明 細 書 Specification
還元性金属の溶融塩電解装置およびその電解方法並びに還元性金属 を用レ、た高融点金属の製造方法 Title: Molten salt electrolyzing apparatus for reducing metal, electrolytic method therefor, and method for producing high melting point metal using reducing metal
技術分野 Technical field
[0001] 本発明は、溶融塩電解によって金属塩化物から還元性金属を得る電解装置および その電解方法に関する。 The present invention relates to an electrolytic device for obtaining a reducing metal from a metal chloride by molten salt electrolysis, and an electrolytic method thereof.
背景技術 Background art
[0002] 金属チタンは、従来航空機用材料や部品に多く用いられており、また、近年、用途 開発が進み、建材や道路、あるいはスポーツ用品等に幅広く用いられている。従来、 単体の金属チタンは、四塩ィ匕チタンを溶融マグネシウムで還元してスポンジチタンを 得るクロール法により製造されており、種々の改良の積み重ねにより製造コストの削 減が図られてきた。し力しながら、クロール法は、一連の操作を非連続的に繰り返す ノ ツチプロセスであるため、効率ィ匕にも限界があった。 [0002] Metallic titanium has been widely used in conventional aircraft materials and parts, and in recent years, development of applications has progressed, and it is widely used in construction materials, roads, sports goods and the like. Conventionally, elemental metallic titanium is manufactured by the Kroll method in which titanium tetrachloride is reduced with molten magnesium to obtain sponge titanium, and manufacturing costs have been reduced by stacking various improvements. However, since the crawling method is a notching process that repeats a series of operations discontinuously, the efficiency is limited.
[0003] 上記のような状況に対し、溶融塩中にて酸ィ匕チタンを金属カルシウムで還元して直 接金属チタンを製造するという方法 (例えば特許文献 1、 2参照)や、カルシウム等の 金属または合金を含む還元剤を製造し、この還元剤から放出される電子によってチ タンィ匕合物を還元して金属チタンを得る EMR法 (例えば、特許文献 3参照)が開示さ れている。 [0003] Under the above conditions, there is a method of producing titanium directly by reducing titanium oxide with metallic calcium in molten salt (see, for example, Patent Documents 1 and 2), calcium, etc. There is disclosed an EMR method (see, for example, Patent Document 3) in which a reducing agent containing a metal or an alloy is produced, and a titanium compound is reduced by electrons emitted from the reducing agent to obtain metallic titanium.
[0004] これらの方法では、電解反応後に反応系中から金属チタンを回収した後、電解反 応で副生した酸ィ匕カルシウムを塩ィ匕カルシウムに溶解させ、溶融塩電解することによ り金属カルシウムを回収し、これを金属チタンの製造工程で再利用して 、る。 [0004] In these methods, titanium metal is recovered from the reaction system after the electrolytic reaction, and then calcium chloride by-produced in the electrolytic reaction is dissolved in calcium chloride to carry out molten salt electrolysis. Recover metallic calcium and reuse it in the production process of metallic titanium.
[0005] 前記工程における電解浴の温度は、金属カルシウムの融点以上に保持されている ので、電解反応で生成した金属カルシウムは液体状態で存在する。しカゝしながら、溶 融カルシウムは、塩ィ匕カルシウムに対する溶解度が高 、ため容易に塩化カルシウム 中に溶解 ·散逸し、金属カルシウムの収率が低下すると 、う問題を有して 、た。 [0005] Since the temperature of the electrolytic bath in the above step is maintained at or above the melting point of metallic calcium, metallic calcium produced by the electrolytic reaction is present in a liquid state. As a matter of fact, molten calcium has a high solubility in sodium chloride, and therefore, it easily dissolves and dissipates in calcium chloride, and when the yield of metallic calcium decreases, it has a problem.
[0006] これに対し、金属カルシウムよりも低 、融点を持つ複合溶融塩を用い、固体状態で 金属カルシウムを陰極に析出させる試みが開示されている(例えば、特許文献 4参照
)。し力しながら、この方法では、複合溶融塩を特別に準備することが必要であり、コス トの増大と 、う問題は解決されて 、な 、。 On the other hand, an attempt has been disclosed to deposit metallic calcium on a cathode in the solid state using a composite molten salt having a melting point lower than metallic calcium (see, for example, Patent Document 4) ). However, this method requires the special preparation of the complex molten salt, and the problem of cost increase and the problem is solved.
[0007] また、溶融塩電解により生成した金属カルシウムは、電解反応で副生した塩素ガス と接触すると逆反応を起こして塩ィ匕カルシウムに戻るために、前記した逆反応は電流 効率を低下させる原因となっていた。 [0007] In addition, since the metallic calcium produced by molten salt electrolysis causes an inverse reaction when it comes in contact with chlorine gas by-produced in the electrolytic reaction and returns to calcium chloride, the above-mentioned inverse reaction reduces the current efficiency. It was the cause.
[0008] このように、従来の方法では、金属カルシウム等の活性金属を効率良く回収するこ とが困難であり、仮に可能であってもコストが高 、と 、う問題を有して ヽた。 As described above, in the conventional method, it is difficult to efficiently recover the active metal such as metallic calcium, and even if it is possible, there is a problem that the cost is high. .
[0009] 特許文献 l :WO99Z064638号 Patent document l: WO99Z064638
特許文献 2 :特開 2003— 129268号公報 Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-129268
特許文献 3:特開 2003 - 306725号公報 Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-306725
特許文献 4: US3226311号 Patent Document 4: US 3226311
発明の開示 Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題 Problem that invention tries to solve
[0010] 本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、例えば金属チタンの酸ィ匕物ある いは塩化物を還元するために用いる還元性金属を製造するための装置および方法 であって、特に、溶融塩電解によって効率良く還元性金属を製造する溶融塩電解装 置、およびこれを用いた還元性金属の電解方法並びに前記還元性金属を用いた高 融点金属の製造方法を提供することを目的として!/ヽる。 The present invention has been made in view of the above situation, and is an apparatus and method for producing a reducing metal used to reduce, for example, an acid oxide or chloride of metal titanium. In particular, the present invention provides a molten salt electrolytic apparatus for efficiently producing a reducing metal by molten salt electrolysis, a method of electrolysis of a reducing metal using the same, and a method of producing a high melting point metal using the reducing metal. For the purpose!
