WO2006064730A1 - 金属製造方法 - Google Patents

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WO2006064730A1
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metal
diaphragm
yttria
ceramic body
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Tadashi Ogasawara
Makoto Yamaguchi
Masahiko Hori
Toru Uenishi
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Sumitomo Titanium Corporation
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    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25C5/04Electrolytic production, recovery or refining of metal powders or porous metal masses from melts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25C7/00Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/04Diaphragms; Spacing elements

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a metal by an electrolytic method, and more particularly to a method for producing a metal that can be applied to the production of a metal such as calcium or a rare earth element.
  • Calcium metal is a valuable metal used as a reducing material in the production of other metals having a strong reducing action.
  • Rare earth metals are used for various applications in a wide range of industrial fields, such as glass (colorants) and ceramics, as well as magnetic materials, nuclear materials, metallurgical additives, and catalysts.
  • rare earth metals are extracted from concentrates containing these by extraction of specific rare earth metals (to be produced) into acid oxides by alkali precipitation or the like. Thereafter, it is produced by reduction by a molten salt electrolysis method, a metal thermal reduction method, or the like.
  • metal calcium can be produced by electrolyzing a molten salt such as salty calcium, it is relatively inexpensive without requiring a great amount of heat energy required in the aluminum reduction method. It is extremely useful as a simple manufacturing method.
  • the method for electrolyzing the molten salt can also be applied to the production of rare earth metals.
  • the reducing power of calcium is too strong, back reaction occurs and calcium generated on the cathode side immediately reacts with chlorine formed on the anode (graphite) side to return to calcium chloride.
  • Ferro et al. APPLICATION OF CERAMIC MEMBRANE IN MOLTEN SALT ELECTROLYSIS OF CaO- CaCl is used during the electrolytic reduction of CaO-CaCl molten salt.
  • magnesia MgO
  • sheath sheathing material surrounding the anode! RU
  • the inventors of the present invention installed an electrode between a cathode and an anode in the electrolytic reduction of a CaCl-based molten salt.
  • magnesia was used as the diaphragm material, reduction by Ca occurred.
  • alumina Al 2 O 3
  • silicon nitride Si 3 N 4
  • zirconium oxide ZnO 2
  • An object of the present invention is to provide a metal production method that can be applied to the production of metals such as calcium and rare earth elements, which can be produced or can be produced by an electrolytic method.
  • the present inventors are particularly concerned with the application of the molten salt electrolysis method (diaphragm method) in which a diaphragm is attached between the anode and the cathode, particularly with respect to the reduction action of calcium (resistance to resistance).
  • diaphragm method in which a diaphragm is attached between the anode and the cathode, particularly with respect to the reduction action of calcium (resistance to resistance).
  • examination was repeated focusing on the material of the diaphragm.
  • yttria (Y o) was fired into a porous ceramic body.
  • yttria has a property that it is not reduced even by a metal having a strong reducing power such as calcium, but it has been difficult to apply as a diaphragm due to strength problems and the like.
  • this strength problem can be overcome, and the porous ceramic body strength of Italy is excellent as a diaphragm having excellent calcium resistance and selective permeability as described above. It has been found that it can be used for salt electrolysis.
  • the present invention has been completed based on the above knowledge and the like, the gist of which is a metal manufacturing method using an electrolytic method, and a metal manufacturing method using a porous ceramic body containing yttria as a diaphragm It is.
  • the “diaphragm” has a function that allows calcium and chlorine ions to pass through but does not allow metallic calcium to pass through.
  • the metal production method of the present invention is characterized by the following first to tenth embodiments.
  • the first embodiment of the present invention is made of a material mainly composed of the porous ceramic body strength S yttria, and can exhibit good and stable calcium resistance. Further, in the second embodiment of the present invention, a metal halide is used as the electrolytic bath.
  • the porosity of the porous ceramic body is 1% or more, the conductivity of the bath is ensured, and the function as a diaphragm is exhibited.
  • the thickness of the diaphragm is preferably 0.05 to 50 mm.
  • the pore diameter of the porous ceramic body is set to 20 m or less so that the passage of metallic calcium can be effectively prevented.
  • the yttria purity of the porous ceramic body is set to 90% by mass or more to further improve the calcium reduction resistance.
  • the current density during electrolysis is preferably 0.1 to: LOOAZcm 2 .
  • a calcium salt or a melt of a mixed salt containing a calcium salt is used as an electrolytic bath, and this metal production method (including the above-described embodiments) is applied to apply metal calcium or A molten salt containing metallic calcium can be obtained.
  • the metallic calcium in the ninth embodiment of the present invention, can be obtained as a solid, or in the tenth embodiment of the present invention, the metallic calcium can be obtained as a melt.
  • the metal production method of the present invention is a method of using a porous ceramic body containing yttria as a diaphragm, and can be used for production of metals such as calcium and rare earth elements. It is suitable for. For example, if it is applied to the production of calcium, the metallic strength can be produced more easily and inexpensively without consuming the great heat energy required in the conventional aluminum reduction method.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus that can carry out the metal production method of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an apparatus capable of carrying out the metal production method of the present invention.
  • an electrolytic cell 1 includes an anode 2 and a cathode 3, and holds molten chloride power (CaCl 3) as an electrolytic bath 4. Between the anode 2 and the cathode 3, a diaphragm 5 is installed.
  • the electrolytic cell 1 is divided into an anode 2 side and a cathode 3 side.
