CN113272476B - 室框元件、电解槽及电渗析槽 - Google Patents

室框元件、电解槽及电渗析槽 Download PDF

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Abstract

与以往相比电压的下降量较小、无效电力的消耗较少而且没有金属腐蚀的本发明的室框元件是电解槽用或电渗析槽用的室框元件(14)，其中，该室框元件(14)包括袋体(141)、收纳于袋体(141)的内部空间的框(142)、以及形成在袋体(141)的比收纳有所述框的部分靠外侧的位置并且能够安装配管的入口(143)和出口(144)。

Description

室框元件、电解槽及电渗析槽
技术领域
本发明涉及电解槽用的室框元件以及使用该室框元件的电解槽及电渗析槽。
背景技术
在盐的分离工艺、氢氧化锂的制造工艺、有机电解工艺、次氯酸的制造工艺等中使用三室电解等。三室电解槽的基本构造包括阳极室、中间室以及阴极室，三室电解槽具有这样的构造来作为单位单元：在阳极室收纳有阳极，在阴极室收纳有阴极，阳极室和中间室之间被阴离子交换膜以能够使阴离子通过的方式分隔开，阴极室和中间室之间被阳离子交换膜以能够使阳离子通过的方式分隔开(专利文献1)。
这样的三室电解槽的以往的中间室是如下的元件：通常包含金属制的框(框架)，在该框分别设有液体的入口、出口，电解液能够通过该入口、出口向框内流通。
除了三室电解槽之外，还存在包括设有阳极的阳极室、设有阴极的阴极室、以及设于该阳极室和该阴极室之间的作为隔膜的离子交换膜的二室电解槽。此外，作为该二室电解槽之一，也有时使用在阳极室和阴极室之间设有作为隔膜的离子交换膜地将单位单元连续地排列而成的二室电解槽，该单位单元具有在膜的一个面设有阳极且在另一个面设有阴极的双极性电极、设于该双极性电极的阳极侧的阳极室以及设于上述双极性电极的阴极侧的阴极室。并且，在有些电解工艺中，也存在在上述的双极性电极的阳极侧设有电解室且在阴极侧设有电解室的、不具有隔膜的(无隔膜的)单室电解槽。在这些单室电解槽、二室电解槽中也是，对电解室(包含阳极室、阴极室、中间室在内统称为电解室。)使用金属制的框。
此外，也有一部分电解室包括由不是金属制而是树脂制的框形成的元件。
并且，在进行电渗析的电渗析槽中也使用金属制的框。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－182008号公报
发明内容
发明要解决的问题
在以往的电解槽的电解室中，为了将歧管连接于设于该框的入口、出口等，框的厚度也就是在三室电解槽的中间室的情况下该中间室的朝向阳极室、阴极室的电极的方向上的尺寸需要一定程度的厚度。在电解处理时，该电解室的框的厚度会引起对与该电解室相邻的阳极室的阳极和与该电解室相邻的阴极室的阴极之间施加的电压的下降。电压的下降量与电解时的消耗电力直接相关。此外，由于电压的下降会使电解室室内的电解液发热，因此电压的下降量越多，则为了进行冷却就越会多余地消耗能量。因而，期望尽量抑制电压下降，然而出于上述的框的厚度的原因，下降的抑制有限度。
此外，由于以往的电解槽的电解室的框是金属制，因此在电解时在框与接地部分之间会产生泄漏电流，会发生金属腐蚀。因此，作为金属腐蚀的对策，将牺牲电极以与电解室的框或者焊接于该框的金属外壳电连接的方式设于电解槽。然而，牺牲电极需要定期地更换，但由于其是焊接于电解槽的设备，因此无法容易地更换，其作业需要成本，而且需要牺牲电极其自身的材料成本。
在电解室由树脂的元件制成的情况下，不存在因泄漏电流导致的电解室的金属腐蚀的问题，但是电解室与外部的电解液的流通通过设于电解室的内部的歧管来进行。因此，为了形成歧管，在排列有多个单位单元的电解槽中需要贯通所有元件的流路。此外，针对歧管设于电解室的内部的构造的元件而言，一般来说与相邻的元件之间的距离较近，因而旁路电流较大，因此无效电力的消耗较大。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供与以往相比电压的下降量较小、无效电力的消耗较少的室框元件以及具备该元件的电解槽及电渗析槽。
用于解决问题的方案
本发明的第1技术方案是一种电解槽用或电渗析槽用的室框元件，其特征在于，
该室框元件包括袋体、收纳于该袋体的内部空间的框、以及形成在所述袋体的比收纳有所述框的部分靠外侧的位置并且能够安装配管的入口和出口。
在本发明的第1技术方案中，优选的是，所述室框元件由树脂制成。
