JP4502617B2 - Metal oxide reduction method and metal oxide reduction apparatus - Google Patents

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この発明は、無機溶融塩からなる電解浴中で電気分解を行って金属酸化物を還元する金属酸化物の還元方法、及び無機溶融塩からなる電解浴中で電気分解を行って金属酸化物を還元する金属酸化物の還元装置に関するものである。   The present invention relates to a method for reducing a metal oxide by electrolyzing it in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt, and a method for reducing a metal oxide by electrolyzing in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt. The present invention relates to a reduction device for a metal oxide to be reduced.

金属の多くは酸素と極めて強い親和力を持つため、金属製錬用に使用する鉱石中においてもその多くが酸化物として存在する。これらの金属酸化物は適当な湿式処理や乾式処理を施すことによって、より高純度な金属酸化物として精製され、あるいは目的金属を主として含む塩化物やフッ化物等に形を変える等の処理を行い、次いで更にこの金属酸化物や金属塩化物等を適当な方法によって還元し、目的の金属を得ている。   Since many metals have a very strong affinity with oxygen, many of them exist as oxides in ores used for metal smelting. These metal oxides can be refined as higher-purity metal oxides by appropriate wet or dry treatment, or they can be treated to change their form to chlorides or fluorides mainly containing the target metal. Subsequently, the metal oxide or metal chloride is further reduced by an appropriate method to obtain the target metal.

例えばチタンは、酸化鉄と酸化チタンとが化合したイルメナイト鉱として多くが産出され、酸化チタンの精製方法は既に種々のものが報告されている。代表的なものとしては、炭素還元によりイルメナイト鉱中の酸化鉄を鉄まで還元した後、塩化アンモニウム水溶液(NH4Cl)を用いた湿式処理によって鉄を溶解・分離し残渣固形物として酸化チタンを得る方法や、炭素によりイルメナイト鉱中の酸化鉄を部分還元した後、硫酸を用いた湿式処理によって酸化チタンを得る方法等が挙げられる。 For example, a large amount of titanium is produced as ilmenite ore in which iron oxide and titanium oxide are combined, and various methods for refining titanium oxide have already been reported. As a typical example, after reducing iron oxide in ilmenite ore to iron by carbon reduction, iron is dissolved and separated by wet treatment using an aqueous ammonium chloride solution (NH 4 Cl) to form titanium oxide as a residual solid. And a method of obtaining titanium oxide by wet treatment using sulfuric acid after partial reduction of iron oxide in ilmenite ore with carbon.

そして、上記によって得られた酸化チタンを塩素および炭素と混合して高温で反応させることによって酸化チタンを一旦四塩化チタンとした後、この四塩化チタンをマグネシウムによって還元する、いわゆるクロール法によって金属チタンを得ることができる。   The titanium oxide obtained above is mixed with chlorine and carbon and reacted at a high temperature to convert the titanium oxide into titanium tetrachloride. Then, the titanium tetrachloride is reduced with magnesium, so that metal titanium is formed by a so-called crawl method. Can be obtained.

しかしながら、このクロール法による金属チタンの製錬では、鉱石から得た酸化チタンを中間原料として、この酸化チタンを一旦低沸点の四塩化チタンに変えてから還元するため、その製造工程が長くなるばかりか、エネルギー的にも損失が大きい。また、クロール法の特徴として製造過程で高温減圧下の真空分離が不可欠となり、更には製品金属であるスポンジ状金属チタンの破砕・粉砕処理や分別処理が必要となることから、結果として金属チタンの製造コストが高くなる問題がある。   However, in the smelting of titanium metal by this crawl method, titanium oxide obtained from ore is used as an intermediate raw material, and this titanium oxide is reduced to titanium tetrachloride having a low boiling point and then reduced. However, there is a large loss in terms of energy. In addition, as a characteristic of the crawl method, vacuum separation under high temperature and reduced pressure is indispensable in the production process, and further, crushing / pulverization processing and separation processing of sponge metal titanium, which is a product metal, are necessary. There is a problem that the manufacturing cost increases.

そこで、従来において、金属チタンの需要の拡大を反映し、上記クロール法に代わる幾つかの金属チタンの製錬方法が提案されている。一般的にこれらの方法では、反応槽内に無機溶融塩からなる電解浴を形成し、この電解浴中で行う電気分解を利用して酸化チタンを金属チタンに還元する。   Therefore, conventionally, several metal titanium smelting methods have been proposed in place of the crawl method, reflecting the growing demand for titanium metal. Generally, in these methods, an electrolytic bath made of an inorganic molten salt is formed in a reaction tank, and titanium oxide is reduced to titanium metal by utilizing electrolysis performed in the electrolytic bath.

例えば、竹内栄及び渡辺治、日本金属学会第28巻(1964)第9号第549〜554頁には、黒鉛製ルツボを使用し、この黒鉛製ルツボを陽極とすると共に、その中央部には陰極としてモリブデン製電極を配置し、また、ルツボ内には電解浴として、塩化カルシウム(CaCl2)、酸化カルシウム(CaO)及び酸化チタン(TiO2)からなる900〜1100℃の混合溶融塩を入れ、不活性ガスのアルゴン(Ar)の雰囲気下に電解浴中で酸化チタンを電解し、生成したチタンイオン(Ti4+)をモリブデン製電極の表面に析出させて金属チタンを製造する方法が記載されている(非特許文献1参照)。 For example, Sakae Takeuchi and Osamu Watanabe, The Japan Institute of Metals Vol. 28 (1964) No. 9, pp. 549 to 554, use a graphite crucible, and use this graphite crucible as an anode, A molybdenum electrode is placed as the cathode, and a mixed molten salt of 900 to 1100 ° C consisting of calcium chloride (CaCl 2 ), calcium oxide (CaO) and titanium oxide (TiO 2 ) is placed in the crucible as an electrolytic bath. Describes a method for producing metallic titanium by electrolyzing titanium oxide in an electrolytic bath under an atmosphere of argon (Ar) as an inert gas, and depositing the generated titanium ions (Ti 4+ ) on the surface of a molybdenum electrode. (See Non-Patent Document 1).

この方法においては、黒鉛製ルツボを反応容器及び陽極として兼用しており、電解浴中で酸化チタンを電気分解した際には酸素イオン(O2-)が発生するので、反応容器として用いた黒鉛製ルツボは酸素イオンの攻撃を受けて炭酸ガス(CO2・CO)となり、生成した炭酸ガスは電解浴中を浮上する間に、陰極に析出した金属チタン(Ti)と接触し、金属チタンの炭素汚染を不可避に引き起こす。そのため、著者たちは析出した金属チタンと陽極から発生するCOガスとの物理的接触による金属チタンの炭素汚染を回避するため、CaTiO3で製造した隔壁を使用することを教えている(非特許文献1第552頁左欄参照)。 In this method, a graphite crucible is also used as a reaction vessel and an anode, and oxygen ions (O 2− ) are generated when titanium oxide is electrolyzed in an electrolytic bath. Ltd. crucible becomes carbon dioxide attacked by oxygen ions (CO 2 · CO), generated carbon dioxide while flying in the electrolytic bath, in contact with metallic titanium was deposited on the cathode (Ti), titanium metal Inevitably causes carbon pollution. Therefore, the authors teach the use of partition walls made of CaTiO 3 to avoid carbon contamination of titanium metal due to physical contact between deposited titanium metal and CO gas generated from the anode (non-patent literature). 1 See page 552, left column).

反応容器と陽極とを兼用した黒鉛製ルツボを使用した電気分解では、金属チタンが析出する陰極が陽極の上方に位置するため、これを炭酸ガスから完全に遮断するためには、少なくとも下面、望ましくは完全に陰極周辺を隔壁によって塞ぐ必要がある。
しかしながら、黒鉛製ルツボ表面で発生した炭酸ガスは電解浴のほぼ全域に渡って浮上するため、黒鉛製ルツボ内の電解浴全体が炭酸ガスの飽和溶液になりやすい。そのため下面のみ塞いだ場合には、それ以外の場所から流入する陽極反応ガスが飽和した電解浴によって金属チタンの炭素汚染が避けられず、一方、完全に隔壁によって塞いだ場合は、通電可能な状態にするためには隔壁を多孔質状に形成する必要があり、これにより電解浴中に溶解した炭酸ガスの浸入を防ぐことができない。そのためいずれの場合においても金属チタンの炭素汚染が防止できない。尚、この方法に置いてはCaTiO3による隔壁自体が陰極において発生する強還元性物質であるCaに還元されるばかりか、空気中で隔壁に亀裂が生じてしまうことから耐久性の面でも問題がある。
In the electrolysis using a graphite crucible serving both as a reaction vessel and an anode, the cathode on which the titanium metal is deposited is located above the anode. Therefore, in order to completely shield it from carbon dioxide, at least the lower surface is desirable. It is necessary to completely block the periphery of the cathode with a partition wall.
However, since the carbon dioxide gas generated on the surface of the graphite crucible floats over almost the entire area of the electrolytic bath, the entire electrolytic bath in the graphite crucible tends to become a saturated solution of carbon dioxide gas. Therefore, when only the bottom surface is blocked, carbon contamination of titanium metal is unavoidable due to the electrolytic bath saturated with the anode reaction gas flowing in from other places, while when it is completely blocked by the partition wall, it can be energized. In order to achieve this, it is necessary to form the partition walls in a porous shape, and this makes it impossible to prevent the intrusion of carbon dioxide dissolved in the electrolytic bath. Therefore, in any case, carbon contamination of titanium metal cannot be prevented. In addition, in this method, the partition wall itself made of CaTiO 3 is not only reduced to Ca, which is a strong reducing substance generated at the cathode, but also cracks occur in the partition wall in the air, so there is also a problem in terms of durability. There is.

一方、本発明者らは、酸化チタン(TiO2)を熱還元して金属チタン(Ti)を製造する金属チタンの製錬方法であって、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)及び/又はカルシウム(Ca)からなる混合溶融塩で電解浴を構成し、この電解浴を混合溶融塩中の酸化カルシウム及び/又は塩化カルシウムを電気分解する電解帯域と酸化チタンを還元する還元帯域とに区画し、上記電解帯域では混合溶融塩中の酸化カルシウム及び/又は塩化カルシウムを電気分解してカルシウム(Ca)および1価カルシウムイオンに還元すると共に、これらにより酸化チタンを還元し、スポンジ状金属チタン(Ti)のを得る金属チタンの製錬方法を提案している(特許文献1参照)。 On the other hand, the present inventors are a smelting method of metallic titanium that produces metallic titanium (Ti) by thermally reducing titanium oxide (TiO 2 ), and includes calcium chloride (CaCl 2 ), calcium oxide (CaO) and An electrolytic bath is composed of a mixed molten salt made of calcium (Ca), and this electrolytic bath is divided into an electrolytic zone for electrolyzing calcium oxide and / or calcium chloride in the mixed molten salt and a reducing zone for reducing titanium oxide. In the electrolysis zone, calcium oxide and / or calcium chloride in the mixed molten salt is electrolyzed and reduced to calcium (Ca) and monovalent calcium ions, and titanium oxide is reduced by these to form sponge metal titanium. A titanium metal smelting method for obtaining (Ti) is proposed (see Patent Document 1).

この方法によれば、単一反応槽で酸化チタンから直接かつ連続的に金属チタンを製造することが可能であり、しかも、この金属チタン中の固溶酸素濃度を制御することもできるので、金属チタンを工業的に有利に製造できるという格別な利点がある。
しかしながら、この方法においても、陽極における陽極反応によって生成する炭酸ガスが電解浴である無機溶融塩中に炭酸イオンとして溶解するため、電解浴の対流や濃度勾配による拡散とともに移動し、酸化チタンの還元領域あるいは陰極近傍へと到達する。このようにして到達した炭酸ガスは、高温下における金属チタンの高い反応活性のために速やかに金属チタンと反応し、炭化チタンあるいは固溶炭素となり、製品金属チタンの炭素汚染を引き起こす。更に、陰極近傍へ到達した陽極反応ガスは、本来酸化チタンを熱還元するために生成されたカルシウム(Ca)とも反応し、酸化カルシウム(CaO)と炭素(C)とを生成する逆反応を生じてしまうため、酸化チタンから金属チタンへの還元効率を低下させる要因ともなる。
According to this method, it is possible to produce titanium metal directly and continuously from titanium oxide in a single reaction tank, and the concentration of solid solution oxygen in the metal titanium can be controlled. There is a special advantage that titanium can be produced industrially advantageously.
However, even in this method, the carbon dioxide gas generated by the anodic reaction at the anode dissolves as carbonate ions in the inorganic molten salt that is the electrolytic bath, so it moves with diffusion due to the convection and concentration gradient of the electrolytic bath, reducing titanium oxide. It reaches the area or near the cathode. The carbon dioxide gas thus reached reacts rapidly with the metal titanium due to the high reaction activity of the metal titanium at a high temperature to become titanium carbide or solute carbon, causing carbon contamination of the product metal titanium. Furthermore, the anode reaction gas that has reached the vicinity of the cathode also reacts with calcium (Ca), which was originally produced to thermally reduce titanium oxide, causing a reverse reaction to produce calcium oxide (CaO) and carbon (C). As a result, the reduction efficiency from titanium oxide to titanium metal also becomes a factor.

上記のように炭酸ガス等の陽極反応によって生じる陽極反応ガスによって引き起こされる金属チタンの汚染や金属チタンへの還元効率の低下を防止するため、P.D.Ferroらの、Waste Management, Vol.7(1997), No.7, P451-461では、マグネシアルツボの中心部に炭素陽極、外周部にステンレス陰極、更にこの陽極と陰極との間に両電極を区画する多孔質マグネシア隔壁を配置し、アルゴン雰囲気中にて塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)の混合溶融塩の電気分解を行う方法を提案している(非特許文献2参照)。この方法によれば、混合溶融塩中に生じる酸素イオン(O2-)は多孔質マグネシア隔壁を通過して陽極へ移動し、陽極反応ガスとして放出される。また、電解浴中に気泡状で放出された陽極反応ガスは、物理的に多孔質マグネシア隔壁の微小孔を通過することは出来ず、陽極表面へ浮上し排出される。更に、炭素陽極の不均一な酸化消耗により不可避に発生する脱落炭素が比重差により電解浴表面を浮遊するが、その微小固体炭素についても物理的に多孔質マグネシア隔壁の微小孔を通過することが出来ず、よって、得られる金属チタンの炭素汚染を防止する効果を発揮する。 As described above, PDFerro et al., Waste Management, Vol. 7 (1997), in order to prevent contamination of metallic titanium and reduction in reduction efficiency to metallic titanium caused by the anode reaction gas generated by the anode reaction such as carbon dioxide gas. In No.7, P451-461, a carbon anode at the center of the magnetic crucible, a stainless cathode at the outer periphery, and a porous magnesia partition that partitions both electrodes between the anode and cathode are placed in an argon atmosphere. Has proposed a method of electrolyzing a mixed molten salt of calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO) (see Non-Patent Document 2). According to this method, oxygen ions (O 2− ) generated in the mixed molten salt move to the anode through the porous magnesia partition, and are released as the anode reaction gas. Also, the anode reaction gas released in the form of bubbles in the electrolytic bath cannot physically pass through the micropores of the porous magnesia partition wall, but floats and is discharged to the anode surface. In addition, the falling carbon inevitably generated due to uneven oxidation of the carbon anode floats on the surface of the electrolytic bath due to the difference in specific gravity, but the fine solid carbon may also physically pass through the pores of the porous magnesia partition. Therefore, the effect of preventing carbon contamination of the obtained metal titanium is exhibited.

しかしながら、上記非特許文献2に係る方法では、多孔質マグネシア隔壁内において陽極反応ガスとして生成した炭酸ガス等は一部が電解浴中に溶解して炭酸イオン等となるため、この炭酸イオン等は電解浴の対流や濃度勾配によって多孔質マグネシア隔壁を通り抜けて陰極側へと移動してしまい、得られる金属チタンの汚染を完全に防ぐことが出来ないばかりか、酸化チタンを還元するために生成されるカルシウム(Ca)とも反応してしまい、酸化チタンから金属チタンへの還元効率を低下させる原因となる。また、陰極において生成されるカルシウムは隔壁であるマグネシアをも還元するため、次第に金属マグネシウムとなって隔壁が破壊されてしまうおそれがある。この問題を回避する方法として、電解浴を構成する無機溶融塩の凝固層で多孔質隔膜を保護する手段が考えられるが、その場合には隔壁が多孔質ではなく完全に閉じた壁となってしまうため電気を流すことが出来なくなって、当該手段を適用できない。更に、カルシウムの生成速度は多孔質セラミックス隔壁を通過する酸素イオンの移動速度に依存し、その移動速度は多孔質セラミックス隔壁の厚さ、気孔率、形状などに依存するとしており、実験においては2.0〜2.5mm程度の厚さの多孔質マグネシア隔壁を使用しているが、多孔質セラミックスの形状、大きさ、強度、寿命、及び費用等を勘案すると、多孔質セラミックス隔壁を利用した電解方法は、工業的規模での適用は困難であるといわざるを得ない。   However, in the method according to Non-Patent Document 2, carbon dioxide gas generated as the anode reaction gas in the porous magnesia partition is partly dissolved in the electrolytic bath to become carbonate ions and the like. It is not only completely prevented from contamination of the resulting titanium metal through the porous magnesia partition due to the convection and concentration gradient of the electrolytic bath, but also produced to reduce titanium oxide. It also reacts with calcium (Ca), which causes a reduction in reduction efficiency from titanium oxide to titanium metal. In addition, calcium produced at the cathode also reduces magnesia, which is a partition wall, so that it gradually becomes metallic magnesium and the partition wall may be destroyed. As a method for avoiding this problem, a means for protecting the porous diaphragm with a solidified layer of an inorganic molten salt constituting the electrolytic bath is conceivable. In that case, the partition wall is not porous but is a completely closed wall. Therefore, it becomes impossible to flow electricity and the means cannot be applied. Furthermore, the calcium generation rate depends on the oxygen ion migration rate passing through the porous ceramic partition wall, and the migration rate depends on the thickness, porosity, shape, etc. of the porous ceramic partition wall. ~ 2.5mm thick porous magnesia partition is used, but considering the shape, size, strength, life, and cost of the porous ceramic, the electrolytic method using the porous ceramic partition is It must be said that application on an industrial scale is difficult.

一方、チタン以外の金属について、例えば、ニオブはコロンバイト鉱〔(Fe、Mn)(Ta、Nb)2O6〕等として産出されるため、これらはフッ酸と硫酸の混酸を用いて錯フッ化物として溶解することによって鉄やマンガンと分離し、更に有機溶媒による選択抽出を繰り返すことによってニオブ(Nb)とタンタル(Ta)とを分離し、水相に残ったフッ化ニオブ酸(H2NbF7)をアンモニア(NH4OH)と作用させることによって酸化ニオブ(Nb2O5)を得る等の処理を行う。そして、得られた酸化ニオブをアルミニウムや炭素、炭化ニオブ(NbC)等の適当な還元剤によって還元し、最終的に金属ニオブを得ている。 On the other hand, for metals other than titanium, for example, niobium is produced as columbite ore [(Fe, Mn) (Ta, Nb) 2 O 6 ], etc., so these are complex fluorides using a mixed acid of hydrofluoric acid and sulfuric acid. Niobium fluoride (H 2 NbF) remaining in the aqueous phase is separated from iron and manganese by dissolution as a compound, and further separated by selective extraction with an organic solvent to separate niobium (Nb) and tantalum (Ta). 7 ) Treat niobium oxide (Nb 2 O 5 ) by reacting with ammonia (NH 4 OH). Then, the obtained niobium oxide is reduced with an appropriate reducing agent such as aluminum, carbon, niobium carbide (NbC), and finally, niobium metal is obtained.

