JP5497734B2 - タングステン酸ナトリウムの製造方法およびタングステンの回収方法 - Google Patents

タングステン酸ナトリウムの製造方法およびタングステンの回収方法 Download PDF

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Description

本発明は、タングステン酸ナトリウムの製造方法およびタングステンの回収方法に関する。
タングステンカーバイド(WC)を主成分とし、コバルト(Co)やニッケル(Ni)などを結合金属として、チタン(Ti)やタンタル(Ta)などの炭化物が性能改善のために添加された超硬合金は、硬度や耐摩耗性に優れているため、金属加工用の超硬工具などに好適に用いられている。
ここで、欠損や摩耗などにより使用できなくなった超硬工具や超硬工具の欠損部はハードスクラップとして廃棄され、超硬工具の製造時に工程内で発生した超硬合金粉末の一部や超硬工具を用いた加工により発生した研削屑等はソフトスクラップとして廃棄されることになるが、これらのハードスクラップやソフトスクラップには希少金属であるタングステンが多量に含まれている。
そこで、たとえば、天満屋泰彦,希少金属等高効率回収システム開発事業「廃超硬工具からのタングステン等の回収」,金属資源レポート,Vol.38,No.4,2008年11月,pp.407−413(非特許文献1)には、使用済みの超硬工具等からタングステンカーバイドを再生する超硬工具のリサイクル方法が提案されている。ここで、非特許文献1の超硬工具のリサイクル方法は、以下のようにして行なわれる。
まず、超硬工具のハードスクラップやソフトスクラップを硝酸ナトリウムの溶融塩と反応させた後に水に溶解させてタングステン酸ナトリウム水溶液を作製する。
そして、イオン交換樹脂を用いたイオン交換法によりタングステン酸ナトリウム水溶液からタングステン酸アンモニウム水溶液を作製し、タングステン酸アンモニウム水溶液からパラタングステン酸アンモニウム(APT)を晶出させる。
その後、上記のように晶出させたパラタングステン酸アンモニウムをか焼、還元および炭化することによってタングステンカーバイドを得ることができる。
また、たとえば特表平11−505801号公報(特許文献1)には、硬質合金のスクラップおよび/または重金属のスクラップの溶融塩浴中での酸化によりタングステン酸ナトリウムを製造する際に、水酸化ナトリウム(NaOH)60〜90質量%および硫酸ナトリウム(Na2SO4)10〜40質量%の溶融塩を用いることが提案されている。そして、上記のスクラップと溶融塩との反応は、バッチ式で運転され、直接加熱できるロータリーキルン中で行なわれることも提案されている。
特表平11−505801号公報
天満屋泰彦,希少金属等高効率回収システム開発事業「廃超硬工具からのタングステン等の回収」,金属資源レポート,Vol.38,No.4,2008年11月,pp.407−413
しかしながら、非特許文献1に記載の方法においては、超硬工具のハードスクラップやソフトスクラップと硝酸ナトリウムの溶融塩との反応は極めて激しく反応の制御が難しいことから、操業の安全性に問題があった。
また、非特許文献1に記載の方法においては、超硬工具のハードスクラップやソフトスクラップと硝酸ナトリウムの溶融塩とを反応させた場合に、超硬工具のハードスクラップやソフトスクラップに含まれているバナジウムやクロムなどの不純物となる金属が水溶性の金属酸化物イオンの形態でタングステン酸ナトリウム水溶液中に含まれてしまう。そのため、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができないという問題があった。
また、特許文献1に記載の方法においては、酸化剤となる溶融塩としての硫酸ナトリウムの融点は884℃と高く、反応時の温度が884℃以上と高くなるが、制御の難しい高発熱反応に起因する工業的安全性の問題を解決することができる。しかしながら、金属材料が激しく腐食することに加え、1000℃という高温環境下で上記の反応を進行させた場合でもその反応が緩慢となるため、上記のスクラップと上記の溶融塩との反応には時間がかかり、エネルギーのロスが大きくなるという問題があった。
また、特許文献1に記載の方法においては、バッチ式で運転され、直接加熱できるロータリーキルン中で行なわれるため、バッチ処理ごとにロータリーキルン中への原料の搬入とロータリーキルンからの反応生成物の搬出とを行なう必要があった。また、上記の反応開始前までにロータリーキルンを所定の温度まで加熱しておく必要があることから生産性が悪いという問題もあった。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、効率的にタングステン酸ナトリウムを製造することができるタングステン酸ナトリウムの製造方法およびその方法を用いたタングステンの回収方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を製造することができるタングステン酸ナトリウム水溶液の製造方法およびその方法を用いたタングステンの回収方法を提供することにある。
本発明は、タングステン含有材料からタングステン酸ナトリウムを製造する方法であって、硝酸ナトリウムまたは亜硝酸ナトリウムのいずれか一方からなる酸化剤、およびタングステン含有材料の少なくとも一方を連続的にまたは間欠的に供給する工程と、酸化剤およびタングステン含有材料の少なくとも一方を加熱する工程と、酸素を含有する雰囲気においてタングステン含有材料と酸化剤とを接触させることにより反応生成物を連続的に生成する工程と、を含み、反応生成物の少なくとも一部を、タングステン含有材料と酸化剤との接触界面から取り除くタングステン酸ナトリウムの製造方法である。
ここで、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法においては、加熱する工程における加熱温度が700℃以上850℃以下であることが好ましい。
また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法においては、酸化剤の供給量の総和はタングステン含有材料の総質量の1.2倍以上4倍以下とされることが好ましい。
また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法においては、反応生成物を連続的に生成する工程において、タングステン含有材料は保持容器に収容されており、保持容器に収容されたタングステン含有材料の少なくとも一部が酸化剤および反応生成物の少なくとも一方を含む融液中に浸沈していることが好ましい。
また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法においては、タングステン含有材料の半分以上が融液中に浸沈しており、その量をほぼ一定とすることが好ましい。
また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法においては、反応生成物とともに発生する排ガスに含まれる窒素酸化物の少なくとも一部を分解することによって、排ガス中の窒素酸化物の濃度を連続的に150ppm以下とすることが好ましい。
また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法は、反応生成物を水に溶解させることによって生成したオキソ酸ナトリウム塩を加水分解する工程と、加水分解により生成した非水溶物をろ過によって取り除いてタングステン酸ナトリウムを抽出する工程とを含むことが好ましい。また、本発明のタングステン酸ナトリウムの製造方法において、反応生成物の少なくとも一部をタングステン含有材料と酸化剤との接触界面から取り除く工程は、タングステン含有材料と酸化剤の溶融塩との接触界面からタングステン酸ナトリウムの融液を取り除きながらタングステン含有材料と酸化剤の溶融塩との反応を進める工程を含むことが好ましい。
さらに、本発明は、上記のいずれかのタングステン酸ナトリウムの製造方法を含むタングステンの回収方法である。
本発明によれば、効率的にタングステン酸ナトリウムを製造することができるタングステン酸ナトリウムの製造方法およびその方法を用いたタングステンの回収方法を提供することができる。
また、本発明によれば、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を製造することができるタングステン酸ナトリウム水溶液の製造方法およびその方法を用いたタングステンの回収方法を提供することができる。
