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電解採取用陽極および該陽極を用いた電解採取法 コモンズ 実績あり 外国出願あり

国内特許コード P120007323
整理番号 DP1464
掲載日 2012年4月17日
出願番号 特願2011-067365
公開番号 特開2012-201925
登録番号 特許第4916040号
出願日 平成23年3月25日(2011.3.25)
公開日 平成24年10月22日(2012.10.22)
登録日 平成24年2月3日(2012.2.3)
発明者
  • 盛満 正嗣
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 電解採取用陽極および該陽極を用いた電解採取法 コモンズ 実績あり 外国出願あり
発明の概要


【課題】硫酸系電解液を用いる電解採取において、従来の陽極に比べて酸素発生に対する電位が低く、電解電圧と電力量原単位の削減が可能で、かつ様々な種類の金属の電解採取の陽極として利用できる電解採取用陽極と、硫酸系電解液を用いる電解採取法において、陽極の電位および電解電圧が低く、電解採取の電力量原単位を低減することが可能な電解採取法を提供すること。
【解決手段】本発明の電解採取用陽極は、硫酸系電解液を用いる電解採取の陽極であって、非晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルを含む触媒層を導電性基体上に形成したものであり、また本発明の電解採取法は、硫酸系電解液を用いる電解採取法であって、本発明の電解採取陽極を用いるものである。
【選択図】なし

従来技術、競合技術の概要


金属の電解採取は、採取したい金属のイオンを含む水溶液(以下、電解液という)に陽極と陰極を浸漬させて通電し、陰極上に当該金属を析出させることにより行われる。代表的な電解採取の例としては、銅、亜鉛、ニッケル、コバルト、鉛、白金族金属(白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムなど)、貴金属(銀、金)、その他の遷移金属元素、レアメタルまたはクリティカルメタルに総称される金属元素などのいずれか1種以上を含む鉱石を粉砕し、適当な酸などを使って金属イオンを溶解してから、目的とする金属イオンを抽出する過程などを経て調製された電解液を用いて、電解により金属を製造する方法が挙げられる。また、電解採取には、一次電池、二次電池、燃料電池、携帯電話などのモバイル機器およびその他の電子機器、電気・電子部品、めっき鋼板、めっき装飾品などにおいて、様々な用途で使用された金属または合金をリサイクルするために、使用済みの金属または合金を粉砕・金属イオンを溶解する過程などを経て、目的とする金属イオンが含まれる電解液を用いて、電解により金属を再生して回収するものも含まれる。さらに、電解採取には、めっき廃液から金属イオンを抽出する過程などを経て、目的とする金属イオンが含まれる電解液を用いて、電解により金属を回収するものも含まれる。電解採取に用いられる電解液の金属イオン以外の成分に着目すると、硫酸を主たる電解質成分とする硫酸系電解液や塩酸や塩化物を主たる電解質成分とする塩化物系電解液があり、これら以外にもpHが酸性または塩基性に調整された水溶液を基本とする各種の電解液が使用されている。



電解採取で消費されるエネルギーは電解電圧と通電した電気量の積であり、陰極で得られる金属量はこの電気量に比例する。したがって、採取される金属の単位重量あたりで必要となる電解採取の電気エネルギー消費量(以下、電力量原単位と記す)は、電解電圧が低いほど小さくなる。この電解電圧は、陽極と陰極の電位差であり、陰極反応は陰極で得られる金属によって異なり、その反応の種類によって陰極の電位も異なる。一方、陽極反応は、先に述べた電解液の種類で例示すれば、硫酸系電解液では酸素発生であり、塩化物系電解液では塩素発生である。例えば、現在商業的に行われている電解採取では、銅、亜鉛、ニッケル、コバルトなどの金属の電解採取には硫酸系電解液が使用されている。このような硫酸系電解液を用いる場合、酸素発生が生じる際の陽極の電位は、陽極に用いる材料によって変化する。例えば、酸素発生に対して触媒活性が低い材料と高い材料では、触媒活性が高い材料ほど陽極の電位は低くなる。したがって、同じ電解液を用いて電解採取を行う場合、電力量原単位を小さくするためには、陽極に触媒活性の高い材料を用いて、陽極の電位を低くすることが重要であり、また必要である。



さらに、硫酸系電解液を用いる電解採取の陽極には、酸素発生に対する高い触媒活性に加えて、酸素発生以外に陽極上で生じる可能性がある反応(以下、副反応と記す)には、酸素発生とは反対に触媒活性が低いことが求められる。例えば、亜鉛、または銅、またはコバルト、またはニッケルなどの電解採取では、電解液中の必須成分である亜鉛イオン、または銅イオン、またはコバルトイオン、またはニッケルイオン以外に、他の金属イオンが含まれている場合がある。このような金属イオンとしては、マンガンイオン、鉛イオンなどが知られている。マンガンイオンや鉛イオンが含まれる電解液を用いて電解採取を行うと、陽極上では、+2価のマンガンイオンの酸化が生じて陽極上にオキシ水酸化マンガン(MnOOH)や二酸化マンガン(MnO)などのマンガン化合物が析出したり、または+2価の鉛イオンの酸化が生じて陽極上に二酸化鉛(PbO)が析出する。これらの反応は、硫酸系電解液の陽極反応である酸素発生と同時に陽極上で生じることになるが、マンガン化合物や二酸化鉛は酸素発生に対する触媒活性が低く、また導電性も高くないため、陽極上での酸素発生反応を阻害し、結果として陽極の電位を上昇させ、電解電圧が増加する原因となる。また、例えば、電解採取の対象となる金属イオンではなく、電解液の添加剤成分としてコバルトイオンが電解液に加えられている場合は、陽極上で酸素発生とともに、副反応として+2価のコバルトイオンの酸化が生じ、これによって生成するオキシ水酸化コバルト(CoOOH)が陽極上に析出して、前述したマンガン化合物や二酸化鉛の陽極への析出と同様にして、電解電圧を増加させる原因となる。上記に述べたような陽極上への副反応による金属酸化物や金属オキシ水酸化物の析出と蓄積は、電解電圧の上昇を引き起こし、同時に陽極の寿命・耐久性を低下させる原因となる。



