ナトリウム精製用電解槽
【課題】電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができるナトリウム精製用電解槽を提供する。
【解決手段】不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体１１０に、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上の分離部材１２０，１３０を設ける。分離部材１２０，１３０は、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される。分離部材を設置することで、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とを対向させることができる。その結果、これらの界面の一部分に電流が集中することがなくなり、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【解決手段】不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体１１０に、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上の分離部材１２０，１３０を設ける。分離部材１２０，１３０は、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される。分離部材を設置することで、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とを対向させることができる。その結果、これらの界面の一部分に電流が集中することがなくなり、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる、ナトリウム精製用電解槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム硫黄電池は、正極に硫黄を、負極にナトリウムを、電解質にβアルミナを使用した二次電池である。ナトリウム硫黄電池は、電力貯蔵用の電池として注目されており、数多く製造されている。これに伴い、使用済みナトリウム硫黄電池が今後大量に発生することが予想されるため、使用済みナトリウム硫黄電池に含まれるナトリウムなどの有用資源を再利用する技術を開発することが求められている。
【０００３】
使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムには、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物の混入が考えられる。したがって、使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムを再利用するためには、これらの不純物を除去する必要がある。
【０００４】
近年、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを精製する方法として、電解液を用いた電解精製法が提案されている。たとえば、特許文献１には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、アルミニウムのハロゲン化物（ＡｌＣｌ３）およびアルカリ金属のハロゲン化物（ＮａＣｌまたはＫＣｌ）からなる溶融塩を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。また、特許文献２には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、カーボネート系有機溶媒（炭酸エチレンまたは炭酸プロピレン）およびナトリウム塩（ＮａＰＦ６など）からなる溶液を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。
【０００５】
図１は、特許文献１，２に記載の方法で用いられる電解槽の構成を示す模式図である。図１に示されるように、電解槽本体１０の内部に、不純物含有ナトリウム３０、電解液４０および精製ナトリウム５０が収容されている。不純物含有ナトリウム３０および精製ナトリウム５０は、電解液４０上に浮上しており、絶縁体からなる隔壁２０によって互いに隔離されている。不純物含有ナトリウム３０は陽極として機能し、精製ナトリウム５０は陰極として機能する。
【０００６】
図１に示されるように、特許文献１，２に記載の方法では、陽極において、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムのみがナトリウムイオンとなって電解液に溶出し、その他の多くの不純物は不純物含有ナトリウム中に残存する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウム（ナトリウムイオン）のみが陰極の表面に析出する。その結果、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２８５７２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１３６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図１に示される従来の電解槽では、電解精製を行う際に電流密度を高めにくいという問題がある。すなわち、図２Ａに示されるように、従来の電解槽を用いて電解精製を行うと、不純物含有ナトリウム３０と電解液４０の界面と、電解液４０と精製ナトリウム５０の界面とが対向していないため、これら２つの界面の一部分のみに電流が集中してしまうおそれがある。また、このような状況において低温で電解精製を行うと、図２Ｂに示されるように、不純物含有ナトリウム３０（陽極）と精製ナトリウム５０（陰極）とが短絡してしまうおそれもある。したがって、従来の電解槽を用いた電解精製では、安全性の観点から電流密度を高めることが困難であった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができるナトリウム精製用電解槽を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、不純物含有ナトリウム（陽極）と電解液との間、および／または電解液と精製ナトリウム（陰極）との間に貫通孔を複数有する分離部材を配置して、上記２つの界面を対向させることで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち、本発明は、以下のナトリウム精製用の電解槽に関する。
［１］不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって：不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材とを有し；前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、ナトリウム精製用電解槽。
［２］前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、［１］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［３］前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、［２］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［４］前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載のナトリウム精製用電解槽。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、より安全かつ高速に精製ナトリウムを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図２】図２Ａは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行う際の電流分布を示す模式図である。図２Ｂは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際に陽極と陰極とが短絡した様子を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。
【図５】図５Ａは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図５Ｂは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。
