黄鉄鉱の用途（工業）硫酸製造から研磨材と鋳造利用

黄鉄鉱の工業用途

黄鉄鉱の硫酸製造における利用

 

黄鉄鉱は化学式FeS₂で表される硫化鉱物であり、硫酸製造における重要な原料として工業界で長年利用されてきました。接触法と呼ばれる工業的製法では、黄鉄鉱を空気中で焙焼（加熱）すると二酸化硫黄（SO₂）が発生し、これを触媒を用いて酸化させて三酸化硫黄（SO₃）とし、最終的に濃硫酸に変換します。硫酸は肥料製造、化学薬品製造、電池製造など幅広い分野で使用される重要な工業用化学物質であり、黄鉄鉱由来の硫酸は信頼性の高い硫黄源として需要が高まっています。

 

参考）黄鉄鉱の 6 つの工業用途は何ですか?
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黄鉄鉱から硫酸を製造する際の反応式は、まず黄鉄鉱を燃焼させて「4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂」という反応で二酸化硫黄を得ます。次に、バナジウム触媒（V₂O₅）の存在下で「2SO₂ + O₂ → 2SO₃」の反応により三酸化硫黄を生成し、これを濃硫酸に吸収させて発煙硫酸とし、希硫酸に溶かすことで最終的に濃硫酸を得ます。このプロセスは環境への配慮から、二酸化硫黄の回収とリサイクルを行う閉ループシステムを実装することで、炭素排出量を大幅に削減できるよう進化しています。

 

参考）https://www.marketresearchintellect.com/ja/blog/pyrite-ore-derived-sulfuric-acid-revolutionizing-the-industrial-landscape/
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農業分野では、黄鉄鉱由来の硫酸が肥料製造の支配的な市場であり続けています。硫酸は土壌の硫黄欠乏症に対処できる信頼できる硫黄源であり、作物の収量を高めるための肥料の必要性が高まる中、農業部門にとって貴重な資産となっています。また、金属抽出と精製においても硫酸の需要が急増しており、特に銅と亜鉛の浸出プロセスにおいて黄鉄鉱由来の硫酸は効率的で経済的な代替品として機能しています。​

黄鉄鉱の研磨材・樹脂砥石での活用

黄鉄鉱は樹脂結合型研削砥石の充填材として近年注目を集めており、その硬度と特殊な物理的性質が研削工具の性能向上に大きく貢献しています。黄鉄鉱の主成分である二硫化鉄（FeS₂）はモース硬度6～6.5を有し、優れた研磨材としての特性を持ちます。研削工程では砥石と被加工材料が激しい摩擦を起こし大量の熱が発生しますが、黄鉄鉱を添加することで研削温度を20%から30%下げることができます。

 

参考）樹脂結合研削砥石用黄鉄鉱 - RunLong
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黄鉄鉱の特殊な結晶構造と熱伝導性により、研削領域から熱をより速く伝導し、研削砥石内部の局所的な熱蓄積を防ぐことができます。これにより、研削砥石の構造安定性が維持されるだけでなく、熱応力による研削砥石の割れなどの問題も軽減され、研削砥石の寿命が延びます。実用化事例では、黄鉄鉱を添加した研削砥石の寿命は、添加していない研削砥石に比べて1～2倍長くなることが示されています。

 

参考）研削砥石製造材料の嵐：黄鉄鉱の「王座」は揺るがされるか？ -…
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レール研削の分野において、黄鉄鉱を15%～20%含む研削ホイールは長期にわたる実際の研削作業で優れた性能を発揮し、レール表面を効果的に研削して摩耗や亀裂などの欠陥を除去できました。さらに、黄鉄鉱の効果により研削ホイールは高温高圧の研削環境下でも良好な安定性を維持し、摩耗率が低いため研削ホイールの交換頻度が大幅に削減され、研削作業の効率と経済性が向上しています。樹脂砥石の製造において黄鉄鉱は金属加工などの分野で広く使用される重要な研削工具の原料の一つとなっています。​

黄鉄鉱の鋳造工場での実践的応用

鋳造工場では黄鉄鉱の塊が燃料や還元剤などのさまざまな目的に使用され、高品質の鋳物や合金の製造に重要な役割を果たしています。黄鉄鉱は約46%の鉄分を含んでおり、乾式冶金と呼ばれるプロセスで鉄を抽出することができます。乾式冶金では、黄鉄鉱をコークスやその他の添加剤とともに炉で加熱して溶融鉄を生成し、その後精錬して鋼鉄にします。

 

参考）黄鉄鉱石の工業用途 - RunLong
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鋳造用途において黄鉄鉱は快削鋼の製造にも利用されています。金属加工業界では快削鋼の製造に高品質の原材料が必要とされますが、黄鉄鉱塊はその特有の化学的および物理的特性により、自由加工鋼生産の重要な成分となっています。黄鉄鉱の化学組成と構造は、鋳造プロセスにおいて温度制御や化学反応の調整に寄与し、最終製品の品質向上につながります。

