JP2018168537A - 海底有価物質の揚鉱方法及び揚鉱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】粗粒な粒状体や高密度な粒状体の揚鉱ができ、長距離輸送が可能であり、且つ廃棄物を出さない海底有価物質の揚鉱方法及び揚鉱装置を提供すること。【解決手段】海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したＵ字状の管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する揚鉱方法であって、該キャリア物質は、海水より粘性の高い粘性流動物質である。【選択図】図１
Description
本発明は、海底鉱物資源である有価物質を連続的に、海上に輸送、運搬する揚鉱方法及び揚鉱装置に関する。
海底鉱物資源等の有価物質を海上に輸送、運搬する揚鉱方法及び揚鉱装置としては、種々の技術が開示されている。特開２００３−２６９０７０号公報には、一方が下降管、他方が上昇管となるＵ字管を海底から海面にかけて鉛直保持し、上昇管の上端開口から下降管の上端開口に海水を輸送するとＵ字管内で海水が循環流動し、深海底で採掘された鉱物塊を上昇管の底部に送り込むと、上昇管を上昇する海水に載って鉱物塊が海面に浮上することが開示されている。この方法によれば、鉱物塊の浮上に要する駆動力は、上昇管の上端開口から送り出された海水を下降管の上端開口に搬送するポンプの推力だけでよいため、設備構成が大幅に簡略化され、揚鉱作業自体も容易となる。
特開２００５−２５５３９１号公報には、ガスハイドレードペレット等の粒状の被搬送物をスラリー母液によって流動化しながら搬送するスラリー搬送システムであって、粒状体にスラリー母液を投入し、それを流動化させ、管路内を流れるスラリー母液に合流させて搬送する方法が開示されている。この方法によれば、被搬送物をスラリー輸送する管路やポンプの閉塞を回避する。
特開２０１１−１９６０４７号公報には、海上に配置される揚鉱基地と、揚鉱基地から海底まで配設され、海底で採掘された有価物を含む海底海水を揚鉱基地に移送する揚鉱用の移送管と、有価物と海底海水を分離するセパレータと、揚鉱基地から海底まで配設され、有価物が分離された海水を海底に戻す循環用の移送管と、有価物が分離された海水を循環用の移送管に送り込む循環ポンプと、海底に配置され、有価物を海底海水と共に吸込口から吸入して揚鉱用の移送管に送り込む水中ポンプと、循環用の移送管によって海底に戻される海水を駆動水にして水中ポンプを駆動させるハイドロモーターと、を有する揚鉱装置と、を含む揚鉱システム及び揚鉱方法が開示されている。この方法によれば、海底の採掘した有価物を移送管内に投入する設備構造を簡素化できる。このため、深海の過酷な環境下においても安定して揚鉱することが可能となる。
特公平８−２６７４０号公報には、深海鉱物質源原鉱のかさ比重より大きい比重を有する、例えばフェロシリコン、重晶石等、海水及び添加剤を含む重液を、一方が下降管、他方が上昇管となるＵ字管において、粉砕された原鉱をその重液から生じる浮力によって上昇管を経て海上に揚鉱する方法が開示されている。この方法によれば、従来技術による揚鉱方法よりも遥かに小さい動力で揚鉱できる。
特開２０００−２２７１００号公報には、コンプレッサーを使用しないで、気体と液体を共に深海へ圧送するポンプを稼働させて、気体と液体を高圧化して、深海の気液分離室へ圧送し、液体は気液分離室の下部から外部に放流し、気体は上部からサイフォンを経て他端の気泡押出口から、自動的に気泡となってエアリフトパイプに入り、気泡は自動的に上昇してエアリフト効果を起こし、同時に下端に接続した吸引パイプの吸引口に吸引力を起こし、海底等の深部の資源を吸引し、資源が上昇する速度で上部まで引揚げる、気液ポンプとエアリフトの機構を組合わせた深底資源吸引揚装置が開示されている。これにより、低速回転で、高圧送力を有し、騒音振動が少ない、エネルギーのロスの小さい、高圧力を有し、深海で、簡単な構造と操作で、強力なエアリフト効果と吸引力を有し、深海から資源を引揚げることができる。
特開２０１５−１６８９７１号公報には、管路内に海水が満たされて下部が海底側まで延設され且つ上部が海上若しくはその近傍まで到達する揚鉱管を用い、その揚鉱管の下部開口から採掘したスラリー状の鉱物を導入するとともに、海水を海底側で電気分解して発生させた水素ガスを前記揚鉱管の下部開口から導入し、その導入した水素ガスの浮上力でスラリー状の鉱物を海上若しくはその近傍まで運搬することを特徴とする海底鉱物の揚鉱方法が開示されている。この方法によれば、低コスト且つ簡便で定常的に採掘鉱物を海底から海上に運搬することができる。
このような従来の揚鉱方法は、大別すれば、ポンプ等により管内に液体又は気体の流れを生じさせ、その掃流力により輸送・運搬するポンプ圧送方式、鉛直の管路に下方から気体を混入して上昇流を生じさせ、その掃流力により上方に輸送・運搬するエアリフト方式、海底有価物より比重が大きな重液を用いる浮力方式によるものである。
