SrとCaを分離可能なランタノイドシュウ酸フレームワークによるサブオングストローム細孔径制御とイオン選択的分離回収

Subangstrom tuning of pore size for selective separation of radioactive strontium over environmental calcium by lanthanide-oxalate frameworks

南川 卓也 ; 関根 由莉奈   ; 山田 鉄兵*

Nankawa, Takuya; Sekine, Yurina; Yamada, Teppei*

放射性廃棄物の削減や浄化には、放射性イオンの選択的分離が不可欠である。除去すべき放射性同位元素の中でも、Srは人の健康と環境に大きな脅威を与えている。しかし、CaからSrを分離することが難しいため、環境廃水からのSrの除去は依然として困難である。われわれは、多孔質構造を利用し、廃水からSrを選択的に除去するために、シュウ酸塩とサマリウム(Sm)からツリウム(Tm)までの8種類のランタノイド(Ln)イオンからなる一連の等構造ランタノイド-シュウ酸塩骨格(LOF)を開発した。LOFはイオン交換可能な陰イオン細孔を有し、細孔の大きさはホストLn種によって段階的に変化した。LOFのホストLnがTbの場合、LOFは極めて高いSr選択性を示し、SrとCaの間のイオン半径の微妙な違い(0.2オングストローム)を区別することが可能であり、Sr選択性はゼオライトAの3倍であり、これまでの報告されてきた吸着剤の選択性を上回るものであった。この結果は、LOFを構成するLn種を選択することにより細孔径をサブオングストロームで微調整可能であり、これにより非常に高い選択性が得られたことも示唆された。この新規な細孔サイズ制御方法は簡易であり、様々な分野でのイオン分離の可能性が開く可能性がある。

Selective separation of radioactive ions is essential for reducing or cleaning radioactive wastes. Among the radioisotopes to be removed, Sr poses a major threat to human health and the environment. However, removal of Sr from environmental wastewater is still challenging due to the difficulty of separating Sr from Ca. Here, we developed a series of isostructural lanthanide oxalate frameworks (LOFs) comprising oxalate and eight kinds of lanthanide (Ln) ions, i.e., from Samarium (Sm) to Thulium (Tm) for application to selective removal of Sr from wastewater using its tuned porous structure. The LOFs had ion exchangeable anionic pores, in which the size of the pores changed in a stepwise manner depending on the host Ln species. When Tb was the host Ln of the LOF, the LOF showed extremely high Sr selectivity and was able to distinguish the subtle difference in ionic radius (0.2 ) between Sr and Ca. The Sr selectivity was higher than that of conventional adsorbents. The pore size tuning of the LOFs by selecting the constituent Ln species yielded a highly ion-selective adsorbent material. This novel strategy will be useful in developing custom porous materials that are easy to prepare and applicable across various fields.