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JP6687637B2 - Method for producing titanium trichloride solution and apparatus for producing titanium trichloride solution - Google Patents
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Description

本発明は、三塩化チタン溶液の製造方法及び三塩化チタン溶液の製造装置に関する。
本出願は、2015年10月8日出願の日本出願第2015−200520号に基づく優先権を主張し、上記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
The present invention relates to a method for producing a titanium trichloride solution and an apparatus for producing a titanium trichloride solution.
This application claims the priority right based on Japanese application No. 2015-200520 filed on October 8, 2015, and incorporates all the contents described in the above Japanese application.

水溶液中の金属イオンを還元剤によって還元して金属粉末を製造する液相還元法において、還元剤として三塩化チタン溶液が用いられている。三塩化チタン溶液は、四塩化チタン溶液を電解還元することによって製造できることが知られている(例えば特開2012−255188号公報参照)。   A titanium trichloride solution is used as a reducing agent in a liquid-phase reduction method in which metal ions in an aqueous solution are reduced by a reducing agent to produce metal powder. It is known that a titanium trichloride solution can be produced by electrolytically reducing a titanium tetrachloride solution (see, for example, JP 2012-255188 A).

上記公報に記載の三塩化チタン溶液の製造方法では、陰極側の電解液として四塩化チタン、塩酸及び酸化抑制剤を含む水溶液を用い、陽極側の電解液として例えば塩化アンモニウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、塩化チタン水溶液等の塩素イオンを含む水溶液を用いている。   In the method for producing a titanium trichloride solution described in the above publication, titanium tetrachloride is used as an electrolyte solution on the cathode side, an aqueous solution containing hydrochloric acid and an oxidation inhibitor is used, and as an electrolyte solution on the anode side, for example, an ammonium chloride aqueous solution, a sodium chloride aqueous solution, An aqueous solution containing chlorine ions such as an aqueous titanium chloride solution is used.

特開2012−255188号公報JP 2012-255188 A

本発明の一態様に係る三塩化チタン溶液の製造方法は、イオン交換電解還元法により電解液中の四塩化チタンを還元する三塩化チタン溶液の製造方法であって、上記陽極側の電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用いる。   A method for producing a titanium trichloride solution according to one aspect of the present invention is a method for producing a titanium trichloride solution for reducing titanium tetrachloride in an electrolytic solution by an ion exchange electrolytic reduction method, wherein the electrolytic solution on the anode side is An aqueous solution containing sulfate ions is used.

また、本発明の別の態様に係る三塩化チタン溶液の製造装置は、水溶液中の四塩化チタンの電解還元により三塩化チタン溶液を製造する装置であって、陽極電解液を貯留する陽極室、この陽極室とイオン交換膜により区画され、四塩化チタン溶液を貯留する陰極室、上記陽極室の陽極電解液に浸漬される陽極及び上記陰極室の四塩化チタン溶液に浸漬される陰極を備え、上記陽極電解液が硫酸イオンを含む。   Further, a titanium trichloride solution producing apparatus according to another aspect of the present invention is an apparatus for producing a titanium trichloride solution by electrolytic reduction of titanium tetrachloride in an aqueous solution, an anode chamber for storing an anode electrolyte, The anode chamber and the ion exchange membrane are partitioned, and the cathode chamber stores the titanium tetrachloride solution, the anode is immersed in the anode electrolyte of the anode chamber, and the cathode is immersed in the titanium tetrachloride solution of the cathode chamber, The anode electrolyte contains sulfate ions.

図1は、本発明の一実施形態の三塩化チタン溶液の製造装置を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for producing a titanium trichloride solution according to an embodiment of the present invention.

[本開示が解決しようとする課題]
陽極側の電解液として塩素イオンを含む水溶液を用いる三塩化チタン溶液の製造方法では、塩素イオンが、陽極反応により塩素ガスを発生すると共に、電解液中の他の溶質成分と反応して塩化物ガスを発生する場合がある。従って、上記の三塩化チタンの製造方法では、通常、発生したガスを吸引排気する必要がある。
[Problems to be solved by the present disclosure]
In the method for producing a titanium trichloride solution using an aqueous solution containing chlorine ions as the electrolytic solution on the anode side, chlorine ions generate chlorine gas by an anodic reaction, and react with other solute components in the electrolytic solution to form chloride. May generate gas. Therefore, in the above method for producing titanium trichloride, it is usually necessary to suck and exhaust the generated gas.

このような塩素系ガスの処理のコストを低減するために、三塩化チタン溶液の製造における塩素系ガスの発生量を抑制することが望まれる。   In order to reduce the cost of such chlorine-based gas treatment, it is desired to suppress the amount of chlorine-based gas generated in the production of the titanium trichloride solution.

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、塩素系ガスの発生量を抑制できる三塩化チタン溶液の製造方法及び三塩化チタン溶液の製造装置を提供することを課題とする。   The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing a titanium trichloride solution and an apparatus for producing a titanium trichloride solution capable of suppressing the amount of chlorine-based gas generated. .

[本開示の効果]
本発明の一態様に係る三塩化チタン溶液の製造方法及び本発明の別の態様に係る三塩化チタン溶液の製造装置は、塩素系ガスの発生量を抑制することができる。
[Effect of the present disclosure]
The method for producing a titanium trichloride solution according to one aspect of the present invention and the apparatus for producing a titanium trichloride solution according to another aspect of the present invention can suppress the generation amount of chlorine-based gas.

[本発明の実施形態の説明]
本発明の一態様に係る三塩化チタン溶液の製造方法は、イオン交換電解還元法により電解液中の四塩化チタンを還元する三塩化チタン溶液の製造方法であって、上記陽極側の電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用いる。なお、「イオン交換電解還元法」とは、イオン交換膜により陽極側の電解液と陰極側の電解液とを区分して電解を行う電解還元法を意味する。
[Description of Embodiments of the Present Invention]
A method for producing a titanium trichloride solution according to one aspect of the present invention is a method for producing a titanium trichloride solution for reducing titanium tetrachloride in an electrolytic solution by an ion exchange electrolytic reduction method, wherein the electrolytic solution on the anode side is An aqueous solution containing sulfate ions is used. The “ion exchange electrolytic reduction method” means an electrolytic reduction method in which an electrolytic solution on the anode side and an electrolytic solution on the cathode side are separated by an ion exchange membrane to perform electrolysis.

当該三塩化チタン溶液の製造方法は、上記陽極側の電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用いることによって、陽極側の電解液の塩素イオン濃度を低く抑え、陽極側の電解液中の塩素イオンが電解液や空気中の他の物質と不必要に反応することを防止して、塩素系ガスの発生量を抑制できる。   The method for producing the titanium trichloride solution is such that, as the electrolyte solution on the anode side, an aqueous solution containing sulfate ions is used to suppress the chloride ion concentration of the electrolyte solution on the anode side to a low level, and chloride ions in the electrolyte solution on the anode side are used. Can be prevented from reacting unnecessarily with the electrolytic solution and other substances in the air, and the amount of chlorine-based gas generated can be suppressed.

上記陽極側の電解液中の硫酸イオンのモル濃度が、他の陰イオンの合計モル濃度以上であるとよい。このように、上記陽極側の電解液中の硫酸イオンのモル濃度が、他の陰イオンの合計モル濃度以上であることによって、塩素系ガスの発生をより確実に防止できる。   The molar concentration of sulfate ions in the electrolyte solution on the anode side may be equal to or higher than the total molar concentration of other anions. Thus, when the molar concentration of sulfate ions in the electrolyte solution on the anode side is equal to or higher than the total molar concentration of other anions, generation of chlorine-based gas can be prevented more reliably.

上記イオン交換膜が陽イオン交換膜であるとよい。このように、上記イオン交換膜が陽イオン交換膜であることによって、陰極側の電解液中の塩素イオンが陽極側に移動することを防止できるので、塩素系ガスの発生をさらに抑制することができる。   The ion exchange membrane is preferably a cation exchange membrane. As described above, since the ion exchange membrane is a cation exchange membrane, it is possible to prevent chlorine ions in the electrolyte solution on the cathode side from moving to the anode side, so that the generation of chlorine-based gas can be further suppressed. it can.

