(57)【要約】【課題】内部の気孔が外部と接続した開気孔となっている、ジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法を提供する。【解決手段】アルミナシリカ粉末とアルカリシリカ溶液とを混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物を加熱しながら混練して混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整する粘度調整工程と、この粘度調整工程で粘度が調整された混合物に発泡剤を添加して発泡剤を発泡させる発泡工程とを備えた。好ましくは、発泡工程は、混合物を型に入れて型の開口部を防水通気性フィルターで塞いだ状態で行われる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナシリカ粉末とアルカリシリカ溶液とを混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物を加熱しながら混練して混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整する粘度調整工程と、この粘度調整工程で粘度が調整された混合物に発泡剤を添加して発泡剤を発泡させる発泡工程とを備えたことを特徴とするジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法。
【請求項２】
前記発泡工程は、混合物を型に入れて型の開口部を防水通気性フィルターで塞いだ状態で行われることを特徴とする請求項１記載のジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素再結合触媒の担持材料として用いられる、ジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、福島第一原子力発電所では、原子炉建屋等の汚染水から放射性セシウムを除去するための処理が行われている。この処理において、汚染水中に含まれる放射性セシウムは吸着塔により除去されるが、使用済みの吸着塔は放射能濃度が低下するまで長期保管されることになる。そして、この長期保管時において、吸着塔内に残留する水分が放射線により水素と酸素に分解され、放射性セシウムの崩壊熱による温度上昇によって水素が引火爆発する虞があった。そこで、現在、白金、パラジウムを水素と酸素の再結合触媒、すなわち、水素再結合触媒として用いた静的触媒式水素再結合器が用いられている。そして、この水素再結合触媒には、大量の汚染水を処理するために大量の水素結合触媒が必要とされることから、大量生産可能であって安価であるとともに、長期安定性に優れているという特性が要求されている。
【０００３】
ところで、ジオポリマーは、アルミノケイ酸塩を基とした非晶質の無機高分子材料であり、組成の柔軟性、耐熱性、化学的安定性、耐放射線性などの優れた性質を有している。強度もあることから、構造材料の分野では、セメントの代わりとなる材料として注目されている（例えば、特許文献１、２）。また、ジオポリマーは、活性フィラーとしてのアルミナシリカ粉末と、アルカリシリカ溶液から製造される。アルミナシリカ粉末とアルカリシリカ溶液とを混合し養生すると重合反応が進み、固化することでジオポリマーが得られる。なお、原料のアルミナシリカ粉末には、フライアッシュや高炉スラグを用いることができる。
【０００４】
したがって、ジオポリマーを水素再結合触媒の担持材料として用いることができれば、大量生産可能であって安価であるとともに、長期安定性に優れた水素結合触媒が得られるものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１１６６７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水素再結合触媒の担持材料としては、水素再結合能力の点から、表面積が大きいものが望ましい。しかし、発明者らが検討したところ、発泡剤を用いて多孔質のジオポリマーを作成しても、得られたジオポリマーの内部の気孔は外部と接続していない閉気孔となってしまい、表面積が大きい多孔質のジオポリマーを得ることは困難であることが明らかになった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記の課題を解決し、内部の気孔が外部と接続した開気孔となっている、ジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、ジオポリマーの原料混合物を加熱しながら混練して粘度を上げてから発泡剤を添加することで、内部の気孔が開気孔となった多孔質体が得られやすくなることを見出し、本発明に想到した。
【０００９】
