(57)【要約】      （修正有）【課題】レアメタルの電解採取において、撹拌手段を使用するか、電解槽を回転することなく、亦、多孔性電極や複数回にかける電解還元処理する工程を経由しなくても、電解採取溶液の接触面を画期的に増大して、その反応量を増加させ、反応速度を高めて反応時間を減少できる装置及び方法の提供。【解決手段】流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置４００は、投入口と排出口とを有する流路１６０が形成されているカソードセル１２０−２と、投入口と排出口とを有する流路が形成されているアノードセル１２０−１と、前記カソードセルと前記アノードセルとの間で、これらと密着して形成されるイオン交換樹脂膜４２０とを備えてなる。前記カソードセル及び前記アノードセルは、又は、前記基板は、グラファイトで形成されることが望ましい。電解採取溶液は、レイノルズ数２０００以上の乱流域で流動される流路型セルを用いたレアメタルの電解採取法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入口と排出口とを有する流路が形成されているカソードセルと、
投入口と排出口とを有する流路が形成されているアノードセルと、
前記カソードセルと前記アノードセルとの間で、これらと密着して形成されるイオン交換樹脂膜とを備えてなることを特徴とする流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項２】
前記カソードセル及び前記アノードセルは、グラファイトで形成されることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項３】
前記カソードセル及び前記アノードセルに形成された流路は、前記イオン交換樹脂膜の両側において互いに流路が整合されていることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項４】
前記カソードセル及び前記アノードセルに形成された流路の内側表面には、乱流形成用ビーズが１以上形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項５】
前記流路の断面形状は、長方形状、ｕ字状、又はｖ字状のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項６】
前記投入口に投入される電解採取溶液は、レイノルズ数２０００以上に流動されることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項７】
前記カソードセルに形成された投入口には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔイオン含有溶液が投入され、
前記アノードセルに形成された投入口には、前記カソードセルに投入されるＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔイオン含有溶液と対反応を起こすことができるイオン含有溶液が投入されることを特徴とする請求項１に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項８】
前記乱流形成用ビーズは、前記流路の単位長さに対して、１以上設けられることを特徴とする請求項４に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置。
【請求項９】
カソードセル及びアノードセル用基板を準備する段階と、
前記準備した基板に流路を形成する段階と、
前記流路が形成された基板を、イオン交換樹脂膜の両側に密着して固定する段階とを含み、
前記基板に形成された投入口を介して、電解採取溶液を投入した後、電解採取を行うことを特徴とする流路型セルを用いたレアメタルの電解採取方法。
【請求項１０】
前記基板は、グラファイトで形成されることを特徴とする請求項９に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取方法。
【請求項１１】
前記基板に形成された流路の内側表面には、乱流形成用ビーズが１以上形成されていることを特徴とする請求項９に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取方法。
【請求項１２】
前記投入口に投入される電解採取溶液は、レイノルズ数２０００以上に流動されることを特徴とする請求項９に記載の流路型セルを用いたレアメタルの電解採取方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レアメタルの電解採取装置及びその方法に関し、より詳しくは、流路型セルを用いて、非常に希薄に溶解されているＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどのようなレアメタルを迅速に電解採取するための装置、及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、本発明で電解採取対象としているレアメタル（ｒａｒｅ ｍｅｔａｌ）について説明する。
【０００３】
レアメタルとは、その埋蔵量が多くないという希少性と、特定の地域に偏重しているという偏在性との特徴があり、早期枯渇危険が高いだけでなく、供給さえ不安定な金属元素を指す表現である。現在、韓国では、リチウム（Ｌｉ）、希土類、インジウム（Ｉｎ）など、３５種を総称する用語として使っている。
【０００４】
ここで、希土類とは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン系列の１５個元素など、総１７個の元素を総称する言葉であって、これらの希土類は、蛍光体（ＴＶ、蛍光ランプ）、研磨材（半導体、ディスプレイ）、永久磁石（電気車、風力タービン）などの核心原料として使用されている。
【０００５】
上述したように、レアメタルは、希少性と偏在性とを特徴としているが、中国は、希土類の賦存側面と生産側面において、他の追随を許さない資源強国である。