実施の形態1のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図である。 実施の形態1のタングステンの回収方法の一例のフローチャートである。 硝酸ナトリウムを一定量ずつ1.2時間かけて供給してタングステン酸ナトリウムを作製して冷却した後の磁製坩堝の写真である。 硝酸ナトリウムを一定量ずつ0.6時間かけて供給してタングステン酸ナトリウムを作製して冷却した後の磁製坩堝の写真である。 硝酸ナトリウムを一定量ずつ0.3時間かけて供給してタングステン酸ナトリウムを作製して冷却した後の磁製坩堝の写真である。 実施の形態2のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図である。 実施の形態3のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図である。 実施の形態3のタングステン酸ナトリウムの製造装置の保持炉の傾斜後の模式的な構成図である。 実施例36における水溶液中のCrおよびVの濃度と、反応生成物の融液の質量に対するソフトスクラップの投入量の割合との関係を示す図である。 実施例37において反応容器に固着して残留した固形物のX線回折パターンである。 実施例37においてWC粉末とWO3粉末との混合物を投入して得られた融液からの水溶液をろ過して得た残渣のX線回折パターンである。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
<実施の形態1>
図1に、本発明に用いられるタングステン酸ナトリウムの製造装置の一例である実施の形態1のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図を示す。ここで、図1に示す製造装置は、タングステン含有材料が供給されるタングステン含有材料供給口1と、タングステン含有材料供給口1に接続されたタングステン含有材料導入管1aと、硝酸ナトリウムが供給される硝酸ナトリウム供給口2と、硝酸ナトリウム供給口2に接続された硝酸ナトリウム導入管2aと、タングステン含有材料導入管1aおよび硝酸ナトリウム導入管2aがそれぞれ接続された外壁部10と、外壁部10の内部に設置された保護容器5と、保護容器5の内側に設置された加熱装置6と、加熱装置6の内側に設置された反応容器17と、保護容器5を貫通して反応容器17に接続された排出口11と、外壁部10を通して反応容器17の内側に伸長する回転軸7と、反応容器17の内側に位置するように回転軸7に接続された保持容器8と、を備えている。また、図1に示す製造装置は、図1に示す製造装置の外部から反応容器17の内部に酸素を含むガスを吸気口15から取り入れて、上記の反応により生じた窒素酸化物を排気口16から図1に示す製造装置の外部に排出できる機構を備えている。
図1に示す構成の製造装置を用いてたとえば以下のようにしてタングステン酸ナトリウムを製造することができる。
まず、タングステン含有材料供給口1にタングステン含有材料を供給することによって、タングステン含有材料導入管1aを通して、反応容器17の内側に位置する保持容器8にタングステン含有材料3を投入する。ここで、保持容器8の側面は、たとえば複数の開口部を有する網目状に形成されており、保持容器8の底部には連通孔が設けられている。そして、保持容器8の側面の開口部および底部の連通孔はそれぞれタングステン含有材料3が溶解してある程度小さくなった後も通過しない程度の大きさとされている。
なお、保持容器8にタングステン含有材料3を保持させた段階では、反応容器17は空の状態であってもよく、反応容器17にタングステン含有材料と硝酸ナトリウムとを予め反応させて得られた反応生成物の融液が存在していてもよい。
また、タングステン含有材料3は、タングステンを含む材料であればよく、たとえば、タングステンカーバイドとコバルトとを含むWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)、タングステンカーバイドと炭化チタンと炭化タンタルとコバルトとを含むWC−TiC−TaC−Co系超硬合金(WC−TiC系超硬合金)、炭窒化チタンとタングステンカーバイドと炭化モリブデンとコバルトとニッケルとを含むTiCN−WC−Mo2C−Co−Ni系サーメット(TiCN系サーメット)またはタングステンとニッケルとを含むW−Ni系重金属(W−Ni系合金)などを用いることができる。
また、タングステン含有材料3は、表面の一部が除去されてなるタングステン含有スクラップであることが好ましい。超硬工具などのタングステン含有製品の表面には硬く耐摩耗性に優れるTiC、TiN、TiCNまたはAl23などの薄膜が被覆されていることがあるため、タングステン含有製品の廃棄物(タングステン含有スクラップ)から予め薄膜を除去したものをタングステン含有材料として用いることにより、後述するタングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を効率的に進めることができる。
なお、タングステン含有スクラップは、超硬工具などのタングステン含有製品のハードスクラップであることが好ましい。この場合には、保持容器8にタングステン含有材料3を安定して保持することができるため、後述するようにタングステン含有材料3と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を安定的に進めることができる傾向にある。
ここで、タングステン含有製品のハードスクラップとは、欠損や摩耗などにより使用できなくなったタングステン含有製品自体や欠損などにより本体部から分離したタングステン含有製品の一部分などの固形状の廃棄物のことである。
次に、加熱装置6により反応容器17を加熱することによって、保持容器8に収容されたタングステン含有材料3を加熱する。ここで、タングステン含有材料3は、硝酸ナトリウムが溶融する温度以上の温度に加熱される。
次に、タングステン含有材料3が収容された保持容器8を反応容器17の内側で回転させ、硝酸ナトリウム供給口2に硝酸ナトリウム4を供給することによって、硝酸ナトリウム導入管2aを通して、上記のように加熱されたタングステン含有材料3の表面に硝酸ナトリウム4を供給する。これにより、タングステン含有材料3の表面に接触した硝酸ナトリウム4が溶融して溶融塩となり、タングステン含有材料3と硝酸ナトリウム4の溶融塩とが反応してタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物が生成することになる。
すなわち、反応容器17は、硝酸ナトリウムを溶融塩の状態で保持できる温度以上の温度に加熱されるため、タングステン含有材料3の露出表面もそれと同等程度の温度となる。そのため、たとえばタングステン含有材料3の表面に硝酸ナトリウムを粉末状などの固体の状態で供給した場合でも、硝酸ナトリウムはタングステン含有材料3の表面で溶融して溶融塩となる。そして、硝酸ナトリウムの溶融塩とこれに接触するタングステン含有材料3の表面とが反応してタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物が生成することになる。なお、硝酸ナトリウムは溶融塩とした状態で供給してもよいことは言うまでもない。
たとえばタングステン含有材料3がWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)である場合には、タングステン含有材料3と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応の中で最も効率的に進行する主反応は、以下の式(1)で表わされる反応となる。
2WC(s)+6NaNO3(l)+1/2O2(g)→2Na2WO4(l)+6NO(g)+2CO2(g)+Na2O(l) …(1)
なお、上記の式(1)で表わされる反応を酸素含有雰囲気で行なうことによって、硝酸ナトリウムから供給される酸素では反応に不足する酸素を酸素含有雰囲気から補うことができるため、高価な硝酸ナトリウムの消費を抑えつつ、反応をスムーズに進行させて効率的に上記の反応の主生成物であるタングステン酸ナトリウムを生成させることができる。
なお、酸素含有雰囲気は、酸素を含む雰囲気であれば特に限定されず、たとえば大気雰囲気などを挙げることができる。
また、たとえば、タングステン含有材料3にCo、Ni、TiC、TiNまたはTaCなどが含まれている場合には、上記の反応の副生成物として、酸化ナトリウム以外にも、NaCo24、NaNiO2、Na8Ti514またはNaTaO3などのオキソ酸ナトリウム塩も生成し得る。
上記のタングステン含有材料3と硝酸ナトリウム4の溶融塩との反応により生成した反応生成物は融液となり、反応生成物の融液は未反応の硝酸ナトリウムの溶融塩とともにタングステン含有材料3の表面から保持容器8の側面の開口部および保持容器8の底部の連通孔を通して反応容器17の内部に融液9として取り込まれる。
また、融液9中に未反応で含まれる溶融した硝酸ナトリウム4は、保持容器8の側面の開口部または保持容器8の底部の連通孔を通して保持容器8に収容されたタングステン含有材料3と反応することによってタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物の融液が生成し、この反応生成物の融液がさらに融液9に取り込まれることになる。
また、上記の反応が進行するにつれて、タングステン含有材料および硝酸ナトリウムの溶融塩が消費されていくため、タングステン含有材料3および硝酸ナトリウム4の少なくとも一方が連続的にまたは間欠的に供給される。
ここで、タングステン含有材料3および硝酸ナトリウム4の供給は、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応が制御できる程度の反応速度を保つように、タングステン含有材料3および硝酸ナトリウム4の少なくとも一方を連続的にまたは間欠的に供給することによって行なわれる。
