JP2016186121A - 希土類元素含有物からの希土類元素回収方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】希土類元素含有物から、より容易かつ効率的に希土類元素を回収する方法を提供することを課題とする。特に、製品に組み込まれた希土類磁石からより容易かつ効率的に希土類元素を回収する方法を提供することを課題とする。【解決手段】希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離して、回収する。【選択図】図1
Description
本発明は、希土類元素含有物から希土類元素を回収する方法に関する。特に、希土類磁石が用いられたモータから希土類元素を回収する方法に関する。
希土類元素は、ディスプレイ用蛍光体、蛍光灯、センサ、永久磁石、燃料電池など様々な製品に使用されており、パソコンや、スマートフォン、電気自動車などのハイテク機器類の製造には欠くことのできない物質である。近年、これらのハイテク機器の普及にともない、希土類元素の需要が高まっているものの、希土類元素は産出地が限られ、その算出量が少なく、価格も高騰している。このため、廃棄されたハイテク機器類の希土類元素含有物から希土類元素を回収する技術の開発や、改良が求められている。
従来の希土類元素含有物から希土類元素を回収方法としては、対象物を酸や溶媒に溶解し、固液分離や溶媒抽出によって各希土類元素に分離を行う湿式法と、対象物をフラックスと共に加熱溶融し、フラックス中に酸化物や炭素などの不純物を抽出する乾式法が知られている。これらの方法の内、湿式法では、酸や溶媒などの薬剤を大量に使う必要があり、処理後に廃液が大量に発生するという問題がある。また、湿式法では、対象物から酸や溶媒中に希土類元素を溶出させるのに時間がかかるといった問題もある。一方、乾式法には、フラックスの共存下で希土類元素含有物を加熱溶融させる工程のみによって容易に希土類元素の抽出を行う事ができ、かつ廃液等の発生も抑えられるという特徴がある(例えば、特許文献1、2を参照)。
特許文献1では、希土類元素含有物を酸化ホウ素(B2O3)フラックスの共存下で加熱溶融することでB2O3相と、その下方にB2O3相よりも希土類元素が富化された相と、さらにその下方に希土類元素をほとんど含有しないFe含有相の3相を形成する工程を含む希土類元素含有物からの希土類元素濃縮方法が提案されている。
また、特許文献2では、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の一種以上であるアルカリ系元素(AE)、ホウ素(B)および酸素(O)を含む反応剤との混合物を加熱し、酸化還元反応させて、反応後冷却して得られた凝集物から、希土類酸化物を主に含む第一生成物と、FeとBを主に含む第二生成物とに分離する工程を備えた再生可能資源回収方法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に記載された酸化ホウ素B2O3をフラックスとして用いた方法では、B2O3相の粘性が非常に高くなり、3相分離後の各相の回収が非常に困難であった。また、溶解物の粘性が高いと、希土類元素の回収の連続操業にあたり、坩堝からの傾注工程において傾注後の溶解物を十分に相分離できないおそれがあった。
また、特許文献2に記載されたAE、BおよびOを含む反応剤を用いた方法では、添加したAE、BおよびOを含む反応剤が希土類磁石中の希土類金属と反応して還元されてしまい、反応剤としての機能が低下し、必ずしも希土類元素の回収率が良好であるとは言い難い側面があった。また、第二生成物における溶鉄中のB(ボロン)濃度が上がり、鋳物用の銑鉄および一般的な鉄鋼の原料としての利用が制限される。また、特許文献2に記載された方法では、希土類元素含有物が磁石単体であれば、第二生成物としてフェロボロンが得られるが、希土類元素含有物として、磁石以外の部材を含むスクラップなどを処理した場合は、シリコン、マンガンなども含まれるため、フェロボロンとして利用可能か不明である。
本発明は、上記の問題を解消して、希土類元素含有物から、より容易かつ効率的に希土類元素を回収する新しい方法を提供することを課題とする。特に、製品に組み込まれた希土類磁石からより容易かつ効率的に希土類元素を回収する方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法は、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離して、希土類元素を回収することを特徴としている。
また、上記の希土類元素回収方法では、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
を含むことが好ましい。
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
を含むことが好ましい。
さらに、本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法は、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離して、
