リサイクルレア

こちらは古いコンピューターの電子部品です。 これらの部品のレアアース金属をリサイクルすることは、これらの価値の高い材料の需要を満たすのに役立つ可能性があります。

アダム・スミギエルスキー/iStock/Getty Images Plus

エリン・ウェイマン著

2023 年 5 月 4 日午前 6 時 30 分

現代の私たちの生活は、レアアースとして知られる金属に依存しています。 残念ながら、これらの要素は非常に広く使用され人気があるため、近い将来、社会のニーズを満たすのに十分な要素が不足する可能性があります。

これら 17 種類の金属は、その特殊な特性により、高性能のコンピュータ画面、携帯電話、その他の電子機器にとって不可欠なものとなっています。 電球形蛍光灯に使用されています。 医療用画像機器、レーザー、高出力磁石、光ファイバー、色素も同様です。 充電可能な電気自動車のバッテリーにも使われています。 これらの要素は、気候に優しい低炭素またはゼロ炭素の未来への入り口でもあります。

2021 年、世界では 28 万トンのレアアースが採掘されました。 これは1950年代半ばのおよそ32倍に相当する。 専門家は、2040 年までに、現在使用している量の最大 7 倍が必要になると推定しています。

レアアースが行う仕事のほとんどに代わるものはありません。 したがって、これらの金属に対する私たちの食欲を満たすのは簡単ではありません。 それらは豊富な鉱床では見つかりません。 そのため、鉱山労働者はそれらを入手するために膨大な量の鉱石を掘削する必要があります。 その場合、企業は物理的プロセスと化学的プロセスを組み合わせて金属を濃縮し、分離する必要があります。

これらのプロセスでは多くのエネルギーが消費されます。 彼らはまた汚れており、有毒な化学物質を使用しています。 もう一つの懸念は、これらの金属が採掘され、加工される場所はほぼ中国だけであるということだ。 たとえば現在、米国全土で稼働中のレアアース鉱山は 1 つだけです。

これらすべてが、研究者がこれらの金属のリサイクルに注目している理由を説明しています。 リサイクルは「非常に重要かつ中心的な役割を果たすことになる」とイケンナ・ヌレベディム氏は言う。 彼はエネルギー省臨界材料研究所の材料科学者です。 (アイオワ州のエイムズ国立研究所が運営しています。)

ヌレベディム氏によれば、10年以内にリサイクルによってレアアースの需要の最大4分の1が満たされる可能性があるという。 もし本当なら、それは「巨大」になるだろうと彼は言う。

米国やヨーロッパでは、鉄鋼などの高用途金属の 15 ～ 70 パーセントをリサイクルするのが標準です。 しかし、現在、古い製品に含まれるレアアースの約 1% だけがリサイクルされているとサイモン ジョウィット氏は指摘します。 地質学者である彼は、ネバダ大学ラスベガス校で働いています。

「銅線は、より多くの銅線にリサイクルできます。鋼は、より多くの鋼にリサイクルできるだけです」と彼は言います。 しかし、レアアース製品の多くは「あまりリサイクル可能ではない」。

なぜ？ 多くの場合、それらは他の金属と混合されています。 それらを再度分離するのは非常に難しい場合があります。 ある意味、廃棄物からレアアースをリサイクルすることは、鉱石からレアアースを抽出して処理するのと同じくらい難しいことです。

レアアースのリサイクルでは、塩酸などの有害な化学物質が使用される傾向があります。 また、大量の熱、つまり大量のエネルギーを消費します。 そして、その努力で回収できる金属はごくわずかである可能性があります。 たとえば、コンピューターのハードディスク ドライブには、わずか数グラム (1 オンス未満) の希土類金属が含まれている可能性があります。 製品によっては、その量がわずか 1,000 分の 1 になる場合もあります。

しかし科学者たちは、これらの金属をさらに採掘する必要性を減らすために、より良いリサイクル手法を開発しようとしている。

1 つのアプローチは微生物を動員します。 グルコノバクター細菌は自然に有機酸を生成します。 これらの酸は、使用済みの触媒や蛍光灯を光らせる蛍光体から、ランタンやセリウムなどのレアアースを引き出すことができます。 藤田淑子氏によると、バクテリアの酸は他の金属浸出酸に比べて環境への害が少ないという。 彼女はアイダホフォールズのアイダホ国立研究所の生物地球化学者です。

実験では、これらの細菌の酸は、触媒や蛍光体からレアアースの約 4 分の 1 から半分しか回収しません。 これは、場合によっては最大 99 パーセントまで抽出できる塩酸ほど優れたものではありません。 しかし、生物ベースのアプローチにはまだ努力の価値があるかもしれない、とフジタと彼女のチームは報告している。

