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電解法 NEW コモンズ

国内特許コード P190016465
整理番号 DP1839
掲載日 2019年10月31日
出願番号 特願2017-208735
公開番号 特開2019-081919
出願日 平成29年10月30日(2017.10.30)
公開日 令和元年5月30日(2019.5.30)
発明者
  • 盛満 正嗣
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 電解法 NEW コモンズ
発明の概要 【課題】陰極で金属が析出し、陽極では主反応としてガスが発生する電解法において、陽極で金属酸化物の生成を抑制でき、かつ陰極では金属の溶解を抑制できる電解法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る電解法は、陽極としての非晶質酸化物被覆電極および陰極を用意する工程と、所望の金属を含む水溶液に前記陽極および前記陰極を浸漬させる工程と、前記陽極において前記水溶液中の金属イオンが酸化されて金属酸化物が生成される反応が抑制され、かつ、前記陰極において析出した前記所望の金属の溶解が生じないような範囲内で、前記陽極および前記陰極の幾何学面積を基準とした電流密度を設定して電解を行う工程とを備えたことを特徴とする。
【選択図】なし
従来技術、競合技術の概要 電解法はイオン導電性の電解質に陽極と陰極を接触させ、2つの電極間に通電して、陽極では酸化反応、陰極では還元反応を起こし、陽極、陰極、または両方の電極で目的とする物質を得る方法であり、金属の電解採取や電気めっき等がよく知られている。これらの電解法では陰極で金属を析出させることが主な目的であり、金属イオンを含む水溶液が電解質である場合は、陽極では水溶液が分解して酸素または塩素が発生する反応が主たる電極反応となる。例えば、亜鉛の電解採取や亜鉛の電気めっきでは、亜鉛イオンが溶解した硫酸酸性の水溶液を電解して、陰極上に亜鉛を析出させる。亜鉛の電解採取の場合は陰極上に一定量の亜鉛を析出させたのち、水溶液から陰極を取り出して、析出した亜鉛をはぎ取る。これが、鉱石や亜鉛が用いられた種々の使用済み材料を原料として、その原料から亜鉛イオンを抽出した水溶液を電解質とし、これを電解することで高純度亜鉛を製造する一般的な電解法である。亜鉛の電気めっきの場合は、陰極がめっきを施す基材となっており、その基材表面を一定量の亜鉛で被覆する。自動車の車体にはこのようにして製造された亜鉛めっき鋼板が用いられている。一方、これらの方法では電解質は硫酸酸性の水溶液がベースとなっており、陰極に亜鉛が析出するのと同時に陽極では酸素が発生する。仮に、電解質がある程度の濃度の塩化物イオンを含む場合は、陽極の反応は塩素の発生、または塩素と酸素の発生となる場合もある。しかし、このような酸素や塩素が発生するのは、陽極上でこれらの反応以外には何も起こらない場合のみであり、実際の電解採取や電気めっきでは、これらの反応以外に陽極で他の反応が同時に生じることがある。その代表的な例は、亜鉛の電解採取における陽極でのマンガン酸化物の生成である。以下に、この反応がどのように生じるかを説明する。

亜鉛の電解採取は、鉱石等から抽出した亜鉛イオン(Zn2+)が溶解した硫酸酸性の水溶液が一般に電解質に用いられるが、この電解質には亜鉛イオン、硫酸イオン以外に、例えば金属イオンとして2価のマンガンイオン(Mn2+)が溶解している。このマンガンイオンは鉱石中または亜鉛イオンを抽出する過程で電解質に混入する。例えば、亜鉛の電解採取で一般に使用されている鉛合金製の陽極を用いて電解採取を行うと、陽極では酸素が発生するとともに、Mn2+からMn3+への酸化と、これに続くMn3+からMnOOH(オキシ水酸化マンガン)の生成や、さらにMnO(二酸化マンガン)の生成が起こる。これらのマンガン酸化物は陽極上に析出し、電解を続けると陽極上にマンガン酸化物が蓄積する。そののち、マンガン酸化物は陽極材料である鉛合金の一部や電解質中に含まれる他のイオン、化合物等とともに陽極上でスラッジを形成し、ついには陽極から剥離して電解採取の電解槽内に沈殿、蓄積する。この蓄積したスラッジは定期的に電解槽から取り出されて産業廃棄物として処理される。このように亜鉛電解採取における陽極でのマンガン酸化物の生成とこれに続くスラッジの発生は、産業廃棄物を発生させ、同時に陽極の一部がはぎ取られて消耗することから、望まれない副反応である。このような望まれない副反応の問題については、特許文献1~6の中で指摘されている。また、亜鉛の電解採取以外でも、例えば使用済み金属を原料として調製した電解質から電解採取や電気めっきを行う場合には、上記のような本来は起こってほしくない副反応が陽極で生じることがある。

例えば、電気めっきの一例として、電解銅箔の製造では、硫酸をベースとする電解質中にはCu2+のほかに、Pb2+が含まれている。この鉛イオンは、鉛合金からなる陽極上では、酸化されて陽極上にPbO(二酸化鉛)として析出する。このような二酸化鉛の陽極上への析出は、陽極での主反応である酸素発生と同時に生じることになるが、二酸化鉛が析出すると陽極の電位を上昇し、その結果、電解電圧は増加する。また、陽極の寿命・耐久性を低下させる原因となる。

本願発明者は、上記のような電解法における課題を解決する手段として、非晶質の酸化イリジウムまたは非晶質の酸化ルテニウムを含む触媒層を導電性基体上に形成した陽極を発明し、これを用いた電解法では、陽極での望まれない副反応が抑制されること等を特許文献1~6においてすでに開示した。
産業上の利用分野 本発明は、金属の電解採取法や電気めっき法をはじめとして、陰極に金属を析出させることを主たる目的とする電解法に関し、特に水溶液を電解質として陰極では目的とする金属または合金が析出し、陽極では水溶液が分解して酸素または塩素が発生する反応が主たる電極反応となる電解法に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】
陽極としての非晶質酸化物被覆電極および陰極を用意する工程と、
所望の金属を含む水溶液に前記陽極および前記陰極を浸漬させる工程と、
前記陽極において前記水溶液中の金属イオンが酸化されて金属酸化物が生成される反応が抑制され、かつ、前記陰極において析出した前記所望の金属の溶解が生じないような範囲内で、前記陽極および前記陰極の幾何学面積を基準とした電流密度を設定して電解を行う工程と、
を備えたことを特徴とする電解法。

【請求項2】
前記金属酸化物がマンガン酸化物であり、
前記所望の金属が亜鉛であり、
前記電流密度を0.15mA/cm~0.30mA/cmの範囲内で設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の電解法。

【請求項3】
前記所望の金属が、銅、亜鉛、スズ、ニッケル、コバルト、鉛、クロム、インジウム、白金、銀、イリジウム、ルテニウム、パラジウムのうちのいずれか1つである
ことを特徴とする請求項1に記載の電解法。

【請求項4】
前記陽極の有効表面積が、前記陰極の有効表面積の10倍以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の電解法。
出願権利状態 公開
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