【０００６】
特に、希土類元素は、元素相互間の物理的、化学的性質が類似しており、１９００年代までも純粋な元素に分離精製することができず、その活用度がほとんどなかったが、最近、これらの希土類元素の分離技術が発展することにより、希土類元素の活用は、１９５０年から急激に増大しつつある。
【０００７】
従来より、希土類元素を分離抽出する技法として、分別結晶法、分別沈澱法、選択的酸化還元法、イオン交換法、溶媒抽出法、抽出クロマトグラフなどの技法がある。
【０００８】
以下では、希土類元素から、特に、ユーロピウム（６３Ｅｕ）を分離する技法におけるイオン交換法としての電解還元法について、説明することにする。
【０００９】
ユーロピウムは、高純度酸化物形態の赤色活性剤であって、ＣＲＴ及び３波長蛍光ランプなどに使用され、その需要が増加しつつある元素である。
【００１０】
しかし、このような需要増加にもかかわらず、希土類鉱物中に含有されているユーロピウムの含量は、全体の希土類のうち、０.５％未満であるため、高純度化するためには、複数段階の工程が必要である。
【００１１】
１９４０〜１９５０年代までは、沈澱法、又はイオン交換樹脂法で、ユーロピウム含量８〜１３％の中間濃縮物を得ており、１９６０年代以後は、溶媒抽出法で、ユーロピウム含量７５％の濃縮物を生産している。このような中間濃縮物から高純度ユーロピウムを得るためには、Ｅｕ３＋がＥｕ２＋に容易に還元する特徴を用いる。
【００１２】
具体的には、Ｅｕ２＋は、３価希土類イオンの特性を失い、アルカリ土金属イオンの特性を示す。このような性質上の差を用いると、希土類元素から、ユーロピウムを容易に分離することができる。
【００１３】
ここで、Ｅｕ３＋を還元するために、主に、金属還元法及び電解還元法などが用いられている。上述したように、本発明は、金属還元法については説明を省略し、ユーロピウムの電解還元法を中心に、具体的に説明する。
【００１４】
まず、電解還元法としての水銀（Ｈｇ）陰極電解還元法について、水銀陰極電解還元装置を概略的に示している図１１を参照して、説明することにする。
【００１５】
電解還元法によるユーロピウム精製に最も用いられている水銀陰極電解還元法は、塩橋（ｓａｌｔ ｂｒｉｄｇｅ）で連結された２つの電解槽に、カソードとしては水銀（Ｈｇ）を、アノードとしては白金（Ｐｔ）を、それぞれ使用した。
【００１６】
具体的な還元方法は、カソード室に、ＳＯ４２−イオンを含むユーロピウム濃縮物を投入し、アノード室には、１ｍｏｌ／Ｌ濃度の硫酸溶液を投入してから電解すると、カソード室内のユーロピウムが、ＥｕＳＯ４沈殿物を形成する。
【００１７】
しかし、このような水銀陰極電解還元法は、処理量が少なく、ユーロピウムの純度が不良であっただけでなく、酸化ユーロピウムを生産するに際しての水銀汚染に対する問題が生じて、現在、工業的としては使用していない。
【００１８】
次に、イオン交換隔膜電解還元装置を概略的に示す図１２を参照して、電解還元法としてのイオン交換隔膜電解還元法について説明する。
【００１９】
イオン交換隔膜電解還元法は、１９８０年代に開発されており、陰イオン交換膜に分離された電解槽にそれぞれ、多孔炭素電極を設けて電極として使用する。
【００２０】
前述したイオン交換隔膜電解還元法における還元は、カソード室には濃縮されたユーロピウム（ＲＥＣｌ２、具体的には、Ｅｕ３＋）溶液を投入し、アノード室には、ＦｅＣｌ２溶液を一定の速度で投入しながら、ユーロピウムを電解還元させることを特徴とする。
【００２１】
ここで、１次還元された溶液は、同一構造の電解槽で２次還元させ、これによって、前記ユーロピウムの還元率を、９９％以上に高めてから、沈澱装置に移送する。
【００２２】
沈澱装置では、電解槽から移送されたＥｕ２＋溶液を、２ｍｏｌ／Ｌの硫酸アンモニウムと、１ｍｏｌ／Ｌの硫酸混合溶液とを反応させ、ＥｕＳＯ４の沈殿物を形成して、ユーロピウムを分離するが、この際、空気との接触によるユーロピウムの酸化を抑制するために、窒素ガスに排気気（ｐｕｒｇｅ）することが望ましい。
【００２３】
以下、多孔炭素電極電解還元装置を概略的に示す図１３を参照して、多孔炭素電極電解還元法について、説明する。
【００２４】
図１３において、１、３は排出口、２は気体放出口、４は投入口、５はガラス剤反応器、６はカソード、７はアノード、８は多孔性グラファイトをそれぞれ示している。
【００２５】
図１３において、多孔炭素電極電解還元装置を用いた多孔炭素電極電解還元法は、イオン交換隔膜電解還元法と同様に、多孔炭素電極を使用するが、イオン交換隔膜電解電極と比較して、電極の孔が非常に小さいことが特徴である。この際の孔隙率は、４３％程度である。
【００２６】
前記多孔炭素電極電解還元法は、ユーロピウムが濃縮した塩化希土類及びブローム（Ｂｒ）が含有した溶液を、原料投入口に圧力をかけて投入すると、カソード電極の空隙間を通過しながら、ユーロピウムの還元反応が起き、アノードでは、Ｂｒの酸化反応が発生する原理を用いている。
【００２７】
しかし、多孔炭素電極電解還元法も、還元率が低くて回収率が低下し、Ｂｒによる製品汚染が問題点として指摘されている。
【００２８】
以上のように、従来行われていた各種の電解還元法では、反応量を増加し、反応速度を高めるために、プロペラのような撹拌手段を使用するか、電解槽自体を回転させるなどによる反応面を増大させる方法、または、図１２を参照して説明したイオン交換隔膜電解還元法の場合でのように、一度、電解還元処理した電解採取溶液を、再度、２次電解還元処理する再循環などによる反応時間を増大させる方法を使用していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
特許文献１：大韓民国公開特許公報第１９９７-０００６１８７号（１９９７.０２．１９公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためのものであって、撹拌手段を使用するか、電解槽を回転することなく、また、多孔性電極や複数回にかける電解還元処理する工程を経由しなくても、電解採取溶液の接触面を画期的に増大して、その反応量を増加させ、これと共に、反応速度を高めて反応時間を減少することができる装置及び方法を提供することを目的とする。