そして、上記の反応が進行するにつれて反応容器17中のタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を含む融液9の量が増大するため、融液9は排出口11から反応容器17の外部に連続的にまたは間欠的に取り出される。
このように、タングステン含有材料3と硝酸ナトリウム4の溶融塩との反応が制御できる程度の反応速度を保つようにタングステン含有材料3および硝酸ナトリウム4の少なくとも一方を連続的にまたは間欠的に供給し、タングステン含有材料3と硝酸ナトリウム4の溶融塩とが反応して生成したタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を含む融液9を排出口11から連続的にまたは間欠的に取り出すことによって、タングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を安全かつ効率的に連続的に製造することができる。
なお、タングステン含有材料3の供給は、たとえば、タングステン含有材料供給口1にタングステン含有材料を供給することによって、タングステン含有材料導入管1aを通して、タングステン含有材料3を保持容器8に投入することにより行なうことができる。
また、硝酸ナトリウム4の供給は、たとえば、硝酸ナトリウム供給口2に硝酸ナトリウム4を供給することによって、硝酸ナトリウム導入管2aを通して、硝酸ナトリウム4を保持容器8に収容されたタングステン含有材料3の表面に投入することにより行なうことができる。
また、タングステン含有材料3の供給のタイミングは、たとえば、タングステン含有材料3の残量を質量の計測やレーザを用いた液面位置の検出などにより算出して決定することができる。
また、硝酸ナトリウム4の供給のタイミングは、たとえば、硝酸ナトリウム4の残量を質量の計測やレーザを用いた液面位置の検出などにより算出して決定することができる。
また、上記の反応が進行するにつれて、反応容器17に収容される融液9の量が増大した場合には、保持容器8に収容されたタングステン含有材料3が融液9中に浸沈することがある。
ここで、すべてのタングステン含有材料3を融液9中に浸沈させた場合には窒素酸化物の発生量が多くなり、融液9の内部で大量のガスが発生するために融液9が反応容器17から吹き零れてしまうおそれがあるため、タングステン含有材料3の一部のみが融液9中に浸沈していることが好ましい。
このとき、タングステン含有材料3の半分以上を融液9中に浸沈させることが好ましい。この場合には、タングステン含有材料3の融液9からの露出部分については直接硝酸ナトリウムと接触するため反応速度が大きいが、融体9から露出しているため、発生するガスの離脱がスムーズに進んで吹き零れが生じにくい。そのため、硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を安全に進めることができる。また、タングステン含有材料3の融液9中への浸沈部分については比較的反応速度が小さいので融液9中の硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を穏やかに進めることができる。よって、発生するガス量も抑えられて吹き零れが生じにくく、反応を安全に進めることができ、より効率的にタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を生成させることができる。
なお、「タングステン含有材料の半分以上が融液中に浸沈」とは、タングステン含有材料の一群の高さ方向において、タングステン含有材料の一群の最大高さの半分以上の高さの領域が融液中に沈んでいることを意味している。
また、タングステン含有材料3が融液9中に浸沈している量がほぼ一定とされることが好ましい。この場合には、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応をほぼ一定の反応速度で行なうことができるため、より安全にタングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を生成させることができる。
ここで、タングステン含有材料3の融液9中への浸沈量の調整は、たとえば、保持容器8に接続された回転軸7の上下方向への移動および/または排出口11からの融液9の取り出しによる反応容器17中の融液9の量の調整により行なうことができる。
また、タングステン酸ナトリウムの融点は698℃であるため、上記の反応により生成したタングステン酸ナトリウムの温度が698℃よりも低くなる場合にはタングステン酸ナトリウムはタングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との接触界面で固相として存在することになる。この場合には、たとえば上記のように、タングステン含有材料3の露出表面に硝酸ナトリウム4を固体の状態で供給したときに、融点が308℃の硝酸ナトリウムが固相として存在するタングステン酸ナトリウムの表面上で溶融してタングステン含有材料3の表面に到達しにくくなるため、上記反応の反応速度が小さくなることがある。
そこで、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を促進する観点からは、タングステン含有材料および硝酸ナトリウムの溶融塩の少なくとも一方を700℃以上の温度に加熱することが好ましい。この場合には、タングステン酸ナトリウムの少なくとも一部を融液の状態とすることができ、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との接触界面からタングステン酸ナトリウムの融液を取り除きながらタングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を進めることができるため、より効率的にタングステン酸ナトリウムを製造することができる傾向にある。
なお、反応生成物(タングステン酸ナトリウムとその副生成物)を融液の状態とした場合には、反応生成物の融液をタングステン含有材料の表面から移動させて融液9中に取り込ませることも可能となる。
また、タングステン含有材料が、一般的にタングステンの含有量が20%以下のTiCN系サーメットである場合には、タングステン酸ナトリウムの生成量が少なくなる。この場合には、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応による反応生成物が融液になる温度は高く(850℃)なる。一方、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応時における加熱温度を高くしすぎると反応が制御できない程度に進行する。したがって、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応時におけるタングステン含有材料および硝酸ナトリウムの溶融塩の少なくとも一方の加熱温度は850℃以下とすることが好ましい。
また、硝酸ナトリウムの供給量の総和は、タングステン含有材料の総質量の1.2倍以上4倍以下とされることが好ましい。たとえば、上記の式(1)によれば、上記の反応に寄与するタングステン含有材料の質量(A)と硝酸ナトリウムの質量(B)との比(B/A)は1.3程度となるが、WC系超硬合金からなるタングステン含有材料には結合金属も含まれるため、実際には上記の比(B/A)が1.2以上であればタングステン含有材料を完全に反応させることができる傾向にある。
また、TiCやTiCNの反応は下記の式(2)のように進行すると考えられるため、TiCNが主成分でWCの添加量が少ないTiCN系サーメットからなるタングステン含有材料を用いた場合には、上記のWC系超硬合金からなるタングステン含有材料を用いた場合と比較して多量の硝酸ナトリウムが必要になると考えられる。
5TiC(s)+8NaNO3(l)+4O2(g)→Na8Ti514(s)+8NO(g)+5CO2(g) …(2)
タングステン含有材料を完全に反応させるためには上記の比(B/A)は少なくとも4必要である。また、上記の比(B/A)が4を超える場合でもタングステン含有材料を完全に反応させることができるが、過剰に反応が進行したり、反応に使用されない硝酸ナトリウムが残存するので、高価な硝酸ナトリウムを無駄に消費するおそれがある。そこで、上記の比(B/A)は4以下であることが好ましい。
また、硝酸ナトリウムの供給量の総量は一定であるが、硝酸ナトリウムの供給時間を変えた場合に、どのような変化が起こるか検討した。より具体的には、磁製坩堝中で70gのWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)を720℃に加熱し、120gの硝酸ナトリウムを一定量ずつそれぞれ1.2時間、0.6時間および0.3時間かけてWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)の表面上に徐々に加えてタングステン酸ナトリウムを作製した。そして、タングステン酸ナトリウムの作製後に室温まで冷却したときの磁製坩堝をそれぞれ図3〜図5に示す。なお、図3、図4および図5は120gの硝酸ナトリウムを一定量ずつそれぞれ1.2時間(図3)、0.6時間(図4)および0.3時間(図5)かけて加えたときの上記冷却後の磁製坩堝の状態を示している。
