JP6570000B2 - キャリア物質、これを用いる海底有価物質の揚鉱方法及び揚鉱装置 - Google Patents

Description

本発明は、海底鉱物資源である有価物質を海上に輸送、運搬するキャリア物質、これを用い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によって、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、海底有価物のかさ比重より比重の大きな重液を用いる浮力方式によるものである。

特開２００３−２６９０７０号公報 特開２００５−２５５３９１号公報 特開２０１１−１９６０４７号公報 特公平８−２６７４０号公報 特開２０００−２２７１００号公報 特開２０１５−１６８９７１号公報

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揚鉱効率が極端に悪く不適である。また、ポンプの性能に制限され、特に揚程が短く、長距離の輸送・運搬には不適であるという問題がある。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揚鉱効率が極端に悪く不適である。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、重液による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、高密度又は粗粒な海底有価物質を高い揚鉱効率で揚鉱できるキャリア物質、これを用いる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、海底有価物質の揚鉱に使用するものであり、粒状体を含有する粘性流動体であることを特徴とするキャリア物質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、粒状体を含有する粘性流動体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、粒状体を含有する粘性流動体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、海底有価物質の揚鉱に、粒状体を含有する粘性流動体を使用すれば、φ３０ｍｍ以上の粒状体又は塊状体である海底有価物質を高い揚鉱効率で揚鉱できる。また、本発明によれば、管路にキャリア物質として粒状体を含有する粘性流動体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、粗粒な粒状体や塊状体である海底有価物質の揚鉱が可能となる。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。

本発明の第１の実施の形態の揚鉱装置の概略図である。 第１の実施の形態の揚鉱装置における海上側装置の概略図である。 第１の実施の形態の揚鉱装置における集鉱方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態における揚鉱装置の概略図である。 参考例で使用した実験装置の簡略図である。 試料１（珪砂配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料１（珪砂配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料１（珪砂配合）及びアルミ完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料１（珪砂配合）及びアルミ完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料２（発泡ビーズ配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料２（発泡ビーズ配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料３（鉄粉配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料３（鉄粉配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料３（鉄粉配合）及びアルミ完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料３（鉄粉配合）及びアルミ完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料４（マヨネーズ＋珪砂）及びステンレス完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料４（マヨネーズ＋珪砂）及びステンレス完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料４（マヨネーズ＋珪砂）及びステンレス完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す図である。 試料４（マヨネーズ＋珪砂）及びステンレス完全球φ４０を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す図である。 試料５（珪砂配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降距離の関係を示す他の図である。 試料５（珪砂配合）及びアルミ完全球φ３２を使用した沈降時間と沈降速度の関係を示す他の図である。

本発明のキャリア物質は、海底有価物質の揚鉱に使用するものであり、粒状体を含有する粘性流動体である。海底有価物質の揚鉱としては、キャリア物質を充填する海底から海上に達する上昇管を、少なくとも有した揚鉱装置を使用する揚鉱方法が挙げられる。キャリア物質とは、海底有価物質を運搬・輸送する輸送媒体のことである。

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に存在するマンガンクラスト、マンガンノジュール、コバルトリッチクラスト、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以上の粗粒であってもよく、粒子密度が３ｇ/ｃｍ^３以上の高密度なものであってもよい。

本発明のキャリア物質は、粒状体と粘性流動体の混合物である。粒状体は、海底有価物質以外のものであり、使用する前に予め粘性流動体に含有されるものである。粒状体としては、平均粒径が０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは、０．１〜８ｍｍであり、真密度が０．０１〜８ｇ/ｃｍ^３である。平均粒径は、粒度分布から求められる公知の算出方法を用いて算出される。このような粒状体としては、岩石由来、植物・生物由来、樹脂素材、繊維素材のいずれでもよく、また、その混合物であってもよい。具体的には、発泡ビーズ、ガラスビーズ、珪砂などの砂、シルト・礫、木材、鉄粉などの金属粉が挙げられる。粒状体の配合量としては、粘性流動体１００重量部に対して、０．１〜８０重量部、好ましくは、０．３〜６０重量部、更に好ましくは０．５〜５０重量部である。発泡ビーズのような低真密度の場合、粘性流動体１００重量部に対して、０．１〜３．０重量部、好ましくは、０．３〜２．５重量部であり、鉄粉のような高真密度の場合、５〜８０重量部、好ましくは、８〜６０重量部、特に好ましくは１０〜５０重量部である。

