希土類金属をリサイクルできる強力なプロセスの内部

ほとんどの周期表の下から 2 行目を見ると、何をすべきか分からない元素のアーカイブから分離されたランタノイドが見つかります。ランタノイドは密接に結びついた集団で、色や特性が似ているため、互いに区別がつきにくいです。ほとんどの科学者にとっても、ランタノイドは冷たく遠い土地に住んでおり、完全に無機質で、水素、炭素、酸素の快適さからは遠く離れています。

しかし、これらの金属は現代社会を動かすために欠かせないものです。これらは希土類元素、またはレアアースと呼ばれるグループに属し、クリーンエネルギー技術を動かす磁石から望遠鏡のレンズ、この記事を読んでいるデバイスの画面まで、あらゆるものを支えています。そして、これらの採掘は難しく、環境的にもコストがかかります。

そこで化学者やエンジニアたちは、すでに処理された希土類元素を産業廃棄物や古い電子機器からリサイクルすることで、最大限に活用しようと試みている。2月9日にScience Advances 誌に発表された新しい研究で、彼らは明るい電気の閃光を使ってそれを実現しようとしている。

希土類元素のほとんどは、実際にはそれほど希少ではない（イリジウムのような本当に希少な元素と比べればなおさら）が、入手は容易ではない。鉱石を地中から採掘した後、特殊な製品を作るために分離する必要があるが、類似した特性を考えると、これは面倒な作業だ。希土類元素の採掘は、ランタンとセリウムに集中しているが、クリーンエネルギー技術で使用される磁石には、ネオジムやジスプロシウムなどのより重い金属が特に適している。

現在、世界の供給量の圧倒的多数（90％以上という推定もある）は中国から来ており、この資源は地政学的緊張の影響を受けやすくなっている。2010年、係争海域で中国漁船が日本の海上保安庁の船と衝突した後、中国は日本への希土類の輸出を停止した。この封鎖は長くは続かなかったが、日本はそれ以来何年も積極的に希土類の代替供給源を模索してきた。他の国々も同様だ。

さらに重要なのは、希土類元素の抽出には環境への負担がかかることだ。「エネルギーと化学物質を大量に消費します」と、最新の研究には関わっていないネバダ大学ラスベガス校の地球化学者サイモン・ジョウィット氏は言う。「処理方法によっては、高濃度の酸が必要になります」。こうした酸は環境に浸出する可能性がある。

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負担を軽減する方法の1つは、すでにこれらの元素を含む製品をリサイクルすることだが、これはまだ一般的ではない。ニューヨーク州北部のロチェスター工科大学の持続可能性教授で、今回の研究には関わっていないキャリー・バビット氏は、世界の希土類元素のうちリサイクルされるのはわずか1～5％程度だと語る。

そのため、研究者たちはレアアースを分解する新しい方法を見つけるために革新を続けています。バクテリアを試した人もいますが、それらの微生物に餌を与えるには大量のエネルギーが必要であることがわかっています。

現在、ライス大学のあるグループが「フラッシュジュール加熱」と呼ばれる強力な電気を利用するリサイクル方法を考案した。この方法を開発した研究者らは以前、古い切り刻まれた回路基板でこの方法をテストし、パラジウムや金などの貴金属やクロムや水銀などの重金属を除去してから、農地の土壌に安全に処分していた。

今回、研究チームはフラッシュジュール熱を他の産業副産物、すなわち化石燃料発電所からの汚染物質である石炭フライアッシュ、ボーキサイトをアルミニウムに変える際に残る有毒物質である赤泥、そしてもちろんその他の電子廃棄物に適用した。

彼らのプロセスはこんな感じです。分解する物質を指ほどの大きさの石英管に入れ、電気で約 5400 度まで「加熱」します。分離された成分は溶液に溶解され、化学者が後で取り出すことができます。

このプロセスでは確かに有毒化合物が放出されるが、このシステムはそれらを捕らえて空気中に放出されないようにすることを目的としている。「これを工業的に行う場合、これらの化合物を空気中に放出するだけではありません」と、ライス大学の化学者でこの研究の著者の一人であるジェームズ・ツアー氏は言う。「それらを捕らえるのです。」

「私たちの廃棄物処理は全く異なります」とトゥール氏は説明する。地中からレアアースを抽出するのによく使われる強硝酸とは異なり、彼らの溶液ははるかに弱く、より薄められた塩酸である。「それが手に付いても、気付かないと思います」とトゥール氏は言う。

しかし、この研究が一歩前進したとしても、大量の産業廃棄物をリサイクルして希土類元素を採掘できるようになるまでには、まだ時間がかかるだろう。「この分野では多くの活動が行われていますが、画期的な成果は何も見られません」とジョウィット氏は言う。

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ジョウィット氏によると、フラッシュジュール加熱の問題は、レアアースをガジェットに成形する前に分離する必要があることだ。さらに、石炭フライアッシュなどの汚染物質を使用するということは、プロセスから他の有害な残留物も出ることを意味する。「含まれる [レアアース] を抽出して回収することは、これらの廃棄物を管理するという大きな課題の一部にすぎません」とバビット氏は言う。

電子廃棄物に関して言えば、山積みになった使用済みコンピューターや携帯電話から貴重な部品を取り出すのは容易ではない。例えば、平均的なスマートフォンに含まれる希土類元素の量は、わずか1グラムに満たない。そして、多くの消費者は、それらをどこでどのようにリサイクルすればよいのか知らないだろう。

ジョウィット氏は、解決策は希土類元素の需要を高める製品にあると考えている。「明らかなのは、リサイクルしやすいように設計方法を変えることです。」