How the sodium and potassium ion exchange separation

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、ナトリウムとカリウムのイオン交換及び分離を行う方法に係り、例えば海水中のカリウムイオンを選択的に回収する方法に適しており、多量のナトリウム
(０．６モル)を含む海水から効率よくカリウムを回収できる。

(従来の技術及び解決しようとする課題) 従来、アルカリ金属間の分離は、イオン半径の違いを利用して、例えば、アンチモン酸によるリチウムの分離、
チタン酸によるセシウムの分離等で好結果が得られている。 一方、隣接するナトリウムとカリウムの分離では、
良い結果が得られていない。

このため、従来、多量のナトリウム(０．６モル)を含む海水からカリウムを回収する方法としては、海水中に溶存する金属(カリウムなど)の塩化物を一括して採取し、
その後、有機イオン交換樹脂等を用いて分離を行い、カリウムを回収するものである。

しかし、この方法は、海水中からカリウムなどを直接、
選択的に回収するのではないので、高純度のカリウムが得難いという問題があった。

本発明は、従来技術の欠点を解消し、イオン交換分離によってナトリウムとカリウムを効率的に且つ高純度で分離回収できる方法を提供することを目的とするものである。

(課題を解決しようとする手段) 前記目的を達成するため、本発明者らは、ナトリウム及びカリウムを効率的に分離可能なイオン交換物質について研究を重ねた結果、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、ナトリウム及びカリウムを含む水溶液中からこれら金属を分離するに際し、チタン酸カリウムを脱カリウム処理して得られたチタニア水和物(Ｔ
ｉＯ ₂・ｎＨ ₂ Ｏ、但し、ｎ＝１〜２)を用いて、ｐＨ２〜
４の範囲の水溶液中のナトリウム及びカリウムを選択的にイオン交換させ、更に２５〜８０℃で反応させて着脱・高純度化することを特徴とするナトリウムとカリウムをイオン交換分離する方法を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

(作用) 本発明者らは、まず、ＴｉＯ ₂ 、Ｋ ₂ Ｏ、Ｋ ₂ ＭｏＯ ₄からなるチタン酸カリウム原料混合物(ここで、Ｋ ₂ ＭｏＯ ₄
は繊維状にするためのもの)の溶融物から繊維状チタン酸カリウムＫ ₂ Ｏ・ｎＴｉＯ ₂ (但し、ｎ＝１〜５)を作り、これを脱カリウム処理することによって得られたチタニア水和物{ＴｉＯ ₂・ｎＨ ₂ Ｏ(ｎ＝０．５〜２)}は、
水によって膨潤し、この膨潤特性によって、水素イオンよりもイオン半径の大きい、例えばカリウムイオンなどを安定的にイオン交換し得られることを究明した。

更に研究の結果、このイオン交換能は高温においても低下せず、アルカリ金属イオン間では分離能に関しても低下しないことを究明し得た。 この知見に基づいて本発明を完成したものである。

本発明において使用するチタン酸カリウム(Ｋ ₂ Ｏ・ｎＴ
ｉＯ ₂ 、但し、ｎ＝１〜５)は、少なくともＴｉＯ ₂及びＫ ₂ Ｏ又はＫ ₂ ＣＯ ₃を含む原料混合物を、溶融、冷却して得られるものである。 このチタン酸カリウムは、結晶質であれば、粉状物、粒状物、繊維状のいずれであっても良い。 取扱いが容易である点で繊維状であることが好ましい。 繊維状にするためにはＫ ₂ ＭｏＯ ₄を原料に加える。

このチタン酸カリウムを脱カリウム処理すると、チタニア水和物(ＴｉＯ ₂・ｎＨ ₂ Ｏ、但し、ｎ＝１〜２)が得られる。

チタニア水和物は、ナトリウム及びカリウムとイオン交換すると、チタン酸ナトリウム(Na ₂ O・nTiO ₂・mH ₂ O)及びチタン酸カリウム(K ₂ O・nTiO ₂・mH ₂ O)となる。 そのイオン交換量は、ナトリウム及びカリウムの濃度、反応時間、
反応温度等によって変化する。

このチタニア水和物は、高温(１００〜５００℃)においては、層状構造からアナターゼ構造に変化するが、２５
〜８０℃においては、層状構造が保たれ、再利用することも可能である。 しかも、水によって膨潤するという膨潤特性を有し、水素イオンよりもイオン半径が大きいカリウムとナトリウムは温度の上昇によってもイオン交換分離能が低下しない。 しかし、アルカリ土類金属の場合は温度の上昇によってイオン交換分離能が低下する。

ナトリウム及びカリウムを含むｐＨ２〜４の範囲の水溶液とチタニア水和物を反応させる際に、弱酸性にすればナトリウムイオンのみが水溶液中に溶出し、酸性度を上げるとカリウムイオンも回収できる。

例えば、海水中からナトリウム及びカリウムを回収するには、海水のｐＨが８付近であることから、まず、ナトリウムとカリウムを同時にイオン交換すると、この時すでにカリウムがある程度濃縮されており、更に脱着の際にｐＨを調節することによりナトリウムのみを選択的に脱着することができる。 また、この脱着の際に反応温度依存性のあるアルカリ土類金属イオンとの分離は、温度を選ぶことにより容易になり、効果的に分離を行い、純粋金属を得ることができる。

次に本発明の実施例を示す。

(実施例) まず、ＴｉＯ ₂ 、Ｋ ₂ ＣＯ ₃及びＫ ₂ ＭｏＯ ₄の粉末をモル比で３：１：７の割合で混合した。 該混合物４５ｇを白金るつぼに充填し、１１５０℃まで加熱溶融し、４℃／
minで９５０℃まで冷却し、繊維状に結晶化させた。 得られた繊維状結晶物をカラムに充填し、約１０の水を通すことにより、Ｋ ₂ ＭｏＯ ₄を除去した。

更に約１０の１モル塩酸を通す(１／日)ことによって脱カリウム処理し、過剰の塩酸を水洗により除去した。

得られた繊維は、チタニア水和物(ＴｉＯ ₂・ｎＨ ₂ Ｏ、
但し、ｎ＝０．５〜２)の組成であって、直径０．０１m
m束状で、平均１mmの長さのものであった。

付いで、ナトリウム又はカリウムを１×１０ ^-5モル及び弱塩酸を含むｐＨ２〜４の水溶液と、前記のチタニア水和物繊維０．１ｇを２５〜８０℃の温度範囲でイオン交換反応させた。

その際、２５〜８０℃の温度範囲では、１×１０ ^-3モルのＮａＣｌ又はＫＣｌ水溶液１０ｍｌに対し、０．１ｇ
の割合でチタン酸水和物繊維を３日間浸漬し、毎日手でゆるやかに撹拌した。 反応後、固−液分離し、水溶液中のナトリウム及びカリウムの濃度を原子吸光法により測定し、両相の濃度を算出した。 その結果は第１表に示す。

第１表から明らかなように、ｐＨを調整することにより、ナトリウム及びカリウムが高効率で分離できることがわかる。 従来のイオン交換樹脂では使用不能とされていた６０℃以上の温度領域においても、２５℃の場合と殆ど変わらぬイオン交換能を示している。

で反応させて脱着するので、ナトリウム及びカリウムを含む水溶液から効率的に高純度のナトリウム及びカリウムを回収することができ、しかも、チタニア水和物を再利用することもできる。

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