JP4560089B2 - Electrode used for electrolysis of aqueous solution to produce hypochlorite - Google Patents

Electrode used for electrolysis of aqueous solution to produce hypochlorite Download PDF

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Abstract

The present invention relates to an electrocatalytic coating and an electrode having the coating thereon, wherein the coating is a mixed metal oxide coating, preferably platinum group metal oxides, with or without a valve metal oxide. The electrocatalytic coating can be used especially as an anode component of an electrolysis cell and in particular a cell for the electrolysis of aqueous hypochlorite solutions.

Description

発明の背景
1.発明の分野
本発明は、次亜塩素酸塩を製造するための、電解質電極、および、その上に被覆された混合金属酸化物を対象とする。
Background of the Invention
1. The present invention is directed to electrolyte electrodes and mixed metal oxides coated thereon for producing hypochlorite.

2.関連技術の説明
塩溶液を電気分解することによって次亜塩素酸塩を生成するために混合金属酸化物の塗膜を使用することは、当業界において広く知られている。しかしながら、慣習的に次亜塩素酸塩が塩水の電気分解によって製造される場合、次亜塩素酸塩生成物の利用可能な塩素濃度は、1重量パーセント(wt%)またはそれ未満もの低さになる可能性がある。加えて、塩水を含む溶液が、あまり高濃度ではない場合(すなわち10〜30g/l)、電流効率や電極の寿命が減少し、次亜塩素酸塩濃度は8g/lより高いことが望ましい。
2. 2. Description of Related Art The use of mixed metal oxide coatings to produce hypochlorite by electrolyzing salt solutions is well known in the art. However, when hypochlorite is conventionally produced by electrolysis of brine, the available chlorine concentration of the hypochlorite product can be as low as 1 weight percent (wt%) or less. There is a possibility. In addition, if the solution containing salt water is not very high (ie, 10-30 g / l), the current efficiency and electrode life are reduced, and the hypochlorite concentration is desirably higher than 8 g / l.

様々な溶液で、電流効率や電極の寿命に有害な作用を与えることなく高濃度の次亜塩素酸ナトリウム溶液が達成されることが提唱されている。例えば、米国特許第4,495,048号では、フィルタープレス型の電解セルが教示されており、このセルにおいて、低いセル電圧、かつ改善された電流効率で次亜塩素酸ナトリウムが生産される。電解セル中の陽極は、3〜42重量%の酸化白金、3〜34重量%の酸化パラジウム、42重量%の二酸化ルテニウム、および、20〜40重量%の酸化チタンからなる三成分混合物の塗膜を有するチタン基板からなる。   Various solutions have been proposed to achieve highly concentrated sodium hypochlorite solutions without detrimental effects on current efficiency and electrode life. For example, U.S. Pat. No. 4,495,048 teaches a filter press type electrolysis cell in which sodium hypochlorite is produced with low cell voltage and improved current efficiency. The anode in the electrolysis cell is a three-component coating film comprising 3 to 42 wt% platinum oxide, 3 to 34 wt% palladium oxide, 42 wt% ruthenium dioxide, and 20 to 40 wt% titanium oxide. It consists of a titanium substrate having

米国特許第4,517,068号において、特に塩素や次亜塩素酸塩を生産するための電極は、22〜44モル%の酸化ルテニウム、0.2〜22モル%の酸化パラジウム、および、44〜77.8モル%の酸化チタンからなる電極触媒を含む。電極触媒は、弁金属基板上に塗膜を形成し、さらに、酸化チタンまたは酸化タンタルの多孔質層で上塗りを形成することが可能である。   In U.S. Pat. No. 4,517,068, electrodes for producing chlorine and hypochlorite in particular are 22 to 44 mol% ruthenium oxide, 0.2 to 22 mol% palladium oxide, and 44 Containing an electrocatalyst consisting of ˜77.8 mol% titanium oxide. The electrode catalyst can form a coating film on the valve metal substrate, and can further form an overcoat with a porous layer of titanium oxide or tantalum oxide.

米国特許第5,622,613号において、10〜45重量%の酸化パラジウム、15〜45重量%の酸化ルテニウム、10〜40重量%の二酸化チタン、および、10〜20重量%の白金からなる塗膜を有する陽極、加えて、2〜10重量%の、コバルト、ランタン、セリウムまたはイットリウムから選択される少なくとも1種の金属の酸化物を用いた効率的な次亜塩素酸塩の製造方法が説明されている。   In U.S. Pat. No. 5,622,613, a coating comprising 10-45 wt% palladium oxide, 15-45 wt% ruthenium oxide, 10-40 wt% titanium dioxide, and 10-20 wt% platinum. An efficient process for the production of hypochlorite using an anode with a film and additionally 2 to 10% by weight of an oxide of at least one metal selected from cobalt, lanthanum, cerium or yttrium Has been.

15〜30グラム/リットル(g/l)のNaClまたはKClを含む溶液から次亜塩素酸塩を製造するのに用いられ、次亜塩素酸塩濃度が8g/lより高いことが望ましい電解質の環境において、改善された電極の寿命および運転効率を提供することができる、その上に電極触媒作用をする塗膜を有する電極を提供することが望ましいといえる。さらに、白金ベースの調合物と比較して低いコストでこのような電極を提供することが望ましいといえる。   Electrolyte environment used to produce hypochlorite from solutions containing 15-30 grams / liter (g / l) NaCl or KCl, preferably having a hypochlorite concentration greater than 8 g / l It may be desirable to provide an electrode having an electrode catalyzing coating thereon that can provide improved electrode life and operating efficiency. Furthermore, it may be desirable to provide such an electrode at a lower cost compared to platinum-based formulations.

発明の要約
本発明において、改善された寿命を提供し、同時に次亜塩素酸塩を製造するための電解液において高い効率を維持する電極の塗膜が見出された。本塗膜は、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、および、チタンの酸化物の組み合わせからなる混合金属酸化物の塗膜である。
SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, electrode coatings have been found that provide improved lifetime and at the same time maintain high efficiency in electrolytes for producing hypochlorite. This coating film is a mixed metal oxide coating film comprising a combination of oxides of palladium, iridium, ruthenium and titanium.

