レアアースの効率的なリサイクルを実現する高分子吸着材の開発

• Project/Area Number: 22K04795
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 保科 宏行 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (60446416)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瀬古 典明 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (10354953)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 金属吸着材 / 資源回収 / 不織布基材 / レアアース / 放射線加工 / 量子ビーム / 吸着材 / 高分子吸着材

Outline of Research at the Start

都市鉱山から抽出した様々な金属が共存する酸性溶液から、対象とするレアアースだけを特異的に捕捉可能な高分子吸着材を開発し、レアアースリサイクルの効率化を目指す。具体的には、レアアースに対して親和性が高い低分子の抽出剤に、対象となるレアアースを予め吸着させた状態で放射線架橋を施すことで、対象金属を強固に固定化した高分子ネットワーク構造（鋳型構造）を形成させる。最終的に、固定化した対象金属を溶離剤により脱離させることで、低分子抽出剤が持つ優れた吸着選択性と鋳型構造によるサイズ認識能を併せ持つ高分子吸着材の創製を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、放射線加工技術を駆使して、ポリエチレン製不織布基材に、レアアースに対して親和性が高い低分子の金属抽出剤と、サイズ認識により金属の分離が可能なネットワーク構造を効果的に導入し、対象とする金属を選択的に捕捉可能な高分子吸着材を開発する事を目的とする。
昨年度の研究では、抽出剤及びネットワーク構造の導入に必要な架橋剤の選定を行うとともに、放射線架橋を行う際の線量や抽出剤と架橋剤の混合比等について検討した結果、レアアースに高い親和性を持つ2-エチルヘキシルホスホン酸モノ-2-エチルヘキシルに対して、架橋剤のトリアリルイソシアヌレートを50 wt%混合し、線量30 kGyの条件で合成した吸着材が、ジスプロシウム(Dy)に対して高い吸着量を示す事を確認できた。
本年度は、吸着した金属の最適な溶離条件の検討及び吸着材の耐久性評価を行った。溶離条件の最適化では、溶離液の種類やpH等を検討し、1 mol/L塩酸に吸着材を２時間浸漬させる事で98%以上の金属を溶離する事に成功した。吸着材の耐久性評価では、Dyとネオジム(Nd)がそれぞれ100 mg/Lの濃度で共存する混合溶液(pH2)に吸着材を浸漬させてDy、Ndを吸着させたのち、1 mol/L塩酸を用いて溶離を行った。次いで、同条件にてDy、Ndの再吸着試験を行い、吸着・溶離を10回繰り返すことで耐久性を評価した。1回目と10回目の吸着試験におけるDyの吸着量は吸着材1gあたりそれぞれ11.4、11.7 mgであった事から、吸着材の繰り返し使用においても吸着性能が低下しない事が明らかになった。また、10回目の吸着試験におけるNdの吸着量は僅か1.6 mg/g-吸着材であった事から、Dyに対して高い吸着選択性を有する事も確認できた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、繰り返し吸着試験による耐久性評価を行い、架橋構造を効果的に導入する事で吸着基を安定した状態で高分子基材に固定できるため、再吸着試験においても高い吸着性能を保持できる事を実証した。また、吸着した金属の溶離条件を最適化できた事から、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、吸着材の合成において、対象とする金属を予め吸着基に結合させた状態で放射線架橋を行う事で、金属のサイズに合わせた網目構造を吸着材に導入する予定である。また、網目構造の導入密度と吸着選択性の相関性を明らかにする事で、吸着選択性の向上を図る。