前記希土類富化相を酸で浸出処理し、得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させ、沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収することを特徴とする。
前記希土類富化相を酸で浸出処理し、得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させ、沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収することを特徴とする。
また、上記の希土類元素回収方法では、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
<5>希土類富化相を酸で浸出処理する工程;
<6>得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させる工程;
<7>沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収する工程;
を含むことが好ましい。
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
<5>希土類富化相を酸で浸出処理する工程;
<6>得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させる工程;
<7>沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収する工程;
を含むことが好ましい。
さらに、本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法では、前記ナトリウムホウ酸塩が、Na2B4O7であることが好ましい。
また、本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法では、前記ナトリウムホウ酸塩の添加量が、前記希土類磁石の質量に対して0.5倍〜10倍となるように前記廃棄物に前記ナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融することが好ましい。
また、本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法では、融点降下剤が炭素であることが好ましい。
さらに、本発明の本発明の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法では、酸化剤が酸化鉄であることが好ましい。
本発明の希土類元素回収方法によれば、従来法のような溶解物の高い粘性による支障もなく、希土類元素含有物から、より容易かつ効率的に希土類元素を回収する方法を提供することができる。特に、各種の製品に組み込まれた希土類磁石から、より容易かつ効率的に希土類元素を回収することができる。
<希土類元素含有物と鋼材>
本明細書における、「希土類元素含有物」は、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物が含まれる。希土類磁石は、希土類元素、すなわちスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムの17元素のいずれか1種以上を含有する合金を用いた磁石であれば特に限定されない。本発明の実施形態においては、希土類磁石にはネオジム、プラセオジム及びジスプロシウムから選択される少なくとも一種が含まれる。
本明細書における、「希土類元素含有物」は、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物が含まれる。希土類磁石は、希土類元素、すなわちスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムの17元素のいずれか1種以上を含有する合金を用いた磁石であれば特に限定されない。本発明の実施形態においては、希土類磁石にはネオジム、プラセオジム及びジスプロシウムから選択される少なくとも一種が含まれる。
鋼材は、例えば、製品と一体化された鉄を主成分とする鋼板やネジ、製品のケース、シャーシなどを含んでいる。鉄の含有量については特に限定されない。鋼材は、磁性鋼材であってもよく、また、その組成はNi、Cr、Si、Coなどを含む各種であってもよい。
また、「希土類元素含有物」は混合物、化合物、焼結物、合金、及びこれらの組み合わせなど種々の形態を取ることができる。また、希土類元素含有物には、希土類元素を含有する合金を用いた製品や、製品または半製品の廃棄物、製造工程で生じる端材や不良品などが含まれる。
