JP7393751B2 - Rare earth mud collection method and environmental load reduction method - Google Patents

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Description

本発明は、レアアース泥の採泥方法及び環境負荷低減方法に関する。 The present invention relates to a method for collecting rare earth mud and a method for reducing environmental load.

全世界の海洋底には、石油や天然ガスをはじめとする液体や気体の天然資源が多く存在する。また、マンガンノジュール等の固体の鉱物資源の存在も明らかになってきている。特許文献1~4は液体や気体の天然資源の採取方法、又は比較的浅い海底内の鉱物資源の揚鉱手法を開示している。 There are many liquid and gaseous natural resources, including oil and natural gas, on the ocean floor around the world. Furthermore, the existence of solid mineral resources such as manganese nodules has also become clear. Patent Documents 1 to 4 disclose a method for extracting liquid or gaseous natural resources, or a method for lifting mineral resources in a relatively shallow seabed.

特開2012-172418号公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-172418 特開2019-120063号公報JP 2019-120063 Publication 特開2019-011568号公報JP 2019-011568 Publication 特公平8-26740号公報Special Publication No. 8-26740

深海の海底下にレアアースを含む泥の層が存在することが確認されている。この泥はレアアース泥と称され、新たな資源として着目されている。しかし、このような深海底からレアアース泥を効率的に採取する技術は未だ確立されていない。 It has been confirmed that there is a layer of mud containing rare earths beneath the ocean floor in the deep sea. This mud is called rare earth mud and is attracting attention as a new resource. However, the technology to efficiently extract rare earth mud from such deep seabeds has not yet been established.

本発明は、深海の海底下の層にも適用可能なレアアース泥の採泥方法を提供する。また、本発明は、海底下からのレアアース泥の採泥に起因する環境負荷を低減する方法を提供する。 The present invention provides a method for collecting rare earth mud that can also be applied to layers beneath the ocean floor in the deep sea. The present invention also provides a method for reducing the environmental burden caused by collecting rare earth mud from below the seabed.

本発明に係るレアアース泥の採泥方法は、(A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが凹地に収容された状態にする工程と、(B)上記スラリーよりも密度が高い置換材を凹地に注入する工程とを含み、(B)工程において、凹地よりも上方に位置する揚泥機構にスラリーを押し上げる。 The method for collecting rare earth mud according to the present invention includes the steps of (A) forming a depression on the seabed by excavating a layer under the seabed containing rare earth mud, and making a slurry containing rare earths contained in the depression; and (B) a step of injecting a replacement material having a higher density than the slurry into the depression, and in the step (B), the slurry is pushed up to a mud lifting mechanism located above the depression.

上記採泥方法によれば、レアアースを含むスラリーよりも密度が高い置換材で当該スラリーを揚泥機構に押し上げるため、大規模な海中機器を使用することなくレアアースを含むスラリーを効率的に採泥できる。なお、本発明でいう「レアアースを含むスラリー」は、流動性を有するレアアース泥、又は少なくともレアアース泥と海水とを含む混合流体を意味する。 According to the above slurry sampling method, the slurry is pushed up to the pumping mechanism using a replacement material that has a higher density than the slurry containing rare earths, so slurry containing rare earths can be efficiently sampled without using large-scale underwater equipment. can. In addition, "slurry containing rare earths" as used in the present invention means rare earth mud having fluidity, or a mixed fluid containing at least rare earth mud and seawater.

本発明に係る環境負荷低減方法は、(A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが凹地に収容された状態にする工程と、(B)上記スラリーよりも密度が高い置換材を凹地に注入する工程とを含み、(B)工程において、凹地よりも上方に位置する揚泥機構にスラリーを押し上げるとともに、(B)工程後、凹地が置換材で埋められた状態を維持することにより凹地内に海水の低酸素領域が形成されることを抑制する。この環境負荷低減方法は、海底下からのレアアース泥の採泥に起因する環境負荷を低減するのに有用である。 The environmental load reduction method according to the present invention includes the steps of: (A) forming a depression on the seabed by excavating a sub-seafloor layer containing rare earth mud, and making a slurry containing rare earths contained in the depression; (B) a step of injecting a replacement material with a higher density than the slurry into the depression; in the (B) step, the slurry is pushed up to a mud pumping mechanism located above the depression, and after the (B) step, By maintaining the depression filled with the replacement material, formation of a low-oxygen region of seawater within the depression is suppressed. This environmental load reduction method is useful for reducing the environmental load caused by collecting rare earth mud from beneath the seabed.