上記の場合では、酸化ニオブを得た後の金属ニオブを生成する段階で還元剤として用いられるアルミニウムが不可避に混入しその結果製品ニオブの用途が限定されてしまう問題や、炭素還元において1900〜2500Kでの真空高温反応が必要となるため多大なエネルギーが必要となる等の潜在的な問題を抱えている。そのため、チタン以外の金属においても溶融塩電解を利用した金属酸化物の還元方法に注目が集まっており、上記金属チタンの製造における問題の早急な解決が望まれている。   In the above case, aluminum used as a reducing agent in the stage of forming metallic niobium after obtaining niobium oxide is inevitably mixed, resulting in a limited use of the product niobium, and 1900-2500K in carbon reduction. Because there is a need for a high-temperature vacuum reaction, there is a potential problem such that a large amount of energy is required. For this reason, attention has been focused on metal oxide reduction methods using molten salt electrolysis in metals other than titanium, and an immediate solution to the above-described problems in the production of metal titanium is desired.

上述したように、反応槽内に無機溶融塩の電解浴を形成して、特に炭素陽極を用いた電気分解を利用して金属酸化物Mxyを還元する方法では、一般に、金属酸化物が還元された際に発生する酸素イオンが陽極で電子を渡して酸素(O2)、二酸化炭素(CO2)、及び一酸化炭素(CO)等の陽極反応ガスを放出する。このとき、陽極反応ガスは気泡として電解浴中を比重差によって上昇し、この気泡の多くは電解浴の表面に排出されるが、一部の気泡は液流動に乗って電解浴中を移動する。更には、電解浴を形成する無機溶融塩はこれらの陽極反応ガスの一部あるいは全量を溶解するため、無機溶融塩の対流などによって溶解した陽極反応ガスは反応槽内を移動する。 As described above, to form an electrolytic bath of the inorganic molten salt in the reaction vessel, in particular a method of using electrolysis to reduce the metal oxide M x O y with carbon anodes, typically metal oxides Oxygen ions generated when the oxygen is reduced pass electrons through the anode and release an anode reaction gas such as oxygen (O 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), and carbon monoxide (CO). At this time, the anode reaction gas rises as bubbles in the electrolytic bath due to the difference in specific gravity, and most of the bubbles are discharged to the surface of the electrolytic bath, but some bubbles move in the electrolytic bath by riding on the liquid flow. . Furthermore, since the inorganic molten salt forming the electrolytic bath dissolves part or all of the anode reaction gas, the anode reaction gas dissolved by convection of the inorganic molten salt moves in the reaction vessel.

電解浴である無機溶融塩の流動に伴い気泡として移動する気泡性陽極反応ガス及び電解浴に溶解する溶解性陽極反応ガスは、陰極で発生する陰極反応生成物と接触した場合直ちに次の式(1)で表わされる反応を起こす。
M+O2/CO2/CO → Mxyz+C ・・・ ・・・(1)
(ここで、Mは製品金属あるいは無機溶融塩を構成する金属、x, y, zはM、O、及びCの結合元素数を示す。)
すなわち、気泡性陽極反応ガス及び溶解性陽極反応ガスは、電気分解によって還元され製品となる金属と接触すると、このような製品金属の再酸化あるいは炭素汚染を引き起こし、また、無機溶融塩を構成し、電気分解によって陰極に生成するカルシウム等の強還元性金属と接触すると、酸化反応によってそれらの持つ強還元性が失われてしまい、その結果として還元効率の低下を引き起こす。更には、陽極として炭素陽極を使用する場合では、陽極反応の際に同時に生成する微粒炭素が溶融塩中に懸濁して二次的に製品金属の炭素汚染を引き起こしてしまい、場合によってはこのような微粒炭素が電解浴の液面上に浮遊して電気分解用の陽極・陰極間に滞留し、電極を短絡させてしまう。
The bubbled anode reaction gas that moves as bubbles along with the flow of the inorganic molten salt that is the electrolytic bath and the soluble anode reaction gas that dissolves in the electrolytic bath are immediately expressed by the following formula when they come into contact with the cathode reaction product generated at the cathode ( Causes the reaction represented by 1).
M + O 2 / CO 2 / CO → M x O y C z + C (1)
(Here, M is the metal constituting the product metal or inorganic molten salt, and x, y, and z are the number of M, O, and C binding elements.)
That is, when the bubbling anode reaction gas and the soluble anode reaction gas are brought into contact with a metal that is reduced by electrolysis and becomes a product, such product metal reoxidation or carbon contamination is caused, and an inorganic molten salt is formed. If contact is made with a strong reducing metal such as calcium produced on the cathode by electrolysis, the strong reducing property of the metal is lost by the oxidation reaction, resulting in a reduction in reduction efficiency. Furthermore, when a carbon anode is used as the anode, the fine carbon produced simultaneously with the anodic reaction is suspended in the molten salt to cause secondary carbon contamination of the product metal. Fine carbon floats on the liquid surface of the electrolytic bath and stays between the anode and cathode for electrolysis, causing the electrodes to be short-circuited.

尚、無機溶融塩への陽極反応ガスの飽和溶解度は、雰囲気中の陽極反応ガス分圧、無機溶融塩温度、無機溶融塩中の混合物濃度等などに依存する。例えば、Masafumi Maedaらによって、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)の混合溶融塩では、炭酸ガス分圧(PCO2)が高いほど、溶融塩温度が低いほど、そしてCaO濃度が高いほど、溶融塩中の炭酸ガスの平衡溶解度は高くなることが報告されている(非特許文献3参照)。ここで炭酸ガスは、無機溶融塩中で炭素陽極を用いた電気分解を利用し金属Mを製錬する方法において、陽極反応ガスとして代表的なガスである。 The saturation solubility of the anode reaction gas in the inorganic molten salt depends on the anode reaction gas partial pressure in the atmosphere, the inorganic molten salt temperature, the concentration of the mixture in the inorganic molten salt, and the like. For example, according to Masafumi Maeda et al., In a mixed molten salt of calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), the higher the carbon dioxide partial pressure (PCO 2 ), the lower the molten salt temperature, and the higher the CaO concentration, It has been reported that the equilibrium solubility of carbon dioxide gas in the molten salt is increased (see Non-Patent Document 3). Here, carbon dioxide gas is a typical gas as an anode reaction gas in a method of smelting metal M using electrolysis using a carbon anode in an inorganic molten salt.

特願2002−210,537号の明細書及び図面Specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2002-210,537 竹内栄及び渡辺治、日本金属学会第28巻(1964)第9号第549〜554頁Sakae Takeuchi and Osamu Watanabe, The Japan Institute of Metals Vol. 28 (1964) No. 9, pp. 549-554 P.D.Ferro, B.Mishra, D.L.Olson and W.A.Averill, Waste Management, Vol.17(1997), No.7, P451-461P.D.Ferro, B.Mishra, D.L.Olson and W.A.Averill, Waste Management, Vol.17 (1997), No.7, P451-461 Masafumi Maeda, Alexander McLean, ISS TRANSACTIONS, Vol.8(1987),P23-27Masafumi Maeda, Alexander McLean, ISS TRANSACTIONS, Vol. 8 (1987), P23-27

そこで本発明者らは、無機溶融塩からなる電解浴中で行う電気分解によって金属酸化物を還元し、金属を製造する金属酸化物の還元の際に生じる種々の問題、すなわち、陽極から不可避に発生する陽極反応ガスに起因して生じる金属の再酸化又は汚染の問題や無機溶融塩中での逆反応による還元効率の低下の問題、炭素陽極を用いて電気分解を行う場合であって、電気分解によって生成する微粒炭素が溶融塩中を懸濁し二次的に金属の炭素汚染を引き起こしたり、この微粒炭素が溶融塩の表面に浮遊して電気分解に用いる陽極と陰極との間に滞留し電極を短絡させてしまったりする問題を解決し、更には、工業的に実現可能であって、簡便で安価に金属を製造することができる金属酸化物の還元方法について鋭意検討した。   Therefore, the present inventors reduced the metal oxide by electrolysis performed in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt, and inevitably caused various problems that occur when reducing the metal oxide for producing the metal, that is, from the anode. This is a problem of metal reoxidation or contamination caused by the generated anode reaction gas, reduction of reduction efficiency due to reverse reaction in an inorganic molten salt, and electrolysis using a carbon anode. The fine carbon produced by the decomposition suspends in the molten salt, causing secondary carbon contamination of the metal, or the fine carbon floats on the surface of the molten salt and stays between the anode and cathode used for electrolysis. The inventors have intensively studied a method for reducing metal oxides that solves the problem of short-circuiting the electrodes and that is industrially feasible and that is simple and inexpensive to produce metals.

その結果、陽極反応ガスを気泡の状態で可及的速やかに電解浴から排出させると共に、電解浴に溶解する陽極反応ガスの電解浴中での移動・拡散を防止させることによって上記問題を解決することができるという知見に到達した。そして、陽極の周辺に、その全部又は一部が酸素イオン伝導体物質からなって陽極反応領域を形成する隔壁を配設して、この陽極反応領域で生成した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防止することで上記問題点を全て解決でき、更には、隔壁を設けることにより不可避的に生じる電解電力の上昇を抑えることができることを見出し、本発明を完成した。   As a result, the anode reaction gas is discharged from the electrolytic bath as quickly as possible in the form of bubbles, and the above problem is solved by preventing movement and diffusion of the anode reaction gas dissolved in the electrolytic bath in the electrolytic bath. Reached the knowledge that it can. A partition that forms an anode reaction region, all or part of which is made of an oxygen ion conductor material, is disposed around the anode, and the anode reaction gas generated in the anode reaction region moves to the cathode side. It has been found that all the above problems can be solved by preventing the occurrence of the problem, and that the increase in electrolysis power inevitably generated by providing the partition walls can be suppressed, and the present invention has been completed.

従って、本発明の目的は、金属酸化物を還元して得られる金属に対する汚染を可及的に防止することができると共に還元効率が良く、また、簡便で安価に行え、更には、工業的規模での実施が可能な金属酸化物の還元方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、金属酸化物を還元して得られる金属に対する汚染を可及的に防止することができると共に還元効率が良く、また、簡便で安価に行え、更には、工業的規模での操業が可能な金属酸化物の還元装置を提案することにある。
Accordingly, the object of the present invention is to prevent the contamination of the metal obtained by reducing the metal oxide as much as possible and to have a good reduction efficiency, and can be carried out simply and inexpensively. It is an object to provide a method for reducing a metal oxide that can be carried out at the same time.
Another object of the present invention is to prevent the contamination of the metal obtained by reducing the metal oxide as much as possible, to improve the reduction efficiency, to be simple and inexpensive, The object is to propose a metal oxide reduction device that can be operated on a global scale.

すなわち、本発明は、反応槽内に収容した無機溶融塩からなる電解浴中で金属酸化物を還元し、陽極から陽極反応ガスを放出する金属酸化物(Mxy)の還元方法であり、上記陽極の周辺には陽極反応領域を形成する隔壁を配設して、上記陽極反応領域で生成した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防止し、上記陽極反応領域の下方側で陰極側との電解浴中のイオンの移動を可能とすると共に、上記隔壁の一部又は全部を酸素イオン伝導性物質から形成して、この隔壁の一部又は全部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動を可能とすることを特徴とする金属酸化物の還元方法である。 That is, the present invention is a method for reducing a metal oxide (M x O y ) that reduces a metal oxide in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt contained in a reaction vessel and releases an anode reaction gas from the anode. A partition that forms an anode reaction region is disposed around the anode to prevent the anode reaction gas generated in the anode reaction region from moving to the cathode side, and the cathode below the anode reaction region. It is possible to move ions in the electrolytic bath to and from the side, and part or all of the partition walls are formed of an oxygen ion conductive material, and oxygen ions in the electrolytic bath move through part or all of the partition walls. This is a method for reducing a metal oxide.

また、本発明は、反応槽内に収容した無機溶融塩からなる電解浴中で金属酸化物を還元し、陽極から陽極反応ガスを放出する金属酸化物(Mxy)の還元装置であり、上記陽極の周辺には陽極反応領域を形成する隔壁が配設され、上記陽極反応領域で生成した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防止し、上記陽極反応領域の下方側で陰極側との電解浴中のイオンの移動が可能であり、かつ、上記隔壁の一部又は全部が酸素イオン伝導性物質から形成されて、この隔壁の一部又は全部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動が可能であることを特徴とする金属酸化物の還元装置である。 The present invention is also a metal oxide (M x O y ) reduction device that reduces metal oxide in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt contained in a reaction vessel and releases an anode reaction gas from the anode. A partition that forms an anode reaction region is disposed around the anode to prevent the anode reaction gas generated in the anode reaction region from moving to the cathode side, and on the cathode side below the anode reaction region. The ions in the electrolytic bath can move, and part or all of the partition walls are formed of an oxygen ion conductive material, and oxygen ions in the electrolytic bath move through part or all of the partition walls. This is a metal oxide reduction device.

本発明における金属酸化物の還元方法は、反応槽内に形成した無機溶融塩からなる電解浴中で電気分解を行って金属酸化物を還元し、陽極からは陽極反応によって生成された陽極反応ガスを放出する金属酸化物の還元方法であれば特に制限されることなく全ての方法において用いることができる。   The method for reducing metal oxide in the present invention is to reduce metal oxide by electrolysis in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt formed in a reaction vessel, and from the anode, an anode reaction gas generated by an anode reaction. As long as it is a method for reducing a metal oxide that releases hydrogen, it can be used in all methods without any particular limitation.

本発明における金属酸化物の還元方法において、金属酸化物は一般式Mxy(ここで、Mは金属元素、Oは酸素元素、x及びyはそれぞれM、Oの結合元素数を示す)で表わすことができるものであればよく、金属元素Mについては、例えば、チタン(Ti)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ウラン(U)、ネオジウム(Nd)、ニオブ(Nb)、及びタンタル(Ta)から選ばれた1種又は2種以上の金属を挙げることができ、好ましくはチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ウラン(U)、ニオブ(Nb)、及びタンタル(Ta)である。これらの金属は酸素との親和力が強いために無機溶融塩からなる電解浴中で電気分解によって行う還元方法が有利である。また、この金属酸化物については、それがどのような方法で得られたものであってもよく、その形状については、結晶型、粒子径、形状、表面状態等において特に制限されない。 In the metal oxide reduction method of the present invention, the metal oxide has the general formula M x O y (where M is a metal element, O is an oxygen element, and x and y are the numbers of M and O bonding elements, respectively). As for the metal element M, for example, titanium (Ti), silicon (Si), iron (Fe), germanium (Ge), zirconium (Zr), hafnium (Hf), uranium (U), neodymium (Nd), niobium (Nb), and one or more metals selected from tantalum (Ta) can be mentioned, preferably titanium (Ti), zirconium (Zr), uranium (U), niobium (Nb), and tantalum (Ta). Since these metals have a strong affinity for oxygen, a reduction method performed by electrolysis in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt is advantageous. In addition, the metal oxide may be obtained by any method, and the shape is not particularly limited in terms of crystal type, particle diameter, shape, surface state, and the like.

また、本発明においては、反応槽内に形成する電解浴として無機溶融塩を用いる。この無機溶融塩については特に制限されず、例えば、塩化カルシウム(CaCl2)、カルシウム(Ca)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩、塩化カルシウム(CaCl2)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩、塩化カルシウム(CaCl2)、塩化ナトリウム(NaCl)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩、塩化カルシウム(CaCl2)及び塩化マグネシウム(MgCl2)からなる混合溶融塩等を示すことができ、好ましくは塩化カルシウムを含む溶融塩であるのがよい。無機溶融塩が塩化カルシウムを含む溶融塩であれば、陰極において強還元性金属であるカルシウムを生成することができ、金属酸化物の還元能力が高い。また金属酸化物の還元によって生成する酸化カルシウムの溶解度を持つため、還元により発生した酸化カルシウムが電解浴中に溶解し、還元が速やかに進行するなどの点で有利である。
また、この無機溶融塩については、単独の溶融塩を使用してもよく、複数の溶融塩が混合した混合溶融塩を使用してもよく、電解浴を形成して電気分解を開始する際には単独の溶融塩であって、電気分解により混合溶融塩となってもよい。
In the present invention, an inorganic molten salt is used as an electrolytic bath formed in the reaction vessel. The inorganic molten salt are not specifically limited, for example, a calcium chloride (CaCl 2), mixed molten salt consisting of calcium (Ca) and calcium oxide (CaO), calcium chloride (CaCl 2) and calcium oxide (CaO) Mixed molten salt, mixed molten salt consisting of calcium chloride (CaCl 2 ), sodium chloride (NaCl) and calcium oxide (CaO), mixed molten salt consisting of calcium chloride (CaCl 2 ) and magnesium chloride (MgCl 2 ), etc. Preferably, it is a molten salt containing calcium chloride. If the inorganic molten salt is a molten salt containing calcium chloride, calcium, which is a strong reducing metal, can be generated at the cathode, and the reducing ability of the metal oxide is high. Moreover, since it has the solubility of the calcium oxide produced | generated by reduction | restoration of a metal oxide, it is advantageous at the point that the calcium oxide generated by reduction | dissolution melt | dissolves in an electrolytic bath, and reduction | restoration advances rapidly.
Further, for this inorganic molten salt, a single molten salt may be used, or a mixed molten salt in which a plurality of molten salts are mixed may be used, and when an electrolytic bath is formed and electrolysis is started. Is a single molten salt, and may be a mixed molten salt by electrolysis.

また、本発明においては、電気分解に使用する陽極について特に制限はされず、金属酸化物の電気分解において一般的に使用される陽極を使用することができ、例えば炭素陽極等を使用することができる。炭素陽極は、陽極炭素自体が電気分解によって生じた酸素イオン(O2-)を二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素ガス(CO)、酸素ガス(O2)の全部又は一部から成る混合気体として放出する陽極であり、金属酸化物還元の際の電解電圧を下げる効果、すなわち電解に使用する電気エネルギーを節約する効果がある点や、材料費用を含めた陽極製造費が比較的低いという点で一般的に使用される。しかしながら、先の従来技術の記載において説明したように、炭素陽極の消耗によって生成する微粒炭素が溶融塩中を懸濁して二次的に金属を汚染するおそれや、この微粒炭素が溶融塩の表面に浮遊して陽極と陰極とを短絡させてしまうおそれがある。そこで、本発明によれば、炭素陽極を使用する場合に生じる微粒炭素に起因する問題をも後述する理由によって解決することができるため、本発明における効果がより一層顕著になって現れることになる。 In the present invention, the anode used for electrolysis is not particularly limited, and an anode generally used in electrolysis of metal oxides can be used. For example, a carbon anode can be used. it can. Carbon anode is a mixture of all or part of carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide gas (CO), and oxygen gas (O 2 ) with oxygen ions (O 2− ) generated by electrolysis of the anode carbon itself. It is an anode released as a gas, and it has the effect of lowering the electrolysis voltage during metal oxide reduction, that is, the effect of saving electrical energy used for electrolysis, and the anode manufacturing cost including material costs is relatively low. Generally used in terms. However, as explained in the description of the prior art, the fine carbon produced by the consumption of the carbon anode may be suspended in the molten salt to contaminate the metal secondarily. May float and short-circuit the anode and the cathode. Therefore, according to the present invention, the problem caused by the fine carbon produced when the carbon anode is used can be solved for the reason described later, and therefore the effect of the present invention becomes more remarkable. .

また、本発明における金属酸化物の還元方法では、電解浴中で電気分解を行う陽極の周辺には陽極反応領域を形成する隔壁を配設して、この陽極反応領域で生成した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防止し、上記陽極反応領域の下方側で陰極側との電解浴中のイオンの移動を可能とすると共に、上記隔壁の一部又は全部を酸素イオン伝導性物質から形成して、この隔壁の一部又は全部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動を可能とする。   Further, in the metal oxide reduction method according to the present invention, a partition wall forming an anode reaction region is provided around the anode to be electrolyzed in an electrolytic bath, and the anode reaction gas generated in the anode reaction region is Prevents movement to the cathode side, enables movement of ions in the electrolytic bath with the cathode side below the anode reaction region, and forms part or all of the partition walls from an oxygen ion conductive material Thus, oxygen ions in the electrolytic bath can be moved through part or all of the partition walls.

