(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素を含む溶液に、テトラヒドロフランおよびリチウム３−［（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−フルオロアルキル）チオ］プロピオネイト，アルキル：ヘキシル〜デカニルを添加する界面活性剤添加ステップと、
前記溶液のｐＨを６．５未満に調整するｐＨ調整ステップと、
前記溶液から、凝集した液相を回収する液相回収ステップと、
前記凝集した液相のｐＨを、アルカリ性溶液を用いて上昇させ、前記テトラヒドロフランおよび前記リチウム３−［（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−フルオロアルキル）チオ］プロピオネイト，アルキル：ヘキシル〜デカニルと、前記元素とを分離させる分離ステップと、
を含み、
前記元素が、Ｓｃ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｒｕ及びＯｓからなる群から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする元素の分離回収方法。
【請求項２】
前記ｐＨ調整ステップにおいて、前記溶液のｐＨを３．５以上５．０以下に調整することを特徴とする請求項１記載の元素の分離回収方法。
【請求項３】
前記分離ステップにおいて、前記アルカリ性溶液によって前記元素の水酸化物を析出させることを特徴とする請求項１または２に記載の元素の分離回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液から選択的かつ効率的にレアアースや有価金属などの元素を回収する元素の分離回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、レアメタルは先端技術を支える材料である。レアメタルは、通常の日常生活において用いられる携帯電話やパソコンなどの電子機器、または家電製品に使われている。これらの電子機器や家電製品は、使用後においては産業廃棄物として処分されることが多く、山中や町中に廃棄されて問題になっている。
【０００３】
これらの電子機器や家電製品は、リサイクル可能な資源である貴金属やレアメタルを含んでおり、「都市鉱山」と称される。日本は１年間で世界の約１０％の鉱物資源を消費する国でありながら、レアメタルのほとんどを輸入に頼っている。日本は、１００％自給できるものは皆無に等しいほどの国内資源の乏しい国である。
【０００４】
しかしながら、いわゆる都市鉱山は、地下鉱山に比して資源の採掘率が高い。このように、都市鉱山は資源の宝庫であり、都市鉱山からレアメタルをリサイクルして、資源を確保することが非常に有用である。
【０００５】
一方、分析化学における金属の分離法としては、互いに混ざり合わない二種類の溶媒を用いた溶媒抽出法が主に用いられる。しかし、溶媒抽出法は、抽出物の移動が水相と有機相との界面を通じて行われる。そのため、溶媒抽出法において抽出効率を上げるためには激しい振とう、および時間を要する。また、溶媒抽出法においては、分液漏斗などの器具の操作が煩雑であること、目的物質の抽出や器具の洗浄に大量の有機溶媒が必要になるとともに、大量の廃液が生じるなどの問題がある。
【０００６】
これらの問題を解決できる新たな溶媒抽出法として、均一溶液からの相分離を利用する分離濃縮法が提案されている。この分離濃縮法は、迅速かつ簡単な操作によって分離濃縮することができる。この分離濃縮法は、均一溶液からの相分離後の析出形態の違いによって、均一液液抽出法（非特許文献１）、均一固相抽出法（非特許文献２）、および水性二相抽出法（非特許文献３）に分類できる。これらの抽出法のうちの均一液液抽出法は、水相−有機相間の界面が存在しないので、分子レベルの界面は無限大となり機械的な振り混ぜ操作もなく簡便であるという利点を有する（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】五十嵐淑郎、押手茂克、「ぶんせき」９、ｐ７０２−７０９（１９９７）．
【非特許文献２】齋藤徹、松原チヨ、平出正孝、「分析化学」、Ｖｏｌ.５２、Ｎｏ.４、ｐ２２１−２２９（２００３）．
【非特許文献３】安西祐二、赤間美文、「分析化学」、Ｖｏｌ.５２、Ｎｏ.５、ｐ３３７−３４０（２００３）．
