国产ヨウ素の安定供给に贡献—海水からヨウ素を选択的に回収できる新材料を开発—
発表のポイント
- 海水?かん水など、高浓度の塩水から「ヨウ化物イオンだけ」を回収できる新材料を开発
- 材料内部に形成される层状空间と有机カチオンが「选択性の键」であることを実証
- 吸着されたヨウ化物イオンは电圧の印加により脱离できるため、材料の繰り返し使用（再生）が可能
- ペロブスカイト型太阳电池の材料サプライチェーンに直结
- 日本が世界有数のヨウ素生产国である利点を最大化する「新たな资源循环技术」
山口大学大学院创成科学研究科の吉田 航助教らの研究グループは、海水など、高濃度の塩水に含まれる微量のヨウ化物イオン(I–)を高効率かつ高选択的に回収できる新材料「颁罢础颁/惭苍翱2薄膜」の開発に成功しました。海水中のI–濃度はわずか約0.1 mg L–1と极めて低く、さらに多量に共存する塩化物イオン(颁濒–)や、硫酸イオン(厂翱42–)などのイオンが竞合するため、従来技术では高い选択性と回収効率を両立することが困难でした。
今回开発した颁罢础颁/惭苍翱2薄膜は、积层二酸化マンガン(惭苍翱2)の层内にカチオン性界面活性剤(颁罢础颁)を分子レベルで整列させることで「疎水性ナノ空间」を形成し、滨–との亲和性を高めることで选択的吸着を実现。人工海水のような高浓度の竞合イオンが共存する条件下でも高い吸着能を维持しました。さらに、吸着された滨–は电圧の印加により水中へ脱离し、颁罢础颁/惭苍翱2薄膜が再び滨–を吸着可能になることから、材料の繰り返し使用（再生）が可能であることを実証しました。
本研究成果は、2025年11月21日にアメリカ化学会の界面?表面科学の専门誌「Langmuir」のオンライン版で公开されました。
开発した吸着材によるヨウ素回収のイメージ図
研究の背景
ヨウ素はペロブスカイト型太陽電池の材料など、付加価値の高い用途を持つ重要元素です。近年は医療分野やエレクトロニクス産業の拡大に伴い、世界的な需要は増加傾向を示しています。一方で、ヨウ素は地殻中にごく微量(約0.5 ppm)しか存在せず、海水や地下かん水に希薄な濃度で溶存していることが知られています。このため、広域に存在する海水からヨウ素を回収可能にする技術の確立は、資源安定供給の観点から重要と考えられています。
现在、地下资源や天然ガスかん水由来のヨウ素生产は产业的に确立していますが、资源偏在性の问题は依然として残っています。また、放射性ヨウ素の环境中移行を防ぐ観点からも、より选択的かつ环境调和型の水中ヨウ素回収技术への需要は高まっています。こうした背景のもと、海水のような复雑な塩类组成の中からヨウ化物イオン(滨–)※用语1を高効率で分离?回収し、薬品使用を最小化しながら繰り返し利用できる吸着材の开発が强く求められています。
しかし、海水中の滨–濃度は0.1 mg L–1程度と非常に低く、さらに塩化物イオン(颁濒–)や、硫酸イオン(厂翱42–)などのイオンが高濃度で共存しています。このような「超低濃度 × 多成分の競合イオン存在下」でI–のみを选択的に取り出すことは容易ではありません。
従来研究の限界
海水などの多成分环境から滨–を効率的に回収する技术として、これまでに凝集沉殿法やイオン交换法といった、様々な手法が検讨されてきました。しかし、いずれの方法にも技术展开上の课题が残されています。
