JP2011201731A - Mesoporous powder, metal ion sensor, method for detecting metal ion, metal ion adsorbing material and method for recovering metal - Google Patents

Mesoporous powder, metal ion sensor, method for detecting metal ion, metal ion adsorbing material and method for recovering metal Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide mesoporous powder which can be bonded to an organic functional material with the force stronger than that of mesoporous powder comprising sole silica and to provide a metal ion sensor obtained by using the mesoporous powder, a method for detecting a metal ion, a metal ion adsorbing material and a method for recovering a metal.SOLUTION: The metal ion sensor uses the mesoporous powder comprising silica and a metal oxide. and is obtained by holding a probe, which adsorbs the metal ion contained in a liquid and colors, in the mesoporous powder. The method for detecting the metal ion comprises the steps of: charging a predetermined amount of the metal ion sensors into the liquid to be detected and the pH of which is adjusted to be suitable for the metal ion to be detected and the kind of the probe; and detecting whether there is a metal ion-peculiar color and the concentration of the metal ion. The metal ion adsorbing material is obtained by fixing the probe having a metal ion adsorbing group onto the surface of the mesoporous powder. The method for recovering the metal is for recovering the metal from the metal ion-containing liquid, in the concrete, and comprises the steps of: charging the metal ion adsorbing material into the liquid to be treated the pH of which is adjusted to be suitable for adsorbing the metal ion to be recovered to adsorb the desired metal ion in the liquid to be treated on the metal ion adsorbing material; separating the metal ion-adsorbed adsorbing material from the liquid to be treated; moving the metal ion from the separated adsorbing material to a recovery liquid; separating the metal ion-separated adsorbing material from the recovery liquid; and vaporizing the recovery liquid to recover the metal.

Description

本発明は、規則的な配列を持って多孔質化されているメソポーラス粉末と、これに液中に含有された金属イオンを吸着して提色するプローブが保持された金属イオンセンサーと、この金属イオンセンサーを用いた金属イオン検出方法並びに前記メソポーラス粉末に液中の金属イオンを吸着するプローブを固定した金属イオン吸着材と、この吸着材を用いた金属回収方法に関する。 The present invention relates to a mesoporous powder that is porous with a regular arrangement, a metal ion sensor that holds a probe that adsorbs and colors a metal ion contained in the liquid, and the metal The present invention relates to a metal ion detection method using an ion sensor, a metal ion adsorbent in which a probe that adsorbs metal ions in a liquid is fixed to the mesoporous powder, and a metal recovery method using the adsorbent.

メソポーラス粉末の内、シリカ粉末は、各種の有機機能材料の担持体として用いられているが、より一層の強度及び結合力をもつものが求められていた。
また、メソポーラス粉末の内、シリカを金属イオンとの接触による提色する能を持つプローブの担持体として用いることで、金属イオンセンサーとして利用することも行われていた。
これも、担持体としての強度や結合力を増加して、より一層の安定した利用が望まれていた。
また、このようなセンサーは金属イオンを吸着することで提色することを利用して、廃液等の金属イオン含有液から金属を取り出す吸着材としてもちいることも、本発明者らにより最近提案された。
Among the mesoporous powders, silica powder is used as a support for various organic functional materials, but those having higher strength and bonding strength have been demanded.
Further, by using silica as a support for a probe having the ability to color by contact with metal ions in mesoporous powder, it has been used as a metal ion sensor.
This also increases the strength and bonding force as a carrier, and further stable utilization has been desired.
In addition, it has recently been proposed by the present inventors that such a sensor can be used as an adsorbent for extracting metal from a metal ion-containing liquid such as a waste liquid by utilizing coloration by adsorbing metal ions. It was.

本発明は、このような実情に鑑み、シリカ単独のメソポーラス粉末よりも強力に有機機能材料と結合できるメソポーラス粉末とこれを用いた金属イオンセンサー及び金属イオン検出方法並びに金属イオン吸着材と金属回収方法を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention provides a mesoporous powder that can be combined with an organic functional material more strongly than a mesoporous powder of silica alone, a metal ion sensor, a metal ion detection method, a metal ion adsorbent, and a metal recovery method using the mesoporous powder. The purpose is to provide.

発明1のメソポーラス粉末は、シリカと金属酸化物とからなることを特徴とするメソポーラス粉末。 The mesoporous powder of the invention 1 comprises silica and a metal oxide.

発明2の金属イオンセンサーは、液中に含有された金属イオンを吸着して提色するプローブがメソポーラス粉末に保持されてなる金属イオンセンサーであって、前記メソポーラス粉末が発明1のメソポーラス粉末であることを特徴とする。 The metal ion sensor of the invention 2 is a metal ion sensor in which a probe that adsorbs and colors a metal ion contained in a liquid is held in a mesoporous powder, and the mesoporous powder is the mesoporous powder of the invention 1. It is characterized by that.

発明3の金属イオン検出方法は、液中に含有された金属イオンの種類と濃度とを検出する金属イオン検出方法であって、発明2に記載の金属イオンセンサーを、検出する金属イオンとそのプローブの種類に適合したpHに調整した被検出液中に所定量投入し、金属イオン固有の提色の有無及び濃度を検出することを特徴とする。
発明4は、発明3の金属イオン検出方法において、濃度検出に使用した金属イオンセンサーを被検出液から分離回収し、当該センサーに吸着された金属イオンを除去して再生することを特徴とする。
The metal ion detection method of the invention 3 is a metal ion detection method for detecting the type and concentration of the metal ion contained in the liquid, the metal ion sensor of the invention 2 for detecting the metal ion and its probe. A predetermined amount is put into a liquid to be detected adjusted to a pH suitable for the kind of the above, and the presence and concentration of a color specific to metal ions is detected.
Invention 4 is characterized in that in the metal ion detection method of Invention 3, the metal ion sensor used for concentration detection is separated and recovered from the liquid to be detected, and the metal ions adsorbed on the sensor are removed and regenerated.

発明5の金属イオン吸着材は、被処理液中に含有された金属イオンを吸着し、前記被処理液から金属イオンを分離して回収する為に用いる金属イオン吸着材であって、発明1のメソポーラス粉末の表面に、金属イオン吸着基を持つプルーブを固定したことを特徴とする。 The metal ion adsorbent of the invention 5 is a metal ion adsorbent used for adsorbing the metal ions contained in the liquid to be treated and separating and recovering the metal ions from the liquid to be treated. A probe having a metal ion adsorption group is fixed on the surface of the mesoporous powder.

発明6の金属回収方法は、金属イオンを含有する液から金属を回収する金属回収方法であって、除去する金属イオンの吸着に適したpHに調整した被処理液中に発明5に記載の金属イオン吸着材を投入し、前記被処理液中の所望の金属イオンを前記金属イオン吸着材に吸着させ、当該吸着材を前記被処理液から分離し、分離した吸着材から回収液中に金属イオンを移動させ、金属イオンが分離された吸着材を前記回収液から分離し、前記回収液を蒸発させて、金属を回収することを特徴とする。
発明7は、発明6の金属回収方法において、回収液から分離した吸着材を再使用することを特徴とする。
The metal recovery method of the invention 6 is a metal recovery method for recovering a metal from a liquid containing metal ions, and the metal according to the invention 5 is contained in a liquid to be treated adjusted to a pH suitable for adsorption of the metal ions to be removed. An ion adsorbent is introduced, desired metal ions in the liquid to be treated are adsorbed on the metal ion adsorbent, the adsorbent is separated from the liquid to be treated, and metal ions are separated from the separated adsorbent into the recovered liquid. The metal is recovered by separating the adsorbent from which the metal ions have been separated from the recovered liquid and evaporating the recovered liquid.
Invention 7 is characterized in that in the metal recovery method of Invention 6, the adsorbent separated from the recovered liquid is reused.

発明1のメソポーラス粉末は、金属が含有されているシリカにより構成されているので、シリカのみならず、金属とシリカの結合により強度を増すことができるとともに、有機機能材料との結合が、従来のシリカはシリカと酸素の物理結合という不安点な結合をとっていたが、金属とシリカと酸素の化学結合により安定した強度な関係が得られることから、外表面のみならず、多孔質を構成する孔の内面においても、有機機能材料と強く結合させることができた。 Since the mesoporous powder of the invention 1 is composed of silica containing a metal, the strength of the mesoporous powder can be increased not only by silica but also by the bond between the metal and silica, and the bond with the organic functional material has been improved. Silica had an anxious bond called the physical bond between silica and oxygen, but it has a stable strength relationship due to the chemical bond between the metal, silica and oxygen, so it forms not only the outer surface but also the porous structure. Even on the inner surface of the hole, it could be strongly bonded to the organic functional material.