本発明においては、隔壁の一部又は全部を酸素イオン伝導性物質から形成して、この隔壁の一部又は全部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動を可能とするようにする必要がある。
本発明において酸素イオン伝導性物質とは、物質の構造中に存在する酸素空孔を介して酸素イオン(O2-)が容易に移動することにより酸素イオン伝導性を示す物質を意味する。このような酸素イオン伝導性物質によってその一部又は全部が形成された隔壁によって隔てられたそれぞれの領域に酸素濃度の差が存在する場合は、酸素イオン伝導性物質によって形成された隔壁中を酸素イオンが移動し、この酸素イオンの濃度差に応じて起電力を生じる。また、隔膜の表裏に電位をかけた場合は、その電位に応じて陰極から陽極方向へ酸素イオンのみを移動させるという特徴を有する。
In the present invention, it is necessary to form part or all of the partition walls from an oxygen ion conductive material so that oxygen ions in the electrolytic bath can be moved through part or all of the partition walls.
In the present invention, the oxygen ion conductive substance means a substance exhibiting oxygen ion conductivity by oxygen ions (O 2− ) easily moving through oxygen vacancies existing in the structure of the substance. When there is a difference in oxygen concentration in each region separated by a partition wall that is partially or entirely formed by such an oxygen ion conductive material, the partition wall formed by the oxygen ion conductive material has oxygen in the partition wall. Ions move, and an electromotive force is generated according to the concentration difference of the oxygen ions. In addition, when a potential is applied to the front and back of the diaphragm, only oxygen ions are moved from the cathode toward the anode in accordance with the potential.

本発明における酸素イオン伝導性物質について、好ましくはジルコニア(ZrO2)を主成分として含むジルコニア固体電解質であるのがよい。ジルコニア固体電解質は、無機溶融塩に対して安定であり、酸素イオン伝導性に優れた性能を示す点で有利である。一方、主成分がジルコニアであって同じ酸素空孔濃度も有する場合においても、別の金属種を添加しジルコニアと置換させた場合には、その金属種によってその伝導性は大きく異なるため、近年イットリウム(Y)やカルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)等を添加したジルコニア系固体電解質が開発されているが、本発明では、ジルコニアを主成分とし酸素イオン伝導性を示す物質であればよく、特に添加金属種を限定するものではない。 The oxygen ion conductive material in the present invention is preferably a zirconia solid electrolyte containing zirconia (ZrO 2 ) as a main component. A zirconia solid electrolyte is advantageous in that it is stable with respect to an inorganic molten salt and exhibits performance excellent in oxygen ion conductivity. On the other hand, even when the main component is zirconia and has the same oxygen vacancy concentration, when another metal species is added and substituted with zirconia, its conductivity varies greatly depending on the metal species, so in recent years yttrium. A zirconia-based solid electrolyte to which (Y), calcium (Ca), scandium (Sc), or the like is added has been developed, but in the present invention, any substance that has oxygen ion conductivity mainly composed of zirconia may be used. The additive metal species is not limited.

また、本発明における隔壁についてその一部が酸素イオン伝導性物質によって形成される場合、酸素イオン伝導性物質以外の材質については、電解浴を形成する無機溶融塩に対し大きな溶解度を持たないものであればよく、例えば、無機溶融塩が、塩化カルシウム(CaCl2)及び酸化カルシウム(CaO)から成る場合には、アルミナ、マグネシア等のレンガやキャスタブル等の一般的に使用される耐火材を用いて形成することができる。このような酸素イオン伝導性物質以外の部分については、特定のイオンを通過させる等の機能性は要求されないため、特定材料の選択、厚み、気孔率等に影響されずに隔壁を形成することができる。
本発明における隔壁は、酸素イオン伝導性物質によって形成される部分と、それ以外の部分を形成する材質とが占める割合は、金属酸化物の還元に必要な電流の大きさや反応槽の大きさ、隔壁の形状等を勘案して適宜設計することができる。
In addition, when a part of the partition wall in the present invention is formed of an oxygen ion conductive material, materials other than the oxygen ion conductive material do not have a large solubility in the inorganic molten salt forming the electrolytic bath. For example, when the inorganic molten salt is composed of calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), a commonly used refractory material such as bricks and castables such as alumina and magnesia are used. Can be formed. For parts other than such oxygen ion conductive substances, functionality such as the passage of specific ions is not required, so partition walls can be formed without being affected by the selection of specific materials, thickness, porosity, etc. it can.
In the partition wall in the present invention, the proportion of the portion formed by the oxygen ion conductive material and the material forming the other portion is the size of the current required for the reduction of the metal oxide and the size of the reaction vessel, It can be designed appropriately in consideration of the shape of the partition wall.

本発明における隔壁の作用について、以下で具体的に説明する。尚、炭素陽極を用いて電気分解を行う場合を例にして説明するが、炭素陽極以外の陽極の場合も同様である。   The operation of the partition wall in the present invention will be specifically described below. In addition, although the case where electrolysis is performed using a carbon anode will be described as an example, the same applies to an anode other than the carbon anode.

本発明において、陽極の周辺に配設した隔壁によって形成する陽極反応領域とは、電解浴中で行う電気分解によって生じた酸素イオン(O2-)と陽極とが反応し、酸素(O2)、二酸化炭素(CO2)、及び一酸化炭素(CO)等のガスを生成する陽極反応が行われる領域である。
また、陽極反応によって生成した陽極反応ガスについては、陽極反応領域内において気泡として電解浴中に放出され、この気泡の多くは電解浴中における比重差によって電解浴の液面に向かって浮上し、気体として電解浴の液面から放出される。このように電解浴中を気泡として移動する陽極反応ガスを気泡性陽極反応ガスと呼ぶ。また、電解浴中に気泡として放出された陽極反応ガスの一部又は全部は電解浴中を浮上する過程において電解浴中に溶解する。このように電解浴中に溶解する陽極反応ガスを溶解性陽極反応ガスと呼ぶ。
In the present invention, the anode reaction region formed by the partition wall arranged around the anode means that oxygen ions (O 2− ) generated by electrolysis performed in the electrolytic bath react with the anode, and oxygen (O 2 ) This is a region where an anodic reaction for generating gases such as carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO) is performed.
In addition, the anode reaction gas generated by the anode reaction is released into the electrolytic bath as bubbles in the anode reaction region, and most of the bubbles float toward the liquid level of the electrolytic bath due to the specific gravity difference in the electrolytic bath, It is released from the liquid surface of the electrolytic bath as a gas. The anode reaction gas that moves as bubbles in the electrolytic bath is referred to as a bubble anode reaction gas. Also, part or all of the anode reaction gas released as bubbles in the electrolytic bath dissolves in the electrolytic bath in the process of rising in the electrolytic bath. The anode reaction gas that dissolves in the electrolytic bath in this way is called a soluble anode reaction gas.

陽極反応領域で生成した気泡性陽極反応ガスは陰極側に移動するのを隔壁によって物理的に防止されるため、気泡性陽極反応ガスは陰極側の電解浴と接触することなく陽極反応領域内の電解浴の液面から放出される。また、陽極反応領域内で生成した陽極反応ガスはその一部が電解浴に溶解するため、この陽極反応領域内の電解浴では溶解性陽極反応ガスの濃度が次第に上昇し、最終的にはこの陽極反応領域内の電解浴には陽極反応ガス(溶解性陽極反応ガス)が飽和状態で溶解することになる。無機溶融塩からなる電解浴中での陽極反応ガスの溶解度は、無機溶融塩の種類、無機溶融塩の液面における雰囲気の陽極反応ガス分圧、無機溶融塩温度等によって変わるため、これらの条件を適宜勘案して陽極反応領域を設計して隔壁を設けることができる。尚、酸素イオン伝導性物質によってその一部又は全部が形成される隔壁は、上記のような溶解性陽極反応ガスを通すことがない。   Since the cellular anode reaction gas generated in the anode reaction region is physically prevented from moving to the cathode side by the partition wall, the cell anode reaction gas does not contact the electrolytic bath on the cathode side. Released from the surface of the electrolytic bath. In addition, since a part of the anode reaction gas generated in the anode reaction region is dissolved in the electrolytic bath, the concentration of the soluble anode reaction gas gradually increases in the electrolytic bath in the anode reaction region. The anode reaction gas (dissolvable anode reaction gas) is dissolved in a saturated state in the electrolytic bath in the anode reaction region. The solubility of the anode reaction gas in the electrolytic bath made of an inorganic molten salt varies depending on the type of the inorganic molten salt, the anode reactive gas partial pressure of the atmosphere at the liquid surface of the inorganic molten salt, the temperature of the inorganic molten salt, etc. In consideration of the above, the anode reaction region can be designed to provide a partition wall. Note that the partition formed by a part or all of the oxygen ion conductive material does not pass the above-described soluble anode reaction gas.

陽極反応ガスが飽和状態で溶解した陽極反応領域内の電解浴中には、これ以上の陽極反応ガスが溶解できないため、陽極反応ガスで飽和した以降は、電気分解によって陽極で生成した陽極反応ガスは電解浴中に溶解することなく、気泡状態のまま電解浴の液面に向かって浮上し、この液面から放出される。すなわち、陽極反応領域内の電解浴が陽極反応ガスで飽和した以降は、電解によって発生する略全ての陽極反応ガスが陰極側に移動することなく系外に排出することができる。   Since no more anode reaction gas can be dissolved in the electrolytic bath in the anode reaction region where the anode reaction gas is dissolved in a saturated state, the anode reaction gas generated at the anode by electrolysis after saturation with the anode reaction gas. Does not dissolve in the electrolytic bath, floats toward the liquid surface of the electrolytic bath in a bubble state, and is released from this liquid surface. That is, after the electrolytic bath in the anode reaction region is saturated with the anode reaction gas, almost all the anode reaction gas generated by electrolysis can be discharged out of the system without moving to the cathode side.

また、本発明においては、上記陽極反応領域の下方側で陰極側との電解浴中のイオンの移動を可能とすると共に、酸素イオン伝導性物質によってその一部又は全部が形成された隔壁を通じて電解浴中の酸素イオンの移動を可能とする。すなわち、電気分解によって電解浴中に生成した無機溶融塩由来の強還元性金属イオン、金属酸化物の還元によって生成する酸素イオン、あるいは目的金属酸化物が直接溶融塩に溶解することにより生成する金属イオンは、陽極反応領域の下方側の領域を通じて陽極側と陰極側とのやり取りをすることができると共に、電気分解により印加された電位によって、上記イオンのうち酸素イオンの一部は酸素イオン伝導性物質で形成された隔壁を通じて陰極側から陽極側に向けて移動する。   Further, in the present invention, the ions in the electrolytic bath can be moved to the cathode side below the anode reaction region, and electrolysis is performed through a partition formed partly or entirely by an oxygen ion conductive material. Allows movement of oxygen ions in the bath. That is, a metal produced by dissolving a strong reducible metal ion derived from an inorganic molten salt produced in an electrolytic bath by electrolysis, an oxygen ion produced by reduction of a metal oxide, or a target metal oxide directly in the molten salt Ions can be exchanged between the anode side and the cathode side through the region below the anode reaction region, and some of the above ions are oxygen ion conductive due to the potential applied by electrolysis. It moves from the cathode side toward the anode side through the partition formed of the material.

一方、陽極反応によって陽極の表面において生成し陽極反応領域内において炭酸イオン(CO3 2-)、酸素イオン(O2-)等として電解浴に溶解した溶解性陽極反応ガスは、可能性としてはこの陽極反応領域の下方側の領域を通じて陰極側への移動が可能であるが、電気分解によって与えられる電位によってこれらの溶解性陽極ガスは陽極側へ引きつけられるため、これらの溶解性陽極反応ガスは陽極反応領域からの拡散を防止することができる。尚、隔壁の一部又は全部は酸素イオン伝導性物質によって形成されているため、これらの溶解性陽極反応ガスは上記陽極反応領域から拡散することはない。 On the other hand, a soluble anode reaction gas that is generated on the surface of the anode by the anode reaction and dissolved in the electrolytic bath as carbonate ions (CO 3 2- ), oxygen ions (O 2- ), etc. in the anode reaction region Although it is possible to move to the cathode side through the region below the anode reaction region, these soluble anode gases are attracted to the anode side by the potential given by electrolysis, so these soluble anode reaction gases are Diffusion from the anode reaction region can be prevented. Since part or all of the partition walls are formed of an oxygen ion conductive material, these soluble anode reaction gases do not diffuse from the anode reaction region.

更には、陽極反応ガスが溶解した無機溶融塩は、局部的に溶解性陽極反応ガスが追加された混合溶融塩となるため、陽極反応領域内の電解浴と陽極反応領域外の電解浴とは比重などの性状が変わる。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩の場合では、この溶融塩に炭酸ガスが溶解して追加されて、塩化カルシウム(CaCl2)及び、酸化カルシウム(CaO)及び炭酸カルシウム(CaCO3)から成る混合溶融塩になった場合、初期の塩化カルシウム及び酸化カルシウムからなる混合溶融塩より比重が小さくなる。その結果、反応槽内における電解浴全体として塩化カルシウムと酸化カルシウムとからなる混合溶融塩であっても、陽極反応ガスが飽和して炭酸カルシウムをも含む混合溶融塩となった陽極反応領域内の電解浴はその比重差によって浮上し、陽極反応領域内に留まろうとする。したがって、陽極反応ガスが溶解した電解浴が陽極反応領域外の電解浴に混入することを防止することができる。 Furthermore, since the inorganic molten salt in which the anode reaction gas is dissolved becomes a mixed molten salt to which a soluble anode reaction gas is locally added, there is no difference between the electrolytic bath in the anode reaction region and the electrolytic bath outside the anode reaction region. Properties such as specific gravity change. For example, calcium chloride in the case of a mixed molten salt consisting of (CaCl 2) and calcium oxide (CaO), is added with carbon dioxide gas dissolved in the molten salt, calcium chloride (CaCl 2) and calcium oxide (CaO) And a mixed molten salt composed of calcium carbonate (CaCO 3 ), the specific gravity is smaller than that of the mixed molten salt composed of the initial calcium chloride and calcium oxide. As a result, even if the entire electrolytic bath in the reaction vessel is a mixed molten salt composed of calcium chloride and calcium oxide, the anode reaction gas is saturated and becomes a mixed molten salt containing calcium carbonate. The electrolytic bath rises due to the difference in specific gravity and tries to stay in the anode reaction region. Therefore, it is possible to prevent the electrolytic bath in which the anode reaction gas is dissolved from being mixed into the electrolytic bath outside the anode reaction region.

また、陽極反応の際に炭素陽極から生成する微粒炭素については、一般的に電気分解に使用される電解浴より比重が小さいため、炭素陽極を脱落後直ちに電解浴表面に浮上し、その後隔壁によって物理的に移動を妨げられ、陰極側へ移動することはない。   In addition, fine carbon produced from the carbon anode during the anodic reaction generally has a lower specific gravity than the electrolytic bath used for electrolysis, so it floats immediately on the surface of the electrolytic bath after dropping off the carbon anode, It is physically prevented from moving and does not move to the cathode side.

また、本発明における金属酸化物の還元方法では、得られる金属の原料となる金属酸化物を上記陽極反応領域以外の電解浴中に供給するのがよい。金属酸化物を陽極反応領域以外の電解浴中に供給することによって、得られる金属の炭素汚染や再酸化を防止することができる。また、好ましくは陰極に近い領域に供給することによって還元効率を上昇させるようにするのがよい。更には、金属酸化物を陰極と接触するように直接陰極に金属酸化物を配置してもよく、陰極と直接には接触しない金属ネット等の通液性のある容器を利用して、金属酸化物をこれに保持し、還元後引き上げるようにしてもよく、あるいは予め金属酸化物を固形物状に形成して陰極周囲や陰極上に懸垂させるようにしてもよい。   In the method for reducing a metal oxide according to the present invention, it is preferable to supply a metal oxide as a raw material of the obtained metal into an electrolytic bath other than the anode reaction region. By supplying the metal oxide into the electrolytic bath other than the anode reaction region, carbon contamination and reoxidation of the obtained metal can be prevented. Further, it is preferable to increase the reduction efficiency by preferably supplying the region close to the cathode. Furthermore, the metal oxide may be disposed directly on the cathode so that the metal oxide is in contact with the cathode, and the metal oxide is utilized using a liquid-permeable container such as a metal net that is not in direct contact with the cathode. An object may be held in this, and may be pulled up after reduction, or a metal oxide may be previously formed in a solid form and suspended around or on the cathode.

また、本発明における金属酸化物の還元方法では、好ましくは陽極反応領域内の電解浴の液面から放出される陽極反応ガスを封じ込める陽極反応ガス空間領域を形成するのがよい。陽極反応ガスを封じ込める陽極反応ガス空間領域を形成することにより、陽極反応領域内の電解浴の液面から放出される陽極反応ガスが陽極反応領域以外の電解浴中に溶解したり、あるいは陽極反応領域における電解浴の液面以外で放出されたりすることがないため、一旦電解浴外に放出された陽極反応ガスが再び陽極反応領域以外の電解浴の表面を通じて電解浴中に溶解することを防止でき、また、陰極において生成された強還元性金属が酸化されることを防止することができる。更に好ましくは上記陽極反応ガス空間領域内の陽極反応ガスを反応槽外に排出するのがよい。陽極反応ガス空間領域内の陽極反応ガスを反応槽外に排出することで、予期せず隔壁の亀裂などが発生した場合においても、陽極反応ガスが陽極反応ガス空間領域以へ漏洩することを防止することができる。
このような陽極反応ガス空間領域を形成するための手段については特に制限はなく、例えば、陽極反応領域を形成する隔壁によって陽極反応領域における電解浴の液面を全て囲うようにしてもよく、隔壁と反応槽の側壁とを利用して陽極反応領域における電解浴の液面上部に蓋を形成するようにしてもよい。
In the metal oxide reduction method of the present invention, an anode reaction gas space region for containing the anode reaction gas released from the liquid surface of the electrolytic bath in the anode reaction region is preferably formed. By forming the anode reaction gas space region that contains the anode reaction gas, the anode reaction gas released from the liquid level of the electrolytic bath in the anode reaction region is dissolved in the electrolyte bath other than the anode reaction region, or the anode reaction The anode reaction gas once released outside the electrolytic bath is prevented from being dissolved again into the electrolytic bath through the surface of the electrolytic bath outside the anode reaction region. It is also possible to prevent the strong reducing metal produced at the cathode from being oxidized. More preferably, the anode reaction gas in the anode reaction gas space region is discharged from the reaction vessel. By discharging the anode reaction gas in the anode reaction gas space area out of the reaction tank, it is possible to prevent the anode reaction gas from leaking beyond the anode reaction gas space area even if a crack in the partition wall unexpectedly occurs. can do.
The means for forming such an anode reaction gas space region is not particularly limited, and for example, the liquid surface of the electrolytic bath in the anode reaction region may be surrounded by the partition wall forming the anode reaction region. And a side wall of the reaction vessel, a lid may be formed on the upper surface of the electrolytic bath in the anode reaction region.

本発明における金属酸化物の還元方法では、好ましくは陽極反応領域内の電解浴を一定速度で吸引して反応槽外に排出するのがよい。上述したように、陽極反応領域内の電解浴には陽極反応ガスが飽和状態で溶解しているが、この陽極反応領域内の電解浴を一定速度で吸引して反応槽外に排出することで、陽極反応ガスが飽和した状態の電解浴が陽極反応領域以外の電解浴に混入しようとする流れと逆の電解浴の流れを生じさせて、陽極反応ガスが溶解した電解浴が陽極反応領域以外の電解浴へ移動することを防止することができる。   In the metal oxide reduction method of the present invention, the electrolytic bath in the anode reaction region is preferably sucked at a constant rate and discharged out of the reaction vessel. As described above, the anode reaction gas is dissolved in a saturated state in the electrolytic bath in the anode reaction region, but the electrolytic bath in the anode reaction region is sucked at a constant rate and discharged out of the reaction vessel. The electrolytic bath in which the anode reaction gas is saturated causes the flow of the electrolytic bath opposite to the flow to be mixed into the electrolytic bath outside the anode reaction region, and the electrolytic bath in which the anode reaction gas is dissolved is outside the anode reaction region. Can be prevented from moving to the electrolytic bath.

