WO2024034534A1 - 硫化水素の精製方法および硫化リチウムの製造方法 - Google Patents

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hydrogen sulfide
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良太 安藤
弘 波多野
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Ａｇｃ株式会社
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/16—Hydrogen sulfides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/22—Alkali metal sulfides or polysulfides

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen sulfide purification method, a lithium sulfide production method, a hydrogen sulfide purification device, and a lithium sulfide production device.
  • Lithium sulfide (Li 2 S) is used, for example, as a solid electrolyte for lithium secondary batteries.
  • Known methods for producing lithium sulfide include, for example, a method in which lithium hydroxide or the like, which is a lithium raw material, is reacted with hydrogen sulfide in a disk dryer (see, for example, Patent Document 1).
  • the sulfurization reaction between the lithium raw material and the hydrogen sulfide gas can be expressed, for example, by the following formulas (1) to (3).
  • 2LiOH+ H2S ⁇ Li2S + 2H2O (1)
  • Li2CO3 + H2S ⁇ Li2S + H2O + CO2 (2)
  • the Claus method is well known for sulfur recovery in which hydrogen sulfide is recovered as elemental sulfur.
  • hydrogen sulfide is partially combusted with air in a reactor to produce a mixed gas containing 1 volume of sulfur dioxide for 2 volumes of hydrogen sulfide, and a catalyst filled with catalysts such as natural bauxite, activated alumina, and titanium dioxide.
  • This mixed gas is passed through the bed to produce vaporous elemental sulfur, which is then recovered as molten sulfur through a cooling operation.
  • reaction between the reactor and the catalyst bed can be expressed by the following formulas (i) and (ii).
  • Reactor 3H2S +3/ 2O2 ⁇ 2H2S + SO2 + H2O
  • Catalyst bed 2H 2 S + SO 2 ⁇ 3S + 2H 2 O (ii)
  • the poisoning of the Claus catalyst was caused by the lithium raw material contained in unreacted H 2 S.
  • the particle size of the lithium raw material is adjusted to 0.1 mm or more and 1.5 mm or less from the viewpoint of reaction efficiency. The particles tend to diffuse into unreacted H 2 S in the disk dryer, and as a result, fine powder lithium raw material is mixed into the unreacted H 2 S.
  • the purpose of the present invention is to suppress the poisoning of the Claus catalyst and to suppress the poisoning of the metal when recovering sulfur using unreacted hydrogen sulfide generated in the process of producing lithium sulfide by the reaction of hydrogen sulfide and lithium raw material.
  • An object of the present invention is to provide a method for purifying hydrogen sulfide that can also prevent corrosion of piping.
  • the invention is as follows. (1) Hydrogen sulfide is removed by using a cyclone to remove the lithium raw material from a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material, which is generated in the process of producing lithium sulfide through the reaction of hydrogen sulfide and lithium raw material. Purification method.
  • one embodiment of the present invention also provides the methods for purifying hydrogen sulfide and the method for producing lithium sulfide described in (2) to (4) below.
  • a method for producing lithium sulfide comprising reacting a lithium raw material containing a lithium raw material purified by the method for refining hydrogen sulfide described in (1) or (2) above with hydrogen sulfide to produce lithium sulfide.
  • unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material when performing sulfur recovery using unreacted hydrogen sulfide generated in the process of producing lithium sulfide through the reaction of hydrogen sulfide and lithium raw material, unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material are used.
  • the lithium raw material is removed from the mixed gas contained therein. Therefore, it is possible to provide a method for purifying hydrogen sulfide that can suppress poisoning of the Claus catalyst and also prevent corrosion of metal piping.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a reaction tank for explaining the lithium sulfide manufacturing process and the lithium sulfide generating section.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a process and an apparatus for recovering a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and a lithium raw material, removing the lithium raw material, and purifying hydrogen sulfide.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a cyclone section that is a raw material separator.
  • a method for purifying hydrogen sulfide uses a cyclone to purify a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and a lithium raw material, which is generated in the process of producing lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide with a lithium raw material.
  • the method is characterized in that the lithium raw material is removed.
  • a hydrogen sulfide purification apparatus for carrying out the hydrogen sulfide purification method of one embodiment of the present invention includes a lithium sulfide generation unit that generates lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide and a lithium raw material, and a lithium sulfide generation unit that generates lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide with a lithium raw material.
