発表のポイント
- 量研とマイクロ波化学株式会社（MWCC）は、化学処理とマイクロ波加熱を組み合わせた、レアメタルの新たな省エネ精製技術の実証試験に向け、共同研究契約を締結しました。
- 実証試験では、事業規模のプラント設計に必要となる、スケール効果や種々の金属・鉱石への適用性を検証します。
- 熱利用製造プロセスの省エネ・CO2 削減化を進めている各種産業への技術移転を通して、カーボンニュートラル化へ、そして、持続可能な開発目標（SDGs）の達成に貢献することを期待 しています。
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長 平野俊夫。以下「量研」という。）量子エネルギー部門六ヶ所研究所とマイクロ波化学株式会社（代表取締役社長CEO 吉野巌。以下「MWCC」という。）は、令和 3 年 12 月 22 日に、マイクロ波加熱を用いたレアメタルの省エネ精製技術の実証試験に関する共同研究契約を締結しました。
両者は、本契約に基づき、量研が独自に開発したマイクロ波加熱を用いた難溶解性ベリリウ ム鉱石精製技術を各種産業へ技術移転し、熱利用製造プロセスの省エネ・CO2 削減化に貢献するため、事業規模プラントの設計に必要となる、実鉱石の処理量の増加に伴って課題となるマイ クロ波加熱のスケール効果、およびレアメタル等有用金属を含有する種々の鉱石や団塊の溶解 処理への適用性について実証試験を行います。
量研、六ヶ所研究所の中道勝グループリーダーらは、従来、難溶解性ベリリウム鉱石の溶解・ 精製には、2,000℃という高温の熱利用製造プロセスが不可欠という常識を覆し、化学処理とマイ クロ波加熱を組合せることにより、250℃以下の低温での溶解・精製を世界で初めて成功させました。
MWCC は、「省エネルギー」×「高効率」×「コンパクト」をもたらすマイクロ波技術について、独自技術で課題を克服し、大型化できないから商品化できないとされた課題を解決し、100 年以上にわたり熱と圧力を使い続ける化学産業製造プロセスに革新をもたらす独自技術の開発に成功 し、実証工場でその有効性を示してきました。
量研と MWCC は、それぞれが培ってきた技術・ノウハウを基に、大量のエネルギー消費と CO2 排出を行う熱利用製造プロセスからの脱却を図り、カーボンニュートラル化への貢献を目指す、 共通の目標を持つことから、マイクロ波加熱による難溶性鉱石の溶解・精製プロセスを実現し、 産業への技術移転を進めるために不可欠となる、事業規模プラント設計に資する工学データを 構築するための実証試験を共同で進めることとし、共同研究契約を締結しました。
実証試験では、この新しい精製技術を社会実装するために、事業規模のプラント設計に資す る、実鉱石の処理量の増加に伴って課題となるマイクロ波加熱のスケール効果、およびベリリウム鉱石だけでなく、現在電動車推進に伴い需要が急増しているリチウムなどのレアメタルを含有 する様々な金属鉱石・団塊の溶解処理への適用性の検証を行います。
本技術は、種々のセラミックスなどの化合物やそれらに含まれる希少金属の回収技術として も適用可能であることから、鉱業だけでなく、金属を扱う様々な製造・リサイクル産業へ展開が 期待できます。
量研と MWCC は、新しい精製技術の社会実装を通してカーボンニュートラル化に貢献していきます。
技術開発の背景と目的
日本では、各種金属資源をほぼ海外からの輸入に頼っており、核融合炉で不可欠なベリリウム 1)も例外ではありません。海外からの輸入依存率の高い資源確保は、昨今のコロナ禍も含め、自然災害、世界情勢、供給国の政情などに大きな影響を受けることから、安定な資源確保が必要不可欠です。さらに、資源として確保した鉱物から金属を精製する現在の工程は、多くの金属で高温処理の工程を含んでおり、高エネルギー消費や CO2 排出が問題となっています。
そこで、量研では、経済性や環境性に問題のある従来のベリリウム精製技術を、省エネ・CO2排出抑制できる新たな精製技術へ置換して社会実装することを目指しています。量研で開発した新精製技術は、化学処理とマイクロ波による内部加熱 2)を組み合わせた技術であり、従来2,000℃の高温が必要であったレアメタルのベリリウムの精製を、250℃以下のマイクロ波加熱により、世界で初めて実現しました。この新精製技術を各種産業へ技術移転して社会実装するためには、事業規模のプラント設計に必要な工学データを取得するための実証試験が不可欠です。
量研と MWCC の技術的基盤
ベリリウム精製の従来技術は、鉱石(ベリル)を外部加熱により 2,000℃に溶融後急冷して結晶性を弱めないと酸溶解できませんでした（図１左）。そこで量研では、まず、化学処理とマイクロ波加熱による低温湿式精製技術（図１中央）を開発し、加圧条件下（60kg/cm2 以下）ですが、250℃という低温でもベリリウム鉱石を溶解できることを見出しました。さらに、耐圧設備が不要で、常圧での低温溶融を実現する技術の開発にも取り組んだ結果、アルカリ溶融技術 3)にマイクロ波加熱を適用することにより、常圧下でもベリリウムを全溶解することに成功しています（図１右、 https://www.qst.go.jp/site/press/20210527.html）。
図１ ベリリウム精製技術の比較（従来技術、低温湿式精製技術、アルカリ・マイクロ波溶融技術）