上記陽極側の電解液中の金属イオンの合計モル濃度としては、硫酸イオンのモル濃度の10分の1以下が好ましい。このように、上記陽極側の電解液中の金属イオンの合計モル濃度が上記上限以下であることによって、陽極側から陰極側に移動するキャリア中の金属イオンの量を低減し、陰極の反応効率低下を抑制できる。   The total molar concentration of metal ions in the electrolyte solution on the anode side is preferably 1/10 or less of the molar concentration of sulfate ions. Thus, the total molar concentration of metal ions in the electrolytic solution on the anode side is less than or equal to the upper limit, thereby reducing the amount of metal ions in the carrier moving from the anode side to the cathode side, and the reaction efficiency of the cathode. The decrease can be suppressed.

上記イオン交換膜が陰イオン交換膜であってもよい。このように、上記イオン交換膜が陰イオン交換膜であることによって、従来の三塩化チタン溶液の製造方法に用いられる電解槽を使用することができるので、設備コストを抑制できる。   The ion exchange membrane may be an anion exchange membrane. As described above, since the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, the electrolytic cell used in the conventional method for producing a titanium trichloride solution can be used, so that the facility cost can be suppressed.

上記陰極側の電解液に酸化抑制剤を加える工程を有するとよい。このように、上記陰極側の電解液に酸化抑制剤を加える工程を有することによって、陰極反応によって生成された三価のチタンイオンの酸化を抑制し、比較的効率的に三塩化チタン溶液を製造することができる。   It is preferable to have a step of adding an oxidation inhibitor to the electrolyte solution on the cathode side. Thus, by having a step of adding an oxidation inhibitor to the electrolyte solution on the cathode side, the oxidation of trivalent titanium ions generated by the cathode reaction is suppressed, and a titanium trichloride solution is produced relatively efficiently. can do.

上記酸化抑制剤として、2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸の塩を用いるとよい。このように、上記酸化抑制剤として、2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸の塩を用いることによって、三価のチタンイオンの酸化をより効果的に抑制し、比較的保存性に優れる三塩化チタン溶液を製造することができる。   As the oxidation inhibitor, it is preferable to use a carboxylic acid having two or more carboxyl groups or a salt of this carboxylic acid. Thus, by using a carboxylic acid having two or more carboxyl groups or a salt of this carboxylic acid as the above-mentioned oxidation inhibitor, the oxidation of trivalent titanium ions can be more effectively suppressed and the storability can be relatively improved. An excellent titanium trichloride solution can be produced.

本発明の別の態様に係る三塩化チタン溶液の製造装置は、水溶液中の四塩化チタンの電解還元により三塩化チタン溶液を製造する装置であって、陽極電解液を貯留する陽極室、この陽極室とイオン交換膜により区画され、四塩化チタン溶液を貯留する陰極室、上記陽極室の陽極電解液に浸漬される陽極、及び上記陰極室の四塩化チタン溶液に浸漬される陰極を備え、上記陽極電解液が硫酸イオンを含む。   An apparatus for producing a titanium trichloride solution according to another aspect of the present invention is an apparatus for producing a titanium trichloride solution by electrolytic reduction of titanium tetrachloride in an aqueous solution, and an anode chamber for storing an anode electrolyte, The chamber and the ion exchange membrane are partitioned, a cathode chamber for storing the titanium tetrachloride solution, an anode immersed in the anode electrolyte of the anode chamber, and a cathode immersed in the titanium tetrachloride solution of the cathode chamber, The anode electrolyte contains sulfate ions.

当該三塩化チタン溶液の製造装置は、上記陽極電解液が硫酸イオンを含むことによって、陽極側の電解液の塩素イオン濃度を低く抑え、不必要に塩素や塩化物が生成されることを防止して、塩素系ガスの発生量を抑制できる。   The titanium trichloride solution manufacturing apparatus suppresses the chloride ion concentration of the electrolyte on the anode side to be low by preventing the generation of chlorine or chloride unnecessarily by containing the sulfate ion in the anode electrolyte. Thus, the amount of chlorine-based gas generated can be suppressed.

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳説する。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1の三塩化チタン溶液の製造装置は、水溶液中の四塩化チタン(TiCl)の電解還元により三塩化チタン溶液(TiCl)を製造するために用いられる。The apparatus for producing a titanium trichloride solution in FIG. 1 is used for producing a titanium trichloride solution (TiCl 3 ) by electrolytic reduction of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) in an aqueous solution.

当該三塩化チタン溶液の製造装置は、電解槽1を備え、さらにこの電解槽1に電圧を印加する電源2を備えることが好ましい。   It is preferable that the titanium trichloride solution manufacturing apparatus includes an electrolytic cell 1 and a power source 2 that applies a voltage to the electrolytic cell 1.

<電解槽>
電解槽1は、陽極側の電解液(以下、陽極電解液ということがある)を貯留する陽極室11、この陽極室11とイオン交換膜12により区画され、陰極側の電解液(以下、陰極電解液ということがある)として四塩化チタン溶液を貯留する陰極室13、陽極室11の陽極電解液に浸漬される陽極14、及び陰極室13の四塩化チタン溶液に浸漬される陰極15を有する。陽極14及び陰極15間には、上記電源2により直流電圧が印可される。
<Electrolysis tank>
The electrolytic cell 1 is defined by an anode chamber 11 that stores an electrolyte solution on the anode side (hereinafter, sometimes referred to as an anode electrolyte solution), the anode chamber 11 and an ion exchange membrane 12, and an electrolyte solution on the cathode side (hereinafter, referred to as a cathode). (Sometimes referred to as an electrolyte), a cathode chamber 13 that stores a titanium tetrachloride solution, an anode 14 that is immersed in the anode electrolyte of the anode chamber 11, and a cathode 15 that is immersed in the titanium tetrachloride solution of the cathode chamber 13. . A DC voltage is applied between the anode 14 and the cathode 15 by the power supply 2.

(陽極室)
陽極室11は、電解槽1の内部空間をイオン交換膜12で区分して形成される2つの空間のうち、陽極14が配設される側の空間である。換言すると、この陽極室11は、陰極室13とイオン交換膜12を介して隣接する。この陽極室11には、後で詳しく説明するように、陽極電解液として、硫酸イオンを含む水溶液が貯留される。
(Anode chamber)
The anode chamber 11 is a space on the side where the anode 14 is arranged, of the two spaces formed by partitioning the internal space of the electrolytic cell 1 with the ion exchange membrane 12. In other words, the anode chamber 11 is adjacent to the cathode chamber 13 via the ion exchange membrane 12. As will be described later in detail, an aqueous solution containing sulfate ions is stored in the anode chamber 11 as an anode electrolyte.

(イオン交換膜)
イオン交換膜12は、電解槽1の内部空間を陽極室11と陰極室13とに区分する隔膜であり、陽イオン又は陰イオンを選択的に通過させる。つまり、イオン交換膜12を通過可能なイオンは、陽極室11と陰極室13との間を往来することができる。このイオン交換膜12を通過するイオンは、陽極14と陰極15との間で電荷を移動させるキャリアとして機能し、陽極14と陰極15との間に電流を流すことを可能にする。
(Ion exchange membrane)
The ion exchange membrane 12 is a diaphragm that divides the internal space of the electrolytic cell 1 into an anode chamber 11 and a cathode chamber 13, and selectively allows cations or anions to pass therethrough. That is, the ions that can pass through the ion exchange membrane 12 can move back and forth between the anode chamber 11 and the cathode chamber 13. The ions passing through the ion exchange membrane 12 function as carriers for moving charges between the anode 14 and the cathode 15, and allow an electric current to flow between the anode 14 and the cathode 15.

このイオン交換膜12としては、特に限定されず公知の陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜を使用できる。イオン交換膜12として陽イオンを選択的に通過させる陽イオン交換膜を用いる場合、例えば炭化水素系イオン交換膜、ポリマーパーフルオロカーボン系イオン交換膜等を用いることができる。炭化水素系イオン交換膜としては、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体等の炭化水素系重合体に陽イオン交換基を導入したものを使用できる。ポリマーパーフルオロカーボン系イオン交換膜としては、パーフルオロアルキレン基を主鎖骨格とすると共に、その側鎖の一部としてパーフルオロビニルエーテルを有し、この側鎖の末端に陽イオン交換基を導入したものを使用することができる。陽イオン交換基としては、例えばスルホン酸基、カルボン酸基等が挙げられる。   The ion exchange membrane 12 is not particularly limited, and a known cation exchange membrane or anion exchange membrane can be used. When a cation exchange membrane that selectively allows cations to pass therethrough is used as the ion exchange membrane 12, for example, a hydrocarbon-based ion exchange membrane, a polymer perfluorocarbon-based ion exchange membrane, or the like can be used. As the hydrocarbon-based ion exchange membrane, a styrene-divinylbenzene copolymer or other hydrocarbon-based polymer having a cation exchange group introduced therein can be used. The polymer perfluorocarbon-based ion exchange membrane has a perfluoroalkylene group as the main chain skeleton, has perfluorovinyl ether as a part of its side chain, and has a cation exchange group introduced at the end of this side chain. Can be used. Examples of the cation exchange group include a sulfonic acid group and a carboxylic acid group.