  • a mixed gas recovery unit that recovers a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material in the unit; and a hydrogen sulfide purification unit that purifies hydrogen sulfide by removing lithium raw material from the mixed gas using a cyclone. It is characterized by comprising the following.
  • lithium sulfide utilizes a sulfurization reaction between a lithium raw material and hydrogen sulfide gas, and this sulfurization reaction can be expressed, for example, by the following formulas (1) to (3).
  • LiOH is described as a lithium raw material in the following formula (1), the present invention is not limited to this form.
  • unreacted hydrogen sulfide refers to the unreacted hydrogen sulfide that remains without participating in the sulfurization reaction represented by the above formulas (1) to (3). means unreacted hydrogen sulfide.
  • lithium raw material includes lithium sulfide (Li 2 S) and other lithium compounds produced in the process of producing lithium sulfide.
  • lithium sulfide production process lithium sulfide production process
  • a lithium sulfide generation unit that produces lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide and a lithium raw material.
  • Such a manufacturing process of lithium sulfide and a lithium sulfide generating part are publicly known, and are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Publication No. 2017-222567 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Publication No. 2016-150859, etc. Examples are given below.
  • the lithium sulfide manufacturing process and the lithium sulfide generation unit continuously or discontinuously supply a lithium raw material into a heated reaction tank and move the lithium raw material in a fixed direction within the reaction tank.
  • hydrogen sulfide gas is continuously or discontinuously supplied into the reaction tank, and the lithium raw material and the hydrogen sulfide gas are reacted to produce lithium sulfide.
  • Hydrogen sulfide usually reacts with a lithium raw material as hydrogen sulfide gas to produce lithium sulfide.
  • the hydrogen sulfide gas may be a gas consisting only of hydrogen sulfide, or may be a gas containing hydrogen sulfide as a main component and other gas components.
  • the main component means the component with the highest content in the gas, for example, 50 vol% or more.
  • an inert gas may be mixed with the hydrogen sulfide gas to lower the hydrogen sulfide partial pressure.
  • the concentration of hydrogen sulfide gas is preferably 10 to 100 vol%.
  • the concentration of hydrogen sulfide gas of 100 vol % means a gas consisting only of hydrogen sulfide gas, that is, a pure gas.
  • the case where the concentration of hydrogen sulfide gas is less than 100 vol % means a mixed gas of hydrogen sulfide gas and an inert gas such as Ar or nitrogen or a reducing gas such as hydrogen.
  • the hydrogen sulfide gas concentration is preferably 10 vol% to 100 vol%, particularly 20 vol% or more or 90 vol%. Hereinafter, it is particularly preferably 30 vol% or more or 80 vol% or less.
  • the lithium raw material refers to a raw material that serves as a lithium source for lithium sulfide, and includes, for example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium oxide, and the like. Among these, lithium hydroxide is preferred because it causes a sulfurization reaction at low temperatures and has excellent stability.
  • the lithium raw material is preferably heated to a temperature range in which the lithium raw material does not melt.
  • reaction tank is a facility that provides a space in which the lithium raw material and hydrogen sulfide gas react, and its shape and size are arbitrary.
  • the external shape of the reaction tank may be arbitrary, such as a rectangular parallelepiped, a cylinder, or a polygonal column.
  • the reaction tank may be equipped with a stirrer that promotes the reaction between the lithium raw material and the hydrogen sulfide gas.
  • Heating of reaction tank In the lithium sulfide manufacturing process, it is preferable to heat the inside of the reaction tank, particularly the part that contacts the moving lithium sulfide, and heat the lithium raw material moving inside the reaction tank.
  • the sulfidation reaction can be promoted by bringing the sufficiently heated lithium raw material into contact with hydrogen sulfide gas.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a reaction tank 11 for explaining the lithium sulfide manufacturing process and the lithium sulfide generating section.
  • the intermediate region 13 in the reaction tank 11 becomes a region where the reaction tank 11 is directly heated, and the intermediate region
  • Both sides of the reactor 13, that is, the upstream region and the downstream region, specifically, the temperature of the inner wall surface of the reaction tank 11 in these regions can be set as heating regions that are heated to 100° C. or higher. Note that the left side in FIG. 1 is the upstream side, and the right side is the downstream side.