なお、WC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)の反応率(100×{(反応前のWC系超硬合金の質量)−(反応後のWC系超硬合金の残量)}/(反応前のWC系超硬合金の質量))はそれぞれ99%(1.2時間)、92%(0.6時間)および86%(0.3時間)であった。硝酸ナトリウムを短時間で加えるにしたがって硝酸ナトリウムとWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)との反応が活発となり、反応による排ガスによって反応生成物が吹き零れるため、反応率が低下した。
以上の結果に基づいてさらに検討を行なったところ、硝酸ナトリウムを1時間以上かけて供給することによって反応生成物が吹き零れることなく高い反応率を達成できることがわかった。また、硝酸ナトリウムを4.5時間よりも長い時間かけて供給した場合にはエネルギー消費が大きくなり不経済となることがわかった。
また、硝酸ナトリウム4は、タングステン含有材料3に満遍なく行き渡るように供給されることが好ましい。たとえば、保持容器8の上部に篩のようなものを設けたり、反応容器17内に実質的に硝酸ナトリウム4を供給する供給口となる硝酸ナトリウム導入管2aとタングステン含有材料3を収容した保持容器8との相対的な位置関係を変えることができるようにすることによって、タングステン含有材料3に満遍なく行き渡るように硝酸ナトリウム4を供給することが可能となる。
なお、硝酸ナトリウム導入管2aと保持容器8との相対的な位置関係を変える機構としては、たとえば、硝酸ナトリウム導入管2aを移動させる機構、回転軸7を中心として保持容器8を回転させる機構、または回転軸7を中心として保持容器8を回転させながら保持容器8を上下方向に移動させる機構などが挙げられる。
また、上記の式(1)および(2)の反応に示されるように、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩とを反応させた場合には、副生成物として、有毒な窒素酸化物を含む排ガスが発生する。たとえば、上記の式(1)および(2)の反応で発生する一酸化窒素(NO)は、下記の式(3)で示される反応のように、高温のバナジウムやチタンの酸化物触媒存在下で、アンモニアガスを混合することによって、窒素と水に分解することができる。
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O …(3)
ここで、反応生成物とともに発生する排ガス中の窒素酸化物の濃度を連続的に150ppm以下とすることが好ましい。この場合には、有毒な窒素酸化物の濃度の低い排ガスを排出することができるため、操業の安全性を向上させることができるとともに、環境にも悪影響を与えない傾向にある。
なお、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応により生成する排ガス以外の反応生成物は融液として融液9中に取り込むことができ、その反応生成物を含む融液9は排出口11から排出されて反応容器17の外部に設置された容器18に収容される。
このように反応容器17の内部の融液9を排出口11から排出することによって、反応容器17の内部の融液9の量を調節することができ、操業を止めることなくタングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応を連続的に進行させることができることから、バッチ処理ごとに反応を止める必要のある特許文献1に記載の方法と比べて、より効率的にタングステン酸ナトリウムを製造することができる。
また、反応容器17の内部の融液9の量を一定に保たずに増減させる場合には、タングステン含有材料3を収容する保持容器8は上下に移動自在とされていることが好ましい。たとえば、反応容器17の内部の融液9の量をある程度増加した時点でまとめて外部の容器18に移す場合であって、上述のように保持容器8の底部に連通孔を設けるとともに保持容器8の側面を網目状にする構成としているときには、保持容器8についても融液9の増量にしたがって上昇できるようにしておくことが好ましい。また、保持容器8の深さを一定とし、保持容器8の側面の上側のみを網目状にしておくことで一定量以上の融液9がたまると網目からこぼれるようにして液面を一定に保ち、保持容器8の側面の上側で反応しなかった未反応の硝酸ナトリウムの溶融塩を保持容器8の下側に収容されたタングステン含有材料3と反応させてもよい。
また、融液9の量を一定に保つ場合には、たとえば反応容器17の外側に連なる排出口11をサイフォン式にすることで、融液9の液面の高さを一定に保つようにしてもよい。
また、反応容器17の外部に設置された容器18の外側には加熱装置14を備えた保護容器13が備えられており、容器18の内側には図示しない攪拌装置が備え付けられている。また、容器18は、保護容器13の底部に配列された複数のローラ12によって、図1に示す装置の外壁部10の内側と外側にそれぞれ移動自在とされている。
そして、タングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩との反応により生成した反応生成物を含む融液9を収容した容器18は、図1に示す装置の外壁部10の外側に移動させられて、容器18に収容された融液9には還元剤が投入される。
ここで、融液9に還元剤を投入することによって、融液9中の不純物である金属過酸化物のイオンを構成する金属元素の原子価を小さくすることができる。これにより、その後の工程で融液9を水に溶解したときに、不純物となる金属元素を非水溶物として酸化物の状態で沈殿させることができる。
すなわち、容器18に収容された融液9中には、たとえばクロムやバナジウムなどの不純物金属の過酸化物イオンが含有されていることがある。これらの金属過酸化物イオンは水溶性の6価または5価のオキソ酸ナトリウム塩に変化し、融液9を冷却して水に溶解させたときに沈殿物として析出しないため、ろ過などによって容易に分離することができない。
そこで、これらの金属過酸化物イオンを含む融液9を水に溶解させる前に、予め還元作用のある還元剤を投入しておくことによって、金属過酸化物イオンを構成する金属元素の原子価を下げて非水溶性の金属酸化物とすることができる。そして、上記の金属酸化物を含む融液9を水に溶解した場合には、これらの金属酸化物は水に不溶であり、沈殿物として析出することから、ろ過などによって容易にタングステン酸ナトリウム水溶液から分離することができる。
たとえば、融液9に不純物金属であるクロムが金属過酸化物イオンであるクロム酸イオン(CrO4 2-)として存在する場合には、還元剤として、炭素(C)、タングステン(W)またはタングステンカーバイド(WC)を投入することによって、たとえば以下の式(4)〜(6)に示すように、水に不溶な三酸化二クロム(Cr23)を生成することができる。
2NaCrO4+2C→Na2O+Cr23+2CO2 …(4)
2NaCrO4+W→Na2WO4+Cr23+1/2O2 …(5)
2NaCrO4+WC+1/2O2→Na2WO4+Cr23+CO2 …(6)
たとえば、融液9に不純物金属であるバナジウムが金属過酸化物イオンであるバナジウム酸イオン(VO3-)として存在する場合には、還元剤として、炭素(C)またはタングステン(W)を投入することによって、たとえば以下の式(7)〜(9)に示すように、水に不溶な三酸化二バナジウム(V23)を生成することができる。
2NaVO3+C→V23+Na2CO3 …(7)
14NaVO3+4W→4Na2WO4+6V23+(Na2O)3(V25) …(8)
14NaVO3+4WC→6V23+4Na2WO4+4C+(Na2O)3(V25) …(9)
以上のように、不純物金属の過酸化物イオンを含む融液9に水を投入する前に還元剤を投入して水に不溶な不純物金属の酸化物を予め生成しておくことによって、融液9を水に溶解させたときに沈殿物として存在させることができ、沈殿物をろ過などによって容易に分離することができるため、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができる。
なお、還元剤としては、融液9中の不純物金属の過酸化物イオンを構成する金属元素の原子価を小さくすることができるものであれば特には限定されないが、なかでも、炭素、タングステンおよびタングステンカーバイドからなる群から選択された少なくとも1種を含むソフトスクラップを用いることが好ましく、ソフトスクラップはさらに酸化タングステンを含んでいてもよい。この場合には、融液9におけるタングステン酸ナトリウム以外の不純物の含有量をさらに低減することができる傾向にある。
たとえば、ソフトスクラップがタングステンカーバイドおよびタングステンを含み、さらに酸化タングステンを含む場合には、たとえば下記の式(10)〜(12)の反応により、タングステンカーバイドと酸化ナトリウムとからタングステン酸ナトリウムを生成できるとともに不純物として不安定に存在する過酸化ナトリウムまたは酸化ナトリウムの含有量を低減することができる点で好ましい。
WC+Na2O+5/2O2→Na2WO4+CO2 …(10)
W+Na22+O2→Na2WO4 …(11)
WO3+Na22→Na2WO4+1/2O2 …(12)
ここで、ソフトスクラップとは粉末状の物質のことであり、特に、タングステン含有製品のソフトスクラップとは、タングステン含有製品の製造時に発生した屑やタングステン含有製品を用いた加工により生じた屑などの回収粉末のことである。
