JP3783653B2 - 過酸化水素製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、酸素を還元して過酸化水素を製造する装置に関し、特に、酸素の取り込みを極めて容易に、かつ高効率で行うことができる過酸化水素製造装置に関する。
【０００２】
【技術背景】
酸素を還元して過酸化水素を製造する技術として、従来、（１）電極としてガス拡散膜を用いたものや、（２）電解槽内に酸素含有ガスを吹き込むものが知られている。
（１）は、疎水性処理を施した拡散膜電極を用い、当該電極を大気と接触させて、大気から当該電極内に酸素を取り込む方式のものであって、（イ）拡散膜電極が高価であること、（ロ）拡散膜電極の耐浸透性が低いため、電解槽を大型にすると水漏れが生じてしまい、大型化が困難であること、（ハ）拡散膜電極内で炭酸ナトリウム等の析出が生じると、ガスの透過性が低下すること、等の問題がある。
【０００３】
（２）は、電解槽内に空気等の酸素含有ガスを吹き込む方式のものであって、（イ）気（酸素含有ガス）液（電解液）比の制御が困難であること、（ロ）酸素含有ガスを吹き込むための動力が必要であること、（ハ）気液分離等の装置が付帯するため全体の装置構成が煩雑となること、等の問題がある。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、上記のような従来の過酸化水素製造技術に存在する各種の問題を悉く解消するためになされたものであって、装置構成が単純で、設備コストやランニングコストが低廉であり、大型化も容易であるばかりか、装置運転中のトラブル発生も少なく、煩雑な制御の必要性もない、従って、容易な操作で、かつ高い効率で過酸化水素を製造することができる装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
本発明者は、上記目的を達成するために検討を重ねた結果、酸素を還元して過酸化水素を発生させる陰極を、酸素含有ガスと電解液の両方を透過する素材で構成し、この素材製の陰極に基づいて他の装置構成を考慮すれば、前記（１）のようなガス拡散膜電極を用いた過酸化水素製造技術や、（２）のような電解槽内への酸素含有ガス吹き込みによる過酸化水素製造技術にある、電極コスト、水漏れ・結晶析出によるトラブル、気液比の制御・気液分離装置・動力の必要性等の問題が悉く解消できるとの知見を得た。
【０００６】
本発明の過酸化水素製造装置は、上記の知見に基づいてなされたものであり、（ａ）設置床面に対して垂直または傾斜状に設置される電解槽と、（ｂ）電解液槽と、（ｃ）電解液槽内の電解液を電解槽へ供給する手段と、（ｄ）過酸化水素含有液を排出する手段とを有してなり、
〔１〕電解槽（ａ）が、導電体からなる陽極と、一方の面が大気に接し、他方の面が電解液と接し、多孔状または繊維状の透水性導電体からなる陰極と、これら陽・陰両極間に存在する非導電性の多孔状または繊維状隔膜とを含み、
電解液槽内の電解液の電解槽への供給手段（ｃ）が、電解槽上部からの供給手段であるものである。
また、本発明の過酸化水素製造装置は、
〔２〕上記〔１〕の過酸化水素製造装置であって、電解槽を複数槽使用し、電解液槽は少なくとも１槽使用し、複数槽の電解槽を多段に、かつ直列または並列に積み重ね、直列積み重ねの場合は最上段の電解槽に、並列積み重ねの場合は各電解槽に、少なくとも１つの電解液槽内の電解液を供給する手段を有してなるものであってもよい。
【０００７】
本発明の電解槽における陽極は、通常の導電体から構成される通常の陽極がそのまま使用できる。
この陽極は、電解槽内の電解液に接して使用されるものである。
【０００８】
陰極は、酸素含有ガス中の酸素を還元して過酸化水素を発生させるものであって、透水性を有する導電体から構成される。
この透水性は、例えば、導電体として、逆さまにしても電解液が漏出しない程度に多孔状にしたもの、または繊維状にしたものを使用することによって確保される。
多孔状の導電体としては、パンチング金属板、多孔質な焼結金属板、パンチング合成樹脂板に導電体（例えば、導電性ダイヤモンド）を析出させたもの、多孔質な焼結カーボン板等が使用でき、繊維状の導電体としては、金属繊維や、導電性を付与した合成繊維（例えば、金属、炭素等の導電性粉末を混合した合成繊維、金属や炭素等の導電性材料で被覆した合成繊維、合成繊維に導電性ダイヤモンドを析出させたもの等）、カーボンファイバー、窒化カーボンファイバー等でシート状に織成、不織成、編成等したもの等が使用できる。
これらの多孔状の導電体も、繊維状の導電体も、それぞれ１種単独で使用してもよいし、多孔状の導電体同士、繊維状の導電体同士を２種以上適宜組み合わせて使用してもよく、更には多孔状の導電体の１種以上と繊維状の導電体の１種以上とを組み合わせて使用してもよい。
