(57)【要約】【課題】不純物含有メタル原料から不純物含有量が０．４％未満の高純度の有価金属材料を効率良く回収する方法を提供すること。【解決手段】不純物含有メタル原料をカーボニル化合物生成温度範囲内で高圧状態とし、前記原料に含まれる金属元素の少なくとも一部をＣＯガスが存在または生成する還元性雰囲気下で反応性流体と反応させることにより金属カーボニル化合物を生成し、物性の違いを利用して前記金属カーボニル化合物を残部不純物メタルから分離し、前記分離した金属カーボニル化合物を分解することにより前記金属元素を回収することを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物含有メタル原料をカーボニル化合物生成温度範囲内で高圧状態とし、前記原料に含まれる金属元素の少なくとも一部をＣＯガスが存在または生成する還元性雰囲気下で反応性流体と反応させることにより金属カーボニル化合物を生成し、
物性の違いを利用して前記金属カーボニル化合物を残部不純物メタルから分離し、
前記分離した金属カーボニル化合物を分解することにより前記金属元素を回収する
ことを特徴とする不純物含有メタルのリサイクル方法。
【請求項２】
前記不純物含有メタル原料は予め微粒化されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
衝撃反応装置を用いて前記不純物含有メタル原料を微粒化することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
衝撃反応装置を用いて前記不純物含有メタル原料を金属カーボニル化反応を生じる温度および圧力状態とすることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不純物含有メタル原料から金属元素を回収し、鉄源またはその他の有価金属源としてリサイクルする不純物含有メタルのリサイクル方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物溶融メタルは鉄を主成分としているが、一般的に、銅等の不純物を数％ないし数十％含有する。このため、廃棄物溶融メタルをそのまま鉄鋼材料の鉄源としてリサイクルすることは困難であり、概ねカウンターウエイト等の用途に向けられているのが現状である。また、廃棄物溶融メタルを銅等の非鉄金属のリサイクルに用いるのには純度が低いために効率的なリサイクルがなしえず、経済的に成り立ちにくい状況にあった。
【０００３】
近時、鉄系材料リサイクルの要である電気炉製鋼においても銅等の不純物は暫増傾向にある。このため、鉄系スクラップないしその溶解物からの銅等の不純物元素を除去・精錬する技術についてさまざまな方法が提案され開発が試みられてきている。このような方法は、例えば、非特許文献１等に記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
日本鉄鋼協会編「鉄鋼便覧」丸善株式会社、昭和５０年８月２０日第５版発行、ｐ．６９９−７００
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法はいずれも効率的な方法とは認められず、実機化ないし実操業化には至っていない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、不純物含有メタル原料から不純物含有量が０．４％未満の高純度の有価金属材料を効率良く回収する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
廃棄物溶融メタルは鉄を概ね主成分としているが、銅等の不純物を数％ないし数十％含有している。本発明者は、この廃棄物溶融メタルをリサイクルする方法を鋭意研究した結果、廃棄物溶融メタルから銅等の不純物を除去するのではなく、逆転の発想で、廃棄物溶融メタルに含有される金属元素の一部を金属カーボニル化することにより不純物含有量が０．４％以下の高純度の有価金属材料として分離・回収することが有用であることを見出した。本発明はこの知見による。
【０００８】
本発明に係る不純物含有メタルのリサイクル方法は、不純物含有メタル原料をカーボニル化合物生成温度範囲内で高圧状態とし、前記原料に含まれる金属元素の少なくとも一部をＣＯガスが存在または生成する還元性雰囲気下で反応性流体と反応させることにより金属カーボニル化合物を生成し、物性の違いを利用して前記金属カーボニル化合物を残部不純物メタルから分離し、前記分離した金属カーボニル化合物を分解することにより前記金属元素を回収することを特徴とする。
