JP2013204095A - 希土類元素の回収方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで簡易なリサイクルシステムとして実用化が可能な、少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法を提供する。
【解決手段】酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、1200℃以上の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離する工程を少なくとも含んでなる。希土類元素の酸化物、鉄族元素は高温で窒化ホウ素と反応することなくそれぞれそのままで溶融するのに対し、鉄族元素の酸化物は高温で窒化ホウ素と反応することで鉄族元素に還元されて溶融し、結果として、希土類元素の酸化物の溶融物と鉄族元素の溶融物を分離できる。酸化した処理対象物が、処理対象物に対して、熱処理、燃焼処理、アルカリを用いた黒色酸化処理から選択される少なくとも1つである。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えばR−Fe−B系永久磁石(Rは希土類元素)などの、少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法に関する。
R−Fe−B系永久磁石は、高い磁気特性を有していることから、今日様々な分野で使用されていることは周知の通りである。このような背景のもと、R−Fe−B系永久磁石の生産工場では、日々、大量の磁石が生産されているが、磁石の生産量の増大に伴い、製造工程中に加工不良物などとして排出される磁石スクラップや、切削屑や研削屑などとして排出される磁石加工屑などの量も増加している。とりわけ情報機器の軽量化や小型化によってそこで使用される磁石も小型化していることから、加工代比率が大きくなることで、製造歩留まりが年々低下する傾向にある。従って、製造工程中に排出される磁石スクラップや磁石加工屑などを廃棄せず、そこに含まれる金属元素、特に希土類元素をいかに回収して再利用するかが今後の重要な技術課題となっている。また、R−Fe−B系永久磁石を使用した電化製品などから循環資源として希土類元素をいかに回収して再利用するかについても同様である。
少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法については、これまでにもいくつかの方法が提案されており、例えば特許文献1では、処理対象物を酸化性雰囲気中で加熱して含有金属元素を酸化物とした後、水と混合してスラリーとし、加熱しながら塩酸を加えて希土類元素を溶液に溶解させ、得られた溶液に加熱しながらアルカリ(水酸化ナトリウムやアンモニアや水酸化カリウムなど)を加えることで、希土類元素とともに溶液に浸出した鉄族元素を沈殿させた後、溶液を未溶解物と沈殿物から分離し、溶液に沈殿剤として例えばシュウ酸を加えて希土類元素をシュウ酸塩として回収する方法が提案されている。この方法は、希土類元素を鉄族元素と効果的に分離して回収することができる方法として注目に値する。しかしながら、工程の一部に酸やアルカリを用いることから、工程管理が容易ではなく、また、回収コストが高くつくといった問題がある。従って、特許文献1に記載の方法は、低コストと簡易さが要求されるリサイクルシステムとして実用化するには困難な側面を有するといわざるを得ない。
また、特許文献2では、酸化ホウ素を主成分とするガラススラグとともに処理対象物をるつぼ内で溶解してから凝固させることで、希土類元素だけをガラススラグと反応させて酸化物としてガラススラグ中に抽出する方法が提案されている。この方法は、特許文献1に記載の方法のように酸やアルカリを必要としないことから、特許文献1に記載の方法に比較して工程が簡易であるという点において優れていると考えられる。しかしながら、この方法は、希土類元素と酸化ホウ素の酸化還元反応を利用したものであるので、大気中や水中に放置された磁石スクラップや磁石加工屑などのような酸化した処理対象物の場合、そこに含まれる希土類元素が既に酸化していると、酸化ホウ素との酸化還元反応が起こらないので、希土類元素を酸化物としてガラススラグ中に抽出することができないという制約がある。
特開2009−249674号公報 特開2004−68082号公報
そこで本発明は、低コストで簡易なリサイクルシステムとして実用化が可能な、少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法を提供することを目的とする。
本発明者は上記の点に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、酸化したR−Fe−B系永久磁石を、窒化ホウ素の存在下、所定の温度で熱処理することで、磁石に含まれる希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離して回収することができることを見出した。
