「卵の殻」を使って貴重な「希土類元素」を簡単に回収できる！？

 

みなさんこんにちは！　サイエンスライターな妖精の彩恵りりだよ！

 

今回の解説の主題は、「卵の殻」を使えば簡単に希少な「希土類元素」を回収できるという、ちょっと変わった研究だよ！

 

希土類元素は、例え馴染みが無かったとしても、実際は「ネオジム磁石」をはじめとして非常に多くの用途があるんだよね！現代社会に欠かせない一方で、採掘やリサイクルに大きな課題があるんだよね。

 

今回の研究では、大量に廃棄される卵殻を使用することで、従来よりも簡単な方法で希土類元素を回収できる、というかなり面白い視点に立った研究だよ！

 

現代社会に欠かせない「希土類元素」

 

「希土類元素 (レアアース)」^[注1]という言葉を知っている人は少ないかもだけど、比較的知名度があるのは「ネオジム磁石」という強力な永久磁石かもね。このネオジムという元素は、まさに希土類元素の1つだよ。

 

全17種類の希土類元素は、それぞれが独自のユニークな性質を持ち、他にとって代われない性質を持っていることが珍しくないよ。ネオジム磁石はまさにその例で、ネオジムがないとここまで強力な磁石が作れないよ。

 

さらに、ネオジム磁石の磁力の安定化のために、別の希土類元素であるプラセオジム・ジスプロシウム・テルビウムが使われているなど、他にも補完的な役割があるよ。

 

その名前に反し、地殻における希土類元素の存在量そのものはそこまで稀ではないよ^[注2]。しかし元素ごとに化学的に分離することが困難なうえ、特定の鉱物に濃集していることが少ないのが、資源的に貴重と見なされる理由だね。

 

このほかにも、強力なレーザー、HDDやメモリなどの電子機器、蛍光や畜光材料、MRIの造影剤、合金への添加剤、高温超伝導体など、用途は極めて多種多様で、代替材料が見つかってないのも珍しくないんだよね。

 

ただし、資源的な活用が増えるほど困るのは環境の負荷なのよね。特に希土類元素の採掘は広範囲を大規模開発するだけでなく、放射性物質を副産物として排出することから^[注3]、他の鉱山と比べて環境負荷が高いのよね。

 

では希土類元素を使った製品から再利用すればいいというのは確かなんだけど、この回収というのも従来は大量の熱を使って二酸化炭素を排出するとか、毒性や腐食性など危険性の高い物質を使ったり廃棄物が出たりするんだよね。

 

希土類元素の筆頭の用途である強力な永久磁石は、電気自動車や風力発電のような、トータルの二酸化炭素排出量を抑えられるような製品に使えるから、リサイクルで環境負荷をかけるのは本末転倒とも言えるからね。

 

「卵の殻」は希土類元素の回収方法に使える！？

ダブリン大学のRémi Rateau氏などの研究チームは、希土類元素をもっと環境負荷の少ない方法で取り出せないかなと考えている最中に、ある持続可能な材料で吸着ができないのかを考えたよ。

 

それは鶏の卵の殻、つまり「卵殻」だね。卵殻は卵料理を作れば必ずついて回る廃棄物で、世界中で1年あたり推計1000万tが生じ、大部分が再利用されることなく地中に埋められている、と考えられているよ。

 

卵殻は化学的には炭酸カルシウム (CaCO₃) という成分でできていて^[注4]、通気性を確保するために多数の穴が空いているよ。多孔質材料というのは、それだけで他の物質を吸着するためのフィルターとして機能するから注目されるよね。

 

廃棄物なのでほとんどコストがかからずに回収できることから、卵殻は排水などから重金属を回収するための吸着材として注目されてきたよ。ただ、希土類元素を回収できるかどうかの研究は今までほとんどなかったよ。

 

また、過去のわずかな研究では、卵殻があまり希土類元素を吸着するようには見えなかったんだけど、温度が室温付近と低く、かつ実験期間も数日と短かったことから、あまり多くの情報が得られなかったんだよね。

 