このように、イオン交換膜12として陽イオン交換膜を用いることによって、当該三塩化チタンの製造装置は、陽極電解液中の水が電気分解されることにより生じる水素イオン(H)をキャリアとし、陽極14と陰極15との間に電流を流すことで、陰極電解液中の四価のチタンイオンを還元する。これにより、陰極電解液中の塩素イオン(Cl)が陽極電解液中に移動することを防止し、塩素イオンが陽極反応に供されて塩素ガスを生じることをより効果的に防止することができる。As described above, by using the cation exchange membrane as the ion exchange membrane 12, the titanium trichloride manufacturing apparatus uses hydrogen ions (H + ) generated by electrolysis of water in the anode electrolyte as a carrier. By passing a current between the anode 14 and the cathode 15, tetravalent titanium ions in the cathode electrolyte are reduced. Thereby, it is possible to prevent chlorine ions (Cl ) in the cathode electrolyte solution from moving into the anode electrolyte solution, and to more effectively prevent chlorine ions from being supplied to the anode reaction to generate chlorine gas. it can.

また、イオン交換膜12として陰イオンを選択的に通過させる陰イオン交換膜を用いる場合、例えばスチレン−ジビニルベンゼン共重合体を主鎖骨格とし、末端に四級アンモニウム基を有する炭化水素系イオン交換膜等を用いることができる。   When an anion exchange membrane that selectively allows passage of anions is used as the ion exchange membrane 12, for example, a hydrocarbon-based ion exchange having a styrene-divinylbenzene copolymer as a main chain skeleton and having a quaternary ammonium group at the end. A film or the like can be used.

このように、イオン交換膜12として陰イオン交換膜を用いる場合、陰極電解液中の塩素イオンが電荷を移動させるキャリアとなって陽極電解液中に移動することにより、陽極14と陰極15との間に電流を流すことを可能にする。この場合、キャリアの透過率を高くすることができるので、消費電力を抑制できる。また、イオン交換膜12として陰イオン交換膜を用いる場合、キャリアとなった塩素イオンは陽極反応により塩素ガスを生じるが、陽極電解液が硫酸イオン(SO 2−)を含むことにより、陽極反応に必要とされる以上に塩素イオンが反応することを抑制できる。具体的には、陽極電解液中の塩素イオンが空気中の窒素と反応して三塩化窒素等を生じることを防止することができる。As described above, when the anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane 12, the chlorine ions in the cathode electrolyte serve as carriers for transferring electric charges and move into the anode electrolyte to thereby form the anode 14 and the cathode 15. Allows current to flow in between. In this case, since the carrier transmittance can be increased, power consumption can be suppressed. Further, when an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane 12, the chlorine ions used as carriers generate chlorine gas by the anodic reaction, but the anodic electrolytic solution contains sulfate ions (SO 4 2− ), which causes the anodic reaction. It is possible to suppress the reaction of chlorine ions more than necessary for the above. Specifically, it is possible to prevent chlorine ions in the anode electrolyte from reacting with nitrogen in the air to generate nitrogen trichloride or the like.

また、イオン交換膜12として陰イオン交換膜を用いる利点としては、従来比較的多く使用されているイオン交換電解装置をそのまま使用することができるので、設備コストを抑制することができる点が挙げられる。   Further, as an advantage of using the anion exchange membrane as the ion exchange membrane 12, it is possible to use the ion exchange electrolysis apparatus which is comparatively often used in the related art as it is, and thus it is possible to suppress the facility cost. .

イオン交換膜12の平均厚さの下限としては、0.02mmが好ましく、0.05mmがより好ましい。一方、イオン交換膜12の平均厚さの上限としては、2mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。イオン交換膜12の平均厚さが上記下限に満たない場合、イオン交換膜12の強度を十分に確保できず、またイオン選択性(イオン交換容量)が低下するおそれがある。逆に、イオン交換膜12の平均厚さが上記上限を超える場合、イオンの透過性が低下することで電流密度が低下し、反応が非効率となるおそれがある。   The lower limit of the average thickness of the ion exchange membrane 12 is preferably 0.02 mm, more preferably 0.05 mm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the ion exchange membrane 12 is preferably 2 mm, more preferably 0.5 mm. If the average thickness of the ion exchange membrane 12 is less than the above lower limit, the strength of the ion exchange membrane 12 cannot be sufficiently secured, and the ion selectivity (ion exchange capacity) may be reduced. On the contrary, when the average thickness of the ion exchange membrane 12 exceeds the above upper limit, the ion permeability is lowered, so that the current density is lowered and the reaction may be inefficient.

陽極室11は、陰極室13とイオン交換膜12を介して区分されている。つまり、イオン交換膜12を通過可能なイオンは、陽極室11に貯留される陽極側の電解液と陰極室13に貯留される陰極側の電解液との間を移動することが可能である。   The anode chamber 11 is divided from the cathode chamber 13 via the ion exchange membrane 12. That is, the ions that can pass through the ion exchange membrane 12 can move between the electrolyte solution on the anode side stored in the anode chamber 11 and the electrolyte solution on the cathode side stored in the cathode chamber 13.

(陰極室)
陰極室13は、供給口16及び排出口17を有している。供給口16は、四塩化チタン溶液を供給するものであり、陰極室13の下方側に設けられている。排出口17は、三塩化チタン溶液を排出するものであり、陰極室13の上方側に設けられている。すなわち、電解槽1は、連続的に四塩化チタン溶液を供給することで連続的に三塩化チタン溶液を製造できる。
(Cathode chamber)
The cathode chamber 13 has a supply port 16 and a discharge port 17. The supply port 16 is for supplying a titanium tetrachloride solution, and is provided below the cathode chamber 13. The discharge port 17 is for discharging the titanium trichloride solution, and is provided above the cathode chamber 13. That is, the electrolytic cell 1 can continuously produce the titanium trichloride solution by continuously supplying the titanium tetrachloride solution.

ここで、「四塩化チタン溶液」とは、陰極室13に供給されるチタン溶液、及び陰極室13に存在するチタン溶液(四塩化チタンと三塩化チタンとの共存溶液)を含む。「三塩化チタン溶液」とは、電解槽1(陰極室13)の排出口17から排出される三価のチタンイオンを含有する溶液をいう。   Here, the “titanium tetrachloride solution” includes a titanium solution supplied to the cathode chamber 13 and a titanium solution existing in the cathode chamber 13 (a coexisting solution of titanium tetrachloride and titanium trichloride). The “titanium trichloride solution” refers to a solution containing trivalent titanium ions discharged from the discharge port 17 of the electrolytic cell 1 (cathode chamber 13).

<陽極>
陽極14は、陽極電解液から電子(e)を取り出すものである。陽極電解液から電子を取り出す反応としては、陽極電解液中の陰イオンから電子を奪って酸化する反応、及び陽極電解液中の水を電気分解して水素イオンと酸素(O)とを生じさせる反応がある。
<Anode>
The anode 14 takes out electrons (e ) from the anode electrolyte. As a reaction for taking out an electron from the anode electrolyte, a reaction of taking an electron from an anion in the anode electrolyte to oxidize it, and electrolyzing water in the anode electrolyte to generate hydrogen ions and oxygen (O 2 ). There is a reaction that causes it.

陽極14は、例えば板状に形成される。また、この陽極14は、導電性物質を含む多孔質体として形成されることが好ましい。導電性物質としては、電極材料として公知のものを使用でき、例えばチタン、導電性カーボン、ニッケル、酸化イリジウム等が挙げられ、中でもチタンが好ましい。また、陽極14としては、導電性物質の表面を耐腐食性の高い金属、例えば白金、金、ロジウム等で被覆したものを用いることもできる。   The anode 14 is formed in a plate shape, for example. Further, the anode 14 is preferably formed as a porous body containing a conductive substance. As the conductive substance, those known as electrode materials can be used, and examples thereof include titanium, conductive carbon, nickel, iridium oxide, and the like, and among these, titanium is preferable. As the anode 14, a conductive material whose surface is coated with a metal having high corrosion resistance, such as platinum, gold or rhodium, may be used.