しかしながら、従来のポンプ圧送方式は、主に海水をキャリア物質として使用しており、高密度ないし粗粒な粒状体の揚鉱には不適である。また、ポンプの性能に制限され、揚程が短く、長距離の輸送・運搬には不適であるという問題がある。特に、揚鉱装置が一時停止した場合、キャリア物質中の海底有価物質が沈降し、再稼働の際、沈降した有価物質の揚鉱が不可能になると共に、圧送ポンプに大きな負荷がかかるという問題がある。なお、特開２００５−２５５３９１号公報には、スラリー母液の詳細な記載はない。また、従来のエアリフト方式は、ポンプ圧送方式と同様に、高密度ないし粗粒な粒状体の揚鉱には不適である。また、長距離の輸送・運搬にも不適であり、水平方向の輸送・運搬は不可能であるという問題がある。また、重液による浮力方式は、海底有価物質の粒度が小さくなると、分離精度が急激に低下する。また、重液が漏れた場合の汚染対策や機械部分の摩耗対策が必要となるという問題がある。
従って、本発明の目的は、鉛直方向及び水平方向にも輸送、運搬でき、粗粒な粒状体や高密度な粒状体の揚鉱及び一時停止後の再揚鉱ができ、長距離輸送が可能であり、海洋を汚染しない海底有価物質の揚鉱方法及び揚鉱装置を提供することにある。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するものであり、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路内、又は海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したＵ字状の管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する方法であって、該キャリア物質は、海水より粘性が高い粘性流動物質であることを特徴とする海底有価物質の揚鉱方法を提供するものである。
また、本発明は、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路、又は海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したＵ字状の管路と、該環状の管路内、又はＵ字状の管路内に充填されるキャリア物質と、該キャリア物質を循環させる圧送ポンプと、該管路の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口と、該管路の海上側に設けられた海底有価物質を回収する回収口と、を有し、該キャリア物質は、海水より粘性が高い粘性流動物質であること特徴とする海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。
本発明によれば、管路にキャリア物質として粘性流動物質を充填して循環させ、この循環系に海底有価物質を取り込み、運搬するため、粗粒な粒状体や高密度な粒状体の揚鉱及び一時停止後の再揚鉱が可能となる。また、管路は、環状（ループ状）又はＵ字状であり、キャリア物質はその管路内を循環するため、廃棄物は生じない。また、揚程が大きい場合でも、ポンプには管内壁の摩擦損失以外の負荷が生じないため、効率的に長距離輸送が可能である。
次に、本発明の第１の実施の形態における揚鉱方法及び揚鉱装置について、図１を参照して説明する。第１の実施の形態における揚鉱方法における管路は環状（ループ）のものである。すなわち、本例の揚鉱方法は、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する方法である。
この方法を実施する揚鉱装置１０は、海上より海底に達する下降管１と、海底から海上に達する上昇管２を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路１１と、環状の管路１１内に充填されるキャリア物質３と、キャリア物質３を循環させる圧送ポンプ４と、管路１１の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口５と、管路１１の海上側に設けられた海底有価物質Ｘを回収する回収口６を有する。なお、海上側の施設は、通常、揚鉱船や揚鉱フロートなどのプラットフォーム８に設置される（図２参照）。
環状（ループ）の管路としては、可撓性を有していてもよい管であり、例えば、一般的な配管が挙げられる。環状の管路において、上昇管の下端と下降管の下端は、連結され連続した管であればよく、上昇管２と下降管１がそれぞれ独立の別管で、接続管で接続されたものの他、二重管であってもよい。二重管の場合、内管が上昇管、外管が下降管であるか、又はその逆の内管が下降管、外管が上昇管となる。また、別管の上昇管２と下降管１は互の内側面が溶着された一体ものであってもよい。管の内径としては、キャリア物質に有価物質Ｘを含む場合、その有価物質Ｘである粒状体の最大径の２倍以上であるものが、管内閉塞を防止し、輸送・運搬の効率を高めることができる点で好ましい。