このような本発明のメソポーラス粉末の性質を生かした発明2、3、4の金属イオンセンサーとそれを用いた検出方法では、金属イオンの吸着の為になされる被検出液のpH調整に対しても、プローブが脱落したり、メソ構造が崩壊するようなことがないので、吸着した金属イオンを除去することで繰返し使用できるようになった。
また、被検出液のpH調整により、吸着する金属イオンを変更できることから、各種の金属イオンを検出できるものでもある。
In the metal ion sensors of the inventions 2, 3, and 4 that make use of the properties of the mesoporous powder of the present invention and the detection method using the same, the pH adjustment of the liquid to be detected that is performed for the adsorption of metal ions is performed. However, since the probe does not fall off or the mesostructure does not collapse, it can be used repeatedly by removing the adsorbed metal ions.
Moreover, since the metal ions to be adsorbed can be changed by adjusting the pH of the liquid to be detected, various metal ions can be detected.

さらに、発明5,6,7に示すように、発明1のメソポーラス粉末を用いた吸着材を、被処理液からの金属回収手段として用いた場合にも、回収後の吸着材を繰返し用いることができるとともに、同じ吸着材を異なる金属イオンの回収に用いることができる。 Further, as shown in Inventions 5, 6, and 7, when the adsorbent using the mesoporous powder of Invention 1 is used as a means for recovering metal from the liquid to be treated, the recovered adsorbent can be used repeatedly. And the same adsorbent can be used to recover different metal ions.

異なるSi/Al比率 での19 (20−01−01), 9 (20−02−01), 4 (20−03−01), 2.3 (20−04−01),1.5 (20−05−01), 及び 1.0 (20−06−01),でのXRD(X線解析)によるcubic Im3m aluminosilicate nanocomposites.19 (20-01-01), 9 (20-02-01), 4 (20-03-01), 2.3 (20-04-01), 1.5 (20 at different Si / Al ratios -05-01), and 1.0 (20-06-01), Cubic Im3aluminosilicate nanocomposites. By XRD (X-ray analysis). Wide−Angle XRD patterns of metal/silica nanocomposites with different space groups of P6mm (01), Pm3n (02), Fm3m (03), Fd3m (04), Ia3d (05), and Im3m (06), and composition Si/M ratios of 2.33 (04), respectively.Wide-Angle XRD patterns of metal / silica nanocomposites with differential space groups of P6mm (01), Pm3n (02), Fm3m (03), Fd3m (04), 053, M ratios of 2.33 (04), respectably. 異なるSi/Al比率19 (20−01−01), 9 (20−02−01), 4 (20−03−01), 2.3 (20−04−01),1.5 (20−05−01), and 1.0 (20−06−01),でのN2 isothermal patterns of 3−dimensional cubic Im3m aluminosilicate nanocomposites のN2等温パターンDifferent Si / Al ratios 19 (20-01-01), 9 (20-02-01), 4 (20-03-01), 2.3 (20-04--01), 1.5 (20-05 -01), and 1.0 (20-06-01), N2 isothermal patterns of 3-dimensional cubic Im3aluminosilicate nanocomposites Al/Si 比率9、 H2DSPy (21−02)、TMPyP (22−02)プローブの追加により製造されたCubic Im3m Al/silica nanocomposite sensors のHRTEM 画像および FTD (inserts) パターンTEM、 FTD画像は [111] (A) および [110] (B)ゾーン軸にて記録された。HRTEM image and FTD (inserts) pattern TEM, FTD image of Cubic Im3m Al / silica nanocomposite sensors manufactured by addition of Al / Si ratio 9, H2DSPy (21-02), TMPyP (22-02) probe [111] (A) and [110] (B) Recorded on the zone axis. Al/Si 比率9、 H2DSPy (21−02)、TMPyP (22−02)、DZC (23−02)プローブの追加により製造されたCubic Im3m Al/silica nanocomposite sensors のXRD patterns パターンXRD pattern pattern of Cubic Im3m Al / silica nanocomposite sensors manufactured by addition of Al / Si ratio 9, H2DSPy (21-02), TMPyP (22-02), DZC (23-02) probes Al/Si 比率9、 H2DSPy (21−01)、TMPyP (22−01)、DZC (23−01)プローブの追加により製造されたCubic Im3m Al/silica nanocomposite センサー のN2等温線 パターンN2 isotherm pattern of Cubic Im3m Al / silica nanocomposite sensor manufactured with addition of Al / Si ratio 9, H2DSPy (21-01), TMPyP (22-01), DZC (23-01) probes H2DSPy , TMPyP and DZC −immobilized aluminosilica (Al/HOM−1) monoliths (20−02−01)を使ったpH値機能としてのマルチ金属検出のシグナル反応Multi-metal detection signal reaction as a pH function using H2DSPy, TMPyP and DZC-immobilized aluminosica (Al / HOM-1) monoliths (20-02-01) M/HOM/DZC センサーの色変化Color change of M / HOM / DZC sensor 可視センシング環境(例:pH of 5, R > 90 sec. sensor amount of 4 mg, volume of 10 ml、温度25 C)でのCu(II) [26−02] イオン分析認識中の[22−02] センサーのUV/Vis reflectance spectroscopic反応のconcentration−dependent変化イラストレーションCu (II) in a visible sensing environment (eg, pH of 5, R t > 90 sec. Sensoramount of 4 mg, volume of 10 ml, temperature 25 ° C) [26-02] [22-02] during ion analysis recognition -02] Concentration-dependent change illustration of UV / Vis reflectance spectroscopic reaction of sensor 可視センシング環境(例:pH of 11, R > 120 sec, sensor amount of 4 mg, volume of 10 ml、温度25 C)でのHg(II) [28−02]イオン分析認識中の[22−02] センサーでのUV/Vis reflectance spectroscopic反応のconcentration−dependent変化イラストレーションHg (II) [28-02] during ion analysis recognition in a visible sensing environment (eg, pH of 11, R t > 120 sec, sensoramount of 4 mg, volume of 10 ml, temperature 25 ° C) -02] Concentration-dependent change illustration of UV / Vis reflectance spectroscopic reaction at sensor Illustration of concentration−dependent changes in UV/Vis reflectance spectroscopic responses of [23−02] sensor during the recognition of Hg(II) analyte ions [33−02] at optimal sensing conditions (such as pH of 11, R > 20 sec., sensor amount of 4 mg, volume of 10 ml and temperature of 25 C)Illustration of concentration-dependent changes in UV / Vis reflectance spectroscopic responses of [23-02] sensor during the recognition of Hg (II) analyte ions [33-02] at optimal sensing conditions (such as pH of 11, R t> 20 sec., sensoramount of 4 mg, volume of 10 ml and temperature of 25 o C) カリブレーションカーブ (A−Ao& [Cu(II)]濃度, where Ao and Ac is the absorbance of TMPyP−probe and [Cu−TMPyP]n+ complex at λ= 552 nm) of optical sensor (22−02) during the recognition of Cu(II) ion (in the absence of interferences, see the black curve) and in the addition of interfered cations (see the red curve). The inlet in graph shows the amplification for the low−limit colorimetric response for Cu(II) ions (experimental data). The graph was represented by a linear fit line in the linear concentration range before saturation. エラーバーは10回の繰り返し分析データの 1−5 %の標準公差を意味する。[Table26−02 参照]Calibration curve (A-Ao & [Cu (II)] concentration, where Ao and Acid the balance of TMPyP-probe and [Cu-TMPyP] n + complex at λ = 552 nm) of optical 02 recognition of Cu (II) ion (in the absolute of interference, see the black curve) and in the addition of interfered rations (see the red curves). The inlet in the graphs the amplification for the low-limit colorimetric response for Cu (II) ions (experimental data). The graph was represented by a linear fit line in the linear contention range before saturation. Error bars represent standard tolerances of 1-5% of 10 replicate analysis data. [See Table 26-02] 実施例3の金属回収システムを示す工程図である。It is process drawing which shows the metal collection | recovery system of Example 3.

