JP6048855B2

JP6048855B2 - ランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法及びナノ構造体

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Publication number: JP6048855B2
Application number: JP2015197593A
Authority: JP
Inventors: エルザフティシェリフ; 幸明原田
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN103392018A; JP2016035109A; US20140033868A1; JP2014514433A; CN103392018B; EP2678457B1; EP2678457A1; EP2678457A4; JP5867879B2; WO2012115273A1; US9267188B2

Description

本発明は、ランタノイド元素又はアクチノイド元素を含む種々の金属が溶解された金属溶解溶液から目的金属としてランタノイド元素又はアクチノイド元素を抽出分離する手段及び抽出分離方法に関するものであり、特に、ランタノイド元素又はアクチノイド元素を選択的に吸着可能な固定相及びかかる固定相を用いた固相抽出方法に関する。

携帯電話やパソコンなどに含まれる金属、特に希少金属（レアメタル）は世界的に需要が急拡大しているが、埋蔵量や生産量が少ないだけでなく、埋蔵資源国が偏在しており、価格の乱高下が激しく生産量も資源国が政治的にコントロールするようになり、希少金属の安定的確保が非常に重要になっている。一方、希少金属を使用した携帯電話やパソコンなどの廃棄量も急激に増えており、この廃棄物から希少金属を回収することが急務となっている。（このような希少金属や貴金属などが含まれた廃棄物を都市鉱石と呼ぶこともある。）しかしながら、希少金属を含む鉱石や都市鉱石には多数の他の金属も含まれているため、目標とする金属（目的金属）を回収するプロセスは複雑であり、適切な回収方法もなく、回収費用が大きくなり、現状では経済的に引き合わない。

特に、希少金属の中でも最近注目されているランタノイド元素は、希土類元素（レアアース）とも呼ばれ、磁性、発光など特殊な機能を発揮しこれからのハイテク技術に不可欠な物質である。ランタノイド元素とは、原子番号５７（ランタン）から原子番号７１（ルテチウム）までの１５の元素の総称である。ランタノイド元素の特殊な機能は、最外殻電子軌道が他の電子で覆われており内殻の４ｆ電子軌道に電子が充填されるというランタノイド特有の物性によって生じる。最外殻電子軌道が他の電子で覆われているためにランタノイド元素同士の化学的性質は極めて類似しており、ランタノイド元素同士の分離に著しい困難が伴っている。ランタノイド元素を含有する天然鉱石には、複数のランタノイド元素が含有されることが多く、さらにアクチノイド元素も含有されることが多い。アクチノイド元素は、周期律表でランタノイド元素と同じ３族に属し、同様に内殻に電子が充填されるため、アクチノイド元素同士の化学的性質は類似しており、アクチノイド元素とランタノイド元素の化学的性質も類似している。このため、ランタノイド元素とアクチノイド元素とが共存する場合には、ランタノイド元素とアクチノイド元素の間の分離が困難である。しかも、アクチノイド元素には放射性物質も含まれるので、ランタノイド元素を利用する場合にはアクチノイド元素と分離して取り出すことは不可欠の要素となっている。この点においても、ランタノイド元素の抽出をさらに困難にしている。アクチノイド元素とは、原子番号８９（アクチニウム）から原子番号１０３（ローレンシウム）までの１５の元素の総称である。

現在これらのランタノイド元素やアクチノイド元素の分離・回収には、溶媒に対する化学的性質のわずかの違いを利用して数十から百数十段の多段に抽出を繰り返すことによって徐々に分離比率を高めていく多段抽出法が用いられている。しかし、この多段抽出法では大量の溶媒や脱離剤が必要となり、かつ大量の廃棄溶液も発生するため、処理コスト及び環境コストの大きな増大を生じている。

一方、ランタノイド元素及びアクチノイド元素の抽出方法とは関係ないが、元素分析の分野において、メソポーラスシリカを用いた金属イオン検出方法は種々研究されている。たとえば、特許文献１及び２においては、メソポーラスシリカにアミノポルフィリン、ジチゾン、ポルフィリンスルホン等の色素分子を保持して複合センサを作り、Pbイオン、Cdイオン、水銀イオン、Crイオンなどを色素分子に吸着させて、そのスペクトル変化を利用してイオン濃度を検出することが記載されている。

特開２００７−３２７８８６特開２００７−３２７８８７特許３８２９１８８

上で述べたとおり、ランタノイド元素やアクチノイド元素の分離・回収には、現在産業的に利用されている多段抽出法では大量の溶媒や脱離剤が必要となり、かつ大量の廃棄溶液も発生するため、処理コスト及び環境コストの大きな増大を生じている。

そこで、これらの課題を解決するために多くの技術開発が行なわれている。たとえば、ランタノイド元素及びアクチノイド元素について金属錯体化を行わせる技術が検討されている。金属錯体は有機分子を構成する元素と金属元素との間に複数の配位結合が起きることにより安定な構造を形成するものである。ランタノイド元素及びアクチノイド元素はイオン半径についても、錯体金属を形成することができれば、それらの配位結合に対して内殻の４ｆ電子が影響を及ぼすため、多様でかつ溶液のｐＨなどに影響を受けやすい特性の異なった金属錯体を形成できる可能性がある。しかし、現時点においては有効な分離、抽出方法は見出されていない。

なお、仮にランタノイド元素及びアクチノイド元素の金属錯体を形成して分離する方法が発見されたとしても、溶液中に分散した錯体形成は、溶媒抽出法と同様に分離操作のために大量の廃液を発生させる。そのため、選択的に形成された金属錯体を固相として分離する技術が必要になる。数パーセントから数十パーセントの高濃度の溶液を対象にする場合は錯体の電気化学的性質を活かした凝集や析出で濾過可能な状態にもっていくこともできるが、ランタノイド元素やアクチノイド元素の場合には数パーセント以下の希薄な状態からの分離となるために、形成された金属錯体を溶液中から固相状態に凝縮させることは難しかった。

そこで、本発明は、目的金属（特に、ランタノイド元素又はアクチノイド元素）を含み種々の金属が溶解された金属溶解溶液から、容易にまた効率的に目的金属を分離、抽出できる方法及び手段を提供することを目的とする。さらに、本発明は、廃棄溶液の量を減らし、処理コスト及び環境コストの小さい分離、抽出方法及び手段を提供することを目的とする。

本発明の一つは、ランタノイド元素及びアクチノイド元素の中から選ばれた目的金属を含む金属溶解溶液に、前記目的金属イオンと吸着できる金属吸着性化合物を担持した多孔質構造体を接触させ、前記溶液中の目的金属イオンを前記金属吸着性化合物に吸着させる吸着工程と、前記多孔質構造体を逆抽出液に接触させ、前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属イオンを逆抽出液に移動させる分離工程とを含むランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法である。

ここで、金属吸着性化合物とは、目的金属イオン（たとえば、ランタノイド元素、アクチノイド元素）を吸着することができる化合物であり、本発明の抽出方法では、金属吸着性化合物をあらかじめ支持体上に担持し、担持した状態のまま金属吸着性化合物と目的金属イオンとの金属錯体を形成して目的金属を捕獲し、支持体とともに溶液中から取り出すことで金属溶解溶液から目的金属を分離することができる。さらに、この目的金属を捕獲した金属吸着性化合物が担持された支持体を目的金属イオンが錯体から離脱する溶液環境に持ってくることで、単離したイオンを高濃度で逆抽出溶液中に取り出し、引き続く化学処理で酸化物や水酸化物等として目的金属を取り出すことができる。

そして、本発明の抽出方法では、支持体としてナノ構造体、例えば高度に秩序化した構造を有するメソポーラスシリカ等の高秩序メソポーラス構造体（ＨＯＭ）、ナノチューブ、ナノロッドを使用する。ランタノイド元素やアクチノイド元素以外のレアメタルや貴金属においては、セルロース、アガローズ、塩化ビニル、キトサン、ナフィオンなどが錯体形成分子の支持体として試みられている。しかし、これらの高分子系では担持密度に限界があるとともに、高分子のとる複雑な立体構造による立体障害も起こり、分離効率が極めて低いものしか見出されておらず、ランタノイド元素やアクチノイド元素などの希薄な状態から抽出するケースが多い系においてはこれらの高分子系は利用することは難しい。この点、ナノ構造体は、金属吸着性化合物を高密度で担持することができる。さらに、ナノ構造体は、ランタノイド元素やアクチノイド元素を吸着する金属吸着性化合物を安定に担持することができ、かつイオンに対しての可逆反応が担持によって損なわれない。このため、金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を繰り返し使用することができる。

本発明において、金属吸着性化合物は広い表面積や高秩序化した構造を持つナノ構造体の表面及びポア（細孔）内壁に担持されているので、金属吸着性化合物の反応基に目的金属イオンが容易にしかも速く吸着する。従って、吸着の応答速度が速いだけでなく、金属吸着性化合物への吸着効率が、担持されていない単独の金属吸着性化合物への吸着効率よりも非常に大きくなるとともに、金属吸着量も多くなる。また、金属吸着性化合物に吸着された金属も整然と配列し密に吸着されているので、吸着した金属（イオン）を容易に速く遊離（分離）することができる。従って吸着した金属（イオン）の遊離効率も非常に大きい。また、金属吸着性化合物は金属溶解溶液のｐＨ値等を調整することにより特定金属を選択的に多量に吸着することができる。従って、特定金属だけを効率良く回収できる。たとえば、本発明の１実施形態である芳香族アゾ系化合物を担持したメソポーラスシリカを用いることにより、これまで化学的性質が類似しているために困難であったランタノイド系及びアクチノイド系元素の分離を可能にする。特にアクチノイド系元素は放射性元素として希土類鉱石中にランタノイドと共存し、希土類金属や希土類化合物の有効利用の障害となっているため、本発明を用いることによってこのアクチノイド系元素を選択的に分離除去し希土類鉱物を有効に利用することができる。

また、ナノ構造体の一つであるメソポーラスシリカ、ナノチューブ及びナノロッドはその骨格が強固であり、金属吸着性化合物の担持や金属イオンの吸着によってもナノ構造体の骨格には変化が殆どない。吸着した金属もほぼ完全に分離でき、もとの状態（金属を吸着していない金属吸着性化合物を担持した状態）に戻るので、金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を繰り返し使用することができる。従って、金属の回収費用を小さくすることができる。たとえば、本発明の１実施形態である芳香族アゾ系化合物を担持したメソポーラスシリカを用いることにより、目的金属であるランタノイド元素又はアクチノイド化合物を吸着・分離・回収することができる。本発明の固体吸着材である芳香族アゾ系化合物は、従来より高い吸着能で高速のランタノイド元素のイオン吸着を実現するだけでなく、メソポーラスシリカとの安定性の高い担持により、劣化が少なく、しかも抽出・逆抽出をなども繰り返し使用することができる。そのために従来と比較してランタノイド元素の回収費用を格段に小さくすることができる。

