(57)【要約】【課題】  銅あるいは銅箔の原料となる硫酸銅は、銅を硫酸に溶解して製造されている．この時、銅イオンの発生と同時に帯電した電子が発生する．これを集電して電力として利用出来るようにする事を課題とする．【解決手段】  銅を負電極、黒鉛と無定形炭素および粘土を配合した炭素材料を正電極とし、硫酸を電解液として化学電池を形成し、銅が硫酸に溶解し銅イオンが発生すると同時に発生する負に帯電した電子を集電して電力として利用する．負電極銅の表面近傍に黒鉛粉末や炭素繊維を配して微小電池を形成させ銅の溶解を促進する．得られる起電力は、約０．４ボルトから０．５ボルトである．【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫酸を電解液とし、任意の形状の銅を負電極、棒状、板状、網状または布状の炭素材料をを正電極として化学電池を形成させ、銅が硫酸に溶解した時に発生する電子を集電することを特長とする硫酸銅水溶液の製造法
【請求項２】
請求項１記載の正電極となる炭素材料が、黒鉛および無定形炭素に対し４０重量％以下の粘土を含む組成物である硫酸銅水溶液の製造法
【請求項３】
請求項１記載の負電極、銅の表面近傍に粉状、粒状あるいは棒状の黒鉛または炭素繊維の細片や布が存在する硫酸銅水溶液の製造法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は銅を硫酸に溶解して硫酸銅水溶液を製造する方法に関する．
【背景技術】
【０００２】  硫酸銅水溶液は、銅の電解精錬や電解銅箔などの製造において電解液として用いられている．この硫酸銅水溶液は、精錬銅や銅くず、ミルスケールなどに硫酸を加えて製造している．
本発明は、この硫酸銅水溶液に関した技術を背景とする．
【非特許文献】１４７０５の化学商品  ｐ１２７  （２００５）  化学工業日報社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  硫酸銅水溶液は、タンクの中で銅を硫酸に浸漬したり、銅に硫酸を吹きつけたりして製造している．銅が硫酸に溶解すると銅イオンが発生するが、その時、負に帯電した電子が放出され、電解液中の正イオンと結合し消滅している．この時に生じた電気量は、後工程の電解精錬や電解銅箔製造のときに必要とする電気量と理論的に等量となる．従って硫酸銅の製造時に生じているこの電子を集電して回収出来ると電気量を大幅に節約する事が可能となる．銅は、イオン化傾向の小さい金属なので、この荷電した電子を集電するには銅より更にイオン化傾向の小さい金属を正電極とし、銅を負電極として化学電池を形成しなければならない．銅よりイオン化傾向の小さい金属は、金や銀などの貴金属類で適当な汎用の金属がない．またこの電子を集電しても正電極表面に起こる水素ガスの分極を防ぐ事が難しい．本発明は、この硫酸銅水溶液の製造時に発生する帯電した電子を集電し、経済的な硫酸銅水溶液の製造法を開発する事を課題とするものである．
【課題を解決するための手段】
【０００４】  銅は酸化還元電位の大きな金属である．このため銅の溶解のときに発生する負に帯電した電子を集電するには、酸化還元電位が銅より大きな金属を正電極とした化学電池を形成させなければならない．この点から選択出来る金属は、金、銀、白金などの貴金属となり現実的ではない．不動態のステンレス鋼も酸化還元電位は銅とほぼ同じか、やや小さい値である．本発明者は、種々研究の結果、粘土を含む炭素材料がこの正電極の目的に適う物質であることを突き止めた．炭素材料単独でも実用は可能であるが、起電力はやや低くなる．そこで黒鉛および無定形炭素に様々な物質を配合して銅と化学電池を形成し起電力を測定した．その結果、粘土を配合した炭素材料は０．４ボルトから０．５ボルトの起電力を銅との間に安定して発生する事を見出した．粘土はイオン交換能を有する層状無機化合物である．乾電池や蓄電池などには、黒鉛が正電極として広く用いられているが、分極に対しては酸化剤を減極剤として用いており、この減極剤が電池の寿命に影響している．本発明では、減極剤は使わない方向で研究を進めた結果、粘土が有効である事を見出した．減極剤を使用する時は、減極剤の消費量を管理しながら製造しなければならないことになり、管理費用や材料費の面で不利になる．また製造される硫酸銅水溶液の純度も低下してしまう．【０００５】  黒鉛と粘土の配合比は、黒鉛および無定形炭素からなる炭素材料に対し対し粘土４０重量％以下、好ましくは１０重量％以下がよい．生ずる電圧は０．４ボルトから０．５ボルトと低い値ではあるが、電池作用を形成出来るので、銅が溶解して電離する時に発生する帯電した電子を集電できる．この正電極となる炭素材料は、黒鉛および粘土を組み合わせて捏和、成形した後、焼成し製造される．黒鉛は天然黒鉛および人工黒鉛、どちらでもよい．無定形炭素を使用する時は、粉状の無定形炭素、またはフエノール樹脂、フラン樹脂などの合成樹脂やピッチを黒鉛および粘土、または粘土と混合した後、成形、加熱、炭化して製造する．