JP2012057230A - マグネシウム回収方法及びマグネシウム回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境への負担が少なく、海水からマグネシウムを回収するマグネシウム回収方法及びマグネシウム回収装置を提供する。
【解決手段】海水７を電解し、海水電解により生成されたアノード電解水７ａとカソード電解水７ｂとを分離し、前記アノード電解水にアルカリ材を投入してｐＨ調整し、前記カソード電解水中にマグネシウムを水酸化マグネシウムとして析出させて回収し、ｐＨ調整後のアノード電解水と水酸化マグネシウム回収後のカソード電解水とを合流させ、海水と同等のｐＨとして放流する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海水の電気分解により海水中からマグネシウムを回収する方法、及びその装置に関するものである。

近年、比強度の高いマグネシウムは次世代の構造材として注目され、今後需要が増大していくと予想されている。我国ではマグネシウムは殆どが輸入に頼っており、将来共に安定した供給を確保する為には、マグネシウムの輸入以外の調達方法の確立も望まれる。

周知の様に、マグネシウムは鉱物として存在すると共に海水にも含まれている。従って、海洋に恵まれる我国に於いて、海水からマグネシウムを回収できれば、マグネシウムの安定供給に大きく寄与する。一方、海水からマグネシウムを大量に回収した場合、海水の組成を変化させる等環境に負荷を掛ける可能性があり、海水からのマグネシウム回収は、環境に負担を掛けることなく行わなければならない。

尚、特許文献１には、海水から淡水と塩素ガスと水酸化マグネシウムを得る電解槽が示されており、特許文献２には海洋深層水のｐＨを電気分解、又はアルカリを添加させてｐＨを上昇させ、Ｍｇ、Ｃａ等の水酸化物を析出させ、沈殿物として回収する方法が示されている。

特開昭５１−７７５８６号公報 特開２００７−１６７７８６号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、環境に負担を掛けることなく、海水からマグネシウムの回収が行えるマグネシウム回収方法及びマグネシウム回収装置を提供するものである。

本発明は、海水を電解し、海水電解により生成されたアノード電解水とカソード電解水とを分離し、前記アノード電解水にアルカリ材を投入してｐＨ調整し、前記カソード電解水中にマグネシウムを水酸化マグネシウムとして析出させて回収し、ｐＨ調整後のアノード電解水と水酸化マグネシウム回収後のカソード電解水とを合流させ、海水と同等のｐＨとして放流するマグネシウム回収方法に係るものである。

又本発明は、前記アルカリ材は廃コンクリートである、マグネシウム回収方法に係り、又アノード側電極に溶解性金属である鉄を使用し、海水電解過程で鉄イオンをアノード電解水に溶解させるマグネシウム回収方法に係るものである。

又本発明は、アノードとカソードとを有する電解槽と、該電解槽の内部を、前記アノードを含むアノード側領域と前記カソードを含むカソード側領域とに仕切る隔膜と、前記アノード側領域で生成されたアノード電解水を貯溜する第１処理槽と、前記カソード側領域で生成されたカソード電解水を貯溜する第２処理槽と、前記アノード、カソードに電力を供給する電源装置と、前記第１処理槽にアルカリ材を投入するアルカリ材投入装置と、前記第２処理槽に沈殿した水酸化マグネシウムを回収する回収手段とを具備し、前記第１処理槽からの排水と前記第２処理槽からの排水とを合流し、ｐＨが海水のｐＨと同等として放流する様にしたマグネシウム回収装置に係るものである。

又本発明は、前記電源装置は、太陽電池、燃料電池、風力発電機、波力発電機、海洋温度差発電装置、太陽熱発電装置の少なくとも１つを有するマグネシウム回収装置に係り、又前記電源装置は、前記カソード側で発生した水素ガスと前記アノード側で発生した酸素ガスを使用する燃料電池を含むマグネシウム回収装置に係り、又前記投入するアルカリ材は、廃コンクリートであるマグネシウム回収装置に係り、更に又前記アノードは、消耗電極としての鉄を含み、前記消耗電極は鉄イオンを溶解するマグネシウム回収装置に係るものである。