一実施態様において、本発明は、次亜塩素酸塩を製造するための水溶液の電気分解に使用する電極を対象とし、該電極は、上部に電極触媒の塗膜を有し、該電極は:
弁金属電極ベース;
該弁金属電極ベース上の、電気化学的に活性な塗膜の塗膜層、
を含み、ここで、該塗膜は、白金族金属酸化物とチタンの弁金属酸化物との混合金属酸化物の塗膜を含み、該白金族金属酸化物は、実質的にルテニウム、パラジウムおよびイリジウムの酸化物からなり
ここで、基準として塗膜中に存在する金属を100モルパーセントとして、
a)チタンの白金族金属酸化物に対するモル比は、約90:10〜約40:60であり;
b)ルテニウムのイリジウムに対するモル比は、約90:10〜約50:50であり;さらに、
c)酸化パラジウムの酸化ルテニウムおよび酸化イリジウムに対するモル比は、約5:95〜約40:60であり;
それによって本電極は、少なくとも8グラム/リットルの次亜塩素酸塩の濃度を生産するような高い電流効率で稼働する。
In one embodiment, the present invention is directed to an electrode for use in electrolysis of an aqueous solution to produce hypochlorite, the electrode having an electrocatalyst coating thereon, the electrode comprising:
Valve metal electrode base;
A coating layer of an electrochemically active coating on the valve metal electrode base;
Wherein the coating comprises a coating of a mixed metal oxide of a platinum group metal oxide and a titanium valve metal oxide, the platinum group metal oxide being substantially ruthenium, palladium and Made of iridium oxide ;
Here, as a standard, the metal present in the coating film as 100 mole percent,
a) the molar ratio of titanium to platinum group metal oxide is from about 90:10 to about 40:60;
b) the molar ratio of ruthenium to iridium is from about 90:10 to about 50:50;
c) the molar ratio of palladium oxide to ruthenium oxide and iridium oxide is from about 5:95 to about 40:60;
The electrode thereby operates at a high current efficiency so as to produce a hypochlorite concentration of at least 8 grams / liter.

その他の実施態様において、本発明は、少なくとも1つの陽極を含む電解セル中で水溶液を電気分解する方法を対象とし、該陽極は、上部に電極触媒の塗膜を有し、該方法は、分離されていない電解セルを提供する工程、該セル中で、塩化物を含む電解質を入れる工程、該セル中に該陽極を該電解質と接触させて提供する工程、ここで、該陽極は、白金族金属酸化物とチタンの弁金属酸化物との混合金属酸化物の塗膜を含む電極触媒の塗膜を有し、該白金族金属酸化物は、実質的にルテニウム、パラジウムおよびイリジウムの酸化物からなり
ここで、基準として塗膜中に存在する金属を100モルパーセントとして、
(a)チタンの白金族金属酸化物に対するモル比は、約90:10〜約40:60であり;
(b)ルテニウムのイリジウムに対するモル比は、約90:10〜約50:50であり、さらに、
(c)酸化パラジウムの酸化ルテニウムおよび酸化イリジウムに対するモル比は、約5:95〜約40:60であり;
該陽極に電流を印加する工程;および、該陽極で塩化物を酸化して、次亜塩素酸塩を少なくとも8グラム/リットルの濃度で製造する工程を含む。

In another embodiment, the present invention is directed to a method for electrolyzing an aqueous solution in an electrolysis cell comprising at least one anode, the anode having an electrocatalyst coating thereon, the method comprising separating Providing an unelectrolyzed cell, placing a chloride-containing electrolyte in the cell, and providing the anode in contact with the electrolyte in the cell, wherein the anode is a platinum group An electrode catalyst coating comprising a mixed metal oxide coating of a metal oxide and a titanium valve metal oxide, wherein the platinum group metal oxide is substantially composed of an oxide of ruthenium, palladium and iridium; Become
Here, as a standard, the metal present in the coating film as 100 mole percent,
(A) the molar ratio of titanium to platinum group metal oxide is from about 90:10 to about 40:60;
(B) the molar ratio of ruthenium to iridium is from about 90:10 to about 50:50;
(C) the molar ratio of palladium oxide to ruthenium oxide and iridium oxide is from about 5:95 to about 40:60;
Applying current to the anode; and oxidizing chloride at the anode to produce hypochlorite at a concentration of at least 8 grams / liter.

発明の説明
本発明によれば、高い次亜塩素酸塩濃度で、例えば8g/l(グラム/リットル)より高い濃度で高い電流効率を有し、さらに低い電極電位と改善された寿命を示す、電極触媒作用をする塗膜を有する電極が提供される。一実施態様において、次亜塩素酸塩濃度に応じて、電流効率は、16〜0グラム/リットル(g/l)の次亜塩素酸塩濃度の範囲で約90%〜約100%と予想される。本明細書で説明されている電極触媒作用をする塗膜を有する電極は、は、実質的には常に陽極としての使役が見出されると予想される。従って、本明細書において電極について述べる場合、「陽極」という用語が用いられることが多いが、これは単に便宜上であって、本発明を制限すると解釈されないこととする。
DESCRIPTION OF THE INVENTION According to the present invention, it has high current efficiency at high hypochlorite concentration, for example, higher than 8 g / l (gram / liter), and exhibits lower electrode potential and improved lifetime, An electrode is provided having a coating that is electrocatalytic. In one embodiment, depending on the hypochlorite concentration, the current efficiency is expected to be about 90% to about 100% in the range of hypochlorite concentration of 16-0 grams / liter (g / l). The It is expected that an electrode having an electrocatalytic coating as described herein will always find use as an anode. Thus, when referring to electrodes herein, the term “anode” is often used, but this is merely for convenience and should not be construed as limiting the invention.

