JEMEA Bulletin Vol.8 No.1 (2023.2)

特別企画
マイクロ波メタラジーによる分散型リサイクルの可能性
A distributed recycling by microwave-based metallurgy
立命館大学理工学部 山末 英嗣，柏倉 俊介，光斎 翔貴College of Science and Engineering, Ritsumeikan University
Eiji Yamasue, Shunsuke Kashiwakura, Shoki Kosai〒525-8577 滋賀県草津市野路東 1-1-1,
e-mail: yamasue@fc.ritsumei.ac.jp
1. はじめに(Ackermann et al. 2001)．分散型リサイクルシステムの場

20 世紀後半の急激な都市化と人口増加の中で，大量合，廃棄物はその発生場所の近隣にある複数の小規模生産・大量消費を基礎とする社会システムが形成されリサイクル施設で処理される．この場合，地域の収集場た結果，大量の廃棄物が発生することとなった．これら所からリサイクル施設までの移動距離が集中型リサイの廃棄物をいかに有効活用するかが持続可能な社会にクルシステムよりはるかに短くなるため，輸送に必要とって重要であることは言うまでも無い．昨今はサーとなるエネルギーが大幅に削減される．このようなシキュラーエコノミーといった概念が社会に定着しつつステムは消費者にリサイクルのインセンティブを与え，あるが，そこでも製品と原材料の価値をなるべく維持リサイクル率の向上にも寄与する．

したまま循環させるような社会システムへの転換が求分散型リサイクルにおける課題の 1 つは，システムめられている．そこで鍵となるのが効率的なリサイクの分散化による製錬プロセスの熱効率の低下である．

ルである．

ところが，興味深いことにマイクロ波による加熱は分

従来のリサイクルは「集中型」リサイクルシステムと散化（小型化）しても効率が落ちにくいという特徴があいってよい．そこでは，消費者の分布に応じて薄く存在るため(El Khaled et al. 2018)，この性質をうまく利用すする使用済み製品を長距離の輸送を通して回収し，大ることでリサイクルの分散化が視野に入ってくる．さ規模リサイクル施設や場合によっては動脈プロセスにらに，マイクロ波加熱を用いた還元プロセスでは，従来環流されることでリサイクルが実現される．大規模なの加熱方式では説明できないほど高速に還元が進むこ

リサイクル施設は高い熱効率と生産性を実現できるが，とが報告されている(Mizuno et al. 2021a; Tanigami et al.

そのトレードオフとして長距離輸送を必要とすること2021)．この真の原因については未だ議論のさなかであが多く，エネルギーやコストの視点でリサイクルのイるが，局所加熱が大きな役割を果たしている可能性がンセンティブの阻害要因となる(Brambilla Pisoni et al.

高い．いずれにせよ，マイクロ波加熱を用いた還元プロ

2009)．例えばリサイクルにおける輸送のコストは全コセスは従来の方式とは異なる特徴的な挙動を示すこと

ストの 40~50%を占めることは重要な事実である(尹鍾が多く，従来とは異なる反応経路，ひいてはプロセスを進 2007)．

提案できる可能性を秘めている．このような視点から，システムネットワークにおける集中化から分散化へ

筆者らはマイクロ波を用いた冶金プロセスを敢えてのシフトは様々な分野で広く議論されている（例えば，「マイクロ波メタラジー」と呼称している(Mizuno et al.
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2021b)．

電気炉を用いた集中型リサイクルシステムについての繰り返しになるが，マイクロ波メタラジーは分散型評価も行った．

リサイクルシステムに適している可能性が高く，著者

具体的には日本国内の 1710 の自治体を対象とした．

らは，ケーススタディとして使用済みアルカリ乾電池各自治体で発生した使用済みアルカリ乾電池は，自治に注目した研究を進めてきた．アルカリ乾電池は，米国体内で回収され，集中型リサイクルではそれらが自治で 80％，EU で 73％，日本で 52％と電池市場の大半を体を超え，日本国内に現存する 4 カ所の集中リサイク占めている．その一方で，アルカリ乾電池の主材料であル施設のうち最も近い施設へ輸送されると仮定した．

る ZnO（負極材）と MnO2（正極材）のリサイクル率は分散型リサイクルの場合，回収された使用済みアルカEU で 13.6%, 日本で 20%, オーストラリアで 5%と著リ乾電池は各自治体内でマイクロ波炉を用いてリサイ

しく低い(Ebin et al. 2017)．使用済みアルカリ乾電池のクルされるとした．

多くは埋立てられるか，他の廃棄物とともに処分され集中リサイクルシステムに適用した電気炉のデータることがほとんどである(Ferella et al. 2008)．

は，出力 6 kW で 30 分の加熱下で 62％の回収率を報告

著者らはマイクロ波加熱によるアルカリ乾電池のリした Ebin らの研究成果から引用した(Ebin et al. 2017)．

サイクルについて，まず実験科学的にその可能性を調大型炉の連続運転により，加熱工程が効率化されてい査し，さらに社会科学的な視点から温室効果ガス（GHG）ることに留意する必要がある．足立らによれば，単体加削減量を定量化するというハイブリッド研究を進めて熱プロセスの場合，産業界では連続運転により 52%のきた(Kosai et al. 2022)．本稿ではその結果の一部についエネルギー消費量の削減が達成されており(Adachi et al.て紹介するものである．

