JP2016503343A - 電気透析によって水溶液の脱塩を行う方法、および装置 - Google Patents
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Abstract
第１電極（１６）と第２電極（２０）とを含む電気化学セル（１０）において電気透析を用いて水溶液を脱塩する方法であって、第２電極（２０）は第１電極と反対の極性を備え、第１電極（１６）において電気分解ガスとイオンが発生し、この電気分解ガスとイオンは第２電極（２０）において変換されることが提案される。
Description
本発明は、電気透析によって水溶液の脱塩を行う方法、および装置に関する。
工業生産において、または洗浄において、例えば酸とアルカリ液のような水溶液が使用される。このような酸性または塩基性の水溶液を廃棄処理できるようにするために、これらは事前に中和されなければならない。それによって、安全な取り扱いが保証され、かつ下水施設への液体の流入に対して法によって規定された基準が遵守される。
一般的に、アルカリ液または酸の添加によって酸性または塩基性水溶液の中和が行われ、その結果、適合するｐＨ値を備え、それによって主として中性のｐＨ値を有する混合物が生じる。
その場合、添加される酸またはアルカリ液は消費されて、それ以上の別用途に対して使用されることはない。添加される酸またはアルカリ液は重要なコスト要因を意味する。
発生する中性溶液は高い塩負荷を備え、また、循環系へのリサイクルによって塩負荷が蓄積され、これによって水溶液の導電率が高くなるので、条件付きでしか使用することができない。同時にそれに伴って、溶液の腐食性が高くなったり、部材に鉱物質が沈着したりするなどの問題が生じる。
これまで中性溶液は下水網を介して廃棄処理されており、したがってリサイクルされることはない。
電気透析を用いて水溶液の塩負荷が除去され、または分解されること、および酸とアルカリ液に転換されることが知られている。その場合、従来技術に基づけば電気化学セルの電極に電気分解ガスが発生するので、電気透析に対して必要な電気エネルギーの一部が消費される。
電気分解ガスの発生に対して、いわゆる電極への過電圧が必要である。電気分解ガスは使われずにセルから流れ去るか、または分離されて後配置された燃料電池において消費される（これについては特許文献１を参照のこと）。このエネルギー部分はもはや塩溶液の分解に対して使用することはできない。したがって、電気透析設備の効率とそれに伴う経済性は低い。
廃水の表面処理において生じる水性液体の再生に対する方法が特許文献２から知られる。
電気透析を用いて金属の水性エッチング浴を再生する方法が特許文献３から知られる。
本発明は、電気透析の効率を高め、かつそれによって電気透析に対して使用されるエネルギーがよりよく利用されることを保証する方法と装置を用意する。
本発明の基本的な考え方は、電気化学セルにおいて第１電極で発生する電気分解ガスを直接、電気化学セルの第２電極において変換することである。発生する電気分解ガスにおいて、通常は遊離酸素（Ｏ２）と遊離水素（Ｈ２）が関与する。その場合、酸素は正の電極、すなわち陽極において、および水素は負の電極、すなわち陰極において形成される。
それによって本発明に係る方法の２つの形態が得られる。
第１の形態においては、電気化学セルの第１電極室に配置され、かつ例えば水酸化ナトリウム溶液のような塩基性の電解質溶液が供給される第１電極（陽極）において、次式に基づいて酸素が発生する。
酸素（Ｏ２）は、第１電極室に添加される水性電解質と共に第２電極室に移送される。この第１形態においては陽子（Ｈ＋）である発生イオンは、第１電極室を第２電極室から分離している薄膜積層体を介して第２電極室に到達する。
薄膜積層体は多数のイオン交換膜によって構成され、脱塩すべき水溶液からのイオン性構成要素を分離し、そのようにしてその電荷を選別するのに適している。
第２電極室に配置される第２電極（陰極）において、次式に基づく電気化学反応が進行する。
この電気化学反応によって第１電極（陽極）において発生した電気分解ガス（酸素）とイオン（Ｈ＋）は、基本的に第２電極（陰極）において完全に水（Ｈ２Ｏ）に変換される。
電解質溶液のｐＨ値と反応体の標準電位は、第１電極室（陽極室）と第２電極室（陰極室）においてほぼ同じ大きさである。
消費される直流電圧は、陽極過電圧と、陰極過電圧と、薄膜積層体を介する電圧降下とを合計したものである。
消費される電気エネルギーは、電気透析セルと後配置される燃料電池との組合せにおけるよりも少ない。
水性電解質に含まれる気体状の酸素を陰極（第２電極）においてほぼ完全に水に変換するために、陰極はできるだけ大きな表面を持つことが必要である。
陰極は例えば、ニッケルフォーム(Nickelschaum)または白金仕上げニッケルフォーム( platiniertem Nickelschaum)で製作される。
第２の形態において、電気化学セルの第１電極室に配置されて、かつ例えば水酸化ナトリウム溶液のような塩基性の水性電解質溶液が供給される第１電極（陰極）において次式に基づいて水素が発生する。
