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Oct 23, 2023

科学はどのようにしてレアアース元素のリサイクルを容易にすることができるか

Riciclaggio di terre rare da prodotti high-tech esistenti come i dischi rigidi

ハードディスクドライブなどの既存のハイテク製品からレアアース元素をリサイクルすることは、これらの貴重な金属の需要を満たすのに役立つ可能性があります。

ヨルグ・グレエル/フォトディスク/ゲッティイメージズプラス

エリン・ウェイマン著

2023 年 1 月 20 日午前 8 時

私たちの現代生活はレアアース元素に依存しており、近い将来、増大する需要を満たすのに十分な量が足りなくなるかもしれません。

これら 17 種類の金属元素は、その特殊な特性により、コンピューター画面、携帯電話やその他の電子機器、コンパクト蛍光灯、医療用画像機器、レーザー、光ファイバー、顔料、磨き粉、工業用触媒の重要な成分となっており、リストは数え切れないほどあります。 （SNオンライン：1/16/23）。 特にレアアースは、世界を低炭素またはゼロ炭素の未来に導くために必要な電気自動車や再生可能エネルギー技術の強力な磁石や充電式バッテリーに不可欠な部分です。

2021 年、世界では 28 万トンのレアアースが採掘されました。これは 1950 年代半ばに採掘された量の約 32 倍です。 そして需要は増える一方です。 専門家らは、2040年までに現在の最大7倍のレアアースが必要になると推定している。

その食欲を満たすのは簡単ではありません。 希土類元素は濃縮鉱床には存在しません。 鉱山労働者は、膨大な量の鉱石を掘削し、物理的および化学的処理を行ってレアアースを濃縮し、分離する必要があります。 この変換はエネルギーを大量に消費し、汚いものであり、有毒な化学物質を必要とし、多くの場合、安全に処分しなければならない少量の放射性廃棄物が生成されます。 もう一つの懸念はアクセスです。中国は採掘と加工の両方でほぼ独占的です。 米国にはアクティブな地雷が 1 つだけあります (SN オンライン: 2013 年 1 月 1 日)。

レアアースが果たす役割のほとんどは、それに代わるものがありません。 そのため、将来の需要に応え、供給を管理する人を多様化するために、そしておそらくレアアースの回収をより「環境に優しい」ものにするために、研究者たちは従来の採掘に代わる方法を探しています。

提案には、石炭廃棄物から金属を抽出することから、月の採掘のような本当に突飛なアイデアまで、あらゆるものが含まれています。 しかし、すぐに影響を与える可能性が最も高いアプローチはリサイクルです。 アイオワ州エイムズ国立研究所およびエネルギー省臨界材料研究所の材料科学者イケンナ・ヌレベディム氏は、「リサイクルは非常に重要かつ中心的な役割を果たすことになるだろう」と語る。 「だからといって、リサイクルをして重大な材料問題を解決しようというわけではありません。」

それでも、例えばレアアース磁石市場では、一部の試算に基づくと、今から約10年後までに、リサイクルによってレアアースの需要の4分の1が満たされる可能性がある。 「それは大きいですね」と彼は言う。

しかし、古いラップトップに含まれるレアアースが、空のソーダ缶に含まれるアルミニウムと同じように定期的にリサイクルされるようになるまでには、技術的、経済的、物流上の障害を克服する必要があります。

リサイクルは、より多くのレアアースを入手するための明白な方法のように思えます。 米国やヨーロッパでは、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、錫などの他の金属の 15 ～ 70 パーセントをリサイクルするのが標準的です。 しかし、ネバダ大学ラスベガス校の経済地質学者サイモン・ジョウィット氏によると、現在、古い製品に含まれるレアアース元素のうちリサイクルされているのはわずか約1パーセントだという。

「銅線は、より多くの銅線にリサイクルできます。鋼は、より多くの鋼にリサイクルできるだけです」と彼は言います。 しかし、レアアース製品の多くは「本質的にリサイクル性が低い」。

この計画は貴重なレアアース金属を提供し、石炭採掘の汚い遺産を一掃するのに役立つだろう。

レアアースはタッチスクリーンや同様の製品で他の金属と混合されることが多く、除去が困難です。 ある意味、廃棄物からレアアースをリサイクルすることは、鉱石からレアアースを抽出して互いに分離するという課題に似ています。 従来のレアアースのリサイクル方法では、塩酸などの有害な化学物質や大量の熱、つまり大量のエネルギーも必要とします。 環境負荷に加えて、レアアースの収量が少ないことを考えると、回収コストが労力に見合わない可能性があります。 たとえば、ハードディスク ドライブにはわずか数グラムしか入っていない可能性があります。 一部の製品はミリグラム単位で提供しています。