課題を解決するための手段 Means to solve the problem
[0011] 力かる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、還元性金属の溶融電解槽を構 成する陽極および陰極の周囲をそれぞれ独立に取り囲むような隔壁を配置すること により、高い電流効率を維持しつつ還元性金属を製造することができることを見出し、 本発明を完成するに至った。 [0011] The present inventors have intensively studied in view of the strong situation, it has been found that high current efficiency can be achieved by arranging partition walls which independently surround the periphery of the anode and the cathode that make up the molten metal electrolytic bath of reducing metals. It has been found that reducing metals can be produced while maintaining the above, and the present invention has been completed.
[0012] 即ち、本発明は、還元性金属の塩化物を含む溶融塩を満たし、陽極および陰極を 浸漬配置した電解槽を備えた還元性金属の溶融塩電解装置であって、陽極の周囲 を取り囲む陽極側隔壁および陰極の周囲を取り囲む陰極側隔壁を配置したことを特 徴としている。 That is, the present invention relates to a molten metal salt electrolyzing apparatus for a reducible metal provided with an electrolytic cell filled with a molten metal salt containing a reducible metal chloride and in which the anode and the cathode are immersed. It is characterized in that the surrounding anode side partition wall and the cathode side partition wall surrounding the periphery of the cathode are disposed.
[0013] 上記構成によれば、陽極および陰極の周囲が隔壁によって取り囲まれているので、
生成する塩素ガスおよび還元性金属が電解浴中に拡散して生起される逆反応を抑 制することができる。さらに、陰極側隔壁の内側に還元性金属が歩留まり良く蓄積さ れるので、これを効率的に回収することができ、結果として高効率な溶融塩電解を行 うことができる。 According to the above configuration, since the periphery of the anode and the cathode is surrounded by the partition wall, It is possible to suppress the reverse reaction caused by diffusion of chlorine gas and reducing metal generated into the electrolytic bath. Furthermore, since the reducing metal is accumulated inside the cathode side partition wall with a high yield, it can be recovered efficiently, and as a result, highly efficient molten salt electrolysis can be performed.
[0014] また、本発明は、陽極側隔壁および陰極側隔壁に溶融塩が流通可能な開口部を 有することを好ましい形態としている。このような形態によれば、隔壁によって塩素ガ スおよび還元性金属の拡散は抑制しつつ、開口部を経由することによって溶融塩を 流通させることができる力ゝら、溶融塩電解反応の効率低下を抑制することができる。 Further, in the present invention, it is preferable that the anode side partition and the cathode side partition have openings through which molten salt can flow. According to such a configuration, while the diffusion of chlorine gas and reducing metal is suppressed by the partition wall, the efficiency of the molten salt electrolytic reaction is lowered by the ability to circulate the molten salt through the opening. Can be suppressed.
[0015] 陽極側隔壁は、電解槽の底部まで延在し、かつ陽極側隔壁が多孔体で構成されて いることを好ましい形態としている。このような形態によれば、生成する塩素ガスは気 泡となるので多孔体を通過せずに電解浴面に浮上し、一方で電解浴はこの多孔体を 通過することができるので塩ィ匕物イオンと陽極が接触して反応を進行させることがで きる。 The anode-side partition extends to the bottom of the electrolytic cell, and the anode-side partition is preferably made of a porous body. According to such a configuration, since the chlorine gas generated becomes bubbles, it floats on the surface of the electrolytic bath without passing through the porous body, while the electrolytic bath can pass through the porous body, and therefore, chloride gas is generated. The reaction can be advanced by contact between the ion and the anode.
[0016] また、陽極側隔壁を金属酸化物、金属窒化物または金属炭化物で構成し、陰極側 隔壁を金属、金属窒化物または金属炭化物で構成されて 、ることを好ま U、形態とし ている。このような形態によれば陽極側隔壁においては、塩素ガスによる腐食を抑制 でき、陰極側隔壁においては生成する還元性金属による腐食を効果的に回避するこ とがでさる。 In addition, it is preferable that the anode side partition be made of metal oxide, metal nitride or metal carbide, and the cathode side partition be made of metal, metal nitride or metal carbide. . According to such a configuration, corrosion due to chlorine gas can be suppressed in the anode side partition wall, and corrosion due to the reducing metal formed can be effectively avoided in the cathode side partition wall.
[0017] 力!]えて、本発明に係る還元性金属の製造方法は、前記した溶融塩電解装置を用い ることを特徴とするものである。本発明の溶融塩電解装置を用いることにより、高い電 流効率を維持しつつ、純度の高 、還元性金属を効率よく製造することができる。 [0017] Force! The method for producing a reducible metal according to the present invention is characterized by using the above-described molten salt electrolytic device. By using the molten salt electrolyzer of the present invention, a high purity, reducible metal can be efficiently produced while maintaining high current efficiency.
[0018] また、本発明は、前記方法で製造された還元性金属により、チタン、ジルコニウム、 タンタルおよびニオブ力 選ばれる高融点金属の塩ィ匕物を還元することを特徴とする ものである。 Further, the present invention is characterized in that a salt of a refractory metal selected from titanium, zirconium, tantalum and niobium is reduced by the reducing metal produced by the above-mentioned method.
図面の簡単な説明 Brief description of the drawings
[0019] [図 1]本発明の溶融塩電解装置の第 1および第 2実施態様を示す模式断面図である FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing first and second embodiments of a molten salt electrolysis apparatus of the present invention.
[図 2]本発明の溶融塩電解装置の第 3実施態様を示す模式断面図である
[図 3]本発明の溶融塩電解装置の第 4実施態様を示す模式断面図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the molten salt electrolysis apparatus of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a fourth embodiment of the molten salt electrolysis apparatus of the present invention.
[図 4]本発明の溶融塩電解装置の第 5実施態様を示す模式断面図である。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a fifth embodiment of the molten salt electrolysis apparatus of the present invention.