上記のような理由から、硫酸系電解液を使用する電解採取の陽極には、1)酸素発生に対する触媒活性が高く、2)陽極上に金属酸化物や金属オキシ水酸化物の析出を生じる副反応や、さらには金属成分を含まなくても陽極上に付着・蓄積するような析出物を生じる副反応に対する触媒活性は低く、3)したがって、酸素発生に対する高い選択性があり、4)その結果、陽極の電位が低く、言い換えれば陽極反応に対する過電圧が小さく、かつ電解採取を続けても副反応の影響による陽極電位の上昇を生じることがなく、5)したがって、電解電圧が低くかつ低い電解電圧が電解採取を続けても維持され、これによって目的とする金属を電解採取するための電力量原単位が小さくなり、6)同時に副反応の影響による陽極の寿命・耐久性の低下がなく、7)酸素発生に対して高い耐久性を有する材料を使用することが望まれる。



一方、硫酸系電解液を使用する電解採取用陽極には、代表的なものとして、鉛電極や鉛合金電極のほか、チタン基体上を白金族金属または白金族金属酸化物またはこれらの混合物や複合酸化物を触媒層として被覆した電極(以下、被覆チタン電極と記す)などが用いられている。このような被覆チタン電極の具体的な例としては、酸化イリジウムを含む触媒層で被覆したチタン電極があり、特に、触媒層に酸化イリジウムと酸化タンタルの混合酸化物、もしくはこの混合酸化物に他の金属または金属酸化物をさらに混合した触媒層で被覆した被覆チタン電極が用いられている。また、被覆チタン電極を電解採取以外の利用分野にも広げて例を挙げれば、電気めっき、電解金属箔製造、食塩電解、電解水製造、電解機能水製造など、水溶液を用いる各種の電解プロセスの陽極に用いられる被覆チタン電極が、特許文献1~特許文献7に開示されている。なお、特許文献1~特許文献7に開示されている陽極は、酸素発生だけでなく、塩素発生に対して用いられる陽極も含まれている。また、特許文献8には電解採取用の被覆チタン電極を熱分解法で作製する際に用いられる前駆体溶液およびその調製方法が開示されている。一方、本願発明者は、特許文献9および特許文献10に、被覆チタン電極を含む電解採取用陽極とその陽極を用いた電解採取法を開示している。

産業上の利用分野


本発明は、電解によって所望の金属を採取する電解採取に用いる電解採取用陽極、および電解によって所望の金属を採取する電解採取法に関する。特に、硫酸系電解液を用い、陽極反応が酸素発生である電解採取に用いる電解採取用陽極、および硫酸系電解液を用い、酸素発生を生じる陽極を用いて電解採取を行う電解採取法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
硫酸系電解液を用いる電解採取の陽極であって、非晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルを含む触媒層を導電性基体上に形成したものであり、非晶質の酸化イリジウムと非晶質の酸化タンタルからなる触媒層を導電性基体上に形成した陽極と比較して、電解採取時の電解電圧を0.02V以上低減可能であるか、または、結晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる触媒層を導電性基体上に形成した陽極と比較して、電解採取時の電解電圧を0.05V以上低減可能であることを特徴とする電解採取用陽極。

【請求項2】
硫酸系電解液を用いる電解採取の陽極であって、非晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる触媒層を導電性基体上に形成したものであることを特徴とする電解採取用陽極。

【請求項3】
前記触媒層におけるルテニウムとタンタルのモル比が30:70であることを特徴とする請求項1または2に記載の電解採取用陽極。

【請求項4】
前記触媒層と前記導電性基体の間に、中間層が形成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の電解採取用陽極。

【請求項5】
前記中間層が、タンタル、ニオブ、タングステン、モリブデン、チタン、白金、またはこれらのいずれかの金属の合金からなることを特徴とする請求項4に記載の電解採取用陽極。

【請求項6】
前記中間層が、結晶質の酸化イリジウムと非晶質の酸化タンタルを含むことを特徴とする請求項4に記載の電解採取用陽極。

【請求項7】
電解採取される金属が、銅、亜鉛、ニッケル、コバルト、白金、金、銀、インジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウムのいずれか1つであることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の電解採取用陽極。

【請求項8】
硫酸系電解液を用いる電解採取法であって、請求項1~7のいずれかに記載の電解採取用陽極を用いて所望の金属を採取することを特徴とする電解採取法。

【請求項9】
電解採取される金属が、銅、亜鉛、ニッケル、コバルト、白金、金、銀、インジウム、鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウムのいずれか1つであることを特徴とする請求項8に記載の電解採取法。
産業区分
  • 冶金、熱処理
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) S2011-0486-N0
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