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技術 金属の分離回収方法および金属の分離回収システム

出願人 株式会社東芝
発明者 高橋優也中村等金村祥平山田昂水口浩司大森孝
出願日 2013年7月5日 (7年5ヶ月経過) 出願番号 2013-141820
公開日 2015年1月22日 (5年11ヶ月経過) 公開番号 2015-014030
状態 特許登録済
技術分野 金属の電解製造
主要キーワード 電流制御ステップ 原子力事故 電極間電位 分離回収システム Feイオン濃度 溶融燃料 添加ステップ 回収ステップ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

例えば炉心溶融物など、複数の金属が含有された固体から、効率よく所望の金属を分離し回収する金属の分離回収方法および金属の分離回収システムを提供することを目的とする。

解決手段

実施形態の金属の分離回収方法は、第1の金属と第1の金属よりも貴な第2の金属を含有する混合物溶融塩中電解し各成分を回収する金属の分離回収方法であって、溶融塩中の金属イオン濃度変化を濃度変化検出手段によって検出する検出ステップS2と、第1の金属を電解する第1の電解ステップS1と、第1の金属イオンの濃度低下に応じて析出物を回収する第1の回収ステップS3と、第2の金属を電解する第2の電解ステップS4と、第1の回収ステップよりも後に析出物を回収する第2の回収ステップS5と、を備えるものとする。

概要

背景

原子力事故により原子力発電所冷却能力喪失すると、核燃料崩壊熱により燃料集合体及び炉心構造物加熱溶解し、炉心溶融物が発生する可能性がある。炉心溶融物には炉内構造物などを構成する鉄系材料被覆管チャンネルボックス材料であるジルコニウム材、核燃料中に含有されている酸化ウラン酸化プルトニウムなどの酸化物燃料等様々な物質が不均一に混在している。

放射性廃棄物保管、管理にかかる費用と労力は廃棄物の物量が多くなるほど増大する。そのため、炉心溶融物を放射性廃棄物として処理する際に、放射性廃棄物以外の成分を分離回収し、高レベルの放射性廃棄物として管理・保管される量を低減させる方法が求められている。

概要

例えば炉心溶融物など、複数の金属が含有された固体から、効率よく所望の金属を分離し回収する金属の分離回収方法および金属の分離回収システムを提供することを目的とする。 実施形態の金属の分離回収方法は、第1の金属と第1の金属よりも貴な第2の金属を含有する混合物溶融塩中電解し各成分を回収する金属の分離回収方法であって、溶融塩中の金属イオン濃度変化を濃度変化検出手段によって検出する検出ステップS2と、第1の金属を電解する第1の電解ステップS1と、第1の金属イオンの濃度低下に応じて析出物を回収する第1の回収ステップS3と、第2の金属を電解する第2の電解ステップS4と、第1の回収ステップよりも後に析出物を回収する第2の回収ステップS5と、を備えるものとする。

目的

本発明は、例えば炉心溶融物など、複数の金属が含有された固体から、効率よく所望の金属を分離し回収する金属の分離回収方法および金属の分離回収システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも第1の金属と前記第1の金属よりも標準電極電位が高い第2の金属を含有する混合物溶融塩中陽極に接続し電解により前記溶融塩中の陰極に前記第1の金属と前記第2の金属を析出させ回収する金属の分離回収方法であって、前記溶融塩中の前記第1の金属イオン及び前記第2の金属イオンの濃度変化を濃度変化検出手段によって検出する検出ステップと、前記第1の金属を電解する第1の電解ステップと、前記検出ステップにおいて予め前記濃度変化検出手段に設定された前記第1の金属イオンの濃度低下が検出され前記検出に応じて析出物を回収する第1の回収ステップと、前記第2の金属を電解する第2の電解ステップと、前記第1の回収ステップよりも後に析出物を回収する第2の回収ステップと、を備える金属の分離回収方法。

請求項2

前記第1の回収ステップは、前記検出ステップにおいて前記濃度変化検出手段に予め設定された前記第1の金属イオンの濃度低下が検出された後、前記第2の金属イオンの濃度が平衡に達するより前に行なわれる請求項1に記載の金属の分離回収方法。

請求項3

前記第1の回収ステップは、前記検出ステップにおいて前記第2の金属イオンの濃度が平衡に達した後に行われる請求項1に記載の金属の分離回収方法。

請求項4

前記検出ステップにおいて前記濃度変化検出手段に予め設定された前記第1の金属イオンの濃度低下が検出された後、前記第1の回収ステップを行なう前に、前記第2の金属の塩を前記溶融塩に添加する塩添加ステップを備える請求項1または請求項2に記載の金属の回収方法

