レアメタルリサイクル技術

液晶パネルや半導体などの電子部品から、工作機械の工具、電気自動車用のモーターに至るまで、レアメタル(希少金属)は幅広い分野の産業に不可欠の材料です。ただ、希少であると同時に資源の産出地域や抽出技術の所在は偏っており、各国の消費量が拡大するなか、安定供給の維持が重要な課題となっています。その課題解決の一翼を担うと期待されるレアメタルリサイクル技術について、事例を交えながら、最近の動向と課題を紹介します。

※掲載内容は2016年3月時点の情報に基づいております。
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1. レアメタルとは

1.1 レアメタルの定義

希少金属とも呼ばれるレアメタルですが、実は国際的に共通に用いられている明確な定義はありません。

元々は、鉄、銅、鉛、亜鉛、アルミニウムなど広く利用されている金属を指すベースメタル(汎用金属)と対比させる意味で使われてきた用語です。単に埋蔵量や存在量が少ないだけでなく、資源的に多く存在していながらも抽出技術等の観点から産業素材としての利用が難しい金属も、レアメタルに分類されます。

明確な定義がないため、国や地域によってレアメタルに分類される元素の数や種類は違っています。

日本では、経済産業省鉱業審議会レアメタル総合対策特別小委員会が、「地球上の存在量が稀であるか、技術的・経済的な理由で抽出が困難な鉱種のうち、現に工業需要が存在する(また今後見込まれる)ため、安定供給の確保が政策的に重要なタングステン、コバルト、ニッケルやレアアース(希土類の17元素を総括して1鉱種としてカウント)などの31鉱種をレアメタルと定義する」としています。

図1 レアメタル31鉱種の定義
出典:経済産業省非鉄金属課/同・鉱物資源課「レアメタル・レアアース(リサイクル優先5鉱種)の現状 2014年5月」(p.1)
http://www.meti.go.jp/policy/recycle/main/admin_info/committee/o/26/hairi26_04.pdf

1.2 レアメタルの用途

レアメタルを利用した高性能の電子部品は幅広い産業分野で使われ、高機能・高品質の製品を産み出して日本経済を支え、省エネルギーや環境保全にも大きく貢献しています。

たとえば、インジウム(In)は液晶パネルの透明電極を作るうえで不可欠の元素です。小型の電子機器の登場には超小型のチップコンデンサが不可欠で、そこにはタンタル(Ta)が使われています。リチウム(Li)も小型軽量で大容量の二次電池を実現させました。これらがなければ、スマートフォンもドローン(マルチコプター)も登場しませんでした。

ニオブ(Nb)は、極低温で使われるリニアモーターカーの超電導磁石や、超高熱にさらされるロケット・衛星のエンジンノズルの合金に使われますし、そうした機械の加工に使われる超硬工具にはタングステン(W)やコバルト(Co)の合金が使われています。

ガリウム(Ga)はLEDやパワートランジスタの高性能化を通じてエネルギー変換効率や利用効率の向上をもたらしました。白金(Pt)は排ガス触媒や燃料電池の水素製造用触媒に不可欠の元素であり、ネオジム(Nd)やジスプロシウム(Dy)はハイブリッド車や電気自動車に使われる高性能モーター用の強力な永久磁石を作る上で欠かせない元素です。

図2 身近に使用されている鉱物資源の事例:自動車(上)およびレアメタルの重要性(下)
出典:経済産業省非鉄金属課/同・鉱物資源課「レアメタル・レアアース(リサイクル優先5鉱種)の現状 2014年5月」(p.2, p.3)
http://www.meti.go.jp/policy/recycle/main/admin_info/committee/o/26/hairi26_04.pdf

