FFCケンブリッジプロセス

電気分解による金属および半金属の合成プロセス

FFCケンブリッジ法は、溶融カルシウム塩中での電気分解によって酸化チタンからチタン（Ti）を製造する電気化学的方法である。^[1]

歴史

塩化カルシウム溶液中の酸化チタンの還元による電気化学的チタン製造法は、1904年のドイツ特許^[1]^[2]^[3]で初めて説明され、1954年にはカール・マーカス・オルソンに、比重装置内で溶融塩還元剤による金属酸化物の還元によるチタンなどの金属の製造法に関する米国特許2845386Aが付与されました^{[4] 。}

FFCケンブリッジプロセスは、 1996年から1997年にかけて、ケンブリッジ大学でジョージ・チェン、デレク・フレイ、トーマス・ファーシングによって開発されました。（FFCという名称は、発明者の姓の頭文字に由来しています。）^[5] この技術に関する知的財産は、Metalysis（英国シェフィールド）が取得しました。^[^要出典^]

プロセス

_{このプロセスは通常、溶融CaCl 2}溶液中で、陽極（通常は炭素）と陰極（還元される酸化物）を用いて、900～1100℃の温度範囲で進行します。酸化物の性質に応じて、陽極に対する特定の電位が存在し、これはCaCl ₂中に含まれるCaOの量に依存します。

カソード反応機構

電気カルシウム熱還元機構は、次の一連の反応で表すことができます。ここで、「M」は還元される金属（通常はチタン）を表します。

（1） MO
_×+ x Ca → M + x CaO

この反応が単独で起こる場合、「カルシウムサーミック還元」（より一般的には、金属サーミック還元の一例）と呼ばれます。例えば、陰極が主にTiOでできている場合、カルシウムサーミック還元は以下のように表されます。

TiO + Ca → Ti + CaO

カソード反応は上記のように記述できますが、実際には酸化物から酸素が徐々に除去される反応です。例えば、TiO _{2 は}単純にTiに還元されるのではなく、低級酸化物（Ti ₃ O ₅、Ti ₂ O ₃、TiOなど）を経てTiに還元されることが示されています。

生成された酸化カルシウムは電気分解されます。

(2a) x CaO → x Ca ²⁺ + x O ²⁻

(2b) x Ca ²⁺ + 2 x e ⁻ → x Ca

そして

(2c) x O ²⁻ → x /2 O ₂ + 2 x e ⁻

反応（2b）は、陰極において塩中の Ca ²⁺イオンからCa金属が生成される反応である。その後、Caは陰極を還元する。

反応（1）と（2）の最終的な結果は、酸化物が金属と酸素に還元されるという単純なものである。

（3） MO
_×→ M + x /2 O ₂

陽極反応機構

_{溶融CaCl 2}の使用は重要です。この溶融塩は「O ^2- 」イオンを溶解し、陽極へと輸送して放電させることができるためです。陽極反応は陽極の材質によって異なります。システムによっては、炭素陽極で CO、CO _{2 、またはそれらの混合物が生成される可能性があります。}

C + 2O ²⁻ → CO ₂ +4 e⁻

C + O ²⁻ → CO + 2 e⁻

しかし、高密度SnO _{2などの不活性陽極を使用すると、O}^2-イオンの放電によって酸素ガスが発生します。しかし、不活性陽極の使用には欠点もあります。まず、CaO濃度が低い場合、陽極でのCl ₂発生が有利になります。さらに、炭素陽極と比較すると、陰極で同じ還元相を達成するために必要なエネルギーが多くなります。不活性陽極は安定性の問題を抱えています。

2O ²⁻ → O ₂ + 4 e⁻

参考文献

^ ab Takeda, O.; Ouchi, T.; Okabe, TH (2020). 「チタンの抽出とリサイクルにおける最近の進歩」. Metall. Mater. Trans. B. 51 ( 4): 1315– 1328. Bibcode :2020MMTB...51.1315T. doi : 10.1007/s11663-020-01898-6 .
^ DE150557C、「DE150557Cの公表」
^ リディール、エリック・キートリー（1919年）『工業用電気冶金学、電解プロセスと電熱プロセスを含む』D. ヴァン・ノストランド社、137ページ。
^ US2845386A、マーカス、オルソン・カール、「金属の製造」、1958年7月29日発行
^ Fray, DJ; Chen, GZ; Farthing, TW (2000). 「溶融塩化カルシウム中における二酸化チタンのチタンへの直接電気化学的還元」. Nature . 407 (6802): 361–4 . Bibcode :2000Natur.407..361C. doi :10.1038/35030069. PMID 11014188. S2CID 205008890.

さらに読む

R. Bhagat、M. Jackson、D. Inman、R. Dashwood (2008). 「FFC Cambridge法による混合酸化物前駆体からのTi-Mo合金の製造」J. Electrochem. Soc. 155 (6): E63–69. Bibcode :2008JElS..155E..63B. doi :10.1149/1.2904454.
R. Bhagat、M. Jackson、D. Inman、R. Dashwood (2009). 「FFC Cambridge法による混合酸化物前駆体からのTi-W合金の製造」J. Electrochem. Soc. 156 (1): E1–7. Bibcode :2009JElS..156E...1B. doi :10.1149/1.2999340.
鈴木良介 (2005年2月～4月). 「TiO _{2のカルシオサーミック還元と溶融CaCl}₂中におけるCaOのin situ電気分解」. Journal of Physics and Chemistry of Solids . 66 ( 2–4 ): 461– 465. Bibcode :2005JPCS...66..461S. doi :10.1016/j.jpcs.2004.06.041.
朴一郎、安孫子隆、岡部徹（2005年2月～4月）「電子媒介反応（EMR）によるCaCl ₂中のTiO _{2からのチタン粉末の直接製造」}Journal of Physics and Chemistry of Solids . 66 ( 2–4 ): 410– 413. Bibcode :2005JPCS...66..410P. doi :10.1016/j.jpcs.2004.06.052.
_{X. Ge; X. Wang; S. Seetharaman (2009). 「溶融CaCl 2} –NaCl中での電気還元による銅鉱石からの銅抽出」 Electrochimica Acta . 54 (18): 4397– 4402. doi :10.1016/j.electacta.2009.03.015.

外部リンク

YouTubeビデオ:メタライシスFFCプロセス
Metalysis Ltd.のウェブサイト

[Takeda2020-1] Takeda, O.; Ouchi, T.; Okabe, TH (2020). 「チタンの抽出とリサイクルにおける最近の進歩」. Metall. Mater. Trans. B. 51 ( 4): 1315– 1328. Bibcode :2020MMTB...51.1315T. doi : 10.1007/s11663-020-01898-6 .

[:0-2] DE150557C、「DE150557Cの公表」

[3] リディール、エリック・キートリー（1919年）『工業用電気冶金学、電解プロセスと電熱プロセスを含む』D. ヴァン・ノストランド社、137ページ。

[4] US2845386A、マーカス、オルソン・カール、「金属の製造」、1958年7月29日発行

[5] Fray, DJ; Chen, GZ; Farthing, TW (2000). 「溶融塩化カルシウム中における二酸化チタンのチタンへの直接電気化学的還元」. Nature . 407 (6802): 361–4 . Bibcode :2000Natur.407..361C. doi :10.1038/35030069. PMID 11014188. S2CID 205008890.