請求項5

前記第1の回収ステップを行なった後、前記検出ステップにおいて前記第2の金属イオンの濃度が平衡に達するより前に前記第2の金属の塩を前記溶融塩に添加する塩添加ステップを備える請求項1または請求項3に記載の金属の回収方法。

請求項6

前記検出ステップにおいて予め前記濃度変化検出手段に設定された前記第1の金属イオンの濃度低下が検出されるよりも前に、析出物を回収する事前回収ステップを備える請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の金属の回収方法。

請求項7

前記検出ステップにおいて、前記濃度変化検出手段は前記陽極の電位変化を測定することで前記溶融塩中の前記第1の金属イオン及び前記第2の金属イオンの濃度変化を検出する請求項1乃至請求項6に記載の金属の分離回収方法。

請求項8

前記検出ステップにおいて、前記濃度変化検出手段は前記溶融塩の成分分析を行なうことで前記溶融塩中の前記第1の金属イオン及び前記第2の金属イオンの濃度変化を検出する請求項1乃至請求項7に記載の金属の分離回収方法。

請求項9

少なくとも第1の金属と前記第1の金属よりも標準電極電位が高い第2の金属を含有する混合物を溶融塩中で電解することで前記第1の金属と前記第2の金属を析出させ回収する金属の分離回収システムであって、溶融塩を収容する電解槽と、前記電解槽内で溶融塩中に設けられ前記対象物が接続された陽極と、前記電解槽内出溶融塩中に設けられた陰極と、前記溶融塩中の前記第1の金属イオンと前記第2の金属イオン濃度変化を検出する濃度変化検出手段と、前記濃度変化検出手段の情報に基づき前記陰極に析出した析出物を回収する析出物回収手段と、を有し、前記析出物回収手段は予め設定された前記溶融塩中の第1の金属イオンの濃度低下を検出すると、前記検出に応じて前記析出物回収手段に回収信号を送信し、前記回収手段は前記回収信号に基づき前記陰極に生じた析出物を回収する金属の分離回収システム。

請求項10

第2の金属の塩を前記溶融塩中に供給するための塩供給手段と、前記塩供給手段に設けられ前記第2の金属の塩の供給を制御する塩供給制御部を有し、前記塩供給制御部は前記濃度変化検出手段により制御される請求項9に記載の金属の分離回収システム。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、金属の分離回収方法および金属の分離回収システムに関する。

背景技術

0002

原子力事故により原子力発電所冷却能力喪失すると、核燃料崩壊熱により燃料集合体及び炉心構造物加熱溶解し、炉心溶融物が発生する可能性がある。炉心溶融物には炉内構造物などを構成する鉄系材料被覆管チャンネルボックス材料であるジルコニウム材、核燃料中に含有されている酸化ウラン酸化プルトニウムなどの酸化物燃料等様々な物質が不均一に混在している。

0003

放射性廃棄物保管、管理にかかる費用と労力は廃棄物の物量が多くなるほど増大する。そのため、炉心溶融物を放射性廃棄物として処理する際に、放射性廃棄物以外の成分を分離回収し、高レベルの放射性廃棄物として管理・保管される量を低減させる方法が求められている。

先行技術

0004

特開2013−88117号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、例えば炉心溶融物など、複数の金属が含有された固体から、効率よく所望の金属を分離し回収する金属の分離回収方法および金属の分離回収システム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

0006

上記目的を達成するため、実施形態の金属の分離回収方法は、少なくとも第1の金属と第1の金属よりも標準電極電位が高い第2の金属を含有する混合物溶融塩中陽極に接続し電解により溶融塩中の陰極に第1の金属と第2の金属を析出させ回収する金属の分離回収方法であって、溶融塩中の第1の金属イオン及び第2の金属イオンの濃度変化を濃度変化検出手段によって検出する検出ステップと、第1の金属を電解する第1の電解ステップと、検出ステップにおいて予め濃度変化検出手段に設定された第1の金属イオンの濃度低下が検出され検出に応じて析出物を回収する第1の回収ステップと、第2の金属を電解する第2の電解ステップと、第1の回収ステップよりも後に析出物を回収する第2の回収ステップと、を備えるものとする。

