JP2019141808A - リチウム同位体濃縮装置および多段式リチウム同位体濃縮装置、ならびにリチウム同位体濃縮方法 - Google Patents
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(リチウム同位体濃縮装置)
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置10は、処理槽1、電解質膜(リチウムイオン伝導性電解質膜)2、電解質膜2の各面に被覆した第1電極31と第2電極32(電極)、および電源装置5を備える。処理槽1は、電解質膜2によって、Li含有水溶液ASiを収容する供給槽(第1槽)11と、6Li回収用水溶液ASoを収容する回収槽(第2槽)12と、の2つに仕切られている。電源装置5は、直流電源を有し、電源の正(+)極が、供給槽11側に設けられた第1電極31に接続され、負(−)極が、回収槽12側に設けられた第2電極32に接続される。以下、本発明の実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置を構成する各要素について説明する。
本発明の第1実施形態に係るリチウム同位体濃縮方法について説明する。まず、図3を参照して、第1実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置によるリチウムイオンの電気透析について説明する。
第1実施形態においては、電解質膜の両面間に印加する電圧を一時停止して無印加状態にすることにより、電解質膜の表面からリチウムイオンを離脱させているが、完全に離脱させるまでに時間がかかるため、6Liの高濃縮化と生産性向上とを両立することが困難である。そこで、積極的にリチウムイオンを電解質膜から離脱させるために、以下の構成とした。以下、本発明の第2実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置およびリチウム同位体濃縮方法について、図7および図8を参照して説明する。第1実施形態(図1〜6参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
図7に示すように、本発明の第2実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置10Aは、処理槽1、電解質膜(リチウムイオン伝導性電解質膜)2、電解質膜2の各面に被覆した第1電極31と第2電極32(電極)、および電源装置5Aを備える。すなわち本実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置10Aは、第1実施形態に係るリチウム同位体濃縮装置10に対して、電源装置5に代えて電源装置5Aを備えた構成である。
本発明の第2実施形態に係るリチウム同位体濃縮方法について、図9A〜9Bを参照して説明する。正の電圧+V1を印加する順印加期間、および順印加期間におけるリチウムイオンの挙動は、第1実施形態と同様である(図4A〜4C、図5および図6参照)。
本発明に係るリチウム同位体濃縮装置10,10Aは、供給槽11内のLi含有水溶液ASiに対して6Li同位体比の高いLiを含有する水溶液(6Li回収用水溶液ASo)が回収槽12で得られる。そこで、このLi回収後の6Li回収用水溶液ASoを、空にした供給槽11に投入することにより、さらに6Li同位体比の高いLiを含有する水溶液が得られる。そこで、図10に示すように、リチウム同位体濃縮装置10の回収槽12を別のリチウム同位体濃縮装置10の供給槽11と一体化するように連結させたカスケード構造とすることにより、段階的に6Liを濃縮することができる。このような多段式リチウム同位体濃縮装置20は、処理槽1Aと、処理槽1Aを一方向に5つの槽11,12,13,14,15に仕切るように間隔を空けて平行に配置された4枚の電解質膜(リチウムイオン伝導性電解質膜)2と、電解質膜2のそれぞれの各面に被覆した第1電極31および第2電極32(電極)と、電源装置50と、を備える。電源装置50は、電解質膜2毎にその両面の電極31,32間に接続した第1実施形態の電源装置5を備え、隣り合う電源装置5の直流電源を直列に接続し、さらにすべてのスイッチング素子が連動する構成である。また、多段式リチウム同位体濃縮装置20においては、隣り合う2枚の電解質膜2の対向する側のそれぞれの面に設けられた第2電極32と第1電極31とが、導体で接続されて短絡している。その他各要素は、第1、第2実施形態で説明したとおりである。すなわち、多段式リチウム同位体濃縮装置20は、4台のリチウム同位体濃縮装置10を、それぞれの処理槽1を処理槽1Aに一体化するように連結した構造であり、隣り合う2台のリチウム同位体濃縮装置10,10の一方の回収槽12が他方の供給槽11と兼用になる。