上記の知見に基づいてなされた本発明の少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法は、請求項1記載の通り、酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、1200℃以上の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離する工程を少なくとも含んでなることを特徴とする。
また、請求項2記載の方法は、請求項1記載の方法において、酸化した処理対象物が、処理対象物に対して人為的に酸化処理を行うことで得られたものであることを特徴とする。
また、請求項3記載の方法は、請求項2記載の方法において、酸化処理が、熱処理、燃焼処理、アルカリを用いた黒色酸化処理から選択される少なくとも1つであることを特徴とする。
また、請求項4記載の方法は、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法において、酸化した処理対象物の窒化ホウ素の存在下での熱処理を、窒化ホウ素るつぼを処理容器および窒化ホウ素供給源として用いて行うことを特徴とする。
また、請求項5記載の方法は、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法において、酸化した処理対象物の窒化ホウ素の存在下での熱処理を、銅および/またはニッケルの共存下で行うことを特徴とする。
また、請求項6記載の方法は、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法において、処理対象物の少なくとも一部が500μm以下の粒径を有する粒状ないし粉末状であることを特徴とする。
また、請求項7記載の方法は、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法において、処理対象物がR−Fe−B系永久磁石であることを特徴とする。
本発明の少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法は、酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、所定の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離することができるので、低コストで簡易なリサイクルシステムとして実用化が可能な方法である。
参考例1における酸化鉄と酸化ネオジムを熱処理した後の窒化ホウ素るつぼの内容物の外観である。 同、酸化鉄と酸化ネオジムを熱処理した後のX線回折の結果である。 実施例1と比較例1における熱処理した後の窒化ホウ素るつぼの内容物の外観である。 実施例2〜実施例5における熱処理した後の窒化ホウ素るつぼの内容物の外観である。
本発明の少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法は、酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、1200℃以上の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離する工程を少なくとも含んでなることを特徴とするものである。
まず、本発明の少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法において、酸化した処理対象物は、処理対象物に対して人為的に酸化処理を行うことで得られたものであってもよいし、処理対象物が大気中や水中に放置されたりすることによって自然に酸化されることで得られたものであってもよい。また、人為的酸化処理と自然酸化が組み合わされることで得られたものであってもよい。しかしながら、酸化した処理対象物に含まれる希土類元素はできるだけ多くが、好適にはその全部が酸化物に変換されていることが望ましい。従って、酸化した処理対象物は、処理対象物に対して人為的に酸化処理が行われていることで、そこに含まれる希土類元素のできるだけ多くが、好適にはその全部が酸化物に変換されていることが望ましい。なお、処理対象物に対する酸化処理によって処理対象物に含まれる鉄族元素が希土類元素とともに酸化物に変換されてもよい。処理対象物に対する酸化処理は、酸素含有雰囲気中で処理対象物を熱処理したり燃焼処理したりすることによって行うことが簡便である。酸素含有雰囲気は大気雰囲気であってよい。処理対象物を熱処理する場合、例えば350℃〜1000℃で1時間〜5時間行えばよい。処理対象物を燃焼処理する場合、例えば自然発火や人為的点火により行えばよい。また、アルカリを用いた黒色酸化処理を採用することもできる。具体的な処理方法としては、100℃〜150℃に加熱した1mol/L〜10mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に処理対象物を1分間〜3時間浸漬する方法が挙げられる。こうした酸化処理を行うと、処理対象物に含まれる酸素モル濃度は希土類元素のモル濃度の1.5倍以上となり、希土類元素の酸化物への変換をより確実なものにすることができる。酸化処理によって処理対象物に含まれる酸素モル濃度は希土類元素のモル濃度の2.0倍以上になることが望ましい。
