JP6652268B2 - Refining equipment - Google Patents
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Description
本発明は、精錬装置に関し、特に、高純度のマグネシウムの生成方法に関する。 The present invention relates to a refining apparatus, and particularly to a method for producing high-purity magnesium.
特許文献1および2には、本発明者らによる、第1の酸化物(例えば、酸化マグネシウム、酸化カリウム又は酸化カルシウム)と第2の酸化物(例えば、二酸化炭素又は一酸化ケイ素)との混合物又は化合物に対してレーザーを照射することによって、前記第1又は第2の酸化物から酸素を脱離させる方法が提案されている。
また、特許文献2では、第1の酸化物および第2の酸化物を所定の割合に混合あるいは化合したものにレーザーを照射することで、高純度のケイ素を得る方法も示している。
これをマグネシウムの精錬に応用すると、一酸化ケイ素を還元剤に用いた場合、得られるマグネシウムの純度は25%程度、ケイ素を還元剤として用いても純度は最も良い場合でも70%程度であり、これらの方法では、この純度が限界であるのが現状とみられている。しかし、マグネシウム電池などへの応用を考えた場合、少なくとも90%以上のマグネシウム純度が必要であり、そのためには高純度のマグネシウムを得るための新たな方法が必要である。 When this is applied to refining of magnesium, when silicon monoxide is used as a reducing agent, the purity of the obtained magnesium is about 25%, and even when silicon is used as a reducing agent, the purity is about 70% at best. In these methods, it is considered at present that the purity is limited. However, in consideration of application to a magnesium battery or the like, a magnesium purity of at least 90% or more is required, and a new method for obtaining high-purity magnesium is required for that purpose.
理論的には、酸化物に対して、所定条件下において、レーザーなどを用いて沸点以上の温度をかけると、酸素との結合を切断して、その酸素と結合していた物質を分離することができる。すなわち、マグネシウムに限らず、様々な酸化物から目的とする物質を分離することが可能である。しかし、この所定条件を選定することは非常に難しく、また、目的とする物質(対象物質と呼ぶことにする)の純度を効果的に上げることは非常に困難である。 Theoretically, when a temperature higher than the boiling point is applied to an oxide by using a laser or the like under a predetermined condition, the bond with oxygen is cut, and the substance bonded to the oxygen is separated. Can be. That is, it is possible to separate a target substance from various oxides, not limited to magnesium. However, it is very difficult to select the predetermined conditions, and it is very difficult to effectively increase the purity of a target substance (hereinafter referred to as a target substance).
本発明者は、研究・実験の結果、高純度のマグネシウムを得る方法を見出した。また、本発明は、マグネシウムに限らず対象物質とその対象物質の酸化物から対象物質のみを選択的に取り出し、高純度の対象物質を得る精錬装置、および方法を提供することを目的とする。このとき、熱源としてレーザーを用いるが、レーザーの照射条件を最適にすることにより、高純度の対象物質を得る。 The present inventor has found a method for obtaining high-purity magnesium as a result of research and experiments. Another object of the present invention is to provide a refining apparatus and a method for selectively extracting only a target substance from a target substance and an oxide of the target substance, not only magnesium, to obtain a high-purity target substance. At this time, a laser is used as a heat source, and a high-purity target substance is obtained by optimizing laser irradiation conditions.
すなわち、本発明の精錬装置は、
対象物質と、前記対象物質の酸化物との混合物又は化合物に対して、前記酸化物の沸点以下であって前記対象物質の沸点以上となる温度条件をみたす所定の出力でレーザーを照射することによって、前記酸化物から前記対象物質を分離する。That is, the refining device of the present invention
By irradiating the target substance and a mixture or compound of the oxide of the target substance with a laser at a predetermined output that satisfies a temperature condition that is equal to or lower than the boiling point of the oxide and equal to or higher than the boiling point of the target substance. Separating the target substance from the oxide.
