JP2002080988A - スクラップから混合希土類金属を回収する方法 - Google Patents
スクラップから混合希土類金属を回収する方法Info
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Abstract
を含有するスクラップから、安定した組成を持つ不純物
混入量の少ない混合希土類金属を回収する。 【解決手段】 前記スクラップをから酸処理、シュウ酸
塩または炭酸塩沈殿、焼成を経て得た混合希土類酸化物
を、フッ化リチウムと希土類フッ化物とからなる溶融フ
ッ化物浴中で電解することにより、混合希土類金属を回
収する。電解に供する前記酸化物の軽希土類元素の合計
含有量が、その全希土類元素含有量に対して92〜98質量
%の範囲内となるように調整する。電解浴中の希土類フ
ッ化物は好ましくは混合希土類酸化物中の希土類元素と
同じ元素を含有する。
Description
元素 (即ち、混合希土類元素) を含有するスクラップか
ら安定した組成で混合希土類金属を回収する方法に関す
る。
極として、希土類金属と他金属との合金である希土類合
金の使用が近年増大している。これらの合金に含まれる
希土類元素は、La、Ce、Pr及びNdといった、軽希土類と
呼ばれる、原子番号の小さい希土類元素が多い。
くの場合、1種類の希土類元素ではなく、数種の希土類
元素を含有している。希土類元素は互いに性質が似てい
るため、希土類元素の資源は一般に複数の希土類元素を
含有している。希土類元素を個々に分離するには、溶媒
抽出やイオン交換処理を繰り返す必要があり、コストが
高くなることと、性質が似ていることから、混合物であ
っても所定の性能が得られるため、希土類金属の工業材
料としては混合希土類金属を使用することが多いからで
ある。軽希土類元素が大部分を占める混合希土類金属の
例として、LaとCeを主成分とするミッシュメタルがあ
り、Ni−水素電池の負極用水素吸蔵合金に多く用いられ
ている。希土類磁石の主流であるNd−Fe−B合金の場合
も、Nd以外にPrを含有しているのが普通である。
いるが、採算性を考慮した工業ベースで利用できる濃度
を有する希土類元素の資源は、中国、北米、オーストラ
リア、ロシア等に偏在しており、その供給事情は必ずし
も安定したものではない。従って、希土類合金を含有す
る材料から希土類元素を金属として回収し、再利用する
ことは重要である。
土類元素含有材料には、使用済みの希土類磁石やNi−水
素電池電極等、ならびにそれらの製造過程で発生した不
良品や、切削加工中に発生する微粉等があり、本発明で
は、これらの材料を一括して、希土類元素を含有するス
クラップ、または単にスクラップと呼ぶ。このスクラッ
プの多くは2種以上の希土類元素を含有し、希土類元素
以外の合金元素(例、希土類磁石の場合はFeやBまたは
Co、電極の場合はNi)も含有している。
プから希土類金属を回収する従来の方法は、鉱石から金
属を抽出する方法を応用したものである。即ち、スクラ
ップを酸で処理して、希土類以外の金属を分離した後、
希土類元素を含む沈殿を焼成して、混合希土類金属の酸
化物を作製する。この混合希土類金属の酸化物を、溶媒
抽出やイオン交換処理等の湿式分離法を繰り返して、各
希土類元素ごとに酸化物や塩化物等を作製し、これから
電解や真空カルシウム還元等によって各希土類元素の単
体金属を回収する。
量の薬剤の使用を必要とし、従来から希土類元素の金属
の生産を実施してきたものでなければ実施することは困
難である。
から希土類元素の化合物を回収する方法が開示されてい
る。この方法は、スクラップを水素化により脆化させて
から粉砕し、こうして得たスクラップの粉末を加熱して
酸化物にしてから、酸で処理して希土類元素を浸出さ
せ、沈殿する他金属と分離する。得られた希土類元素を
含む溶液から、適当な反応で希土類元素の化合物を沈殿
させて回収する。回収した希土類元素の化合物は、焼成
して酸化物に転化させ、次いで精錬して希土類金属を生
成させることができる。精錬法として、公知のフッ化物
浴溶融塩電解法が利用できることが記載されている。
資源のリサイクルを実現するため、2種以上の希土類元
素を含むスクラップからの希土類金属の簡便な回収方法
を確立することを目指したものである。
属の回収についての特徴的な点として下記に着目した。 個々の希土類元素の単体金属を回収する必要はなく、
希土類元素の混合金属を回収すればよいこと、 回収した混合希土類金属を希土類合金の原料として用
いる場合、同一回収ロット内の希土類元素の組成が安定
し、また電解電極の溶出等により混入する不純物の少な
