2016 Fiscal Year Research-status Report
ホウ酸塩フラックスを用いた重金属の低温における還元分離・成型技術の開発
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16K05946
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
露本 伊佐男 金沢工業大学, バイオ・化学部, 教授 (60282571)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ホウ酸ナトリウム / アルミノシリケート / 状態図 / フラックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アルミノシリケート中に固溶している微量の鉄を水素中で還元析出させる際に混合するホウ酸ナトリウムのフラックスの組成を変化させて実験した結果，ナトリウムとホウ素のモル比が3の場合に最も効率よく鉄の還元析出が進行することがわかった。報告されているNa2O－B2O3系の相図と照合した結果，このフラックスは相図が液相分離型（偏晶型）となる領域であることがわかった。溶融したナトリウムホウ素比3のホウ酸ナトリウムは675℃で凝固が始まり，それ以下の温度では，組成の異なる液相二相に分離し，冷却とともに一方の液相が，固相ともう一方の液相に変化していく。この過程が固溶している微量の鉄が融液に取り込まれ，還元析出される現象に大きく寄与しているものと考察した。融液を冷却するときの析出挙動が，固溶体からの還元析出促進現象に大きく関与している可能性が示された。フラックスを利用した還元析出を考えるときには，状態図を調べることが肝要であるといえる。また，カルシウムシリケート，カルシウムアルミネートなど他のマトリックス中に固溶している鉄の還元析出挙動は，アルミノシリケートからのものとは異なっており，フラックス自体の相図だけでなく，マトリックスも含めた系での考察が必要であることが示唆された。
また，実験を進める過程で，タングステンボートを使用し，アルミノシリケートとともに950℃の水素雰囲気中で2時間還元したところ，タングステンボート上にタングステンのウィスカーが析出することを見出した。従来よりも低温で簡便なタングステンウィスカーの成長法を見出したといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以前はフラックスを使用した酸化物の還元に，フラックス自身の相図（状態図）を勘案することはほとんどなかったが，現在までにフラックスを使用した酸化物からの金属の還元析出に，フラックスの凝固，析出時の挙動が関与している可能性を見出した。ホウ酸と水酸化ナトリウムの混合物をフラックスとして使用した場合，融液の凝固時に偏晶反応（monotectic reaction）が進行するナトリウムホウ素比が3の場合に，最も鉄の還元析出が促進されることがわかった。ホウ酸塩として，従来から知られている四ホウ酸ナトリウム（ナトリウムホウ素比0.5）や五ホウ酸ナトリウム（ナトリウムホウ素比0.2）では還元析出の促進現象は観察されなかった。これらの結果は，固溶体からの還元析出現象だけでなく，固液共存系を物質の製造などに活用する際に有用な知見となるものである。また，固溶体からの還元析出現象は熱力学的支配だけでなく，速度論的支配の影響を強く受け，マトリックス中での拡散速度が大きく影響することも見出している。
一方，本来の研究目的とは異なるがタングステン製のボートを容器に使用したところ，950℃の水素雰囲気中で2時間還元するだけで，ウィスカーが成長していることを見出した。従来は3000℃以上の高温の反応場が使用されていたものであり，新しい簡便な製造法に展開する可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
固溶体からの金属の析出促進現象の考察には，フラックスの状態図を活用することが有効であることがわかったので，状態図から予測される析出促進メカニズムについて，実際にその通りに進行しているかを検証したいと考えている。具体的には他の偏晶反応を起こす組成のフラックスを使用して，同様の還元析出促進が観察されるか確認する予定である。さらに，固溶体内部からの鉄原子の拡散，固液界面を通じたフラックスへの移動，気液界面を経た還元析出など一連の過程を，反応速度論的に解析する。特に，アルミノシリケートからの析出現象が効率よく進む一方で，カルシウムシリケート，カルシウムアルミネートなどからの析出は効率が悪い。この原因について，粘土鉱物をはじめ，様々な種類のマトリックスの固溶体を使用し，精密に解析を進める予定である。
また，最近，都市鉱山からのレアメタル回収が話題になっているが，その技術は乾式による合金からの回収がメインであり，酸化物からの回収技術は報告されていない。我々は酸化物を主成分とする産業廃棄物焼却灰からのレアメタル回収技術の開発に取り組む予定である。
一方，タングステンボートにアルミノシリケートペレットを入れて，950℃の水素雰囲気中で2時間加熱したところ，アルミノシリケート上にタングステンのウィスカーの成長が見られた。SEM像では直径は50 nm前後である。新しく得られたウィスカーの組成，結晶構造なども並行して調べる予定である。
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