JP4802323B2 - 溶融塩中における酸素発生装置および酸素発生方法 - Google Patents
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Description
上記プロセスの一例としては、アルミニウム(Al)の電解製造が挙げられる。Alの電解製造で現在、主に用いられている方法は、A12O3を溶融した氷晶石(3NaF−AlF3)中に溶解させ、アノードに炭素電極を用いて電気分解を行なう、「ホール・エルー法」である(例えば、非特許文献1参照)。当該方法は、以下の反応によってAlが製造される。
カソード:Al3++3e-→Al
全反応 :2/3Al3++O2-+1/2C→2/3Al+1/2CO2
また溶融塩は上記金属の製造プロセスのほか、高いFP除染係数(「FP」とは「核分裂生成物」のことをいう)が得られる等の理由により、原子力発電の使用済酸化物燃料の再処理プロセスに利用することが知られている。例えば特許文献1には、上記電解還元プロセスに用いる電解還元装置、および電解還元方法が開示されている。当該電解還元装置は、還元対象である酸化物を保持する陰極と、陽極と、酸化物および陽極が浸される溶融塩と、当該溶融塩を収容する容器と、陰極および陽極に電流を通電して酸化物を還元する直流電源とを備えている。当該電解還元装置における上記陽極は、炭素製の本体と白金製のリードとを有するもの(いわゆる「炭素電極」)である。
本発明にかかる酸素発生装置は、陰極と、陽極と、溶融塩と、前記溶融塩を収容するための反応容器と、前記陰極および前記陽極に電流を流すための直流電源とを備え、前記反応容器内で溶融塩に含まれる酸化物イオンを酸化して酸素を発生させる酸素発生装置であって、前記陽極は、sp3結合を有する炭素系材料を備えるsp3炭素系電極であることを特徴とするものである。
次に本発明にかかる酸素発生方法について説明する。なお本発明はこれに限定されるものではない。また本発明にかかる酸素発生方法と酸素発生装置とにおいて共通する用語は、特記しない限り、「1.本発明にかかる酸素発生装置」の項における説明を全て援用することができる。
まず、酸素発生装置20の構成について説明する。図1は、本発明にかかる酸素発生方法の実施に用いることができる酸素発生装置20の模式図である。酸素発生装置20は、陰極1と、陽極2と、溶融塩3と、溶融塩3を収容するための反応容器4と、陰極1および陽極2に電流を流すための直流電源5と、導電線6と、金属回収槽7とを備えている。陽極2は、既述のダイヤモンド電極等のsp3炭素系材料を備える電極(sp3炭素系電極)である。反応容器4には溶融塩3が収容されており、溶融塩3には陰極1および陽極2が挿入されている。陰極1および陽極2と、直流電源5の陰極および陽極とは、それぞれ導電線6を介して電気的に接続されており、直流電流5から供給される電流が溶融塩3中を陽極2から陰極1へと流れるようになっている。また金属回収槽7は、溶融塩3中において陰極1と反応容器4の底面との間に備えられ、金属酸化物を電解還元することによって陰極1付近で生成した金属8を回収することができるようになっている。すなわち酸素発生装置20を用いることによって、反応容器4内で溶融塩3に含まれる酸化物(例えば金属酸化物)を酸素ガスと金属に分離することができる。なお、図示していないが、溶融塩3の調製および溶融状態を保持するためのヒーターが、反応容器4内を加熱し得るように備えられている。
次に、酸素発生装置20を用いて、金属酸化物(「MOx」とする)の還元を行なった場合の反応プロセスについて説明する。溶融塩3としては塩化リチウムと塩化カリウムが共晶組成に混合された溶融塩を用いており、溶融塩3中には塩素イオン(図示せず)とリチウムイオン(図1中「Li+」で示す)とカリウムイオン(図示せず)が存在している。この溶融塩3に金属酸化物(図1中「MOx」で示す)およびリチウム(図1中「Li」で示す)を添加する。この時、直流電源5から電流を供給すると、陽極2(アノード)、陰極1(カソード)、および溶融塩3中で以下の反応が起こる。
溶融塩3 :2xLi+MOx→M+2xLi++xO2-
陽極2(アノード):O2-→1/2O2+2e-
全反応 :MOx→M+x/2O2
