JP5631167B2 - Electrolyzer for sodium purification - Google Patents

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本発明は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる、ナトリウム精製用電解槽に関する。   The present invention relates to an electrolytic cell for purifying sodium, which is used when electrolytically purifying impurity-containing sodium to produce purified sodium.

ナトリウム硫黄電池は、正極に硫黄を、負極にナトリウムを、電解質にβアルミナを使用した二次電池である。ナトリウム硫黄電池は、電力貯蔵用の電池として注目されており、数多く製造されている。これに伴い、使用済みナトリウム硫黄電池が今後大量に発生することが予想されるため、使用済みナトリウム硫黄電池に含まれるナトリウムなどの有用資源を再利用する技術を開発することが求められている。   The sodium-sulfur battery is a secondary battery that uses sulfur for the positive electrode, sodium for the negative electrode, and β-alumina for the electrolyte. Sodium-sulfur batteries are attracting attention as power storage batteries, and many are manufactured. Accordingly, it is expected that a large amount of used sodium-sulfur batteries will be generated in the future, so that it is required to develop a technology for reusing useful resources such as sodium contained in the used sodium-sulfur batteries.

使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムには、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物の混入が考えられる。したがって、使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムを再利用するためには、これらの不純物を除去する必要がある。   The sodium recovered from the used sodium-sulfur battery may be contaminated with impurities such as iron, sulfur and calcium. Therefore, in order to reuse the sodium recovered from the used sodium sulfur battery, it is necessary to remove these impurities.

近年、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを精製する方法として、電解液を用いた電解精製法が提案されている。たとえば、特許文献１には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、アルミニウムのハロゲン化物（ＡｌＣｌ３）およびアルカリ金属のハロゲン化物（ＮａＣｌまたはＫＣｌ）からなる溶融塩を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。また、特許文献２には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、カーボネート系有機溶媒（炭酸エチレンまたは炭酸プロピレン）およびナトリウム塩（ＮａＰＦ６など）からなる溶液を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。 In recent years, an electrolytic purification method using an electrolytic solution has been proposed as a method for purifying high-purity sodium from impurity-containing sodium. For example, Patent Document 1 discloses that electrolysis is performed using an impurity-containing sodium as an anode and a molten salt composed of an aluminum halide (AlCl 3 ) and an alkali metal halide (NaCl or KCl) as an electrolytic solution. A method for depositing sodium on the cathode is described. Patent Document 2 discloses that high-purity sodium is obtained by electrolysis using an impurity-containing sodium as an anode and a solution composed of a carbonate-based organic solvent (ethylene carbonate or propylene carbonate) and a sodium salt (NaPF 6 or the like) as an electrolyte. Describes a method of depositing on the cathode.

図１は、特許文献１，２に記載の方法で用いられる電解槽の構成を示す模式図である。図１に示されるように、電解槽本体１０の内部に、不純物含有ナトリウム３０、電解液４０および精製ナトリウム５０が収容されている。不純物含有ナトリウム３０および精製ナトリウム５０は、電解液４０上に浮上しており、絶縁体からなる隔壁２０によって互いに隔離されている。不純物含有ナトリウム３０は陽極として機能し、精製ナトリウム５０は陰極として機能する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electrolytic cell used in the methods described in Patent Documents 1 and 2. As shown in FIG. 1, impurity-containing sodium 30, electrolytic solution 40, and purified sodium 50 are accommodated inside the electrolytic cell main body 10. The impurity-containing sodium 30 and the purified sodium 50 float on the electrolytic solution 40 and are separated from each other by a partition wall 20 made of an insulator. The impurity-containing sodium 30 functions as an anode, and the purified sodium 50 functions as a cathode.

図１に示されるように、特許文献１，２に記載の方法では、陽極において、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムのみがナトリウムイオンとなって電解液に溶出し、その他の多くの不純物は不純物含有ナトリウム中に残存する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウム（ナトリウムイオン）のみが陰極の表面に析出する。その結果、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを製造することができる。   As shown in FIG. 1, in the methods described in Patent Documents 1 and 2, only sodium contained in the impurity-containing sodium is converted into sodium ions and eluted into the electrolytic solution at the anode, and many other impurities contain impurities. Remains in sodium. On the other hand, at the cathode, only sodium (sodium ion) contained in the electrolytic solution is deposited on the surface of the cathode. As a result, high-purity sodium can be produced from the impurity-containing sodium.

特開２００８−２８５７２８号公報JP 2008-285728 A 特開２０１０−０１３６７３号公報JP 2010-013673 A

しかしながら、図１に示される従来の電解槽では、電解精製を行う際に電流密度を高めにくいという問題がある。すなわち、図２Ａに示されるように、従来の電解槽を用いて電解精製を行うと、不純物含有ナトリウム３０と電解液４０の界面と、電解液４０と精製ナトリウム５０の界面とが対向していないため、これら２つの界面の一部分のみに電流が集中してしまうおそれがある。また、このような状況において低温で電解精製を行うと、図２Ｂに示されるように、不純物含有ナトリウム３０（陽極）と精製ナトリウム５０（陰極）とが短絡してしまうおそれもある。したがって、従来の電解槽を用いた電解精製では、安全性の観点から電流密度を高めることが困難であった。   However, the conventional electrolytic cell shown in FIG. 1 has a problem that it is difficult to increase the current density when performing electrolytic purification. That is, as shown in FIG. 2A, when electrolytic purification is performed using a conventional electrolytic cell, the interface between the impurity-containing sodium 30 and the electrolytic solution 40 does not face the interface between the electrolytic solution 40 and the purified sodium 50. Therefore, the current may concentrate on only a part of these two interfaces. Further, when electrolytic purification is performed at a low temperature in such a situation, as shown in FIG. 2B, the impurity-containing sodium 30 (anode) and the purified sodium 50 (cathode) may be short-circuited. Therefore, it is difficult to increase the current density from the viewpoint of safety in the electrolytic purification using the conventional electrolytic cell.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができるナトリウム精製用電解槽を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the electrolytic cell for sodium refinement | purification which can manufacture refined sodium safely even if it raises a current density.

