JP5489766B2 - 廃液からアルカリ金属ケイフッ化物と硝酸を製造する方法 - Google Patents
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Description
そして、使用された後のフッ化水素酸と硝酸の混酸の廃液には、その利用度により変化するが、未反応のフッ化水素酸と反応で生成したケイフッ化水素酸、及び硝酸が含まれている。
(a) 廃液に含まれるフッ化水素酸と酸化ケイ素化合物とを、酸化ケイ素化合物のケイ素のモル数がフッ化水素酸のモル数に対して0.18〜0.35倍で反応させ、ケイフッ化水素酸に変換する。
(b) (a)でケイフッ化水素酸に変換した後の廃液に、アルカリ金属塩をアルカリ金属塩に含まれるアルカリ金属のモル数がケイフッ化水素酸のモル数に対して2.04〜3.40倍で添加し、アルカリ金属ケイフッ化物を製造する。
(c) (b)によりアルカリ金属ケイフッ化物を製造した後、分離した液とアルミニウム化合物、または、ホウ素化合物とを反応させ、液に含まれるケイフッ化水素酸の構成元素であるフッ素を非揮発性のフルオロアルミン酸または高沸点性のホウフッ化水素酸に変換してから、蒸留法によって硝酸を製造する。
(工程(a):廃液中の未反応のフッ化水素酸からケイフッ化水素酸を製造する)
廃液中の未反応のフッ化水素酸を酸化ケイ素化合物と反応させてケイフッ化水素酸を製造する。
フッ化水素酸が残ると後工程のアルカリ金属ケイフッ化物を製造する過程で、アルカリ金属塩の一部がフッ化水素酸と反応し、アルカリ金属フッ化物やアルカリ金属酸性フッ化物が生成して混入し、アルカリ金属ケイフッ化物の純度が低減するため、フッ化水素酸は完全にケイフッ化水素酸にすることが好ましい。使用し得る酸化ケイ素化合物としては、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム等を挙げることができる。
これは、酸化ケイ素化合物として二酸化ケイ素の例を示す式(1)における酸化ケイ素化合物とフッ化水素酸の反応において、酸化ケイ素化合物を過剰にして化学平衡をケイフッ化水素酸が生成される方向へ促進させるためであり、次のアルカリ金属ケイフッ化物を製造する工程(b)において、高純度のアルカリ金属ケイフッ化物を得ることに関しての重要事項であるということができる。
なお、0.18倍以下であるとフッ化水素酸を完全にケイフッ化水素酸に変換できず、0.35倍以上の場合は経済的でない。
廃液中の未反応のフッ化水素酸からケイフッ化水素酸を製造する工程(a)でケイフッ化水素酸に変換した後の廃液に、アルカリ金属塩を添加し、アルカリ金属ケイフッ化物を製造する。使用し得るアルカリ金属塩としては、硝酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硝酸カリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等を挙げることができる。
これは、本発明の目的である高純度のアルカリ金属塩を得るためには、アルカリ金属塩とケイフッ化水素酸との反応〔式(2)〕において、アルカリ金属塩を過剰に添加することで化学平衡をアルカリ金属ケイフッ化物が生成される方向へ促進させるためである。
アルカリ金属塩添加量がケイフッ化水素酸のモル数に対して2.04倍を下回ると、ケイフッ化水素酸をアルカリ金属ケイフッ化物として完全に回収できない。また、3.40倍を上回ることは、経済的でない。
反応温度が35℃未満であると、得られるアルカリ金属ケイフッ化物の結晶の粒子が小さくなり、反応液との分離が困難になる。また、反応温度が70℃以上になると、反応液からケイフッ化水素酸及び硝酸が蒸発すること、さらに、熱エネルギーを過剰に加えることになるので、現実的ではない。
アルカリ金属ケイフッ化物を製造する工程(b)において、アルカリ金属ケイフッ化物を分離した液中には、揮発成分としては、残留するケイフッ化水素酸と硝酸が存在している。
これらを単なる蒸留法で分離することは、上述したように、それぞれの成分が作用し合った数多くの沸騰状態があるため、非常に困難であるから、式(3)及び式(4)に示すように、ケイフッ化水素酸をアルミニウム化合物またはホウ素化合物と反応させて、その構成元素であるフッ素を非揮発性のフルオロアルミン酸または高沸点性のホウフッ化水素酸に変換してから蒸留することにより、低沸点物である硝酸をケイフッ化水素酸を含有することなく容易に分離できる。
蒸留方法としては、減圧蒸留やその他の蒸留法で行うことができる。また、蒸留装置は、硝酸等の酸性物に耐久性のあるフッ素樹脂等の材質で構成されておれば良い。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)
