JPH01212788A - 高純度電解鉄およびその製造方法ならびに電解槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高純度電解鉄の製法に係り、特に高純度電解
鉄の製法において銅、コバルト、ニッケル等の重金属不
純物を低減する方法、この方法に使用する電解槽、及び
重金属含有量が極めて低い電解鉄に関する。

（従来の技術） 電解鉄は通常の軟鋼、純鉄等に比べ各種不純物の含有量
が格段と少ないため、軟磁性材料、電子材料、合金材料
及び試＠研究用ベースメタル材料等高品位を要求される
分近に賞用されている。

高純度電解鉄のニーズは金属材料の機能性向上の為によ
り高純度なものあるいは特定元素の少ないものが望まれ
てきている。例えば鉄本来の性質を示すには残留抵抗比
ＲＲＲ，で３０００以上即ち金属成分の合計として１０
ｗｔｐｐｍ以下が目的とされていた。詳細については、
「鉄と鋼」Ｖｏｌ、７２（３）（１９８６）第３６１〜
３６７頁、特に第３６３頁を参照されたい。

上記ＲＲＲ□値を有する純鉄は、超高真空中の電子ビー
ムゾーンメルト法などの特殊な方法によれば得られるが
、かかる方法を工業的に実施することは期待できない。

従来の電解鉄を得る方法としては、軟鋼、純鉄などの原
料鉄を陽極とし、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸
アンモニウムなどの硫酸酸性水溶液、あるいは塩化ナト
リウム、塩化カリウム、塩化アンモニウムなどの水溶性
塩酸酸性水溶液などの支持電解液と硫酸鉄塩及び塩酸鉄
塩などから成る水溶液を電解液としてステンレス鋼など
の陰極上に電析して得る方法が公知であり、例えば粗金
属データブック（金属時評社、１９７５年１２月１２日
発行第４５５〜４５７頁）にフローシートと電解法の概
要が記載されている。この方法では、陽極材（粗金属）
の中の目的金属よりもイオン化傾向の小さい元素及び粗
金属中の不溶性あるいは難溶性物質は溶解せずに陽極に
付着して残るか、あるいは沈殿物になって槽底に溜る。

一方、イオン化傾向が目的金属よりも大きいものは陽極
から溶解はするが、陰極には析出しないで電解液中に溜
る。つまり目的金属のみが陽極で溶解して陰極に都合よ
く析出し、他の不純物は陽極に付着か槽底にスライムと
して沈殿するかあるいぼ液中に分散する状態を保って陰
極に析出しないので純度の高い電解鉄を得ることができ
る。

従来、電解法で得られた純鉄の重金属含有量に関して、
前掲金属時評社発行の文献において、Ａ社製品ではＣｕ
＝０．０００１％（ｌｐｐｍ）以下、Ｂ社製品ではＮ　
ｉ　＝０．０２０％（２００ｐｐｍ）以下、Ｃｏ＝０、
００６％（６０Ｐρｌ１１）以下の社内規格が記載され
ている。これらの重金属元素は以下説明するように従来
の電解法では除去し難いという問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 電解法で高純度鉄を製造する場合は、第２図に示した電
解鉄製造用電解槽１に収容した電解液２中に陰極３と陽
極４とが対置させ、電解を行なう。この例では陰極４は
板状体であるが、水平回転軸を有した回転ドラム型でも
よく、あるいはその他の構成であってもよい。電解鉄が
電析する陰極には、コスト及び電析物の剥離性などの取
扱い性の良さから５ＵＳ３０４などのステンレス鋼が好
んで用いられる。陽極は一層に軟鋼などの鉄材を用いる
が、少しでも純度を上げる目的で工業用純鉄を用いる必
要がある。電解液は、第１鉄イオンと硫酸ナトリウム、
硫酸カリウム、硫酸アンモニウムなどの水溶性硫酸塩の
硫酸酸性水溶液、あるいは塩化ナトリウム、塩化カリウ
ム、塩化アンモニウムなどの水溶性塩酸塩の塩酸酸性水
溶液などを支持電解液とする。

