2017 Fiscal Year Research-status Report
Creation of nanofiber with ion recognition and reduction functions and development of innovative separation method
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17K20067
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
馬場 由成 宮崎大学, 工学部, 研究員 (20039291)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大榮 薫 宮崎大学, 工学部, 助教 (00315350)
岩熊 美奈子 都城工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (00342593)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | ナイロンファイバー / 濃縮・還元機能 / スペーサー / 金の回収 / キトサンナノファイバー / 金ナノ粒子 / 金イオン / バイオマス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、貴金属イオンを含む浸出液や廃液から、「貴金属イオンのみを固体ナノ粒子」として分離回収できる、今までにない貴金属イオンの革新的分離・回収技術の創出である。計画の前半の期間では、特に学術上重要な概念である「濃縮・還元機能をもつ官能基」に関する基礎データ（化学構造・濃縮）を確実に集積するために、「濃縮・還元」されやすい貴金属イオン、その中でも「金イオン」を主な対象イオンとして評価した。
１．濃縮・還元機能を発現する高機能性ナノファイバー（RDF）の分子設計・合成
本年度はバイオマス廃棄物であるキトサンを原料にして、有機溶媒に容易に溶解する「新規アシル化キトサン誘導体」、および自らがキレート形成機能と還元機能を有している天然素材である「タンニン」を用いてナイロンファイバーをコーティングし、高比表面積で「濃縮・還元機能」を有する高機能性ナノファイバーを創出し、さらに、「官能基の効果」を明らかにするために官能基を固定化するためのスペーサー鎖長（自由度の確保）の最適化を行う。
２．濃縮・還元機能を有する高機能性ナノファイバー（RDF）による貴金属イオンの分離・回収（機能性評価）
まず貴金属イオンとして金イオンを対象にしたので室温で金イオンを含む酸溶液中に、濃縮・還元機能を有するナノファイバー（不織布）を加えてかき混ぜると、ファイバー上に金が濃縮され、徐々に金粒子が形成され、その後水中に分散した。その溶液をろ過し、金の粉末として回収することができた。RDFは回収後、再生され、環境調和型新材料として再利用できると思われる。
以上のように、濃縮・還元機能をもったナノファイバーを活用することによって、溶液中に溶解していた「金イオンを固体の金」として回収出来る可能性を示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナイロンとの相溶性がよい「加水分解型タンニン酸」がナイロンナノファイバーの重量の半分以上固定化され、微小空間に「濃縮・還元・脱離」の3機能を集積した多くの場所を確保できたことは、「水溶液中の金イオン」を「固体の金ナノ粒子」の作成に大きく貢献できることを示唆している。金イオンがタンニンに吸着するにはあまり関係なさそうだが、金のナノ粒子の形成はある程度の距離がないと容易にはじまらないこともわかってきた。多分これはタンニン酸が「保護コロイド」の役割をしているのではないかと予想している。
一方、ナイロンナノファイバーにキトサンを固定化する際、アンカーの役割をする長鎖アルキル基を導入したキトサンコーティングナイロンナノファイバーについても、金イオンを選択的に吸着し、それを還元剤中にしばらく置いておくと、金のナノ粒子らしきものが、表面や表面近くに観察できた。特にキトサンの場合には金イオンが吸着すると考えられる吸着座は「規則的に配列された官能基（－NH2）」と「高度に制御された細孔構造」が金のナノ粒子の大きさや形状にも大きく影響しているものと期待している。また、新たな配位子を導入した新規なキトサン誘導体を用いて、ナイロンとハイブリッドした「キトサン誘導体膜」の作成を詳細に検討した。使用したキトサン誘導体の吸着選択性はそのまま発現され、またその強度についても工業的なモジュール化に十分な強度であることが明らかとなり、特許申請中である。さらに、金、パラジウム、白金が混合しているpH5の塩化物溶液から吸着すると、金イオンだけが吸着され、その膜を取り出し、各種の還元剤に浸漬すると、いろいろな形状をしたものやナノ粒子からマイクロ粒子までキトサン膜の表面に作成することができた。この機構を如何に明らかにできるかが、大きなもう一つの課題となろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
３．濃縮・還元機能を有する高機能性ナノファイバー（RDFを用いた分離回収システムの実サンプルへの応用
これまでの多くの成果は、当初の計画以上に進展していると判断している。次年度は「吸着・還元・脱離」を示した「タンニン」ではなく、「キトサン」と「ブチラール』を自己組織化ポリマーとしてナイロンナノファイバーに「コーティング」を行い、次に「キレート形成能＋還元能力」を持っている、例えば硫黄アミノ酸であるシステインやチオール基のような化学構造を持った官能基を導入し、貴金属イオンの濃縮・還元機能の評価行う。
前年度までに得られた基礎データをもとに、貴金属イオンの分離回収システムを構築し、実サンプルとしてメッキ廃液や廃電子機器に含有する貴金属・レアメタルの分離・回収を行う予定である。特に貴金属イオンの非常に希薄な濃度領域でさえも、「濃縮⇒還元⇒ナノ粒子形成」機能が発現し、本法が極希薄溶液にも適用できることを検証し、上述したプロセスの中で「金属イオンの還元という現象が起こるためには「濃縮」というプロセスがいかに重要であるとの検証も行いたいと思っている。
また、次年度は、これらの基礎データと応用データに基づいて、スケールアップした実用化試験を行い、本分離・回収システムが高効率的な革新的技術であることを検証する予定である。計画の後半の期間では、ターゲットを貴金属だけでなく、水環境汚染重金属にも応用し、これらに関する基礎データを集積し、本分離・回収システムの実用化に向けた検討も同時に遂行する計画である。
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| Causes of Carryover |
(理由）
現在検討中のナイロンとの相溶性がよい「加水分解型タンニン酸」やナイロンナノファイバーにキトサンを固定化する際アンカーの役割をする長鎖アルキル基を導入したキトサンコーティングナイロンナノファイバー、さらに、新たな配位子を導入した新規なキトサン誘導体を用いて、ナイロンとハイブリッドした「キトサン誘導体膜」の合成技術は安価で省エネであり、当初の予算額よりも安価に研究をすすめることが出来た。また、研究補助員の産休や適切な研究補助員の採用が出来なかったことから、本年度の人件費や研究費にかかる一部の予算については次年度以降に執行する予定である。
（使用計画）
次年度は、前年度までに得られた基礎データをもとに、貴金属イオンの分離回収システムを構築し、実サンプルとしてメッキ廃液や廃電子機器に含有する貴金属・レアメタルの分離・回収を行う予定である。さらに、これらの基礎データと応用データに基づいて、スケールアップした実用化試験を行い、本分離・回収システムが高効率的な革新的技術であることを検証する予定である。計画の後半の期間では、ターゲットを貴金属だけでなく、水環境汚染重金属にも応用し、これらに関する基礎データを集積し、本分離・回収システムの実用化に向けた検討も同時に遂行する計画である。そのため、研究補助員の雇用も含めて予算を使用する計画である。
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