しかし、化学者や材料科学者は、より賢明なリサイクル手法を開発しようと努めています。 彼らの技術は微生物を働かせ、伝統的な方法の酸を排除するか、抽出と分離をバイパスしようとします。

アプローチの 1 つは、微細なパートナーに依存します。 グルコノバクター細菌は、石油精製で使用される使用済み触媒や照明で使用される蛍光体からランタンやセリウムなどのレアアースを引き出すことができる有機酸を自然に生成します。 アイダホフォールズにあるアイダホ国立研究所の生物地球化学者、藤田淑子氏は、細菌の酸は塩酸や他の伝統的な金属浸出酸よりも環境への悪影響が少ないと言う。 藤田氏は、臨界材料研究所で再利用とリサイクルの研究を主導しています。 「自然に分解されることもあります」と彼女は言う。

実験では、細菌の酸は使用済みの触媒と蛍光体からレアアースの約 4 分の 1 から半分しか回収できません。 塩酸の方がはるかに効果があり、場合によっては 99 パーセントも抽出されます。 しかし、フジタらは2019年に「ACS Sustainable Chemistry & Engineering」誌で、バイオベースの浸出は依然として利益をもたらす可能性があると報告した。

年間 19,000 トンの使用済み触媒をリサイクルする仮想プラントでは、研究チームは年間収益が約 175 万ドルと推定しました。 しかし、現場で酸を生成するバクテリアに餌を与えるには多額の費用がかかります。 バクテリアに精製糖を与えるシナリオでは、レアアースの生産にかかる総コストは年間およそ 160 万ドルとなり、利益はわずか 15 万ドル程度になります。 しかし、砂糖をトウモロコシの茎、皮、その他の収穫残さに切り替えれば、コストは約50万ドル削減され、利益は約65万ドルに増加する。

他の微生物もレアアースを抽出してさらに進化させるのに役立ちます。 数年前、研究者らは、レアアースを代謝する一部の細菌が、これらの金属を優先的に捕捉するタンパク質を生成することを発見しました。 このタンパク質、ランモジュリンは、希土類磁石の 2 つの成分であるネオジムとジスプロシウムなど、希土類を互いに分離することができます。 ランモジュリンベースのシステムは、このような分離に通常使用される多くの化学溶媒の必要性を排除する可能性があります。 そして、残された廃棄物、つまりタンパク質は生分解性になるでしょう。 しかし、このシステムが商業規模でうまくいくかどうかは不明です。

すでに商業化されている別のアプローチでは、酸を使わず、銅塩を使用して、貴重なターゲットである廃棄磁石からレアアースを取り出します。 ネオジム・鉄・ボロン磁石は重量の約 30% がレアアースであり、この金属の用途としては世界最大です。 ある予測によれば、米国のハードディスクドライブから磁石に含まれるネオジムを回収するだけで、10年末までに中国以外の世界の需要の約5％を賄える可能性があるという。

ヌレベディム氏は、磁石を含む細断された電子廃棄物から銅塩を使用してレアアースを浸出させる技術を開発したチームを率いました。 電子機器廃棄物を室温で銅塩溶液に浸すと、磁石内の希土類が溶解します。 他の金属は独自のリサイクルのためにすくい出すことができ、銅はより多くの塩溶液を作るために再利用できます。 次に、レアアースは固化され、追加の化学物質と加熱の助けを借りて、レアアース酸化物と呼ばれる粉末鉱物に変わります。 このプロセスは、通常は廃棄される磁石の製造時に残る材料にも使用されており、レアアースの90～98パーセントを回収でき、その材料は新しい磁石を製造できるほど純粋であることをヌレベディム氏のチームは実証した。

この方法の経済分析によると、最良のシナリオでは、この方法を使用して残りの磁石材料 100 トンをリサイクルすると、32 トンの希土類酸化物が生成され、純利益が 100 万ドルを超える可能性があることが示唆されています。

その研究では、このアプローチが環境に与える影響も評価されました。 現在中国で使用されている主要な採掘および加工方法の1つで1キログラムの希土類酸化物を生産するのと比較して、銅塩法による二酸化炭素排出量は半分以下です。 2021年にACS Sustainable Chemistry & Engineeringでヌレベディム氏のチームが報告したところによると、希土類酸化物1キログラムあたり平均約50キログラムの二酸化炭素相当量が生成されるのに対し、ヌレベディム氏のチームは110キログラムに相当する。

