JPS602687A - ナトリウム精製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 不発明はす）　ＩＩウム中の不純物を除去する装置に係
り、特にナトリウム−硫黄電池や試薬用ナトリウム、不
純物の放射化が心配される高速増殖炉など高純度を要求
されるす）　ＩＪウムの精製装置に関する。

〔発明の背景〕

従来のナトリウム精製法には、コールドトラップ法や蒸
留法などがある。１ずコールドトラップ法について説明
する。コールドトラップ法は第１図に示したように温度
によるす）　ＩＩウム中の不純物製団の相異を利用して
不純物を除去する方法である。第２図にコールドトラッ
プ法によるナトリウム精製装置を示す。この装置は不純
物を除去する部分、すなわち金属メツシュ１で構成さｆ
′Ｌ′ｆ？：、不純物除去槽２と不純物除去槽に未精製
ナトリウム３を供給する未精製すｌ−ＩＩウム容器４、
精製後のナトリウム５を貯蔵する精製ナトリウム温度６
並びに、谷容器のナトリウム温度を制到する制御装置７
とナトリウム流量側ｎ装置８とからなる。

未精製ナトリウム３中に含１′ｎ、る不純物は、不純物
除去槽２に供給さｆ’した時冷却された金＆メツシュ１
にとり込せれる。全屈メツシュは、不純物の付着のため
使用時間の経過と共に流動抵抗を増す順向にある。そこ
で、不純物除去槽内のメツシュ配列には、１つ１つ防止
の配慮がなされているがコールドトラップ法においては
、第１図に示すようにナトリウム中の酸素と水素の濃度
を減少させることが可能である。例えば、不純物除去槽
の温度を１５０Ｃに制（財）すれば酸素濃度は２．８　
ｐｐｍ　ＶＣ贅た水素濃度は０．１８１）Ｉ）ｍ　に減
少させることができる。しかし、ナトリウム中に含才れ
る酸素と水素以外の不純物、例えばカルシウムやカリウ
ム、塩素、炭素などは、コールドトラップ法では除去で
きない。

なおナトリウム中の酸素除去を目的とした精製装置には
、第３図に示すようなジルコニアを用いた精製装置も考
えられている（％許願・昭４５−９８７２９）。未精製
す）　＋１ウム３を、不純物除去槽２に導入し、ジルコ
ニア壁１３を介して還元剤１４と対峙きせる。未精製す
）　ＩＪウム側を負電位に、還元剤側を正電位にすると
、ジルコニア壁は酸素イオンのみを通過させることが可
能となり、未精製す）　ｌ］ウム中の酸素は還元剤側へ
と移行し、未精製ナトリウム中の酸素濃度を減少させる
ことができる。この方法でもナトリウム中に含まれる酸
暑２を除去することが可能であるが、前述のコールドト
ラップ法と同様、カルシウムやカリウム、塩素、炭素な
どのす）　ＩＩウム中不純物を除去することはできない
。

酸素２よび水素以外の不純物を除去する方法として蒸留
法が考えられる。精製原理は一般の蒸留法と同様蒸気圧
の相異を利用して、ナ）　ＩＪウムと不純物とを分離す
る方式である。第４図に蒸留法によるナトリウム精製装
置を示す。蒸留槽１６に未精製ナトリウム３を充填し、
ナトリウム温度を５００〜６００　′ｃに加熱して、ナ
トリウムを蒸発させ冷却部に組込せｎた冷却フィン１７
でナトリウム蒸気を凝縮させ、精製ナトリウム容器６に
導びく。蒸留法では沸点の低いす）　１１ウム中の酸化
物やカルシウム、炭素などの不純物を除去することがで
きる。しかしナトリウムに比べ蒸気圧が高くかつ微量（
数］Ｏｐｐｍオーダー）のカリウムを除去することは困
難である。また蒸留法の本質的欠陥でｌ’ｔあるが、蒸
気圧の相異を利用する原理であるため、不純物濃度をＯ
にすることはできない。

蒸留法ではす）　＋１ウム温度６５ａａｃ以上にする必
要があるため、ナトリウム精製に要するエネルギーが大
きくなる。さらに高温にするために蒸留槽の容器材から
の成分元素や不純物の溶は込みなども無視できない。そ
の上、装置の大きさ全コンパクトにすることが難しい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来のす）　１１ウム中不純物の除去
法の欠点である。■不純物中特定元素しか除去できない
こと、■精製ナトリウムのより高純度化が困難なこと等
の問題点を解決するため、ナトリウムイオンのみを選択
的に透過させる固体電解質を用いてナトリウム中に含ま
れるすべての不純物を一挙に除去できるナトリウム精製
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ナトリウムイオンのみ全選択的に透過させる
固体電解質を用いて、ナトリウム中に含１れるカリウム
やカルシウム、酸素などの不純物を除去できるようにし
たものである。この結果、ナ）　１１ウム中のすべての
不純物を除去することが可能となり、高い純度のナトリ
ウムが得られる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第５図により説明する。