環状の管路１１内に充填されるキャリア物質３は、海水より粘性が高い粘性流動物質である。キャリア物質３とは、海底有価物質を運搬・輸送する輸送媒体のことである。粘性流動物質は、５℃の粘度（ＪＩＳ Ｚ８８０３）が、１,０００ｍＰａ・ｓ以上が好ましく、特に好ましくは２,０００ｍＰａ・ｓ以上、更に好ましくは３,０００ｍＰａ・ｓ以上である。粘性流動物質の５℃の粘度が上記範囲内であれば、揚鉱装置１０が一時停止した場合、キャリア物質３内の有価物質の沈降を抑制でき、再稼働の際、圧送ポンプにかかる負荷を許容範囲とすることができる。５℃の粘度としたのは、海水温度が海水表面から数十ｍ以下の深度においては、概ね５℃と安定しており、下降管及び上昇管のほとんどは、５℃の環境下に晒されるためである。すなわち、本発明における沈降抑制能は、５℃のキャリア物質中における静置状態における海底有価物質の沈降を抑制する能力を言う。なお、海水より粘性が高いとは、海水の５℃における粘度より高い粘度を有するという意味である。海水の５℃の粘度は最大で２．０ｍＰａ・ｓであり、一般には、海水の粘度は温度が５℃〜２５℃の範囲で０．５ｍＰａ・ｓから２．０ｍＰａ・ｓであり、キャリア物質として使用しても、十分な掃流力が得られない。
キャリア物質の５℃の粘度が、１,０００ｍＰａ・ｓ以上であれば、最大径が５０ｍｍ、比重が３．０程度の海底有価物質を、上昇流により運搬する際、下方に移動又は沈殿することを抑制することができ、管路に沿って閉塞しないで、水平方向にも輸送、運搬できる。また、上記の粘度範囲であれば、静置状態におけるキャリア物質中の有価物質（最大径２０ｍｍ程度）の平均沈降速度が７．０ｍ/ｈ以下、特に１．０ｍ/ｈ以下とすることができる。揚鉱装置稼働中、種々の理由による停止状態となり、再稼働する場合がある。通常、１時間以内に再稼働することを仮定すると、平均沈降速度７．０ｍ/ｈは、有価物質が７．０ｍ沈降することになる。この程度の沈降であれば、再稼働で大部分の有価物質が上昇流に乗ることができる。
キャリア物質の５℃の粘度が、２,０００ｍＰａ・ｓ以上であれば、静置状態におけるキャリア物質中の有価物質（最大径３２ｍｍ程度）の平均沈降速度が１．０ｍ/ｈ以下とすることができる。従って、この数値範囲の場合、上記の５℃の粘度が１,３００ｍＰａ・ｓ以上の場合の作用効果と同等の作用効果を奏する他、揚鉱装置稼働中、種々の理由による１時間停止状態の場合、水平配管内において、有価物質粉砕物が配管の管底に着くことはなく、水平配管においても、再稼働後、循環流に同伴させることができる。
キャリア物質の５℃の粘度が、３,０００ｍＰａ・ｓ以上であれば、静置状態におけるキャリア物質中の有価物質（最大径４０ｍｍ程度）の沈降量を８．０ｃｍ以下、好ましくは１．０ｃｍ以下とすることができ、更に、キャリア物質中の有価物質の平均沈降速度が１．０ｍ/ｈ以下、好ましくは０．５ｍ/ｈ以下とすることができる。従って、この数値範囲の場合、揚鉱装置の長時間停止状態であっても、水平配管内において、有価物質が配管の管底に着くことはなく、水平配管においても、再稼働後、循環流に同伴させることができる。このように、静置下、キャリア物質中の有価物質の沈降が抑制されるほど、圧送ポンプへの負担が低減できる。なお、キャリア物質の５℃の粘度の上限値は、１０万ｍＰａ・ｓである。これ以上粘度が高くなると固体に近くなり、現実的に圧送が困難となる。
増粘剤と称される高分子水溶液の場合、キャリア物質の５℃の粘度が１,０００ｍＰａ・ｓのものは、２５℃の粘度が１,０００ｍＰａ・ｓであり、キャリア物質の５℃の粘度が２,０００ｍＰａ・ｓのものは、２５℃の粘度が２,０００ｍＰａ・ｓであり、キャリア物質の５℃の粘度が２,５００ｍＰａ・ｓのものは、２５℃の粘度が２,５００ｍＰａ・ｓである。このような高分子水溶液における粘度は、５℃と２５℃において、ほとんど変わらないものであった。粘度５℃の粘度及び２５℃の粘度は、５℃又は２５℃の雰囲気下、振動式音叉型粘度計（ＪＩＳ Ｚ８８０３）で測定することができる。
キャリア物質である粘性流動物質は、水系、油系及びエマルジョン系であってもよいが、水系及びエマルジョン系が好ましく、特に高分子溶液等の水系が、安価で、取り扱いにおいて都合がよい点で好ましい。高分子溶液は、懸濁液を含む。高分子溶液における高分子は、天然物又は合成物いずれも使用できる。事故によりキャリア物質が漏洩した時の周辺海域への環境影響を考慮すると天然物が好適であるが、合成物は少ない配合量で流動化物を得ることができる利点がある。また、エマルジョン系としては、油又は水と乳化剤の混合物であるマヨネーズが挙げられる。
高分子溶液における高分子としては、一般に増粘剤、吸水剤と称されるものが使用でき、例えば、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡＭ）、ポリアクリル酸ナトリウム、デンプン、ガム類、ペクチン、アルギン酸金属塩、アルギン酸エステル等が挙げられる。ガム類としては、グアーガム、キンサンタンガム、ジェランガム、ダイユータンガム等が挙げられる。また、アルギン酸金属塩としては、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カルシウム、アルギン酸カリウム等が挙げられる。これらの化合物は、１種類又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。