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しかし、必ずしもあらゆる形態の採掘よりも環境に優しいわけではありません。 問題点の 1 つは、このプロセスでは有毒な水酸化アンモニウムと焙煎が必要であり、大量のエネルギーを消費し、それでもある程度の二酸化炭素が放出されることです。 ヌレベディム氏のグループは現在、この技術を微調整している。 「私たちはプロセスを脱炭素化し、より安全なものにしたいと考えています」と彼は言います。

一方、この技術は十分に有望であるようで、磁性材料と製品を設計および製造するアイオワ州の企業 TdVib がこの技術のライセンスを取得し、パイロットプラントを建設しました。 TdVibの社長兼最高経営責任者（CEO）のダニエル・ビナ氏によると、当初の目標は毎月2トンのレアアース酸化物を生産することだという。 この工場では、データセンターからの古いハードディスクドライブからレアアースをリサイクルします。

テキサス州サンマルコスの会社である Noveon Magnetics は、すでにリサイクルされたネオジム・鉄・ボロン磁石を製造しています。 一般的な磁石の製造では、レアアースが採掘され、金属合金に変換され、粉砕されて微粉末になり、磁化されて磁石に成形されます。 同社 CEO のスコット・ダン氏は、Noveon は最初の 2 つのステップを排除すると述べています。

廃棄された磁石を消磁して洗浄した後、Noveon はそれらを直接粉砕して粉末にし、その後新しい磁石として再構築します。 他のリサイクル方法とは異なり、最初にレアアースを抽出して分離する必要はありません。 ダン氏によると、最終製品は99パーセント以上がリサイクルされた磁石になる可能性があり、バージンレアアース元素（同氏の言葉を借りれば「秘密のソース」）を少量添加することで、同社は磁石の特性を微調整できるようになるという。

従来の磁石の採掘と製造と比較して、ノベオンの方法はエネルギー使用量を約 90 パーセント削減すると、ノベオンの最高技術責任者であるミハ・ザコトニク氏と他の研究者が 2016 年の『環境技術とイノベーション』で報告しました。 2016年の別の分析では、ノベオンの方法で製造された磁石1キログラムごとに、二酸化炭素換算で約12キログラムが排出されると推定されている。 これは従来の磁石の約半分の温室効果ガスに相当します。

ダン氏は、ノベオン社が現在どのくらいの量の磁石を生産しているか、またその磁石のコストはいくらかについて明らかにすることを拒否した。 しかし、磁石はポンプ、ファン、コンプレッサーなどの一部の産業用途に加え、一部の民生用電動工具やその他の電子機器にも使用されています。

研究者たちが技術的なハードルをクリアしているにもかかわらず、リサイクルには依然として物流上の障壁が存在します。 「私たちにはレアアースを含む使用済み製品を回収するシステムがありません。また、それらの製品を解体するには費用がかかります。」と藤田氏は言います。 多くの電子廃棄物については、レアアースのリサイクルを開始する前に、それらの貴金属を含む破片を入手する必要があります。

Noveon には、ハードディスク ドライブやその他の電子機器から磁石を除去するための半自動プロセスがあります。

Appleはリサイクルプロセスの自動化にも取り組んでいる。 同社のデイジーロボットはiPhoneを解体できる。 そして2022年、Appleはレアアースのリサイクルを促進するTazとDaveと呼ばれる一対のロボットを発表した。 Taz は、電子機器を細断する際に通常失われる磁石を含むモジュールを収集できます。 Dave は、たとえば iPhone の画面をタップしたときにユーザーに触覚フィードバックを提供する Apple の技術であるタプティック エンジンから磁石を回収することができます。

たとえロボット支援があったとしても、企業がリサイクルを容易にする方法で製品を設計するだけであれば、ずっと楽になるだろうと藤田氏は言う。

ジョウィット氏は、リサイクルがどれほど改善されたとしても、レアアースに飢えた社会を養うために採掘を増やす必要性を回避することはできないと考えています。 しかし、彼はリサイクルが必要であることに同意します。 「私たちが扱っているのは本質的に有限のリソースです」と彼は言います。 「ただ埋め立て地に捨てるのではなく、できる限りのものを取り出してみたほうがよいでしょう。」

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Erin Wayman は、Science News の印刷物および長文コンテンツの編集長です。 彼女はカリフォルニア大学デービス校で生物人類学の修士号を取得し、ジョンズ・ホプキンス大学でサイエンスライティングの修士号を取得しています。

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