本発明の抽出方法のフローチャートＨＯＭの表面状態の概略図。芳香族アゾ化合物とランタノイド元素（Ｌｎ）との配位結合による金属錯体形成状態を構造式を用いて模式的に示した図吸着・分離・回収材としての芳香族アゾ化合物の錯体形成分子を担持した高秩序メソポーラスシリカ（ＨＯＭ）の構造を概念的に示した図である。ＤＴＡＲ修飾ＨＯＭにおけるランタノイドイオン元素濃度をパラメータにとった呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図ＨＯＭのＴＥＭ（透過電子顕微鏡）写真ＤＴＡＲ修飾ＨＯＭにおけるｐＨをパラメータにとった分光スペクトルの測定結果ＰＡＲ修飾ＨＯＭにおけるランタノイドイオン元素濃度をパラメータにとった呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図ＰＡＲ修飾ＨＯＭにおけるｐＨをパラメータにとった分光スペクトルの測定結果ＤＳＮＰＤ修飾ＨＯＭにおけるランタノイドイオン元素濃度をパラメータにとった蛍光シグナルの測定結果ＰＡＮ修飾ＨＯＭにおけるランタノイドイオン元素濃度をパラメータにとった呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図ＰＡＮ修飾ＨＯＭにおけるｐＨをパラメータにとった分光スペクトルの測定結果ナノチューブのＴＥＭ（透過電子顕微鏡）写真ＰＡＮ修飾ＨＯＭにおける各元素の呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図ＰＡＮ修飾ＨＯＭにおける各元素にマスキング剤を追加した場合の呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図ＰＡＮ修飾ＨＯＭにおける複数の元素を含む金属溶解溶液にマスキング剤を追加した場合の呈色反応及び分光スペクトルの測定結果を示す図

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の抽出又は分離方法の概略を示すフローチャートの一例であり、図２はＨＯＭの表面状態の概略図である。まず始めに全体のフローを説明し、その後各工程について詳細に説明する。本明細書において目的金属とは、金属溶解溶液から分離の対象となる金属であり、イオン状態のものも含む。なお、目的金属は一種類の元素に限定されるものではなく、同時又は順次に複数の元素を必要とすることもありえるので、一種類のＨＯＭ‐ＭＣによって複数の目的金属を溶液から分離してもよい。

本発明の抽出又は分離方法は、ナノ構造体（例えば、高秩序メゾポーラス構造（ＨＯＭ））を準備し（Ｓ１：図２左下図）、ナノ構造体（ＨＯＭ）に金属吸着性化合物（ＭＣ）を修飾し、金属吸着性化合物を担持したナノ構造体（ＨＯＭ‐ＭＣ）を得る（Ｓ２：図２上図）。また、別途、目的金属（Ｍｔ）及びその他の種々の金属（Ｍｏ）が溶解された金属溶解溶液を準備する（Ｓ３）。そして、吸着工程として、金属吸着性化合物を担持したナノ構造体（ＨＯＭ‐ＭＣ）を金属溶解溶液に接触させる。この接触により、ＨＯＭ‐ＭＣには、目的金属（Ｍｔ）イオンが吸着された状態（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ）となる（Ｓ４：図２右下図）。なお、後述するが、金属溶解溶液を準備する工程（Ｓ３）又は吸着工程（Ｓ４）において、金属溶解溶液のｐＨ値、溶液濃度や溶液温度等を調節すれば、効率的、優先的又は選択的に目的金属（Ｍｔ）イオンを吸着させることができるが、場合によっては目的金属以外の金属（Ｍｏ）イオンも吸着された状態（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏ）となる。その後、ナノ構造体（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏ）から目的金属（Ｍｔ）以外の金属（Ｍｏ）を分離して、ほぼ目的金属だけを金属吸着性化合物に吸着した状態（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ）とすることが好ましい。そして、目的金属分離工程として、目的金属を吸着した金属吸着性化合物を担持したナノ構造体（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ）から目的金属（Ｍｔ）を分離する（Ｓ５）。そして、目的金属が分離したナノ構造体（ＨＯＭ‐ＭＣ）は再び吸着工程において再利用され（Ｓ６：図２上図）、分離された目的金属（Ｍｔ）が得られる（Ｓ７）。

本発明のナノ構造体は、微細（典型的には１ミクロン以下）な構造を有する粒子であり、微細な孔を有する多孔質構造体、微細な棒状構造を有するナノロッド構造体等を使用することができる。多孔質構造体は、メソポーラス構造やナノチューブ構造を含み、高度に秩序化していることが好ましい。通常、メソポーラス構造は、メソポア領域と呼ばれる２から５０ｎｍの領域の大きさのほぼ均一で規則的な直径の細孔（メソ孔）を有するものを指すが、本明細書においては、メソポーラス構造には、メソ孔よりも小さなマイクロ孔（２ｎｍ以下の細孔）やメソ孔よりも大きなマクロ孔（５０ｎｍ以上の細孔）のものも含まれる。特に、本発明の多孔質構造体としては、高度に秩序化したメソポーラス構造（High Ordered Mesoporous、以下「ＨＯＭ」と称する）を有するものが好ましい。多孔質構造体は、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。メソポーラス構造体の材質としては、無機化合物であることが好ましく、特にシリカを用いることが好ましいが、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛又はニッケル酸化物等の金属酸化物を用いてもよいし、シリカと金属酸化物の混合物や、複数の金属酸化物の混合物でもよい。なお、メソポーラス構造のシリカをメソポーラスシリカと呼ぶが、本明細書のポーラスシリカには、直径が２ｎｍ以下の細孔や５０ｎｍ以上の細孔のものも含まれる。また、多孔質構造体としてナノチューブ構造のものを使用してもよい。ナノチューブ構造の材質としては、無機化合物であることが好ましく、カーボン、又は酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、ニッケル酸化物等の金属酸化物を用いてもよいし、カーボンと金属酸化物の混合物や、複数の金属酸化物の混合物でもよい。ナノチューブ構造体のＢＥＴ比表面積は大きいほど良いが、５０ｍ²／ｇ以上、好ましくは１００ｍ²／ｇ以上、より好適には１５０ｍ²／ｇ以上である。

また、ナノ構造体として、ナノロッド構造体も使用することができる。ナノロッド構造体は、数ｎｍ〜数十ｎｍのほぼ均一で規則的な直径の棒状又は針状の構造物であり、無機化合物からなることが好ましい。ナノロッドの材質としては、Au、Ag、Cu、Pt、Al、Ni、Mo、W、Ti、Si等からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を主成分とする金属、又は酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ジルコニウム等の金属酸化物を用いてもよい。なお、シート状の金属又は金属酸化物の表面にナノロッド構造が垂直に直立して配列したナノロッド構造を有する薄膜であってもよい。ナノロッド構造体のＢＥＴ比表面積は大きいほど良いが、１００ｍ²／ｇ以上、好ましくは２００ｍ²／ｇ以上、より好適には８００ｍ²／ｇ以上である。

本発明に用いられる多孔質構造体の形態は、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。高度に秩序化したとは、立方晶や六方晶系のように対称性の高い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、結晶構造としては、たとえば立方晶Ia3d、Pm3n、Fm3mや六方晶P6m構造がある。これらの構造が広範囲に存在すると、金属吸着性化合物を大量に担持することができ、全体の金属吸着量を大きくすることができる。メソポーラス構造の最適な結晶構造は、担持する金属吸着化合物に合致する構造であることが好ましいが、それ以外の結晶構造のメソポーラス構造が混在していても効率の低下はあるものの本発明の分離、抽出方法を実施することは可能である。また、ＨＯＭのＢＥＴ比表面積は大きいほど良いが、５００ｍ²／ｇ以上、好ましくは６４０ｍ²／ｇ以上、より好適には８００ｍ²／ｇ以上である。

ＨＯＭは種々の方法（たとえば、特許文献３）により合成できる。たとえば、界面活性剤を鋳型としたゾルゲル法においては、溶液中に臨界ミセル濃度以上の濃度で界面活性剤を溶解させると、界面活性剤の種類に応じて一定の大きさと構造をもつミセル粒子が形成される。しばらく静置するとミセル粒子が充填構造をとり、コロイド結晶となる。ポーラスシリカを合成する場合は、溶液中にシリカ源となる有機シリコン化合物などを加え、微量の酸あるいは塩基を触媒として加えると、コロイド粒子の隙間でゾルゲル反応が進行しシリカゲル骨格が形成される。最後に高温で焼成すると、鋳型とした界面活性剤が分解・除去されて純粋なメソポーラスシリカが得られる。また、たとえば、好適には、有機シリコン化合物と界面活性剤を混合してリオトロピック型液晶相を形成し、ここへ、酸水溶液を加えることによって、短時間に有機シリコン化合物の加水分解反応を起こし、メソポーラスシリカと界面活性剤の複合生成物を得た後、界面活性剤を除去して、ＨＯＭを得る方法が利用される。

有機シリコン化合物として、たとえば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）、テトラメチルオルトケイ酸（C₄H₁₂O₄Si）やテトラエチルオルトケイ酸（C₈H₂₀O₄Si）などのシリコンアルコキシドを用いる。ＨＯＭの合成過程において、エタノールよりメタノールの方が生成物から除去するのが容易であるから、生産性はＴＥＯＳよりＴＭＯＳの方が好適である。尚、ＨＯＭの形成には、有機シリコン化合物の他に無機シリコン化合物を用いることもできる。たとえば、カネマイト（NaHSi₂O₅・3H₂O）、ジ珪酸ナトリウム結晶（Na₂Si₂O₅）、マカタイト（NaHSi₄O₉・5H₂O）、アイラアイト（NaHSi₈O₁₇・XH₂O）、マガディアイト（Na₂HSi₁₄O₂₉・XH₂O）、ケニヤアイト（Na₂HSi₂₀O₄₁・XH₂O）、水ガラス（珪酸ソーダ）、ガラス、無定形珪酸ナトリウムを用いることもできる。これらは、２種以上を混合して用いてもよい。

また、テンプレート（鋳型）となる界面活性剤も、種々のものを使用できる。たとえば、カチオン性やアニオン性や両性や非イオン性の界面活性剤を使用できる。鋳型となる陽イオン性界面活性剤としては、たとえば、第１級アミン塩、第２級アミン塩、第３級アミン塩、第４級アンモニウム塩が挙げられる。また、鋳型となる陰イオン性界面活性剤としては、たとえば、カルボン酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、リン酸エステル塩などが挙げられ、セッケン、高級アルコール硫酸エステル塩、高級アルキルエーテル硫酸エステル塩、硫酸化油、硫酸化脂肪酸エステル、硫酸化オレフィン、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩及び高級アルコールリン酸エステル塩が挙げられる。鋳型となる両性界面活性剤としては、たとえば、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタインが挙げられる。鋳型となる非イオン界面活性剤としては、たとえば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレン２級アルコールエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステロールエーテル、ポリオキシエチレンラノリン酸誘導体、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテル、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールなどのエーテル型のものや、ポリオキシエチレンアルキルアミンなどの含窒素型が挙げられる。これらは、２種以上混合して用いても良い。