  • Cathode Ca 2+ + 2e_ ⁇ Ca ⁇ ⁇ ⁇ (2)
  • the generated C1 gas rises in the electrolytic bath 4 and moves out of the bath 4, and Ca is molten calcium chloride.
  • the Ca layer 6 is formed at the liquid surface of the molten salt and calcium. By extracting this Ca layer 6, metallic Ca can be obtained. The C1 gas that moves outside bath 4 is recovered and reused.
  • the metal production method of the present invention is "a metal production method by electrolysis, using a porous ceramic body containing yttria as a diaphragm".
  • the apparatus configuration shown in FIG. 1 is characterized in that the diaphragm 5 is formed of a porous ceramic body containing yttria.
  • the porosity, pore diameter and the like of the porous ceramic body are not limited at all.
  • the ceramic body can be electrolyzed because the electrolytic bath can pass through the ceramic body as long as it is accepted as a porous material, which is a material obtained through a process such as firing.
  • the diaphragm 5 is arranged so as to divide the inside of the cell into the anode 2 side and the anode 3 side at a substantially central position of the electrolytic cell 1, but is limited to this position.
  • either the anode side or the cathode side may be unevenly distributed. Also, for example, it may be arranged to surround the anode and block the contact between calcium and chlorine.
  • a first embodiment of the present invention is a manufacturing method using a porous ceramic body having material strength mainly composed of yttria as a diaphragm.
  • mainly yttria means that 50% by mass or more of ittria is contained.
  • a second embodiment of the present invention is a manufacturing method using a metal halide as an electrolytic bath.
  • a metal halide As the “metal halide”, calcium chloride (CaCl 3) and calcium fluoride (CaF 3) are suitable for producing metal calcium. Also, rare earth metal
  • a third embodiment of the present invention is a manufacturing method using a diaphragm in which the porosity of the porous ceramic body is 1% or more.
  • porosity is the porosity measured by the mercury intrusion method. If this porosity is less than 1%, the electrolytic bath does not sufficiently pass through the diaphragm, and the resistance during electrolysis may increase and operation may become difficult.
  • the upper limit of the porosity is naturally determined by restrictions on the configuration (particularly strength) of the diaphragm, and is not particularly defined.
  • the porosity of the ceramic body is not limited. 10-40% is desirable. More desirably, it is 20 to 30%.
  • the fourth embodiment of the present invention is a manufacturing method using a diaphragm having a thickness of 0.05 to 50 mm. It is.
  • the “diaphragm thickness” defined here is the thickness of the diaphragm when one diaphragm is attached as shown in FIG. 1, and the total thickness of the respective thicknesses when two or more diaphragms are provided. .
  • the thickness of the diaphragm is less than 0.05 mm, it is too thin to secure the strength as the diaphragm, and the permselective function that the diaphragm should originally have cannot be fully exhibited. On the other hand, if the thickness exceeds 50 mm, it will be difficult to pass through the electrolytic bath, and the resistance during electrolysis will be large, making it impossible to operate smoothly.
  • the thickness of the diaphragm is desirably 2 to: LOmm.
  • a fifth embodiment of the present invention is a manufacturing method using a diaphragm in which the pore diameter of a porous ceramic body is 20 ⁇ m or less.
  • the “pore diameter of the porous ceramic body” is a pore diameter measured by a mercury intrusion method. If the pore diameter is 20 m or less, Ca generated near the cathode surface is effectively prevented from passing through the diaphragm.
  • the lower limit of the pore diameter is not particularly limited. If the pore diameter is too small, operation becomes difficult due to an increase in electrical resistance, so the lower limit is a force that is naturally determined.
  • the pore diameter of the ceramic body is 0.1 to: LO / zm.
  • a sixth embodiment of the present invention is a manufacturing method using a porous ceramic body having a material strength with a yttria purity of 90 mass% or more as a diaphragm.
  • the diaphragm used in this embodiment is composed of a porous ceramic body having almost yttria force, and thus has excellent calcium reduction resistance.
  • the purity of the yttria is desirably 99% or more.
  • the seventh embodiment of the present invention is a manufacturing method in which the current density during electrolysis is 0.1 to: LOOAZcm 2 .
  • the eighth embodiment of the present invention uses a calcium salt or a melt of a mixed salt containing a calcium salt as an electrolytic bath, and the metal production method of the present invention (including the first to seventh embodiments). Is a metal production method for obtaining metallic calcium or a molten salt containing metallic calcium by applying
  • mixed salt containing calcium salt means that the calcium salt has a lower melting point and viscosity adjustment.
  • potassium chloride (KC1) lithium chloride (LiCl), barium chloride (BaCl)
  • Chlorides such as 2 and other salts are added.
  • the configuration example shown in FIG. 1 is a case where calcium chloride is used as the electrolytic bath.
  • An embodiment in which calcium produced by electrolysis is either a solid or a melt can be employed.
  • the produced calcium forms a Ca layer 6 at the liquid surface of the electrolytic bath 4 where the specific gravity is smaller than that of the molten salt calcium even if it is!
  • a ninth embodiment of the present invention is a metal production method according to the eighth embodiment, wherein metal calcium is obtained as a solid.
  • the temperature of the electrolytic bath is maintained at a temperature lower than the melting point of calcium, which is higher than the melting point of calcium salt or mixed salt containing calcium salt, the metallic calcium produced by the electrolysis is solid.