置換材はセメントを含むことが好ましい。セメントの水和反応によって置換材が固化することで、上記(B)工程後(スラリーを置換材に置換後)、凹地が置換材で埋められた状態を安定的且つ十分に長期にわたって維持することができる。置換材がセメントを含む場合、施工性向上の観点から、混和剤を更に含むことが好ましい。置換材は(A)工程の掘削によって生じた泥(例えば、レアアース濃集部を取り除いた後の残土)を含んでもよい。かかる泥を使用することで、廃棄物として処理すべき残土の量を削減できる。 Preferably, the replacement material includes cement. By solidifying the replacement material due to the hydration reaction of cement, after the above step (B) (after replacing the slurry with the replacement material), the state in which the depression is filled with the replacement material can be stably maintained for a sufficiently long period of time. I can do it. When the replacement material contains cement, it is preferable to further contain an admixture from the viewpoint of improving workability. The replacement material may include mud produced by the excavation in step (A) (for example, the remaining soil after removing the rare earth-enriched area). By using such mud, the amount of residual soil that must be disposed of as waste can be reduced.

置換材は、温度20℃及びせん断速度100s-1の条件で測定される粘度が40~500mPa・sであることが好ましい。この粘度が40mPa・s以上であることで、凹地が置換材で埋められた状態を維持しやすい傾向にある。他方、この粘度が500mPa・s以下であることで、置換材を移送する際の圧力損失を小さくできる傾向にある。置換材の大気圧下における密度A(単位:g/cm)とスラリーの大気圧下における密度B(単位:g/cm)が下記不等式で表される条件を満たすことが好ましい。
A-B≧0.03
すなわち、密度Aと密度Bの差が0.03g/cm以上であることで、海底下の凹地内においても、レアアースを含むスラリーの下に置換材が短時間で沈降し、置換材によってスラリーを安定的に押し上げることができる。
The replacement material preferably has a viscosity of 40 to 500 mPa·s measured at a temperature of 20° C. and a shear rate of 100 s −1 . When the viscosity is 40 mPa·s or more, the state in which the depression is filled with the replacement material tends to be easily maintained. On the other hand, when the viscosity is 500 mPa·s or less, pressure loss when transferring the replacement material tends to be reduced. It is preferable that the density A (unit: g/cm 3 ) of the replacement material under atmospheric pressure and the density B (unit: g/cm 3 ) of the slurry under atmospheric pressure satisfy the condition expressed by the following inequality.
A-B≧0.03
In other words, if the difference between density A and density B is 0.03 g/ cm3 or more, the replacement material will settle under the slurry containing rare earths in a short time even in depressions under the seabed, and the replacement material will reduce the slurry. can be pushed up stably.

本発明によれば、深海の海底下の層にも適用可能なレアアース泥の採泥方法が提供される。また、本発明によれば、海底下からのレアアース泥の採泥に起因する環境負荷を低減する方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for collecting rare earth mud that can be applied to layers below the seabed in the deep sea. Further, according to the present invention, a method is provided for reducing the environmental load caused by collecting rare earth mud from below the seabed.

図1は本発明に係るレアアース泥の採泥システムの一実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view schematically showing an embodiment of a rare earth mud collecting system according to the present invention. 図2は海底下の層に集泥管を貫入させている様子を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing how a mud collection pipe is penetrated into the layer below the seabed. 図3は集泥管内のスラリーを揚泥管に移送する様子を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing how the slurry in the mud collecting pipe is transferred to the mud pumping pipe. 図4は揚泥管内のスラリーを循環流によって上方に移送している様子を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing how the slurry in the slurry pumping pipe is transferred upward by the circulation flow. 図5は置換材の置換挙動に関する要素実験で使用した装置を模式的に示す平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing the apparatus used in elemental experiments regarding the replacement behavior of replacement materials.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.

<レアアース泥の回収システム>
図1は本実施形態に係るレアアース泥の回収システムを模式的に示す断面図である。回収システム10は、水深5000mを超える深海の海底下の層Lに賦存するレアアース泥をスラリー状にして回収するためのものである。図1は、攪拌装置3によってレアアース泥の解泥を実施している様子を示したものである。回収システム10は、海底下の層Lに貫入された集泥管1と、攪拌装置3と、集泥管1に接続された揚泥管5(揚泥機構)と、アニュラス部切替機構7とを備える。
<Rare earth mud recovery system>
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a rare earth mud recovery system according to the present embodiment. The recovery system 10 is for recovering rare earth mud existing in a layer L under the seabed in the deep sea exceeding 5000 meters in the form of a slurry. FIG. 1 shows how rare earth mud is desilted by the stirring device 3. The recovery system 10 includes a mud collecting pipe 1 penetrated into the layer L under the seabed, a stirring device 3, a mud lifting pipe 5 (sludge lifting mechanism) connected to the mud collecting pipe 1, and an annulus switching mechanism 7. Equipped with.

集泥管1は、海底近傍のレアアース泥を解泥するためのものである。更に、集泥管1内においてレアアース泥を含むスラリーSが調製される。集泥管1は、円筒部1aと、円筒部1aの上端を閉鎖する上板1bと、上板1bを貫通する開口1cとによって構成されている。図1における集泥管1は、その先端が海底Fから層Lに貫入された状態である。 The mud collecting pipe 1 is for removing rare earth mud near the seabed. Furthermore, a slurry S containing rare earth mud is prepared in the mud collecting pipe 1. The mud collecting pipe 1 includes a cylindrical portion 1a, an upper plate 1b that closes the upper end of the cylindrical portion 1a, and an opening 1c passing through the upper plate 1b. The mud collecting pipe 1 in FIG. 1 has its tip penetrated from the seabed F to the layer L.

