(57)【要約】【課題】環境負荷を小さくしてレアメタルを濃縮することができ、簡単な装置構成で実用化に適した金属化合物濃縮装置を提供する。【解決手段】金属化合物濃縮装置１は、ガリウムを第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物Ｍ中の上記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉１０と、上記第１固体金属化合物を還元する還元ガスを生成して反応炉１０に供給する還元ガス生成手段３０と、上記還元ガスＧ２を生成するための酸素含有ガスＧ１を還元ガス生成手段３０に供給する酸素含有ガス供給手段４０と、酸素含有ガスＧ１を加熱するガス加熱手段５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レアメタルを含有する金属化合物を濃縮する金属化合物濃縮装置であって、
ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の前記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、前記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を前記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉と、
前記第１固体金属化合物を還元する還元ガスを生成して前記反応炉に供給する還元ガス生成手段と、
前記還元ガスを生成するための酸素含有ガスを前記還元ガス生成手段に供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記酸素含有ガスを加熱するガス加熱手段と、
を備えることを特徴とする金属化合物濃縮装置。
【請求項２】
前記反応炉は、
前記第１固体金属化合物を内部空間で反応させるための反応管と、
前記反応管を加熱する加熱部と、
前記反応管内の下部に設けられ、前記第１固体金属化合物を保持する保持部と、
前記保持部の下部に設けられ、前記還元ガス生成手段から供給される前記還元ガスを前記保持部に導入するための導入口と、
前記保持部の上方に設けられ、前記還元ガスを前記保持部に導入する圧力によって前記第１固体金属化合物を流動させる流動床部と、
前記流動床部に位置し、前記第２固体金属化合物を捕集する少なくとも１つの捕集部と、
前記少なくとも１つの捕集部の上方に設けられ、前記反応炉内で生成された副成ガスを前記反応管内から外部に排出するための排出口と、を有することを特徴する、請求項１記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの捕集部が、前記反応管の内部空間を画定する側壁の一部であることを特徴とする、請求項２記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項４】
前記反応炉は、前記反応管の上部に配置された蓋部を備え、
前記少なくとも１つの捕集部が、前記蓋部で構成される天井壁であることを特徴とする、請求項２記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの捕集部が、前記内部空間内に保持され且つ前記第２固体金属化合物からなる種結晶材料であることを特徴とする、請求項２記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項６】
前記反応炉は、前記反応管内の酸素分圧を制御する酸素分圧制御部を更に有することを特徴とする、請求項２記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項７】
前記酸素分圧制御部は、前記第１固体金属化合物の還元によって得られる前記気体金属化合物の蒸気圧が最大値となるように、前記反応管内の酸素分圧を調整することを特徴とする、請求項６記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項８】
前記反応炉内で生成された副成ガスを排出するガス排出手段と、
前記ガス排出手段に設けられ、前記第２固体金属化合物を回収する回収手段と、を更に備えることを特徴とする、請求項１記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項９】
前記還元ガス生成手段は、
炭素源含有材料を供給するための供給部と、
前記炭素源含有材料を酸化して前記還元ガスを生成する生成部と、を有することを特徴とする、請求項１記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項１０】
前記生成部に供給される前記炭素源含有材料は、廃棄樹脂を含むことを特徴とする、請求項９記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項１１】
前記生成部に供給される前記炭素源含有材料は、酸化触媒を含むことを特徴とする、請求項９記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項１２】
前記ガス加熱手段は、前記酸素含有ガス供給手段に接続された第１流路及び前記ガス排出手段に接続された第２流路を有する熱交換器であり、
前記第１流路内の前記酸素含有ガスが、前記第２流路内の前記副成ガスによって加熱されることを特徴とする、請求項８記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項１３】
前記ガス排出手段に設けられ、前記反応炉内を減圧する減圧手段を更に備えることを特徴とする、請求項８記載の金属化合物濃縮装置。
【請求項１４】
レアメタルを含有する金属化合物を濃縮する金属化合物濃縮装置であって、
ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の前記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、前記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を前記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉と、
前記第１固体金属化合物を還元する還元ガスを前記反応炉に供給する還元ガス供給手段と、を備え、
前記還元ガス供給手段は、
前記還元ガスの温度を制御する還元ガス温度制御部と、
前記還元ガスに含有される酸素分圧を制御する酸素分圧制御部と、
を有することを特徴とする、金属化合物濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属化合物の濃縮装置に関し、特に原料に含まれるレアメタル等の金属化合物を濃縮して回収する金属化合物濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レアメタルは、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、セシウム等の希少な非鉄金属であり、鉄、アルミニウム、銅、鉛、亜鉛などのベースメタルとレアメタルの合金、あるいはレアメタル自体が特殊な特性を有するため、産業界において新たな構造材料や機能材料として使用されている。
【０００３】
例えば、レアメタルのうちの一つであるガリウムは、ＣＩＧＳ型薄膜太陽光発電パネルや発光ダイオード（ＬＥＤ）などに用いられる重要な元素である。ガリウムは、地殻中に広く分布しているが、ガリウムをリッチに含有する鉱石は存在しない。そこで、工業的には、湿式冶金として代表的なバイヤー法を用いてガリウムを濃縮し、所定濃度のガリウムを得るのが一般的である。
【０００４】
バイヤー液からガリウムを得る方法としては、例えば、バイヤー液に二酸化炭素を吹き込むことによってガリウムとアルミニウムを共沈させてガリウムの濃縮物を得て、これを水酸化ナトリウムに溶解、電解することによりガリウムを得る方法や、水銀電極を用いて直接バイヤー液を電解してアマルガムとして得る方法などが知られている。
【０００５】
ここで近年、機能材料の需要増加や海外におけるレアメタルの輸出規制などにより、レアメタルの日本国への供給量や価格が変動し、日本国内でレアメタルを使用する事業者に対してレアメタルの安定供給ができないといった現象が生じている。また、日本国以外のレアメタル需要国においても同様の問題が生じる懸念がある。よって、各レアメタル需要国内で、国内産鉱石のみならず、レアメタルを使用した製品等からレアメタルを分離、回収できれば、国内需要に対してレアメタルを安定的に供給することが可能になると見込まれる。
【０００６】
しかしながら、上記の様な湿式法では廃液が生じるため、湿式法を採用する回収装置を実用化した場合、多量の廃液が生じてその廃液処理を行う必要があることから、湿式法の回収装置を実用化することは現実的でなく、レアメタルの安定供給を実現できない。そこで、環境負荷の小さい乾式法にて、ガリウムなどの金属化合物を濃縮する回収装置が提案されている。
【０００７】
乾式法を採用する回収装置として、例えば、ＧａＡｓ半導体廃棄物などの廃棄物を真空中で加熱して蒸発させ、この廃棄物蒸気を所定範囲の適温に保持された還元層に導入して還元を行い、還元層の温度制御により廃棄物蒸気中のＧａ酸化物を還元して生成されるガリウムを還元層表面にトラップし、上記廃棄物蒸気中の砒素酸化物を還元して生成される砒素蒸気のみを回収部で回収する装置がある（特許文献１）。
【０００８】
また、反応器内でのハロゲン化金属粒子（塩化チタンなど）群を浮遊させ、生成される金属の融点未満の温度で且つその温度における還元剤金属及び還元剤金属ハロゲン化物（マグネシウムなど）のいずれの蒸気圧よりも低い圧力で、ハロゲン化金属粒子を反応核として金属粒子の表面でハロゲン化金属の還元反応を進行させて金属粒子表面に生成金属を固着生長させ、生成金属が固着生長した金属粒子を反応器から連続的に取り出す方法がある（特許文献２）。  
【０００９】
また、高蒸気圧金属および低蒸気圧金属（鉄、鉛、亜鉛など）の酸化物を含む金属源を還元剤と共に加熱して還元反応を起こし、低蒸気圧金属酸化物から還元分離した低蒸気圧金属を回収すると共に、高蒸気圧金属酸化物から分離した高蒸気圧金属を含む蒸気をキャリアガスとともに排ガスとして取出し、該排ガスを銅などの金属あるいはセラミックからなる凝縮用担体と接触させて、高蒸気圧金属蒸気を凝縮して回収する装置がある（特許文献３）。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１では、ＧａＡｓ半導体廃棄物から、廃棄物蒸気中の砒素酸化物を還元して生成される砒素を回収する構成を開示しており、特定のレアメタルを濃縮する構成とは基本的概念が異なる。
【００１１】
上記特許文献２では、塩化チタンなどのハロゲン化金属とマグネシウムなどの還元剤金属との相互反応により、金属粒子表面に生成金属を固着生長させてハロゲン化金属を回収する構成を開示しており、特定のレアメタルを濃縮する構成を開示していない。
【００１２】
上記特許文献３は、蒸気圧の異なる複数の金属酸化物を含む金属源を加熱して、鉄などの低蒸気圧金属を溶融物として回収し、亜鉛などの高蒸気圧金属を蒸気として回収する構成である。すなわち、鉄、鉛、亜鉛等の酸化物を含む金属源から各金属を分離回収する構成であり、特許文献１同様、特定のレアメタルを濃縮する構成を開示していない。