他のバクテリアもレアアースの抽出に役立ちます。 数年前、研究者らは、一部の微生物がレアアースを捕捉できるタンパク質を生成していることを発見しました。 このタンパク質は、多くの磁石で使用されているジスプロシウムからネオジムを分離するなど、レアアースを互いに分離することができます。 このようなシステムでは、多くの有毒な溶媒の必要性を回避できる可能性があります。 そして、このプロセスで残った廃棄物は生分解されます。

別の新しい技術では、酸ではなく銅塩を使用して、廃棄された磁石からレアアースを取り出します。 ネオジム鉄ボロン (NIB) 磁石は、レアアースの最大のユーザーです。 レアアースは、重量でこれらの磁石のほぼ 3 分の 1 を占めます。 7 年以内に、米国のハードディスク ドライブの NIB 磁石からネオジムをリサイクルすることで、この金属に対する世界の需要の約 5% (中国を除く) を満たすことができます。

ヌレベディム氏は、細断された電子機器の磁石から銅塩を使用してレアアースを浸出させる技術を開発したチームを率いました。 このプロセスは磁石の製造時に発生する残り物にも使用されています。 そこではレアアースの90～98パーセントを回収できる可能性がある。 抽出された金属は新しい磁石を作るのに十分な純度であることをヌレベディム氏のチームは示した。 彼らのプロセスは気候にも良い可能性があります。 中国でレアアースが採掘および加工される主な方法の 1 つと比較して、銅塩法は二酸化炭素排出量の半分以下です。

TdVib というアイオワ州の企業は、この銅塩プロセスを使用するためのパイロット プラントを建設したところです。 月産２トンの希土類酸化物を生産することを目標としている。 データセンターからの古いハードディスクドライブからレアアースをリサイクルします。

Noveon Magnetics は、テキサス州サンマルコスにある会社です。 同社はすでにリサイクルNIB磁石を製造している。 廃棄された磁石を消磁および洗浄した後、金属を粉砕して粉末にします。 その粉末は新しい磁石を作るために使用されます。 ここでは、最初にレアアースを抽出して分離する必要はありません。 最終製品は 99% 以上がリサイクルされた磁石になります。

NIB磁石を製造する通常の方法と比較して、この方法ではエネルギー使用量が約90パーセント削減されると研究者らは2016年の論文で報告した。 ノベオンはまた、温室効果ガスである二酸化炭素の排出量が約半分にとどまると推定している。

多くの地域社会では、リサイクルのために金属、紙、ガラスを収集するプログラムを行っています。 アイダホ国立研究所のフジタ氏によると、レアアースを含む廃棄製品を回収するためのそのようなものは存在しないという。 レアアースのリサイクルを始める前に、貴重な金属を含むビットを入手する必要があります。

Appleは一部の電子機器をリサイクルする取り組みを開始した。 同社のデイジーロボットはiPhoneを解体できる。 そして昨年、アップルはレアアースのリサイクルを支援する一対のロボット、タズとデイブを発表した。 Taz は、電子機器を細断する際に通常失われる磁石を含むモジュールを収集できます。 デイブはiPhoneの別の部分から磁石を回収することができます。

それでも、企業がリサイクルを容易にする方法で製品を設計するだけなら、ずっと楽になるだろうと藤田氏は言う。

しかし、リサイクルがどれほど改善されたとしても、採掘活動を強化する必要性を回避することはできないとジョウィット氏は考えています。 社会のレアアースに対する渇望はあまりにも大きく、さらに増大しています。 ただし、リサイクルが必要であるという点には同氏も同意する。 「ただ埋め立て地に捨てるのではなく、できる限りのものを取り出す努力をしたほうがよいのです」と彼は言う。

細菌：（形容詞。細菌性の ) 単細胞生物。 これらは、海の底から他の生物（植物や動物など）の内部に至るまで、地球上のほぼどこにでも生息しています。 細菌は、地球上の生命の 3 つの領域の 1 つです。

生分解性 : 微生物の活動に基づいて、より単純な物質に分解できるものを表す形容詞。 これは通常、水、日光、またはそれらの生物の育成に役立つその他の条件の存在下で発生します。

生物地球化学者 : 生態系の生物種と非生物面 (岩石、土壌、水など) の間で純粋な元素または化合物 (鉱物を含む) を循環させる (または最終的には堆積させる) プロセスを研究する人。 この研究分野は生物地球化学として知られています。

二酸化炭素 : (または CO2) すべての動物が吸入した酸素が、食べた炭素が豊富な食物と反応するときに生成する無色無臭のガス。 二酸化炭素は、有機物（石油やガスなどの化石燃料を含む）が燃焼するときにも放出されます。 二酸化炭素は温室効果ガスとして作用し、地球の大気中に熱を閉じ込めます。 植物は光合成中に二酸化炭素を酸素に変換します。このプロセスは、自らの食物を作るために使用されます。