陽極14を多孔質体に形成することで、陽極反応を促進でき、その結果陰極反応を促進して効率よく三塩化チタンを生成できる。   By forming the anode 14 in a porous body, the anodic reaction can be promoted, and as a result, the cathodic reaction can be promoted to efficiently produce titanium trichloride.

多孔質体は、公知の方法により形成することができる。例えば、導電化した発泡ウレタンフォーム等にメッキを施した後に焼成する方法、接着剤を塗着した発泡ウレタンフォーム等に金属粉末を付着させた後に焼成する方法、金属繊維を型枠内に充填した後に成形体を焼結する方法等により形成できる。   The porous body can be formed by a known method. For example, a method in which conductive urethane foam or the like is plated and then baked, a method in which metal powder is adhered to an adhesive-coated urethane foam or the like and then baked, and metal fibers are filled in a mold It can be formed by a method of sintering the molded body later.

多孔質体の気孔率としては、陽極電解液と接触面積を大きくして陽極反応を促進するために、30%以上99%以下が好ましい。ここで、気孔率は、JIS−Z2501(2000)「焼結金属材料−密度、含油率及び開放気孔率試験方法」に準じて測定した値である。   The porosity of the porous body is preferably 30% or more and 99% or less in order to increase the contact area with the anode electrolyte and promote the anodic reaction. Here, the porosity is a value measured according to JIS-Z2501 (2000) "Sintered metal material-Density, oil content and open porosity test method".

陽極14の平均厚さの下限としては、0.2mmが好ましく、0.5mmがより好ましい。一方、陽極14の平均厚さの上限としては、5mmが好ましく、2mmがより好ましい。陽極14の平均厚さが上記下限に満たない場合、陽極14の電気抵抗値が大きくなり陰極15に供給される電子が少なくなるおそれがある。逆に、陽極14の平均厚さが上記上限を超える場合、陽極14における分子の移動距離が大きくなり陽極反応の効率が低下するおそれがある。   The lower limit of the average thickness of the anode 14 is preferably 0.2 mm, more preferably 0.5 mm. On the other hand, the upper limit of the average thickness of the anode 14 is preferably 5 mm, more preferably 2 mm. If the average thickness of the anode 14 is less than the above lower limit, the electric resistance value of the anode 14 may increase and the number of electrons supplied to the cathode 15 may decrease. On the contrary, when the average thickness of the anode 14 exceeds the above upper limit, the migration distance of molecules in the anode 14 becomes large and the efficiency of the anodic reaction may decrease.

<陰極>
陰極15は、四価のチタンイオン(Ti4+)を三価のチタンイオン(Ti3+)に還元、つまり四価のチタンイオンに電子を付加するものである。この陰極15は、例えば板状に形成される。陰極15は、下端部が電解槽1の供給口16の正面に位置するように配置される。このように陰極15を配置することで、陰極15の下端部に向けて供給口16から四塩化チタン溶液が供給される。一方、排出口17は、供給口16の上方に配置されている。そのため、陰極室13には、陰極15の表面に沿って陰極15の下端部から上端部に向けた流れが生じ、陰極反応によって生成した三塩化チタンを排出口17に効率よく導くことができる。
<Cathode>
The cathode 15 reduces tetravalent titanium ions (Ti 4+ ) to trivalent titanium ions (Ti 3+ ), that is, adds electrons to the tetravalent titanium ions. The cathode 15 is formed in a plate shape, for example. The cathode 15 is arranged such that the lower end portion thereof is located in front of the supply port 16 of the electrolytic cell 1. By disposing the cathode 15 in this manner, the titanium tetrachloride solution is supplied from the supply port 16 toward the lower end of the cathode 15. On the other hand, the discharge port 17 is arranged above the supply port 16. Therefore, in the cathode chamber 13, a flow from the lower end to the upper end of the cathode 15 is generated along the surface of the cathode 15, and titanium trichloride generated by the cathode reaction can be efficiently guided to the discharge port 17.

この陰極15としては、導電性及び塩酸に対する耐腐食性を有すれば特に制限はなく、鉄等の導電性金属、合金、黒鉛等が用いられる。また、陰極15としては、導電性金属の表面を耐腐食性の高い金属、例えば白金、金、ロジウム等で被覆したものを用いることもできる。   The cathode 15 is not particularly limited as long as it has conductivity and corrosion resistance to hydrochloric acid, and a conductive metal such as iron, an alloy, graphite or the like is used. Further, as the cathode 15, a conductive metal whose surface is coated with a metal having high corrosion resistance, such as platinum, gold, or rhodium, may be used.

当該三塩化チタン溶液の製造装置は、イオン交換膜12が陽イオン交換膜である場合には、イオン交換膜12と陽極14との間に配設され、水の電気分解の反応速度を増加させる触媒層(不図示)を有してもよい。この触媒層は、好ましくは、陽極14及びイオン交換膜12の双方に接触するよう配設される。   When the ion exchange membrane 12 is a cation exchange membrane, the titanium trichloride solution manufacturing apparatus is arranged between the ion exchange membrane 12 and the anode 14 to increase the reaction rate of electrolysis of water. It may have a catalyst layer (not shown). This catalyst layer is preferably arranged so as to contact both the anode 14 and the ion exchange membrane 12.

このように、触媒層が陽極14とイオン交換膜12との間に固定されることで、触媒層に対して効率よく水が供給されると共に陽極反応によって生成した水素イオンが効率よくイオン交換膜12を透過する。そのため、陽極14において水から効率よく電子を受け取ってそれを陰極15に供給できるため、四塩化チタンを効率よく還元できる。一方、陰極室13において、陰極反応によって生成した塩素イオンと水素イオンとが共存するため、陰極反応によって生成される三塩化チタンの酸化劣化を効果的に抑制できる。   Thus, the catalyst layer is fixed between the anode 14 and the ion exchange membrane 12, so that water is efficiently supplied to the catalyst layer and hydrogen ions generated by the anodic reaction are efficiently ion-exchange membrane. Through twelve. Therefore, the anode 14 can efficiently receive electrons from water and supply them to the cathode 15, so that titanium tetrachloride can be efficiently reduced. On the other hand, in the cathode chamber 13, since chlorine ions and hydrogen ions produced by the cathode reaction coexist, oxidative deterioration of titanium trichloride produced by the cathode reaction can be effectively suppressed.

触媒層は、例えば触媒用イオンを含む溶液を陽極14又はイオン交換膜12に含浸させた後に陽極14とイオン交換膜12とを積層し、触媒用イオンを還元することで形成することができる。触媒層を構成する材料としては、例えば白金、ロジウム、酸化イリジウム等の貴金属が挙げられる。   The catalyst layer can be formed, for example, by impregnating the anode 14 or the ion exchange membrane 12 with a solution containing catalyst ions, then stacking the anode 14 and the ion exchange membrane 12 and reducing the catalyst ions. Examples of the material forming the catalyst layer include noble metals such as platinum, rhodium, and iridium oxide.

<電源>
電源2は、陽極14と陰極15との間に直流電圧を印加するためのものである。この電源2としては、所定の電圧を印加できるものであれば特に限定はなく、公知の直流電源装置を使用することができる。
<Power supply>
The power supply 2 is for applying a DC voltage between the anode 14 and the cathode 15. The power supply 2 is not particularly limited as long as it can apply a predetermined voltage, and a known DC power supply device can be used.

<陽極電解液>
上述のように、陽極室11には、陽極電解液として、硫酸イオンを含む水溶液が貯留される。硫酸イオンを含む水溶液としては、硫酸の他、例えば硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩の水溶液を用いることができる。また、陽極電解液は、例えば陽極室11と陰極室13との浸透圧差を調整する浸透圧調整剤等の添加剤等を含有してもよい。
<Anode electrolyte>
As described above, in the anode chamber 11, an aqueous solution containing sulfate ions is stored as the anode electrolyte. As the aqueous solution containing sulfate ions, in addition to sulfuric acid, an aqueous solution of sulfate such as sodium sulfate and calcium sulfate can be used. Further, the anode electrolyte may contain an additive such as an osmotic pressure adjusting agent for adjusting the osmotic pressure difference between the anode chamber 11 and the cathode chamber 13, for example.

陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度の下限としては、0.05mol/Lが好ましく、0.1mol/Lがより好ましく、0.2mol/Lがさらに好ましい。一方、陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度の上限としては、2mol/Lが好ましく、1mol/Lがより好ましく、0.7mol/Lがさらに好ましい。陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度が上記下限に満たない場合、陽極反応を十分に促進できないおそれや、塩素ガスの発生を十分に抑制できないおそれがある。逆に、陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度が上記上限を超える場合、陽極電解液の浸透圧が高くなり過ぎることにより、キャリアの移動が抑制され、反応効率が低下するおそれがある。   The lower limit of the molar concentration of sulfate ions in the anode electrolyte is preferably 0.05 mol / L, more preferably 0.1 mol / L, and even more preferably 0.2 mol / L. On the other hand, the upper limit of the molar concentration of sulfate ions in the anode electrolyte is preferably 2 mol / L, more preferably 1 mol / L, and even more preferably 0.7 mol / L. If the molar concentration of sulfate ions in the anode electrolyte is less than the above lower limit, the anode reaction may not be promoted sufficiently or the generation of chlorine gas may not be suppressed sufficiently. On the contrary, when the molar concentration of sulfate ion in the anode electrolyte exceeds the above upper limit, the osmotic pressure of the anode electrolyte becomes too high, which may suppress the movement of carriers and reduce the reaction efficiency.

陽極電解液は、硫酸イオン以外の陰イオンの濃度が小さいことが好ましい。陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度の他の陰イオンの合計モル濃度に対する比の下限としては、1が好ましく、10がより好ましく、20がさらに好ましく、50がさらにより好ましい。一方、陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度の他の陰イオンの合計モル濃度に対する比の上限としては、特に限定されない。陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度の他の陰イオンの合計モル濃度に対する比が上記下限に満たない場合、陽極反応による塩素ガスの生成を十分に抑制できないおそれや、他の陰イオンに起因して好ましくない反応が生じるおそれがある。   The anode electrolyte preferably has a low concentration of anions other than sulfate ions. As a lower limit of the ratio of the molar concentration of sulfate ion to the total molar concentration of other anions in the anode electrolyte, 1 is preferable, 10 is more preferable, 20 is further preferable, and 50 is even more preferable. On the other hand, the upper limit of the ratio of the molar concentration of sulfate ions to the total molar concentration of other anions in the anode electrolyte is not particularly limited. If the ratio of the molar concentration of sulfate ion to the total molar concentration of other anions in the anode electrolyte is less than the above lower limit, the generation of chlorine gas due to the anode reaction may not be sufficiently suppressed, or due to other anions. Unfavorable reaction may occur.

イオン交換膜12が陽イオン交換膜である場合、陽極電解液中の金属イオンは、イオン交換膜12を通して陰極電解液に移動し得る。従って、イオン交換膜12が陽イオン交換膜である場合には、陽極電解液中の金属イオンの合計濃度ができるだけ低いことが好ましい。陽極電解液中の金属イオンの合計モル濃度の上限としては、硫酸イオンのモル濃度の10分の1が好ましく、20分の1がより好ましく、50分の1がさらに好ましい。陽極電解液中の金属イオンの合計モル濃度が上記上限を超える場合、陽極電解液中の金属イオンが陰極電解液中に移動し、陰極から供給される電子を消費して還元されることでチタンイオンの還元を阻害するおそれや、得られる三塩化チタン溶液に不純物として混入することによって品質を低下させるおそれがある。   When the ion exchange membrane 12 is a cation exchange membrane, metal ions in the anode electrolyte can move to the cathode electrolyte through the ion exchange membrane 12. Therefore, when the ion exchange membrane 12 is a cation exchange membrane, it is preferable that the total concentration of metal ions in the anode electrolyte is as low as possible. The upper limit of the total molar concentration of metal ions in the anode electrolyte is preferably 1/10 of the molar concentration of sulfate ions, more preferably 1/20, and even more preferably 1/50. When the total molar concentration of the metal ions in the anode electrolyte exceeds the above upper limit, the metal ions in the anode electrolyte move into the cathode electrolyte and titanium is reduced by consuming and reducing the electrons supplied from the cathode. There is a possibility that the reduction of ions may be hindered or that the quality may be deteriorated by being mixed as an impurity in the obtained titanium trichloride solution.

陽極電解液中に含まれ得る浸透圧調整剤としては、例えばクエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、これらの塩等が挙げられ、それらの一種又は二種以上を組み合わせて使用することができる。浸透圧調整剤の添加量は、例えば目標とする浸透圧差、使用する浸透圧調整剤の種類等に応じて決定され、例えば0mol/L超2mol/L以下とされる。浸透圧調整剤の添加量が上記上限を超えると、陰極電解液中にチタンイオン以外のイオンを増加させてチタンイオンの還元が阻害されるおそれがある。   Examples of the osmotic pressure adjusting agent that may be contained in the anode electrolyte include citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, tartaric acid, malic acid, fumaric acid, maleic acid, itaconic acid, phthalic acid. , Isophthalic acid, terephthalic acid, salts thereof, and the like, and one kind or a combination of two or more kinds thereof can be used. The addition amount of the osmotic pressure adjusting agent is determined depending on, for example, the target osmotic pressure adjusting agent, the type of the osmotic pressure adjusting agent used, and the like, and is, for example, more than 0 mol / L and 2 mol / L or less. When the addition amount of the osmotic pressure adjusting agent exceeds the above upper limit, ions other than titanium ions may be increased in the cathode electrolytic solution and the reduction of titanium ions may be hindered.

<陰極電解液>
上述のように、陰極室13には、陰極電解液として、電解還元により三塩化チタン溶液を生成する四塩化チタン溶液が供給される。この陰極電解液は、塩酸を含むことが好ましい。陰極室13に供給される電解前の四塩化チタン溶液には、電解還元により生成した三価のチタンイオンが四価のチタンイオンに酸化されることを抑制する酸化抑制剤が加えられることが好ましい。電解槽1(陰極室13)への四塩化チタン溶液の供給流量は、例えば排出口17での三価のチタンイオンの濃度が、三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計量に対する比率で、好ましくは90mol%以上、より好ましくは略100mol%となるように設定される。
<Cathode electrolyte>
As described above, the cathode chamber 13 is supplied with a titanium tetrachloride solution that produces a titanium trichloride solution by electrolytic reduction as the cathode electrolyte. The cathode electrolyte preferably contains hydrochloric acid. It is preferable that an oxidation inhibitor that suppresses the oxidation of trivalent titanium ions generated by electrolytic reduction to tetravalent titanium ions is added to the titanium tetrachloride solution before electrolysis that is supplied to the cathode chamber 13. . The supply flow rate of the titanium tetrachloride solution to the electrolytic cell 1 (cathode chamber 13) is, for example, the ratio of the concentration of trivalent titanium ions at the outlet 17 to the total amount of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions. Therefore, it is preferably set to 90 mol% or more, more preferably about 100 mol%.

上記陰極電解液のチタンイオンの濃度(三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計濃度)の下限としては、0.05mol/Lが好ましく、0.1mol/Lがより好ましく、0.2mol/Lがさらに好ましい。一方、陰極電解液のチタンイオンの濃度の上限としては、2mol/Lが好ましく、1mol/Lがより好ましく、0.7mol/Lがさらに好ましい。陰極電解液のチタンイオンの濃度が上記下限に満たない場合、陰極反応を十分に促進できないおそれや、得られる三塩化チタン溶液の濃度が不十分となるおそれがある。逆に、陰極電解液中のチタンイオンの濃度が上記上限を超える場合、未反応の四塩化チタンが多くなり、得られる三塩化チタン溶液の品質が不十分となるおそれがある。   The lower limit of the titanium ion concentration (total concentration of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions) of the cathode electrolyte is preferably 0.05 mol / L, more preferably 0.1 mol / L, and 0.2 mol. / L is more preferable. On the other hand, the upper limit of the titanium ion concentration of the cathode electrolyte is preferably 2 mol / L, more preferably 1 mol / L, and even more preferably 0.7 mol / L. If the titanium ion concentration of the cathode electrolyte is less than the above lower limit, the cathode reaction may not be sufficiently promoted, or the concentration of the titanium trichloride solution obtained may be insufficient. On the contrary, when the concentration of titanium ions in the cathode electrolyte exceeds the above upper limit, the amount of unreacted titanium tetrachloride increases, and the quality of the titanium trichloride solution obtained may be insufficient.

