JP2020055729A - Method of producing sulfuric acid solution - Google Patents

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Abstract

To provide a method of producing a sulfuric acid solution that highly efficiently dissolves a metal at a high anode current density while suppressing passivation and an electrolytic cell used in the production method.SOLUTION: A method of producing a sulfuric acid solution comprises: an initial electrolytic solution supplying step of supplying a sulfuric acid solution containing chloride ions as an initial electrolytic solution to an electrolytic cell 10, the inside of which is partitioned into an anode chamber 21 and a cathode chamber 22 by a cation-exchange membrane, at least to the anode chamber 21; and an electrolytic solution taking-out step of supplying current to an anode 13 and a cathode 14 provided in the electrolytic cell 10 and taking out a metal-dissolving electrolytic solution with a metal constituting the anode 13 dissolved therein from the anode chamber 21. According to the steps, there can be suppressed the movement of the metal dissolved on the anode 13 side to the cathode 14 side, as well as the production of passivity on the anode 13 side, and thus a high-quality sulfuric acid solution with the metal dissolved therein can be efficiently produced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、硫酸溶液の製造方法に関する。さらに詳しくは、ニッケルまたはコバルト等の金属が硫酸に溶解した、金属イオンを含有する硫酸溶液の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a sulfuric acid solution. More specifically, the present invention relates to a method for producing a sulfuric acid solution containing metal ions in which a metal such as nickel or cobalt is dissolved in sulfuric acid.

ニッケルまたはコバルトなどの金属は、めっきまたは合金の材料として使用される貴重な金属であるが、近年はめっきまたは合金以外の用途として、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池など二次電池の正極材など電極材料としての使用も増えている。この際に、ニッケルまたはコバルトなどの金属は、これらが溶解した溶液、たとえばニッケルが溶解した、ニッケルイオンを含有する硫酸溶液として利用されることが多い。   Metals such as nickel or cobalt are precious metals used as materials for plating or alloys. Recently, however, as applications other than plating or alloys, electrodes such as cathode materials for secondary batteries such as nickel-metal hydride batteries or lithium ion batteries Use as a material is also increasing. At this time, a metal such as nickel or cobalt is often used as a solution in which these are dissolved, for example, a sulfuric acid solution containing nickel ions and containing nickel ions.

一例として、ニッケルを上記のリチウムイオン電池の正極材として用いる場合、リチウムイオン電池の正極材の一般的な製造方法としては、所定の比率で混合されたニッケルイオンを含む水溶液を中和して前駆体と呼ばれる金属水酸化物を形成し、次にこの前駆体とリチウム化合物を混合して焼成して、正極材を得る方法がある。ここで、上記のニッケルイオンを含有する水溶液は、具体的には硫酸ニッケルまたは塩化ニッケルなどのニッケル塩が溶解した溶液である。上記の製造方法でこの溶液が用いられる場合、溶液中のハロゲン(塩素)を用途のスペック以下に抑制することが必要とされる。   As an example, when nickel is used as the positive electrode material of the above-described lithium ion battery, a general method of manufacturing the positive electrode material of the lithium ion battery is to neutralize an aqueous solution containing nickel ions mixed at a predetermined ratio to obtain a precursor. There is a method in which a metal hydroxide called a body is formed, and then the precursor and a lithium compound are mixed and fired to obtain a positive electrode material. Here, the above-mentioned aqueous solution containing nickel ions is specifically a solution in which a nickel salt such as nickel sulfate or nickel chloride is dissolved. When this solution is used in the above-mentioned production method, it is necessary to suppress the halogen (chlorine) in the solution below the specification for the application.

たとえば、上記のニッケルイオンを含有する硫酸溶液は、ニッケル鉱石またはその中間生成物であるニッケル硫化物、その他の含ニッケル化合物などを硫酸で浸出した後、沈殿分離または溶媒抽出等の精製工程で不純物を除去して得ることができる。しかしながら上記の原料を用いた場合、原料あるいは精製工程でハロゲンまたはその他の不純物等が不規則的に混入されており、必要な品質を安定して維持できないという問題がある。   For example, the above sulfuric acid solution containing nickel ions is obtained by leaching nickel ore or its intermediate product, nickel sulfide, other nickel-containing compounds, etc. with sulfuric acid, and then purifying impurities such as precipitation separation or solvent extraction. Can be obtained. However, when the above-mentioned raw materials are used, halogen or other impurities are mixed irregularly in the raw materials or the refining process, and there is a problem that required quality cannot be stably maintained.

これに対して、必要な品質を安定して維持する方法として、金属ニッケルを硫酸に溶解してニッケルイオンを含有する硫酸溶液を得る方法がある。金属ニッケルは、ニッケル純度99.99%以上の高品質なものが、例えば電気ニッケルとして市場から容易に入手可能であり、この電気ニッケルを2〜5cm四方のサイズに切断したものはさらに取り扱いが容易であり、上記のような大掛かりな精製工程を要することなく前駆体の材料に供することができる。   On the other hand, as a method of stably maintaining required quality, there is a method of dissolving metallic nickel in sulfuric acid to obtain a sulfuric acid solution containing nickel ions. High quality nickel metal having a purity of 99.99% or more can be easily obtained from the market as, for example, electric nickel. The electric nickel cut into a size of 2 to 5 cm square is easier to handle. Thus, the precursor material can be provided without requiring a large-scale purification step as described above.

ただし、ニッケルはステンレス等の耐蝕合金に用いられるように、たとえ切断品であっても硫酸などの酸に金属ニッケルを浸漬するだけでは溶解され難い。このため金属ニッケルの溶解を促進し、ニッケルイオンの濃度を所定の濃度に到達させるための方法がいくつか挙げられる。たとえば、金属ニッケルを硫酸に溶解してニッケルイオンを含有する硫酸溶液を得る方法として、粉末状のニッケル(ニッケル粉)、またはニッケル粉を焼結したブリケットを用い、これらを硫酸で溶解してニッケルイオンを含有する硫酸溶液を得る方法が提案されている(特許文献1)。   However, nickel is hardly dissolved even by cutting metal nickel in an acid such as sulfuric acid, even if it is a cut product, as is used for corrosion-resistant alloys such as stainless steel. For this reason, there are several methods for accelerating the dissolution of metallic nickel and bringing the concentration of nickel ions to a predetermined concentration. For example, as a method of obtaining a sulfuric acid solution containing nickel ions by dissolving metallic nickel in sulfuric acid, powdered nickel (nickel powder) or briquettes obtained by sintering nickel powder are used, and these are dissolved in sulfuric acid to obtain nickel. A method for obtaining a sulfuric acid solution containing ions has been proposed (Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1で用いられているニッケル粉、またはニッケルブリケットは、生産量が限られているため安定して入手することが困難である。このようなことから、市場に流通している板状または塊状の電気ニッケルを硫酸に短時間で溶解する技術が求められている。   However, the nickel powder or nickel briquette used in Patent Literature 1 is difficult to obtain stably because the production amount is limited. For this reason, there is a need for a technique for dissolving plate-shaped or massive electric nickel in the market in sulfuric acid in a short time.

この要求に対する解決法として、たとえば特許文献2、3で開示されている電解法がある。すなわちアノード(陽極)に溶解したい金属を用いるとともに、電解液に硫酸溶液を用い、アノードとカソード(陰極)との間に通電することで、目的とする金属を硫酸に溶解する方法である。   As a solution to this demand, there is an electrolysis method disclosed in Patent Documents 2 and 3, for example. That is, a method in which a metal to be dissolved in an anode (anode) is used, a sulfuric acid solution is used as an electrolytic solution, and a current is applied between the anode and the cathode (cathode) to dissolve the target metal in sulfuric acid.

特許文献2に開示されている方法では、陽極材として金属コバルト、陰極材として白金または白金被覆を施した金属を使用した電極を、硫酸濃度0.5〜7.0mol/リットルの電解液に浸漬する。そして陽極と陰極との間に直流電流を通電し、コバルト溶液を生成する。この際このコバルト溶液から過飽和析出した硫酸コバルト結晶を分別し、この硫酸コバルト結晶を水に溶解して、硫酸コバルト溶液を得る。これらのような工程を経る硫酸コバルト溶液の製造方法である。   In the method disclosed in Patent Document 2, an electrode using metallic cobalt as an anode material and platinum or a metal coated with platinum as a cathode material is immersed in an electrolytic solution having a sulfuric acid concentration of 0.5 to 7.0 mol / l. I do. Then, a direct current is passed between the anode and the cathode to generate a cobalt solution. At this time, supersaturated cobalt sulfate crystals precipitated from the cobalt solution are separated, and the cobalt sulfate crystals are dissolved in water to obtain a cobalt sulfate solution. This is a method for producing a cobalt sulfate solution through these steps.

特開2004−067483号公報JP 2004-067483 A 特開2003−096585号公報JP 2003-096585 A 特開平1−301526号公報JP-A-1-301526

従来一般的に知られている電解法では、金属、例えばニッケルやコバルト、を硫酸溶液中に溶解する場合、迅速に金属ニッケルや金属コバルトを溶解するためには、アノードの電流密度を1000A/m程度あるいはそれ以上に高くして電解することが望まれる。しかしこのような高い電流密度で電解法を実施すると、アノードの金属ニッケルや金属コバルトの表面に酸化皮膜が形成され、不動態化(「不働態化」と称する場合もある)が生じてほとんど電流が流れなくなるという問題がある。不動態化の発生を抑制するように電流密度を低くして電解法を実施した場合は、溶解が促進されず、溶解を促進するという本来の目的を達し得ないという問題がある。 In a conventionally generally known electrolysis method, when a metal, for example, nickel or cobalt is dissolved in a sulfuric acid solution, the current density of the anode is set to 1000 A / m in order to quickly dissolve the metal nickel or metal cobalt. It is desired to perform electrolysis at about two or more. However, when the electrolysis method is performed at such a high current density, an oxide film is formed on the surface of the metallic nickel or metallic cobalt of the anode, and passivation (sometimes referred to as “passivation”) occurs, and almost no current flows. There is a problem that the flow stops. When the electrolysis method is performed at a low current density so as to suppress the occurrence of passivation, dissolution is not promoted, and there is a problem that the original purpose of promoting dissolution cannot be achieved.