【０００９】
金属カーボニル化反応は金属元素と一酸化炭素との反応であり、以下の化学反応式で表される。
【００１０】
Ｍ＋ｘＣＯ→Ｍ（ＣＯ）ｘ　　・・・（１）
金属カーボニル化反応にあずかる金属元素Ｍが鉄、ニッケル、クロムである場合の反応は、それぞれ以下に示す通りである。
【００１１】
Ｆｅ＋５ＣＯ→Ｆｅ（ＣＯ）５　・・・（２）
Ｎｉ＋４ＣＯ→Ｎｉ（ＣＯ）４　・・・（３）
Ｃｒ＋６ＣＯ→Ｃｒ（ＣＯ）６　・・・（４）
不純物含有メタル原料は、いかなるものを用いても良いが、例えば、廃棄物溶融メタル等を用いることが可能である。金属カーボニル化合物として回収される金属元素は、金属カーボニル化することができるいかなる元素をも含むが、好ましくは鉄、ニッケル、および／またはクロムである。特に、鉄、ニッケルおよびクロムのカーボニル化合物は、気体または液体状態とすることが可能であるため、物性の違いを利用して固体状態である残部不純物メタルと容易に分離可能となる。
【００１２】
金属カーボニル化反応は、所定の圧力、温度で行う。例えば、鉄の場合は圧力４０気圧以上の所定温度で、クロムの場合は圧力２０気圧以上の所定温度で一酸化炭素を通じることにより金属カーボニル化反応は開始される。一方、ニッケルの場合は３００〜４５０℃で一酸化炭素を通じて活性金属ニッケルとした後、圧力２気圧以上の所定温度で一酸化炭素を通じることによりカーボニル化反応は開始される。金属カーボニル化合物と残部不純物メタルとの分離は、磁場印加、電場印加、遠心力負荷等のいかなる方法を用いても良い。金属カーボニル化合物を分離し、これを大気中に導くことにより分解させ、銅等の不純物含有量の極めて低い高濃度の有価金属材料を得ることができる。
【００１３】
金属カーボニル化合物を分解する方法は特に限定されないが、一般的に、カーボニル鉄は、４０気圧以上の高圧下で生成するものであるので、１９７〜２９７℃、大気圧下の気相状態で鉄粉に分解させることができる。また、ニッケルカーボニルは、２気圧以上の圧力下で生成するものであるので、ニッケルカーボニルの蒸気を粉末生成用チャンバーに導入し、２４７〜３４７℃の壁面に触れさせることにより、またはニッケルカーボニルの蒸気を分解塔で１８０℃にすることによりニッケル微粉に分解させることができる。クロムカーボニルは、２０気圧以上の高圧下で生成するので、大気圧下に戻すことにより金属ＣｒとＣＯガスに分離回収できる。
【００１４】
このようにして得られる鉄粉は平均粒径数μｍの均一な球形であり、鉄分９０％を超える高純度な鉄材料となる。また、ニッケル微粉は一酸化炭素および不純物メタル含有量が低く、平均粒径数μｍの粒状である高純度なニッケル材料となる。
【００１５】
金属カーボニル化合物を分離した結果、残部不純物メタルは、銅等の不純物メタルが濃化された状態で回収される。このため残部不純物メタルを銅等の不純物メタル材料源として使用することにより、不純物メタルのリサイクル効率を向上させることもできる。不純物メタル材料は、不純物含有メタル原料に含有されるいかなる不純物金属をも対象とするが、例えば、銅、亜鉛、モリブデン、タングステン等を挙げることができる。
【００１６】
本発明に係る不純物含有メタルのリサイクル方法は、前記不純物含有メタル原料は予め微粒化されていることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る不純物含有メタルのリサイクル方法は、衝撃反応装置を用いて前記不純物含有メタル原料を微粒化することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る不純物含有メタルのリサイクル方法は、衝撃反応装置を用いて前記不純物含有メタル原料を金属カーボニル化反応を生じる温度および圧力状態とすることが好ましい。
【００１９】
カーボニル鉄粉の製造方法は工業化されている技術ではあるが、製造効率が低く、大変高価な鉄製造プロセスであることが一般に知られている。
【００２０】
