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JP7607238B2 - Metal oxide reduction device and its use - Google Patents
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Description

本発明は、金属酸化物を水素還元して金属酸化物の還元体を連続的に製造できる還元装置およびその用途に関する。 The present invention relates to a reduction device that can continuously produce reduced metal oxides by reducing metal oxides with hydrogen, and its uses.

月面基地建設計画は、宇宙開発において重要とされる計画のひとつであるが、月面での有人活動には水や酸素が必要不可欠である。そのため、月資源であるイルメナイト(チタン鉄鉱)などの金属酸化物を水素還元することによる水や酸素の製造プロセスの開発が注目されている。また、同様のプロセスを用いた水素還元技術は、地上での金属酸化物の還元による酸素欠損型金属酸化物の製造にも応用可能である。酸素欠損型金属酸化物は、高機能性材料として注目され、幅広い分野での応用が期待されている。金属酸化物の水素還元方法としては、数百℃の温度下で金属酸化物に水素分子を接触させる方法が知られているが、金属酸化物に対して温度ムラが生じ易く、還元の進行が不均一となり、目的の酸素欠損型金属酸化物を高い転化率で効率良く製造するのは困難であった。 The construction of a lunar base is one of the most important projects in space development, and water and oxygen are essential for manned activities on the lunar surface. For this reason, attention is being paid to the development of a process for producing water and oxygen by hydrogen reduction of metal oxides such as ilmenite (iron ore), which is a lunar resource. In addition, hydrogen reduction technology using a similar process can also be applied to the production of oxygen-deficient metal oxides by reducing metal oxides on Earth. Oxygen-deficient metal oxides have attracted attention as highly functional materials and are expected to be applied in a wide range of fields. A known method for hydrogen reduction of metal oxides is to bring hydrogen molecules into contact with the metal oxide at temperatures of several hundred degrees Celsius, but this method is prone to temperature unevenness in the metal oxide, which causes the reduction process to proceed unevenly, making it difficult to efficiently produce the desired oxygen-deficient metal oxides with a high conversion rate.

そこで、水素還元によって酸素欠損型金属酸化物を効率良く製造できる方法が求められており、特開2020-37491号公報(特許文献1)には、還元温度範囲においてギブスの自由エネルギー変化が100kJ/mol以下の値を示す金属酸化物を流動層反応容器に充填し、所定の還元温度に加熱した状態で前記流動層反応容器に所定濃度の水素ガスを含有する還元性ガスを所定時間連続供給しながら、生成される水蒸気を前記流動層反応容器から排出することを特徴とする酸素欠損型金属酸化物の製造方法が開示されている。 Therefore, there is a need for a method for efficiently producing oxygen-deficient metal oxides by hydrogen reduction, and JP 2020-37491 A (Patent Document 1) discloses a method for producing oxygen-deficient metal oxides, which comprises filling a fluidized bed reactor with a metal oxide that exhibits a Gibbs free energy change of 100 kJ/mol or less in the reduction temperature range, heating the fluidized bed reactor to a predetermined reduction temperature, continuously supplying a reducing gas containing a predetermined concentration of hydrogen gas to the fluidized bed reactor for a predetermined period of time, and discharging the generated water vapor from the fluidized bed reactor.

特開2020-37491号公報JP 2020-37491 A

しかし、特許文献1の流動層反応容器を用いた製造方法では、酸素欠損型金属酸化物を連続的に製造することはできない上に、スケールアップするのも困難であるため、工業的な生産性が低い。還元の均一性についても十分ではなく、例えば、ギブスの自由エネルギー変化の大きい金属酸化物を高い転化率で還元して還元体を製造することは困難である。 However, the production method using a fluidized bed reactor in Patent Document 1 does not allow for continuous production of oxygen-deficient metal oxides, and is difficult to scale up, resulting in low industrial productivity. The uniformity of reduction is also insufficient, and for example, it is difficult to produce a reduced product by reducing a metal oxide with a large Gibbs free energy change at a high conversion rate.

従って、本発明の目的は、金属酸化物の還元体を高い生産性で製造できる還元装置およびその用途を提供することにある。 The object of the present invention is therefore to provide a reduction device capable of producing reduced metal oxides with high productivity, and its use.

本発明者等は、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に還元ガスを流通させた状態で、前記金属酸化物粒子を攪拌しながら移動させて前記還元ガスで還元することにより、金属酸化物の還元体を高い生産性で製造できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive research into achieving the above object, the inventors discovered that it is possible to produce reduced metal oxides with high productivity by moving the metal oxide particles while stirring them and reducing them with the reducing gas while circulating a reducing gas in a direction opposite to the direction of movement of the metal oxide particles, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明の還元装置は、金属酸化物粒子を水素ガスで還元させるための反応器と、前記水素ガスを含む還元ガスを前記反応器に流通させるための流通手段とを備えた反応ユニットを含む還元装置であって、
前記反応器が、前記金属酸化物粒子を供給するための供給口と、
前記金属酸化物粒子を還元して得られる還元体を回収するための取出口と、
前記還元ガスの存在下、前記供給口から供給された前記金属酸化物粒子を攪拌しながら前記取出口まで移動させる攪拌移動手段と、
前記還元ガスを導入するための導入口と、
反応後の排ガスを回収または排出するための排出口とを有し、
前記流通手段が、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させるための流通手段である。
That is, the reduction apparatus of the present invention is a reduction apparatus including a reaction unit having a reactor for reducing metal oxide particles with hydrogen gas and a circulation means for circulating a reducing gas containing the hydrogen gas through the reactor,
the reactor has a supply port for supplying the metal oxide particles;
an outlet for recovering a reduced product obtained by reducing the metal oxide particles;
a stirring and moving means for stirring and moving the metal oxide particles supplied from the supply port to the outlet in the presence of the reducing gas;
an inlet for introducing the reducing gas;
and an outlet for recovering or discharging exhaust gas after the reaction;
The flow means is a flow means for flowing the reducing gas in a direction opposite to a moving direction of the metal oxide particles.

前記反応器は反応室としての円柱状空間を有し、かつ前記攪拌移動手段は前記円柱状空間に収容されたスクリューであってもよい。前記スクリューの外径は、前記反応器の内径の90%以上であってもよい。前記反応ユニットは、反応器を加熱するための加熱手段をさらに備えていてもよい。前記導入口は、金属酸化物粒子の移動方向において、加熱手段によって加熱される領域よりも下流側に形成されていてもよい。前記還元ガスは、水素の単独ガス、または水素ガスおよび不活性ガスの混合ガスであってもよい。前記金属酸化物粒子を温度853~1323K、圧力150~500kPaで還元してもよい。前記金属酸化物粒子の平均粒径は1~1000μmであってもよい。前記還元体は、酸素欠損型金属酸化物粒子であってもよい。前記還元装置は、前記排ガスに含まれる還元ガスを反応器に循環させる循環ラインをさらに含んでいてもよい。前記還元装置は、前記排ガスに含まれる水を、水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電気分解ユニットをさらに含み、前記電気分解ユニットで生成した水素ガスを反応器に循環させてもよい。 The reactor may have a cylindrical space as a reaction chamber, and the stirring and moving means may be a screw housed in the cylindrical space. The outer diameter of the screw may be 90% or more of the inner diameter of the reactor. The reaction unit may further include a heating means for heating the reactor. The inlet may be formed downstream of the region heated by the heating means in the moving direction of the metal oxide particles. The reducing gas may be hydrogen gas alone, or a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas. The metal oxide particles may be reduced at a temperature of 853 to 1323 K and a pressure of 150 to 500 kPa. The average particle size of the metal oxide particles may be 1 to 1000 μm. The reduced body may be an oxygen-deficient metal oxide particle. The reduction device may further include a circulation line for circulating the reducing gas contained in the exhaust gas to the reactor. The reduction device may further include an electrolysis unit for electrolyzing water contained in the exhaust gas into hydrogen gas and oxygen gas, and circulate the hydrogen gas generated in the electrolysis unit to the reactor.