希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品は、希土類磁石単体のみならず、希土類磁石を一部材として含んでいる形態であっても、本発明の希土類元素の回収方法を適用することができる。例えば、希土類磁石を一部材として含んでいるモータおよび空調設備のコンプレッサなどが例示される。このような、希土類元素含有物の形状は、製品の要部そのままの形状であってもよいし、分解してあってもよい。モータに組み込まれた希土類磁石を廃棄されたモータから取り外すことは非常に困難であるが、本発明の希土類元素の回収方法においては、廃棄モータからの希土類元素回収は廃棄モータから磁石を分離させることなく、モータそのものを処理することができるため、希土類元素含有物のリサイクルを簡便に行うことが可能になる。また、希土類磁石をあらかじめ粉砕する必要もない。
さらに、従来技術では、希土類磁石を処理する際には、加熱などによる消磁が行われているが、本発明の希土類元素の回収方法においては、消磁していない希土類磁石を含む製品を用いることも可能である。
さらにまた、前記製品によっては、防錆性や耐食性などを高めることを目的として、磁性鋼板などの鋼材や磁石の表面に各種メッキが施されているものがある。メッキは、希土類元素の回収の観点からは、不純物が増加するため好ましくなく、従来の方法においては、あらかじめ研磨などによって除去されている。しかしながら、本発明の希土類元素の回収方法においては、メッキを除去することなくそのまま希土類元素の回収に供することができる。
<ナトリウムホウ酸塩の添加>
本発明の希土類元素の回収方法では、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、炭素と、酸化鉄およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、ホウ素の含有量が1.5質量%以下のFe−C相との二相に分離して、回収することができる。
<ナトリウムホウ酸塩の添加>
本発明の希土類元素の回収方法では、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、炭素と、酸化鉄およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、ホウ素の含有量が1.5質量%以下のFe−C相との二相に分離して、回収することができる。
希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物にナトリウムホウ酸塩フラックスを添加して加熱溶融すると、鉄成分が中心となる鉄が富化された相(以下、「Fe−C相」という。)、フラックス成分に希土類元素が濃縮されたスラグである希土類富化相の2相に溶融分離され、製品に組み込まれた状態の希土類磁石から容易に希土類元素を回収できる。Fe−C相の炭素(C)は、後述の炭素添加によって主として形成される。
本発明の希土類元素回収方法によれば、特に、希土類磁石を取り出すための分解工程や、希土類の脱磁工程などを要さず、低コストで大量に処理を行うことができる。すなわち、ナトリウムホウ酸塩をフラックスとして用いることにより、フラックスを主成分とするスラグ部分にFe成分をほぼ残さない形で希土類元素の分離を行うことができる。また、ナトリウムホウ酸塩をフラックスとして用いると、塩基性酸化物の酸化ナトリウムが希土類富化相における酸性酸化物である酸化ホウ素特有のO-B-O-B-Oのネットワーク構造を(O-B-O)−2Na+(O-B-O)−となるように破壊することにより、図1に示されるようにスラグの粘性が低くなり、坩堝上部からの傾注等の操業が容易になる。特に、10質量%以上のナトリウムホウ酸塩をフラックスとして添加すると、酸化ホウ素フラックスを用いた場合と比較して、粘度が1/100程度にまで低下する。さらに、モータに使われる電磁鋼板内のSiは磁石の酸化過程でSiO2になっており、ナトリウムホウ酸塩がSiO2固体を溶解し、Fe−C相からSi成分を分離できるという観点からも有利となる。
このような、ナトリウムホウ酸塩としては、例えば、ホウ砂(Na2B4O7)を好適に使用することができる。ホウ砂は、特許文献1でフラックスとして用いているB2O3や特許文献2で具体的に用いているホウ酸カルシウムおよびホウ酸マグネシウムよりも安価に入手することが可能であり、希土類元素の回収コストの低減に寄与することができる。マグネシウム、カルシウムなどを含むホウ酸塩は主体としてのホウ砂と併用することも可能である。
ナトリウムホウ酸塩の添加量としては、例えば、希土類磁石の質量に対して0.5倍〜10倍の範囲が例示される。ナトリウムホウ酸塩の添加量が、上記の範囲を下回ると、希土類富化相に固相が発生し粘度が増加するため気泡が大量に発生するなどし、希土類元素回収の作業効率が低下する。また、ナトリウムホウ酸塩の添加量は多すぎても一定以上の効果は生じないことから、経済性を考慮すれば、添加量の上限は、希土類磁石の質量に対して10倍以下とすることが好ましい。
<二相分離>