【００３１】
特に、本発明は、低濃度の電解採取溶液に含まれたＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属イオンを金属化させて回収するための、電解採取装置及び方法を提供することを目的とする。
【００３２】
また、本発明は、従来技術で問題となっていた他の物質による目標金属の汚染問題を解決することを目的とする。
【００３３】
本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に限るものではなく、本発明の技術分野に属する通常の技術者であれば、以下の記載から、触れていない他の課題に対しても明確に理解されるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するため、本発明の望ましい１実施例による、流路型セルを用いたレアメタルの電解採取装置は、投入口と排出口とを有する流路が形成されているカソードセルと、
投入口と排出口とを有する流路が形成されているアノードセルと、前記カソードセルと前記アノードセルとの間で、これらと密着して形成されるイオン交換樹脂膜と
を備えてなることを特徴とする。
【００３５】
ここで、前記カソードセル及び前記アノードセルは、グラファイトで形成されることが望ましい。
【００３６】
また、前記カソードセル及び前記アノードセルに形成された流路は、前記イオン交換樹脂膜の両側において互いに流路が整合されていることが特に望ましい。
【００３７】
更に、前記カソードセル及び前記アノードセルに形成された流路の内側表面には、乱流形成用ビーズが１以上形成されている。
【００３８】
ここで、前記流路の断面形状は、長方形状、ｕ字状、又はｖ字状の１つである。
【００３９】
また、前記投入口に投入される電解採取溶液は、レイノルズ数２０００以上に流動されることが望ましい。
【００４０】
本発明の１実施例によると、前記カソードセルに形成された投入口には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔイオン含有溶液が投入され、前記アノードセルに形成された投入口には、前記カソードセルに投入されるＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔイオン含有溶液と対反応を起こすことができるイオン含有溶液が投入されることが望ましい。
【００４１】
ここで、前記対反応とは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔイオン含有溶液から、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔを析出することにおいて、最も適切な反応を起こすことができる反応を示す。
【００４２】
本発明の１実施例によると、前記乱流形成用ビーズは、前記流路の単位長さに対して、１以上設けられることが望ましい。
【００４３】
前記課題を解決するために、本発明の望ましい他の実施例によると、流路型セルを用いたレアメタルの電解採取方法は、カソードセル及びアノードセル用基板を準備する段階と、
前記準備した基板に流路を形成する段階と、
前記流路が形成された基板を、イオン交換樹脂膜の両側に密着して固定する段階と
を含み、
前記基板に形成された投入口を介して、電解採取溶液を投入した後、電解採取を行うことを特徴とする。
【００４４】
ここで、前記基板は、グラファイトで形成されることが望ましい。
【００４５】
また、前記基板に形成された流路の内側表面には、乱流形成用ビーズが１以上形成されている。
【００４６】
前記投入口に投入される電解採取溶液は、レイノルズ数２０００以上に流動されることが望ましい。
【００４７】
その他の実施例の具体的な事項は詳細な、説明及び添付の図面に含まれている。
【００４８】
本発明の利点及び／又は特徴、そして、それらを達成する方法は、添付の図面と共に詳しく後述されている実施例を参照すると、明確になるだろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態で具現される。但し、本実施例は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明の技術の分野に属する通常の技術者に、本発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。
【００４９】
明細書全体に亙って、同一の参照符号は、同一の構成要素を示しており、発明を構成する各構成要素の大きさ、位置、結合関係などは、明細書の明確性のために、誇張記述されていることがあることを理解すべきである。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の好適な実施例によると、撹拌手段の使用又は電解槽の回転、多孔性電極、又は複数回にかけて電解還元処理する工程を経由しなくても、簡単な構成の装置によって、電解還元反応量を増加し、電解還元反応速度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な斜視図である。
【図２】図２は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な平面図である。
【図３】図３は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な断面図である。
【図４】図４は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置の概略的な断面図である。
【図５】図５は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置の流路におけるレイノルズ数による流動の差をシミュレーションで示す図であって、図５aは、レイノルズ数が６９.４４の場合を示してり、図５ｂは、レイノルズ数が６９４４の場合を示している。