また、本発明における金属酸化物の還元方法では、好ましくは陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気を外部から遮断するのがよい。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)を含む無機溶融塩の電気分解において、陰極にカルシウム(Ca)を析出し、そのカルシウムの強還元性を利用して、目的金属酸化物を還元する金属製錬方法のような場合、陰極で析出するカルシウムの比重が無機溶融塩の比重より小さいため、このカルシウムは析出後に浮上していく。浮上していく過程でこのカルシウムが金属酸化物と十分な濃度で接触できないか、あるいは十分な時間接触できないと、目的の金属酸化物を還元することなく無機溶融塩表面に浮上し、浮上後には液面の雰囲気中の酸素と反応し直ちに燃焼してしまう。そのため、陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気を外部から遮断することによって、この雰囲気内に当初に混入していた酸素が消耗した以降はもはやカルシウムが燃焼することはなく、無機溶融塩の表面に浮上したカルシウムが、無機溶融塩の対流やカルシウムの濃度勾配等によって金属酸化物の供給位置に再び移動して、この金属酸化物を還元し還元効率が向上する。 In the method for reducing a metal oxide in the present invention, the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region is preferably shut off from the outside. For example, in the electrolysis of an inorganic molten salt containing calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), calcium (Ca) is deposited on the cathode, and the target metal oxide is obtained using the strong reducibility of the calcium. In the case of a metal smelting method for reduction, since the specific gravity of calcium deposited at the cathode is smaller than the specific gravity of the inorganic molten salt, this calcium floats after precipitation. If this calcium cannot contact the metal oxide at a sufficient concentration or for a sufficient time during the ascent process, it will surface on the surface of the inorganic molten salt without reducing the target metal oxide. It reacts with oxygen in the atmosphere of the liquid level and burns immediately. Therefore, by shutting off the atmosphere at the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region from the outside, after the oxygen originally mixed in this atmosphere has been consumed, calcium will no longer burn, and the inorganic molten salt The calcium floating on the surface of the metal moves again to the supply position of the metal oxide due to the convection of the inorganic molten salt, the concentration gradient of calcium, and the like, and the metal oxide is reduced to improve the reduction efficiency.

また、本発明において、更に好ましくは外部と遮断した電解浴の液面上の雰囲気を不活性ガス雰囲気にするのがよい。金属酸化物を還元して得た目的金属を回収する作業等で陽極反応ガス空間領域以外の雰囲気を外部に開放した際に、新たな雰囲気中の酸素が混入するのを防止し、更には還元効率を向上させることができる。   In the present invention, more preferably, the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath, which is shut off from the outside, is an inert gas atmosphere. When the atmosphere other than the anode reaction gas space area is opened to the outside for the purpose of recovering the target metal obtained by reducing the metal oxide, oxygen in the new atmosphere is prevented from being mixed and further reduced. Efficiency can be improved.

本発明における隔壁の配設については、電気分解に用いられる陽極及び陰極の配置等によって適宜設計することができる。
例えば、電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置する場合、本発明における隔壁が陽極と陰極との間に配設されると共にこの隔壁の下端が陽極の下端より低い位置に設けられて、上記隔壁と反応槽の側壁とが陽極を取り囲む領域であり、かつ、上記隔壁の下端より上方に陽極反応領域を形成せしめるようにするのがよい。このように隔壁を設けることで上述したような本発明における隔壁の作用をすることができる。
尚、この場合において、その一部又は全部を酸素イオン伝導性物質によって形成した隔壁の作用について以下で説明する。
The arrangement of the partition walls in the present invention can be appropriately designed depending on the arrangement of anodes and cathodes used for electrolysis.
For example, when the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, the partition wall in the present invention is disposed between the anode and the cathode, and the lower end of the partition wall is provided at a position lower than the lower end of the anode. It is preferable that the partition wall and the side wall of the reaction tank surround the anode and that the anode reaction region be formed above the lower end of the partition wall. By providing the partition wall in this way, the above-described function of the partition wall in the present invention can be achieved.
In this case, the operation of the partition wall, part or all of which is formed of an oxygen ion conductive material, will be described below.

無機溶融塩からなる電解浴中で金属酸化物を還元する方法では、電解浴中で電子の移動を担っているのは酸素イオン(O2-)等の負イオンであり、例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)の混合溶融塩を用いて電気分解する還元方法においては酸素イオン(O2-)及び塩素イオン(Cl-)が電子の媒体となる。また、負イオンと対応する正イオンとしては、例えば、上記混合溶融塩の場合ではカルシウムイオン(Ca+)であり、更に、この混合溶融塩に溶解度を持つ金属酸化物(MxOy)を原料とした場合では、これに加えて、金属Mのイオン(M2Y/X+)が存在する。 In the method of reducing a metal oxide in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt, it is negative ions such as oxygen ions (O 2− ) that are responsible for the movement of electrons in the electrolytic bath, for example, calcium chloride ( In a reduction method in which electrolysis is performed using a mixed molten salt of CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), oxygen ions (O 2− ) and chlorine ions (Cl ) serve as electron media. The positive ions corresponding to the negative ions are, for example, calcium ions (Ca + ) in the case of the above mixed molten salt, and a metal oxide (MxOy) having solubility in the mixed molten salt as a raw material. In some cases, in addition to this, ions of metal M (M 2Y / X + ) are present.

一方、これらのイオンを生じる融解前の化合物〔例えば、酸素イオン(O2-)ならばCaO、塩素イオン(Cl-)ならばCaCl2〕には、その化合物の標準生成自由エネルギー変化(ΔG)と価数(n)、及び反応の温度(T)から計算される理論分解電圧(Eo)が存在し、更に混合溶融塩中のその化合物の活量(a)及び過電圧(η)を加味した実際の分解電圧(E)が存在する。実際の電気分解では、この分解電圧(E)の小さい物質のイオンから順に析出を開始する。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)の混合溶融塩を電気分解する還元方法では、陽極へ酸素イオン(O2-)が泳動して、分解電圧の低い炭酸ガス(CO2/CO)が最初に陽極表面に析出し、次いで酸素(O2)、最後に塩素(Cl2)が析出する。また、陽極が炭素陽極以外の場合は、最初に酸素(O2)が析出し始め、次いで塩素(Cl2)が析出する。 On the other hand, the pre-melting compound that generates these ions (for example, CaO for oxygen ions (O 2− ) and CaCl 2 for chlorine ions (Cl )) has a standard free energy change (ΔG) of the compound. And the theoretical decomposition voltage (E o ) calculated from the valence (n) and the reaction temperature (T), and the activity (a) and overvoltage (η) of the compound in the mixed molten salt are taken into account. There is an actual decomposition voltage (E). In actual electrolysis, the deposition starts from the ions of the substance having the smallest decomposition voltage (E). For example, in a reduction method in which a mixed molten salt of calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO) is electrolyzed, oxygen ions (O 2− ) migrate to the anode and carbon dioxide gas (CO 2 / CO CO) first deposits on the anode surface, then oxygen (O 2 ) and finally chlorine (Cl 2 ). When the anode is not a carbon anode, oxygen (O 2 ) starts to precipitate first, and then chlorine (Cl 2 ) precipitates.

一方、電気エネルギーの観点からすると、陽極で析出する物質はより分解電圧の低い物質であることが好ましいことから、塩素よりも分解電圧の低い炭酸ガス及び/又は酸素の発生が望ましい。更に、金属酸化物の還元では、投入する金属酸化物に含まれる酸素と同量の酸素を系外に排出しなければ酸素が系内に蓄積され還元が永続的に継続できないという問題があるため、例えば、塩素(Cl2)に代表されるような酸素を含まない陽極反応ガスの析出は避けなくてはならない。 On the other hand, from the viewpoint of electrical energy, it is preferable that the substance deposited at the anode is a substance having a lower decomposition voltage. Therefore, it is desirable to generate carbon dioxide and / or oxygen having a lower decomposition voltage than chlorine. Furthermore, in the reduction of metal oxide, there is a problem that the oxygen cannot be continuously maintained unless oxygen is discharged out of the system in the same amount as the oxygen contained in the metal oxide to be charged. For example, deposition of an anodic reactive gas that does not contain oxygen such as chlorine (Cl 2 ) must be avoided.

例えば、電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置して、これらの電極の間に電気絶縁体からなる隔壁が設けられ、この隔壁の下端側の一部のみで電解浴中における電極間の通電が可能となる場合、この通電が可能となる領域に電流が集中し、この領域を流れる電流の電流密度が、例えば2A/cm2以上を超えると酸素イオンの移動速度が律速となって酸素を含む陽極反応ガスが発生できなくなり、陽極からは、例えば、塩素(Cl2)に代表されるような酸素を含まない陽極反応ガスが析出する。そして、電流が隔壁を迂回するために、電解浴中でのイオンの移動距離が増加して電気抵抗が増加し、隔壁を入れない場合に比べて電気分解全体に要する電気エネルギーが増加してしまう。 For example, the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, and a partition made of an electrical insulator is provided between these electrodes, and only a part on the lower end side of the partition is provided between the electrodes in the electrolytic bath. If the current density of the current flowing through this region exceeds 2 A / cm 2 or more, for example, the oxygen ion migration rate becomes rate-limiting. An anode reaction gas containing oxygen can no longer be generated, and an anode reaction gas not containing oxygen such as chlorine (Cl 2 ) is deposited from the anode. And since the current bypasses the partition, the distance of ion movement in the electrolytic bath increases and the electrical resistance increases, and the electrical energy required for the entire electrolysis increases compared to when the partition is not inserted. .

そこで、電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置する場合において、本発明の隔壁のようにその一部又は全部を酸素イオン伝導性物質によって形成することで、隔壁の表裏に電位が生じ、この電位に応じた酸素イオンが酸素イオン伝導性物質で形成された部分を陰極から陽極に向けて通過するため、電流の集中が起きず、例えば、塩素に代表されるような酸素を含まない陽極反応ガスの析出を可及的に低減することができる。更に、陽極と陰極との間に隔壁が配設されたことにより不可避的に生じる電気抵抗の増加については、隔壁の一部又は全部を酸素イオン伝導性物質によって形成することによって、この電気抵抗の増加を低減せしめることができ、隔壁が配設されない場合と比べて電気エネルギーの増加が可及的に低減できる。   Therefore, in the case where the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, a potential is generated on the front and back of the partition by forming part or all of the partition using the oxygen ion conductive material as in the partition of the present invention. , Since oxygen ions corresponding to this potential pass from the cathode to the anode through the portion formed of the oxygen ion conductive material, current concentration does not occur, and for example, oxygen such as chlorine is not included. The deposition of the anode reaction gas can be reduced as much as possible. Furthermore, regarding the increase in electrical resistance inevitably caused by the partition provided between the anode and the cathode, this electrical resistance can be reduced by forming part or all of the partition with an oxygen ion conductive material. The increase can be reduced, and the increase in electrical energy can be reduced as much as possible compared with the case where no partition is provided.

尚、陽極と陰極との間の隔壁が、炭酸イオン(CO3 2-)等のような溶解性陽極反応ガスを通してしまうと、陰極側で還元される金属酸化物が炭素によって汚染される問題が生じ、また、強還元性金属(カルシウム)と逆反応を引き起こして還元効率を悪化させる問題が生じてしまうため、本発明においては隔壁の一部又は全部を形成する材質は酸素イオン伝導性物質である必要がある。 If the partition wall between the anode and the cathode passes a soluble anode reaction gas such as carbonate ion (CO 3 2- ), the metal oxide reduced on the cathode side is contaminated with carbon. In the present invention, the material that forms part or all of the partition wall is an oxygen ion conductive substance because a problem occurs that causes a reverse reaction with the strong reducing metal (calcium) and reduces the reduction efficiency. There must be.

上記電極の位置関係の場合において、好ましくは隔壁の下端が陰極の下端より低い位置になるように設けるのがよい。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)を含む無機溶融塩の電気分解であって、陰極にカルシウム(Ca)を析出させ、このカルシウムの強還元性を利用して目的金属酸化物を還元する金属製錬の場合、陰極で析出するカルシウムの比重が無機溶融塩の比重より小さいため、析出後に浮上していく。したがって、陰極の下端が隔壁の下端より高くなることによって、陰極における強還元性物質(カルシウム)が隔壁の下端を通って陽極反応領域に移動して還元効率を低下させてしまう問題を防止することができる。 In the case of the positional relationship of the electrodes, it is preferable to provide the partition so that the lower end of the partition wall is lower than the lower end of the cathode. For example, electrolysis of an inorganic molten salt containing calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), in which calcium (Ca) is deposited on the cathode and the target metal oxide is utilized by utilizing the strong reducibility of this calcium. In the case of metal smelting to reduce the amount of calcium, the specific gravity of calcium deposited at the cathode is smaller than the specific gravity of the inorganic molten salt, so that it floats after the precipitation. Therefore, the problem that the lower reducibility of the cathode due to the lower end of the cathode being higher than the lower end of the partition wall and the strongly reducing substance (calcium) at the cathode moving to the anode reaction region through the bottom end of the partition wall is prevented. Can do.

また、上記電極の位置関係の場合において、好ましくは隔壁と反応槽の側壁とが陰極を取り囲んだ領域内に金属酸化物を供給するのがよい。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)を含む無機溶融塩の電気分解であって、陰極にカルシウムを(Ca)を析出させ、このカルシウムの強還元性を利用して目的金属酸化物を還元する金属製錬の場合、陰極における強還元物質(カルシウム)が浮上していく過程で濃度勾配や電解浴の対流などにより拡散していくが、原料となる金属酸化物を隔壁と反応槽の側壁とが陰極を取り囲んだ領域内に供給することで、拡散によって陽極反応領域に移動するよりも先に目的の金属酸化物を還元することができるため、還元効率の点で有利となる。 In the case of the positional relationship of the electrodes, the metal oxide is preferably supplied into a region where the partition wall and the side wall of the reaction vessel surround the cathode. For example, electrolysis of an inorganic molten salt containing calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), where calcium is precipitated at the cathode and the strong metal reductivity is used to oxidize the target metal. In the case of metal smelting to reduce materials, the strong reducing substance (calcium) at the cathode diffuses due to the concentration gradient and convection of the electrolytic bath in the process of rising, but the raw metal oxide reacts with the partition walls. Since the target metal oxide can be reduced before moving to the anode reaction region by diffusion by supplying it into the region where the side wall of the tank surrounds the cathode, it is advantageous in terms of reduction efficiency. .

一方、電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置する場合、本発明における隔壁が陽極を取り囲んで配設されると共に陽極の下端より低い位置に開口部が設けられて、上記隔壁が陽極を取り囲む領域であり、かつ、上記開口部より上方に陽極反応領域を形成せしめるようにするのがよい。このように隔壁を設けることで上述したような本発明における隔壁の作用をすることができる。   On the other hand, when the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, the partition wall in the present invention is disposed so as to surround the anode, and an opening is provided at a position lower than the lower end of the anode. It is preferable that an anode reaction region be formed above the opening and the region surrounding the substrate. By providing the partition wall in this way, the function of the partition wall in the present invention as described above can be achieved.

電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置する場合、好ましくは陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気を外部と遮断する遮蔽板を配設して、この遮蔽板の一部を延設して電解浴中の陰極の周辺を取り囲むと共に、陰極の下端より低い位置に開放口を設けて、上記遮蔽板が陰極を取り囲む領域であり、かつ、上記開放口より上方に金属酸化物を供給するのがよい。このように遮蔽板を配設すると、例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)を含む無機溶融塩の電気分解において、陰極にカルシウム(Ca)を析出し、そのカルシウムの強還元性を利用して、目的金属酸化物を還元する金属製錬方法等の場合において、陰極で析出したカルシウムが無機溶融塩の対流によって拡散するのを防止すると共に、カルシウムの比重が無機溶融塩の比重より小さいため、遮蔽板の下端の開放口を通って陰極側に移動するのを防止でき、効率良く目的金属酸化物を還元することができる。更に、金属酸化物が目的金属に還元され製品として回収する作業において、陰極とこの遮蔽板とを目的金属の収納容器として用いることも可能となり、作業効率が向上するだけでなく、回収する金属が雰囲気中の酸素に再酸化されることを防止できて回収効率を向上させることができる。 When the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, a shielding plate is preferably provided to block the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region from the outside, and a part of the shielding plate is disposed. Extending to surround the periphery of the cathode in the electrolytic bath, and providing an opening at a position lower than the lower end of the cathode, the shield plate is an area surrounding the cathode, and a metal oxide above the opening It is good to supply. When the shielding plate is arranged in this way, for example, in the electrolysis of an inorganic molten salt containing calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO), calcium (Ca) is deposited on the cathode, and the strong reducing property of the calcium In the case of a metal smelting method for reducing the target metal oxide, the calcium precipitated at the cathode is prevented from diffusing by the convection of the inorganic molten salt, and the specific gravity of the calcium is the specific gravity of the inorganic molten salt. Since it is smaller, it can prevent moving to a cathode side through the opening of the lower end of a shielding board, and can reduce a target metal oxide efficiently. Further, in the work of reducing the metal oxide to the target metal and recovering it as a product, the cathode and the shielding plate can be used as a storage container for the target metal. It is possible to prevent reoxidation to oxygen in the atmosphere and improve recovery efficiency.

また、電解浴中で陽極と陰極とが左右方向に位置する場合の別の例として、好ましくは陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気を外部と遮断する遮蔽板を配設して、この遮蔽板の下端を陰極の下端より低い位置まで延設して、上記遮蔽板と反応槽の側壁とが陰極を取り囲む領域であり、かつ、上記遮蔽板の下端より上方に金属酸化物を供給し、上記遮蔽板の下方側で陽極側との電解浴中のイオンの移動を可能とするのがよい。このように遮蔽板を配設すると、陰極で析出したカルシウムが無機溶融塩の対流によって拡散するのを防止すると共に、カルシウムの比重が無機溶融塩の比重より小さいため、遮蔽板の下端を超えて陰極側に移動するのを防止でき、効率良く目的金属酸化物を還元することができる。   Further, as another example when the anode and the cathode are positioned in the left-right direction in the electrolytic bath, preferably, a shielding plate is provided to block the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region from the outside, The lower end of the shielding plate is extended to a position lower than the lower end of the cathode, and the shielding plate and the side wall of the reaction vessel surround the cathode, and the metal oxide is supplied above the lower end of the shielding plate. It is preferable that the ions in the electrolytic bath can move with the anode side below the shielding plate. When the shielding plate is arranged in this way, the calcium precipitated at the cathode is prevented from diffusing due to the convection of the inorganic molten salt, and the specific gravity of calcium is smaller than the specific gravity of the inorganic molten salt, so that it exceeds the lower end of the shielding plate. The migration to the cathode side can be prevented, and the target metal oxide can be reduced efficiently.

更に、電解浴中で陽極より下方に陰極が位置する場合、本発明における隔壁が陽極を取り囲んで配設されると共に陽極の下端より低い位置に開口部が設けられて、上記隔壁が陽極を取り囲む領域であり、かつ、上記開口部より上方に陽極反応領域を形成せしめるようにするのがよい。このように隔壁を設けることで上述したような本発明における隔壁の作用をすることができる。   Further, when the cathode is located below the anode in the electrolytic bath, the partition wall in the present invention is disposed so as to surround the anode, and an opening is provided at a position lower than the lower end of the anode, so that the partition wall surrounds the anode. It is preferable that the anode reaction region is formed in the region and above the opening. By providing the partition wall in this way, the above-described function of the partition wall in the present invention can be achieved.