0007

また、上記目的を達成するため、実施形態の金属の分離回収システムは、少なくとも第1の金属と第1の金属よりも標準電極電位が高い第2の金属を含有する混合物を溶融塩中で電解することで第1の金属と第2の金属を析出させ回収する金属の分離回収システムであって、溶融塩を収容する電解槽と、電解槽内で溶融塩中に設けられ対象物が接続された陽極と、電解槽内出溶融塩中に設けられた陰極と、溶融塩中の第1の金属イオンと第2の金属イオン濃度変化を検出する濃度変化検出手段と、濃度変化検出手段の情報に基づき陰極に析出した析出物を回収する析出物回収手段と、を有し、析出物回収手段は予め設定された溶融塩中の第1の金属イオンの濃度低下を検出すると、検出に応じて析出物回収手段に回収信号を送信し、回収手段は回収信号に基づき陰極に生じた析出物を回収するものとする。

図面の簡単な説明

0008

第1の実施形態における金属の分離回収装置の模式図。
第1の実施形態における(a)電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフ、(b)電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフ、(c)陽極電位の変化のグラフ、(d)陽極と陰極間に流れる電流のグラフ。
第1の実施形態における金属の分離回収方法のフローチャート
第2の実施形態における(a)電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフ、(b)電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフ、(c)陽極電位の変化のグラフ。
第3の実施形態における金属の分離回収装置の模式図。
第3の実施形態における(a)電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフ、(b)電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフ、(c)陽極電位の変化のグラフ。
第3の実施形態における金属の分離回収方法のフローチャート。
第4の実施形態における(a)電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフ、(b)電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフ、(c)陽極電位の変化のグラフ。
第4の実施形態における金属の分離回収方法のフローチャート。

実施例

0009

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

0010

(第1の実施形態)
第1の実施形態の金属の分離回収方法及び金属の分離回収システムについて図1乃至図3を用いて説明する。

0011

(対象物について)
金属の分離回収を行なう対象物は、少なくとも2種の金属を含有するものである。それぞれの金属は対象物内で均一に混ざった状態で存在していてもよいし、不均一に存在しているものであってもよい。また、対象物中の金属はそれぞれ固有の標準電極電位に応じて貴卑の関係がある。標準電極電位が高い金属を貴な金属、標準電極電位が低い金属を卑な金属と呼称する。

0012

本実施形態において、対象物はFe及びZrを含有する溶融燃料であり、FeとZrを分離回収するものとする。FeはZrよりも標準電極電位が高く、FeはZrに対して貴な金属であり、ZrはFeに対して卑な金属である。FeとZrのように、対象物13に含有され回収の対象となる金属を回収対象金属と呼称する。

0013

一般に、溶融燃料には多くのZrとFeが含有される。溶融燃料のうち高レベルの放射性廃棄物として保管・管理される量を低減させるために、FeやZrを溶融燃料から分離し、低レベルの放射性廃棄物として保管、管理することが望まれる。また、分離されたFeやZrの放射線量が充分低い場合、再び炉内構造物や燃料被覆管の材料として利用することも考えられる。

0014

電解反応について)
本実施形態の金属の分離回収は溶融塩電解処理により行われる。溶融塩電解反応では、陽極に接続された金属にとって陽極電位が標準電極電位よりも高く、陰極電位が標準電極電位よりも低いとき、その金属は陽極で酸化されイオンとなって溶融塩中に溶解し、陰極で還元され析出する。また、陽極に異なる金属の混合物が接続されている場合、標準電極電位が低い卑な金属から電解され溶解し析出する。対象物の場合、ZrがFeより先に溶解し析出する。

0015

ここで、図1は、本実施形態における金属の分離回収装置の模式図である。金属の分離回収装置10は電解槽11内に陽極12と陰極14を有し、陽極12には対象物13が接続されている。図2(a)は第1の実施形態における電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフであり、図2(b)は第1の実施形態における電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフであり、図2(c)は第1の実施形態における陽極電位の変化のグラフであり、図2(d)は第1の実施形態における陽極と陰極間に流れる電流のグラフである。本実施形態では、電極間電流値は常に一定となるよう制御されている。図3は本実施形態における金属の分離回収方法のフローチャートである。

0016

本実施形態における溶融塩電解処理について主に図2を用いて説明する。電極間に電圧印加し電解を開始すると、Feに対して卑であるZrが先に電解され溶解し析出する。そのため、電解開始しばらくは溶融塩中のZrイオンの濃度は高い状態で平衡が保たれている。この時、陽極で溶解するZrの量と陰極で析出するZrの量は均衡している。溶融塩中のZrイオンの濃度は、陽極側に接続されているZrが枯渇するまで一定である。また、溶融塩中のZrイオン濃度が一定の間は陽極12の電位も一定である。

