JP2013216967A - コバルト抽出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】マンガンを高濃度に含む酸性溶液からコバルトを選択的に抽出する。
【解決手段】本発明のコバルト抽出方法は、マンガン及びコバルトを含有する酸性溶液を、下記一般式で表されるアミド誘導体からなる有価金属抽出剤による溶媒抽出に付し、上記酸性溶液から上記コバルトを抽出する。有価金属抽出剤は下記一般式で表される。式中、R及びRは、それぞれ同一又は別異のアルキル基を示し、Rは水素原子又はアルキル基を示し、Rは水素原子、又はアミノ酸としてα炭素に結合される、アミノ基以外の任意の基を示す。下記一般式は、グリシン単位、ヒスチジン単位、リジン単位、アスパラギン酸単位又はノルマル−メチルグリシン単位を有することが好ましい。酸性溶液のpHは3.5以上5.5以下であることが好ましい。
Figure 2013216967

【選択図】なし

Description

本発明は、コバルト抽出方法に関する。
コバルトや希土類金属は、有価金属として知られ、産業で様々な用途として用いられている。コバルトは、二次電池の正極材のほか、航空機のジェットエンジン等に使用されるスーパーアロイ(高強度耐熱合金)等で用いられている。希土類金属は、蛍光体材料、ニッケル水素電池の負極材、モーターに搭載される磁石の添加剤、液晶パネルやハードディスクドライブに使用されるガラス基板の研磨剤等に用いられている。
近年、省エネルギーが強く推進されており、自動車業界においては、従来のガソリン車から、コバルトや希土類金属を使用した二次電池を搭載したハイブリッド車や電気自動車への移行が急速に進んでいる。また、照明器具においては、従来の蛍光管から、ランタン、セリウム、イットリウム、テルビウム及びユーロピウムといった希土類金属を使用した効率の良い三波長蛍光管への移行が急速に進んでいる。上記のコバルトや希土類金属は希少資源であり、そのほとんどを輸入に頼っている。
しかし、アナログ放送用のブラウン管テレビの蛍光体には、イットリウム、ユーロピウムが用いられていたものの、近年では、液晶テレビへの移行に伴い、大量のブラウン管が使用済み製品として廃棄されている。また、二次電池や三波長蛍光管等の急速に普及している製品も将来的には使用済み製品として大量に廃棄物になることが容易に予想できる。このように、希少資源であるコバルトや希土類金属を使用済み製品からリサイクルせずに廃棄物にすることは資源節約や資源セキュリティーの観点から好ましくない。最近ではこのような使用済み製品からコバルトや希土類金属といった有価金属を効果的に回収する方法を確立することが強く望まれている。
<二次電池からのコバルトの回収>
ところで、上記の二次電池として、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等が挙げられ、これらの正極剤には、希少金属であるコバルトの他にマンガンが使用されている。そして、リチウムイオン電池の正極材においては、高価なコバルトに替わって安価なマンガンの比率を高くする傾向にある。最近では使用済み電池から有価金属の回収が試みられており、回収法の一つとして使用済み電池を炉に投入して溶解させ、メタルとスラグに分離してメタルを回収する乾式法がある。しかし、この方法ではマンガンはスラグに移行するため、コバルトのみしか回収できない。
その他、使用済み電池を酸に溶解して沈澱法、溶媒抽出法、電解採取等の分離方法を用いて金属を回収する湿式法も知られている。例えば、沈澱法では、コバルトとマンガンを含む溶液のpHを調整し、硫化剤を添加してコバルトの硫化澱物を得る方法や酸化剤を添加することでマンガンの酸化物澱物を得る方法が知られている(特許文献1参照)。しかし、この方法では、共沈が発生する等の課題があり、コバルトとマンガンとを完全に分離することは難しい。