前記方法において不純物を低減するには、陽極に比較的
高品位の軟鋼や純鉄を用いる方法がある。しかし、銅、
ニッケル、コバルト等は通常の純鉄精錬法では除去でき
ないから、軟鋼等に微量含まれている。陽極材中に微量
に含まれている銅、コバルト、ニッケル等の重金属はイ
オン化され、溶解し、一部は電析して電解鉄中に必ず取
り込まれる。従って陽極材からの汚染が防止できないた
め高純度の電解鉄は得ることはできない。

さらに、不純物を低減させる方法としては、電解液を構
成する鉄塩を予め、例えば、イオン交換樹脂精製、溶媒
抽出精製、予備電解などにより精製する方法がある。こ
の方法を実施しても陽極中の重金属が溶解することによ
り電解液が汚れてしまい、それら重金属が電析すること
により、高純度の電解鉄が得°られない。

また、一般に鉄の電解液は酸性条件にあるために、酸性
液に接触する部分は腐食が避けられない。そのため、陰
極を防食することが不純物低減に効果をもつ。しかしな
がら、陰極と接する電解液と発生気体との気液界面ある
いは陰極構成材料の欠陥である微細間隙では防食に必要
な電流が流れないので、ニッケル、クロム、銅等の重金
属が陰極から溶解し、陰極に再析出してしまう。

電解法によりＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの不純物含有量が極
めて低い電解鉄を提供できると、コスト面で有利であり
、純鉄の用途の一層の拡大が図られるが、従来これは成
就できなかった。

また、従来電解法により得られた純鉄の重金属の含有量
はかなり低いと言えるものの、これを再び従来の電解法
で再処理しても重金属含有量を一層低下させることはで
きながった。そこで従来法で鉄の不純物５元素であるＣ
、Ｓｉ、Ｍｎ。

Ｐ、Ｓを低下させ、次に再処理によりＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ
などの不純物重金属を低下させることができると、純鉄
製造技術は格段の進展を遂げる。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明者ら
は、前記問題点を解決するために鋭意努力した結果、次
の電解方法、電解装置および高純度電解鉄の発明を完成
した。

即ち、本発明方法の一つは、陽極からの不純物溶解を少
なくするために不溶性電極を使用するとともに、陽極反
応に関与する電解質中に存在する微量の重金属イオンが
陰極に到達し陰極に電析するのを阻止するために、陰極
室および陽極室のそれぞれと隔膜で隔てられた中間室を
設け、また不純物の電析を少なくするため予め精製した
電解液を陰極室に供給することを要旨とする。

この方法を実施する際に、第１鉄イオンと支持電解質を
主成分とする水溶液を陰極室への供給電解液とすること
が好ましい。

第１鉄イオンの担体材料に不純物として含有されるＣｏ
、Ｎｉ、Ｃｕなどの重金属は予めできるだけ低下させて
置く必要がある。これらの不純物の含有量上限はそれぞ
れ２０μｇ／Ｑ　（電解液容量）以下とすると電解鉄中
の不純物の含有量上限はそれぞれｉｐｐｍ以下とするこ
とができる。

なお、これらの不純物の精製はイオン交１ｉｔ！Ｉ脂精
製法、溶媒抽出精製法などにより行なうことができる。

Ｖ：ｇｉ室に供給する電解液は陰イオンあるいは水を放
電させ、ハロゲンガスあるいは酸素及びプロトン（Ｈ＋
）を発生させる電解質である。

′この電解質としては高純度の塩酸、硫酸等が好ましい
。

中間室に供給する液体は次の条件を満足することが必要
である。

（イ）電解に必要なイオン電導性のある電解質イオンを
発生させる媒体である。

（ロ）陰極室が過度の酸性になると陰極が溶解され、陰
極が溶解し、陰極室の電解液が汚染されたりあるいはプ
ロトン（Ｈ＋）の放電により水素ガスが発生し電解鉄析
出の電流効率が低下するおそれがあるので、過度のプロ
トン（Ｈ＋）移動は起こさない媒体である。

