JP2020026574A - アルミニウムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的少ない電力で、フルオロカーボンを発生することなく、特殊な高耐食性部材を用いることなく、高度な乾燥状態が不要なアルミニウムの製造方法を提供する。【解決手段】塩化アルミニウム水溶液を電解液とし、不溶性電極を陽極とし、アルミニウムを陰極として、電気分解により陰極上にアルミニウムを電析させ、アルミニウムを製造することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気分解により金属アルミニウムを製造する方法に関する。

アルミニウムの製造は、通常、ホール・エルー法で行われている。氷晶石とフッ化ナトリウムを電解炉により約１０００°Ｃで融解させた浴に、酸化アルミニウムを５％程度入れて溶解させ、炭素陽極を用いて電気分解する方法である。

炭素熱還元法も検討されている。これは酸化アルミニウムを炭素とともに加熱還元し、金属アルミニウムを得ようとする方法であるが、アルミニウムの炭化物やオキシ炭化物が生成することから、ほとんどアルミニウムを得ることができない。このため、ケイ素や鉄との合金を形成し、それら合金からアルミニウムを精製することが検討されてきた。また、以下のような方法も知られている。

塩化アルミニウムを用いた電解方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。電解槽において、塩化アルミニウムを金属ハロゲン化物とともに溶融電解して陽極面に塩素ガスを、また陰極面に溶融アルミニウムを生成させることにより金属アルミニウムを製造する方法において、溶融塩電解浴をＡｌＣｌ_３ ２〜２０重量％、ＭｇＣｌ_２ ２４〜５０重量％、ＬｉＣｌ ７４〜３０重量％からなる混合組成として、アルミニウムを電解製造する方法である。

特開昭５４−７１０２１号公報

本発明の課題は、下記従来技術の抱える問題点を解決できる、アルミニウムの製造方法を提供することである。

ホール・エルー法においては、１０００℃程度までの加熱、電解工程に多量の電力を要すること、温室効果のあるフルオロカーボンが発生することが問題である。

炭素熱還元法は上記のように、酸化アルミニウムと炭素からではほとんどアルミニウムが得られない。ケイ素や鉄と加熱することにより酸化アルミニウムを炭素によって還元し、合金を形成させることはできるが、合金からアルミニウムだけを分離精製することは難しい。

塩化アルミニウムを用いた電解方法（例えば、特許文献１）は、溶融塩電解のため、７００℃程度の高温を要すること、高温の塩化物溶融塩に耐えられる装置部材がほとんど無いこと、溶融した塩化アルミニウムが非常に吸湿性であり、高温で分解しやすいため、設備を高度な乾燥状態に保つ必要のあることが課題である。

本発明者は、塩化アルミニウム水溶液を電気分解することによって、比較的少ない電力で、フルオロカーボンを発生することなく、特殊な高耐食性部材を用いることなく、高度な乾燥状態が不要なアルミニウムの製造方法を見出した。

電気分解後の陰極のＸ線回折測定結果を示す図である。

一般に、アルミニウムは、アルミニウム化合物を含む水溶液から、電析できないと言われている。これは、アルミニウムが電気化学的に非常に卑な金属であることから、陰極では水素だけが発生し、アルミニウムが電析しないためである。
このため、現状はホール・エルー法のように、水を含まない溶融塩電解が用いられている。

本発明では、塩化アルミニウム水溶液を電解液とし、不溶性電極を陽極とし、アルミニウムを陰極として、電気分解することにより、陰極上にアルミニウムを電析させることが可能である。

電析機構の詳細は定かではないが、以下のように考えられる。アルミニウム電極の表面は、塩化アルミニウム水溶液と僅かに反応して、水酸化アルミニウムや塩基性塩化アルミニウム等の薄い皮膜で覆われる。この皮膜がアルミニウム電極表面と水溶液が直接接触することを妨げ、陰極での水素発生を抑制するものと思われる。アルミニウムイオンはイオン伝導により皮膜中を移動し、アルミニウム電極（陰極）表面で電子を受け取って、金属アルミニウムとなると考えられる。
Ａｌ３＋ ＋ ３ｅ− → Ａｌ （１）