また、電解採取法によってコバルトをメタルとして回収しようとした場合、高濃度のマンガンが存在する系では陽極表面にマンガン酸化物が析出し、陽極の劣化が促進されることが知られている。また、特有の着色した微細なマンガン酸化物が電解液中に浮遊し、電解採取で使用する濾布の目詰まりや、マンガン酸化物によるコバルトメタルの汚染を生じる等、安定した操業が難しい。
また、溶媒抽出法を用いてコバルトを回収しようとした場合、酸性抽出剤が広く用いられている。しかし、前述したように、最近ではリチウムイオン電池の正極剤に多くのマンガンが使用されていることから、電池の溶解液は高濃度のマンガンが存在し、このような系からコバルトを選択的かつ効果的に抽出する効果的な抽出剤は無い状況である。
使用済み電池のリサイクルの他、現在コバルトを生産するために行われているコバルト製錬では原料がニッケル酸化鉱等のニッケル鉱石であるが、ニッケル酸化鉱にはコバルトに比してマンガンの比率が高く、その存在比率はコバルトの5〜10倍程度であり、コバルトを製錬するにあたり、マンガンとの分離は大きな課題となっている。
特開2000−234130号公報
K. Shimojo, H. Naganawa, J. Noro, F. Kubota and M. Goto; Extraction behavior and separation of lanthanides with a diglycol amic acid derivative and a nitrogen-donor ligand; Anal. Sci., 23, 1427-30, 2007 Dec.
本発明は、マンガンを高濃度に含む酸性溶液からコバルトを選択的に抽出する方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記一般式(I)で表されるアミド誘導体からなる有価金属抽出剤を用いることで上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明では、以下のようなものを提供する。
(1)本発明は、マンガン及びコバルトを含有する酸性溶液を、下記一般式(I)で表されるアミド誘導体からなる有価金属抽出剤による溶媒抽出に付し、前記酸性溶液から前記コバルトを抽出するコバルト抽出方法である。
Figure 2013216967
(式中、R及びRは、それぞれ同一又は別異のアルキル基を示す。アルキル基は直鎖でも分鎖でも良い。Rは水素原子又はアルキル基を示す。Rは水素原子、又はアミノ酸としてα炭素に結合される、アミノ基以外の任意の基を示す。)
(2)また、本発明は、前記アミド誘導体がグリシンアミド誘導体、ヒスチジンアミド誘導体、リジンアミド誘導体、アスパラギン酸アミド誘導体及びノルマル−メチルグリシン誘導体のいずれか1以上である、(1)に記載のコバルト抽出方法である。
(3)また、本発明は、前記酸性溶液のpHを3.5以上5.5以下の範囲に調整しながら前記酸性溶液を前記溶媒抽出に付す、(1)又は(2)に記載のコバルト抽出方法である。
本発明によれば、マンガンを高濃度に含む酸性溶液からコバルトを選択的に抽出できる。
実施例1で合成されたグリシンアミド誘導体のH−NMRスペクトルを示す図である。 実施例1で合成されたグリシンアミド誘導体の13C−NMRスペクトルを示す図である。 実施例1の有価金属抽出剤を用いて、コバルト及びマンガンを含む酸性溶液からコバルトを抽出したときの結果を示す。 実施例2の有価金属抽出剤を用いて、コバルト及びマンガンを含む酸性溶液からコバルトを抽出したときの結果を示す。 実施例3の有価金属抽出剤を用いて、コバルト及びマンガンを含む酸性溶液からコバルトを抽出したときの結果を示す。 比較例1の有価金属抽出剤を用いて、コバルト及びマンガンを含む酸性溶液からコバルトを抽出したときの結果を示す。
以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
<コバルト抽出方法>
