フロンティアテクノシリーズNo.16
 
レアメタル・希少金属リサイクル技術の最先端  
−ナノ・有機・メタラジーが広げるリサイクル技術−
監 修:  原田幸明 (物質・材料研究機構 元素戦略材料センター資源循環設計グループグループリーダー/元素戦略調査分析統括グループ グループリーダー)
SBN978-4-902410-22-8
■体裁/B5判・313頁 ■価格/59,400円 (本体55,000円+税) ■発行/2011年8月

刊行のねらい

  レ アメタルは産業のビタミンであり、これからますますその役割は大きくなっていく。世界の素材JAPANにとってこのレアメタルを活用しよりすぐれた高機能 素材を世界に供給していくことは、我が国も活力源でもあり国際的に貢献が求められている領域である。しかし、我が国はそのレアメタルの資源をほとんど外国 から入手せざるを得ず、多くの経済・政治的状況によってはその安定供給が困難になるリスクも負っている。そこで、我が国の都市鉱山、すなわち使用済製品や 製造時の廃棄物も含めた非使用物の蓄積を活用するリサイクルが一つの手段として注目されている。
 幸いにも我が国は歴史的にも近代工業においても優れた製錬・冶金技術をもっており、現在に至るまでその技術水準は世界をリードしてきた。しかし、ここに きて資源国での技術開発も急速に進み、従来の技術はグローバリゼーションの中に飲み込まれようとしている。そこに、都市鉱山の開発という再び世界の先頭に 立つ新しい課題に我々は面している。
 とりわけ、近年のレアメタルは、まさにそのレア(希少)さを競うかのように、ナノテクノロジーの中でほんのわずかな量が使用されている。この中からレア メタルを有効かつ経済的に回収するのは至難の業である。このナノテクノロジーに使用されるレアメタルの回収には、やはりナノテクノロジーの力が必要なのか もしれない。
本企画の前半はそのような観点から、いまだ実験室規模での大胆な挑戦を含む新しい技術の可能性とそれを支える科学の視点で構成してみた。もちろん、それら が社会の中で経済的に成立するにはある程度の時間が必要であろう。しかし、それを可能にするリサイクルの総合力を我が国は持っている。後半では、今まさに 動いているレアメタルなど希少金属のリサイクルの姿を示すことにした。この両者が融合していくことにより新たな技術的高みが形成されていくことを期待し、 本書がそれに貢献できればと願っている。

 2011年 7月
                                                                           原田 幸明


執筆者一覧(執筆順)

  原田  幸明 (独)物質・材料研究機構 元素戦略材料センター 資源循環設計グループ グループリーダー/
    元素戦略調査分析統括グループ グループリーダー
  大渡  啓介 佐賀大学 大学院 工学系研究科 循環物質化学専攻 教授
  長縄 弘親 (独)日本原子力研究開発機構 原子力基礎工学研究部門 研究主席 兼環境化学研究グループリーダー
  阿部  英樹 (独)物質・材料研究機構 環境再生材料ユニット 主幹研究員
  池田  泰久 東京工業大学 原子炉工学研究所 システム安全工学部門 教授
  後藤  雅宏 九州大学 大学院 工学研究院 応用化学部門 教授
  久保田富生子 九州大学 大学院 工学研究院 応用化学部門 助教
  松宮  正彦 横浜国立大学 大学院 環境情報研究院 准教授
  永井  大介 群馬大学 大学院 工学研究科 助教
  Sherif El-Safty (独)物質・材料研究機構 元素戦略材料センター 資源循環設計グループ 主幹研究員
  玉田  正男 (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 環境・産業応用開発ユニット ユニット長
  菅原  勝康 秋田大学 大学院 工学資源学研究科 環境応用化学科 教授
  望月  友貴 秋田大学 ベンチャービジネスラボラトリー 博士研究員
  柴山  敦 秋田大学 大学院 工学資源学研究科 環境応用化学科 教授
  平井  伸治 室蘭工業大学 大学院 工学研究科 もの創造系領域 教授
  加茂  徹 (独)産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門 吸着分解研究グループ 研究グループ長
  川喜田英孝 佐賀大学 大学院 工学系研究科 准教授
  馬場  由成 宮崎大学 工学部 物質環境化学科 教授
  金子 達雄 北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授
  岡島  麻衣子 北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 研究員
  森   寛敏 お茶の水女子大学 お茶大アカデミック・プロダクション 特任助教
  望月  祐志 立教大学 理学部 化学科 未来分子研究センター 教授
  古明地勇人 (独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 主任研究員
  三好  永作 九州大学 名誉教授
  藤原  崇幸 立教大学 大学院 理学研究科 博士課程
  中村  崇 東北大学 多元物質科学研究所 サステナブル理工学研究センター 教授
  竹田  修 東北大学 大学院 工学研究科 金属フロンティア工学専攻 助教
  芝田  隼次 関西大学 環境都市工学部 エネルギー・環境工学科 教授
  野瀬  勝弘 東京大学 生産技術研究所 特任助教
  岡部  徹 東京大学 生産技術研究所 教授
  佐藤  孝之 DOWAメタルマイン梶@企画室 課長
  日野  順三 JX日鉱日石リサーチ梶@金属調査部 執行役員
  新井  義明 三菱マテリアル梶@環境リサイクル事業部 循環システム推進部 副部長
  古賀  沙織 三菱マテリアル梶@環境リサイクル事業部 循環システム推進部 総合職
  星名  久史 三菱マテリアル梶@環境リサイクル事業部 循環システム推進部 副技術主幹
  山口  省吾 三菱マテリアル梶@環境リサイクル事業部 循環システム推進部 部長
  近藤  比呂志 三菱マテリアル梶@環境リサイクル事業部 事業部長
  奥田  晃彦 田中貴金属工業梶@化学回収事業部 湘南工場 ヘッドマネージャー
  中西  二郎 且O徳 常務取締役 事業本部長