2. レアメタル確保の取り組み

2.1 レアメタルの供給リスク

元素ごとに特性は異なりますが、経済的・社会的な側面からみるとレアメタルは、下記のような特徴のいくつかを有しています。

  • 資源分布が地域的に偏在している。
  • 産業上のさまざまな用途に少量ずつ用いられる。
  • 発見が比較的新しく、分離・精製が困難でコスト高のため、生産量が少ない。
  • 他の非鉄金属の副産物・共産物として産出される。
  • 価格が不安定である。
  • 固有の性質に基づき利用されるため、代替物・代用品の開発が困難である。

レアメタルは他の鉱物の副産物として産出される場合がほとんどです。亜鉛や銀を産出していた日本の豊羽鉱山(北海道)は、世界最大規模のインジウム鉱山でもありましたが、2006年に鉱山全体が採掘を停止したことでインジウムの供給も止まってしまいました。レアメタルの供給は、主産物の供給に左右されるため、鉱山があるからといって安定的に得られるとは限りません。

価格が安定しないことも問題の一つです。近年の鉱物資源をめぐる市場動向をみると、当初は先進諸国はもとより経済発展が著しいBRICS(ブラジル、ロシア、インド、中国、南アフリカ)などでの消費量が急速に拡大したことで、需要が逼迫し、価格も高騰していましたが、リーマン・ショックに起因する経済悪化にともない、2008年上期頃をピークに価格は下落しました。しかし、中国が2010年からレアアースなどの輸出枠削減を行ったことで再び特定鉱種の価格が急騰しました。

レアメタルはもとより資源量が少ないため、市場価格が乱高下しやすいという特徴がありますが、長期的には需要増により再び上昇傾向で推移すると見られています。

こうした経済要因に加え、中国の輸出枠削減(2010年から)や、インドネシアによる鉱石輸出禁止措置(2014年)といった政治要因も懸念材料です。自国の資源は自国が主導権を持って管理するという「資源ナショナリズム」の先鋭化などが他の資源国にも広まりつつあり、大きな供給リスクとなっています。

2.2 確保に向けた取り組みの方向性

レアメタルの安定的な必要量の確保のため、2007年7月に総合資源エネルギー調査会鉱業分科会レアメタル対策部会が、「今後のレアメタルの安定供給対策について」をとりまとめ、取り組みの方向性を示しました。

  1. 重点的な海外探鉱開発の実施と資源外交
  2. 工程くずの発生抑制・リサイクルの推進
  3. 代替材料開発
  4. レアメタルの備蓄
  5. 統計の整備・人材の育成など

「3.代替材料開発」に関しては、「既存の延長線上にない物質・材料の革新的機能の創出」を目指す元素戦略プロジェクトの取り組みが、文部科学省により2007年度から始まっています。また、経済産業省も非鉄金属資源の代替材料及び使用量低減技術の確立を目的として、「希少金属代替材料開発プロジェクト」に取り組むなど、この分野には多くの注目が集まっています。

「4. レアメタルの備蓄」に関しては、1983年度から官民協力の下、ニッケル、クロム、タングステン、コバルト、モリブデン、マンガン、バナジウムの7鉱種について、「レアメタル備蓄制度」が始まりました。現在は、独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構が茨城県にある備蓄倉庫で一元管理を行い、機動的な積み増しと市場放出を行っています。加えて民間備蓄も行われ、同機構は「日本の基準消費量の42日分を国家備蓄、18日分を民間備蓄が担い、合計60日分を目標とし、我が国資源セキュリティの最後の砦として、短期的な供給障害に備える」としています。

2.3 レアメタルリサイクルへの期待

この5つの取組みの中でも「2.工程くずの発生抑制・リサイクルの推進」は、新たな産業として注目を集める取り組みの一つです。

実は、国内には、加工工程で発生する工程くずや使用済み製品など、レアメタルを含有しながらも廃棄される運命にある製品等がたくさんあります。そうした製品等のリサイクル技術が確立すれば、廃棄されるさまざまな製品等がレアメタルの重要な供給源になるとの期待から「都市鉱山」という言葉も生まれました。

