DE69312534T2

DE69312534T2 - Apparat und Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Ozon

Info

Publication number: DE69312534T2
Application number: DE69312534T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Katoh; Shuji Nakamatsu; Yoshinori Nishiki
Original assignee: Permelec Electrode Ltd
Current assignee: De Nora Permelec Ltd
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: JP3274880B2; EP0560740A1; EP0560740B1; US5326444A; DE69312534D1; JPH05255879A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, um sicher und wirksam Ozon hoher Reinheit mit geringer elektrischer Leistung zu erzeugen.

Hintergrund der Erfindung

Ozon wird weit verbreitet auf verschiedenen Gebieten, wie zur Wasserbehandlung, für Lebensmittel, die medizinische Hygiene, die Halbleiterherstellung, usw., als ein starkes Oxidationsmittel verwendet. Ozon wird üblicherweise durch ein Entladungsverfahren oder ein elektrolytisches Verfahren hergestellt, aber in letzter Zeit ist ein elektrolytisches Verfahren hauptsächlich verwendet worden, das Ozon mit einer hohen Konzentration herstellen kann.
Dem elektrolytischen Herstellungsverfahren von Ozon liegt eine anodische Reaktion gemäß der Formel (1) zugrunde, die unten angegeben ist, die von einer sauerstofferzeugenden anodischen Reaktion gemäß der Formel (2) unten begleitet ist, die als Nebenreaktion auftritt.
3H&sub2;O T O&sub3; + 6H&spplus; + 6e&supmin; (1)
2H&sub2;O T O&sub2; + 6H&spplus; + 4e&supmin; (2)
Die kathodische Reaktion ist üblicherweise eine wasserstofferzeugende Reaktion gemäß der Formel (3) unten, wobei aber, indem ein sauerstoffenthaltendes Gas zugeführt wird, die Sauerstoffreduktionsreaktion der Formel (4) auch auftreten kann.
2H&spplus; + 2e&supmin; T H&sub2; (3)
O&sub2; + 4H&spplus; + 4e&supmin; T 2H&sub2;O (4)
Der Artikel : "In situ Production of Ozone in Water Using a Membrane Electrolyzer", von S. Stucki, G. Theis, R. Kötz, H. Devantay und H. J. Christen, Journal of the Electrochemical Society, Bd. 132, Nr. 2, 1985 (Seiten 367-371) offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff auf der Kathodenseite und von Ozon und Sauerstoff auf der Anodenseite, indem eine Elektrolyse ausgeführt wird, wobei eine Ionenaustauschmembrane als der Elektrolyt verwendet wird. Ebenso offenbart US Patent 4,541,989 ein Verfahren zur Herstellung von Ozon ohne die Erzeugung von Wasserstoff von einer Kathode, wobei ein Tetrafluorborat als der Elektrolyt, eine Sauerstoffreduktionskathode als die Kathode und glasartiger Kohlenstoff als die Anode verwendet werden.
EP A 0 068 522 offenbart die elektrolytische Herstellung von Ozon durch ein Verfahren, worin eine sauerstoffgesättigte Mischung aus Wasser und Sauerstoff entlang beider Seiten eines Festelektrolyten geführt wird, und die Wasserstoffentwicklung durch die Entpolarisierungswirkung des Sauerstoffs unterdrückt wird, der in den Wasserstrom mitgenommen wird.
Des weiteren offenbart JP-B-2-44908 (der Ausdruck "JP-B", wie er hier verwendet wird, bedeutete eine "geprüfte, veröffentlichte, japanische Patentanmeldung") ein Verfahren zur Herstellung von Ozon, indem eine Ionenaustauschmembrane als der Elektrolyt und eine Sauerstoffreduktionselektrode kombiniert werden.
Jedoch ist bei dem Verfahren, das in der Veröffentlichung von Stucki oben beschrieben worden ist, der an der Kathode erzeugte Wasserstoff unnötig und zusätzlich werden Mittel zum Behandeln des Wasserstoffs unnötig. Wasserstoff hat die Fähigkeit, durch eine im wesentlichen gasundurchlässige Membrane hindurchzudringen. Zusätzlich gibt es des weiteren einen Nachteil dahingehend, dass sich ein Teil des Wasserstoffs mit einem Anodengas, das Sauerstoff und Ozon enthält, durch zufällige Löcher der Membran hindurch vermischen kann, und das System kann gefährlich werden, wenn die Explosionsgrenze erreicht wird. Nicht nur eine mögliche Vermischung von Wasserstoff ist gefährlich, sondern es tritt ein Nachteil auf, wenn der hergestellte Ozon zum Waschen von Halbleitern verwendet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Sauerstoff über mehreren 100 ppm ist. Dies wäre über der oberen Konzentrationsgrenze von Wasserstoff mit dem Ergebnis, dass der derart hergestellte Ozon nicht zum Waschen von Halbleitern verwendet werden könnte.