本発明のコバルト抽出方法は、下記一般式(I)で表されるアミド誘導体からなる有価金属抽出剤による溶媒抽出に付し、前記酸性溶液から前記コバルトを抽出する。
Figure 2013216967
式中、置換基R及びRは、それぞれ同一又は別異のアルキル基を示す。アルキル基は直鎖でも分鎖でも良い。Rは水素原子又はアルキル基を示す。Rは水素原子、又はアミノ酸としてα炭素に結合される、アミノ基以外の任意の基を示す。本発明ではアミドの骨格にアルキル基を導入することによって、親油性を高め、抽出剤として用いることができる。
上記アミド誘導体は、グリシンアミド誘導体、ヒスチジンアミド誘導体、リジンアミド誘導体、アスパラギン酸アミド誘導体及びノルマル−メチルグリシン誘導体のいずれか1以上である。アミド誘導体がグリシンアミド誘導体である場合、上記のグリシンアミド誘導体は、次の方法によって合成できる。まず、NHR(R,Rは、上記の置換基R,Rと同じ)で表される構造のアルキルアミンに2−ハロゲン化アセチルハライドを加え、求核置換反応によりアミンの水素原子を2−ハロゲン化アセチルに置換することによって、2−ハロゲン化(N,N−ジ)アルキルアセトアミドを得る。
次に、グリシン又はN−アルキルグリシン誘導体に上記2−ハロゲン化(N,N−ジ)アルキルアセトアミドを加え、求核置換反応によりグリシン又はN−アルキルグリシン誘導体の水素原子の一つを(N,N−ジ)アルキルアセトアミド基に置換する。これら2段階の反応によってグリシンアルキルアミド誘導体を合成できる。
なお、グリシンをヒスチジン、リジン、アスパラギン酸に置き換えれば、ヒスチジンアミド誘導体、リジンアミド誘導体、アスパラギン酸アミド誘導体を合成できるが、リジンやアスパラギン酸誘導体による抽出挙動は、対象とするマンガンやコバルト等の錯安定定数から、グリシン誘導体及びヒスチジンアミド誘導体を用いた結果の範囲内に収まると考えられる。
上記方法によって合成した抽出剤を用いて有価金属イオンを抽出するには、目的の有価金属イオンを含む酸性水溶液を調整しながら、この酸性水溶液を、上記抽出剤の有機溶液に加えて混合する。これによって、有機相に目的の有価金属イオンを選択的に抽出することができる。
有価金属イオンを抽出した後の有機溶媒を分取し、これに上記酸性水溶液よりpHを低く調整した逆抽出始液を加えて撹拌することにより、目的の有価金属イオンを有機溶媒に抽出して分離し、さらに、有機溶媒から目的の有価金属イオンを逆抽出することで目的の有価金属イオンを水溶液中に回収することができる。逆抽出溶液としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸を希釈した水溶液が好適に用いられる。また、有機相と水相の比率を適宜変更することによって、目的の有価金属イオンを濃縮することもできる。
有機溶媒は、抽出剤及び金属抽出種が溶解する溶媒であればどのようなものであってもよく、例えば、クロロホルム、ジクロロメタン等の塩素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、ヘキサン等の脂肪族炭化水素等が挙げられる。これらの有機溶媒は、単独でも複数混合しても良く、1−オクタノールのようなアルコール類を混合しても良い。
抽出剤の濃度は、有価金属の種類及び濃度によって適宜設定できる。また、撹拌時間及び抽出温度は、平衡到達時間が有価金属の種類、濃度のほか、加える抽出剤の量によって変化するため、有価金属イオンの酸性水溶液、及び抽出剤の有機溶液の条件によって適宜設定すればよい。金属イオンを含む酸性水溶液のpHも、有価金属の種類によって適宜調整できる。
[コバルトの抽出]