また、還元剤としては、タングステン含有製品のソフトスクラップだけでなく、酸化タングステンをさらに含むものを用いることが好ましい。この場合には、たとえば上記の式(10)および(11)の反応に示されるように、酸化ナトリウムおよび過酸化ナトリウムとの反応で必要となる酸素を供給することができるため、より効率的に酸化ナトリウムを除去することができる傾向にある。
また、上記の不純物金属元素を効率的に還元する観点からは、還元剤が投入される融液の温度は700℃以上850℃以下であることが好ましい。
また、還元剤の投入量は、反応生成物を含む融液9の質量の0.05倍以上0.45倍以下であることが好ましく、0.1倍以上0.4倍以下であることがより好ましい。還元剤の投入量が反応生成物を含む融液9の質量の0.05倍以上0.45倍以下である場合、特に0.1倍以上0.4倍以下である場合には、反応生成物中の過酸化されている不純物金属元素を十分還元して高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができる傾向にある。
上記の還元剤が投入された後には、保護容器13および加熱装置14が容器18から取り外され、容器18に収容された融液9を冷却して固化した後に水を投入して、融液9を水に溶解させる。これにより、上記の還元剤により還元された不純物である金属は酸化物の状態で水溶液中に沈殿するとともに、水に可溶なタングステン酸ナトリウムは水溶液の状態で得ることができる。
上記の還元剤が投入された後には、保護容器13および加熱装置14が容器18から取り外され、容器18に収容された融液9を冷却して固化した後に水を投入して、融液9を水に溶解させる。これにより、上記の還元剤により還元された不純物である金属は酸化物の状態で水溶液中に沈殿するとともに、水に可溶なタングステン酸ナトリウムは水溶液の状態で得ることができる。
そして、融液9の水溶液をろ過して、沈殿物である上記の金属酸化物を取り除くことによって、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができる。
ここで、pHの調整により不純物を沈殿物で除去する場合の融液9を水に溶解させた後の水溶液に酸(好ましくは硫酸)を加えてpHを8.5以上10以下の範囲内に調整することが好ましい。この場合には、水溶液中におけるCoの溶出を抑制しつつ、AlとSiとを沈殿させることができるため、ろ過の回数を減らして工程を簡略化することができるとともに、溶液タンク等の設備を削減することができる。
すなわち、上記の還元剤が投入された後の融液9を水に溶解させた場合には、水溶液中にはAl、Si等の不純物が含まれ、水に不溶な残渣にはCo等が含まれる場合がある。この場合、ろ過によりCoを含む残渣を分離した後、水溶液に酸を加えてAlおよびSiのそれぞれの沈殿物(たとえば、Al(OH)3、H2SiO3等)を生成してその沈殿物を再度ろ過することもできる。しかしながら、上記のように、還元剤が投入された後の融液9の水溶液に酸を加えてpHを8.5以上10以下の範囲内に調整することによって、水溶液中にCoを溶出させることなく、AlおよびSiを沈殿させてCoを含む残渣に含めることができるため、ろ過の回数を減らして工程を簡略化することができるとともに、溶液タンク等の設備を削減することができる。
また、融液9中のNaCo24、NaNiO2、Na8Ti514またはNaTaO3などのオキソ酸ナトリウム塩はたとえば下記のようにして除去することができる。
まず、融液9を水に溶解させて上記のオキソ酸ナトリウム塩を加水分解する。これにより、上記のオキソ酸ナトリウム塩を水に不溶な非水溶物(たとえば、Co34、NiO、NiO2、Na3TaO4、Ta25など)に変化させることができる。
そして、上記のオキソ酸ナトリウム塩の加水分解後の水溶液をろ過することによって、タングステン酸ナトリウム水溶液から水に不溶な非水溶物(たとえば、Co34、NiO、NiO2、Na3TaO4、Ta25など)を分離することができる。これにより、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができる。
以上により、本発明においては、高純度のタングステン酸ナトリウム水溶液を得ることができる。
図2に、本発明のタングステンの回収方法の一例である実施の形態1のタングステンの回収方法のフローチャートを示す。以下、図2を参照して、上記のタングステン酸ナトリウムの製造方法を用いた本発明のタングステンの回収方法の一例について説明する。
まず、酸素含有雰囲気においてタングステン含有材料と硝酸ナトリウムの溶融塩とを反応させてたとえば融体状の反応生成物(Na2WO4、Na2O、NaCo24等)を得る。この場合には、酸素含有雰囲気からの酸素の供給によって硝酸ナトリウムを有効に用いることができる。
次に、上記のようにして得られた反応生成物の副生成物(Na2O、NaCo24等)を上記のように還元剤で還元するとともに、Na2O、Na22を上記の式(10)〜(12)などに示される反応により除去することによって生成物(Na2WO4、NaCo24等)を得る。
次に、上記のようにして得られた生成物(Na2WO4、NaCo24等)を水に溶解した後に酸を加えて加水分解を行なった後にろ過することによって、タングステン酸ナトリウム水溶液から水に不溶な沈殿物(たとえば、Co、TaまたはTi等の酸化物)を分離する。ここまでの工程は、上述したように、図1に示す装置を用いて行なうことができる。
なお、上記の沈殿物(たとえば、Co、TaまたはNi等の酸化物)は分離された後に回収される。
その後、タングステン酸ナトリウム(Na2WO4)水溶液については、たとえば、イオン交換樹脂を用いたイオン交換によって、ナトリウムイオンとアンモニウムイオンとが置換されて、タングステン酸アンモニウム((NH42WO4)水溶液とされる。
次に、タングステン酸アンモニウム((NH42WO4)水溶液を濃縮してパラタングステン酸アンモニウム(APT)を晶出させる。ここで、タングステン酸アンモニウム((NH42WO4)水溶液の濃縮時に発生するアンモニア(NH3)ガスが回収される。
次に、パラタングステン酸アンモニウム(APT)をか焼することによって酸化タングステン(WO3)を得る。ここで、パラタングステン酸アンモニウム(APT)のか焼時に発生するアンモニア(NH3)ガスも回収される。
その後、酸化タングステン(WO3)を還元することによってタングステン(W)が得られ、タングステン(W)を回収することができる。
なお、上記においては、酸化剤として硝酸ナトリウムを用いた場合について説明したが、本発明においては、酸化剤として硝酸ナトリウムの代わりに亜硝酸ナトリウムを用いてもよい。
また、上記においては、タングステン含有材料に硝酸ナトリウムを供給する場合について説明したが、本発明においては、硝酸ナトリウムにタングステン含有材料を供給してもよいことは言うまでもない。
<実施の形態2>
図6に、本発明に用いられるタングステン酸ナトリウムの製造装置の他の一例である実施の形態2のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図を示す。ここで、図6に示す製造装置は、以下の(a)〜(h)の点を特徴としている。
(a)タングステン含有材料については、タングステン含有材料供給口1の上方にたとえば数百kg単位のタングステン含有材料を貯蔵することができる貯蔵装置1bを設けて、供給コンベア(図示せず)およびタングステン含有材料供給口1を介して、定量供給ホッパーなどのタングステン含有材料導入管1aにタングステン含有材料を自動供給する。これにより、タングステン含有材料の溶解量を増大させてタングステン酸ナトリウムの生産性を向上させることができる。
(b)硝酸ナトリウムについては、たとえば数百kg単位のフレキシブルコンテナ(図示せず)を用いて、硝酸ナトリウム供給口2を介して硝酸ナトリウム導入管2aに供給する。これにより、硝酸ナトリウム4の供給作業の効率化を行なうことができる。
(c)排出口11の斜め下方に保持炉41を設置する。これにより、保持炉41の上方に自動供給装置23を設けることができ、タングステン含有材料を連続溶解させながら還元剤の投入による融液9の処理も同時に行なうことができるため、タングステン酸ナトリウムの生産性を向上させることができる。
(d)排出口11から排出された融液9を樋21によって保持炉41の内部に投入する。樋21は開口しているため、融液9の凝固によるパイプ詰まりの問題を解消することができるとともに、樋21の底に融液9が固着した場合のメンテナンスも容易となる。
(e)還元剤の供給装置として、ソフトスクラップの自動供給装置23を設けて、自動供給装置23からソフトスクラップ25を保持炉41に投入する。その際に、ソフトスクラップを事前に焙焼して酸化物としたソフトスクラップの焙焼粉についてもソフトスクラップ25とともに保持炉41に投入することが好ましい。これは、ソフトスクラップの一部については事前に焙焼して酸化物(焙焼粉)としてから保持炉41に投入する方がソフトスクラップの投入による融液9の処理を効率化することができるためである。なお、ソフトスクラップ25の投入による反応はたとえば以下の式(10)で表わされ、ソフトスクラップ(焙焼粉)の投入による反応はたとえば以下の式(12’)で表わされる。また、自動供給装置23にはそれぞれ定量供給機能が持たされており、その投入配分も制御可能である。