Des weiteren ist die theoretische Zerlegungsspannung zur Herstellung von Ozon durch die gleichzeitigen anodischen Reaktionen gemäß den obenbeschriebenen Formeln (1) und (2) 1,5 V, was höher als die Zerlegungsspannung von 1,2 V ist, wenn eine herkömmliche Wasserelektrolyse durch die anodische und kathodische Reaktion gemäß den obenbeschriebenen Formeln (2) und (3) durchgeführt wird. Die Zellenspannung kann bei praktischen elektrolytischen Bedingungen beispielsweise 100 A/dm² so hoch wie ungefähr 3,3 V sein, und daher wird die Größe an verbrauchter, elektrischer Energie sehr hoch.
Auch wird es bei dem Verfahren, das in US Patent 4,541,989 oben beschrieben worden ist, um Ozon mit gutem Wirkungsgrad zu erhalten, notwendig, die elektrolytischen Zellen auf einer niedrigen Temperatur zu halten, indem die elektrolytischen Zellen gekühlt werden. Jedoch werden, obgleich die Arbeitseigenschaften der Gaselektrode, die zur Sauerstoffreduktion verwendet wird, bei hoher Temperatur ausgezeichnet sind, die Arbeitseigenschaften davon sehr niedrig bei relativ niedrigen Temperaturen, die durch die Notwendigkeit diktiert werden, den Anodenwirkungsgrad zu verstärken.
Als eine Folge gibt es den Nachteil, dass das Verfahren von einem praktischen Standpunkt her nur bei einer niedrigen, elektrischen Stromdichte betrieben werden kann.
Des weiteren kann das Verfahren, das in der genannten JP-B- 2-44908 beschrieben ist, sicher verwendet werden, Ozon mit einer hohen Konzentration herzustellen, wobei es aber den Nachteil gibt, dass die elektrische Stromdichte aus den gleichen Gründen niedrig gehalten werden muss, und daher Ozon nicht mit einem guten Wirkungsgrad hergestellt werden kann.
Zum Herstellen von Ozon mit einem guten Wirkungsgrad wäre es wünschenswert, die Elektrolyse bei einer relativ niedrigen Temperatur, nicht höher als 60 ºC, durchzuführen, während bei einer Stromdichte von wenigstens 50 A/dm² oder größer als bisher gearbeitet wird, wobei aber bisher eine Gaselektrode, die zufriedenstellend unter diesen Bedingungen arbeitet, nicht gefunden worden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, die obenbeschriebenen Schwierigkeiten bei den herkömmlichen Techniken zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Ozon zu schaffen, die bei einer hohen, elektrischen Stromdichte betrieben werden können und fähig sind, verwendet zu werden, Ozon wirkungsvoll mit hoher Reinheit und mit einer hohen Konzentration bei niedriger, elektrischer Leistung im wesentlichen ohne die Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode herzustellen.
Die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst (a) eine Schichtstruktur, die umfasst
(i) eine Anode, die aus einem elektrisch leitenden, porösen Material gebildet ist, das einen Katalysator zur Ozonerzeugung trägt,
(ii) eine Ionenaustauschmembrane aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure, die als ein Festelektrolyt arbeitet, und
(iii) eine Kathode, die aus einer Gaselektrode gebildet ist, die einen Katalysator zur Reduktion von Sauerstoff enthält, und
eine Einrichtung zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Kathode, und
worin die genannte Gaselektrode wasseranziehende Bereiche und wasserabstoßende Bereiche aufweist, die eine gas- und flüssigkeitsdurchlässige, poröse Schicht bilden, und der genannte Katalysator ungleichmäßig in der Gaselektrode verteilt ist und auf der Seite der Ionenaustauschmembrane der genannten Schicht konzentriert ist. Die Elektrolyse wird ausgeführt, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas einer Rückseite der genannten Kathode zugeführt wird.
Das Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Ozon gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:
Elektrolysieren von Wasser, indem ein elektrischer Strom durch eine Elektrolysevorrichtung hindurchgeht, die eine Schichtstruktur umfaßt, aus
(i) einer Anode, die aus einem elektrischleitenden, porösen Material gebildet ist, das einen Katalysator zur Ozonerzeugung trägt,
(ii) einer Ionenaustauschmembran aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure, die als ein Festelektrolyt arbeitet, und
(iii) einer Kathode, die aus einer Gaselektrode gebildet ist, die einen Sauerstoffreduktionskatalysator enthält, worin die genannte Gaselektrode eine wasseranziehende Eigenschaft und eine wasserabstoßende Eigenschaften hat und den genannte Katalysator ungleichmäßig darin verteilt und auf der Seite der Ionenaustauschmembrane konzentriert ist; während Wasser der Anode und ein Sauerstoff enthaltendes Gas einer Rückseite der genannten Kathode der Elektrolysevorrichtung zugeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung der Erfindung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der porösen Gaselektrode, die die Kathode bildet und an der Festelektrolytmembran anhaftet.