表1に示す組成のシリコン洗浄廃液500kgを、2m3のポリエチレン製反応器に計り採り、攪拌しながら、フッ化水素酸量のモル数の0.24倍の二酸化ケイ素粉末24.1kgを投入し、二酸化ケイ素を溶解させてフッ化水素を完全にケイフッ化水素酸にし、過剰分の二酸化ケイ素をろ過機で分離した。
ろ過液を分析して確認したところ、フッ化水素酸の濃度は0.01重量%以下で、ケイフッ化水素酸の濃度は、16.3重量%であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)で得られたろ過液を攪拌しながら、70℃に加熱した20重量%硝酸ナトリウム溶液600kg(ケイフッ化水素酸のモル数の2.44倍)を50分かけて滴下した。滴下終了後、2時間攪拌した。そのとき、反応熱も発生して、反応温度は49℃になった。反応液を1日間放冷した。その後、結晶を遠心ろ過機で分離し、乾燥させて、ケイフッ化ナトリウム83kgを得た。
その分析結果は、純度99.8重量%、平均粒子径(d50)が87μmであった。
また、ろ過液中の硝酸の濃度は、20.5重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は1.8重量%であった。
(ケイフッ化ナトリウムの製造)で得られたケイフッ化ナトリウムを分離した後のろ過液を、0.5m3のポリエチレン製反応器に250kg計り採り、水酸化アルミニウム7.3kgを少しずつ投入した後、6時間攪拌した。
その液100kgをフッ素樹脂製の蒸留装置で蒸留し、50〜110℃の間の留出液65kgを得た。
その留出液を分析したところ、硝酸濃度は25.6重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は0.05重量%以下であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)
表2に示す組成のシリコン洗浄廃液200kgを、1m3のポリエチレン製反応器に計り採り、攪拌しながら、フッ化水素酸量のモル数の0.22倍の二酸化ケイ素粉末6.78kgを投入し、二酸化ケイ素を溶解させてフッ化水素を完全にケイフッ化水素酸にし、過剰分の二酸化ケイ素をろ過機で分離した。
ろ過液を分析して確認したところ、フッ化水素酸の濃度は0.01重量%以下で、ケイフッ化水素酸の濃度は、13.4重量%であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)で得られたろ過液190kgを、本体が1m3の鉄製で内面がポリプロピレンライニングされたジャケット付反応器に計り採り、反応器のジャケットに減圧蒸気を流して液温を40℃に加熱した。次に、液を攪拌しながら、炭酸水素カリウムの粉末39.4kg(ケイフッ化水素酸のモル数の2.25倍)を炭酸ガスの発生を調整しながら、少しずつ添加した。添加終了後、2.5時間攪拌した。そのとき、反応熱も発生して、反応温度は60℃になった。その後、反応液を1日間放冷した。そして、結晶を遠心ろ過機で分離した後、乾燥させて、ケイフッ化カリウム35.5kgを得た。
その分析結果は、純度99.2重量%、平均粒子径(d50)が83μmであった。
また、ろ過液中のケイフッ化水素酸を分析したところ、その濃度は0.80重量%であった。
(ケイフッ化カリウムの製造)で得られたケイフッ化カリウムを分離した後のろ過液を、0.5m3のポリエチレン製反応器に100kg計り採り、ホウ酸6.8kgを少しずつ投入した後、6時間攪拌した。
その液100kgをフッ素樹脂製の蒸留装置で蒸留し、50〜95℃の間の留出液59kgを得た。
その留出液を分析したところ、硝酸濃度は19.3重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は0.05重量%以下であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)
表3に示す組成のシリコン洗浄廃液500kgを、2m3のポリエチレン製反応器に計り採り、攪拌しながら、フッ化水素酸量のモル数の0.27倍の二酸化ケイ素粉末6.09kgを投入し、二酸化ケイ素を溶解させてフッ化水素を完全にケイフッ化水素酸にした。
