(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種の供給化学品の供給源と；
複数の異なる元素を含み、かつ／または複数の異なる天然由来元素化合物を含む鉱石の供給源と；
前記供給化学品および前記鉱石を受け取るための少なくとも１つの炉であって、前記受け取られた鉱石中の前記複数の異なる元素および／または前記複数の天然由来元素化合物を、前記炉による産出のために前記供給化学品に基づく対応する複数の異なる化学化合物に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；
前記炉と直列に設けられる複数の電解採取サブシステムと、
を含む製錬システムであって、
前記炉の前記産出物が、前記複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、前記電解採取サブシステムの各１つが、前記炉によって産出された前記異なる化学化合物の異なるサブセット上で動作して前記化学化合物の各サブセットから前記対応する元素を抽出し、それにより前記製錬システムでの再循環のために前記供給化学品またはその化合物を放出し、
前記抽出された元素の各１種が、前記製錬システムの生成物として前記電解採取サブシステムの各１つにより回収および産出され、
前記少なくとも１つの炉が、複数の異なる元素を含む鉱石を受け取り、複数の異なる元素を産出するために酸化物から酸素の大部分を取り除くための少なくとも１つの供給化学品のうちの１種を受け取るように構成される、第一の炉を有し、
前記少なくとも１つの炉が、複数の異なる元素を受け取り、様々な元素の塩である複数の異なる化学化合物を電解採取サブシステムに産出するために、少なくとも１つの供給化学品のうちの、前記第一の炉が受け取る種とは異なる１種を受け取るように構成される、第二の炉を有する、
製錬システム。
【請求項２】
供給化学品の供給源と；
複数の異なる元素を含み、かつ／または複数の異なる天然由来元素化合物を含む鉱石の供給源と；
前記供給化学品および前記鉱石を受け取るための少なくとも１つの炉であって、前記受け取られた鉱石中の前記複数の異なる元素および／または前記複数の天然由来元素化合物を、前記炉による産出のために前記供給化学品に基づく対応する複数の異なる化学化合物に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；
前記炉と直列に設けられる複数の電解採取サブシステムと、
を含む製錬システムであって、
前記炉の前記産出物が、前記複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、前記電解採取サブシステムの各１つが、前記炉によって産出された前記異なる化学化合物の異なる１つで動作して前記各化学化合物から前記対応する元素を抽出し、それにより前記製錬システムでの再循環のために前記供給化学品またはその化合物を放出し、
前記抽出された元素の各１種が、前記製錬システムの生成物として前記電解採取サブシステムの各１つにより回収および産出され、
前記少なくとも１つの炉が、複数の異なる元素を含む鉱石を受け取り、複数の異なる元素を産出するために酸化物から酸素の大部分を取り除くための少なくとも１つの供給化学品のうちの１種を受け取るように構成される、第一の炉を有し、
前記少なくとも１つの前記炉が、複数の異なる元素を受け取り、様々な元素の塩である複数の異なる化学化合物を電解採取サブシステムに産出するために、少なくとも１つの供給化学品のうちの、前記第一の炉が受け取る種とは異なる１種を受け取るように構成される、第二の炉を有する、
製錬システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの炉が、前記様々な元素の塩化物塩である前記複数の異なる化学化合物を前記電解採取サブシステムに産出するために、複数の元素を含む前記鉱石と、塩素を含む前記供給化学品と、を受け取るように構成された炉を有する、請求項１または２に記載の製錬システム。
【請求項４】
前記第一の炉が、水素を含む前記少なくとも１種の供給化学品のうちの１種を受け取り、前記第二の炉が、様々な元素の塩化物塩である複数の異なる化学化合物を前記電解採取サブシステムに産出するために、塩素を含む前記少なくとも１種の供給化学品のうちの前記第一の炉が受け取る種とは異なる１種を受け取る、請求項１または２に記載の製錬システム。
【請求項５】
水素を含む前記供給化学品が、水を包含する、請求項４に記載の製錬システム。
【請求項６】
塩素を含む前記供給化学品が、前記電解採取サブシステムから前記塩素を再循環させる塩素化サブシステムにより提供される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の製錬システム。
【請求項７】
前記塩素化サブシステムが、クロルアルカリ（ｃｈｌｏｒａｌｋｙｌｉ）塩化物発生装置を含む、請求項６に記載の製錬システム。
【請求項８】
前記塩素化サブシステムが、水凝縮部を含む、請求項７に記載の製錬システム。
【請求項９】
塩素を含む供給化学品の供給源と；
鉱石から得られる複数の異なる入り混じった元素と；
前記供給化学品および前記鉱石から得られる前記複数の入り混じった元素を受け取るための少なくとも１つの炉であって、前記炉による産出のために前記供給化学品を用いて前記複数の異なる元素を対応する複数の異なる塩素元素の塩に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；
前記炉の産出物を順に受け取るために前記炉と直列して設けられる複数の電解採取サブシステムと；
前記供給化学品での再使用のために前記塩素を前記電解採取サブシステムから再循環するように構成された、クロルアルカリ塩化物発生装置を含む塩素化サブシステムと；
前記電解採取サブシステムのｐＨを調整するために塩酸を濃縮するためのフラッシュ蒸留サブシステムと；
捕捉および再循環のために前記少なくとも１つの炉により産出された揮発された金属塩化物および塩素の少なくとも一部を冷却および凝縮するように構成された散水サブシステムと；
電気に変換するために前記製錬システムにより産出される廃棄エネルギーを捕捉するための遷臨界または超臨界ＣＯ２ランキンサイクルを用いて動作するように構成された少なくとも１つのエネルギー捕捉サブシステムと、
を含む製錬システムであって、
前記炉の前記産出物が、前記複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、前記電解採取サブシステムの各１つが、前記炉によって産出された元素の塩の異なる１つで動作して前記各元素の塩から前記対応する元素を抽出し、それにより前記製錬システムでの再循環のために前記供給化学品またはその化合物を放出し、
前記抽出された元素の各１種が、前記製錬システムにより回収および産出され、
前記電解採取サブシステムの少なくとも幾つかが、溶融塩工程を利用して前記各元素（複数可）を抽出するように構成されている、製錬システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み入れられる、２０１４年５月９日出願の米国特許仮出願第６１／９９０，９１７号の利益を主張するものである。本出願はまたは、同じく参照により本明細書に組み入れられる、２０１４年１１月２０日出願の米国特許仮出願第６２／０８２，２８７号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
背景
採掘および関連の鉱物回収は、原材料を得るための重要な手段である。工業の汚染の形跡を低減または排除しながら回収工程の経済性を改善する必要性が増している。今日まで、ほとんどの鉱石の中の元素または金属の全範囲を回収するための、概ね清浄な「岩石から資源まで」の汚染を含まない方法は存在しない。これは、現在の鉱物回収分野が厄介で汚染を伴い経費がかかることに寄与する理由である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
効率的なエネルギー回収および原材料回収、ならびに再循環能力を提供するという選択肢のある複数の電解採取工程を利用して、有用な量の複数の元素を回収するための製造手法において多量の鉱石を加工するためにアーク炉を用いる工業規模の製錬システムおよび／または方法の多数の例が開示される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
非限定的に、少なくとも１種の供給化学品の供給源と；複数の異なる元素を含み、かつ／または複数の異なる天然由来元素化合物を含む鉱石の供給源と；該供給化学品および該鉱石を受け取るための少なくとも１つの炉であって、該受け取られた鉱石中の該複数の異なる元素および／または該複数の天然由来元素化合物を、該炉による産出のために該供給化学品に基づく対応する複数の異なる化学化合物に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；連続で提供される複数の電解採取サブシステムと、を含む製錬システムをはじめとする複数の例示的実施形態が提供される。
【０００５】
上記製錬システムでは、炉の産出物が、該複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、該電解採取サブシステムの各１つが、該炉によって産出された異なる化学化合物の異なるサブセット上で動作して化学化合物の各サブセットから対応する元素を抽出し、それにより製錬システムでの再循環のために供給化学品またはその化合物を放出する。さらに、抽出された元素の各１種は、製錬システムの生成物として電解採取サブシステムの各１つにより回収および産出される。
【０００６】
同じく、供給化学品の供給源と；複数の異なる元素を含み、かつ／または複数の異なる天然由来元素化合物を含む鉱石の供給源と；該供給化学品および該鉱石を受け取るための少なくとも１つの炉であって、該受け取られた鉱石中の該複数の異なる元素および／または該複数の天然由来元素化合物を、該炉による産出のために該供給化学品に基づく対応する複数の異なる化学化合物に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；連続で提供される複数の電解採取サブシステムと、を含む製錬システムが、提供される。
【０００７】
そして、該炉の産出物は、複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、該電解採取サブシステムの各１つが、該炉によって産出された異なる化学化合物の異なるサブセット上で動作して各化学化合物から対応する元素を抽出し、それにより製錬システムでの再循環のために供給化学品またはその化合物を放出する。抽出された元素の各１種は、その後、製錬システムの生成物として電解採取サブシステムの各１つにより回収および産出される。
【０００８】