水素（Ｈ２）は、第１電極室に添加される水性電解質と共に第２電極室に移送される。この第２形態において水酸化物イオン（ＯＨ−）は、第１電極室を第２電極室から分離している薄膜積層体を介して第２電極室に到達する。
薄膜積層体は多数のイオン交換膜によって構成され、イオン性構成要素を脱塩すべき水溶液から分離すること、およびそのようにしてその電荷を選別することに適している。
第２電極室に配置される第２電極（陽極）において、次式に基づく電気化学反応が進行する。
それによって第１電極（陰極）において発生した電気分解ガス（水素）とイオン（ＯＨ−）は、基本的に第２電極（陽極）において完全に水（Ｈ２Ｏ）に変換される。
電解質溶液のｐＨ値と反応体の標準電位は、第１電極室（陰極室）と第２電極室（陽極室）においてほぼ同じ大きさである。
消費される直流電圧は、陽極過電圧と、陰極過電圧と、薄膜積層体を介する電圧降下との合計である。電極における陽極過電圧と陰極過電圧は、分離された燃料電池において発生する過電圧よりも大きくない。
消費される電気エネルギーは、電気透析セルと後配置される燃料電池との組合せにおけるよりも少ない。
水性電解質に含まれる気体状の水素を陽極（第２電極）においてほぼ完全に水に変換するために、陽極はできるだけ大きな表面を持つことが必要である。
陽極は例えば、ニッケルフォームまたは白金仕上げニッケルフォームで製作される。
さらに、第１および第２の形態における本発明に係る方法を実施することに適した装置が提供される。
本発明の別の特徴、使用可能性、および利点が、図面の図中に示された本発明の実施例の以下の説明によって与えられる。その場合、説明されるまたは示される全ての特徴は、特許請求項またはその関連事項における統合に拘束されず、および説明文もしくは図面における表現もしくは描写に拘束されずに、単独で、または任意の組合せにおいて本発明の対象物を構成する。
図面は以下を示す。
図１は本発明に係る方法の第１の形態を実施するための電気化学セルを示す。
図２は本発明に係る方法の第２の形態を実施するための電気化学セルを示す。
全ての図において機能的に同等な要素と大きさに関して、異なる実施形態においても同一符号が使用される。
図１は電気化学セル１０の模式図を表している。電気化学セル１０は第１電極室１２と第２電極室１４とを含む。第１電極室１４に第１電極１６が配置される。第１電極１６は直流電源１８を介して第２電極２０に電気的に接続される。
第２電極２０は第２電極室１４に配置される。第２電極室１４は、複数の薄膜２２を含む薄膜積層体２４によって第１電極室１２から空間的に分離される。両電極室１２、１４は電解質水溶液によって貫流される。そのために、電解質溶液はそこから第２電極室１４に移送されるように第１電極室１２に供給される。
第２電極室１４から、電解質溶液は第１電極室１２に返送される。消費された電解質溶液を補うことは、分岐部２６によって可能とされる。
薄膜積層体２４内の薄膜２２は互いに間隔を空けて配置され、その結果、隣接する２つの薄膜間にチャネル２８が形成される。中央のチャネル２８．１は、脱塩すべき水溶液、例えば塩化ナトリウム溶液を供給するために設置される。
第１電極１６が正極（陽極）を、第２電極２０が負極（陰極）を備えるように直流電源１８が接続された場合、水溶液に含まれる陰イオン、例えばＣｌ−は中央チャネル２８．１から薄膜２２．１を通って正極の第１電極１６の方向に移動する。
陰イオンは、薄膜２２．１と薄膜２２．３の間に形成されるチャネル２８．２において薄膜２２．３によって抑止され、かつ陽子（Ｈ＋）と共に酸として、この使用例においては塩酸としてそこから排出される。
水溶液に含まれる陽イオン、例えばＮａ＋は、反対に薄膜２２．２を通って負極の第２電極２０の方向に移動する。陽イオンは薄膜２２．２と薄膜２２．４の間に形成されるチャネル２８．３において薄膜２２．４によって抑止され、かつ水酸化物イオン（ＯＨ−）と共にアルカリ液として、この使用例においては水酸化ナトリウム溶液としてそこから排出される。
脱塩すべき水溶液に含まれるイオンが薄膜２２を通って隣接するチャネル２８．２または２８．３に拡散された後、脱塩された液体、ここでは例えば水は中央チャネル２８．１から取り出すことができる。
電極１６、２０の間に印加される電圧はまた、正の第１電極１６において次の電気分解反応を進行させるように作用する。
イオンとして発生する陽子Ｈ＋は薄膜積層体２４を通って負の第２電極２０へ移動する。
電気分解ガスとして発生する遊離酸素（Ｏ２）は洗浄液と共に第１電極室１２から第２電極室１４に移送される。それに伴って、そこに配置された負の第２電極２０において次の反応が行われる。
電気分解ガス（遊離酸素、Ｏ２）は第２電極室１４において、電子（ｅ−）の受け入れの下に正の第１電極で発生したイオン（陽子、Ｈ＋）によって水（Ｈ２Ｏ）に変換される。
洗浄液に含まれる電気分解ガスが可能な限り完全に変換されるように、できるだけ大きな表面を備えた第２電極２０を使用することが好ましい。