また、2011年4月からは「小型家電リサイクル法」という法律が施行されました。これも、家電製品に含まれるレアメタルを回収することを目的の一つとしています。この法律が制定されたより詳しい背景や狙い、課題などについては、以下をご覧ください。

レアメタルを含めた金属リサイクルと小型家電リサイクル法
これまでの金属リサイクルの取り組みを振り返り、平成25年4月に施行された小型家電リサイクル法が目指す金属リサイクルとは何かや、レアメタルリサイクルの位置づけについて紹介します。

3. レアメタルリサイクルを事業化するには

レアメタルリサイクルの事業化の成否は、扱うレアメタルの種類や市況によって変わってきます。資源価格が高く、回収したスクラップやスラッジ(残渣)、廃液等のレアメタル含有量が多い場合には、当然ながら事業として成立しやすいわけですが、それだけでなく再利用の技術的な困難さや市況などの経済要因にも大きく左右されます。

一般的に、金属スクラップをリサイクルする際に望ましい条件として、次の5つがあげられます。

<金属スクラップのリサイクル条件>

  1. スクラップがまとまって、継続的に多量に発生すること
  2. 成分組成が安定しており、主成分の含有率が高く、他の成分との分離が容易なこと
  3. 有害成分が含まれていないか、あったとしても完全に分離できること
  4. 水分や油分の付着が少なく、汚れの少ないこと
  5. リサイクル成分の価格が高く安定しており、採算がとれること

これらの条件をすべて満たしているレアメタル含有スクラップは、ほとんどありません。民間の事業として行う場合、特に1と5が重要な要素とされ、経済合理性がレアメタルリサイクル事業化の可能性を左右することになります。

コラム◆レアメタルのマテリアルフロー分析

「マテリアルフロー分析」とは、あるシステムにおける一定期間内のモノの流れ(投入・排出・蓄積)を、系統的にかつ定量的に分析する手法です。図は、ニッケルを例に、採掘、選鉱、精錬、加工、利用のフェーズで、どれほどのロスが出ているかを示したものです。

図3 ニッケル資源のライフサイクル
Barbara K. Reckの図をもとに作成
http://www.sciencemag.org/content/337/6095/690.short

掘り出されたニッケル資源のうち82%が製造工程に送られ、63%が製品に反映され、52%がリサイクルに回ります。また選鉱・精錬や製造工程で大きなロス(ピンク色の部分、合計で48%)が生じていることがわかります。いったん市場に出回った製品からの分離・回収も重要ですが、選鉱・精錬や製造工程でのロスを減らすことがレアメタル供給量の向上にとっては効果的で、トータルとしての地球環境負荷の低減にもつながることがみてとれます。

4. レアメタルリサイクル技術の開発

個々のレアメタルの物性の違いや、製品中の含有率、利用方法、廃棄・回収事情の違いなどを反映し、さまざまな側面でリサイクル技術の開発が進んでいます。

ここでは、比較的需要量の多いレアメタルの例としてニッケルを、ハイテク製品に多く使われるレアメタルの例としてインジウムを取り上げ、そのリサイクル技術について紹介します。

4.1 ニッケルのリサイクル

表1は2013年~2016年の世界のニッケル生産量(2015年は見込み、2016年は予測値。国際ニッケル協会による)をまとめたものです。

表1 世界のニッケル鉱石生産・一次ニッケル生産及び消費(2013~2016年)

出典:独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構「ニッケル需給予測、2016年に2.3万tの供給不足へ―2015年秋季国際ニッケル研究会(INSG)報告―」(INSG会議資料より作成)
http://mric.jogmec.go.jp/public/current/15_41.html

日本では、自国では産出されないニッケル鉱石の輸入を世界最大の産出国であるインドネシアに長く依存してきました。しかし、同国は2014年1月から、自国産業育成のため、ニッケル鉱石の輸出禁止措置に踏み出しました。高品位なインドネシア産ニッケル鉱石の代替は容易ではなく、需給逼迫と価格上昇が懸念されており、リサイクルの重要性が高まっています。