特に電池の正極材を製造するために求められるニッケルイオンを含有する硫酸溶液に対しては、ニッケルイオン濃度として100g/リットル程度の高濃度な溶液が求められる。電解液中のニッケルイオンの濃度が増加すると、不動態化はさらに発生しやすくなるという問題があるとともに、カソード側の電極にもニッケルが析出し、溶解効率が低下する問題もある。   In particular, for a sulfuric acid solution containing nickel ions required for manufacturing a positive electrode material of a battery, a solution having a high nickel ion concentration of about 100 g / liter is required. When the concentration of nickel ions in the electrolytic solution increases, passivation tends to occur more easily, and nickel also precipitates on the cathode-side electrode, resulting in lower dissolution efficiency.

コバルトについても同様に、得ようとする溶液のコバルトイオン濃度を上げるに伴って、溶解効率の低下や不動態化が促進される懸念がある。   Similarly, with respect to cobalt, there is a concern that as the cobalt ion concentration of the solution to be obtained is increased, the dissolution efficiency is reduced and passivation is promoted.

本発明は上記事情に鑑み、硫酸溶液に対して金属の溶解を促進する方法の一つである電解法において、不動態化を抑制しながら高いアノード電流密度で金属を高効率に溶解する硫酸溶液の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention relates to an electrolytic method, which is one of the methods for promoting the dissolution of a metal in a sulfuric acid solution. It is an object of the present invention to provide a method for producing the same.

第1発明の硫酸溶液の製造方法は、槽内が陽イオン交換膜によりアノード室およびカソード室に分けられた電解槽の少なくとも前記アノード室に、塩化物イオン含有硫酸溶液を初期電解液として供給する初期電解液供給工程と、前記電解槽に設けられたアノードとカソードとに電流を供給するとともに、前記アノード室から、前記アノードを構成する金属が溶解した金属溶解電解液を取出す電解液取出工程と、を含んで構成されていることを特徴とする。
第2発明の硫酸溶液の製造方法は、第1発明において、前記アノードを構成する金属は、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含有することを特徴とする。
第3発明の硫酸溶液の製造方法は、第1発明または第2発明において、前記塩化物イオン含有硫酸溶液の塩化物イオンの濃度が1g/リットル以上20g/リットル以下であることを特徴とする。
第4発明の硫酸溶液の製造方法は、第1発明から第3発明において、前記電解液取出工程において、前記アノードとカソードとに、周期的な通停電を繰り返すパルス電流を供給することを特徴とする。
第5発明の硫酸溶液の製造方法は、第4発明において、前記周期的な通停電において、前記周期的な通停電の1周期における通電時間の比率が、0.8以上1.0未満であることを特徴とする。
In the method for producing a sulfuric acid solution of the first invention, a chloride ion-containing sulfuric acid solution is supplied as an initial electrolytic solution to at least the anode chamber of an electrolytic cell in which the inside of the cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a cation exchange membrane. An initial electrolytic solution supply step, and an electrolytic solution removing step of supplying a current to the anode and the cathode provided in the electrolytic cell, and extracting a metal-dissolved electrolytic solution in which the metal constituting the anode is dissolved from the anode chamber; , And is characterized by comprising.
A method for producing a sulfuric acid solution according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the metal constituting the anode contains at least either nickel or cobalt.
A method for producing a sulfuric acid solution according to a third invention is characterized in that, in the first invention or the second invention, the chloride ion-containing sulfuric acid solution has a chloride ion concentration of 1 g / L or more and 20 g / L or less.
A method for producing a sulfuric acid solution according to a fourth invention is characterized in that, in the first to third inventions, in the electrolyte removal step, a pulse current that repeats periodic power interruption is supplied to the anode and the cathode. I do.
In the method for producing a sulfuric acid solution according to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, in the periodic power interruption, a ratio of an energization time in one cycle of the periodic power interruption is 0.8 or more and less than 1.0. It is characterized by the following.

第1発明によれば、硫酸溶液の製造方法において、用いられる電解槽が陽イオン交換膜によりアノード室およびカソード室に分けられているので、アノード室に存在する陽イオン、すなわち水素イオンとニッケルイオンまたはコバルトイオンのうち、移動度の大きい水素イオンを選択的に移動させることができる。これにより、アノード室で溶解した金属がカソード室に移動することを抑制できる。さらに、1価選択型陽イオン交換膜を使用した場合、溶解した大部分のニッケルイオン(2価陽イオン)をアノード室に維持し、水素イオン(1価陽イオン)が自由に移動できるため、アノード室では高濃度のニッケル溶液を得ることができる。なお、1価選択型陽イオン交換膜では、膜表面に+の電荷を持つ薄い層を形成することで、この荷電層と1価陽イオン、2価陽イオンの静電的反発力の違いにより2価イオンを透過させにくくしている。また、電解液取出工程、すなわち、アノードとカソードに電流を供給するとともに、アノード室から金属溶解電解液を取出す工程を実行することで、アノード室から金属イオンの濃度が高い硫酸溶液が取出される。このためアノード室のニッケルイオンの濃度の値が大きくならないので、アノード側の不動態の形成を抑制でき、効率よく品質の高い、金属が溶解した硫酸溶液を製造することができる。
第2発明によれば、アノードを構成する金属が、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含有することにより、製造された硫酸溶液を二次電池の正極として使用することができる。
第3発明によれば、硫酸溶液の塩化物イオンの濃度が1g/リットル以上20g/リットル以下とすると、不動態皮膜の形成が適切に抑制され、アノードの溶解を行う際の電流密度を高くできるので、さらに効率よく硫酸溶液を製造することができるとともに、リチウムイオン電池の正極材の用いられる場合は塩化物イオン濃度が少ないほうが好ましいからである。
第4発明によれば、電解液取出工程において、アノードとカソードとに、周期的な通停電を繰り返すパルス電流を供給することにより、さらに不動態化を抑制できる。
第5発明によれば、通停電の1周期における通電時間の比率が、0.8以上1.0未満であることにより、不動態化を抑制しながら、硫酸溶液の製造の効率を保持できる。
According to the first invention, in the method for producing a sulfuric acid solution, since the electrolytic cell used is divided into the anode chamber and the cathode chamber by the cation exchange membrane, the cations existing in the anode chamber, that is, hydrogen ions and nickel ions Alternatively, among cobalt ions, hydrogen ions having high mobility can be selectively transferred. Thereby, it is possible to suppress the metal dissolved in the anode chamber from moving to the cathode chamber. Furthermore, when a monovalent selective cation exchange membrane is used, most of the dissolved nickel ions (divalent cations) are maintained in the anode compartment, and hydrogen ions (monovalent cations) can move freely. A high concentration nickel solution can be obtained in the anode compartment. In the case of a monovalent selective cation exchange membrane, a thin layer having a positive charge is formed on the membrane surface, and the difference in electrostatic repulsion between the charged layer and monovalent cations and divalent cations results. Divalent ions are hardly permeated. In addition, by performing an electrolytic solution removing step, that is, supplying a current to the anode and the cathode and performing a step of removing the metal-dissolved electrolytic solution from the anode chamber, a sulfuric acid solution having a high concentration of metal ions is removed from the anode chamber. . For this reason, since the value of the concentration of nickel ions in the anode chamber does not increase, the formation of passivation on the anode side can be suppressed, and a high-quality sulfuric acid solution in which a metal is dissolved can be efficiently produced.
According to the second invention, since the metal constituting the anode contains at least either nickel or cobalt, the produced sulfuric acid solution can be used as a positive electrode of a secondary battery.
According to the third invention, when the concentration of chloride ions in the sulfuric acid solution is 1 g / L or more and 20 g / L or less, the formation of a passive film is appropriately suppressed, and the current density when dissolving the anode can be increased. Therefore, a sulfuric acid solution can be produced more efficiently, and when a cathode material for a lithium ion battery is used, it is preferable that the chloride ion concentration be lower.
According to the fourth aspect, the passivation can be further suppressed by supplying the anode and the cathode with the pulse current that repeats the periodic power interruption in the electrolyte removing step.
According to the fifth aspect, the ratio of the energization time in one cycle of the power interruption is 0.8 or more and less than 1.0, so that the efficiency of the production of the sulfuric acid solution can be maintained while suppressing the passivation.

本発明に係る硫酸溶液の製造方法で用いられる電解槽の側面方向からの断面図である。It is sectional drawing from the side surface direction of the electrolytic cell used in the manufacturing method of the sulfuric acid solution which concerns on this invention. 電解槽に供給されるパルス電流の説明図である。It is explanatory drawing of the pulse current supplied to an electrolytic cell.

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための硫酸溶液の製造方法を例示するものであって、本発明は硫酸溶液の製造方法を以下のものに特定しない。なお、各図面が示す部材の大きさまたは位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、本明細書で「電解液」は、電解槽10内で電気を通電させるために使用する液体を意味し、最初に電解槽10に供給する「初期電解液」と、電解を行うことで金属が溶解した「金属溶解電解液」と、を含む記載である。また、電解槽10から取出された「電解液」は、本発明の製造方法で製造される「硫酸溶液」である。   Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below exemplifies a method for producing a sulfuric acid solution for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify a method for producing a sulfuric acid solution as follows. In addition, the size or the positional relationship of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of description. Further, in the present specification, the “electrolyte” means a liquid used to supply electricity in the electrolysis tank 10, and an “initial electrolyte” supplied to the electrolysis tank 10 first and an electrolysis are performed. "A metal-dissolved electrolytic solution in which a metal is dissolved". The “electrolyte solution” taken out of the electrolytic cell 10 is a “sulfuric acid solution” manufactured by the manufacturing method of the present invention.

図1は、本発明に係る硫酸溶液の製造方法で用いられる電解槽10の側面方向からの断面図である。本発明に係る硫酸溶液の製造方法は、槽内が陽イオン交換膜を用いた隔膜12によりアノード室21およびカソード室22に分けられた電解槽10に、塩化物イオン含有硫酸溶液を初期電解液として供給する初期電解液供給工程と、電解槽10に設けられたアノード13とカソード14とに電流を供給するとともに、アノード室21から、アノード13を構成する金属が溶解した金属溶解電解液を取出す電解液取出工程と、を含んで構成されている。   FIG. 1 is a sectional view from the side of an electrolytic cell 10 used in the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention. In the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention, a chloride ion-containing sulfuric acid solution is initially charged in an electrolytic tank 10 in which a tank is divided into an anode chamber 21 and a cathode chamber 22 by a diaphragm 12 using a cation exchange membrane. And supplying an electric current to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10, and taking out the metal-dissolved electrolytic solution in which the metal constituting the anode 13 is dissolved from the anode chamber 21. And an electrolyte removal step.