さらに、塩素を含む供給化学品の供給源と；鉱石から得られる複数の異なる入り混じった元素と；該供給化学品および該鉱石から得られる複数の入り混じった元素を受け取るための少なくとも１つの炉であって、該炉による産出のために該供給化学品を用いて該複数の異なる元素を対応する複数の異なる塩素元素の塩に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；連続で提供される複数の電解採取サブシステムと、を含む製錬システムが、提供される。
【０００９】
該炉の産出物は、複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、該電解採取サブシステムの各１つが、該炉によって産出された元素の塩の異なる１つで動作して各元素の塩から対応する元素を抽出し、それにより製錬システムでの再循環のために供給化学品またはその化合物を放出し、抽出された元素の各１種は、製錬システムの生成物として電解採取サブシステムの各１つにより回収および産出される。
【００１０】
同じく、塩素を含む供給化学品の供給源と；鉱石から得られる複数の異なる入り混じった元素と；該供給化学品および該鉱石から得られる複数の入り混じった元素を受け取るための少なくとも１つの炉であって、該炉による産出のために該供給化学品を用いて該複数の異なる元素を対応する複数の異なる塩素元素の塩に変換するために熱を提供するように構成された、炉と；該炉の産出物を順に受け取るために連続で提供される複数の電解採取サブシステムと；該供給化学品での再使用のために該塩素を電解採取サブシステムから再循環するように構成された、クロルアルカリ（ｃｈｌｏｒａｌｋｙｌｉ）塩化物発生装置を含む塩素化サブシステムと；塩酸を用いて該電解採取サブシステムのｐＨを調整するためのフラッシュ蒸留サブシステムと；捕捉および再循環のために少なくとも１つの炉により産出された揮発された金属塩化物および塩素の少なくとも一部を冷却および凝縮するように構成された散水サブシステムと；電気に変換するために該製錬システムにより産出される廃棄エネルギーを捕捉するための遷臨界または超臨界ＣＯ２ランキンサイクルを用いて動作するように構成された少なくとも１つのエネルギー捕捉サブシステムと、を含む製錬システムが、提供される。
【００１１】
該炉の産出物は、複数の電解採取サブシステムに順に供給されるため、該電解採取サブシステムの各１つが、該炉によって産出された元素の塩の異なる１つで動作して各元素の塩から対応する元素を抽出し、それにより製錬システムでの再循環のために供給化学品またはその化合物を放出する。さらに、抽出された元素の各１種は、製錬システムにより回収および産出される。
【００１２】
同じく、
複数の入り混じった元素および／または元素酸化物を含む鉱石を粉砕するステップと；
存在するならば、水素および熱を利用して元素酸化物から酸素を取り除くことにより、鉱物中の元素酸化物の少なくとも一部を基礎となる元素に変換するステップと；
塩素を含む供給源の化学品と共に該元素を加熱して、該元素を元素塩化物塩に変換するステップと；
該塩素を取り出して、互いから複数の該元素の各１種を分離する手法で、分離された元素を回収可能な量で回収するために、元素塩化物塩を電解採取するステップと；
この方法で再使用するために該供給源の化学品を回収するステップと；
産出のために該回収量の元素を取り出すステップと、
を含む、元素を鉱石から抽出する方法が提供される。
【００１３】
さらに、
複数の入り混じった元素、合金および／または元素化合物を含む鉱石を粉砕するステップと；
存在するならば、熱を利用して鉱物中の該元素化合物の少なくとも幾つかを基礎となる元素に変換するステップと；
供給源の化学品と共に該元素を加熱して、該元素の少なくとも幾つかを元素化合物に変換するステップと；
電解採取サブシステムへの装入のために、加熱された元素および／または元素化合物を産出するステップと；
該供給源の化学品を取り出して、互いから複数の該元素の各１種を分離する手法で、分離された元素を回収可能な量で回収するために、電解採取サブシステムを用いて該元素および／または元素化合物を電解採取するステップと；
この方法で再使用するために該供給源の化学品を回収するステップと；
産出のために該回収量の元素を取り出すステップと、
を含む、元素を鉱石から抽出する方法が提供される。
【００１４】
さらに、電解採取工程の少なくとも幾つかが、熱を利用した無水自然発火性塩化物の変換工程により各元素（複数可）を抽出するように構成され、かつ／または該電解採取サブシステムの少なくとも幾つかが、溶融塩工程を利用して各元素（複数可）を抽出するように構成され、かつ／または該電解採取サブシステムの少なくとも幾つかが、電気分解を利用した水性塩化物変換工程を利用して各元素（複数可）を抽出するように構成されている、先の例示的製錬システムまたは方法のいずれかが提供される。
【００１５】
そしてさらに、該複数の元素が、Ａｇ、白金族金属のうちの１種または複数、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＳｉを包含する、先の例示的製錬システムまたは方法のいずれかが提供される。
【００１６】
そしてさらに、該複数の元素が、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｇ、白金族金属、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、ランタニド元素、およびアクチニド元素の列挙から選ばれる複数の元素を包含する、先の例示的製錬システムまたは方法のいずれかが提供される。
【００１７】
そしてさらに、１時間あたり数トン、数十トン、または数百トンの量で鉱石を加工するように構成された、先の例示的製錬システムまたは方法のいずれかが提供される。
【００１８】
さらなる例示的実施形態も提供されるが、その全てではなく幾つかが以下により詳細に記載されている。
【００１９】
本明細書に記載された例示的実施形態の特色および利点は、添付の図面を参照しながら以下の記載を読むことにより、本開示が関係する当業者に明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例示的製錬システムのブロック図を示す。
【図２】図１の例示的製錬システムの鉱石調製サブシステムを示すブロック図である
【図３】図１の例示的製錬システムの第一の例示的実施形態の略図である。
【図４】図１の例示的製錬システムの第二の例示的実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
例示的実施形態の詳細な説明
少なくとも２つの称賛に値する（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）回収工程、即ち水性回収工程および無水回収工程の例示的設計を表す。開示された方法および設備の設計は、設計の一部として電力消費を有意に減少させ、かつ／または排出物の形跡が劇的に減少もしくは排除されるような手法で、原鉱石の供給源から事実上すべての元素の高度の鉱物回収を提供するように構成させることができる。
【００２２】
そのようなシステムは、地球圏内で用いることができるが、設計利点を披露する別の特定の適用エリアは、気密容器において該システムを封入すること、および地球圏外の採掘操作を支援するなどで、該システムを地球の軌道または別の衛星など、地球から離れて、または地球圏外の環境で使用することである。
【００２３】
開示された方法は、効率的で清浄な回収目的を完遂するために互いに一緒に用いられ得る様々なさらなる利点を用いることができる。これは、熱回収に有用な首振りエンジンの使用を開示した、２０１２年４月２０日に出願され、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許出願第１３／４５２，３７２号（ａの改良された性能）、同じく参照により組み入れられる、２０１１年３月２９日に出願された米国特許出願第１３／０７４，５１０号の材料（首振りピストンエンジン）、および本明細書に提供された熱回収目的に有用になり得るさらなるエンジン設計を議論した、同じく参照により組み入れられる、多角形首振りエンジンを開示した２０１３年４月１１日に出願されたＰＣＴ出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ１３／３６０９９号に開示された、遷臨界または超臨界ＣＯ２ランキンサイクルエンジンの使用を含み得る。
【００２４】
このシステムは、２０１２年８月３日出願で参照により本明細書に組み入れられるＰＣＴ出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ１２／４９５０８号のＰｌａｓｍａ  Ａｒｃ  Ｆｕｒｎａｃｅ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓに開示された改質炉の特色も組み入れている。
【００２５】
加えて、塩化物、塩化アンモニウム、および金属塩化アンモニウム、水酸化アンモニウム、硫化アンモニウム、もしくは硫酸アンモニウム溶液の水性溶液に基づくか、または水和物もしくは六水和物の製造に基づくかにかかわらず、より制御された方式で生成された電解質生成物から水を急速かつ効率的に除去する改善された、加速フラッシュ蒸留ユニットが開示される。このユニットは、次の電解採取工程のための溶液を調製するのに用いられる。フラッシュ蒸留はまた、該工程の一部として、電解質中のｐＨおよびイオン濃度などの関連の化学的パラメータを調整して、標的元素および電解質前駆体供給原料の回収率を上昇させるために用いられる。
【００２６】
図１は、簡単なシステムの配列を示すブロック図を提供している。様々な構成要素を含む低排出の製錬装置／精錬システム１０には、１つまたは複数のトーチ、フィルターなどを含み、それは、水、そして必要に応じて水素供給源としての天然ガス１３と共に、原材料生成サブシステム１２からの粗鉱または採掘廃棄材料が提供される。この水素は、水の加水分解などの任意の所望のメカニズムによって放出される。あるいは原料水素の供給源を提供することができる。電力を送給する天然ガスまたは電気などの他の供給材料１４もまた、提供され、水酸化物、硫黄、および／または塩素（例えば、ＨＣｌおよび／またはＮａＣｌ）の供給源を添加して、所望の元素などを分離するために用いられる化合物を形成させることができる。
【００２７】
廃熱は、熱交換器およびエキスパンダを用いるなどで捕捉され１６、発電を駆動して１７、製錬装置／炉に供給する１０。任意の過剰な電気は、他の目的に利用するか、または利用可能ならばパワーグリッドに売電するか、またはシステムの要件を低減するために用いることができる。  幾つかの得られた産出物には、所望の鉱物、金属、および希土類がある１５。他の産出物１９として、水、酸素、水素、または他の元素もしくは化合物を挙げることができる。廃棄物はほとんど残留しない。使用され得る炉の設計例は、参照により組み入れられる、２０１２年８月３日出願のＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／４９５０８号「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＲＣ  ＦＵＲＮＡＣＥ  ＡＮＤ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」、および２０１３年１１月２２日出願の米国特許仮出願第６１／９０７，４５９号に提供されている。