そこでRateau氏らは、希土類元素が溶けている水に卵殻を浸し、希土類元素が回収可能かどうかを調べたよ。今回の実験では、市販の卵殻を砕いた上で、石鹸水と水酸化ナトリウムで処理し、乾燥させたものを使ったよ。

 

そして排水からの回収を想定して、産業的に多用されている希土類元素であるランタン・ネオジム・ジスプロシウムの硝酸塩が混ざった水溶液を用意し、25℃・90℃・165℃・205℃の温度で3時間から3ヶ月の期間放置したよ。

 

すると90℃以上の温度では、1日後には卵殻の表面に希土類の炭酸塩が現れることが分かったよ！成分を分析すると、まず現れるのは準安定な「弘三石こうぞうせき (Kozoite / REE(CO₃)(OH))^[注5]」という構造だと分かったよ。

 

成長スピードはかなり速くて、165℃なら2日で完全に卵殻の炭酸カルシウムが弘三石に置き換わると分かったよ！さらに205℃では、弘三石より安定な「水酸バストネス石 (Hydroxylbastnäsite / REE(CO₃)(OH))」が出現したよ！^[注6]

 

電子顕微鏡で観察すると、弘三石は球体のような、水酸バストネス石は砂漠の薔薇のような、それぞれ特徴的な結晶の複合体の形状を示したことから^[注7]、一度卵殻の炭酸カルシウムが溶け、そこに希土類炭酸塩が成長したみたいね。

 

詳細な分析で、希土類元素は卵殻を構成する炭酸カルシウムの結晶の間や、卵殻の構成成分である有機物のある場所など、非常に微細な隙間に浸透し、そこで炭酸カルシウムから希土類炭酸塩への置換が起こるみたいだよ。

 

今回の実験では、天然の炭酸カルシウムの結晶である方解石で対照実験を行ったけど、卵殻ほどうまく置換が起こらなかったことから、卵殻の微細な構造がより希土類元素の吸着に適しているということが分かるよ。

 

 

さらに、今回使った希土類元素の溶液は酸性で、単純に考えれば卵殻が速やかに溶けてもいいんだけど、今回の実験では室温付近では98日経ってもほぼ溶けず、温度を上げることで初めて溶解が進んだことが観察されたよ。

 

これは、卵殻という生物が生み出した無機物ということで、有機物の薄いコーティングが溶解を妨げていることが考えられるよ。過去の同じような実験が室温付近で行われた結果、うまく行かなかったという事実とも合致するね！

 

課題もあるけど面白い研究！

 

今回の発見がまず面白いのは、卵殻を希土類元素の溶液に浸して加熱するだけという、極めて簡単な回収方法だよ。反応に危険な物質が必要ではないというだけでも、かなりのアドバンテージとなるね！

 

反応が起こった後を見ても、水酸バストネス石は希土類元素のリサイクルでしょっちゅう出てくる組成だから扱いには慣れているし、水溶液は希土類元素からカルシウムへの置換となるから、やはり有害なものは発生してないよ。

 

そして必要なのは卵殻という、従来は利用法に乏しかったもの、しかも食品製造現場で大量かつ選別されて集められる廃棄物だと考えれば、利用するためのコストや回収へのハードルは最小限で済むよ！

 

最も、この方法は絶対万能というわけじゃないし、課題もあるよ。例えば、反応が進むのはある程度の高温なので、そこにエネルギーを入れ過ぎたら環境問題という点では本末転倒だから、熱源をどう確保するかが課題となるね。

 

室温でも反応は進むとは言え、相当に時間がかかることが予想されるから、例えば排水を受動的に処理するような時間がかかっても良い場面と、積極的に加熱しても良い場面をうまく使い分ける必要がありそうだね。

 

また、希土類元素はお互いに化学的性質が似ているという関係上、今回生じた希土類炭酸塩も3種類の元素が混合した状態で結晶が成長していたんだよね。

 

希土類元素の化学的分離はリサイクルを含めた希土類元素の利用の主要な課題なので、今回の手法も工夫をすれば分離ができるのかとか、その辺は引き続き課題となっていくよ。