JP6212963B2 - 三塩化チタン溶液の製造方法 - Google Patents
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陽極が配置される陽極室と陰極が配置される陰極室とがイオン交換膜により区画された電解漕を用い、上記陽極と上記陰極との間に電圧を印加することで四塩化チタンから三塩化チタン溶液を製造する方法であって、
上記イオン交換膜が水素イオンを透過させる陽イオン交換膜であり、
上記陽極室が水素イオン源を含む液体を収容し、
上記陰極室が四塩化チタン溶液を収容することを特徴とする。
三塩化チタン、塩酸及び酸化抑制剤を含み、
上記酸化抑制剤が2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸塩である。
上記課題を解決するためになされた本発明は、
陽極が配置される陽極室と陰極が配置される陰極室とがイオン交換膜により区画された電解漕を用い、上記陽極と上記陰極との間に電圧を印加することで四塩化チタンから三塩化チタン溶液を製造する方法であって、
上記イオン交換膜が水素イオンを透過させる陽イオン交換膜であり、
上記陽極室が水素イオン源を含む液体を収容し、
上記陰極室が四塩化チタン溶液を収容することを特徴とする。
三塩化チタン、塩酸及び酸化抑制剤を含み、
上記酸化抑制剤が2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸塩である三塩化チタン溶液である。
以下に図面を参照しつつ発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等な意味及び範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。
電解槽2は、電解対象液を収容するものである。この電解槽2は、陽イオン交換膜5により陰極室20と陽極室21とに区画されている。
陰極室20には、陰極3が配置され、四塩化チタン溶液が収容されている。この陰極室20は、供給口20A及び排出口20Bを有している。供給口20Aは、四塩化チタン溶液を供給するものであり、陰極室20の下方側に設けられている。排出口20Bは、三塩化チタン溶液を排出するものであり、陰極室20の上方側に設けられている。すなわち、電解還元装置1は、連続的に四塩化チタン溶液を供給し連続的に三塩化チタン溶液を製造することができる。
陽極室21には、陽極4が配置されている。この陽極室21には、水素イオン源が収容されている。水素イオン源としては、後述するように電気分解により水素イオン及び電子を生成できるものであれば特に制限はなく、コスト的及び環境的な観点からは水が好ましい。
陰極3は、陽極4から供給される電子を利用した電極反応によって、四価のチタンイオンを三価のチタンイオンに還元するものである。この陰極3は、例えば板状に形成されている。陰極3は、下端部が電解槽2の供給口20Aの正面に位置するように配置される。このように陰極3を配置することで、陰極3の下端部に向けて供給口20Aから四塩化チタン溶液が供給される。一方、排出口20Bは、供給口20Aの上方に配置されている。そのため、陰極室20には、陰極3の表面に沿って陰極3の下端部から上端部に向けた流れが生じ、陰極反応によって生成した三塩化チタンを排出口20Bに効率良く導くことができる。
陽極4は、電圧印加によって水等の水素イオン供給源を電気分解するものである。陽極4は、板状に形成されている。この陽極4は、導電性物質を含む多孔質体として形成することができる。導電性物質としては、電極材料として公知のものを使用でき、例えばチタン、導電性カーボン、ニッケル等が挙げられ、中でもチタンが好ましい。また、陽極4としては、導電物質の表面を耐腐食性の高い金属、例えば白金、金、ロジウム等で被覆したものを用いることもできる。
陽イオン交換膜5は触媒層6で生成した水素イオンを選択的に透過させるものである。この陽イオン交換膜5としては、公知のものを使用でき、例えば、炭化水素系イオン交換膜、ポリマーパーフルオロカーボン系イオン交換膜等が挙げられる。炭化水素系イオン交換膜は、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体等の炭化水素系重合体に陽イオン交換基を導入したものである。ポリマーパーフルオロカーボン系イオン交換膜は、パーフルオロアルキレン基を主鎖骨格とすると共に、その側鎖の一部としてパーフルオロビニルエーテルを有し、この側鎖の末端に陽イオン交換基を導入したものである。陽イオン交換基としては、例えばスルホン酸基、カルボン酸基等が挙げられる。
触媒層6は、水素イオン源の電気分解の反応速度を増加させるものである。この触媒層6は、陽極4の陰極側表面と陽イオン交換膜5の陽極側表面との間に固定されており、陽極4及び陽イオン交換膜5の双方に接触している。
直流電源7は、陽極4と陰極3との間に直流電圧を印加するためのものである。この直流電源7としては、所定の電圧を印加できるものであれば特に限定はなく、公知の直流電源を使用することができる。
本発明の三塩化チタンの製造方法では、陽極室21に水素イオン源を含む液体を収容すると共に陰極室20に四塩化チタン溶液を収容し、陽極4と陰極3との間に電圧を印加することで四塩化チタンを電気還元して三塩化チタン溶液が製造される。
水素イオン源を含む液体は、触媒層6での反応によって水素イオンと共に陽極4に供給する電子を生成するものである。水素イオン源を含む液体としては、電圧印加によって水素イオンと電子を生成できるものであれば特に制限はなく、水が好ましい。水素イオン源を含む液体として水を用いることにより、材料コストを低減し製造コストを低減することが可能となる。水素イオン源を含む液体は、必要に応じて浸透圧調整剤を含んでいてもよい。
浸透圧調整剤は、陽極室21と陰極室20との浸透圧差を調整するものである。浸透圧調整剤としては、例えば、クエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、これらの塩、それらの2以上の組み合わせが挙げられる。浸透圧調整剤の添加量は、目的とする浸透圧差、使用する浸透圧調整剤の種類等に応じて決定され、例えば0mol/L超2mol/L以下とされる。浸透圧調整剤の添加量が2mol/Lを超えると、チタン以外のイオンの増加によりチタンへの電子授受が阻害されるおそれがある。