  • the temperature of the inner wall surface of the reaction tank 11 in the intermediate region 13 is preferably 200°C to 450°C, particularly 300°C or higher or 450°C or lower. Particularly preferred.
  • the temperature of the inner wall surface of the reaction tank 11 in the intermediate region 13 can be considered to be approximately the same as the temperature of the lithium raw material 12, if the inner wall surface of the reaction tank 11 in the intermediate region 13 is 200°C to 450°C, the sulfurization reaction will not occur. can be fully promoted.
  • the direction in which the lithium raw material 12 is moved within the reaction tank 11 is arbitrary, such as the horizontal direction, the vertical vertical direction, the rotation direction, the rotation axis direction, and the length direction of the reaction tank 11.
  • the lithium raw material 12 can be moved in the length direction of the reaction tank 11.
  • Hydrogen sulfide 15 can be made to flow.
  • the direction of movement of hydrogen sulfide 15 may be the same as the direction of movement of lithium raw material 12.
  • the speed at which the hydrogen sulfide 15 is made to flow in the reaction tank 11 is arbitrary.
  • the supply position of the hydrogen sulfide 15 may be provided in the heating region (upstream side) or the intermediate region 13.
  • the exhausted unreacted hydrogen sulfide gas can be recovered as elemental sulfur using the Claus method.
  • this exhausted unreacted hydrogen sulfide gas contains fine powdered lithium raw material, and this lithium raw material may poison the Claus catalyst or further exist with water, causing There was a problem that it corroded metal piping.
  • one aspect of the present invention is characterized by comprising a process and an apparatus for recovering a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and a lithium raw material, and removing the lithium raw material to purify hydrogen sulfide. Specific methods and means will be explained below.
  • Lithium sulfide (Li 2 S), which is the main product produced by the sulfurization reaction, is preferably moved downstream and recovered in the lithium sulfide recovery tank 18, as shown in FIG.
  • lithium sulfide Li 2 S
  • an inert gas may be supplied into the lithium sulfide recovery tank 18. Thereby, water can be discharged to the outside of the lithium sulfide recovery tank 18 together with the inert gas.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a process and an apparatus for recovering a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and a lithium raw material, and removing the lithium raw material to purify hydrogen sulfide.
  • a hydrogen sulfide purification unit provided in the vessel 10 removes the lithium raw material from the mixed gas and purifies hydrogen sulfide.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the hydrogen sulfide purification section provided in the raw material separator 10.
  • the cyclone section 104 which is the raw material separator 10, mainly includes a mixed gas inlet 102 and a gas outlet 116 for discharging purified hydrogen sulfide gas.
  • the recovered lithium raw material 108 is discharged through a storage tank (not shown).
  • Gas outlet 116 may have a demister.
  • the mixed gas 101 containing the unreacted hydrogen sulfide gas and the lithium raw material exhausted from the lithium sulfide production process and the lithium sulfide generation section described in FIG. 1 is introduced into the raw material separator 10 from the mixed gas inlet 102. be done.
  • the temperature of the mixed gas is preferably adjusted to 100 to 220°C, more preferably 140 to 180°C.
  • the mixed gas temperature is preferably adjusted to 100 to 220°C, more preferably 140 to 180°C.
  • the recovered lithium raw material 108 and the hydrogen sulfide gas 118 are separated using gravity and centrifugal force.
  • the diameter of the mixed gas inlet 102 is preferably smaller than the diameter of the gas outlet 116. That is, the linear velocity of the mixed gas 101 at the inlet 102 is preferably faster than the linear velocity of the hydrogen sulfide gas 118 at the gas outlet 116.
  • any known demister can be used, and it is not particularly limited, but for example, a three-dimensional network structure such as metal wire, resin, glass fiber, etc. Examples include members that are laminated in multiple layers to form a mat shape in order to increase the
  • the purified hydrogen sulfide gas 118 passes through the gas outlet 116 and is stored in a purified hydrogen sulfide gas storage section (not shown) provided outside the raw material separator 10.
  • the water concentration of the purified hydrogen sulfide gas 118 is preferably 10% by mass or less, more preferably 8% by mass or less.