【図８】図８Ａは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図８Ｂは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる電解槽である。ここで「不純物含有ナトリウム」とは、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含む、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。また、「精製ナトリウム」とは、前述の不純物含有ナトリウムよりも不純物の含有率が低い、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。
【００１５】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体および分離部材を有する。本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体内に分離部材を設置している点を一つの特徴とする。以下、各構成要素について説明する。
【００１６】
電解槽本体は、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。後述するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、それぞれ電解槽本体内の異なる空間に収容される。このとき、不純物含有ナトリウムは、電解液には接触するが精製ナトリウムには接触しないように収容される。また、精製ナトリウムは、電解液には接触するが不純物含有ナトリウムには接触しないように収容される。不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、水平方向に隣接してもよいし（実施の形態１参照）、垂直方向に隣接してもよい（実施の形態２参照）。
【００１７】
電解槽本体の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ絶縁性のものであれば特に限定されない。たとえば、電解槽本体として、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などを用いることができる。
【００１８】
分離部材は、電解槽本体内において、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）を収容する空間と電解液を収容する空間との間に配置される、複数の貫通孔を有する板状部材である。分離部材は、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離する。
【００１９】
分離部材は、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の一方に配置されてもよいし（実施の形態２参照）、両方に配置されてもよい（実施の形態１参照）。いずれの場合であっても、不純物含有ナトリウムと電解液との界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが対向するように、分離部材は配置される。このようにすることで、これらの界面の一部分のみに電流が集中するのを防ぐことができる。
【００２０】
分離部材は、液体ナトリウムと電解液とが接触するための貫通孔を複数有する。貫通孔の形状は、液体ナトリウムと電解液とが接触することができれば特に限定されない。複数の貫通孔の形状は、すべて同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、１つの貫通孔が途中で分岐してもよいし、２つの貫通孔が途中で合流していてもよい。
【００２１】
各貫通孔の開口面積は、０.２５〜４ｍｍ２の範囲内が好ましい。ここで「貫通孔の開口面積」とは、その貫通孔の中で一番細い部分の断面積を意味する。貫通孔の開口面積が４ｍｍ２超の場合、電解精製中に液体ナトリウムが貫通孔を通って反対側に移動してしまうおそれがある。また、貫通孔の開口面積が０.２５ｍｍ２未満の場合、貫通孔が目詰まりしてしまい、電解精製を行うことができなくなるおそれがある。一方、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の場合は、液体ナトリウムと電解液とを分離しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができる（参考実験参照）。
【００２２】
また、分離部材の開口面積率は、５０％以上であることが好ましく、大きいほどより好ましい。ここで「分離部材の開口面積率」とは、分離部材を平面視したときの面積に対する、すべての貫通孔の開口面積の合計値の割合を意味する。開口面積率が５０％未満の場合、液体ナトリウムと電解液との接触面積が小さくなってしまい、電解精製の効率が低下してしまうおそれがある。たとえば、８〜３０メッシュの範囲内で、かつ目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内のメッシュは、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内であり、開口面積率が５０％以上であるため、分離部材として好適に使用されうる。
【００２３】
分離部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ電解精製時にナトリウムより先に電解液に溶出しないものであれば特に限定されない。そのような材料の例としては、ナトリウムと反応せず（合金を作らず）かつナトリウムよりも貴な金属（例えば、鉄やアルミニウム、モリブデン、銅など）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、セラミックスなどが挙げられる。また、分離部材の形状およびサイズは、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離することができれば特に限定されない。たとえば、分離部材として、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などを用いることができる。
【００２４】
本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造する手順は、特に限定されない。たとえば、以下の手順により、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造することができる。
【００２５】
まず、電解槽本体内の所定の空間に、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを提供する。これにより、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムがそれぞれ収容される。
【００２６】
不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを提供する順番は、これらが互いに混じり合わないように、分離部材の位置に応じて適宜決定すればよい（実施の形態１，２参照）。電解槽本体内の不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、不純物含有ナトリウムおよび精製ナトリウムが凝固しないように適宜加熱される。
【００２７】
電解液の種類は、ナトリウムを電解精製することができれば特に限定されない。たとえば、電解液としては、特許文献１，２に記載されている電解液や、ＴＦＳＩアニオンのナトリウム塩（ＮａＴＦＳＩ）とＴＦＳＩアニオンの非金属塩との混合物からなるイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）などが挙げられる。
【００２８】
次に、不純物含有ナトリウムを陽極とするために、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウムと接触させる。同様に、精製ナトリウムを陰極とするために、前記電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウムと接触させる。導電性部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムと反応しないものであれば特に限定されない。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。
【００２９】