この時は、２０００℃以上の温度で焼成し黒鉛化する．黒鉛と粘上だけを混合する時は、水を加えて捏和混合し焼成する．この時の焼成温度は、１０００ないし１３００℃でよい．粘土を含まない炭素材料は、起電力は０．３ボルト前後である．起電力は低く発電効率が悪いが実用は可能である．銅に対し硫酸を吹きつける方法によって、硫酸中の溶存酸素が増加し分極も回避される．高い硫酸銅の純度を要求する場合は、粘土を含まない黒鉛を正電極に用いることになる．銅の負電極と炭素材料の正電極は、互いに接触することなく硫酸に浸漬する．このために炭素材料は、有機または無機の繊維で被覆して絶縁しておくとよい．実験からは、正負両電極が互いに接触しても、自己放電は余り大きくないが、集電効率が少しでも低下する事のないように絶縁する事が好ましい．炭素材料としては、この他に炭素繊維も使用可能である．この場合は、くず銅など不定形の銅に対して用いると便利である．この場合も、ピッチや合成繊維などの炭素繊維の原料に粘土を混ぜたり、炭素繊維布の表面にフエノール樹脂やフラン樹脂あるいはピッチに粘土を混ぜた物を塗布し、焼成してもよい．
粘土は、カオリン系、スメクタイト系、タルクなど一般的な粘土材料が実験結果では使用可能であった．この他にも粘土の種類は数多くあるが、粘土類は、イオン交換能があり、いずれも使用可能であると考えられる．【０００６】  正負電極は導線を経由してキャパシタなどの蓄電装置に連結され電気を蓄える．直接、電力としても使用可能である．正電極となる炭素材料の端子部は、粘土を含まない黒鉛がよい．粘土を含む炭素材料が導体と接触した時に、局地的に電池が形成されて長時間経つと抵抗が増してくる．負電極の導線は銅を使う．このため負電極と導線は同じ材質となり、両者の間に電池が形成され難くなる．黒鉛でも集電は可能であるが、正電極の炭素材料と同質なために出力が大きく低下する．電解液に触れていなければ黒鉛も使用可能である．
負電極となる銅の表面近傍に、黒鉛粒子や炭素繊維を充填し、銅と黒鉛の間に微小電池を形成させて銅の溶解を促進し効率を高める事が出来る．この方法は、特にくず銅を負電極とする時に有効である．この黒鉛粒子や炭素繊維は、回収して繰り返し使う事が出来る．
一対の電極の起電力は０．４ボルトから０．５ボルトである．黒鉛単独では、０．３ボルト前後である．複数の正負電極は、互いに直列に連結して起電力を高めて使う事も出来る．その時は、それぞれの対となった電極を隔離する．正電極の炭素材料と外部を繋ぐ導線は、接続部に水分が入らない様に防水処理に注意を払う．接続部に水分が入ると、そこにも電池が形成されて出力が低下する．また電解液である硫酸は、電極に吹きつける方法で加えると、溶存酸素が増加し水素分極防止と共に硫酸銅の生成速度も増加し効果的である．
【発明の効果】
【０００７】  銅を硫酸に溶解する時に発生する荷電した電子を集電する事によってエネルギーを有効利用することが出来る．その電気量は、理論的には後工程の電解精錬や電解銅箔製造に要する電気量に匹敵する．
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】  銅は精錬銅のインゴットまたはくず銅を使う．硫酸は、工業用の硫酸水溶液を使用する．タンク内に銅を投入し、硫酸溶液を吹きつけて銅を溶解する．硫酸水溶液は循環して吹きつけられる．タンクは、外部と電気的に絶縁された構造とする．銅の投入前にタンク内に炭素正電極を挿入する．炭素正電極は、１０％の粘土を含む黒鉛の丸棒がよい．炭素丸棒の表面は、径１ｍｍ程度の耐酸性のビニリデイン系繊維糸を螺旋状に巻きつけておく．銅が直接炭素電極に触れないようにするためである．炭素電極の直径は５ｃｍ、長さはタンクの深さによって変える．炭素電極の間隔は、２０ｃｍとしタンク内に林立させる．銅はこの炭素電極の間に入る事になる．インゴットやくず銅に接して銅線を配置し、この銅線を外部のキャパシタに接続する．キャパシタの他端は炭素正電極に接続すると、銅の溶解に伴い発生する荷電した電子はキャパシタに蓄えられる事になる．一電極当りの発生電圧は０．４ボルトから０．５ボルトである．粘土を含まない黒鉛電極では、０．３ボルト前後であった．起電力は低いが実用は可能である．電圧は電極を直列に連結して高める事が出来る．この時、対となった各電極は互いに隔離しておく必要がある．発生する電気量は、電極の配置密度に関係してくるので、適当な配置にして出来るだけ効率を高める．
銅と黒鉛粉末や炭素繊維を銅表面近傍に共存させて集電すると、銅と黒鉛が局所的に微小な電池を形成して銅のイオン化を助長する．黒鉛は回収して使用可能である．不純物も吸着する効能がある．
【産業上の利用可能性】
【０００９】  今まで回収していなかった銅溶解時に発生する電子を集電して回収すれば、銅精錬や電解銅箔の製造費用を低減することが出来る．その低減量は、銅精錬や電解銅箔製造に必要とする電気量と理論的には等量となり、効果は極めて大きいものとなる．方法も比較的簡単なので実現にも余り困難はなく、関係業界では容易に取りこむ事が可能と考えられる．