  • the purified hydrogen sulfide gas and the recovered lithium raw material can be supplied to the lithium sulfide production section as shown in FIG. 2 and reused in the lithium sulfide production process.
  • This lithium sulfide production process may use only purified hydrogen sulfide gas and recovered lithium raw material, or may additionally mix hydrogen sulfide gas and lithium raw material.
  • a lithium sulfide generating section that generates lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide and a lithium raw material, and a lithium sulfide generating section that contains unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material.
  • a mixed gas recovery section that recovers a mixed gas; a hydrogen sulfide purification section that removes lithium raw material from the mixed gas and purifies hydrogen sulfide; and a hydrogen sulfide purification section that uses the hydrogen sulfide obtained in the hydrogen sulfide purification section to produce hydrogen sulfide.
  • the present invention provides a lithium sulfide production apparatus including a hydrogen sulfide supply section for supplying hydrogen sulfide to the hydrogen sulfide.
  • a lithium sulfide generation section that generates lithium sulfide by reacting hydrogen sulfide and a lithium raw material, and mixed gas recovery that recovers a mixed gas containing unreacted hydrogen sulfide and lithium raw material in the lithium sulfide generation section.
  • a hydrogen sulfide purification section that removes lithium raw material from the mixed gas and purifies hydrogen sulfide; and a lithium raw material supply section that supplies the lithium raw material recovered in the hydrogen sulfide purification section to the lithium sulfide generation section.
  • the present invention provides a lithium sulfide manufacturing apparatus comprising:

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Abstract

硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガス（１０１）から、サイクロンを用いて前記リチウム原料を除去する、硫化水素の精製方法。

Description

硫化水素の精製方法および硫化リチウムの製造方法
　本発明は、硫化水素の精製方法、硫化リチウムの製造方法、硫化水素精製装置および硫化リチウム製造装置に関する。
　硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）は、例えばリチウム二次電池の固体電解質等として利用されている。硫化リチウムの製造方法としては、例えば、ディスクドライヤーにおいて、リチウム原料である水酸化リチウム等と硫化水素とを反応させる製造方法（例えば、特許文献１参照）等が知られている。
　リチウム原料と硫化水素ガスとの硫化反応は、例えば、下記式（１）～（３）で表すことができる。
　２ＬｉＯＨ＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋２Ｈ２Ｏ　　（１）