本発明者は、不純物含有ナトリウム（陽極）と電解液との間、および／または電解液と精製ナトリウム（陰極）との間に貫通孔を複数有する分離部材を配置して、上記２つの界面を対向させることで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。   The present inventor arranges a separating member having a plurality of through holes between the impurity-containing sodium (anode) and the electrolytic solution and / or between the electrolytic solution and purified sodium (cathode), and The present inventors have found that the above problems can be solved by making them face each other, and have further studied and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下のナトリウム精製用の電解槽に関する。
［１］不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって：不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材とを有し；前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、ナトリウム精製用電解槽。
［２］前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、［１］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［３］前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、［２］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［４］前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載のナトリウム精製用電解槽。 That is, the present invention relates to the following electrolytic cell for purifying sodium.
[1] An electrolytic cell for purifying sodium used when electrolytically purifying impurity-containing sodium to produce purified sodium: an electrolytic cell main body containing impurity-containing sodium, electrolytic solution and purified sodium, and an open area of 0 A separation member having a plurality of through holes in a range of 25 to 4 mm 2 and an opening area ratio of 50% or more; the separation member accommodates the impurity-containing sodium in the electrolytic cell body A sodium refining electrolytic cell disposed between at least one of a space for storing the electrolytic solution and a space for storing the electrolytic solution and a space for storing the purified sodium.
[2] In the electrolytic cell main body, the separation member accommodates the space containing the impurity-containing sodium and the space containing the electrolytic solution, and the space containing the electrolytic solution and the purified sodium. The electrolytic cell for purifying sodium according to [1], which is disposed both between the space.
[3] The separation member disposed between the space containing the impurity-containing sodium and the space containing the electrolytic solution, and the space containing the electrolytic solution and the space containing the purified sodium The electrolytic cell for sodium purification according to [2], wherein the separation members to be arranged are arranged in parallel to each other.
[4] The electrolytic cell for sodium purification according to any one of [1] to [3], wherein the separation member is an iron wire mesh having an opening of 0.5 to 2.0 mm.

本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、より安全かつ高速に精製ナトリウムを製造することができる。   If the electrolytic cell for sodium purification of the present invention is used, purified sodium can be produced safely even if the current density is increased. Therefore, by using the electrolytic cell for sodium purification of the present invention, purified sodium can be produced more safely and at high speed.

従来のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional electrolytic tank for sodium refinement | purification. 図２Ａは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行う際の電流分布を示す模式図である。図２Ｂは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際に陽極と陰極とが短絡した様子を示す模式図である。FIG. 2A is a schematic diagram showing a current distribution when electrolytic purification is performed using a conventional sodium purification electrolytic cell. FIG. 2B is a schematic view showing a state where the anode and the cathode are short-circuited when electrolytic purification is performed using a conventional sodium purification electrolytic cell. 本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrolytic cell for sodium purification of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the use condition of the electrolytic cell for sodium purification of Embodiment 1 of this invention. 図５Ａは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図５Ｂは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。FIG. 5A is a schematic diagram showing how sodium is purified when electrolytic purification is performed using the sodium purification electrolytic cell of Embodiment 1. FIG. FIG. 5B is a schematic diagram showing a current distribution when electrolytic purification is performed using the sodium purification electrolytic cell of Embodiment 1. 本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrolytic cell for sodium purification of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the use condition of the electrolytic cell for sodium purification of Embodiment 2 of this invention. 図８Ａは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図８Ｂは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。FIG. 8A is a schematic diagram showing how sodium is purified when electrolytic purification is performed using the sodium purification electrolytic cell of Embodiment 2. FIG. FIG. 8B is a schematic diagram showing a current distribution when electrolytic purification is performed using the sodium purification electrolytic cell of Embodiment 2.

本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる電解槽である。ここで「不純物含有ナトリウム」とは、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含む、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。また、「精製ナトリウム」とは、前述の不純物含有ナトリウムよりも不純物の含有率が低い、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。   The electrolytic cell for sodium purification of the present invention is an electrolytic cell used when producing purified sodium by electrolytic purification of impurity-containing sodium. Here, “impurity-containing sodium” means a composition containing sodium as a main component and containing impurities such as iron, sulfur and calcium. Further, “purified sodium” means a composition containing sodium as a main component and having a lower impurity content than the above-mentioned impurity-containing sodium.

本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体および分離部材を有する。本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体内に分離部材を設置している点を一つの特徴とする。以下、各構成要素について説明する。   The electrolytic cell for sodium purification of the present invention has an electrolytic cell main body and a separating member. The electrolytic cell for sodium purification of the present invention is characterized in that a separating member is installed in the electrolytic cell body. Hereinafter, each component will be described.