いものが要求されること、および 多くの場合、スクラップ中の希土類の概略組成が既知
であり、スクラップから回収した希土類金属をスクラッ
プと同一用途の希土類合金原料として使用することが多
いこと。
を混合希土類金属のままで回収すると、従来法のよう
に、溶媒抽出やイオン交換処理を繰り返して各希土類元
素の単体金属に分離する工程が不要となり、回収が簡便
になる。また、スクラップから希土類元素以外の金属を
分離する方法については、特開平9−157769号公報にも
記載されているように、酸処理を利用した方法が利用で
きる。こうして希土類元素を含有する酸水溶液を得た
後、常法に従って希土類元素を沈殿させ焼成し、得られ
た希土類金属の酸化物を溶融塩電解すると、希土類金属
が回収できる。
合希土類元素を含有するスクラップから、上記のように
酸処理、沈殿、焼成を経て得られた混合希土類金属の酸
化物をフッ化物浴中で溶融塩電解したところ、往々にし
て電解反応が不安定になり、回収した混合希土類金属の
組成が不安定なものになったり、電解温度が上昇して炉
材、電極等から不純物が混入することが起き、上記の
要求を確実に満たすことが困難であることを見出した。
が混在した混合希土類元素を含有するスクラップから混
合希土類金属を回収するための最終工程である、混合希
土類酸化物のフッ化物浴溶融塩電解において、同一製造
ロット内で安定した組成を有し、不純物の含有量の少な
い、混合希土類金属を回収することのできる方法を開発
することである。
磁石はNd、Pr等の軽希土類元素を主成分とするものであ
り、またNi−水素二次電池に用いられる希土類系水素吸
蔵合金は同様に軽希土類を主成分とするミッシュメタル
がほとんであることから、軽希土類元素を主成分とする
混合希土類金属を安定した組成で回収する方法の提案
は、希土類資源のリサイクルに有効である。
的課題を解決すべく検討した結果、溶融塩電解に用いる
溶融フッ化物浴がフッ化リチウムと希土類フッ化物とか
らなり、かつ電解に供する混合希土類金属の酸化物中の
希土類元素が軽希土類元素をある割合より多く含んでい
ると、安定した組成を持ち、不純物の混入の少ない混合
希土類金属が得られることを見出した。上記に述べた
ように、スクラップ中の混合希土類元素の概略組成は既
知であることが多いので、電解に供する酸化物中の希土
類元素の組成比は、この既知のスクラップ概略組成に基
づいて容易に調整できる。例えば、必要に応じて軽希土
類金属を添加して、軽希土類元素の割合を電解の安定化
に必要な割合以上にすればよい。
した混合希土類元素を含有するスクラップから得た混合
希土類酸化物を溶融フッ化物浴中で電解することによ
り、混合希土類金属を回収する方法であって、電解に供
する前記酸化物の軽希土類元素の合計含有量が、その全
希土類元素含有量に対して92〜98質量%の範囲内となる
ように調整され、かつ前記溶融フッ化物浴がフッ化リチ
ウムと希土類のフッ化物とからなる浴であることを特徴
とする、スクラップからの混合希土類金属の回収方法で
ある。
Ce、PrおよびNdを意味し、非軽希土類元素とは、それ以
外の希土類元素 (即ち、中希土類および重希土類元素)
である。また、混合希土類元素とは2種以上の希土類元
素の混合物の意味であり、混合希土類酸化物または混合
希土類金属とは、それぞれ2種以上の希土類元素の酸化
物または金属の混合物という意味である。
解すると、安定した組成を持ち、電解電極を構成するC
やW等の混入の少ない混合希土類金属を回収できる理由
は次のように推測される。
浴は、フッ化リチウム (LiF) と希土類元素のフッ化物
に加えて、Li以外の他のアルカリ金属やアルカリ土類金
属のフッ化物を含有することが多く、特にフッ化バリウ
ム(BaF2)を含有させることが多い。しかし、フッ化物浴
がこのようなLiおよび希土類以外の金属を含有すると、
回収された混合希土類金属にこれらの金属が混入するこ
とが避けられない。回収された混合希土類金属が、特に
Mg、Ca、Ba等のアルカリ土類金属を含有していると、こ
れを磁石や電極の材料に用いた場合に特性を劣化させる
ことがある。
塩電解に用いるフッ化物浴として、フッ化リチウムと希
土類フッ化物との混合物からなる浴、即ち、Li以外のア
ルカリ金属フッ化物やアルカリ土類金属フッ化物を実質
的に含有しないフッ化物浴とする。この溶融フッ化物浴
は、軽いLiFを多量に含んでいるため、全体として希土
類酸化物より比重が小さい。
土類元素、即ち、中〜重希土類元素を多く含んでいる
と、この酸化物を溶融フッ化物浴に投入した場合、比重
差により電解槽の下に沈みがちになり、電解反応が不安
定になる。そのような状態で電解して得た混合希土類金
