特許 7430392 レアアース泥の回収方法及び回収システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-02

(45)【発行日】2024-02-13

(54)【発明の名称】レアアース泥の回収方法及び回収システム

(51)【国際特許分類】

   E21C 50/00 20060101AFI20240205BHJP

【ＦＩ】

E21C50/00

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020140176

(22)【出願日】2020-08-21

(62)【分割の表示】P 2020033838の分割

【原出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021139270

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-02-17

(73)【特許権者】

【識別番号】504194878

【氏名又は名称】国立研究開発法人海洋研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128107

【弁理士】

【氏名又は名称】深石 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100169063

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 洋平

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 英剛

(72)【発明者】

【氏名】川村 善久

(72)【発明者】

【氏名】澤田 郁郎

(72)【発明者】

【氏名】許 正憲

(72)【発明者】

【氏名】古市 幹人

(72)【発明者】

【氏名】秋山 敬太

(72)【発明者】

【氏名】難波 康広

【審査官】五十幡 直子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２９６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６６５３８９０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－１７２８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公平０５－０２６８９４（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｃ ２５／００－５１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（Ａ）レアアース泥を含む海底下の層に集泥管を貫入し、前記集泥管内を当該海底近傍の環境と隔離させる工程と、
（Ｂ）前記集泥管内において、レアアース泥を解泥することによってレアアースを含むスラリーを調製する工程と、
（Ｃ）前記スラリーを揚泥管で移送する工程と、
を含み、
前記揚泥管が内管と外管とを備える二重管構造を有し、
（Ｂ）工程において、前記内管を通じて前記集泥管内に供給する海水量を調整することによって前記集泥管内の前記スラリーの物性を調整する、レアアース泥の回収方法。

【請求項2】

（Ｂ）工程において、前記スラリーの物性をセンサーで測定する、請求項１に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項3】

（Ｂ）工程において、前記スラリーの密度をセンサーで測定する、請求項１に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項4】

（Ｂ）工程と（Ｃ）工程の間に、前記内管の外面と前記外管の内面で画成されるアニュラス部内に前記集泥管内の前記スラリーを移送する工程を更に含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項5】

前記揚泥管が前記集泥管と連通しない状態において、前記アニュラス部内の前記スラリーを循環流によって移送する、請求項４に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項6】

前記揚泥管は流路切替機構を介して前記集泥管に接続されており、前記流路切替機構は前記内管から前記集泥管へと流れる海水の流路を、前記内管から前記アニュラス部へ流れる流路へと流路変更を可能であり、前記流路変更を実施した後、前記揚泥管内に前記循環流を形成する、請求項５に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項7】

（Ａ）工程において、前記集泥管の先端部に設けられたノズルから下方に向けて流体を噴射しながら、前記集泥管を沈降させる、請求項１～６のいずれか一項に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項8】

（Ａ）工程において、前記集泥管内を負圧にして前記集泥管を沈降させる、請求項１～７のいずれか一項に記載のレアアース泥の回収方法。

【請求項9】

レアアース泥を含む海底下の層に貫入され、当該海底近傍の環境と隔離された内部空間を形成する集泥管と、
前記集泥管内においてレアアース泥を解泥する攪拌装置と、
前記集泥管に接続されており、内管と外管とを備える二重管構造を有する揚泥管と、
前記内管を通じて前記集泥管内に供給する海水量を調整する手段と、
を備え、
前記集泥管内において、レアアース泥を解泥することによってレアアースを含むスラリーを調製する際、前記手段による前記海水量の調整によって前記集泥管内の前記スラリーの物性を調整するレアアース泥の回収システム。

【請求項10】

前記集泥管内の前記スラリーの物性を測定するセンサーを備える、請求項９に記載のレアアース泥の回収システム。

【請求項11】

前記集泥管内の前記スラリーの密度を測定するセンサーを備える、請求項９に記載のレアアース泥の回収システム。

【請求項12】

前記揚泥管は、前記内管の外面と前記外管の内面で画成されるアニュラス部を有するとともに、流路切替機構を介して前記集泥管に接続されており、
前記流路切替機構は、前記内管から前記集泥管へと流れる海水の流路から、前記内管から前記アニュラス部へ流れる流路へと切替可能である、請求項９～１１のいずれか一項に記載のレアアース泥の回収システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レアアース泥の回収方法及び回収システムに関する。

【背景技術】

【0002】

全世界の海洋底には、石油や天然ガスをはじめとする液体や気体の天然資源が多く存在する。また、マンガンノジュール等の固体の鉱物資源の存在も明らかになってきている。特許文献１～４は液体や気体の天然資源の採取方法、又は比較的浅い海底内の鉱物資源の揚鉱手法を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１７２４１８号公報