符号の説明 Explanation of sign
[0020] 1 溶融塩電解装置 [0020] 1 Molten salt electrolysis apparatus
11 電解槽 11 Electrolyzer
12 電解浴 12 electrolytic bath
21 陽極 21 anode
22 陰極 22 cathode
31 陽極側隔壁 31 Anode side partition wall
32 陰極側隔壁 32 Cathode side partition wall
33 陰極側隔壁開口部 33 Cathode side partition opening
34 槽隔壁 34 tank bulkhead
35 槽隔壁開口部 35 Tank bulkhead opening
36 陽極側隔壁開口部 36 Anode side partition opening
37 隔壁 37 bulkhead
37a セラミクス層 37a Ceramics layer
37b メタノレ層 37b methanolic layer
41 塩素ガス 41 Chlorine gas
42 金属カルシウム濃化層 42 Calcium metal enrichment layer
51 電解浴供給管 51 Electrolytic bath supply pipe
52 塩素ガス抜き出し管 52 Chlorine gas extraction pipe
53 カルシウム濃化層抜き出し管 53 Calcium enriched layer extraction pipe
54 電解浴抜き出し管 54 Electrolytic bath extraction pipe
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0021] 本発明の好ましい実施形態について図面を用いて以下に説明する。図 1は本発明 を実施するための好適な溶融塩電解装置の構成例を表して 、る。本実施態様にお Vヽて用いられる電解浴と生成する還元性金属の組み合わせとしては任意のものが使 用可能であるが、電解浴が塩化カルシウム、生成する還元性金属が金属カルシウム
であり、かつ電解浴の温度を金属カルシウムの融点以下として、金属カルシウムを固 体状態で回収する場合 (第 1実施態様)を例にとり説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of a preferred molten salt electrolytic device for carrying out the present invention. Although any combination can be used as the combination of the electrolytic bath used in the present embodiment and the reducing metal to be produced, calcium chloride in the electrolytic bath and calcium metal to be produced are metallic calcium. The case where metallic calcium is recovered in a solid state by setting the temperature of the electrolytic bath to the melting point of metallic calcium or less (first embodiment) will be described as an example.
[0022] 図 1において溶融塩電解装置 laは、電解槽 11中に溶融塩ィ匕カルシウム力 なる電 解浴 12を満たして構成され、陽極 21および陰極 22が電解浴 12に浸漬配置されて いる。また、陽極 21の周囲を取り囲むように陽極側隔壁 31が、陰極 22の周囲を取り 囲むように陰極側隔壁 32がそれぞれ浸漬配置されている。陽極側隔壁 31は多孔質 体からなり、電解浴 12は、陽極側隔壁 31が取り囲む陽極 21側と外側を浸透拡散し て移動することができる。一方、陰極側隔壁 32は緻密な物質で構成され、電解浴 12 は浸透拡散することができないが、陰極 22下方近傍にて陰極側隔壁 32が取り囲む 陰極 22側と外側に連通した陰極側隔壁開口部 33が設けられている。 In FIG. 1, the molten salt electrolyzer la is constructed by filling an electrolytic bath 12 with molten calcium and calcium in an electrolytic cell 11, and an anode 21 and a cathode 22 are disposed so as to be immersed in the electrolytic bath 12. . Further, the anode side partition wall 31 is disposed so as to surround the periphery of the anode 21, and the cathode side partition wall 32 is disposed so as to surround the periphery of the cathode 22. The anode side partition 31 is made of a porous body, and the electrolytic bath 12 can move by permeation and diffusion on the side of the anode 21 surrounded by the anode side partition 31 and the outside. On the other hand, the cathode side partition 32 is made of a dense substance, and the electrolytic bath 12 can not permeate and diffuse, but the cathode side partition 32 surrounds the cathode 22 near the lower side of the cathode 22 Part 33 is provided.
[0023] 次に、この装置の動作を説明する。まず、図示しない加熱手段によって、溶融塩電 解槽 1を塩ィ匕カルシウムの融点以上に加熱して、電解浴 12を溶融状態とする。次に 、陽極 21および陰極 22間に所定の直流電圧を印加して、電解浴 12の溶融塩電解 を開始する。電解浴 12に含まれる塩ィ匕物イオンは、陽極側隔壁 31を通過して陽極 2 1に引きつけられ、電子を電極に与えて塩素ガス 41を生成する。生成した塩素ガス 4 1は、回収されて例えば塩素化工程等の図示しない他の工程に移送されて別途再利 用される。一方、電解浴 12中のカルシウムイオンは、陰極側隔壁開口部 33を通過し て陰極 22に引きつけられ、電子を受け取って金属カルシウムを生成する。電解浴 12 は金属カルシウムの融点以下に保持されているので、金属カルシウムは固体状態で 析出し、電解浴液面に浮上するので、これを回収して図示しないチタンの還元工程 に移送されて用いられる。 Next, the operation of this device will be described. First, the molten salt electrolytic tank 1 is heated to a temperature above the melting point of calcium chloride by a heating means (not shown) to bring the electrolytic bath 12 into a molten state. Next, a predetermined DC voltage is applied between the anode 21 and the cathode 22 to start the molten salt electrolysis of the electrolytic bath 12. The chloride ions contained in the electrolytic bath 12 pass through the anode side partition wall 31 and are attracted to the anode 21 to give electrons to the electrode to produce chlorine gas 41. The produced chlorine gas 41 is recovered and transferred to another process not shown, such as a chlorination process, for example, and reused separately. On the other hand, calcium ions in the electrolytic bath 12 pass through the cathode side partition opening 33 and are attracted to the cathode 22 and receive electrons to form metallic calcium. Since the electrolytic bath 12 is maintained at or below the melting point of metallic calcium, metallic calcium precipitates in a solid state and floats on the surface of the electrolytic bath solution, so it is recovered and transferred to a reduction step of titanium not shown. Be
[0024] 上記構成の溶融塩電解装置 laによれば、陽極 21において生成した塩素ガス 41の 気泡は陽極側隔壁 31に阻まれて陰極 22方向に拡散することが抑制され、そのほと んどが電解浴液面方向に浮上する。また、陰極 22において生成した固体金属カル シゥムは、その一部が電解浴 12に溶解するが、陰極側隔壁 32に阻まれて陽極 21方 向に拡散することが抑制される。このように、電極を取り囲む隔壁によって、生成した 塩素ガスおよび金属カルシウムが拡散して互いに接触し、逆反応を引き起こすことが 抑制されるため、溶融塩電解の効率が向上する。
[0025] また、図 1の装置において、第 2実施態様として、電解浴の温度を金属カルシウムの 融点以上として金属カルシウムを溶融状態で回収することも可能である。その場合は 、電気分解によって生成した金属カルシウムは、生成後、すぐに陰極側隔壁 32の内 側に存在する電解浴に溶解し、塩ィ匕カルシウムを含有してなる金属カルシウム濃化 層 42を形成する。金属カルシウム濃化層 42は、適宜抜き出されて図示しないチタン の還元工程に移送され、用いられる。 According to molten salt electrolyzer la having the above configuration, bubbles of chlorine gas 41 generated at anode 21 are prevented from being blocked by anode side partition wall 31 and diffused in the direction of cathode 22, and most of them are Floats in the electrolyte surface direction. In addition, although a part of the solid metal calcium formed at the cathode 22 is dissolved in the electrolytic bath 12, it is suppressed by the cathode side partition wall 32 and diffusion in the direction of the anode 21 is suppressed. As described above, the partition walls surrounding the electrode diffuse the generated chlorine gas and metallic calcium and contact with each other to prevent the reverse reaction, thereby improving the efficiency of molten salt electrolysis. In the apparatus of FIG. 1, as a second embodiment, it is also possible to recover metallic calcium in a molten state by setting the temperature of the electrolytic bath to the melting point of metallic calcium or more. In that case, the metallic calcium produced by the electrolysis is immediately dissolved in the electrolytic bath present on the inner side of the cathode side partition wall 32 immediately after formation, and the metallic calcium concentrated layer 42 containing calcium chloride is obtained. Form. The metal calcium enrichment layer 42 is appropriately extracted and transferred to a titanium reduction step (not shown) and used.