希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物にナトリウムホウ酸塩フラックスを添加して加熱溶融すると、希土類元素およびフラックスを主体とした融体と鉄を主体とした融体の二元系融体が出現する。加熱溶融温度を適正化することにより、これらの融体は、比重差によって鉛直方向上部の希土類富化相と、鉛直方向下部のFe−C相とに二相分離する。希土類富化相中の希土類元素はNa2B4O7と希土類酸化物Re2O3の液体が均一に溶け合った形態で存在していると考えられる。
<二相分離>
希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物にナトリウムホウ酸塩フラックスを添加して加熱溶融すると、希土類元素およびフラックスを主体とした融体と鉄を主体とした融体の二元系融体が出現する。加熱溶融温度を適正化することにより、これらの融体は、比重差によって鉛直方向上部の希土類富化相と、鉛直方向下部のFe−C相とに二相分離する。希土類富化相中の希土類元素はNa2B4O7と希土類酸化物Re2O3の液体が均一に溶け合った形態で存在していると考えられる。
二相分離に適した温度は1150〜1600℃であり、Fe−C相中への希土類元素の分配率を下げるためには、1400℃以下が好ましく、1300℃以下がより好ましい。加熱溶融温度が高すぎると希土類富化相に気泡が大量に発生するため、希土類元素の十分な濃縮ができない。
上記の二相分離の分離性を高める観点から、上記温度範囲に10分以上保持し溶融状態にすることが好ましく、60分以上保持することがより好ましい。但し、保持時間が長すぎても理論的な分配比を超えた効果は生じないことから、経済性を考慮すれば、保持時間は200分以下とするのがより好ましい。
二相分離させた後、上記温度範囲よりも高い温度に加熱することは二相分離性を悪化させるので避けるべきであるが、当該温度範囲に保持する前にいったん当該温度範囲よりも高温に加熱しておくことは鉄など高融点物質中に混入している希土類元素を溶かし出す上で有効である。このため、加熱溶融時の温度変化としては、二相分離に好適な上記温度範囲に加熱し、その後冷却する場合と、均質な融体を形成するために二相分離に好適な上記温度範囲よりも高温(例えば1600℃以上)に加熱して、次いで、温度を低下させて二相分離に好適な上記温度範囲に保持し、その後冷却する場合がある。
希土類富化相は、希土類酸化物を10質量%以上、より好ましくは20質量%以上含有する。
加熱溶融時の雰囲気は特に制限はなく、空気雰囲気下で実施することができる。
このようにして、溶融、冷却することにより希土類富化相の鉛直方向下方に又は希土類富化相に包囲されるように、Fe−C相を更に形成することができる。一般に、Fe−C相は希土類富化相よりも比重が大きいので、下方に位置するが、鉄の量が少ないと鉄が丸まってしまい、希土類富化相に包囲されるように、Fe−C相が形成される。
さらに、本発明の一実施形態によれば、Fe−C相中の希土類元素の総質量に対して希土類富化相中の希土類元素の総質量を10倍以上とすることができ、好ましくは100以上とすることができる。
<融点降下剤添加>
希土類含有物として前記製品に使用されていた廃棄モータを用いる場合、廃棄モータには、希土類磁石単体と比較して、モータの電磁鋼板部分に由来する鉄元素が非常に多く含まれている。鉄の融点は1538℃と高いことから、二相分離の効率と溶解時のエネルギー低減を考慮すると、融点降下剤の共存下で希土類元素含有物を溶融することが好ましい。本発明においては、融点降下剤として炭素を用いることが好ましい。炭素は、鉄の酸化を防ぎ、鉄が希土類富化相へ移動するのを防止する効果があり、分離性が向上するので好ましい。炭素の供給源としては、例えば、加熱炉に炭素るつぼを使用すること、炉壁を炭素コーティングすること、銑鉄等のFe−C合金、コークス、グラファイト、市販の加炭剤、プラスチック、有機物等を添加剤として反応系に添加することなどが例示される。また、例えば、二酸化炭素、炭化水素系ガスなどのガス状の炭素源を吹き込むこと等が例示される。
<融点降下剤添加>
希土類含有物として前記製品に使用されていた廃棄モータを用いる場合、廃棄モータには、希土類磁石単体と比較して、モータの電磁鋼板部分に由来する鉄元素が非常に多く含まれている。鉄の融点は1538℃と高いことから、二相分離の効率と溶解時のエネルギー低減を考慮すると、融点降下剤の共存下で希土類元素含有物を溶融することが好ましい。本発明においては、融点降下剤として炭素を用いることが好ましい。炭素は、鉄の酸化を防ぎ、鉄が希土類富化相へ移動するのを防止する効果があり、分離性が向上するので好ましい。炭素の供給源としては、例えば、加熱炉に炭素るつぼを使用すること、炉壁を炭素コーティングすること、銑鉄等のFe−C合金、コークス、グラファイト、市販の加炭剤、プラスチック、有機物等を添加剤として反応系に添加することなどが例示される。また、例えば、二酸化炭素、炭化水素系ガスなどのガス状の炭素源を吹き込むこと等が例示される。
このような融点降下剤の添加量は、溶融温度が最も低くなるという理由により共晶点の組成付近とすることが好ましい。融点降下剤として炭素を使用する場合は、炭素飽和の状態、すなわち融体中にそれ以上炭素が溶け込まない状態で加熱溶融を行うことが融点降下や酸化防止効果の観点で好ましい。