【図６】図６は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置におけるレイノルズ数の変動と回収率の変動とを示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置における電荷量（印加電荷量／理論電荷量に換算した値）と、回収率の変動とを示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置におけるＣｕ２＋含有溶液の硫酸濃度と回収率の変動とを示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置における電解採取金属の種類による回収率の変動を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の好適な実施例によるレアメタル電解採取方法を概略的に示すシーケンス図である。
【図１１】図１１は、従来技術による水銀陰極電解還元装置を概略的に示す図である。
【図１２】図１２は、従来技術によるイオン交換隔膜電解還元装置を概略的に示す図である。
【図１３】図１３は、従来技術による多孔炭素電極電解還元装置を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下では、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳しく説明することにする。
【００５３】
図１は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な斜視図である、
【００５４】
図１を参照すると、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セル１００は、基板１２０と、電解採取溶液を投入するための投入口１３０と、電解採取が終わった溶液が排出される排出口１４０からなる流路（１６０、又は、チャンネル）と、前記流路１６０の一部分に形成された乱流形成用ビーズ（１８０、ｂｅａｄ）とを含む。
【００５５】
図１に示している電解採取装置のカソード又はアノードを成す流路型セル１００は、図１では、１つだけを示しているが、実際では、カソード用流路型セル１００とアノード用流路型セル１００の２つを製造しなければならない。これに対しては、図４を参照して、後述することにする。
【００５６】
図１に示している流路型セル１００に形成された流路１６０は、弓形に示されているが、∩状と∪状とが交互に配列された、つまり、流路１６０の折れる部分が曲線状に形成されることもできる。
【００５７】
但し、図１に示している流路１００でのように、直角に折れる部分における電解採取溶液の流動性、後述するレイノルズ数が更に高くなる効果を示しているため、流路１００は、弓形に形成されるのが望ましい。
【００５８】
また、流路型セル１００、又は基板１２０は、グラファイトで形成されることが望ましい。
【００５９】
流路型セル１００、又は基板１２０をグラファイトで形成する理由は、酸で腐食されなく、電解採取しようとする成分とも反応しなく、また、加工性に優れているだけでなく、経済的でも安価な材料であるからである。
【００６０】
上述したように、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置においては、流路型セル１００、又は基板１２０はいずれも、同一の形状で形成することが望ましい。
【００６１】
また、図４を参照して後述するが、流路型セル１００、又は基板１２０に形成された流路１６０はいずれも、互いに整合して配置されることが望ましい。
【００６２】
また、図１において、前記基板１２０上に形成された流路１６０の単位当たりの１又は１以上の乱流形成用ビーズ（ｂｅａｄ）１８０が、形成されていることが望ましい。
【００６３】
前記単位長さについては、図２を参照して説明することにする。また、望ましい乱流形成用ビーズ１８０の構成については、図３を参照して説明する。
【００６４】
次に、図２は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な平面図である。
【００６５】
図２によると、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セル２００は、図１の構成と同一の構成を備えてなっていることが分かる。それで、図２に示している各構成については、図１に示す各構成と同一の図面番号が付けていることだけを言及し、それぞれの構成については、説明を省略する。
【００６６】
図２から、横幅を基準に、流路型セル２００の中間部分に、乱流形成用ビーズ１８０が形成されていることが分かる。
【００６７】
ここで、上述した'単位長さ'とは、図２に示している各流路１６０の左側から右側までの長さをいう。
【００６８】
流路１６０は、図２に示しているように、左側から右側まで単一の流路１６０が形成されていることもできるが、弓弓形のように、単一の流路型セル２００に流路１６０が２つのコラムに分離して形成されることもできる。
【００６９】
すなわち、'弓'の場合の単位長さが１であると、'弓弓'の単位長さは、前者に比べて１／２となり得る。
【００７０】
このような場合でも、単位長さは、換算して同一の単位長であると考えることが望ましい。
【００７１】
それで、'弓'の場合、乱流形成用ビーズ１８０は、単位長さに少なくても１つが形成されるとすると、後者の'弓弓'の場合、乱流形成用ビーズ１８０も単位長さに少なくても１つが形成されることができ、後者の'弓弓'の場合、乱流形成用ビーズ１８０は、前記前者の'弓'の場合、乱流形成用ビーズ１８０の設置数と対比したとき、少なくとも２つ形成されることができる。
【００７２】
次に、図３は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置を成す流路型セルの概略的な断面図である。