【００１３】
そこで本発明者は、ガリウムなどの特定のレアメタルである金属の酸化物を第１含有率で含有する混合物中の第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とし、該気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を前記第１含有率より高い第２含有率で濃縮する乾式の濃縮方法を見出した（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−１６０８２４号公報
【特許文献２】特開昭６４−１５３３４号公報
【特許文献３】特開平１１−２９３３５２号公報
【特許文献４】国際公開第２０１４／０３４９２５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述したように、上記特許文献１〜３のいずれも、環境負荷を小さくして鉱石や使用済み電気・電子機器等から特定のレアメタルを濃縮することができる装置を開示していない。また、上記特許文献４は、特定のレアメタルの濃縮方法を概念的に開示するものの、実用化に適したレアメタルの乾式濃縮装置の具体的な構成を開示していない。殊に近年、ＬＥＤ素子を搭載する使用済み電気・電子機器からガリウムなどのレアメタルを分離、回収して新製品に使用するといったリサイクルモデルが鋭意検討されており、このリサイクルモデルを実現するべく、環境負荷の小さいレアメタル濃縮装置の早期実用化が求められている。
【００１６】
本発明の目的は、環境負荷を小さくしてレアメタルを濃縮することができ、簡単な装置構成で実用化に適した金属化合物濃縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る金属化合物濃縮装置は、レアメタルを含有する金属化合物を濃縮する金属化合物濃縮装置であって、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の前記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、前記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を前記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉と、前記第１固体金属化合物を還元する還元ガスを生成して前記反応炉に供給する還元ガス生成手段と、前記還元ガスを生成するための酸素含有ガスを前記還元ガス生成手段に供給する酸素含有ガス供給手段と、前記酸素含有ガスを加熱するガス加熱手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
前記反応炉は、前記第１固体金属化合物を内部空間で反応させるための反応管と、前記反応管を加熱する加熱部と、前記反応管内の下部に設けられ、前記第１固体金属化合物を保持する保持部と、前記保持部の下部に設けられ、前記還元ガス生成手段から供給される前記還元ガスを前記保持部に導入するための導入口と、前記保持部の上方に設けられ、前記還元ガスを前記保持部に導入する圧力によって前記第１固体金属化合物を流動させる流動床部と、前記流動床部に位置し、前記第２固体金属化合物を捕集する少なくとも１つの捕集部と、前記少なくとも１つの捕集部の上方に設けられ、前記反応炉内で生成された副成ガスを前記反応管内から外部に排出するための排出口とを有する。
【００１９】
前記少なくとも１つの捕集部は、前記反応管の内部空間を画定する側壁の一部である。
【００２０】
また、前記反応炉は、前記反応管の上部に配置された蓋部を備え、前記少なくとも１つの捕集部は、前記蓋部で構成される天井壁である。
【００２１】
また、前記少なくとも１つの捕集部は、前記内部空間内に保持され且つ前記第２固体金属化合物からなる種結晶材料である。
【００２２】
前記反応炉は、前記反応管内の酸素分圧を制御する酸素分圧制御部を更に有することができる。
【００２３】
前記酸素分圧制御部は、前記第１固体金属化合物の還元によって得られる前記気体金属化合物の蒸気圧が最大値となるように、前記反応管内の酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００２４】
前記金属化合物濃縮装置は、前記反応炉内で生成された副成ガスを排出するガス排出手段と、前記ガス排出手段に設けられ、前記第２固体金属化合物を回収する回収手段とを更に備えることができる。
【００２５】
前記還元ガス生成手段は、炭素源含有材料を供給するための供給部と、前記炭素源含有材料を酸化して前記還元ガスを生成する生成部とを有する。
【００２６】
前記生成部に供給される前記炭素源含有材料は、廃棄樹脂を含むのが好ましく、また、酸化触媒を含んでいてもよい。
【００２７】
前記ガス加熱手段は、前記酸素含有ガス供給手段に接続された第１流路及び前記ガス排出手段に接続された第２流路を有する熱交換器であり、前記第１流路内の前記酸素含有ガスが、前記第２流路内の前記副成ガスによって加熱されてもよい。
【００２８】
また、前記金属化合物濃縮装置は、前記ガス排出手段に設けられ且つ前記反応炉内を減圧する減圧手段を更に備えることができる。
【００２９】
上記目的を達成するために、本発明に係る金属化合物濃縮装置は、レアメタルを含有する金属化合物を濃縮する金属化合物濃縮装置であって、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の前記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、前記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を前記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉と、前記第１固体金属化合物を還元する還元ガスを前記反応炉に供給する還元ガス供給手段とを備え、前記還元ガス供給手段は、前記還元ガスの温度を制御する還元ガス温度制御部と、前記還元ガスに含有される酸素分圧を制御する酸素分圧制御部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、酸素含有ガス供給手段が、還元ガスを生成するための酸素含有ガスを前記還元ガス生成手段に供給し、還元ガス生成手段が、第１固体金属化合物を還元する還元ガスを生成して前記反応炉に供給する。また、反応炉が、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する。このように、本発明に係る装置構成によれば、上記群から選択された金属を乾式法で濃縮して捕集することができるため、廃液が生じず、環境負荷が小さく、煩雑な廃液処理を要しない。また、廃液処理用の構成を有さない簡単な装置構成で上記金属を濃縮することができ、実用化に適した金属化合物濃縮装置を提供することができる。更に、混合物中における第１固体金属化合物の含有量が５質量％以下程度の低含有率の混合物を原料として、当該混合物に含有されるガリウムなどのレアメタルを濃縮することができるため、原料の選択肢が格段に広がり、鉱石のみならず、様々な分野で使用されるレアメタル含有廃材などを原料として使用することができる。また、本金属化合物濃縮装置で得られた第２固体金属化合物に含まれるレアメタルをリサイクルすることにより、レアメタルの国内採掘量や輸入量の影響を小さくして、国内需要に対してレアメタルを安定的に供給することが可能となる。
【００３１】
また、本発明によれば、還元ガス供給手段が、還元ガスの温度を制御すると共に該還元ガスに含有される酸素分圧を制御し、所定温度及び所定酸素分圧を有する還元ガスを反応炉に供給する。そして、反応炉が、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する。よって、第１実施形態よりも簡単な装置構成で第１実施形態と同様の効果を奏することができると共に、第２固体金属化合物の第２金属含有率を高めることができ、第２固体金属化合物の収率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１における反応炉の構成を示す断面図である。
【図３】図１における反応炉の捕集部及び回収装置の構成を示す断面図である。
【図４】図１の金属化合物濃縮装置で濃縮されるガリウム種蒸気圧の酸素分圧依存性を説明するグラフである。
【図５】反応管内における貫通孔上端部から捕集部までの高さを説明する図である。
【図６】反応管内における貫通孔上端部から捕集部までの高さと、固体酸化ガリウムの収率との関係を示すグラフである。
【図７】炉内温度を一定としたときの反応管内の高さ方向に沿う温度分布を示すグラフである。
【図８】反応炉に供給される還元ガスの一例である窒素ガスと、固体酸化ガリウムの収率との関係を示す図である。
【図９】反応炉における炉内温度と、固体酸化ガリウムの収率との関係を示す図である。
【図１０】炉内温度を一定としたときの捕集部の温度と収率の関係を示すグラフである。
【図１１】図２の反応炉の第１変形例を示す断面図である。
【図１２】図２の反応炉の第２変形例を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
【図１６】図１５の金属化合物凝縮装置の変形例を示す図である。
【図１７】図１の金属化合物濃縮装置を使用して実現されるレアメタルのリサイクルモデルを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
＜金属化合物濃縮装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。図１の装置構成はその一例を示すものであり、本発明に係る金属化合物濃縮装置が適用される構成は、図１のものに限られない。
【００３４】
図１の金属化合物濃縮装置１は、レアメタルを含有する金属酸化物を乾式法で濃縮する装置であり、反応炉１０を基準として、該反応炉の上流側に、酸素含有ガス供給手段４０、ガス加熱手段５０及び還元ガス生成手段３０が配置され、反応炉１０の下流側に、ガス排出手段６０、回収手段８０及び浄化手段９０が配設されている。
【００３５】
具体的には、金属化合物濃縮装置１は、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル（Ｔｅ）、及びセシウム（Ｃｓ）からなる群から選択された金属（以下、単に「レアメタル」ともいう）を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物Ｍ中の上記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉１０と、上記第１固体金属化合物を還元する還元ガスＧ２を生成して反応炉１０に供給する還元ガス生成手段３０と、還元ガスＧ２を生成するための酸素含有ガスＧ１を還元ガス生成手段３０に供給する酸素含有ガス供給手段４０と、酸素含有ガスＧ１を加熱するガス加熱手段５０と、反応炉１０内で生成された副成ガスＧ３を排出するガス排出手段６０と、ガス排出手段６０の下流に配置され、上記第２固体金属化合物を回収する回収手段８０と、回収手段８０の下流に配置され、上記副成ガスＧ３を浄化する浄化手段９０とを備える。