このような電極の位置関係の場合において、好ましくは開口部より下方に金属酸化物を供給するのがよい。例えば、塩化カルシウム(CaCl2)と酸化カルシウム(CaO)の混合溶融塩を電解して強還元性物質であるカルシウム(Ca)を析出させ、目的の金属酸化物を還元する金属製錬においては、陰極で析出する強還元性物質が、全体の電解浴より比重が小さく浮上するため、開口部より下方に原料となる金属酸化物を供給することによって、逆反応を起こすよりも先に目的金属酸化物と接触するため、効率的に目的金属酸化物を製錬することができる。 In the case of such an electrode positional relationship, it is preferable to supply the metal oxide below the opening. For example, in metal smelting to reduce the target metal oxide by electrolyzing a mixed molten salt of calcium chloride (CaCl 2 ) and calcium oxide (CaO) to precipitate calcium (Ca), which is a strong reducing substance, The strongly reducing substance deposited at the cathode floats with a lower specific gravity than the entire electrolytic bath, so by supplying the metal oxide as the raw material below the opening, the target metal oxidation is performed before the reverse reaction occurs. Since it comes into contact with an object, the target metal oxide can be efficiently smelted.

本発明においては、上述した金属酸化物の還元方法を用いて金属酸化物の還元装置とすることができるが、好ましくは反応槽内に複数の陽極を備えるのがよい。工業的に金属酸化物を還元して金属を製造する際に、陽極の消耗等の理由からある陽極を交換する場合でも、別の陽極の存在によって、反応槽における全体の電流を停止することなく交換することが可能となり、反応槽全体としての生産性が向上する。尚、この場合、各陽極をそれぞれ個別の隔壁が取り囲んで陽極反応領域を形成してもよく、隔壁と反応槽の側壁とで囲まれて形成された陽極反応領域に複数の陽極を配置するようにしてもよい。   In the present invention, a metal oxide reduction apparatus can be obtained by using the above-described metal oxide reduction method, but preferably a plurality of anodes are provided in the reaction vessel. When producing metal by reducing metal oxide industrially, even when replacing an anode for reasons such as exhaustion of the anode, the presence of another anode does not stop the entire current in the reaction vessel. It becomes possible to exchange, and productivity as the whole reaction tank improves. In this case, each anode may be surrounded by an individual partition wall to form an anode reaction region, and a plurality of anodes may be arranged in the anode reaction region formed by the partition wall and the reaction vessel side wall. It may be.

また、本発明においては、好ましくは反応槽内に複数の陰極を備えるのがよい。この場合、上述したように遮蔽板を延設して陰極の周辺を取り囲むようにすると共に、この取り囲んだ領域内に金属酸化物を供給するようにすれば、工業的に金属酸化物を還元して金属を製造する際に、還元した金属と陰極とを一体で回収する場合などにおいて、別の陰極の存在によって、反応槽における全体の電流を停止することなく交換することが可能となり、反応槽全体としての生産性が向上する。尚、上記の場合、反応槽内における複数の陰極の配置については特に制限はなくて自由に配置することができる。また、上述したようにあわせて陽極を複数備える場合には、陽極を中心にしてこの陽極を挟むように陰極を配置してもよく、このような陽極と陰極との組み合わせを反応槽内に複数備えるようにしてもよい。   In the present invention, a plurality of cathodes are preferably provided in the reaction vessel. In this case, if the shielding plate is extended to surround the periphery of the cathode as described above and the metal oxide is supplied into the surrounded region, the metal oxide is reduced industrially. When the reduced metal and the cathode are collected together when producing the metal, the presence of another cathode makes it possible to replace the entire current in the reaction tank without stopping, and the reaction tank Overall productivity is improved. In the above case, the arrangement of the plurality of cathodes in the reaction vessel is not particularly limited and can be freely arranged. In addition, when a plurality of anodes are provided as described above, a cathode may be arranged so that the anode is sandwiched around the anode, and a plurality of combinations of such anodes and cathodes are provided in the reaction vessel. You may make it prepare.

本発明によれば、陽極において不可避に発生する陽極反応ガスを気泡状態で可及的速やかに電解浴の液面から排出させることができ、また、電解浴中に溶解する陽極反応ガスについては陽極反応領域以外の電解浴中への移動を防止することができるため、金属酸化物の還元において得られる金属の汚染を可及的に低減でき、かつ、還元効率を低下させることもなく、更には、簡便で安価であって工業的に有利に金属酸化物を還元することができる。また、隔壁を設けることにより不可避的に生じる電解電力の上昇を可及的に低減して、更に工業的に有利にせしめることができる。特に、炭素陽極を用いた電気分解を利用する場合には、上記効果に加えて、炭素陽極から発生する微粒炭素による金属汚染の問題や電極を短絡させてしまう等の問題についても解消できる。   According to the present invention, the anode reaction gas inevitably generated in the anode can be discharged from the liquid surface of the electrolytic bath as quickly as possible in the form of bubbles, and the anode reaction gas dissolved in the electrolytic bath Since movement to the electrolytic bath outside the reaction region can be prevented, the contamination of the metal obtained in the reduction of the metal oxide can be reduced as much as possible, and the reduction efficiency is not lowered. It is simple, inexpensive and can reduce metal oxides industrially advantageously. In addition, the increase in electrolytic power inevitably generated by providing the partition walls can be reduced as much as possible, and can be made more industrially advantageous. In particular, in the case of utilizing electrolysis using a carbon anode, in addition to the above effects, problems such as metal contamination caused by fine carbon generated from the carbon anode and short-circuiting of the electrodes can be solved.

以下、添付する図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態を説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、参考実施形態に係る金属酸化物の還元装置Xを示している。耐火物であるアルミナレンガによって形成された反応槽1には塩化カルシウム(CaCl2)、カルシウム(Ca)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩2が収容されており、この混合溶融塩2には炭素陽極3及びステンレス陰極4が浸漬されて、それぞれ配置されている。また、これらの電極の下端はそれぞれ傾斜している。この炭素陽極3とステンレス陰極4との間には隔壁5が配設されており、この隔壁5の下端側の部分は酸素イオン伝導性物質である安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5dによって形成されており、その他の部分はアルミナレンガによって形成されている。また、この隔壁5と反応槽1の側壁とによって炭素陽極3を取り囲んだ領域における混合溶融塩2の液面の上方には、外部雰囲気と遮断するための遮蔽板6が設けられており、同じく隔壁5と反応槽1の側壁1aとによってステンレス陰極4を取り囲んだ領域における混合溶融塩2の液面の上方には、外部雰囲気と遮断するための遮蔽板7が設けられている。これらの遮蔽板6及び遮蔽板7は、それぞれ独立して開閉が可能であり、炭素陽極3側に設けられた遮蔽板6には、電気分解によって炭素陽極3から生成する二酸化炭素(CO2)や一酸化炭素(CO)等の陽極反応ガスを反応槽1の外部に吸引して排出する陽極反応ガス排出管8が取付けられており、また、電気分解によって消耗した炭素陽極3が交換できるようになっている。一方、ステンレス陰極4側に設けられた遮蔽板7には、混合溶融塩2内に原料となる酸化チタン(TiO2)を投入するための原料投入口9が取付けられており、また、酸化チタンを還元して製造した金属チタンが回収できるようになっている。 FIG. 1 shows a metal oxide reduction device X according to a reference embodiment . A reaction tank 1 formed of alumina brick, which is a refractory, contains a mixed molten salt 2 composed of calcium chloride (CaCl 2 ), calcium (Ca) and calcium oxide (CaO). The carbon anode 3 and the stainless steel cathode 4 are immersed and arranged respectively. Further, the lower ends of these electrodes are inclined. A partition wall 5 is disposed between the carbon anode 3 and the stainless cathode 4, and a lower end portion of the partition wall 5 is formed of a stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte 5 d which is an oxygen ion conductive material. The other parts are made of alumina brick. A shielding plate 6 is provided above the liquid surface of the mixed molten salt 2 in a region surrounding the carbon anode 3 by the partition wall 5 and the side wall of the reaction tank 1. A shielding plate 7 is provided above the liquid surface of the mixed molten salt 2 in the region surrounding the stainless steel cathode 4 by the partition wall 5 and the side wall 1a of the reaction tank 1 to block the external atmosphere. The shielding plate 6 and the shielding plate 7 can be opened and closed independently, and the shielding plate 6 provided on the carbon anode 3 side has carbon dioxide (CO 2 ) generated from the carbon anode 3 by electrolysis. And an anode reaction gas discharge pipe 8 that sucks and discharges an anode reaction gas such as carbon monoxide (CO) to the outside of the reaction tank 1 so that the carbon anode 3 consumed by electrolysis can be replaced. It has become. On the other hand, the shielding plate 7 provided on the stainless steel cathode 4 side is provided with a raw material inlet 9 for introducing titanium oxide (TiO 2 ) as a raw material into the mixed molten salt 2, and titanium oxide. Titanium metal produced by reducing the carbon can be recovered.

また、この金属酸化物の還元装置Xにおける反応槽1は、収容した混合溶融塩2が直接触れる部分である側壁1a及び底部1bには、混合溶融塩2からなる凝固層10によって覆われている。また、隔壁5の下端は炭素陽極5の下端より低い位置となるように配設されており、この隔壁5と凝固層10を備えた反応槽1の側壁とが炭素陽極3を取り囲む領域であり、かつ、隔壁5の下端より上方に陽極反応領域11が形成される(図中斜線で示した領域)。尚、反応槽1内において炭素陽極3側と陰極4側との間での混合溶融塩2に存在するカルシウムイオン(Ca+)、酸素イオン(O2-)等のイオンの移動は、この陽極反応槽領域11の下方側で可能となり、更に、酸素イオン(O2-)については、隔壁5を形成する安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5dの部分を通じても移動可能である。 In addition, the reaction tank 1 in the metal oxide reduction apparatus X is covered with a solidified layer 10 made of the mixed molten salt 2 on the side wall 1a and the bottom 1b, which are portions where the mixed molten salt 2 accommodated directly touches. . Further, the lower end of the partition wall 5 is disposed so as to be lower than the lower end of the carbon anode 5, and the partition wall 5 and the side wall of the reaction tank 1 provided with the solidified layer 10 are regions surrounding the carbon anode 3. And the anode reaction area | region 11 is formed above the lower end of the partition 5 (area | region shown with the oblique line in the figure). In the reaction tank 1, the movement of ions such as calcium ions (Ca + ) and oxygen ions (O 2− ) existing in the mixed molten salt 2 between the carbon anode 3 side and the cathode 4 side is caused by this anode. The oxygen ion (O 2− ) can be moved through the portion of the stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte 5 d forming the partition wall 5.

この金属酸化物の還元装置Xの炭素陽極3及び陰極4に図示外の直流電源器を接続して電気分解を行ったところ、陽極反応領域11の下方側で炭素陽極3とステンレス陰極4との導通が行われ、炭素陽極3からは二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)、及び酸素(O2)を含んだ陽極反応ガスが発生し、炭素陽極3に形成された傾斜部3aを伝わるようにして混合溶融塩2の中を浮上した。そして、隔壁5と凝固層10に覆われた反応槽1の側壁1aとが炭素陽極3を取り囲む領域であって、隔壁5の下端より上方である陽極反応領域11の混合溶融塩2は、電気分解が進むにつれて炭素根(CO3)濃度が上昇し、最終的には炭酸ガスが飽和した状態で溶解した混合溶融塩2となった。 When electrolysis was performed by connecting a DC power source (not shown) to the carbon anode 3 and the cathode 4 of the metal oxide reduction device X, the carbon anode 3 and the stainless cathode 4 were below the anode reaction region 11. Conduction is performed, and an anode reaction gas containing carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO), and oxygen (O 2 ) is generated from the carbon anode 3, and the inclined portion 3 a formed on the carbon anode 3. And then floated in the mixed molten salt 2. The mixed molten salt 2 in the anode reaction region 11 in which the partition wall 5 and the side wall 1a of the reaction tank 1 covered with the solidified layer 10 surround the carbon anode 3 and above the lower end of the partition wall 5 is As the decomposition progressed, the carbon root (CO 3 ) concentration increased, and finally the mixed molten salt 2 dissolved in a state in which carbon dioxide gas was saturated.

また、図2には、本発明の実施の形態に係る別の金属酸化物の還元装置Xが示されている。
アルミナレンガで作られた反応槽1の底面部分が陰極4に相当し、この陰極4の上方には炭素陽極3が3本並列に並べられており、これらの炭素陽極3はそれぞれが上下させることが可能であって、陰極4との電極間距離を変えることができるため、それぞれの炭素陽極3に流れる電流値をこの電極間距離の変動によって制御することができる。また、これらの炭素陽極3の周りには、それぞれの炭素陽極3を取り囲むように隔壁5が配設されており、この隔壁5の下端側の部分は酸素イオン伝導性物質である安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5dによって形成されており、その他の部分についてはアルミナ製耐火チューブによって形成されている。また、この隔壁5には炭素陽極3の下端より低い位置に開口部5aが設けられている。そして、この隔壁5が炭素陽極3を取り囲む領域であり、かつ、隔壁5の開口部5aより上方に陽極反応領域11が形成される(図中斜線で示した領域)。尚、反応槽1内において、炭素陽極3側と陰極4側との間での混合溶融塩2に存在するカルシウムイオン(Ca+)、酸素イオン(O2-)等のイオンの移動は開口部5aを介して可能となり、更に、酸素イオン(O2-)については、隔壁5を形成する安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5dの部分を通じても移動可能である。
FIG. 2 shows another metal oxide reduction apparatus X according to the embodiment of the present invention.
The bottom portion of the reaction vessel 1 made of alumina brick corresponds to the cathode 4, and three carbon anodes 3 are arranged in parallel above the cathode 4. These carbon anodes 3 are moved up and down. Since the distance between the electrodes with the cathode 4 can be changed, the current value flowing through each carbon anode 3 can be controlled by the variation in the distance between the electrodes. In addition, partition walls 5 are disposed around the carbon anodes 3 so as to surround the respective carbon anodes 3, and a portion on the lower end side of the partition walls 5 is stabilized zirconia (oxygen ion conductive material). ZrO 2 ) is formed of a solid electrolyte 5d, and other portions are formed of an alumina fireproof tube. The partition wall 5 is provided with an opening 5 a at a position lower than the lower end of the carbon anode 3. The partition wall 5 is a region surrounding the carbon anode 3, and an anode reaction region 11 is formed above the opening 5a of the partition wall 5 (a region indicated by diagonal lines in the figure). In the reaction tank 1, the movement of ions such as calcium ions (Ca + ) and oxygen ions (O 2− ) existing in the mixed molten salt 2 between the carbon anode 3 side and the cathode 4 side is an opening. 5a, and oxygen ions (O 2− ) can also move through the portion of the stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte 5d forming the partition walls 5.

また、反応槽1には塩化カルシウム(CaCl2)、カルシウム(Ca)及び酸化カルシウム(CaO)からなる混合溶融塩2が収容されており、この反応槽1は遮蔽板6によって混合溶融塩2の液面の上方が外部雰囲気から遮断されている。更に、各炭素陽極3に配設されたそれぞれの隔壁5は陽極反応ガス排出管8と接続されており、陽極反応領域11内で生成した二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)、及び酸素(O2)を含んだ陽極反応ガスが吸引されて反応槽1の外部に排出される。
そして、粉末状の酸化チタンを陰極4の上面に配置し、炭素陽極3と陰極4との間に接続された図示外の直流電源器を用いて電気分解を行ったところ、開口部5a及び隔壁5の安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5d部分を介して炭素陽極3と鉄陰極4との導通が行われ、炭素陽極3からは上記陽極反応ガスが発生した。電気分解が進行してしばらくすると、陽極反応領域11における混合溶融塩2は、炭酸根(CO3)濃度が上昇し、最終的には炭酸ガスが飽和した状態で溶解した混合溶融塩2となった。
The reaction tank 1 contains a mixed molten salt 2 composed of calcium chloride (CaCl 2 ), calcium (Ca) and calcium oxide (CaO). The upper part of the liquid level is shielded from the external atmosphere. Further, each partition wall 5 disposed in each carbon anode 3 is connected to an anode reaction gas discharge pipe 8, and carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO), And the anode reaction gas containing oxygen (O 2 ) is sucked and discharged to the outside of the reaction vessel 1.
Then, when powdered titanium oxide was placed on the upper surface of the cathode 4 and electrolysis was performed using a DC power supply (not shown) connected between the carbon anode 3 and the cathode 4, the opening 5a and the partition walls The carbon anode 3 and the iron cathode 4 were electrically connected to each other through the 5 stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte 5d portion, and the anode reaction gas was generated from the carbon anode 3. When electrolysis is some time proceeds, the mixed molten salt 2 in the anode reaction region 11 to rise carbonates (CO 3) concentration, eventually become a mixed molten salt 2 dissolved in a state in which carbon dioxide gas is saturated It was.

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。   Hereinafter, based on an Example and a comparative example, this invention is demonstrated more concretely.

[実施例1]
図3には本発明の実施例1に係る金属酸化物の還元装置Xを示した。
内部の空間が幅1000mm×奥行280mm×高さ900mmである密閉型電気炉12の内側に、幅840mm×奥行150mm×高さ400mmのステンレス鋼板製の反応槽1を配置した。この反応槽1は150mm×150mm×2.5mmのアルミナ製角板1cによって内張りしてある。
[Example 1]
FIG. 3 shows a metal oxide reduction device X according to Example 1 of the present invention.
A reaction vessel 1 made of a stainless steel plate having a width of 840 mm, a depth of 150 mm, and a height of 400 mm was placed inside a closed electric furnace 12 having an internal space of 1000 mm in width, 280 mm in depth, and 900 mm in height. The reactor 1 is lined with a 150 mm × 150 mm × 2.5 mm alumina square plate 1c.

また、炭素陽極3には幅30mm×奥行30mm×高さ140mmの人造黒鉛製のものを用い、この炭素陽極3の周りを内径100mmφ×高さ100mmの上部アルミナ容器5Xbと内径100mmφ×高さ100mmの下部アルミナ容器5Xcとを用いて取り囲むようにして隔壁5Xを形成した。また、この上部アルミナ容器5Xbには、30mm×30mmの穴あけ加工を前後2箇所施し、32mm×32mm×厚さ1mmの安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質からなる角板5Xdをアルミナセラミックボンドによって接着した。更に、直径8.5mmφと17.5mmφの穴あけ加工が施してあり、これらの穴に直径8mmφのSUS製丸棒13と内径13mmφのアルミナチューブ8を通して固定してある。このSUS製丸棒13は炭素陽極3を上部アルミナ容器5Xbの内部に固定するためのものであり、また、SUS製丸棒13の他端を密閉型電気炉12の外まで出し、直流電源器14に接続して導電棒の役割も兼ねている。アルミナチューブ8は他端を密閉型電気炉12の外へ出すことによって、上部アルミナ容器5Xbと安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質(角板)5Xdと下部アルミナ容器5Xcとからなる隔壁5Xの内側に発生した陽極反応ガスがこのアルミナチューブ8を通じて密閉型電気炉12の外側に排出される構造となっている。更に、下部アルミナ容器5Xcには20mm×20mmの開口部5Xaが穴あけ加工されている。 The carbon anode 3 is made of artificial graphite having a width of 30 mm, a depth of 30 mm and a height of 140 mm. Around the carbon anode 3 is an upper alumina container 5Xb having an inner diameter of 100 mmφ × height of 100 mm and an inner diameter of 100 mmφ × height of 100 mm. A partition wall 5X was formed so as to surround the lower alumina container 5Xc. The upper alumina container 5Xb was drilled 30mm x 30mm at two locations, and a square plate 5Xd made of 32mm x 32mm x 1mm thick zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte was bonded with alumina ceramic bond. did. Further, holes having diameters of 8.5 mm and 17.5 mm are drilled, and these holes are fixed through a SUS round bar 13 having a diameter of 8 mm and an alumina tube 8 having an inner diameter of 13 mm. This SUS round bar 13 is for fixing the carbon anode 3 inside the upper alumina container 5Xb, and the other end of the SUS round bar 13 is taken out of the sealed electric furnace 12 to provide a DC power supply. 14 also serves as a conductive bar. The other end of the alumina tube 8 is taken out of the closed electric furnace 12 so that the inside of the partition wall 5X comprising the upper alumina container 5Xb, the stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte (square plate) 5Xd, and the lower alumina container 5Xc. In this structure, the anode reaction gas generated in this step is discharged to the outside of the closed electric furnace 12 through the alumina tube 8. Further, an opening 5Xa of 20 mm × 20 mm is drilled in the lower alumina container 5Xc.