　Ｌｉ２ＣＯ３＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２　　（２）
　Ｌｉ２Ｏ＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋Ｈ２Ｏ　　（３）
　一方、硫化水素を元素硫黄として回収する硫黄回収には、クラウス法がよく知られている。クラウス法は、硫化水素を反応炉で空気により部分燃焼させ、硫化水素２容量に対し１容量の二酸化硫黄を含む混合ガスを生成させ、天然ボーキサイト、活性アルミナ、二酸化チタン等の触媒を充填した触媒床にこの混合ガスを通し、蒸気状の元素硫黄を生成し、さらに冷却操作により蒸気状の硫黄を溶融硫黄として回収するものである。
　前記反応炉と触媒床の反応は、下記式（ｉ）および（ｉｉ）で表すことができる。
　反応炉：　３Ｈ２Ｓ＋３／２Ｏ２　→２Ｈ２Ｓ＋ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ　　（ｉ）
　触媒床：　２Ｈ２Ｓ＋ＳＯ２　→３Ｓ＋２Ｈ２Ｏ　　（ｉｉ）
日本国特開２０１７－２２２５６７号公報
　しかしながら、前記式（１）～（３）で表される硫化反応において、この硫化反応に関与せず残存した未反応のＨ２Ｓをクラウス法によって硫黄回収しようとすると、前記式（ｉｉ）で表される反応に寄与するクラウス触媒が被毒してしまうという問題点がある。
　このクラウス触媒の被毒は、本発明者らが検討したところ、未反応のＨ２Ｓに含まれるリチウム原料が原因であることが判明した。例えば、前記特許文献１に開示された技術において、リチウム原料は、反応の効率性等の観点からその粒径を０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に調整しているが、このような微粉末の粒子はディスクドライヤー中で未反応のＨ２Ｓ中に拡散しやすく、結果として未反応のＨ２Ｓ中に微粉末のリチウム原料が混入してしまう。
　さらに、微粉末のリチウム原料と水分とが共存すると、金属配管等を腐食するという別の問題点もある。
　したがって本発明の目的は、硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素を用いて硫黄回収を行うにあたり、クラウス触媒の被毒を抑制するとともに、金属配管の腐食も防止可能な、硫化水素の精製方法を提供することにある。
　本発明は以下の通りである。
（１）硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスから、サイクロンを用いて前記リチウム原料を除去する、硫化水素の精製方法。
　また、本発明の一態様は、下記（２）～（４）に記載の硫化水素の精製方法および硫化リチウムの製造方法の形態も提供する。
（２）前記リチウム原料が除去された前記混合ガス中の水分が１０質量％以下である、前記（１）に記載の硫化水素の精製方法。
（３）前記（１）または（２）に記載の硫化水素の精製方法によって得られた硫化水素を含む硫化水素を、リチウム原料と反応させ硫化リチウムを製造する、硫化リチウムの製造方法。
（４）前記（１）または（２）に記載された硫化水素の精製方法によって精製されたリチウム原料を含むリチウム原料を、硫化水素と反応させ硫化リチウムを製造する、硫化リチウムの製造方法。
　本発明の一態様によれば、硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素を用いて硫黄回収を行うにあたり、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスから、前記リチウム原料を除去している。そのため、クラウス触媒の被毒を抑制するとともに、金属配管の腐食も防止可能な、硫化水素の精製方法を提供できる。
図１は、硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部を説明するための、反応槽の概略図である。 図２は、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収し、リチウム原料を除去して硫化水素を精製する工程並びに装置を説明するための概略図である。 図３は、原料分離器であるサイクロン部を説明するための概略図である。
　以下、本発明の実施形態について、さらに詳しく説明する。
　本発明の一態様の硫化水素の精製方法は、硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスから、サイクロンを用いて前記リチウム原料を除去することを特徴とする。
　また、本発明の一態様の硫化水素の精製方法を実施するための硫化水素精製装置は、硫化水素とリチウム原料とを反応させて硫化リチウムを生成する、硫化リチウム生成部と、前記硫化リチウム生成部内の未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収する、混合ガス回収部と、前記混合ガスから、サイクロンを用いてリチウム原料を除去し硫化水素を精製する、硫化水素精製部と、を備えることを特徴とする。
　上述のように、硫化リチウムの製造には、リチウム原料と硫化水素ガスとの硫化反応が利用され、この硫化反応は、例えば下記式（１）～（３）で表すことができる。なお、下記式（１）ではリチウム原料としてＬｉＯＨを記載しているが、本発明はこの形態に制限されない。
　２ＬｉＯＨ＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋２Ｈ２Ｏ　　（１）