上記塩酸の濃度の上限としては、特に限定されないが、2mol/Lが好ましい。一方、塩酸の濃度の下限としては、0.5mol/Lが好ましく、1.5mol/Lがより好ましい。当該三塩化チタン溶液は、塩酸を上記濃度で含むことで、三価のチタンイオンの酸化劣化をより効果的に抑制でき保存性に優れたものとなる。   The upper limit of the concentration of hydrochloric acid is not particularly limited, but 2 mol / L is preferable. On the other hand, the lower limit of the concentration of hydrochloric acid is preferably 0.5 mol / L, more preferably 1.5 mol / L. By containing hydrochloric acid in the above concentration, the titanium trichloride solution can more effectively suppress the oxidative deterioration of trivalent titanium ions and has excellent storage stability.

上記酸化抑制剤としては、2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸の塩が好ましい。これらのカルボン酸又はカルボン酸塩は、三価のチタンイオンに配位し、チタン錯体を形成する。これにより、三価のチタンイオンと酸素とが接近する頻度を少なくし、三価のチタンイオンの酸化を効果的に抑制する。   The oxidation inhibitor is preferably a carboxylic acid having two or more carboxyl groups or a salt of this carboxylic acid. These carboxylic acids or carboxylic acid salts coordinate with trivalent titanium ions to form a titanium complex. This reduces the frequency with which trivalent titanium ions and oxygen approach each other, and effectively suppresses the oxidation of trivalent titanium ions.

酸化抑制剤としては、例えばクエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、これらの塩等が挙げられ、それらの一種又は二種以上を組み合わせて使用することができる。   Examples of the oxidation inhibitor include citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, tartaric acid, malic acid, fumaric acid, maleic acid, itaconic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, and the like. Salts and the like can be mentioned, and one kind or a combination of two or more kinds thereof can be used.

陰極室13に供給される四塩化チタン溶液(電解前の陰極電解液)中の酸化抑制剤のモル濃度の下限としては、陰極電解液中の三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計モル濃度に対し、0.1倍が好ましく、0.15倍がより好ましい。一方、陰極室13に供給される四塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度の上限としては、上記チタンイオンの合計モル濃度の2倍が好ましく、1.5倍がより好ましい。陰極室13に供給される四塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度が上記下限に満たない場合、三価のチタンイオンの酸化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、陰極室13に供給される四塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度が上記上限を超える場合、四価のチタンイオンの還元及び陽極室11及び陰極室13間のキャリアの移動を阻害するおそれがある。   The lower limit of the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium tetrachloride solution (cathode electrolyte solution before electrolysis) supplied to the cathode chamber 13 is the total of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions in the cathode electrolyte solution. The molar concentration is preferably 0.1 times, more preferably 0.15 times. On the other hand, the upper limit of the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium tetrachloride solution supplied to the cathode chamber 13 is preferably twice the total molar concentration of the titanium ions, more preferably 1.5 times. If the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium tetrachloride solution supplied to the cathode chamber 13 is less than the above lower limit, the oxidation of trivalent titanium ions may not be sufficiently suppressed. On the contrary, when the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium tetrachloride solution supplied to the cathode chamber 13 exceeds the above upper limit, reduction of tetravalent titanium ions and movement of carriers between the anode chamber 11 and the cathode chamber 13 are prevented. May interfere.

また、陰極室13で生成される三塩化チタン溶液(電解後の陰極電解液)に、さらに酸化抑制剤を添加することが好ましい。特に、イオン交換膜12として陰イオン交換膜を使用する場合、陰極電解液中の塩素イオンが陽極室11に移動し、陰極電解液中の三価のチタンイオンが酸化して酸化チタンになることを塩素イオンにより抑制する機能が低下し易いので、三価のチタンイオンの濃度を維持できるようにするために電解反応後の陰極電解液に酸化抑制剤を添加することがより効果的である。   Further, it is preferable to further add an oxidation inhibitor to the titanium trichloride solution (cathode electrolyte solution after electrolysis) generated in the cathode chamber 13. In particular, when an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane 12, chlorine ions in the cathode electrolyte move to the anode chamber 11, and trivalent titanium ions in the cathode electrolyte are oxidized to titanium oxide. Since the function of suppressing chloride by chloride ions is likely to decrease, it is more effective to add an oxidation inhibitor to the cathode electrolyte after the electrolytic reaction in order to maintain the concentration of trivalent titanium ions.

電解後に酸化抑制剤を添加した三塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度の下限としては、陰極電解液中の三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計モル濃度に対し、0.3倍が好ましく、0.4倍がより好ましい。一方、三塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度の上限としては、上記チタンイオンの合計モル濃度の5倍が好ましく、2倍がより好ましい。三塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度が上記下限に満たない場合、三価のチタンイオンの酸化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、三塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度が上記上限を超える場合、不必要にコストが上昇するおそれや、得られる三塩化チタン溶液の用途に制限を与えるおそれがある。   The lower limit of the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium trichloride solution to which the oxidation inhibitor has been added after electrolysis is 0. with respect to the total molar concentration of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions in the cathode electrolyte. 3 times is preferable and 0.4 times is more preferable. On the other hand, the upper limit of the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium trichloride solution is preferably 5 times, more preferably 2 times, the total molar concentration of the titanium ions. If the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium trichloride solution is less than the above lower limit, the oxidation of trivalent titanium ions may not be sufficiently suppressed. On the contrary, when the molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium trichloride solution exceeds the above upper limit, the cost may be unnecessarily increased or the use of the obtained titanium trichloride solution may be limited.

[三塩化チタンの製造方法]
続いて、当該三塩化チタン溶液の製造装置を用いて行うことができる本発明の別の実施形態に係る三塩化チタン溶液の製造方法について説明する。
[Method for producing titanium trichloride]
Then, the manufacturing method of the titanium trichloride solution which concerns on another embodiment of this invention which can be performed using the said titanium trichloride solution manufacturing apparatus is demonstrated.

当該三塩化チタン溶液の製造方法は、イオン交換電解還元法により電解液中の四塩化チタンを還元する三塩化チタン溶液の製造方法である。   The method for producing the titanium trichloride solution is a method for producing a titanium trichloride solution in which titanium tetrachloride in the electrolytic solution is reduced by an ion exchange electrolytic reduction method.

当該三塩化チタン溶液の製造方法は、上述の三塩化チタン溶液の製造装置について説明したように、陽極14側の電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用いる。つまり、当該三塩化チタンの製造方法では、陽極室11に硫酸イオンを含む水溶液を貯留すると共に陰極室13に四塩化チタン溶液を貯留し、陽極14と陰極15との間に電圧を印加することによって、陰極室13中の四塩化チタンを電解還元して三塩化チタン溶液を製造する。   In the method for producing the titanium trichloride solution, an aqueous solution containing sulfate ions is used as the electrolytic solution on the anode 14 side, as described above with respect to the titanium trichloride solution producing apparatus. That is, in the titanium trichloride manufacturing method, an aqueous solution containing sulfate ions is stored in the anode chamber 11, a titanium tetrachloride solution is stored in the cathode chamber 13, and a voltage is applied between the anode 14 and the cathode 15. Thus, titanium tetrachloride in the cathode chamber 13 is electrolytically reduced to produce a titanium trichloride solution.

<電圧の印加>
電圧の印加は、電源2により行われる。印加電圧は、3V以上10V以下が好ましく、典型的には5Vとされる。また、電流密度は、20mA/cm以上40mA/cm以下が好ましく、典型的には30mA/cmとされる。
<Application of voltage>
The voltage is applied by the power supply 2. The applied voltage is preferably 3 V or more and 10 V or less, and is typically 5 V. The current density is preferably from 20 mA / cm 2 or more 40 mA / cm 2 or less, and typically are 30 mA / cm 2.