本発明には、前記還元装置を用いて、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させた状態で、前記供給口から供給した前記金属酸化物粒子を、前記取出口まで攪拌しながら移動させ、前記還元体を前記取出口から回収することにより、金属酸化物の還元体を連続的に製造する方法も含まれる。この方法において、前記反応器が円筒状であり、かつ前記攪拌移動手段が前記円筒内部に内蔵されたスクリューであり、スクリューの回転によって前記金属酸化物粒子を攪拌しながら移動させてもよい。 The present invention also includes a method for continuously producing a reduced metal oxide by using the reduction device to move the metal oxide particles supplied from the supply port to the outlet while stirring, while circulating the reducing gas in a direction opposite to the direction of movement of the metal oxide particles, and recovering the reduced metal from the outlet. In this method, the reactor may be cylindrical, and the stirring and moving means may be a screw built into the cylinder, and the metal oxide particles may be moved while being stirred by the rotation of the screw.

本発明には、前記還元装置を用いて、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させた状態で、前記供給口から供給した前記金属酸化物粒子を、前記取出口まで攪拌しながら移動させ、前記還元体を前記取出口から回収する方法において、還元ガス中の水素ガス濃度、還元ガスの流量、温度、圧力、攪拌速度および還元時間からなる群より選択された少なくとも1種の条件を調整することにより、金属酸化物の酸素欠損度を制御する方法も含まれる。 The present invention also includes a method for controlling the degree of oxygen deficiency in the metal oxide by adjusting at least one condition selected from the group consisting of the hydrogen gas concentration in the reducing gas, the flow rate of the reducing gas, the temperature, the pressure, the stirring speed, and the reduction time, in which the metal oxide particles supplied from the supply port are moved to the outlet while being stirred, and the reduced product is recovered from the outlet, using the reduction device.

本発明では、金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に還元ガスを流通させた状態で、前記金属酸化物粒子を攪拌しながら移動させて前記還元ガスで還元できるため、金属酸化物の還元体を高い転化率で連続的に製造でき、工業的な生産性が高い。また、各種の条件を調整することにより、金属酸化物の酸素欠損度も容易に制御できる。さらに、電気分解ユニットを利用すると、副生物の水だけでなく、酸素も生成できるため、月面における金属酸化物の還元にも有効である。 In the present invention, the metal oxide particles are stirred and moved while the reducing gas is circulated in the direction opposite to the movement of the metal oxide particles, and are reduced by the reducing gas. This allows the metal oxide reduction product to be produced continuously with a high conversion rate, and industrial productivity is high. In addition, the degree of oxygen deficiency in the metal oxide can be easily controlled by adjusting various conditions. Furthermore, the use of an electrolysis unit can produce not only water as a by-product, but also oxygen, making it effective for reducing metal oxides on the lunar surface.

図1は、本発明の還元装置の一例を説明するための概略模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of a reduction device of the present invention. 図2は、図1の還元装置における反応器の内部に収容されたスクリューを説明するための拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view for explaining a screw housed inside the reactor in the reduction apparatus of FIG. 図3は、実施例1の還元装置を用いた酸化タングステンの還元状態を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the state of reduction of tungsten oxide using the reduction device of Example 1. 図4は、実施例1で用いた原料である酸化タングステン粒子の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 4 is a scanning electron microscope photograph of tungsten oxide particles, which are the raw material used in Example 1. 図5は、実施例1で得られた酸素欠損型酸化タングステン粒子の走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 5 is a scanning electron microscope photograph of the oxygen-deficient tungsten oxide particles obtained in Example 1.

以下、必要により添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Below, an embodiment of the present invention will be described in detail, with reference to the attached drawings as necessary.

図1の例では、金属酸化物の還元装置1は、金属酸化物粒子2を水素ガスで還元させるための円筒状反応器4を備えている。この円筒状反応器4の一方の端部には、金属酸化物粒子2を円筒状反応器4の内部空間である反応室に供給するための供給口4aが形成されており、この供給口4aから、金属酸化物粒子2の供給機であるホッパー3によって金属酸化物粒子2が反応室に供給される。 In the example shown in FIG. 1, the metal oxide reduction device 1 is equipped with a cylindrical reactor 4 for reducing metal oxide particles 2 with hydrogen gas. One end of the cylindrical reactor 4 is formed with a supply port 4a for supplying the metal oxide particles 2 to a reaction chamber, which is the internal space of the cylindrical reactor 4, and the metal oxide particles 2 are supplied from this supply port 4a to the reaction chamber by a hopper 3, which is a feeder of the metal oxide particles 2.

円筒状反応器4は、図2に示すように、円柱状内部に、攪拌移動手段としてのスクリュー5を内蔵している。スクリュー5は、軸5aに対して螺旋状に形成された羽根5bを有するプロペラ形状であり、駆動装置6によって軸5aを中心にして羽根5bが回転可能な構造を有している。このスクリュー5は、駆動装置6によって回転した状態で、金属酸化物粒子2が供給口4aから反応室に供給されると、羽根5bの攪拌力および推進力によって、金属酸化物粒子2を攪拌しながら、円筒状反応器4の他方の端部に形成された取出口4bまで金属酸化物粒子2を移動させる。 As shown in FIG. 2, the cylindrical reactor 4 has a screw 5 built into the cylindrical interior as an agitation and movement means. The screw 5 is in the shape of a propeller with blades 5b formed in a spiral shape around the shaft 5a, and has a structure in which the blades 5b can be rotated around the shaft 5a by the drive unit 6. When the metal oxide particles 2 are supplied to the reaction chamber from the supply port 4a while being rotated by the drive unit 6, the screw 5 moves the metal oxide particles 2 to the discharge port 4b formed at the other end of the cylindrical reactor 4 while stirring the metal oxide particles 2 with the agitation and propulsion force of the blades 5b.

前記供給口4aと前記取出口4bとの間には、円筒状反応器4を加熱するための加熱手段としての加熱機7が配設されている。加熱機7によって、円筒状反応器4の反応室を加熱することにより、金属酸化物粒子2の還元を進行することができる。すなわち、円筒状反応器4の反応室において、加熱手段によって加熱される領域が、金属酸化物粒子2を還元反応させるための主要な反応室となり、反応室で還元された還元体2aは、取出口4bから回収容器8に回収される。 Between the supply port 4a and the discharge port 4b, a heater 7 is disposed as a heating means for heating the cylindrical reactor 4. The heater 7 heats the reaction chamber of the cylindrical reactor 4, thereby allowing the reduction of the metal oxide particles 2 to proceed. That is, in the reaction chamber of the cylindrical reactor 4, the area heated by the heating means becomes the main reaction chamber for the reduction reaction of the metal oxide particles 2, and the reduced product 2a reduced in the reaction chamber is collected in a collection container 8 from the discharge port 4b.

金属酸化物粒子2を還元するための還元ガスは、前記取出口4bよりも金属酸化物粒子2の移動方向の下流側に形成された導入口4cから導入され、反応器4の反応室に流通される。導入口4cから導入された還元ガスは、スクリュー5によって前記取出口4bに向かって移動する金属酸化物粒子2に対して、向流方式で流通する。すなわち、還元ガスは、円筒状反応器4の反応室を金属酸化物粒子2の移動方向と対向する方向に流通し、攪拌しながら移動している金属酸化物粒子2と接触して、金属酸化物粒子2を還元する。本発明では、スクリュー5によって攪拌されながら移動する金属酸化物粒子2に対して、向流方式で還元ガスを流通させるため、金属酸化物粒子2に対して、均一に還元ガスを接触させることが可能となり、金属酸化物粒子を高い転化率で均一に還元できる。 The reducing gas for reducing the metal oxide particles 2 is introduced from an inlet 4c formed downstream of the outlet 4b in the moving direction of the metal oxide particles 2, and is circulated in the reaction chamber of the reactor 4. The reducing gas introduced from the inlet 4c flows in a countercurrent manner against the metal oxide particles 2 moving toward the outlet 4b by the screw 5. That is, the reducing gas flows in the reaction chamber of the cylindrical reactor 4 in a direction opposite to the moving direction of the metal oxide particles 2, and comes into contact with the metal oxide particles 2 moving while being stirred, thereby reducing the metal oxide particles 2. In the present invention, the reducing gas flows in a countercurrent manner against the metal oxide particles 2 moving while being stirred by the screw 5, so that the reducing gas can be uniformly brought into contact with the metal oxide particles 2, and the metal oxide particles can be uniformly reduced with a high conversion rate.