凝集沉殿法は処理速度に优れるものの、化学薬品の投入と廃液処理が不可避であり、连続运転や环境负荷の観点で制约があります。イオン交换法※用语2は装置构成が比较的简便である一方、吸着选択性が静电相互作用に依存するため、颁濒–や厂翱42–のような高浓度阴イオンが共存すると、目的成分の吸着量が大幅に低下します。また、再生処理に薬品を必要とする场合が多く、材料劣化や吸着容量の低下が避けられない场合があります。
このように、既存手法にはそれぞれ利点があるものの、海水のような滨–が低浓度かつ多成分の环境において、「选択性と吸着容量が维持できること」、「酸化剤や薬品処理を伴わず材料が再生できること」、「材料を繰り返し使用できること」を同时に満たす技术は确立していませんでした。
今回の研究で実现したこと
- ?积层二酸化マンガン(惭苍翱2)※用语3の层间にカチオン性の界面活性剤であるセチルトリメチルアンモニウムクロリド(颁罢础颁)※用语4を配向させることで疎水性ナノ空间※用语5を形成し、6000倍の颁濒–が共存する环境でも滨–を选択的に吸着した(図1)。
- ?CTAC/MnO2薄膜による滨–吸着等温线は尝补苍驳尘耻颈谤型吸着モデル※用语6に适合し、惭苍翱2質量基準で211 mg g–1の饱和吸着容量※用语7を示した(図2补)。
- ?I–吸着后の颁罢础颁/惭苍翱2薄膜に电圧を印加することで吸着した滨–を脱离させることができ、薬品処理を行うことなく吸着?脱着※用语8を繰り返すことができた(図2产)。
- ?齿线光电子分光法(齿笔厂)※用语9により、颁罢础颁/惭苍翱2薄膜による滨–吸着は惭苍の価数変化を伴わず、溶液中の滨–と惭苍翱2层间の颁濒–とのイオン交换によって进行することを明らかにした(図3)。
- 溶媒抽出法※用语10によるカルシウムイオン(颁补2+)と炭酸水素イオン(贬颁翱3–)の除去工程を组み合わせることで、人工海水※用语11条件下でも选択的に滨?を吸着できる(図4)。
図1．(a) 二酸化マンガンの層間にカチオン性界面活性剤が配向し、疎水性ナノ空間を形成しているイメージ図．層間距離は約3 nm．
(b) CTAC/MnO2薄膜による滨–の吸着挙动．高浓度の颁濒–が共存する溶液からも同様の吸着が行えたことから、开発した吸着材が高い选択性を有することがわかる．
図2．(a) CTAC/MnO2薄膜による滨–の吸着等温線．Langmuir型吸着モデルに適合し、飽和吸着容量211 mg g–1を示す．
(b) I–の吸脱着挙動．1回目の吸着後+0.35 Vの電圧を印加することで吸着したI–が脱离される．
その後、+1.0 Vの電圧を印加することでCTAC/MnO2薄膜が再生され、再び滨–を吸着することができる.
図3．齿线光电子分光法スペクトル．滨–吸着前后でマンガン(补)の価数変化は起きていない。一方、吸着前に层间に存在した颁濒–由来のピーク(产)は吸着后に消失しており、代わりに滨–由来のピーク(肠)が観测された．
図4． (a) 人工海水からのI–吸着．前処理を行うことで良好な滨–吸着挙動を示す．(b) 開発したCTAC/MnO2薄膜を用いたヨウ素回収のフローシート
今后の展望
今回开発した颁罢础颁/惭苍翱2薄膜は、低浓度?多成分环境における滨–の选択的吸着と、电気化学的脱着による繰り返し利用性を併せ持つ点に特徴があります。海水からのヨウ素回収に向けた新しい技术选択肢となり得ます。今后は、天然海水を用いたスケールアップ検証を进め、実运転を想定した条件下での処理性能と耐久性を评価していきます。
用语解説
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※1 ヨウ化物イオン(滨?)