この状態で、陽極（不純物含有ナトリウム）と陰極（精製ナトリウム）との間に直流電圧を印加して電解精製を行う。電極間に印加する電圧は、反応に必要な過電圧以上の電圧であって、かつ陽極においてナトリウムのみがナトリウムイオンとして電解液に溶解する電圧であれば特に限定されない。直流電圧を印加すると、陽極では、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液に溶出する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウムの表面に析出する（特許文献１，２参照）。
【００３０】
以上のように、不純物含有ナトリウムからナトリウムを電解液に溶出させるとともに、電解液に含まれるナトリウムを精製ナトリウムの表面に析出させることで、不純物含有ナトリウムから精製ナトリウムを製造することができる。
【００３１】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向しているため、これらの界面の一部分に電流が集中することがない。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができ、精製ナトリウムをより安全かつより早く製造することができる。
【００３２】
たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収した鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含むナトリウムからナトリウムを精製するのに好適である。
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。
【００３４】
（実施の形態１）
実施の形態１では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に分離部材を設置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。
【００３５】
図３は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図３に示されるように、ナトリウム精製用電解槽１００は、電解槽本体１１０、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０を有する。電解槽本体１１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、水平方向に隣接するように設けられている。
【００３６】
電解槽本体１１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。
【００３７】
第１の分離部材１２０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。同様に、第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０内において、電解液を収容する空間１５０’と精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’は水平方向に隣接するように配置されているため、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０の底面に対して垂直になるように設置されている。また、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、互いに平行になるように設置されている。
【００３８】
第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、いずれも開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０の開口面積率は、いずれも５０％以上である。第１の分離部材１２０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離している。同様に、第２の分離部材１３０は、電解液と精製ナトリウムとの間の接触を確保しつつ、電解液と精製ナトリウムとを分離している。たとえば、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。
【００３９】
図４は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。
【００４０】
図４に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。
【００４１】
まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０内の一方の端に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、液体の精製ナトリウム１６０を、電解槽本体１１０内の他方の端に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。最後に、電解液１５０を、電解槽本体１１０内の中央に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。前述の通り、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、電解液１５０を提供する前であっても、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０が貫通孔を通して電解液を収容する空間１５０に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。
【００４２】
不純物含有ナトリウム１４０または精製ナトリウム１６０と電解液１５０とを効率よく接触させる観点から、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０は液体であることが好ましい。したがって、図４に示されるように、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０は、外部に設けられた加熱部１７０により加熱されることが好ましい。たとえば、加熱部１７０は、電解槽本体１１０の下面および／または側面に配置されたヒーターである。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、使用する電解液１５０の種類に応じて適宜設定すればよい。たとえば、電解液１５０として前述のイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）を使用する場合、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、１２０〜１７０℃（好ましくは１６０℃）程度とすればよい。
【００４３】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図４に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。
【００４４】
図５Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。
【００４５】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図５Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
実施の形態２では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間のみに分離部材を配置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。
【００４７】
図６は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図６に示されるように、ナトリウム精製用電解槽２００は、電解槽本体２１０、隔壁２２０および分離部材２３０を有する。電解槽本体２１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、垂直方向に隣接するように設けられている。
【００４８】
電解槽本体２１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。
【００４９】
隔壁２２０は、電解槽本体内２１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている、絶縁性の板状部材である。隔壁２２０は、分離部材２３０のような貫通孔を有しておらず、不純物含有ナトリウムと電解液および精製ナトリウムとを完全に隔離する。たとえば、隔壁２２０は、ポリテトラフルオロエチレン製の平板やアルミナセラミックス製の平板である。
