JP4321170B2 - 低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法 - Google Patents

低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法 Download PDF

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    • C09C1/0009Pigments for ceramics

Description

本発明は、低アルカリ含有量の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルト(以下、単に炭酸コバルトと呼称する場合がある。)、その製造方法及びそれを用いた酸化コバルトに関し、さらに詳しくは、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを低コストかつ高生産性で製造する方法と、それを用いて得られる低アルカリ金属含有量で高性能の酸化コバルトに関する。
酸化コバルトは、従来から、陶磁器の顔料、ガラスの着色剤として用いられていたが、近年、コンデンサー、バリスター、サーミスターなどの電子部品のセラミックス材料、さらには、リチウムイオン電池、また有機合成触媒の材料として大きく需要が伸びている。このような用途、特に電子部品又は電池用の材料として用いられる場合には、その製造工程又は使用される環境下で、異常焼結の発生、電気抵抗の減少、電磁気的特性の劣化等の不都合を引き起こす不純物として、アルカリ金属が挙げられ、特にナトリウムは含有されないことが望まれる。
この対策として、アルカリ金属を含有する酸化コバルトを、アルカリ金属を除去するため一般的に行なわれる湿式洗浄又は加熱による揮発等の方法で処理しても、アルカリ金属を効率的に、十分に除去することは難しい。したがって、酸化コバルトの原料として用いるコバルト塩のアルカリ金属の含有量を、事前に低減させることが行なわれる。そこで、アルカリ金属含有量の少ないコバルト塩の製造方法が提案されており、代表的な方法としては、以下のようなものが挙げられ、これらの提案は、低アルカリ金属含有量の酸化コバルトの製造に貢献しているが、それぞれ課題がある。
(1)炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムなどのナトリウムを含まない炭酸アルカリ塩を使用して、コバルト塩水溶液から濾過性の良好な塩基性炭酸コバルトを沈殿生成する方法。この沈澱物は、濾過性が良好なので洗浄操作によって、アンモニウム含有量を低下させ、さらに仮焼によって低アンモニウム含有量の酸化コバルトを得ることができるが、反応剤に比較的高価な炭酸水素アンモニウムを使用し高コストであること、なにより、溶液中に多量のアンモニウムイオンが含まれるので廃液処理が非常に高コストであること等の問題がある。
(2)水酸化アルカリ金属を使用して、コバルト塩水溶液から水酸化コバルトを製造し、生成した沈殿物の洗浄を繰り返すことによりアルカリ金属等の不純物を除去する方法(例えば、特許文献1参照)。この沈澱物は、一般に粒子が微細で濾過性及び沈降性が非常に悪い水酸化コバルトであるので、工業規模での水洗、濾過が困難で生産性が低いという問題がある。
(3)炭酸ナトリウム若しくは炭酸水素ナトリウムを使用して、コバルト塩水溶液から塩基性炭酸コバルトを沈殿生成し、その後水酸化ナトリウム溶液で洗浄し、さらに水洗して低ナトリウム含有量の塩基性炭酸コバルトを得る方法(例えば、特許文献2参照)。この方法では、炭酸イオン濃度の高い状態で副生するジカルボナトコバルト酸ナトリウム(Na[Co(CO]・4HO)等の水に不溶性の複塩を水酸化ナトリウム溶液で洗浄して分解することで、ナトリウムの除去を行うことができ、低ナトリウム含有量の炭酸コバルトが得られる。しかしながら、通常行なわれる水洗工程の前にアルカリ洗浄という新たな工程を設ける必要があること、また水酸化ナトリウムなどの薬剤コストの上昇を招くこと等の問題がある。
以上より明らかなように、低アルカリ金属含有量の酸化コバルトを得るための原料としては、水酸化コバルトに比べて、濾過性が良好で水洗操作が容易に行える塩基性炭酸コバルト等の炭酸コバルト塩が望ましい。また、炭酸アルカリ塩として、排水問題を回避できる炭酸アルカリ金属塩が望ましい。
以上の状況から、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを低コストかつ高生産性で製造する方法と、それを用いた低アルカリ金属含有量で高性能の酸化コバルトが求められている。なお、本明細書で用いる炭酸コバルトは、炭酸基と水酸基を有する塩基性炭酸コバルトを含む広義のコバルト炭酸塩化合物を表す。
特開昭55−62814号公報(第1頁) 特開平7−196323号公報(第1頁、第2頁)
