脂はアミノホスホン酸の官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂はイミノ二酢酸の官能基を含む。この接触は、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で発生し、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成する。
【0021】
本発明の一つの実施形態においては、本発明は、膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使われる塩水の原料を提供するために、アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオン濃度を下げる方法に向けられている。この方法は、塩水のpHを決定し、そしてこの塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、この塩水のpHを2から6までのpHに調整することを含む。必要ないずれのpHの調整の後に、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させる。第一の陽イオン交換樹脂はアミノホスホン酸の官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂はイミノ二酢酸の官能基を含む。この接触は、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で発生し、この塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成する。そして、この塩水は、膜電池の塩化ナトリウム電解工程の原料として使われる。
【0022】
本発明の方法によると、処理すべき塩水は、溶解採鉱、または岩塩、天日塩、または真空塩を溶解して生成しうる。本発明の一つの実施形態においては、処理すべき塩水は、縮合ポリマー生産の副生成物ではない。本発明の一つの実施形態においては、処理すべき塩水は、グルコン酸陰イオンを含まない。
【0023】
この混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は、10:90から90:10まで、20:80から80:20まで、または40:60から60:40までである。好ましい比は、存在するアルミニウム及びニッケルの陽イオンの濃度によって決まる。イミノ二酢酸の機能性樹脂はアルミニウムよりもニッケルに対してより低い漏水率を有するが、アミノホスホン酸の官能基はニッケルよりもアルミニウムに対してより高い親和性を有する。吸収動態及び吸収能力もpH及び流量によって決まる。これらのイオンの異なるpH及び異なるイオン交換樹脂混合物における漏出曲線を測定すると、当業者は、吸収に影響するキレート剤または錯形成剤をあるいは含みうる特定の塩水中のニッケル及びアルミニウム濃度によって決まる最適条件を見出すことができる。この最適条件は、標的のイオンに求められる仕様を超えることなく、最長の操作時間をもたらす樹脂の混合物及び操作pHである。
【0024】
塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させることは、一括処理、連続または準連続的方法のような、この技術分野において知られた方法によって行いうる。好ましい方法においては、塩水は、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物の床を含むカラムのような管を通過する。その床を通る塩水の流れは、その樹脂床を含む管から出る陽イオンの濃度の増加によって示されるように、この樹脂床の陽イオン錯化能が少なくとも1個の陽イオンについて実質的に尽きるまで続きうる。
【0025】
本発明を利用できる膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使われる膜または塩水電解槽の種類には限定はない。本発明を使用できる膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使用できる膜の例としては、Nafion N2030(E.I. du Pont de Nemours and Company,Nafion Global Customer Service,Fayetteville,NC,USA),Aciplex F6801(Asahi Kasei Chemicals Corp.,Tokyo,Jaoan,及びFlemion 8080(Asahi Glass Co., Ltd.,Tokyo,Japan)がある。本発明を使用できる塩水電解槽の例は、単極及び二極の電解槽を含む。塩水電解槽は、Asahi Kasei Chemicals Corp.,Chlorine Engineers Corporation,Krupp Uhde,Wi−Tech,またはこれらの承継企業から購入できる。
【0026】
典型的には、膜電池の塩化ナトリウム電解工程は、70及び95℃の間の温度、1.0kA/mから10kA/mの間の範囲の電流密度、170から230gplの塩化ナトリウム陽極液濃度、及び30から35%の水酸化ナトリウム濃度で操作する。典型的には、電池の陽極液pHは、塩素純度の要件によって決まる2から5までの間でありうる。このpH範囲を実現するために、たとえば流入塩水中に0から0.3Nの範囲の濃度の塩酸を使って、塩水は必然的ではないが、典型的には酸性化される。例えば、苛性電流効率により測定した性能が落ちている場合には、より高い濃度が必要である。
【0027】