Beschreibung der Erfindung im Einzelnen

Die vorliegende Erfindung ist im einzelnen unten beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 umfasst die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der Erfindung eine Schichtstruktur, die aus einer Anode 1 aus einem elektrisch leitenden, porösen Material gebildet, das einen ozonerzeugenden Katalysator trägt, der auf eine Seite einer Ionenaustauschmembran 2 aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure geschichtet ist, die als ein Festelektrolyt arbeitet. Die Anode 1 kann mit der Membran 2 verbunden oder unverbunden sein. Eine Kathode 3, die im wesentlichen aus einer Gaselektrode gebildet ist, die einen Sauerstoffreduktionskatalysator enthält, ist auf die entgegengesetzte Seite der Membran 2 laminiert. Elektrische Verbindungen der Anode und der Kathode zu den entsprechenden Polen einer Gleichstromversorgung, die schematisch in Fig. 1 durch die entsprechenden Symbole gezeigt ist, kann unter Verwendung von Metallgittern oder Ähnlichem hergestellt werden, die auf die Rückseite der Anode 1 und der Kathode 3 gepresst sind, wobei die Schichtstruktur (1-2-3) dazwischen eingefügt ist, oder durch irgendeine äquivalente Struktur, die elektrischen Strom von oder zu der geschichteten Elektrode sammeln oder verteilen kann.
Gemäß einem wesentlichen Gesichtspunkt der Vorrichtung der Erfindung hat die Gaselektrode, die die Kathode 3 bildet, eine besondere Struktur, wie es in dem vergrößerten Teilausschnitt A der Fig. 1 dargestellt ist, der in Fig. 2 gezeigt ist. Im wwesentlichen umfasst die Kathode 3 eine poröse Schicht, die durch wasserabstoßende Bereiche von Teilchen 3a und durch wasseranziehende Bereiche von Teilchen 3b gebildet ist, die miteinander vermischt sind. Die Zwischenräume oder Poren, die sich über die Dicke der porösen Schicht erstrecken, nehmen vorzugsweise entweder eine wasserabstoßende oder wasseranziehende Eigenschaft in Abhängigkeit davon an, ob die eine oder die andere Art von Teilchen vorherrscht, die die Poren begrenzen. Insgesamt kann die poröse Schicht von Gas und von Flüssigkeit durchdrungen werden. Elektrischer Strom kann von der leitenden Kathodenschicht 3 durch ein Metallgitter 5 gezogen werden, das gegen die Rückseite der Schicht stößt.
Der Sauerstoffreduktionskatalysator 4, der aus einem Katalysatormaterial, das auf Trägerteilchen gehalten wird, und/oder aus Teilchen aus einem Katalysatormaterial gebildet sein kann, ist nicht gleichmäßig durch die poröse Schicht 3 hindurchgehend verteilt, sondern ist hauptsächlich an oder nahe der Grenzschicht zwischen der porösen Schicht und der Membrane 2 konzentriert. In der Praxis sind getragene oder nichtgetragene Katalysatorteilchen 4 hauptsächlich in dem Bereich der porösen Kathodenschicht 3 angeordnet, die unmittelbar gegen die Ionenaustauschmembran 2 stößt.
Wenn Wasser, das einem Anodenabteil der Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der vorliegenden Erfindung zugeführt wird, die die Schichtstruktur aufweist, die oben beschrieben worden ist, elektrolysiert wird, während ein Sauerstoff enthaltendes Gas einem Kathodenabteil der Vorrichtung zugeführt wird, sind die anodische Reaktion und die kathodische Reaktion die Reaktionen, die durch die Formel (1) bzw. die Formel (4) gezeigt sind, und Ozon kann hergestellt werden, ohne oder im wesentlichen ohne Wasserstoff an der Kathode zu erzeugen, der möglicherweise eine Explosion hervorrufen könnte und der eine zusätzliche Nachbehandlung der Ozongasmischung verlangen würde. Auch wird die theoretische Zerlegungsspannung 0,3 V, wodurch Ozon bei einer relativ hohen, elektrischen Stromdichte von ungefähr 100 A/dm² hergestellt werden kann, was niemals in einer herkömmlichen Gaselektrode erreicht worden ist, und bei einer relativ niedrigen Zellenspannung von ungefähr 2,3 V.