【００３６】
反応炉１０は、図２に示すように、第１固体金属化合物を内部空間で反応させるための反応管１１と、反応管１１を加熱する加熱部１２と、反応管１１内の下部に設けられ、第１固体金属化合物を保持する保持部１３と、保持部１３の下部に設けられ、還元ガス生成手段３０から供給される還元ガスＧ２を、反応管１１の下部から保持部１３に導入するための導入口１４と、保持部１３の上方に設けられ、還元ガスＧ２を保持部１３に供給する圧力によって上記第１固体金属化合物を流動させる流動床部１５と、流動床部１５の上部に位置し、上記第２固体金属化合物を捕集する捕集部１６−１と、捕集部１６−１の上方に設けられ、副成ガスＧ３を反応管１１内から外部に排出するための排出口１７とを有する。
【００３７】
反応管１１は、内管１１ａと、内管１１ａを支持する支持管１１ｂと、内管１１ａ及び支持管１１ｂの双方を内部に収容する外管１１ｃと、外管１１ｃの下端開口を閉塞する閉塞部１１ｄと、外管１１ｃの上端開口を閉塞する閉塞部１１ｅと、外管１１ｃに設けられ、混合物Ｍを内管１１ａ内に供給するための供給部１１ｆとを有している。混合物Ｍとは、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物を含む材料である。
【００３８】
内管１１ａは、一端が閉塞された管状体からなり、管状部１１ａ−１と、管状部１１ａ−１の内周面１１ａ−２と、管状部１１ａ−１と一体で設けられた底部１１ａ−３と、底部１１ａ−３に設けられた貫通孔１１ａ−４とを有する。内管１１ａは、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニア、石英などの酸化物を主成分とするセラミックからなる。管状部１１ａ−１及び底部１１ａ−３で画定される内部空間のうち、底部１１ａ−３側の内部空間が保持部１３をなし、保持部１３の直上に位置する内部空間が流動床部１５をなす。
【００３９】
支持管１１ｂは、内管１１ａと閉塞部１１ｄとの間に介設されており、内管１１ａを外管１１ｃ内で高さ方向に位置決めすると共に、導入部１４と内管１１ａとを連通する。支持管１１ｂは、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニア、石英などの酸化物を主成分とするセラミックからなる。外管１１ｃは、上下両端が開口した管状体からなり、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニア、石英などの酸化物を主成分とするセラミックからなる。
【００４０】
閉塞部１１ｄは、上下方向に貫通した貫通孔１１ｄ−１を有しており、貫通孔１１ｄ−１が、ガス生成手段３０のガス導入管３０ａに接続されている。この貫通孔１１ｄ−１の上端が、上述した導入口１４をなしている。
【００４１】
閉塞部１１ｅは、上下方向に貫通した貫通孔１１ｅ−１を有しており、貫通孔１１ｅ−１は、還元ガス排出手段６０のガス排出管６０ａに接続されている。この貫通孔１１ｅ−１の下端が、上述した排出口１７をなしている。
【００４２】
供給部１１ｆは、例えば外部から内管１１ｂ内に混合物Ｍを供給するための供給管であり、該供給管の端部には、外管１１ｃ内を密閉するための蓋部１１ｇが取り付けられている。供給部１１ｆは、混合物Ｍを搬送する搬送手段と、炉内の密閉状態を維持するためのゲート部とを有していてもよい。
【００４３】
加熱部１２は、炉体１２ａと、炉体１２ａ内に取り付けられたヒータ１２ｂとを有する。炉体１２ａは、セラミックを主成分とする断熱材を有し、炉体１２ａの内部空間と外部とを断熱する。ヒータ１２ｂは、例えば、鉄−クロム系（Ｆｅ−Ｃｒ）やニッケル−クロム系（Ｎｉ−Ｃｒ）等の合金発熱体や、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の単体金属発熱体、あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）等の非金属発熱体からなる。加熱部１２は、熱電対などの温度検出部と、該温度検出部の検出温度に基づいてヒータ１２ｂの発熱量を制御する制御部とを有してもよく、この場合、炉体１２ａ内の温度制御を行うことで反応管１１内の温度を調整する。
【００４４】
保持部１３は、レアメタルを第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物Ｍを保持する。混合物Ｍとは、例えば、使用済み電気・電子機器を分解して得られたレアメタル含有廃材や、鉱石である。ガス導入前あるいは加熱初期段階では、底部１１ａ−３に設けられた貫通孔１１ａ−４にパラフィルムからなる栓部材を嵌入してもよい。これにより、保持部１３内の混合物Ｍが貫通孔１１ａ−４から落下するのを防止することができる。
【００４５】
流動床部１５は、還元ガスＧ２を保持部１３に供給する圧力によって、上記混合物Ｍに含有される第１固体金属化合物からなる粒子が流動する空間である。このとき、流動床部１５内には図２に示すようなループ状の流動経路Ｌが形成される。また、流動床部１５では、流動粒子を構成する第１固体金属化合物が還元反応によって気体金属化合物に変化し、更に、該気体金属化合物が酸化反応によって第２固体金属化合物に変化する。
【００４６】
捕集部１６−１は、反応管１１の内部空間を画定する側壁の一部である。具体的には、捕集部１６−１は、反応管１１における管状部１１ａ−１の内周面１１ａ−２のうち、流動床部１５の上部に位置する領域である。捕集部１６−１は、上記気体金属化合物が酸化することで得られる第２固体金属化合物を、第１金属含有率よりも高い第２金属含有率で捕集する。流動床部１５では、上述のようにレアメタルの気体金属化合物が酸化反応によって第２固体金属化合物に変化し、この酸化反応により、内管１１ａの内周面１１ａ−２に第２固体金属化合物が付着し、第２固体金属化合物が捕集される。
【００４７】
酸素含有ガス供給手段４０は（図１）、例えば酸素含有ガスＧ１を所定流量でガス加熱手段５０に供給する。酸素含有ガス供給手段４０によって供給される酸素含有ガスＧ１は、例えば空気などの酸素含有窒素ガスである。酸素含有ガス供給手段４０は、空気を供給するブロアであってもよいし、あるいは、窒素ガス発生手段とファンとを有し、窒素と空気の混合ガス、或いは１ｐｐｍ〜１％程度の不純物酸素を含む窒素ガスをガス加熱手段５０に供給してもよい。
【００４８】
ガス加熱手段５０は、本実施形態では、酸素含有ガス供給手段４０に接続された第１流路５０−１ａ及びガス排出手段６０に接続された第２流路５０−１ｂを有する熱交換器５０−１と、第１流路５０−１ａから供給される酸素含有ガスＧ１を所定温度まで加熱して、還元ガス生成手段３０に供給する予備加熱部５０−２とを有する。
【００４９】
熱交換器５０−１において、第１流路５０−１ａには酸素含有ガスＧ１が流れ、第２流路５０−１ｂには酸素含有ガスＧ１よりも高温の副成ガスＧ３が流れる。このとき、第１流路５０−１ａ内の酸素含有ガスＧ１と第２流路５０−１ｂ内の副成ガスＧ３との間で熱エネルギーの交換がなされ、第１流路５０−１ａ内の酸素含有ガスＧ１が第２流路５０−１ｂ内の副成ガスＧ３によって加熱されると共に、副成ガスＧ３が酸素含有ガスＧ１によって冷却される。
【００５０】
予備加熱部５０−２は、第１流路５０−１ａと接続されたステンレス管５０−２ａと、ステンレス管５０−２ａを加熱する加熱部５０−２ｂとを有しており、第１流路５０−１ａから供給された酸素含有ガスＧ１をステンレス管５０−２ａ内で加熱して、加熱した酸素含有ガスＧ１をガス導入管５０ａを介して還元ガス生成手段３０に供給する。予備加熱部５０−２は、熱電対などの温度検出部と、該温度検出部の検出温度に基づいて加熱部５０−２ｂの発熱量を制御する制御部とを有してもよい。この場合、制御部は、ステンレス管５０−２ａ内の温度制御を行うことで、反応炉１０に供給する酸素含有ガスＧ１の温度を調整する。
【００５１】
還元ガス生成手段３０は、炭素源含有材料Ｗを後述の生成部に供給するための材料供給部３１と、炭素源含有材料Ｗを酸化して還元ガスＧ２を生成する生成部３２とを有する。材料供給部３１は、例えば外部から生成部３２に炭素源含有材料Ｗを供給可能な供給路である。
【００５２】
生成部３２は、例えば予備加熱部５０−２と接続された石英管３２ａと、石英管３２ａを加熱するヒータ３２ｂとを有する。還元ガス生成手段３０と反応炉１０とを接続するガス導入管３０ａには、リボンヒータなどの加熱部が取り付けられている。生成部３２は、予備加熱部５０−２から供給された酸素含有ガスＧ１及び材料供給部３１から供給された炭素源含有材料Ｗをヒータ３２ｂで加熱し、炭素の酸化反応によって一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を生成し、ガス導入管３０ａを介して反応炉１０に供給する。
【００５３】
還元ガス生成手段３０に供給される炭素源含有材料Ｗは、例えば石油系液体燃料、廃棄材木あるいは廃棄樹脂、又はこれらの混合物である。リサイクルの観点から、炭素源含有材料Ｗは、使用済みの電気・電子機器を分解して得られた廃棄樹脂が好ましい。
また、還元ガス生成手段３０で生成される還元ガスＧ２は、例えば石油系液体燃料の燃焼ガス、廃棄材木の燃焼ガス、あるいは廃棄樹脂の燃焼ガスであり、具体的には、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び窒素（Ｎ２）を含む混合ガスである。
炭素源含有材料Ｗは、酸化触媒を含んでいてもよい。炭素源含有材料Ｗに含有される酸化触媒は、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｒｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）などの貴金属触媒である。この貴金属触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの多孔質酸化物からなる担体に担持された状態で用いられてもよいし、ＣｅＯ２−ＺｒＯ２固溶体などの酸化セリウム−酸化ジルコニウム系複合酸化物からなる担体に担持された状態で用いられてもよい。これにより、炭素源含有材料Ｗ中の炭素を低温で酸化させることができる。
【００５４】
ガス排出手段６０は、上流側が反応炉１０に接続され且つ下流側が浄化手段９０に接続されたガス排出管６０ａを有しており、反応炉１０から排出される副成ガスＧ３を排出し、熱交換器５０−１を通って浄化手段９０に供給する。
【００５５】
回収手段８０は、反応炉１０と熱交換器５０−１とを接続するガス排出管６０ａの経路内に取り付けられている。回収手段８０は、例えば集塵機である。回収手段８０は、遠心力によって副成ガスＧ３内の第２固体金属化合物を分離する遠心分離式の分離部８１と、分離部８１の下方に接続され、分離部８１で分離された第２固体金属化合物を回収する回収部８２とを有する。
【００５６】