本発明は、メソポーラス粉末に関し、シリカメソポーラス粉末の弱点である、強度とプローブとの接着性とを向上することに成功したものである。
具体的には、実施例1に示すように、金属酸化物とシリカとが混合したメソポーラス粉末を実現したことによる。
シリカだけだとシリカの物性からアモルファスの中に目的とする安定なメゾポーラス層しか得られない、しかし金属を入れる事により全体が規則的で安定な構造を持つ事となる。
下記実施例に示した金属元素及びその酸化物の他に、遷移金属元素、半金属類、典型金属領域の酸化物などが所要可能である。
質量比においてシリコン元素1に対して金属元素が0.05〜4、好ましくは0.1〜4とするのが望ましい。
金属とシリカとの混合は、一方に対して他方が1/3以下になると、混合物における少ないほうの元素の性状が著しく低下するとされている。
このことからすれば、本願発明は、金属とシリカの両性状を維持したモノリスを必要とするので、上記のような相対比を維持して構成するのが妥当と考えられる。
具体的には、金属元素が三分の一以下(参照:三分の一の法則)と希薄になると機能的な点(秩序だったポア孔構造や表面面積やポアボリュームの質を下げてしまうがフレームワークは保たれる。)では効果は減少する。また逆の場合にも、シリカの性状が滅失して、フレームワークが低下する。
The present invention relates to a mesoporous powder and succeeds in improving strength and adhesion to a probe, which are weak points of silica mesoporous powder.
Specifically, as shown in Example 1, a mesoporous powder in which a metal oxide and silica were mixed was realized.
If only silica is used, only the desired stable mesoporous layer can be obtained in the amorphous due to the physical properties of silica. However, by adding metal, the whole has a regular and stable structure.
In addition to the metal elements and oxides thereof shown in the following examples, transition metal elements, metalloids, oxides in typical metal regions, and the like can be required.
It is desirable that the metal element is 0.05 to 4, preferably 0.1 to 4, with respect to the silicon element 1 in terms of mass ratio.
In the mixing of metal and silica, when one is less than 1/3 of the other, the properties of the smaller element in the mixture are markedly reduced.
In view of this, the present invention requires a monolith that maintains both the properties of the metal and silica, so it is considered appropriate to maintain the relative ratio as described above.
Specifically, when metal elements are diluted to less than one-third (refer to the law of one-third), functional points (ordered pore structure, surface area, and pore volume are degraded. But the framework is preserved). In the opposite case, the properties of silica are lost and the framework is lowered.

本発明の金属含有メソポーラスシリカを製造する場合に、それに用いる界面活性剤としてはBrij−type (CEO)「例えば、Brji 56, Brji76, Brji97,CnTMA−B or−C,P123 F108」が最も有効である。
当該界面活性剤を用いることで、Hexagon cubic孔等のメゾポーラス構造を、ナノスケールレベルで形成し、M/HOM構造の広面積の形成を助ける。
In the production of the metal-containing mesoporous silica of the present invention, the surfactant used in the production is Brij-type (C x EO y ) “for example, Brji 56, Brji 76, Brji 97, CnTMA-B or-C, P123 F108”. Most effective.
By using the surfactant, a mesoporous structure such as a hexagonal cubic hole is formed at the nanoscale level, and helps to form a large area of the M / HOM structure.

アルカンは、その基礎構造を鋳型に作ってその周りに目的原子をつけ、規則的な組織構造をつくるためのものである。
規則的な組織構造が得難い原料であっても、当該方法を用いることで規則的な組織構造のモノリストとすることができる。
このような金属含有メソポーラスシリカは、液中の金属イオンを吸着する因子を持つ有機プローブとの接着が、容易であるのみならず、一旦接着すると、その接着が電子構造によるものであるから、投入された液中のpH等の変動によっても容易には分離しない。
この機能は、下記実施例2、3に示すセンサーや金属イオン回収用吸着材として用いるときの繰返し使用を容易にする要因となっている。
Alkanes are used to create a regular organization structure by making the basic structure as a template and attaching target atoms around it.
Even if it is a raw material from which a regular organization structure is difficult to obtain, it can be made into a monolist of a regular organization structure by using the method.
Such metal-containing mesoporous silica is not only easy to bond with organic probes having a factor that adsorbs metal ions in the liquid, but once bonded, the bond is due to the electronic structure. It is not easily separated even by fluctuations in pH or the like in the liquid.
This function is a factor that facilitates repeated use when used as a sensor or an adsorbent for metal ion recovery shown in Examples 2 and 3 below.

特に、液中のpHの違いにより吸着する金属イオンが異なるプローブを用いて、その提色機能により可視的に金属イオン濃度を検査する為のセンサーとして用いた場合は、含有金属イオンが不明な場合でも、pHを変えて、繰返し使用することができるようになる。
さらに、実施例3で示すような液中の金属イオン回収に当たっては、金属イオン吸着材として用いた場合は、吸着材の使用料を軽減し、二次公害の発生の虞を軽減できる。また、その吸着材の構成材料が、回収液中に溶出するようなこともないので、回収液には、所定の金属イオンが存在する極めて高純度の金属回収が可能となるものである。
In particular, when using a probe with different metal ions adsorbed due to the difference in pH in the liquid and using it as a sensor to visually inspect the metal ion concentration by its coloration function, the contained metal ions are unknown However, it can be used repeatedly by changing the pH.
Furthermore, when recovering metal ions in the liquid as shown in Example 3, when used as a metal ion adsorbent, the use of the adsorbent can be reduced, and the possibility of secondary pollution occurring can be reduced. Further, since the constituent material of the adsorbent does not elute into the recovery liquid, it is possible to recover extremely high purity metal in which a predetermined metal ion exists in the recovery liquid.

前記センサー及び吸着材は、メソポーラス構造を持つ担持体を利用したものである。
メソポーラス構造とは、多孔質構造の1種であり、均一で高度に秩序化した大きさと形状を有する多数の細孔(メソ孔)よりなることをいう。
細孔の作るネットワークの様式(空間対称性)や製造方法等によって、様々な特性を有することが知られている多孔質物質群である。また、このような構造は、メソポア領域と呼ばれる、2から50nmの領域の直径を有する細孔において生じやすいものであるが、本発明では、メソ孔よりも小さなマイクロ孔(2nm未満の細孔)やメソ孔よりも大きなマクロ孔(50nm超の細孔)を有する構造をも含んだ概念としてメソポーラス構造と表記する。
高度に秩序化したとは、立方晶や六方晶系メソポーラス構造が3次元的に表面や内壁表面に規則正しく配列した状態を言い、たとえば立方晶Ia3d、Pm3n、Im3mや六方晶P6m構造を言う。これらの構造が広範囲に存在すると、プローブとしての化合物を大量に担持することができ、全体の金属イオン吸着量を大きくすることができる。
特に、対象液体の流入を許す大きさの孔径のものでは、孔の内面にも、プローブを固定させることで、対象液体との接触及び反応面積を飛躍的に増大して、その提色及び吸着量を飛躍的に増大させることができる。
そして、このような構造を持つ多孔質担持体をM/HOM(High Ordered Mesoporous)と表記するが、本発明は、シリカに金属が含有しているので、M/HOMと表記する。
M/HOMの形態は、薄膜状形態やモノリス形態を含む。モノリス形態とは、通常薄膜以外の各種の形態、たとえば微粒子、粒子、ブロック状のもの等の形態を言う。また、M/HOMのBET比表面積は大きいほど良いが、通常500m/g以上であり、好適には800m/g以上である。
The sensor and the adsorbent use a support having a mesoporous structure.
The mesoporous structure is a kind of porous structure and means a large number of pores (mesopores) having a uniform and highly ordered size and shape.
It is a group of porous materials that are known to have various properties depending on the type of network (spatial symmetry) created by the pores, the manufacturing method, and the like. Further, such a structure is likely to occur in pores having a diameter of 2 to 50 nm called a mesopore region, but in the present invention, micropores (pores less than 2 nm) smaller than mesopores. Or a mesoporous structure as a concept including a structure having macropores (pores larger than 50 nm) larger than mesopores.
Highly ordered means a state in which cubic or hexagonal mesoporous structures are regularly arranged on the surface or inner wall surface in three dimensions, for example, cubic Ia3d, Pm3n, Im3m, or hexagonal P6m structure. When these structures are present in a wide range, a large amount of a compound as a probe can be supported, and the entire metal ion adsorption amount can be increased.
In particular, in the case of a hole diameter large enough to allow the inflow of the target liquid, fixing the probe also to the inner surface of the hole dramatically increases the contact and reaction area with the target liquid, and the coloration and adsorption thereof. The amount can be increased dramatically.
A porous carrier having such a structure is referred to as M / HOM (High Ordered Mesoporous), but in the present invention, since silica contains a metal, it is referred to as M / HOM.
The form of M / HOM includes a thin film form and a monolith form. The monolith form usually refers to various forms other than a thin film, such as fine particles, particles, block-like forms and the like. Moreover, although the BET specific surface area of M / HOM is so good that it is large, it is 500 m < 2 > / g or more normally, Preferably it is 800 m < 2 > / g or more.