反応槽1内には塩化カルシウム(CaCl2)を溶解してなる電解浴2が収容されており、また、陰極4は、直径8mmφのSUS製陰極丸棒4aと幅30mm×高さ60mm×厚さ3mmのSUS製陰極角板4bとから形成されている。尚、電解中は、下部アルミナ容器5Xcが下方、上部アルミナ容器5Xbが上方となる方向で配置されるため、塩化カルシウム(CaCl2)を溶解したとき隔壁5Xを形成する2箇所の安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質5Xdの部分が共に電解浴2中に浸漬して、電解浴2中に含まれる酸素イオン(O2-)が通過できる場所となり、更に、下方のアルミナ容器5Xcに設けられた開口部5Xaが、電解浴2中に含まれるカルシウムイオン(Ca+)、酸素イオン(O2-)等のイオンが陽極側と陰極側との間での移動が可能となる場所である。また、炭素陽極3は電解浴中に浸漬して、その下端は下部アルミナ容器5Xcに加工した20mm×20mmの開口部5Xaの上端部より20mm上方に位置する。また、隔壁5Xが炭素陽極3を取り囲む領域であって、開口部5Xaより上方には陽極反応領域11を形成した。 An electrolytic bath 2 in which calcium chloride (CaCl 2 ) is dissolved is accommodated in the reaction vessel 1, and the cathode 4 is made of a SUS cathode round bar 4 a having a diameter of 8 mmφ and a width of 30 mm × height of 60 mm × thickness. SUS cathode square plate 4b having a thickness of 3 mm. During electrolysis, since the lower alumina container 5Xc is arranged in the lower direction and the upper alumina container 5Xb is arranged in the upper direction, two stabilized zirconia (forming the partition wall 5X when calcium chloride (CaCl 2 ) is dissolved) ZrO 2 ) The solid electrolyte 5Xd is immersed in the electrolytic bath 2 to allow oxygen ions (O 2− ) contained in the electrolytic bath 2 to pass through, and is further provided in the lower alumina container 5Xc. The opening 5Xa is a place where ions such as calcium ions (Ca + ) and oxygen ions (O 2− ) contained in the electrolytic bath 2 can move between the anode side and the cathode side. The carbon anode 3 is immersed in the electrolytic bath, and its lower end is located 20 mm above the upper end of the 20 mm × 20 mm opening 5Xa processed into the lower alumina container 5Xc. The partition wall 5X surrounds the carbon anode 3, and the anode reaction region 11 is formed above the opening 5Xa.

実施例1において、起動および電解は以下のようにして行った。
まず、隔壁5Xを反応槽1に配置した後、炭素陽極3との電極間距離が130mmの極間を保つように陰極4を配置した。次いで、純度95%の塩化カルシウム約40kgを反応槽1に充填し、その後、密閉型電気炉12を全て密閉して図示外の真空ポンプによって内部の空気を一旦排気した後、アルゴンガス(Ar)を送入した。その後も3L/minの流量でアルゴンガスを流しながら密閉式電気炉1の内部が正圧となるようにして、約2日間かけて電気炉12を昇温した。昇温後は電解浴2の温度が900℃になるように電気炉12をコントロールして保持した。
In Example 1 , start-up and electrolysis were performed as follows.
First, after the partition wall 5X was disposed in the reaction vessel 1, the cathode 4 was disposed so that the distance between the electrode and the carbon anode 3 was 130 mm. Next, about 40 kg of 95% pure calcium chloride is charged into the reaction vessel 1, and then the sealed electric furnace 12 is completely sealed, and the internal air is once evacuated by a vacuum pump (not shown), followed by argon gas (Ar). Sent in. After that, while flowing argon gas at a flow rate of 3 L / min, the electric furnace 12 was heated for about 2 days so that the inside of the closed electric furnace 1 became a positive pressure. After the temperature increase, the electric furnace 12 was controlled and held so that the temperature of the electrolytic bath 2 became 900 ° C.

陰極4の陰極丸棒4aと炭素陽極3に取付けられたSUS製丸棒13は最大出力750Wの直流電源器14に接続してあり、この陰極丸棒4aとSUS製丸棒13との間に1.5Vで一定の電圧をかけて予備電解を行った。予備電解は主に塩化カルシウム(CaCl2)に混入している水分、鉄などの不純物を除去する目的であり、電流が流れなくなるまで約20時間電圧をかけ続けた。その間陰極4に析出した鉄などの不純物は適宜電気炉12から抜き取り系外に除去した。尚、密閉型電気炉12から抜き取る作業の際には炉内へ送入するアルゴンガス流量を増加し電気炉12内が正圧になるようにして実施した。 The cathode round bar 4a of the cathode 4 and the SUS round bar 13 attached to the carbon anode 3 are connected to a DC power supply 14 with a maximum output of 750 W. Between the cathode round bar 4a and the SUS round bar 13 Pre-electrolysis was performed by applying a constant voltage of 1.5V. Preliminary electrolysis was mainly intended to remove impurities such as moisture and iron mixed in calcium chloride (CaCl 2 ), and the voltage was continuously applied for about 20 hours until no current flowed. Meanwhile, impurities such as iron deposited on the cathode 4 were appropriately extracted from the electric furnace 12 and removed from the system. In the operation of extracting from the closed electric furnace 12, the flow rate of argon gas fed into the furnace was increased so that the pressure in the electric furnace 12 became positive.

予備電解終了後、同形状の新しい陰極4に取り替え、40Aの定電流により電解を開始した。電解中、1時間に15gの割合で原料投入口(兼金属回収口)9から陰極4の近傍に酸化チタン(TiO2)を投入した。酸化チタンは電解浴中を比重差によって沈降していくため、100メッシュのSUS製ネット15でそれを受けて数時間毎に回収した。回収方法は、アルゴンガスを流した図示外のSUS製配管用パイプを密閉型電気炉12に接続し、SUS製ネット15をその配管用パイプに引き上げながら蓋をして、随伴する塩化カルシウムとともにアルゴンガス中でそのまま冷却して回収した。回収した酸化チタン試料は、冷却後水洗ろ過により周囲に固着した塩化カルシウムを除去し、図示外の真空恒温槽にて乾燥させた。更に、乾燥した試料はX線回折分析、酸素分析等により分析を行った。 After the preliminary electrolysis, the new cathode 4 having the same shape was replaced, and electrolysis was started with a constant current of 40A. During electrolysis, titanium oxide (TiO 2 ) was charged from the raw material charging port (cum metal recovery port) 9 to the vicinity of the cathode 4 at a rate of 15 g per hour. Since titanium oxide settles in the electrolytic bath due to the difference in specific gravity, it was collected by a 100 mesh SUS net 15 every few hours. The recovery method is as follows. A SUS piping pipe (not shown) in which argon gas is flowed is connected to the closed electric furnace 12, and the SUS net 15 is covered with the piping pipe while being pulled up, and the accompanying calcium chloride is added together with argon. It was cooled and recovered as it was in gas. The recovered titanium oxide sample was cooled, washed with water and filtered to remove calcium chloride adhering to the surroundings, and dried in a vacuum thermostat not shown. Furthermore, the dried sample was analyzed by X-ray diffraction analysis, oxygen analysis and the like.

また、電解中、適宜、隔壁5Xの内部の内圧増加による自然排出を利用して陽極反応ガスを回収した。アルミナチューブ8から排出される陽極反応ガスを図示外のフッ化ビニル樹脂製のバッグにて過不足無く回収し、任意の時間あたりに発生する陽極反応ガス量を測定し排出速度を調査した。更に、排出された陽極反応ガス中の二酸化炭素濃度(CO2)、酸素濃度(O2)、及び一酸化炭素濃度(CO)をオルザット分析によって測定した。これら陽極反応ガスの測定時には、電流を一時的に増減し、電流値による排出速度および組成の変化も調査した。 Further, during the electrolysis, the anode reaction gas was recovered appropriately using natural discharge due to an increase in internal pressure inside the partition wall 5X. The anode reaction gas discharged from the alumina tube 8 was collected without excess or deficiency in a bag made of vinyl fluoride resin (not shown), the amount of anode reaction gas generated per arbitrary time was measured, and the discharge rate was investigated. Further, the carbon dioxide concentration (CO 2 ), oxygen concentration (O 2 ), and carbon monoxide concentration (CO) in the discharged anode reaction gas were measured by Orsat analysis. During the measurement of these anode reaction gases, the current was temporarily increased or decreased, and the discharge rate and composition change due to the current value were also investigated.

更に、電解中、陰極4の周辺及び陽極反応領域11内外の電解浴2を適宜採取し、カルシウム(Ca)、酸化カルシウム(CaO)、固定炭素(C)、及び炭酸根(CO3)の濃度を測定した。測定する電解浴試料の採取方法は、図示外の内径5.5mmφ×長さ1000mmの石英ガラス管の一端を図示外のガラス製注射器に接続し、石英ガラス管内をアルゴンガスと置換した後、もう一端を電解浴2の所定の深さに沈め、ガラス製注射器を吸引し測定する電解浴試料を石英ガラス管内で凝固させて回収する方法を用いた。
このようにして得た電解浴試料は、硝酸水溶液で満たされた図示外の容器内へ投入し、カルシウム(Ca)が水と反応して水素(H2)を発生する際のその水素の体積を測定して、カルシウム濃度を算出し、更にカルシウム(Ca)及び酸化カルシウム(CaO)が水と反応して全量水酸化カルシウム〔Ca(OH)2〕となることから硝酸水溶液を滴定することによって、水酸化カルシウムを定量し、先に求めたカルシウム量を差し引いて、酸化カルシウムの濃度を算出した。更にまた、硝酸水溶液中の残渣をろ過して、燃焼重量測定を行うことにより電解浴中の固体炭素(C)を測定した。更に別の電解浴試料を硝酸水溶液に溶解して煮沸し、排出される炭酸ガスを苛性ソーダ(NaOH)と塩化バリウム(BaCl2)混合水溶液に吸収し、炭酸ガスを炭酸バリウム(BaCO3)として沈殿させ、その際消費した苛性ソーダを滴定により定量することによって、電解浴中の炭酸根を定量した。
Further, during the electrolysis, the electrolytic baths 2 around the cathode 4 and inside and outside the anode reaction region 11 are appropriately collected, and the concentration of calcium (Ca), calcium oxide (CaO), fixed carbon (C), and carbonate radical (CO 3 ). Was measured. The electrolytic bath sample to be measured was collected by connecting one end of an unillustrated quartz glass tube with an inner diameter of 5.5 mmφ × length of 1000 mm to an unillustrated glass syringe and replacing the inside of the quartz glass tube with argon gas. Was immersed in a predetermined depth in the electrolytic bath 2, and a method of collecting the electrolytic bath sample to be measured by sucking a glass syringe and solidifying it in a quartz glass tube was used.
The electrolytic bath sample thus obtained is put into a container (not shown) filled with an aqueous nitric acid solution, and the volume of hydrogen when calcium (Ca) reacts with water to generate hydrogen (H 2 ). By measuring the calcium concentration, and by further titrating the aqueous nitric acid solution, calcium (Ca) and calcium oxide (CaO) react with water to form calcium hydroxide [Ca (OH) 2 ]. Then, calcium hydroxide was quantified, and the concentration of calcium oxide was calculated by subtracting the previously obtained amount of calcium. Furthermore, solid carbon (C) in the electrolytic bath was measured by filtering the residue in the nitric acid aqueous solution and performing combustion weight measurement. Furthermore, another electrolytic bath sample is dissolved in an aqueous nitric acid solution and boiled, and the discharged carbon dioxide gas is absorbed into a mixed aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) and barium chloride (BaCl 2 ), and the carbon dioxide gas is precipitated as barium carbonate (BaCO 3 ). The carbonate radical in the electrolytic bath was quantified by quantifying caustic soda consumed at that time by titration.

その結果、この実施例1において、回収した酸化チタン試料は全量金属チタン(Ti)に還元されていた。また、この回収した酸化チタン試料からは炭素化合物は検出されなかった。更に、酸素分析の結果、得られた金属チタン中の酸素濃度は2100ppmであった。一方、上部アルミナ容器5Xbと安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質(角板)5Xdと下部アルミナ容器5Xcとからなる隔壁5Xで炭素陽極3を取り囲んだ領域内の浴組成は20mm×20mm開口部5Xaの上部を境に上下において組成が変化し始め、電解開始20時間後の浴組成では、表1に示したように、反応槽1の底近くでは(陽極反応領域外)、酸化カルシウム濃度が0.39mol%、及び炭酸根濃度が0.05wt%であるのに対し、開口部5Xaより上方の電解浴表面近傍では(陽極反応領域内)、酸化カルシウム濃度が0.05mol%、及び炭酸根濃度が1.12wt%であり、両領域の電解浴では濃度がかなり異なるものであった。また、隔壁4の外側の領域における電解浴の分析では、酸化カルシウム濃度が0.52mol%、及び炭酸根濃度が0.06wt%であった。このことから、炭素陽極3の陽極反応により生成した陽極反応生成ガスが電解浴に溶解し、この陽極反応ガスが溶解した電解浴は陽極反応領域内に留められて、隔壁5Xの開口部5Xaより上方では電解浴組成が変化したと考えられる。 As a result, in Example 1 , the recovered titanium oxide sample was reduced to the entire amount of titanium metal (Ti). Further, no carbon compound was detected from the recovered titanium oxide sample. Furthermore, as a result of oxygen analysis, the oxygen concentration in the obtained titanium metal was 2100 ppm. On the other hand, the bath composition in the region surrounding the carbon anode 3 by the partition wall 5X composed of the upper alumina container 5Xb, the stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte (square plate) 5Xd and the lower alumina container 5Xc is 20 mm × 20 mm opening 5Xa. In the bath composition 20 hours after the start of electrolysis, as shown in Table 1, the calcium oxide concentration is 0.39 near the bottom of the reaction vessel 1 (outside the anode reaction region). Whereas mol% and carbonate radical concentration are 0.05wt%, calcium oxide concentration is 0.05mol% and carbonate radical concentration is 1.12wt near the electrolytic bath surface above the opening 5Xa (in the anode reaction region). The concentration was considerably different between the electrolytic baths in both regions. In the analysis of the electrolytic bath in the region outside the partition walls 4, the calcium oxide concentration was 0.52 mol% and the carbonate radical concentration was 0.06 wt%. Therefore, the anode reaction product gas generated by the anodic reaction of the carbon anode 3 is dissolved in the electrolytic bath, and the electrolytic bath in which the anode reaction gas is dissolved is retained in the anode reaction region, and from the opening 5Xa of the partition wall 5X. It is considered that the electrolytic bath composition has changed above.

また、陽極反応ガスは、適宜、全量採取して排出速度の実測値として測定し、更に、オルザット分析を実施した。その結果、陽極反応ガスは電流を変化することによって組成が変化した。例えば15A以下では二酸化炭素および一酸化炭素が多く占め、15Aから30Aでは酸素の割合が多く、30A以上では塩素と思われるガスが支配的になった。更に、オルザット分析により測定した二酸化炭素濃度(CO2)、酸素濃度(O2)、及び一酸化炭素濃度(CO)の組成を勘案してその時の電流値における陽極反応ガス発生速度を計算し、上記排出速度の実測値との差を陽極反応ガスの未回収量とし、その未回収量と陽極反応ガス発生速度の計算値との比を未回収率として調査した結果、15A以下の電流値において、電解開始直後では未回収率が40%あったものが、次第に未回収率が少なくなり電解開始8時間後では未回収率は5%以下となった。また15A以上の電流値においても、電解開始初期では未回収率が高くその後次第に減少するという同様の結果となった。このことから、陽極反応領域11での陽極反応ガスの飽和が電解時間と共に進行したと考えられる。 In addition, the anode reaction gas was appropriately collected and measured as an actual value of the discharge rate, and further, an Orsat analysis was performed. As a result, the composition of the anode reaction gas was changed by changing the current. For example, carbon dioxide and carbon monoxide accounted for a lot below 15A, a large proportion of oxygen was observed from 15A to 30A, and a gas considered to be chlorine was dominant above 30A. Furthermore, taking into account the composition of carbon dioxide concentration (CO 2 ), oxygen concentration (O 2 ), and carbon monoxide concentration (CO) measured by Orsat analysis, the anode reaction gas generation rate at the current value is calculated, As a result of investigating the ratio of the unrecovered amount and the calculated value of the anode reaction gas generation rate as the unrecovered rate, the difference from the measured value of the above discharge rate was the unrecovered amount of the anode reaction gas. Although the unrecovered rate was 40% immediately after the start of electrolysis, the unrecovered rate gradually decreased, and the unrecovered rate became 5% or less 8 hours after the start of electrolysis. Further, even at a current value of 15 A or more, the same result was obtained that the unrecovered rate was high at the beginning of electrolysis and gradually decreased thereafter. From this, it is considered that the saturation of the anode reaction gas in the anode reaction region 11 progressed with the electrolysis time.

また、電解開始8時間後の測定時、電気分解を行う電流を一旦0Aまで落とし、その後一定速度で電流を増加させ、0Aから50Aまでの電流に対応する電極間の電圧を測定した。その結果を図9に示す。0Aから僅かに電流を増加した際に急激に電圧が上昇し、その後15Aまで電流と電圧は一定の直線関係を示し、15Aから30Aまで傾きをやや小さくした状態で直線関係を保って電圧が上昇し、更に30A以上においても、一層傾きを小さくしたものの電流と電圧の関係を一定に保って電圧が増加した。この傾向は陽極表面において発生している陽極反応ガスの分解電圧と密接に関係しており、実施例1では、この分解電圧と電解浴2の浴抵抗、及び極間距離等から予想される電圧に近い値を示した。 Further, at the time of measurement 8 hours after the start of electrolysis, the current for electrolysis was temporarily reduced to 0 A, and then the current was increased at a constant rate, and the voltage between the electrodes corresponding to the current from 0 A to 50 A was measured. The result is shown in FIG. When the current is increased slightly from 0A, the voltage suddenly rises, then the current and voltage show a constant linear relationship up to 15A, and the voltage rises while maintaining a linear relationship with a slightly smaller slope from 15A to 30A. However, even at 30 A and above, the voltage increased while maintaining the constant relationship between current and voltage, although the slope was further reduced. This tendency is closely related to the decomposition voltage of the anode reaction gas generated on the anode surface. In Example 1 , the voltage expected from the decomposition voltage, the bath resistance of the electrolytic bath 2, the distance between the electrodes, and the like. The value was close to.

一方、陰極4の周辺の電解浴試料では、カルシウム(Ca)が1.0から1.3mol%と高く、酸化カルシウム(CaO)が0.8から1.0mol%、および固体炭素(C)が0.03wt%と低いものであった。これらの結果を表1に示す。   On the other hand, in the electrolytic bath sample around the cathode 4, calcium (Ca) is as high as 1.0 to 1.3 mol%, calcium oxide (CaO) is as low as 0.8 to 1.0 mol%, and solid carbon (C) is as low as 0.03 wt%. Met. These results are shown in Table 1.