電解槽本体は、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。後述するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、それぞれ電解槽本体内の異なる空間に収容される。このとき、不純物含有ナトリウムは、電解液には接触するが精製ナトリウムには接触しないように収容される。また、精製ナトリウムは、電解液には接触するが不純物含有ナトリウムには接触しないように収容される。不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、水平方向に隣接してもよいし（実施の形態１参照）、垂直方向に隣接してもよい（実施の形態２参照）。   The electrolytic cell body is an insulating container that contains liquid impurity-containing sodium, electrolytic solution, and liquid purified sodium. As will be described later, the impurity-containing sodium, the electrolytic solution, and the purified sodium are accommodated in different spaces in the electrolytic cell main body. At this time, the impurity-containing sodium is accommodated so as to come into contact with the electrolytic solution but not into the purified sodium. Purified sodium is accommodated so as to come into contact with the electrolytic solution but not into the impurity-containing sodium. The impurity-containing sodium, the electrolytic solution, and the purified sodium may be adjacent in the horizontal direction (see Embodiment 1) or may be adjacent in the vertical direction (see Embodiment 2).

電解槽本体の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ絶縁性のものであれば特に限定されない。たとえば、電解槽本体として、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などを用いることができる。   The material of the electrolytic cell main body is not particularly limited as long as it has heat resistance capable of withstanding the temperature during electrolytic purification, does not react with sodium and the electrolytic solution, and is insulative. For example, a polytetrafluoroethylene container, an alumina ceramic container, or the like can be used as the electrolytic cell body.

分離部材は、電解槽本体内において、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）を収容する空間と電解液を収容する空間との間に配置される、複数の貫通孔を有する板状部材である。分離部材は、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離する。   The separation member is a plate-like member having a plurality of through-holes disposed between a space for storing liquid sodium (impurity-containing sodium or purified sodium) and a space for storing an electrolytic solution in the electrolytic cell main body. . The separation member separates the liquid sodium and the electrolytic solution while ensuring contact between the liquid sodium and the electrolytic solution.

分離部材は、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の一方に配置されてもよいし（実施の形態２参照）、両方に配置されてもよい（実施の形態１参照）。いずれの場合であっても、不純物含有ナトリウムと電解液との界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが対向するように、分離部材は配置される。このようにすることで、これらの界面の一部分のみに電流が集中するのを防ぐことができる。   The separation member may be disposed between one of the space containing the impurity-containing sodium and the space containing the electrolytic solution, and one between the space containing the electrolytic solution and the space containing purified sodium (implementation). 2) and may be arranged on both (see Embodiment 1). In any case, the separating member is arranged so that the interface between the impurity-containing sodium and the electrolytic solution faces the interface between the electrolytic solution and purified sodium. By doing in this way, it can prevent that an electric current concentrates only in a part of these interfaces.

分離部材は、液体ナトリウムと電解液とが接触するための貫通孔を複数有する。貫通孔の形状は、液体ナトリウムと電解液とが接触することができれば特に限定されない。複数の貫通孔の形状は、すべて同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、１つの貫通孔が途中で分岐してもよいし、２つの貫通孔が途中で合流していてもよい。   The separation member has a plurality of through-holes for contact between the liquid sodium and the electrolytic solution. The shape of the through hole is not particularly limited as long as the liquid sodium and the electrolytic solution can contact each other. The shapes of the plurality of through holes may all be the same or different. Further, one through hole may be branched in the middle, or two through holes may be joined in the middle.

各貫通孔の開口面積は、０.２５〜４ｍｍ２の範囲内が好ましい。ここで「貫通孔の開口面積」とは、その貫通孔の中で一番細い部分の断面積を意味する。貫通孔の開口面積が４ｍｍ２超の場合、電解精製中に液体ナトリウムが貫通孔を通って反対側に移動してしまうおそれがある。また、貫通孔の開口面積が０.２５ｍｍ２未満の場合、貫通孔が目詰まりしてしまい、電解精製を行うことができなくなるおそれがある。一方、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の場合は、液体ナトリウムと電解液とを分離しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができる（参考実験参照）。 The opening area of each through hole is preferably in the range of 0.25 to 4 mm 2 . Here, the “opening area of the through hole” means the cross-sectional area of the thinnest portion of the through hole. When the opening area of the through hole is more than 4 mm 2 , liquid sodium may move to the opposite side through the through hole during electrolytic purification. Moreover, when the opening area of a through-hole is less than 0.25 mm < 2 >, a through-hole will be clogged and there exists a possibility that it may become impossible to perform electrolytic purification. On the other hand, when the opening area of the through hole is in the range of 0.25 to 4 mm 2 , the liquid sodium and the electrolytic solution can be contacted while separating the liquid sodium and the electrolytic solution (see the reference experiment).

また、分離部材の開口面積率は、５０％以上であることが好ましく、大きいほどより好ましい。ここで「分離部材の開口面積率」とは、分離部材を平面視したときの面積に対する、すべての貫通孔の開口面積の合計値の割合を意味する。開口面積率が５０％未満の場合、液体ナトリウムと電解液との接触面積が小さくなってしまい、電解精製の効率が低下してしまうおそれがある。たとえば、８〜３０メッシュの範囲内で、かつ目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内のメッシュは、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内であり、開口面積率が５０％以上であるため、分離部材として好適に使用されうる。 Moreover, it is preferable that the opening area ratio of a separation member is 50% or more, and it is so preferable that it is large. Here, the “opening area ratio of the separating member” means the ratio of the total value of the opening areas of all the through holes to the area when the separating member is viewed in plan. When the opening area ratio is less than 50%, the contact area between the liquid sodium and the electrolytic solution becomes small, and the efficiency of electrolytic purification may be reduced. For example, a mesh within a range of 8 to 30 mesh and a mesh opening range of 0.5 to 2.0 mm has an opening area of the through hole within a range of 0.25 to 4 mm 2 , and the opening area ratio Can be suitably used as a separation member.

