JP5787580B2

JP5787580B2 - 電解還元装置

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Publication number: JP5787580B2
Application number: JP2011084518A
Authority: JP
Inventors: 中村　等; 等中村; 優也高橋; 村上　一男; 一男村上; 祥平金村; 水口　浩司; 浩司水口; 孝大森; 晃寛川辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012219302A

Description

本発明は電解還元法を用いて金属回収をおこなう電解還元装置に関する。

一般の廃棄物から希土類金属を回収する手段として、又は使用済み燃料からＵ、Ｚｒ、Ｒｅ等の金属を回収する手段として、電解還元法による回収方法が知られている。
この回収方法は、図７に示すように、回収対象の金属酸化物８を電解容器１内の高温の溶融塩２中に配置されたガスケット状の陰極４に収納した後、白金又は炭素からなる陽極５と陰極バスケット４に電源６によって電圧を印加し、陰極４中の金属酸化物８を還元することにより金属を回収している（特許文献１）。その際、陽極５では酸素イオンと電子が結合し酸素ガスが生成される。

特開２００９−２８８１７８号公報

上述した従来の電解還元法において、陽極は導電性が高く高温での耐食性の高い材量が必要となるとともに、陽極の溶解を抑制するために酸化還元電位の高い金属等を選定する必要があった。そのため、陽極として白金又は焼結成形された固体の炭素が用いられているが、白金等の貴金属材料は高コストであり、また、炭素は電解の進行にともない酸素との反応により焼結物が崩壊し、溶融塩を汚染又は電極間の短絡を起こす等の可能性があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、電解還元装置の腐食、汚染を防止することができるとともに、還元処理速度が高い高効率の電解還元装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電解還元装置は、溶融塩が収容されている電解容器と、前記電解容器内に配置され回収対象の金属化合物が収容されたバスケット状の陰極と、前記電解容器内に配置された繊維状カーボン束からなる陽極と、を有する電解還元装置において、前記繊維状カーボン束をセラミック管に収納するとともに、前記繊維状カーボン束を前記セラミック管の下端部から所定長さ突出させたことを特徴とする。

本発明によれば、陽極として繊維状カーボン束を用いることで高価な貴金属を使用する必要がなく、また、繊維状カーボン束は大きな陽極面積を形成することができるので陽極で発生する酸素と炭素を効率的に反応させ二酸化炭素ガスとすることで炭素による溶融塩の汚染を防止することができ、かつ還元処理速度を大幅に向上させることができる。

（ａ）は第１の実施形態に係る電解還元装置を示す概略縦断面図、（ｂ）はその陽極構造を示す側面図。第２の実施形態に係る陽極構造を示す概略縦断面図。第３の実施形態に係る陽極構造を示す概略縦断面図。第４の実施形態に係る陽極構造を示す概略縦断面図。（ａ）、（ｂ）は各々第５の実施形態に係る陽極構造を示す概略縦断面図。（ａ）は第６の実施形態に係る電解還元装置の平面図、（ｂ）はその縦断面図。従来の電解還元装置の概要を示す縦断面図。

以下、本発明に係る電解還元装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る電解還元装置を、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
（構成）
本実施形態の電解還元装置は、図１（ａ）に示すように、電解容器１、電解容器１内に収容された溶融塩２、電解容器１の周囲に配置され溶融塩２を加熱制御する加熱装置３、内部に回収対象の金属酸化物８が収容されているバスケット状の陰極４、陽極５及び電源６から構成される。
陽極５は、図１（ｂ）に示すように、繊維状カーボン束７が用いられる。

（作用）
このように構成された電解還元装置において、バスケット状の陰極４では金属酸化物８が還元反応により酸素イオンと金属が生成し、陰極４に金属が析出し回収される。また、繊維状カーボン束からなる陽極５では、酸素イオンが電子と結合し酸素ガスが発生する。その際、繊維状カーボン束７からなる陽極５は、溶融塩２との接触面積が大きいため、陽極５で発生した酸素は効率よく繊維状カーボン束７の炭素と結合して二酸化炭素ガスを生成する。

（効果）
このように、従来の陽極構造は貴金属等を用いて陽極の消耗を防ぎ腐食を抑えるのに対し、本実施形態の陽極構造では陽極を犠牲陽極として機能させている。すなわち、陽極を繊維状カーボン束としカーボンと酸素との反応を積極的に促進してCO₂を生成させることで、陽極から未反応のカーボン粉末が溶融塩中に拡散汚染することを防止することができ、溶融塩の汚染を防止することができる。
また、繊維状カーボンを陽極として用いることにより、単位体積あたりの陽極表面積を増大させることが可能となり、これにより還元処理速度を大幅に向上させることができる。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、繊維状カーボン束からなる陽極を用いることで高価な貴金属を使用する必要がなく、また、繊維状カーボン束は大きな陽極面積を得ることができるので陽極で発生する酸素を炭素と効率的に反応させ二酸化炭素ガスとすることで溶融塩の汚染が防止でき、還元処理速度を大幅に向上させることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る電解還元装置を、図２を用いて説明する。
本実施形態に係る電解還元装置の陽極５は繊維状カーボン束７をセラミック管９内に収納するとともに、セラミック管９の上部を排気装置１０に接続している。また、繊維状カーボン束７はセラミック管９の下端部から突出部１３を形成するように突き出ており、その突出部１３の長さは当該突出部１３のみで溶融塩中の酸素と炭素が過不足なく反応できるように調整されている。これにより、陽極材である炭素が電解還元系内へ拡散汚染するのを防止することができる。