【０００９】
上記のような材料から構成される透水性の有る陰極は、一方の面が大気に接しされ、他方の面が電解液に接しされて使用される。
すなわち、大気と接している面から酸素含有ガス（空気）が採り入れられ、反対の電解液と接している面から電解液が侵入し、該液中の電解質物質との共同作用により、該ガス中の酸素を還元して過酸化水素を発生させる。
【００１０】
本発明においては、上記の陰極に隣接させて給電極を設置してもよく、この給電極としては、板状や棒状のものの他に、上記の陰極と同様の多孔状、繊維状のものも使用でき、またこれらを１種単独で使用してもよいし、適宜の組み合わせによる２種以上を使用してもよい。
板状や棒状の給電極を設置する場合は、陰極と大気の接触を妨害しないように、透水性の陰極よりもサイズを小さくし、陰極と同様の多孔状、繊維状の給電極を設置する場合は、陰極と同一サイズであってもよいし、小さいサイズや、大きいサイズでもよい。
給電極は、陰極に給電するものであって、陰極とは接触状態であっても、非接触状態であってもよく、非接触状態の場合には、電解槽内の電解液を介して給電極から陰極に電子が流れることとなる。
【００１１】
上記の陽極と陰極の間には、非導電性の多孔状または繊維状隔膜が配置される。
この多孔状または繊維状隔膜としては、透水性を有する非導電性のものであれば、どのようなものでもよく、例えば、合成樹脂発泡シート、延伸等によりミクロボイドを形成した合成樹脂シート、針エンボス加工やパンチング加工等により多孔状化した合成樹脂シート等の多孔状の非導電性シートや、天然繊維、合成繊維、半合成繊維、これらの混合繊維等で織成、不織成、編成等された繊維状の非導電性シート等が挙げられる。
これらの多孔状の非導電性シートも、繊維状の非導電性シートも、それぞれ１種単独で使用してもよいし、多孔状の非導電性シート同士、繊維状の非導電性シート同士を２種以上適宜組み合わせて使用してもよく、更には多孔状の非導電性シートの１種以上と繊維状の非導電性シートの１種以上とを組み合わせて使用してもよい。
【００１２】
上記の陽極と、透水性陰極と、多孔状または繊維状隔膜とから構成される電解槽は、箱型であってもよいし、被覆線型（中央に陽極を配し、周囲に非導電性シートを介して同心円状に陰極を配するタイプ）であってもよい。
このように構成される電解槽は、少なくとも陰極側が大気等の酸素含有ガスに開放されて、床面に対して垂直または傾斜状に設置される。すなわち、電解液が入口から出口に流れ、陰極の一部が濡れるように配置すればよい。
なお、箱型の電解槽の場合は、陰極側が大気等の酸素含有ガスに開放された筐体で構成されるが、陽極側も大気開放タイプとしてもよいし、あるいは筐体に代えて、被覆線型の電解槽の場合と同様に、陰・陽両極と隔膜の両端部（電解槽を垂直に設置する場合は上下端、傾斜状に設置する場合は両端）を挟持する部材と、これらの挟持部材を支持する部材とからなる枠体としてもよい。
この筐体あるいは枠体は、金属製であってもよいし、合成樹脂製、木製、その他種々の材料製のものが使用できる。
【００１３】
以上のように構成される電解槽には、電解液槽内に貯留されている電解液が供給される。
この電解液槽としては、通常の液槽が使用でき、本発明では、上記電解槽への電解液の供給部と、電解槽からの電解液の返送部と、電解液の混合攪拌手段とを有し、場合に応じてメイクアップ用の電解液の受入れ部を有しているもの等が使用できる。
また、このメイクアップ用電解液の受入れ部に代えて、電解液槽自体でメイクアップ用電解液を作製するための電解質物質の投入手段と、電解質物質の溶媒（水等）の注入手段と、必要に応じて加熱手段や保温・断熱等を備えたものであってもよい。
【００１４】
なお、本発明における電解質物質としては、どのようなものであってもよく、例えば、ＫＣｌ、ＫＣｌＯ、ＮａＣｌ、ＮａＣｌＯ、Ｈ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４等が使用できる。
これらの電解質物質の電解液中の濃度は、特に限定せず、従来の酸素含有ガスを用いて過酸化水素を製造する際に必要な５０〜５０，０００ｍｇ／Ｌ程度であってもよいし、陰極または陰・陽両極に電流効率の高い導電性ダイヤモンド電極を使用する場合には、従来の過酸化水素製造の際には効率が極めて悪くなる６，０００ｍｇ／Ｌ未満であっても、高効率で過酸化水素を製造することができる。
【００１５】
電解液槽内の電解液の供給態様は、本発明では、電解槽上部から電解槽に供給する態様がある。
電解槽が床面に対して垂直に設置されている場合は、電解槽の上部や頂部から供給する態様や、電解槽が床面に対して傾斜して設置されている場合は、傾斜角の上側から下側に向かうように供給する態様がある。