また、希土類を含有する電磁鋼板に融点降下剤を添加して加熱溶融する際には、電解鉄を添加することができる。電解鉄は、希土類を含有する電磁鋼板を1500℃以上の高温で加熱溶融する際には必ずしも必要ではないが、融点降下剤として炭素を添加した場合には、電解鉄と融点降下剤中の炭素が反応して、Fe−C合金を生成する。このように、電磁鋼板の加熱溶融に先だって、1200℃程度の温度で溶融するFe−C合金を生成することにより、電磁鋼板の溶融を促進し、より短時間かつ低温度で電磁鋼板の溶融状態を達成することができる。
このような融点降下剤の添加量は、溶融温度が最も低くなるという理由により共晶点の組成付近とすることが好ましい。融点降下剤として炭素を使用する場合は、炭素飽和の状態、すなわち融体中にそれ以上炭素が溶け込まない状態で加熱溶融を行うことが融点降下や酸化防止効果の観点で好ましい。一般的な目安としては、融点降下剤の添加量は、鋼材の量に対して、15質量%〜30質量%の範囲とすることが考慮される。
<酸化剤の添加>
本発明の希土類元素の回収方法においては、希土類元素含有物の溶融時に酸化剤を添加する。酸化剤は、加熱溶融した希土類元素含有物に添加することにより、希土類元素の酸化に必要十分な酸素を供給することができる。希土類元素の酸化を促進することは、相分離性を良くする観点で好ましい。
<酸化剤の添加>
本発明の希土類元素の回収方法においては、希土類元素含有物の溶融時に酸化剤を添加する。酸化剤は、加熱溶融した希土類元素含有物に添加することにより、希土類元素の酸化に必要十分な酸素を供給することができる。希土類元素の酸化を促進することは、相分離性を良くする観点で好ましい。
酸化剤としては、例えば、空気、酸素、二酸化炭素などの酸化性のガスや、Al2O3、SiO2、PbO、CuOなどの希土類元素により還元される物質、酸化鉄、酸化鉄を含む複合酸化物などが例示される。中でも、酸化鉄は、希土類元素の酸化に必要十分な酸素を供給するだけではなく、回収される鉄の不純物を低減することができるため好ましい。
酸化鉄の添加量は、希土類元素に対して酸素量が1.5〜2.0倍のモル比とすることが好ましい。不活性雰囲気下において、酸化鉄を添加しない場合、添加したナトリウムホウ酸塩が磁石中の希土類金属と反応して還元されてしまい、フラックスとしての機能が低下するおそれがある。
<多段処理工程>
本発明の希土類元素の回収方法の別の態様としては、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
を含むことが好ましい。
<多段処理工程>
本発明の希土類元素の回収方法の別の態様としては、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
を含むことが好ましい。
すなわち、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、まず炭素を添加して、融点を降下させた状態で加熱溶融し、次いで、酸化剤とナトリウムホウ酸塩を順次添加する態様である。希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物への酸化剤とナトリウムホウ酸塩の添加は、同時添加であってもよいが、その場合、酸化剤によってナトリウムホウ酸塩が分解されることがあるため、順次添加することがより好ましい。
希土類富化相とFe−C相の各相が形成された後は、溶融状態にある間に各相を分液することにより、希土類富化相を含めて各相を分離回収することができる。特に、フラックスとしてホウ砂を用いた場合、特許文献1のようにB2O3をフラックスとして用いた場合と比較して、希土類富化相の粘性が低下しているため、傾注によって炉の上部から抽出し、希土類富化相の分離を容易に行うことができる。このような効果は、ホウ砂以外のアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含有するホウ酸塩をフラックスとして用いた場合にも同様に得ることができる。
また、分液の方法としては、比重の重い相から順番に炉底から排出する方法がある。さらに、冷却して固化させてから、相の境界に沿ってカッター等で切断してもよい。冷却する際は、分離性を挙げるために、固化するまでは徐冷するのが好ましいが、急冷して固化させることも出来る。
<希土類酸化物の回収>
本発明の希土類元素の回収方法の別の態様としては、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、ホウ素の含有量が1.5質量%以下のFe−C相との二相に分離して、前記希土類富化相を酸で浸出処理し、得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させ、沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収することができる。
<希土類酸化物の回収>
