通过使用微波加热的节能CO2削减精制技术成功溶解锂实矿石——加速实现社会安装——

刊登日期: 2022年7月13日更新 

 重点 作为稀有金属的新节能精制技术，进行了化学处理和微波加热相结合的实证试验，成功溶解了在锂矿山实际开采的约100克的锂矿石。 与现有技术相比，预计设备投资( CAPEX )和运用成本( OPEX )可以减少70%左右，CO2排放量可以减少90%以上。 本成果将向新的节能精制技术的产业化迈出一大步，可以加速在热利用制造过程节能减排CO2的各种产业中的社会实施。

概要 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(理事长平野俊夫)。 以下称为“量研”。 )量子能源部门六所研究所和微波化学株式会社(代表董事社长CEO吉野严。 以下称为“MWCC”。 )于令和3年12月22日签署了关于使用微波加热的稀有金属节能精制技术的共同研究合同(令和4年1月20日共同新闻发布)，进行了实证试验。 此次，将节能精制技术应用于在锂矿山采矿并筛选出的实际锂矿石锂辉石——锂辉石精矿中，在微波加热温度300℃下成功溶解。 对于稀有金属之一的锂的溶解，海绵精矿需要在1,000℃以上的煅烧处理后，用浓硫酸进行250℃以上的煅烧处理。 此次，将量研开发的化学处理和微波加热相结合的碱性微波熔融技术用于实际的锂矿石进行了实证试验。 具体来说，为了获取用于工厂设计的工学数据，从迄今为止适用的处理克规模的实验室装置，向处理100克规模的MWCC的微波工作台装置放大约100倍，为了能够高效地照射微波，进一步设法进行了溶解实证试验 。结果，通过碱试剂在常压下300℃的微波加热处理和常压室温下的酸溶解，成功地使其全部溶解，通过本技术，可以在300℃这样非常低的温度下进行现有技术中需要的1，000℃以上的反应。 本结果也是可以反映在锂以外的稀有金属矿物的溶解上的成果。

图1量研六所研究所用于实证试验的微波加热长椅装置

用现有技术和新的低温精制技术对设备投资( CAPEX )、运用成本( OPEX )以及CO2排放量进行了相对比较，预计CAPEX和OPEX可以减少70%左右，CO2排放量可以减少90%以上。 根据该结果，能够对降低至今为止精制成本较高的矿山的锂精制成本做出贡献，因此，不仅能够降低与锂精制相关的环境负荷，还能够期待锂价格的降低。 由于熔融条件的进一步优化，有望进一步节能减排CO2，因此通过本共同研究，将积累有助于事业规模工厂设计的工学数据，以尽早实现社会。 现在，围绕矿产资源的供给，由于新冠灾祸、纷争等，迎来了非常激烈的流动期。 不仅是矿产资源产量的减少，还受到了能源供给不足导致的制造事业生产量缩小的影响，稳定确保矿产资源是迫在眉睫的课题。 本技术通过1 )微波加热的高效率化，2 )化石来源能源向电气化能源的转换，3 )化学处理的低温化，可以对具有环境亲和性且稳定地确保经济持续发展中不可缺少的矿产资源做出贡献。 量研和MWCC将通过社会实施这一新的精制技术，在实现碳中和的同时为经济发展做出贡献。