高分子溶液は、水と高分子の混合物であるが、高分子濃度は、５℃の粘度が好ましくは１,３００ｍＰａ・ｓ以上となる配合量であり、例えば、０．０５重量％〜５重量％、好ましくは、０．１重量％〜３重量％である。高分子溶液には、安定剤、防腐剤等が含まれていてもよい。
このような、キャリア物質３は、粘性流動物質であるため、輸送・運搬したい粒状又は粉状の海底有価物の相対的な位置を保持した状態で管内を流動する性質を有する。すなわち、循環状態及び静置状態において、キャリア物質３は、粒状又は粉状の海底有価物質（沈降物質）の沈降抑制能に優れ、且つ流動性を有する。
海底有価物質としては、深さ数百から数千メートルの海底９に存在するマンガンクラスト（コバルトリッチクラストを含む）、マンガンノジュール、硫化物鉱床（熱水鉱床）、レアアース泥又はメタンハイドレードＹから採取される粒状又は粉状の鉱石Ｘが挙げられる。粒状又は粉状の鉱石Ｘは０．７５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の粗粒であってもよく、粒子密度が３ｇ/ｃｍ３以上の高密度なものであってもよい。
環状の管路１１には、キャリア物質３を循環させるポンプ４を有する。ポンプ４は圧送ポンプであり、管路系内であれば、設置場所は特に制限されない。また、ポンプ４は、環状の管路系内に設置されるため、海底の搬入口５と、海上の回収口６とに大きな高低差があったとしても、ポンプ４には管内壁の摩擦損失と流れの乱れによるエネルギー損失以外の負荷が生じないため、キャリア物質３又は海底有価物含有のキャリア物質３を、効率的に長距離圧送することが可能となる。
環状の管路１１には、管路１１の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口５を有する。搬入口５は、公知の集鉱機から採取される粒状又は粉状の鉱石が、搬入される場所である。搬入口５としては、二重扉又は回転扉を設けることが、管路に充填されたキャリア物質３の漏れを防止できる点で好ましい。図３は搬入口５に設置された回転扉５ａを示したものである。回転扉５ａは、回転軸５１を中心に有する側面視が十字（クロス）形状のドアパネル５２を有し、搬入口５近傍において回動自在に設置されている。搬入口５周りには、十字（クロス）形状の中、Ｉ字形状部分のドアパネルが密に接触する部分円弧形状の上部ケーシング５５と部分円弧形状の下部ケーシング５３を有している。また、符号５４は、下部ケーシング５３の上端から斜め上方に延びる板状体であり、搬入口を拡げて鉱石Ｘの搬入を容易にしている。回転扉５ａによれば、ドアパネル５２が回転中、管路１１と外部は常に遮断されており、管路１１内の圧力を保持したまま、鉱石Ｘを管路１１内に搬入することができる。
また、環状の管路１１には、管路１１の海上側に設けられた海底有価物質Ｘを回収する回収口６を有する。回収口６には、搬入口５と同様に、二重扉又は回転扉を設けてもよい。また、回収口６には、図２に示すような海上側の装置６ａを設置してもよい。すなわち、海上側の装置６ａは、圧送ポンプ４、分離槽６１、粉砕装置６２、選鉱装置６３及び調整槽６４を有する。分離槽６１は、分離槽の側面に上昇管２が接続され、分離槽の上端は調整槽６４の上端と接続され、分離槽の下端は粉砕装置６２に接続されている。すなわち、分離槽６１は、重力沈降分離法を採用するものであり、分離槽の下端から有価物質Ｘを含むキャリア物質３を回収し、分離槽の上端から有価物質Ｘを含まないキャリア物質３を循環させる。粉砕装置６２は、キャリア物質３中の有価物質Ｘを粉砕するものであり、公知の砕石装置が使用できる。選鉱装置６３は、粉砕された有価物質Ｘを不要鉱物Ｘ２と有用鉱物Ｘ１に分離するものであり、公知の選鉱装置が使用できる。なお、図２に示す海上側の装置６ａにおいて、粉砕装置６２、選鉱装置６３及び調整槽６４は任意の構成要素であり、設置を省略してもよい。
次に、図１の揚鉱装置１０を使用した海底有価物質の揚鉱方法について説明する。先ず、図１の揚鉱装置１０において、圧送ポンプ４を稼働させる。これにより、環状の管路１１内をキャリア物質３が循環する。次いで、不図示の集鉱機を稼働させ、例えば、千ｍの海底のマンガンクラストＹから粒状又は粉状の鉱石Ｘを採取し、これを管路１１の搬入口５から管路１１内に搬入する。搬入口５から搬入された粒状又は粉状の鉱石Ｘは、循環するキャリア物質３と同伴して、上昇管２内を上昇運搬される。採取された粒状又は粉状の鉱石Ｘは、キャリア物質３が粘性流動物質であるため、粗粒物であっても、また高密度粒子であっても、粒状又は粉状の鉱石Ｘの相対的な位置を保持した状態で管内１１を流動すると共に、キャリア物質３から沈降することなく、輸送・運搬される。海上に運搬された鉱石Ｘは、搬出口６からキャリア物質３共に、分離槽６１に導入され、分離槽６１で分離されて、鉱石Ｘを含むキャリア物質３と、鉱石Ｘを含まないキャリア物質３に分離され、鉱石Ｘを含むキャリア物質３は、粉砕装置６２に導入されて粉砕され、粉砕された有価物質Ｘは、更に選鉱装置６３に導入され、不要鉱物Ｘ２と有用鉱物Ｘ１に分離される。一方、分離槽６１で分離された鉱石Ｘを含まないキャリア物質３は、調整装置６４に送られ、組成調整されて下降管１に送られる。組成調整されたキャリア物質は、再び下降管１を通り循環する。粉砕装置６２及び選鉱装置６３で回収された残ったキャリア物質は、調整装置６４又は下降管１に戻してもよい。