界面活性剤の種類を変更することによりＨＯＭの構造（細孔の大きさや形、結晶構造など）を制御することができるので、結晶構造の秩序性が高くＢＥＴ比表面積が大きい細孔密度の大きなＨＯＭを形成できる界面活性剤が好適である。このような界面活性剤としては、例えばBrij（登録商標）型(C_xEO_y)、Triton（登録商標）型（polyoxyethylene-p-isooctylphenol）、Tween（登録商標）型の非イオン界面活性剤や、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はクロリド(C_nTMA-Br又は-Cl, n= 12, 14, 16 and 18)等の陽イオン性界面活性剤、Pluronic（登録商標）型（EO_mPO_nEO_m：ポリ（エチレンオキシド）‐ポリ（プロピレンオキシド）‐ポリ（エチレンオキシド））のトリブロック共重合体界面活性剤を用いることができる。Brij型(C_xEO_y)は、疎水基となるアルキル基(C_x：C_xH_2x+1又はC_xH_2x-1)と親水基となるポリ（エチレンオキシド）基(EO_y：- (CH₂-CH₂O)_y-)とを有する。具体的には、ポリオキシエチレン（１０）セチルエーテル（Brij（登録商標）56：C₁₆H₃₃(OCH₂CH₂)₁₀OH，M.av=683）、ポリオキシエチレン（１０）ラウリルエーテル(C₁₂EO₁₀, C₁₂H₂₅(OCH₂CH₂)₁₀OH， M.av=626)、ポリオキシエチレン（９）ラウリルエーテル(C₁₂EO₉, C₁₂H₂₅(OCH₂CH₂)₉OH，M.av=582)、ポリオキシエチレン（１０）ステアリルエーテル(Brij（登録商標）78, C₁₈H₃₅(OCH₂CH₂)₂₀OH，M.av=1152)、ポリオキシエチレン（１０）オレイルエーテル(Brij（登録商標）97, C₁₈H₃₅(OCH₂CH₂)₁₀OH，M.av= 709)、ポリオキシエチレン（２０）オレイルエーテル(Brij（登録商標）98, C₁₈H₃₅(OCH₂CH₂)₂₀OH，M.av=1150)、ポリオキシエチレン（２３）ラウリルエーテル (Brij（登録商標）35, C₁₂H₂₅(OCH₂CH₂)₂₃OH，M.av=1198)、及びポリオキシエチレン（２０）セチルエーテル(Brij（登録商標）58, C₁₆H₃₃(OCH₂CH₂)₂₀OH，M.av=1124)等が挙げられる。また、Triton型やTween型の非イオン界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレン（１０）イソオクチルフェニルエーテル(Triton（登録商標）X-100 (4-(C₈H₁₇) C₆H₄(OCH₂CH₂)₁₀OH, M.av= 625)、ポリオキシエチレン（８）イソオクチルフェニルエーテル(Triton（登録商標）X-114 (4-(C₈H₁₇) C₆H₄(OCH₂CH₂)₈OH, M.av= 427)及びポリオキシエチレン（２０）イソオクチルフェニルエーテルモノステアリン酸ソルビタン(Tween（登録商標）60, M.av= 1312) 等が挙げられる。陽イオン性界面活性剤としては、ｎ‐ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド又はクロリド((CH₃(CH₂)₁₁N(CH₃)₃)Br/Cl)、ｎ‐テトラドデシルトリメチルアンモニウムブロミド又はクロリド((CH₃(CH₂)₁₃N(CH₃)₃)Br/Cl)、ｎ‐ヘキサドデシルトリメチルアンモニウムブロミド又はクロリド((CH₃(CH₂)₁₅N(CH₃)₃)Br/Cl )及び-ｎ‐ステアリルトリメチルアンモニウムブロミド又はクロリド((CH₃(CH₂)₁₇N(CH₃)₃)Br/Cl) 等が挙げられる。トリブロック共重合体界面活性剤としては、たとえば、Pluronic（登録商標）P123：HO(CH₂CH₂O)₂₀(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₂₀H：EO₂₀PO₇₀EO₂₀、Pluronic（登録商標）F68((HO(CH₂CH₂O)₈₀(CH₂CH(CH₃)O)₂₇(HO(CH₂CH₂O)₈₀：EO₈₀PO₂₇EO₈₀)、Pluronic（登録商標）L121 ( (HO(CH₂CH₂O)₅(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(HO(CH₂CH₂O)₅：EO₅PO₇₀EO₅)及びPluronic（登録商標）F108：HO(CH₂CH₂O)₁₄₁(CH₂CH(CH₃)O)₄₄(CH₂CH₂O)₁₄₁H：EO₁₄₁PO₄₄O₁₄₁）を用いることができる。Brij56：TMOS＝0.5の重量比の混合により、立方晶構造Pm3n（HOM-9）が得られ、P123：TMOS＝0.75の重量比の混合により、立方晶構造Ia3d（HOM-5）が得られ、F108：TMOS＝0.7の重量比の混合により、立方晶構造Im3m（HOM-1）ケージ状シリカ構造が得られる。なお、担持する支持母体は上述のシリカ単体によるメソポーラスシリカであるが、同様のメソポーラス構造を他の酸化物で実現する高秩序構造の金属化合物メソポーラス粉末のうち、目的の錯体形成分子の担持可能なものを用いても良い（ＨＯＭにはこれらも含む。）。

図１に示す第２段階（Ｓ２）で、金属吸着性化合物（ＭＣと称す）をナノ構造体、例えばＨＯＭに担持させ、金属吸着性化合物を吸着したナノ構造物（ＨＯＭ‐ＭＣと称す）が得られる。図２の上図は、ＨＯＭ‐ＭＣの概略構成図である。この段階では、金属吸着性化合物には金属は吸着されていない。金属吸着性化合物は、特定の金属イオンを選択的に吸着することができる化合物である。本発明に用いられる金属吸着性化合物として、金属錯体、無機金属化合物や有機金属化合物がある。セルロース、タンパク質などの金属吸着性化合物も含まれる。金属錯体として、無機及び有機の金属錯体や金属カルボニル化合物、金属クラスターや有機金属化合物などが挙げられる。また、キレート化合物も含まれる。基本的には、金属（イオン）を吸着できる化合物であって、ナノ構造体に担持（修飾又は複合化とも言う）でき、その後に目的金属を分離できる化合物である。さらに、化学処理により、目的金属以外の金属イオンを遊離（分離）できることが好ましい。

金属吸着性化合物は、回収しようとする目的金属を選択的又は優先的にしかも多量に吸着する化合物が望ましい。ランタノイド元素やアクチノイド元素を目的金属とする場合には、ランタノイド元素やアクチノイド元素を目的金属とする金属吸着性化合物としては、ランタノイド元素やアクチノイド元素に対して選択分光特性を有する有機化合物（呈色沈降性物質：colorant precipitant）であることが好ましい。このような有機呈色沈降性物質として、例えば、アゾ系染料、カルボニル系染料、フタロシアニン系染料、アリールカルボニウム系染料、硫化染料、メタン系染料、ニトロ系染料又はβジケトン型樹脂が挙げられる。選択分光特性を有する有機化合物は、目的金属であるランタノイド元素やアクチノイド元素に対して呈色反応を示す有機化合物であるから、後述する図５に示すような濃度を変化させた呈色反応試験によって、容易に金属吸着性化合物を選別することができる。

図３はランタノイド元素（Ｌｎ）との配位結合による金属錯体形成状態を構造式を用いて模式的に示した図である。アゾ系芳香族化合物（芳香族アゾ化合物とも言う）は分子の種類と溶液のｐＨ等の環境制御との組み合わせに応じて、ランタノイド元素やアクチノイド元素の一部を選択的に吸着し、図３に示すように金属錯体化する。すなわち、アゾ系芳香族化合物をＨＯＭに担持することにより、選択性が高く吸着性の良いランタノイド元素及びアクチノイド元素の吸着・分離用固体吸着材が得られる。アゾ化合物とは図３に示すようなアゾ基‐Ｎ＝Ｎ‐に２つの有機基（Ｒ、Ｒ’）が連結している有機化合物（Ｒ‐Ｎ＝Ｎ‐Ｒ’）である。芳香族アゾ（系）化合物とはＲ及びＲ’ の少なくとも一つが芳香族（環状不飽和有機化合物）であるアゾ化合物である。アミン化合物とは、図２に示すようなアミン（アンモニアの水素原子の１〜３個を有機基（Ｒ、Ｒ’、Ｒ”）で置き換えたもの）を持つ有機化合物であり、芳香族アミン（系）化合物とは、有機基（Ｒ、Ｒ’、Ｒ”）の少なくとも一つが芳香族（環状不飽和有機化合物）であるアミン化合物である。

図４は、吸着・分離・回収材としての芳香族アゾ化合物の錯体形成分子を担持した高秩序メソポーラスシリカ（ＨＯＭ）の構造を概念的に示した図である。図４に示すように、ＨＯＭはｎｍオーダー〜数十ｎｍの規則的な細孔（メソ）を有したシリコン酸化物であり、この規則的な細孔の内壁にアゾ系芳香族分子が担持されている。図４は代表的なものとして蜂の巣状構造を示したが、それ以外の構造でも良い。担持された芳香族アゾ化合物は、ＨＯＭ側の固着部分と溶液側の活性部分とを持ち、活性部分に目的金属のランタノイドイオンやアクチノイドイオンに対する選択的な吸着能を有する官能基を持っている。担持の方法は物理吸着や化学吸着等がある。なお、固着部分においては、吸着反応に影響を与えないために直接の固着以外に、前述したように化学吸着として界面活性剤などの媒介物が介在しても良い。なお、ナノ構造体としてナノロッドを使用した場合は、主にナノロッドの棒状の側面に金属吸着化合物が担持される。