WC+Na2O+5/2O2→Na2WO4+CO2 …(10)
WO3+Na2O→Na2WO4 …(12’)
(f)保持炉41に攪拌機27を設けるとともに、保持炉41の上部に集塵排気口22を設ける。攪拌機27によって融液9を攪拌することにより、融液9と、ソフトスクラップ25と、ソフトスクラップ(焙焼粉:酸化タングステン)と、の反応を促進させることができる。また、集塵排気口22によって、融液9の上方に舞っているソフトスクラップ25およびソフトスクラップ(焙焼粉)を保持炉41の外部に排出させることができる。
(g)ソフトスクラップ25およびソフトスクラップ(焙焼粉)の投入による処理後の保持炉41からの融液9の排出を加圧押し出し式とする。加圧押し出し式とすることによって保持炉41からの融液9の排出量をバルブで制御する必要がなくなるため、バルブにおける詰まりの発生を有効に抑止することができる。加圧押し出し式による保持炉41からの融液9の排出においては、ガス導入口28からガスを保持炉41の内部に導入して、保持炉41の内部の圧力を高めて、上記の処理後の融液9を融液排出路29から保持炉41の外部に排出する。これにより、ガス導入口28からのガスの導入量によって、融液9の排出量を自在に制御することが可能となる。
(h)予め水39が収容された容器18と、攪拌機37とを備えた水溶解槽42を保持炉41の斜め下方に設置する。これにより、保持炉41から融液9を水39に直接流し込み、攪拌機37の攪拌によって融液9の水39への溶解を促進させることができるため、タングステン酸ナトリウムの生産性を向上させることができる。
このように融液9の排出量を自在に制御することにより、融液9が大きな塊として固化しないように融液9を適度に分散させた状態で水39に溶解させることができる。これにより、融液9の固化物である大きな塊が容器18の底部に到達し、容器18の底部から局所的に沸騰するのを抑制することができる。また、融液9を適度に分散させることによって、融液9を水39に効率良く溶解させることができることは言うまでもない。
本実施の形態における上記以外の説明は実施の形態1と同様であるため、ここではその説明については省略する。
<実施の形態3>
図7に、本発明に用いられるタングステン酸ナトリウムの製造装置のさらに他の一例である実施の形態3のタングステン酸ナトリウムの製造装置の模式的な構成図を示す。ここで、図7に示す製造装置は、実施の形態2の上記の(g)の点を採用する代わりに下記の(i)の点を特徴としている。
(i)保持炉41から水溶解槽42への融液9の排出を傾動式とする。すなわち、ソフトスクラップ25およびソフトスクラップ(焙焼粉)が投入された後の保持炉41(ソフトスクラップ供給機構および攪拌機は図示せず)を、たとえばソフトスクラップ供給機構および攪拌機から切り離し、図8の模式的構成図に示すように傾けることによって、保持炉41の内部に収容された融液9を水溶解槽42に排出する。これにより、上記の(g)の加圧押し出し式と比べて設備を簡素化することができ、装置のコストを低減することができる。
<実施例1〜22>
まず、均一に加熱できる電気炉内に内容積が1.7リットルのステンレス製の反応容器を設置し、反応容器内に下記の表1に示す各種の反応物(A)を収容した後に大気中で反応物(A)を表1に示す各反応温度に加熱した。
次に、反応容器内で加熱された反応物(A)に、下記の表1に示す各種の反応物(B)を下記の表1に示す各供給時間だけ少量ずつ一定の時間ごとに徐々に加えることによって、反応物(A)と反応物(B)とを反応させた。
実施例1〜22においては、反応物(A)、反応物(B)、反応物の質量比(B/A)、供給時間(時間)および反応温度(℃)の少なくとも1つの条件を変えてそれぞれ上記の反応を行ない、タングステン含有材料の反応率および反応生成物の反応容器からの吹き零れの有無についてそれぞれ評価した。その結果を表1に示す。
なお、表1に示す質量比(B/A)は、反応容器内に収容された反応物(A)の総質量に対する反応容器に供給される反応物(B)の供給量の総質量の比を示している。
また、表1に示す反応率(%)は、下記の式(13)により算出した。
反応率(%)=(100×{(反応前のタングステン含有材料の質量)−(反応後のタングステン含有材料の残量)}/(反応前のタングステン含有材料の質量)) …(13)
また、表1に示す反応生成物の反応容器からの吹き零れの有無は下記の基準により評価した。
吹き零れ有り…反応容器の外表面に反応生成物が付着しているのが目視で明らかに確認することができる。
吹き零れ無し…反応容器の外表面に反応生成物がほとんど付着していないのが目視で確認することができる。
表1の実施例1〜6および実施例14〜19に示すように、上記の反応物(A)がWC系超硬合金である場合には、質量比(B/A)が1.2以上であるときにはWC系超硬合金の反応率が高くなることが確認され、反応物(B)の供給時間が1時間以上であるときには反応生成物が吹き零れないことが確認された。
また、表1の実施例7〜8および実施例20に示すように、上記の反応物(A)がWC−TiC系超硬合金である場合には、質量比(B/A)が1.5以上であるときにはWC−TiC系超硬合金の反応率が高くなることが確認され、反応物(B)の供給時間が1時間以上であるときには反応生成物が吹き零れないことが確認された。
また、表1の実施例9に示すように、上記の反応物(A)がTiCN系サーメットである場合には、質量比(B/A)が4であればTiCN系サーメットを十分に反応させることができることが確認された。
また、表1の実施例10に示すように、上記の反応物(A)がW−Ni系合金である場合には、質量比(B/A)が1.2以上であるときにはW−Ni系合金を十分に反応させることができることが確認された。
また、表1の実施例11〜12および実施例21〜22に示すように、硝酸ナトリウム(NaNO3)または亜硝酸ナトリウム(NaNO2)にタングステン含有材料(WC系超硬合金)を供給した場合には、タングステン含有材料の総供給量がNaNO3またはNaNO2の総質量の1.2倍以上である場合(表1の質量比(B/A)の逆数が1.2以上である場合)にはタングステン含有材料を十分に反応させることができることが確認された。
また、表1の実施例13に示すように、NaNO3にタングステン含有材料(TiCN系サーメット)を供給した場合には、タングステン含有材料の総供給量がNaNO3の総質量の4倍である場合(表1の質量比(B/A)の逆数が4である場合)にはタングステン含有材料を十分に反応させることができることが確認され、タングステン含有材料の供給時間が1時間以上であるときには反応生成物が吹き零れないことが確認された。
また、実施例1〜10および実施例14〜20において、タングステン含有材料の温度を700℃以上に加熱した場合には、反応生成物は融体となってタングステン含有材料の表面から容易に流れ落ちて反応の進行が促進されて反応率が高くなることが確認された。
以上の結果から、各種のタングステン含有材料、NaNO3またはNaNO2を1時間以上かけて徐々に供給しながら、各種のタングステン含有材料と、NaNO3またはNaNO2の溶融塩とを700℃以上の反応温度で反応させてNa2WO4を含む反応生成物の融液を生成することによって反応を制御して反応容器からの吹き零れを抑えながらタングステン含有材料を効率的に反応できることが確認された。
さらに、表1の実施例1〜13の操作を繰り返し行なうことにより、連続して効率良く、タングステン酸ナトリウムを含む反応生成物を生成することができることも確認された。
<実施例23>
TiC、TiN、TiCNまたはAl23などの薄膜が被覆されたコーティングチップをドラムに入れて回転させ、コーティングチップ同士の擦り合わせの効果により薄膜の一部の除去を行なった。そして、薄膜の一部を除去したコーティングチップを上記の反応物(A)として表1の実施例7の条件で反応させたところ、99%という高い反応率となることが確認された。
なお、コーティングチップの薄膜の除去は、コーティングチップ同士の擦り合わせによる方法に限定されず、何らかの化学的手段および/または物理的手段により行なってもよい。
<実施例24>
実施例1の条件において、(i)WC系超硬合金を反応生成物の融液に浸沈させなかった場合、(ii)WC系超硬合金の50%を反応生成物の融液に浸沈させた場合、(iii)WC系超硬合金の90%を反応生成物の融液に浸沈させた場合、および(iv)WC系超硬合金を完全に反応生成物の融液に浸沈(深さ約50mm)させた場合のそれぞれの反応率を調べた。なお、反応率は、上記の式(13)によって算出した。
その結果、(i)の場合の反応率は72%であり、(ii)の場合の反応率は88%であり、(iii)の場合の反応率は98%であり、(iv)の場合の反応率は83%であった。
なお、(i)の場合には未反応のNaNO3が反応生成物中に残存した。また、(iv)の場合にはNaNO3がWC系超硬合金スクラップと反応する前に揮発する割合が増えるため、反応率が低下した。
<実施例25>
WC−TiC系超硬合金とNaNO3の溶融塩とを反応させることにより発生したNOガスを含む排ガスを空気で希釈することによってNO濃度を3200ppmとし、上記の式(3)に示される反応に従って、アンモニアガスの混合比率を変えながら上記の排ガスを200℃のチタンの酸化物触媒存在下で窒素と水とに分解した。