本発明のセンサー及び金属イオン回収用の吸着材は、M/HOMの細孔の内面に、金属イオンの結合基を有する化合物(以下、Probeと記す。)を化学結合させたものである。
このようにすることで、M/HOMのもつ細孔の均一性により、いずれの細孔にも液が侵入するのみならず、侵入した液の中央部と前記結合基との距離も一定なので、いずれの細孔においても同様な確率で液中の金属イオンを吸着することができる。
さらに、ナノレベルの直径であると、液中の金属イオンの全てが前記結合基と接触させることも期待でき、その結果、従来には不可能とされていた低濃度の含有金属イオンをも吸着することができるものである。
The sensor and the adsorbent for recovering metal ions of the present invention are those in which a compound having a metal ion binding group (hereinafter referred to as Probe) is chemically bonded to the inner surface of the M / HOM pores.
By doing so, due to the uniformity of the pores of M / HOM, not only the liquid penetrates into any pore, but also the distance between the central part of the penetrated liquid and the bonding group is constant, In any pore, metal ions in the liquid can be adsorbed with a similar probability.
Furthermore, when the diameter is at the nano level, all of the metal ions in the liquid can also be expected to come into contact with the bonding group, and as a result, it can also adsorb low concentrations of contained metal ions, which was impossible in the past. Is something that can be done.

また、M/HOMと前記Probeとが上記のように結合して一体化していることより、物理的な力が加わってもM/HOMから前記化合物が容易には離脱せず、その結合に影響しない化学処理により、吸着した金属イオンを離脱させることで、金属イオンのみを回収できる。
つまり、吸着材成分を混入させずに金属イオンを回収することが可能になった。
また、このようにして金属イオンを離脱させた吸着材は、使用前の状態に戻ることを意味するので、これを再度利用して、金属イオンを吸着することに何ら支障はない。
In addition, since the M / HOM and the Probe are combined and integrated as described above, even if a physical force is applied, the compound is not easily detached from the M / HOM and affects the binding. Only the metal ions can be recovered by releasing the adsorbed metal ions by the chemical treatment that is not performed.
That is, metal ions can be recovered without mixing adsorbent components.
Moreover, since the adsorbent from which the metal ions have been released in this manner means that the adsorbent is returned to the state before use, there is no problem in adsorbing the metal ions by using this again.

前記Probeとしては、回収目標の金属イオンを吸着できる結合基を有し、前記M/HOM内面と前記のように結合することができるものであれば使用可能である。
たとえば、各種の金属に対して選択的に結合するキレート化合物が挙げられる。具体的には、エチレンジアミン4酢酸(EDTA:C10H16N2O8)はCa2+、Cu2+、Fe3+などを選択的に吸着する。ジチゾン(Cu、Zn、Ag、Hg、Pb)、クペロン(Ti、Fe、Cu)、キナルジ酸(Cu、Zn、Cd)、α−ニトロソ−β−ナフトール(Co、Pd)、ジメチルグリオキシム(Ni、Pd)がある。またキレート化合物の高分子体であるキレート樹脂のモノマー又はオリゴマーとして、たとえば、カルボン酸型樹脂(Cu、Ni、Zn)、ポリアミン型樹脂(Hg、Cd、Cu)、ポリイミン型(Hg)樹脂、チオール型樹脂(Ag、Hg、Au)、βジケトン型樹脂(U)、ヒドロキシル型樹脂(Mo、V)、アゾ型樹脂(Cu、La、Zr、Pd)等のモノマー又はオリゴマーが使用可能である。キトサン{(C11NO)n}も金属イオン吸着選択性(Fe、In、Ni、Cd、Zn)を持っている。(カッコ内の金属は選択的に吸着できる金属を示す。)各種の金属イオンが存在する液のpH値や温度や濃度などを調整すれば、そのProbeに特定の金属を選択的に吸着できる。また、キレート化合物は、非常に微量の(たとえば、ppbオーダー)金属を選択的に吸着することができるので、本発明の構造により、それが如何なく発揮できて、液中に含まれる目標金属イオンの量が少なくても、効率的に選択的に目標金属イオンを吸着する。
As the probe, any probe can be used as long as it has a binding group capable of adsorbing a metal ion to be collected and can bind to the inner surface of the M / HOM as described above.
For example, the chelate compound which selectively couple | bonds with various metals is mentioned. Specifically, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA: C10H16N2O8) selectively adsorbs Ca 2+ , Cu 2+ , Fe 3+, and the like. Dithizone (Cu, Zn, Ag, Hg, Pb), cuperone (Ti, Fe, Cu), quinaldic acid (Cu, Zn, Cd), α-nitroso-β-naphthol (Co, Pd), dimethylglyoxime (Ni , Pd). Further, as a monomer or oligomer of a chelate resin, which is a polymer of a chelate compound, for example, carboxylic acid type resin (Cu, Ni, Zn), polyamine type resin (Hg, Cd, Cu), polyimine type (Hg) resin, thiol Monomers or oligomers such as mold resins (Ag, Hg, Au), β-diketone resins (U), hydroxyl resins (Mo, V), azo resins (Cu, La, Zr, Pd) can be used. Chitosan {(C 6 H 11 NO 4 ) n} also has metal ion adsorption selectivity (Fe, In, Ni, Cd, Zn). (The metal in the parenthesis indicates a metal that can be selectively adsorbed.) By adjusting the pH value, temperature, concentration, etc. of the liquid in which various metal ions are present, a specific metal can be selectively adsorbed on the probe. In addition, since the chelate compound can selectively adsorb a very small amount of metal (for example, ppb order), the structure of the present invention makes it possible to exert it and the target metal ion contained in the liquid. The target metal ions are efficiently and selectively adsorbed even with a small amount of.

このようなProbeをM/HOMに結合(修飾)させる方法(複合化法とも呼ぶ)として種々の方法が挙げられる。たとえば、M/HOMに保持されるべきProbeが中性である場合には、試薬含浸法(REACTIVE & FUNCTIONAL POLYMERS、49、189(2001)など)が、陰イオン性である場合には、陽イオン交換法、陽イオン性である場合には陰イオン交換法が用いられる。
これらの複合化法は、特別の条件、操作ではなく、既知の一般的な技術分野に属するものである。したがって、これらの一般的な技術分野の詳細については、当該固体吸着分野に関する総説、文献などを参照することにより、容易に実施できるものである。
Various methods can be cited as a method for binding (modifying) such a probe to M / HOM (also referred to as a composite method). For example, when the probe to be held in the M / HOM is neutral, the reagent impregnation method (REACTIVE & FUNCTION POLYMERS, 49, 189 (2001), etc.) is anionic, and the cation In the case of an exchange method or cationicity, an anion exchange method is used.
These compounding methods belong to known general technical fields, not special conditions and operations. Therefore, details of these general technical fields can be easily implemented by referring to reviews, literatures, and the like regarding the solid adsorption field.

具体的には、以下のような方法が容易に実施できる。
1)M/HOMシリカを陽イオン性有機試薬(たとえば、陽イオン性シリル化剤)を用いて表面処理し、そのM/HOMシリカに陽イオン性官能基を付与し、次いで、この陽イオン性M/HOMシリカと陰イオン性Probeの水溶液やアルコール溶液とを接触させ、ProbeをM/HOMシリカ内に吸着させる方法。
2)M/HOMシリカとProbeの有機溶媒溶液とを接触させ、有機溶媒だけを取り除くことで、ProbeをM/HOMシリカ内に吸着させて担持する方法。
3)M/HOMシリカをチオール基を持つシリル化剤を用いて表面処理し、次いで、生成する表面のチオール基を酸化処理することで、そのM/HOMシリカに陰イオン性官能基を付与し、この陰イオン性M/HOMシリカと陽イオン性Probeの水溶液とを接触させ、ProbeをM/HOMシリカ内に吸着させる方法。
4)あらかじめProbeを細孔内および表面に充填した後に、これを陽イオン性有機試薬の有機溶媒溶液で処理して、Probeを細孔内および表面に固定する方法。
5)Probeと陽イオン性有機試薬をあらかじめ混合し、得られた試薬複合体の有機溶媒溶液と該シリカとを接触させ、有機溶媒だけをろ過あるいは蒸留などにより取り除くことで、Probeを該シリカ内に担持する方法。
また、Probeとして前述のNNをM/HOMに担持させるには、NNをエタノールに溶解し、この溶液とM/HOMを接触させて、M/HOMへNNを含浸させる。このようにしてNNを高密度に整然と担持したM/HOMが完成する。
Specifically, the following method can be easily implemented.
1) M / HOM silica is surface treated with a cationic organic reagent (eg, cationic silylating agent) to impart a cationic functional group to the M / HOM silica, and then the cationic A method in which M / HOM silica is contacted with an aqueous solution or an alcohol solution of an anionic probe to adsorb the probe into the M / HOM silica.
2) A method in which Probe is adsorbed and supported in M / HOM silica by contacting M / HOM silica with an organic solvent solution of Probe and removing only the organic solvent.
3) Surface treatment of M / HOM silica with a silylating agent having a thiol group, followed by oxidation treatment of the thiol group on the surface to give an anionic functional group to the M / HOM silica The method in which the anionic M / HOM silica and an aqueous solution of a cationic probe are brought into contact with each other to adsorb the probe into the M / HOM silica.
4) A method in which the probe is filled in the pores and on the surface and then treated with an organic solvent solution of a cationic organic reagent to fix the probe in the pores and on the surface.
5) A probe and a cationic organic reagent are mixed in advance, the organic solvent solution of the obtained reagent complex is brought into contact with the silica, and only the organic solvent is removed by filtration or distillation to remove the probe in the silica. Method to carry on.
In addition, in order to support the above-mentioned NN on M / HOM as a probe, NN is dissolved in ethanol, this solution is brought into contact with M / HOM, and M / HOM is impregnated with NN. In this way, an M / HOM in which NN is regularly and densely supported is completed.

