如果提煉對工業有用的稀有金屬時能減量所消耗的大量能源,這將有助於實施去碳。正在挑戰該項課題的是日本量子科學技術研究開發機構(量研機構)與大阪大學的校辦初創企業微波化學(大阪府吹田市)。兩家正在挑戰利用微波爐也使用的微波,在低溫低氣壓下熔化礦石,預定2022年内利用礦石起動驗證實驗。未來計劃與資源巨頭和貿易公司合作,在海外建廠。
利用微波在低溫低氣壓下成功熔化了稀有金屬礦石(圖片由量研機構提供)
從礦石中提取稀有金屬,需要在1000~2000℃的高溫和高壓下進行處理。目前主要在使用化石燃料的大型工廠中提煉。考慮到初期投資、運行成本和二氧化碳排放量等,新建傳統工廠的難度較大。
例如,鋰需要在約1000℃的溫度下熔化。微波化學公司的冢原保德董事表示:「這是一道危險的工序,需要具備一定強度的基礎設施」。在澳大利亞和南美洲等開採的礦石大多要運到有大型工廠的中國進行提煉。
量研機構與微波化學正在開發利用微波從礦石中提取稀有金屬的工廠設備。微波具有直接向特定物質傳遞能量,可從内部有效進行加熱的性質。與燃燒化石燃料加熱相比,消耗的能源少,可以大幅減量CO2的排放量。
目前的目標是提煉鋰和鈹。鋰用於電池電極等,隨着電動車(EV)的普及等,鋰的需求正不斷擧升。鈹有望用於未來的「核融合發電」,但產量少,價格高,提煉技術複雜。
量研機構將這些礦石粉碎成粉末,與鹼性試劑混合,並用微波加熱。由此發現,利用這種方法可在常壓和220℃的溫度下熔化。量研機構的中道勝組長表示:「雖然還需要驗證能否面向商用化擴大規模,但已經不存在需要研發的技術課題了。」
微波化學公司以化學行業爲中心,建設和營運過使用微波的商用工廠。冢原董事幹勁十足地表示:「希望把新技術帶入低科技的礦山開發領域。」
據該公司估算,利用微波在低溫低氣壓下提煉稀有金屬的話,可將工廠的設備投資和運行成本降低70~80%。利用電力驅動的新工廠還容易使用太陽能和水力發電的電力。與使用化石燃料的工廠相比,預計可將CO2排放量削減95%以上。
微波化學將以2028年實施商用化爲目標推進驗證實驗。將來計劃向從事礦山開發的資源巨頭和貿易公司提供關於工廠設計和運行方法等的方案。已經「開始與幾家大型貿易公司就在南美洲的礦山建廠事宜展開討論」(冢原董事)。到2050年前後,全球的各類礦山都有望建設微波工廠。
還在開發回收利用技術
在礦山建設微波工廠的經過與前景展望 | |
2014年 | 微波化學公司採用微波的工廠投入商業運行 |
2021年 | 量子科學技術研究開發機構利用微波成功地在低溫低氣壓下熔化了稀有金屬鈹 |
2022年 | 微波化學與量研機構爲向工廠導入稀有金屬節能提煉技術開始進行聯合研究 |
2028年 | 工廠投入商用,開始提煉鋰 |
2040年前後 | 運行提煉鐵礦石等的工廠 |
2050年前後 | 微波工廠在各種礦山開發現場普及 |
與產量較多的鐵和銅等相比,稀有金屬產量少,開採和提煉成本也很高。而且產地分佈不均,存在供應風險,所以需要有效利用有限的資源。因此從廢棄家電和電子部件中提取稀有金屬進行回收利用的技術也在不斷進步。
量研機構與微波化學開發的微波技術也考慮用於回收利用。以家電廢棄物和金屬廢料爲首,含不易熔化的陶瓷的廢棄物也能透過微波加熱有效熔化,從而提取稀有金屬。
日產汽車與早稻田大學合作,開發了從廢棄的電動車馬達磁鐵中有效回收稀有金屬的方法。用於馬達的稀有金屬可以回收98%,並且時間和成本降至常規方法的一半左右。
日本原子力研究開發機構的初創企業Emulsion Flow Technologies(茨城縣東海村)也在利用可提取溶解在水中的目標成分的獨特技術。預計可等比縮小稀有金屬提取裝置的體積及降低運行成本。
日文:張耀宇、《日經產業新聞》,2022/02/25
中文:JST客觀日本編輯部