窒素含有芳香族系の錯体形成分子は、目的金属のランタノイド元素やアクチノイド元素に対して選択分光特性を持つものから選択される。ランタノイドあるいはアクチノイド系に選択的に分光特性を持つ窒素含有芳香族系の錯体形成分子として、たとえば、アゾ系として、ジスプロシウム：Dy(III)に対する、ウラン：U(IV)に対する3-(5-bromo-2-pyridylazo)-5-(diethylamino)phenol（3,5-diBr-PADAP）、イットリウム：Y(III)、セリウム：Ce(III)及びランタン：La(III)に対する(5-bromo-2-pyridylazo)-5-(diethylamino)phenol（5-Br-PADAP）、ウラン：U(IV)に対する3-(2-pyridylazo)、トリウム：Th(IV)及びユウロピウム：Eu(III)に対する4-(2-pyridylazo) resorcinol（ＰＡＲ）、サマリウム：Sm(III)、ランタン：La(III)、セリウム：Ce(III)に対する1-(2-pyridylazo)-2-naphtol（ＰＡＮ）、ジスプロシウム：Dy(III)、ホルミウム：Ho(III) トリウム：Th(IV) 、ジスプロシウム：Dy(III) に対する4-(2-pyridylazo)resorcinol、などがある。さらに他のアゾ系芳香族として、4-(2-thiazylazo)6-dodecylresorcinol（ＤＴＡＲ）、4-(2-pyridylazo) N,N-dimethylaniline (ＰＡＤＡ)、5-methyl-4-(2-thiazolylazo) resorcinol (5-Ｍｅ-ＴＡＲ)、2-(4-diethylamino-2-hydroxyphenylazo)-5-bromopyridine(ＤＡＨ)等も利用可能である。また、アミン系としてランタン：La(III)、ユウロピウム：Eu(III)、イッテルビウム：Yb(III)、セリウム：Ce(III)、プラセオジム：Pr(III)、ネオジム：Nd(III)、ガドリニウム：Gd(III)、ジスプロシウム：Dy(III)、ホルミウム：Ho(III)、エルビウム：Er(III)に対する2-aminophenol、2-aminothiophenol、2-aminobenzothiazoleなどがある。さらに、ランタノイド金属又はアクチノイド金属と相互作用が生じることにより、蛍光の消光反応が生じる化合物として、N²,N⁶-diethanamine purine (ＤＥＡＰ)、N,N`Bis(3-carboxysalicylidine) 3,4 diaminobenzoic acid (ＣＳＢＡ)、N,N` Bis(salicylidine) 2-mercaptopyriminidin-4-ol- 5,6 diamine(ＣＭＰＡ)、N,N`disalicylidene-4-carboxy-phenylenediamine(ＳＣＰＤ)、N,N`disalicylidene-4-nitro-phenylenediamine (ＤＳＮＰＤ)などがある。さらに、その他の窒素含有芳香族化合物として、イッテルビウム：Yb(III) に対するN,N,N,N-tetrabutylmalonamide（ＴＢＭＡ）、ユウロピウム：Eu(III)、サマリウム：Sm(III) に対する2-nitroso-1-naphthol（ただし、Co(II)を優先的に吸着するため、Co(II)を除去した環境で行う必要がある。）などがある。

ＨＯＭに担持される金属吸着性化合物は従来の選択分光で知られた物質を用いるだけでなく、従来の文献にない金属吸着性化合物、特にアゾ系芳香族物質、アミン系芳香族物質をＨＯＭに担持した後に、目的とするランタノイド元素又はアクチノイド元素の低濃度領域に対して、図５に示すように、濃度依存性のある分光特性を確認して用いることもできる。つまり、金属吸着性化合物の候補となる呈色物質を準備し、それぞれのランタノイド元素又はアクチノイド元素に対して図５の元素濃度をパラメータにとった分光スペクトルを測定し、分光スペクトルに濃度依存性が確認されたランタノイド元素又はアクチノイド元素が存在すれば、当該呈色物質を濃度依存性が確認されたランタノイド元素又はアクチノイド元素を目的金属とする金属吸着性化合物として選択する選択方法を実施すればよい。さらに、選択された呈色物質に対し、図７に示すように、目的金属イオンを含有する溶液のｐＨをパラメータにとった分光スペクトルを測定し、抽出工程における条件を決定することが好ましい。そして、かかる呈色物質を金属吸着性化合物として、ナノ構造体に修飾し、金属溶解溶液と接触させて目的金属イオンの抽出を行う。

なお、ランタノイド元素又はアクチノイド元素以外の金属元素を目的金属とする場合には、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。たとえば、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）、ヒドロキシル型樹脂（Mo、V）、アゾ型樹脂（Cu、La、Zr、Pd）がある。キトサン｛（C₆H₁₁NO₄）n｝も金属吸着選択性（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。）各種の金属が溶解した金属溶解溶液のｐＨ値や温度や濃度などを調整すれば、その金属吸着性化合物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、金属溶解溶液中に含まれる目的金属の量が少なくても、効率的に選択的に目的金属を吸着する。

このような金属吸着性化合物をＨＯＭに担持（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、ＨＯＭに保持されるべき金属吸着性化合物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ができる。

たとえば、メソポーラス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、そのメソポーラスシリカに陽イオン性官能基を付与し、次いで、この陽イオン性メソポーラスシリカと陰イオン性金属吸着性化合物の水溶液やアルコール溶液とを接触させ、金属吸着性化合物をメソポーラスシリカ内に吸着させる方法、メソポーラスシリカと金属吸着性化合物の有機溶媒溶液とを接触させ、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、金属吸着性化合物をメソポーラスシリカ内に物理的に吸着させて担持する方法、メソポーラス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、そのメソポーラスシリカに陰イオン性官能基を付与し、この陰イオン性メソポーラスシリカと陽イオン性金属吸着性化合物の溶液とを接触させ、金属吸着性化合物をメソポーラスシリカ内に吸着させる方法、あらかじめ金属吸着性化合物を細孔内及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、金属吸着性化合物を細孔内及び表面に固定する方法、金属吸着性化合物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、金属吸着性化合物を該シリカ内に担持する方法が使用される。

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ＨＯＭほど、多くの金属吸着性化合物が規則的にＨＯＭの表面及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ＨＯＭに金属吸着性化合物を吸着させる。

金属吸着性化合物単独でも当然選択的に目的金属を吸着できるが、金属吸着性化合物は凝集したりして、金属吸着が可能な官能基を有効に利用することができない。すなわち、凝集された（たとえば、粒子状の）金属吸着性化合物物質の表面に存在する官能基には目的金属が吸着しても、その粒子状物質の内部にある金属吸着性化合物の官能基には目的金属が吸着することは困難である。また、うまくその粒子状物質の内部にある金属吸着性化合物の官能基に目的金属が吸着したとしても、その吸着した金属を取り出すことが難しい。

これに対して、メソポーラスシリカは、多孔質構造体であり細孔表面積が非常に大きく高度に秩序化した配向構造を持つので、メソポーラスシリカの表面及び細孔内壁に金属吸着性化合物を担持したものは、金属吸着性化合物が整然と配列して結合しているので、金属吸着性化合物の金属吸着率が非常に高くなる。すなわち、大半の金属吸着性化合物が金属吸着に利用可能な状態である。金属溶解溶液や遊離溶液（逆抽出液）は、メソポーラスシリカの表面や細孔へ容易に速く侵入していくので、ＨＯＭに担持された金属吸着性化合物の官能基と容易に速く接触する。このため、ＨＯＭ‐ＭＣが金属溶解溶液と接触するとすばやく吸着され、吸着された金属を分離（遊離）するときも遊離溶液と接触すればすばやく吸着された金属が分離（遊離）されるので、生産性が非常に高くなる。

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（官能基）を持った状態にはならず、離散的にキレートの反応端がある状態となっている。キレート樹脂単独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、金属溶解溶液と接触した部分のキレート官能基には金属が吸着（抽出とも言う）されると予想されるが、金属溶解溶液が浸透しにくいキレート樹脂内部では金属は殆ど吸着されないと考えられる。すなわち、金属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（分離）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を取り出すことも困難となる。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、金属の抽出・逆抽出の効率がどんどん悪くなり、繰り返しの使用によってキレート樹脂の性能が大幅に劣化してしまう。これに対して、キレート樹脂をＨＯＭに担持したものは、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ＨＯＭの表面上に形成することができる。言い換えれば、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、ＨＯＭ表面及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又はキレート化したイオンを選択的に捕獲するので、金属の吸着効率が非常に良くなる。また、その捕獲された金属イオンもしくは当該イオンを含むキレート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及び／又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ＨＯＭに担持したものは、その骨格たるＨＯＭの物理的及び／又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。

図１の第３段階（Ｓ３）では、あらかじめ鉱石中の各種金属を溶解した溶液（金属溶解溶液）を準備しておく。この金属溶解溶液は、たとえば以下のようにして作製する。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（これらも都市鉱石中に含まれる）が溶解される。この溶液から固形分を除いた溶液を金属溶解溶液として使用できる。ランタノイド元素やアクチノイド元素に関しても、目的金属であるこれらの元素をあらかじめ化学的方法（例えば酸等による溶解）でイオン化された金属溶解溶液を準備する。この溶液は、目的金属以外のランタノイド元素やアクチノイド元素イオン、さらに他の金属イオンと混在していても基本的には問題ない。例外的に一部の金属イオンが目的金属と同時に又は優先して金属吸着性化合物に吸着することにより目的金属の選択分離を妨害する場合もあるが、その一部の金属イオン（以下「妨害イオン」という）がランタノイド元素やアクチノイド元素でない限り、従来から既知の化学処理による沈殿分離などで金属溶解溶液から妨害イオンを事前に取り除いておけば問題はない。つまり、金属溶解溶液を準備する工程（Ｓ４）には、妨害イオンを除去する工程を加えてもよい。なお、都市鉱石だけではなく、天然のランタノイド元素又はアクチノイド元素含有鉱石を溶解させて金属溶解溶液を準備してもよい。

また、金属溶解溶液を金属吸着性化合物が選択分離特性を示す環境に調整することが好ましい。その一つとしては、金属溶解溶液の前処理として、金属溶解溶液中のｐＨ調整や化学処理等を行い目的金属以外の金属を析出沈殿させ除去しておくなどの方法によって、金属溶解溶液中の目的金属以外の金属をあらかじめ少なくしておくことが好ましい。また、金属吸着性化合物の中には、金属溶解溶液のｐＨ値、溶液濃度や溶液温度等によって、妨害イオンに対する目的金属イオンの選択性や吸着率が変化するものもあり、金属溶解溶液のｐＨ値、溶液濃度や溶液温度等を調節すれば、効率的に目的金属を吸着させることができる。もっとも有効な調整はｐＨの調整である。また高ｐＨ溶液の場合には、目的金属イオンが水酸化物として沈殿損失する場合もあるので、シュウ酸等の溶液中において錯体形成分子を添加し、高ｐＨ領域における目的金属の沈殿を防止しても良い。このように、調整段階において金属錯体形成能を促進する添加分子（ｐＨ調整剤、沈殿防止剤等）を加えて、目的金属の分離反応の促進に資することは好ましい。なお、環境調整は必須のものではない。要求される元素、純度や条件に応じて、必要な範囲で調整すれば足りる。妨害イオンが存在する金属溶解溶液から、純度の高い元素を一度の抽出‐逆抽出の工程で得るためには、金属溶解溶液の環境を厳密に調整しなければならない場合がある。しかし、ある程度の不純物の混在が許容される場合や、他の手法による妨害イオンや不純物の分離が容易な場合等には、厳密な条件調整を行わずに、金属吸着性化合物に目的金属が吸着される範囲の環境調整で吸着工程を行ってもよい。妨害イオンと目的金属であるランタノイド元素又はアクチノイド元素との分離が容易であれば、環境を厳密に調整するよりも、金属溶解溶液や逆抽出した後の逆抽出液から妨害イオンを分離する方が効率的な場合もある。また、妨害イオンを含む逆抽出液に対し、さらに他の金属吸着性化合物を担持した多孔質構造体による抽出工程や多段抽出法を実施してもよい。多段抽出法を実施する場合であっても、ＨＯＭ‐ＭＣによって目的金属濃度の高い逆抽出液を出発とするため、大幅に時間も、コストも、廃棄溶液も減らすことができる。