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑み、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを低コストかつ高生産性で製造する方法と、それを用いて得られる低アルカリ金属含有量で高性能の酸化コバルトを提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するために、酸化コバルトの製造方法において、特に炭酸コバルトについて、鋭意研究を重ねた結果、特定の条件で反応を行ったところ、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを低コストかつ高生産性で製造できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の第1の発明によれば、塩化コバルト水溶液に炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウムを反応させて炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトを製造する際に、下記(1)又は(2)の少なくとも一つの操作を採用することを特徴とする低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法が提供される。
(1)反応温度を25℃以下に調整する。
(2)炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウム源として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸ナトリウム水溶液又は炭酸水素ナトリウム水溶液を用いる。
また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記反応の温度を10〜20℃に調整することを特徴とする炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記水酸化アルカリ金属が、水酸化ナトリウムであることを特徴とする炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法が提供される。
本発明の低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト、その製造方法及びそれを用いた酸化コバルトは、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを低コストかつ高生産性で製造することができる方法であり、それを用いて得られる酸化コバルトは低アルカリ金属含有量で高性能であり、その工業的価値は極めて大きい。
以下、本発明の低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト、その製造方法及びそれを用いた酸化コバルトを詳細に説明する。
本発明の低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト、その製造方法及びそれを用いた酸化コバルトは、コバルト塩水溶液に炭酸アルカリ金属塩を添加して反応させることによって、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを製造する方法において、(1)前記反応の温度を25℃以下に調整する操作、及び/又は(2)前記炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる操作を含む製造方法であり、それによって製造された炭酸コバルト及びそれを用いた酸化コバルトである。
1.炭酸コバルトの製造方法
本発明の炭酸コバルトの製造方法は、コバルト塩水溶液に炭酸アルカリ金属塩を反応させて炭酸コバルトを製造する際に、下記(1)又は(2)の少なくとも一つの操作を含む低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトの製造方法である。
(1)反応温度を25℃以下に調整する。
(2)炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる。
すなわち、本発明の製造方法は、コバルト塩水溶液に炭酸アルカリ金属塩を添加して反応させることよって、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを製造する方法において、前記反応の温度を25℃以下に調整する操作を含む製造方法(A)、前記炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる操作を含む製造方法(B)、又は前記炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる操作と前記反応の温度を25℃以下に調整する操作を含む製造方法(C)のいずれかである。
本発明の炭酸コバルトの製造方法において、反応温度を所定温度に調整することと、上記炭酸アルカリ金属塩として水酸化アルカリ金属を所定濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いることとが、それぞれ重要な意義を持つ。これによって、従来の技術課題に対して工業的に高生産性が得られる方法での解決策が得られ、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを製造することできる。