攪拌装置3は、海上の船(不図示)から延びているドリルパイプ3aと、ドリルパイプ3aの下端側且つ外側に設けられたブレード3bとによって構成される。ドリルパイプ3aの回転に伴ってブレード3bが回転し且つドリルパイプ3aの上下方向の移動に伴ってブレード3bが上下方向に移動するように構成されている。集泥管1内においてブレード3bが回転しながら下方向に移動することで、層Lに凹地Cが形成されるとともに、レアアース泥が海水と混ざって流動性を有するスラリーSが得られる。 The stirring device 3 includes a drill pipe 3a extending from a ship on the sea (not shown), and a blade 3b provided on the lower end side and outside of the drill pipe 3a. The blade 3b is configured to rotate as the drill pipe 3a rotates, and to move vertically as the drill pipe 3a moves vertically. As the blade 3b rotates and moves downward in the mud collecting pipe 1, a depression C is formed in the layer L, and the rare earth mud is mixed with seawater to obtain a fluid slurry S.

アニュラス部切替機構7は、アニュラス部閉鎖機構7aと、ドリルパイプ閉鎖バルブ7bと、シャッタ機構7cとによって構成される。揚泥管5は、アニュラス部閉鎖機構7aを介して集泥管1の開口1cに接続されている。揚泥管5は、ドリルパイプ3aとともに循環流を生じさせることができる。具体的には、揚泥管5は、ドリルパイプ3aとともに二重管を構成しており、ドリルパイプ3a(内側の管)とアニュラス部5a(ドリルパイプ3aの外面と揚泥管5の内面で画成される領域)とを上板1bよりも上方の位置で連通させることができる(図4参照)。 The annulus switching mechanism 7 includes an annulus closing mechanism 7a, a drill pipe closing valve 7b, and a shutter mechanism 7c. The mud lifting pipe 5 is connected to the opening 1c of the mud collecting pipe 1 via an annulus closing mechanism 7a. The mud pumping pipe 5 can generate a circulating flow together with the drill pipe 3a. Specifically, the mud lifting pipe 5 constitutes a double pipe together with the drill pipe 3a, and the drill pipe 3a (inner pipe) and the annulus portion 5a (the outer surface of the drill pipe 3a and the inner surface of the mud lifting pipe 5) The defined area) can be communicated with each other at a position above the upper plate 1b (see FIG. 4).

アニュラス部閉鎖機構7aは船上から又はROVで操作される。ドリルパイプ3aは、必要に応じてドリルパイプ閉鎖バルブ7bで封鎖される。また、シャッタ機構7cは、ドリルパイプ3aの内側とアニュラス部5aとを必要に応じて連通させる。サブシー制御装置(不図示)はこれらを制御する。また、サブシーアキュムレータ(不図示)はこれらの機構を動作させる動力源である。ドリルパイプ閉鎖バルブ7bは、ドリルパイプ3aにおける揚泥管5の下端に相当する位置に設けられており、これを操作することで揚泥管5が集泥管1と連通しない状態にすることが可能である。シャッタ機構7cは、ドリルパイプ3aにおけるドリルパイプ閉鎖バルブ7bよりも高い位置に設けられており、これを操作することで、ドリルパイプ3aの内部とアニュラス部5aとをその位置で連通させることができる。 The annulus closing mechanism 7a is operated from the ship or by an ROV. The drill pipe 3a is closed with a drill pipe closing valve 7b as required. Further, the shutter mechanism 7c allows communication between the inside of the drill pipe 3a and the annulus portion 5a as necessary. A subsea control device (not shown) controls these. Further, a subsea accumulator (not shown) is a power source for operating these mechanisms. The drill pipe closing valve 7b is provided at a position corresponding to the lower end of the mud lifting pipe 5 in the drill pipe 3a, and by operating this valve, the mud lifting pipe 5 can be brought out of communication with the mud collecting pipe 1. It is possible. The shutter mechanism 7c is provided at a higher position than the drill pipe closing valve 7b in the drill pipe 3a, and by operating the shutter mechanism 7c, the inside of the drill pipe 3a and the annulus portion 5a can be communicated at that position. .