還元ガスは、水素ガスとアルゴンガスとの混合ガスであり、還元ガス供給ライン11を通じて導入口4cに導入される。還元ガス供給ライン11は、水素ボンベ9に接続された水素ガス供給ライン9aと、アルゴンボンベ10に接続されたアルゴンガス供給ライン10aとが合流した供給ラインである。水素ガス供給ライン9aおよびアルゴンガス供給ライン10aは、それぞれ流量制御装置(マスフローコントローラー)9b,10bを備えており、それぞれのガス流量を調整することにより、水素ガスとアルゴンガスとの比率を制御できる。 The reducing gas is a mixture of hydrogen gas and argon gas, and is introduced into the inlet 4c through the reducing gas supply line 11. The reducing gas supply line 11 is a supply line formed by joining a hydrogen gas supply line 9a connected to a hydrogen cylinder 9 and an argon gas supply line 10a connected to an argon cylinder 10. The hydrogen gas supply line 9a and the argon gas supply line 10a are each equipped with a flow control device (mass flow controller) 9b, 10b, and the ratio of hydrogen gas to argon gas can be controlled by adjusting the flow rate of each gas.

還元ガスは、反応室で金属酸化物粒子2を還元した後、排ガスとなるが、反応後の排ガスの一部は、加熱手段によって加熱される反応室の領域(加熱手段が配設された領域)と供給口4aとの間に形成された排出口4dから排出ライン12を通じて排出されるが、残部の排ガスは供給機3に浸入する。そのため、供給機3の上部にも、排ガスを排出するための排出口3aが形成されており、供給機3の内部に滞留した排ガスは、排出口3aから排出ライン13を通じて排出される。排出ライン12および排出ライン13を通過した排ガスは、排出ライン14で合流して、コンデンサー16に回収される。さらに、排出ライン14は、水分計15を備えており、排ガス中の水分量を測定できる。本発明では、還元により発生する水(水蒸気)が連続的に反応の系外に排出され、反応室の系内は非平衡状態が維持されるため、熱力学的に反応が困難な系においても還元が可能となり、難還元性金属酸化物粒子であっても容易に目的の酸素欠損度に還元できる。 After the reduction gas reduces the metal oxide particles 2 in the reaction chamber, it becomes exhaust gas. A part of the exhaust gas after the reaction is discharged through the exhaust line 12 from the exhaust port 4d formed between the region of the reaction chamber heated by the heating means (the region where the heating means is arranged) and the supply port 4a, but the remaining exhaust gas enters the supply machine 3. Therefore, an exhaust port 3a for discharging the exhaust gas is also formed at the top of the supply machine 3, and the exhaust gas remaining inside the supply machine 3 is discharged through the exhaust line 13 from the exhaust port 3a. The exhaust gas that passes through the exhaust line 12 and the exhaust line 13 join together in the exhaust line 14 and is collected in the condenser 16. Furthermore, the exhaust line 14 is equipped with a moisture meter 15, which can measure the amount of moisture in the exhaust gas. In the present invention, water (water vapor) generated by reduction is continuously discharged outside the reaction system, and a non-equilibrium state is maintained within the reaction chamber, making reduction possible even in systems where a reaction is thermodynamically difficult, and even difficult-to-reduc metal oxide particles can be easily reduced to the desired level of oxygen deficiency.

コンデンサー16では、回収された排ガスが冷却され、還元ガスと水とに分離される。分離された水は、水供給ライン17を通過して電気分解ユニット19に回収され、分離された還元ガスは、循環ラインとしての還元ガス供給ライン18を通過して還元ガス供給ライン11と合流させて導入口4cを介して円筒状反応器4に導入することにより循環させる。 In the condenser 16, the recovered exhaust gas is cooled and separated into reducing gas and water. The separated water passes through a water supply line 17 and is recovered in an electrolysis unit 19, and the separated reducing gas passes through a reducing gas supply line 18 as a circulation line, merges with the reducing gas supply line 11, and is introduced into the cylindrical reactor 4 via an inlet 4c for circulation.

電気分解ユニット19では、回収された水は、水素ガスと酸素ガスとに電気分解される。電気分解により生成した水素ガスは、循環ラインとしての水素ガス供給ライン20を通じて還元ガス供給ライン11に合流させて導入口4cを介して円筒状反応器4に導入することにより循環させる。 In the electrolysis unit 19, the recovered water is electrolyzed into hydrogen gas and oxygen gas. The hydrogen gas produced by electrolysis is circulated by joining the reducing gas supply line 11 through the hydrogen gas supply line 20, which serves as a circulation line, and introducing it into the cylindrical reactor 4 through the inlet 4c.

本発明の還元装置は、図1に示す還元装置に限定されない。本発明の還元装置および還元方法で用いられる各ユニットおよび原料の詳細について、以下に説明する。 The reduction device of the present invention is not limited to the reduction device shown in FIG. 1. Details of each unit and raw material used in the reduction device and reduction method of the present invention are described below.

[反応ユニット]
反応ユニットは、金属酸化物粒子を水素ガスで還元させるための反応器と、前記水素ガスを含む還元ガスを前記反応器に流通させるための流通手段とを備え、金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に還元ガスを流通させた状態で、前記金属酸化物粒子を攪拌しながら移動させて前記還元ガスで還元できれば、特に限定されない。
[Reaction unit]
The reaction unit is not particularly limited as long as it includes a reactor for reducing metal oxide particles with hydrogen gas and a distribution means for circulating a reducing gas containing the hydrogen gas through the reactor, and the metal oxide particles can be moved while being stirred and reduced by the reducing gas while the reducing gas is circulated in a direction opposite to the direction of movement of the metal oxide particles.

(反応器)
反応器の内部形状(反応室としての内部空間)は、金属酸化物粒子を攪拌しながら移動できればよく、攪拌移動手段の形状に応じて選択でき、円柱状の他、円板状、長方体状などであってもよいが、効率良く金属酸化物粒子を均一に還元できる点から、円柱状が好ましい。
(Reactor)
The internal shape of the reactor (the internal space as the reaction chamber) may be selected according to the shape of the stirring and moving means as long as it can move the metal oxide particles while stirring them. In addition to a cylindrical shape, the reactor may be in a disk shape, rectangular shape, or the like. However, a cylindrical shape is preferred from the viewpoint of efficiently and uniformly reducing the metal oxide particles.

反応器の外部形状は、内部形状に対応した形状に限定されず、内部形状と異なる外部形状であってもよいが、生産性などの点から、内部形状と同一の外部形状が好ましい。そのため、反応器の形状は、円筒状が好ましい。 The external shape of the reactor is not limited to a shape corresponding to the internal shape, and may be different from the internal shape, but from the standpoint of productivity, etc., it is preferable for the external shape to be the same as the internal shape. Therefore, the reactor shape is preferably cylindrical.

供給口、取出口、導入口および排出口の位置も、移動する金属酸化物粒子に対して向流方式で還元ガスを流通できる位置であれば、特に限定されない。 The locations of the supply inlet, outlet, inlet, and outlet are not particularly limited, so long as they are positions that allow the reduction gas to flow in a countercurrent manner relative to the moving metal oxide particles.