【００７３】
図３から、本発明の好適な実施例によるユーロピウムの電解還元装置を成す流路型セル３００において、流路１６０内側表面に形成された乱流形成用ビーズ１８０の断面形状について分かることができる。
【００７４】
図３に示している乱流形成用ビーズ１８０の断面形状は、略台形状となっているが、本発明の乱流形成用ビーズ１８０の断面は、このような断面形状に制限されない。
【００７５】
すなわち、例えば、乱流形成用ビーズ１８０の断面形状は、六角柱形状、水玉形状、又は半円柱形状でもよい。
【００７６】
要するに、乱流形成用ビーズ１８０は、流路１６０の内側表面から適当な高さに突出して形成されることが望ましい。
【００７７】
これと異なり、乱流形成用ビーズ１８０が、流路１６０内側表面から陷沒して形成されることができる。
【００７８】
すなわち、本発明の好適な実施例によると、ビーズ１８０は、流路１６０の内側表面に凹凸状で形成されることができる。
【００７９】
また、ビーズ１８０は、流路１６０の内側表面に互いに形成されることもできる。
【００８０】
要するに、ビーズ１８０は、流路１６０の内側表面で乱流を生成することができる構成であれば、何らの形状や配置でも構わない。
【００８１】
上述したように、流路１６０の内側表面には、乱流形成用ビーズ１８０が突出形成されるが、この際、乱流形成用ビーズ１８０の高さは、例えば、望ましくは、流路１６０高さの半分程度、更に望ましくは、流路１６０高さの２／３程度の高さで形成されることができる。
【００８２】
ビーズ１８０が陷沒形成される場合も、これに準じて判断することが望ましい。
【００８３】
また、乱流形成用ビーズ１８０の幅又は長さは、流路１６０の幅と同一幅で形成されることができる。しかし、乱流形成用ビーズ１８０の幅、つまり、単位長さを基準に、単位長さ方向に左右に広くなる幅は、このように流路１６０の幅の大きさに限定されるものではなく、流路１６０の幅の大きさよりも小さく形成される場合、更なる乱流形成効果、つまり、撹拌効果を発生させる大きさであれば十分である。
【００８４】
図３において、投入口１３０は、図面の下端に示されており、これは、最終的にイオン交換樹脂膜（４２０、図４参照）を挟んで結合されるとき、基板１２０の裏面から電解採取溶液を投入することを想定したためである。
【００８５】
それで、投入口１３０の形状は、適切な他の形状に変更されることもできる。
【００８６】
図３において、乱流形成用ビーズ１８０を３つ示していることは、上述したように、単位長さに対して、乱流形成用ビーズ１８０が３箇所形成されていることを意味する。
【００８７】
すなわち、図２では、乱流形成用ビーズ１８０が単位長さの流路１６０に対して、流路１６０中の１箇所にのみ形成されている'弓'形であると、図３では、乱流形成用ビーズ１８０が単位長さに対して３箇所形成されていることを意味する。
【００８８】
図４は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置の概略的な断面図である。
【００８９】
図４から、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置４００は、中に形成したイオン交換樹脂膜４２０を挟んで、右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とが密着して設けられている。
【００９０】
上記右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とはそれぞれ、カソードセルとアノードセルである。以下の説明では、カソードセルは、カソード又は基板と、アノードセルは、アノード又は基板と記載されることもあるが、本質的にこれらは同じ対象を示している。
【００９１】
アノードセルとしての右側基板１２０‐１は、グラファイトで形成されることが最も望ましく、カソードセルとしての左側基板１２０‐２も、グラファイトで形成されることが最も望ましい。
【００９２】
このように、右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とをグラファイトで形成する理由については、前述した通りである。
【００９３】
図４に示している流路１６０の断面形状は、長方形状である。しかし、上述したように、流路１６０の断面形状は、このような長方形状に限られるものではない。
【００９４】
一方、図４において、右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とは、上述したように、同一の形状で形成されることが望ましい。
【００９５】
また、上記右側基板１２０‐１及び左側基板１２０‐２に形成された流路１６０はいずれも、互いに整合して配置されることが望ましい。
【００９６】
ここで、整合して配置されるとは、上記右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とに形成されたそれぞれの流路１６０が、上記イオン交換膜４２０を挟んで、両側流路１６０の開口部が互いに一致することを意味する。
【００９７】
すなわち、上記右側基板１２０‐１に形成された流路１６０が３つの場合、左側基板１２０‐２に形成される流路１６０も３つ形成され、これと同時に、これらの各流路１６０の開口部が反対側の流路１６０の開口部と互いに一致するように、右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２とが配置されて形成されることを示す。
【００９８】
以下、図４で起きる化学反応について、Ｃｕイオン（Ｃｕ２＋）を例として、説明することにする。
【００９９】
図４において、矢印аは、本発明によるレアメタルの電解採取の一例を示すために、電解採取溶液の一例として、Ｃｕ２＋含有溶液がカソードセル内に投入されることを意味する。ここでの投入は、例えば、図１の電解採取溶液を投入するための投入口１３０を通じることが望ましい。
【０１００】