また、アノード13を構成する金属は、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含有することが好ましい。   Further, the metal constituting anode 13 preferably contains at least either nickel or cobalt.

また、硫酸溶液の塩化物イオンの濃度が1g/リットル以上20g/リットル以下であることが好ましい。   Further, the concentration of chloride ions in the sulfuric acid solution is preferably 1 g / liter or more and 20 g / liter or less.

また、電解液取出工程において、アノード13とカソード14とに、周期的な通停電を繰り返すパルス電流を供給することが好ましい。   Further, in the electrolyte removal step, it is preferable to supply the anode 13 and the cathode 14 with a pulse current that repeats periodic power interruption.

また、前記周期的な通停電において、前記周期的な通停電の1周期における通電時間の比率が、0.8以上1.0未満であることが好ましい。   Further, in the periodic power interruption, it is preferable that a ratio of an energization time in one cycle of the periodic power interruption is 0.8 or more and less than 1.0.

以下、本発明に係る硫酸溶液の製造方法で用いる電解槽10について、図面に基づいて説明した後、この電解槽10を使用した硫酸溶液の製造方法について説明する。   Hereinafter, the electrolytic cell 10 used in the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention will be described with reference to the drawings, and then a method for producing a sulfuric acid solution using the electrolytic cell 10 will be described.

<電解槽10の構成>
(電解槽本体11)
電解槽本体11は、内部に電解液を保持することができる構成をしている。電解槽本体11を構成する材料は公知の材料である。電解槽本体11は、陽イオン交換膜を用いた隔膜12によりアノード13が内部に位置するアノード室21と、カソード14が内部に位置するカソード室22と、を含んで構成されている。電解槽本体11の外側には、アノード13、およびカソード14に接続している直流電源17が設けられている。なお図1では、直流電源17からアノード13、またはカソード14と接続した線は電線を表し、この線に沿った矢印は電流の向きを示している。
<Configuration of electrolytic cell 10>
(Electrolyzer main body 11)
The electrolytic cell main body 11 has a configuration capable of holding an electrolytic solution inside. The material constituting the electrolytic cell main body 11 is a known material. The electrolytic cell main body 11 includes an anode chamber 21 in which an anode 13 is located inside by a diaphragm 12 using a cation exchange membrane, and a cathode chamber 22 in which a cathode 14 is located. A DC power supply 17 connected to the anode 13 and the cathode 14 is provided outside the electrolytic cell main body 11. In FIG. 1, a line connected from the DC power supply 17 to the anode 13 or the cathode 14 represents an electric wire, and an arrow along this line indicates the direction of current.

用いられる電解槽10が隔膜12によりアノード室21およびカソード室22に分けられているので、アノード13側で溶解した金属がカソード14側に移動することを抑制できる。   Since the electrolytic cell 10 to be used is divided into the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 by the diaphragm 12, it is possible to prevent the metal dissolved on the anode 13 from moving to the cathode 14 side.

(アノード13)
電解槽10に用いられるアノード13には、複数の形態がある。例えばニッケルの酸性溶液を得ようとする場合、アノード13の一つ目の形態としては、工業的に電解精製ないし電解採取した板状の金属ニッケル(電気ニッケル)が該当する。また、二つ目の形態としては、チタン等の酸に対し不溶性の材質でできたバスケットに、小さく切断した金属ニッケルを充填したものが該当する。二つ目の形態の場合、全部が溶解し終わる前に交換する必要があったり、金属を切断するコストおよび手間がかかったりするが、無駄なく効率的に溶解することができる。一つ目の形態の場合、溶解し終わった後はアノード13全体を交換する必要がある。交換は所定の大きさに到達したときに行われる。所定の大きさよりも小さくなった金属ニッケルは、二つ目の形態のバスケットに充填し溶解する2段階の溶解方法を用いることもできる。
(Anode 13)
The anode 13 used in the electrolytic cell 10 has a plurality of forms. For example, in the case of obtaining an acidic solution of nickel, the first form of the anode 13 corresponds to plate-shaped metallic nickel (electric nickel) which is industrially electrolytically purified or electrolytically collected. In the second embodiment, a basket made of a material insoluble in an acid such as titanium is filled with small-sized metal nickel. In the case of the second embodiment, it is necessary to replace the metal before it is completely melted, or the cost and labor for cutting the metal are required, but the metal can be melted efficiently without waste. In the case of the first mode, it is necessary to replace the entire anode 13 after the dissolution is completed. The exchange is performed when a predetermined size is reached. A two-stage melting method in which the metallic nickel having a size smaller than the predetermined size is filled and melted in the basket of the second form can also be used.

(カソード14)
カソード14には、チタン、ステンレス、ニッケル、コバルト、白金などの板状の金属が好適に用いられる。また、アルミや鉄などの表面に前記のニッケルやコバルトなどをメッキした構造のものを用いることもできる。
(Cathode 14)
For the cathode 14, a plate-like metal such as titanium, stainless steel, nickel, cobalt, and platinum is preferably used. Further, a structure in which the surface of aluminum, iron, or the like is plated with nickel, cobalt, or the like can also be used.

(隔膜12)
隔膜12は、電解槽本体11の槽内をアノード室21とカソード室22とに分割する。隔膜12は、液体またはイオンの通過を抑制している。具体的に隔膜12としては、本発明では陽イオン交換膜が用いられている。
(Diaphragm 12)
The diaphragm 12 divides the inside of the electrolytic cell main body 11 into an anode chamber 21 and a cathode chamber 22. The diaphragm 12 suppresses passage of liquid or ions. Specifically, as the diaphragm 12, a cation exchange membrane is used in the present invention.

陽イオン交換膜は、マイナスの電荷交換基が固定されているため、陰イオンは反発し通過できず陽イオンのみを通過させるという性質を持つ。水素イオンとニッケルイオンの移動度の差を用いてアノード室21では高濃度のニッケル溶液を得ることができる。水素イオンは単独で移動するのではなく、周囲のオキソニウムイオンと水素イオンの受け渡しにより移動することができるため、他のイオンと比べて移動度が大きいことによる。   The cation exchange membrane has a property that, since the negative charge exchange group is fixed, anions are repelled and cannot pass, but only cations pass. A highly concentrated nickel solution can be obtained in the anode chamber 21 by using the difference in mobility between hydrogen ions and nickel ions. This is because hydrogen ions do not move alone, but can move by transferring hydrogen ions and surrounding oxonium ions, and thus have a higher mobility than other ions.

陽イオン交換膜(カチオン交換膜)には、電流密度が大きくとれる、膜抵抗が小さく電圧降下が小さい、輸率が大きい、膜内部にスケールが沈積しない、機械的強度が強く、熱的および化学的に安定である、といった特性が求められる。   Cation exchange membranes (cation exchange membranes) have high current density, low membrane resistance, small voltage drop, high transport number, no scale deposition inside the membrane, high mechanical strength, thermal and chemical It is required to have characteristics such as stable stability.

アノード13の金属を溶解する電流密度より十分に大きな電流密度が取れない場合は、生産性が陽イオン交換膜の電流密度に依存することになる。膜抵抗が大きくなると電圧降下が大きくなり、槽電圧が増加するため電力コスト上昇を招来する。膜内部にスケールが沈積したり、機械的強度、または熱的、化学的な安定性が不十分であったりすると耐久性が劣り、頻繁に陽イオン交換膜を交換することになる。具体的に陽イオン交換膜は、デュポン社の商品名ナフィオンN324が該当する。また、1価選択型陽イオン交換膜は、旭硝子社製のセレミオンHSFが該当する。   When a current density sufficiently higher than the current density at which the metal of the anode 13 is dissolved cannot be obtained, the productivity depends on the current density of the cation exchange membrane. As the membrane resistance increases, the voltage drop increases, and the cell voltage increases, resulting in an increase in power cost. If scale is deposited inside the membrane, or if the mechanical strength or the thermal or chemical stability is insufficient, the durability is poor and the cation exchange membrane is frequently replaced. Specifically, the cation exchange membrane corresponds to Nafion N324 (trade name of DuPont). The monovalent selective cation exchange membrane corresponds to Selemion HSF manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.

電解槽10が陽イオン交換膜によりアノード室21およびカソード室22に分けられているので、アノード室21に存在する陽イオン、すなわち水素イオンと、ニッケルイオンまたはコバルトイオンのうち、移動度の大きい水素イオンを選択的に移動させることができる。これにより、アノード室21で溶解した金属がカソード室22に移動することを抑制できる。さらに、1価選択型陽イオン交換膜を使用することで、溶解した大部分のニッケルイオン(2価陽イオン)をアノード室21に維持し、水素イオン(1価陽イオン)をより選択的に移動させることができる。   Since the electrolytic cell 10 is divided into the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 by the cation exchange membrane, cations existing in the anode chamber 21, that is, hydrogen ions and hydrogen of high mobility among nickel ions or cobalt ions Ions can be selectively moved. Thereby, the movement of the metal melted in the anode chamber 21 to the cathode chamber 22 can be suppressed. Furthermore, by using a monovalent selective cation exchange membrane, most of the dissolved nickel ions (divalent cations) are maintained in the anode chamber 21 and hydrogen ions (monovalent cations) are more selectively formed. Can be moved.

(取出管15等)
連続的にアノード室21から金属溶解電解液を取得可能な構成である場合、電解槽本体11のアノード室21には、矢印で示す方向にアノード室21からの硫酸溶液を取出すための取出管15が設けられている。また、取出管15には、アノード室21から硫酸溶液を取出すための取出しポンプ20が接続されている。加えてアノード室21には硫酸を供給するための第2供給管31が設けられており、矢印で示すように第2供給ポンプ32によりアノード室21に所定の量の硫酸が供給される。
(Removal pipe 15 etc.)
When the configuration is such that the metal-dissolved electrolytic solution can be continuously obtained from the anode chamber 21, the extraction chamber 15 for extracting the sulfuric acid solution from the anode chamber 21 in the direction indicated by the arrow is provided in the anode chamber 21 of the electrolytic cell main body 11. Is provided. Further, an extraction pump 20 for extracting the sulfuric acid solution from the anode chamber 21 is connected to the extraction pipe 15. In addition, a second supply pipe 31 for supplying sulfuric acid is provided in the anode chamber 21, and a predetermined amount of sulfuric acid is supplied to the anode chamber 21 by the second supply pump 32 as shown by an arrow.