2015)，この数値は本研究の集中型リサイクルシステムにおいても仮定として考慮した．

2. 研究方法

分散型リサイクルシステムに適用したマイクロ波加2.1. マイクロ波を用いた模擬使用済みアルカリ乾電池

熱炉の回収率や加熱時間に関するデータは，2.1 節の結電極からのマンガンと亜鉛の分離回収果を反映した．分析のさらなる詳細は元文献(Kosai et al.
2022)を参照されたい．

使用済みアルカリ乾電池のリサイクルを検討するた
め 2 種類の試薬を同時に使用した．一つは使用済みア
ルカリ乾電池の正極に残存する Mn3O4 と黒鉛，もう一3. 結果

つは負極の ZnO であり，これらを混合して炭素還元す3.1. 模擬使用済みアルカリ乾電池電極からのマンガンることを試みた．と亜鉛の回収実験結果

マイクロ波炉として最大出力 7.5kW のマイクロ波

化学量論比 2 倍で炭素を混合した試料に 5.0 kW で 15伝搬発振器 （UM-1500-IS-B; Micro-Denshi, Japan）を使分間マイクロ波加熱したサンプルについて，実験前後用した（周波数 2.45 GHz）
．試料はアルミナるつぼ内にの試料について XRD を行った結果を図 1 に示す．図

入れ，それを石英管内に設置した．石英管は蒸気状で発中，Sample in the crucible はるつぼ中に残った試料，生する亜鉛を回収するために用いた．実験は大気圧のseparated sample はるつぼから飛散し石英管表面に付着空気雰囲気で行った．実験パラメータとして，マイクロしていた試料である．
図 1 よりマイクロ波加熱の過程で，酸化亜鉛は亜鉛波出力，加熱時間，炭素量の添加比を変化させた．に還元されて気体として分離され，装置下流部で再酸2.2. LCA による GHG 削減効果の定量化化されて酸化亜鉛として回収されることが分かる．一

ここではケーススタディとして，アルカリ乾電池の方，Mn3O4 は MnO まで還元されていた．これは，使用分散型リサイクルシステムを日本に導入した場合の済みアルカリ電池電極に含まれる酸化マンガンと酸化GHG 削減効果をライフサイクル評価の視点から行っ亜鉛の混合物を分離回収できたことを意味している．

た． 比較対象として，現在のメインストリームである

ここで亜鉛の回収率に注目すると，図 1 と同じ条件
2

JEMEA Bulletin Vol.8 No.1 (2023.2)の場合，加熱後 5 分以内では亜鉛はほとんど回収されGHG 削減量に注目すると，自治体を超えての輸送距なかった．加熱開始から 5 分以上が経過すると，亜鉛離が約 206 km を超える場合，分散型リサイクルの方がの回収率は徐々に向上し，さらに加熱時間が 10〜15 分GHG 排出量を削減できることが分かった．さらに分散になると回収率が著しく上昇した．15 分以上の加熱で型リサイクルシステムの GHG 削減効果は，人口が多い還元反応はほぼ終了し，亜鉛の回収率は最終的に約自治体（例：100 万人以上）でも，輸送距離が短ければ92%〜97%となった．それ以上の加熱時間では，回収率（例：150km），その効果は限定的であり，輸送距離がに変化は見られなかった．なお，添加する炭素量が化学長い場合（例えば 600km）でも，自治体内の人口が少な量論比の 2 倍以上の時には同様の回収率を達成できたい場合（例えば 10 万人以下）は同様に削減効果が小さが，添加量が化学量論比の場合，30 分加熱しても亜鉛くなる．

はほとんど回収できなかった．

図 2：分散型リサイクルの導入効果
図 2 は，分散型リサイクルの導入効果（亜鉛 1kg 回収あたりの GHG 排出削減量）を日本全体で可視化した
図 1：2 倍の化学量論比で炭素を混合し，5.0 kW のマ結果である．図中の黒いシンボル(4 箇所)は，実際に使イクロ波で 15 分間加熱前後の試料の XRD パターン

用済み電池を処理している集中型リサイクルプラント

ここで得られた亜鉛の回収率（92〜97％）は従来の電の位置を意味している．図から分かるように，集中型リ気炉による加熱に比べ著しく高いことが分かった．

サイクルプラントから 206 km 以内に存在する自治体でEbin ら（2017）は，本研究とほぼ同じ条件下で電気炉は，分散型リサイクルを導入してもその GHG 削減効果を用いて 30 分間処理しているが，亜鉛の最大回収率ははむしろマイナスである一方，それ以上の距離では，輸62％であった．つまり，マイクロ波を用いた本研究では，送距離が長いほど，そして自治体の人口が大きいほど電気炉を用いた加熱に比べて，半分以下の加熱時間で効果が大きくなる．

