植物由来スポンジで効率的に海水からウランを回収する技術を開発

• 原子力発電の燃料となるウランは、エネルギー安全保障上重要な戦略的資源です。陸上資源の偏在や供給リスクを背景に、海水中のウランが新たな資源として注目されています。しかし、海水1 L中のウランはわずか約3 µg（マイクロは100万分の1）、海水約100トン(10万L)でも約0.3 gしか含まれていません。一方、海水全体には膨大な量のウランが存在しており、この薄く広く分布する資源をいかに集めるかが大きな課題です。
• 本研究では、植物由来のセルロースを原料に「ウラン回収スポンジ」を開発し、天然海水中の極微量なウランを短時間で効率よく吸着できることを実証しました。吸着後は簡易な手順でウランを取り出すことができ、スポンジは繰り返し利用できます。さらに、ウランを人工的に添加した水溶液での測定では、スポンジ材1g当たり最大約0.3 gのウランを吸着できる能力が推定されました。これは、海水約100トンに含まれるウランの総量に相当します。
• 今後は、黒潮などの海流や既存の海水取水設備を活用し、大量の海水から低いエネルギー消費でウランを回収するシステムの実現を目指します。そのために、スポンジの性能検証を進めるとともに、製造・回収・再利用に必要なエネルギーやコストを評価していきます。さらに、本技術をウラン以外の有用元素の回収や汚染物質の除去にも応用し、資源の有効利用から環境浄化まで幅広い分野への展開を目指します。

　本研究では植物由来のセルロース[1]を原料とするスポンジ状多孔質材料[2]の「ウラン回収スポンジ」を開発し、海水中に極低濃度で存在するウラン[3]の回収に成功しました。併せてスポンジが繰り返しウラン回収に利用できることも確認しました。
　海水にはウランをはじめ様々な有用元素が溶け込み、広大な海に極めて薄く散らばっています。一方で、ナトリウムやマグネシウム、カルシウムなどは高濃度で存在するため、海水1 L中にわずか約3 µg（マイクロは100万分の1）と極微量しかないウランを集めるのは困難です。そこで研究グループは、天然素材のセルロースに着目しました。独自製法（凍結架橋法[4]）で作製したセルロース製多孔質材料はスポンジ状で、内部に多数の空隙を持ち、吸水しても形状を保ちます。この素材にウラン吸着[5]の機能を与え、海水と接触させればウランを回収できるのではないかと考えました。
　研究グループは、凍結架橋法で作製したセルローススポンジにウラン吸着の働きを持つリン酸基[6]を導入し、「ウラン回収スポンジ」を開発しました。スポンジ材自体の吸着性能をウランを人工的に添加した水溶液(pH5)で確認したところ、スポンジ材1 g当たりの最大ウラン吸着容量は約0.3 gと推定されました。これは約100トン（10万L）の海水に含まれるウランの総量に相当します。実際に天然海水1L当たり0.4 gのスポンジを用いると、24時間で海水中のウラン9割超を吸着しました。さらに、カルシウムやマグネシウムなど海水中に大量に存在する共存元素[7]の影響を受けず、ウランを選択的に吸着することも確認しました。ウラン回収スポンジのもう一つの特徴は「簡単な方法で取り出して、再び使う」ことができる点です。吸着したウランを重曹（炭酸水素ナトリウム）[8]を用いて脱離[9]でき、再度、回収スポンジとしてウラン吸着に利用できます。
　特殊な薬品を用いることなくウランを回収する本システムは、より簡便で環境負荷の小さい資源回収プロセスの確立につながる可能性があります。今後は実用化を視野に性能実証、全体のエネルギー消費やコスト評価などを進める方針です。また、今回の研究は海水を様々な有用元素が溶け込んだ「資源」として利用するための新たな材料技術開発です。豊富なセルロース由来のスポンジ状材料で海に薄く散らばる資源を集め、身近な試薬で取り出し、再度使う。このシンプルな仕組みを発展させれば、他の有用元素の回収技術への展開が期待されます。
　本研究は国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長　小口正範）の関根由莉奈研究主席、南川卓也研究副主幹、杉田朝子、今田未来技術員、松枝誠研究副主幹、紅祐介、高畠容子研究副主幹、柳澤華代研究副主幹、中西貴宏研究主幹、国立大学法人九州大学（総長　赤司浩一）の松本光助教、三浦佳子教授らによるものです。
　本成果は、2026年11月11日（米国東部時間）に米国化学会の国際学術誌「ACS Applied Materials & Interfaces」にオンライン掲載されました。