本発明の希土類元素の回収方法の別の態様としては、希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、ホウ素の含有量が1.5質量%以下のFe−C相との二相に分離して、前記希土類富化相を酸で浸出処理し、得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させ、沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収することができる。
分離回収された希土類富化相からの希土類元素の塩の回収は、酸を用いた溶出などによって行うことができる。溶出に用いる酸としては、例えば、シュウ酸、塩酸、硫酸などが例示される。
このような酸を用いた酸浸出を行って希土類元素を溶解した後、アルカリを添加してpH調整することによって、希土類元素の塩を析出することができる。析出に用いることができるアルカリとしては、例えば、水酸化アンモニウム、硫酸化アンモニウム、水酸化ナトリウムなどが例示される。
このとき、ホウ砂由来の成分は、液中に溶解したままであるので、固液分離することによって希土類元素の塩を回収可能である。その後、希土類元素の塩を溶融塩電解やCa還元などの公知の方法によって希土類元素の単体として回収することができる。また、希土類元素の塩を600℃〜800℃で焼成することにより、希土類酸化物として回収することもできる。
この回収に際しては、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
<5>希土類富化相を酸で浸出処理する工程;
<6>得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させる工程;
<7>沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収する工程;
を含むことが好ましい。
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
<5>希土類富化相を酸で浸出処理する工程;
<6>得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させる工程;
<7>沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収する工程;
を含むことが好ましい。
以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本発明が限定されることはない。
<実施例1>
クレイボンド坩堝(クレイ15)内に、希土類元素含有物として廃エアコンのコンプレッサ中の回転子3.8kg(平均重量760g×5個)、電解鉄400g、加炭材212gを投入し、高周波誘導加熱を行い1500℃まで昇温させた。図2に、エアコンのコンプレッサの回転子とコンプレッサの全体像を示す。図2に示したエアコンのコンプレッサ中の回転子は、主要な部材として、例えば、電磁鋼板が528.2g、希土類磁石が90.8g、ねじが23.4g、SUSカバーが10.2g、AlカバーAが3.4g、SUSカバーBが11.4gを含んでおり、合計重量が667gであった。このうち、電磁鋼板および磁石の組成を表1に示す。
クレイボンド坩堝(クレイ15)内に、希土類元素含有物として廃エアコンのコンプレッサ中の回転子3.8kg(平均重量760g×5個)、電解鉄400g、加炭材212gを投入し、高周波誘導加熱を行い1500℃まで昇温させた。図2に、エアコンのコンプレッサの回転子とコンプレッサの全体像を示す。図2に示したエアコンのコンプレッサ中の回転子は、主要な部材として、例えば、電磁鋼板が528.2g、希土類磁石が90.8g、ねじが23.4g、SUSカバーが10.2g、AlカバーAが3.4g、SUSカバーBが11.4gを含んでおり、合計重量が667gであった。このうち、電磁鋼板および磁石の組成を表1に示す。
表1に示したように、電磁鋼板には、2.8質量%のSiおよび微量のAl、Mn、P、Niが含まれていた。一方、磁石のNd、PrおよびDyは、それぞれ28.4質量%、0.2質量%、5.6質量%、そして微量のAl、Cu、Mn、Niが含まれていた。上記の合計重量は、エアコンの製品ごとに異なるものの、電磁鋼板中の各種金属元素や希土類元素の濃度は、ほぼ一定であった。
回転子及び電解鉄は、加熱開始から約50分で完全に溶解した。次に、クレイボンド坩堝内に酸化剤としてFe2O3を125gを投入し、溶融するよう撹拌した。十分な酸化反応が終わった後、クレイボンド坩堝内はFe−C合金からなる溶湯と酸化希土類からなるスラグの二相に分離された。続いて、クレイボンド坩堝内にフラックスとしてNa2B4O7(和光純薬株式会社製)を300g投入し、溶融するよう撹拌した。攪拌後、希土類元素の分離を行うために、1270℃にて60分間保持を行った後、坩堝を加熱炉から取出し、室温のクレイボンド坩堝(クレイ15)に傾注し、急冷した。図3に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例2>