アルミニウム及びニッケルの濃度がそこから下げられるべき塩水のpHは、2から6、より好ましくは3から4の範囲である。このpHは、当業者に知られた方法によって決定できる。処理後に、塩水は一つ以上の膜塩化ナトリウム電池に供給される。ほとんどのケースで、塩水は、望ましい塩素純度を達成するために、電池の種類または製造者に関わりなく、電池に供給される前に酸性化され、この同じ酸性化ステップがアルミニウム及びニッケルを除去するためのイオン交換工程にとって望ましい範囲に塩水のpHを調整するのに使われうる。したがって、この工程には追加の酸性化ステップは必要ない。アルミニウム及びニッケルの濃度がそれから下げられるべき塩水の温度は、10から90℃、より好ましくは50から70℃、そして更により好ましくは55から65℃の温度である。典型的には、この温度は、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物を含むカラムまたは床またはその他の構造物のような管の入口で測定される。
【0028】
アルミニウム及びニッケルの濃度がそれから下げられるべき塩水のこの少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物を含む管を通る線液体速度は、管の入口または出口のいずれかで測定すると10から100m/hrまでである。この管の直径は、管を通る塩水の計算された空床線液体速度が0と100m/hr、好ましくは10と50m/hr、より好ましくは10と30m/hrの間になるように設計されるべきである。この管を通る塩水の流量は、毎時0と40床体積(BV/hr)の間であり、そして好ましくは8と30BV/hrの間である。
【0029】
本発明の一つの実施形態においては、樹脂のこの混合物は、1と10%の間の塩基溶液(または2と6%の間の塩基溶液)で混合物を処理し、さらに1と12%の間の酸溶液(または2と10%の間の酸溶液)で処理することによって再生する。樹脂のこの混合物を最初にこの塩基で処理し、次いでこの酸で処理することが好ましい。処理がこの順序で行われると、再生の直後にカラムによって最初に生成する塩水は、高いpHの範囲から、膜電池の塩化ナトリウム電解工程の原料として使う望ましいpHにさらに調整することなしに使うことができるpHを有するという利点がある。さらには、樹脂ビーズは、操作をするのにより好ましい直径を有する、なぜならば、このビーズはNa+形態にある時よりも、H+形態にある時の方が小さいからである。このことは利点である。なぜなら、そうでない場合は、ビーズは操作中に縮んで、望ましくない溝を形成するからである。この樹脂の再生のために好ましい塩基は、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムを含む。この樹脂の再生のために好ましい酸は、塩酸及び硫酸を含む。イオン交換樹脂を再生する技術は、この技術分野でよく知られている。
【0030】
本発明の一つの実施形態においては、この塩水は、塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物と接触させる前に、塩水中のカルシウム、バリウム、ストロンチウム、及び/またはマグネシウムの陽イオン濃度を下げるために処理される。最初に、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、及び/またはマグネシウムの陽イオン濃度を下げることが好ましい。なぜならば、この減少は、高いpH、典型的には9を超えるpHで発生するからである。カルシウムと比較して炭酸塩のモル過剰が存在しうる。この少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物を使ってアルミニウム及びニッケルの陽イオンを減少させるためにpHを調整した後、それは膜電池の塩化ナトリウム電解工程の原料として使うためにさらに酸性化または調整されることがあり、それによって経済的利点を提供しうる。
【0031】
本発明による処理の前に、この塩水は、100ppbまでのニッケル、そして好ましくは20ppbまでのニッケルを含みうる。この塩水は、5ppm未満までのアルミニウムを含みうる。本発明による処理の後に、この塩水中のアルミニウムの濃度は少なくとも50ppb未満まで、好ましくは少なくとも20ppb未満まで、そして最も好ましくは少なくとも10ppb未満まで下げられる。本発明による処理の後に、この塩水中のニッケルの濃度は少なくとも10ppb未満まで、好ましくは少なくとも5ppb未満まで、そして最も好ましくは少なくとも1ppb未満まで下げられる。
【実施例】
【0032】
以下の実施例及び比較例において、この塩水は、飽和され、析出され、清澄化され、ろ過され、そしてカルシウム、バリウム、ストロンチウム、及び/またはマグネシウムの陽イオン濃度を下げるためにイオン交換処理を受けた。
【0033】
実施例1
混合イオン交換床であって、55%のイミノ二酢酸キレート樹脂、AMBERLITE(登録商標)IRC748,The Dow Chemical Company,USA;及び45%のアミノホスホンキレート樹脂,AMBERLITE(登録商標)IRC747UPS,The Dow Chemical Company,USAから成る。実施例1で使われた。
【0034】