属中の各元素の組成は、同一製造ロット内であっても不
安定で、変動し易くなる。これに対し、混合希土類酸化
物が軽希土類元素を多く含んでいると、溶融フッ化物浴
との比重差が小さくなり、安定して電解反応が進む結
果、変動幅の小さい安定した組成の混合希土類金属を得
ることができる。
希土類元素を多く含むと、電解温度を比較的低くするこ
とができ、電解槽の損傷や電極を構成する例えばCやW
等の溶出を抑制することができるので、それらが不純物
として混合希土類金属に混入することが少なくなる。
類フッ化物は、電解に供する混合希土類元素の酸化物に
存在するのと同じ希土類元素のフッ化物からなる。それ
により、前述した電解の安定化効果がさらに高まる。
属を安定した組成で回収することができる、非軽希土類
元素が混在した混合希土類元素を含有するスクラップと
しては、前述したように、使用済みの希土類磁石やNi−
水素電池の電極等、ならびにそれらの製造過程で発生し
た不良品や切削加工中に発生する微粉等を包含する。
属元素から分離して、混合希土類酸化物を得る。これは
任意の方法で実施することができ、例えば、従来から知
られているように、酸処理、沈殿、焼成の各工程を経る
方法でよい。
要に応じて粉砕した後、酸処理を利用して、希土類元素
が溶解した酸水溶液を得る。粉砕は、水素化による脆化
を利用してもよく、直接粉砕してもよい。酸処理は、ま
ずスクラップ全体を強酸で溶解させてから、アルカリで
溶液pHを調整し、Fe、Ni、Coなどの希土類以外の他金
属を沈殿させて濾別する方法、特公平5−14777 号およ
び特開平9−157769号各公報に記載のように、スクラッ
プの粉末を酸化して他金属を難溶性酸化物にしてから強
酸で処理して、希土類元素だけを選択的に溶解させる方
法等が可能である。スクラップ全体を硫酸に溶解させた
場合には、得られた溶液を濃縮すると、希土類元素の硫
酸塩だけが沈殿するので、これを分離して、塩酸等の別
の酸に溶解させて、希土類元素の酸水溶液を得ることも
できる。
にシュウ酸もしくはシュウ酸塩または炭酸塩 (例、炭酸
アンモニウム、炭酸ナトリウム等) を添加すると、希土
類金属イオンは難溶性の希土類シュウ酸塩または炭酸塩
となって沈殿するので、このシュウ酸塩または炭酸塩の
沈殿を分離し、焼成すると、脱炭酸反応により希土類酸
化物が得られる。
ップ中に含まれていた希土類元素の組成と実質的に同一
組成で希土類元素を含有する。従って、スクラップが2
種以上の希土類元素を含有していると、2種以上の希土
類元素を含有する混合希土類酸化物が得られる。また、
前述したように、スクラップは希土類元素の組成が判明
している場合が多く、その場合には得られた混合希土類
酸化物の希土類元素の組成もそれとほぼ同じであると推
定することができる。
中で電解して、混合希土類金属を回収する。電解に供す
る混合希土類酸化物は、上記のような処理を経て他の金
属の大部分を除去したものであることが好ましい。例え
ば、焼結磁石のスクラップを粉砕して焼成しただけで得
られるような、Feなどの他の金属を含有する酸化物中に
は、焼結に用いた有機物に由来するCが多量に残存して
おり、回収した混合希土類金属中にCが残る可能性があ
るので、好ましくない。
では、その酸化物の状態が不均一になり易いため、電解
反応が不安定になり、安定した組成の混合希土類金属を
得にくくなることがある。従って、安定した品質の混合
希土類金属を回収するには、混合希土類酸化物中のFe、
Ni、Co等の他の金属の含有量はそれぞれ0.1 質量%以下
であることが好ましい。
酸化物には非軽希土類(即ち、中〜重希土類)の酸化物
も混在しており、この酸化物中の全希土類元素含有量に
対する軽希土類元素 (La、Ce、Nd、Pr) の合計量の割合
が92〜98質量%の範囲内となるように、希土類組成を調
整しておく。軽希土類元素の割合が92質量%を下回る
と、溶融フッ化物浴との比重差が大きくなって、電解反
応が安定しない上、電解温度の上昇から不純物の混入量
も多くなる。
して、混合希土類酸化物中の軽希土類元素の割合が92質
量%に達しないと考えられる場合には、別に用意した軽
希土類元素だけを含有する1種または2種以上の希土類
酸化物、あるいは軽希土類含有量が非常に高い (例、95
〜99質量%) の混合希土類酸化物を添加して、混合希土
類酸化物中の軽希土類元素の割合を92質量%以上に高め
る。必要に応じて、適当な分析法により軽希土類元素の
割合を調査することができる。
類元素の割合が高いほど電解の安定性が高いので、軽希
土類元素の割合は98質量%を超えてもよい。しかし、希
土類酸化物をスクラップから作製する場合には、軽希土