金属溶解溶液が準備できたら、図１の吸着工程（Ｓ４）において、金属溶解溶液中に金属吸着性化合物（ＭＣ）を高密度に担持したＨＯＭ（すなわち、ＨＯＭ‐ＭＣ）を浸漬等して金属溶解溶液とＨＯＭ‐ＭＣと接触させる。この接触により、ＨＯＭ‐ＭＣに金属イオンが吸着される。金属吸着性化合物は、一定の条件（ｐＨ値、温度、濃度等）下で目的金属を選択的に又は優先的に吸着するので、その条件下の金属溶解溶液中に金属吸着性化合物を浸漬すれば、目的金属（Ｍｔ）だけを吸着したＨＯＭ（すなわち、ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ）を得ることができる。たとえば、目的金属イオンを最も良く吸着するｐＨ値に調整された金属溶解溶液にＨＯＭ‐ＭＣを接触（浸漬を含む）させ、ＨＯＭ‐ＭＣに目的金属を選択的に大量に吸着することができる。しかし、条件などの多少の変動により、目的金属（Ｍｔ）の他に、目的金属以外の金属（Ｍｏ）が吸着されたＨＯＭ（すなわち、ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏ）が得られる可能性もある。この段階は、目的金属（イオン）をＨＯＭ‐ＭＣに吸着する工程であるから、目的金属（イオン）吸着工程と呼ぶことができる。

調整された金属溶解溶液に吸着・分離・回収材（アゾ系錯体形成分子を担持したＨＯＭ‐ＭＣ）を接触させ、目的金属であるランタノイド元素やアクチノイド元素を金属吸着性化合物（アゾ系芳香族等）の官能基に吸着させる吸着工程において、接触の方法はたとえば、浸漬によるもの、カラム通過によるもの、粒子状の吸着・分離・回収材の混合攪拌によるもの、膜透過によるもの等がある。なお接触の有効性を選択分光効果による呈色反応や分光測定で確認しながら連続もしくは不連続的に接触させるモニタリング法と組み合わせて効果的かつ効率的な接触を行なわせることも可能である。

図５は、ＤＴＡＲ（4-(2-thiazylazo)6-dodecylresorcinol）を担持したＨＯＭにおけるランタノイドイオン元素濃度（具体的にはDy³⁺）をパラメータにとった分光スペクトルの測定結果の一つである。図５の３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長を有する分光において、一番下に示す曲線はDy³⁺を含有していない溶液（０ｐｐｂ）についての分光曲線であり、一番上に示す曲線はDy³⁺を２０００ｐｐｂ（２ｐｐｍ）含有した溶液についての分光曲線である。溶液中のDy³⁺の濃度が増えるに従い吸光度が増加し、溶液中の染料が増加していることが確認できる。呈色反応を示さない有機化合物を担持したＨＯＭの同様の実験では、分光スペクトルの濃度依存性を示さなかったことから、吸光度の変化（染料濃度の変化）はDy³⁺の吸着量に相関していることが分かる。図５から分かるように、分光特性を測定しながら目的金属を吸着させると、どの程度ＨＯＭ‐ＭＣに目的金属が吸着したかや、おおよその濃度も知ることが可能である。

図７は、ランタノイド元素としてDyを単独で２ｐｐｍ溶解した溶液にNaOHを０．２Ｍ（モル）のC₆H₁₁NHCH₂SO₃Hとともに加えてｐＨを変化させたことによるＤＴＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣの吸光度（相対値）を示す。図５に示されているように吸光度がDy吸着能と相関していることから、図７の分光スペクトルによれば、ＤＴＡＲを金属吸着性化合物として、Dyを目的金属とした場合に、ｐＨを１１．０とすることが好ましいことが確認される。

なお、吸着工程（Ｓ４）において、妨害イオン（Ｍｏ）も吸着した場合、ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏを、目的金属以外の金属（Ｍｏ）だけを遊離（分離）できる溶液中に浸漬して、目的金属以外の金属（Ｍｏ）を除去してほぼ目的金属だけを吸着したＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔとする目的外金属分離工程を設けることが好ましい。或いは、ｐＨ値や温度や溶液濃度などの条件調整により目的金属以外の金属（Ｍｏ）を除去してＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔにできる場合もある。なお、吸着工程（Ｓ４）において目的金属以外の金属の吸着が非常に少ない場合や、妨害イオンが目的金属の用途に影響しない場合や、目的金属分離工程（Ｓ５）において目的金属（Ｍｔ）だけを遊離できる方法がある場合には、目的外金属分離工程は設けなくてもよい。

たとえば、溶液の条件によって吸着する元素が異なる複数の条件が存在する場合、金属溶解溶液や逆抽出液の条件を変更して複数回の吸着‐分離工程を繰り返すことで、所望の元素を得ることもできる。例えば、第１の条件（複数の元素を吸着する条件）の金属溶解溶液にＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて、ＨＯＭ‐ＭＣにＭｔ及びＭｏを吸着させて、第１の逆抽出液にＭｔ及びＭｏを分離した後、逆抽出液を第２の条件（単独の元素しか吸着しない条件）にして再びＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて、ＨＯＭ‐ＭＣにＭｔを吸着させて、第２の逆抽出液に分離すれば、金属溶解溶液から第１の逆抽出液にＭｏを分離し、第２の逆抽出液にＭｔを分離することが可能である。又は、第２の条件（単独の元素しか吸着しない条件）の金属溶解溶液にＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて第１の逆抽出液に金属溶解溶液中のＭｔを全て分離した後、金属溶解溶液を第１の条件（複数の元素を吸着する条件）にして、ＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させると、既に金属溶解溶液中のＭｔは全て分離されているのでＭｏのみが吸着し、第２の逆抽出液にＭｏを分離することができる。なお、ここでは説明の便宜上、ＭｔとＭｏを区別したが、事実上はここでのＭｏは第２の目的金属となる。

目的金属分離工程（Ｓ５）では、目的金属を溶解可能な溶液に、目的金属（Ｍｔ）を吸着したＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ又はＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏを浸漬して、目的金属（Ｍｔ）を溶液に溶解させる。或いは、ｐＨ値や温度や溶液濃度などの条件調整により目的金属だけを遊離（分離）できる場合もあり、かかる条件の溶液に、目的金属（Ｍｔ）を吸着したＨＯＭ（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ又はＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏ）を浸漬することにより、目的金属Ｍｔだけを溶液に溶解できる。或いは、目的金属だけを遊離（分離）できる溶液に目的金属（Ｍｔ）を吸着したＨＯＭ（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ又はＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐Ｍｏ）を浸漬することにより、目的金属Ｍｔを溶解できる。ＨＯＭ‐ＭＣに目的金属を吸着してＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔにすることを目的金属の抽出と考えた場合に、この工程はＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ又はＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ‐ＭｏからＭｔを遊離（分離）するので逆抽出工程、あるいは目的金属（イオン）分離工程と言うこともできる。目的金属を溶解した溶液を逆抽出液という。目標金属だけを遊離（分離）できる場合は、金属溶解溶液からの抽出‐逆抽出工程を繰り返すことにより、金属溶解溶液中の目的金属を逆抽出液に分離及び濃縮することが可能である。図７からすれば、ｐＨを４以下とすると、ＤＴＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣのDy吸着能が低下するので、それだけで逆抽出することが可能である。

ランタノイド元素やアクチノイド元素に関しても、吸着・分離・回収材（金属吸着性化合物を担持したＨＯＭ）は、金属溶解溶液と接触後、金属溶解溶液から取り出される。呈色反応の変化や分光測定により、吸着工程の進行をモニタリングすることができる。この取り出しは金属溶解溶液が吸着・分離・回収材のコラムや膜を通り抜ける形で行なわれても良い。取り出された吸着・分離・回収材は洗浄（目的外金属除去工程）されることが好ましい。そして、吸着・分離・回収材は逆抽出液に接触させられる。逆抽出液への接触も処理溶液との接触と同様に上述した多様な方法が可能である。また、呈色反応の変化や分光測定により逆抽出の進行をモニタリングすることもできる。逆抽出は官能基の錯体形成の化学雰囲気を離脱性のものに変えることによって行なうことができる。たとえば、ｐＨ調整が代表的なものであるが、NO₃ ^‐イオン、SO₄ ^2-イオンなどの存在でその反応を促進しても良い。

目的金属を分離したＨＯＭ‐ＭＣは固形物であるから、ろ過して取り除くことができる（Ｓ６）。その後、ＨＯＭ‐ＭＣは、洗浄又は脱溶液処理の後、再度抽出工程に使用可能である。この工程を繰り返すことにより、処理溶液から目的金属元素を選択的に逆抽出液中に取り出すことができる。また、こうして得られる逆抽出液中の金属イオンは、目的金属イオンであるランタノイドやアクチノイドのイオンのみであるから、通常に用いられる化学ポテンシャル処理（酸やアルカリ処理）、電気分解法等を施せば、酸化物や水酸化物としてこれらのイオンを固化・沈降させ濾過などにより回収することができる（Ｓ７）。このように本発明の抽出方法によれば、天然鉱石からも都市鉱石からも目的金属としてランタノイド元素又はアクチノイド元素を回収できた。

以上述べたように、少なくとも吸着工程（Ｓ４）及び目的金属分離工程（Ｓ５）によって、天然鉱石又は都市鉱石から得られた目的金属を溶解した金属溶解溶液から、金属吸着性化合物を担持した高度に秩序化したＨＯＭを用いて、目的金属を回収することができる。

本実施例は、アゾ系試薬を修飾したＨＯＭによりランタノイド元素の一種を選択回収した例を示す。用いたアゾ系試薬はＤＴＡＲ（4-(2-thiazylazo)6-dodecylresorcinol）である。比較例１及び２として、同じく窒素を含む非呈色系分光試薬（N,N` Bis(salicylidene) dodecane-1,12-diamine(ＢＳＤＤ)及び2-hydroxy-3-((2-mercaptophenylimino) methyl)benzoic acid (ＨＭＰＢ)）についても同様の手法で吸着・分離・回収を試みた。なお、非呈色系分光試薬とは、ランタノイド元素又はアクチノイド元素イオンと相互作用が生じても着色しない有機指示染料試薬である。

ＨＯＭは、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）０．７に対して鋳型構造をもたらす界面活性剤Ｆ１０８を１の割合で混ぜ、５０℃から６０℃に加温し１〜２分攪拌した後、この溶液に塩酸を加え、触媒を添加し１０分間減圧下で加熱することにより得られた。図６はこのようにして得られたＨＯＭのＴＥＭ（電子顕微鏡）写真で、これとＸＲＤ（粉末X線回折測定）の結果からＨＯＭは立方晶のIm3m構造をとっていることを確認した。また、このときのＢＥＴ比表面積は５８５ｍ²／ｇであり、メソポーラスの孔径は１６ｎｍ、ＨＯＭの密度は０．６ｃｍ³／ｇであった。