【非特許文献４】山口仁志、伊藤真二、五十嵐淑郎、小林剛、「分析化学」、Ｖｏｌ.５４、Ｎｏ.３、ｐ２２７−２３０（２００５）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらの方法では、レアメタルを含む有価金属やレアアースの選択性や回収効率が低く、有価金属の回収に用いた物質が再利用できない場合が多いなどの問題があった。また、有価金属の選択性や回収効率が高い場合であっても、有価金属の分離回収においてキレート試薬を必ず用いる必要があったため、金属などの元素を分離回収する際に必要となる薬剤が多いという問題もあった（非特許文献４）。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、有価金属などの元素の選択性や回収効率を大幅に向上させることができるとともに、元素の回収に用いた物質を再利用することができ、さらに元素として金属を分離回収する場合においてもキレート試薬を用いる必要がない元素の分離回収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る元素の分離回収方法は、元素を含む溶液に、テトラヒドロフランおよびリチウム３−［（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−フルオロアルキル）チオ］プロピオネイト，アルキル：ヘキシル〜デカニルを添加する界面活性剤添加ステップと、溶液のｐＨを６．５未満に調整するｐＨ調整ステップと、溶液から、凝集した液相を回収する液相回収ステップと、凝集した液相のｐＨを、アルカリ性溶液を用いて上昇させ、テトラヒドロフランおよびリチウム３−［（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−フルオロアルキル）チオ］プロピオネイト，アルキル：ヘキシル〜デカニルと、元素とを分離させる分離ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る元素の分離回収方法は、上記の発明において、ｐＨ調整ステップにおいて、溶液のｐＨを３．５以上５．０以下に調整することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る元素の分離回収方法は、上記の発明において、分離ステップにおいて、アルカリ性溶液によって元素の水酸化物を析出させることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る元素の分離回収方法は、上記の発明において、元素が、Ｓｃ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る元素の分離回収方法によれば、分離回収する元素の選択性や回収効率を大幅に向上させることができ、元素の回収に用いた物質を再利用することが可能になるとともに、分離回収する元素が金属の場合であっても、キレート試薬を用いることなく、元素を選択的に分離回収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による元素の分離回収方法を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による元素の分離回収方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に基づいた実施例による元素の分離回収方法によって元素を回収した場合の回収率の一例を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。
【００１７】
まず、本発明の一実施形態による元素の分離回収方法について説明する。図１は、この一実施形態による元素の分離回収方法を説明するための模式図である。図２は、この一実施形態による元素の分離回収方法を示すフローチャートである。
【００１８】
本発明の一実施形態による元素の分離回収方法においては、均一液液抽出法を採用する。まず、図１（ａ）に示すように、容器１内において、元素としての抽出物質（ターゲット物質）の一例である希土類元素（レアアース）ＲＥを含有する溶液２を用意する。なお、この溶液２には、この一実施形態による分離回収方法によって回収できないことが既知のアルカリ金属（アルカリ金属イオン）、金属元素（金属イオン）、または非金属元素が含まれていてもよく、ここでは、ターゲット物質としてのレアアースＲＥ以外に各種元素Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3が含まれているものとする。
【００１９】
なお、レアアースＲＥとは、元素名（元素記号：原子番号）として、スカンジウム（Ｓｃ：２１）、イットリウム（Ｙ：３９）、ランタン（Ｌａ：５７）、セリウム（Ｃｅ：５８）、プラセオジム（Ｐｒ：５９）、ネオジム（Ｎｄ：６０）、プロメチウム（Ｐｍ：６１）、サマリウム（Ｓｍ：６２）、ユウロピウム（Ｅｕ：６３）、ガドリニウム（Ｇｄ：６４）、テルビウム（Ｔｂ：６５）、ジスプロシウム（Ｄｙ：６６）、ホルミウム（Ｈｏ：６７）、エルビウム（Ｅｒ：６８）、ツリウム（Ｔｍ：６９）、イッテルビウム（Ｙｂ：７０）、ルテチウム（Ｌｕ：７１）からなる群より選ばれる元素である。