　Ｌｉ２ＣＯ３＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２　　（２）
　Ｌｉ２Ｏ＋Ｈ２Ｓ　→Ｌｉ２Ｓ＋Ｈ２Ｏ　　（３）
　ここで、本発明でいう未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスにおいて、未反応の硫化水素とは、前記式（１）～（３）で表される硫化反応に関与せず残存した未反応の硫化水素を意味する。また、リチウム原料とは、硫化リチウムの製造する過程で生じる、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）およびそれ以外のリチウム化合物も含む意味である。
　次に、硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程（硫化リチウムの製造工程）および硫化水素とリチウム原料とを反応させて硫化リチウムを生成する、硫化リチウム生成部について説明する。このような硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部は公知であり、例えば、日本国特開２０１７－２２２５６７号公報（特許文献１）や、日本国特開２０１６－１５０８５９号公報等に開示されているものが例示される。
　具体的には、前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部は、リチウム原料を加熱された反応槽内に連続的または非連続的に供給すると共に、リチウム原料を反応槽内において一定方向に移動させる。また、一方で、該硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部は、硫化水素ガスを反応槽内に連続的または非連続的に供給し、リチウム原料と硫化水素ガスとを反応させて硫化リチウムを連続的または非連続的に製造する。
（硫化水素）
　硫化水素は、通常硫化水素ガスとしてリチウム原料と反応し、硫化リチウムを生成する。硫化水素ガスは、硫化水素のみからなるガスであってもよいし、硫化水素を主成分としつつ他のガス成分を含有するガスであってもよい。ここで、主成分とは、当該ガス中で最も含有量の多い成分を意味し、例えば、５０ｖｏｌ％以上である。本発明の一態様において、急激に硫化反応が起こるのを抑制するため、例えば、硫化水素ガスに不活性ガスを混合して硫化水素分圧を下げるようにしてもよい。
　かかる観点から、硫化水素ガスの濃度は、１０～１００ｖｏｌ％であるのが好ましい。なお、硫化水素ガスの濃度が１００ｖｏｌ％とは、硫化水素ガスのみからなるガス、すなわち純ガスの意味である。また、硫化水素ガスの濃度が１００ｖｏｌ％未満の場合とは、硫化水素ガスと、Ａｒや窒素などの不活性ガスや水素などの還元性ガスとの混合ガスの意味である。
　リチウム原料との反応性を維持しつつ、反応槽内でのガス流量を適切に保持するという観点から、硫化水素ガス濃度は１０ｖｏｌ％～１００ｖｏｌ％であるのが好ましく、中でも２０ｖｏｌ％以上または９０ｖｏｌ％以下、その中でも特に３０ｖｏｌ％以上または８０ｖｏｌ％以下であるのがさらに好ましい。
（リチウム原料）
　リチウム原料は、硫化リチウムのリチウム源となる原料のことであって、例えば水酸化リチウム、炭酸リチウム、酸化リチウムなどを挙げることができる。中でも、低温にて硫化反応が起こると共に、安定性に優れている観点から、水酸化リチウムが好ましい。
（硫化反応）
　反応槽内に供給されたリチウム原料と硫化水素ガスとが接触すると、前記式（１）～（３）の硫化反応が生じ、主生成物である硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）と、副生成物である水（Ｈ２Ｏ）などが生成する。
　リチウム原料が十分に加熱された状態で硫化水素ガスと接触すると、上記反応はより進むことになる。
　この際、リチウム原料の加熱は、リチウム原料が溶融しない温度領域に加熱するのが好ましい。
（反応槽）
　反応槽は、リチウム原料と硫化水素ガスとが反応する空間を提供する設備であり、その形状及び大きさは任意である。反応槽の外形形状は、直方体状、円柱状、多角柱状など任意である。反応槽は、リチウム原料と硫化水素ガスとの反応を促進する撹拌機を備えてもよい。
（反応槽の加熱）
　前記硫化リチウムの製造工程では、反応槽内、特に移動中の硫化リチウムが接触する部分を加熱し、反応槽内を移動するリチウム原料を加熱するのが好ましい。十分加熱された状態のリチウム原料を硫化水素ガスと接触させ前記硫化反応を促進させることができる。
　図１は、前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部を説明するための、反応槽１１の概略図である。
　反応槽１１の加熱に関しては、図１に示すように、リチウム原料１２が移動する方向にみて、反応槽１１の中間領域１３を加熱手段１４により加熱するのが好ましい。
　このように加熱することにより、図１に示すように、リチウム原料１２の移動方向における位置関係にみて、反応槽１１内の中間領域１３を、反応槽１１を直接加熱する領域とし、当該中間領域１３の両側すなわち上流側領域及び下流側領域、具体的にはその領域の反応槽１１内壁面温度を１００℃以上に加熱される加熱領域とすることができる。なお、図１における左側が上流側であり、右側が下流側とする。
　この際、硫化反応を促進させることができる観点から、上記中間領域１３の反応槽１１内壁面温度は、２００℃～４５０℃であるのが好ましく、中でも３００℃以上または４５０℃以下であるのが特に好ましい。
