JP2832221B2 - 複極式電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、廃液処理、金属回収、不純物分解又は除
去、食塩電解、水電解、有機電解等の各種電解反応に使
用できる複極式電解槽に関する。

（従来技術とその問題点） 従来から食塩電解による苛性ソーダの生成や水分解に
よる酸素及び水素の発生等の通常の電解反応をはじめと
して、めっき廃液の処理及び該廃液からの貴金属等の回
収のように広汎に電解が使用されている。例えば廃液処
理を電解以外の方法で行う場合は、該廃液が一般に粘度
が高く取り扱い難い廃有機物を含有するため、通常の処
理操作を行い難く前記廃有機物を分解できずそのまま廃
棄することが多くなっている。しかしながら、電解を使
用して該廃液処理を行う場合には、該廃液を電解槽に導
くのみで電極表面で前記有機物の分解が生じて、無害な
ガスや水等に分解することができる。

有機反応を生じさせて有機化合物を他の化合物に変換
させる場合に使用される有機電解では、有機反応でほぼ
不可避的に生ずる副反応をほぼ完全に抑制し目的とする
化合物を高い収率及び選択率で得ることができる。更に
前述の食塩電解や水電解においても同様に高収率で目的
物質を得ることができる。

このように電解反応は一般の有機及び無機反応に比較
して利点が多いため工業的に広く利用されているが、電
解による目的物質製造コストの大部分を占める電力コス
トを低減するために従来から種々の技術が提案されてい
る。

その一例として、電極として多孔質電極を使用方法が
あり、該方法によると、電極の表面が大きくなり広い面
積で電解液と接触して電解反応速度が上昇することが知
られている。しかし例えば多孔質の炭素板を電極として
使用して電解を行うと、実際に電極反応が生ずるのは対
極側に面した平面部のみで電解に寄与する面積の増加に
は結びついていない。

更に若干量の不純物金属を含有する金属溶液から該不
純物金属を除去して精製を行うには、従来は試薬を添加
して前記不純物金属を沈澱させて除去するようにしてい
るが、該精製に使用する試薬コストが高価になり、より
効率的で経済的な精製方法が要請され、該要請に応える
方法として電解技術が提案され、該電解においても上述
の通り電力コストの低減が要請されている。

（発明の目的） 本発明は、電解反応に寄与する電極表面の表面積を増
加させた電極を使用して効率良く電解反応を生じさせる
ことのできる複極式電解槽を提供することを目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、繊維状炭素陰極及び該陰極に接続された陽
極を含んで成る横方向をなす複数の電極構造体を絶縁部
を介して陽陰両極が対向するように配置しかつ該電極構
造体を電解液の進行方向に対して垂直に隙間なく配置さ
せ、該電解液を強制的に前記電極構造体を通過させ電解
を行わせることを特徴とする複極式電解槽である。

以下本発明を詳細に説明する。

本発明に係わる複極式電解槽は、廃液処理、金属回
収、溶液中の不純物除去、シアン等の分解、食塩電解、
水電解、有機電解等の各種電解反応に使用することがで
きる。

本発明は、陰極として繊維状炭素陰極を使用する。該
繊維状炭素陰極はそのまま使用しても、ピッチや樹脂を
使用して板状等に成形して使用してもよいが、最終的に
繊維が陰極物質として残存する必要がある。前述した通
り、多孔質炭素板等の通常の多孔質体を電極として電解
を行うと、電極自体は高表面積を有しても電極として有
効に機能する部分は対極に対向する面のみで実際には電
解面積の増加には繋がらない。

これに対し繊維状炭素陰極を使用する本発明に係わる
電解槽では、理由は明確ではないが、繊維状炭素陰極の
各繊維のそれぞれのほぼ全面が電極反応を行い、その有
効電極面積の増加量は多大なものとなる。該効果は、繊
維状炭素の長さが十分に長く陰極内における電位勾配が
なく該陰極のどの部分でも電位が等しいため、電解反応
が前記陰極のどの部分でも生じ該陰極のほぼ全面が電極
として機能するためと推測することができる。

従ってその陰極電流密度は極小となり、これにより電
流効率が飛躍的に向上する。例えば廃液中の貴金属を電
解により電極上に電析させて回収する場合、該貴金属濃
度が10〜1000mg/程度でありこれを1mg/以下にする
際に従来の板状炭素電極を使用するとその電流効率は１
〜10％程度であるのに対し、本発明に係わる繊維状炭素
陰極を使用する複極式電解槽では、10〜30％程度に上昇
する。