0017

やがて、陽極12に接続された対象物13中のZrが枯渇すると、溶融塩中のZr濃度は低下に転じる。溶融塩中のZr濃度が低下することにより電極間の電流密度は低下するが、電極間の電流値は定電流制御されているため、陽極12の電位が上昇する。以上のようにZrが電解される工程を第1の電解ステップS1と呼称する。

0018

なお、Zrより卑な金属が析出することを抑制し、電解開始直後から速やかにZrの電解が開始されるよう、溶融塩中には予めZrの塩を添加している。そのため、図2(a)において電解開始直後からZrイオンの濃度は一定であり、図2(b)においても電解開始直後から陽極電位は一定である。

0019

陽極12に接続されたZrの枯渇により陽極12の電位は上昇し、Feの電解が開始される。Feの電解開始と共に、溶融塩中のFeイオンの濃度は増加し、溶解量と析出量が均衡すると溶融塩中のFeイオン濃度は平衡に達し一定となる。Feの電解開始以降、陽極12に接続されたFeが枯渇するまでの間は、陽極12の電位は一定である。そして、陽極12に接続された対象物13中のFeが枯渇すると、溶融塩中のFe濃度は低下に転じる。すると、Zrの場合と同様に陽極12の電位は上昇する。以上のようにFeが電解される工程を第2の電解ステップS4と呼称する。

0020

第1の電解ステップS1においてZrイオンの濃度が低下に転じたときから、第2の電解ステップS2においてFeイオンの濃度が上昇し平衡に達するまでの状態を過渡期と呼称する。過渡期では、電解ステップS1の終盤と第2の電解ステップS4の序盤重複している。

0021

以下、本実施形態の溶融塩電解処理における過渡期について説明する。Zrイオン濃度が平衡状態から低下に転じたときを過渡期開始とする。過渡期開始直後の陽極12付近では、対象物13中のZrが枯渇しているためZrイオンの濃度はほぼ0となり、一方、Feは溶解が開始されるためFeイオンの濃度は上昇している。また、陰極付近ではまだ析出していないZrイオンが残っており、Feイオンは陰極14付近に到達していない。そのため過渡期初期では、陽極12ではFeの溶解が進み、陰極14ではZrの析出が続いている。

0022

過渡期が進んでくると、溶融塩中のFeイオンの濃度は上昇し陰極付近でもFeイオン濃度が上昇してくる。すると、陰極14で析出するZrの量は減少し陰極14で析出するFeの量が増加する。

0023

陽極で溶解するFeの量と陰極で析出するFeの量が均衡すると、溶融塩中のFeイオンの濃度は平衡し一定となる。溶融塩中のFeイオン濃度が上昇から平衡に転じた時点を過渡期終了とする。

0024

ここで、析出物について記載する。過渡期開始時より前は、主にZrが析出する。また、過渡期終了時以降であれば、主にFeが析出する。また、過渡期中はFeとZrの電解が起こるため、析出物にはZrとFeが混在する。なお、過渡期終了後は溶融塩中にZrイオンが残っていたとしても、Feの方が貴な金属であり析出しやすいため、Feが主に析出する。

0025

電解装置について)
次に、図1を用いて本実施形態の金属の分離回収システム10について説明する。金属の分離回収システム10は、溶融塩電解処理を行なうための電解装置であり、溶融塩を収容する電解槽11を有する。溶融塩中に設けられた陽極12は第1の金属および第2の金属よりも貴な導電体で構成されたバスケットであり、バスケット内には対象物13が設けられている。本実施形態においてバスケットはニッケルまたはカーボンで構成される。溶融塩中に設けられた陰極14は導電体であればよく、ニッケルやカーボンの他、ステンレス鋼で構成することが可能である。

0026

陽極12と陰極14は電源22によって電圧が印加され、電流制御部16によって両電極間に流れる電流値が一定になるよう制御されている。また、陽極12と陰極14の電位差は図示されない電極間電位モニタ計測されている。

0027

また、溶融塩中には陽極12の電位を測定するための参照電極17が備えられており、陽極電位モニタ18は参照電極17との電位差から陽極12の電位を測定している。陽極12の電位は、溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化によって影響を受ける。そのため、本実施形態においては、陽極電位モニタ18により溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化を検出することができる。