カーボンフットプリント : さまざまな製品またはプロセスの地球温暖化係数を測定するための一般的な用語。 二酸化炭素排出量は、単位時間当たりまたは製品の量当たりに何かが放出する温室効果ガス (通常は二酸化炭素) の量に変換されます。

触媒 : (v. 触媒) 化学反応の進行を促進する物質。 例としては、酵素や、白金やイリジウムなどの元素が挙げられます。

気候: 一般に、1 つの地域に、または長期間にわたって通常存在する気象条件。

同僚 : 他の人と一緒に働く人。 同僚やチームメンバー。

データセンター : サーバー、ルーター、スイッチ、ファイアウォールなどのコンピューティング ハードウェアを保持する施設。 また、空調やバックアップ電源など、そのハードウェアをサポートする機器も収容されます。 このようなセンターの規模は、部屋の一部から 1 つ以上の専用の建物まで多岐にわたります。 これらのセンターには、クラウド コンピューティングを可能にする「クラウド」を作成するために必要なものを収容できます。

開発する: 自然に、または製造などの人間の介入を通じて、出現する、または生み出されること。

エレクトロニクス: 電気によって駆動されるが、その特性が電荷の移動を制御またはゲートする半導体またはその他の回路によって制御されるデバイス。

要素 : より大きな構造物の構成要素。 (化学において) 100 以上の物質のそれぞれの最小単位は 1 つの原子です。 例としては、水素、酸素、炭素、リチウム、ウランなどが挙げられます。

発掘する : (名詞: 発掘) 土または岩 (恐竜の骨など) から何かを掘ること。 何かの内部を取り除いて、その中に穴（空洞）を開けること。

抽出する : (v.) 複雑な混合物から 1 つの化学物質 (または何かの成分) を分離すること。 (名詞) 何らかの原材料から除去された、多くの場合濃縮された形の物質。 抽出物は多くの場合、植物 (スペアミントやラベンダーなど)、花やつぼみ (バラやクローブなど)、果物 (レモンやオレンジなど)、種子やナッツ (アーモンドやピスタチオなど) から採取されます。 このような抽出物は、料理に使用されることもありますが、多くの場合、非常に強い香りや風味を持っています。

光ファイバー: 主に通信用に、光信号を伝送するために、薄くて柔軟なガラス繊維 (光ファイバーとして知られている) またはその他の透明な固体を使用すること。

蛍光 : (v. fluoresce) 光を吸収および再放射できるものを表す形容詞。 その再放射された光は蛍光として知られています。

温室効果ガス : 熱を吸収して温室効果に寄与するガス。 二酸化炭素は温室効果ガスの一例です。

浸出する: (地質学および化学において) 水 (多くの場合雨の形) が、岩石などの固体、または砂、土、骨、ゴミ、灰から可溶性鉱物やその他の化学物質を除去するプロセス。

磁石: 通常は鉄を含み、その原子が特定の金属を引きつけるように配置されている物質。

材料科学者 : 材料の原子および分子構造がその全体的な特性にどのように関連しているかを研究する研究者。 材料科学者は、新しい材料を設計したり、既存の材料を分析したりできます。 材料の全体的な特性 (密度、強度、融点など) を分析することは、エンジニアや他の研究者が新しい用途に最適な材料を選択するのに役立ちます。

金属: 電気をよく通し、光沢があり (反射性があり)、可鍛性がある (つまり、あまり力や圧力をかけずに熱で形を変えることができる) もの。

微生物 ：微生物の略。 肉眼では見ることができないほど小さい生物で、細菌、一部の菌類、アメーバなどの他の多くの生物が含まれます。 ほとんどは単一の細胞で構成されています。

顕微鏡的な : 肉眼では見えないほど小さいものを表す形容詞。 細菌やその他の単細胞生物など、これほど小さな物体を観察するには顕微鏡が必要です。

モジュール : より複雑な構造を組み立てるために使用される、標準化された部品または独立したユニットのセット。 このモジュールは、「プレハブ」住宅や家具、さらには宇宙船の作成にも使用できる可能性があります。

ネオジム : 純粋な状態では柔らかい銀色の金属として現れる化学元素。 これは一部の鉱物に含まれており、水や風によって長距離を運ばれる鉱物粒子の供給源を追跡するために使用できます。 その科学記号はNdです。

光学: 視覚、または見えるものと関係があります。

鉱石: 新たな用途のために抽出できる金属を含む自然に形成された岩石または鉱物。

オーガニック : (化学において) 何かが炭素を含んでいることを示す形容詞。 生物を構成する基本的な化学物質に関連する用語でもあります。 （農業において）殺虫剤などの非天然の潜在的に有毒な化学物質を使用せずに栽培された農産物。