ニッケルの主要用途であるステンレス鋼のスクラップは、他の特殊鋼や高合金鋼などと同様に、ニッケル元素を分離回収するのではなく、そのまま再度ステンレス鋼の原料として使われています。なお、ステンレス製品の原料の約半分がスクラップステンレスだとされています。

また、自動車・機械、電気・電子機器、半導体などの表面処理に重要な役割を果たしているニッケルめっきについては、めっき加工後の廃液や水洗廃液・スラッジなどの処理の経費が高騰していることと相まって、廃液などからニッケルを選択的に分離して回収する技術の研究・開発が進められています。これらの技術は、水質汚濁の防止、埋め立て処分量の削減に加え、レアメタルの再資源化による、天然資源等の投入量削減に有効な技術として注目されています。

表2 めっき廃液からのニッケルリサイクル方法の事例
めっき種類 リサイクル方法名 技術の概要
無電解めっき 硫化物沈殿法 ニッケル含有廃液に硫化剤を添加して金属硫化物を形成し、その難溶性を利用した分離方式。ガスセンサの活用により実用化されている※1
晶析法 廃液中にニッケル種結晶を添加し、 pH 調節を行いながら還元晶析する方式※2
イオン交換樹脂法 廃液をニッケル高選択性イオン交換樹脂に通して吸着する方式※3
溶媒抽出法 酸性有機リン抽出剤によって亜鉛などの不純物を除去した後、キレート剤などの抽出液によって抽出する方式※2
電気めっき 硫化処理法 めっき工程で生じる混合金属廃水に硫化剤を添加し、銅、亜鉛、ニッケルの分離回収を図る方式※4

※1 イコールゼロ株式会社. "資源循環事業". SSプロセス. http://www.equal-zero.com/resources/index.html, (参照 2016-01-20).

※2 田中幹也. "無電解ニッケルめっきにおける使用済み液からのニッケル回収とめっき液の長寿命化". 貴金属・レアメタルのリサイクル技術集成. エヌ・ティー・エス, 2007.

※3 総合環境企業ミヤマ株式会社. "再資源化(リサイクル)". http://www.miyama.net/products/disposal/recycling/.

※4 福田正, 松田仁樹. "めっき廃液中の銅、亜鉛およびニッケルの選択的分離回収技術". 貴金属・レアメタルのリサイクル技術集成. エヌ・ティー・エス, 2007.

この他のニッケルリサイクルとしては、石油精製の水素化脱硫触媒に使われるモリブデン系触媒からニッケルを回収し、鉄鋼原料やフェロニッケルの原料などとして利用されている例があります。また、一般社団法人JBRC(Japan Portable Rechargeable Battery Recycling Center)は、小型充電式電池のメーカーとそれを利用する企業などが共同で設立した団体で、使用済みとなったニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの回収を行っています。

また、ハイブリッド自動車からの使用済みニッケル水素電池の回収も行われています。回収実績(2012年度)は3820個で、そのうち最も数の多いトヨタでは、住友金属鉱山など関係各社と共同で2010年10月より「バッテリーtoバッテリー」リサイクル事業を開始しています。

4.2 インジウムのリサイクル

亜鉛の副産物として生産されるインジウムは、液晶ディスプレイなどに用いられる透明電極の原料となっています。

インジウムに酸化スズを微量に添加して作られた黒色無臭の「ITOターゲット材」と呼ばれる中間材料に「スパッタ法」と呼ばれる技術を適用し、ガラス基板上などに透明な導電体膜を形成するもので、液晶テレビやプラズマテレビなどFPD(フラット・パネル・ディスプレイ)に広く使われています。