【文献】特開２０１９－１２００６３号公報

【文献】特開２０１９－０１１５６８号公報

【文献】特公平８－２６７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水深５０００ｍを超える深海の海底下にレアアースを含む泥の層が存在することが確認されている。この泥はレアアース泥と称され、新たな資源として着目されている。しかし、このような深海底からレアアース泥を効率的に採取する技術は未だ確立されていない。本発明は、水深５０００ｍを超える深海の海底下の層にも適用可能なレアアース泥の回収方法及び回収システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係るレアアース泥の回収方法は、（Ａ）レアアース泥を含む海底下の層に集泥管を貫入させる工程と、（Ｂ）集泥管内において、レアアース泥を解泥することによってレアアースを含むスラリーを調製する工程と、（Ｃ）上記スラリーを揚泥管で移送する工程とを含む。

【0006】

上記回収方法によれば、海底近傍の環境と隔離された集泥管内で解泥及びスラリー調製をするため、揚泥に適した濃度のスラリーを安定的に調製することができる。また、（Ｂ）工程における解泥（例えば、レアアース泥を海中でかき回すこと）によって海中に生じる擾乱を集泥管内の閉鎖空間で生じさせるため、環境負荷を低減できる。なお、本発明でいう「レアアースを含むスラリー」は、流動性を有するレアアース泥、又は少なくともレアアース泥と海水とを含む混合流体を意味する。

【0007】

揚泥管は、例えば、二重管構造を有する。この場合、レアアースを含むスラリーを循環流によって移送することができる。

【0008】

上記回収方法は、（Ｂ）工程と（Ｃ）工程の間に、集泥管内の上記スラリーを揚泥管内に移送する工程（採泥工程）を更に含むことが好ましい。この工程は、例えば、ポンプを使用して実施することができる。上記回収方法は、集泥管内の上記スラリーを揚泥管内に移送した後、（Ｃ）工程前に、揚泥管を集泥管と連通しない状態に切り替える工程を更に含むことが好ましい。かかる工程を実施することで、（Ｃ）工程において揚泥管内のスラリーの移送に要する圧力が集泥管内の圧力に影響を及ぼすことを防止できる。具体的には、集泥管と海底の層との間の密閉状態がスラリーの移送に要する圧力によって解除されて集泥管と海底の層との間から流体が漏れ出す現象（以下、「ボイリング」という。）を防止できる。

【0009】

（Ａ）工程において、海底下の層に集泥管が沈降しやすいように以下の事項を実施してもよい。例えば、集泥管の先端部に設けられたノズルから下方に向けて流体を噴射しながら集泥管を沈降させたり、集泥管内を負圧にして集泥管を沈降させたりしてもよい。

【0010】

本発明に係るレアアースの回収システムは、レアアース泥を含む海底下の層に貫入された集泥管と、集泥管内においてレアアース泥を解泥する攪拌装置と、集泥管に接続された揚泥管とを備える。この回収システムによれば、海底近傍の環境と隔離された集泥管内で解泥及びスラリー調製をできるため、揚泥に適した濃度のスラリーを安定的に調製することができる。また、レアアース泥の解泥（例えば、レアアース泥を海中でかき回すこと）によって海中に生じる擾乱を集泥管内の閉鎖空間で生じさせることができるため、これに起因する環境負荷を低減できる。

【0011】

上記回収システムは、集泥管内の上記スラリーを揚泥管内に移送するポンプを更に備えてもよい。上記（Ａ）工程において集泥管内の海水を抜いて負圧にするのにこのポンプを利用してもよい。上記回収システムは集泥管の先端部に設けられたノズルを更に備えてもよい。このノズルは、上記（Ａ）工程において、下方に向けて流体を噴射しながら集泥管を沈降させるのに利用できる。

【0012】

上記回収システムは、集泥管と揚泥管が連通した状態と、集泥管と揚泥管が連通しない状態とを切り替え可能に構成された流路切替機構を更に備えることが好ましい。かかる構成を採用することで、揚泥管内のスラリーの移送に要する圧力が集泥管内の圧力に影響を及ぼすことを防止でき、具体的にはボイリングの発生を防止できる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、水深５０００ｍを超える深海の海底下の層にも適用可能なレアアース泥の回収方法及び回収システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は本発明に係るレアアース泥の回収システムの一実施形態を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は海底下の層に集泥管を貫入させている様子を模式的に示す断面図である。

【図3】図３は集泥管内のスラリーを揚泥管に移送する様子を模式的に示す断面図である。

【図4】図４は揚泥管内のスラリーを循環流によって上方に移送している様子を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0016】