[0026] 上記構成の第 2実施態様の溶融塩電解装置 1においても、第 1実施態様と同様に 、陽極 21にお 、て生成した塩素ガス 41の気泡は陽極側隔壁 31に阻まれて陰極 22 方向に拡散することが抑制され、そのほとんどが電解浴液面方向に浮上する。また、 陰極 22において生成した金属カルシウムは、陰極側隔壁 32に阻まれて陽極 21方向 に拡散することが抑制される。結果的に、塩素ガスおよび金属カルシウムが逆反応を 引き起こすことが抑制されるため、溶融塩電解の効率が向上する。 Also in the molten salt electrolyzer 1 of the second embodiment of the above configuration, bubbles of chlorine gas 41 generated at the anode 21 are blocked by the anode side partition wall 31 in the same manner as the first embodiment. The diffusion in the direction 22 is suppressed, and most of the surface floats in the electrolyte surface direction. Further, the metallic calcium produced at the cathode 22 is inhibited by the cathode side partition wall 32 and diffused in the direction of the anode 21. As a result, it is suppressed that chlorine gas and metallic calcium cause reverse reaction, so the efficiency of molten salt electrolysis is improved.
[0027] 次に、本発明の溶融塩電解装置の構成要素について、さらに詳細に説明する。 Next, the components of the molten salt electrolysis apparatus of the present invention will be described in more detail.
雷謹 Thunder raft
電解槽 11は、操業時の高温に耐えることができ、かつ溶融塩ィ匕カルシウムや溶融 金属カルシウムと反応し難い材料で構成しておくことが好ましぐ具体的には、金属 チタンやタンタルある 、はニオブで構成することが好まし 、。 The electrolytic cell 11 is preferably made of a material that can withstand the high temperature at the time of operation and is made of a material that does not easily react with molten salt calcium or molten metal calcium. Specifically, metal titanium or tantalum may be used. Is preferably composed of niobium.
[0028] 雷解浴 Thunder bath
電解浴 12の温度は、金属カルシウムを溶融状態で回収する場合と固体で回収する 場合で異なってくる。金属カルシウムを溶融状態で回収する場合には、金属カルシゥ ムの融点よりも高い温度域で溶融塩電解を行うことが好ましぐ具体的には、金属力 ルシゥムの融点よりも 5°C〜50°C高 、温度域を選択することが好まし 、。金属カルシ ゥムの融点は 845°Cであるので、電解浴の温度は、 850°C〜895°Cである。また、加 熱に要するコストや塩ィ匕カルシウムの蒸発を考慮して、 5°C〜20°Cの範囲がより好ま しいとされる。塩ィ匕カルシウムの融点は 780°Cであり金属カルシウムの融点よりも低い ので金属カルシウムが溶融状態に保持される限り、塩ィ匕カルシウムも溶融状態に保 持される。 The temperature of the electrolytic bath 12 differs depending on whether the metallic calcium is recovered in the molten state or in the solid state. When recovering metallic calcium in the molten state, it is preferable to conduct molten salt electrolysis in a temperature range higher than the melting point of metallic calcium. Specifically, it is 5 ° C. to 50 ° C. higher than the melting point of metallic calcium. High temperature, preferably to select the temperature range. Since the melting point of metal calcium is 845 ° C, the temperature of the electrolytic bath is 850 ° C to 895 ° C. In addition, the range of 5 ° C. to 20 ° C. is considered to be more preferable in consideration of the cost required for heating and the evaporation of calcium chloride. Since the melting point of calcium chloride is 780 ° C., which is lower than the melting point of metallic calcium, so long as metallic calcium is held in the molten state, calcium chloride is also held in the molten state.
[0029] 一方、金属カルシウムを固体で回収する場合には、電解浴の温度を塩ィ匕カルシゥ
ムの融点以上であって、金属カルシウムの融点以下の温度範囲に保持することが好 ましぐ具体的には、金属カルシウムの融点である 845°C以下であり、塩ィ匕カルシウム の融点以上の温度範囲となる。ただし、陰極で生成する金属カルシウムは塩ィ匕カル シゥムに溶解し、拡散しやすいため、できれば、塩ィ匕カルシウムの融点直上の温度で 電解することが好ましい。具体的には、 785°C〜800°Cで電解することが好ましい。 On the other hand, when metallic calcium is recovered as a solid, the temperature of the electrolytic bath is It is preferable to keep the temperature range above the melting point of calcium metal and below the melting point of metallic calcium. Specifically, it is below 845.degree. C., which is the melting point of metallic calcium, and above the melting point of calcium chloride. It becomes a temperature range. However, it is preferable to electrolyze at a temperature just above the melting point of calcium chloride since metallic calcium produced at the cathode dissolves in calcium chloride and is easy to diffuse. It is preferable to electrolyze at 785 degreeC-800 degreeC specifically ,.