薄型ディスプレイの大型化や市場の拡大に伴って、FPDに用いられるITOターゲット材の需要は急速に伸びています。

表3はインジウムの国内需給の推移を示したものですが、需要のほとんどが透明電極関連に使用されています。同時に、リサイクル品である2次地金の供給量が増えており、その重要性をうかがうことができます。

表3 インジウムの国内需要

出典:独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構「鉱物資源マテリアルフロー2015」
http://mric.jogmec.go.jp/public/report/2015-11/12_201511_In.pdf

インジウムのリサイクルは、ほとんどが製造工程で発生する使用済みITOターゲット材の回収によるものです。FPDの製造でスパッタリング工程を経たITOターゲット材には、重量比で70%のITOが残っています。この使用済みターゲット材は、ターゲット材メーカーやリサイクルメーカーへ戻され、酸溶解→中和→置換析出→溶解・鋳造→電解精製という順で処理されて、インジウムの二次地金が生産されます。

一方、製品として消費者の手にわたり、買い替えなどによって不用となった液晶・プラズマディスプレイからインジウムを回収することは、行われていません。表のように技術開発は行われてきましたが、インジウムの付着量が微量であり、事業として成り立たないことがその理由です。

表5 使用済みITOターゲット材以外のスクラップなどのリサイクル技術の事例
技術の概要 研究・開発事業者
携帯電話LCDディスプレイから乾式製錬によるインジウムの回収※5 埼玉大学、横浜金属(株)
粉砕した廃LCDパネル表面のITOを塩酸溶解し、イオン交換樹脂に吸着させて回収※6 シャープ(株)、(株)アクアテック
PDPパネル基板表面剥離粉末からのインジウム回収※7 旭平硝子加工(株)
エッチング廃液および廃液晶パネルからのインジウム回収※8 (株)神鋼環境ソリューション
LCD基板ガラスからのサンドブラスト法によるインジウム回収※9 (株)電硝エンジニアリング

※5 経済産業省. "希少性資源の3Rシステム化に資する技術動向調査報告書". http://www.meti.go.jp/policy/recycle/main/data/research/h17fy/180208-1_src.html, (参照 2016-01-20).

※6 本馬隆道, 村谷利明. "廃液晶パネルからのインジウム回収・リサイクル技術". シャープ技報. 2005, 通巻95号, No.24, p.17-22. http://www.sharp.co.jp/corporate/rd/27/pdf/92_04.pdf.

※7 環境省. "旭平硝子加工株式会社 プラズマディスプレイパネルのリサイクル技術開発". 平成15年度次世代廃棄物処理技術基盤整備事業に係る終了事業の事後評価結果について. http://www.env.go.jp/recycle/waste_tech/kagaku/h15/jisedai/data/J1514.pdf, (参照 2016-01-20).

※8 住母家岩夫. "LCD装備製品からのインジウム回収技術". 貴金属・レアメタルのリサイクル技術集成. エヌ・ティー・エス、2007.

5. レアメタル技術の最近の動向

レアメタルの重要性は広く知られるようになり、安定供給確保の他、代替材料の開発や、使用量削減、レアメタル使用製品の長寿命化などを目指した取り組みが継続して行われています。

2007年度から始まった文部科学省の「元素戦略プロジェクト」では、基礎研究から実用化研究までの展開を産学官連携で行っています。

物質・材料の機能・特性を決定する元素の役割・性格を研究し、研究成果を踏まえて、(1)希少元素や有害元素を使わない高機能の物質・材料の開発、(2)材料設計技術の徹底的な活用による革新的新材料の開発、(3)既存材料の新機能の創出、を目的としています。

