2019さが総文

(2019年7月取材)

■部員数　10人(うち1年生3人・2年生3人・3年生4人)

■答えてくれた人　山下塔矢くん(3年)

廃棄物中のCaCO₃を用いたCu²⁺除去とその回収

チョークの粉が不純物の除去剤に?!

教室の黒板の周りに飛び散るチョークの粉末は掃除のやっかいもので、廃棄されるしかありません。私たちは、このチョーク粉末が何かに再利用できないかと考え、研究を行いました。具体的には、工場排水などに含まれる不純物の除去剤としてチョーク粉末を活用することを考えました。

チョーク、すなわちCaCO₃(炭酸カルシウム)で除去できる不純物にはCu²⁺があります。私たちのこれまでの研究で、CaCO₃でCu²⁺を除去する際には、沈殿と吸着の二つの働きがあることがわかっています。沈殿のメカニズムは、下図のような反応で説明できます。

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この研究では、CaCO₃によるCu²⁺除去について沈殿だけでは40％程度しか説明できないことがわかりました。そこで今回は、吸着について量的な関係を確認するべく、条件を変えて反応量を調べました。

吸着によってさらに除去量をアップ

まず、チョーク粉末のCaCO₃の含有率を測定します。 

溶液中のCa²⁺をキレート滴定で定量しました。白色チョーク粉末には、CaCO₃が92%含まれています。 

次に、チョーク粉末の懸濁液を用いたCu²⁺の除去の方法です。チョーク粉末を0.1MolのCuCl₂水溶液100mLに入れ、スターラーで60分間かく拌します。これをろ過してろ液を採取し、遠心分離器にかけます。そこに6MolのNH₃(アンモニア)溶液を加え、懸濁中の残留Cu²⁺を吸光度測定します。懸濁中のCu²⁺の存在率は、下の式で表されます。

続いて吸着特性の解明に向けた実験です。まず、Cu²⁺平衡濃度と吸着量を求め、吸着等温線を作成しました。次に、物理吸着・化学吸着のいずれかを明らかにするため、生成した沈殿物を３回水洗し、Cu²⁺脱着の有無を確認しました。そして、Cu²⁺の反応量全体を沈殿・吸着の除去要因に応じて定量化しました。

実験から、このようにLangmuir型の吸着等温線が得られました。また、生成した沈殿物を3度水洗しても、Cu²⁺が脱着しなかったことから、Cu²⁺が、物理吸着ではなく、化学吸着していると推察されます。また、Schosselerらの研究から、CaCO₃表面上にこのような形で結合しているとの報告があります。以上から、Cu²⁺がCaCO₃表面上に「単分子層吸着(※)」という形で化学吸着していることがわかりました。

※ 吸着質が固体表面を1層でおおう状態

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これらの結果をもとに、白色チョーク粉末の混合量に応じたCu²⁺の除去要因を下図のように定量化することができました。

吸着した銅は電気分解で再び回収できる!

次に、生成した沈殿物をHCl水溶液(塩酸)で溶解し、電気分解しました。すると、Cu単体を93％という高収率で回収することができました。

さらに、電気分解後の水溶液を再利用しようと、アンモニアソーダ法を応用し、CaCO₃を結晶化させて、Ca²⁺を再利用することを試みました。回収したCaCO₃を利用し、再びCu²⁺を除去することができるようになりました。

今回、チョーク粉末、すなわちCaCO₃を利用してCu²⁺を除去し、さらにCuの回収とCaCO₃の再利用に成功しました。今後は、CaCO₃の結晶多型・粒径を制御し、より効率の良い除去剤を開発したいと考えています。

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■研究を始めた理由・経緯は?

私たちの高校では、年間72㎏のチョーク粉末が廃棄されています。このことを知り、チョーク粉末をどうにか再利用できないかと考えたのが始まりです。

■今回の研究にかかった時間はどのくらい?

１日2～4時間で2年。2016年から始まりました。

■今回の研究で苦労したことは?

吸着のメカニズムを解明するために、高校では学習しない内容がかなり多くあり、理解するのにとても苦労しました。

■「ココは工夫した!」「ココを見てほしい」という点は?

銅イオンの除去要因が「化学吸着」が予想よりも多かったこと、ただ除去するだけでなく、重金属もチョークも元通り回収できること、そして除去量の定量化（沈殿か吸着か）ができたことです。

■今回の研究にあたって、参考にした本や先行研究

・「チョーク粉末の再利用法の検討」一木創、吉井観都、中野隆之介、松本拓巳、田川創一朗、

（第55回愛媛県児童生徒理科研究作品展）

・「Uptake of Cu²⁺ by the Calcium Carbonate Minerals Vaterite and Calcite as Studied by CW and Pulse Electron Paramagnetic Resonance (EPR)」　P. M.  Schosseler, A. Schweiger, B. Wehrli;1999

  (Geochimica et Cosmochimica Acta63,1999)

■今回の研究は今後も続けていきますか?

今後も続けます。内容としてはCaCO₃の再形成の際に結晶構造を操作し、吸着量を増加させる研究をします。また、より実用化させるために研究を進めます。

■ふだんの活動では何をしていますか?

研究の成果がうまく出せるように、考察や情報収集など部員それぞれが得意分野を担当し、力を発揮しています。また、後輩の研究のアドバイスをしています。

■総文祭に参加して

レベルの高い研究がたくさんあり、貴重な経験をすることができました。

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