2022 Fiscal Year Research-status Report
製鋼ダストの利用に向けた塩基性浴での亜鉛の電解採取における塩化物イオンの挙動解析
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22K14523
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岸本 章宏 京都大学, 工学研究科, 助教 (50816600)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 電解採取 / 塩基性浴 / 塩素ガス発生 / 酸素ガス発生 / 析出形態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉄スクラップのリサイクルで発生する製鋼ダストは亜鉛を多量に含んでおり、重要な亜鉛資源として利用されている。しかし、製鋼ダストには鉄などの不純物が多く、従来の硫酸酸性浴を用いた亜鉛の電解採取の原料として利用するには種々の前処理が必要となる。本研究では、現行の硫酸酸性浴に代わり、前処理の簡略化や電解採取の消費電力の大幅な削減が期待される塩基性浴(水酸化ナトリウム水溶液)での電解採取を用いた亜鉛のリサイクルプロセスの開発を進めている。
製鋼ダストに含まれる塩素不純物は現行の硫酸酸性浴での電解採取においては亜鉛の再溶解や亜鉛の剥離性の悪化、アノードの溶解、有毒な塩素ガスの発生を引き起こすため、前処理によって十分に除去する必要がある。これに対し、塩基性浴では塩素ガスは熱力学的に発生にくく、塩素が混入した場合にも電解採取を安全に実施できる可能性がある。そこで、当該年度は塩化物イオンを添加した電解浴中で亜鉛の電解採取試験を実施し、塩基性浴での亜鉛の電解採取に対する塩素不純物の影響を調査した。その結果、塩基性浴に塩化物イオンを添加しても亜鉛析出の電流効率の低下やカソードおよびアノードの電位の変化、およびアノードに用いた金属ニッケルの溶解による不純物の増加は見られなかった。また、アノードで発生するガスを分析したところ塩素ガスは検出されず、当初の予想通り、塩基性浴では有毒な塩素ガスの発生を防止できることが実証された。ただし、塩基性浴を用いた亜鉛の電解採取では亜鉛は多孔質またはスポンジ状に析出するが、塩化物イオンの添加によってより疎な形態となり、一部がこぶ状に成長することが分かった。このような亜鉛の析出形態の変化については次年度以降、さらなる調査を進める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は発生したガスの捕集および分析が可能な密閉型電解セルと各種電極の作製、およびこれを用いた塩基性浴での亜鉛の電解採取試験に着手した。当該研究で使用する電解浴は強アルカリ性であることから、電解セルにはPTFEまたはポリプロピレンを主な構成部材とする電解槽を設計し、セットアップを完了することができた。また、本装置を実際に使用して、添加物無し (0 M)、0.1 mM、0.01 M、1.0 Mの濃度の塩化ナトリウムを含む塩基性浴での亜鉛の電解採取を順次実施した。試験中にアノードで発生したガスはテドラーバックを用いて捕集することができ、試験終了後にガス検知管を用いてガス中の塩素濃度を分析した。その結果、亜鉛析出の電流効率や不純物濃度、アノードとカソードの電位への塩化物イオンの影響はほぼ見られず、塩素ガスの発生も起こらないことを実験的に確認することができた。一方で、カソード上に析出するスポンジ状の亜鉛が、塩化物イオンの添加によってより疎な形態となることも確認された。このように、当該年度および次年度に予定していた密閉型電解セルの作製と塩化物イオンを添加した塩基性浴での電解採取試験については完了しており、本研究は順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度に実施した塩基性浴を用いた亜鉛の電解採取試験から電流効率やガス発生に対して塩化物イオンはほぼ影響しないが、カソード上に析出するスポンジ状の亜鉛がより疎な形態となることが確認された。塩化物イオンによる亜鉛の析出形態の変化については従来の硫酸酸性浴においても多数報告されており、塩基性浴においても亜鉛の析出が影響されている可能性がある。また、電解浴の随伴等を考慮すれば緻密な形態の亜鉛が望ましく、析出メカニズムの理解とその制御が望まれる。そのため、このような塩化物イオンによる析出形態の変化については、電解試験で得られる析出物の分析またはその場観察などの手法を用いて次年度以降の研究で順次調査を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
当該年度は密閉型電解セルの設計・作製が極めて順調に進展し、電解セルの改造等に要する費用を当初の予想よりも低く抑えられたことが次年度使用額の生じた理由として挙げられる。ただし、次年度使用額については比較的少額であり、次年度以降の研究で引き続き使用する電解セルや電極等の作製・改造、試薬の購入費用として使用する予定である。なお、次年度分として請求した助成金については当初の計画通り、電解セルの作製や試薬の購入、電気化学測定装置の導入のための物品費、成果発表や情報収集のための旅費、その他の経費に使用する。
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