Na2B4O7投入し、撹拌した後の保持温度を1400度、保持時間を30分に変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図4に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例3>
Na2B4O7の添加量を500gに変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図5に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例4>
溶融に用いるクレイボンド坩堝をクレイ20に変更し、Na2B4O7の添加量を500gに変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図6に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例5>
溶融に用いるクレイボンド坩堝をクレイ20に変更し、Na2B4O7の添加量を200gに変更し、Na2B4O7投入、撹拌した後の保持温度を1400度、保持時間を10分に変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。こうして図7に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<生成相の組成>
上記実施例および比較例で得られた試料の各相の組成をICP−AES法により決定した。各相の組成を表2に示す。
<実施例2>
Na2B4O7投入し、撹拌した後の保持温度を1400度、保持時間を30分に変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図4に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例3>
Na2B4O7の添加量を500gに変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図5に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例4>
溶融に用いるクレイボンド坩堝をクレイ20に変更し、Na2B4O7の添加量を500gに変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。図6に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<実施例5>
溶融に用いるクレイボンド坩堝をクレイ20に変更し、Na2B4O7の添加量を200gに変更し、Na2B4O7投入、撹拌した後の保持温度を1400度、保持時間を10分に変更した点以外は、実施例1と同様にして希土類元素の分離を行った。こうして図7に示すように、希土類富化相、Fe−C相の二相が形成された試料を得た。
<生成相の組成>
上記実施例および比較例で得られた試料の各相の組成をICP−AES法により決定した。各相の組成を表2に示す。
実施例1では、図3に示したように傾注後の希土類富化相の表面が平坦にはならず、波打ってはいるものの、鉛直方向下方に位置するFe−C相とは二相を形成し、分離したことが確認された。また、希土類富化相には、やや気泡が多くみられた。実施例1において、希土類富化相の回収量は419.8gであり、Fe−C相の回収量は、4.2kgであった。
実施例2では、図4に示したように希土類富化層が鉛直方向下方に位置するFe−C相とは二相を形成し、分離したことが確認された。実施例2において、希土類富化相の回収量は357.1gであり、Fe−C相の回収量は、4.3kgであった。
実施例3では、図5に示したようにホウ砂の添加量が多かったため、希土類富化相の厚みが厚く、しかも、希土類富化相が緻密なガラス質を形成していることが確認された。また、希土類富化相は、鉛直方向下方に位置するFe−C相と二相を形成し、分離したことが確認された。実施例3において、希土類富化相の回収量は602.2gであり、Fe−C相の回収量は、4.3kgであった。
実施例4では、図6に示したように希土類富化層が鉛直方向下方に位置するFe−C相とは二相を形成し、分離したことが確認された。実施例4において、希土類富化相の回収量は564.33gであり、Fe−C相の回収量は、4.3kgであった。
実施例5では、図7に示したように希土類富化相に多数の気泡が生じていた。また、希土類富化相は、鉛直方向下方に位置するFe−C相と二相を形成し、分離したことが確認された。実施例5において、希土類富化相の回収量は320.83gであり、Fe−C相の回収量は、4.3kgであった。
また、表2の結果から、希土類富化相には、希土類元素とほぼ全てのホウ素が移行しており、一方、Fe−C相には希土類元素はほとんど移行しておらず、ホウ素も最大で1.06質量%しか移行していなかった。このため、希土類富化相に希土類元素が効率よく濃縮していることが確認された。
<実施例6>