补充说明 技术开发的背景和目的 在日本，各种金属资源几乎都依赖从海外进口，核聚变炉中不可缺少的锂和铍1 )也不例外。 现在，围绕矿产资源的供给，包括新冠灾祸在内，受到了纷争、自然灾害、世界形势、供给国的政情等很大的影响。 而且，不仅是这些供给国方面矿产资源产量的减少，还受到了能源供给不足导致的制造事业生产量缩小的影响，稳定确保矿产资源是迫在眉睫的课题。 此外，从矿物中提炼金属的工序包括高温处理的工序，高能耗和CO2的排放成为问题。 因此，量研目标是将经济性和环境性方面存在问题的以往的铍精制技术置换为能够抑制节能CO2排放的新的精制技术，并在社会上实施。 量研开发的新精制技术是将化学处理和微波2 )的内部加热3 )相结合的技术，通过250℃以下的微波加热，在世界上首次实现了对以往需要2,000℃高温的稀有金属4 )的铍的精制。 该技术可以适用于以锂为首的许多稀有金属矿物等。 为了将该新精制技术转移到各种产业并进行社会实施，为了取得事业规模的工厂设计所需的工程数据，实证试验是必不可少的。 量研与MWCC的技术基础

铍精制的现有技术是通过外部加热将矿石(铍)熔融到2,000℃后骤冷，减弱结晶性，否则无法酸溶解。 因此，量研首先开发了基于化学处理和微波加热的低温湿式精制技术，发现在加压条件下( 60kg/cm2以下)，即使在250℃的低温下也可以溶解铍矿石。 而且，不需要耐压设备，也致力于实现常压下低温熔融的技术的开发，结果通过在碱熔融技术5 )中应用微波加热，在常压下也成功地将铍全部溶解( https://www.qst.go.jp/site/press/20210527.html ）。本技术于令和3年3月10日申请了国内专利，现在正在向国际PCT申请转移。

MWCC致力于产业利用以往被认为难以大型化的微波工艺，以独自的技术克服了课题，成功建立了世界第一个产业水平的微波工艺工厂，正在引进给化学行业的各种领域带来“节能”ד高效”ד紧凑”的微波工艺。

并且，该公司通过引进微波工艺减少产业部门的CO2排放量，独自制定了引领到2050年实现碳中和的构想“C NEUTRAL 2050 design”。 将“电气化”和“微波工艺”两个要素相乘的微波技术引入到所有化学工艺中，与利用化石资源的传统工艺相比，减少了90%以上的CO2排放，到2050年，生产工艺在日本将达到30%，在世界将达到10% 致力于实现削减10亿吨CO2的具体目标( https://mwcc.jp/carbon _ neutral/)。 这样，开发了给金属精制工艺带来大幅度的能量削减和CO2产生量的削减的碱性微波熔融技术的量研和将微波技术导入所有的化学工艺以减少90%以上的CO2排放为目标的MWCC，通过两者的协作， 一致认为可以有力地推进彼此目标“使用微波加热的铍节能精制技术的实用化”，以迄今为止积累的技术经验为基础，签订了以早期社会安装新精制技术为目标的共同研究合同，位于青森县六个村的量研六个研究所， 为了构筑有助于事业规模工厂设计的工学数据，随着处理量的增加，开始了微波加热的尺度效应的确认·优化和使用实际矿物的实证试验。 而且这次，关于和铍一样是稀有金属之一，现在电动化促进发展中备受瞩目的锂，使用在实际的锂矿山采矿筛选出的锂矿石的锂辉石6 )精矿进行了技术实证。 在现有技术中，为了提取锂，需要先将海绵精矿通过1,000℃以上的“煅烧”处理7 )使结晶发生相变，再通过浓硫酸进行250℃以上的“焙烧”处理8 )。 因此，使用具有MWCC制直径约50cm、高度约100cm反应器的微波加热长椅装置，开始了调查海棉精矿通过碱性微波熔融技术的溶解性的实证试验(参照图1 )。 证实了现有技术中需要1,000℃以上的反应温度根据本技术在300℃下可以溶解锂。

联合技术开发的意义及波及效果

图2现有技术与新低温纯化技术下CAPEX/OPEX/CO2排放量的相对比较 (在现有技术中作为能源利用天然气，在低温精制技术中作为电气化能源利用太阳光发电的情况下进行评价)