リチウム同位体濃縮装置は、電解質膜として、50mm×50mm、厚さ0.5mmの板状のLa0.57Li0.29TiO3(リチウムイオン伝導性セラミックスLLTO、東邦チタニウム(株)製)を使用した。この電解質膜の両面のそれぞれの中央部に、第1電極および第2電極として、厚さ10μm、幅0.5mm、間隔0.5mmの格子状の電極を19.5mm×20.5mmの大きさに形成し、さらにこの電極に接続する、電源に接続するためのリード線を形成した。第1電極、第2電極、およびリード線は、Ptペーストを電解質膜の表面にスクリーン印刷し、大気中において900℃で1h焼成して形成した。電極等を形成した電解質膜を、アクリル板製の処理槽内に装着して供給槽と回収槽に仕切り、リチウム同位体濃縮装置とした。
20 多段式リチウム同位体濃縮装置
1,1A 処理槽
11 供給槽(第1槽)
12 回収槽(第2槽)
2 電解質膜(リチウムイオン伝導性電解質膜)
31 第1電極(電極)
32 第2電極(電極)
5,5A 電源装置
50 電源装置
ASi Li含有水溶液
ASo 6Li回収用水溶液
tED 順印加時間(順印加期間)
tRST 印加停止時間、逆印加時間(休止期間)
Claims (7)
- 第1槽と第2槽とに仕切られた処理槽を備え、前記第1槽に収容した、6Liと7Liとをリチウムイオンの状態で含有する水溶液から、前記水溶液よりも6Liの同位体比の高いリチウムイオンを含有する水溶液を前記第2槽で回収するリチウム同位体濃縮装置であって、
前記処理槽を仕切るリチウムイオン伝導性電解質膜と、前記リチウムイオン伝導性電解質膜の両面のそれぞれに接触させて設けられた多孔質構造の電極と、前記電極間に電圧を印加する電源装置と、を備え、
前記電源装置は、前記第1槽側の電極に、前記第2槽側の電極に対して正の電圧を間欠的に印加することを特徴とするリチウム同位体濃縮装置。 - 前記電源装置は、前記正の電圧を印加していない時に、前記第1槽側の電極に、前記第2槽側の電極に対して、前記正の電圧よりも電位差の小さな負の電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載のリチウム同位体濃縮装置。
- 前記電源装置は、前記正の電圧を印加している順印加期間と、前記正の電圧を印加していない休止期間と、を周期的に繰り返すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム同位体濃縮装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のリチウム同位体濃縮装置の2台以上を、前記処理槽が一体化されるように連結して備える多段式リチウム同位体濃縮装置であって、
前記リチウム同位体濃縮装置のそれぞれの前記リチウムイオン伝導性電解質膜は、一体化された前記処理槽を3槽以上に仕切るように、互いに離間して配置され、
隣り合う2台の前記リチウム同位体濃縮装置の一方の前記第2槽が他方の前記第1槽を兼ねていることを特徴とする多段式リチウム同位体濃縮装置。 - リチウムイオン伝導性電解質膜で第1槽と第2槽とに仕切られた処理槽において、前記第1槽に収容した、6Liと7Liとをリチウムイオンの状態で含有する水溶液から、前記水溶液よりも6Liの同位体比の高いリチウムイオンを含有する水溶液を前記第2槽で回収するリチウム同位体濃縮方法であって、
前記リチウムイオン伝導性電解質膜の両面のそれぞれに接触させて設けられた多孔質構造の電極の前記第1槽側に、前記第2槽側に対して正の電圧を間欠的に印加することを特徴とするリチウム同位体濃縮方法。 - 前記正の電圧を印加していない時に、前記第1槽側の電極に、前記第2槽側の電極に対して、前記正の電圧よりも電位差の小さな負の電圧を印加することを特徴とする請求項5に記載のリチウム同位体濃縮方法。
- 前記正の電圧を印加している順印加期間と、前記正の電圧を印加していない休止期間と、を周期的に繰り返すことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のリチウム同位体濃縮方法。
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