[0030] 電解浴は、塩化カルシウムの単浴のみならず、塩化カリウムやフッ化カルシウムとの 混合塩とすることで電解浴の融点を低下させることができる。その結果、電解温度も 塩化カルシウム単浴の場合に比べて低下させることができ、固体の金属カルシウムの 析出を容易にすることができる。例えば、塩ィ匕カルシウムに対する塩ィ匕カリウムゃフッ 化カルシウムは、 5〜20モル%程度添加するだけで十分な効果を発揮することがで きる。 The electrolytic bath can lower the melting point of the electrolytic bath by using not only a single bath of calcium chloride but also a mixed salt with potassium chloride or calcium fluoride. As a result, the electrolysis temperature can also be lowered compared to the case of a calcium chloride single bath, and the precipitation of solid metallic calcium can be facilitated. For example, the addition of about 5 to 20 mol% of sodium chloride or potassium fluoride with respect to sodium chloride can exhibit sufficient effects.
[0031] 陽極 Anode
陽極は電解浴に浸漬配置されており、電解浴を構成する塩ィ匕カルシウムの電解に より塩素ガスが発生する。電解浴の温度は 800°C付近の高温にあるため、陽極は高 温の塩素ガスや塩化カルシウムに曝される。このため高温の塩素ガスや溶融塩に耐 える材料で構成することが好ましぐ工業的にはグラフアイトが好ましい。グラフアイト は比較的安価で加工が容易であり、し力も高温の溶融塩や塩素ガスに対する耐食性 に優れており本発明の陽極に好適である。 The anode is disposed so as to be immersed in the electrolytic bath, and chlorine gas is generated by the electrolysis of calcium chloride constituting the electrolytic bath. Since the temperature of the electrolytic bath is a high temperature around 800 ° C., the anode is exposed to high temperature chlorine gas and calcium chloride. For this reason, it is preferable from the industrial point of view that it is preferable to use a material resistant to high temperature chlorine gas and molten salt, and graphite is preferable. Graphite is relatively inexpensive, easy to process, and has excellent corrosion resistance to molten salts and chlorine gas at high temperatures, and is suitable for the anode of the present invention.
[0032] 陰極 [0032] Cathode
陰極は電解浴に浸漬配置されており、塩ィ匕カルシウムの電解により金属カルシウム が析出する。金属カルシウムは還元性を示すので、溶融塩化カルシウムに耐える材 料でしかも電気伝導性にすぐれている材料であれば特に制限はなぐ例えば炭素鋼 やステンレス鋼で構成することができる。陰極の先端部は、できるだけ粗い表面状態 を呈するように予め加工しておくことが好ましい。具体的には、サンドブラスト処理を 施しておくことが好ましい。また、表面に予めネジを切っておくことも好ましい。このよう な表面処理を行うことで、金属カルシウムの陰極への析出を容易にすることが可能と なる。 The cathode is disposed in the electrolytic bath so as to deposit metallic calcium by electrolysis of calcium chloride. Since metallic calcium exhibits reducibility, it can be made of, for example, carbon steel or stainless steel, as long as it is a material resistant to molten calcium chloride and excellent in electrical conductivity. It is preferable to preprocess the tip of the cathode so as to give the surface surface as rough as possible. Specifically, it is preferable to carry out sand blasting treatment. In addition, it is also preferable to screw the surface in advance. Such surface treatment makes it possible to facilitate the deposition of metallic calcium on the cathode.
[0033] 陽極側隔齄
陽極側隔壁は、陽極で発生する塩素ガスが陰極で生成する金属カルシウムと反応 して塩ィ匕カルシウムに戻る逆反応を抑制するために設けるものであり、陽極の周囲を 取り囲むように配置することが好ましい。ただし、陽極側隔壁で仕切られた外部の電 解浴が陽極側隔壁の内部に移動できないと電解反応を継続することができない。こ のため、図 1に示したような開口部を有しない陽極側隔壁を装着する場合には、陽極 側隔壁中を塩素ガスは拡散しないが、電解浴は移動できるような多孔体で構成して おくことが好ましい。 Anode side septum The anode side partition wall is provided to suppress the reverse reaction that chlorine gas generated at the anode reacts with metallic calcium generated at the cathode and returns to calcium chloride, and should be placed so as to surround the periphery of the anode. Is preferred. However, if the external electrolytic bath partitioned by the anode side partition can not move to the inside of the anode side partition, the electrolytic reaction can not be continued. Therefore, in the case of mounting the anode side partition wall having no opening as shown in FIG. 1, although the chlorine gas does not diffuse in the anode side partition wall, the electrolytic bath is made of a porous body which can move. It is preferable to
[0034] 多孔体の材質は、塩素ガスや溶融塩に対して耐食性のある金属酸化物、金属窒化 物または金属炭化物から選択することが好ましい。金属酸ィ匕物としては、アルミナ、シ リカ、ジルコユア、マグネシア、あるいはこれらのセラミクス力もなる複合体で、また金 属窒化物としては窒化ケィ素、窒化ホウ素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、または窒 化タンタル力 選択して構成することが好適である。更には、金属炭化物としては、炭 化ケィ素、炭化ホウ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル力も選択して構 成することが好ましい。また、多孔体の気孔率は、 5〜30%の範囲にあることが好まし い。このような気孔率を有する多孔質体を用いることで、陽極で生成する塩素ガスの 拡散を抑制しつつ、電解浴の移動を容易にすることができる。 The material of the porous body is preferably selected from metal oxides, metal nitrides or metal carbides which have corrosion resistance to chlorine gas and molten salt. The metal oxide is alumina, silica, zirconia, magnesia, or a composite that also has a ceramic power, and the metal nitride is silicon nitride, boron nitride, titanium nitride, zirconium nitride, or nitrided. It is preferred to select and configure the tantalum force. Furthermore, it is preferable to select and configure carbon carbide, boron carbide, titanium carbide, zirconium carbide, and tantalum carbide as metal carbides. In addition, the porosity of the porous body is preferably in the range of 5 to 30%. By using the porous body having such a porosity, the movement of the electrolytic bath can be facilitated while suppressing the diffusion of the chlorine gas generated at the anode.