此外，在本发明的第1技术方案中，优选的是，所述框具有流路，该流路使从所述入口流入的液体通过框的内侧并且使框的内侧的液体通过所述出口。可以设为，该流路是与所述框的外侧和内侧相通的槽或管，或者使所述框由多孔材料形成。
此外，在本发明的第1技术方案中，优选的是，该室框元件是三室电解用的室框元件。
本发明的第2技术方案是具备第1技术方案的室框元件的电解槽。
本发明的第3技术方案是具备第1技术方案的室框元件的电渗析槽。
发明的效果
根据本发明，能够减薄中间室，能够减少电解时的电压下降量。此外，由于不是歧管设于电解室的内部的结构，因此旁路电流较小，无效电力的消耗较少。
附图说明
图1是电解槽的示意的剖视图。
图2是室框元件的示意的立体图。
图3是本实施方式的室框元件的说明图，图3的(a)是主视图，图3的(b)是侧视图。
图4是另一个实施方式的室框元件的说明图，图4的(a)是主视图，图4的(b)是侧视图。
图5是另一个实施方式的室框元件的立体图。
图6是说明室框元件的制造工序的一例的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的室框元件、电解槽以及电渗析槽的实施方式。另外，在以下的说明中，作为本发明的室框元件的代表例，对用于三室电解槽的中间室的室框元件进行说明，此外，作为本发明的电解槽的代表例，对三室电解槽进行说明，但本发明的室框元件并不限定于用于三室电解槽的中间室的室框元件，也能够同样用于二室电解槽的阳极室、阴极室、单室电解槽的电解室。此外，本发明的电解槽并不限定于三室电解槽，也可以设为使用本发明的室框元件的二室电解槽、单室电解槽。并且，本发明的室框元件并不限于用于电解槽，可以应用于电渗析槽。
图1是使用本发明的一实施方式的室框元件的三室电解槽1的示意的剖视图。在图1中，三室电解槽1包括收纳有阳极2的阳极室3、中间室4、以及收纳有阴极5的阴极室6。阳极室3和中间室4之间被阴离子交换膜7以能够使阴离子通过的方式分隔开。中间室4和阴极室5之间被阳离子交换膜8以能够使阳离子通过的方式分隔开。
在用硫酸钠的例子对使用该三室电解槽1进行的电解的一例进行说明时，将硫酸钠水溶液作为电解液导入到中间室4，在向阳极2和阴极5之间通电而进行电解时，硫酸根离子通过阴离子交换膜7向阳极室3移动，钠离子通过阳离子交换膜8向阴极室6移动。稀释的水溶液从中间室4被排出。
在图2示出了形成图1那样的三室电解槽用的中间室的室框元件4的主要部分的立体图。图2的室框元件4具有在中央部具有开口的框形状。室框元件4的厚度具有对用于将该室框元件4和歧管连接起来的配管进行安装所需要的厚度。另外，图2省略了安装的配管和歧管的图示。室框元件4由树脂制成，从而能够防止在以往的室框元件是金属制的情况下成为问题的因泄漏电流而导致的腐蚀。
然而，在将以往的金属制的室框元件保持形状不变地简单地仅将材料变更为树脂而成的室框元件4中，中间室的厚度不变，与以往相比无法抑制电解过程中的电压下降。于是，在图3中用俯视图(该图3的(a))和侧视图(该图3的(b))示出了能够减薄中间室的厚度的本发明的一实施方式的室框元件14。
图3的室框元件14包括具有内部空间的袋体141、收纳于袋体141内的框142以及形成于袋体141的入口143和出口144。
袋体141例如由树脂膜制成，在图示的例子中具有大致长方形的平面形状。针对袋体141而言，通过使两张树脂膜重合并通过粘接剂、热封而将膜的周围密封从而使袋体141成为袋状。也可以替代准备两张树脂膜的情况，而是将一张树脂膜折回并使其重合，对除折回部之外的周围进行密封而设为袋状。树脂膜可以选择不会被电解液腐蚀的任意的树脂膜，例如可以使用聚乙烯、聚酯(PET等)、聚丙烯等、PTFE、PFA、PVC等通常的塑料等。
形成袋体141的两张树脂膜各自的中央部形成有用于使作为隔膜的离子交换膜相对的开口部141a。在袋体141的比收纳所述框的部分靠外侧的位置处，在图示的本实施方式中是在袋体141的长度方向的一个端部附近形成有入口143，在另一个端部附近形成有出口144。
更具体而言，在图3所示的本实施方式中，袋体141在袋体141的长度方向的端部分别具有大致三角形的平面形状的凸部141b和凸部141c，袋体141整体上具有与其说是大致长方形不如说是六边形的平面形状。在该凸部141b形成有入口143，在凸部141c形成有出口144。由此，从入口143导入到袋体141内的电解液在袋体141的长度方向的端部处以朝向三角形的凸部141b的底边地在宽度方向上扩宽的方式流动，因此流动性较佳，能够顺畅地向框142流动。此外，由于从袋体141内的框142朝向出口144的电解液以流动收窄的方式从三角形的凸部141c的底边向出口144流动，因此流动性较佳，能够顺畅地向出口144流动。另外，袋体141的凸部141b、凸部141c不是必需的，只要电解液能够在袋体141内顺畅地流动，袋体141的长度方向端部的形状就没有限制。不具有凸部141b、凸部141c的实施方式见后述。