当該三塩化チタン溶液の製造方法は、陰極室13に酸化抑制剤を加える工程を有することが好ましい。つまり、当該三塩化チタン溶液の製造方法では、好ましくは電解前の陰極電解液又は電解後の陰極電解液に、より好ましくは電解前及び電解後の陰極電解液に、上述のモル濃度となるよう酸化抑制剤を添加することが好ましい。これにより、製造される三塩化チタン溶液の保存安定性を向上することができる。   The method for producing the titanium trichloride solution preferably has a step of adding an oxidation inhibitor to the cathode chamber 13. That is, in the method for producing the titanium trichloride solution, preferably the cathode electrolyte before electrolysis or the cathode electrolyte after electrolysis, more preferably the cathode electrolyte after electrolysis and after the electrolysis, so that the above-mentioned molar concentration is obtained. It is preferable to add an oxidation inhibitor. Thereby, the storage stability of the manufactured titanium trichloride solution can be improved.

<利点>
当該三塩化チタン溶液の製造装置及び当該三塩化チタン溶液の製造方法は、陽極14側の電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用いることによって、陽極14側の電解液の塩素イオン濃度を低く抑え、不必要に塩素や塩化物が生成されることを防止して、塩素系ガスの発生量を抑制できる。
<Advantages>
The apparatus for producing the titanium trichloride solution and the method for producing the titanium trichloride solution use an aqueous solution containing sulfate ions as the electrolyte solution on the anode 14 side, thereby suppressing the chloride ion concentration of the electrolyte solution on the anode 14 side to be low. It is possible to prevent chlorine and chloride from being unnecessarily generated and suppress the amount of chlorine-based gas generated.

[その他の実施形態]
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
[Other Embodiments]
The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is not limited to the configurations of the above-described embodiments, but is defined by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.

当該三塩化チタン溶液の製造装置において、陽極や陰極が、電解還元反応において生成される気体を透過させる気体通路を有していてもよい。   In the titanium trichloride solution manufacturing apparatus, the anode or the cathode may have a gas passage that allows a gas generated in the electrolytic reduction reaction to pass therethrough.

また、当該三塩化チタン溶液の製造装置は、電源装置を備えず、外部から電圧が印加されるものであってもよい。   In addition, the titanium trichloride solution manufacturing apparatus may not be equipped with a power supply device, and a voltage may be applied from the outside.

また、上記実施形態では、電解槽には四塩化チタン溶液が連続的に供給される場合を説明したが、回分式(バッチ式)で四塩化チタン溶液から三塩化チタン溶液を製造するようにしてもよい。   Further, in the above embodiment, the case where the titanium tetrachloride solution is continuously supplied to the electrolytic cell has been described. However, the titanium trichloride solution is produced from the titanium tetrachloride solution in a batch system (batch system). Good.

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limitedly interpreted based on the description of the examples.

図1の三塩化チタン溶液の製造装置に準じた製造装置を用い、製造条件を異ならせて三塩化チタン溶液の試作例1〜5の製造を行った。三塩化チタン溶液の製造装置は、密閉空間内に配置し、この空間内の塩素ガス濃度の変化を確認できるようにした。   Using the manufacturing apparatus according to the manufacturing apparatus of the titanium trichloride solution of FIG. 1, the manufacturing conditions were changed and the trial manufacture examples 1-5 of the titanium trichloride solution were manufactured. The titanium trichloride solution manufacturing apparatus was placed in a closed space so that changes in the chlorine gas concentration in this space could be confirmed.

(試作例1)
イオン交換膜として陰イオン交換膜を用い、陰極電解液として0.4mol/Lの四塩化チタン、1.0mol/Lの塩酸及び酸化抑制剤として0.08mol/Lのクエン酸三ナトリウムを含む水溶液を用い、かつ陽極電解液として0.4mol/Lの硫酸ナトリウム水溶液を用いて電解還元を行って、三塩化チタン溶液を製造した。この電解還元直後の陰極電解液に、さらに酸化抑制剤として陰極電解液1L当たり0.2molのクエン酸三ナトリウムを加えることにより、三塩化チタン溶液の試作例1を得た。
(Prototype example 1)
Anion exchange membrane is used as an ion exchange membrane, an aqueous solution containing 0.4 mol / L titanium tetrachloride as a cathode electrolyte, 1.0 mol / L hydrochloric acid and 0.08 mol / L trisodium citrate as an oxidation inhibitor. Was used and electrolytic reduction was performed using a 0.4 mol / L sodium sulfate aqueous solution as an anode electrolyte to produce a titanium trichloride solution. A trial production example 1 of titanium trichloride solution was obtained by adding 0.2 mol of trisodium citrate per 1 L of the cathode electrolyte as an oxidation inhibitor to the cathode electrolyte immediately after the electrolytic reduction.

(試作例2)
陽極電解液として金属イオンを含まない0.4mol/Lの硫酸を用いたこと及びイオン交換膜として陽イオン交換膜を用いたこと以外は、上記試作例1と同じ条件で三塩化チタン溶液の試作例2を得た。
(Prototype example 2)
Trial production of titanium trichloride solution under the same conditions as in Prototype Example 1 above, except that 0.4 mol / L sulfuric acid containing no metal ions was used as the anode electrolyte and a cation exchange membrane was used as the ion exchange membrane. Example 2 was obtained.

(試作例3)
電解還元直後に加えるクエン酸三ナトリウムの量を陰極電解液1L当たり0.1molとした以外は、上記試作例1と同じ条件で三塩化チタン溶液の試作例3を得た。
(Prototype example 3)
Prototype Example 3 of titanium trichloride solution was obtained under the same conditions as in Prototype Example 1 above, except that the amount of trisodium citrate added immediately after electrolytic reduction was 0.1 mol per 1 L of the cathode electrolyte.

(試作例4)
電解還元後にはクエン酸三ナトリウムを加えないようにした以外は、上記試作例1と同じ条件で三塩化チタン溶液の試作例4を得た。
(Prototype example 4)
A trial production example 4 of a titanium trichloride solution was obtained under the same conditions as the trial production example 1 except that trisodium citrate was not added after the electrolytic reduction.

(試作例5)
陽極電解液として0.4mol/Lの塩酸を用いた以外は、上記試作例1と同じ条件で三塩化チタン溶液の試作例5を得た。
(Prototype example 5)
Prototype Example 5 of titanium trichloride solution was obtained under the same conditions as in Prototype Example 1 above, except that 0.4 mol / L hydrochloric acid was used as the anode electrolyte.

(塩素ガス濃度)
上記三塩化チタン溶液の試作例1〜5の製造における電解還元の終了直前に、三塩化チタン溶液の製造装置を配置した密閉空間内の塩素濃度を、ジコー社のポータブルガス検知器「ガスアラートエクストリームGAXT−C−DL」を用いて測定した。
(Chlorine gas concentration)
Immediately before the end of electrolytic reduction in the production of the above-mentioned titanium trichloride solution prototypes 1 to 5, the chlorine concentration in the closed space in which the titanium trichloride solution production apparatus was placed was measured by using a gas detector "Gas Alert Extreme" by Zicco. "GAXT-C-DL".

(保存試験)
上記三塩化チタン溶液の試作例1〜5を3600時間保存し、保存の前後で三価のチタンイオン濃度をJIS−K0050(2011)に準拠し、硫酸セリウム溶液(IV)を用いた酸化還元滴定により測定し、保存後の三価のチタンイオン濃度の製造直後の三価のチタンイオン濃度に対する比(表1に保存後のチタンイオン濃度比として示す)を算出した。また、保存後の三塩化チタン溶液の状態を目視により確認し、酸化チタン(TiO)の沈殿物が生じているか否かを確認した。
(Storage test)
Prototype Examples 1 to 5 of the titanium trichloride solution were stored for 3600 hours, and the trivalent titanium ion concentration before and after storage was based on JIS-K0050 (2011), and redox titration using a cerium sulfate solution (IV). The ratio of the trivalent titanium ion concentration after storage to the trivalent titanium ion concentration immediately after production (shown in Table 1 as the titanium ion concentration ratio after storage) was calculated. In addition, the state of the titanium trichloride solution after storage was visually confirmed to determine whether or not a titanium oxide (TiO 2 ) precipitate was formed.

次の表1に、上記三塩化チタン溶液の試作例1〜5の製造条件並びに上記塩素ガス濃度の測定結果及び保存試験の結果をまとめて示す。なお、表中の電解終了時の塩素ガス濃度における「>500ppm」との記載は、使用したガス検知器の検出限界の上限である500ppmを超えていたことを意味する。   Table 1 below collectively shows the production conditions of the above-mentioned trial production examples 1 to 5 of the titanium trichloride solution, the measurement result of the chlorine gas concentration and the result of the storage test. In the table, “> 500 ppm” in the chlorine gas concentration at the end of electrolysis means that the upper limit of the detection limit of the gas detector used was 500 ppm.