<レアアース泥の回収方法>
図1~図4を参照しながら、回収システム10を使用してレアアース泥を回収する方法について説明する。本実施形態に係るレアアース泥の回収方法は以下の工程を含む。
(a)レアアース泥を含む海底下の層Lに集泥管1を貫入させる工程(図2参照)。
(b)集泥管1内において、レアアース泥を解泥することによってレアアースを含むスラリーSを調製する工程(図1参照)
(c)集泥管1内に置換材Rを注入することによって集泥管1内のスラリーSを揚泥管5内に押し上げる工程(図3参照)
(d)海上の船に向けてスラリーSを揚泥管5で移送する工程(図4参照)
<How to collect rare earth mud>
A method for recovering rare earth mud using the recovery system 10 will be described with reference to FIGS. 1 to 4. The rare earth mud recovery method according to this embodiment includes the following steps.
(a) Step of penetrating the mud collecting pipe 1 into the layer L under the seabed containing rare earth mud (see FIG. 2).
(b) Step of preparing slurry S containing rare earths by desilting rare earth mud in the mud collection pipe 1 (see Figure 1)
(c) Step of pushing up the slurry S in the mud collecting pipe 1 into the mud lifting pipe 5 by injecting the replacement material R into the mud collecting pipe 1 (see FIG. 3)
(d) Process of transferring the slurry S to a ship on the sea using the slurry pump 5 (see Figure 4)

(a)工程は、図2に示すように、海底下の層Lに集泥管1を貫入させる工程である。揚泥管5の先端に集泥管1を取り付けた状態で船上から揚泥管5を降下させ、集泥管1の先端側を海底Fに突き刺す。集泥管1の自重によって層Lに集泥管1が沈み込む。 As shown in FIG. 2, step (a) is a step in which the mud collection pipe 1 is penetrated into the layer L under the seabed. With the mud collection pipe 1 attached to the tip of the mud collection pipe 5, the mud collection pipe 5 is lowered from the ship, and the tip side of the mud collection pipe 1 is pierced into the seabed F. The mud collecting pipe 1 sinks into the layer L due to its own weight.

(b)工程は、レアアース泥をブレード3bで解泥することによって集泥管1内においてスラリーSを調製する工程である(図1参照)。ブレード3bは、例えば、ドリルパイプ3aの先端に取り付けられた状態で揚泥管5内を降下し、集泥管1内に至る。船上からドリルパイプ3aを通じて海水を供給し、ブレード3bの開口部(不図示)から海水を噴出させながら、ブレード3bを回転させるとともに徐々に降下させる。これにより、集泥管1内においてレアアース泥が解きほぐされて細かい粒子状となる。レアアース泥を解泥することで集泥管1内にスラリーSが調製される。船上から供給する海水量を調整することで、スラリーSの濃度を調整することができる。なお、スラリーSの密度などの物性は集泥管1内に配置又は投下されたセンサーで測定することができる。 Step (b) is a step of preparing slurry S in the mud collecting pipe 1 by desilting the rare earth mud with the blade 3b (see FIG. 1). For example, the blade 3b is attached to the tip of the drill pipe 3a and descends inside the mud lifting pipe 5, and reaches the inside of the mud collecting pipe 1. Seawater is supplied from the ship through the drill pipe 3a, and the blade 3b is rotated and gradually lowered while spouting the seawater from the opening (not shown) of the blade 3b. As a result, the rare earth mud is loosened in the mud collecting pipe 1 and becomes fine particles. A slurry S is prepared in the mud collecting pipe 1 by desilting the rare earth mud. The concentration of slurry S can be adjusted by adjusting the amount of seawater supplied from the ship. Note that the physical properties of the slurry S, such as the density, can be measured with a sensor placed or dropped into the slurry pipe 1.

(c)工程は、集泥管1内に置換材Rを注入することによって集泥管1内のスラリーSを揚泥管5内に押し上げる工程である(図3参照)。スラリーSよりも密度が高い置換材Rをドリルパイプ3aを通じて集泥管1内に供給する。これにより、集泥管1内のスラリーSが揚泥管5内に押し上げられる。このプロセスを採泥と称する。 Step (c) is a step in which the slurry S in the mud collecting pipe 1 is pushed up into the mud lifting pipe 5 by injecting the replacement material R into the mud collecting pipe 1 (see FIG. 3). A replacement material R having a higher density than the slurry S is supplied into the mud collection pipe 1 through the drill pipe 3a. As a result, the slurry S in the mud collecting pipe 1 is pushed up into the mud lifting pipe 5. This process is called sludge extraction.

置換材Rについて説明する。置換材Rは、スラリーSよりも高い密度の流体である。置換材Rの大気圧下における密度A(単位:g/cm)とスラリーSの大気圧下における密度B(単位:g/cm)が下記不等式で表される条件を満たすことが好ましい。
A-B≧0.03
すなわち、密度Aと密度Bの差が0.03g/cm以上であることで、海底下の凹地C内においても、スラリーSの下に置換材Rが短時間で沈降し、置換材RによってスラリーSを揚泥管5に向けて安定的に押し上げることができる。密度Aと密度Bの差は、より好ましくは0.05g/cm以上であり、更に好ましくは0.08g/cm以上である。なお、密度Aと密度Bの差の上限値は、例えば、2.0g/cmである。
The replacement material R will be explained. The replacement material R is a fluid with a higher density than the slurry S. It is preferable that the density A (unit: g/cm 3 ) of the replacement material R under atmospheric pressure and the density B (unit: g/cm 3 ) of the slurry S under atmospheric pressure satisfy the condition expressed by the following inequality.
A-B≧0.03
In other words, since the difference between density A and density B is 0.03 g/cm3 or more, the replacement material R settles under the slurry S in a short time even in the depression C under the seabed, and the replacement material R The slurry S can be stably pushed up toward the slurry pumping pipe 5. The difference between density A and density B is more preferably 0.05 g/cm 3 or more, and even more preferably 0.08 g/cm 3 or more. Note that the upper limit of the difference between density A and density B is, for example, 2.0 g/cm 3 .