ＤＴＡＲは、次のようにして合成された。１００ｍＬの０．４ＭH₂SO₄ 中に１５ｇ（０．１５ｍｏｌ）の２‐アミノチアゾールを均一に溶解し、１時間継続的に攪拌しつつ氷で冷やした。均質な混合物が得られたら、氷で冷やした１００ｍＬの１０．８ｇ（０．１６ｍｏｌ）亜硝酸ナトリウム溶液が滴下添加され、０〜２℃で２時間攪拌された。等モル比となる４１．８ｇ（０．１５ｍｏｌ）の４‐ドデシルレソルシノールを５０ｍＬ量のC₂H₅OH：(0.5%) NaOH ＝３：１の混合溶液に溶解し、それを１〜３℃でジアゾ化された溶液中に添加した。１０％酢酸ナトリウムを使用して溶液のｐＨを５．５に調整するとカップリング反応が促進される。混合物を冷蔵保存することでアモルファスの赤みを帯びた暗いオレンジの沈殿物として所望の生成物が得られ、温水と冷水による一連の洗浄によって精製され、７０％エタノール中で再結晶される。こうしてＤＴＡＲ（4-(2-thiazylazo)6-dodecylresorcinol）が得られた。

このＨＯＭに金属吸着性化合物としてＤＴＡＲ（4-(2-thiazylazo)6-dodecylresorcinol）を修飾した。ＨＯＭをＤＴＡＲのエタノール溶液に浸漬して真空中で加熱することによりＤＴＡＲ修飾ＨＯＭ（ＨＯＭ‐ＭＣ）を製造した。かかるＨＯＭ‐ＭＣの分光特性が前述の図５である。図５は、ＤＴＡＲを修飾したＨＯＭ‐ＭＣに対して、ｐＨ１１．０の溶液中に単独で添加されたDy³⁺イオン濃度を０ｐｐｂ、０．５ｐｐｂ、１ｐｐｂ、５ｐｐｂ、１０ｐｐｂ、５０ｐｐｂ、１００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、１０００ｐｐｂ（１ｐｐｍ）、２０００ｐｐｂ（２ｐｐｍ）と変えて光吸収の波長依存性を測定した実験における各濃度の色彩を示す写真（上側）と、０ｐｐｂ、０．５ｐｐｂ、５０ｐｐｂ、５００ｐｐｂ及び２０００ｐｐｂの分光スペクトルを示したものである。図５から、光の波長５８５ｎｍ付近で顕著な濃度依存性のピークが認められ、ＨＯＭ‐ＭＣでのランタノイド元素（Dy）錯体捕獲が確認されている。一方、比較例１及び２の非呈色系分光試薬を用いたものでは、他のｐＨ領域においてもこのような分光特性が現れず、ＤＴＡＲによるＨＯＭ修飾が有効であることが確認された。図７は、ランタノイド元素としてDyを単独で２ｐｐｍ溶解した溶液（室温）にNaOHを０．２Ｍ（モル）のC₆H₁₁NHCH₂SO₃Hとともに加えてｐＨを変化させたことによるＤＴＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣのDy吸着能を示す。なお、C₆H₁₁NHCH₂SO₃Hはランタノイドイオンが沈殿するのを防止するための錯イオンである。図７からＤＴＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣによってDyを分離する場合は、ｐＨ８以上の条件で収率５０％以上となり好ましく、ｐＨ１０〜１２の範囲とすると収率が８０％以上となりより好ましく、約ｐＨ１１とすると最もDy抽出条件として好ましいことが分かる。

図８は、金属吸着性化合物として、4-(2-pyridylazo) resorcinol（ＰＡＲ）を修飾したＨＯＭシリカに対して、ｐＨ７．０の溶液中に単独で添加されたYb³⁺イオン濃度を０ｐｐｂ、０．５ｐｐｂ、１ｐｐｂ、５ｐｐｂ、１０ｐｐｂ、５０ｐｐｂ、１００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、１ｐｐｍ（１０００ｐｐｂ）、２ｐｐｍ（２０００ｐｐｂ）と変えて光吸収の波長依存性を測定した実験における各濃度の色彩を示す写真（上側）と、０、０．５、１、５、５０、５００、１０００及び２０００ｐｐｂの分光スペクトルを示したものである。図８から、光の波長４００ｎｍ付近で顕著な濃度依存性のピークが認められ、ＨＯＭ‐ＭＣでのランタノイド元素（Yb）錯体捕獲が確認されている。また、図９は、ランタノイド元素としてYbを単独で２ｐｐｍ溶解した溶液（室温）にNaOHを０．２Ｍ（モル）の３‐モルホリノプロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）とともに加えてｐＨを変化させたことによるＰＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣのYb吸着能を示す。なお、３‐モルホリノプロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）はランタノイドイオンが沈殿するのを防止するための錯イオンである。図９からＰＡＲ修飾ＨＯＭ‐ＭＣによってYbを分離する場合は、ｐＨ１０以下の条件で収率５０％以上となり好ましく、ｐＨ５．４〜９．４の範囲とすると収率が８０％以上となりより好ましく、約ｐＨ７とすると最もYb抽出条件として好ましいことが分かる。

図１０は、消光反応を示すN,N`disalicylidene-4-nitro-phenylenediamine (ＤＳＮＰＤ)を修飾したＨＯＭシリカに対するランタノイド元素イオン（Dy³⁺）添加の効果を確認したものであり、ランタノイド元素イオンを添加したｐＨ７、２５℃の溶液２０ｍＬにおけるＤＳＮＰＤ修飾ＨＯＭ‐ＭＣの蛍光シグナルの測定結果である。溶液は、NaOHと０．２Ｍ（モル）の３‐モルホリノプロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）とを添加してｐＨを７に調整した。図１０から、ランタノイド元素（Dy³⁺）の添加量が増えると蛍光シグナルの強度が減少しており、ＤＳＮＰＤ修飾ＨＯＭ‐ＭＣによってランタノイド元素錯体捕獲が確認されている。

本実施例は、アゾ系試薬を修飾したＨＯＭによりランタノイド元素の一種を選択回収した例を示す。用いたアゾ系試薬は1-(2-pyridylazo)-2-naphtol（ＰＡＮ）であり、ＨＯＭは実施例１と同様のメソポーラスシリカを用いた。

このＨＯＭに金属吸着性化合物として1-(2-pyridylazo)-2-naphtol（ＰＡＮ）を修飾した。ＨＯＭをＰＡＮのエタノール溶液に浸漬して真空中で加熱することによりＰＡＮ修飾ＨＯＭ（ＨＯＭ‐ＭＣ）を製造した。本実施例においては、立方晶のIm3m構造のＨＯＭを使用したため、ＰＡＮを高密度に修飾することができた。かかるＨＯＭ‐ＭＣの分光特性が図１１である。図１１は、ＰＡＮを修飾したＨＯＭ‐ＭＣに対して、ｐＨ１１．５の溶液中に単独で添加されたDy³⁺イオン濃度を０ｐｐｂ、０．５ｐｐｂ、１ｐｐｂ、５ｐｐｂ、１０ｐｐｂ、５０ｐｐｂ、１００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、１ｐｐｍ、２ｐｐｍと変えて光吸収の波長依存性を測定したもので、光の波長５８５ｎｍで顕著な濃度依存性のピークが認められ、ＨＯＭ‐ＭＣでのランタノイド元素錯体捕獲が確認されている。図１２は、ランタノイド元素としてDyを単独で２ｐｐｍ溶解した溶液にNaOHを０．２Ｍ（モル）のC₆H₁₁NHCH₂SO₃Hとともに加えてｐＨを変化させたことによるＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣのDy吸着能を示す。なお、C₆H₁₁NHCH₂SO₃Hはランタノイドイオンが沈殿するのを防止するための錯イオンである。図１２からＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣによってDyを分離する場合は、ｐＨ７以上の条件で収率５０％以上となり好ましく、ｐＨ９〜１２の範囲とすると収率が８０％以上となりより好ましく、約ｐＨ１１とすると最もDy抽出条件として好ましいことが分かる。なお、ｐＨ１１以外の条件ではDy以外にも、Yb(III)やTh(IV)が吸着する場合がある。このように吸着する元素が異なる複数の条件が存在する場合、金属溶解溶液や逆抽出液の条件を変更して複数回の吸着‐分離工程を繰り返すことで、所望の元素を得ることもできる。例えば、第１の条件（複数の元素を吸着する条件）の金属溶解溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて、ＨＯＭ‐ＭＣにDy(III)及びYb(III)を吸着させて、第１の逆抽出液にDy(III)及びYb(III)を分離した後、逆抽出液を第２の条件（単独の元素しか吸着しない条件）にしてＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて、ＨＯＭ‐ＭＣにDy(III)を吸着させて、第２の逆抽出液に分離すれば、金属溶解溶液から第１の逆抽出液にYb(III)を分離し、第２の逆抽出液にDy(III)を分離することが可能である。又は、第２の条件（単独の元素しか吸着しない条件）の金属溶解溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させて第１の逆抽出液に金属溶解溶液中のDy(III)を全て分離した後、金属溶解溶液を第１の条件（複数の元素を吸着する条件）にして、ＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣを浸漬させると、既に金属溶解溶液中のDyイオンは全て分離されているのでYbイオンのみが吸着し、第２の逆抽出液にYb(III)を分離することができる。

このＰＡＮ修飾ＨＯＭ‐ＭＣを用いたランタノイド系元素の抽出・逆抽出の結果を以下に示す。抽出においては、１ｍｇ／Ｌ（１ｐｐｍ）のDy³⁺とともに各種のイオンを混在させた５種の溶液を準備した。溶液（Ａ）は混在イオンとして４ｐｐｍのFe³⁺、４ｐｐｍのPd²⁺を含むもの、溶液（Ｂ）は同じく各種１０ｐｐｍのNd³⁺、Yb³⁺、Eu³⁺の３種類のランタノイドイオンを含むもの、溶液（Ｃ）は別種のTb³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺の３種類のランタノイドイオンを各種１５ｐｐｍ含むもの、溶液（Ｄ）はさらに別種のCe³⁺，Ho³⁺，La³⁺の３種類のランタノイドイオンを各種１５ｐｐｍ含むもの、溶液（Ｅ）は溶液（Ｂ）から溶液（Ｄ）に用いた９種のランタノイドを各種５ｐｐｍ含むものである。

これらの溶液に０．３Ｍのチオ硫酸塩及び酒石酸のキレートを添加し、高ｐＨ域までのイオンの安定化を行った後、NaOHでｐＨ１１まで調整した。これらの溶液に６ｍｇのＰＡＮを修飾したＨＯＭを浸漬し、十分な呈色を確認後溶液から取り出し、残存溶液中の各イオン濃度を測定した。さらに、取り出した修飾ＨＯＭを洗浄後０．２Ｍの硝酸で逆抽出を行い、その硝酸中の各種イオン濃度をＩＣＰ元素分析で測定した。以下に示す表１はイオン混在系における吸着・分離・回収の結果を示す。なお、溶液（Ａ）〜（Ｅ）の何れにおいても、Dy³⁺は、初期溶液濃度が１ｐｐｍであり、処理後溶液中では０．００ｐｐｍ（検出限界以下）となり、逆抽出液中では０．８ｐｐｍとなった。これにより、いずれの共存イオンが存在する場合であっても、硝酸の逆抽出液中にDy³⁺が選択的に吸着・分離・回収されていることが分かり、その収率は約８０％と非常に高い。

