New technology for sustainable aluminum

Research Project

Project/Area Number	21H04610
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	長坂徹也東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (30180467)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松八重一代東北大学, 環境科学研究科, 教授 (50374997) 朱鴻民東北大学, 工学研究科, 教授 (80713271)
Project Period (FY)	2021-04-05 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000) Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000) Fiscal Year 2022: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000) Fiscal Year 2021: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Keywords	アルミリサイクル / 電解 / コンタミネーション / 合金元素 / アルミサステナビリティ / アルミニウムスクラップ / リサイクル / 精製
Outline of Research at the Start	本研究は、研究代表者と分担者が共同で考案した固体スクラップ電解法を適用し、従来法では困難であったアルミスクラップからの合金元素除去を技術的に確立することを第一の目的とする。明確な科学的根拠と十分な経済競争力を持って本法が実証できれば、アルミの鋳造材スクラップから展伸材素材へのアップグレードリサイクルが可能となり、量だけではなく質を伴ったアルミのサステナビリティを保証することができ、画期的な成果となる。
Outline of Annual Research Achievements	アルミは鉱石からの製錬時に莫大な電力を必要とするため、金属として再利用する価値が大きい。そのためアルミのリサイクル率は90％を超えているが、これはあくまで量的な数値である。我々が日常的に使っているアルミ製品は、例外なく銅や亜鉛等の他元素を含むアルミ合金である。元来アルミは活性な金属であり、既存技術ではアルミからの合金元素除去は非常に困難であり、リサイクル回数が増えるほど合金元素の蓄積が起こるため、２次製品の質の劣化が進むのが実態である。現状では、再生アルミの最終用途は、大量の合金元素含有が許される自動車用エンジンブロック等の鋳造製品である。電気自動車の普及が進むと、内燃エンジンの需要は大きく減少し、アルミの最終用途が失われることになる。研究代表者らは、アルミスクラップを固体状態のまま溶融塩中で電解すると、Cu、Si、Fe等の合金成分をほぼ全て除去することができ、鉱石から新地金を製造する際の約３分の１以下の電力消費で純アルミに再生できることを提案した。本課題では、本法の有効性を実証すると共に、アルミの固体電解技術の電極反応機構他の諸元を明らかにし、革新的なアルミのアップグレードリサイクル技術の基礎を確立することを目的としている。 2021年度は、鋳造用アルミ合金を陽極、純アルミを陰極とし、両電極が融解しない500℃前後の温度において、LiCl-KCl二元系溶融塩中で電解実験を行った。その結果、陽極からはアルミのみが溶融塩中に溶解し、陰極にはほぼ純粋なアルミが析出することが確認された。これによって本法の基本原理が確認でき、論文としてNatureに投稿した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2021年度は、鋳造用アルミ合金を陽極、純アルミを陰極とし、両電極が融解しない500℃前後の温度において、LiCl-KCl二元系溶融塩中で電解実験を行った。その結果、陽極からはアルミのみが溶融塩中に溶解し、陽極には合金中のCu、Si、Feによる合金層のみがスケルトン状に残留していた。同時に陰極にはほぼ純粋なアルミが析出することが確認された。並行して行った電気化学測定により、アルミが可逆的に溶解、析出することが確認できた。新型コロナウイルス感染症拡大により、予定していた外国人ポスドクの来日が遅れたため、一部の研究費を翌年に繰り越したが、現員で後れをカバーしたところ、2021年度は大略当初計画通り進捗した。これらの成果をまとめ、本法の基本原理としてNatureに論文投稿した。
Strategy for Future Research Activity	2022年度には計画通りのポスドクが雇用できる見通しであるため、処理対象であるアルミ合金の種類を広く変更して電解精製の効率を系統的に調べると共に、より廉価で汎用性が高い溶融塩を開発して実用化に近づける。また、サイクリックボルタンメトリー等の実測を行い、アルミの溶解、析出機構を電気化学的に明らかにすると共に、反応が可逆的に進行することを確認する。