【００２８】
図２は、原材料生成サブシステム１２をより詳細に示すブロック図を示す。採掘サブシステム５０は、鉱石原材料を生成するために、高電力レーザサブシステムを含み得る大型の採掘設備を用いるなど、大量生産手段で材料を採掘するために用いられる。一部の状況において、他の工業工程または不完全な精錬から生じるスラグが利用される可能性があることに留意されたい。第一の運搬サブシステム６１を利用して鉱物を破砕／粉砕サブシステム６３へ輸送し、別の運搬サブシステム６５および炉システム１０への供給を制御するための供給サブシステム６７を介して製錬／精錬システム１０に供給するための供給材料を作製して、所望の鉱物、金属、および／または希土類の大量生産産出物１５をもたらす。
【００２９】
原材料生成システム１２は、１時間あたり数トン、数十トン、数百トン、さらに数千トンの速度で多量の連続量で該システム１０によって加工するために、原材料を生産および供給するように設計されている。輸送コストを緩和するために、該システム１０は、好ましくは鉱石供給源の付近に配置されている。生産速度への主たる制限は、精錬工程全体を支援する十分な電気の利用可能性であり、それは所望の処理能力に応じて数十または数百メガワット範囲に達し得る。
【００３０】
該工程の一般的実施例として、加工される鉱石酸化物の装入物が、外気に開放されていない炉の容器に装填される。電気アークにより発生させたプラズマ温度が、工程の水素を１５，０００℃もの高温に上昇させる。これにより、プラズマの活性が上昇し、鉱石装入物の表面での化学反応発生を支援して、鉱石を含む化合物からの鉱石の酸素を取り除く。その結果、残りの未結合の原子は自由になり、装入塊から自由原子のより大きな集団と結合する。その結果、金属（アルミニウム、鉄、コバルトなど、または鉱石を構成するあらゆるもの）中の鉱石、またはケイ素などの半金属の中の鉱石の構造が、炉容器の底部で液体プールに溶融する。
【００３１】
炉からの産出ガス流は、水素ガスと酸化水素または水蒸気との混合物であり得る。高温ガスは、５００℃の分子フィルターの許容温度に調整された温度を有する。高温ほど、水素によって望ましくない触媒から酸素を取り除くことが可能になる。
【００３２】
反応によって生成されたシリコンカーバイドまたは玄武岩のレーザプリント回路型熱交換器（Ｒ−ＳｉＣ  ＰＣＨＸ）は、高温ガス流が温度低下のために除去された過剰な熱を有する場所である。これは、超臨界ＣＯ２ランキンシステムのための熱投入装置である。
【００３３】
分子フィルターは、酸化鉄、または炉に残留するヒ素、硫黄もしくは塩素原子と反応するより適した触媒を保持する大気圧容器に近接している。水は、凝縮により抽出されて、高温電気分解（ＨＴＥ）ユニットに方向づけられるが、水素ガスは、トーチガスマニホールドのための圧力インレットポンプに方向づけられる。
【００３４】
高温ポンプがこのポイントで使用されて、システムの構成要素への工程ガス流を圧縮する。好ましいポンプは、参照により本明細書に組み入れられるＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／３６０９９号に開示されるＰＯＰＥエンジンのメカニカルリバースである多角形首振りピストンポンプである。これは通常、ポンプを動作する電気モータを使用する。
【００３５】
凝縮がガス流から水を分離するために用いられる場合、より低温のポイントでシステムからさらなる廃熱を回収するのが望ましくなる場合があり、そうならば、これは、第二のＲＳｉＣ  ＰＣＨＸユニットが熱を超臨界ＣＯ２ランキンシステムへ投入する場所である。それゆえ、この段階であっても、電力回収が、該システムのサイズを減少させる全体的効果と共に起こる。
【００３６】
ＨＴＥユニットからの水素が、このマニホールドポイントの新たに生成された水素工程ガスを添加して、サイクル終了時に新たな装入物と共にこの工程をもう一度開始して、次の段階のためにアノードバーに金属混合物を注ぎ入れる。
【００３７】
その後、輸送機関を精錬機に提供することができ、そこで純粋な、または半純粋な商業グレードの即市販可能な生成物に電解採取される。
【００３８】
図３は、粉砕された鉱石原材料を、水性金属塩または溶融塩溶解タンクとして働く炉１０３に供給するためのフィードホッパー１０２を含む単一炉サブシステム１００を用いた１つの例示的製錬／精錬システム１００を示している。るつぼ１０５は、全ての非揮発鉱物塩化物および溶融供給原料を捕捉するために提供されている。炭素供給源を炉に提供して、供給原料からの酸素除去を増進することができる。炉１０３は、投入材料を加熱するための電気アークサブシステムを使用するように構成することができ、それは、一酸化炭素と、鉱石から抽出されることが望ましい様々な元素の様々なガス状金属塩化物とを作製および産出する。
【００３９】
揮発された金属塩化物が捕捉および冷却される散水サブシステム１１０が、提供されている。該サブシステム１１０は、任意の揮発された金属塩化物および未反応の塩素生成物を凝縮および捕捉するための金属塩化物回収タンク１１１を有する。散水サブシステム１１０はまた、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）ホッパーリントラップ１１２および塩化アンモニウム添加タンク１１３、ならびに得られた塩化物をろ過するためのリン酸鉄フィルター１１４を含む。得られた溶液は、その後、水性電解採取サブシステム１３０に提供される。水冷装置１１５は、金属塩化物溶液を冷却するために提供される。
【００４０】
塩素化サブシステム１２０が、化学的工程を支援するために炉システム１００に供給する所望の塩素供給源を作製するために提供されている。このサブシステム１２０は、クロルアルカリ塩化物発生装置１２１および水分凝縮部１２２を含む。
【００４１】
水性電解採取サブシステム１３０は、各タンクの各電気分解工程のために異なる電圧を利用することにより水性電解採取工程を利用して鉱石供給源からｎ個の異なる元素を回収するための複数の電解採取タンク１３１ａ、１３１ｂ・・・１３１ｎを含む。元素回収フィルター１３２が、電解採取タンクを逃れる元素を回収するために提供されている。各電解採取タンクでは、金属が表面のノジュールとして核化すると、除去のために回転するワイパーによって除去されてタンクの底に落ちる、円筒形チタン電極を利用する。このシステムは、連続動作を可能にし、日本人による小型槽でのウラン回収に用いられた既存の技術と類似し得る。
【００４２】
酸を濃縮してｐＨを低下させるフラッシュ蒸留サブシステムが、提供されている１４１。これは、電解採取タンクからの任意の過剰な塩素ガス１３５を用いた塩酸再生のためのＨＣｌ再生サブシステム１４２に連結されている。この酸は、リサイクルのために塩素発生装置１２１に戻される。
【００４３】
最後に、溶融塩電解採取サブシステム１５０に、製錬システムからｍ個の異なる元素を回収するための複数の溶融塩電解採取タンク１５１ａ、１５１ｂ・・・１５１ｍが提供されている。溶融塩電解採取サブシステムは、捕捉るつぼ１０５からの溶融塩供給原料を使用し、高温で動作する。回収された金属は、タンクの底に降下し、弁としてのポートを有する回転可能な不活性セラミックロッドからなるタップを通して抽出される。回収された生成物は、ビレットまたはインゴットまたはノジュールの形態で鋳造（冷却）され得る。
【００４４】
幾つかの実施形態が、電解採取サブシステム１３０、１５０を両者とも使用するよりも一方または他方を使用する可能性があることに留意されたい。さらに、ｎは、ｍと等しい場合または等しくない場合があり、電解採取サブシステム１５０により回収された元素は、電解採取サブシステム１３０により回収された元素と同一、部分的に同一、または異なる場合がある。
【００４５】
図４は、主として金属酸化物を水などの水素供給源と共に含む、液化された鉱石供給源を受け取る水素炉２０２である第一の炉を含む二重炉サブシステム２０１を用いた別の例示的製錬／精錬システム２００を示している。この第一の炉は、第二の塩化物炉２０３に供給するために酸素の大部分を金属酸化物から除去して混合金属を残留させるように設計されている。酸化カルシウムおよび／または炭酸カルシウムフィルター２０５が、散水サブシステム２１０を供給する前に水素炉の排ガスからリン、硫黄、塩素、および他の副生成物をろ過するために用いられている。
【００４６】
塩素供給源が、第二の炉に提供されており、その炉は、散水サブシステム２１０により回収され得る金属塩化物も受け取り得る水性金属塩化物変換タンク２０７を介して電解採取工程に産出するための溶融塩化物塩を生成させる塩化物炉２０３である。炉は両者とも、炉を駆動する熱を提供するアークを発生させるための電源を必要とする。
【００４７】
散水サブシステム２１０には、捕捉のために任意の揮発された金属塩化物および塩素を冷却および凝縮するための隔離された冷却回路が提供されている。該サブシステム２１０は、任意の揮発された金属塩化物および未反応の塩素生成物を捕捉するための回収タンク２１１を有する。散水サブシステム２１０はまた、増強されたフラッシュ蒸留水精製ユニット２１２および水貯蔵タンク２１３を含む。水冷装置もまた、金属塩化物を冷却するために提供することができる。
【００４８】
塩酸再生装置２４５およびフラッシュ蒸留システム２４１が、水の回収および水素分離のために提供されている。水の凝縮部（弱ＨＣｌ電気分解ユニットおよびスパージャシステムを含む）またはタンクが、リサイクルのための濃塩酸の連続再生を可能にする。
【００４９】
水性電解採取システム２３０は、各タンクの各電気分解工程のために異なる電圧を利用するなど、水性電解採取工程を利用して鉱石供給源からｎ個の異なる元素を回収するための複数の電解採取タンク２３１ａ、２３１ｂ・・・２３１ｎを含む。粉末金属生成物フィルター２３２が、様々な元素を回収するために提供されている。
【００５０】
最後に、システム１００と同様に、溶融塩電解採取サブシステム２５０には、製錬システムからｍ個の異なる元素を回収するために複数の溶融塩電解採取タンク１５１ａ、１５１ｂ・・・１５１ｍが提供されている。同じく、ｎは、ｍと等しい場合または等しくない場合があり、電解採取サブシステム２５０により回収された元素が、電解採取サブシステム２３０により回収された元素と同一、部分的に同一、または異なる場合がある。
【００５１】
幾つかの実施形態が、電解採取サブシステム２３０、２５０を両者とも使用するよりも一方または他方を使用する可能性があることに留意されたい。
【００５２】
水性リサイクルサブシステムにおける酸から塩基へのｐＨ制御
【００５３】
先の例示的システムの１つにより実行され得る例示的工程の特色としてあるのは、電力、熱、電磁放射線および真空を電解質に適用することでこれらの元素および化合物のｐＨおよび比率の特異的範囲を変更することを介して、個々の標的元素を特異的に回収するように設定されたパラメータで、水性または非水性電解質中の制御された様々な濃度の水素、窒素、塩素、アンモニア、塩化アンモニウム、水およびメタンおよび／または一酸化炭素または二酸化炭素を公正に使用および再生することである。