0028

また、電解装置10には、溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度を測定するための濃度モニタ19が設けられている。濃度モニタ19は、例えば定期的に溶融塩をサンプリング成分分析分光分析を行なうことで、溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度を求める。濃度モニタ19による回収対象金属イオンの濃度から、溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化を検出することができる。

0029

なお、電流制御部16、電極間電位モニタ、陽極電位モニタ18及び濃度モニタ19は、いずれも制御部20に接続している。制御部20は陽極電位モニタ18や濃度モニタ19の情報を基に、陰極に発生した析出物を回収する回収手段21の稼働を制御する。また、制御部20は陽極電位モニタ18や濃度モニタ19の情報を基に、電源22や電流制御部16の稼働を制御し溶融塩電解処理のON/OFFを制御する。

0030

回収手段21とは、例えば析出物が付着した陰極14を析出物が付着していない電極交換する手段である。または、陰極14から析出物を脱離させる手段や、陰極14から脱離して沈殿した析出物を回収する手段であってもよい。また、これら複数の回収手段を組み合わせたものであってもよい。

0031

ここで、陽極電位モニタ18と制御部20の関係について説明する。陽極電位モニタ18が測定した陽極12の電位の情報は制御部20に送信され、制御部20は陽極12の電位を監視している。陽極12の電位は電解中の金属イオンの濃度の低下により上昇する。そのため、予め対象とする金属イオンの濃度低下に対応する陽極電位の上昇を制御部20に記憶させておくことで、制御部20は陽極電位モニタ18の情報から、対象とする金属イオンの濃度低下を検出することができる。よって、制御部20は過渡期の開始時点やFeイオン濃度が低下に転じた時点を検出することができる。

0032

次に濃度モニタ19と制御部20の関係について説明する。濃度モニタ19が測定した溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度の情報は制御部20に送信され、制御部20は各回収対象金属イオンの濃度やその推移を監視している。

0033

そのため、溶融塩中のZrイオンの濃度が平衡状態から低下に転じるときに対応するZrイオンの濃度の推移を制御部20に予め設定することで、制御部20は濃度モニタ19の情報から過渡期の開始を検出することができる。同様に、溶融塩中のFeイオンの濃度が平衡状態から低下に転じるときのFeイオンの濃度の推移を制御部20に予め設定することで、制御部20は濃度モニタ19の情報から陽極12側のFeが枯渇し始めた時点を検出することができる。

0034

また、溶融塩中のFeイオンの濃度が上昇中から平衡状態に転じるときのFeイオン濃度の推移を制御部20に予め設定することで、制御部20は過渡期の終了を検出することができる。

0035

なお、制御部20は陽極電位モニタ18や濃度モニタ19とは別に設けられていても良いし、陽極電位モニタ18や濃度モニタ19にそれぞれ組み込まれていても良い。

0036

陽極電位モニタ18、濃度モニタ19及び制御部20など、溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化を検出するために必要な構成を総称して濃度変化検出手段と呼称する。

0037

次に、本実施形態で用いる溶融塩について説明する。溶融塩中で電解を行なうことで、ZrやFeなどイオン化傾向の高い金属を効率的に電解することが可能となる。本実施形態で用いる溶融塩は、例えばNaCl、KCl、RbCl、CsCl、MgCl2、NaF、KF、LiF、NaFなどの塩の溶融物であるものとする。また、溶融塩は単体の塩でなくてもよく、これらの混合塩であってもよい。例えば、NaCl−KCl、RbCl−NaCl、CsCl−NaCl、RbCl−KCl、CsCl−KCl、NaCl−MgCl2、NaCl−CaCl2、KCl−SrCl2、KCl−CaCl2、NaF−KF、LiF−KF、NaF−LiF、NaCl−NaF、KCl−KF等の組み合わせがある。また、3種以上の塩を混合した溶融塩であってもよい。なお、本実施形態で用いる溶融塩はNaCl−KClであり、その温度は700度程度であるものとする。

0038

(方法)
次に、図2図3を用いて金属の分離回収方法について説明する。まず、電極間に電圧を印加して電解を開始し、第1の電解ステップS1を行う。電解中の電極間の電流値は電流制御部16によって制御されている。電流制御部16が陽極12と陰極14の間の電流値を制御する工程を電流制御ステップと呼称する。また、濃度変化検出手段により溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化を検出する工程を検出ステップS2と呼称する。溶融塩電解処理中、検出ステップS2は随時行われる。

0039

第1の電解ステップS1が進んでくると、溶融塩中のZrイオンが低下に転じ、検出ステップS2により過渡期が開始したことが検出される。過渡期の開始が検出される時刻を時刻t1とする。