[0035] 纏賺 [0035] 纏 賺
陰極側隔壁についても、陰極の周囲を取り囲むように配置することが好ましぐこの ような隔壁を配置することで、陰極で生成する金属カルシウムの拡散を効果的に抑制 することができる。陰極側隔壁は、陽極側隔壁と同様に多孔質体で構成することがで きるが、塩素ガスは気泡となって大気中へ浮上して系中から除去されるのに対し、金 属カルシウムは電解浴中に浮遊して留まるため、浸透して陽極に向力つて拡散する おそれがある。そのため、できる限り緻密な材料で構成しておくことが好ましい。また、 陰極側隔壁をセラミタスで構成すると溶融カルシウムで還元腐食される場合が多いの で、金属、金属窒化物または金属炭化物で構成することが好ましい。前記金属として は耐食性のあるステンレス鋼やチタン、ニオブある 、はタンタルでまた金属窒化物と しては窒化ケィ素、窒化ホウ素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、または窒化タンタル 力も選択することが好ましい。更に、金属炭化物としては、炭化ケィ素、炭化ホウ素、
炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル力も構成することが好ましい。 With regard to the cathode side partition, by disposing such a partition which is preferably arranged to surround the periphery of the cathode, it is possible to effectively suppress the diffusion of metallic calcium generated at the cathode. The cathode side partition can be made of a porous body as the anode side partition, but chlorine gas is bubbled and floats in the air to be removed from the system, while metal calcium is removed. Since it floats in the electrolytic bath, it may permeate and diffuse toward the anode. Therefore, it is preferable to use a material as dense as possible. Further, if the cathode side partition wall is made of ceramics, it is often reduced and corroded by molten calcium, so it is preferable to be made of metal, metal nitride or metal carbide. The metal is preferably corrosion resistant stainless steel, titanium, niobium, tantalum, and metal nitride is preferably silicon nitride, boron nitride, titanium nitride, zirconium nitride, or tantalum nitride. Furthermore, as metal carbides, silica carbide, boron carbide, Preferably, titanium carbide, zirconium carbide and tantalum carbide also constitute.
[0036] 陰極側隔壁は、前記陰極で生成する金属カルシウムの拡散を抑制するため、でき る限り緻密であることが好ましい形態としている。し力しながら、電解浴の移動を容易 ならしめるために陰極側隔壁には開口部を設けておくことが好ましい。前記陰極側隔 壁開口部は、陰極の下端部より下方に 10mm以上隔てたところに配置することが好 ましい。陰極側隔壁開口部を電極の先端部より下方 10mm以内の範囲に配置すると 、浴面力 下方に拡散してきた金属カルシウムが開口部より陰極側隔壁の外側に散 逸して好ましくないからである。また、陰極側隔壁が円筒である場合には、複数の開 口部を設けておくことがより好まし 、。 The cathode-side partition wall is preferably as compact as possible in order to suppress the diffusion of metallic calcium generated in the cathode. Preferably, the cathode side partition is provided with an opening in order to facilitate the movement of the electrolytic bath. The cathode side partition opening is preferably disposed at a distance of 10 mm or more below the lower end of the cathode. If the cathode side partition opening is arranged within a range of 10 mm below the tip of the electrode, the metal calcium diffused downward to the bath surface is not preferable because the calcium calcium is diffused to the outside of the cathode side partition from the opening. Further, when the cathode side partition wall is a cylinder, it is more preferable to provide a plurality of openings.
[0037] 陰極側隔壁で囲まれた電解浴には電解反応で生成した金属カルシウムが単体ま たは塩ィ匕カルシウムに溶解した金属カルシウムの濃化層が形成される。前記金属力 ルシゥム濃化層は、速やかに電解槽力も別の容器に抜き出すことにより、例えば、チ タン酸ィ匕物やチタン塩ィ匕物の直接還元剤として用いることができる。 In the electrolytic bath surrounded by the cathode side partition wall, a concentrated layer of metallic calcium in which metallic calcium produced by electrolytic reaction is dissolved alone or in calcium chloride is formed. The metal force concentrated layer can be used, for example, as a direct reducing agent for tartaric acid waste or titanium salt waste, by rapidly extracting the electrolytic cell force to another container.
[0038] 図 2は、本発明に係る別の好ましい態様 (第 3実施態様)における電解装置 lbを表 している。本実施態様においては、陽極側隔壁 31と陰極側隔壁 32との間に槽隔壁 3 4を設けている。槽隔壁 34は、電解浴 12に浸漬配置することで、陰極側隔壁 32から 流出した金属カルシウムが陽極側に拡散移動する現象を効果的に抑制することがで きる。また、陽極側隔壁 31から流出した塩素ガスが陰極に向力つて拡散する現象も、 より効果的に抑制することができる。 [0038] FIG. 2 shows an electrolyzer lb in another preferred embodiment (third embodiment) according to the present invention. In the present embodiment, the tank partition 34 is provided between the anode-side partition 31 and the cathode-side partition 32. By immersing and arranging the tank partition 34 in the electrolytic bath 12, it is possible to effectively suppress the phenomenon that metal calcium flowing out from the cathode-side partition 32 diffuses and moves to the anode side. In addition, the phenomenon in which chlorine gas flowing out of the anode side partition wall 31 diffuses toward the cathode can be suppressed more effectively.
[0039] また、電解浴 12中に浸漬配置している槽隔壁 34には、電解浴 12が移動可能な槽 隔壁開口部 35を設けておくことが好ましい。このような開口部を設けておくことで陽極 および陰極への浴の移動を円滑に進めることができる。 In addition, it is preferable to provide a tank partition opening 35 to which the electrolytic bath 12 can move, in the tank partition 34 arranged to be immersed in the electrolytic bath 12. By providing such an opening, the movement of the bath to the anode and the cathode can be facilitated.
