国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
一般財団法人総合科学研究機構
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
フランス原子力・代替エネルギー庁
フランス国立科学研究センター
発表のポイント
- 持続可能な未来を目指す社会では資源のリサイクルが重要です。その中で、様々な金属を溶かした溶液から有用な金属を選択的に分離する技術として「溶媒抽出法」が注目されています。
- どの金属がどれだけ抽出分離されるかは、抽出剤と金属イオンの相性のみで決まるのがこれまでの常識でした。ところが今回、抽出剤が同一であるにもかかわらず、油相にトルエンを使用した場合とヘプタンを使用した場合とで、金属イオンの抽出に大きな違いが生じる現象を発見しました。
- この現象を明らかにするため、日本とフランスの国際共同研究チームは、溶媒抽出法の中でつくられる「超分子集合体」に注目し、この超分子集合体が金属を選び出す役割をどのように果たしているのか、Ｘ線と中性子線を利用した分析を進めました。
- その結果、油相に使う溶媒の違いによって、抽出剤（マロンアミド）がつくる超分子集合体の特性が変化し、金属イオンのサイズ認識性能に差が生じることがわかりました。これにより、パラジウムとネオジムを識別する新たな性質を見つけました。
- 本成果は、超分子集合体の特性を理解し、それを利用することで、どの金属をどれだけ早く、そして効率良く選び出すかをコントロールするための「新たな視点」を提供しています。
概要
溶媒抽出法は、水と油のように混ざり合わない２つの液体の相の間で、物質がどちらの液体相に溶けやすいかを利用した分離・精製方法です。この技術は、石油の精製、薬品製造、食品加工、有用金属のリサイクルなど、私たちの生活のさまざまな場面で利用されています。今回、溶媒抽出法において、特定の金属イオンを認識し、分離する速さをコントロールする新たな「超分子集合体」を発見しました。この発見は、資源のリサイクルや放射性廃液の処理技術の進歩に寄与することが期待されます。
なお、本研究は国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長 小口正範）物質科学研究センターのMICHEAU Cyril研究員、上田祐生研究員、元川竜平研究主幹、一般財団法人総合科学研究機構の阿久津和宏副主任技師、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の山田悟史准教授、山田雅子助教、フランス原子力・代替エネルギー庁のMOUSSAOUI Sayed Alii博士、MAKOMBE Elizabeth 博士、MEYER Daniel研究員、BERTHON Laurence研究部長、フランス国立科学研究センターのBOURGEOIS Damien研究部長による日仏の国際共同研究チームによるものです。
本研究では、抽出剤として使われるマロンアミドがパラジウムとネオジムの２種類の金属を分離するときに、これまでに見たことのない性質を示すことを発見しました。通常、どの金属がどれだけ抽出分離されるかは、抽出剤と金属イオンの相性のみで決まります。ところが今回、油相にトルエンを使った場合にはパラジウムだけが抽出され、ヘプタンを使った場合にはパラジウムとネオジムの両方が抽出されました。さらに、トルエンを使った場合にはパラジウムの抽出速度が極端に遅くなることが分かりました。
研究チームは、複数の金属イオンや抽出剤が油相や油と水の界面でつくるナノスケールの「超分子集合体」と呼ばれる構造に注目しました。そして、この超分子集合体が金属イオンの分離にどのように影響を与えるかを調べました。抽出剤は、分子内に親水的な部分と疎水的な部分を併せ持つことから、界面活性剤のようにミセルやエマルションに似た集合体をつくることが予想されます。しかし、これらの集合体についての理解はほとんど進んでいません。そこで、X線と中性子線を用いた分析を進めた結果、マロンアミドの超分子集合体によるパラジウムイオンとネオジムイオンの認識能力や界面での集合体の分散状態の違いが、このような現象を引き起こすことがわかりました。
この発見は、超分子集合体が抽出に与える影響を明示的に示した初めての例です。今後、超分子集合体の特性を考慮に入れた金属イオンの分離システムの設計など、新しい視点による溶媒抽出法の技術発展に繋がる可能性があり、我が国の資源セキュリティに貢献することが期待されます。
本成果は、国際学術誌「Journal of Molecular Liquids」のオンライン公開版に掲載されました。
詳しくは プレスリリース をご参照ください。
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