【００５４】
具体的には、この最初の工程では、試薬リサイクルシステムの一部として、そして生成物捕捉システムの一部として、一定量の水を使用する。この工程はまた、塩素または金属塩化物ガスを使用し、それが導入されて水分子を解離してＨＣｌ（塩酸）の分子を形成させ、かつ／または追加的に鉱石の溶解された材料から金属塩化物を形成させる。試薬リサイクルシステムは最初、約３．２６グラム／リットルの濃度で塩素を捕捉し、次の電気分解および燃焼により塩化水素ガスを生成して、それに加えて次の水フィルターにおいて、飽和により標準温度および圧力で０．５付近の関連のｐＨで最大４２％の濃度を生成する。これは、制御可能なｐＨ範囲の究極の酸性末端および塩素リサイクルシステムの例を表す。
【００５５】
この工程に続いて、アンモニウム分子が塩酸に添加される場合、溶液中に塩化アンモニウム分子が生成する直後の反応が存在するであろう。塩酸溶液またはガスに添加されるアンモニアが増加すると、ｐＨがｐＨ範囲の塩基末端に向かって変化する。例として、水に対して５重量％の塩化アンモニウム濃度では、例示的溶液は６〜７のｐＨをもたらし、これはおよそ中性ｐＨである。これは、非常に強い酸から非常に弱い酸への変化を表す。
【００５６】
より多くのアンモニア分子を添加すれば、溶液中に自由塩素が存在しなくなるまで、それぞれの自由塩素原子との反応が継続し、飽和塩化アンモニウム溶液が形成するであろう。塩化アンモニウムは、５重量％の濃度ではｐＨ約６〜７の弱酸である。標準温度および圧力での飽和点は、約７４４グラム／リットルである。
【００５７】
このポイントでは、加速フラッシュ蒸留の利用により、乾燥した試薬生成物が得られる。これは、該システム内でのこの試薬のリサイクルの一例でもある。
【００５８】
自由塩素が存在しない場合、アンモニア分子の継続的添加により、水性溶液中の水酸化アンモニウムの形成が得られ、より塩基性溶液になる。この変化の究極は、ｐＨ１１．６３になる。
【００５９】
この変化の逆戻りを制御するために、密閉チャンバーの閉回路に基づくシステムで電解採取工程そのもの、電気分解、電磁放射線、熱および真空を利用することが、１つのアプローチである。
【００６０】
塩基から酸への逆ｐＨ制御
【００６１】
熱が、約３２％の強度で水酸化アンモニウム溶液に適用されると、溶液は約２４．７℃で沸騰する。加えて沸点は、２５％の溶液強度で約３４．４℃になる。１００℃では、アンモニウム濃度は、約５．９％に降下する。これは、どのようにして濃度を熱によって調整させ得るかを例示している。
【００６２】
真空が溶液に適用されると、アンモニアが溶液から除去されてしまうまで、アンモニアガスが水よりも激しく放出される。真空が連続で適用されると、水が所与の温度で飽和に達するまで、水が溶液からフラッシュ蒸留する。その後、水およびアンモニア蒸気が、逐次圧縮および／または凝縮されて、再使用が可能な分離のために液体を含むリザーバを分離する。これは、閉回路システムでの再使用のためにこれらの試薬をリサイクルすることの例示である。
【００６３】
反応した塩化アンモニウムは、フラッシュ蒸留の下で脱水して、最終的に無水塩化アンモニウム残渣を形成させる。熱が適用される場合、塩化アンモニウムはおよそ３００℃でＮＨ３およびＨ２Ｏおよび塩化水素ガスに分解する。圧縮の適用による工程熱交換機を介した熱エネルギーの除去により、−８５．０５℃の温度でＨＣｌ（塩酸）が液化し、それは−３３．４℃ではアンモニアよりも低い。弁付きマニホールドおよび分離されたコンテナを用いて実施される場合、これは、水、アンモニアおよび塩化水素を分離して、再使用および再循環のための分離方法を提供する。
【００６４】
無水塩化物の変換
【００６５】
ＮＨ４Ｃｌの酸化能力は、ＨＣｌまたはＣｌ単独の場合の約２倍であるため、上述の変換は、金属酸化物の無水塩化物変換の基本原理である。したがって、金属酸化物と塩化アンモニウムとの混合物が、約１９０℃で記載された方法によって加熱される場合、ほぼ全ての酸化物が、塩化物に変換される。この無水型の工程では、過剰な試薬が、３００〜３５０℃でＮＨ３およびＨＣｌガスに解離し、冷却すると、試薬ＮＨ４Ｃｌおよび水に再結合する。上述の通り、これにより、それらの成分のリサイクルが容易になる。
【００６６】
金属水素化物および／または金属塩が、溶液に懸濁されてしまった場合、脱水されたまたは六水和物の金属塩化物は、生成物である塩化水素または塩化アンモニウムなどの上述の試薬を用いた溶融塩電解採取またはさらなる脱水のための供給原料になる。逆に、水が本発明の金属塩化物に適用される場合、ほとんどが水溶液から様々な度合いで、そして種に応じて、例えば自由塩素および金属イオンに解離する。水中の自由塩素イオンが遊離すると、塩酸が生成される。全ての金属イオンが、水中で、または同程度に、解離するとは限らず、つまり金属塩化物および／または金属オキシ塩化物の混合物が存在するであろう。
【００６７】
例えば純水には、塩化銀または塩化ロジウムが、事実上不溶性である。しかし、塩化アンモニウムの添加を介してアンモニアを添加すると、ほぼ全ての金属塩化物を即座に溶解させることができる。金属アンモニウム塩化物の操作は、本明細書に記載された水性ベースの採取システムの基礎をなす。
【００６８】
電解採取の工程がアンモニア分子を破壊して、各金属イオンの遊離の際に窒素イオンを最終的に遊離させることも、考慮されるべきである。つまりこの工程そのものは、必要に応じてアンモニウム量およびｐＨを調整することが可能である。
【００６９】
システム適用性の例：花崗岩および／または玄武岩の変換
【００７０】
供給原料の中の全元素の塩素化  −  例えば、特に玄武岩または花崗岩は、構成要素として３つの主原料：約５０〜７０％ＳｉＯ２、約１５％Ａｌ２Ｏ３および約１２％Ｆｅ２Ｏ３を石基として有し、全組成物の約１０〜２０％が、地球圏外の設定であっても十分量に存在する極めて有用で貴重な希少金属および濃縮元素である。この組み合わせの工程の無水部によって、放射線加速塩化アンモニウム−塩素化工程を利用するなどにより粉末金属酸化物の塩素化が可能になり、水蒸気生成も低エネルギー消費で得られる。酸化鉱物を水蒸気および金属塩化物に効率的に変換することが、地球圏外での鉱物回収システムにおける重要で成し得ていない技術である。
【００７１】
回収された材料１ｋｇあたりのエネルギー投資
【００７２】
炭素塩素化（ｃａｒｂｏｃｈｌｏｒｉｎａｔｉｏｎ）において投資される電気エネルギーは、約０．４〜０．６ｋＷｈ／ｋｇ鉱石であることが確立されているが、変換エネルギーの大部分は、電気エネルギーよりもむしろ潜在的化学エネルギーに由来する。しかし、エネルギー効率のよい炭素供給源は、地球圏外環境においては問題があり、炭素反応体を試薬にリサイクルするのは、変換温度が高くなるため簡単ではない。
【００７３】
加速フラッシュ蒸留
【００７４】
さらに、従来のフラッシュ蒸留の適用では、真空が水性金属塩溶液に適用されると、水が、０．４〜０．６ｋＷｈ／ガロンのエネルギー投資で除去される。しかし、マイクロ波エネルギーが、水含有溶液の表面に適用されて、部分的真空が適用されれば、水の加熱分子が蒸発するため、マイクロ波供給源からの熱エネルギーが、溶液の表面領域からの一定量の水をより制御して蒸発させることが可能となる。これは、分散および加熱された水分子がコンテナ内の液体の大部分からひとまとめに急速に揮発する従来のフラッシュ蒸留法とは異なる。この工程の格外の制御は、記載された工程の蒸気への爆発的変化を制御するための設備の要求が少ない、小規模でより制御されたフラッシュ蒸留工程をもたらす。表面蒸発は、円筒状遠心コンテナでの工程水の遠心分離を行うこのシステムの動作に役立ち、過渡的マイクロ波エネルギーの全体的または部分的熱投入が、活性エリアの中心領域に導入され、所望なら、多量の熱が該システムの別の部分で廃熱回収を介して導入される。そのような装置の設計は、同じ、または類似の設計の垂直重力に基づく操作または無重力操作に役立つ。
【００７５】
熱、塩素、アンモニア、および塩化アンモニウムの生成、使用、および再生により、主たる試薬および／または溶媒が、このシステムの経済性の中心をなす。塩素の１．５〜３．６ｋＷｈ／ｋｇのエネルギーコストは、大量変換の性能および経済的回収の予測因子である。加えて、水素が、所望の生成物である場合、エネルギー投資が、およそ１８．５ｋＷｈ／ｋｇに上昇し、該システムの一部における約２０ｋＷｈ／ｋｇへの現実社会での電力損失は、低温（例えば７０℃の）ＣｕＣｌ２触媒電気分解システムを利用して、水素を生成する。その後、水素を利用して、該システムのアンモニア部で窒素をリサイクルして、所望なら還元炉で用いられる。
【００７６】
後者は、水が３．２６ｇ／リットルで塩素を吸収するため、弱ＨＣｌを生成する水吸収槽で塩素がリサイクルされると仮定している。次に、塩酸が電気分解されて、化学量論比で水素および塩素を生成し、その後、反応してＨＣｌガスを生成し、その後、最大４２％の濃度まで水に吸収される。このエネルギー投資は、クロルアルカリ電解採取工程における塩化水素または塩化ナトリウムの電気分解の典型である。水素および塩素の試薬は、閉回路工程でリサイクルおよび再生されるため、これは、該システムの実際のエネルギー効率を表す。塩化銅の電気分解部は、さらなるエネルギー削減での節約のために該システム内の廃熱を利用する。
【００７７】
生成された金属生成物の１キログラム当たりのエネルギー投資は、平均で３８ｋＷｈ／ｋｇ近くになる。その内訳は、Ｃｌで１．６７ｋＷｈ／ｋｇ、水素で２０ｋＷｈ／ｋｇ、アルミニウム以外の金属で２．５〜３．５ｋＷｈ／ｋｇ（ＡｌＣｌ３工程では９．６ｋＷｈ／ｋｇであろう）であり、この供給原料を脱水するのに最大１４ｋＷｈ／ｋｇの投資となる。加えて、希土類元素は、溶融塩電解採取槽でより高い電力投資で回収され得る。しかし、少量のこの生成物は、鉱石供給原料の石基の８０〜９０％がアルミニウム、鉄およびケイ素であるため、主な供給原料に反映される。このシステムの廃熱は、前述したＣＯ２ＲＣＥシステムを介して最大５５％で一次電気に変換され得る。このサブシステムは、エネルギー投資を最大で５０％削減し、上述の通り、水素生成のために塩化銅電気分解に結びつけることができる。
【００７８】
変換された塩素化鉱石の主な留分の元素分離
【００７９】
四塩化ケイ素が、６０℃および１気圧の水から沸騰する  −  フラッシュ蒸留は、この工程を加速するであろう。四塩化チタンは、１３８℃で蒸発する。フラッシュ蒸留のさらなる適用で、ＡｌＣｌ３は、塩化アルミニウム六水和物に、その後、水酸化アルミニウムになり、その後、さらなる熱適用により、３００℃でＨＣｌ溶液に不溶性のＡｌ２Ｏ３に変換し、ろ過されて高度に精製された生成物になり得る。しかし、回収されたＡｌ２Ｏ３は、この文書の他の箇所に詳述された乾式塩素化工程で無水塩化アルミニウムに変換される。
【００８０】