[0040] 図 3は、本発明を実機に適用した場合の好ましい実施態様 (第 4実施態様)におけ る電解装置 lcを表している。本実施態様では、第 3実施態様に、さらに各種の供給 管および抜き出し管が追加配置されている。具体的には、電解浴 12を供給する電解 浴供給管 51と、金属カルシウム濃化層 42を抜き出して次工程に送る金属カルシウム 濃化層抜き出し管 53と、電解浴抜き出し管 54を追加して配置している。また、第 1お よび第 2実施態様における陽極側隔壁 31を陽極 21の全体を覆うような形状に変更し
、陽極 31で生成した塩素ガス 41を漏れなく系外へ抜き出すことができる塩素ガス抜 き出し管 52として配置されている。 FIG. 3 shows an electrolytic device lc in a preferred embodiment (fourth embodiment) in which the present invention is applied to a real machine. In the present embodiment, various supply pipes and withdrawal pipes are additionally arranged in the third embodiment. Specifically, the electrolytic bath supply pipe 51 for supplying the electrolytic bath 12, the metallic calcium enrichment layer extraction pipe 53 for extracting the metal calcium enrichment layer 42 and sending it to the next process, and the electrolytic bath extraction pipe 54 are added. It is arranged. Further, the anode side partition wall 31 in the first and second embodiments is changed in shape to cover the whole of the anode 21. A chlorine gas extraction pipe 52 is provided which can extract the chlorine gas 41 generated at the anode 31 out of the system without leakage.
[0041] さらに、陽極側隔壁 31 (52)の下端には、電解浴 12が移動可能なように陽極側隔 壁開口部 36を設けている。実機を想定した本実施態様では、電解浴 12の浸透拡散 を回避するために陽極側隔壁 31を緻密な金属酸ィ匕物、金属窒化物または金属炭化 物で構成することが好ましぐ中でも、金属窒化物で構成することがより好ましいとさ れる。 Furthermore, at the lower end of the anode side partition wall 31 (52), an anode side partition opening 36 is provided so that the electrolytic bath 12 can move. In the present embodiment assuming a real machine, it is preferable that the anode side partition wall 31 be made of a dense metal oxide, metal nitride or metal carbide in order to avoid permeation and diffusion of the electrolytic bath 12. It is more preferable to use metal nitride.
[0042] 陽極側隔壁 31と槽隔壁 34および陰極側隔壁 32のそれぞれに設けている電解浴 流通用の開口部 36、 35および 33の高さは、同一ではなぐ段違いになるように配置 しておくことが好ましい。このような開口部の配置にすることで、陰極 22で生成した金 属カルシウムあるいは金属カルシウム濃化層 42が開口部に到達したとしても陽極 21 までの電解浴 12の流れは上下に蛇行するため陽極で発生する塩素ガスとの逆反応 を効果的に回避することができる。 The heights of the openings 36, 35 and 33 for flowing the electrolytic bath provided in each of the anode side partition 31 and the tank partition 34 and the cathode side partition 32 are arranged to be different from each other in the same step. Is preferable. With such an arrangement of the openings, the flow of the electrolytic bath 12 up to the anode 21 meanders up and down even if the metal calcium or metal calcium enrichment layer 42 generated at the cathode 22 reaches the openings. Reverse reaction with chlorine gas generated at the anode can be effectively avoided.
[0043] 図 4は、本発明に係る別の好ましい実施態様 (第 5実施態様)における電解装置 Id を表している。本実施態様は、電解槽 11、陽極 21、陰極 22、隔壁 37および電解浴 1 2から構成されており、前記第 1〜4実施態様と基本的な仕様は同じである。ただし、 本実施態様においては、前記第 1〜4実施態様における陽極側隔壁 31および陰極 側隔壁 32が互いに接合され、隔壁 37として一枚で構成されており、隔壁 37は、陽極 側のセラミクス層 37aおよび陰極側のメタル層 37bからなるクラッド材で構成されてい ることが前記第 1〜4実施態様とは異なる。 FIG. 4 shows an electrolyzer Id in another preferred embodiment (fifth embodiment) according to the present invention. This embodiment comprises an electrolytic cell 11, an anode 21, a cathode 22, a partition wall 37 and an electrolytic bath 12, and the basic specifications are the same as those of the first to fourth embodiments. However, in the present embodiment, the anode-side partition 31 and the cathode-side partition 32 in the first to fourth embodiments are bonded to each other and configured as one partition 37, and the partition 37 is a ceramic layer on the anode side. The fourth embodiment differs from the first to fourth embodiments in that it is composed of a clad material composed of 37a and a metal layer 37b on the cathode side.
[0044] 隔壁 37を構成するセラミクス層 37aおよびメタル層 37bは、前記した陽極側隔壁 31 および陰極側隔壁 32を構成する材料と同じ材料で構成することが好ま ヽ。更に、 前記セラミクス層 37aは、金属酸ィ匕物で構成することがより好ましい形態である。なお 、前記セラミクス層 37aを金属窒化物で構成する場合には、メタル層 37bは必ずしも 必要ではなく前記セラミクス層 37aの単体で構成することができる。 It is preferable that the ceramic layer 37 a and the metal layer 37 b constituting the partition wall 37 be made of the same material as the material constituting the anode side partition wall 31 and the cathode side partition wall 32 described above. Furthermore, the ceramic layer 37a is more preferably in the form of metal oxide. When the ceramic layer 37a is formed of metal nitride, the metal layer 37b is not necessarily required, and can be formed of a single substance of the ceramic layer 37a.
[0045] 本実施態様では、電解浴中に浸漬されて ヽる隔壁 37は一枚のみであるので、陽極 21と陰極 22との間の電気抵抗は複数の隔壁を浸漬した前記の実施態様に比べて 小さくなる。その結果、溶融塩の電解に要する電力も少なくて済み、金属カルシウム
の電力原単位を低減できると ヽぅ効果を奏する。 In the present embodiment, since only one partition 37 is immersed in the electrolytic bath, the electrical resistance between the anode 21 and the cathode 22 is the same as in the above embodiment in which a plurality of partitions are immersed. It becomes smaller than that. As a result, less power is required to electrolyze molten salt, and metal calcium It is possible to reduce the basic unit consumption of electricity.
[0046] 以上述べた本発明の各実施態様を用いることにより、従来技術では困難とされてき た塩ィ匕カルシウムの溶融塩電解による金属カルシウムを効率よく製造することができ る。 By using each embodiment of the present invention described above, it is possible to efficiently produce metallic calcium by molten salt electrolysis of calcium chloride which has been considered difficult in the prior art.