本発明によれば、海水を電解し、海水電解により生成されたアノード電解水とカソード電解水とを分離し、前記アノード電解水にアルカリ材を投入してｐＨ調整し、前記カソード電解水中にマグネシウムを水酸化マグネシウムとして析出させて回収し、ｐＨ調整後のアノード電解水と水酸化マグネシウム回収後のカソード電解水とを合流させ、海水と同等のｐＨとして放流するので、環境に負担を掛けることなく海水からマグネシウムを回収できる。

又本発明によれば、前記アルカリ材は廃コンクリートであるので、産業廃棄物の処理を併せて行うことができる。

又本発明によれば、アノード側電極に溶解性金属である鉄を使用し、海水電解過程で鉄イオンをアノード電解水に溶解させるので、植物プランクトンの栄養素である鉄イオンが海中に供給され、植物プランクトンの繁殖を促進し、植物プランクトンによる炭酸ガスの固定化が図れる。

又本発明によれば、アノードとカソードとを有する電解槽と、該電解槽の内部を、前記アノードを含むアノード側領域と前記カソードを含むカソード側領域とに仕切る隔膜と、前記アノード側領域で生成されたアノード電解水を貯溜する第１処理槽と、前記カソード側領域で生成されたカソード電解水を貯溜する第２処理槽と、前記アノード、カソードに電力を供給する電源装置と、前記第１処理槽にアルカリ材を投入するアルカリ材投入装置と、前記第２処理槽に沈殿した水酸化マグネシウムを回収する回収手段とを具備し、前記第１処理槽からの排水と前記第２処理槽からの排水とを合流し、ｐＨが海水のｐＨと同等として放流する様にしたので、環境に負担を掛けることなく海水からマグネシウムを回収できる。

又本発明によれば、前記電源装置は、太陽電池、燃料電池、風力発電機、波力発電機、海洋温度差発電装置、太陽熱発電装置の少なくとも１つを有するので、環境に負担を掛けることなく、マグネシウムの回収が可能となる。

又本発明によれば、前記電源装置は、前記カソード側で発生した水素ガスと前記アノード側で発生した酸素ガスを使用する燃料電池を含むので、海水電解に消費した電力の一部が再び海水電解に使用され、省エネルギ化が図れる。

又本発明によれば、前記投入するアルカリ材は、廃コンクリートであるので、産業廃棄物である廃コンクリートの処理を併せて行うことができる。

又本発明によれば、前記アノードは、消耗電極としての鉄を含み、前記消耗電極は鉄イオンを溶解するので、植物プランクトンの栄養素である鉄イオンが海中に供給され、植物プランクトンの繁殖を促進し、植物プランクトンによる炭酸ガスの固定化が図れるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例の概念図である。 本実施例に於けるカソード電流密度とＣａＣＯ₃ 及びＭｇ（ＯＨ）₂ の析出比率を示すグラフである。 本発明の実施例に於ける物質収支を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るマグネシウム回収装置を示す概略ブロック図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例の原理を説明する。

図１中、１は電解槽、２は第１処理槽、３は第２処理槽を示している。

前記電解槽１は、耐腐食性材料、例えばステンレス鋼製の電解処理容器４を有し、該電解処理容器４は上流端に流入口５、下流端に流出口６を有し、前記流入口５から流入した海水７が前記電解処理容器４の内部を一様に流れて前記流出口６から流出する様になっている。

前記海水７の流れを形成する手段としては、種々の手段が採用される。例えば、前記電解処理容器４を水中に没し、海流を利用し、内部を流通させてもよく、或は前記流入口５にスクリュー等を設け、該スクリューをモータで回転する等して水流を形成してもよく、或は、ポンプ等により海水７を取水し、前記流入口５に供給する様にしてもよい。