【００２０】
また、有価金属イオンとは、重金属および軽金属から選ばれる金属のイオンである。ここで、重金属とは、チタン（Ｔｉ：２２）、鉄（Ｆｅ：２６）、コバルト（Ｃｏ：２７）、ニッケル（Ｎｉ：２８）、銅（Ｃｕ：２９）、亜鉛（Ｚｎ：３０）、ガリウム（Ｇａ：３１）、Ｙ、ジルコニウム（Ｚｒ：４０）、ニオブ（Ｎｂ：４１）、ルテニウム（Ｒｕ：４４）、パラジウム（Ｐｄ：４６）、カドミウム（Ｃｄ：４８）、インジウム（Ｉｎ：４９）、タンタル（Ｔａ：７３）、金（Ａｕ：７９）、水銀（Ｈｇ：８０）、鉛（Ｐｂ：８２）、ビスマス（Ｂｉ：８３）、およびレアアースＲＥであるランタノイド金属（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ）から選ばれる金属である。また、軽金属とは、Ｓｃおよびアルミニウム（Ａｌ：１３）と、ベリリウム（Ｂｅ：４）、マグネシウム（Ｍｇ：１２）、カルシウム（Ｃａ：２０）、ストロンチウム（Ｓｒ：３８）、バリウム（Ｂａ：５６）、およびラジウム（Ｒａ：８８）などのアルカリ土類金属と、からなる群より選ばれる金属である。
【００２１】
レアアースＲＥや有価金属イオンは、これらのイオンを含有すると思われる各種試料や、携帯電話やパソコンなどの電子機器、または家電製品などを粉砕して、王水、硫酸、塩酸、または硝酸などの酸溶液に溶解させることで得られる溶液等から調製されたものであってもよい。
【００２２】
そして、図２に示すように、この溶液２に、以下の（１）式の構造式で表される、水溶性のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を添加する（ステップＳＴ１）。なお、詳細は後述するが、このＴＨＦの一部または全部に、この一実施形態による分離回収方法である均一液液抽出法に使用されたＴＨＦが再利用される。
【００２３】
【化１】
0005981204.tif 000002
……（１）
【００２４】
続いて、フッ素系界面活性剤である以下の（２）式の構造式で表される「リチウム３−［（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−フルオロアルキル）チオ］プロピオネイト，アルキル：ヘキシル〜デカニル」（Lithium 3-[(1H,1H,2H,2H-fluoroalkyl) thio]propionate, alkyl : hexyl-decanyl）（ゾニールＦＳＡ）を添加する（ステップＳＴ２）。このフッ素系界面活性剤は、以下の（２）式の構造式で表される。なお、このフッ素系界面活性剤の分子式（化学式）は、ＣＦ3（ＣＦ2）nＣＨ2ＣＨ2ＳＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＯＯＨ（ｎ＝６〜１０）で表され、好適には、ＣＦ3（ＣＦ2）nＣＨ2ＣＨ2ＳＣＨ2ＣＨ2ＣＨ2ＣＯＯＨ（ｎ＝６〜８，alkyl : hexyl-octyl）のものが用いられる。なお、詳細は後述するが、このフッ素系界面活性剤の一部または全部に、この一実施形態による分離回収方法である均一液液抽出法に使用されたフッ素系界面活性剤が再利用される。
【００２５】
【化２】
0005981204.tif 000003
……（２）
【００２６】
ここで、フッ素系界面活性剤としては、ＰＦＯＡ（パーフルオロオクタン酸）やＰＦＯＳ（パーフルオロオクタンスルホン酸塩）などを挙げることもできるが、本発明者の知見によれば、これらのＰＦＯＡやＰＦＯＳは強酸を呈し、さらに第２種監視物質に指定されているため、使用上好ましくない。一方、上述したゾニールＦＳＡは、その構造に“−ＣＨ2ＣＨ2ＳＣＨ2ＣＨ2−”といったスペーサが存在する。また、このゾニールＦＳＡは、極めて低いｐＨ、例えばｐＨ１程度以下にしない限り水素イオンがプロトネートしない。そのため、本発明者の検討によれば、元素の分離回収に用いるフッ素系界面活性剤としては、ゾニールＦＳＡを採用することが望ましい。
【００２７】
このようにステップＳＴ１，ＳＴ２において、図１（ｂ）に示すように、溶液２に、フッ素系界面活性剤およびＴＨＦが添加される。なお、これらのステップＳＴ１，ＳＴ２は同時に行っても良い。
【００２８】