[0047] また、前記の方法で製造された金属カルシウムを四塩ィ匕チタンの還元剤として用い ることで金属チタンを製造することができる。前記四塩化チタンに代えて、ジルコユウ ムゃタンタルあるいはニオブの塩化物の還元剤として用いることで、金属ジルコユウ ムゃ金属タンタルあるいは金属ニオブも効率良く製造することができる。 In addition, metallic titanium can be produced by using the metallic calcium produced by the above method as a reducing agent for titanium tetrabasic. Metal zirconium metal tantalum or metal niobium can also be efficiently produced by using titanium tetrachloride as a reducing agent of zirconium tantalum or niobium chloride instead of titanium tetrachloride.
実施例 Example
[0048] 以下の実施例によって、本発明をさらに詳細に説明する。 The present invention is further described in detail by the following examples.
[実施例 1] [Example 1]
下記の装置構成を有する図 1に示す電解装置を用 ヽ、電解浴として塩化カルシゥ ム(100%)を投入し、電解浴の温度を 880°Cに保持した。 電解槽:チタン製ルツボ Using the electrolytic apparatus shown in FIG. 1 having the following apparatus configuration, calcium chloride (100%) was added as an electrolytic bath, and the temperature of the electrolytic bath was maintained at 880.degree. Electrolyzer: Titanium crucible
陽極:グラフアイト Anode: Graphite
陰極:炭素鋼 Cathode: carbon steel
陽極側隔壁:窒化ケィ素管 Anode side partition: Keyhole nitrogen tube
陰極側隔壁:金属チタン管 Cathode side partition: metal titanium tube
腿 Thigh
上記条件で塩ィ匕カルシウムの溶融塩電解を行ったところ、陰極の浴面近傍に金属 カルシウムと思われる黒色の溶体が生成した。溶融塩電解により回収された金属力 ルシゥムと通電量力 計算される理論析出金属量と比較して求めた電流効率は、 75 %であった。回収された金属カルシウムを分析したところ、純度は、 80%であった。 When molten salt electrolysis of calcium chloride was performed under the above conditions, a black solution thought to be metallic calcium was formed in the vicinity of the bath surface of the cathode. The current efficiency was 75%, which was calculated by comparing the metal force recovered by molten salt electrolysis and the amount-of-force force calculated theoretically. Analysis of the recovered metallic calcium revealed that the purity was 80%.
[0049] [実施例 2] Second Embodiment
電解浴の温度を 800°Cとした以外は実施例 1と同一条件で、陰極に固体の金属力 ルシゥムが析出する温度条件で溶融塩電解を行った。その結果、陰極の表面に固体 の金属カルシウムが析出した。通電量から計算される理論析出金属量と比較して求
めた電流効率は、 85%であった。析出した金属カルシウムを分析したところ、純度は 、 90%であった。 Under the same conditions as in Example 1 except that the temperature of the electrolytic bath was set to 800 ° C., molten salt electrolysis was performed under the temperature conditions in which a solid metal salt precipitates on the cathode. As a result, solid metallic calcium was deposited on the surface of the cathode. Compared with the theoretical amount of precipitated metal calculated from the amount of current The current efficiency was 85%. Analysis of the precipitated metallic calcium revealed that the purity was 90%.
[0050] [実施例 3] Third Embodiment
図 3に示す装置を用 、て電解浴の温度を 800°Cとしてその他の条件は実施例 1と 同一条件で、塩ィ匕カルシウムの溶融塩電解を 5時間に亘り実施した。溶融塩電解に より回収された金属カルシウムと通電量力 計算される理論析出金属量と比較して求 めた電流効率は、 80%であった。また、回収された金属カルシウムを分析したところ 、純度は、 90%であった。 Using the apparatus shown in FIG. 3, the temperature of the electrolytic bath was set to 800 ° C., and the other conditions were the same as in Example 1, and molten salt electrolysis of calcium chloride was performed for 5 hours. The current efficiency obtained by comparing the amount of metallic calcium recovered by molten salt electrolysis and the amount-of-current-force calculation was calculated to be 80%. In addition, analysis of the recovered metallic calcium revealed that the purity was 90%.
[0051] [比較例 1] Comparative Example 1
実施例 1にお ヽて、陰極側隔壁 32のみを用いな ヽ以外はすべて同じ条件で塩ィ匕 カルシウムの溶融塩電解を行ったところ、溶融塩電解により回収された金属カルシゥ ムと通電量カも計算される理論析出金属量とを比較して求めた電流効率は、 25%で めつに。 In Example 1, molten salt electrolysis of sodium chloride was carried out under the same conditions under the same conditions except that only the cathode side partition wall 32 was used. The current efficiency calculated in comparison with the theoretical amount of precipitating metal is also calculated at 25%.
[0052] [比較例 2] Comparative Example 2
実施例 1にお ヽて、陽極側隔壁 31のみを用いな ヽ以外はすべて同じ条件で塩ィ匕 カルシウムの溶融塩電解を行ったところ、溶融塩電解により回収された金属カルシゥ ムと通電量カも計算される理論析出金属量とを比較して求めた電流効率は、 40%で めつに。 The molten salt electrolysis of sodium chloride was conducted under the same conditions as in Example 1 except that only the anode side partition wall 31 was used, and the metal calcium recovered by the molten salt electrolysis and the amount of electric current were used. The current efficiency calculated in comparison with the theoretical amount of precipitating metal also calculated is 40% at last.
産業上の利用可能性 Industrial applicability
[0053] 以上述べた実施例および比較例により、本発明を実施することによって金属塩ィ匕 物、とりわけ塩ィ匕カルシウムの溶融塩電解により効率よく金属カルシウムを生成回収 できるという効果を奏するものである。さらに、製造した金属カルシウムを用いて高融 点金属の塩ィ匕物の還元を行うことができる。
According to the embodiment and the comparative example described above, the present invention exhibits an effect that metal calcium can be efficiently generated and recovered by molten salt electrolysis of metal salt, particularly calcium salt. is there. Furthermore, reduction of chloride of high melting point metal can be carried out using the produced calcium metal.