構成および内容

序 章 日本型都市鉱山開発の4つの壁と打破の方向
                        原田 幸明
 1 レアメタルと都市鉱山
 2 グローバルサプライチェーンの環としてのSOZAI 日本のレアメタルリサイクル
 3 都市鉱山開発の4つの壁
  3.1 分散・混在の壁
  3.2 廃棄物の壁
  3.3 コストの壁
  3.4 時代の壁
 4 壁を打破していくために

[先端技術編
第1章 溶液反応
 1 環状化合物によるレアメタル分離                               大渡 啓介
  1.1 はじめに
  1.2 代表的な環状化合物とそれらを基体とする抽出試薬の分子設計について
  1.3 抽出試薬の抽出性能や分離性能に関わる因子と効果について
  1.4 カリックスアレーンを基体とする抽出試薬を用いた研究例
  1.5 カリックスアレーン型抽出試薬の問題点と改善に関する研究例について
  1.6 ポダンド型抽出試薬を用いた研究例
  1.7 おわりに
 2 分子認識、超分子を用いたレアメタル抽出                           長縄 弘親
  2.1 はじめに
  2.2 逆ミセル反応場を利用したレアメタル抽出と分子認識
  2.3 スーパーウィークアニオン周囲の疎水場を利用したレアメタル抽出と分子認識
  2.4 新規環状化合物を用いたイオン液体へのレアメタル抽出
 3 常温・常圧溶媒中のナノ材料合成                               阿部 英樹
  3.1 はじめに
  3.2 太陽電池用シリコンに対するトップダウンアプローチとボトムアップアプローチ
  3.3 ボトムアップアプローチによる高融点材料の室温合成
  3.4 ボトムアップアプローチによるナノ構造の構築
  3.5 ボトムアップアプローチによる金属・有機ハイブリッド材料の合成
  3.6 おわりに

第2章 液液反応
 1 金属イオン抽出分離用イオン液体の合成法及び抽出特性                       池田 泰久
  1.1 はじめに
  1.2 疎水性イオン液体の合成法
  1.3 イオン液体の精製法
  1.4 金属イオンに対する抽出特性
   1.4.1 ランタノイド(V)イオンに対する抽出能
   1.4.2 他の金属イオンに対する選択抽出性
   1.4.3 イオン液体の疎水性の影響
   1.4.4 BMI+, PMI+, HMI+イオンの分配挙動
   1.4.5 NfO-イオンの分配挙動
   1.4.6 BMI+NfO-, PMI+NfO-, HMI+NfO-−水相間における金属イオンの分配機構
  1.5 最近の動向
 2 イオン液体を用いたレアメタルの高度分離                    後藤 雅宏,久保田 富生子
  2.1 はじめに
  2.2 レアメタル含有廃棄物からの回収フロー
  2.3 イオン液体
  2.4 液膜分離プロセス
  2.5 イオン液体による金属抽出
   2.5.1 工業用抽出剤による金属の抽出挙動
   2.5.2 新規抽出剤によるイオン液体抽出
  2.6 液膜分離システムの開発
  2.7 おわりに
 3 イオン液体電析によるレアメタル回収                             松宮 正彦
  3.1 はじめに
  3.2 イオン液体の特性
  3.3 イオン液体中での電気化学測定
  3.4 イオン液体中でのレアアース電解析出技術
  3.5 おわりに