分離部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ電解精製時にナトリウムより先に電解液に溶出しないものであれば特に限定されない。そのような材料の例としては、ナトリウムと反応せず（合金を作らず）かつナトリウムよりも貴な金属（例えば、鉄やアルミニウム、モリブデン、銅など）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、セラミックスなどが挙げられる。また、分離部材の形状およびサイズは、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離することができれば特に限定されない。たとえば、分離部材として、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などを用いることができる。   The material of the separation member is not particularly limited as long as it has heat resistance capable of withstanding the temperature during electrolytic purification, does not react with sodium and the electrolytic solution, and does not elute into the electrolytic solution prior to sodium during electrolytic purification. Examples of such materials include metals that do not react with sodium (do not form an alloy) and are nobler than sodium (eg, iron, aluminum, molybdenum, copper, etc.), fluororesins such as polytetrafluoroethylene, Examples include ceramics. The shape and size of the separating member are not particularly limited as long as the liquid sodium and the electrolytic solution can be separated while securing the contact between the liquid sodium and the electrolytic solution. For example, as the separating member, an iron wire mesh (mesh), a mesh made of polytetrafluoroethylene, a thin plate made of porous ceramics, or the like can be used.

本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造する手順は、特に限定されない。たとえば、以下の手順により、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造することができる。   The procedure for producing purified sodium using the electrolytic cell for sodium purification of the present invention is not particularly limited. For example, purified sodium can be produced by the following procedure using the sodium purification electrolytic cell of the present invention.

まず、電解槽本体内の所定の空間に、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを提供する。これにより、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムがそれぞれ収容される。   First, liquid impurity-containing sodium, electrolytic solution, and liquid purified sodium are provided in a predetermined space in the electrolytic cell body. Thus, the impurity-containing sodium, the electrolytic solution, and the purified sodium are accommodated so that the interface between the impurity-containing sodium and the electrolytic solution and the interface between the electrolytic solution and the purified sodium are opposed to each other.

不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを提供する順番は、これらが互いに混じり合わないように、分離部材の位置に応じて適宜決定すればよい（実施の形態１，２参照）。電解槽本体内の不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、不純物含有ナトリウムおよび精製ナトリウムが凝固しないように適宜加熱される。   What is necessary is just to determine suitably the order which provides an impurity containing sodium, electrolyte solution, and refined sodium according to the position of a separation member so that these may not mix mutually (refer Embodiment 1, 2). The impurity-containing sodium, the electrolytic solution, and the purified sodium in the electrolytic cell main body are appropriately heated so that the impurity-containing sodium and the purified sodium are not solidified.

電解液の種類は、ナトリウムを電解精製することができれば特に限定されない。たとえば、電解液としては、特許文献１，２に記載されている電解液や、ＴＦＳＩアニオンのナトリウム塩（ＮａＴＦＳＩ）とＴＦＳＩアニオンの非金属塩との混合物からなるイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）などが挙げられる。   The type of the electrolytic solution is not particularly limited as long as sodium can be electrolytically purified. For example, as the electrolytic solution, an electrolytic solution described in Patent Documents 1 and 2 or an ionic liquid composed of a mixture of a sodium salt of TFSI anion (NaTFSI) and a nonmetallic salt of TFSI anion (see Japanese Patent Application No. 2010-096632). ) And the like.

次に、不純物含有ナトリウムを陽極とするために、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウムと接触させる。同様に、精製ナトリウムを陰極とするために、前記電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウムと接触させる。導電性部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムと反応しないものであれば特に限定されない。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。   Next, in order to use the impurity-containing sodium as an anode, the conductive member connected to the power source is brought into contact with the impurity-containing sodium. Similarly, in order to use purified sodium as a cathode, another conductive member connected to the power source is brought into contact with purified sodium. The material of the conductive member is not particularly limited as long as it has heat resistance that can withstand the temperature during electrolytic purification and does not react with sodium. For example, the conductive member is an electrode rod made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum or glassy carbon.

この状態で、陽極（不純物含有ナトリウム）と陰極（精製ナトリウム）との間に直流電圧を印加して電解精製を行う。電極間に印加する電圧は、反応に必要な過電圧以上の電圧であって、かつ陽極においてナトリウムのみがナトリウムイオンとして電解液に溶解する電圧であれば特に限定されない。直流電圧を印加すると、陽極では、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液に溶出する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウムの表面に析出する（特許文献１，２参照）。   In this state, electrolytic purification is performed by applying a DC voltage between the anode (impurity-containing sodium) and the cathode (purified sodium). The voltage applied between the electrodes is not particularly limited as long as it is a voltage equal to or higher than the overvoltage necessary for the reaction and only sodium is dissolved in the electrolyte as sodium ions at the anode. When a DC voltage is applied, sodium contained in the impurity-containing sodium is converted into sodium ions and eluted into the electrolytic solution at the anode. On the other hand, at the cathode, sodium ions contained in the electrolytic solution are deposited on the surface of purified sodium as sodium (see Patent Documents 1 and 2).