以上説明したように、シリカ源と界面活性剤を混合したものに酸性水溶液を加えて得られるＨＯＭは広い表面積と高秩序化した構造を有している。高秩序化した構造は、ＨＯＭの内壁構成原子を錯体形成分子の修飾（担持）端として稠密に利用することができ、また、高分子などに見られる立体障害効果を持つことがなく、高密度のみならず高応答速度も実現できる。さらに均質で安定した担持構造となるために金属吸着性化合物の担持体の劣化を抑えることができる。このＨＯＭに金属吸着性化合物を高密度に担持させることにより、単位体積当たりの錯体形成能すなわちイオン吸着能の高い吸着材を形成することができる。このようにＨＯＭを担持体として用いることでイオン吸着能を向上させることが可能となるために、これまで従来の高分子系担持体との組み合わせではイオン吸着能があまり高くないとして用いられなかった錯体形成分子を用いて高い単位体積当たりのイオン吸着能を得ることができる。しかし、ナノ構造体としては、以下の実施例５及び６において述べるように、ナノチューブ構造体やナノロッド構造体を使用することも可能である。

本実施例は、ナノ構造体として使用可能な酸化チタンのナノチューブ構造体の合成例である。８ｇのTiOSO₄、１０ｇのエタノール及び５ｇの１ＭH₂SO₄水溶液を混合し、乳状溶液を生成する。その後、５ｇのエタノールに溶解された４ｇのPluronic（登録商標）F108トリブロック共重合体界面活性剤が素早く添加された。陽イオンの質量比は、TiOSO₄:F108:H₂O/H₂SO₄＝１：０．５：０．６である。エタノールは、４０〜４５℃でロータリーエバポレーターに連結された真空ポンプによって除去される。５分以内にゲル状固体が形成される。有機部分は、その後の４５０℃、８時間の焼成によって除去される。こうして得られた酸化チタンのナノチューブ構造体は、ＢＥＴ比表面積が１０８ｍ²／ｇであり、チューブの孔径は９．３ｎｍ、ナノチューブの密度は０．５８ｃｍ³／ｇであった。図１３は、ＴｉＯ₂ナノチューブ構造体の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像であり、図１３から均一な直径のナノチューブ構造体が合成されたことが確認される。

本実施例は、ナノ構造体として使用可能な酸化アルミニウムのナノロッド構造体の合成例である。酸化アルミニウムのナノロッド構造体は、以下の工程により簡単に合成することができる。まず、８ｇのAl(NO₃)₃前駆体を２０ｍＬの水に溶解させた後、１０ｍＬの水に溶解した４ｇの界面活性剤（臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ））を混合し、１時間攪拌する。その後、ｐＨが１０になるまで高濃度のアンモニア溶液を３０分間撹拌しつつ滴下添加され、反応混合物は内面がテフロン加工されたステンレス鋼の加圧滅菌器に移動される。加圧滅菌器は密封され、オーブン内において２４時間、１５０℃に保持される。加圧滅菌した後、自然放熱によって室温まで温度を下げる。混合物は遠心分離され、沈殿物を蒸留水及びエタノールで各３回十分に洗浄し、５００℃で８時間焼成する。陽イオンの質量比は、質量比は、Al(NO₃)₃:CTAB:H₂O＝１：０．５：３．７５である。こうして得られた酸化アルミニウムのナノロッド構造体は、ＢＥＴ比表面積が２１２ｍ²／ｇであり、ナノロッドの直径（短径方向）は８．３ｎｍ、ナノロッドの密度は０．６９ｃｍ³／ｇであった。

本実施例では、マスキング剤を用いて、目的金属を選択的に抽出した。マスキング剤とは、複数の元素から目的金属のみを選択的に抽出するために、目的金属以外の金属を金属吸着化合物に反応させないように機能する妨害物質である。本実施例は、具体的には、前述したＰＡＮ修飾ＨＯＭ（ＨＯＭ‐ＭＣ）及びかかるマスキング剤（クエン酸ナトリウム）を用いて、複数のランタノイド元素及び各種の元素（Dy(III)、Nd(III)、Fe(III)、Al(III)、Cu(II)、B(III)）を含む磁性体から、目的金属である一種のランタノイド元素（Dy(III)）を選択的に回収した例である。まず、実験用の磁性体試料として、６種のイオン（Dy³⁺、Nd³⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺、B³⁺）を混在させた金属溶解溶液を準備した。この金属溶解溶液は、０．２Ｍの塩化カリウム（KCl）１Ｌに、水酸化ナトリウム（NaOH）を適量加えてｐＨ１２．５に調整した後、４ｍｌを採取したものに、混在イオンとして、１ｐｐｍのDy³⁺、７５ｐｐｍのNd³⁺、５０ｐｐｍのFe³⁺、５ｐｐｂのAl³⁺、５ｐｐｂのCu²⁺、５ｐｐｍのB³⁺を含むものである。この金属溶解溶液に、マスキング剤として、０．７Ｍのクエン酸ナトリウム溶液４ｍＬを加え、所要の水を加えて全部で２０ｍｌとした。その後、目的金属を抽出するため、この溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを２０ｍｇ加え、溶液を３０分間攪拌した。次いで、溶液を濾過した後、目的外金属を除去するため、目的金属（Dy(III)）を吸着した吸着・分離・回収材（ＨＯＭ‐ＭＣ‐Ｍｔ）を水で洗浄した。ろ液の溶液中には目的金属（Dy(III)）はほとんど存在していない。次いで、吸着・分離・回収材をビーカーに入れ、目的金属を取り出すため、逆抽出液として０．０５Ｍの硝酸１０ｍＬを加え、１０分間攪拌した。この逆抽出液を濾過し、吸着・分離・回収材を水で洗浄する。目的金属であるDy(III)は、逆抽出液のろ液に存在し、吸着・分離・回収材であるＰＡＮ修飾ＨＯＭにも一部存在する。なお、マスキング剤を使用しない場合は、金属溶解溶液に、０．７Ｍのクエン酸ナトリウム溶液を加えなくてもよい。

マスキング剤を使用しない場合、ＰＡＮ修飾ＨＯＭは、目的金属（例えば、Dy(III)）だけでなく、他の目的外金属（例えば、Nd(III)、Fe(III)）を吸着してしまうことがある。比較のため、１ｐｐｍのDy³⁺、７５ｐｐｍのNd³⁺、５０ｐｐｍのFe³⁺、５ｐｐｂのAl³⁺、５ｐｐｂのCu²⁺、５ｐｐｍのB³⁺を、各々、ｐＨ１２．５の溶液中４ｍｌに単独で添加し、所要の水を加えて２０ｍｌにした金属溶解溶液を準備した。各金属溶解溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを加え、３０分間攪拌した後、各金属溶解溶液を濾過し、ＰＡＮ修飾ＨＯＭを取出した。各金属を吸着したＰＡＮ修飾ＨＯＭについて紫外可視近赤外分光光度計（UV-VIS-NIR Spectrophotometer）により分析した。ＰＡＮ修飾ＨＯＭといくつかの金属イオンとの間に相互作用が認められた。図１４は、ｐＨ１２．５でのＰＡＮ修飾ＨＯＭと、Dy(III)、Nd(III)及びFe(III)のそれぞれとの呈色反応、及び各金属を吸着したＰＡＮ修飾ＨＯＭの分光スペクトルの測定結果である。図１４の呈色反応によれば、Nd(III)及びFe(III)がＰＡＮ修飾ＨＯＭと強く反応している。

複数の種類の金属イオンが混在した金属溶解溶液から、目的金属であるDy(III)のみを選択的に抽出するため、目的外金属であるFe(III)及びNd(III)の両方の吸着を防ぐマスキング剤（０．７Ｍのクエン酸ナトリウム）の利用を検討した。かかるマスキング剤を利用すると、Dy(III)単体を効率的かつ選択的に抽出することができる。図１４に示したとおり、Nd(III)及びFe(III)はＰＡＮ修飾ＨＯＭと強く相互作用するため、かかるＰＡＮ修飾ＨＯＭによっては、Dy(III)のみを抽出することが難しかった。しかし、０．７Ｍのクエン酸ナトリウム溶液の存在下では、Nd(III)及びFe(III)とＰＡＮ修飾ＨＯＭとの間の相互作用が小さくなる。図１５は、マスキング剤として０．７Ｍのクエン酸ナトリウムを追加した場合のｐＨ１２．５でのＰＡＮ修飾ＨＯＭと、Dy(III)、Nd(III)及びFe(III)のそれぞれとの呈色反応、及び各金属を吸着したＰＡＮ修飾ＨＯＭの分光スペクトルの測定結果である。図１５の呈色反応によれば、Nd(III)及びFe(III)がそれぞれ単独で添加された金属溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを加えたものと、ＰＡＮ修飾ＨＯＭ単体のものとは、色の変化が同程度である。また、図１５の分光スペクトルの測定結果によれば、目的金属であるDy(III)を吸着したＰＡＮ修飾ＨＯＭにおいて、マスキング剤を使用した場合でも使用しなった場合でも、分光スペクトルはほとんど変わらない。また、図１４及び図１５によれば、目的金属であるDy(III)を含む金属溶解溶液において、マスキング剤を使用した場合でも使用しなった場合でも、その呈色反応は同程度である。このような定量的な分析によって、複数の金属イオンを含む金属溶解溶液から、目的金属であるDy(III)を効率的かつ選択的に抽出する（抽出率９０％以上）ために、かかるマスキング剤が有効であることが認められた。抽出率は、回収濃度（CR：concentration recovery）／原液濃度（CO：concentration original））×１００［％］によって示される

図１６は、Dy³⁺のみの溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを加えた場合と、前述した６種のイオン（Dy³⁺、Nd³⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Cu³⁺、B³⁺）を混在させたｐＨ１２．５の金属溶解溶液に、０．７Ｍのクエン酸ナトリウム４ｍｌを加え、さらに、ＰＡＮ修飾ＨＯＭ（２０ｍｇ）を加えた場合の溶液の呈色反応、及び取出されたＰＡＮ修飾ＨＯＭの紫外可視近赤外分光光度計による分光スペクトルの測定結果である。図１６の呈色反応によれば、６種の金属イオンが混在する金属溶解溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを加えたものと、Dy³⁺のみの溶液にＰＡＮ修飾ＨＯＭを加えたものとは、色の変化が同程度である。また、図１６の分光スペクトルの測定結果によれば、６種の金属イオンを含む金属溶解溶液から取出されたＰＡＮ修飾ＨＯＭと、Dy³⁺のみの溶液から取出されたＰＡＮ修飾ＨＯＭとでは、分光スペクトルが類似する。したがって、ＰＡＮ修飾ＨＯＭは、７５ｐｐｍのNd(III)、５０ｐｐｍのFe(III)、５ｐｐｂのAl(III)、５ｐｐｂのCu(II)及び５ｐｐｍのB(III)が混在した環境下でも、目的金属とするDy(III)のみを選択的に抽出する（抽出率９０％以上）ことができる。