しかし、本発明では、特開平７−１１９９４０号公報に記載された衝撃反応装置を用いて原料を微粒化して活性な状態とするとともに、爆轟（デトネーション）により高温高圧状態をつくり出すので、金属カーボニル化反応が効率良く実現される。さらに、本発明では、金属カーボニル化合物を生成直後に分離・回収するので、高効率、低コストとなる。
【００２１】
衝撃反応装置とは、装置の下流側の断面積が減少する燃焼室および処理室を有し、この燃焼室に被処理物、燃料、支燃性ガスを入れて着火することで集束衝撃波を発生させて、この集束衝撃波により被処理物を処理する装置である。本発明に使用される衝撃反応装置は、原料を微粒化する手段および原料を高温・高圧状態にする手段として最も適している。
【００２２】
不純物含有メタル原料をあらかじめ微粒化した後、金属カーボニル化合物を生成させることがより好ましい。これは、微粒化により不純物含有メタル原料の比表面積が著しく大きくなるため、カーボニル化反応を促進させることが可能となるからである。
【００２３】
さらに、衝撃反応装置を用いて不純物含有メタル原料を高温高圧状態とすることが好ましい。衝撃反応装置の燃焼室内で爆轟（デトネーション）を生じさせると、デトネーション波内の衝撃波が互いに干渉し合い収束デトネーション現象により下流側に伝播するにつれて温度と圧力がともに上昇してしぼり部で最大の温度・圧力に達する。これにより金属カーボニル化反応が促進される。
【００２４】
不純物含有メタル原料の微粒化、金属カーボニル化および金属カーボニル化合物と残部不純物メタルの分離・回収を連続処理するためには、図１〜図３に示す衝撃反応装置１と分離装置６，９，１２とを組み合わせたシステムとする。
【００２５】
図１の衝撃反応装置と図２または図３の分離装置を組み合わせて用いても良いし、図２または図３の衝撃反応装置と図１の分離装置を組み合わせて用いても良い。
【００２６】
また、燃料に点火する着火室、炎が燃焼室に到達するための分散室および複数の誘導路が設けられた衝撃反応装置を用いても良い。燃焼室に着火室を設け、着火装置により点火栓を作動させることにより燃料に着火する衝撃反応装置を用いても良い。燃料および支燃性ガスを導入する燃焼室と不純物含有メタル原料を導入する処理室を分離して、燃焼室に設けられた開口に処理室が接続された構造の衝撃反応装置を用いても良い。燃焼室、処理室、着火室、分散室および誘導路の内圧を所定の真空度にするための真空ポンプ装置が設けられた衝撃反応装置を用いても良い。燃焼室が処理室の上方に設置され、燃焼室および処理室が下方に向かって断面積が小さくなる縦型の構造である衝撃反応装置を用いても良い。
【００２７】
さらに、分離装置の下流に設けられた金属カーボニル化合物を分解する分解装置および分解により得られた金属元素を回収する回収装置を用いることが望ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
金属カーボニル化合物は、鉄の場合は４０気圧以上、ニッケルの場合は２気圧以上、クロムの場合は２０気圧以上で所定の温度範囲内で生成を開始する。いずれも高圧下での固体であるメタル原料と一酸化炭素ガスとの反応であることから、通常粒度が数ｍｍである不純物含有メタル原料を数１０μｍ以下の粒度まで微粒化することにより大幅にカーボニル化反応を促進できる。微粒化は、粒径１０μｍ以下まで行うことが好ましく、微粒化には衝撃反応装置を用いることが好ましい。また、衝撃反応装置により超高圧をパルス的に印加することにより、カーボニル化反応をさらに促進することができる。
【００２９】
（第１の実施形態）
以下、本発明を図１を参照してより詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明に係る不純物含有メタルのリサイクルに用いられる装置の模式図である。不純物含有メタル原料の微粒化および金属カーボニル化には、衝撃反応装置１を用い、生成された金属カーボニル化合物と残部不純物メタルとの分離には、強磁場を印加する磁場発生装置８を用いる方法を示している。
【００３１】
衝撃反応装置１の燃焼室２内に、燃料および支燃性ガスを導入し、燃料に着火する。燃料は、燃焼にあずかるいかなる物質を用いても良いが、例えば、メタン・酸素混合ガス等である。支燃性ガスは、燃焼をより活発にするいかなるガスを用いても良いが、例えば、酸素、空気等である。燃焼室２に燃料および支燃性ガスの他に熱分解を促進させる物質を加えても良い。
【００３２】