pH3を有し、カラム入口で63から65℃の間の温度で、305g/lの塩化ナトリウムを含む酸性化した塩水を、600リットルのこのキレート樹脂混合物を含むカラムの中に、11m/hrでポンプで(下向きに)送り込む。このカラムは、600mmの直径を有し、そして14個のノズルがあるノズルプレートを底に有する。このノズル(KSH Gmbh Kleemeir,Schewe & CO.,Herford,Germany)は、type C1で、開口部の大きさは0.2mmである。塩水の流量は、20BV/hであり、そして塩水の線液体速度は42m/hである。酸性化した塩水のカラムへの体積流量、カラムに入る時及び出る時の塩水の温度及び塩水のpHは記録する。ニッケル及びアルミニウムの含有量を分析し、イオンの除去効率を決定するために流入サンプル及び流出サンプルを8時間ごとに採取する。図2及び3で示されるように、アルミニウムは約300ppbから検出限界(約2ppb未満)よりも低いレベルまで減少し、ニッケルは約3ppbから約0.5ppb未満まで減少する。ニッケルは約120時間後に漏出し、一方出口のアルミニウムは未だに検出限界よりも低い。
【0035】
比較例1
305g/lの塩化ナトリウムを含み、約3ppbのニッケル及び300ppbのアルミニウムを含む塩水を、100mlのイミノ二酢酸キレート樹脂(Lewatit(登録商標)TP207,Lanxess)で満たした実験室用カラム(直径20mm、高さ60mm)で、以下の条件下で処理した。
1)この塩水の(入口で測定した)pH:4
2)この塩水の(入口で測定した)温度:室温(約20℃)、及び
3)塩水の出口で測定した線液体速度は6.4m/hで、塩水の流量は20BV/h。
【0036】
カラムの出口の塩水を、実験室での電池試験のために収集する。400リットルの塩水を処理した後、カラムを再生に切り替える。1050mlの4%水酸化ナトリウム及び850mlの6%塩酸を再生に使う。再生からの流出液を収集し、アルミニウム及びニッケルについて分析する。流出液の分析に基づいて、塩水からどれだけのニッケル及びアルミニウムが除去されたのかを計算したところ、2.2ppbのニッケル及び約13ppbのアルミニウムであった。これらの条件下では、この樹脂は効果的にニッケルを除去するが、アルミニウムは除去しない。
【0037】
Aciplex(登録商標)F4401膜(Asahi Kasei Chemical Corp.,Tokyo,Japan)を装着した実験室規模の膜電池の塩化ナトリウム電解工程を、pHを12に再調整した処理済み塩水を用いて行う。この工程は、90℃、32%の水酸化ナトリウムの陰極電解液、18%の塩化ナトリウムの陽極電解液で、4.5kA/mの電流密度で行う。約80日間行った後、この膜をニッケル及びアルミニウムについて分析する。ニッケルの析出率は、(ニッケルの除去なしで)年6mg/dmからニッケルの除去付きで年1mg/dm未満に減少するが、膜におけるアルミニウム析出は実質的な改善は見られない。この試験は、アルミニウムがまったく、または少なくとも十分に除去されないことを確認する。
【0038】
比較例2
アミノホスホンキレート樹脂(AMBERLITE(登録商標)IRC747UPS,The Dow Chemical Company,USA)を比較例2で使う。実施例1で説明したものと同じ試験ユニットを使い、pH2.5を有し、カラム入口で測定した63から65℃の間の温度で、305g/lの塩化ナトリウムを含む酸性化した塩水をこのカラムの中に、11m/hrでポンプで(下向きに)送り込む。カラムへの体積流量、カラムに入る時及び出る時の塩水の温度及びpHは記録する。ニッケル及びアルミニウムの含有量を分析し、イオンの除去効率を決定するために流入サンプル及び流出サンプルを8時間ごとに採取する。図4及び5で示すように、48時間の操作の間に、ニッケルの除去は認められないが、アルミニウムは300ppbから5ppb未満に減少する。
【0039】
比較例3
イミノ二酢酸キレート樹脂(AMBERLITE(登録商標)IRC748,The Dow Chemical Company,USA)を比較例3で使う。実施例1で説明したものと同じ試験ユニットを使い、pH3を有し、カラム入口で測定した63から65℃の間の温度で、305g/lの塩化ナトリウムを含む酸性化した塩水をこのカラムの中に、11m/hrでポンプで(下向きに)送り込む。カラムへの体積流量、カラムに入る時及び出る時の塩水の温度及びpHは記録する。ニッケル及びアルミニウムの含有量を分析し、イオンの除去効率を決定するために流入サンプル及び流出サンプルを8時間ごとに採取する。図6及び7で示すように、ニッケルは3ppb超から0.5ppb未満に減少するが、アルミニウムは出口で50ppb未満ではない。
【0040】
実施例2
再生の手順は、一定の化学物質をこの管中のイオン交換樹脂の混合物に添加することを含む。この化学的添加の順序の一般的、例示的概要を以下に記載する。以下の時間は、プラントに関する操作上の問題を調製することを確認するものであって、必ずしも必要な時間の量を意味するものではない。
【表A】
上記の表中の条件は例示であって、樹脂の種類、ならびに塩水中のアルミニウム及びニッケルのレベルによって変化しうる。「凝縮液」は、プラントから供給される蒸気が凝縮して生成する液体相をいう。塩水はリンスとしても使える。この凝縮液及び/または塩水をリンスとして使う利点は、樹脂に対する浸透圧衝撃を避ける、または和らげることに役立つことにある。
【0041】
ここに説明した再生工程の有効性の達成は、再生液中に存在するアルミニウム及びニッケルの量を測定し、これらをこの塩水から除去した量と比較することによって確認する。ニッケルは、主として酸再生液(及び以下の凝縮液)中に存在し、アルミニウムはアルカリ液及び次の凝縮流出液中に存在する。測定の正確性の範囲内で、この樹脂は完全に再生している。再生を確認するために、いくつかの連続する操作/再生のサイクルが使われる。
本願発明には以下の態様が含まれる。
項1.
アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオンの濃度を下げる方法であって、
1)前記塩水のpHを決定し、そして前記塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、前記塩水のpHを2から6までのpHに調整すること、及び
2)1)の前記塩水を、第一の陽イオン交換樹脂がアミノホスホン酸官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂がイミノ二酢酸官能基を含む、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で接触させ、1)の前記塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の前記混合物に接触させる以前よりもよリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成すること、を含む方法。
項2.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は10:90から90:10である項1に記載の方法。
項3.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は20:80から80:20である項1から2までのいずれか1項に記載の方法。
項4.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は40:60から60:40である項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
項5.
1から10%の間の塩基の溶液を含む処理、及び1から12%の間の酸の溶液を含む処理による樹脂の前記混合物の再生をさらに含む項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
項6.
前記塩水は、ステップ1)の前に、前記塩水中のカルシウム、バリウム、ストロンチウム及び/またはマグネシウムの量を減らすために処理される先行項のいずれか1項に記載の方法。
項7.
ステップ1)における前記塩水のpHは3から4までである先行項のいずれか1項に記載の方法。
項8.
前記温度は、50から70℃までである先行項のいずれか1項に記載の方法。
項9.
前記温度は、55から65℃までである項8に記載の方法。
項10.
前記塩基は、2から6%の溶液である項5から9までのいずれか1項に記載の方法。
項11.
前記酸は、2から10%の溶液である項5から10までのいずれか1項に記載の方法。
項12.
アルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む塩水中のアルミニウム及びニッケルの陽イオンの濃度を下げて、膜電池の塩化ナトリウム電解工程で使われる塩水原料を提供する方法であって、
1)前記塩水のpHを決定し、そして前記塩水のpHが6を超えるかまたは2より低いときには、前記塩水のpHを2から6までのpHに調整すること、
2)1)の前記塩水を、第一の陽イオン交換樹脂がアミノホスホン酸官能基を含み、第二の陽イオン交換樹脂がイミノ二酢酸官能基を含む、少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の混合物に、10から100m/hrの線液体速度で、そして10から90℃の温度で接触させて、1)の前記塩水を少なくとも2個の陽イオン交換樹脂の前記混合物に接触させる以前よりも、よリ少ないアルミニウム及びニッケルの陽イオンを含む処理済み塩水を生成すること、及び
3)2)の前記塩水を膜電池の塩化ナトリウム電解工程における原料として使うこと、を含む方法。
項13.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は10:90から90:10である項12に記載の方法。
項14.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は20:80から80:20である項12から13までのいずれか1項に記載の方法。
項15.
前記混合物は、2個の陽イオン交換樹脂を含み、前記混合物中の第一の陽イオン交換樹脂と第二の陽イオン交換樹脂の比は40:60から60:40である項12から14までのいずれか1項に記載の方法。
項16.
1から10%の間の塩基の溶液を含む処理、及び1から12%の間の酸の溶液を含む処理による樹脂の前記混合物の再生をさらに含む項12から15までのいずれか1項に記載の方法。
項17.
前記塩水は、ステップ1)の前に、前記塩水中のカルシウム、バリウム、ストロンチウム及び/またはマグネシウムの量を減らすために処理される先行項のいずれか1項に記載の方法。
項18.
ステップ1)における前記塩水のpHは3から4までである先行項のいずれか1項に記載の方法。
項19.
前記温度は、50から70℃までである先行項のいずれか1項に記載の方法。
項20.
前記温度は、55から65℃までである項19に記載の方法。
項21.
前記塩基は、2から6%の溶液である項16から20までのいずれか1項に記載の方法。
項22.
前記酸は、2から10%の溶液である項16から21までのいずれか1項に記載の方法。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7