2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of functional ionic liquids for the highly effective membrane separation of critical metals
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20J20464
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
花田 隆文 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | レアメタル / リサイクル / イオン液体 / 膜分離 / 深共晶溶媒 / 非水浸出 / 溶媒冶金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、有機溶媒を使用することなく高効率かつ選択的なレアメタル分離を達成する新規分離媒体を創製し、レアメタル資源からの環境調和型レアメタルリサイクルに応用することを目的する。これまでに、新規イオン液体trioctyldodecylphosphonium chloride (P88812Cl) を包埋した高分子膜を開発し、最も高価な貴金属であるロジウムの膜透過を可能にした。さらにこのレアメタル分離膜が自動車排ガス浄化触媒から金属を浸出した強酸性水溶液から白金、パラジウムおよびロジウムを膜分離できることを示した。2021年度は、レアメタルの湿式リサイクルにおける環境負荷要因である有機溶媒および無機酸のさらなる消費低減を目指し、①イオン液体や②深共晶溶媒をレアメタルを溶かし出す浸出溶媒として利用する新規リサイクル法について研究を行った。
①イオン液体を浸出溶媒とする自動車触媒のリサイクル
塩酸/過酸化水素水溶液と接触したP88812Clは自動車触媒から白金を溶かし出す浸出溶媒として使用できることを見出した。さらに、無機酸を使用する従来の浸出と比較して、自動車触媒に多量に含まれるアルミニウムやマグネシウムなどの不純物金属の浸出を抑制できることを示した。イオン液体中に溶け出した不純物金属は洗浄用に調製した亜硫酸ナトリウム水溶液と接触させることで取り除くことができ、その後イオン液体相を硝酸水溶液と接触させることで水相側に白金を回収することができた。
②深共晶溶媒を浸出溶媒とするリチウムイオン電池正極材のリサイクル
βジケトンと酸化ホスフィンからなる疎水性の深共晶溶媒はリチウムイオン電池正極材であるコバルト酸リチウムからリチウムやコバルトを溶かし出す浸出溶媒として利用可能であり、還元剤としてビタミンCを併せて利用することで浸出効率を向上できることを明らかにした。
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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
2021年度は、レアメタルの湿式リサイクルの起点である「浸出」操作で消費される無機酸の環境負荷に着目し、有機溶媒だけでなく無機酸の消費をできる限り抑制した新たなリサイクル法に関して検討した。具体的には、①イオン液体や②深共晶溶媒を無機酸の代替として廃棄物からレアメタルを溶かし出すための浸出溶媒として用いることを着想し、研究を実施した。①に関して、貴金属への高い親和性を示すイオン液体trioctyldodecylphosphonium chlorideに前処理を施すことで自動車触媒から白金などの貴金属を浸出でき、無機酸と比較して不純物金属の浸出を抑制できることを見出した。また、溶け出した金属は逆抽出水相と接触させることで水相に回収することができ、イオン液体は浸出溶媒として再び利用できることを示した。本成果は国内学会で発表し、現在は筆頭著者として論文投稿準備中である。②に関して、イオン液体よりもコストの面で優れる環境調和型溶媒である深共晶溶媒が、リチウムイオン電池正極材からリチウムやコバルトといったレアメタルを浸出できることを見出した。本成果は国内学会で発表し、筆頭著者として論文投稿および特許出願中である。以上、従来の目標である有機溶媒を用いないレアメタルリサイクルの新たな可能性を見出すことができた点で、本研究計画はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、イオン液体trioctyldodecylphosphonium chlorideを包埋したレアメタル分離膜は、難分離性で最も高価な貴金属であるロジウムとベースメタルである鉄の膜分離を達成した。また、自動車触媒の浸出水溶液からの白金、パラジウムおよびロジウムの分離膜として機能することを示した。一方、膜組成や金属回収相の最適化した条件下においてもロジウムの膜透過効率は24時間で70%程度にとどまっており、膜透過速度には依然として改良の余地がある。共同研究先であるメルボルン大学の研究では膜内部の化学的架橋が貴金属の膜透過速度を向上することを報告している。2022年度はメルボルン大学を訪問して高分子膜内部に化学的架橋を施す手法を習得し、さらには膜表面構造の制御などを通じてレアメタル分離膜の機能化による膜透過速度のさらなる改善を試みる。
また、本研究を更に発展させた有機溶媒や無機酸を不要とする新たなレアメタルリサイクル法の基盤構築に向けて、イオン液体や深共晶溶媒の貴金属への親和性が浸出挙動に及ぼす影響について検討する予定である。
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