本発明に使用する繊維状炭素は市販のものを使用すれ
ばよく、板状、フェルト状等の成形したものあるいは綿
状のものをそのまま使用することができる。

該繊維状炭素自体には電解電圧低減機能はないため、
電圧を減少させることにより消費電力の低減を図るため
には、パラジウム、ルテニウム、白金等の貴金属触媒を
前記繊維状炭素上に担持させる必要がある。これにより
電解電圧を低減させて電解反応を促進するとともに、前
記繊維状炭素陰極の寿命を延ばすことが可能になる。

本発明に係わる電解槽に使用する陰極は特に限定され
ず、貴金属酸化物電極、二酸化鉛電極、炭素電極等を用
途に応じて選択し、該陽極を前記陰極と接合するか、あ
るいは一体成形された繊維状炭素のみを電極として使用
し、通電することにより分極させて陰極両極として機能
させることができる。本発明ではこの後者の態様も陰極
両極が電気的に接続されているという。

該繊維状炭素陰極を複極タイプに接続して複極式電極
槽を構成するが、その接続構造は特に限定されない。例
えば廃液処理、金属回収あるいは溶液中の不純物金属除
去等の電解では、陽極室と陰極室に区画する必要はない
ため隔壁が不要になり、電解が生ずる対向する両極間の
短絡防止を確実に行うことのできる構造とすれば十分で
ある。なお両極室を区画しない構造において陽極反応と
して酸素が発生する場合にはこの酸素による繊維状炭素
の酸化を防止するため該繊維状炭素陰極に二酸化鉛、酸
化イリジウム、酸化白金等の補助材料を密着させること
が望ましく、陽極反応が塩素発生である場合には繊維状
炭素陰極単味での使用が可能である。なお、このタイプ
の複極式電解槽では、電極を縦方向に配置する縦型構造
だけでなく、電極を横方向に配置する横型構造も可能で
ある。後者の横型構造は、特に電解槽の電解液進行方向
の垂直方向全体に隙間なく電極を位置させ前記電解液を
前記電極内を強制的に通過させて電解を行わせる際に好
都合である。

又食塩電解等の電解反応では、陽極室と陰極室を区画
して陽極生成物と陰極生成物を分離する必要がある。そ
のためには従来通り食塩電解等ではイオン変換膜である
壁膜により、又水電解等では素焼板等のイオン交換機能
を有しない隔膜により両極室を区画することが好まし
い。このタイプの電解槽では前記隔膜が存在するため陽
極で発生するガスが陰極に接触しないため前記補助材料
の使用は不要である。更にこの隔膜型電解槽では、前記
繊維状炭素陰極を陰極室全体に充填することが可能であ
り、これにより該陰極が前記隔膜に接触していわゆるゼ
ロギャップタイプの電解が可能になり、電解電圧低減に
も寄与することができるとともに、より以上の電解面積
の増加を図ることができる。

該隔膜タイプの電解槽で前記繊維状炭素陰極を陰極室
全体に充填した構造を採用すると、前記無隔膜タイプの
電解槽において陰極と電解液の進行方向に対して垂直に
隙間なく配置させる構成と同様の効果、つまり電解液が
確実に陰極に接触して所定の電解反応を促進する効果が
生ずるだけでなく、該陰極と前記隔膜が接触するゼロギ
ャップタイプの電解が可能になり、より以上の電力低減
を図ることができる。

次に添付図面に基づいて本発明に係わる複極式電解槽
の好ましい実施例を例示するが、本発明はこれらの電解
槽に限定されるものではない。

第１図は、本発明の複極式電解槽の一実施例を示す縦
断面図であり、廃液処理や金属回収等に使用して有効な
電解槽を示すものである。

１は、左右に給液口２と廃液口３を有する箱型の電解
槽本体で、該電解槽本体１内部には、二酸化鉛や貴金属
酸化物被覆チタン等の板状陽極４と前述の繊維状炭素を
板状に成形した陰極５とを接合させた電極構造体６が左
右両端を除いてメッシュの絶縁体７を介して積層されて
いる。前記本体１の左端には、前記陽極４のみが配置さ
れ、該陽極４に電流が供給され、前記複数の電極構造体
６を通って右端の陰極５から槽外へ導かれる。該電極本
体１に前記給液口２から例えば希釈金属溶液を供給する
と、陽極４上では溶液中の水の電解による酸素発生が生
じ、一方陰極上では水電解による水素発生と、溶液中の
金属例えばパラジウムイオンの還元による金属パラジウ
ムの析出が起こる。

この場合陰極表面積が大きくかつそのほぼ全面に金属
析出が生ずるため、電流効率が増大し、しかも長時間に
亘り金属析出を継続することができる。

第２図は、本発明に係わる複極式電解槽の第２実施例
を示す縦断面図であり、食塩電解、水電解あるいは有機
電解等の電解槽を陽極室と陰極室に区画して行う電解に
使用することができる。

