JP5350409B2 - 電解生成装置 - Google Patents
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Description
金属と有機化合物を含有する電解液との電解反応により有機金属化合物を生成する電解生成装置であって、
前記金属が融点以上の溶融金属として導入されるとともに、前記電解液が供給される、陽極及び陰極を設けた電解槽と、
前記電解液を貯留する貯留槽とを備え、
前記電解槽の内部において、前記陽極及び前記陰極は、それぞれ、前記溶融金属及び前記電解液と接触状態に配置されるとともに、前記溶融金属及び前記電解液に完全に浸漬するように、前記電解槽の深さ方向において積層配置され、前記陰極は前記溶融金属の液面から離間され、
前記電解槽と前記貯留槽との間で、前記電解反応に寄与しない電解液を前記貯留槽に蓄えておくとともに、前記電解反応に必要な分の電解液を前記電解槽に供給するように前記電解液が循環されることにある。
工業的に製造を行う上で、安全に且つ安定的に高品質の有機金属化合物を生成するには、金属と適量の電解液とを反応させることが有効と考えられる。このような反応を行えば、金属と電解液との反応を無駄なく且つ穏やかに進行させることが可能となる。
そこで、本発明者らが鋭意検討したところ、電解生成装置において、電解槽とは別に貯留槽を設け、当該貯留槽と電解槽との間で電解液を循環させることで、金属と電解液との反応が均一且つ安定的に進行し、その結果、高品質の有機金属化合物を効率良く且つ大量に生成できることを見出した。
本構成の電解生成装置では、電解槽と貯留槽との間で電解液を循環させている。電解液の循環量を適量に調整することにより、電解液を電解槽に必要な分だけ供給できるため、貯留槽の無い電解生成装置と比べて、効率よく且つ確実に電解反応を発生させることが可能となる。その結果、有機金属化合物の品質が安定し、生成量も増大する。また、電解反応に寄与しない電解液を貯留槽に蓄えておくことにより、電解槽を小型化できるので、電解槽内で十分に電解反応を進行させることができる。しかも、電解槽は設備の中では比較的高価であるため、電解槽を小型化することは装置全体の維持コスト削減に大きく貢献する。
また、従来の電解槽では、電極から位置が離れているために反応が不十分となる液部分が存在していたが、本構成では電解液が循環しているため、十分に撹拌が行われ、未反応液は発生しない。そして、電解液の循環が繰り返されることにより、電解液全体の反応がさらに均一化され、高品質の有機金属化合物を効率良く得ることができる。なお、電解液の循環量を調整すれば、反応開始後から反応を制御することが容易となり、安全に且つ高品質の有機金属化合物を生成することができる。
また、本構成の電解生成装置では、陽極と陰極とが電解槽の深さ方向において積層配置されているため、電解槽の形状を有効に利用して両電極を配置し得る。例えば、比較的浅めの電解槽であっても、電解槽の底面に沿った形状の電極を積層配置することにより、電解槽の容量に対して十分な電気エネルギーを供給することが可能となるため、溶融金属と電解液との反応がより促進される。その結果、有機金属化合物の品質及び生成量がより向上し、工業的製造を効率よく行い得る。なお、電極を積層配置する構成であれば、電解槽のサイズを深さ方向においてさらに縮小した場合でも、当該電極の構造を変更することなくそのまま使用できるため、設備コスト面でも有利である。
前記陰極と前記溶融金属の液面との離間距離が5〜10mmに設定されていることが好ましい。
前記金属はガリウムであり、前記電解液はグリニャールのジエチルエーテル溶液であり、前記有機金属化合物はアルキルガリウム・ジエチルエーテル付加物であることが好ましい。
電解反応の準備として、貯留槽20に電解液としてグリニャールのジエチルエーテル溶液を用意する。電解槽10に溶融状態のガリウムを導入し、陽極50がガリウムの液面下になる所定量に達したら、循環ポンプ40を作動させて貯留槽20から送液管30aを経て電解槽10に電解液を導入する。電解槽10をオーバーフローした電解液は、送液管30bから貯留槽20に戻る。この状態で陽極50及び陰極60に電圧を印加する。印加電圧は約30V(電流密度として2A/dm2)である。反応温度は約40℃である。このとき、ジエチルエーテルの存在下でガリウムとグリニャールとが反応し、トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物が生成する。トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物を含む電解液は貯留槽20に戻される。