＜レアアース泥の回収システム＞
図１は本実施形態に係るレアアース泥の回収システムを模式的に示す断面図である。回収システム１０は、水深５０００ｍを超える深海の海底Ｆ下の層Ｌに賦存するレアアース泥をスラリー状にして回収するためのものである。図１は、攪拌装置３によってレアアース泥の解泥を実施している様子を示したものである。回収システム１０は、海底Ｆ下の層Ｌに貫入された集泥管１と、攪拌装置３と、集泥管１に接続された揚泥管５と、流路切替機構７と、サブシーポンプ９とを備える。

【0017】

集泥管１は、海底近傍の環境と隔離された空間を形成するためのものである。集泥管１内の密閉空間においてレアアース泥を含むスラリーＳが調製される。集泥管１は、円筒部１ａと、円筒部１ａの上端を閉鎖する上板１ｂと、上板１ｂを貫通する開口１ｃと、先端部に設けられた複数のノズル１ｄとによって構成されている。円筒部１ａの内径は、例えば、３～５ｍである。円筒部１ａの鉛直方向の長さは、例えば、１２～２０ｍである。図１における集泥管１は、その先端が海底Ｆから深さ１１～１９ｍに至る程度に層Ｌに貫入された状態である。複数のノズル１ｄは下方に向けて流体（例えば海水）をそれぞれ噴射できるように構成されており、層Ｌに集泥管１を沈降させる際に使用されることができる。

【0018】

攪拌装置３は、海上の船（不図示）から延びているドリルパイプ３ａと、ドリルパイプ３ａの下端側且つ外側に設けられたブレード３ｂとによって構成される。ドリルパイプ３ａの回転に伴ってブレード３ｂが回転し且つドリルパイプ３ａの上下方向の移動に伴ってブレード３ｂが上下方向に移動するように構成されている。集泥管１内においてブレード３ｂが回転しながら下方向に移動することで、層Ｌに凹地Ｃが形成されるとともに、レアアース泥が海水と混ざって流動性を有するスラリーＳが得られる。

【0019】

揚泥管５は、流路切替機構７を介して集泥管１の開口１ｃに接続されている。流路切替機構７の操作により、揚泥管５は集泥管１に連通している状態と連通していない状態とを切り替え可能となっている。揚泥管５は、集泥管１に連通していない状態において、ドリルパイプ３ａとともに循環流を生じさせることができる。具体的には、揚泥管５は、ドリルパイプ３ａとともに二重管を構成しており、ドリルパイプ３ａ（内側の管）とアニュラス部５ａ（ドリルパイプ３ａの外面と揚泥管５の内面で画成される領域）とを上板１ｂよりも上方の位置で連通させることができる（図４参照）。

【0020】

流路切替機構７は、複数且つ複数種類のバルブ及びライン（配管）などで構成されている。流路切替機構７は、船上から又はＲＯＶで操作される。流路切替機構７は、例えば、アニュラス部５ａを必要に応じて封鎖するアニュラス封鎖機構７ａと、ドリルパイプ３ａを必要に応じて封鎖するドリルパイプ封鎖バルブ７ｂと、ドリルパイプ３ａの内側とアニュラス部５ａとを必要に応じて連通させるシャッタ機構７ｃと、これらを制御するサブシー制御装置（不図示）と、これらの動力源であるサブシーアキュムレータ（不図示）とを備える。ドリルパイプ封鎖バルブ７ｂは、ドリルパイプ３ａにおける揚泥管５の下端に相当する位置に設けられており、これを操作することで揚泥管５が集泥管１と連通しない状態にすることが可能である。シャッタ機構７ｃは、ドリルパイプ３ａにおけるドリルパイプ封鎖バルブ７ｂよりも高い位置に設けられており、これとアニュラス封鎖機構７ａを操作することで、ドリルパイプ３ａの内部とアニュラス部５ａとをその位置で連通させることができる。

【0021】

＜レアアース泥の回収方法＞
図１～図４を参照しながら、回収システム１０を使用してレアアース泥を回収する方法について説明する。本実施形態に係るレアアース泥の回収方法は以下の工程を含む。
（ａ）レアアース泥を含む海底Ｆ下の層Ｌに集泥管１を貫入させる工程（図２参照）。
（ｂ）集泥管１内において、レアアース泥を解泥することによってレアアースを含むスラリーＳを調製する工程（図１参照）
（ｃ）集泥管１内のスラリーＳを揚泥管５内に移送する工程（図３参照）
（ｄ）海上の船に向けてスラリーＳを揚泥管５で移送する工程（図４参照）