第3章 液固反応
 1 ポリマーによるレアメタル回収                                 永井 大介
  1.1 はじめに
  1.2 アミノ基、カルボキシル基を有するポリマー
  1.3 硫黄原子を有するポリマー
   1.3.1 Quadra Pure
   1.3.2 チオ尿素骨格を持つポリアリルアミンハイドロゲル
   1.3.3 チオウレタン骨格を持つポリマーを用いた水/有機溶媒二相系による回収
  1.4 感温性ゲル吸着材
  1.5 ポリマーマイクロカプセルを用いたレアメタル回収
  1.6 今後
 2 メゾポーラス材料を用いた抽出                     原田 幸明,Sherif El-Safty
  2.1 はじめに
  2.2 HOM(High Ordered Meso-porous Monolith:高秩序メゾポーラス・モノリス)とその製造
  2.3  HOM感受体(sensor)の作成
  2.4 より堅固かつ高密度な感受体
  2.5 HOM感受体の吸着・捕獲性能
  2.6 金属抽出へのHOM感受体の応用
  2.7 おわりに
 3 放射線グラフト重合による金属捕集材                             玉田 正男
  3.1 はじめに
  3.2 放射線グラフト重合
  3.3 金属捕集材の合成と特長
  3.4 希少金属捕集への応用
  3.5 海水中のウラン捕集
  3.6 温泉中のスカンジウム捕集
  3.7 おわりに

第4章 溶融・揮発反応
 1 塩化揮発に基づくレアメタルリサイクル                 菅原 勝康,望月 友貴,柴山 敦
  1.1 はじめに
  1.2 研磨粉からのインジウムの分離
   1.2.1 試料ならびに実験方法
   1.2.2 インジウムの塩化揮発挙動
   1.2.3 エーテル抽出によるインジウムの選択的分離
  1.3 Nd-Fe-B磁石からのネオジムならびにプラセオジムの分離
   1.3.1 試料ならびに実験方法
   1.3.2 塩化揮発におけるNd-Fe-B磁石構成元素の動的挙動
   1.3.3 酸化Nd-Fe-B磁石の塩化揮発に及ぼす炭素源添加の影響
  1.4 塩化揮発法によるレアメタル回収の可能性
 2 炭素還元によるレアメタル回収                                平井 伸治
  2.1 酸化物の炭素還元反応
  2.2 Pbの回収
  2.3 Niの回収
  2.4 Crの回収
  2.5 Mnの回収
  2.6 廃リチウムイオン二次電池からLi、Co、Ni、Mnの回収
 3 可溶化および水蒸気ガス化を用いた使用済み電気電子機器からの貴金属・レアメタルの回収      加茂 徹
  3.1 はじめに
  3.2 電気電子機器に使用されているプラスチックの特徴
  3.3 ソルボルシス法の特徴と水素供与性溶媒の効果
  3.4 クレゾール系溶媒を用いたエポキシ樹脂の可溶化
  3.5 杉から製造したタールによるエポキシ樹脂の可溶化
   3.5.1 乾留法
   3.5.2 木質液化法(アルカリ)
   3.5.3 木質液化法(酸)
  3.6 水蒸気ガス化による使用済み電気電子機器からの資源回収
  3.7 混合炭酸塩共存下における残渣モデル(活性炭)の水蒸気ガス化
  3.8 エポキシ基板の水蒸気ガス化
  3.9 おわりに