浄化手段９０は、ガス排出手段６０の下流であって且つ熱交換器５０−１の下流に配置されており、回収手段８０から供給された副成ガスＧ３を浄化して、浄化ガスＧ４を装置外に排出する。浄化手段９０は、例えば活性炭であり、副成ガスＧ３中の一酸化炭素を活性炭に吸着させることにより、副成ガスＧ３中の一酸化炭素を除去する。浄化手段９０は、副成ガスＧ３中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）等を無害な物質に変換する１又は複数種の触媒を有していてもよい。例えば、副成ガスＧ３中の一酸化炭素は二酸化炭素に、炭化水素は水と二酸化炭素に、窒素酸化物は窒素にそれぞれ変換される。副成ガスＧ３が一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）等を含まない場合には、浄化手段９０を設けなくてもよい。
【００５７】
＜金属化合物の濃縮方法＞
上記構成の金属化合物濃縮装置１では、以下の方法で金属化合物を濃縮する。
【００５８】
（１−１）第１固体金属化合物が第１固体ガリウム化合物（固体窒化ガリウム）、第２固体金属化合物が第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）である場合
図２において、先ず、反応炉１０の供給部１１ｆから、第１固体金属化合物である窒化ガリウムを第１金属含有率で含有する混合物Ｍを投入し、この混合物Ｍを保持部１３に収容する。混合物Ｍがレアメタル含有廃材である場合、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の混合物であり、必要に応じて、更に活性炭（Ｃ）を添加した混合物である。混合物Ｍが鉱石である場合、第１固体ガリウム化合物に加え、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）等を含む混合物である。その後、還元ガス生成手段３０の材料供給部３１に炭素源含有材料Ｗ、例えばエポキシ樹脂を投入し、石英管３２ａ内に炭素源含有材料Ｗを収容する。
【００５９】
次に、酸素含有ガス供給手段４０から所定流量で酸素含有ガスＧ１を導入し、熱交換器５０−１の第１流路５０−１ａを介して予備加熱部５０−２に供給する。副成ガスＧ３が第２流路５０−１ｂに供給されている場合、第１流路５０−１ａを流れる酸素含有ガスＧ１は、第２流路５０−１ｂを流れる副成ガスＧ３によって加熱される。その後、予備加熱部５０−２において、ステンレス管５０−２ａを加熱し、該ステンレス管に供給された酸素含有ガスＧ１を所定温度、例えば６００℃に加熱する。そして、所定温度に加熱された酸素含有ガスＧ１をガス導入管５０ａを介して還元ガス生成手段３０に供給する。
【００６０】
次いで、還元ガス生成手段３０における石英管３２ａの管内温度を５００〜７００℃に加熱し、石英管３２ａ内に収容された炭素源含有材料Ｗと石英管３２ａに供給された空気とを酸化反応させて、還元ガスＧ２（一酸化炭素及び二酸化炭素からなる混合気体を含む）を生成する。そして、還元ガス生成手段３０で生成された還元ガスＧ２をガス導入管３０ａを介して反応炉１０に供給する。反応炉１０に供給される還元ガスＧ２は、必要に応じて所定量の酸素を含有するように調整される。反応炉１０に供給された還元ガスＧ２は、導入口１４から反応管１１に導入され、貫通孔１１ａ−４を通って反応管１１内の保持部１３に供給される。反応管１１内に供給される還元ガスＧ２の流量は、例えば、貫通孔１１ａ−４の孔径１．５ｍｍの場合、０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１．０Ｌ／ｍｉｎである。貫通孔１１ａ−４孔径が１．５ｍｍよりも大きい場合には、還元ガスＧ２の流量を１．０Ｌ／ｍｉｎよりも大きい値にすることができる。
【００６１】
次に、図３に示すように、反応炉１０において、例えば４００℃／ｈで反応炉１０内を加熱し、１１００〜１３００℃で２時間保持した後、還元ガス生成手段３０から供給された還元ガスＧ２を貫通孔１１ａ−４から内管１１ａに導入し、還元ガスＧ２を内管１１ａ内で上方に噴き出させる。これにより、内管１１ａ内において、貫通１１ａ−４近傍の混合物Ｍが還元ガスＧ２によって上方に吹き上げられると共に、貫通孔１１ａ−４から離れた位置の混合物Ｍが落下し、混合物Ｍの上昇と落下が繰り返されることで、保持部１３の直上に流動床部１５が形成される。このとき、内管１１ａの長さは、還元ガスＧ２の高流量に対応可能とするため、３０ｃｍ以上であるのが好ましい。また、貫通孔１１ａ−４の内径は、還元ガスＧ２の吹き出し量を考慮して、例えば１ｍｍ〜９ｍｍであるのが好ましい。
【００６２】
そして、反応管１１内を所定温度に加熱し、内管１１ａ内で、混合物Ｍ中の第１固体ガリウム化合物と還元ガスＧ２とを反応させる。
第１固体ガリウム化合物が固体窒化ガリウムであり、還元ガスＧ２が、一酸化炭素及び二酸化炭素からなる混合気体（以下、「ＣＯ／ＣＯ２混合気体」という）を含む場合、流動床部１５では以下の化学式（１），（２）によってガリウムの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１において、第１固体ガリウム化合物におけるガリウムの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で、第２固体金属化合物Ｓ１である第２固体ガリウム化合物（酸化ガリウム）が捕集される。
２ＧａＮ（solid）＋ＣＯ２（gas）→Ｇａ２Ｏ（gas）＋Ｎ２（gas）＋ＣＯ（gas）・・
・（１）
Ｇａ２Ｏ（gas）＋Ｏ２（gas）→Ｇａ２Ｏ３（solid）・・・（２）
【００６３】
第１固体ガリウム化合物が還元されて気体ガリウム化合物が生成される反応では、化学式（１）に示すように、第１固体ガリウム化合物であるＧａＮ、還元剤であるＣＯ／ＣＯ２混合気体に含まれる二酸化炭素が反応して、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ、窒素、及び一酸化炭素が生成される。
また、気体ガリウム化合物が酸化されて第２固体ガリウム化合物が生成される反応では、化学式（２）に示すように、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏと酸化剤である酸素とが反応して、第２固体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ３が生成される。
【００６４】
混合物Ｍに活性炭（Ｃ）を添加した場合、ＧａＮ（solid）と、活性炭(Ｃ)と、二酸化炭素（ＣＯ２）及び酸素（Ｏ２）のいずれかとの反応が上記反応と並行して進行し、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏが生成される。しかし、固体である活性炭がＧａＮと接触する確率は低いことから、内管１１ａ内で生じるガリウムの還元反応は、主としてＣＯ／ＣＯ２混合気体によるものと推察される。
【００６５】
第１固体ガリウム化合物が固体窒化ガリウムである場合、第１固体ガリウム化合物から気体ガリウム化合物を経て第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）を得る工程では、第１固体ガリウム化合物の混合物Ｍを１０００〜１３００℃の範囲で加熱するのが好ましい。また、ガリウム混合物における気体ガリウム化合物（Ｇａ２Ｏ）の蒸気圧が最大値となるように、反応管１１内温度及び酸素分圧、特に捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。すなわち、反応炉１０は、加熱部１２に加えて、反応管１１内の酸素分圧を制御する酸素分圧制御部を更に有していてもよい。
【００６６】
図４は、１１５０℃において、図１の金属化合物濃縮装置で濃縮されるガリウム種蒸気圧の酸素分圧依存性を説明するグラフである。同グラフにおいて、ガリウム種蒸気圧のうちＧａ２Ｏ（ｇ）の蒸気圧が約１×１０４Ｐａで最大値となり、このときの酸素分圧は１×１０−１１Ｐａ（図中のａ位置）であることが分かる。そこで本実施形態では、Ｇａ２Ｏ（ｇ）の蒸気圧を用い、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏの蒸気圧が大きくなるように、反応管１１内の酸素分圧を１Ｐａ（１×１００Ｐａ）以下に制御するのが好ましく、１×１０−１９Ｐａ以上１×１０−７Ｐａ以下がより好ましい。また、１１５０℃においては、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏの蒸気圧が最大値となるように、反応管１１内の酸素分圧を１×１０−１１Ｐａに調整するのが特に好ましい。なお、この酸素分圧の範囲は、温度によって異なり、熱化学データを用いた熱力学計算によって算出される。また、この場合、反応炉１０は、反応管１１内の酸素分圧を計測するための酸素検出部と、酸素検出部の検出結果に基づいて酸素含有ガス供給手段４０における酸素含有ガスＧ１の流量を制御する制御部とを有していてもよい。このように、Ｇａ２Ｏ（ｇ）の蒸気圧の最大値に対応した酸素分圧を設定し、反応管１１内の酸素分圧が上記酸素分圧となるように、反応炉１１内の酸素分圧を制御するか或いは反応炉１０内に当該酸素分圧を有する還元ガスＧ２を導入することにより、捕集部１６−１で第２固体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ（ｓ）をより多く捕集することが可能となる。
【００６７】
本実施形態では、第１固体ガリウム化合物を含有する混合物Ｍの質量に対する、当該第１固体ガリウム化合物中のガリウム元素の質量の比を第１金属含有率α１、第２固体ガリウム化合物の質量に対する、当該第２固体ガリウム化合物中のガリウム元素の質量の比を第２金属含有率α２としたとき、第２金属含有率α２が第１金属含有率α１より高い。また、混合物Ｍに含まれる第１固体ガリウム化合物中のガリウムの質量をｍ１、捕集部１６−１で捕集された第２固体ガリウム化合物中のガリウムの質量をｍ２としたとき、収率β（＝ｍ２／ｍ１＊１００）は０．５％以上、好ましくは１０％以上である。例えば、０．１０ｇのＧａＮ（ｓ）を含む混合物から、０．００１２ｇのＧａ２Ｏ３（ｓ）が捕集され、収率βは１．１％を達成している。
【００６８】
次いで、反応管１１内での還元・酸化反応によって生じた副成ガスＧ３を、排出口１７から貫通孔１１ｅ−１を通ってガス排出管６０ａに排出する。副成ガスＧ３は、上記反応式（１）で生成された窒素及び一酸化炭素に加え、上記反応式（２）で生成された第２固体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ３（ｓ）、並びに二酸化炭素を含んでいる。このＧａ２Ｏ３（ｓ）含有副成ガスＧ３が、ガス排出管６０ａを介して回収手段８０に供給される。
【００６９】
そして、回収手段８０において（図３）、副成ガスＧ３は分離部８１の内壁８１ａに沿って螺旋状に降下し、分離部８１の下端８１ｂに到達した後、分離部８１の中心部を通って該分離部の上端８１ｃに設けられた排出口８１ｄから排出される。このとき、副成ガスＧ３に含まれるＧａ２Ｏ３（ｓ）を分離部８１で遠心分離して、第２固体金属化合物Ｓ２として回収部８２で回収する。また、回収手段８０の排出口８１ｄから排出された副成ガスＧ３を、ガス排出管８０ａを介して熱交換器５０−１に供給する。
【００７０】
熱交換器５０−１では（図１）、副成ガスＧ３を第２流路５０−１ｂに導入し、第２流路５０−１ｂを流れる副成ガスＧ３と、第１流路５０−１ａを流れる酸素含有ガスＧ１との熱エネルギー交換によって、当該副成ガスＧ３を冷却する。その後、熱交換器５０−１で冷却された副成ガスＧ３を浄化手段９０に供給し、副成ガスＧ３を浄化して浄化ガスＧ４とし、該浄化ガスＧ４を外部に排出する。