前記所定の出力は、一定の割合に混合した前記酸化物と前記対象物質に対して、波長および照射時間を一定にした前記レーザーを、前記温度条件においてレーザーの出力を変化させて照射し、このとき得られる前記対象物質の純度が高くなるときのレーザー出力であってもよい。 The predetermined output is applied to the oxide and the target substance mixed at a fixed ratio, the laser having a constant wavelength and irradiation time, and irradiating the laser by changing the output of the laser under the temperature condition. The laser output when the purity of the target substance obtained at that time is high may be used.
前記対象物質は、マグネシウムであってもよい。 The target substance may be magnesium.
前記精錬装置は、前記レーザーを照射することによって蒸発して得られる前記対象物質を蒸着する付着媒体を備えてもよい。 The refining device may include an adhesion medium that deposits the target substance obtained by evaporating by irradiating the laser.
また、前記付着媒体は、複数の区画に分割され、それぞれの区画に同時に前記対象物質を蒸着させてもよい。 Further, the attachment medium may be divided into a plurality of sections, and the target substance may be simultaneously deposited on each section.
また、前記付着媒体は前記精錬装置からの取り外しが可能であってもよい。 Further, the adhesion medium may be removable from the refining device.
また、前記付着媒体は、表面を炭素粉で覆われており、付着した前記対象物質を該付着媒体から取り外しが可能であってもよい。 Further, the surface of the attachment medium may be covered with carbon powder, and the attached target substance may be removable from the attachment medium.
本発明によれば、さまざまな対象物質とその対象物質の酸化物の混合物から高純度の対象物質を得る方法を提供することができる。また、この方法により高純度にマグネシウムを精錬する方法を提供することができ、マグネシウム電池の燃料として利用することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for obtaining a high-purity target substance from a mixture of various target substances and oxides of the target substance. Further, this method can provide a method for refining magnesium with high purity, and can be used as a fuel for a magnesium battery.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には同一符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, similar parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施例1のレーザー精錬装置100の模式的な側面断面図である。図1には、一般的にチャンバーとも称される処理室101が示されている。処理室101には、排気ポンプPが取り付けられていて、必要に応じて、処理室101内の排気が行なわれる。
FIG. 1 is a schematic side sectional view of a
なお、処理室101には、図示しないガス導入管を設け、処理室101に対して、選択的に、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、不活性ガスなどを導入することもできる。
Note that a gas introduction pipe (not shown) is provided in the
また、処理室101には、容器102が裁置されるステージ103が設けられている。容器102には、レーザー照射装置104によるレーザー照射の対象となる物質を収容する。容器102の上方には、レーザー照射によって蒸発した物質を蒸着させるコレクター107を備える。
The
また、処理室101の上部には、レーザー照射装置104から照射されたレーザーを処理室101に取り込むための入射窓105を備える。また、レーザーの光路には、レーザー照射装置104から照射されるレーザーを、入射窓105を経て処理室101に取り込めるよう、光路を変更するための反射鏡106を備える。
In addition, an
レーザー照射装置104は、例えば数kWの太陽光や地熱、風力等を含むエネルギー源を利用する固体レーザー、気体レーザー、又は半導体レーザー照射装置を用いることができる。
As the
この種の精錬装置100は、引用によって本願明細書に取り込まれたものとする、本発明者らによって出願され登録済みの特第5546359号を参照されたい。
See Japanese Patent No. 5546359, filed and registered by the present inventors, for a
本実施例では、マグネシウムに着目して、容器102にマグネシウムと酸化マグネシウムの混合物を収容する。容器102に収容される物質は上記に限らず、酸化カルシウムとカルシウム、酸化カリウムとカリウムなど、あらゆる対象物質とその対象物質の酸化物の混合物や化合物でもよい。
In this embodiment, focusing on magnesium, a mixture of magnesium and magnesium oxide is stored in the
容器102に収容されたマグネシウムおよび酸化マグネシウムの混合物に対してレーザー照射装置104によりレーザーを照射する。このときのレーザーの強度は以下のようにして決める。まず、酸化マグネシウムの沸点は約3873Kであり、マグネシウムの沸点は約1363Kであるので、1363K以上3873K以下の温度範囲を実現するレーザー出力によってレーザーを照射する。この温度範囲においてレーザーを照射することにより、酸化マグネシウムにおけるマグネシウムと酸素が分離すると同時に、容器102からマグネシウムが蒸気となって噴出する。この蒸気となったマグネシウムを、コレクター107の表面に蒸着させる。
The