0040

制御部20は過渡期の開始が検出されると、速やかに回収手段21に回収信号を送信し、回収手段21は陰極14側の析出物を回収する。過渡期の開始、つまり検出ステップS2において予め濃度変化検出手段に設定されたZrイオンの濃度低下が検出され、その検出に応じて析出物を回収するステップを第1の回収ステップS3と呼称する。第1の回収ステップS3が実施される時刻を時刻t2とする。本実施形態において時刻t2は時刻t1の直後であることが望ましく、少なくともFeイオンの濃度が平衡に達するよりも前であるものとする。

0041

過渡期の開始は第2の電解ステップS4の開始とほぼ同時であるが、時刻t1の直後では陰極まで到達しているFeイオンは少ない。そのため、第1の回収ステップS3で回収された回収物に含有されるFeは少量であり、第1の回収ステップS3では純度の高いZrを回収することができる。

0042

第1の回収ステップS3の後、溶融塩中のFeイオンが上昇から平衡状態に転じ過渡期が終了する。その後も第2の電解ステップS4を継続し、やがて、陽極12側のFeが枯渇し溶融塩中のFeイオン濃度が減少に転じる。検出ステップS2においてがFeイオンの濃度低下が検出される時刻を時刻t3とする。

0043

制御部20はFeの枯渇を検出すると、速やかに回収手段21に回収信号を送信し、回収手段21は陰極14側の析出物を回収する。つまり、検出ステップS2において予め濃度変化検出手段に設定されたFeイオンの濃度低下が検出され、その検出に応じて析出物を回収するステップを第2の回収ステップS5と呼称する。第2の回収ステップS5が実施される時刻を時刻t4とする。第2の回収ステップS5での回収物の大部分はFeであるが、過渡期の析出物を含有するため、一部Zrを含有する。

0044

また、第2の回収ステップS5の前または後に、制御部20は電源22および電流制御部16に停止信号を送信し、溶融塩電解処理を終了させる。

0045

(効果)
本実施形態では、同一の電解槽内で複数の金属を含有する対象物から各成分を連続して効率的に回収することが可能であって、過渡期の開始後速やかに析出物を回収するため、純度の高いZrを得ることが可能である。

0046

なお、本実施形態において検出ステップS2における回収対象金属イオンの濃度変化の検出は陽極電位モニタ18の測定値に基づくものであっても、濃度モニタ19の測定値に基づくものであっても良い。そのため、金属の分離回収システム10は少なくとも陽極電位モニタ18または濃度モニタ19のいずれか一方を備えるものとする。

0047

また、陽極電位モニタ18と濃度モニタ19の両方を備える場合は、それら両方の測定情報を組み合わせることで、より正確に溶融塩中の回収対象金属イオンの濃度変化を検出することができる。

0048

(第2の実施形態)
第2の実施形態について図3図4を用いて説明する。図4(a)は、第2の実施形態における電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフ、図4(b)は第2の実施形態における電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフ、図4(c)は第2の実施形態における陽極電位の変化のグラフである。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

0049

(方法)
以下に本実施形態の金属の分離回収方法について説明する。まず、第1の実施形態と同様に第1の電解ステップS1を行う。検出ステップS2は溶融塩電解処理中に随時行う。電解が進むとやがて過渡期が開始し、検出ステップS2において溶融塩中のFeイオンの濃度が上昇から平衡状態となり過渡期の終了が検出される。この時刻を時刻e1とする。そして、制御部20は速やかに回収手段21に回収信号を送信し、時刻e2のとき第1の回収ステップS3が行われる。

0050

第1の回収ステップS3の後は第1の実施形態と同様に溶融塩電解処理が行なわれ、時刻t3のときFeイオンの濃度変化が平衡から低下に転じたことが検出され、時刻t4のとき第2の回収ステップS5が行われる。

0051

(効果)
本実施形態では、同一の電解槽内で複数の金属を含有する対象物から各成分を連続して回収することが可能であって、過渡期が終了した後に第1の回収ステップS3を行うため、高い純度のFeを回収することが可能である。

0052

なお、本実施形態において過渡期の終了の検出は濃度モニタ20でFeイオンの濃度を測定し、その推移を観察することで検出することが可能である。そのため、濃度変化検出手段はFeイオンの濃度を測定可能な濃度モニタ19を備えるものとする。