本第１の実施の形態における揚鉱装置及び揚鉱方法によれば、環状の管路内をキャリア物質である粘性流動物質が循環するため、鉛直方向及び水平方向にも輸送、運搬でき、有価物質である粗粒な粒状体や高密度な粒状体の揚鉱ができ、千ｍ程度の長距離輸送が可能であり、且つ廃棄物を出さない。特に、揚鉱装置は何らかの理由により、循環を停止する場合がある。この場合、キャリア物質は粘性流動物質であるため、キャリア物質中の有価物質の沈降は抑制され、ほとんどの有価物質は、キャリア物質中に保持されたままである。従って、揚鉱装置の１時間程度の停止状態であれば、水平配管内において、すべての有価物質が配管の管底に着くことはなく、水平配管においても、再稼働後、循環流に同伴させることができる。
次に、本発明の第２の実施の形態における揚鉱装置及び揚鉱方法について、図４を参照して説明する。図４の揚鉱装置において、図１の揚鉱装置と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、図４の揚鉱装置１０ａにおいて、図１の揚鉱装置１０と異なる点は、管路１１ａを、下降管１ａと上昇管２ａを海底側で連結し、海上側で連結しないＵ字状とした点、上昇管２ａと下降管１ａ間に、キャリア物質の組成を調整する調整装置６４ａを設けた点、下降管１ａの長さを上昇管２ａの長さより大とし、上昇管２ａに満たされたキャリア物質のヘッドより、下降管１ａに満たされたキャリア物質のヘッドを大とした点である。
すなわち、図４の揚鉱装置１０ａは、下降管１ａと上昇管２ａを海底側で連結したＵ字状の管路１１ａと、Ｕ字状の管路１１ａ内に充填されるキャリア物質３と、管路の海底側に設けられた海底有価物質Ｘを搬入する搬入口５と、管路１１ａの海上側に設けられた海底有価物質Ｘを回収する回収口６と、キャリア物質３の組成を調整する調整装置６４ａと、を有し、下降管１ａの長さを上昇管２ａの長さより大とし、上昇管２ａに満たされたキャリア物質のヘッドより、下降管１ａに満たされたキャリア物質のヘッドを大としたものである。戻り配管２２の一端は、海上側の上昇管２ａに接続され、他端は、下降管１ａの上端に接続せず、流入可能となるように望んでいる。本例のキャリア物質３は、第１の実施の形態における揚鉱装置１０のキャリア物質３と同様である。なお、戻り配管２２に設置されるポンプ４ａは、戻りキャリア物質を下降管１ａへ戻すポンプであり、圧送ポンプとは異なる。
揚鉱装置１０ａにおいて、海上側で鉱石を回収するための装置は、図２と同様のものが使用できる。この場合、分離槽６１の上端と図４の調整装置６４ａと接続してもよい。すなわち、分離槽６１の上端から回収されるキャリア物質３は、図４の調整装置６４ａに流入させてもよい。
また、図４の揚鉱装置１０ａの戻り管２２には、調整装置６４ａが設置されている。調整装置６４ａは、下降管１ａに供給するキャリア物質３の組成や量を調整する。すなわち、下降管１ａに供給されるキャリア物質３に対して、新たに追加補給したり、キャリア物質中の一部の成分の補給などを行う。なお、この調整は、調整装置６４ａの手前において、キャリア物質を採取、分析しその結果を基に行うか、あるいは集積された事前データを基に行われる。調整装置６４ａにより組成調整されたキャリア物質は、下降管１ａに戻され、循環使用される。
揚鉱装置１０ａにおいて、下降管１ａの長さを上昇管２ａの長さより大とし、上昇管２ａに満たされたキャリア物質のヘッドよりＨ分、下降管１ａに満たされたキャリア物質のヘッドを大としたものである。ヘッド差Ｈは、海上の揚鉱船上に組まれた櫓の高さに相当し、通常数十ｍは採れる。これにより、通常循環時、Ｕ字状の管路内の圧送ポンプ４は不要となる。従って、圧送ポンプ４は、管路内閉塞等の非常時にのみ使用すればよいことになる。
次に、図４の揚鉱装置１０ａを使用した海底有価物質の揚鉱方法について説明する。図４の揚鉱装置１０ａのＵ字状の管路１１ａ内には、キャリア物質３が充填されている。先ず、圧送ポンプ４ａを稼働させる。これにより、Ｕ字状の管路１１ａ内をキャリア物質３が循環する。次いで、不図示の集鉱機を稼働させ、例えば、千ｍの海底のマンガンクラストＹから粒状又は粉状の鉱石Ｘを採取し、これを管路１１の搬入口５から管路１１ａ内に搬入する。搬入口５から搬入された粒状又は粉状の鉱石Ｘは、循環するキャリア物質３と同伴して、上昇管２ａ内を上昇運搬される。すなわち、キャリア物質３の粘性抵抗により、採取された粒状又は粉状の鉱石Ｘは、粗粒物であっても、また高密度粒子であっても、粒状又は粉状の鉱石Ｘの相対的な位置を保持した状態で管内１１を流動すると共に、キャリア物質３から沈降することなく、輸送・運搬される。上昇管２ａの上端開口から取り出された鉱石Ｘ含有のキャリア物質３は、図２の揚鉱装置１０の海上側の装置６ａに送られ、鉱石Ｘとキャリア物質３に分離回収される。回収されたキャリア物質３は、調整装置６４ａにより、組成調整された後、戻り管２２を通り、下降管１ａに戻される。下降管１ａは、上昇管２ａのヘッドよりＨ分高いため、圧送ポンプ４ａを稼働させなくとも、管路内のキャリア物質３は循環する。
