[发明专利]通过熔融盐电解的金属制造方法以及用于该制造方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及通过熔融盐电解制造金属的方法；以及用于该制造方法的装置。

背景技术

通过冶炼矿石以制造特定金属的已知方法有火法冶金和湿法冶金。

火法冶炼是在高温熔炉中将矿石熔化以分离目标金属的方法。例如，将精矿、焙烧矿或烧结矿在高温熔炉中熔化，在将脉石、杂质等作为炉渣而分离的同时将其浓缩成粗金属锭(非专利文献1，第46页)。

冶炼时，由于利用熔融金属之间的比重差来将金属从矿石中分离出来，所以待分离的金属之间的比重差必须较大。另外，分离目标物相互之间的溶解度必须较低。由于满足金属材料之间的这些条件的元素有限，因此通过火法冶金分离的目标元素有限，这成为一个问题。

湿法冶金是将矿石溶解在(例如)碱性或酸性溶液中并从该溶液中分离并提取出目标金属的方法。从该水溶液中分离并提取目标金属的方法有(例如)利用离子交换的方法、利用溶剂提取的方法、或者利用水溶液电解的方法。

在利用离子交换的方法中，使用了部分具有能够进行离子交换的离子组且被称作离子交换剂的固态物质来进行可逆离子交换(非专利文献1，第194页)。

利用离子交换树脂的吸附能力和交换能力进行的离子交换是优异的处理方法。然而问题在于，由于该处理是通过离子的反复吸附和解离来进行的，因此离子交换不适用于经济有效地处理大量物质。

利用溶剂提取的方法是利用不同溶质在彼此不混溶的两种溶剂中的分配差异的分离方法(非专利文献1，第199页)。

在这种溶剂提取中，例如，进行酸处理以实现离子化；并且在分离时，需要进行大量的处理工序。问题在于，在这些工序中，需要大量的酸和碱并且产生大量的废水。

在利用水溶液电解的电解冶炼方法中，利用了元素间所存在的倾向于阳极溶解或阴极沉积的差异并制造纯金属。同时，在使用的电解液中，也利用了由杂质离子生成微溶性盐的反应(非专利文献1，第219页)。

然而，能够通过利用水溶液电解进行纯化从而分离和沉积的金属元素有限。例如，存在理论上不能实现稀土材料的沉积这一问题。

关于Al，利用熔融盐电解的电解冶炼也是已知的。在这种方法中，形成了由Al(纯化目标材料，其被合金化从而具有更低的熔点)、熔融盐和回收金属构成的三个层，并利用比重差进行冶炼。由于如此利用了比重差，所以需要在三个层全部熔化时进行冶炼(非专利文献1，第254页)。

该方法的目标金属是Al。另外，当与纯化目标金属共存的杂质的电位接近于纯化目标金属的电位时，则存在这样的问题，即将会发生该杂质进入沉积的目标金属中。

另一方面，回收钨的方法在(例如)专利文献2中有如下描述。

使硬质合金工具的硬质废料或软质废料与硝酸钠熔融盐反应，然后溶于水中从而制得钨酸钠水溶液。利用离子交换树脂并通过离子交换法对钨酸钠水溶液进行处理，从而制得钨酸铵水溶液。使仲钨酸铵(APT)从钨酸铵水溶液中结晶出来。此后，对由此结晶的仲钨酸铵进行煅烧、还原和碳化，从而得到碳化钨。

硬质废料泛指仍具有产品形状的废料片。软质废料表示粉末状废料，如在制造硬质合金工具的加工过程中产生的粉末屑和切屑。

专利文献1提出了在熔融盐浴中通过氧化硬质合金废料和/或重金属废料来制造钨酸钠时，可使用含有60重量％至90重量％的氢氧化钠和10重量％至40重量％的硫酸钠的熔融盐。专利文献1也提出这些废料和熔融盐之间的反应是在以间歇方式操作并可以直接加热的回转窑中进行的。

然而，在非专利文献2中描述的上述方法中，硬质合金工具的硬质废料或软质废料与硝酸钠熔融盐之间的反应非常剧烈。因此，该反应很难控制且操作存在安全问题。另外，当使硬质合金工具的硬质废料或软质废料与硝酸钠熔融盐反应时，包含于硬质合金工具的硬质废料或软质废料中的金属(如钒和铬)呈现水溶性金属氧化物离子的形式并进入钨酸钠的水溶液中。因此，由于这些金属作为杂质存在，从而难以实现高纯度，这成为一个问题。

在专利文献1中描述的上述方法中，作为氧化剂的硫酸钠熔融盐具有884℃的高熔点。因此，需要将反应过程中的温度设置为884℃以上的高温。因此，存在金属材料被腐蚀的问题。另外，反应进行缓慢，因此存在反应耗时长且产生大量的能量损失的问题。

另一方面，锂主要从含锂矿石(如锂辉石、锂磷铝石、透锂长石和锂云母)以及具有高锂浓度的盐湖和地下盐水中提取。然而，日本没有含锂矿石或盐湖。因此，实际上锂的总量几乎都是依赖于进口。