Geeignete Beispiele von Anodenkatalysatoren zur Herstellung von Ozon, die in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen herkömmliche Anodenkatalysatoren zur Ozonelektrolyse, wie Bleidioxid, Zinndioxid, Platin und glasartigen Kohlenstoff. Bleidioxid wird bevorzugt verwendet, da dieser Katalysator einen sehr hohen Wirkungsgrad bei sehr hoher Stromdichte zeigt. Der Anodenkatalysator kann auf einem elektrischleitenden, porösen Material gehalten werden, wie gesinterten Titanfasern oder Titanpulvern, um eine poröse Anode zu bilden. Der Anodenkatalysator kann gepulvert werden, mit den feinen Teilchen aus Polytetraflourethylen vermischt und heiß gepresst werden oder insbesondere in dem Fall von Bleidioxid kann der Anodenkatalysator auf eine poröse, elektroleitende Struktur durch galvanische Metallabscheidung aufgebracht werden.
Die als Festelektrolyt in der Elektrolytzelle der vorliegenden Erfindung verwendete Ionenaustauschmembrane kann eine Ionenaustauschmembran aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure sein, wie Nafion (Warnzeichen, hergestellt von E. I. du Pont de Nemours & Co., Inc.). Eine Ionenaustauschmembrane mit einer Dicke von ungefähr 200 µm wird allgemein verwendet. Jedoch kann, vorausgesetzt, dass die Ionenaustauschmembrane eine ausreichende, mechanische Festigkeit hat, eine Ionenaustauschmembrane mit einer dünneren Dicke verwendet werden, um den elektrischen Widerstand zu verringern. Wenn das Ionenaustauschvermögen der Ionenaustauschmembrane von 0,7 bis 1,2 Milliäquivalent Programm davon ist, arbeitet die Ionenaustauschmembrane ausreichend als ein Festelektrolyt und hat die ausreichende, mechanische Festigkeit.
Wenn eine Gaselektrode, die wasseranziehende Bereiche 3b und wasserabstoßende Bereiche 3a aufweist, als die Kathode verwendet wird, wie es oben beschrieben ist, können Wassermoleküle, die als eine Hydrationswasserwolke durch Protonen mitgeführt werden, die von der Anodenseite in Richtung zu der Kathode durch die Ionenaustauschmembrane hindurch wandem, schnell entfernt werden und das transportierte Wasser auf der porösen Kathodenschicht abgezogen werden, ohne vollständig die Katalysatorbereiche (4) der Kathode zu überschwemmen. Mit anderen Worten könnte, wenn die wasseranziehenden Bereiche (3b) und die wasserabstoßenden Bereiche (3a) nicht miteinander über die gesamte Dicke der porösen Kathodenstruktur vermischt werden, um Poren zu begrenzen, die eine wasseranziehende Eigenschaft haben und Poren, die eine wasserabstoßende Eigenschaft haben, das Sauerstoff enthaltende Gas, das der Kathode zugeführt wird, die Wasserdurchdringung von der Kathodenseite der Membran 2 durch die Kathodenschicht 3 hindurch mindern, wodurch Wasser nicht glatt und schnell aus dem Katalysatorbereich der Kathode abziehen könnte. Indem ein wasseranziehender Bereich und ein wasserabstoßender Bereich gebildet werden, werden die Wassermoleküle ohne weiteres von dem wasseranziehendsten Katalysatorbereich entfernt, wo die Katalysatorteilchen 4, die von sich aus sehr wasseranziehend sind, auf der Innenseite der Kathode konzentriert sind.