実施例4で得られた希土類富化相について、希土類富化相のみを取り出し、パルプ濃度を10%として、6モル/Lの塩酸で溶出し、希土類元素溶出液を得た。この溶出液をアンモニア水を用いてpH=2に調製し、シュウ酸沈殿を行い、希土類酸化物のシュウ酸塩を回収した。得られた希土類シュウ酸塩を800℃で仮焼して、シュウ酸を分解したところ、希土類酸化物が得られた。図8は、左側に示した写真が希土類酸化物のシュウ酸塩の外観形状であって、右側に示した写真が仮焼後の希土類酸化物の外観形状である。
<実施例6>
実施例4で得られた希土類富化相について、希土類富化相のみを取り出し、パルプ濃度を10%として、6モル/Lの塩酸で溶出し、希土類元素溶出液を得た。この溶出液をアンモニア水を用いてpH=2に調製し、シュウ酸沈殿を行い、希土類酸化物のシュウ酸塩を回収した。得られた希土類シュウ酸塩を800℃で仮焼して、シュウ酸を分解したところ、希土類酸化物が得られた。図8は、左側に示した写真が希土類酸化物のシュウ酸塩の外観形状であって、右側に示した写真が仮焼後の希土類酸化物の外観形状である。
回収された希土類酸化物の組成をICP−AES法により決定した。分析結果を表3に示す。
表3に示すように、回収された希土類酸化物は、約80%がネオジムの酸化物であり、希土類酸化物の純度は99.9質量%以上であることが確認された。
Claims (8)
- 希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離して、回収することを特徴とする希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。
- 希土類元素含有物からの希土類元素回収方法であって、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
を含むことを特徴とする請求項1に記載の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。 - 希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤と、酸化剤およびナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融し、前記廃棄物中の希土類元素が前記ナトリウムホウ酸塩中に濃縮された希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離して、
前記希土類富化相を酸で浸出処理し、得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させ、沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収することを特徴とする希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。 - 希土類元素含有物からの希土類元素回収方法であって、少なくとも次の順次の工程;
<1>希土類磁石と鋼材を含む製品または半製品の廃棄物に、融点降下剤を添加して、加熱溶融する工程;
<2>加熱溶融後の溶体に酸化剤を添加する工程;
<3>溶体にナトリウムホウ酸塩を添加する工程;
<4>溶体を冷却して希土類富化相と、Fe−C相との二相に分離させ、希土類富化相を取りだす工程;
<5>希土類富化相を酸で浸出処理する工程;
<6>得られた希土類元素浸出液中の希土類元素を塩として沈殿させる工程;
<7>沈殿物を加熱して希土類元素を酸化物として回収する工程;
を含むことを特徴とする請求項3に記載の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。 - 前記ナトリウムホウ酸塩が、Na2B4O7であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。
- 前記ナトリウムホウ酸塩の添加量が、前記希土類磁石の質量に対して0.5倍〜10倍となるように前記廃棄物に前記ナトリウムホウ酸塩を添加して加熱溶融することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。
- 前記融点降下剤が、少なくとも炭素を含有する融点降下剤であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。
- 前記酸化剤が、酸化鉄であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の
希土類元素含有物からの希土類元素回収方法。
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CN111855644A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-10-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种溶度积驱动电解液中稀土元素富集及定量的方法 |
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