反応器が円筒形状である場合、図1では、還元ガスの導入口は、金属酸化物粒子の移動方向において、金属酸化物粒子の取出口よりも下流側に形成されているが、特に限定されず、上流側に形成されていてもよいが、還元の効率性および均一性を向上させる観点から、加熱手段が配設された領域よりも下流側に形成するのが好ましく、取出口の近辺に導入口を形成するのがさらに好ましく、取出口よりも下流側に形成するのがより好ましい。 When the reactor is cylindrical, in FIG. 1, the inlet for the reducing gas is formed downstream of the outlet for the metal oxide particles in the direction of movement of the metal oxide particles, but this is not particularly limited and it may be formed upstream. However, from the viewpoint of improving the efficiency and uniformity of the reduction, it is preferable to form the inlet downstream of the area where the heating means is disposed, and it is even more preferable to form the inlet near the outlet, and even more preferable to form it downstream of the outlet.

また、図1では、排ガスの排出口は、加熱手段が配設された領域と供給口との間に形成されているが、特に限定されず、金属酸化物粒子の移動方向において、供給口よりも上流側に形成されていてもよいが、還元の効率性および均一性を向上させる観点から、加熱手段が配設された領域よりも上流側に形成するが好ましく、排ガスを効率良く回収または排出できる点から、加熱手段が配設された領域と供給口との間に形成するのが好ましい。 In addition, in FIG. 1, the exhaust gas outlet is formed between the region where the heating means is disposed and the supply port, but this is not particularly limited and may be formed upstream of the supply port in the direction of movement of the metal oxide particles. However, from the viewpoint of improving the efficiency and uniformity of the reduction, it is preferable to form it upstream of the region where the heating means is disposed, and from the viewpoint of efficiently recovering or discharging the exhaust gas, it is preferable to form it between the region where the heating means is disposed and the supply port.

(攪拌移動手段)
攪拌移動手段は、金属酸化物粒子を攪拌しながら、供給口から取出口まで移動させることができれば特に限定されず、図1に示すスクリューに限定されず、例えば、振動コンベア、偏心ロータリーポンプ、振動式階段(振動によって下段に金属酸化物粒子を連続的に移動可能な階段状器具)などであってもよい。これらのうち、簡便に金属酸化物粒子を均一に還元できる点から、スクリューが好ましい。
(Agitation and movement means)
The stirring and moving means is not particularly limited as long as it can move the metal oxide particles from the supply port to the discharge port while stirring them, and is not limited to the screw shown in Fig. 1, but may be, for example, a vibrating conveyor, an eccentric rotary pump, a vibrating staircase (a step-like device capable of continuously moving the metal oxide particles to the lower step by vibration), etc. Among these, the screw is preferred because it can easily reduce the metal oxide particles uniformly.

スクリューの形状およびサイズは、目的の還元体の特性に応じて選択すればよく、特に限定されないが、金属酸化物粒子を均一に還元できる観点から、以下のように選択してもよい。 The shape and size of the screw may be selected according to the characteristics of the target reduced product and is not particularly limited, but may be selected as follows from the viewpoint of uniform reduction of the metal oxide particles:

スクリューの形状は、軸を中心とした螺旋状羽根を有するプロぺラ形状であれば、特に限定されず、上流側のスクリュー径と下流側のスクリュー径とが異なるスクリューであってもよいが、金属酸化物粒子を均一に攪拌できる点から、上流側のスクリュー径と下流側のスクリュー径とは同一である形状が好ましい。 The shape of the screw is not particularly limited as long as it is a propeller shape with spiral blades centered on the axis, and the screw diameter on the upstream side may be different from the screw diameter on the downstream side, but a shape in which the screw diameter on the upstream side is the same as the screw diameter on the downstream side is preferable in order to uniformly stir the metal oxide particles.

スクリューの溝の深さ(軸に対する羽根の高さ)(t)は、スクリューの外径(スクリュー径D)に対して5%以上であってもよく、例えば10~80%、好ましくは20~60%、さらに好ましくは30~50%、より好ましくは35~40%である。溝の深さが浅すぎると、還元体の生産性が低下する虞がある。 The depth of the screw groove (height of the blade relative to the shaft) (t) may be 5% or more of the outer diameter of the screw (screw diameter D), for example, 10 to 80%, preferably 20 to 60%, more preferably 30 to 50%, and even more preferably 35 to 40%. If the groove depth is too shallow, there is a risk of reduced productivity.

スクリューのピッチPは、スクリュー径Dに対して0.1~5倍程度の範囲から選択でき、例えば0.3~3倍、好ましくは0.5~2倍、さらに好ましくは0.8~1.5倍、より好ましくは1~1.4倍、最も好ましくは1.1~1.3倍である。外径に対するピッチの比率が小さすぎると、還元体の生産性が低下する虞があり、大きすぎると、金属酸化物粒子を均一に攪拌するの困難となる虞がある。 The screw pitch P can be selected from the range of about 0.1 to 5 times the screw diameter D, for example, 0.3 to 3 times, preferably 0.5 to 2 times, more preferably 0.8 to 1.5 times, more preferably 1 to 1.4 times, and most preferably 1.1 to 1.3 times. If the ratio of the pitch to the outer diameter is too small, there is a risk that the productivity of the reduced material will decrease, and if it is too large, there is a risk that it will be difficult to uniformly stir the metal oxide particles.

スクリューの軸心に対する羽根の傾斜角度は10°以上であってもよく、例えば20~80°、好ましくは40~80°、さらに好ましくは60~70°である。傾斜角度が小さすぎると、還元体の生産性が低下し、金属酸化物粒子を均一に攪拌するのも困難となる虞がある。 The inclination angle of the blades relative to the axis of the screw may be 10° or more, for example, 20 to 80°, preferably 40 to 80°, and more preferably 60 to 70°. If the inclination angle is too small, the productivity of the reduced material may decrease, and it may become difficult to uniformly stir the metal oxide particles.

スクリュー径Dは、円筒状反応器における反応室(円柱状空間)の内径に対して80%以上(特に90%以上)であってもよく、例えば80~99%、好ましくは90~98%、さらに好ましくは92~97%、より好ましくは93~95%である。反応室の内径に対するスクリュー径Dの比率が小さすぎると、金属酸化物粒子を均一に攪拌できない虞がある。 The screw diameter D may be 80% or more (particularly 90% or more) of the inner diameter of the reaction chamber (cylindrical space) in the cylindrical reactor, for example 80 to 99%, preferably 90 to 98%, further preferably 92 to 97%, and even more preferably 93 to 95%. If the ratio of the screw diameter D to the inner diameter of the reaction chamber is too small, there is a risk that the metal oxide particles will not be stirred uniformly.

スクリューの回転速度は、目的の酸素欠損度に応じて適宜選択でき、0.1rpm以上(特に0.4rpm以上)であってもよく、例えば0.1~11rpm、好ましくは0.3~3.0rpm、さらに好ましくは0.4~1.1rpmである。回転速度が小さすぎると、金属酸化物粒子を均一に攪拌するのが困難となる虞がある。 The screw rotation speed can be appropriately selected depending on the desired degree of oxygen deficiency, and may be 0.1 rpm or more (particularly 0.4 rpm or more), for example, 0.1 to 11 rpm, preferably 0.3 to 3.0 rpm, and more preferably 0.4 to 1.1 rpm. If the rotation speed is too low, it may be difficult to uniformly stir the metal oxide particles.

本発明では、スクリューのサイズおよび形状、回転速度を調整することにより、還元時間および酸素欠損度を調整できる。特に、回転速度は、還元時間に反比例するため、回転速度を調整することにより、容易に還元時間を調整できる。さらに、回転速度を上げると、攪拌効果も高まり、均一に還元し易いため、反応時間が短い条件では、回転速度を上げることにより、容易に還元の均一性を向上できる。また、長い反応時間が必要な場合には、スクリューの形状を選択することにより、攪拌効果を長時間に調整することも可能である。 In the present invention, the reduction time and the degree of oxygen deficiency can be adjusted by adjusting the size and shape of the screw and the rotation speed. In particular, since the rotation speed is inversely proportional to the reduction time, the reduction time can be easily adjusted by adjusting the rotation speed. Furthermore, since increasing the rotation speed also increases the stirring effect and makes it easier to reduce uniformly, under conditions where the reaction time is short, the uniformity of the reduction can be easily improved by increasing the rotation speed. Furthermore, when a long reaction time is required, it is also possible to adjust the stirring effect to a long time by selecting the shape of the screw.