ここで、上記Ｃｕ２＋含有溶液には、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が添加されていることが望ましい。この硫酸は、電解採取溶液の電解還元反応を促進させる効果がある。硫酸の存在については、図８を参照して後述することにする。
【０１０１】
上述の矢印аにおけるＣｕ２＋含有溶液の投入と共に、矢印ｃにおいては、対反応を起こすことができる例えば、Ｆｅ２＋含有溶液が投入されることが望ましい。
【０１０２】
ここで、対反応とは、Ｃｕ２＋含有溶液からＣｕを析出することにおいて、最も適切な反応を起こす反応をいう。本発明では、前記対反応用として、Ｆｅ２＋含有溶液が投入されている。
【０１０３】
上述のＦｅ２＋含有溶液は、矢印ｃから矢印ｄまでの移動中に、Ｃｕ２＋含有溶液との対反応を起こす。
【０１０４】
その結果、Ｆｅ２＋含有溶液は、Ｆｅ３＋含有溶液に酸化することになる。この際、Ｆｅ２＋がＦｅ３＋に酸化しながら、左側基板１２０‐２で生成される電子（ｅ−）は、右側基板１２０‐１と電気的に連結された電流フロー（図示せず）に乗って、右側基板１２０‐１に移動し、この電子（ｅ−）によって、矢印ａ方向に投入された電解採取溶液内のＣｕ２＋がＣｕに析出される。
【０１０５】
上記投入されたＣｕ２＋含有溶液がカソードセル内で流路１６０に沿って流動するに際して、Ｃｕ２＋イオンは電子を得てＣｕに析出されるが、これは、図面において、符号４４０と示している。
【０１０６】
図面において、Ｃｕ析出物４４０は、流路１６０の右側壁に形成されているように示されているが、実際では、流路１６０の３面に全て形成されている。このように析出物４４０が流路１６０の３面に形成される具体的なメカニズムについては、図５を参照して説明することにする。
【０１０７】
但し、ここでは、上記析出物４４０が流路１６０の３面に析出されることは、上記電解採取溶液がレイノルズ数基準に、２０００以上に流動して乱流を生成するからであると理解するのが望ましい。
【０１０８】
参照として、図４において上記電解採取溶液としてのＣｕ２＋含有溶液は、地面に対して垂直の方向、つまり、地面をｘ軸であると仮定すると、この地面に対して垂直のｙ軸方向に流動している。
【０１０９】
また、図４において、Ｃｕに一部析出した残りのＣｕ２＋枯渇溶液は、ｂで示している排出口１４０に排出されることができる。
【０１１０】
図４において、аからｂまでＣｕ２＋含有溶液が移動する間、多くのＣｕ２＋がＣｕに析出される。これは、右側基板１２０‐１と左側基板１２０‐２との間に形成したイオン交換樹脂膜４２０に電流が流れ、この電流によって、Ｃｕ２＋含有溶液が移動する間、多くのＣｕ２＋がＣｕに析出されることを助けるためである。
【０１１１】
この際、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）は、解離してＳＯ４２−イオンとして存在することになり、このＳＯ４２−イオンによって、Ｃｕ２＋のＣｕへの析出が促進される。
【０１１２】
右側基板１２０‐１における前記Ｃｕ２＋のＣｕへの析出と共に、左側基板１２０‐２では、この対反応としてのＦｅ２＋のＦｅ３＋への酸化が発生するということについては、前述した通りである。
【０１１３】
また、図５は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置の流路におけるレイノルズ数による流動の差をシミュレーションで示す図であって、図５ａは、レイノルズ数が６９.４４の場合を示しており、図５ｂは、レイノルズ数が６９４４の場合を示している。
【０１１４】
より具体的に、図５ａは、流量１０ｃｃ／ｈｒ、レイノルズ数（Ｒｅ数）６９.４４の場合であり、図５ｂは、流量１０００ｃｃ／ｈｒ、レイノルズ数（Ｒｅ数）６９４４の場合である。
【０１１５】
図５ａ及び図５ｂは、特に、流路１６０内に電解採取溶液を投入して流動させる場合、それぞれのＲｅ数による物質移動現象を、速度等級（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）（図面左側の色相柱参照）により彩色した速度ベクトル（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖｅｃｔｏｒ）に表現した図である。
【０１１６】
図５aから、Ｒｅ数が低い場合、多くの物質移動が流路１６０の中間部分、すなわち、黄色で彩色された部分でのみ、特に、ｙ軸方向にのみ発生し、ｘ−ｚ軸ではほとんど発生していないことが分かる。
【０１１７】
これとは異なり、図５ｂから、Ｒｅ数が高い場合、物質移動がｘ−ｚ軸においても活発に発生していることが分かる。これは、投入口１３０に投入された電解採取溶液が渦巻を形成し、この渦巻がｙ軸方向に続けて進行しながら流動するからであると推定される。
【０１１８】
上記渦巻は、事実上、乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ）状態で発生するものであり、このような乱流による渦巻現象は、Ｒｅ数２０００以上で有効に発生することと知られている。
【０１１９】
ここで、'レイノルズ数'について説明することにする。
【０１２０】
レイノルズ数（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ  ｎｕｍｂｅｒ）は、“慣性による力”と“粘性による力（ｖｉｓｃｏｕｓ  ｆｏｒｃｅ）"の比で定義される流体力学分野の用語である。具体的に、Ｒｅ数は、（溶液密度*流速*縦高さ）／（溶液粘度）の簡単な公式によって定義される。
【０１２１】
上記レイノルズ数は、流体力学、特に、流体動力学で最も重要な無次元数の１つとして活用される。レイノルズ数が類似する場合、２つの流動は、流体動力学的に類似する流動を示すことと知られている。
【０１２２】
レイノルズ数が低い場合、粘性力が支配的な流動の層流が発生し、平坦で且つ一定の流動を特徴としている。一方、レイノルズ数が高い場合、慣性力が支配的な流動の乱流が発生し、任意の渦流などを含む変動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）が厳しい流動を特徴としている。
