JP5484712B2 - 電子機器の粉砕方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器を有する廃棄物をミルにて粉砕する粉砕方法に関する。

従来より、自動車、携帯電話器、自動販売機、パチンコ台、パソコンやテレビあるいはテレビゲーム機その他、およそ自動機能を有する機器類の廃棄物の殆どすべてに電子機器を有しており、その電子機器には、金、銀、プラチナなどの貴金属や希土類元素等の希少元素を含有している。
これら希少元素は、希少故に天然鉱山からの収集には限りがあることから、前述した廃棄物を、希少元素を回収することを目的とした都市鉱山として、金、銀、プラチナなどの貴金属や希土類元素等の希少元素を回収して再利用することが試みられている。（特許文献１，４）
希少元素の含有濃度を示すＴＭＲ指数（表３に示す元素の含有濃度を示す指標）からすれば、天然鉱山に比べ高濃度であることからも、天然鉱山よりも都市鉱山を対象にするのがはるかに効率的と考えられる。
資源リスクの増大の中で、我が国の「都市鉱山」蓄積ポテンシャルの活用の重要性の認識は広まってきている。しかし、「都市鉱山」の可能性はあるものの、われわれはまだその「鉱脈」を見出しておらず、今も多くの使用済製品がリサイクルされることなく回収困難な散逸ストックとして散らばっている。
製品からの希少金属リサイクルの取り組みは、国、自治体、企業レベルさらには個人レベルを含めて強められているものの、資源リサイクルとして連結したチェーン状態を形成するにはなかなか至っていない。
この困難さの一因は、製品からの希少金属リサイクルはそれにより得られる希少金属の量よりはるかに大量の処理すべき廃棄物をともなっており、その処理コストを捻出しつつ希少金属の回収で得られる利得を、リサイクルチェーンを形成する経済主体で分割できるビジネスモデルを作るには、相当に安価なプロセスの連結でリサイクルチェーンを形成する必要があることがあげられる。
例えば、使用済電子機器基盤の含有希少金属分を地金価格にした場合、一台当たりの希少金属回収による利得は一般に期待されているものよりはるかに小さく、プロセスコストを低く抑えることの重要性がわかる。
現行のリサイクルシステム開発では、このプロセスコスト全体の低減を考えるよりは、有価なものを優先的に取り出していくピンポイント型の選別・摘出技術開発が数多く進められてきた。この技術開発も重要であるが、同時に、選別・摘出においては「安価な労働力による手選別」というオプションに勝るには高いハードルがあることも事実であった。
特許３８７８９９６ 特願２００３−４１２６６０ 特開２００４−２１６２８７ 特開２０００−２９４９１９

発明者、原田はこの「安価な労働力による手選別」に勝つには、最終的に機械解体をも可能とする解体指向設計が製品設計で行われ、それがサプライチェーンのようにリサイクルチェーンとして管理されること以外にないとの発想から、それが不完全な現在の日本の使用済製品リサイクルでは、選別・摘出型にかわる混在物として処理するプロセスを準備しておく必要があると着想した。
混在物として処理するプロセスの参考になったのは天然の鉱石の処理であり、天然の鉱石には目的元素以外に多数の副産物となる元素を含有している。現在の製錬技術はそれらを元素レベルで分離して取り出すことは得意であり、特に日本の技術はその世界の最先端にある。そこで、そのような製錬処理にかけやすいような希少金属を多く含有した原料、いわゆる「都市鉱石」、を製造できる低コストのプロセスを対象とした技術開発を行うこととした。
すなわち、
1) ヒトの認識能力、分離操作能力を極力使用しないこと
2) 回収のままの状態からの処理が容易なこと
3) 運転コストが小さく、都市立地も可能とする環境コストが小さいこと
4) 生成物の次段階での処理が容易なこと
を開発の目標とし、今回は、まず実験室レベルで、そのような可能性のあることを示すことで、「都市鉱石」製造の技術開発のひとつの例を提供することとした。
本発明は、このような実情に鑑み、部品への分解と選別作業を実質的に不要もしくは著しく低減できるようにすることを目的とする。

発明１は、電子機器を含む廃棄物を粉砕子により粉砕して、所定値以下の粉砕子と所定値を超える粉砕片とに分離し、前記粉砕子のＴＭＲ指数が前記廃棄物のＴＭＲ指数の２倍以上となった時点で終了する粉砕方法であって、互いの大きさが異なる３種以上の粉砕子を用いることを特徴とする。

