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公開番号2025082163
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-28
出願番号2023195448
出願日2023-11-16
発明の名称金属イオンの分離回収方法
出願人国立大学法人秋田大学,DOWAホールディングス株式会社
代理人個人
主分類B01D 61/44 20060101AFI20250521BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】コバルトイオン、ニッケルイオンおよびマンガンを含む水溶液から、コバルトイオン、ニッケルイオンとマンガンイオンを分離回収する方法を提供する。
【解決手段】電解槽内に陽イオン交換膜を介して電解室1および電解室2を設け、Coイオン、NiイオンおよびMnイオンを含む水溶液を前記電解室1に入れ、Coイオンとの安定度定数K_Coの対数およびNiイオンとの安定度定数K_Niの対数がいずれも、Mnイオンとの安定度定数K_Mnの対数より1以上大きい錯化剤Lを含む水溶液を前記電解室2に入れ、電解室1側の電極を陽極、電解室2側の電極を陰極として電気透析を行った後、電解室1側の電極を陰極、電解室2側の電極を陽極として電気透析を行う第1電気透析工程、を有する金属イオンの分離回収方法。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
電解槽内に陽イオン交換膜を介して電解室１および電解室２を設け、Ｃｏイオン、ＮｉイオンおよびＭｎイオンを含む水溶液を前記電解室１に入れ、Ｃｏイオンとの安定度定数Ｋ
Ｃｏ
の対数およびＮｉイオンとの安定度定数Ｋ
Ｎｉ
の対数がいずれも、Ｍｎイオンとの安定度定数Ｋ
Ｍｎ
の対数より１以上大きい錯化剤Ｌを含む水溶液を前記電解室２に入れ、電解室１側の電極を陽極、電解室２側の電極を陰極として電気透析を行った後、電解室１側の電極を陰極、電解室２側の電極を陽極として電気透析を行う第１電気透析工程、を有する金属イオンの分離回収方法。
ここで、錯化剤ＬのＣｏイオンとの安定度定数Ｋ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンとの安定度定数Ｋ
Ｎｉ
およびＭｎイオンとの安定度定数Ｋ
Ｍｎ
は、下記（１）式の錯体形成反応における安定度定数を表す下記（２）式により定まる。
Ｍ＋ｎＬ ⇔ ＭＬ
ｎ
…（１）
Ｋ
Ｍ
＝［ＭＬ
ｎ
］／［Ｍ］［Ｌ］
ｎ
…（２）
ただし、（１）式、（２）式において、Ｍは金属イオン（Ｃｏイオン、ＮｉイオンまたはＭｎイオン）、Ｌは錯化剤Ｌ、ｎは金属イオン１モルと錯体を形成する錯化剤Ｌのモル数である。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第１電気透析工程を実施した後、電解室１内の水溶液を回収し、その後、錯化剤Ｌとの錯体形成反応の安定度定数の対数が、錯化剤ＬとＣｏイオンとの錯体形成反応の安定度定数の対数より１以上大きい金属イオンＭ’を含む水溶液を電解室１に入れ、電解室１側の電極を陽極、電解室２側の電極を陰極として電気透析を行った後、電解室１側の電極を陰極、電解室２側の電極を陽極として電気透析を行う第２電気透析工程、を有する請求項１に記載の金属イオンの分離回収方法。
【請求項３】
金属イオンＭ’がＮｉイオンである、請求項２に記載の金属イオンの分離回収方法。
【請求項４】
錯化剤Ｌがエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）である、請求項１に記載の金属イオンの分離回収方法。
【請求項５】
錯化剤Ｌが、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、Ｍｎイオンのいずれの金属イオンＭに対しても、当該錯化剤Ｌと前記金属イオンＭが１：１のモル比で結合した錯イオンを形成するものであり、電解室１内の水溶液中に含まれるＣｏイオンのモル数をＷ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンのモル数をＷ
Ｎｉ
、Ｍｎイオンのモル数をＷ
Ｍｎ
と表記し、電解室２内の水溶液中に含まれる錯化剤Ｌのモル数をＷ
Ｌ
と表記するとき、第１電気透析工程での電気透析開始時において、Ｗ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
＋Ｗ
Ｍｎ
≧Ｗ
Ｌ
、かつＷ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
＜Ｗ
Ｌ
を満たすようにする、請求項１に記載の金属イオンの分離回収方法。
【請求項６】