還元時間は、目的の還元体の種類(還元性の難易度など)に応じて、前述のように、攪拌移動手段を調整することにより1分以上程度の範囲から選択できる。具体的な還元時間は、例えば1~120分、好ましくは3~60分、さらに好ましくは5~30分であってもよい。 The reduction time can be selected from a range of about 1 minute or more by adjusting the stirring and moving means as described above depending on the type of target reductant (e.g., the degree of difficulty of reduction). A specific reduction time may be, for example, 1 to 120 minutes, preferably 3 to 60 minutes, and more preferably 5 to 30 minutes.

(加熱手段)
加熱手段は、反応室の温度を目的の温度に加熱できれば、特に限定されず、慣用の加熱機、例えば、電気炉、燃焼炉などであってもよい。
(Heating Means)
The heating means is not particularly limited as long as it can heat the reaction chamber to the desired temperature, and may be a conventional heater such as an electric furnace or a combustion furnace.

加熱手段は、前記反応器の所定の領域に配設され、主要な反応室を形成する。加熱手段による加熱温度は、目的の還元体の種類に応じて適宜選択できるが、例えば753~1523K、好ましくは853~1323K、さらに好ましくは1023~1273K程度の範囲から選択できる。 The heating means is disposed in a predetermined region of the reactor and forms the main reaction chamber. The heating temperature by the heating means can be appropriately selected depending on the type of target reductant, but can be selected from the range of, for example, about 753 to 1523 K, preferably 853 to 1323 K, and more preferably 1023 to 1273 K.

本発明では、加熱手段で加熱温度を調整することにより、得られる還元体の酸素欠損度を調整でき、前記攪拌移動手段による還元時間などの他の条件と組み合わせることにより、容易に還元体の酸素欠損度を調整できる。 In the present invention, the degree of oxygen deficiency of the resulting reduced product can be adjusted by adjusting the heating temperature with the heating means, and the degree of oxygen deficiency of the reduced product can be easily adjusted by combining this with other conditions such as the reduction time with the stirring and moving means.

(流通手段)
流通手段は、移動する金属酸化物粒子に対して前記還元ガスを向流方式で流通することができればよく、特に限定されないが、簡便性などの点から、図1に示す手段である還元ガスを圧縮して充填したボンベと流量制御装置(マスフローコントローラー)とを組み合わせた手段が好ましい。還元ガスが、水素ガスと不活性ガスとの混合ガスである場合には、各ボンベから供給されるガスを、それぞれ流量制御装置によって流量を制御することにより、混合ガスの比率も容易に調整できる。
(Means of distribution)
The distribution means is not particularly limited as long as it can distribute the reducing gas countercurrently against the moving metal oxide particles, but from the viewpoint of simplicity, a means combining a cylinder filled with compressed reducing gas and a flow control device (mass flow controller) as shown in Fig. 1 is preferred. When the reducing gas is a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas, the ratio of the mixed gas can be easily adjusted by controlling the flow rate of the gas supplied from each cylinder with a flow control device.

流通手段を調整することによって反応器内の圧力を調整してもよい。反応器の圧力は、目的の還元体の種類に応じて適宜選択でき、例えば100~1000kPa、好ましくは150~500kPa、さらに好ましくは200~400kPa程度の範囲から選択できる。 The pressure in the reactor may be adjusted by adjusting the flow means. The pressure in the reactor can be appropriately selected depending on the type of the target reductant, and can be selected, for example, from the range of about 100 to 1000 kPa, preferably 150 to 500 kPa, and more preferably 200 to 400 kPa.

流通手段は、前記流量制御装置を自動で制御するための自動制御手段をさらに備えていてもよい。自動制御手段によって、流量制御装置を自動で制御することにより、反応中の流量を制御したり、目的の還元体に応じて自動で流量を制御してもよい。自動制御手段は、前記加熱機および/または攪拌移動手段と連動させてもよく、連動させることにより、反応器における加熱温度、圧力、攪拌条件、還元時間を同時に自動で制御できる。 The flow means may further include an automatic control means for automatically controlling the flow control device. The automatic control means may automatically control the flow control device to control the flow rate during the reaction, or may automatically control the flow rate according to the target reduced product. The automatic control means may be linked to the heater and/or the stirring and moving means, and by linking them, the heating temperature, pressure, stirring conditions, and reduction time in the reactor can be automatically controlled simultaneously.

[供給ユニットおよび回収ユニット]
本発明の還元装置は、前記反応ユニットに加えて、原料として金属酸化物粒子を供給するための供給ユニットと、還元体を回収するための回収ユニットをさらに備えていてもよい。供給ユニットおよび回収ユニットともに、慣用の供給機および回収容器を利用でき、供給機としては、容易に連続供給できる点から、ホッパーが汎用される。
[Supply unit and recovery unit]
The reduction apparatus of the present invention may further include, in addition to the reaction unit, a supply unit for supplying metal oxide particles as a raw material and a recovery unit for recovering the reduced product. Both the supply unit and the recovery unit can use a conventional supply device and recovery container, and a hopper is generally used as the supply device because it can easily supply continuously.

[凝縮ユニット]
本発明の還元装置は、反応ユニットが攪拌移動手段および流通手段を備えることにより、連続的に金属酸化物粒子を還元できる。そのため、本発明の還元装置は、凝縮ユニットとしてのコンデンサーを備えた図1の還元装置に限定されず、凝縮ユニットを備えていない還元装置であってもよい。すなわち、反応器における還元反応で生成する排ガスは、排出してもよく、凝縮ユニットに回収して還元に再利用してもよい。
[Condensation unit]
In the reduction apparatus of the present invention, the reaction unit is provided with a stirring and moving means and a circulating means, so that the metal oxide particles can be continuously reduced. Therefore, the reduction apparatus of the present invention is not limited to the reduction apparatus of Fig. 1 equipped with a condenser as a condensation unit, and may be a reduction apparatus that does not have a condensation unit. In other words, the exhaust gas generated by the reduction reaction in the reactor may be discharged or may be recovered in the condensation unit and reused for reduction.

凝縮ユニットを備えた還元装置では、未反応の水素ガスを再利用でき、エネルギー効率を向上できる。すなわち、反応器で発生した排ガスは、未反応の水素ガスを含む還元ガスと水蒸気とを含む。そのため、凝縮ユニットによって、排ガスを還元ガスと水とに分離でき、分離した還元ガスを循環ラインによって反応器に戻すことにより、未反応の水素ガスを再利用でき、エネルギー効率を向上できる。凝縮ユニットとしては、慣用のコンデンサーを利用できる。 In a reduction device equipped with a condensation unit, unreacted hydrogen gas can be reused, improving energy efficiency. In other words, the exhaust gas generated in the reactor contains a reducing gas containing unreacted hydrogen gas and water vapor. Therefore, the condensation unit can separate the exhaust gas into reducing gas and water, and by returning the separated reducing gas to the reactor via a circulation line, the unreacted hydrogen gas can be reused, improving energy efficiency. A conventional condenser can be used as the condensation unit.

