JP3906110B2 - 電気分解装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気分解装置に関わり、特に塩化物イオン利用効率を向上させ、かつ定期的な薬液洗浄等のメンテナンスを不要とした電気分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウム等の単体、もしくは酸化物等を含んだ電極を用い、塩化物イオンを含む溶液を無隔膜で電解し、有効塩素成分を生成する電解次亜塩素酸ナトリウム生成装置が知られている。
【０００３】
この次亜塩素酸ナトリウム生成装置の性能の一つに、以下の式で示される塩化物イオン利用効率がある。
塩化物イオン利用効率（％）＝電解後の有効塩素濃度（ｇ／Ｌ）／被電解液の塩化物イオン濃度（ｇ／Ｌ）
【０００４】
この塩化物イオン利用効率を向上できれば、特に原水に食塩を添加して電気分解を行い有効塩素成分を生成する電解次亜塩素酸ナトリウム生成装置等においては、食塩の使用量の削減、食塩補充の手間の削減、食塩貯蔵設備の小型化等さまざまな利点が考えられる。
【０００５】
この塩化物イオン利用効率は、ファラデーの法則から考えれば、少量の被電解液に大きな電気当量を用いて電気分解を行えば、有効塩素濃度が上昇するため塩化物イオン利用効率も向上していくと考えられるが、実際には有効塩素濃度がある濃度で飽和してしまうため、塩化物イオン利用効率も飽和してしまう。この飽和塩化物イオン利用効率は電解条件によって異なる。
【０００６】
一般的に行われている電解条件での塩化物イオン利用効率は、白金の単体もしくは酸化物及びイリジウムの単体もしくは酸化物のいずれか少なくとも一種類を主材料とする電極で１０〜２０％、塩化物イオン利用効率が比較的良いルテニウム電極を用いた場合４０〜６０％であった。
【０００７】
上記のように、一般的にルテニウム電極やパラジウム電極等を使用すれば、白金属電極を使用したときに比べ、塩化物イオン利用効率を向上できることが知られているが、これらの電極は陰極に使用すると激しく消耗してしまう等の問題があるため、電極を陽極と陰極に切り替えて電気分解を行う極性切替が実施できないという問題がある。
【０００８】
これに対し、白金の単体もしくは酸化物及びイリジウムの単体もしくは酸化物のいずれか少なくとも一種類を主材料とする電極は陰極にも使用可能であり、極性切り替え可能な電極として知られている。
【０００９】
極性切り替えとは、電気分解装置の問題点の一つとして、水道水、地下水等、硬度成分（カルシウム、マグネシウム等）を含む溶液を原水に使用し電気分解を実施する際、陰極にカルシウムスケールが付着することがあるが、これを除去するために、電解時間が一定時間に達したときに陰極と陽極を切り替えて陰極付近に析出したカルシウムスケールを溶解又は剥離させる技術を指す。
極性切替を行うことにより、電解槽構造を簡略化でき、定期的なメンテナンスも省力化できる利点がある。
【００１０】
一方、極性切替を行わずにカルシウムスケールの付着を防止するには、電解槽構造の変更等さまざまな対策が必要である。また、このような対策を施しても現在のところ半年に一度程度、塩酸を用いて陰極付近に付着したカルシウムスケールを洗い流す作業等のメンテナンスが必要となっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、従来の技術では塩化物イオン利用効率を向上するためにはルテニウム電極やパラジウム電極等の極性切替ができない電極を使用せざるを得ないため、定期的なメンテナンスが必要であった。
【００１２】
また、定期的な薬液洗浄等のメンテナンスを不要とするためには電極の極性切替が必要であり、塩化物イオンの利用効率向上と、定期メンテナンス回数の低減を両立させるのは困難であった。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、塩化物イオン利用効率を向上させ、かつ定期的な薬液洗浄等のメンテナンスを不要とした電気分解装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明（請求項１）は、白金メッキ電極、白金イリジウムメッキ電極又は白金イリジウム焼成電極を用いて塩化物イオンを含有する被電解液を電気分解し、有効塩素成分を生成する電気分解装置において、前記被電解液中の塩化物イオン濃度が０．６〜３ｇ／Ｌで、かつ、前記被電解液１Ｌあたりの電気当量が１０，０００〜３０，０００Ｃであることを特徴とする。
【００１５】
本発明に使用される白金の単体もしくは酸化物及びイリジウムの単体もしくは酸化物のいずれか少なくとも一種類を主材料とする電極には、白金メッキ電極、白金イリジウムメッキ電極、白金イリジウム焼成電極等がある。
【００１６】
これらの電極の多くには、チタンの基材の上に白金及び白金族金属の単体もしくは酸化物を含んだコーティングが施されている。この中で、有効塩素成分の発生効率から考えると、白金イリジウムメッキ電極を含む白金イリジウム系の電極が優れており、特に白金イリジウム焼成電極が優れている。
【００１７】
塩化物イオン濃度と、被電解液１Ｌあたりの電気当量の条件の両方がそろっていなければ、塩化物イオン利用効率の向上は望めない。
塩化物イオン濃度が本発明の範囲で電気分解が行われても、１Ｌあたりの電気当量が４，０００Ｃ未満では塩化物イオン利用効率が最適とはならない。
【００１８】
また、１Ｌあたりの電気当量が３０，０００Ｃを超えて電解しても、塩化物イオン利用効率は向上しないので、電力等を無駄に消費してしまうことになる。
逆に、被電解液１Ｌあたりの電気当量が１０，０００〜３０，０００Ｃの条件で電気分解を行っても、塩化物イオン濃度が３ｇ／Ｌを超えている状態では塩化物イオン利用効率が低いレベルで飽和してしまう。
【００１９】
塩化物イオン濃度が０．６ｇ／Ｌ未満では塩化物イオン利用効率は向上するが、電気的な効率が著しく低下してしまうため、電力等を無駄に消費してしまうことになる。
【００２０】
また、本発明（請求項２）は、前記被電解液の電気分解時間を積算する電気分解時間積算手段と、該電気分解時間積算手段で積算された時間が設定時間に達する毎に前記電極の極性を切り替える極性切替手段とを備えて構成した。
【００２１】
定期的なメンテナンスの実施を前提とした場合、極性切り替えを行う必要がない場合もあるが、電極の極性を切り替えることは電極面へのカルシウムスケールの付着を防止する上で有効である。
【００２２】
極性切替時間は、短くした方がカルシウムスケールの防止には有効であるが、電極の寿命が短くなってしまう。一方、極性切替時間を長くすると電極寿命が長くなるが、カルシウムスケールの付着量は多くなってしまう。上記のような条件を鑑み極性切替時間は１〜１２時間が望ましい。
更に、本発明（請求項３）は、塩化物イオン利用効率（％）が４０パーセント以上であることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１及び図２に示す。図１は流水式の電気分解装置の構成図を示し、図２は貯水式の電気分解装置の構成図を示す。
【００２４】
一般的にルテニウム電極を使用した無隔膜電解は、被電解液中の塩化物イオン濃度が１２〜２４ｇ／Ｌ、被電解液１Ｌあたりの電気当量が３０，０００〜４５，０００Ｃの条件下で実施されており、塩化物イオン利用効率は４０％程度である。
【００２５】
一方、白金及びイリジウムのいずれか少なくとも一方を主材料とする電極を使用した無隔膜電気分解の場合は、一般的に被電解液中の塩化物イオン濃度が６〜１８ｇ／Ｌの範囲、被電解液１Ｌあたりの電気当量が１，０００〜４，０００Ｃの条件下で行われ、塩化物イオン利用効率は１０〜２０％程度である。
【００２６】
これに対し、本発明では被電解液中の塩化物イオン濃度が０．６〜６ｇ／Ｌ、より望ましくは、０．６〜３ｇ／Ｌ、被電解液１Ｌあたりの電気当量が４，０００〜３０，０００Ｃ、より望ましくは５，０００〜２０，０００Ｃの条件で電気分解を行えば、極性切替が可能な白金を含有した電極を用いた電気分解においても、ルテニウム電極を用いた場合と同等以上の塩化物イオン利用効率４０％以上を達成できることを見出した。
【００２７】
なお、被電解液１Ｌあたりの電気当量は、電解槽通水量１Ｌ／分あたりに通電する電流が６７〜５００Ａであることを示す。貯水電解の場合は、貯水量１Ｌあたりにかける電流（Ａ）×時間（分）が６７〜５００Ａ・分であることを示す。
このように本発明は、流水電解、貯水電解両方に適応できる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）次に、流水電解、貯水電解について、表１の条件の下に行った実施例を説明する。
【００２９】
【表１】

