JP6685545B2 - 金属分離方法、及び金属分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属分離方法、及び金属分離装置に関する。

詳細には、産業機器、輸送機器、電子機器等を廃棄する際に発生する複数種類の金属が混在した状態のスクラップを処理する過程において、スクラップ中に含まれる金属をリサイクルするため、２種類以上の金属を溶解し、溶融状態となった金属を効率よく分離するための金属分離方法、及び金属分離装置に関するものである。同時に、スクラップに含まれている貴金属、レアメタル等、有用な金属の回収効率を向上させる。特にモーターのリサイクルについて、銅と鉄を主成分とする磁石の分離効率の向上、レアメタル・貴金属等の有価金属の銅相への濃縮による回収効率の向上を可能とする方法を提供する。

複数の金属が混在した金属スクラップから特定の金属を回収しリサイクルする方法としては、一般的な金属精錬プロセスと同様の手法である電解法、酸化しやすさの違いを利用した酸化法などがある。

ところが、電解法はプロセスが煩雑でありスラッジが発生するという欠点があった。また、酸化法では多量のスラグが発生するといった欠点があった。

これに対し、銅鉄スクラップから銅を分離する方法として、スクラップを溶融させ比重差を利用して分離する方法が検討されている。特開平１１−２９３３５号公報（特許文献１）では、銅鉄スクラップを無酸素雰囲気中で溶融し鉄相内に炭素を２％以上溶解させることによって銅と鉄を分離させる方法が開示されている。

特開２００４−８３９６２号公報（特許文献２）では、リンを加えることにより銅と鉄を分離させ、更に炭素を添加することにより溶融温度の添加、銅相中の鉄、鉄相中の銅の溶解度を低下させ分離効率の向上を図っている。

特開２００９−１８５３６９号公報（特許文献３）では、工業レベルで高い回収効率を実現しうる方法としてキューポラを用いる場合における効率の良い方法が開示されている。

特開平１１−２９３３５号公報 特開２００４−８３９６２号公報 特開２００９−１８５３６９号公報

しかしながら、これらの方法では銅相中の鉄成分、鉄相中の銅成分が十分に低くならず、回収効率が低いという欠点があった。また、これらの方法では銅相中に有価金属の多くが濃縮されるが、鉄相にも有価金属が残り回収効率が低いという欠点があった。

輸送機器や電子機器が廃棄される際に発生する銅やレアメタル、貴金属などは資源としての有用性が高いためリサイクルされている。これらの電子機器には多種にわたる金属が用いられており、これら金属を回収する方法としては各種機器を細かく分解ないし破砕した後、分離回収する方法や溶融分離する方法などがとられているが、効率はかならずしも高くなかった。

本発明は、各種金属を回収する効率を高める方法として、多相分離状態にある金属を溶融した際に比重差をより顕在化させ分離効率を向上させる分離方法及び分離装置を提供するものである。同時に、レアメタルや貴金属元素を特定の溶融金属相内に濃縮させることにより回収効率を向上させる方法を提供することを目的としている。

本発明は、以下の通りである。

［１］ ２種類以上の金属を含む金属の混合物に対し、振動を与えることによって金属の分離を行う金属分離方法であって、前記金属のうち少なくとも２種は溶融状態であり、前記溶融状態にある金属が銅および鉄を含み、前記金属の混合物を保持するるつぼと、前記るつぼを振動させる、又は前記るつぼ内の溶融金属を振動させる、振動装置と、を備える金属分離装置を用いる、金属分離方法。

［２］ 前記［１］に記載の金属分離方法において、前記金属の混合物が１種類以上のレアメタルまたは貴金属を含む金属分離方法。

［３］ 前記［１］または［２］に記載の金属分離方法において、与えられる振動周波数が１Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、かつ振動加速度振幅が０．００１Ｇ以上３Ｇ以下である金属分離方法。

［４］ 前記［１］〜［３］のいずれかに記載の金属分離方法において、与えられる振動の付与時間が１５分以下である金属分離方法。

本発明では、溶融状態にある２種類以上の金属に対して微小な振動が加えられ、１つの相の中に含まれる複数の第二相金属同士の合体や、比重の違いによって変位振幅が変化することによる浮力の発生などが起こることにより金属の比重差による分離が促進される。このため、スクラップ中における金属の分離効率の向上が可能となる。また、レアメタルや貴金属など有価金属の多相間における移動が促進され、一方の金属へより濃化し、回収効率を高めることが可能となる。

特に、モーターに用いられている磁石には各種レアメタルが含まれており、リサイクルを行う際にモーターを細かく分解することなく溶解させることによって、磁石中のレアメタルの回収、銅と鉄の分離を同時に行う事が可能となる。また、電子機器に用いられている放熱基板のリサイクルにおいて、基板に用いられているアルミニウムなどと配線に用いられている銅箔の分離にも用いることが可能である。