【００５０】
分離部材２３０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’および電解液を収容する空間１５０’は垂直方向に隣接するように配置されているため、分離部材２３０は、電解槽本体２１０の底面に対して平行になるように設置されている。
【００５１】
分離部材２３０は、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。分離部材２３０の開口面積率は５０％以上である。分離部材２３０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離する。たとえば、分離部材２３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。
【００５２】
図７は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。
【００５３】
図７に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。
【００５４】
まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０の側壁と隔壁２２０の間を通して、電解槽本体２１０内の下部に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、電解液１５０を分離部材２３０の上に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。最後に、液体の精製ナトリウム１６０を、電解液１５０の上に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。前述の通り、分離部材２３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、不純物含有ナトリウム１４０の密度が電解液１５０の密度よりも小さくても、不純物含有ナトリウム１４０が貫通孔を通して分離部材２３０の上側に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。このようにすることで、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とが対向する（図７参照）。
【００５５】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図７に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。
【００５６】
図８Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。
【００５７】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図８Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【００５８】
［参考実験］
本発明者が分離部材に設けられた貫通孔の好ましい開口面積を特定するために行った予備実験の結果を示す。
【００５９】
本実験では、目開きがそれぞれ異なる複数の鉄製メッシュ（分離部材）を準備し、これらのメッシュの貫通孔を液体ナトリウムが通過できるかどうかを調べた。実験結果を表１に示す。ここで「目開き」とは、正方形状の貫通孔の１辺の長さを意味する。
【００６０】
【表１】
【００６１】
表１に示されるように、目開き３ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積９ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、液体ナトリウムは容易に貫通孔を通過してしまった。この結果から、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動してしまうことが予想される。したがって、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材としては好ましくない。
【００６２】
また、目開き０.１ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０１ｍｍ２）のメッシュおよび目開き０.２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、大きな力を加えなければ液体ナトリウムを通過させることができず、また容易に目詰まりが生じてしまった。この結果から、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、電解精製を継続して行うことが困難であると予想される。したがって、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材も、本発明の電解槽の分離部材としては好ましくない。
【００６３】
一方、目開き０.５ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.２５ｍｍ２）のメッシュおよび目開き２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、そのままでは液体ナトリウムが通過しないが、弱い力を加えることで液体ナトリウムを通過させることができた。この結果から、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動することを抑制しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができると予想される。したがって、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材として好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムをリサイクルする際に有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 電解槽本体
２０，２２０ 隔壁
３０ 不純物含有ナトリウム
４０ 電解液
５０ 精製ナトリウム
１００，２００ ナトリウム精製用電解槽
１１０，２１０ 電解槽本体
１２０，１３０，２３０ 分離部材
１４０ 不純物含有ナトリウム
１４０’ 不純物含有ナトリウムを収容する空間
１５０ 電解液
１５０’ 電解液を収容する空間
１６０ 精製ナトリウム
１６０’ 精製ナトリウムを収容する空間
１７０ 加熱部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる、ナトリウム精製用電解槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム硫黄電池は、正極に硫黄を、負極にナトリウムを、電解質にβアルミナを使用した二次電池である。ナトリウム硫黄電池は、電力貯蔵用の電池として注目されており、数多く製造されている。これに伴い、使用済みナトリウム硫黄電池が今後大量に発生することが予想されるため、使用済みナトリウム硫黄電池に含まれるナトリウムなどの有用資源を再利用する技術を開発することが求められている。
【０００３】
使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムには、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物の混入が考えられる。したがって、使用済みナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムを再利用するためには、これらの不純物を除去する必要がある。
【０００４】
近年、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを精製する方法として、電解液を用いた電解精製法が提案されている。たとえば、特許文献１には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、アルミニウムのハロゲン化物（ＡｌＣｌ３）およびアルカリ金属のハロゲン化物（ＮａＣｌまたはＫＣｌ）からなる溶融塩を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。また、特許文献２には、不純物含有ナトリウムを陽極とし、カーボネート系有機溶媒（炭酸エチレンまたは炭酸プロピレン）およびナトリウム塩（ＮａＰＦ６など）からなる溶液を電解液として電気分解を行い、高純度のナトリウムを陰極上に析出させる方法が記載されている。