  • the metallic calcium floating on the surface of the electrolytic bath 4 can be taken out from the electrolytic bath as solid metallic calcium, or the electrolytic bath power can be extracted together with the molten salt as a molten salt containing solid metallic calcium.
  • a tenth embodiment of the present invention is the metal production method according to the eighth embodiment, wherein metallic calcium is obtained as a melt.
  • the temperature of the electrolytic bath is kept higher than the melting point of calcium. Since the calcium metal produced by electrolysis floats on the surface of the electrolytic bath 4 as a melt, it can be taken out as a melt of calcium metal or extracted with the molten salt together with the molten salt.
  • the metal production method of the present invention is characterized in that the diaphragm used in electrolysis is composed of a porous ceramic body containing yttria.
  • the diaphragm used in electrolysis is composed of a porous ceramic body containing yttria.
  • the yttria powder preferably has a particle size in the range of 0.1 to 500 ⁇ m. When many particles having a particle size exceeding this range are included, it may be difficult to maintain the shape after molding, or it may be difficult to use as a diaphragm having a low strength ceramic body after firing. Also, if the particle size is smaller than this range and there are many, the target porosity may not be obtained! /.
  • the reason why firing is performed at a temperature as high as 1600 ° C or higher is to sinter yttria without adding a firing aid, and firing is not sufficiently performed at temperatures below 1600 ° C. .
  • the upper limit of the firing temperature is naturally determined from the viewpoint of equipment capacity and energy reduction required for firing, and is not particularly limited, but is about 1800 ° C.
  • the firing time may be appropriately adjusted within the above range in consideration of the thickness of the ceramic body, the target porosity, etc. according to the firing temperature.
  • the porosity and pore diameter of the fired product can be controlled.
  • the porous ceramic body obtained in this way does not contain a firing aid and has a material strength mainly composed of yttria with good calcium reduction resistance and has the necessary mechanical strength. Therefore, it can be sufficiently used as a diaphragm used in the metal production method (electrolysis method) of the present invention.
  • the cathode used for electrolysis is preferably a material that does not form an alloy with the metal to be manufactured.
  • graphite graphite is generally used for the anode.
  • An electrolytic cell was prepared by applying metallic titanium as the cathode and graphite as the anode, using calcium chloride mixed with 25 mol% of potassium chloride as the electrolytic bath, and setting the bath temperature to 700-750 ° C (part of In the test, the temperature was adjusted to 850 ° C.
  • a diaphragm was attached between the cathode and the anode, and electrolysis was performed for 300 minutes.
  • the diaphragm also has the strength of porous ceramics obtained by firing a material containing ittria under different conditions.
  • Table 1 shows the purity of yttria, the porosity, pore diameter and thickness of the ceramics obtained. Indicates the current density during electrolysis.
  • the amount of impurities (Fe 2 O, SiO, etc.) mixed in production is 0.1.
  • High purity ( ⁇ 99.9 mass%) yttria less than mass% was used.
  • some materials with low yttria purity were used.
  • the porosity and pore diameter of the porous ceramic body were measured by mercury porosimetry using "Autopore II 19400" manufactured by Micromeritec.
  • the porosity and pore diameter measured by this method are an average pore diameter and a porosity defined as follows, respectively.
  • A DL
  • D 4VZA
  • the closed pore volume is not included.
  • Table 1 shows the current efficiency during electrolysis.
  • the current efficiency at this time is the amount of calcium produced (theoretical precipitation) determined from the amount of electricity passed, and the calcium that was actually produced near the cathode surface and adhered to the cathode and the electrolytic bath (bath surface, in the bath)
  • the total amount of calcium retained in the vessel was also calculated.
  • the total amount of calcium is the amount of calcium and calcium adhering to the cathode. Calcium retained in the electrolytic bath reacts with HO, and the amount of H produced is quantified.
  • Test Nos. 1 to 4 show the case where the purity of yttria is changed (porosity, pore diameter, thickness and current density are kept almost constant). When the purity was 99.9% by mass or more, it was 100%.
  • Test Nos. 5 to 10 are cases in which the other conditions were almost constant and the porosity of the ceramic body was changed.
  • Test Nos. 7 and 8 in which the porosity was within the above desired range (10 to 40%), the current efficiency was 100% or close thereto.
  • Test Nos. 11 to 15 are cases in which the pore diameter of the ceramic body was changed. The force in which the current efficiency tended to increase as the pore size decreased. When the pore size was 0, the resistance during electrolysis increased slightly.
  • Test Nos. 16 to 19 are cases where the thickness of the diaphragm was changed.
  • the current efficiency increased as the diaphragm became thicker, but the electrolytic resistance increased when the thickness was 20 mm.
  • the thickness is 0.3 mm (Test No. 16)
  • a force with a slight decrease in current efficiency caused a part of the generated calcium to pass through the diaphragm and cause a knock reaction.
  • Test Nos. 20 to 23 are cases where the temperature of the electrolytic bath was increased (850 ° C) to obtain metallic calcium as a melt. Current efficiency was good at or near 100%. Among them, test No. 23 with a current density of 20 AZcm 2 showed a slight decrease in current efficiency. This is probably because the calcium calcium is in a molten state, and a part of the electrolytic bath (Ca 2+ , CD) that easily passes through the diaphragm passes through the diaphragm and a back reaction occurs.