振動付与の模式図である。 振動を付与しない場合の試料断面における銅−鉄分布を示したもので、黒色部分が銅の存在する部分を表す写真である。 ６０Ｈｚ、０．７５Ｇの振動を２分間付与した場合の試料断面を示したもので、黒色部分が銅の存在する部分を表す写真である。 ６０Ｈｚ、１．２５Ｇの振動を１０分間付与した場合の試料断面を示したもので、黒色部分が銅の存在する部分を表す写真である。 銅相および鉄相の成分分析である。 鉄相中の成分分布を示した写真で、各図の黒色部分が元素の存在領域である。 銅相中の成分分布を示した写真で、各図の黒色部分が元素の存在領域である。 鉛直方向に振動を付与する場合の模式図である。 振動子を浸漬させ振動を付与する場合の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

〔金属分離方法〕
本発明の金属分離方法は、２種類以上の金属の混合物に対し、振動を与えることによって金属の分離を行う金属分離方法であって、金属のうち少なくとも１種は溶融状態である。

（金属について）
「２種類以上の金属」とは、金属種が異なれば、特に限定されずに用いることができる。例えば、銅、鉄、マグネシウム、チタン、アルミニウム、スズ、鉛、亜鉛などからなる群より選ばれた２種以上の金属である。これらの中でも銅と鉄を含む組み合わせ、マグネシウムと鉄を含む組み合わせ、チタンとマグネシウムを含む組み合わせが好ましい。これらの組み合わせは振動により分離の促進が可能である。「２種類以上の金属」には、さらに、貴金属の１種以上や、レアメタルの１種以上を含んでいてもよい。

本発明では、金属のうち少なくとも１種は溶融状態である。金属のうち少なくとも１種が溶融状態であることにより、金属分離ができるからである。なお、金属のうち２種以上が溶融状態であってもよい。また、少なくとも１種類の金属が固体状態である状態で振動を与えることが好ましい。この場合には、分離効率が向上するからである。

ここで、貴金属とは、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）の８つの元素をいう。

また、レアメタルとは、鉄、銅、亜鉛、アルミニウム等のベースメタルや上記の貴金属以外で、産業に利用されている非鉄金属をいう。具体例を示せば次のとおりである：リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ホウ素（Ｂ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ランタノイド系列の１５元素（ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、タリウム（Ｔｌ）、ビスマス（Ｂｉ）をいう。これらのレアメタルの中でもネオジムは本発明に好適である。振動により効率的に分離できるからである。

なお、これらのレアメタルや貴金属元素は特定の金属相に溶融しやすいことが知られている。例えば、溶融状態にある銅と鉄の二相金属に対しては、クロム、ホウ素、ニッケルは鉄中に溶融しやすく、ジスプロシウム、ネオジム、白金は銅中に溶融しやすい。このため、振動を加えることによって特定の金属相内に元素を濃縮させ、回収効率を向上させることを可能である。

（振動について）
「振動」における振動周波数及び振動加速度振幅は、特に限定されない。１Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、かつ振動加速度振幅が０．００１Ｇ以上３Ｇ以下であることが望ましく、１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、かつ振動加速度振幅が０．００１Ｇ以上１Ｇ以下であることがより望ましい。また、与えられる振動の付与時間が１５分以下であることが望ましく、５分以下であることがより望ましい。但し、振動の付与時間の下限値は、１秒である。

付与する振動加速度振幅が過大である場合は、るつぼ内で二相分離している溶融金属が撹拌されるため、金属が相互に混合される恐れがある。また、振動加速度振幅が極端に小さい場合は振動による効果が得られない。一方、周波数が過大である場合、振動の変位振幅や速度振幅が小さくなるため、一方の溶融金属相内に分散している第二溶融金属相同士の合体による効果や比重差の顕在化が弱くなる。周波数が過小である場合、一定以上の振動速度振幅を得るためには加速度振幅および振動変位振幅を大きくする必要があり、撹拌効果が起こり金属が相互に混合される恐れがある。

振動方向については特に限定されない。例えば、水平方向に振動でもよいし（図１参照）、鉛直方向に振動してもよいし（図８参照）、斜め方向への振動であってもよい。また、振動の途中において振動方向を変更してもよい。

振動させる方法としては、（１）２種類以上の金属の入ったるつぼを振動させてもよいし、（２）るつぼ自体は振動させずに、２種類以上の金属に振動子を浸漬させて振動させてもよい（図９参照）。