[電気分解ユニット]
本発明の還元装置は、前述のように、反応ユニットによって還元体を連続的に製造できるため、凝縮ユニットは必須の構成要素ではない。そのため、本発明の還元装置は、凝縮ユニットおよび電気分解ユニットを備えた図1の還元装置に限定されず、電気分解ユニットを備えていない還元装置、例えば、凝縮ユニットおよび電解分解ユニットを備えていない還元装置や、凝縮ユニットを備え、電解分解ユニットを備えていない還元装置であってもよい。
[Electrolysis unit]
As described above, the reduction device of the present invention can continuously produce a reduced substance by the reaction unit, and therefore the condensation unit is not an essential component. Therefore, the reduction device of the present invention is not limited to the reduction device of Fig. 1 equipped with a condensation unit and an electrolysis unit, and may be a reduction device not equipped with an electrolysis unit, for example, a reduction device not equipped with a condensation unit and an electrolysis unit, or a reduction device equipped with a condensation unit but not equipped with an electrolysis unit.

一方、凝縮ユニットおよび電解分解ユニットを備えた還元装置では、凝縮ユニットで分離した水を水素ガスと酸素ガスとに分解できるため、電解分解ユニットで分離した水素ガスを循環ラインによって反応器に戻すことにより、排ガス中の水蒸気を再利用できる。電気分解ユニットとしては、慣用の電気分解装置を利用できる。さらに、電気分解ユニットでは、酸素ガスも発生するため、酸素ガスの供給が重要となる月面での月土壌の還元に有効である。また、月面では、酸素ガスだけでなく、水の供給も重要となるため、凝縮ユニットで発生した水の一部を電気分解ユニットに供給することにより、水および酸素ガスを同時に発生させることもできる。 On the other hand, in a reduction device equipped with a condensation unit and an electrolytic decomposition unit, the water separated in the condensation unit can be decomposed into hydrogen gas and oxygen gas, so the hydrogen gas separated in the electrolytic decomposition unit can be returned to the reactor via a circulation line, allowing the water vapor in the exhaust gas to be reused. A conventional electrolysis device can be used as the electrolysis unit. Furthermore, the electrolysis unit also generates oxygen gas, making it effective for reducing lunar soil on the lunar surface, where the supply of oxygen gas is important. Furthermore, since the supply of water is important as well as oxygen gas on the lunar surface, it is also possible to simultaneously generate water and oxygen gas by supplying some of the water generated in the condensation unit to the electrolysis unit.

[原料]
(金属酸化物粒子)
本発明の還元装置では、難還元性金属酸化物で形成された粒子あっても、均一に還元できるため、原料である金属酸化物粒子を構成する金属酸化物の種類は、特に限定されない。有用性などの点から、金属酸化物としては、例えば、酸化アルミニウム(Alなど)、酸化ジルコニウム(ZrOなど)、酸化チタン(TiOなど)、シリカ(SiOなど)、酸化セリウム、酸化亜鉛(ZnOなど)、酸化バナジウム、酸化鉄(FeO、Feなど)、酸化クロム(Cr、Crなど)、酸化モリブデン(MoOなど)、酸化ニオブ(Nbなど)、酸化タンタル、酸化タングステン(WO、WOなど)、酸化マンガン、酸化ハウニウムなどが汎用される。金属酸化物は、複合金属酸化物、例えば、月土壌に含まれるイルメナイト(FeTiO)などであってもよい。これらの金属酸化物で形成された粒子は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。
[Raw materials]
(Metal oxide particles)
In the reduction device of the present invention, even particles formed of difficult-to-reduc metal oxides can be uniformly reduced, so the type of metal oxide constituting the raw material metal oxide particles is not particularly limited. From the viewpoint of usefulness, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 , etc.), zirconium oxide (ZrO 2 , etc.), titanium oxide (TiO 2, etc.), silica (SiO 2 , etc.), cerium oxide, zinc oxide (ZnO, etc.), vanadium oxide, iron oxide (FeO, Fe 2 O 3 , etc.), chromium oxide (Cr 2 O 3 , Cr 3 O 4 , etc.), molybdenum oxide (MoO 3 , etc.), niobium oxide (Nb 2 O 5 , etc.), tantalum oxide, tungsten oxide (WO 3 , WO 2 , etc.), manganese oxide, haumium oxide, etc. are commonly used as metal oxides. The metal oxide may be a composite metal oxide, for example, ilmenite (FeTiO 3 ) contained in lunar soil. The particles formed of these metal oxides may be used alone or in combination of two or more kinds.

これらの金属酸化物粒子のうち、本発明の還元装置は、難還元性金属酸化物粒子であっても、均一に還元できるため、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化クロム、酸化タングステンなどの難還元性金属粒子に対して好適に利用できる。さらに、水および酸素を生成するため、月面における金属酸化物粒子の還元にも利用できるため、酸化鉄、イルメナイトも適に利用できる。 Of these metal oxide particles, the reduction device of the present invention can uniformly reduce even difficult-to-reduc metal oxide particles, and is therefore suitable for use with difficult-to-reduc metal particles such as zirconium oxide, titanium oxide, niobium oxide, chromium oxide, and tungsten oxide. Furthermore, since it produces water and oxygen, it can also be used to reduce metal oxide particles on the lunar surface, and therefore can also be used appropriately with iron oxide and ilmenite.

金属酸化物粒子の平均粒径は、反応条件に応じて適宜選択でき、特に限定されないが、還元体の生産効率などの点から、例えば1~1000μm、好ましくは2~100μm、さらに好ましくは3~70μm、より好ましくは5~50μm、最も好ましくは10~30μmである。粒径が小さすぎると、取り扱い性が低下する虞があり、大きすぎると、均一に還元するのが困難となる虞がある。 The average particle size of the metal oxide particles can be appropriately selected depending on the reaction conditions and is not particularly limited, but from the viewpoint of the production efficiency of the reduced product, it is, for example, 1 to 1000 μm, preferably 2 to 100 μm, further preferably 3 to 70 μm, more preferably 5 to 50 μm, and most preferably 10 to 30 μm. If the particle size is too small, there is a risk that the handling properties will decrease, and if it is too large, there is a risk that it will be difficult to reduce uniformly.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、金属酸化物粒子の平均粒径は、慣用の方法で測定でき、例えば、レーザー回折式粒度分布計を用いて体積基準で測定された中心粒径(D50)を意味する。 In this specification and claims, the average particle size of metal oxide particles can be measured by conventional methods, for example, it means the median particle size (D50) measured on a volume basis using a laser diffraction particle size distribution analyzer.

金属酸化物粒子の供給量は、例えば1.0~58g/分、好ましくは1.0~20g/分、さらに好ましくは2.0~10g/分、より好ましくは2.5~5.8g/分である。供給量が少なすぎると、還元体の生産性が低下する虞があり、多すぎると、均一に還元するのが困難となる虞がある。 The supply amount of metal oxide particles is, for example, 1.0 to 58 g/min, preferably 1.0 to 20 g/min, more preferably 2.0 to 10 g/min, and even more preferably 2.5 to 5.8 g/min. If the supply amount is too small, the productivity of the reduced product may decrease, and if the supply amount is too large, it may be difficult to reduce uniformly.

(還元ガス)
還元ガスとしては、水素ガスを含んでいればよく、水素ガス単独であってもよく、水素ガスと不活性ガスとの混合ガスであってもよい。還元ガスとして、水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いると、還元ガス中の水素ガス濃度を調整することにより、金属酸化物粒子の還元の程度を容易に調整できる。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなどが挙げられる。
(reducing gas)
The reducing gas may contain hydrogen gas, and may be hydrogen gas alone or a mixture of hydrogen gas and an inert gas. When a mixture of hydrogen gas and an inert gas is used as the reducing gas, the degree of reduction of the metal oxide particles can be easily adjusted by adjusting the hydrogen gas concentration in the reducing gas. Examples of the inert gas include nitrogen gas, helium gas, and argon gas.

還元ガス中の水素ガスの濃度は、還元ガス中0.5~100体積%の範囲から選択でき、好ましくは1~80体積%、さらに好ましくは1.5~50体積%、より好ましくは2~30体積%、最も好ましくは3~10体積%である。水素ガス濃度が小さすぎると、還元体の生産性が低下する虞がある。 The concentration of hydrogen gas in the reducing gas can be selected from the range of 0.5 to 100% by volume, preferably 1 to 80% by volume, more preferably 1.5 to 50% by volume, even more preferably 2 to 30% by volume, and most preferably 3 to 10% by volume. If the hydrogen gas concentration is too low, there is a risk that the productivity of the reduced material will decrease.