本発明において、粘性流動体としては、５℃の粘度（ＪＩＳ Ｚ８８０３）が、１,０００ｍＰａ・ｓ以上、好ましくは１,３００ｍＰａ・ｓ以上、特に好ましくは２,０００ｍＰａ・ｓ以上、更に好ましくは３０００ｍＰａ・ｓ以上である。５℃の粘度としたのは、海水温度が海水表面から数十ｍ以上の深度においては、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。なお、粘性流動体の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。

粘性流動体は、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、安価で済み、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が、合成物とすることが、少ない配合量で流動化物を得ることができる点で好ましい。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ナトリウム（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ナトリウム（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。

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。

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１,０００ｍＰａ・ｓ以上、特に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％、特に好ましくは０．５重量％〜２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。

本発明において、粒状体は、粘性流動体中、均一に分散した状態で使用することが好ましい。なお、粒状体として鉄粉を使用する場合、キレート剤を配合することが、鉄粉の酸化による高分子溶液の粘度低下を抑制することができる点で好ましい。

本発明のキャリア物質を海底有価物質の揚鉱に使用すれば、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高い揚鉱効率、具体的には６０％以上、好ましくは８０％以上で、輸送・運搬することができる。揚鉱効率とは、揚鉱速度をキャリア物質流送速度で除した値を言う。建築分野においては、コンクリート高圧ポンプの吐出量は、約３０ｍ^３/時間であり、これを仮に２台稼動させると、管径０．５ｍで、流送量６０ｍ^３/時間、流送速度３０５．６ｍ/時間となる。商業ベースで設定される揚鉱効率８０％の場合、沈降速度６０ｍ/時間となり、１台のポンプが故障したとしても、揚鉱効率６０％を確保できる。すなわち、本発明において、キャリア物質の沈降抑制能の基準として３種類を設定することができる。一番下位の基準はポンプ台数を増やす必要がある沈降速度１００ｍ/時間以下で、揚鉱効率が６７％に対応する。中位の基準はコストが見合う沈降速度６０ｍ/時間以下で、揚鉱効率が商業ベースで設定される８０％以上に対応する。更に上位の基準は沈降速度１５ｍ/時間以下で、揚鉱効率が９５％以上に対応する。

本発明のキャリア物質が海底有価物質の沈降を抑制する作用力としては、粘性抵抗、浮力及び有効支持力が挙げられる。この内、浮力及び粘性抵抗は、粘性流動体が担い、有効支持力は、粒状体が担うことになる。流送時には、粘性抵抗が主体となり、停止時には、粘性抵抗の不足分を有効支持力が補うことになる。停止時とは、揚鉱装置稼働中、種々の理由による停止状態となる場合のことである。通常、１時間以内の復帰とするため、有価物質は数十ｍ沈降することになるが、この程度の沈降であれば、再度の復帰で大部分の有価物質が上昇流に乗ることができる。

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。なお、図１〜図４中、キャリア物質に含まれる粒状体の描写は省略した。

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、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。

このような、キャリア物質３は、粒状体を含む粘性流動体であるため、輸送・運搬したい粒状又は粉状の海底有価物質の相対的な位置を極力、保持した状態で管内を流動する性質を有する。すなわち、循環状態において、キャリア物質３は、流動性を有し、且つ粒状又は粉状の海底有価物質（沈降物質）を高い揚鉱効率で揚鉱する。また、ポンプが一時停止した静置状態において、キャリア物質３は、粘性抵抗、浮力及び有効支持力の沈降を抑制する作用によって粒状又は粉状の海底有価物質（沈降物質）の沈降を抑制する。