第5章 バイオマス利用
 1 バイオマス廃棄物ポリフェリールによる貴金属回収                      川喜田 英孝
  1.1 はじめに
  1.2 バイオマス廃棄物由来のポリフェノール吸着剤の調製
  1.3 バイオマス廃棄物由来のポリフェノール吸着剤による金イオンの回収
  1.4 アミノ基導入型ポリフェノール吸着剤の調製および貴金属の回収
  1.5 カラム充填型システムによる連続的な貴金属回収プロセスの構築
  1.6 おわりに
 2 キチン・キトサンを活用したレアメタル回収のための吸着材の開発とその工学的応用        馬場 由成
  2.1 はじめに
  2.2 基礎編
   2.2.1 吸着材の素材としてのキチン・キトサン
   2.2.2 キチン・キトサンを素材とした高選択的吸着材の分子設計
   2.2.3 分子インプリント法による高選択的キトサン誘導体の開発
   2.2.4 水の浸透圧差を利用したキトサン球状体の細孔構造設計
  2.3 応用編
   2.3.1 架橋キトサンコーティングフィルターを応用したITOエッチング廃液からのインジウムおよびスズの分離回収プロセスの開発
  2.4 おわりに
 3 サクランゲルを用いたレアメタル回収                       金子 達雄,岡島 麻衣子
  3.1 研究背景
   3.1.1 レアメタル問題
   3.1.2 バイオマスを用いたレアメタル回収
  3.2 サクラン(スイゼンジノリ多糖体)の抽出と構造,物性
   3.2.1 サクランの抽出と構造
   3.2.2 サクランの溶液物性
   3.2.3 サクラン分子鎖と金属吸着
   3.2.4 サクランゲルと金属吸着
  3.3 結論と展望

第6章 計算科学
 1 計算科学によるレアメタル抽出錯体設計の課題                          森 寛敏
  1.1 我が国における元素戦略の必要性と元素戦略における分子シミュレーションの立場
  1.2 元素戦略に必要とされる分子理論とは
   1.2.1 大規模分子理論:フラグメント分子軌道(FMO)法
   1.2.2 精密な相対論的分子理論:モデル内殻ポテンシャル(MCP)法
  1.3 相対論的MCP法を適用した応用計算例
   1.3.1 実験/全電子計算と比較した相対論的MCPの制度・計算効率
   1.3.2 相対論的MCP法によるメタルイオン捕捉キレート剤のシミュレーション例
  1.4 おわりに
 2 フラグメント分子軌道法と分子道力学シミュレーション               望月 祐志,古明地 勇人
  2.1 はじめに
  2.2 フラグメント分子軌道法
  2.3 分子道力学法
  2.4 応用事例
   2.4.1 ホルムアルデヒドの励起エネルギー:構造サンプリング
   2.4.2 メチルジアゾニウムイオンの加水分解:反応機構シミュレーション
   2.4.3 Menshutkin反応:自由エネルギープロフィール
   2.4.4 水中のプロトン移動:DFとFMO3の評価
   2.4.5 Zn(II)の水和構造:FMO2とFMO3の比較
   2.4.6 水の動径分布関数:MP2による分散力の考慮
  2.5 今後の展開
 3 計算科学による希土類金属抽出キレート分子の設計に向けて              三好 永作,藤原 崇幸
  3.1 はじめに
  3.2 希土類金属抽出キレート分子設計のための理論的枠組み
  3.3 ラージコアMCPの開発とFMO-MD計算の先行研究
  3.4 これからの本格的研究の展望

[総合技術編]
第7章 レアメタルリサイクルの基本的考え方                           中村 崇
 1 はじめに
 2 リサイクルの社会システム
 3 リサイクル技術の考え方
  3.1 廃製品から固体選別技術
  3.2 レアメタル金属回収技術
 4 小型廃電気・電子機器の回収
 5 おわりに

第8章 レアメタルリサイクルの基本技術

 1 溶融法リサイクルの可能性と課題                                竹田 修
  1.1 金属リサイクルの基盤である既存の製錬法について
  1.2 既存の製錬プロセスへ二次原料を投入した場合の元素の分配
  1.3 各元素の化学的反応性と湿式法、乾式法の選択について
  1.4 活性金属の溶融法(乾式)リサイクルの一例〜希土類焼結磁石のリサイクル〜
  1.5 おわりに
 2 溶媒抽出法によるリサイクルの課題と展望                           芝田 隼次
  2.1 はじめに
  2.2 溶媒抽出と抽出剤の発展
  2.3 分離係数と抽出等温線
  2.4 レアメタルリサイクルのための溶媒抽出
   2.4.1 コバルトのリサイクルの動向
   2.4.2 ニッケルのリサイクルの動向
  2.5 レアメタルのリサイクルの展望
 3 白金族の抽出技術                                 野瀬 勝弘,岡部 徹
  3.1 はじめに
  3.2 白金族金属の用途
  3.3 白金族金属のリサイクル
   3.3.1 乾式法による白金族金属のリサイクル技術
   3.3.2 自動車用排ガス浄化に特化したリサイクル技術
   3.3.3 ルテニウムのリサイクル技術
  3.4 おわりに