本第２の実施の形態における揚鉱装置及び揚鉱方法によれば、圧送ポンプ４ａを稼働させなくとも、環状の管路内をキャリア物質が循環するため、鉛直方向及び水平方向にも輸送、運搬でき、粗粒な粒状体や高密度な粒状体の揚鉱ができ、千ｍ程度の長距離輸送が可能であり、且つ廃棄物を出さない。また、揚鉱装置の停止状態におけるキャリア物質の有価物質に対する沈降抑制能は、第１の実施の形態における揚鉱装置の場合と同様である。
本発明は、上記実施の形態例に限定されず、種々の変形を採ることができる。すなわち、第１の実施の形態の揚鉱装置１０において、分離槽６１は、上記実施の形態例に限定されず、メッシュ状の分離網を使用してもよい。また、第２の実施の形態の揚鉱装置１０ａにおいて、上昇管２ａと下降管１ａの長さを同じとしてもよい。すなわち、上昇管２ａと下降管１ａのヘッド差は、ゼロであってもよい。この場合、圧送ポンプを管路に設置し、この圧送ポンプでキャリア物質を循環することになる。また、本発明において、環状及びＵ字状の管路に対し、公知の振動装置により振動を与えてもよい。これにより、キャリア物質の流動を高めることができる。また、管路内を循環するキャリア物質中に、公知のマイクロバブル発生装置からマイクロバブルを管路の下から混入させてもよい。このエアリフト効果により、キャリア物質の上昇輸送が促進される。
参考例１（沈降抑制能確認試験その１）
図５に示す試験装置を使用し、各種キャリア物質の模擬有価物質に対する沈降抑制能を評価した。以下、キャリア物質を「試料」とも称し、模擬有価物質を「沈降物質」とも称する。
図５に示す試験装置を使用し、各種キャリア物質の模擬有価物質に対する沈降抑制能を評価した。以下、キャリア物質を「試料」とも称し、模擬有価物質を「沈降物質」とも称する。
＜模擬有価物質（沈降物質）＞
直径２０ｍｍ、直径３２ｍｍ及び直径４０ｍｍの３種のアルミニウム製の握り玉を使用した。沈降抑制能確認試験では、図５に示すように、握り玉の表面から中心に至る孔を形成し、この孔の開口部にステンレス製のボルト頭を取りつけ、ボルト頭に接着剤で測定用のプラスチック棒を取り付けた。握り玉とボルト頭でなる模擬有価物質は、直径２０ｍｍのものが比重３．１８７、直径３２ｍｍのものが比重３．０５６、直径４０ｍｍのものが比重３．１３１であった。この模擬有価物質は、海底有価物質の鉱石Ｘと同等若しくはそれ以上の大きさと比重を有するものであった。
直径２０ｍｍ、直径３２ｍｍ及び直径４０ｍｍの３種のアルミニウム製の握り玉を使用した。沈降抑制能確認試験では、図５に示すように、握り玉の表面から中心に至る孔を形成し、この孔の開口部にステンレス製のボルト頭を取りつけ、ボルト頭に接着剤で測定用のプラスチック棒を取り付けた。握り玉とボルト頭でなる模擬有価物質は、直径２０ｍｍのものが比重３．１８７、直径３２ｍｍのものが比重３．０５６、直径４０ｍｍのものが比重３．１３１であった。この模擬有価物質は、海底有価物質の鉱石Ｘと同等若しくはそれ以上の大きさと比重を有するものであった。
＜キャリア物質＞
濃度が１．０重量％（試料１）、１．５重量％（試料２）、２．５重量％（試料３）、２．８重量％（試料４）の４種類の高分子水溶液を作製した。４種類の試料について、振動式音叉型粘度計（ＪＩＳ Ｚ８８０３）を使用して、５℃と２５℃の粘度（ｍＰａ・ｓ）を計測した。その結果を表１に示す。なお、高分子はカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）架橋体である。
濃度が１．０重量％（試料１）、１．５重量％（試料２）、２．５重量％（試料３）、２．８重量％（試料４）の４種類の高分子水溶液を作製した。４種類の試料について、振動式音叉型粘度計（ＪＩＳ Ｚ８８０３）を使用して、５℃と２５℃の粘度（ｍＰａ・ｓ）を計測した。その結果を表１に示す。なお、高分子はカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）架橋体である。
＜試験装置＞
試験容器として、内径２０５ｍｍ、高さ１５０ｍｍの円筒状のポリプロピレン製容器を使用した。蓋部の中央に、プラスチック棒の直径よりやや大の貫通穴を形成した。また、蓋部の貫通穴の近傍に、沈降量を測定する長尺状のスケール（縦目盛りｍｍ）を起立状に固定した。
試験容器として、内径２０５ｍｍ、高さ１５０ｍｍの円筒状のポリプロピレン製容器を使用した。蓋部の中央に、プラスチック棒の直径よりやや大の貫通穴を形成した。また、蓋部の貫通穴の近傍に、沈降量を測定する長尺状のスケール（縦目盛りｍｍ）を起立状に固定した。
＜試験方法＞