【００１６】
上記のようにして電解液が供給された電解槽において、酸素含有ガス中の酸素が陰極部近傍において還元され、過酸化水素を発生するが、この過酸化水素は、電解液中に溶存して電解槽の外に排出される。
この過酸化水素含有液の排出は、電解槽下部に設けられた出口から行われる。
【００１７】
そして、上記の電解槽を複数槽用い、これらを多段に、かつ直列または並列に積み重ね、直列積み重ねの場合は、最上段の電解槽に電解液を供給して、次段の電解槽に流れるようにし、並列積み重ねの場合は、各電解槽に少なくとも１つの電解液槽内の電解液を供給するようにすればよい。
なお、一般には、電解槽内で発生し電解液中に移行した過酸化水素が所望濃度になるまで、電解液が電解槽に循環される態様が採られることが多いが、多段にかつ直列に積み重ねる場合には、最下段から排出される電解液が所望の過酸化水素濃度となるように、電解槽の段数を決めておけば、電解液を循環させる必要はなくなり、実用性は高くなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の過酸化水素製造装置における電解槽の構成の一例を示す図であって、同図において、１が陽極、２が透水性陰極で、本例では透水性の給電極３が陰極２に接触（密着）状態で取り付けられている。
本例では、透水性陰極２の片面は透水性給電極３を介して大気に接し、これと反対側の面が電解液Ｌに直接接している。
【００１９】
上記の陽極１と陰極２の間には、多孔状または繊維状の非導電体からなる隔膜４が設けられている。
これらの陽極１、陰極２、給電極３、隔膜４は、図１には表れていないが、筐体（枠体）に収納さ（取り付けら）れて、電解槽１００を構成している。
【００２０】
図２は、図１の構成の電解槽１００を用いた本発明の過酸化水素製造装置の一実施態様例を示しており、図１と同一符号は図１と同一部材を示している。
陽極１、陰極２、給電極３および隔膜４は、給電極３側が開放されている筐体５に収納されて電解槽１００を構成している。
電解槽１００は、図示するように、床面に対する角度θが約１０°で傾斜して設置されており、該電解槽１００の上方に電解液Ｌの供給部６が、下方に排出部７が設けられている。
【００２１】
この電解液Ｌは、電解液槽１０１から、ポンプ８により調圧槽１０２に送液され、ここで圧力が調整されて、電解槽１００に送られ、オーバーフロー分が電解液槽１０１に戻される。
【００２２】
図１，図２のように構成される本発明の過酸化水素製造装置において、電解液槽１０１からポンプ８および調圧槽１０２を介して電解液Ｌが、電解槽１００の上方部に設けられた電解液供給部６に送られ、電解槽１００内を下方に流れる。
この途上で、透水性陰極３の片面と接し、また多孔状または繊維状の隔膜４を介して陽極１側に接しつつ、電解槽１００の下方部に設けられた排出部７に至り、電解槽１００から排出される。
【００２３】
一方、陰極２は、給電極３を介して大気を取り入れ、大気中の酸素を、上記の電解液Ｌとの共同作用により還元し、過酸化水素を発生させる。
この過酸化水素は、電解液Ｌ中に移行し、排出部７から系外（電解槽１００の外）に電解液Ｌと共に抜き出される。
この電解液Ｌは、過酸化水素濃度が所定濃度に達していれば、そのまま過酸化水素の取り出し工程に送液されるが、この濃度に達していなければ、電解液槽１０１に返送されて、再度上記の操作に循環使用される。
【００２４】
図３は、図１，図２に示す構成の電解槽１００を多段（本例では３段）かつ直列に積層させた本発明の過酸化水素製造の一実施態様例を示す図であって、第１段目から第３段目までの電解槽１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、何れも図２の場合と同様に床面に対する角度θが約１０°に傾斜されている。
これら各電解槽１００ａ，１００ｂ，１００ｃを連結する第１，第２，第３の配管９ａ，９ｂも同じ角度θ（約１０°）で傾斜されている。
【００２５】
この図３に示す装置においては、第１段目の電解槽１００ａにおいて、導入部６ａから電解槽１００ａに導入された電解液Ｌは、図２に示す装置の場合と同様に大気中の酸素から製造した過酸化水素を溶け込ませつつ、該電解槽１００ａ内を流下して排出部７ａに至り、ここから排出され、第１の配管９ａを流下して第２段目の電解槽１００ｂの導入部６ｂに至る。
この電解液Ｌは、第２段目の電解槽１００ｂ内を流下しつつ、第１段目の電解槽１００ａの場合と同様に過酸化水素を製造し溶け込ませ、排出部７ｂに至り、第２の配管９ｂ、第３段目の電解槽１００ｃを経過して、排出部７ｃから系外に排出される。
【００２６】