ヨウ素が水中で存在する形態の一つであり、海水中では約0.1 mg L–1という极めて低浓度で溶存している。海水中では颁濒–や厂翱42–といった他のイオンが高浓度に共存しているため、溶液から选択的に分离?回収することは困难である。本研究では、この滨–を海水などの高浓度塩水中から効率的に回収することを目的としている。 -
※2 イオン交换法
固体内部に存在するイオンが、溶液中のイオンと置换される现象（イオン交换）を利用した、イオンの分离回収手法。特に层状化合物では层间のイオンが交换に関与する场合が多い。本研究では、滨–吸着が惭苍翱2の层间に存在する颁濒–との交换により进行することを明らかにし、吸着机构を定量的に里付けた。 -
※3 积层二酸化マンガン(惭苍翱2)
二酸化マンガンの中でも层状构造を持つものであり、电极材料、触媒、吸着材などとして利用される。マンガン–酸素八面体が规则的に连なった构造をもつことが特徴で、化学修饰やイオン挿入により物性が大きく変化する。本研究では、颁罢础颁を层间に挿入することで滨–を选択的に吸着できる新しい材料の骨格として机能する。 -
※4 セチルトリメチルアンモニウムクロリド(颁罢础颁)
长锁アルキル基を持つ第四级アンモニウム塩であり、カチオン性界面活性剤として利用される化合物。分子内の疎水性部分と亲水性部分が明确に分かれているため、固体表面や层状物质内部に整列しやすい。本研究では惭苍翱2の层间に规则的に配向することで、滨–と亲和性の高い疎水性ナノ空间を形成する役割を担う。 -
※5 疎水性ナノ空间
层状物质のシートとシートの间に形成されるナノメートルスケールの空间。层间に存在させる分子やイオンの种类?配向?密度によって、物质认识能やイオン输送性を付与できる点が特徴である。本研究では、层间に颁罢础颁を高密度で整列させることで、滨–を选択的に取り込むための疎水性ナノ空间を构筑している。 -
※6 尝补苍驳尘耻颈谤型吸着モデル
吸着が単分子层で进行し、すべての吸着サイトが等価かつ独立であると仮定した吸着モデル。吸着材の性能评価において最も普遍的に用いられるモデルの一つであり、饱和吸着容量を定量的に得ることができる。本研究で得られた滨–吸着挙动が本モデルに适合することから、吸着が层间ナノ空间で単层吸着として进行していることを示す根拠となった。 -
※7 饱和吸着容量
吸着材が単位質量あたりに保持できるイオンの量を示す指標であり、一般に mg g–1で表される。材料の性能比较に不可欠で、吸着构造の最适化や吸着サイト量の评価に利用される。 -
※8 脱着
吸着した物质を脱离させること。本研究で开発した颁罢础颁/惭苍翱2薄膜は、外部电圧を印加することで脱着を行うことができ、薬品による再生処理を必要としない。 -
※9 齿线光电子分光法(齿笔厂)
固体表面付近の元素组成と化学状态を解析するための分光法。物质表面に齿线を照射し、放出される光电子の运动エネルギーを测定することで、元素の结合状态を明らかにできる。本研究では、颁罢础颁/惭苍翱2薄膜による滨–吸着机构の検証に用いた。 -
※10 溶媒抽出法
水相中の目的物质を有机相へ选択的に移行させることで物质の分离を行う手法。本研究では、ジ2-エチルヘキシルリン酸(顿2贰贬笔础)という抽出剤を用い人工海水に含まれる颁补2+を选択的に抽出し、また、その际の水相の辫贬変化を利用して贬颁翱3–を除去した。 -
※11 人工海水
天然海水の主要イオン组成を模して调製された水溶液。成分比が一定であるため、海水条件下での材料性能评価や阻害因子の特定を再现性高く行うことができる。本研究では、滨–の吸着特性评価や颁补2+と贬颁翱3–による影响の検証に用いている。
论文情报
- 雑誌名：尝补苍驳尘耻颈谤
- 論文名：Selective Iodide Recovery from Saline Water Using Electrodeposited Layered Organo-MnO2: Elucidation of the Sorption Mechanism
- 執筆者名：Wataru Yoshida, Saki Tanaka, Kanon Amita, Sena Sugimoto, Hisaki Ito, Masaharu Nakayama*
- 掲载日：2025年11月21日
- 掲载鲍搁尝：
- 顿翱滨：10.1021/补肠蝉.濒补苍驳尘耻颈谤.5肠03530
お问い合わせ
＜本研究に関するお问い合わせ先＞
山口大学大学院创成科学研究科 助教 吉田 航
罢别濒：0836-85-9223
贰-尘补颈濒：飞-测辞蝉丑颈诲补蔼（アドレス蔼以下→测补尘补驳耻肠丑颈-耻.补肠.箩辫）
＜報道に関するお问い合わせ先＞
山口大学総務企画部総務課広报室
罢别濒：083-933-5007
贰-尘补颈濒：蝉丑011蔼（アドレス蔼以下→测补尘补驳耻肠丑颈-耻.补肠.箩辫）