　当該中間領域１３の反応槽１１内壁面温度はリチウム原料１２の品温とほぼ同じ温度であるとみなせるから、中間領域１３の反応槽１１内壁面が２００℃～４５０℃であれば、上記硫化反応を十分に促進できる。
（反応槽内へのリチウム原料の供給及び移動）
　前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部では、図１に示すように、リチウム原料１２を反応槽１１内に連続的に供給すると共に、反応槽１１内において一定方向にリチウム原料１２を移動させることができる。
　また、反応槽１１内においてリチウム原料１２を移動させる方向は、例えば水平方向、垂直上下方向、回転方向、回転軸方向、及び反応槽１１の長さ方向など任意である。例えば、図１に示すように、反応槽１１の長さ方向にリチウム原料１２を移動させることができる。
（反応槽内への硫化水素ガスの供給及び移動）
　図１に示す形態の前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部では、上記硫化水素１５を反応槽１１内に連続的に供給する。
　前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部では、図１に示すように、反応槽１１内において、リチウム原料１２の移動方向と対向する方向に沿って、その下流側から上流側に向かって、硫化水素１５を流動させることができる。
　また、前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部において、硫化水素１５の移動方向は、リチウム原料１２の移動方向と同じでもよい。
　この際、反応槽１１内において硫化水素１５を流動させる速度は任意である。
　さらに、前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部では、図１に示すように、リチウム原料１２の移動方向における位置関係において、リチウム原料１２を反応槽１１内に供給する位置よりも下流側から、上記硫化水素１５を反応槽１１内に供給するのが好ましい。
　なお、リチウム原料１２の移動方向における位置関係において、硫化水素１５の供給位置を、加熱領域（上流側）若しくは中間領域１３内に設けてもよい。
（排気）
　前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部では、図１に示すように、上記硫化反応によって生成した副生成物である水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）、さらには未反応の硫化水素ガスなどを、反応槽１１の外に排気１７する。
　排気された未反応の硫化水素ガスはクラウス法により、元素硫黄として回収できる。しかし上述のように、この排気された未反応の硫化水素ガスの中には、微粉状のリチウム原料が含まれ、このリチウム原料がクラウス触媒を被毒したり、さらに水分とともに存在することにより、金属配管等を腐食するという問題点があった。
　そこで本発明の一態様では、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収し、前記リチウム原料を除去して硫化水素を精製する工程並びに装置を備えてなることを特徴とする。具体的な方法および手段については下記で説明する。
（硫化リチウムの回収）
　上記硫化反応によって生成した主生成物である硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）は、図１に示すように、下流側に移動させて硫化リチウム回収槽１８内に回収するのが好ましい。
　硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）を硫化リチウム回収槽１８内に回収して溜める場合、硫化リチウム回収槽１８の内壁面温度を１００℃以上に加熱するのが好ましい。
　反応副生成物である水が硫化リチウム回収槽１８内で結露し、反応生成物である硫化リチウムと結露した水分とが反応して水酸化リチウムを生成し、硫化リチウムの純度が低下することがある。これに対し、前記のように硫化リチウム回収槽１８の内壁面を加熱すれば、硫化リチウム回収槽１８内の水分を気体化させることができ、水（液体）として存在しないようにできる。さらには、硫化リチウム回収槽１８内の水分を揮発させることができ、回収した硫化リチウムが凝集したり、硫化リチウム回収槽１８の内壁面に付着したりするのを抑制できる。
　さらに、硫化リチウム回収槽１８内に不活性ガスを供給するようにしてもよい。これにより、不活性ガスとともに水分を硫化リチウム回収槽１８の外に排出させることができる。
　次に本発明に一態様における未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収し、前記リチウム原料を除去して硫化水素を精製する工程並びに装置について説明する。
　図２は、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収し、前記リチウム原料を除去して硫化水素を精製する工程並びに装置を説明するための概略図である。
　図２において、図１で説明した前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部から排気された未反応の硫化水素ガスおよびリチウム原料を含有する混合ガスは、原料分離器１０に回収され、原料分離器１０に設けられた硫化水素精製部によって、前記混合ガスからリチウム原料が除去され、硫化水素が精製される。