【０００５】
図１は、特許文献１，２に記載の方法で用いられる電解槽の構成を示す模式図である。図１に示されるように、電解槽本体１０の内部に、不純物含有ナトリウム３０、電解液４０および精製ナトリウム５０が収容されている。不純物含有ナトリウム３０および精製ナトリウム５０は、電解液４０上に浮上しており、絶縁体からなる隔壁２０によって互いに隔離されている。不純物含有ナトリウム３０は陽極として機能し、精製ナトリウム５０は陰極として機能する。
【０００６】
図１に示されるように、特許文献１，２に記載の方法では、陽極において、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムのみがナトリウムイオンとなって電解液に溶出し、その他の多くの不純物は不純物含有ナトリウム中に残存する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウム（ナトリウムイオン）のみが陰極の表面に析出する。その結果、不純物含有ナトリウムから高純度のナトリウムを製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２８５７２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１３６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図１に示される従来の電解槽では、電解精製を行う際に電流密度を高めにくいという問題がある。すなわち、図２Ａに示されるように、従来の電解槽を用いて電解精製を行うと、不純物含有ナトリウム３０と電解液４０の界面と、電解液４０と精製ナトリウム５０の界面とが対向していないため、これら２つの界面の一部分のみに電流が集中してしまうおそれがある。また、このような状況において低温で電解精製を行うと、図２Ｂに示されるように、不純物含有ナトリウム３０（陽極）と精製ナトリウム５０（陰極）とが短絡してしまうおそれもある。したがって、従来の電解槽を用いた電解精製では、安全性の観点から電流密度を高めることが困難であった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができるナトリウム精製用電解槽を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、不純物含有ナトリウム（陽極）と電解液との間、および／または電解液と精製ナトリウム（陰極）との間に貫通孔を複数有する分離部材を配置して、上記２つの界面を対向させることで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち、本発明は、以下のナトリウム精製用の電解槽に関する。
［１］不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって：不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材とを有し；前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、ナトリウム精製用電解槽。
［２］前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、［１］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［３］前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、［２］に記載のナトリウム精製用電解槽。
［４］前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、［１］〜［３］のいずれか一項に記載のナトリウム精製用電解槽。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、より安全かつ高速に精製ナトリウムを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図２】図２Ａは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行う際の電流分布を示す模式図である。図２Ｂは、従来のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際に陽極と陰極とが短絡した様子を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。
【図５】図５Ａは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図５Ｂは、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の使用状態を示す断面図である。
【図８】図８Ａは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際にナトリウムが精製される様子を示す模式図である。図８Ｂは、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽を用いて電解精製を行った際の電流分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられる電解槽である。ここで「不純物含有ナトリウム」とは、鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含む、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。また、「精製ナトリウム」とは、前述の不純物含有ナトリウムよりも不純物の含有率が低い、ナトリウムを主成分とする組成物を意味する。
【００１５】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体および分離部材を有する。本発明のナトリウム精製用電解槽は、電解槽本体内に分離部材を設置している点を一つの特徴とする。以下、各構成要素について説明する。
【００１６】
電解槽本体は、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。後述するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、それぞれ電解槽本体内の異なる空間に収容される。このとき、不純物含有ナトリウムは、電解液には接触するが精製ナトリウムには接触しないように収容される。また、精製ナトリウムは、電解液には接触するが不純物含有ナトリウムには接触しないように収容される。不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、水平方向に隣接してもよいし（実施の形態１参照）、垂直方向に隣接してもよい（実施の形態２参照）。
【００１７】
電解槽本体の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ絶縁性のものであれば特に限定されない。たとえば、電解槽本体として、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などを用いることができる。
【００１８】
分離部材は、電解槽本体内において、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）を収容する空間と電解液を収容する空間との間に配置される、複数の貫通孔を有する板状部材である。分離部材は、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離する。
【００１９】
分離部材は、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の一方に配置されてもよいし（実施の形態２参照）、両方に配置されてもよい（実施の形態１参照）。いずれの場合であっても、不純物含有ナトリウムと電解液との界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが対向するように、分離部材は配置される。このようにすることで、これらの界面の一部分のみに電流が集中するのを防ぐことができる。
【００２０】
分離部材は、液体ナトリウムと電解液とが接触するための貫通孔を複数有する。貫通孔の形状は、液体ナトリウムと電解液とが接触することができれば特に限定されない。複数の貫通孔の形状は、すべて同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、１つの貫通孔が途中で分岐してもよいし、２つの貫通孔が途中で合流していてもよい。