ニッケルイオンおよびコバルトイオンは水に比べて比重が重いため、通電に伴ってアノード室21の深部の方が、ニッケル等の濃度が高くなってくる。そのため、アノード室21の、より深部から硫酸溶液を回収すること、すなわち取出管15の開口15aがアノード室21内のアノード13の下方に設けられていることで、ニッケル等の濃度の高い硫酸溶液を回収することができる。   Since the specific gravity of nickel ions and cobalt ions is higher than that of water, the concentration of nickel and the like in the deeper part of the anode chamber 21 becomes higher with energization. Therefore, by recovering the sulfuric acid solution from a deeper portion of the anode chamber 21, that is, by providing the opening 15 a of the extraction pipe 15 below the anode 13 in the anode chamber 21, the sulfuric acid solution having a high concentration of nickel or the like is provided. Can be recovered.

取出管15の開口15aがアノード13の下方に設けられていると、アノード13表面近傍のニッケル濃度が100g/リットルより薄くても、アノード室21の深部から硫酸溶液を回収することでニッケルの濃度が100g/リットルの硫酸溶液を回収ができる。これにより、アノード13表面でのニッケルの不動態化が抑制される。   If the opening 15a of the extraction pipe 15 is provided below the anode 13, even if the nickel concentration near the surface of the anode 13 is lower than 100 g / liter, the sulfuric acid solution is recovered from the deep part of the anode chamber 21 to reduce the nickel concentration. Can recover a 100 g / liter sulfuric acid solution. Thereby, passivation of nickel on the surface of the anode 13 is suppressed.

アノード13の下方に所定の空間が設けられることは好ましいが、その空間が大きくなりすぎると電解槽10の体積が大きくなり設備コストが高くなる。そのため、アノード13の下端から電解槽本体11のアノード室21の底までの深さの目安は、アノード室21の液面高さの10%以上であることが好ましい。   It is preferable that a predetermined space is provided below the anode 13. However, if the space is too large, the volume of the electrolytic cell 10 increases, and the equipment cost increases. Therefore, it is preferable that the standard of the depth from the lower end of the anode 13 to the bottom of the anode chamber 21 of the electrolytic cell main body 11 is 10% or more of the liquid level height of the anode chamber 21.

カソード室22には、カソード室22内の電解液を循環させるために、カソード室電解液取出管38と、第3供給管34とが設けられており、第3供給ポンプ33より矢印で示す方向にカソード室22内の電解液を循環させる。   The cathode chamber 22 is provided with a cathode chamber electrolyte extraction pipe 38 and a third supply pipe 34 for circulating the electrolyte in the cathode chamber 22. The electrolyte in the cathode chamber 22 is circulated.

アノード13の下方に、金属溶解電解液を取出すための取出管15の開口15aが設けられているので、比較的比重の大きい金属溶解電解液が効率よく取出される。   Since the opening 15a of the take-out pipe 15 for taking out the metal-dissolved electrolyte is provided below the anode 13, the metal-dissolved electrolyte having a relatively large specific gravity is efficiently taken out.

(直流電源17)
直流電源17は、一定の値の直流電流を連続的に供給する機能だけでなく、パルス電流を供給することができる機能を有している。「パルス電流を供給する」とは、通電(ON)および停電(OFF)の時間を設定して周期的に通停電を繰り返す断続通電を行うことを意味する(パルス通電、またはパルス電解という場合がある)。
(DC power supply 17)
The DC power supply 17 has not only a function of continuously supplying a constant value of DC current but also a function of supplying a pulse current. “Supplying a pulse current” means performing intermittent energization in which power-on (ON) and power-off (OFF) times are set and power-on and power-off are repeated periodically (pulse energization or pulse electrolysis is sometimes used). is there).

図2には、電解槽10に供給されるパルス電流の一例を示す。縦軸が電流値A、横軸が時間Tを表している。図2に示すようにパルス電流は、電流A1が一定時間供給されたあと、その供給が停止され、これらが繰り返される。すなわちパルス電流は、矩形状に供給される。   FIG. 2 shows an example of a pulse current supplied to the electrolytic cell 10. The vertical axis represents the current value A, and the horizontal axis represents the time T. As shown in FIG. 2, after the current A1 is supplied for a certain period of time, the supply of the pulse current is stopped and the pulse current is repeated. That is, the pulse current is supplied in a rectangular shape.

アノード13近傍の金属イオン濃度が高くなりすぎると不動態化が発生しやすくなる。これを抑制するために、パルス電流を供給する。すなわち、周期的に電流がOFFになると、アノード13からの金属イオンの溶出が一時的に止まり、その間に槽内の液流れを利用して溶出した金属イオンがアノード13近傍から遠ざけられる。その結果アノード13近傍の金属イオン濃度の上昇を抑制できる。   If the metal ion concentration in the vicinity of the anode 13 is too high, passivation tends to occur. To suppress this, a pulse current is supplied. That is, when the current is periodically turned off, the elution of metal ions from the anode 13 temporarily stops, and during that time, the metal ions eluted using the liquid flow in the tank are moved away from the vicinity of the anode 13. As a result, an increase in the metal ion concentration in the vicinity of the anode 13 can be suppressed.

なお、周期に対するON時間の割合はデューティ比と定義される。また、パルス通電を用いた場合の電流密度は、ON時間とOFF時間を含めた平均電流密度として記載する。例えば、ONの時の電流密度が1250A/mでデューティ比が0.8(すなわち80%の時間通電する)の場合、平均電流密度は、1250×0.8=1000A/mとなる。なお、特許請求の範囲に記載の「通停電」の「停」は、完全に電流を0Aまで落としてしまうだけでなく、ONの時よりも電流値をかなり小さくすることも含まれる。なお、デューティ比1の場合は、通電時間の割合が100%である単純な一方向への通電を意味する。 The ratio of the ON time to the cycle is defined as a duty ratio. In addition, the current density in the case of using the pulse current is described as an average current density including ON time and OFF time. For example, when the current density at the time of ON is 1250 A / m 2 and the duty ratio is 0.8 (that is, current is supplied for 80% of the time), the average current density is 1250 × 0.8 = 1000 A / m 2 . Note that the term “stop” of the “power interruption” described in the claims includes not only completely reducing the current to 0 A, but also considerably lowering the current value than when the switch is ON. In the case of the duty ratio 1, it means a simple one-way energization in which the energization time ratio is 100%.

<硫酸溶液の製造方法>
(初期電解液供給工程)
本発明に係る硫酸溶液の製造方法では、最初に、図1の電解槽10に、塩化物イオンを含有する硫酸溶液を、初期電解液として供給する(初期電解液供給工程)。初期電解液は、アノード室21およびカソード室22の両方に供給される場合があるが、少なくともアノード室21には、塩化物イオンを含有する硫酸溶液を供給する。初期電解液は、以下の記載にあるような塩化物イオン濃度および硫酸濃度であることが好ましい。
<Method for producing sulfuric acid solution>
(Initial electrolyte supply step)
In the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention, first, a sulfuric acid solution containing chloride ions is supplied to the electrolytic cell 10 of FIG. 1 as an initial electrolytic solution (initial electrolytic solution supply step). The initial electrolyte may be supplied to both the anode compartment 21 and the cathode compartment 22, but at least the anode compartment 21 is supplied with a sulfuric acid solution containing chloride ions. Preferably, the initial electrolyte has a chloride ion concentration and a sulfuric acid concentration as described below.

(塩化物イオン濃度)
何の対策も施さずに、硫酸溶液に金属ニッケルをアノード溶解すると、アノード13の表面に容易に酸化皮膜、つまり不動態皮膜が形成され、電流がほとんど流れない不動態化の状態になる。この不動態皮膜の形成はハロゲンイオンの存在、水素イオン濃度(pH)の低下、温度の上昇などにより抑制されるといわれている。本発明者が金属ニッケルのアノード溶解について検討したところ、特に塩化物イオンの電解液への添加が効果的であった。なお、塩化物イオン濃度は、所定の塩化物が電解液に加えられた後の電解液における塩化物イオンの濃度を言う。
(Chloride ion concentration)
When the nickel metal is dissolved in the sulfuric acid solution without taking any measures, an oxide film, that is, a passivation film is easily formed on the surface of the anode 13, and a passivation state where almost no current flows is obtained. It is said that the formation of the passivation film is suppressed by the presence of halogen ions, a decrease in hydrogen ion concentration (pH), an increase in temperature, and the like. The present inventor studied the dissolution of metallic nickel in the anode, and found that the addition of chloride ions to the electrolytic solution was particularly effective. The chloride ion concentration refers to the concentration of chloride ions in the electrolyte after a predetermined chloride has been added to the electrolyte.

電解液中の塩化物イオン濃度は、1g/リットル以上20g/リットル以下が望ましい。不動態皮膜の形成が適切に抑制されるとともに、リチウムイオン電池の正極材の製造に用いられる場合は塩化物イオン濃度が少ないほうが好ましいからである。1g/リットルより少ない場合は、不動態皮膜の形成を抑制する効果が不十分となる。特に本発明のようにイオン交換膜を用いてアノード13側とカソード14側を仕切る場合、塩化物イオンがアノード13側の電解液の含まれないと、アノード13が容易に不動態化し、アノード13からのニッケルの溶出が抑制させ、酸素または塩素ばかり発生するなど好ましくない。この場合、金属の電解を行う際の電流密度を1000A/m以上にすることは困難である。また、塩化物濃度は4g/リットル以上がより好ましい。金属ニッケルをアノード溶解する上では、金属ニッケルの溶解度が確保できる濃度まで上げることができる。 The chloride ion concentration in the electrolyte is desirably from 1 g / liter to 20 g / liter. This is because the formation of the passivation film is appropriately suppressed, and the lower chloride ion concentration is more preferable when used for manufacturing a positive electrode material of a lithium ion battery. When the amount is less than 1 g / liter, the effect of suppressing the formation of a passive film becomes insufficient. In particular, when the anode 13 is separated from the cathode 14 using an ion-exchange membrane as in the present invention, if chloride ions are not contained in the electrolyte on the anode 13 side, the anode 13 is easily passivated and the anode 13 It is not preferable because the elution of nickel from methane is suppressed and only oxygen or chlorine is generated. In this case, it is difficult to make the current density at the time of performing metal electrolysis 1000 A / m 2 or more. Further, the chloride concentration is more preferably 4 g / liter or more. In dissolving the metallic nickel in the anode, the concentration can be increased to a level at which the solubility of the metallic nickel can be ensured.