　図３は、原料分離器１０に設けられた硫化水素精製部を説明するための概略図である。
　図３において、原料分離器１０であるサイクロン部１０４には、混合ガス導入口１０２、精製された硫化水素ガスを排出するガス排出口１１６を主に備える。また回収リチウム原料１０８は図示しない貯槽部を介して排出される。ガス排出口１１６はデミスターを有していてもよい。
　次に動作について説明する。
　図１で説明した前記硫化リチウムの製造工程および硫化リチウム生成部から排気された未反応の硫化水素ガスおよびリチウム原料を含有する混合ガス１０１は、混合ガス導入口１０２から原料分離器１０内に導入される。
　混合ガス１０１は、水分を含むために混合ガス温度を１００～２２０℃に調整するのが好ましく、１４０～１８０℃に調整するのがさらに好ましい。前記混合ガス温度を１００℃以上にすることにより、原料分離器１０内での水分の結露を抑制することができ、２２０℃以下にすることにより、原料分離器１０の構成部材のコストを抑えることができる。
　サイクロン部１０４においては、重力と遠心力を利用して回収リチウム原料１０８と硫化水素ガス１１８を分離する。混合ガス導入口１０２の口径は、ガス排出口１１６の口径より小さいことが好ましい。すなわち混合ガス１０１の導入口１０２における線速は、硫化水素ガス１１８のガス排出口１１６における線速よりも速いことが好ましい。
　デミスターとしては、公知のものを使用することができ、とくに限定するものではないが、例えば金属線、樹脂、ガラス繊維等の三次元網目構造体を、小さな圧力損失でありながら流体との接触面を増大させるべく幾層にも積層してマット状にした部材等が挙げられる。
　精製された硫化水素ガス１１８は、ガス排出口１１６を経て、原料分離器１０の外部に設けられた図示しない精製硫化水素ガス収容部に収容される。精製された硫化水素ガス１１８の水分濃度は、１０質量％以下が好ましく、８質量％以下がさらに好ましい。
　なお、前記精製された硫化水素ガス並びに回収されたリチウム原料は、図２に示すように硫化リチウム生成部に供給して硫化リチウムの製造工程に再利用できる。この硫化リチウムの製造工程は、精製された硫化水素ガス並びに回収されたリチウム原料のみを用いてもよく、あらたに硫化水素ガスやリチウム原料を追加混合して用いてもよい。
　したがって本発明の別の見地によれば、硫化水素とリチウム原料とを反応させて硫化リチウムを生成する、硫化リチウム生成部と、前記硫化リチウム生成部内の未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収する、混合ガス回収部と、前記混合ガスからリチウム原料を除去し硫化水素を精製する、硫化水素精製部と、前記硫化水素精製部で得られた硫化水素を前記硫化リチウム生成部へ供給する、硫化水素供給部と、を備える硫化リチウム製造装置を提供するものである。
　または、硫化水素とリチウム原料とを反応させて硫化リチウムを生成する、硫化リチウム生成部と、前記硫化リチウム生成部内の未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスを回収する、混合ガス回収部と、前記混合ガスからリチウム原料を除去し硫化水素を精製する、硫化水素精製部と、前記硫化水素精製部で回収されたリチウム原料を前記硫化リチウム生成部へ供給する、リチウム原料供給部と、を備える硫化リチウム製造装置を提供するものである。
　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　なお、本出願は、２０２２年８月１０日出願の日本特許出願（特願２０２２－１２８２５１）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
１０　原料分離器
１１　反応槽
１２　リチウム原料
１３　中間領域
１４　加熱手段
１５　硫化水素
１７　排気
１８　硫化リチウム回収槽
１０１　混合ガス
１０２　混合ガス導入口
１０４　サイクロン部
１０８　回収リチウム原料
１１６　ガス排出口
１１８　硫化水素ガス

Claims (4)

  1. 　硫化水素とリチウム原料との反応により硫化リチウムを製造する過程で生じる、未反応の硫化水素およびリチウム原料を含有する混合ガスから、サイクロンを用いて前記リチウム原料を除去する、硫化水素の精製方法。
  2. 　前記リチウム原料が除去された前記混合ガス中の水分が１０質量％以下である、請求項１に記載の硫化水素の精製方法。
  3. 　請求項１または２に記載の硫化水素の精製方法によって得られた硫化水素を含む硫化水素を、リチウム原料と反応させ硫化リチウムを製造する、硫化リチウムの製造方法。
  4. 　請求項１または２に記載された硫化水素の精製方法によって精製されたリチウム原料を含むリチウム原料を、硫化水素と反応させ硫化リチウムを製造する、硫化リチウムの製造方法。
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JP2015174787A (ja) * 2014-03-14 2015-10-05 東レ・ファインケミカル株式会社 硫化リチウム製造装置およびそれを用いた硫化リチウムの製造方法
JP2018058723A (ja) * 2016-10-05 2018-04-12 三井金属鉱業株式会社 硫化リチウムの製造方法及び製造装置
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