【００２１】
各貫通孔の開口面積は、０.２５〜４ｍｍ２の範囲内が好ましい。ここで「貫通孔の開口面積」とは、その貫通孔の中で一番細い部分の断面積を意味する。貫通孔の開口面積が４ｍｍ２超の場合、電解精製中に液体ナトリウムが貫通孔を通って反対側に移動してしまうおそれがある。また、貫通孔の開口面積が０.２５ｍｍ２未満の場合、貫通孔が目詰まりしてしまい、電解精製を行うことができなくなるおそれがある。一方、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の場合は、液体ナトリウムと電解液とを分離しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができる（参考実験参照）。
【００２２】
また、分離部材の開口面積率は、５０％以上であることが好ましく、大きいほどより好ましい。ここで「分離部材の開口面積率」とは、分離部材を平面視したときの面積に対する、すべての貫通孔の開口面積の合計値の割合を意味する。開口面積率が５０％未満の場合、液体ナトリウムと電解液との接触面積が小さくなってしまい、電解精製の効率が低下してしまうおそれがある。たとえば、８〜３０メッシュの範囲内で、かつ目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内のメッシュは、貫通孔の開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内であり、開口面積率が５０％以上であるため、分離部材として好適に使用されうる。
【００２３】
分離部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムおよび電解液と反応せず、かつ電解精製時にナトリウムより先に電解液に溶出しないものであれば特に限定されない。そのような材料の例としては、ナトリウムと反応せず（合金を作らず）かつナトリウムよりも貴な金属（例えば、鉄やアルミニウム、モリブデン、銅など）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、セラミックスなどが挙げられる。また、分離部材の形状およびサイズは、液体ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、液体ナトリウムと電解液とを分離することができれば特に限定されない。たとえば、分離部材として、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などを用いることができる。
【００２４】
本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造する手順は、特に限定されない。たとえば、以下の手順により、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いて精製ナトリウムを製造することができる。
【００２５】
まず、電解槽本体内の所定の空間に、液体の不純物含有ナトリウム、電解液および液体の精製ナトリウムを提供する。これにより、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向するように、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムがそれぞれ収容される。
【００２６】
不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを提供する順番は、これらが互いに混じり合わないように、分離部材の位置に応じて適宜決定すればよい（実施の形態１，２参照）。電解槽本体内の不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムは、不純物含有ナトリウムおよび精製ナトリウムが凝固しないように適宜加熱される。
【００２７】
電解液の種類は、ナトリウムを電解精製することができれば特に限定されない。たとえば、電解液としては、特許文献１，２に記載されている電解液や、ＴＦＳＩアニオンのナトリウム塩（ＮａＴＦＳＩ）とＴＦＳＩアニオンの非金属塩との混合物からなるイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）などが挙げられる。
【００２８】
次に、不純物含有ナトリウムを陽極とするために、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウムと接触させる。同様に、精製ナトリウムを陰極とするために、前記電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウムと接触させる。導電性部材の材料は、電解精製時の温度に耐えうる耐熱性を有し、ナトリウムと反応しないものであれば特に限定されない。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。
【００２９】
この状態で、陽極（不純物含有ナトリウム）と陰極（精製ナトリウム）との間に直流電圧を印加して電解精製を行う。電極間に印加する電圧は、反応に必要な過電圧以上の電圧であって、かつ陽極においてナトリウムのみがナトリウムイオンとして電解液に溶解する電圧であれば特に限定されない。直流電圧を印加すると、陽極では、不純物含有ナトリウムに含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液に溶出する。一方、陰極では、電解液に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウムの表面に析出する（特許文献１，２参照）。
【００３０】
以上のように、不純物含有ナトリウムからナトリウムを電解液に溶出させるとともに、電解液に含まれるナトリウムを精製ナトリウムの表面に析出させることで、不純物含有ナトリウムから精製ナトリウムを製造することができる。
【００３１】
本発明のナトリウム精製用電解槽は、不純物含有ナトリウムと電解液の界面と、電解液と精製ナトリウムの界面とが互いに対向しているため、これらの界面の一部分に電流が集中することがない。したがって、本発明のナトリウム精製用電解槽を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができ、精製ナトリウムをより安全かつより早く製造することができる。
【００３２】
たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収した鉄や硫黄、カルシウムなどの不純物を含むナトリウムからナトリウムを精製するのに好適である。
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。
【００３４】
（実施の形態１）
実施の形態１では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間、および電解液を収容する空間と精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に分離部材を設置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。
【００３５】
図３は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図３に示されるように、ナトリウム精製用電解槽１００は、電解槽本体１１０、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０を有する。電解槽本体１１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、水平方向に隣接するように設けられている。
【００３６】
電解槽本体１１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。
【００３７】
第１の分離部材１２０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。同様に、第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０内において、電解液を収容する空間１５０’と精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’は水平方向に隣接するように配置されているため、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、電解槽本体１１０の底面に対して垂直になるように設置されている。また、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、互いに平行になるように設置されている。
