クエン酸を利用して石炭灰からレアアースを取り出す

クエン酸を利用して石炭灰からレアアースを取り出す 化学

サンディアの特許で、石炭灰からレアアースを取り出し、携帯電話やパソコンに利用可能に

無害な食品用溶剤を使って、石炭灰からレアアースを抽出し、環境を破壊することなく灰の量を減らし、同時に重要な国家資源を増やすことができました。

石炭灰は、石炭火力発電の際に発生する廃棄物ですが、広く存在しています。

レアアースは、スマートフォンから潜水艦まで、さまざまなハイテク機器に使用されています。

二酸化炭素、水、食品用のクエン酸を使ったこの分離方法は、サンディアの特許申請の対象となっています。

サンディアの主任研究員であるGuangping Xu氏は、「この技術は、環境に無害な方法でレアアースを回収するだけでなく、アメリカに点在する石炭廃棄物の毒性を低減することで、実際に環境を改善することができます。石炭灰からレアアースを無害に抽出することで、コンピュータチップやスマートフォン、そして戦闘機や潜水艦などのハイテク製品に欠かせない材料を国策として提供できるだけでなく、石炭灰をよりクリーンで毒性の低いものにすることで、コンクリートの充填材や農業用の表土として直接再利用できるようになるのです。」と述べています。

この方法が広く採用されれば、現在は環境問題のお荷物となっている石炭灰を、商業的に利用可能な製品にすることができると、Xu氏は述べています。

環境にやさしいレアアースの採掘方法

鉱山で化学分離剤として使用される最も一般的な酸である硝酸、硫酸、ホスホン酸も、石炭灰からレアアースを抽出することができますが、大量の酸廃棄物を発生させ、環境を以前よりも悪化させてしまいます。

「環境に有害な酸は、米国では経済的に実現できないほど浄化コストを引き上げてしまいます。」とXu氏は言う。

サンディア社のプロセスは、クエン酸をレアアースの担体1吸着や触媒活性を示し、他の物質を固定する土台となる物質のこと。として使用し、レアアースを母材2主要材料である石炭灰から分離するというもので、これをXu氏が実現しました。

サンディアのプロセスは、クエン酸を担体として使用し、レアアースを石炭灰から分離させるもので、超臨界二酸化炭素溶媒を使用することで抽出プロセスを容易にしています。

サンディアの同僚であるYongliang Xiong氏は、金属を溶液中に保持するために一般的に使用されている、環境に優しい化学物質であるクエン酸を提案しました。

その結果、温度70℃、圧力1,100ポンド/平方インチ(通常の大気圧の約70倍)の条件で、1日足らずで石炭廃棄物に含まれるレアアースの42%を抽出することに成功しました。

世界のレアアース資源の95%が存在する中国の鉱山では、環境に負荷をかける方法で効率の悪い分離を行っているといいます。

「理論的には、アメリカの企業がこの技術を使って石炭や石炭の副産物からレアアースを採掘し、中国の鉱山に対抗することができます。」とXu氏は言います。

さらに、「米国の国家安全保障上、外国からの供給に翻弄されないために、レアアースの代替供給源を持つことは、おそらく合理的です。」と付け加えます。

石炭灰を無害化して再利用するだけでも、努力する価値はあるはずだといいます。

石炭灰は原料として不足しているわけではありません。

学術誌『Environmental Science and Technology』に2016年末に掲載された論文によると、「年間約1億1,500万トンの石炭燃焼生成物が発生しており、この合計には4,500万トンのフライアッシュ(石炭灰)3石炭を燃焼する際に生じる灰の一種が含まれている。」とのことです。

これらの数字は現在も関心の対象となっていると、Xu氏は言います。

「もし石炭灰を無害化して再利用しなければ、石炭灰はその場に放置され、長期的には浄化に何十億ドルもかかることになります。その可能性を低くするために、近い将来、我々の抽出技術をより大量に、さまざまな石炭を使ってテストすることを期待しています。」

炭素封じ込めも可能に

サンディアの同僚であるMark Rigali氏は、クエン酸と超臨界二酸化炭素を使って、金属が豊富に含まれている石油やシェールガスから金属を採掘する方法をXu氏と一緒に研究しているといいます。

「クエン酸と超臨界二酸化炭素を使えば、既存の石油・ガス破砕井戸を利用して、二酸化炭素を地中に廃棄しながら、コスト効率よく金属を採掘することができます。二酸化炭素を地下に貯蔵することで、大気中に二酸化炭素が放出されて気候変動の原因になるのを防ぐことができます。」とRigali氏は言います。