廃製品の金属リサイクルにおける中間処理技術への期待
大.

緒言

貴金属，レアメタルなどの希少金属あるいは枯渇性の高い

.


木達也

選別技術の課題と展望

解体・粉砕と単体分離

ベースメタルの国内供給源として，廃小型電気・電子機器な白物家電やコピー機など，比較的大型の廃製品についてどの廃製品からのリサイクルが注目されている．これらの廃は，我が国においても手解体が多用される．はめ込み部分や製品は都市鉱山とも称されるが，国内に広く分散して眠ってビスなどを外すことにより，本体から外されたボディなどのいるため，合理的に収集できる社会基盤が整わなければ，資塊(粒子)は，単一の組成を有する場合が多い． 1 つの塊(粒源化への道には繋がらない．これについては，現在，経済産子)が単一の組成で構成されている状態を単体分離した状態

業省と環境省がモデル地域に対して収集実験を行っており，と呼ぶ．中間処理における選別は，粒子分離操作であるか

種々，克服すべき課題はあるものの，社会システム構築に向ら，粒子が単体分離した状態でなければ，高度な選別は達成けて着実に前進している(1)．

されない．廃製品中の金属の場合，アルミや銅など，1 粒子一方，廃製品の大量かつ継続的な収集が実現したとしてが 1 元素で構成される状態となれば単体分離していると言も，これらに含まれる全ての金属が資源化できるわけではな

い，複数の成分から成る状態であれば片刃と呼ぶ．ただし，

い．既に中間処理製錬技術が確立されている鉄，アルミ，物理的に分離が困難な状態で多元素が共存している場合，例

銅，貴金属等は，相応の効率で回収することが可能である

えば合金などにおいては，単一の合金からなる粒子は単体分が，他の金属についてはそれが保証されているわけではな

離していると呼べる．また，着目粒子が複数の成分から構成い．特に多くのレアメタルは廃製品中に低濃度でしか含まれされた単位製品，例えば電子素子などの場合，それが単一粒ず，そのまま湿式製錬工程で回収することは，経済的に難し子として存在していれば，たとえ更なる物理的分離が可能でい．また，低濃度の貴金属を効率的に回収できる銅製錬工程あったとしても，単体分離していると呼んで差し支えない．

でも，多くのレアメタルはスラグ側に配分されるため，その手解体が可能であれば，比較的容易に単体分離粒子を得るこ回収は技術的に困難となる．とができる．しかし，小型電気・電子機器などの小型製品やこのようなレアメタルを含む廃製品中のより多くの金属にプリント基板に実装している各素子などをすべて手解体で処対して，資源価値を付与する 1 つの方法が中間処理による理することは経済的に限界があり，これらを機械的な粉砕に

金 属 の 1 次 濃 縮で あ る ．中 間 処 理と は 廃製 品 を 最初 に 解置き換える必要がある．

体，粉砕，選別し，粉体原料化する選別プロセスであり，廃このように中間処理による粉砕は，粒子を均一化したり，製品中の各種金属，樹脂，ガラス等を再資源化できるかの鍵流動化したりという目的よりも，単体分離を促進させ，後段を握る重要な技術である．本報では，金属リサイクルにおいの選別工程を効率的に作用させることの方が重要となる．こて，中間処理技術の展望と課題およびその期待される役割にの目的を達成させるためには，異相境界面に応力を集中さついて概説する．

せ，手解体のような単体分離を達成させることが理想である．しかし，天然鉱石を例にとれば，綺麗に異相境界面で破壊される選択粉砕が起きることは希で，むしろランダムに粉砕されてしまうことの方が多い．図は着目成分のドメイン

産業技術総合研究所 研究グループ長(〒3058569 つくば市小野川161)
The Role of a Physical Separation Technology on a Metal Recycling for Waste Products; Tatsuya Oki(Advanced Recycling Technology
Research Group, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba)
Keywords: metal recycling, Escrap, physical separation, grinding, urban mining
2010年11月 4 日受理

ま て り あ 第50巻 第 2 号(2011)Materia Japanサイズ分布に対する，粉砕サイズと単体分離度の関係を概念が，手解体と同様に，全て粒子をこの方法で対応させるのは的に示したものである(2)．天然鉱石の場合，着目している特経済的に困難である．手選に代わり，コンベア上を移動する定の鉱物は広いドメインサイズ分布を有しているのが普通で粒子の性質を何らかのセンサーで認識し，その情報に基づいある．このとき完全にランダムな粉砕がなされると(図 1(a)て 1 粒子ずつ機械的に選り分けるのがソーティングである．