置換材Rはセメントを含むことが好ましい。セメントの水和反応によって置換材Rが固化することで、上記(c)工程後(スラリーSを置換材Rに置換後)、凹地Cが置換材Rで埋められた状態を安定的且つ十分に長期にわたって維持することができる。セメントの種類としては、例えば、ポルトランドセメントやアルミナセメントを使用でき、経済的であり且つ比較的短期間で硬化する点で早強ポルトランドセメントが好ましい。置換材Rがセメントを含む場合、施工性向上の観点から、混和剤を更に含むことが好ましい。混和剤の種類としては、例えば、増粘剤、分離低減剤、減水剤、AE減水剤、高性能AE減水剤、流動化剤などを使用できる。 It is preferable that the replacement material R contains cement. As the replacement material R solidifies due to the hydration reaction of cement, after the above step (c) (after replacing the slurry S with the replacement material R), the depression C is stably and sufficiently filled with the replacement material R. Can be maintained over a long period of time. As the type of cement, for example, Portland cement or alumina cement can be used, and early-strength Portland cement is preferred because it is economical and hardens in a relatively short period of time. When the replacement material R contains cement, it is preferable to further contain an admixture from the viewpoint of improving workability. Examples of admixtures that can be used include thickeners, separation reducing agents, water reducing agents, AE water reducing agents, high performance AE water reducing agents, and fluidizing agents.

置換材Rは、(a)工程の掘削によって生じた泥(例えば、レアアース濃集部を取り除いた後の残土)を含んでもよい。かかる泥を使用することで、廃棄物として処理すべき残土の量を削減できる。 The replacement material R may include mud produced by the excavation in step (a) (for example, the remaining soil after removing the rare earth-enriched area). By using such mud, the amount of residual soil that must be disposed of as waste can be reduced.

置換材Rは、温度20℃及びせん断速度100s-1の条件で測定される粘度が好ましくは40~500mPa・sであり、より好ましくは80~400mPa・sであり、更に好ましくは100~300mPa・sである。この粘度が40mPa・s以上であることで、凹地Cが置換材で埋められた状態を維持しやすい傾向にある。他方、この粘度が500mPa・s以下であることで、置換材Rを移送する際の圧力損失を小さくできる傾向にある。 The replacement material R preferably has a viscosity of 40 to 500 mPa·s, more preferably 80 to 400 mPa·s, and even more preferably 100 to 300 mPa·s, as measured at a temperature of 20°C and a shear rate of 100 s −1. It is s. When this viscosity is 40 mPa·s or more, the state in which the depression C is filled with the replacement material tends to be easily maintained. On the other hand, when the viscosity is 500 mPa·s or less, the pressure loss when transferring the replacement material R tends to be reduced.

(d)工程は、(c)工程を経て揚泥管5内に移送されたスラリーSを海上の船に向けて移送する工程である(図4参照)。ドリルパイプ3aから海水を供給することで、揚泥管5内に循環流を生じさせることができる(図4中の矢印参照)。このプロセスを揚泥と称する。なお、スラリーSの移送先は海上の船に限らず、例えば、海中又は海上の処理設備等であってもよい。 The step (d) is a step in which the slurry S transferred into the slurry pumping pipe 5 through the step (c) is transferred toward a ship on the sea (see FIG. 4). By supplying seawater from the drill pipe 3a, a circulation flow can be generated in the mud lifting pipe 5 (see the arrow in FIG. 4). This process is called pumping. Note that the destination of the slurry S is not limited to a ship on the sea, but may be, for example, a treatment facility in the sea or on the sea.

上記実施形態によれば、集泥管1内で解泥及びスラリー調製をするため、揚泥に適した濃度のスラリーを安定的に調製することができる。また、(c)工程後、凹地Cが置換材Rで埋められた状態が維持されることにより、凹地C内に海水の低酸素領域が形成されることを抑制できる。海底下からのレアアース泥の採泥に起因する環境負荷を低減することができる。 According to the embodiment described above, since sludge removal and slurry preparation are performed within the sludge collecting pipe 1, slurry having a concentration suitable for sludge removal can be stably prepared. Further, after the step (c), by maintaining the state in which the depression C is filled with the replacement material R, it is possible to suppress the formation of a low-oxygen region of seawater in the depression C. It is possible to reduce the environmental burden caused by extracting rare earth mud from beneath the seabed.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、水深5000mを超える深海の海底下からレアアース泥を採泥する場合を例示したが、これよりも浅い海域(例えば、水深1000~3000m又は3000~5000m)に本発明を適用してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the case where rare earth mud is collected from under the seabed in a deep sea exceeding 5,000 m in depth is illustrated, but the present invention may be applied to shallower sea areas (for example, in a water depth of 1,000 to 3,000 m or 3,000 to 5,000 m). May be applied.