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Ｘ_２と有用鉱物Ｘ_１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の海底の鉱床Ｙから粒状の鉱石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。採取された粒状の鉱石Ｘは、キャリア物質３が粒状体含有粘性流動体であるため、粗粒物であっても、また高密度粒子であっても、粒状の鉱石Ｘの相対的な位置を極力、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から大きく沈降することなく、高い揚鉱効率で輸送・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と共に、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Ｘ_２と有用鉱物Ｘ_１に分離される。不要鉱物Ｘ_２には、キャリア物質を構成する粒状体も含まれ、この粒状体は再使用できる。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粒状体含有粘性流動体が循環するため、有価物質である粗粒な粒状体や高密度な粒状体を高い揚鉱効率で揚鉱でき、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。

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、キャリア物質を下降管１ａに戻すための戻り配管２２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の戻り配管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の海底の鉱床Ｙから粒状の鉱石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、浮力及び有効支持力により、採取された粒状の鉱石Ｘは、粗粒物であっても、また高密度粒子であっても、粒状の鉱石Ｘの相対的な位置を極力、保持した状態で管内１１を流動すると共に、保持位置のキャリア物質３から大きく沈降することなく、高い揚鉱効率で、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、戻り配管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距離及び沈降速度を求めた。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３２ｍｍ又は直径４０ｍｍのアルミニウム製の完全球を使用した。アルミニウム製の直径３２ｍｍの完全球の密度は２．５７ｇ/ｃｍ^３、直径４０ｍｍのものが密度２．８０ｇ/ｃｍ^３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。完全球とは断面が真円に近い球を言う。

＜キャリア物質（試料）＞
下記の試料１〜４の４種類を使用した。
ｉ 試料１；ＣＭＣ１．５％の高分子溶液に珪砂を、高分子溶液１００重量部に対して、無配合（試料１−１）、１０重量部（試料１−２）、３０重量部（試料１−３）、５０重量部（試料１−４）で配合した。珪砂は、平均粒径０．５ｍｍ、真密度２．６ｇ/ｃｍ^３（宇部珪砂６号）を使用した。
ii 試料２；ＣＭＣ１．５％の高分子溶液に発泡ビーズを、高分子溶液１００重量部に対して、１．０重量部（試料２−２）、２．０重量部（試料２−３）で配合した。発泡ビーズは、平均粒径１．２７ｍｍ、真密度０．０１１ｇ/ｃｍ^３のものを使用した。
iii 試料３；ＣＭＣ１．５％の高分子溶液に鉄粉を、高分子溶液１００重量部に対して、３０重量部（試料３−２）で配合した。鉄粉は、平均粒径０．０８ｍｍ、真密度７．８７ｇ/ｃｍ^３を使用した。
なお、ＣＭＣは、カルボキシメチルセルロース架橋体であり、濃度は重量％である。ＣＭＣ１．５％の高分子溶液は、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、いずれも同じで、２,０００ｍＰａ・ｓであった。

＜試験容器＞
図５は使用した試験容器の模式図である。試験容器として、内径１６０ｍｍ、高さ５００ｍｍの上部開口の円筒状のアクリル製容器を使用した。図５中、符号ｈは試料の液面高さ、Ｄは沈降物質の球径、Ｚは沈降距離を示す。