無水塩化アルミニウムが、塩化アルミニウム六水和物から望ましい場合、さらなる塩化アンモニウムが、該混合物に添加されて、相対的に高真空下で揮発され、その後、最初１９０℃に、その後、２８０℃に加熱されて昇華して、無水塩化アルミニウム生成物を精製することが必要となる。４００℃などの高温では、過剰な塩化アンモニウムは、再使用のために塩化物装入物から除去される。このアプローチにおいて、未反応の塩化アンモニウムは、ＮＨ３およびＨＣｌガスに分解され、そのポイントで、反応および凝縮チャンバーに送り込まれて、試薬として再使用するために塩化アンモニウム固体に冷却され得る。
【００８１】
ＦｅＣｌ３は、３０６℃でＦｅＣｌ２＋Ｃｌに分解される。水性アンモニアまたは塩化アンモニウムが、例えばＦｅＣｌ２に添加される場合、それは、約２．４５ｋＷｈ／ｋｇの投資で電解採取され得る。典型的な平均の純粋材料は、およそ３．５ｋＷｈ／ｋｇ平均で回収される。それゆえ、全ての工程での平均エネルギー投資は、およそ１０ｋＷｈ／ｋｇである。
【００８２】
これはその後、鉱石生成物の完全に変換された塩素化濃縮物を達成する工程になる。該水性段階で、標的となる回収可能な金属イオンが枯渇すれば、残りの溶液をさらにフラッシュ蒸留して、追加的に無水塩を塩素化し、その後、高温冶金電解採取または溶融塩電解採取により加工される。
【００８３】
そのような加工は、希土類またはランタニド系元素の回収を含み、追加的にアクチニド元素および／または超ウラン元素を、この工程で回収することもできる。これらは、例えばＬｉＣｌ、ＫＣｌ、およびＣａＣｌの共晶混合塩中に回収される。典型的なエネルギー投資は、これらの元素では１０〜１６ｋＷｈ／ｋｇである。金属イオンの遊離により、１モル等量の塩素ガス放出があり、それは、水中での吸収により回収されて、弱塩酸を形成するか、または直接前述の水素と反応して、回収されたナトリウムと共に電気分解されて、クロルアルカリ工程でＮａＣｌ、ＮａＯＣｌを形成する。これは、水素および塩素ガスを等モル比で生成し、溶融塩電解採取でナトリウム金属が最終的に生成され、それをチタンおよび他の金属回収で用いる。
【００８４】
産業上の利用可能性
【００８５】
アンモニア＋塩酸またはアンモニア塩化物の電解質は、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｇ、白金族金属、Ａｕ、および多くの他の物の水性電解採取回収を可能にする。元素数が周期表の半分近くであるため、この列挙は例示であって排他的でないことを意味する。
【００８６】
高温で操作する高温電解採取（即ち、溶融塩）工程では、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｌｉ、ランタニド、およびアクチニド元素などの元素が、回収可能である。工程、るつぼ、およびタンクの温度を制御するために、この工程は、先に参照された多角形首振りエンジンおよび超臨界ＣＯ２ランキンサイクル熱エンジンを用いて低コストの電気を生成して廃熱を回収する発電システムを利用することができる。あるいは電気エネルギーの投入（るつぼによる抵抗加熱＋誘導加熱）、またはアークプラズマの廃熱回収、またはマイクロ波および高周波数の利用、または他の非従来型熱源（即ち、地球圏外または地球圏内使用のための集光型太陽熱発電または核）を用いて、タンクの温度を制御することができる。
【００８７】
超臨界ＣＯ２ランキンサイクルエンジンの適用は、変換炉および溶融塩電解採取金属回収用るつぼからの廃熱を、該システムのほとんどあらゆる適用ポイントで高効率で室温に戻すことにより、元素および金属生成システムの電気効率を大きく上昇させることである。
【００８８】
概念の例示
【００８９】
地球圏内での例示的工程は、例えば本明細書で参照された首振りエンジンまたは集光型太陽熱発電または核原子炉のうちの１つを利用し得る、低操作コストで高出力の発電機を利用することにより経済的利益を示すことができる。例示的設計は、電気を生成するのに５ＭＷ発電機を利用し、次にダウの工程を介して工程ガスを使用するか、またはＨＣｌガスを電気分解するのにクロルアルカリ工程を利用するか、または水性塩酸を電気分解するＨＣｌ酸電気分解システムを利用するか、またはＮａＯＣｌもしくは次亜塩素酸ナトリウムで水素および塩素を生成するために低温塩化銅電気分解工程を利用する。
【００９０】
クロルアルカリ工程の利点は、次亜塩素酸ナトリウムが水および金属ナトリウムにさらに電気分解され得ることである。金属ナトリウムは、四塩化チタンまたは四塩化ジルコニウム（および他の種）を再使用のためにチタンまたは他の粉末とＮａＣｌに変換することにおいて有用である。最初の２つの工程では、およそ２６倍低いエネルギー（ＵＳ  ＤＯＥ高温電気分解法では１．６７ｋＷｈ／ｋｇ対約３９ｋＷｈ／ｋｇ）を利用して、これらを２種のガスを分離し、それを均等なモル比で該工程の別のエリアで使用する。この代替的実施例では、該工程でリサイクルおよび再生されるおよそ１，６６６ｋｇ／ｈｒの水素および塩素ガスを変換する。水素プラズマアーク炉における溶融鉱石中のこの水素生成および使用は、鉱石重量のおよそ４０％〜５０％である溶融鉱石からおよそ９倍もの多量の酸素の抽出を可能にする。
【００９１】
加えて、金属塩化アンモニウム分子が電解採取される場合、アンモニウム分子は、生じた窒素原子放出物から解離される。窒素原子が触媒により４つの水素原子と反応する場合、アンモニア分子が生成され、これが次に任意の水性強塩酸またはＨＣｌガスによりバブリングされる場合、塩化アンモニウム分子が再生される。この工程は、塩素リサイクルシステムによって利用される。
【００９２】
例として示すと、花崗岩の平均密度は、２．６５〜３ｇ／ｃｃである。花崗岩は、酸化物の混合物を含み、それは酸化アルミニウムと、酸化ケイ素と酸化鉄の様々な比を有する。酸素を除去する場合、典型的な鉱石装入物の全体的な残留重量は、ほとんどの組成物で開始重量の約１／２（約３７〜６０％）である。
【００９３】
例示すると、Ａｌ２Ｏ３の割合は、約１０２の分子量で、アルミニウム量が２原子で分子量約５４であり、酸素が１６の分子量を有する。得られた割合は、金属成分対酸化物として５２．９％である。Ａｌ２Ｏ３の密度は、４．５ｇ／ｃｃであり、アルミニウム金属の密度は、２．７ｇ／ｃｃである。同様に、二酸化ケイ素の分子量は６０で、およそ２８がケイ素で、約３２が２つの酸素原子である。酸素を取り除いた後、半金属のケイ素が、この時点で４６．６％の割合であり、金属密度が３．３３ｇ／ｃｃである。アルミニウム対Ａｌ２Ｏ３での密度差は、６０％である。２．１３ｇ／ｃｃの二酸化ケイ素対３．３３ｇ／ｃｃのケイ素の密度差は、約６４％である。
【００９４】
プラズマ水素  −  酸素の除去
【００９５】
電気分解された水素ガスは、混合金属生成物での酸素除去に用いられ、電気分解された塩素ガスは、混合金属を塩化物へ変換するのに用いられる。各ガスは、各炉内の各アークトーチまたは複数のトーチに供給される。これらの炉は、液化されて電気伝導性のある酸化物に基づく鉱石材料の密閉された装入物が、第一の炉の中央の隔離領域に堆積されている、図４に関して先に記載された二重炉システム２００などの例示的システムの構成要素である。
【００９６】
第一の炉２０２において、イオン化された水素プラズマは、鉱石からの質量として９倍もの多量の酸素と反応させ、それを抽出させる（水の分子量は１８であり、２Ｈ＝約２に対してＯ＝約１６）。この変換工程は、約１．６７＋１．５または３ｋＷｈ／ｋｇ生成金属を消費する。次の別個の第二の塩素プラズマ炉２０３は、３ｋＷｈ／ｋｇ金属塩化物の平均エネルギー投資のために、生成金属（第一の炉２０２から受け取られた）を塩化物に変換し、得られた金属量はおよそ５０％分子量で、エネルギー投資約６ｋＷｈ／ｋｇ金属が得られる。それゆえ、推定された変換工程は、約３．５ｋＷｈ／ｋｇ塩化物を消費する。次の電解採取投資平均は、全ての元素に関しておよそ９．５ｋＷｈ／ｋｇ回収金属である。
【００９７】
水性システムへの第一段階
【００９８】
第一の炉容器には通常、加工される酸化鉱石装入物（または地方自治体の固形廃棄物などの他の供給源からの混合金属）が提供され、工程材料の部分で、この工程の間に外気に暴露されるものはない。この炉の設計に特有なことは、炉の中央部分が閉鎖環境であり、任意の大気をこの段階で遊離される鉱物または元素の揮発性組成物と反応するため、そしてそれを輸送するために使用することができることである。
【００９９】
炉環境の高温（１，０００〜１，６００℃またはそれを超える温度）は、１６００℃未満の沸点を有する元素およびそれらの化合物を揮発させる（ｖｏｌａｔｉｚｅ）。これは、プラズマアークトーチからの廃熱が部分的にリサイクルされる供給原料鉱石を添加および液化するために用いられるるつぼの最も内部に特に適用される。これは、所望なら材料が溶融されて、第一段階の揮発が不活性ガス雰囲気で起こり得る場所であるため、例えばＣＯ２もしくはアルゴン、または窒素などの還元反応性ガスが用いられ得る。
【０１００】
熱は、最初にシリコンカーバイドるつぼの母体そのものの電気抵抗を利用し、各電力供給により電力を与えられたブースター誘導コイルからも、そして周囲でほぼ５０％になるアーク変換部からの廃熱により、周辺のるつぼに適用される電力からの熱を介して炉で発生され、リサイクルされる。この内部部分は、任意の選択されたガスを使用して、揮発した元素を循環または輸送し、それを、温度制御された（優先的には、例えばシリコンカーバイドで組み立てられた）凝縮熱交換器スタックである元素に特化された凝縮熱交換器に輸送することができる。例示的輸送ガスは、アルゴン、二酸化炭素、または他の幾つかの分子もしくは元素不活性ガスもしくは反応性ガスであり得る。この選択は、選択肢として特別に選択されたガスの使用により、特異的反応を生成する柔軟性を付加することができる。所望のガスまたは複数のガスを選択して、元素に特化した輸送および精製メカニズム、そしてそれによる回収を増進するために、一過性の化合物を形成させることができる。金属−ハロゲン輸送方法の概念の一例が、ヨウ素・タングステン・ハロゲンサイクルおよび貴金属の回収において示されよう。その場合、高温のタングステンが、揮発性化合物を形成し、それが金属タングステンをより低温の金床に堆積させる。この特異的方法は、原子価の高い（４など）元素および白金族金属の元素を分離する。
【０１０１】
そのような選択肢は、各アーク変換ステーションが他から分離されたアークおよびガス回路であり得、そして隔離され得るため、利用可能になる。金属ハロゲン化物化合物の大部分は、著者の発明したプラズマアーク炉設計の操作温度ではガスである。
【０１０２】
代わりの実施例は、硫黄と結合する水素を利用して、凝縮および回収がより容易な二硫化水素を作製する。
【０１０３】
開示された工程は、塩素ガスがセラミックランスを通して溶融金属のるつぼの底または底付近にバブリングされるミラーの工程と類似している。塩素は、ほとんどの金属と反応して、塩化物を形成する。しかし、ミラーの工程は、主として通常の合金成分が銀である高い貴金属含量（約８０％）のドーレの分離に適用される。反応速度は相対的に低く、導入された塩素ガス重量速度は、典型的には７．７グラム／分／ランスである。
【０１０４】