本発明により、電子機器を有する廃棄物を部品ごとに分解することなく粉砕しても、人手で行っていた分解作業以上にＴＭＲ指数を多く含んだ、粉砕粒子を容易に入手することができた。
つまり、従来は別工程とされていた粉砕と濃縮の工程を、粉砕工程において一挙に達成し得ることとなった。
その結果、従来必要とされた廃棄物の分解作業をほとんど必要とすることなく、都市鉱山の回収作業が行えることとなり、その作業の効率を大幅に向上しえるにいたった。
特に、発明1に示すように粉砕子を用いることで、有用元素を含む粉砕物とそれ以外の粉砕物とに大きさの相違をつけることが容易になり、有用元素を含む粉砕粒子のみを回収して実質的に有用元素を濃縮する役割を容易に果たすことができた。
なお、本粉砕物が生成される明確な理由は定かではないが、電子機器に含まれる希少元素のほとんどが結晶化された無機材料に含有されており、その他の部分はプラスチック等の有機材料にて構成されている点と無縁ではないと考えられる。
無機材料は有機材料に比べ、一般に硬質で破砕しやすいものであり、さらに結晶化された無機材料はより破砕されやすい傾向にあることから、ミルによる粉砕により無機材料が有機材料より急速に粉砕され微小化される現象によるものかと推測する。
本発明は、「都市鉱石」化をボールミル法という単純なプロセスで可能であることを示し、「都市鉱石」化のための安価なプロセス技術の開発の余地がまだまだ十二分にあることを示した。
本発明の方法に限っていうならば、前段階に装入を可能なサイズとするだけの簡単な破砕工程をおけばよく、簡便に導入可能なプロセスである。かつ、破砕粒子は、その後工程として、浮選、風選などでさらに濃度をあげたり、分離することも可能な上、直接湿式の溶解に掛けることができるため、銅系レアメタル以外のレアメタルもバイプロダクトとして分離して回収することができる。
さらに、このプロセス単独では熱も、水も溶媒も不要なため、周辺の環境への配慮するコストが大幅に低減でき、かつ立地も使用済み製品の発生頻度の高い都市近郊においても可能となる。
また、ボールミルの特徴上装置規模を回収規模とあわせて設定することも可能であり、多様な地域での分散処理が可能となる。さらに、生成物は粉状の破砕粒子、板状物ともにかさ密度が向上しており、輸送やそれに引き続く処理を有利にすることができる。このようなメリットがあり、使用済み製品を対象とした「都市鉱山」の開発に有効であり、小型分散型のシステムつくりに役立つものである。

「都市鉱石urban concentrates」に対する一般的な金属濃度基準などはまだ定まっていないが、含有する金属成分の化学分析値とそれぞれの金属の希少度を表すTMR係数を用いると数値的に表わすことができる。
表2はその一例を示すものであり、特定の金属、たとえば金(Au)の分析値を見ても、処理以前の携帯の電子実装基板中の含有率は21g中の6.8mgで0.33%だったものが本特許による粉砕物では1.4%と数倍も濃縮されていることがわかる。しかし他方で、電子機器廃棄物では対象となる金属が特定の金属に限定されることはなく、タンタル、コバルト、白金族金属などが対象となる場合もあり、そのような際に金のような特定の金属の含有率で濃縮度を評価することは不十分である。
TMR(Total Material Requirement)係数はエコロジカル・リュックサックとも呼ばれ金属を1kg得るために何kgの天然資源が必要だったかを示す量であり、それぞれの金属の希少度を反映してる。このTMRで含有金属の成分量の重みづけすることで特定の金属にとらわれず希少度の高い金属の濃縮度を判定することができる。
処理をほどこさない廃棄物のままの携帯電話機では、TMR指数が122であるのに対して、実施例の破砕粉は1044となっており希少金属の高い濃縮度が得られていることがわかる。
なお、表2に示すように、天然鉱石の採掘下限濃度をもつ仮想的な天然鉱石を想定してみる。この仮想天然鉱石の成分をTMR係数で重みづけしたTMR指数の値は1g当たり69であるから、TMR指数が1g当たり500を超えれば、天然鉱石の高品位のものも超えた「都市鉱石(urban concentrates)」にまで濃縮されているとみなされる。
本発明では、廃棄物のＴＭＲ指数の２倍以上に濃縮した粉砕粒子を得ることで、従来から問題であった分解工程の煩雑さを解消し、粉砕工程を廃棄物の濃縮に利用したもので、粉砕による有用原子の濃縮を粉砕工程にて行うことができた。
さらに、粉砕粒子が主に無機材料部品の粉砕によるものであり、これに対して粉砕片が樹脂などの有機材料部品であることによると思われる大きさの相違が著しい粉砕物を得ることができた。
この粉砕粒子と粉砕片の大きさは１ｍｍを境にすることができたが、廃棄物の構成材料の違いにより、この数値は0.5ｍｍから2ｍｍの範囲で用いる粉砕子の形状や量及び粉砕時の回転速度、粉砕時間などにより調整可能である。
また、粉砕片は、粉砕粒子に比べ段差を持った大きさとなるので、両者の選別が容易である。
特に、９割以上の粉砕片が粉砕粒子の最大の大きさの２倍以上、または、７割以上のものが４倍以上となる場合は、粉砕物の粉砕粒子の回収効率を100％近くにすることができた。