【０１２３】
一方、レイノルズ数は、Ｏｓｂｏｒｎｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ（１８４２−１９１２）の名を基に名づけられたものである。
【０１２４】
上述したように、本発明では、レイノルズ数が２０００以上の場合について注目している。
【０１２５】
このようにレイノルズ数が２０００以上の場合、流動中の物質、例えば、電解採取溶液が電極面との接触、具体的には、ｙ軸だけでなく、ｘ−ｚ軸との接触が発生することになるので、前記流動中の物質が電極面と接触することになる確率が高くなって、反応効率もこれに相応して高くなると期待する。
【０１２６】
一方、上記Ｒｅ数が２０００未満の場合、流動中の物質、例えば、電解採取溶液が電極面と接触はするが、殆どｙ軸のみと接触することになるので、上記流動中の物質が電極面と接触するようになる確率が低くなり、それで、反応効率もこれに相応して低いと予測することができる。
【０１２７】
以下、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置における各種の電解条件による様々な実施例について説明する。
【０１２８】
ここで、Ｃｕ２＋含有溶液について、Ｃｕの濃度は、１０００ｐｐｍ、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）の濃度は、０.０１〜２Ｍに調節している。
【０１２９】
また、流路断面としては、長方形状を採択している。
【０１３０】
また、流路の断面積は、０.２ｃｍ２、全体流路の長さは、２００ｃｍに固定するように設定している。
【０１３１】
また、Ｃｕ２＋イオンを１００％還元して、Ｃｕを電解採取することに必要な理論電荷量は、ファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）法則で計算することができ、本発明では、上記理論電荷量の９０％、１００％、１５０％、及び２００％を与えるように設定した。
【０１３２】
一方、上述した各種の基礎条件を基に、（１）レイノルズ数（図６参照）、（２）電荷量（図７参照）、（３）硫酸濃度（図８参照）、（４）Ｃｕ以外の他のレアメタル（図９参照）などの様々な他の条件について実験しており、以下では、これらの各種電解条件による回収率（％）について説明する。
【０１３３】
まず、レイノルズ数による回収率について説明する。
【０１３４】
図６は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置におけるレイノルズ数の変動と回収率の変動とを示すグラフである。
【０１３５】
以下、回収率はいずれも、電解採取後に得られた残留溶液内のレアメタルの量をＩＣＰ−ＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ
Ｐｌａｓｍａ − Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）装備を使用測定して得た値である。
【０１３６】
図６において、各種の変因制御条件は、下記の表１の通りである。
【０１３７】
【表１】
2014227603.tif 000003
【０１３８】
表１の変因条件により、Ｃｕの電解採取を実験した結果、図６に示しているように、レイノルズ数２０００未満、例えば、１５００程度では、回収率（％）が６０％程度を上回る水準であるが、レイノルズ数２０００以上では、回収率（％）が９５％に達して、事実上、１００％に近い回収率（％）を示している。
【０１３９】
一方、レイノルズ数が３０００に達しても、回収率（％）には大差がないことが分かるところ、本発明の好適な実施例によるレイノルズ数は、少なくとも２０００以上であることが望ましいことが分かる。
【０１４０】
次に、電荷量による回収率について説明する。
【０１４１】
図７は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置における電荷量（印加電荷量／理論電荷量に換算した値）と回収率の変動とを示すグラフである。
【０１４２】
図７において、各種の変因制御条件は、下記の表２の通りである。
【０１４３】
【表２】
2014227603.tif 000004
【０１４４】
表２の変因条件により、Ｃｕの電解採取を実験した結果、図７に示しているように、印加電荷量／理論電荷量に換算した値の割合、つまり、電荷量が１１０％に逹する前には、９５％以下の回収率（％）を示しているが、電荷量が１１０％以上の場合は、全ての場合に、９５％以上の高い電解採取回収率（％）を示していることが分かる。したがって、供給される電荷量は、１１０％を超える場合は、回収率（％）と相関関係がないことを分かる。
【０１４５】
次に、硫酸濃度による回収率について、説明する。
【０１４６】
図８は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置におけるＣｕ２＋含有溶液の硫酸濃度と回収率の変動とを示すグラフである。
【０１４７】
図８において、各種の変因制御条件は、下記の表３の通りである。
【０１４８】
【表３】
2014227603.tif 000005
【０１４９】
表３の変因条件により、Ｃｕの電解採取を実験した結果、図８に示しているように、硫酸の濃度と回収率（％）の関係において、回収率（％）は、硫酸の濃度とは相関関係が弱いことが分かる。
【０１５０】
それで、Ｃｕ２＋含有溶液の硫酸濃度（ｍｏｌｅ）は、特定する必要はないが、１Ｍ程度が望ましく、硫酸の濃度は、２Ｍ程度が上限線であると考えると望ましい。
【０１５１】
最後に、Ｃｕの他に、Ａｕ、Ｐｔ、及びＡｇの回収率について説明する。
【０１５２】
図９は、本発明の好適な実施例によるレアメタルの電解採取装置における電解採取金属の種類による回収率の変動を示すグラグである。
【０１５３】
図９において、各種の変因制御条件は、下記の表４の通りである。
【０１５４】
【表４】
2014227603.tif 000006