前記電解処理容器４の内部には、海水の流れ方向に沿って隔膜８が設けられ、該隔膜８は前記電解処理容器４の内部を２つに仕切り、前記電解処理容器４内には前記隔膜８によって分離された海水７の流れが形成される様になっている。

前記隔膜８は電流を通し、分離された流れが混合しない様な、又は混合することを抑制する材質、構造のものが用いられる。例えば、タイル状の素焼の板を敷き並べたもの、或は合成樹脂製の多孔質シート等が用いられる。

前記隔膜８により前記電解処理容器４内部を仕切る態様は、上下に仕切る、左右に仕切る、同心円状に仕切る等種々考えられるが、以下は、前記電解処理容器４内部が前記隔膜８によって上下に仕切られた場合を説明する。

前記電解処理容器４の上壁面に沿って＋電極（アノード）９を設け、下壁面に沿って−電極（カソード）１１を設け、前記アノード９、前記カソード１１を電源装置１２のそれぞれ＋極、−極に接続する。従って、前記隔膜８により前記電解処理容器４内が仕切られることで、前記電解処理容器４内にアノード側領域９ａとカソード側領域１１ａが形成される。

前記電源装置１２の電力供給源は任意であるが、太陽光発電、風力発電、波力発電、海洋温度差発電、太陽熱発電等自然エネルギを利用した電力供給源、或は排出物が無害である燃料電池であることが好ましい。又、太陽光発電、風力発電、波力発電、海洋温度差発電、太陽熱発電、燃料電池等の２以上を電力供給源とした複合装置が用いられてもよい。更に、発電所から電力の供給が受けられる場合は、夜間の余剰電力を利用する様にしてもよい。

前記アノード９としては、チタン等の不溶性金属の網目状或は多孔板のバケット（消耗電極収納容器）に溶解製金属を消耗電極材１３として投入したものが用いられる。尚、投入する消耗電極材１３として、鉄が好ましい。鉄は廃材として容易に入手し得、溶解した鉄イオンは、植物プランクトンが繁殖する為の栄養素であり、鉄イオンが供給されることで、植物プランクトンが繁殖し、植物プランクトンによる炭酸ガス固定化も期待できる。

前記カソード１１には、チタンに白金メッキしたもの等が用いられる。又、前記カソード１１の近傍、或はカソード１１に対向して水素回収装置１４が設けられ、該水素回収装置１４はカソード１１側で発生した水素ガスを回収する。前記アノード９側（アノード側領域９ａ）を流通した海水（アノード電解水７ａ）は、前記第１処理槽２に導かれ、前記カソード１１側（カソード側領域１１ａ）を流通した海水（カソード電解水７ｂ）は、前記第２処理槽３に導かれる。

前記第１処理槽２は、廃コンクリート投入装置１５を有しており、該廃コンクリート投入装置１５により廃棄物であるコンクリートが前記第１処理槽２内に投入される様になっている。尚、投入する廃コンクリートは、粉砕され表面積が大きくなったものが好ましく、更に、砂、石等の骨材が除去されたものであれば、尚好ましい。

前記第２処理槽３には、前記海水７で回収された水素ガスが燃料電池の還元剤として供給される様になっている。又、前記第２処理槽３では、析出したＭｇ（ＯＨ）₂ を沈殿させ、沈殿したＭｇ（ＯＨ）₂ を回収する様になっている。前記第１処理槽２から流出するアノード電解水７ａ、前記第２処理槽３から流出するカソード電解水７ｂは合流され、ｐＨが調整された後、海中に放流される。

以下、本実施例の作用について説明する。

前記アノード９、前記カソード１１間に電圧を印加し、前記アノード９、前記カソード１１間に通電させることで、海水の電気分解が起り、カソード１１側で主として下記（１）及び（２）式の反応が起る。

Ｈ₂ Ｏ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- →２ＯＨ^- （１）
２Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^- →２ＯＨ^- ＋Ｈ₂ （２）