本発明で使用するミルは、基本的には従来周知のホールミルあるいはギヤーミルを用いて電子機器を粉砕することで得られる。ボールミルとして、遊星ミル、転動ミル以外にも攪拌ミル、振動ミルなども同じく粉砕子の相互運動により対象物を粉砕するメカニズムであるため同様の効果が期待される。
従来のこの種ミルを使用する目的が、粉砕片（粒子）全体が一定以下の大きさになるように用いられていたが本願発明では、粉砕する廃棄物に含まれる希少元素の濃度（ＴＭＲ指数：関与物質総量指数のこと。物質１ｇの関与物質総量（Ｔｏｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ））が２倍以上となった粉砕粒子（以下高含有粒子と記す。）になった時点で完了する。
本発明の実施に当たっては、大きさの異なる粉砕子を用いることが、粉砕物の大きさに有用原子を含むものとそれ以外のものとで、大きさを異ならせることに有効であった。
以下の実施例は、３種類の粉砕子を用いることを示したが、それ以上の４種類または５種類の粉砕子を用いることも可能である。
また、粉砕子の形状は球状に限らず、異形あるいは角形等の形状のものを一部に用いたりして、使用する粉砕子の形状を異ならせることも有効である。
以下の実施例は、その試行により最適な粉砕時間を求める方法を例示したものである。
粉砕の対象は、携帯電話のみならず、ＵＳＢメモリやＳＤカードのような電子メディア、液晶カメラや携帯オーディオなどの小型電子機器に限らず、家庭用ＴＶやＤＶＤレコーダー、パーソナルコンピュータとその関連機器などでも粗破砕を施しミルに挿入できるサイズにすることにより処理できる。
粉化以外にも破砕と接合部の剥離が共存するため、ＡＣアダプター、ドライヤーなど希少金属含有量の多くない機器に対しても、異種素材の固着部分からの分離効果が期待され、解体作業のより一層の簡便化に適用できる。

ボールミルでは、粉砕子、およびボールミルポットの材質は、ステンレス、高クロム鋼、その他鉄合金、超硬合金などの金属類だけでなく、アルミナ、ジルコニアなどのセラミクス、およびこれらの組み合わせ、さらには、小径粉砕子においてシリコンカーバイドなどの研削性の高い化合物粒子を使用しても効果が期待される。
粉砕子として、図示するような角部を持つ異形粉砕子を用いることで、高含有粒子を効率良く得ることができ、本願発明の粉砕物を迅速に生成することができる。
当該異形粉砕子の形状として図１に示す他に、いがぐり状、角状など球と異なって不規則な衝撃を対象物に与えることのできる各種の形態が考えられる。また、大、小の球状粉砕子の両方、もしくはいずれかを異形粉砕子にしてもよい。
なお、以下の実施例において用いたミルは、次のものである。
１）遊星ボールミル
メーカー：ＦＲＩＴＳＣＨ
型 番 ：０５．２０．１
定格電圧：１１０Ｖ
最高電力：０．５５ＫＷ（無負荷時）
使用時電流：４．３Ａ（回転５）、６．１Ａ（回転７）
回転数 ：０〜３６０回転
回転比 ：公転（テーブル）１：自転（ポット）２

２）転動ボールミル
メーカー：ＴＥＲＡＯＫＡ
型 番 ：８ＫＦＤ−２０３
定格電圧：２００Ｖ
消費電力：７５０Ｗ
使用時電力：０．８８Ａ
回転周波数：０〜６０Ｈｚ