今后，将进一步开展共同研究，通过构筑用于事业规模·成套设备设计的工学数据，将使用微波加热的铍节能精制技术作为取代以往精制技术的新精制技术，以早日实现社会。 另外，本技术不仅适用于这样的矿石，还可以作为各种陶瓷等化合物的溶解处理和其中所含的稀有金属的回收技术来应用，因此，不仅是制造业，也有望广泛地导入到回收产业中。 此外，如果本技术得到实际应用，随着新运营商的加入而扩大市场，也有望实现资源的价格合理化和稳定。 此次基于量研和MWCC的共同研究合同的实证试验，可为各种金属和材料等的制造和再利用中的热利用制造过程的节能碳中和做出贡献。 量研六所研究所将支持向正在推进热利用·制造工艺的节能CO2减排的各种产业引进新技术，作为推进该技术的社会还原早期安装的事业开拓据点，考虑继续发展推进社会安装的举措。

用语解说 1 )锂( Li:Lihitum )和铍( Be:Beryllium ) 锂的原子编号为3，是白银色的柔软元素，也是碱金属和稀有金属之一。 熔点( 180℃)和沸点( 1330℃)是碱金属元素中最高的，比重0.534是所有金属元素中最轻的特征。 是手机、笔记本电脑等充电用电池小型锂离子电池、电动汽车、家用蓄电池用大型锂离子电池的原料。 锂资源偏在于南美、澳大利亚、中国、美国等地，地上储量估计约为3000万吨。 铍是原子序数4，是银白色的固体金属，具有细密六方晶的晶体结构、轻( 1.85 g/cm3 )、熔点较高( 1，285℃)、高热传导率等特点，也是稀有金属之一。 是特定化学物质，其粉尘等通过呼吸道被吸收可能会导致肺部功能障碍，因此在处理粉尘等时，需要局部排气设备等预防作业人员健康障碍的措施设备。 核聚变反应堆燃料的三重氢是用中子照射锂进行生产的，但是为了生产更多的三重氢，需要大量增加中子的中子倍增材料——这种铍。 2 )微波 是一种电波，其应用范围广泛，除了上述微波炉中的微波加热外，还作为手机、卫生电视广播、无线通信、雷达等现代日常生活中不可缺少的技术被广泛使用。 3 )微波内部加热 这是一种以与使用电磁波(微波)加热食品的微波炉相同的原理，加热化学制品的原料和金属矿石等的方法。 由于“微波无法到达深处”、“容易泄漏到外部”、“反射”、“如果不使电波分布均匀就会产生加热不均”等理由，迄今为止，几乎不可能应用于产业级的体积。 4 )稀有金属 正如英语的表达那样，意味着“稀有金属”，是厚度30公里左右的地球表层——地壳中存在量少的金属，以及存在量丰富但以纯粹的质量很难得到的金属等，是支撑现代产业的非常有用的金属。 5 )碱熔技术 这是一种将熔融对象的试样和用于熔融试样的碱(碱)试剂(熔融材料)混合，在500℃到1，100℃左右的高温下熔融试样的方法。 通常是基于加热器或燃烧器等的外部加热方式。 还有微波加热，实用化的是通过发热体的外部加热。 6 )锂辉石 锂( Li )矿石之一，又称为叙利亚辉石，现有Li资源的约70%从该矿山资源锂辉石中回收Li。 化学式是LiAlSi2O6，最近，作为新的诞生石追加的昆特石也是海绵，也可以成为宝石，所以和贝丽尔一样是稳定且难溶解性的矿石。 7 )煅烧处理 这是为了改变矿石等原料的性质而进行加热处理，从而引起热分解和相变的热处理工序。 8 )焙烧处理 是在加热下通过化学反应将矿石等原料转化为容易处理的化合物的热处理工序。 9 )设备投资( CAPEX ) Capital Expenditure的缩写，表示业务中的投资成本、设备和投资。 10 )运营成本( OPEX ) 是Operating Expense的缩写，是事业运营所需经费的总称。