（八）陰極室および陽極室における電解反応の進行によ
るｐＨ変化により沈殿生成等を起こさない媒体である。

（：）中間室に供給後に陽極室よりもｐＨを高くする媒
体である。

（ホ）陽極室の電解液に微量含有されるＣｏ。

Ｎｉ、Ｃｕなどの重金属が陽極室においてイオン化され
、中間室に移動し蓄積した際には、これら重金属を中間
室において電解反応系に関して無害の状態にする。この
無害化の方策として、中間室液体中の重金属の濃度を希
釈する、中間室液体を新液あるいは純水で更新する、中
間室液体を一部抜き取りながら希釈または更新を行なう
などがある。

上記要件を満足する液体としては、純水、弱酸、弱塩基
、支持塩、陰極供給液中のＨＣρ、ＮＨ４ＯＨが好まし
い。

また、上記方法において、中間室を画成する隔膜は陽極
・陰極間に必要な浴電圧を発生させるのを妨げず、また
上記した各室液体を相互に隔離する。

本発明方法の他の一つは、陽極材に軟鋼、工業用純鉄、
高純度電解鉄などの高純度鉄を使用し、第一の方法と同
様の三室電解槽において、中間室と陰極室との隔膜をア
ニオン交１ｆＡＩＦ！とする電解生成法である。この方
法は上記第一に述べた方法を電解精製法に応用したもの
であり、基本的特長は第一の方法と同じである。第二に
述べる方法の特長とする所は、陽極室でイオン化したＦ
ｅは、中間室を経て陰極室に移動し、電析するとともに
、陽極室でイオン化されたＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの不純
物も同様に中間室に移動するが、中間室内の蓄積量が多
くなると、中間室内で前述の無害化処理が行なわれる。

この場合新液を補給し、旧情を流出させると、不純物イ
オンがＦｅイオンとともに電解反応系外に除去される。

反応系外に除去されるＦｅは別途回収の必要が生じる。

またかかる中間室液の更新により中間室中の鉄濃度より
陰極室中の鉄濃度は低くなり電流効率は若干低下するが
、中間室液の抜き取り量を調節することにより、陽極室
中においてＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの不純物の濃度は極め
て低く＜シつつ、Ｆｅの量は充分の効率で電析させるよ
うにすることが可能である。

第二の方法は第一の方法に比較して電解鉄中の重金属含
有量は高くなるが、中間室の作用により１０ｐｐｍ台の
重金属含有量を達成することができる。また、第二の方
法で精製される粗金属は従来の電解法で処理されたもの
であってもよいため、２段電解法により不純物濃度の著
しい低下を達成することができる。

本発明の第三は、従来の電解鉄には見られないＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｃｕなどの重金属不純物濃度を達成した電解鉄にあ
る。具体的には２ｏｐｐｍ以下であり、特に第一の方法
で不溶性陰極を使用した際には５ｐｐｍ以下の重金属不
純物濃度を達成することができる。

本発明に係る電解槽の一つは、隔膜により隔てられた、
（イ）不溶性電極を配置した陽極室、（ロ）中間室、お
よび（ハ）精製された鉄イオン担体と支持電解質を主成
分とする水溶液からなる電解液を収容する陰極室を備え
るとともに、電解採取中に中間室に新液あるいは純水を
補給しかつ中間室の液体を流出させる手段として、例え
ば、ポンプ、導管、流量計、液面検出計、バルブなどを
適宜有することを特徴とする。

また、本発明に係る電解槽の他の一つは、隔膜により隔
てられた、（イ）粗金属よりなる可溶性電極を配置した
陽極室、（ロ）中間室、および（ハ）精製された鉄イオ
ン担体と支持電解質を主成分とする水溶液からなる電解
液を収容する陰極室を備えるとともに、電解精製中に中
間室の液体に新液あるいは純水を補給しかつ流出させる
上記例示の手段を有することを特徴とする。