入口143具有能够将电解液导入到袋体14内的构造。出口144具有能够排出袋体141内的电解液的构造。在图3所示的例子中，入口143和出口144通过开口于一张树脂膜而形成。在入口143和出口144分别安装有喷嘴145，在该喷嘴145连接有树脂制的配管。在图3所示的例子中，入口143和出口144分别设有1个，但入口143或出口144也可以设有多个。
从入口143导入到袋体141内的电解液朝向开口部141a流动，在开口部141a处在图1所示的三室电解槽的情况下利用阴离子交换膜7和阳离子交换膜8进行离子交换，进行了离子交换后的电解液朝向出口144流动。
为了能够确保这样的一系列的电解分解处理所需要的流量，在室框元件14中需要在袋体141内形成电解液的流路。于是，本实施方式的室框元件14在袋体141的内部空间设有框142。框142是树脂制。框142的树脂可以选择不会被电解液腐蚀的任意的树脂，例如可以使用聚乙烯、聚酯(包含PET等)、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等、PTFE、PFA、PVC等通常的塑料等。
框142的开口的平面形状和大小与袋体141的开口部141a的开口的平面形状和大小大致相同。框142的开口和袋体141的开口部141a的开口在相同的位置对位并通过粘接剂等相互固着。框142形成有从框外通到框内的槽或管，或者框142成为多孔质，从而使电解液能够从框内流通到框外并且能够反过来从框外流通到框内。在图3所示的本实施方式的室框元件中，在框142的表面形成有与框内和框外相通的槽142a。在图示的本实施方式中，槽142a分别形成于框142的四个边中的、与入口143相对的一个边和与出口144相对的一个边合计两个边。槽的位置、大小、个数并不限定于图3所示的方式。
本实施方式的室框元件14的框142的厚度只要能够确保电解液的流量即可，框142的厚度是最小限度的厚度就足够。因而，框142的厚度能够尽可能减薄至所需最小限度。由于电解过程中的电压下降量由框142的厚度和袋体141的树脂膜的厚度的合计来决定，因此本实施方式的室框元件14能够利用减薄至所需最小限度的框142来抑制电压下降。
此外，由于室框元件14利用连接于入口143和出口144的配管对电解液进行导入、排出，因此即便是排列有多个单位单元的构造的电解槽也是使连接于各单位单元的配管集合即可，因此无需在室框元件14的内部设置歧管。因而，不需要像在内部设有歧管的中间室那样的贯通所有元件的流路，单位单元的构造变简单，制造成本也是廉价即可，而且能够减小旁路电流，因此也能够减小无效电力的消耗。
此外，室框元件14是基本结构为袋体141和框142这两个构件这样的简单的构造，能够通过压制成型使两者贴合来容易地制造，因此易于进行大量生产，在这一点上也能够降低制造成本。此外，也易于大型化。并且，在室框元件14中，通过使袋体141和框142由树脂制成，能够防止在以往的室框元件是金属制的情况下成为问题的因泄漏电流而导致的腐蚀。
图4中示出了另一个实施方式的室框元件24的立体图。图4的室框元件24包括具有内部空间的袋体241、收纳于袋体241内的框242以及形成于袋体241的入口243和出口244。在入口243和出口244分别安装有喷嘴245。袋体241形成有开口部241a，框242形成有槽242a。
图4所示的室框元件24是树脂制，与图3所示的室框元件14在基本构造上相同。不同点在于，袋体241的形状具有长方形的平面形状。也就是说，相对于图3所示的室框元件14的袋体141具有凸部141b和凸部141c的情况而言，图4所示的本实施方式的室框元件24的袋体241不具有凸部。由于图4的室框元件24的框242、入口243及出口244具有与图3的室框元件14的框142、入口143及出口144相同的结构，因此省略与之前的说明重复的说明。
图4所示的室框元件24具有与图3所示的室框元件14相同的效果。即，室框元件24能够利用厚度减薄至所需最小限度的框242来抑制电压下降，并利用连接于入口243和出口244的配管将电解液导入、排出，因此与在内部设有歧管的中间室相比不需要贯通所有元件的流路，单位单元的构造变简单，制造成本也是廉价即可，而且能够减小旁路电流，因此也能够减小无效电力的消耗，由于是基本结构为袋体241和框242这两个构件这样的简单的构造，能够通过压制成型使两者贴合来容易地制造，因此易于进行大量生产，在这一点上也能够降低制造成本。此外，也易于大型化。并且，在室框元件24中，通过使袋体241和框242由树脂制成，能够防止在以往的室框元件是金属制的情况下成为问题的因泄漏电流而导致的腐蚀。
