2019 Fiscal Year Research-status Report
ブランケット用高濃縮リチウム６生産のための分取クロマトグラフィーシステムの開発
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19K03791
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
杉山 貴彦 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90353440)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | リチウム６ / 同位体分離 / 置換クロマトグラフィー / 大環状化合物 / コアシェル型吸着剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム同位体分離用吸着剤の調製について，予備実験として，多孔質シリカビーズの細孔中に形成する樹脂の合成を行った．リチウム同位体の吸着能を示す大環状化合物としてベンゾ-15-クラウン5を選定し，ビスフェノールAを基剤とした．ビスフェノールAとベンゾ-15-クラウン5の所定量をトリクロロ酢酸に混ぜ，恒温油槽を具備したロータリーエバポレータにより90℃に加熱して溶解させた．これにパラホルムアルデヒドを少量ずつ添加しながら110℃に加熱して樹脂を析出させた．析出した樹脂を，洗浄後，乳鉢で適度に破砕し，乾燥させて茶褐色の合成樹脂を得た．合計で約8 gとなり，収率は95%以上となった．加熱温度および昇温速度，パラホルムアルデヒドの添加時期について試行錯誤し，樹脂の合成に習熟した．
本研究では，直径数μmの吸着剤を開発し，HETP（理論段相当高さ）の極小化を目指している．そのため，プロセスシミュレーションにおいて，理論段数が桁違いに多く必要となり，計算時間の短縮のための工夫が必要になる．物質移動項を含む拡散移流方程式の数値解法において，拡散項のみを陰解法とし，物質移動項を半陽解法，その他を陽解法とする計算アルゴリズムを開発し，計算コードを構築した．構築した計算コードの健全性は，従来法による計算結果と比較して確認した．同条件での計算例において，1/10以上の計算時間の短縮を達成した．開発した計算コードを用いて，置換クロマトグラフィー法によるリチウム同位体分離操作において，濃縮流および減損流の吸着帯容量に対する分取割合を変化させて，分取割合が製品生産速度に与える影響を調べたところ，分取割合に最適値があることが示された．この最適分取割合は，吸着剤の粒径と吸着容量の影響を受けるため，吸着剤の設計指針を与えることができる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
提案する新奇吸着剤の調整において，大環状化合物を固定化するための樹脂の合成が一番の難点であった．樹脂合成における加熱温度と時間，昇温速度などをパラメータとして実験を行い，安定して合成できる条件を見いだした．また，担体とする多孔質シリカビーズの選定を行った．UHPLCの分野では，直径が1 μm程度の粒子が実用化されているが，本研究では分取目的の吸着剤を開発するため，カラムの圧力損失を低減する必要があり，予備計算により5 μmに定めた．多孔質シリカビーズ内で樹脂を合成する場合の注意点としては，細孔内に予め吸着している水を除去することである．この水分除去方法とその条件について，現在文献調査を進めている．以上のように，本研究の核心となる吸着剤の調整については，予定通り順調に進展している．
置換クロマトグラフィーによるリチウム同位体分離のプロセスシミュレーションについては，数値計算用の化学工学モデルおよびその計算アルゴリズムを開発し，計算結果の妥当性を確認するとともに計算時間の短縮に成功した．今後は，原料の供給と濃縮流，減損流の抜き出しを含めた実際の生産プロセスに合わせた評価コードを作成する必要があるが，大きな困難は予想されず，したがって順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
極小の吸着剤を充填した吸着カラムの性能を十分に発揮させるためには，吸着剤のカラムへの充填方法に注意せねばならない．不均一に空疎に充填されると，チャンネリング現象を引き起こし，軸方向混合によってHETPが大きくなってしまう．吸着カラムのメーカーでは，それぞれ経験的に独自の方法をとっており，これらは必ずしも学術論文には記載されないことから，文献調査は困難である．そのため，学会や特定のコミュニティに参加して，情報を得る必要がある．
また，本研究ではHETPを極小化するため，吸着帯長さも短く，破過実験を行うにあたり，フラクションコレクターを用いて濃度分布を得ることが困難であると想定される．開発した計算コードを用いて，数値実験を行い，分離性能評価をどの様に行うか，考案する．
新型コロナの影響により，学会発表や打ち合わせの出張が中止となり，成果報告が滞っている．２年次もしばらく同様の状況が予想されるので，学術論文の執筆を中心として成果報告の促進に努めたる．
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