【００７１】
上述のように、上記（１−１）における金属化合物濃縮方法では、第１固体ガリウム化合物（固体窒化ガリウム）を含有する混合物Ｍを、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＧａ２Ｏを分離し、これを酸化させて第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）を捕集する。
【００７２】
（１−２）第１固体金属化合物が第１固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）、第２固体金属化合物が第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）である場合
この場合にも、上記（１−１）と同様の方法で固体酸化ガリウムを濃縮することができる。流動床部１５では、以下の化学式（３），（４）によってガリウムの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１で、第１固体ガリウム化合物におけるガリウムの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で第２固体ガリウム化合物が捕集される。
Ｇａ２Ｏ３（solid）＋２ＣＯ（gas）→Ｇａ２Ｏ（gas）＋２ＣＯ２（gas）・・・（３）
Ｇａ２Ｏ（gas）＋Ｏ２（gas）→Ｇａ２Ｏ３（solid）・・・（４）
【００７３】
第１固体ガリウム化合物が還元されて気体ガリウム化合物が生成される反応では、化学式（３）に示すように、第１固体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ３、及び還元剤である一酸化炭素が反応して、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ、及び二酸化炭素が生成される。
また、気体ガリウム化合物が還元されて、第２固体ガリウム酸化物である固体酸化ガリウムが生成される反応では、化学式（４）に示すように、気体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏと酸素が反応して、第２固体ガリウム化合物であるＧａ２Ｏ３が生成される。
【００７４】
第１固体ガリウム化合物が上記の固体酸化ガリウムである場合、第１固体ガリウム化合物から気体ガリウム化合物を経て第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）を得る工程では、第１固体ガリウム化合物の混合物を９００℃以上に加熱するのが好ましい。また、ガリウム混合物における気体ガリウム化合物の蒸気圧が最大値となるように、捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００７５】
このように、上記（１−２）における金属化合物濃縮方法では、第１固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）を含有する混合物を、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＧａ２Ｏを分離し、これを酸化させて第２固体ガリウム化合物（固体酸化ガリウム）を捕集する。
【００７６】
（１−３）第１固体金属化合物が第１固体インジウム化合物（固体酸化インジウム）、第２固体金属化合物が第２固体インジウム化合物（固体酸化インジウム）である場合
この場合にも、上記（１−１）と同様の方法で固体酸化インジウムを濃縮することができる。流動床部１５では、以下の化学式（５），（６）によってインジウムの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１で、第１固体インジウム化合物におけるインジウムの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で第２固体インジウム化合物が捕集される。
Ｉｎ２Ｏ３（solid）＋２ＣＯ（gas）→Ｉｎ２Ｏ（gas）＋２ＣＯ２（gas）・・・（５）
Ｉｎ２Ｏ（gas）＋Ｏ２（gas）→Ｉｎ２Ｏ３（solid）・・・（６）
【００７７】
第１固体インジウム化合物が還元されて気体ガリウム化合物が生成される反応では、化学式（５）に示すように、第１固体インジウム化合物であるＩｎ２Ｏ３、及び還元剤である一酸化炭素が反応して、気体インジウム化合物であるＩｎ２Ｏ、及び二酸化炭素が生成される。
また、気体インジウム化合物が還元されて、第２固体インジウム酸化物である固体酸化インジウムが生成される反応では、化学式（６）に示すように、気体インジウム化合物であるＩｎ２Ｏと酸素が反応して、第２固体インジウム化合物であるＩｎ２Ｏ３が生成される。
【００７８】
第１固体インジウム化合物が固体酸化インジウムである場合、第１固体インジウム化合物から気体インジウム化合物を経て第２固体インジウム化合物（固体酸化ガリウム）を得る工程では、第１固体インジウム化合物の混合物を７００℃以上に加熱するのが好ましい。また、インジウム混合物における気体インジウム化合物の蒸気圧が最大値となるように、捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００７９】
このように、上記（１−３）における金属化合物濃縮方法では、第１固体インジウム化合物（固体酸化インジウム）を含有する混合物を、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＩｎ２Ｏを分離し、これを酸化させて第２固体インジウム化合物（固体酸化インジウム）を捕集する。
【００８０】
（１−４）第１固体金属化合物が第１固体ゲルマニウム化合物（固体酸化ゲルマニウム）、第２固体金属化合物が第２固体ゲルマニウム化合物（固体酸化ゲルマニウム）である場合
この場合にも、上記（１−１）と同様の方法で固体酸化ゲルマニウムを濃縮することができる。流動床部１５では、以下の化学式（７），（８）によってゲルマニウムの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１で、第１固体ゲルマニウム化合物におけるゲルマニウムの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で第２固体ゲルマニウム化合物が捕集される。
ＧｅＯ２（solid）＋ＣＯ（gas）→ＧｅＯ（gas）＋ＣＯ２（gas）・・・（７）
ＧｅＯ（gas）＋１／２＊Ｏ２（gas）→ＧｅＯ２（solid）・・・（８）
【００８１】
第１固体ゲルマニウム化合物が還元されて気体ゲルマニウム化合物が生成される反応では、化学式（７）に示すように、第１固体ゲルマニウム化合物であるＧｅ２Ｏ３、及び還元剤である一酸化炭素が反応して、気体ゲルマニウム化合物であるＧｅ２Ｏ、及び二酸化炭素が生成される。
また、気体ゲルマニウム化合物が還元されて、第２固体ゲルマニウム酸化物である固体酸化ゲルマニウムが生成される反応では、化学式（８）に示すように、気体ゲルマニウム化合物であるＧｅ２Ｏと酸素が反応して、第２固体ゲルマニウム化合物であるＧｅ２Ｏ３が生成される。
【００８２】
第１固体ゲルマニウム化合物が固体酸化ゲルマニウムである場合、第１固体ゲルマニウム化合物から気体ゲルマニウム化合物を経て第２固体ゲルマニウム化合物（固体酸化ゲルマニウム）を得る工程では、第１固体ゲルマニウム化合物の混合物を７００℃以上に加熱するのが好ましい。また、ゲルマニウム混合物における気体ゲルマニウム化合物の蒸気圧が最大値となるように、捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００８３】
このように、上記（１−４）における金属化合物濃縮方法では、第１固体ゲルマニウム化合物（固体酸化ゲルマニウム）を含有する混合物を、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＧｅ２Ｏを分離し、これを酸化させて第２固体ゲルマニウム化合物（固体酸化ゲルマニウム）を捕集する。
【００８４】
（１−５）第１固体金属化合物が第１固体テルル化合物（固体酸化テルル）、第２固体金属化合物が第２固体テルル化合物（固体酸化テルル）である場合
この場合にも、上記（１−１）と同様の方法で固体酸化テルルを濃縮することができる。流動床部１５では、以下の化学式（９），（１０）によってテルルの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１で、第１固体テルル化合物におけるテルルの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で第２固体テルル化合物が捕集される。
２ＴｅＯ２（solid）＋２ＣＯ（gas）→Ｔｅ２Ｏ２（gas）＋２ＣＯ２（gas）・・・（９）
Ｔｅ２Ｏ２（gas）＋Ｏ２（gas）→Ｔｅ２Ｏ３（solid）・・・（１０）
【００８５】
第１固体テルル化合物が還元されて気体テルル化合物が生成される反応では、化学式（９）に示すように、第１固体テルル化合物であるＴｅＯ２、及び還元剤である一酸化炭素が反応して、気体テルル化合物であるＴｅ２Ｏ２、及び二酸化炭素が生成される。
また、気体テルル化合物が還元されて、第２固体テルル酸化物である固体酸化テルルが生成される反応では、化学式（１０）に示すように、気体テルル化合物であるＴｅ２Ｏ２と酸素が反応して、第２固体テルル化合物であるＴｅ２Ｏ３が生成される。
【００８６】
第１固体テルル化合物が固体酸化テルルである場合、第１固体テルル化合物から気体テルル化合物を経て第２固体テルル化合物（固体酸化テルル）を得る工程では、第１固体テルル化合物の混合物を２００℃以上に加熱するのが好ましい。また、混合物における気体テルル化合物の蒸気圧が最大値となるように、捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００８７】
このように、上記（１−５）における金属化合物濃縮方法では、第１固体テルル化合物（固体酸化テルル）を含有する混合物を、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＴｅ２Ｏ２を分離し、これを酸化させて第２固体テルル化合物（固体酸化ガリウム）を捕集する。
【００８８】
（１−６）第１固体金属化合物が第１固体セシウム化合物（固体酸化セシウム）、第２固体金属化合物が第２固体セシウム化合物（固体酸化セシウム）である場合
この場合にも、上記（１−１）と同様の方法で固体酸化セシウムを濃縮することができる。流動床部１５では、以下の化学式（３），（４）によってセシウムの還元反応及び酸化反応が起こり、捕集部１６−１で、第１固体セシウム化合物におけるセシウムの第１含金属有率よりも高い第２金属含有率で第２固体セシウム化合物が捕集される。
Ｃｓ２Ｏ３（solid）＋２ＣＯ（gas）→Ｃｓ２Ｏ（gas）＋２ＣＯ２（gas）・・・（１１）
Ｃｓ２Ｏ（gas）＋Ｏ２（gas）→Ｃｓ２Ｏ３（solid）・・・（１２）
【００８９】
第１固体セシウム化合物が還元されて気体セシウム化合物が生成される反応では、化学式（１１）に示すように、第１固体セシウム化合物であるＣｓ２Ｏ３、及び還元剤である一酸化炭素が反応して、気体セシウム化合物であるＣｓ２Ｏ、及び二酸化炭素が生成される。
