先進レア・アースマグネット・リサイクル

現代技術の要であるレアアースは、グリーンエネルギー、電気自動車、風力発電、ハイエンドの電子機器、特にネオジム磁石を中核とする製品に欠かせない。しかし、レアアース採掘の環境コストは高く、高度に集中したサプライチェーンによる地政学的リスクもますます明らかになっている。レアアース磁石の再利用は、生産コストを大幅に削減するだけでなく、環境破壊を緩和し、サプライチェーンの回復力を高め、資源のライフサイクルを延長する。HyProMagのHPMSプロセスのような新技術により、レアアースのリサイクルは、グリーン供給と経済的利益を達成するための主要な道へと変わりつつあります。ネオジム磁石を含む永久磁石、サマリウム・コバルト、およびアルニコ磁石は、重要な希土類元素を含んでいます。

レアアース・リサイクルの戦略

希土類元素は、ランタノイド、スカンジウム、イットリウムを含む化学元素のグループであり、プラセオジムとネオジムは工業用途で特に重要である。天然鉱石中の濃度は通常5%以下である。このため、廃棄された磁石は価値の高い "都市鉱山 "となる。リサイクルは、これらの希土類材料を生産サイクルに再導入し、閉ループの経済システムを構築するプロセスである。一方、ネオジム磁石の製造工程は非常に複雑で、レアアースの抽出と精製を伴います。その製造工程には、鉱石の採掘、化学的分離、合金の調製、磁石の成形が含まれ、これらはエネルギーを大量に消費し、大量の化学試薬を必要とするため、生態系の破壊や資源の汚染につながりやすい。さらに、世界中のレアアースのサプライチェーンの大半は中国にある（同国は生産量の80%以上を占める）。したがって、地政学的環境の変化や貿易制限の影響を受けやすく、供給の中断や価格変動につながる可能性がある。

レアアース磁石のリサイクルは、上記の問題を解決する最も実現可能な方法のひとつである。廃棄された電子機器、使用済み自動車、産業機器からネオジム磁石を取り出すリサイクルにより、新たな採掘への依存を減らし、生産コストを削減し、資源効率を向上させることができます。

希土類磁石リサイクルの課題

レアアース磁石のリサイクルはクリーンエネルギー分野の基礎となっており、環境を緑化し、投入材料が破壊されるリスクを低減し、レアアース材料の寿命を延ばすために大きな能力を発揮している。ネオジム磁石のリサイクルは経済的、生態学的に多くの可能性を秘めていますが、実際の実施にはまだ困難が伴います。

1.低いリサイクル率

世界中でリサイクルされているNdFeB磁石の量は、アルミニウムが50%、銅が40%であるのに対し、わずか1～2%である。なぜこのような差があるのでしょうか？多くの人はこれらの磁石がリサイクルできることを知らず、インフラも不足していることが多い。国連環境計画の推定によると、年間5,000万トンの電子廃棄物にはリサイクル可能なネオジム磁石が最大10万トン含まれていますが、回収されるのは1%以下です。

2.分離における技術的課題

NdFeB磁石は天然鉱石よりも高いレアアース濃度を含んでいますが、廃棄物にはプラスチック、銅、鉄などの材料が混ざっていることが多く、レアアースの含有量が薄められています。例えば、廃棄されたハードディスクドライブに含まれるネオジム磁石は、総重量のわずか1～2%です。このような低濃度のレアアースを抽出するには高度な選別技術が必要ですが、従来の物理的な分離方法では効率が悪く、高純度の回収には苦労しています。湿式冶金法はレアアースを抽出できるが、強酸と大量の水に依存するため、高濃度の廃水が発生する。

NdFeB磁石は通常、腐食を防ぐためにニッケルや亜鉛、エポキシ樹脂などでコーティングされており、リサイクル時にこれらのコーティングを剥がすのは困難です。さらに、多くの磁石は複雑な接着剤で製品に固定されているため、その化学的特性により分離がさらに複雑になります。

3.リサイクルの経済的障壁

一次レアアースの採掘に比べ、ネオジム磁石のリサイクルは初期投資と運用コストが高い。試算によると、1トンのネオジム磁石のリサイクルにはキログラム当たり約$50～70のコストがかかるが、一次レアアースの市場価格はキログラム当たり$30～50である。コストの削減には、技術の進歩と市場の拡大が必要である。リサイクルをより手頃な価格にするために、政府は補助金や炭素クレジットを提供し、企業がより多くのリサイクル工場を建設するよう促すことができる。

4.市場受容性と品質への懸念

再生ネオジム磁石が市場に受け入れられるかどうかは、その品質と性能にかかっている。リサイクル材の中には、不純物やプロセスの制限により、一次材の性能を下回るものもあります。リサイクル磁石が電気自動車モーターのようなハイテク用途に使用されるには、新品と同等の品質が求められます。

希土類磁石のリサイクル技術

直接再利用、湿式冶金、乾式冶金などの伝統的なリサイクル方法がその基礎を築いたが、エネルギー消費量が高く、環境汚染につながるため、普及には限界があった。近年では、バイオリーチング、イオン液体抽出、水素処理などの新興技術がレアアースリサイクルの状況を再構築し、より高効率で二酸化炭素排出量の少ない産業開発を促進している。