【0022】

（ａ）工程は、図２に示すように、海底Ｆ下の層Ｌに集泥管１を貫入させる工程である。揚泥管５の先端に流路切替機構７及び集泥管１を取り付けた状態で船上から揚泥管５を降下させ、集泥管１の先端側を海底Ｆに突き刺す。集泥管１の自重によって層Ｌに集泥管１が沈み込む。集泥管１の沈み込みを促進させるため、集泥管１の先端が海底Ｆに接した状態となった後、サブシーポンプ９を駆動して集泥管１内の海水を吸引することによって集泥管１内に負圧を生じさせてもよい。また、集泥管１の先端部に設けられた複数のノズル１ｄから層Ｌに向けて流体を噴射しながら集泥管１を沈降させてもよい。

【0023】

（ｂ）工程は、レアアース泥をブレード３ｂで解泥することによって集泥管１内においてスラリーＳを調製する工程である（図１参照）。ブレード３ｂは、ドリルパイプ３ａの先端に取り付けられた状態で揚泥管５内を降下し、集泥管１内に至る。船上からドリルパイプ３ａを通じて海水を供給し、ブレード３ｂの開口部（不図示）から海水を噴出させながら、ブレード３ｂを回転させるとともに徐々に降下させる。これにより、集泥管１内においてレアアース泥が解きほぐされて細かい粒子状となる。レアアース泥を解泥することで集泥管１内にスラリーＳが調製される。船上から供給する海水量を調整することで、スラリーＳの濃度を調整することができる。なお、スラリーＳの密度などの物性は集泥管１内に配置又は投下されたセンサーで測定することができる。

【0024】

（ｃ）工程は、集泥管１内のスラリーＳを揚泥管５内に移送する工程である（図３参照）。まず、アニュラス封鎖機構７ａを操作し、揚泥管５のアニュラス部５ａを封鎖した状態とするとともにラインＬ１を開放する。この状態において、ドリルパイプ３ａを通じて集泥管１内に海水を供給するとともに、サブシーポンプ９を駆動する。これにより、集泥管１内のスラリーＳがラインＬ１を通じて揚泥管５内に移送される。このプロセスを採泥と称する。集泥管１内のスラリーＳを揚泥管５内に押し上げるには、スラリーを海上の船にまで押し上げる場合と比較して集泥管１内の圧力を高くする必要がないため、ボイリングが生じることを防止できる。

【0025】

（ｄ）工程は、（ｃ）工程を経て揚泥管５内に移送されたスラリーＳを海上の船に向けて移送する工程である（図４参照）。アニュラス部５ａが封鎖された状態を維持する一方、ラインＬ１を封鎖された状態にする。ドリルパイプ封鎖バルブ７ｂを操作してドリルパイプ３ａが集泥管１と連通しない状態にする。また、シャッタ機構７ｃを操作してドリルパイプ３ａの内部とアニュラス部５ａとを連通させる。この状態において、ドリルパイプ３ａから海水を供給することで、揚泥管５内に循環流を生じさせることができ、アニュラス部５ａを通じてスラリーＳが船上へと移送される（図４中の矢印参照）。このプロセスを揚泥と称する。なお、スラリーＳの移送先は海上の船に限らず、例えば、海中又は海上や陸上の処理設備等であってもよい。

【0026】

上記実施形態によれば、集泥管１内で解泥及びスラリー調製をするため、揚泥に適した濃度のスラリーを安定的に調製することができる。また、（ｂ）工程における解泥を集泥管１内の閉鎖空間で実施するため、海中での擾乱を防止することができ環境負荷を低減できる。また、揚泥管５が集泥管１と連通していない状態で（ｄ）工程の揚泥を実施するため、スラリーＳの揚泥に要する圧力が集泥管１内の圧力に影響を及ぼすことを防止でき、具体的にはボイリングの発生を防止できる。

【0027】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、サブシーポンプ９を利用して集泥管１から揚泥管５にスラリーＳを移送する場合を例示したが、スラリーＳよりも密度（比重）が大きい置換材料を集泥管１に供給することによって集泥管１内のスラリーＳを揚泥管５に押し上げてもよい。

【0028】

また、上記実施形態においては、水深５０００ｍを超える深海の海底下からレアアース泥を回収する場合を例示したが、これよりも浅い海域（例えば、水深１０００～３０００ｍ又は３０００～５０００ｍ）に本発明を適用してもよい。

【符号の説明】

【0029】

１…集泥管、１ａ…円筒部、１ｂ…上板、１ｃ…開口、１ｄ…ノズル、３…攪拌装置、３ａ…ドリルパイプ、３ｂ…ブレード、５…揚泥管、５ａ…アニュラス部、７…流路切替機構、７ａ…アニュラス封鎖機構、７ｂ…ドリルパイプ封鎖バルブ、７ｃ…シャッタ機構、９…サブシーポンプ（ポンプ）、１０…回収システム、Ｃ…凹地、Ｆ…海底、Ｌ…層、Ｌ１…ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】