以上のように、不純物含有ナトリウムからナトリウムを電解液に溶出させるとともに、電解液に含まれるナトリウムを精製ナトリウムの表面に析出させることで、不純物含有ナトリウムから精製ナトリウムを製造することができる。   As described above, purified sodium can be produced from the impurity-containing sodium by eluting sodium from the impurity-containing sodium into the electrolytic solution and precipitating the sodium contained in the electrolytic solution on the surface of the purified sodium.

本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向しているため、これらの界面の一部分に電流が集中することがない。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができ、精製ナトリウムをより安全かつより早く製造することができる。   In the electrolytic cell for purifying sodium of the present invention, since the interface between the impurity-containing sodium and the electrolytic solution and the interface between the electrolytic solution and the purified sodium are opposed to each other, current does not concentrate on a part of these interfaces. Therefore, if the electrolytic cell for sodium purification of the present invention is used, purified sodium can be produced safely even if the current density is increased, and purified sodium can be produced more safely and quickly.

たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収した鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含むナトリウムからナトリウムを精製するのに好適である。   For example, the electrolytic cell for sodium purification of the present invention is suitable for purifying sodium from sodium containing impurities such as iron, sulfur and calcium recovered from a used sodium sulfur battery.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the scope of the present invention is not limited thereto.

（実施の形態１）
実施の形態１では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に分離部材を設置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。 (Embodiment 1)
In the first embodiment, the separation member is installed between the space containing the impurity-containing sodium and the space containing the electrolytic solution, and between the space containing the electrolytic solution and the space containing purified sodium. The electrolytic cell for sodium purification of the present invention will be described.

図３は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図３に示されるように、ナトリウム精製用電解槽１００は、電解槽本体１１０、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０を有する。電解槽本体１１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、水平方向に隣接するように設けられている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the electrolytic cell for sodium purification of the first embodiment. As shown in FIG. 3, the sodium purification electrolytic cell 100 includes an electrolytic cell main body 110, a first separation member 120, and a second separation member 130. In the electrolytic cell main body 110, a space 140 'for storing impurity-containing sodium, a space 150' for storing an electrolytic solution, and a space 160 'for storing purified sodium are provided so as to be adjacent in the horizontal direction.

電解槽本体１１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。   The electrolytic cell main body 110 is an insulating container that contains impurity-containing sodium, an electrolytic solution, and purified sodium. For example, the electrolytic cell main body 110 is a container made of polytetrafluoroethylene, a container made of alumina ceramics, or the like.

第１の分離部材１２０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。同様に、第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０内において、電解液を収容する空間１５０’と精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’は水平方向に隣接するように配置されているため、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０の底面に対して垂直になるように設置されている。また、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、互いに平行になるように設置されている。   The first separation member 120 is installed in the electrolytic cell main body 110 between a space 140 ′ for storing impurity-containing sodium and a space 150 ′ for storing an electrolytic solution. Similarly, the second separation member 130 is installed in the electrolytic cell main body 110 between a space 150 ′ for containing an electrolytic solution and a space 160 ′ for containing purified sodium. As described above, the space 140 ′ containing the impurity-containing sodium, the space 150 ′ containing the electrolytic solution, and the space 160 ′ containing the purified sodium are arranged so as to be adjacent to each other in the horizontal direction. 120 and the second separation member 130 are installed to be perpendicular to the bottom surface of the electrolytic cell main body 110. The first separation member 120 and the second separation member 130 are installed so as to be parallel to each other.

第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、いずれも開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０の開口面積率は、いずれも５０％以上である。第１の分離部材１２０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離している。同様に、第２の分離部材１３０は、電解液と精製ナトリウムとの間の接触を確保しつつ、電解液と精製ナトリウムとを分離している。たとえば、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。 Each of the first separation member 120 and the second separation member 130 has a plurality of through holes having an opening area in the range of 0.25 to 4 mm 2 . The opening area ratios of the first separation member 120 and the second separation member 130 are both 50% or more. The first separation member 120 separates the impurity sodium and the electrolytic solution while ensuring contact between the impurity-containing sodium and the electrolytic solution. Similarly, the second separation member 130 separates the electrolytic solution and the purified sodium while ensuring contact between the electrolytic solution and the purified sodium. For example, the first separation member 120 and the second separation member 130 are an iron wire mesh (mesh), a polytetrafluoroethylene mesh, a porous ceramic thin plate, or the like.

図４は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。   FIG. 4 is a schematic diagram showing how purified sodium is produced using the sodium purification electrolytic cell 100 of the first embodiment.

図４に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。   As shown in FIG. 4, when producing purified sodium, impurity-containing sodium 140, electrolytic solution 150, and purified sodium 160 are accommodated in predetermined spaces, respectively. The procedure for housing the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 is not particularly limited, and may be performed, for example, according to the following procedure.

まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０内の一方の端に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、液体の精製ナトリウム１６０を、電解槽本体１１０内の他方の端に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。最後に、電解液１５０を、電解槽本体１１０内の中央に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。前述の通り、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、電解液１５０を提供する前であっても、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０が貫通孔を通して電解液を収容する空間１５０に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。 First, liquid impurity-containing sodium 140 is provided in a space 140 ′ that contains impurity-containing sodium located at one end in the electrolytic cell main body 110. Next, liquid purified sodium 160 is provided in a space 160 ′ containing purified sodium located at the other end in the electrolytic cell body 110. Finally, the electrolytic solution 150 is provided in a space 150 ′ that houses the electrolytic solution located in the center of the electrolytic cell main body 110. As described above, since the opening area of the through holes formed in the first separation member 120 and the second separation member 130 is 4 mm 2 or less, the impurity-containing sodium is provided even before the electrolytic solution 150 is provided. 140 and purified sodium 160 do not flow out into the space 150 containing the electrolyte solution through the through hole. Therefore, according to the above procedure, the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 can be accommodated in predetermined spaces, respectively.