従って、ＯＨ^- （水酸イオン）が発生する為、カソード側では海水（以下カソード電解水７ｂと称す）のｐＨが上昇し、図２で示す様に、ＣａＣＯ₃ 及びＭｇ（ＯＨ）₂ が生成する。又、カソード１１の単位面積当りの通電量をカソード電流密度Ｄｋ（Ａ／ｍ² ）とすると、カソード電流密度ＤｋとＣａＣＯ₃ 及びＭｇ（ＯＨ）₂ の析出比率は、図２に示される様になり、カソード電流密度Ｄｋが高くなると、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の析出比が大きくなり、又カソード電流密度Ｄｋが２（Ａ／ｍ² ）を超えたところで、ほぼ１００％となる。尚、カソード電流密度Ｄｋが２（Ａ／ｍ² ）迄は、ＣａＣＯ₃ についてはその比率が漸次減少、Ｍｇ（ＯＨ）₂ についてはその比率が漸次増大であるので、カソード電流密度Ｄｋをコントロールすることで、ＣａＣＯ₃ 及びＭｇ（ＯＨ）₂ の析出比率のコントロール、或はＣａＣＯ₃ 及びＭｇ（ＯＨ）₂ の選択的な析出が可能となる。

従って、カソード電流密度Ｄｋを高く設定して電気分解を行うことで、即ち図２によれば、カソード電流密度Ｄｋを２［Ａ／ｍ² ］以上で海水の電気分解を行うことで、析出されるものの殆どを略Ｍｇ（ＯＨ）₂ とすることができる。

前記カソード電解水７ｂはＭｇ（ＯＨ）₂ を析出した状態として、前記第２処理槽３に貯溜される。析出したＭｇ（ＯＨ）₂ は該第２処理槽３で沈殿し、沈殿物は沈殿物回収手段１６により回収される。

上記海水電解の過程で、前記アノード９側には酸素ガスが発生し、前記カソード１１側では水素ガスが発生する。発生した水素ガスは前記水素回収装置１４で回収され、前記電源装置１２に燃料電池が用いられている場合、燃料電池に還元剤として供給される。

次に、前記アノード９側に、前記消耗電極材１３として鉄を用いた場合、以下の反応が起り、鉄が溶解する。更に、鉄イオンの加水分解により、水酸化第１鉄が生じると共にＨ⁺ が生成するので、アノード９側の海水（以下アノード電解水７ａと称す）のｐＨが低下する。

Ｆｅ→Ｆｅ²⁺＋２ｅ^- （４）
Ｆｅ²⁺＋２Ｈ₂ Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）₂ ＋２Ｈ⁺ （５）

前記第１処理槽２に流入するアノード電解水７ａは前記２Ｈ⁺ により酸性となっている。前記第１処理槽２に廃コンクリート（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）が投入され、下式の通り該廃コンクリートにより酸性海水が中和される。
Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋２Ｈ⁺ →Ｃａ²⁺＋２Ｈ₂ Ｏ （６）

尚、アノード９に不溶解性の金属を使用した場合、或は高電流密度で海水の電気分解を行うと、塩素Ｃｌ₂ が発生し、Ｃｌ₂ の発生に伴い、ＨＣｌ、ＨＣｌＯが発生する。ＨＣｌは強酸性であり、又ＨＣｌＯは生物に有害な物質である為、なるべくＨＣｌ、ＨＣｌＯの発生を抑制する様な電流密度で電気分解する。然し、上記した様に、アノード電解水７ａには、廃コンクリート（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）が投入されるので、

Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋ＨＣｌ→ＣａＣｌ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ （７）
の反応により中和される。

而して、前記第１処理槽２で中和処理されたアノード電解水７ａが前記第２処理槽３から放流されるカソード電解水７ｂと合流され、海中に放流される。尚、前記アノード電解水７ａに溶解させるコンクリートの量を制御することで、合流後のｐＨが８．０程度、即ち海水のｐＨと同等となる様に調整される。