本発明で用いられる電極は、導電ベース上に電極触媒作用が活性な皮膜を含む。この導電ベースは、ニッケルもしくはマンガンのような金属か、または、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、および、ケイ素、および、これらの金属の1種またはそれ以上を含む合金のような皮膜を形成するあらゆる金属のシートが可能であり、好ましくは、コストの理由によりチタンである。「皮膜形成金属」とは、電解質中で陽極として連結されると、被覆された陽極が稼働し、そこで迅速に、下層に存在する金属を電解質による腐食から保護する不動態酸化物皮膜が形成されるという特性を有する金属または合金を意味し、すなわち、しばしば「弁金属」、加えて弁金属を含む合金(例えば、Ti−Ni、Ti−Co、Ti−Fe、および、Ti−Cu)と称されるが、同じ条件において、陽極で非不動態表面酸化物皮膜を形成する金属および合金を意味する。チタンまたはその他の 皮膜形成金属のプレート、ロッド、チューブ、ワイヤーまたは編みワイヤー、および、拡張メッシュが、電極ベースとして用いることができる。また、導電コア上に、チタンまたはその他の皮膜形成金属クラッドを用いることもできる。同じ方法で、多孔質焼結チタンを薄い塗料溶液で表面処理することも可能である。   The electrode used in the present invention includes a film having electrocatalytic activity on a conductive base. The conductive base forms a film such as a metal such as nickel or manganese, or an alloy including titanium, tantalum, zirconium, niobium, tungsten, and silicon and one or more of these metals. Any metal sheet is possible, preferably titanium for cost reasons. “Film-forming metal” means that when connected as an anode in an electrolyte, the coated anode operates and quickly forms a passive oxide film that protects the underlying metal from corrosion by the electrolyte. Which is often referred to as “valve metal” and also alloys containing valve metal (eg, Ti—Ni, Ti—Co, Ti—Fe, and Ti—Cu). Means metals and alloys that form a non-passive surface oxide film at the anode under the same conditions. Titanium or other film-forming metal plates, rods, tubes, wires or braided wires, and expanded meshes can be used as the electrode base. Also, titanium or other film-forming metal clad can be used on the conductive core. In the same way, it is also possible to surface-treat porous sintered titanium with a thin paint solution.

その耐久性、耐食性および利用可能性に関して特に興味深いのは、チタンである。一般的に利用可能な元素金属そのものに加えて、基板に適した金属としては、金属合金、および、金属間混合物、加えて、1種またはそれ以上の弁金属を含むようなセラミックおよびサーメットが挙げられる。例えば、チタンは、ニッケル、コバルト、鉄、マンガンまたは銅との合金にしてもよい。より具体的には、グレード5のチタンは、6.75重量パーセント以下のアルミニウム、および、4.5重量パーセント以下のバナジウムを含んでいてもよく、グレード6のチタンは、6パーセント以下のアルミニウム、および、3パーセント以下のスズを含んでいてもよく、グレード7のチタンは、0.25重量パーセント以下のパラジウムを含んでいてもよく、グレード10のチタンは、10〜13重量パーセントおよび4.5〜7.5重量パーセントのジルコニウムなどを含んでいてもよい。   Of particular interest for its durability, corrosion resistance and availability is titanium. In addition to the generally available elemental metals themselves, suitable metals for the substrate include metal alloys and intermetallic mixtures, plus ceramics and cermets that contain one or more valve metals. It is done. For example, titanium may be an alloy with nickel, cobalt, iron, manganese or copper. More specifically, grade 5 titanium may comprise 6.75 weight percent or less aluminum and 4.5 weight percent or less vanadium, and grade 6 titanium comprises 6 percent or less aluminum, And up to 3 percent tin, grade 7 titanium may contain up to 0.25 weight percent palladium, and grade 10 titanium is 10-13 weight percent and 4.5 May contain up to 7.5 weight percent zirconium and the like.

元素金属が使用される場合、元素金属とは、最も具体的には、それらの一般的に利用可能な状態の金属、すなわち不純物が少量しか含まれない状態の金属を意味する。従って、特に興味深い金属、すなわちチタンの場合、様々なグレードの金属が利用可能であり、例えば、他の成分が合金または不純物を含む合金であるようなものが挙げられる。チタンのグレードは、より具体的には、ASTM B265−79で詳述されているチタンに関する標準規格に記載されている。チタンは特に興味深い金属であるため、電極ベースのための金属を述べる際に、便宜上チタンが本明細書で述べられることが多いと予想される。   When elemental metals are used, elemental metals most specifically mean those metals that are generally available, that is, those that contain only a small amount of impurities. Thus, in the case of a particularly interesting metal, i.e. titanium, various grades of metal are available, for example, where the other component is an alloy or an alloy containing impurities. Titanium grades are more specifically described in the standards for titanium detailed in ASTM B265-79. Because titanium is a particularly interesting metal, it is expected that titanium will often be described herein for convenience when describing the metal for the electrode base.

選択された金属や電極ベースの形態に関係なく、電極ベースは、塗膜組成物をそれらに塗布する前に清浄化された表面であることが有利である。これは、機械的な洗浄などの清浄化された金属表面を達成するのに用いられる処理のいずれにより達成してもよい。また、化学的または電解的いずれかによる脱脂の一般的な清浄化方法、または、その他の化学的な清浄化操作も用いても有利である。ベースの製造にアニーリングが含まれ、金属がグレード1のチタンである場合、チタンは、少なくとも約450℃の温度で、少なくとも約15分間の時間でアニールすることができるが、ほとんどの場合、それより高いアニーリング温度、例えば600℃〜875℃が有利である。   Regardless of the metal selected and the electrode base configuration, the electrode base is advantageously a surface that has been cleaned prior to applying the coating composition to them. This may be achieved by any of the processes used to achieve a cleaned metal surface such as mechanical cleaning. It is also advantageous to use general cleaning methods for degreasing either chemically or electrolytically, or other chemical cleaning operations. If the base fabrication includes annealing and the metal is grade 1 titanium, the titanium can be annealed at a temperature of at least about 450 ° C. for a time of at least about 15 minutes, but in most cases A high annealing temperature, for example 600 ° C. to 875 ° C., is advantageous.