不純物含有ナトリウム１４０または精製ナトリウム１６０と電解液１５０とを効率よく接触させる観点から、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０は液体であることが好ましい。したがって、図４に示されるように、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０は、外部に設けられた加熱部１７０により加熱されることが好ましい。たとえば、加熱部１７０は、電解槽本体１１０の下面および／または側面に配置されたヒーターである。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、使用する電解液１５０の種類に応じて適宜設定すればよい。たとえば、電解液１５０として前述のイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）を使用する場合、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、１２０〜１７０℃（好ましくは１６０℃）程度とすればよい。   From the viewpoint of efficiently bringing the impurity-containing sodium 140 or purified sodium 160 into contact with the electrolytic solution 150, the impurity-containing sodium 140 and the purified sodium 160 are preferably liquid. Therefore, as shown in FIG. 4, the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 are preferably heated by a heating unit 170 provided outside. For example, the heating unit 170 is a heater disposed on the lower surface and / or the side surface of the electrolytic cell main body 110. What is necessary is just to set suitably the temperature of the impurity containing sodium 140, the electrolyte solution 150, and the refinement | purification sodium 160 according to the kind of electrolyte solution 150 to be used. For example, when the above-described ionic liquid (see Japanese Patent Application No. 2010-096632) is used as the electrolytic solution 150, the temperatures of the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 are about 120 to 170 ° C. (preferably 160 ° C.). And it is sufficient.

本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図４に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。   In the case of producing purified sodium using the sodium purification electrolytic cell 100 of the present embodiment, the impurity-containing sodium 140 is used as an anode, and the purified sodium 160 is used as a cathode. Therefore, as shown in FIG. 4, the conductive member connected to the power source is brought into contact with the impurity-containing sodium 140, and another conductive member connected to the same power source is brought into contact with the purified sodium 160. For example, the conductive member is an electrode rod made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum or glassy carbon.

図５Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。   As shown in FIG. 5A, when a DC voltage is applied using the impurity-containing sodium 140 as the anode and the purified sodium 160 as the cathode, the sodium contained in the impurity-containing sodium 140 is sodium at the interface between the impurity-containing sodium 140 and the electrolyte 150. It elutes into the electrolyte 150 as ions. On the other hand, at the interface between the electrolytic solution 150 and the purified sodium 160, sodium ions contained in the electrolytic solution 150 are deposited on the surface of the purified sodium 160 as sodium. Therefore, by providing the impurity-containing sodium 140 on the anode side and collecting the purified sodium 160 deposited on the cathode side, the purified sodium 160 can be produced using the impurity-containing sodium 140 as a raw material.

本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図５Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。   When purified sodium is produced using the sodium purification electrolytic bath 100 of the present embodiment, the interface between the impurity-containing sodium 140 and the electrolyte 150 and the interface between the electrolyte 150 and the purified sodium 160 are parallel to each other. Therefore, as shown in FIG. 5B, current does not concentrate on a portion of these interfaces. Therefore, if the sodium purification electrolytic cell 100 of the present embodiment is used, purified sodium can be produced safely even if the current density is increased.

（実施の形態２）
実施の形態２では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間のみに分離部材を配置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。 (Embodiment 2)
In the second embodiment, a sodium refining electrolytic cell of the present invention in which a separating member is disposed only between a space containing impurity-containing sodium and a space containing an electrolytic solution will be described.

図６は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図６に示されるように、ナトリウム精製用電解槽２００は、電解槽本体２１０、隔壁２２０および分離部材２３０を有する。電解槽本体２１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、垂直方向に隣接するように設けられている。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the sodium refining electrolytic cell of the second embodiment. As shown in FIG. 6, the sodium purification electrolytic cell 200 includes an electrolytic cell main body 210, partition walls 220, and a separation member 230. In the electrolytic cell main body 210, a space 140 ′ for storing impurity-containing sodium, a space 150 ′ for storing an electrolytic solution, and a space 160 ′ for storing purified sodium are provided so as to be adjacent in the vertical direction.

電解槽本体２１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。   The electrolytic cell main body 210 is an insulating container that contains impurity-containing sodium, electrolytic solution, and purified sodium. For example, the electrolytic cell main body 110 is a container made of polytetrafluoroethylene, a container made of alumina ceramics, or the like.

隔壁２２０は、電解槽本体内２１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている、絶縁性の板状部材である。隔壁２２０は、分離部材２３０のような貫通孔を有しておらず、不純物含有ナトリウムと電解液および精製ナトリウムとを完全に隔離する。たとえば、隔壁２２０は、ポリテトラフルオロエチレン製の平板やアルミナセラミックス製の平板である。   In the electrolytic cell main body 210, the partition wall 220 is installed between a space 140 ′ for storing impurity-containing sodium, a space 150 ′ for storing an electrolytic solution, and a space 160 ′ for storing purified sodium. It is a plate-shaped member. The partition 220 does not have a through-hole like the separating member 230, and completely separates the impurity-containing sodium from the electrolytic solution and the purified sodium. For example, the partition 220 is a flat plate made of polytetrafluoroethylene or a flat plate made of alumina ceramics.