ただし、金属イオンを含有する硫酸溶液が、リチウムイオン電池の正極材の製造に用いられる場合、得られる硫酸溶液中の塩化物イオン濃度は少ない方が好ましい。この場合の塩化物イオン濃度は、20g/リットル以下が好ましい。   However, when a sulfuric acid solution containing metal ions is used for producing a positive electrode material for a lithium ion battery, the chloride ion concentration in the resulting sulfuric acid solution is preferably low. In this case, the chloride ion concentration is preferably 20 g / liter or less.

なお塩化物イオンは、塩化ナトリウムまたは塩化リチウムなどの形で供給することが可能である。ただし、硫酸溶液内の不純物をできるだけ低減するのが好ましいので、塩化ニッケルなど、硫酸溶液に含有する金属イオンと同じイオンの塩化物塩または塩酸などの形で添加することが好ましい。   The chloride ions can be supplied in the form of sodium chloride or lithium chloride. However, since it is preferable to reduce impurities in the sulfuric acid solution as much as possible, it is preferable to add nickel chloride or the like in the form of chloride salt or hydrochloric acid of the same ion as the metal ion contained in the sulfuric acid solution.

硫酸溶液の塩化物イオンの濃度が1g/リットル以上20g/リットル以下とすると、アノード13の溶解を行う際の電流密度を高くできるので、さらに効率よく硫酸溶液を製造することができる。   When the concentration of chloride ions in the sulfuric acid solution is 1 g / L or more and 20 g / L or less, the current density when dissolving the anode 13 can be increased, so that the sulfuric acid solution can be produced more efficiently.

なお、塩化物イオン濃度の範囲については、金属ニッケルをアノード溶解した場合については、上記の1g/リットル以上20g/リットル以下が望ましいが、金属コバルトの場合も同様である。ただし、金属コバルトの場合は、塩化物イオン濃度が0g/リットルであっても溶解が進む場合がある。   The chloride ion concentration is preferably in the range of 1 g / liter to 20 g / liter in the case where nickel metal is dissolved in the anode, but the same applies to the case of metal cobalt. However, in the case of metallic cobalt, dissolution may proceed even if the chloride ion concentration is 0 g / liter.

(硫酸濃度)
初期電解液として供給される硫酸(「フリー硫酸」あるいは「遊離硫酸」ともいう)の濃度の値はできるだけ小さいほうが好ましい。硫酸の濃度の値が小さいと、電解槽10から取出された、金属イオンを含有する硫酸溶液を中和するための薬剤費用が低減できるためである。
(Sulfuric acid concentration)
The concentration of sulfuric acid (also referred to as "free sulfuric acid" or "free sulfuric acid") supplied as the initial electrolyte is preferably as small as possible. This is because if the value of the concentration of sulfuric acid is small, the cost of chemicals for neutralizing the sulfuric acid solution containing metal ions extracted from the electrolytic cell 10 can be reduced.

ただし、初期電解液として供給される硫酸の濃度の値が小さくなると、電解液の電気伝導度(単に「電導度」あるいは「伝導度」ともいう)が低下して液抵抗が増加したり、カソード14での水素イオンの拡散限界電流値が低下することで電圧が高くなったりするという弊害が発生する。電気代および中和用の薬剤費用を考えた場合に、最も経済的な条件に設定することが望ましい。このためpH計または電気伝導率計(単に「電導度計」や「導電率計」などとも呼ばれる)などを用いて最適な遊離濃度となるように、電流量やカソード14側に供給する硫酸溶液の供給量を調整することが好ましい。   However, when the value of the concentration of sulfuric acid supplied as the initial electrolytic solution decreases, the electric conductivity of the electrolytic solution (also simply referred to as “conductivity” or “conductivity”) decreases and the liquid resistance increases, As the diffusion limit current value of the hydrogen ions at 14 decreases, the voltage increases. It is desirable to set the most economical conditions in consideration of the electricity bill and the cost of the chemical for neutralization. Therefore, the amount of current and the sulfuric acid solution supplied to the cathode 14 side are adjusted so as to obtain an optimum free concentration by using a pH meter or an electric conductivity meter (also simply referred to as “conductivity meter” or “conductivity meter”). Is preferably adjusted.

(電解液取出工程)
本発明に係る硫酸溶液の製造方法では、次に、図1の電解槽10に設けられたアノード13とカソード14とに電流を供給するとともに、アノード室21から、アノード13を構成する金属が溶解した金属溶解電解液を取出す(電解液取出工程)。この金属溶解電解液は、電解槽10から取出されると硫酸溶液となる。金属溶解電解液は、以下の記載にあるような金属イオン濃度、電解液温度であることが好ましい。なお、電解液取出工程は、アノード13等に電流を供給すると同時に金属溶解電解液を取出す場合と、電流の供給が終わった後に金属溶解電解液を取出す場合が含まれる。
(Electrolyte removal process)
Next, in the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention, a current is supplied to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10 of FIG. The dissolved metal dissolved electrolyte is taken out (electrolyte taking out step). This metal-dissolved electrolytic solution becomes a sulfuric acid solution when taken out of the electrolytic cell 10. The metal-dissolved electrolyte preferably has a metal ion concentration and an electrolyte temperature as described below. Note that the electrolytic solution removing step includes a case where the metal-dissolved electrolytic solution is taken out while supplying the current to the anode 13 and the like, and a case where the metal-dissolved electrolytic solution is taken out after the current supply is completed.

図1の電解槽10では、アノード室21から金属溶解電解液が取出されると、取出された金属溶解電解液の量に対応する硫酸が、第2供給管31からアノード室21に供給される。また、電解によりカソード室22の水素イオンが水素ガスに還元されるが、陽イオン交換膜を通してアノード室21から水素イオンが供給される。よって、カソード室22においては、電解液を循環させることで足りる。   In the electrolytic cell 10 of FIG. 1, when the metal-dissolved electrolyte is taken out from the anode chamber 21, sulfuric acid corresponding to the amount of the metal-dissolved electrolyte taken out is supplied from the second supply pipe 31 to the anode chamber 21. . Further, hydrogen ions in the cathode chamber 22 are reduced to hydrogen gas by electrolysis, but hydrogen ions are supplied from the anode chamber 21 through the cation exchange membrane. Therefore, it is sufficient to circulate the electrolyte in the cathode chamber 22.

硫酸溶液の製造方法が、電解液取出工程、すなわち、アノード13とカソード14に電流を供給するとともに、アノード室21から金属溶解電解液を取出す工程を含んで構成されているので、アノード室21から金属イオンの濃度が高い硫酸溶液が取出され、アノード13側の不動態の形成を抑制でき、効率よく品質の高い、金属が溶解した硫酸溶液を製造することができる。   Since the method for producing a sulfuric acid solution includes an electrolyte extracting step, that is, a step of supplying a current to the anode 13 and the cathode 14 and extracting the metal-dissolved electrolyte from the anode chamber 21, A sulfuric acid solution having a high concentration of metal ions is taken out, the formation of passivation on the anode 13 side can be suppressed, and a high-quality sulfuric acid solution in which the metal is dissolved can be efficiently produced.

(金属イオン濃度)
本発明に係る硫酸溶液の製造方法で製造された硫酸溶液の金属イオン濃度は、硫酸溶液の用途により決定される。たとえば2次電池の正極材に用いるニッケル原料として硫酸溶液が用いられる場合には、硫酸溶液のニッケルイオンの濃度が90〜100g/リットル程度の高濃度のニッケルイオンを含有する硫酸溶液が必要となる。コバルトの場合も同様である。
(Metal ion concentration)
The metal ion concentration of the sulfuric acid solution produced by the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention is determined depending on the use of the sulfuric acid solution. For example, when a sulfuric acid solution is used as a nickel raw material for a positive electrode material of a secondary battery, a sulfuric acid solution containing a high concentration of nickel ions of about 90 to 100 g / liter in a sulfuric acid solution is required. . The same is true for cobalt.

硫酸溶液中の金属イオン濃度は、以下のパラメータにより決定される。すなわち、アノード13が金属ニッケルの場合、アノード13での反応がすべてニッケルの溶解であれば、アノード13に供給される電流値によって溶解量が決定する。図1に示す連続式の電解槽10の場合は、その溶解量が所望のニッケルイオン濃度になるようにアノード室21に塩化物イオン含有硫酸が補充され、同量の金属溶解電解液がアノード室21から硫酸溶液として取出される。バッチ式の場合であれば、所望のニッケルイオン濃度になるようにアノード13に供給する積算電流量(通電量とも呼ばれる)を決定する。   The metal ion concentration in the sulfuric acid solution is determined by the following parameters. That is, when the anode 13 is metallic nickel and the reaction at the anode 13 is all nickel dissolution, the amount of dissolution is determined by the current value supplied to the anode 13. In the case of the continuous electrolytic cell 10 shown in FIG. 1, the anode chamber 21 is replenished with sulfuric acid containing chloride ions so that the dissolved amount becomes a desired nickel ion concentration. It is removed from 21 as a sulfuric acid solution. In the case of the batch type, the integrated current amount (also referred to as the amount of current) to be supplied to the anode 13 is determined so as to obtain a desired nickel ion concentration.

アノード13を構成する金属が、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含有することにより、製造された硫酸溶液が二次電池の正極として使用される。   Since the metal constituting the anode 13 contains at least either nickel or cobalt, the produced sulfuric acid solution is used as a positive electrode of a secondary battery.