二種類の置換材(海底粘土置換材及び模擬粘土置換材)を調製するため、以下の材料を準備した。
(1)早強ポルトランドセメント(宇部三菱セメント社製)
(2)人工海水(テトラマリンソルト、ジェックス社製)
(3)セルロース系増粘剤(メトローズ3403Q、信越化学社製)
(4)南鳥島沖海底粘土
(5)ベントナイト(クニゲルV1、クニミエ工業社製)
In order to prepare two types of replacement materials (seafloor clay replacement material and simulated clay replacement material), the following materials were prepared.
(1) Early strength Portland cement (manufactured by Ube Mitsubishi Cement Co., Ltd.)
(2) Artificial seawater (tetramarine salt, manufactured by GEX)
(3) Cellulose thickener (Metrose 3403Q, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)
(4) Seabed clay off the coast of Minamitorishima (5) Bentonite (Kunigel V1, manufactured by Kunimier Kogyo Co., Ltd.)

<海底粘土置換材の調製>
上記材料を表1に示す割合で配合し、次のようにして海底粘土置換材を調製した。すなわち、南鳥島沖海底粘土に人工海水を加えてハンドミキサーで2分間撹拌した。その後、セメント及び増粘剤を添加し、再度ハンドミキサーで2分間撹拌して海底粘土置換材を得た。表1におけるセメント及び混和剤の配合率は置換材全質量を基準としたものであり、粘土の含水率はセメント及び混和剤を添加する前の値(水質量/粘土質量)である(表2においても同じ)。
<Preparation of submarine clay replacement material>
The above materials were mixed in the proportions shown in Table 1, and a submarine clay replacement material was prepared as follows. That is, artificial seawater was added to the seabed clay off the coast of Minamitorishima, and the mixture was stirred for 2 minutes using a hand mixer. Thereafter, cement and a thickener were added, and the mixture was again stirred for 2 minutes using a hand mixer to obtain a submarine clay replacement material. The blending ratio of cement and admixtures in Table 1 is based on the total mass of the replacement material, and the water content of clay is the value before adding cement and admixtures (water mass/clay mass) (Table 2 (The same applies to

<模擬粘土置換材の調製>
上記材料を表2に示す割合で配合し、次のようにして模擬粘土置換材を調製した。すなわち、ベントナイトに人工海水を加えてハンドミキサーで2分間撹拌した後、セメント及び増粘剤を添加し、再度ハンドミキサーで2分間撹拌して模擬粘土置換材を得た。
<Preparation of simulated clay replacement material>
The above materials were blended in the proportions shown in Table 2, and a simulated clay replacement material was prepared as follows. That is, after artificial seawater was added to bentonite and stirred for 2 minutes with a hand mixer, cement and a thickener were added, and the mixture was stirred again with a hand mixer for 2 minutes to obtain a simulated clay replacement material.

<置換材の材料特性の測定>
(1)粘度
レオストレスメーター(Anton Paar社製、MCR102)を使用し、温度20℃、せん断速度100s-1における置換材の粘度を測定した。
(2)寸法安定性
300ccカップを人工海水で満たし、そこに300ccの置換材を流し込み、24時間後における置換材の体積を測定した。下記式に測定値を代入して寸法変化率(体積変化率)を算出した。
寸法変化率(%)=[300-(24時間後の置換材の体積)]/300×100
(3)密度
30cc容重マスに擦り切れまで置換材を流し込み、5cmの高さから、4~5回マスから材料が溢れない程度の軽い衝撃を与えて気泡を抜いた後に測定した質量から密度を算出した。
<Measurement of material properties of replacement materials>
(1) Viscosity Using a rheostress meter (manufactured by Anton Paar, MCR102), the viscosity of the replacement material was measured at a temperature of 20° C. and a shear rate of 100 s −1 .
(2) Dimensional stability A 300 cc cup was filled with artificial seawater, 300 cc of replacement material was poured into it, and the volume of the replacement material 24 hours later was measured. The dimensional change rate (volume change rate) was calculated by substituting the measured values into the following formula.
Dimensional change rate (%) = [300 - (volume of replacement material after 24 hours)] / 300 × 100
(3) Density Pour the replacement material into a 30cc capacity mass until it wears out, and apply a light impact from a height of 5cm 4 to 5 times to remove air bubbles, then calculate the density from the measured mass. did.