ランダム粉砕)，最大ドメインサイズと同じサイズの粉砕物

1 粒子ずつ分けるので個別選別と呼んでもよいであろう．圧中には，単体分離した粒子は 1 つも存在せず，最大ドメイ縮空気などを使用することにより，ソーティング自体は数ンサイズよりも小さな粒子から少しずつ単体分離し始めmm ～ 300 mm 程度の粒子まで対応できる(9)．また，対象物る(3)．また，より選択的な粉砕がなされたとしても(図 1(a)の認識も，色や画像，透過 X 線や蛍光 X 線など，多様なセ選択粉砕)，広いドメインサイズ分布を持つ天然鉱石では，ンシング方法が利用可能であり(4)，これらは，特に種類が限単体分離開始のサイズが幾分粗粒側にシフトするだけで，粗定された粒子群の選別には効果を発揮する．しかし，多種多粒段階で高い単体分離を達成することは希である．一方，プ様な粒子を対象とした場合には，精度良いセンシングができリント基板から素子を剥離するような場合，各素子が単一粒ない場合が少なくない．また，一般に装置が高額になりがち子として存在する状態を作れば，単体分離した粒子と見なすでもあるが，近年，レーザー計測とニューラルネットワークことができる(図 1(b )選択粉砕)．ここで，プリント基板上の組み合わせによる安価なソーティング技術の検討もなされの電子素子と，天然鉱石中の特定鉱物を比較してみる．3 次ている(10)．

元的な結合を持ち，空間に閉じこめられた鉱物ドメインに比粒径が小さくなると，1 粒子ずつ選り分けるのでは処理量べると，電子素子は基板と 2 次元的な結合しか持たず，結に限界がある．この場合，粒子を集合体として選別した方が合面以外は開放されているため，これらを選択粉砕できる可効率がよい．このような選別(バルク選別あるいは集合選別能性は非常に高い．さらに，電子素子は人工物故，特定のサと呼んでも良いであろう)では，粒子物性による運動の差をイズを有しており，言うなれば，極めて狭いドメインサイズ直接的に利用して分離が行われる．よく利用される物性には分布を持っていることになる．これらの特性を有効に利用す粒子のバルク性質である密度(比重)，磁性や，粒子の表面性れば，すなわち，過粉砕せず，粉砕サイズを素子のドメイン質である色，ぬれ性等がある．また，選別時の媒体により，サイズに合わせて選択粉砕すれば，粗粒段階で単体分離が達気相(空気)中で行われる乾式選別と，液相(通常は水)中で行成できる可能性がある．例えば，ドラム型衝撃式破砕機を用われる湿式選別に分類される．乾式選別法は大量処理が可能いた場合には，携帯電話やプリント基板上の素子が，ほぼ素で，選別後の産物の回収も容易である．一方，バルク性質を子の原形を留めた状態で単体分離されることが確認されてい利用した湿式選別法は，乾式法に比べて選別精度の向上が期

る(4)．しかしながら，このような成功例はまだ少なく，多種待できるが，水循環の動力や回収産物の脱水，乾燥など，エ多様な製品に対し，効率的な選択粉砕が実施できる粉砕機，ネルギーやコストの面でやや不利となる．さらに表面性質を粉砕方法選定の検討は始まったばかりである(5)(8)．

利用した湿式選別法では，界面活性剤等が利用されることが

ソーティングと選別多く，上記に加えて廃水処理の負荷が大きくなる．導入の容易さだけを考えれば，乾式選別が有利であるが，これらの技選択粉砕によって，粗粒段階で単体分離が達成されたとし術には，それぞれ適用粒径があるため，対象粒径に応じた選ても，まだ，粒子は混合された段階にある．例えば，着目す択が余儀なくされる．各選別技術の適用下限粒径について概る金属の含有率 100 ppm の金属粒子群の選別は， 1 万粒の念的にまとめたものを図に示す．図中の下限粒径は便宜的中から 1 粒を選ぶ操作に相当する．センチオーダーの粒子に筆者の主観で記載したものである．その厳密な線引きは難の場合，丁寧に手選をすれば，高い精度で選別，濃縮できるしいが，ある程度信頼をもって適用できる下限粒径としては，例えば，乾式選別で 1 mm，バルク性質利用の湿式選別で 50 mm という数字があげられる．前述の素子のように，粗粒段階で単体分離がなされれば，乾式選別が適用でき，経済的かつ精度の良い選別が達成できる．一方，粉砕をすれば

図1



素子・部品に対する粉砕方法と単体分離の関係．

図2

選別技術の分類と適用粒度下限の概念．

プロムナード少なからず 1 mm 以下の細粒子が発生する．そして，製品にこれによって得られた粉砕産物を選別する際にも，様々な種よっては一部の希少金属がこの粒群に濃集する傾向を持つた類の選別機，そのコンディションや選別条件など選択肢が生め，将来的にはこれらの選別・回収も視野に入ってく