本発明のジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法は、アルミナシリカ粉末とアルカリシリカ溶液とを混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物を加熱しながら混練して混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整する粘度調整工程と、この粘度調整工程で粘度が調整された混合物に発泡剤を添加して発泡剤を発泡させる発泡工程とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記発泡工程は、混合物を型に入れて型の開口部を防水通気性フィルターで塞いだ状態で行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法によれば、内部の気孔が外部と接続した開気孔となっている、ジオポリマーからなる多孔質体を得ることができる。この製造方法によって得られたジオポリマーからなる多孔質体は、水素再結合触媒の担持材料として用いることができ、これによって、大量生産可能であって安価であるとともに、長期安定性に優れた水素再結合触媒を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法は、アルミナシリカ粉末とアルカリシリカ溶液とを混合する混合工程と、この混合工程で得られた混合物を加熱しながら混練して混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整する粘度調整工程と、この粘度調整工程で粘度が調整された混合物に発泡剤を添加して発泡剤を発泡させる発泡工程とを備えたものである。
【００１３】
混合工程においては、ジオポリマーの原料を混合する。ジオポリマーの原料は、活性フィラーとしてのアルミナシリカ粉末と、アルカリシリカ溶液である。原料のアルミナシリカ粉末には、メタカオリンとシリカフュームを混合したものが好適に用いられる。シリカフュームの代わりに、二酸化ケイ素を含有するフライアッシュ、高炉スラグ、下水汚泥などを用いてもよい。また、アルカリシリカ溶液には、ケイ酸カリウム溶液、水酸化カリウム、水を混合したものが好適に用いられる。ケイ酸カリウム溶液の代わりにケイ酸ナトリウム溶液（水ガラス）を用いてもよく、水酸化カリウムの代わりに水酸化ナトリウムを用いてもよい。
【００１４】
つぎの粘度調整工程では、混合工程で得られた混合物を加熱しながら混練して混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整する。加熱は湯せんなどで行うことができ、例えば、５０℃のとき１２０分間、７０℃のとき２０分間、９０℃のとき５分間加熱するなど、温度と時間を調整することで所定の範囲内の粘度に調整することができる。所定の範囲内の粘度とするためには、５０℃〜９０℃で５分間〜２時間加熱するのが好ましい。なお、粘度が２Ｐａ・ｓ未満の場合は、つぎの発泡工程で発泡剤から発生した気泡が外部に抜けて気泡がつぶれるか、或いは、発生した気泡同士が結合して大きな気泡を形成するので好ましくない。一方、粘度が２０Ｐａ・ｓを超えると、つぎの発泡工程で独立した気泡だけが形成され、内部の気孔が外部と接続した開気孔が得られないので好ましくない。混合物の粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整することで、最終的に得られる多孔質体の気泡が開気孔となり、気孔の径が０．１〜数ｍｍ、多孔質体を占める気泡の体積が７０〜８５％の好ましい範囲内になる。
【００１５】
つぎの発泡工程においては、粘度調整工程で粘度が調整された混合物に発泡剤を添加して発泡剤を発泡させる。発泡剤としては、例えば、ケイ素粉末が好適に用いられるが、その他の発泡剤も用いることができる。
【００１６】
また、発泡工程を、混合物を型に入れて型の開口部を防水通気性フィルターで塞いだ状態で行ってもよい。そうすることで、発泡による混合物の膨張が制限され、混合物にほどよく圧力がかかって径の揃った気泡が得られやすくなる。このとき、型の上部に開口部を設け、この開口部を防水通気性フィルターで塞げばよい。防水通気性フィルターとしては、例えば、タイベック（登録商標）などの高密度ポリエチレン不織布や、ゴアテックス（登録商標）などの公知の物を用いることができる。
【００１７】
発泡工程の後、混合物を養生すると重合反応が進み、固化することで、内部の気孔が外部と接続した開気孔となっている、ジオポリマーからなる多孔質体が得られる。
【００１８】
このようにして得られた多孔質体は、水素再結合触媒の担持材料として用いることができ、これによって、大量生産可能であって安価であるとともに、長期安定性に優れた水素再結合触媒を提供することができる。
【００１９】
また、本発明の方法により得られた多孔質体は、水素再結合触媒の担持材料に限らず、他の触媒の担持材料や、その他の用途にも用いることができる。また、固化させるときの型の形状を適宜選択することにより、用途に応じた様々な形状に容易に成形することができる。
【００２０】
以下、本発明のジオポリマーからなる開気孔を有する多孔質体の製造方法について具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【実施例１】