次に、コレクター107上に得られるマグネシウムの純度を効率よく向上させるよう、この温度範囲の中であって、高純度のマグネシウムを得るレーザー出力の最適値を選定する方法を、実験結果をもとに以下に示す。
Next, a method for selecting the optimum value of the laser output for obtaining high-purity magnesium within this temperature range so as to efficiently improve the purity of magnesium obtained on the
レーザーは非常に小さな領域だけを加熱することができ、照射強度、照射時間等を調整することにより、照射された領域の温度を任意に実現できる。本発明者は、酸化マグネシウムとマグネシウムの混合割合を一定にした試料を作成し、この試料にレーザーを照射してマグネシウムの純度を測定し、最も純度が高くなる時のレーザー出力を調べる実験を行った。それが図3に示す実験結果である。この実験では、混合物の割合がいつも一定となるように、マグネシウムのモル比率60%で、酸化マグネシウムのモル比率を40%となる試料を作成し、これを、アルゴンガスを流入して10〔Pa〕に保った処理室101内に置かれた容器102に入れて、波長808nmの半導体レーザーを、1秒間ずつレーザー強度を変えて照射した。図3は、このときのレーザー出力〔W〕とマグネシウム純度〔wt%〕(質量%濃度)の関係を示している。照射レーザーの出力を変化させると、温度が変化し、最適な温度が実現される。図3はこれを如実に示しており、レーザー出力を増大させてゆくと、950〔W〕付近で、マグネシウム純度が急激に上昇し、さらにレーザー出力を増大させると今度は純度が減少する。最も高いマグネシウム純度を示しているレーザー出力950[W]において、図3には示していないが、コレクター107に蒸着した物質量は25mgであり、このうち23.1mgがマグネシウムであることが分析によって明らかとなっている。すなわち重量比で92.4%の純度を得る。これはモル比では95.3%である。
The laser can heat only a very small area, and the temperature of the irradiated area can be arbitrarily realized by adjusting the irradiation intensity, irradiation time, and the like. The present inventor made a sample in which the mixing ratio of magnesium oxide and magnesium was kept constant, irradiated the sample with a laser, measured the purity of magnesium, and conducted an experiment to examine the laser output when the purity was highest. Was. That is the experimental result shown in FIG. In this experiment, a sample was prepared in which the molar ratio of magnesium was 60% and the molar ratio of magnesium oxide was 40% so that the mixture ratio was always constant. ), And irradiated with a semiconductor laser having a wavelength of 808 nm while changing the laser intensity for one second at a time. FIG. 3 shows the relationship between the laser output [W] and the magnesium purity [wt%] (mass% concentration) at this time. When the output of the irradiation laser is changed, the temperature changes, and an optimum temperature is realized. FIG. 3 illustrates this clearly. As the laser output is increased, the purity of magnesium rapidly increases around 950 [W], and the purity further decreases when the laser output is further increased. At a laser output of 950 [W] indicating the highest magnesium purity, although not shown in FIG. 3, the amount of the substance deposited on the
このようにして、レーザー出力の最適値950[W]を求めることができる。ここで、この実験結果において950〔W〕が最適となったのは、照射レーザーのビーム径や照射時間等によるもので、これらのパラメータが異なる実験条件では、必ずしもこの値となるとは限らない。しかし、それぞれのパラメータについて、レーザー出力の最適値があることは容易に推測できる。 Thus, the optimum value 950 [W] of the laser output can be obtained. Here, the reason why 950 [W] is optimal in the experimental results depends on the beam diameter of the irradiation laser, the irradiation time, and the like, and does not always reach this value under the experimental conditions in which these parameters are different. However, it can be easily inferred that there is an optimum value of the laser output for each parameter.
このように、レーザー出力の最適値を選定することで、高純度のマグネシウムを得ることができる。また、マグネシウム以外にも、様々な酸化物から対象物質を分離する方法として用いることができる。 As described above, by selecting the optimum value of the laser output, high-purity magnesium can be obtained. In addition, it can be used as a method for separating a target substance from various oxides other than magnesium.