実施例としての確認の本実験は遊星ミル（ポット径１００ｍｍ）を電流６．１Aを用いて行った。
粉砕子（ボール）は、ボール大（１８mmφ）、小（４．７mmφ）を体積比１：２で９０８個使用した。
資料は実際の携帯電話をポット内に装入できるようにおおよそ１０ｍｍ角程度に切り取ったものを粉砕した。
処理時間は最長５時間とし、その中途過程でボールミルを開けて観察、計量した。
得られた試料の大きさ別重量は、表１に示す通りである。
大きさの選別は、乾式振盪フルイ法で行った。

処理後の携帯電話機は図２のように、アルミ、プラスチックなどの構造部と基板材がほぼそのままの形状で残り、基板材表面に実装されていたチップなどが基板材から離脱し、さらには粉砕されて１ｍｍ未満の粒子となって得られた。
実装基板および構造材部分の残存物は図３のように基板上にあるチップ等電子部品が分離し、めっきも離脱している。一方で基板そのものやアルミ、プラスチックなどの構造材的性質を有するものはある程度は磨耗するものの基本的な形状は保たれたまま残存しており、携帯等の電子機器からアルミ、プラスチック、基板材などの構造材と、チップやめっき中などに含まれる金、銀、パラジウム、タンタルなどの機能用希少金属を分離するのに有効である。
また、中間過程（2ｈ）では図３の左下のように離脱前に破砕されたチップも確認され、接合部に限らずチップ等の優先破砕も利用できることも確認されている。
図４に４ｍｍ以下の粒度分布の時間変化を示すが、処理が進むことで粉末は微細になっており、離脱後のチップは、粉砕され全重量の３割程度が１ｍｍ以下になる。また、単に離脱・破砕されるだけでなくボールミルの効果で粉末化が進む。これにより、粉末中に入る希少金属の後処理工程による抽出も容易になる。
前記表１における２時間粉砕の１ｍｍ未満の粒子（高含有粒子）に関するＴＭＲ指数及び、前記表１に示す粉砕実験にて投入した携帯電話器Ａ（携帯Ａ）と携帯電話器Ｂ（携帯Ｂ）並びに天然鉱石に関するＴＭＲ係数および、希少元素の含有量とＴＭＲ指数を表２に示す。
また、表３には、ＴＭＲ係数の一覧表を示す。

ＴＭＲの詳しい内容については、以下の文献を参照すれば明らかになる。
金属の関与物質総量の概算：原田幸明,井島清,片桐望,大蔵隆彦：日本金属学会誌、65巻 7号(2001)、564-570元素戦略アウトルック「材料と全面代替戦略」：独立行政法人物質・材料研究機構

チップの離脱状況の確認実験
チップの実装された基板のみを処理し中間過程の変化を調べることでチップの脱落・粉砕の様子が確認された。
基板にＩＣチップを一個実装しただけの単純な装入物、および、基板材のみ、アルミ板のみを同様に転動ミルに装入して、基板が粉砕されることなくチップが離脱、粉砕できることを確認している。
図５はその結果であり、１時間の処理でチップが離脱し基板とは別の固形物として認識される。さらに、時間を経ると、基板部の磨耗による重量変化は少ないが、チップは粉砕され重量が減少し、ついには全てが粉化される。
図６のように、チップの実装されていない基板材およびアルミ板で同一条件の処理を行ったが、重量変化は少なく、これらは本処理においても破砕されず磨耗による減量のみで、ほとんどを固形物として残存させることができると確認された。

異形粉砕子の効果
上記（図５）の処理と同時にチップを実装していない基板材のみおよび単独のアルミ板を装入し重量変化を見たが、それらの損傷・粉化の割合は少なく、粉末へのこれら基板材、構造材の混入の程度を抑えることができている。
球状ではない異形粉砕子を用いるとボールの衝突時に不規則な衝撃を対象物に与えることができるため、基板に接合状態で実装されたチップを接合部以外からも破壊し、基盤からの離脱を容易にすることができる。その実施例として、チップ実装基板を、大球、異形（図１中央に示す形状のもの。）、小球を用いた粉砕子の組み合わせ（個数比１：１２：２５、投入量３０２個）と、大球、小球に異形の代わりに中球粉砕子（直径１２mmφ）を加えた３種の粉砕子全てを球状のボールとした組み合わせ（個数比１：５．４：２５、投入量２５１個）で、それぞれ電力６７０Ｗで処理してチップの離脱状況を比較した。
図７がその結果であり、大、異形、小の組み合わせでチップは粉砕されながら基板から離脱していき、効果的に粉化されていく。チップが効果的に粉砕されながら離脱していく。そのため離脱後に微粉化されており残存基板材との分離が容易であることがわかる。