Um geeignet vermischte, wasseranziehende Bereiche und wasserabstoßende Bereiche in der Kathode zu bilden, kann die Kathode aus einem wasseranziehenden Material und einem wasserabstoßenden Material gebildet werden. Beispielsweise können ein Kohlenstoffpulver oder ein feines Metallpulver aus Ni oder Ag vorteilhaft als das wasseranziehende Material (3b) verwendet werden, und beispielsweise können ein Polytetrafluorehtylenpulver oder ein fluorierter Graf it vorteilhaft als das wasserabstoßende Material (3a) verwendet werden.
Wenn der Kathodenkatalysator konzentriert in dem Bereich der Kathode vorhanden ist, der mit der Ionenaustauschmembrane in Berührung steht, kann eine Elektrolyse unter Verwendung der Ionenaustauschmembrane als der Elektrolyt stetig ausgeführt werden. Demgemäß wird bei der Herstellung der Kathode, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bevorzugt, dass feine Teilchen aus einem wasserabstoßenden Polymer, wie Polytetrafluorethylen, mit wasseranziehenden, elektrisch leitenden, feinen Teilchen wie Kohlenstoff, vermischt werden. Nach einer Pressverbindung der Mischung durch Erwärmen der Mischung auf einem elektrisch leitenden, porösen Material, wie einem gesinterten Produkt aus rostfreien Stahlfasern oder rostfreien Stahlpulvern, Kohlenstofffasern, usw. mit einer stark wasseranziehenden Eigenschaft, wird ein Katalysator, wie Platin auf das poröse Material nur auf die Seite aufgebracht, die nahe der Ionenaustauschmembran ist. Beispiele von Methoden zum Aufbringen des Katalysators auf eine Oberfläche des Trägers sind ein Verfahren des Presshaftens einer vorhergehend gebildeten Schicht aus platintragenden Kohlenstoffteilchen, usw., an einer Oberfläche des porösen Materials, eine Methode, mit einer Lösung, die Platin als ein Salz davon enthält, eine Oberfläche des porösen Materials zu beschichten und zu brennen, um das Platin zu reduzieren usw.
Die Kathode in der Form einer Gaselektrode, die die obenbeschriebene Struktur aufweist, kann nahe an der Ionenaustauschmembrane zusammen mit der Anode angebracht werden, wie es oben beschrieben worden ist, gefolgt von Presshaften mit Erwärmen, oder mit einer Ionenaustauschkunstharzlösung kann eine Oberfläche einer vorgeformten Kathode beschichtet werden, gefolgt von Trocknen, und danach kann die Anode durch Erwärmen damit pressverhaftet werden, um eine geschichtete Anoden/Membrane/Kathoden-Struktur zu schaffen. Indem die genannte geschichtete Struktur in eine elektrolytische Zelle eingebracht wird, wird die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der vorliegenden Erfindung erzeugt.
Wenn eine Elektrolyse in der Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur von 60 ºC oder weniger und einer elektrischen Stromdichte von wenigstens 50 A/dm² ausgeführt wird, und vorzugsweise bei einer Temperatur von 20 bis 40 ºC und einer Stromdichte von 70 bis 130 A/dm², während reines Wasser, wie ionenausgetauschtes Wasser, der Anodenseite und reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie Hochkonzentrationssauerstoff, der durch eine Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung erhalten wird, der Kathodenseite zugeführt wird, kann ein Ozongas hoher Konzentration und hoher Reinheit mit einem guten Wirkungsgrad auf der Anodenseite erzeugt werden, ohne im wesentlichen irgendwelchen Wasserstoff auf der Kathodenseite zu erzeugen.
Beispiele der Ozonherstellung, wobei die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sind unten beschrieben, wobei die Erfindung nicht angesehen wird, auf diese Beispiele beschränkt zu sein. Wenn nicht anders hier angegeben, sind alle Teile, Prozente, Verhältnisse und Ähnliches gemäß dem Gewicht.