次に、酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、1200℃以上の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離することができる。これは、希土類元素の酸化物は高温で窒化ホウ素と反応することなく酸化物のままで溶融するのに対し、鉄族元素は高温で窒化ホウ素と反応することなく鉄族元素のまま溶融し、また、鉄族元素の酸化物は高温で窒化ホウ素と反応することで鉄族元素に還元されて溶融し、結果として、希土類元素の酸化物の溶融物と鉄族元素の溶融物が相溶することなく互いに独立して存在するという本発明者によって見出された現象に基づくものである。酸化した処理対象物を窒化ホウ素の存在下で熱処理する温度を1200℃以上に規定するのは、1200℃未満であると、希土類元素の酸化物も鉄族元素も溶融しないからである。酸化した処理対象物を窒化ホウ素の存在下で熱処理する温度は1300℃以上が望ましく、1350℃以上がより望ましく、1400℃以上がさらに望ましい。熱処理時間は例えば10分間〜3時間が適当である。酸化した処理対象物に対する窒化ホウ素の供給は、どのような方法で行ってもよいが、窒化ホウ素るつぼを用いて熱処理を行えば、窒化ホウ素るつぼは処理容器としての役割とともにその表面からの窒化ホウ素供給源としての役割も果たすので都合がよい(もちろん別個の窒化ホウ素供給源をさらに添加することを妨げるものではない)。処理容器として窒化ホウ素るつぼを用いる場合、酸化した処理対象物の熱処理は、アルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気(酸素含有濃度は1ppm未満が望ましい)中や真空(1000Pa未満が望ましい)中で行うことが望ましい。大気雰囲気などの酸素含有雰囲気中で熱処理を行うと、雰囲気中の酸素が窒化ホウ素るつぼの表面において窒化ホウ素と反応することで酸化ホウ素を生成し、窒化ホウ素るつぼが窒化ホウ素供給源としての役割を効率的に果さない恐れがあるからである。なお、用いることができる処理容器は、窒化ホウ素るつぼに限定されるわけではなく、例えばアルミナや酸化マグネシウムや酸化カルシウムなどの金属酸化物でできたるつぼを処理容器として用いることもできる。この場合、処理容器は窒化ホウ素供給源としての役割を果さないので、処理容器に窒化ホウ素供給源を添加することによって酸化した処理対象物を熱処理する。添加する窒化ホウ素供給源の量は処理対象物に含まれる鉄族元素に対してモル比で1.0倍以上であることが望ましい。添加する窒化ホウ素供給源の量をこのように調整することで、処理対象物に含まれる鉄族元素が酸化処理によって酸化物に変換されても窒化ホウ素と反応することでその還元を確実なものとすることができる。なお、処理容器として金属酸化物るつぼを用いる場合、酸化した処理対象物の窒化ホウ素の存在下での熱処理は、アルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気(酸素含有濃度は1ppm未満が望ましい)中や真空(1000Pa未満が望ましい)中で行ってもよいし、大気雰囲気などの酸素含有雰囲気中で行ってもよい。
以上のようにして酸化した処理対象物を窒化ホウ素の存在下で熱処理することで、希土類元素の酸化物と鉄族元素が溶融すると、両者の溶融物は、相溶せず、前者の溶融物は後者の溶融物よりも比重が軽いため、後者の溶融物の表面に浮き上がった状態で存在するようになるので、両者を容易に分離することができる。なお、酸化した処理対象物を熱処理する際、銅やニッケルを共存させておけば、鉄族元素がこれらの金属と合金化することで融点が下がり、希土類元素の酸化物の溶融物との分離がより容易になる。銅やニッケルを共存させる場合、その共存量は酸化した処理対象物の1mass%〜30mass%が望ましい。共存量が1mass%未満であると共存させることの効果が得られない恐れがある一方、30mass%を超えても効果の向上は期待できず、コストの上昇を招くだけである。また、熱処理を行った後に冷却を行うと、希土類元素の酸化物の溶融物と鉄族元素の溶融物は、それぞれが塊状物を形成して処理容器に固着するので、塊状物の形態で両者を分離することもできる(通常、それぞれの塊状物は互いに密着して存在するのでハンマーなどでその密着物を破砕すれば両者を容易に分離することができる)。こうした方法で鉄族元素から分離することで回収された希土類元素の酸化物は、例えば溶融塩電解法などによって希土類元素に還元することができる。なお、鉄族元素の酸化物と窒化ホウ素が反応することで生成する酸化ホウ素は、希土類元素の酸化物と固溶するが、固溶限を超えると系内に析出する。しかしながら、酸化ホウ素の融点は480℃であり、希土類元素の酸化物の融点と大きく異なるので、融点の違いを利用すれば両者の分離は容易である。