ほとんどの適用に関して、表面粗さを有するベースを得ることが有利である。これは、金属の粒界エッチング、プラズマ溶射の適用(これにより、微粒子状の弁金属もしくはセラミック酸化物の粒子またはその両方の溶射の適用が可能である)、金属表面のエッチング、および、尖ったグリットによるグリットブラスト、任意に、それに続いて、表面処理して埋め込まれたグリットを除去し、および/または、表面を清浄化すること、または、それらの組み合わせなどの手段によって達成されると予想される。場合によっては、このようなベースを簡単に洗浄するだけで、極めて滑らかな基板表面が得られることもある。あるいは、皮膜を形成する導電ベースは、予め塗布された皮膜形成金属酸化物の表面皮膜を有していてもよく、この皮膜は、活性な塗膜を塗布する際に塗膜溶液中の物質(例えばHCl)によって浸食され、一体化された表面皮膜の一部として再構成することができる。   For most applications it is advantageous to obtain a base having a surface roughness. This involves the application of metal grain boundary etching, plasma spraying (which allows the application of particulate valve metal and / or ceramic oxide particles spraying), metal surface etching, and pointed Grit blasting with grit, optionally followed by surface treatment to remove embedded grit and / or clean the surface, or expected to be achieved by means such as combinations thereof The In some cases, a very smooth substrate surface can be obtained by simply cleaning such a base. Alternatively, the conductive base forming the film may have a pre-coated film-forming metal oxide surface film, which is the material in the coating solution when applying the active coating film ( For example, it can be reconstituted as part of an integrated surface coating eroded by HCl).

エッチングは、表面粗さ、および/または、表面の形態を発達させるのに十分に活性なエッチング溶液(侵食性の粒子の境界腐蝕が見込まれることを含む)によるものとなろう。典型的なエッチング溶液は、酸溶液である。これらは、塩化水素酸、硫酸、過塩素酸、硝酸、シュウ酸、酒石酸およびリン酸、ならびにそれらの混合物、例えば王水によって提供することができる。利用可能なその他のエッチング剤としては、腐食性のエッチング剤が挙げられ、例えば水酸化カリウム/過酸化水素の溶液、または、硝酸カリウムを用いた水酸化カリウムの溶融物である。エッチング後、エッチングされた金属表面は、リンスおよび乾燥工程で処理することができる。エッチングによる適切な表面の製造は、米国特許第5,167,788号でさらに十分に考察されている(この特許は、この参照により開示に含まれる)。   Etching will be due to an etching solution that is sufficiently active to develop surface roughness and / or surface morphology, including the possibility of erosive particle boundary corrosion. A typical etching solution is an acid solution. These can be provided by hydrochloric acid, sulfuric acid, perchloric acid, nitric acid, oxalic acid, tartaric acid and phosphoric acid, and mixtures thereof, such as aqua regia. Other etchants that may be used include corrosive etchants, such as a potassium hydroxide / hydrogen peroxide solution or a potassium hydroxide melt using potassium nitrate. After etching, the etched metal surface can be treated with a rinse and dry process. The production of suitable surfaces by etching is more fully discussed in US Pat. No. 5,167,788, which is included in the disclosure by this reference.

適切に粗面化された金属表面のためのプラズマ溶射において、その材料は、粒状で、例えば溶融金属の液滴で適用されると予想される。このプラズマ溶射は、例えば金属を噴霧するために適用されると予想されるが、このような場合、金属を溶融し、アルゴンまたは窒素(少量の水素を含んでいてもよい)のような不活性ガス中で電気アークで高温に加熱することによって生成したプラズマ流に噴霧する。本明細書において用語「プラズマ溶射」が使用される場合、プラズマ溶射であることが好ましいが、この用語は、一般的に、電磁流体力学的な溶射、フレーム溶射およびアーク溶射のような熱溶射を含むことを意味しており、従って、単に溶射という場合は、「溶融溶射」または「熱溶射」のことを指すこともあるとする。   In plasma spraying for a suitably roughened metal surface, the material is expected to be applied in granular form, for example in molten metal droplets. This plasma spraying is expected to be applied, for example, to spray metal, but in such cases it melts the metal and is inert such as argon or nitrogen (which may contain a small amount of hydrogen) Spray into a plasma stream generated by heating to high temperature with an electric arc in gas. Where the term “plasma spraying” is used herein, it is preferably plasma spraying, but this term generally refers to thermal spraying such as magnetohydrodynamic spraying, flame spraying and arc spraying. Therefore, the term “thermal spraying” may refer to “melt spraying” or “thermal spraying”.

用いられる微粒子材料としては、弁金属、または、それらの酸化物、例えば酸化チタン、酸化タンタルおよびニオブ酸化物が可能である。また、チタン酸塩、スピネル、磁鉄鉱、酸化スズ、酸化鉛、酸化マンガンおよびペロブスカイトを溶融溶射することも考えられる。また、ニオブまたはスズまたはインジウムのようなイオン形態のドーパントなどの様々な添加剤を用いて、溶射される酸化物をドープすることも考えられる。   The particulate material used can be a valve metal or an oxide thereof, such as titanium oxide, tantalum oxide and niobium oxide. It is also conceivable to melt spray the titanate, spinel, magnetite, tin oxide, lead oxide, manganese oxide and perovskite. It is also conceivable to dope the sprayed oxide with various additives such as dopants in ionic form such as niobium or tin or indium.

また、このようなプラズマ溶射の適用は、基板の金属表面のエッチングと組み合わせて用いることも考えられる。または、電極ベースは、まず上述したグリットブラストによって製造され、それに続いてエッチングを行ってもよいし、または、行わなくてもよい。   Further, such plasma spraying may be used in combination with etching of the metal surface of the substrate. Alternatively, the electrode base is first manufactured by grit blasting as described above, and may or may not be subsequently etched.

また、適切に粗面化された金属表面は、尖ったグリットを用いた特殊なグリットブラストにより得ることができることも見出されており、それに続いて、表面に埋め込まれたグリットを除去してもよい。このようなグリットは、通常は角のある粒子を含むと予想され、これらは、表面のピーニングとは対照的に金属表面を切削すると予想される。このような目的で実用的なグリットとしては、砂、酸化アルミニウム、鋼および炭化ケイ素を含むものが挙げられる。埋め込まれたグリットを除去したり、および/または、表面を清浄化したりするために、エッチング、またはその他の処理、例えば水によるブラスティングを、グリットブラストの後に用いることができる。   It has also been found that a properly roughened metal surface can be obtained by special grit blasting with pointed grit, followed by removal of grit embedded in the surface. Good. Such grit is normally expected to contain angular particles, which are expected to cut the metal surface as opposed to surface peening. Practical grit for such purposes includes those containing sand, aluminum oxide, steel and silicon carbide. Etching or other treatments such as water blasting can be used after grit blasting to remove embedded grit and / or clean the surface.