Beispiel 1

Indem der Vorgang wiederholt wird, eine Oberfläche eines gesinterten Titanfasermaterials, das eine Dicke von 2 mm (von Tokyo Seiko K. K. hergestellt) hat, mit einer Bürste mit einer Salzsäurelösung, die Chlorplatinsäure enthält, zu beschichten und bei 450 ºC zu brennen, wurde eine Platinunterschicht von 20 g/m² aufgebracht. Nach dem Hinzufügen einer geringen Menge Salpetersäure zu 800 g/Liter einer wässrigen Bleinitratlösung als ein Elektrolyt, wurde der Elektrolyt auf 70 ºC erwärmt, das oben beschriebene, gesinterte Material wurde in den Elektrolyt eingetaucht, und nachdem vorhergehend eine Vorelektrolyse bei einer Stromdichte von 10 A/dm² ausgeführt worden ist, wurde eine Elektrolyse bei einer Stromdichte von 4 A/dm² ausgeführt, um eine β-Bleidioxidschicht auf der Oberfläche des gesinterten Materials als eine Anode galvanisch abzuscheiden.
Als Ionenaustauschmembran wurde Nafion 117 (Warnzeichen, hergestellt von E. I. du Pont de Nemours & Co., Ltd.) verwendet, die einer Dampfbehandlung ausgesetzt wurde.
Eine Mischung aus einem Grafitpulver (hergestellt von Tokai Cardon Co., Ltd.) und einer wässrigen Suspension von Teflon (Warnzeichen, hergestellt von E. I. du Pont de Nemours & Co., Ltd.) wurde mit beiden Oberflächen eines Kohlenstoffgewebes durch Erwärmen auf 200 ºC pressverbunden. Eine Oberfläche davon wurde weiter mit einer Mischung aus einer wässrigen Suspension von platintragendem Kohlenstoff und Teflon und einer Lösung aus Nafion durch Erwärmen auf 120 ºC pressverbunden, um eine Kathode zu bilden.
Die wirksame Fläche dieser Elektroden und der Ionenaustauschmembran war 56 cm².
Die Anode, die Ionenaustauschmembran und die Kathode wurden dicht miteinander verbunden und in eine elektrolytische Zelle aus Titan eingefügt. Ionenausgetauschtes Wasser wurde der Anodenseite unter Verwendung einer Dosierpumpe zugeführt, und Sauerstoff wurde der Kathodenseite von dem oberen Bereich der elektrolytischen Zelle zugeführt. Wenn eine Elektrolyse bei einer Stromdichte von 100 A/dm² ausgeführt wurde, während die Flüssigkeitstemperatur bei 40 ºC aufrecht erhalten wurde, war die Zellenspannung 2,30 V, die Wasserstoffkonzentration in der Kathodenseite war 0,01 %, die Ozonkonzentration war 15,5 % und die Wasserstoffkonzentration in dem Anodengas war weniger als 20 ppm. Die verlangte elektrische Leistung pro Gramm Ozon wurde zu 49,7 W hr berechnet.