より高い亜鉛の回収率を実現できたことが分かる．

この結果に基づき，日本における使用済みアルカリ乾電池の集中型と分散型のリサイクルシステムをバラ

3.2. 日本における分散型リサイクルシステムの有効性

ンスよく調和させると，年間 26,500GJ のエネルギー消集中型リサイクル施設は，適切な条件のもとに稼働費と 1.54Gg-CO2eq の GHG 排出を削減できることが分すると高いエネルギー効率を実現できるが，システムかった．

全体としてみると，輸送距離がネックとなって効率が4. 考察低下することはすでに述べた．

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本研究で提案した分散型リサイクルシステムについ2019)がないため，廃棄物の管理は十分に行われていなて，マイクロ波技術，輸送エネルギー計算，適用可能国，い．この問題に対処するために，途上国においてインフ社会的効果，将来展望の観点からさらに考察を加える．

ォーマルセクターへの支援が必要であることが認識さ

4.1. マイクロ波技術

れている(Ferronato et al. 2019)．途上国の E-waste リサイ

本研究では，分散型リサイクルシステムを実現する

クルでは，地域レベルで実行されるインフォーマルセための技術としてマイクロ波装置を検討した．実証研

クターの活動が支配的であり(Shittu et al. 2021)，このイ

究では，実験室規模のマイクロ波装置を出力 5.0 kW でンフォーマル活動に関わる人々の地域経済にとって重使用した．予備実験において，2.5 kW の出力で実験を要である(Gall et al. 2020; Gu et al. 2016)．

行ったが，この出力では十分に還元が進まなかった．し発展途上国の廃棄物管理におけるインフォーマルセたがって，分散型リサイクルシステムの実用化を考えクターが直面する主な課題の 1 つは，野外焼却によるる場合，現状の家電用のマイクロ波ではなく，より高出

大気汚染，酸や化学物質の溶出による水質・土壌汚染な力な業務用マイクロ波装置を採用することが望ましい．

ど，非効率的または旧式の技術を採用している地域をまた，マイクロ波装置を用いた鉄鉱石の還元に着目し直撃することである(Rautela et al. 2021)．分散型リサイ

た他の研究では，連続式のシステムが開発されている

クルを効果的に導入した場合，インフォーマルセクタが(Nagata et al. 2019)，本研究ではバッチ式での評価に留ーにおいてもこのような影響を最小限に抑えることがまっている．本研究成果についても，連続化を進めるこできるであろう．とで，使用済みアルカリ乾電池の処理に必要なエネル

4.3. 社会的効果ギーがさらに減少すると考えられる

マイクロ波装置を用いた分散型リサイクルシステム

4.2. 他国への適用可能性の採用により，天然資源のない地域が二次資源の供給

日本は国土面積が 197 カ国中 61 位であり，本研究で源となる機会を得ることができる．従来の大企業では考慮した都市間輸送の最長距離は 800km に過ぎない．

なく，中小企業や地方行政が供給者として地域処理のまた，日本は南北方向に長い島国であり，鉄道輸送シス一翼を担うことが求められる．小規模企業は，廃棄物処テムが発展している．このような状況では，集中型リサ理に様々なアプローチを取り入れることで，循環型経イクルも一定の効果を発揮するが(Kosai et al. 2021)，そ済の問題に取り組むことができる可能性がある(Higgs

れでも分散型リサイクルシステムを最適に導入するこand Hill 2019)．これは，先進国の地方だけでなく，途上とで GHG を削減できる可能性を見いだせた．この結果国でも重要な廃棄物分野での新たな雇用を生み出すこは分散型リサイクルのポテンシャルが高いことを意味とになる(Godfrey et al. 2017)．特に日本では，人口の不する．すなわち国土が広く，自動車社会で人口が分散し均衡を抑制し，地方経済を活性化するために，地方創生ている国（例：米国）では，分散型リサイクルシステムが国家目標の一つとなっている．の採用により，GHG 削減効果がより高くなる可能性が5. まとめあるであろう．
また，マイクロ波装置を利用した分散型リサイクル

本研究では，マイクロ波を用いた使用済みアルカリシステムは，発展途上国での利用にも適している．E-乾電池からの亜鉛とマンガンのリサイクルについて実waste の処理は，先進国と途上国とでは全く異なる．ほ験的アプローチとそれに基づく社会科学的アプローチ

とんどの先進国では，e-waste は中央集権的な施設に搬の両側面からハイブリッド的に検討した．

入され，トップダウン方式で十分に規制されたガバナ

ケーススタディとして日本の1710 自治体について分ンスの下，工業化された技術でリサイクルされる析を行った所，分散型リサイクルシステムの導入によ(Ilankoon et al. 2018)．しかし，ほとんどの途上国では法るエネルギー削減効果が最も大きい自治体・地域を特規制の枠組み(Ilankoon et al. 2018)，行政ガバナンス定することができた．そして，使用済みアルカリ乾電池(Sepúlveda et al. 2010)，経済資金や支援(Ferronato et al.

について集中型と分散型のリサイクルシステムをバラ4

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ンスよく導入することで，エネルギー消費を年間

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25,300 GJ，GHG 排出量を 1.54 Gg-CO2eq 削減できるこto support job creation and sustainable waste management inとが明らかになった．

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