以下、本発明の実施例を図面を参照として説明する。

（実施例） 第１図（イ）は電解採取法の実施例および第１図（ロ）
は電解精製法の実施例をそれぞれ示す。

これらの図面において、１は電解鉄製造用電解槽、３は
陰極、４は陽極、５は電解鉄、６は陰極室、７は中間室
、８はアニオン交換膜、１０はカチオン交換膜、１１は
陰極室電解液、１２は中間室液体、１３は陽極室電解液
をそれぞれ示す。

第１図（イ）において、陰極室電解液１１には、例えば
イオン交換樹脂処理、溶媒抽出処理、キレート樹脂処理
、鉄粉、あるいは鉄よりイオン化傾向の大きいアルミニ
ウムや亜鉛などの金属粉末による置換析出処理により精
製された第１イオン水溶液と支持電解質からなる電解液
を配置する。この電解液としては、Ｆｅ２＋とじて１５
〜６０ｇ／ＱのＦｅＣρ２の他に電導度調整任意添加剤
として３０ｇ／ρ以下のＮＨ４Ｃρを含有し、ｐＨが１
．５〜５．０の溶液が好ましい。

中間室７（第１図（イ）、（ロ））に純水または酸、好
ましくは塩酸溶液を使用する。塩酸溶液は、ＨＣρの濃
度が０．３〜０．５ｇ／ρであり、ｐＨが５．００〜１
．８６のものが好ましい。電解の進行とともに、中間室
７にはプロトン（Ｈ＋）およびＣｌ２−イオンが蓄積す
るので純水を追加してオーバーフローを起こさせ、ＨＣ
ρを追い出す。オーバーフローの量は電解槽中間室体積
ｅ当り、５−３０倍が好ましい。

陽極室９（第１図（イ）、（ロ））には高−度の希硫酸
８を供給する。陽極室と陰極室の陰イオンの形態を変え
ることによりＣρ２ガスの発生をなくすることにより膜
の劣化防止及び安全性を高める。

第１図（イ）の陽極４には、例えば電極材として耐食性
が良好な不溶性電極、即ち食塩電解等で実績のあるＴｉ
基板上に白金族及びその酸化物からなる寸法安定性電極
を用いることが好ましい。不溶性電極の具体的例として
はＴｉ基板上に０、：３−３．０μｍの厚みのｐｔ及び
Ｉｒｅ□を被覆したものが挙げられる。

不溶性陽極上での水溶液の反応は、一般に塩酸系では　
２Ｃρ−→ＣＱ　２　＋　２　ｅ　　に示す様に塩素ガ
スを発生し、この塩素ガスが水と反応してＣｒ２　＋Ｈ
２０−＋ＨＣρ＋ＨＣＱＯを生成する。また、硫酸系で
は ２Ｈ２０→　４Ｈ＋＋０２＋４ｅ に示す様に酸素ガスを発生し、プロトンを生成する。従
っていずれに於ても陽極室は強酸性になる。よって、陽
極４と陰極３との間に層膜１０により、できるだけプロ
トンの陰極室６への混入を防止し、水素発生による電解
鉄の電流効率低下を防止する必要がある。陰極室６と中
間室７の隔膜８としては、陰極室へ供給する精製された
電解液１１に銅、ニッケル、コバルトなどのカチオンの
混入することや、第１鉄イオンが陰極室６から逃散する
ことを防止するため陰イオン交換膜を使用することが好
ましい。また、陽極室４と中間室７との隔ＷＡ１０には
陽イオン交換膜を使用しＣＱ−イオンの移動をできるた
け抑制することが好ましい。イオン交換膜を通過して、
プロトンは陰極室へ移動するので、中間室７に純水を供
給し、プロトンの陰極室６への移動を低減せしめ、ｐ）
ｌ低下の防止を計り、安定した電解条件が維持する。