图5中示出了另一个实施方式的室框元件34的立体图。图5的室框元件34包括具有内部空间的袋体341、收纳于袋体341内的框342以及形成于袋体341的入口343和出口344。在入口343和出口344分别安装有喷嘴345。袋体341形成有开口部341a，框342形成有槽342a。
图5所示的室框元件34是树脂制，与图3所示的室框元件14在基本构造上相同。不同点在于，袋体341的形状具有大致长方体的箱型的形状。由于图5的室框元件34的框342、入口343及出口344具有与图3的室框元件14的框142、入口143及出口144相同的结构，因此省略与之前的说明重复的说明。
室框元件34是树脂制，具有与图3所示的室框元件14相同的作用效果。即，室框元件34能够利用厚度减薄至所需最小限度的框342来抑制电压下降，利用连接于入口343和出口344的配管将电解液导入、排出，因此与在内部设有歧管的中间室相比不需要贯通所有元件的流路，单位单元的构造变简单，制造成本也是廉价即可，而且能够减小旁路电流，因此也能够减小无效电力的消耗，由于是基本结构为袋体341和框342这两个构件这样的简单的构造，能够通过压制成型使两者贴合来容易地制造，因此易于进行大量生产，在这一点上也能够降低制造成本。此外，也易于大型化。并且，在室框元件34中，通过使袋体341和框342由树脂制成，能够防止在以往的室框元件是金属制的情况下成为问题的因泄漏电流而导致的腐蚀。
根据图3～图5可理解的是，袋体能够设为各种形状。
针对图5所示的室框元件34的情况，使用图6对室框元件的制造方法的一例进行说明。
如图6的(a)所示，利用树脂膜制作袋体341。制作袋体341的方法、装置可以使用众所周知的方法、装置。为了之后能够将框342插入到袋体341的内部空间，袋体341的至少一个面预先设为能够开放。
接着，如图6的(b)所示，在袋体341的相对的两个面这两者形成供电流流动的开口341a。
接着，如图6的(c)所示，在袋体341形成入口343和出口344，在入口343和出口344分别安装喷嘴345。另外，图6的(b)所示的开口341a的形成与入口343和出口344的形成之间的顺序是任意的，也可以在先进行了入口343和出口344的形成之后进行开口341a的形成。
接着，如图6的(d)所示，将框342插入到袋体341内而使它们相互固着，并且通过粘接剂、热封而将袋体341的外周部密封。
以上，使用附图说明了本发明的室框元件，但该说明和附图示出的是一例，本发明并不被这些说明和附图限定地解释。只要能够起到在各实施方式中说明的作用效果，施加了各种设计变更等变形而成的实施方式也包含在本发明的范围内。例如，针对三室电解槽而言也可以使用双极性电极。此外，对用于电解槽的实施方式进行了说明，但本发明的室框元件也可以应用于电渗析槽。
附图标记说明
1、三室电解槽；2、阳极；3、阳极室；4、中间室(室框元件)；5、阴极；6、阴极室；7、阴离子交换膜；8、阳离子交换膜；14、24、34、室框元件；141、241、341、袋体；142、242、342、框；143、243、343、入口；144、244、344、出口；145、245、345、喷嘴。

Claims (7)

1.一种室框元件，其是电解槽用或电渗析槽用的室框元件，其特征在于，
该室框元件包括袋体、收纳于该袋体的内部空间的框、以及形成在所述袋体的比收纳有所述框的部分靠外侧的位置并且能够安装配管的入口和出口。
2.根据权利要求1所述的室框元件，其中，
所述袋体和所述框中的至少一者由树脂制成。
3.根据权利要求1所述的室框元件，其中，
所述框具有流路，该流路使从所述入口流入的液体通过框的内侧并且使框的内侧的液体通过所述出口。
4.根据权利要求3所述的室框元件，其中，
所述流路是与所述框的外侧和内侧相通的槽或管，或者使所述框由多孔材料形成。
5.根据权利要求1所述的室框元件，其中，
该室框元件是三室电解槽用的室框元件。
6.一种电解槽，其中，
该电解槽具备权利要求1～5中任一项所述的室框元件。
7.一种电渗析槽，其中，
该电渗析槽具备权利要求1～4中任一项所述的室框元件。
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