なお、連続式の電解槽10を使用する場合、初期電解液として、アノード室21に供給される硫酸溶液は、所定のニッケルイオン濃度以上の硫酸溶液であることが好ましい。この場合、金属溶解電解液は、取出しが始まった直後から所定のニッケルイオン濃度であるため、所定のニッケルイオン濃度の硫酸溶液を、当初から得ることができる。また初期電解液として、アノード室21に供給される硫酸溶液が、所定のニッケルイオン濃度未満である場合、溶解を開始した当初の、所定のニッケルイオン濃度に達していない硫酸溶液は、アノード室21側に繰り返すようにしても問題ない。また、電解液内のニッケルイオン濃度を均一にするために、アノード室21内の電解液がポンプ等で撹拌されるような構成にしても問題ない。   When the continuous electrolytic cell 10 is used, the sulfuric acid solution supplied to the anode chamber 21 as the initial electrolytic solution is preferably a sulfuric acid solution having a predetermined nickel ion concentration or higher. In this case, since the metal-dissolved electrolyte has a predetermined nickel ion concentration immediately after the start of the removal, a sulfuric acid solution having a predetermined nickel ion concentration can be obtained from the beginning. When the sulfuric acid solution supplied to the anode chamber 21 as an initial electrolytic solution has a concentration lower than a predetermined nickel ion concentration, the sulfuric acid solution which has not reached the predetermined nickel ion concentration at the beginning of the dissolution starts from the anode chamber 21. There is no problem even if it repeats to the side. Further, there is no problem even if the electrolytic solution in the anode chamber 21 is stirred by a pump or the like in order to make the nickel ion concentration in the electrolytic solution uniform.

(電解液温度)
電解槽10内の電解液温度は高い方が好ましい。電解液温度が高いとアノード溶解するニッケルが不動態化することを抑制できる。特に不動態の発生を抑制するためには、電解槽10内で保持される電解液は、30℃を超える温度、好ましくは40℃以上の温度とすることが好ましい。ただし、イオン交換膜は材質上60℃を超えると劣化しやすくなり実用面では60℃以下の温度にする必要がある。さらに電解液温度を高くするほど電解槽10などの設備材質の耐熱性および加熱に要するコストがかかるため、生産性およびコストを考慮し最も経済的な条件に設定することが望ましい。工業的に一般的な材料である塩化ビニールの耐熱を考慮すると、電解液温度は65℃以下、好ましくは50〜60℃程度の温度が好ましい。すなわち、電解槽10の電解液温度は、ニッケルの不動態化を抑制する点で40℃以上が好ましく、イオン交換膜の劣化等の点で65℃以下が好ましい。
(Electrolyte temperature)
It is preferable that the temperature of the electrolytic solution in the electrolytic cell 10 is high. When the electrolyte temperature is high, passivation of nickel that dissolves in the anode can be suppressed. In particular, in order to suppress the generation of passivation, the temperature of the electrolytic solution held in the electrolytic cell 10 is preferably higher than 30 ° C., and more preferably 40 ° C. or higher. However, the ion exchange membrane is easily deteriorated when the temperature exceeds 60 ° C., and it is necessary to set the temperature to 60 ° C. or less in practical use. Furthermore, the higher the temperature of the electrolytic solution, the higher the heat resistance of equipment materials such as the electrolytic cell 10 and the cost required for heating. Therefore, it is desirable to set the most economical conditions in consideration of productivity and cost. Considering the heat resistance of vinyl chloride, which is an industrially common material, the temperature of the electrolyte is preferably 65 ° C. or lower, more preferably, about 50 to 60 ° C. That is, the temperature of the electrolytic solution in the electrolytic cell 10 is preferably 40 ° C. or higher from the viewpoint of suppressing passivation of nickel, and is preferably 65 ° C. or lower from the viewpoint of deterioration of the ion exchange membrane and the like.

(電流効率の評価)
本発明に係る硫酸溶液の製造方法により硫酸溶液を製造すると、短時間で効率よく金属イオンを含有した硫酸溶液が得られる。この際に加えた電流が、金属の溶解にどの程度寄与しているかを電流効率として算出した。電流効率は、以下の数1に示すように、アノード13の重量減少分からカソード14の重量増加分を減じたものを、通電量から求めた理論溶解量で除した百分率で求めた。そして、電流効率が90%以上であれば効率よく電解できていると判断した。
(Evaluation of current efficiency)
When a sulfuric acid solution is produced by the method for producing a sulfuric acid solution according to the present invention, a sulfuric acid solution containing metal ions can be efficiently obtained in a short time. To what extent the current applied at this time contributed to the dissolution of the metal was calculated as current efficiency. The current efficiency was calculated as a percentage obtained by subtracting the weight loss of the cathode 13 from the weight loss of the anode 13 and dividing the current efficiency by the theoretical dissolution amount as shown in Expression 1 below. When the current efficiency was 90% or more, it was determined that electrolysis was performed efficiently.

[数1]
電流効率(%)=(アノード13減少重量 − カソード14増加重量)/理論溶解量 × 100・・・数1
[Equation 1]
Current efficiency (%) = (weight reduced by anode 13−weight increased by cathode 14) / theoretical dissolved amount × 100 (1)

(その他)
本発明に係る電解槽10では、アノード13側の溶液の電気伝導度またはpHを公知の測定機器を用いて測定し、硫酸の供給量および通電する電流の調整など操業管理に用いることも可能である。
(Other)
In the electrolytic cell 10 according to the present invention, the electric conductivity or the pH of the solution on the anode 13 side is measured using a known measuring instrument, and the solution can be used for operation management such as adjustment of the supply amount of sulfuric acid and the current to be supplied. is there.

また、以下に示す本発明の実施例では、電解での通電はアノード13のニッケル板やコバルト板に連続して、アノード13とカソード14の極性を変えずに通電する一般的な方法、すなわち一方向通電、および一定周期で短時間の停電を繰り返しながら通電する断続通電(「パルス通電」ともいう)が採用されているが、アノード13とカソード14の極性を一定周期で定期的に反転させるPR通電と呼ばれる通電方法が採用される場合もある。これらの通電方法はアノード13の不動態化の発生を抑制する効果があるので、その分電流密度を上昇させて生産効率を向上したり、添加する塩化物濃度を低減したりして硫酸溶液をさらに高純度化することもできる。   In the embodiment of the present invention described below, energization by electrolysis is performed by a general method of energizing the nickel plate or the cobalt plate of the anode 13 continuously without changing the polarity of the anode 13 and the cathode 14, that is, one method. Direct current energization and intermittent energization (also referred to as “pulse energization”) in which energization is performed while repeating a short-time power outage in a fixed cycle are employed. An energization method called energization may be employed. Since these energization methods have the effect of suppressing the occurrence of passivation of the anode 13, the current density is increased by that amount to improve the production efficiency, or the concentration of chloride to be added is reduced, so that the sulfuric acid solution is reduced. Further purification can be achieved.

(実施例1)
実施例1では、連続的に金属溶解電解液を取得可能な、図1に示された電解槽10が用いられた。この電解槽10では、陽イオン交換膜を隔膜12として、アノード室21とカソード室22が分離されている。この陽イオン交換膜の輸率は0.92以上である。また、電解槽10では、アノード13およびカソード14として、金属ニッケル板が電極間距離45mmで設置された。それぞれの有効面積は16cmとした。
(Example 1)
In Example 1, the electrolytic cell 10 shown in FIG. 1 capable of continuously obtaining a metal-dissolved electrolytic solution was used. In the electrolytic cell 10, an anode chamber 21 and a cathode chamber 22 are separated by using a cation exchange membrane as a diaphragm 12. The transport number of this cation exchange membrane is 0.92 or more. In the electrolytic cell 10, a metal nickel plate was installed as the anode 13 and the cathode 14 with a distance between the electrodes of 45 mm. Each effective area was 16 cm 2 .

アノード室21の液面高さを120mmとなるように、初期電解液として、アノード室21に以下の硫酸溶液が供給された。この初期電解液は、水に硫酸ニッケルの結晶を溶解し、硫酸および塩酸で酸濃度および塩化物濃度を調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が29g/リットル、塩化物イオン濃度が3g/リットルとなっているものである。   The following sulfuric acid solution was supplied to the anode chamber 21 as an initial electrolyte so that the liquid level in the anode chamber 21 was 120 mm. The initial electrolyte solution was prepared by dissolving nickel sulfate crystals in water and adjusting the acid concentration and the chloride concentration with sulfuric acid and hydrochloric acid so that the nickel ion concentration was 100 g / l, the sulfuric acid concentration was 29 g / l, and the chloride ion was The concentration is 3 g / liter.

初期電解液としてカソード室22に以下の電解液が供給された。この初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例1の金属溶解前の条件を表1に示す。   The following electrolytes were supplied to the cathode chamber 22 as initial electrolytes. The initial electrolyte is sulfuric acid at a concentration of 200 g / l. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions before melting of the metal in Example 1.

電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14に、電流密度2000A/mとなるように電流が供給された。この際、電解液の温度は60℃になるように制御された。アノード室21の底から5mm上方の位置にある、取出管15の開口15aから、取出しポンプ20により金属溶解電解液が取出された。取出された金属溶解電解液の量は、蒸発量を無視すれば、供給されている、硫酸と塩酸の合計量と同じである。 A current was supplied to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10 so as to have a current density of 2000 A / m 2 . At this time, the temperature of the electrolyte was controlled to be 60 ° C. The metal-dissolved electrolyte was taken out by the take-out pump 20 from the opening 15 a of the take-out tube 15 located 5 mm above the bottom of the anode chamber 21. The amount of the extracted metal-dissolved electrolytic solution is the same as the total amount of sulfuric acid and hydrochloric acid supplied, ignoring the amount of evaporation.

実施例1の結果を表2に示す。取出された金属溶解電解液のニッケルイオン濃度は、100g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なニッケルイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。すなわち24Ahの通電の実施に対し、カソード14へのニッケルの再電着はわずかで、電流効率を確認したところ94%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。   Table 2 shows the results of Example 1. The nickel ion concentration of the extracted metal-dissolved electrolytic solution was 100 g / liter, which was a nickel ion concentration sufficient for use in manufacturing a battery positive electrode. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. That is, while the current was supplied at 24 Ah, the re-deposition of nickel on the cathode 14 was slight, and the current efficiency was confirmed to be 94%, indicating that the electrolysis was performed efficiently.