＜試験方法＞
キャリア物質の使用温度は、海底温度に相当する５℃であるが、高分子溶液の５℃と２５℃の粘度が同じであるため、温度の影響はほとんどないと判断し、室温（２５℃）で行った。また、試料は、粒状体が粘性流動体中、均一分散されている状態で使用した。先ず、試料を任意の液面高さとなるように入れた。沈降物質を手で持ったまま液面下に埋没させ、沈降物質の上部が液面と接する高さに引き上げた。液面が静止状態になるまで２０秒程度待ってから沈降物質を静かに離した。この時、直ぐに試料から手を抜かずに暫く待ってから手を引き抜いた。これは粘性の高い試料の場合、沈降物質である球の沈降に影響を与える可能性があるからである。次いで、着底するまでの時間を計測した。次いで、試料の液面高さを最初とは異なる任意の高さとなるように継ぎ足し、同様の測定を行った。更に継ぎ足しによって液面高さを変え、同様の測定を行い、これを繰り返し行った。最終速度の結果を表２に、経過時間と沈降距離の関係を図６、８、１０、１２及び１４に、経過時間と沈降速度の関係を図７、９、１１、１３及び１５に示した。

図６及び図７は、ＣＭＣ１．５％＋珪砂（アルミ完全球φ３２ｍｍ）の結果を、図８及び図９は、ＣＭＣ１．５％＋珪砂（アルミ完全球φ４０ｍｍ）の結果を、図１０及び図１１は、ＣＭＣ１．５％＋発泡ビーズ（アルミ完全球φ３２ｍｍ）の結果を、図１２及び図１３は、ＣＭＣ１．５％＋鉄粉（アルミ完全球φ３２ｍｍ）の結果を、図１４及び図１５は、ＣＭＣ１．５％＋鉄粉（アルミ完全球φ４０ｍｍ）の結果を、図１６及び図１７は、マヨネーズ＋珪砂（アルミ完全球φ３２ｍｍ）の結果を、図１８及び図１９は、マヨネーズ＋珪砂（アルミ完全球φ４０ｍｍ）の結果を、図２０及び図２１は、ＣＭＣ１．０％＋珪砂（アルミ完全球φ３２ｍｍ）の結果を、それぞれ示す。なお、図１２〜図１５は、参考までに、珪砂入り試料１-２および試料１-３の結果を併記した。図中、試料番号の「試料」の記載は省略し、数字による記号のみの記載とした。その他の図も同様である。図７、９、１１、１３及び１５に示す沈降速度Ｖは、Ｖ＝（Ｚ_ｉ＋１−Ｚ_ｉ）/（ｔ_ｉ＋１−ｔ_ｉ）で求めた。また、最終速度とは、ひとつの試料における最終測定結果とそのひとつ前の測定結果で求まる沈降速度で、概ね沈降距離が約４００ｍｍ〜５００ｍｍの区間における平均沈降速度に対応する。従って、十分に沈降した後に達する終端速度とは厳密には異なるが、経過時間と沈降距離の関係を見る限り、最終速度は終端速度に近い値であると推定される。

参考例２（沈降試験その２）
沈降物質及びキャリア物質を下記のものとした以外は、参考例１と同様の方法で、沈降試験を行った。最終速度の結果を表３に、経過時間と沈降距離の関係を図１６及び図１８に、経過時間と沈降速度の関係を図１７及び図１９に示した。

＜模擬有価物質（沈降物質）＞
直径３２ｍｍ又は直径４０ｍｍのステンレス製の完全球を使用した。ステンレス製の直径３２ｍｍの完全球の密度は８．１６ｇ/ｃｍ^３、直径４０ｍｍのものが密度７．９５ｇ/ｃｍ^３であった。

＜キャリア物質（試料）＞
iv 試料４；市販のマヨネーズに珪砂を、マヨネーズ１００重量部に対して、無配合（試料４−１）、３０重量部（試料４−２）で配合した。マヨネーズの５℃の粘度は１,７００ｍＰａ・ｓであり、２５℃の粘度は、１,８００ｍＰａ・ｓであった。

注１）最終速度とそのひとつ前の段階の沈降速度の平均値で示す。

参考例３（沈降試験その３）
沈降物質として、直径３２ｍｍのアルミニウム製の完全球を使用した。また、キャリア物質として、下記の試料を使用した。経過時間と沈降距離の関係を図２０に、経過時間と沈降速度の関係を図２１に示した。