また、結晶構造の秩序性が高くBET比表面積が大きいポーラス(細孔)密度の大きなM/HOMほど、多くのProbeが規則的にM/HOMの表面および細孔内壁に担持される。たとえば、好適には、立方晶構造Pm3n、Fm3m、Ia3d、六方晶構造P6mなどの構造が広範囲に形成されたM/HOMにProbeを吸着させることができる。
これは、M/HOMの孔内表面の化学的な性状が規則的であることにより、その性状に会った状態でProbeを化学結合させると、孔内表面の規則性に倣って、Probeも規則的に配列されることによる。
また、これらは、下記実施例に示すM/HOMシリカにOH基を介して結合させることができる。
Further, as the M / HOM has a larger porous (pore) density with a higher order of crystal structure and a larger BET specific surface area, more probes are regularly supported on the surface of the M / HOM and the inner walls of the pores. For example, preferably, Probe can be adsorbed to M / HOM in which structures such as cubic structures Pm3n, Fm3m, Ia3d, and hexagonal structure P6m are formed in a wide range.
This is because the chemical properties of the M / HOM inner surface of the pores are regular, and when the probe is chemically bonded in a state meeting the properties, the probe is also ordered in accordance with the regularity of the inner surface of the pores. By being ordered.
These can be bonded to M / HOM silica shown in the following examples via OH groups.

Probeのみでは、液中にて凝集することで、その内部にある金属イオン結合基と金属イオンとの接触を妨げたり、凝集内部において仮に金属イオンを吸着しても、それを分離させることが困難になる等の理由で、使用するProbeの量に比べ、さほど多くの金属イオンを回収することはできない。また、一旦吸着した金属イオンを分離することも、凝集が生じている以上、完全には困難であり、結果的には回収効率を悪くする要因となる。 With Probe alone, it is difficult to separate the metal ion binding group and the metal ion inside the liquid by preventing the contact between the metal ion binding group and the metal ion, even if the metal ion is adsorbed inside the aggregate. For this reason, it is not possible to recover so much metal ions as compared to the amount of Probe used. Also, separation of the metal ions once adsorbed is completely difficult as long as agglomeration occurs, and as a result, the recovery efficiency is deteriorated.

これに対して、本発明では、Probeの1分子ずつが金属イオン吸着に利用できる。
本発明の構造においては規則的(5nm〜25nm)な配列である為に「立体障害」(構造的ロス)は生じない。
金属イオン含有液は、メソポーラス構造の細孔へ容易に侵入していくので、M/HOMに担持されたProbe(の反応基)と容易に速く接触する。逆に吸着された金属を遊離するときも遊離成分と素早く接触し、余りなく金属イオンが遊離されることとなる。
In contrast, in the present invention, one molecule of Probe can be used for metal ion adsorption.
In the structure of the present invention, since the arrangement is regular (5 nm to 25 nm), “steric hindrance” (structural loss) does not occur.
Since the metal ion-containing liquid easily penetrates into the pores of the mesoporous structure, it easily comes into contact with Probe (reactive group) supported on M / HOM quickly. Conversely, when the adsorbed metal is liberated, it quickly comes into contact with the liberated component, and metal ions are liberated too much.

たとえば、キレート樹脂単独の場合には、キレート樹脂の表面において、表面原子がすべて有効にキレート(吸着基)を持った状態にはならず、原子的には離散的にキレートの反応端がある状態となっている。キレート樹脂のみで金属イオンを吸着する時も、キレート樹脂のどの部分につくか制御できない。また、金属イオン含有液と接触した部分のキレート官能基には金属イオンが吸着(抽出とも言う)されると予想されるが、金属イオン含有液が浸透しにくいキレート樹脂内部では金属イオンは殆ど吸着されないと考えられる。すなわち、金属イオン吸着効率が非常に悪い。
さらにキレート樹脂に吸着した金属イオンを遊離するとき(逆抽出とも言う)も、キレート樹脂内部に吸着した金属イオンを取り出すことが困難となる。このキレート樹脂を繰り返し利用したときも、キレート樹脂中の残存物等の影響により、金属イオンの吸着とその分離回収(抽出・逆抽出)の効率がどんどん悪くなり、繰り返し使用でキレート樹脂の性能が大幅に劣化してしまう。
For example, in the case of a chelate resin alone, on the surface of the chelate resin, all surface atoms do not have a chelate (adsorptive group) effectively, and there are atomically discrete chelate reaction ends. It has become. Even when a metal ion is adsorbed only by the chelating resin, it cannot be controlled which part of the chelating resin is attached. Also, metal ions are expected to be adsorbed (also referred to as extraction) to the chelate functional group in contact with the metal ion-containing liquid, but almost all metal ions are adsorbed inside the chelate resin that is difficult for the metal ion-containing liquid to penetrate. It is thought that it is not done. That is, the metal ion adsorption efficiency is very poor.
Further, when releasing metal ions adsorbed on the chelate resin (also referred to as back extraction), it becomes difficult to take out the metal ions adsorbed inside the chelate resin. Even when this chelate resin is used repeatedly, the efficiency of adsorption and separation / recovery (extraction / back-extraction) of metal ions becomes worse due to the effects of residuals in the chelate resin. It will deteriorate significantly.

本発明の吸着材(Material of adsorbs metal ion)では、このようなキレート樹脂(モノマー又はオリゴマー)を用いる場合でも、M/HOMに担持したものは、M/HOMの大きな比表面積と整列した原子配列を使って、実反応面積の大きなキレート官能基をM/HOMの表面上に形成することができる。
言い換えれば、M/HOMではキレートの反応端はほぼ同一の性状になる。しかも、従来のキレート樹脂単独では実現できないほどに、M/HOM表面および細孔内壁に多量にキレートの反応端を有する。
そのキレート官能基が金属イオンまたはキレート化したイオンを選択的に吸着するので、金属イオンの吸着効率が非常に良くなる。また、その吸着された金属イオンを逆抽出で取り出すことができる。さらに、キレート樹脂単独で使用した場合には樹脂そのものの物理的および/または化学的強度が不十分であるため、キレート樹脂の繰り返し使用による劣化が大きいが、キレート樹脂をM/HOMに担持したものは、その骨格たるM/HOMの物理的および/または化学的強度が十分であるため、繰り返し使用による劣化が小さい。
以下に本発明の実施例を例示する。
Even in the case of using such a chelating resin (monomer or oligomer), the adsorbent (Material of metals metal ion) of the present invention has an atomic arrangement aligned with the large specific surface area of M / HOM even when such a chelate resin (monomer or oligomer) is used. Can be used to form chelate functional groups with a large actual reaction area on the surface of the M / HOM.
In other words, in M / HOM, the reaction ends of the chelate have almost the same properties. Moreover, it has a chelate reaction end in a large amount on the M / HOM surface and the inner wall of the pores, which cannot be realized by a conventional chelate resin alone.
Since the chelate functional group selectively adsorbs metal ions or chelated ions, the adsorption efficiency of metal ions becomes very good. Further, the adsorbed metal ions can be extracted by back extraction. Furthermore, when the chelate resin is used alone, the physical and / or chemical strength of the resin itself is insufficient, so deterioration due to repeated use of the chelate resin is large, but the chelate resin is supported on M / HOM. Since the physical and / or chemical strength of M / HOM as a skeleton is sufficient, deterioration due to repeated use is small.
Examples of the present invention are illustrated below.