前述のことから当然ながら、続いて、この表面に、塗膜(例えば上述した弁金属酸化物の塗膜のプラズマ溶射)の前に様々な操作によって前処理を施してもよい。また、その他の前処理も有用であり得る。例えば、表面を水素化または窒化処理することが考えられる。電気化学的に活性な物質で塗膜する前に、空気中で基板を加熱すること、または、基板を陽極酸化すること(米国特許第3,234,110号で説明されている通り)によって酸化物層を提供することも提唱されている。電気化学的に活性な物質の外層をその下の層に析出させるという様々な提案がなされており、このような層は、主として保護的かつ導電性の中間体としてとして役立つ。米国特許第4,272,354号、3,882,002号、および、3,950,240号では、様々な酸化スズベースの基層が開示されている。また、このような表面は、非不動態層と同様にして製造することも考えられる。   Of course, the surface may subsequently be pretreated by various operations prior to coating (eg, plasma spraying of the valve metal oxide coating described above). Other pretreatments can also be useful. For example, the surface may be hydrogenated or nitrided. Oxidize by heating the substrate in air or anodizing the substrate (as described in US Pat. No. 3,234,110) prior to coating with an electrochemically active material It has also been proposed to provide a physical layer. Various proposals have been made to deposit an outer layer of electrochemically active material in a layer below it, such a layer serving primarily as a protective and conductive intermediate. U.S. Pat. Nos. 4,272,354, 3,882,002, and 3,950,240 disclose various tin oxide based substrates. It is also conceivable to manufacture such a surface in the same manner as the non-passive layer.

上述のように前処理層を提供すること等を含み得る表面製造の後、基板部材に、電気化学的に活性な塗膜層が適用される。適用されることが多い電気化学的に活性な塗膜の代表的なものとしては、典型的には、活性な酸化物の塗膜、例えば白金族金属酸化物、磁鉄鉱、フェライト、コバルトスピネル、または、混合金属酸化物の塗膜から得られる塗膜が挙げられる。このような塗膜は、水ベースのものでもよく、例えば水溶液であり、または、溶媒ベースのものでもよく、例えばアルコール溶媒を用いたものである。しかしながら、本発明の電極について、好ましい塗膜組成物の溶液は、典型的には、白金族金属酸化物と弁金属酸化物との混合金属酸化物の塗膜の溶液であることが発見された。   After surface preparation, which may include providing a pretreatment layer as described above, an electrochemically active coating layer is applied to the substrate member. Typical of the electrochemically active coatings often applied are typically active oxide coatings such as platinum group metal oxides, magnetite, ferrites, cobalt spinels, or And a coating film obtained from a coating film of a mixed metal oxide. Such a coating film may be water-based, for example, an aqueous solution, or may be solvent-based, for example, using an alcohol solvent. However, for the electrodes of the present invention, it has been discovered that the preferred coating composition solution is typically a mixed metal oxide coating solution of a platinum group metal oxide and a valve metal oxide. .

本発明の白金族金属酸化物は、好ましくは、弁金属酸化物と組み合わせて、RuCl3、PdCl2、IrCl3および塩酸を含み、いずれもアルコール溶液である。当然ながら、RuCl3、PdCl2、IrCl3は、RuCl3×H2O、PdCl2×H2O、および、IrCl3×H2Oのような形態で用いてもよい。便宜上、このような形態は、本明細書では単にRuCl3、PdCl2およびIrCl3のように一般的に記載されるものとする。一般的に、金属塩は、アルコール(例えばイソプロパノールまたはブタノールのいずれか)に溶解されると予想され、いずれの場合も少量の塩酸を添加して、または添加しないで混合され、好ましくはn−ブタノールである。当然ながら上記成分は、完成した塗膜中では実質的にそれらの酸化物として存在し、金属について述べる場合、便宜上、特に比率について述べている。 The platinum group metal oxide of the present invention preferably contains RuCl 3 , PdCl 2 , IrCl 3 and hydrochloric acid in combination with the valve metal oxide, all of which are alcohol solutions. Of course, RuCl 3 , PdCl 2 and IrCl 3 may be used in forms such as RuCl 3 × H 2 O, PdCl 2 × H 2 O, and IrCl 3 × H 2 O. For convenience, such forms shall be generally described herein simply as RuCl 3 , PdCl 2 and IrCl 3 . In general, the metal salt is expected to be dissolved in an alcohol (eg, either isopropanol or butanol), in each case mixed with or without the addition of a small amount of hydrochloric acid, preferably n-butanol It is. Of course, the above components are present substantially as their oxides in the finished coating, and when referring to metals, the ratios are specifically mentioned for convenience.

塗膜をさらに安定化し、および/または、陽極の効率を変更するために、弁金属成分が塗膜組成物中に存在することも考えられる。様々な弁金属を利用することができ、例えば、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、モリブデン、および、タングステンが挙げられ、好ましくはチタンである。弁金属成分は、アルコール溶媒中で、酸の存在下または非存在下で、弁金属アルコキシドから形成することができる。このような、本発明での使用が考慮される弁金属アルコキシドとしては、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド、および、ブトキシドが挙げられる。例えば、チタンエトキシド、チタンプロポキシド、チタンブトキシド、タンタルエトキシド、タンタルイソプロポキシド、または、タンタルブトキシドが有用な可能性があり、好ましくはチタンブトキシドである。   It is also conceivable that a valve metal component is present in the coating composition in order to further stabilize the coating and / or change the efficiency of the anode. Various valve metals can be utilized, including titanium, tantalum, niobium, zirconium, hafnium, vanadium, molybdenum, and tungsten, with titanium being preferred. The valve metal component can be formed from the valve metal alkoxide in an alcohol solvent in the presence or absence of an acid. Such valve metal alkoxides contemplated for use in the present invention include methoxide, ethoxide, isopropoxide, and butoxide. For example, titanium ethoxide, titanium propoxide, titanium butoxide, tantalum ethoxide, tantalum isopropoxide, or tantalum butoxide may be useful, preferably titanium butoxide.