また、経済産業省でも2007年度から「希少金属代替材料開発プロジェクト」を開始しています。このプロジェクトは、情報家電、ロボット、電池など新たな産業分野の拡大によって需要増大が確実視されているインジウム、ジスプロシウム、タングステンの3鉱種に目標を絞り、「透明電極向けインジウム」、「希土類磁石向けジスプロシウム」、「超硬工具向けタングステン」の代替材料、使用量低減技術についての研究開発が行われました。その後、「希少金属代替省エネ材料開発プロジェクト」と省エネの文字が加わり、研究対象となる材料も増え、プロジェクトは継続されています。

産業に不可欠な素材として、資源セキュリティの意味合いからスタートした日本のレアメタル関連技術は、リサイクルや備蓄も含め、取り組みが強化されてきました。さらにリサイクル率を向上させることで、トータルでの地球環境負荷を減らすなどの視点も加え、レアメタルリサイクル技術の研究・開発、実用化の重要性はますます高まっており、今後の開発成果に期待が寄せられています。

コラム◆レアメタル特枠

環境省と経済産業省は、「使用済小型家電からのレアメタルの回収及び適正処理に関する研究会」を設置し、適正かつ効果的なレアメタルのリサイクルシステムの構築を目指しています。家電の回収活動で先行している自治体等と連携して検討を進めるほか、レアメタルの回収技術やそれに伴う重金属等有害物質対策、残渣処理技術等の研究開発について、「レアメタル回収技術特別枠」(循環型社会形成推進科学研究費補助金に、2009年度から新設)などの枠組みを使って積極的な支援を行っています。

引用・参考資料など

[1] 経済産業省非鉄金属課/同・鉱物資源課. レアメタル・レアアース(リサイクル優先5鉱種)の現状. 2014-05-20. 産業構造審議会 廃棄物・リサイクル小委員会. http://www.meti.go.jp/policy/recycle/main/admin_info/committee/o/26/hairi26_04.pdf, (参照 2016-01-20).

[2] Reck, Barbara K.; Graedel, T. E. Challenges in Metal Recycling. Science. 2012, Vol. 337, Issue 6095, p.690-695. http://www.sciencemag.org/content/337/6095/690.short, (accessed 2016-01-20).

[3] 竹下聡美. "ニッケル需給予測、2016年に2.3万tの供給不足へ ―2015年秋季国際ニッケル研究会(INSG)報告―". 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構. http://mric.jogmec.go.jp/public/current/15_41.html, (参照 2016-01-20).

[4] JXホールディングス."知っておきたい基礎知識第7回、スパッタリング・ターゲット". http://www.hd.jx-group.co.jp/ir/investor/pdf/knowledge_data07.pdf, (参照 2016-01-20).

[5] 一般社団法人日本自動車工業会. "リチウムイオン電池・ニッケル水素電池の回収状況". 2013-08-07. 経済産業省 産業構造審議会 産業技術環境分科会 廃棄物・リサイクル小委員会 自動車リサイクルワーキンググループ、中央環境審議会 循環型社会部会 自動車リサイクル専門委員会. http://www.meti.go.jp/committee/sankoushin/sangyougijutsu/haiki_recycle/car_wg/pdf/031_05_04.pdf, (参照 2016-01-20).

[6] 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構. "12.インジウム (In)". 鉱物資源マテリアルフロー 2015. 2015-11-27. http://mric.jogmec.go.jp/public/report/2015-11/12_201511_In.pdf, (参照 2016-01-20).

[7] 文部科学省. 希少元素を用いない革新的な代替材料の創製を行う「元素戦略プロジェクト」の採択拠点決定. 2012-06-29. http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/24/06/1323106.htm, (参照 2016-01-20).

[8] 環境省中央環境審議会廃棄物・リサイクル部会. "使用済小型家電からのレアメタルの回収及び適正処理について". 2009-11-30. 中央環境審議会廃棄物・リサイクル部会(第46回)議事要旨・資料. http://www.env.go.jp/council/former2013/03haiki/y030-46/ref01.pdf, (参照 2016-03-15).

(2016年3月現在)
2008年5月:掲載
2016年6月27日:改訂版に更新