(実施例2)
実施例2は、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点以外のパラメータは実施例1と同じである。実施例2のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸ニッケルを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が26g/リットル、塩化物イオン濃度が5g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例2の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Example 2)
Example 2 is the same as Example 1 except that the following sulfuric acid solution was supplied to the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 as the initial electrolyte. The initial electrolyte in the anode chamber 21 of Example 2 was prepared by dissolving nickel sulfate in water and adjusting with sulfuric acid and hydrochloric acid, so that the nickel ion concentration was 100 g / l, the sulfuric acid concentration was 26 g / l, and the chloride ion concentration was It is 5 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions before melting the metal in Example 2.

実施例2の結果を表2に示す。取出された金属溶解電解液のニッケルイオン濃度は、101g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なニッケルイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。すなわち24Ahの通電の実施に対し、カソード14へのニッケルの再電着はわずかで、電流効率を確認したところ96%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。   Table 2 shows the results of Example 2. The nickel ion concentration of the extracted metal-dissolved electrolytic solution was 101 g / liter, which was a nickel ion concentration sufficient for use in manufacturing a battery positive electrode. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. In other words, when the current was supplied for 24 Ah, the re-deposition of nickel on the cathode 14 was slight, and the current efficiency was confirmed to be 96%, indicating that the electrolysis was performed efficiently.

(実施例3)
実施例3は、1価選択型陽イオン交換膜を隔膜12とした点、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点、電流が供給される際の電解液の温度が45℃である点、電流密度が1000A/mとした点、アノード13およびカソード14の、それぞれの有効面積が32cmである点以外のパラメータは実施例1と同じである。実施例3のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸ニッケルを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が25g/リットル、塩化物イオン濃度が6g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例3の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Example 3)
The third embodiment is different from the first embodiment in that a monovalent selective cation exchange membrane is used as the diaphragm 12, the following sulfuric acid solution is supplied to the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 as an initial electrolyte, The parameters are the same as in Example 1 except that the temperature of the solution is 45 ° C., the current density is 1000 A / m 2, and the effective area of each of the anode 13 and the cathode 14 is 32 cm 2 . The initial electrolyte solution in the anode chamber 21 of Example 3 was prepared by dissolving nickel sulfate in water and adjusting with sulfuric acid and hydrochloric acid, so that the nickel ion concentration was 100 g / l, the sulfuric acid concentration was 25 g / l, and the chloride ion concentration was It is 6 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions before melting the metal of Example 3.

実施例3の結果を表2に示す。取出された金属溶解電解液のニッケルイオン濃度は、103g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なニッケルイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。すなわち24Ahの通電の実施に対し、カソード14へのニッケルの再電着はほとんどなく、電流効率を確認したところ99%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。また、カソード室22内のニッケルイオン濃度は1g/リットルであり、アノード室21内のニッケルイオンが、カソード室22に移動することが抑制されていた。   Table 2 shows the results of Example 3. The nickel ion concentration of the extracted metal-dissolved electrolyte was 103 g / liter, which was a nickel ion concentration sufficient for use in manufacturing a positive electrode of a battery. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. That is, when the current was supplied at 24 Ah, there was almost no re-deposition of nickel on the cathode 14, and the current efficiency was confirmed to be 99%, indicating that the electrolysis was performed efficiently. Further, the nickel ion concentration in the cathode chamber 22 was 1 g / liter, and the movement of nickel ions in the anode chamber 21 to the cathode chamber 22 was suppressed.

(実施例4)
実施例4は、アノード13およびカソード14に金属コバルト板が用いられた点、初期電解液としてアノード室21、カソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点、液温が40℃となるように制御された点以外のパラメータは実施例3と同じである。実施例4のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸コバルトを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、コバルトイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が26g/リットル、塩化物イオン濃度が5g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例4の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Example 4)
In Example 4, the point that a metal cobalt plate was used for the anode 13 and the cathode 14, the point that the following sulfuric acid solution was supplied to the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 as initial electrolytes, and that the liquid temperature was 40 ° C. Are the same as those in the third embodiment except for the point that is controlled. The initial electrolyte solution in the anode chamber 21 of Example 4 was prepared by dissolving cobalt sulfate in water and adjusting with sulfuric acid and hydrochloric acid, so that the cobalt ion concentration was 100 g / l, the sulfuric acid concentration was 26 g / l, and the chloride ion concentration was It is 5 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions of Example 4 before melting the metal.

実施例4の結果を表2に示す。取出された金属溶解電解液のコバルトイオン濃度は、102g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なコバルトイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。加えて24Ahの通電の実施に対し、カソード14へのニッケルの再電着がわずかにあったが、電流効率を確認したところ98%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。さらに、カソード室22のコバルトイオン濃度を測定したところ1g/リットルであり、カソード室22へのコバルトイオンの移動を抑制できたことがわかった。   Table 2 shows the results of Example 4. The removed metal-dissolved electrolyte had a cobalt ion concentration of 102 g / liter, which was a sufficient cobalt ion concentration for use in producing a battery positive electrode. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. In addition, although the re-deposition of nickel on the cathode 14 was slight when the current of 24 Ah was applied, the current efficiency was 98% when the current efficiency was confirmed, indicating that the electrolysis was performed efficiently. . Further, when the cobalt ion concentration in the cathode chamber 22 was measured, it was 1 g / liter, and it was found that the movement of the cobalt ions to the cathode chamber 22 could be suppressed.

(実施例5)
実施例5は、1価選択型陽イオン交換膜の輸率が0.96以上である点以外のパラメータは実施例4と同じである。すなわち、実施例5のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸コバルトを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、コバルトイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が200g/リットル、塩化物イオン濃度が5g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例5の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Example 5)
Example 5 is the same as Example 4 except that the transport number of the monovalent selective cation exchange membrane is 0.96 or more. That is, the initial electrolytic solution in the anode chamber 21 of Example 5 was prepared by dissolving cobalt sulfate in water and adjusting the concentration with sulfuric acid and hydrochloric acid to obtain a cobalt ion concentration of 100 g / liter, a sulfuric acid concentration of 200 g / liter, and a chloride ion. The concentration is 5 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions of Example 5 before melting the metal.

実施例5の結果を表2に示す。取出された金属溶解電解液のコバルトイオン濃度は、102g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なコバルトイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。加えて24Ahの通電の実施に対し、カソード14へのニッケルの再電着がわずかにあったが、電流効率を確認したところ99%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。さらに、カソード室22のコバルトイオン濃度を測定したところ1g/リットルであり、カソード室22へのコバルトイオンの移動を抑制できたことがわかった。   Table 2 shows the results of Example 5. The removed metal-dissolved electrolyte had a cobalt ion concentration of 102 g / liter, which was a sufficient cobalt ion concentration for use in producing a battery positive electrode. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. In addition, when the current was supplied at 24 Ah, nickel was re-deposited on the cathode 14 slightly. However, when the current efficiency was confirmed, the current efficiency was 99%, indicating that the electrolysis was performed efficiently. . Further, when the cobalt ion concentration in the cathode chamber 22 was measured, it was 1 g / liter, and it was found that the movement of the cobalt ions to the cathode chamber 22 could be suppressed.

(比較例1)
比較例1では、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の初期電解液が供給された。アノード室21の初期電解液は、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が33g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわち、アノード室21、カソード室22には塩化物イオンは存在していない。これ以外のパラメータは実施例1と同じである。比較例1の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the following initial electrolyte was supplied to the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 as the initial electrolyte. The initial electrolyte in the anode chamber 21 has a nickel ion concentration of 100 g / liter and a sulfuric acid concentration of 33 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, chloride ions do not exist in the anode chamber 21 and the cathode chamber 22. Other parameters are the same as in the first embodiment. Table 1 shows the conditions of Comparative Example 1 before melting the metal.

比較例1の結果を表2に示す。比較例1では、電流を流し始めた後すぐに、電圧が急激に増加し、アノード13から酸素が発生したため、溶解を中止した。すなわち比較例1の条件では、電流密度を上げることができず、効率的に硫酸溶液を得ることができなかった。   Table 2 shows the results of Comparative Example 1. In Comparative Example 1, the dissolution was stopped because the voltage rapidly increased and oxygen was generated from the anode 13 immediately after the current started to flow. That is, under the conditions of Comparative Example 1, the current density could not be increased, and a sulfuric acid solution could not be obtained efficiently.

(比較例2)
比較例2では、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点、電流が供給される際の電解液の温度が30℃である点、電流密度が1000A/mとした点、アノード13およびカソード14の、それぞれの有効面積が32cmである点以外のパラメータは実施例1と同じである。アノード室21の初期電解液は、水に硫酸ニッケルを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、硫酸濃度が25g/リットル、塩化物イオン濃度が6g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。比較例2の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the following sulfuric acid solution was supplied to the anode chamber 21 and the cathode chamber 22 as the initial electrolyte, the temperature of the electrolyte was 30 ° C. when the current was supplied, and the current density was 1000 A / The parameters are the same as those of the first embodiment except that m 2 and the effective area of each of the anode 13 and the cathode 14 are 32 cm 2 . The initial electrolyte solution in the anode chamber 21 is prepared by dissolving nickel sulfate in water and adjusting the concentration with sulfuric acid and hydrochloric acid to obtain a nickel ion concentration of 100 g / l, a sulfuric acid concentration of 25 g / l, and a chloride ion concentration of 6 g / l. Is what it is. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 1 shows the conditions of Comparative Example 2 before melting the metal.

比較例2の結果を表2に示す。比較例1では、電流を流し始めた後しばらくして、電圧が急激に増加し、アノード13から酸素が発生したため、溶解を中止した。すなわち比較例1の条件では、電流密度を上げることができず、効率的に硫酸溶液を得ることができなかった。   Table 2 shows the results of Comparative Example 2. In Comparative Example 1, the dissolution was stopped because the voltage suddenly increased and oxygen was generated from the anode 13 some time after the current was started to flow. That is, under the conditions of Comparative Example 1, the current density could not be increased, and a sulfuric acid solution could not be obtained efficiently.