分離部材２３０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’および電解液を収容する空間１５０’は垂直方向に隣接するように配置されているため、分離部材２３０は、電解槽本体２１０の底面に対して平行になるように設置されている。   The separation member 230 is installed in the electrolytic cell main body 110 between a space 140 ′ for storing impurity-containing sodium and a space 150 ′ for storing an electrolytic solution. As described above, the space 140 ′ for storing the impurity-containing sodium and the space 150 ′ for storing the electrolytic solution are arranged so as to be adjacent to each other in the vertical direction. It is installed to be parallel.

分離部材２３０は、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。分離部材２３０の開口面積率は５０％以上である。分離部材２３０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離する。たとえば、分離部材２３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。 The separation member 230 has a plurality of through holes with an opening area in the range of 0.25 to 4 mm 2 . The opening area ratio of the separation member 230 is 50% or more. The separation member 230 separates the impurity sodium and the electrolytic solution while ensuring contact between the impurity-containing sodium and the electrolytic solution. For example, the separating member 230 is an iron wire mesh (mesh), a mesh made of polytetrafluoroethylene, a thin plate made of porous ceramics, or the like.

図７は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。   FIG. 7 is a schematic diagram showing how purified sodium is produced using the sodium purification electrolytic cell 200 of the second embodiment.

図７に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。   As shown in FIG. 7, when producing purified sodium, impurity-containing sodium 140, electrolytic solution 150, and purified sodium 160 are each accommodated in predetermined spaces. The procedure for housing the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 is not particularly limited, and may be performed, for example, according to the following procedure.

まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０の側壁と隔壁２２０の間を通して、電解槽本体２１０内の下部に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、電解液１５０を分離部材２３０の上に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。最後に、液体の精製ナトリウム１６０を、電解液１５０の上に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。前述の通り、分離部材２３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、不純物含有ナトリウム１４０の密度が電解液１５０の密度よりも小さくても、不純物含有ナトリウム１４０が貫通孔を通して分離部材２３０の上側に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。このようにすることで、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とが対向する（図７参照）。 First, the liquid impurity-containing sodium 140 is provided between the side wall of the electrolytic cell main body 110 and the partition wall 220 and into a space 140 ′ containing the impurity-containing sodium located in the lower part of the electrolytic cell main body 210. Next, the electrolytic solution 150 is provided in a space 150 ′ that accommodates the electrolytic solution positioned on the separation member 230. Finally, liquid purified sodium 160 is provided in a space 160 ′ containing purified sodium located above the electrolyte 150. As described above, since the opening area of the through hole formed in the separation member 230 is 4 mm 2 or less, even if the density of the impurity-containing sodium 140 is smaller than the density of the electrolytic solution 150, the impurity-containing sodium 140 is not formed in the through-hole. And does not flow out to the upper side of the separation member 230. Therefore, according to the above procedure, the impurity-containing sodium 140, the electrolytic solution 150, and the purified sodium 160 can be accommodated in predetermined spaces, respectively. By doing so, the interface between the impurity-containing sodium 140 and the electrolytic solution 150 and the interface between the electrolytic solution 150 and the purified sodium 160 face each other (see FIG. 7).

本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図７に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。   In the case of producing purified sodium using the sodium purification electrolytic cell 200 of the present embodiment, the impurity-containing sodium 140 is used as an anode, and the purified sodium 160 is used as a cathode. Therefore, as shown in FIG. 7, the conductive member connected to the power source is brought into contact with the impurity-containing sodium 140, and another conductive member connected to the same power source is brought into contact with the purified sodium 160.

図８Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。   As shown in FIG. 8A, when a DC voltage is applied using the impurity-containing sodium 140 as the anode and the purified sodium 160 as the cathode, the sodium contained in the impurity-containing sodium 140 is sodium at the interface between the impurity-containing sodium 140 and the electrolyte 150. It elutes into the electrolyte 150 as ions. On the other hand, at the interface between the electrolytic solution 150 and the purified sodium 160, sodium ions contained in the electrolytic solution 150 are deposited on the surface of the purified sodium 160 as sodium. Therefore, by providing the impurity-containing sodium 140 on the anode side and collecting the purified sodium 160 deposited on the cathode side, the purified sodium 160 can be produced using the impurity-containing sodium 140 as a raw material.

本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図８Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。   When purified sodium is produced using the sodium purification electrolytic cell 200 of the present embodiment, the interface between the impurity-containing sodium 140 and the electrolytic solution 150 and the interface between the electrolytic solution 150 and the purified sodium 160 are parallel to each other. Therefore, as shown in FIG. 8B, current does not concentrate on a part of these interfaces. Therefore, if the sodium purification electrolytic cell 200 of the present embodiment is used, purified sodium can be produced safely even if the current density is increased.

［参考実験］
本発明者が分離部材に設けられた貫通孔の好ましい開口面積を特定するために行った予備実験の結果を示す。 [Reference experiment]
The result of the preliminary experiment which this inventor performed in order to pinpoint the preferable opening area of the through-hole provided in the separation member is shown.

本実験では、目開きがそれぞれ異なる複数の鉄製メッシュ（分離部材）を準備し、これらのメッシュの貫通孔を液体ナトリウムが通過できるかどうかを調べた。実験結果を表１に示す。ここで「目開き」とは、正方形状の貫通孔の１辺の長さを意味する。   In this experiment, a plurality of iron meshes (separation members) having different openings were prepared, and it was examined whether liquid sodium could pass through the through holes of these meshes. The experimental results are shown in Table 1. Here, “aperture” means the length of one side of a square through hole.