第２電極２０に対して考えられる電極材料は、ニッケルフォームであり、ニッケルフォームは白金を備えることもできる。
第１電極室内と第２電極室内のｐＨ値は、ほぼ同じ大きさである。
図２は図１による電気化学セル１０を示す。しかしここでは図１とは逆に、第１電極１６が負極を備え、第２電極２０が正極を備えるように直流電源１８が接続される。
印加される電圧は、第１電極室１４内で負に帯電する第１電極において、その中に塩基性電解質を含む水を次のように分解するように作用する。
ここで示した本発明に係る方法の第２の形態において、電気分解ガスとして遊離水素（Ｈ２）が発生し、これは水性電解質と共に第２電極室に移送される。第１電極室において発生するイオン（水酸化物イオン、ＯＨ−）は薄膜積層体を通って正の第２電極２０に移動する。
塩基性の電解質溶液によって促進される場合、正の第２電極２０において次の反応が進行する。
電気分解ガス（遊離水素、Ｈ２）は第２電極室１４において、電子（ｅ−）の放出の下に負の第１電極１６で発生したイオン（水酸化物イオン、ＯＨ−）によって水（Ｈ２Ｏ）に変換される。
洗浄液に含まれる電気分解ガスが可能な限り完全に変換されるように、できるだけ大きな表面を備えた第２電極２０を使用することが好ましい。
第２電極２０に対して考えられる電極材料は、ニッケルフォームであり、ニッケルフォームは白金を備えることもできる。
第１電極室内と第２電極室内のｐＨ値は、ほぼ同じ大きさである。
１０ 電気化学セル
１２ 第１電極室
１４ 第２電極室
１６ 第１電極
１８ 直流電源
２０ 第２電極
２２ 薄膜
２４ 薄膜積層体
２６ 分岐部
２８ チャネル
１２ 第１電極室
１４ 第２電極室
１６ 第１電極
１８ 直流電源
２０ 第２電極
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Claims (9)
- 第１電極（１６）と第２電極（２０）とを含み、前記第２電極（２０）は前記第１電極と反対の極性を備え、前記第１電極（１６）において電気分解ガスとイオンを発生する電気化学セル（１０）において電気透析を用いて水溶液を脱塩する方法であって、
前記電気分解ガスと前記イオンは前記第２電極（２０）において変換されることを特徴とする方法。 - 前記電気分解ガスは電解質水溶液と共に第１電極室（１２）から第２電極室（１４）に移送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１電極（１６）において発生した前記イオンは前記電気化学セル（１０）の薄膜積層体（２４）を通って第１電極室（１２）から第２電極室（１４）に到達することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
- 前記第１電極（１６）において発生する電気分解ガスは遊離酸素（Ｏ２）を含み、イオンは陽子（Ｈ＋）を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
- 前記第１電極（１６）において発生する電気分解ガスは遊離水素（Ｈ２）を含み、イオンは水酸化物イオン（ＯＨ−）を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
- 請求項１〜５の何れか一項の方法に基づいて電気透析を用いて水溶液を脱塩する装置であって、第１電極室（１２）と第２電極室（１４）とを備えた電気化学セル（１０）を含み、前記第１電極室（１２）は薄膜積層体（２４）によって前記第２電極室（１４）から分離され、前記第１電極室（１２）に第１電極（１６）が配置され、前記第２電極室（１４）に第２電極（２０）が配置され、両電極はそれぞれ反対極性を備える装置であり、
前記装置は、前記第１電極室（１２）に供給される電解質水溶液を前記第１電極（１６）において発生する電気分解ガスと共に前記第１電極室（１２）から前記第２電極室（１４）に移送することに適する手段を備えることを特徴とする装置。 - 前記薄膜積層体（２４）は４つの薄膜（２２．１〜２２．４）を含み、第１の薄膜（２２．１）と第２の薄膜（２２．２）は中央チャネル（２８．１）を画成し、第３の薄膜（２２．３）は前記第１薄膜（２２．１）と前記第１電極（１６）との間に配置され、第４の薄膜（２２．４）は前記第２の薄膜（２２．２）と前記第２電極（２０）との間に配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
- 電解質水溶液を前記第２電極室（１４）から前記第１電極室（１２）に移送することに適する手段を備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の装置。
- 前記第１電極（１６）において発生するイオンに対して透過性である薄膜積層体（２４）を備えることを特徴とする請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の装置。
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