さらに、セラミック管９を用いることで柔軟な素材の繊維状カーボンを棒状として保持するとともに、セラミック管９の上部に設けた排気装置１０により二酸化炭素を系外に排出しセラミック管９内を減圧する。

本第２の実施形態によれば、繊維状カーボン束の先端部を溶融塩２中に突出させた状態でセラミック管９に収納し、突出部のみで必要な電解反応を起こすことを可能とすることにより、陽極材である炭素の電解還元系内への拡散汚染を防止するとともに、電解反応で発生した二酸化炭素ガスを電解槽内に拡散させることなく系外に排出することが可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る電解還元装置を、図３を用いて説明する。
本実施形態は、陽極５を構成する繊維状カーボン束を収容保持するセラミック管９の先端部周囲に加熱装置１１を配置した構成としている。

これにより例えばＬｉＣｌ−ＫＣｌのような低温で溶融する溶融塩を用いた場合でも、加熱装置１１により陽極５を高温に維持して酸素と炭素との反応を促進させ、電解還元系内への酸素の拡散汚染を抑制することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る電解還元装置を、図４を用いて説明する。
陽極５を構成する繊維状カーボン束７の突出部１３は電解反応の進行にともないガス化して消耗する。そこで本第４の実施形態では、図４に示すように、例えば巻き取り部材からなる送出部材１２に巻いた長い繊維状カーボン束７をセラミック管９に送出する構造とし、電解還元の進行にともない徐々に繊維状カーボン束７をセラミック管９に送出する構成としている。

この送出部材１２により、繊維状カーボン束７の突出部１３の消耗にともない繊維状カーボン束７を送出することにより、電解反応を停滞させずに金属を安定して継続的に回収することができる。
なお、送出部材は巻き取り状の送出部材に限定されず、直線状の送出部材を用いてもよい。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る電解還元装置を、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
本実施形態では、繊維状カーボン束７を収納するセラミック管９の先端部１４を、図５（ａ）、（ｂ）に例示するように、陰極４に対向するように配置した構成としている。
これにより、電解電流の流れが効率化し、陰極４と陽極５間の液間抵抗を小さくすることができるため、電解反応効率の向上を図ることができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る電解還元装置を、図６を用いて説明する。
本実施形態は、陽極５を陰極４に対し複数設置する構成としている。
図６に示す例では、陰極４の周囲に複数の陽極５を配置している。
これにより陽極面積をさらに大きくし、電解還元速度を向上させることができるとともに、各電極あたりの酸素発生量を抑制し単位面積あたりの二酸化炭素の生成反応を促進することで電解還元系内での酸素の拡散汚染を防止することができる。

なお、上記の実施形態では、溶融塩中の金属酸化物の回収方法について説明したが、本実施形態に係る繊維状カーボン束からなる陽極構造は、金属酸化物以外の金属化合物、例えば、通常の電解還元に用いられるアルカリ金属、アルカリ土類金属塩化物中での電解還元にも適用できるとともに電解液中に同類の酸化物を添加すればフッ化物系溶融塩中での電解還元電極として用いることが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電解容器、２…溶融塩、３…加熱装置、４…陽極、５…陰極、６…電源、７…繊維状カーボン束、８…還元材量、９…セラミック管、１０…排気装置、１１…加熱装置、１２…送出部材、１３…突出部、１４…先端部。

Claims

溶融塩が収容されている電解容器と、前記電解容器内に配置され回収対象の金属化合物が収容されたバスケット状の陰極と、前記電解容器内に配置された繊維状カーボン束からなる陽極と、を有する電解還元装置において、
前記繊維状カーボン束をセラミック管に収納するとともに、前記繊維状カーボン束を前記セラミック管の下端部から所定長さ突出させたことを特徴とする電解還元装置。
前記セラミック管の上部に排気装置を接続したことを特徴とする請求項１記載の電解還元装置。
前記セラミック管の下端部周囲に加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の電解還元装置。
前記繊維状カーボン束を前記セラミック管に送出可能な送出部材を前記セラミック管の上部に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電解還元装置。
前記セラミック管の先端部を陰極に対向させたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電解還元装置。
前記陽極を前記陰極の周囲に複数配置したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電解還元装置。