なお、陽極では、塩素、または、酸素、あるいはその両方が発生する。

電解実施温度は０〜１００℃が好ましく、より好ましくは、２０〜８０℃である。０℃以下では電解液が凝固する可能性があり、１００℃以上では電解液が沸騰する可能性がある。また、２０℃以下では電解液の冷却設備が必要となり、８０℃以上では電解液の蒸発が多くなる。

ホール・エルー法のようにフッ化物の電解を行わないため、フルオロカーボンは生成しない。

溶融塩電解ではないため、高温を要さず、高温の塩化物溶融塩に耐えられる高耐食性部材を必要とせず、通常のガラスあるいは樹脂製容器等を用いることができる。高温に加熱するための電力が不要となり、製造に必要な電力を抑えることができる。また、水溶液のため、溶融塩化アルミニウムのように、高度な乾燥状態に保つ必要もない。

原料の塩化アルミニウムは、ボーキサイトとコークスと塩素を加熱反応させて製造される。

電解電圧は３〜８Ｖが好ましい。３Ｖ未満では電解反応速度が小さく、８Ｖ以上にしても反応速度の上昇が小さい。

陽極は、不溶性のものであればよく、炭素、Ｔｉ板の表面に酸化ルテニウム（ＩＶ）ＲｕＯ_２などの白金族元素の酸化物をコーティングしたもの等を用いることができる。

陽極は、純度の低いアルミニウムを用いることもでき、この場合は、アルミニウムの精製をすることができる。

陰極は、水酸化アルミニウムや塩基性塩化アルミニウム等の薄い皮膜が表面に形成される電極であればよいが、アルミニウムであることが好ましい。ここで、電極に用いるアルミニウムには、アルミニウム合金や、アルミニウム以外の導電体表面にアルミニウム層が形成されたものも含まれる。

陰極には亜鉛を用いることもでき、この場合、アルミニウム亜鉛合金が電解析出できる。

電解液としては、各種アルミニウム塩の水溶液を用いることができ、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、ヨウ化アルミニウム、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、硝酸アルミニウム等の水溶液を用いることができるが、副反応やコストの観点から、塩化アルミニウム水溶液が好ましい。

電解液の濃度は、アルミニウムイオン濃度として、１ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは２ｍｏｌ／Ｌ以上である。これはアルミニウムの電析反応はアルミニウムイオン濃度が高いほうが起こりやすいためである。

電解時の雰囲気は大気中でよく、不活性雰囲気、還元雰囲気、あるいは、高度な乾燥雰囲気でなくともよい。

表１に示す組成の電解液約２０ｍｌを樹脂製ビーカーに入れ、不溶性電極である炭素棒（長さ１００ｍｍ、直径５ｍｍ）を陽極、アルミニウム箔（約１００ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ約２０μｍ）または亜鉛板（１２ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を陰極として、室温で、所定電圧、所定時間電解した。電解後、陰極を水洗乾燥させた。

電解後のアルミニウム陰極表面は灰色の析出物で覆われていた。

次に電解後の陰極表面のＸ線回折測定を行った。使用した機器は（株）リガク製ＳｍａｒｔＬａｂ／９ｋＷであり、出力４５ｋＶ、２００ｍＡ、銅ターゲットを使用して室温で測定した。

アルミニウム陰極表面（Ｎｏ．１、Ｎｏ．２）のＸ線回折測定により、表面の付着物はアルミニウムであることを確認した。図１に代表例として実施例Ｎｏ．１のＸ線回折測定結果を示す。基材のアルミニウム箔のピークのわずかに高角度側に付着物のピークが見られ、アルミニウムと同定された。ピークが高角度側に現れるのは、生成物の膜応力のためと考えられる。
亜鉛陰極表面（Ｎｏ．３）のＸ線回折測定からはアルミニウムは検出されなかった。

以上から、塩化アルミニウム水溶液を電解液とし、不溶性電極を陽極とし、アルミニウムを陰極として、電気分解することにより陰極にアルミニウムを電析できることが確認された。

Claims (1)

1. 塩化アルミニウム水溶液を電解液とし、不溶性電極を陽極とし、アルミニウムを陰極として、電気分解により陰極上にアルミニウムを電析させることからなる、アルミニウムの製造方法。