本実施例は、金属含有メソポーラスシリカ粉末の例を表1から19に示す。
その方法は以下の通りである。
界面活性剤とシリカ源及びメタル源ならびに必要に応じて、アルカン(Alkane)とを、下表に示す分量、塩酸水溶液(液中に溶解し、Tで示す反応温度の温浴槽において数分保持して溶解して、透明な溶液、すなわち均質溶液を得た。5〜10分の短時間にM/HOMを作製できる。
ドデカン等のアルカン類の付加によりメソポーラス構造のポアサイズなどを制御することができる。
このゾル−ゲル溶液にHCl水溶液(H2O/HCl」pH=1.3)を約2g素早く添加した。均質溶液の組成物ドメインにHCl酸性水溶液を付加すると、TMOSの発熱性加水分解と凝縮が速やかに起こる。この後、フラスコを真空引きしながら、450℃〜500℃(通常、470℃)で焼成すると、アルコール分が速やかに除去され、半透明のM/HOMモノリスが生成する。
以上のようにして、各表に示す、シリコン/金属比率(Si/M)となるM/HOMを合成した。
得られたM/HOMモノリスの構造は、表1から20に示す通りであった。
In this example, examples of metal-containing mesoporous silica powder are shown in Tables 1 to 19.
The method is as follows.
Surfactant, silica source and metal source, and if necessary, alkane (Alkane) in the amount shown in the following table, hydrochloric acid aqueous solution (dissolved in the solution and kept for several minutes in the hot water bath at the reaction temperature indicated by T The solution was dissolved to obtain a transparent solution, that is, a homogeneous solution, and an M / HOM can be prepared in a short time of 5 to 10 minutes.
By adding alkanes such as dodecane, the pore size of the mesoporous structure can be controlled.
About 2 g of aqueous HCl (H 2 O / HCl ”pH = 1.3) was quickly added to the sol-gel solution. Addition of an acidic aqueous HCl solution to the composition domain of a homogeneous solution results in rapid exothermic hydrolysis and condensation of TMOS. Thereafter, when the flask is evacuated and baked at 450 ° C. to 500 ° C. (usually 470 ° C.), the alcohol is quickly removed and a translucent M / HOM monolith is produced.
As described above, M / HOM having a silicon / metal ratio (Si / M) shown in each table was synthesized.
The structures of the obtained M / HOM monoliths were as shown in Tables 1 to 20.

本実施例は、前記実施例1の表20で示した、Al/HOM粒子を用いたセンサーの創製と、得られたセンサーの使用についての具体例を示す。
なお、前記実施例1に示す表1から19の示す各M/HOM粒子は、本実施例と同様にしてセンサーとすることが可能であり、また、その性能も同様なものである。
表21,22,23は、Al/HOMの異なったProbeを結合した例を示す。
M/HOMへの金属イオン吸着化合物(Probe)の担持。
M/HOMは高秩序化した細孔を持つ金属シリカ粒子であるが、このM/HOMの表面および内孔の内壁に種々の化合物を担持できる。本実施例では、目標金属イオンを選択的に吸着可能なProbeを担持させる。たとえば、ケージ状或いはシリンダー状の立方晶モノリス上にProbeを担持する場合には以下のように行う。
Probeを無水エタノールに溶解し(0.01M/l)、3.5gのM/HOMを浸漬して室温で10分間保持する。次に60℃に加熱してProbeをM/HOMに含浸させ24時間で飽和させる。固形物を水洗し、60℃で45分間乾燥して、エタノールを除去すれば、Probeを担持したセンサーを得ることができる。この操作により、Probe分子はM/HOM表面および内壁面のポア(細孔)表面に、含有された金属とProbeとが電子的結合する。
This example shows a specific example of creation of a sensor using Al / HOM particles and use of the obtained sensor shown in Table 20 of Example 1.
Each M / HOM particle shown in Tables 1 to 19 shown in Example 1 can be used as a sensor in the same manner as in this example, and the performance thereof is also the same.
Tables 21, 22, and 23 show examples in which different probes of Al / HOM are combined.
Support of metal ion adsorption compound (Probe) on M / HOM.
M / HOM is a metal silica particle having highly ordered pores, and various compounds can be supported on the surface of the M / HOM and the inner walls of the inner pores. In this embodiment, a probe capable of selectively adsorbing target metal ions is supported. For example, in the case where Probe is supported on a cage-like or cylinder-like cubic monolith, it is performed as follows.
Probe is dissolved in absolute ethanol (0.01 M / l) and 3.5 g M / HOM is immersed and held at room temperature for 10 minutes. Next, it is heated to 60 ° C. to impregnate the probe with M / HOM and saturated in 24 hours. If the solid is washed with water and dried at 60 ° C. for 45 minutes to remove ethanol, a sensor carrying Probe can be obtained. By this operation, the contained metal and Probe are electronically bonded to the M / HOM surface and the pore (pore) surface of the inner wall surface of the Probe molecule.

上記のようにして製造したセンサーを、下表のようにして使用した結果、図示のような結果を得た。
As a result of using the sensor manufactured as described above as shown in the table below, the result shown in the figure was obtained.

[0.5 ppm] Pd (II), Bi(III), Pb(II), Zn(II), Hg(II) 及び Cd(II)イオンの識別中の可視センサー分析 [(35−01), (35−02), (35−03), (35−04), (35−05), 及び (35−06)] を利用した妨害マトリックス種(interfering matrix species)への耐久限度(tolerance limit)
注: 通常センシング環境下(R, pH値 2.0, 5.0, 7.0, 9.5, 11.0, および 12.5, 温度設定25 C)でのセンサー(23−02) (Al/HOM/DZC)を利用した妨害外部イオン、電子種、複合エージェントという追加内でのそれぞれの目的金属から得られる選別性(参照: 表 29−34).

[0.5 ppm] Visible sensor analysis during discrimination of Pd (II), Bi (III), Pb (II), Zn (II), Hg (II) and Cd (II) ions [(35-01), (35-02), (35-03), (35-04), (35-05), and (35-06)] using the tolerance matrix species tolerance limit
Note: Sensor (23-02) under normal sensing environment (R t , pH value 2.0, 5.0, 7.0, 9.5, 11.0, and 12.5, temperature setting 25 ° C) ) Selectivity obtained from each target metal within the addition of interfering external ions, electron species and composite agents using (Al / HOM / DZC) (see Tables 29-34).

本実施例は、前記実施例2で示す、センサー粒子を、液中の金属イオン吸着材として用いた例を示す。
[都市鉱石からの金属イオン含有液の作成]
金属イオンの分離回収は、都市鉱石からの金属、特に希少金属の回収に有効に利用できる。
都市鉱石に含有されている金属イオンを溶出させた液を製造する方法は以下のようにすればよい。
1)携帯電話やパソコンなどから得られたCo、In、Nb等の希少金属イオンを含む材料を硝酸水溶液中に浸漬すると、Fe、Cu、Coなどの多数の金属イオン(これらも都市鉱石中に含まれる)が溶解され、また、この酸には溶解しなかった成分は固形分として残るのでこれをろ過して除去すれば、金属イオン含有液が得られる。
無論、本発明は、このようにして得られた金属イオン含有液のみならず、メッキや冶金等の工程にて排出される廃液等の、一般に金属イオンの含有濃度が高いとされている廃液の浄化においても、廃液の浄化とともに、含有される金属を回収することを可能にすることができる。
In this example, the sensor particles shown in Example 2 were used as a metal ion adsorbent in the liquid.
[Making metal ion-containing liquid from urban ore]
Separation and recovery of metal ions can be effectively used for recovery of metals, especially rare metals, from urban ores.
A method for producing a liquid from which metal ions contained in city ore are eluted may be as follows.
1) When materials containing rare metal ions such as Co, In, and Nb obtained from mobile phones and personal computers are immersed in an aqueous nitric acid solution, a large number of metal ions such as Fe, Cu, and Co (also in urban ores) Ingredients) are dissolved, and the components not dissolved in the acid remain as solids. If they are removed by filtration, a metal ion-containing liquid is obtained.
Of course, the present invention is not limited to the metal ion-containing liquid obtained in this way, but also waste liquid that is generally considered to have a high concentration of metal ions, such as the waste liquid discharged in processes such as plating and metallurgy. Also in the purification, it is possible to recover the contained metal along with the purification of the waste liquid.