1.直接再利用と粉末冶金

直接再利用とは、廃棄されたネオジム磁石を解体し、新しい磁石に再加工することです。これは、形状や特性が要件を満たしている磁石が一般的です。解体後、洗浄、加飾、性能試験を行い、規格に適合すれば、需要の少ない用途にそのまま使用することができます。粉末冶金では、磁石をさらに粉砕して粉末にし、これを焼結して新しい磁石を作ります。この方法は複雑な化学処理を避けることができ、コストは低いが、適用範囲が限定される。

2.湿式冶金酸浸出と溶媒抽出

湿式冶金法は、化学的な溶解と分離によってネオジム磁石から希土類元素を抽出します。廃棄された磁石は、まず酸を用いて液体金属塩に溶解され、その後溶媒抽出によってネオジムやジスプロシウムなどの元素が分離されます。この方法は高い回収率（最大95%）を達成し、複雑な廃棄物にも対応できる。しかし、大量の強酸と有機溶媒を使用するため、汚染度の高い廃水が発生し、回収されるレアアース1トンあたり10～15トンの廃水が発生するという大きな欠点がある。

3.高温処理とプラズマアーク高温処理とプラズマアーク

乾式製錬は、NdFeB磁石を高温製錬（通常1000℃以上）して金属酸化物や合金に分解し、その後電解や化学還元を行って希土類元素を抽出する。プラズマアーク技術は、高温プラズマ（>6000℃）を使用して磁石を急速に分解することで効率を高め、コーティングや接着剤を含む複雑な廃棄物の処理に適している。しかし、乾式冶金は非常にエネルギー集約的で、炭素排出量は湿式冶金の約1.5倍であり、高温によりレアアースが揮発する可能性があるため、回収率はわずか70～85%にとどまる。

4.バイオリーチング：微生物による抽出

バイオリーチングは、廃磁石からレアアースを抽出するために好酸性微生物を利用する。微生物は代謝によって有機酸を生成し、レアアースを溶解して分離可能な化合物にする。この方法は環境に優しく、廃水汚染は水力冶金よりはるかに少なく、エネルギー消費は従来の方法の約3分の1である。

5.イオン液体抽出

イオン液体（IL）は低揮発性でリサイクル可能なグリーン溶剤であり、従来の湿式冶金において有機溶媒の代わりに使用されている。希土類元素を選択的に溶解し、高純度分離を実現します。例えば、イミダゾリウムベースのイオン液体は、ネオジムとジスプロシウムに対して最大98%の抽出効率を達成し、廃水発生量は70%減少します。

6.磁石スクラップの水素処理(HPMS)

HyProMagの磁石スクラップの水素処理(HPMS)技術は、常圧の水素を使用してネオジム磁石を分解し、高純度のネオジム粉末にします。このプロセスは高温や強酸を必要とせず、炭素排出量は湿式冶金より70%低く、回収率は90%以上です。得られた粉末は新しい磁石の焼結に直接使用でき、バージン磁石との性能差は5%以下です。

7.超臨界CO2と電気化学的方法

超臨界二酸化炭素（SC-CO2）は、その高い浸透性と溶解性を活用し、有機リガンドと組み合わせてレアアースを抽出します。高圧と中温で作動するこの方法は、廃水の発生を最小限に抑え、85～90%の回収率を達成します。電気化学的方法は、電気分解によって溶液中の希土類元素を選択的に析出させ、酸性廃水を回避します。

8.銅塩法

銅塩法は、NdFeB磁石を銅塩溶液と反応させ、希土類元素を優先的に溶解させ、分離可能な化合物を形成する。この方法は高い回収率(>95%)と、水力冶金より 50% 低いカーボンフットプリントを提供する。日本の東北大学の研究によると、簡単に中和された廃水でコーティング磁石を効果的に処理できることが示されている。しかし、廃棄物の正確な事前選別が必要であり、銅塩リサイクルはコスト削減のためにさらなる最適化が必要である。

要約：レアアース・リサイクルの長期的価値

レアアースの採掘は、巨大な掘削機で地球の「皮」を剥ぐようなもので、水質汚染、土壌劣化、大量の炭素排出という「傷跡」を残す。レアアースの採掘地では、年間数百万トンの有毒な鉱滓が発生し、河川や農地を汚染している。磁石1トンをリサイクルすれば、約12トンの採鉱と15トンの廃水排出を削減できる。この技術は地球へのダメージを最小限に抑える。

EUのレアアース・シリエンス・プロジェクトは、2030年までに欧州のレアアース需要の15～20%をリサイクルで満たすことができると推定しており、米国のReCycleプロジェクトは、2027年までにネオジムの自給率10%を達成することを目指している。リサイクルされた磁石は採掘されたものより20～30%安く、レアアースのリサイクルは循環経済の中核をなす柱であり、持続可能性のための長期的解決策となっている。EUのCritical Raw Materials Actは、2030年までにレアアース需要の15%をリサイクルで賄うことを義務付けており、中国のCircular Economy Development Planもレアアース・リサイクルの産業化を進めている。消費者の意識の高まりは、リサイクルに対する市場の需要を生み出しており、長期的には、レアアースのリサイクルは、ネットゼロ排出目標をサポートするだけでなく、資源の効率的な利用を通じて持続可能な経済成長を促進します。

Ethan Huang

私は磁石に関するポピュラー・サイエンスの執筆に専念している。私の記事は主に、磁石の原理、応用、業界の逸話に焦点を当てています。読者の皆様に価値ある情報を提供し、磁石の魅力や意義をより深く理解していただくことが目標です。同時に、磁石にまつわる皆さんのご意見もお待ちしています。磁石の無限の可能性を一緒に探っていきましょう！

すべての投稿