Beispiel 2

Wenn die gleiche elektrolytische Zelle, wie sie beim Beispiel 1 verwendet wurde, verwendet wurde, wurde Sauerstoff mit einer Konzentration von 80 %, der unter Verwendung einer Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung vom Typ PSA erzeugt wurde, der Kathodenseite der elektrolytischen Zelle zugeführt, und Ozon wurde unter den gleichen elektrolytischen Bedingungen wie beim Beispiel 1 erzeugt, war die Zellenspannung 2,40 V, war die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodengas 0,06 %, war die Ozonkonzentration 16 % und war die Wasserstoffkonzentration in dem Anodengas 200 ppm. Die verlangte elektrische Leistung pro Gramm Ozon wurde zu 50,2 W hr berechnet.

Vergleichsbeispiel 1

Wenn die gleiche elektrolytische Zelle, wie beim Beispiel 1 beschrieben, verwendet wurde und die Erzeugung von Wasserstoff und die Erzeugung von Ozon ausgeführt wurden, ohne Sauerstoff der Kathodenseite der elektrolytischen Zelle zuzuführen, war die Zellenspannung 3,30 V, war die Ozonkonzentration 15,4 % und war die Wasserstoffkonzentration in dem Anodengas 0,3 %. Die verlangte elektrische Leistung pro Gramm Ozon wurde zu 71,8 W hr berechnet.
Aus den bei den Beispielen und dem obigen Vergleichsbeispiel erhaltenen Ergebnissen kann man sehen, dass selbst, wenn die Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Ozon der vorliegenden Erfindung bei einer hohen, elektrischen Stromdichte von 100 A/dm² betrieben wird, ein Ozongas mit einer relativ hohen Konzentration von 15 bis 16 % bei einer beträchtlich niedrigeren, elektrolytischen Spannung von 2,3 bis 2,4 V als von 2,90 bis 3,30 V in dem Vergleichsbeispiel erhalten werden kann, das heißt, bei einer niedrigen Größe elektrischer, verbrauchter Leistung.
Wie es oben beschrieben worden ist, kann, indem die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die elektrolytische Spannung niedrig gehalten werden, wodurch die Herstellung von Ozon ausgeführt werden kann, während die Größe der elektrischen, verbrauchten Leistung um ungefähr 30 % eingeschränkt werden kann.
Des weiteren kann eine relativ hohe, elektrische Stromdichte von wenigstens beispielsweise 50 A/dm² bei einer relativ niedrigen Temperatur von nicht mehr als beispielsweise 60 ºC beibehalten werden, was für die Herstellung von Ozon geeignet ist, und Ozon kann mit gutem Wirkungsgrad erzeugt werden.
Auch kann, indem die obenbeschriebene Kathode verwendet wird, die Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode im wesentlichen verhindert werden, wodurch die Gefahr einer Explosion aufgrund der Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff vermieden werden kann, so dass der sichere Betrieb der Ozonherstellung ermöglicht wird, während irgendeine Behandlung wegen des Wasserstoffs unnötig gemacht wird. Des weiteren kann, indem diese Kathode verwendet wird, die Konzentration des Wasserstoffs, der mit dem erzeugten Ozongas vermischt ist, im wesentlichen null sein, und Ozon hoher Reinheit kann erzeugt werden.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, die eine Schichtstruktur umfasst, die umfasst