コバルトとマンガンを含有する酸性水溶液から、コバルトを効率的に回収する際、上記のアミノ誘導体であれば、いずれのアミノ誘導体を抽出剤としてもよいが、中でも、ノルマル−メチルグリシン誘導体又はヒスチジンアミド誘導体を用いると、好適なpHの範囲が広く、コバルト抽出を工業的に行う際、利便性がより高くなる点で好ましい。pHについては、コバルトとマンガンを含む酸性水溶液のpHを3.5以上5.5以下に調整しながら抽出剤の有機溶液を加えることが好ましく、上記pHを4.0以上5.0以下に調整しながら抽出剤の有機溶液を加えることがより好ましい。pHが3.5未満であると、抽出剤の種類によってはコバルトを十分に抽出できない可能性がある。pHが5.5を超えると、抽出剤の種類によってはコバルトだけでなく、マンガンも抽出されてしまう可能性がある。
本発明の抽出剤が従来の抽出剤と異なる抽出挙動をとるメカニズムは正確にはわからないが、本発明の抽出剤の構造上の特徴によって従来なかった効果が得られたと考えられる。
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの記載に何ら制限を受けるものではない。
<実施例1> (グリシンアミド誘導体の合成)
抽出剤となるアミド誘導体の一例として、下記一般式(I)で表されるグリシンアミド誘導体、すなわち、2つの2−エチルヘキシル基を導入したN−[N,N−ビス(2−エチルヘキシル)アミノカルボニルメチル]グリシン(N−[N,N−Bis(2−ethylhexyl)aminocarbonylmethyl]glycine)(あるいはN,N−ジ(2−エチルヘキシル)アセトアミド−2−グリシン(N,N−di(2−ethylhexyl)acetamide−2−glycine)ともいい、以下「D2EHAG」という。)を合成した。
D2EHAGの合成は、次のようにして行った。まず、下記反応式(II)に示すように、市販のジ(2−エチルヘキシル)アミン23.1g(0.1mol)と、トリエチルアミン10.1g(0.1mol)とを分取し、これにクロロホルムを加えて溶解し、次いで2−クロロアセチルクロリド13.5g(0.12mol)を滴下した後、1mol/lの塩酸で1回洗浄し、その後、イオン交換水で洗浄し、クロロホルム相を分取した。
次に、無水硫酸ナトリウムを適量(約10〜20g)加え、脱水した後、ろ過し、黄色液体29.1gを得た。この黄色液体(反応生成物)の構造を、核磁気共鳴分析装置(NMR)を用いて同定したところ、上記黄色液体は、2−クロロ−N,N−ジ(2−エチルヘキシル)アセトアミド(以下「CDEHAA」という。)の構造であることが確認された。なお、CDEHAAの収率は、原料であるジ(2−エチルヘキシル)アミンに対して90%であった。
Figure 2013216967
次に、下記反応式(III)に示すように、水酸化ナトリウム8.0g(0.2mol)にメタノールを加えて溶解し、さらにグリシン15.01g(0.2mol)を加えた溶液を撹拌しながら、上記CDEHAA12.72g(0.04mol)をゆっくりと滴下し、撹拌した。撹拌を終えた後、反応液中の溶媒を留去し、残留物にクロロホルムを加えて溶解した。この溶液に1mol/lの硫酸を添加して酸性にした後、イオン交換水で洗浄し、クロロホルム相を分取した。
このクロロホルム相に無水硫酸マグネシウム適量を加え脱水し、ろ過した。再び溶媒を減圧除去し、12.5gの黄色糊状体を得た。上記のCDEHAA量を基準とした収率は87%であった。黄色糊状体の構造をNMR及び元素分析により同定したところ、図1及び図2に示すように、D2EHAGの構造を持つことが確認された。上記の工程を経て、実施例1の有価金属抽出剤を得た。
Figure 2013216967
<実施例2> (ノルマル−メチルグリシン誘導体の合成)
抽出剤となるアミド誘導体の他の一例として、下記一般式(I)で表されるノルマル−メチルグリシン誘導体、すなわち、2つの2−エチルヘキシル基を導入したN−[N,N−ビス(2−エチルヘキシル)アミノカルボニルメチル]サルコシン(N−[N,N−Bis(2−ethylhexyl)aminocarbonylmethyl]sarcocine)(あるいはN,N−ジ(2−エチルヘキシル)アセトアミド−2−サルコシン(N,N−di(2−ethylhexyl)acetamide−2−sarcocine)ともいい、以下「D2EHAS」という。)を合成した。