その液を分析して確認したところ、フッ化水素酸の濃度は0.01重量%以下で、ケイフッ化水素酸の濃度は、8.4重量%であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)で得られた液を攪拌しながら、実施例1の(ケイフッ化ナトリウムの製造)で得たケイフッ化ナトリウムを分離した液に水酸化ナトリウムを加えて調整した20重量%硝酸ナトリウム溶液334kg(ケイフッ化水素酸のモル数の2.65倍)を50℃に加熱して、1.5時間かけて滴下した。滴下終了後、1.5時間攪拌をした。そのとき、反応熱も発生して、反応温度は62℃になった。その後、反応液を1日間放冷した。そして、結晶を遠心ろ過機で分離し、乾燥させて、ケイフッ化ナトリウム50.1kgを得た。
その分析結果は、純度99.7重量%、平均粒子径(d50)が104μmであった。
また、ろ過液中の硝酸の濃度は、18.1重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は0.60重量%であった。
(ケイフッ化ナトリウムの製造)で得たケイフッ化ナトリウムを分離した後のろ過液を、0.5m3のポリエチレン製反応器に250kg計り採り、硫酸アルミニウム水和物26kgを少しずつ投入した後、5時間攪拌した。
その液100kgをフッ素樹脂製の蒸留装置で蒸留し、50〜85℃の間の留出液62kgを得た。
その留出液を分析したところ、硝酸濃度は24.6重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は0.05重量%以下であった。
(フッ化水素酸をケイフッ化水素酸にする)
表4に示す組成のシリコン洗浄廃液500kgを、2m3のポリエチレン製反応器に計り採り、攪拌しながら、フッ化水素酸量のモル数の0.17倍の二酸化ケイ素粉末14.6kgを投入し、二酸化ケイ素を溶解させてフッ化水素をケイフッ化水素酸にした。
分析して確認したところ、フッ化水素酸の濃度は1.1重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は、14.7重量%であった。
前記液を攪拌しながら、室温で20重量%硝酸ナトリウム溶液600kg(ケイフッ化水素酸のモル数の2.0倍)を50分かけて滴下し、滴下終了後、2時間攪拌をした。そのとき、反応熱も発生したが、反応温度は32℃にとどまった。その後、反応液を1日間放冷した。そして、実施例1のときの3倍の時間をかけて結晶を遠心ろ過機で分離し、乾燥させて、ケイフッ化ナトリウム65kgを得た。
その分析結果は、純度84.4重量%、平均粒子径(d50)が15μmであった。
また、X線回折分析で調査したところ、ケイフッ化ナトリウムの他に、フッ化ナトリウム、酸性フッ化ナトリウムが含まれており、工業用薬品として要求される品位を大きく下回ることが判明した。
また、ろ過液中の硝酸の濃度は、18.7重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は2.7重量%であった。
(ケイフッ化ナトリウムの製造)で得られたケイフッ化ナトリウムを分離した後のろ過液100kgを、フッ素樹脂製の蒸留装置で蒸留し、50〜110℃の間の留出液75kgを得た。
その留出液を分析したところ、硝酸濃度は21.6重量%で、ケイフッ化水素酸の濃度は3.52重量%であった。また、フッ化水素が0.4重量%含まれていた。したがって、得られたものは工業薬品としては、低価値であることが判明した。
Claims (3)
- 使用後のフッ化水素酸と硝酸の混酸の廃液を原料とし、次の(a)〜(c)の順に処理することによって、有価物である高純度のアルカリ金属ケイフッ化物と硝酸を製造することを特徴とする、廃液からアルカリ金属ケイフッ化物と硝酸を製造する方法。
(a) 廃液に含まれるフッ化水素酸と酸化ケイ素化合物とを、酸化ケイ素化合物のケイ素のモル数がフッ化水素酸のモル数に対して0.18〜0.35倍で反応させ、ケイフッ化水素酸に変換する。
(b) (a)でケイフッ化水素酸に変換した後の廃液に、アルカリ金属塩をアルカリ金属塩に含まれるアルカリ金属のモル数がケイフッ化水素酸のモル数に対して2.04〜3.40倍で添加し、アルカリ金属ケイフッ化物を製造する。
(c) (b)によりアルカリ金属ケイフッ化物を製造した後、分離した液とアルミニウム化合物、または、ホウ素化合物とを反応させ、液に含まれるケイフッ化水素酸の構成元素であるフッ素を非揮発性のフルオロアルミン酸または高沸点性のホウフッ化水素酸に変換してから、蒸留法によって硝酸を製造する。 - 反応温度を35〜70℃の間で調整することを特徴とする請求項1記載の方法。
- アルカリ金属塩の水溶液を反応温度が35〜70℃になるようにあらかじめ加熱して投入することを特徴とする請求項1記載の方法。
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