0053

(第3の実施形態)
第3の実施形態について図5乃至図7を用いて説明する。図5は第3の実施形態における金属の分離回収システムの模式図である。図6(a)は第3の実施形態における電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフであり、図6(b)は第3の実施形態における電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフであり、図6(c)は第3の実施形態における陽極電位の変化のグラフである。図7は第3の実施形態における金属の分離回収方法のフローチャートである。

0054

なお、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

0055

(電解装置について)
以下に本実施形態の金属の分離回収システム10について説明する。本実施形態の金属の分離回収システム10は第1の実施形態における金属の分離回収システム10と同様の構成を備える。さらに、Feの塩を収容している塩供給源26と、塩供給源26から溶融塩中にFeの塩を供給するための塩供給ノズル24と、Feの塩の供給を制御する塩供給制御部25を有する。塩供給制御部25とは例えば塩供給ノズル24に設けられた弁であり、制御部20に接続され制御部20により制御される。なお、Feの塩とは例えばFeCl2であり、第2の電解ステップS4において電解される金属の塩であるものとする。なお、塩供給ノズル24と塩供給源26を総称して塩供給手段と呼称する。塩供給手段は溶融塩中に塩を添加することが可能な構成であればよく、塩供給ノズル24と塩供給源26には限られない。

0056

(方法)
以下に本実施形態の金属の分離回収方法について説明する。まず、第1の実施形態と同様に第1の電解ステップS1を行い、検出ステップS2を随時行う。電解が進み時刻t1のとき検出ステップS2により過渡期の開始が検出される。すると、制御部20は速やかに塩供給制御部25に塩供給信号を送信する。すると、塩供給制御部25は開となり、塩供給源26から塩供給ノズル24を介して溶融塩中に塩が添加される。溶融塩に第2の金属の塩を添加するステップを塩添加ステップS6と呼称し、塩添加ステップS6が行われる時刻を時刻u1とする。塩供給制御部25は一定時間後に閉となる。または制御部20からの信号により閉となるものとしても良い。第2の金属の塩を添加することにより、塩添加ステップS6の後、速やかにFeイオンの濃度が上昇する。

0057

塩添加ステップS6の後、時刻t2において第1の回収ステップS3が行われる。なお、第1の実施形態と同様に、時刻t1から時刻t2の時間差は短いほうが好ましく、少なくともFeイオンの濃度が平衡に達するよりも前であるものとする。また、時刻u1は時刻t1よりも後であり、時刻t2よりも前または時刻t2と同時であるものとする。

0058

第1の回収ステップS3の後は第1の実施形態と同様に溶融塩電解処理が行なわれ、時刻t3のときFeイオンの濃度変化が平衡から低下に転じたことが検出され、時刻t4のとき第2の回収ステップS5が行われる。

0059

(効果)
本実施形態は、同一の電解槽内で複数の金属を含有する対象物から各成分を連続して効率的に回収することが可能であって、第1の回収ステップS3の直前または同時に、溶融塩中にFeの塩を添加するため、第1の実施形態及び第2の実施形態に比べて過渡期の時間が短くなり、電解全体にかかる時間が短くなる。また過渡期に要する時間が短くなるため過渡期に析出するZr量が少なくなり、第1の実施形態に比べて純度の高いFeを回収することが可能である。よって、純度の高いZrおよびFeをより効率的に分離し回収することができる。

0060

(第4の実施形態)
第4の実施形態について図8図9を用いて説明する。図8(a)は第4の実施形態における電解槽内のZrイオンの濃度変化のグラフであり、図8(b)は第4の実施形態における電解槽内のFeイオンの濃度変化のグラフであり、図8(c)は第4の実施形態における陽極電位の変化のグラフである。図9は第4の実施形態における金属の分離回収方法のフローチャートである。

0061

なお、第1の実施形態乃至第3の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態における金属の分離回収システム10の構成は、第3の実施形態と同様である。

0062

(方法)
以下に本実施形態の金属の分離回収方法について説明する。まず、第1の実施形態と同様に第1の電解ステップS1を行い、検出ステップS2を随時行う。電解が進み時刻t1のとき検出ステップS2により過渡期の開始が検出される。すると、速やかに制御部20から回収信号が回収手段21に送信され時刻t2において第1の回収ステップS3が行われる。第1の回収ステップS3が行われると、制御部20は速やかに塩供給制御部25に塩供給信号を送信し、時刻u1において塩添加ステップS6が行われる。