本発明の混合金属酸化物の塗膜において、チタンの白金族金属酸化物に対するモル比が、約90:10〜約40:60、ルテニウムのイリジウムに対するモル比が、約90:10〜約50:50、および、Pd:(Ru+Ir)のモル比が、約5:95〜約40:60で含まれると予想される。本発明の混合金属酸化物の塗膜の特に好ましい組成物は、チタンの貴金属酸化物に対するモル比が、金属を基準として約70:30、および、Pd:(Ru+Ir)のモル比が、約20:80で含まれると予想される。   In the mixed metal oxide coating of the present invention, the molar ratio of titanium to platinum group metal oxide is about 90:10 to about 40:60, and the molar ratio of ruthenium to iridium is about 90:10 to about 50: A molar ratio of 50 and Pd: (Ru + Ir) is expected to be included from about 5:95 to about 40:60. Particularly preferred compositions of the mixed metal oxide coatings of the present invention have a molar ratio of titanium to noble metal oxide of about 70:30 based on metal and a molar ratio of Pd: (Ru + Ir) of about 20 : Expected to be included at 80.

本明細書で利用される混合金属酸化物の塗膜層は、液体塗膜組成物を金属基板に適用するのに有用な手段のいずれかによって適用されると予想される。このような方法としては、ディップスピンおよびディップドレイン(dip drain)技術、はけ塗り、ローラー塗り、および、噴霧塗布(例えば静電噴霧)が挙げられる。さらに、噴霧塗布との組み合わせ技術も利用可能であり、例えばディップドレインと噴霧塗布との併用が挙げられる。上述の電気化学的に活性な塗膜を提供するための塗膜組成物を用いる場合、ローラー塗り操作が最も実用的であり得る。   The mixed metal oxide coating layer utilized herein is expected to be applied by any means useful for applying a liquid coating composition to a metal substrate. Such methods include dip spin and dip drain techniques, brushing, roller coating, and spray application (eg, electrostatic spraying). Furthermore, a combination technique with spray coating can be used, and for example, combined use of dip drain and spray coating can be mentioned. When using the coating composition to provide the electrochemically active coating described above, a roller coating operation may be most practical.

塗膜の塗布方法に関係なく、慣習的に、塗膜手法を繰り返すことによって、たった1回の塗膜によって達成されるものよりも均一で高い塗膜重量を提供することができる。しかしながら、塗布される塗膜の量は、電極ベース1面につき金属としてルテニウム含量に基づき、約0.05g/m2(グラム/平方メートル)〜約6g/m2、好ましくは約1g/m2〜約4g/m2の範囲を提供するのに十分な量と予想される。 Regardless of how the coating is applied, it is customary to repeat the coating technique to provide a coating weight that is more uniform and higher than that achieved by a single coating. However, the amount of coating applied is from about 0.05 g / m 2 (grams per square meter) to about 6 g / m 2 , preferably from about 1 g / m 2 based on the ruthenium content as metal per electrode base. An amount sufficient to provide a range of about 4 g / m 2 is expected.

塗膜を塗布した後、塗布された組成物は加熱されると予想されるが、それにより、塗膜組成物中に存在する前駆体を熱分解することによって得られた混合酸化物の塗膜が製造される。これにより、上述した通りのモル比(酸化物の金属を基準とする)で混合酸化物を含む混合酸化物の塗膜が製造される。このようにして熱分解のために加熱することは、約450℃〜約550℃の温度で、被覆1回あたり約3分〜約15分間の時間で行われると予想される。より典型的には、塗布された塗膜は、約490〜525℃以下のより高温で、被覆1回あたり約20分間以下の時間で加熱されると予想される。適切な条件としては、空気または酸素中で加熱することが挙げられる。一般的に、用いられる加熱技術は、金属基板上で塗膜を硬化するのに用いることができる技術のいずれかが可能である。従って、コンベヤーオーブンなどのオーブンでの被覆が利用可能である。さらに、赤外線硬化技術が有用な場合もある。このようにして加熱した後、塗膜組成物の追加の塗布が適用されると予想される追加の被覆の前に、加熱および被覆された基板は、通常、少なくとも実質的に周囲温度まで冷却されると予想される。特に塗膜組成物全ての塗布が完了した後、ポストベーキングを用いることができる。典型的な塗膜のポストベーキング条件は、約450℃〜約550℃の温度を含んでいてもよい。ベーキング時間は、約1時間から、長くても約6時間の範囲で様々であってよい。   After applying the coating, the applied composition is expected to be heated, thereby resulting in a mixed oxide coating obtained by pyrolyzing the precursor present in the coating composition. Is manufactured. Thereby, the coating film of the mixed oxide containing the mixed oxide is manufactured at the molar ratio (based on the metal of the oxide) as described above. Heating for pyrolysis in this manner is expected to occur at a temperature of about 450 ° C. to about 550 ° C. for a time of about 3 minutes to about 15 minutes per coating. More typically, the applied coating is expected to be heated at a higher temperature of about 490-525 ° C. or less for a time of about 20 minutes or less per coating. Suitable conditions include heating in air or oxygen. In general, the heating technique used can be any technique that can be used to cure a coating on a metal substrate. Accordingly, coating with an oven such as a conveyor oven is available. In addition, infrared curing techniques may be useful. After heating in this manner, the heated and coated substrate is typically cooled to at least substantially ambient temperature before additional coating in which additional application of the coating composition is expected to be applied. It is expected. In particular, post-baking can be used after the application of all coating compositions is complete. Typical coating post-baking conditions may include temperatures from about 450 ° C to about 550 ° C. Baking times may vary from about 1 hour to as long as about 6 hours.