類元素の割合を98質量%より高くしようとすると、高価
な軽希土類元素のみからなる酸化物を多量に添加するこ
とが一般に必要となり、スクラップの処理効率が低下す
る上、コストも悪化する。
物を作製する方法は限定しない。例えば、硫酸や塩酸等
の酸処理を施してスクラップ中の金属不純物を分離した
後、蓚酸を加えて沈殿させた希土類元素混合物の蓚酸塩
を焼成して希土類元素の混合金属の酸化物を得ることが
できる。
して軽希土類元素の割合を高める代わりに、スクラップ
の酸処理で得られた希土類元素の酸溶液から、公知の溶
媒抽出および/またはイオン交換処理による希土類元素
の分離法を利用して、中〜重希土類元素を部分的に除去
することにより、軽希土類元素の割合を高めることもで
きる。
電解は、基本的には希土類金属の電解精錬で採用されて
いるのと同様に実施することができる。この電解に使用
されるフッ化物浴は、一般にLiFを主成分とする。本発
明で使用するフッ化物浴は、前述したように、LiFと希
土類フッ化物との2元系の浴であり、Li以外のアルカリ
金属やアルカリ土類金属のフッ化物を実質的に含有しな
い。浴の希土類フッ化物は、好ましくは軽希土類元素を
主体とし、より好ましくは電解すべき混合希土類酸化物
中の希土類元素と同じ元素のフッ化物からなる。それに
より、電解の安定性がさらに改善される。
ることができる電解装置の1例を図1に模式図で示す。
外皮内に耐火断熱材からなる外装と耐電解浴材からなる
内装の2層構造の壁面を持つ電解槽中に、所定の温度に
加熱された溶融塩電解浴が収容されている。本発明で
は、電解浴はLiFを主体とする溶融フッ化物浴である。
電源 (図示せず)に接続された陽極の炭素電極と陰極の
タングステン電極が、それぞれ電解槽上部から昇降自在
に吊り下げられている。
料供給口を介して原料の混合希土類酸化物が投入され
る。原料は好ましくは粉末状である。電解浴中に投入さ
れた原料は、融解してフッ化物浴に溶け込み、イオン化
した後、陰極で金属に還元され、混合希土類金属が陰極
上に析出するが、電解浴温が混合希土類金属の融点より
高ければ、析出金属は融解するので、ある程度たまると
陰極から液滴となって落下し、電解槽下部に設けた受け
箱に捕集される。受け箱に捕集された混合希土類金属
は、回収設備 (図示せず) を用いて回収する。回収の頻
度は、数十分に一回から一日に一回程度までさまざまで
ある。
℃の範囲であるが、上述したように、析出金属が融解す
るよう回収する混合希土類金属の融点より高くすること
が好ましい。この温度は、回収する混合希土類金属の希
土類組成によってかなり変動し、例えば、La−Ce主体の
場合には低く、Nd主体の場合には高くなる。電圧は7〜
15V、電流密度は1500〜2000A/dm の範囲が一般的であ
る。
金属は、スクラップと同じ製品の製造工程に原料として
使用することが好ましいが、別の製品の製造原料に使用
してもよいのはもちろんである。
(希土類元素として、Ndの他に、PrとDyを含有) を40%
希硫酸で溶解した後、100 ℃に加熱して濃縮し、析出し
た希土類硫酸塩を濾取して、溶液状態のFeから分離し
た。この硫酸塩を希塩酸に溶解した後、シュウ酸を加え
て、希土類シュウ酸塩を沈殿させた。このシュウ酸塩の
沈殿を大気中1000℃で24時間焼成して、混合希土類酸化
物を得た。この混合希土類酸化物中の希土類元素の組成
比を、ICP 発光分光分析により求めた。一部の混合希土
類酸化物では、別に用意した軽希土類酸化物 (酸化ネオ
ジム) を添加し、混合希土類酸化物中の軽希土類元素の
割合を増大させた。表1に、焼成で得られた混合希土類
酸化物の希土類組成、軽希土類酸化物の添加の有無と添
加後の希土類元素組成を示す。
1に示す浴組成および条件で溶融フッ化物浴により電解
した。使用した電解装置は図1に示す構造のものであ
り、内装耐電解浴材は炭素材、陽極も炭素材、陰極はタ
ングステンであった。電解槽の内寸は、直径500 mm×高
さ500 mmであり、陰極の表面積は0.14 dm2、原料供給速
度は4 kg/hr であった。
て、これを1ロットとした。この10日間の電解中に浴温
は、回収金属の生成量が一定となるように次第に上昇さ
せた。また、電流と電圧も浴温の調整のために増大させ
た。表1には最初と最後の浴温および電流・電圧を示
す。
希土類金属から分析用試料を1日に1個ずつ採取した。
得られた同一ロット内の合計10個の試料について、各希
土類元素の含有率をICP 質量分析を用いて定量した。こ
の10個の試料の分析値から、同一ロット内の各希土類元
素の平均含有率および標準偏差を求めて、標準偏差が0.
