日本產綜研實驗從高性能馬達回收稀有金屬

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     日本產業技術綜合研究所可持續材料研究部門日前開始全面實施從產品廢棄物中回收稀有金屬元素群的金屬熔煉技術實證實驗。其重點是，從混合動力車配備的高性能馬達的高性能磁鐵中，分離并回收鏑（Dy）及鐠（Pr）等稀有金屬元素群的回收利用要素技術。

　　可持續材料研究部門凝固工藝研究小組正在推進金屬熔煉技術實證實驗，該技術用來回收為提高混合動力車的高性能馬達使用的釹鐵硼（Nd?Fe?B）磁鐵的耐熱性而添加的鏑等稀有金屬。

　　凝固工藝研究小組此次全面實施的實證實驗，是利用金屬熔煉技術，從二手車市場上可買到的報廢混合動力車（豐田第一代“普銳斯”）的高性能馬達部材（圖1）中回收稀有金屬。該研究小組將混合動力車的馬達轉子置于石墨坩堝內，用高頻熔解爐加熱熔解，主要進行令鐵凝固物和銅（Cu）凝固物的兩相分離。密度為7.89g/cm3的鐵凝固物凝固在上方，密度為8.93g/cm3的銅凝固物凝固在下方。實驗利用大部分釹、鏑及鐠在銅一側固溶的現象，現階段是要使稀有金屬濃縮，將來則以分離為目標。

　　從產品廢棄物中回收稀有金屬，現行要素技術以普通濕式冶煉技術（leaching）為主。這是由于，將元素群在溶劑（堿溶劑等）中溶解，并只分離提煉出某種特定元素的濕式精煉法，是從礦物原料中提取特定元素的精煉法。而最近，利用金屬熔解技術分離回收稀有金屬的、名為“PyroRecycle”的技術開發受到關注。這是因為與需要龐大精煉設備的濕式精煉法相比，利用金屬熔解技術的PyroRecycle技術有望實現小規模化。

　　PyroRecycle技術是大阪大學研究生院工學研究系材料生產科學專業教授山本高郁等人提倡的。在PyroRecycle技術中，利用稀有金屬元素對于鐵和銅的固溶度有很大差異的現象，濃縮并分離目標稀有金屬元素的研究開發正在推進。山本教授的研究小組正在推進的研發是，在鐵、銅及稀有金屬元素的熔解物質中添加碳（C）及硼，以促進稀有金屬元素群主要在銅一側固溶。

　　可持續材料研究部門因擁有鈦及鎂等的高端熔解技術，所以擔任了令鐵凝固物和銅凝固物兩相分離的實機水平的實證實驗。據副部長小林慶三介紹，在此之前，已實施了實驗室水平的預備實驗，在少量鐵、銅、釹、鏑、鐠中添加碳并使其熔解，“大部分兩相分離為鐵凝固物和銅凝固物”。不過，沒有實現完全的兩相分離（鐵粒子和銅粒子均少量地混入對方的凝固物內）。

　　接著，利用大型氬氣氛高頻熔解爐（圖2），將第一代“普銳斯”的高性能馬達的馬達轉子等置于石墨坩堝內，加入銅和碳，加熱至1500℃～1550℃后冷卻，使其兩相分離為鐵凝固物和銅凝固物。目前，“還未能像少量預備實驗那樣實現充分的兩相分離”。

　　在石墨坩堝（外徑為213mm，內徑為177mm）內放置了重量約10kg的馬達轉子，使其高頻熔解。以添加的碳量及加熱溫度等作為參數進行實證實驗。一般認為，進行實機馬達轉子熔解的實證研究對該技術的實用化十分重要。

　　目前，混合動力車在日本已相當普及，日本國內的汽車廠商也開始擴充混合動力車型，凝固工藝研究小組組長多田周二表示，“從這些報廢混合動力車中回收鏑等稀有金屬的實證實驗是當務之急”。研究小組稱，計劃在這些報廢汽車出現后的數年之內，取得以馬達轉子為對象的實證實驗成果。

　　對于鐵凝固物和銅凝固物未能充分兩相分離的情況，研究小組稱“正在考慮施加電磁力及機械振動”予以解決。另外，第一代與第二代“普銳斯”，其馬達轉子的釹鐵硼磁鐵部件的固定方法與配置方法等不同，因此還要按照不同的車型和代數，建立釹鐵硼磁鐵配件的拆卸方法與熔解方法數據庫，多田組長表示，“力爭按數據庫分別確立熔解回收技術”。

　　可持續材料研究部門是產綜研推進的“戰略金屬日本國內資源循環項目”的主要成員。作為該項目推進的實證研究之一的本項實驗，力爭確立從混合動力車配備的高性能馬達中分離回收稀有金屬元素群的要素技術。