また、気体セシウム化合物が還元されて、第２固体セシウム酸化物である固体酸化セシウムが生成される反応では、化学式（１２）に示すように、気体セシウム化合物であるＣｓ２Ｏと酸素が反応して、第２固体セシウム化合物であるＣｓ２Ｏ３が生成される。
【００９０】
第１固体セシウム化合物が固体酸化セシウムである場合、第１固体セシウム化合物から気体セシウム化合物を経て第２固体セシウム化合物（固体酸化セシウム）を得る工程では、第１固体セシウム化合物の混合物を室温以上に加熱するのが好ましい。また、セシウム混合物における気体セシウム化合物の蒸気圧が最大値となるように、捕集部１６−１の温度及び酸素分圧を調整するのが好ましい。
【００９１】
このように、上記（１−６）における金属化合物濃縮方法では、第１固体セシウム化合物（固体酸化セシウム）を含有する混合物を、一酸化炭素を含む還元ガスＧ２を用いて所定温度且つ所定酸素分圧下で還元させることで、気体金属化合物であるＣｓ２Ｏを分離し、これを酸化させて第２固体セシウム化合物（固体酸化セシウム）を捕集する。
【００９２】
＜反応炉における各種パラメータと収率との関係＞
次に、反応炉における各種パラメータと第２固体化合物の収率との関係を、図５〜図１０を用いて説明する。図５〜図８では、第１固体化合物が固体窒化ガリウム、第２固体化合物が固体酸化ガリウム（上記（１−１））である場合を例に挙げて説明する。
【００９３】
上記反応炉の保持部に窒化ガリウム（ＧａＮ）２５ｍｇ及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）２５ｍｇを投入し、図５に示すように、巻回されたＰｔ線からなる捕集部を反応炉の上方から挿入し、反応炉の上方から当該反応炉の高さ方向中心位置付近に亘ってφ０．３ｍｍのＰｔ線を設置した。そして、予備加熱炉の温度６００℃、還元ガス生成手段の温度７００℃、反応炉の還元・酸化反応時における炉内温度（本実施形態では、噴出部温度）１１２５℃〜１２００℃、予備加熱炉及び還元ガス生成手段に通じる窒素ガス（５０ｐｐｍ以下の不純物酸素を含む）の流量を０．２Ｌ／ｍｉｎ〜０．２５Ｌ／ｍｉｎとし、Ｐｔ線に捕集された固体酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）を採取し、その収率を上記式で算出した。このとき、反応炉の貫通孔上端部を基準として、高さ１２．０ｃｍ〜１５．０ｃｍの範囲内で上記捕集部の位置を変え、各高さｈの位置で捕集された固体酸化ガリウムの収率を算出した。なお、本発明における窒素ガスは、本濃縮装置への供給前では還元ガスではなくむしろ酸化ガスであり、濃縮装置への導入後に還元ガス生成手段において還元ガスに変わる。
【００９４】
この結果、図６に示すように、ＧａＮ−Ａｌ２Ｏ３系での固体酸化ガリウムの収率は、捕集部の高さによって異なり、特に、高さｈが１２．５ｃｍ〜１３．４ｃｍであるときに収率が１９％以上となり、高さｈが１３．０ｃｍであるときに、固体酸化ガリウムの収率がピーク値である２７％となることが分かる。よって、ＧａＮ−Ａｌ２Ｏ３系では、捕集部の高さを最適化することで、固体酸化ガリウムの収率を向上することができると推察される。
【００９５】
また、炉内温度（噴出部温度）を一定としたときの反応管内の高さ方向に沿う温度分布を図７に示す。図７に示すように、噴出部、すなわち貫通孔上端部の温度が１２５０℃である場合、高さ２〜３ｃｍの領域での管内温度は、噴出部の温度よりも若干高いものの、高さ３ｃｍを超え１０ｃｍ以下の領域での管内温度は高さに伴って徐々に下がり、高さ１０ｃｍ以上の領域での管内温度はほぼリニアに下がっている。そして、図６において収率のピーク値である２７％である高さ（ｈ＝１３．０ｃｍ）での管内温度は、およそ８５０℃であることが分かる。よって、反応管内の温度分布と高さｈには相関関係があり、捕集部の温度の最適化によって固体酸化ガリウムの収率を向上することができると推察される。
【００９６】
次に、反応炉の炉内温度１１５０℃で一定とし、窒素ガス流量を０．１８Ｌ／ｍｉｎ〜０．２３Ｌ／ｍｉｎの範囲内で変化させたこと以外は図６の場合と同様とし、各窒素ガス流量における固体酸化ガリウムの収率を算出した。
この結果、図８に示すように、窒素ガス流量の増加に伴って収率が向上し、特に窒素ガス流量が０．２Ｌ／ｍｉｎ以上であるときに収率が２０％以上となることが分かる。尚、窒素ガス流量が０．２３Ｌ／ｍｉｎ以上であると窒化ガリウムが飛散してしまうことから、０．２３Ｌ／ｍｉｎが本金属化合物濃縮装置における限界流量である。よって、炉内温度（反応温度）を一定とした場合、窒素ガス流量を限界流量以下の範囲で増加させることで、固体酸化ガリウムの収率を向上することができる。
【００９７】
次いで、反応炉の炉内温度を１１２５℃〜１２００℃の範囲内で変化させ、窒素ガス流量を０．２３Ｌ／ｍｉｎとしたこと以外は図６の場合と同様とし、各炉内温度における固体酸化ガリウムの収率を算出した。
この結果、図９に示すように、ＧａＮ−Ａｌ２Ｏ３系での固体酸化ガリウムの収率は、反応炉の炉内温度によって異なり、特に、炉内温度が１１２５℃〜１２００℃であるときに収率が２０％以上、炉内温度が１１４０℃〜１１８４℃であるときに収率が３５％以上となり、炉内温度が１１５０℃であるときに、収率がピーク値である３８％となることが分かる。炉内温度が１１５０℃を超えると収率が下がったのは、捕集部近傍の温度が、固体酸化ガリウムの析出温度よりも高く、固体酸化ガリウム析出に適した温度範囲外であったためと推察される。よって、窒素ガス流量を一定とした場合、還元・酸化反応時における炉内温度を最適化することで固体酸化ガリウムの収率を向上することができると推察される。
【００９８】
そこで、炉内温度（噴出部温度）を一定としたときの捕集部の温度と固体酸化ガリウムの収率との関係を求めた。この結果、図１０に示すように、炉内温度を１１５０℃で一定としたとき、捕集部の温度が８５０℃付近で固体酸化ガリウムの収率がピーク値である２７％を示した。捕集部の温度が８５０℃未満の範囲で収率が温度上昇に伴って増大しているのは、温度上昇と共に捕集部近傍でより良好な気流が形成されるためと推察される。また、捕集部の温度が８５０℃を超える範囲で収率が温度上昇に伴って低下しているのは、（１）捕集部近傍で生じる上昇気流が温度上昇と共に増大することから、捕集部近傍の温度が固体酸化ガリウムの析出適正温度まで下がっておらず、また、（２）捕集部近傍で生じる上昇気流が当該捕集部の螺旋構造の下面に衝突することによって乱れ、捕集部に析出した固体酸化ガリウムの剥離、飛散等が生じて、析出量が減少するためと推察される。
【００９９】
したがって、捕集部の温度、炉内温度分布及び収率には相関関係があり、捕集部の温度を最適化することで固体酸化ガリウムの収率を向上することが確認された。本実施形態での捕集部の温度は、好ましくは９４０℃以下（収率１０％以上２７％以下）であり、より好ましくは７４０℃〜９２５℃（収率１５％以上２７％以下）、更に好ましくは８２５℃〜９００℃（収率２０％以上２７％以下）である。
【０１００】
上述したように、本第１実施形態によれば、酸素含有ガス供給手段４０が、還元ガスＧ２を生成するための酸素含有ガスＧ１を還元ガス生成手段３０に供給し、還元ガス生成手段３０が、第１固体金属化合物を還元する還元ガスＧ２を生成して反応炉１０に供給する。また、反応炉１０が、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する。そして、ガス排出手段６０が、反応炉１０から排出される副成ガスＧ３を排出する。このように、上記群から選択された金属を乾式法で濃縮して捕集することができるため、廃液が生じず、環境負荷が小さく、煩雑な廃液処理を要しない。また、廃液処理用の構成を有さない簡単な装置構成で上記金属を濃縮することができ、実用化に適した金属化合物濃縮装置１を提供することができる。
【０１０１】
更に、混合物中における第１固体金属化合物の含有率が５質量％以下程度である低含有率の混合物を原料として、当該混合物に含有されるガリウムなどのレアメタルを濃縮することができるため、原料の選択肢が格段に広がり、鉱石のみならず、様々な分野で使用されるレアメタル含有廃材などを原料として使用することができる。また、金属化合物濃縮装置１で得られた第２固体金属化合物に含まれるレアメタルをリサイクルすることにより、レアメタルの国内採掘量や輸入量の影響を小さくして、国内需要に対してレアメタルを安定的に供給することが可能となる。
【０１０２】
また、反応炉１０は、流動床部１５の上部に位置し且つ上記第２固体金属化合物Ｓ１を捕集する捕集部１６−１を有しており、捕集部１６−１は、反応管１１の内部空間を画定する側壁の一部で構成される。そして、捕集部１６−１にて、気体金属化合物が酸化することで得られる第２固体金属化合物Ｓ１が、第１金属含有率よりも高い第２金属含有率で捕集される。これにより、従来よりも格段に高い金属含有率で第２固体金属化合物Ｓ１を回収することができる。
【０１０３】
また、還元ガス生成手段３０は、炭素源含有材料Ｗを供給するための材料供給部３１と、炭素源含有材料Ｗを酸化して還元ガスＧ２を生成する生成部３２とを有するので、還元ガスＧ２を連続的に反応炉１０に供給することができ、実用性の高い金属化合物濃縮装置を提供することができる。また、炭素源含有材料Ｗとして廃棄樹脂を使用することにより、廃棄樹脂をリサイクルすることができ、廃棄樹脂の増大を抑制して環境負荷を低減できる。特に、使用済み電気・電子機器からレアメタル含有廃材と廃棄樹脂をそれぞれ取り出し、レアメタル含有廃材を混合物Ｍとして使用すると共に、廃棄樹脂を炭素場含有廃材Ｗとして使用することにより、使用済み電気・電子機器に含まれるレアメタル及び樹脂の双方をリサイクルすることが可能となる。
【０１０４】
また、金属化合物濃縮装置１は、ガス排出手段６０に設けられ且つ第２固体金属化合物Ｓ２を回収する回収手段８０を備えるので、捕集部１６−１で捕集されなかった第２固体金属化合物Ｓ２が副成ガスＧ３中に残存する場合、副成ガスＧ３中に含まれる第２固体金属化合物Ｓ２を回収することができ、第２固体金属化合物をより多く捕集することができる。
【０１０５】
更に、熱交換器５０−１は、酸素含有ガス供給手段４０に接続された第１流路５０−１ａ及びガス排出管８０ａに接続された第２流路５０−１ｂを有し、第１流路５０−１ａ内の酸素含有ガスＧ１が、第２流路５０−１ｂ内の副成ガスＧ３によって加熱されるので、熱エネルギーを有効利用して省エネルギー化を実現することができる。
【０１０６】
図１１は、図２の反応炉の第１変形例を示す断面図である。図１１の反応炉は図２の反応炉と基本的に同じであるので、重複する説明を省略し、以下に異なる部分を説明する。図１１の反応炉は、捕集部１６−１に加えて、他の捕集部を有している点で図２の反応炉１０と異なる。
同図において、反応炉１０Ａは、流動床部１５の上部に配置され且つ内管１１ａの上部に載置された蓋部２１を備えている。蓋部２１は、すり鉢形状を有するセラミック製の部材であり、底部２１ａと、側壁部２１ｂと、底部２１ａに設けられた貫通孔２１ｃとを有している。蓋部２１は、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニアなどの酸化物を主成分とするセラミックからなる。
【０１０７】