0063

時刻t1から時刻t2の時間差は短いほうが好ましく、少なくともFeイオンの濃度が平衡に達するよりも前であるものとする。また、時刻t2から時刻u1の時間差は短いほうが好ましく、時刻u1は少なくともFeイオンの濃度が平衡に達するよりも前であるものとする。

0064

塩添加ステップS6の後は、第1の実施形態の第1の回収ステップS3の後と同様に溶融塩電解処理が行なわれる。時刻t3のときFeイオンの濃度変化が平衡から低下に転じたことが検出され、時刻t4のとき第2の回収ステップS5が行われる。

0065

(効果)
本実施形態は、同一の電解槽内で複数の金属を含有する対象物から各成分を連続して効率的に回収することが可能であって、過渡期の開始後速やかにZrを回収しているため、純度の高いZrを得ることが可能である。

0066

また、本実施形態では、第1の回収ステップS3の後速やかにFeの塩を添加して過渡期にかかる時間を短縮させているため、過渡期に析出するZrの量が低減される。よって、純度の高いFeを効率的に回収することが可能である。

0067

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0068

例えば、対象物は溶融燃料に限られず、複数の金属が含有されているものであればよい。

0069

また、対象物中で卑な金属の一部が貴な金属に囲まれ溶融塩に接触しない形で存在している場合、対象物中に卑な金属が残ったまま、貴な金属の電解が開始されることが考えられる。その場合は、貴な金属の電解が進み卑な金属が溶融塩と接触する状態となった際に、電解槽や溶融塩を交換するなどして、第1の電解ステップS1から金属の分離回収を繰り返すものとしてもよい。

0070

また、第1の回収ステップS3を行う際、一時的に電解を停止させ、回収後に同様の電流値で電解を再開するものとしても良い。

0071

また、溶融塩中のイオンの濃度変化の検出とそれに基づく回収手段21の稼働、及び電源22のON/OFFの制御は制御部20が一貫して行なったが、これらの制御は人が行うものとしても良い。その場合は、溶融塩中のイオン濃度の変化に基づく回収に適したタイミングの判断を制御部20が行い、作業員は制御部20の判断に基づき回収手段及び電極電顕の制御を行なう。

0072

また、所望の処理速度とするため、電流制御部16を操作し、第1の電解ステップS1と第2の電解ステップS4それぞれで、電流値を変えるものとしても良い。例えば、過渡期の開始の検出に応じて、以降はそれまでに比べ高い電流値を電極間に流すものとする。すると、第2の回収ステップS5における回収物の析出速度を上げることが可能となる。

0073

また、いずれの実施形態においても、電極間を流れる電流は定電流制御されているとしたが、所望の析出速度とするために電流値を変化させるものであっても良い。例えば、Feの析出速度を速めたい場合には、第1の回収ステップS3の後から第2の回収ステップS5までの電流値をそれまでよりも高い値にする。

0074

また、いずれの実施形態においても、過渡期の開始よりも前に第1の電解ステップS1における析出物を回収するものとしても良い。過渡期の開始を検出するよりも前に行なう析出物の回収を事前回収ステップと呼称する。例えば、事前回収ステップはタイマー等を用いて過渡期の開始が検出されるまで一定時間ごとに行われるものとする。事前回収ステップにおける回収物は、過渡期の析出物を含有しないため、純度の高い析出物を回収することが可能である。なお、過渡期の開始を検出した後は、第1の実施形態乃至第4の実施形態のいずれかを実施するものとする。

0075

10・・・・・金属の分離回収システム
11・・・・・電解槽
12・・・・・陽極
13・・・・・対象物
14・・・・・陰極
16・・・・・電流制御部
17・・・・・参照電極
18・・・・・陽極電位モニタ
19・・・・・濃度モニタ
20・・・・・制御部
21・・・・・回収手段
22・・・・・電源
24・・・・・塩供給ノズル
25・・・・・塩供給制御部
26・・・・・塩供給源
S1・・・・・第1の電解ステップ
S2・・・・・検出ステップ
S3・・・・・第1の回収ステップ
S4・・・・・第2の電解ステップ
S5・・・・・第2の回収ステップ
S6・・・・・塩添加ステップ
t1・・・・・過渡期の開始が検出される時刻
t2・・・・・第1の回収ステップS3が実施される時刻
t3・・・・・Feイオンの濃度低下が検出される時刻
t4・・・・・第2の回収ステップS5が実施される時刻
e1・・・・・過渡期の終了が検出される時刻
e2・・・・・過渡期の終了後に第1の回収ステップS3が行われる時刻
u1・・・・・塩添加ステップS6が行われる時刻

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