　飽和状態であれば一滴でも液体が存在すればその圧力は水の蒸気圧を示す（図3）。すなわち、反応原料を全て反応器内に入れてから反応を発生させ、適当な時間後に反応生成物全体を取り出す操作法である回分操作の場合、耐圧容器内に存在する水の量が少なくても多くても、液体が存在し満液状態にならなければ水の量の多少に関わらず同じ温度と圧力を表す。

図2　飽和蒸気圧下における水の状態：気体と液体が共存する［クリックで拡大］

図3　飽和蒸気圧下における水の状態：耐圧容器内の水の量が異なっても、温度と圧力は同じ値を示す［クリックで拡大］

　回分式装置では充填する水の量と温度で装置内の水の状態は変化する。そのため、装置内に存在する水の量が正確に把握できなければ、所望の反応や溶解が達成されない可能性がある。他方、流通式水熱装置であれば装置内の状態を温度と圧力で制御するため、水熱条件の水の状態（特に水の密度の制御が可能）を正確に制御することができる。

　流通式水熱装置を用いた固体の処理では、水中での固体試料の分散性を良好に保つことに加え、ポンプでの送液や配管内での均質な状態の維持を実現する条件を把握する必要がある。それが可能であれば、エネルギー消費や経済性の観点で流通装置での操作を検討することが肝要である。

水熱酸浸出のための流通装置

　図4に著者の研究室で用いている流通式水熱装置の概略図を示す。フィーダータンクとスラリーポンプを接続するチューブがテフロン製、沈降分離機がSUS304製、それ以外はSUS316製である。沈降分離機のみ1inchであり、それ以外の配管チューブは全て8分の1inchである。

　スラリーの送液にはスラリーポンプを設置している。スラリーポンプには小型の撹拌機が付いており、スラリーの分散性を良好に維持している。反応部では熱電対に配管チューブを巻き付け、周囲を断熱材で覆ったものを2つ接続した。反応管を通過したスラリーは沈降分離機の中心部に流入するように取り付けられている。

　沈降分離機は4つのヒーターにより加熱され、反応部と同様に、周囲は断熱材で覆われている。沈降分離機によって固体と液体は分離され、液体のみが沈降分離機上部から流出し冷却器によって冷却される。このとき残存固体は沈降分離機下部に沈殿する。また系の圧力を背圧弁により制御した。またスラリー中の粒子の堆積を抑制するため、フィーダータンクの位置は回収部よりも高い位置に設置した。

　図5には流通装置により連続的にリン酸鉄リチウム（LiFePO4）を処理した場合の結果の一例を示す。クエン酸を浸出剤とした水熱酸浸出を実施し、連続的にLi、鉄（Fe）およびリン（P）を水溶液中に回収できた。

図4　水熱酸浸出のための流通装置［クリックで拡大］

図5　連続水熱システムを用いたクエン酸によるLiFePO4の連続水熱浸出における、Li、Fe、Pの浸出率（a）と浸出液（b）の写真［クリックで拡大］

⇒ 連載バックナンバーはこちら

筆者代表紹介

東北大学大学院工学研究科附属超臨界溶媒工学研究センター化学工学専攻教授渡邉賢（わたなべまさる）

東北大学大学院工学研究科附属超臨界溶媒工学研究センターにて、水熱・超臨界水を反応・分離媒体とした重質油改質、廃プラスチックリサイクル、バイオマス変換の研究を推進するとともに、超臨界二酸化炭素を反応・分離溶媒とした天然物からの有価物回収や二酸化炭素固定化反応に関する検討を進めている。化学工学会会員。The International Society of the Advanced Supercritical Fluid副会長。

参考文献：

［1］御園生誠、村橋俊一“グリーンケミストリー”講談社サイエンティフィク（2001）
［2］Sasaki,M.;Kabyemela,B.;Malaluan,R.;Hirose,S.;Takeda,N.;Adschiri,T.;Arai,K.:J.Supercrit.Fluids,13,261-268（1998）
［3］Cantero,D.A.;Bermejo,M.D.;Cocero,M.J.;ChemSusChem,8,1026-33（2015）
［4］Cocero,M.J.;Cabeza,A.;Abad,N.;Adamovic,T.;Vaquerizo,L.;Martinez,C.M.;Paro-Cepeda,M.V.;J.Supercrit.Fluids,133,550-565（2018）
［5］Knez,Z.;Hrncic,M.K.;Colnik,M.;Skerget,M.;J.Supercrit.Fluids,133,591-602（2018）

リチウムイオン電池の基礎知識とリサイクルが必要なワケ
本連載では東北大学大学院工学研究科附属超臨界溶媒工学研究センターに属する研究グループが開発を進める「リチウムイオン電池リサイクル技術の水熱有機酸浸出プロセス」を紹介する。第1回ではリチウムイオン電池の基礎知識やリサイクルが必要な背景、当研究グループの取り組みの一部を取り上げる。
爆発するリチウムイオン電池を見抜く検査装置を開発した神戸大・木村教授に聞く
製造したリチウムイオン電池が爆発するかを見抜ける検査装置「電流経路可視化装置」と「蓄電池非破壊電流密度分布映像化装置」を開発した木村建次郎氏に、両装置の開発背景や機能、導入実績、今後の展開などについて聞いた。
リチウムイオン電池で発熱や発火が起きる要因を整理しよう
小型電子機器やモバイルバッテリーの発火事故、ごみ収集車や集積場の火災、電気自動車からの出火など、リチウムイオン電池の普及に伴い、それに起因する発火・炎上はたびたび問題となっています。発熱、発火、爆発といった事故は用途を問わず大きな問題となりかねない事象です。今回は「リチウムイオン電池の異常発熱問題」について解説していきたいと思います。
リチウムイオン電池の安全性などを評価する解析サービスを提供開始
OKIエンジニアリングは、リチウムイオン電池の焼損耐性などを評価する「リチウムイオン電池の良品解析サービス」の提供を開始した。電池内部の欠陥や不具合構造を検出することで、事故発生の危険性などを予測、評価する。
リチウムイオン電池の発火や焼損耐性などを評価できる新サービス
OKIエンジニアリングは「リチウムイオン電池および電池搭載機器の発火・焼損耐性、延焼性評価サービス」を開始すると発表した。
電動車向けリチウムイオン電池用バッテリーパウチの生産工場を新設
大日本印刷は、埼玉県入間郡の鶴瀬工場内にリチウムイオン電池部材の新工場を新設する。電動車向けリチウムイオン電池の外装材となるバッテリーパウチの生産能力を強化し、需要拡大に対応する。
スズキと「リン酸鉄系」リチウムイオン電池
今週は興味深いニュースがありました。スズキがリチウムイオン電池のメーカーと業務資本提携を結んだ件です。