塩素ランスまたはオリフィスの周囲の大面積グラファイト電極カラーの使用により、改善がもたらされる。このシステムにおいて、電極の下の環状エリアが、所望の反応の促進物質である電気アークの使用により高度にイオン化される。ランスの使用は、有益になり得るが、塩素ガス中に生成された電気アークプラズマは、所望の変換の生成の加速力になる。
【０１０５】
中央の供給原料注入口の機外の垂直管付近にある電気アークによって生成されたプラズマ温度は、アーク付着ポイントの局所工程水素または塩素プラズマを１５，０００℃もの高温に上昇させる。これは、プラズマの活性を上昇させ、電気伝導性液体酸化物の鉱物装入物の表面での化学反応を加速する。この反応は、本来は酸化物化合物の形態である鉱石の元素から酸素を取り除く。その結果、水分子が生成されて、残りの未結合の原子が、溶融鉱石中に自由に浸漬または浮遊し、炉底または炉頂の回収エリアにある装入物塊からの自由金属原子のより大きな核化集団と結合する。その結果、該材料は、重金属の浸漬および軽元素の上昇に伴って分離し、それにより回収が容易になる。
【０１０６】
このポイントで、混合された金属合金をタップして、簡便な液体、微粒、ロッド、または棒に鋳造することができ、それは次のステージである塩素アーク炉に固体または液体アノードとして供給される。これは、混合された金属、元素および伝導性化合物、例えばカーバイドが、塩化物に変換する場所である。このステップにより、水性または溶融塩槽内での分別蒸留または次の電解採取を介した簡便な分離が可能になる。
【０１０７】
供給原料の供給による垂直管付近のこの部分のための第二の炉：塩素化炉における顕著な差は、内部マニホールドが中央部の溶融金属を外部部分の個々の大気遮断管または塔に案内するために存在することである。この特色により、金属アノード（典型的には塩素化される）と得られたガスおよび液体塩（所望の産出物）の機能的分離が可能になる。両方の炉の設計により、炉の設計の一部として、鉱石装入物およびプラズマアーク変換ステーションのための別個の分離された大気コンパートメントが可能になる。
【０１０８】
第一の炉において、炉からの外部部分の産出ガス流は、水素ガスと水素酸化物（水蒸気）との混合物であり、それが水の回収および水素の分離を可能にする。別個の水凝縮部またはタンクは、塩素が電解採取回収部（複数可）の電気分解槽で遊離された後、塩素ガスがそれを通してバブリングされると塩酸の再生を可能にする。結論として水素および塩素が、この工程の閉回路内で無限にリサイクルされる。
【０１０９】
典型的な鉱石供給源は、硫黄、リン、ハロゲン化物、希土類、および微量金属などの数種類の少量元素組成物を含み得る。このシステムのより小型のものでは、これらの元素がさもなければ問題の汚染物質の大部分を構成し得るため、分子フィルターがこれらの元素を捕捉するための選択肢である。代わりの設計では、酸化鉄が用いられ、それが揮発された金属塩化物を捕捉および冷却する水スパージャタンク内に供給される。これにより、上述の元素を鉄化合物（基本的にリン酸鉄）に沈殿物として変換することが可能になり、水溶液からの分離が可能になる。
【０１１０】
相等しい工業的適用において、石油化学業界では、約５００℃で動作する分子フィルターとしての酸化鉄のためのセラミックビーズ担体を用いる。これらのビーズは、酸化鉄を再腐食させ、そして水溶液中の混入物を除去して、次に脱水法により濃縮させて汚染物質で飽和させると、再生され得る。
【０１１１】
大型システムの設計では、分別蒸留装置で、例えば先に参照される超臨界二酸化炭素ランキンサイクルエンジンを用い、それが優先的に適切な凝縮温度を確立するために用いられる。これらの設計の元素は、熱伝達装置として、モノリシックシリコンカーバイドまたは粉末シリコンカーバイドおよび／または玄武岩プリント回路熱交換器を用いることができる。
【０１１２】
この工程の変形例は、希土類鉱物回収のためのカルボクロロ熱工程（Ｂｒｕｇｇｅｒ  ａｎｄ  Ｇｒｅｉｎａｃｈｅｒ  １９６７）および参照により本明細書に組み入れられる米国特許第５，４６８，３５４号に議論されたアンモニアの塩化物溶液を用いる。さらなる使用は、揮発した金属塩化物ガスを凝縮する温度制御された蒸留熱交換器で構成され得る。
【０１１３】
そのようなアプローチは、完全な閉回路でない場合があり、メタノールを製造する改質炉内でのバランスのとれたシンガス生成の前駆体ガスの１種である一酸化炭素の有用な量を生成させる。これは、例えば地方自治体の固形廃棄物回収システムに用いられ得る、先に開示された改質炉（２０１２年８月３日出願のＰＣＴ出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ１２／４９５０８号）に混和された鉱物／金属回収システム成分のための潜在的設計の選択肢になる。
【０１１４】
システムのエネルギー効率を上昇させるためには、高温ガス流は、過剰な熱を温度低下のために除去させる。この熱は、超臨界ＣＯ２ＲＣＥに投入され、およそ５０％の廃熱エネルギーを回収すること、およびそれを一次電力に変換してシステムにフィードバックすることにより、該システムのエネルギー投資を低下させる。廃熱のバランスは、（相対的に）低温のＨＣｌ  ＣｕＣｌ２水素発生システムで用いられ得る。
【０１１５】
分子フィルターは、地球圏内システムに用いられる場合、ＳｉＣ  ＰＣＨＸ分別蒸留ユニットの代わりに用いることができる（システムを閉回路にする）。該フィルターは、大気に接した圧力容器として提供され、炉により産出されるヒ素、硫黄、リンまたは塩素原子と反応する酸化鉄またはより適切な触媒を保持する。水は、凝縮により抽出されて、再生ユニットに送られ得るが、水素ガスは、トーチガスマニホールドのために圧力入口ポンプに送られる。これは、好ましい設計の妥協された型を表す。再生溶液は濃縮されて、あつらえたリンおよび硫黄回収部への別個の供給原料になる。該システムが電気分解を介してこれらの化合物を捕捉して純粋な元素状態に変換するため、先のものは、依然として閉回路回収を構成する。
【０１１６】
コールドプレート式熱交換器が分子フィルターの代わりに組み込まれていて、分別蒸留により特異的元素を回収し得ることが再度、留意されなければならない。これらの特定の元素およびそれらが輸送される化合物は、既知の濃度で十分な回収値を有し得ないため、分子フィルターは、簡便さのために存在する。したがって、このシステムの特別な設計者選択タイプのためにそれらの元素を濃縮することが選択肢となる。
【０１１７】
高温圧縮ポンプが、このポイントで用いられて、システムの構成要素への工程ガス流を圧縮する。好ましいポンプは、ポンプとして作動する多角形首振りピストンエンジンであり、エンジンのメカニカルリバースである。これは通常、電気モータを用いて操作し、好ましくはシリコンカーバイドまたは他のセラミックスなどの高温不活性材料で構成される。
【０１１８】
水をガス流から分離するために凝縮が利用される場合、このより低い温度でシステムから廃熱をさらに回収することが必要となり得る。そうであればこれは、第二のＲＳｉＣ  ＰＣＨＸユニットがＣＯ２  ＲＣＥに熱を投入する場所である。
【０１１９】
ＣＯ２  ＲＣＥは、サブコンポーネントを可能にする多重凝縮段階の特性で利用することができ、水が最大１６６０℃の任意の温度で凝縮し始めるため、重ねて利点を有する。ＣＯ２  ＲＣＥは、８２℃で熱から電力への変換を停止する。それゆえ、電力の回収は、全体的システムのサイズを減少させて、エネルギー効率を改善するという効果を伴って起こる。ＣＯ２熱ポンプは、操作において高い性能係数を有するため、コンプレッサは、ＣＯ２熱ポンプとして用いられて、ＣＯ２熱ポンプとして低温凝結を得る。この特色は、ＲＳｉＣ  ＰＣＨＸ熱交換器および多角形首振りピストンポンプを利用する。
【０１２０】
ダウ（Ｄｏｗ）またはＨＣｌガス電気分解ユニットからの水素が、このマニホールドポイントで新たに生成された水素工程ガスに添加され、サイクルの終了時点で新しい装入物と一緒に再度工程を開始し、水性または溶融塩システムでの次の段階の電解採取のために、金属混合物をアノードバーまたは微粒に注ぎ込まれる。
【０１２１】
含まれる精製部への鉱石輸送は、工場への金属または金属化合物の運搬に用いられるハイブリッドトラックまたはコンベヤシステムの使用により遂行され、そこで純粋な商業グレードの即市販可能な生成物に電解採取される。
【０１２２】
塩化物（ハロゲン化物）の生成
【０１２３】
この工程では、該液体金属は、第一の例示的炉設計と類似のプラズマアークトーチを介した塩素化のために、第一の炉と類似の第二の炉の分離されたアーク領域に優先的に供給される。金属供給物がコアチューブの中央部分およびフィルターアークの供給管のみに制限されるという例外を含む。隣接のエリアは、液体金属から隔離されている。これにより、気体または液体としての溶融塩化物（ハロゲン化物）塩を回収またはタップして、水性溶解およびスパージャ水ろ過システムに方向づけることができる。第二のそのようなスパージャ空気／水回収システムは、炉から発生したガスの中の揮発された塩化物および他の元素を捕捉するように機能する。ここで、ガス生成物はこうして捕捉され、溶解された塩化物は次に純粋な元素の回収のために電解採取システムに送り出すことができる。非水性可溶性塩化物が、ろ過により捕捉され、他の場所で上述の通りアンモニアの溶液として加工される。
【０１２４】
第二の炉は、アークからの電力が各トーチアークの場所の溶融プール中の金属の塩化物（ハロゲン化物）の生成を駆動して加速するアーク領域を通って供給された塩素（ハロゲン化物）ガスを有し、あるいは該金属を、該工程のより小さな異なるものに合わせて棒としてアークに供給することができる。しかし、設計者に簡便になるように、より小さなシステムでの加工は、固形の棒がより容易になり得る。操作の際、酸化物を取り除いた炉からの混合金属生成物が、第二の炉の中央の穴に供給される。操作の上ではそれは、第一の炉と同一であるが、第一の炉が鉱石装入物から酸素を除去して、混合金属の金銀地金を生成する、という差異がある。金銀地金は、第二の炉にある受け取る中央の穴に供給される。中央の液体金属供給原料のリザーバの周辺に位置し、任意の変換速度に適合するような任意のサイズであり得る、アークの場所では、金属が第一の炉で鉱石が酸化物を除去するのと同じ基本的速度で、金属塩化物（ハロゲン化物）に変換される。
【０１２５】
上記の水性システムとは対照的に、無水塩化物の変換では、多数のモル比の塩化アンモニアが、金属酸化物粉末およびコンベヤベルトの供給物と混合され、複数の周波数のマイクロ波放射線または誘導加熱オーブンを用いて加熱される。
【０１２６】
汚染の制御および鉱物回収のための混和された分子フィルター水スパージャ
【０１２７】
このスパージャ（２０７の物体）は、固体金属塩化物塩を溶解し、三塩化リンおよび二塩化硫黄をはじめとする揮発された金属塩化物塩も捕捉する。
【０１２８】
塩素化炉では、１２００℃を超える沸点を有する溶融塩は液体であり、塩素化炉の周囲エリアのタップポイント（ｔａｐ  ｐｏｉｎｔ）で回収される。それらは最初、塩素化炉に隣接する水で満たされた貯蔵タンク１１１で捕捉される。気相の塩が、揮発された蒸気として炉内から出る。これらのガスは、能動的に冷却された散布タンクとしてのコンパニオン捕捉タンク１１５に導入され、そこでガスが第二のタンクを通してバブリングされる。あるいは直接的な凝縮が利用され得る。