上記反応式において表されるように、陽極2では金属酸化物(MOx)がリチウム金属と化学反応することにより供給された酸化物イオン(図1中「O2-」で示す)が電子(図1中「e-」で示す)を放出して、酸素分子(図1中「O2」)となって溶融塩外へ出る。この時、酸化物イオン(O2-)は陽極2への移動し、陽極2は酸化物イオン(O2-)から電子(e-)を受け取り、電子(e-)は導電線6→直流電源5→導電線6を経由して陰極1へと移動する。
1/2C+O2-→1/2CO2+2e-
となり、陽極で二酸化炭素が発生し、炭素電極自身も上記反応により消耗する。
これに対して、陽極にsp3炭素系電極を用いた場合、陽極2(アノード)から二酸化炭素が発生することなく、酸素を発生させることができる。また酸素発生を実施している間に電極が消耗することはない。
次に、本発明にかかる酸素発生方法の一例を説明する。まず酸素発生装置20における反応容器4を、適当な組成の溶融塩3で満たす。溶融塩3の調製は、塩を反応容器内4に投入し、反応容器4に付属され反応容器内を加熱するためのヒーター(図示せず)の熱により溶解してもよいし、反応容器4外で調製した溶融塩3を反応容器4内へ投入してもよい。この時、溶融塩3が凝固しないように前記ヒーターで加熱する。
本発明は既述したごとく、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ケイ素等の精錬や、原子力発電における使用済酸化物燃料(酸化プルトニウム、酸化ウラン、および核分裂生成物の酸化物、またそれらの混合物)の再処理プロセスに利用可能である。また本発明は、金属酸化物のみならずガスを還元する場合においても利用が可能である。
溶融塩には、共晶組成に混合したLiCl−KCl(58.5mol%:41.5mol%)を数日間473Kで真空乾燥させた後、723Kのアルゴン雰囲気中で溶融させたものを用いた。
陽極(アノード)としてダイヤモンド電極を用いて、酸化物(Li2O)添加前後において、サイクリックボルタンメトリーを行なった。なお、比較として、陽極(アノード)に白金電極を用いた場合についても同様にサイクリックボルタンメトリーを行なった。
酸素発生の定常状態の電流密度と酸素発生を行なうのに最適な電位を測定するために、陽極(アノード)にダイヤモンド電極を用い、酸化物(Li2O)を0.5mol%添加して、定常分極測定を行なった。定常分極測定は、各電位において定電位電解を行ない、その際の電流密度をプロットした。また発生ガスの分析を、酸素計(Panametrics Japan社製、商品名OX-2)、ガスクロマトグラフィー(島津社製、モデル名GC−8A)、およびIR(島津社製、モデル名BIO−RAD:FTS165)を用いて行なった。酸素計による酸素の測定は、系内の雰囲気と酸素計の計測部とを接続し、常に酸素濃度をモニターできるようにした。またガスクロマトグラフィーによる分析は、電解後の雰囲気を採取し所定の方法で測定した。またIRは、電解後の雰囲気を採取し、所定の方法で測定した。
酸化物イオンとしてLi2Oを用い、添加量は0.5mol%を添加し、溶解させた。
2 陽極
3 溶融塩
4 反応容器
5 直流電源
7 金属回収槽
20 酸素発生装置
Claims (7)
- 陰極と、陽極と、溶融塩と、前記溶融塩を収容するための反応容器と、前記陰極および前記陽極に電流を流すための直流電源とを備え、前記反応容器内で溶融塩に含まれる酸化物イオンを酸化して酸素を発生させる酸素発生装置であって、
前記陽極は、sp3結合を有する炭素系材料を備えるsp3炭素系電極であることを特徴とする、酸素発生装置。 - 上記sp3炭素系電極は、不純物がドープされているsp3炭素系材料を備える電極である、請求項1に記載の酸素発生装置。
- 上記sp3炭素系材料が、ダイヤモンドである、請求項1または請求項2に記載の酸素発生装置。
- 陰極および陽極が挿入されており、かつ酸化物イオンを含む溶融塩に対して、前記陰極および陽極に電流を流す工程を含む、酸素発生方法において、
前記陽極として、sp3結合を有する炭素系材料を備えるsp3炭素系電極を用いることを特徴とする、酸素発生方法。 - 上記sp3炭素系電極は、不純物がドープされているsp3炭素系材料を備える電極である、請求項4に記載の酸素発生方法。
- 上記sp3炭素系材料が、ダイヤモンドである、請求項4または5に記載の酸素発生方法。
- 上記溶融塩に、酸化物イオン供給源を添加する工程をさらに含む、請求項4ないし6のいずれか1項に記載の酸素発生方法。
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