従って、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の回収を連続的に行え、而も固定処理過程で廃コンクリートを使用するので、産業廃棄物の処理を並行して行える。更にＭｇ（ＯＨ）₂ 回収後に放流される海水は、自然の海水のｐＨと同等であるので、環境に負担を掛けることがない。又、電気分解の過程で溶解した鉄イオンは、植物プランクトンを繁殖させるので、炭酸ガスの固定にも寄与する。

上記した様に、海水電解の過程で、前記アノード９側には酸素ガスが発生し、前記カソード１１側では水素ガスが発生する。前記電源装置１２に燃料電池が用いられている場合は、前記酸素ガス及び水素ガスは燃料電池に供給され、発電の燃料とされる。

次に、図３を参照して、上記実施例に於ける物質の収支例について説明する。尚、図３中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

前記カソード電流密度Ｄｋを変化させることで、電解反応が変化し、前記カソード電流密度Ｄｋを増大させることで、電解反応が促進される。従って、前記カソード電流密度Ｄｋを制御することで、Ｍｇ（ＯＨ）₂ 回収処理過程に於ける、前記アノード９側及び前記カソード１１側でのｐＨの制御が可能となる。

先ず電解により、カソード電解水７ｂのｐＨは１０〜１１程度とし、海水中のＣａ²⁺及びＭｇ²⁺を全て沈殿させる。この時アノード電解水７ａのｐＨは３〜４程度とする。尚、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の回収を効率よく行う為に、カソード電流密度Ｄｋを２［Ａ／ｍ² ］以上とする。

又、前記第２処理槽３で沈殿したＭｇ（ＯＨ）₂ の回収を行う。前記第２処理槽３から流出するカソード電解水７ｂのｐＨは１０〜１１程度となる。前記第１処理槽２では廃コンクリートが投入され、前記第１処理槽２から流出するアノード電解水７ａのｐＨが４〜５程度となる様に調整する。尚、流出するアノード電解水７ａのｐＨは一例であり、アノード電解水７ａ、カソード電解水７ｂを合流させた場合にｐＨが８．０〜８．２となる様に前記廃コンクリートの投入量を調整する。而して、放流される排水のｐＨを８．０〜８．２とすることで、海水の物理特性を変化させることなく放流しつつ、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の回収が行え、而も環境に負荷を掛けることがない。

回収されたＭｇ（ＯＨ）₂ を精錬することで、Ｍｇ地金を生産することができる。

尚上記実施例では、アノード電解水７ａの中和剤として、廃コンクリートを使用したが、火力発電所で発生した石炭灰等、アルカリ性を有する廃棄物であればよい。

上記実施例では、前記電解槽１内に海水を流動させつつ海水電解を行ったが、前記流入口５、前記流出口６にそれぞれ開閉弁を設け、海水電解を前記流入口５、前記流出口６を閉じた状態で行い、電解処理後は前記電解槽１内の海水を入替えるバッチ式としてもよい。

図４は、本発明の実施例に係るＭｇ（ＯＨ）₂ 回収装置の概略を示している。

尚、図４中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。又、図４で示す実施例では、発電源として燃料電池１８を示している。

前記電解槽１の水素回収装置１４側で発生する水素ガスを回収し、前記燃料電池１８に供給する水素ガス回収ライン２１が設けられると共に前記電解槽１のアノード９側で発生する酸素ガスを回収し、前記燃料電池１８に供給する酸素ガス回収ライン２２が設けられる。前記水素ガス回収ライン２１、前記酸素ガス回収ライン２２はそれぞれガス流量調整ブロワ２３，２４を有しており、前記燃料電池１８に供給する酸素ガス、水素ガスの流量を調整する。

前記燃料電池１８で発電された電力は、前記電源装置１２で蓄電され、蓄電した電力は、前記カソード１１に於いて所定のカソード電流密度Ｄｋとなる様に、電力の供給を制御する。尚、前記燃料電池１８の発電量で不足する電力については、太陽光発電による電力、或は風力発電、或は波力発電による電力、或は発電所からの電力によって補充される。