【０１２９】
リンおよび硫黄種の制御
【０１３０】
リンに基づく化合物は、主としてＰＯＣｌ、ＰＣｌ３、およびＰＨ３からなる揮発性ガスである。それらの全ては、水を通して散布されると、反応してリンおよびリン酸を形成する。これらの化合物は、適用された酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）と反応して、リン酸鉄を形成するが、それは水に不溶性で、沈降タンク部で析出するか、または優先的にフィルターに捕捉される。酸化鉄はまた、水素化硫黄および二塩化硫黄と反応してそれらを変換する。
【０１３１】
代わりの設計選択として、この第二のタンクは、揮発された気相塩を捕捉するために、活性分別蒸留熱交換器と置き換えることができる。これは、最も元素およびエネルギー効率が良い方法であるため、好ましい設計である。
【０１３２】
電解採取および高温電解採取
【０１３３】
混合金属の金メッキの延棒の電解採取が、現行の工業的方法を利用して実施され得る。あるいは混合された金銀地金を、アノードに鋳造して、希塩酸浴または純粋なＨＣｌガス、塩化アンモニウムもしくはＮａＣｌ、または任意の数の高塩素量溶液、例えば塩化アンモニウムの浴に浸漬することができる。上述の例示的化合物は、一般的であるが、この工程に限るわけではない。この実施例は、ｐＨ制御のためにアンモニウムが添加される純粋な溶融塩または水性ＨＣｌまたは金属塩化アンモニウムまたはＨＣｌ中での高温電解採取の例を示している。カソードは、カーボングラファイトなどの化学的に不活性の材料、あるいは白金、または白金触媒がコーティングもしくは含侵されたチタンもしくは不活性もしくは耐火性の化合物材料（例として二ホウ化チタン）などの低電圧液的コーティングで作製される。
【０１３４】
電解採取タンク１３１および２３１は、塩素ガスが該工程で遊離されるため、大気に対して閉鎖されている。該ガスは、これまで述べられた分子フィルターの類似のものによって除去されるか、または例示的電気分解ユニットからの水素と反応するように誘導されて、ＨＣｌ（塩酸）を製造し、この供給源は主要な電解質であるためリサイクルされる。これは、回収された水を利用して、塩素ガスを捕捉する場所であり、それは水を通してバブリングされた該ガスが、次にガスとして反応されるＨおよびＣｌの２段階低濃度電気分解を通して水を生成して、４２％もの高度の飽和により飽和ＨＣｌ酸溶液に加工されるためである。
【０１３５】
水、塩素、および水素ガスの回収およびリサイクル
【０１３６】
水素ガスは、アークの第一の炉で反応して水を生成し、その後、水が凝縮されて、弱塩酸（３．２６グラム／リットル）に変換されて、塩素ガスが散布により捕捉される。その後、ＨＣｌの水素および塩素ガスへの電気分解により、ＨＣｌガスがトーチまたはＵＶオーブンおよび／またはＦｅ２Ｏ３マグネタイト化学触媒原子炉内で反応させることにより生成される。この時点で、塩化水素ガスは、水を最大４２％のかなり高い濃度まで吸収する塩化水素ガスである。あるいは水素が、塩素ガスと直接反応させることができ、その後、純粋な工程ガスへの分離のためにダウ電気分解ユニットに方向づけることができる。しかし、ＨＣｌを再生して塩素ガスのための供給源として作製および再使用するのは、共同する２種の中央試薬サイクリングシステムのうちの一方である。
【０１３７】
ガスは、塩化水素電気分解ユニットの塩素マニホールドに供給されて水素および塩素ガスを加工し、閉回路の部分を構成するため、水の過剰な塩素化（即ち、３．２６グラム／リットルまたは０．０８９４モル／リットルを超えるＣｌ２）は、溶液から遊離した塩素ガスを生じる。
【０１３８】
水性システムにおいて、水素および塩素ガス（またはハロゲン化物ガス）は、同じシステム内の別個の、または分離した電気アークプラズマ工程で用いられ、これらのガスは、無期限にリサイクルされて、汚染および排出物を含まない回収工程およびシステムを実現する。
【０１３９】
これは、酸化鉱石が鉱山からのものであるか、または金属混合物、例えば参照された改質炉システムに示されたような地方自治体の固形廃棄物回収からのもの、または一次製錬業界のようなスラグからの金属マットであるかにかかわらず、供給源から直接、酸化鉱石を加工するという特有の適用例を提供する。これを用いて、アルミニウム回収工場からの廃棄副生物、および発電所からの石炭飛散灰である赤泥池および放射能汚染部位などの環境毒性廃棄物部位を処理することもできる。
【０１４０】
希土類回収；電解採取回収
【０１４１】
別の型の設計では、アンモニアの塩化物の水性塩電解採取槽が用いられるか、または溶融塩電解採取槽が用いられるかにかかわらず、全ての元素を直接回収する金属塩化物供給原料が使用される。前述した電解質回収法との差異は、２種の金属塩化物化合物の部分的真空下での早期分別蒸留である。この段階で回収された元素は、およそ６０℃で蒸発する四塩化ケイ素、および水が捕捉溶液からフラッシュ蒸留された後１３８℃で蒸発する四塩化チタンである。
【０１４２】
多くの金属塩化物には、水中で捕捉された場合、脱水されるようになるとオキシ塩化物を形成するという問題がある。難題は、それらが加熱の際に必ずしも純粋な金属塩化物に変換されて脱水が望ましい場合に水を追い出すとは限らないことである。例は、塩化アルミニウムであり、それは塩化アルミニウム六水和物を形成し、加熱すると最初、オキシ塩化アルミニウムを形成し、その後、水酸化アルミニウムに変換され、その後、加熱すると塩化アルミニウムに戻るよりもむしろ酸化アルミニウムに変換される。
【０１４３】
希土類酸化物を加工する際、金属内容物と塩化アンモニウムとのモル比を２〜４倍で混合すると、乾燥塩化アンモニウム粉末を介して供給原料を塩化物（即ち、ＭｅＣｌ２、ＭｅＣｌ３、またはＭｅ２Ｃｌ６）に完全に変換し、それは１９０℃というどちらかといえば低温の熱でそのように実行する。
【０１４４】
供給原料をモル濃度の塩化アンモニウム対金属で２倍または２〜４倍量になるように混合し、その後、供給原料の熱を高真空下で４００℃に徐々に上昇させることにより、供給原料を強制的に塩化物に戻すことができる。これは、該システムがこれから塩化アンモニウムという第二の試薬を使用する場所である。これは、アンモニウム−ＮＨ３が塩化水素ガス−ＨＣｌと混合することができるようになれば、生成および再生される。その後、それは自発的に塩化アンモニウム−ＮＨ４Ｃｌを形成する。これが沈殿すると固体が形成し、続いてそれが簡便な再使用のために粉末に破砕される。加熱されると、塩化アンモニウムは２種の前駆体ガスに分解するため昇華し、冷却すると塩化アンモニウムに再結合される。冷却は、固体の形成まで継続し、この時点でこの試薬は、供給原料の材料として工程を再度開始するのに利用可能になる。
【０１４５】
水性アンモニウム金属塩化物が、電解採取される場合、窒素が放出されて捕捉され、その後、それが混合されて触媒下で反応され、アンモニウムガス−ＮＨ３を形成し、圧縮し冷却された液体として、またはアンモニアを水と混合する場合には水酸化アンモニウムとして、貯蔵することができる。アンモニウムは、加熱すると、水から放出される。方法は両者とも、利点を有する。宇宙の設定において、アンモニア液は、再使用のために低圧タンクで貯蔵され得る。この状態では、それは、Ａｓｔｒｏｎａｕｔ  Ｆｒａｎｋｌｉｎ  Ｃｈａｎｇ  Ｄｉａｚによって記載された比推力可変型プラズマ推進機またはＶＡＳＩＭＲロケットにおいて使用するための冷却剤および反応塊として水と直接置換することができる。
【０１４６】
より純粋な生成物材料の実現のために、他の工程、例えば分別蒸留または帯域精製を用いることができる。この場合、浴が高い溶融塩温度で操作され、ＣＯ２  ＲＣＥを用いて温度を制御し、電気分解からの廃熱などの電気的熱源が、誘導加熱または電子ビーム加熱と共にそれ自体を加工して、上述の技術を容易にする。
【０１４７】
金属回収の電解採取
【０１４８】
電解採取は、最大実用面積の電極を介して、水性または溶融塩のいずれかにおいて標的カソード上で電気めっきする、元素に特化された回収工程である。溶融塩型の主な利点は、システムのサイズが典型的には回収された生成物の同量に関して１００倍小さいことである。この工程は、特異的元素が溶液から枯渇されるまで、最低電圧の金属メッキ電位を一度に印加することにより金属種の混合物から混合金属カチオンを堆積させる。
【０１４９】
別の電解採取タンクまたはるつぼを、各特別なタイプの元素回収に提供することができる。一例が、この目的で純粋なハフニウムタンタルカーバイドるつぼまたはシリコンカーバイドでコーティングされたるつぼを作製するための金型で形成された真空ＰＬＤであるハフニウムタンタルカーバイドるつぼを用いることである（既存の選択も存在する）。これらの設計は両者とも、流動する二酸化炭素ガスを基にした温度制御のための内部冷却溝を組み込むことができる。
【０１５０】
最初の窒素ガスとしてのアンモニアの金属塩化物と共に作動するための溶液の最も簡便なタイプは、アンモニア供給原料ガスにリサイクルして水酸化アンモニウムを生成するために遊離される。システムの後期に、塩素が遊離して、タンクもしくはるつぼの上でガス状になることができ（水性または溶融塩回収型と同様）、または１０８ｐｓｉで液化し、この目的のために構成されたタンクに貯蔵され得る。これにより導管網で、ガスを再生利用して閉回路内で使用可能な供給源、例えば塩素、塩化水素ガス、または塩酸に戻すことができる。
【０１５１】
自然発火性の電解採取
【０１５２】
この型は、様々な比率の大部分が溶融された共晶塩化カリウム、塩化リチウムカルシウム、塩化マグネシウムおよび塩化ナトリウム塩、塩化物、オキシ塩化物、水酸化物、または硫酸／硫化物の高温水不含（無水）浴に基づき、非水性方法が用いられ得ない場合、または自然発火工程が他の方法で好ましい場合に、用いられる方法を指す。
【０１５３】
一例：この参照の時の抽出のための基本的な鉱石輸送コストは、約＄１０／トンである。プラズマ還元工程は、天然ガスでは約＄１４５＋＄５８．２１かかるはずである。電解採取工程は一般に、電解採取タンク部で約２．５〜３．５ｋＷｈ／ｋｇ金属を使用する。ショートトンが、９０９．０９ｋｇとすると、これは、３ｋＷｈ／ｋｇ（金属までのプレートに対して（ｔｏ  ｐｌａｔｅ  ｔｏ  ｍｅｔａｌ）を使用する混合金属約４５４．５４ｋｇ＝１３６３．６３５ｋＷｈになろう。これは、天然ガス＄５／１０００立法フィートで＄３８．４２である（現在の卸値）。廃石１トンを加工および精製するためのコストは、＄１０＋＄１４５＋＄５８．２１＋＄３８．４２＝＄２５１．６３（そのうち＄２０３は天然ガスであり、つまり光核分裂原子炉は、コストを約１／４に削減することになる）。これは、２０トン／単位／時間の改質炉システムに対するモジュール式炉で縮尺している。
【０１５４】