これに対して、従来の炭酸コバルトの製造方法では、以下の技術課題のため、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトを簡便な方法で製造することができなかった。例えば、炭酸コバルトの製造方法として、塩化コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルト等のコバルト塩水溶液に炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウムを添加して反応させて、炭酸コバルトを沈殿物として得る方法が行なわれる。このとき生成する炭酸コバルトのナトリウム含有量は、1〜4重量%であり、しかも水洗浄で除去することができない。
これは、上記反応において、ジカルボナトコバルト酸ナトリウム(Na[Co(CO]・4HO)等の水に不溶性のアルカリ金属複塩が一部形成され、これが沈殿生成する炭酸コバルトに混入するためと思われる。この複塩の形成の反応機構としては、高炭酸イオン濃度の溶液中ではCoイオンは炭酸イオンと錯イオンを形成しており、さらにナトリウム等の1価カチオンと複塩を形成するものと見られる。
したがって、この複塩を形成する反応を抑制し、主反応である炭酸コバルト生成反応を優先的にすすめることが重要である。このためには、上記反応の温度を所定温度に調整することと、上記炭酸アルカリ金属塩として水酸化アルカリ金属を所定濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いることとが有効である。
上記製造方法において反応の制御方法は、特に限定されるものではなく、所定濃度のコバルト塩の水溶液に、所定濃度の炭酸アルカリ金属塩水溶液を所定比率で混合して行なう方法、又は反応液のpHが所定値になるように炭酸アルカリ金属塩水溶液の添加速度を調節する方法等が用いられる。
前者の方法では、コバルト塩水溶液に対する炭酸アルカリ金属塩の添加量は、特に限定されるものではないが、コバルトの高回収率を得るため、コバルト塩水溶液中のコバルト量に対して、CoCOとするための化学当量の1.0〜1.5倍が好ましい。また、後者の方法では、反応液のpHは、特に限定されるものではなく、コバルトの高回収率を得るため、6.5〜8.0が好ましい。
上記製造方法において用いられる炭酸アルカリ金属塩としては、特に限定されるものではなく、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の炭酸塩が用いられるが、特に安価である炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウムが好ましく、アルカリとしての性質が弱いため反応に際してpH制御性に優れ、低いナトリウム含有量が得られ易い炭酸水素ナトリウムがさらに好ましい。
(1)製造方法(A)
上記製造方法(A)は、反応の温度を25℃以下に調整する操作を含む製造方法である。上記方法において反応温度は、25℃以下、好ましくは10〜20℃、さらに好ましくは14〜18℃に調整する。すなわち、前記の複塩生成反応は、反応温度を低下させることにより、主反応である炭酸コバルト生成反応に比べて相対的に反応速度が遅くなるので、室温以下にまで反応温度を低下して、複塩生成を抑制する。反応温度が25℃を超えると、複塩生成反応の抑制の効果が小さく、電子部品及び電池材料として期待されるアルカリ金属含有量が得られない。一方、低温ほど、複塩生成反応の抑制効果が大きいが、過度の低温化は冷却装置のコストが高くなるので、10℃以上が用いられる。
(2)製造方法(B)
上記製造方法(B)は、炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる操作を含む製造方法である。すなわち、水酸化アルカリ金属を添加することによって、反応溶液中にOHイオンが増えCO 2−イオン濃度が低下すること、また、炭酸塩化に比べて反応速度の大きい水酸化の反応が同時に起こること等によって、上記複塩の生成が抑制され水酸化物や炭酸塩となるので、アルカリ金属含有量が低下する。
上記方法において、炭酸アルカリ金属塩水溶液中の水酸化アルカリ金属濃度は、5〜40g/l、好ましくは20〜40g/l、さらに好ましくは20〜30g/lである。すなわち、水酸化ナトリウム濃度が、5g/l未満では、生成する炭酸コバルトのナトリウム含有量の低下の効果が十分でない。一方、40g/lを越えると、水酸化反応が主体となるため、得られる沈殿物は水酸化コバルトが主成分となる。そのため、沈殿物の微細化によって、濾過性が悪化し、洗浄性の不良が起こる。
上記方法における反応温度は、特に限定されるものではなく、室温以上の工程液の温度で行なわれる。
上記方法において用いられる水酸化アルカリ金属は、特に限定されるものではなく、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の水酸化物が用いられるが、特に安価である水酸化ナトリウムが好ましい。
(3)製造方法(C)