以下の実施例は、特に比較例のような他の規定がない限り、一般的に、本発明の塗膜を含む陽極を用いれば、高い効率で高濃度の次亜塩素酸塩が製造されることを実証する:   In the following examples, unless otherwise specified as in the comparative examples, generally, a high-concentration hypochlorite is produced with high efficiency by using an anode including the coating film of the present invention. Prove that:

実施例1
厚さ約0.15cmであり、約10×15cmの寸法を有する合金化されていないグレード1チタンの平坦なチタンプレートを、アルミナを用いてグリットブラストし、粗面を得た。次に、このサンプルを、90〜95℃の18〜20%塩酸溶液中で25分間エッチングした。
Example 1
A flat titanium plate of unalloyed grade 1 titanium having a thickness of about 0.15 cm and dimensions of about 10 × 15 cm was grit blasted with alumina to obtain a rough surface. The sample was then etched for 25 minutes in an 18-20% hydrochloric acid solution at 90-95 ° C.

表1に記載の塗膜組成物を、54個のグリットアルミナを用いたグリットブラストによって製造した寸法10cm×15cm×0.15cmのグレード1のチタンからなる別個のサンプルに塗布した。塗膜溶液A〜Dを、塩化物塩として、表に列挙した濃度を得るのに十分な量の金属をn−ブタノールおよび4.2体積%の濃HCl溶液に溶解させて製造した。用いられた化合物は、RuCl3、IrCl3、および、PdCl2(全て水和物)、ならびに、オルトブチルチタネートとしてのチタンであった。全ての塩を混合して溶解させた後、この溶液を製造されたチタンプレートの個々のサンプルに塗布した。はけ塗りによって、各塗膜を別々に塗布して塗膜を層状に塗布し、110℃で3分間乾燥させ、続いて空気中で500℃で6分間加熱した。各サンプルに、総計で5種の塗膜を塗布した。サンプルA〜Dは、本発明に従った。サンプルEは、比較例とした。 The coating composition described in Table 1 was applied to a separate sample consisting of grade 1 titanium of dimensions 10 cm × 15 cm × 0.15 cm produced by grit blasting with 54 grit aluminas. Coating solutions AD were prepared as chloride salts by dissolving a sufficient amount of metal in n-butanol and 4.2 vol% concentrated HCl solution to obtain the concentrations listed in the table. The compounds used were RuCl 3 , IrCl 3 , and PdCl 2 (all hydrates) and titanium as orthobutyl titanate. After all the salts were mixed and dissolved, this solution was applied to individual samples of the manufactured titanium plates. Each paint film was applied by brushing and applied in layers, dried at 110 ° C. for 3 minutes, and then heated in air at 500 ° C. for 6 minutes. A total of five coatings were applied to each sample. Samples AD were in accordance with the present invention. Sample E was a comparative example.

Figure 0004560089
Figure 0004560089

サンプルの26cm2の領域を1gpl(g/l)のNa2Cr27を含む28gplのNaClの溶液に浸漬し、4.86アンペア(0.186A/cm2)の陽極電流を印加することによって、サンプルの次亜塩素酸塩の効率をビーカーセル中で測定した。陽極から3mmの間隔を取ってチタン陰極を用いた。サンプルを8分毎に引き出し、次亜塩素酸塩に関して滴定した。図1および表IIに、次亜塩素酸塩濃度の関数としての次亜塩素酸塩を製造する電流効率をプロットした。 A 26 cm 2 area of the sample is immersed in a solution of 28 gpl NaCl containing 1 gpl (g / l) Na 2 Cr 2 O 7 and an anode current of 4.86 amps (0.186 A / cm 2 ) is applied. The efficiency of the hypochlorite of the sample was measured in a beaker cell. A titanium cathode was used at a distance of 3 mm from the anode. Samples were drawn every 8 minutes and titrated for hypochlorite. In FIG. 1 and Table II, the current efficiency for producing hypochlorite as a function of hypochlorite concentration is plotted.

Figure 0004560089
Figure 0004560089

次に、加速試験において、一群のサンプルA〜Eを、陽極として、電流密度10kA/m2、65℃で、150g/lのH2SO4を含む電気化学セル中で酸素発生陽極として稼働させた。30分毎に時間に対するセル電圧のデータを回収し、寿命を、電圧が急速に増加し始める変曲点として測定した。図2および表IIに、結果を要約する(白金族金属の量に標準化した)。Rh管と0.15mmのSnフィルターを備えたヨルダンヴァレー(Jordan Valley)のEX−300スペクトロメーターを用いた金属ピークに関するX線蛍光によるカウントを測定することによって標準化を行った。印加した電圧は40kV(キロボルト)であり、電流は25μAであった。測定されたピークは、RuK−アルファ、PdK−アルファ、および、IrL−ベータであった。Ru、Pdおよび/またはIrの総カウントを用いて、寿命を標準化した。 Next, in the accelerated test, a group of samples A to E were operated as an anode for generating oxygen in an electrochemical cell containing 150 g / l H 2 SO 4 at a current density of 10 kA / m 2 and 65 ° C. as an anode. It was. Cell voltage data over time was collected every 30 minutes and the lifetime was measured as the inflection point where the voltage began to increase rapidly. Figure 2 and Table II summarize the results (normalized to the amount of platinum group metals). Normalization was performed by measuring X-ray fluorescence counts on metal peaks using a Jordan Valley EX-300 spectrometer equipped with an Rh tube and a 0.15 mm Sn filter. The applied voltage was 40 kV (kilovolts) and the current was 25 μA. The measured peaks were RuK-alpha, PdK-alpha, and IrL-beta. Lifetime was normalized using the total count of Ru, Pd and / or Ir.

従って、表IIの結果から、本発明に従って製造されたサンプルは、比較例に比べて実質的に高い電流効率を有し、同時に改善されていることが明白であり、または、電圧が有意な上昇(1ボルトを超える)を起こすまでの時間が長くなったことから明らかなように、寿命も十分である。   Thus, from the results in Table II, it is clear that the samples produced according to the present invention have substantially higher current efficiency compared to the comparative examples and are improved at the same time, or the voltage increases significantly The lifetime is also sufficient, as evidenced by the longer time to cause (greater than 1 volt).

特許法に従って最良の形態と好ましい実施態様を記載したが、本発明の範囲はそれらに限定されず、添付の請求項の範囲によって既定される。   Although the best mode and preferred embodiments have been described according to patent law, the scope of the invention is not limited thereto but is defined by the scope of the appended claims.