四塩化チタン溶液は、電解槽2の供給口20Aから陰極室20に供給される。四塩化チタン溶液は、四塩化チタンを含み、必要に応じて酸化抑制剤を含んでいてもよい。電解槽2(陰極室20)への四塩化チタン溶液の供給流量は、例えば排出口20Bでの三価のチタンイオンの濃度が、三価のチタンイオン及び四価のチタンイオン全体(以下、「合計チタンイオンmol量」ともいう)に対する比率で90mol%以上、好ましくは略100mol%となるように設定される。
酸化抑制剤は、電気還元により生成した三価のチタンイオンが四価のチタンイオンに酸化されることを抑制するものである。
電圧の印加は、直流電源7により行われる。印加電圧は、水素イオン源として水を使用する場合、1.3V〜3Vが好ましく、典型的には2Vとされる。電流密度は、4mA/cm2〜10mA/cm2が好ましく、典型的には6mA/cm2とされる。尚、以下においては、水素イオン源として水を使用する場合について説明する。
陽極室21では、陽極4が多孔質体に形成されていることから陽極4に水が含浸され、触媒層6に水が供給される。上記式(1)に示すように、触媒層6に供給された水は、酸素ガス、水素イオン及び電子に電気分解される。酸素ガスは、陽極4を透過して陰極室20外に排出される。水素イオンは、陽イオン交換膜5を透過して陰極室20に移動する。このとき、陽極室21に浸透圧調整剤を含ませておくことで、陽極室21から陰極室20への水素イオンの移動が促進される。電子は、陽極4に移動した後、陰極3に移動する。
陰極室20には供給口20Aから四塩化チタン溶液が供給される一方で、陰極3から電子が供給される。そのため、上記式(2)に示すように、四価のチタンイオンが三価のチタンイオンに還元される。このとき、陰極室20には、四価のチタンイオンが三価のチタンイオンに還元されることで過剰な塩化物イオンが存在する一方で、触媒層6(陽極室21)から水素イオンが移動する。上記式(1)及び式(2)から理解できるように、過剰な塩化物イオンと触媒層6から移動した水素イオンとのmol比は、1:1であり塩酸の化学量論比と等しい。そのため、陰極室20には、四価のチタンイオン、三価のチタンイオン及び塩酸が含まれる。また、陰極室20には、上述のように必要に応じて酸化抑制剤が含まれる。陰極室20に酸化抑制剤が含まれることで、三価のチタンイオンが四価のチタンイオンに酸化されることを抑制することができる。
本発明の三塩化チタン溶液は、三塩化チタン、塩酸及び酸化抑制剤を含む。酸化抑制剤としては、2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸塩を含む。2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸塩としては、陰極室20の四塩化チタン溶液に必要に応じて含まれる酸化抑制剤と同様のものが挙げられる。
当該製造方法では、電圧印加により、陰極室20に三価のチタンイオンと塩酸とが共存する。塩酸は、三価のチタンイオンが四価のチタンイオンに酸化されることを抑制する。そのため、当該製造方法によれば、酸化劣化の少ない三塩化チタン溶液を得ることができる。
今回開示された実施の形態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、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。本発明の実施態様は、例えば以下に示すように変更して実施することもできる。
2 電解槽
20 陰極室
20A 供給口
20B 排出口
21 陽極室
3 陰極
4 陽極
5 陽イオン交換膜
6 触媒層
7 直流電源
Claims (11)
- 陽極が配置される陽極室と陰極が配置される陰極室とがイオン交換膜により区画された電解漕を用い、上記陽極と上記陰極との間に電圧を印加することで四塩化チタンから三塩化チタン溶液を製造する方法であって、
上記イオン交換膜が水素イオンを透過させる陽イオン交換膜であり、
上記陽極室が水素イオン源を含む液体を収容し、
上記陰極室が四塩化チタン溶液を収容することを特徴とする三塩化チタン溶液の製造方法。 - 上記陽極の陰極側表面と上記陽イオン交換膜の陽極側表面との間に水素イオン生成反応のための触媒が固定されている請求項1に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記陽極が、多孔質体である請求項1又は請求項2に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記陰極室の溶液が三価のチタンイオンの酸化を抑制する酸化抑制剤を含有する請求項1、請求項2又は請求項3に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記酸化抑制剤が2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸塩である請求項4に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記酸化抑制剤が、クエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、これらの塩、又はそれらの2以上の組み合わせである請求項5に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記酸化抑制剤のモル濃度が上記陰極室の溶液中の三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計モル濃度に対し0.1倍以上である請求項4、請求項5又は請求項6に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記水素イオン源が水である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記陽極室の溶液が上記陰極室との浸透圧を調整する浸透圧調整剤を含有する請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記浸透圧調整剤が、クエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、これらの塩、又はそれらの2以上の組み合わせである請求項9に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
- 上記陽極又は上記イオン交換膜が、上記水素イオン生成反応において上記水素イオンと共に生成された気体を透過させる気体通路を有している請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。
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