金属吸着性化合物としてこれまで分光分析に用いられてきた一連の金属錯体形成分子は、金属イオンに対する選択性に優れているため、これらの錯体形成分子をナノ構造体に担持し適切な溶液中の錯体形成環境を実現すれば優れたイオン吸着能を持つ吸着材とすることができる。またＨＯＭ、ナノチューブ構造体、ナノロッド構造体等の担持体は安定性に富むために、溶液環境を変化させることで錯体形成分子を担持体に保持したまま逆抽出を行なうことができる。特に、アゾ系、アミン系などの窒素を含有する芳香族系分子で目的金属であるランタノイドやアクチノイド元素に対して選択分光特性を有するものをナノ構造体に担持した固体吸着材とし、それに対象とするランタノイドやアクチノイド元素に適合したｐＨ調整などの溶液環境制御を行なうことで、選択性の高いランタノイド及びアクチノイド元素の吸着を行なうことができる。さらに逆抽出環境との組み合わせにより吸着されたランタノイドやアクチノイド元素の吸着・分離・回収ができる。さらに、ランタノイドやアクチノイド元素のイオン吸着に用いるアゾ系やアミン系などの窒素を含有する芳香族系分子はそもそも分光計測に用いられるように、１ｐｐｂ台の希薄溶液から選択的な錯体形成によるイオン吸着を起こすため、土壌（約数ｐｐｍ）や海水（約数ｐｐｂ）などの希薄な状態にも適用できる。

また、上述したように、本発明は、ナノ構造体として、有機シリコン化合物及び界面活性剤から作製した高秩序化メソポーラスシリカを採用し、メソポーラスシリカに目的金属（イオン）を選択的に吸着するキレート化合物のような金属吸着性化合物を担持させ、その金属吸着性化合物を担持したメソポーラスシリカを目的金属（イオン）が溶解された溶液と接触させ、目的金属（イオン）を選択的にメソポーラスシリカに担持された金属吸着性化合物に吸着させる。その後で、目的金属（イオン）を吸着した金属吸着性化合物を担持したメソポーラスシリカを化学的処理し、目的金属（イオン）をメソポーラスシリカに担持された金属吸着性化合物から遊離（分離）させ、目的金属を回収する。目的金属（イオン）が遊離（分離）された金属吸着性化合物を担持したメソポーラスシリカは、繰り返し再使用できる。

本発明は都市鉱石に含まれる希少金属を効率よく安価に取り出す材料及びその方法を提供するものであるが、上記の説明からも分かるように、都市鉱石ばかりではなく、各種金属を含む通常の鉱石からの金属の抽出・吸着・逆抽出にも適用できるし、金属が溶け込んだ溶液からの金属の抽出・吸着・逆抽出にも適用できる。また、上述した以外の金属（希少金属やそれ以外も含む）に対しても、当該金属を選択的に吸着可能なキレート化合物のような金属吸着性化合物をナノ構造体に担持すれば、それを用いて目的金属を抽出・吸着・逆抽出して、金属を回収できることは明白である。なお、明細書のある部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることも言うまでもない。

なお、本発明は以下の態様も含む。
［１］ランタノイド元素及びアクチノイド元素の中から選ばれた目的金属を含む金属溶解溶液に、前記目的金属との金属錯体を形成し、前記目的金属を選択的に吸着できる金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を接触させ、前記溶液中の目的金属を前記金属吸着性化合物に吸着させる吸着工程と、前記吸着工程を経て、目的金属を吸着した金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を逆抽出液に接触させ、前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属を逆抽出液に移動させる目的金属分離工程と、を含むランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［２］前記目的金属は、２０００ｐｐｂ以下の低濃度で前記金属溶解溶液に含まれることを特徴とする上記［１］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［３］前記金属吸着性化合物は目的金属に対して選択分光特性を有する有機化合物であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［４］前記有機化合物は窒素含有芳香族化合物であることを特徴とする上記［３に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［５］前記窒素含有芳香族化合物は芳香族アゾ化合物、芳香族アミン化合物であることを特徴とする上記［４］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［６］前記金属吸着性化合物は、3,5-diBr-PADAP、5-Br-PADAP、3-(2-pyridylazo)、ＤＴＡＲ、ＰＡＲ、ＤＳＮＰＤ及びＰＡＮから選択された１又は２以上の化合物であることを特徴とする上記［１］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［７］前記吸着工程において、呈色反応及び／又は分光特性をモニタリングしながら前記目的金属を前記金属吸着性化合物に吸着させることを特徴とする上記［３］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［８］前記目的金属分離工程において、呈色反応及び／又は分光特性をモニタリングしながら前記目的金属を前記金属吸着性化合物から逆抽出液に移動させることを特徴とする上記［３］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［９］前記吸着工程において、前記金属溶解溶液を目的金属の選択分離特性を示す化学環境に調整することにより、目的金属のみを前記金属吸着性化合物に吸着させることを特徴とする上記［１］乃至［８］の何れか１項に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１０］前記目的金属分離工程において、前記逆抽出液を所定の条件とすることにより、前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属イオンを逆抽出液に移動させることを特徴とする上記［１］乃至［８］の何れか１項に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１１］前記目的金属分離工程において前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属イオンを逆抽出液に移動させたナノ構造体を再び前記吸着工程において溶液に接触させることを特徴とする上記［１］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１２］前記ナノ構造体は、多孔質構造体又はナノロッド構造体を含むことを特徴とする上記［１］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１３］前記多孔質構造体は高度に秩序化したメソポーラス構造を含むことを特徴とする上記［１２］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１４］前記メソポーラス構造は、メソポーラスシリカを含むことを特徴とする上記［１３］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１５］前記金属吸着性化合物は、前記メソポーラス構造の表面及び細孔内壁に担持されることを特徴とする上記［１３］又は［１４］に記載のランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
［１６］溶液中に存在するランタノイド元素及びアクチノイド元素の中から選ばれた目的金属との金属錯体を形成し、前記目的金属を選択的に吸着できる金属吸着性化合物を担持したナノ構造体。
［１７］前記目的金属は、２０００ｐｐｂ以下の低濃度で前記溶液中に存在することを特徴とする上記［１６］に記載のナノ構造体。
［１８］前記金属吸着性化合物は目的金属に対して選択分光特性を有する有機化合物であることを特徴とする上記［１６］に記載のナノ構造体。
［１９］前記有機化合物は窒素含有芳香族化合物であることを特徴とする上記［１８］に記載のナノ構造体。
［２０］前記窒素含有芳香族化合物は芳香族アゾ化合物、芳香族アミン化合物であることを特徴とする上記［１９］に記載のナノ構造体。
［２１］前記金属吸着性化合物は、3,5-diBr-PADAP、5-Br-PADAP、3-(2-pyridylazo)、ＤＴＡＲ、ＰＡＲ、ＤＳＮＰＤ及びＰＡＮから選択された１又は２以上の化合物であることを特徴とする上記［１６］に記載のナノ構造体。
［２２］前記ナノ構造体は、多孔質構造体又はナノロッド構造体を含むことを特徴とする上記［１６］に記載のナノ構造体。
［２３］前記多孔質構造体は高度に秩序化したメソポーラス構造を含むことを特徴とする上記［２２］に記載のナノ構造体。
［２４］前記メソポーラス構造は、メソポーラスシリカを含むことを特徴とする上記［２３］に記載のナノ構造体。
［２５］前記金属吸着性化合物は、前記メソポーラス構造の表面及び細孔内壁に担持されることを特徴とする上記［２３］又は［２４］に記載のナノ構造体。
［２６］複数のランタノイド元素及び他の元素を含む金属溶解溶液から、前記複数のランタノイド元素の中から選ばれた一種の目的金属を抽出する方法であって、前記金属溶解溶液にマスキング剤を加えて、前記目的金属以外の元素の抽出を妨げるマスキング工程と、前記金属溶解溶液に、前記目的金属との金属錯体を形成し、前記目的金属を選択的に吸着できる金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を接触させ、前記溶液中の目的金属のみ選択的に前記金属吸着性化合物に吸着させる吸着工程と、前記吸着工程を経て、目的金属を吸着した金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を逆抽出液に接触させ、前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属を逆抽出液に移動させる目的金属分離工程と、を含むランタノイド元素の抽出方法。
［２７］前記目的金属は、２０００ｐｐｂ以下の低濃度で前記金属溶解溶液に含まれることを特徴とする上記［２６］に記載のランタノイド元素の抽出方法。
［２８］前記金属吸着性化合物は、ＰＡＮの化合物であることを特徴とする上記［２６］に記載のランタノイド元素の抽出方法。
［２９］前記マスキング剤は、クエン酸ナトリウムであることを特徴とする上記［２８］に記載のランタノイド元素の抽出方法。

本発明は、種々の金属を含む物質や材料から当該金属を除去する産業分野や回収する産業分野において利用することができる。

Claims

ランタノイド元素及びアクチノイド元素の中から選ばれた目的金属を含む金属溶解溶液に、金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を接触させ、前記溶液中の目的金属を前記金属吸着性化合物に吸着させる吸着工程と、
前記吸着工程を経て、目的金属を吸着した金属吸着性化合物を担持したナノ構造体を逆抽出液に接触させ、前記金属吸着性化合物に吸着した目的金属を逆抽出液に移動させる目的金属分離工程とを含むランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法であって、
前記金属吸着性化合物は、3,5-diBr-PADAP、5-Br-PADAP、ＤＴＡＲ、ＰＡＲ、ＤＳＮＰＤ及びＰＡＮから選択された１又は２以上の化合物であることを特徴とするランタノイド元素又はアクチノイド元素の抽出方法。
溶液中に存在するランタノイド元素及びアクチノイド元素の中から選ばれた目的金属を選択的に吸着できる金属吸着性化合物を担持したナノ構造体において、
前記金属吸着性化合物は、3,5-diBr-PADAP、5-Br-PADAP、ＤＴＡＲ、ＰＡＲ、ＤＳＮＰＤ及びＰＡＮから選択された１又は２以上の化合物であることを特徴とするナノ構造体。
複数のランタノイド元素及び他の元素を含む金属溶解溶液から、前記複数のランタノイド元素の中から選ばれた一種の目的金属を抽出する方法であって、
前記金属溶解溶液にマスキング剤を加えて、前記目的金属以外の元素の抽出を妨げるマスキング工程と、
前記金属溶解溶液に、ＰＡＮの化合物を担持したナノ構造体を接触させ、前記溶液中の目的金属のみを選択的に前記ＰＡＮの化合物に吸着させる吸着工程と、
前記吸着工程を経て、目的金属を吸着したＰＡＮの化合物を担持したナノ構造体を逆抽出液に接触させ、前記ＰＡＮの化合物に吸着した目的金属を逆抽出液に移動させる目的金属分離工程とを含むことを特徴とするランタノイド元素の抽出方法。
前記マスキング剤は、クエン酸ナトリウムであることを特徴とする請求項３に記載のランタノイド元素の抽出方法。