次に、本実施例を用いて、以下のようにして酸化マグネシウムから得られるマグネシウムの純度を向上させる方法を示す。 Next, a method for improving the purity of magnesium obtained from magnesium oxide as described below using this example will be described.
まず、第一段階として、酸化マグネシウムに一酸化ケイ素、ケイ素、炭素などの還元剤を混合または化合した状態で容器102に収容し、これにレーザー照射装置104によってレーザーを照射すると、マグネシウムと酸素が分離すると同時に、容器102から蒸気となって噴出する。この蒸気を、容器102上部に設置されたコレクター107の表面に蒸着させる。
First, as a first step, magnesium oxide is mixed or combined with a reducing agent such as silicon monoxide, silicon, carbon, or the like, is contained in a
このときコレクター107の表面に蒸着した物質を構成する物質について調べたのが実験結果を示す図2である。図2は、横軸に酸化マグネシウムとその還元剤としてケイ素を用いた場合の混合割合を示し、このとき還元して得られるマグネシウム画分及びケイ素画分〔wt%〕(質量%濃度)を左側縦軸、エネルギー効率〔mg/kJ〕を右側縦軸に示している。図2が示すように、酸化マグネシウムとケイ素の混合割合は、マグネシウムの還元効率に影響を及ぼし、図2によると、ケイ素の混合率が低くても還元して得られるマグネシウムの割合は低く、またケイ素の混合率が高いとケイ素の占める割合が高くなる。このように、酸化物とその還元剤の混合割合が、還元効率に影響を及ぼすことは、前に引用した特第5546359号でも述べられている。また、図2によれば、酸化マグネシウム:ケイ素=1:0.2〜0.3の場合に、生成物中にマグネシウムが占める割合が高くなっており、60〜70%である。分析により、この生成物中のマグネシウム以外の構成物質のほとんどは酸化マグネシウムであることがわかっている。
FIG. 2 shows experimental results obtained by examining a substance constituting a substance deposited on the surface of the
次に、コレクター107に蒸着する生成物(前述のように、ほぼマグネシウムと酸化マグネシウムで構成される)を集めて、容器102に収容し、再度レーザーを照射する。このときのレーザーの強度は、前述した温度範囲であって、マグネシウムの純度が最も高くなる所定のレーザー出力で照射することで、一回目の照射で酸化マグネシウムから得られるマグネシウムよりも純度の高いマグネシウムを得ることができる。
Next, the products to be deposited on the collector 107 (consisting essentially of magnesium and magnesium oxide as described above) are collected, stored in the
ここで、コレクター107は、図1では板状の形状を示しているが、様々な形状を採用することができる。また、コレクター107は、ここに蒸着する容器102からの蒸発物の熱によって溶解しない耐熱条件を満たすものであれば、どのような材質のものを採用してもよい。本実施形態では、コレクター107として銅板を用いている。
Here, the
このようにして、高純度のマグネシウムをコレクター107上に蒸着することができる。実用化されているマグネシウム電池を用いた携帯充電器では、大きさ6cm四方で厚さ1mmのマグネシウムの板を用いる。このときのマグネシウム重量は6.3gである。前記の図3の実験では、950〔W〕のレーザーを1秒間照射し、23.1mgのマグネシウムを得ているので、8kWのレーザーの照射半径を広げ、大面積にし、1cm平方メートルあたりのレーザー出力を同じにすれば同程度の温度が実現できるので、1秒間に0.19gのマグネシウムが積層できる。これを33秒間照射すれば、6.3gとなり、33秒で1枚のマグネシウム板が製造できる。例えば実施例1のレーザー精錬装置100を30台用いてそれぞれが別々の場所に照射し、同時に蒸着を行えば、1秒間で1枚の製造が可能となる。コレクター107は、取り外し可能にすることでこれをそのままマグネシウム電極として使用することができる。しかし、コレクター107を再利用するには工夫が必要である。例えば、コレクター107の表面に炭素などの粉を付着させておけば、蒸着させた後で、マグネシウムだけをはがして使用することができる。
In this manner, high-purity magnesium can be deposited on the
図4は、本発明の実施例2の精錬装置におけるコレクター部分を模式的に示した斜視構成図である。図4は、実施例1の精錬装置におけるコレクター107をいくつかの区画に分割し、それぞれが実施例1におけるコレクターの役割を果たし、レーザー照射によって蒸発する対象物質を蒸着する。また、それぞれの区画は容易に切り離すことができるよう、区画の境界の厚みを薄くしたり、切り込みを入れておくことで、そのままマグネシウム電池の燃料として使用できる。コレクターの分割数や形は任意であり、このように決められた形にマグネシウム板ができ、マグネシウム板は改めて切断などの加工の必要がなくなる。従来の方法でマグネシウム板を製造するときは、鋳造により、ビレットと呼ばれる材料を作り、それを圧延し板として得たのち、所定の形に切断するという3つの工程が必要となるが、本実施例2によれば、レーザー照射という工程のみで、コレクターに合った任意形状の板が同時に作成できる。
FIG. 4 is a perspective configuration diagram schematically showing a collector portion in the refining device of