  • Test Nos. 24 to 27 were cases in which the temperature of the electrolytic bath was maintained at 700 to 750 ° C to obtain metallic calcium as a solid product, and the current efficiency was 100%. In this case, the metal calcium is a solid substance, and it is presumed that the calcium does not pass through the diaphragm even if the current density is increased.
  • Test Nos. 28 to 31 are comparative examples, and the diaphragm is made of alumina (Al 2 O 3), magnesia (MgO),
  • the metal production method by the electrolytic method of the present invention is a method of using a porous ceramic body containing yttria as a diaphragm, and can be used particularly for the production of metals such as calcium and rare earth elements.
  • metals such as calcium and rare earth elements.
  • it is possible to easily and inexpensively produce metallic calcium that does not require a large amount of heat energy, and can be expected to make a great contribution especially to promoting the use of calcium as a reducing material. .

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Abstract

 イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔膜として使用する電解法による金属製造方法であり、電解により生成するカルシウムは隔膜を通過できず、バックリアクションを効果的に抑制できる。イットリアの純度が90質量%以上(より望ましくは、99%以上)、気孔率が1%以上、細孔径が20μm以下の多孔質セラミックス体からなる、厚みが0.05~50mmの隔膜を使用し、電解浴として金属のハロゲン化物を使用するのが望ましい。特に、カルシウム、希土類元素等の金属の製造に利用することができる。例えば、カルシウムの製造に適用すれば、多大な熱エネルギーを要することなく、金属カルシウムを簡易、かつ安価に製造することが可能である。

Description

明 細 書
金属製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、電解法による金属製造方法に関し、特に、カルシウム、希土類元素等の 金属の製造に適用できる金属製造方法に関するものである。
背景技術
[0002] 金属カルシウムは還元作用が強ぐ他の金属を製造するに際し、還元材料として用 いられる貴重な金属である。また、希土類金属は、ガラス (着色剤)やセラミックス等の ほか、磁性材料、原子力材料、冶金用添加剤、触媒など、広い産業分野で、様々な 用途に用いられている。
[0003] これらの金属のうち、希土類金属は、これらを含む精鉱から溶媒抽出法により特定 の (製造しょうとする)希土類金属を抽出して、アルカリ沈殿法等により酸ィ匕物とし、そ の後、溶融塩電解法や金属熱還元法等で還元することにより製造されている。
[0004] 一方、カルシウムは、現在、主として、精製炭酸塩と金属アルミニウムとを加熱し、生 成するカルシウム蒸気を凝縮して金属カルシウムとするアルミニウム還元法により製 造されている。しかし、純度を高めるために、さらに真空精製を行わなければならない こともあって、非常にコスト高になる。そのため、還元材料として好適であるにも係わら ず、容易には適用できない。
[0005] そこで、例えば、金属カルシウムを、塩ィ匕カルシウム等の溶融塩を電気分解すること により製造できれば、アルミニウム還元法で必要とされる多大な熱エネルギーを要す ることなく、比較的安価な製造法として極めて有益である。
また、この溶融塩を電気分解する方法は、希土類金属の製造にも適用することが可 能である。し力し、カルシウムの還元力が強すぎるため、バックリアクションが起こりや すぐ陰極側に生成するカルシウムが陽極 (黒鉛)側に生成する塩素とすぐに反応し て塩化カルシウムに戻ってしまう。
[0006] これを防止するため、陰極と陽極間に隔膜を設ける隔膜法の適用が提唱されてい る力 カルシウム等のアルカリ土類金属やアルカリ金属は還元力が強ぐ隔膜の素材 として使用されるセラミックスと反応してこれを還元するため、実用化には至っていな い。
[0007] 関連する技術文献(Waste Management, Vol.17, No.7, pp451- 461, 1997 P.D.
Ferro et al. APPLICATION OF CERAMIC MEMBRANE IN MOLTEN SALT ELECTROLYSIS OF CaO- CaCl )には、 CaO— CaCl系溶融塩の電解還元の際