＜キャリア物質（試料）＞
ｖ 試料５；ＣＭＣ１．０％の高分子溶液に珪砂を、高分子溶液１００重量部に対して、５重量部〜５０重量部まで、５重量部毎に１０個の試料を作成した（試料５−２〜試料５−１１）。

参考例１によれば、ＣＭＣ濃度１．５重量％に珪砂、発泡ビーズ又は鉄粉を配合したものは、キャリア物質内において、模擬有価物質であるφ３２ｍｍ又はφ４０ｍｍのアルミニウム又はステンレス完全球の沈降速度は、６０ｍ/時間を下回っている。これにより、海底有価物質の揚鉱に、試料１〜３のキャリア物質を使用すれば、塊状体である海底有価物質を高い揚鉱効率で揚鉱できる。

参考例２によれば、試料４は、キャリア物質内において、模擬有価物質であるφ３２ｍｍ又はφ４０ｍｍのアルミニウム又はステンレス完全球の沈降速度は、１００ｍ/時間を下回っている。これにより、海底有価物質の揚鉱に、試料４のキャリア物質を使用すれば、ポンプ台数を増やすこともあるが、塊状体であるものの海底有価物質を揚鉱できる。

図２０及び図２１によれば、ＣＭＣ濃度１．０重量％では、ＣＭＣ濃度１．５重量％に比較して粘性抵抗が小さいために最終速度が１００ｍ/時間を超えている。しかし、図１８によれば、珪砂の配合量が２５重量部以上となると、最終速度が２００ｍ/時間を下回り、沈降物質の沈降を抑制する効果が顕著に表れた。このことは、粒状体である珪砂が沈降物質を支持する有効支持力が有効に作用したものと考えられる。

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。例えば、揚鉱装置は、少なくとも海底から海上に達する上昇管を少なくとも有するものであればよく、該上昇管内にキャリア物質を充填させた揚鉱装置が挙げられ、また、該揚鉱装置を使用し、圧送ポンプを稼動させ、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が挙げられる。

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９０ｍ^３/ｈ、１２ＭＰａの高圧圧送で、水平９００ｍ、鉛直２００ｍを達成しており、本発明のＩ字、Ｕ字又は循環の管路であれば、鉛直１０００ｍを超える揚程でも容易に圧送できる。

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
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)

1. 海底有価物質の揚鉱に使用するものであり、平均粒径が０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、真密度が０．０１〜８ｇ/ｃｍ ^３ の粒状体と、粘性流動体の混合物であり、該粒状体は、海底有価物質以外のもので、使用前に予め粘性流動体に混合されることを特徴とするキャリア物質。
2. 該粘性流動体は、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記載のキャリア物質。
3. 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、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、又は内管が上昇管、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二重管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、平均粒径が０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、真密度が０．０１〜８ｇ/ｃｍ ^３ の粒状体と、粘性流動体の混合物であり、該粒状体は、海底有価物質以外のもので、使用前に予め粘性流動体に混合されることを特徴とする海底有価物質の揚鉱方法。
4. 該粘性流動体は、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３記載の海底有価物質の揚鉱方法。
5. 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３又は４に記載の揚鉱方法。
6. 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３又は４に記載の揚鉱方法。
7. 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６記載の揚鉱方法。
8. 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、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、又は内管が上昇管、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二重管と、
   該環状の管路内、該Ｕ字状、又は該二重管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、平均粒径が０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、真密度が０．０１〜８ｇ/ｃｍ ^３ の粒状体と、粘性流動体の混合物であり、該粒状体は、海底有価物質以外のもので、使用前に予め粘性流動体に混合されること特徴とする海底有価物質の揚鉱装置。
9. 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８に記載の揚鉱装置。
10. 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８記載の揚鉱装置。