次に、不純物含有メタル原料を燃焼室２に間欠的に投入する。不純物含有メタル原料は、いかなる形状のものを用いても良いが、好ましくは粉状、より好ましくは粒径１０ｍｍまでの粒状とする。不純物含有メタル原料の投入は、好ましくは１０回／秒で行う。不純物含有メタル原料の投入にはいかなる方法を用いても良いが、例えば、粉状または粒状の不純物含有メタル原料を適当なキャリアガスと共に燃焼室２内に噴射することにより行う。キャリアガスはいかなるものを用いても良いが、例えば、空気等である。
【００３３】
この燃焼室２は、処理室３に向かってその断面積が減ずる形になっている。燃料に着火すると、燃焼室２内で爆轟（デトネーション）が発生し、火炎は燃焼室２内を処理室３に向かって進行する。その進行の際、断面積の減少に伴い温度および圧力は極めて高くなる。このときの燃焼室２内では、圧力が数１０気圧〜数１００気圧に、温度が数１００℃〜数１０００℃に達する。このような高温・高圧は処理室３内にて収束衝撃波に変換される。
【００３４】
処理室３は、しぼり部４に向かってその断面積が減ずる形になっている。この断面積の減少に伴い衝撃波は収束されて、波面内の温度および圧力が次第に上昇し、その温度および圧力は処理室３内の最終収束部であるしぼり部４で最高に達する。このとき、しぼり部４は局部的、瞬間的に圧力が数１００気圧〜数１０００気圧、温度が３０００℃以上に達する。この収束衝撃波を利用して被処理物である不純物含有メタル原料の微粒化および高エネルギー化が行われる。
【００３５】
しぼり部４に到達した収束衝撃波は、反射と進行を繰り返す。この過程で、処理室３内の不純物含有メタル原料は、複数回衝撃波に曝されることにより、処理室３内で攪拌され、微粒化され、高エネルギー状態となる。ここで不純物含有メタル原料は、好ましくは１０μｍ以下の粒径にまで微粒化される。
【００３６】
このしぼり部４は、複数設置することが好ましい。これにより不純物含有メタル原料の微粒化・高エネルギー化は、さらに促進される。
【００３７】
微粒化され、高エネルギー状態となった不純物含有メタル原料は、衝撃波により引き続き反応室５に搬送される。還元材を反応室５に間欠的に投入することにより、反応室５を還元性雰囲気とする。還元材には、一酸化炭素を用いる。還元材の投入は不純物含有メタル原料の投入と同期するように、１０回／秒とすることが好ましい。このように還元材をパルス的に投入することにより、しぼり部４を通過した不純物含有メタル原料に含有される金属元素の一部と還元材との反応は促進され、金属カーボニル化合物が生成される。
【００３８】
続いて、反応生成物は、衝撃波により分離装置６に送られる。分離装置６の分離室７内に誘導されるまでに反応生成物の温度は降下し、２００〜５００℃の範囲となる。分離装置６には、磁場発生装置８の電磁コイルが捲回されており、分離装置６の分離室７には強磁場が印加される。これにより分離室７内で、反応生成物は金属カーボニル化合物と残部不純物メタルとに分離される。分離室７は、カーボニル化合物と残部不純物メタルとが分離され得るだけの行程を有する。また、磁場発生装置８は、所定の行程を有する分離室７で金属カーボニル化合物と残部不純物メタルが分離され得るだけの磁界の強さを生じさせる性能を有する。なお、印加される磁場の強さは、例えば、１００００ガウスである。分離されたカーボニル化合物は分離室７内で分解が開始され、引き続き回収ユニット（図示せず）に分解物（鉄等）が回収される。この場合、分解物は排ガスとともに排気機構（図示せず）により吸引・排気される。
【００３９】
以上の給気、着火・燃焼、反応、分離・分解、排気・回収の一連の工程は、繰り返し行われる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図２は、本発明に用いられる衝撃反応装置および電場発生装置を有する分離装置の模式図である。不純物含有メタル原料の微粒化および金属カーボニル化に用いる衝撃反応装置は図１と同様のものであるが、図２は還元材を燃料として用いる方法を示している。この場合、投入する還元材の量は、図１に用いられるよりも多くすることが望ましい。
【００４１】