2 2
に、 Caによるバックリアクションを抑制するため、陽極を取り囲む被覆材(sheath)とし てマグネシア(MgO)が最適であると記載されて!、る。
[0008] しかし、本発明者らが CaCl系溶融塩の電解還元において、陰極と陽極間に設置
2
する隔膜の素材としてマグネシアを使用したところ、 Caによる還元が生じた。さらに、 アルミナ(Al O )、窒化珪素(Si N )、ジルコ-ァ(ZnO )も Caと反応し還元されるこ
2 3 3 4 2
とが確認された。
発明の開示
[0009] 本発明の目的は、電解法により製造される、または製造が可能な、カルシウムや希 土類元素等の金属の製造に適用できる金属製造方法を提供することにある。
[0010] この目的を達成するために、本発明者らは、陽極と陰極間に隔膜を取り付けて行う 溶融塩電解法(隔膜法)の適用について、特に、カルシウムの還元作用に対する耐 性 (耐カルシウム還元性)および機械的強度等について、隔膜の材質を中心に検討 を重ねた。その結果、イットリア (Y o )を焼成して多孔質セラミックス体としたものは、
2 3
カルシウムや塩素のイオンは通すが金属カルシウムを通過させな 、、 t 、う選択透過 '性を備えて 、ることを知見した。
[0011] 従来、イットリアは、カルシウムのような強力な還元力をもつ金属によっても還元され ない性質を有しているが、強度的な問題等で隔膜としての適用が困難とされてきた。 しかし、本発明者らの検討の結果、この強度上の問題も克服することができ、イツトリ ァの多孔質セラミックス体力 優れた耐カルシウム還元性と、前記の選択透過性を備 えた隔膜として、溶融塩電解の際に使用可能であることが判明した。
[0012] 本発明は上記の知見等に基づいて完成されたものであり、その要旨は、電解法に よる金属製造方法であって、イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔膜として使用 する金属製造方法である。 ここで、「隔膜」とは、カルシウムや塩素のイオンは通すが金属カルシウムを通過さ せな 、機能を備えるものである。
[0013] 本発明の金属製造方法は、次の第 1〜第 10実施形態を特徴とするものである。
本発明の第 1実施形態は、前記多孔質セラミックス体力 Sイットリアを主体とする材料 からなるものであり、良好で安定した耐カルシウム還元性を発揮することができる。さ らに、本発明の第 2実施形態では、電解浴として金属のハロゲンィ匕物を用いる。
[0014] 本発明の第 3実施形態は、前記多孔質セラミックス体の気孔率を 1%以上とし、浴 の伝導性を確保し隔膜としての機能を発揮させる。また、本発明の第 4実施形態では 、前記隔膜の厚みを 0. 05〜50mmとするのが望ましい。さらに、本発明の第 5実施 形態では、前記多孔質セラミックス体の細孔径を 20 m以下とし、金属カルシウムの 通過を効果的に阻止できるようにする。
[0015] 本発明の第 6実施形態では、前記多孔質セラミックス体のイットリアの純度を 90質 量%以上とし、耐カルシウム還元性のより一層の向上を図る。さらに、本発明の第 7実 施形態では、電解時の電流密度を 0. 1〜: LOOAZcm2とするのがよい。
[0016] 本発明の第 8実施形態では、電解浴としてカルシウム塩またはカルシウム塩を含む 混合塩の溶融物を用い、この金属製造方法 (前記の各実施形態を含む)を適用して 金属カルシウムまたは金属カルシウムを含む溶融塩を得ることができる。
この場合に、本発明の第 9実施形態では、前記金属カルシウムを固形物として得る ことができ、または本発明の第 10実施形態では、前記金属カルシウムを溶融物として 得ることができる。
[0017] 本発明の金属製造方法は、イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔膜として使用 する方法であり、カルシウムや希土類元素等の金属の製造に利用することができ、特 に、金属カルシウムの製造に好適である。例えば、カルシウムの製造に適用すれば、 従来のアルミニウム還元法で必要な多大な熱エネルギーを消費することなく、金属力 ルシゥムをより簡易、かつ安価に製造することができる。
図面の簡単な説明
[0018] 図 1は、本発明の金属製造方法を実施することができる装置の構成例を示す図で ある。 発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下に、本発明の金属製造方法の内容を図面に基づいて説明する。
図 1は、本発明の金属製造方法を実施することができる装置の構成例を示す図で ある。図 1において、電解槽 1は、陽極 2と陰極 3を具備し、電解浴 4として溶融塩化力 ルシゥム (CaCl )を保持する。陽極 2と陰極 3間には、隔膜 5が設置され、それにより
2
電解槽 1内は陽極 2側と陰極 3側に分割されて 、る。
[0020] 電解槽 1内で溶融塩化カルシウムを電気分解すると、下記(1)式および(2)式の電 極反応が進行して、陽極 2の表面近傍で C1ガスが発生し、陰極 3の表面近傍で Ca
2
が生成する。
陽極: 2Cl"→2e" + Cl · · · (1)
2
陰極: Ca2+ + 2e_→Ca · · · (2)
[0021] 生成する C1ガスは電解浴 4中を上昇して浴 4外へ移行し、 Caは溶融塩化カルシゥ
2
ムとの比重差により浮上して、溶融塩ィ匕カルシウムの液面で Ca層 6を形成する。この Ca層 6を抜き出すことにより、金属 Caを得ることができる。なお、浴 4外へ移行する C1 ガスは、回収され、再利用される。
2
