2018 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative production process of Ti and Si by electrolysis in molten CaCl2 at high temperature
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18H01763
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
竹中 俊英 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (60197324)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森重 大樹 関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (30530076)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | チタン / シリコン / 溶融塩 / 液体金属 / 塩化カルシウム / 電解製錬 / アルミニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
種々のチタン酸カルシウム，ケイ酸カルシウム，およびアルミン酸カルシウムを合成し，これらを1000℃以上の溶融塩化カルシウム中に添加して電気化学的手法を用いて電極反応を解析した．その結果を用いて，溶融塩化カルシウム中でのチタン金属，シリコン金属，アルミニウム金属の電析を試みた．さらに，チタン酸カルシウムを溶解させた溶融フッ化物中でチタン金属電析の研究も併せて行い，これらを比較検討した．
チタン酸カルシウム，ケイ酸カルシウム，アルミン酸カルシウム，いずれも1300℃以上の溶融塩化カルシウム中に数mol%以上溶解することが確かめられ，これら金属の電解浴として利用可能であることがわかった．
溶融塩化カルシウム，溶融フッ化物，いずれの溶融塩中でも，チタンの電極挙動は用いるチタン酸カルシウムによって大きく影響され，チタン金属が電析可能なのは，CaO:TiO2モル比が3:2である場合に限られることがわかった．この結果は，TiとOからなる錯イオンが優先的に形成され，チタン金属は，Ti2O7(VI)からのみ可能であることを強く示唆した．溶融塩化カルシウム中でのシリコンの電極反応は，用いるケイ酸カルシウムの種類にあまり影響されず，シリコン金属の電析はチタン金属の電析より容易であることがわかった．また，1種類のアルミン酸カルシウムのみの実験ではあるが，溶融塩化カルシウム浴中でアルミニウム金属電析が可能であることがわかった．チタン，シリコン，アルミニウムの（電気）化学的特性の差を考慮すると，チタンの電解では，陰極で低級イオンが生成し，これが再び陽極で酸化されてしまう，いわゆるシャトル反応が，チタン金属の電析を妨げていることが強く示唆された．
超高温溶融塩浴中での電極反応の詳細な検討を行うため，横型電気炉を設計・製造し，電解実験への適用を試行し，2019年度以降に本格利用するための知見を得た．
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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
チタン電解に関しては，電解浴組成や電解電位など，チタン金属が電析可能な条件をほぼ特定することができた．さらに溶融フッ化物中でのチタン電解の実験も並行して行い、両者を比較検討することにより，チタンの電極挙動に関する詳しい検討を行った．シリコン電解についても検討を進め，ケイ酸カルシウムは高温の溶融塩化カルシウムに溶解可能であり，シリコン金属が電析可能なことを明らかにするとともに，電析条件について検討することができた．さらに，当初2019年度に予定していたアルミニウム電解に関する研究にも着手し，アルミン酸カルシウムが溶融塩化カルシウム中の溶解可能であり，この浴中でアルミニウム金属が電析可能であることを明らかにした．
2018年度は横型電気炉を設計・製作し，これを用いて超高温の溶融塩化カルシウム浴中の種々の電気化学反応を詳しく検討する予定であった．しかしながら，研究代表者らのこれまでのノウハウを生かした設計を行い，製造業者と打合せを重ねたため，納期が遅れ，試用するにとどまった．この遅れを相殺するため，前述のようにアルミニウム電解に関する研究を前倒しして開始した．
2018年度は，実験装置の整備状況を考慮して，当初の研究計画から多少の検討項目の前倒しや後ろ回しを行った．全体としては，チタン電析に関する詳しい検討が進み，シリコン金属やアルミニウム金属の電析が可能であることを明らかにすることができた．さらに，チタン，シリコン，アルミニウムの挙動を比較して，差違を検討した．このように，2018年度に当初計画していた研究内容に相当する成果をあげたと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は，チタン金属，シリコン金属，アルミニウム金属の電析に関する検討を引き続き行う．この際，2018年度に充分活用できなかった横型電気炉を積極的に用いて研究を行う．
チタン電解に関しては，2018年度の研究成果で明らかとなった，チタンの低級イオンがチタン電析に関する影響を中心に検討を行う．具体的には，チタン低級イオンの電極反応の解析と，低級酸化物の溶解度の検討を行う．シリコン電析に関しては，より高温の溶融塩化カルシウム浴中での電解により，液体状態でのシリコン金属の電析を試み，電流効率等の検討も行う．アルミニウム電解に関しては，種々のアルミン酸カルシウムを合成して，これを用いてアルミニウム金属の電析を試み，アルミン酸カルシウムがアルミニウム金属電析の及ぼす影響を検討する．
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Research Products
(9 results)