11は、内部がイオン交換膜等の隔膜12により陽極室13
と陰極室14に区画された単位電解室で、該単位電解室11
が左右方向に積層されて電解槽本体15が構成されてい
る。前記陽極室13には二酸化鉛や貴金属被覆チタン等の
陽極16が、又前記陰極室14には繊維状炭素を板状に成形
した陰極17が集電体18を介して配置されている。各陽極
室13の下面には電解液供給及び排出用の導管19を介して
陽極室用マニホールド20が接続され、かつ各陰極室14の
上面には電解液供給及び排出用の導管21を介して陰極室
用マニホールド22が接続されている。

該電解槽本体15に前記陽極室用マニホールド20を通し
て濃厚食塩水溶液を、又前記陰極室用マニホールド22を
通して希釈苛性ソーダ水溶液を供給すると、陰極室13で
は食塩中の塩素イオンの酸化による塩素ガス発生が生
じ、又陰極室14では水の電解による水素発生と前記隔膜
12を通して陽極室13から陰極室14へ浸透したナトリウム
イオンが水酸イオンと結合して苛性ソーダが発生する。

この場合も同様に陰極表面積が大きくかつそのほぼ全
面で電解が生ずるため、電流効率が増大する。

第３図は、第１図の電解槽の変形例を示す縦断面図で
あり、電極構造体内を強制的に電解液を通過させて電解
を促進するタイプの電解槽として使用することができ
る。

31は、下面中央の給液口32、右上側面の取出口33及び
上面中央のガス排出口34を有する箱型の電解槽本体で、
該電解槽本体31内部には、上下両端を除いて、二酸化鉛
や貴金属酸化物被覆チタン等の板状陽極35と繊維状炭素
を板状に成形した陰極36とを結合させた電極構造体37が
メッシュ状の絶縁体38を介して積層されかつ該電極構造
体37の周縁部は前記電解槽本体31の内壁に隙間なく密着
している。該本体31内の上端には前記陽極35のみが配置
され、該陽極35に電極が供給され、前記複数の電極構造
体37を通って下端の陰極36から槽外へ導かれる。該電解
槽本体31に前記給液口32から例えば銅とカドミウムを不
純物として含有する亜鉛水溶液を加えると、該溶液が前
記陰極36中を強制的に通過させられる際に該溶液中のイ
オン化傾向の低い銅及びカドミウムがほぼ選択的に前記
陰極36上に析出して亜鉛のみを含有する溶液が前記取出
口33で得ることができる。この場合も同様に陰極表面積
が大きくかつそのほぼ全面が金属析出に有効に使用でき
るため、電流効率が増大ししかも長時間に亘り金属析出
を継続でき、さらに前記陰極36が隙間なく電解液の進行
方向に垂直に位置しているため、前記電解液が必ず前記
各陰極36と接触し析出効率の向上を図ることができる。

（実施例） 次に本発明の複極式電解槽を使用する電極反応の実施
例を記載するが、該実施例は本発明を限定するものでは
ない。

実施例１ 第１図に示す複極式電解槽に類似する電解槽を使用し
て溶液中のパラジウム金属の回収を行った。電解槽本体
は直径（内径）5cm、厚さ10cmの塩化ビニル製円筒体と
し、電極構造体は陽極と陰極を別個に設置せずに、直径
5cm厚さ5mmの繊維状炭素（日本カーボン株式会社製「カ
ーボロン−Ｐフェルト」、嵩比重約0.1g/cm³）を使用
し、該電極構造体を塩化ビニル性メッシュから成る絶縁
体を介して積層した。

塩化パラジウム2.0gを希塩酸5.0に溶解してサンプ
ル溶液を調整し、前記電解槽の給液口から前記サンプル
溶液を供給し、室温、3A、12Vの条件で電解を行い、廃
液口から取り出される前記サンプル溶液を再度前記給液
口に循環させて30分間通電を継続させた。

通電停止後、電解液中のパラジウム濃度を測定したと
ころ1mg/以下となっており、電流効率は約20％であっ
た。又ルーぺにより前記繊維状炭素電極を観察したとこ
ろ、陰極として機能する側のほぼその全面が金属光沢を
有する物質で被覆されていた。

比較例１ 陰極として多孔質板状炭素電極（東洋カーボン株式会
社製）を使用したこと以外は実施例１と同様の条件でサ
ンプル溶液を電解し、通電停止後、電解液中のパラジウ
ム濃度を測定したところ、180mg/であり、電流効率は
５％であった。又ルーぺにより前記板状陰極を観察した
ところ、陰極として機能する面のみが金属光沢を有する
物質で被覆されていた。