金属イオンＭ’がＮｉイオンであり、錯化剤Ｌが、Ｃｏイオン、Ｎｉイオンのいずれの金属イオンＭに対しても、当該錯化剤Ｌと前記金属イオンＭが１：１のモル比で結合した錯イオンを形成するものであり、電解に供する水溶液中に含まれるＣｏイオンの総モル数をＷ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンの総モル数をＷ
Ｎｉ
、錯化剤Ｌ（錯体を形成しているものを含む）の総モル数をＷ
Ｌ
と表記するとき、前記第２電気透析工程での電気透析開始時において、Ｗ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
≧Ｗ
Ｌ
、かつＷ
Ｎｉ
＜Ｗ
Ｌ
を満たすようにする、請求項２に記載の金属イオンの分離回収方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は使用済みのリチウムイオン二次電池等からコバルト、ニッケル、マンガン等の有価金属を分離回収する技術に関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン二次電池の使用量が増大しているが、それに伴い、使用済みのリチウム二次電池から有価金属を分離回収する手段が求められている。一般に、リチウムイオン二次電池からの有価金属の回収は、使用済みの廃リチウムイオン二次電池を酸の水溶液に溶解した金属イオンの浸出液からリチウム等を回収することにより行われる。前記の浸出液からリチウムを回収すると、電極活物質に由来するコバルト、ニッケルやマンガンを多量に含有する浸出液が残される。資源のリサイクルの観点からは、当該浸出液中のコバルト、ニッケルおよびマンガンをさらに分離回収することが望ましい。水溶液の状態のコバルト、ニッケルおよびマンガンを分離する方法としては溶媒抽出等が考えられるが、溶媒抽出を用いる方法は、設備およびコストの観点から、工業的な規模で実施することは困難である。
【０００３】
水溶液中の金属イオンを濃縮して分離回収する技術としては従来、イオン交換膜を用いた電気透析法があるが、電気透析法の場合には金属イオンの選択分離性が悪く、回収液および回収液から析出させて回収した金属析出物に不純物が多く含まれるという問題があった。そのような問題を解決した技術として、例えば特許文献１に開示される技術がある。特許文献１に開示される技術は、分離回収の対象となる処理液に銅イオンと錯化剤を添加することにより分離回収した金属の純度を高めるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許第６０８００７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示される技術では、分離回収の対象となる処理液に銅イオンを添加する必要があり、処理コストの増加、工程の煩雑化を招くという問題があった。また、銅イオンをさらに分離回収する必要が生じるという問題もあった。
本発明はそれらの問題点に鑑み、コバルトイオン、ニッケルイオン、マンガンイオンを含む水溶液に銅イオンを添加することなく、コバルトイオン、ニッケルイオンと、マンガンイオンとを分離回収する技術を提供することを目的とする。また、上記で分離されたコバルトイオン、ニッケルイオンを含む水溶液から、コバルトイオンとニッケルイオンをさらに分離回収する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本明細書では以下の発明を開示する。
［１］電解槽内に陽イオン交換膜を介して電解室１および電解室２を設け、Ｃｏイオン、ＮｉイオンおよびＭｎイオンを含む水溶液を前記電解室１に入れ、Ｃｏイオンとの安定度定数Ｋ
Ｃｏ
の対数およびＮｉイオンとの安定度定数Ｋ
Ｎｉ
の対数がいずれも、Ｍｎイオンとの安定度定数Ｋ
Ｍｎ
の対数より１以上大きい錯化剤Ｌを含む水溶液を前記電解室２に入れ、電解室１側の電極を陽極、電解室２側の電極を陰極として電気透析を行った後、電解室１側の電極を陰極、電解室２側の電極を陽極として電気透析を行う第１電気透析工程、を有する金属イオンの分離回収方法。
ここで、錯化剤ＬのＣｏイオンとの安定度定数Ｋ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンとの安定度定数Ｋ
Ｎｉ
およびＭｎイオンとの安定度定数Ｋ
Ｍｎ
は、下記（１）式の錯体形成反応における安定度定数を表す下記（２）式により定まる。
Ｍ＋ｎＬ ⇔ ＭＬ
ｎ
…（１）
Ｋ
Ｍ
＝［ＭＬ
ｎ
］／［Ｍ］［Ｌ］
ｎ
…（２）
ただし、（１）式、（２）式において、Ｍは金属イオン（Ｃｏイオン、ＮｉイオンまたはＭｎイオン）、Ｌは錯化剤Ｌ、ｎは金属イオン１モルと錯体を形成する錯化剤Ｌのモル数である。