還元ガスの流量は、例えば1~100リットル/分、好ましくは2~50リットル/分、さらに好ましくは3~30リットル/分、より好ましくは5~20リットル/分、最も好ましくは8~15リットル/分である。流量が小さすぎると、還元体の生産性が低下する虞があり、大きすぎると、酸素欠損度の調整が困難となる虞がある。 The flow rate of the reducing gas is, for example, 1 to 100 liters/minute, preferably 2 to 50 liters/minute, more preferably 3 to 30 liters/minute, even more preferably 5 to 20 liters/minute, and most preferably 8 to 15 liters/minute. If the flow rate is too small, the productivity of the reduced material may decrease, and if the flow rate is too large, it may become difficult to adjust the degree of oxygen deficiency.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、還元ガス中の水素ガス濃度および還元ガスの流量は、大気圧下、0℃における体積割合を意味する。 In this specification and claims, the hydrogen gas concentration in the reducing gas and the flow rate of the reducing gas refer to the volume ratio at atmospheric pressure and 0°C.

[還元体]
本発明の還元装置では、高い転化率で容易に金属酸化物粒子を還元できる上に、還元ガス中の水素ガス濃度、還元ガスの流量、温度、圧力、攪拌速度および還元時間などの反応条件を調整することにより、得られる還元体の酸素欠損度を容易に制御できる。そのため、本発明の還元装置を用いた還元体の製造方法では、還元体として、金属単体粒子、酸素欠損型金属酸化物粒子のいずれも製造できる。また、酸素欠損型酸化タングステン粒子などの難還元性金属酸化物粒子であっても、均一な還元体を容易に製造できる。さらに、本発明の製造方法では、還元体を連続的に製造できる上に、還元ガスの流通条件や、攪拌移動手段の形状を変更することにより、目的の酸素欠損度を容易に調整できるだけでなく、攪拌移動手段を収容する反応器の形状を大型化することによって容易にスケールアップもできる。特に、得られる還元体の転化率も約100%であるため、効率良く、目的の還元体を得ることができる。
[Reduced form]
In the reduction device of the present invention, the metal oxide particles can be easily reduced with a high conversion rate, and the oxygen deficiency of the resulting reduced product can be easily controlled by adjusting reaction conditions such as the hydrogen gas concentration in the reduction gas, the flow rate of the reduction gas, the temperature, the pressure, the stirring speed, and the reduction time. Therefore, in the method for producing a reduced product using the reduction device of the present invention, both metal particles and oxygen-deficient metal oxide particles can be produced as the reduced product. In addition, even if the reduced product is a difficult-to-reduc metal oxide particle such as oxygen-deficient tungsten oxide particles, a uniform reduced product can be easily produced. Furthermore, in the production method of the present invention, the reduced product can be continuously produced, and not only can the desired oxygen deficiency be easily adjusted by changing the flow conditions of the reduction gas and the shape of the stirring and moving means, but the process can also be easily scaled up by enlarging the shape of the reactor that houses the stirring and moving means. In particular, the conversion rate of the resulting reduced product is about 100%, so that the desired reduced product can be obtained efficiently.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
図1に示す還元装置において、生成した排ガスを凝縮ユニットに供給せずに(水素ガスをリサイクルすることなく)、金属酸化物粒子を還元して還元体を製造した。
Example 1
In the reduction apparatus shown in FIG. 1, the metal oxide particles were reduced to produce a reduced material without supplying the produced exhaust gas to a condensation unit (without recycling hydrogen gas).

詳しくは、原料である金属酸化物粒子としては、酸化タングステンWO粒子((株)アライドマテリアル製、平均粒径20μm)を使用し、2.5g/分から5.8g/分の範囲で反応器に供給し、還元ガスとしては、水素ガス濃度が3体積%(0℃)であるアルゴンガスとの混合ガスを使用し、混合ガスの流量は10L/分に調整した。 Specifically, tungsten oxide WO3 particles (manufactured by A.L.M.T.L. Co., Ltd., average particle size 20 μm) were used as the raw material metal oxide particles and were supplied to the reactor at a rate of 2.5 g/min to 5.8 g/min., and a mixed gas of hydrogen gas and argon gas with a hydrogen gas concentration of 3 vol% (0° C.) was used as the reducing gas, and the flow rate of the mixed gas was adjusted to 10 L/min.

反応器としては、内径32.9mm、外径50mmの円筒状反応器(NCF600製管)の内部空間に、スクリュー(外径31mm、軸外径7mm、ピッチ38mm、羽根傾斜角度65°、羽根厚み6.5mm、S55C製スクリュー)を収容した反応器を使用し、加熱機として、電気炉((株)アサヒ理化製作所製「ARF1110-300」)を使用した。反応条件としては、スクリューを回転速度0.3から1.1rpmで回転させ、反応管入口圧力を300kPaに固定した上で、還元温度を1053~1123Kの範囲、還元時間を7~26分の範囲で変化し、それぞれの操作条件の還元反応への影響を検討した。 The reactor used was a cylindrical reactor (NCF600 tube) with an inner diameter of 32.9 mm and an outer diameter of 50 mm, in which a screw (outer diameter 31 mm, shaft outer diameter 7 mm, pitch 38 mm, blade inclination angle 65°, blade thickness 6.5 mm, S55C screw) was housed inside, and an electric furnace ("ARF1110-300" manufactured by Asahi Rika Seisakusho Co., Ltd.) was used as the heater. The reaction conditions were as follows: the screw was rotated at a rotation speed of 0.3 to 1.1 rpm, the reaction tube inlet pressure was fixed at 300 kPa, the reduction temperature was changed in the range of 1053 to 1123 K, and the reduction time was changed in the range of 7 to 26 minutes, and the effect of each operating condition on the reduction reaction was examined.

還元温度1073Kの条件で得られた還元体のモル分率をXRD分析結果から計算した結果を図3に示す。図3の結果から明らかなように、還元時間7分では、主にWO、WO2.9、WO2.72が生成し、還元時間26分では、さらにWOおよびWの生成が確認された。すなわち、還元時間の操作により還元度を制御することが可能で、還元時間10分では酸素欠損型WO2.72のモル分率が0.95に達した。また、還元時間はスクリュー回転速度に反比例し、反応時間が短い条件では反応管内でのスクリューによる撹拌効果が高まり、より均一な還元が可能であった。 The molar fraction of the reduced product obtained under the condition of a reduction temperature of 1073K was calculated from the XRD analysis results and is shown in Figure 3. As is clear from the results of Figure 3, when the reduction time was 7 minutes, mainly WO3 , WO2.9 , and WO2.72 were generated, and when the reduction time was 26 minutes, the generation of WO2 and W was also confirmed. In other words, it is possible to control the reduction degree by manipulating the reduction time, and when the reduction time was 10 minutes, the molar fraction of oxygen-deficient WO2.72 reached 0.95. In addition, the reduction time was inversely proportional to the screw rotation speed, and when the reaction time was short, the stirring effect of the screw in the reaction tube was enhanced, making it possible to perform a more uniform reduction.

なお、XRD分析は、X線回折装置((株)リガク製「SmartLab」)を用いて測定した。 The XRD analysis was performed using an X-ray diffraction device ("SmartLab" manufactured by Rigaku Corporation).