その後、ステップＳＴ３に移行して、フッ素系界面活性剤が添加された溶液２を軽く撹拌する撹拌処理を行う。続いて、ステップＳＴ４に移行して、例えば酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）や酢酸ナトリウム（ＣＨ3ＣＯＯＮａ）などのｐＨ調整用の緩衝液（ｐＨバッファ）を添加する。これによって、金属溶液の水素イオン指数ｐＨを、相分離が生じる可能性のあるｐＨ６．５未満、好適には相分離が生じるｐＨ５．０以下、より好適にはｐＨ４．０程度にする。なお、このときのｐＨ値としては、元素の分離回収を効率良く行うことを考慮すると、ｐＨ＝３．５以上にすることが望ましい。
【００２９】
その後、ステップＳＴ５に移行して、例えば容器１を遠心分離機に設置して遠心分離を行う。ここで、遠心分離機の回転数は例えば２５００ｒｐｍ、処理時間は例えば２０分間とする。これにより、図１（ｃ）に示すように、容器１内において、溶液２を、ＴＨＦおよび対象物質以外の各種元素Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3を含む多量の液相と、レアアースＲＥ、フッ素系界面活性剤およびＴＨＦを含む微量の液相１０との２相に分離する。このとき、溶液２に含まれるレアアースＲＥの多くが、微量の液相１０に抽出される。
【００３０】
その後、ステップＳＴ６に移行して、図１（ｄ）に示すように凝集した液相１０を溶液２から分離させる。これとともに、図１（ｅ）に示すように、レアアースＲＥが分離回収された残部の溶液２の上澄み液を回収する。ここで、溶液２の上澄み液と凝集した液相を分離する方法としては特に制限されず、当該分野において既知の分離方法、例えば凝集した液相や上澄み液の吸引やコック付ロートを用いる比重の差による凝集した液相や上澄み液の分離などの方法を採用することが可能である。また、この分離方法の条件も特に制限されず、生じた凝集した液相に応じて適宜設定することが可能である。
【００３１】
上述したステップＳＴ１〜ＳＴ６によって、ターゲット物質をフッ素系界面活性剤の凝集した液相１０に抽出させることができる。そして、ステップＳＴ７に移行して、図１（ｆ）に示すように、凝集した液相１０と、アルカリ性水溶液としての、ｐＨ７．０より高く、好ましくはｐＨ１２〜１３である例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の水溶液とを混合させる。また、この段階までに消費されたＴＨＦを補充するために、必要に応じて若干量のＴＨＦの水溶液を添加する。その後、ステップＳＴ８に移行する。
【００３２】
ステップＳＴ８においては、例えばＲＥ（ＯＨ）3などのレアアースＲＥの水酸化物１２が、フッ素系界面活性剤およびＴＨＦの水溶液１１に対して、固体となって析出する。そして、図１（ｇ）に示すように、このレアアースＲＥの水酸化物１２を、例えばろ過処理によってフッ素系界面活性剤およびＴＨＦの溶液から分離させる。これにより、レアアースＲＥの水酸化物１２が回収される。
【００３３】
このとき、レアアースＲＥが回収された後の水溶液１１には、フッ素系界面活性剤およびＴＨＦが含有されている。そこで、ステップＳＴ９に移行して、上述したステップＳＴ８において水酸化物１２が分離回収された水溶液１１のｐＨを、例えば酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）や酢酸ナトリウム（ＣＨ3ＣＯＯＮａ）などのｐＨ調整用の緩衝液を添加することによって、相分離が生じる可能性のないｐＨ６．５以上、好適にはｐＨ７．０以上８．０以下に調整する。これによって、フッ素系界面活性剤およびＴＨＦを、適切なｐＨ値の状態で回収することができる。なお、この水溶液１１のｐＨ調整は、従来公知の方法を採用することができる。このように回収されたフッ素系界面活性剤およびＴＨＦは、この一実施形態によるさらなる分離回収や、その他の用途に再利用される。
【実施例１】
【００３４】
次に、上述の一実施形態に基づいた実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。なお、実施例における特性の分析には、以下の装置を用いる。具体的には、金属濃度の測定には、金属イオンの濃度をＩＣＰ発光分光分析装置（ｉＣＡＰ６３００型：サーモフィッシャー製）を用いた。ｐＨの測定には、ｐＨメーター（Ｆ−５１：ＨＯＲＩＢＡ製）を用いた。
【００３５】
また、この実施例１においては、上述した一実施形態による分離回収方法に基づいて、フッ素系界面活性剤として、ゾニールＦＳＡを用いる。そして、ターゲット物質を分離回収する系（ZonylFSA-THF-H+系）での各物質の体積比が、
ターゲット物質を含む溶液：ＴＨＦ：ゾニールＦＳＡ：ｐＨバッファ＝５：６：５：４
になるようにする。
【００３６】