反応炉１０Ａは、流動床部１５に位置し且つ第２固体金属化合物を捕集する捕集部１６−２を有する。本変形例では、捕集部１６−２は、蓋部２１で構成される天井壁である。具体的には、捕集部１６−２は、蓋部２１における底部２１ａの下面２１ｄ又は上面２１ｅである。捕集部１６−２は、上記気体金属化合物が酸化することで得られる第２固体金属化合物Ｓ３,Ｓ４を、第１金属含有率よりも高い第２金属含有率で捕集する。流動床部１５では、上述のようにレアメタルの気体金属化合物が酸化反応によって第２固体金属化合物に変化し、この酸化反応により、底部２１ａの下面２１ｄに第２固体金属化合物Ｓ３が付着する。また、流動床部１５から貫通孔２１ｃを通って底部２１ａの上面２１ｅ近傍に供給された気体金属化合物が第２固体金属化合物Ｓ４に変化し、上面２１ｅに第２固体金属化合物Ｓ４が付着する。これにより、捕集部１６−２で第２固体金属化合物Ｓ３，Ｓ４が捕集される。
【０１０８】
混合物Ｍに含まれる第１固体ガリウム化合物中のガリウムの質量をｍ１、捕集部１６−１で捕集された第２固体金属化合物Ｓ１中のガリウムの質量をｍ２、捕集部１６−２で捕集された第２固体金属化合物Ｓ３，Ｓ４中のガリウムの合計質量をｍ３としたとき、収率γ｛＝（ｍ２＋ｍ３）／ｍ１＊１００｝は、１．０％を超え、好ましくは１．５％を超える。したがって、流動床部１５において、隔壁となる捕集部１６−２を更に設けることにより、捕集部１６−１，１６−２の双方で第２固体金属化合物をより多く捕集することが可能となる。
【０１０９】
図１１は、図２の反応炉の第２変形例を示す断面図である。図１１の反応炉は図２の反応炉と基本的に同じであるので、重複する説明を省略し、異なる部分を以下に説明する。図１１の反応炉は、捕集部１６−１に加えて、他の捕集部を有している点で図２の反応炉１０と異なる。
同図において、反応炉１０Ｂは、流動床部１５に位置し、第２固体金属化合物を捕集する捕集部１６−３を有する。本変形例では、捕集部１６−３は、反応管１１の内部空間内に保持され且つ第２固体金属化合物からなる種結晶材料２２である。種結晶材料２２は、閉塞部１１ｅに取り付けられた線材２３によって流動床部１５内に吊り下げた状態で保持されている。
【０１１０】
捕集部１６−３は、上記気体金属化合物が酸化することで得られる第２固体金属化合物Ｓ５を、第１金属含有率よりも高い第２金属含有率で捕集する。流動床部１５では、上述のようにレアメタルの気体金属化合物が酸化反応によって第２固体金属化合物に変化し、この酸化反応により、種結晶材料２２に第２固体金属化合物Ｓ５が付着する。これにより、捕集部１６−３で第２固体金属化合物Ｓ５が捕集される。
【０１１１】
混合物Ｍに含まれる第１固体ガリウム化合物中のガリウムの質量をｍ１、捕集部１６−１で捕集された第２固体金属化合物Ｓ１中のガリウムの質量をｍ２、捕集部１６−３で捕集された第２固体金属化合物Ｓ５中のガリウムの質量をｍ４としたとき、収率δ｛＝（ｍ２＋ｍ４）／ｍ１＊１００｝は、２．１％以上である。したがって、流動床部１５において、種結晶からなる捕集部１６−３を更に設けることにより、捕集部１６−１，１６−３の双方で第２固体金属化合物をより多く捕集することが可能となる。
【０１１２】
＜金属化合物濃縮装置の他の実施形態＞
図１２は、本発明の第２実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
図１２の金属化合物濃縮装置１Ａは、図１の金属化合物濃縮装置１と基本的に同じであり、予備加熱炉５０−２を有していない点で図１の金属化合物濃縮装置と異なる。すなわち、図１の予備加熱炉５０−２は、熱交換器５０−１から供給された酸素含有ガスＧ１を所定温度まで加熱するが、酸素含有ガスＧ１を熱交換器５０−１によって所定温度まで加熱することが可能な場合には、予備加熱炉５０−２を備えなくてもよい。これにより、更に簡単な装置構成とすることができ、実用化により適した金属化合物濃縮装置を提供することができる。
【０１１３】
また、金属化合物濃縮装置１Ａは、ガス排出手段６０に設けられ、反応炉１０内を減圧する減圧手段９１を更に備えてもよい。減圧手段９１は、例えばガス排出管６０ａに取り付けられるファンであり、反応炉１０よりも下流であって回収手段８０の上流に配置される。副成ガスＧ３が高温である場合、反応炉１０の下流であって減圧手段９１の上流に副成ガスＧ３を冷却する冷却手段を設けてもよい。これにより、反応管１１の管内圧力が通常時の管内圧力よりも低くなり、流動床部１５におけるレアメタルの還元反応を通常時よりも低い温度で行うことができ、省エネルギー化を図ることができる。
【０１１４】
図１３は、本発明の第３実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。図１３の金属化合物濃縮装置は、図１の金属化合物濃縮装置１と基本的に同じであり、予備加熱炉５０−２を有さず、且つ還元ガス生成手段３０に代えて他の還元ガス生成手段を備える点で図１の金属化合物濃縮装置と異なる。
【０１１５】
図１４の金属化合物濃縮装置１Ｂは、レアメタルを含有する第１固体金属化合物を還元する還元ガスＧ２’を生成して反応炉１０に供給する還元ガス生成手段９２を備える。この還元ガス生成手段９２は、例えばロータリーキルンであって、回転可能に設けられた炉体９２ａと、熱交換器５０−１に接続され且つ該熱交換器からの酸素含有ガスＧ１を炉体９２ａに供給するためのガス供給部９２ｂと、炭素源含有材料Ｗを炉体９２ａに供給するための材料供給部９２ｃと、炉体９２ａに取り付けられたバーナ９２ｄと、炉体９２ａ内で生成された還元ガスＧ２’をガス導入管３０ａに供給するためのガス排出部９２ｅと、還元ガス生成時に副成される炭化固体物を排出するための炭化固体物排出部９２ｆとを備える。
【０１１６】
還元ガス生成手段９２は、予備加熱部５０−２から供給された酸素含有ガスＧ１及び材料供給部９２ｃから供給された炭素源含有材料Ｗをバーナ９２ｄで加熱し、炭素の酸化反応によって一酸化炭素を含む還元ガスＧ２’を生成し、ガス導入管３０ａを介して反応炉１０に供給する。このように、還元ガス生成手段９２の構成によれば、炭素源含有材料Ｗの供給、還元ガスＧ２’の生成、及び炭化固体物の排出を連続的に行うことができ、更に実用性の高い金属化合物濃縮装置を提供することができる。
【０１１７】
図１５は、本発明の第４実施形態に係る金属化合物濃縮装置の構成を概略的に示す図である。
図１５に示すように、金属化合物濃縮装置２は、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の上記第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する反応炉１００と、上記第１固体金属化合物を還元する還元ガスＧ２を反応炉１００に供給する還元ガス供給手段１１０とを備える。
【０１１８】
反応炉１００は、第１固体金属化合物を内部空間で反応させるための反応管１０１と、反応管１０１を加熱する加熱部１０２と、反応管１０１内の下部に設けられ、第１固体金属化合物を保持する保持部１０３と、還元ガス生成手段３０から供給される還元ガスＧ２を、反応管１０１の上部から保持部１０３に導入する導入管１０４と、保持部１０３の上方に設けられ、還元ガスＧ２を保持部１０３に供給する圧力によって上記第１固体金属化合物を流動させる流動床部１０５と、反応管１０１の上部に設けられ、副成ガスＧ３を反応管１０１内から外部に排出するための排出口１０７と、反応管１０１内の温度を制御する反応管内温度制御部１０８とを有する。
【０１１９】
反応管１０１は、下端が閉塞していると共に上端が開放された内管１０１ａと、内管１０１ａの下端を支持する支持台１０１ｂと、内管１０１ａ及び支持台１０１ｂの双方を内部に収容すると外管１０１ｃと、外管１０１ｃの上部に設けられ、混合物Ｍを内管１０１ａ内に供給するための供給部１０１ｄとを有している。導入管１０４は、反応管１０１の上部から内管１０１ａ内を通って当該内管１０１ａの下端近傍まで延出している。
【０１２０】
還元ガス供給手段１１０は、酸素含有量の少ない還元ガスＧ２が導入されるステンレス管１１１と、ステンレス管１１１内の還元ガスＧ２”を加熱する加熱部１１２と、還元ガスＧ２”の温度を制御する還元ガス温度制御部１１３と、還元ガスＧ２”に含有される酸素分圧を制御する酸素分圧制御部１１４とを有している。
【０１２１】
還元ガス温度制御部１１３は、熱電対などの温度検出部（不図示）によって検出された還元ガスＧ２”の温度に基づいて、還元ガスＧ２”の温度が所定温度となるように加熱部１１２の発熱量を制御する。
酸素分圧制御部１１４は、酸素分圧検知部で検出された酸素分圧或いは酸素濃度検出部に基づいて算出された酸素分圧に基づいて、還元ガスＧ２”の酸素分圧を所定値となるように調整し、所定酸素分圧を有する還元ガスＧ２を生成する。これにより、所定温度及び所定酸素分圧を有する還元ガスＧ２が、還元ガス供給手段１１０から反応炉１００に供給される。
【０１２２】
上記のように構成される金属化合物濃縮装置２では、先ず、反応炉１００の供給部１０１ｄから、第１固体金属化合物である窒化ガリウムを第１金属含有率で含有する混合物Ｍを投入し、この混合物Ｍを保持部１０３に収容する。
【０１２３】
次に、還元ガス供給手段１１０に希薄酸素ガスである還元ガスＧ２”、例えば窒素ガスを導入してステンレス管１１１に還元ガスＧ２”を供給する。そして還元ガス供給手段１１０にて、ステンレス管１１１を加熱し、該ステンレス管に供給された還元ガスＧ２”を所定温度、例えば４００℃〜７００℃に加熱すると共に、第１固体金属化合物を還元して得られる気体金属化合物の蒸気圧が大きくなるように、好ましくは当該気体金属化合物の蒸気圧が最大値となるように、上記還元ガスＧ２”の酸素分圧を調整し、所定温度及び所定酸素分圧を有する還元ガスＧ２を生成する。その後、所定温度及び所定酸素分圧を有する還元ガスＧ２を反応炉１００に供給する。反応管１０１内に供給される還元ガスＧ２の流量は、例えば内径４ｍｍの導入管１０４と内径１７ｍｍの内管１０１ａを用いた場合に、０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１．０Ｌ／ｍｉｎである。
【０１２４】
次に、反応炉１００内を１１００〜１３００℃で２時間保持した後、還元ガス供給手段１１０から供給された還元ガスＧ２を上方から内管１０１ａ内に導入し、保持部１０３内の混合物Ｍに吹き付ける。そして、反応管１０１内が所定温度となるように加熱部１０２を制御し、内管１０１ａ内で、混合物Ｍ中の第１固体金属化合物と還元ガスＧ２とを反応させる。希薄酸素ガス中では、含有する不純物によって、２ＣＯ（ｇ）＋Ｏ２→２ＣＯ２（ｇ）の平衡反応が起こるため、上記の化学式（１），（２）によるガリウムの酸化反応及び還元反応が起きる。
【０１２５】
次いで、反応管１０１内での還元・酸化反応によって生じた副成ガスＧ３を、排出口１０７から回収手段８０に排出する。副成ガスＧ３は、第１固体金属化合物の還元によって生じる気体金属化合物が酸化されることによって得られる第２固体金属化合物を含有しており、この第２固体金属化合物を含有する副成ガスＧ３が、ガス排出管６０ａを介して回収手段８０に供給される。尚、導入管１０４の外周面及び内管１０１ａの内周面のいずれか又は双方を捕集部とし、当該捕集部で第２固体金属化合物を捕集してもよい。
【０１２６】
その後、回収手段８０において、副成ガスＧ３に含まれる第２固体金属化合物を分離部８１で遠心分離して回収し、次いで副成ガスＧ３を浄化手段９０に供給し、副成ガスＧ３を浄化して浄化ガスＧ４とし、該浄化ガスＧ４を外部に排出する。