上記製造方法(C)は、上記炭酸アルカリ金属塩として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸アルカリ金属塩水溶液を用いる操作と前記反応の温度を20℃以下に調整する操作を含む製造方法である。上記方法において、上記製造方法(A)と上記製造方法(B)の操作が行なわれる。ここで用いられる処理条件は、上記製造方法(A)と(B)のそれぞれと同様の条件で行える。
2.炭酸コバルト
本発明の炭酸コバルトは、上記(A)〜(C)の製造方法によって得られる低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトである。上記製造方法で得られる炭酸コバルトの沈殿物は、遠心分離機等の固液分離装置によって、反応濾液と分離され、次いで水洗浄を行い脱水される。
上記炭酸コバルトのアルカリ金属含有量は、通常操業での反応温度30〜70℃での1〜4重量%に対して、製造方法(A)又は(C)においては、25℃で0.3重量%以下、20℃で0.1重量%以下となる。また、製造方法(B)においては、0.7重量%以下、好ましい条件下では0.3重量%以下となる。
以上、本発明の製造方法によって、低アルカリ金属含有量の炭酸コバルトが得られる。
3.酸化コバルト
本発明の酸化コバルトは、上記製造方法で得られる炭酸コバルトを原料として用いて、これを仮焼して得られる低アルカリ金属含有量の酸化コバルトである。上記酸化コバルトは、アルカリ金属含有量が従来品に比べて低いので、電子部品及び電池材料などのナトリウム等のアルカリ金属の含有を嫌う用途に用いるのに、好適である。
上記酸化コバルトの製造方法は、特に限定されるものでなく、上記炭酸コバルトを仮焼する方法が用いられるが、この中で、特に空気中で350℃以上の温度で加熱処理する方法が好ましい。仮焼の温度が、350℃未満では、炭酸塩の分解が不十分で未分解物が残る。
以下に、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例及び比較例で用いた炭酸コバルトの金属及び水分率の分析方法は、以下の通りである。
(1)金属の分析:脱水処理後の試料を105℃で24時間乾燥後、ICP発光分析法で行った。
(2)水分率の分析:脱水処理後の試料を105℃で24時間乾燥し、前後の重量変化を求めた。
(実施例1)
上記製造方法(A)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を評価した。
まず、炭酸アルカリ金属水溶液として、濃度140g/lの炭酸水素ナトリウム水溶液の20lを予め反応槽に入れた。次に、反応槽内を撹拌しながら、反応温度を18℃に調整して、濃度50g/lの塩化コバルト水溶液の20lを、30分間かけて給液して反応させた。ここで、炭酸アルカリ金属の添加量は、コバルト塩水溶液中のコバルト量に対して、CoCOとするための化学当量の1.0倍であった。
その後、20分間反応を継続させた後、スラリーを遠心分離機を用いて固液分離して、炭酸コバルトと反応濾液とに分離した。次いで、得られた炭酸コバルトは、水によりレパルプ洗浄し再度遠心分離機を用いて脱水処理した。ここで、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を分析した。結果を表1に示す。
(実施例2)
上記製造方法(A)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を評価した。
まず、試薬1級の塩化コバルトを溶解して得た濃度50g/lの塩化コバルト水溶液の1lを予め反応槽に入れた。次に、反応槽内を撹拌しながら、反応温度を14℃に調整して、炭酸アルカリ金属水溶液として、試薬1級の炭酸ナトリウムを溶解して得た濃度100g/lの炭酸ナトリウム水溶液を給液して4時間反応させた。反応後の最終pHを、7.7に調整した。
その後、スラリーを吸引濾過で固液分離して、炭酸コバルトと反応濾液とに分離した。次いで、得られた炭酸コバルトは、水によりレパルプ洗浄し再度吸引濾過を用いて脱水処理した。ここで、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を分析した。結果を表1に示す。
(実施例3)
上記製造方法(A)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を評価した。
炭酸アルカリ金属水溶液として濃度73g/lの炭酸水素ナトリウム水溶液を用いたこと、及び反応後の最終pHを、6.9に調整した以外は、実施例2と同様に行った。ここで、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を分析した。結果を表1に示す。
(実施例4)
上記製造方法(A)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を評価した。
反応温度を25℃とした以外は、実施例1と同様に行った。ここで、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を分析した。結果を表1に示す。
(実施例5)