図Xに示す工程図に基づき、各工程順に本発明の回収方法を以下に説明する。
第一工程
金属イオン含有液が使用する吸着材と回収する金属イオンに基づき定めたpHになるようにpH調整剤を注入する。
そして、この液に金属イオン吸着材を投入して、吸着に適当な温度に維持して、攪拌・混合することで、含有されている金属イオンの内、前記pHと吸着材により定まる種類の金属イオンのみを吸着材に吸着する。
pH調整剤としては、実施例に示すような、ProbeとM/HOMとの結合及び回収しようとする金属イオンとProbeの結合を阻害せずに、液のpHを調整できるものであれば良い。
第二工程
第一工程で金属イオンを吸着した吸着材は、前記液中で沈殿するので、ろ過装置などを使用して、吸着材と液とを分離する。
第三工程
第二工程で分離した吸着材には、金属イオンが結合しているので、これらを分離する成分(分離成分)を含有する回収液中に投入することで、吸着材に吸着されていた金属イオンは、分離されて回収液中に解放される。
この回収液の分離成分としては、実施例に示すような、ProbeとM/HOMとの結合を阻害せずに、Probeから金属イオンを分離できるものであれば良い。
第四工程
そして、この回収液から固形分である吸着材(金属イオンが離れたもの)を、濾過機等により分離する。
第五工程
第四工程により、吸着材を除いた回収液を加熱蒸発或いは真空蒸発等して液分を除去すると、金属成分が残存することとなる。
このようにして得た金属成分を溶融して、インゴット等を作成し、再利用に供することができる。
複数の金属イオンが含有されている液でも、上記のようにすることで、一種類の金属イオンを高純度で回収することが可能である。
Based on the process chart shown in FIG. X, the recovery method of the present invention will be described below in the order of each process.
In the first step, a pH adjusting agent is injected so that the pH determined based on the adsorbent used and the metal ions to be recovered is used by the metal ion-containing liquid.
A metal ion adsorbent is added to this liquid, and is maintained at a temperature suitable for adsorption, and agitated and mixed. Among the contained metal ions, the type of metal determined by the pH and the adsorbent. Only ions are adsorbed on the adsorbent.
Any pH adjuster may be used as long as it can adjust the pH of the solution without inhibiting the bond between Probe and M / HOM and the bond between the metal ion to be recovered and Probe as shown in the Examples.
Since the adsorbent adsorbing the metal ions in the second step and the first step is precipitated in the liquid, the adsorbent and the liquid are separated using a filtration device or the like.
Since the metal ions are bound to the adsorbent separated in the third step and the second step, the adsorbent is adsorbed by the adsorbent by introducing it into the recovery liquid containing the component (separation component) for separating them. The metal ions are separated and released into the recovered liquid.
As the separation component of the recovered solution, any component can be used as long as it can separate metal ions from Probe without inhibiting the binding between Probe and M / HOM, as shown in the Examples.
Fourth step Then, the adsorbent (metal ions are separated) from the recovered liquid is separated by a filter or the like.
Fifth Step When the liquid component is removed by heating or vacuum evaporation of the recovered liquid excluding the adsorbent in the fourth step, the metal component remains.
The metal component thus obtained can be melted to produce an ingot or the like, which can be reused.
Even in a liquid containing a plurality of metal ions, one kind of metal ion can be recovered with high purity by the above-described manner.

[複数の金属イオンを含有する液からの金属イオンの回収]
前記方法では、含有濃度の高い金属イオンから順次、吸着分離するのが、精度よく回収出来る。
そして、図1に示すように、第二工程で吸着材を分離した金属イオン含有液は、再度、第一工程の金属イオン含有液として使用し、残存する最も高濃度の金属イオンに適合するように、吸着材とpHを調整して、前記工程を繰り返すことで、複数の金属イオンをそれぞれ選別して高純度で回収することができるようになった。
[金属の回収]
高純度で金属を回収するには、この回収液に、他の金属イオンが予め含まれないようにするのは当然である。
この回収液を加熱して、水分を蒸発させると、金属が回収されることとなるが、この場合は、吸着材の成分は一切含まれず、また、金属イオンを分離する薬剤成分もほとんどが蒸散することより、極めて高純度の金属を得ることができた。
要は、Probe、M/HOMの材質により、前記条件を満たすものであれば使用可能である。なお、このようにすることで、吸着材は、金属イオン吸着以前の状態に戻ることとなるので、再利用が可能である。
しかし、再利用しない場合は、吸着材を燃焼して、金属を回収することも可能であるが、吸着材を構成する蒸発しない成分(Si等)が不純物成分として混入する。
以下、本発明の実施例を説明する。
[Recovery of metal ions from a liquid containing multiple metal ions]
In the above-mentioned method, it is possible to recover with high accuracy that the adsorption and separation are sequentially performed from metal ions having a high concentration.
Then, as shown in FIG. 1, the metal ion-containing liquid from which the adsorbent has been separated in the second step is used again as the metal ion-containing liquid in the first step so as to be compatible with the remaining high-concentration metal ions. In addition, by adjusting the adsorbent and pH and repeating the above steps, a plurality of metal ions can be selected and recovered with high purity.
[Metal recovery]
In order to recover the metal with high purity, it is natural that the recovered liquid does not contain other metal ions in advance.
When the recovered liquid is heated to evaporate the water, the metal is recovered, but in this case, the adsorbent component is not included at all, and most of the chemical component that separates the metal ions is evaporated. As a result, an extremely high purity metal could be obtained.
In short, any material that satisfies the above conditions can be used depending on the materials of Probe and M / HOM. By doing so, the adsorbent returns to the state before the metal ion adsorption, and can be reused.
However, if not reused, it is possible to burn the adsorbent and recover the metal, but components (such as Si) that constitute the adsorbent are not mixed as impurity components.
Examples of the present invention will be described below.

[吸着材の再使用]
図1に示すように、第四工程で分離した吸着材は、金属イオンが分離して無くなり、使用前の状態に戻っている。そのため、これを第一工程で液中に投入する吸着材として指定使用するのに何ら困難はない。
そのことは、下記実施例における繰返し使用によるデータからも明らかである。
[Reuse of adsorbent]
As shown in FIG. 1, the adsorbent separated in the fourth step disappears due to separation of metal ions, and returns to the state before use. Therefore, it is not difficult to designate and use this as an adsorbent to be introduced into the liquid in the first step.
This is apparent from data obtained by repeated use in the following examples.

