高度技術社会においてレアアース金属への需要は高まっていますが、世界的な供給量は限られています。
研究者らは、レアアース金属を回収する環境に優しい方法を開発しました。
この方法は「電着」と呼ばれるプロセスを伴い、微弱な電流によって金属を析出させるものです。
この研究は、デジタル革命におけるサプライチェーンを支えながら、レアアース金属の持続可能性を高めるための前向きな一歩です。
レアアース金属は、スマートフォン、コンピューター、その他多くの日常的な機器に欠かせない部品として、私たちが生きる高度技術社会にとって重要な資源です。しかし、需要が増加する一方で世界的な供給は限られており、廃棄された製品からこれらの金属を効率的に回収する方法を早急に見つける必要があります。
現在、レアアース金属は従来の電子廃棄物リサイクルを通じて採掘または回収されています。しかし、高コスト、環境破壊、汚染、人体への安全上のリスクなど、いくつかの欠点があります。ここで私たちの継続中の研究が役立ちます。
私たちのチームは、スペインの研究センターTecnaliaと協力し、環境に優しい化学物質を用いてレアアース金属を回収する方法を開発しました。この方法は「電着」と呼ばれるプロセスを伴い、微弱な電流によって目的の表面に金属を析出させるものです。
この取り組みが重要なのは、プロセスを大規模に展開できれば、世界的な供給への圧力を緩和し、採掘への依存を減らせるためです。
レアアース金属への需要の高まり
レアアース金属は、周期表の「ランタノイド系列」に属する15元素と、スカンジウムおよびイットリウムを合わせた17元素の総称です。これらの元素は、触媒、冶金、原子核、電気、磁気、発光の各分野で独自の特性を持ちます。
「レア」という言葉は、18世紀後半に最初に発見された後にわかったように、世界中に均等に分布しているものの、その存在量は少ないことを指しています。最初に発見された。
これらの鉱物は電子機器の重要な構成要素であり、多くのグリーン技術にとって不可欠です。風力発電タービンの磁石や、ハイブリッド電気自動車のバッテリーに使用されています。実際、風力タービン1基を稼働させるためだけに、最大600キログラムのレアアース金属が必要とされています。
レアアース金属の年間需要は、2倍に増加し15年間で12万5,000トンに達しました。また、需要は2030年には31万5,000トンに達すると予測されており、グリーン技術の普及や電子機器の高度化が要因となっています。これは世界的な生産に大きな圧力をかけています。
もっと希少金属を採掘すればよいのではないか？
レアアース金属は現在、採掘によって抽出されており、これには多くの欠点があります。
第一に、レアアース金属をごくわずかに抽出するだけでも広大な面積の採掘が必要となるため、コストがかかり非効率です。
第二に、このプロセスは環境に甚大な影響を及ぼす可能性があります。レアアース鉱物の採掘では、トリウムとウランの共抽出により大量の有毒物質および放射性物質が発生します。これらの放射性金属は、環境や人の健康に問題を引き起こす可能性があります。
第三に、レアアース金属の採掘の大部分は中国で行われており、中国は世界の供給量の70%以上を生産しています。このため、特に中国が2019年に米国との貿易戦争の中で供給を制限する構えを見せて以降、長期的な供給可能性に懸念が生じています。供給を制限すると脅したのです。
電子廃棄物のリサイクルは完全な解決策ではありません
電子廃棄物のリサイクルを通じて、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車のバッテリーなどの電子製品が寿命を迎えた際に、そこからレアアース金属を回収することができます。
例えば、電気自動車のバッテリーからこれらを回収するには、従来の湿式冶金（腐食性媒体による処理）および乾式冶金（熱処理）のプロセスが用いられます。しかし、これらにはいくつかの欠点があります。
乾式冶金はエネルギー集約型であり、約1,000℃という高い作業温度を要する複数の段階を伴います。また、二酸化炭素、ダイオキシン、フランなどの汚染物質を大気中に排出します。
一方、湿式冶金では、水酸化ナトリウムや硫酸のような強アルカリ性または強酸性の物質など、大量の腐食性廃棄物が発生します。
同様の回収プロセスは、リチウムイオン電池など、他のエネルギー貯蔵技術にも適用されています。
私たちの研究が異なる理由
こうした課題を踏まえ、私たちは電着を用いて、レアアース金属を回収する持続可能な方法を見出すことに取り組みました。
電着は、すでに他の金属の回収に用いられています。私たちの場合は、環境に優しい組成を設計し、その基盤としてイオン液体（塩ベース）系を用いました。
私たちは、ネオジムの回収に注力しました。ネオジムは優れた磁気特性を持つ重要なレアアース金属であり、他のレアアース金属と比べて極めて高い需要があります。自動車の電動モーター、スマートフォン、風力タービン、ハードディスクドライブ、オーディオ機器などに使用されています。
イオン液体は非常に安定しているため、ネオジムの純度に影響を及ぼしうる副生成物を生じさせることなく、ネオジムを回収することが可能です。
イオン液体を用いた電着に関する私たちの研究の新規性は、混合物に水が含まれている点にあり、これにより最終的に回収されるネオジム金属の量が向上します。
従来報告されている方法とは異なり、制御雰囲気を用いることなく、また100℃未満の作業温度でネオジム金属を回収できます。これらは、このような技術を産業化する上で重要な検討事項です。
現段階では、水を含むイオン液体の溶液を用いて実験室規模での概念実証を行っており、数時間で最も高価な金属形態のネオジムを回収しています。現在、プロセスの規模拡大を検討しています。
重要な初期段階
将来的には、本方法によりレアアース金属の採掘の必要性をなくすことができる可能性があり、有毒かつ有害な廃棄物の発生も最小限に抑えられます。また、電子廃棄物からの経済的リターンを高める効果も期待されています。
重要なのは、この方法は、リチウムイオン電池など他の使用済み製品からの金属回収にも応用できる可能性がある点です。2019年の報告書では、欧州における生産量が年率11%で成長すると予測されています。
私たちの研究は、レアアース金属の清浄で持続可能な処理経路を確立し、これらの重要な元素への圧力を緩和するための重要な初期段階です。