上記製造方法(C)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウムとコバルト含有量及び水分率を評価した。
まず、炭酸アルカリ金属水溶液として、試薬1級の炭酸ナトリウムを溶解して得た濃度100g/lの炭酸ナトリウム水溶液に、10g/lの濃度になるように水酸化ナトリウムを添加した水溶液を調製した。次に、前記炭酸アルカリ金属水溶液と同時に、試薬1級の塩化コバルトを溶解して得た濃度50g/lの塩化コバルト水溶液を、容量1Lの反応容器にポンプで給液して、反応槽内を撹拌しながら、反応温度を18℃に調整して反応させた。なお、滞留時間が1時間となるように、また反応液のpHが7.5になるように、両者の液流量を調整した。
その後、スラリーを吸引濾過で固液分離して、炭酸コバルトと反応濾液とに分離した。次いで、得られた炭酸コバルトは、水により掛け水洗浄し再度吸引濾過を用いて脱水処理した。ここで、得られた炭酸コバルトのナトリウム含有量を分析した。結果を表1に示す。
(実施例6〜9)
上記製造方法(B)に従って、炭酸コバルトの製造を行い、得られた炭酸コバルトのナトリウムとコバルト含有量及び水分率を評価した。
まず、炭酸アルカリ金属水溶液として、試薬1級の炭酸ナトリウムを溶解して得た濃度100g/lの炭酸ナトリウム水溶液に、5、10、20、40g/lの濃度になるように水酸化ナトリウムを添加した水溶液を調製した。次に、前記炭酸アルカリ金属水溶液と同時に、試薬1級の塩化コバルトを溶解して得た濃度50g/lの塩化コバルト水溶液を、容量1Lの反応容器にポンプで給液して、反応槽内を撹拌しながら、反応温度を70℃に調整して反応させた。なお、滞留時間が1時間となるように、また反応液のpHが7.5になるように、両者の液流量を調整した。
その後、スラリーを吸引濾過で固液分離して、炭酸コバルトと反応濾液とに分離した。次いで、得られた炭酸コバルトは、水により掛け水洗浄し再度吸引濾過を用いて脱水処理した。ここで、得られた炭酸コバルトから採取した試料を用いて、ナトリウムとコバルト含有量及び水分率を分析した。結果を表2に示す。
(比較例1)
炭酸アルカリ金属水溶液として、50g/lの濃度に水酸化ナトリウムを混合した炭酸ナトリウム水溶液を用いた以外は、実施例6と同様に行った。ここで、炭酸コバルトは、濾過性が不良であった。得られた炭酸コバルトから採取した試料を用いて、ナトリウムとコバルト含有量及び水分率を分析した。結果を表2に示す。
(比較例2)
炭酸アルカリ金属水溶液として、水酸化ナトリウムを加えることなく炭酸ナトリウム水溶液を用いた以外は、実施例6と同様に行った。ここで、得られた炭酸コバルトから採取した試料を用いて、ナトリウムとコバルト含有量及び水分率を分析した。結果を表2に示す。
Figure 0004321170
Figure 0004321170
表1より、実施例1〜4では製造方法(A)により、また実施例5では製造方法(C)により、反応温度で、本発明の方法に従って行われたので、低ナトリウム含有量の炭酸コバルトが得られることが分かる。
表2より、実施例6〜9では、製造方法(B)により炭酸アルカリ金属水溶液中の水酸化ナトリウムを所定濃度に調整して、本発明の方法に従って行われたので、低ナトリウム含有量の炭酸コバルトが得られることが分かる。これに対して、比較例1又は2では、炭酸アルカリ金属水溶液中の水酸化ナトリウム濃度がこれらの条件に合わないので、炭酸コバルト中のナトリウム含有量又は水分率(濾過性)で満足すべき結果が得られないことが分かる。
以上より明らかなように、本発明の低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト、その製造方法及びそれを用いた酸化コバルトは、電子部品及び電池材料分野の酸化コバルト原料として利用され、特にナトリウム等のアルカリ金属の含有を嫌う用途に好適に用いられる。

Claims (3)

  1. 塩化コバルト水溶液に炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウムを反応させて炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトを製造する際に、下記(1)又は(2)の少なくとも一つの操作を採用することを特徴とする低アルカリ金属含有量の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法。
    (1)反応温度を25℃以下に調整する。
    (2)炭酸ナトリウム又は炭酸水素ナトリウム源として、水酸化アルカリ金属を5〜40g/lの濃度で混合した炭酸ナトリウム水溶液又は炭酸水素ナトリウム水溶液を用いる。
  2. 前記反応の温度を10〜20℃に調整することを特徴とする請求項1に記載の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法。
  3. 前記水酸化アルカリ金属が、水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項1に記載の炭酸コバルト又は塩基性炭酸コバルトの製造方法。
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