原料であるWO粒子の断面SEM像を図4に示し、還元温度を1123K、還元時間を7分とした還元体の断面SEM画像を図5に示す。還元後のモル分率はXRDよりWO2.72:0.85,WO:0.14であった。原料粒子の断面は、粒子内部にひびが見られるが、粒子全体に細かい隙間は見られなかった。一方、還元後の還元体は、全体に繊維状の結晶成長が確認できた。WO2.72は異方性成長挙動を示すことは、Y. Sun, et al., Electrochim. Acta, 187, 329-339 (2016)で報告されているが、この結果は、この挙動に合致している。すなわち、還元時間7分での主成分はWO2.72であり、粒子内部まで反応が進行していることが確認できた。 FIG. 4 shows a cross-sectional SEM image of the raw material WO 3 particles, and FIG. 5 shows a cross-sectional SEM image of the reduced product with a reduction temperature of 1123K and a reduction time of 7 minutes. The molar fraction after reduction was WO 2.72 : 0.85, WO 3 : 0.14 according to XRD. The cross section of the raw material particle showed cracks inside the particle, but no fine gaps were observed throughout the particle. On the other hand, fibrous crystal growth was confirmed throughout the reduced product after reduction. It has been reported in Y. Sun, et al., Electrochim. Acta, 187, 329-339 (2016) that WO 2.72 exhibits anisotropic growth behavior, and this result is consistent with this behavior. That is, it was confirmed that the main component after a reduction time of 7 minutes was WO 2.72 , and the reaction had progressed to the inside of the particle.

本発明の還元装置は、金属酸化物の還元に利用でき、得られた還元体のうち、酸素欠損型金属酸化物は、光触媒やリチウムイオン電池負極材料などの各種半導体材料として利用できる。また、本発明の還元装置は、還元体に加えて、水も副生するため、月土壌を利用して水を発生させるプラントとしても利用できる。 The reduction device of the present invention can be used to reduce metal oxides, and the resulting reduced products, oxygen-deficient metal oxides, can be used as various semiconductor materials, such as photocatalysts and negative electrode materials for lithium-ion batteries. In addition, the reduction device of the present invention can also produce water as a by-product in addition to the reduced products, and can therefore be used as a plant that generates water using lunar soil.

1…還元装置
2…金属酸化物粒子
3…供給機(ホッパー)
4…反応器
4a…供給口
4b…取出口
4c…導入口
4d…排出口
5…移動攪拌手段(スクリュー)
6…駆動装置
7…加熱機
8…回収容器
1... Reduction device 2... Metal oxide particles 3... Feeder (hopper)
4... Reactor 4a... Supply port 4b... Outlet port 4c... Inlet port 4d... Discharge port 5... Mobile stirring means (screw)
6: Driving device 7: Heater 8: Collection container

Claims (12)

金属酸化物粒子を水素ガスで還元させるための反応器と、前記水素ガスを含む還元ガスを前記反応器に流通させるための流通手段とを備えた反応ユニットを含む還元装置であって、
前記反応器が、前記金属酸化物粒子を供給するための供給口と、
前記金属酸化物粒子を還元して得られる還元体を回収するための取出口と、
前記還元ガスの存在下、前記供給口から供給された前記金属酸化物粒子を攪拌しながら前記取出口まで移動させる攪拌移動手段と、
前記還元ガスを導入するための導入口と、
反応後の排ガスを回収するための排出口とを有し、
さらに、前記反応器が反応室としての円柱状空間を有し、かつ前記攪拌移動手段が前記円柱状空間に収容されたスクリューであり、
前記スクリューの外径が、前記反応器の内径の90%以上であり、
前記流通手段が、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させるための流通手段である還元装置。
A reduction apparatus including a reaction unit having a reactor for reducing metal oxide particles with hydrogen gas and a circulation means for circulating a reduction gas containing the hydrogen gas through the reactor,
the reactor has a supply port for supplying the metal oxide particles;
an outlet for recovering a reduced product obtained by reducing the metal oxide particles;
a stirring and moving means for stirring and moving the metal oxide particles supplied from the supply port to the outlet in the presence of the reducing gas;
an inlet for introducing the reducing gas;
and an outlet for recovering exhaust gas after the reaction.
Furthermore, the reactor has a cylindrical space as a reaction chamber, and the stirring and moving means is a screw housed in the cylindrical space,
The outer diameter of the screw is 90% or more of the inner diameter of the reactor,
The reduction device, wherein the circulating means is a circulating means for circulating the reducing gas in a direction opposite to a moving direction of the metal oxide particles.
前記スクリューの外径が、前記反応器の内径の92~98%である請求項記載の還元装置。 2. The reduction apparatus according to claim 1 , wherein the outer diameter of the screw is 92 to 98% of the inner diameter of the reactor. 反応ユニットが反応器を加熱するための加熱手段をさらに備えている請求項1又は2記載の還元装置。 3. The reduction apparatus according to claim 1, wherein the reaction unit further comprises a heating means for heating the reactor. 前記導入口が、金属酸化物粒子の移動方向において、加熱手段によって加熱される領域よりも下流側に形成されている請求項記載の還元装置。 4. The reduction apparatus according to claim 3 , wherein the inlet is formed downstream of a region heated by the heating means in a moving direction of the metal oxide particles. 前記還元ガスが、水素の単独ガス、または水素ガスおよび不活性ガスの混合ガスである請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 5. The reduction apparatus according to claim 1, wherein the reducing gas is hydrogen gas alone or a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas. 前記金属酸化物粒子を温度853~1323K、圧力150~500kPaで還元する請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 The reduction apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the metal oxide particles are reduced at a temperature of 853 to 1323 K and a pressure of 150 to 500 kPa. 前記金属酸化物粒子の平均粒径が1~1000μmである請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 The reduction device according to any one of claims 1 to 6 , wherein the metal oxide particles have an average particle size of 1 to 1000 µm. 前記還元体が、酸素欠損型金属酸化物粒子である請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 The reduction device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the reductant is an oxygen-deficient metal oxide particle. 前記排ガスに含まれる還元ガスを反応器に循環させる循環ラインをさらに含む請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 The reduction apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising a circulation line for circulating the reducing gas contained in the exhaust gas to the reactor. 前記排ガスに含まれる水を、水素ガスと酸素ガスとに電気分解する電気分解ユニットをさらに含み、前記電気分解ユニットで生成した水素ガスを反応器に循環させる請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置。 The reduction device according to any one of claims 1 to 9 , further comprising an electrolysis unit that electrolyzes water contained in the exhaust gas into hydrogen gas and oxygen gas, and circulates the hydrogen gas generated in the electrolysis unit to the reactor. 請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置を用いて、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させた状態で、前記供給口から供給した前記金属酸化物粒子を、前記取出口まで攪拌しながら移動させ、前記還元体を前記取出口から回収することにより、金属酸化物の還元体を連続的に製造する方法。 10. A method for continuously producing a reduced material of a metal oxide, using the reduction apparatus according to any one of claims 1 to 9 , comprising moving the metal oxide particles supplied from the supply port to the outlet while stirring them, while circulating the reducing gas in a direction opposite to a direction of movement of the metal oxide particles, and recovering the reduced material from the outlet. 請求項1~のいずれか一項に記載の還元装置を用いて、前記金属酸化物粒子の移動方向と対向する方向に前記還元ガスを流通させた状態で、前記供給口から供給した前記金属酸化物粒子を、前記取出口まで攪拌しながら移動させ、前記還元体である酸素欠損型金属酸化物粒子を前記取出口から回収する方法において、還元ガス中の水素ガス濃度、還元ガスの流量、温度、圧力、攪拌速度および還元時間からなる群より選択された少なくとも1種の条件を調整することにより、金属酸化物の酸素欠損度を制御する方法。 10. A method for controlling a degree of oxygen deficiency in a metal oxide by adjusting at least one condition selected from the group consisting of a hydrogen gas concentration in the reducing gas, a flow rate of the reducing gas, a temperature, a pressure, a stirring speed, and a reduction time, the method comprising: moving the metal oxide particles supplied from the supply port to the outlet while stirring the metal oxide particles in the supply port and recovering the oxygen-deficient metal oxide particles , which are the reduced product, from the outlet, using the reduction apparatus according to any one of claims 1 to 9.
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