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Metal extraction using biocompatible ionic liquid system assisted by machine learning

Research Project

Project/Area Number 22KF0286
Project/Area Number (Other) 21F21350 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section外国
Review Section Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

後藤 雅宏  九州大学, 工学研究院, 教授 (10211921)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) FAJAR ADROIT  九州大学, 工学研究院, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2021: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Keywordsイオン液体 / 機械学習 / レアメタル / リサイクル / 溶媒抽出 / 分離技術 / 深共晶溶媒 / 金属分離 / 計算科学 / 金属リサイクル / 分子動力学
Outline of Research at the Start

本研究では、機械学習(ML)を用いて、高選択性かつ低環境毒性を有する金属抽出用イオン液体(IL)を開発することを目的とする。
金属資源は、現代技術において重要な構成要素ですが、その資源は厳しく制限されている。また、現在の金属採掘産業は、有毒な化学物質を含む高エネルギープロセスに依存している。そのため、グリーンな試薬を用いた効率的な抽出システムが求められている。
このような背景下、本研究では、機械学習を組み込んだ計算科学の手法で、レアメタル分離に最適な抽出剤を分子設計し、その評価を実際に化学実験を通して検証する。本研究では、SDGsの観点から生体適合性の抽出剤を開発する予定である。

Outline of Annual Research Achievements

レアメタルは現代の最新機器の重要な構成要素であるが、これらレアメタルの採掘可能な資源は限られている。本研究では、機械学習(ML)を用いて、金属抽出に適したイオン液体(IL)ならびに深共晶溶媒(DES)を予測し、さらにはそれぞれの分子の安全性(細胞毒性)も加味することで、レアメタルのリサイクルに最適な環境調和型抽出剤を創生することを目的とした。
本研究は、機械学習(ML)を用いた金属抽出用イオン液体(IL)の最適分子をシミュレーションし、その有用性を実証した。分類と回帰モデルは、それぞれ0.82の精度と0.76のR2値を達成し、優れた学習能力と予測に対する高い信頼性を示した。モデルは、ILの陽イオンと陰イオンの両方が金属選択性を決定する重要な要因であることを明らかにし、陽イオンの方が環境毒性レベルに大きく寄与していることを示した。MLモデルからの予測に基づき、実際の抽出性能の評価のために3種類のILを合成した。合成したILを含んだIL溶液を用いると、それぞれのILによって、Pt(IV)が約100%、Li(I)が約85%、Nd(III)が約80%抽出された。この研究は、重要な金属を抽出するためのILを設計するための新しい知見を与えるものである。
さらに、我々は抽出分野における環境調和型溶媒の開発に取り組むために、MLをILから深共晶溶媒へ拡張した。MLを量子化学と統合することで、深共晶溶媒(DES)の固液平衡(SLE)相図を推定する実用的なツールを開発した。DESは、近年注目される新しいタイプのグリーン溶媒であり、製造コストと合成の簡便さの点で、ILを凌ぐと考えられている。本研究の成果により、3,000種類の新たなDESのSLE相図を得ることができた。今後は、DXで得られたDESの金属分離性能を評価する予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 5 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Estimating the phase diagrams of deep eutectic solvents within an extensive chemical space2024

    • Author(s)
      Fajar Adroit T. N.、Hanada Takafumi、Hartono Aditya D.、Goto Masahiro
    • Journal Title

      Communications Chemistry

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 27-36

    • DOI

      10.1038/s42004-024-01116-3

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] L-Leucine Propyl Ester–Fatty Acid-Based Pseudo-Protic Ionic Liquids: Synthesis, Extraction Ability, and Ecotoxicity Prediction by Machine Learning2024

    • Author(s)
      MAGHFIRAH Ainul、FAJAR Adroit T.N.、WAKABAYASHI Rie、GOTO Masahiro
    • Journal Title

      Solvent Extraction Research and Development, Japan

      Volume: 31 Issue: 1 Pages: 31-40

    • DOI

      10.15261/serdj.31.31

    • ISSN
      1341-7215, 2188-4765
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enabling Metal Sustanability with Polymer Inclusion Membranes: A Critical Review2023