(比較例3)
比較例3では、図1の電解槽10が用いられたが、この際隔膜12が除去された。また初期電解液は以下のものが供給された。この初期電解液は、硫酸および塩酸で調整することで、硫酸濃度が29g/リットル、塩化物イオン濃度が3g/リットルとなっているものである。この隔膜12がない点、初期電解液の点以外のパラメータは、実施例4と同じである。比較例3の金属溶解前の条件を表1に示す。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, the electrolytic cell 10 of FIG. 1 was used, but at this time, the diaphragm 12 was removed. The following initial electrolyte was supplied. This initial electrolytic solution is adjusted to have sulfuric acid concentration of 29 g / l and chloride ion concentration of 3 g / l by adjusting with sulfuric acid and hydrochloric acid. The parameters other than the absence of the diaphragm 12 and the point of the initial electrolyte are the same as those of the fourth embodiment. Table 1 shows the conditions of Comparative Example 3 before melting the metal.

比較例3の結果を表2に示す。通電後しばらくして、アノード13とカソード14がショートした。カソード14を取り出し確認したところ、コバルトがデンドライト状に析出していた。すなわち効率的に硫酸溶液を得ることが困難であることがわかった。   Table 2 shows the results of Comparative Example 3. Some time after energization, the anode 13 and the cathode 14 were short-circuited. When the cathode 14 was taken out and confirmed, cobalt was deposited in a dendrite shape. That is, it was found that it was difficult to efficiently obtain a sulfuric acid solution.

Figure 2020055729
Figure 2020055729

Figure 2020055729
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(実施例6)
電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14に、周期的な通停電を繰り返すパルス電流が供給された点、アノード13およびカソード14の電極有効面積が異なる点、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点以外のパラメータは実施例1と同じである。実施例6では、電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14の有効面積は32cmとした。また、周期1秒で、ON時間0.85秒、デューティ比0.85、平均電流密度1000A/mとなるようにパルス電流が供給された。また、実施例6のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸ニッケルを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、遊離硫酸濃度が32g/リットル、塩化物イオン濃度が1g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例6の金属溶解前の条件を表3に示す。
(Example 6)
A point where a pulse current that repeats a periodic power interruption is supplied to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10, a point that the electrode effective areas of the anode 13 and the cathode 14 are different, and the anode chamber 21 and the The parameters other than the point that the following sulfuric acid solution was supplied to the cathode chamber 22 are the same as those in the first embodiment. In Example 6, the effective area of the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10 was 32 cm 2 . Further, a pulse current was supplied such that the ON time was 0.85 seconds, the duty ratio was 0.85, and the average current density was 1000 A / m 2 at a cycle of 1 second. Further, the initial electrolyte solution in the anode chamber 21 of Example 6 was prepared by dissolving nickel sulfate in water and adjusting with sulfuric acid and hydrochloric acid to obtain a nickel ion concentration of 100 g / liter, a free sulfuric acid concentration of 32 g / liter, and a chloride. The ion concentration is 1 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 3 shows the conditions before melting of the metal in Example 6.

実施例6の結果を表4に示す。取出された金属溶解電解液のニッケルイオン濃度は、102g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なニッケルイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。加えて24Ahの通電の実施に対し、電流効率を確認したところ96%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。さらに、カソード室22のニッケルイオン濃度を測定したところ25g/リットルであり、カソード室22へのニッケルイオンの移動を抑制できたことがわかった。   Table 4 shows the results of Example 6. The nickel ion concentration of the extracted metal-dissolved electrolytic solution was 102 g / liter, which was a nickel ion concentration sufficient for use in manufacturing a battery positive electrode. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. In addition, the current efficiency was confirmed to be 96% with respect to the conduction of 24 Ah, indicating that the electrolysis was performed efficiently. Further, when the nickel ion concentration in the cathode chamber 22 was measured, it was 25 g / liter, and it was found that the movement of nickel ions to the cathode chamber 22 could be suppressed.

(実施例7)
電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14に、周期的な通停電を繰り返すパルス電流が供給された点、アノード13およびカソード14の電極有効面積が異なる点、初期電解液としてアノード室21およびカソード室22に以下の硫酸溶液が供給された点以外のパラメータは実施例6と同じである。実施例7では、電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14の有効面積は20cmとした。また、周期2秒で、ON時間1.9秒、デューティ比0.95、平均電流密度1600A/mとなるようにパルス電流が供給された。加えて、実施例7のアノード室21の初期電解液は、水に硫酸ニッケルを溶解し、硫酸および塩酸で調整することで、ニッケルイオン濃度が100g/リットル、遊離硫酸濃度が30g/リットル、塩化物イオン濃度が2g/リットルとなっているものである。またカソード室22の初期電解液は、濃度200g/リットルの硫酸である。すなわちカソード室22には塩化物イオンは存在していない。実施例7の金属溶解前の条件を表3に示す。
(Example 7)
A point where a pulse current that repeats a periodic power interruption is supplied to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10, a point that the electrode effective areas of the anode 13 and the cathode 14 are different, and that the anode chamber 21 and the The parameters other than the point that the following sulfuric acid solution was supplied to the cathode chamber 22 are the same as those in the sixth embodiment. In Example 7, the effective area of the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10 was 20 cm 2 . In addition, a pulse current was supplied at a cycle of 2 seconds, an ON time of 1.9 seconds, a duty ratio of 0.95, and an average current density of 1600 A / m 2 . In addition, the initial electrolyte solution in the anode chamber 21 of Example 7 was prepared by dissolving nickel sulfate in water and adjusting the concentration with sulfuric acid and hydrochloric acid, so that the nickel ion concentration was 100 g / l, the free sulfuric acid concentration was 30 g / l, The substance ion concentration is 2 g / liter. The initial electrolyte in the cathode chamber 22 is sulfuric acid having a concentration of 200 g / liter. That is, no chloride ion exists in the cathode chamber 22. Table 3 shows the conditions before melting of the metal in Example 7.

実施例7の結果を表4に示す。取出された金属溶解電解液のニッケルイオン濃度は、103g/リットルであり、電池の正極の製造に用いるのに十分なニッケルイオン濃度であった。また、電流密度も十分に高く、効率的に硫酸溶液が得られた。加えて24Ahの通電の実施に対し、電流効率を確認したところ95%であり、効率的に電解が行われていることがわかった。さらに、カソード室22のニッケルイオン濃度を測定したところ25g/リットルであり、カソード室22へのニッケルイオンの移動を抑制できたことがわかった。   Table 4 shows the results of Example 7. The nickel ion concentration of the extracted metal-dissolved electrolyte was 103 g / liter, which was a nickel ion concentration sufficient for use in manufacturing a positive electrode of a battery. In addition, the current density was sufficiently high, and a sulfuric acid solution was efficiently obtained. In addition, the current efficiency was confirmed to be 95% with respect to the conduction of 24 Ah, indicating that the electrolysis was performed efficiently. Further, when the nickel ion concentration in the cathode chamber 22 was measured, it was 25 g / liter, and it was found that the movement of nickel ions to the cathode chamber 22 could be suppressed.

(比較例4)
電解槽10に設けられたアノード13およびカソード14に、実施例6とは異なるパルス電流が供給された点以外のパラメータは実施例6と同じである。比較例4では、周期1秒で、ON時間0.5秒、デューティ比0.5となるようにパルス電流が供給された。比較例4の金属溶解前の条件を表3に示す。
(Comparative Example 4)
The parameters are the same as those of the sixth embodiment except that a pulse current different from that of the sixth embodiment is supplied to the anode 13 and the cathode 14 provided in the electrolytic cell 10. In Comparative Example 4, the pulse current was supplied such that the period was 1 second, the ON time was 0.5 seconds, and the duty ratio was 0.5. Table 3 shows the conditions of Comparative Example 4 before melting the metal.

比較例4の結果を表4に示す。通電後しばらくして、電圧が急激に増加し、アノード13から酸素が発生したため、溶解を中止した。すなわち効率的に硫酸溶液を得ることが困難であることがわかった。   Table 4 shows the results of Comparative Example 4. Some time after the energization, the voltage rapidly increased and oxygen was generated from the anode 13, so that the dissolution was stopped. That is, it was found that it was difficult to efficiently obtain a sulfuric acid solution.

Figure 2020055729
Figure 2020055729

Figure 2020055729
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10 電解槽
12 隔膜
13 アノード
14 カソード
17 直流電源
21 アノード室
22 カソード室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyzer 12 Diaphragm 13 Anode 14 Cathode 17 DC power supply 21 Anode room 22 Cathode room

Claims (5)

槽内が陽イオン交換膜によりアノード室およびカソード室に分けられた電解槽の少なくとも前記アノード室に、塩化物イオン含有硫酸溶液を初期電解液として供給する初期電解液供給工程と、
前記電解槽に設けられたアノードとカソードとに電流を供給するとともに、前記アノード室から、前記アノードを構成する金属が溶解した金属溶解電解液を取出す電解液取出工程と、
を含んで構成されている、
ことを特徴とする硫酸溶液の製造方法。
An initial electrolytic solution supply step of supplying a chloride ion-containing sulfuric acid solution as an initial electrolytic solution to at least the anode chamber of the electrolytic tank in which the inside of the tank is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a cation exchange membrane,
Supplying an electric current to the anode and the cathode provided in the electrolytic cell, and from the anode chamber, an electrolytic solution extracting step of extracting a metal-dissolved electrolytic solution in which the metal constituting the anode is dissolved;
Is configured to include
A method for producing a sulfuric acid solution, comprising:
前記アノードを構成する金属は、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の硫酸溶液の製造方法。
The metal constituting the anode contains at least either nickel or cobalt,
The method for producing a sulfuric acid solution according to claim 1, wherein:
前記塩化物イオン含有硫酸溶液の塩化物イオンの濃度が1g/リットル以上20g/リットル以下である、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫酸溶液の製造方法。
The chloride ion-containing sulfuric acid solution has a chloride ion concentration of 1 g / L or more and 20 g / L or less;
The method for producing a sulfuric acid solution according to claim 1 or 2, wherein:
前記電解液取出工程において、
前記アノードとカソードとに、周期的な通停電を繰り返すパルス電流を供給する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の硫酸溶液の製造方法。
In the electrolyte removal step,
To the anode and the cathode, supply a pulse current that repeats a periodic power interruption,
The method for producing a sulfuric acid solution according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
前記周期的な通停電において、
前記周期的な通停電の1周期における通電時間の比率が、0.8以上1.0未満である、
ことを特徴とする請求項4に記載の硫酸溶液の製造方法。
In the periodic power interruption,
A ratio of energization time in one cycle of the periodic power interruption is 0.8 or more and less than 1.0;
The method for producing a sulfuric acid solution according to claim 4, wherein:
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