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浸出とは、溶媒によって溶質が担体物質から分離または抽出されるプロセスである。[ 1 ]
浸出は自然界で起こるプロセスであり、科学者はさまざまな方法でさまざまな用途に応用してきました。具体的な抽出方法は、濃度、分布、性質、サイズなど、吸着剤材料に対する溶解性の特性に依存します。 [ 1 ]浸出は、植物物質（無機物と有機物）[ 2 ] [ 3 ]、土壌中の溶質の浸出[ 4 ] 、有機物の分解[ 5 ]など、自然に発生することがあります。浸出は、水質の向上や汚染物質の除去[ 1 ] [ 6 ] 、フライアッシュ[ 7 ]や希土類元素（REE）[8]などの有害廃棄物の処理にも効果的に適用できます。浸出特性を理解することは、浸出プロセスを防止または促進し、避けられない場合に備えて準備するために重要です。[ 2 ]
理想的な浸出平衡段階では、溶質はすべて溶媒に溶解し、溶質の担体は変化しません。[ 1 ]しかし、浸出プロセスは必ずしも理想的ではなく、理解や再現が非常に複雑になる場合があり、[ 6 ]異なる方法論では異なる結果が生じることがよくあります。[ 9 ]
浸出シナリオには多くの種類があるため、このトピックの範囲は広範である。[ 1 ] [ 3 ] [ 9 ]しかし、一般的に、3つの物質は次のように説明できる。
物質Cが導入される前の系では、物質Aと物質Bはある程度均質である。[ 10 ]浸出プロセスの開始時、物質Cは表面の物質Bをかなり高い速度で溶解する。[ 1 ]物質Bを標的とし続けるために物質Aの細孔を透過する必要が生じると、溶解速度は大幅に低下する。 [ 1 ]この透過は、物質Aの溶解[ 1 ] 、または複数の溶質の生成物[ 10 ]につながることが多く、特定の浸出が望まれる場合にはどちらも不満足である。浸出プロセスを観察する際には、担体と溶質の物理化学的および生物学的特性を考慮する必要があり、材料、溶媒、およびそれらの入手可能性に応じて、特定の特性がより重要になる場合がある。[ 9 ]これらの特定の特性には、以下が含まれるが、これらに限定されない。
一般的なプロセスは通常、3つの部分に分けられ、要約されます。[ 1 ]
生物物質自体が浸出する可能性があり[ 2 ] 、重金属を回収するための溶媒物質の一部として浸出に使用されることもあります[ 6 ]。多くの植物はフェノール類、炭水化物、アミノ酸の浸出を経験し、雨、露、霧、靄などの水源からだけでも浸出によって最大30%の質量損失を経験する可能性があります[ 5 ]。[ 2 ]これらの水源は浸出プロセスにおける溶媒とみなされ、遊離糖、ペクチン質、糖アルコールなどの植物からの有機栄養素の浸出にもつながる可能性があります[ 2 ]。これは、水に直接アクセスできる植物種の多様性の増加につながる可能性があります[ 2 ] 。この種の浸出は、水によって固体から望ましくない成分を除去することにつながることが多く、このプロセスは洗浄と呼ばれます。[ 11 ]植物の浸出に関する主な懸念は、農薬が浸出して雨水流出によって運ばれるかどうかです。[ 3 ]これは植物の健康にとって必要なだけでなく、農薬は人間や動物の健康に有害となる可能性があるため、制御することが重要です。[ 3 ]
バイオリーチングとは、生物学的酸化および錯形成プロセスによって不溶性鉱石から金属カチオンを除去することを指す用語である。 [ 6 ]このプロセスは主に、不溶性硫化物または酸化物から銅、コバルト、ニッケル、亜鉛、およびウランを抽出するために行われる。[ 6 ]バイオリーチングプロセスは、硫酸を使用してアルミニウムを回収することにより、フライアッシュの再利用にも使用できる。[ 7 ]
石炭フライアッシュは、処分中に大量の溶出が起こる製品です。[ 7 ]フライアッシュをコンクリートやレンガなどの他の材料に再利用することが推奨されていますが、米国では依然としてその多くが貯水池、ラグーン、埋立地、スラグ堆積場に処分されています。[ 7 ]これらの処分場にはすべて水があり、洗浄効果により、フライアッシュの種類や発生場所に応じて、さまざまな主要元素が溶出する可能性があります。 [ 7 ]フライアッシュの溶出は、テネシー州ローアン郡のキングストン火力発電所の場合のように、フライアッシュが適切に処分されていない場合にのみ問題となります。[ 12 ]テネシー渓谷開発公社キングストン火力発電所の構造的崩壊は、地域全体に大規模な破壊をもたらし、下流のエモリー川とクリンチ川の両方に深刻なレベルの汚染を引き起こしました。[ 12 ]
土壌中の浸出は土壌の特性に大きく依存するため、モデリングが困難です。[ 4 ]浸出の大部分は水の浸透によるもので、生物学的物質の浸出プロセスで説明されているのとよく似た洗浄効果です。[ 4 ] [ 11 ]浸出は通常、ダルシーの法則、質量流量式、拡散分散の理解などの溶質輸送モデルによって説明されます。[ 4 ]浸出は主に土壌の水理伝導度によって制御され、これは応力によって土壌が圧縮された粒子サイズと相対密度に依存します。 [ 4 ]拡散は、孔隙サイズと土壌骨格、流路の曲がりくねり度、溶媒（水）と溶質の分布などの他の要因によって制御されます。 [ 4 ]
浸出は、廃水や原材料から貴重な物質を抽出するために使用されることがあります。鉱物学の分野では、酸浸出は、原材料や再利用材料からバナジウム、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄などの金属を抽出するためによく用いられます。 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]近年、廃棄物から貴金属を回収するための金属浸出に注目が集まっています。例えば、廃水から貴重な金属を抽出する場合などです。[ 15 ]
浸出プロセスが多岐にわたるため、実験室的手法やモデリングによって収集されるデータには多くのバリエーションがあり、データ自体を解釈することが困難です。[ 10 ]特定の浸出プロセスだけでなく、実験自体の焦点も重要です。たとえば、浸出を引き起こすメカニズム、グループまたは個々の鉱物学、または浸出を引き起こす溶媒に焦点を当てることができます。 [ 10 ]ほとんどのテストは、試薬、熱、または単に水で洗浄することによる質量損失を評価することによって行われます。 [ 1 ]さまざまな浸出プロセスとそのそれぞれの実験室テストの概要は、次の表で確認できます。
有機酸を用いて使用済み電池からリチウムとコバルトを浸出させる研究が最近行われ、一定の成果を上げている。リンゴ酸の温度と濃度を変えて行った実験では、最適な条件は90 ℃の温度で2.0 m/Lの有機酸であることが示された。 [ 16 ]この反応は、有害な副生成物を生じることなく、90%を超える全体的な効率を示した。
クエン酸を用いた同様の分析では、最適な温度と濃度が90 ℃、クエン酸のモル濃度が1.5であることが示された。[ 17 ]
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