【０１２７】
図１６は、図１５の金属化合物凝縮装置２の変形例を示す図である。図１５の金属化合物濃縮装置２では、反応炉１００が反応管内温度制御部１０８を有し、還元ガス供給手段１１０が還元ガス温度制御部１１３及び酸素分圧制御部１１４を有しているが、これら制御部が統合されて１つのシステムを構成してもよい。すなわち、金属化合物制御装置２Ａがシステム制御部１２０を備え、該システム制御部１２０が、還元ガスＧ２”の温度を制御する還元ガス温度制御部１２１と、還元ガスＧ２”に含有される酸素分圧を制御する酸素分圧制御部１２２と、反応管１０１内の温度を制御する反応管内温度制御部１２３とを有していてもよい。
【０１２８】
上述したように、第４実施形態によれば、酸素含有量の少ない還元ガスＧ２”を還元ガス供給手段１１０に導入し、還元ガス供給手段１１０が、還元ガスＧ２”の温度を制御すると共に還元ガスＧ２”に含有される酸素分圧を制御し、所定温度及び所定酸素分圧を有する還元ガスＧ２を反応炉１００に供給する。そして、反応炉１００が、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、テルル、及びセシウムからなる群から選択された金属を第１金属含有率で含有する第１固体金属化合物の混合物中の第１固体金属化合物を還元して気体金属化合物とすると共に、上記気体金属化合物を酸化して第２固体金属化合物として該第２固体金属化合物を上記第１金属含有率より高い第２金属含有率で捕集する。よって、第１実施形態よりも簡単な装置構成で第１実施形態と同様の効果を奏することができると共に、第２固体金属化合物の第２金属含有率を高めることができ、第２固体金属化合物の収率を向上することができる。
【０１２９】
図１７は、図１の金属化合物濃縮装置１を使用して実現されるレアメタルのリサイクルモデルを説明する図である。
従来、レアメタルであるガリウムが使用された電気・電子機器の製造工程では、先ず鉱石などから採掘されたガリウムＰ１を使用して、素子製造工場１３１にてＬＥＤ素子Ｐ２が製造され、その後、機器メーカ１３２にて、ＬＥＤ素子Ｐ２を搭載するＬＥＤ電球などの電気・電子機器Ｐ３が製造される。そして、消費者の建物１３３などで電気・電子機器Ｐ３が照明として使用されている。
【０１３０】
これまで、ＬＥＤ素子を搭載する使用済み電気・電子機器のリサイクルモデルは具体的に検討されていなかった。また、ＬＥＤ素子を搭載する民生用の電気・電子機器の製造販売は２０１１年頃に開始されており、一般的なＬＥＤ素子の設計寿命は約１０年間と長期間であることから、その製造販売の開始から１０年経過した後は、設計寿命が過ぎた電気・電子機器が大量に余ることが想定され、ＬＥＤ素子を搭載する電気・電子機器のリサイクルモデルの早期実現が求められている。
【０１３１】
そこで、本発明者が提案するリサイクルモデルでは、上記実施形態に係る金属化合物濃縮装置１を回収工場１３４に導入し、回収工場１３４にて、消費者の建物１３３で使用された使用済み電気・電子機器Ｐ４を回収し、使用済み電気・電子機器Ｐ４を分解して使用済みＬＥＤ素子を得る。そして金属化合物濃縮装置１を用いて、使用済みＬＥＤ素子を混合物Ｍとして金属化合物濃縮装置１に供給すると共に、混合物Ｍに含有される窒化ガリウムを乾式法で濃縮し、固体酸化ガリウムＰ５を回収する。また、使用済み電気・電子機器Ｐ４を分解して得られた廃棄樹脂を炭素源含有材料Ｗとして還元ガス生成手段３０に供給し、還元ガスＧ２を生成する。
【０１３２】
これにより、使用済み電気・電子機器Ｐ４の大量処理が可能となると共に、濃縮された固体酸化ガリウムＰ５を回収することができる。よって、固体酸化ガリウムＰ５或いはこれから回収されたガリウムを回収工場１３４から素子製造工場１３１に供給することにより、素子製造工場１３１にて使用済み電気・電子機器Ｐ４に含まれるガリウムを効率的にリサイクルすることができ、使用済み電気・電子機器Ｐ４のリサイクルモデルを早期に実現することが可能となる。
【０１３３】
以上、上記実施形態に係る金属化合物濃縮装置について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
【０１３４】
例えば、前記反応炉は、熱処理システムとして周知である各種の高温炉をベースにして本発明の機能を有する反応炉とすることができる。廃棄物の熱処理システムとしては、ストーカ炉、流動床炉、ロータリーキルン、液中燃焼炉、溶融炉、ガス化燃焼炉、ガス化改質炉、油化施設、乾留炉（炭化炉）等が挙げられる（出典：中央環境審議会廃棄物・リサイクル協会、廃棄物処理基準等専門委員会（第６回）議事次第・資料より抜粋）。対象廃棄物としては、汚泥、廃プラスチック類、紙くず、木くず、繊維くず、動植物系残渣、廃油、廃溶剤、焼却残渣、無機物等が挙げられ、上記熱処理システムは、これら廃棄物の処理のために最適化されている。よって上記のような熱処理システムを本発明の上記必須の機能を有するように最適化することにより、本発明の反応炉を構成することができる。本発明を産業として実施する際には、不要な構成を省いて簡略化し、また、用途或いは仕様に応じて装置スケールや処理能力を増減することができる。
【０１３５】
また、本発明の金属化合物濃縮装置は、比較的小規模で実施する場合に適しており、特に研究用装置或いは検証用の小型ユニットとして有用である。また、このような小型ユニットは、教育機関、研究機関等で使用される言わば「卓上リサイクル工場」として用いることができる。
【実施例】
【０１３６】
以下、本発明の実施例を説明する。なお本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図１５に示すような金属化合物濃縮装置を用い、ＧａＮ２ｇと不純物としてのＣｕ２ｇとの混合物４ｇを反応炉内に投入した。次いで、５０ｐｐｍ以下の不純物Ｏ２を含むＮ２ガス（Ｏ２ガスの分圧５Ｐａ以下）を流量０．２Ｌ／ｍｉｎで還元ガス供給手段に供給し、上記Ｎ２ガスを７００℃に加熱すると共に、Ｎ２ガス中のＯ２ガスの分圧を５Ｐａ以下に制御し、還元ガス供給手段にて還元ガスを生成して、該還元ガスを反応炉に供給した。そして、反応炉の炉内温度１１５０℃、加熱時間５ｈとし、反応管内で上記混合物と還元ガスとを反応させ、その後、導入管の外周面に付着した析出物を採取し、収率を求めた。
【０１３７】
（実施例２）
混合ガス中のＯ２ガスの分圧を空気相当の４×１０−１２Ｐａに変えたこと以外は、実施例１と同様にして固体Ｇａ２Ｏ３を採取し、収率を求めた。
【０１３８】
（比較例１）
混合ガス中のＯ２ガスの分圧を空気相当の２×１０４Ｐａに変えたこと以外は、実施例１と同様にして固体Ｇａ２Ｏ３を採取し、収率を求めた。
上記実施例１〜２及び比較例１の算出結果を、表１に示す。
【０１３９】
【表１】
2017119914.tif 000003
【０１４０】
実施例１では、導入管の外周面に付着した析出物をＳＥＭ−ＥＤＸ（日立ハイテクノロジー社製、装置名「ＳＵ８０２０」）で分析したところ、当該析出物が粉末或いは針状の固体Ｇａ２Ｏ３であることが分かった。また、Ｎ２ガス中のＯ２ガスの分圧が５Ｐａ以下であると、固体Ｇａ２Ｏ３の収率が２８％となり、良好な収率が得られることが分かった。実施例２では、混合ガス中のＯ２ガスの分圧が実施例１よりも低い４×１０−１２Ｐａであると、固体Ｇａ２Ｏ３の収率が３１％となり、実施例１と比較して更に良好な収率が得られることが分かった。
【０１４１】
一方、比較例１では、混合ガス中のＯ２ガスの分圧が２．０×１０４Ｐａであると、導入管の外周面に固体Ｇａ２Ｏ３が析出せず、内管１０１ａの内周面に極微量の固体Ｇａ２Ｏ３の析出が確認された程度であり、収率の算出が不可であった。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
レアメタルであるガリウムは、ＣＩＧＳ型薄膜太陽光パネルや発光ダイオード（ＬＥＤ）などに応用される重要な元素であるため、本技術は、鉱山から採掘される鉱石や使用済み電子機器からのガリウムの分離に利用可能である。また、インジウム、ゲルマニウム、テルル、セシウムなど還元雰囲気で気体金属酸化物を生成する場合にも適用可能である。また、ＣＩＧＳ型薄膜太陽光パネルや発光ダイオードの需要増加によって供給量が不足すると予測されるガリウムを効率的に濃縮することができ、有用である。また、都市鉱石及び天然鉱石からのガリウムの濃縮に利用可能であり、特に、廃ＬＥＤからのガリウム化合物の乾式法によるリサイクルのニーズは高く、各ガリウム需要国で極めて有用である。
【符号の説明】
【０１４３】
１  金属化合物濃縮装置
１Ａ  金属化合物濃縮装置
１Ｂ  金属化合物濃縮装置
１０  反応炉
１０Ａ  反応炉
１０Ｂ  反応炉
１１  反応管
１１ａ  内管
１１ａ−１  管状部
１１ａ−２  内周面
１１ａ−３  底部
１１ａ−４  貫通孔
１１ｄ−１  貫通孔
１１ｅ−１  貫通孔
１１ｂ  支持管
１１ｃ  外管
１１ｄ  閉塞部
１１ｅ  閉塞部
１１ｆ  供給部
１１ｇ  蓋部
１２  加熱部
１２ａ  炉体
１２ｂ  ヒータ
１３  保持部
１４  導入口
１５  流動床部
１６−１  捕集部
１６−２  捕集部
１６−３  捕集部
１７  排出口
２１  蓋部
２１ａ  底部
２１ｂ  側壁部
２１ｃ  貫通孔
２１ｄ  下面
２１ｅ  上面
２２  種結晶材料
３０  還元ガス生成手段
３０ａ  ガス導入管
３１  材料供給部
３２  生成部
３２ａ  石英管
３２ｂ  ヒータ  
４０  酸素含有ガス供給手段
５０  ガス加熱手段
５０ａ  ガス導入管
５０−１  熱交換器
５０−１ａ  第１流路
５０−１ｂ  第２流路
５０−２  予備加熱部
５０−２ａ  ステンレス管
５０−２ｂ  加熱部
６０  ガス排出手段
６０ａ  ガス排出管
８０  回収手段
８１  分離部
８１ａ  内壁
８１ｂ  下端
８１ｃ  上端
８１ｄ  排出口
８２  回収部
９０  浄化手段
９１  減圧手段
９２  還元ガス生成手段
９２ａ  炉体
９２ｂ  ガス供給部
９２ｃ  材料供給部
９２ｄ  バーナ
９２ｅ  ガス排出部
９２ｆ  炭化固体物排出部
１００  反応炉
１０１  反応管
１０１ａ  内管
１０１ｂ  支持台
１０１ｃ  外管
１０１ｄ  供給部
１０２  加熱部
１０３  保持部
１０４  導入管
１０５  流動床部
１０７  排出口
１０８  反応管内温度制御部
１１０  還元ガス供給手段
１１１  ステンレス管
１１２  加熱部
１１３  還元ガス温度制御部
１１４  酸素分圧制御部
１３１  素子製造工場
１３２  機器メーカ
１３３  建物
１３４  回収工場
Ｇ１  酸素含有ガス
Ｇ２  還元ガス
Ｇ２’  還元ガス
Ｇ２”  還元ガス
Ｇ３  副成ガス
Ｇ４  浄化ガス
Ｌ  流動経路
Ｍ  混合物
Ｐ１  ガリウム
Ｐ２  ＬＥＤ素子
Ｐ３  電気・電子機器
Ｐ４  使用済み電気・電子機器
Ｐ５  固体酸化ガリウム
Ｓ１  第２固体金属化合物
Ｓ２  第２固体金属化合物
Ｓ３  第２固体金属化合物
Ｓ４  第２固体金属化合物
Ｓ５  第２固体金属化合物
Ｗ  炭素源含有材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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