この記事で分かること

レアアースの代替技術：流動接触分解でのレアアースフリー化

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はランタンの用途の一つである流動接触分解触媒に関する記事でしたが、今回は流動接触触媒でのレアアースフリー化に関する記事となります。

流動接触分解触媒でのレアアースフリー化の方法

　流動接触分解（FCC）触媒において、ランタンなどのレアアース（希土類）は高温・水蒸気に対する耐久性を維持するために不可欠とされてきましたが, 価格高騰や供給リスクへの懸念から、レアアースの使用量を削減（ロー・レアアース化）したり、完全にフリー（代替）にしたりする技術の開発が進められています。

1. リン（P）修飾技術による代替

• ランタンの代わりにリン化合物をゼオライトに導入する手法です。リンがゼオライトの骨格（アルミニウム周辺）と強固に結合し、高温・水蒸気環境下でのアルミの脱離や構造崩壊を防ぐ「保護」の役割を果たします。これにより、ランタンに依存せずに耐熱性を確保する試みが行われています。

2. 高度な超安定化（USY化）と高ケイ素化

• レアアースに頼らず、特殊な熱水処理や酸処理を組み合わせてゼオライト骨格中のケイ素比率（Si/Al比）を高める手法です。骨格自体を本質的に頑丈にすることで、ランタンによるアンカー効果がなくても過酷な再生塔の熱に耐えられる構造を作り上げます。

3. マトリックスおよびバインダーの改良

• ゼオライト粒子を支える周辺のマトリックス（母材）やバインダー自体の耐熱性・耐メタル汚染性を高めることで、触媒全体としての耐久性を維持し、高価なレアアースの添加量を全体的に減らす設計が進められています。

4. 使用済み（廃）FCC触媒からのリサイクル

• 完全にレアアースフリーにするアプローチと並行して、プラントから排出される使用済みFCC触媒から、ランタンなどのレアアースを高効率で回収・精製し、再び触媒原料として循環させるサーキュラーエコノミー（資源循環）の技術開発も活発に行われています。

なぜリン化合物で構造強化できるのか

　リン化合物（リン酸など）がゼオライト触媒の構造を強化できるのは、アルミニウムと結合して熱や水蒸気に強い「保護ネットワーク」を形成するためです。

　ランタンと同様にゼオライトを保護する役割を果たしますが、その仕組みには以下のような違いと特徴があります。

1. アルミとの強固な結合（安定な化合物の形成）

• リンは、ゼオライトの骨格から抜け出しやすいアルミニウムと反応し、熱的に極めて安定した化学結合（Al-O-P結合やリン酸アルミニウム様種）を形成します。これが骨格を支える強固な「ストッパー」として機能します。

2. 水蒸気（熱水）からのブロック効果

• FCCの再生塔における高温・高水蒸気環境では、水分子がゼオライトの結合（Si-O-Al）を攻撃して破壊（脱アルミニウム）させます。リン化合物がその周辺を覆うことで、水分子が近寄るのを物理的・化学的にブロックします。

3. 酸性質の適正化とメタル耐性

• リンを導入することで、触媒表面の強すぎる酸点が適度に緩和され、重質油の分解時に不要なコーク（炭素かす）の析出が抑えられます。また、原油に含まれる重金属（ニッケルやバナジウムなど）が触媒を破壊するのを和らげる効果もあります。

リン修飾触媒のメリット、デメリットは何か

　リン修飾触媒と従来のランタン添加触媒を、コスト、プロピレン収率、ガソリン収率の観点から比較すると、メリットとトレードオフ（デメリット）が存在します。

1. コストの観点

• メリット（リン修飾の圧倒的優位性）
  • リン化合物（リン酸やリン酸アンモニウムなど）は、工業用の安価な汎用化学品であり、資源としての供給リスクもほぼありません。これに対し、ランタンなどのレアアースは価格変動が激しく地政学的リスクを伴うため、リン修飾への転換は原料コストの劇的な削減とサプライチェーンの安定化に直結します。
• デメリット・課題
  • リン修飾を均一かつ精緻に行うための製造プロセスや、触媒の活性バランスを最適化するための開発コストがかかる場合があります。

2. プロピレン収率の観点

• メリット（リン修飾の大きな強み）
  • リン修飾触媒は、ゼオライト表面の「強酸点」を適度に緩和し、オレフィンをパラフィンに変えてしまう好ましくない副反応（水素移行反応）を抑制する効果があります。この働きにより、石油化学の基礎原料であるプロピレンやブチレンなどの軽質オレフィンの収率を大きく高めることができます。近年の「リファイナリー・ペトロ化学インテグレーション（重油から直接化学品を多く作る動き）」において、非常に有利な特性です。
• デメリット
  • ランタン添加触媒はプロピレン特化型というよりもガソリンの最大化や耐久性維持を主目的とするため、プロピレン収率の面ではリン修飾の方が設計の自由度が高い傾向にあります。

3. ガソリン収率の観点

• メリット（ランタン添加の安定性）
  • 従来のランタン添加触媒は、過酷な再生塔環境でもゼオライトの結晶構造と酸性質を長期間安定して維持できるため、高品質な高オクタン価ガソリンを長期間、高収率で安定生産することに優れています。
• デメリット（リン修飾のトレードオフ）
  • リン修飾によって酸性質が大きく変化すると、重質油の分解パターンが変わり、ガソリン留分が過剰に分解されて軽いガス（C1〜C2）やコークが増加し、ガソリンの収率やオクタン価が低下するリスクがあります。そのため、リンの添加量やゼオライトのケイ素比率をミリグラム単位で精密にコントロールする高度な技術が求められます。