Figure 0007393751000001
Figure 0007393751000001

Figure 0007393751000002
Figure 0007393751000002

表1及び表2に示す結果から、置換材の寸法変化率を小さくするには置換材の粘度を40mPa・s以上に調整することが有用である。置換材の粘度を40mPa・s以上に調整には以下の少なくとも一つの手法を採用すればよい。
・粘土の含水率を88質量%よりも低くする。
・置換材のセメント量を5質量%以上にする。
・置換材に増粘剤を配合する。
From the results shown in Tables 1 and 2, it is useful to adjust the viscosity of the replacement material to 40 mPa·s or more in order to reduce the dimensional change rate of the replacement material. At least one of the following methods may be employed to adjust the viscosity of the replacement material to 40 mPa·s or more.
- Lower the moisture content of clay to less than 88% by mass.
- Set the amount of cement as the replacement material to 5% by mass or more.
- Add a thickener to the replacement material.

<置換材の置換挙動に関する要素実験>
表3に示す三種類の模擬スラリー(レアアースを含むスラリーを模したもの)を調製した。
<Elemental experiments on replacement behavior of replacement materials>
Three types of simulated slurries (simulating slurries containing rare earths) shown in Table 3 were prepared.

Figure 0007393751000003
Figure 0007393751000003

レアアースを含有するスラリーを模した上記スラリーA~Cが密度差によって置換材に置換されるかを評価する実験を以下のようにして実施した。
(実験装置)
集泥管とドリルパイプを模した以下のサイズの実験装置を準備した(図5参照)。
・二枚の型枠(透明樹脂製)のサイズ:幅60cm、高さ54cm
・二枚の型枠の離間距離:2cm
・模擬集泥管上部の形状:屋根状
・模擬ドリルパイプ:ゴムホース(直径2cm)
An experiment was conducted as follows to evaluate whether the slurries A to C, which imitate slurries containing rare earths, can be replaced by a replacement material due to density differences.
(Experimental device)
We prepared experimental equipment with the following sizes that imitated a mud collection pipe and a drill pipe (see Figure 5).
・Size of two formworks (made of transparent resin): width 60cm, height 54cm
・Distance between two formworks: 2cm
- Shape of the top of the simulated mud collection pipe: roof-like - Simulated drill pipe: rubber hose (diameter 2cm)

(置換材の注入方式)
・トレミー式…模擬集泥管の下部に模擬ドリルパイプを設置したまま置換材を注入する方式。
・自由落下式…模擬集泥管の上部に模擬ドリルパイプを設置したまま置換材を流し込む方式。
(Injection method of replacement material)
・Toremi type: A method in which replacement material is injected while a simulated drill pipe is installed at the bottom of the simulated mud collection pipe.
・Free-fall method: A method in which replacement material is poured into a simulated mud collection pipe while a simulated drill pipe is installed at the top of the pipe.

(模擬スラリーの回収率の評価)
置換材を注入する前の模擬スラリーの写真と、置換材と模擬スラリーの置換が見かけ上停止するまで置換材を注入した時点での模擬スラリーの残部の写真をそれぞれ撮影した。置換材の注入時間は最大で12分間とした。画像解析ソフトImage-Jを使用し、置換材の注入前後の模擬スラリーの面積を求め、その比率から模擬スラリーの回収率を算出した。表4に実験の結果を示す。
(Evaluation of recovery rate of simulated slurry)
A photograph of the simulated slurry before the replacement material was injected and a photograph of the remaining portion of the simulated slurry at the time when the replacement material was injected until the replacement between the replacement material and the simulated slurry apparently stopped were taken. The injection time of the replacement material was 12 minutes at maximum. Using image analysis software Image-J, the area of the simulated slurry before and after injection of the replacement material was determined, and the recovery rate of the simulated slurry was calculated from the ratio. Table 4 shows the results of the experiment.

Figure 0007393751000004
Figure 0007393751000004

1…集泥管、1a…円筒部、1b…上板、1c…開口、3…攪拌装置、3a…ドリルパイプ、3b…ブレード、5…揚泥管(揚泥機構)、5a…アニュラス部、7…アニュラス部切替機構、7a…アニュラス部閉鎖機構、7b…ドリルパイプ閉鎖バルブ、7c…シャッタ機構、10…回収システム、C…凹地、F…海底、L…層 1... Sludge collection pipe, 1a... Cylindrical part, 1b... Upper plate, 1c... Opening, 3... Stirring device, 3a... Drill pipe, 3b... Blade, 5... Sludge lifting pipe (sludge lifting mechanism), 5a... Annulus part, 7... Annulus section switching mechanism, 7a... Annulus section closing mechanism, 7b... Drill pipe closing valve, 7c... Shutter mechanism, 10... Recovery system, C... Depression, F... Seabed, L... Layer

Claims (8)

