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浸出とは、溶質が溶媒によってその担体物質から分離または抽出されるプロセスである。[1]
浸出は自然に発生するプロセスであり、科学者はこれをさまざまな方法でさまざまな用途に応用してきました。特定の抽出方法は、濃度、分布、性質、サイズなど、吸着剤に対する溶解特性によって異なります。 [1]浸出は、植物物質（無機および有機）から自然に発生することがあり、[2] [3]土壌中の溶質の浸出、[4]有機物の分解で見られます。[5]浸出は、水質の向上や汚染物質の除去にも効果的に適用できます。 [1] [6]また、フライアッシュ、[7]や希土類元素（REE）などの有害廃棄物の処分にも適用できます。[8]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、浸出が避けられない場合に備えるために重要です。[2]
理想的な浸出平衡段階では、すべての溶質が溶媒に溶解し、溶質のキャリアは変化しません。[1]しかし、浸出のプロセスは常に理想的であるとは限らず、理解して再現するのは非常に複雑であり、[6]異なる方法論が異なる結果を生み出すことがよくあります。[9]
浸出プロセス
浸出の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囲にわたります。[1] [3] [9]ただし、一般的には、3つの物質は次のように説明できます。
- キャリア、物質A;
- 溶質、物質B;
- 溶媒、物質C。[1] [8]
物質AとBは、物質Cが導入される前は、システム内である程度均質です。[10]浸出プロセスの開始時に、物質Cは表面の物質Bをかなり高い速度で溶解します。[1]物質Bをターゲットにし続けるために物質Aの細孔を貫通する必要があると、溶解速度は大幅に低下します。 [1]この浸透は、多くの場合、物質Aの溶解、 [1]または複数の溶質の生成物[10]につながりますが、特定の浸出が望ましい場合はどちらも不十分です。 浸出プロセスを観察するときは、キャリアと溶質の生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、およびそれらの可用性に応じて、特定の特性がより重要になる場合があります。 [9]これらの特定の特性には、次のものが含まれますが、これらに限定されません。
一般的なプロセスは通常、3つの部分に分割され、要約されます。[1]
- 溶媒による表面溶質の溶解
- 内部溶質がキャリアの細孔を通って拡散し、溶媒に到達する
- 溶解した溶質をシステム外へ移動させる
生物学的物質の浸出プロセス
生物学的物質は、それ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、炭水化物、アミノ酸の浸出を経験し、雨、露、ミスト、靄などの水源からだけでも、浸出による質量損失が30％にも達することがあります[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、ペクチン物質、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ります。[2]これにより、水へのより直接的なアクセスを経験する可能性のある植物種の多様性が高まります。[2]このタイプの浸出は、多くの場合、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ります。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大きな懸念は、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必要なだけでなく、農薬は人間や動物の健康に有毒であ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体形成プロセスによって不溶性鉱石から金属陽イオンを除去することを指す用語です。 [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、ウランを抽出するために行われます。[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ます。[7]
フライアッシュの浸出プロセス
石炭灰は、廃棄時に大量の浸出を経験する製品です。[7]石炭灰はコンクリートやレンガなどの他の材料への再利用が奨励されていますが、米国では依然としてその多くが貯留池、ラグーン、埋立地、スラグ山に廃棄されています。[7]これらの廃棄場はすべて水を含んでおり、洗浄効果により、灰の種類と発生場所に応じて、さまざまな主要元素が浸出する可能性があります。 [7]灰の浸出が懸念されるのは、灰が適切に廃棄されていない場合のみであり、テネシー州ローン郡のキングストン化石発電所の場合がその一例です。[12]テネシー川流域開発公社キングストン化石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で深刻なレベルの汚染を引き起こしました。[12]
土壌の浸出プロセス
土壌からの浸出は土壌の特性に大きく依存しており、モデル化が困難です。[4]浸出のほとんどは水の浸透によるもので、これは生物学的物質の浸出プロセスで説明されているも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力伝導率によって制御され、これは土壌が応力によって圧密された粒子サイズと相対密度に依存します。 [4]拡散は、間隙サイズや土壌骨格、流路の曲がり具合、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]
鉱物抽出のための浸出
浸出は廃水製品/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/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一般的です。 [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多くの注目が集まっています。たとえば、廃水からの貴金属の抽出です。[15]
浸出メカニズム
浸出プロセスは多種多様であるため、実験室での方法やモデリングを通じて収集されるデータには多くのバリエーションがあり、データ自体の解釈が困難です。[10]指定された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、グループまたは個別の鉱物学、または浸出を引き起こす溶媒に焦点を合わせることができます。 [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れぞれの実験室テストの概要は、次の表に示されています。
環境に優しい浸出
最近、有機酸を使用して使用済み電池からリチウムとコバルトを浸出できるかどうかを確認する研究が行われ、ある程度の成功を収めています。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ています。[16]この反応は、有害な副産物がなく、全体的な効率が90%を超えました。
- 4 LiCoO 2 (固体) + 12 C 4 H 6 O 5 (液体) → 4 LiC 4 H 5 O 5 (液体) + 4 Co(C 4 H 6 O 5 ) 2 (液体) + 6 H 2 O(液体) + O 2 (気体)
クエン酸を用いた同様の分析では、最適温度と濃度90℃、クエン酸1.5モル溶液で同様の結果が得られました。[17]
参照
参考文献
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