MWCC は、従来、大型化は困難であるとされていたマイクロ波プロセスについて産業利用に取り組み、独自技術で課題を克服し、世界初の産業レベルでのマイクロ波プロセス工場立ち上げに成功し、化学業界における多様な分野に「省エネルギー」×「高効率」×「コンパクト」をもたらすマイクロ波プロセス導入を進めています。
そして、同社は、マイクロ波プロセスの導入による産業部門のCO2 排出量削減を通じて、2050 年までのカーボンニュートラル実現をリードする構想である“C NEUTRAL 2050 design”を独自で策定しました。「電化」と「マイクロ波プロセス」の 2 つの要素の掛け合わせたマイクロ波技術をあらゆる化学プロセスに導入することにより、化石資源を利用している従来プロセスと比較して90％以上のCO2 排出削減し、2050 年までに日本で 30％、世界で 10％の生産プロセスに導入することで、それぞれ年間 1 億トン、10 億トンのCO2 を削減するという、具体的な目標の実現に向け取り組んでいます（https://mwcc.jp/carbon_neutral/）。
図 2 MWCC が産業化実証したマイクロ波を利用した化学製品製造プラントの一例。MWCC 大阪事業所内に設置されている世界初のマイクロ波化学プラント
このように、金属精製プロセスに大幅なエネルギー削減とCO2 発生量の削減をもたらす、アルカリ・マイクロ波溶融技術を開発した量研と、マイクロ波技術をあらゆる化学プロセスに導入して 90%以上のCO2 排出削減を目指すMWCC は、両者が協働することで、互いが目指す「マイクロ波加熱を用いたベリリウムの省エネ精製技術の実用化」を強力に推進できるという考えで一致し、これまでに培った技術・ノウハウを基に、新精製技術の早期社会実装を目指す共同研究契約を 締結し、青森県六ヶ所村にある量研の六ヶ所研究所において、事業規模のプラント設計に資する工学データを構築するため、処理量増加に伴って課題となるマイクロ波加熱のスケール効果の確認・最適化や実鉱物を用いた実証試験を進めることとしました。
共同技術開発の意義及び波及効果
量研で開発した低温精製技術について実証試験を行い、事業規模プラント設計のための工学データを構築することにより、マイクロ波加熱を用いたベリリウムの省エネ精製技術を、従来の精製技術に置き換わる新たな精製技術として、早期に社会実装することが可能となります。また、 本技術は、ベリリウム鉱石だけでなく、現在電動車推進に伴い需要が急増しているリチウムなどの様々な有用金属の鉱石や団塊の溶解技術として適用できるとともに、各種セラミックスなどの 化合物の溶解処理やそれらに含まれる希少金属の回収技術としても適用可能であることから、 製造業のみならず、リサイクル産業への幅広い導入が期待されます。さらに、本技術の実用化が 進めば、新規事業者の参入による市場拡大に伴う、資源の価格適正化及び安定確保へと繋がることも期待されます。
今回の量研と MWCC による共同研究契約による実証試験は、ベリリウム精製だけではなく、様々な金属や材料などの製造やリサイクルにおける熱利用製造プロセスの省エネ・カーボンニュートラル化に寄与できます。量研六ヶ所研究所は、熱利用製造プロセスの省エネ・CO2 削減化を進めている各種産業への新技術導入を支援し、当該技術の社会還元・早期実装を進める事業開拓拠点として、社会実装を進める取り組みを継続して発展させる考えです。
【用語説明】
1) マイクロ波加熱
電磁波（マイクロ波）を使って食品を加熱する電子レンジと同じ原理で、化学製品の原料や金属鉱石などを加熱する方法です。「奥までマイクロ波が届かない」「外に漏れやすい」「反射する」「電波の分布を均一にしないと 加熱ムラが発生する」等の理由から、これまでは、産業レベルのボリュームに応用するのがほぼ不可能とされていました。
2）マイクロ波
電波の一つで、その応用範囲は広く、前述の電子レンジにおけるマイクロ波加熱以外には、 携帯電話、衛生テレビ放送、無線通信、レーダーなど、現代の日常生活において、不可欠な 技術として多く利用されています。
3）レアメタル
英語の表記通り、「希少な金属」を意味しており、厚さ 30 キロメートル前後の地球の表層である地殻での存在量が少ない金属や、存在量は豊富でも純粋な金属を得ることが困難な金 属などであり、現代の産業を支える非常に有用な金属です。
4）ベリリウム（Be：Beryllium）
原子番号４で、銀白色の固体金属で細密六方晶の結晶構造、軽い（1.85 g/cm3）、融点が比較的高い（1,285℃）、高い熱伝導率などの特徴があります。特定化学物質であり、その粉塵な どが呼吸器を通して吸収されると肺の機能障害を生じる可能性があることから、粉塵などを取 り扱う際には、局所排気設備など作業者の健康障害を予防するための措置・設備が必要です。核融合炉の燃料のトリチウムは、リチウムに中性子を当てて生産しますが、より多くのトリチウ ムを生産するためには、中性子を増やす中性子増倍材であるこのベリリウムが大量に必要となります。
5）アルカリ溶融技術
溶融対象の試料と、試料を溶融させるためのアルカリ（塩基）試薬（融材）を混ぜて、500℃ から1,100℃程度の高温で試料を溶融する方法です。通常は、ヒーターやバーナー等による外部加熱方式です。マイクロ波加熱もありますが、実用化されているのは発熱体を介した外部加熱です。