Figure 0004502617
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[実施例2]
図4には本発明の実施例2に係る金属酸化物の還元装置の一部分を示した。
実施例2では、炭素陽極3とこの炭素陽極3を取り囲む隔壁5Xに係る条件については実施例1と同様にした。また、陰極4については以下のようにした。
内径120mmφ×高さ600mmのアルミナチューブを用いてその一端に幅60mm×高さ30mmの開放口16aが設けられた遮蔽板16を形成し、この遮蔽板16が陰極4を取り囲むようにして、開放口16aが反応槽1の底側に位置するように立設させた。陰極4は、厚さ6mm×外径90mmφの陰極円盤4cに対し8mmφSUS製陰極丸棒4aが垂直となるように溶接して形成し、更に、このSUS製陰極丸棒4aは図示外の内径9mmφのアルミナ製保護管で被覆されている。また、この陰極4については、遮蔽板16の下端に形成された開放口16aの上端部より10mm上方の位置で陰極円盤4cが水平になるように8mmφSUS製陰極丸棒を反応槽1の上部に吊って固定した。また、この遮蔽板16の上端は反応槽1の上蓋と接続されて、この遮蔽板16に囲まれた領域内の電解浴は外部雰囲気から遮断されている。
[Example 2]
FIG. 4 shows a part of a metal oxide reduction apparatus according to Example 2 of the present invention.
In Example 2 , the conditions relating to the carbon anode 3 and the partition wall 5X surrounding the carbon anode 3 were the same as in Example 1 . The cathode 4 was as follows.
Using an alumina tube having an inner diameter of 120 mmφ and a height of 600 mm, a shielding plate 16 having an opening 16 a having a width of 60 mm and a height of 30 mm is formed at one end thereof. The shielding plate 16 surrounds the cathode 4 and is opened. The port 16a was erected so as to be positioned on the bottom side of the reaction tank 1. The cathode 4 is formed by welding an 8 mmφ SUS cathode round bar 4a to a cathode disk 4c having a thickness of 6 mm × outer diameter 90 mmφ so that the SUS cathode round bar 4a has an inner diameter 9 mmφ not shown. It is covered with an alumina protective tube. For this cathode 4, an 8 mmφ SUS cathode round bar is placed at the top of the reaction tank 1 so that the cathode disk 4 c is horizontal at a position 10 mm above the upper end of the opening 16 a formed at the lower end of the shielding plate 16. Hang and fixed. The upper end of the shielding plate 16 is connected to the upper lid of the reaction tank 1, and the electrolytic bath in the region surrounded by the shielding plate 16 is shielded from the external atmosphere.

予備電解を実施した後、40Aの定電流によって電解を行い、実施例1と同じ条件で酸化チタンの投入、回収、電解浴試料の採取、及び分析を行った。
その結果、回収した酸化チタン試料は、全量金属チタン(Ti)まで還元されており、その酸素濃度は1600ppmであった。炭素化合物の検出はされなかった。更に、陰極4の周辺で回収した電解浴試料はカルシウム(Ca)が1.3から2.0mol%と高く、酸化カルシウム(CaO)および固体炭素(C)がそれぞれ0.3から0.6mol%および0.02wt%と低いものであった。結果を表1に示した。
After the preliminary electrolysis, electrolysis was performed with a constant current of 40 A, and titanium oxide was charged and recovered under the same conditions as in Example 1, and an electrolytic bath sample was collected and analyzed.
As a result, the recovered titanium oxide sample was reduced to the total amount of titanium metal (Ti), and the oxygen concentration was 1600 ppm. No carbon compound was detected. Furthermore, the electrolytic bath sample collected around the cathode 4 has a high calcium (Ca) of 1.3 to 2.0 mol%, and calcium oxide (CaO) and solid carbon (C) of 0.3 to 0.6 mol% and 0.02 wt%, respectively. It was a thing. The results are shown in Table 1.

[実施例3]
図5には本発明の実施例3に係る金属酸化物の還元装置の一部分を示した。
内部の空間が幅1000mm×奥行280mm×高さ900mmである密閉型電気炉内に、幅840mm×奥行150mm×高さ400mmのステンレス鋼板製の反応槽1を配置した。この反応槽1には150mm×150mm×2.5mmのアルミナ製角板1cが内張りされている。
炭素陽極3は直径50mm×長さ80mmの人造黒鉛製のものであり、その一端にM8のネジ切り加工を施して直径8mmφのSUS製丸棒13と接続した。また、内径60mmφ×長さ1000mmのアルミナ製チューブを利用して炭素陽極3の周辺に配設する隔壁5Yとした。この隔壁5Yの下端側の側面には幅10mm×高さ50mmの穴あけ加工が4箇所施してあり、それぞれ幅12mm×高さ52mm×厚さ1mmの安定化ジルコニア固体電解質からなる角板5Ydをアルミナセラミックボンドによって接着してある。また、この隔壁5Yの下端側には開口部5Yaが形成されており、隔壁5Yは開口部5Ya側が約90mm電解浴2に浸漬しており、更に、上述の安定化ジルコニア固体電解質からなる角板5Ydの合計4枚は、全て電解浴2に浸漬している。一方、隔壁5Yの他端側は、図示外であるが、密閉型電気炉の外側に出て密閉型電気炉の上蓋に固定されている。
[Example 3]
FIG. 5 shows a part of a metal oxide reduction apparatus according to Example 3 of the present invention.
A reaction tank 1 made of a stainless steel plate having a width of 840 mm, a depth of 150 mm, and a height of 400 mm was placed in a closed electric furnace having an internal space of 1000 mm width × 280 mm depth × 900 mm height. The reaction tank 1 is lined with a 150 mm × 150 mm × 2.5 mm alumina square plate 1c.
The carbon anode 3 was made of artificial graphite having a diameter of 50 mm and a length of 80 mm, and one end thereof was threaded with M8 and connected to a SUS round bar 13 with a diameter of 8 mmφ. In addition, the partition wall 5Y disposed around the carbon anode 3 was formed using an alumina tube having an inner diameter of 60 mmφ and a length of 1000 mm. The side surface on the lower end side of the partition wall 5Y is formed with four holes of 10 mm width × 50 mm height, and a square plate 5Yd made of a stabilized zirconia solid electrolyte each having a width of 12 mm × height of 52 mm × thickness of 1 mm is made of alumina. Bonded with ceramic bond. An opening 5Ya is formed on the lower end side of the partition wall 5Y, the partition wall 5Y is immersed in the electrolytic bath 2 on the opening 5Ya side, and a square plate made of the above-mentioned stabilized zirconia solid electrolyte. A total of 4 pieces of 5Yd are all immersed in the electrolytic bath 2. On the other hand, the other end side of the partition wall 5Y is not shown in the figure, but goes out of the sealed electric furnace and is fixed to the upper lid of the sealed electric furnace.

また、隔壁5Y内の炭素陽極3は電解浴2に約30mm浸漬するように高さが調節されて、シリコン栓17によってアルミナ製チューブからなる隔壁5Yに固定した。シリコン栓17には更に15mmφの穴あけ加工が施してあり、内径12mmφのガラス管18が固定されて、陽極反応ガスが全量系外へ排出される構造となっている。また、陰極4については、幅400mm×奥行120mm×厚さ6mmのSUS製陰極角板4bを反応槽1の底面に敷いて、この陰極角板4bに導線として直径8mmφのSUS製陰極丸棒4aを接続し、密閉型電気炉の外へと出した。
このようにして、開口部5Yaより上方に陽極反応領域11を形成し、また、カルシウムイオン(Ca+)、酸素イオン(O2-)等のイオンの移動は、この陽極反応槽領域11の下方側である開口部5Yaを介して可能となり、更に、酸素イオン(O2-)については、隔壁5Yを形成する安定化ジルコニア固体電解質からなる角板5Ydの部分を通じても移動が可能である。
The height of the carbon anode 3 in the partition wall 5Y was adjusted so as to be immersed in the electrolytic bath 2 by about 30 mm, and the carbon anode 3 was fixed to the partition wall 5Y made of an alumina tube by a silicon plug 17. The silicon plug 17 is further drilled with a diameter of 15 mmφ, and a glass tube 18 with an inner diameter of 12 mmφ is fixed so that the entire amount of the anode reaction gas is discharged out of the system. For the cathode 4, a SUS cathode square plate 4 b having a width of 400 mm, a depth of 120 mm and a thickness of 6 mm is laid on the bottom of the reaction vessel 1, and a SUS cathode round bar 4 a having a diameter of 8 mm as a conducting wire on the cathode square plate 4 b. Was connected to the outside of the closed electric furnace.
In this way, the anode reaction region 11 is formed above the opening 5Ya, and ions such as calcium ions (Ca + ) and oxygen ions (O 2− ) move below the anode reaction tank region 11. This is possible through the opening 5Ya on the side, and oxygen ions (O 2− ) can also move through the square plate 5Yd made of a stabilized zirconia solid electrolyte forming the partition wall 5Y.

反応槽1内には、実施例1と同様に塩化カルシウム約40kgを入れて溶解させた。その際、実施例1と同様にして予備電解を行った。予備電解後、20Aの定電流で電気分解を行った。電解中、隔壁5Yの外側周辺に1時間に7.5gの割合で酸化チタン(TiO2)を投入した。酸化チタンは電解浴中を比重差によって沈降していくため、100メッシュのSUS製ネットを用いて陰極4の陰極角板4b上でそれを受け数時間毎に回収した。回収方法および回収試料の分析方法は実施例1と同様である。また、陰極角板4b周辺の電解浴を適宜採取し、カルシウム(Ca)および酸化カルシウム(CaO)の濃度を測定した。試料の採取方法および分析方法は、実施例1と同様である。 About 40 kg of calcium chloride was put into the reaction tank 1 and dissolved in the same manner as in Example 1 . At that time, pre-electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 . After preliminary electrolysis, electrolysis was performed at a constant current of 20A. During electrolysis, titanium oxide (TiO 2 ) was added to the outer periphery of the partition wall 5Y at a rate of 7.5 g per hour. Since titanium oxide settles in the electrolytic bath due to the difference in specific gravity, it was collected on the cathode square plate 4b of the cathode 4 using a 100 mesh SUS net and collected every several hours. The recovery method and the analysis method of the recovered sample are the same as in Example 1 . In addition, an electrolytic bath around the cathode square plate 4b was appropriately collected, and the concentrations of calcium (Ca) and calcium oxide (CaO) were measured. The methods and analytical methods taking of samples, the same as in Example 1.

その結果、回収した酸化チタン試料は、全量金属チタン(Ti)まで還元されており、その酸素濃度は2200ppmであった。炭素化合物の検出はされなかった。更に、電解浴試料はカルシウム(Ca)が1.0から1.2mol%と高く、酸化カルシウム(CaO)が0.5から0.8mol%、及び固体炭素(C)が0.03wt%と低いものであった。結果を表1に示した。   As a result, the recovered titanium oxide sample was reduced to the total amount of titanium metal (Ti), and the oxygen concentration was 2200 ppm. No carbon compound was detected. Further, the electrolytic bath sample had a high calcium (Ca) of 1.0 to 1.2 mol%, a low calcium oxide (CaO) of 0.5 to 0.8 mol%, and a low solid carbon (C) of 0.03 wt%. The results are shown in Table 1.

[実施例4]
図6には本発明の実施例4に係る金属酸化物の還元装置の一部分を示した。
実施例3と同じ炭素陽極3とこの炭素陽極3を取り囲むように配設した隔壁5Yとをそれぞれ2セット用意し、それぞれが反応槽1の底に敷かれた幅400mm×奥行120mm×厚さ6mmのSUS製陰極角板4bの上に位置するよう横並びにした。それぞれの炭素陽極3に形成する陽極反応領域11と、この陽極反応領域11の下方である開口部5Yaを介するイオンの移動及び隔壁5Yを形成する安定化ジルコニア固体電解質からなる角板5Ydを通過する酸素イオンの移動についての関係は実施例3と同様とした。
[Example 4]
FIG. 6 shows a part of a metal oxide reduction apparatus according to Example 4 of the present invention.
Two sets of the same carbon anode 3 as in Example 3 and partition walls 5Y arranged so as to surround the carbon anode 3 were prepared, each having a width of 400 mm, a depth of 120 mm, and a thickness of 6 mm. The SUS cathode square plates 4b were arranged side by side. The anode reaction regions 11 formed in the respective carbon anodes 3 and the square plate 5Yd made of the stabilized zirconia solid electrolyte forming the partition walls 5Y and the movement of ions through the openings 5Ya below the anode reaction regions 11 pass. The relationship regarding the movement of oxygen ions was the same as in Example 3.

また、上記炭素陽極3における2本のSUS製丸棒13は1台の直流電源器の陽極に接続すると共に、それぞれの陰極4におけるSUS製陰極丸棒4aはこの直流電源器の陰極に接続して並列の構成とした。陰極4のSUS製陰極丸棒4aと陽極3のSUS製丸棒13との間に1.5Vの定電圧をかけて予備電解を実施し、その後、2セットの炭素陽極3に併せて40Aの定電流電解を実施した。電解中は、炭素陽極3と直流電源器とを結ぶ導線において、導線の両端における電圧降下を測定して導線を流れる電流に換算し、2セットの炭素陽極3に流れる電流がほぼ等しくなるように、一方の炭素陽極3を上下させて陰極4の陰極角板4bとの極間抵抗を変えることにより電流を調節した。   Further, the two SUS round bars 13 in the carbon anode 3 are connected to the anode of one DC power supply, and the SUS cathode round bar 4a in each cathode 4 is connected to the cathode of the DC power supply. Parallel configuration. Preliminary electrolysis was performed by applying a constant voltage of 1.5 V between the SUS cathode round bar 4a of the cathode 4 and the SUS round bar 13 of the anode 3, and then the 40A constant was combined with the two sets of carbon anodes 3. Current electrolysis was performed. During electrolysis, in the conductor connecting the carbon anode 3 and the DC power supply, the voltage drop at both ends of the conductor is measured and converted into the current flowing through the conductor, so that the current flowing through the two sets of carbon anodes 3 becomes substantially equal. The current was adjusted by moving one of the carbon anodes 3 up and down to change the resistance between the cathode 4 and the cathode square plate 4b.

電解中、隔壁5Yの外側周囲に、1時間に15gの割合で酸化チタン(TiO2)を投入した。この際、1つの陽極当り約7.5gとなるように酸化チタンを分けて隔壁5Yの外側周辺にそれぞれ投入した。酸化チタンは電解浴中を比重差によって沈降していくため、100メッシュのSUS製ネットを用いて陰極4の陰極角板4b上で投入した酸化チタンを受けて数時間毎に回収した。回収方法および回収試料の分析方法は、実施例1と同様である。また、陰極角板4b周辺の電解浴を適宜採取し、カルシウム(Ca)および酸化カルシウム(CaO)の濃度を測定した。試料の採取方法および分析方法は、実施例1と同様である。 During the electrolysis, titanium oxide (TiO 2 ) was charged around the outside of the partition wall 5Y at a rate of 15 g per hour. At this time, titanium oxide was divided into about 7.5 g per anode, and was put around the outside of the partition wall 5Y. Since titanium oxide settles in the electrolytic bath due to the difference in specific gravity, titanium oxide charged on the cathode square plate 4b of the cathode 4 was received and collected every several hours using a 100 mesh SUS net. The recovery method and the analysis method of the recovered sample are the same as in Example 1 . In addition, an electrolytic bath around the cathode square plate 4b was appropriately collected, and the concentrations of calcium (Ca) and calcium oxide (CaO) were measured. The sample collection method and analysis method are the same as in Example 1 .

その結果、2本の炭素陽極3を用いた実施例4においては、回収した酸化チタン試料は、全量金属チタン(Ti)まで還元されており、その酸素濃度は2400ppmであった。炭素化合物の検出はされなかった。更に、電解浴試料はカルシウム(Ca)が1.0から1.2mol%と高く、酸化カルシウム(CaO)が0.4から0.9mol%、及び固体炭素(C)が0.03wt%と低いものであった。結果を表1に示した。   As a result, in Example 4 using the two carbon anodes 3, the recovered titanium oxide sample was reduced to the total amount of metallic titanium (Ti), and the oxygen concentration was 2400 ppm. No carbon compound was detected. Furthermore, the electrolytic bath sample had a high calcium (Ca) of 1.0 to 1.2 mol%, a low calcium oxide (CaO) of 0.4 to 0.9 mol%, and a low solid carbon (C) of 0.03 wt%. The results are shown in Table 1.

[比較例1]
図7に比較例1に係る還元装置の一部分を示した。
実施例1に示した上部アルミナ容器5Xb及び安定化ジルコニア固体電解質からなる角板5Xdを残して、下部アルミナ容器5Xcを取り除いた。この上部アルミナ容器5Xbの下端と電解浴2の液面との距離は約5mmとした。その他の装置、材料、昇温・電解方法等の条件は実施例1と同様とした。尚、上部アルミナ容器5Xbに固定されたアルミナチューブ8の上端は、通常時には図示外のシリコン栓をして密閉した。そのため、定電流で電解中、炭素陽極3から発生する陽極反応ガスは電解浴中を上昇して電解浴2の液面であって上部アルミナ容器5Xbの下方側で反応槽雰囲気内に排出されるが、アルミナチューブ8の上端が塞がれており、また、上部アルミナ容器5Xbの下端と電解浴2の液面との間に約5mmの隙間があるため、陽極反応ガスは反応槽雰囲気に拡散していった。すなわち、上部アルミナ容器5Xbの内側に陽極反応ガスが滞留することなく、また、この上部アルミナ容器5Xbの内側で陽極反応ガスが区分されることなく、密閉式電気炉内に送入されるアルゴンガス(Ar)とともに僅かずつ系外に排出された。
[Comparative Example 1]
FIG. 7 shows a part of the reduction device according to Comparative Example 1.
The lower alumina container 5Xc was removed while leaving the upper alumina container 5Xb and the square plate 5Xd made of the stabilized zirconia solid electrolyte shown in Example 1 . The distance between the lower end of the upper alumina container 5Xb and the liquid level of the electrolytic bath 2 was about 5 mm. Other conditions such as the apparatus, material, temperature increase / electrolysis method, and the like were the same as in Example 1 . Note that the upper end of the alumina tube 8 fixed to the upper alumina container 5Xb was normally sealed with a silicon stopper (not shown). Therefore, during electrolysis at a constant current, the anode reaction gas generated from the carbon anode 3 rises in the electrolytic bath and is discharged into the reaction vessel atmosphere at the liquid surface of the electrolytic bath 2 and below the upper alumina container 5Xb. However, since the upper end of the alumina tube 8 is closed and there is a gap of about 5 mm between the lower end of the upper alumina container 5Xb and the liquid level of the electrolytic bath 2, the anode reaction gas diffuses into the reaction tank atmosphere. It began to. That is, the anode reaction gas does not stay inside the upper alumina container 5Xb, and the argon gas fed into the closed electric furnace without dividing the anode reaction gas inside the upper alumina container 5Xb. (Ar) was discharged out of the system little by little.

酸化チタンの投入位置、投入量、及び回収方法は実施例1と同様にした。陽極反応ガスの排出速度の測定および組成の分析は、陽極全体を下方に押し下げて、上部アルミナ容器5Xbの下端が電解浴2に浸かる状態として、上部アルミナ容器5Xbの内側の内圧増加による自然排出によってアルミナチューブ8の上端から陽極反応ガスを回収して行った。排出ガスの未回収率およびガス組成の分析は実施例1と同様に行った。また電解浴2の採取及び分析も実施例1と同様に実施した。 On position, input amount of the titanium oxide, and recovery methods were the same as in Example 1. The anode reaction gas discharge rate was measured and the composition was analyzed by pushing down the whole anode downward, so that the lower end of the upper alumina container 5Xb was immersed in the electrolytic bath 2, and by natural discharge due to an increase in internal pressure inside the upper alumina container 5Xb. The anode reaction gas was recovered from the upper end of the alumina tube 8. The analysis of the exhaust gas non-recovery rate and gas composition was performed in the same manner as in Example 1 . Further, collection and analysis of the electrolytic bath 2 were performed in the same manner as in Example 1 .