図5は、本発明の実施例3の精錬装置におけるコレクター107が、いくつかの区画に分割してシート状とし、複数の歯車108によってベルトコンベヤーのように送られる様子を模式的に示した斜視構成図である。コレクター107は、それぞれの区画がコレクターとしてレーザー照射によって蒸発する対象物質を歯車108の下部においてコレクター107に蒸着する。歯車108の回転によってコレクター107は、図5では時計回りに移動し、その際、剥離装置109によって蒸着した対象物質を剥離し、容器102の中に落とす。再度レーザーを照射する場合はこれを繰り返す。歯車108は、図示しない駆動装置および制御装置によって動力を得て動作する。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a state in which the
このとき、レーザー照射装置を複数台用いて、それぞれが容器102内の別の箇所の照射を同時に行うことで、コレクター107のそれぞれの区画に均一に、素早く複数枚の対象物質を得ることができる。
At this time, by using a plurality of laser irradiation devices and simultaneously irradiating different portions in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。 The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments.
本発明は、レーザーを用いた精錬装置の分野で利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized in the field of the refining apparatus using a laser.
100 精錬装置
101 処理室
102 容器
103 ステージ
104 レーザー照射装置
105 入射窓
106 反射鏡
107 コレクター
108 歯車
109 剥離装置REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記所定の出力が、一定の割合に混合した前記マグネシウムと前記マグネシウムの酸化物に対して、波長および照射時間を一定にした前記レーザーを、前記温度条件において変化させることにより、最も高いマグネシウム純度を示すレーザー出力の最適値を得るための、レーザー出力調整手段を備える、
精錬装置。 By irradiating the target substance and a mixture or compound of the oxide of the target substance with a laser at a predetermined output that satisfies a temperature condition that is equal to or lower than the boiling point of the oxide and equal to or higher than the boiling point of the target substance. A refining apparatus for separating the target substance from the oxide,
Wherein the predetermined output, the oxide of the magnesium and the magnesium mixed a certain percentage, the laser was constant wavelength and irradiation time, the Rukoto varied in the temperature, the highest magnesium purity the for obtaining an optimum value of indicates to laser power, and a laser output adjusting means,
Refining equipment.
ことを特徴とする、請求項1に記載の精錬装置。 The refining device includes an adhesion medium that deposits the target substance obtained by evaporation by irradiating the laser.
The refining device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする、請求項2に記載の精錬装置。 The adhesion medium is divided into a plurality of sections, and the target substance is simultaneously deposited on each section,
3. The refining device according to claim 2 , wherein:
ことを特徴とする、請求項2または3に記載の精錬装置。 The adhesion medium is removable from the refining device,
The refining device according to claim 2 or 3 , wherein:
ことを特徴とする、請求項2から4のいずれか一項に記載の精錬装置。 The adhesion medium has a surface covered with carbon powder, and the attached target substance can be removed from the adhesion medium.
The refining device according to any one of claims 2 to 4 , wherein:
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