陰極３（第１図（イ）、（ロ））にはＳＵＳ等の可溶性
材料あるいは不溶性陽極４に用いられる材料を用いる。

以下説明する実験例において電解条件は次の通りであっ
た。

陰極室と中間室との隔膜；アニオン交１１Ａ膜（セレミ
オンＡＭＶ　（旭硝子（ａ） 製） 陽極室と中間室との隔膜；カチオン交換膜（ＮＡＦＬＯ
ＮＢ２４　（デュポン 社製） 電流密度　　：　０．５〜２．　ＯＡ／ｄａ２浴温　　
　　；５０〜７０°Ｃ 電解採取法　：　ＦｅＣｒ２３４〜１３６ｇ／ｌ陰極液
組成　　（Ｆｅ２＋とじて１５〜６０ｇ／ＩＩ ＮＨ４Ｃρ　０〜３０　ｇ／ｌ ｐＨ１，５〜５，０ ＦｅＣｒ２の予備精製方法イ オン交換樹脂： Ｎ１＝７μｇ／ｌ、　Ｃｏ　＝　１１μｇ／ｌ、Ｃｕ＝
５ｔｔｇ／１．ＭｎＳ２１１ｇ／ｌ陽％’ａｍ成　：　
８２Ｓ０４２０〜５０ｇ＃硫酸純度（ＥＬグレード） 陰極液組成　：　ＨＣＱ　　　Ｏ，３〜０．５ｇ／塩酸
純度（ＥＬグレード） 電解採出法　：　Ｐ　ｔ−Ｉ　ｒ　０２／　Ｔ　ｉ不溶
性陽極　　（Ｔｉ基板上にＰｔと ＩｒＯ＊を厚さ１ｊＩＩｌ被覆） 陰極　　　　＋　５ＵＳ３０４ 可溶性陽極　：電解鉄−アトミロン■ＸＬ（昭和電工（
株）商品名） 分析値（ｐｐｍ） Ｃ＝２０．Ｓ＝１，０＝８５ Ｎ＝７．Ｈ＝８．Ｐ＝２゜ ５ｉ＝１．ＭｎＳ１゜ Ｃｕ＝２４．Ｃｏ＝１１゜ Ｎ１＝３．Ｃｒ≦０．５゜ Ｐｂ＝１ 第１表 （発明の効果） 本発明は上述のように構成されているため電解鉄中への
重金属混入量を著しく低減することができ、高純度電解
鉄を容易に得ることができる。本発明による高純度鉄を
Ｈ２ガス中燈鈍（８００〜９００℃、２４〜４８Ｈ）又
は電子ビーム溶解処理すればガス成分も低減し更に高純
度のものとなる。得られた高純度鉄は益々高純度のもの
が要求される磁性材料、電子材料の分野、さらには鉄の
基礎研究分野に賞用されるので、本発明の工業的価値は
極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明の電解採取法の実施例と電解プロ
セスを概念を説明する図面、 第１図（ロ）は本発明の電解精製法の実施例と電解プロ
セスを概念を説明する図面、 第２図は従来の電解法を説明する図面である。 １−電解鉄製造用電解槽、３−陰極、４−陽極、５−電
解鉄、６−陰極室、７−中間室、８−アニオン交換１漠
、１０−カチオン交換膜、１１−陰極室電解液、１２−
中間室液体、１３−陽極室電解液。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重金属不純物含有量が２０ｐｐｍ以下の高純度電解
   鉄。 ２、重金属不純物含有量が５ｐｐｍ以下の高純度電解鉄
   。 ３、隔膜により隔てられた、陰極室、不溶性電極を配置
   した陽極室、及び陰極室と陽極室の間の中間室を備えた
   電解槽を用い電解採取を行なうに際して、精製された鉄
   イオン担体と支持電解質を主成分とする水溶液からなる
   電解液を陰極室に供給し、また電解採取中に中間室の液
   体を室外に流出させるとともに新液を補給して、重金属
   の陰極への電析を防止することを特徴とする高純度電解
   鉄の製造方法。 ４、電解採取中に、前記中間室への新液の補給に代えて
   あるいは補給と同時に純水で該中間室の液体を希釈する
   請求項３記載の高純度電解鉄の製造方法。 ５、電解採取開始前に、前記中間室に純水を供給し、電