30質量%以下の場合を合格とした。
含有率として、Cの含有率を燃焼赤外線吸収法、Wの含
有率をICP 質量分析を用いて求めた。C含有率が0.03質
量%以下、およびW含有率が0.025 質量%以下を合格と
した。
なお、電解原料の混合希土類酸化物および回収された混
合希土類金属は、スクラップを酸処理してFe等の他の金
属を除去しても、それら他の金属がいくらか残存してい
る。表1および2に示す希土類元素の組成は、それら金
属不純物を除いて、希土類元素合計を100 wt%とした場
合の質量比として示す。
属の各希土類元素の含有率は、何れの元素も標準偏差が
0.30質量%以下で安定したものであり、また炉材および
電極から混入した不純物であるCおよびWの濃度もそれ
ぞれ0.03質量%以下および0.025 質量%以下の値を示
し、良好であった。
計質量比が92質量%未満である比較例1では、Ndおよび
Prの標準偏差は0.30質量%を超えており、電解の安定性
が不合格であった。また、比較例1では浴温がやや高く
なったため、電極や電解槽からの不純物の混入が増大
し、不純物量についても不合格となった。
浴が電解原料と同じ希土類元素の混合物 (Nd、Pr、Dy)
を含んでいる実施例3の方が、各希土類元素の含有率の
標準偏差の値が小さく、さらに安定した組成の混合金属
を回収できることを示している。
は、数%から数十%にのぼるスクラップが発生している
が、本発明により、それらのスクラップを有効に製造工
程にリサイクルすることができる。さらに、現状ではほ
とんどリサイクルされていない磁石の切削加工による微
粉や電池電極からの希土類金属の回収も可能となる。ま
た、磁石合金や水素吸蔵合金を溶製する場合に発生する
スラグ等からも、同様の処理で希土類金属を回収するこ
とができる。
成とほぼ同じか、それより軽希土類元素の割合が増えた
混合希土類金属を、変動幅の小さい安定した組成と少な
い不純物混入量で回収することができるので、スクラッ
プから回収した混合希土類金属を製造工程にリサイクル
しても、製品の品質に悪影響を及ぼすことが避けられ
る。特に希土類磁石の場合には、希土類組成がわずかに
変動しても磁気特性が著しく変化して、製品の性能が劣
化することがあるので、組成の安定や不純物混入の抑制
は重要である。
造の1例を示す模式図。
Claims (2)
- 【請求項1】 非軽希土類元素が混在した混合希土類元
素を含有するスクラップから得た混合希土類酸化物を溶
融フッ化物浴中で電解することにより、混合希土類金属
を回収する方法であって、 電解に供する前記酸化物中の軽希土類元素の合計含有量
が、その全希土類元素含有量に対して92〜98質量%の範
囲内となるように調整され、かつ前記溶融フッ化物浴が
フッ化リチウムと希土類のフッ化物とからなる浴である
ことを特徴とする、スクラップからの混合希土類金属の
回収方法 (但し、軽希土類元素とは、La、Ce、Prおよび
Ndを意味する) 。 - 【請求項2】 フッ化物浴が、電解に供する混合希土類
元素の酸化物に存在するのと同じ希土類元素のフッ化物
を含有する請求項1記載の方法。
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