すなわち、この実施例１においては、ターゲット物質を含む溶液が例えば５ｍｌである場合、分離回収処理において、ＴＨＦを例えば６ｍｌ、５重量％濃度のゾニールＦＳＡを例えば５ｍｌ、およびｐＨバッファを例えば４ｍｌ用いる。
【００３７】
なお、このターゲット物質を分離回収する系においては、ＴＨＦの量を、ターゲット物質を含む溶液２に対して１０〜５０％の範囲から選択することも可能である。また、５重量％濃度のゾニールＦＳＡに関しては、ターゲット物質を含む金属溶液の体積に対して１／５００以上１以下の範囲で変更することも可能である。すなわち、ターゲット物質を含む溶液が５ｍｌである場合、ゾニールＦＳＡを１０μｌ以上５ｍｌ以下の範囲から適宜選択することが可能である。この場合、ゾニールＦＳＡの析出相体積は、ゾニールＦＳＡの使用量に対して原点を通る直線状に比例した値になる。
【００３８】
そして、上述した一実施形態による元素の分離回収方法に従って、ZonylFSA-THF-H+系において種々のターゲット物質を分離回収する実験を行った。その結果、それぞれのターゲット物質に関して、図３に示す結果が得られた。なお、図３においては、各欄の上段が元素名、下段が回収率（％）であり、ランタノイド系およびアクチノイド系については、独立した別欄に記載した。
【００３９】
図３から、この実施例によるZonylFSA-THF-H+系における分離回収方法において、Ｓｃ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ａｇ，およびＰｔ、並びにＣｅとＰｍとを除いたランタノイド金属（Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ）において、回収率が８０％以上であることが確認された。また、反対に、ケイ素（Ｓｉ），リン（Ｐ），Ｃａ，ヒ素（Ａｓ），セレン（Ｓｅ），ロジウム（Ｒｈ），インジウム（Ｉｎ），スズ（Ｓｎ），アンチモン（Ｓｂ），およびＡｕにおいては、回収率が０％であり、元素の分離回収において選択性が極めて高いことが確認された。
【００４０】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、レアアースに代表される有価金属などの元素の選択性や回収効率を大幅に向上させることができるとともに、元素の回収に用いたフッ素系界面活性剤およびＴＨＦを次の元素の分離回収に再利用することができる。さらに、金属を分離回収する場合においても、従来必要であったキレート試薬を一切用いる必要がなくなり、使用する薬剤の種類や量を低減することが可能になる。また、この一実施形態によれば、携帯電話やパソコンなどの電子機器、または家電製品などから、ターゲット物質の一種である有価金属を選択性良く回収することが可能になるので、金属資源の再利用を大幅に促進させることが可能になる。
【００４１】
以上、本発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態および実施例において挙げた数値、元素はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値、元素を用いてもよい。
【００４２】
また、上述の一実施形態においては、溶液２にレアアースが含まれる場合を例に説明したが、溶液２に含まれる元素は必ずしもレアアースに限定されるものではなく、有価金属イオンなどの上述した種々の元素とすることが可能である。
【００４３】
また、上述の一実施形態においては、凝集した液相１０を分離した後、この液相１０に混合させる水溶液として、水酸化ナトリウム水溶液を用いているが、必ずしも水酸化ナトリウム水溶液に限定されるものではなく、例えば水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの種々のアルカリ性水溶液を用いることが可能である。
【００４４】
上述の一実施形態においては、ｐＨバッファとして、酢酸や酢酸ナトリウムを用いているが、必ずしも酢酸や酢酸ナトリウムに限定されるものではなく、塩酸（ＨＣｌ）や四ホウ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）などのその他の物質を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  容器
２  溶液
１０  液相
１１  水溶液
１２  水酸化物
Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3  各種元素
ＲＥ  レアアース
【図１】
0005981204.tif 000004
【図２】
0005981204.tif 000005
【図３】
0005981204.tif 000006