    • Author(s)
      A. T. N. Fajar, M. Goto,
    • Journal Title

      J. Chem. Eng. Jpn.,

      Volume: 56 Issue: 1 Pages: 2153567-2153567

    • DOI

      10.1080/00219592.2022.2153547

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Amino Acid Leaching of Critical Metals from Spent Lithium-Ion Batteries Followed by Selective Recovery of Cobalt Using Aqueous Biphasic System2023

    • Author(s)
      Cai Chunqing、Fajar Adroit T. N.、Hanada Takafumi、Wakabayashi Rie、Goto Masahiro
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Issue: 3 Pages: 3198-3206

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06654

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of Hydrophobicity of Ionic Liquids on the Leaching Selectivity of Platinum from a Spent Automotive Catalyst2023

    • Author(s)
      HANADA Takafumi、TAKAOKA Sayako、KAMISONO Mayu、T. N. FAJAR Adroit、GOTO Masahiro
    • Journal Title

      Solvent Extraction Research and Development, Japan

      Volume: 30 Issue: 2 Pages: 149-157

    • DOI

      10.15261/serdj.30.149

    • ISSN
      1341-7215, 2188-4765
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ionic Liquids Curated by Machine Learning for Metal Extraction2022

    • Author(s)
      Fajar Adroit T. N.、Hartono Aditya D.、Moshikur Rahman Md、Goto Masahiro
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 10 Issue: 38 Pages: 12698-12705

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.2c03480

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Novel Ionic Liquid-Based Aqueous Biphasic System with Amino Acids for Critical Metal Recovery from Lithium-Ion Batteries2022

    • Author(s)
      Cai Chunqing、Hanada Takafumi、Fajar Adroit T. N.、Goto Masahiro
    • Journal Title

      Industrial & Engineering Chemistry Research

      Volume: 61 Issue: 15 Pages: 5306-5313

    • DOI

      10.1021/acs.iecr.2c00295

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] DFT-Based investigation of Amic-Acid extractants and their application to the recovery of Ni and Co from spent automotive Lithium-Ion batteries2022

    • Author(s)
      Hanada Takafumi、Seo Kosuke、Yoshida Wataru、Fajar Adroit T N、Goto Masahiro
    • Journal Title

      Separation and Purification Technology

      Volume: 281 Pages: 119898-119898

    • DOI

      10.1016/j.seppur.2021.119898

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Recovery of Cobalt and Manganese from Spent Lithium-ion Batteries using a Phosphonium-based Ionic Liquid2021

    • Author(s)
      FIRMANSYAH Mochmad L.、FAJAR Adroit T. N.、MUKTI Rino R.、ILMI Thalabul、KADJA Grandprix T. M.、GOTO Masahiro
    • Journal Title

      Solvent Extraction Research and Development, Japan

      Volume: 28 Issue: 1 Pages: 79-93

    • DOI

      10.15261/serdj.28.79

    • NAID

      130008049528

    • ISSN
      1341-7215, 2188-4765
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] An ionic liquid extractant dissolved in an ionic liquid diluent for selective extraction of Li(I) from salt lakes2021

    • Author(s)
      Cai Chunqing、Hanada Takafumi、Fajar Adroit T.N.、Goto Masahiro
    • Journal Title

      Desalination

      Volume: 509 Pages: 115073-115073

    • DOI

      10.1016/j.desal.2021.115073

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Recovery of platinum group metals from a spent automotive catalyst using polymer inclusion membranes containing an ionic liquid carrier2021

    • Author(s)
      Fajar Adroit T.N.、Hanada Takafumi、Goto Masahiro
    • Journal Title

      Journal of Membrane Science

      Volume: 629 Pages: 119296-119296

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2021.119296

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Synthesis of biocompatible ionic liquid for metal extraction2023

    • Author(s)
      Ainul Maghfirah, Adroit T.N. Fajar, and Masahiro Goto
    • Organizer
      The 12th International Conference on Separation Science and Technology
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Machine Learning to Guide Selective Solvent Extraction of Critical Metals2022

    • Author(s)
      Aditya D. Hartono, Rahman Md Moshikur, and Masahiro Goto
    • Organizer
      8th International Conference on Ion Exchange
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-02-08   Modified: 2024-12-25  

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