| 研究課題/領域番号 |
16K14443
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
早稲田 嘉夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 名誉教授 (00006058)
|
|---|
| 研究分担者 |
篠田 弘造 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10311549)
助永 壮平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (20432859)
柴田 浩幸 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (50250824)
打越 雅仁 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60447191)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| キーワード | ハロゲン化物溶融塩 / 局所構造 / 金属の電解回収 / X線吸収分光 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究は、高融点金属を廃棄物から高効率回収可能と期待される溶融塩電解の実用化を最終目標に、タンタル(Ta)を対象とし、これを含む使用済みコンデンサを想定した実験を通じて、溶融塩構造の理解と効率的電解条件探索の指針を得ることを目指している。Taを溶解する支持塩としてアルカリ金属Li, Na, Kの三元フッ化物塩（FLINAK）をベースに、一部塩化物に置き換えた混合ハライド塩を導入し、低温電解と平滑金属回収実現を図る。この目標達成に欠かせない、各元素原子周囲の原子レベルでの環境構造、またその溶融塩組成や温度条件等との関連を解明する。本研究では、Taを中心とした環境構造についてはX線吸収分光、アルカリ金属およびハロゲンを中心とした環境構造については核磁気共鳴を適用して相補的に構造解析を進める。ただし核磁気共鳴実験においては高温溶融状態ではなく、溶融後冷却・固化させた試料への適用に限定される。今年度は、X線吸収分光および核磁気共鳴測定により得られた冷却固化塩中Taおよび各ハロゲン、アルカリ金属原子周囲の環境構造情報の総合的解釈の推進、および高温溶融状態でのX線吸収分光その場測定結果に基づく環境構造解析を進めることであった。高温その場測定はSPring-8の産業利用ステーションBL14B2において実施し、冷却固化状態および溶融状態における局所構造は、融点に近い比較的低温では差がないが、650℃以上の高温では異なることを示す結果を得た。しかし、特にTaへの最近接領域ではハロゲン組成によらず常にF（フッ素）が配位するはずとの熱力学的予想もあり、高温での試料温度保持を現状よりもさらに安定とする実験環境を整備する必要性が生じた。また、核磁気共鳴測定結果から得られた知見との照合を進め、局所的構造情報を含めたよりマクロな溶融塩構造の理解が必要ということが明らかとなった。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
アルカリ金属の三元共晶フッ化物塩（FLINAK）にTaを添加して溶融後、冷却固化した試料およびその高温その場X線吸収分光測定を、前年度2度にわたってSPring-8 BL14B2において実施し、以下のような結果を得た。すなわち、Ta原子周囲の局所環境構造は基本的に700℃まで昇温した溶融状態でも大きく変わらないこと、そしてアルカリ金属組成を維持しつつフッ化物の一部を塩化物に置き換えた組成の塩を用いた場合、固化状態および600℃までの比較的低温条件では純フッ化物塩と同様の構造であったものが、650℃まで昇温したとき大きく変化することである。ただし、そのとき使用した試料加熱炉は、600℃以上の高温領域における温度制御が不安定という問題があり、測定時間を十分に確保することができなかった。今回開発したグラファイト製試料セルの有用性は確認できており、試料加熱炉の改良が必要であり、最終年度の課題と考えている。
溶融塩電解実験においては、実際の廃棄物を利用したTaの電解回収を想定し、Ta源を酸化物とした条件での実験を試みた。しかしながら、金属Taの平滑析出は得られず、K（カリウム）との複合酸化物生成がみられるなど、今後の対策が必要であることが明らかとなった。ただしこの点については、最終年度の実験で解決可能と考えている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
X線吸収分光による溶融塩中局所構造解析を継続して進める。特に、Ta原子周囲の第二近接相関の詳細な解析は不可欠である。これまでの実験では、高温でのX線吸収分光その場測定において電気炉の真空度保持が不十分かつ安定な温度保持が困難という問題があり、品質が十分とはいえない。また、熱力学的な予測として、金属イオンに対してはFの親和性が際だって高いため常にFが直接金属に配位していると考えられる。従って、第二近接領域の環境構造を詳細に解析する必要があると考えた。このニーズに応えるため高温炉の改良を実施する。
一方、産業廃棄物からのタンタル回収を想定すれば、Ta源に酸化物を用い、系内に酸素が入った組成の場合の電解、そして金属Taの回収が可能かどうかを見極めることが重要である。溶融塩電解実験において、Ta源を酸化物とした条件での実験を試みたところ、金属Taよりも優先的にK（カリウム）との複合酸化物生成がみられた。ただしこの点については、溶融塩中のTaとO（酸素）との存在比を調整することにより対応可能との予測が立っているので、最終年度の実験で解決可能と考えている。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）X線吸収分光の、高温その場測定実験に用いた既存の試料加熱炉に対し、炉内真空度および高温保持の安定性を高める改良を施す予定である。当初より早期に実施予定であったが、これまでの実験では既存の設備を用いて対応していた。そこで得られた要改善点の知見をもとに、次年度前半で具体的な改良を進めることとしたため、次年度使用額が生じることとなった。
（使用計画）空冷式としていたため容積が大きく真空の保持が困難であった問題点を鑑み、水冷式とすることによりコンパクト化を図る。次年度後期における放射光利用実験実施を目指す。
|