その結果、NOガスに対して1.02当量のアンモニアガスを混合した場合には、排ガス中のNO濃度を0.5ppmに低下させることができたが若干の未反応アンモニアガスが検出された。
また、NOガスに対して0.99当量のアンモニアガスを混合した場合には、排ガス中のNO濃度を40ppmに低下させることができるとともに、未反応アンモニアガスも検出されなかった。
また、NOガスに対して0.96当量のアンモニアガスを混合した場合には、排ガス中のNO濃度を150ppmに低下させることができるとともに、未反応アンモニアガスも検出されなかった。
また、NOガスに対して0.93当量のアンモニアガスを混合した場合には、排ガス中のNO濃度を210ppmに低下させることができるとともに、未反応アンモニアガスも検出されなかった。
NOガス量を安定して反応させるのに制御可能なアンモニアガスの当量は0.96〜1.00程度であることから、アンモニアガスを含まない排ガス中のNOガスを150ppm以下の低濃度にできることが確認された。
また、上記のWC−TiC系超硬合金に含まれるWC以外の成分であるCo、Ni、TiCおよびTaCと、NaNO3の溶融塩との反応による反応生成物はそれぞれNaCo24、NaNiO2、Na8Ti514およびNaTaO3などのオキソ酸ナトリウム塩であることがX線回折により判明した。
そして、上記のそれぞれのオキソ酸ナトリウム塩に水を作用させ、さらに酸で中和してpHを7以下にすることによって加水分解を行なった。その結果、上記のオキソ酸ナトリウム塩はそれぞれ、水に不溶性のCo34、NiO、TiO2、Na3TaO4およびTa25に変化することがX線回折により判明した。
<実施例26>
TiC、TiN、TiCNまたはAl23などの薄膜が被覆されたコーティングチップの薄膜を剥離して得られたWC−TiC系超硬合金とNaNO3の溶融塩とを反応させることによって反応生成物を得た。
次に、上記のようにして得られた反応生成物を200ミリリットルの水に溶解し、その溶解によって発生した沈殿物をろ過により取り除いた。そして、ろ過により得られたろ液に塩酸を加えてpH7に中和した。
上記の塩酸を加えて中和したろ液の成分をICP発光分光分析により調査するとともに、ろ液に塩酸を加えることにより発生した沈殿物の成分をX線マイクロアナライザにより調査した。
その結果、塩酸を加えて中和されたろ液からは、Wが6.24原子%、Coが0.0002原子%、Tiが0.0001原子%以下(ICP発光分光分析の定量下限)、Taが0.0008原子%、Nbが0.0005原子%、Feが0.0001原子%以下検出された。
また、沈殿物からはCo、Ti、TaおよびOが検出され、沈殿物の成分は、水に不溶のCoの酸化物、Tiの酸化物またはTaの酸化物であることが確認された。
以上の実施例の結果から、本発明によりタングステン含有材料からタングステンをタングステン酸ナトリウムとして分離回収できることがわかる。
<実施例27>
図1に示す一連の構造の装置を製作し、反応容器17はステンレス製で、その容量を410リットルとした。TiC、TiN、TiCNまたはAl23などの薄膜が被覆されたコーティングチップから薄膜を剥離して得られたWC−TiC系超硬合金を供給口1から供給し、NaNO3を硝酸ナトリウム供給口2から供給し、表1の実施例1に相当する条件で反応させた。その結果、吹き零れが生じることが無く、供給した超硬合金を溶解することができた。
容器18に取り出し、冷却した反応生成物をX線回折で調べた。その結果、単相のNa2WO4のみが認められた。また、生成物3gを200mlの水に溶かした水溶液のpHは11.68を示し、式(1)のように反応していることが確かめられた。なお、X線回折では、反応生成物中に未反応のNaNO3は検出されず、コバルトやチタンの化合物については、Na2WO4に比較して回折強度が弱く、明瞭なピークが認められなかった。
さらに、反応によって生じたガスを窒素酸化物排気口16から取り出し、窒素酸化物を無害化する装置に導いた(式(3))。その結果、処理後の排気ガス中の窒素酸化物濃度は0〜17ppmの低い値を示し、無害化できていることを確かめることができた。
<実施例28〜35および比較例1>
まず、クロムおよびバナジウムが添加されているWC−Co系超硬合金とNaNO3の溶融塩とを反応させて融体状の反応生成物を生成させ、その反応生成物を720℃に保持した。
次に、上記の反応生成物を容器に取り分けてそれぞれ分配し、上記の反応生成物の質量1.00に対して、還元剤として実施例28では0.29の比率のタングステン(W)粉末を、実施例29では0.29の比率のタングステンカーバイド(WC)粉末を、実施例30では0.29の比率の超硬粉末(主成分:WC−Co)を、実施例31では0.44の比率の超硬粉末(主成分:WC−Co)を、実施例32では0.29の比率の炭素(C)粉末を、実施例33では0.05の比率の炭素(C)粉末を、実施例34では0.45の比率のタングステン(W)粉末を、実施例35では0.54の比率の超硬粉末(主成分:WC−Co)をそれぞれ別々の容器に投入して表1に示す温度で4時間保持して反応させ、還元剤を加えなかった比較例1と比較した。
次に、上記の還元剤の投入後の融体状の生成物を冷却して一旦固化させた後にそれぞれの容器から3gの生成物を採取し、200mlの純水に溶解させた後にろ過することによって、実施例28〜35および比較例1の水溶液を作製した。
そして、実施例28〜35および比較例1のそれぞれの水溶液のpHを評価するとともに、クロム(Cr)およびバナジウム(V)の含有量についてもそれぞれICP発光分光分析により分析した。その結果を表2に示す。
表2に示すように、上記の還元剤が投入されていない比較例1の水溶液中の反応生成物中のCrの溶解量(1リットル当たり0.057g)に対して、還元剤としてW粉末、WC粉末、超硬粉末およびC粉末をそれぞれ投入した実施例28〜35の水溶液中のCrの含有量は著しく低くなっていることが確認された。これは、上記の還元剤の投入によって、Crが非水溶性に変化したことを示している。
表2に示す結果から、Crに対する還元力は、超硬粉末>W粉末>WC粉末>C粉末の順序であることがわかった。なお、上記で投入した還元剤を用いた場合には、水溶液中にCrがほとんど残っていないことが確認された。
表2に示すように、上記の還元剤が投入されていない比較例1の水溶液中の反応生成物中のVの溶解量(1リットル当たり0.0196g)に対して、還元剤としてW粉末、WC粉末、超硬粉末およびC粉末をそれぞれ投入した実施例28〜35の水溶液中のVの含有量は著しく低くなっていることが確認された。これは、上記の還元剤の投入によって、Vが非水溶性に変化したことを示している。
表2に示す結果から、Vに対する還元力は、超硬粉末>W粉末>WC粉末>C粉末の順序であることがわかった。なお、上記で投入した還元剤のうちC粉末を還元剤として用いた場合には、水溶液中のVの含有量の減少幅が小さかったため、Vの還元作用が小さいことおよびVが還元されても水溶性のバナジウム化合物が存在することが考えられる。
WC−Co系超硬合金とNaNO3の溶融塩との反応は上記の(1)式に従って進み、生成した酸化ナトリウムが水と反応して水酸化ナトリウムに変化するため、表2に示すように、還元剤が投入されなかった比較例1の水溶液は強アルカリ性であった。
一方、実施例28〜35に示すように、一般的には還元剤の投入量の増加に伴って水溶液のpHは低下し、実施例31、34および35においては中性であったことから水溶液中の酸化ナトリウムがほぼ完全にタングステン酸ナトリウムに変化したものと考えられる。
なお、実施例32〜33に示すように、還元剤としてC粉末を投入した場合には酸化ナトリウムがほとんど反応せず、pHはあまり低下しないことが確認された。
また、上記の実施例28〜35の水溶液の作製の際のろ過により採取した沈殿物を乾燥してEDX分析で調べた結果、すべての沈殿物からCoが検出された。これは、実施例28〜35の水溶液においてはCoが非水溶化していることを示している。なお、実施例35においては、還元剤としてのW粉末が過剰に投入されたために未反応のW粉末が沈殿物にも確認された。
<実施例36>
まず、ステンレス製の反応容器にWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)のハードスクラップ1kgを投入し、反応容器に収容されたハードスクラップを加熱炉を用いて720℃に加熱した後、NaNO3粉末を1.2kgを3時間かけて供給することにより反応させて反応生成物を生成した。なお、反応が完了するまでの間、加熱炉の温度を調整して、反応生成物の温度を720℃〜750℃の範囲内に保って融液として保持した。
次に、反応生成物の融液の温度を720℃に保ちながら、WC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)のソフトスクラップを一定量ずつ2時間かけて反応生成物の融液に供給した。
その結果、上記のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応はソフトスクラップの供給量を調整することにより穏やかに進行して反応の制御が可能であることが確認された。また、ソフトスクラップを上記の反応生成物の融液に供給することにより、副生成物である酸化ナトリウムを反応させてタングステン酸ナトリウムが得られることも確認された。