前記電解槽１には海水供給ライン２５が接続され、又廃コンクリート槽２６（第１処理槽２に相当）、回収槽２７（第２処理槽３に相当）が接続される。

前記廃コンクリート槽２６にはアノード電解水７ａである酸性水が供給され、前記廃コンクリート槽２６には廃コンクリートが投入され、ｐＨが調整されて排出される。

前記回収槽２７には、Ｍｇ（ＯＨ）₂ を含むカソード電解水７ｂであるアルカリ水が供給される。前記回収槽２７で沈殿したＭｇ（ＯＨ）₂ が回収され、該Ｍｇ（ＯＨ）₂ が除去されたカソード電解水７ｂ（アルカリ水）が前記回収槽２７より排出される。

前記廃コンクリート槽２６から排出された酸性水及び前記回収槽２７から排出されたアルカリ水は合流された後、回収装置から海洋に排出される。酸性水及びアルカリ水が合流されることで、ｐＨ調整され、最終的に回収装置から放流される状態では、海水が持つｐＨと同等となり、環境に負荷を掛けることはない。

尚、図４中、３１は海水を前記電解槽１に送給するポンプ、３２はカソード電解水７ｂを前記回収槽２７に送給するポンプ、３３は前記廃コンクリート槽２６から排水する為のポンプ、３４は前記回収槽２７から排水する為のポンプをそれぞれ示している。

１ 電解槽
２ 第１処理槽
３ 第２処理槽
４ 電解処理容器
５ 流入口
７ 海水
７ａ アノード電解水
７ｂ カソード電解水
８ 隔膜
９ アノード
９ａ アノード側領域
１１ カソード
１１ａ カソード側領域
１２ 電源装置
１３ 消耗電極材
１４ 水素回収装置
１５ 廃コンクリート投入装置
１６ 沈殿物回収手段
１８ 燃料電池
２１ 水素ガス回収ライン
２２ 酸素ガス回収ライン
２６ 廃コンクリート槽
２７ 回収槽

Claims (8)

1. 海水を電解し、海水電解により生成されたアノード電解水とカソード電解水とを分離し、前記アノード電解水にアルカリ材を投入してｐＨ調整し、前記カソード電解水中にマグネシウムを水酸化マグネシウムとして析出させて回収し、ｐＨ調整後のアノード電解水と水酸化マグネシウム回収後のカソード電解水とを合流させ、海水と同等のｐＨとして放流することを特徴とするマグネシウム回収方法。
2. 前記アルカリ材は廃コンクリートである請求項１のマグネシウム回収方法。
3. アノード側電極に溶解性金属である鉄を使用し、海水電解過程で鉄イオンをアノード電解水に溶解させる請求項１のマグネシウム回収方法。
4. アノードとカソードとを有する電解槽と、該電解槽の内部を、前記アノードを含むアノード側領域と前記カソードを含むカソード側領域とに仕切る隔膜と、前記アノード側領域で生成されたアノード電解水を貯溜する第１処理槽と、前記カソード側領域で生成されたカソード電解水を貯溜する第２処理槽と、前記アノード、カソードに電力を供給する電源装置と、前記第１処理槽にアルカリ材を投入するアルカリ材投入装置と、前記第２処理槽に沈殿した水酸化マグネシウムを回収する回収手段とを具備し、前記第１処理槽からの排水と前記第２処理槽からの排水とを合流し、ｐＨが海水のｐＨと同等として放流する様にしたことを特徴とするマグネシウム回収装置。
5. 前記電源装置は、太陽電池、燃料電池、風力発電機、波力発電機、海洋温度差発電装置、太陽熱発電装置の少なくとも１つを有する請求項４のマグネシウム回収装置。
6. 前記電源装置は、前記カソード側で発生した水素ガスと前記アノード側で発生した酸素ガスを使用する燃料電池を含む請求項４のマグネシウム回収装置。
7. 前記投入するアルカリ材は、廃コンクリートである請求項４のマグネシウム回収装置。
8. 前記アノードは、消耗電極としての鉄を含み、前記消耗電極は鉄イオンを溶解する請求項４のマグネシウム回収装置。

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