酸化物 : 1 つ以上の元素と酸素が結合して作られる化合物。 錆は酸化物です。 水も同様です。

蛍光体 : 電子によって励起されると光る合成化学物質。 通常、LED、蛍光灯、陰極線管をコーティングして希望の色の光を生成するために（多くの場合他のものと組み合わせて）使用されます。

物理的な : (形容詞) 記憶や想像の中ではなく、現実の世界に存在するものを表す用語。 また、サイズや非化学的相互作用 (あるブロックが別のブロックに力で衝突したときなど) に起因する材料の特性を指すこともあります。

顔料 : 肌の自然な色のような、物体から反射した光や物体を透過した光を変化させるマテリアル。 顔料の全体的な色は通常、可視光のどの波長を吸収し、どの波長を反射するかによって決まります。 たとえば、赤色の顔料は赤色の波長の光をよく反射する傾向があり、通常は他の色を吸収します。 顔料は、メーカーが塗料に色を付けるために使用する化学物質の用語でもあります。

タンパク質 : 1 つ以上のアミノ酸の長鎖から作られる化合物。 タンパク質はすべての生物にとって不可欠な部分です。 それらは生きた細胞、筋肉、組織の基礎を形成します。 彼らは細胞の内部でも働きます。 抗体、ヘモグロビン、酵素はすべてタンパク質の例です。 薬は多くの場合、タンパク質に吸着することで作用します。

放射性の : ウランやプルトニウムの特定の形態 (同位体) など、不安定な元素を表す形容詞。 このような元素は、原子核が光子や 1 つ以上の素粒子によって運び去られるエネルギーを放出するため、不安定であると言われています。 このエネルギーの放出は、放射性崩壊として知られるプロセスによるものです。

レアアース: (地球科学において) これらは、柔らかく、曲げやすく、化学的に反応しやすい金属元素のグループです。

リサイクルする: 廃棄されたり廃棄物として扱われたりする可能性のある何か、または何かの一部の新しい用途を見つけること。

塩 : 酸と塩基を結合させることによって作られる化合物 (この反応では水も生成されます)。 海にはさまざまな塩が含まれており、総称して「海塩」と呼ばれます。 一般的な食塩はナトリウムと塩素からできています。

溶媒: 他の物質を溶液に溶解するために使用される物質 (通常は液体)。

システム : 何らかの機能を達成するために連携する部品のネットワーク。 たとえば、血液、血管、心臓は人体の循環系の主要な構成要素です。 同様に、電車、プラットホーム、線路、道路信号機、高架は、国の鉄道システムの潜在的な構成要素の 1 つです。 システムは、タスクを完了するためのメソッドや順序付けされた一連の手順の一部であるプロセスやアイデアにも適用できます。

有毒 : 有毒であるか、細胞、組織、または生物全体を傷つけたり殺したりする可能性があります。 このような毒物によってもたらされるリスクの尺度は、その毒性です。

日記: Y.藤田、SKマッコール、D.ジノサール。 レアアースのリサイクル: 展望と最近の進歩。 MRS 速報。 Vol. 47、2022 年 3 月、p. 283. 土井: 10.1557/s43577-022-00301-w。

日記: SMジョウィット。 レアアース元素の鉱物経済学。 MRS 速報。 Vol. 47、2022 年 3 月、p. 276. 土井: 10.1557/s43577-022-00289-3。

日記: NAチョードリーら。 NdFeB 磁石の切り粉からの希土類元素の持続可能なリサイクル: 技術経済と環境の観点。 ACS 持続可能な化学とエンジニアリング。 2021 年 11 月 17 日にオンラインで公開。doi.org: 10.1021/acssuschemeng.1c05965。

日記: H.ジンら。 農業廃棄物を使用した産業廃棄物からのレアアース元素のバイオリーチング。 ACS 持続可能な化学とエンジニアリング。 2019 年 8 月 20 日にオンラインで公開。doi: 10.1021/acssuschemeng.9b02584。

日記: H.ジンら。 NdFeB 磁石のライフサイクル評価の比較: バージン生産と磁石から磁石へのリサイクル。 プロセディアCIRP。 2016 年 7 月 27 日にオンライン公開。doi: 10.1016/j.procir.2016.03.013。

日記: M.ザコトニクら。 Nd-Fe-B磁石から磁石リサイクルまでのエネルギー使用量の分析。 環境技術とイノベーション。 Vol. 2016 年 4 月 5 日、p. 117. 土井: 10.1016/j.eti.2016.01.002。

エリン・ウェイマンはサイエンス・ニュース誌の編集長です。 彼女はカリフォルニア大学デービス校で生物人類学の修士号を取得し、ジョンズ・ホプキンス大学でサイエンスライティングの修士号を取得しています。

この記事には教育者向けの無料リソースが用意されています。 アクセスするには登録してください:

すでに登録？ 上にメールアドレスを入力してください。

可読性スコア: 8