[2] 多孔質材料
内部に多数の小さな空隙（孔）を持つ材料です。空隙を通して水や溶液が材料内部まで入り込むことができるため、材料表面と水との接触面積を大きくすることができます。本研究では、セルロースから水が内部まで通り抜ける連続した多孔質構造を持つスポンジ状材料を作製しています。

[3] ウラン
天然に存在する元素の一つで、原子力発電の燃料などに利用されています。海水中にも溶け込んでいますが、濃度は約3 µg/L（1 Lの海水中に約0.000003 g）と極めて低濃度です。一方、海全体では膨大な量のウランが存在すると考えられており、効率向上のための回収技術が研究されています。

[4] 凍結架橋法
セルロースを含む水溶液や分散液を凍結することで、セルロース同士の結合や集合を促し、三次元的な構造を形成する方法です。水が凍る際にセルロース成分が氷の結晶の間に集められることを利用して、連続した多孔質構造を形成することができます。
本研究グループは、2020年に化学的に加工したセルロースナノファイバーから多孔質ゲルを形成する手法を開発し、2023年には天然構造を持つセルロースナノファイバーへと展開しました。今回の研究では、これまで培ってきた凍結架橋技術を基盤として、セルロース多孔質材料にウラン吸着機能を付与し、実際の海水からの資源回収へと応用しました。

［5］ 吸着
液体や気体中に存在する物質が、別の物質の表面や内部に取り込まれる現象です。本研究では、海水中に溶けているウランがセルロース多孔質材料に導入したリン酸基などと相互作用し、材料に吸着される現象を指します。

[6] リン酸基
リンと酸素を含む官能基の一種です。金属イオンなどと相互作用する性質を持つため、金属や有用元素を吸着する吸着材料の機能部位として利用されています。本研究では、セルロース多孔質材料にリン酸基を導入することで、海水中のウランを吸着する機能を付与しました。

［7］ 共存元素（競合元素）
目的とする元素と同じ溶液中に存在し、吸着などに影響を与える可能性のある元素です。海水にはナトリウム、マグネシウム、カルシウムなどがウランよりもはるかに高濃度で存在します。また、バナジウムは海水からのウラン回収では競合する元素の一つとして知られています。本研究では、カルシウム、マグネシウム、バナジウムの影響を調べています。

［8］ 重曹（炭酸水素ナトリウム）
化学式NaHCO₃で表される物質で、食品や洗浄剤などにも広く利用されています。本研究では、セルロース材料に吸着したウランを取り出すための溶液として使用しています。

［9］ 脱離
吸着材料に吸着された物質を材料から取り出す操作です。本研究では、吸着したウランを重曹（炭酸水素ナトリウム）水溶液を用いて材料から取り出し、その後、材料を再びウラン吸着に使用しています。

○ 雑誌名：ACS Applied Materials & Interfaces
○ タイトル：Phosphate-Functionalized Macroporous Cellulose Sponges for Uranium Recovery from Seawater
○ 著者名：Yurina Sekine¹, Takuya Nankawa¹, Asako Sugita¹, Miki Konda¹, Makoto Matsueda², Yusuke Beni¹, Yoko Takahatake¹, Kayo Yanagisawa³, Takahiro Nakanishi³, Hikaru Matsumoto^4,5, Yoshiko Miura⁴, Hideyuki Yasufuku⁶, Katsuhiko Ariga^7,8
○ 所属： 1 日本原子力研究開発機構 原子力科学研究所NXR開発センター バイオ由来機能性材料開発特別チーム/2 日本原子力研究開発機構 廃炉環境国際共同研究センター/3 日本原子力研究開発機構 原子力科学研究所原子力基礎工学研究センター/4 九州大学大学院工学研究院/5 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I²CNER）/6 物質・材料研究機構 技術開発・共用部門/7 物質・材料研究機構 ナノアーキテクトニクス材料研究センター/8 東京大学大学院新領域創成科学研究科
DOI: 10.1021/acsami.6c18660

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工学研究院　三浦佳子　教授

工学研究院　松本光　助教