【０１５５】
表４の変因条件により、Ａｕ、Ｐｔ、及びＡｇが含まれた金属イオン溶液を使って電解採取を実験した結果、図９に示しているように、Ａｕの場合、殆ど９５％水準の回収率（％）を示しており、Ｐｔの場合、殆ど９０％水準の回収率（％）を示しており、Ａｇの場合、９６％を上回る水準の回収率（％）を示していることが分かる。
【０１５６】
それで、本発明の好適な実施例による電解採取装置は、Ｃｕだけでなく、他の様々なレアメタルの電解採取にも、適用が可能であることが分かる。
【０１５７】
次に、本発明の好適な実施例によるレアメタル電解採取方法について説明する。
【０１５８】
図１０は、本発明の好適な実施例によるレアメタル電解採取方法を概略的に示すシーケンス図である。
【０１５９】
図１０から、本発明の好適な実施例によるレアメタル電解採取方法は、基板準備段階（Ｓ１０）と、前記基板に流路を形成する段階（Ｓ２０）と、前記基板をイオン交換樹脂膜の両側に取り付ける段階（Ｓ３０）と、電解採取溶液を投入し、電解採取を行う段階（Ｓ４０）とを含むことができる。
【０１６０】
＜基板準備段階＞
基板準備段階（Ｓ１０）は、図１を参照して説明したように、望ましくは、グラファイト材質からなる基板１２０を準備する段階である。
【０１６１】
ここで、基板は、カソードセル用の基板１２０‐１及びアノードセル用の基板１２０‐２の２つを準備しなければならないというは、先に説明している。
【０１６２】
＜基板に流路を形成する段階＞
次に、基板に流路を形成する段階（Ｓ２０）は、図１乃至図３を参照して説明したように、上記基板１２０‐１、１２０‐２に、特定形状の流路１６０を形成する段階である。
【０１６３】
ここで、流路１６０に対する各種の条件については上述したことと同様であるので、更なる説明は省略するが、上記流路１６０には、各単位長さ毎に少なくても１つの乱流形成用ビーズ（ｂｅａｄ）１８０が形成されなければならない。
【０１６４】
＜基板をイオン交換樹脂膜の両側に取り付ける段階＞
基板をイオン交換樹脂膜の両側に取り付ける段階（Ｓ３０）は、イオン交換樹脂膜（４２０、図４参照）を挟んで、両方にカソードセル用の基板１２０‐１、及びアノードセル用の基板１２０‐２を取り付ける段階である。
【０１６５】
ここで、イオン交換樹脂膜４２０は、基板１２０‐１又は１２０‐２に投入される溶液の電気的な性質により、陰イオン交換樹脂膜になることも、逆に、陽イオン交換樹脂膜になることもできる。
【０１６６】
本発明では、電解採取溶液として、Ｃｕ２＋含有溶液を使用しているので、上記イオン交換樹脂膜４２０として、陰イオン交換樹脂膜を使用している。
【０１６７】
しかし、例えば、ＰｔやＡｕの場合でのように、通常、陰イオン状態で存在する元素の場合であると、上記イオン交換樹脂膜４２０は、陽イオン交換樹脂膜になるべきである。
【０１６８】
＜電解採取溶液を投入し、電解採取を行う段階＞
最後に、電解採取溶液を投入し、電解採取を行う段階（Ｓ４０）は、上述したように、投入口１３０にＣｕ２＋含有溶液を投入し、電解採取を行う段階である。
【０１６９】
ここで、図５に示しているように、Ｃｕ２＋含有溶液は、基板１２０‐１内に形成した乱流形成用ビーズ１８０によって、レイノルズ数２０００以上に流動され、流路１６０の３面方向にかけてＣｕが還元されて、Ｃｕ析出物４４０に析出される。
【０１７０】
上記レイノルズ数２０００以上は、上記投入口１３０に投入されるＣｕ２＋含有溶液を高速に吹き込むことによっても達成されるが、流路１６０の内側表面に形成した乱流形成用ビーズ１８０によっても達成される。
【０１７１】
グラファイト材質がＣｕとはほとんど反応しないため、基板１２０‐１の３面に浸出して固着されたＣｕ析出物４４０は、イオン交換樹脂膜（４２０、図４）から基板１２０‐１を除去した後、上記基板１２０‐１から簡単に、Ｃｕ析出物４４０を分離することができる。
【０１７２】
以上のように限定した実施例及び図面により本発明を説明したが、本発明は、前記の実施例に限られるものではなく、本発明の技術の分野に属する通常の技術者であれば、以上の記載から様々な修正及び変形が可能である。従って、本発明の思想は、以上の記載に含まれている実施例に限って決められてはいけなく、後述する特許請求の範囲によってのみ把握されるべきであり、特許請求の範囲と均等又は等価的な変形はいずれも、本発明の思想の範疇に属するといえる。
【符号の説明】
【０１７３】
１ : 排出口
２ : 気体放出口
３ : 排出口
４ : 投入口
５ : ガラス剤反応器
６ : カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）
７ : アノード（ａｎｏｄｅ）
８ : 多孔性グラファイト
１００、２００、３００ : 流路型セル
１２０ : 基板
１２０-１ : 右側基板
１２０-２ : 左側基板
１３０ : 投入口
１４０ : 排出口
１６０ : 流路（又は、チャンネル）
１８０ : 乱流形成用ビーズ
４００ : レアメタルの電解採取装置
４２０ : イオン交換樹脂膜
４４０ : Ｃｕ析出物
Ｓ１０ : 基板準備段階
Ｓ２０ : 基板に流路を形成する段階
Ｓ３０ : 基板をイオン交換樹脂膜の両側に取り付ける段階
Ｓ４０ : 電解採取溶液を投入し、電解採取を行う段階
【図１】
2014227603.tif 000007
【図２】
2014227603.tif 000008
【図３】
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【図４】
2014227603.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014227603.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2014227603.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
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