なお、本発明の方法の適用対象となる少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物は、Nd,Pr,Dy,Tb,Smなどの希土類元素とFe,Co,Niなどの鉄族元素を含むものであれば特段の制限はなく、希土類元素と鉄族元素に加えてその他の元素を含んでいてもよい。具体的には、例えばR−Fe−B系永久磁石などが挙げられる。処理対象物の大きさや形状は特段制限されるものではなく、処理対象物がR−Fe−B系永久磁石の場合には製造工程中に排出される磁石スクラップや磁石加工屑などであってよいが、処理対象物が十分な酸化されるためには、処理対象物は500μm以下の粒径を有する粒状ないし粉末状であることが望ましい(例えば調製の容易性に鑑みれば粒径の下限は1μmが望ましい)。しかしながら、処理対象物の全てがこのような粒状ないし粉末状である必要は必ずしもなく、粒状ないし粉末状であるのは処理対象物の一部であってよい。
以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるものではない。
参考例1:
酸化鉄(Fe)の粉末と酸化ネオジム(Nd)の粉末のそれぞれ2.00gを、寸法が外径10mm×高さ15mm×肉厚1mmの窒化ホウ素るつぼ(以下同じ)に収容した後、工業用アルゴンガス雰囲気(酸素含有濃度:0.2ppm、流量:10L/分。以下同じ)中で1450℃で1時間熱処理し、窒化ホウ素るつぼを窒化ホウ素供給源として熱処理した際の性状変化を調べた。その結果、酸化鉄については、熱処理後にるつぼ内に金属状物とガラス状物が形成され、るつぼが痩せ細った(図1)。X線回折によってるつぼ内の金属状物の結晶構造解析を行ったところ、この金属状物は鉄であることがわかった(図2:使用装置はリガク社製のRINT2400、以下同じ)。一方、酸化ネオジムについては、熱処理による外観変化は認められず(図1)、X線回折によってるつぼ内の粉末状物の結晶構造解析を行ったところ、この粉末状物は酸化ネオジムであることがわかった(図2)。以上の結果から、希土類元素の酸化物(酸化ネオジム)と鉄族元素の酸化物(酸化鉄)を窒化ホウ素の存在下で熱処理した際の性状変化の違いが明らかとなり、前者は窒化ホウ素と反応しない一方、後者は窒化ホウ素と反応することで鉄族元素に還元されることがわかった。このことは以下に示す実施例において、希土類元素を酸化物として鉄から分離することができるという事実を支持するものであった。
実施例1:
R−Fe−B系永久磁石の製造工程中に発生した約10μmの粒径を有する加工屑(自然発火防止のため水中で7日間保管したもの)に対し、吸引ろ過することで脱水してから大気雰囲気中で火をつけて燃焼処理を行うことで酸化処理を行った。こうして酸化処理を行った磁石加工屑のICP分析結果(使用装置:島津製作所社製のICPV−1017、以下同じ)を表1に示す。また、ガス分析の結果(使用装置:堀場製作所社製のEMGA−550W、以下同じ)、酸化処理を行った磁石加工屑に含まれる酸素モル濃度は希土類元素のモル濃度の6.5倍であった。
次に、酸化処理を行った磁石加工屑2.00gを窒化ホウ素るつぼに収容した後、工業用アルゴンガス雰囲気中で1450℃で1時間熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、るつぼ内には2種類の塊状物が固着して存在した(図3)。塊状物Aと塊状物BのそれぞれをEPMA(島津製作所社製のEPMA−1610、以下同じ)を用いて分析した結果を表2に示す。表2から明らかなように、塊状物Aの主成分は鉄である一方、塊状物Bの主成分は希土類元素と酸素であり、希土類元素を酸化物として鉄から分離することができたことがわかった。塊状物Bの酸素を除いた希土類元素の純度は91.6%であった。
比較例1:
表3に示す組成を有するR−Fe−B系永久磁石粉末2.00g(組成分析はICP分析による)を、酸化処理を行うことなく窒化ホウ素るつぼに収容した後、実施例1と同様にして熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、磁石粉末が溶解した後に凝固しただけであって、るつぼ内には2種類の塊状物は形成されず、希土類元素を酸化物として鉄から分離することはできなかった(図3)。
実施例2:
比較例1に記載のR−Fe−B系永久磁石粉末に対し、大気雰囲気中で860℃で2時間熱処理することで酸化処理を行った。こうして酸化処理を行った磁石粉末2.00gを0.5gの銅箔(酸化処理を行った磁石粉末の25mass%)とともに窒化ホウ素るつぼに収容した後、実施例1と同様にして熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、るつぼ内には2種類の塊状物が固着して存在した(図4)。塊状物Aと塊状物BのそれぞれをSEM・EDX(日立ハイテクノロジーズ社製のS800、以下同じ)を用いて分析した結果を表4に示す。表4から明らかなように、塊状物Aの主成分は鉄と銅である一方、塊状物Bの主成分は希土類元素と酸素であり、希土類元素を酸化物として鉄と銅から分離することができたことがわかった。塊状物Bの酸素を除いた希土類元素の純度は99.2%であった。なお、塊状物Aが球状であるのは、鉄が銅と合金化して鉄の融点が下がったことに起因すると考えられ、塊状物Bとの分離を容易にした。
実施例3:
実施例1と同様にして酸化処理を行った磁石加工屑に対し、さらに大気雰囲気中で860℃で2時間熱処理することで酸化処理を行った。ガス分析の結果、酸化処理を行った磁石加工屑に含まれる酸素モル濃度は希土類元素のモル濃度の10.5倍であった。次に、酸化処理を行った磁石加工屑2.00gを0.5gの銅箔(酸化処理を行った磁石加工屑の25mass%)で包み込んで窒化ホウ素るつぼに収容した後、実施例1と同様にして熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、るつぼ内には2種類の塊状物が固着して存在した(図4)。なお、塊状物Bは無色透明の上層と緑色の下層の2層構造を有していた。塊状物Aと塊状物BのそれぞれをEPMAを用いて分析した結果を表5に示す。表5から明らかなように、塊状物Aの主成分は鉄と銅である一方、塊状物Bの上層の主成分はホウ素と酸素、下層の主成分は希土類元素と酸素であり、希土類元素を酸化物として鉄と銅から分離することができたことがわかった。塊状物Bの下層の酸素を除いた希土類元素の純度は81.7%であった。なお、塊状物Bの上層と下層は融点の違いを利用して容易に分離することができた(塊状物Bの上層が酸化ホウ素を主成分とするものであることによる)。なお、塊状物Aが球状であるのは、鉄が銅と合金化して鉄の融点が下がったことに起因すると考えられ、塊状物Bとの分離を容易にした。
実施例4:
実施例1で行った燃焼処理のかわりにアルカリを用いた黒色酸化処理を行うことで磁石加工屑に対して酸化処理を行った。具体的には、130℃に加熱した5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に磁石加工屑を1時間浸漬した後、純水で3回洗浄し、自然乾燥した。ガス分析の結果、酸化処理を行った磁石加工屑に含まれる酸素モル濃度は希土類元素のモル濃度の8.5倍であった。次に、酸化処理を行った磁石加工屑2.00gを0.5gの銅箔(酸化処理を行った磁石加工屑の25mass%)で包み込んで窒化ホウ素るつぼに収容した後、実施例1と同様にして熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、るつぼ内には2種類の塊状物が固着して存在した(図4)。塊状物Aと塊状物BのそれぞれをSEM・EDXを用いて分析した結果を表6に示す。表6から明らかなように、塊状物Aの主成分は鉄と銅である一方、塊状物Bの主成分は希土類元素と酸素であり、希土類元素を酸化物として鉄と銅から分離することができたことがわかった。塊状物Bの酸素を除いた希土類元素の純度は82.1%であった。なお、塊状物Aが球状であるのは、鉄が銅と合金化して鉄の融点が下がったことに起因すると考えられ、塊状物Bとの分離を容易にした。
実施例5:
銅箔の代わりにニッケル箔を用いること以外は実施例1と同様にして熱処理した。その後、るつぼを室温まで炉冷したところ、るつぼ内には2種類の塊状物が固着して存在した(図4)。塊状物Aと塊状物BのそれぞれをSEM・EDXを用いて分析した結果を表7に示す。表7から明らかなように、塊状物Aの主成分は鉄とニッケルである一方、塊状物Bの主成分は希土類元素と酸素であり、希土類元素を酸化物として鉄とニッケルから分離することができたことがわかった。塊状物Bの酸素を除いた希土類元素の純度は81.0%であった。なお、塊状物Aが球状であるのは、鉄がニッケルと合金化して鉄の融点が下がったことに起因すると考えられ、塊状物Bとの分離を容易にした。
本発明は、低コストで簡易なリサイクルシステムとして実用化が可能な、少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。

Claims (7)

  1. 少なくとも希土類元素と鉄族元素を含む処理対象物から希土類元素を回収する方法であって、酸化した処理対象物を、窒化ホウ素の存在下、1200℃以上の温度で熱処理することで、希土類元素を酸化物として鉄族元素から分離する工程を少なくとも含んでなることを特徴とする方法。
  2. 酸化した処理対象物が、処理対象物に対して人為的に酸化処理を行うことで得られたものであることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 酸化処理が、熱処理、燃焼処理、アルカリを用いた黒色酸化処理から選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 酸化した処理対象物の窒化ホウ素の存在下での熱処理を、窒化ホウ素るつぼを処理容器および窒化ホウ素供給源として用いて行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
  5. 酸化した処理対象物の窒化ホウ素の存在下での熱処理を、銅および/またはニッケルの共存下で行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
  6. 処理対象物の少なくとも一部が500μm以下の粒径を有する粒状ないし粉末状であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
  7. 処理対象物がR−Fe−B系永久磁石であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
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