(A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって前記海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが前記凹地に収容された状態にする工程と、
(B)前記スラリーよりも密度が高い置換材を前記凹地に注入する工程と、
を含み、
前記置換材は、温度20℃及びせん断速度100s -1 の条件で測定される粘度が40~500mPa・sであり、
前記(B)工程において、前記凹地よりも上方に位置する揚泥機構に前記スラリーを押し上げる、レアアース泥の採泥方法。
(A) forming a depression on the seabed by excavating a layer beneath the seabed containing rare earth mud, and causing a slurry containing rare earths to be accommodated in the depression;
(B) injecting a replacement material having a higher density than the slurry into the depression;
including;
The replacement material has a viscosity of 40 to 500 mPa·s measured at a temperature of 20° C. and a shear rate of 100 s −1 ,
A method for collecting rare earth mud, in which the slurry is pushed up to a mud pumping mechanism located above the depression in the step (B).
(A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって前記海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが前記凹地に収容された状態にする工程と、
(B)前記スラリーよりも密度が高い置換材を前記凹地に注入する工程と、
を含み、
前記置換材の大気圧下における密度A(単位:g/cm )と前記スラリーの大気圧下における密度B(単位:g/cm )が下記不等式で表される条件を満たし、
A-B≧0.03
前記(B)工程において、前記凹地よりも上方に位置する揚泥機構に前記スラリーを押し上げる、レアアース泥の採泥方法。
(A) forming a depression on the seabed by excavating a layer beneath the seabed containing rare earth mud, and causing a slurry containing rare earths to be accommodated in the depression;
(B) injecting a replacement material having a higher density than the slurry into the depression;
including;
Density A (unit: g/cm 3 ) of the replacement material under atmospheric pressure and density B (unit: g/cm 3 ) of the slurry under atmospheric pressure satisfy the condition expressed by the following inequality,
A-B≧0.03
A method for collecting rare earth mud, in which the slurry is pushed up to a mud pumping mechanism located above the depression in the step (B).
前記置換材がセメントを含む、請求項1又は2に記載のレアアース泥の採泥方法。 The method for collecting rare earth mud according to claim 1 or 2 , wherein the replacement material contains cement. 前記置換材が混和剤を更に含む、請求項に記載のレアアース泥の採泥方法。 The method for collecting rare earth mud according to claim 3 , wherein the replacement material further includes an admixture. 前記置換材が前記(A)工程の掘削によって生じた泥を含む、請求項1~のいずれか一項に記載のレアアース泥の採泥方法。 The method for collecting rare earth mud according to any one of claims 1 to 4 , wherein the replacement material includes mud produced by excavation in the step (A). (A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって前記海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが前記凹地に収容された状態にする工程と、
(B)前記スラリーよりも密度が高い置換材を前記凹地に注入する工程と、
を含み、
前記置換材は、温度20℃及びせん断速度100s -1 の条件で測定される粘度が40~500mPa・sであり、
前記(B)工程において、前記凹地よりも上方に位置する揚泥機構に前記スラリーを押し上げるとともに、
前記(B)工程後、前記凹地が前記置換材で埋められた状態を維持することにより、前記凹地内に海水の低酸素領域が形成されることを抑制する、環境負荷低減方法。
(A) forming a depression on the seabed by excavating a layer beneath the seabed containing rare earth mud, and causing a slurry containing rare earths to be accommodated in the depression;
(B) injecting a replacement material having a higher density than the slurry into the depression;
including;
The replacement material has a viscosity of 40 to 500 mPa·s measured at a temperature of 20° C. and a shear rate of 100 s −1 ,
In the step (B), the slurry is pushed up to a mud lifting mechanism located above the depression, and
After the step (B), the depression is maintained in a state filled with the replacement material, thereby suppressing the formation of a low-oxygen region of seawater in the depression.
(A)レアアース泥を含む海底下の層を掘削することによって前記海底に凹地を形成するとともに、レアアースを含むスラリーが前記凹地に収容された状態にする工程と、
(B)前記スラリーよりも密度が高い置換材を前記凹地に注入する工程と、
を含み、
前記置換材の大気圧下における密度A(単位:g/cm )と前記スラリーの大気圧下における密度B(単位:g/cm )が下記不等式で表される条件を満たし、
A-B≧0.03
前記(B)工程において、前記凹地よりも上方に位置する揚泥機構に前記スラリーを押し上げるとともに、
前記(B)工程後、前記凹地が前記置換材で埋められた状態を維持することにより、前記凹地内に海水の低酸素領域が形成されることを抑制する、環境負荷低減方法
(A) forming a depression on the seabed by excavating a layer beneath the seabed containing rare earth mud, and causing a slurry containing rare earths to be accommodated in the depression;
(B) injecting a replacement material having a higher density than the slurry into the depression;
including;
Density A (unit: g/cm 3 ) of the replacement material under atmospheric pressure and density B (unit: g/cm 3 ) of the slurry under atmospheric pressure satisfy the condition expressed by the following inequality,
A-B≧0.03
In the step (B), the slurry is pushed up to a mud lifting mechanism located above the depression, and
After the step (B), the depression is maintained in a state filled with the replacement material, thereby suppressing the formation of a low-oxygen region of seawater in the depression.
前記置換材がセメントを含む、請求項6又は7に記載の環境負荷低減方法。 The environmental load reduction method according to claim 6 or 7, wherein the replacement material contains cement.
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