 

参考）黄鉄鉱塊の製造と加工技術 - RunLong
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黄鉄鉱の塊は採掘、鉱物処理、鉱石粉砕のステップを経て製造されます。地質調査によって鉱床の位置を決定した後、露天掘りまたは地下採掘によって鉱石を取得し、鉱物処理技術によって鉱石内の有用な成分を分離します。最終的に鉱石粉砕などのプロセスを経て、鉱石は黄鉄鉱ブロックに加工され、鋳造工場での使用に適した形状となります。この製造プロセスにより、黄鉄鉱は鉄と硫黄を含む鉱石として冶金、化学工業、建材などの分野で重要な役割を果たす鉱物資源となっています。​

黄鉄鉱の金属リサイクル産業における役割

黄鉄鉱微粒子は金属リサイクル業界で重要な役割を果たしており、特に銅と鉛の抽出と回収において製錬プロセス中の鉱石浮遊選鉱の重要な部分として使用されています。浮遊選鉱とは、鉱石を細かく粉砕した後に水と薬剤を加え、気泡に目的の鉱物を付着させて分離する技術ですが、黄鉄鉱粉末は浮選剤や調整剤として機能し、銅や鉛などの有価金属の回収率を向上させます。​
金属精製における黄鉄鉱の需要は特に銅と亜鉛の場合において急増しています。黄鉄鉱由来の硫酸は、これらの金属を浸出させるための効率的で経済的な代替品として機能します。鉱業会社が抽出プロセスを最適化することを目指す中、黄鉄鉱鉱石由来の硫酸は一貫した硫黄供給とコストメリットを提供し、金属精製における人気を高めています。この応用により、鉱業会社は黄鉄鉱源から硫酸を確保するための投資を増やしています。​
黄鉄鉱は豊富で安価な材料であり、鉄分含有量が高いという特徴を持っています。多用途なアプリケーションが可能で、貴重な硫黄源としても機能し、耐久性と耐腐食性に優れています。さらに、環境にやさしい特性を持ち、新たな用途の可能性も秘めています。金属リサイクル産業において黄鉄鉱は、持続可能性、経済的実行可能性、廃棄物管理の利点を提供し、資源効率と環境責任のグローバルな目標と一致する重要な鉱物資源となっています。​

黄鉄鉱の新技術分野への展開と将来性

黄鉄鉱は従来の工業用途から脱却し、新技術分野への展開が進んでいます。特に注目されているのが太陽電池への応用です。黄鉄鉱は化学式FeS₂で表され、バンドギャップ0.95eVを有し、1～2.5eVの範囲で吸収係数が6×10⁵cm⁻¹に達する強い光吸収遷移を示します。この特性により、黄鉄鉱は太陽発電用の材料として利用する研究が進められており、工業的価値が見直されようとしています。

 

参考）https://www.pref.tottori.lg.jp/secure/1392646/Geofield49.pdf
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2009年5月にはスウェーデンの自動車メーカーが開発したQuantaという自動車が黄鉄鉱太陽電池を搭載していることで話題になりました。集光型黄鉄鉱太陽電池は50％の変換効率が得られると報道されていますが、詳細については現在も研究が続けられています。黄鉄鉱はありふれた金色の石であり、この金色の原因は強い光吸収遷移によるものです。半導体材料として使用する黄鉄鉱には、合成して生産することも可能な天然材料であるという利点があり、製造コストを一定レベルに保ちながら効率レベルを高めることができます。

 

参考）https://home.sato-gallery.com/research/solar_kihon/Chap7_2proof.pdf
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装飾分野では、黄鉄鉱は装飾床材の製造に広く使用されています。耐摩耗性と美観により、床材の中で人気のある選択肢の一つとなっています。また、コーティングおよび研磨材産業における黄鉄鉱の革新的な用途も開発されており、伝統的な冶金、鉄鋼、鋳造産業だけでなく、コーティングおよび研磨材産業における応用も拡大しています。黄鉄鉱は多くの産業分野をカバーし、その硬度、耐摩耗性、化学的特性により、多くの工業プロセスで不可欠な原料となっています。

 

参考）コーティングおよび研磨剤業界における黄鉄鉱の革新的な用途 -…
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環境への配慮から、産業界は黄鉄鉱に由来する硫酸のより環境に優しい生産方法を調査しています。研究者は有害な排出量を最小限に抑える環境に優しい抽出プロセスを開発しており、黄鉄鉱の焙煎中に放出される二酸化硫黄のキャプチャとリサイクルを含む閉ループシステムの実装により、企業は硫酸需要を満たしながら炭素排出量を大幅に削減できます。このように黄鉄鉱は持続可能性、革新、効率を促進することにより産業を変革し、世界的に産業景観で重要な役割を果たす態勢が整っています。​

 

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