D2EHASの合成は、次のようにして行った。下記反応式(IV)に示すように、水酸化ナトリウム5.3g(0.132mol)にメタノールを加えて溶解し、さらにサルコシン(N−メチルグリシン)11.8g(0.132mol)を加えた溶液を撹拌しながら、上記CDEHAA36.3g(0.12mol)をゆっくりと滴下し、撹拌した。撹拌を終えた後、反応液中の溶媒を留去し、残留物にクロロホルムを加えて溶解した。この溶液に1mol/lの硫酸を添加して酸性にした後、イオン交換水で洗浄し、クロロホルム相を分取した。
このクロロホルム相に無水硫酸マグネシウム適量を加え脱水し、ろ過した。再び溶媒を減圧除去し、26.8gの黄褐色糊状体を得た。上記のCDEHAA量を基準とした収率は60%であった。黄色糊状体の構造をNMR及び元素分析により同定したところ、D2EHASの構造を持つことが確認された。上記の工程を経て、実施例2の有価金属抽出剤を得た。
Figure 2013216967
<実施例3> (ヒスチジンアミド誘導体の合成)
抽出剤となるアミド誘導体の他の一例として、下記一般式(I)で表されるヒスチジンアミド誘導体、すなわち、2つの2−エチルヘキシル基を導入したN−[N,N−ビス(2−エチルヘキシル)アミノカルボニルメチル]ヒスチジン(N−[N,N−Bis(2−ethylhexyl)aminocarbonylmethyl]histidine)(或いはN,N−ジ(2−エチルヘキシル)アセトアミド−2−ヒスチジン(N,N−di(2−ethylhexyl)acetamide−2−histidine)ともいい、以下「D2EHAH」という。)を合成した。
D2EHAHの合成は、次のようにして行った。下記反応式(V)に示すように、水酸化ナトリウム16g(0.4mol)にメタノールを加えて溶解し、さらにヒスチジン31.0g(0.2mol)を加えた溶液を撹拌しながら、上記CDEHAA13.2g(0.04mol)をゆっくりと滴下した。滴下終了後、アルカリ性条件を維持しながら撹拌した。撹拌を終えた後、反応液中の溶媒を留去し、残留物に酢酸エチルを加えて溶解した。この溶液を洗浄し、酢酸エチル相を分取した。
この酢酸エチル相に無水硫酸マグネシウム適量を加え脱水し、ろ過した。再び溶媒を減圧除去し、9.9gの黄褐色糊状体を得た。上記のCDEHAA量を基準とした収率は57%であった。黄褐色糊状体の構造をNMR及び元素分析により同定したところ、D2EHAHの構造を持つことが確認された。上記の工程を経て、実施例3の有価金属抽出剤を得た。
Figure 2013216967
<比較例1>
比較例1の有価金属抽出剤として、市販のカルボン酸系コバルト抽出剤(商品名:VA−10,ネオデカン酸,ヘキシオン・スペシャリティケミカルズ・ジャパン社製)を用いた。
<比較例2>
比較例2の有価金属抽出剤として、従来公知のユーロピウム抽出剤であるN,N−ジオクチル−3−オキサペンタン−1,5−アミド酸(以下、「DODGAA」という。)を用いた。
DODGAAの合成は、次のようにして行った。まず、下記反応式(VI)に示すように、無水ジグリコール酸4.2gを丸底フラスコに取り、ジクロロメタン40mlを入れて懸濁させた。その後、ジオクチルアミン(純度98%)7gをジクロロメタン10mlに溶解させ、滴下漏斗にてゆっくりと加えた。室温で撹拌しながら、無水ジグリコール酸が反応して溶液が透明になることを確認し、反応を終了した。
Figure 2013216967
続いて、上記溶液を水で洗浄し、水溶性不純物を除去した。そして、水洗浄後の溶液に、脱水剤として硫酸ナトリウムを加えた。そして、溶液を吸引ろ過し、その後、溶媒を蒸発させた。そして、ヘキサンを用いて再結晶(3回)した後、真空乾燥した。得られた物質の収量は9.57gであり、上記の無水ジグリコール酸を基準とした収率は94.3%であった。そして、得られた物質の構造をNMR及び元素分析により同定したところ、純度99%以上のDODGAAであることが確認された。