ソフトスクラップを反応生成物の融液に供給することにより反応を進行させている途中に生成している生成物を反応の進行につれて複数回サンプリングし、サンプリングした生成物を水に溶解して水溶液をそれぞれ作製した。そして、水溶液中に溶解しているCrとVの濃度をICP発光分光分析により分析した。その結果を図9に示す。なお、図9において、縦軸はCrおよびVの水溶液中の濃度を示しており、横軸は反応生成物の融液の質量に対するソフトスクラップの投入量の割合を示している。
図9に示すように、Crはソフトスクラップの投入による還元でほぼ100%非水溶化することができた。また、Vはソフトスクラップの投入による還元で60%程度を非水溶化することができたことに留まったが、還元剤の投入によりVを非水溶化できることは確認できた。
なお、上記のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応による反応生成物をそのまま純水に溶解してNa2WO4水溶液を作製した場合には、上記の反応の副生成物である酸化ナトリウムは水と反応して水酸化ナトリウムを生成するため、水溶液はpH11前後の強アルカリ性を示した。
一方、上記のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応による反応生成物に上記のソフトスクラップを投入した後に純水に溶解してNa2WO4水溶液を作製した場合には、上記の反応の副生成物である酸化ナトリウムは上記のソフトスクラップの投入により消費されるため、水溶液はpH8以下の弱アルカリ性を示した。したがって、ソフトスクラップを投入した場合には、その後の工程で酸を投入して中和させるときでも、酸の投入量を低減することができる点でも好ましいと考えられる。
<実施例37>
反応容器中においてWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応により反応生成物の融液を作製した後、ソフトスクラップとしてWC粉末を反応生成物の融液の質量1.00に対して0.30の質量比で投入した。
そして、上記の反応生成物の融液を冷却して固化させた後、80℃の温水に溶解させて水溶液を作製したところ、固化した反応生成物の約3割が水に溶解せずに岩石状の固形物のまま反応容器に固着して残留した。そして、反応容器に固着して残留した固形物の成分をX線回折法により解析した。図10に、上記の固形物のX線回折法によるX線回折パターンを示す。なお、図10において、縦軸はX線回折強度(cps)を示しており、横軸は回折角2θ(°)を示している。
図10のX線回折パターンにおいては、Na2WO4、WCおよびCoにそれぞれ対応するX線回折ピークが認められた。WCに対応するX線回折ピークは、上記で投入したWC粉末が酸化ナトリウムと反応しきれずに残留したことを示している。
なお、WC粉末が酸化ナトリウムと反応するためには、上記の式(10)に示すように、酸素が必要となると考えられる。また、WC粉末と酸化ナトリウムとを反応させる他の方法としては、上記の式(11)に示す反応を起こさせるために、還元剤としてのWC粉末とともに酸化物のWO3粉末を投入する方法が考えられる。
反応容器中においてWC−Co系超硬合金(WC系超硬合金)のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応により反応生成物の融液を作製した後、ソフトスクラップの主成分であるWC粉末とWO3粉末との混合物を反応生成物の融液の質量1に対して0.35の質量比で投入した。なお、上記の混合物のモル比はWC:WO3=1:4であった。
そして、上記の反応生成物の融液を冷却して固化させた後、80℃の温水に溶解させて水溶液を作製したところ、WC粉末を単独で投入した場合と異なり、固化した反応生成物を完全に溶解させることができた。
そして、上記の水溶液をろ過することによって上記の水溶液から不溶の残渣を採取し、その残渣の成分をX線回折法により解析した。図11に、上記の残渣のX線回折法によるX線回折パターンを示す。なお、図11において、縦軸はX線回折強度(cps)を示しており、横軸は回折角2θ(°)を示している。
図11のX線回折パターンにおいては、WCに対応するX線回折ピークがわずかながら認められたが、ほとんどのWCは酸化ナトリウムとの反応によって消費されていることが確認された。また、図11のX線回折パターンにおいては、Na2WO4に対応するX線回折ピークが認められなかったことから、生成したNa2WO4は水溶液中に残存しておらず、すべて水により抽出されたことも確認された。
したがって、上記のハードスクラップとNaNO3の溶融塩との反応により生成した反応生成物にWC粉末やソフトスクラップを加えて酸化ナトリウムを除去する場合には酸素の供給が有効であることがわかった。
なお、酸素の供給方法の一例としては、上記のように、還元剤としてのWCとともにWO3を用いる方法が挙げられる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、タングステン酸ナトリウムの製造方法およびその方法を用いたタングステンの回収方法に利用することができる。
本発明は、タングステン酸ナトリウム水溶液の製造方法およびタングステンの回収方法に利用することができる。
1 タングステン含有材料供給口、1a タングステン含有材料導入管、1b,2b 貯蔵装置、2 硝酸ナトリウム供給口、2a 硝酸ナトリウム導入管、3 タングステン含有材料、4 硝酸ナトリウム、5 保護容器、6 加熱装置、7 回転軸、8 保持容器、9 融液、10 外壁部、11 排出口、12 ローラ、13 保護容器、14 加熱装置、15 吸気口、16 排気口、17 反応容器、18 容器、21 樋、22 集塵排気口、23 自動供給装置、25 ソフトスクラップ、27,37 攪拌機、28 ガス導入口、29 融液排出路、31 粉体供給器、39 水、41 保持炉、42 水溶解槽。

Claims (9)

  1. タングステン含有材料からタングステン酸ナトリウムを製造する方法であって、
    硝酸ナトリウムまたは亜硝酸ナトリウムのいずれか一方からなる酸化剤、および前記タングステン含有材料の少なくとも一方を連続的にまたは間欠的に供給する工程と、
    前記酸化剤および前記タングステン含有材料の少なくとも一方を加熱する工程と、
    酸素を含有する雰囲気において、前記タングステン含有材料と前記酸化剤とを接触させることにより反応生成物を連続的に生成する工程と、
    前記反応生成物の少なくとも一部を前記タングステン含有材料と前記酸化剤との接触界面から取り除く工程と、を含む、タングステン酸ナトリウムの製造方法。
  2. 前記加熱する工程における加熱温度が700℃以上850℃以下であることを特徴とする、請求項1に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  3. 前記酸化剤の供給量の総和は、前記タングステン含有材料の総質量の1.2倍以上4倍以下とされることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  4. 前記反応生成物を連続的に生成する工程において、前記タングステン含有材料は保持容器に収容されており、前記保持容器に収容された前記タングステン含有材料の少なくとも一部が前記酸化剤および前記反応生成物の少なくとも一方を含む融液中に浸沈していることを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  5. 前記タングステン含有材料の半分以上が前記融液中に浸沈しており、その量をほぼ一定とすることを特徴とする、請求項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  6. 前記反応生成物とともに発生する排ガスに含まれる窒素酸化物の少なくとも一部を分解することによって、前記排ガス中の前記窒素酸化物の濃度を連続的に150ppm以下とすることを特徴とする、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  7. 前記反応生成物を水に溶解させることによって生成したオキソ酸ナトリウム塩を加水分解する工程と、
    前記加水分解により生成した非水溶物をろ過によって取り除いてタングステン酸ナトリウムを抽出する工程とを含むことを特徴とする、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  8. 前記反応生成物の少なくとも一部を前記タングステン含有材料と前記酸化剤との接触界面から取り除く工程は、前記タングステン含有材料と前記酸化剤の溶融塩との接触界面からタングステン酸ナトリウムの融液を取り除きながら前記タングステン含有材料と前記酸化剤の溶融塩との反応を進める工程を含むことを特徴とする、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法。
  9. 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のタングステン酸ナトリウムの製造方法を含む、タングステンの回収方法。
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