【００３８】
第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、いずれも開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０の開口面積率は、いずれも５０％以上である。第１の分離部材１２０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離している。同様に、第２の分離部材１３０は、電解液と精製ナトリウムとの間の接触を確保しつつ、電解液と精製ナトリウムとを分離している。たとえば、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。
【００３９】
図４は、実施の形態１のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。
【００４０】
図４に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。
【００４１】
まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０内の一方の端に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、液体の精製ナトリウム１６０を、電解槽本体１１０内の他方の端に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。最後に、電解液１５０を、電解槽本体１１０内の中央に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。前述の通り、第１の分離部材１２０および第２の分離部材１３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、電解液１５０を提供する前であっても、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０が貫通孔を通して電解液を収容する空間１５０に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。
【００４２】
不純物含有ナトリウム１４０または精製ナトリウム１６０と電解液１５０とを効率よく接触させる観点から、不純物含有ナトリウム１４０および精製ナトリウム１６０は液体であることが好ましい。したがって、図４に示されるように、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０は、外部に設けられた加熱部１７０により加熱されることが好ましい。たとえば、加熱部１７０は、電解槽本体１１０の下面および／または側面に配置されたヒーターである。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、使用する電解液１５０の種類に応じて適宜設定すればよい。たとえば、電解液１５０として前述のイオン液体（特願２０１０−０９６６３２参照）を使用する場合、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０の温度は、１２０〜１７０℃（好ましくは１６０℃）程度とすればよい。
【００４３】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図４に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。たとえば、導電性部材は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属やガラス状カーボンからなる電極棒である。
【００４４】
図５Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。
【００４５】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図５Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽１００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
実施の形態２では、不純物含有ナトリウムを収容する空間と電解液を収容する空間との間のみに分離部材を配置した、本発明のナトリウム精製用電解槽について説明する。
【００４７】
図６は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽の構成を示す断面図である。図６に示されるように、ナトリウム精製用電解槽２００は、電解槽本体２１０、隔壁２２０および分離部材２３０を有する。電解槽本体２１０内には、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’、電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’が、垂直方向に隣接するように設けられている。
【００４８】
電解槽本体２１０は、不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する絶縁性の容器である。たとえば、電解槽本体１１０は、ポリテトラフルオロエチレン製の容器やアルミナセラミックス製の容器などである。
【００４９】
隔壁２２０は、電解槽本体内２１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’および精製ナトリウムを収容する空間１６０’との間に設置されている、絶縁性の板状部材である。隔壁２２０は、分離部材２３０のような貫通孔を有しておらず、不純物含有ナトリウムと電解液および精製ナトリウムとを完全に隔離する。たとえば、隔壁２２０は、ポリテトラフルオロエチレン製の平板やアルミナセラミックス製の平板である。
【００５０】
分離部材２３０は、電解槽本体１１０内において、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’と電解液を収容する空間１５０’との間に設置されている。前述の通り、不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’および電解液を収容する空間１５０’は垂直方向に隣接するように配置されているため、分離部材２３０は、電解槽本体２１０の底面に対して平行になるように設置されている。
【００５１】
分離部材２３０は、開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有している。分離部材２３０の開口面積率は５０％以上である。分離部材２３０は、不純物含有ナトリウムと電解液との間の接触を確保しつつ、不純物ナトリウムと電解液とを分離する。たとえば、分離部材２３０は、鉄製の金網（メッシュ）や、ポリテトラフルオロエチレン製のメッシュ、ポーラスセラミックス製の薄板などである。
【００５２】
図７は、実施の形態２のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する様子を示す模式図である。
【００５３】
図７に示されるように、精製ナトリウムを製造する際には、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０が、それぞれ所定の空間に収容される。不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を収容する手順は特に限定されないが、例えば以下の手順により行えばよい。
【００５４】
まず、液体の不純物含有ナトリウム１４０を、電解槽本体１１０の側壁と隔壁２２０の間を通して、電解槽本体２１０内の下部に位置する不純物含有ナトリウムを収容する空間１４０’に提供する。次いで、電解液１５０を分離部材２３０の上に位置する電解液を収容する空間１５０’に提供する。最後に、液体の精製ナトリウム１６０を、電解液１５０の上に位置する精製ナトリウムを収容する空間１６０’に提供する。前述の通り、分離部材２３０に形成されている貫通孔の開口面積は４ｍｍ２以下であるため、不純物含有ナトリウム１４０の密度が電解液１５０の密度よりも小さくても、不純物含有ナトリウム１４０が貫通孔を通して分離部材２３０の上側に流出することはない。したがって、上記手順により、不純物含有ナトリウム１４０、電解液１５０および精製ナトリウム１６０を、それぞれ所定の空間に収容することができる。このようにすることで、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とが対向する（図７参照）。