【００２１】
＜試料の作製＞
純水、ケイ酸カリウム（Ｋ２ＳｉＯ３）水溶液（ｗａｋｏ、濃度約５０％）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）ペレット（ＶＥＴＥＣ、水分含有量８５％）を混合し、マグネチックスターラを用いて撹拌を行った。その溶液にメタカオリン（Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）（イメリス  スペシャリティーズ  ジャパン株式会社）、シリカ（ＳｉＯ２）フューム（エルケム・ジャパン、商標名：マイクロシリカ）を加え、ハンドミキサーを用いて３分間撹拌を行い、スラリーを作製した。ここで、各原料の配合量は、純水２６．５２質量％、ケイ酸カリウム水溶液２４．４８質量％、水酸化カリウムペレット１１質量％、メタカオリン２０質量％、シリカフューム１８質量％とした。
【００２２】
その後、ウォーターバスを用い、設定温度７０℃としてスラリーを加熱しながら１０〜２０分間撹拌し、粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整した。粘度の測定には、ＨＡＡＫＥ社製Ｖｉｓｃｏｔｅｓｔｅｒ  ５５０を用いた。また、比較例として、粘度を２０．７４Ｐａ・ｓ、１．５７１Ｐａ・ｓに調整した。
【００２３】
撹拌終了後、スラリーに発泡剤としてケイ素粉末（ニラコ、１００〜２００メッシュ）を添加し、型に流し込んだ。ここで、ケイ素粉末の添加量は、１質量％とした。型には、直径３８．０ｍｍ、高さ６１．５ｍｍの円柱形の合成樹脂製のカップを用い、型には蓋をせず開口の状態にするか、防水通気性フィルター（デュポン、タイベック（登録商標）ソフトウェアIII型）を用いて気体のみを型から逃し発泡体自体の膨張を制限した。
【００２４】
その後、養生を行い、４８時間後に固化した発泡体を型から取り出した。
【００２５】
＜粉末ＸＲＤ回折パターン＞
作製した発泡体のジオポリマー化を確認するため、発泡体の粉末ＸＲＤ回折パターンを測定した。粉末ＸＲＤ回折パターンを測定するため、作製した発泡体はメノウ乳鉢を用いて粉砕し粉末状にした。測定には理学社製ＲＩＮＴ−２５００ＰＣ、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピード１０°／分、サンプリング幅０．０２°として、θ／２θ法によって測定を行った。試料板として、ガラス試料板を用いた。
【００２６】
その結果、作製した発泡体の回折パターンは２６°付近に幅の広いピークを持つことが確認できた。この特徴はジオポリマー発泡体の回折パターンのものと一致しており、作製した発泡体がジオポリマー化していることが確認できた。
【００２７】
＜表面観察＞
作製した発泡体に対して概形、断面の観察とＳＥＭを用いた微細構造を観察した。
【００２８】
断面観察は、発泡体をダイヤモンドカッターを用いて切断した後、その断面を観察し開気孔性、気孔径等についての評価を行った。切断した発泡体断面の微細構造を観察するため卓上ＳＥＭを用いて表面観察を行った。測定には日立ハイテクノロジーズ社製ＴＭ３０００を用いた。
【００２９】
その結果、スラリーの粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整して作製した発泡体は、気孔が多く存在し、気孔が他の気孔や発泡体外部と接続している様子が確認された。気孔の径は３ｍｍ程度のものが多かった。これに対し、スラリーの粘度を２０．７４Ｐａ・ｓに調整して作製した発泡体は、気孔が閉気孔となっており、スラリーの粘度を１．５７１Ｐａ・ｓに調整して作製した発泡体は、気孔がつぶれた状態になっていた。
【００３０】
また、スラリーの粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整し、防水通気性フィルターによる膨張制限を行った発泡体の断面では、膨張制限を行わないものと比べ気孔径が小さく、多数の気孔が存在していることが確認された。
【００３１】
＜かさ密度、開気孔率の測定＞
作製した発泡体に対してかさ密度、開気孔率の測定を行った。
【００３２】
かさ密度は、発泡体の質量を見かけ体積で割ることによって求めた。見かけ体積は、発泡体の直径、高さをノギスを使用して測定し、発泡体を円柱と近似して求めた。
【００３３】
開気孔率は、発泡体内部の開気孔を除いた真体積を求め、真体積を見かけ体積で割ることにより求めた。なお、真体積は、発泡体を水に浸した状態で０．１ＭＰａまで減圧したときに発泡体の気孔に導入される水の体積と、気孔に水が導入された発泡体を所定の体積の水を入れたメスシリンダーに入れたときのメスシリンダーの目盛の増加分から求めた。
【００３４】
その結果、スラリーの粘度を２〜２０Ｐａ・ｓの範囲内に調整して作製した発泡体のかさ密度は、０．２６〜０．３２ｇ／ｃｍ３、開気孔率は、７０〜８５％であった。これに対し、スラリーの粘度を２０．７４Ｐａ・ｓ、１．５７１Ｐａ・ｓに調整して作製した発泡体のかさ密度は、０．３２ｇ／ｃｍ３超、開気孔率は、７０％未満であった。