図２に示される分離装置９には電場発生装置１１の電磁コイルが捲回されており、分離装置９の分離室１０には強電場が印加される。これにより、分離室１０を通過する金属カーボニル化合物と残部不純物メタルは分離される。分離室１０は、カーボニル化合物と残部不純物メタルとが分離され得るだけの行程を有する。また、電場発生装置１１は、所定の行程を有する分離室１０で金属カーボニル化合物と残部不純物メタルが分離され得るだけの磁界の強さを生じさせる性能を有する。なお、印加される電場の強さは、例えば、１０００Ｖ／ｍ２である。また吸引排気は、残部不純物メタルの回収とともに排気機構（図示せず）により行われる。
【００４２】
（第３の実施形態）
図３は、本発明に用いられる衝撃反応装置および遠心負荷を用いた分離装置の模式図である。微粒化およびカーボニル化は、図２と同様の方法で行われる。金属カーボニル化合物と残部不純物メタルとの分離には、遠心力負荷が用いられる。分離装置１２の分離室１３に到達したカーボニル化合物と残部不純物メタルには遠心力負荷がかけられ、比重差により分離される。分離装置１２は、遠心力負荷を用いるいかなる装置を使用しても良いが、例えば、集塵機に用いるサイクロン等である。また吸引排気は、残部不純物メタルの回収とともに排気機構（図示せず）により行われる。
【００４３】
図１〜図３は、本発明を説明するために示したものであり、これらに限定されるものではない。
【００４４】
実施例
図１の装置を用いて不純物含有メタル原料から鉄、ニッケルを回収した。使用した不純物含有メタル原料のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕの含有量（％）を表１に示す。回収されたカーボニル鉄は、所定温度下、４０気圧未満まで下げることにより鉄に分解し、ニッケルカーボニルは、所定温度下、大気圧以下まで下げることによりニッケルに分解し、それぞれ回収した。
【００４５】
回収された鉄材料およびニッケル材料に含まれるＦｅ、ＮｉおよびＣｕの含有量（％）を表１に併記する。なお、表１中で不純物含有メタル原料および回収メタル成分のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ以外の残部は、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ、Ｏ等の非金属元素である。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１より、回収鉄および回収ニッケルは、いずれも不純物メタルである銅の含有率が０．４％未満であり、本発明により純度９０％を超える鉄および純度８０％を超えるニッケルを回収することが可能であることが確認された。
【００４８】
以上詳述したように、本発明により不純物含有メタル原料から鉄、クロム、ニッケル等の有価金属元素を銅等の不純物メタル含有量が０．４％未満の高純度メタル材料として分離することが可能となる。これにより、不純物含有メタル材料を有価金属材料源に効率的にリサイクルすることができる。また、残部不純物メタルは銅等の不純物メタルが濃化された状態で回収されるため、残部不純物メタルを銅等の不純物メタル材料に効率的にリサイクルすることも可能となる。
【００４９】
さらに、不純物含有メタル原料の微粒化によりカーボニル化反応が促進されるため、カーボニル法による有価金属材料のリサイクル効率を向上させることができる。また、衝撃反応装置を用いることにより、不純物含有メタル原料の微粒化およびカーボニル化を一連の工程として行うことができるため、カーボニル法による有価金属製造プロセスを低コスト化することが可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば不純物含有メタル原料から不純物含有量が０．４％未満の高純度の有価金属材料を効率良く回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の方法に用いられる装置を示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態の方法に用いられる装置を示す模式図。
【図３】本発明の第３実施形態の方法に用いられる装置を示す模式図。
【符号の説明】
１…衝撃反応装置
２…燃焼室
３…処理室
４…しぼり部
５…反応室
６…分離装置
７…分離室
８…磁場発生装置
９…分離装置
１０…分離室
１１…電場発生装置
１２…分離装置
１３…分離室
【図１】
2004124199.tif 000004
【図２】
2004124199.tif 000005
【図３】
2004124199.tif 000006