転動ボールミルによる実施例
ＵＳＢメモリをそのまま転動ボールミルで処理しても、ミル中で分解し、基板からチップ、めっきが離脱し粉化する。
遊星ボールミルより多くの量が処理でき、かつ、高回転の必要が無いため電力投入も低レベルに抑えられる転動ボールミルで（電力１７６Ｗ、ボール投入量２１６個）、実施例3に示す組み合わせの大、中、異形の粉砕子を用いて基板に実装されたチップ等電子部品が、分離され、粉化されることを確認した。試料としては、ＵＳＢメモリ装置を用い、使用時のままの状態（図８の右）で装入した。図８は１２時間処理後の状態であり、堅牢なＵＳＢメモリ装置が解体され、中から実装基板部分が露出し、その実装基板上からはチップ等の電子部品が離脱・粉化されており、転動ミルにおいてもこの技術が有効であることが示された。

異形粉砕子については、前記図1に示す他、表４〜６に示すようなものが使用可能である。

実施例１のボール（粉砕子）の組み合わせ例を示す写真。 実施例１における携帯電話を処理し、粉砕・分級した結果を示す写真。 実施例１における中間過程での基板部および構造部の残存物を示す写真。 実施例１における離脱後のチップの粉砕の進行を示すグラフ。 実施例２のチップ離脱実験の残存固形物重量変化 （チップ実装基板）を示すグラフ。 実施例３でのチップ離脱実験の対照基板材、アルミ板の重量変化を示すグラフ。 実施例３の異形粉砕子の効果を示すグラフ。 実施例４の転動ボールミルによるＵＳＢメモリ処理実験の結果を示す写真。 実施例５の１を示す正面図 実施例５の２を示す正面図 実施例５の３を示す正面図 実施例５の４を示す斜視図 実施例５の５を示す正面図 実施例５の６を示す斜視図 実施例５の７を示す正面図 実施例５の８を示す斜視図 実施例５の８を示す正面図 実施例５の８を示す正面図 実施例５の９を示す正面図 実施例５の１０を示す斜視図 実施例５の１１を示す斜視図 実施例５の１２を示す斜視図 実施例５の１３を示す斜視図 実施例５の１３を示す斜視図 実施例５の１３を示す斜視図 実施例５の１３を示す斜視図 実施例５の１４を示す斜視図 実施例５の１５を示す斜視図 実施例５の１６を示す斜視図 実施例５の１７を示す斜視図 実施例５の１８を示す正面図 実施例５の１９を示す斜視図 実施例５の２０を示す斜視図 実施例５の２１を示す斜視図 実施例５の２２を示す斜視図 実施例５の２２を示す斜視図 実施例５の２３を示す斜視図 実施例５の２２を示す斜視図 実施例５の２３を示す斜視図 実施例５の２３を示す斜視図 実施例５の２４を示す斜視図 実施例５の２４を示す斜視図 実施例５の２４を示す斜視図 実施例５の２５を示す斜視図 実施例５の２５を示す斜視図 実施例５の２７を示す斜視図 実施例５の２６を示す斜視図 実施例５の２８を示す斜視図 実施例５の２９を示す斜視図 実施例５の３０を示す正面図 実施例５の３１を示す正面図 実施例５の３２を示す正面図 実施例５の３３を示す正面図 実施例５の３４を示す正面図 実施例５の３５を示す正面図 実施例５の３６を示す正面図 実施例５の３７を示す斜視図

Claims (3)

1. 電子機器を含む廃棄物を粉砕子により粉砕して金属を含む粉砕粒子を得る粉砕方法であって、
   互いに大きさが異なる３種以上の粉砕子を用いて、 0.5ｍｍから2.0ｍｍの範囲内で設定された所定値以下の粉砕粒子と、所定値を超える粉砕片とに分離し、前記粉砕粒子のTMR指数が前記廃棄物のTMR指数の２倍以上となった時点で粉砕を終了することを特徴とする粉砕方法。
2. ９割以上の粉砕片が粉砕粒子の最大の大きさの２倍以上、または、７割以上の粉砕片が粉砕粒子の最大の大きさの４倍以上となるように粉砕することを特徴とする請求項１の粉砕方法。
3. 粉砕子が、球状ではない異形の粉砕子を含むことを特徴とする請求項１または２の粉砕方法。