海底温度に相当する５℃の雰囲気下で行った。先ず、試料を試験容器の容器深さ１４０ｍｍ（ｌ１）まで満たした。次いで、蓋部の中央の貫通穴に蓋部の裏側からプラスチック棒の先端を通し、試験容器に蓋部を取り付けた。この際、沈降物質を手で押し、試料の液面直下に埋没させた。すなわち、沈降物質は、試料中に埋没しているものの、上端は液面すれすれの位置とした。この状態を試験開始とした。沈下量の初期値としてプラスチック棒の先端の位置の目盛りを計測した。その後、経過時間と共に、プラスチック棒の先端の位置の目盛りを計測し、経過時間と沈降量の関係を測定した。経過時間は最大２時間の観察を行った。その結果を表１に示し、経過時間と沈降量（沈下量）の関係を図６に示し、経過時間と沈降速度の関係を図７に示し、写真を図８〜図１１に示した。なお、試験は、試料１では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「1-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「1-2」）、試料２では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「2-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「2-2」）、試料３では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「3-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「3-2」）、直径４０ｍｍ（図中、「3-3」）、試料４では、模擬有価物質の直径３２ｍｍ（図中、「4-2」）、直径４０ｍｍ（図中、「4-3」）についてそれぞれ行った。表中「-」は試験せずを意味する。
海底温度に相当する５℃の雰囲気下で行った。先ず、試料を試験容器の容器深さ１４０ｍｍ（ｌ１）まで満たした。次いで、蓋部の中央の貫通穴に蓋部の裏側からプラスチック棒の先端を通し、試験容器に蓋部を取り付けた。この際、沈降物質を手で押し、試料の液面直下に埋没させた。すなわち、沈降物質は、試料中に埋没しているものの、上端は液面すれすれの位置とした。この状態を試験開始とした。沈下量の初期値としてプラスチック棒の先端の位置の目盛りを計測した。その後、経過時間と共に、プラスチック棒の先端の位置の目盛りを計測し、経過時間と沈降量の関係を測定した。経過時間は最大２時間の観察を行った。その結果を表１に示し、経過時間と沈降量（沈下量）の関係を図６に示し、経過時間と沈降速度の関係を図７に示し、写真を図８〜図１１に示した。なお、試験は、試料１では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「1-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「1-2」）、試料２では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「2-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「2-2」）、試料３では、模擬有価物質の直径２０ｍｍ（図中、「3-1」）、直径３２ｍｍ（図中、「3-2」）、直径４０ｍｍ（図中、「3-3」）、試料４では、模擬有価物質の直径３２ｍｍ（図中、「4-2」）、直径４０ｍｍ（図中、「4-3」）についてそれぞれ行った。表中「-」は試験せずを意味する。
図８左写真が試料1-1であり、図８右写真が試料1-2であり、図９左写真が試料2-1であり、図９右写真が試料2-2であり、図１０左写真が試料3-1であり、図１０中写真が試料3-2であり、図１０右写真が試料3-3であり、図１１左写真が試料4-2であり、図１１右写真が試料4-3である。
参考例２（沈降抑制能確認試験その２）
＜模擬有価物質（沈降物質）＞
直径４０ｍｍのアルミニウム製の握り玉に代えて、直径４０ｍｍのステンレス製の握り玉（比重７．８６）を使用した以外は、参考例１と同様の握り玉を使用した。
＜模擬有価物質（沈降物質）＞
直径４０ｍｍのアルミニウム製の握り玉に代えて、直径４０ｍｍのステンレス製の握り玉（比重７．８６）を使用した以外は、参考例１と同様の握り玉を使用した。
＜各種キャリア物質＞
濃度１．０％の高分子水溶液に代えて、濃度３．０％の高分子水溶液（試料５）を用いた以外は、参考例１の高分子溶液と同様の方法でキャリア物質を得た。その結果を試験5-3として表２に示す。
濃度１．０％の高分子水溶液に代えて、濃度３．０％の高分子水溶液（試料５）を用いた以外は、参考例１の高分子溶液と同様の方法でキャリア物質を得た。その結果を試験5-3として表２に示す。
参考例３（沈降抑制能確認試験その３）
キャリア物質として、市販のマヨネーズ（試料６）を使用した以外は、参考例１と同様の方法で行った。その結果を表３に示す。その結果を試験6-3として表２に示す。
キャリア物質として、市販のマヨネーズ（試料６）を使用した以外は、参考例１と同様の方法で行った。その結果を表３に示す。その結果を試験6-3として表２に示す。
参考例１において、５℃の粘度が３,５００ｍＰａ・ｓ以上の試料３及び試料４は、キャリア物質中の模擬有価物質は、３０分以上経過しても、ほとんど沈降していなかった。この場合、１時間停止後の揚鉱装置の稼働により、圧送ポンプにはほとんど負荷がかからず、設計通りの揚鉱が可能となる。また、参考例２において、５℃の粘度が１１,５００ｍＰａ・ｓの試料５は、比重が７．８６と非常に重く、かつ直径が４０ｍｍという大粒径の模擬有価物質についても沈降抑制能が高かった。