貯留槽20の電解液には、未反応のグリニャールやジエチルエーテルの他、副生成物であるヨウ化マグネシウム(MgI2)やグリニャールを生成する段階で使用したヨウ化メチル(CH3I)も含まれている。そこで、これら各成分を含有する電解液を分留する(分留工程)。電解液を徐々に昇温し、最終的に180℃まで加温する。なお、最終生成物であるトリメチルガリウムを得るために、トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物の状態で分留を行う理由は、トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物(沸点:約98℃)とヨウ化メチル(沸点:約43℃)とは沸点が離れており、両者の分離が容易なためである。ちなみに、トリメチルガリウムは沸点が約56℃であるため、沸点が約43℃であるヨウ化メチルから分離を試みた場合、トリメチルガリウムの収率が低下する。分留工程の結果、トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物を含む分留物を得た。ただし、この分留物には、なお少量のジエチルエーテル及びヨウ化メチルが含まれている。そこで、ジエチルエーテルを追加して再度分留し(再分留工程)、ヨウ化メチルを完全に除去する。一方、分留工程後の残留物にはジエチルエーテル、グリニャール、ヨウ化メチル、及びヨウ化マグネシウムが含まれている。残留物に含まれる有機金属化合物は水及び酸で分解し、安定な化合物とする。残留物に含まれるヨウ素化合物は有用であるため、ヨウ素を回収し、再利用する。
次に、精製されたトリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物(再分留物)を予めイソアミルエーテルを入れておいた反応槽70に移す。この溶液を78℃、30torrにて減圧蒸留を行い、トリメチルガリウム・ジエチルエーテル付加物をトリメチルガリウムとジエチルエーテルとに分解するとともに、ジエチルエーテルを分離する。その後、低圧に戻し、168℃でトリメチルガリウムを留出(単離)させる。
得られた留出液には少量のイソアミルエーテル等が含まれている。そこで、留出液を精留塔80に導入し、最終生成物であるトリメチルガリウムを得る。蒸留釜内の液温は約90℃である。精留によって得られた高純度のトリメチルガリウムは、クリーンルーム(図示せず)にて容器に充填梱包される。ちなみに、本実施例で得られた高純度トリメチルガリウムは、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS)、及び黒鉛炉原子吸光分析法(GFAAS)による分析の結果、各種金属含有量(Al、Ca、Cd、Cr、Fe、Mg、Mn、Si、Zn、Cu)が0.1ppm以下であった。
11 ロワーブロック
12 陽極配置ブロック
13 中間ブロック
14 陰極配置ブロック
15 アッパーブロック
20 貯留槽
30 流体回路
40 循環ポンプ
50 陽極
60 陰極
70 反応槽
80 精留塔
100 電解生成装置
Claims (3)
- 金属と有機化合物を含有する電解液との電解反応により有機金属化合物を生成する電解生成装置であって、
前記金属が融点以上の溶融金属として導入されるとともに、前記電解液が供給される、陽極及び陰極を設けた電解槽と、
前記電解液を貯留する貯留槽とを備え、
前記電解槽の内部において、前記陽極及び前記陰極は、それぞれ、前記溶融金属及び前記電解液と接触状態に配置されるとともに、前記溶融金属及び前記電解液に完全に浸漬するように、前記電解槽の深さ方向において積層配置され、前記陰極は前記溶融金属の液面から離間され、
前記電解槽と前記貯留槽との間で、前記電解反応に寄与しない電解液を前記貯留槽に蓄えておくとともに、前記電解反応に必要な分の電解液を前記電解槽に供給するように前記電解液が循環される電解生成装置。 - 前記陰極と前記溶融金属の液面との離間距離が5〜10mmに設定されている請求項1に記載の電解生成装置。
- 前記金属はガリウムであり、前記電解液はグリニャールのジエチルエーテル溶液であり、前記有機金属化合物はアルキルガリウム・ジエチルエーテル付加物である請求項1又は2に記載の電解生成装置。
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