[測定方法等の説明]
なお、以下の実施例において用いる各種の記号について、説明する。
各表又は図面において、特別な説明が無い限り、これを用いる。
各実施例において、特性その他の数値は、それぞれ以下のようにして求めた数値である。
「Q」はプローブの飽和吸着能力(mmol/g)
プローブの飽和時の飽和吸着力は、以下の計算式で求められる。 Q = (C−C) V/m、Q は飽和時tの吸着量、Vは溶液量(L)、 mはM/HOMキャリア(g)の質量(mass)、C 及び Cは初期濃度と飽和時の濃度
「Rt」はプローブの応答時間(sec)
Rtは、金属イオンの吸着によりプローブの色や紫外光・可視光吸収スペクトルが継続的に変化するのを観測することで得られた数値であり、応答時間という。
実施例では、UV−Vis スペクトロメーター検出値を用いた。
「D」検出限界(mol dm−3
プローブの金属イオンの検出限界値は、異なった濃度の2価のCoでλmax が534 nm値で測定されたプローブのスペクトラ吸収(A−Ao)のカリブレーション測定結果を示す、X軸=2価のCo、Y軸=A、Ao)としたグラフにて示されたリニア部分から算出された値である。
具体的には、D=k/mの計算式によるものであり、検出値決定時k=3の場合、S はブランクの標準偏差、m はリニア域でのカリブレーショングラフの勾配をさす。
「L」定量化の限界係数(mol dm−3
プローブの金属イオンの検出限界値は、異なった濃度の2価のCoでλmax が534 nm値で測定されたプローブのスペクトラ吸収(A−Ao)のカリブレーション測定結果を示す、(X軸=2価のCo、Y軸=A、Ao)としたグラフにて示されたリニア部分から算出された値である。
具体的には、L=k/mの計算式によるものであり、検出値の決定時k=10の場合、S はブランクの標準偏差、m はリニア域でのカリブレーショングラフの勾配をさす。
「D」イオン拡散係数( cm.min−1
ナノサイズのポーラス材料への金属イオンの移動速度を示すイオン拡散係数( cm.min−1)は、以下の式を使って計算される。
D= 0.03 r/t1/2
rはナノ吸着剤の直径(Dp)の半分、
1/2 は反応信号時間Rtの半分
「Log Ks」金属イオン配位子安定度定数
特定のpH値での複合[metal−receptor] n+安定度定数(log K) は、以下の式で算出ができる。
log K = [ML]/[L] × [M]
式中
[ML]は、金属イオン結合子(リガント)の全数。
[M]は、金属イオンと結合していないキレートの濃度、[L]は、プローブの金属イオン結合子(リガント)の金属と結合していないものの濃度。
Sは固形段階の(Metal complex and ligand)合計濃度をさしている。
「D」紫外線分光スペクトルから求められた最大および最低濃度の検出範囲(mol dm−3
「No*」繰り返し回数
吸着材の使用回数を示し、1は初回の使用を、2以上が再使用となる。
「効率性(E)」吸着剤設計の効率性(%)
吸着材の再利用は、一旦吸着した金属イオンを吸着材の構造や性質に大きな変化を生じさせずに離脱させることに成功したことによる。
このことを数値として表わすために、No*がn回目の吸着材の応答時間(Rtn)が、初回の応答時間(Rt1)に比べどのように変化したのかを効率性(E)として示した。その計算式は以下の通りである。
E= Rtn/Rt1(%)
「(S)」金属イオンと吸着材のモル比
S=金属イオンのモル数/[M− receptor]n+のモル数
BETはBET比表面積
窒素吸着法によって求められたBET法比表面積
Dpはポア(細孔)サイズ(nm)
BJH法によって計算される中心細孔径
Vpはポア容積(cm/g)
前記SBET とDp及びポア形状から求められた容積
「a*」
Pm3n、 Ia3d and Im3mキュービック単位格子係数(nm) は、以下の様に算出される。
(aPm3n= d210√5、 aIa3d= d211√6、 and aIm3m= d110√2)、 dはhkl回折指数間の空間距離(distance spacing)である。
[Explanation of measurement methods]
Various symbols used in the following examples will be described.
This is used in each table or drawing unless otherwise specified.
In each example, the characteristics and other numerical values are numerical values obtained as follows.
“Q” is the saturated adsorption capacity of the probe (mmol / g)
The saturated adsorption force at the time of saturation of the probe can be obtained by the following calculation formula. Q t = (C o −C t ) V / m, Q t is the adsorption amount at the time of saturation t, V is the amount of solution (L), m is the mass (mass) of M / HOM carrier (g), C o and Ct is initial concentration and saturated concentration “Rt” is probe response time (sec)
Rt is a numerical value obtained by observing that the color of the probe and the ultraviolet light / visible light absorption spectrum continuously change due to the adsorption of metal ions, and is called a response time.
In the examples, UV-Vis spectrometer detection values were used.
“D L ” detection limit (mol dm −3 )
The detection limit value of the metal ion of the probe shows the calibration measurement result of the spectral absorption (A-Ao) of the probe measured at λ max of 534 nm with divalent Co at different concentrations, X axis = 2 It is a value calculated from the linear part shown in the graph with the value Co, Y axis = A, Ao).
Specifically, this is based on the calculation formula of D L = k 1 S b / m. When k 1 = 3 at the time of detection value determination, S b is the standard deviation of the blank, and m is the calibration graph in the linear region. The slope of
“L Q ” Quantification Limit Factor (mol dm −3 )
The detection limit value of the metal ion of the probe shows the calibration measurement result of the spectral absorption (A-Ao) of the probe measured at λ max of 534 nm with divalent Co at different concentrations (X axis = It is a value calculated from the linear portion shown in the graph with a bivalent Co, Y axis = A, Ao).
Specifically, it is based on the calculation formula of L Q D L = k 2 S b / m. When k 2 = 10 when the detection value is determined, S b is the standard deviation of the blank, and m is the linear range. Indicates the slope of the calibration graph.
“D” ion diffusion coefficient (cm 2 .min −1 )
The ion diffusion coefficient (cm 2 .min −1 ) indicating the migration rate of metal ions to the nano-sized porous material is calculated using the following equation.
D = 0.03 r 2 / t 1/2
r is half the diameter (Dp) of the nanoadsorbent,
t 1/2 is half of the reaction signal time Rt “Log Ks” metal ion ligand stability constant The composite [metal-receptor] n + stability constant (log K s ) at a specific pH value is given by Calculation is possible.
log K s = [ML] S / [L] S × [M]
In the formula, [ML] is the total number of metal ion binders (ligant).
[M] is the concentration of the chelate that is not bound to the metal ion, and [L] is the concentration of the chelate that is not bound to the metal of the metal ion binder (ligant) of the probe.
S refers to the total concentration of the metal complex and ligand.
Detection range of maximum and minimum concentrations determined from “D R ” ultraviolet spectrum (mol dm −3 )
“No *” repetition count Indicates the number of times the adsorbent is used, where 1 is the first use and 2 or more is the reuse.
"Efficiency (E)" Efficiency of adsorbent design (%)
The reuse of the adsorbent is due to the successful removal of the metal ions once adsorbed without causing a significant change in the structure and properties of the adsorbent.
In order to express this as a numerical value, No * indicates how the response time (R tn ) of the n-th adsorbent changed as compared to the initial response time (R t1 ) as efficiency (E). It was. The calculation formula is as follows.
E = R tn / R t1 (%)
“(S)” Molar ratio of metal ion to adsorbent S = number of moles of metal ion / [M−receptor] number of moles of n + S BET is the BET specific surface area Dp determined by the BET specific surface area nitrogen adsorption method. (Pore) size (nm)
The central pore diameter Vp calculated by the BJH method is the pore volume (cm 3 / g)
Volume “a *” obtained from S BET , Dp and pore shape
Pm3n, Ia3d and Im3m cubic unit cell coefficients (nm) are calculated as follows.
(A Pm3n = d 210 √5, a Ia3d = d 211 √6, and a Im3m = d 110 √2), d is the spatial distance (distance spacing) between hkl diffraction index.

Claims (7)

規則的な配列を持って多孔質化されているメソポーラス粉末であって、シリカと金属酸化物とからなることを特徴とするメソポーラス粉末。 A mesoporous powder that has a regular arrangement and is porous, and is composed of silica and a metal oxide. 液中に含有された金属イオンを吸着して提色するプローブがメソポーラス粉末に保持されてなる金属イオンセンサーであって、前記メソポーラス粉末が請求項1に記載のメソポーラス粉末であることを特徴とする金属イオンセンサー。 A metal ion sensor in which a probe that adsorbs and colors a metal ion contained in a liquid is held in a mesoporous powder, wherein the mesoporous powder is the mesoporous powder according to claim 1. Metal ion sensor. 液中に含有された金属イオンの種類と濃度とを検出する金属イオン検出方法であって、請求項2に記載の金属イオンセンサーを、検出する金属イオンとそのプローブの種類に適合したpHに調整した被検出液中に所定量投入し、金属イオン固有の提色の有無及び濃度を検出することを特徴とする金属イオン検出方法。 A metal ion detection method for detecting the type and concentration of metal ions contained in a liquid, wherein the metal ion sensor according to claim 2 is adjusted to a pH suitable for the types of metal ions to be detected and their probes. A metal ion detection method, wherein a predetermined amount is introduced into the liquid to be detected, and the presence and concentration of a color specific to metal ions is detected. 請求項3に記載の金属イオン検出方法において、濃度検出に使用した金属イオンセンサーを被検出液から分離回収し、当該センサーに吸着された金属イオンを除去して再生することを特徴とする金属イオン検出方法。 The metal ion detection method according to claim 3, wherein the metal ion sensor used for concentration detection is separated and recovered from the liquid to be detected, and the metal ions adsorbed on the sensor are removed and regenerated. Detection method. 被処理液中に含有された金属イオンを吸着し、前記被処理液から金属イオンを分離して回収する為に用いる金属イオン吸着材であって、請求項1に記載のメソポーラス粉末の表面に、金属イオン吸着基を持つプルーブを固定したことを特徴とする金属イオン吸着材。 A metal ion adsorbent used for adsorbing metal ions contained in a liquid to be treated and separating and recovering metal ions from the liquid to be treated, wherein the mesoporous powder surface according to claim 1, A metal ion adsorbent characterized by fixing a probe having a metal ion adsorbing group. 金属イオンを含有する液から金属を回収する金属回収方法であって、除去する金属イオンの吸着に適したpHに調整した被処理液中に請求項5に記載の金属イオン吸着材を投入し、前記被処理液中の所望の金属イオンを前記金属イオン吸着材に吸着させ、当該吸着材を前記被処理液から分離し、分離した吸着材から回収液中に金属イオンを移動させ、金属イオンが分離された吸着材を前記回収液から分離し、前記回収液を蒸発させて、金属を回収することを特徴とする金属回収方法。 A metal recovery method for recovering a metal from a liquid containing metal ions, wherein the metal ion adsorbent according to claim 5 is introduced into a liquid to be treated adjusted to a pH suitable for adsorption of metal ions to be removed, Desired metal ions in the liquid to be treated are adsorbed to the metal ion adsorbent, the adsorbent is separated from the liquid to be treated, metal ions are moved from the separated adsorbent into the recovery liquid, and metal ions are A metal recovery method, wherein the separated adsorbent is separated from the recovered liquid, and the recovered liquid is evaporated to recover the metal. 請求項6に記載の金属回収方法において、回収液から分離した吸着材を再使用することを特徴とする金属回収方法。 The metal recovery method according to claim 6, wherein the adsorbent separated from the recovery liquid is reused.
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