次亜塩素酸塩濃度の関数としての次亜塩素酸塩を製造する電流効率をプロットした。The current efficiency for producing hypochlorite as a function of hypochlorite concentration was plotted. 白金族金属の量に標準化した寿命に関するグラフである。It is a graph regarding the lifetime normalized to the quantity of the platinum group metal.

Claims (14)

次亜塩素酸塩を製造するための水溶液の電気分解に使用する電極であって:
弁金属電極ベース;
該弁金属電極ベース上の、白金族金属酸化物とチタンの弁金属酸化物との混合金属酸化物の塗膜を含む電極触媒の塗膜、
からなり、ここで、該白金族金属酸化物は、ルテニウム、パラジウムおよびイリジウムの酸化物からなり;
ここで、基準として塗膜中に存在する金属を100モルパーセントとして、
(a)該チタンの該白金族金属酸化物に対するモル比は、90:10〜40:60であり;
(b)該ルテニウムの該イリジウムに対するモル比は、90:10〜50:50であり、さらに、
(c)該酸化パラジウムの酸化ルテニウムおよび酸化イリジウムに対するモル比は、5:95〜40:60である、上記電極。
An electrode for use in electrolysis of an aqueous solution to produce hypochlorite:
Valve metal electrode base;
An electrode catalyst coating comprising a mixed metal oxide coating of a platinum group metal oxide and a titanium valve metal oxide on the valve metal electrode base;
Wherein the platinum group metal oxide comprises an oxide of ruthenium, palladium and iridium;
Here, as a standard, the metal present in the coating film as 100 mole percent,
(A) the molar ratio of the titanium to the platinum group metal oxide is 90:10 to 40:60;
(B) the molar ratio of the ruthenium to the iridium is 90:10 to 50:50;
(C) The said electrode whose molar ratio of this palladium oxide with respect to ruthenium oxide and iridium oxide is 5: 95-40: 60.
前記弁金属電極ベースは、弁金属のメッシュ、シート、ブレード、チューブ、穿孔板、または、ワイヤー部材である、請求項1に記載の電極。  The electrode according to claim 1, wherein the valve metal electrode base is a valve metal mesh, sheet, blade, tube, perforated plate, or wire member. 前記弁金属電極ベースは、チタン、タンタル、アルミニウム、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、または、タングステン、それらの合金、および、それらの金属間混合物のいずれか一種で製造されている、請求項1または2に記載の電極。  The valve metal electrode base is manufactured from any one of titanium, tantalum, aluminum, hafnium, niobium, zirconium, molybdenum, or tungsten, an alloy thereof, and an intermetallic mixture thereof. 2. The electrode according to 2. 前記弁金属電極ベースの表面は、粗面である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電極。  The surface of the said valve metal electrode base is an electrode as described in any one of Claims 1-3 which is a rough surface. 前記粗面は、粒界エッチング、グリットブラスティングまたは熱溶射の1種以上の工程により得られる、請求項4に記載の電極。  The electrode according to claim 4, wherein the rough surface is obtained by one or more processes of grain boundary etching, grit blasting, or thermal spraying. 前記粗面上の前処理層としてセラミック酸化物のバリア層が確立されている、請求項4に記載の電極。  The electrode according to claim 4, wherein a barrier layer of ceramic oxide is established as a pretreatment layer on the rough surface. 前記チタンの前記白金族金属酸化物に対するモル比は、70:30であり、前記酸化パラジウムの酸化ルテニウムおよび酸化イリジウムに対するモル比は、20:80である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電極。  The molar ratio of the titanium to the platinum group metal oxide is 70:30, and the molar ratio of the palladium oxide to ruthenium oxide and iridium oxide is 20:80. Electrode. 酸化ルテニウムの酸化イリジウムに対するモル比は、1:1である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電極。  The electrode according to claim 1, wherein the molar ratio of ruthenium oxide to iridium oxide is 1: 1. 海水の電気分解における陽極としての、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電極の使用。  Use of an electrode according to any one of claims 1 to 8 as an anode in electrolysis of seawater. 次亜塩素酸塩を、少なくとも8グラム/リットルの濃度で、さらに90%〜100%の範囲の電流効率で製造する方法における陽極としての、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電極の使用。  9. Electrode according to any one of the preceding claims, as an anode in a process for producing hypochlorite at a concentration of at least 8 grams / liter and further with a current efficiency in the range of 90% to 100%. Use of. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の少なくとも1つの陽極を備えた電解セル中で水溶液を電気分解する方法であって:
分離されていない電解セルを提供する工程;
該セル中に塩化物を含む電解質を入れる工程;
該セル中に該陽極を該電解質と接触させて提供する工程、
該陽極に電流を印加する工程;および、
該陽極で塩化物を酸化して、次亜塩素酸塩を少なくとも8グラム/リットルの濃度で生産する工程、
を含む、上記方法。
A method for electrolyzing an aqueous solution in an electrolytic cell comprising at least one anode according to claim 1, comprising:
Providing an unseparated electrolysis cell;
Placing an electrolyte containing chloride in the cell;
Providing the anode in contact with the electrolyte in the cell;
Applying an electric current to the anode; and
Oxidizing the chloride at the anode to produce hypochlorite at a concentration of at least 8 grams / liter;
Including the above method.
前記セル中の前記塩化物電解質は、塩化ナトリウム、または、塩化カリウムの1種以上である、請求項11に記載の方法。  The method according to claim 11, wherein the chloride electrolyte in the cell is one or more of sodium chloride and potassium chloride. 前記陽極の表面は、粒界エッチング、グリットブラスティングまたは熱溶射の1種以上の工程により製造された粗面である、請求項11または12に記載の方法。  The method according to claim 11 or 12, wherein the surface of the anode is a rough surface produced by one or more processes of grain boundary etching, grit blasting or thermal spraying. 前記粗面化された陽極表面はチタンを含み、前記電極触媒の塗膜は、静電噴霧での塗布、はけ塗り、ローラー塗り、浸漬塗り、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される手法によって前記チタン部材上に提供される、請求項13に記載の方法。  The roughened anode surface contains titanium, and the electrode catalyst coating is selected from the group consisting of electrostatic spray application, brush application, roller application, dip application, and combinations thereof 14. The method of claim 13, wherein the method is provided on the titanium member.
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