   解採取中に、純水を新液として補給する請求項３記載の
   高純度電解鉄の製造方法。 ６、陰極室には精製された第一鉄イオンと支持電解質を
   主成分とする水溶液からなる電解液を、陽極室には１０
   ％以下の希硫酸水溶液からなる電解液を供給することを
   特徴とする請求項３項記載の高純度電解鉄の製造方法。 ７、不溶性電極がＴｉ基板上に白金族およびその酸化物
   からなる被膜を被覆してなることを特徴とする請求項３
   から６のいずれか１項に記載の高純度電解鉄の製造方法
   。 ８、陰極が可溶性材料からなる請求項３から７のいずれ
   か１項に記載の高純度電解鉄の製造方法。 ９、陰極が不溶性材料からなる請求項３から７のいずれ
   か１項に記載の高純度電解鉄の製造方法。 １０、陰極室と中間室との間の隔膜が陰イオン交換膜で
   あり、また陽極室と中間室の間の隔膜が陽イオン交換膜
   である請求項３から９のいずれか１項に記載の高純度電
   解鉄の製造方法。 １１、隔膜により隔てられた、陰極室、粗金属としての
   鉄陽極を配置した陽極室、及び中間室を備えた電解槽を
   用い電解精製を行なうに際して、電解精製中に中間室の
   液体を室外に流出させるとともに新液を補給して、重金
   属の陰極への電析を防止することを特徴とする高純度電
   解鉄の製造方法。 １２、電解精製中に、前記中間室への新液の補給に代え
   てあるいは更新と同時に純水で該中間室の液体を希釈す
   る請求項１１記載の高純度電解鉄の製造方法。 １３、電解精製開始前に、前記中間室に純水を供給し、
   電解精製中に、純水を新液として補給する請求項１２記
   載の高純度電解鉄の製造方法。 １４、陰極が可溶性材料からなる請求項１１から１３の
   いずれか１項に記載の高純度電解鉄の製造方法。 １５、陰極が不溶性材料からなる請求項１１から１３の
   いずれか１項に記載の高純度電解鉄の製造方法。 １６、不溶性電極がＴｉ基板上に白金族およびその酸化
   物からなる被膜を被覆してなることを特徴とする請求項
   １５に記載の高純度電解鉄の製造方法。 １７、陰極室と中間室との間の隔膜が陰イオン交換膜で
   ありまた陽極室と中間室の間の隔膜が陽イオン交換膜で
   ある請求項１１から１６のいずれか１項に記載の高純度
   電解鉄の製造方法。 １８、粗材陽極として公知の電解法で得られた純鉄を使
   用して、その含有重金属不純物を低下させる請求項９か
   ら１７のいずれか１項に記載の高純度電解鉄の製造方法
   。 １９、隔膜により隔てられた、（イ）不溶性電極を配置
   した陽極室、（ロ）中間室、および（ハ）精製された鉄
   イオン担体と支持電解質を主成分とする水溶液からなる
   電解液を収容する陰極室を備えるとともに、電解採取中
   に中間室に新液あるいは純水を補給しかつ中間室の液体
   を流出させる手段を有する高純度電解鉄製造用電解槽。 ２０、隔膜により隔てられた、（イ）粗金属よりなる可
   溶性電極を配置した陽極室、（ロ）中間室、および（ハ
   ）精製された鉄イオン担体と支持電解質を主成分とする
   水溶液からなる電解液を収容する陰極室を備えるととも
   に、電解精製中に中間室の液体に新液あるいは純水を補
   給しかつ流出させる手段を有する高純度電解鉄製造用電
   解槽。