未精製ナトリウム容器４から未精製ナトリウム３を、固
体電解質１８で内部を２分された不純物除去槽１９の未
精製ナトリウム側２０に注入し、固体電解質を介して反
対側、すなわち稍製す）　ｌ）ラム側２１に高純度ナト
リウムを注入する。次に固体電解質で隔離さ一７′１．
た未精製ナトリウムに正、精製ナトリウムに負の電位を
加える。ここで、ナトリウムは電気伝導性をもつので電
圧の印加は両容器に加えればよい。加えられた電場に従
い、未精裏側のナトリウムが固体電解質をす）　ｌ］ウ
ムイオンとなって透過し精製側へと移行する。精製した
ナトリウムは精製ナトリウム容器６で貯蓄される。

第５図中２２は正極と負極を絶縁するための電気絶縁物
である。

本装置では、固体電解質としてβ″−アルミナを用い、
その表面積をほぼ２００　ｃｍ２とした。ナｌ−ＩＩウ
ム精製時の温度に３００ｔｌ’、印加電圧を２．０　Ｖ
以下にした場合、単位時間当りのすｌ−ＩＪウムＮ製量
は約１ｇ／＃かえられた。なおその際のβ“−アルミナ
の表面電流密度は４００ｍん４−であった。

実験で得ら’ｎた精製ナトリウムの分析結果を第１表に
示す。第１表では比較のためにコールドトラップ法で精
製したす）　ＩＪウムの分析結果も並記した。分析結果
から本発明のナトリウム精製法では、コールドトラップ
法で精製能力を持たなかったカリウムやカルシウムなど
、すべての不純物元素濃度を今回の実験での分析検出限
界である０、　１　ｐｐｍ以下におさえることができた
。

第１表 〜（ｉ　ｐｐｍ　：　分析感度が０．１　ｐｌｕｍであ
り、この検出限界以下の濃度であ ることを示す。

不実施例ではす）　ＩＪウム精製速度が約１ｇ／ｍｉで
あったが、β“−アルミナの表面電流密度を増大させ、
さらに表面積の大きなβ″−アルミナを用いれば、現状
の１０倍程度のす）　ＩＪウム精製速度は容易に実現可
能となる。捷たす）　ＩＪウムの精製時の温度？３００
でとしたが、これはナトリウムの固化しない温度（融点
９８Ｃ）以上であれば本実施例の機能を損うことはない
。但し、β“−アルミナの比抵抗は温度の低下と共に増
大するため、低温で精製するとβ“−アルミナでのジュ
ール発熱によるエネルギー損失が増大する。

以上の本発明の一実施例によれば、ナ）　ＩＪウム中の
不純物元素のすべて′ｆ：精製でき、−回の操作で高純
度のす）　ｌ］ウム全得ることが可能である。

第６図は本発明の他の実施例を示すもので、第５図と異
なるのは、固体電解質の両表面に金属メツシュを装着し
、電極２４とした点である。精製ナトリウム（１１１１
２１に余興メツシュ電極を設けることによって、精製開
始時に高純吸のナト１７ウムゲ精製ナトリウム側に注入
する必要がなくなるため、精製されたナトリウムの純度
が鳥１す、本発明の機能をフルに発揮できる。また未精
製１１１１１２０に設けた金属メツシュ電極は、未精製
ナトリウムの固体電解質表面への供給を円滑にすると共
に、少量のす）　ＩＪウム全精製する時や精製終了時に
おける残留す）　ＩＪウムの供給に有効でおる。すなわ
ち、／Ｑｌ ナトリウムの表面張力により未精製ナトリウムはメツシ
ュ内を毛細管現象で移送し固体電解質に供給され効率的
である。なお本実施例においては、金属メツシュ電慟ヲ
用いたが、カーボンメツシュやグラファイトメツシュな
ど電気伝導性金もつものであｎげ代用可能である。

上記実施例では、ナ）　ＩＩウムの精製量が増大すると
、固体電解質の表面に不純物が不着して精製能力が低下
したり、時には不純物が原因と考えら訛る固体電Ｍ質の
破損がみられる。これらの原因で固体電解質の使用欺的
が制限され、本発明のナトリウム精製装置の寿命が決筐
ってしまう。そこで第７図に示した変形例では、未精製
す）　ＩＪウム３を不純物除去１ｐ１９に供給する甘え
に、コールドトラップ２５を設けて、粗精製を実施した
。この方法によってナトリウム中の酸化物があらかた除
去できるので、固体電解質の寿命を延ばすことができる
。

上記変形例に示したような固体電解質の寿命の延長を目
的とした実施例としては、コールドトラ（１０） ツブのかわりに第３図に示したジルコニア金用いた精製
＠置全利用することも考えられる、以上の実施例では未
精製ナトリウムを液体状で固体電′Ｍ質表面に供給した
が、第７図に示した実施例では未精製ナトリウムを蒸気
状態で供給した。