Figure 0005631167
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表１に示されるように、目開き３ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積９ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、液体ナトリウムは容易に貫通孔を通過してしまった。この結果から、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動してしまうことが予想される。したがって、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材としては好ましくない。 As shown in Table 1, when a mesh having an opening of 3 mm (opening area 9 mm 2 per through hole) was used, liquid sodium easily passed through the through hole. From this result, when a separating member having a through hole with an opening area of 9 mm 2 is used, it is expected that liquid sodium (impurity-containing sodium or purified sodium) moves to the electrolyte side through the through hole. Therefore, the separation member having a through hole with an opening area of 9 mm 2 is not preferable as the separation member of the electrolytic cell for sodium purification of the present invention.

また、目開き０.１ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０１ｍｍ２）のメッシュおよび目開き０.２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、大きな力を加えなければ液体ナトリウムを通過させることができず、また容易に目詰まりが生じてしまった。この結果から、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、電解精製を継続して行うことが困難であると予想される。したがって、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材も、本発明の電解槽の分離部材としては好ましくない。 In addition, when using a mesh with an opening of 0.1 mm (opening area 0.01 mm 2 per through hole) and a mesh with an opening of 0.2 mm (opening area 0.04 mm 2 per through hole), Unless a large force was applied, liquid sodium could not be passed, and clogging occurred easily. From this result, it is expected that it is difficult to continue the electrolytic purification when a separation member having a through hole with an opening area of 0.01 to 0.04 mm 2 is used. Therefore, a separation member having a through hole with an opening area of 0.01 to 0.04 mm 2 is also not preferable as the separation member of the electrolytic cell of the present invention.

一方、目開き０.５ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.２５ｍｍ２）のメッシュおよび目開き２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、そのままでは液体ナトリウムが通過しないが、弱い力を加えることで液体ナトリウムを通過させることができた。この結果から、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動することを抑制しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができると予想される。したがって、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材として好ましい。 On the other hand, when a mesh with an opening of 0.5 mm (opening area per through hole 0.25 mm 2 ) and a mesh with an opening of 2 mm (opening area 4 mm 2 per through hole) is used as it is, liquid sodium Did not pass, but liquid sodium could be passed by applying a weak force. From this result, when a separation member having a through hole with an opening area of 0.25 to 2 mm 2 is used, liquid sodium (impurity-containing sodium or purified sodium) is prevented from moving to the electrolyte solution side through the through hole. However, it is expected that the liquid sodium and the electrolytic solution can be brought into contact with each other. Therefore, the separation member having a through hole having an opening area of 0.25 to 2 mm 2 is preferable as the separation member of the electrolytic cell for sodium purification of the present invention.

たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムをリサイクルする際に有用である。   For example, the electrolytic cell for sodium purification of the present invention is useful when recycling sodium recovered from a used sodium sulfur battery.

１０ 電解槽本体
２０，２２０ 隔壁
３０ 不純物含有ナトリウム
４０ 電解液
５０ 精製ナトリウム
１００，２００ ナトリウム精製用電解槽
１１０，２１０ 電解槽本体
１２０，１３０，２３０ 分離部材
１４０ 不純物含有ナトリウム
１４０’ 不純物含有ナトリウムを収容する空間
１５０ 電解液
１５０’ 電解液を収容する空間
１６０ 精製ナトリウム
１６０’ 精製ナトリウムを収容する空間
１７０ 加熱部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolyzer main body 20,220 Partition 30 Impurity containing sodium 40 Electrolyte 50 Purified sodium 100,200 Sodium refining electrolytic cell 110,210 Electrolyzer main body 120,130,230 Separating member 140 Impurity containing sodium 140 'Contains impurity containing sodium Space 150 electrolytic solution 150 ′ space containing electrolytic solution 160 purified sodium 160 ′ space containing purified sodium 170 heating unit

Claims (4)

不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって、
不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、
開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材と、を有し、
前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、
ナトリウム精製用電解槽。 An electrolytic tank for purifying sodium used for producing purified sodium by electrolytically purifying impurity-containing sodium,
An electrolytic cell main body containing impurity-containing sodium, electrolytic solution and purified sodium;
A separation member having a plurality of through-holes having an opening area of 0.25 to 4 mm 2 and an opening area ratio of 50% or more;
In the electrolytic cell main body, the separating member includes a space between the space containing the impurity-containing sodium and a space containing the electrolytic solution, and a space containing the electrolytic solution and a space containing the purified sodium. Arranged in at least one of the
Electrolyzer for sodium purification. 前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。   In the electrolytic cell main body, the separating member includes a space between the space containing the impurity-containing sodium and a space containing the electrolytic solution, and a space containing the electrolytic solution and a space containing the purified sodium. The electrolytic cell for sodium purification according to claim 1, which is disposed both in between. 前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、請求項２に記載のナトリウム精製用電解槽。   The separation member disposed between the space containing the impurity-containing sodium and the space containing the electrolytic solution, and disposed between the space containing the electrolytic solution and the space containing the purified sodium. The electrolytic cell for sodium purification according to claim 2, wherein the separation members are arranged in parallel to each other. 前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。   2. The electrolytic cell for sodium purification according to claim 1, wherein the separation member is an iron wire mesh having an opening of 0.5 to 2.0 mm.
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