参考例１において、５℃の粘度が１,０００ｍＰａ・ｓの試料１-２は、１１秒で着底し、平均沈降速度は３２.０７ｍ/ｈであった。この結果から、実際の揚鉱方法の場合、上昇管（数ｋｍ長さ）の管底から数十ｍ程度までの有価物質は、１時間の停止で、管底に着底するものの、上昇管の管底から数十ｍを超える高さに位置する有価物質は、キャリア物質中に保持されたままである。この場合、１時間の停止後の揚鉱装置の再稼働により、圧送ポンプに負荷がかかるものの、大部分の有価物質は、キャリア物質と同伴して上昇するため、揚鉱が可能となる。
参考例３において、５℃の粘度が１,７００ｍＰａ・ｓのエマルジョン系の試料６は、キャリア物質中の模擬有価物質は、３０分以上経過しても、ほとんど沈降していなかった。従って、長時間停止後の揚鉱装置の稼働により、圧送ポンプにはほとんど負荷がかからず、設計通りの揚鉱が可能となる。
本発明によれば、深さ数千メートルの海底から鉱物資源である粒状の有価物質を海上まで効率良く、輸送・運搬することができる。なお、揚程に関して、建築分野においては、４インチ管使用での生コンの圧送実績は、中継点なしの９０ｍ３/ｈ、１２ＭＰａの高圧圧送で、水平９００ｍ、鉛直２００ｍｍを達成しており、本発明の循環又はＵ字の管路であれば、鉛直１０００ｍを超える揚程でも容易に圧送できる。また、種々のトラブルによる停止があっても、キャリア物質中の有価物質の沈降は抑制されており、再稼働に際しても、圧送ポンプにかかる負荷は許容範囲となり、再揚鉱が可能となる。
１、１ａ 下降管
２、２ａ 上昇管
３ キャリア物質
４、４ａ ポンプ
５ 搬入口
６ 回収口
７、７ａ 分離装置
８ 海底
９ 調整装置
１０、１０ａ 揚鉱装置
１１ 環状の管路
１１ａ Ｕ字の管路
Ｘ 粒状の鉱石（海底有価物質）
Ｙ 鉱床
２、２ａ 上昇管
３ キャリア物質
４、４ａ ポンプ
５ 搬入口
６ 回収口
７、７ａ 分離装置
８ 海底
９ 調整装置
１０、１０ａ 揚鉱装置
１１ 環状の管路
１１ａ Ｕ字の管路
Ｘ 粒状の鉱石（海底有価物質）
Ｙ 鉱床
Claims (10)
- 海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路内、又は海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したＵ字状の管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する方法であって、該キャリア物質は、海水より粘性が高い粘性流動物質であることを特徴とする海底有価物質の揚鉱方法。
- 該粘性流動物質は、５℃における粘度が１,０００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１記載の海底有価物質の揚鉱方法。
- 該粘性流動物質は、５℃における粘度が２,０００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１記載の海底有価物質の揚鉱方法。
- 環状の管路を用いる揚鉱方法であって、該海底有価物質を含むキャリア物質は、海上側の管路外に取り出し、該キャリア物質から該海底有価物質を分離することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の揚鉱方法。
- Ｕ字状の管路を用いる揚鉱方法であって、海上において、該海底有価物質を回収した後のキャリア物質は、組成調整された後、該下降管に戻されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に１記載の揚鉱方法。
- 下降管の長さを上昇管の長さより大とし、該上昇管に満たされたキャリア物質のヘッドより、該下降管に満たされたキャリア物質のヘッドを大とすることを特徴とする請求項５記載の揚鉱方法。
- 海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路、又は海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したＵ字状の管路と、
該環状の管路内、又はＵ字状の管路内に充填されるキャリア物質と、
該キャリア物質を循環させる圧送ポンプと、
該管路の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口と、
該管路の海上側に設けられた海底有価物質を回収する回収口と、を有し、該キャリア物質は、海水より粘性が高い粘性流動物質であること特徴とする海底有価物質の揚鉱装置。 - 海上側に設けられた分離装置を更に有することを特徴とする請求項７記載の揚鉱装置。
- 該環状の管路、又は該Ｕ字状の管路は、上昇管と下降管がそれぞれ独立の管であるか、又は二重管であることを特徴とする請求項７又は８記載の揚鉱装置。
- Ｕ字状の管路を備える揚鉱装置であって、海底有価物質を分離回収した後のキャリア物質を組成調整する組成調整装置を、海上側に設置することを特徴とする請求項９記載の揚鉱装置。
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