<コバルトの抽出>
実施例1〜3及び比較例1の有価金属抽出剤を用いて、コバルトの抽出分離を行った。
[実施例1〜3]
コバルトとマンガンをそれぞれ1×10−4mol/l含み、pHを2.5〜7.5に調整した数種類の硫酸酸性溶液と、それと同体積の0.01mol/lの有価金属抽出剤を含むノルマルドデカン溶液を試験管に加えて25℃恒温庫内に入れ、24時間振とうした。このとき、硫酸溶液のpHは、濃度0.1mol/lの硫酸、硫酸アンモニウム及びアンモニアを用いて調整した。
振とう後、水相を分取し、誘導プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)を用いてコバルト濃度及びマンガン濃度を測定した。また、有機相について、1mol/lの硫酸を用いて逆抽出した。そして、逆抽出相中のコバルト濃度及びマンガン濃度を、ICP−AESを用いて測定した。これらの測定結果から、コバルト及びマンガンの抽出率を、有機相中の物量/(有機相中の物量+水相中の物量)で定義し、求めた。実施例1の有価金属抽出剤を用いたときの結果を図3に示し、実施例2の有価金属抽出剤を用いたときの結果を図4に示し、実施例3の有価金属抽出剤を用いたときの結果を図5に示す。図3〜5の横軸は、硫酸酸性溶液のpHであり、縦軸は、コバルト又はマンガンの抽出率(単位:%)である。グラフ中、四角はコバルトの抽出率を示し、丸はマンガンの抽出率を示す。
[比較例1]
硫酸酸性溶液のpHを4.0〜7.5に調整したこと、及び有価金属抽出剤を含むノルマルドデカン溶液の濃度を実施例の10倍である0.1mol/lにしたこと以外は、実施例と同じ方法にてコバルトを抽出した。結果を図6に示す。図6の横軸は、硫酸酸性溶液のpHであり、縦軸は、コバルト又はマンガンの抽出率(単位:%)である。グラフ中、四角はコバルトの抽出率を示し、ダイヤ形はマンガンの抽出率を示す。
実施例の有価金属抽出剤を用いると、pHが3.0以上5.5以下の範囲では、少なくとも20%を超える抽出率でコバルトを抽出できることが確認された(図3〜図5)。とりわけ、ノルマル−メチルグリシン誘導体又はヒスチジンアミド誘導体を用いると、好適なpHの範囲が広く、本発明のコバルト抽出を工業的に行う際、より利便性が高いことが確認された(図4、図5)。また、誘導体の種類にかかわらず、pHが4.0以上5.0以下の範囲では、80%を超える抽出率でコバルトを抽出できるとともに、マンガンはほとんど抽出されないことが確認された(図3〜図5)。一方、比較例1の有価金属抽出剤を用いると、抽出剤の濃度を実施例の10倍にしたとしても、20%未満の抽出率でしかコバルトを抽出できないことが確認された(図6)。

Claims (3)

  1. マンガン及びコバルトを含有する酸性溶液を、下記一般式(I)で表されるアミド誘導体からなる有価金属抽出剤による溶媒抽出に付し、前記酸性溶液から前記コバルトを抽出するコバルト抽出方法。
    Figure 2013216967
    (式中、R及びRは、それぞれ同一又は別異のアルキル基を示す。アルキル基は直鎖でも分鎖でも良い。Rは水素原子又はアルキル基を示す。Rは水素原子、又はアミノ酸としてα炭素に結合される、アミノ基以外の任意の基を示す。)
  2. 前記アミド誘導体がグリシンアミド誘導体、ヒスチジンアミド誘導体、リジンアミド誘導体、アスパラギン酸アミド誘導体及びノルマル−メチルグリシン誘導体のいずれか1以上である、請求項1に記載のコバルト抽出方法。
  3. 前記酸性溶液のpHを3.5以上5.5以下の範囲に調整しながら前記酸性溶液を前記溶媒抽出に付す、請求項1又は2に記載のコバルト抽出方法。
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