その結果、上記のように炭素陽極3の周辺に陽極反応領域11を形成することなく、また、陽極反応ガスを速やかに排出しなかった比較例1においては、回収した酸化チタン試料は、ほとんどが低級酸化物(Ti6O、Ti3O、TiO)であった。また、チタン炭化物(TiC)も一部確認された。陽極反応ガスは電流を変化することによって組成が変化したが、その組成は実施例1とほぼ同様であった。排出ガス未回収率は、15A以下の電流において、電解初期開始直後の段階では実施例1と同様40%であったが、その後もほとんど減少することはなく、電解開始20時間後においてでも未回収率は30%であった。また、15A以上の電流値でも同様に未回収率が減少することは少なかった。このように、陽極反応領域11を形成しない場合には、陽極反応ガスが溶解した溶融塩が対流等によって自由に移動でき、陰極で生成するカルシウムと反応を起こして消費されるため、電解時間が経過しても陽極反応ガスの溶解が収束しなかったと考えられる。一方、電解浴はカルシウムが0.2から0.3mol%とほとんど無く、反対に、酸化カルシウムが2.5mol%、及び固体炭素が1.4wt%から2.3wt%と高かった。 As a result, in Comparative Example 1 in which the anode reaction region 11 was not formed around the carbon anode 3 as described above and the anode reaction gas was not quickly discharged, most of the recovered titanium oxide samples were It was a lower oxide (Ti 6 O, Ti 3 O, TiO). Also, some titanium carbide (TiC) was confirmed. The composition of the anode reaction gas was changed by changing the current, and the composition was almost the same as in Example 1 . The exhaust gas non-recovery rate was 40% at the stage immediately after the start of electrolysis at a current of 15 A or less, as in Example 1. However, there was almost no decrease thereafter, and no recovery was made even 20 hours after the start of electrolysis. The rate was 30%. Similarly, the unrecovered rate was rarely reduced even at a current value of 15 A or more. Thus, when the anode reaction region 11 is not formed, the molten salt in which the anode reaction gas is dissolved can be freely moved by convection and the like, and is consumed by reacting with calcium generated at the cathode. It is considered that the dissolution of the anode reaction gas did not converge even after elapse. On the other hand, the electrolytic bath had almost no calcium from 0.2 to 0.3 mol%, and conversely, calcium oxide was as high as 2.5 mol% and solid carbon was as high as 1.4 wt% to 2.3 wt%.

図8に比較例2に係る還元装置を示した。
比較例2では、隔壁5Xの形成において酸素イオン伝導性物質である安定化ジルコニア(ZrO2)固体電解質を用いることなく、実施例1に示した上部アルミナ容器5Xbと20mm×20mmの穴あけ加工を施した下部アルミナ容器5Xcとから隔壁5を形成した。その他、密閉型電気炉12、反応槽1、陰極4及び原料投入方方法等については実施例1と同様とした。そのため、反応槽1内に塩化カルシウム約40kgを溶解した際には、この隔壁5Xに設けられた20mm×20mmの開口部5Xaが電解浴2中に存在するイオンの移動を唯一可能とする場所となった。
FIG. 8 shows a reduction apparatus according to Comparative Example 2.
In Comparative Example 2, the upper alumina container 5Xb shown in Example 1 was drilled with 20 mm × 20 mm without using the stabilized zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte, which is an oxygen ion conductive material, in the formation of the partition wall 5X. A partition wall 5 was formed from the lower alumina container 5Xc. Other hermetic electric furnace 12, reaction vessel 1, the cathode 4 and the raw material feeding side method or the like were the same as in Example 1. Therefore, when about 40 kg of calcium chloride is dissolved in the reaction tank 1, the 20 mm × 20 mm opening 5 Xa provided in the partition wall 5 X is the only place where ions existing in the electrolytic bath 2 can move. became.

予備電解を実施し、40Aの定電流で電気分解を行ったところ、電解開始6時間後に電圧が急上昇する現象が確認された。そこで一旦電流値を低下させたところ電圧が正常値まで低下したため電気分解を継続し、実施例1と同様、電解開始8時間後に、電流を0Aから一定速度で増加させ、それに対応する電極間の電圧を測定した。結果を図9に示す。 Preliminary electrolysis was performed and electrolysis was performed at a constant current of 40 A. As a result, it was confirmed that the voltage rapidly increased 6 hours after electrolysis was started. Therefore, once the current value was reduced, the voltage decreased to the normal value, so electrolysis was continued. As in Example 1 , the current was increased from 0 A at a constant rate 8 hours after the start of electrolysis, and between the corresponding electrodes. The voltage was measured. The results are shown in FIG.

その結果、0Aから僅かに電流を増加した際に電圧が上昇し、その後10Aまでは電流と電圧は一定の直線関係を示したが、その直後に電圧が12Vまで急上昇した。この不連続な電圧の急上昇は、陽極表面において酸素以外の陽極反応ガス(塩素)が発生する段階に移ったことを示し、隔壁5を全て電気絶縁物質で形成したことによって、隔壁5に設けられた開口部5aに電流が集中して、陽極反応領域11内へ向かう酸素イオンの移動が伴わなくなり、この現象が発生したと考えられる。また、10A以下の電流においても、電気絶縁体の隔壁を間に入れたことにより実施例1と比較して電圧が高い。尚、回収した酸化チタン試料の分析結果は、実施例1とほぼ同等であった。 As a result, the voltage increased when the current was slightly increased from 0A, and then the current and voltage showed a constant linear relationship up to 10A, but immediately after that, the voltage increased rapidly to 12V. This discontinuous rapid increase in voltage indicates that an anode reaction gas (chlorine) other than oxygen has been generated on the anode surface, and the partition walls 5 are all formed of an electrically insulating material. It is considered that this phenomenon occurred because the current was concentrated in the opening 5a and oxygen ions did not move toward the anode reaction region 11. Further, even at a current of 10 A or less, the voltage is higher than that of Example 1 due to the insertion of the partition wall of the electrical insulator. The analysis result of the recovered titanium oxide sample was almost the same as in Example 1 .

本発明における金属酸化物の還元方法及び金属酸化物の還元装置によれば、無機溶融塩からなる電解浴中で電気分解を行って金属酸化物を還元して金属を製造する金属製錬、複数の金属酸化物を同時に還元して合金金属を製造する合金製造分野、あるいは金属表面に形成した酸化皮膜を還元し除去するリサイクル分野等において、製品となる金属の汚染、特に炭素汚染を可及的に低減でき、かつ、還元効率を低下させることがなく、更には、電解電力の上昇を低減することができるため、工業的に有利に金属を製造することができる。特に、電気分解において炭素陽極から発生する微粒炭素に由来する問題を解消することができるため、炭素陽極を用いた電気分解を利用する場合には本発明における効果を一層顕著にして用いることができる。   According to the metal oxide reduction method and metal oxide reduction apparatus of the present invention, a metal smelting process that produces metal by reducing metal oxide by electrolysis in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt, As much as possible of metal contamination, especially carbon contamination, in the alloy manufacturing field where metal oxides are produced by reducing metal oxides simultaneously or in the recycling field where the oxide film formed on the metal surface is reduced and removed. In addition, since the reduction efficiency is not lowered and the increase in electrolytic power can be reduced, the metal can be produced industrially advantageously. In particular, since the problem derived from fine carbon generated from the carbon anode in electrolysis can be solved, the effect in the present invention can be used more remarkably when electrolysis using a carbon anode is used. .

図1は、参考実施形態に係る金属酸化物の還元装置を説明する断面概念図である。FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view illustrating a metal oxide reduction apparatus according to a reference embodiment . 図2は、本発明の実施の形態に係る金属酸化物の還元装置を説明する断面概念図である。FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view illustrating a metal oxide reduction device according to an embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施例1に係る金属酸化物の還元装置を説明する断面概念図である。FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view illustrating the metal oxide reduction apparatus according to Example 1 of the present invention. 図4は、本発明の実施例2に係る金属酸化物の還元装置の一部分を説明する断面概念図である。FIG. 4 is a conceptual cross-sectional view illustrating a part of a metal oxide reduction apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. 図5は、本発明の実施例3に係る金属酸化物の還元装置の一部分を説明する断面概念図である。FIG. 5 is a conceptual cross-sectional view illustrating a part of a metal oxide reduction apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. 図6は、本発明の実施例4に係る金属酸化物の還元装置の一部分を説明する断面概念図である。FIG. 6 is a conceptual cross-sectional view illustrating a part of a metal oxide reduction apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. 図7は、本発明の比較例1に係る金属酸化物の還元装置の一部分を説明する断面概念図である。FIG. 7 is a conceptual cross-sectional view illustrating a part of the metal oxide reduction apparatus according to Comparative Example 1 of the present invention. 図8は、本発明の比較例2に係る金属酸化物の還元装置を説明する断面概念図である。FIG. 8 is a conceptual cross-sectional view illustrating a metal oxide reduction device according to Comparative Example 2 of the present invention. 図9は、本発明の実施例1及び比較例2において測定した電流及び電圧の測定値である。FIG. 9 shows measured values of current and voltage measured in Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:反応槽、1a:反応槽側壁、1b:反応槽底部、1c:アルミナ製角板、2:電解浴(溶融塩)、3:炭素陽極、3a:傾斜部、4:陰極、4a:SUS製陰極丸棒、4b:陰極角板、4c:陰極円盤、5:隔壁、5d:安定化ジルコニア固体電解質、5X,5Y:隔壁、5Xa,5Ya:開口部、5Xb:上部アルミナ容器、5Xc:下部アルミナ容器、5Xd,5Yd:角板(安定化ジルコニア固体電解質)、6,7:遮蔽板、8:陽極反応ガス排出管(アルミナチューブ)、9:原料投入口、10:凝固層、11:陽極反応領域、12:密閉型電気炉、13:SUS製丸棒、14:直流電源器、15:SUS製ネット、16:遮蔽板、16a:開放口、17:シリコン栓、18:ガラス管、X:金属酸化物の還元装置。   1: reaction vessel, 1a: reaction vessel side wall, 1b: reaction vessel bottom, 1c: alumina square plate, 2: electrolytic bath (molten salt), 3: carbon anode, 3a: inclined portion, 4: cathode, 4a: SUS Cathode round bar, 4b: cathode square plate, 4c: cathode disk, 5: partition, 5d: stabilized zirconia solid electrolyte, 5X, 5Y: partition, 5Xa, 5Ya: opening, 5Xb: upper alumina container, 5Xc: lower Alumina container, 5Xd, 5Yd: Square plate (stabilized zirconia solid electrolyte), 6, 7: Shield plate, 8: Anode reaction gas discharge pipe (alumina tube), 9: Raw material inlet, 10: Solidified layer, 11: Anode Reaction region, 12: closed electric furnace, 13: SUS round bar, 14: DC power supply, 15: SUS net, 16: shield plate, 16a: open port, 17: silicon stopper, 18: glass tube, X : Metal oxide reduction device.

Claims (29)

反応槽内に収容した無機溶融塩からなる電解浴中で金属酸化物を還元し、陽極から陽極反応ガスを放出する金属酸化物(Mxy)の還元方法であり、陽極を取り囲むように隔壁を配設して陽極反応領域を形成すると共に陽極の下端より低い位置に開口部を設け、かつ、陽極より下方に陰極を配置することで、陽極反応領域で発生した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防止すると共に、開口部を通じて陽極と陰極との間での電解浴中のイオンの移動を可能にし、更には、隔壁の一部又は全部を酸素イオン伝導性物質から形成することで、少なくとも隔壁の一部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動を可能にしたことを特徴とする金属酸化物の還元方法。 In the electrolytic bath consisting of inorganic molten salt contained in the reaction vessel was reduced metal oxide, a method for reducing metal oxides which release anodic reaction gas from the anode (M x O y), so as to surround the anode An anode reaction region is formed by disposing a partition wall, an opening is provided at a position lower than the lower end of the anode, and a cathode is disposed below the anode, so that the anode reaction gas generated in the anode reaction region is on the cathode side. It is prevented from moving, to allow transfer of ions of the electrolytic bath between the anode and the cathode through the opening, and further, forms a part or the whole of the partition of an oxygen ion conductive material it into in the reduction method of the metal oxide, characterized in that to allow the transfer of oxygen ions in the electrolytic bath through at least part of the partition wall. 酸素イオン伝導性物質が、ジルコニアを主成分として含む固体電解質である請求項1に記載の金属酸化物の還元方法。 The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the oxygen ion conductive material is a solid electrolyte containing zirconia as a main component. 陽極反応ガスが、電解浴中に気泡として放出される気泡性陽極反応ガスと電解浴中に溶解する溶解性陽極反応ガスとを含む請求項1又は2に記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1 or 2, wherein the anode reaction gas includes a cellular anode reaction gas released as bubbles in the electrolytic bath and a soluble anode reaction gas dissolved in the electrolytic bath. 陽極反応領域内の電解浴には陽極反応ガスが飽和状態で溶解している請求項1〜3のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the anode reaction gas is dissolved in a saturated state in the electrolytic bath in the anode reaction region. 陽極反応領域以外の電解浴中に金属酸化物を供給する請求項1〜4のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal oxide is supplied into an electrolytic bath other than the anode reaction region. 陽極反応領域内の電解浴の液面から放出される陽極反応ガスを封じ込める陽極反応ガス空間領域を形成する請求項1〜5のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to any one of claims 1 to 5, wherein an anode reaction gas space region for containing an anode reaction gas released from the liquid surface of the electrolytic bath in the anode reaction region is formed. 陽極反応ガス空間領域内の陽極反応ガスを反応槽外に排出する請求項1〜6のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the anode reaction gas in the anode reaction gas space region is discharged out of the reaction vessel. 陽極反応領域内の電解浴を一定速度で吸引して反応槽外に排出する請求項1〜7のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the electrolytic bath in the anode reaction region is sucked at a constant rate and discharged out of the reaction vessel. 陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気を外部から遮断する請求項1〜8のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region is blocked from the outside. 外部と遮断した電解浴の液面上の雰囲気を不活性ガス雰囲気にする請求項9に記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 9, wherein the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath blocked from the outside is an inert gas atmosphere. 陽極が消耗性炭素陽極である請求項1〜10のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the anode is a consumable carbon anode. 無機溶融塩が塩化カルシウムを含む溶融塩である請求項1〜11に記載の金属酸化物の還元方法。   The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the inorganic molten salt is a molten salt containing calcium chloride. 金属酸化物(Mxy)の金属(M)が、チタン(Ti)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ウラン(U)、ネオジウム(Nd)、ニオブ(Nb)、及びタンタル(Ta)から選ばれた1種又は2種以上の金属である請求項1〜12のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。 Metal (M) of metal oxide (M x O y ) is titanium (Ti), silicon (Si), iron (Fe), germanium (Ge), zirconium (Zr), hafnium (Hf), uranium (U) The method for reducing a metal oxide according to any one of claims 1 to 12, wherein the metal oxide is one or two or more metals selected from Nd, Niobium (Nd), and Tantalum (Ta). 開口部より下方に金属酸化物を供給する請求項1〜13のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。 The method for reducing a metal oxide according to claim 1, wherein the metal oxide is supplied below the opening . 反応槽内に複数の陽極を備える請求項1〜14のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。 The method for reducing a metal oxide according to claim 1, comprising a plurality of anodes in the reaction vessel . 反応槽内に複数の陰極を備える請求項1〜15のいずれかに記載の金属酸化物の還元方法。 The method for reducing a metal oxide according to claim 1, comprising a plurality of cathodes in the reaction vessel . 反応槽内に収容した無機溶融塩からなる電解浴中で金属酸化物を還元し、陽極から陽極反応ガスを放出する金属酸化物(MMetal oxide that reduces metal oxide in an electrolytic bath made of an inorganic molten salt contained in a reaction vessel and releases anode reaction gas from the anode (M xx O yy )の還元装置であり、陽極を取り囲むように隔壁が配設されて陽極反応領域を形成すると共に陽極の下端より低い位置に開口部が設けられ、かつ、陽極より下方に陰極が配置されて、陽極反応領域で発生した陽極反応ガスが陰極側に移動するのを防ぐと共に、開口部を通じて陽極と陰極との間での電解浴中のイオンの移動が可能であり、更には、隔壁の一部又は全部が酸素イオン伝導性物質から形成されて、少なくとも隔壁の一部を通じて電解浴中の酸素イオンの移動が可能であることを特徴とする金属酸化物の還元装置。) In which a partition wall is disposed so as to surround the anode to form an anode reaction region, an opening is provided at a position lower than the lower end of the anode, and a cathode is disposed below the anode, It is possible to prevent the anode reaction gas generated in the anode reaction region from moving to the cathode side, and to move ions in the electrolytic bath between the anode and the cathode through the opening, and a part of the partition walls. Alternatively, the metal oxide reduction device is formed entirely of an oxygen ion conductive material, and oxygen ions in the electrolytic bath can be transferred through at least a part of the partition wall. 酸素イオン伝導性物質が、ジルコニアを主成分として含む固体電解質である請求項17に記載の金属酸化物の還元装置。 Oxygen ion conductivity material, reducing device of a metal oxide according to claim 17 which is a solid electrolyte containing zirconia as a main component. 陽極反応ガスが、電解浴中に気泡として放出される気泡性陽極反応ガスと電解浴中に溶解する溶解性陽極反応ガスとを含む請求項17又は18に記載の金属酸化物の還元装置。The metal oxide reduction device according to claim 17 or 18, wherein the anode reaction gas includes a cellular anode reaction gas released as bubbles in the electrolytic bath and a soluble anode reaction gas dissolved in the electrolytic bath. 陽極反応領域内の電解浴には陽極反応ガスが飽和状態で溶解する請求項17〜19のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。The metal oxide reducing device according to any one of claims 17 to 19, wherein the anode reaction gas dissolves in a saturated state in the electrolytic bath in the anode reaction region. 陽極反応領域以外の電解浴中に金属酸化物が供給される請求項17〜20のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。21. The apparatus for reducing a metal oxide according to claim 17, wherein the metal oxide is supplied into an electrolytic bath other than the anode reaction region. 陽極反応領域内の電解浴の液面から放出される陽極反応ガスを封じ込める陽極反応ガス空間領域が形成されている請求項17〜21のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。The metal oxide reduction device according to any one of claims 17 to 21, wherein an anode reaction gas space region for containing an anode reaction gas released from the liquid surface of the electrolytic bath in the anode reaction region is formed. 陽極反応ガス空間領域内の陽極反応ガスを反応槽外に排出する手段を有する請求項17〜22のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。The metal oxide reduction device according to any one of claims 17 to 22, further comprising means for discharging the anode reaction gas in the anode reaction gas space region to the outside of the reaction vessel. 陽極反応領域内の電解浴を一定速度で吸引して反応槽外に排出する手段を有する請求項17〜23のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 The apparatus for reducing a metal oxide according to any one of claims 17 to 23, further comprising means for sucking the electrolytic bath in the anode reaction region at a constant speed and discharging it outside the reaction tank . 陽極反応領域以外の電解浴の液面における雰囲気が外部から遮断されている請求項17〜24のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 The apparatus for reducing a metal oxide according to any one of claims 17 to 24, wherein the atmosphere on the liquid surface of the electrolytic bath other than the anode reaction region is blocked from the outside . 陽極が消耗性炭素陽極である請求項17〜25のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 The metal oxide reduction device according to any one of claims 17 to 25, wherein the anode is a consumable carbon anode . 開口部より下方に金属酸化物が供給される請求項17〜26のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 Reduction apparatus of a metal oxide according to any one of claims 17 to 26 in which the metal oxide below the opening is provided. 反応槽内に複数の陽極を備える請求項17〜27のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 The apparatus for reducing a metal oxide according to any one of claims 17 to 27, comprising a plurality of anodes in the reaction vessel . 反応槽内に複数の陰極を備える請求項17〜28のいずれかに記載の金属酸化物の還元装置。 The metal oxide reduction device according to any one of claims 17 to 28, comprising a plurality of cathodes in the reaction vessel .
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