ま れ る． 選 択 項目 が 7 項 目 し かな い こ の単 純 なモ デ ル でる(11)(12)．特に 50 mm 以下の粒子となると，従来は浮選に代も，各項目にわずか 10 の選択肢を想定して，選択のパター表される表面性質利用の湿式選別法しか選択肢がなかった．

ンは 1000万種類に， 20の選択肢を想定すれば 12億 8000万種

しかし，近年，強い遠心場を利用した比重選別機の開発が盛類のパターンが存在することになる．ここで， 12 億 8000 万んに行われており， 10 mm 程度の粒子まで比重選別できる分の 1 の最適条件が見いだせ，粉砕選別共に 100 点満点の可能性が出てきている(3)．遠心場を利用した微粒子用比重選選択をすれば，100点満点の目的物が得られることになる．

別機は，我が国ではほとんど普及しておらず，これを解説ししかし，その絞り込みが幾分甘く，粉砕選別共に70点の選た文献もごく限られたものしかない(3)(13)(14)．特に希少金属択しかできなかった場合には，粉砕工程での単体分離の度合のリサイクルに対する適用可能性の検討(11)はほとんど行わ

いが選別工程の分離効率の上限を決めてしまうため，すなわれておらず，今後の展開が期待される．

ち両者は掛け算的に作用するため，例えれば 49 点の目的物しか得られないことになる．さらに，粉砕法の選択が 20 点.

選別プロセスの課題と展望であれば，選別法の選択が100点満点であっても，20点の目的物しか得られない．このとき，目的物の品位や回収率だけ前章で記したようなリサイクルに適した個別の要素技術がを見ても， 20 点しか得られない原因が粉砕法にあるのか，開発されたとしても，これで希少金属の資源化が達成できる選別法にあるのか，両者のせいなのかを判断することは難しわけではない．製品は多種多様であり，また，新しい製品のい．つまり，選別された産物の成分分析を行っても，フィー開発に伴い廃製品の様相も時々刻々と変化してゆく．このよ

ドバックにより適切なプロセスへの改善ができないという点

うな多様なバリエーション，あるいは時系列的変化に対応しも，その最適化を困難にしている要因である．てゆくためには，柔軟な選別プロセスの構築が必要となる．

次に，ドラム型衝撃式破砕機を用い，プリント基板からほしかしながら，最適選別プロセスの構築や最適選別条件の選ぼ原型を留めた状態で剥離した素子に対し，筆者が実際に，出は，手探りで当たるしかない状態で，プロセスを合理的にタンタルコンデンサの濃縮を試みた例を述べる．この際，は構築する手法は未だ確立されていない．図は，1 粉砕機とじめに剥離素子約 37 万個に対して，種類，サイズ，比重，1 選別機を組み合わせた，最も単純な選別プロセスのモデル磁性のキャラクタリゼーションを実施した．そして，重量割を示したものである．選別プロセスに投入される対象物は，合で全体の約 3を占めるタンタルコンデンサを，スクリー

単一の製品，複数の製品あるいは基板や部品など，機種やメニング乾式比重選別磁選の 3 段階のプロセスで 85 程度ーカーを考慮しなくとも様々なパターンが存在する．粉砕機まで濃縮することに成功した(2)(15) ．筆者らの知る限り，廃の種類，コンディション，選別条件も選択肢は様々である．

製品から物理選別によってタンタルコンデンサを高濃縮した

図3

ま て り あ 第50巻 第 2 号(2011)Materia Japan

廃製品の中間処理プロセスモデルによる条件選択のイメージ．

体が無形の価値を創出する可能性も含め，長期的な視点からみれば，実質的にも我が国にとって重要な資源となるに違いない．そして，この保管・備蓄すべき金属のグレードや発生量を左右するのも，やはり選別技術の発展に他ならない．
以上のように，選別を核とする中間処理技術の高度化は，廃製品のリサイクル，延いては，我が国の戦略的金属資源の循環促進に大きく貢献することができる．また，資源循環インターフェースの司令塔として，易リサイクル設計や保管・備蓄のあり方についても，有益な情報を提供し得るものと確信する．
図4

資源循環インターフェースと選別技術の役割．

.