図３の装置においては、最終段（図３では第３段目）の電解槽１００ｃの出口部７ｃから排出される電解液Ｌが、所定濃度の過酸化水素を含むものとなるように、電解槽１００ａ〜ｃの容量や電流密度等を設定することにより、出口部７ｃからの電解液Ｌを循環させることなく、そのまま過酸化水素取り出し工程へ送液することができる。
【００２７】
また、図２と図３の装置では、電解液Ｌを電解槽１００の上部に設けた導入部６（６ａ，６ｂ，６ｃ）から供給し、過酸化水素を溶け込ませた電解液Ｌを電解槽１００の下部に設けた排出部７（７ａ，７ｂ，７ｃ）から排出する態様を採用している。
【００２８】
【具体例】
具体例１
図１，図２に示す態様の本発明の過酸化水素製造装置を、次の要領で組み立てた。
電解槽１００は、陽極１として黒鉛シート（日本カーボン社製商品名“ニカフィルムＦＬ−３００”《厚さ０．６ｍｍ》）、透水性陰極２として繊維状の導電体からなるシート（東レ社製商品名“トレカマットＢＯ０５０”、透水性給電極３としてニッケルのパンチング板、多孔状または繊維状隔膜４としてロ紙（アドバンテック社製商品名５Ｃろ紙”《２枚》）をそれぞれ使用し、これらをポリ塩化ビニル製の筐体（内側寸法：８０ｍｍＷ×１２５ｍｍＬで、給電極３側が開放されているもの）５に収納して構成した。
なお、陽極１、陰極２、隔膜４、給電極３は、筐体５の内側寸法に合わせて裁断し、この順序で筐体５に積層した。
【００２９】
この電解槽１００を傾斜角θを１０°にしてセットし、２重量％濃度の硫酸ソーダ水溶液からなる電解液Ｌを、電解液槽１０１から、定流量ポンプ８を用い、１０ｍｌ／分の流量で、電解槽１００の導入部６に供給した。
一方、図示省略の定電圧直流電源により、陰極２と陽極１間に５Ｖの電圧を印加した。
この結果、約１Ａの電流が流れ、１０ｍｌ／分の流量で、８００ｐｐｍ濃度の過酸化水素水溶液を出口部７から排出させることができた。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の過酸化水素製造装置によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）高価で、大型化すると水漏れの虞れがあり、しかも炭酸ナトリウムの析出の懸念がある拡散電極を使用する必要がないので、水漏れが生じず、しかも炭酸ナトリウムの析出の虞れのない大型の装置を安価に構成することができる。
（２）陰極を大気に接しさせるため、酸素含有ガスの吹き込みが不要となり、気液比の制御や、酸素含有ガス吹き込み用の機器が不要となる。
（３）陰極を大気に接しさせるため、過酸化水素の原料となる酸素の取り込みが容易となり、高効率で過酸化水素を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の過酸化水素製造装置における電解槽の構成例を説明するための図である。
【図２】 図１に示す電解槽を用いた本発明の過酸化水素製造装置の一実施態様例を説明するための図である。
【図３】 図２に示す過酸化水素製造装置を用いた本発明の過酸化水素製造装置の他の実施態様例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 陽極
２ 透水性陰極
３ 透水性給電極
４ 多孔状または繊維状隔膜
５ 筐体
６ 電解液Ｌの導入部
７ 過酸化水素を含有する電解液Ｌの排出部
８ ポンプ
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 電解槽
９ａ，９ｂ 各電解槽１００ａ，１００ｂ，１００ｃ間の配管

Claims (3)

1. （ａ）導電体からなる陽極と、
   一方の面が大気に接し、他方の面が電解液と接し、多孔状または繊維状の透水性導電体からなる陰極と、
   これら陽・陰両極間に存在する非導電性の多孔状または繊維状隔膜と、
   を含み、設置床面に対して垂直または傾斜状に設置される電解槽と、
   （ｂ）電解液槽と、
   （ｃ）前記電解液槽内の電解液を電解槽上部から前記電解槽に供給する手段と、
   （ｄ）前記電解槽下部から過酸化水素含有液を排出する手段と
   を有してなる過酸化水素製造装置。
2. 請求項１に記載の過酸化水素製造装置であって、複数の電解槽が多段に、かつ直列に積み重ねられ、電解液槽内の電解液を最上段の電解槽に供給する手段を有してなることを特徴とする過酸化水素製造装置。
3. 請求項１または２に記載の過酸化水素製造装置であって、複数の電解槽が多段に、かつ並列に積み重ねられ、少なくとも１つの電解液槽内の電解液がこれら各電解槽に供給する手段を有してなることを特徴とする過酸化水素製造装置。

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