実施例２ 第２図に示す複極式電解槽を使用して食塩水溶液の電
解による苛性ソーダの製造を行った。

陽極液として250g/の濃厚食塩水溶液を、又陰極液
として140g/の希釈苛性ソーダ水溶液を使用した。陽
極としては5cm×5cm×1.5mmの寸法安定性陽極を、又陰
極としては同形状で金属パラジウムを担持させた繊維状
炭素陰極（日本カーボン株式会社製「カーボロン−Ｐ−
フェルト」）を使用し、該両極をナフィオン（登録商
標）710で区画した陽極室及び陰極室に収容し、陰極集
電体として炭素板を使用した。両マニホールドから前記
陽極液及び陰極液を供給しながら、50℃、5A、13.6Vの
条件で電解を行い、前記マニホールドから取り出される
両極液再度循環させて2.25時間通電を継続させた。

停電停止後、前記陰極液の苛性ソーダ濃度を測定した
ところ205g/であり、電流効率は97％であった。

（発明の効果） 本発明は、成形後に繊維状に維持されている炭素を陰
極として使用する複極式電解槽である。

該繊維状炭素陰極は、対極に面する部分のみが電極作
用を発現する従来の炭素電極等の多孔質電極と異なり、
繊維状炭素の長さが十分に長く陰極内における電位勾配
がなく該陰極のどの部分でも電位が等しいため、電解反
応が前記陰極のどの部分でも生じ該陰極のほぼ全面が電
極として機能し電流密度の低減をはじめとする電解条件
を有利にすることができるものと推測することができ
る。

このような特性を有する繊維状炭素陰極を使用する本
発明の複極式電解槽の構造は、陽極室と陰極室を区画し
ないタイプと両極室を壁膜により区画するタイプに大別
でき、前者は更に電極を電解液の進行方向に垂直に隙間
なく位置させるタイプと隙間を生じさせてよいタイプに
分けることができる。

いずれのタイプの電解槽でも前記繊維状炭素陰極によ
る陰極の有効電解面積の飛躍的な増加が生じ、電流効率
の増加を図ることができる。又該陰極上に貴金属触媒を
担持させると電解電圧の低減が可能になり、電流効率及
び電解電圧の両面から消費電力の低減を実現することが
できる。

前述のどのタイプの複極式電解槽でも上記した利点が
生ずるが、無隔膜タイプの電解槽は陽極液と陰極液が混
合されたり、陽極で酸化された物質が再度陰極で還元さ
れて元の物質に戻るといったことがある反面、電解槽の
構造が簡単であり、特に電解反応で酸化又は還元された
物質が電極上に析出しより以上の反応に関与しないタイ
プや電解により不要な物質が分解されて電解によって元
に戻ることのない反応例えば不純物金属の電析による除
去、廃液処理あるいはシアン分解等に使用すると有利で
ある。

更に該無隔膜タイプの電解槽で、少なくともその陰極
を電解液の進行方向に対して垂直に隙間なく配置させ、
該電解液を強制的に前記電極構造体を通過させ電解を行
わせると、電解液が確実に陰極と接触して所定の電解反
応を促進することができる。

一方隔膜を使用して陽極室と陰極室に区画する隔膜タ
イプの電解槽は、隔膜を使用するため構造がやや複雑に
なる反面、電解生成物が溶液状態で得られる食塩電解等
全ての電解に使用することができる。

該隔膜タイプの電解槽で前記繊維状炭素陰極を陰極室
全体に充填した構造を採用すると、前記無隔膜タイプの
電解槽において陰極を電解液の進行方向に対して垂直に
隙間なく配置させる構成と同様の効果、つまり電解液が
確実に陰極に接触して所定の電解反応の促進する効果が
生ずるだけでなく、該陰極と前記隔膜が接触するゼロギ
ャップタイプの電解が可能になり、より以上の電力低減
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる複極式電解槽の第１実施例を
示す縦断面図、第２図は、同じく第２実施例を示す縦断
面図、第３図は、同じく第３実施例を示す縦断面図であ
る。 １……電解槽本体、４……陽極 ５……繊維状炭素陰極、６……電極構造体 ７……絶縁体、11……単位電解室 12……隔膜、13……陽極室 14……陰極室、15……電解槽本体 16……陽極、17……繊維状炭素陰極 31……電解槽本体、35……陽極 36……繊維状炭素陰極、37……電極構造体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川上 祐二 岐阜県吉城郡神岡町大字鹿間１番地１ 神岡鉱業株式会社内 (56)参考文献 実開 昭52−147744（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭52−32865（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08 C25C 1/00 - 7/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維状炭素陰極及び該陰極に接続された陽
   極を含んで成る横方向をなす複数の電極構造体を絶縁部
   を介して陽極両極が対向するように配置しかつ該電極構
   造体を電解液の進行方向に対して垂直に隙間なく配置さ
   せ、該電解液を強制的に前記電極構造体を通過させ電解
   を行わせることを特徴とする複極式電解槽。