結言初めての事例である．これは，先の比喩に倣うなら， 85 点

本報では，廃製品の金属リサイクルにおいて，中間処理技の粉砕に100点の選別を施したに相当する．このとき，後段術の課題と展望，役割と期待について概説した．中間処理技の 3 段階選別プロセスだけで，筆者が取り得た選別パター術は，我が国の金属資源循環の根幹を築く技術であり，そのンは約 4 兆通り存在した．しかし，事前にキャラクタリゼ重要性が高まっている．しかしながら，一方で，この研究にーションを実施していたため，条件をかなり絞り込むことが従事する研究者，技術者人口は明らかに不足しており，人材でき，実際には合計 2000 バッチ試験を実施して，最適条件の育成が急務の課題となっている．省資源国である我が国に辿り着くことができた．本件ではタンタルコンデンサ以外が，今後も技術立国として持続的に発展してゆくには，金属の素子の選別性を評価するため，この試験数となったが，タ資源の安定供給は不可欠な課題であり，その一端を担う，中ーゲットをタンタルコンデンサに絞れば，さらに 10 分の 1間処理技術への期待は益々高まることが予想される．

程度の試験数で最適化されたはずである．このように対象物

文の詳細なデータを取得できれば，比較的少数の選別試験数で献最適条件に辿り着くことが可能となる．将来的には，製品・部品性質のデータベース化，高度なセンシング技術によるリアルタイムのキャラクタリゼーション，データ未取得製品・部品に対する性質予測等の技術開発によって，よりシステマティックなプロセスの最適化がなされると期待される．

.

選別プロセスに期待される役割

金属資源が円滑にリサイクルされるには，製品の製造，販売，消費，廃棄，収集，原料化に至る一連の循環工程で滞りなく流通することが重要となる．生産サイド，消費サイドの両者でリサイクルが促されても，この両者をつなぐインターフェースが機能していなければ，効率的なリサイクルが実現しない．筆者は，このような柱の 1 つが選別技術であり，備蓄技術であり，易リサイクル設計であろうと考えており，これらを資源循環インターフェースと名付けた(図)．これまで記してきた選別要素技術，選別プロセス技術の高度化が達成されても，製品の多様性から，とても全ての形態に対応することはできない．このように対応不可能な部分については，易リサイクル設計で補ってもらうしかない．しかし，選別のサイドから，選別しやすい製品，部品のかたちを提案す( 1 ) 目次英哉，田村宗之資源・素材 2010 (福岡)，( 2010 ) , 151 152.
( 2 ) 大木達也資源・素材2010(福岡)，(2010), 191
192.
( 3 ) 大木達也粉体技術，1(2009), 39
48.
( 4 ) 大和田秀二，所 千晴，大木達也資源・素材 2010 (福岡)，(2010), 153156.
( 5 ) 柴山 敦，山縣三郎，山本幸雄，阿部景祐，宮崎敏夫，藤田豊久資源と素材，118(2002), 490496.
( 6 ) S. Koyanaka, S. Endoh and H. Ohya: Advanced powder technology, 17(2006), 113126.
( 7 ) 古屋仲茂樹粉体と工業，38(2006), 5764.
( 8 ) S. Koyanaka, H. Ohya and S. Endoh: Review of automotiveengineering, 27(2006), 353355.
( 9 ) 古屋仲茂樹粉砕技術とエコ・リサイクル， NGT, ( 2010 ) ,110115.
( 10 ) 古屋仲茂樹環境資源工学会シンポジウム(第 18 回)講演要
旨集，(2009), 19.
( 11 ) 大木達也環境資源工学会シンポジウム(第 16 回)講演要旨
集，(2008), 24
30.
( 12 ) 大木達也，大塚陽子，勝又武信，小林幹男資源・素材学会
春季大会講演集()素材編，(2008), 9192.
( 13 ) 恒川昌美，堀 邦紘，広吉直樹，伊藤真由美資源と素材，
121(2005), 467473.
( 14) 恒川昌美， K. Yoo ，広吉直樹，伊藤真由美環境資源工学，52(2005), 3238.
(15) T. Oki, Y. Naito, T. Kamiya, K. Kawakita and T. Shiratori:
IMPC2010, (2010), 38393844.

れば，効果的かつ必要最小限の易リサイクル設計がなされ，★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1994 年

製品本来の機能や魅力を極力損なうことなしに，これらが達成できると考えられる．また，選別を高度化すれば資源化される金属種や量が増えるが，その時点では市場流通性の乏しい，様々なグレードの中間産物も必ず発生してしまう．現在の有価か無価かというデジタルな評価の下では，これらはおそらく無価と判断されてしまう．しかし，これらを再資源化可能な形で保管・備蓄しておくことができれば，その存在自


大木達也

早稲田大学大学院理工学研究科博士後期課
程修了
1993年 早稲田大学理工学部 助手
1995 年 工業技術院 資源環境技術総合研究所 研究員
現職
2009年 4 月専門分野 資源処理工学，粉体工学，リサイクル工学◎人工物，天然鉱石を対象とした粒子分離技術の研究に従事．新規選別技術の開発や，主として希少金属を対象とした選別プロセスの開発を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

プロムナード