[0022] 隔膜 5が設けられていなければ、生成した C1ガスと Caの一部は電解浴 4中で反応
2
して CaClに戻る、いわゆるバックリアクションが起こり、電流効率が低下して Caの製
2
造は著しく阻害される。ところが、図示した構成例では、 C1ガスおよび Caはいずれも
2
隔膜 5を通過することができず、ノ ックリアクションは起こらない。なお、 CaClはイオン
2
(Ca2+、 CDとして隔膜 5を通り抜けられるので、電気分解を行うことは十分可能であ る。
[0023] 本発明の金属製造方法は、『電解法による金属製造方法であって、イットリアを含 む多孔質セラミックス体を隔膜として使用する金属製造方法』である。すなわち、図 1 に示す装置構成において、隔膜 5がイットリアを含む多孔質セラミックス体で構成され ていることに特徴がある。
[0024] イットリアの含有量につ!、ては、規定しな!、。イットリアが含まれて 、れば、耐カルシ ゥム還元性が認められる力 である。しかし、イットリアの含有量が多い方が耐カルシ ゥム還元性が大きぐ実際にもかなりの量のイットリアが含まれた多孔質セラミックス体 が用いられる。
[0025] また、多孔質セラミックス体の気孔率、細孔径等につ 、ても何ら限定しな 、。セラミツ タス体とは、焼成等の工程を経て得られる材料である力 多孔質であると通念上認め られるものであれば、電解浴がセラミックス体を通過できるので、電気分解が可能で ある。
[0026] 図 1に示す構成例では、隔膜 5は、電解槽 1のほぼ中央位置で槽内を陽極 2側と陰 極 3側に分割するように配置されているが、この位置に限定されることはなぐ陽極側 、陰極側のいずれか〖こ偏在していてもよい。また、例えば、陽極を囲繞して、カルシゥ ムと塩素の接触を遮るように配置されて 、てもよ 、。
[0027] 本発明の第 1実施形態は、イットリアを主体とする材料力もなる多孔質セラミックス体 を隔膜として使用する製造方法である。ここで、「イットリアを主体とする」とは、イツトリ ァが 50質量%以上含まれることを意味する。
[0028] さらに、イットリアを 50質量%以上とするのに厳密な理由はないが、材料の半分以 上力イットリアであれば、その材料を焼成して得られた多孔質セラミックス体は、その 性能にぉ 、てもイットリアの特性が大きく現れ、良好で安定した耐カルシウム還元性 を発揮すること〖こよる。
[0029] 本発明の第 2実施形態は、電解浴として金属のハロゲン化物を用いる製造方法で ある。「金属のハロゲンィ匕物」としては、金属カルシウムを製造する場合であれば、塩 化カルシウム(CaCl )、弗化カルシウム(CaF )が好適である。また、希土類金属の
2 2
製造に際しても、それぞれの金属の塩ィ匕物や弗化物を用いるのがよ!/、。
[0030] 本発明の第 3実施形態は、前記多孔質セラミックス体の気孔率が 1%以上である隔 膜を使用する製造方法である。ここでいう「気孔率」とは、水銀圧入法により測定され る気孔率である。この気孔率が 1%に満たなければ、電解浴の隔膜通過が十分に行 われず、電解時の抵抗が増大して操業が困難になるおそれがある。
[0031] さらに、気孔率の上限は、隔膜の構成 (特に、強度)上の制約から自ずと決まるので 、特に定めないが、電解を効率よぐ円滑に行うためには、セラミックス体の気孔率は 10〜40%が望ましい。より望ましくは、 20〜30%である。
[0032] 本発明の第 4実施形態は、厚みが 0. 05〜50mmである隔膜を使用する製造方法 である。ここで規定する「隔膜の厚み」とは、隔膜を図 1に示すように 1枚取り付ける場 合は、その隔膜の厚みであり、 2枚以上設ける場合は、そのそれぞれの厚みの合計 厚みをいう。
[0033] 隔膜の厚みが 0. 05mm未満の場合は、薄すぎて隔膜としての強度が確保できず、 隔膜が本来有すべき選択透過機能も十分に発揮されない。一方、厚みが 50mmを 超えると、電解浴の通過が困難になり、電解時の抵抗が大きく操業が円滑に行えなく なる。隔膜の厚みは、望ましくは、 2〜: LOmmである。
[0034] 本発明の第 5実施形態は、多孔質セラミックス体の細孔径が 20 μ m以下である隔 膜を使用する製造方法である。ここで、「多孔質セラミックス体の細孔径」とは、水銀圧 入法により測定される細孔径である。この細孔径が 20 m以下であれば、陰極表面 近傍に生成した Caの隔膜通過が効果的に阻止される。細孔径の下限は特に限定し ない。細孔径を小さくしすぎると電気抵抗の増大により操業が困難になるため、下限 は自ずと定まる力 である。
Caの隔膜通過を抑制しつつ、電解を効率よく行うためには、セラミックス体の細孔 径は 0. 1〜: LO /z mであるのが望ましい。
[0035] 本発明の第 6実施形態は、イットリアの純度が 90質量%以上である材料力もなる多 孔質セラミックス体を隔膜として使用する製造方法である。この実施形態で用いる隔 膜は、ほとんど力イットリア力もなる多孔質セラミックス体で構成されているので、優れ た耐カルシウム還元性を有している。前記イットリアの純度は、望ましくは 99%以上で ある。
[0036] 本発明の第 7実施形態は、電解時の電流密度が 0. 1〜: LOOAZcm2である製造方 法である。
[0037] 本発明の第 8実施形態は、電解浴としてカルシウム塩またはカルシウム塩を含む混 合塩の溶融物を用い、本発明(前記第 1〜第 7の実施形態を含む)の金属製造方法 を適用して金属カルシウムまたは金属カルシウムを含む溶融塩を得る金属製造方法 である。
[0038] 上記のカルシウム塩としては、塩化カルシウムや弗化カルシウム(CaF )が好適で
2
ある。また、カルシウム塩を含む混合塩とは、カルシウム塩に、融点の低下、粘度の調 整等を目的として、塩ィ匕カリウム (KC1)、塩化リチウム (LiCl)、塩化バリウム (BaCl )