【００３０】
電流密度は白金イリジウムの場合、電極メーカー資料等によると１〜１５Ａ／ｄｍ²が標準使用範囲である。電流密度が高いと、電解電圧の上昇、電極寿命が低下する等の問題があるが、低すぎると電極面積が多く必要になるため、電解槽の大型化等の問題が発生する。
【００３１】
このような条件を鑑み、本発明では２〜１０Ａ／ｄｍ²で実施されることが望ましく、本実施例は３Ａ／ｄｍ²で実施した。
電極間距離は、一般的に３ｍｍ程度で実施されるため、本実施例でも３ｍｍとした。有効塩素濃度は、ヨウ素滴定法にて測定した。
【００３２】
流水式、貯水式共にほぼ同様の結果となったので同一グラフ上にプロットした。この結果を、図３〜６に示す。
図３の生成水有効塩素濃度と電気当量の関係からわかる通り、ほとんどの塩水濃度において、１Ｌあたりの電気当量が５，０００Ｃ／Ｌ程度から有効塩素発生速度が低下し始め、２０，０００Ｃ／Ｌ程度からはほとんど有効塩素濃度が平衡に達してしまうことがわかる。
【００３３】
また、図３の生成水有効塩素濃度を塩化物イオン利用効率で表したものが、図４である。
この結果から、塩水濃度が低い方が、塩化物イオン利用効率が高い数値で平衡に達することがわかる。
【００３４】
この塩化物イオン利用効率が３０％に達した条件での電解電流効率をグラフ化したのが図５である。
図５において、塩化物イオン濃度が０．６ｇ／Ｌ以下になると著しく電解電流効率が低下していることがわかる。
【００３５】
グラフ中の電解電流効率（％）は以下の式で算出される。
電解電流効率（％）＝電解水有効塩素濃度（ｇ／Ｌ）×電解水流量（Ｌ／ｍｉｎ）／（電解電流（Ａ）×６０（ｓｅｃ／ｍｉｎ）×３５．５（ｇ／ｍｏｌ）／９６５００（Ｃ／Ｆ））
【００３６】
電解電流効率が低下しているということは、同じ量の有効塩素成分を得ようとするとき大きな電気量が必要であり、電気的なエネルギーのロスが大きいことを示す。
【００３７】
このように電解電流効率の低下は、ランニングコストの上昇、電源設備の大型化等の問題をもたらすので、塩化物イオン濃度が０．６ｇ／Ｌ以上であることが望ましい。
【００３８】
図６は、図４を基に、流量あたりの電気当量をパラメータに被電解液中の塩化物イオン濃度と塩化物利用効率の関係を示したものである。この図から、各電気当量条件において、塩化物イオン濃度が６ｇ／Ｌを切ったところから急激に塩化物イオン利用効率が向上しているのがわかる。
【００３９】
上記結果から、塩化物イオン利用効率を向上させ、電解電流を有効に利用できる範囲として、被電解液中の塩化物イオン濃度が０．６〜６ｇ／Ｌ、被電解液１Ｌあたりの電気当量が４，０００〜３０，０００Ｃ／Ｌの条件で電気分解を行えば極性切替が可能な白金属金属電極を用いた電気分解においても、塩化物イオンを効率的に利用する電気分解が行えることを見出した。
【００４０】
（実施例２）次に、表２の条件の下に、電極に対するカルシウムスケールの付着の程度を試験した。
【００４１】
【表２】