［２］前記第１電気透析工程を実施した後、電解室１内の水溶液を回収し、その後、錯化剤Ｌとの錯体形成反応の安定度定数の対数が、錯化剤ＬとＣｏイオンとの錯体形成反応の安定度定数の対数より１以上大きい金属イオンＭ’を含む水溶液を電解室１に入れ、電解室１側の電極を陽極、電解室２側の電極を陰極として電気透析を行った後、電解室１側の電極を陰極、電解室２側の電極を陽極として電気透析を行う第２電気透析工程、を有する上記［１］に記載の金属イオンの分離回収方法。
［３］金属イオンＭ’がＮｉイオンである、上記［２］に記載の金属イオンの分離回収方法。
［４］錯化剤Ｌがエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）である、上記［１］～［３］のいずれかに記載の金属イオンの分離回収方法。
［５］錯化剤Ｌが、Ｃｏイオン、Ｎｉイオン、Ｍｎイオンのいずれの金属イオンＭに対しても、当該錯化剤Ｌと前記金属イオンＭが１：１のモル比で結合した錯イオンを形成するものであり、電解室１内の水溶液中に含まれるＣｏイオンのモル数をＷ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンのモル数をＷ
Ｎｉ
、Ｍｎイオンのモル数をＷ
Ｍｎ
と表記し、電解室２内の水溶液中に含まれる錯化剤Ｌのモル数をＷ
Ｌ
と表記するとき、第１電気透析工程での電気透析開始時において、Ｗ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
＋Ｗ
Ｍｎ
≧Ｗ
Ｌ
、かつＷ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
＜Ｗ
Ｌ
を満たすようにする、上記［１］～［３］のいずれかに記載の金属イオンの分離回収方法。
［６］金属イオンＭ’がＮｉイオンであり、錯化剤Ｌが、Ｃｏイオン、Ｎｉイオンのいずれの金属イオンＭに対しても、当該錯化剤Ｌと前記金属イオンＭが１：１のモル比で結合した錯イオンを形成するものであり、電解に供する水溶液中に含まれるＣｏイオンの総モル数をＷ
Ｃｏ
、Ｎｉイオンの総モル数をＷ
Ｎｉ
、錯化剤Ｌ（錯体を形成しているものを含む）の総モル数をＷ
Ｌ
と表記するとき、前記第２電気透析工程での電気透析開始時において、Ｗ
Ｃｏ
＋Ｗ
Ｎｉ
≧Ｗ
Ｌ
、かつＷ
Ｎｉ
＜Ｗ
Ｌ
を満たすようにする、上記［２］に記載の金属イオンの分離回収方法。
【０００７】
なお、本明細書において、化学反応式中の矢印記号「⇔」は、下記（Ａ）の右に示す双方向の矢印と同義である。
TIFF
2025082163000002.tif
10
131
【発明の効果】
【０００８】
本発明の金属イオンの分離回収方法を用いることにより、Ｃｏ、ＮｉおよびＭｎを含む水溶液から上記それぞれの金属元素を分離回収することが可能になる。したがって、本発明は例えば使用済みのリチウムイオン二次電池から有価金属を分離回収する手法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施例で用いた電気透析装置の構成を模式的に示した図。
実施例１における、極性反転前の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
実施例１における、極性反転後の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
実施例２の第１電気透析工程における、極性反転前の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
実施例２の第１電気透析工程における、極性反転後の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
実施例２の第２電気透析工程における、極性反転前の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
実施例２の第２電気透析工程における、極性反転後の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
参照例における、極性反転前の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
参照例における、極性反転後の電気透析での水溶液中の金属イオン濃度の経時変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［処理対象の水溶液］
本発明の金属イオンの分離回収方法は、Ｃｏイオン、ＮｉイオンおよびＭｎイオンを含む水溶液からＣｏ、Ｎｉと、Ｍｎとを分離回収するためのものであり、その対象となる水溶液はＣｏイオン、ＮｉイオンおよびＭｎイオンを含むものであればよく、使用済みのリチウムイオン二次電池を溶解して得られる水溶液のみに限定されるものではない。
（【００１１】以降は省略されています）

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