2 等の塩化物や、その他の塩 (但し、分解電圧がカルシウム塩より高い塩)を加えたも のである。
[0039] 前記図 1に示す構成例は、電解浴として塩ィ匕カルシウムを用いた場合である。電解 により生成するカルシウムを固形物および溶融物のいずれとする態様も採り得る。生 成カルシウムは、固形物および溶融物の!/、ずれであっても溶融塩ィ匕カルシウムよりも 比重が小さぐ電解浴 4の液面で Ca層 6を形成する。
[0040] 本発明の第 9実施形態は、前記の第 8実施形態において、金属カルシウムを固形 物として得る金属製造方法である。例えば、電解浴の温度を、浴を構成するカルシゥ ム塩またはカルシウム塩を含む混合塩の融点より高ぐカルシウムの融点より低い温 度に保持しておけば、電解により生成する金属カルシウムは固形物として得られる。 したがって、電解浴 4面に浮上した金属カルシウムを、固体金属カルシウムとして電 解槽から取り出し、または、固体金属カルシウムを含む溶融塩として溶融塩と共に電 解槽力 抜き出すことができる。
[0041] 本発明の第 10実施形態は、前記の第 8実施形態において、金属カルシウムを溶融 物として得る金属製造方法である。この場合は、電解浴の温度を、カルシウムの融点 より高 、温度に保持しておく。電解により生成する金属カルシウムは溶融体として電 解浴 4面に浮上するので、金属カルシウムの溶融体として取り出し、または溶融塩と 共に電解槽力 抜き出すことができる。
[0042] 前述の通り、本発明の金属製造方法は、電解の際に使用する隔膜がイットリアを含 む多孔質セラミックス体で構成されて 、ることが特徴になる。この隔膜を構成する多 孔質セラミックス体を製造するには、所定純度のイットリアの粉末を加圧成形し、 160 0°C以上で 0. 5〜10時間均熱する焼成を行うのが望ましい。
[0043] 前記イットリア粉末の粒径は 0. 1-500 μ mの範囲が望ましい。粒径がこの範囲を 超えるものが多く含まれると、成形後の形状維持が困難になったり、焼成後のセラミツ タス体の強度が低ぐ隔膜としての使用に支障を来す場合が生じる。また、粒径がこ の範囲より小さ 、ものが多 、と、目標とする気孔率が得られな!/、場合がある。
[0044] 加圧成形は、前記イットリア粉末に適量の水を加え、型に入れて、 0. 2〜20MPa 程度の圧力で加圧して成形する。 0. 2MPa未満では型から取り出し後の形状の維 持が困難であり、 20MPaを超えて加圧しても成形後の強度はそれほど増大せず、加 圧力をこれ以上高める必要はない。
[0045] 焼成を 1600°C以上と、力なり高い温度範囲で行うのは、焼成助剤を添加せずにィ ットリアを焼結するためで、 1600°C未満では焼成が十分に行われない。焼成温度の 上限は、設備能力および焼成に要するエネルギー低減の観点から自ずと定まるので 、特に限定はしないが、 1800°C程度である。また、焼成時間は、焼成温度に応じ、セ ラミックス体の厚み、目標の気孔率等を勘案して、前記範囲内で適宜調整すればよ い。
[0046] この焼成条件 (焼成温度および時間)と、前記イットリア粉末の粒径とを適宜組み合 わせることにより焼成物(セラミックス体)の気孔率および細孔径を制御することができ る。
[0047] このようにして得られる多孔質セラミックス体は、焼成助剤を添加せず、耐カルシゥ ム還元性の良好なイットリアを主体とする素材力 なるものであり、必要な機械的強度 を有しており、本発明の金属製造方法 (電解法)で用いる隔膜として十分使用に耐え ることがでさる。
[0048] 電解の際に用いる陰極は、製造しょうとする金属との合金を生成しない材料が望ま しい。 Caを製造する場合であれば、金属チタン、純鉄等を用いるのがよい。また、陽 極には、黒鉛 (グラフアイト)を使用するのが一般的である。
実施例
[0049] 陰極に金属チタン、陽極にグラフアイトを適用した電解槽を準備し、電解浴として塩 化カリウムを 25mol%混合した塩化カルシウムを使用し、浴温を 700〜750°C (—部 の試験では、 850°C)に調節した。
[0050] その陰極と陽極間に隔膜を取り付け、 300分間の電気分解を行った。隔膜は、イツ トリァを含む素材を、条件を変えて焼成して得た多孔質セラミックス体力もなるもので 、表 1に、イットリアの純度、得られたセラミックスの気孔率、細孔径および厚みと、電 解時の電流密度を示す。
[0051] イットリアを含む素材としては、製造上混入する不純物(Fe O、 SiO等)量が 0. 1 質量%未満の高純度(≥99. 9質量%)のイットリアを使用した。なお、イットリアの純 度の影響を調べるため、一部、イットリア純度の低い材料を用いた。
[0052] 多孔質セラミックス体の気孔率および細孔径は、マイクロメリテック社製「オートポア II 19400」を使用して、水銀圧入法により測定した。この方法で測定される気孔率およ び細孔径は、それぞれ下記のように定義される平均細孔径および気孔率である。
平均細孔径 (D) :
細孔を円筒形であると仮定して、全細孔容積 (V= D2LZ4)を全細孔表面 積 (A= DL)で除した値 (D = 4VZA)。ここで、 Vは全細孔の容積の合計 値、 Lは平均細孔深さである。
気孔率:
セラミックス体の容積に対する全開気孔 (セラミックス体の一方の面力 他方の 面までつながって!/、る気孔)の容積の割合。閉気孔の容積は含まな 、。
[0053] また、比較のために、アルミナ、マグネシア、窒化珪素およびジルコユア(1/、ずれも 高純度材)を焼成してセラミックス体としたものを隔膜として使用した場合にっ 、ても、 同様に電気分解を行った。
[0054] [表 1]