Figure 0006687637
Figure 0006687637

表1に示すように、陽極電解液として硫酸イオンを含む水溶液を用いた試作例1〜4では、電解終了時の塩素ガス濃度が300ppm以下を示し、塩素ガスの発生を抑制できることが確認された。特に、イオン交換膜として陽イオン交換膜を用い、陽極電解液として金属イオンを含まない硫酸を用いた試作例2では、電解終了時の塩素ガス濃度が1ppm以下となり、塩素ガスの発生量を大きく低減できることが確認された。また、試作例1、3、4を参照して、電解還元直後に酸化抑制剤を加えることによって、保存後の三塩化チタン溶液中の酸化チタンの沈殿物の発生を防止し、三価のチタンイオン濃度をより高められることがわかった。   As shown in Table 1, in Prototype Examples 1 to 4 using an aqueous solution containing sulfate as the anode electrolyte, the chlorine gas concentration at the end of electrolysis was 300 ppm or less, and it was confirmed that the generation of chlorine gas can be suppressed. . Particularly, in Prototype Example 2 in which a cation exchange membrane was used as the ion exchange membrane and sulfuric acid containing no metal ions was used as the anode electrolyte, the chlorine gas concentration at the end of electrolysis was 1 ppm or less, and the generation amount of chlorine gas was large. It was confirmed that it could be reduced. In addition, referring to Prototype Examples 1, 3, and 4, by adding an oxidation inhibitor immediately after electrolytic reduction, the generation of titanium oxide precipitates in the titanium trichloride solution after storage was prevented, and trivalent titanium was obtained. It was found that the ion concentration can be increased.

1 電解槽
2 電源
11 陽極室
12 イオン交換膜
13 陰極室
14 陽極
15 陰極
16 供給口
17 排出口
1 Electrolyzer 2 Power Supply 11 Anode Chamber 12 Ion Exchange Membrane 13 Cathode Chamber 14 Anode 15 Cathode 16 Supply Port 17 Discharge Port

Claims (8)

三塩化チタン溶液の製造装置を用いて、イオン交換電解還元法により電解液中の四塩化チタンを還元する三塩化チタン溶液の製造方法であって、
上記製造装置が、陽極電解液を貯留する陽極室、上記陽極室とイオン交換膜により区画され、上記四塩化チタン溶液及び三塩化チタン溶液を含む陰極電解液を貯留する陰極室、上記陽極室の陽極電解液に浸漬される陽極、及び上記陰極室の上記陰極電解液に浸漬される陰極を備え、
上記陽極電解液として、硫酸イオンを含む水溶液を用い
上記三塩化チタン溶液に酸化抑制剤を添加する工程を有し、
上記陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度が0.05mol/L以上2mol/L以下であり、
上記陰極電解液中のチタンイオンの濃度が0.05mol/L以上2mol/L以下であり、
上記酸化抑制剤を添加した三塩化チタン溶液中の酸化抑制剤のモル濃度が、上記陰極電解液中の三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計モル濃度に対して0.3倍以上5倍以下であり、
上記陽極の平均厚さが0.2mm以上5mm以下であり、
上記陽極及び陰極間の印加電圧が3V以上10V以下である三塩化チタン溶液の製造方法。
A method for producing a titanium trichloride solution in which titanium tetrachloride in an electrolytic solution is reduced by an ion exchange electrolytic reduction method using a production apparatus for a titanium trichloride solution,
The manufacturing apparatus is an anode chamber that stores an anode electrolyte, is partitioned by the ion exchange membrane with the anode chamber, a cathode chamber that stores a cathode electrolyte containing the titanium tetrachloride solution and titanium trichloride solution, and the anode chamber An anode immersed in an anode electrolyte, and a cathode immersed in the cathode electrolyte of the cathode chamber,
As the positive electrode electrolytic solution, an aqueous solution containing sulfate ions,
Having a step of adding an oxidation inhibitor to the titanium trichloride solution,
The sulfate ion has a molar concentration of 0.05 mol / L or more and 2 mol / L or less,
The concentration of titanium ions in the cathode electrolyte is 0.05 mol / L or more and 2 mol / L or less,
The molar concentration of the oxidation inhibitor in the titanium trichloride solution added with the oxidation inhibitor is 0.3 times or more the total molar concentration of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions in the cathode electrolyte. 5 times or less,
The average thickness of the anode is 0.2 mm or more and 5 mm or less,
Method for producing a titanium trichloride solution applied voltage is Ru der more than 10V 3V between the anode and cathode.
上記陽極側の電解液中の上記硫酸イオンのモル濃度が、他の陰イオンの合計モル濃度以上である請求項1に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to claim 1, wherein a molar concentration of the sulfate ion in the electrolyte solution on the anode side is equal to or higher than a total molar concentration of other anions. 上記イオン交換膜が陽イオン交換膜である請求項1又は請求項2に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to claim 1 or 2, wherein the ion exchange membrane is a cation exchange membrane. 上記陽極側の電解液中の金属イオンの合計モル濃度が上記硫酸イオンのモル濃度の10分の1以下である請求項3に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to claim 3, wherein the total molar concentration of the metal ions in the electrolyte solution on the anode side is 1/10 or less of the molar concentration of the sulfate ions. 上記イオン交換膜が陰イオン交換膜である請求項1又は請求項2に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to claim 1 or 2, wherein the ion exchange membrane is an anion exchange membrane. 上記陰極側の電解液に酸化抑制剤を加える工程を有する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of adding an oxidation inhibitor to the electrolyte solution on the cathode side. 上記酸化抑制剤として、2以上のカルボキシル基を有するカルボン酸又はこのカルボン酸の塩を用いる請求項6に記載の三塩化チタン溶液の製造方法。   The method for producing a titanium trichloride solution according to claim 6, wherein a carboxylic acid having two or more carboxyl groups or a salt of this carboxylic acid is used as the oxidation inhibitor. 水溶液中の四塩化チタンの電解還元により三塩化チタン溶液を製造する装置であって、
陽極電解液を貯留する陽極室、上記陽極室とイオン交換膜により区画され、上記四塩化チタン溶液及び三塩化チタン溶液を含む陰極電解液を貯留する陰極室、上記陽極室の陽極電解液に浸漬される陽極、及び上記陰極室の陰極電解液に浸漬される陰極を備え、
上記陽極電解液が硫酸イオンを含み、
上記陽極電解液中の硫酸イオンのモル濃度が0.05mol/L以上2mol/L以下であり、
上記陰極電解液中のチタンイオンの濃度が0.05mol/L以上2mol/L以下であり、
上記三塩化チタン溶液に添加された酸化抑制剤のモル濃度が、上記陰極電解液中の三価のチタンイオン及び四価のチタンイオンの合計モル濃度に対して0.3倍以上5倍以下であり、
上記陽極の平均厚さが0.2mm以上5mm以下であり、
上記陽極及び陰極間に印加される電圧が3V以上10V以下である三塩化チタン溶液の製造装置。
An apparatus for producing a titanium trichloride solution by electrolytic reduction of titanium tetrachloride in an aqueous solution,
Anode chamber for storing the anode electrolyte, the anode chamber is partitioned with the ion exchange membrane, the cathode chamber for storing the cathode electrolyte containing the titanium tetrachloride solution and titanium trichloride solution, immersed in the anode electrolyte of the anode chamber And an anode that is immersed in the cathode electrolyte of the cathode chamber,
The anode electrolyte is seen containing a sulfuric acid ion,
The sulfate ion has a molar concentration of 0.05 mol / L or more and 2 mol / L or less,
The concentration of titanium ions in the cathode electrolyte is 0.05 mol / L or more and 2 mol / L or less,
The molar concentration of the oxidation inhibitor added to the titanium trichloride solution is 0.3 times or more and 5 times or less with respect to the total molar concentration of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions in the cathode electrolyte. Yes,
The average thickness of the anode is 0.2 mm or more and 5 mm or less,
An apparatus for producing a titanium trichloride solution in which a voltage applied between the anode and the cathode is 3 V or more and 10 V or less .
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