第9章 レアメタルリサイクルの各社の取り組み事例
 1 DOWAのリサイクルネットワーク −製錬技術を基盤としたリサイクル展開−          佐藤 孝之
  1.1 はじめに
  1.2 製錬事業の変遷
  1.3 DOWAのリサイクルネットワーク
  1.4 希少金属回収への取組み
  1.5 今後の方向と課題
  1.6 おわりに
 2 JXの希少金属リサイクルシステム                              日野 順三
  2.1 はじめに
  2.2 都市鉱山とリサイクル
  2.3 廃電子機器のリサイクル
   2.3.1 解体・選別
   2.3.2 白金族などの貴金属の濃縮・精製
   2.3.3 希少金属の挙動
  2.4 希少金属のリサイクルプラント
   2.4.1 ニッケルのリサイクル
   2.4.2 インジウムのリサイクル
  2.5 廃電池からの希少金属リサイクル
   2.5.1 小型リチウムイオン電池
   2.5.2 大型リチウムイオン電池のリサイクル
  2.6 今後の課題
 3 三菱マテリアルの希少金属リサイクルシステム−使用済み家電製品からの希土類磁石のリサイクル
               新井 義明,古賀 沙織,星名 久史,山口 省吾,近藤 比呂志
  3.1 はじめに
  3.2 家電製品に使用されている希土類磁石
   3.2.1 家電製品における希土類磁石の使用状況
   3.2.2 コンプレッサ・モータの現状のリサイクルフロー
   3.2.3 使用済家電製品における希土類磁石の使用比率
  3.3 使用済家電製品からの希土類磁石の回収
   3.3.1 エアコンコンプレッサからの希土類磁石の回収
   3.3.2 洗濯機モータからの希土類磁石の回収
  3.4 使用済み家電製品に使用されている希土類磁石の特性
   3.4.1 家電製品に使用されている希土類磁石の組成
   3.4.2 キュリー温度と磁石組成
   3.4.3 保持力と磁石組成
  3.5 リサイクルシステムの実現に向けた検討
   3.5.1 希土類磁石回収可能量の試算
   3.5.2 希土類磁石のリサイクルフロー
   3.5.3 リサイクルによる環境負荷低減効果の試算
  3.6 おわりに
   3.6.1 希土類磁石の回収
   3.6.2 リサイクル技術
   3.6.3 レアアースリサイクルしステの必要性
 4 田中貴金属工業の貴金属リサイクルシステム−電子材料用貴金属のリサイクル          奥田 晃彦
  4.1 はじめに
  4.2 貴金属のリサイクリング
   4.2.1 貴金属リサイクルの対象物について
   4.2.2 田中貴金属工業のリサイクルシステムについて
   4.2.3 貴金属の回収精製の流れ
  4.3 貴金属のリサイクリング技術
   4.3.1 貴金属の溶解
   4.3.2 貴金属の回収技術
   4.3.3 Au.Agを含有する電子部品等からの回収
   4.3.4 めっきあるいは蒸着された治具からのAu.Ag回収
   4.3.5 希薄含有溶液からのAu.Ag回収
  4.4 おわりに
 5 希土類磁石のリサイクルシステム                              中西 二郎
  5.1 はじめに
  5.2 焼結磁石とボンド磁石
  5.3 リサイクルの必要性
  5.4 工程内リサイクルの方法
   5.4.1 合金添加法
   5.4.2 希土類の選択的抽出法
   5.4.3 希土類の分離精製法
   5.4.4 希土類金属の還元法
   5.4.5 希土類のいろいろな分離抽出法
   5.4.6 工程内リサイクルのまとめ
  5.5 市場からのリサイクル
   5.5.1 現状
   5.5.2 課題と展望
   5.5.3 市場からのリサイクルのまとめ
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