また、振動については、その波形は特に限定されず、正弦波、矩形波、三角波，のこぎり波、台形波等を用いてもよい。

また、機械的振動に限らず電磁振動などを加える方法としても良い。

〔金属分離装置〕
本発明の金属分離装置は、２種類以上の金属を保持するるつぼと、るつぼを振動させる、又はるつぼ内の溶融金属を振動させる振動装置と、を備える。そして、金属のうち少なくとも１種は溶融状態である。

「２種類以上の金属」および「振動」については、上述の金属分離方法の記載をそのまま適用できる。

「るつぼ」としては、特に限定されず、公知のるつぼを幅広く適用できる。例えば、アルミナるつぼ、ジルコニアるつぼ、シリカるつぼ、黒鉛るつぼ等を用いることができる。

振動装置は、（１）２種類以上の金属の入ったるつぼを振動させる装置であってもよいし、（２）るつぼ自体は振動させずに、２種類以上の金属に振動子を浸漬させて振動させる装置であってもよい。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１に示すように、るつぼ１内に銅と磁石を入れ、双方が溶融する状態まで加熱する。銅の比重はおよそ８．９、鉄の比重はおよそ７．８であるため、銅が下側、鉄が上側へと分離する。しかしながら、通常溶解した場合では鉄相４中に銅、銅相３中に鉄が僅かに浮遊した状態になり、完全には分離しない。この状態において、外部に置かれた振動印加装置から振動伝達部２を経てるつぼ１を振動させることにより、比重の差をより顕在化させ分離を促進させることが可能となる。

図２に振動を付与しない場合の試料断面、図３に６０Ｈｚ、０．７５Ｇの正弦波振動を２分間付与した場合の試料断面を示す。振動を付与しない場合は鉄相中に細かい銅相が分散しているが、振動を付与した場合では銅相の量が減少している。鉄相内における銅とネオジム、及び銅相内における鉄の分布は減少しており、元素分布が変化していることが分かる。特に溶融前は磁石内に存在していたネオジムは銅相内へと移動している。図４に６０Ｈｚ、１．２５Ｇの正弦波振動を１０分間付与した場合の試料断面を示す。銅相内に球状の鉄相がみられ、分離の効率が低下していることが分かる。

図５に振動を付与しない場合、６０Ｈｚ、０．７５Ｇの正弦波振動を２分間付与した場合、６０Ｈｚ、１．２５Ｇの正弦波振動を１０分間付与した場合の試料について、鉄相及び銅相中の組成分析を行った結果を示す。振動を加えることによって銅相中の鉄成分および鉄相中の銅成分は減少しており、分離効率が向上している。更に、レアメタルであるネオジムについても、振動を加えることにより銅相中のネオジム量が増加し、鉄相中のネオジム量が減少している。このように、レアメタルの分離回収もより効率よく行う事が可能である。

６０Ｈｚ、０．７５Ｇの正弦波振動を２分間付与した場合における鉄相中の元素分布を図６に、銅相中の元素分布を図７に示す。鉄相中に存在するＣｕ元素および銅相中に存在するＦｅ元素は微量であり、効率よく分離されていることが分かる。

上記実施例では金属がすべて溶融した状態において振動を加えたが、金属を冷却し一方が固体状態となって析出した状態で振動を加えるようにしても良い。液体状態に比べ固体状態では密度が大きくなるため、銅と鉄のように融点の低い金属の密度が大である場合は密度差が大きくなり分離しやすくなる。但し、溶融状態にある金属の温度を把握する必要があるため制御は難しくなる。また、固相状態の金属を加熱する際、一方の金属が溶融した時点で振動を加えるようにしても良い。この場合は、操業する温度を低くすることができるため消費エネルギーは小さくなるが、レアメタルの回収効率は完全に溶融する場合に比べ低下する。

本発明の金属分離方法及び金属分離装置は、２種類以上の溶融状態金属にある金属を効率的に分離し、金属及び溶融元素を効率よく回収することができる。

１：るつぼ、２：振動伝達部、３：銅相、４：鉄相。

Claims (4)

1. ２種類以上の金属を含む金属の混合物に対し、振動を与えることによって金属の分離を行う金属分離方法であって、
   前記金属のうち少なくとも２種は溶融状態であり、
   前記溶融状態にある金属が銅および鉄を含み、
   前記金属の混合物を保持するるつぼと、
   前記るつぼを振動させる、又は前記るつぼ内の溶融金属を振動させる、振動装置と、
   を備える金属分離装置を用いる、金属分離方法。
2. 請求項１に記載の金属分離方法において、前記金属の混合物が１種類以上のレアメタルまたは貴金属を含む金属分離方法。
3. 請求項１または２に記載の金属分離方法において、与えられる振動周波数が１Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、かつ振動加速度振幅が０．００１Ｇ以上３Ｇ以下である金属分離方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属分離方法において、与えられる振動の付与時間が１５分以下である金属分離方法。