【００５５】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極とする。したがって、図７に示されるように、電源に接続された導電性部材を不純物含有ナトリウム１４０に接触させ、同一の電源に接続された別の導電性部材を精製ナトリウム１６０に接触させる。
【００５６】
図８Ａに示されるように、不純物含有ナトリウム１４０を陽極とし、精製ナトリウム１６０を陰極として直流電圧を印加すると、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面では、不純物含有ナトリウム１４０に含まれるナトリウムがナトリウムイオンとなって電解液１５０に溶出する。一方、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面では、電解液１５０に含まれるナトリウムイオンがナトリウムとして精製ナトリウム１６０の表面に析出する。したがって、陽極側に不純物含有ナトリウム１４０を提供し、陰極側で析出した精製ナトリウム１６０を回収することで、不純物含有ナトリウム１４０を原料として精製ナトリウム１６０を製造することができる。
【００５７】
本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いて精製ナトリウムを製造する場合、不純物含有ナトリウム１４０と電解液１５０の界面と、電解液１５０と精製ナトリウム１６０の界面とは、互いに平行である。したがって、図８Ｂに示されるように、これらの界面の一部分に電流が集中することはない。したがって、本実施の形態のナトリウム精製用電解槽２００を用いれば、電流密度を高めても安全に精製ナトリウムを製造することができる。
【００５８】
［参考実験］
本発明者が分離部材に設けられた貫通孔の好ましい開口面積を特定するために行った予備実験の結果を示す。
【００５９】
本実験では、目開きがそれぞれ異なる複数の鉄製メッシュ（分離部材）を準備し、これらのメッシュの貫通孔を液体ナトリウムが通過できるかどうかを調べた。実験結果を表１に示す。ここで「目開き」とは、正方形状の貫通孔の１辺の長さを意味する。
【００６０】
【表１】
【００６１】
表１に示されるように、目開き３ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積９ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、液体ナトリウムは容易に貫通孔を通過してしまった。この結果から、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動してしまうことが予想される。したがって、開口面積９ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材としては好ましくない。
【００６２】
また、目開き０.１ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０１ｍｍ２）のメッシュおよび目開き０.２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.０４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、大きな力を加えなければ液体ナトリウムを通過させることができず、また容易に目詰まりが生じてしまった。この結果から、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、電解精製を継続して行うことが困難であると予想される。したがって、開口面積０.０１〜０.０４ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材も、本発明の電解槽の分離部材としては好ましくない。
【００６３】
一方、目開き０.５ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積０.２５ｍｍ２）のメッシュおよび目開き２ｍｍ（貫通孔１つあたりの開口面積４ｍｍ２）のメッシュを使用した場合、そのままでは液体ナトリウムが通過しないが、弱い力を加えることで液体ナトリウムを通過させることができた。この結果から、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材を用いた場合、液体ナトリウム（不純物含有ナトリウムまたは精製ナトリウム）が貫通孔を介して電解液側に移動することを抑制しつつ、液体ナトリウムと電解液とを接触させることができると予想される。したがって、開口面積０.２５〜２ｍｍ２の貫通孔を有する分離部材は、本発明のナトリウム精製用電解槽の分離部材として好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
たとえば、本発明のナトリウム精製用電解槽は、使用済みのナトリウム硫黄電池から回収したナトリウムをリサイクルする際に有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 電解槽本体
２０，２２０ 隔壁
３０ 不純物含有ナトリウム
４０ 電解液
５０ 精製ナトリウム
１００，２００ ナトリウム精製用電解槽
１１０，２１０ 電解槽本体
１２０，１３０，２３０ 分離部材
１４０ 不純物含有ナトリウム
１４０’ 不純物含有ナトリウムを収容する空間
１５０ 電解液
１５０’ 電解液を収容する空間
１６０ 精製ナトリウム
１６０’ 精製ナトリウムを収容する空間
１７０ 加熱部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって、
不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、
開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材と、を有し、
前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、
ナトリウム精製用電解槽。
【請求項２】
前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。
【請求項３】
前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、請求項２に記載のナトリウム精製用電解槽。
【請求項４】
前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。
【請求項１】
不純物含有ナトリウムを電解精製して精製ナトリウムを製造する際に用いられるナトリウム精製用電解槽であって、
不純物含有ナトリウム、電解液および精製ナトリウムを収容する電解槽本体と、
開口面積が０.２５〜４ｍｍ２の範囲内の貫通孔を複数有し、開口面積率が５０％以上である分離部材と、を有し、
前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の少なくとも一方に配置される、
ナトリウム精製用電解槽。
【請求項２】
前記分離部材は、前記電解槽本体内において、前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間の両方に配置される、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。
【請求項３】
前記不純物含有ナトリウムを収容する空間と前記電解液を収容する空間との間に配置される前記分離部材、および前記電解液を収容する空間と前記精製ナトリウムを収容する空間との間に配置される前記分離部材は、互いに平行に配置される、請求項２に記載のナトリウム精製用電解槽。
【請求項４】
前記分離部材は、目開きが０.５〜２.０ｍｍの範囲内の鉄製金網である、請求項１に記載のナトリウム精製用電解槽。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０７２９０（Ｐ２０１２−１０７２９０Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５６９２１（Ｐ２０１０−２５６９２１）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【出願人】（５９８０１７２１７）野村興産株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【出願人】（５９８０１７２１７）野村興産株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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