【００４２】
本発明条件にて白金イリジウム焼成電極電解槽を連続的に運転した。極性切替時間は６時間とした。
【００４３】
一般的にルテニウム電極電解槽は、２ヶ月程度で電極にカルシウムスケールが付着し、電解電圧の上昇、生成有効塩素濃度の低下等が見られる。
しかしながら、本発明条件にて運転した白金イリジウム電極電解槽にはこのような変化が見られず、半年後に行った解体調査においても電極面へのカルシウムスケールの付着はほとんど見られなかった。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被電解液中の塩化物イオン濃度を０．６〜３ｇ／Ｌ、かつ、被電解液１Ｌあたりの電気当量を１０，０００〜３０，０００Ｃとして構成したので、塩化物イオン利用効率を向上させ、かつ定期的な薬液洗浄等のメンテナンスを不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 流水式の電気分解装置の構成図
【図２】 貯水式の電気分解装置の構成図
【図３】 生成水有効塩素濃度と電気当量の関係
【図４】 塩化物イオン利用効率と電気当量の関係
【図５】 塩化物イオン濃度と飽和塩化物イオン利用効率３０％時の電解電流効率の関係
【図６】 被電解液中の塩化物イオン濃度と塩化物利用効率の関係

Claims (3)

1. 白金メッキ電極、白金イリジウムメッキ電極又は白金イリジウム焼成電極を用いて塩化物イオンを含有する被電解液を電気分解し、有効塩素成分を生成する電気分解装置において、前記被電解液中の塩化物イオン濃度が０．６〜３ｇ／Ｌで、かつ、前記被電解液１Ｌあたりの電気当量が１０，０００〜３０，０００Ｃであることを特徴とする電気分解装置。
2. 前記被電解液の電気分解時間を積算する電気分解時間積算手段と、
   該電気分解時間積算手段で積算された時間が設定時間に達する毎に前記電極の極性を切り替える極性切替手段とを備えた請求項１記載の電気分解装置。
3. 塩化物イオン利用効率（％）が４０パーセント以上である請求項１又は請求項２記載の電気分解装置。

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