玄武岩または花崗岩のような堆積物中の回収可能な資源のレビューから、アルミニウム、鉄、コバルトおよびケイ素を含むこれらの特定の資源は、任意の特別な元素、例えば耐火性、希土類、金または白金族の金属を含まなければ、現在の市場価格でおよそ＄１，１００／ショートトンをもたらすことが示されている。この試料分配は、＄１．２５／ｋｇのケイ素２５％（＄１４１．８８）、＄２／ｋｇのアルミニウム８．３７５％（＄７６，０４５）、＄０．０８８／ｋｇの鉄８．６８％（＄６．９４）、＄２８／ｋｇのコバルト６．１５％（＄７８１．７９）＝＄１，００６．６６。この数字は、供給原料の１ショートトンあたりである。この例示的単位は、１時間でのこの量について．５６３トンを加工するはずであり、そのため収率は、＄２，３８１／時間で、コストは約＄２７０である。
【０１５５】
この例は、ＸＲＦアッセイの対照として用いられるＵＳＧＳからの標準玄武岩比較試料および予測される花崗岩組成に基づく。
【０１５６】
得られた工程コスト削減数量は、もう少しというところである。フラッシュ蒸留ユニットは、湿った方のサイズはおそらく１０００倍減少し、炉は、加工側が一桁減少し、そのユニット（または浮遊タンク）ではクラッシャーと、後のコンベヤ設備を必要としないことを考慮すると、サイズも同程度減少する。
【０１５７】
コモディティ金属を回収するための代わりの塩素化方法では、それらが金属酸化物または一般的鉱石を含む塩化アンモニウム粉末中で変換され得、後に電気分解されるか、または塩酸中で水性塩化物を作製し得ることが示される。電解採取段階で放出されたガス状塩素は、回収され、次にリサイクルされた水素と再度反応され、元素回収のために例示されたダウ電気分解ユニットと、次の電解採取ユニットのガス回収段階でＨＣｌとして再利用される（以下参照）。あるいは窒素と水素を反応させてアンモニアを形成させ、次にそれを塩素と反応させて、乾燥塩素化の低温工程に用いるための塩化アンモニウムを形成させる。
【０１５８】
ＨＣｌ再生は、水吸収、電気分解、それに続いて触媒および／または熱変換と、次に適宜建設された霧化塔での水中への吸収を介して遂行される。この設定により、４２％のＨＣｌ濃度が可能になる。代替的使用は、ＨＣｌをＮＨ３（同じく再生された）と反応させて、固体塩化アンモニウム（直接的な供給原料）を生成することである。水は重く、生命に必要であるため、このシステムは、宇宙適用により適しており、そのためその環境での鉱物回収の操作へのそれの必要性を排除することによって、より望ましくなる。加えて、無水システムは、以前に鉱石そのものの金属酸化物に結合された酸素を用いて、変換反応の際に副生成物の蒸気として水を生成する。
【０１５９】
最初の段階の噴霧水捕捉槽では、塩素ガスが３．２６グラム／リットルの速度で吸収される。これは、水素および塩素ガスを生成する電気分解槽を通して送られる。次にこの化学量論的ガス混合物は、触媒および／または熱により反応して、塩化水素ガスを生成し、それは第二の水噴霧ユニットを通して送ることができ、そのユニットでＨＣｌガスが吸収または圧縮されて、水素からの塩素を液化する。この分離形態は、燃焼の可能性の低下によって安全性が加わり、廃熱回収も援助するため、熱の除去および含まれるシリコンカーバイドフォームによって可能になる。このユニットは、濃ＨＣｌ酸または純粋な塩素液、および圧縮された水素ガスを生成する。このシステムの地球圏外型は、設計者に望ましい場合には、塩素、アンモニアおよびＨＣｌ酸試薬の捕捉および濃縮の組む合わせのためにこのユニットを用いることができる
【０１６０】
試薬のリサイクル
【０１６１】
このシステム設計は、具体的には閉回路試薬を用いるため、水性部分が単一元素または混合金属の供給原料を溶液に変換し、それを用いて純粋な金属生成物に電気分解（電解採取）する。この電解質は最初、金属塩化物であり、それがアンモニアガスの導入により塩化アンモニウム／金属またはアンモニアの金属塩化物混合物（多くの金属塩化アンモニウムを意味する）に変換される。金属塩化物が電解採取されると、塩素ガスが放出され、水霧化塔によって捕捉されると、これが弱塩酸を生成する。この弱ＨＣｌ酸は、水素および塩素ガスに電気分解されると、それをアーク炉内で直接使用するか、または反応炉もしくは反応槽を通して送られて、塩化水素ガスを生成し、このガスは、霧化塔と同様に水に導入されると、４２％濃塩酸を生成することになる。該システムのその他の場所では、アンモニアが、アンモニア金属塩化物水に基づく電解採取部において回収された窒素ガスから再生される。水素は、単独の生成物として塩酸から、または低温の（３３℃〜１００℃）塩化銅および／または塩化亜鉛電気分解ユニットで生成される。このことから、塩素ガスが水で再度捕捉され、濃塩酸としてリサイクルされると仮定される。
【０１６２】
該システムのこの部分は、供給原料として弱塩酸（即ち、０．０８９モル）を使用する。水素は、紫外線活性化酸化鉄（マグネタイト）触媒オーブンで窒素と反応して、アンモニアＮＨ３を生成し、その後、塩化水素ガスと混合されて、塩化アンモニウムを生成し、それを前に水和された金属塩化物の脱水および／または再塩素化部に用いる。乾燥工程は、加熱された（１９０℃、その後３５０〜４００℃）真空オーブン内で２〜４倍モル比過剰な塩化アンモニウムを利用する。
【０１６３】
分子フィルターは、第一段階の炉または岩石溶融炉で用いられる場合には、冷却されたフィルタータンクに水を充填して酸化鉄触媒ペレットを再腐食化し、ヒ素、リン、硫黄および塩素生成物を水に移動させ、その後、脱水またはフラッシュ蒸留タンクにも移動させて、上述の化合物生成物をさらなる加工のために固体に変化させることにより再生される。
【０１６４】
モナザイトを直接加工することにより、該システムは、この工程においてリン酸塩をリン酸三ナトリウム（ＴＳＰ）として回収するように構成させることができる。
【０１６５】
ＨＣｌが導入される上述の工程において、代替法は、該酸化物を４倍モル量の無水塩化アンモニウムと混合し、その後、該混合物を高真空下および低誘電吸収線マイクロ波で加熱して、酸化物供給原料を同時に脱水および塩素化する。これは、フローチャート例をバイパスステップ１および２に変更して、より有利な無水塩化物生成物を得て、それを例えば現在知られる手法などで分別蒸留する、もしくは直接電解採取する、またはその両方を行うことができる。
【０１６６】
上記システムの回収工程の改善は、水素アークプラズマ炉での閉回路溶融および主に酸化物の鉱石の還元を通して加工することである。そのガス状生成物は、閉回路にして汚染されないように、以下の事柄の１つまたは複数によって方向づけられる。
【０１６７】
この後、セラミック熱交換器と、その後、用いるならばヒ素および硫黄、そして残留する塩素と結合する酸化鉄触媒で構成された分子フィルターを温度調整する。このポイントまでは、該工程は、（１）廃ガス流から凝縮された水、（２）次のコンパニオン電解採取工場での電解採取のための鋳造金属棒またはアノード、および（３）分子フィルターの部で述べられた捕捉された混入物、である炉の生成物に基づく。これらは、分子フィルターが再生される場合には回収され（分子フィルターユニットにより標準に切り替えることによる）、その後、飽和酸化鉄触媒フィルターユニットを水で埋め戻し、酸化鉄触媒を再腐食するよう残留させる。この工程は、炉から遊離されたヒ素、硫黄および塩素を剥離させて、混入物の水溶液を生じ、次にマイクロ波支援フラッシュ蒸留と、その後の適切な回収工程により排水および脱水されて、市場に戻される。フラッシュ蒸留部における改善は、水ベースの電解質の表面照射と、真空蒸留の際の加熱に基づく。
【０１６８】
この工程部は、部分真空下で部分表面加熱することにより、蒸留水に対して６０〜８０℃の廃熱および２ｋＷのマイクロ波エネルギー／リットル／分の投資によって水を除去するための鉱物回収工程の全体的エネルギー効率の改善ができる。地球圏内システムでは、再生可能な分子フィルターが、汚染軽減と二役を兼ねる資源回収ポイントである。正味の結果は、それが一般的な岩石であるか、またはプラズマアーク炉を介した毒性もしくは地方自治体固形廃棄物流の工程からの固体であるかにかかわらず、工程廃棄物流におけるほぼ全ての元素資源を完全に回収することである。先に参照された水のリットルは、約０．６４８ｋｇのＦｃＣｌ２／リットルを保持し得る。それ故これは、３ｋＷ／ｋｇのＦｃＣｌ２、または約６ｋｗｈ／ｋｇの回収された鉄を表す。これが、電解採取の電力投資に添加されて、水性システムでの作業平均として約１０ｋＷ／ｋｇ／時間が得られる。
【０１６９】
炉は、プラズマアークトーチと、類似の炉設計と、熱交換器と、ならびに錆びついたイオンキャニスタで硫黄およびヒ素を捕捉するための分子フィルターと、を使用する参照改質炉の特有の適合である。熱を回収して電気にする完全な改質炉と同様なコンパニオンエキスパンダシステムと、燃料資源としての天然ガスの使用と、が存在する。
【０１７０】
フラッシュ蒸留
【０１７１】
この工程は、簡便さのために一定量の汚染水を沸騰近くまで（実際には沸騰しない）上昇させることを含む。一例は、８０℃にし、その後、水のタンクに部分真空を適用して蒸留させることである。沸点に近づく程、水蒸気圧が上昇する。蒸気発生の速度は、水温および真空レベルに関係する。圧力が低い程、蒸気発生が速くなり、この工程は高速蒸留に適する。
【０１７２】
懸濁された固体が沈殿している時点の付近では、コンテナを、沈殿物を圧縮させて還元システムから除去させるように構成された別のより小さく特殊なコンテナに送り出すことができる。
【０１７３】
工程のこの部分は、工場からの排水を排除し、固形残留沈殿物を特殊な手法で加工させて構成する元素を回収する。
【０１７４】
該システムは、密閉コンテナ内の部分真空下で高レベルのマイクロ波力を水表面に照射する加速されたフラッシュ蒸留ユニットを使用することができる。この型は、水が部分真空下で加熱されると激しく沸騰するため、好ましい。１つの型は、部分真空を利用して、嵩高のコンテナから加熱された水分子を取り出して、水ベースの供給源（この場合、電解質）を保持するコンテナ内により低温の水分子を残留させる。電解質が均一に加熱されると、塊全体が猛烈かつ突然に沸騰して、マニホールドが非制限可能に存在するものであれば何でも、塊全体を効果的に押し出す。
【０１７５】
電解質の表面加熱により、無水粉末への濃縮の目的で電解質の制御された蒸発を可能にし、システムで均衡のとれたリサイクルおよび使用のために水の分別蒸留を可能にする。
【０１７６】
多くの他の例示的実施形態が、上記の特色の様々な組み合わせによって提供され得る。先に記載された実施形態は、特定の実施例および代替例を利用するが、本出願の意図する範囲を必ずしも逸脱することなく、様々な追加の代替例が利用され得ること、ならびに均等物を本明細書に記載された要素および／またはステップの代わりに用いられ得ることが、当業者に理解されよう。本出願の意図する範囲と逸脱することなく、実施形態を特別な状況または特別な要件に適合させるために、改良が必要な場合がある。本出願が、本明細書に記載された特別な例示的履行および例示的実施形態に限定されず、特許請求の範囲に、文字通りまたは均等で開示された、または開示されておらず、それにより含まれる、全ての新規で非自明な実施形態を含む最も広範囲の合理的解釈が与えられるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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