未精製すｌ−ＩＩウムを液体状で供給すると、仮に第６
図のごとく粗Ｎ製をしても、酸素しか除去できないので
ナトリウム中の不純物、例えばカルシウムや炭素などが
固体電解質の表面に付着してし１い、固体電Ｍ質の精製
に使用できる期間が畑縮される欠点を有していた。これ
に比べ未精製す）　ＩＪウムを蒸気で固体電解質に供給
すれば、未精製ナトリウム中に含まれる不純物のうち蒸
気圧の低いものが除去され固体電解質の寿命を延ばすこ
とが可能となる。

第８図の作動状態を説明する。未精製す）　＋７ウム３
ば、不純物除去槽２６に供給さｎｌそこで加熱ヒータ９
で５［Ｏｎに加熱さｆ′Ｌ飽和蒸気となり、固体電解質
１８の内表面に供給される。供給されたナトリウムは、
固体電解質の表面に装置された（１１） 金属メツシュ電極２４で凝縮され、固体電解質の内外面
に印加さｆｌ、た電圧１５によって、ナトリウムイオン
となり同体電解）′ｇＪを透過し、外側の精製ナトリウ
ム側に貯蓄される。精製ナトリウムは必要に応じ精製ナ
トリウム容器６へと移送さ１．る。

さらに不純物除去槽２６でのす）　ｌ）ラム精製が進む
と、未精製ナトリウム側には飽和溶解度以上の不純物が
貯蓄し、例えば酸化ナトリウムなどは沈澱物となる。そ
こで、これらの沈澱物を除去するために設けたのが、高
濃度不純物除去容器２７である。

同、上記実施例では同体電解質としてβ“−アルミナを
使用したが、β″−アルミナ、ホウ砂ガラスがとナトリ
ウムイオンを選択的に透過する物質であれば本発明の効
果を損うものでない。

さらに固体電解質の形状についても、実施例では板状お
よび円筒状のものを使用したが、その他の形状であって
も当然のことながら本発明の効果を損うものでない。

〔発明の効果〕

（１２） ナトリウム中の不純物の精製に、ナトリウムイオンのみ
を選択的に透過する固体電解質金用いることによって、
ナ）　１１ウム中に含’ｉｎるすべての不純物？除去で
き、高純度のす）　ＩＪウムが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はナトリウム中の酸素と水素の溶解度を示す図、
第２図は従来のコールドトラップ法によるす）　ＩＩウ
ム精製装置の説明図、第３図はジルコニアを用いたナト
リウム精製装置の説明図、第４図１は蒸留法によるナト
リウム精製装置の説明図、第５図はβ“−アルミナ金柑
いた本発明のナトリウム精製装置の説明図、第６図は第
５図の粋直に金属メツシュ電極を設けたすｌ−ＩＩウム
精製装置の説明図、第７図は第６図の装置にコールドト
ラップ法によるナトリウム粗精製装置を付帯したナトリ
ウム精製装置の説明図、第８図は固体電解質へナトリウ
ム全然気状態で供給したナトリウム精製装置の説明図で
ある。 １・・・金用メツシュ、２，１９．２６・・・不純物除
去（１３） 槽、３・・・未精製ナトリウム、４・・・未精製ナトリ
ウム容器、訃・・＃ｇ製ナナトリウム６・・・精製ナト
リウム容器、７・・・温度制御装置、８・・・流量制御
装置、９・・・ヒータ、１に・・・ヒータあるいは冷却
フィン、１１・・・ストップバルブ、１２・・・リーク
パルプ、１３・・・ジルコニア、１４・・・還元剤、１
５・・・電曽、１６・・・蒸留槽、１７・・・冷却フィ
ン、１８・・・固体電解質、２０・・・未精製ナトリウ
ム中ｌＩｋ　２１・・・精製ナトリウム側、２２・・・
電気絶縁、２３・・・圧力調整圧、２４・・・金属メツ
シュ５ＪＬ２５・・・コールドトラップ、（１４） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ナトリウム陽イオンを通過させつる固体電解賀全
   境にして、未精製ナトリウムと精製ナトリウムを対峙さ
   せ、未精製す）　ＩＪウム側に正の電位？、精製ナトリ
   ウム側に負の電位を印加することを特徴としたナトリウ
   ム精製装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のす）　ＩＪウム精製装
   置に２いて、固体電解質の内外表面にメツシュ電極を設
   けることを特徴としたナトリウム精製装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のすＩ−ＩＪウム精製装
   置において、未精製す）　ＩＪウムを粗精製装置全経由
   して固体電解質に供給することを特徴としたナトリウム
   精製装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載のナトリウム精製装置に
   おいて、未精製す）　ＩＪウム會蒸気状態で固体電解質
   へ供給することを特徴としたナトリウム精製装置。