表 1
Figure imgf000012_0001
電解時の電流効率を表 1に併せて示す。このときの電流効率は、流した電気量から 求められるカルシウム生成量 (理論析出量)と、実際に陰極の表面近傍で生成し、陰 極に付着したカルシウムおよび電解浴 (浴面、浴中)に保持されたカルシウムの合計 量力も算出した。また、前記カルシウムの合計量は、陰極に付着したカルシウムおよ び電解浴に保持されたカルシウムを H Oと反応させ、生成する H量を定量し、これを
2 2
Ca量に換算することにより求めた。
[0056] 表 1において、試験 No. 1〜4はイットリアの純度を変化させた場合 (気孔率、細孔 径、厚みおよび電流密度はほぼ一定に保持)である力 純度が高いほど高い電流効 率が得られ、純度が 99. 9質量%以上のものでは、 100%であった。
イットリア純度の低下に伴い電流効率が低下するのは、生成した金属カルシウムに よりアルミナが還元され、カルシウムが隔膜を通過してバックリアクションが生じたこと によるものである。
[0057] 試験 No. 5〜10は、他の条件はほぼ一定で、セラミックス体の気孔率を変化させた 場合である。気孔率が前記の望ましい範囲(10〜40%)の試験 No. 7および 8では、 100%またはそれに近 、電流効率であった。
[0058] 試験 No. 11〜15は、セラミックス体の細孔径を変化させた場合である。細孔径が 小さいほど電流効率が高くなる傾向がみられた力 細孔径が 0. の場合には、 電解時の抵抗が若干増大した。
[0059] 試験 No. 16〜19は、隔膜の厚みを変化させた場合である。隔膜が厚いほど電流 効率が上昇したが、厚みが 20mmの場合には電解抵抗が増大した。厚みが 0. 3mm の場合 (試験 No. 16)、電流効率が幾分低下した力 生成したカルシウムの極一部 が隔膜を通過し、ノ ックリアクションが生じたことによるものと推測される。
[0060] 試験 No. 20〜23は電解浴の温度を高めて(850°C)金属カルシウムを溶融物とし て得た場合である。電流効率は 100%またはそれに近く良好であった力 その中で、 電流密度が 20AZcm2である試験 No. 23では、僅かではあるが電流効率が低下し た。金属カルシウムが溶融状態であるため、電解浴 (Ca2+、 CDの多量の通過に伴 つて隔膜を通過し易ぐごく一部が隔膜を通り抜けてバックリアクションが生じたためと 考えられる。
[0061] 試験 No. 24〜27は電解浴の温度を 700〜750°Cに保持して金属カルシウムを固 形物として得た場合であり、電流効率は 100%であった。この場合は、金属カルシゥ ムが固形物で、電流密度を高めても金属カルシウムの隔膜通過は生じな力つたもの と推測される。 [0062] 試験 No. 28〜31は比較例であり、隔膜をアルミナ(Al O )、マグネシア(MgO)、
2 3
窒化珪素 (Si N )またはジルコユア (ZrO )の焼成体で構成した隔膜を使用した場
3 4 3
合である。いずれも、電解により生成したカルシウムで還元され、カルシウムが隔膜を 通過してバックリアクションが生じたため、電流効率は極端に低下し、隔膜として使用 できなかった。
[0063] 以上の結果力も明らかなように、イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔膜として 使用する本発明の金属製造方法によれば、 80%以上という高い電流効率で金属力 ルシゥムの製造が可能である。
産業上の利用の可能性
[0064] 本発明の電解法による金属製造方法は、イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔 膜として使用する方法であり、特に、カルシウム、希土類元素等の金属の製造に利用 することができる。例えば、カルシウムの製造に適用すれば、多大な熱エネルギーを 要することなぐ金属カルシウムを簡易、かつ安価に製造することが可能であり、特に カルシウムの還元材料としての利用促進に多大な貢献が期待できる。

Claims

請求の範囲
[I] 電解法による金属製造方法であって、イットリアを含む多孔質セラミックス体を隔膜 として使用することを特徴とする金属製造方法。
[2] 前記多孔質セラミックス体力イットリアを主体とする材料力もなることを特徴とする請 求項 1に記載の金属製造方法。
[3] 電解浴として金属のハロゲンィ匕物を用いることを特徴とする請求項 1に記載の金属 製造方法。
[4] 前記多孔質セラミックス体の気孔率が 1%以上であることを特徴とする請求項 1に記 載の金属製造方法。
[5] 前記隔膜の厚みが 0. 05〜50mmであることを特徴とする請求項 1に記載の金属 製造方法。
[6] 前記多孔質セラミックス体の細孔径が 20 μ m以下であることを特徴とする請求項 1 に記載の金属製造方法。
[7] 前記多孔質セラミックス体のイットリアの純度が 90質量%以上であることを特徴とす る請求項 1に記載の金属製造方法。
[8] 電解時の電流密度が 0. 1〜: LOOAZcm2であることを特徴とする請求項 1に記載の 金属製造方法。
[9] 電解浴としてカルシウム塩またはカルシウム塩を含む混合塩の溶融物を用い、請求 項 1〜8のいずれかに記載の金属製造方法を適用して金属カルシウムまたは金属力 ルシゥムを含む溶融塩を得ることを特徴とする金属製造方法。
[10] 前記得られる金属カルシウムが固形物であることを特徴とする請求項 9に記載の金 属製造方法。
[I I] 前記得られる金属カルシウムが溶融物であることを特徴とする請求項 9に記載の金 属製造方法。
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