(i) eine Anode, die aus einem elektrisch leitenden, porösen Material gebildet ist, das einen Katalysator zur Ozonerzeugung trägt,

(ii) eine Ionenaustauschmembrane aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure (perfluorocarbonsulfonic acid), die als ein Festelektrolyt arbeitet, und

(iii) eine Kathode, die aus einer Gaselektrode gebildet ist, die einen Katalysator zur Reduktion von Sauerstoff enthält, und

eine Einrichtung zum Zuführen von Wasser zu der Anode; eine Einrichtung zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu der Kathode, und

worin die genannte Gaselektrode wasseranziehende Bereiche und wasserabstoßende Bereiche aufweist, die eine gas- und flüssigkeitsdurchlässige, poröse Schicht bilden, und der genannte Katalysator ungleichmäßig darin verteilt ist, wobei er an oder nahe der Grenzschicht zwischen der porösen Kathodenschicht und der Ionenaustauschmembrane konzentriert ist.

2. Die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, gemäß Anspruch 1, worin der Ozon erzeugende Katalysator auf dem elektrischeleitenden, porösen Material getragen wird, wenn die Anode Bleidioxid, Zinndioxid, Platin oder glasartiger Kohlenstoff ist.

3. Die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, gemäß Anspruch 1, worin das elektrisch leitende, poröse Material gesinterte Titanfasern sind.

4. Die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, gemäß Anspruch 1, worin die Ionenaustauschmembrane ein Ionenaustauschvermögen von 0,7 bis 1,2 Milhäquivalente pro Gramm hat.

5. Die Vorrichtung zur elektrolytischen Herstellung von Ozon, gemäß Anspruch 1, worin die wasserabstoßende Eigenschaft der Gaselektrode durch Polytetrafluorethylen geschaffen ist und die wasseranziehende Eigenschaft der Gaselektrode durch Kohlenstoff geschaffen ist.

6. Ein Verfahren zur Herstellung von Ozon, umfassend

Elektrolysieren von Wasser, indem ein elektrischer Strom durch eine Elektrolysevorrichtung hindurchgeht, die eine Schichtstruktur umfaßt, die umfasst

(i) eine Anode, die aus einem elektrischleitenden, porösen Material gebildet ist, das einen Katalysator zur Ozonerzeugung trägt,

(ii) eine Ionenaustauschmembran aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure, die als ein Festelektrolyt arbeitet, und

(iii) eine Kathode, die aus einer Gaselektrode gebildet ist, die einen Sauerstoffreduktionskatalysator enthält, worin die genannte Gaselektrode wasseranziehende und wasserabstoßende Eigenschaften hat und den genannten Katalysator ungleichmäßig darin verteilt und an der Grenzfläche mit der genannten Ionenaustauschmembrane konzentriert enthält;

während Wasser der Anode und ein Sauerstoff enthaltendes Gas einer Rückseite der genannten Kathode der Schichtstruktur zugeführt wird.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die Elektrolyse bei einer Temperatur von 60 ºC oder weniger und bei einer elektrischen Stromdichte von wenigsten 50 A/dm2 durchgeführt wird.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, worin die Temperatur 20 bis 40 ºC ist und die elektrische Stromdichte 70 bis 130 A/dm2 ist.